精密机床直线进给系统误差均化机理研究

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.023

工程设计学报

2023, Vol. 30

Issue (2): 200-211 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.023

保质设计

精密机床直线进给系统误差均化机理研究

孙光明^1,²(

),张大卫¹,孙铭泽³,徐鹏飞¹,陈发泽¹,李志军⁴

^1.天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室，天津 300072
^2.天津城建大学控制与机械工程学院，天津 300384
^3.天津理工大学机械工程学院，天津 300082
^4.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072

Research on error averaging mechanism of linear feed system for precision machine tools

Guangming SUN^1,²(

),Dawei ZHANG¹,Mingze SUN³,Pengfei XU¹,Faze CHEN¹,Zhijun LI⁴

^1.Key Laboratory of Mechanism Theory and Equipment Design of Ministry of Education, Tianjin University, Tianjin 300072, China
^2.School of Control and Mechanical Engineering, Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China
^3.School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300082, China
^4.State Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300072, China

全文: PDF(5153 KB) HTML

摘要：

精密机床直线进给系统的误差均化现象是机床精度设计中的重点关注问题。以精密卧式加工中心中典型的双导轨四滑块直线进给系统为研究对象，重点研究滚动导轨副几何误差与工作台运动误差之间的均化机理。首先，利用基于传递函数的等效刚度法，建立了导轨几何误差与工作台运动误差之间的映射关系，并以法向直线度误差为例揭示了误差均化机理。然后，建立了双导轨四滑块直线进给系统有限元模型，分析了导轨几何误差与工作台运动误差的均化系数。最后，开展了误差均化机理分析实验，通过测量导轨几何误差和工作台运动误差并计算误差均化系数，验证了理论分析与仿真分析的正确性。研究结果为机床的精度设计提供了理论依据。

关键词： 精密机床; 直线进给系统; 误差均化; 均化系数

Abstract:

The phenomenon of error averaging in the linear feed system of precision machine tools is a key concern in machine tool accuracy design. Taking a typical linear feed system with double guide rails and four sliders in precision horizontal machining center as the research object, the averaging mechanism between the geometric error of rolling guide rail pair and the motion error of workbench was emphatically studied. Firstly, the equivalent stiffness method based on transfer function was used to establish the mapping relationship between the geometric error of guide rail and the motion error of workbench, and the error averaging mechanism was revealed by taking the normal straightness error as an example. Then, the finite element model of the linear feed system with double guide rails and four sliders was established, and the averaging coefficients of the geometric error of guide rail and the motion error of workbench were analyzed. Finally, an error averaging mechanism analysis experiment was conducted to verify the correctness of the theoretical analysis and simulation analysis by measuring the geometric error of guide rail and the motion error of workbench and calculating the error averaging coefficient. The research results provide a theoretical basis for the accuracy design of machine tools.

Key words: precision machine tool linear feed system error averaging averaging coefficient

收稿日期: 2022-07-18 出版日期: 2023-05-06

CLC:

TH 122

基金资助: 国家重点研发计划项目(2018YFB1701201);天津市自然科学基金青年项目(22JCQNJC01000);天津市企业特派员项目(22YDTPJC00260)

作者简介: 孙光明（1987—），男，河南驻马店人，讲师，博士，从事精密机床误差测量、分析与补偿技术研究，E-mail: gmsun@tju.edu.cn，https://orcid.org/0000-0002-0961-9964

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引用本文:

孙光明,张大卫,孙铭泽,徐鹏飞,陈发泽,李志军. 精密机床直线进给系统误差均化机理研究[J]. 工程设计学报, 2023, 30(2): 200-211.

Guangming SUN,Dawei ZHANG,Mingze SUN,Pengfei XU,Faze CHEN,Zhijun LI. Research on error averaging mechanism of linear feed system for precision machine tools[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2023, 30(2): 200-211.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.023 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2023/V30/I2/200

图1 双导轨四滑块直线进给系统

图2 单滑块力学模型

图3 导轨几何误差作用下滑块的受力分析

图4 双导轨四滑块直线进给系统静力平衡模型

图5 导轨几何误差波长对工作台直线度误差均化系数的影响

图6 导轨几何误差幅值对工作台直线度误差均化系数的影响

表1 单滑块有限元模型材料属性设置

图7 滚柱预紧量与导轨几何误差的映射关系

图8 滚柱与滚道面接触的几何关系

图9 基于弹簧单元法的单滑块有限元模型

图10 单个滚柱的接触刚度曲线对比

图11 滑块的静刚度曲线对比

图12 双导轨四滑块直线进给系统有限元模型

图13 导轨几何误差形态示意

图14 不同系数p对应的导轨几何误差形态

图15 系数p对工作台直线度误差的影响

图16 不同系数q对应的导轨几何误差形态

图17 系数q对工作台直线度误差的影响

图18 不同系数 τ 对应的导轨几何误差形态

图19 系数 τ 对工作台直线度误差的影响

表2 误差均化机理分析实验台参数 (mm)

仪器及工具	用途	备注
光电准直仪	用于测量导轨安装基面、滑块面和工作台的直线度误差	AIM系列，分辨率为0.01 $''$ ，精度为0.1 $''$
扭矩扳手	对导轨的固定螺栓施加规定的拧紧力矩	力矩为5~60 Nm
水平仪	平行度测量和角度调整	0.02 mm/m

表3 误差均化机理分析实验所用仪器及工具

图20 导轨和工作台的直线度误差测量现场

图21 导轨和工作台的直线度误差测量结果（第1次实验）

表4 第1次实验中直线进给系统的误差传递情况 (μm)

表5 直线度误差均化系数的实验与仿真结果比较（第1次实验）

图22 导轨和工作台的直线度误差测量结果（第2次实验）

表6 第2次实验中直线进给系统的误差传递情况 (μm)

表7 直线度误差均化系数的实验与仿真结果比较（第2次实验）

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