大型数控落地镗铣床主轴滑枕变形分析与误差补偿技术的研究

摘要

大型数控落地镗铣床作为工业生产制造的基础设备在能源、冶金、矿山、航空航天、汽车、发电设备、国防等行业的机械加工方面均扮演着不可替代的角色。大型数控落地镗铣床的主轴在滑枕内移动，工作过程中滑枕从主轴箱中伸出的长度在1200mm左右，重达5吨，因此在其自重以及镗削力的共同作用下主轴滑枕将产生变形，严重超出了国家标准规定的0.03mm/500mm精度要求，即我们常说的“主轴低头”现象。这种现象在工业生产中将会严重影响机床的加工精度导致产品的加工质量得不到保证。
　　 本文对TH6920大型数控落地镗铣床的主轴滑枕建立了有限元模型，通过理论计算结合有限元仿真分析的方法，研究其主轴滑枕的主要变形，同时设计了相应的补偿装置来减小此变形，进而提高其加工精度。
　　 本文研究的具体内容如下:
　　 1.参考既有的主轴滑枕数学模型，结合TH6920大型数控落地镗铣床的实际情况，确定其主轴滑枕的等效模型参数，并进行理论计算分析其变形。
　　 2.在确定好主轴滑枕参数模型后，根据弹塑性力学、材料力学以及有限元分析的基本理论，利用ANSYS软件建立其有限元模型，分析其主要受力及变形。
　　 3.基于主轴滑枕的理论变形分析，设计“油压缸-拉杆”补偿装置，同时将此模型导入有限元软件ANSYS中分析其补偿后的变形效果，与原始模型的变形进行对比，进而验证此补偿模型的正确性。
　　 4.基于补偿后的主轴滑枕模型，用有限元软件ANSYS对其进行模态分析，得到主轴滑枕的受迫振动频率范围，以便在工作过程中避开这些频率范围，减小其振动，从而进一步提高机床整体的加工精度。
　　 5.基于“PLC-电液伺服比例阀”反馈控制系统，给出相应的主轴滑枕工作行程的拉力补偿控制程序，对补偿后的主轴滑枕系统进行电气PLC反馈控制。
　　 研究结果表明:大型数控落地镗铣床主轴滑枕在其自身重力与镗削力的共同作用下，其最大变形为0.061mm，采用“油压缸-拉杆”补偿装置进行补偿后，其变形减少为0.025mm，达到了国家标准，同时也验证了有限元仿真的可靠性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1.1 课题的研究意义及来源

1.1.1 课题的研究意义

1.1.2 课题的来源

1.2 滑枕变形及补偿研究的概况

1.2.1 滑枕变形补偿研究的内容

1.2.2 滑枕变形补偿的研究方法

1.2.3 滑枕变形补偿研究的国内外现状

1.3 课题的研究内容及目的

1.3.1 课题的研究内容

1.3.2 课题的研究目的

第二章 落地镗铣床主轴滑枕工作过程分析

2.1 滑枕坐标系介绍

2.2 滑枕工作状态分析

2.2.1 滑枕工作时受力分析

2.2.2 滑枕工作时镗削力的确定

2.2.3 滑枕工作理论变形分析

2.3 滑枕接触件刚度分析

2.3.1 镗杆主轴轴承刚度分析:

2.3.2 角接触球轴承的刚度计算

2.3.3 角接触球轴承受力分析

2.3.4 轴承径向刚度计算

2.4 本章小结

第三章 落地镗铣床主轴滑枕变形有限元仿真及模态分析

3.1 有限元法介绍

3.1.1 有限元法的基本概念

3.1.2 有限元法的基本步骤

3.1.3 ANSYS简介

3.2 滑枕变形有限元分析

3.2.1 模型单元设置与网格划分

3.2.2 ANSYS变形分析

3.2.3 模态分析概述

3.2.4 主轴滑枕模态分析

3.3 本章小结

第四章 落地镗铣床主轴滑枕变形及误差补偿

4.1 补偿原理分析

4.1.1 补偿方案分析

4.1.2 补偿设计

4.1.3 补偿拉力的确定

4.2 补偿装置设计

4.2.1 拉杆强度设计

4.2.2 拉杆强度设计

4.3 补偿效果分析

4.3.1 有限元接触理论

4.3.2 补偿效果有限元分析

4.4 本章小结

第五章 落地镗铣床主轴滑枕补偿系统的反馈控制

5.1 控制单元的选择

5.1.1 伺服阀与比例阀的介绍

5.1.2 伺服阀与比例阀的差别

5.1.3 反馈控制系统的设计

5.2 PLC控制理论

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文主要研究结论与成果

6.2 有待进一步研究的工作

参考文献

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文

致谢