机床支承部件的误差传递分析与结构设计

摘要

随着机械行业的发展与社会资源的消耗，市场对机床的性能与耗材提出了更高的要求。机床的高精度与轻量化已然是机床行业发展的必然趋势。机床支承系统主要承担传递机床运动与载荷的作用，是由多个支承件通过不同的联接方式联接而成。支承件之间的误差传递最终形成了支承系统的误差，进而对机床的精度产生影响。因此有必要对支承件之间的运动误差传递与位置误差传递进行分析，从而完成机床支承系统的误差建模。本文针对机床支承件之间的误差传递规律进行研究，建立考虑支承件导轨形位误差、弹性变形的机床支承系统误差模型并针对支承件弹性变形对支承系统误差的影响完成贡献率分析，并对立柱的支承结构进行优化设计。主要工作内容如下:
　　(1)阐述研究背景与研究目的，并对滚动导轨的误差特性、机床的整机误差建模及机床支承件的结构设计的研究现状作了综述。另外，总结了本课题组在机床设计方面的研究成果。
　　(2)对支承部件的运动误差传递进行分析。首先分析滚动导轨联接的两支承件误差源并对其运动误差进行描述。通过提出运动位姿误差等效方法及运动组件静力学模型的求解，建立了支承部件运动误差传递模型，研究支承部件导轨形位误差对运动误差的影响规律。
　　(3)对支承部件的位置误差传递进行分析。支承件的弹性变形引起支承部件之间联接面的位置误差，从而使得相邻支承件的位置姿态出现误差。利用有限元方法对机床进行静态分析，得到机床支承件的弹性变形位移云图。提取支承件联接面多个关键点的位移参数，用来评价联接面的位置误差，建立支承部件联接面位置误差评价方法。
　　(4)基于支承部件的误差传递分析，通过多体系统理论，分别构建导轨形位误差、支承件弹性变形与运动误差变换矩阵、位置误差变换矩阵之间的映射关系，建立考虑导轨形位误差与支承件弹性变形的机床支承系统误差模型。进行了X向与Y向滚动导轨的运动误差及支承件弹性变形的计算，分析了X向与Y向导轨形位误差和支承件弹性变形对支承系统误差的影响，并对其进行贡献率分析，其贡献率分别为41％与59％。
　　(5)依据支承系统的误差模型及支承件弹性变形对支承系统的误差贡献率分析，通过物理模型建立、概念模型设计及结构方案设计对立柱进行结构设计，得到机床立柱的新方案。通过对立柱结构设计前后的支承系统误差进行对比。结果表明:立柱新方案使得支承系统敏感方向误差减小了12％左右，立柱的质量减轻0.54％。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题来源

1．2 研究背景及研究目的

1．3 国内外研究综述

1．3．1 滚动导轨误差特性研究综述

1．3．2 机床误差建模研究综述

1．3．3 机床支承件结构设计研究现状

1．4 本文研究工作

2 支承部件的运动误差传递分析

2．1 支承部件的误差源分析

2．2 支承部件运动误差描述

2．3 支承部件运动误差传递模型的建立

2．3．1 位姿误差几何等效方法

2．3．2 运动误差参数求解

2．4 导轨形位误差与运动误差之间的传递分析

2．4．1 运动误差传递分析对象

2．4．2 形位误差中相位对运动误差传递的影响

2．4．3 形位误差中波长对运动误差传递的影响

2．4．4 形位误差中幅值对运动误差传递的影响

2．5 本章小结

3 支承部件的位置误差传递分析

3．1 支承部件的位置误差描述

3．2 机床支承件的弹性变形分析

3．2．1 支承件的实体建模

3．2．2 有限元单元类型与材料属性

3．2．3 机床联接方式的有限元等效

3．2．4 有限元静态求解及支承件的弹性变形云图

3．3 支承部件联接面的位置误差评价方法

3．4 本章小结

4 基于误差传递分析的支承系统误差模型

4．1 支承系统的拓扑结构与低序体描述

4．2 支承系统的位姿状态分析

4．2．1 支承件坐标系的定义

4．2．2 相邻支承件间的运动与位置变换矩阵描述

4．2．3 支承件导轨形位误差与运动误差变换矩阵的关联

4．2．4 支承件弹性变形与相邻支承件间位置误差变换的关联

4．3 支承系统误差建模

4．4 支承误差模型算例

4．4．1 运动误差变换矩阵计算

4．4．2 位置误差变换矩阵计算

4．4．3 支承系统的误差特性分析

4．5 本章小结

5 支承系统误差特性与立柱结构设计

5．1 支承件弹性变形的误差贡献率分析

5．2 立柱的结构方案设计

5．2．1 立柱物理模型的建立

5．2．2 立柱概念方案设计

5．2．3 立柱结构方案设计

5．3 支承系统结构方案的误差特性对比

5．4 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢