一種求解由地基變形引起的機(jī)床加工誤差的方法
【專利摘要】一種求解由地基變形引起的機(jī)床加工誤差的方法，屬于機(jī)床研究【技術(shù)領(lǐng)域】。其針對地基不均勻沉降對機(jī)床加工精度的影響進(jìn)行研究，以大型龍門式機(jī)床為研究對象，假設(shè)機(jī)床底座由于地基不均勻沉降導(dǎo)致兩底座產(chǎn)生沉降差，由底座沉降差引起機(jī)床整體的結(jié)構(gòu)變形使刀尖點(diǎn)產(chǎn)生位置和角度的偏移，從而影響加工精度，對機(jī)床和地基整體模型進(jìn)行簡化，提供了底座的沉降差對機(jī)床加工精度影響的建模方法，可為重型龍門式機(jī)床的設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及誤差補(bǔ)償提供理論與技術(shù)指導(dǎo)。
【專利說明】-種求解由地基變形引起的機(jī)床加工誤差的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于軟件應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種求解由地基變形引起的機(jī)床加工 誤差的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著國務(wù)院實(shí)施多個重點(diǎn)專項(xiàng)計劃，政府持續(xù)加大對航空航天、核電風(fēng) 電、鐵路機(jī)車、船舶艦艇、交通運(yùn)輸?shù)戎攸c(diǎn)工程的投入力度。工程設(shè)備的關(guān)鍵零部件均為大 尺寸、重噸位、高精度工件，要想承接加工這樣的典型零件，就必須開發(fā)高水平的大型、重 型、超重型數(shù)控機(jī)床。隨著對機(jī)床加工精度的要求越來越高，建立準(zhǔn)確的加工精度模型至關(guān) 重要，尤其對于重型重載機(jī)床，其自身重量大，載荷強(qiáng)度高，部件變形大，對地基承載能力要 求更高，研究地基變形對重型數(shù)控機(jī)床精度的影響規(guī)律是十分有意義的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于，針對地基不均勻沉降對機(jī)床加工精度的影響進(jìn)行研究，以大 型龍門式機(jī)床為研究對象，假設(shè)機(jī)床底座由于地基不均勻沉降導(dǎo)致兩底座產(chǎn)生沉降差，由 底座沉降差引起機(jī)床整體的結(jié)構(gòu)變形使刀尖點(diǎn)產(chǎn)生位置和角度的偏移，從而影響加工精 度，對機(jī)床和地基整體模型進(jìn)行簡化，提供了底座的沉降差對機(jī)床加工精度影響的建模方 法，可為重型龍門式機(jī)床的設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及誤差補(bǔ)償提供理論與技術(shù)指導(dǎo)。
[0004] 本發(fā)明是采用以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的：
[0005] -種求解由地基變形引起的機(jī)床加工誤差的方法，，步驟包括：簡化機(jī)床模型、簡 化地基變形模型、應(yīng)用材料力學(xué)進(jìn)行受力分析、刀尖點(diǎn)橫向偏移、刀尖點(diǎn)縱向偏移、刀尖點(diǎn) 轉(zhuǎn)角偏差；具體步驟如下：
[0006] 簡化機(jī)床模型步驟，把重型龍門機(jī)床簡化為框架結(jié)構(gòu)，只提取相應(yīng)的尺寸、材料、 及橫截面參數(shù)；
[0007] 簡化地基變形模型步驟，根據(jù)地基沉降差，假設(shè)把機(jī)床放置在局部位置垂直方向 高度不同的地基上；
[0008] 應(yīng)用材料力學(xué)進(jìn)行受力分析步驟，假設(shè)立柱為剛性的，計算橫梁的變形，假設(shè)橫梁 為剛性的，計算立柱的變形，把橫梁和立柱的變形通過幾何關(guān)系疊加在一起，再考慮刀桿尺 寸以及與刀柄的位置關(guān)系，應(yīng)用幾何關(guān)系求出刀柄不同方向位置偏移；
[0009] 刀尖點(diǎn)橫向偏移步驟，根據(jù)刀桿位置的偏移以及刀桿尺寸，通過幾何關(guān)系把刀桿 位置的橫向偏移傳遞到刀尖點(diǎn)，從而求出刀尖點(diǎn)橫向偏移；
[0010] 刀尖點(diǎn)縱向偏移步驟，根據(jù)刀桿位置的偏移以及刀桿尺寸，通過幾何關(guān)系把刀桿 位置的縱向偏移傳遞到刀尖點(diǎn)，從而求出刀尖點(diǎn)縱向偏移；
[0011] 刀尖點(diǎn)轉(zhuǎn)角誤差步驟，根據(jù)刀桿位置的偏移以及刀桿尺寸，通過幾何關(guān)系把刀桿 位置的轉(zhuǎn)角偏差傳遞到刀尖點(diǎn)，從而求出刀尖點(diǎn)轉(zhuǎn)角偏差；
[0012] 本發(fā)明可以取得如下有益效果：
[0013] 通過本發(fā)明所建立的模型，只需要測量地基或者機(jī)床底座的變形就可以算出地基 沉降引起刀尖點(diǎn)的誤差以及對加工精度的影響；也可以通過此模型算出需要調(diào)節(jié)機(jī)床底座 到什么位置能滿足機(jī)床的加工精度；本發(fā)明所建立的模型計算簡單，能高效快速的指導(dǎo)機(jī) 床底座的調(diào)節(jié)以滿足機(jī)床加工精度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1為地基變形對機(jī)床加工精度影響的建模方法流程圖；
[0015] 圖2為龍門機(jī)床簡化結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖3為立柱為剛體時橫梁變形示意圖；
[0017] 圖4為橫梁為剛體時立柱變形示意圖；
[0018] 圖5為疊加變形圖；
[0019] 圖6為刀柄對變形的影響示意圖 [0020] 其中，1為立柱，2為橫梁，3為刀桿。

【具體實(shí)施方式】
[0021] 以下結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明的具體實(shí)施加以說明。
[0022] 以下以重型龍門機(jī)床為例對本發(fā)明的實(shí)施過程進(jìn)行詳細(xì)分析。
[0023] 1簡化機(jī)床模型
[0024] 把重型龍門機(jī)床結(jié)構(gòu)簡化為圖2所示的框架結(jié)構(gòu)，提取重型龍門機(jī)床尺寸、材料 參數(shù)和截面特性，獲得機(jī)床材料的彈性模量E，橫梁長度1，立柱高度h和刀桿的長度L，并 由截面特性分別算得橫梁和立柱的慣性矩h和I h。
[0025] 2地基變形模型
[0026] 把地基的變形簡化為不同高度的兩個平臺之間的沉降差，兩個平臺之間的沉降差 用Λ h表示，機(jī)床的兩根導(dǎo)軌分別坐落在地基不同高度平臺上。
[0027] 3應(yīng)用材料力學(xué)進(jìn)行受力分析
[0028] 3. 1假設(shè)立柱為剛體求橫梁變形
[0029] 如圖3所示，假設(shè)立柱為剛性不變形，當(dāng)?shù)鼗冃螘r產(chǎn)生沉降差，使機(jī)床橫梁彎 曲，根據(jù)材料力學(xué)可求得橫梁一端B處（機(jī)床右立柱與橫梁的交點(diǎn)）的撓度ω i和轉(zhuǎn)角Θ i :

【權(quán)利要求】
1. 一種求解由地基變形引起的機(jī)床加工誤差的方法，，步驟包括：簡化機(jī)床模型、簡化 地基變形模型、應(yīng)用材料力學(xué)進(jìn)行受力分析、刀尖點(diǎn)橫向偏移、刀尖點(diǎn)縱向偏移、刀尖點(diǎn)轉(zhuǎn) 角偏差；其特征在于：具體步驟如下： S1簡化機(jī)床模型 把重型龍門機(jī)床結(jié)構(gòu)簡化為框架結(jié)構(gòu)，提取重型龍門機(jī)床尺寸、材料參數(shù)和截面特性， 獲得機(jī)床材料的彈性模量E，橫梁長度1，立柱高度h和刀桿的長度L，并由截面特性分別 算得橫梁和立柱的慣性矩h和Ih。 S2地基變形模型 把地基的變形簡化為不同高度的兩個平臺，機(jī)床的兩根導(dǎo)軌分別坐落在地基不同高度 平臺上，兩個平臺之間的沉降差為Ah。 S3應(yīng)用材料力學(xué)進(jìn)行受力分析 S3. 1假設(shè)立柱為剛體求橫梁變形 假設(shè)立柱為剛性不變形，當(dāng)?shù)鼗冃螘r產(chǎn)生沉降差，使機(jī)床橫梁彎曲，根據(jù)材料力學(xué)可 求得橫梁一端B處的撓度ω i和轉(zhuǎn)角Θ i :
式中：為橫梁一端處的撓度，F(xiàn)為使橫梁撓曲的力，1為機(jī)床橫梁長度，X為刀桿所 在橫梁位置，E為機(jī)床材料的彈性模量，L為橫梁慣性矩，Θ i為橫梁彎曲的轉(zhuǎn)角，ω ' i為 橫梁撓度的導(dǎo)數(shù)； 以及地基沉降差為yi時使橫梁變形所需要的力F的值：
式中：E為機(jī)床材料的彈性模量，h為橫梁慣性矩，yi為地基沉降差，為刀桿長度； S3. 2假設(shè)橫梁為剛性求立柱的變形 假設(shè)橫梁為剛性不變形，當(dāng)?shù)鼗冃螘r產(chǎn)生沉降差，使機(jī)床的立柱發(fā)生彎曲，根據(jù)材料 力學(xué)可求得橫梁所在立柱位置A點(diǎn)處即機(jī)床左立柱與橫梁的交點(diǎn)的撓度c〇h和轉(zhuǎn)角0h:
式中：《,為立柱一端處的撓度，F(xiàn)為使橫梁撓曲的力，1為機(jī)床橫梁長度，h為橫梁所 在立柱位置，E為機(jī)床材料的彈性模量，Ih為立柱慣性矩，Θ h為立柱彎曲的轉(zhuǎn)角，ω ' h為 立柱撓度的導(dǎo)數(shù)。 和立柱A點(diǎn)出現(xiàn)的轉(zhuǎn)角引起B(yǎng)點(diǎn)處即機(jī)床右立柱與橫梁的交點(diǎn)的下沉量y2 :
式中：y2為立柱的下沉量，eh為立柱彎曲的轉(zhuǎn)角，F(xiàn)為使橫梁撓曲的力，1為機(jī)床橫梁 長度，h為橫梁所在立柱位置，E為機(jī)床材料的彈性模量，Ih為立柱慣性矩。 S3. 3橫梁和立柱的疊加變形 由于立柱的彎曲，A點(diǎn)出現(xiàn)轉(zhuǎn)角，導(dǎo)致橫梁跟隨轉(zhuǎn)動而使橫梁B點(diǎn)出現(xiàn)y方向的位移， 當(dāng)假設(shè)立柱為剛體時，橫梁一端收到力F的左右也會出現(xiàn)彎曲變形，因此橫梁B點(diǎn)的下沉量 Ah為立柱和橫梁變形的疊加：
式中：yi、y2分別為橫梁和立柱彎曲時地基的下沉量，F(xiàn)為使橫梁撓曲的力，1為機(jī)床橫 梁長度，h為橫梁所在立柱位置，E為機(jī)床材料的彈性模量，^為橫梁慣性矩，Ih為立柱慣性 矩。 然后可用地基沉降差表示出橫梁端點(diǎn)B處所受力F的大小，
式中：Ah為橫梁和立柱同時彎曲時地基的下沉量，E為機(jī)床材料的彈性模量，1為機(jī)床 橫梁長度，h為橫梁所在立柱位置，^為橫梁慣性矩，Ih為立柱慣性矩。 并求出橫梁不同位置處X、y方向的偏移量以及轉(zhuǎn)角公式：
式中：wh為立柱一端處的撓度，ωι為橫梁一端處的撓度，F(xiàn)為使橫梁撓曲的力，％為 立柱彎曲的轉(zhuǎn)角，Θ i為橫梁彎曲的轉(zhuǎn)角，X為刀桿所在橫梁位置，Ε為機(jī)床材料的彈性模量， 1為機(jī)床橫梁長度，h為橫梁所在立柱位置，^為橫梁慣性矩，I h為立柱慣性矩，Ah為橫梁 和立柱同時彎曲時地基的下沉量。 S3. 4考慮刀桿尺寸的影響 刀桿在橫梁上滑動，求出刀尖點(diǎn)相對于刀桿與橫梁焦點(diǎn)處的偏移，疊加上一步求得的 橫梁不同位置處X方向的偏移量算出刀尖點(diǎn)的偏移量：
式中：Θ i為橫梁彎曲的轉(zhuǎn)角，L為刀桿的長度，F(xiàn)為使橫梁撓曲的力，X為刀桿所在橫 梁位置，E為機(jī)床材料的彈性模量，1為機(jī)床橫梁長度，h為橫梁所在立柱位置，Ih為立柱慣 性矩。 S4刀尖點(diǎn)橫向偏移 根據(jù)橫梁和立柱的疊加變形以及刀桿尺寸的影響，最后得出刀尖點(diǎn)橫向偏移量公式：
式中：Λ h為地基沉降差，1為機(jī)床橫梁長度，h為機(jī)床橫梁所在立柱高度，Ih為立柱的 慣性矩，Ii為橫梁慣性矩，X為刀桿所在橫梁位置，L為刀桿長度。 S5刀尖點(diǎn)縱向偏移 根據(jù)橫梁和立柱的疊加變形以及刀桿尺寸的影響，最后得出刀尖點(diǎn)縱向偏移量公式：
式中：Λ h為地基沉降差，1為機(jī)床橫梁長度，h為機(jī)床橫梁所在立柱高度，Ih為立柱的 慣性矩，^為橫梁慣性矩，X為刀桿所在橫梁位置。 S6刀尖點(diǎn)轉(zhuǎn)角偏差 根據(jù)橫梁和立柱的疊加變形以及刀桿尺寸的影響，最后得出刀尖點(diǎn)轉(zhuǎn)角偏差公式：
式中：Λ h為地基沉降差，1為機(jī)床橫梁長度，h為機(jī)床橫梁所在立柱高度，Ih為立柱的 慣性矩，^為橫梁慣性矩，X為刀桿所在橫梁位置。
【文檔編號】G05B19/404GK104122839SQ201410332520
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月11日
【發(fā)明者】劉志峰, 張柯, 王建華, 楊恩芝, 寧越, 田楊 申請人:北京工業(yè)大學(xué)