数控机床导轨副接触特性及运动误差的研究

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数控机床进给系统的性能一方面取决于各个零部件的制造精度,另一方面也依赖各个部件间的装配精度。导轨作为构成进给系统的关键零部件之一,其制造安装精度是确保进给系统中各主要零部件间相对装配精度以及运动精度的基础,会最直接的影响到工作台的运动姿态,进而成为影响工件的形状误差和位置误差的主要因素之一。导轨副作为影响工作台最直接的因素之一,当前缺乏完整而系统的方法评估导轨误差对工作台运动误差的影响作用,因此,建立数控机床导轨副的静态模型以及考虑导轨误差后的工作台运动系统误差模型并在此基础上分析导轨误差对工作台运动姿态的作用规律,对提高数控机床的装配和加工精度、优化产品设计中的误差分配具有重要的理论研究意义和工程实际应用价值。本文首先建立了 LM滚动导轨副的单滑块模型,进而在此基础上构建了双导轨四滑块工作台运动系统的仿真结构,考虑导轨误差影响的误差模型,具体内容如下:(1)通过对滑块和导轨曲率中心变化描述判断滚珠的变形接触状态,确定对工作台的反作用力,推导出滑块体的力学平衡方程,建立了单滑块滚珠导轨接触的准静态力学模型;通过数值分析,探明了预紧力和初始设计接触角对单滑块导轨副接触特性的影响。(2)利用坐标变换理论,推导出导轨和滑块接触点曲率中心与工作台的运动误差间的相对位置关系表达式,建立了双导轨四滑块工作台运动系统接触的准静态力学模型;利用Newton-Raphson算法,编写出Matlab求解计算程序;通过数值计算,探明了系统外载荷对工作台运动误差的影响规律,提出了滚珠预紧失效的定量判据。(3)将导轨平行度误差分为水平方向误差和垂直方向误差;通过数值计算,系统地分析了各类导轨平行度误差对工作台运动误差的影响,探明了导轨水平和垂直方向平行度误差与工作台运动系统误差的关联关系,提出了误差传递系数的概念,分别给出了水平和垂直方向对工作台五项运动误差的传递系数,揭示了进给系统原始误差对工作运动误差的影响机理。(4)通过数值分析,探明了导轨的几何制造误差对工作台运动误差的影响规律。以典型的拱形几何误差和正弦形几何误差为例,计算出双导轨的几何误差差异对工作台各运动系统误差的传递系数;又以正弦波形误差为例,进一步分析了导轨几何误差的波长、幅值、相位对工作台运动误差传递系数的影响。
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