基于風(fēng)電軸承加工幾何誤差分析的雙柱立車精度設(shè)計(jì)方法

姜佳利++林福嚴(yán)++胡翰篇

摘 要：本文首先對典型工件偏航軸承、變槳軸承的關(guān)鍵部位——桃形滾道部分的外形特點(diǎn)及其加工精度保證的要點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行了分析。綜合分析了引起加工精度難以保證的多種因素，初步設(shè)定了機(jī)床的各項(xiàng)精度指標(biāo)。進(jìn)而，分析了影響機(jī)床加工精度誤差源。再根據(jù)機(jī)床拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)預(yù)測了工件加工的綜合精度指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的可能性。本文研究內(nèi)容為機(jī)床精度設(shè)計(jì)提供了一種理論方法，對相關(guān)機(jī)床的研發(fā)設(shè)計(jì)工作具有一定的理論指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：偏航軸承；變槳軸承；雙柱立車；誤差分析；設(shè)計(jì)方法

中圖分類號：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：In this paper， firstly， the characteristics of the key parts of the yaw bearing and the variable pitch bearing--the peach shaped raceway， and the key points and difficulties of the machining precision are analyzed. The various factors which cause the machining precision are difficult to be guaranteed are analyzed synthetically， and the precision parameter of the machine tool is established. Secondly， the error source of machining precision is analyzed. At last， according to topological relation graph of the machine tool， the possibility of the realization of the comprehensive precision index is predicted. The research of this paper provides a theoretical method for the precision design of the machine tool， which has some theoretical significance for the research and design of the relevant machine tools.

Keywords： Yaw bearing； Variable pitch bearing；Double column vertical lathe； Error analysis；Design method

開發(fā)可再生清潔能源是解決能源危機(jī)和環(huán)境問題的關(guān)鍵，風(fēng)能資源在地球表面儲量豐富，是目前發(fā)展最快和應(yīng)用最廣泛的清潔可再生能源之一。根據(jù)相關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)資料預(yù)測，全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量在2020年將達(dá)到792GW，有可能超過核電和水電成為第二大主力電源。

偏航軸承和變槳軸承是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組核心部件，由于承受不定風(fēng)力所產(chǎn)生的沖擊載荷，具有間歇工作，啟停較為頻繁，傳遞扭矩較大，傳動比高的特點(diǎn)，軸承的各項(xiàng)加工精度指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，對金屬加工機(jī)床提出了特殊的要求。

本文針對風(fēng)電設(shè)備中偏航軸承、變槳軸承加工用雙柱立式車床設(shè)計(jì)過程進(jìn)行研究，將雙柱立車精度指標(biāo)的設(shè)定與偏航軸承、變槳軸承的加工精度要求有機(jī)地整合在一起，為同類機(jī)床設(shè)計(jì)提供了一種可借鑒的設(shè)計(jì)方法。

1.風(fēng)電軸承零件精度分析

某型號風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，變槳軸承直徑φ3050mm，采用雙桃形溝滾道，主要精度指標(biāo)：曲率半徑R=34.13±0.08mm，接觸角45°±1°，溝心距95±0.02mm。

曲形雙四點(diǎn)接觸角接觸軸承的桃形溝接觸幾何關(guān)系如圖1所示。

符號名稱：

按照上述數(shù)據(jù)對公式進(jìn)行校核：

接觸角相等，說明公式正確。

根據(jù)接觸角誤差 β=44°～46°范圍內(nèi)合格

設(shè)定R不變，則誤差大小推導(dǎo)如下：

求得x=1.132mm

則Δx=1.132-1.153=-0.021mm

即Z軸方向偏心量誤差為-0.021mm時(shí)，接觸角變化1°。

當(dāng)，求得：

2.雙柱立車精度指標(biāo)設(shè)定

桃形溝曲率半徑誤差+0.03時(shí)，接觸角減小1° 在實(shí)際加工過程中，桃形溝圓弧中心偏心位移量和桃形溝圓弧曲率半徑都是變化量。將這兩個變化量分解到機(jī)床Z軸和X軸上。通過幾何關(guān)系換算及軟件分析換算：Z軸精度影響因素為1）桃形溝圓弧中心偏移量x，溝心距L及桃形溝圓弧曲率半徑R。工作臺端徑跳0.01mm時(shí)影響接觸角1°。

通過以上零件精度分析，初步認(rèn)定Z軸位置精度及工作臺端徑跳是影響零件精度主要因素，X軸位置精度因受圓弧滾道加工精度影響及ΔR=0.03mm影響。

初步設(shè)定：工作臺端徑跳精度0.005；X軸定位精度0.010mm；Z軸定位精度0.005mm；X軸、Z軸單脈沖微進(jìn)給量0.001mm。

3.工藝切削參數(shù)設(shè)計(jì)及誤差源分析

該變槳軸承外形輪廓尺寸為直徑φ3050mm，材質(zhì)為合金結(jié)構(gòu)鋼42CrMo4，硬度為HB60。采用硬車技術(shù)進(jìn)行軸承的精加工，通過切削力設(shè)算，取最大切削力F=6kN。切削刀具選用山特維克 C5刀具（切削力可達(dá)30kN）。切削參數(shù)分別為：進(jìn)給量0.015mm/r，切深0.2mm，切削線速度150m/min。通過水冷方式進(jìn)行加工中刀具的冷卻。

根據(jù)上述零件精度誤差分析及切削參數(shù)設(shè)定，綜合考慮影響工藝系統(tǒng)的機(jī)床夾具，刀具等因素可以分析得出，機(jī)床加工精度引起桃形滾道精度誤差主要包括：endprint

（a）靜態(tài)、動態(tài)幾何誤差；

（b）數(shù)控伺服控制誤差；

（c）刀具剛度誤差；

（d）主機(jī)熱平衡帶來的誤差；

（e）環(huán)境溫度變化引起主機(jī)幾何精度變化；

（f）工裝夾具的因素。

這些因素作用在主機(jī)各部位，通過運(yùn)動鏈傳遞并最終體現(xiàn)在刀尖和工件加工點(diǎn)之間的相對偏差，從而對工件的加工精度產(chǎn)生影響。通過對機(jī)床拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和誤差源進(jìn)行協(xié)同分析，推導(dǎo)出誤差綜合運(yùn)動學(xué)模型量化得出最終加工誤差與各項(xiàng)誤差元素之間的關(guān)系，即可得出各誤差對機(jī)床加工精度的影響。

4.基于多體系統(tǒng)理論的機(jī)床拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

多體系統(tǒng)理論能系統(tǒng)、完整地描述復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)。數(shù)控機(jī)床作為典型的多體系統(tǒng)，各部件通過運(yùn)動副（如移動副、轉(zhuǎn)動副等）相互連接。多體系統(tǒng)理論關(guān)鍵是其對運(yùn)動的描述，利用綜合單元與整體的基本思想，通過分析典型體間的運(yùn)動位姿關(guān)系，對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行研究。

本文的研究對象為雙柱立式車床，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中標(biāo)注了該機(jī)床的運(yùn)動軸及主要部件。

機(jī)床共有4個運(yùn)動軸，分別為：

C軸——回轉(zhuǎn)工作臺的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；

W軸——橫梁沿立柱升降的運(yùn)動；

X軸——橫梁滑座在橫梁導(dǎo)軌上的水平進(jìn)給運(yùn)動；

Z軸——滑枕在橫梁滑座上的豎直進(jìn)給運(yùn)動。

根據(jù)機(jī)床的結(jié)構(gòu)將其抽象成對應(yīng)的多體系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，按自然數(shù)增長序列沿遠(yuǎn)離機(jī)床固定部件的方向?qū)Ω鞑考M(jìn)行編號，如遇到一個部件上出現(xiàn)多條支鏈，則依次對每條支鏈進(jìn)行編號。此處的固定部件為機(jī)床的床身（立柱）。床身（立柱）存在兩條支鏈，按照上述編號規(guī)則，結(jié)合各運(yùn)動鏈中運(yùn)動部件之間的關(guān)系，可得到圖3的拓?fù)淠Ｐ汀?/p>

描述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的低序體陣列，通過式1計(jì)算得到：

Ln（K）=J Equation Chapter （Next） Section 1 Equation Chapter 2 Section 1 （1）

式中L為低序體算子，用來表征多體系統(tǒng)中各典型體的關(guān)系。典型體J稱為典型體K的n階低序體。低序體計(jì)算滿足如下關(guān)系：

由式（2）～式（4）可計(jì)算出圖3機(jī)床拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的低序體陣列，見表1。

5.坐標(biāo)系建立及誤差元素分析

部件的幾何誤差、切削產(chǎn)生的熱誤差、切削力產(chǎn)生的振動及各種控制誤差是影響數(shù)控機(jī)床精度的主要誤差元素。其中絕大部分加工誤差由幾何誤差和熱誤差帶來。為描述各運(yùn)動副的運(yùn)動狀態(tài)及位姿關(guān)系，選擇建立在機(jī)床固定部件上參考坐標(biāo)系O0。各坐標(biāo)系的確定如下所述：

（1）參考坐標(biāo)系O0：參考坐標(biāo)系的原點(diǎn)O0以機(jī)床零點(diǎn)所在的工作臺平面與機(jī)床W軸相交確定；參考坐標(biāo)系O0的Z0軸方向平行于工作臺C軸，以遠(yuǎn)離工件方向?yàn)檎聪蛏蠟檎?；X0軸方向沿工件的徑向方向，向右為正；Y0軸由右手螺旋定則確定。

（2）局部坐標(biāo)系O1～O6：坐標(biāo)系O1與機(jī)床橫梁固連，原點(diǎn)O1位置由參考坐標(biāo)系

（1）O0沿W軸移動至橫梁處確定；坐標(biāo)系O2與機(jī)床橫梁滑座固連，原點(diǎn)O2位置由坐標(biāo)系O1沿X軸移動至橫梁滑座處確定；坐標(biāo)系O3與滑枕固連，原點(diǎn)O3位置由坐標(biāo)系O2沿Z軸移動至滑枕端部確定；刀具坐標(biāo)系Ot與刀具在安裝點(diǎn)固連；坐標(biāo)系O4與工作臺固連，原點(diǎn)O4位置由參考坐標(biāo)系O0平移至C軸處確定；工件坐標(biāo)系Ow與工件固連。各局部坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸Xi，Yi，Zi （i=1～4，w，t）分別平行于參考坐標(biāo)系O0的坐標(biāo)軸X0，Y0，Z0。

圖4給出了雙柱立式車床坐標(biāo)系示意圖。

空間物體具有6個自由度，當(dāng)機(jī)床部件沿某一運(yùn)動軸運(yùn)動時(shí)，會產(chǎn)生6項(xiàng)幾何誤差元素，該誤差元素可認(rèn)為隨該部件的位移而變化，即每個誤差元素為該位移的函數(shù)。機(jī)床在理想狀態(tài)下，各部件之間靠運(yùn)動副連接，僅存在一個移動或轉(zhuǎn)動自由度，但由于各誤差元素的作用使本該僅發(fā)生移動或轉(zhuǎn)動的活動部件在其他自由度上產(chǎn)生誤差。

各誤差元素對于機(jī)床的影響程度主要取決于機(jī)床在加工過程中部件的幾何誤差及運(yùn)動行程。各部件的直線度誤差和定位誤差對機(jī)床精度有直接影響；機(jī)床的垂直度誤差、平行度誤差、角度誤差會在機(jī)床大行程的作用下，對其他誤差元素造成放大作用。

將最初設(shè)定的機(jī)床精度指標(biāo)與機(jī)床拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相結(jié)合，在機(jī)床坐標(biāo)系中進(jìn)行換算即可預(yù)測出零件的最終加工精度，誤差僅限于環(huán)境溫度等客觀因素的不確定性。

結(jié)語

本文中提出的機(jī)床設(shè)計(jì)方法結(jié)合了現(xiàn)代的設(shè)計(jì)思想與理念，與傳統(tǒng)機(jī)床設(shè)計(jì)方法相比較，在機(jī)床同等剛度條件下，可以使部件間剛性分配更加合理。結(jié)合機(jī)床拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，針對零件的精度運(yùn)用工藝分析方法，在滿足零件加工精度的同時(shí)，能夠以優(yōu)化的結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案滿足各種不同零件的加工需求。

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