立加機床主軸軸線幾何精度優(yōu)化＊

李 磊 胥 云 王松明 張加虎 陳 婷

（四川輕化工大學(xué)機械工程學(xué)院，四川 宜賓 644000）

數(shù)控機床是現(xiàn)代制造業(yè)的重要基礎(chǔ)，其加工精度直接影響被加工件質(zhì)量。根據(jù)誤差產(chǎn)生的機理不同來看，主要可分為4 大類：幾何誤差、熱誤差、控制誤差和切削力誤差[1]，其中幾何誤差又是機床的主要誤差來源。因此，減小機床的幾何誤差對于提高機床整機的加工精度具有重大的意義。機床的裝配精度的保證和提高主要依靠兩方面：零件的加工精度、裝配工藝過程的規(guī)劃[2]。

立式加工中心主要由床身、立柱、主軸箱、滑鞍和工作臺等部件組成，主軸安裝在主軸箱上，主軸箱通過直線導(dǎo)軌與立柱組合，并在伺服電機的驅(qū)動下沿立柱導(dǎo)軌上下運動。立柱與主軸箱具有保證主軸軸線與Z軸線運動間的平行度、與X、Y軸線運動間的垂直度的作用。將主軸箱體裝配在立柱導(dǎo)軌上，由于主軸箱體的重力矩而產(chǎn)生懸垂變形，導(dǎo)致移動部件在位置上的錯位和傾斜，對以上3 項精度有重大影響。立式加工中心結(jié)構(gòu)布局如圖1 所示。

圖1 結(jié)構(gòu)布局圖

近年來，國內(nèi)外對主軸軸線幾何誤差問題主要采用提升立柱和主軸箱剛度、數(shù)控補償?shù)确椒?。胡世軍等[3]以立式加工中心為研究對象，基于慣性能量平衡原理對立柱的固有頻率進行優(yōu)化。呂建波等[4]基于接合面理論，對立柱進行受力分析，根據(jù)立柱與滑鞍構(gòu)成的直線導(dǎo)軌結(jié)合面，構(gòu)建結(jié)合面變形和正壓力沿結(jié)合面的線性函數(shù)平衡方程，得到直線導(dǎo)軌結(jié)合面在不同部位載荷的分布函數(shù)。何改云等[5]提出一種預(yù)先消除導(dǎo)軌基面靜變形的方法，通過優(yōu)化支撐方式得到裝配后導(dǎo)軌基面的最終變形。曹文智等[6]利用懸垂誤差補償原理有效提高了立式加工中心機床的幾何精度。李冰興等[7]通過對床身階梯導(dǎo)軌進行高度差和跨度分析，提升了整機剛度，從而減小了主軸箱-立柱部分的幾何誤差。唐俊賢等[8]針對鏜銑加工中心滑枕撓度誤差問題，通過調(diào)整滑枕的預(yù)傾斜參數(shù)，再結(jié)合數(shù)控補償使擾度誤差減小。

機床制造企業(yè)在實際裝配中多采用增加配重使立柱后傾或者刮研主軸箱端面等措施來調(diào)整主軸軸線位置，以保證上述3 項精度，但是由于沒有深入研究，存在調(diào)整煩瑣、隨機性大等缺陷，因而生產(chǎn)效率低下。因此為了避免這種盲目性，實現(xiàn)以較為準(zhǔn)確的工藝參數(shù)來指導(dǎo)機床裝配的目標(biāo)，針對立式加工中心的主軸軸線幾何誤差問題，提出一種結(jié)構(gòu)補償方法：通過銑削立柱底部結(jié)合面使立柱呈現(xiàn)預(yù)傾斜狀態(tài)彌補變形、改變主軸箱包容比提升結(jié)構(gòu)剛度從而提高主軸軸線的幾何精度。主軸軸線變形如圖2 所示，虛線為無重力狀態(tài)下的主軸軸線位置。

圖2 立柱前傾使主軸線偏移

1 立柱預(yù)傾斜研究方法

1.1 預(yù)傾斜原理

由于立柱在主軸箱重力作用下會產(chǎn)生前傾變形，使主軸發(fā)生偏移。因此，通過將立柱底部結(jié)合面銑削為具有一定角度的斜面，再將其安裝到床身上，使之呈現(xiàn)后傾效果，彌補產(chǎn)生的前傾角度。立柱預(yù)傾斜減小主軸軸線幾何誤差的方法如圖3 所示，虛線為無重力狀態(tài)下的主軸軸線位置。

圖3 立柱預(yù)傾斜設(shè)計方法示意圖

1.2 設(shè)計步驟

立柱預(yù)傾斜設(shè)計方法的關(guān)鍵是確定傾斜方向和傾斜角度使主軸與立柱裝配完成后在自身重力作用下抵消部分主軸軸線幾何誤差。研究內(nèi)容包括主軸箱-立柱裝配體靜變形分析、確定預(yù)傾斜方向、試驗設(shè)計、構(gòu)建預(yù)傾角與主軸軸線幾何誤差之間的數(shù)學(xué)模型和多目標(biāo)遺傳算法尋優(yōu)等步驟，立式加工中心立柱預(yù)傾斜設(shè)計步驟如下：

（1）創(chuàng)建立式加工中心機床結(jié)構(gòu)的三維有限元分析模型。

（2）分析傾斜的極限位置，確定設(shè)計變量空間，進行試驗設(shè)計，選取合適的有限元試驗樣本點。

（3）利用有限元方法對選取的試驗樣本點進行靜力學(xué)分析，提取主軸軸線的坐標(biāo)變化，構(gòu)建預(yù)傾角與主軸軸線幾何誤差之間的數(shù)學(xué)模型。

（4）運用多目標(biāo)遺傳算法進行尋優(yōu)搜索運算，確定相對最佳的變量數(shù)值。

（5）對優(yōu)化后的預(yù)傾斜設(shè)計模型進行有限元分析計算，驗證分析結(jié)果的可靠性。

2 靜力學(xué)分析

立式加工中心的結(jié)構(gòu)件基本是大型鑄件，為了減少不必要的計算量，對于包含的大量圓角、螺栓孔以及尺寸較小的凸臺和溝槽等細(xì)節(jié)特征的零件，將其在三維模型中進行簡化。X、Y、Z這3 個方向的行程分別為1 100 mm、600 mm、600 mm。

2.1 有限元模型建立

利用Ansys Workbench 對立式加工中心主軸箱-立柱部分進行靜力分析，由于零部件構(gòu)造復(fù)雜，采用四面體網(wǎng)格劃分，節(jié)點數(shù)為746 357 個，單元數(shù)為512 354 個。對立柱底部施加固定支撐約束，添加重力載荷條件。在進行有限元分析時，由于結(jié)合面特性對分析的結(jié)果有較大影響，因此機床Z向行程導(dǎo)軌與立柱、滑塊與主軸箱之間的螺栓固定接合面均進行彈簧阻尼單元等效處理[9]，各接合面的參數(shù)值見表1。

表1 等效接合面參數(shù)值

2.2 靜力學(xué)分析

由于主軸箱部分的重力作用，立柱會產(chǎn)生一定的前傾變形，主軸箱也會產(chǎn)生一定的懸垂變形，導(dǎo)致主軸軸線發(fā)生偏轉(zhuǎn)。主軸箱在立柱的不同位置時，主軸偏移量也會隨之變化。主軸箱-立柱部分結(jié)構(gòu)變形4 所示。

從圖4 可以看出，在重力作用下，主軸箱產(chǎn)生懸垂變形以及立柱發(fā)生前傾導(dǎo)致主軸軸線位置和角度發(fā)生改變。在Z向行程導(dǎo)軌上提取27 個節(jié)點繪制出變形圖，得到Z向?qū)к壔嬖赮方向上的變形情況，如圖5 所示。

圖4 主軸箱-立柱結(jié)構(gòu)變形

圖5 Z 向?qū)к壷本€度誤差

由圖5 可知，隨著Z向坐標(biāo)的增加，Z向?qū)к壔嫜豗向變形量逐漸增大，最大變形量為14.46 μm，最小變形量為1.03 μm，最大變形差值為13.43 μm滿足國家標(biāo)準(zhǔn)（Z向行程在500～800 mm，誤差小于15 μm），但依然存在優(yōu)化空間。

在Z向行程上以50 mm 為間距，均勻地選取13 個位置，再取主軸模型軸線上兩點，用兩點坐標(biāo)計算主軸軸線分別與X、Y軸的夾角，如圖6 所示。

圖6 主軸軸線與X、Y 軸垂直度誤差

3 主軸軸線幾何精度優(yōu)化

3.1 確定傾斜方式

對立柱后傾方式進行優(yōu)化時，由于主軸軸線與X軸的垂直度誤差較小，但與Y軸垂直度誤差較大，因此以YZ平面內(nèi)的傾斜角度為設(shè)計變量x1，楔形頂邊在立柱下結(jié)合面左側(cè)邊線。由圖6 可知，主軸箱在行程上止點的偏轉(zhuǎn)最大，為保證計算主軸線垂直度的準(zhǔn)確性，取主軸箱在上止點的位置計算，由a=800 mm、b=300 mm、c=300 mm、d=600 mm，得z=180 mm。根據(jù)GB/T 34880.2-2017 主軸軸線與Y軸線運動間的垂直度公差0.020/300，選取x1的設(shè)計空間為0″≤x1≤ 7.2″。同時為了探究合適的主軸箱包容比x2，將其作為設(shè)計變量之一，x2利用式（1）求的，0.8 ≤x2≤ 1。

主軸箱-立柱結(jié)構(gòu)尺寸示意圖如圖7 所示。

圖7 設(shè)計變量圖

主軸安裝在主軸箱上，隨著立柱與主軸箱的變形而偏轉(zhuǎn)，因此選取XY平面作為基準(zhǔn)建立空間坐標(biāo)系，通過提取主軸軸線上兩點的變形位移，計算得到主軸軸線與Y軸垂直度誤差為fY。

式中：?z、?y分別為主軸軸線設(shè)計點的Z、Y 軸坐標(biāo)變化量。

主軸軸線與Z軸線運動間的平行度誤差為fZ。

式中：Li為主軸軸線與Z向?qū)к壘嚯x，i為Z向?qū)к壔鎸嶒烖c序號i=1:27。

3.2 試驗設(shè)計

拉丁超立方是一種分層抽樣方法，其依照等概率抽取的原理，從而得到均勻的樣本點分布，對于數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，具有良好的區(qū)間代表性，進而可以提高分析結(jié)果的精度和效率。

在樣本空間中均勻地選取15 個樣本點進行有限元仿真計算，試驗設(shè)計點及結(jié)果見表2。

表2 樣本數(shù)據(jù)點及結(jié)果

3.3 構(gòu)建響應(yīng)面模型

響應(yīng)面法是一種數(shù)理統(tǒng)計學(xué)方法[10]，針對進行合理試驗得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，利用多元回歸方程擬合設(shè)計變量與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，從而得到相應(yīng)的響應(yīng)面模型，再在該模型的基礎(chǔ)上做進一步的優(yōu)化分析研究。響應(yīng)面是指響應(yīng)變量η與一組輸入變量（ζ1,ζ2,ζ3,···,ζk）之間的函數(shù)關(guān)系式。

根據(jù)泰勒多項式擬合函數(shù)的特性，高階的多項式更能近似表達(dá)目標(biāo)函數(shù)，但是隨著階數(shù)的增加其計算成本也會呈指數(shù)倍增長。因此選擇二階多項式響應(yīng)面模型來逼近目標(biāo)函數(shù)，既保證了計算精度，又提高了計算效率。通過表2 數(shù)據(jù)可以得到響應(yīng)目標(biāo)函數(shù)的擬合公式及響應(yīng)面圖如圖8、圖9 所示。

圖8 設(shè)計變量與垂直度誤差的響應(yīng)

圖9 設(shè)計變量與平行度誤差的響應(yīng)

主軸軸線與Y軸垂直度誤差擬合公式：

主軸軸線與Z軸平行度誤差擬合公式：

3.4 多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化

改進型非支配排序遺傳算法（NSGA-Ⅱ）又稱多目標(biāo)遺傳算法[11]?；贜SGA-Ⅱ的多目標(biāo)優(yōu)化算法求解流程如圖10 所示。

圖10 遺傳算法實現(xiàn)過程

遺傳算法屬于啟發(fā)式算法，是一種通過模擬遺傳機理和自然選擇來尋找最優(yōu)解的數(shù)學(xué)工具。它從一個含有多個初始個體的種群開始，根據(jù)個體的優(yōu)劣為每一個個體賦予一個適應(yīng)度值。然后根據(jù)優(yōu)勝劣汰的自然法則，選擇適應(yīng)度值高的個體進行繁殖產(chǎn)生下一代個體。一般情況下，兩個父代個體會產(chǎn)生兩個子代，從而保證每代的種群數(shù)量穩(wěn)定不變。種群一代接著一代循環(huán)上述過程，直到某一代種群個體滿足給定的限定條件，則一次優(yōu)化操作完成。

以主軸軸線與Y軸線運動間的垂直度誤差、主軸軸線與Z軸平行度誤差為目標(biāo)函數(shù)，建立主軸軸線幾何精度優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型：

通過迭代計算，獲得多目標(biāo)優(yōu)化問題的Pareto解集，再從中選取最為合適的折中解。

4 優(yōu)化結(jié)果驗證

將預(yù)傾角及包容比尺寸優(yōu)化后，重新構(gòu)建有限元模型，施加載荷約束，對主軸-立柱部分進行靜力分析計算，得到采用優(yōu)化后主軸軸線幾何誤差。

驗證結(jié)果見表3。

表3 優(yōu)化前后結(jié)果對比

5 結(jié)語

針對立式加工中心主軸軸線在重力作用下幾何精度降低的問題，提出一種預(yù)傾斜結(jié)構(gòu)補償方案?；赟olidWorks 和Ansys 建立立式加工中心主軸軸線幾何誤差模型，探究了預(yù)傾角和包容比對主軸軸線幾何誤差的影響函數(shù)關(guān)系，求解得到最佳預(yù)傾角為3.56″和最佳包容比0.972。最后通過仿真對比，優(yōu)化后的主軸軸線與Y軸線運動垂直度誤差減小了7.67%，主軸軸線與Z軸平行度誤差減小了53.5%，驗證了本文所提結(jié)構(gòu)補償方案的有效性。