五轴卧式加工中心主轴系关键部件与热误差项定义

1.1主轴系关键部件构成

从工作台W到刀尖点T的运动链为:W→B→A→Z→X→Y→T，其中B为转台，A为摇篮，Z和X导轨固定在床身，Y导轨固定在立柱。鞍座通过4个滑块与Y导轨相连接，主轴穿过长方形鞍座固定。五轴卧式加工中心的基本参数见表1。

五轴卧式加工中心热源可分为内热源、外热源和加工热源[24]。内热源中，主轴系统提供切削能量并产生大量热能，进给系统相对于主轴的发热量较少。外热源影响主要表现为空气与五轴卧式加工中心结构表面的热传导对流。车间气温常随昼夜与季节变化，导致大尺寸的五轴卧式加工中心部件产生显著的热误差[25]。加工热从刀具与工件的高速摩擦中产生，受材料和工艺影响，且大部分被切削液和切屑带走[26]。研究主要考虑主轴热和环境温度对主轴系部件产生的影响。

主轴运动链的各个部件中，主轴的温升和变形都较明显。鞍座负责连接主轴和立柱，中心接受主轴的传热，四角的滑块连接Y导轨，易产生翘曲变形。立柱高约1.8m且有大量镂空结构，易受环境温度变化的影响。同时部分主轴热造成滑块附近局部温升变形。X导轨与床身体积大、离主轴远，受热影响小。研究认为刀尖点在前述热源影响下产生的热误差主要来源于主轴、鞍座和立柱，即“主轴系关键部件”。床身则作为静止的测量基准。

1.2等效几何模型与误差项定义

为了更清晰地量化每个结构对刀尖点误差的贡献,下面对这些部件建立等效的几何模型(图2),其关键点的定义见表2。电主轴等效为悬臂梁结构 TT1。鞍座为板块AS与中间圆柱套点 T2 的结合。立柱Y导轨的顶端U为自由端，而底端D与固定的床身X导轨连接。

结合图2的模型，按每个部件热变形对刀尖点的影响，定义各自的热误差项。由于关键部件大体在Y-Z平面上对称，以下忽略B、X向的误差。误差的定义如图3、表3所示。主轴的热伸长定义为 ZE，热弯曲导致的A向偏转定义为 θE，而轴线的Y向热漂移定义为 YE。鞍座中间与四角的温差会使其前凸或后凹，将其变形导致中孔的Z向位移定义为 Zs，Y向位移定义为 Ys，中孔轴线的A向偏转定义为 θs。立柱受热伸长导致刀尖点Y移定义为 Yp，热弯曲导致的Z向位移和A向转角分别定义为 Zp、θp。