摘要：提出一种新型横梁结构，使立、卧磨头横向滑板各自使用自己的承重导轨，确保立、卧磨头水平移动的直线度以及工作台面对磨头移动的平行度。
近年来数控机床向着大型化、高精度化方向迅猛发展，龙门导轨磨床作为精密加工设备更是如此。单就加工宽度而言，现在龙门导轨磨床的加工宽度可达3 000～4 000mm。随着加工宽度的不断增加，磨头水平移动（Y轴线）的直线度和工作台面对磨头移动（Y轴线）的平行度就越难保证。该两项精度即GB/T 5288—2007 龙门导轨磨床精度检验中的G3、G14两项精度。如何来保证大跨度龙门导轨磨床的这两项精度呢？下面单就横梁导轨结构对该两项精度的影响做一些分析。
1. 传统横梁导轨结构
传统的龙门导轨磨床的立、卧磨头横向滑板都是共用横梁的承重导轨，承重导轨大多是加工成一定的凸形曲线，用来抵消磨头质量对横梁导轨变形的影响，进而保证磨头Y轴运动的直线度。但是，立、卧磨头的横向移动部件质量是不同的，当其共用横梁的承重导轨时，其运动负载对横梁施加的变形就会不相同，这样必然导致立、卧磨头Y轴运动直线度及工作台面对磨头移动的平行度顾此失彼。对于精密级大型龙门导轨磨床来说是达不到要求的。传统的横梁结构如图1所示。
2. 新型横梁导轨结构
图1 传统横梁导轨结构
本文提出一种新的横梁导轨结构（国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”基金项目，课题编号2011ZX04003-011），如图2所示。将横梁的承重导轨沿长度方向加工出3mm×1.5mm凹槽，这样就将横梁的承重导轨“一分为二”，形成两条独立的承重导轨，内侧为卧磨头承重导轨，外侧为立磨头导轨。根据两套磨头机构对横梁的变形负载，进行机械结构上的误差补偿，通过机械结构预先曲线补偿来进一步提高磨头机构横向运动的精度。通过动态分析模型取得的理论数据与试验平台机床试验采集的数据进行比较，建立起大跨度横梁结构刚度对变形影响的模型。通过对曲线变化趋势及变形数据进行分析，建立变形曲线的倒映曲线并加以修正，对横梁上的不同承重导轨进行数控磨削加工，加工后的水平直线导轨轨迹，可以补偿因不同质量磨头机构在横梁水平移动的直线运动误差。通过上述机械结构的优化，可确保轻松达到GB/T 5288—2007 龙门导轨磨床精度检验中的G3、G14两项精度并有较大提升。
下面就如何对这种新型导轨的曲线进行加工做进一步分析。
首先对传统的立、卧磨头共用承重导轨的横梁在磨头负载的作用下、导轨在垂直方向的变形进行测量。
图2 新型横梁导轨结构
垂直方向即Z方向，垂直变形量指的是采样点原位置与变形后位置在Z方向上的位移，因有方向性，所以变形量有正负之分，以向上为正，向下为负。采点间距为100mm，横梁总长8 300mm，共80个采样点，采样示意图如图3所示，通过软件模拟磨头负载导致横梁的变形如图4所示。
用激光干涉仪按照图3所示方法分别对立、卧磨头在横梁上移动时对横梁承重导轨变形量进行测量，检测结果如图5所示。
通过图5可知，卧磨头使横梁的变形量较立磨头大，这是由于卧磨头质量大于立磨头的原因，横梁导轨在自身挠度和磨头负载的共同作用下，向下弯曲最大变形量约为0.04mm。通过对得到的横梁变形曲线变化趋势及变形数据进行分析，建立立、卧磨头导轨变形曲线的倒映曲线，由于受到一些不确定因素的影响，该倒映曲线不能直接作为横梁导轨的加工曲线，需要根据经验加以修正，将修正后的倒映曲线输入数控龙门导轨磨床，从而对横梁上的不同承重导轨分别进行数控磨削加工。
图3 垂直方向采点示意图
图4 垂直方向变形示意图
图5 传统横梁导轨在立、卧磨头负载下的变形量对比
3. 新型横梁导轨的实际应用
我们在制造一台加工宽度为3 500mm的动梁式龙门导轨磨床MKW5235A/3×140上使用了这种新型的横梁导轨，并对GB/T 5288—2007 龙门导轨磨床精度检验中的G3、G14两项精度进行了检测。图6所示为车间用激光干涉仪检测时的照片，图7所示为横梁导轨在立、卧磨头负载下的变形量对比，附表所示为检测结果。
图6 车间检测现场
图7 新型横梁导轨在立、卧磨头负载下的变形量对比
检测结果表
4. 结语
使用实践表明，采用上述结构后，能显著提高与其相关的两项精度。且新型结构简单、安全可靠，值得推广和应用。
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