基于仿真分析的BT40主轴系统公差设计与优化
２０１７年４月第４５卷第７期
机床与液压
ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ
Ａｐｒ畅２０１７Ｖｏｌ畅４５Ｎｏ畅７
DOI ：１０．３９６９／ｊ畅ｉｓｓｎ畅１００１－３８８１畅２０１７畅０７畅０３１
收稿日期：２０１６－０１－２７
基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１０７５４１９）
作者简介：黄强（１９６６—），男，博士，教授，主要研究方向为机械制造装备数字化设计与制造。Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｕａｎｇｑｉａｎｇ６６０１＠
１２６畅ｃｏｍ。
基于仿真分析的ＢＴ４０主轴系统公差设计与优化
黄强，吴爱军，杜雪飞
（重庆理工大学机械工程学院，重庆４０００５４）
摘要：公差设计质量直接影响产品的性能和制造成本。为提高主轴系统公差设计的质量和效率，提出了一种基于建模仿真的公差设计与优化方法。模拟ＢＴ４０主轴系统的结构和装配过程，首先在ＣＥＴＯＬ６σ软件中建立主轴系统的数字化公差
模型，利用该模型分析各主要公差对系统输出精度的贡献度和敏感度。然后以类比法公差设计作为原始方案，仿真检验其设计效果。最后以公差贡献度和敏感度为依据，对原有公差设计方案进行修正及优化。结果表明：优化后的方案显著提高了主轴系统的输出精度。
关键词：主轴系统；公差模型；ＣＥＴＯＬ６σ；贡献度；敏感度中图分类号：ＴＨ１６４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１－３８８１（２０１７）０７－１２１－５
Tolerance Design and Optimization of BT ４０Spindle System Based on Simulation Analysis
ＨＵＡＮＧＱｉａｎｇ，ＷＵＡｉｊｕｎ，ＤＵＸｕｅｆｅｉ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００５４，Ｃｈｉｎａ）
Abstract ：Ｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｏｌｅｒａｎｃｅｄｅｓｉｇｎｄｉｒｅｃｔｌｙａｆｆｅｃｔｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｃｏｓｔｏｆｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｑｕａｌｉｔｙａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｏｌｅｒａｎｃｅｄｅｓｉｇｎｉｎｔｈｅｓｐｉｎｄｌｅｓｙｓｔｅｍ，ａｔｏｌｅｒａｎｃｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．ＳｉｍｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄａｓｓｅｍｂｌｙｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅＢＴ４０ｓｐｉｎｄｌｅｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｄｉｇｉｔａｌｔｏｌｅｒａｎｃｅｍｏｄｅｌｏｆｔｈｉｓｓｐｉｎｄｌｅｓｙｓｔｅｍｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙＣＥＴＯＬ６σｓｏｆｔｗａｒｅｆｉｒｓｔｌｙ．Ｕｓｉｎｇｔｈｉｓｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｔｈａｔｖａｒｉｏｕｓｍａｉｎｔｏｌ－ｅｒａｎｃｅｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｙｓｔｅｍｏｕｔｐｕｔａｃｃｕｒａｃｙｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔａｋｉｎｇｔｈｅｔｏｌｅｒａｎｃｅｄｅｓｉｇｎｓｃｈｅｍｅｂｙａｎａｌｏｇｙｍｅｔｈｏｄａｓｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｏｎｅ，ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｆｆｅｃｔｗａｓｉｎｓｐｅｃｔｅｄｂｙｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｖａｒｉｏｕｓｍａｉｎｔｏｌｅｒａｎｃｅｓ，ｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｔｏｌｅｒａｎｃｅｄｅｓｉｇｎｓｃｈｅｍｅｗａｓｍｏｄｉｆｉｅｄａｎｄｏｐｔｉｍｉｚｅｄｆｉｎａｌｌｙ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｓｃｈｅｍｅｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｏｕｔｐｕｔａｃｃｕｒａｃｙｏｆｓｐｉｎｄｌｅｓｙｓｔｅｍｏｂｓｅｒｖａｂｌｙ．
Keywords ：Ｓｐｉｎｄｌｅｓｙｓｔｅｍ；Ｔｏｌｅｒａｎｃｅｍｏｄｅｌ；ＣＥＴＯＬ６σ；Ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ
0 前言
随着科学技术的发展，产品的精度要求逐步提高。对于装备制造业工作母机的机床，其制造精度和装配精度要求也越来越高。主轴作为机床的关键部件，其回转精度直接影响加工零件的尺寸精度、形状
精度及表面质量［１］
。为保证产品性能及合理成本，公差设计正逐渐由可行设计向优化设计过渡，运用计算机进行辅助公差设计已成为实现公差优化设计的主要途径。人们不断地探索着各种公差建模分析方法和各
种公差优化算法［２－６］
，如蒙特卡罗法、遗传算法、约束网络法以及粒子群优化算法等。对于机床主轴系
统，Ｊｈｙ－ＣｈｅｒｎｇＴＳＡＩ等［７］
以降低生产成本为目标，研究了主轴单元在保持较高装配性能下公差的再分配方
法。ＧＵＯ等［８］
基于装配过程中的形位公差和变异传播，建立了以测量和调整过程为观测矩阵的状态空间
模型。王海艳等［９］
利用改进的统计法和遗传算法，建
立了螺旋铣孔主轴单元精度分配模型。姜广发［１０］
从
机床零部件公差设计与分配角度考虑，建立了ＴＨＭ６５１６０数控镗床主轴单元的公差数值模型，并且考虑了机床真实工况下主轴箱所引起的微小变形。邹
林峰等［１１］
研究了径向圆跳动误差对主轴承润滑的影响机制，建立基于润滑的曲轴颈径向圆跳动公差仿真模型。尽管计算机辅助公差设计已经取得了一系列可喜的进展，但与普及应用之间仍有一段距离。目前，国内企业在主轴系统的精度控制中，仍主要采用“类比法（经验法）公差设计－样件检验－公差调整－再检验－再调整”的循环方法，其效果和效率均难以与全球化竞争要求相适应。针对这一现状，本文作者从实际应用出发，以ＢＴ４０主轴系统为例，提出了一种将传统方法与计算机仿真分析相结合的公差设计方法，以提高主轴系统公差设计的质量和效率。
1 研究思路与方法
仔细分析主轴系统的精度控制过程不难发现：影响精度控制效果和效率的主要因素并不是类比法
万方数据