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动梁龙门数控铣床关键部件的设计与研究 摘要 数控机床广泛应用于国防、航空航天和国民经济各部门，是自动化加 工最基本的装备，也关系到国家的安全和工业生产能否健康地增长。我国 数控机床的设计水平和产品性能与国外相比还有一定差距。利用虚拟样机 技术对机床进行设计、分析及优化，可减少物理样机的反复试制、测试及 改进过程，提高了产品的性能，缩短了设计周期，降低了设计成本，对增 强企业竞争力具有重要的意义。 有限元方法是现代工程分析与设计的一种快捷、有效的辅助工具。本 文以数控铣床为研究对象，利用有限元分析软件c o s m o s w o r k s 作为分析工 具，对组成铣床的主要零部件进行分析，并对其结构进行优化设计。主要工 作如下： ( 1 ) 分析讨论了高速数控铣床的设计要求，依据加工工艺和机床性能指 标，提出了动梁龙门数控铣床的总体设计方案，设计了机床的主传动系统 和伺服进给传动系统。 ( 2 ) 按照模块化设计原则主要对影响机床性能的主要部件：龙门式横梁、 立柱、床身的设计和性能要求进行分析，初步确定了机床的零部件结构， 建立了部件的三维s 0 1 i d w o r k s 实体模型，形成了数字化样机部件。 ( 3 ) 在对数控铣床主要零部件横梁、立柱，床身及整机结构分析设计的 基础上，建立零部件三维有限元分析模型，进行了静力学分析，直观展示 了结构的应力场和位移场，分析了结构的强度和刚度。 ( 4 ) 对横梁、立柱、床身及整机三维结构进行了模态分析，获得了铣床 关键部件和整机的模态参数( 固有频率和振型) 。通过静态分析与模态分析为 结构优化设计打下了基础。 ( 5 ) 在有限元分析软件平台上，利用基于元结构和框架尺寸优化的理论， 研究了如何构造出动态特性优良的数控机床部件。通过基于元结构和框架 尺寸优化的方法，成功地对数控机床床身和龙门式立柱进行动态优化设计， 改善了床身结构及整机的动态性能。验证了基于元结构和框架尺寸优化的 机床构件动态设计及大件结构创成的可行性。 关键词：数控铣床，有限元分析，静力分析，模态分析，优化设计 i i r e s e a r c ha n dd e s i n go fm o v a b l eb e a m g a n t r yc n cm i l l i n gm a c h i n ek e y c o m p o n e n t s a b s t r a c t n cm a c h i n et o o l ，a se l e m e n t a r yd e v i c ei nt h ea u t o m a t i cm a n u f a c t u r e ，a r e g e n e r a l l ya p p l i e di nd e f e n s ea n da e r o s p a c ef i e l d s ，a n do t h e re c o n o m yf i e l d s ， t h e nh a v ee s s e n t i a le f f e c to ns a f e t yo fs t a t ea n dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i e s t o o u rc o u n t r y , h o w e v e r , o w i n gt ot h e 1 a go fd y n a m i co p t i m a ld e s i g no fn c m a c h i n et o o l s ，n cm a c h i n et o o l sh a v i n gt h ep r o p e r t i e so fh i g hm a n u f a c t u r i n g s p e e d ，h i g hr i g i d n e s sa n dh i g ha c c u r a c y , c a n tb ei nt i m ed e s i g n e di nr e s p o n s et o m a r k e tr e q u i r e m e n t a c c o r d i n gt om o d e md e s i g n t h e o r y , t h ep r o c e s so f m e c h a n i cp r o d u c t i o nd e s i g nb yc a d c a et e c h n o l o g yo m i t st h ep r o c e d u r e so f p r o t o t y p et r i a lm a n u f a c u r e ，t e s ta n dm o d i f i c a t i o na g a i na n da g a i n m o r e o v e r , b yt h ev i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y , t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e so fn ca r e i m p r o v e d ，a n dt h ec y c l eo fn ca n a l y s i s ，d e s i g na n do p t i m i z a t i o ni sa b r i d g e d s o d e s i g nc o s ti ss a v e d f e m ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) i saf a s ta n dg o o de f f i c i e n td e s i g nt o o li n m o d e me n g i n e e r i n ga n a l y s i sa n dd e s i g n t h ea p p l i c a t i o no ff i n i t ee l e m e n t ： a n a l y s i sa n ds t r u c t u r eo p t i m u me t cc a et e c h n o l o g yi ss i g n i f i c a n ti ns h o r t e n i n g t h ep e r i o do fp r o d u c t i o nd e v e l o p m e n t ，r e d u c i n gt h ec o s to ft h em a n u f a c t u r ea n d i m p r o v i n gt h ee n t e r p r i s ec o m p e t i t i v ea b i l i t y m i l l i n gm a c h i n ei sr e s e a r c ho b j e c t t h em a i n p a r t sw h i c hm a d eu pn cm i l l i n gm a c h i n ea r er e s e a r c h e di nt h i sp a p e r w i t hg e n e r a lf i n i t ea n a l y s i ss o f t w a r ec o s m o s w o r k s m a i na c t i v i t i e si n c l u d et h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) d i s c u s s i o no fh i g h s p e e dc n cm i l l i n gm a c h i n ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ， p r o c e s s i n ga n dm a c h i n eb a s e do np e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s ，p r o p o s e dm o v i n gt h e b e a mg a n t r ym i l l i n gm a c h i n ed e s i g np r o g r a m m e s ，t h em a i n d e s i g no f am a c h i n e t o o ls e r v od r i v es y s t e ma n dt r a n s m i s s i o nf e e d ( 2 ) i na c c o r d a n c ew i t ht h ep r i n c i p l e so fm o d u l a rd e s i g nm a jo ri m p a c to nt h e p e r f o r m a n c eo ft h em a c h i n ec o m p o n e n t s ：g a n t r yb e a m s ，p i l l a r s ，b e dd e s i g na n d p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sf o ra n a l y s i s ，t e n t a t i v e l yd e t e r m i n e dt h es t r u c t u r eo f i i i t h ep r o d u c tc o m p o n e n t s ，t h ee s t a b l i s h m e n to fat h r e e - d i m e n s i o n a lc o m p o n e n t s s o l i d w o r k ss o l i dm o d e l ，ap r o t o t y p eo ft h ed i g i t a lc o m p o n e n t s ( 3 ) i nt h em a i nc o m p o n e n t so f t h ec n c m i l l i n gm a c h i n eb e a m s ，p i l l a r s ，b e da n d t h ew h o l es 仃u c t l l r e a n a l y s i sa n dd e s i g n ，b a s e do n t h ec o m p o n e n t so f t h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e l ，t h es t a t i cm e c h a n i c a la n a l y s i s ， a n dv i s u a ld i s p l a yo ft h es 缸1 l c 钮】r eo ft h es t r e s sm a r k e ta n dt h ed i s p l a c e m e n t f i e l d t h es 咖c t i l i ea n a l y s i so ft h es t r e n g t ha n ds t i f f n e s s ( 4 ) t h eb e a m s ，p i l l a r s ，c o m p l e t em a c h i n eb e d a n dt h e t h r e e d i m e n s i o n a l s t r u c t u r eo fm o d a la n a l y s i s ，a c c e s st oam i l l i n gm a c h i n ea n dt h ec o m p o n e n t sa r e k e yc o m p o n e n t so fm o d a lp a r a m e t e r s ( n a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dm o d es h a p e s ) b ys t a t i ca n a l y s i sa n dm o d a la n a l y s i sf o rs t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o na n dl a i dt h e f o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g n ( 5 ) s t u d yi nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ep l a t f o r m , b a s e do nt h es t r u c t u r e a n ds i z eo fo p t i m i z a t i o nt h e o r y , h o wt oc o n s t r u c td y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e n cm a c h i n et o o lm o d u l ef i n e t h r o u g ht h es t r u c t u r ea n df r a m e w o r kb a s e do n t h es i z eo p t i m i z a t i o nm e t h o ds u c c e s s f u l l yo nt h ec n cm a c h i n et o o lb e da n d g a n t r yc o l u m nd y n a m i co p t i m i z a t i o nd e s i g n ，i m p r o v e db e ds t r u c t u r ea n dt h e c o m p o n e n t sa r ed y n a m i cp e r f o r m a n c e v e r i f i c a t i o nb a s e do nt h es t r u c t u r ea n d s i z eo p t i m i z a t i o no fm a c h i n ec o m p o n e n t sa n dl a r g ed y n a m i cd e s i g ni n t ot h e f e a s i b i l i t yo fas t r u c t u r e k e yw o r d s ：n cm i l l i n gm a c h i n e , f e m , s t a t i ca n a l y s i s ，m o d a la n a l y s i s , o p t i m u md e s i g n i v 动梁龙门数控铣床关键部件的设计与研究 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：邂日期：2 q q 星也 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学 位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供 信息服务。 、 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：弛师签名：耋3 一五苦日期：垫垒近 动梁龙门数控铣床关键部件的设计与研究 1 绪论 1 1 前言 现代企业之间的竞争焦点正转向寻找和应用高速、高效和智能化的工程分析手段， 以提高产品的设计和开发能力，提高产品性能、质量和使用寿命，缩短产品投放市场的 时间，降低成本，增强产品的竞争力。随着工业生产和科学技术尤其是计算机技术的迅 速发展，各种计算机辅助技术得到了越来越广泛的应用。各种以分析、优化和仿真为特 征的计算机辅助工程技术在世界范围内蓬勃发展。这些计算机辅助工程技术能有效地分 析产品的各种性能、反映影响产品性能的各种因素，直观地模拟和计算产品结构在不同 设计方案下的性能特点，提供产品在特定条件下设计的最优化方案。这些计算机辅助工 程技术的应用和研究，大大节省了产品开发的经费，缩短了产品设计的周期，提高了产 品的设计水平和质量。 1 2 选题目的和意义 随着我国加入世界贸易组织和全球经济一体化环境的形成，机床行业的市场竞争将 会愈演愈烈。目前，国内外机床产品技术水平之间的差距仍然很大，主要表现为产品仿 制多，创新少，市场竞争力不足，利润低设计方法落后，机床结构设计，尚处于传统的 经验、静态、类比的设计阶段，很少考虑结构动、静态特性对机床产品性能产生的影响， 产品精度低，质量难以保证，设计周期长，成功率低，反复设计、t 试制与修改，产品更 新换代慢，且成本高。因此尽快应用先进的设计技术，快速开发出结构合理、自动化水 平高、加工精度高、低振动、低成本的机床新产品响应市场，我国的机床工业才有出路。 为了达到这一目的，掌握先进的机床设计方法就显得尤为重要。 本论文研究对象为动梁龙门数控铣床。按照模块化的设计原则，采用虚拟原型逼真 设计的方法对龙门式铣床的总体结构和关键部件进行分析，优化设计，使其达到预定的 性能。探索从机械结构的改进角度提高数控机床的加工精度和加工质量的方法；高速数 控铣床要求机床必须具有合理的结构配置和优良的动态性能。为了准确预测机床的静、 动态性能，在设计初期运用模态分析理论和有限元理论，建立了机床结构的有限元模型。 在对有限元模型进行计算的基础上，通过对机床结构的改进使设计出的机床零件及整机 具有较高的静刚度和动态特性，从而保证机床满足设计要求。本课题属陕西省自然科学 基金高速高精度数控机床主轴系统的研究( 项目编号：2 0 0 4 e 2 0 9 ) 的一部分。 现代机床的结构设计和开发正由经验、类比、静态设计阶段，步入建模、优化、动 态设计阶段，可在计算机平台上实现新机床的动态虚拟设计。这些新技术的研究、应用 陕西科技大学硕士学位论文 和推广对于新机床结构动态性能的改善、加工精度的提高、开发周期的缩短和开发成本 的降低无疑是十分重要的。 1 3 研究动态 目前国内外在机械结构动态设计领域的研究十分活跃，非常重视关于机械结构动态 设计问题的研究，并将其列为机械结构设计领域的重点发展方向之一。机械结构动态设 计的内容十分丰富，涉及很多内容，包括现代动态设计方法、模态分析理论、有限元分 析方法、振动学和结构力学等理论。机床结构动态设计的主要内容，一是建立符合实际 情况的机床结构的动力学模型，二是选取有效的动态设计方法。其过程主要是对机床产 品初步设计图样或需要改进的机床实物进行力学建模，对结构进行静、动态特性分析， 然后根据机床工作性能的要求给出动态设计的目标，再按照结构力学的正、逆问 题求解其结构设计参数或进行结构的修改。 机床系统的建模问题是其动态设计的基础，而选择合理的建模方法是建立准确的机 床理论模型的关键。国内外常用的机床理论建模方法有集中参数法、传递矩阵方法、均 质梁法和有限元法【l 羽。2 0 世纪6 0 年代后期，随着计算机技术的发展，有限元方法开始 逐步应用于工程实践。有限元方法作为一种数值计算方法，它具有很多突出的优点，并 在此基础上出现了大量的c a e 软件如a n s y s ，m s m a s t r a n ，c o s m o s w o r k s 等 等，从而实现了计算机技术和有限元理论的结合，大大提高了机床机构设计的效率和质 量。当前，采用有限元方法，建立机床结构的静、动力学模型己经成为机床理论建模普 遍采用的方法。 目前，有限元方法在机床结构设计中的应用主要有以下几个方面【_ 7 】： ( 1 ) 静力学分析【8 】1 9 。这是对二维或三维机床零件承载后的应力和应变的分析，是 有限元法在机床设计中最基本、最常用的分析类型。 ( 2 ) 模态分析【1 0 】【1 1 】。这是动力学分析的一种，用于研究结构的固有频率和各振型 等振动特性。进行这种分析时所施加的载荷只能是位移载荷和预应力载荷。 ( 3 ) 谐响应分析和瞬态动力学分析【1 2 】【13 1 。这两类分析也属动力学分析，用于研究 结构对周期载荷和非周期载荷的动态响应。 ( 4 ) 热应力分析【1 4 1 1 5 1 。这类分析用于研究结构的工作温度不等于安装温度时，或 工作时结构内部存在温度分布时，结构内部的温度应力。 ( 5 ) 接触分析【1 6 10 7 。这是一种状态非线性分析，用于分析两个结构发生接触时的 接触面状态、法向力等。由于机械结构中结构与结构间力的传递均是通过接触来实现的， 所以有限元法在机械结构中的应用很多都是接触分析。但是，以前受计算能力的制约， 接触分析应用的较少。 2 动梁龙门数控铣床关键部件的设计与研究 机床是由多个零部件组成的复杂组合结构，仅对个别零部件进行分析，无法全面反 映机床整体的性能，特别是在动态分析中，各零部件之间结合部的接触参数对动态性能 的解析计算精度影响很大，因此，要准确地预测机床的动态性能，就必须对整机进行动 力学分析。而建立机床整机有限元模型的难点和重点就是结合面等效模型的建立，以及 其等效特性参数的确定。 机床结构是由许多零、部件组成，而零部件之间的连接方式也有很多种，如螺栓紧 固连接、平面导轨和滚动导轨的滑动连接等等。应用有限元法建立较为准确、合理的机 床结构的力学模型，使之符合实际工程建模的精度要求，是一个非常复杂的问题。其中 最关键部分就是结合面建模及模型修正问题，至今仍没有得到完满而能广泛认同的方法 来解决。由于结合面在机床结构中的大量存在，从而使机械结构本身不再具有连续性， 进而导致建模问题的复杂性。结合面存在接触刚度和接触阻尼，这些结合面特性对机床 结构整体动态性能的影响很大。有学者认为，一台机床9 0 以上的阻尼和5 5 以上的动 柔度来自结合部。 由于结合部特性表现为既有弹性又有阻尼，因此，大多数研究者将结合部等效为若 干弹簧和阻尼器构成的动力学模型【1 8 1 1 9 1 。这是一个虚拟的等效模型，它代替了原结合 部对相关子结构起联接作用。只要确定合理的等效弹簧和阻尼器与相关子结构的联接方 式，就可以建立准确的结合部等效动力学模型。于是，结合部问题就归结为如何确定等 效动力学参数的问题，这也是机床动力学模型建立的难点之一。 等效动力学参数的确定，属于参数识别问题。由于结合部具有非线性特征【2 们，且影 响结合部动力学特性的参数多而复杂，迄今仍然有一些问题尚未解决。确定等效动力学 参数的方法分为三种，理论计算法、试验测试法和理论计算与试验测试相结合的方法。 ( 1 ) 理论计算法【2 l 】。针对机械结构中各种典型结合部，通过理论分析和动态测试， 获取其特性参数，并建立相应的参数图表及分析计算表达式。由于结合部特性复杂，受 到的影响因素较多，故该方法的识别精度还有待提高。 ( 2 ) 试验测试方法【2 2 1 2 3 1 。直接对结合部及其相关子结构进行动态试验，通过测试 所得的数据和图表，识别出结合部等效动力学参数。在理论方法还未成熟的情况下，这 种方法得到更多的应用。但是，这种方法只能知道结合部的改进方向，并不能进行定量 修改，且需要对每次改进后的样机进行试验，对于大型复杂的高精密机床，采用这种方 法对参数进行识别的困难很大。 ( 3 ) 理论计算和试验测试相结合的方法【2 4 】 2 5 1 。该方法既有理论指导，又利用了试 验测试的可操作性，是当前参数识别较有效的途径。 随着有限元分析软件的广泛运用，一些研究者提出了试验与参数优化相结合的参数 识别方法1 2 6 1 。首先进行模态测试，测得前几阶的固有频率。以机床零件的有限元模型计 3 陕两科技大学硕士学位论文 算结果与其实验结果相对误差最小为目标函数，取前几阶固有频率为状态变量，结合面 刚度和阻尼为设计变量进行参数优化。这种方法不需要输出质量、刚度和阻尼矩阵，而 且识别精度较高，具有很好的应用价值。 同时，参数识别的理论计算方法虽然尚未成熟，但其具有广阔的应用前景。因为理 论分析结果的巨大指导意义，可以使设计人员在图样设计阶段就能准确地预知其动态性 能。它必将成为结合部问题研究的主要方向之一。 动态设计或动态性能优化设计就是在系统结构设计的过程中，找出一个合理的结 构，使其静、动态特性能够满足预先给定的要求。尽管理论上己经提出了一些动态优化 设计的方法，但目前大多情况仍将动态设计问题转化为动态分析问题来处理。对于机床 这类复杂的机械结构系统的动态设计，目前常用的方法是采用“优选”的方式【2 7 2 9 】，首 先对初步设计出的机床结构进行建模和特性分析，根据设计者的要求进行结构的动力学 修改，然后在计算机上进行再分析，多次反复，直到所设计的机械动、静态性能满足要 求。 目前，学术界对一些复杂的机床部件进行的动态优化设计仍局限于广义意义上的优 化设计，其实质是“优选的优化设计。这种方法只能使设计者知道结构修改的方向， 而不能找到性能最优的设计方案，且其优化效果的好坏往往取决于设计者的经验。在计 算机工作平台上，实现设计者预定的目标函数与约束条件自动完成的优化结果搜索的 “自动优化，仅在一些设计参数较少的简单零件上能够实现。利用数学规划法和优化 准则，由计算机自动来完成结构系统的优化过程，还有大量的理论工作和实际问题有待 解决。国内结构的优化设计基本上还采用“优选设计的方式，在自由度不多的系统和 部件子结构中实现了动态的优化设计。 机床零件的静、动态特性与机床产品的整机性能有着密切关系，提高床身等主要结 构部件的动态性能，对于提高机床产品质量、保证机床的动态加工精度有着重要意义。 对于机床结构的优化设计，是以预定的结构固有频率和振型为优化的目标函数，通过修 正结构设计参数来实现结构的动力学优化设计。其中，国内许多学者做了很多工作并取 得了大量的成果，但一般仅限于简单的部件结构或对复杂结构进行大量的简化。 汤文成、易红【3 0 】对床身结构的静、动态特性进行分析和优化设计。通过分析和研究 得出改变床身的筋板类型和布局设计是提高床身结构的静、动态特性的有效手段，并且 提出了以导轨的振动变形量作为床身结构设计的主要依据，建立了床身的结构模型，以 床身的结构参数为设计变量，各设计变量对床身动态性能贡献加权作为结构优化设计的 目标函数，最后得到最优的床身设计方案，同时在机床的参数化设计等方面进行了有益 的尝试。 尹志宏、廖伯瑜等人对平面磨床主轴系统进行了优化设计【3 1 1 ，建立了主轴优化设计 4 动梁龙门数控铣床关键部件的设计与研究 的数学模型，以主轴外伸点挠度最小为目标函数，并满足主轴重量及固有频率的约束条 件，达到了优化主轴系统静、动态性能的目的。 东南大学毛海军等人将神经网络理论与有限元建模方法相结合，提出了采用神经网 络建立机床整机主要部件的动力学模型，并应用大型有限元分析软件a n s y s 的 a p l d ，进行b p 神经网络样本的快速采样的方法【3 2 】。根据所提出的方法，建立了床身 的筋板位置、厚度与床身前5 阶频率之间的b p 神经网络模型，并以床身第l 阶固有频 率最高为目标进行了设计变量的自动搜索寻优计算，且获得了满意的结果，表明神经网 络理论与传统的数值方法相结合应用于实体结构的动态分析计算具有重要的现实意义。 此外，张学良等人分析了影响结合面基础特性参数的众多因素，也提出利用网络建 立结合面基础特性参数与其诸多影响因素之间的非线性关系，并对其进行正预测的有效 方法【3 3 1 。这种方法能够在机床结构方案设计阶段就能预知所设计机床的结构性能，寻求 最佳结构方案。但是这种统计分析方法得出的结果精度不是很高。 1 4 课题研究主要内容 数控机床与普通机床相比，在机械传动和结构上有显著的不同，在性能方面也提出 了新的要求。数控机床的关键部件包括主传动系统，进给传动系统，龙门数控铣床的横 梁，立柱、导轨等。这些关键部件的设计质量影响机床的整体加工性能和加工精度，因 此对机床关键部件的优化设计就显的尤为重要。这些部件要求高精度，高刚度，低惯量， 低摩擦，高谐振频率，适当的阻尼比特性，使数控机床达到预定的各项性能指标。 按照模块化设计原则本课题主要对影响机床性能的主要部件，龙门式横梁，立柱以 及床身分析设计。确定产品的零部件结构，建立部件的三维实体模型，形成数字化样机 部件，然后对其建立有限元模型，在工作的极限载荷条件下测试其应力、应变等特性， 并以此为依据对零件尺寸进行最优化设计，从而在较少的原料消耗条件下得到结构紧 凑、符合设计要求的机床关键部件的三维模型。具体研究内容如下： ( 1 ) 采用美国s o l i d w o r k s 公司推出的s o l i d w o r k s 软件对动梁龙门数控机床的横梁、 立柱、床身等主要零部件及整机进行三维造型与设计。 ( 2 ) 利用c o s m o s w o r k s 软件建立铣床横梁、立柱和床身等零件的有限元静力学 模型并进行结构静力计算。 ( 3 ) 完成机床主要零件的动力学建模和动态优化设计。 ( 4 ) 完成机床各主要零件的装配，建立整机的有限元模型。对机床整机模型进行静 力计算和模态分析，验证设计的动静刚度。 5 陕西科技大学硕士学位论文 2 高速龙门数控铣床的总体设计 2 1 高速数控机床设计的基本要求概述 近年来，我国对高速切削技术已有了更广泛的重视，应用范围越来越大。我国现己 进口了大批高速加工机床，却由于缺乏理论指导和配套技术，不能充分发挥其应有的加 工能力。另外，自主开发的高速机床，由于设计、工艺、装配等方面存在的问题，同国 外机床相比，在性能上还存在很大的差距。因此，对高速数控加工机床进行结构分析， 充分了解其结构特征和性能特性是开发高速数控机床的行之有效的方法，对于建立机床 的三维虚拟模型和分析设计起到指导性、决策性的作用。 高速数控机床的特点： 对大多数工件材料而言，高速切削是指高于常规切削速度五倍乃至几十倍条件下所 进行的切削。同时，采用高速切削技术能使整体加工效率提高几倍乃至几十倍，加工成 本相应降低。因此，高速切削加工中的“高速不仅是一个技术指标，也是一个经济指 标，是一个可获得较大经济利益的高速度的切削加工。为了适应高速切削的要求，高速 数控机床与普通机床有很大的不同。高速机床必须能够提供高的切削速度和满足高速切 削加工带来的一系列功能要求，主要包括如下几点： ( 1 ) 适合高速运转的主轴单元 高速主轴单元是高速数控机床最为核心的部件，是实现高速加工的关键的技术之一， 其性能直接决定了机床的加工质量。高转速下主轴零件离心力作用下产生振动、变形， 高速运转时的摩擦发热和大功率内装电机产生的高温和变形是影响主轴性能的关键因 素。高速主轴要有高的同轴度、高的传递力矩和传动功率、高刚性、良好的热稳定性、 抗振性好、高动平衡精度、先进的散热或冷却装置。主轴部件还要具有极高的角加减速 度来保证在极短时间内实现升降速和在指定位置的准停。 ( 2 ) 高精度的迸给系统 高速切削加工过程对进给系统提出了很高的要求，一是为了减少非切削时间，实现 高效加工，必须实现进给的高速度：二是为了保证轮廓切削形状的高精度和小的加工表面 粗糙度，要求进给系统具有良好的快速响应特性，即最大限度地减少系统跟随误差【3 4 】。 因此，现在各机床生产企业大多采用交流伺服进给驱动系统，旋转伺服电动机+ 精密高速 滚珠丝杠副。其特点是：具有较高的快速响应特性和同步性、传动灵活、轻快；无间隙、 无爬行、高刚度；采用现代化制造技术，可达到国标g b t 1 8 5 8 7 “1 级 以上精度；具有优 良的高速特性，砌值可达1 5 0 0 0 0 。高速化的成本较低，具有高进给速度、良好的加减速 特性、高精度、快响应、宽调速范围、低速大转矩等性能。 ( 3 ) 高速控制系统 6 动梁龙门数控铣床关键部件的设计与研究 为了适应高主轴转数、高进给速度、高加减速度，高速数控加工中心的c n c 控制系统， 必须具有高的数据处理和运算速度，保证实现高速插补、程序快速处理和有效的超前处 理能力，提高进给刀具或工件的进给运动轨迹控制精度【3 5 1 。同时，数字主轴控制系统和 数字伺服轴驱动系统也应具有超高速响应特征。 ( 4 ) 高效、快速的冷却系统和机床温控系统 高速切削中的热源主要有两个：一是高速切削过程中产生的大量的切削热，二是切削 过程中，主轴电机发热及滚珠丝杠、导轨由于摩擦产生的热。如果不能使这些热量迅速 从切削区域传走，将造成机床、刀具、工件系统的热变形，严重影响加工精度。为此， 有的公司采用高压喷射装置，将高压冷却液射向机床的切削部位，进行冷却，清除切削 产生的热量：有的公司采用瀑布方式由机床顶部淋向机床工作台，带走大量热切屑，同时 保证工作台清洁。对于丝杠，有的公司采用在中空的滚珠丝杠中传输冷却液，达到冷却 丝杠、稳定加工的目的【3 6 1 。 ( 5 ) 高刚性的床体结构 由于高速切削速度大幅度提高，使得产生振动的可能性也增大，这就要使机床的固 有频率远离颤振频率。而在切削过程中产生的热量也可能使床身受热变形，严重影响加 工质量。另外，加工时因高加速度或高减速度产生的惯性力和不平衡力也会对床身产生 影响。基于以上因素和其它未列因素，高速数控机床的床体结构应具有良好的动、静刚 度，足够的强度，好的热稳定性和最佳的阻尼特性。大部分机床都采用高刚性、高抗张 性和高热传导性的灰铸铁。也有一些公司采用高热稳定性、高阻尼的聚合物混凝土直接 浇铸。 ( 6 ) 可靠的安全装置和实时监控系统 在高速切削加工中，飞溅的切屑初速度如子弹一样，易造成危险和人身伤害，而且， 如果高速旋转的刀具发生断裂，飞出的碎片能量巨大，非常危险。为了防止切屑和冷却 液的外溅，污染环境和意外伤人，高速数控机床普遍采用全封闭式安全门罩，来保证机 床操作者及机床周围现场人员的安全【3 7 】。除此之外，为了适应高运转条件下设备与环境 的安全性，必须采用主动在线监控系统包括切削力监测、机床主轴功率监测、刀具磨损 与破损监测、主轴轴承监测、主轴颤抖监测、电器控制系统过程稳定性监测等。 ( 7 ) 合理的切屑处理系统 切屑积存会使热量大量积聚导致机床床身受热变形，影响加工质量，另外，切屑积 存本身就严重影响加工精度。故此，常用的高速机床切屑处理系统主要有螺旋式、刮板 式、铰链式、带式自动排屑器以及抽屉式集屑箱等形式。自动排屑器可实现无人排屑操 作，减轻了操作人员清理和维护机床的工作量。抽屉式集屑箱可向前方拖出，方便使用， 且不占空间。通常机床还装有倾斜不锈钢导轨防护罩，不积存切屑，易于清理。有的排 7 陕西科技大学硕士学位论文 屑器带有内置切屑过滤器，去除冷却液中的小切屑颗粒【3 8 1 。 总之，高速切削加工技术的特殊性，对实现高速切削加工的机床提出了更高的要求。 只有将上述功能要求有机结合和优化处理，并不断改进，才能生产出高速、高效、高精 度的高速数控加工机床。在一定程度上，上述功能要求也是正确选择和使用高速数控加 工机床的衡量标准【3 蛐。同时，高速数控加工机床技术是- - f 新兴的和正在普及的综合 技术，实际应用中还有许多问题尚待解决，这些问题包括：高速机床的动态、热态特性， 高速机床刀具、工装夹具及工艺参数问题，冷却润滑、切屑排除和安全操作，c n c 高速高 精度控制系统等问题。如何提高高速加工数控机床的加工精度、增加其加工功能、扩大 其适用范围，都成为制造技术发展的重要方向。 2 2 数控机床总体方案设计 机床结构采用立式龙门框架结构，三轴联动。j ，方向运动为横梁直线移动，工作台 与机床床身合为一体，增大了工作台的承载能力。工件的重量不会影响加工的性能，动 梁龙门数控铣床结构方案图如图2 - 1 所示。 2 2 1 方案分析 立式动梁铣床主要用于模具行业：主要用于雕、铣各种型腔模具，可加工各种钢材、 铝材、铜材或非金属材料等。 采用动梁龙门结构使铣床在高度方向的加工范围加大，适用于高度变化较大的各种 工件。横梁移动可实现高速进给和加工较长零件；床身和工件均固定不动。不仅对所加 工的工件重量没有限制，而且避免了质量大的工作台和工件对动态性能的影响和工件质 量变化造成的机床动态性能的变化。机床移动部分为质量较轻的横梁、z 向滑板、电主 轴铣头、z 向滑块等。同时采用滚动直线导轨，刚度高，摩擦阻力小，使机床具有良好 的动态响应特性。 2 2 2 方案设计特点 1 床身铸造为箱形筋结构，床身与工作台铸造为一体。在立柱上布置横梁( j 轴) 和垂直进给滑板( z 轴) ，床身整体刚性强；横梁为箱形整体结构，刚性强、精度高； 由于工件不移动，整个移动重量不变，可以达到较高走刀速度与生产率。 2 机床采用龙门立式主轴结构，直联传动，结构简单，刚性强。主轴采用电主轴， 且采用变频无级变速，最高转速范围在2 0 0 0 1 8 0 0 0 r p m 内，可用于中等负荷的雕铣加工。 3 y 轴( 横梁) 移动采用单端伺服电机驱动，保证了刀具在x 、】，平面内任何区域 8 动梁龙门数控铣床关键部件的设计与研究 切削的刚度和精度。 4 机床x 、y 、z 三坐标运动采用进口精密滚动导轨副及精密滚珠丝杆副，所有导轨 丝杆均采用油泵集中润滑形式，只需注意加油，几乎不须任何维护工作即可长期使用、 不磨损。x 、lz 三坐标的传动采用精密膜片弹性联轴器与进口伺服电机直接联结，动 作灵活，无阻滞爬行，无反向间隙。 5 轴承采用中等预紧成对轴承。丝杆螺母采用双螺母预紧结构，在x 、】，丝杆上采 用预拉伸以提高丝杆传动刚性。 图2 1 动梁龙门数控铣床总体结构方案图 1 床身2 左立柱3 右立柱4 横梁5 z 向滑板6 舶句滑块 7 控制面板 8 电气控制主板箱 f i g u r e2 lc n cm i n i n gm a c h i n eg a n t r ym o v i n gb e a ms t l u c t u r eo f t h eo v e r a l lp r o g r a n n n e 1 b e d2 l e f tc o h m m 3 r i g h tc o l u m n4 5b e a m s zt os k a t e b o a r d s 6 xt ot h es l i d e r7 c o n t r o lp a n e l 8 e l e c l r i c a lc o n t r o lb o xm o t h e r b o a r d 2 3 机床主要参数设计及主要部件的设计选用 机床的主要技术参数包括主参数和基本参数，基本参数包括尺寸参数，运动参数和 动力参数。 1 尺寸参数 工作台尺寸根据工艺要求选用7 0 0 1 0 0 0 行程( 砒) 7 0 0 x 1 0 0 0 x 3 5 0 9 陕西科技大学硕士学位论文 2 运动参数选择 ( 1 ) 机床主传动电动机转速的选择，根据工艺要求选用n = l o o o v z d , v 为切削速度，一 是主轴转速，d 是刀具的直径。最后根据计算，刀选用2 0 0 0 1 8 0 0 0 r m i n ( 2 ) 进给运动参数选择。对于数控铣床由于使用多刃刀具，进给量常采用每分钟位移 量表示。根据工艺要求选择，快速进给速度0 - 1 0 m m i n ，切削进给速度0 5 m m i n 。 3 主传动系统设计及动力参数选择： 主电动机功率的确定p c = f z l , 6 0 0 0 0k w 可根据刀具材料，工件材料和选用的切削 用量等条件选择。当机床结构未确定时可根据下式选用：p 工_ p c r l 。，p 刀= p 。伍p 为电 动机额定功率，k w 。p l 为计算出的电动机功率，k 电动机超载系数，对连续工作的机 床选k - - 1 。最后根据计算选用p 开= 4 k w 。本数控铣床选用高速内装式交流伺服电主轴【4 2 】。 主轴锥孔直径3 一1 6 r a m ；以选用2 0 0 0 1 8 0 0 0 r m i r a 电主轴功率p 疗= 4 k w 。交流伺服 电主轴低速输出性能好，可实现闭环控制。内装式交流伺服电主轴选用恒功率输出，切 削范围较广，能适应工况变化较大的场合，这样在低速阶段能输出较大的转矩，在高速 时能维持一定的功率。 图2 2 高速内装式电主轴结构筒图 f i g u r e2 - 2 - b u i l th i g h - s p e e de l e c t r o - s p i n d l es t r u c t u r ed i a g r a m 4 伺服进给传动系统设计【4 3 】 机床瓜kz 三坐标运动采用精密滚动导轨副及精密滚珠丝杆副，所有导轨、丝杆 均采用油泵集中润滑形式，只需注意加油，几乎不须任何维护工作即可长期使用、不磨 损。瓜kz 三坐标的传动采用精密膜片弹性联轴器与进口伺服电机直接联结，动作灵 活，无阻滞爬行，无反向间隙。轴承采用中等预紧成对轴承。滚珠丝杠两端的固定轴承 选用i n a 公司的产品，这种轴承自带密封、刚性好、价格低是现今国际上先进机床普遍 采用的一种滚珠丝杠固定轴承。丝杆螺母采用双螺母预紧结构，在x 、y 轴丝杆上采用 预拉伸以提高丝杆传动刚性。x 、y 轴丝杆安装采用两端固定的方式，传动精度比较高。 l o 动梁龙门数控铣床关键部件的设计与研究 z 轴丝杆也采用两端支承固定的方式安装，带动z 向滑板沿竖直方向运动。 ( 1 ) 滚珠丝杠的选用与较核 在设计和选用滚珠丝杠螺母副时，首先要确定螺距t 、名义直径d d 、滚珠直径而等 主要参数。在确定后两个参数时，采用与验算滚珠轴承相似的方法，即规定在最大轴向载 荷q 作用下，滚珠丝杠可以3 3 3 r m i n 的转速