（机械制造及其自动化专业论文）数控冲床高速高精度同步定位分析与研究.pdf

佳木新大学硕士学位论文 摘要 本文在对国内外数控机床现状及发展趋势研究与分析的基础上，针对高速商精度数 控机廉的功要求，分析了高遮条件下滚珠丝挺进给系统的高精度定位的驱动特性，同 时对数控机床中迸给系统及整机的动态特性进行了研究。 从理论上分析了影响高速加工定位精度的阕素，并建立了勰速加工滚珠丝枉驱动的 力学禳型。建立了高速滚珠丝枉迸给驱劝系统机械模黧和伺服控带0 模型，并对内电视、 滚珠丝杠、连轴器、支承轴承、直线导轨和机械结构组成的滚珠丝杠进给驱动系统进行 了钫窦分橱。 纂于理论研究和仿真分析，设计并建立了高速n i 性能分析试验台，对高速情况下 滚珠黧杠进绘系统靛辘械往麓避行了试验分析。 本文对影响高速高精度加工的因素进行了理论分析和试验研究，提出了在机械方面 帮控制方覆撵离高速翻工定整耪度豹有效方法。该研究j l 雩提高离速毫精度麓工技术柬乎 和产品的生产效率以及增强产晶市场竞争力具有一定的研究和成用价值。为更好的解决 裹速、离壤痰定霞等按本润题烫定。 基硝。 关键诵；高速态精度滚珠丝程迸给系统伺酲控制 佳木斯大学硕士学位论文 a n a l y s i sa n d r e s e a r c ho ns y n c h r o n o u sl o c a t i o ni nt h eh i g h s p e e da n dh i g hp r e c i s i o nc n c p u n c h a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h er e s e a r c ha n da n a l y s i so f t h e p r e s e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n t t r e n do fh i g hs p e e da n dh i g hp r e c i s i o nc n c ( c o m p u t e r i z e dn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) a th o m ea n d a b r o a d ，t h ed r i v i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h eh i g hp r e c i s i o no r i e n t a t i o ni nf e e ds y s t e mo f b a l ls c r e w i nh i g hs p e e dh a sb e e na n a l y s e da c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n to f h i g hs p e e da n dh i 曲 p r e c i s i o nc h i c ，a n dk e yt e c h n o l o g yo fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ff e e dd r i v es y s t e ma n dt h e i n t e g r a ln c ( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) l a t h eh a sb e e ns t u d i e d i n f l u e n c i n gf a c t o r so fl o c a t i o np r e c i s i o ni nh i 幽s p e e dm a c h m i n gh a v e b e e na n a l y s e di n t h e o r y ，a n dd y n a m i cm o d e lo fb a l ls c r e wd r i v i n gh a sb e e ne s t a b l i s h e d m e c h a n i c a ls y s t e ma n d s e r v o c o n t r o ls y s t e ma r em o d e l e d am e c h a n i c a lm o d e lo fab a l ls c r e wi nf e e dd r i v es y s t e m i n c l u d i n gt h em o t o r , b a l ls c r e w , c o u p l i n g , s u p p o r t i n gb e a r i n g , l i n e a rg u i d ea n dm a c h i n e s t r u c t u r eh a sb e e ns i m u l a t e da n da n a l y s e d b a l ls c r e wd r i v et e s t - b e di i lh i g hs p e e dm a c h i n i n gi sd e s i g n e da n de s t a b l i s h e db a s e do nt h e a b o v et h e o r ya n ds i m u l a t i o n ，t h e nt h ee x p e r i m e n th a sb e e na n a l y s e d i nt h i sp a p e r ，av a l i dm e t h o do fe n h a n c i n gt h eo r i e n t a t i o np r e c i s i o ni nh i g hs p e e dh a sb e e n p u tf o r w a r di nt e r m so fm e c h a n i c a la n dc o n t r o lb ya n a l y z i n ga n dt e s t i n gt h ef a t o r so fa f f e c t i n g | 1 i g hs p e e da n dh i 曲p r e c i s i o nm a c h i n i n g t h er e s e a r c hh a ss o m ea c a d e m i ca n da p p l i e dv a l u e f o re n h a n c i n gt h et e c h n o l o g yl e v e lo fh i g hs p e e da n dh i 曲p r e c i s i o nm a c h i n i n g ，r a i s i n g p r o d u c t i v i t ya n dc o m p e t i t i o n ，w h i c ho f f e r sab a s i cf o rs o l v i n gt e c h n o l o g yp r o b l e mi nh i 曲s p e e d a n dh i g hp r e c i s i o no r i e n t a t i o n k e yw o r d s h i 曲s p e e da n dh i g hp r e c i s i o n ；b a l ls c r e w ；f e e ds y s t e m ；s e r v o c o n t r o l 一2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 佳木斯大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示 了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解佳木斯大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名：参l 辜姻日期：竺2 ：i ：垒l 佳木靳大学硕士学位论文 引言 本课题来源于黑忿江省教育厅科学技术项目“数控冲床高速高精度同步定位分析与 研究”：黑龙汪省研究生创掰科研资众项目“数控冲废高速赢精度同步定位分板与磷 究”。 离速加工( h i 出s p e e dm a c h i l l i n g ，h s m ) 新工慧技术的发展，用户对设镰柔性、 高生产率、多功能、商性能和低费用的追切需求，促进了数控机床向高效高速化、模块 化、离精度、可重构和复合加工结构方向发展，并已成为当前数控机床发展的基本趋 势。 随着技术的进步，人们对数控系统提出了更高的要求，希耀数控系统能在更高的加 工速发基磕上，其有鬻高的热王精度。数控枫寐的定位精度，澍其鸯e 工的工件质量有着 举足轻重的影响。因此，不论烂数控机床制造厂家还是数控机床的拥护者，对高速数控 机疼羚定位精度酃给予7 极大豹关注。 黼速高精度加工技术己成为衡量一个国家机械制造工业水平的重要指标。提高高速 裹禧发燕王毅零拳平不仅戆接魂墓穑工堑酶袭涎弱薅势宓将遣箍动我澄航天工照及轿举 工业的发展。随着国外先进制造技术设备大量引进以及国家“8 6 3 ”、创新基众、国家 重大秘技产擞工程矮透等重大瓣蔹诗矧夔实藏，裹逮褰精度热工技术在国内将目签蛰 及。 本瀑题戆疆究主瑟嚣豹在予磅究蹇速热工隧提毫数控规霖麴枧壤耱蛙秘热王性毙、 进给怒位精度、工件的质量等级进而提高产品的生产效率。 佳本新大学硕士学位论文 1 绪论 从2 0 0 2 年开始，国家自然科学基金委员衾与上海市科学技术委员会计划用4 年时 间联合资助开展先进墩子制造巾的重要科学技术问题专项研究，高速麓精度运幼系统关 键技术就是其中一个爨要问题。另外，国家高科技发髓计划( 8 6 3 ) 己将高速商精度机 构系统研究列为先进制造与自动化技术领域机器人技术主题发展战略中的一项前沿探索 性课题。在数控机床加工的过程中，运动系统豹高速魔和高精度是一对矛盾，往往难戳 同时得到满足。特别怒对于点位控制的数控冲床。数控冲床系统要求其驱动系统启动 频繁，定位精度高。鞠j 毙研究数控_ 串臻高速高精度阊步定位对蕊究其它祝床的经能更有 借鉴意义。用于制造高速高精度运动系统关键技术包括高加速度、高精度运动系统的设 诗方法；自适疲减摄梳理与方法：基予实时税器援觉傣意豹定位与控截理论；多信意融 合下的操作理论和方法等，是涉及到机、电、计算机、数学、控制的跨学科、综合性研 究漾麓。 1 1 圜内外数控机床的发展现状和发展趋势 1 1 1 数控视j 采的发展璐状 图i 1 国内外数控柳崩i 发展现状对比。 耀1 1 孛红色标淀数为中霪的枫旅发曩现状，可以看出中国辊床的拥有量在逐年递 长，襁2 0 0 3 年达到了约8 0 0 0 万台，在数量上超过了美国而排名全球第一，但是数控机 庆的棚毒率还达不到2 0 ，也就是说我国屋懿瞧只是占有了数爨上的优势，在质量上述 是落筒的。 2 ， 佳木斯大学硕士学位论文 1 1 2 数控机床的发展趋势 ( 1 ) 高速化由于高速加工技术的普及，机床普遍提高了各方面速度，车床主轴转速 由3 0 0 0 4 0 0 0 r m i n 提高到8 0 0 0 1 0 0 0 0 r m i n ，铣床和加工中心主轴转速由4 0 0 0 8 0 0 0 0 r m i n 提高到1 2 0 0 0 r m i n 、2 4 0 0 0 r m i n 、4 0 0 0 0 r m i n 以上，快速移动速度由过去的 l o 2 0 m r n i n 提高到4 8 m m i n 、6 0 m m i n 、8 0 m m i n 、1 2 0 m m i n 。在提高速度的同时要求 提高运动部件起动的加速度，其已由过去一般机床的0 5 9 ( 重力加速度) 提高到1 5 2 9 ，最高可达1 5 9 。 ( 2 ) 高精度化数控机床的定位精度己由一般的0 0 1 o 0 2 m m 提高到0 0 0 8 m m 左 右，亚微米级机床达到o 0 0 0 5 m m 左右，纳米级机床达到o 0 0 5 0 0 1i 删。数控中两轴 以上插补技术大大提高，纳米级插补使两轴联动出的圆弧都可以达到l 朋的圆度，插 补前多程序段预读，大大提高插补质量，并可进行自动拐角处理等。 ( 3 ) 复合加工、新结构机床大量出现如5 轴5 面体复合加工机床，5 轴5 联动加工 各类异形零件，也派生出各种新颖的机床结构，包括6 轴虚拟轴机床，串并联铰链机床 等。采用特殊机械结构，数控的特殊运算方式，特殊编程要求。 ( 4 ) 使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床“如虎添翼”。如内冷钻头由于使高压 冷却液直接冷却钻头切削刃和排除切屑，在钻深孔时大大提高效率。加工钢件切削速度 能达1 0 0 0 m m i n ，加工铝件能达5 0 0 0 m m i n 。 ( 5 ) 数控机床的开放性和联网管理，已是使用数控机床的基本要求，它不仅是提高数 控机床生产率的必要手段，而且是企业合理化、最佳化利用这些制造手段的方法。因 此，计算机集成制造、网络制造、异地诊断、虚拟制造、异行工程等各种新技术都在数 控机床基础上发展起来，这必然成为2 1 世纪制造业发展的一个主要潮流 1 - 4 。 1 2 国内外数控冲床的发展现状和发展趋势 数控冲床是高精度板金冲压设备，其发展的方向以提高生产率为首要目标，同时还 需要不断增加功能，扩大工艺范围，提高自动化程度，改善人机界面等。当今国外发达 国家冲床的生产和使用已非常普遍，相关配套技术也比较成熟和完善，著名的数控冲床 生产厂如日本的a m a d a ，意大利的e u r o m a c ，德国的t r u m p f 等。国内相对国外 起步较晚，但近些年发展较快，目前国内生产数控冲床的著名厂家有江苏亚威和金方 圆、济南捷迈、天津埃佛因等，生产的高档数控冲床大多都是采用国外引进的数控系统 和主传动液压系统，如德国s i e m e n s 8 4 0 d 的c n c 系统，b o s h 液压系统等。 对数控机床高速、高效、高精度的追求，使数控系统技术性能得到不断提高。数控 系统绝大部分都采用工业p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 机，使其运行处理速度大幅度提高，内 3 佳木新大学硕士举位论文 存容量加大，入机界面照加友好，充分提高系统的可靠性、易操作性和通用性，便于向 智能化数控系统发展。慧大剥e u r o m a c 公司生产的各静类型液聪数控争庶，自够完成冲 切、步冲、雕刻、压花辞功能；采用全新杰出的智能化液压系统，冲头只根据所需的冲 切压力来决定其完成冲压所需爨的液压油的流鬃和压力；可以蕊精细地调整冲头冲压的 速度以及冲压行程的上下死点位置，步冲模式可达7 5 0 次分钾。 数控冲床的发展可以总结为以下几个方面：1 ) 高速高精度化；2 ) 液压主传动取代机 械主传动：3 ) 老n i 过稔无入干预酌冲聪( 或复合) 中，0 ；4 ) 速度不断提高，澍时采丽 开放、可靠的工控机控制： 5 ) y f 发远程诊断技术的应用和普及1 5 - 6 1 。 1 3 数控机床高速蠢a 王发展现状和发展趋势 离速加工( h i g hs p e e dm a c h i n i n g ，h s m ) 的特征主要是集三鸯一高速度、赢精 度、离刚度于身，既要求机床有极搿的主轴速度，艇要求有很高的进给速发和加速 度，逃给速度般大予3 0 r e d m i n ，加速度达到l g ( 9 8 m 舻) 。越随着商新技术的提高意 速加工盼各项参数都向着高速化方向发展。n c 机高速化发展厨程冕表1 1 。 表l1n c 机床商遴化发展历程 速度特镊6 0 年代7 0 年代鼬年代9 0 年筏2 1 擞纪拐 主轴速度( r r a i n ) 1 0 0 0 一2 0 0 02 0 0 0 - - 4 0 0 02 0 0 0 - - 6 0 0 04 0 0 0 - - 1 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0 - - 4 0 1 0 ) o 避绘逮瘦江镌- 搬) 2 - - 55 一1 81 0 - - 1 51 5 - - 4 02 0 - - 1 2 0 加速度( g ) o 1 一n 20 2 一o 40 3 0 60 5 一l0 5 2 换刀时瓣s ( 7 3 | 8 刃) l s 一3 0l o 1 55 一l o2 - - 58 辱一2 翻前，世界各国都把高速加工作为重要的工业发展目标。围际上生产大型多坐标商 速龆工枧床的公司主要鹰：美翳c i n c i n n a t i 公霹、j o b s 公司，法国f o r e s t l i n e 公司，德 国c h i r o n w e r k e 公司，日本m a z a k 公司等。表1 1 所示为目前国际上提供高速加工中 心和n c 机床设备的主要厂商以及代表性产品主要技术性能指橼对比表。 袭1 2 列出了4 0 号刀柄的中型加工中心主要技术指标。澍数控攀床雨言，现在敬 美高档数控车床加工精度能达到i t 5 ，主轴转速达8 0 0 0 r m i n 队上，拖板移动速度达到 2 0 m r n i n 以上，盈配有专门支持高速翻工的编程与仿鬓软侔，形成一个完整的高速热工 制造体系。如德国s p i n n e r t c 公司生产的越精密s b p d u p 系列数控车床最高转速 达8 0 0 0 r m i n ，重复定使精度o , u r n ，王箨菡度0 3 , m ，霹实瑗镜覆车潮，霹选熬第二主 轴c # 彬动力刀架。 4 - 佳本翁大擎硬学位论文 袭 2 国多 垒要高速霸羔中心爱黼瓿珠静燕要产品及蟪格 童轴聚高转避最大避给速度 快移速度 垄剽厂家蕊瘃塑号 ( 粥醯i 曲 ( r m i # ) ( r e t r a i n ) , e x q e l b o酐式加工中心x h c 2 4 0 2 4 0 0 06 0 6 0 1 8 。0 0 d e c k e l m a h o 翱铸c ，搿l 。蕊，l l 磁妒 3 0 0 0 0 5 0 辩 德国4 2 0 0 0 1 8 0 d & 篷l 赫越 o0 l c 8 5 v 瓣l 挖e 3 0 0 0 0 h u i l e r - h i l l e立式加工中心s p e c h t5 0 0 1 1 6 0 0 07 5 7 5 l 她醴 辩式照工孛心h v m f i 0 0 , 8 0 0 2 0 0 0 07 羲2强2 荚国c i n c i n n a l i卧式加工中心h p m c 6 0 0 0 0 1 0 0 h o n s b e r g m a c k l 系列( m a r c h 辩7 0 0 0 01 0 1 5 m a z a kf f * 5 o l 鬟魑艟 鹞 日本 k i t a m u r as p a r k c u t 6 0 0 01 5 0 6 06 0 n l 哥l a u h s l 01 0 0 0 0 01 5 1 5 五坐标龙门黼速铣床 3 鼢 法国f o g s b l i n e 4 0 0 0 2 02 0 m 邛几m t a x 删g h s k 刃捌 瑞j m l k r o n高速镜h s m 7 0 04 2 0 0 02 04 0 意大利f i 6 i a s 甲a商逮铣削中心d 1 6 5 f 2 1 8 3 i g 4 1 94 0 0 0 0 3 0 ( 2 0 ) 3 0 窝蠹秀麓决艇空、嚣藤蔷领壤中数控螽工黪综合技零舞题瞧痞变速彀整霸工技术戮 为主鞭研究内容之一。在2 0 0 1 年北京豳际机床展览会( c i m t 2 0 0 1 ) 上，南京四歼公司腻 凄豹台x 辘燕焉壹线逛褪鼗接驱动的数控事床，褒场演示亵速趣互一秘箨具鹃菲蘑截 面异型螺纹，其刀具嫩大的加速度可达4 5 个g ，最大进给速魔超过1 0 0 m m i n ，成为此 凌大会一令亮患，受到骞关专家弱褰黢评徐。 表1 3 国内外中型加工中心主要技术 旨褥对诧 i项辩 国内国外 主轴最高转速f f m j n ) 6 0 0 0 - 1 0 0 0 01 0 0 0 0 q 0 0 0 0 快速移动避度f 删时 2 4 - 3 0 6 0 - 9 0 盒耦切除率4 5 钢f c l n ”m i n 2 0 0 4 0 0 - 6 0 0 定位精度m m ( 全行程) n o l n 0 1 60 0 0 4 0 0 0 6 重复定谴穗度觏5 最0 0 80 0 0 2 - 0 0 0 3 平均无故障时间m t b t h5 0 0 - 6 0 0 1 0 0 0 盘表| 2 、1 3 霹躲，我鬣离速热工稳瘩瓣藩羚糨魄还有一定差薤，在菠零主还建予 跟踪阶段，总体水平蔺国外尚有较大麓距，要赶上世界先进水平任重道远。 5 + 佳本斯大学硕士学位论文 隧着用户对设备柔性、高生产率、多功能、高性能和低费用的迫切需求，促进了数 控机廉朝向赢效高速化、模块化、高精度、可羹构和复合加工缝构方向发展，并已成为 当前数控机床发展的基本趋势。但高速加工技术也是一项很复杂的技术，提高加工速度 和加工定位进给精度是最终的暇标之一。应在保证加工精度、加工表磷质量及切女4 刀具 的寿命等因素的同时尽麓提高n i 速度，所】| 奠在高速的条件下掇高数控机床的定位精度 是目前专家和工程师所关心的主要问题之- - 1 “1 0 i ， 1 4 高速高精度数控机床的技术特点和迸给系统的发展现状及趋势 l 4 1 离速高精度数控 臁的技术特点 ( 1 ) 主轴高转速、大功率 与普通槛窳槌毙，圭辘转遮要毫5 1 e 壤，达8 o 睹睡l ，鸯戆裹达2 0 0 0 0 筑i m m ，主 电动机功率为1 5 8 0 k w ，以满足高速铣削、车削等高效、重切削工序的露求。 要蠢一个快速爱应的进绘系统攀元 随着主轴转速的提高，机床的迸给速度也犬幅度提高，以保持工件每转进给量基本 不变，歪则会严重影响王件的表面质量、加工精度和刀县寿命，目前最丈进绘迭度可达 1 6 0 n 1 ，m m 。 ( 3 ) 进给系统要有大的加速发 在切割魏工过程中，n c 机床迸绘系统的正作行程较短，黉在较缝的行程巾实现稳 定的高速与超高速切削，除了进给速度耍高外，进绘系统必须有大的加速度( 圈前最大 进给加速度达到$ 8 9 甚至更文) ，戳尽曩缩短稿动一变速一停车的过渡过程，安现平稳 切削。没有高的加速度，工作部件的离速度是没有意义的。这是高速与超高速切削对 n c 稳瘴结构浚诗豹薪黉求，墩是n c 辍床设计淫论的新发展。 ( 4 ) 机床结构要有优怠的静、动态特性和热态特性 瓠床运动中各都 串之翘静稳对运魂速度缀舞，运动嚣l 接舍甏之瓣褥发生急剿豹瘴擦 和发热，高的运动加遴度也会对机床产生较大的动载荷，因此机床必须具有良好的静、 囊态黪性帮热态跨往，戮保涯零 孛熬热王精瘦秘燕工露熬安全、乎稳、霹靠。 ( 5 ) 控制系统智能化 援，瘩性缝溪求鳃撼蕊秘入z 蟹戆在诗箕掇镁域豹渗透发展，自适应控割、模糊系绕 和神缎网络等控制机理逐渐引入到机床数控系统，使之不但具商自动编程、前馈控制、 模糊控制、学霹控制、囊适应按测、工艺参数囊动生成、运动参数动态每 偿等秘毙，瑟 且要求具有自诊断和故障监控功能的故障诊断专家系统，能自动识别负裁并自动优化调 整参数敕智能化进给饲服装置，以满足加工的黉求。 6 一 佳木斯炎学硕士尊 位论文 从上可以肴出，n c 机床怒一个多学科交叉具有高科技含鬣的机电一体化产品，国 内包攒东南大学在蠹的谗多大学在这方蘧已经拜展了较为系统的研究，势且取雩释了很好 的成粜卧z l 。 1 4 2 态速高精度数枞进绘系统的发怒现状 i ：1 发展趋势 高精度加工是从2 0 世纪6 0 年代发展起来的机械加工新工蕊，它不同于传统的加工 方法，其最大的特点是综合应用枫攘发展的毅成就，以及现代毫子技术、测量、计算搬 等新拽术，是机电一体化的结晶。高速高精度加工技术随着数控加工设备与高性能加工 刀具技术的发煨两日益成熟，其飞速发展褥到了学术雾和工业癸的广泛关注。 离速数控机床必须同时具有高速主轴系统和高速进给系统，才能实现材料切削过程 的高遴化。为窟现高遗进给，除了可以采用经j 建改进的滚珠丝枉以雒，还可采用“直线 电机”和“并联虚拟轴机构”等新型的高速进给方式。从结构、性能到总体布两，三者 之间都有很大的差别。形成了三种截然不同的离速进给系统。离速加工的切削速度是常 规切潮速度的l o 倍左右，为僳证零 牛靛加工精度、表面质量和刀具的耐用度，赠迸给 速度也必须相应提高1 0 倍左右，达到6 0 m m i n 以上，肖的甚至高达1 2 0 m m i n 。在滚珠 丝枉驱动方式下其辍融缝约为进绘速爱6 0 m r a i n 帮蕊遴度1 9 ，两使确盛线窀梳后可达 到1 6 0 m m i n 以上和2 5 9 以上，定位精度可高迭0 5 o 0 5 p r o 1 3 - 1 6 一、直线瘫橇 1 9 9 3 年德国e x c e l l o 公司荫次采用德国i n d m m a t 公司开发成功的感应式直线电机生 产h s c - 2 4 0 黧高速蠹瑟工中心，该掬工巾心采麓德国i n & a m a t 开发豹感应式壹线龟辊， 该机床最高主轴转速为2 4 0 0 0 r m i n ，正作台最大进给速度为6 0 m r a i n 。同时，美国 i n g e r s o l l 公司采用美霞a n o r a d 公司生产豹永磁式壹线嘏辊氇磷潮残臻h v m - 8 0 0 垄裹速 加工中心。其进给最高速度达7 6 2 m m i n ，进给加速度达1 - 1 5 9 。意大利v i g o l z o n e 公司 生产懿三辘采蹋直线耄撬夔离遮錾 式热工孛心，逶绘逮瘦三辘均达到7 0 m r a i n ，燕速度 达到l g 。德国西门子公司直线电机最大进给速度达2 0 0 m m i n ，加速度可达2 5 9 以上。 簸近美国c i n c i n n a t i 投疼公司采嗣w 囊线毫磐t 终为遴给驱动系统为黢空靛天王建成功 的开发了s u p e rm a c h 大型高遮加工中心，其x 轴的行獠长达4 6 m ，工作台最大谶给速度 6 0 m r a i n ，快速行程1 0 0 m r a i n ，加速发2 9 ，圭轴最麓转速6 0 0 0 0 r m i n ，主锻枧功率 8 0 k w ，生产效率极高。 袋用直线电机驱动的高速避绘单元的特点怒：速度离、加速度大、定位精度商、承 载能力强，是超高速、大行程、高精度机床理想的迸给系统，有照好的应用发殿前景， 有望成为2 l 擞纪高遴数控机床进给系统的基本方式。但是其成本较商，而且要求必须 7 - 佳木新大学硕士擎位论文 有高性能和崮灵敏度的伺服驱动系统，很难被中小企业接受。同时存在如发热、隔磁、 结构轻化等问题，还夜待进一步的研究 t t - w l 。 二、并联虚拟轴机构 i 琏年来出现了一种全耨概念昭枧床遴绘胡，梅势联虚拟辅祝构。它戆基零蒙理建 立在1 9 6 4 年由；英国人s t e w a r d 设计并获得专利的六秆结构的基础上( 称之为s t e w a r d 平 台) 。具有这秘进给枫构的机床称为“并联运动学枧床”( p a r 出x e tk i n e m a t i cm a c h i n e ， v k m ) 。1 9 9 4 年美国g i d d i n g s & l e w i s 公司和英国g e o d e r i c 公词在芝加哥国际机床博览 会上，首次展搬了由这荦中机构实现多坐标进给运动的数控机床期加工中心，引越国际机 床界的轰动，被认为怒机床缭构的重大革命。近l o 年来，这种机床在国内外发展缎 快，并已开始用于生产。 畿攒轴祝构是梳寐实现嵩速进给静一个穰有发前途的进给骡动部伟，受到强内外穗 关领域研究者的普遍关注，但内于存在的问题比较多，解决起来也较困难。因此，并联 虚羧霉鸯辊床要渡工程技术赛菝爱穰生产应蘑尚需时强l 硼。 三、滚珠丝杠进绘系统 鲻前，采翔交流绢服电撬疆动的滚珠丝程进给系统仍是高速伺月陵鬃统主要豹驱动装 置，其加速度可以达到1 9 ，进给速度可以达到4 0 ，6 0 m m i n ，怒位精度2 0 5 0 p m 。与采 用直线电辊稻眈，高速纯鹃滚珠丝杠传动能够大幅度舔低生产成本。罄本已经研稍出蜜 现超尚速、嵩刚度以及高承载能力的滚珠丝杠，其进给速度高达l o o m m a n 。髓着科学 技术静进步，苏往担心大导稷滚珠丝糕嗣驱劾麓热工中心精艘鹃影确，设计时取导稔 p h 1 0 m m 。而在1 9 9 9 年日本国际机床展览会上看到大部分高速加工中心都使用太导程 滚珠丝轻副。翔丑本弩耗克公弱在f f 6 6 0 援臻上镬蘑滚壤丝程剩，辊霖浃速移劝速疫遮 9 0 叫m m ，加速度达1 5 9 。如此看来采取有效的改进措施如：1 6 - 3 2 m m 大导程、加强滚 珠镰繇部分零 譬、多失螺纹激增燕毒效蕤数、羧进滚遴澎获等，霉激撵寒滚珠丝程裂赘 驱动速度，加快高速加工发展的历程( 如表1 4 所示) 1 2 4 - 2 9 1 。 袭1 4 滚珠丝柱高速扼的发展历毪m , 柏i n 应用范腻一般进给速度最太进给速度将来发展目标 综合加工中心 3 0 - - 4 06 08 0 1 0 0 盘幼诧及半学体机床6 0 一8 0 1 2 0l 驺一2 吣 滚珠丝杠还是目前高速加工的主要进给系统，所以对于高遮下提高精度的滚珠丝枉 进绘蓉统的磷究还是工程师靠j 掰研究豹主要阕怒。在送给系绫的传动过程孛，备部件之 间存在的间隙、摩擦、弹性变形会对机械伺服舔统会造成不良影响，这已成为伺服系统 定位耩度、躐黥蕤褒秘态缝麓撬商豹糕颈。嗣羹乏，臻究润豫、薄擦帮弹往交形( 嚣凄) 等 8 佳木搿大学硕士学位论文 因素对进给伺服系统动态特性的影响，采取有效的方法减少、抑制或消除这些不利因素 的影响，愈来愈成为i 黩年来许多科学工作者关注的焦点之一。 在采用闭环控制消滁丝杠导程、间隙等误麓后，高速高精度数控迸给伺服系统中存 在的摩擦就成为轮廓误差的主舞原因，如何有效地消除摩擦的影响己成为握当多的研究 人员的研究谍题。虽然有文献报道说可以通过仔细调整控制器参数来对其进行定韵抑 制，促大多数研究人员认为可通过进绘位置指令增加额夕 的指令脉冲来抵消。掇报道， t u n g e d 等采粥重复控制的方法得餮了很好酶效果，值这种方法不适合挥迸给系统和加 工半径变化的数控进给伺服系统使用。日本农工大学的一个科研小组在堤正臣教授的带 领下觚事高速离精度数控迸给侗l 琵系统的研究已有多年，在研究中，科研小缝认为解决 数控逊给伺服系统的高速高精度问题酋先要了解所研究的对象，建立起合适的数学模 型，瓿梳瑾上认谖数狡遴给馕l 箍系统奁薅速高穗度鹣要藩下存在的闻蘧，然轰才有可能 解决其存在的问题。该小组采用模型邋配法( m o d e l - m a t c h i n g ) ，通过对所研究的数控 逶绘锈l 餮系统建立数学模型送彳亍毒 缮静方法取褥了一定熬成效，餐黠予系统串存在静摩 擦等影响系统性能的因索还没有找到很好的解决办法( 3 0 - 3 2 1 。 数控疑凑瓣逮绘最蹇运动速度、躐踩耩度、定蕴糖发等重受潜际麓取决手骥动及霞 置控制系统的幼态与静态性能。因此，研究与开发高性能的驱动系统及位置控制系统， 一直楚研究数羧 孛疼黪关键接零之一。入锤在提葛裹遥数控辊藤夔定位精度运瘸了摄多 方法如：合肥工业大学吴焱明采用分段线性精确定位的方法、南京航空航天大学王宏涛 采爨滚臻丝枉螺距误麓於偿法、l 京簸空靛天大学周夔平采用缱热工鞔迹篮控夔方法 等、在控制上述运用了模糊学、人工智能等前沿学科的知识，但是要想进一步提高，仍 需大力提高驱动系统和遴绘系统的响应特性以及改进控臻4 算法，这仍是今最高遽槛庶赢 精度定位的发耀方向。 另钋，如何消除进给系统中非线j 贱间隙和摩擦对进绘系统动态特性的影响，墨前除 了改变机械伺月馥系统的结构设计，减少传动环节，选择熙好的涧滑荆以及减小动摩擦和 静摩擦之间的惹值来解决外，还采用改进控制策略的方法。文献 3 3 1 针对系统中非线性 间隙环节对系统稳定往影响进彳亍了理论分析和熨验研究，揭示了机电液伺服系统稳定区 域与系统各参数之间的关系。k a o j 。y ，c h e n g h e 等认为问隙使系统产生了静动态轮廓 加工误差，影响了系统的运动精确性1 3 4 - 3 s t 。文献1 3 9 4 0 提出了一种基于摩擦参数辨识 的p d 控制分析方法，在速度环中采用p d 控制，从而使p d 增益的调节由纯粹的经验 上升为理论。b f r i e d l a n d 等将库仑摩擦表示成时间的函数，提出了基于j # 线性躐测器的 自适应补偿方法【4 1 1 。近几年来，智能控制理论在摩擦补偿中得到了广泛的重视。其中包 括神经网络自避应摩擦补偿| 4 2 - 4 5 1 基于模糊推理静摩擦 偿和基予g a 的摩擦补偿方法。 9 。 佳木擀大学硕士学位论文 总之，数控迸给系统作为数控系统的主要运动部件，其重要性是很明显的，可以 说，数控机床的力n 工遮度和加工精度掇离依赖予数控进绘饲服系统的进绘速度和定位精 度的掇高，没肖性能好的数控避给伺服系统，就不可能有好的数控系统，可以肴出，高 速高精度数控避给伺服系统的研发是研究高速藏精度数控系统的关键。 1 5 零课题研究的意义和目的 簿速加工技术是珑代先进巷造技零之一，笑产生是市场经济垒珐他器冬转宠遴技术 发展的综合结果。在激烈的市场竞争巾，要求企业的产品质量高、成本低、交付周期 短；另一方瑟，制造技术、自动控毒4 技术、信感技术积管理技术也不断廷耨，凌她背景 下，高速加工技术应运丽生，逐步发展成为综裔性系统工程技术，并得到了越来越广泛 的应用。 德是伴随着数控机床的加工速度不断的提高，对机床的进给高速精确定位融成为一 个亟待解决的问题。数控机床的进给定位精度是机床的运动部佟在数控系统的控锘4 下运 动所熊达到的饿置精度，它与机床的几何误差一道对机床的加工精度产嫩重要的影响。 因此减小进给定位误麓是提高加工精度的一个重要方颇。因此提高机床的进绘定位精 度，聪戳提葛工件静藤爨等级，提高橇冻的毪髓指标。另外孛小企监便翊的多数为低速 低精度的数控机床，其加工出的产品质嶷不高、品种少、成本离、供货期长，不能满足 嚣内豁蠢场煞蜜舔要求，影穗众整戆垒存和发矮。嚣蔫我髓正缝予东j & 老工盈蘩遣改造 的起步时期，机械制造业是振兴老工业旗地改造的重中之重，能够较好的解决商速、高 耱度定霞技本斓题，鸯效缝提麓数控瓿床经戆辩老王堑纂缝羁蠲先进豹数控系统锩l 造密 性能更好的机床设备进行改造将起到积极推动作用。 1 6 本课题豹主要礴窕痰容 ( 1 ) 在全面了解国内外数控机床发展现状和发展趋势的基础上，分析目前国内机床数 控装备的特点、存在翰润题淤及发震趋势。同辩分橱高速高精度条件下滚珠丝枉速绘系 统的驱动特性。 鬈) 分辑影嫡高速勰工定位鞴凄静静透素。建立高速加工滚珠丝轾驱动鹃力学模登。 同时建立高速滚珠丝杠避给系统的机械模型和伺服控制模型，进而根据模型进行仿真分 撰。 ( 3 ) 建立高速加工性能试验台，对高速情况下滚珠丝杠驱动的系统进行试验分析，根 据试验提出影蟪定位糖寝程王舌# 台定愆鹃主要弱素及稳关参数，- 1 - 对主攥嚣素掇爨握毫 定位精度方案及措施。 ，1 0 一 佳木斯大学硕士学位论文 2 1 滚珠丝杠高速化所面临的问题 高速加工技术逐步发展成为综合性系统工程技术，并得到了越来越广泛的应用。在 高速加工机床迅速发展的过程中，进给系统技术水平的提高是实现高速加工的主要部件 之一。虽然目前为了实现高速进给人们经过不断的研究探索已经出现了直线电机、并 联虚拟轴机床，但由于它们成本高以及技术不完善等问题，还没能被广泛接受。而高速 滚珠丝杠螺母副传动系统在高速进给驱动系统中仍然占主导地位。因此，发展高速滚珠 丝杠螺母副是实现高速切削的关键技术之一。 从表1 4 我们可以看到滚珠丝杠高速化发展很快，进给速度也在大幅度提高。但 是，速度的提高也会带来一系列的负面影响。因此滚珠丝杠进给系统高速化所面临的问 题很多。如( 1 ) 滚丝杠高速回转时温度上升及热变形问题( 2 ) 滚珠循环系统刚度和强度问 题( 3 ) 噪声与振动问题( 4 ) 润滑问题( 5 ) 大导程加工技术问题( 6 ) 定位精度变化问题( 7 ) 预压力 变化问题( 8 ) 刚度和变形问题等等( 见图2 1 ) 4 s - 4 8 1 。 以下介绍几个主要方面的问题及改进措施。 图2 1 高速化滚珠丝杠系统所面临的问题 2 1 1 温升和热变形问题 速度的提高，会使滚珠丝杠的温升和热变形增大。温升和热变形对定位精度有很 大的影响。图2 2 所示根据有关热问题的分析方法和相应的正确对策，进而整理出的 有关热问题的主要原因和相关因素。滚珠丝杠产生的发热量等于滚珠丝杠的摩擦转矩 与转速的乘积。发热量和强制冷却散热量之间的均衡决定了温升。 佳术新大学硕士学位论文 r 匪圈圈臣圆圈 隧囹 嚣2 2 产生热瓣露瓣主簧原嚣靼裾关强素 数杠螺母副在高速回转下发热问题会更加严重，影响机廉传动精度的有关实验表 职，滚珠丝枉螺母副的发热量主要取决予摩擦掇力和转速，当豳转速度增大时，丝杠螺 母副产生的热照无法实时散发而造成温升，引藏滚珠丝杠轴变形，改变了工件尊口刀具之 间的棚对位置，使得加工精度降低。丝柱也会因温升丽商长度之变化，其变化量之公式 如下： a i = o 0 0 11 6 1 0 x a tx l ( 2 1 ) 膨簇系数：每l 米滋勇l 魔长度澎涨0 0 0 11 6 。 式中卜一丝杠因温升而产生之长度变化( h n ) ； 丝轾_ 之温舞( 浚) ； 卜一丝杠之长度( i l l m ) 铮对发热耱巍变形霹采取羧下有效港旌： ( a ) 滚珠丝杠预压设定须适魃。推荐数控机床用滚珠丝杠预压应选择为共动负荷的 5 - 7 。 ( b ) 导程变化降低丝杠转速。适度增大滚珠熊杠副导程可达到增大移动速度、降低转 速之爨豹。 ( c ) 滚珠丝杠采用中空。解决温升问题的最有效方法是将低温冷却液通入中警滚珠丝 枉内部进行强毒4 箱琢冷却。中空丝枉j 圣鸯助于减小高速运转时的馁性，增加丝梃的扭曲 剐度。 ( d ) 润滑剂之选择( 糕度指数) 及充分之供浊。推荐在长期安全润滑的考虑下，建议采 用油，而非油脂作润滑。 ( e ) 暖机。 ( o 预拉( 撬荐瞎醢歼之1 1 3 1 4 为预拉量) 。 ( g ) 采用光学尺。 2 1 ，2 黼度与强度问题 滚珠丝杠螺母副传动系统的冈u 度较低，受系统共振临界转速的限制。由滚塔丝杠螺 母副缀成弱振动系统产生共振静锰界转速n e ，其计算公式为： 1 2 佳木斯大学硕士学位论文 札= 6 眠21 2 r , z , 层x g v a ( 2 2 ) 式孛羌惠支承形式决定鳃支承系数； 三丝杠支承间距，l r l m ； e 丝柱皴材料的纵向弹设摸量，m p a ； ，丝杠聋由底径的最小惯饿矩，删舻； g 重力加速度，m m s 2 ； y 丝杠轴材料的密度，n m m 3 ； a 丝杠皴底径的横截面积，删 从上式可以看出，丝杠螺母副系统产生共振的临：界转速与熊杠轴材质、支承形式、 支承间距、丝虹轴底径等因素商关，要提高丝枉的转速不是一个简单的问题。 在滚珠的转速加快时，反复的冲击力会使滚珠丝税的滚珠循环系统结构减弱，往往 造成循环系统中反向器因冲击疲劳而容易断裂。解决方式除加强反向器强度设计外，亦 可修改循环路径，可彼滚珠丝往臻毽提升7 0 。另外在评倍离速循环系统路径与新的 滚道谳设计时，除考虑路径曲率连续性之外，还应考虑滚珠高速回转的离心力效应而予 班修旋滚遘瑟岁 形。为减，l 、离0 力可采用两静方式：减小滚珠壹径、采蔼轻量滚珠。 2 1 3 振动与噪声问题 离速回转辩滚臻丝枉螺母戮噪声的来源主簧是滚遥表面裰糙度、滚邀表面形狭、转 速和滚珠的形状以及拥互之间的碰撞。这些因索取决于滚珠丝粳螺母副的加工工艺。滚 动瑟酌状态影镝至滚豫丝枉静搬动葙臻声，由予循环滚道有不连续豹部分，因褥会产叟 象滚动轴承受列损伤的响声和振动( 滚球通过时的振动) ，所以滚动面和循环滚邋应具有 裹糖爱设诗帮涮透技术，瑟瑟蔟量戆滚珠丝髹，要减小援袭力戆产生，设采溺尖端技 术，不能够当作基本的解决对策。而且d n 值与滚珠大小也是黛要因予。增大导程、降 低转速是降低噪声豹方式之一，僮增大导程会影嚷滚璩数与嫘母长度，因蘧霹蠲多头螺 纹与多圈数克服。另外，滚珠丝杠回转时的共振现象亦应考虑，它与两端固定的方式有 关。对于裹速运行条转痤以固定一固定方式安装爻宣，聚合中窆毒垂夔设诗不仅蠢教热功 能，亦可利用轴内液体减振，间时使危险速度也提高了2 7 。 2 1 4 溺瀑问题 商速回转除因离心力易造成润滑不足外，高速进给伴随着离加减速运动也衾使螺旋 滚道嚣润潺油膜变形藤造残润游不均。摄据试验在焦鸯g 速度1 5 0 0 t a d s 2 瓣可能绽滚珠出 滚动转为滑动，即容易破坏油膜厚度的稳定性而造成润滑不均导致加剧磨耗和溆升。商 转速时。润潺油膜不易建立，须采用特殊润滑方式，仿照高速被蕊采用强摹缀环润瀵 1 3 。 佳木新失学硕士学位论文 方式。为减小摩擦力，润滑油成采用低粘性油。此时，润滑性会降低，所以必须添加如 抗涑剂等可改耱润滑油的添加刹的性能。 2 1 5 剐度和变形问题 这里说的变形只是龟括彩体的受力变形，不趣括构馋戆受热变形。这些交影主要与 刚度有着必然联系。许多工业c n c 控制器在侗服参数设计时通常把驱幼装置