（机械制造及其自动化专业论文）龙门式多轴联动加工系统结构设计与实验研究.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 1 制则 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文， 龙门式多轴联动加工系统结构设 计与实验研究是本人在指导救师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 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 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均己在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担； 作者签名： 2 丕羹羔皇! 生年l 月立生日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留井向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c 】系列数据库及其它国家有关部门或机构遴交学位 论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可虬将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名；! 丕盔芷也生l 年上月坦日 导师签g ：i 竺j ：d 业年上月坦日 摘要 本文主要研宄内容是设计一台集加工、检测于一体的小型龙门式多轴联动加工系 统，以实现小型或微小型零件的铣、钻甚至磨削加工同时为了提高工件的加工精度 减小工件拆卸、安装等带来的误差在机床上实现r 在机原位检测功能，以缩短工件 总加工时间，减少废品率。 在设计过程中针对龙门式结构和小型机床的高速、高刚度、高精度的特点，采 用电主轴和直线电机来保证设计要求，完成了机床总体设计和零部件的设计。为了满 足小型机床的动态性能要求。提高机宋总体的静、动态性能，对关键零部件进行了有 限元分析，对横梁进行了参数优化。机床除了从结构上提高精度外，也采取了误差补 偿的措施通过对机床进行几何误差建模，得到几何误差模型，以便进行补偿进一 步提高精度。由于常规切削和微细切削的机理不同，文章最后阐述了微细切削力的影 响因素并进行了实验研究： 关键词：龙门式多轴动力学分析误差建模 a b s t r c t t h i sp a p e ri st od e s i g nam u l t i a x i sp r e c i s i o nm a c h i n et o o lw i t ht h ef i l n c t i o no fb o t h m a c h i n i n ga n 6i n s p e e f i o n mo r d e rt oa n h i e 。es m a l la n dp r e c i s i o np a r t st h em a c h i n ec a l f c o m p l e t em i l l i n g d r i l l i n g ，g r i n d i n gi no r d e rt oi m p r o v et h em a c h i n i n ga c c u r a c yr e d u c et h e n o n c u t t i n gt i m et h ei n s i t ut e s t i n gf u n c t i o ni sd e v e l o p e ds o t h et o t a lp r o c e s s i n gt i m ei s s h o r t e n e d 、a n dt h es c r a pr a t ei sr e d u c e d i nt h ed e s i g np r o c e s se l e c t r i cs p i n d l ea n dl i n e a rm o t o ra r eu s e dt oe u s l i r et h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s s u c ha sh i g h - s p e e dh i g hr i g i d i t ) 二h i g hp r e c i s i o ni no 坩e rt oe n h a n c et h es t a t i c a n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eu s e b r k b e n c ht oa n a l y s et h ek e yc o m p o n e n t st h r o u g hf i n i t e e l e m e n tm e t h o da n do p t i m i z et h eb e a mi na d d i t i o n t h ea u t h o rt a k e sm e 洲e st o c o m p e n s a t et h ee r r o rb ym o d e l i n gg e o m e t r i ce d no f t h em a c h i n et o o l st of u r t h e ri m p r o v e t h ea c c u r a c ht h ec o n v e n t i o n a lc u t t i n gi sd i f f e r e n tf i - o m m i c r o c u t t i n g t h ea r t i c l ee x p l a i n s t h ei m p a c t so f m i c r o c u t t i n gf a c t o r sa n de x p e r i m e n t a ls t u d i e s k e y w o r d s g a n t r ? m u l t i - a x i sd y n a m i ca n a l y s i s e r r o rm o d e l i n g 目录 摘要 a b s t r c t 第一章绪论 1 l1 研究目的和意义 l 12 微d , c 4 l 床的国内外发展现状 l 13 在线检测系统 7 1 4 主要研究内容7 1 5 本章小结 7 第二章总体设计与零部件的结构设计8 2 1 机床总体设计方案 8 二2 电主轴的计算选型与校核 1 0 23 z 轴滑台的设计与选型 1 5 2 4 直线电机的设计与选型2 0 25 滚动导轨的设计选型 1 2 2 6 旋转工作台 2 3 27 检测装置 1 4 28 主动振动隔离系统 2 6 2 9 本章小结2 7 第三章关键零部件与整机的仿真分析2 8 3 1 有限元的基本理论2 8 32 电主轴的有限元分析校核 2 9 33 加工系统横粱的有限元分析与优化 3 3 34 加工系统整机的有限元分析 3 7 3 5 本章小结 3 9 第四章通用几何误差建模4 0 4】坐标系的建立4i 42 特征矩阵 4 2 43 几何误差模型 4 6 44 本章小结 4 9 第五章切削理论与实验研究5 0 5 i 切削过程5 0 52 最小切削厚度 5 1 5 3 切削力的影响因素5 2 5 4 切削实验 5 5 本章小结 5 2 总结与展望 5 6 致谢 5 7 参考文献 5 8 第一章绪论 i 1 研究目的和意义 随着航天事业、生物医学、电子工业、通讯设施和汽车工业的发展对高表面粗 糙度和高尺寸精度的微小型零件的需求也臼益增加。在公差、特征或零件尺寸为微米 级的制造领域，做制造技术和精密加工技术正逐步成为一个日益成熟的制造技术并 且成为国际竞争中取得成功的关键技术。 尽管可以通过大型精密或超精密机床来制造微小特征和微小零件但这将会造成 加工成本的提高和能源的浪费等诸多不利影啊，而且加工设各昂贵。m e m s 的发展却 为微小型机床的发展提供了契机。机床的微型化有很多优点如： ( 1 ) 可以减小热变形： ( 2 ) 节省搭建机床的材料成本； ( 3 ) 降低机床振动的振幅： ( 4 ) 生产灵活，适应性强； ( 5 ) 降低能耗，节省空间。 现今各国都在致力于精密、微小型机床的研究。然而大多数的对于微型机床的研 究工作仍然是停留在针对特殊复杂微小型零件的专用机床上。这就使得对于微细切削 和专用机床的研宄比较广泛但是在一台机床上实现多种功能还存在根多司题去研究。 将微小型机床的功能综合化，亦即在一台微小型机床上实现车、铣、钻、磨等加工方 法甚至集成了电火花加工和电化学加工。对于微加工和精密加工，普遍认为其加工 过程不同于常规加工过程，如切屑的形成，切削力振动和切削过程的稳定性等。为 了达到精密微小型零件的高精度高教率的目标，通过在机检测装置可以监视加工过程 检测工件的几何尺寸和表粗糙度等从而省去了工件拆卸、重复装夹等过程提高了生 产率保证了加工质量。因此精密微小型具有多功能的加工机床具有广阔的发展前景。 i2 微小机床的国内外发展现状 在制造微小型和中等尺寸的零件时，为了减小能源消耗和车间占地面积，微小型 多轴联动机床的应用越来越广泛。微型工厂是指小规模的集成诸多功能于一体的制造 系统。o k a z a k i 将微型工厂定义为一种全新的能和微型零件相匹配的微小型加工系统。 另一方面，对于微型工厂的兴趣已经逐渐转到利用微型机床去实现车、铣、钻、磨以 及电火花加工( e d m ) 和电化学加工( e c m ) 。微细加工的机理不同于宏观尺寸零件 的加工制造如切屑的形成过程，切削力、振动及稳定性这些都能对零件的的尺寸 精度和表面形貌产生重要的影响。 小型机床加工的零件于普通零件相比较小且具有较高的尺寸和形状精度。因此 工作台的尺寸也相对缩小阱适应小型零件同时也要避免缩小的同时造成空间相对拥 挤a 国内外很多科研单位和机构都在致力于机床尺寸的小型化，并取得了一定的成果 小型机床的研究现状如下： 表1 1 小型机床的研究成果 $ 位 表l 1 中给出的是国内外已经研究出的微小型机床的一些尺寸和性能参数。从表 中可以看到机床的尺寸在研究微小型机床的过程中，我们存在的问题是：对于机床 来说什么样的尺寸才算是合理的尺寸? 为了使机床拥有合理的尺寸应把以下几个方面作为考虑凼素： ( 1 ) 机床的工作空间便于操作： ( 2 ) 工作空间内应为零件留有足够的余量； ( 3 ) 关键部件的技术性能( 如回转或移动工作台的精度和分辨率主轴的转速 的扭矩) ： ( 4 ) 将m e m s 的成本与性能合理平衡后整合到一个加工系统中去： ( 5 ) 集成多轴联动系统可以加工复杂几何形状的零件： ( 6 ) 整合丫一些辅助功能，咀增强机床的多功能性。 所以搭建微小机床的意义不仅在于实现了可加工性也兼顾了可操作性和多功 能性。 英国诺丁汉大学的d aa x i n t e ，sa b d u ls h u k o r 和a tb o z d a n a 搭建了一台四轴 联动微小型加工机床。这台机床的x 、y 、z 三个移动轴行程为2 5 m m 2 5 m m 2 5 m m 直线电机驱动移动速度最高达到3 0 0 m m s 重复定位精度为0 】岬：工作台可绕x 轴旋转】0 0 分辨率为00 0 0 8 2 ”重复定位精度为0 5 ”：a c 无刷电主轴最高转速可 达5 0 0 0 0 r p m ，功率2 5 0 w ，主轴精度不大于1 岬气浮主轴的主轴转速可达2 0 0 0 0 0 r p m ， 主轴通过了动平衡测试。机床可进行铣削和磨削加工，并且配有原位检测设备和振动 隔离设备。原位检测设备可以在加工的间隙时间里在不拆卸工件的情况下检测工件的 尺寸和表面粗糙度从而改善加工表面的质量。采用基于激光位移传感器的电荷耦台 器件【c h a r g e - c o u p l e dd e v i c e ) c c d 图像传感器可以在不接触工件的情况下进行加工 表面质量的检测其拥有o0 5 微米的分辨率，5 0 k h z 的数据处理速度并且有5 毫 米的测量范围。采用的主动隔振系统隔振频率从2 0 h z 起始当频率超过1 0 0 0 h z 时就 变成被动隔振控制了惯性反馈通过使用电磁传感器不仅可以隔离机床本体的振动， 也可以隔离环境中附近的振源产生的振动。主动隔振系统放在花岗岩基座下面这样 可以隔离低频和中频的外界振动。 圈i1 四轴联动微小型加工系统 图i2 四轴联动微小型加工系统的检测系统 位于德国卡尔斯鲁厄大学的一个研究所搭建了一台三轴联动微小型数控铣床如 图13 所示主要用于加工微小型的模其实现了用微小设备高速加工微小零件同时 也进行r 对淬火钢和硬铝材料的微细切削的研究该微小型数控机床研制的成功对于 微小型机床和微细切削机理的研究具有指导性的意义1 。铣床的占地面积为4 0 0 m m x 1 5 0 m m 2 2 0 m m 行程分别为5 0 r a m 2 0 m m 3 0 m m 定位精度不超过1 帅：采用电 主轴主轴轴承为钢质轴承座和陶瓷混合滚珠的混合轴承，跳动量不大于o3 9 m 主轴 的最高转速为1 6 0 0 0 0 r p m 可以提供足够高的线切削速度进行微细切削。 新加坡国立大学研制的微小型综合机床，如图14 行程为2 l o m m 1 1 0m m 1 l o m m ，每轴配有光栅反馈检测元件分辨率为0l l l l l l 全闭环控制进行误差补偿从 而达到很高的定位精度。机床主轴可更换成高、中、低三种转速的主轴，所以可以进 一，h增-、目一一置一 t 鱼一惶11_生意馨最甄一毋 行微米级的铣削、车削和磨削加工其中低速主轴和机床本体是绝缘的，因此可进行 电火花加工( e d m ) 和电化学加工( e c m ) 加工方法的多样化使得机床具有高效、 灵活、加工成本低的优点。 图i5 四轴联动精密微小型加工中一c 啥尔滨工业大学的精密工程研究所研制了一台微小型试验台用于研究微细切削 试验台的本体尺寸为3 0 0 m m x l5 0 m m x l 6 5 m m ，行程为3 0 m i n x 3 0m m x 2 5 m m 。主要由 主轴系统、进给驱动系统、控制系统和检测系统组成其中主轴系统采用小型空气涡 轮主轴，最高转速达到1 4 0 0 0 0 r p m ，跳动量不大于2 岬；进给系统由压电陶瓷超声电 机直接驱动分辨率达到0l “m 调速范围为i o 2 5 0 m m s 并且配备分辨率为5 0 n t o 的光栅尺进行检测反馈从而实现闭环控制：配备高分辨率c c d 摄像机以便监视研究微 细切削过程。 除此之外，哈尔滨工业大学还研制的另外一台三轴微小型立式数控铣床如图i6 ， 其外形长宽高分别为3 0 0 m m 3 0 0 m m x 2 9 0 m m 主轴的最高转速达到1 6 0 0 0 0 r p m ，跳动 量小于1u m ，进给系统分辨率为o 】“m 重复定位精度为0 1 5 岬，采j ； j 光栅尺进行 闭环控制。 南京航空航天大学研棱的小型三轴微细铣削机床，行程为 1 5 0 r a m 1 5 0 m m x l o o m m ，主轴为高速空气静压电主轴最高转速可达1 0 0 0 0 0 r p m ：进 给系统采用直线电机驱动，并配直线光栅编码测量系统，实现了闭环控制，分辨率达 到0l p m 。机床采用立式龙门结构，整体结构紧凑、刚度高“。 图i6 三轴微小型立式铣床圈 图i7 小型三轴微细铣削机床 数控微细铣削机床系统的本体尺寸为3 0 0 m m x 4 0 0 m m 5 0 0 m m 如图18 。行程为 5 0 m m 5 0 m m x 2 0 m m 。机床主轴采用气浮轴承支撑，撮高转速达到9 0 0 0 0 r p m ，径向跳 动量为o2 p m ：进给系统采用直线电机驱动配咀分辨率为00 5u m 的光栅尺作为检 测反馈元件进行闭环控制，其重复定位精度达到o2 5 i t r n ：配备c c d 摄像机，可对 切削加工过程进行实时监控。 上海交通大学研制的介观尺度微型铣床试验台，机床结构如图19 所示采用卧式 结构其长宽高分别为2 7 0 m m 1 9 0 m mx 2 2 0 m m ，加工范围为3 0 r m n 3 0m m x 3 0 m m 。 机床采用气动马达最高转速可达1 2 0 0 0 0 r p m 跳动量小于01 岬：工作台采用美国 o p t i d y n e 公司激光干涉仪进行测量其定位精度为】6 岬，重复定位精度为o3 r t r n 。该 机床加工能力强大，能够加工复杂特征微小型零件，比如可加工壁厚为2 0 9 r n 。深度为 2 0 0 9 i n 最大深径比为1 0 的微小型同心圆槽。 囤18 数控微细铣酗熬 稚 13 在线检测系统 传统的工件测量方法通常是采用离线测量离线测量增加了工件的检测成本和时 间也增加了辅助时间”。而随着数控机床发展起来的在线检测技术则不需要将工件 拆卸下来通过数控机床上的检测设备对工件进行检测测量，不仅避免了工件拆卸、 重复安装带来的精度误差也节省了检测时间提高了加工效率，降低了生产成本。 在线检测按是否停机又可以分为实时在线检测和在机检测两种。实时在线检测 可以实时的检测： 件尺寸从而不断调整咀减小加工误差节省时间效率高，但是 实时在线检测比较复杂，数据采集和姓理速度高。在机检测则只需在停机后对工件进 行检测对数据采集和处理要求投实时在线检测要求那么严格。对工件检测完成后 机床进行再加工最终选到加工精度要求。综上所述，机床的加工检测一体化是机床 未来发展的趋势： 1 4 主要研究内容 ( 1 ) 龙门式多轴加工系统的总体布局与关键零部件的结构设计： ( 2 ) 龙门式多轴加工系统的建模与仿真分析、优化： ( 3 ) 龙门式多轴加工系统的几何误差建模： ( 4 ) 微细切削机理及实验研究。 15 本章小结 本章主要根据微小机床的发展现状和发展趋势，报道了国内外的一些发展成果 并阐述了龙门式多轴联动加工系统的研究目的和意义以及研究的内容。 第二章总体设计与零部件的结构设计 为了满足精密微小型零件的加工要求，在精密数控加工机床的设计中通常应考 虑以下几个基本原则： ( 1 ) 完善的运动基准，以及相对于运动基准可实现期望运动指标的运动副： ( 2 ) 机床的结构具有较高的静动态剐度和照好的抗震性，在运行时能最大限度地 避免干扰或噪声的影响： ( 3 ) 较高的几何精度、传动精度、定位精度和热稳定性： ( 4 ) 能够很好的检测到运动的精度。 2 i 机床总体设计方案 由于龙门式多轴联动加工系统集成了加工与检测的一体化设计，所以机床的机构 设计布局上除了要满足加工要求还要兼顾测量。 龙门式结构有两种形式：工作台移动横粱固定：工作台固定横梁移动。采用 工作台固定，横梁往复运动的龙门式结构有以f 几个特点：加工范围大具有较开阔 的空间：工作台承载能力强且工件质量的变化对机床动志性能没有影响( 采用回转 工作台时仅对工作台有影响) ：移动速度高，可实现高速加工；就检测方面来说，横 梁移动，工作台不动可以使工件稳定，保证测量精度。 经过论证，加工系统采用龙门式结构，其具有x 、y 、z 三个移动轴，一个c 轴工 作台回转轴。 机床的技术参数如下表： 表2 - l 技术参数 技术参数数值 外观尺寸 x 、y 、z 轴行程 主轴电机功率 主轴最高转速 回转工作台定位精度 回转工作台重复定位精度 主轴回转精度 定位精度 重复定位精度 5 0 0 m m x 4 0 0 m m 4 0 0 m m 2 5 0 m m 3 0 0 m m 1 0 0 m m 04 6 k w 6 00 0 0r m i n 1 0 ” 3 1 p m - + 5 1 t m 2 p m 为了保证机床精度除了要保证零部件的高精度，还要需要反馈来进行闭环控制 通过软件来误差补偿。为此，机床结构的配置确定如下文 图2 i 机床结构图 表2 - 2 机床配置 运动轴 配置 x 轴直线电机+ 光栅尺+ 滚动导轨 y 轴 直线电机+ 光栅尺+ 滚动导轨 z 轴电机+ 滚珠丝杠+ 光栅尺+ 滚动导轨 c 轴 回转工作台 主轴电主轴 ( 1 ) 横粱为了在温度变化的环境中得到较高的加工表面几何于嘭状一致性，微小 机床应有较低的热膨胀系数以取得较高的静态和动态刚度这些因素可以导致机床框 架轻微的错位，使得工件和刀具的相对位置发生改变，从而造成加工误差。当微小机 床的工作环境是恒温时这种误差就可以忽略。但是微细切削时即使这种很小的误 差也要使其堤小化。为了达到这种要求横粱采用镍奥氏体铸铁材料( n i a u s t e n i t i c c a s t i r o n ) ( n i ：1 35 0 65 ) 。之所以选用上述材料是因为它具有较低的热膨胀系数。 ( 2 ) 底座前文已经提到低热膨胀系数对微小机床的重要性。机床是以底座为基 础措建起来的花岗岩底座不仅有较低的热膨胀系数，而且在一定程度内也可以降低 振动。 ( 3 ) 运动轴和回转工作台运动装置和回转工作台是运动学的基础，要求能使得 川其和工件精确定位。它们必须要有较高的分辨率和较小的定位误差以确保加工工件 的精度：在进行微细雕刻时对速度也要有严格的控制。四轴联动的龙门机床采用高 分辨率的定位装置，在x 、y 方向采用行程为2 5 0 m m 和3 0 0 m m 的直线电机，行程为 1 5 0 m m 的z 轴采用伺服电机驱动精密滚珠丝杠柬实现。为了进一步提高定位精度，机 床还采用光栅尺检测反馈，进行闭环控制“1 。 ( 4 ) 主轴单元机床采用具有高转速和低跳动量的电主轴单元。高速电主轴可以 提供利用微细刀具进行微细加工时昕需要的线切削速度同时减小高转速时刀具的振 动。电主轴单元采用陶瓷球轴承可以提供6 00 0 0 r p m 的转速和小于1 u m 的径向跳动 量。因此机床可以进行铣削、钻孔和磨削加工，控制器可以提供精确的速度控制。 ( 5 ) 辅助设备为了能加工微小零件，我们为微小机床添加了必要的设各。主要 有两个辅助设各：外部振动控制装置和原位检测零件， 22 电主轴的计算选型与校核 精密加工机床的主轴与刀具或工件直接相连，带动刀具或工件转动，因此主轴系 统的坷转精度也就决定了刀具和工件的回转精度，从而影响到工件的最终加工精度。 通过机床主轴系统的精度和特性的可以评价出精密机床整机的加工精度，因此主轴系 统是加工机床实现高精度化和精密加工的关键，对机床的性能有着重要的影响1 。 常用的机床主轴由皮带或齿轮传动，普通零件加工中，当刀具和零件尺寸较大时 主轴转速不需太高就能达到所需的切削速度。然而随着零件的小型化以及所需加工精 度的提高，这样就导致切削过程中切削速度的降低难以实现加工要求。为了解决这 个问题机床主轴必须达到很高的转速如车削时主轴带动工件的高速旋转，或者 铣削时主轴带动铣刀高速旋转以此来获得切削加工时所必须得切削线速度。由于传 动链环节的存在极大地影响了主轴转速的提高，因此为了提高转速必须对传动结构进 行简化。电主轴就是将主轴电机和主轴结合主轴由内装电机直接驱动，从而省去了 传动环节实现了“零传动”，提高了主轴转速“。 但主轴转速的提高也带来了一些挑战： ( i ) 普通轴承难以承受高速主轴的高转速因此要专门设计高速轴承： ( 2 ) 高速主轴在运转时产生大量热量，因此要考虑高速主轴的冷却与润滑： ( 3 ) 在高转速下会产生振动，需采取一定措施去提高机床稳定性和安全性。 针对上述问题，国内外展开了很多相关的研宄工作，使得高速主轴广泛被应用到 加工机床中。因此在电主轴的计算选型中，通常要考虑以下几个方面的问题： ( i ) 主轴的转速： ( 2 ) 主轴的回转精度： ( 3 ) 主轴刚度： ( 4 ) 主轴的抗振性： ( 5 ) 主轴的温升及玲却方式； ( 6 ) 主轴的轴承及润滑方式： ( 7 ) 刀具吏持直径范围及换刀方式。 图22 电主轴图 2 2 i 切削力的计算 主切削力或切向力： f = f f 叶“r 。+ 峰 ( 2lj 背向力：0 = c f - q p 4 r r ，坼1 坼k t ( 22 ) 进给力：e = c 口，。r “1 一”k ， ( 23 ) c ，、c f 、c ，系数，由被加工工件的材料属性以及切削条件昕决定如有无润 滑等； k ，、k p 点。一修正系数表示在三个切削分力表达式中，当实际切削条件与经 验公式的应用条件不相符时各种影响因素对切削力修正系数的乘积： 。、t 、坼、j 印y f 、”f 、，旷一三个切削分力表达式中，d ，、，、v 的指 数。 由于主轴的设计计算、校核是按按照主轴承受最大载荷的情况下进行的因此需 要计算出铣削时的最大铣削力。 采用硬质台金球头立铣刀铣刀直径d - 2 m m ，刀具齿数z = 2 工件材料为4 5 号 钢，属于中碳钢，硬度约为h b 2 4 0 ，粗铣。 表2 - 3 铣削时每齿进给量，的经验选取值 对于4 5 # 钢采用硬质台金7 j 具时常用的线切削速度为6 0 1 1 5 n d m m 取1 - 1 0 0 m m i n ；根据公式主轴转速为： n = 南( m m 删= 1 0 2 0 2 0 0 0 t 1 6 0 0 0 ( r ，n u n ) 1 ：一切削线速度： d 一球头铣刀有效切削直径； 一主轴转速( r m i n ) ； 表2 4 切削用量 切削参数数值 背吃刀量( 铣剀深度) 目 侧吃刀量( 铣削宽度) 口 每齿进给量f 进给量r 切削速度r 主轴转速i 1 根据公式21 可计算出主切削力f = 4 2 n 。 由于本加工系统主要进行的是铝台金材料微小型零件的铣自咖工主轴转速的高 低作为衡量微小型数控机床加工性能的一个重要指标对零件的加工精度和表面质量 有至关重要的影响。采用高速钢铣刀铣削铝合金时的经验线切削速度一般为 】8 0 3 0 0 t r d m i n 采用硬质台金铣刀时，线切削速度般为3 0 0 6 0 0 m m i n ，为了扩大切 削材料的种类选择主轴的最高转速为6 0 0 0 0 # m i n 。 222 电主轴选型 根据221 节所述，为了保证精度和刚度，选择i j g e r 电主轴z 4 5 - - m 1 6 00 1s 5 a 型号的改良型如图23 所示其技术参数如表2 - 5 所示： 袁2 - 5z 4 j m 1 6 00 1s 5 a 技术参数 z ， m m 一 咖 删 吣 雌 船 速度侦测 主轴轴承 跳动量 重量 最大刀具夹持直径 传感器 陶瓷轴承2 k 。 设a 、b 处的反力为和 对应的变形为j - 。和根据图2 6 ( 2 ) 中几何图形 比侧关系可知： 兰二盐：! ( 26 ) h + ，j f 由力平衡方程和力矩平衡方程可得出a 、b 处变形为： ，一= 去； 托， 胪去 s ， 带入公式2 , 5 后可求得变形量h ： m = 丢( 小百f 。， 将己知条件代入各式t 可求得h = 0 1u m y 2 = 00 9 5u m 。 则主轴的径向刚度为k ：三：3 9 02 n u m 主轴组件的径向刚度为 儿 。= y 上= 2 0 6 9 u m 。l + y ： 2 3z 轴滑台的设计与选型 精密滚珠丝杠传动作为精密机床常用的传动方式，不仅要有较好的运动精度，还 要有足够高的刚度用以抵抗外界的干扰，足够好的振动衰减特性用以隔除外界振动。 与直线电机传动相比精密滚珠丝杠传动具有增大力和力矩，减小负载对电机控制的 影响，成本相对较低的优点，其定位精度高，很容易达到】微米的重复定位精度，且 传动效率高= ：。 麓渗 小型龙门式多轴联动加工系统由于集成了检测系统，因此需要两套z 轴滚珠丝杠 滑台。因为滚珠丝杠滑台的设计选型过程类似，因此下面以主轴滑台为例进行计算选 型。滚珠丝杠滑台的选型原则主要参考以下几个方而： ( 1 ) 最高移动速度，用来确定导程： ( 2 ) 滚珠丝杠的行程： ( 3 ) 滚珠丝杠的精度等级： ( 4 ) 滚珠丝杠的底径： ( 5 ) 滚珠丝杠的基本额定静、动态负载： ( 6 ) 滚珠丝杠的摩擦扭矩； ( 7 ) 滚珠丝杠的预压力。 由于z 轴传动系统配有光栅检测反馈元件。可以进行误差补偿提高精度，因此其 开环系统精度可按下表进行设计。 表2 z 轴设计要求 参数数值 定位精度8 肿 吊高进给速度 2 0 0 m m s 行程 1 0 0 m m 231 滚珠丝杠的设计计算 l 丝杠导程的确定 p ，奠：! ! ! ! ! ! ! ：4 m m ( 2l o ) + “一，n 。1 ) ( 3 0 0 0 r r a i n 只一丝杠导程： p ：。一丝杠螺母最高移动速度： 。一选定的伺服电机的最高转速： ，一电机与丝杠之间的传动比。 2 当量动载荷c m 因为丝杠垂直布置，而且在进行切削加工时轴向切削分力会抵消一部分丝杠所承 受的重力载荷，故丝杠所承受的最大载荷取为丝杠上滑座、主轴、主轴夹具的重力、 摩擦力以及惯性力之和，既： f 。= mg + m a ；3 4 n 考虑到主轴系统上其他辅助零件和一些额外干扰，取。= 5 0 n 。 其中加速度a ；二盟= 1 ，加速时间，取02 s 。 根据轴向最大载荷可计算出当量载荷为： fm一2xfmax+frain 5 0 n ( 21 1 ) 丝杠的使用寿命取：t = 2 0 0 0 0 h ，精度影响系数：k a = 1 无冲击时t 载荷性质 系数：跏= 12 。 根据公式，丝杠工作寿命为： ：6 0 x n 。x t 一6 0 x 3 0 0 0 6 x 2 0 0 0 0 ：3 6 0 0 ( x l o * r ) ( 21 2 ) 1 0 61 0 0 从而得到丝杠的当量动载荷c m 为： c n f m 。0 l 。k p ：9 1 95 7 n ( 21 3 ) m 确定丝杠外径为中 二m m 螺纹底径为0 1 0 m m 导程为5 m m 其基本额定动载荷 为2 3 6 0 n 动摩擦扭矩约为0 0 1 00 0 5 n 。 滚珠丝杠的精度等级有c o 、c l 、c 2 、c 3 、c 4 、c 5 、c 6 七级，根据经验滚珠丝 杠的精度要按定位精度的l 2 1 培选取，因此选取丝杠精度为c 0 级。 为了保证滑台精度，从h i w i n 精密线性模组产品手册中选择 k k 6 0 0 5 p 2 0 0 a i m l d l f 1 b s l - 为了满足精度要求可让厂家做适当调整。 滚珠丝杠的预紧力一股按照轴向载荷的1 ，3 来计算。， = f3 = 。o 1 7 n 圈2 9z 轴滑台外观 3 滚珠丝杠的热变形及应对措施 丝杠轴在运行中产生热量形成的热位移将导致定位精度的下降。为了补偿热位移， 需要先计算出热位移的大小如下式： a l = p tl( 2 1 4 ) l 一热位移量( m m ) ： p 一热膨胀系数( 1 2 0 l o ) ； a t 一丝杠轴平均上升温度： l 一丝杠轴的长度。 高精度加工的滚珠丝杠的滚动摩擦系数很小，但是本文龙门式多轴联动机床的工 作速度很高因此滚珠丝杠在高速运行条件下滚珠与滚道的摩擦使发热量随着运行 速度的提高而增大从而使滚珠丝杠产生了的热位移，导致有可能发生精度无法满足 使用要求的情况。为了应对由于滚珠丝杠的温度上升而产生的热位移，可采取的措 施的如下所示： ( 】为了抑制发热量过大t 滚珠丝杠、支撑轴承的预压量不要过大并适时补充 适当的润滑剂以碱小摩擦发热： ( 2 ) 可以通过适当增大滚珠丝杠的导程来减少转动速度同时保证移动速度”】； ( 3 ) 在数控机床的实际应用中通常使用中空丝杠轴，井在其中流动冷却液体， 另外用润滑油或冷却空气等对丝杠轴外围进行强制冷却： ( 4 ) 在使用时可以通过快速预热的方式在丝杠温度稳定的状态下使用，从而避 免热位移造成的影响： ( 5 ) 对丝杠轴施加预拉力使之产生预拉伸以避免温升造成的影响。 ( i ) 至( 3 ) 是为减小滚珠丝杠的发热量。( 4 ) 和( 5 ) 是为了减小因热变形而带 来的影响。 4 滚珠丝杠的材料 通常韭杠的材料是高碳合金钢，这种材料的含碳量0 4 5 热处理方便，通过台 理的热处理工艺，可以大大提高丝杠的表面硬度和耐磨性，同时保留丝杠内部材料的 韧性以保持抗拉强度使丝杠不会因为外部冲击干扰而发生断裂，从而增加了滚珠丝 杠的使用寿命。 由于丝杠的加工制造成本比螺母高且复杂所以一般要求螵母的材料硬度小于丝 杠，以增加丝杠使用寿命。因此对螺母的材料一般常用s c m 4 15 h 、s c m 4 2 0 h 、s n c m 2 2 0 等低碳钢。为了适当增加螺母表面的硬度和耐磨性以延长其使用寿命。需要进行台理 的渗碳淬火热处理硬化手段： 5 传动系统剐度及校核 滚珠丝杠系统的轴向弹性位移和刚度计算公式如下： d ：互( 2 1 5 ) k ， 上：土+ 上+ 上+ 上( 21 6 ) k 1k sk krk ” & 传送丝杠的轴向弹性位移量( u m ) ： h 对传动丝杠系统施加的轴向负载( n ) ： k ：传送丝杠系统的轴向刚度( n m ) ： k 。：丝杠轴的轴向刚度( n u m ) ： k 。：螺母的轴向刚度( n u m ) ： k 。：支撑轴承的轴向刚度( n u m ) ： k 。：螺母及轴承安装部位的轴线刚度( n um ) 。 ( 1 ) 丝杠轴的轴向日崾k 。 k s ：! 坚1 旷1 ：1 0 78 n u m ( 21 7 ： a 一丝杠轴的剖面面积，a = 破。4 ： d 一丝杠轴的底径i e 丝杠轴纵向弹性模量： l 一丝杠轴的承载距离其最大时，丝杠轴的轴向刚度最小。 ( 2 ) 螺母的轴向刚度k 、 f k n _ o “尉i 苦) 1 1 = 1 引3 n 巾m 他1 8 k 一尺寸表的刚性值： e 一预压负载： c 。一基本额定动负载。 ( 3 ) 支撑轴承的轴向刚度k 。 作为滚珠丝杠支撑轴承，广泛用于高精度器械的组合推力角接触球轴承的刚度可 由以下公式得出： 3 e k b = i i n u m ) ( 21 9 ) 0 。 e轴承的预压负载： 最一预压负载导致的轴向弹性位移( g i n ) ，计算公式为： 氏= 兰c 争舢m ) ( 2 ： 。= 导s m a 口一接触角： d 。一滚珠直径： z 一滚珠数。 ( 4 ) 螺母以及轴承安装部位的轴向刚度k 。 在机械设计阶段要充分考虑尽量使刚度提高。忽略螺母以及轴承安装部位的轴 向刚度最终得到丝杠传动系统的总刚度为“： k ，= 6 38 n ，h m 艿07 8 1 a m 查询产品目录取相应精度等级的丝杠在任意3 0 0 m m 内导程误差为3 5 b i n 。再 加上上文计算出的弹性变形量d 就可以得出滚珠丝杠组件的总弹性位移 如2 07 8 + 35 2 42 8 p m - 因此满足定位精度要求。 2 32 伺服电机的选择 根据产品目录，初步选择安川伺服马达s g m j v a 5 a a a 6 e ，其额定转矩为 01 5 9 nm 瞬时最大转矩为05 5 7 nm ，额定转速为30 0 0 转分，编码器分辨率为 】0 4 8 5 7 6 个脉冲转。固其脉冲当量= 3 6 0 。1 0 4 8 5 7 6 = i2 4 ”，驱动滚珠丝杠的理论最小 进给量为：最小进给量= 脉冲当量导程= 17 9 m 。 若驱动器采用四倍频技术则理论最小进给量可以更小，达到04 2 5 p m ，因此可以 达到很高的定位精度。 电机校核如下： ( 1 ) 外部负载所产生的摩擦力矩： m 。= 娄竺坐1 0 1 ( 州= o0 0 0 9 nm ( 22 1 ) 式中：m 。是外部载荷所产生的扭力矩( nm ) ：f a 是轴向载荷( n ) ：l 是导程 ( m ) ： 是效率取08 5 0 9 。 ( 2 ) 丝杠预紧产生的摩擦力矩 m d i 警孚1 0 。帅m 0 0 0 0 1 m 旺2 2 ) 盯。一预紧力产生的摩擦力矩( nm ) ，f 一预紧力( n ) ，l 一丝杠导程，h 一传 动效率，通常取08 5 卸9 。 ( 4 ) 前后支撑轴承所产生的孽擦力矩，可轴承样本查阅： = o0 2 nm ( 5 ) 加速度产生的负荷扭矩m 当电机转速从静止加速至最高转速。时： m ：，竺翌m ：00 4 1 7 6 nm( 22 3 ) 6 0 t 。 式中：j 是加在电机上的惯性矩tn 为电机转速( 转份) n是电机最高转速( 转 ，分) ，是加速时间( 秒) 。 ( 6 ) 电机总扭矩：l = + 1 + r + 瓦= 0 0 6 0 9 1 nm 0 15 9 nm 综上所述可知选择的电机符合要求。通常情况将t + f ，限制在电机输出功率的 1 0 3 0 左右，尤其是选用小电机时更要注意。 2 4 直线电机的设计与选型 精密滚珠丝杠是当今精密机床广泛使用的驱动手段，但是滚珠丝杠的精度是有一 定局限的”。直线电机和精密滚珠丝杠相比更加适应于高精度和高速的应用场合，应 用精密滚珠丝杠所能达到的精度极限也就是2 3 p m ，可在4 0 m r a i n 的运动速度和0 5 9 的加速度下工作。然而应用直线电机直接驱动时，其运行的加速度、速度以及运 动系统的刚度都远大干滚珠丝杠驱动系统。由于省去了中间传动环节，传动误差被消 除，直线电机驱动实现了“零传动”其精度主要取决与检测反馈系统的精度以及软件 的误差补偿精度，因此有很大的提升空间。 直线电机在选型时应参考以下几个方面作为选型依据： ( 】) 运动行程： ( 2 ) 最高运动速度： ( 3 ) 连续推力和最大推力； ( 4 ) 定位精度及位置反绩方式； ( 5 ) 温升及冷却方式。 龙门式多轴联动加工系统的x 和y 轴都采用直线电机驱动其设计计算选型方法 都类似，因此f 面以x 轴直线电机的选型为例进行计算选型说明 2 4 】x 轴直线电机的计算选型 衰2 7x 轴直线电机规格要求 初步确定直线电机型号为台湾上银公司的l m c b 6 ，其参数如下 表2 - 8l m c b 6 直线电机基本参数 、：萤” n 嘉齑m m 1 ，厂 动子长度为1 9 4 m m 行程为2 5 0 m m ，固定子长度1 9 4 + 2 5 0 ：4 “卅。 定子长度规格有1 2 8 m m n = 1 1 9 2 r a m = 2 2 5 6n = 3 3 2 0 r ：4 。 所以选择规格为1 9 2 m m n = 2 和2 5 6 m m n = 3 的定子组合，其长度为4 4 8 m m ，最 大行程为2 5 4 m m 。 稳定运动时所需的推力： r 2 掣( 吖+ m ，) g + c = 30 2 n ( 22 4 ) 一摩擦系数，取0 0 1 ： g 一重力加速度，取98 m s 2 ： f 一电缆拖链所耗推力取1o n ： m ，一动子质量。 加速时间： = 坚筹型= o m n ，s 旺：s ， k 一安全系数取13 。 加减速时所需的推力： = 二笋( 村+ 盯，) f ( 22 6 ) 求得：4 = 2 6 0 n ，4 = 2 5 4 n 。可知l m c b 6 满足要求。 类似于x 轴直线电机的选型计算，y 轴直线电机的选型为台湾上银公司的l m c c 8 ， 其参数如下： 表2 - 9l m c c 8 直线电机的参数 2 5 滚动导轨的设计选型 精密机床的加工精度和维持精度的时间在很大程度上取决于承载运动部件的导轨 性能的好坏比如低速运动时不产生爬行现象，高速运动时不产生振动，并且有较高 的运动灵敏度，在重载或冲击条件下能够长期工作，且不易耐蘑性等特性j 。导轨的 精度对机床的定位精度与运动精度影响很大，其直线度与平面度、垂直度与导轨的配 合间隙误差造成的直线运动时的角度变化，会产生阿贝误差使定位不准确。 滚动导轨在数控机床中的应用广泛，并逐渐取代了滑动导轨其优点如下“： ( 1 ) 定位精度高，由于滚动导轨摩擦系数很小，动静摩擦系数相差不大因此 导轨运行时可以有效解决滑动现象的发生井可以达到微米级、亚微米级的定位精度： t 2 ) 由于摩擦力很小，因此磨损量也很少能长时间保持精度： ( 3 ) 可在低速到高速很宽的范围内运动且能大幅度降低驱动力。 图2 1 2 滚动导轨结构示意图 滚动导轨在选型计算时，主要计算和参考的主要参数如下： ( 1 ) 基本静额定负载c 0 滚动导轨在静止中若承受报大的负载，会导致滚珠和 滚珠通道接触面挤压产生永久变形。，基本静额定负载就是容许这个永久变形量的极 限负载： ( 2 ) 容许静力矩m 其有三个方向： ：尹麓箩9 麓 霈d照 图2 1 3 容许静力矩 六的三个方向 ( 3 ) 基本动额定负载c 一一其是在负载方向大小不变的情况下滚动导轨的额定 寿命为5 0 h r ( 滚柱式滚动导轨的额定寿命为1 0 0 m ) 时的最大负载： ( 4 ) 额定寿命l ： ，r 、， l = 【告j 砖。枷 ( 22 7 ) 根据安装空间r 寸并依据上述参数，选取台适的直线导轨型号最终确定为h i w i n 公司的e g h l 5 s a 。 26 旋转工作台 直驱电机可以直接驱动平台或者转台运动，省去了中间齿轮传动环节节省了设 计空间，这样不仅避免了传动误差提高了定位精度和重复定位精度，还减少了中间 减速齿轮的转动惯量和齿轮背隙，使得口自应速度更快同时也因为没有传动装置，使 得直驱电机产生的热量可以通过转台均匀散热且结构热膨胀旋转对称，因此定位精 度可咀保持稳定? 。 i l 一 目21 4 直驱电机和传统伺服电机驱动的比较 裹2 - 1 0 直驰电机t m s l 4 的性能参数 参数数值 参数数憧 连续转矩 瞬间转矩 极数 旋转部惯性矩 质量 最大轴向载重