（机械工程专业论文）数控机床主传动系统优化设计及数控技术改造.pdf

、 江苏丈学t 稃硕+ 学付论文 摘要 本文阐述了数控机床主传动系统的优化设计以及数控技术发展的国内外研究现状 及其意义。以数控机床主传动系统的优化设计理论研究为基础，对数控机床的主要机 械部件一床身、主传动、进给运动、回转工作台以及自动换刀装置的优化设计进行 了分析，探讨了其数控系统设计的基本模式。在此基础上，本文运用了机电一体化技 术，采取机械和电气设计相结合的原则，对一台保加利亚卧式加工中心n c 8 0 0 实施 了数控技术改进，优化设计了其主传动系统，调整了机床机械精度，修复机床几何精 度，有针对性地解决了数控机床存在的机械问题。在设计的数控系统中，以功能和经 济性兼具为原则，较好的满足了实际需要。通过此次数控技术的改进，使得这台加工 中心的技术水准达到了国内先进水平，为我国数控技术的改造工作起到了推动作用。 关键词：数控机床、主传动系统、优化设计、技术改造 江苏大学丁程硕+ 学位论文 a b s t r a c t t h e p a p e ri n t r o d u c e sp r e s e n ts i t u a t i o na n ds i g n i f i c a n c eo fs t u d y o no p t i m i z ed e s i g no f m a i nt r a n s m i s s i o ns y s t e mo fn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n ea n dd e v e l o p m e n to fn u m e r i c a l c o n t r o lt e c h n o l o g yi nc h i n aa n da b r o a d o nt h eb a s eo fo p t i m i z ed e s i g nt h e o r yo fm a i n t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，t h em a i np a r t so fn u m e r i c a lc o n t r o m a c h i n es u c ha sm a c h i n eb e d ， m a i nd r i v i n gd e v i c e ，f e e d i n gd e v i c e ，r o t a r yt a b l ea n da u t o m a t i ct o o l sc h a n g es y s t e m ，e t c ， w e r ea n a l y s i sa n do p t i m i z ed e s i g n e d t h em o d e lo fn u m e r i c a lc o n t r o ld e s i g ni s d i s c u s s e di nt h et h e o r i e s b a s e do na b o v e - m e n t i o n e dm e t h o d , ah o r i z o n t a lm a c h i n em a d e i n b u l g a r i a i s t r a n s f o r m e d t e c h n o l o g y o fm e c h a n i c s ，a sw e l la sp r i n c i p l eo f c o m b i n a t i o no fm e c h a n i c a lt r a n s f o r m a t i o na n dc o n t r o ls y s t e mt r a n s f o r m a t i o n ，i sa p p l i e d t ot h et r a n s f o r m a t i o n n o to n l ym a i nt r a n s m i s s i o ns y s t e mi so p t i m i z e dd e s i g n , b u ta l s o t h ep r e c i s i o no ft h em a c h i n ei sa d j l i s t e d t h eg e o m e t r i cp r e c i s i o ni sa l s or e n o v a t e d w e r e s o l v e dt h ek e ym e c h a n i c a lp r o b l e me x i s ti nn c 8 0 0 i i it h ed e s i g no ft h en u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e m ，i t sf u n c t i o na n dg r a d em u s tb ee c o n o m i c a l l yc o n s i d e r e di no r d e rt o m a t c ht h ep r a c t i c en e e d s t h r o u g ht h ea b o v e - m e n t i o n e dt r a n s f o r m a t i o n , t h em a c h i n e c e n t e rr e a c ht h ea d v a n c el e v e li no u rc o u n t r ya n di tp l a y sap r o m o t i n gr o l ei nt h e t r a n s f o r m a t i o no f n u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g yo f o u rc o u n t r y k e yw o r d s ：n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e ，m a i nt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，o p t i m i z ed e s i g n ， t e c h n o l o g yt r a n s f o r m 江苏大学t 稃硕七学位论文 第一章概论 数控机床是综合应用了微电子、计算机、自动控制、自动检测以及精密机械等技 术的最新成果而发展起来的完全新型的机床，它标志着机床工业进入了一个新的阶 段。在工业发达国家中，无论在国防工业或民用工业，数控机床的应用均已相当普遍。 由于数控技术改造同购置新机床相比，一般可以节省6 0 8 0 的费用，因此，用数 控技术改造机床和生产线具有广阔的市场。本论文主要研究方向是数控机床主传动系 统的优化设计和数控技术改造。通过对数控机床主传动系统的优化设计和数控技术改 造的研究，为数控机床的机电维修提供有力支持。对一台保加利亚加工中, l , n c 8 0 0 实 施了数控技术改造，优化设计了主传动系统，改造了数控系统，使这台基本停产的加 工中心重新投入使用。 1 1 数控机床主传动系统的优化设计及数控技术改造的国内外现状 1 、数控机床的发展 在机械制造工业中，单件与小批生产的零件( 批量在1 0 1 0 0 件) 约占机械加工 总量的8 0 以上。尤其是在造船、航天、航空、机床、重型机械以及国防部门，其生 产特点是加工批量小、改型频繁，零件的形状复杂而且精度要求高，采用专用化程度 很高的自动化机床加工这类零件就显得很不合理，因为需要经常改装与调整设备，对 于专用生产线来说，这种改装与调整甚至是不可能实现的。数字控制( n u m e r i c a l c o n t r o l ，简称n c 或数控) 机床就是在这样的背景下诞生与发展起来的。它极其有效 地解决了上述一系列矛盾，为单件、小批生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段。 当加工对象改变时，除了重新装夹工件和更换刀具之外，只需要更换加工程序，不需 要对机床作任何调整。 加工中心机床是带有刀库和自动换刀装置的数控镗铣床，它的出现打破了一台机 床只进行一种工艺加工的传统概念，主要用于加工箱体零件，工件在一次装夹后，可 以对其大部分加工面进行铣、镗、钻、扩、铰及攻丝等多工序加工，可以有效地避免 由于多次安装造成的定位误差，减少了机床的台数和占地面积，大大提高了生产率和 加工自动化程度。 为了实现工件的自动装卸，有的加工中心机床可以带有两个交换工作台。在交换 工作台上由人工装夹好待加工的零件后，在数控系统的控制下，可以自动地把零件送 上机床，并自动地从机床上卸下已加工好的零件0 1 。 2 、数控机床的特点 江苏大学j ：稃硕士学伊论文 1 ) 、对加工对象改型的适应性强 2 ) 、加工精度高 3 ) 、加工生产率高 4 ) 、减轻操作者的劳动强度 5 ) 、良好的经济效益 6 ) 、有利于生产管理的现代化 3 、数控机床的应用范围 1 ) 、多品种小批量生产的零件 2 ) 、加工精度高 3 ) 、加工生产率高 4 ) 、减轻操作者的劳动强度 5 ) 、良好的经济效益 4 、数控机床的主传动系统 由于数控机床的主运动的调速范围较大( r = 1 0 0 2 0 0 ) ，单靠调速电机无法满 足这么大的调速范围，另一方面调速电机的功率扭矩特性也难于直接与机床的功率和 扭矩要求相匹配。因此，数控机床主传动变速系统常常在无级变速电机之后串联机械 有级变速传动，以满足机床要求的调速范围和转矩特性。 5 、机床与生产线数控化改造的市场 1 ) 、机床数控化改造的市场 2 0 0 1 年国产数控机床的产量为l 万多台，2 0 0 4 年已达n 3 7 0 0 0 多台啪。我国机床役 龄1 0 年以上的占6 0 以上；1 0 年以下的机床中，自动半自动机床不到2 0 ，f m c f m s 等自动化生产线更屈指可数( 美国和日本自动和半自动机床占6 0 以上) 。可见我们 的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役 龄在1 0 年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次 低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的 产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。 2 ) 、进口设备和生产线的数控化改造市场 我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。 据不完全统计，从1 9 7 9 1 9 8 8 年1 0 年间，全国引进技术改造项目就有1 8 4 4 6 项，大约 1 6 5 8 亿美元。 这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项 目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响， 严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备 2 1 阻 、 江苏大学丁稗硕七学伊论文 件不全，维护不当，结果运转不良：有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽 视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运 行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产 达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间需要进行 技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富。反而消耗着财富。 这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是 财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的 存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。 3 ) 、国外改造业的兴起 在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意 盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个“永恒”的课 题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、 日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线 数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生( r e m a n u f a c t u r i n g ) 业。 从事再生业的著名公司有：b e r t s c h e i 程公司、a y t o n 机床公司、d e v l i e g b u l l a v d ( 得 宝) 服务集团、u s 设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造 业称为机床改装( r e t r o f i t t i n g ) 业。从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、岗 三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。 6 、机床数控化改造的内容及特点 1 ) 、机床数控化改造的内容 机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点： 恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复； 翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械 部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的c n c 系统以最新c n c 进行更新； 技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原 有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改 造。 2 ) 、机床数控化改造的特点 减少投资额、交货期短 同购置新机床相比，一般可以节省6 0 8 0 的费用，改造费用低。特别是大型、 特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1 3 ，交货期短。但 有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往 改造成本提高2 3 倍，与购置新机床相比，只能节省投资5 0 左右。 江苏大学工程硕士学付论文 机械性能稳定可靠，结构受限 所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件， 改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年但是受到原来机械结 构的限制，不宜做突破性的改造。 熟悉了解设备、便于操作维修 购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地 计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操 作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运 转。 可充分利用现有的条件 可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。 可以采用最新的控制技术 可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设 备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。 1 2 数控机床主传动系统优化设计及数控技术改造还有的问题及不足 数控机床主传动系统设计是一个比较复杂的问题，设计机床主传动系统时，要在 给定的工作条件及设计要求下，确定传动功率、主轴速度范围、公比、级数等相关参 数。在确定以上参数后，可以有许多不同的传动方案，有多种转速图，他们之中自然有 优劣之分，按常规方法设计时，因需要进行大量反复、繁琐的计算，只能对几种方案进 行计算和比较，要找到最佳结果是比较困难的。以往对机床主传动系统的优化设计， 大多是在给定了设计方案的前提下对参数进行优化，而未进行传动方案的优化决策， 传动方案的优化是进一步设计的前提，直接影响着设计结果。 主轴组件是机床主要部件之一它的性能，对整机性能有很大的影响。主轴直接 承受切削力，转速范围很大，所以对主轴组件的主要性能提出很高要求。有些数控机 床未进行优化设计，主轴的结构及主轴轴承的选用不当，造成工作一段时间后，主轴 回转误差超差，不仅影响工件的加工质量，还会破坏齿轮、轴承的正常工作条件，使 其加快磨损，降低精度。 由于电子技术的飞速发展，单纯机械技术的附加值含量越来越少，而微电子技术 的附加值含量却越来越多。随着年代的发展，这种趋势还将增加。一些企业也因此过 分强调了电子技术的作用，而忽视了机械技术。数控机床是机电一体化技术的代表产 品，是机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术、自动控制技术、传感与测试 技术、电力电子技术、伺服驱动技术、系统总体技术等现代高新技术有机结合的产物。 4 江苏大学t 捍硕士学位论文 因此，片面强调- f l 技术，而忽略另- n 技术是非常错误的。 在数控机床改造中，一些企业只委托数控系统生产厂商改造系统，而对机械部分 不愿投资。造成旧机床配上了先进的数控系统，但机床原有的机械问题没有解决，机 电配合也不好，往往不能达到预期的效果。 在数控系统选择上，一些企业不考虑投资的有效性，片面追求名牌、先进、高档、 功能全的，造成了不必要的浪费；一些企业贪图便宜，选择不知名的系统，可靠性差， 售后服务也没有保障，使机床根本无法正常使用，造成了投资失败。 1 3 论文研究的目的和意义 工业发达国家的军、民机械工业，在7 0 年代末、8 0 年代初已开始大规模应用数控 机床。其本质是采用信息技术对传统产业( 包括军、民机械工业) 进行技术改造。除 在制造过程中采用数控机床、f m c 、f m s 外，还包括在产品开发中推行c a d 、c a e 、c a m 、 虚拟制造以及在生产管理中推行m i s ( 管理信息系统) 、c l m s 等等。以及在其生产的 产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械 工业进行深入改造( 称之为信息化) ，最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场 上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后2 0 年。 我国的经济还不发达，广泛推广数控机床的最大障碍是设备的初始投资大。同购 置新机床相比，数控技术改造一般可以节省6 0 8 0 的费用，特别是大型、特殊机 床尤其明显。由于数控机床本身的复杂性，如果不掌握维修技术，要花费昂贵的维修 费用，有时不能及时排除设备故障。这将会在一定程度上影响机床的利用率，增加综 合生产费用。 通过对数控机床主传动系统的优化设计和数控技术改造的研究，为数控机床的机 电维修提供有力支持。对一台保加利亚卧式加工中, 已, n c 8 0 0 数控技术改造的实施，优 化设计了主传动系统，改造了数控系统，对数控技术的广泛应用和推广数控机床的改 造有着深远意义。 1 4 研究的基本方法及思路 一对数控机床主传动系统优化设计及数控技术改造进行研究，并采用机械和电气改 造相结合的原则，对一台保加利亚卧式加工中心n c 8 0 0 进行数控技术改造。 其中主要步骤的简要介绍如下： 1 ) 运用优化设计理论，对数控机床主传动系统进行优化设计，找出最佳方案。 2 ) 对原机床进行全面检查，查出原机床机械、液压、润滑、清洁等方面存在的 江苏大学r 稃硕十学位论文 问题。能修复的修复；磨损的备件进行更换；原机床存在缺陷或没有资料的，进行改 进设计。 3 ) 对机床几何精度作一次改前的测量，对超差项目进行调整或修理，恢复机床 精度。 4 ) 数控系统改造。在选择数控系统方面，要特别注意：一要尽量向一个著名厂 家的型号系列靠拢。这样既有利于维修和管理，也有利于备件的购买。千万不要把企 业的数控系统搞成万国牌。二要清楚所选厂家在国内的维修服务状况，以免将来后患 无穷。 5 ) 试车。按照试车要求小心试车，避免发生意外，确保改造的成功。 6 ) 验收。通过机床精度和性能验收、试件切削验收以及图纸、资料验收，确认 改造是否达到技术要求。 6 江苏大学t 稃硕士学位论文 第二章数控机床主传动系统的优化设计理论分析 2 1 数控机床的主传动系统“， 机床主轴要求的功率特性和扭矩特性：以计算转速n ，为分晃，从n 。至最高转速n 一。 的区域为恒功率区，在该区域内，任意转速下主轴都可输出额定的功率，最大转矩则 随主轴转速的下降而上升。从最低转速皿。至n 。的区域为恒转矩区，在该区域内，最大 转矩不再随转速下降而上升，任何转速下可能提供的转矩都不能超过计算转速下的转 矩，这个转矩就是机床主轴的最大转矩 l 。在此区域内，主轴可能输出的最大功率p 。， 则随主轴转速的下降而下降。通常，恒功率区约占整个主轴变速范围的2 3 3 4 ，恒 转矩区约占1 4 1 3 。 。 交流调频电机用调节电源频率来达到调速的目的。额定转速通常为1 5 0 0 r p m 。电 机的恒功率转速范围常为2 4 ，恒转矩变速范围则可达t o o d a 上。 很明显，变速电机的功率特性与机床主轴的要求不匹配：变速电机的恒功率范围 小而主轴要求的范围大。因此，单凭总变速范围( 最高、最低转速之比) 设计主传动 系统是不能满足加工要求的，必须考虑性能匹配问题。解决的方法是在电动机与主轴 之间串联一个分级变速箱。 图2 1 为一台加工中心的主传动系统传动图。交流伺服电机通过三爪式联轴节将 动力传递给i 轴。i 轴通过一对固定齿轮将动力传递至轴。轴上装有滑移齿轮， 通过油缸带动拨叉，将动力传递给i i i 轴齿轮，并实现两档变速。i 轴通过平键将动力 传递给主轴。 图2 i 主传动系统传动图 7 江苏大学【程硕士学位论文 2 2 数控机床主传动系统的理论研究 应用分级模块化设计思想，并用图论理论对主传动系统进行分析。 2 2 1 数控机床传动方案的优化决策嘲m 1 、传动方案的矩阵表达式 主传动系统通常是由顺序串联( 或并联) 的几个变速组构成的，我们可以用图论 中的有关方法来描述主传动系统的特性。主传动系统可用其“邻接矩阵”来描述。根 据图论中有向树的定义，机床主传动系统可以看作是以电机轴为起点的有向树，设主 传动系统有m 根传动轴( 含主轴) ，定义如下矩阵为主传动系统的邻接矩阵： s = s i i s 1 2 s 2 ls s h s h s _ ls - 2 s _ _ 式中元素s m 表示p 轴到q 轴的传动副数目， 轴传动，所以当p q 时，s p q - 0 。当p q 时， 有传递关系。所以s 矩阵是一个上三角矩阵， 2 、方案优化的目标函数 且p 、q m 。由于只能由前级轴向后级 若出现s p q - 0 ，则表示从p 轴到q 轴没 其对角线以下元素均为零。 设计主传动系统时，应在满足设计要求的前提下，使传动装置中的元件数目最少， 或使传动副数目最少。所以优化的目标函数是： f 如，s ) = s ，。 ( 2 ) p zf = i 对于有分支的主传动系统，还应使高速分支传动链尽可能短，即图论中的最短路 径问题。 3 、约束条件 对传动方案的主要约束条件有： 设计方案的主轴转速级数应与要求的转速级数相等，即约束式中：gl ( m ，s ) 是 由邻接矩阵算出的主轴转速级数，i z 是设计要求的转速级数。 g l ，j ) = ，z o ( 3 ) 对传动轴数目的限制式中：i n 为方案中采用的传动轴数目。 m m n 羔 月。 ，( 5 ) 式中：i l l l t 。为主轴最低转速； t 1 0 为输入轴转速； 月“为传动组的最小允许传动比。取矗“= q2 5 。 对每个传动组中传动副数目的限制： i 4 b l 7 b l 6 bl 5 b z l z 2 4 z 1 一z 22 4 约束条件z i z 2 4z 2 = 乙 z 4 一z 2 4 m 42 m 2 注：b 齿轮宽：l 一齿轮变速组所占有的轴向长度：z 一齿轮齿数；m 一齿轮模数 图2 2 变速模块结构表 2 、数控机床变速模块的识别和轴向布置 传动模块中的各种信息都以文件形式存贮，设计传动方案时，由计算机根据设计 要求对存贮的传动模块进行自动识别，选择相应的传动模块，然后自动构成传动系统 方案。该系统必须满足两个条件：变速传动模块副数应等于结构式中相应的传动副数； 变速级数应等于要求的级数。这两个条件也就是识别过程的约束条件。 识别传动模块的逻辑过程可以用图论中的决策表示，如图2 3 所示。将传动模块 分为基本模块( 指仅有一个传动变速组的模块) 和功能模块( 指交错排列变速组、单 公用齿轮、双公用齿轮变速组、背轮机构和分支传动机构等) 。用节点下的两条边表 示。树根是开始进行决策的起点，树叶是判断的结构。对每一个节点都进行是否满足 约束条件的判断。如满足约束条件，就构成一种传动系统图，然后再从树根开始另一 个方案的决策。 1 0 江苏大学工程硕士学位论文 注：o 一基本模块条件i 一功能模块条件 图2 3 决策树 对于某些既定的设计要求，可以从传动模块中选择不同的模块构成传动系统， 即有许多种满足设计要求的传动系统图，但它们各自所用的元件数量、轴向尺寸是不 同的，应从中选择一种方案。 一般说来，设计变速箱时应尽量缩短轴向尺寸，当然必须大于合理跨距。虽然在 未完成参数优化和结构设计之前，齿宽的具体数值尚未确定，但对于由传动模块构成 的传动系统，其最小轴向尺寸l 可由下式确定： j 肪 年i 式中：xi 一为传动模块对应的宽度系数； 卜为齿宽； n 一为传动系统中所用模块个数。 据此可以从满足基本设计要求的诸多方案中优选出轴向尺寸l 最小的方案。 2 3 数控机床主轴的优化设计 2 3 1 数控机床主轴优化设计的基本理论n 帕1 ( 7 ) 机械优化设计是优化理论在机械设计领域的移植和应用，其基本思想是根据机械 设计的理论、方法和标准规范等建立一反映工程设计问题和符合数学规划要求的数学 模型，然后利用数学规划方法和计算机计算技术自动找出设计问题的最优方案。其数 学模型包括三个组成要素，即设计变量、目标函数及约束条件，可以用数学形式表示 为： 江苏大学t 稃硕士学傍论文 目标函数m i nf ( x ) 约束条件h 。( x ) = o ( i = i ，2 ，m ) ；h j ( x ) 0 ( j = 1 ，2 ，p ) 设计变量x = ( x i ，x 2 ，x n ) 1x d ( d ：同时满足约束条件的设计点集合， 也称可行域) 数控机床主轴是数控机床中的重要部件之一，通常为空心阶梯轴。为了便于分析， 常将阶梯轴简化成以当量直径表示的等截面轴( 见图2 4 ) 。 图2 4 主轴刚度计算模型 2 3 2 数控机床主轴优化设计的设计要求h 2 ” 以原机床主轴有关参数和设计规范为基础，在满足各种约束的条件下，保证机床 加工精度，要求设计一个刚度最好、材料最省、具有最紧凑结构的机床主轴。 建立目标函数：根据设计要求，以刚度最好和最小体积为追求的目标，既可满足 各种主轴传动要求，又可减轻重量。即 f ( x ) = 嵋石( x ) + 吐五( x ) 斗r a i n ( 8 ) 式中：z o ) 反映刚度的函数： z o ) = 百a ( a 2 + a 1 ) ( 9 ) ，截面的惯性矩： ，= 击厅( d 4 - d 4 ) ( 1 0 ) 五( x ) 主轴的体积： 五( x ) = 万( d 2 一d 2 ) ( f + 口) ( 1 1 ) q 、q 加权因子，反映各分目标函数的重要程度。由统一加权法可得q 2 0 8 ，吼= o 2 则目标函数为： 江苏大学1 = 程硕士学位论文 f(x)=巧08x丽64ai(砀a2+丁a1)+02，r(d2r-d2)(1+a) ( 1 2 ) 2 3 3 确定设计变量 。 由( 1 2 ) 式可知，影响且标函数的独立参数共有d 、d 、1 、a ，但考虑机床结构， 主轴直径大小不想改变，d 不能作为设计变量，因此主轴结构设计变量为： x = ( x l ，x 2 ，x 3 ) 7 = ，l ，口) 7 ( 1 3 ) 2 3 4 优化设计约束条件 1 ) 刚度约束机床主轴的刚度是一个重要的性能指标，其外伸端的挠度y 不得 超过规定值，据此可建立刚度约束：蜀o ) = y - y o o ，由材料力学可知，给定外 力时，j ，值计算公式为 y ：f a 2 ( 1 + a ) ( j 值同上)( 1 4 )。 3 e 、7 则 g l ( 力= 芴6 4 f 丽a 2 ( 1 + a ) 一儿。 ( 1 5 ) 2 ) 强度约束许用切削应力强度限制值【勺】，令q 2 五9 可5 5 i x 万1 0 6 砚彤, ， 则 9 2 ( 垆一【f r 】o ( 1 6 ) 3 ) 转角的限制轴的允许偏转角引立小于允许值【口】，p = 嚣 则 岛( x ) = 口一【目】o ( 1 7 ) 4 ) 扭转变形的限制轴的扭转变形条件为 【y 】，妒= 5 7 3 1 。4 壶 式中：t 一轴所受的扭矩，t = 9 5 5 x 1 0 6 ；g 一轴的材料的剪切弹性模量；一轴 截面的惯性矩， = 学， 则g j ( 工) = y 一【y 】s o ( 1 8 ) 5 ) 切削力的限制机床要求有足够的切削力切削金属层a 切削力es 面p r l ，取碍 江苏大学工程硕士学位论文 = o 8 则 啪一等s 。 ( 1 9 ) 2 3 5 优化设计的程序实现 优化方案决策程序的设计思想是根据约束条件，通过人机对话方式决定最佳结构 式和结构网。计算机自动识别满足要求的主轴系统，并且进行轴向排列优选，然后叠 加形成主轴系统图。其程序流程图如下所示： 1 4 江苏大学工稃硕十学侥论文 第三章数控机床的总体设计 3 1 数控机床的结构要求 3 1 1 提高机床的静、动刚度 为了提高数控机床主轴的刚度，不但经常采用三支承结构，而且选用刚性很好的 双列短圆柱滚子轴承和角接触向心推力轴承，以减小主轴的径向和轴向变形。 加强筋板的结构对机床大件的刚度有着明显的影响。 在大型数控机床中，移动载荷对机床的变形带来很大的影响。除了加强构件的刚 度之外，通常采用液力平衡或重块平衡来减少构件的变形。 提高机床各部件的接触刚度能够增加机床的承载能力，采用刮研的方法可以增加 单位面积上的接触点；在结合面之间施加足够大的预加载荷也能够增加接触面积，这 些措施都能有效地提高接触刚度。 改善动态特性的方法主要是：提高系统的静刚度、增加阻尼以及调整构件的质量 和自振频率。钢板的焊接结构既可以增加静刚度，减轻结构重量，又可以增加构件本 身的阻尼。因此，近年来在一些数控机床上采用了钢板焊接结构的床身、立柱、横梁 和工作台。封砂铸件也有利于振动的衰减，它对提高抗振性也有较好的效果。 在设计机床构件时可以通过调整质量来改变系统的自振频率，使它远离工作范围 内所存在的强迫振动源的频率。 数控机床中的旋转零部件应尽可能进行良好的动平衡，以减少强迫振动源；或者 用弹性材料将振源隔离，以减少振源对机床的影响。 3 1 2 减少机床的热变形 1 、减少发热 主轴上的轴承是一个很大的内部熟源。在数控机床上除了采取精密滚动轴承和对 轴承进行油雾润滑外，还可采取静压轴承，降低主轴的温升。 机床加工时所产生的切屑也是一个不容忽视的热源，对于产生大量切屑的数控机 床必须带有良好的排屑装置，以便将热量尽快带走。在使用切削液的数控机床上，切 削液冷却了刀具和工件之后，带走了切削热，当它散落在机床的各处时，也会产生局 部的温升。精密数控机床应控制切削液的温度，并使切削液迅速地通过最短途径从机 床中排出。 润滑油在传动件之间流过，带走了摩擦热，使润滑油池的温度逐渐升高，成为一 个次生热源。因此在一些精密数控机床中已把润滑油池移出机床，当然也可以对油池 江苏大学工程硕士学位论文 进行温度控制。， 液压传动系统及其油池是机床上的又一次生热源。除了将油池移出机床外，油泵 的供油量必须选择适当，应尽量采用变量泵，否则大量多余的油液流经溢流阀，将产 生很大的热量。 2 、控制温升 采用制冷机对润滑液进行强制冷却的方法可以减少热源的影响。也可以在机床低 温部分通过加热的方法，使机床各点的温度趋于一致，这样可以缩短机床的预热时间， 减少由于温差造成的翘曲变形。 3 、改善机床结构 根据热对称性原理，可采用双立柱结构。 对滚珠丝杠可采用预拉的方法来减少丝杠的热变形。在加工滚珠丝杠时，使螺距 略小于名义值，装配时对丝杠进行预拉伸，使其螺距达到名义值。当丝杠工作而受热， 丝杠中的拉应力补偿了热应力，它既减少了热伸长的影响，又提高了丝杠的刚度。 3 1 3 减少运动件的摩擦和消除传动间隙 滚动直线导轨摩擦因数小，一般小于0 0 0 5 ，仅为滑动导轨副的1 2 0 i 5 0 ，节 省动力，可以承受上下左右四个方向的载荷。磨损小，寿命长，安装、维修润滑简便。 运动灵活、无冲击，在低速微量进给时，能更好地控制位置尺寸。滚动体与圆弧沟槽 相接触，与点接触相比承载能力大，刚性好。滚动直线导轨的运行速度已达2 0 0 m m i n 。 在欧美各国2 3 以上的高速数控机床都采用了滚动直线导轨。它已在各种现代机械设 备中得到越来越广泛的应用。 滚动导轨块：滚动体为圆柱滚子，承载能力大约为球轴承的1 0 倍以上。摩擦因 数小，摩擦因数斗= o 0 4 o 0 6 ，且动静摩擦因数之差较小，对反复启动、停车、反 向且频率较高机构可减少整机重量及动力消耗。灵敏度高，低速微调时控制准确，无 爬行，滚动时导向性好，可提高机械随动性及定位精度。润滑系统简单，拆装、调整 方便。因此广泛应用于数控机床“” 新型贴塑导轨，底基为0 8 普通含锰低碳钢带，厚度1 2 m m ，钢带上烧结一层由 0 2 嗍的z q s n l o - i 高锡青铜珠，厚度约0 3 m m ，再压上一层0 0 2 o 0 4 m m 厚的聚四 氟乙烯和二硫化钼混合粉末，并做成软带状。塑料导轨具有更好的摩擦特性和耐磨性， 因此有逐渐代替滚动导轨的趋势“”。 在进给系统中用滚珠丝杠代替滑动丝杠。 数控机床( 尤其是开环系统) 的加工精度很大程度上取决于进给传动链的精度。 除了减少传动齿轮和滚珠丝杠的加工误差外，另一个重要措施是采取无间隙传动副。 对于滚珠丝杠螺距的累积误差，通常采用脉冲补偿装置进行螺距补偿。 撕 江苏大学丁= 稃硕十学位论文 3 1 4 提高机床的寿命和精度保持性 在设计时就充分考虑数控机床零部件的耐磨性，尤其是机床的导轨、进给丝杠及 主轴部件等影响精度的主要零件的耐磨性。此外，保证数控机床各部件的良好润滑也 是提高寿命的重要条件。 3 1 5 减少辅助时间，改善操作性 在数控机床的加工时间中，辅助时间( 非切削时间) 占有很大比重，要进一步提 高机床生产率就必须采取措施最大限度地压缩辅助时间。目前已经有很多数控机床采 用了多主轴、多刀架以及带刀库的自动换刀装置等，来减少换刀时间，大幅度地压缩 多次装拆工件的时间。几乎所有的数控机床都具有快速运动的性能，使空行程时间缩 短，目前先进的大型加工中心的快速运动速度已达8 0 r e r a i n 。 数控机床是一种自动化很高的加工设备，在设计时应充分注意提高机床各部分的 互锁能力，以防止事故的发生：尽可能改善操作者的观察、操作和维护条件，并设有 紧急停止装置，这样就进一步防止意外事故；此外，在数控机床上必须留出最有利的 工件装夹位置，以改善装拆工件的操作。装有自动排屑装置。 近年来，由于微处理机的发展，使数控装置日趋小型化。实现机电一体化设计， 尽可能把所有的操作集中在一个面板上。 3 2 数控机床主传动变速及主轴部件 3 2 1 主传动变速 1 、带有变速齿轮的主传动 通过少数几对齿轮降速，扩大了输出扭矩，以满足主轴的输出扭矩特性的要求。 一般采用液压拨叉和电磁离合器两种常用的变速方法。 ( 1 ) 、液压拨叉变速 液压拨又是一种用一只或几只小油缸拨动移动齿轮块的变速机构。通过改变不同 的通油方式可以使齿轮块获得不同的变速位置。液压拨叉变速必须在主轴停车之后才 能进行，但停车时拨叉带动齿轮块移动又可能产生“顶齿”现象。因此，在变速时， 主轴电机必须带动各传动齿轮作低速回转，这样移动齿轮便能顺利地啮合液压拨叉 变速增加了数控机床液压系统的复杂性，而且必须将数控装置送来的电信号先转换成 电磁阀的机械动作，然后再将压力油分配到相应的油缸，因而增加了变速的中间环节， 带来了更多的不可靠因素。 ( 2 ) 、电磁离合器变速 电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件，由于它便于实现自动操作， 江苏大学【稃硕七学位论文 并有现成的系列产品可供选用，因而它已成为自动装置中常用的执行元件。电磁离合 器用于数控机床的主传动时，能简化变速机构，通过若干只安装在各传动轴上的离合 器的吸合和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴的变速。由于电磁离合 器变速具有剩磁和发热等缺点，它的应用范围受到了限制。 2 、通过皮带传动的主传动 可以避免齿轮传动时引起的振动与噪音，但只能用于低扭矩特性要求的主轴。 3 、由调速电机直接驱动的主传动 大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出 扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。 3 2 2 主轴部件 数控机床主轴部件的精度、刚度和热变形对加工质量有着直接的影响，由于数控 机床在加工过程中不进行人工调整，这些影响就更为严重。 目前数控机床的主轴轴承配置形式主要有三种： 前支承采用双列短圆柱滚子轴承和6 0 0 角接触双列向心推力球轴承组合，后支 承采用成对向心推力球轴承。此配置形式使主轴的综合刚度大幅度提高，可以满足强 力切削的要求，因此普遍应用于各类数控机床的主轴。 前轴承采用高精度双列向心推力球轴承。向心推力球轴承具有良好的高速性 能，主轴最高转速可达4 0 0 0 r m i n ，但是它的承载能力小，因而适用于高速、轻载和 精密的数控机床主轴。 双列和单列圆锥滚子轴承。这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其 能承受较强的动载荷，安装与调整性能好。但是这种轴承配置方式限制了主轴的最高 转速和精度，因此适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。 为了尽可能减少主轴部件温升引起的热变形对机床工作精度的影响，通常利用润 滑油的循环系统把主轴部件的热量带走，使主轴部件与箱体保持恒定的温度。在某些 数控镗铣床上采用专用的致冷装置，比较理想地实现了温度控制。近年来，某些数控 机床的主轴轴承采用高级油脂，用封入方式进行润滑，每加一次油脂可以使用七年至 十年，为了使润滑油和油脂不致混合，通常采用迷宫式密封方式。 对于数控镗铣床的主轴，考虑到实现刀具的快速或自动装卸，主轴上还必须设计 有刀具自动装卸、主轴准停和主轴孔内的切屑清除装置。 3 2 3 主轴内刀具的自动夹紧和切屑清除装置 在带有刀库的自动换刀数控机床中，为实现刀具在主轴上的自动装卸，其主轴必 须设计有刀具的自动夹紧机构。自动换刀卧式镗铣床主轴采用7 ：2 4 的大锥度锥柄， 江苏大学工稃硕十学位论文 在锥柄的尾端轴颈被拉紧的同时，通过锥面的定心和摩擦作用将刀杆夹紧于主轴的端 部。大锥度的锥柄既利于定心，也为松夹带来了方便。在碟形弹簧的作用下，拉杆始 终保持约1 0 0 0 0 n 的拉力，并通过拉杆前端的钢球将刀杆的尾部轴颈拉紧。换刀i i 必 须首先将刀柄松开，即将压力油通入主轴尾部的油缸后腔，活塞推动拉杆向前移动， 同时碟形弹簧压紧。拉杆的前移使前端的钢球位于套筒的喇, a n 处，解除了刀杆上的 拉力。当拉杆继续前移，喷气头的端部把刀具顶松，机械手便取出刀杆。当机械手将 新刀装入后，压力油通入油缸前腔，活塞向后退回原位，碟形弹簧又拉紧刀杆。当活 塞处于前后两个极限位置时，相应的限位开关发出松开和夹紧的信号。 自动清除主轴孔中的切屑和灰尘是换刀操作中的一个不容忽视的问题。如果在主 轴锥孔中掉进了切屑或其它污物，在拉紧刀杆时，主轴锥孔表面和刀杆的锥柄就会被 划伤，甚至使刀杆发生偏斜，破坏了刀具正确的定位，影响加工零件的精度，甚至使 零件报废。为了保持主轴锥孔的清洁，常用压缩空气吹屑。活塞的心部钻有压缩空气 通道，当活塞向前移动时，压缩空气通过活塞由主轴锥孔内的空气喷嘴喷出，将锥孔 清理干净。 3 2 4 主轴准停装置 在自动换刀的数控镗铣床上，切削扭矩通常是通过刀杆的端面键来传递的，因此 在每一次自动装卸刀杆时，都必须使刀柄上的键槽对准主轴的端面键，这就要求主轴 具有准确定位的功能。在加工精密的坐标孔时，由于每次都能在主轴固定的位置上装 刀，就能保证刀尖与主轴相对位置的一致性，从而减少被加工孔的尺寸分散度，这就 是主轴准停装置带来的另一个好处。 3 3 数控机床进给运动及其传动部件 3 3 1 进给运动的要求 数控机床的进给运动是数字控制的直接对象，不论点位控制还是连续控制，被加 工工件的最后坐标精度和轮廓精度都受到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影 响。为此，在设计进给系统时应充分注意减少摩擦阻力、提高传动精度和刚度、消除 传动间隙以及减少运动件的惯性。 ( 1 ) 、减少运动件的摩擦阻力 为了提高进给系统的快速响应特性，除了对伺服元件提出要求以外，还必须有效 地减少运动件的摩擦阻力。进给系统虽有许多元件，但摩擦阻力主要来自丝杠和导轨。 因此，丝杠和导轨结构的滚动化是减少摩擦的重要措施之一。 ( 2 ) 、提高传动精度和刚度 1 9 江苏大学t 程硕士学何论文 在进给系统中滚珠丝杠螺母( 直线进给系统) 、蜗轮蜗杆( 圆周进给系统) 和支 承结构是决定其传动精度和刚度的主要部件，因此必须首先保证它们的2 n t 精度。在 迸给传动链中加入减速齿轮，可以减少脉冲当量，从设计的角度考虑可以提高传动精 度。此外，还可以采用合理的预紧来消除滚珠丝杠螺母副的轴向传动间隙；预紧支承 丝杠的轴承以提高支承的结构刚度；以及消除齿轮、蜗轮等传动件的间隙，这些措施 都有利于提高传动精度。刚度不足的进给系统将使工作台产生爬行和振动。 采用预紧等措施之后，仍然可能留有微量的间隙，还由于受力后造成的弹性变形， 所以在进给系统反向时仍须由数控装置发出脉冲指令进行自动补偿。 ( 3 ) 、减少进给惯量 进给系统中每个元件的惯量对伺服机构的启动和制动特性都有直接的影响。尤其 是处于高速运转的零件，其惯性的影响更大。在满足传动强度和刚度的要求下应尽可 能将各元件进行合理的配置，并减少它们的惯量。 3 3 2 滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的新型传动装置。在丝杠和螺母 上加工有弧形螺旋槽，当它们套装在一起时形成了螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠。 当丝杠相对于螺母旋转时，两者发生轴向位移，而滚珠则沿着滚道流动。螺母螺旋槽 的两端用回珠管连接起来，使滚珠能作周而复始的循环活动。管道的两端还起着挡珠 的作用，以防止滚珠沿滚道掉出。 滚珠丝杠副的结构传统分为内循环结构和外循环结构两种。内循环结构安装连接 尺寸小，外循环结构安装连接尺寸大“”