（机械电子工程专业论文）高速数控加工中心转台结构设计与可靠性分析.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 制造业是工业的主体，是生产工具，生活资料，科技手段，国防装备等进步 的依托，是现代化的动力源之一。而数控机床做为制造业的载体极大地推动了制 造业水平的提高。 加工中心工作台是加工中心重要的功能部件之一，是数控加工中心必不可少 的部件。加工中心工作台分为数控分度工作台和数控回转工作台两种。本文所设 计的回转工作台既能够实现数控分度，又能完成回转进给，实现四轴联动。 本文对高速卧式加工中心回转工作台进行了一下几方面设计研究：( 1 ) 加 工中心回转工作台的机械结构设计：交换托盘的设计、托板定位与加紧装置设计、 组合轴承结构、蜗轮蜗杆结构设计、分油套与分油轴设计以及底座设计。( 2 ) 加 工中心回转工作台的电气机构设计：检测元件设计( 圆光栅检查) 、电机的选取( 伺 服交流电机) 、控制系统结构设计。( 3 ) 加工中心可靠性分析：机械部分的关键件 仿真分析、工作台精度分析，控制仿真。 关键词：加工中心回转工作台交流伺服电机机械结构设计 有限元可靠性 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t m a n u f a c t u r i n gi st h em a i ni n d u s t r y , t h ep r o d u c t i o no ft o o l s ，s u b s i s t e n c e ，s c i e n t i f i c a n dt e c h n o l o g i c a lm e a n s ，r e l y i n go nt h ep r o g r e s so fn a t i o n a ld e f e n s ee q u i p m e n t ，e t c ，i s o n eo ft h em o d e r np o w e rs o u r c e t h ec a r r i e ro fc n cm a c h i n et o o l sf o rt h e m a n u f a c t u r i n gs e c t o rh a sg r e a t l yc o n t r i b u t e dt or a i s i n gt h el e v e lo ft h em a n u f a c t u r i n g s e c t o r t a b l em a c h i n i n gc e n t e ri so n eo fi m p o r t a n tf e a t u r e so fm a c h i n i n gc e n t e r i ti sa n e s s e n t i a lp a r tc n cm a c h i n i n g t a b l eo fm a c h i n i n gc e n t e ri sd i v i d e di n t oc n ci n d e x i n g t a b l ea n dc n cr o t a r yt a b l e t h er o t a r yt a b l ed e s i g n e di nt h i sa r t i c l ei st oa c h i e v eb o t i l t h en cr o t a r yt a b l ei n d e x i n g ，b u ta l s oc o m p l e t et h er o t a r yf e e d ，t oa c h i e v ef o u r s i m u l t a n e o u sa x e s i nt h i st h e s i sar o t a r yt a b l eo nt h eh o r i z o n t a lm a c h i n i n gc e n t e rw a sa b o u ts e v e r a l a s p e c t so ft h ed e s i g ns t u d y ：( 1 ) t h em e c h a n i c a lr o t a r yt a b l em a c h i n i n gc e n t e rd e s i g n ：t h e d e s i g no ft h ee x c h a n g et r a y , p a l l e tl o c a t i o na n ds t e pu pd e v i c ed e s i g n ，c o m b i n e d b e a r i n g s ，w o r mg e a rs t r u c t u r ed e s i g n ，s u b d i v i d e do i lc a s i n ga n ds h a f td e s i g na n ds t a n d d e s i g n ( 2 ) r o t a r yt a b l em a c h i n i n gc e n t e r s e l e c t r i c a lm e c h a n i c a ld e s i g n ：t e s t i n g c o m p o n e n td e s i g n s ( c h e c kc i r c l eg r a t i n g ) ，t h es e l e c t i o no f t h em o t o r ( a cs e r v om o t o r ) ， c o n t r o ls y s t e md e s i g n ( 3 ) p r o c e s s i n gc e n t e rr e l i a b i l i t ya n a l y s i s ：m e c h a n i c a ls i m u l a t i o n o ft h ek e yp a r t s ，t a b l ep r e c i s i o na n a l y s i s ，c o n t r o ls i m u l a t i o n k e yw o r d s ：m a c h i n i n gc e n t e r ；r o t a r yt a b l e ；a cs e r v om o t o r ；m e c h a n i c a l d e s i g n ；f i n i t ee l e m e n tr e l i a b i l i t y 西南科技大学硕士研究生学位论文第l 页 1 绪论 1 1加工中心概述 加工中一i l , ( m a c h i n i n gc e n t e r ，m c ) 是一种能把铣削、镗削、钻削、螺纹加工等 功能集中在一台设备上的数控加工机床，是典型的集现代控制技术、传感技术、 通信技术、信息处理技术等高新技术于一体的机械加工设备i 。其控制功能最少可 实现两轴联动控制，多的可实现五轴或六轴联动控制，实现刀具运动直线插补和 圆弧插补，能进行复杂曲面加工。m c 还具有多种辅助机能，如各种加工固定循环、 刀具半径自动补偿、刀具长度自动补偿、丝杠螺距误差补偿、丝杠间隙补偿、刀 具破损报警、刀具使用寿命管理、过载超程自动保护、故障自动诊断、工件加工 过程图形显示、工件在线检测和离线编程等。 1 1 1加工中心的特点 m c 是一种综合加工能力较强的设备，它标志着企业的技术能力和工艺水平， 反映一个国家工业制造的水平，已成为现代机床发展的主流方向，与普通数控机 床相比，它具有以下特点： ( 1 ) 工序集中，加工精度高 m c 数控系统能控制机床在工件一次装央后，实现多表面、多特征、多工位的 连续、高效、高速、高精度加工，即工序集中，这是m c 的典型特点。由于加工 工序集中，减少了工件半成品的周转、搬运和存放时问，使机床的切削利用率( 切 削时间和开动时间之比) l l 普通机床高3 - - 4 倍，达8 0 以上，缩短了工艺流程， 减少了人为干扰，故加工精度高，互换性好。 ( 2 ) 操作者的劳动强度减轻、经济效益高 m c 对零件的加工是在数控程序控制下自动完成的；操作者除了操作面板、装 卸零件、进行关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，无须进行繁重的重 复性手工操作，劳动强度低。使用m c 加工零件时，即使在单件、小批量生产的 情况下，也可以获得良好的经济效益。例如在加工之前节省了划线工时，在零件 安装到机床上之后减少了调整、加工和检验时间，直接生产费用大幅度降低。另 外，m c 加工零件还可以省去许多工艺装备，减少硬件的投资。同时，m c 加工稳 定，废品率减少，可使生产成本进一步下降。 ( 3 ) 对加工对象的适应性强 加工中心是按照被加工零件的数控程序进行自动加工的，当改变加工零件时 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 只要改变数控程序，不必更换大量的专用工艺装备。因此，能够适应从简单到复 杂型面零件的加工，且生产准备周期短，有利于产品的更新换代。 ( 4 ) 有利于生产管理的现代化 用m c 进行生产时，能够精确地得出产品的加工工序，并能够有效率地简化检 验、工具、夹具体、半成品的管理工作。这些特征便于使得生产管理实现现代化。 当前许多大型c a d c a m 集成软件已经具有了生产管理模块，可满足计算机辅助 生产管理的要求。加工中心虽然具有很多优点，但也还存在一些必须考虑的问题， 如：( 1 ) 工件粗加工后直接进入精加工阶段。粗加工时，一次装夹中金属切除量多、 几何形变大，工件温升高，温升来不及回复，冷却后工件尺寸发生变化，会造成 零件的精度下降射。( 2 ) t 件由毛坯直接加工为成品，零件未进行时效处理，内在应 ，力难以消除，加工完了一段时间后内应力释放，会使工件产生变形。( 3 ) 装夹零件 的夹具必须满足既能承受粗加工中切削力大，又能在精加工中准确定位的要求， 而且零件央紧变形要小。( 4 ) 多工序集中加工，要及时处理切屑。在加工过程中， 切屑的堆积、缠绕等将会影响加工的顺利进行及划伤零件的表面，甚至使刀具损 坏、工件报废。( 5 ) 由于自动换刀装置( a u t o m a t i ct o o lc h a n g e r ，a t c ) 的应用，使工 件尺寸受到一定的限制，钻孔深度、刀具长度、刀具直径及刀具质量都要加以综 合考虑。 1 1 2 中心的分类 ( 1 ) 按功能特征分类 按功能特征可分为镗铣、钻削和复合加工中心。 1 ) 镗铣加工中心。镗铣加工中。是机械加工行业应用最多的一类数控设备，有立 式和卧式两种。其工艺范围主要是铣削、钻削、镗削。镗铣加工中心数控系统控 制的坐标数多为3 个，高性能的数控系统可以达到5 个或更多。不同的数控系统 对刀库的控制采取不同的方式，有伺服轴控制和p l c 轴控制两种。立式镗铣加工 中心的回转工作台大多采用伺服轴控制，并能实现工作台在3 6 0 。范围内任意定位。 2 ) 钻削加工中心。以钻削为主，刀库形式以转塔头形式为主，适用于中、小批量零 件的钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹及连续轮廓铣削等多工序加工。3 ) 复合加工中心。 在一台设备上可以完成车、铣、镗、钻等多种工序加工的加工中心称之为复合加 工中心，可代替多台机床实现多工序的加工。这种方式既能减少装卸时问，提高 机床生产效率，减少半成品库存量，又能保证和提高形位精度。 ( 2 ) 按主轴的位置不同分类 按主轴的位置不同分卧式、立式和五面加工中心，这是加工中心通常的分类方 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 法。1 ) 卧式加工中心。卧式加工中心是指主轴轴线水平设置的加工中心。卧式加工 中心有固定立柱式或固定工作台式。固定立柱式的卧式加工中心的立柱不动，主 轴箱在立柱上做上下移动，工作台可在水平面上做两个方向坐标( x ，z ) 移动，如 图1 1 a 所示；固定工作台式的卧式加工中心其z 坐标的运动由立柱移动来定位， 安装工件的工作台只完成x 坐标移动，如图1 1 b 所示。 a ) 移动工作台式b ) 固定工作台式 a ) m o b il ew o r k i n gd e s k t o pb ) f i x e dw o r k i n gd e s k t o p 图卜l卧式加工中心 f i g 1 1 h o r l z o n t a lb a c h i n i n gc e n t e r 2 ) 立式加工中心。立式加工中心主轴的轴为垂直设置，其结构多为固定立柱式，工 作台为十字滑台。3 ) 五面加工中心。这种加工中心具有立式和卧式加工中心的功能， 在工件的一次装夹后，能完成除安装面外的所有五个面的加工。这种加工方式可 以使工件的形位误差降到最低，省去二次装央的工装，从而提高生产效率，降低 加工成本。 ( 3 ) 按支撑件的不同分类 1 ) 龙门式镗铣加工中心。龙门式加工中心的典型特征是具有一个龙门型的固定 立柱，在龙门框架上安装有可实现x 向、z 向移动的主轴部件，龙门式加工中心 的工作台仅实现y ，向移动。龙门型加工中心结构刚度高，该种形式常见于大型 加工中心。2 ) 动柱式镗铣加工中心。动柱式加工中心主轴部件安装在加工中心的立 柱上，实现z 向移动，立柱安装在t 形底座上实现x 向移动。动柱式加工中心由 于立柱是通过滚动导轨与底座相连，刚度比龙门式结构低，一般不适宜重切i tj j 力n 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 工；加工过程中立柱要完成支承工件和x 向移动两个功能，较大的立柱质量限制 了机床的机动性能。该种形式常见于中小型立式或卧式镗铣加工中心。 ( 4 ) 其他分类 1 ) 双刀库加工中心。加工中心的生产效率可以由机床的加工速度、切削功率及 刀具性能判定，但一次装夹能够完成的工序数量，是衡量机床辅助性能的重要指 标。大中型加工中心加工形状复杂、工序众多的工件时，通常要求机床有足够的 刀具库容，以满足加工工艺的需要。加工中心的刀库一般使用链式刀库，为减少 机床体积和机床占地面积，当库容大于7 0 8 0 把刀具时，通常设计成为双刀库模 式，通过两个换刀机械手实现刀具的取还。加工过程中，c n c 系统刀库p l c 模块 对两个刀库刀具的编号和对应编号刀具的刀补实行动态管理。2 ) 多工位镗铣加工中 心。多工位加工中心有时也称柔性加工单元，它有两个以上可以更换的工作台， 通过输送轨道或工作台交换机构，把加工完毕的工件连同工作台一起送出加工区， 然后把装有待加工工件的工作台送至加工区。这种加工中心的优点是可实现连续 加工，机床加工时间和工件装卸辅助时间相重合，生产效率比单台机床大大提高。 多工位加工中心上每个工作台安装的零件可以是相同的也可以是不同的。多工位 加工中心有立式和卧式两种型式，其结构复杂，刀库容量较大，控制系统功能强， 内存容量大，计算速度快。 1 1 3 加工中心的发展现状 目前，m c 的定位精度需要进一步提高，加工中心的定位精度由闭环检测元件 和使用一些具有编码盘点伺服电机保证。如f a n u c 公司的伺服电机的编码器能达 到1 3 0 0 0 0 ，- - - 1 6 0 0 0 0 0 0 脉冲r 极其高的精度。m c 的转速得到普遍的提高，即高速 化。例如，意大利c 一m a u 公司的u r a n e 2 5 型高速卧式加工中心其主轴转速 2 0 0 0 0 f f m i n ，各轴的进给速度1 0 0 m m i n ，加速度1 5 9 ，机床坐标轴定位精度重复 定位精度达到o 0 0 4 r a m o 0 0 2 m m 。m c 向着生产高效率进一步发展，表现在高速 加工、多主轴、复合加工、高切削效率等。 1 1 4 加工中心的发展趋势 目前，从发展现状和趋势来看，m c 将继续朝着高速化、高精度化、多功能化、 智能化、系统化与高可靠性等方向发展。 m c 的高速化、高效化、高精度化、高可靠性，m c 的两个重要指标是速度和 精度，直接影响加工效率和产品的质量，而速度和精度两者之间有一定的关系， 如，当分辨率为1l am 时，工作台的移动速度可达到1 0 0 - - 2 4 0 m m i n ；当分辨率为 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 0 1l am 时，工作台的移动速度达到2 4 m m i n 以上；当分辨率为0 0 1l im 时，工 作台的移动速度达到4 0 0 - - 8 0 0 m m m i n ；加工中心换刀时间从5 一1 0 s 减少到小于 l s ，工作台交换时间也由1 2 , 2 0 s 减少到2 5 s 以内1 4 i 。另外，数控系统采用集成 电路，使得元器件的数量减少，同时硬件结构采用模块化、标准化、通用化及系 列化，通过这些方法使得m c 的可靠性大大提高1 。 m c 的复合化，即加工中心复合化包含工序复合化和功能复合化。数控机床的 发展已模糊了粗精加工工序的概念。加工中心的出现，又把车、铣、镗等工序集 中到一台机床来完成，打破了传统的工序界限和分开加工的工艺规程，可最大限 度地提高设备利用率 s l 。m c 的模块化、智能化、柔性化，加工中心的模块化，主 要是为了满足加工中心的小批量特殊化生产要求。 m c 的开放性的体系结构化，网络化的控制系统的发展趋势，为适应控制系统 网络化、个性化、柔性化的要求，世界上许多数控系统生产厂家研制了开放式体 系结构的新一代数控系统。该结构可以很大程度使用通用计算机的先进技术，如 多媒体技术，实现声控自动编程、图形扫描自动编程等。 1 1 5 高速卧式加工中心 高速卧式加工中心用于大批量箱体类、壳体类复杂零件加工，它集精密机床、 高速机床、控制及加工工艺技术于一体，体现国家数控机床及制造技术水平。由 于高速卧式加工中心技术对汽车工业、摩托车工业产业化的作用巨大，西方国家 一直将这类装备列为关键设备而大力研发。除应用在汽车工业、摩托车工业，高 速卧式加工中心机床也是航空航天和国防军事工业、船舶、能源等设备制造中的 关键设备。由于汽车工业的飞速发展和个性化的需求，对发动机的精度和汽车零 部件高生产率、高柔性的要求越来越高，因而对高速、高效数控加工机床的需求 也就更大。2 0 0 5 年北京国际机床展览会集中反映了当今世界数字制造的新成就和 机床技术进一步向高速高效，精密，复合，智能，环保发展的总趋势。国外高 速卧式加工中心在技术上向以下几方面发展： ( 1 ) 主轴高速、高功率。主轴转速达到1 0 0 0 0 2 5 0 0 0 r m i n ，电主轴功率为 15 - 3 0 k w ； ( 2 ) 进给速度提高。快进速度一般能达到3 0 6 0 m m i n ，进给速度达到2 0 m m i n ， 个别的如德国e x c e l l 0 公司由于采用直线电机驱动，工作台晟大快进速度 12 0 m m i n ，加速度2 9 ，进给速度达6 0 m m i n ( 3 ) 结构轻量化。为了实现高速、高加速度，结构上趋向轻量化，以便尽可 能减轻移动件的质量，获得所要求动静刚度条件下最轻的质量； 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 4 ) 高速n c a t c 轴，以缩短非切削时间，提高工作的可靠性； ( 5 ) 高速双面回转式a p c 交换工作台( a p c ) ，可对应多面a p c ，组成柔性制 造单元与柔性制造系统( f m s ) ： ( 6 ) 高精度分度工作台。交换工作台的支承面采用圆锥结构，工作台的回转 采用力矩电机驱动，可达n c 0 0 0 1 。分度。 1 2 课题的来源和研究内容 1 2 1 课题的来源及意义 本课题来源为四川省科技厅支撑项目：基于智能化补偿与网络自适应控制的 超精密数控加工研究( 批准号：2 0 1 0 g z 0 1 3 5 ) 。 本论文所设计的高速加工中心回转工作台( 简称转台) 同时具有传统分度工 作台与数控回转台的功能，其结构更简单，相比于传统分度工作台，本论文所设 计的转台去掉了工作台的抬起动作，锁紧采用液压形式，优点分度动作快，能够 提高生产率。缺点不适用于重型加工。与传统的数控转台，本论文所设计的转台 定位精度高，重复定位精度的提高体现在涡轮蜗杆的设计。转台精度由机械部件 精度、检测元件精度和控制系统的共同决定。当检测元件的精度远远大于机械部 件精度时，转台的精度主要取决于控制系统的精度。 1 2 2 本论文的研究内容 ( 1 ) 加工中心回转工作台的机械结构设计：交换托盘的设计、托板定位与央 紧装置设计、组合轴承结构设计、蜗轮蜗杆结构设计、分油套与分油轴设计以及 底座设计。 。 ( 2 ) 加工中心回转工作台的电气机构设计：检测元件设计( 圆光栅检查) 、电 机的选取( 伺服交流电机) 以及控制系统结构设计。 ( 3 ) 加工中心可靠性分析：机械部分的关键件仿真分析、工作台精度分析， 转台控制系统数学模型的建立及分析，控制仿真。 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 2 力n - t 中心回转工作台的机械部分设计 2 1引言 加工中心工作台分为数控分度工作台和数控回转工作台两种。数控分度工作 台需要完成分度辅助运动，即在需要分度时将工作台回转一定的角度并进行机械 夹紧定位；常见的分度规格有5 度x 2 等分、l 度x 3 6 0 等分及连续分度( 最小指 令单位0 0 0 1 ) 等。而数控回转工作台可连续进行圆周回转( 最小指令单位0 0 0 1 度) ，并可与x 、y 、z 等坐标进行插补联动控制，实现对工件的切f i , 1 ) j n 工。加工 中心工作台的性能，在很大程度上决定了机床的性能，因此，研究和开发高性能的加 工中心工作台，始终是研究现代数控机床的关键之一。本文所设计的加工中心为卧 式，其工作台为连续回转工作台。 数控回转工作台主要用于数控镗床和铣床，其外形和通用工作台几乎一样， 但它的驱动是伺服系统的驱动方式。它可以与其他伺服进给轴联动。为自动换刀 数控镗床的回转工作台。它的进给、分度转位和定位锁紧都是由给定的指令进行 控制的。数控转台的未来发展方向是：在重量上向两个极端延伸，即设计小型的 和大型回转工作台；在工作性能上将开发以合会铜为材料的蜗杆，工作台的回转 速度得到很大的提高以及回转工作台的承重能力得到很大改进；在样式上不断开 发高精度多轴数控转台。 2 2 加工中心转台的技术指标 工作台尺寸：5 0 0 x5 0 0 衄 最大进给回转速度：3 3 转m i n 定位精度：4 角秒 重复定位精度：2 角秒 工作台最大承重：4 0 0 千克 2 3 加工中心转台工作原理及结构设计 2 3 1回转工作台机械总体结构 本数控回转台由转台锁紧装置，组合支承结构( 选用转台轴承) ，蜗杆蜗轮传 动装置( 剖分蜗杆结构) ，托板定位与央央紧装置，圆光栅检测装置，分油结构组 成。转台锁紧装置的作用：保证转台分度到准确位子时转台与转台座有足够的刚 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 度。组合支承结构作用：承受转台的静压力又要承受动压力，还要保证较小的摩 擦力。蜗杆蜗轮传动装置作用：传递动力和连续分度。托板定位与加紧装置作用： 固定托板，增加刚度。转台结构示意如下图2 1 所示： a ) 回转台结构 b ) 转台三维组装图 a ) r o t a r yt a b l es t r u c t u r eb ) t h r e e d i m e n s i o n a ia s s e m b i yd i a g r a mt u r n t a b i e 1 一托板 2 _ 法兰轴卜回转台仁蝶形弹簧洲刹紧油缸缸体旺密封圈 7 一刹紧片 蝴正垫圈蝴杆1 旺回转座1 1 托板加紧装置1 i 圆光栅 尺1 蝴油轴1 蝴油套1 雠接环1 蝴合轴承1 7 _ 修正片1 蝴轮 图2 - 1 回转台结构总图 f i g 2 1r o t a r yt a b i es t r u c t u r e 2 3 2 加工中心转台工作原理 本课题设计的回转工作台工作原理有两种状态：第一，使工作台进行圆周 进给完成切削工作。第二，使工作台进行分度工作。它按照控制系统的命令。在 需要时完成上述任务。数控回转工作台由伺服电动机驱动。采用无级变速方式工 作。所以定位精度主要由控制系统决定。 ( 1 ) 、圆周回转进给 回转工作台的运动由交流伺服电机接联轴器。带动蜗杆蜗轮系统。使工作台 旋转。当数控回转工作台接到数控系统的指令后，首先松开回转台部分的油缸刹 紧装置，松开刹紧片。然后启动交流伺服电机。按数控指令确定工作台的回转方 向、回转速度及回转角度大小等参数。 ( 2 ) 、定位分度过程 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 刹紧油缸内油压减小到不足于克服蝶形弹簧4 的弹力时，由于回转台3 ( 此时 做为活塞) 是固定不动的，所以缸体5 在蝶形弹簧弹力作用下抬起，刹紧片7 与 缸体3 分开，不再产生摩擦力，即不再产生刹紧力。刹紧油缸缸体与刹紧片后， 交流伺服电机经联轴器连接蜗杆蜗轮，从而带动回转台回转。当圆光栅尺1 2 确认 转动到位后，回转台停止转动。刹紧油缸进油，回转台刹紧，有足够的刚度。分 度过程完成。 2 3 3 托盘的定位与夹加紧装置设计 加工中心转台与托板的锁紧装置结构如图2 2 所示，主要由定位锥套与定位锥销 构成，定位锥套用螺栓固定连接在托盘上，定位锥销和回转体用螺栓固定连接。 在此结构中，定位锥销4 、定位锥套l 组成结构完成该装置的定位功能；夹紧拉爪2 、 钢珠3 和活塞6 的活塞柄组成的结构完成该装置的央紧功能。该结构依靠四处锥销 及销套的圆锥曲面、平面定位利用夹紧拉爪以及钢球在活塞杆的凹槽中随活塞杆 运动，在液压油的作用下进行工作台的央紧，定位点与央紧点重合。 1 一定位锥套2 夹紧抓钩3 钢珠4 定位锥销5 一清洁吹气6 活塞7 _ 匕腔油 路吣腔油路 图2 - 2定位与夹紧结构 当装夹好待加工工件的托盘运行到工作区准备连接n m c 夹紧前，气压通过气路 5 供给，进行各定位园锥面及夹紧结构的清洁，以避免杂物碎屑影响定位于央紧。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 此时托盘开始落下，在此过程中，锥销锥套进行自导阿，当四套定位锥销与定位 锥套的锥面紧密结合时，定位夹紧完成( 定位与夹紧动作完成时用气路5 中的气压 传感器检测获得信号) 。 当m c 的n c 控制系统接收到定位完成信号后，进行油路7 的液压油供给，这时活 塞在油压的作用下而向下运动，夹紧拉爪因受到钢珠向下的推力产生弹性变形而 向下拉抻扩张，最终上端定位锥销与定位锥套靠紧，完成托盘被夹紧的动作。工 作时由以下三种状态循环出现： ( 1 ) 准备状态： 托盘准备进入时( 托盘准备搬出时) ，油路8 有油压活塞处在上端，气路5 处于供 给状态，喷气口喷气，清洁定位锥面及央紧结构，防止碎屑进入结构。油路7 处在释 放状态，此时活塞杆在油压作用位于其行程最上端位置，钢珠3 处在活动状态。 ( 2 ) 定位状态： 托盘在落下( 或抬起) 过程中，油路8 的油压、气路5 的气压保持供给状态，销套与 锥销的定位园锥面及定位平面留有适当的缝隙，这样可以保证在托盘交换频繁的 情况下，也不会出现定位表面被划伤或因切屑滞留而挤死工作台的现象，从而可以 长久的保持精度。 ( 3 ) 夹紧状态： 托盘准备央紧时，液压系统油路8 处在释放状态，油路7 加液压，活塞在液压油作 用下向下运动，钢球随着活塞柄移动，在往下运动期间，坚硬的钢珠3 表面压央紧拉 爪2 上端斜面，把定位锥套拉向定位锥销定位圆锥面。在定位锥套被拉动的过程中， 与定位锥销的基准面充分接触形成封闭，当气路中的气压达到一定的值时，气压传 感器发出信号，从而托盘完成中心定位与夹紧的动作。 此装置的作用在于一是定位即使得托盘与转体有相对正确的位置，保证位置精 度。一是夹紧即使得托盘与转体有足够的定位刚度，保证加工零件时，零件位置 不随切削力的变化而变化。在满足该装置功能的前提下，尽量提高它的动作速度。 2 3 4 锁紧装装置设计 转台锁紧装置的作用：保证转台分度到准确位子时转台与转台座有足够的刚 度。此设计是由液压力提供锁紧力，而恢复自由运动所需要的松开力由蝶形弹簧 的变形力提供，结构如图2 3 所示。 在数控回转工作台的回转部分，回转体上的刹紧液压缸直接项紧，用刹紧液压缸 的缸体与刹紧片的摩擦力来锁紧。锁紧力计算过程举例如下：已知输入油压7 m p 巩 液压缸活塞面积是环形面积 西南科技大学硕士研究生学位论文第l 1 页 s = 万( 2 一芬) = 3 1 4 x ( 2 0 0 2 1 8 0 2 ) = 2 3 8 6 4 m m 2 ( 2 一1 ) 液压缸项紧力f l = p s = 7 2 3 8 6 4 = 1 6 7 0 4 8n 液压缸锁紧力f r = f dl a = 1 6 7 0 4 8 0 3 = 5 0 1 1 4 4n 1 1 转台 2 蝶形弹簧3 一刹紧油缸缸体4 密封圈5 - 刹紧片6 修正片 图2 - 3锁紧装装置 f i g 2 - 3 i o a d e di o c k i n gd e v i c e 2 3 5 转台轴承选取 滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一。它是依靠主要元件的滚动 接触来支撑转动零件的。与滑动轴承相比，滚动轴承摩擦力小，功率消耗少， 启动容易等优点。并且常用的滚动轴承绝大多数已经标准化，因此使用滚动 轴承时，只要根据具体工作条件正确选择轴承的类型和尺寸。验算轴承的承 载能力。以及与轴承的安装、调整、润滑、密封等有关的“轴承装置设计”问 题。 考虑到轴各个方面的误差会直接传递给加工工件时的加工误差，因此选 用调心性能比较好的精密转台圆锥滚子轴承。此类轴承可以是将双向推力轴 承与一个向心引y r t 精导轴承紧固在一起，这些快速安装的预润滑单元具备 极高的刚性和承载能力，并且有特别高的旋转精度。它们能够承受径向载荷、 两个方向的轴向载荷和颠覆力矩。特别适合需要高精度运行的场合，比如转 台、铣头和双面夹具中的轴承配置。由于安装孔在轴承坏上，产品特别容易 安装。轴承在安装后有轴向和径向预载。 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 y r t 轴承由一个推力向心座圈，一个推力向心轴圈，一个推力垫圈， 两个滚针保持架组件和一组向心圆柱滚子组成。其内部结构与实物如图2 4 所示。 1 外固定环2 圆柱滚柱 3 圆柱滚柱5 圆柱滚柱4 内固定圈 图2 4y r t 轴承结构及实物 f i g 2 - 4 y r tb e a ri n gs t r u c t u r e 2 3 6 蜗轮蜗杆设计 ( 1 ) 蜗杆传动的类型 如图2 5 所示，根据蜗杆的形状，蜗杆传动可分为圆柱蜗杆传动( 图a ) ，环 面蜗杆传动( 图b ) ，和锥面蜗杆传动( 图c ) 。 圆柱蜗杆传动，按蜗杆轴面齿型又可分为普通蜗杆传动和圆弧齿圆柱蜗杆传 动。 普通蜗杆传动多用直母线刀刃的车刀在车床上切制，可分为阿基米德蜗杆( z a 型) 、渐丌蜗杆( z i 型) 和法面直齿廓蜗杆( z h 型) 等几种。 、一 |、， 三三 | i 。 。 l 乏 赡四ki 7l 逡j 一 、 二 _ - - - _ 、 一， j l慈、梁暇 巡罗pn 图2 - 5蜗杆传动的类型 f i g 2 5t y p e so fw o r m 如图2 - 6 所示，车制阿基米德蜗杆时刀刃顶平面通过蜗杆轴线。该蜗杆轴向齿廓为 9 1 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 直线，端面齿廓为阿基米德螺旋线。阿基米德蜗杆易车削难磨削，通常在无需磨 削加工情况下被采用，广泛用于转速较低的场合。 如图2 7 所示，车制渐开线蜗杆时，刀刃顶平面与基圆柱相切，两把刀具分别 切出左、右侧螺旋面。该蜗杆轴向齿廓为外凸曲线，端面齿廓为渐开线。渐开线 蜗杆可在专用机床上磨削，制造精度较高，可用于转速较高功率较大的传动。 ( 2 ) 蜗杆传动的特点 传动比大，结构紧凑。单级传动比一般为1 0 - - - 4 0 ( 1 ， 9 ， 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 2 页 不同啮合对数时，亦可相应的得到各级满足最小惯量要求的降速比关系式， 如若为三级传动，则可按上述方法求得三级传动比为： 如= 2 压 ( 3 1 0 ) i 3 = i 0 | 压 f = 1 0 2 b o 计算出各级齿轮降速比后，还应进行机械进给装置的惯量验算。对开环系统， 机械传动装置折算到电动机轴上的负载转动惯量应小于电动机加速要求的允许 值。对闭坏系统，除满足加速要求外，机械传动装置折算到电动机轴上的负载转 动惯量应与伺服电机转子惯量合理匹配，如果电机转子惯量远小于机械进给装置 的转动惯量( 折算到电动机转子轴上) ，则机床进给系统的动态特性主要决定于负 载特性，此时运动部件( 包括工件) 不同质量的各坐标的动态特性将有所不同， 使系统不易调整。根据实践经验推荐伺服电机转子转动惯量石与机械进给装置折 算到电动机轴上的转动惯量五相匹配的合理关系为： 三 4 - 1 0t o g o 当伺服电机主要用于惯量加速，忽略切削力及摩擦力作用( 其值一般仅占 l o ) ，则： ，口一= 争瓦i l ( 3 - 1 3 ) 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 3 页 式中，卜伺服进给系统折算到蜗轮上的总转动惯量，当一对降速齿轮传动时， 则有： ，：厶f 2 + 以f 2 + j , i 4 + 以+ w ，2 g 本转台电机直接与蜗杆相连没有降速齿轮传动则有： ，：厶+ 以+ + 以+ w v ，2 ( 3 1 4 ) 3 3 2 转台控制伺服系统设计 系统方案确定后，应进行方案实施的具体化设计，即各环节设计，通常称为稳 态设计。其内容主要包括执行元件规格的确定、系统结构的设计、系统惯量参数 的计算以及信号检测、转换、放大等环节的设计与计算。稳态设计要满足系统输 出能力指标的要求。 实际的设计中，适当选择低频段和中频段参数，在保证系统稳态精度和稳定 性的前提下，使系统具有良好的跟随性能，并加强对负载扰动的调节能力。一般 的设计过程是从内向外，依次设计电流环、速度环和位置环，根据系统整体的性 能指标，适当分配相应的设计指标，按典型系统设计控制及补偿环节。 在电流环中引入适当的控制器，就可使电流环无静差地跟踪阶跃信号，有效 减少电机回路的时间常数，为拉宽速度环频带、设计具有快速响应的速度环控制 器打下良好的基础。 在电流环的具体设计中，常将功率放大器与电枢电流之间的关系用一个惯性 环节来等效，参照仿真模型加入p i 控制器，通过具体的实验验证设计结果。一般 要求设计后的电流环回路响应速度快、无超调或超调量很小。 位置环的具体设计，通常链接检测元件，即和圆光栅相连。 3 4 控制系统软件设计 由于转台是一个高精度的控制系统，因此，其上、下位机的采样周期都取为 l m s 。考虑到转台控制系统的实时性要求较高，开发周期短，所以转台软件在d o s 环境下进行开发。 3 4 1 上位机软件需要实现的功能 自检：按照一定的次序，自动检查转台各个部件的运行情况，确保状态正常。 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 4 页 转台回零：提供安全的回零手段，保证台体以稳定的低速精确回零。 工作状态设置：实现对转台的工作状态( 位置速度) 的选择，对位置速率 值的设置。 数据处理：实现对系统各信号量的显示，对可能出现的数据传输错误的处理， 模拟示波器对系统信号量的实时图形显示。 信号发生器：产生正弦、三角波、方波及随机信号供系统调试及工作检测使 用。 通信：完成与下位机的通信，向下位机发出控制命令及从下位机得到系统当 前的状态信息；完成对稳速转台控制系统的通信，发出相应的控制指令。 为提供良好的界面，软件中通过读写及显示位图文件实现w i n d o w s 风格的图 形界面，使用系统扩展内存技术实现1 m b 以上内存的访问和使用，并且不依赖汉 字环境，在西文d o s 下显示汉字。上位机软件各项功能分别由对应软件界面中控 制菜单：回零、设置、动态测试、静态测试、运行、演示、退出、自检等实现。 3 4 2 下位机需要实现的功能 实时控制：完成系统的数据采集、控制量解算以及系统当前状态监测等实时 任务。 性能测试：作为可选模块，完成对最终系统频带的测试。存储系统扫描结果， 为绘制系统波特图提供信息。 数据处理：对系统各状态量进行采集、滤波。 通信：完成与上位机的通信，接受上位机控制命令，完成相应工作。 3 4 3 上、下位机的通信设计 上、下位机之间的通信利用n e 2 0 0 0 兼容的以太网卡( 实时通信速率可以达 3 m s ) ，采用n e t b i o s ( n e t w o r kb a s i ci n p u ta n do u t p u ts y s t e m ) 通信协议，实 现上下位机毫秒级的实时数据传输。 n e t b i o s 是i b m 公司在其网络适配器中采用的简单网络协议，位于o s i 协议的 传输层与应用层之间，提供类似于传输层的4 类应用服务：命令支持、数据报支 持、会话支持及其他通用命令。 考虑到转台控制系统中对通信实时性要求较高，传输层应用服务选用无连接 的数据报服务和c 1 l e n t s e r v e r 机制，应用层采用简单停一等机制、累加和校验及 错误重传策略。在定义上、下位机通信协议时，尽可能减少数据帧长度。实时工 作段采用单向数据传输以减少传输量。 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 5 页 以标记c o m m a n d m = l 表示下位机接收到上位机的命令，则整个转台通信程序的 流程框图如图3 - 4 所示。 ( c ) 下位机时钟中断服务程序 ( a ) 上位机通信程序( b ) 下位机通信程序 ( d ) 上位机时钟中断服务程序 图3 - 4转台控制系统通信程序流程图 f i g 3 - 4 r o t a r yt a b l ec o n t r o is y s t e mc o n 删r l i c a t i o np r o g r a mf i o wc h a r t 3 5 控制系统及仿真结构 采用p i d 控制。为了提高控制精度，再引入一个对输入信号进行微分的顺控 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 6 页 补偿，形成p i d 加前馈的复合控制，对应得到的转台及伺服紊绕的仿真结构图如 图3 5 所示。 、 图3 - 5 模拟转台及伺服系统结构图 fig 3 - 5sim uia t o ra n ds e r v os y s t e ms t r u c t u r e 3 6 实际控制效果 设定测试转台的定时中断时间为l m s ，取数据记录间隔为1 m s ，并在转台上负 载3 0 k g 。实施p i d 加前馈的复合控制，针对位置指令为o 5 。、频率分别为1 5 h z 的正弦信号，得到指令与内框转动角度跟踪实际效果如图3 6 ( a ) 所示；针对位置 指令为1 。、频率分别为2 h z 的正弦信号，得到指令与跟踪实际效果如图3 6 ( b ) 所 示( 图中纵轴坐标单位为。，横轴单位为时间s ) 。 a ) 位置指令为1 5 h z ( b ) 位置指令为2 h z 图3 6 转台系统p i d 加前馈复合控制结果图 f i g 3 - 6 t u r n t a b l es y s t e ma d d e df e e d f o r w a r dp i dc o m p o u n dc o n t r o i r e s u i t sf i g u r e 从图3 6 可以看出，p i d 加前馈的复合控制效果相当明显。 5 4 3 2 l 0 2 3 4 5 o o o o o 卸加卸咖加 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 7 页 3 7 小结 本章讨论了全闭环控制系统中检查元件圆光栅检查原理及选取，执行部件交 流伺服电机的工作原理，数学模型。从控制系统的上述分析可以看出，无论是位 置控制还是速度控制，转台的控制核心是位置环的控制算法，它是系统控制精度 的保障。 适用于转台精密位置控制的方法有经典的p i d 、p i d 加前馈的复合控制，现代 的自适应控制、变结构控制，智能的动态鲁棒补偿器控制、神经网络逆模型、神 经网络并行控制、滑动模念控制等。 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 8 页 4 加工中心转台可靠性及关键部件的仿真分析 4 1 可靠性概述 目前世界上公认的可靠性定义是：产品在规定的条件下和规定的时间内，完 成规定功能的能力鲫。 可靠性是衡量产品质量的一项重要指标。可靠性长期以来是人们设计制造产 品时的一个追求目标。但是将可靠性作为设计制造中的定量指标的历史却还不长， 相关技术也尚不成熟，工作也不普及。 可靠度：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率。通常用 r 表示。由于可靠度是关于时问t 的函数，用r = r ( f ) 表示，称为可靠度函数。 从概率分布上来讲，又称为可靠度分布函数。表示在规定的使用条件和规定的时 间内，无故障地发挥规定功能而工作的产品占全部工作产品( 累计起来) 的百分率。 可靠度的取值范围为：0 r ( f ) 1 不可靠度：又称失效概率，用“f 表示：表示“产品在规定的条件下和规定 的时间内不能完成规定功能的概率。失效概率也是时问的函数，故称为失效概率 函数为不可靠度函数，记为f ( d 。f ( t ) = l r ( f ) 失效率：又称故障率，工作到某时 刻t 尚未发生失效( 故障) 的产品，在该时刻t 以后的下一个单位时间内发生失效( 故 障) 的概率。失效率是时间的函数，故又称为失效率函数或风险函数，记为h ( o 。 失效率越高，可靠性愈低。 4 1 1可靠性发展简史 第二次世界大战：可靠性问题突出的时期。