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西华大学硕士学位论文 四轴联动数控水射流切割机床研究 机械设计及理论专业 研究生杨志峰 摘 指导教师雷玉勇 要 现有的水射流机床加工功能单一，只能进行切割单一操作，很难满足工艺 复杂零件的加工要求，这样也限制了水射流机床在机械加工领域的应用，阻碍 了其发展。通过对国际国内水射流机床应用现状的研究，提出了一种具有车、 铣、钻、磨、雕刻等多功能的五轴结构四轴联动水射流机床模型。 论文提出了多功能水射流机床的总体方案，采用五轴结构和四轴数控，应 用s o l i d w o r k s 对多功能水射流机床进行了产品造型。论文在对机床结构和传动 零部件进行详细设计的基础上，建立了机床传动系统的力学和数学模型，并对 机床的静、动态性能进行了仿真计算和分析。论文用有限元法对水射流机床的 切割头部件水喷嘴和喷嘴座进行了分析计算，分析的结果表明两部件是可 靠的。为了保证系统的控制精度和动态特性，机床采用半闭环控制。 论文采用p c + p m a c 运动控制卡的方案实现多功能水射流机床的数控，对 基于p m a c 的开放式数控系统的软、硬件进行了较详细地研究。论文还对材料 进行了水射流切割实验研究，设计了数控系统轮廓加工流程图，并对材料切割 试件的加工精度以及物理性质进行了分析研究。 数控水射流机床作为一种先进的机械加工设备，因其独特的冷加工特点， 可以广泛的应用于对热敏感材料的加工，具有传统机械加工方法无可比拟的优 越性。本课题研究将具有重要的社会、经济意义，其成果有广阔的应用前景。 关键词：水射流机床；四轴联动；伺服刚度；交流伺服系统；计算机控制 西华大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho nc o m p u t e rn u m e r i cc o n t r o l l e dw a t e rj e t m a c h i n et o o lw i t hf o u r - a x i s m a c h i n ed e s i g na n dt h e o r y g r a d u a t es t u d e n t ：y a n gz h i f e n g s u p e r v i s o r ：l e iy u y o n g a b s t r a c t t h ew a t e rj e tm a c h i n ea tp r e s e n ti sp r o v i d e dw i t ht h es i n g l em a c h i n i n gf u n c t i o n i tc a no n l yp e r f o r mt h es i m p l e c u t t i n go p e r a t i o n i ti s d i f f i c u l tt o s a t i s f yt h e d e m a n d so fm a c h i n i n gc o m p l e xp a r t t h e r e f o r e ，t h ea p p l i c a t i o no ft h ew a t e rj e t m a c h i n ei nt h ef i e l do fm e c h a n i c a lf a b r i c a t i o ni sl i m i t e d t h i sp r o h i b i t st h e d e v e l o p m e n t sw a t e rj e tm a c h i n i n g a f t e rs t u d y i n gt h ed o m e s t i ca n dt h eo v e r s e a s a p p l i c a t i o na c t u a l i t yo ft h ew a t e rj e tm a c h i n e ，am u l t i f u n c t i o n a lw a t e rj e tm a c h i n e m o d e lw i t hf i v e a x i si sp u tf o r w a r d i tc a np e r f o r mt u r n i n g ，m i l l i n g ，d r i l l i n g ， g r i d d i n g ，s c r i b b i n ga n de c h i n ge t ci nt h i sw o r k t h ew h o l ep r o j e c to ft h em u l t i - f u n c t i o n a lw a t e rj e tm a c h i n ew i t hf i v e - a x i s o f w h i c hf o u r - a x i sa r ec o m p u t e rn u m e r i cc o n t r o l l e di ss u g g e s t e di nt h i sw o r k b a s e do n t h ed e t a i l e dd e s i g no ft h em a c h i n es t r u c t u r ea n dt h ed r i v i n gp a r t ，t h em e c h a n i c a la n d m a t h e m a t i cm o d e lo ft h ed r i v i n gs y s t e mo ft h em a c h i n ei sb u i l t t h e nt h es t a t i ca n d d y n a m i cs t a t ep e r f o r m a n c eo ft h em a c h i n eh a sb e e ns i m u l a t e da n ds t u d i e d t h e c u t t i n gh e a ds u c ha st h ew a t e rn o z z l ea n dt h em i x i n gt u b eo ft h ew a t e rj e tm a c h i n e a r ec a l c u l a t e du s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) t h ea n a l y z e dr e s u l t ss h o w t h a tt h e s et w op a r t sa r es a f e i no r d e rt oe n s u r et h ec o n t r o l l e dp r e c i s i o na n dt h e d y n a m i cp r o p e r t i e s ，t h eh a l fc l o s e dl o o pc o n t r o lo ft h em a c h i n ei sa d o p t e di nt h e d e s i g no f t h em a c h i n e t h ec o m p u t e rn u m e r i cc o n t r o l l e dw a t e rj e tm a c h i n ew i t hm u l t i - f u n c t i o n a lh a s b e e nr e a l i z e du s i n gt h ep c + p m a cm o v e m e n tc o n t r o l l e dc a r d t h es o f ta n dh a r d w a r eo fo p e n a r c h i t e c t u r eo fc o m p u t e rn u m e r i cc o n t r o l l e ds y s t e mb a s e do np m a c t t 西华大学硕士学位论文 f o rw a t e rj e tm a c h i n eh a sb e e ns t u d i e di nd e t a i l s i na d d i t i o n ，t h ee x p e r i m e n to f w a t e rj e tc u t t i n gm a t e r i a l si si n v e s t i g a t e d t h ef l o wc h a r to f m a c h i n i n gp r o f i l ew i t h c o m p u t e rn u m e r i cc o n t r o l l e ds y s t e mi sd e s i g n e d t h em a c h i n i n gp r e c i s i o n sa n dt h e p h y s i c a lp r o p e r t i e so f t h ew o r k p a r t sh a v eb e e na n a l y z e d a sak i n do f a d v a n c e dm e c h a n i c a lm a c h i n i n gf a c i l i t y , t h ec o m p u t e rn u m e r i c c o n t r o l l e dw a t e rj e tm a c h i n ep r o v i d e dp a r t i c u l a rc h a r a c t e r i s t i c so fc o o lm a c h i n i n g i t c a nb eu s e dt om a c h i n et h eh e a ts e n s i t i v em a t e r i a l se x t e n s i v e l y a tt h es a m et i m e ， t h ew a t e rj e tm a c h i n eh a v et h ea d v a n t a g e st h a to t h e rt r a d i t i o n a le n g i n em a c h i n i n g m e t h o d sc a l ln o tb e e nc o m p a r e d t h er e s u l t ss t u d i e di nt h i sw o r kh a v ei m p o r t a n t s o c i a la n de c o n o m i cm e a n i n g i th a sw i d ep r o m i s i n gi na p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：w a t e rj e tm a c h i n et o o l ，f o u r - a x i sl i n k a g e ，s e r v os t i f f n e s s ，a l t e r n a t i n g c u r r e n ts e r v os y s t e m ，c o m p u t e rn u m e r i cc o n t r o l i i i 西华大学硕士学位论文 声明 木人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 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过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同学习的同学对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文的成果是本人在西华大学读书期间在导师雷玉勇教授指导下取 得的，论文成果归西华大学所有，特此声明。 韵孑岛加占知钿砸 作者签名：怖、易妇月中日 导师签名：年 月 日 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1引言 中国古代已发现了液滴凭借自由落体运动赋予的质量打击力来缓慢地击穿 岩石这一现象。随着科技的发展，人们给液滴赋予了比自由落体运动大得多的 打击力量，使持之以恒才能观察到的滴水穿石现象在瞬间便可完成，这就是水 射流。水射流技术也称水力喷射技术，它是以水为介质，通过高压发生装置使 它获得巨大的能量后，以一种特定的流动运动方式，从一微小喷嘴中高速喷射 出来、能量高度集中的一股水流n 1 。 高压水射流是近几十年来得以迅速发展的一项新技术，作为清洗、切割、 破碎工具，水射流具有其独特的优越性。高压水射流技术的工作原理是通过超 高压发生装置将普通水介质增压至3 0 0 - 一4 2 0 m p a ( 3 0 0 0 4 2 0 0 k g c m 2 ) ，然后 超高压水经直径约( p 0 0 5 q 0 2 5 m m 的宝石喷嘴( o r i f i c e ) 喷出，从而形成速 度达1 0 0 0 m s 左右的高能水束，即高速水射流( w a t e rj e t ，w j ) 。通过在高速 水射流中添加适当成分和浓度的固体粒子( a b r a s i v e ) ，便形成磨料水射流 ( a b r a s i v ew a t e rj e t ，a w j ) 。普通水射流可广泛应用于工业清洗、表面处理和软 材料切割。而磨料水射流具有超强侵蚀能力，因此成为继电子束、等离子体和 激光加工之后的新一代高能束加工工具。 高压水射流除用于切割之外，还可用于除锈、清洗，以及建筑与道路施工 等方面，涉及到造船、航空、汽车、机械制造、轻工、城建等许多行业晗3 4 | 。 1 9 8 7 年l o c k h e e d 航空系统公司开发了四轴水切割机器人，用于石墨增强树 脂、钛合金板材以及薄壁大口径管材的切割。在军工上，美国人应用水切割军 舰用异型橡胶零件，以及潜艇外贴降噪橡胶层。而在汽车工业中，瑞典v o l v o 汽车公司是第一个应用水射流加工的。在2 0 世纪9 0 年代初，水射流切割在美国 的汽车工业中广泛应用，已用来切割石绵刹车片、橡胶基地毯、复合材料板、 玻璃纤维增强塑料等材料，加工的零部件有：底盘、车箱、仪表盘、罩盖、车 门等。在核电站中，水射流加工可用于核燃料管的切割，重水管线的切割，燃 料废物的再处理以及原子反应堆屏蔽混凝土建筑的切除等。另外，在医疗领域、 土木建筑业中也有水射流的加工啼1 。 高压水射流技术在国内的应用开始于上世纪7 0 年代，最初主要是在煤炭部 门的研究和应用晦1 。随着国际上水射流理论的成熟和成功商业化，国内对这项 西华大学硕士学位论文 技术的认识也不断地加深，很多的专家学者对此开展了大量的研究和探讨，把 国内的高压水射流切割技术不断推进。新型水射流的应用和研究得到快速的发 展，在落煤、破岩、船舶除锈、喷射钻井、机场除胶和除漆等得到极为迅速的 推广。 1 2磨料水射流的分类 磨料水射流( a b r a s i v ew a t e rj e t ，a 、j ) 是2 0 世纪8 0 年代发展起来的， 它是高速水射流束与磨料粒子相混合相成的液固两相介质流。高速水射流带动 磨料粒子，通过本身的水蚀冲击和磨料粒子锋利的棱角进行切割。因此它对物 料的冲击力和磨削力比纯水射流大得多，在同等工况下，系统所需压力小得多， 可实现低压或中压条件下的切割。 按磨料和水的混合方式可分为前混合磨料水射流和后混合磨料水射流口3 。 后混合磨料水射流技术工作原理如图1 1 所示。在驱动压力作用下，水介质通 过第一个喷嘴( 即水喷嘴) 而形成高速水射流，并在第二个喷嘴( 即磨料喷嘴) 的混合腔内产生一定的真空度。由于磨料腔与混合腔之间形成一定的压力差， 使磨料在其自重和压力差的共同作用下通过气力运输而进入混合腔，并与水射 流发生剧烈的紊动扩散和掺混，再通过第二个喷嘴而形成磨料水射流。 f i g u r e1 1p r i n c i p l eo fp o s t - m i x i n ga b r a s i v ew a t e rj e t 图1 1 后混合磨料水射流工作原理图 1 水喷嘴2 混合腔3 磨料喷嘴4 磨料箱5 高压水管 后混和磨料水射流其磨料是在射流形成后加入的，磨料以很低的初速度与 高速的水射流相互接触，发生的情况是随机的：有些磨料被水射流直接带走： 2 西华大学硕士学位论文 有些磨料飞溅到混合腔的壁面，再反弹回到水射流表面：少数的磨料则贴附在 混合腔的内壁面，其中的一些磨料可能被偶然的冲刷作用而重新返回水射流中。 故磨料与水射流束很难充分混合，明显降低了水介质对于磨料的能量传输效率， 所以又提出了前混合式磨料水射流系统。 前混合式磨料水射流原理如图1 2 所示。前混合式磨料水射流的磨料罐4 设置在高压泵( 增压器或离心泵) 与喷嘴1 的中间管段。磨料罐4 处于泵压作 用下，因此它必须是一个能承受一定压力的容器。磨料在泵的压力被切断后才 能装入磨料罐内。此后磨料与水在磨料罐内初步混合，使磨料处于似流体的流 化状态。然后，在高压输送的混合室内，流化磨料与水混合，再通过喷嘴的加 速过程使磨料一水介质获得更大的动能，这使前混合式磨料水射流的能量传输效 率显著增长。 f i g u r e1 2p r i n c i p l eo fp r e - m i x i n ga b r a s i v ew a t e rj e t 图1 2 前混合磨料水射流工作原理 l 喷嘴2 混合室3 磨料阀4 磨料罐 5 单向阀6 调节阀7 水阀8 高压泵 1 3 水射流加工的特点 根据美国市场调研机构“f r o s ta n ds u l l i v a n ”的研究报告：磨料水射流切 割已经成为世界上成长最快的切割工艺之一。它以无与伦比的适应性、多样性 和环保性去扩充火焰、激光、等离子体、电火花( 线切割) 或传统机械加工所 达不到的能力。磨料水射流是一种绿色、环保、安全型加工工具，在许多方面 3 西华大学硕士学位论文 优于电火花、等离子体、激光加工方法。如与激光切割加工相比，水射流切割 有以下优点： ( 1 ) 可加工黄铜、铝等反射性材料； ( 2 ) 没有切割厚度的限制； ( 3 ) 被切材料不会燃烧、溶化或产生热效应； ( 4 ) 当变更材料时，唯一需要变更的是切割速度，而不需变更气体、聚焦或其 他； ( 5 ) 可容易安装多个切割头来提高生产率； ( 6 ) 设备的成本低得多； ( 7 ) 安全性高。 水射流也存在一些自身的缺点： ( 1 ) 一些重要部件如喷嘴使用寿命比较短； ( 2 ) ；t n - r _ 完后产生废水需要进行处理。 1 4水射流加工技术的国内外现状 1 9 8 7 年，m h a s h i s h 第一次研究了磨料水射流车削加工，结果表明磨料 水射流可用于车削碳金属复合材料、玻璃、陶瓷等难) j i m 材料，可加工出复杂 形状，并可获得高的材料去除率，加工表面的粗糙度( 不是波纹度) 主要受磨粒 料子尺寸的影响，加工表面没有任何微观结构变化。此后，a n s a r i 通过研究指 出磨料水射流对于难加工材料来说要优于普通车床，如加工碳化钛比普通车床 速度快5 1 0 倍博。 随着社会生产力的进步与现代科技的不断发展，先进的新型材料不断涌出， 但传统的加工技术与加工工艺难以满足热敏材料、纤维复合材料等许多材料的 加工要求，因此研究磨料水射流技术的切削性能具有重要的意义。近年来，由 于水射流加工的独特优点愈来愈明显，超高压系统的日趋完善，水射流加工技 术已迈入高科技行列，世界上工业先进国家都在竞相开发。水射流切割设备一 直是国内外学者研究的重点，国外文献中提到一种先进的切割机床是由瑞士发 明的水束引导的激光切割机阳3 。用这种技术切割有很多好处，首先没有机械损 坏；作用在工件上的力可以忽略，在切边周围没有毛刺出现；水的消耗很少， 每小时的运行成本也非常低。因为加工很平稳，水引导的激光技术也可用来切 4 西华大学硕士学位论文 割微型芯片。该项技术的提出，对于磨料射流的发展，有一定的引导作用。 水射流a n t _ 的应用范围不断扩大，由二维的切割和去毛刺加工发展到孔加工 和三维型面的加工。美国的f l o w 国际公司和o m a x 公司生产的水射流加工机床 的控制系统均备有内置的c a d c m a ，便于对复杂轮廓加工的编程和操作。同 时还能根据加工件的材料及板材厚度，自动提供最佳的切割工艺参数，有利于 该项工艺的推广瞄1 。 1 5问题的提出和主要研究内容 目前国内的水射流切割机床多为数控的二维或二维半机床，虽然可以 进行切割加工，但能力有限，只能限于平面切割，功能单一。国外现在的 先进技术为五轴或六轴的数控机器人结构机床，这种结构的机床功能比较 强大，多用于汽车内饰件和轿车的内衬加工。但是，该种机床结构复杂， 造价比较高，很难在各行业推广应用。所以，研究一种结构简单，功能较 多，性价比较高的数控水射流机床显得非常必要。本文针对这一问题拟研 究设计一种基于p m a c 运动控制卡的五轴结构四轴联动水射流机床，该研 究对于国内水射流机床的发展和功能的强化具有很重要的作用。 本论文的研究内容主要有以下几个方面： l 、分析国外最先进的水射流加工设备，参考目前的实验设备，设计出 一种新型多功能水射流切割机床数字产品模型。 2 、基于多功能水射流切割机床数字产品模型，建立了机床传动系统的 力学和数学模型，对机床的静、动态性能进行了仿真计算和分析。 3 、水射流机床磨料回收装置的设计。 4 、数控水射流机床的控制。用p c + p m a c 运动控制卡实现切割平台四 轴的联动设计。 5 、数控水射流切割实验研究 西华大学硕士学位论文 2 数控四轴联动水射流机床的结构设计 磨料水射流切割作为一种新的切割方法，它利用增压器将水加压，达到 1 0 m p a - 3 0 0 m p a 甚至更高的压力。水获得压力能，再从细小的喷嘴喷射而出， 将压力能转换为动能，从而形成高速射流。切割正是利用这种高速射流的动能 对工件的冲击破坏作用，达到切断、成形的目的。 磨料水射流切割机系统的基本结构如图2 1 所示，通常由以下几部分组成 1 0 】 1 ) 液压增压系统( 包括推动增压器活塞的油路液压系统和提供低压水的供 水系统、给水装置、增压器、蓄能器等) 2 ) 切割头组件 3 ) 切割头驱动装置( 数控装置、机器人等) 4 ) 电器控制装置( 数控系统、电控阀等) 5 ) 其他装置( 接收器、供料系统、水过滤装置等) 1 。 f i g u r e2 1s t m c t i l r eo ft h eh i g hp r e s s u r ew a t e rj e tc u t t i n gm a c h i n et o o l 图2 1 高压水射流切割机床系统结构 1 液压柱塞泵2 溢流阀3 电磁换向阀4 6 单向阀组5 增压器 7 超高压蓄能器8 水箱9 水泵1 0 压力表1 1 开关阀1 2 磨料箱 1 3 磨料阀1 4 水喷嘴1 5 混砂管1 6 工作台1 7 废料回收装置 磨料水射流切割工作时，柱塞泵1 输出压力油，经三位四通换向阀3 左位进 入增压缸5 右活塞腔，同时增压缸5 左活塞腔的液压油经换向阀3 左位回油箱，增 压缸活塞在压力油作用下左行。一方面，增压缸内的柱塞对增压缸左侧的水介 6 西华大学硕士学位论文 质进行增压，超高压水经单向阀4 、蓄能器7 从喷嘴1 5 喷出；另一方面，补水泵 将低压水经由单向阀6 注入增压缸右侧的增压缸内。当活塞左行至行程终点位置 时，霍尔接近开关发出电信号，接到行程开关发出的信号，电磁换向阀3 换向至 右位，增压缸活塞反向( 向右) 运动，并对右侧增压缸内的水介质进行增压，高 压水经单向阀6 进入蓄能器7 并从喷嘴1 5 喷出。如此往复，则形成连续高速水射 流。 增压器是通过活塞面积的变化使驱动液体所施加的压力倍增的设备，其驱 动液体通常是液压油。与泵相比，增压器的显著优点是能以驱动端油压( 低压) 的变化控制水射流压力( 超高压) 。 蓄能器实际上是一个超高压容器，连接在增压器与切割头之间，作用是将 几乎是单脉冲的超高压水流变成基本无脉冲，为切割头形成连续稳定的超高压 水射流创造良好工况。 切割头是直接用于切割的工具，影响切割质量和效率。磨料水射流( a w j ) 是磨料与高压水相互混合而形成的固液两相的介质流，由于磨料的介入能大幅 度降低工作压力，因此切割头大都设计成导流管、水喷嘴、磨料喷嘴依次排列 的结构。其中，水喷嘴与纯水射流中用的水喷嘴相同，大多采用成本较低的红 宝石制造。而磨料喷嘴在切割过程中很容易磨损，通常使用碳化钨等硬质合金 制造。 磨料供给装置是一套自动的供料设备，包括伺服电机、螺旋磨料输送轴、 砂斗、砂阀等组成，用于提供磨料与高压水相混合，达到磨料水射流切割的目 的。 其中，在磨料射流系统中，磨料的供给是极其关键的，尤其是磨料射流切 割的磨料供给量、供料的稳定性及均匀性，直接影响到切割性能和切割质量。 目前磨料供给的方式分为自吸式和动力机械输送式，在磨料水射流切割系统中， 大多采用自吸式。 2 1 四轴联动多功能磨料水射流机床的总体设计 2 1 1 四轴联动的基本方案 由于国内现有水射流切割机床普遍存在着功能单一，只能进行切割这一单 操作，很难满足工艺复杂零件的加工要求的问题，因此，本论文提出改进方 7 西华大学硕士学位论文 法，提出了基于p c + p m a c 运动控制卡的多功能四轴联动水射流机床。机床总 体方案采用五轴结构即工作台运动轴( x 、y ) ：切割头运动轴( z ) ；工件 旋转主轴( a ) ；砂阀驱动轴( b ) ，机床主体总体结构布置如图2 2 所示。 考虑到机床功能要求，初步提出如下技术要求：x 、y 、a 、b 四轴数控。 工作台运动，最大工作行程( x 、y ) ：3 0 0x3 0 0 m m 。切割头x 、y 轴向固定不动， z 轴方向最大行程2 5 0 m m 。a 轴及尾座轴心距工作台面8 0 1 0 0 m m ；a 轴夹头 端面与尾座项尖之间有效空间2 0 0 - 4 0 0 m m ，可调。a 轴三爪卡盘最大工作直 径由2 0 0 m m 。旋转主轴的转速为0 1 0 0 0 0r r a i n ，采用伺服电机；工作台x ，y 轴的驱动速度为o 1 2 0 0 0m m m i n ，采用伺服电机。刀架主轴采用步进电机。 同时要求机床的控制精度为0 0 0 6 3 0 0 m m ，割精度为0 0 1 m m ，重复定位精 度为0 0 0 6 m m 。 f i g u r e2 2t h ew h o l es t r u c t u r eo fm a c h i n et o o lt a b l e 图2 2 机床工作台总体结构布置图 2 1 2 机床各轴结构总体构架 l 、通过分析各种数控机床和加工中心的工作台相对与进给刀头的运动，得 出工作台相对与刀头的运动大体分为如下几种：工作台动，刀头不动； 刀头动，工作台不动；工作台动，刀头亦动。根据本机床的微细加工特点和 允许加工范围，机床决定选用工作台可以作x 、y 运动，切割刀头在机床切割 8 西华大学硕士学位论文 加工中不动的设计原则。其中工作台的基本布局如图2 3 所示。 f i g u r e2 3t h ex - - a x i sa n dy - a x i ss t r u c t u r eo f m a c h i n et o o l 图2 3 机床x 、y 轴布局图 2 、机床的z 轴部件是机床执行切割任务的重要部件。它主要由切割刀头 部件和磨料输送装置组成，功能是根据切割加工程序所需求的磨料量，通过磨 料输送装置供磨料到切割刀头部件，切割刀头执行切割任务。磨料输送装置通 过砂阀驱动轴( b ) 的旋转运动把磨料输送到切割喷嘴的混合腔内，然后在喷 嘴混合腔内与高压水混合最后形成可以切割的高能束，从磨料喷嘴喷出。整个 装置是可以沿铅垂方向的导轨作上下运动。机床z 轴总体布局见图2 4 。 f i g u r e2 4t h e s t r u c t u r eo f z a x i so fm a c h i n et o o l 图2 4 机床z 轴布局图 9 西华大学硕士学位论文 3 、机床的砂阀驱动轴部件作为机床的重要部件，其结构设计的好坏和控制 精度的高低直接关系到切割加工的质量和精度。 砂阀驱动轴输送磨料的方式是采用螺旋输送的方进行。螺旋输送在国内已 经有很成熟的设计和运行经验，因此可以参考国内类似的螺旋输送机设计标准 对螺旋供料机构进行设计。本机床砂阀驱动轴的螺旋轴安装在密闭的螺旋管中， 两端采用轴承支承，并且在每个轴承端加上密封盖，这样既满足了螺旋轴的支 承问题，同时减小了轴承连接处的磨损，使之供料效果最好。其主要的工作原 理是由带有螺旋叶片的转动轴在一密闭的机壳内旋转，当物料进入固定的机壳 内时，物料只在旋转的螺旋叶片推动下移动，最后进入磨料软管，输送到混合 腔与水混合，可用于连续短距离的磨料输送。 螺旋供料装置能够保证供料均匀，连续，而且当电机停转后，螺旋轴停止 转动，即可停止供料，可以防止磨料在输送管中堆积。它的主要结构如图2 5 所示。 f i g u r e2 5a b r a s i v ef e e ds y s t e mw i t hv e r t i c a ls c r e w 图2 5 立式螺旋供料系统结构简图 1 上端支撑轴承2 磨料罐3 螺旋叶片 4 螺旋轴5 螺旋管6 下端支撑7 。驱动电机 4 、为了完善机床的加工能力，实现机床的车销、铣销、雕刻、磨销等功能， 机床工作台增加了旋转轴( a ) 。其中的主要结构布局是在机床的工作台面上( 水 箱的两端) 安装尾座和执行旋转运动的部件。旋转主轴用伺服电机通过联轴器 1 0 阿华大学硕士学位论文 带动三爪卡盘做回转运动，主轴的另一端有与三爪卡盘保持同心的尾座。旋转 轴布置图如图2 6 所示。 f i g u r e2 6t h es t r u c t u r eo f t h er e v o l v i n ga x i s 图2 6 旋转轴布置图 5 、为了实现机床很好的人机界面性能，本机床的控制面板设计为现今流行 的可随意折叠、伸缩的杆连结构。其最主要的优点是可以随操作者的观察位置 的变换，任意的调节操作面板的位置。这样就可以让操作者一边观察机床的实 际运动情况，一边输入合适的指令，最大可能的实现机床和操作者的协调性。 其结构如图2 7 所示。 f i g u r e2 7t h es t r u c t u r eo f t h em o u n t i n gb o a r df o rd i s p l a y 图2 7 机床显示器安装面板结构图 肌华大学硕十学位论文 6 、 由于本机床a n - r 精度要求很高且要进行微细加工和切割半导体材料， 因此，机床外部的保护装置是必不可少的。本机床的外罩采用全封闭设计，顶 盖设计为可运动的带弧形的机构，弧形面板上开嘹望口，并装有机玻璃供观察。 机床总体外型结构见图2 8 。 f i g u r e2 8t h ee x t e r i o ro ff i v e a x i sw a t e rj e tm a c h i n et o o l 图2 8 五轴水射流机床外型结构图 2 2四轴联动多功能磨料水射流机床的结构设计 2 2 1 机床的床身和导轨的确定 床身和导轨是机床的基础件，它们对机床的精密度产生直接的影响，其材 料性能对机床的整体性能也有较大的影响。因此，床身和导轨材料应具有尺寸 稳定性好，热膨胀系数小，振动衰弱能力强，耐磨性好，加工工艺性能好的特 性。所以，机床的床身材料选择球墨铸铁，并作防锈处理，涂防锈底漆，并用 腻子涂抹光滑，以为后续工序喷漆做准备。当铸造好床身后，最好做一下实效 1 2 西华大学硕十学位论义 处理。 导轨作为主要的运动部件起导向和支承作用，并保证运动部件在外力下能 准确沿着规定方向运动。因此，导轨的制造精度及性能对机床加工精度、承 载能力等有着重要影响。机床对导轨的要求主要有高的导向精度、精度保持性 好、足够的刚度、和良好的摩擦特性。为此，考虑到本机床的设计要求和经济 性要求，机床选择直线滚动导轨副。采用四根直线滚动导轨副，其中两个用于 x 方向，另两个用于y 方向，每个导轨上有两个滑块。结构如图2 9 所示。由 于z 轴只是控制靶距，在机床切割加工过程中z 轴是不动的，所以z 轴导轨设 计为普通的滑动导轨。 f i g u r e2 9t h es t r u c t u r eo f t h eb o d ya n d r a i lo f m a c h i n et o o l 图2 9 机床床身与导轨结构图 2 2 2 机床传动系统设计 传动系统是将电动机的旋转运动传递给工作台以实现各种加工运动的机械 传递链。 传动系统的刚度和惯量主要决定于机械结构设计，而传动系统的间隙、摩 擦死区则是造成系统非线性的主要原因。因此，数控机床对传动系统有如下要 求：提高传动部件的刚度；减小传动部件的惯量；减小传动部件的间隙；减小 系统的摩擦阻力m 3 。传动系统如图2 1 0 所示n 2 j 。 西华大学硕士学位论文 f i g u r e2 10t h et r a n s m i s s i o ns y s t e mo fs e r v os y s t e m 图2 1 0 伺服系统的传动系统图 1 频率电压转换器2 倍频器3 脉冲编码器 4 伺服电机5 弹性联轴器6 滚珠丝杠7 工作台 传动机构的精度、灵敏度、稳定性直接影响了机床的定位精度和轮廓加工 精度。从控制角度上分析，两个起决定作用的因素：一是传动机构的刚度和惯 量，它直接影响进给系统的稳定性和灵敏度；一是传动部件的精度与传动系统 的非线性，它直接影响系统的位置精度和轮廓加工精度。传动部件包含丝杠螺 母副、联轴器、轴承等。 2 2 2 1 丝杠螺母副的设计 根据机床微细加工的特点，本机床采用滚珠丝杠螺母结构。滚珠丝杠副的 特点是在具有螺旋槽的丝杠螺母内装有滚珠作为中间传动元件，以减少摩擦。 其中，滚珠的循环方式采用外循环方式，预紧采用改变垫片的厚度的方式消除 两个螺母的轴向位移。螺母、丝杠的材料采用c r w m n ，热处理用整体淬火， 硬度在h r c 5 8 - - 6 2 n3 l 。由于本系统要求单刀的定位精度为0 0 0 6 3 0 0 m m ，据 此要求查阅手册，选取滚珠丝杠的精度为p 1 级，即1 级精度丝杠n 制。 丝杠的最大载荷的确定：由于水射流加工的工作原理是用高压高速液流对 工件进行冲蚀作用去除材料，加工相同的材料时水射流刀具的切削力远小传统 刀具的切削力，所以摩擦力为丝杠最大的载荷，也为轴向工作载荷( 平均载荷) f m 。工作台、加工件和夹具的最大质量为m = 6 0 k g 。直线滚珠导轨的摩擦系数 为0 0 4 。故丝杠的轴向工作载荷： e = f g = 0 0 4 x 6 0 x 9 8 = 2 4 9 ( n ) ( , 2 - - 1 j 丝杠的最高转速为5 0 0 0 r m i n ，最小进给速度定为0 ，则平均转速为n - - 2 5 0 0 r m i n 。丝杠的工作寿命为 1 4 西华大学硕士学位论文 三= 等= 6 0 x 2 万5 0 0 x 1 5 0 0 0 = 2 2 5 0 ( 2 - - 2 ) 厶一一一一厶训 、 1 旷1 0 6 ， 式中卜工作寿命，以1 0 6 为单位 r l 一丝杠转速，r m i n t 一丝杠使用寿命，本机床取t = 1 5 0 0 0 h 。 计算当量载荷c m 为 c ，= 塑= 丝兰型婴兰! ：兰= 4 8 3 4 ( m ( 2 3 ) h 一= _ 一一一叶础“夕 a d l 式中k 一载荷性质系数，无冲击取1 1 2 。本机床取酶= 1 2 磁一精度影响系数，本机床取k a - - 1 从滚珠丝杠产品样本中查与c m 相近的额定动载荷c 。，使c m c a 。取定的 型号为w d 2 0 0 4 - 2 5 x l j 型外循环双螺母对旋预紧滚珠丝杠副n 纠。名义直径为 2 0 r a m ，导程为4 m m ，每个螺母有滚珠2 5 列。额定动载荷为c 。= 5 9 7 0 n ，c m c a 符合设计要求。图2 - 11 为螺母结构的工程图。 预紧力为f p = c a 4 = 5 9 7 0 4 = 1 4 9 3 ( n ) 。因为轴向载荷没有大于预紧力f p 的三倍，故不必对预紧力提出额外的要求。本机床的轴向载荷f m = 2 4 9 n ，远 小于预紧力的三倍阳1 。 f i g u r e2 11t h en u ts t r u c t u r eo fl e a d s c r e w 图2 1 1 螺母结构图 1 5 西华大学硕士学位论文 2 2 2 2 联轴器的设计 滚珠丝杠与电机采用无键联轴器n6 1 。主动轴和从动轴分别插入轴套的两端， 轴套和主、从动轴之间装有成对布置的弹性环，弹性环内外锥面相互贴合，通 过压盖轴向压紧，使内、外锥形环相互锲紧，则内环内径变小箍紧轴，外环外 径变大撑紧轴套，消除间隙并将主、从动轴与轴套连成一体，依靠摩擦传递转 矩。结构如图2 1 2 所示。这种结构定心精度好，承载能力高，没有应力集中源， 装拆方便，又有密封和保护作用。我们根据联轴器要传递的功率和轴径来确定 联轴器的各个参数。 xm 51 5 一。如 来沁燃蕊沁测照 j lr 礤燃垫3 骖握彰蝴j ( ) ，8斟罾 皂， ， ， 诵允矽忑 沁嫱蕊n 时 一 | -，- 厶腻忒沁蕊 f i g u r e2 12t h es t r u c t u r eo ff l e x i b l ec o u p l i n g s 图2 1 2 联轴器结构图 1 主动轴2 螺钉3 弹性环 4 轴套5 压盖6 从动轴 2 2 2 3 轴承的选用 传动系统的轴承是传动部件的重要组成部分，它的类型、结构、配置、精 度、安装和润滑都直接影响主轴的工作性能。轴承的选用，主要依据是丝杠的 工作要求。主要考虑了传递功率的大小、速度范围、工作精度及经济技术等综 合指标。数控机床传递系统通常采用的是滚动轴承和滑动轴承。滚动轴承摩擦 阻力小，可以预紧，润滑维护简单，能在一定的转速范围和载荷变动范围内稳 定的工作。而且，滚动轴承有专业化工厂生产，选购维修方便。由于滚动 轴承这些特点，加之制造精度的提高，所以本机床选择滚动轴承作为传动支承 1 6 西华大学硕士学位论文 零件，类型为角接触推力球轴承。 轴承的精度分为p 2 、p 4 、p 5 、p 6 和p o 级。其中p 2 最高，p o 为普通级精度阳1 。 传动系统可以选用p 4 ，高精度的可选用p 2 级。轴承的工作精度主要取决旋转精 度。对本机床选用的轴承主要精度要求是成套轴承内圈端面对滚道的跳动和成 套轴承内圈的径向跳动。 机床传动系统支承配置主要有前、后两个支承和前、中、后三个支承两种 配置形式。本机床因为丝杠的总长度不大，所以采用前、后两个支承的形式。 采用双联角接触球轴承，可以满足高速、高精度、中等负载的情况。 因为机床采用的是角接触球轴承，所以必须在轴向有预加载荷条件下轴承 才能正常工作。预紧是指使轴承滚道与滚动体之间有一定的过盈量。本机床采 用的压紧方式是恒位置预紧的方法。该方法把轴承内外圈在轴向固定，以初始 预紧量确定相对位置。结构如图2 1 3 所示。 f i g u r e2 13 t h es t r u c t u r eo f t h ep r e l o a d i n go ft h eb e a r i n g 图2 1 3 轴承预紧结构图 本机床滚珠丝杠的支承采用一端轴向固定，另一端浮动的结构形式。固定 端采用一对接触的7 6 0 2 0 1 2 t v p 型角接触球轴承面对面组合装配，简支端采用 6 2 0 1 型深沟球轴承，用来承受丝杠的重力。 2 2 3 其它辅助组件设计 对滚动轴承进行良好的润滑，可以减小轴承内部摩擦与磨损，防止烧粘， 延长疲劳寿命，排出摩擦热并冷却。滚动轴承的润滑有油脂、油雾、油一气、 1 7 西华大学硕士学位论文 喷射等润滑方式。脂润滑一般用在d m x n 1 0 6 的情况下( d m 是轴承内外径的平 均值，本机床d m - 2 2 m m 。n 是转速，本机床电机n 最高转速取5 0 0 0 r m i n 。d m x n = 1 1 0 0 0 0 1 0 6 ) 。所以本机床轴承的润滑选择油脂润滑。 润滑脂选用锂基脂，且油脂填充量不能超过轴承内部空间的3 0 。润滑油 填充量q 用下式计算： q = q d 肌b x l 0 - 3 = 1 5 x 2 2 l o x l 0 - 3 = 0 3 3 m l ( 2 - 4 ) 其中，q 一润滑油添加量，m l ； q 系数，轴承小径d 1 3 0 m m ，q = 1 5 ； d m _ 轴承内外径的平均值，d m = 2 2 m m b 轴承宽度，n l n l ； 在填装轴承的轴承座上安装压注油杯( 黄油嘴) ，以便定时加注润滑油，防 止轴承由于缺油而处于干摩擦状态。 因为水射流特定的加工方法，决定轴承要采取密封，丝杠螺母要采用保护。 轴承密封的方法是采用接触式密封法，使用耐油密封圈密封。在轴承盖上开密 封槽，上u 封密封圈。丝杠螺母采用风琴式防护罩，可以防止飞溅的水滴，同 时可以随工作台的前进后退自由伸缩，无需人为的调整。通过现场的实验验证， 采用这样的防溅方式可以很好的保护丝杠和螺母，证明方法有效。 2 2 4 机床关键零件的选择和基本参数的确定 考