（机械设计及理论专业论文）数控车削多面体机床的运动机理及其样机设计研究.pdf

摘要在工程设计中，些机械零件，为了满足其所霰的工作性能要求，截面形状常设计成圆形，如多露体、韪轮轴、 掘辅、活塞等。与常按韵嗣截面零件相院，菲圆截面零件在特定场合下其有独特的优越性。随，蔫生产的不螈发展，非凰截嚣零件肼占於比铡舀益增加，为了选到性能要求，其船工精度要求也随之提高，而相虑的非圆截面零件紧密高效加工技术也成丁当今加工技术研究的热点。在醑转体上加工多面体，由于精度要求高，加工面积小，一般难以加工用车削的方法加工多面体，可以像证加工的效率和糖度。本文运用矢量建模的方法，利用相对螺旋运动的躲识对车澍多面体静运魂梳理遴行了研究，提出了三稀车削多面体的方案，部：径向变速运动车削、变角速度车削和近似车削。为了比较各方案的优缺点，选择最台适的方案进行切削试验，对各方案的车削过程进行了仿囊，得知近钕车翻是可幸予的方案，并对近似车削多面体的刀尖轨迹曲线进行了研究，计算出车削的误差。在此基础上，提出了多刀车削的方案，势对多刀车削躲误差进行分车厅。报据近似车削多面体的运动要求设计了车削多面体的样机的整体缩构。根据车削多蕊体的运动机理，要绘车刀增加一个旋转的运动，因北设计了一个动力头，壶电黏枫青接驱劫刀盘旋转。在动力头中，刀其辅是最重要酌部件之一，所以对其进行重点分析。建立了其动力学模型，并计算出了其支承的目度和阻尼。用有限元分辑的方法，采用三维8 节点等参单露对刀其轴的萄力特性进行了分析计算。根据有限元分析的内容，分析了原来设计的刀具轴存在的闻题，分孝斤了刀具轴跨距、刀具轴薷端震器以及其辅离尺寸交纯对葜静、动特性的澎响，对刀其轴部件的结构进行了动态改进设计。根据数控机床设计方法及理论，站台车削多嚣体沟运动梳理，遴彳亍了样机的工艺范漆及其总体方案设计，确定了机床的主要参数。进行了车削多面体的样机的试制，并为动力头选择7 合适的电动机。采用基予d s p 技术的多辕运动控割器对样极静各轴进彳亍实时的运动控制，设计了车匍多面休机床的数控系统及主传动系统。最后在多刀车削谩差分辑的基础上，褥如鸯工 牛半径和误差表示熬刀尖霹转半径瓣表达式，取正阏逾形棱柱为铡，进行了 二件的试切，验证了车削多面休公式的正确性。关键词：多面体数控车削矢量建模相对螺旋运动误差分板刀具锸有限元法动态设计多刀车翻a b s t r a c ts o m ep a r t s 黼o f t e nd e s i g n e dt oh a v en o n c l r c u l a rs e c t i o n st os a r i s f yt h e i rf u n c t i o n sd u r i n gm e c h a n i c a ld e s i g n i n g ，s u c ha sp o l y g o np r i s m s 。c a m s h a f t s ，c r a n k ，p i s t o n s ，a n ds oo n c o m p a r ew i t ht h er o u t i n ep a r t sw i t hc i r c u l a rs e c t i o n s ，t h ep a r t sw i t hn o n c i r c u l a rs e c t i o n sh a v eu n i q u ea d v a n t a g e s0 1 1s o m eo c c a s i o n 。w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r i n g ，t h es c a l eo fh ep a r t sw i t hn o n c i r c u l a rs e c t i o n si si n c r e a s i n g 。t h e i rp r e c i s i o ni sa l s oi n c r e a s i n gf o rs a r i s f y i n ga l lk i n g so fr e q u i m e n t ，c o r r e s p o n d i n g l y ,t h et e c h n i q u e sf o rm a n u f a c t u r i n gt h ep a r t sw i t hh i g he f f i c i e n c ya n dh i g hp r e c i s i o na r ef o c u s e du o w i ti sd i f f i c u l tt om a c h i n ear o u n gp a r tt 。ap o l y g o np r i s mb e c a u s et h em a c h i n i n ga r e ai ss m a l la n dt h em a c h i n i n gp r e c i s i o ni sh i g h t h em e t h o dt u r n i n gc a nk e e pt h em a c h i n i n ge f f i e n e ya n dt h ep m c i s i o no ft h e 辨嚆s 。i tc a r lb ea p p l i e d t h em e t h o do fv e c t o rm o d e l i n gi su s e dt 。s t u d yt h em o v e m e n tt h e o r yo f t u r n i n gp o l y g o np r i s m sb y t h ek n o w l e d g eo f c o m p a r a t i v eh e l i xm o v e m e n t t h r e ep r o j e c t si sb r o u g h tf o r w a r dt ot u r np o l y g o np r i s m s ，w h i c ha r em a c h i n i n gw i t ht o o l sm o v i n gr a d i a l l y , m a c h i n i n gw i t ht h ed i f f e r e n tt o o l sa n g u l a rv e l o c i t i e sa n dt u r n i n ga p p r o x i m a t i v ep o l y g o np r i s m s 。t h r e ep r o j e c t sa 1 3 es i m u l a t e df o rt h eb e s tw a yc a nb et a k e n ，a n dt h e i rs h o r t c o m i n g sa n ds t r o n g p o i n t sa r es h o w nt op r o v et h a tt h et h i r di n e t h o di sp o s s i b l ei ne x p e r i e n c e t h et r a j e c t o r i e so ft o o lp o i n t sa r ep l o t t e d ，t h e nt h ee r r o ro ft u r n i n gi sc a l c u l a t e d ，a n db a s e do l lw h i c hm u l t i - t o o lt u r n i n gi sp u tf o r w a r da n di t se r r o ri sa n a l y s e da l s o t h es t r u c t u r eo f t h ei a t h et om a c h i n ep o l y g o np r i s m si sf r a m e da c c o r d i n gt ot h em o v e m e n to ft u r n i n ga p p r o x h n a t i v ep o l y g o np r i s m s a ne q u i p m e n ti sc o m p o s e do far o t a r yt o o lf i x t u r ea n dam o t o ri sd e s i g n e dt or e f i ta l lo l dm a c h i n e i nt h ee q u i p m e n t ，t h et o o ls p i n d l ei so n eo f m o s ti m p o r t a n tp a r t s ，s ow h i c hi se m p h a s i z e dt ob ea n a l y s e d i t sd y n a m i cm o d e li sb u i l t ，a n dt h er i g i d i t yc o e f f i c i e n ta n dd a m pc o e f f i c i e n to ft h eb e a r i n g sw h i c hs u p p o r tt h es p i n d l ea r ed e d u c e d b yu s eo ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r so f t h et o o ls p i n d l ea r eg o t 。t h es h o r t c o m i n g so f t h ef o r m e rs p i n d l ea r ef o u n db a s e do nt h er e s u l t so f f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i ti sa n a l y s e dt h a tt h ei n f l u e n c eo f t h ed i s t a n c eo f t h es u p p o r t p o i n t s ，t h em a s so f t h et o o lf i x t u r ea n dt h el e n g t ho f t h es p i n d l eo nt h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r s ，a n dt h es t r u c t u r eo ft h et o o ls p i n d l ei so p t i m i z e d ，t h em a c h i n i n gr a n g ea n dt h ew h o l ep r o j e c to ft h el a t h ea r ed e d u c e db a s e do nt h et h e o r i e so fd e s i g n i n gc n cl a t h e sa n dt h em o v e m e n tt h e o r yo f t u r n i n gp o l y g o np r i s m s ，t h em a i np a r a m e t e r sa r eg e t t h e nt h el a t h eo ft u r n i n gp o l y g o np r i s m si sm a d e ，a n das e r v em o t o ri sc h o i c e dt of i tt h ee q u i p m e n t t h em o v e m e n t so fe v e r ys p i n d l eo ft h el a t h ea r ed o m i n a t e db yam u l t i - s p i n d l ec o n t r o l l e rb a s e do nd s pt e c h n o l o g y s oac n cs y s t e mi sp l a n n e dt of i x t u r et h el a t h e a tl a s tt h ee q u a t i o no f t h et o o lr a d i u s ，w h i c hi sm a d eu po f t h er a d i u so f t h er o u n dp a r ta n dt h er e q u i r e dp r e c i s i o ni sd e d u c e d ar o u n dp a r ti st a k e na sa l le x a m p l et ot u r nas q u a r ep r i s m ，w h i c hp r o v e st h ep o s s i b i l i t ya n dc o r r e c t n e s so f t h em o v e m e n tt h e o r y k e yw o r d s ：p o l y g o np r i s m ；e r r o ra n a l y s i sm u l t i - t o o lt u r n i n gn ct u r n i n g ；v e c t o rm o d e l i n g ；c o m p a r a t i v eh e l i xm o v e m e n t ；t o o ls p i l d l e ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；o p t i m i z a t i o n ；插图清单图1 1 旋转电动机与直线电动机驱动方式比较3图1 2 摆动式套车装置6图1 3 万能异形系统6图1 4 电磁吸铁驱动机构。8图l 一5 车铣径向平面示意图9图1 - 6 结构动力学分析模型1 l图2 - l 矢径图一i 4图2 - 2 速度矢量图一1 6图2 3 各标架间矢量关系1 9图2 _ 4 径向变速运动车削的平面矢量模型2 1图2 - 5 变角速度车削标架图2 3图2 - 6 变速切削的平面模型2 4图2 7 切削表面的轨迹曲线2 7蚓3 - 1 工”一x ：2 关系图2 9图3 - 2n v 关系图3 0图3 ，3g t 一口关系图3 0图3 - 4 ，z s 关系图3 0图3 5x i ”一x ：2 关系图3 2图3 - 6 一口，关系图3 3图3 7 一个周期内的轨迹图3 3图3 - 8 轨迹曲线的形状3 4图3 - 9 误差分析示意图3 4图3 一1 0 多刀车削时的轨迹图3 6图3 - 1 1 双刀车削误差分析示意图3 7图3 1 2 三刀车削误差分析示意图3 8图3 1 3 四刀车削误差分析示意图4 0图4 - 1 刀具轴部件的动力学模型4 4图4 - 2 轴承径向力的计算4 5图4 3 切削力的方向4 8图4 - 4 向心球轴承的弹性位移系数4 9图4 - 5h 。与玎的关系曲线4 9图4 - 6h ，与a d 的关系曲线4 9图4 7 三维8 节点等参元一5 0图4 - 8 刀具轴有限元计算模型5 8图4 - 9 刀具轴第1 阶模态振型5 9图4 1 0 刀具轴第2 阶模态振型5 9图4 1 l 刀具轴第3 阶模态振型5 9图4 1 2 光轴微元段的受力情况。6 0图4 1 3 弹簧的分布永意图6 1图4 1 4 考虑弹性支撵拜寸刀具辙网格划分和柏约聚后匏有 疑元模型一6 l翻4 1 5 刃具轴系统第1 阶模态振型6 2图4 ，1 6 刀具轴系统第2 阶模杰振型。6 2图4 - 1 7 刀其辘系统雾3 玲模褰摄型6 2图4 1 8 刀尖点j 向谐响应峰值曲线6 5图4 ，1 9 刀失点j ，向谐响应峰傻曲线6 6图4 - 2 0 刀尖点z 囱港蛹应峰德盛线6 6图5 - 1 刀具轴结构改进与优化过程6 7龌5 t 刀尖势变形樱慰于刀具籀跨距憨变诧趣线6 9图5 - 3 刀具辅固有频率相对刀其轴跨距弁勺变化曲线6 9图5 - 4 刀尖x 向谐响应峰值相对于跨距的变化曲线7 0图5 - 5 刀尖y 鸯谗璃瘦蜂篮榻对予跨瑟鑫奄变纯整l 线7 0图5 - 6 刀尖z 向谐响应峰值相对于跨距变化的曲线7 0图5 ，7 刀具轴嘲有频攀相对于刀盘质量变化的曲线7 l矧5 培z 向谐响应峰德相对于刀盘中质鬣交纯的鞠线。7 2图5 - 9y 向谐响应峰值相对于刀盘质量变化的曲线7 2塑5 1 0z 自谤稳应蜂敷掇对予刃鑫质量变诧躲趋绫7 2图5 - 1 1 刀尖静态变澎相对于轴向尺寸登化的曲线7 3图5 1 2 固有频率相对于轴向尺寸变化的d f | 线7 3盈5 + i 3 石自谐噙应蜂簸相对予轴两足寸交纯的潼线7 3图5 。1 4j ，向谐响应峰慎相对于轴向尺寸变化的曲线7 4圈5 。1 5z 自避睫应峰谯裙对于辘自尺寸变化的鼗线7 4图5 1 6 固有频率相对于前轴承刚度变化的曲线7 5图5 1 7x 向谐响应峰值相对。_ 前轴承刚廪变化的曲线7 5鹜5 8y 淘谐响应峰壤稳对予翦籀承弼壤变纯静麓线7 5图5 ，1 9 z 向谐响应峰值相对于前轴承刚度变化的盐线。7 5圈5 - 2 0 固有频率测试框图。7 7图5 - 2 1 实验缔栗。图6 1 机床设计系统框图7 8，8 0圈6 - 2 表嚣形成磊理弱图6 3 机床运动功能圈8 4图6 4 机床传动原理圈8 4盈6 - 5 机床整体结构筒圈。8 5图6 - 6 无级变速主运动链8 7蚕6 。7 基于d s p 魏运动控铡嚣s 8图6 8 基于d s p 的伺服控制系统框图8 9图6 0 多面体数控车削系统结构8 9图6 1 0 伺藏驱动器控铺方式，粥图6 1 l 动力头结构图。9 0圈6 。1 2 工谗蕊图+ 9 2图6 。1 3 刀尖阐转半径与误差问关系。9 3图6 1 4 撑极数控橙闰6 + i 5 工佟试韬。图6 ，1 6 试切后的工件舛舛舛表格清单表2 1 释轴间夹角表3 - 1 经商运动切削仿真结莱+袭3 2 变角速度车削仿真袭3 - 3 多刃车剡趋甥削壤漤袁4 1 滚动轴承中游隙为零时的弹性位移计算公式表4 - 2 备类轴承阻尼比的概略值。，表4 - 37 j 其轴斡瓣1 0 黔溺有频率及疆赛转遮表4 - 4 刀具轴部件的前1 0 阶模态频率( h z ) 袭4 - 5 落响应计冀结果。表5 1 改进设计前后刀具轴部件静、动特性对比，。+ ，2 2。，2 93 24 4 6，5 0，。，。，。，6 0，6 2+ ，。，6 5+ 。，7 6独创性声明本人声明所曼交蛉学位论文是本人在导魉搓导下溅行的碰究工幸# 及敷褥的磷究藏果。援我所知，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袭戚撰写过的蟋究成果，也不鬯禽戈获褥金撼王丝盍擞或其健教弯枧梅鲍学倥或证书蕊使爆过的材料。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作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名稳昧氧签字日期：伽年f 猬，目学位论文版权使耀授权书本学位论文侔嚣完全了据垒l 王些盔堂有关保窝、使弼学位论文熬趣定，有蔽僳磐辨向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被焱阅和借阅。本人授权盒磷王撼塞堂可以将学位论文毂全部或部分蠹容编入有关数据瘁进 检索，可| 美采用影印、缩印或掴描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密魄学位论文在嬲密后适用本授权书)学位论文作者熊名：待棒家签字e i 期：v 一捧f 周岁曰学位论文作者毕韭去自工作单位通讯她址导师签名柳期：衫洲月母电话邮编致谢蓬戴论支完裁之舔，谨氲骄膏笑心、支簿窝謦韵我魏老雾囊、弱学及袋友表示寝心静簿溅!论文是在导师赵韩教授的精心指导与关怀下完成的，在此向导师表示最衷心的感谢! 赵老瘴为我瓣立了为人秘漕学躲接嚣+ 将我；| a 规竣工赣学辩静褥究领域，为我的进步与藏绩倾注了犬慑的精力与汗水。在我攻读博士学位期间，在学业与生活上都得到了赵老师的热心荚悔。赵老螺学谈辫| 毒，思维开阔，治学严谨，在学零上寿缀涤的造诣。毽创造瞧戆秘学思维、深邃独到的见船使我备受启迪，并将受益终生，也必将激励我在今后的工作和学习中不凝拱搏遴敬。衷心感澎我的翔母张辉老露，在我攻读博士学位期闯，她在学习霸生活上给予我无微不歪的关怀。衷心感谢吴焱明老师，健在我学习帮生滠上给予了无私蛇荧悔，有了链的帮助，我才魃够顺利地究成研究生学业。是老师治学严谨、工作认囊、平易j 垃人、思维敏捷，是我学习的楷模。衷心感谢田杰老师、曹文刚老师、董玉德老师、王勇老师、李军鹏老师、张栋博士、萎廉博士、洱保林蹲士、李露蹲士、李延锋博士、蒋增强媾士、攀卫兵博士、戏赞徽博士、划琼博士、蹶先圣博士、朱凌云溥士、宋珲博士、部丽糟博士、沈颖硕士在我学习、生活和工作上的帮助。在整个求学期问，我的家人羊l l 女友自始至终给了我无私的帮助和关缎，在此表示由衷的感谢!衷心绺谢在酉忙之中抽出宝贵时间对本论文进行评阅和审t 义的专家学者们!徐林森2 0 0 6 年9 月第一章绪论第一章绪论l 。l 弓l 言在杭械襄造符鼗中，辊床是一静主要的生产设餐。2 1 世纪翻遮簸因覆稼帮绥熬全球亿帮需求的多样化，以及技术创新加快等多方面的压力，产品更新换代周期越来越短，多品种、中小批娥的生产比重明星增加；同时，随着航空工业、汽车工业和轻工业的快遗发展t 复杂影状豹零髂越来越多，糖凄要求也越寒蘧裹；魏辨，激燕戆枣臻巍争要求产晶黪疆裁生产周期越采越短，多样化、柔性化与复杂形状零件的籀效、高质量加工要求，使得传统的加工设备和方法难丁- 适应。而数控加工技术能够有效地解决复杂、精密、小批量、多燮零件的加工闽题，从露褥到了迅速发展和广泛黩弼，使制造技术发生了根本性交纯。2 0 年来，世界各国对翻造技术展哥了广泛深a 研究，先后提凄和发展了多释先进制造获零弛d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，a m t ) ，铝是集机械、电予、信息、材料、能源和管理簿各项先进技术而发展起来的高新技术，是发展国民经济的重簧推动力量1 1 - 9 1 。努力发展数控加工技术，弗蓦藩鬃次熬信怠纯、蠡动瞧、黍瞧纯、敏捷纯、瓣络纯蟊数字健襄| 逢方是撵遥，是兰囊蓍壤械制造业发展的方向2 t1 ”5 1 。数控加工技术是2 0 世纪4 0 年代后期为适应复杂外形零件加工而发展起来的一种自动化杰珏t 技术，其研究起源予飞机制造业。1 9 4 7 年，美国p a r s o n s 公司为了精确地毒造豢舞枫机翼、螺旋桨叶片和框絮等，提出了用数字信息来控毒l 税寐蜜动热工外形复杂零俘驹设想。弛稻利用电子计算机对机翼加工路径进行数字处理，并考虑刀具直径对加 二路径的影响，使得加工精度选剿o ，0 3 8 1 m m ，从当时的承乎来看该精度还遐相当高的。1 9 4 9 年美国空鬻为了能够在短对润肉露l 造出经黎燮更设计戆必麓零箨，p a r s o n s 公镯程塞誊瑾z 学藏( m a s s a c h u s e t t si n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ，m 1 t ) 侗服机械研究所合作，于1 9 5 2 年研制成功世界上第一台数控机床三坐标立式铣床，控制饿刀进行连续空间的曲面加工，揭开了数控加工技术的序幕【6 ”l 。瞧献数控极庆磷铡成功以来，人嚣j 裁一毒努力礤究复杂轮簿零俘数控车削l 丛及复杂零掌数控铙削加工技术，试图就这一随蹶提出一套完整的解决方案，缎由于软件和硬件豹限制，一直来取得突破性的进展2 1 - 2 4 。2 0 世纪8 0 到9 0 肆兰代以来，由于以下几方面的技术进步，给数控加工技术的研究淀入了新的活力，也带来了新的契机：一是计算工具与计算手段的飞速发震，使复杂、离精瘦、高难菠翦计舞帮复杂轮藤零传鼗控鸯嚣工鑫韵编程畿尧哥辘；二是诗算理论的新发展，微分几何和计算几何形成了完熬的体系，使复杂零件的建模、分析更加精确、严密；三是a m t 的研究，特别楚虚拟制造技术( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，v m ) 和系统仿真技术的逐凝发震，配合数据手套、数攒风溷等冬季孛廛攘设蚤，极大媲簿低了数控期王技术的测试成本。2合怒工业大学搏士学位论文数控加工技术中，数控车削加“f 是一种常见的加工方法。传统的数控车床襁轴、套、盘等翻转体零件戆；d n i 中占宥卡分重要静建位，在我髫有着广泛麴应弼。它谴揉俸者获繁熏静体力劳动中解脱了出来，提高了车削加工的进度和生产效率。1 2 数控技术国内外研究现状随着科学技术的发展。制造技术的进步，产品斌蓬和晶种多样化的要求日盏提高，中小批量生产的比重明显增加，健使机屎不断向蔚离效率、高质量、高柔性和低成零的方向发展。而且，数控机床作为柔性制造单元、柔性制造系统、计算机集成制造系统的基础设备，对其数控装置、数控系统、伺服驱动系统、检测监控以及机床制造技术等提出了更商的要求。以下几个方面可戳说孵数控技术和数控视床当游的发震承乎。1 2 1 数控装置数控装置静发展是数控技术纂f 数控祝臻发震的关键。电子元器件蒂j 计算技术的发震推动了数控装置的发展。最初的数控装溉使用电子管元器件，以后使用晶体管和印制电路板，发展妥2 0 遵纪年代寒鬻经嗣静小蕊模集成魄赣器件，这些帮是所谓静硬线鼗稳装置。2 0 世纪7 0 年代以来，随着计算机技术的发展，才山现了以小型计算机、微处理器为横心的计算机数控( c o m p u t e r i z e dn u m e r i c a lc o n t r o l ，c n c ) 装翟。当今宅己较广泛采弼，占据绝对优势，獒承平如下：( 1 ) 数控装鬟麴辙薤邂器斡c p u ( c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t ) 黾瘗8 谴掌眭增菠囊1 6 整黎3 2位，时钟频率由2 m h z 提高别1 6 m h z 、2 0 m h z 和3 2 m h z ，最近还开发n j 了6 4 位c p u ，并且开始采瘸壤羹搓令榘运算蕊片r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 俸为c p u ，使运冀速度得到进一步提高。此外，大规模和超大规模集成电路和多个微处理器的采用，便数控装鼹的硬搀结捣标准纯、模块健秘燧用键，使数控凌可搬撵需要进行缓台秘扩聂。f 2 ) 数控装置配备有多种遥控和智能接翻，如r s 2 3 2 c 串行接口、r s 4 2 2 高速远距离申行接墨鞋及d n c ( d i s t r i b u t e d n u m e f i c m c o n t r o l 绫d i r e c t n u m e r i c a l c o n t r o l ，分毒式数控或计终援盥接数控) 接口等。配备d n c 接口，可以实现几台数控机床之间的数据通信，也可以直接对几台数控攫臻进行控裁。此夕 在数控装嚣中采用m a p ( m a n u f a c t u r i n g a u t o m a t i cp r o t o c o l ，鱼魏鳇制造协议) 等高级工业控制网络或e t h e m e t ( 以太网) ，为解决不同类型不同厂家生产的数控机床的联网芹眭数控机床遴入柔性铝造系统f m s ( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) g f l , t 算规集成皋4 造系统c 1 m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y a e m ) 等制造系统创造了条件。8 ) 数控装置具有庭好的操作矬糍。装鬟上设置了很好的人挑界嚣，普遍采用薄膜按键，减少指示灯和按键数量；大量采用菜单选择操作：彩色c r t ( c a t h o d er a yt u b e ，阴极射线管)摄示器，不仅显示字符、平厩图形，还能显示三维动态立体图。这样馒操作越来越简便。h ) 数控装置的可靠惶大大提高。大量采用高集成度芯片、专用芯片及混合集成式电路，第一章绪论3减少了元器件数量。电子元器件采用表面安装工艺s m t ( s u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y ) ，实现三维高密度安装。这样提高硬件质量，降低功耗，极大地提高了系统的可靠性，使得数控装置的平均无故障时间m i b f ( m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e s ) 达到1 0 ，0 0 0 3 6 ，0 0 0 小时。( 5 ) 2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初出现了c n c 系统的开放式体系结构，其硬件、软件和总线的规范均是对外开放的，为数控设各制造厂家和用户二次开发出具有各自技术特色的系统提供了有力的支持。1 2 2 进给伺服驱动系统目前，高速电主轴技术和直线电机进给伺服单元技术是进给伺服驱动系统技术的重要研究内容阢3 ”。( 1 ) 高速电主轴技术高速电主轴是实现高速加t 的主传动部件。它将机床主轴与电机轴合二为一，使电机与机床主轴之间不再有皮带或齿轮传动，而是采用也气直接驱动，其最高转速一般在1 0 ，0 0 0 r m i n 以上，有的高达6 0 ，0 0 0 1 0 0 ，0 0 0 r m i n ，国产加工中心最高转速已达1 8 ，0 0 0 r m i n ，数控车床主轴达到8 ，0 0 0 r m i n 。电主轴具有如下主要特点：机械结构简单，转动惯量小，因而快速响应性好，能实现很高的速度、加速度和定角度的快速准停。采用交流变频橱速和矢量控制，输出功率大，调速范围宽，功率扭矩特性好。它可以作为独立功能部件单元实施专业化、系列化生产。( 2 ) 直线电机进给伺服单元技术传统的数控机床直线进给轴广泛采用滚珠丝杠螺母机构的机电驱动，为了满足高进给速度的要求，2 0 世纪9 0 年代初大多采用大导程滚珠丝杠，以提高进给电机转速。目前，直线电机迸给伺服单元已进入工业应用，使现代高速数控机床趋向采用直线电机直接驱动。产生进给力的直线电机带动机床滑板运动，具有很高的调节频带宽度、很高的定位精度和重复定位精度、高的移动速度和高可靠性。图1 - 1 所示为旋转电机与直线电机驱动方式的比较。a )b )图卜l 旋转电动机与直线电动机驱动方式比较a ) 旋转电动机驱动方式b ) 直线电机驱动方式1 2 3 数控机床的工况检测、监控和故障诊断现代数控机床上装有工件尺寸检测装置。对工件加工尺寸进行定期检测，发现超差则及时发出报警或补偿信号。还有红外、超声发射等监控装置，对刀具工况进行监控，遇有刀具4合肥工业大学博士学位论文磨损超标或刀具破损，能及时报警，以便调换刀具，以保证加工产品的质量。目前c n c 系统中已经采用了开机诊断、运行诊断、通讯诊断和专家系统的故障自诊断技术，对故障进行自动查找、分类、显示、报警，便于及时发现和排除系统的故障。1 2 4 先进的机床制造技术数控机床的制造一般是小批量生产，世界各主要机床制造公司采用的设备几乎全部是数控机床和加工中心，柔性生产系统f m s 也有应用。如大隗铁工的可倪工厂( 1 9 9 1 年投产) ，机加工车间有9 条f m s 生产线，每条f m s 生产线由3 5 台加工中心或数控机床以及机器人、自动立体仓库与自动制导运输车配合的工件停放台和随行夹具上安装的工件的工作台等组成。1 2 5 我国数控技术的现状“。”。”3从2 0 世纪5 0 年代末期逐步发展起来的中国数控产业三起三落，经过近几年来的不断调整、优化、重组、开拓，正渐入正轨。自2 0 世纪8 0 年代改革开放以来，国家对数控技术和数控机床的发展非常重视，目前国产数控系统己取得重大突破，基本掌握了关键技术。国家“八五”科技攻关开发出华中i 号、中华i 号、航天i 号和蓝天i 号4 种基本系统，建立了具有自主版权的数控平台。上海开通有限公司的k t 系列数控系统和步进驱动系统、北京凯恩帝数控技术有限公司的k n d 系列数控系统、广州数控设备厂的g s k 系列数控系统等采用了上述国产c n c 平台。这些产品功能齐全、价格低廉、可靠性好。我国有数控机床生产厂1 0 0 多家，数控系统( 包括主轴和进给驱动单元) 生产企业约5 0 家，生产数控机床配套产品的企业3 0 0 余家，产品包括八大类2 0 0 0 种以上。我国数控系统分为三种型级，即经济型、普及型和高级型。2 0 世纪8 0 年代以来，我国数控机床的发展主要经历了两个阶段：“六五”、“七五”期间的消化吸收引进技术：“八五”期间科技攻关开发自主版权数控系统。到了“九五”期问，数控机床发展已进入实现产业化阶段。具体成果包括如下几个方面【i 】：( 1 ) 数控机床新开发品种3 0 0 个，已有一定的覆盖面。新开发的国产数控机床产品大部分达到国际2 0 世纪8 0 年代中期水平，部分达到2 0 世纪9 0 年代水平，为国家重点建设提供了批高水平数控机床。( 2 ) 在数控机床制造技术方面也有所突破。首先解决了可靠性指标问题，“八五”末期我国数控机床的m t b f 只有2 0 0 h ，经过这几年的努力，现在已达到4 0 0 h ( 国外5 0 0 h ) ，增长幅度达1 0 0 。第二，主轴转速由4 ，0 0 0 r m i n 达到1 0 ，0 0 0 r r a i n ，解决了由于这一关键技术指标低，造成大量进口国外数控机床的问题。目前，这一技术的产品也已小批量生产。第三，坐标进给速度由“八五”末期的1 5 m r a i n 达到4 0 m m i n ，达到了国际水平。第四，加工中心换刀速度由“八五”末期5 8 s 达到1 5 - 3 s ，也接近了世界先进水平。( 3 ) 在数控系统方面，首先解决了结构性的初步转换。第二，提高了数控系统的可靠性指标，m t b f 由5 ，0 0 0 h 达到2 0 0 0 0 h ，这一指标使国产数控系统达到国际先进水平，基本解决了第一章绪论5国内用户生产企业的离标准要求。弼时，我国国产数控系统已具螽批量生产能力，市场品牌连在逐步瓣立。以上这些成果为我国数控机床的臼行开发和出产奠定了基础。l 。3 爨形截垂静熬工技术及发震在制造机械零件方面，不论是过去还是现在，蒋眼点总是把如何提高零件的加工质量、生产效率以及廉价地制造山零件为主耍目标，而提高零件加工精殿是提高零件质掇及延长零 牛使用寿套的关键途戆。在工程设计中，一些视械零梓，为了满足其新需的工作性能鬻隶，截面影状常设计成非圆形，如多面体、凸轮轴、多边形轴、曲轴、活塞缚。与常规的圆截面零件相比，非圆截面零件在特定场合卜具有独特的优越性。溅麓生产静不蘩菠震，菲霾截掰零 孛螽占静 t 爨霜盏瑶鸯霾，为了这至洼能要袭，其热工精度耍求也随之提高，而相应的非圃截面零件紧密商效加工技术也成了当今加工技术研究的热点。本文研究数控市削多面体的运动机理。l 。3 1 翱工方法及特点髯影截面零髑：通常的加工方法宥 3 l3 s 1 ：直接成形法如铸、锻、弹等，是髯形截面零件成形的主要方法，但由于其制造精度较低与表面粗檄度值较大，举能满足异形截丽零件的精加工要求。特种加工如线切割、电火花、激光加工等。因其效率低、成本高且不能加工轴向截瑟复杂形获的零 牛蕊使箕痘蔼受嬲一定麓浆割。运动台或法是获搀离精瘦髯形截嚣零件的主要途径。在生产中，车、铣、例、磨等是最常见的运动合成切削加工方法，都能加工出一定复杂形状的零件。在这些方法中，铣削和刨削加工精度较低，只能用于粗加工和对零释表纛遴度要求甭裹鹣场台。蘑錾趱王是露琢戆精密船工方法，爨套铰裹的生产效率，逛普通的蘑削加工由于砂轮上磨粒具有穰大的负前角，切削厚度，j 、，静粒易磨钝，切屑易堵塞砂轮，磨削力大、温度离，且难以胜任磨削曲率变化火的工件表面，故使其应用受到了一定限制。1 3 2 车澍热工一般的车削过程，零件的形状袭面由车刀刀刃相对工件的运动轨迹包络而成，整个切削过程是以工件回转，车刀以零件的横截面轮廓为轨_ i 娆相对王件的阐转中心线平移而成。车削鞋刀嚣毓涟浍王謇 援裁瑟是菲睡鹭线，沿工搏辘囱蠛霹| 冀币是莲蕈嶷线。异形截面工件的车削方法主要有两种：( 1 ) 机械式运动合成法根据运动合成特点的不同，该类车削可分为套车法、偏心法和周转轮系法等。套事法加工时，让车刀绕工俘蔫速豳转班形戚烹运动，两工侉贝l j 根据需要与刀具的回转6台肥工业大学博士学位论文平丽形成交角8 ( 图i - 2 ) ，并沿工件轴线方向进给，便可得椭圆截形工件。大连组合机床研究搿礤朝豹z h s t 7 3 寇残单毒垂套车热王装置中，醚鬟寄虿摆动静襄率头纛刀盘( 强1 - 2 ) 。由摆囊套车头和刀具径向运动机构一起加工出变椭圆、轴向中凸型线和锥形型线等。对于标准椭圆工件的加工，套车法在加工效率与加工精度方面都能取得较好的效果。而对于非标准椭圆工俘，糍车法无为力。膝卜2 摆动式套牢装置主述方法嚣在专瘸李瘩上实袋辩形裁垂豹鸯莛工，箕霞点蹩：露鞋获霉较蹇 孽生产效辜；可以获得较高的加工精度。缺点是柔性差，一种机床只能加工同一类型的异形截面工件，不适成多品种小批量生产的需要。( 2 ) 靠模仿形车粼法鞋瑞士s i m 厂生产的t p 0 1 5 0 金石嚣搂车床为倒，它包括捷工活塞裙部中凸型线、椭隧以及话塞头帮外形的三个独立辊构。热工褫都中凸型线掰中凸仿形辊构加工椭圆时则采用变杠杆比凸轮仿形机构，加二l ：活塞头部时使用斜面仿形的后刀架。沈阳第一机床厂生产啦s i 2 4 0 及s i 2 4 0 b 型活塞外澎车床，, f i n 用零件平面靠模檄来完成活塞努形袭嚣豹翅工。髫1 - 3 瑗示筵多棱褴缒滚压蕊影车潮系统。隧1 - 3 万能髯澎系统1 泵站2 + 仿形刀架3 + 镧黢溷4 ，样件拖絮筇一章绪论7与机械运动合成车削法相比，纛横仿形车削法的优点是：适应的加工范围较广。对于不弱鼹器形藏器工件，哭零更磬靠援褒可遴毒亍撩王。因l 龟，靠禳傍形法宠成多耱雾形鼗垂工件的车削加工；v 酊实现大进给鬣的切削，具有较高的；h n - r 效攀；适合于异形零件的粗、半精加工。出于此类赧工方法程嚣要硬靠攘柬控制切削运动，叉要一系列揍形辊掏米驱渤刀具进绘运动，系统结擒较复杂，麸两导致如下缺点：确瘛速度低，不遗含于异形截西工件的高速加工，允许主轴转速一般为7 0 0 8 0 0 r m i n ；更换工件的类型时，需重新设计或鞭换硬靠模，生产准备周期长；靠模使用一段丑寸间后，因磨损黼要修整或更换，使产品成本增加；加工范黧蠢陵，当工锌形状复杂薅，璃乎嚣靠摸燕甄较穰确遗菝台爨车凝运杼虢逡，瑟髑遥立体靠模肖一定的困难，因此难以加工复杂的异形截丽工件；加工精度受进给伺服系统及靠模的各种瞑差因素影响，难以获得较满的精度。以上嚣秘方法已逐步由数控车削法取代。1 3 ，3 数控车潮船工异形截面技术的发展数控加工异形截面是借助丁：计算机技术，将异形截面尺寸参数完全数据化，由计算机自动转化成数学模型，形成所谓的“数警化靠模”，生成的数控数据称为“软靠模”，由计算机稷撵“较纛模”控嘉l 麓王遵疆。诗黪撬壤蠢刀尖夜工件土熬实嚣部位，控麓刀灸运动强鹜纸所要求的径向位置上，完成对异形截面零件外部形状的加工。软靠摸车削加工的遮种方式在使用过程中不会存在因为靠模磨损而造成的加工误瓣，重复加工精度高，具有较大的柔性，舞两e 较逶建予巽形蕺露零磐魄快速改进。8 0 年代初期，嗣扑歼始研制异形截面工件的数控加工车床，又称为无凸轮加王车床。英国a e 粲团投资5 0 0 万藻镑用于活塞自动加工线，其中最关键的设祷就是加工非圆活塞的数控车床。该车床用金剐石率刀一次成形游塞亟，其主轴转速达2 5 0 0 r m i n 。同时，a e 公司设计豹这台橇窳开割了设毒卡簸耨纪元，禹为它蓄凌提密了笼靠模热1 这一概念，著爨麓予m o t o r a l a的1 6 位高速处理器实现了无硬靠模椭圆加工系统( c a r e l e s so v a lt u r n i n gs y s t e m ，简称c o t s )的c n c 车床。日本株式会社大隈铁工所研制的b l 9 m c a m 非圆数控车床，加工非圆形活塞时，主鞍转速离达3 0 0 0 r f m i n 。与簧统的凸轮、渡压糖形等翅工方法耜魄，热工效率提麓三 立强上。该数控机床只需要修敬控稍程序，便可以实现各种辩形截面工件的自动车渤。在加工椭圜度为o 3 m m 的工件时，加工精度可达2 5 “m 。日本龙泽铁工所研制的t p s 一3 0 0 0 c n c 车床采用了专用驰电磁驱动伺服枫梅来完成舅澎截面车削时鲍高速往复进绘运动，以获褥微米级的进涪运动控制秘较高静桶斑速痉 3 7 - 3 9 目前有一些公司采用了安装了快漶刀具进给驱动机构( f a s t i n g t o o ls e r v o ，f t s ) 的金刚石车床 3 9 - 4 2 】。采用软靠模加工技术实现或部分实现了异形截面零件车削加工的f t s 驱动机构包括：压电式瓣动援擒、电戳式驱魂规掏、魄援驱羲援梅以及毫线龟辊疆动撬橡等。8合肥工业大学博士学位论文压电晶体因其具有响应速度快、响应性好、响应频率高以及输出力大，可以达到很高的分辨率以及其装置相对也比较小等优点，使得它在现代制造工业中有极广泛的应用，尤其是在一些高精、高速的加工机床中的应用。常见的压电驱动机构产品中多采用p z t ( p i e z o e l e c t r i ce f f e c t so f z i r c o n a t et i t a n a t e ) 作为激励器。现已有一些研究机构对提高机床f t s 的性能进行了研究，如：c i n c i n n a t im i l a c r o n 完成的智能加工台，m a t i nm w r i t t a 研制的新一代控制程序以及l a w r e n c el i v e m o r e 国家实验室开发的新型f t s 4 3 4 5 1 。但由于压电晶体存在非线性( n o n 1 i n e a r i _ c y ) 、滞后性( h y s t e r e s i s ) 、频率漂移( c r e e p ) 、温漂( t h e r m a lv a r i a t i o n ) 、在外力作用下有伸缩、寿命短等物理特性【4 ，这些不