（材料加工工程专业论文）个性化树脂镜片数控加工设备的研究.pdf

个性化树脂镜片数控加工设备的研究 摘要 近年来，人们对镜片的外观要求越来越高，个性化镜片已经成 为镜片行业发展主流。树脂以其质轻、抗冲击力强、透光性好、成 本低等独特的优点在镜片材料中得到广泛应用。因此，为满足市场 的需求，对个性化树脂镜片的先进制造技术及加工设备提出了更高 的要求。 个性化树脂镜片要求加工设备适应镜片表面形状的动态变化， 拥有在很短的开发周期内，生产出较低成本、较高质量和不同品种产 品的能力。随着数控技术的迅速发展，数控机床给机械制造业带来 了革命性的变化，数控加工以加工柔性好，加工精度高，生产率高， 减轻操作者劳动强度，改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以 及经济效益的提高等众多优点备受加工制造者们的亲睐。本文介绍 了一种新型的镜片加工数控设备，它打破了传统的砂轮磨削镜片思 维，以割代磨，加速了加工镜片设备的数字化，满足了市场需求。 本文首先根据加工工件的形状、尺寸、精度、材料特性等实际 使用要求，对数控镜片切割机进行了功能规划和总体方案设计，在 对机械结构进行设计的过程中，主要对滚动直线导轨和滚珠丝杠螺 母副进行了计算、校核，确保了机械传动部件的精度和刚度，使之 满足系统的要求；个性化树脂镜片表面是由复杂曲面构成，利用激 光扫描仪对其进行扫描，为后续的虚拟仿真加工提供c a d 模型；对 镜片进行数控加工模拟，检验切削模拟无误后，产生n c 程序；对数 控镜片切割机的主要部件进行结构设计并得出理论误差模型；最后， 对关键的零部件进行有限元分析，通过利用a n s y s 软件对镜片毛坯 模型、旋转工作台等重要部件进行静力学和动力学分析，达到优化 设计的目的。 关键词：个性化，数控设备，自由曲面，数控加工，有限元 p e r s o n a l i z e dr e s i nl e n sn c p r o c e s s i n g e q u i p m e n tr e s e a r c h a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ea p p e a r a n c eo ft h el e n s e sh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l y d e m a n d ，p e r s o n a l i z e dl e n sd e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r yh a sb e c o m em a i n s t r e a m r e s i ni sw i d e l ya p p l i e di nt h el e n sf o ri t sl i g h tw e i g h t ，s t r o n gr e s i s t a n c e ，g o o d l i g h tt r a n s m i t t a n c e ，a n dl o wc o s ta d v a n t a g e so ft h eu n i q u em a t e r i a l s t h e r e f o r e ， i no r d e rt om e e tm a r k e t d e m a n d ，p e r s o n a l i z e dr e s i nl e n s e so fa d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g ya n dp r o c e s s i n ge q u i p m e n th a sp u tf o r w a r dh i g h e r r e q u i r e m e n t s p e r s o n a l i z e dr e s i nl e n s e sr e q u i r ep r o c e s s i n ge q u i p m e n tt h a ta d a p t et ot h e l e n ss u r f a c es h a p eo ft h ed y n a m i c c h a n g e s ，p r o d u c el o w e rc o s t ，h i g h e rq u a l i t y o fd i f f e r e n tv a r i e t i e so f p r o d u c t si nav e r ys h o r td e v e l o p m e n tc y c l e w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fc n ct e c h n o l o g y ，c n c m a c h i n eh a s b r o u g h t r e v o l u t i o n a r yc h a n g e si nm a c h i n em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y c n cm a c h i n i n gh a s b e i n gt h em a n u f a c t u r e r sp r o 。g a z ef o ri t sf l e x i b l ep r o c e s s i n g ，p r o c e s s i n go f h i g h p r e c i s i o n ，h i g hp r o d u c t i v i t y ，r e d u c i n go p e r a t o rl a b o r i n t e n s i t ya n di m p r o v e w o r k i n gc o n d i t i o n s ，m a k i n gt h em o d e r n i z a t i o no fp r o d u c t i o nm a n a g e m e n l i m p r o v i n gc o s t - e f f e c t i v ep r o c e s s i n ga n dm a n yo t h e ra d v a n t a g e s t h i sp a p e r i n t r o d u c e san e wt y p eo fl e n sp r o c e s s i n gn u m e r i c a lc o n t r o le q u i p m e n t w h i c h b r e a k st h et r a d i t i o n a lt h i n k i n gl e n sg r i n d i n gw h e e lt oc u to nb e h a l fo f g r i n d i n g ， h a sa c c e l e r a t e dt h ep r o c e s s i n go fd i g i t a ll e n se q u i p m e n tt om e e tt h em a r k e t d e m a n d i nt h i sp a p e r , f i r s to fa l i ，c n cc u t t i n gm a c h i n el e n s e sw e r ef u n c t i o n a l p l a n n i n ga n do v e r a l lp r o g r a md e s i g na c c o r d i n gt ow o r k p i e c e s h a p e ，s i z e ， a c c u r a c y ，m a t e r i a lp r o p e r t i e s ，s u c ha st h i sa c t u a lu s er e q u i r e m e n t s i nt h e p r o c e s so fd e s i g n i n gt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，i no r d e rt om e e tt h es y s t e m r e q m r e m e n t s ，m a i n l yc a l c u l a t e da n dc h e c k e do nt h er o l l i n gl i n e a rg u i d ea n db a l l s c r e wp a i rt oe n s u r ep r e c i s i o na n d r i g i d i t yo f t h em e c h a n i c a ld r i v ec o m p o n e n t s p e r s o n a l i z e dr e s i nl e n ss u r f a c ei sc o n s t i t u t e db yt h ec o m p l e xs u r f a c et h a tu s et h e l a s e rs c a n n e rt os c a ni tt o p r o v i d ec a dm o d e lf o rf o l l o w u po fv i r t u a l s i m u l a t i o n ；s i m u l a t e dl e n sb yn cm a c h i n i n ga n dg e n e r a t e dn cp r o g r a ma f t e r a n a l o g g i n ga c c u r a t ec u t t i n gt e s t ；d e s i g nt h es t r u c t u r a lo fm a i nc o m p o n e n t sf o r c n cc u t t i n gm a c h i n el e n s e sa n dc a m et ot h et h e o r yo fe r r o rm o d e l ；f i n a l l y ， a n a l y s i so ff i n i t ee l e m e n tt h r o u g ht h eu s eo fa n s y ss o r a r e ，a n da c h i e v et h e p u r p o s eo fo p t i m u md e s i g nb yu s i n gs t a t i ca n dd y n a m i cm e c h a n i c a la n a l y s if o r l e n sr o u g hm o d e l ，r o t a r yt a b l ea n ds u c he s s e n t i a lp a r t s k e y w o r d s ：p e r s o n a l i z a t i o n ，c n ce q u i p m e n t ，f r e e f o r m s u r f a c e ，c n c m a c h i n i n g ，f i n i t ee l e m e n 个性化树脂镜片数控加 ：设备的研究 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。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科研成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 豇掏 日 期： 2 q q 窆生舌旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和；1 2 编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：壹蔓址导师签名：t 组日期：2 q q2 生月 1 绪论 1 1 课题的目的和意义 齄着经济的发展，在全球范围内卖方市场逐渐转化为买方市场，顾客成为 市场的主宰。在社会消费水平不断提高，消费观念不断更新的同时，市场需求 不仅b 趋多样化，顾客需求的个性化趋势越来越强烈。在激烈的市场竞争中， 企业须根据顾客的不同要求生产出符合他们需求的个性化产品。 在追求生活品质的今天，人们对外表的装饰要求也越来越个性化，个性化 成为时尚的核心。眼镜、太阳镜等不是简单的矫正视力、保护眼睛的工具，它 还被赋予了时尚、美观、个性等多种元素，展现配戴者的风采，因此眼镜逐渐 变成了人们生活中体现个人风格的特殊饰品。 光性好、成本低，在制造加工镜片、眼罩等箱 款顺应现代人喜好的高品质镜片它在设计上 活理念，这款产品以树脂为基本材料，超轻、 的抗冲击性能，展现自我的个性风采。在对枉 科技、个性化的同时，对树脂镜片的加工设名 啷 图1 1 个性化太阳镜 够任意选择镜片形状，而不必遵从传统镜片翁。9 1 一。”。8 0 。8 1 1 2 。o3 “9 1 8 8 8 。8 喜好在镜片上打孔、雕刻花纹等，满足时尚人士的个性化需求。 目前加工树脂镜片的设备主要采用磨削工艺，从镜片毛坯到成品，生产周 期很长，原材料也很浪费，这种传统的树脂镜片加工方式严重阻碍了树脂镜片 市场的发展。如果采用先进的铣削加工方式代替传统的磨削工艺，可以一次成 型镜片轮廓形状；如果建立柔性化的生产系统，可以大大提高了生产效率和市 场竞争力。传统的产品加工通常都足采用普通的万能机床，在工件形状复杂或 精度要求很高的情况下，不采用专门的工艺装备就无法保证所要的形状和精 度。随着先进制造技术的迅速发展，c a d c a m 、数控技术已开始广泛应用到 各行业的产品设计制造之中，并发挥了巨大的作用。在实际应用中，一般意 义上的c a m 主要是指利用计算机直接进行加工制造、生产过程控制的技术系 统，其中，数控机床( n u m e r i c a lc o n t r o l ，n c ) 是一种能够根据预先编好的一 系列指令，实现对各种尺寸或各种形状的复杂工件进行锯、铣、刨、磨、钻、 车等多种不同加工方式的机床。经过几十年的发展，n c 已经从识读器时代进 了计算机数控( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l ，c n c ) ，它是一台独立的微型 计算机来控制其运行，又称加工中心( m a c h i n i n gc e n t e r ，m c ) 。数控机床给机 陕西科技大学硕士学位论文 械制造业带来了革命性的变化。近年来，随着数控技术的发展和数控机床在工 业领域的广泛应用，数控机床应该满足以下要求：即有良好的静、动刚度；有 更小的热变形；机床各进给运动部件具有良好的低速运动性能；机床结构布局 应有良好的人机关系( 如面板、操作台布置位置等) 和较高的环保标准【，】。数 控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强 度，改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。 因此，借助先进的制造技术和工艺，以计算机辅助设计、制造为手段，以 专用数控设备为支撑，集树脂镜片的设计、加工一体化，大大缩短了镜片的生 产周期，提高了镜片的质量，加快了产品的上市时间。 1 2 镜片加工设备的现状及发展趋势 目前，镜片的机械加工方式主要有磨削加工工艺和切削加工工艺，在镜片 磨削设备方面，国内眼镜店主要对树脂镜片半成品进行的磨削加工，磨削设备 大部分仍采用半自动化的纯机械仿形机加工，几何形状单调，普遍存在样片磨 损大，加工精度低，眼镜的整形、修改需重新制作样片，更换周期长，修改外 形极不方便，操作工人劳动强度大，品质难以保证等缺陷，已不能适应个性化 市场的需求。另外，打孔、开槽等工序需要把磨削好的镜片再装夹定位，影响 了加工精度。19 9 7 年9 月宁波明星科技发展有限公司成功开发国产第一台自动 镜片磨边机l e 5 。l e 5 自动磨边机填补了国产自动镜片磨边机的空白，为国 产眼镜设备产业的快速发展作出了贡献，并以磨片速度快、精度高、性能稳定 可靠赢得了眼镜行业客户的一致好评。国产全自动磨边机m 3 0 7 7 0 9 配备专业 p c 轮以及p c 磨削专用程序，通过程序自动控制在磨片时前水、后水的转换， 增加了尖边抛光功能。 2 0 0 4 年国外多功能磨边机m e 10 0 0 安装有被称为多功能单元的特殊部 件，具备有三维倾斜开孔加工功能，可进行多孔加工，孔的形状可任意选择， 干变万化。通过孔形设计软件还可以设计出无数个性化孔形，最近，根据使用 者对眼镜个性化的要求，磨边机制造商将镜片与孔形设计组和在一起，这样可 以设计、制作出个性化的眼镜。日本尼德克( n i d e k ) 最新的l e x 10 0 0 全自 动磨边机经过严密的数学计算和高精度机械加工，达到了高弯镜片的加工要 求，成为全球领先的可以加工极限高弯镜片的高科技产品 4 1 。 在镜片切削设备方面，深圳市优科达科技有限公司研制生产的 y k d 一6 5 1 6 a a 型双头高速切割机是针对于客户要求之速度，产量而专门设计开 发的一款机型，本机可在同一时间完成同样的两个单件产品，也可以两个z 轴 2 不同时加工同一个工件成倍提高加工速度广泛应用于镜片，切割行业，每天 生产镜片高可达3 0 0 0 0 片，为一款实惠、经济的机型品种。深圳市伽蓝数控机 床有限公司研制的第三代c n c 数控电脑四 轴裁片机可以切割镜片外形、打孔( 圆孔、 钻石孔、椭圆孔) 、铣槽、雕刻文字、图案 等。可加工4 0 0 弯到1 0 0 0 弯的球面，柱面， 双弯等镜片；可以加工手动车片机所不能车 到的许多复杂图形镜片，且误差小，一般误 差在0 1 m m 左右，是替代传统机器加工的 必备品：可以加工一体风镜片、无框架片、 材质从p c 到a c 、c r 3 9 等多种不同的镜片。 可自动更换刀具，机器的刀库里有5 个刀 位，可根据加工需要自动更换刀具，再复 杂的镜片也能一次完成。东林数控有限公 司由资深机械设计师，专业软件设计师研 发而成的d l - 1 6 0 0 型电脑切片机，如图 1 2 所示，集精密机械，电子技术，计算 机技术等一体，吸取镜片加工存在的问题 及经验进行改善，现以在深圳，东莞，浙江 等地大中型眼镜厂使用，得到了客户的充 分肯定，现己具备了专业的太阳眼镜镜片 加工最先进的技术，能加工各种材料镜 片，各种弯度，单球面，柱面，双弯面， 非柱面，打孔，v 型，t 型，雕刻，斜边 一次完成。 意大利b i e m m e p is i s t e m i 公司园 图i 3j o k e r 五轴加工中o 为市场需求及将来的发展，以高生产力 f i 9 1 3j o k e rf i v e a x i s 及多用途为目标，设计出现今最先进的r o a c h i n i n gc e n t e r 五轴镜片成品j o k e r 加工中心，如图1 3 所示，对于生产镜片如单一风镜片、 双片、球片、圆柱片等都能在全自动生产模式下操作。五轴加工中心垂直切削 主轴最高达3 6 0 0 0 r p m ，自动换刀9 把，支持镜片弧度0 弯到1 6 0 0 弯，包括切 削、雕刻、钻孔等多种加工模式。 目前血轴加工系统是山工控电脑及高速多轴运动控制卡及五轴切割软件 陕西科技大学硕士学位论文 组成。执行部分采用三菱或富士伺服电机及定位驱动器。该系统可以直接读取 m a s t e r c a m 生成的n c 文件；可接受d x f 、p l t 等其他c a d 数据格式；机械i o 检测接口、电子感应接口；各轴实时位置显示；加工速度可调；具有工件 模具加工功能；轨迹显示和刀路补偿；安全保护。 树脂镜片的切割技术近几年发展迅速，从镜片裁片技术到现在的五轴联动 数控切割技术，数字化技术起着不可估量的作用。国外近几年研发的五轴数控 切割机均能满足加工各种形状的镜片，而且可以做到镜片轮廓切割与打孔一次 性完成，比如镜片切割雕铣机k r p 4 以铣削镜片代替了传统的磨削加工，运动 定位精度o 0 1 3 0 0 m m ，重复定位精度o 0 0 5 m m 3 0 0 m m ，五轴镜片切割机选用 更为人性化的控制系统，配合计算机平台，直接接受世界顶级c a d c a m 软件 ( 如u gp r o em a s t e r c a m 等) 的原装后处理，简单易学，操作方便快捷。机 床主体采用高品质铸铁主体结构，保证了机床的良好的刚性和吸震效果；所有 铸铁件经过高频回火处理，防止了机械随时间的推移而发生的形变，高精度高 转速大功率的电主轴，使机床具有高效率高质量的切削效果。这一切为机械快 速位移的精密度奠定了基础。 随着人们对个性化镜片的不断追求，高弯度镜片、小尺寸镜片、雕刻装饰 镜片逐渐形成时尚，以人为本，设计加工出最符合使用者要求的镜片，是今后 重要的研究课题。这就促使加工镜片的设备在短时间内需要不断发展、不断发 生突破性变化，以迎接挑战，满足市场需求。 1 3 研究目标和内容 本课题研究的目标是设计一种用于切割树脂镜片的小型数控机床，以 c a d c a m 技术为镜片设计、刀具轨迹的生成及仿真提供技术保障，以现代数 控系统为此数控设备提供技术支持，适应了激烈的市场竞争对产品加工低成本 的要求，也为了迅速提高国内镜片数字化加工水平，因此对新一代镜片数字化 加工技术的研究具有非常现实的意义。 本课题的主要研究内容有： ( 1 ) 镜片数控切割机的总体方案设计：通过分析被加工制件的精度、形 状、材料等，确定机床的技术参数，包括主要尺寸规格、运动参数和动力参数； 结合制件与刀具的相对位置关系，确定机床的布局设计，包括工艺设计、运动 分配和外观造型。 ( 2 ) 基于镜片c a d 模型的虚拟加工：个性化树脂镜片外表面由复杂自由 曲面构成，通过激光扫描仪可以反求出镜片形状，生成实体模型后在p r o e 4 个性化树脂镜片数控加工设备的研究 软件中设计出理想的个性化镜片模型，通过i g s 通用接口导入m a r s t e r c a m 软件 中进行虚拟仿真加工，生成刀具轨迹路径并生成n c 程序。 ( 3 ) 镜片数控切割机的主要零部件结构设计：通过结构分析和功能规划， 对x 、y 、z 、a 、c 三轴两旋转运动系统分别进行结构设计，重点对主轴和镜 片的装夹系统进行设计，利用p r o e 建立数控镜片切割机三维模型( c a d 造 型、虚拟装配) 并进行理论误差建模。 ( 4 ) 主要结构的有限元分析：对树脂镜片毛坯进行静力学分析；对旋转工 作台在重力作用下进行静力学和动力学分析，以验证结构合理性。 1 4 关键技术及创新之处 1 4 1 关键技术 树脂镜片的毛坯是半成品，并且毛坯表面是由复杂曲面构成，要加工出理 想的树脂镜片成品，首先需要得到树脂镜片的复杂自由曲面，生成c a d 实体 模型，以便于后续的虚拟仿真加工。 反求技术是针对现有三维实物( 样品或模型) ，在没有技术文档的情况下， 利用三维数字化测量设备准确、快速测得轮廓的几何数据，并加以建构、编辑、 修改生成通用输出格式的曲面数字化模型，再送入通用c a d c a m 系统中，作 进一步的处理，从而生成n c 加工路径，最后复制出实物或其原型的过程。作 为一种技术引进、新产品开发的重要手段，反求工程正受到广发的重视。其中 实物数字化及模型重建技术是反求工程的关键技术 s l 。 三维数据的采集方式， 按照它们所采用的原理有三种方式：一是接触式，如三坐标测量；二是非接触 式，如结构光法、激光三角法等；三是逐层扫描方法，如c t 法和核磁共振法、 自动断层扫描法等，采用哪种采集方式取决于被扫描对象的形状、大小、物质、 数据应用目的。在市场上扫描仪器种类很多，采集方式虽然不尽相同、但主要 由三个部份组成；即扫描装置、传感器及软件。 对于成品树脂镜片要求镜片上表面边线上的任意一点的法线在边缘曲面 上，即树脂镜片边缘曲面为与上表面相交的曲线上任意点相垂直的曲线的集 合。要使刀具走出边缘曲面的轨迹，要求五轴联动的数控机床可满足加工任务。 数控加工的前提是进行数控编程，作为指令来控制数控机床的运动，数控编程 的核心工作是生成刀具轨迹，然后将其离散成刀位点，经后置处理产生数控加 工程序。目前比较成熟的c a m 系统主要以两种形式实现c a d c a m 系统集成： 一体化的c a d c a m 系统( 如：u g i i 、e u c l i d 、p r o e n g i n e e r 等) 和相对独 立的c a m 系统( 如：m a s t e r c a m 、s u r f c a m 等) 。前者以内部统一的数据格式 5 陕两科技大学硕上学位论文 直接从c a d 系统获取产品几何模型，而后者主要通过中性文件从其它c a d 系 统获取产品几何模型。然而，无论是哪种形式的c a m 系统，都由五个模块组 成，即交互工艺参数输入模块、刀具轨迹生成模块、刀具轨迹编辑模块、三维 加工动态仿真模块和后置处理模块。 有关数控割片机结构设计研究，内容涵盖广泛，涉及到标准件的计算选用、 误差分析、结构静力学分析、结构动态分析、结构优化、虚拟设计等现代设计 方法。所采取的技术路线有： ( 1 ) 采用理论分析的方法选择和设计数控镜片切割机的零部件。 ( 2 ) 参考现代数控铣床的伺服系统设计出镜片数控切割机。 ( 3 ) 虚拟设计、仿真的现代设计方法对实际加工提供了技术保障。 ( 4 ) 用有限元分析的方法观察在重力作用下构件的受力及变形情况，验 证结构设计的合理性。 1 4 2 创新之处 ( 1 ) 以人为本，实现个性化树脂镜片的三维设计、数控加工一体化。 ( 2 ) 以高效的侧刃切割工艺代替磨削工艺，节省了材料；五轴高精度数 控机床解决了四轴无法加工的高弯镜片。 ( 3 ) 针对树脂镜片切割所设计的数控机床结构简单、体积小巧、造价低。 6 个性化树脂镜片数控加工设备的研究 2 镜片数控切割机的机床本体结构设计方案 2 。1 引言 镜片数控切割机使用效率高，要求机床有良好的刚性和抗震性，在刀具切 割树脂镜片时，为使由切削力所引起的镜片的弹性变形最小，特别是要提高支 撑部件和主轴部件的刚度。确定数控机床的总体布局时，需要考虑多方面的问 题：一方面要从机床的加工原理即各部件的相对运动关系，结合考虑工件的形 状、尺寸和质量等因素，来确定各主要部件之间的相对位置关系和配置；另一 方面还要全面的考虑机床的外部形状、操作维修、生产管理和人机关系等问题。 在机械制造加工中，并不是所有产品零件都具有很大的批量。对于中小型单件、 小批量、形状复杂了零件的加工，在大型自动化设备加工中，具有成本高、生 产周期长等缺点，并且很难达到较高的精度t 0 1 ，因此需要结合实际加工需要对 此数控机床进行设计制造。加工中的进给速度和主轴转速都比较高，因此在加 工中须特别注意散热，需要有高压气体吹冷并去除毛刺。 设计要求总结如下： ( 1 ) 良好的静、动刚度和抗震性能； ( 2 ) 几何精度、传动精度、定位精度的要求； ( 3 ) 尽可能减少运动件的摩擦和消除传动间隙； ( 4 ) 具有良好的热稳定性。 2 2 镜片数控切割机主要性能指标 镜片数控切割机拟达到的性能指标： 主轴转速：最高2 5 0 0 0 r p m 镜片形状：全球面、非球面、圆柱面等 镜片加工模式：轮廓铣削、钻孔 a 向旋转角度：6 0 。+ 6 0 。 c 向旋转角度：0 。一3 6 0 。 x 向最大行程：2 0 0 m m y 向最大行程：2 5 0 m m z 向最大行程：7 5 m m 最大加工直径：l o o m m 刀具直径：l 2 m m 陕两科技大学硕士学位论文 2 3 机械传动系统结构要求及特点 2 3 1 主轴传动系统 数控镜片切割机的切削对象为树脂，所需要的主轴功率、转矩较小，整套 设备体积较小，主轴尺寸希望较小，主轴转速高有利于切削质量，因此选用电 主轴较合适。 电主轴的主要特征是将电机内置于主轴内部直接驱动主轴，实现电机、主 轴一体化的功能。与有中间传动装置、变速装置的传统机床主轴相比，电主轴 有以下特点： ( 1 ) 主轴由内装式电机直接驱动，省去了中间传动环节，具有结构紧凑、 机械效率高、噪声低、振动小和精度高等特点。 ( 2 ) 电主轴可在额定转速范围实现无极调速。 ( 3 ) 可实现精确的主轴定位。 ( 4 ) 电主轴更易实现高速化，其动态精度和动态稳定性更好。 ( 5 ) 由于没有中间传动环节的外力作用，主轴运行更平稳，使主轴轴承 的寿命得到延长。 ( 6 ) 电主轴自带冷却系统，在设计主轴单元时可以不予以考虑。 2 3 2 伺服传动系统 机械伺服传动机构是指将电动机的旋转运动，变为工作台或刀架的直线运 动，整个机械传动链包括电动机、联轴器、减速器、引导和支撑执行部件的导 轨、丝杠螺母副及其轴承等其他支撑部件。 由于进给传动系统的精度、灵敏度、稳定性直接影响了数控机床的定位精 度和轮廓加工精度，因此，在机械传动机构的设计中应满足下列要求： a 提高传动部件的刚度 一般来说，数控机床的精度是要求非常高的，在加工的过程中机床中经受 冲击最大的就是进给系统的传动部件。如果传动部件的刚度不足，必然会导致 传动部件产生弹性变形，工作台产生爬行、振动和反向死区，影响系统的定位 精度、动态稳定性和响应的快速性。关于机械传动机构的传动刚度，主要取决 于丝杠螺母副及其轴承等其他支撑结构的刚度。影响其刚度的因素有很多，传 动链过长、丝杠以及丝杠螺母副的支撑部件选择不合理等，都是影响传动刚度 的主要因素，另外，施加一定的预紧力可以消除滚动摩擦传动副的间隙，也可 以保证传动部件一定的刚度。 b 采用低而稳定的摩擦转动副 数控铣床进给系统多采用刚度高、摩擦因数小而稳定的滚动摩擦副，如滚 8 个性化树脂镜片数控加工设备的研究 珠丝杠螺母副、直线滚动导轨等。 c 惯量匹配 最佳的惯量匹配目的是为了保证伺服驱动电机的工作性能和满足传动系 统对控制指令的快速响应的需求。由于在通常情况下，传动系统机械结构的惯 量总是大于要求的数值。故而在设计时为得到最佳的惯量匹配，总是希望传动 系统中的元件质量和惯性小一些，降速比则要大一些。 d 适当提高传动件的精度 高质量的机械传动配合与高性能的伺服电机使现代数控机床进给系统性 能有了大幅度的提高，随着控制系统分辨率从0 0 0 1 m m 提高到o 0 0 0 1 m m ，普 通精度级数控机床的定位精度目前已经从0 0 1 2 m m 3 0 0 m m 提高到 0 0 0 5 m m 3 0 0 m m ，精密级的定位精度已经从0 0 0 5 m m 全行程提高到 0 0 0 1 5 m m 全行程，重复定位精度也已提高到0 0 0 1 m m 。一般的，要根据制件 的实际精度需要，选择适当的传动件精度。 e 无间隙 机械传动部件之间的间隙是造成伺服进给系统反向死区的一年主要原因， 因此，对传动链的各个环节，如联轴器、丝杠螺母副及其轴承等其他支撑部件 等，均采用消除间隙的结构措施或施加预紧力1 7 1 。 由于在提高传动精度和刚度、消除间隙及惯量匹配等方面的努力，使数控 铣床进给传动系统的快速响应能力，即伺服系统的响应能力和机械传动装置的 加速能力方面已有了大幅度的提高，过渡过程时间已能控制在2 0 0 m s 之内，正 在向提高到几十毫秒之内发展。随着快速响应能力和系统稳定性的提高，迸给 速度已能达到2 4 m m m i n ( 分辨率0 1 m ) ，快速进给速度已能达到1 0 0 m m m i n ( 分辨率0 1 m ) 。 2 4 机床的设计方案 2 4 1 成型方法的确定 设计此设备的目的在于加工出所要求的树脂镜片外轮廓，传统的镜片加工 采用砂轮磨削，砂轮的轴心与镜片毛坯的轴心相互平行，如图2 1 所示，采用 这种加工方式的镜片外轮面总是与镜片轴心平行的。在镜片毛坯曲率不是很小 的情况下，镜片的外轮廓厚度h 与实际厚度相差不大，但如果镜片曲率要求很 大，那么加工出来的镜片外轮廓厚度h 将非常大，直接影响加工质量，如图 2 2 所示。 9 陕西科技人学硕士学位论文 图2 1 砂轮与镜片毛坯的相对位置 f i 9 2 - 1w h e e la n dt h el e n sb l a n k r e l a t i v ep o s i t i o n 图2 2 大曲率镜片的加工 f i 9 2 - 2l a r g ec u r v a t u r eo fl e n sp r o c e s s i n g 为保证镜片外轮廓面厚度最小，刀具需与镜片成0 ，如图2 2 所示， 9 = a r c s i n 三，也就是说，刀具始终保持与镜片的上表面轮廓的切线方向相垂直， k 即日随着x 的变化而变化。此数控镜片切割机采用在竖直平面内刀具铣削镜片 轮廓的方式加工，一次成型，提高效率。 2 4 2 运动布局形式 数控机床不同的布局形式给机床工作带来了不同的影响，从而形成不同的 特点，其影响主要表现在如下方面【8 】： ( 1 ) 不同布局适应不同的工件形状、尺寸及重量； ( 2 ) 不同布局有不同的运动分配及工艺范围。 为达到树脂镜片的成型要求，设计此设备需由三个直线轴和两个旋转轴组 成，其运动的分配形式有很大差别。不同的结构形式会使机床在刚性、动态性 能和精度稳定性等方面产生一些差异。常见的五轴数控机床的旋转运动分配形 式有立式主轴摆动和立式工作台摆动两种形式。 在主轴刚性方面，主轴摆动机床在加工的过程中，由于主轴摆动，使得主 轴的刚性相对差；而工作台摆动机床，由于是工作台摆动，所以不会对主轴的 刚性产生任何影响。 在加工效率方面，由于旋转点的不同，刀尖实现同样的位移时，主轴摆动 机床的主轴需要摆动更大的角度，所以加工同样的零件，工作台摆动机床的效 率相对更高。 1 0 在刀具长度对机床加工精度的影响方面，在主轴摆动的情况下，刀具的长 度影响摆臂长度，放大误差。即误差会睫刀具的长度增长而增大示。而对于工 作台摆动机床刀具长度与摆臂的长度无关。 在产生位置形状误差方面，主轴摆动机床刀具旋转，从而产生位置误差。 与此同时，加工孔的进给方向和刀具的回转中心发生偏离，所以加工孔产生位 置误差的同时，还会产生形状误差，出现楔 形孔。而工作台摆动机床的位置误差是由 工作台摆动造成，主轴的进给方向和刀具的 旋转中心始终重合，所以不会再附加产生形 状误差。 基于上述几个方面的因素，结合所设计 设备的特点，此镜片数控切割机的两个旋转 运动分配应选择工作台摆动式，即选择绕x 轴和z 轴旋转如图2 3 所示。三个直线运动 采用一种非典型的龙门式数控机床，其结构 形式是采用两个独立定位的双工作台。 2 也 图2 - 3 机康运动分配示意图 f i 9 2 - 3s c h e m a t i cd i s t r i b u t i o n o f t h em a c h i n e 2 , 4 3 传动形式的确定及其余部件结构设计方案 x 、y 、z 向进给装置分别由电机直连滚珠丝杠实现三个方向上的进给运动： 绕x 轴摆动的角度变化较小摆动装置由伺服电机通过联轴器与传动轴进行 直接联接，通过轴承和摇臂支架侧板等连接和附属机构，直接带动工作台和工 件进行旋转运动，旋转的角度通过伺服系统来控制，保证其间歇性；饶z 轴旋 转届圆周运动，装置采用同步带传动方式带动 工作台旋转，它适应此设备的低扭矩特性要求， 传动平稳、噪声小；主轴传动系统实现铣削刀 具的高速回转运动。 夹具系统实现夹具对镜片毛坯的固定装 夹目前镜片加工的装夹方式有机央式和空吸 式，机夹式夹紧较为牢固但是易存在装夹变 形的缺陷。空暇式兴紧相对比较平稳，只要空 吸力足够，可以很好的完成夹紧任务。为使得 装夹更为稳固，也可同时采用两种装夹。本设 为计保证镜片毛坯夹紧且不能损伤树腊镜片表面， 旋转，若采用空吸式，树脂镜片只有一个面全约束 固2 - 4 镜片蓑夹示意图 f i 9 2 4s c h e m a t i cd i a g r a m 同时还能够绕两个轴灵活的 ，高压空气与树脂镜片接触 门u 刊 陕西科技大学硕士学位论文 面积小，刀具进行切削加工时，镜片容易发生翘曲变形，影响加工精度。因此， 采用机夹和空吸结合的装夹方式，如图2 - 4 所示。设定上下两个镜片压紧轴， 上压紧轴起定位、防止镜片翘曲的作用，下压紧轴中间设计一通孔，通过单向 阀把孔内气体抽走，孔内形成高压气体，待加工的镜片被牢牢吸住，从而形成 了初步的装夹；辅助装置由排屑、防护、照明等装置构成。 2 5 传动参数与动力参数的确定 在本次设计的数控机床主要切削树脂制件，为了平稳运行并具有较高的定 位精度，要求进给系统中的机械传动装置和元件具有较高的灵敏度，低摩擦阻 力，动、静摩擦因数很接近及高寿命等特点。滑动导轨具有结构简单、制造方 便、接触刚度大等优点，但滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，低速时易产生爬行 现象，而滚动导轨的优点是摩擦系数很小，一般在0 0 0 3 0 0 0 4 ，磨损小、寿 命长，灵敏度高，定位精度高，低速运动不产生爬行现象。滚珠丝杠螺母副是 一种新型的螺旋传动元件，它具有长寿命、高刚度、高效率、高灵敏度、无间 隙的特点，并具有优越的高速特性和耐磨损性及运动可逆性等特性，这些特点 都是普通丝杠副不具备的机械传动性能。 2 5 1 树脂的切削加工 树脂的切削加工一般采用加工金属的设备。由于树脂的性能和金属相差较 大，且塑料品种繁多，其种类不同性能也有较大差异，所以树脂的切削加工有 它自身的特点。 a 树脂的性能对切削加工的影响【9 1 1 ) 热性能 和金属相比，树脂的热容量小，导热性差( 其导热系数只有金属的千分之 三或更小) ，热膨胀系数大( 比金属大1 5 2 0 倍) 。故在切削过程中因摩擦而产 生的热量主要传给刀具。即使少量热量传给塑件，因难以传入塑件内部，极易 产生局部过热，引起塑件变色、熔融、甚至燃烧。而且温度过高，树脂的弹性 变形加剧，影响塑件的表面质量和尺寸精度，严重时引起工件弹跳，甚至造成 事故。因此，加工中常采用冷却剂( 一般用压缩空气) 降低温度。 2 ) 弹性模量 ， 树脂的弹性模量只有金属的l 10 l l6 ，切削加工时，若刀具和夹具对它施 加压力过大，会引起较大的弹性变形，影响塑件的加工精度，严重时会造成加 工困难。因此在切削加工时，刀具的参数要合理，刃口要锋利，切削用量应适 当，以减小切削力。夹紧力不可过大。 1 2 个性化树脂镜片数控加工设备的研究 b 树脂切削的特点 在高速切削时，被切下来的树脂碎屑呈胶熔状态，遇冷即硬化。在加工过 程中，碎屑极易粘附在刀具上，从而改变刀具的角度，增大切削深度，影响塑 件的加工精度，因此应及时除去切屑。此外树脂制件在切削加工过程中，会产 生大量切屑粉尘，必须采取有效的通风除尘措施，使空气中的粉尘含量符合国 家规定的标准。 c 切削速度的影响 提高切削速度可以缩短切削时间，提高生产率，且切削力不会增大，塑件 表面粗糙度也几乎不受切削速度的影响。但切削速度增加会使切削温度明显升 高，塑件会产生热膨胀和热变形，甚至变色，影响加工质量，且刀具磨损加剧、 耐用度降低( 切削速度提高1 0 ，刀具耐用度会缩短为原来的4 0 6 0 ) ，这样 使换刀、磨刀、对刀调整等辅助时间增加，生产率反而有所下降，因此要控制 切削速度。 切削速度v 对主切削力f z 的影响如图2 5 所示。切削深度a 。= 1 5 m m ，进 给量f = o 2 m m r 。从图中可看出切削速度v 对切削力影响较小。 r 产l 瓠v 1 嘲 l l - h 、- 五 、 铡建凌u l m l 囊 图2 - 5 切削速度v 对主切削力f z 的影响 f i 9 2 5c u t t i n gs p e e dvo ft h ei m p a c to ft h em a i nc u t t i n gf o r c ef z d 进给量和切削深度的影响 进给量和切削深度增大时也使切削加工时间缩短，且因改善了散热条件， 切削温度和刀具耐用度下降不大，不会使换刀、磨刀等辅助时间明显增加，故 可提高生产率。但随着进给量和切削深度的增加，切削力会显著增大( 进给量 增大一倍，切削力约增大7 0 8 0 ，切削深度增大一倍，切削力几乎成倍增 加) ，易使塑件产生变形而影响加工质量，甚至使工件报废。塑件表面粗糙度 值还会随进给量的增大而增大，因此加工时应选择合适的进给量和切削深度。 陕西科技大学硕士学位论文 切削深度a ，和进给量f 加大，都会使切削力增大，但两者的影响程度不同。 二者对主切削力f z 的影响如图2 - 6 所示： z 、 衣 嚣 器 譬二 一飞一一 。一 r j 譬。 。，。 一r j， ， ，7 ，r l2 3 s 键磁棒炭t ，黼 z 、 r 嚣 器 l i f f i t z l 一 j ，- 一 一， - ” ， 一 厂 _ 一 r 7 z 一一一一氏 遴绘量( 锄f 图2 - 6 切削深度a p 和进给量f 对主切削力f z 的影响 f i 9 2 6c u t t i n gd e p t ha pa n dt h ef e e dr a t efo nt h ei m p a c to ft h em a i nc u t t i n gf o r c ef z 2 5 2 滚动导轨的选择计算 根据镜片切割机总体方案，共有x 、y 、z 三个方向的直线运动，其中x 、 z 方向运动部件组成双向工作台，带动主轴运动；y 向直线运动部件和a 、c 两旋转运动部件组成底工作台。其中，y 向工作台承受负载最大，因此，只要 满足y 向工作台的要求即可。 a 作用于滚动直线导轨副的载荷计算 根据