（机械制造及其自动化专业论文）三维数控镂铣机参数与结构设计.pdf

哈尔游理t 大肇t 学够卜学付论史 三维数控镂铣机参数与结构设计 摘要 数控镂铣机是针对木材加工的，由数控铣床与加工中心演变而来的一种 高科技木材加工机床，是木工机械中最复杂、科技含量最高的数控木工机 床，国外同类产品多为高档、复杂型，价格昂贵。目前，国内使用的几乎部 是进口设备，价格都在百万元以上，木材加工行业多数企业不具备这样的实 力。因此如能有价格适宜的经济型数控镂铣产品，既能满足加工精度的要 求，又能形成经济批量，满足市场的需求，这无疑是广大木工及家具乍产厂 家所渴望的。经过测算，这样满足使用要求，自主研制的一台经济犁数控镂 铣机的成本只是进口设备价格的l 6 一l 8 ，而且能够满足高生产率、离加 工精度及稳定的加工质量的要求。通过对市场需求和木材加工企业的调查发 现，开发经济型数控镂铣机是我国机械行业的当务之急。因此各高校与相关 研究机构都积极致力于该项目的研究与开发。 本论文来源于哈尔滨市重点科技攻关项目数控镂铣机部分，论文的主要 研究内容是： 1 、三维数控镂铣机设计参数的确定，通过优化设计确定切削用量，引 进可靠度概念确定主轴电机。 2 、镂铣机机床结构设计方案研究，对比分析镂铣机机床结构，确定 主、进给运动传动原理及机床总体结构。 3 、镂铣机主体结构设计，在结构方案对比的情况下，确定龙门架与机 体具体结构，提供图纸与设计说明。 4 、数控系统振动评价、系统选定与抗干扰分析。确定了振动检测的具 体方法及结构分析，比较选定了数控系统，介绍了系统抗干扰技术。 在国家致力于振兴东北老工业基地的时代背景下，希望我们的研究能为 我国木材加工业的进步与发展贡献一份力量。 关键词数控镂铣机；参数设计；结构设计；数控系统；抗干扰技术。 略尔滨理 - 大学t 学硕十学位论文 d e s i g no fp a r a m e t e ra n d s t r u c t u r eo ft h e t h r e e d i m e n s i o n a lc n cr o u t e r a b s t r a c t c n cr o u t e ri sah i g h - t e c h n o l o g i c a lm a c h i n et o o lf o rp r o c e s s i n gw o o d ， a i m e da tp r o c e s s i n gw o o d w h i c hi se v o l v e df r o mc n cm i l l i n gm a c h i n ea n d p r o c e s s i n gc e n t e r c n c i st h em o s t c o m p l i c a t e d a n dt h em o s t a d v a n c e d w o o d w o r k i n gc n cr o u t e ri nw o o d w o r k e r s m o s to fw o o d w o r k i n gc n cr o u t e r m a d eb yo t h e rc o u n t r i e sa r et h et y p e so ft o pg r a d e ，c o m p l e x i t ya n dh i g hp r i c e n o w a d a y s ，m o s to fc n cr o u t e r su s e di nd o m e s t i cf a c t o r i e sa r ei m p o r t e d ，w i t h t h ep r i c eo v e rlm i l l i o nr m b ，w h i l et h em a j o r i t yw o o dp r o c e s s i n gf a c t o r i e s c a n n o ta f f o r dt h i sc o s t t h e r e f o r e ，w h a tw o o d w o r k e rf a c t o r i e sa n df u r n i t u r e f a c t o r i e sa g el o o k i n gf o r w a r dt oi st h a tt h e r ec o u l db ee c o n o m i c a lm a n u f a c t u r e s o f c n cr o u t i n g ，w h i c h n o to n l yc o n t e n tt h er e q u e s to f p r o c e s s i n gp r e c i s i o nb u t a l s op r o d u c ei nb a t c ht os a t i s f ym a r k e tr e q u i r e m e n t h a v i n gb e e nc a l c u l a t e d ，t h e c o 矗o fe c o n o m i c a lc n cr o u t e r , d e s i g n e db yo u ro w n 。i so n l y1 6t o1 8o ft h a t 7 o fi m p o r t e de q u i p m e n t a n de c o n o m i c a lc n cr o u t e rw i l ls a t i s f yr e q u e s t so f e f f e c t i v ep r o d u c t i v i t y ，h i g hp r o c e s s i n gp r e c i s i o n ，a n ds t a b l eq u a l i t yi t sf o u n d t h a td e v e l o p i n ge c o n o m i c a lc n cr o u t e ri st h em o s tu r g e n ta f f a i rt oc h i n a m a c h i n ei n d u s t r ya c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ht om a r k e tr e q u i r e m e n ta n dw o o d p r o c e s se n t e r p r i s e s s oe a c hu n i v e r s i t ya n de a c ha c a d e m ew h i c ha r er e f e r r e dt o e n e r g e t i c a l l ya p p l yt h e m s e l v e st ot h es t u d ya n de x p l o i t e ro f t h i si t e m t h i sp a p e rr o o t si nt h ep a r to fi t e r no fc n cr o u t e r ，e m p h a s e si t e r no fs c i e n c e a n dt e c h n o l o g yo fh a r b i n 1 1 1 i sp a p e ri sm a i n l ya b o u t ： 1 c o n f i r m i n gt h ep a r a m e t e ro ft h r e e - d i m e n s i o n a lc n cr o u t e rd e s i g n ； c o n f i r m i n gt h ec u t t i n gd o s a g eb yo p t i m i z e dd e s i g n ；i n & a u g h to fp r e d i c a b l e c o n c e p tc o r r o b o r a t i n gp r i n c i p a la x i so fe l e c t r i c a lm a c h i n e r y 2 r e s e a r c ho ft h ep r o j e c to fc n cr o u t e rm a c h i n es t r u c t u r ed e s i g n ； a n a l y z i n gs t r u c t u r e so fc n cr o u t e rm a c h i n ec o n t r a s t i n g l y ；c o n f i r m i n gt h e o r i e s o fm a i nm o v e m e n td r i v ea n df e e d i n gm o v e m e n td r i v e ，a n da l l o v e rs t r u c t u r e so f - - ：互薹：耋兰：兰竺：竺兰兰 m a c h i n et o o l s 3 d e s i g n i n g m a i nb o d yo fs t r u c t u r eo fc n cr o u t e r ；c o n f i r m i n gt h e s t r u c t u r eo ft h eg a n t r ya n d ，t h em a i nb o d yo fm a c h m ec o n c r e t e l y ，a n ds u p p l y i n g t h eb l u e p r i n ta n dt h ei n s t r u c t i o n 4 c o m m e n to nv i b r a t i o no fn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，s y s t e ms e l e c t e da n d a n a l y s i so fa n t ij a m m i n g ；c o n f i r m i n gc o n c r e t i z e da p p r o a c h e sa n ds t r u c t u r e a n a l y s i s f o rv i b r a t i o n e x a m i n e ；c h o o s i n gan u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e ma f t e r c o m p a r i n g ；m a k i n ga ni n t r o d u c t i o no fa n t ij a m m i n gt e c h n o l o g y i nt h eb a c k g r o u n do ft h ea g et h a tt h eg o v e r n m e n tt a k e su pw i t hd e v e l o p i n gt h e o l dn o r t h e a s ti n d u s t r yb a s ev i g o r o u s l y ，w eh o p et h a to u rs t u d yi nt h i sf i e l dc a n c o n t r i b u t et oa d v a n c e m e n ta n dd e v e l o p m e n to fw o o dp r o c e s s i n gi n d u s t r y k e y w o r d s c n cr o u t e r ；p a r a m e t e rd e s i g n ；s t r u c u r ed e s i g n ；c n cs y s t e m s ；a n t i - j a m m i n gt e c h n o l o g y 一 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文气中电火花线切割加工的 基础性研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包 含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 储鹕融 嗍加伪彤日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 气中电火花线切割加工的基础性研究系本人在哈尔滨理工大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔 滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全 了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有 关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工 大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或 部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密一 ( 请在以上相应方框内打4 ) 名：衩、池 导师签名：气氢殇 同期：) 扩町年主月3 日 日期：多卯易年孑月- 弓日 略尔演理 大学t 学硕卜学位论史 1 1 课题背景 i i 1 引言 第1 章绪论 数控镂铣技术是将计算机数控技术应用于木材加工机械产晶中，结合木材 加工高速铣削的特性要求，实现加工刀具在各坐标轴空日j 内联动的直线插补或 圆弧插补运动，以达到加工程序要求的精确位置和高速度，从而保证加工部件 的质量和实现n - f 复杂的形状，提高加工产品的荚感和技术附加值。数控镂 铣加工中心代表了当今数控镂铣设备的最高水平。 目前国内技术水平高、有竞争力的数控镂铣机设备产品较少，无法满足国 内市场的需求，高科技含量、高附加值的镂铣设备大量依靠进口。随着我圈经 济的发展和人民生活水平的提高，特别是住房制度改革和安居工程的实施，城 乡人民的居住条件已经或正在发生根本变化，家具和室内装修也随之成为投资 重点，高档实木家具和具有民族风格的仿古家具出口将不断增长，这为我e i f l 镂 铣技术的应用研究提供了更加广阔的市场空日j 【1 1 。 数控镂铣机是木材加工工业中最早应用数控技术的机床。一般具有三轴联 动功能，可以实现木材加工工艺中的镂铣、雕刻、钻削等功能，通常设有多个 镂铣主轴，根据加工工件的不同，镂铣主轴的不同组合可以满足不n d 的加工要 求。对于大批量、小工件的加工，数控镂铣机具有生产效率高的特点。数控镂 铣机可将人造板和实木深加工中的镂铣、雕刻、钻削、锯切、砂光、封边、修 边等功能集中在一台机床上完成，使其具有多种工艺手段川。 在数控镂铣设备的研究方面，日本的庄田公司最先将计算机数控技术应用 于木材加工机械产品中，生产出数控镂铣机。随着计算机数控技术的不断发 展，德国、意大利、日本等国家的主要木工机械制造商相继推出了技术先进、 功能齐全的数控镂铣设备，并且形成了系列化、标准化的发展1 2 l 。 i i 2 课题研究的目的及意义 数控镂铣机是由金属加工机床中的数控铣床与加工中心逐渐发展演变而柬 哈尔滨理t 大学t 学蛳卜学他论文 的一种高科技木材加工机床，是木工机械中最复杂、科技含量最高的数控木工 机床0 1 。6 0 年代末期，日本庄田公司茸先将数控技术应用f 木材加工机械产品 中，制造出第一台数控镂铣机。从那时起，f j 本，德国，意大利等圈家的一些 木工机械制造厂家，应用机电一体化技术，相继推出了种类繁多、技术先进的 数控木工机床。由于这些产品集自动控制、计算机技术、机床制造等技术于一 体，使其具有适应多品种、小批量、高效率、产品更新换代周期短、劳动产 率高、产品质量高而且稳定等许多优点。特别是生产加工批量小、形状复杂的 木制品工件时，数控镂铣机的优点更为明显。进入9 0 年代末期，数控技术在 木材加工机械上应用更为普及，为木材加工业提供了新的加工手段，有效的带 动了家具、建材、室内装饰等领域的快速发展1 2 。 随着人们生活水平的提高和家具行业的发展，高档实木家具、欧式家具曲 线雕刻方面的工作量越来越大，特别是我国一些仿古家具的加工，使木材雕刻 技术的应用在木材机械行业已经逐渐具有工业化的趋势。在铸造工业的木型制 造方面，我国生产的铸件中8 0 都要经过木型加工束实现最后的定犁产品，向 传统的木型加工都是靠人工来完成的，在尺寸精度上很难达到使用要求。另 外，在数脂、轻金属、混凝土、甚至于f r p 、陶瓷等各种新型材料加工领域的 复杂模型加工，数控镂铣机都有广泛的应用【2 1 。所有的这些都说明，广阔的市 场已经展现在我们面前。但我国目前使用的数控镂铣机几乎部足进口设备，价 格都在百万元以上。如有价格适宜的经济型数控镂铣产品，既能满足加工精度 的要求，又能形成经济批量，满足市场的需求，这无疑足广大木工及家具生产 厂所渴望的。经过测算，这样的一台经济型数控镂铣机的成本只是进口设备价 格的1 6 一l 8 ，而且能够满足高生产率、高加工精度及稳定的加工质最的要 求。通过对市场需求和木材加工企业的调查，我们感到，开发经济型数控镂铣 机是我国机械行业的当务之急，本课题也来源于哈尔滨市重点科技攻关项目。 1 2 三维数控镂铣机的发展简况及工作原理 1 2 1 国内外研究发展现状 数控镂铣机的发展是伴随着计算机数控技术的发展而发展的，6 0 年代，f 1 本庄田公司首先将数控技术应用于木工机械，制造出第一台数控镂铣机”j 。7 0 年代初，意大利在镂铣机的品种、数量上不断增加，制造精度属于二中上等水 平，美国在高精度的数控镂铣机方面仍然处于世界第一流水平，日本的数控镂 哈尔滨理t 大学t 学硕卜学位论文 铣机主要以仿造德国、美国、西欧产品为主，精度与质量在意大利之后，佃在 数控技术上积极引进美国技术，并有所发展。8 0 年代未数控技术已全方位地扩 展到所有加工设备领域，几乎全部的机床产品都可以找到数控化的踪迹，数控 镂铣机也同样得到快速发展。进入9 0 年代未期，数控在木材机械上的应用更 为普及，为木材加工业提供了新的加工手段，有效的带动了家具、建材、窀内 装饰等领域的快速发展l ，i 。 我国目前每年都将进口几百台数控镂铣机，9 0 年代以前，因内木材行业一 直使用进口设备，但因价格昂贵，仅有少数资金雄厚的大企业彳能承担，大多 厂家只能望而却步，在一定程度上限制了木材加工业的发展。同时，国外厂家 还对我们实行歧视性价格垄断，以获取高额利润，9 0 年代未，我国大陆木工数 控镂铣技术的应用研究有了长足的进展，目前以有多家木工机械厂和研究电位 具有研制能力，但成型的价格适宜的经济型数控镂铣机产品很少，既能满足加 工精度要求，又能形成批量生产，满足市场需求的镂铣机更是少之又少p l 。自 主研制生产无疑成为广大中小型木工及家具生产厂所渴望的【4 1 。 随着科学技术的发展，木材加工原料的多样变化性，数控镂铣机应在机械 动态、静态刚度及可靠性上下功夫，对关键部件进行优化设计。 1 采用新技术、新结构、新工艺、提高制造精度；对机床外观质晕，维 护、结构布局与美观性上给予高度重视，作到外观与质量的统一，提高因际 市场的竞争力。 2 加强计算机在数控镂铣机上的应用，发展机电一体化产品，提高辅助设 计、制造、测试与管理技术，完善单机电脑控制，以适应批量生产的需要。 3 实现一机多用，采用模块式结构，以增加机床品种、规格和系列化产 品。 4 加强近、中、远期研究和开发工作，加强基础研究。 5 加强镂铣机刀具材料、制造工艺、结构设计与品种、规格、系列的研究 与发展1 4 1 。 经济型数控镂铣机显著提高木工制品加工能力、加工精度、生产率，在节 约原材料、降低生产成本上下功夫，大力推进木材加工、建筑装修、家具制造 等行业的发展，为实现木材加工业与复杂型腔加工的现代化奠定基础。 1 2 2 镂铣机工作原理与分类 在镂铣加工中，工件的形状是通过工件与刀具日j 的相对运动形成的。这与 ：尘兰矍二盔：竺：兰竺丝冬 数控加工相似。因此，需要对互相匹配的多坐标联动轨迹进行控制l j i 。对于：各 种结构和控制的木工镂铣机，必须区分其运动的种类和坐标数目。在轮廓控制 中，刀具与工件的接触点需要2 5 个坐标互相匹配的联动，而具有3 个以上 坐标运动的，机床还要具有转动坐标。 镂铣机的插补也与数控机床相似，要掌握控制函数，该函数决定了铣刀轨 迹的插点，它是一个位于按程序确定的曲线上，借助于数学函数可以获得插 点，镂铣机除具有直线与圆弧插补外，还有其他类型插补。如：抛物线插补及 更高次的抛物线插补等，可生成更平滑的曲线，以适应高档家具的n t 要求。 直线插补和圆弧插补的三坐标轮廓控制和圆弧插补总是在一个主平面内，三坐 标联动可以加工形状复杂的零件。同时也有可能出现螺旋线插补情况。对f 三 坐标联动不能胜任的复杂工件的加工，可以增加l 2 个刚转世标，形成阴到 五联动轮廓控制，即采用刀具回转或工件回转吲。 数控镂铣机床从不同的角度可以有不同的分类。一般来看，从伺服系统的 原理可分为歼环、半闭环、闭环控制系统；按同时控制的也标轴数目呵分为 两、三、四、五坐标等；按刀架结构可分为并列式与转塔式；按刀轴工作位冒 可分为立式( 垂直布雹) 与卧式( 水平布置) ；按主轴数日分为单、双、多轴 等；按机架结构分为单臂( 单立柱) 、悬臂、龙门式等【6 i 。 1 3 论文主要内容 本课题来源于哈尔滨市重点科技攻关项目，针对目前国内急需适合斟情及 满足生产实际要求的数控镂铣机为契机，以经济型三维数控镂铣机的设计参数 与本体结构为对象，进行了研究设计。为自主研制生产镂铣机提供部分参考资 料。论文主要内容如下： 1 三维镂铣机设计参数的确定。分析了影响切削三要素的因素，提出了确 定原则。对切削速度与进给量进行了优化设计，建立了目标函数、约束条件， 给出了合理值。计算了切削力，引入可靠度的设计概念对主电机进行设计。给 出了本论文设计的镂铣机的基本参数。 2 对数控镂铣机结构进行分析。对比多种结构形式，分析了优缺点。对镂 铣机主、进给传动原理进行分析；采用滚珠丝杠传动形式，给出了丝杠的安装 与调隙等具体问题；设计出了总体结构，并进行结构分析。 3 根据前面提供的设计参数与结构进行了具体结构设计，确定了x 、y 、z 方向的主要传动机构滚珠丝杠；讨论了滚珠丝杠温升的对策；龙门架结构中横 哈尔演理t 大学t 学硕十学位论文 ，梁、导轨板、滑扳、压板、电机板、顶板结构进行具体设计：机架中的工作 台、工作台座、机架、连接板等主要结构进行设计，并都进行了分析。 4 镂铣机工作在振动、噪声、灰尘的环境中，评估了镂铣机的撤动：选定 了数控系统；分析了系统的抗干扰性；介绍了软件中的“看门狗”技术。为系 统的正常运行提供保证。 哈尔谈理 _ 大学t 学碗卜学懂论文 第2 章三维数控镂铣机设计参数的确定 镂铣机主运动系统的设计是以主轴转速、主电机功率等一些基本参数为依 据进行的。众所周知，木材的特性不同于金属【7 1 。为使木材在加工中表面不产 生裂纹，且一次加工出来就能达到平滑光洁的使用要求，同时为了避免由f 刀 具过热使工件( 木材) 表面烧焦变黑，要求铣刀的线速度要达到一定的限度， 转速要比一般的金属切削高很多。一般转速在3 0 0 0 1 8 0 0 0 r m i n 内可调，充分 满足了不同树种的木材加工要求，在这个速度范围内。铣刀的最小直径可到 3 m m ，能加工出平滑光洁的表面，这就为精细镂刻加工创造了条件【7 】。进给系统 设计的原则是在综合考虑结构可靠及成本的条件下，尽可能提高进给速度，满 足用户对高生产的要求。经过优化设计，使各运动部件的转动惯量达到进给电 机的许用值，实现了高速进给，大大提高了生产效率。本章将根据理论计算给 出镂铣机的主要技术参数。 2 1 镂铣机切削速度与进给速度的影响因素与确定原则 2 1 1 影响切削速度的因素 对于数控木工加工机床而占( 包括镂铣机) ，机床主运动差要是指由刀轴 完成的切削运动( 即消耗功率最大的运动) 。切削速度即当刀具为主运动时， 主轴外缘某一固定点的线速度。一般情况下为一个固定值。 2 1 1 1 切削表面质量与切削速度之间的关系实验 证明，木材切削速度中，如果切削速度大于6 0 m s 时，木材就会发生流动切削，即在切削时木材纤维尚 未来得及变形或撕裂就被切下来，从而使的木材加工 表面获得很好的光洁度。但由于受到机床转动 和刀具可靠性影响，目前在我国尚没有普遍采用高于 6 0 m s 的切削速度f 8 j 。由木材切削机床上形成的切削 表面分析可知，切削速度越高，切削表面运动的不平 图2 - 1 木材波纹深度与 长度的天系 f i g 2 - ir e l a t i o no fr i p p l e d e p t ha n dl e n g t h 度的波纹深度就越小，也就是切削表面质量越好。如图2 l 所示，铣削加f 时 形成的运动不平度，其波纹深度h 和波纹长度，可以用下列公式表示： 6 哈尔滨理t 大学t 学硕卜学持论文 h _ 旦4 d ( 2 一i ) ， f ：1 0 0 0 u f 2 - 2 ) 疗z 式中卜波纹深度( m m ) ； 卜一波纹长度( m m ) ； d 一切削圆直径( n u n ) ； u 进给速度( m r a i n ) ； n 刀轴( 头) 转速( r m i n ) ； z 刀片数目 联立公式( 2 1 ) 和公式( 2 2 ) 得： 珂：犟( 2 3 ) z 4 4 d h 由公式( 2 3 ) ，在其他因素固定时，刀轴的转速n 与表面加工质量高低的 波纹深度h 成反比，即转速越高，波纹深度越小，表面质量越好。又困为切削 速度v 2 i ；等，所以可知切削速度越高，表面质量也就越好；切削速度低，表 面质量就差1 9 1 。 2 1 1 2 主电机功率与切削速度的关系主电机功率可由下式计算： n；兰2(2-4) 1 0 0 0 式中n 主电机功率( k w ) ； 只主切削力( n ) ； v 切削速度( m s ) 由公式( 2 - 4 ) ，主电机功率n 和切削速度v 成正比。 2 1 1 3 机床生产率与切削速度的关系木工机床的进给速度直接影响着机床的 生产率，见式( 2 5 ) 。而进给速度又可由每齿进给量和刀轴的转速求出，因 此，提高刀轴转速( 即切削速度) 是提高生产率的最大关键因素。 2 1 i 4 切削速度的确定原则根据木材切削理论，如果切削速度达到6 0 m s ，则 不仅可以保证较高的切削表面质量，而且可以降低切削单位体积能耗，但切削 速度过大会使切削刀具过热、降低机件的寿命和工作稳定性，还会引起较大的 振动与噪声。因此选定原则应是在保证机件和刀具工作可靠性的前提下，尽可 竺玺兰垩：奎兰：鎏：耋竺丝圣 能的选择较高的切削速度，从而使工件表面质量最好，加工成本降到最低州。 2 1 2 影响进给速度的因素 由于木工机床的切削速度常常是一个固定值，所以为适应加工的要求，进 给速度就应该是一个可变值，机床进给速度应有最大值( 【，。) 和最小值 ( c ，。) ，且在最大值与最小值之间要有有限个或无限个进给速度供使用。因 此，进给速度的确定，一是要确定机床的最大和最小进给速度，二是要选定最 佳的进给速度值。 2 1 2 1 制件表面质量与进给速度的关系进给速度的大小直接影响木制品的表 面质量，速度低，质量好；速度高，质量差。即进给速度与制件表面质最成反 比。例如铣刨类机床，切削时所形成的运动不平度的波纹长度与波纹深度、进 给速度成正比( 见式2 1 ) ，而切削的表面质量又与波纹深度成反比。所以，进 给速度与制品的切削表面质量成反比。 2 1 2 2 机床生产率与进给速度的关系木工机床生产率计算公式可表示为： q = u 脚毛七2 ( 2 5 ) 式中q 单位时间内切削木材米数； u 机床的进给速度( m r a i n ) ； m 同时加工的件数； 毛机床工作时间系数； 缸机床机动时间系数 由公式( 2 - 5 ) ，进给速度的大小直接影响着机床的生产率，进给速度厂 大，生产率高；进给速度，小，生产率低。即迸给速度与生产率成正比。 2 1 2 3 机床功率消耗与进给速度的关系机床的功率消耗主要是在其切削运动 与进给运动切削中体现的。众所周知，切削运动的电机功率与进给运动的电机 功率和进给速度成正比，- 其计算公式如下： “：掣 ( 2 - 6 ) ” 1 0 4 g p ， 。= l 善 ( 2 7 ) 一 l o g 式中口切削运动电机功率( k w ) ； 进进给运动电机功率( k w ) ； u 机床进给速度( m m i n ) ； 哈尔侯理 大学t 学硕 。学位论叟 式中x 切削比功( j c m ) ； b 加工宽度( n u n ) ； 而加工深度( f i m ) ； p 进给所需牵引力( n ) 2 1 2 4 最大、最小进给速度的确定原则综上分析，机床的最大与最小进给肇应 以保证满足最低加工要求，获得最大的生产率和刀具耐用度，合理的利用电极 功率为原则。选择较高的进给速度为最大进给速度，其值一般大于相美参数标 准中的给定值，通过优化计算确定。机床的最小的进给速度应在较尊的加工条 件下，满足最好的加工质量要求，合理地利用主电机功率，加以确定1 9 l 。 2 2 切削用量的优化 木工机床的切削用量主要指：切深( a 。) 、切削速度( v ) 、每凶进给量 ( f z ) ( 其中进给量与进给速度关系为：u = 小厂，聍：单位时问内滚珠丝杠 的转速) 。由于切削用量中，切深口。是由被加工零件的余量决定的，在设计中 可以假定为其常数，故在镂铣机切削用量优化中主要解决最优的切削速度v ， 与最优的进给量傩”1 。通过式子u = n - f 来日j 接确定u 。切削用量通常可 以按追求最高生产率、最低生产成本及最大利润束确定优化目标。一个优化过 程关键在于建立数学模型，它可以足解析式、实验数据或经验公式，虽然形式 不同，但都是反映设计变量之间的数量关系。优化过程主要包括建立目杯函 数、确定优化变量、确定优化条件、求解。根据上面的分析，我们知道，机床 生产率与切削速度、进给速度有着直接的影响，因此我们以最高生产率柬确定 优化目标。 2 2 1 建立目标函数 最高生产率就是指在实际切削过程中，加工一个工件所花费的时日j 最少。 单件加工的工序时间为： | ，= ” t g 式中f ，工序时间( m i n ) ； ( 2 9 ) 竺尘蓥：查兰三兰竺：耋：尘兰 式中切削时间( m i n ) ； 辅助时日j ( m i n ) ； r 刀具使用寿命( m m ) ； f g 换刀时n ( m i n ) 对于镂铣机加工而言，切削时间f 。与刀具使用寿命( 即：刀具耐用度) t 可以示为： ；生埤；j 0 ( 2 1 0 ) 1 0 0 0 v 口，丘v 丘 k ：墨：! ：垡：生( 2 一1 1 ) 1 0 0 0 口。 t = 式中l - - i 件长度5 爿加工余量： d 铣刀直径； v 切削速度； 歹0 每齿最大进给量5 口。切削深度； g 与加工条件有关的系数： x 、y 、脚与工件材料、切削条件有关的指数。 ( 2 1 2 ) 式也可写为： ( 2 1 2 ) ：鱼( 2 1 3 ) 三 l v “丘i 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 c o = ( c v a 。) ” r l o2 坍 m o = m y c o 、m 。是与刀具切削有关的常数 将公式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 、( 2 - 1 3 ) 带入( 2 9 ) ，并加以整理，得： 。= 瓦k + 。+ 乇百k v 去- i 丘硝! ( 2 1 4 ) 设：，= 等， 口2 苦，= 寺“历。= 去一t 再整理公式( 2 1 4 ) 得： r ：= + 生- k a v n o 厂 ( 2 1 5 ) v l k 。 一 略去优化中不起作用的常数项鲁，得最高生产率为优化目标的目标函数： ：一+ n v n ；f m ；(16)t 2 6= + 口v ”o ，”o ( ，丘 。 2 2 2 确定优化变量 在镂铣加工中，v 、口，、f w 为铣削三要素，因为口，一般要根据实际加工 余量来确定，所以取y 、厂眦为优化变量，即x = 【v 、l r 2 2 3 约束条件 建立约束条件，为的是使切削用量更加符合实际加工情况，约束一般要考 虑机床功率、刀具、加工表面粗糙度和进给速度等几方面的影响】。 1 机床功率约束条件 哈尔滨理t 大学t 学碲十学伊论文 v ，抒 协 式中兄机床电机功率； 玎机床传动效率 c k 、y _ f z 、x 日为与工件、切削条件有关的指数。 2 最小刀具寿命与刀具耐用度约束 t k：最小刀具寿命 v 严s 南 3 。加工表面粗糙度的约束 最大进给量0 受表面残留高度限制时，应满足： 缸 - - o ) a ( 9 2 - - o ) v a l = ( x l 一2 ) 2 吖x 2 - 1 ) 2 v a l = - v a l e l s e v a l 鼍x l 2 ) 2 叫，【2 1 ) 2 竹1 g l + f 2 9 2 v a l = - v a l e n d 由图可见，在解的进化过程中，群体中个体解的变化呈下降趋势，在初 期，群体最佳适应度下降较快，而后越来越慢，说明群体逐渐收敛丁二最优。算 法在第1 5 3 代找到了全局最优解。如下表； 表2 - 1 镂铣用毒优化结果 岱化最 v 五 口。 目枷、植 优化目爪 ( m m i n ) ( r a m z )( m m ) 最大生产率 4 5 0 1 60 2 6 6 742 23 7 8 2 m i n 2 3 镂铣机主轴最高转速与最大进给速度的确定 根据上面的优化结果，因；v = 三鼍磊啦，( 胆。铣刀最高转速) 。带入铣 刀直径与相关数据，得疗。：v l o _ 0 0 ：4 5 0 1 6 忑。1 0 0 0 ：1 7 9 2 0 3 8 2 r m i n 。取 万d万5 玎嗍= 1 8 0 0 0 舭；工作台最大进给速度= 警，带入相应数据， ( 齿数z = 5 个齿) ( 厂。= 1 8 0 0 0 x 而5 丽x 0 一2 6 6 7 = 2 4 0 0 3 m m i n 。取u 。= 2 4 耐m i n 2 4 主切削力的确定 木材切削力是木材加工过程中刀具与木材之甘j 的相互作用力。反映了木材 切削刀具与机床所承受的负荷间的关系。通常将木材切削力沿垂直于木材平面 和平行于木材平面两个方向分解，即沿刀刃与木材相对运于切削速度方向的分 哈尔滨理t 大学t 学硕卜学他论史 力，称为法向力；平行于切削速度方向的分力，称为主切削力c 。对于木材切 削而言，法向力除了作为刀刃状态的一个度量值外意义不大。而至切削力与切 削速度、切削行程相乘可得到所需功率与功，因此意义重大。它与平均切屑厚 度及其尺寸有关，常表示为切屑厚度的函数关系。根据德累斯顿木材技术研究 所的切削常数曲线，我们采用主切削力计算公式如下： 式中疋主切削力n ； f c = k 。b k “ ( 2 - 2 2 ) 丸木材切削系数； b 切削宽度； k 切屑厚度 公式中指数因子胛需要确定，根据研究理论，随着栉在0 与l 之日】的取 值，因子| | 随着切屑厚度的增大由增大到减少，表明在0 与1 之间必有一个点 使k 基本保持不变，取为0 5 ，这样公式成为 足= ks b 。 ( 2 2 3 ) 将切削宽度b = 5 0 9 0 m m ；切屑厚度= 2 5 m m ；常数k = 4 4 3 n m m 带入求得强力切削与一般切削力：曩叠 = 3 1 3 2 4 nt 般= 8 9 1 5 2 n 。为滚珠 丝杠的选定奠定基础。 2 5 主轴电机切削功率的确定 镂铣机的加工，实质上是木材在刀具的作用下发生变形的过程，也是机床 在电机带动下对外作功的过程。切削功率是设计中的一个重要设计参数。切削 功率用单位切削比功和单位时间内的切屑乘机表示。切削比功( k ) 是沿切削 长度方向上切削力所做的功与切下的切屑体积之比。由于木材的切削过程很复 杂，切削比功受到木材材性、材种、切削方向、木材含水率、温度、刀具角 度、及切削用量的影响，所以切削功率对应不同的木材加工而不同。另一方 哈尔滨理t 大学t 学 毋l 十学位论文 面，切削功率又与切削宽度、切削厚度、进给速度有关，而这些冈素又因不问 的木材加工而不同。所以，在机床设计时，切削功率的值一般只是对应一定切 削条件下的一个功率值。基于此讨论我们可以说，在一定程度上，一个确定的 切削功率值很难完全适应实际生产中强力切削或一股切削由于木材的材忭和几 何尺寸的变化而引起的切削功率的变化。切削功率配备过大，当加工小尺寸软 材料时势必造成很大的浪费；切削功率配备过小，则不能满足大尺寸硬材质的 加工需要。因此，在机床设计中，切削功率的确定是一个复杂的过程，本节将 引进可靠度的概念，从电机的可靠性上通过计算来确定电机的切削功率【l ”。 2 5 1 可靠性 可靠性是指某中产品在规定的时间和条件下完成规定功能的能力，用可靠 度来加以衡量( 即完成规定功能的概率) 。在一定范围的切削加工条件下，切 削功率值成为一组数据，对数据的处理主要研究两个趋势，一是集中趋势；另 一个是分散趋势。按着数理统计的方法，用算术平均值j = 去喜t ( f = 1 、 来描述上面两个趋势，通过概率密度 函数来加以计算在一定可靠度范围内的切削功率，从而避免由于靠经验驳平均 值或极值造成的功率的不确定性和功率浪费，如图2 3 所示。 2 5 2 切削功率的计算 不同切削条件下的切削功率数值经分析可知， 基本或近似符合标准正态分布，所示，纵坐标 八x ) 为切削功率分布曲线，横坐标工为切削功 率，为额定切削功率。当x x o 时，机床将过载发生破 坏，阴影面积表示发生过载的概率，剩余面积表示机 床满足使用要求而又不过载的概率 图2 - 3 可靠性计算原理 f i g 2 - 3r e l i a b i l i t y a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n 哈尔滨理t 大学t 学硕十学慢论丈 p ( 掌 x 0 ) = 卜if c u ) d u ( 2 2 6 ) 即： ，( 砷= 1 一r ( 甜) 幽 ( 2 2 7 ) 当取过载概率为f ( x ) = 1 5 8 7 ，r = 8 4 1 3 时，“= 1 0 0 即：x = + 1 0 0 t r 当取过载概率为f ( x ) = 6 6 8 ，r = 9 3 3 2 时，z f = 1 5 0 即：x = t + 1 5 0 0 根据工作台最大进给速度，选定铣削宽度b = 5 0 4 0 0 m m ，铣削厚度口。= 2 5 m m ，分别切削软硬两类代表型的木材工件( 松木、水曲柳) ，切削比功 k 软= 2 7 ；k 穗= 3 4 将切削层截面积( b x a 。) 由小到大，进给速度由大到 小按一定间隔排列对应相乘( 单位时间内切下的切屑体积) ，再与切削比功k 相乘，即得到一组切削功率的值，如表2 - 2 所示。 按数理统计的计算方法，求得：均值4 x ) = 4 0 0 2 1 ；方差a ( s ) = i 1 9 8 6 。代 入上式：x = + 1 5 0 = 4 0 0 2 + 1 5 x 1 1 9 8 6 = 5 8 0k w 即该镂铣机床在此加1 条 件下，电机可靠率达到9 3 3 2 时，主电机功率取5 8 0 k w 。 哈尔泞理t 大学t 学够卜学位论文 2 6 镂铣机主要技术参数 坐标轴数 工作台外形尺寸( 工作面) 工作台左右行程( x 轴) 工作台前后行程( y 轴) 主轴上下行程( z 轴) 主轴端面到工作台面距离 主轴最高转速 主轴电动机 最大移动速度x 、y 轴 z 轴 定位精度 重复定位精度 气源 机床占地面积 机床高度 表2 - 2 计算结果 t a h i e2 2c a l e u l a t er e s u l t 3 个 1 6 0 0 m m 1 0 0 0 m m 1 4 8 0 m m 9 0 0 m m 2 3 0 m m 8 0 3 l o m m l8 0 0 0 r m i n 5 8 k w 2 4 m m i n 2 0 m m i n 0 o l m m 0 0 0 6 m m 5 7x1 0 5 p “2 5 0 l m i n ) 1 9 0 0 m mx1 2 3 4 m m 1 4 3 9 m m 5 互6 1 l6 1 06 1 06o o5 58 05 船 5 t 55 5 5 筇5 酶5 5 5 为 5 5 4 0 5 巧5 嚣5 嚣55 i5 5 d 钳d 钾4 4 鲥 d d 褥 d d 舒 籍4 8 0d 伯d 2q d 臼d 舒d 韶 d 4 馨d d 击 d 毒4 d 5dd l4 耵 d 玎 4 麓 口琵d 苎4 五d 2 dd 翻4 1 t t 1 td o o4o o 5 ，舞5 惦5 ， 5 锄，j 辑 5 巧，巧 3 他5 佗5n ， 5 6 0 5 嚣5 w，m3 邸5 5 3 3 0 ， ，乃，巧s 加5 帕2 嚣2 订 2 z 舒2 2 鞠 2 墨2 毒2 z 嚣 2 巧 2 ， 2 o o1 昵1 馆16 01 l 鲤 1 啦