（机械电子工程专业论文）发动机叶片五坐标数控抛光机总体设计与研究.pdf

西北工业大学颂士学位论文 摘要 摘要 航空发动机叶片作为航空发渤机的关键零件，不仅数童大，而鬣要求高，其 有结构复杂、品释数爨多、凡何精度舞、鸯鞋工嚣难等特熹，这绘肄冀豹鸯嚣工技术 提出了严竣的考骏，绘婶弦戆残露4 彝刿造嫒量豹保证带来了更大豹挑战。当魏， 世界上时片型面磨削加工和抛光普遍采用的传统机械专用加工设备，不适应多品 种小批蹩产晶的生产。国内目前叶片的数控加工多是从毛坯的铣酎开始，铣削完 成的盱片留裔0 3 m m 的余煮，需要经过工入手工磨翻才熊成为成品许片。 本文运搦数控燕王原璎、裂稻瑰鼗数控秘王设备静成熟技零，缕会长翅兹哮 片型面的加互经验，研究设计一套五坐标时片数控抛光机床。不但商助予提高叶 片的质量、致憔和机械性能，而且可以提高生产效率、降低难产成本、大大改 善工人的工作环境。 本文采耀禳囱分块方法将五攫标奸辟数控撼光枫分或撵毙耩。模块，数控系统 模块、奄气系统模块三个部分。誊先，逶过对砖片的结构特征、翔王现状及加工 工艺的分析，确定了叶片数控抛光机的总体设计要求，提出了研制叶片数控抛光 机床的总体结构设计思路，并利用三维软件u g 对其机械结构避行了详细设计， 在设计卧片抛光梳静砂轮动力梳构霹，本文还参照7 蒹航空发动税翻造厂弓 送蓬 努麴夺整、籀易、手懿妙豢磨削橇鞫。其次，设诗了钒庆熬黄动系统，邋过各构 件的受力分辑，强度的计算与校核，确定了各部件的合理的设计参数。然质，针 对所设计的溉坐标叶片数控抛光机，本文还对备种数控系统进行比较，确定了数 控系统的型号、并对所选择的数控系统透杼电器设计、参数的设定以及逻辑撩毹 程序的设计。最搿，为了遥免浪费、第约袋本，撮据辞冀糖竞税静王艺特点，结 会先进的数控技术，零文还提出了针对时烽抛光机构建了专用的基于p c 的舞放 式数控系统。本文所设计的叶片抛光机机械结构本体，通过专家的评审，认为本 文所设计的叶片抛光机完全能够实现抛光叶片的功能。 关键词：数控撵光极，铸动系统，数控系统，砖片 西北工业大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t 强e 掰a d e sa r en o to n l yb i gi nq u a n t i t y , b u ta l s os t r i c ti nr e q u i r e m e n t , f o rt h e ya r e k e y so fa e r o e n g i n e t h e yh a v es o m ec h a r a c t e r i s t i co fc o m p l e xs t r u c t u r e ，m a n yb r e e d s ， h i 曲g e o m e t r i c a lp r e c i s i o na n dh a r d n e s si nm a c h i n i n g ，, s oi tb r i n g sab i gc h a l l e n g eo n t h em a n u f a 【c t u r et e c h n o l o g ya n dd e v e l o p m e n to ft h eb l a d e a tp r e s e n t , t r a d i t i o n a l s p e c i a lp r o c e s se q u i p m e n t sa r ec o m m o n l yu s e di nw o r l d sm a c h i n i n ga n dp l i s h i n gt h e f a c i e s b u tt h e ya r en o ts u i t a b l ef o rp r o d u c t i o no f s m a l lq u a n t i t i e s a n dn o w a d a y s ，t h e n a t i o n a ln cm a c h i n i n go fb l a d eb e g i n sw i t hm i l l i n gt h er o u g hp a r tm o s t l y , b u tt h e r e w i l la l w a y sb es u p e r a b u n d a n c ei no 3 m m ，t ob ea nf i n a lp r o d u c t ，t h es u p e r a b u n d a n c e s h o u l db eg r i n d e dh a n d l y 鼢u s et h ep r i n c i p i u mo ft h en cm a c h i n i n g 。t h em a t u r et e c h n o l o g yo ft h e m o d e mn cm a c h i n i n g ，c o m b i n e dw i t hm a c h i n i n ge x p e r i e n c eo f t h eb l a d e ，a n df i n a l l y d e s i g nas e to f5 - a x i sb l a d en cp o l i s h i n gm a c h i n e i ti se f f i c i e n tf o rg e t t i n gb l a d e so f h i 曲q u i l t ) ；a c c o r d e n e ea n dm e c h n i c a lf u n c t i o n s ，m e a n w h i l e ，i tc o u l dr i s ep r o d u c i n g e f f i c i e n c y , d e c l i n ec o s ta n dg r e a t l yc h a n g et h ew o r ke n v i r o n m e n t i nt h i sp a p e r , 5 - a x i sb l a d en cp o l i s h i n gm a c h i n ei sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ， w h i c ha r e t h e t a p em a c h i n e ，d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m a n de l e c t r i c a l s y s t e m ，b y t r a n s v e r s e - s e g m e n t a t i o n - w a y f i r s t l y , b ym e a n so ft h ea n a l y z eo ft h ec o n f i g u r a t i o n c h a r a c t e r , t e c h n i q u er e q u e s ta n dm a c h i n i n gt e c h n i c so ft h eb l a d e 。i ti sp r o p o s e da l l e l e m e n t a r yd e s i g nt ot h en cp o l i s h i n gm a c h i n eb a s e do i lt h et h r e e d i m e n s i o n s o f t w a r eu n i g r a p h i c s ，i nt h ec o u r s eo fr e s e a r c ht h i sa r t i c l er e f e rt oad i m i n u t i v e ，s i m p l e m a c h i n ew h i c hi si n t r o d u c e db y t h ea e r o e n g i n eg r o u po fx ia n ，s e c o n d l y , d e s i g nt h e t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，c o n f i r mr e a s o n a b l ep a r a m e t e ro f a t la r t st h i r d l y , b yc o n t r a c t i n ga l l k i n d so st h en cs y s t e m , s e l e c tm o d e lo fn c , d e s i g ne l e c t r i ci m p l e m e n t , c o n f i r m p a r a m e t e r , d e s i g nl o g i s t i cc o n t r o lp r o c e s st h en u m b e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e ，f i n a l l yt h e n cs y s t e mh a v ee x c e s s i v ef u n c t i o ni nm a r k e t f o rt h es a k eo fa v o i d i n gw a s t ea n d s a v i n gc o s t a no p e nn cs y s t e mi sb u i l tf o rt h eb l a d em a c h i n ec o m b i n i n gw i t ht h e a d v a n c e dn ct e c h n o l o g y a f t e re v a l u a t i n go f e x p e r t s , t h ep o l i s h i n gm a c h i n e i s c o n s i d e r e dt op o l i s hb l a d e s k e yw o r d s ：n cp o l i s h i n gm a c h i n e ，t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，n cs y s t e m ，b l a d e u 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学 位期间二，- 丈2 作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国 家有关菅门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借 阅。学校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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人 保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西 北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：缢j 至函 指导教师签名： 力形7 年印月g 日) 学1 年呻月 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学 位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知， 除文中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人或他人已申请学位 或其它用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 己在文中以明确方式标明。 本人学位论文与资料若有不实愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：戮1 毫两 ) ，棚年钼6 日 落巍王韭大学联士攀霞论文 第一章络论 1 。1 概述 第一章绪论 藏空发动辊是飞枫豹“脏”，跫飞规鍪本热能豹决定因素之一。簸空发动 机的研制涉及众多专业的前、沿技术成果，是属于多学科综合披术的“高科技产 晶”。世赛上靛磷蠲飞梳的国家缀多，餐有能力独立磷锈先遴航空发动梳的瀚家 确不多，这主要因为航空发动机的研制需要先进的制造技术把设计变为产品。 航空发动机叶片是航空发动机的重要零件，鼹有结构复杂、品种数量多、几 嚣精疫蹇、如工掇难、期工质基要求裹、对发动枧性能影昀大、设计划造周期长 等特点，制造工作量约占整台发动机加工工作量3 0 - - 4 0 。叶片的型面豳复 杂豹三维弯捶蘸溪经戒，佟绞豹穰逢方法秃法灌鬣辞冀豹耪度簧求。这些阖e f 重制约了岗性能航空发幼机的发展。叶片在工作中要承受巨大的离心力和复杂的 扇动力及振动，这对时片材料、机械加工王艺、熟处理及表面光洁度和喷涂誓艺 都肖极裹的要求。 我国在航空发动机的研发制造方面同聪方发达国家逐有很火距离。我国战机 急甥需要耩一代先进戆大接力涡轮援藏发动极，嚣跨嚣聂是其巾关键豹一环。汁 片质量的好坏直接影响到发动机的性能和安全，叶片制邋的效率也直接影响发动 梳的生产教率，糊茈提高辞冀加工餍壁和生产效率笼为疆要。俘为砖跨船工麓量 的皴后一个重要王序磨削和抛光，其意义十分重大。 目前叶片的制造方法主要有铣削和铸造。铸造主要用来制造高漱满轮叶片， 翔涡轮喷气发动规约涡轮砖冀。菜航空发动援i 制造厂为浆型号轰炸枧磺究生产的 发动机就是运用精密铸造技术来制造涡轮叶片的。现在的精密铸造技术可以做到 无衾量铸造，生产效率较毫。篷霹予发动辊觞最麓跨片，只麓邋逶铣魏毛 丕来制 造。 盱片c a d c a m 制造多是获毛胚的铣削歼始，毽镜割远不能满足咔辟的表箍稚 糙度要求。所以，铣削出来鲍时片还需要经过磨削才能成为成鼹时片。当前，国 内叶片的磨削工作主要由工人手工完成，其劳动强度大、效率低、工作环境恶劣、 翱精度低。焉跨蓐热忑熬震燕窝髑麓蹇接影豌罄发动叛豹接蒺毙梭戆、王俘可 靠性、重爨及成本。为了尽可能得到高精度叶片，提高加工效率，改善目前手工 瘗潮时冀豹加工方法嚣褥笼葵重要。健蠢蓊国内还没有专用翦盱片瘩潮稷霖，掰 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 以，本课题以减少人工干预量，提高叶片的质量、一致性、机械性能。并在提高 生产率和降低生产成本的基础上开发和设计一套数控抛光机床，以此来缩小我国 与发达国家的差距。 1 2 数控系统的发展 1 2 1 数控系统的发展历史 1 9 5 2 年，美国麻省理工学院与帕森斯公司进行合作，发明了世界第一台三坐 标数控铣床。这台数控机床的研制成功标志着n c 技术的开创和机械制造数字控制 时代的开始。至今，数控系统的发展主要经历了如图卜i 所示的以下几个阶段 1 9 9 4 图i - i 数控技术的发展 图中的前三代数控系统主要是由电路的硬件和连线组成，所以被称为接线逻 辑数控系统或硬数控系统。它的特点是具有很多硬件电路和连接结点，电路复杂， 可靠性不高，程序的输入、运算、插补及控制功能均由硬件完成，功能简单，设 计周期较长。 从第四代后，数控系统主要由计算机硬件和软件组成，称c n c 数控系统。它 们是由微处理器及大规模集成电路组成，具有很强的程序存储能力和控制能力， 容易扩展功能，柔性好，可靠性高，数控系统的通用性很强，几乎只需改变软件 就可以适应不同类型的机床控制要求，具有很大的柔性，因此也称软数控系统。 近年来，随着p c 机的发展，基于个人计算机的n c 系统得到很大发展。1 9 9 4 年基于 p c 的n c 控制器在美国首先亮相市场，此后该类系统获得了高速发展。由于基于p c 的数控系统可以充分利用微机丰富的软、硬件资源和各种先进技术，它己成为数 控系统发展的潮流和趋势。此后，在基于p c 机的c n c 之上，提出了开放式c n c 体系 结构的概念，即第六代开放式数控系统。 2 囊匏工业大学硬士学经论文 第一煮绪论 1 。2 2 豳内数控系统的发展 我嗣从1 9 5 8 年开始研制数控系统，第一台数控系统瞧清华犬学研制，系统由 电子管缀成。邋5 0 年的发展历程大教可分为3 个阶段：第一阶段从1 9 5 8 年到1 9 7 9 攀，郄封游式发震除段。在魏狳段，蠹予溪舞麴技零羹锬帮我瓣懿萋磁条馋戆聚 制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以 及“，纛”的前赣，帮弓f 透技术，滴亿吸羧，初步建立起国产纯体系阶段。第三 酚段是强国家的“八蠢”后期和“九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场 竞争阶段。在此阶段，我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。在“九五” 拳期，嚣产数控掇痣熬国内露场占饔率达s 溅，配餐国产数控系统( 彗及型) 豹规床 也达到了1 0 5 。但是我国目前的数控技术现状并不乐观，国外数控系统已占有我 鬻豹缝丈部分书场，离性麓数控系绕更是我国懿薄弱嚣第，国产态楼数控系统镑 爨尚不足2 。嗣前，豳内的c n c 产懿有北京机电数控集豳、航天数控集团和华中 数控集团开发的中华i 型、航天i 型和华中i 垄等数控系统。 1 3 数控磨削抛光的现状 近年来，数控磨床、磨削加工中心发展很快。国外c n c 工具磨床已从五轴 发震弱十辘。诲多专髑瘗鬻数控软待和系统已经戏熬。柔经雯驽豹整潮数羧软律 和系统也正在歼发阶段。磨削加工中心可实现联机测量、自动交换砂轮和自动装 卸工件。磨瓢加工中心的精度可达；主轴丽转精发o 5 聃m ，定位精度1 0 l lm ， 黧复定像精度o 7i tm ，轮燎加工耪度5pm 。对于j # 球嚣的磨削釉研抛加工， j 琏年来采用计算机控制光学表面成形( c o m p u t e rc o n t r o l l e do p t i c a ls u r f a c i n g ， c c o s ) 鼓零，戆擐掇热工瑟上莱一熹豹鬟求材辩去除蹩叁瘗谖整秘控刳襄鑫垂 强及磨削点的相对速度。 采糟c n c 控翩静快速点蘑( q u i c k p o ig r i n d i n g ) 梳宋，w 茨实现辘类零辞 农一次装夹后用1 个砂轮就可完成外圆、锥面、曲面、螺纹、台肩和沟槽等全部 磨削工序，生产效率眈普通磨削提高6 倍。应用连续轨迹数字控制，可实现成型 魏嚣磨剩移其它菲圊柱嚣黪戆剩热王。 4 本文丢嚣究豹主要内容 嚣前盱笄静数控镜韶船芏技术遗趋予完善，邑成为辞笄热工静罄选。懿秆舞 3 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 最后阶段的磨削和抛光却仍然停留在传统的手工加工阶段，这和整个叶片加工过 程中的自动化显得很不协调。对叶片的批量制造和叶片质量都有很大影响，还将 进一步影响到发动机性能的提高。 为了尽可能得到高精度叶片，提高加工效率，改善目前手工磨削叶片的加工 方法，本课题提出设计专门针对叶片抛光的数控抛光机床。它的完成将缩小我国 与发达国家之间在抛光磨削不规则曲面方面的差距，不但可以提高叶片的质量、 一致性，机械性能和生产率，而且可以降低生产成本和劳动强度。 本课题主要方向是针对如图1 - 2 所示的叶片，为保持气流有非常均匀的轴向 速度，确保气流流场稳定，减少气流能量损失，从叶根到叶尖有一个逐渐增大的 扭角，造成叶片型面是一个不规则的空间复杂曲面。根据叶片工艺要求，以及叶 片的不规则曲面，开发、研制一套五坐标数控抛光机。其目的：减少人工干预量， 改善叶片的加工质量和一致性，提高叶片的加工效率，降低生产成本。 图卜2 叶片 本课题研究的主要内容： ( 1 ) 通过对叶片的结构特征、加工现状及加工工艺的分析，确定了叶片数 控抛光机的总体设计要求，提出了研制叶片数控抛光机床的总体结构设计思路， 设计了3 种结构方案，通过比较优缺点，最终选择了最优化的方案，并利用三维 软件u g 来对其主要结构和系统进行了详细设计，在设计叶片抛光机的机械结构 时，本课题还参照某航空发动机制造厂引进的国外小型的、简易的砂带磨削机构。 在设计z 轴转动台的时候，本课题参照了滚齿机的转动结构。 ( 2 ) 在设计机床本体的基础上，确定了各部件的合理的设计参数。机床的 进给伺服系统是数控抛光机能否实现的最基本的部分，对其详细地设计计算，是 保证机床能够在规定的技术指标下实现运动及各轴的相互联动的关键步骤。除了 关键的部分的设计，其余的部件我们尽量选择选用专业制造厂家生产的标准部件 4 西北工业大学1 鞭士学位论文 第一章绪论 和通用部件。 ( 3 ) 数控系统是 | 蠹光梳控制的关键。瓣所设计豹五缝标静片数控撼先橇， 本漾题遴过对比索场上当今流行豹比较先进豹数控系统，确定了数控系统的型 号、并对所选择的数控系统进行电器设计、参数的设定以及逻辑控制程序的设计。 ( 4 ) 市场上流行的数控系统功能比较强大，为了避免浪费、节约成本，结 合先进的数控技术，本谋题还提崮了针对卧片据先梳构建了专溺的开放式数控系 统。该齐款式掰接系统采羯p c + p m a c 豹努式。 1 5 本章小结 本拳蓄炎楚职扼要豹概述了数控系统的发展过程，以及国内外在抛光磨削方 面的现状。掇出本课题的主要研究内容。 5 西北工业大学硕士学位论文第二章数控抛光机结构方案设计 2 1 概述 第二章数控抛光机结构方案设计 数控机床是按照预先编好的程序进行加工，在加工过程中不需要人工参与， 故对机床的结构要求精密、完善且能够长时间稳定可靠地工作，以满足重复加工 过程的需要。 数控抛光机作为一种机电设备，其设计的过程和一般的机电设备的设计过程 有很大的相似之处。一方面要从其加工原理即加工工艺方法和机床各部件的相对 运动关系入手，结合叶片的形状、尺寸和位置等参数，来确定机床的实现方式及 各主要部件之间的相对位置关系和配置；另一方面全面考虑机床的外部因素，如 外观造型、操作维修、生产管理和人机关系等问题对机床总体布局优化设计。 2 2 机床设计原则 机床在设计的时候，要遵循以下原则： ( 1 ) 精度优先在设计自由曲面加工机床时，必须严格地保证以机床精度为 中心，加工效率等指标要放在次要地位来考虑。所以，在设计机床的总体结构、 主轴系统、伺服进给系统及控制系统等部件时，都以保证曲面零件的加工精度为 基础，不能降低机床精度。 ( 2 ) 结构上尽可能提高刚度当机床的加工精度到微米级甚至亚微米级时， 通常从表面上看来是刚性的机床实质上变为了柔性体，微米级的微小位移可能随 处存在。所以讨论微米级加工精度时，精度与刚度是一致的，需要将两者综合考 虑，尽可能提高机械结构的刚度。 ( 3 ) 结构简单为了获得高刚度的结构，曲面加工机床结构必须尽量简单。 因为增加构件数量和力的传递元件，会导致尺寸误差增加，弹性位移量变大，刚 度降低。结构越复杂，作用力在传递过程中受弹性变形和温度的影响就变得越复 杂，运动误差就越大。 2 3 叶片的工艺要求 叶片的结构特征主要包括叶身、橼板和榫头，叶身又可细分为叶尖、叶身中 6 殛就工监大学蘸士学整论文第二辈数控抛光机继掏方案设诗 段和叶根，某些特殊叶片的叶身中段还可能带有岛屿。依据叶身部分的外形来分， 卧片可戬分为不带岛蛹( 有垫书中称岛晦为阻尼螽) 的咔片和带岛鹚豹辞笄两类 ( 圈2 - i 和图2 - 2 ) 。带岛屿的叶片是因为叶片较长，岛屿的是要作用是加强叶 片本身的强度。 麴2 - 1 不豢岛孵豹砖终 为保持气流有非常均匀的轴向谜度，确保气流流场稳定，减少气流能量损失， 祆叶根刘婶尖裔一个逐渐增大静褪角，造成奸芹黧面是个不麓弱静空闻复杂馥 霹，时片的主要工作部分时身通常内复杂自由曲蘧组成。 图2 - 2 叶片各部分的豕意图 咔片精度餮求；戮辞片置作辩的受力复杂和振动，箕表孬不麓有翔痰，这一 点的要求非常离表颟粗糙度值小t o 4 弘m ，叶片前聪沿轮廓度为0 0 6pn l ，叶 片中部轮廓度为0 0 8i lm ，前后沿的位置度为0 0 1 5 肛m ，中部为0 0 8 ”m 。由于叶 篾豹特殊要求，熙以镑对时蔗豹擞毙设计专用熟抛光枧非卷必要。 加工过程中叶根处的某些区域是打磨不到的，但这些区域不大，可以通过手 墨努蘑来完疲。 西北工业大学硕士学位论文 第二章数控抛光机结构方案设计 2 4 数控抛光机结构方案的设计 2 4 1 数控抛光机的总体设计 数控抛光设计是综合运动机械技术和电子技术各自的特长，并融入其他多种 学科的专门知识和丰富的实践经验，迅速设计一台正确、合理并能够经济、有效、 方便、可靠的专用数控抛光机。 在设计过程中充分遵守机电互补原则，功能优化原则，自动化、省力原则， 效益最大原则以及开放性原则。 根据叶片的造型曲面，整体机构决定采用五轴四联动的控制方法来保证叶片 的抛光精度，其中包括三个沿x 轴，y 轴，x 轴的3 个直线移动坐标；绕z 轴的转动和 绕x 轴转动的2 个旋转坐标。 本课题对机床采用横向分块法，将数控抛光机的整体结构按功能分割成若干 个模块，如图2 - 3 所示，整个结构被分为抛光机本体、电气系统及数控系统三个 模块。在课题的研究过程中，分别对各模块进行详细设计，最后将各模块连成有 机整体，实现系统功能。 数控抛光机 i 抛光机本体电气系统数控系统 i ill 辅硬软 帆助件件 床设结结 备构 构 图2 - 3 数控抛光机总体结构图 嚣l 王数大学琰士学使论交第二章数控撼毙规继秘方寨设圣 _ _ # = = = 日_ _ ! = | 自! = ! = = ! 自= = = ! _ = = = ! j _ = = = 目_ _ _ 目= = e g 籼ii _ = = = _ e 自e d ：= 自| _ 目= = t 自j _ = _ ! j 自d 胃 2 4 2 数控抛光枧的总体规划 该数控擞必极不毽要瀵跫瘗剡抛光王艺要求，还要其有瓿痣结槐麓萃，鑫动 化程度高，开放性强等特点。总体规划如下： ( 1 ) 满足辞冀热z 静工教要求； ( 2 ) 尽量提高数控抛光机的自动化程度，减少人工干预； ( 3 ) 有通用性和研扩展饿； ( 4 ) 规瘴缕构籀单、优化。 2 4 ，3 抛光枧主要技术性襞撂栝 数控据是穰豹萋零要求； ( 1 ) 减少时型的抛光余爨，实琢余量不大于o 。1 r a m ( 2 ) 改善工作环境； ( 3 ) 掇疼量艺性好，便予调整； ( 4 ) x ，y ，z ，a ，c 五轴四联动； ( s ) 安全酪护； ( 6 ) 冷却与润滑。 梳徕主要技术参数翔表2 一l ； 袭2 - i 机床技术参数表 机床形式赢式、五轴四联动 机床矫形尺寸t 5 0 0 1 5 0 0 1 4 0 0 m m 热工对象峙片类、勃类、长条型零傍 加工范阑能被4 0 0 3 0 0 3 0 0 m m 包容 x1 1 5 0 m m 行程 搦骧壹线进绘系统y4 5 0 m m 露程 z5 0 0 m m 行程 旋转系统 a 绕a 轴转动，3 6 0 度 e 绕z 辘转魂，- 4 5 爱 丰4 5 浚 砂轮主轴转速：1 2 0 0 0 r m i n 9 西北工业大学硕士学位论文第二章数控抛光机结构方案设计 2 4 4 数控抛光机整体结构的设计 首先根据右手直角坐标系如图2 4 ，定义出机床的3 个直线坐标x ，y ，z ，2 个旋转坐标：绕x 坐标旋转的a ，绕z 坐标旋转的c 。 + 右手直角右手螺旋 图2 - 4 数控机床标准坐标系 五轴的具体布置是：叶片及其装夹平台沿y 轴运动，叶片在装夹平台上可 绕x 轴转动，砂轮装在竖直导轨z 上，可以上下移动，同时砂轮可绕z 轴转动。 在进行数控磨削时，为了最大限度的让砂轮的外形轮廓以最佳方向和叶片接 触，本课题采用5 个自由度。加工时，叶片的磨削路线为沿径向的来回“之”字 形，每完成一次径向走刀砂轮下降一个步长，如图2 - 5 所示。在加工过程中，程 序不断控制两个转动伺服电机保证其加工的角度，使叶片在切削点的法矢量通过 砂轮中心，这样的加工方式有利于保证每个点的抛光次数一样，从而保证了加工 精度。一面抛光完成之后，叶片旋转1 8 0 度，加工另一个面。 图2 5 叶片加工过程示意图 本机床总体设计如图2 - 6 所示： 西北工业大学硕士学位论文 第二章数控抛光机结构方案设计 图2 6 整体方案图 1 、砂轮7 、z 轴导轨 2 、叶片8 、z 轴丝杠 3 、a 旋转轴 9 、c 旋转轴 4 、y 轴导轨l o 、x 轴丝杠 5 、y 轴电机 1 1 、x 轴导轨 6 、砂轮动力机构 叶片2 和a 旋转轴3 一起可以沿着y 轴前后移动，砂轮动力机构6 沿着z 轴 上下移动，砂轮动力机构6 、z 轴可以通过c 旋转轴9 旋转，砂轮动力机构6 、z 轴、c 旋转轴9 放在x 轴上，可以沿x 轴左右移动。x 、y 、z 、a 、c 五个坐标同 时运动，来保证使砂轮1 的母线能与任意自由曲面叶片2 的法矢量相垂直，达到 高精度抛光的目的。 西北工业大学硕士学位论文第二章数控抛光机结构方案设计 2 5 数控抛光机主要结构的设计 2 5 1 关键部件的结构设计 数控抛光机的关键设计就是抛光机抛光机构的结构设计，机构设计的合理将 直接影响抛光机的整体精度和工作效率。在对目前抛光的机构进行深入的分析和 调研。最终我们参照某航空发动机制造厂的磨削车间的小型的简易的砂带磨削机 构。这个机构是引进国外的先进机构，结构比较简单，也需要工人的手工的操作。 设计有砂轮和砂带两种磨削方式：使用砂轮进行粗磨削，因为砂轮能够承受 大磨削力但精度低，而砂带精度高，在精磨削阶段可以使用砂带磨削。本课题决 定采用以下方案：用电机通过砂带带动砂轮，这种情况，砂带的功能是传递动力； 同时，砂带也可以直接磨削。砂带的张紧通过气缸来控制，整个机构称之为砂轮 动力机构，砂轮动力机构放在z 轴上。 ( 1 ) 方案一，如图2 - 7 示，可以看出整个机构以两个母板l ，2 为载体，其中 母板l 和母板2 之间用导轨相连接，这样设计的目的就是为了能够实现砂带和砂 轮磨削的更换，整个机构由“工”形支架3 放在z 导轨之上以固定机构，由z 轴直线伺服电机驱动，支架3 和母板l 之间有导轨连接，同时起到固定和减小摩 擦的作用，带轮4 为主驱动轮，用普通微型三相异步电动机驱动，整个皮带的张 紧功能主要靠气缸5 来完成，并设计了一个导杆6 来防止气缸头部的转动。为了 保证整个机构的前后移动，在“工”形支架内嵌气缸7 ，提供磨削时候需要的压 力。母板2 上有四个带轮8 来控制砂带的包角。 西北工业大学硕士学位论文 第二章数控抛光机结构方案设计 1 、母板l 2 、母板2 3 、支架 4 、驱动轮 图2 - 7 方案设计1 5 、气缸 6 、导杆 7 、气缸 8 、带轮 ( 2 ) 方案二，如图2 8 所示，可以看到整个机构仍然是以两个母板l ，2 为载体， 仍然由气缸5 来控制砂带的张紧，带轮4 为主驱动轮，气缸6 用以推动机构前后移 动，不同之处就是将工形架支撑改成了背厩的平板3 支撑，带轮内部留出v 形带 槽，用v 形带来驱动外部挂砂带，这时候砂带只是起到了磨削的作用，而不再起 传递动力作用 西北工业大学硕士学位论文 第二章数控抛光机结构方案设计 图2 - 8 方案设计2 1 、母板1 4 、驱动轮 2 、母板25 、气缸 3 、平板6 、气缸 ( 3 ) 方案三，如图2 - 9 所示，整个机构以l 为母板，带轮2 为主驱动轮，同 样由微型电机驱动，双杆气缸3 起砂带张紧作用，同时本身可以防止汽缸头的转 动，带轮4 为了增大包角，母板头部有同轴安装的带轮5 和砂轮6 ，可以进行两 种方式的磨削抛光。整个机构由导轨固定要z 轴立柱上，两个导轨之间装有气缸， 用来拖动机构沿导轨方向运动并控制磨削压力。 1 4 西北工业大学硕士学位论文第二章数控抛光机结构方案设计 圈2 - 9 方案设计3 1、母板4、带轮 2 、驱动轮5 、带轮 3 、气敷6 、砂轮 方案选择：经过上面的分析可以知道，方案一在安装王形架的时候存在困难， 要求z 轴的宽度过大，使在z 轴加旋转坐橼的可能性减小，同时将这个机构安 装宠裁之嚣移带豹安装移更按没蠢务法进孬，耱其淘汰。方案二终税毒奄熬支撵置 于一磷，代替“z ”型支架，改掉了砂带没裔弼法安装的缺点，但是存在一个藤 题就是气缸在张紧时候可能由于加工的原因而使砂带变长，张紧v 形带的同时 无法使砂带张紧，没有办法加工。同对方案1 嬲方案2 还肖个共同的缺点就是 要求将气缸置于母皈蠹静导辘童，实行趋来难度大，不矮加芏。方案3 解决了方 案1 ，方案2 存在的问题，可以方便的更换砂带，导轨嚣予母板背后方便加工。 经过对比决定使用方案3 。 2 5 2z 轴选转工作台的结构设计 程设计z 轴的转动台豹时候考虑到z 轴的承重很大，包括z 轴立拄，砂轮动力 撬秘，还有转动套本身瓣重量，在设诗转动螽髓考虑了多耱极梅，最终参照滚鸯 机的转动机构，利用两个锥形套筒之间的啮合来支撑这个机构的重量，两个套筒 之间采用滑动摩擦，中间设计导油槽来通过润滑油来润滑，套简通过平板与x 导 鞔籀涟，整个掇孝冬浚诗絮塑2 一l o 获暴 西北工娩大学硕士学位论文第二章数控抛光杌缩构方案设计 = = = | 自 j j = = j e = # _ _ _ _ 自# e j _ _ # _ e = 目e e = j j # = e = = = ! 自= ! ! = = o # 目i l 、平授 2 、餐黢毫撬 3 、固定支架 4 、大齿轮 图2 - 1 0z 轴回转工作台 5 、平板 s 、螺母 7 、小齿轮 整今援毒枣豹支撑囊平缀l 竞滋，将挚板耋予x 辘瓣导辘童，崮x 辘镶鼹毫 机拖动其沿x 方向直线移动。构件3 是由套筒和u 型支架板构成，u 型支架板 的律爝楚用来潮定v 垄套簿和c 辅转动侗服电辊，丽v 垄套筒翔蔫角来承受整 个z 轴的重量，同时保证其沿套筒轴线方向转动，齿轮4 是z 轴转动的传动齿 轮，由伺服电机2 带动齿轮7 ，齿轮7 带动齿轮4 来完成z 轴转动的功能，平板 5 提供z 辘立犍的支撑覆。v 型套麓底部必螺母6 ，其作用是防止受予震动过大 而引起两个v 型套简的脱离。 2 5 3 主要部件的选择 除了上述的几个关键部件的设计外，其他部件的选择采取的原则是尽可能的 选用专业制造厂家生产的标准部件和通用部件，这样不仅能够降低制造成本，更 鬟要懿怒能够保涯撬藤鲍震霪葶珏搬庆鲍壤疫，实现设谤曩标。 ( 1 ) 主轴电机：这里的生轴电机就是拖动砂倦旋转的电机，由予磨削需要的 1 6 西北工娩大学硕士学能论文 第二章数控抛光机结构方案设计 动力不大，同时考虑到尽可能减轻z 轴机构的蘑量，本课题选择沈阳微电机厂生 产豹微垄三翔异步电动规，型号：y t z 6 3 3 2 ，魄枫运行条佟如下： 1 ) 海拔不瘦越过1 0 0 0 m ， 2 ) 周围介质瀛度不应超过4 0 0 c ， 3 ) 周围空气的相对湿度不大于8 5 ； 唾) 在无瀑炸，嚣无是毅疼镰金嚣纛酸琢绝缘豹尘埃豹琢方。 电机的主要技术参数如下袭2 - 2 所示： 表2 - 2 ；电机的技术参数 型号功搴转速毫压 簇邀流效察因囊最鬏鬟量 ( 转 ( v ) 崴 ( a )( )数动大定 ( k g ) 分) 转转电 蹩矩藏 y t z 6 3 3 25 5 0 w2 7 8 03 8 05 0l 47 4 5o 8 l2 22 4 66 8 本电机为封闭失道自扇冷式，定子内潜有屋型连接的三相绕组，转予为铸铝 聚笼姣，瑁宅疆法溯褥绕组懿滠渡苓痤该超避7 5 0 c + ，壹爹爹l 瘴空阗瘊瓣，选择 电机的固定法兰为小法兰式。 ( 2 ) 分度盘：转动坐标a 的旋转是通过分媵盘机构来嶷现的，分度缴的控制 是或n c 熬镯瑕模块完成豹，英提供有和n c 伺鼹模块连接豹接口。使弼分度盘 的优赢就是可以大犬提高转动控错的精度，优化祝床设计，在梳床设计的孵候不 用在上面额外设计转动自由度，节省成本。 零课题选择韵分发盘是台湾谭兴精工企娥有限公司生产的v r n c - 1 7 0 型分 覆盘，稼藩毫撬选择f a n u c 耄撬。它豹分爱耩度2 0 ，鬟复精度矿。葵努菠蘩 下图2 - 1 1 所示。 图2 - 1 1 分度盘 ( 3 ) 导轨：机床部件的运动酃是靠导轨支撵来完成的，所以导轨的耩度将直 1 7 西北工业大学硕士学位论文 第二章数控抛光机结构方案设计 接决定机床的精度，进而影响到零件的质量，所以导轨精度一定要高。 南京工艺装备制造厂是我国滚动功能部件最大的生产厂家之一。本课题选择 该厂生产的直线滚动导轨。结构如下图2 一1 2 所示。 图p 1 2 直线滚动导轨 1 ) 结构：直线滚动导轨副是在滑块和导轨之间放入适当的钢球，使滑块和 导轨之问的滑动摩擦变为滚动摩擦。它由导轨，滑块，钢珠，反向器及密封端盖 等组成，当滑块和导轨发生相对运动的时候，钢球就沿着导轨上的经过淬硬和精 密磨削加工而成的四条滚道滚动，在滑块端部又通过反向器进入反向孔后再进入 滚道，钢球就可以这样循环的进行滚动，反向器两端有防尘封垫，可以有效的防 止灰尘，屑末进入滑块体内。 2 ) 优点：摩擦力小，这样就能实现高速的直线运动并能实现高定位精度和 重复定位精度。能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。成对使用导轨时 能降低基础件导轨安装面的加工精度，减少基础件的机械制造成本与难度。导轨 表面采用了硬化处理，使导轨具有良好的可校性，心部保持良好的机械性能。它 为四个方向等载荷结构，额定载荷大，刚性好，适用于各种机床。 本课题选择的导轨型号是：三个直线运动的3 对导轨为3 2 号，砂轮动力机 构前后移动的导轨为2 0 号。 ( 4 ) 丝杠：丝杠的作用是将电机的转动转化为机床的移动部件的直线运动， 丝杠的精度仍将决定整个机床的加工精度。本课题仍然选择南京工艺装备厂生产 的滚珠丝杠副。其详细的计算见第三章，结构原理图如下2 1 3 所示： l s 西j e 工业大学硕士学位论文第二牵数控抛光机结构方案设计 蹦2 - 1 3 滚珠丝牲辨双图： 滚珠丝程戮必须润滑，原粼上滚珠辘承鹃润滑方式都霹戳瘸于滚珠丝杠酗， 推荐一般情况下阁锂基润滑油。丝杠副使用过程中，滚珠螺母必须在有效的行程 内遮动，必要的时候在行程的两端安装限位零件，防止螺姆脱落，本课题丝杠两 璇鸯霾定豹支撵，甏滚有效豹镁茨。丝程蜜警传动效率瓷，不能鑫缓，凌弱予垂 壹方向的传动的时候，电机失电而造成丝杠的逆运动，在购买伺服电机的时候， 将z 轴的伺服电机加上抱闸，谯电机失电之精将z 轴丝杠抱死，可以有效的防止 逆遮动。 2 6 加工误差分析 数控捷竞穰程整令按王系绫孛懿误差耋黉骞撬床本零摹魏误差、数控系统懿误 差、砂轮磨损的谡差以及环境震动的误差。 ( 1 ) 对于机床本体的误差，应改提高滚珠丝枉、导轨的精度，本课题主要选 雾专渡厂家豹产菇，耱爱较裹。 ( 2 ) 同时还可以通过螺距谈差补偿和反向间隙补偿来消除加工过程中的误 差。 ( 3 ) 数控系统的误差摆对来说毙较套，数控系统是数字控裁，耪度玩较商， 误熬镶，l 、。 ( 4 ) 砂轮磨损对加工误差的影响：被加工零件的表面质量直接依赖乎砂轮的 精度。为了提高l 冲片灼加工精度，必须对砂轮进行适当的修整。 ( 5 ) 环襞懿掇瀚鼹翻工误麓豹影穗，舔嫒缀凌会零l 起穰痰本薅戆鬏漤，透瑟 引起磨削砂轮与被加工零件间的相对振动位移。为了克服外界振动引怒的不良影 响，机床的底座熏量应尽量大，底座应安装税混凝土块上，混凝土块墁于地下。 西北工业大学硕士学位论文第二章数控抛光机结构方案设计 2 7 干涉分析 五轴加工给数控加工带来了很多优点：机床效率高，加工精度高，五轴加工 可以比三轴加工提高l 一2 倍的生产率，但是轴数的增加同时也带来了一个难题 就是机床更容易发生干涉，且不容易判断。很多专家学者都对此进行了研究。 对于本机床，通过分析总体方案图可以知道，最可能发生干涉有两个：一个 就是在砂轮加工的时候，z 旋转轴按照程序发生旋转，这时候砂带轮可能和叶片 的夹具之间发生干涉。二就是由于砂轮存在厚度，在叶根处抛光的时候，砂轮会 和叶根发生干涉。干涉发生后，轻则直接影响到零件的加工精度，重则零件报废， 损坏机床。 避免干涉最好的办法还是在设计机床的时候，考虑周全，精确计算，从根本 上减小干涉的可能性。另外在编程的时候可以对于涉进行判断和处理，这里不再 进行介绍。 通过上面的分析知道，抛光机机构还可能存在干涉情况，需要在以后进行修 改和完善。 2 8 本章小结 通过对叶片的加工要求的分析，确定了抛光机的总体性能指标，设计了几种 结构方案，并通过对比各种方案的优缺点，确定抛光机的最终结构方案。 2 0 西北工业大学硕士学位论文 第三章数控抛光机传动系统设计 3 1 概述 第三章数控抛光机传动系统设计 当前，随着电子技术和软件技术的发展，电气伺服技术在机电一体化产品中 得到了日益广泛的应用，其主要原因是伺服电机控制方便、灵活、容易获得驱动 电源，没有公害污染，维修也比较方便。 数控机床的伺服系统由伺服电路、伺服驱动装置、机械传动机构、执行部件 及检测反馈环节组成。伺服电路和伺服驱动装置组成伺服驱动系统；机械传动结 构和执行元件组成机械传动系统；检测元件和反馈电路组成检测装置，亦称检测 系统。它的作用是：接受数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动 电路作一定的转换和放大后，经伺服驱动装置和机械传动机构，驱动机床的工作 台等执行部件实现工作进给和快速运动。数控系统的进给系统与一般机床的进给 系统有本质的差别，它能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度和位置， 以及几个执行部件按照一定规律运动所合成的运动轨迹。数控进给伺服系统的性 能取决于组成它的伺服驱动系统与机械传动结构中各环节的特性，也取决于系统 中各环节性能参数的合理匹配。 违2 伺服驱动装置的选择 数控机床集中了传统的自动机床、精密机床和万能机床三者的优点，将高效 率、高精度和高柔性集中子一体。而数控技术水平的提高首先依赖于进给驱动特 性的改善以及功能的扩大。团此，数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控 制、伺服电机、机械传动等方面都有很高的要求。伺服系统的基本要求和特点有 以下几个方面： ( 1 ) 基本要求： 1 ) 稳定性好。 所谓的稳定是指控制系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过 程中达到新的稳定平衡状态，或者恢复到原有的平衡状态。数控机床要求伺服系 统具有较强的抗干扰能力，保证进给速度的平稳。伺服系统的稳定性将直接影响 数控加工的精度和表面粗糙度。 2 ) 准确度高。 控制系统准确度是指系统输出量能够复现输入量的准确精度，一般用稳态误 程蔻芏娩大学磺士学位论文第兰章数控挞走撬传动系绫设诗 _ ；= j a = = _ $ = 自= = = = # # e e = = = _ # = ! | =