机床设计相关样本蓄能器

1、问题的提出笔者为研制“熔铸耐火材料精设备”试制出一台数控铣磨床。在样机试切工件时，发现工件过切。工件材料为a-bAl2O3，是熔窖流道槽中的关键零件，属难的、脆性材料，其形状如图 1 所示。经过各种工况的反复试验，过切总在既定的位置，即位于零件的最高处(半径为 50mm的圆弧极值点处)。为此，笔者进行了空载模拟，磨具上安装的铅笔在白纸上描绘出各种曲线，结果证实机床的 Z 向进给在极值点均出现失控下滑的现象，在纸上表现的轨迹就是极值点过切。2 机床进给系统数控铣磨床样机如图 2 所示，它采用龙门框架结构，具有较大的整体刚度。机床设置了立滑枕(Z 轴)、模向滑座(Y 轴)及纵向工作，且均由步进电分

2、别驱动，脉冲当量均为 0.01mm，其中 Y、Z 两轴为二坐标联动。滑枕、滑座、的导轨面采用贴塑软带(YT导轨软带)新技术，具有低摩擦、无爬行、耐磨、抗振的特点。立滑枕(含磨具，计 450kg)采用气囊式蓄能器惯性小，动作快捷灵敏。配重装置，避免了铅块配重的缺陷，从设计的角度看，该机床 Y 方向的进给运动是由步进电通过一对齿轮传动后驱动滚珠丝杠实现的。滚珠丝杠两端采支承结构，通过对支承轴承、丝杠螺母副及丝杠本身的预紧，传动刚度较大。X 轴方向的进给与 Y 方向相同，且它对质量的影响甚微。Z 轴方向的进给与 X 轴方向相比，滚珠丝杠的下端处于自由状态， 因此支承刚度较小，丝杠本身无法预紧。此丝杠

3、驱动立滑枕作上、下进给运动，其结构原理如图 3 所示。它与 Y 轴丝杠联动可实现 Y-Z 平面上的曲线 。此轴是引起过切的根源。3 过切现象研究现以与磨具刚性联接的立滑枕为研究对象，它受到重力 G，配重拉力 F，立滑枕与导轨面的摩擦力 Ff 以及滚珠丝杠对立滑枕的驱动力 T 的作用。与重力 G 相等。当立滑枕向上运动时，由于 Z 轴进给要换向，电上配重力 F 要接受反向插补间隙，电脉冲指令而顺时针运转。假如由于或装配，传动齿轮副接受反向进给指令后，最初的若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用，因此产生传动误差的结果是欠切而不是过切。在实际软件中，齿轮传动间隙已采取补偿措施，欠切也发生。1.横向滑

4、座 2.Y 轴丝杠 3.横梁 4.蓄能器5.油缸 6.步进电7.钢丝绳 8.主电动机 9.主传动轴 10.滚珠丝杠 11.立滑枕12.磨具图 3 Z 轴进给系统工作原理图 4 进给系统图 5 逐步比较法插补速度分析1. 经现场观察及理论计算，发现所选用的配重蓄能器公称容积 V0 偏小，导致配重力F 在立滑枕的工作行程范围内变化幅度较大。根据蓄能器的工作原理，配重力 F 的变化幅度取决于蓄能器的公称容积 V0、油缸的缸径及工作行程。当 V0 偏小时，以工作行程的中点为临界点，愈是在工作行程的下图 6 速度误差引起过切原理图端部，F 值越大：愈是在工作行程的上端部，F 值愈小。在试切工件时，极值点

5、位于工作行程的上半部较软件已设置齿隙补偿功能，步进电置，此时测出配重力 F<G-Ff。由于接受反向指令后，首先不是向步进电输送经插补计算的反向位移脉冲，而是由补偿软件按既定的速率发出一定数量的补偿脉冲，使步进电由于 F<G-Ff，立滑枕即刻向。转动越过传动间隙。在这个补偿间隔内，运动，这是导致过切现象的一个主要2. 在设计上，驱动立滑枕的滚珠丝杠为悬伸梁，即其下端没有支承，显然此传动系统的传动刚度较小。文献表明：数控机床的进给系统中，丝杠和螺母将电的转速转换成执行部件的位移，这相当于一个环节，而系统的其余部分可以简化成一个增益为 ks 的比例环节，因此，进给系统可以简化成图 4形式

6、。从系统分类分析，这是一个型系统。该系统的特点是对阶跃位置指令的响应没有稳态误差，而对阶跃速度，即斜坡位置指令输入，其响应的稳态位置偏差为e=V/ks，e 为速度引起的误差，是为了建立速度 V 所必需的指令位置与实际位置之间的误差。本数控系统采用逐点比较法插补原理，在圆弧时(图 5)可以认为刀具在某点(如 P点)附近很小的范围内，切线 cd 与圆弧非常接近。在这个范围内，对切线的插补和对圆弧的插补，刀具的进给速度基本相等。因此，刀具的进给速度为如图 6 所示，磨具中心沿着圆弧曲面的外侧作两坐标联动进给，当 Y 轴的位置指令到达圆弧的极值点B 瞬间，由于速度 Vy=fd引起的位置误差为ey=fd

7、/ks，速度Vz=0 引起的误差为 0，因此磨具中心实际位置在 A 处，此时 Z 轴的进给指令已从正向变成负向，并瞬时由补偿软件发出一定数量的补偿脉冲，使步进电转动越过传动间隙后，随即从零开始按插补指令逐渐。也就是说，在 Z 轴换向进给时，由于 Y位置误差 ey=fd/ks，使磨具中心在 A 处已开始向下切削，这必然造成极值点轴过切。因此，进给系统的速度误差是造成极值点过切的另一主要。4 消除过切的措施1. 增大蓄能器的公称容积 V0。经力学计算，当配重力 F 的变化幅度在|F-G|0.1 的范围内，立滑枕可以在步进电失电的情况下靠滑动摩擦力就可以在工作行程内的任意位置处于静平衡状态，这样就避免了立滑枕在步进电作齿隙补举动时趁机向下滑动，以提高 Z 轴进给系统的精度。2. 提高 Z 轴进给系统的刚度。传动齿轮采用无间隙设计，在滚珠丝杠的下端增设一个支承，避免悬伸梁结构。此外，对轴承、丝杠螺母副及丝杠本身进行恰当的预紧。3. 在软件设计上采用“慢速延时”的策略，即当插补计算快至圆弧极值点时，逐渐减小插补时钟频率) ，以减小速度误差：当到达极值点时，使磨具停