机床性能（精选八篇）
机床性能 篇1
并联机床不同于传统机床的结构,它基于Stewart平台原理,实质是一种多环多自由度的并联空间连杆机构。6根驱动杆两端通过球铰或虎克铰分别与装有主轴头的动平台及上方的定平台相连,改变6根驱动杆的杆长,机床的主轴可以实现六自由度的空间运动。并联机床虽然优点很多,但没有被普及的原因还是精度问题,主要有安装驱动杆口的精度和驱动杆本身的精度,但最主要的还是驱动杆本身的精度,因此解决驱动杆的精度问题是解决整个并联机床精度问题的关键。驱动杆在机床中工作时,其精度问题包括:定位精度、刚度、反向间隙等。为了校核精度,必须要有一台专用的测试平台,实际测量驱动杆在空载和加载时工作状态,通过数据分析,找出问题所在。
1 驱动杆测试原理及测试台构成
1.1 驱动杆测试原理
驱动杆在实际工作时将受到轴向的拉伸和压缩力,为了能模拟实际工作状态,设计测试台时驱动杆由V形块支撑和固定,实际测量时,首先能模拟加载驱动杆在实际工作中可能遇到的各种载荷情况,将驱动驱动杆到达任何工作的位置,并能动态和静态的测试驱动杆的输入值和输出值。
1.2 驱动杆测试台的构成
a) 机械部分的设计:驱动杆测试台机械部分的作用主要是改变驱动杆输出的受力大小和方向,用以模拟驱动杆真实工作时的载荷,由于驱动杆是个二力杆,因此加载部分只需要在驱动杆的输出上加上一个轴向的力,这里用一段导轨槽和槽中的一个滑块来保证负载力始终在轴向上,驱动杆的输出固定到滑块上。如图1所示。
1) 导轨架用于支撑导轨及滑块。
2) V型块支撑架用于支撑驱动杆,确定了驱动杆的轴线与导轨方向一致。
3) 加载架用于支撑加载块的上下运动,通过架上的滑轮的带动,改变驱动杆加载时正向和反向的力的大小。
4) 滑块在控制部分的作用下,通过空载和负载带动驱动杆来回移动,进而协助测量驱动杆的输出位置。
b) 运动及控制的设计:运动及控制部分完成由计算到驱动杆输入端的所有工作,即接受计算机发出的运动命令,并完成相应命令驱动驱动杆做相应工作。其总体结构框图如图2所示。
c) 测试软件的设计:测试软件是在PC机上运行的主要程序,其任务是按照测量任务要求给出运动控制器的运动命令,并采集光栅尺和编码器的值,实时的处理这些值,并能在最后能按要求保存这些测量值。测试软件同运动控制通讯用的串行口,不需要单独编写驱动程序,VB 6.0提供了相应的控件,即MScommon。将MScommon加入主程序,并在代码中设置好串口通讯的各个参数。
2 实验驱动杆的测试
驱动杆性能主要围绕工作状况下杆的长度精度。驱动杆工作中伸或缩变化长度,受力状况为拉与压不断变化,因此,除了杆的长度精度外,驱动杆的性能主要体现在如下几个方面:杆的长度变化误差、杆受力方向变化导致的回差(空回误差)、杆的综合刚度。
综合几方面的测量与测试台的情况,以测量行程400mm为例,测量过程简要设计如下:
2.1 空载测试
1) 杆长标定后的“0”点为参考,消除伸长间隙后,保持码盘读数为“0”,伸长400mm,保存光栅与码盘数据在文件中;
2) 缩短杆长400mm,保存光栅与码盘数据在文件中。
2.2 加载拉力测试
1) 加拉伸载荷,记录光栅数据变动值,消除杆伸长间隙,同时调整码盘数值为“0”, 伸长400mm,保存光栅与码盘数据在文件中;
2) 缩短杆长400mm,保存光栅与码盘数据在文件中。
2.3 加载压力测试
1) 加压缩载荷,记录光栅数据变动值,消除杆伸长间隙,同时调整码盘数值为“0”, 伸长400mm,保存光栅与码盘数据在文件中;
2) 缩短杆长400mm,保存光栅与码盘数据在文件中。
2.4 刚度测试
在指定位置通过加载,监测驱动杆长度变化。
测试后,对数据进行了分析,根据数据测试了曲线图,找出了影响精度的原因,得出了建设性的结论。为理论研究得到了认证,同时对提高驱动杆的性能及并联机床的精度提供了参考价值。
3 结论
数控机床的结构性能要求 篇2
JC35导读：机床本体是数控机床的主体部分。来自于数控装置的各种运动和动作指令，都必须由机床本体转换成真实的、准确的机械运动和动作，才能实现数控机床的功能，并保证数控机床的性能要求。
经济型数控机床的机床本体由下列各部分组成：
（1）主传动系统，其功用是实现主运动。
（2）进给系统，其功用是实现进给运动。
（3）机床基础件，通常指床身、底座、立柱、滑座、工作台等。其功用是支承机床本体的零、部件，并保证这些零、部件在切削加工过程中占有的准确位置。
（4）实现某些部件动作和某些辅助功能的装置，如液压、气动、润滑、冷却以及防护、排屑等装置。
（5）实现工件回转、分度定位的装置和附件，如回转工作台。
（6）刀库、刀架和自动换刀装置（ATC）。
（7）自动托盘交换装置（APC）。
（8）特殊功能装置，如刀具破损检测、精度检测和监控装置等。
其中，机床基础件、主传动系统、进给系统以及液压、润滑、冷却等辅助装置是构成数控机床的机床本体的基本部件，其他部件则按数控机床的功能和需要选用。尽管数控机床的机床本体的基本构成与传统的机床十分相似，但由于数控机床在功能和性能上的要求与传统机床存在着巨大的差距，所以数控机床的机床本体在总体布局、结构、性能上与传统机床有许多明显的差异，出现了许多适应数控机床功能特点的完全新颖的机械结构和部件。
经济型数控机床是一种高精度、高效率的自动化加工设备。尽管数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，但仍然为机械制造厂家所普遍采用并取得很好的经济效益，其原因在于数控机床能自动化地，高精度、高质量、高效率地解决中、小批量的加工问题。数控技术、伺服驱动技术的发展及在机床上的应用，为数控机床的自动化、高精度、高效率提供了可能性，但要将可能性变成现实，则必须要求数控机床的机械结构具有优良的特性才能保证。这些特性包括结构的静刚度、抗振性、热稳定性、低速运动的平稳性及运动时的摩擦特性、几何精度、传动精度等。机床在加工过程中，受多种外力的作用，包括运动部件和工件的自重、切削力、驱动力、加减速时的惯性力、摩擦阻力等。机床的各部件在这些力的作用下将产生变形，如各基础件的弯曲和扭转变形，支承构件的局部变形，固定连接面和运动啮合面的接触变形等。这些变形都会直接或间接地引起数控刀具与工件之间产生相对位移，破坏刀具和工件原来所占有的正确位置，从而影响机床的加工精度和切削过程的特性，所以，提高机床的静刚度是机床结构设计的普遍要求。数控机床为获得高效率而具有的大功率和高速度，使它所承受的各种外力负载更加恶劣，而且加工过程的自动化也使得加工误差无法由人工干预来修正和补偿，所以，数控机床的变形对加工精度的影响会更为严重。为了保证数控机床在自动化、高效率的切削条件下获得稳定的高精度，其机械结构应具有更高的静刚度，有标准规定数控机床的刚度系数应比类似的普通机床高50％。
机床性能 篇3
关键词：高性能数控系统；研究现状；研究设计
数控系统的开发从20世纪50年代就开始了，从硬件数控阶段到计算机数控系统CNC，再到高速高精度CNC的开发应用。当今的CNC采用了32位CPU数据处理，在数控系统中占有主要的地位。如今，开放式CNC开发应用也受到关注。
1.高性能数控系统关键技术的应用现状
1.1加减速控制技术
加减速控制技术主要用于对电机的进给脉冲频率或电压进行加减速控制，避免CNC装置机床在启动或者停止时产生冲击、失步、超程和振荡。保证在机床加速启动时，进给脉冲频率或电压增大；在机床减速停止时，进给脉冲频率或电压减小，这是现代该性能数控系统研究中的关键技术之一。比较常用的方法有直线加减速法和指数加减速法，但这两种方法都存在加速度突变的问题，因此，有关研究提出了柔性加减速法，该技术下得出的加速度、速度均是连续的，因此比直线和指数加减速方法更有优势，系统运行具有较高的柔性。
1.2插补技术
插补技术即是根据给定的曲线生成相应逼近的轨迹，采用软件方法来实现插补功能。数控系统的插补方法一般有两种，即脉冲增量插补和数据采样插补。脉冲增量插补，是在每次插补结束时仅产生一个形成增量，并将增量以脉冲的方式对伺服系统进行传输，使用加法和位移就可以完成插补，但脉冲增量插补的进给速度存在限制。数据采样插补需要先通过粗插补，然后进行精插补来实现。高性能数控系统一般采用数据采样插补方法。
但是在粗插补的进行时，产生的微小直线段每段的始末速度均为零，这就导致系统的启动和停止动作频繁，加工质量差、效率低。为此，轨迹前瞻插补技术在高性能数控系统中得到应用。该方法是在实时插补的同时向前预插补一段距离，以此判断距离内是否存在需要提前减速的微路径段，进而实现加工的高效率和高质量。
1.3轮廓控制的误差补偿技术
轮廓控制的误差补偿主要有两种方法，即跟随控制和耦合轮廓控制。跟随控制，该方法主要用于改善各轴的位置控制能力，提高伺服系统跟随性能，进而间接改善系统轮廓精度。一般多采用PID控制。耦合轮廓控制，该方法先对各个轴轮廓的误差进行计算和估计，然后通过协调控制对轮廓误差实现补偿。
2.针对连续微段高速自适应前瞻插补方法的研究设计分析
该技术主要是在实时插补的同时向前预插补一段距离，以此判断距离内是否存在需要提前减速的微路径段。它包括前瞻插补预处理和实时参数化插补两过程。
2.1前瞻插補预处理
2.1.1确定转接点最高速度2.1.3校核整体跨段转接点速度
微段高速加工时数控系统需要对轨迹运动的变化特征进行提前预测，确保进行整体跨段的加减速。为此首先构建整体跨段减速曲线，然后进入减速处理循环，进行存放预插补微段减速计算，得到该段终点速度，并进行校核。当终点速度大于允许的最高速度，则停止进行减速处理循环，确定减速点；反之则进行下一微段的减速计算。这样就建立起减速点与拐点的前端控制。
2.2实时参数化插补
通过参数方程表示的曲线，计算参变量的增量，直接求出各坐标的位置坐标。实现在轨迹插补时不适用函数计算，只采用次数较少的四则运算即可。
2.2.1参数化轨迹数学模型
2.2.2建立参数化插补算法
参数化插补算法主要有段内参数化插补算法、整体跨段参数化插补算法。段内参数化插补算法是当减速点Pd位于段内时，微段li速度和位移通过右端点建立三次多项式柔性加减速控制离散数学模型。整体跨段参数化插补算法，是当减速点Pd位于跨程序段时，在三次多项式柔性加减速和整体跨段参数化插补的基础上，建立实时插补算法的整体跨段速度、位移曲线离散化数学模型。
2.3高速自适应前瞻插补技术与传统插补技术的对比
通过对某汽车成型模的叶子板某区域的加工轨迹观察，每一微段升降速处理结果发现，采用高速自适应前瞻插补技术加工仅需要0.361s，而传统插补速度控制加工时间0.753s；同时对该区域加工轨迹试验结果发现，采用高速自适应前瞻插补与传统插补技术共需要进给分别为7.507s和17.450s。由于进给速度高速衔接和微段组成的刀具轨迹自适应向前，避免了频繁的加减速度，使机床运行平稳，加工速度和质量提高。
3.结束语
高性能数控系统在数控机床中的应用，提高了加工速度与加工质量。通过高速自适应前瞻插补技术的数学建模与试验，发现该技术在高性能数控系统中具有较高的有效性与可靠性，是一种可推广的技术。
参考文献：
[1]汪荣青.高性能数控系统在数控机床中的应用研究与设计[J].制造业自动化，2012，34（18）
机床性能 篇4
机床广泛应用于国民生产的各个领域,是主要的生产加工设备。传统的机床结构设计方法是一种基于技术和经验积累的设计方法,虽然依据分析结果能够初步判断出结构的性能缺陷,但却无法解决结构修改的问题。同时由于缺乏对机床振动、噪声、热变形等动态因素的考虑,使机床无法获得较好的动态特性,不能满足更高的产品质量要求。机床的动态设计,可以在很大程度上解决此类问题。动态设计的特点是把问题解决在产品研发阶段,其优点是比较全面地考虑了机床在实际加工过程中各动态因素对机床动态性能的影响。所以,对机床动态设计技术的研究很有必要[1]。
2 有限元法的能量平衡原理
基于能量平衡的动态优化设计方法在机床上应用很多,但主要应用于集中质量模型中,没有和有限元模型结合起来。因此,本文提出基于有限元模型的能量平衡的动态优化法,对机床动态优化设计进行了初步的研究。
2.1 有限元的能量计算
振动结构的能量计算是结构分析的前提。对于无阻尼振动系统,结构的振动能量主要有势能和动能两种形式,振动结构势能、动能计算的矩阵形式为:
本文以ANSYS有限元分析软件为工具,来研究能量平衡的原理和有限元模型结合过程中的相关问题。
ANSYS中的模态分析属于线性分析,而任何非线性问题,在模态分析中都当作线性问题来解决,所以本文的势能应该按照公式:
来计算。另外,由于在计算过程中,不存在单元应力刚度矩阵,即[Se]=0,因此,单元势能计算公式变为:
2.2 机床能量分布均匀度评价参数
基于能量平衡原理的机床动态特性评价方法[2]的最大优点就是它以能量均匀程度作为指标,在机床动态特性分析过程中不需要涉及到指标之间的贡献系数问题。但该方法也存在着问题:在机床的有限元模型中,由于单元的数目庞大,很难客观、准确地通过单元能量分布情况去比较不同方案间的能量分布均匀程度。因此,找到一种合适、直观的体现能量分布均匀程度的方式是该评价方法的关键。
对于表达机床能量分布均匀程度,我们可以借用均方差,通过计算不同方案对应阶次的各单元能量值,继而得出相应阶次的能量均方差来体现其能量值偏离平均值的程度,以此来分析各改进方案动态特性的优劣性。
对应于机床的势能,其均方差可以表示为:
其中,σr V为机床第r阶势能的均方差,Vi为第i个单元的势能值,为第r阶的势能平均值,i为第i个单元,n为单元数。
同理,机床动能的均方差可以表示为:
其中,σr T为机床第r阶动能的均方差,Ti为第i个单元的动能值,为第i阶的动能平均值,i为第i个单元,n为单元数。
2.3 机床薄弱环节分析方法
薄弱环节的分析,是机床动态设计过程中的一个重要步骤,也是优化设计的前提。目前,主要通过振型来分析机床薄弱环节,但该方法最大的缺点就是无法比较准确地找到薄弱部件上(如立柱)的具体位置。
在有限元能量平衡原理中提到,某单元或结构的能量分布率高,说明它和其他单元或结构相比,其质量过大或刚度过低,是需要改进的单元或结构。通过减小能量分布率高的单元或结构的重量,或者提高其刚度,使结构向能量分布均匀的方向改进。我们可以根据能量分布情况,找出机床中能量分布比较大的区域作为薄弱环节,再根据实际情况对该环节进行改进。该方法的优点在于能够通过能量分布情况,客观、准确地找出薄弱部件的具体位置。但由于能量是标量,不具方向性,因此,在薄弱环节的分析过程中,无法从能量分布情况来判断出机床结构的振动形态(如弯曲、扭转等),增加了修改的盲目性。
因此,本文提出一种以能量平衡为主、振型为辅的薄弱环节分析方法,发挥两种方法的优点,对机床的结构改进具有很大的理论指导作用。
3 理论方法应用
3.1 机床动力学建模
本文以SL-500/HZ超精密平面磨床为研究应用对象。根据适当的修改原则,简化后的磨床的CAD模型如图1所示。在ANSYS中采用Solid45单元对磨床CAD模型进行自由网格划分,并将通过模态试验识别出的各结合面参数应用于有限元模型。整机有限元模型如图2所示。
3.2 磨床的有限元模态分析
对磨床进行有限元模态分析,选取了前六阶理论模态作为分析对象。前六阶模态参数如表1所示。
3.3 磨床的能量及均方差计算
在有限元模态分析的基础上,从ANSYS软件中得到了磨床的前六阶的势能、动能分布情况。仅取前三阶的势能、动能的分布情况如图3～图5所示。
3.4 磨床的薄弱环节分析及结构改进方案
通过观察各阶的势能、动能分布情况,可以得到前六阶势能和动能的最大值,如表2所示。
从表2中可以看出,各阶势能最大值和动能最大值普遍偏大,特别是势能最大值。这表明了该机床能量分布比较分散,均匀度较低,离结构的最优设计还有很大的距离。
结合工程实际,提高机床动态特性的方法是提高磨头-立柱结合面的刚度值;增加拖板-床身结合面上方的拖板处刚度;减小立柱两端以及拖板两端的质量,来减小该处的动能。
结构改进方案为:
(1)分别增加磨头-立柱结合面X、Y两个方向刚度值的15%,增加后的磨头-立柱结合面X、Y两个方向刚度值变为:Kx=1.23×1010N/m,Ky=4.11×109N/m。丝杠的刚度值即Z向,保持不变。
(2)减小立柱上端质量。在立柱上端两侧分别切掉一块边长L=100mm的等腰三角形。立柱修改前后的结构如图6所示。
(3)根据第五、第六阶振型可知,拖板主要在竖直方向上振动,因此,在结构改进过程中主要以改进拖板的竖直方向刚度为主。拖板两端的结构基本对称,每端下面各有六块斜向筋板(包括侧壁)。加高筋板根部的高度以增加其刚度。托板修改前后的结构如图7所示。
经计算得原方案和改进方案的固有频率值、动能和势能的均方差值如表3、4所示。从表中可以看出改进方案的各阶固有频率比原方案均有较大的提高,前四阶的势能均方差和动能均方差值都大幅度减小,特别是势能均方差。这表明了改进方案的质量和刚度配置更加合理,其动态特性越好。
4结语
通过试验可以证明,用均方差为参数来评价机床能量分布均匀度的方法,并以能量平衡为主、振型为辅的分析方法对机床进行薄弱环节分析,在机床实际结构改进过程中可以减少结构设计和修改的盲目性。
参考文献
[1]杨肃,唐恒龄,廖伯瑜.机床动力学[M].北京:机械工业出版社,1983.
机床性能 篇5
关键词：数控机床,结构特征,性能优化
0 引言
数控机床技术首次出现于20世纪五六十年代, 它的出现加速了机械制造业的发展, 并大大提升了社会总体生产效率。在经济快速发展的趋势下, 机械制造领域所生产的产品种类越来越丰富、产品功能越来越多样化, 这也给数控机床的功能性和结构性有了更严格、更高端的要求, 人们迫切需要一种集高速化、智能化、复合化、高精度化、网络化为一体的数控机床[1]。随着科学技术的不断发展进步, 使数控机床的多功能性成为可能, 从而也扩大数控机床在工业领域的应用范围。本文主要针对当前的数控机床的结构特征进行分析, 并提出优化数控机床性能的策略。
1 数控机床概述
数控机床是一种装载数字控制程序的机电一体化产品, 它通过控制系统编辑、处理控制编码以及各种符号指令, 将编码用数字的形式代替, 再通过信息处理设备输入数控装置, 并在数控装置的运算和处理后对机床的各个子部件发送控制信号, 指导整个机床的运作, 并根据要求和尺寸自动将零件加工出来。数控机床能够有效完成一些品种多样、结构紧密复杂、小批量、频繁改型、生产周期短的零件加工问题。数控机床主要由加工程序载体、数据控制装置、机床主体以及其他辅助功能设备组成。数控机床综合运用了计算机技术、微电子技术、测量技术、电气自动化技术、传感器技术等最新技术成果, 在机械制造和加工领域应用广泛。数控机床是由美国著名发明家约翰?帕森斯于20世纪中叶发明的, 在计算机技术和电子通信技术的推动下, 数控机床逐渐进入数字化智能控制时代[2]。数控技术是衡量机械制造生产水平的重要标准, 同时也是衡量国家生产水平和综合国力的标准, 数控技术逐渐渗透到国民经济的各个领域。因此, 数控机床具有广阔的发展前景和巨大的社会经济效益。
2 数控技术发展方向
2.1 全方位智能化
随着计算机技术和人工智能技术的不断发展, 人们对数控机床中程序自动化、控制智能化有了更高的要求。具体表现在以下两个方面。
第一, 加工过程控制智能化。数控机床通过实时监测加工系统中的主轴、进给电机功率、电流、电压等信息, 再通过智能算法识别刀具的受力、磨损状况以及机床运行的稳定性, 从而及时调整加工过程中的各项参数。
第二, 故障智能诊断和修复[3]。数控机床能够根据以往的故障信息, 智能化地推断故障发生原因及发生部位, 并仿真事故发生的过程, 从而找出修复故障的方法。
2.2 配件高精度化
为了提高数控机床运行的稳定性和精确性, 机床的各类配件的选择上遵循“高科技化、高精确化”原则, 转变以往的以几何精度为主的观念, 数控机床的精度要求逐渐扩展到运行、热变形、抗振等方面。以CNC系统控制精度为例, 数控机床的精度控制采用当前最先进的高速差补技术, 通过微小数控程序实现控制, 逐步细化CNC控制单元, 并采用高分辨率的传感器装置, 提升位置检测和元件测量的精度。此外流行于国际上的网格解码检查技术在提升数控机床加工中心的运行轨迹精度方面具有显著效果, 它通过三维仿真预测数控机床的加工精度, 帮助数控机床在不同加工条件下实现不同规格、不同类别的加工任务[4]。
2.3 功能复合人性化
功能复合人性化是今后数控机床未来发展的趋势, 同时也是实现人性化操作的主要体现。功能复合化数控机床是指在一台机床上能够实现多种程序、多重要素的加工, 能够实现从原料到成品的多元素加工。根据数控机床的功能复合化的实现形式可以分为工序复合型以及工艺复合型。前者是将生产工序整合在一台机床上, 比如双主轴车削中心;后者是将产品生产的各个工艺技术整合在一台机床上, 比如铣镗钻车复合———复合加工中心。功能复合化的数控机床能够大大减少零部件的装载卸载程序、缩短更换或调整刀具的时间, 从而减少这些过程中产生的误差, 有效提升了加工精度, 也成功缩减了产品生产周期。功能复合化的数控机床能够减少人工操作的工序, 解放劳动力, 提高生产效率, 因此功能复合化的数控机床也是一种遵循“人性化”的发展方向。
2.4 运行高速化
现在的数控机床运用了伺服传动系统以及无级变速主轴, 大大提升了数控机床各个部件的自动化水平, 提升了数控机床在运行过程中的传动性能。通过缩短传输链来达到简化数控机床结构的目的。由于数控机床是通过加工程序载体以及数控装置发送数据代码指令的, 因此在数据传输和处理的速度、刀具运动速度、主轴转速以及其他辅助装置的配合速度方面必须实现全方位的并联和贯通。而伺服传动系统是一种自动化服务系统, 能根据数控装置给出的具体指令控制完成各项辅助服务, 能够调整主轴转动结构, 实现主轴自主变速运动。数控机床的全面自动化还体现在结构布局方面, 进给变速箱和主轴箱的整体结构较为简单, 减少了连接轴承和齿轮的数量, 缩短了电动机与主轴、滚珠丝杠的连接距离, 从而提升了机械运行的速度。
2.5 驱动并联化
驱动并联化是指在数控机床的主轴与机座之间配置多杆并联联接机, 数控装置只要控制中间杆系中杆的长度来实现整个平台的自由运行。并联运动机解决了以往机床串联移动部件质量大的问题, 同时提高了系统的刚度、扩大了刀具运动导轨的进给范围, 提升了整个机床的作业自由度, 增加了加工设备的灵活性和机动性。并联式驱动机的运用, 使数控机床更能满足多种型号、种类复杂的零件加工要求, 且并联机自身智能化程度高、运行速率快, 成为提升数控机床整体生产加工速度的新型结构。而在国际数控机床的生产制造领域, 并联机驱动设备是提升数控机床性能的关键技术, 同时也是数控研究行业的重点研究方向, 未来的数控机床中的并联机驱动装置的更新进步将是一大发展趋势。
2.6 信息互动网络化
在计算机网络和通信技术高速发达的时代, 实现数控机床的双向、高速的联网通讯功能是未来数控机床的发展方向。数控机床实现信息互动的网络化能够让各项信息在制造业各个部门、各个车间之间流通, 而通过网络的数据上传和数据共享功能, 又能够对数控机床的加工运行过程进行远程控制和在线监督, 同时实现数字化操控, 能够有效完成对数控机床的远程故障诊断和故障修复工作。比如我国新一代的数控加工中心配置了一个信息塔, 它的主要构件是摄像头、计算机、手机等, 与互联网联接, 能够在线传输声音、图片、视频、文字等信息。
3 数控机床的性能优化策略
3.1 科学布局机械各机构
要提升数控机床的整体性能必须要从机床的各个部件的配置和布局方面着手, 合理布局各个子系统和零部件, 尽量简化机械的结构, 加强数控机床布局的合理控制, 从而提高整个机床的刚性度, 提升机床运行的受力水平, 维护机床的热稳定系统, 最终 (下转第91页) (上接第70页) 实现数控机床的科学管理。
3.2 提高各零部件的刚度和韧性
数控机床的的零部件刚度关系到整个机床运行的速率以及安全可靠性, 而零部件的刚度是由零件的自身质量、固有频率以及阻尼等相关参数决定。要想提升各个零部件的刚度和韧性, 可以从以下几个方面着手:第一, 科学合理地布局机床内部各个零部件的结构, 尽量减少零部件因负载过度而引起弯曲或扭转问题;第二, 零部件截面体现高度科学性, 筋板放置位置要合理, 并选择性能佳的焊接部件;第三, 合理连接各个零部件, 缩短传送链的长度, 提升机械运行的速度。
3.3 避免热变形产生
像一些低能耗的运行配件 (主轴电动机、变量泵等) 可以减少其热量的产生, 同时一些高能耗的运行配件 (传动齿轮、传送链、传动轴) 可尽量减少, 减少摩擦后热量自然降低。此外对一些易于发热的部件可以进行适当的冷却处理, 加快部件的散热, 从而避免热变形的产生。
3.4 提高机械的抗振性能
数控机床中高速旋转控件不在少数, 然而这些旋转部件在运行过程中会产生较大的振动, 这严重影响整个机床的运行效率, 还增加了机床的噪音。为了减少旋转部件的振动, 可以采用平衡处理法提升旋转部件的抗振性能, 通过减少传动部件之间的空隙, 削弱机床运行的应激振动力, 然后将机床的各个旋转部件的运行频率控制在一定的频率, 提升部件的静态刚度。此外提升机械的抗振性能可以通过在机床各个部件中添加阻尼材料, 削弱振动力量。
4 结束语
总而言之, 在社会经济和科学技术飞速发展的前提下, 数控机床已经逐渐实现全方位自动化、配件高精度化、功能复合化、运行高速化、驱动并联化以及信息互动网络化。中国在进入改革开放时代以后, 机械制造业发展迅猛, 但是难以改变以劳动力、资源、价格等为主市场竞争力的局面, 在产品技术方面缺乏自主开发和自主创新的能力。数控机床作为衡量制造业生产水平的市场竞争力的关键评估标准, 其重要性不言而喻。我国要想转变生产制造业发展方式, 必须要从革新数控机床着手, 早日实现数控机床从低端到高端、从初级产品制造到高级产品制造的转变, 不断提高数控机床产品的性能, 从而为促进我国制造业发展奠定坚实的技术基础。
参考文献
[1]王叔平.浅谈数控机床的结构特征与性能提高策略[J].科技向导, 2012 (26) .
[2]徐敬华.基于多域互用的数控机床模块化配置设计[J].机械工程学报, 2011 (17) .
[3]王丽.有限元分析法在数控机床结构设计分析中的应用[J].科技信息, 2011 (29) .
机床性能 篇6
关键词：有限元分析,机床,结构优化
1 引言
优化设计是一门新兴的科学, 它是根据设计要求, 合理选择方案, 确定各种参数, 以期达到最佳的设计目标, 如重量轻、材料省、成本低、性能好、承载能力高等。结构优化设计包括结构参数优化设计、拓扑优化设计和几何优化设计[1]。对于机床床身这样复杂的机械结构系统, 用参数优化设计自动地进行结构优化设计通常是非常困难的。
机床结构动静态性能的优化设计, 就是在结构质量一定的条件下, 使所设计的机床具有更好的动静态性能, 或在保证机床具有一定动静态性能的条件下, 使所设计的结构质量最小。本文对机床床身部件的动静态性能优化采用结构动力修改的办法, 进行结构的优选。
2 床身部件的静力学分析
2.1 床身部件有限元静力学模型
利用SolidWorks建立的床身虚拟模型在建立有限元分析前, 必须对结构特性做出工程技术判断。因为复杂结构的有限元模型涉及重要的工程技术与计算机资源, 建立有限元模型可以在不影响全局的情况下对模型进行适当简化。简化过程中, 可以把床身部件中不影响整体力学性能的小零部件去掉。同时, 对床身和工作台的结构也做一些合理简化, 去掉不影响刚度的小倒角、小圆弧、小凸台等结构。在结合面的处理上, 由于三段床身和两段工作台之间都是通过多个螺栓和定位销固定的, 结合面可以定为刚性联结, 导轨和滑块之间接触类型定义为无穿透, 并设定摩擦系数0.02。根据床身、工作台和导轨的不同的材料分别定义材料, 材料的定义情况如表1所示。
选取实体网格对床身部件划分网格。精度是模型设计的关键, 并且与设计经验有关。一般来说, 增加单元数可提高精度。对复杂的零件应力集中部位, 可以通过局部细划网格来实现精度要求。本文分析的加工中心床身部件, 由于在最为重要的加工阶段, 工件和工作台位于床身中段上方, 所以床身中段和工作台的刚度特性加工精度的保证最为重要, 为了得到精确的分析结果, 利用COSMOSWorks的网格局部加密技术, 对床身中段和工作台的网格局部加密, 其他零部件的网格划分则可以粗糙一些。床身部件共划分为129299个实体单元。床身部件的有限元模型和网格划分情况如图1所示。
这里静力学分析的工作状况为最为重要的加工阶段, 即铣削555mm×1000mm×2000mm、重10t的45钢工件的工作状况。按照前面计算的结果加载, 用COSMOSWorks的远程载荷加载, 可以很方便地把切削力加载到工件与工作台的接触面上, 无需复杂的力学计算[4]。床身底面地脚螺钉固定面设为固定约束。床身部件的约束和载荷情况如图2所示。
2.2 静力分析的结果
对该工作状况下的有限元模型进行求解, 得到床身部件的位移云图如图3, 应力云图如图4。各方向的最大位移和最大应力如表2所示, 可以看出, 工作台上工件安装部位变形最大, 安装部位下方床身及工作台内部筋板应力较集中, 是由于工件的重量和切削力传递到该面导致。应力和变形主要集中在Y方向, 而其他方向变形很小, 说明工件和部件自身的重力对变形影响最大, 合位移最大22.09μm, 合应力最大8.902MPa, 变形的形状为工作台向下塌陷, 床身中段弯曲。分析结果表明, 在工作状态下, 工件正下方工作台和床身Y方向存在比较大的弯曲变形, 可能对加工精度产生较大的影响。本床身设计方案无法满足加工中心对床身部件的静态刚度要求, 应该设法进一步提高床身部件的静刚度。
3 床身部件的动力学模态分析
采用和静力学分析相同的有限元模型, 可以求出床身部件约束模态的固有频率。第一阶至第四阶固有频率如表3所示, 经夸张放大的各阶模态主振型如图3 (a) ～ (d) 所示。
从以上分析结果可以看出, 床身部件的前两阶频率比较低, 有床身和工作台的左右摆动, 对加工精度可能产生一定的影响, 应该尽量避免。总体来说, 床身部件有较好的动力学性能, 能够满足设计要求。
在一般情况下, 部件工作时作用力传递回路内的各个零件, 相当于由串联与并联组成的弹簧系统。载荷作用下系统的总柔度等于各弹簧柔度代数和:
其中Kmin为部件最小刚度, Kimin为第i个零件的最小刚度。
上式表示第一和第二个零件是并联, 第三和第四个零件是串联。从上式可知, 部件的总柔度比部件柔度最大的零件要大, 即系统的总刚度比系统刚度最小的零件要小。由以上分析可知, 要提高床身部件的刚度, 可以从床身部件各零件入手, 下面分析床身部件主要大件的前四果如表4所示。
从各大件的前四阶固有频率来看, 由于设计铸件前经过了变量化的元结构模态分析, 各大件的动力学性能相当, 无明显的薄弱环节。工作台的固有频率相对低一些, 如要提高部件的固有频率, 可从提高工作台的固有频率入手。
4 床身部件的结构优化
4.1 结构优化设计
从床身部件的动静态有限元分析的结果来看, 床身部件的动态性能较好而静态性能较差。结构优化的目标是在有限增加部件总质量以及不降低部件动态性能的条件下, 增加部件的静刚度[7]。
从部件的工作状态来看, 工件及工作台在床身前后两段及床身中段的一部分上运行时, 加工中心的工作状态为空载阶段。此时, 即使部件存在一定的静变形, 也不会对加工精度产生太多的影响。而加工中心处于加工阶段的时候, 工件及工作台在床身中段上方运行, 为了提高部件在工作状态下的静刚度, 可以对床身中段的局部筋板进一步加密, 这样可以在有限增加总质量的情况下提高部件工作状态下的静态刚度, 局部加密的床身中段筋板布置情况如图4所示。
此外, 根据上面的分析可知, 工作台的刚度同样对加工精度影响较大, 适当加厚工作台的筋板厚度, 可以提高其刚度。这里, 把工作台横向筋板厚度由25mm加厚到30mm, 如图5所示。
为了更有效地避免应力集中, 所有大件的内部筋板应加大。这里把所有大件的内部筋板的过渡圆角半径由15mm调整到20mm。
4.2 结构优化后床身部件的性能分析
建立优化后的床身部件有限元模型, 在与之前的分析相同的条件下对优化后的床身部件进行有限元静力学分析, 得到的结果如表5所示, 部件的位移云图如图6所示。
从以上结果与原设计比较我们可以看出, 结构优化后床身部件各方向的刚度均有不同程度的提高, 特别是变形最为严重的Y方向提高最为明显, 比原设计提高了39.7%, 总位移比原设计降低了39.8%。结构优化后, 部件的静态性能有了显著的改善。
对优化后的床身部件进行有限元动力学模态分析, 得到部件的前四阶固有频率和主振形。主振形和优化前相同, 前四阶固有频率如表6所示。
从结果可以看出, 床身部件的前四阶固有频率有了不同程度的提高, 幅度从3.2%～6.3%不等, 这是由于部件中动态性能最差的大件工作台的刚度有了提高, 从而提高了整个部件的动态性能。对于大型而复杂的机械系统而言, 上述动态特性改观已经比较可观了。
5 结语
机床性能 篇7
数控机床加工精度、效率等的不断提高, 对机床直线或回转工作台的精度性能以及加工过程的稳定性提出了更高的要求。新的数控进给传动系统需要在高进给速率 (大于50m/min) 、高加速度 (大于1g) 工况下达到亚微米级的定位精度, 这意味着传动系统必须提供超过100Hz的伺服带宽以及具备优良的干扰抑制性能。滚珠丝杠与电机直接驱动装置在数控机床进给传动系统中仍居主导地位。在高速、高精度定位过程中, 滚珠丝杠系统的结构柔性不可忽视, 弹性变形被证实为定位误差的主要来源。滚珠丝杠传动系统工作行为动力学建模与分析、高带宽控制方法研究近10年来得到了普遍重视。在高性能伺服驱动系统配合下, 直接驱动系统从理论上能够实现高带宽、无限长传动, 但是其驱动原理使其在工作过程中容易受到负载变化的影响。应用直驱传动系统的数控机床, 其加工精度、系统稳定性极易受到切削力变化的影响。高干扰抑制性能的高带宽控制系统研究成为直接驱动系统的研究热点。
进给传动系统、主轴传动系统、刀具是数控机床的重要基础功能部件。从近年的研究工作看, 机床精密传动的内涵正在不断深化, 外延正在不断拓展。滚珠丝杠、直线和力矩电机直驱系统作为进给传动系统与主轴传动系统的主要实现手段, 对其动力学行为与控制技术的研究得到了普遍重视;同时, 随着宏微结合精密复合传动以及智能伺服刀具等新技术的出现, 柔顺机构、功能材料、现代设计制造、传感控制等多学科领域的技术成果已越来越多地用于机床精密驱动传动技术研究, 呈现多学科交叉的特点, 使得精密驱动与传动装置在组成上逐渐具有机构、传感、控制、驱动一体化集成的特征。
从提高机床传动部件精度的技术途径来看, 一方面通过精密机械设计制造, 改善机械传动部件内部的摩擦、润滑、振动等特性来提高精度, 另一方面通过在机械传动部件内部增加传感部件、驱动部件、控制部件, 构成具有智能化特征的传动单元, 以获得更高的精度和响应特性。相比前者, 后者得到了更多的研究。
控制单元作为精密复合驱动与传动的核心, 起着对传动部件、驱动部件的精度控制和能量分配的作用, 当前研究的重点集中在力扰动抑制、驱动传动单元的摩擦与间隙等非线性因素补偿、宏微复合运动的解耦控制等方面。
本文结合机床精密传动技术的发展过程介绍滚珠丝杠工作行为建模与控制技术、电机直接驱动关键技术、宏微结合驱动传动技术以及智能刀具伺服技术的研究现状。
1 滚珠丝杠工作行为建模与控制
近几年来, 世界上很多研究机构围绕滚珠丝杠应用于高速进给系统的结构动力学行为进行了较多的研究, 进行了从简单的集总参数弹簧质量模型到相对复杂的有限元模型的研究, 深入研究了滚珠丝杠轴向、径向静动态变形以及结构共振频率对定位精度及伺服带宽的作用规律。依据更加精确的滚珠丝杠工作行为模型, 所进行的先进误差补偿与机械共振抑制的研究使得滚珠丝杠传动系统的分析与设计方法有了新的突破与发展。
1.1 滚珠丝杠工作行为建模技术
现阶段滚珠丝杠的行为建模技术主要分为三类:基于刚体质量弹簧系统的集总参数模型、相对复杂的有限元模型以及更贴近工程实践的混合建模分析技术。
集总参数模型具有模型自由度少、参数简单、易于求解等特点, 在机床动力学分析、伺服系统性能预测、机构与控制一体化优化综合中得到成功应用。Chen等[1]应用该类模型对典型高速滚珠丝杠传动系统进行了动力学分析与控制仿真, 考虑滚珠丝杠副的轴向变形刚度、扭转刚度以及直线导轨副的接触刚度三类柔性特征, 建立了单轴伺服系统的五自由度集总参数模型;运用该类模型准确预测了传动系统低频模态的分布规律;通过伺服控制仿真, 定量得出了滚珠丝杠副动力学行为对动态伺服精度的影响规律。对半径50mm、进给速率42m/min、加速度1g的高速圆弧插补进行仿真的结果表明, 传动系统柔性引入的终端定位误差很难依靠传统控制策略消除, 仅依靠传统S曲线加减速控制策略, 稳态定位误差达到30μm。Kim等[2]将滚珠丝杠传动系统的集总参数模型包含到伺服回路模型当中, 详细分析和验证了模型机构参数、电气参数以及控制参数对整体传动与定位性能的影响, 建立了同时包含滚珠丝杠动力学约束与伺服控制动力学约束的多目标量纲一代价函数, 并基于该多目标代价函数提出了一种滚珠丝杠伺服机构的机构与控制综合优化设计方法。与之类似的研究还有Poignet等[3]、Yang等[4]的研究。
有限元模型相对复杂, 但它能够描述传动系统动力学细节特征, 与集总参数模型相比, 它不仅能够描述丝杠传动的一般静态、动态时不变特性, 而且能够描述机床全工作空间内, 螺母带动工作台在丝杆上运动过程中传动特性的变化情况。然而, 机床进给传动系统的全有限元模型过于庞大, 难以直接指导传动控制系统的优化设计, 因此, 模型降维与变换技术是有限元模型有效应用的关键。van Brussel[5]提出一种应用成分模态缩减综合技术 (component mode reduction synthesis, CMRS) 进行模型降维的有效方法, 可将模型的自由度数缩减三个数量级, 应用降维后的模型可以有效预测传动系统动力学行为的位置依赖性;在此基础上, 将降维后的模型转化为状态空间模型, 进一步应用平衡截断法或Hankel范数近似法等控制模型降阶技术, 可以得到适用于控制系统设计的低阶“真实模型”。类似的研究还有Schafers等[6]的研究。然而, 应用CMRS技术进行模型降维, 模型精度与降维过程中所保留的特征节点的选取有关, 对于复杂零件如何有效保留特征节点仍需继续深入研究。此外, 综合应用有限元技术和多体动力学技术进行丝杠传动系统仿真分析时, 运动副结合部的时变特性仿真是当前研究的难点和热点。
综合集总模型与分布参数模型 (梁分析法、有限元模型) 的优点, 近5年来很多学者对混合建模方法进行了研究。该方法的基本思想是:将主要传动部件——滚珠、丝杠视为柔性体, 应用分布参数模型建模;将传动末端的螺母、工作台作为刚体处理, 应用弹簧质量模型进行建模。该技术的研究重点是丝杠分布参数模型的建立和丝杠与螺母运动副结合面的建模与列式。目前, 丝杠建模技术主要有以下两种:①将丝杠看作一根完整的梁, 应用梁的解析方程建模列式, 与实验数据进行比对证明, 该方法能够精确预测传动系统的开环动力学特征[7,8,9];②应用梁单元对滚珠丝杠进行有限元建模, 与前者相比, 这种方法的优点是可以得到更为简洁有效的模型描述形式[10,11,12,13]。传动副结合面的建模用于描述运动、振动与力从丝杠到工作台的传递过程, 是滚珠丝杠混合模型的另一重点。现有的技术均采用刚度矩阵描述结合面传动特性, 其发展经历了三个阶段:仅考虑丝杠的轴向和扭转变形;考虑丝杠的轴向、扭转和横向变形;综合考虑丝杠的轴向、扭转和横向变形以及三者间的耦合关系。丝杠分布参数模型、传动副传递矩阵模型与螺母及工作台体的刚体模型共同构成了滚珠丝杠传动系统的混合模型, 为该类传动系统的设计与分析、伺服驱动系统的设计提供了重要工具。
1.2 滚珠丝杠传动系统控制技术
根据滚珠丝杠传动系统工作行为建模分析结果, 在高速以及中重载荷条件下, 滚珠丝杠在传动过程中表现出显著地柔性体特征, 存在以下固有问题:①低频固有模态限制传动动态性能[14];②轴向、径向模态引起工作台游走, 限制动态定位精度。因此, 高档数控机床滚珠丝杠传动系统均工作于全闭环状态。滚珠丝杠低阶模态主动阻尼与主动抑制控制技术、轴向、径向工作台游走动态补偿技术、弹性体非最小相位特性镇定控制技术是近10年来该领域的研究重点。同时考虑丝杠分布参数特性、润滑条件的不一致性以及负载分布情况引起的摩擦条件时变特性等非线性因素影响, 滚珠丝杠在高速传动工况下表现出显著的模型时变性。线性、非线性参数时变控制技术在传动系统控制中的应用在近5年, 特别是最近2年得到了较多重视。
针对低频固有模态的测量与控制, 相关学者进行了大量研究。早期的主要研究手段是在指令和反馈信号通道设置陷波器, 滤除可能激发传动系统共振频率的控制信号[11,15,16,17,18]。该方法虽然能够防止控制系统本身激发滚珠丝杠的共振频率, 但无法抑制外部干扰激发的传动系统共振频率。此外陷波器的设置将显著改变系统的相位特征, 限制系统闭环带宽。随后一些研究者提出了主动阻尼与主动振动抑制控制方法。Erkorkmaz等[11]和Kamalzadeh等[19]应用滑模变结构控制器, 结合零极点配置技术, 设计了一种滚珠丝杠主动振动抑制控制器, 该控制器可以抑制低阶共振频率, 与PID加陷波器的控制结构相比, 显著提高了传动系统的动态性能和鲁棒性能。一些研究证实, 应用加速度计反馈配合前馈控制也是振动抑制行之有效的手段[20]。
针对轴向、径向模态引起的工作台游走, 重点在于如何有效估计滚珠丝杠轴向、径向以及扭转变形量, 如何根据估计值规划数控指令或设计有效的前馈控制算法[19,21,22,23]。针对模型参数的时变特性与不确定性, Symens等[24]研究了变增益控制方法, 并通过实验验证了该方法的有效性。Zhou等[18]研究了自适应陷波器在滚珠丝杠模态抑制中的应用, 使用神经网络构造陷波器参数与工作台位置之间的函数关系, 并通过仿真证明其控制方法存在一定的优越性。van Brussel等[5]将H∞控制应用于滚珠丝杠传动伺服系统设计, 通过实验证明其具有优良的鲁棒性, 但是单纯应用H∞控制时, 传动系统对外生干扰的抑制能力有限。自适应滑模变结构控制将自适应扰动观测器与滑模变结构控制结合在一起, 由滑模变结构控制保证伺服系统对模型不确定性的鲁棒性, 由自适应扰动观测器估计外部扰动并生成补偿信号以抑制外部扰动, 自适应滑模变结构控制被证明同时具有较好的鲁棒性与优良的外生干扰抑制性能, 近几年来得到了机床伺服系统设计领域专家的关注[19,21,25]。
2 电机直接驱动关键技术
与滚珠丝杠驱动技术相比, 电机直接驱动系统无机械传动链, 可以从根本上避免传动链弹性变形引起的动静态误差与振动问题, 越来越多地在高档数控机床中得到应用。电机直接驱动必须由力矩电机配合伺服控制系统共同实现, 伺服控制系统的设计水平是决定该类传动系统整体性能的关键因素之一。伺服控制系统的动静态特性以及鲁棒性能一直是影响整体传动性能的重要指标。围绕直驱伺服系统动静态特性以及鲁棒性的提高, 近年来发展了多种伺服驱动技术。
直驱传动系统由力矩电机直接带动负载, 对切削力、摩擦力等加工过程中的外生干扰力矩、加工过程中的工件质量变化等因素十分敏感, 必须为其设计鲁棒性强的伺服控制[26,27,28]。高带宽、高鲁棒性、强干扰抑制能力是此类伺服控制系统设计的技术难点。传统PID加前馈的控制算法已经不能满足愈来愈高的性能指标要求。近10年来, 线性二次型最优控制[29,30]、H∞控制[26,31,32,33,34]、扰动观测与前馈补偿控制技术[35,36,37]、滑模变结构控制[31,36,38,39]以及自适应鲁棒控制技术[40,41,42]在机床的直接驱动系统设计中得到了普遍重视。以上研究表明, 应用自适应鲁棒控制、扰动与模型不确定性观测及其前馈补偿技术、滑模变结构控制技术, 可以获得动态性能好、鲁棒性强的控制器设计。而H∞控制性能取决于加权函数的设计, 同时H∞控制基于对象的线性假设, 将非线性因素看作系统不确定性进行处理, 单独使用H∞控制固然可以获得鲁棒性能优良的控制器设计, 但其性能指标过于保守, 难以获得满意的控制效果。综合以上控制技术各自优势, 开展混合型控制方法的研究是目前主要的技术发展趋势。
3 宏微结合驱动与传动新技术
粗精两级驱动与传动技术在过去的20年里得到了普遍重视。传统的电、液驱动系统以及机械传动装置受到制造精度、传动间隙、非线性摩擦以及机械结构共振频率等因素的限制, 定位精度与动态性能均有限。压电陶瓷、音圈电机等微制动器与柔顺机构相结合, 可以得到无摩擦、高频响的小行程精密定位机构。结合两者优势的粗精两级宏微结合的传动技术被公认为是较好的大行程、高精度、高频响精密传动技术解决方案, 如宏微机器人操作手[43,44,45,46,47,48]、粗精两级XY坐标工作台[49,50,51,52]等。海量数据存储设备[53,54,55,56,57]也利用该原理设计数据读写装置, 利用MEMS技术制造的精级驱动器可实现高速寻址与跟踪。
控制单元作为粗精两级驱动与传动的核心, 起着对传动、驱动部件进行精度控制和能量分配的作用。从近年来该领域的发展趋势看, 粗精两级定位控制系统设计技术大体可分为两类:多输入多输出 (MIMO) 设计技术和单输入单输出 (SISO) 设计技术。粗精定位工作台动力学模型是典型的多输入多输出系统, 因此MIMO设计方法, 如LQG/LTR设计[57]以及奇异值分析与综合技术[54]被证明是行之有效的解耦控制方法。此外, 一些情况下, 由于机械结构的配置和控制目标不同, 粗精两级工作台间的相互作用可以忽略不计, 这种情况下, SISO设计也能达到一定的控制效果。系统的输入输出关系还决定于系统的硬件配置, 如一些应用中, 末端位移与粗精两级台体间的相对位移均可得到, 这种情况下可设计类似文献[55]中的单输入双输出的解耦控制器。除了动力学方面的考虑之外, 精级传动装置通常行程有限, 精级传动装置运动饱和是引起系统动态性能恶化的重要因素。文献[58]针对这一问题提出了零运动解耦控制策略, 并通过实验证实该控制策略可以有效保证精级传动装置始终工作于有效工作区。该文献同时提出了粗精两级定位时间最优轨迹控制策略, 在闭环控制器最优的假设下进一步提高定位跟踪过程的快速响应能力。综上所述, 总结现有技术特征, 粗精两级驱动与传动装置的控制技术包含以下技术要点:
(1) 粗级驱动与传动装置用于跟踪期望的运动轨迹, 精级驱动与传动装置用于校正因粗级驱动器带宽限制造成的高频跟踪误差;
(2) 依据频域回路成型分析技术原理, 粗级控制器在低频带必须具备高增益, 以响应控制指令输入, 精级控制器在高频段应具有足够高的增益, 以补偿高频扰动引入的定位误差;
(3) 粗精两级控制指令的生成需满足运动解耦条件, 避免精级传动机构行程饱和;
(4) 完成闭环控制器设计后, 依据粗精两级驱动传动机构闭环动力学进行轨迹规划设计, 优化动态跟踪性能。
随着微电子、光电子、生物医学、航空航天、先进制造、微/纳制造等工程技术的快速发展, 追求高传动精度和高动态性能是未来新型传动方式探索的主要目标。未来5～10年内, 精密传动技术研究面临的需求是设计和制造柔性/柔顺串并联、宏微结合的多自由度有源传动系统。该新型宏微结合驱动与传动方式的动力学行为描述及其成因亟待深入研究, 相应的运动、力和能量的解耦控制策略研究也有待解决。此外可以预见, 粗级控制器需要具备优良的智能性与鲁棒性, 以适应柔性传动引入的非线性动力学问题, 提高各类外部扰动以及模型不确定性的抑制能力, 降低精级传动机构的行程要求与机构设计的复杂性;同时, 由于精级多自由度柔顺传动机构支撑刚度和传动柔度的限制, 在高动态性能传动指标要求下, 在精级控制器不可避免地面临机械振动问题, 因而鲁棒模态镇定控制技术的研究具有重要意义。
4 智能刀具伺服技术
先进的金刚石切削技术使得亚微米级精度的类镜面表面车削成为可能。传统金刚石车削技术主要得益于高速主轴以及液体静压导轨的应用。为了进一步提高制造精度, 国外学者提出了智能伺服刀具技术[59,60]。智能伺服刀具与相应的辅助控制算法相结合, 具有高分辨率、高伺服刚度和快速动态响应的显著技术特征。将智能伺服刀具应用于金刚石切削机床, 可进行非轴对称自由曲面车削, 智能伺服刀具也可应用于大型立轴非球面镜金刚石车削机床[61,62,63]。
典型智能伺服刀具的结构如图1所示。现阶段可以用于智能伺服刀具的制动器主要有压电陶瓷[60,62,63,64]、音圈电机[65]、正交磁场电磁制动器[66,67], 支承轴系多采用无摩擦、高频响的柔性铰链机构或分布柔顺机构。MIT大学Lu等[66,67]设计了正交磁场电磁制动器和多DSP多速率超高速伺服系统, 并将其应用于金刚石车削智能刀具设计, 达到了23kHz频响和亚微米的动态定位精度, 如图2所示。图3所示为瑞士ACTICUT公司的数控加工用智能刀具产品[68], 其内部由机构、传感器和驱动器构成, 可用于精密数控车削, 可以使生产率提高25%, 表面质量提高75%, 刀具夹具费用降低10%, 切削过程噪声减小90%。
智能刀具可用于超精密零件表面微观轮廓加工和加工过程的颤振抑制。新型高速高刚度制动器、柔顺支撑机构、超高速多DSP多速率伺服控制器设计、高速主轴温度补偿技术、高速主轴转角位置标定技术、刀具伺服与高速主轴角位置协调控制与轨迹规划技术是智能伺服刀具的技术核心。新型高刚度磁致伸缩制动器、电致伸缩制动器的研究为该技术领域的发展注入了新的活力。
5 展望
随着力学、材料、机械学科的不断发展, 以及传感器、驱动、控制技术的不断革新, 高性能传动部件越来越多地体现出机电一体化的特征。在未来的几年中, 开展机床传动部件动力学特性和现代控制方法研究, 进一步提高传动的精度和动态性能, 设计智能、可靠、经济的高性能传动部件, 将成为该领域基础和应用研究的主要内容。
可重构性作为机床柔性化设计需求的重要内容, 要求机床各个部件具备即插即用的功能特性。这就需要机床的机械结构、功率传动部件以及信息控制部件实现标准化设计。为了适应这一要求, 传动部件的设计必须符合机床整体设计的要求, 向其他各功能部件提供标准化的机械、电子以及软件接口。
从机电结合的观点来看, 在未来的发展中, 工业机器人与数控机床之间的界限将会逐渐模糊。机床传动系统的运动学机构设计创新, 尤其是配套控制系统的体系结构的创新是一项重要研究内容。并联传动机构在大型加工中心中的应用将会继续得到重视, 而智能传动机构、柔顺传动机构在机床工作台、主轴传动、刀具伺服以及高精度测量系统中的应用将会得到更多的关注。
摘要：介绍了高档数控机床工作台、刀具伺服等关键传动部件控制技术的研究进展, 主要包括滚珠丝杠的工作行为建模与控制方法、电机直接驱动关键技术、宏微结合驱动与传动新技术以及智能刀具伺服技术等内容。针对以上典型传动控制技术, 分别回顾了其发展历程, 总结了近年来的主要研究成果, 归纳出各自的基本设计思想, 讨论了四种传动控制技术的发展趋势以及研究中尚待解决的问题。
机床性能 篇8
床身是机床的重要零件, 其结构性能直接影响加工的精度, 通过有限元分析的方法是目前获取方案性能指标的常用方法, 而在众多方案的大量仿真数据中如何做出快速准确的评价, 获取最优方案, 对产品的设计具有重要意义。目前, 针对机床结构方案选择, 研究人员提出了很多评价方法。文献[1]的评价方法较为注重从整体性角度来评价产品的可适应性, 缺少对产品具体结构和性能的关系进行评价。文献[2,3]对不同的设计方案进行了数据比较, 在进行定性分析的基础上确定了改进的最后结果。文献[4]给出了床身的不同修改方案, 但是未对各个方案的优劣进行评价, 以确定唯一最优改进方案。
本文根据文献[5]中的可适应设计原则, 使用动静态性能综合评价方法来综合评价机床结构配置度对结构的改进量与对机床结构性能的影响。通过对产品结构修改所引起的修改工作量大小进行专家打分的办法来评价产品结果修改的大小, 将修改前后的结构的各项性能与原始方案的相对值的加权之和作为产品性能评价的依据。
1 结构配置与性能改进综合评价方法
假设S= (S1, S2, …, Sn) 是在初始方案S0的基础上开发的一组改进的设计方案。
1.1结构配置评价
机床结构的改进主要包括筋板厚、外形尺寸、结构形式的筋板布局、排屑槽的位置等。各方案的改进点组成方案结构参数矩阵:
其中, 每行代表同一方案的不同结构参数, 每列代表不同方案的同一结构参数, 元素aij (i=1, 2, …, m;j=1, 2, …, n) 表示方案i的第j个结构参数。
构造结构参数矩阵A的改进量矩阵为
若aij为数值型结构参数, 则用式 (3) 计算得到bij, 即为结构参数的相似程度;若aij为文字描述结构参数, 则用式 (4) 计算得到bij。
将改进量矩阵B中每行的数值乘上对应的加权值wj后相加, 即得到矩阵E。矩阵E中数值越大表示该改进方案的改进量越大。结构修改的不同决定了结构修改量的大小, 为了对不同的结构修改量进行评价, 采用了专家打分法来评价产品结构修改量, 从而确定结构修改的权值wj。
(5)
1.2性能改进评价
方案性能评价的主要静动态性能指标有质量m、刚度k、固有频率f。原始数据矩阵P中m表示各方案的质量, f1, f2, …, f6表示各方案的自由模态前六阶固有频率, f′1, f′2, …, f′6表示各方案的约束模态前六阶固有频率, k1、k2分别表示各方案的工作台支撑部分刚度、导轨刚度。例如m0表示原始方案的质量, f01, f02, …, f06表示原始方案的前六阶固有频率, f′01, f′02, …, f′06表示原始方案的约束模态前六阶固有频率, k01、k02表示原始方案的工作台支撑部分刚度、导轨刚度。
(6)
Q为改进方案的变化量矩阵, 即改进方案的各性能指标与相对应的原始方案性能指标相比较, 得到其变化的相对值。
(7)
其中, 当性能指标值愈高愈好时 (如本文床身的固有频率、静刚度) :
反之, (如床身的质量) 则用式 (9) 计算:
U为改进方案同类性能变化量均值矩阵, 即将表示同类性能的各数据求均值。其中, ui0=qi0表示质量, ui1= (qi1+qi2+…+qi12) /12表示动刚度, (qi13+qi14) /2表示静刚度。
(10)
对矩阵U中的同一方案的数据求和得到评价矩阵C, 其中ci=ui0+ui1+ui2 , 即评价值ci是第i个设计方案的评价结果:
(11)
每个方案的评价结果为不同类性能指标变化相对值之和, 以此作为结构修改后性能综合评价的指标。若结果为负值则表示性能改进综合评价比初始方案有所下降。
2 铣齿机床身的建模
对床身使用ANSYS进行动静态性能分析。图1为根据实体中间面建立的床身曲面模型。对床身施加约束并施加载荷, 地脚螺钉连接处施加全约束, 工作台安装面以及导轨面分别施加各零部件重力, 对工件重力以及切削力进行合成。等效后各力和力矩大小为F1z=167 300N, F2z=117 600N, Fx=1038.8N, My=4165N·m。床身材料为铸铁, 弹性模量E=145GPa, 泊松比μ=0.25。工作台和导轨的载荷为均布载荷, 且各个方案施加的载荷相同。
3 床身各改进方案结构配置评价
改进思路如下:①提高其静刚度, 加强导轨及工作台安装处的局部刚度, 减小局部变形;②提高固有频率或者改善其薄弱模态;③减轻床身质量。
根据上述改进思路, 结合企业的实际情况, 对原设计方案给出了13种改进方案 (表1) 。结合原始方案S0与改进方案S1, S2, …, S13, 根据式 (1) 得到方案结构参数矩阵A, 第六列为外围板厚;第七列为内筋板厚;第五列为床身高度;第一列为排屑槽方向 (1表示竖直, 2表示横向) ;第二列为工作台支撑筋板布局 (1表示纵横筋, 2表示辐射筋) ;第三列为床尾是否缩进 (1表示否, 2表示是) ;第四列为床身是否有支撑 (1表示否, 2表示是) 。
将得到的矩阵A的元素aij通过式 (3) 和式 (4) 计算得到矩阵B的元素bij, 进而组成改进量矩阵B。根据结构参数的改变引起的床身修改工作量的大小程度来决定结构修改权值的大小:前四列参数修改引起了床身结构的较大变化, 因此对结构形式取加权w0=w1=w2=w3=0.2;床身高度的变化只引起筋板尺寸的变化, 床身高度加权取w4=0.1;板厚变化引起的修改量最小, 板厚加权取w5=w6=0.05, 利用式 (5) 可以得到矩阵E, 即各改进方案综合改进量。
E= (21.7, 40.0, 20.0, 60.0, 61.0, 62.7, 82.7, 41.6,
42.0, 43.7, 63.0, 63.7, 63.7) T
4 床身性能改进综合评价
对上述各改进方案进行ANSYS分析, 现提取部分方案中的数据 (表2) , 用以说明床身方案综合评价的过程。
由表2中的数据, 根据式 (6) , 得到各方案原始性能矩阵:
根据式 (7) ～式 (9) , 得到改进方案的变化量矩阵:
根据式 (10) , 得到改进方案同类性能变化量均值矩阵:
根据式 (11) , 得各方案评价矩阵:
C= (0, 14.80, 46.40, -1.99, 49.40, 64.40, 44.20,
14.70, 99.20, 53.10, 55.90, 45.30, 77.80, 55.50) T
5 床身结构优选
可以看到, 利用上述公式, 六种改进方案中改进方案6的评价值最高。同样, 使用此方法, 将13种床身改进方案进行综合评价, 表3为综合评价中的各项评价值, 图2为各项评价值图, 其中包括表3的各项评价值及上述计算方案综合改进量矩阵E中的数值。从图2可直观看出各方案综合评价值随结构参数综合改进量变化而同向改变, 方案4修改后引起了性能综合评价值略有下降。其中改进方案7综合评价值最高, 为优选方案。
%
6 结论
本文阐述了动静态性能综合评价方法, 该方法利用动静态分析中各关键性能指标值快速、准确地计算出方案评价值, 为方案的优选提供客观依据。结合某大型内齿轮铣齿机的床身案例数据, 可以看到通过本文评价计算方法, 可快速、准确地得到各方案的评价数据, 全面地比较出各方案的相对优劣。该方法对方案的评价系统、客观, 有利于编程与CAD/CAE软件相结合。
1.动刚度高 2.静刚度高 3.质量小 4.综合评价
摘要：为了合理、高效地进行结构改进设计, 提出了一种基于结构配置与性能改进综合定量评价的方法。将方案分析的动静态性能值和结构改进程度通过综合定量计算, 准确、迅速地得到结构变化量与性能改进度。以某大型内齿轮铣齿机的床身改进设计为例, 对方案的评价及优选过程进行了详细的说明。
关键词：机床,结构配置,性能改进,适应性设计
参考文献
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