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第3章精密復(fù)合鏜銑加工中心主要功能部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析計算
精密復(fù)合鏜銑加工中心要具有高速、高精度的切削性能，加工中心的主軸及主軸箱、進給系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)工作臺等部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計是關(guān)鍵難點。這包括如何使加工中心在進給過程中產(chǎn)生的振動最小，如何設(shè)計高速、高精度的滾珠絲杠轉(zhuǎn)動進給系統(tǒng)，如何設(shè)計高精度回轉(zhuǎn)工作臺等，本課題所研制的復(fù)合式鏜銑加工中心CAD 結(jié)構(gòu)模型如圖3.1所示。

1.床身2.銑削立柱3.銑削橫梁4.銑削滑臺5.銑削主軸箱 6.鏜削立柱7.鏜削滑臺8.主軸滑枕9.回轉(zhuǎn)工作臺圖3.1復(fù)合式鏜銑加工中心CAD結(jié)構(gòu)圖 Figure 3.1 Composite boring and milling machining center CAD structure
3.1基于重心驅(qū)動原理的鏜削系統(tǒng)雙驅(qū)結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析
精密復(fù)合鏜銑加工中心的鏜削主軸箱進給系統(tǒng)采用重心驅(qū)動技術(shù)。因為機床在快速的啟停過程中產(chǎn)生的慣性力，會使機床產(chǎn)生相應(yīng)的振動，影響到了終端產(chǎn) 品的制造精度和表面質(zhì)量。重心驅(qū)動技術(shù)是由日本森精機公司提出來的并用于實際機床設(shè)計中，在機床的實際加工過程中重心驅(qū)動技術(shù)提升機床部件的移動速度和加速度，可降低加工時間，提高機床的加工效率，改善被加工零件的表面質(zhì)量，延長刀具的使用壽命[32_34]。
重心驅(qū)動技術(shù)是由機械動力學(xué)理論發(fā)展而來的，其基本原理為：用一個驅(qū)動力作用在物體上并使得物體發(fā)生直線運動時，a這個驅(qū)動力的作用線沒有穿過物體的重心時，將會產(chǎn)生一個附加扭矩，使得物體在作直線運動的同時，會產(chǎn)生一個附加的扭轉(zhuǎn)振動；a驅(qū)動力的作用線穿過物體重心時，不會產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩[32]。
3.1.1重心驅(qū)動與非重心驅(qū)動的對比
隨著機床技術(shù)的快速發(fā)展，高速度、高精度、高穩(wěn)定性能是加工中心一直在追求的發(fā)展方向，因此，機床的傳動剛度和部件壽命長短的提升，將為機床各項性能指標(biāo)的提升，開闊出更廣泛的空間。分析可知，精密復(fù)合式鏜銑加工中心鏜削主軸箱進給系統(tǒng)的軸向剛度主要由傳遞動力的滾珠絲杠所決定。在傳統(tǒng)的機床設(shè)計中，只有盡量選用外徑大的滾珠絲杠來提高傳動系統(tǒng)的剛性，但是這與機床的高速進給設(shè)計發(fā)生了矛盾，因為外徑大的滾珠絲杠很難實現(xiàn)高速進給。因此，在高速度、低發(fā)熱、低磨損的進給裝置設(shè)計中，傳統(tǒng)的單滾珠絲杠進給裝置已經(jīng) 無法滿足高性能加工中心的設(shè)計要求[36_38]，單絲杠驅(qū)動結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。
圖3.2單絲杠非重心驅(qū)動結(jié)構(gòu)
Fig. 3.2 Single screw non-DCG structure
基于重心驅(qū)動原理的雙滾珠絲杠進給驅(qū)動結(jié)構(gòu)如圖3.3所示，雙滾珠絲杠分別布置在主軸箱滑座部件兩邊，使得在驅(qū)動進給時兩個驅(qū)動合力的作用點與部件的重心點相同，小外徑的雙滾珠絲杠進給系統(tǒng)具有高速度、高加速度、低發(fā)熱、低磨損的進給特性，并且有效的抑制了機床部件在啟停時產(chǎn)生的振動，從而顯著的改善了機床的加工精度。
圖3.3雙絲杠重心驅(qū)動結(jié)構(gòu)
Fig.3.3 Double screws DCG structure
分別從滾珠絲杠的壽命、滾珠絲杠的剛度、進給系統(tǒng)附加振動的三個角度分析傳統(tǒng)的單絲杠與基于重心驅(qū)動原理的雙絲杠進給系統(tǒng)性能的優(yōu)良，分析過程及結(jié)果如下：
1、滾珠絲杠的壽命計算，絲杠的疲勞壽命Lt的計算公式為：
f c Y 1
Lt = —^ x xlO6 (3-1)
yFwx2) 6Qxn
式中：C；一額定動載荷；
一軸向負載力。
由公式（3-1)可知，a額定動載荷&與滾珠絲杠轉(zhuǎn)速《的值固定時，因為雙驅(qū)與單驅(qū)相比軸向負載尸w減小為原來的0.5倍，而滾珠絲杠的疲勞壽命A將變?yōu)?原來的8倍。由此可知，雙絲杠的重心驅(qū)動大大的提升了滾珠絲杠的傳動使用壽命，且與之相匹配的伺服電機扭矩要求也減小了 1倍，真正地實現(xiàn)了小功率、低扭矩的經(jīng)濟性。
2、滾珠絲杠的值及剛度計算，值大于100000時，需要聯(lián)系廠家特殊定制，成本往往很高，因為鏜削系統(tǒng)的進給絲杠安裝方式是兩端固定的，其剛度艮可以用以下公式表示:
s L
a
式中：式一滾珠絲杠的底徑；
五一縱向彈性系數(shù)；
i一滾珠絲杠的數(shù)量。
從式（3-2)可知，滾珠絲杠的《^«值、自身剛度盡與滾珠絲杠的直徑d及其數(shù)量1有關(guān)，a滾珠絲杠的直徑^減小時，絲杠的傳動剛度盡將被削弱，這對機床的加工性能有著極大的影響。然而，用雙絲杠的重心驅(qū)動結(jié)構(gòu)可以適a的減小滾珠絲杠的直徑^來降低的值，從而降低單根絲杠的成本，提高滾珠絲杠的使用壽命，減少滾珠絲杠的發(fā)熱量，由于雙驅(qū)系統(tǒng)的絲杠數(shù)量增加一倍，其傳動剛度盡不會因為滾珠絲杠直徑的減少而降低。因此，單驅(qū)和雙驅(qū)相比可知，雙絲杠驅(qū)動結(jié)構(gòu)可以使絲杠的直徑減小，從而降低成本。
3、附加扭矩帶來的機床振動，如果用力推一個物體，力的作用線沒有穿過物體的重心時，則用力推動重物的同時物體就會產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)動，這種轉(zhuǎn)動的趨勢在機床中就會產(chǎn)生一種振動，如圖3.1所示的傳統(tǒng)單絲杠驅(qū)動結(jié)構(gòu)，在機床的啟停與轉(zhuǎn)向時，會產(chǎn)生一個附加轉(zhuǎn)矩M，這個附加轉(zhuǎn)矩如下：
M = Ja
式中：/一重物的慣性矩；
^ 一重物角加速度。
a = a / r = a / L
將式（3-4)代入式（3-3)得：
,, , Ja m'l} , T m,La
M = Ja = — = —— xa/L =——
L 2 2
從式（3-5)可以看出，在重物質(zhì)量叫和加速度—定時，附加轉(zhuǎn)矩M與滾珠絲杠偏心距L成正比關(guān)系；在考慮降低或避免由驅(qū)動力所引起的附加轉(zhuǎn)矩時，從結(jié)構(gòu)設(shè)計的方面來看，重物質(zhì)量叫是固定不變的，高的加速度是加工中心所要必備的性能，因此，在單絲杠驅(qū)動中只有降低或消除絲杠偏心距L，式（3-5) 中的M才會降低或變?yōu)榱恪?br /> 采用雙滾珠絲杠的重心驅(qū)動技術(shù)，避免了由于驅(qū)動力所產(chǎn)生的附加力矩而引起的機床振動，雙滾珠絲杠分別對稱布置在主軸箱滑座的兩邊。此種進給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，在進給傳動時每個滾珠絲杠都會對滑座產(chǎn)生一個附加扭矩，分別為財1與 M2，這對附加力矩是大小相等、方向相反，如上圖3.3所示。因此，在進給傳動過程中，這對附加力矩彼此相互抵消，實現(xiàn)了重心驅(qū)動技術(shù)，從而提高機床在加工過程中的穩(wěn)定性、消除振動，計算過程如下：
M=MI = ^Ah~L2) (3.6)
2 2 2
從式（3-7)可知，只要^和^長度相同，進給傳動中產(chǎn)生的附加力矩是零，不管主軸箱質(zhì)量、進給加速度的值為多少，機床都不會因為驅(qū)動力而產(chǎn)生振動。精密復(fù)合鏜銑加工中心的鏜削主軸箱采用重心驅(qū)動技術(shù)，使機床減小了振動、延長了絲杠的使用壽命，機床的加工精度也得到了改善，鏜削系統(tǒng)的雙絲杠驅(qū)動模型如圖3.4所示。
圖3.4雙絲杠重心驅(qū)動結(jié)構(gòu)的鏜削系統(tǒng) Fig. 3.4 Double screws center drive structure at boring system
3.1.2重心驅(qū)動中雙絲杠跨距的確定
在精密復(fù)合鏜銑加工中心鏜削部分中，鏜削主軸箱的上下移動采用對稱的雙滾珠絲杠重心驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計。a滑塊導(dǎo)軌的跨距一定時，滾珠絲杠的跨距將直接影響著鏜削主軸箱的動態(tài)特性，把圖3.4鏜削系統(tǒng)中的鏜削立柱CAD模型隱藏掉后，得到如圖3.5所示的雙絲杠跨距示意圖。
1. 鏜削滑臺2.主軸滑枕3.主軸4.滾珠絲杠一 5.滾珠絲杠二6.驅(qū)動電機7.滑塊
圖3.5雙絲杠跨距示意圖
Fig. 3.5 Schematic diagram of the double screws
在綜合分析重心驅(qū)動原理的雙絲杠驅(qū)動時，針對雙絲杠的跨距研究是一個創(chuàng) 新點。經(jīng)過查閱文獻資料可知，對于雙絲杠驅(qū)動系統(tǒng)的瞬時振動模型可以用二自由度的振動模型來進行解釋和研究[39#]。在傳動的過程中，絲杠主要受到的是軸向力，由于滾動滑塊在軸向的摩擦系數(shù)相對很小（一般為0.002-0.005)，軸向的摩擦力可忽略不計；由于本課題的精密復(fù)合式鏜銑加工中心的鏜頭主軸箱有自重平衡裝置，所以絲杠在進給方向上的靜力變形可以忽略不計。
首先以鏜削的主軸箱為研究對象，用二自由度的振動模型對進給方向上的振動進行解釋，假定鏜削的主軸箱的質(zhì)量為m，雙滾珠絲杠的跨距為L (兩個滾珠
絲杠之間的水平距離），雙絲杠與主軸箱的中心0點的距離分別為纟和/2，雙滾珠絲桿的螺母副的軸向剛度為々t和々2，取鏜削主軸箱的重心0沿水平坐標(biāo)與水平重心軸的轉(zhuǎn)角為0，振動模型如圖3.6所示。
圖3.6主軸箱在進給方向上二自由度系統(tǒng)的振動模型
Fig. 3.6 The vibration model of two degree of freedom system for spindle box
in the feed direction
系統(tǒng)在某一時刻，模型的質(zhì)心〇沿著軸向從平衡位置移動了 z距離，整體的轉(zhuǎn)角是0，所以可知，（x-纟^和(x-/2^是模型中左右兩根彈黃的變形量，其模型的運動微分方程可以表不為：
由式（3-12)可知，在進給方向上，鏜削主軸箱上有兩階固有頻率，經(jīng)查閱資料可知[41]，其中一階q陣型為軸向振動，二階％陣型為繞主軸箱作扭轉(zhuǎn)振動。
由于質(zhì)量m和剛度々為定值，所以雙絲杠進給系統(tǒng)軸向振動的固有頻率％不隨滾珠絲杠的跨度的變化而改變。同理可知，a々和/。為定值時，％隨著滾珠絲
杠跨距的增大而增大，因為模態(tài)陣型中的頻率越高，抗振性就越好。在精密復(fù)合式鏜銑加工中心鏜削系統(tǒng)的雙絲杠跨距設(shè)計時，充分考慮到了上述關(guān)系以及實際的安裝極限尺寸，在使絲杠跨距盡可能大的同時，保證著機械結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生干涉，本課題的絲杠跨度定位500mm。

基于重心驅(qū)動原理的鏜削系統(tǒng)雙驅(qū)結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析

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