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        數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)性能探究

        2021-06-06 10:43:09徐得濤
        內(nèi)燃機(jī)與配件 2021年9期

        摘要:本文詳細(xì)闡述了機(jī)床在設(shè)計(jì)過(guò)程中如何實(shí)現(xiàn)機(jī)床動(dòng)態(tài)性能最大化,并從理論方面深究其相互影響,給出了具有指導(dǎo)性的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),同時(shí)歸納出一些對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)性能影響較大的因素,并給出了解決辦法。

        關(guān)鍵詞:數(shù)控機(jī)床;動(dòng)態(tài)性能;加速度;轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

        中圖分類號(hào):TG659 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào):1674-957X(2021)09-0062-03

        0 ?引言

        機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能最能體現(xiàn)機(jī)床品質(zhì)的區(qū)別,隨著機(jī)床領(lǐng)域的發(fā)展,近年來(lái),通用型機(jī)床在市場(chǎng)上已經(jīng)隨處可見(jiàn),其技術(shù)壁壘已經(jīng)被打破,但目前國(guó)內(nèi)機(jī)床與國(guó)外機(jī)床仍存在一定的差距,主要集中在高端機(jī)床領(lǐng)域,針對(duì)這一領(lǐng)域,最能直接體現(xiàn)的區(qū)別就是機(jī)床的實(shí)際加工精度,目前國(guó)內(nèi)相對(duì)好些的機(jī)床實(shí)際加工精度基本在0.01-0.04mm,而同規(guī)格的國(guó)外品牌機(jī)床,其實(shí)際加工精度可以控制在0.005-0.02mm左右。

        在機(jī)床動(dòng)態(tài)性能的長(zhǎng)期研究中,形成了相互聯(lián)系、不可或缺、互為支撐的三個(gè)方面:第一,自激振動(dòng)研究;第二結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性研究;第三,動(dòng)態(tài)性能測(cè)試研究。在機(jī)床的整體設(shè)計(jì)中,核心問(wèn)題是機(jī)床結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性,它設(shè)計(jì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)形態(tài)、材料、性能、加工質(zhì)量、結(jié)合面狀態(tài)、裝配過(guò)程的合理性等方面。甚至結(jié)合面緊固件的應(yīng)用都會(huì)對(duì)整機(jī)的動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生影響。由此可知,機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性是一個(gè)綜合性的問(wèn)題,不同形式或不同規(guī)格的機(jī)床有不同的動(dòng)態(tài)性能,即使同一規(guī)格的機(jī)床其動(dòng)態(tài)特性也會(huì)有所差異。

        機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能始于對(duì)機(jī)床振動(dòng)的研究,但隨著技術(shù)的發(fā)展和研究的深入,已經(jīng)不能將機(jī)床動(dòng)態(tài)特性僅僅看作單純的機(jī)械振動(dòng)問(wèn)題,而應(yīng)與數(shù)控機(jī)床的實(shí)際運(yùn)作狀態(tài)密切聯(lián)系起來(lái)。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床是機(jī)電一體化設(shè)備,包括數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)、機(jī)床結(jié)構(gòu)、加工過(guò)程以及位置和工況反饋。機(jī)床整機(jī)的動(dòng)態(tài)性能是各子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的綜合,也就是說(shuō)機(jī)床動(dòng)態(tài)性能是各子系統(tǒng)對(duì)加工過(guò)程動(dòng)態(tài)力(包括切削力和慣性力)的綜合響應(yīng),不能僅考慮機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng),還要考慮控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。本文主要針對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)展開(kāi)論述,深刻挖掘在設(shè)計(jì)過(guò)程中如何發(fā)揮機(jī)床的最大動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

        機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的靈魂,本文將以十字滑臺(tái)加工中心為例,詳細(xì)剖析如何提升機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能。

        動(dòng)態(tài)性能指系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)過(guò)程中表現(xiàn)出的性質(zhì)、特點(diǎn)及功能情況。在機(jī)床系統(tǒng)中,可以理解為響應(yīng),即給機(jī)床一個(gè)指令,機(jī)床能夠快速、精準(zhǔn)的完成指令的要求。那么這里面涉及到的因素有,數(shù)控系統(tǒng)處理性能、伺服電機(jī)相應(yīng)性能、傳動(dòng)系統(tǒng)因素、機(jī)床大件結(jié)構(gòu)因素。而傳動(dòng)系統(tǒng)因素又包含傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響、導(dǎo)軌絲杠的類型、軸承的選用、密封的選用、聯(lián)軸器的選用等因素等。而他們之間又是相互關(guān)聯(lián)及影響,最終的設(shè)計(jì)將影響機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能。

        最能直接體現(xiàn)的機(jī)床動(dòng)態(tài)性能參數(shù)為機(jī)床的加速度a,計(jì)算公式為

        其中:Vmax為機(jī)床最大快移速度,單位為mm/min

        Ta為電機(jī)加速時(shí)間,不同品牌的加速時(shí)間不同,這也是伺服電機(jī)影響的關(guān)鍵,后續(xù)將詳細(xì)探討。

        1 ?機(jī)床最大快移速度探討

        機(jī)床最大快移速度是機(jī)床加速度的直接體現(xiàn),目前通用型加工中心的快移速度集中在10~60m/min。大型機(jī)床趨于下限,小型機(jī)床趨于上限。此范圍的機(jī)床,傳動(dòng)系統(tǒng)通常采用絲杠導(dǎo)軌方式,也是目前主流使用的傳動(dòng)方式。

        機(jī)床最大快移的計(jì)算公式為:Vmax=n×p

        N為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速,rpm/min,D為絲杠導(dǎo)程單位為mm。

        影響快移的因素有兩項(xiàng),電機(jī)轉(zhuǎn)速和絲杠的導(dǎo)程,接下來(lái)分別針對(duì)這兩項(xiàng)進(jìn)行展開(kāi)分析。

        1.1 電機(jī)轉(zhuǎn)速探討 ?在機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí),需要根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)來(lái)選用電機(jī)的轉(zhuǎn)速,滿足機(jī)床需求即可。電機(jī)轉(zhuǎn)速為電機(jī)出廠參數(shù),一般情況下,電機(jī)功率越小,則更能實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速。根據(jù)公式T=9550P/n,電機(jī)轉(zhuǎn)速與扭矩呈反比關(guān)系,扭矩越小轉(zhuǎn)速越大,可知,小規(guī)格電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)高轉(zhuǎn)速的需求。

        1.2 絲杠導(dǎo)程產(chǎn)生的影響分析 ?絲杠導(dǎo)程指絲杠旋轉(zhuǎn)一周運(yùn)行的軸向距離,導(dǎo)程的大小直接影響機(jī)床的快移速度。導(dǎo)程的變換對(duì)機(jī)床的傳動(dòng)精度影響并不明顯,相對(duì)機(jī)床的加工精度,可以忽略不計(jì)。但對(duì)電機(jī)的扭矩影響較大。如下公式所示:

        其中Fa為絲杠運(yùn)行的軸向力;i為傳動(dòng)比;η為傳動(dòng)效率。

        根據(jù)公式可以看出,導(dǎo)程與扭矩呈正比關(guān)系,導(dǎo)程越大,傳動(dòng)系統(tǒng)需求的扭矩也越大,相應(yīng)就要使用大規(guī)格的電機(jī),而大規(guī)格電機(jī)又限制了傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速,所以三者的關(guān)系如圖1所示。

        由此可見(jiàn)在機(jī)床設(shè)計(jì)過(guò)程中,不能單純追求快移,而增加絲杠的導(dǎo)程,如果這樣會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)需求更大的扭矩,相應(yīng)的電機(jī)規(guī)格也會(huì)增加,整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也會(huì)增加,最終會(huì)導(dǎo)致,更多的能量損耗,機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能會(huì)降低。

        那么在設(shè)計(jì)過(guò)程中如何最優(yōu)化三者的參數(shù),實(shí)現(xiàn)機(jī)床的最大動(dòng)態(tài)性能,即為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)首先能夠確定的是機(jī)床的基本參數(shù),即要達(dá)到的機(jī)床最大轉(zhuǎn)速,然后根據(jù)機(jī)床的結(jié)構(gòu)便可確定電機(jī)轉(zhuǎn)速與導(dǎo)程的合理搭配,實(shí)現(xiàn)最終要達(dá)到的參數(shù)要求。隨著伺服電機(jī)行業(yè)的發(fā)展,電機(jī)的規(guī)格也在逐漸增多,這樣才能使機(jī)床的性能更大的發(fā)揮出來(lái)。

        2 ?電機(jī)加速時(shí)間探討

        電機(jī)加減速時(shí)間計(jì)算公式為:

        ①恒定扭矩區(qū)域(0到Nb)的加速時(shí)間(t1)

        ②恒定功率區(qū)域(Nb到Nf)的加速時(shí)間(t2)

        ③功率下降區(qū)域(Nf到Nm)的加速時(shí)間(t3)

        t3=0.01097·

        從0直到Nm的總加速時(shí)間(t)

        t=t1+t2+t3

        其中JL為換算成電機(jī)軸的負(fù)載慣量,單位為kgm2;Jm為轉(zhuǎn)子慣量,單位為kgm2;P0、Pm為功率,單位為kW;Nb、Nf、Nm為電機(jī)轉(zhuǎn)速,單位為min-1。

        通過(guò)公式可知,電機(jī)加減速時(shí)間t總體可由兩部分組成,第一,電機(jī)自身特性,包含轉(zhuǎn)速N,電機(jī)的功率P,以及電機(jī)自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm。第二,負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL。第一部分,主要由電機(jī)生產(chǎn)廠家決定,與電機(jī)結(jié)構(gòu),用材及裝配工藝有關(guān)。第二部分則與機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)系密切,而我們從設(shè)計(jì)機(jī)床角度考慮,我們重點(diǎn)從第二部分入手進(jìn)行分析。

        2.1 電機(jī)加速時(shí)間與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的關(guān)系 ?根據(jù)機(jī)床加減速時(shí)的扭矩公式可知:

        可以得出:

        整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大,所使用的加減速時(shí)間越長(zhǎng),而我們所要做的是盡量降低整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,來(lái)縮短加減速時(shí)間。

        2.2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量探討 ?轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(Moment of Inertia)是剛體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)慣性(回轉(zhuǎn)物體保持其勻速圓周運(yùn)動(dòng)或靜止的特性)的量度。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)中的角色相當(dāng)于線性動(dòng)力學(xué)中的質(zhì)量,可形式地理解為一個(gè)物體對(duì)于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的慣性,用于建立角動(dòng)量、角速度、力矩和角加速度等數(shù)個(gè)量之間的關(guān)系。機(jī)床內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可分為兩個(gè)部分,即電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM,是電機(jī)的自身特性,目前隨著伺服電機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展,逐漸向細(xì)分領(lǐng)域進(jìn)軍,針對(duì)不同的行業(yè),會(huì)有多種不同配置的電機(jī)參數(shù),如同一功率的電機(jī)會(huì)有低慣量、中慣量與大慣量的區(qū)別,用來(lái)適用各種機(jī)械結(jié)構(gòu)。第二種就是機(jī)器系統(tǒng)帶來(lái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,其中包括系統(tǒng)內(nèi)部回轉(zhuǎn)體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(Ja)和執(zhí)行直線運(yùn)動(dòng)的參與部件產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(Jb)。Ja的構(gòu)成包含聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、鎖緊螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、套圈、密封圈的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及絲杠產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。Jb的構(gòu)成主要為機(jī)床大件結(jié)構(gòu)、功能部件以及各種加工工況轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

        2.3 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比探討 ?一個(gè)系統(tǒng)的慣量比將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的特性,慣量比過(guò)大系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)震蕩以及不可控等狀況。慣量比過(guò)小,會(huì)產(chǎn)生資源浪費(fèi),效率低,動(dòng)態(tài)響應(yīng)差。其表達(dá)公式為慣量比=負(fù)載慣量(折算到電機(jī)輸出軸)/電機(jī)慣量。針對(duì)不同機(jī)械結(jié)構(gòu)及行業(yè),已經(jīng)形成一個(gè)大概的比值范圍,如表1所示。

        針對(duì)機(jī)床行業(yè),十字滑臺(tái)類加工中心目前主流傳動(dòng)方式為滾珠絲杠類傳動(dòng),推薦比值為1~10。顯然這是很寬泛的范圍,在機(jī)床精細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程中并沒(méi)有太多指導(dǎo)意義,接下來(lái)會(huì)對(duì)大型加工中心及小型加工中心慣量比進(jìn)行詳細(xì)探討,給出此類機(jī)床具有指導(dǎo)意義的慣量比推薦值。

        以500規(guī)格和850規(guī)格加工中心為例進(jìn)行計(jì)算。參數(shù)如表2所示。

        根據(jù)公式

        其中P為絲杠導(dǎo)程,取值均為12mm。

        結(jié)果為500規(guī)格負(fù)載轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jb=3890.734

        850規(guī)格負(fù)載轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jb=4012.319

        可以得到表3數(shù)據(jù)。

        表3數(shù)據(jù)是根據(jù)市面上比較暢銷(xiāo)的三種流量型機(jī)床得來(lái)的數(shù)據(jù),根據(jù)數(shù)據(jù)可知,此類機(jī)床型號(hào)越大,慣量比越接近下線,機(jī)床越小,越接近上線。根據(jù)機(jī)床用途分析大規(guī)格機(jī)床可以用在多種材質(zhì)的重切削,而500規(guī)格機(jī)床主要用在高速切削,對(duì)切削力要求不高的工況,經(jīng)測(cè)算可以得出數(shù)據(jù)曲線。

        結(jié)論一:十字滑臺(tái)加工中心慣量比范圍可限制在1.5~4以內(nèi),大型、低速、重切削機(jī)床其慣量比越趨近1.5,850規(guī)格以下機(jī)床是分水嶺,其慣量比趨近于3.5左右。從產(chǎn)品功能分析,小規(guī)格機(jī)床主要從事有色金屬的切削,而且對(duì)切削質(zhì)量及精度要求較為嚴(yán)格,由于其加工特征要求機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能較高,這樣才能滿足加工的需求。而大型機(jī)床則更為關(guān)注扭矩的需求,能夠完成大切削的要求,對(duì)加工零件的表面質(zhì)量則通常無(wú)較為嚴(yán)苛的要求。

        結(jié)論二:通過(guò)Jb/(Ja+Jm)比值可知,小規(guī)格機(jī)床比值很大,大規(guī)格機(jī)床比值很小,那么是什么原因產(chǎn)生了此差異。接下來(lái)我們從機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探究其原因。機(jī)床設(shè)計(jì)大體分為兩部分,第一部分為機(jī)床結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),以鑄鐵及鋼作為主要原材料,包含機(jī)床的主體大件、各種連接件、電機(jī)座、軸承座等,此部分設(shè)計(jì)是機(jī)床的重要部分,這也正是表3中的負(fù)載慣量部分Jb;第二部分為功能部件的使用,每種功能部件都有自己代表性的品牌,其產(chǎn)品的質(zhì)量及優(yōu)勢(shì)由自身品牌公司控制,此部分體現(xiàn)在表3中為轉(zhuǎn)動(dòng)體慣量與電機(jī)慣量之和。結(jié)合表3數(shù)據(jù)可知,大規(guī)格機(jī)床功能部件的慣量占整機(jī)的主要部分。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的細(xì)微改動(dòng)不會(huì)影響整機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。而小規(guī)格機(jī)床正相反,機(jī)床主體部分是整機(jī)慣量影響的關(guān)鍵,所以在設(shè)計(jì)機(jī)床時(shí)尤為注意,結(jié)構(gòu)的改動(dòng)會(huì)對(duì)機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能有很大的影響,同時(shí)也是機(jī)床設(shè)計(jì)者提升整機(jī)動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵。

        3 ?機(jī)床中影響動(dòng)態(tài)性能的其他因素

        前文從理論層面對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)性能做了詳細(xì)的論述,那么實(shí)際上,有很多制約或影響其動(dòng)態(tài)性能的因素,比如,聯(lián)軸器是不是剛性的更好?哪種密封結(jié)構(gòu)對(duì)傳動(dòng)沒(méi)有影響?機(jī)床防護(hù)拉板對(duì)機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能是否有影響?等等因素,接下來(lái)我們會(huì)對(duì)一些影響較大的因素進(jìn)行分析。

        3.1 聯(lián)軸器的選擇 ?目前機(jī)床行業(yè)內(nèi)常用的聯(lián)軸器有三種,分別為彈性聯(lián)軸器、膜片聯(lián)軸器、剛性聯(lián)軸器,他們的特征是連接剛性依次遞增,補(bǔ)償能力依次遞減。理論上,如果系統(tǒng)剛性足夠強(qiáng),那么負(fù)載慣量比可以做到無(wú)窮大。但實(shí)際上,連軸方式的扭轉(zhuǎn)剛性,以及負(fù)載慣量比都會(huì)影響振蕩的頻率和幅度,不過(guò)連軸方式的扭轉(zhuǎn)剛性的影響程度大得多。如果希望根除系統(tǒng)振蕩現(xiàn)象,更多的時(shí)候應(yīng)該從增大系統(tǒng)傳動(dòng)剛性的角度下功夫。提高電機(jī)與負(fù)載之間的連軸器的抗扭剛度,可以提升振蕩頻率,同時(shí)可降低振蕩的幅度。實(shí)際上機(jī)床在裝配過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種累計(jì)誤差,聯(lián)軸器一方面的作用是連接軸,另一方面的作用是吸收機(jī)床的安裝誤差,對(duì)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)起到保護(hù)作用,所以最終選用的時(shí)候,通常不能把傳動(dòng)剛性做到最大。目前市面上使用的通常為彈性聯(lián)軸器和膜片聯(lián)軸器,剛性聯(lián)軸器反而很少使用。

        3.2 密封結(jié)構(gòu)的影響 ?密封對(duì)機(jī)床的影響主要為會(huì)增大機(jī)床所需的扭矩。此部分扭矩屬于無(wú)用功部分,一方面會(huì)增大機(jī)床的能耗,另一方面會(huì)降低機(jī)床動(dòng)態(tài)性能。目前機(jī)床使用的密封方式主要有幾種:彈性體密封、金屬密封。每種方式各有優(yōu)缺點(diǎn),在設(shè)計(jì)及選用過(guò)程中要降低其對(duì)扭矩的影響。

        3.3 防護(hù)拉板的影響 ?防護(hù)拉板的作用是保護(hù)傳動(dòng)系統(tǒng)零部件不受外界條件破壞。但在使用過(guò)程中會(huì)暴露出兩種問(wèn)題對(duì)機(jī)床產(chǎn)生影響。第一,拉板自身摩擦力太大;這種情況會(huì)造成所需電機(jī)扭矩過(guò)大,造成資源浪費(fèi)以及動(dòng)態(tài)性能降低;第二,拉板運(yùn)行不暢會(huì)造成瞬時(shí)應(yīng)力釋放,帶來(lái)的結(jié)果就是,伺服電機(jī)瞬時(shí)電流波動(dòng),如圖4所示。

        圖4中電流值的瞬時(shí)波動(dòng)是由防護(hù)拉板引起的,此波動(dòng)會(huì)影響到機(jī)床的切削效果,對(duì)小型機(jī)床更加明顯,降低機(jī)床的整體性能。

        4 ?總結(jié)

        影響機(jī)床動(dòng)態(tài)性能的因素有很多,可以說(shuō)機(jī)床的每一個(gè)部分對(duì)其都能產(chǎn)生影響,所以在詳知理論的前提下,一定對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)做到詳細(xì)校核,這樣才能實(shí)現(xiàn)機(jī)床性能的最大化,才能制造出高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的機(jī)床。

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        作者簡(jiǎn)介:徐得濤(1983-),男,遼寧沈陽(yáng)人,機(jī)械工程師,碩士,研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)理論。

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