论文部分内容阅读
摘要：在综合比较分析国内外高速五轴开放式加工装置设计技术，综合借鉴国内外先进机床设计结构和设计分析手段的基础上，采用设计和试验相结合的方法，系统的对其总体布局、主要功能部件的设计、机床精度保持和机床高速运动的动态性能分析等关键项技术进行了深入研究。为了达到如此高的进给速度采用直线进给系统，直线进给系统取消了中间机械传动环节，简化了机械结构，具有优越的加、减速度特性，并提高了系统刚度与可靠性。
关键词：进给系统；五轴控制；主轴；直线电机
引言
通过对国内市场进行调研，直线进给系统是高精密机床的基础技术，是实现亚微米乃至纳米加工的主要技术手段之一。在现阶段高速五轴机床在三个移动轴上都采用直线电机驱动的很少，因为存在着直线进给系统振动问题，特别是三个移动轴固有频率以及共振等引起的精度误差，很难保证其稳定性。直线进给系统振动和抑制的研究将有助于开发出精度更高、性能更好的超精密数控机床，有助于提高我国高精度数控机床的制造水平，推动数控技术的发展，其社会效益和经济效益都将是显著的。
1 加工装置总体结构设计及造型
1.1 加工装置总体布局的确定
高速五轴开放式加工装置以独立作业为设计方向，涵盖了传统加工与测量等多功能之长处，采用X、Y、Z三个直线轴正交结构，并采用直线电动机驱动，能实现高速五轴联动加工，极大地改善了机床对复杂零件的适应性。采用龙门式加工结构，综合考虑高速运动时的抗干扰以及动态误差，拟装有机床精度温度补偿系统，从而提高装置的精度、稳定性及减低故障发生率。
1.2 加工装置主要参数的拟定
高速五轴开放式加工装置的开发方向定位于高速，三个直线轴（X/Y/Z）实现刀具运动和两个旋转轴（B轴和C轴）实现工件的回转和摆动的结构型式。并确定以下设计原则：
（1） 符合市场需求，面向用户需求，切合未来市场的发展需要；
（2） 既要有先进性，又要有独创性，还要控制制造成本；
（3） 产品结构组织生产要合理可行，部件要考虑系列通用，方便管理；
（4） 关键性功能部件，选用可靠性强的名牌产品。
（5） X轴：快速移动速度1m/s，Y轴：快速移动速度1m/s，Z轴：快速移动速度1m/s
（6） 定位精度：各轴5μ
（7） 重复定位精度：各轴3μ
2 主要结构件理论分析及计算选型
2.1 进给系统设计
高速五轴开放式加工装置的进给系统采用直线电机驱动。高速切削是高切削速度、高进给率和小切削量的组合，五轴联动加工中心的进给速度为传统的5-10倍。这就要求机床进给系统很高的进给速度和良好的加减速特性。一般要求快速进给率不小于60m/min。机床制造商大多采用全闭环位置伺服控制的小导程、大尺寸、高质量的滚珠丝杠或大导程多头丝杠。
2.2 主轴系统设计
加工装置采用电主轴形式，并可以更换主轴上的硬件，以实现不同的功能，达到加工装置开放性的要求。
3 加工装置整机及主要结构模型有限元分析
3.1有限元法的基本原理
有限元分析（FEA，FiniteElementAnalysiS）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。
3.2优化设计流程
结构优化设计是指在指定目标下求出满足约束条件的最优工程结构设计方案；按设计变量的类型和求解问题的难易程度，它可分为四个层次（尺寸优化、形状优化、拓扑优化、布局优化）。
4 加工装置的精度及误差补偿
高精度位置控制是开发高精度数控机床的关键技术。在高速切削加工中，主要采用小切深大进给的加工方法。因此，要求机床在大进给速度条件下，应具有高精度定位功能和高精度插补功能。定位精度和重复定位精度综合反映了各轴各运动部件的综合精度。尤其是重复定位精度，它反映了该轴在行程内任意定位点的定位稳定性，这是衡量该轴能否稳定可靠工作的基本指标。目前数控系统中软件都有丰富的误差补偿功能，能对进给传动链上各环节系统误差进行稳定的补偿。
5 结论
本文是围绕高速五轴开放式实验加工装置的研制开发而展开的。该装置在整机性能、技术指标上达到了世界先进水平，特别是该产品实现了高转速、高精度、高刚性等要求，提高了加工精度和加工效率，实现了产品水平跳跃式发展，提升了中国机床制造业的水平。在对高速五轴开放式实验加工装置关键部件进行了深入的研究后形成的，该研究工作对于进一步提高主轴系统和进给系统的性能奠定了一定的基础。
参考文献
[1] 盖立亚.高速车床进给机构及主轴机构性能研究[D].吉林，吉林大学机械工程，2009.
[2] 冯辛安.机械制造装备设计[M].北京：机械工业出版社，2006.
[3] 张永强.高速切削及其关键技术的发展现状[J].航空精密制造技术，2001，37（2） ： 1 -5.
[4] Zhu W H， JUN M B， ALTINTAS Y. A fast tool servo design for precision turning of shafts on conventional CNC lathes[C]. International Journal of Machine Tools and Manufacture， 2001.
[5] 何晶昌.机床主轴组件刚度ANSYS分析[J].中国制造业信息化，2006，35（6）：32-33.
作者简介：宫博娜（1982-），女，山东莱阳人，大连市技师学院，讲师，研究方向：数控、机械工程。
关键词：进给系统；五轴控制；主轴；直线电机
引言
通过对国内市场进行调研，直线进给系统是高精密机床的基础技术，是实现亚微米乃至纳米加工的主要技术手段之一。在现阶段高速五轴机床在三个移动轴上都采用直线电机驱动的很少，因为存在着直线进给系统振动问题，特别是三个移动轴固有频率以及共振等引起的精度误差，很难保证其稳定性。直线进给系统振动和抑制的研究将有助于开发出精度更高、性能更好的超精密数控机床，有助于提高我国高精度数控机床的制造水平，推动数控技术的发展，其社会效益和经济效益都将是显著的。
1 加工装置总体结构设计及造型
1.1 加工装置总体布局的确定
高速五轴开放式加工装置以独立作业为设计方向，涵盖了传统加工与测量等多功能之长处，采用X、Y、Z三个直线轴正交结构，并采用直线电动机驱动，能实现高速五轴联动加工，极大地改善了机床对复杂零件的适应性。采用龙门式加工结构，综合考虑高速运动时的抗干扰以及动态误差，拟装有机床精度温度补偿系统，从而提高装置的精度、稳定性及减低故障发生率。
1.2 加工装置主要参数的拟定
高速五轴开放式加工装置的开发方向定位于高速，三个直线轴（X/Y/Z）实现刀具运动和两个旋转轴（B轴和C轴）实现工件的回转和摆动的结构型式。并确定以下设计原则：
（1） 符合市场需求，面向用户需求，切合未来市场的发展需要；
（2） 既要有先进性，又要有独创性，还要控制制造成本；
（3） 产品结构组织生产要合理可行，部件要考虑系列通用，方便管理；
（4） 关键性功能部件，选用可靠性强的名牌产品。
（5） X轴：快速移动速度1m/s，Y轴：快速移动速度1m/s，Z轴：快速移动速度1m/s
（6） 定位精度：各轴5μ
（7） 重复定位精度：各轴3μ
2 主要结构件理论分析及计算选型
2.1 进给系统设计
高速五轴开放式加工装置的进给系统采用直线电机驱动。高速切削是高切削速度、高进给率和小切削量的组合，五轴联动加工中心的进给速度为传统的5-10倍。这就要求机床进给系统很高的进给速度和良好的加减速特性。一般要求快速进给率不小于60m/min。机床制造商大多采用全闭环位置伺服控制的小导程、大尺寸、高质量的滚珠丝杠或大导程多头丝杠。
2.2 主轴系统设计
加工装置采用电主轴形式，并可以更换主轴上的硬件，以实现不同的功能，达到加工装置开放性的要求。
3 加工装置整机及主要结构模型有限元分析
3.1有限元法的基本原理
有限元分析（FEA，FiniteElementAnalysiS）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。
3.2优化设计流程
结构优化设计是指在指定目标下求出满足约束条件的最优工程结构设计方案；按设计变量的类型和求解问题的难易程度，它可分为四个层次（尺寸优化、形状优化、拓扑优化、布局优化）。
4 加工装置的精度及误差补偿
高精度位置控制是开发高精度数控机床的关键技术。在高速切削加工中，主要采用小切深大进给的加工方法。因此，要求机床在大进给速度条件下，应具有高精度定位功能和高精度插补功能。定位精度和重复定位精度综合反映了各轴各运动部件的综合精度。尤其是重复定位精度，它反映了该轴在行程内任意定位点的定位稳定性，这是衡量该轴能否稳定可靠工作的基本指标。目前数控系统中软件都有丰富的误差补偿功能，能对进给传动链上各环节系统误差进行稳定的补偿。
5 结论
本文是围绕高速五轴开放式实验加工装置的研制开发而展开的。该装置在整机性能、技术指标上达到了世界先进水平，特别是该产品实现了高转速、高精度、高刚性等要求，提高了加工精度和加工效率，实现了产品水平跳跃式发展，提升了中国机床制造业的水平。在对高速五轴开放式实验加工装置关键部件进行了深入的研究后形成的，该研究工作对于进一步提高主轴系统和进给系统的性能奠定了一定的基础。
参考文献
[1] 盖立亚.高速车床进给机构及主轴机构性能研究[D].吉林，吉林大学机械工程，2009.
[2] 冯辛安.机械制造装备设计[M].北京：机械工业出版社，2006.
[3] 张永强.高速切削及其关键技术的发展现状[J].航空精密制造技术，2001，37（2） ： 1 -5.
[4] Zhu W H， JUN M B， ALTINTAS Y. A fast tool servo design for precision turning of shafts on conventional CNC lathes[C]. International Journal of Machine Tools and Manufacture， 2001.
[5] 何晶昌.机床主轴组件刚度ANSYS分析[J].中国制造业信息化，2006，35（6）：32-33.
作者简介：宫博娜（1982-），女，山东莱阳人，大连市技师学院，讲师，研究方向：数控、机械工程。