一體化數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及研發(fā)模式研究*

余 新 ，蔣 強(qiáng)

（江蘇省宜興中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 無錫 214206）

數(shù)控機(jī)床按功能差異可分為銑床、磨床、鉆床、車床等，一體化機(jī)床是在一臺(tái)設(shè)備上集成多種功能，其優(yōu)點(diǎn)為性價(jià)比高、可完成復(fù)雜的工件加工任務(wù)，因而成為推進(jìn)現(xiàn)代機(jī)床實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新的重要方向。但多元化的功能增加了設(shè)計(jì)難度，探究其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研發(fā)模式有利于促進(jìn)數(shù)控機(jī)床的可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)降低研發(fā)成本，提高研發(fā)效率。

1 一體化數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 一體化機(jī)床整體設(shè)計(jì)方案

機(jī)床整體結(jié)構(gòu)。以銑鉆攻一體化機(jī)床為研究對(duì)象，整體結(jié)構(gòu)包括機(jī)架、工作臺(tái)、主軸、運(yùn)動(dòng)軸、夾具以及直排式刀庫[1]。工作模式為三軸聯(lián)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軸分X、Y、Z三個(gè)方向，布局方式為直角堆疊式。機(jī)床的整體尺寸受X軸行程的影響。電機(jī)為各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸以及主軸提供動(dòng)力，其電機(jī)帶有位置編碼功能。該機(jī)床的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 銑鉆攻一體化機(jī)床主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 關(guān)鍵部件選型

1.2.1 機(jī)床滾珠絲杠選型

機(jī)床的X、Y、Z軸均采用直線運(yùn)動(dòng)方式，以滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軸的直線運(yùn)動(dòng)過程控制，相比于齒輪齒條控制模式，滾珠絲杠具有多種優(yōu)點(diǎn)，包括精度高、轉(zhuǎn)矩強(qiáng)、推力大、不易卡頓等。因此，為機(jī)床的三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸均配置了滾珠絲杠，在選型過程中必須關(guān)注其定位精度、負(fù)載能力以及重復(fù)定位精度[2]。以X運(yùn)動(dòng)軸的滾珠絲杠選型為例，具體實(shí)施步驟如下。

1）確定安裝方式和基本參數(shù)。根據(jù)機(jī)床X軸的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，絲杠應(yīng)采取水平安裝，支撐方式為固定—支承形式。定位精度不得低于25 μm，重復(fù)定位精度不得低于15 μm。滾珠絲杠的傳動(dòng)比設(shè)計(jì)為1，最大加速度可達(dá)到5 m/s2。絲杠的最大轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為3 000 r/min。動(dòng)、靜摩擦系數(shù)分別為0.05、0.1。

2）運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算與校核。在絲杠選型過程中，需要經(jīng)過嚴(yán)密的計(jì)算確定各類關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，如額定動(dòng)載荷、導(dǎo)程、精度等。以下介紹部分參數(shù)的計(jì)算方法。

①最小導(dǎo)程計(jì)算方法：

式中，Vmax表示X軸的最大移動(dòng)速度，單位轉(zhuǎn)換為mm/min，將滾珠絲杠的最高轉(zhuǎn)速記為nmax，將絲杠的導(dǎo)程記為ph（mm）。按照該方法，X、Y、Z軸的最小導(dǎo)程計(jì)算結(jié)果均為10 mm。

②臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算方法：

當(dāng)絲杠的轉(zhuǎn)速提升至一定程度時(shí)，有可能產(chǎn)生共振效應(yīng)，嚴(yán)重影響一體化數(shù)控機(jī)床的穩(wěn)定性和加工精度。因而在設(shè)計(jì)過程中，必須將絲杠的轉(zhuǎn)速限制在可引起共振的臨界轉(zhuǎn)速以下，從而將其轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)區(qū)間限制在安全范圍以內(nèi)，該臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算方法為：

式中，將絲杠的彈性模量記為E，其截面慣性矩記為I，λ1是表征安裝間距的系數(shù)，絲杠達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的計(jì)算間距記為lcr，S和ρ分別為絲杠的橫截面積、密度。將各個(gè)參數(shù)的實(shí)際值代入公式，計(jì)算出Ncr=7 121 r/min。設(shè)計(jì)方案中將絲杠最大轉(zhuǎn)速限制為3 000 r/min。

③臨界壓縮載荷計(jì)算方法：

由于滾珠絲杠采用一端固定、另一端支承的支撐方式，在工程實(shí)踐中應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行壓杠穩(wěn)定校核。臨界壓縮載荷為滾珠絲杠不失穩(wěn)的最大壓縮負(fù)荷，計(jì)算方法為：

式中，F(xiàn)max為絲杠承受的最大作用力，ls為行程長度，K1為滾珠絲杠不同安裝方式對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)安全系數(shù)，對(duì)于固定—支承形式，該系數(shù)的取值為2，d2表示絲杠的底部直徑。

1.2.2 機(jī)床伺服電機(jī)選型

電動(dòng)機(jī)選型中需要計(jì)算的性能參數(shù)為空載時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩、空載勻速驅(qū)動(dòng)力矩、電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速等，其選型關(guān)鍵參數(shù)如下。

1）電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速計(jì)算：

式中，將滾珠絲杠的最高轉(zhuǎn)速記為nmax，ph含義同式（1），Nmax為電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的最大轉(zhuǎn)速。將實(shí)際參數(shù)代入公式，計(jì)算出Nmax=3 000 r/min。

2）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算：

電動(dòng)機(jī)通過滾珠絲杠作用運(yùn)動(dòng)軸，因而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量取決于絲杠、負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。將這兩種轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別記為Js、Jw，相應(yīng)的計(jì)算方法為：

式中，ρ、d2、m、L分別為鋼材密度、絲杠底徑、運(yùn)動(dòng)軸質(zhì)量以及滾珠絲杠的行程。表2 為該銑鉆攻一體化數(shù)控機(jī)床伺服電機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

表2 電機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.3 主軸設(shè)計(jì)

1.3.1 主軸整體布局

主軸可分為內(nèi)置式、分體式兩種，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案將電動(dòng)機(jī)和主軸分開。內(nèi)置式主軸中集成了電動(dòng)機(jī)，可一次性完成安裝，并且有效地減少了設(shè)備占用的空間。另外，這種布局方式減少了電動(dòng)機(jī)和主軸之間的傳動(dòng)環(huán)節(jié)，整體運(yùn)行效率更高，有利于消除振動(dòng)效應(yīng)[3]。

1.3.2 主軸冷卻及潤滑設(shè)計(jì)

一體化數(shù)控機(jī)床主軸內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)部件為軸承和定轉(zhuǎn)子，由于存在一定的摩擦作用力，在運(yùn)行時(shí)會(huì)持續(xù)產(chǎn)生熱量，造成結(jié)構(gòu)發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)可加速磨損，縮短使用壽命。因此，必須通過潤滑和冷卻兩項(xiàng)措施控制發(fā)熱現(xiàn)象。潤滑系統(tǒng)的作用是通過添加潤滑劑減小摩擦系數(shù)，降低產(chǎn)熱量。常用的潤滑劑為高速黃油、錠子油。隨著技術(shù)的發(fā)展，潤滑方式也不斷擴(kuò)展，油氣潤滑具有更強(qiáng)的環(huán)保性和效率，因而在一體化機(jī)床的主軸設(shè)計(jì)中采用油氣潤滑方式。冷卻系統(tǒng)的作用是持續(xù)、快速地帶走主軸熱量，控制主軸溫度[4]。冷卻系統(tǒng)采用水冷作用方式，通過水冷機(jī)向主軸內(nèi)送入冷卻水，形成循環(huán)水冷的機(jī)制。

1.4 夾具設(shè)計(jì)

該機(jī)床的主要用途為加工制造鋁型材，其工藝操作為銑削、鉆孔等，必須通過夾具固定工件。由于加工面較多，容易造成夾具頻繁更換夾持方式。研究過程擬定設(shè)計(jì)一種快速夾具，要求其定位精度高。夾具可采用模塊化思維進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)工件的特點(diǎn)、幾何尺寸，靈活調(diào)整各個(gè)組件。夾具由直線型滑軌、固定件、氣缸等組成，通過改變滑塊位置適應(yīng)不同的工件。

2 一體化數(shù)控機(jī)床研發(fā)模式

2.1 全流程研發(fā)模式分析

一體化數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)難度較大，研發(fā)模式可劃分為以下幾個(gè)步驟：結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)→動(dòng)靜態(tài)仿真分析→結(jié)構(gòu)部件優(yōu)化→設(shè)備實(shí)體建造→設(shè)備動(dòng)靜態(tài)性能檢測→問題優(yōu)化→通過驗(yàn)收→設(shè)計(jì)方案定型[5]。機(jī)床實(shí)體建造之前的仿真分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是降低研發(fā)成本的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因?yàn)閷?shí)體建造需要消耗材料、能源以及人力資源。而仿真分析依托于計(jì)算機(jī)和軟件工具，實(shí)施成本相對(duì)較低。

2.2 一體化數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵研發(fā)環(huán)節(jié)

2.2.1 機(jī)床設(shè)計(jì)方案的仿真分析

1）建立機(jī)床結(jié)構(gòu)模型。利用ANSYS 軟件構(gòu)建機(jī)床模型，開展有限元分析。機(jī)床結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，如果完全按照設(shè)計(jì)方案建模，會(huì)制約后續(xù)的網(wǎng)格劃分和模型計(jì)算?？筛鶕?jù)彈性力學(xué)中的局部效應(yīng)原理簡化有限元模型。例如，建模時(shí)可忽略螺栓孔、凹槽等結(jié)構(gòu)，將其設(shè)置為平面，因?yàn)檫@些小型結(jié)構(gòu)不影響整體性能分析。

2）設(shè)置材料屬性。ANSYS 軟件支持在模型中設(shè)置材料屬性的功能，在劃分有限元網(wǎng)格之前，將機(jī)床的機(jī)架設(shè)置為Q235鋼材，軸承工作條件更加苛刻，將其材料設(shè)置為GCr15。45型鋼材作為小型組件和零件的制造材料。不同材料的楊氏模量、屈服極限、泊松比等存在差異，對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能具有重要影響。

3）機(jī)床動(dòng)靜態(tài)特性分析。①靜態(tài)特性分析。靜態(tài)特性分析的主要目的是檢驗(yàn)機(jī)床結(jié)構(gòu)在外部靜態(tài)力的作用下能否達(dá)到足夠的剛度，并且不發(fā)生明顯的變形[6]。對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，節(jié)點(diǎn)數(shù)量超過15.7 萬個(gè)，單元數(shù)量超過9 萬個(gè)。根據(jù)整機(jī)應(yīng)力分析的結(jié)果，最大應(yīng)力集中在床身固定結(jié)構(gòu)以及部分連接結(jié)構(gòu)上[7]。應(yīng)力峰值為6.921 3 MPa，而材料的屈服極限最低為275 MPa，說明靜態(tài)特性完全能夠滿足設(shè)計(jì)要求。②動(dòng)態(tài)特性分析。動(dòng)態(tài)特性分析用于評(píng)價(jià)機(jī)床在運(yùn)行過程中的振動(dòng)效應(yīng)和穩(wěn)定性，判斷依據(jù)為機(jī)床主振型及對(duì)應(yīng)的低階固有頻率[8]。依托ANSYS 軟件，對(duì)機(jī)床模型開展模態(tài)分析，模擬結(jié)果如表3 所示。顯然，動(dòng)態(tài)分析的結(jié)果有利于機(jī)床整體或局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

表3 機(jī)床動(dòng)態(tài)特性仿真結(jié)果

2.2.2 結(jié)構(gòu)部件優(yōu)化

一體化數(shù)控機(jī)床有限元分析的目的是確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的不合理之處，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上開展局部優(yōu)化，根據(jù)動(dòng)靜態(tài)分析結(jié)果，對(duì)以下結(jié)構(gòu)部件實(shí)施優(yōu)化。

1）優(yōu)化機(jī)床YZ軸連接件。在有限元分析中發(fā)現(xiàn)，YZ軸連接件出現(xiàn)了靜態(tài)應(yīng)力集中、動(dòng)態(tài)扭振、動(dòng)態(tài)擺振等問題。優(yōu)化路徑為增大連接件的厚度、加強(qiáng)筋厚度以及連接件寬度[9]。

2）優(yōu)化機(jī)床主軸箱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在機(jī)床動(dòng)態(tài)特性分析中發(fā)現(xiàn)主軸箱存在扭振、擺振問題，影響了機(jī)床的穩(wěn)定性和機(jī)械加工精度[10]。箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法為改善其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。保留原有設(shè)計(jì)方案中的電主軸安裝面，其他部分做優(yōu)化調(diào)整，主要目標(biāo)是盡可能降低主軸箱的箱體重量。設(shè)計(jì)四種優(yōu)化方案，以原設(shè)計(jì)方案的主軸箱總質(zhì)量為基礎(chǔ)，通過結(jié)構(gòu)改造，將質(zhì)量壓縮75%、65%、55%、45%。再次開展有限元分析和動(dòng)靜態(tài)特性分析。結(jié)果顯示，主軸箱最大應(yīng)力值為1.367 4 MPa，優(yōu)化前該數(shù)值為1.524 3 MPa，降幅達(dá)到10%以上。以質(zhì)量壓縮75%為例，其在X、Y、Z三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸上的最大變形量分別為0.29 μm、0.015 μm、0.014 μm，優(yōu)化前的對(duì)應(yīng)變形量為0.19 μm、0.01 μm、0.01 μm。說明質(zhì)量減輕后主軸箱變形量略有增加，但滿足設(shè)計(jì)需求。在振動(dòng)控制方面，拓?fù)鋬?yōu)化減少了頂部板件的重量，箱體中下部質(zhì)量占比增加，其扭振、擺振效應(yīng)有所減弱。

3 結(jié)語

一體化數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該合理控制其整體布局，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)主軸、運(yùn)動(dòng)軸、電動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵部件的優(yōu)化。其設(shè)計(jì)模式為確定結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)，開展有限元分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。工程技術(shù)人員可利用ANSYS 軟件對(duì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性實(shí)施量化模擬，提前定位不利因素，完善設(shè)計(jì)方案。