基于重心驅(qū)動(dòng)原理的鏜削系統(tǒng)雙驅(qū)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析
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(jì)與分析計(jì)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(jìn)給系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)等部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵難點(diǎn)。這包括如何使加 工中心在進(jìn)給過程中產(chǎn)生的振動(dòng)最小，如何設(shè)計(jì)高速、高精度的滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn) 給系統(tǒng)，如何設(shè)計(jì)高精度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)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(tái)5.銑削主軸箱 6.鏜削立柱7.鏜削滑臺(tái)8.主軸滑枕9.回轉(zhuǎn)工作臺(tái) 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 structure3.1基于重心驅(qū)動(dòng)原理的鏜削系統(tǒng)雙驅(qū)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析精密復(fù)合鏜銑加工中心的鏜削主軸箱進(jìn)給系統(tǒng)采用重心驅(qū)動(dòng)技術(shù)。因?yàn)闄C(jī)床 在快速的啟停過程中產(chǎn)生的慣性力，會(huì)使機(jī)床產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)，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(dòng)技術(shù)是由日本森精機(jī)公司提出來的并用于實(shí)際機(jī)床設(shè)計(jì)中，在機(jī)床的實(shí)際加工過程中重心驅(qū)動(dòng)技術(shù)提升機(jī)床部件的移動(dòng)速度和加速度，可降低加工時(shí)間， 提高機(jī)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(dòng)技術(shù)是由機(jī)械動(dòng)力學(xué)理論發(fā)展而來的，其基本原理為：用一個(gè)驅(qū)動(dòng) 力作用在物體上并使得物體發(fā)生直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，a這個(gè)驅(qū)動(dòng)力的作用線沒有穿過物 體的重心時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加扭矩，使得物體在作直線運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一 個(gè)附加的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；a驅(qū)動(dòng)力的作用線穿過物體重心時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩[32]。 3.1.1重心驅(qū)動(dòng)與非重心驅(qū)動(dòng)的對(duì)比隨著機(jī)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(jī)床的傳動(dòng)剛度和部件壽命長短的提升，將為機(jī)床各項(xiàng) 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(jìn)給系統(tǒng)的軸向剛度主要由傳遞動(dòng)力的滾珠絲杠所決定。在傳統(tǒng)的機(jī)床 設(shè)計(jì)中，只有盡量選用外徑大的滾珠絲杠來提高傳動(dòng)系統(tǒng)的剛性，但是這與機(jī)床 的高速進(jìn)給設(shè)計(jì)發(fā)生了矛盾，因?yàn)橥鈴酱蟮臐L珠絲杠很難實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給。因此， 在高速度、低發(fā)熱、低磨損的進(jìn)給裝置設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的單滾珠絲杠進(jìn)給裝置已經(jīng) 無法滿足高性能加工中心的設(shè)計(jì)要求[36_38]，單絲杠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。圖3.2單絲杠非重心驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)Fig. 3.2 Single screw non-DCG structure基于重心驅(qū)動(dòng)原理的雙滾珠絲杠進(jìn)給驅(qū)動(dòng)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(dòng)進(jìn)給時(shí)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)合力的作用點(diǎn)與部件的 重心點(diǎn)相同，小外徑的雙滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)具有高速度、高加速度、低發(fā)熱、低 磨損的進(jìn)給特性，并且有效的抑制了機(jī)床部件在啟停時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，從而顯著的 改善了機(jī)床的加工精度。圖3.3雙絲杠重心驅(qū)動(dòng)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(jìn)給系統(tǒng)附加振動(dòng)的三個(gè)角度分 析傳統(tǒng)的單絲杠與基于重心驅(qū)動(dòng)原理的雙絲杠進(jìn)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(jì)算，絲杠的疲勞壽命Lt的計(jì)算公式為：f c Y 1Lt = —^ xxlO6(3-1)yFwx2) 6Qxn式中：C；一額定動(dòng)載荷；一軸向負(fù)載力。由公式（3-1)可知，a額定動(dòng)載荷&與滾珠絲杠轉(zhuǎn)速《的值固定時(shí)，因?yàn)殡p 驅(qū)與單驅(qū)相比軸向負(fù)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(dòng)大大的提升了滾珠絲杠的傳動(dòng)使用壽 命，且與之相匹配的伺服電機(jī)扭矩要求也減小了 1倍，真正地實(shí)現(xiàn)了小功率、低 扭矩的經(jīng)濟(jì)性。2、滾珠絲杠的值及剛度計(jì)算，值大于100000時(shí)，需要聯(lián)系廠家特 殊定制，成本往往很高，因?yàn)殓M削系統(tǒng)的進(jìn)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:sLa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(shí)，絲杠的傳動(dòng)剛度盡將被削弱，這對(duì)機(jī)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(dòng)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(dòng)剛度盡不會(huì)因?yàn)闈L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(dòng)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(jī)床振動(dòng)，如果用力推一個(gè)物體，力的作用線沒有穿過物體的重心時(shí)，則用力推動(dòng)重物的同時(shí)物體就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，這種轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)在機(jī)床中就會(huì)產(chǎn)生一種振動(dòng)，如圖3.1所示的傳統(tǒng)單絲杠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，在機(jī)床的啟停與轉(zhuǎn)向時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加轉(zhuǎn)矩M，這個(gè)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,LaM = Ja = — = —— xa/L =——L22從式（3-5)可以看出，在重物質(zhì)量叫和加速度—定時(shí)，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(dòng)力所引起的附加轉(zhuǎn)矩時(shí)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)中只有降低或消除絲杠偏心距L，式（3-5) 中的M才會(huì)降低或變?yōu)榱?。采用雙滾珠絲杠的重心驅(qū)動(dòng)技術(shù)，避免了由于驅(qū)動(dòng)力所產(chǎn)生的附加力矩而引 起的機(jī)床振動(dòng)，雙滾珠絲杠分別對(duì)稱布置在主軸箱滑座的兩邊。此種進(jìn)給系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)，在進(jìn)給傳動(dòng)時(shí)每個(gè)滾珠絲杠都會(huì)對(duì)滑座產(chǎn)生一個(gè)附加扭矩，分別為財(cái)1與 M2，這對(duì)附加力矩是大小相等、方向相反，如上圖3.3所示。因此，在進(jìn)給傳動(dòng) 過程中，這對(duì)附加力矩彼此相互抵消，實(shí)現(xiàn)了重心驅(qū)動(dòng)技術(shù)，從而提高機(jī)床在加 工過程中的穩(wěn)定性、消除振動(dòng)，計(jì)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(jìn)給傳動(dòng)中產(chǎn)生的附加力矩是零， 不管主軸箱質(zhì)量、進(jìn)給加速度的值為多少，機(jī)床都不會(huì)因?yàn)轵?qū)動(dòng)力而產(chǎn)生振動(dòng)。 精密復(fù)合鏜銑加工中心的鏜削主軸箱采用重心驅(qū)動(dòng)技術(shù)，使機(jī)床減小了振動(dòng)、延 長了絲杠的使用壽命，機(jī)床的加工精度也得到了改善，鏜削系統(tǒng)的雙絲杠驅(qū)動(dòng)模 型如圖3.4所示。圖3.4雙絲杠重心驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的鏜削系統(tǒng) Fig. 3.4 Double screws center drive structure at boring system3.1.2重心驅(qū)動(dòng)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(dòng)采用對(duì)稱的雙 滾珠絲杠重心驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。a滑塊導(dǎo)軌的跨距一定時(shí)，滾珠絲杠的跨距將直接 影響著鏜削主軸箱的動(dòng)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(tái)2.主軸滑枕3.主軸4.滾珠絲杠一 5.滾珠絲杠二6.驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dòng)原理的雙絲杠驅(qū)動(dòng)時(shí)，針對(duì)雙絲杠的跨距研究是一個(gè)創(chuàng) 新點(diǎn)。經(jīng)過查閱文獻(xiàn)資料可知，對(duì)于雙絲杠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的瞬時(shí)振動(dòng)模型可以用二自 由度的振動(dòng)模型來進(jìn)行解釋和研究[39#]。在傳動(dòng)的過程中，絲杠主要受到的是軸 向力，由于滾動(dòng)滑塊在軸向的摩擦系數(shù)相對(duì)很?。ㄒ话銥?.002-0.005)，軸向的 摩擦力可忽略不計(jì)；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(jìn)給方向上的靜力變形可以忽略不計(jì)。首先以鏜削的主軸箱為研究對(duì)象，用二自由度的振動(dòng)模型對(duì)進(jìn)給方向上的振 動(dòng)進(jìn)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(gè)滾珠絲杠之間的水平距離），雙絲杠與主軸箱的中心0點(diǎn)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(dòng)模型如圖3.6所示。圖3.6主軸箱在進(jìn)給方向上二自由度系統(tǒng)的振動(dòng)模型Fig. 3.6 The vibration model of two degree of freedom system for spindle boxin the feed direction系統(tǒng)在某一時(shí)刻，模型的質(zhì)心〇沿著軸向從平衡位置移動(dòng)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(yùn)動(dòng)微分方程可以表不為：由式（3-12)可知，在進(jìn)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(dòng)，二階％陣型為繞主軸箱作扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。由于質(zhì)量m和剛度々為定值，所以雙絲杠進(jìn)給系統(tǒng)軸向振動(dòng)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(shí)，％隨著滾珠絲杠跨距的增大而增大，因?yàn)槟B(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(jì)時(shí)，充分考慮到了上述關(guān)系以及實(shí)際 的安裝極限尺寸，在使絲杠跨距盡可能大的同時(shí)，保證著機(jī)械結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生干涉， 本課題的絲杠跨度定位500mm。