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

余 新 ，蔣 強

（江蘇省宜興中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 無錫 214206）

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

1 一體化數(shù)控機床結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

1.1 一體化機床整體設(shè)計方案

機床整體結(jié)構(gòu)。以銑鉆攻一體化機床為研究對象，整體結(jié)構(gòu)包括機架、工作臺、主軸、運動軸、夾具以及直排式刀庫[1]。工作模式為三軸聯(lián)動，運動軸分X、Y、Z三個方向，布局方式為直角堆疊式。機床的整體尺寸受X軸行程的影響。電機為各個運動軸以及主軸提供動力，其電機帶有位置編碼功能。該機床的主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 銑鉆攻一體化機床主要設(shè)計參數(shù)

1.2 關(guān)鍵部件選型

1.2.1 機床滾珠絲杠選型

機床的X、Y、Z軸均采用直線運動方式，以滾珠絲杠實現(xiàn)運動軸的直線運動過程控制，相比于齒輪齒條控制模式，滾珠絲杠具有多種優(yōu)點，包括精度高、轉(zhuǎn)矩強、推力大、不易卡頓等。因此，為機床的三個運動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運動軸的滾珠絲杠選型為例，具體實施步驟如下。

1）確定安裝方式和基本參數(shù)。根據(jù)機床X軸的運動特點，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。滾珠絲杠的傳動比設(shè)計為1，最大加速度可達(dá)到5 m/s2。絲杠的最大轉(zhuǎn)速設(shè)計為3 000 r/min。動、靜摩擦系數(shù)分別為0.05、0.1。

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

①最小導(dǎo)程計算方法：

式中，Vmax表示X軸的最大移動速度，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)程計算結(jié)果均為10 mm。

②臨界轉(zhuǎn)速計算方法：

當(dāng)絲杠的轉(zhuǎn)速提升至一定程度時，有可能產(chǎn)生共振效應(yīng)，嚴(yán)重影響一體化數(shù)控機床的穩(wěn)定性和加工精度。因而在設(shè)計過程中，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)速時的計算間距記為lcr，S和ρ分別為絲杠的橫截面積、密度。將各個參數(shù)的實際值代入公式，計算出Ncr=7 121 r/min。設(shè)計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，在工程實踐中應(yīng)該對其進(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應(yīng)的設(shè)計安全系數(shù)，對于固定—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 機床伺服電機選型

電動機選型中需要計算的性能參數(shù)為空載時的驅(qū)動力矩、空載勻速驅(qū)動力矩、電動機最大轉(zhuǎn)速等，其選型關(guān)鍵參數(shù)如下。

1）電動機最大轉(zhuǎn)速計算：

式中，將滾珠絲杠的最高轉(zhuǎn)速記為nmax，ph含義同式（1），Nmax為電動機對應(yīng)的最大轉(zhuǎn)速。將實際參數(shù)代入公式，計算出Nmax=3 000 r/min。

2）電動機轉(zhuǎn)動慣量計算：

電動機通過滾珠絲杠作用運動軸，因而電動機的轉(zhuǎn)動慣量取決于絲杠、負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量。將這兩種轉(zhuǎn)動慣量分別記為Js、Jw，相應(yīng)的計算方法為：

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

表2 電機主要設(shè)計參數(shù)

1.3 主軸設(shè)計

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)計方案將電動機和主軸分開。內(nèi)置式主軸中集成了電動機，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機和主軸之間的傳動環(huán)節(jié)，整體運行效率更高，有利于消除振動效應(yīng)[3]。

1.3.2 主軸冷卻及潤滑設(shè)計

一體化數(shù)控機床主軸內(nèi)部的運動部件為軸承和定轉(zhuǎn)子，由于存在一定的摩擦作用力，在運行時會持續(xù)產(chǎn)生熱量，造成結(jié)構(gòu)發(fā)熱，嚴(yán)重時可加速磨損，縮短使用壽命。因此，必須通過潤滑和冷卻兩項措施控制發(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，油氣潤滑具有更強的環(huán)保性和效率，因而在一體化機床的主軸設(shè)計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，通過水冷機向主軸內(nèi)送入冷卻水，形成循環(huán)水冷的機制。

1.4 夾具設(shè)計

該機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，根據(jù)工件的特點、幾何尺寸，靈活調(diào)整各個組件。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)控機床設(shè)計難度較大，研發(fā)模式可劃分為以下幾個步驟：結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計→動靜態(tài)仿真分析→結(jié)構(gòu)部件優(yōu)化→設(shè)備實體建造→設(shè)備動靜態(tài)性能檢測→問題優(yōu)化→通過驗收→設(shè)計方案定型[5]。機床實體建造之前的仿真分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是降低研發(fā)成本的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因為實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算機和軟件工具，實施成本相對較低。

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

2.2.1 機床設(shè)計方案的仿真分析

1）建立機床結(jié)構(gòu)模型。利用ANSYS 軟件構(gòu)建機床模型，開展有限元分析。機床結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，如果完全按照設(shè)計方案建模，會制約后續(xù)的網(wǎng)格劃分和模型計算。可根據(jù)彈性力學(xué)中的局部效應(yīng)原理簡化有限元模型。例如，建模時可忽略螺栓孔、凹槽等結(jié)構(gòu)，將其設(shè)置為平面，因為這些小型結(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，將機床的機架設(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，對機床結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能具有重要影響。

3）機床動靜態(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機床結(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]。對機床結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，節(jié)點數(shù)量超過15.7 萬個，單元數(shù)量超過9 萬個。根據(jù)整機應(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)計要求。②動態(tài)特性分析。動態(tài)特性分析用于評價機床在運行過程中的振動效應(yīng)和穩(wěn)定性，判斷依據(jù)為機床主振型及對應(yīng)的低階固有頻率[8]。依托ANSYS 軟件，對機床模型開展模態(tài)分析，模擬結(jié)果如表3 所示。顯然，動態(tài)分析的結(jié)果有利于機床整體或局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

表3 機床動態(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)控機床有限元分析的目的是確定結(jié)構(gòu)設(shè)計中的不合理之處，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上開展局部優(yōu)化，根據(jù)動靜態(tài)分析結(jié)果，對以下結(jié)構(gòu)部件實施優(yōu)化。

1）優(yōu)化機床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、動態(tài)扭振、動態(tài)擺振等問題。優(yōu)化路徑為增大連接件的厚度、加強筋厚度以及連接件寬度[9]。

2）優(yōu)化機床主軸箱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在機床動態(tài)特性分析中發(fā)現(xiàn)主軸箱存在扭振、擺振問題，影響了機床的穩(wěn)定性和機械加工精度[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)計四種優(yōu)化方案，以原設(shè)計方案的主軸箱總質(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三個運動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)計需求。在振動控制方面，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)控機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)該合理控制其整體布局，同時加強對主軸、運動軸、電動機等關(guān)鍵部件的優(yōu)化。其設(shè)計模式為確定結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)，開展有限元分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，優(yōu)化設(shè)計方案。工程技術(shù)人員可利用ANSYS 軟件對機床的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、靜態(tài)特性、動態(tài)特性實施量化模擬，提前定位不利因素，完善設(shè)計方案。