基于重心驅動原理的鏜削系統雙驅結構的設計與分析
第3章精密復合鏜銑加工中心主要功能部件的結構設計與分析計算精密復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、進給系統和回轉工作臺等部件的結構設計是關鍵難點。這包括如何使加 工中心在進給過程中產生的振動最小，如何設計高速、高精度的滾珠絲杠轉動進 給系統，如何設計高精度回轉工作臺等，本課題所研制的復合式鏜銑加工中心CAD 結構模型如圖3.1所示。1.床身2.銑削立柱3.銑削橫梁4.銑削滑臺5.銑削主軸箱 6.鏜削立柱7.鏜削滑臺8.主軸滑枕9.回轉工作臺 圖3.1復合式鏜銑加工中心CAD結構圖 Figure 3.1 Composite boring and milling machining center CAD structure3.1基于重心驅動原理的鏜削系統雙驅結構的設計與分析精密復合鏜銑加工中心的鏜削主軸箱進給系統采用重心驅動技術。因為機床 在快速的啟停過程中產生的慣性力，會使機床產生相應的振動，影響到了終端產 品的制造精度和表面質量。重心驅動技術是由日本森精機公司提出來的并用于實際機床設計中，在機床的實際加工過程中重心驅動技術提升機床部件的移動速度和加速度，可降低加工時間， 提高機床的加工效率，改善被加工零件的表面質量，延長刀具的使用壽命[32_34]。重心驅動技術是由機械動力學理論發展而來的，其基本原理為：用一個驅動 力作用在物體上并使得物體發生直線運動時，a這個驅動力的作用線沒有穿過物 體的重心時，將會產生一個附加扭矩，使得物體在作直線運動的同時，會產生一 個附加的扭轉振動；a驅動力的作用線穿過物體重心時，不會產生附加轉矩[32]。 3.1.1重心驅動與非重心驅動的對比隨著機床技術的快速發展，高速度、高精度、高穩定性能是加工中心一直在 追求的發展方向，因此，機床的傳動剛度和部件壽命長短的提升，將為機床各項 性能指標的提升，開闊出更廣泛的空間。分析可知，精密復合式鏜銑加工中心鏜 削主軸箱進給系統的軸向剛度主要由傳遞動力的滾珠絲杠所決定。在傳統的機床 設計中，只有盡量選用外徑大的滾珠絲杠來提高傳動系統的剛性，但是這與機床 的高速進給設計發生了矛盾，因為外徑大的滾珠絲杠很難實現高速進給。因此， 在高速度、低發熱、低磨損的進給裝置設計中，傳統的單滾珠絲杠進給裝置已經 無法滿足高性能加工中心的設計要求[36_38]，單絲杠驅動結構如圖3.2所示。圖3.2單絲杠非重心驅動結構Fig. 3.2 Single screw non-DCG structure基于重心驅動原理的雙滾珠絲杠進給驅動結構如圖3.3所示，雙滾珠絲杠分別 布置在主軸箱滑座部件兩邊，使得在驅動進給時兩個驅動合力的作用點與部件的 重心點相同，小外徑的雙滾珠絲杠進給系統具有高速度、高加速度、低發熱、低 磨損的進給特性，并且有效的抑制了機床部件在啟停時產生的振動，從而顯著的 改善了機床的加工精度。圖3.3雙絲杠重心驅動結構Fig.3.3 Double screws DCG structure分別從滾珠絲杠的壽命、滾珠絲杠的剛度、進給系統附加振動的三個角度分 析傳統的單絲杠與基于重心驅動原理的雙絲杠進給系統性能的優良，分析過程及 結果如下：1、滾珠絲杠的壽命計算，絲杠的疲勞壽命Lt的計算公式為：f c Y 1Lt = —^ xxlO6(3-1)yFwx2) 6Qxn式中：C；一額定動載荷；一軸向負載力。由公式（3-1)可知，a額定動載荷&與滾珠絲杠轉速《的值固定時，因為雙 驅與單驅相比軸向負載尸w減小為原來的0.5倍，而滾珠絲杠的疲勞壽命A將變為 原來的8倍。由此可知，雙絲杠的重心驅動大大的提升了滾珠絲杠的傳動使用壽 命，且與之相匹配的伺服電機扭矩要求也減小了 1倍，真正地實現了小功率、低 扭矩的經濟性。2、滾珠絲杠的值及剛度計算，值大于100000時，需要聯系廠家特 殊定制，成本往往很高，因為鏜削系統的進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；i一滾珠絲杠的數量。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及其數量1有關，a滾珠絲杠的直徑^減小時，絲杠的傳動剛度盡將被削弱，這對機床的加工性能有著極大的影響。然而，用雙絲杠的重心驅動結構可以適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，減少滾珠絲杠的發熱量，由于雙驅系統的絲杠數量增加一倍，其傳動剛度盡不會因為滾珠絲杠直徑的減少而降低。因此，單驅和雙驅相比可知，雙絲杠驅動結構可以使絲杠的直徑減小，從而降低成本。3、附加扭矩帶來的機床振動，如果用力推一個物體，力的作用線沒有穿過物體的重心時，則用力推動重物的同時物體就會產生一個轉動，這種轉動的趨勢在機床中就會產生一種振動，如圖3.1所示的傳統單絲杠驅動結構，在機床的啟停與轉向時，會產生一個附加轉矩M，這個附加轉矩如下：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，在重物質量叫和加速度—定時，附加轉矩M與滾珠絲杠偏心距L成正比關系；在考慮降低或避免由驅動力所引起的附加轉矩時，從結構設計的方面來看，重物質量叫是固定不變的，高的加速度是加工中心所要必備的性能，因此，在單絲杠驅動中只有降低或消除絲杠偏心距L，式（3-5) 中的M才會降低或變為零。采用雙滾珠絲杠的重心驅動技術，避免了由于驅動力所產生的附加力矩而引 起的機床振動，雙滾珠絲杠分別對稱布置在主軸箱滑座的兩邊。此種進給系統的 結構，在進給傳動時每個滾珠絲杠都會對滑座產生一個附加扭矩，分別為財1與 M2，這對附加力矩是大小相等、方向相反，如上圖3.3所示。因此，在進給傳動 過程中，這對附加力矩彼此相互抵消，實現了重心驅動技術，從而提高機床在加 工過程中的穩定性、消除振動，計算過程如下：M=MI= ^Ah~L2)(3.6)2 2 2從式（3-7)可知，只要^和^長度相同，進給傳動中產生的附加力矩是零， 不管主軸箱質量、進給加速度的值為多少，機床都不會因為驅動力而產生振動。 精密復合鏜銑加工中心的鏜削主軸箱采用重心驅動技術，使機床減小了振動、延 長了絲杠的使用壽命，機床的加工精度也得到了改善，鏜削系統的雙絲杠驅動模 型如圖3.4所示。圖3.4雙絲杠重心驅動結構的鏜削系統 Fig. 3.4 Double screws center drive structure at boring system3.1.2重心驅動中雙絲杠跨距的確定在精密復合鏜銑加工中心鏜削部分中，鏜削主軸箱的上下移動采用對稱的雙 滾珠絲杠重心驅動結構設計。a滑塊導軌的跨距一定時，滾珠絲杠的跨距將直接 影響著鏜削主軸箱的動態特性，把圖3.4鏜削系統中的鏜削立柱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2.主軸滑枕3.主軸4.滾珠絲杠一 5.滾珠絲杠二6.驅動電機7.滑塊圖3.5雙絲杠跨距示意圖Fig. 3.5 Schematic diagram of the double screws在綜合分析重心驅動原理的雙絲杠驅動時，針對雙絲杠的跨距研究是一個創 新點。經過查閱文獻資料可知，對于雙絲杠驅動系統的瞬時振動模型可以用二自 由度的振動模型來進行解釋和研究[39#]。在傳動的過程中，絲杠主要受到的是軸 向力，由于滾動滑塊在軸向的摩擦系數相對很小（一般為0.002-0.005)，軸向的 摩擦力可忽略不計；由于本課題的精密復合式鏜銑加工中心的鏜頭主軸箱有自重 平衡裝置，所以絲杠在進給方向上的靜力變形可以忽略不計。首先以鏜削的主軸箱為研究對象，用二自由度的振動模型對進給方向上的振 動進行解釋，假定鏜削的主軸箱的質量為m，雙滾珠絲杠的跨距為L(兩個滾珠絲杠之間的水平距離），雙絲杠與主軸箱的中心0點的距離分別為纟和/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沿水平坐標與水平 重心軸的轉角為0，振動模型如圖3.6所示。圖3.6主軸箱在進給方向上二自由度系統的振動模型Fig. 3.6 The vibration model of two degree of freedom system for spindle boxin the feed direction系統在某一時刻，模型的質心〇沿著軸向從平衡位置移動了 z距離，整體的 轉角是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 的運動微分方程可以表不為：由式（3-12)可知，在進給方向上，鏜削主軸箱上有兩階固有頻率，經查閱資 料可知[41]，其中一階q陣型為軸向振動，二階％陣型為繞主軸箱作扭轉振動。由于質量m和剛度々為定值，所以雙絲杠進給系統軸向振動的固有頻率％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，％隨著滾珠絲杠跨距的增大而增大，因為模態陣型中的頻率越高，抗振性就越好。在精密復合 式鏜銑加工中心鏜削系統的雙絲杠跨距設計時，充分考慮到了上述關系以及實際 的安裝極限尺寸，在使絲杠跨距盡可能大的同時，保證著機械結構沒有發生干涉， 本課題的絲杠跨度定位500mm。