V11 高速加工中心
加工中心的职能
加工中心的职能
加工中心的职能是通过使用先进的机械和工艺技术，为客户提供高精度加工服务。
以下是加工中心的主要职能：
1. 集成加工：加工中心具备多个加工工序和功能，可以一次完成多种加工任务，如铣削、车削、钻孔、螺纹加工等。
2. 精密加工：加工中心配备高精度的数控系统和切削工具，能够在纳米级别上进行高精度加工，满足客户的精密加工需求。
3. 自动化加工：加工中心采用自动化装置和智能化控制系统，能够实现自动上下料、自动换刀、自动测量等自动化加工操作，提高生产效率和产品质量。
4. 批量生产：加工中心具备高效的生产能力，能够满足大批量生产需求，提供稳定的产品质量和快速的交货时间。
5. 复杂零件加工：加工中心能够加工复杂形状的零件，如曲面零件、立体零件等，能够应对各种复杂的工艺要求。
6. 高速加工：加工中心采用高速切削工具和快速进给系统，能够实现高速加工，提高生产效率和加工质量。
7. 定制加工：加工中心能够根据客户的需求进行定制加工，提供符合客户要求的个性化产品。
总而言之，加工中心的职能是以高精度、高效率和高质量为目标，为客户提供各种加工服务，满足客户的各种加工需求。
武汉理工大学先进制造工艺技术及其装备期末复习题
先进制造工艺技术及其装备复习题复制题目后，按住CtrI+F键查找相应题目答案（超越高度）一、多选（共计25分,每题2.5分,每题答案完全一样得满分,少选、多选、错选均不得分。
）1、工业机器人的发展趋势有（）。
A.机器人的智能化B.机器人的多机协调化C.机器人的标准化D.机器人的模块化正确答案：【A;B;C;D】2、制造与制造业的作用有（）。
A.创造价值，生产物质财富和新的知识B.为国民经济各个部门包括国防和科学技术的进步提供先进的手段和装备C.是国民经济和综合国力的支柱产业D.是国民经济和综合国力的唯一指标正确答案：【A;B;C】3、先进制造技术的发展特点（）。
A.小批量一少品种大批量一多品种变批量B.从劳动密集型一设备密集型一信息密集型一知识密集型变化。
C.手工一机械化一单机自动化一刚性流水自动线一柔性自动线一智能自动化。
D.蒸汽时代一电气时代一信息时代正确答案：【A;B;C】4、电火花加工、电解加工相比，超声波加工的加工精度高，加工表而质量好，但加工金属材料时效率低（）A.B.正确答案：【正确】5、机器人的控制系统由机器人本体和伺服控制器组成。
A.B.正确答案：【正确】6、国际生产工程研究学会（CIRP）定义：”制造是一个涉及制造工业中产品设计、物料选择、（）市场销售和服务的一系列相关活动和工作的总称”。
A.生产计划B.生产过程C.质量保证D.经营管理正确答案：【A;B;C;D】7、光刻加工的主要阶段有（）oA.涂胶B.曝光C.显影D.坚膜正确答案：【A;B;C;D】8、制造与制造业的作用有（）。
A.创造价值，生产物质财富和新的知识B.为国民经济各个部门包括国防和科学技术的进步提供先进的手段和装备C.是国民经济和综合国力的支柱产业D,是国民经济和综合国力的唯一指标正确答案：【A;B;C】9、福特首先推行所有零件都按照一定的公差要求来加工（零件互换技术），实现了以刚性自动化为特征的大量生产方式，它对（）都产生了重大的作用。
电主轴设计的几个关键问题
由图 - 可看出， 定位预负荷比定压预负荷对刚度 的影响大， 因此在主轴单元结构设计中采用定位预负 荷的方式。 !, " 轴承润滑方式的确定 目前， 对于 ! " # 值大于 ".( 万的精密主轴轴承， 油 脂润滑不能满足其高速要求， 因此采用专用润滑器对 前后轴承进行油 / 气润滑。润滑器一条管路通干燥的 清洁空气， 气体压力在 (0 ’ 123， 一条管路通润滑油， 油和气在混合阀中混合成如图 * 所示的油滴状， 然后 通过倍压喷嘴给轴承供油， 在轴承滚动体之间形成油 膜。油膜太厚轴承发热量大， 油膜太薄， 轴承润滑不充
坯缺陷、 加工和装配等原因， 使质量分布不均匀， 形成 一定的偏心。当转子转动时就产生不平衡的离心力， 从而使整个主轴系统产生有害的振动和噪声， 降低轴 承及整个主轴系统的使用寿命， 影响到整个主轴系统 的动态工作精度。因此要求精密主轴的动平衡精度达 到 /(+ - 。在结构设计时， 设计了双面动平衡位置环， 旋转零件组装后， 在动平衡机上作一次动平衡。试机 时， 如果必要可作在线动平衡， 保证高速主轴运行平 稳。 鉴于以上分析， 在电主轴结构设计时， 采用前端固 定， 后端浮动的支承方式。前端四列背对背角接触球 轴承， 主轴的径向和轴向全部固定； 后端选用圆柱滚子 轴承， 轴承内圈、 滚子可与主轴一起， 沿着外圈滚道作 轴向移动。减小热伸长对主轴的影响， 精度保持性好。 具体结构如图 &( 所示。
结语
本文运用有限元分析法分析影响高速电主轴单元
的两个关键问题， 固有频率和热伸长， 完成电主轴单元 的结构优化设计。所研制的主轴单元经过性能试验的 测试， 其前后轴承的温升不超过 &(0 ， 主轴前端最大 伸长量不超过 (+ ($ ))， 主轴后端最大伸长量不超过 (+ &. ))， 其精度指标达到了精密加工中心的标准规 定。该主轴单元已成功运用于立式加工中心的主机 上， 并在 1234"((! 展会上展出。 参
高速加工技术
高速加工技术一．起源1931年，德国切削物理学家萨洛蒙(Carl.J.Salomon)博士提出了一个假设，即同年申请了德国专利的所罗门原理：被加工材料都有一个临界切削速度V0，在切削速度达到临界速度之前，切削温度和刀具磨损随着切削速度增大而增大，当切削速度达到普通切削速度的5～6倍时，切削刃口的温度开始随切削速度增大而降低，刀具磨损随切削速度增大而减小。
切削塑性材料时，传统的加工方式为“重切削”，每一刀切削的排屑量都很大，即吃刀大，但进给速度低，切削力大。
实践证明随着切削速度的提高，切屑形态从带状、片状到碎屑状演化，所需单位切削力在初期呈上升趋势，而后急剧下降，这说明高速切削比常规切削轻快，两者的机理也不同。
通过长期的研究，从上世纪90年代中期起，高速加工进入实用化阶段。
用户可以享受高速加工的高效率，高精度和成本优势。
德国OPS-INGERSOLL公司是目前世界上最好的高速加工中心制造商之一。
二．高速加工的定义高速加工是指转速在30,000RPM以上，实际加工切削进给保持8-12m/min的恒定进给。
我们从定义中看出，高速加工的一个关键要素是高速恒定进给。
由于高速加工时，转速上万转，特别在加工高硬度材料时，瞬间产生大量热量，所以必须保持高速进给，使产生的85%以上的热量被铁屑带走。
但在模具加工过程中，硬度通常在HRC50以上，且为复杂的曲面或拐角，所以高速机床必须做到在加工曲面或拐角时仍能高速进给。
另外实际加工中，刀具都有一个最佳切削参数，如能保持恒定进给，对刀具寿命，切削精度和加工表面质量都有提高。
由此看出，高速加工不仅是高速主轴，而且也是机床伺服系统的综合。
事实上，高速切削技术是一个非常庞大而复杂的系统工程，它涵盖了机床材料的研究及选用技术，机床结构设计和制造技术，高性能C NC控制系统、通讯系统，高速、高效冷却、高精度和大功率主轴系统，高精度快速进给系统，高性能刀具夹持系统，高性能刀具材料、刀具结构设计和制造技术，高效高精度测试测量技术，高速切削机理，高速切削工艺，适合高速加工的编程软件与编程策略等等诸多相关的硬件和软件技术。
超高速加工技术
（2）汽车制造。
1
2
3
4
钻孔 表面倒棱 内侧倒棱 铰孔
高速钻孔 表面和内侧倒棱
专用机床 5轴×4工序 = 20轴（3万件/月）
刚性（零件、孔数、孔径、孔型固 定不变）
高速加工中心 1台1轴1工序（3万件/月）
柔性（零件、孔数、孔径、 孔型可变）
图12 汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司）
（3）模具制造。
b）高速模具加工的过程
图14 两种模具加工过程比较
生产剃须刀的石墨电极
生产球形柄用的铜电极
图15 高速切削加工电火花加工用工具电极
（4）难加工材料领域。硬金属材料（HRC55～62），可 代替磨削，精度可达IT5~IT6级，粗糙度可达0.2～1um。
（5）超精密微细切削加工领域。
粗铣整体铝板； •精铣去口； •钻680个直径为3mm的小孔。 时间为32min。
在机床的主轴上，定子安装在主轴单元的壳体中，采用水冷 或油冷。精度高、振动小、噪声低、结构紧凑。
高速加工技术的发展与应用
图5 HSM600U型数控五轴高速加工中心
生产厂家：瑞士Mikron 主轴转速：最高42000 rpm
主轴功率：13 KW 进给速度：最高40 m / min
定位精度：0.008 mm
重复定位精度：0.005mm
图6 HSM 系列高速五轴联动小型立式加工中心
图7 HSM800 图9 HSM400
• Bremen大学在高效深磨的研究方面取得了世界公 认的高水平成果，并积极在铝合金、钛合金、铬镍 合金等难加工材料方面进行高效深磨的研究。
近年来，我国在高速、超高速加工的各关键领域 (如大功率高速主轴单元、高加减速直线进给电机、 陶瓷滚动轴承等方面)也进行了较多的研究并有相应 的研究成果。
高速切削简介
高速切削加工切屑形成特征 文献2
2021/7/16
高速切削加工切屑形成特征 文献2
从连续光滑的切削到周期性的锯齿状切屑，是随着切削速度增大而变化 过渡，这是高速切削加工中最基本又富有挑战性的问题。本文中，用临 界切削速度对切屑流起因的显式表达式，用材料性能，未变形切屑厚度 与刀具前角三者来表达，并基于尺寸分析和数值模拟。实验对于各种金 属材料在宽范围的切削厚度与刀具前角下，切屑由连续到锯齿状，给出 临界切削速度合理的预测。更有趣的是，发现，由于由雷诺数对湍流流 动的控制，对锯齿形切屑的流动模式的转变是由雷诺数主导。此外，材 料的性能对锯齿形切屑的影响进行系统的研究，其发展趋势和Recht经典 2021/7模/16 型吻合。
➢ 1931年德国物理学家C. J. Salomom在“高速切削原理 ”一文中给出了著名的“Salomom曲线”——对应于一 定的工件材料存在一个临界切削速度，此点切削温度最 高，超过该临界值，切削速度增加，切削温度反而下降 。
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➢ Salomom的理论与实验结果，引发了人们极大的兴趣， 并由此产生了“高速切削（HSC）”的概念。
2021/7/16
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高速钻孔
表面和内侧倒棱
高速加工中心 1台1轴1工序（3万件/月） 柔性（零件、孔数、孔径、孔型可变）
汽车轮毂螺栓孔高速加工实例
电极制造
1毛坯 → 2粗铣 → 3半精铣 → 4热处理 →5电火花加工→6精铣 →7手工磨修 a）传统模具加工的过程
1硬化毛坯→ 2粗铣 → 3半精铣 → 4精铣 →5手工磨修 b）高速模具加工的过程
切削热大部分由 切屑快速带走
避免积屑瘤的产 生
接触区 高速切削的剪切角 常规切削的剪切角
FANUC高速高精加工的参数调整
F A N U C高速高精加工的参数调整This manuscript was revised by the office on December 22, 2012铣床、加工中心高速、高精加工的参数调整(北京发那科机电有限公司王玉琪)使用铣床或加工中心机床加工高精度零件（如模具）时，应根据实际机床的机械性能对CNC系统（包括伺服）进行调整。
在FANUC的AC 电机的参数说明书中叙述了一般调整方法。
本文是参数说明书中相关部分的翻译稿，最后的“补充说明”叙述了一些实际调试经验和注意事项，仅供大家参考。
对于数控车床，可以参考此调整方法。
但是车床CNC系统无G08和G05功能，故车床加工精度（如车螺纹等）不佳时，只能调整HRV参数和伺服参数。
Cs控制时还可调整主轴的控制参数。
目录1伺服HRV控制的调整步骤⑴概述i系列CNC（15i/16i/18i）的伺服因为使用了HRV2和HRV3控制（21i为选择功能），改善了电流回路的响应，因此可使速度回路和位置回路设定较高而稳定的增益值。
图使用伺服HRV控制后的效果速度回路和位置回路的高增益，可以改善伺服系统的响应和刚性。
因此可以减小机床的加工形状误差，提高定位速度。
由于这一效果，使得伺服调整简化。
HRV2控制可以改善整个系统的伺服性能。
伺服用HRV2调整后，可以用HRV3改善高速电流控制，因此可进行高精度的机械加工。
若伺服HRV控制与CNC的预读（Look-ahead）控制，AI轮廓控制，AI纳米轮廓控制和高精度轮廓控制相结合，会大大改善加工性能。
关于这方面的详细叙述，请见节“高速、高精加工的伺服参数调整”。
２图伺服HRV控制的效果实例⑵适用的伺服软件系列号及版本号90B0/A（01）及其以后的版本（用于15i，16i，18i和21i，但必须使用320C5410伺服卡）。
⑶调整步骤概况HRV2和HRV3控制的调整与设定大致用以下步骤：①设定电流回路的周期和电流回路的增益（图中的*1 ）电流回路的周期从以前的250μs降为125μs。
国产数控机床精度保持性分析及研究现状
国产数控机床精度保持性分析及研究现状马军旭1,2赵万华1,2 张根保31.西安交通大学,西安,7100492.机械制造系统工程国家重点实验室,西安,7100543.重庆大学,重庆,400030摘要:通过对国产数控机床精度的大量调研发现,非正常磨损造成机床精度衰退的数目占机床总数的比例较大㊂为了更清晰地找出精度下降的原因,从主轴精度㊁基础件几何精度和各轴的运动精度入手,分别在机床的设计㊁制造和使用三个阶段分析了造成国产数控机床精度保持性差的原因㊂针对不同类型机床精度,提出了提高机床精度保持性的方法㊂关键词:精度保持性;非正常磨损;装配应力;机电匹配中图分类号:T G 659;T H 162 D O I :10.3969/j.i s s n .1004‐132X.2015.22.020R e s e a r c hS t a t u s a n dA n a l y s e s o nA c c u r a c y R e t e n t i v i t y o fD o m e s t i cC N C M a c h i n eT o o l s M a J u n x u 1,2 Z h a o W a n h u a 1,2 Z h a n g Ge n b a o 31.X i ’a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y,X i ’a n ,7100492.S t a t eK e y L a b o r a t o r y f o rM a n u f a c t u r i n g S y s t e m E n g i n e e i n g,X i ’a n ,7100543.C h o n g q i n g U n i v e r s i t y ,C h o n g q i n g,400030A b s t r a c t :W i t ha l a r g en u m b e ro f a c c u r a c y s u r v e y ond o m e s t i cC N C m a c h i n e t o o l s ,i tw a s f o u n d t h a t t h en u m b e r o f a c c u r a c y r e c e s s i o nc a u s e db y a b n o r m a lw e a r g a v e ab i g g e r p r o po r t i o n .I no r d e r t o f i n d t h e r e a s o n s o f a c c u r a c y d e s c e n d sm o r e c l e a r l y ,t h e r e a s o n s t h a t l e d t o t h e p o o r a c c u r a c y r e t e n t i v i t yi n t h e s t a g e o f d e s i g n ,m a n u f a c t u r e a n d a p p l i c a t i o n sw e r e a n a l y z e d f r o mt h r e e a s p e c t s o f s p i n d l e a c c u -r a c y ,g e o m e t r i c a c c u r a c y a n dd y n a m i ca c c u r a c y .F i n a l l y ,a i m i n g a t t h ed i f f e r e n t t y p e so fC N C m a -c h i n e t o o l s ,t h em e t h od s t o i m p r o ve a c c u r a c y r e t e n t i v i t y w e r e p r o po s e d .K e y wo r d s :a c c u r a c y r e t e n t i v i t y ;a b n o r m a lw e a r ;a s s e m b l y s t r e s s ;m a t c h i n g o f e l e c t r i c a l p a r a m e t e r a n dm e c h a n i c a l pa r a m e t e r 收稿日期:20150522基金项目:国家科技重大专项(2010Z X 04014‐015,2012Z X 04005011);国家自然科学基金资助重点项目(51235009)0 引言国产数控机床与国外数控机床的精度保持性有很大的差距,在国家科技重大专项的支持下,针对某型号卧式加工中心㊁立式加工中心和磨齿机精度保持性问题,笔者走访了10余家机床用户,翻阅了机床厂的部分维修记录,得到了机床的精度衰退情况㊂其中,卧式加工中心为:机床使用半年之后出现地脚螺栓调整12例,一年之后出现工作台消隙调整2例,其他3例㊂立式加工中心为:3个月后出现Z 轴轴承磨损6例,Z 轴刚度降低3例,半年之后出现X 轴与Y 轴联动椭圆13例,X ㊁Y ㊁Z 轴定位精度降低9例,其他2例㊂磨齿机为:3个月后出现顶尖与C 轴同轴度下降8例,半年之后出现Z 轴与C 轴平行度问题16例,Z 轴精度下降12例,X 轴精度下降8例,主轴轴承精度下降或损坏时间在1个月至1年之间不定共14例,其他5例㊂磨损是造成机床精度下降的原因㊂正常磨损情况下,机床精度保持时间与零部件(导轨㊁轴承等)寿命是相当的㊂根据对国产机床设计㊁制造过程和使用情况的调研,得到国产机床精度衰退的主要原因是运动部件间非正常磨损的结论㊂数控机床精度保持性衰退原因和提高措施因结构形式的不同而不同㊂主轴部件因高速旋转,既不同于直线进给轴的运动形式,又与旋转进给轴速度差别较大,因此,本文将主轴精度独立于几何精度之外,作为一项独立的精度指标㊂除主轴精度外,轴线的几何精度是机床精度的基础,而机床运动时的瞬态和稳态精度影响着机床的加工精度㊂为了便于找出精度衰退的原因,把机床精度分成三个部分:主轴精度㊁几何精度和运动精度[1]㊂根据调研的10余家国产数控机床用户的机床精度衰退情况得到:主轴精度衰退14例,占调研机床总数的11.5%;几何精度(不包括主轴精度,下同)衰退76例,占调研机床总数的62.3%;运动精度衰退24例,占调研机床总数的19.7%;其他精度问题8例,占调研机床总数的6.6%㊂本文针对国产数控机床精度保持性存在的问题,从主轴精度㊁几何精度㊁运动精度及整机精度㊃8013㊃中国机械工程第26卷第22期2015年11月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.监控四个方面分析了国产数控机床在设计㊁制造和使用阶段造成精度保持性差的原因及解决方法,回顾了目前国产机床精度保持性的研究现状,并给出了提高国产数控机床精度保持性的建议㊂1 主轴精度保持性分析及研究现状主轴在设计阶段的主要任务是完成结构方案㊁分配零部件公差及确定零件间的配合;在制造阶段的主要任务是合理地施加预紧力,保证主轴刚度,限制主轴温升㊂国产主轴在精度设计时往往根据设计手册选择经济精度及其配合,在制造时根据经验选择预紧力,缺少科学计算的指导㊂使用时,主轴的温升会造成轴承间隙㊁预紧力的变化,如果在设计㊁制造时考虑不充分,就会造成轴承的非正常磨损㊂密封㊁润滑不良也将直接导致轴承非正常磨损,如图1所示㊂图1 主轴精度保持性影响因素因此,造成主轴轴承非正常磨损的因素主要为:设计阶段的轴承间隙(配合)过大或过小㊁密封及润滑结构不合理,以及制造阶段预紧力过大或过小㊂1.1 轴承间隙的合理设计设计阶段,通常为了保证主轴径向跳动精度,选择较小的轴承和主轴箱间隙㊂在结构和冷却㊁润滑参数确定的情况下,间隙越大,主轴径向跳动越大;反之,间隙越小,主轴径向跳动越小,但主轴发热变形越大,容易加剧磨损或者造成轴承卡死㊂为了提高主轴的精度保持性,合理地选择轴承与主轴箱间隙,减小轴承的非正常磨损显得尤其重要㊂B u r t o n等[2]研究了主轴在使用时温度造成角接触轴承尺寸的变化情况,并给出了计算方程,但是计算精度不够高㊂J e d r z e j e w s k i等[3]为了从热变形㊁刚度等方面来评价间隙设计结果,利用有限元法和有限差分法建立了高速加工中心主轴箱混合模型,分析了因旋转速度变化形成的离心力造成的间隙变化㊂H o l k u p等[4]同时考虑了轴承滚珠㊁滚道的接触变形线性叠加轴承外圈与轴承座的热变形来计算轴承间隙㊂K i m等[5]建立了轴承间隙随外部载荷㊁转速和操作时间变化的变形曲线,为间隙设计提供了依据㊂但是其提供的是单个轴承在各种工况下的变形量,一般情况下,主轴轴承是成组使用的㊂因此,为了提高主轴的精度保持性,减小轴承非正常磨损,在设计轴承间隙时,需要同时考虑转速变化引起的离心力造成的轴承变形㊁预紧力造成的轴承发热变形㊁主轴的冷却效果以及轴承的配置方式等的影响㊂1.2 预紧力的合理选择主轴的功能是给刀具提供足够的动力和刚度来保证正常切削工件㊂在制造阶段,为了保证主轴有足够的刚度,往往对轴承施加预紧力㊂预紧力越大,主轴刚度越大,主轴发热变形也越大,轴承越容易磨损,主轴精度保持性越差㊂合理保证服役状态下主轴预紧力,能够减小主轴轴承发热造成的非正常磨损,提高主轴精度保持性㊂K i m等[6]通过预紧力测试装置和跳动测试装置测试了不同切削条件下预紧力对跳动精度的影响,优化了主轴预紧力㊂J i a n g等[7]为了获得高转速低温升㊁低转速高刚度主轴的预紧力,建立了离心力和陀螺效应影响的轴承非线性模型,利用传递矩阵法(t r a n s f e r m a t r i x m e t h o d,T MM)分析了调压预紧时的温升和刚度,得到结论:高速时,根据主轴温度变化选择预紧力,低速时,根据主轴轴承的疲劳寿命选择预紧力㊂C h e n等[8]在分析预紧力对温升的影响时,得到结论:低速时(转速n<10000r/m i n),温升与预紧力的关系不大;高速时(转速n>10000r/m i n),由于离心力造成滚珠和内圈的接触不良,所以摩擦力增大,温升增大㊂蒋兴奇等[9]为了防止高速轴承出现内沟道或钢球表面的擦伤,同时又使轴承的运转摩擦力矩最小,给出了主轴角接触轴承最小预紧载荷的计算方法㊂给出的轴承预紧力影响因素是在主轴径向载荷很小(10N)的条件下计算得到的,不能适用于机床的切削状态㊂因此,考虑使用状态下的转速㊁切削载荷㊁温升对预紧力的影响,才能保证装配时的预紧力在使用状态下是合理的,减小预紧力设置不当造成的精度衰退,提高主轴精度的保持性㊂1.3 润滑和密封不当主轴轴承的密封和润滑不当也是造成国产数控机床主轴㊁特别是磨削类主轴轴承非正常磨损的重要原因㊂申阳等[10]统计了国产主轴轴承损㊃9013㊃国产数控机床精度保持性分析及研究现状 马军旭 赵万华 张根保Copyright©博看网. All Rights Reserved.坏的形式,指出润滑不良是主轴异常磨损的一个重要因素㊂磨削类机床由于砂轮在工作时磨粒的脱落造成冷却液中杂质过多,如果轴承密封不良更容易造成主轴轴承的磨损㊂余常武[11]针对某型号磨床主轴轴承密封不严造成主轴磨损的情况(最严重的情况是试切时轴承磨损损坏),改进了主轴密封结构,使其精度保持时间延长至17个月以上㊂由国产主轴精度保持性的分析和回顾可知,提高国产数控机床主轴精度保持性的措施应在主轴的设计和制造阶段实施㊂应考虑主轴使用工况,合理设计主轴间隙㊁选择预紧力,进而提高机床主轴精度保持性㊂2 几何精度保持性分析及研究现状根据G B18400.1‐2010中几何精度的检测项目,除去与主轴精度相关的项目,几何精度主要是与运动轴线相关的精度㊂运动轴线几何精度保持性取决于基础件精度保持性㊂基础件在设计阶段的主要任务是完成结构方案,校核刚度和强度,确定导轨安装基准面等的公差;在制造阶段的主要任务是合理地消除基础件内应力以及保证装配后的几何精度㊂国产数控机床在设计时根据设计手册选择零件的经济精度,当装配精度达不到要求时,利用试凑或者采用不恰当的拧紧等措施使基础件局部变形过大来保证几何精度,造成较大的装配应力㊂内应力消除往往根据经验,缺乏规范的工艺措施㊂如果设计时不能充分考虑装配时和使用时力㊁热等造成的基础件精度变化,就会导致精度设计不合理,进而可能造成装配时产生较大的装配应力,使用时装配应力释放导致导轨滑块安装基准变化,加剧导轨滑块磨损㊂如果制造阶段内应力释放不完全,服役时,内应力释放也将导致导轨滑块的安装基准发生变化,造成导轨滑块的非正常磨损,精度保持性下降,如图2所示㊂因此,造成导轨滑块非正常磨损的主要因素为:内应力释放变形和装配应力蠕变变形等㊂2.1 内应力消除工艺机床基础件大部分为铸件,少量为焊接件,在铸造或焊接过程中会产生一定的内应力㊂为了使内应力得到充分释放,往往采用自然失效的方式处理基础件㊂自然失效周期较长,不能满足生产时,采用热时效的方式㊂热时效耗能大,基础件大小受限于时效炉的尺寸㊂目前较为流行的是振动时效㊂L i等[12‐13]利用有限元仿真得到床身的各阶振型,作为振动时效工艺参数选择的依据,但是图2 几何精度保持性影响因素没有定量给出铸造残余应力振动时效后应力变化的大小㊂低频振动时效时零件变形量大,甚至出现破坏,H e等[14]为了防止出现这种现象,提出了超过1k H z的高频振动工艺方案,在两块焊接的钢板上进行了试验验证,得到高频振动更能均化焊接件的残余应力的结论㊂焊接件一般质量较小,但是对于大型铸件,高频振动受激振能量限制,不太合适㊂胡敏等[15]针对某型号卧式加工中心床身结构,利用模态分析选择了振动时效的激振频率㊁支撑点㊁激振点和拾振点,根据工件质量选择了激振时间,根据最大动应力和激振力的关系选择了激振力大小,并且与原有振动工艺消除应力的效果进行了对比㊂目前,对振动时效的定量研究较少,大部分工厂是按照经验对大型基础件进行振动时效处理㊂因此,为了减小内应力释放变形造成的轴线基准变形以及基准变形造成的导轨滑块非正常磨损,需要规范基础件制造时的内应力工艺,定量控制内应力的大小㊂2.2 减小装配应力的措施设计时如果没有考虑移动部件重力在全行程内造成的基础件精度变化,造成装配后的轴线几何精度达不到设计要求,现场采用不恰当的拧紧等措施使基础件局部变形过大来保证导轨的直线度㊁平行度等精度,就会产生较大的装配应力㊂机床使用时,地脚螺栓中受力较大的螺栓蠕变较快,导轨安装基准变化;同时,导轨的基准变化将加剧导轨滑块的磨损,轴线几何精度丧失㊂在设计阶段,张文凯[16]根据卧式加工中心移动部件在行程内质心位置变化造成的导轨安装基准面变形,利用A N S Y S的A P D L语言优化了地脚螺栓布局,使导轨安装面直线度由11.6μm减㊃0113㊃中国机械工程第26卷第22期2015年11月下半月Copyright©博看网. All Rights Reserved.小到了8.6μm㊂减小了为保证机床精度造成的部分地脚螺栓应力,使地脚螺栓的布局设计更加合理㊂张景和等[17]在大型非球面超精密机床上设计了卸荷浮板结构,减小了导轨负荷(导轨及其上移动部件的质量)㊂当卸荷量达到12k N时,主导轨直线度为0.375μm/600mm㊂张伯鹏等[18]针对大型数控龙门铣床横梁重力变形问题,在辅助梁上设置了3个出力可控的液压千斤顶,利用遗传算法实现了自演机制,减小了重力变形造成的误差㊂上述两种方法利用改变横梁结构,增大横梁刚度,减小了重力变形对导轨直线度的影响,间接地提高了机床的精度保持性㊂但是受机床结构影响,有些机床不能通过改变结构来增大横梁刚度,只能通过制造阶段的工艺措施来合理地保证精度㊂在制造阶段,胡万良等[19]利用压电式传感器发明了智能垫铁(Z L200910024358.7),该智能垫铁能够监测机床垫铁的受力大小,用于机床在装配时保证地脚螺栓受力均匀,减小机床使用时地脚螺栓蠕变量的不一致㊂智能垫铁只是监测了地脚螺栓的受力状况,可以再改进使其能够自动调整来保证地脚螺栓受力均匀㊂郭铁能等[20‐21]针对数控重型龙门铣床超跨距横梁由于跨度大㊁滑板滑枕质量大造成的横梁向下弯曲(最大挠度可达1mm),采用对导轨面预起拱的方法来补偿横梁变形对加工精度的影响㊂利用合理的装配工艺保证机床的精度,间接地提高了机床的精度保持性㊂单个运动轴的装配应力会造成导轨滑块的非正常磨损,运动轴间的装配应力是由于固定结合面精度的设计和装配的不合理产生的,固定结合面的螺栓蠕变会造成运动轴间的垂直度㊁平行度等精度的衰退㊂螺栓蠕变常见于高温下法兰盘连接用螺栓的蠕变,而O e h l e r t等[22]㊁N e e r a j等[23]认为,常温下金属在一定载荷下也会发生蠕变,单琳豪[24]研究了船用螺旋桨在服役时的蠕变㊂目前还缺少机床结合面螺栓蠕变造成的几何精度衰退规律㊂根据几何精度保持性的分析和回顾,提高国产数控机床几何精度保持性的措施应在机床的设计和制造阶段实施㊂考虑装配应力㊁内应力等的影响,合理设计基础件精度,规范装配工艺,避免为了保证精度而牺牲精度保持性㊂3 运动精度保持性分析及研究现状数控机床的运动精度不同于准静态下的几何精度,是机床在保证几何精度的前提下,进给时运动轴在位移㊁速度㊁加速度三个方面的瞬态和稳态精度[1]㊂运动精度取决于进给系统的机电参数是否匹配㊂数控机床较普通机床最大的优势在于多图3 加工振纹轴联动,单轴的运动不稳定决定了多轴联动误差,联动加工时将在工件表面产生振纹等,影响工件的加工质量,如图3所示㊂机床使用一段时间后,机械参数中的接触刚度和阻尼等随运动副的磨损而变化;电机线圈绕组中漆包绝缘层出现老化导致线圈间的绝缘电阻值变化,输出电磁力矩中出现谐波成分㊂机电参数不再是初始的最优匹配,就会造成运动精度的下降,精度保持性变差㊂运动精度下降之后可以通过机电参数匹配在一定程度上进行恢复㊂表1所示为某台机床在使用一段时间后的运动精度对比㊂表1 某型号机床运动精度衰退及恢复对比表参数出厂最优值1年后衰退调整后恢复机械参数传动刚度(108N/m)2.932.652.65伺服参数速度环增益(H z)7.67.69.2位置环增益(H z)333.5误差值位移波动幅值(μm)1.631.991.67速度波动幅值(mm/m i n)7.959.308.25 机电参数匹配之前,需要辨识机械参数和电机参数,然后通过一定的控制算法进行匹配㊂R e n等[25]提出了子结构参数耦合辨识方法,C e l i c 等[26]基于子结构参数耦合辨识方法提出了改进的关节参数辨识方法,对固定结合部刚度进行了辨识㊂但是数控机床非正常磨损造成的是动结合部的动力学参数变化㊂胡峰等[27‐28]在丝杠径向施加简谐振动,利用初参数解析法辨识了丝杠支撑处㊁螺母处和导轨滑块处的刚度㊂邰晓辉[29]利用I n a m u r a和S a t a方法识别了系统中的轴承㊁螺母的轴向刚度和阻尼㊂但是其辨识的只是轴承和螺母的刚度,不是整个进给系统的刚度㊂陈光胜等[30]利用编码器和光栅尺的信号作为输入信号,对进给系统机械刚度进行了辨识㊂上述辨识都是在静态下进行的,而运动精度恢复需要的是动态下辨识的机械参数㊂曹锟[31]针对高速进给系统的高阶线性模型,将M序列和匀速运动信号相叠加,改进了辨识方法,对某型号机床的直线进给轴刚度进行了辨识,并利用激光干涉仪进行了验证㊂㊃1113㊃国产数控机床精度保持性分析及研究现状 马军旭 赵万华 张根保Copyright©博看网. All Rights Reserved.J o k s i m o v i c等[32]对感应电机定子绕组匝间短路故障引起的线电流频谱变化进行了建模和仿真分析,发现相比于正常电机,匝间短路故障电机线电流频谱中出现电流基频的三次谐波,正常电机中存在谐波成分的幅值增大㊂T a l l a m等[33]利用坐标变换理论得到了感应电机定子绕组匝间短路故障的瞬态模型㊂该模型能够根据误差灵敏度函数准确预测故障线电流的正序和负序部分量值㊂N i c o l a s等[34]基于电流残差定义的故障因子对永磁同步电动机匝间短路故障进行了建模和分析,考虑使用条件和参数不确定性使得预测模型能够对匝间短路电阻小于1kΩ的故障进行准确预测㊂蒋锐权等[35]利用神经元的自学习功能,提出了适用于数控机床位置伺服控制的神经元控制器,该算法结构简单,不需要知道受控对象的结构和参数,而影响精度保持性的恰恰是结构机械参数的变化,因此这种算法不能满足要求㊂I r i s a 等[36]通过辨识伺服进给系统的数学模型,将控制参数整定转化为非线性约束方程的求解过程,此方法能够得到较满意的效果,但整定过程比较复杂㊂K u o等[37]利用遗传算法对五轴数控机床的运动控制参数进行了整定,其整定后的参数在一定程度上改善了机床加工的轮廓精度㊂陈鹏展[38]提出了先获得机械表征对象特征的参考模型,再对参考模型进行控制参数寻优的方法,既保证了控制参数整定的快速性,又能得到满意的整定结果㊂李学伟[39]针对多轴联动中,轨迹预补偿方法中误差分配为考虑各轴跟随特性而导致补偿效果不理想的问题,提出了零相差轨迹与补偿控制方法,利用加工圆弧和抛物线方案进行了验证㊂根据运动精度保持性的分析和回顾,提高数控机床运动精度保持性的措施应在机床的制造和使用阶段实施㊂机械参数的辨识㊁电机参数的辨识和合理的机电匹配算法是提高国产数控机床精度保持性的关键㊂4 整机精度监控系统调研时发现,国产数控机床在使用时,由于使用不当(如切削力过载)和维护保养不足(如润滑油不够清洁)等造成机床轴承及静压导轨等零部件的过早磨损,机床精度下降的情况也较多㊂因此,针对国产数控机床的这一特殊情况,研发整机监控系统,对机床进行工作状态监控及维护保养也能延续机床的精度保持性㊂机床在使用期间,如果机床切削力过大,将加剧主轴轴承的受力,造成轴承的非正常磨损,机床精度很快下降㊂因此,监控切削力大小,设置切削过载报警有助于延长机床的精度保持性时间㊂朱晓春[40]提出通过检测主轴和进给电动机的功率和角速度,计算出切削扭矩,来实现切削过载的在线监控㊂对切削力进行监控,不仅有利于减小刀具的磨损,而且还可以减小主轴轴承因过载造成的磨损㊂润滑液不清洁会加剧运动部件间的磨损,造成导轨滑块或者轴承精度下降㊂特别是磨削类机床,磨粒脱落在冷却液中,如果轴承密封不当,极易造成轴承的磨损[11]㊂通过对润滑液清洁度监控,及时更换不合格的润滑液,定期保养机床,也有利于提高机床的精度保持性㊂张根保等[41]建立了基于液压系统清洁度熵的关键故障源提取模型,提取出了关键故障源,对其清洁度进行了控制,这样有利于减小液压元件(如静压导轨等)的非正常磨损,提高机床的精度保持性㊂李平等[42]建立了丝杆磨损量与驱动电机做功的数学模型,利用监控驱动电机做功的总量来决定丝杆是否需要维护㊂丝杠的磨损影响半闭环控制机床的定位精度和重复定位精度㊂陈宇[43]分析了机床关键功能部件故障数据,在有用性最大的基础上提出了最佳预防维修间隔时间模型,并求得该机床关键功能部件最佳预防维护间隔时间㊂对于不同类型的机床,需要监控的参数类型和参数的阈值范围是不同的,这需要根据机床的特点进一步研究才能确定㊂根据整机精度监控的分析和回顾,在机床的使用阶段,对机床工作状态及工作环境进行监控,适时地对机床进行维护保养,也能提高机床的精度保持性㊂对机床整机精度监控的项目有:润滑油的清洁度㊁液压系统压力㊁电机的功率㊁主轴振动㊁环境温度㊁湿度㊁空气清洁度㊂通过这些参数的监控,可实施维修时间在线预报和强制维护保养㊂5 提高国产数控机床精度保持性的建议通过国产数控机床精度保持性的分析及相关研究文献的回顾,根据调研的国产数控机床设计㊁制造过程和使用环境,针对机床的三类精度,为避免非正常磨损,提高国产数控机床精度保持性,在设计㊁制造和使用阶段提出以下建议㊂(1)几何精度保持性方面㊂提高措施应集中在设计和制造阶段的精度合理保证㊂造成导轨滑块非正常磨损的主要因素有:考虑移动部件质心㊃2113㊃中国机械工程第26卷第22期2015年11月下半月Copyright©博看网. 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直驱式
加工进给速度
1~120,000 mm/min
工作台
工作台尺度
1200*550 mm
T型槽(宽×槽数×距离)
18 x 5 x 95 mm
工作台最大负载(均匀散布)
800 kg
主动换刀体系
主动换刀方式
同动式/圆盘式
主动换刀数量
24pcs
最大刀量
7 kgs
其他
水箱容量
250L
机床最大重量
6800 kg
机床尺度(长x宽x高)
2750*2180*2600 mm
气压需要
6 kg
电力需要
20 KVA
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120-670mm
主轴
主轴规格
BT-40(150直径)
主轴传动方法
直联式/皮带式
主轴转速
20,000/15,000/12,000/10,000rpm
主轴马力
11kw
进给
X/Y/Z轴快速进给
36/36/36 M/min
三轴滚珠丝杆(mm)
ø45/ P12 / C3
三轴线性导轨(P级)
X/Y / Z 45m
V11高速加工中心
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系统控制器
三菱系统控制器M70 /发那科系统控制器Oi
行程
X轴行程
800 mm
Y轴行程
500 mm
Z轴行程
550 mm
主轴鼻端到工作台距离