韩兴华 重型数控机床进给系统结构研究Word文件下载.docx

1、2.2.1 对故障发生的部位进行分析 - 6 -2.2.2 机械部件故障的检查和排除 - 6 -2.3 进给伺服系统故障的检查和排除 - 7 -2.3.1 速度调节器的检测 - 7 -2.3.2 测速电机反馈信号的检测 - 7 -2.4 本章小结 - 7 -第3章 进给系统中摩擦力学分析 - 9 -3.1 简述摩擦力 - 9 -3.1.1 摩擦力的基本概念 - 9 -3.1.2 摩擦力的分类 - 10 -3.1.3 摩擦力的研究对象 - 10 -3.2 滑动摩擦 - 11 -3.2.1 滑动摩擦理论 - 11 -3.2.2 影响滑动摩擦的因素 - 11 -3.2.3 特殊工况下的摩擦 - 13

2、 -3.3 滚动摩擦 - 15 -3.3.1 基本概念 - 15 -3.3.2 滚动的基本形式 - 16 -3.4 摩擦振动 - 16 -3.4.1 摩擦振动现象 - 16 -3.4.2 摩擦振动的特点 - 17 -3.4.3 摩擦振动产生的原因 - 17 -3.4.4 摩擦振动的危害性 - 17 -3.5 本章小结 - 17 -第4章 基于PROE的数控机床进给系统的仿真 - 19 -4.1 数控技术发展的概况 - 19 -4.2 本章主要内容 - 19 -4.3 基于Pro/E的NC代码后处理技术 - 20 -4.4 本章小结 - 21 -结论 - 22 -参考文献 - 23 -致谢 -

3、24 -第1章 绪论1.1 前言 随着科学技术的不断进步和社会生产的不断发展，人们对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求，而机械加工过程的自动化是实现上述要求的有效途径。 重型数控立式车床主要服务于能源、交通、原材料、中型机械、航空航天、国防等国家重点行业领域，是我国装备制造业具有代表性的产品。齐重数控装备股份有限公司生产的重型数控立式车床系列产品的国内市场占有率约为90，其设计和制造水平基本上可以代表我国目前此类产品的生产水平。由于我国数控机床行业普遍采用自主生产机床本体，配套国外数字控制系统的生产方式，因此，提高国产数控机床的制造技术水平的主要途径是提高机床本体的设计和制造水平。而机

4、床的进给系统对精度的影响是最大的，因此，提高进给系统的的质量就显的尤为重要。当前由于各种先进制造技术的快速发展，特别是高速切削技术的出现，对于机床的进给系统的要求越来越高。但是，以国产重型立式车床为例,时需要进给系统的以较低的速度运动,但另一方面进给系统在低速运动时往往会出现爬行现象。为此需要分析进给系统在低速运动时，要保持机床稳定，保证加工精度的要求，进给系统的刚度和阻尼系数等参数的取值范围，并要确定这些参数之间的相互关系，最终确定优化方案，得出优化结果。 另外，工厂的设计和生产任务较繁忙，对于重型数控立式车床的进给系统的设计多采取类比设计和简单的计算方法，而没有进行系统的、较精密的数值计算

5、。原因是进行现代的设计方法，除了要求理论知识丰富、计算手段高级外，测试手段必须也同步跟上，这在一般企业本身是难以实现的，因此采取校企联合的方式，利用学校方面的理论知识较丰富，企业技术人员设计和现场经验较多的各自优势，对工厂所存在的主要技术难题进行联合研究，提高产品技术水平，是目前我国现阶段最有效的方法之一。 项目来源于实际课题，为了提高重型数控车床在加工时的稳定性和精度并且缩短产品的开发周期，我研究所和齐齐哈尔重型数控装备股份有限公司合作开发设计用于重型立式数控车床仿真系统。本课题要利用计算机仿真技术完成 重型数控车床的进给系统在不同刚度、阻尼系数等参数下，机床系统的稳定性和精度问题。 Pro

6、/E软件是数字化功能样机技术产品的杰出代表。它是集信息技术、仿真技术、计算机技术于一体，使人们能够在基于虚拟现实的基础上，运用高速计算机与系统动力学、弹塑性力学、系统工程学、计算机可视化等技术，构造出一个能模拟现实系统的虚拟样机的建造与 CAE 分析环境。数字化功能样机技术是对传统设计方法的一次历史性的革命。以它为基础的现代设计方法的出现，改变了传统以物理样机为基础的设计，大大减少昂贵而费时的物理样机制造及试验过程，使用户直接在计算机上可以快速分析比较多种设计方案，进行优化设计，在设计的早期及时发现潜在的问题，是提高产品质量、缩短产品开发周期，降低产品开发成本最有效的途径。1.2 机械结构设计

7、的发展1952 年，美国帕森斯公司（Parsons）和麻省理工学院（MIT）合作研制成功了世界上第一台数控机床，它是一台三坐标数控铣床，用于加工直升机叶片轮廓。数控化铣床的计算与控制装置采用电子管元件组成的专用计算机，即逻辑运算与控制采用硬件连接电路。1955 年，该类机床进入使用化阶段，在复杂曲面的加工中发挥了重要作用。1958 年，我国开始研制数控机床，在研制与推广使用数控机床方面取得了一定的成绩。近年来由于引进了国外的数控系统和伺服系统的制造技术，使我国的数控机床在品种、数量和质量方面得到了迅速的发展。目前，我国已有几十家机床厂能够生产不同种类的数控机床和加工中心。在数控技术领域中，我国

8、和先进的工业国家之间还存在着不小的差距，但这种差距正在缩小。传统机械结构设计方法，在二维图纸空间上要对运动类机构进行设计，特别是空间运动机构设计是非常困难，甚至是不可能的。而在现代 CAD（计算机辅助设计）和技术的支持下，空间机构设计不但可以实现，而且非常直观、易于修改，设计人员的智慧和创新能力可以得到充分地发挥和展现，甚至设计方法和思路都可以随之而创新。运用先进的计算机辅助设计软件，可以在三维实体的情况下对实体进行相对位置、位移、运动范围、包络位置、运动干涉情况、速度、加速度等运动规律和参数进行分析与仿真，以此指导设计方案的评价、修改和优化，直至设计完成。 PROE是世界范围内广泛使用的机械

9、系统仿真分析软件，在汽车、航天等领域有着广泛的应用。随着科技的发展，计算机辅助设计技术越来越广泛的应用在各个设计领域。现在，它已经突破了二维图纸电子化的框架，转向以三维实体建模、动力学模拟仿真和有限元分析为主线的虚拟样机制作技术。使用虚拟样机技术可以在设计阶段预测产品性能，优化产品设计，缩短产品的研制周期，节约开发费用。机械系统动力学仿真软件PROE 可以直接创建完全参数化的机械系统几何模型，也可以使用从 CAD 软件（如：Pro/Engineer）传出来的造型逼真的几何模型；然后在几何模型上施加约束、力或力矩和运动激励；最后机械系统进行交互式的动力学仿真分析，在系统水平上真实地预测机械结构的

10、工作性能，实现系统水平的最优设计。1.3 本文的主要研究内容本文主要研究重型数控机床进给系统的结构，针对机床在低速条件下的爬行问题提出解决方法和需要优化的参数，通过仿真提出一种高效的机电一体化设计方法。主要工作包括：1. 对重型数控机床进给系统发生爬行现象的临界速度提出数学模型进行理论计算分析，根据计算结果在理论上提出几种降低临界速度的可能方法，这些方法主要从进给系统工作台与导轨面间的动、静摩擦因数之差，传动系统的整体刚度以及工作台的质量等因素进行考虑，从中找出理论上使重型数控机床进给系统中的工作台在非常低的运动速度下，仍然能够平稳、精确的运行的方案。2. 针对所建立的数学模型，在动力学仿真软

11、件 Pro/E 中建立重型数控机床进给系统的三维实体模型，并对模型进行约束、参数化设置，最后实施仿真分析，得出仿真结果与数学模型中的理论结论相比较，验证理论上提出的参数修改方案的正确性。第2章 进给系统爬行现象的分析本文利用动力学的相关知识对重型机床系统进行爬行现象的分析，并进行数学建模针对机床进给系统在低速运动时爬行现象从理论加以分析。2.1 进给系统数学建模如图2-1所示，重型数控机床的进给系统是以进给系统的丝杠作为驱动件，工作台为被驱动负载。设驱动装置的等效刚度为K，系统的粘滞摩擦系数为C，工作台与导轨之间的摩擦力为F（指静摩擦力或库伦摩擦力），工作台质量为m，进给系统的输入为钢丝的运转

12、速度，输出为工作台的位移。进给系统的简化模型如图2-2所示。图2-1 重型数控机床进给系统结构示意图图2-2 进给系统的简化模型设工作台的指令位移为yi，实际输出位移为y0,根据图2-2的简化模型，应用达朗贝尔原理，列出进给系统的微方程为 K（yi y0）=Fs y0=0 （2-1） K（yi y0）=my0 +Cy +Fc y00式中K（yi y0） 丝杠作用于工作台的驱动力 Fs 工作台与导轨面间的静摩擦力 Fc 工作台与导轨面间的库伦摩擦力由式（2-1）可知，当时刚作用于工作台的驱动力没有克服静摩擦力时，工作台处于静止状态；当驱动力大于静摩擦力时，工作台开始运动，此时工作台要克服粘性摩擦

13、力和库伦摩擦力。在低速运行时，工作台主要克服库伦摩擦力。实际中，静摩擦力Fs大于库伦摩擦力Fc，动静摩擦力之差Fs Fc越大，摩擦力的这种非线性特性越易引起系统的自激震荡，越易导致系统产生爬行现象。2.2 爬行与振动故障的诊断与排除对于数控机床出现的爬行与振动故障，不能急于下结论，而应根据产生故障的可能性，罗列出可能造成数控机床爬行与振动的有关因素，然后逐项排队，逐个因素检查，分析、定位和排除故障。查到哪一处有问题，就将该处的问题加以分析，看看是否是造成故障的主要矛盾，直至将每一个可能产生故障的因素都查到。最后再统筹考虑，提出一个综合性的解决问题方案，将故障排除。 排除数控机床进给系统爬行与振

14、动故障的具体方法如下：2.2.1 对故障发生的部位进行分析 爬行与振动故障通常需要在机械部件和进给伺服系统查找问题。因为数控机床进给系统低速时的爬行现象往往取决于机械传动部件的特性，高速时的振动现象又通常与进给传动链中运动副的预紧力有关。另外，爬行和振动问题是与进给速度密切相关的，因此也要分析进给伺服系统的速度环和系统参数。2.2.2 机械部件故障的检查和排除 造成爬行与振动的原因如果在机械部件，首先要检查导轨副。因为移动部件所受的摩擦阻力主要是来自导轨副，如果导轨副的动、静摩擦系数大，且其差值也大，将容易造成爬行。尽管数控机床的导轨副广泛采用了滚动导轨、静压导轨或塑料导轨，如果调整不好，仍会

15、造成爬行或振动。静压导轨应着重检查静压是否建立；塑料导轨应检查有否杂质或异物阻碍导轨副运动，滚动导轨则应检查预紧是否良好。导轨副的润滑不好也可能引起爬行问题，有时出现爬行现象仅仅就是导轨副润滑状态不好造成的。这时采用具有防爬作用的导轨润滑油是一种非常有效的措施，这种导轨润滑油中有极性添加剂，能在导轨表面形成一层不易破裂的油膜，从而改善导轨的摩擦特性。其次，要检查进给传动链。在进给系统中，伺服驱动装置到移动部件之间必定要经过由齿轮、丝杠螺母副或其他传动副所组成的传动链。有效提高这一传动链的扭转和拉压刚度，对于提高运动精度，消除爬行非常有益。引起移动部件爬行的原因之一常常是因为对轴承、丝杠螺母副和

16、丝杠本身的预紧或预拉不理想造成的。传动链太长、传动轴直径偏小、支承和支承座的刚度不够也是引起爬行的不可忽略的因素，因此在检查时也要考虑这些方面是否有缺陷。另外机械系统连接不良，如联轴器损坏等也可能引起机床的振动和爬行。2.3 进给伺服系统故障的检查和排除 如果爬行与振动的故障原因在进给伺服系统，则需要分别检查伺服系统中各有关环节。应检查速度调节器、伺服电机或测速发电机、系统插补精度、系统增益、与位置控制有关的系统参数设定有无错误、速度控制单元上短路棒设定是否正确、增益电位器调整有无偏差以及速度控制单元的线路是否良好等环节，逐项检查分类排除。2.3.1 速度调节器的检测 对速度调节器的故障，主要

17、检测给定信号、反馈信号和速度调节器本身是否存在问题。给定信号可以通过由位置偏差计数器出来经D/A转换给速度调节器送出的模拟信号VCMD的检测实现，这个信号是否有振动分量可以通过对伺服板上的插脚用示波器来观察。如果就有一个周期的振动信号，那毫无疑问机床振动是正确的，速度调节器这一部分没有问题，而是前级有问题；然后向D/A转换器或偏差计数器去查找问题，如果我们测量结果没有任何振动的周期性的波形，那么问题肯定出在反馈信号和速度调节器。2.3.2 测速电机反馈信号的检测 反馈信号与给定信号对于调节器来说是完全相同的。因此出现了反馈信号的波动，必然引起速度调节器的反方向调节，这样就引起机床的振动。由于机

18、床在振动，说明机床的速度在激烈的振荡中，当然测速发电机反馈回来的波形也一定是动荡的。这时如果机床的振动频率与电机旋转的速度存在一个准确的比率关系，譬如振动的频率是电机转速的四倍频率。这时我们就要考虑电机或测速发电机有故障的问题。2.4 本章小结（1）数控机床是一个完整的有机整体，机械、电气、液压的控制存在相互联系和相互影响。因此分析解决爬行与振动故障时，应有整体概念和经验，这样才能有效解决实际问题。如果故障既有机械部件的原因，又有进给伺服系统的原因，而且很难分辨出引起这一故障的主要矛盾，就要进行多方而的检测，耐心细致地分析和诊断，直至找出故障根源。若故障的根源是综合性因素造成的，只有采取综合的

19、排除故障的方法才能解决。（2）通过对重型数控机床进给系统进行数学建模，利用达朗贝尔原理对模型进行分析得出进给系统爬行现象时的速度即临界速度有关，当系统运动速度大于临街速度不会发生爬行，反之，则发生爬行，进一步对临界速度的计算可以得出，临界速度的大小与工作台质量，动静摩擦力之差以及传动件的刚度有关，而且可以看到动静摩擦力之差是发生爬行现象的根本原因。第3章 进给系统中摩擦力学分析 摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、润滑和磨损，以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘学科。 世界上使用的能源大约有1/31/2消耗于摩擦。如果能够尽力减少无用的摩擦消耗，便可大量节省能源。另外，机械产品的易损零

20、件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的，如果能控制和减少磨损，则既减少设备维修次数和费用，又能节省制造零件及其所需材料的费用。 1785年，法国库仑继前人的研究，用机械啮合概念解释干摩擦，提出摩擦理论。后来又有人提出分子吸引理论和静电力学理论。1935年，英国的鲍登等人开始用材料粘着概念研究干摩擦，1950年，鲍登提出了粘着理论。关于润滑的研究，英国的雷诺于1886年继前人观察到的流体动压现象，总结出流体动压润滑理论。20世纪50年代普遍应用电子计算机之后，线接触弹性流体动压润滑的理论开始有所突破。 摩擦学研究的对象很广泛，在机械工程中主要包括动、静摩擦，如滑动轴承、齿轮传动、螺纹联接、电气

21、触头和磁带录音头等；零件表面受工作介质摩擦或碰撞、冲击，如犁铧和水轮机转轮等；机械制造工艺的摩擦学问题，如金属成形加工、切削加工和超精加工等；弹性体摩擦，如汽车轮胎与路面的摩擦、弹性密封的动力渗漏等；特殊工况条件下的摩擦学问题，如宇宙探索中遇到的高真空、低温和离子辐射等，深海作业的高压、腐蚀、润滑剂稀释和防漏密封等。3.1 简述摩擦力3.1.1 摩擦力的基本概念当两个互相接触的固体在外力作用下，作相对的切向运动或具有相对切向运动趋势时，在两固体接触表面之间就会产生一种运动阻力，这种阻力称为摩擦力，这种现象称为摩擦现象。摩擦现象早已为人们所熟知，并为人类所利用。多年来，科学工作者一直在试图通过科

22、学研究来对观察到的摩擦现象做出合理的科学解释，于是出现了各种关于摩擦的理论和学说。摩擦性状大体受到下列各个因素的影响：（1） 接触表面的运动学，即两接触表面间相对运动的大小和方式；（2） 外界作用的载荷和位移；（3） 环境条件，如温度、润滑状况；（4） 接触表面的形貌;（5） 材料性质。在大多数情况下，摩擦的存在对机械是有害的。机械为了克服摩擦力，必然要消耗能量，效率降低。摩擦会导致机器零件的磨损，使零件的配合间隙增大，出现振动和噪声，影响机器的精度，缩短使用寿命。此外，摩擦会使机器的温度升高，导致零件的机械强度降低，甚至可能产生热变形、热疲劳和热磨损，从而破坏了机器的正常运转。当然，摩擦也有

23、有利的一面。例如人和车辆在陆地上行走，日常生活中的各种夹持、切割和洗刷等都是利用摩擦的原理；在机械设备中，有不少是利用摩擦而工作的。例如摩擦压力机、摩擦离合器、摩擦传动机构、摩擦制动装置和螺栓连接等。随着有关摩擦的理论及应用研究的深入，对摩擦的研究模式由宏观进入微观，由定性进入定量，由静态进入动态，由单一学科的分析进入多学科的综合研究。同时其研究领域也逐步扩展，开始从分析摩擦学现象为主逐步向着分析与控制相结合，甚至以控制摩擦学性能为目标的方向发展。总之，摩擦存在于人们的生产、生活各个方面，在人类的文明建设中它有着十分重要的作用。人类研究摩擦除了利用摩擦外，最重要的还是研究如何减少摩擦，减少磨损

24、，从而最大限度的发挥机械效能。3.1.2 摩擦力的分类摩擦的分类方法很多，常见的有以下几种:1. 摩擦副的运动状态分类：（1） 静摩擦两个物体在作宏观位移前的微观位移时，其接触表面之间的摩擦称为静摩擦。（2） 动摩擦两个物体作相对运动时，其接触表面之间的摩擦称为动摩擦。一般情况下，动摩擦系数小于静摩擦系数。2. 摩擦副的运动形式分类：（1） 滑动摩擦两个相互接触的表面作相对滑动（或具有相对滑动趋势）时的摩擦，称为滑动摩擦。例如，活塞在气缸中的往复运动等。（2） 滚动摩擦物体在力矩的作用下，沿接触表面滚动时的摩擦，称为滚动摩擦。例如，各种车辆的车轮在地面的滚动等。3.1.3 摩擦力的研究对象摩擦

25、学研究的对象很广泛，在机械工程中主要包括：动、静摩擦副，如滑动轴承、齿轮传动、螺纹联接、电气触头和磁带-录音头等；零件表面受工作介质摩擦或碰撞、冲击，如犁铧和水轮机转轮等；机械制造工艺的摩擦学问题，如金属成形加工、切削加工和超精加工等；弹性体摩擦副，如汽车轮胎与路面的摩擦（见地面车辆力学）、弹性密封的动力渗漏等；3.2 滑动摩擦只要两物体接触表面间有相对滑动的倾向或发生相对滑动，就会发生滑动摩擦。古典摩擦定律也是在滑动摩擦的试验基础上提出的。3.2.1 滑动摩擦理论 200多年来，经过许多科学家的努力，使摩擦现象和机理的研究有了很大的发展，提出了许多理论来解释摩擦的现象和本质，但目前尚未形成统

26、一的理论。一般常把纯净表面间的干摩擦作为一种理想的摩擦状态来进行研究。解释摩擦起因的理论主要有：机械啮合理论、分子理论、分子机械理论以及粘着摩擦理论。对于金属摩擦副来说，粘着摩擦理论比较令人满意。3.2.2 影响滑动摩擦的因素 研究摩擦系数的变化及其影响因素，以便控制摩擦过程和降低摩擦损耗，是一项具有普遍意义的课题。摩擦系数是摩擦副的综合特性，受到滑动过程中各种因素的影响，例如：材料副配对性质、静止接触时间、法向载荷的大小和加载速度、摩擦副的刚度和弹性、滑动速度、温度状况、摩擦表面接触几何特性和表面层物理性质、以及介质的化学作用等。这就使得摩擦系数随着工况条件的变化很大，因而预先确定摩擦系数准

27、确的数据是十分困难的，通常根据定性分析和实际测定的办法来确定摩擦系数和各种因素的影响。（1）金属性质 当两个滑动表面是同一金属或是非常类似的金属，或是两种有可能形成固溶合金的金属时，则摩擦较严重。例如，铜铜摩擦副的摩擦系数可达1.0以上，铝铁或铝低碳钢摩擦副的摩擦系数大于0.8。而不同金属或低亲合力的金属组成的摩擦副摩擦系数则较低。如银铁或银低碳钢摩擦副的摩擦系数约为0.3。单相合金（如币合金：90Ag，10Cu）的性质象纯金属，摩擦性能一般与其主要组元相似。多相合金（如CuPb轴承合金）情况比较复杂，当含有少量的软相时，摩擦系数较低。其原因是软相能够涂抹在合金的表面上充当润滑剂。属于这种类型

28、的合金有含铅的易切削钢和含有石墨的灰口铸铁等。（2）粗糙度 事实证明，非常粗糙的表面表现出高的摩擦系数，因为在滑动期间一个表面必须越过另一个表面的驼峰。然而非常平滑的表面甚至摩擦系数更大，因为真实接触面积增大，表面间的分子作用加强。左图为摩擦系数随粗糙度的变化曲线。（3）温度 为了描述摩擦过程中表面温度的状况，通常采用表面瞬现温度、表面平均温度、体积平均温度、温度梯度、热量分布函数等参数来进行研究。总的说来，摩擦热对摩擦性能的影响表现在两方面：一是发生润滑状态转化，如从油膜润滑转化为边界润滑甚至干摩擦；另一是引起摩擦过程动力学特性变化，即摩擦表面与周围介质的作用改变，如表面原子或分子间的扩散、

29、吸附或解附、表层结构变化和相变等。温度对于摩擦系数的影响与表面层的变化密切相关。大多数实验结果表明：随着温度的升高，摩擦系数增加，当表面温度很高使材料软化时，摩擦系数将降低。温度升高时，两金属摩擦副的可焊性增加，强度降低，同时伴随有表面氧化。因此，高温下两金属摩擦副的摩擦特性取决于两金属的高温强度、可焊性以及所形成的表面膜。（4）载荷 载荷是通过接触面积的大小和变形状态来影响摩擦力。 摩擦总是发生在一部分接触峰点上，接触点数目和各接触点尺寸将随着载荷而增加，最初是接触点尺寸增加，随后载荷增加主要引起接触点数目增加。实验表明：光滑表面在接触面上的应力约为材料硬度值的一半；而粗糙表面的接触应力可达到硬度的23倍，即出现表面塑性变形。当表面是塑性接触时，摩擦系数与载荷无关在一般情况下，金属表面处于弹塑性接触状态，由于实际接触面积与载荷的非线性关系，使得摩擦系数随着载荷的增加而降低。由于摩擦表面处于弹塑性接触状态，因而摩擦系数随加载速度而改变。当载荷很小时，加载速度的影响更为显著。（5）速度 当滑动速度不引起表面层性质发生变化时，摩擦系数几乎与滑动速度无关。然而在一般情况下，滑动速度将引起表面层发热、变形、化学变化和磨损等，从而显著地影响摩擦系数。图是克拉盖尔斯基等人提出的实验结果。对于一般弹塑性接触状态的摩擦副，摩擦系数随滑动速