DL32M斜床身數(shù)控機(jī)床尾座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)含SW三維及4張CAD圖
DL32M斜床身數(shù)控機(jī)床尾座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)含SW三維及4張CAD圖,dl32m,床身,數(shù)控機(jī)床,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),sw,三維,cad
附錄1：外文翻譯
在磨削過(guò)程中為了實(shí)現(xiàn)精密鍛造曲軸準(zhǔn)確對(duì)心的可動(dòng)尾座
B. Denkena a , O. Gümmer a
摘要
在萊布尼茨漢諾威大學(xué)的合作研究中心489正在研究一個(gè)新的和創(chuàng)新的制造曲軸的過(guò)程鏈。通過(guò)無(wú)毛刺和近凈形精鍛可以明顯縮短工藝鏈，然而由于新工藝鏈的特點(diǎn)這種新的生產(chǎn)工藝要求在研磨前進(jìn)行精確的工件對(duì)齊。本文提出了一種新的包括光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)（傳感器）的機(jī)床綜合定位系統(tǒng)并且介紹了一個(gè)活躍的尾座（執(zhí)行器）。對(duì)于定位誤差的檢測(cè)，用計(jì)算機(jī)集成光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量曲軸的幾何元素。一個(gè)求幾何數(shù)據(jù)和計(jì)算和調(diào)整向量的值的算法。這個(gè)向量包含偏心和傾斜誤差的修正。磨床擺錘的自由度（DOF）的程度將用來(lái)糾正偏心誤差。曲軸的傾斜誤差被一個(gè)新的可移動(dòng)的尾座修正。這種尾座在磨削過(guò)程中產(chǎn)生反向的傾斜。壓電式線性驅(qū)動(dòng)器為了此目的，尾座中心在兩自由度的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)作為角度位置的函數(shù)被兩個(gè)新開(kāi)發(fā)的壓電式線性驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)（行程4毫米）。活性尾座的力度定位精度被驗(yàn)證。在1.5微米的范圍內(nèi)的定位精度可以通過(guò)重復(fù)學(xué)習(xí)控制的來(lái)獲得高達(dá)10Hz,此外在磨削過(guò)程中進(jìn)行了主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)試驗(yàn)。
關(guān)鍵詞：機(jī)械；磨削；自適應(yīng)控制；
1簡(jiǎn)介
在汽車工業(yè)中，鍛造的曲軸由于其與鑄造相比，具有更高的承載能力和延展性，變得越來(lái)越重要。這些性能允許更緊湊和更輕的設(shè)計(jì)〔1〕。此外，曲軸制造商由于經(jīng)濟(jì)原因被迫縮短加工時(shí)間和步驟。
基于這一需求，在漢諾威萊布尼茨大學(xué)合作研究中心489（CRC 489）中研究了一種用于制造高性能部件的新工藝鏈。鍛造的無(wú)毛刺和近凈形狀以允許傳統(tǒng)工藝鏈的顯著縮短[2 ]。
精密鍛造可省去去毛刺和軟預(yù)加工。此外，通過(guò)采用整體熱處理的精鍛后的曲軸直接硬化，可以縮短工藝鏈，也可以省略冷卻和再加熱的工藝步驟。在精密鍛造和硬化之后，曲軸僅通過(guò)研磨[ 3 ]定型。然而，由于新工藝步驟的特點(diǎn)，這種新的工藝鏈需要適應(yīng)的后續(xù)工藝步驟。軟預(yù)加工的缺乏導(dǎo)致軸承的不等量的余量，這必須被磨削。由于變形和余量分布，鍛造工件軸不同于最佳加工軸線，需要對(duì)偏心和傾斜誤差進(jìn)行在位對(duì)準(zhǔn)。根據(jù)技術(shù)上有用的標(biāo)準(zhǔn)（如不平衡和允許）分配軸承上的可用余量，并確保無(wú)阻磨削過(guò)程。生產(chǎn)工程和機(jī)床研究所（IFW）和測(cè)量與自動(dòng)控制研究所（IMR）合作，研究磨床內(nèi)長(zhǎng)部件的主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。對(duì)尾座用光學(xué)測(cè)量裝置測(cè)量夾緊曲軸及其在磨削過(guò)程中的調(diào)整進(jìn)行了研究。
圖1精密對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)
夾緊的曲軸的幾何形狀和位置可以通過(guò)光學(xué)內(nèi)聯(lián)測(cè)量系統(tǒng)來(lái)測(cè)量。根據(jù)測(cè)量的幾何數(shù)據(jù)，計(jì)算調(diào)整矢量，調(diào)整偏心和傾斜誤差。在路徑控制磨削中，可以利用磨床擺錘的自由度來(lái)校正偏心誤差?？梢詫⑾鄳?yīng)的值分配給機(jī)器控制。曲軸的傾斜誤差由一個(gè)新的主動(dòng)尾架（參見(jiàn)圖1）通過(guò)將工件在圓形路徑上的一側(cè)位移作為曲軸的角位置的函數(shù)來(lái)校正。
2測(cè)量系統(tǒng)
測(cè)量系統(tǒng)由陰影投影系統(tǒng)、錐形傳感器和三個(gè)線性軸（見(jiàn)圖1）組成。在磨削之前，它測(cè)量曲軸。在測(cè)量過(guò)程中，主動(dòng)夾緊尾座的中心點(diǎn)處于其零位置。借助于線性軸，測(cè)量系統(tǒng)可以被定位。陰影投影系統(tǒng)測(cè)量曲軸的幾何形狀，并結(jié)合線性軸的位置信號(hào)檢測(cè)軸承的位置。錐度傳感器測(cè)量曲柄腹板和軸承在曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的輪廓。保護(hù)罩保護(hù)測(cè)量系統(tǒng)在磨削過(guò)程中不接觸冷卻潤(rùn)滑劑和切屑（見(jiàn)圖2）。
測(cè)量的幾何形狀被轉(zhuǎn)換成一個(gè)坐標(biāo)系。分析了軸承上的余量分布，計(jì)算了當(dāng)前夾緊軸與理想加工軸線的調(diào)整矢量。如果有足夠的余量來(lái)保證最終磨削，則通過(guò)使用質(zhì)量近似來(lái)計(jì)算關(guān)于殘余不平衡的理想加工軸線。這樣，磨削過(guò)程中的不平衡可以被最小化。
圖2測(cè)量系統(tǒng)的線輪廓和縱剖面
調(diào)整向量包含偏心和傾斜誤差的校正。相關(guān)數(shù)據(jù)將被分配給磨床和主動(dòng)尾架。有關(guān)測(cè)量系統(tǒng)的進(jìn)一步信息發(fā)表在[4]中。
3.迅速的尾座
3.1裝配
為了糾正傾斜誤差，必須由主動(dòng)尾架產(chǎn)生圓形運(yùn)動(dòng)。為了將中心套筒定位在平面中，選擇具有兩個(gè)線性軸的箱內(nèi)原理（圖3）。
圖3兩自由度壓電混合定位的箱型原理
主動(dòng)尾架的動(dòng)力學(xué)目前設(shè)計(jì)為曲軸轉(zhuǎn)速為600轉(zhuǎn)/分（10 Hz），在±2 mm的調(diào)整行程內(nèi)，精度為±1.5μm。
作為每個(gè)軸的驅(qū)動(dòng)器，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了壓電-液壓混合定位。兩個(gè)液壓螺桿短行程致動(dòng)器（行程：4毫米）串聯(lián)與一個(gè)壓電執(zhí)行器（行程：60μm，1000 V）每軸。液壓螺桿在氣缸中提供了緊湊性的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兊目煞e性進(jìn)入結(jié)構(gòu)[5 ]。
壓電致動(dòng)器只能產(chǎn)生壓縮力，并且必須防止張力。在〔6〕中，提出了一種雙作用液壓缸壓電液壓定位方法。為了防止張力和產(chǎn)生拉力，壓電致動(dòng)器被預(yù)加載。這不是必要的使用兩個(gè)單作用液壓缸。通過(guò)執(zhí)行器的對(duì)立布置，產(chǎn)生預(yù)載荷。此外，在定位期間可以避免齒隙。液壓缸由每個(gè)軸的一個(gè)伺服閥驅(qū)動(dòng)。
壓電致動(dòng)器具有高度的動(dòng)力學(xué)定位精度和剛度[7]。缺點(diǎn)是它們的執(zhí)行器長(zhǎng)度約為0.2%的有限行程范圍[8]。為了提高定位精度和動(dòng)力學(xué)性能，特別是在外力作用下，一個(gè)液壓定位軸由一個(gè)壓電致動(dòng)器組合而成。
其目的是開(kāi)發(fā)出的壓電-液壓混合定位可以滿足定位精度和動(dòng)力學(xué)的要求。
3.2控制結(jié)構(gòu)
圖4顯示了壓電-液壓混合定位的控制結(jié)構(gòu)。對(duì)于圓形定位，指定了每個(gè)軸的正弦動(dòng)態(tài)參考值。通過(guò)測(cè)量質(zhì)量的位置，計(jì)算出控制偏差。一方面，控制偏差由壓電控制器補(bǔ)償。壓電控制器由一個(gè)簡(jiǎn)單的pi -控制器組成。該積分器必須調(diào)整壓電驅(qū)動(dòng)器的滯后。除了控制偏差外，還增加了壓電驅(qū)動(dòng)器的撓度，并將其輸入到液壓控制的輸入中，使壓電致動(dòng)器能夠在控制偏差被液壓修正后，立即返回零位置。
圖4 壓電-液壓混合定位的控制結(jié)構(gòu)
液壓控制是一種基于模型的IMC-控制器(內(nèi)部模型控制)，具有smith預(yù)測(cè)器和附加的集成元素。利用史密斯預(yù)測(cè)器，考慮了約2毫秒伺服閥的死時(shí)間。液壓控制器的i貢獻(xiàn)是調(diào)節(jié)外部力和伺服閥的中性位置所必需的。通過(guò)使用基于模型的液壓控制器，與簡(jiǎn)單的pi -控制器相比，可以大大提高動(dòng)態(tài)和超調(diào)。由于動(dòng)態(tài)參考值的存在，設(shè)置和實(shí)際值之間的滯后是不可避免的。為此，采用液壓定位系統(tǒng)的速度前饋控制來(lái)減小滯后。由于循環(huán)定位導(dǎo)致了引用值的循環(huán)重復(fù)，所以使用了迭代學(xué)習(xí)控制。迭代學(xué)習(xí)速度控制方案如圖5所示。
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圖5 迭代學(xué)習(xí)速度控制方案
如果已知參考值的周期長(zhǎng)度和控制過(guò)程的延遲時(shí)間，可以在無(wú)干擾的定位過(guò)程中對(duì)速度前饋控制進(jìn)行優(yōu)化，從而使控制偏差最小化。低通濾波器是用來(lái)避免測(cè)量噪聲與前饋控制摻雜在一起。在延時(shí)中考慮了濾波器和液壓驅(qū)動(dòng)的延時(shí)。為了實(shí)現(xiàn)迭代學(xué)習(xí)前饋控制，最后一個(gè)周期的錯(cuò)誤被存儲(chǔ)和延遲，以便在接下來(lái)的循環(huán)中考慮到它。關(guān)于迭代學(xué)習(xí)控制的進(jìn)一步信息可以在[9]中找到。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
4.1定位精度
每一個(gè)壓電式液壓軸的位置是由測(cè)量范圍為6毫米的渦流傳感器測(cè)量的。此外，壓電驅(qū)動(dòng)器的撓度可以用應(yīng)變計(jì)來(lái)測(cè)量。為了驗(yàn)證不同控制器的定位精度，對(duì)圓形軌道進(jìn)行了分析。
圖6顯示了相對(duì)于壓電-液壓混合定位的液壓定位圓形軌道的比較。軌道半徑為1毫米，定位動(dòng)力學(xué)為1hz。在第一次試驗(yàn)中，使用了主動(dòng)尾盤(pán)無(wú)前饋控制。
通過(guò)對(duì)液壓控制的定位精度的分析，可以清楚地看出，由于慣性、摩擦和粘滑的影響，在軸的倒轉(zhuǎn)點(diǎn)上存在較大的差異。此外，水力學(xué)的有限動(dòng)力學(xué)導(dǎo)致了滯后。定位的圓形路徑大于引用。通過(guò)開(kāi)關(guān)壓電控制，可以提高動(dòng)力學(xué)性能。逆轉(zhuǎn)點(diǎn)的差異可以最小化，也可以減少延遲。
圖6所示 與無(wú)前饋控制的定位精度比較
結(jié)果表明，混合定位的概念可以結(jié)合兩種驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)。因此，利用壓電技術(shù)的高動(dòng)力學(xué)和定位精度，可以提高水力學(xué)的高致動(dòng)器行程。然而，這種滯后是不能完全補(bǔ)償?shù)摹榇?，開(kāi)發(fā)了迭代學(xué)習(xí)前饋控制。
圖7給出了迭代學(xué)習(xí)前饋速度控制的定位結(jié)果。半徑為1毫米的圓形路徑的定位頻率為10赫茲。在這個(gè)測(cè)試中，只有液壓控制器被用作驅(qū)動(dòng)器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，迭代學(xué)習(xí)前饋控制可以顯著提高液壓驅(qū)動(dòng)的定位精度，達(dá)到1.5微米的范圍。對(duì)于一個(gè)好的迭代前饋控制，建議死循環(huán)時(shí)間是已知的，迭代學(xué)習(xí)可以不受干擾的影響。為了適應(yīng)最佳的前饋信號(hào)，需要一些學(xué)習(xí)周期。學(xué)習(xí)速度可以。
通過(guò)增益因子調(diào)整控制。在本例中，使用了30個(gè)學(xué)習(xí)周期。迭代學(xué)習(xí)前饋控制可以補(bǔ)償所有的周期性定位偏差。
將迭代學(xué)習(xí)前饋控制與壓電-液壓混合定位相結(jié)合，在磨削過(guò)程中也要達(dá)到一定的精度。迭代學(xué)習(xí)在磨削之前進(jìn)行。壓電控制將被激活。
圖7所示 迭代學(xué)習(xí)速度控制的定位精度
4.2 磨削之前主動(dòng)調(diào)整
為了驗(yàn)證在磨削過(guò)程中有可動(dòng)尾架的性能，已安裝了一臺(tái)磨床。在圖8中顯示了帶有可動(dòng)尾架的磨床和綜合測(cè)量系統(tǒng)。
圖8所示 有主動(dòng)尾架和測(cè)量系統(tǒng)的磨床
在磨削過(guò)程中，為了定位尾礦羽片，需要了解曲軸的精確角位置。由于這個(gè)原因，旋轉(zhuǎn)角度信號(hào)被從研磨機(jī)中分離出來(lái)，并輸入到信號(hào)處理器卡的輸入中，從而實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)尾架的控制。通過(guò)讀出角度信號(hào)，可將尾料套筒定位于曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度和轉(zhuǎn)速的圓形軌跡上。
為了驗(yàn)證主動(dòng)尾架的傾斜誤差修正，進(jìn)行了磨削試驗(yàn)，并無(wú)主動(dòng)定位。圖9所示為總長(zhǎng)度為195毫米的軸，其中6個(gè)軸承表面為直徑為47毫米的地面，在不同的偏心度和傾斜校正。軸承表面1和5是參考表面。在這種情況下，磨床沒(méi)有偏心，并沒(méi)有設(shè)置主動(dòng)尾架的傾斜誤差修正，尾架控制保持零位置。
圖9所示 用主動(dòng)尾架進(jìn)行磨削試驗(yàn)
在x方向上，軸承2和4的偏心距為1毫米。在軸承3上，沿x軸方向傾斜0.294，并在x方向上應(yīng)用于1毫米的偏心。該角對(duì)應(yīng)于負(fù)向y方向的0.667 mm的軸承中心位移。在這種情況下，尾架中心定位在半徑為1毫米的圓形軌道上。在軸承6上，進(jìn)行了與軸承3相同的實(shí)驗(yàn)，但在y軸上應(yīng)用了-0.294的傾斜。在此基礎(chǔ)上，傾斜應(yīng)能補(bǔ)償磨床x方向的偏心。
為了對(duì)軸承中心的理論和實(shí)際位移進(jìn)行比較，測(cè)量了六種軸承的直線輪廓。公式1顯示了軸承中心Δs的理論位移與軸長(zhǎng)L(195 mm)之間的關(guān)系，與尾座中心A的距離(見(jiàn)表1)和活動(dòng)尾盤(pán)圓徑的半徑R (1 mm)之間的關(guān)系。表1顯示了與計(jì)算值比較時(shí)的測(cè)量結(jié)果。
ΔS=R-AL
根據(jù)[10]，要求曲軸軸承的圓度為5微米，直徑為0.02。結(jié)果表明，在主動(dòng)尾架上進(jìn)行精確磨削是可行的。所有軸承的圓度和直徑滿足曲軸軸承閥座的要求。通過(guò)測(cè)量可以證明軸承3和5的精確傾斜度。這些首次磨削試驗(yàn)表明，活性尾盤(pán)能夠保證穩(wěn)定的磨削過(guò)程。此外，對(duì)傾斜的微小精確校正也是可能的。
表1。用有源尾架進(jìn)行磨削試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果
5 結(jié)論
介紹了精密鍛造曲軸輪廓控制磨削中的主動(dòng)誤差補(bǔ)償策略。針對(duì)曲軸的定量和不平衡，研制了一種整機(jī)綜合光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)和一種可移動(dòng)尾架。討論的方法也可以應(yīng)用于凸輪軸和類似的長(zhǎng)、兼容工件。摘要介紹了一種液壓和壓電驅(qū)動(dòng)的混合原理，并以兩自由度的主動(dòng)尾架進(jìn)行了分析。壓電驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)力學(xué)和精度可以用來(lái)提高定位精度，而液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)則可以提供必要的行程。結(jié)合迭代學(xué)習(xí)前饋控制定位,精度±1.5微米成為可能。在磨削試驗(yàn)中，可以得到良好的磨削效果，并可對(duì)主動(dòng)尾座的精確傾角進(jìn)行驗(yàn)證。
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附錄2：外文原文
一、選題依據(jù)
1、研究領(lǐng)域
機(jī)械裝備設(shè)計(jì)、CAD
2、論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值
機(jī)床為制造企業(yè)的工作母機(jī)，數(shù)控機(jī)床廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中，數(shù)控機(jī)床尾座系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)劣直接影響對(duì)工件的加工效率、精度和成本，設(shè)計(jì)可編程尾座可以提高加工過(guò)程的自動(dòng)化和現(xiàn)代化，做到與時(shí)俱進(jìn)，適應(yīng)社會(huì)的快速發(fā)展和進(jìn)步。
本課題研究所要達(dá)到的預(yù)期效果是在數(shù)控車床加工過(guò)程中，當(dāng)需要使用尾座時(shí)， 使用本課題所設(shè)計(jì)的尾座可以利用編好的程序自動(dòng)控制尾座的移動(dòng)和鎖緊工作，從而減少尾座頂緊工件的勞動(dòng)量，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，可以提高加工過(guò)程的機(jī)械化和自動(dòng)化水平，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低企業(yè)投入的成本。 3、目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì)
1)發(fā)展現(xiàn)狀:
從 20 世紀(jì)中葉數(shù)控技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)，數(shù)控機(jī)床給機(jī)械制造業(yè)帶來(lái)了革命性的變化。數(shù)控加工具有如下特點(diǎn)：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟(jì)效益的提高。
當(dāng)今的機(jī)床名企大部分出自德國(guó)和日本，世界機(jī)床的核心技術(shù)主要掌握在日德意美等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家的手里。在機(jī)床尾座的設(shè)計(jì)和研發(fā)方面，德國(guó)和日本等國(guó)也是走在前列，比如日本的馬扎克和 FANUK，德國(guó)的通快集團(tuán)和吉特邁集團(tuán)在數(shù)控機(jī)床方面其中就包括機(jī)床尾座部分擁有最先進(jìn)的技術(shù)，是數(shù)控尾座系統(tǒng)科研，設(shè)計(jì)，制造最強(qiáng)大的幾大企業(yè)，還有他們所生產(chǎn)的可編程尾座響應(yīng)速度更快，定位精度更高，尾座的設(shè)計(jì)也更人性化，這幾家世界名企生產(chǎn)的尾座系統(tǒng)之所以能夠達(dá)到高速度高精度等的要求，是因?yàn)樗麄儗?duì)技術(shù)創(chuàng)新的不斷追求，以及在制造方面擁有更高的水平，他們生產(chǎn)的每一個(gè)零件都有特別高的精度。這些先進(jìn)的企業(yè)真的很值得我們學(xué)習(xí)，如果想要盡快的趕上甚至超越他們我們就要虛心的學(xué)習(xí)，不斷的創(chuàng)新。
近幾年，國(guó)內(nèi)專家在數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化改造方面取得了許多成果，如 2016 年耿華，王亮，張金軍，張亮提出一種直線導(dǎo)軌用車床尾座的設(shè)計(jì)方案，并展開(kāi)實(shí)踐，針對(duì)傳統(tǒng)平床身數(shù)控車床的加工精度和快移速度已經(jīng)難以滿足機(jī)械加工行業(yè)高速發(fā)展的需求的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)一款采用新型卡緊方式、符合人機(jī)工程學(xué)的直線導(dǎo)軌用車床尾座。
2017 年海南省技師學(xué)院的蘇利曉對(duì)普通車床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控改造，主要技術(shù)要點(diǎn)是滾珠絲杠的安裝和電機(jī)軸頸與滾珠絲杠軸頸之間的連接，改造之后提高了原來(lái)機(jī)床的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)精度。也有一些專家在機(jī)床尾座系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)計(jì)研究中提出了新理論，如李進(jìn)冬，王國(guó)玉提出了車床尾座模塊化的概念，對(duì)數(shù)控機(jī)床可編程尾座發(fā)展起到了非常重要的作用。
雖然我國(guó)在數(shù)控機(jī)床尾座方面在近幾年得到了發(fā)展，但是德國(guó)日本等國(guó)家在數(shù)控
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技術(shù)方面發(fā)展的比我們?cè)缣?，所以我?guó)相對(duì)于在數(shù)控技術(shù)方面發(fā)展較早較快的美國(guó)和德國(guó)日本等國(guó)家在自動(dòng)化程度，定位精度，定位速度等方面仍然存在一定的差距。但是相信在我國(guó)技術(shù)人員的努力下，對(duì)于機(jī)床尾座的發(fā)展一定會(huì)趕上甚至超越其他國(guó)家。
2）發(fā)展趨勢(shì)：
(1)高精度化
當(dāng)代工業(yè)產(chǎn)品對(duì)精度的要求越來(lái)越高，特別是在航空航天等行業(yè)體現(xiàn)尤為突出． 在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，各種加工精度補(bǔ)償技術(shù)得以發(fā)展和應(yīng)用;同時(shí)，各種高性能新型材料在機(jī)床結(jié)構(gòu)制造中的使用，使得數(shù)控機(jī)床的各項(xiàng)精度顯著提高，其中就包括機(jī)床的定位精度。
(2)高自動(dòng)化
隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的手動(dòng)驅(qū)動(dòng)的尾座已不能滿足高自動(dòng)化的數(shù)控機(jī)床， 為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床在加工過(guò)程中完全的自動(dòng)化，機(jī)床尾座必然要朝著自動(dòng)化方向發(fā)展。
(3)高速度化
提高生產(chǎn)效率是機(jī)床技術(shù)發(fā)展的永恒主題．隨著數(shù)控設(shè)備高自動(dòng)化的發(fā)展操作過(guò)程中，減少了“人 ”的介入，實(shí)現(xiàn)了尾座的快速移動(dòng)及定位，同時(shí)縮短了工時(shí)，大幅提高了數(shù)控機(jī)床的加工效率。
(4)高人性化
對(duì)數(shù)控機(jī)床尾座的自動(dòng)化的改造，除完善其各項(xiàng)加工性能外，對(duì)外觀、顯示及操作人性化的設(shè)計(jì)同樣不容忽視． 從按鍵操作到菜單選擇甚至對(duì)話框操作，從 LED 顯示到 TFT 液晶顯示，相關(guān)輔助設(shè)備的革新，使得機(jī)床尾座操作越來(lái)越簡(jiǎn)單，顯示信息越來(lái)越清晰、豐富。
二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容
1.重點(diǎn)解決的問(wèn)題
（1）斜床身數(shù)控機(jī)床尾座的方案設(shè)計(jì)
（2）斜床身數(shù)控機(jī)床尾座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.擬開(kāi)展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫(xiě)作大綱或設(shè)計(jì)思路）
（1） 根據(jù) DL32M 斜床身數(shù)控機(jī)床的整體要求，設(shè)計(jì)出與其相對(duì)應(yīng)的液壓尾座， 使其滿足眾多精度要求，以使其達(dá)到預(yù)想的目的。
（2） 搜集和分析資料 包括國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)；液壓技術(shù)和液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的基本資料；同等機(jī)床液壓尾座的圖紙和資料等。
（3） 初步確定液壓尾座的總體布局 包括配置形式、液壓系統(tǒng)的布置及選擇液
壓能源及相應(yīng)的附屬元件等。
（4） 尾座部分的設(shè)計(jì)及計(jì)算 包括尾座頂尖、套筒、尾座體的設(shè)計(jì)，尾座孔系、尾座導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)，撓度、轉(zhuǎn)角、液壓缸內(nèi)徑及壓板處螺栓直徑以及鎖緊力的計(jì)算及校核。
（5） 尾座精度的確定 包括尾座體表面粗糙度的確定、尾座與機(jī)床形位公差的確定、底面及立導(dǎo)向面形位公差的確定。
（6） DL32M 斜床身數(shù)控車床的液壓系統(tǒng)。
3.本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果
（1）一套完整的 DL32M 斜床身數(shù)控機(jī)床尾座結(jié)構(gòu)的裝配圖及零件圖；
（2）一份 DL32M 斜床身數(shù)控機(jī)床尾座結(jié)構(gòu)的說(shuō)明書(shū)；
（3）一篇外文文獻(xiàn)翻譯。
三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排
1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)）；
1) 查閱、整理參考文獻(xiàn)，學(xué)習(xí)掌握數(shù)控機(jī)床為做系統(tǒng)的工作原理，進(jìn)行 DL32M 斜床身數(shù)控機(jī)床尾座結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)。
2) DL32M 斜床身數(shù)控機(jī)床尾座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、選型、校核計(jì)算。設(shè)計(jì)參數(shù)：
(1)尾座套筒中心距床體上面 400mm,距床體上側(cè)面 85m。
(2)尾座行程長(zhǎng)度為 1200mm。
(3)液壓鎖壓力 5MPa,尾座可承受 1000kg 的軸向頂緊力，。
2.論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃
第 1~4 周：明確畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)，查閱參考文獻(xiàn)并分析有關(guān)資料撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告。第 5 周：擬定 DL32M 斜床身數(shù)控機(jī)床尾座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。
第 6~8 周：完成尾座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及組成元件選擇計(jì)算。
第 9 周：繪制總裝裝配圖。
第 10~12 周：繪制尾座結(jié)構(gòu)主要組成零件 CAD 圖及 3D 圖。
第 13 周：書(shū)寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，翻譯與本設(shè)計(jì)相關(guān)的英文文獻(xiàn)。第 14 周：準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。
四、需要閱讀的參考文獻(xiàn)
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附：文獻(xiàn)綜述
文獻(xiàn)綜述
1. 斜床身數(shù)控機(jī)床尾座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的和意義
機(jī)床是制造機(jī)器的機(jī)器，也稱作工作母機(jī)，在世界工業(yè)發(fā)展史上曾經(jīng)起到舉足輕重的作用。在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，機(jī)床領(lǐng)域的發(fā)展仍然十分重要。因此研究和分析機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀是非常具有現(xiàn)實(shí)意義的。機(jī)床經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，到今天主要以數(shù)控機(jī)床為主[7]。我國(guó)政府高度重視數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，國(guó)務(wù)院提出了《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)展規(guī)劃綱要》[9]，鼓勵(lì)發(fā)展自己的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)，而且還將其列為國(guó)家戰(zhàn)略物資。
數(shù)控機(jī)床尾座是數(shù)控機(jī)床重要的一部分，尾座系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)劣對(duì)于零件加工的精度，生產(chǎn)的效率，操作者的勞動(dòng)量和生產(chǎn)成本有很大的影響。傳統(tǒng)的機(jī)床尾座對(duì)于數(shù)控機(jī)床的加工效率并不高，而且工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，耗時(shí)又耗力，還增加企業(yè)成本。設(shè)計(jì)可編程尾座可以提高加工過(guò)程的自動(dòng)化和現(xiàn)代化，做到與時(shí)俱進(jìn)，適應(yīng)社會(huì)的快速發(fā)展和進(jìn)步。當(dāng)需要使用尾座時(shí)，使用本課題所設(shè)計(jì)的尾座可以利用編好的程序自動(dòng)控制尾座的移動(dòng)和鎖緊工作，從而減少尾座頂緊工件的勞動(dòng)量，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，可以提高加工過(guò)程的機(jī)械化和自動(dòng)化水平，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，給企業(yè)帶來(lái)更高的效益。
2. 斜床身數(shù)控機(jī)床尾座結(jié)構(gòu)分類及構(gòu)成
1）車床的尾座按操作方式可分為手動(dòng)式、液壓式、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等形式。
（1）手動(dòng)式：手動(dòng)尾座一般用在普車或簡(jiǎn)易數(shù)控車床上，自動(dòng)化程度低，浪費(fèi)人力，生產(chǎn)效率低，企業(yè)投入成本大，隨著社會(huì)的發(fā)展會(huì)逐漸被數(shù)控自動(dòng)化設(shè)備所取代。
（2）液壓式：液壓尾座一般用在全機(jī)能數(shù)控車床上，自動(dòng)化程度相對(duì)較高，但
是穩(wěn)定性相對(duì)較差，效率相對(duì)手動(dòng)式有所提高，節(jié)省人力和成本。
（3）電機(jī)式：電機(jī)式驅(qū)動(dòng)尾座一般用在高性能的數(shù)控車削中心上，是目前水平較高的尾座系統(tǒng)，性能優(yōu)越，省時(shí)省力省成本，已經(jīng)被很多企業(yè)所接受。
2） 車床尾座主要結(jié)構(gòu)[8]
按照車床尾座的工作原理和結(jié)構(gòu)要求， 主要分為以下幾個(gè)部件。
（1）頂尖部件。頂尖是輔助支撐工件的直接部件，一般分為死頂尖和活頂尖兩種。
（2）套筒部件。 套筒部分是保證頂尖的前后頂緊松開(kāi)動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可分為手動(dòng)絲杠式和液壓套筒式。
（3）尾座體。 為整個(gè)尾座的支撐部件，為其他部件的連接提供接口，并包括尾
座精度調(diào)整環(huán)節(jié)等部件。
（4）導(dǎo)向部分。導(dǎo)向部分為整套尾座的移動(dòng)精度提供保證。根據(jù)尾座導(dǎo)向機(jī)構(gòu)形式而定，一般可分為山型導(dǎo)軌式、矩形導(dǎo)軌式和直線導(dǎo)軌式等。
（5）鎖緊部件。 鎖緊部件在尾座進(jìn)行頂緊工件工作時(shí)保證尾座體與車床床身固定的整體剛性，從而使生產(chǎn)的長(zhǎng)軸類零件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不會(huì)發(fā)生離心，一般分為手動(dòng)鎖緊和液壓鎖緊。
3.斜床身數(shù)控機(jī)床尾座發(fā)展?fàn)顩r：
從20 世紀(jì)中葉數(shù)控技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)，數(shù)控機(jī)床給機(jī)械制造業(yè)帶來(lái)了革命性的變化。數(shù)控加工具有如下特點(diǎn)：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟(jì)效益的提高。
機(jī)床尾座是數(shù)控車床的主要構(gòu)成部件之一， 在進(jìn)行軸類零件加工時(shí)起到輔助支撐的作用，對(duì)于保證軸類工件加工精度和表面粗糙度起到重要的作用。目前機(jī)床尾座 按操作方式可分為手動(dòng)式尾座、液壓式尾座、電機(jī)驅(qū)動(dòng)式尾座等形式。在一些自動(dòng)化水平較低的國(guó)內(nèi)本土企業(yè)仍然采用手動(dòng)控制方式的機(jī)床尾座系統(tǒng)，這種尾座效率較低， 浪費(fèi)時(shí)間還浪費(fèi)人力，影響企業(yè)效益，不利于企業(yè)的快速發(fā)展。在一些自動(dòng)化水平較 高的外企大多采用可編程尾座系統(tǒng)，機(jī)床整體的機(jī)械自動(dòng)化和高速化水平較高，滿足 機(jī)械加工行業(yè)高速發(fā)展的需求，適合高速發(fā)展的當(dāng)今社會(huì)，在很大的程度上促進(jìn)了企 業(yè)的發(fā)展。
當(dāng)今的機(jī)床名企大部分出自德國(guó)和日本，世界機(jī)床的核心技術(shù)主要掌握在日德意美等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家的手里。在機(jī)床尾座的設(shè)計(jì)和研發(fā)方面，德國(guó)和日本等國(guó)也是走在世界前列，比如日本的馬扎克和 FANUK 公司，德國(guó)的通快集團(tuán)和吉特邁集團(tuán)在數(shù)控機(jī)床方面其中就包括機(jī)床尾座部分擁有最先進(jìn)的技術(shù)，是數(shù)控尾座系統(tǒng)科研，設(shè)計(jì)，制造最強(qiáng)大的幾大企業(yè)，還有他們所生產(chǎn)的可編程尾座響應(yīng)速度更快，定位精度更高， 尾座的設(shè)計(jì)也更人性化，這幾家世界名企生產(chǎn)的機(jī)床尾座系統(tǒng)之所以能夠達(dá)到高速度高精度等方面的要求，是因?yàn)樗麄儗?duì)技術(shù)創(chuàng)新的不斷追求，使機(jī)床尾座很早的就實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，而且他們?cè)谥圃旆矫鎿碛懈叩乃?，他們生產(chǎn)的每一個(gè)零件都有特別高的精度。這些先進(jìn)的企業(yè)真的很值得我們學(xué)習(xí)，如果想要盡快的趕上甚至超越他們我們就要虛心的學(xué)習(xí)，不斷的創(chuàng)新和發(fā)展新的技術(shù)，以成為全球頂尖為目標(biāo)，不斷開(kāi)拓進(jìn)取。
近幾年，國(guó)內(nèi)專家在數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化改造方面取得了許多成果?？梢钥闯鑫覀儑?guó)家在機(jī)床尾座方面的研究也取得了很大的進(jìn)步，從傳統(tǒng)的手動(dòng)尾座發(fā)展到了自動(dòng)化的尾座。
2013 年，王步洲，李朝陽(yáng)，畢相群[11]對(duì)沈陽(yáng)第一機(jī)床廠 CA6140 型臥式車床尾座進(jìn)給自動(dòng)化改造，改造參數(shù)：減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)速 2.4～12r/min，輸出轉(zhuǎn)矩 139N·m， 電機(jī)功率 0.18kW。改造后，對(duì)批量零件進(jìn)行加工時(shí)使用自動(dòng)進(jìn)給功能，對(duì)非批量零件進(jìn)行加工時(shí)使用手動(dòng)進(jìn)給（搖動(dòng)手輪實(shí)現(xiàn)）。將尾座進(jìn)給改為電機(jī)加減速機(jī)驅(qū)動(dòng)， 電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)將動(dòng)力通過(guò)離合器傳遞給頂尖進(jìn)給絲杠實(shí)現(xiàn)進(jìn)給。不需要自動(dòng)進(jìn)給時(shí)， 斷開(kāi)離合器，操作人員可通過(guò)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠實(shí)現(xiàn)頂尖進(jìn)給。
2015 年李進(jìn)冬， 王國(guó)玉[8]進(jìn)行了基于模塊化的車床尾座設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和液壓等不同模塊任意搭配，可實(shí)現(xiàn)四套尾座設(shè)計(jì)方案。在保證尾座功能可靠的前提下， 實(shí)現(xiàn)了最大程度的零件通用化，極大減少了此部件在制造生產(chǎn)組織等流程中的工作量。該設(shè)計(jì)方案已成功應(yīng)用于某款數(shù)控車床中。
2016 年耿華，王亮，張金軍，張亮[6]提出一種直線導(dǎo)軌用車床尾座的設(shè)計(jì)方案， 并展開(kāi)實(shí)踐，針對(duì)傳統(tǒng)平床身數(shù)控車床的加工精度和快移速度已經(jīng)難以滿足機(jī)械加工行業(yè)高速發(fā)展的需求的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)一款采用新型卡緊方式、符合人機(jī)工程學(xué)的直線導(dǎo)軌式車床尾座，新型尾座便于工人操作、節(jié)省體力，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零部件少、制造費(fèi)用低，易于大批量生產(chǎn)。
2017 年海南省技師學(xué)院的蘇利曉[4]對(duì)普通車床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控改造，普通車床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控的改造技術(shù)要點(diǎn)是滾珠絲杠的安裝和電機(jī)軸頸與滾珠絲杠軸頸之間的連接，在降低企業(yè)成本的前提下，改造之后提高了原來(lái)機(jī)床的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)精度。
雖然我國(guó)在數(shù)控機(jī)床尾座方面在近幾年得到了很大的發(fā)展，但是美國(guó)德國(guó)日本等
國(guó)家在數(shù)控技術(shù)方面發(fā)展的比我們?cè)缣?，所以我?guó)相對(duì)于在數(shù)控技術(shù)方面發(fā)展較早較快的美國(guó)和德國(guó)日本等國(guó)家在自動(dòng)化程度，定位精度，定位速度等方面仍然存在一定的差距，我國(guó)本土的數(shù)控機(jī)床企業(yè)大多處于“粗放型”階段，在機(jī)床尾座產(chǎn)品的設(shè)
計(jì)水平，質(zhì)量，精度，性能等方面與國(guó)外先進(jìn)水平相比落后了 5-10 年，在高精尖技
術(shù)方面的差距則到達(dá)了 10-15 年。但是相信在我國(guó)專家和技術(shù)人員的努力下，對(duì)于機(jī)床尾座的發(fā)展一定會(huì)趕上甚至超越其他國(guó)家，擁有最先進(jìn)的技術(shù)，走在世界的領(lǐng)先行列。
4 斜床身數(shù)控機(jī)床尾座的發(fā)展趨勢(shì):
(1)高精度
當(dāng)代工業(yè)產(chǎn)品對(duì)精度的要求越來(lái)越高，特別是在航空航天等行業(yè)體現(xiàn)尤為突出。想要生產(chǎn)出高精度的產(chǎn)品對(duì)數(shù)控機(jī)床就有很高的要求，在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下， 各種加工精度補(bǔ)償技術(shù)得以發(fā)展和應(yīng)用，生產(chǎn)的機(jī)床尾座零部件有了更高的精度;同時(shí)，各種高性能新型材料在機(jī)床結(jié)構(gòu)制造中的使用，使得數(shù)控機(jī)床的各項(xiàng)精度顯著提高，其中就包括機(jī)床尾座的定位精度。
(2)高自動(dòng)化
現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的效率不斷提高，傳統(tǒng)的手動(dòng)驅(qū)動(dòng)尾座浪費(fèi)時(shí)間還浪費(fèi)人力， 嚴(yán)重影響企業(yè)的生產(chǎn)效率，進(jìn)而影響企業(yè)的效益，嚴(yán)重阻礙企業(yè)的發(fā)展，而且隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的手動(dòng)驅(qū)動(dòng)的尾座已不能滿足高自動(dòng)化的數(shù)控機(jī)床，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床在加工過(guò)程中完全的自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)真正的高效率生產(chǎn)，極大地提高企業(yè)的生產(chǎn)效率， 機(jī)床尾座必然要朝著自動(dòng)化方向發(fā)展。
(3)高速度化
提高生產(chǎn)效率是機(jī)床技術(shù)發(fā)展的永恒主題，也是企業(yè)不斷追求的根本目標(biāo)，隨著數(shù)控設(shè)備高自動(dòng)化的發(fā)展，在企業(yè)的生產(chǎn)操作過(guò)程中，減少了“人 ”的介入，實(shí)現(xiàn)了尾座的快速移動(dòng)及定位，同時(shí)縮短了工時(shí)，從人工的低效率生產(chǎn)，逐步發(fā)展到高自動(dòng)化生產(chǎn)，大幅提高了數(shù)控機(jī)床的加工效率。
(4)高人性化
對(duì)數(shù)控機(jī)床尾座的自動(dòng)化的改造，除完善其各項(xiàng)加工性能外，對(duì)外觀、顯示及操作人性化的設(shè)計(jì)同樣不容忽視。 從按鍵操作到菜單選擇甚至對(duì)話框操作，從 LED 顯示到 TFT 液晶顯示，相關(guān)輔助設(shè)備的革新，使得機(jī)床尾座操作越來(lái)越簡(jiǎn)單，顯示信息越來(lái)越清晰、豐富，使工人操作過(guò)程更簡(jiǎn)單容易，運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)更人性化的產(chǎn)品，從而為人創(chuàng)造出舒適和安全的工作環(huán)境。
綜上所述，本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)床尾座結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，并分析傳統(tǒng)機(jī)床尾座的缺點(diǎn)，利用高速發(fā)展的數(shù)控技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)機(jī)床尾座進(jìn)行改造和設(shè)計(jì)。首先查閱相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)課題有深入的了解，分析借鑒國(guó)內(nèi)外尾座發(fā)展相關(guān)技術(shù)，然后進(jìn)行尾座的方案設(shè)計(jì)，再進(jìn)行尾座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)用 CAD 的軟件把裝配圖及其原理圖繪制出。并對(duì)裝置的可實(shí)施性進(jìn)行分析判斷，最終完成本次斜床身數(shù)控機(jī)床可編程尾座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
DL32M 斜床身數(shù)控機(jī)床尾座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘 要
機(jī)床為制造企業(yè)的工作母機(jī)，數(shù)控機(jī)床廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中，數(shù)控機(jī)床尾座系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)劣直接影響對(duì)工件的加工效率、精度和成本，設(shè)計(jì)可編程尾座可以提高加工過(guò)程的自動(dòng)化和現(xiàn)代化，減少人力，縮短工時(shí)，做到與時(shí)俱進(jìn)，適應(yīng)社會(huì)的快速發(fā)展和進(jìn)步，將會(huì)給企業(yè)帶來(lái)很大的效益。
本設(shè)計(jì)是針對(duì)傳統(tǒng)手動(dòng)尾座無(wú)法適應(yīng)高效率數(shù)控機(jī)床這一現(xiàn)象，設(shè)計(jì)出一種可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的全新尾座。首先查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料為設(shè)計(jì)的開(kāi)始做準(zhǔn)備，接下來(lái)通過(guò)選擇驅(qū)動(dòng)方案，選擇鎖緊方案，然后完成總體的方案設(shè)計(jì)。根據(jù)機(jī)床主體尺寸設(shè)計(jì)出尾座上下箱體的尺寸，然后根據(jù)尾座上下箱體的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)出內(nèi)部各零件尺寸，最終完成了尾座總體裝配的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，畫(huà)出CAD裝配圖與重要零件圖及三維圖。最后進(jìn)行伺服電機(jī)的選型及其他零件的選型校核，液壓鎖緊校核等方面計(jì)算的工作完成斜床身數(shù)控機(jī)床尾座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
本設(shè)計(jì)在參考傳統(tǒng)手動(dòng)尾座結(jié)構(gòu)和給出的設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出全新的尾座上下箱體的結(jié)構(gòu)和各個(gè)零件，設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)尾座移動(dòng)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，液壓缸控制的鎖緊部分等，實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)進(jìn)給頂緊和自動(dòng)液壓鎖緊。實(shí)現(xiàn)了機(jī)床尾座在機(jī)械加工過(guò)程中的自動(dòng)化，高速化，大大減少人力，縮短工時(shí)，更加適合現(xiàn)代化的企業(yè)，可編程尾座的設(shè)計(jì)一定會(huì)帶給企業(yè)高效益和降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
關(guān)鍵詞：數(shù)控車床；尾座；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
I
ABSTRACT
The machine tool is the working machine of the manufacturing enterprise. The CNC machine tool is widely used in engineering practice. The structure and performance of the tailstock system of the CNC machine tool directly affect the machining efficiency, precision and cost of the workpiece. The design of the programmable tailstock can improve the machining process. Automation and modernization, reducing manpower, shortening working hours, advancing with the times, and adapting to the rapid development and progress of society will bring great benefits to enterprises.
This design is for the traditional manual tailstock can not adapt to the phenomenon of high-efficiency CNC machine tools, design a new tailstock can be automated. First, consult the domestic and foreign relevant data to prepare for the beginning of the design, then select the locking scheme by choosing the driving scheme, and then complete the overall scheme design. According to the size of the main body of the machine, the dimensions of the tailstock upper and lower boxes are designed, and then the dimensions of the internal parts are designed according to the structure and dimensions of the tailstock upper and lower boxes. Finally, the overall design of the tailstock assembly is completed, and CAD assembly drawings and important drawings are drawn. Parts and 3D drawings. Finally, the selection of the servo motor and the selection of other parts, the calculation of the hydraulic locking and other aspects completed the design of the tailstock structure of the slant bed CNC machine tool.
This design is based on the traditional manual tailstock structure and given design requirements, and designs a new tailstock upper and lower box structure and various parts, designed to achieve the servo motor drive part of the tailstock movement, hydraulic cylinder control Locking parts, etc., to achieve fast automatic feed tight and automatic hydraulic lock. It realizes the automation of machine tailstocks in the machining process, speeds up the work, greatly reduces manpower, shortens working hours, and is more suitable for modern companies. The design of the programmable tailstock will bring high efficiency to the enterprise and reduce the labor intensity of the workers.
Key Words：CNC lathe; Tailstock; Structural design
II
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1選題的目的和意義 1
1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 1
1.3設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 2
2 DL32M 斜床身數(shù)控機(jī)床尾座方案設(shè)計(jì) 4
2.1驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 4
2.2鎖緊機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 7
3 DL32M 斜床身數(shù)控機(jī)床尾座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10
3.1尾座上下箱體設(shè)計(jì) 10
3.2尾座套筒設(shè)計(jì) 11
3.3尾座液壓缸設(shè)計(jì) 12
4 組成元件選擇計(jì)算 15
4.1電機(jī)選型 15
4.2滾珠絲杠選型 17
4.3對(duì)尾座整體液壓鎖緊裝置進(jìn)行計(jì)算校核 20
4.4上下箱體鎖緊螺栓預(yù)緊力計(jì)算 20
5 尾座總體裝配圖 24
6 結(jié) 論 25
參 考 文 獻(xiàn) 26
附錄1：外文翻譯 27
附錄2：外文原文 35
致 謝 41
II
DL32M斜床身數(shù)控機(jī)床尾座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1 緒論
1.1選題的目的和意義
機(jī)床是制造機(jī)器的機(jī)器，也稱作工作母機(jī)，在世界工業(yè)發(fā)展史上曾經(jīng)起到舉足輕重的作用。在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，機(jī)床領(lǐng)域的發(fā)展仍然十分重要。因此研究和分析機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀是非常具有現(xiàn)實(shí)意義的。機(jī)床經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，到今天主要以數(shù)控機(jī)床為主[1]。我國(guó)政府高度重視數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，國(guó)務(wù)院提出了《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)展規(guī)劃綱要》[2]，鼓勵(lì)發(fā)展自己的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)，而且還將其列為國(guó)家戰(zhàn)略物資。
數(shù)控機(jī)床尾座是數(shù)控機(jī)床重要的一部分，在進(jìn)行軸類零件加工時(shí)起到輔助支撐的作用，對(duì)于保證軸類工件加工精度和表面粗糙度起到重要作用。[3]傳統(tǒng)的手動(dòng)機(jī)床尾座對(duì)于數(shù)控機(jī)床的加工效率并不高，而且工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，耗費(fèi)大量時(shí)間又耗費(fèi)大量的人力，還在很大程度上增加企業(yè)的生產(chǎn)成本，嚴(yán)重影響企業(yè)的快速發(fā)展和進(jìn)步。設(shè)計(jì)可編程尾座可以提高加工過(guò)程的自動(dòng)化高速化和現(xiàn)代化，做到與時(shí)俱進(jìn)，適應(yīng)社會(huì)的快速發(fā)展和進(jìn)步。當(dāng)在加工過(guò)程中需要使用尾座時(shí)，使用本課題所設(shè)計(jì)的可編程尾座可以利用編好的程序自動(dòng)控制尾座的移動(dòng)和鎖緊工作，從而減少尾座頂緊工件的勞動(dòng)量，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，可以提高加工過(guò)程的機(jī)械化和自動(dòng)化水平，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，給企業(yè)帶來(lái)更高的效益。
1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
1)發(fā)展現(xiàn)狀
從20世紀(jì)中葉數(shù)控技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)，數(shù)控機(jī)床給機(jī)械制造業(yè)帶來(lái)了革命性的變化。數(shù)控加工具有如下特點(diǎn)：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟(jì)效益的提高。[4]
當(dāng)今的機(jī)床名企大部分出自德國(guó)和日本，世界機(jī)床的核心技術(shù)主要掌握在日德意美等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家的手里。在機(jī)床尾座的設(shè)計(jì)和研發(fā)方面，德國(guó)和日本等國(guó)也是走在前列，比如日本的馬扎克和FANUC，德國(guó)的通快集團(tuán)和吉特邁集團(tuán)在數(shù)控機(jī)床方面其中就包括機(jī)床尾座部分擁有最先進(jìn)的技術(shù)，是數(shù)控尾座系統(tǒng)科研，設(shè)計(jì)，制造最強(qiáng)大的幾大企業(yè)，還有他們所生產(chǎn)的可編程尾座響應(yīng)速度更快，定位精度更高，尾座的設(shè)計(jì)也更人性化，這幾家世界名企生產(chǎn)的尾座系統(tǒng)之所以能夠達(dá)到高速度高精度等的要求，是因?yàn)樗麄儗?duì)技術(shù)創(chuàng)新的不斷追求，以及在制造方面擁有更高的水平，他們生產(chǎn)的每一個(gè)零件都有特別高的精度。這些先進(jìn)的企業(yè)真的很值得我們學(xué)習(xí)，如果想要盡快的趕上甚至超越他們我們就要虛心的學(xué)習(xí)，不斷的創(chuàng)新。
雖然我國(guó)在數(shù)控機(jī)床尾座方面在近幾年得到了發(fā)展，但是德國(guó)日本等國(guó)家在數(shù)控技術(shù)方面發(fā)展的比我們?cè)缣?，所以我?guó)相對(duì)于在數(shù)控技術(shù)方面發(fā)展較早較快的美國(guó)和德國(guó)日本等國(guó)家在自動(dòng)化程度，定位精度，定位速度等方面仍然存在一定的差距。但是相信在我國(guó)技術(shù)人員的努力下，對(duì)于機(jī)床尾座的發(fā)展一定會(huì)趕上甚至超越其他國(guó)家。
2）發(fā)展趨勢(shì)[1]
(1)高精度
當(dāng)代工業(yè)產(chǎn)品對(duì)精度的要求越來(lái)越高，特別是在航空航天等行業(yè)體現(xiàn)尤為突出。想要生產(chǎn)出高精度的產(chǎn)品對(duì)數(shù)控機(jī)床就有很高的要求，在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，各種加工精度補(bǔ)償技術(shù)得以發(fā)展和應(yīng)用，生產(chǎn)的機(jī)床尾座零部件有了更高的精度;同時(shí)，各種高性能新型材料在機(jī)床結(jié)構(gòu)制造中的使用，使得數(shù)控機(jī)床的各項(xiàng)精度顯著提高，其中就包括機(jī)床尾座的定位精度。
(2)高自動(dòng)化
現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的效率不斷提高，傳統(tǒng)的手動(dòng)驅(qū)動(dòng)尾座浪費(fèi)時(shí)間還浪費(fèi)人力，嚴(yán)重影響企業(yè)的生產(chǎn)效率，進(jìn)而影響企業(yè)的效益，嚴(yán)重阻礙企業(yè)的發(fā)展，而且隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的手動(dòng)驅(qū)動(dòng)的尾座已不能滿足高自動(dòng)化的數(shù)控機(jī)床，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床在加工過(guò)程中完全的自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)真正的高效率生產(chǎn)，極大地提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，機(jī)床尾座必然要朝著自動(dòng)化方向發(fā)展。
(3)高速度化
提高生產(chǎn)效率是機(jī)床技術(shù)發(fā)展的永恒主題，也是企業(yè)不斷追求的根本目標(biāo)，隨著數(shù)控設(shè)備高自動(dòng)化的發(fā)展，在企業(yè)的生產(chǎn)操作過(guò)程中，減少了“人 ”的介入，實(shí)現(xiàn)了尾座的快速移動(dòng)及定位，同時(shí)縮短了工時(shí)，從人工的低效率生產(chǎn)，逐步發(fā)展到高自動(dòng)化生產(chǎn)，大幅提高了數(shù)控機(jī)床的加工效率。
(4)高人性化
對(duì)數(shù)控機(jī)床尾座的自動(dòng)化的改造，除完善其各項(xiàng)加工性能外，對(duì)外觀、顯示及操作人性化的設(shè)計(jì)同樣不容忽視。 從按鍵操作到菜單選擇甚至對(duì)話框操作，從 LED 顯示到 TFT 液晶顯示，相關(guān)輔助設(shè)備的革新，使得機(jī)床尾座操作越來(lái)越簡(jiǎn)單，顯示信息越來(lái)越清晰、豐富，使工人操作過(guò)程更簡(jiǎn)單容易，運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)更人性化的產(chǎn)品，從而為人創(chuàng)造出舒適和安全的工作環(huán)境。
1.3設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容
本論文主要是對(duì)傳統(tǒng)機(jī)床尾座進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的重新設(shè)計(jì)，它主要增加自動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分和液壓鎖緊部分還有套筒自動(dòng)伸縮結(jié)構(gòu)部分，驅(qū)動(dòng)部分通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)尾座的整體移動(dòng)，鎖緊部分通過(guò)液壓鎖緊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)尾座運(yùn)動(dòng)到工作位置后的自動(dòng)鎖緊，免去了人手動(dòng)鎖緊的過(guò)程。
因?yàn)閭鹘y(tǒng)手動(dòng)尾座的箱體結(jié)構(gòu)很難滿足此次設(shè)計(jì)的要求，所以需要對(duì)尾座的箱體進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，其中就要考慮驅(qū)動(dòng)部分鎖緊部分的安裝位置，然后根據(jù)機(jī)床主體的尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)全新的尾座箱體，包括上箱體和下箱體。由于整個(gè)尾座都是自動(dòng)化的，所以在尾座運(yùn)動(dòng)過(guò)程中要盡量減少阻力，所以還要設(shè)計(jì)整體的潤(rùn)滑油孔。在液壓鎖緊部分沒(méi)有選擇傳統(tǒng)的液壓缸而是利用箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出類似液壓缸的缸體結(jié)構(gòu)，然后設(shè)計(jì)出相配合芯軸結(jié)構(gòu)。尾座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，需要根據(jù)工作要求進(jìn)行伺服電機(jī)的選型和滾珠絲杠的選型，進(jìn)行液壓鎖緊部分的校核計(jì)算，還有部分重要螺栓的強(qiáng)度校核計(jì)算。
最終的成果包括：尾座裝配圖的CAD圖紙，部分重要零件圖紙，部分零件三維圖，論文，外文文獻(xiàn)翻譯。
2 DL32M 斜床身數(shù)控機(jī)床尾座方案設(shè)計(jì)
2.1驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
2.1.1方案一：液壓驅(qū)動(dòng)，利用液壓缸驅(qū)動(dòng)尾座左右移動(dòng)
1尾座2連接塊3機(jī)床接觸面4液壓缸
圖2.1 液壓缸驅(qū)動(dòng)
優(yōu)點(diǎn)：
1)液壓驅(qū)動(dòng)裝置同其它類型的驅(qū)動(dòng)裝置相比，有很多的有點(diǎn)，比如在同等功率情況條件下占用空間更小、整體重量相對(duì)更輕一些，動(dòng)作速度非?？欤梢愿咚賹?shí)現(xiàn)頻繁的啟動(dòng)與換向動(dòng)作。
2)能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速,有很大的調(diào)速范圍。。
3)能實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，可以在液壓回路中安裝安全閥以便起到過(guò)載保護(hù)的作用。因?yàn)橐簤候?qū)動(dòng)裝置能吸收掉運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的沖擊和振動(dòng)，所以運(yùn)動(dòng)過(guò)程很平穩(wěn)。
4)液壓驅(qū)動(dòng)裝置能在各種方位實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，這種裝置應(yīng)用起來(lái)比較方便和靈活，容易實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。因?yàn)檎w的體積很小、傳遞的功率又很大，所以這種驅(qū)動(dòng)方案可在比較小的空間里面實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)形式。這些特點(diǎn)使液壓驅(qū)動(dòng)在組合機(jī)床中的使用和自動(dòng)線中的使用十分普遍。
5)操作起來(lái)簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械的自動(dòng)化，特別是和電氣控制系統(tǒng)組合起來(lái)時(shí)上述優(yōu)點(diǎn)就會(huì)表現(xiàn)的更為明顯，這種組合系統(tǒng)稱為為電液復(fù)合系統(tǒng)。
6)液壓元件很容易實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)和化通用化，使用起來(lái)更便捷，很容易實(shí)現(xiàn)系列化生產(chǎn)和使用都更加便捷，因此更便于推廣和使用。
缺點(diǎn)：
1)由于油液本身有很小的壓縮量，而且由于泄漏的原因在工作時(shí)不可避免會(huì)有油液漏損的現(xiàn)象、通油的管路在工作時(shí)也會(huì)有細(xì)微彈性變形的產(chǎn)生,因此液壓傳動(dòng)不適合用于高傳動(dòng)精度的傳動(dòng)系統(tǒng)中。
2)液壓所用的零部件對(duì)精度要求較高，因此就要求要有很高的制造工藝水平，也要有較高的技術(shù)水平來(lái)支持液壓裝置的使用和維護(hù)。
3)在工作過(guò)程中，如果油液溫度和工作載荷變化比較大，就會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)速度的穩(wěn)定性，因此也會(huì)有爬行現(xiàn)象的產(chǎn)生，這樣對(duì)機(jī)械部分的損傷也是很大的。當(dāng)油液受到污染時(shí)，液壓系統(tǒng)的性能也會(huì)收到影響，如果有雜質(zhì)混入油液，在運(yùn)行過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，更嚴(yán)重的甚至出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。
4)油液在管路中流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓力損失，因?yàn)橛鸵阂朔Σ恋茸龉?。管路越長(zhǎng)壓力損失越大、降低了傳功效率，不推薦用在特別遠(yuǎn)距離的傳動(dòng)。
2.1.2方案二：電機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母驅(qū)動(dòng)尾座左右移動(dòng)
1尾座2絲杠3螺母4機(jī)床接觸面5軸承6聯(lián)軸器7伺服電機(jī)
圖2.2 滾珠絲杠副
優(yōu)點(diǎn)：
1）傳動(dòng)效率高。
2）傳動(dòng)精度高，傳動(dòng)平穩(wěn)。摩擦阻力很小，而且摩擦阻力大小不受運(yùn)動(dòng)速度影響，穩(wěn)定性很好。
3）反向運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)空行程的情況。滾珠絲杠與螺母軸向預(yù)緊后，軸向間隙可以消除，避免了空行程，這樣一來(lái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中軸向傳動(dòng)的精度和軸向剛度便可得到極大的提高。
4）在運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)換時(shí)有可逆性。滾珠絲杠傳動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)的雙向轉(zhuǎn)換，因?yàn)閭鲃?dòng)過(guò)程中摩擦損失特別小。絲杠既可以是主動(dòng)件也可以是從動(dòng)件，螺母也一樣作為主動(dòng)件和從動(dòng)件都是可以的。
5）使用壽命比較長(zhǎng)。滾珠絲杠有更長(zhǎng)的壽命，因?yàn)闈L動(dòng)摩擦的摩損小，不會(huì)出現(xiàn)非常嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象。
6）因?yàn)榫哂泻芏嗟膬?yōu)點(diǎn)，所以在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用很普遍。
缺點(diǎn)：
1）滾珠絲杠副的制造成本高。由于滾珠絲杠和螺母等元件的制造技術(shù)水平要求比較高，加工精度，粗糙度等方面要求很嚴(yán)格，所以制造滾珠絲杠副的成本很高。絲杠和螺母上的螺旋槽滾道要經(jīng)過(guò)精細(xì)的磨削成形過(guò)程，有極其復(fù)雜的工藝要求，給滾珠絲杠副的制造帶來(lái)了極大的難度。
2）不能自鎖。特別是垂直絲杠受重力作用，不能實(shí)現(xiàn)自鎖，想要實(shí)現(xiàn)鎖緊需要附加制動(dòng)裝置。
2.1.3方案比較分析：
液壓驅(qū)動(dòng)尾座一般用在全機(jī)能數(shù)控車床上，自動(dòng)化程度相對(duì)較高，但是穩(wěn)定性相對(duì)較差，定位精度不高。
電機(jī)式驅(qū)動(dòng)尾座一般用在高性能的數(shù)控車削中心上，是目前水平較高的尾座系統(tǒng)，性能優(yōu)越，省時(shí)省力省成本，已經(jīng)被很多企業(yè)所接受。
根據(jù)機(jī)床尾座的發(fā)展趨勢(shì)，和各種驅(qū)動(dòng)方案的特點(diǎn)，選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)更合適的選擇，最終設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)方案如圖3.2所示。
圖2.3 驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
2.2鎖緊機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
方案一： 螺紋鎖緊
1螺栓2尾座3床體
圖2.4 螺紋鎖緊
優(yōu)缺點(diǎn)分析：
螺紋鎖緊的產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，是很常用的鎖緊方案，在一般情況下均可使用。使用螺紋鎖緊時(shí)要特別注意配合螺紋的長(zhǎng)度。一般配合的牙不超過(guò)八個(gè)，超出配合的牙都是多余的，沒(méi)有太大作用，如果少于三個(gè)牙，則連接不牢靠，螺紋鎖緊的一個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化，使用方便。其缺點(diǎn)是，當(dāng)工作要求的鎖緊和松開(kāi)頻率特別高時(shí)，操作就會(huì)特別的麻煩，需要人工的縮進(jìn)和松開(kāi)，很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和高速化，一般情況下都可以使用，但是要求快換的情況下不適合單獨(dú)使用。
方案二：偏心輪鎖緊
圖2.5 偏心輪鎖緊機(jī)構(gòu)
優(yōu)缺點(diǎn)分析：
偏心輪機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)快速的鎖緊，但其鎖緊作用點(diǎn)比較固定，而且對(duì)零件的精度有一定的要求。偏心輪機(jī)構(gòu)也很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)縮進(jìn)控制，大多是都用在手動(dòng)鎖緊方面。
方案三：液壓缸鎖緊
1螺栓2銷3液壓缸芯軸4螺栓5蓋板6液壓缸缸體7壓板8車床主體
圖 2.6液壓鎖緊結(jié)構(gòu)
優(yōu)缺點(diǎn)分析：
液壓鎖緊在自動(dòng)化領(lǐng)域已經(jīng)被大面積的采用，因?yàn)檎麄€(gè)液壓系統(tǒng)都可以在自動(dòng)控制的情況下進(jìn)行工作，在鎖緊速度和鎖緊壓力方面相對(duì)于其他的鎖緊方式有很大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橐簤焊椎膭?dòng)作速度特別快，而且整個(gè)液壓回路可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，所以液壓鎖緊裝置能實(shí)現(xiàn)快速的鎖緊，而且液壓油壓由所選油泵決定，可以達(dá)到非常高的值，這樣就會(huì)產(chǎn)生更大的鎖緊力，在工作過(guò)程中保證鎖緊工作的穩(wěn)定度，對(duì)零件精度要求也不是特別高。
綜合比較上述三種方案，因?yàn)橐簤烘i緊更適合本次課程設(shè)計(jì)的要求，所以最終選擇液壓缸鎖緊方案。
3 DL32M 斜床身數(shù)控機(jī)床尾座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于本次設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)尾座的自動(dòng)控制，但傳統(tǒng)的手動(dòng)尾座結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)我們的要求，所以在尾座整體結(jié)構(gòu)方面相對(duì)于傳統(tǒng)的手動(dòng)尾座做了很多的改進(jìn)，要實(shí)現(xiàn)尾座整體的自動(dòng)移動(dòng)，要實(shí)現(xiàn)尾座整體的自動(dòng)鎖緊，要實(shí)現(xiàn)尾座套筒的自動(dòng)伸縮，就要設(shè)計(jì)與之相對(duì)應(yīng)的全新的結(jié)構(gòu)。所設(shè)計(jì)的尾座的結(jié)構(gòu)主要包括:尾座的上箱體，尾座的下箱體，與上箱體配合的套筒，與下箱體配合的液壓鎖緊結(jié)構(gòu)，電機(jī)滾珠絲杠傳動(dòng)部分。
圖3.1機(jī)床主體
3.1尾座上下箱體設(shè)計(jì)
因?yàn)樗O(shè)計(jì)的尾座是跟機(jī)床主體相配合的，所以在進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)之前，要對(duì)機(jī)床主體的所需尺寸進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量機(jī)床主體所用尺寸如圖3.1所示，然后根據(jù)機(jī)床主體尺寸進(jìn)行尾座箱體的尺寸設(shè)計(jì)，要求尾座套筒中心距離床體上面400mm,距離尾座上側(cè)面85mm，將上體和下體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)出來(lái)，如圖3.2所示，圖中表示的是上下體安裝在一起的組合圖。其中將設(shè)計(jì)要求的尾座套筒中心距離床體上面400mm分為套筒中心到上箱體底部255mm，上箱體下表面與下箱體上表面重合，下箱體上表面到下箱體下表面的距離就是L=400-255=145mm。
圖 3.2上下箱體組合圖
3.2尾座套筒設(shè)計(jì)
尾座的上下箱體的尺寸設(shè)計(jì)出來(lái)后，根據(jù)上箱體尺寸進(jìn)行尾座套筒的設(shè)計(jì)
1法蘭盤(pán),2軸承,3套筒,4徑向鎖緊螺母,5導(dǎo)向螺釘,
6軸承組,7螺堵,8推桿,9法蘭盤(pán)
圖3.3 套筒結(jié)構(gòu)圖
如圖所示為套筒部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
套筒的外徑尺寸根據(jù)上箱體套筒孔尺寸確定為160mm。
3.3尾座液壓缸設(shè)計(jì)
3.3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
根據(jù)尾座下箱體尺寸，在下箱體內(nèi)部設(shè)計(jì)出來(lái)液壓缸鎖緊結(jié)構(gòu)。液壓缸的主要結(jié)構(gòu)包括：（1）液壓缸缸體（2）液壓缸上蓋板（3）芯軸（4）復(fù)位的彈簧（5）密封圈(6)導(dǎo)向作用的銷軸（7）連接芯軸和壓板的螺栓
圖4.4 液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸圖
3.3.2尺寸設(shè)計(jì)
液壓缸缸體尺寸設(shè)計(jì)：根據(jù)尾座下體大致尺寸616×380×145，在尾座下體內(nèi)部設(shè)計(jì)出液壓缸缸體部分，設(shè)計(jì)液壓缸缸體內(nèi)大孔直徑，要滿足R<380才能滿足尾座箱體能放下液壓缸結(jié)構(gòu)，所以我設(shè)計(jì)液壓缸內(nèi)大孔直徑為R=150mm，可以滿足下箱體的內(nèi)部設(shè)計(jì)要求，液壓缸內(nèi)大孔長(zhǎng)度應(yīng)遠(yuǎn)小于145mm，才能滿足空間設(shè)計(jì)要求，我設(shè)計(jì)內(nèi)孔長(zhǎng)度為L(zhǎng)1=45mm，小孔直徑r=50mm,小孔長(zhǎng)度l1=45mm，使L=45+45=90mm也小于尾座整體的高度145mm。
液壓缸芯軸尺寸設(shè)計(jì)：根據(jù)液壓缸缸體尺寸設(shè)計(jì)出與之相配合的液壓缸芯軸，芯軸大徑與液壓缸缸體大徑相同為:
R1=R=150mm
芯軸大徑長(zhǎng)度為:L2=40
小徑與液壓缸缸體小徑相同為
r1=r=50mm
芯軸小徑長(zhǎng)度為:l2=50mm
液壓缸的芯軸上下移動(dòng)的最大范圍是:△L=L1-L2=5mm。
3.3.3液壓缸鎖緊的工作原理：
在液壓缸芯軸下部通入液壓油，推動(dòng)芯軸向上移動(dòng)，芯軸與壓板用螺栓連接，芯軸的向上移動(dòng)帶動(dòng)壓板也向上移動(dòng)，當(dāng)壓板壓緊床體時(shí),尾座被壓板鎖緊在工作位置，當(dāng)液力油不供給時(shí)，芯軸下部不產(chǎn)生壓力，芯軸在重力的作用下向下運(yùn)動(dòng)，為了加速芯軸快速?gòu)?fù)位，我們加入了復(fù)位彈簧給芯軸一個(gè)向下的推力，使芯軸帶動(dòng)壓板快速向下移動(dòng)，尾座不再鎖緊可自由運(yùn)動(dòng)。在蓋板上加入導(dǎo)向的芯軸，避免芯軸在上下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生旋轉(zhuǎn)。
4 組成元件選擇計(jì)算
4.1電機(jī)選型
選型依據(jù)：假定尾座與床體的摩擦系數(shù)為0.1,根據(jù)所設(shè)計(jì)尾座整體重量，選型可帶動(dòng)尾座整體移動(dòng)的電機(jī)。
根據(jù)機(jī)床整體尺寸，設(shè)計(jì)尾座箱體尺寸，計(jì)算尾座整體體積估算尾座上箱體體積：
V1=110*10-3m3
估算尾座上箱體體積：
V2=90*10-3m3
估算尾座總體積：
V=200*103m3
尾座材料選取灰鑄鐵HT200，查閱資料可知
ρ灰鑄鐵=7300kg/m3
尾座整體質(zhì)量：
m尾座=7300kg/m3*200*10-3m3=1500kg
尾座與床體的摩擦力：
F=μmg=0.1*1500*10=1500N (4.1)
電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩：
T=F*P2*3.14*n=1500*0.012*3.14*0.9=2.65N?M (4.2)
(n:進(jìn)給絲杠正效率，取n=0.9,l:絲杠單程取P=0.01m)
電機(jī)所需功率由公式p=T*n9549得：
P=2.65*30009549=0.83kw
表4.1 電機(jī)選型數(shù)據(jù)
項(xiàng)目
單位
α1/5000i
α2/5000i
α4/4000i
輸出功率
kw
0.5
0.75
1.4
HP
0.67
1.0
1.9
額定轉(zhuǎn)矩
Nm
1
2
4
kgfcm
10
20
41
額定轉(zhuǎn)速
min-1
5000
4000
4000
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
kgm2
0.00031
0.00053
0.0014
質(zhì)量
kg
2.8
4.3
7.5
項(xiàng)目
單位
α8/3000i
α12/5000i
α22/3000i
輸出功率
kw
1.6
3.0
4.0
HP
2.1
4.0
5.4
額定轉(zhuǎn)矩
Nm
8
12
22
kgfcm
82
122
224
額定轉(zhuǎn)速
min-1
3000
3000
3000
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
kgm2
0.0026
0.0062
0.012
質(zhì)量
kg
12
18
29
項(xiàng)目
單位
α30/3000i
α240/3000i
輸出功率
kw
7.0
6.0
HP
9.4
8.0
額定轉(zhuǎn)矩
Nm
30
38
kgfcm
306
388
額定轉(zhuǎn)速
min-1
3000
2000
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
kgm2
0.017
0.022
質(zhì)量
kg
40
51
以上的數(shù)據(jù)的條件是在20攝氏度以下
查閱FANUC電機(jī)型號(hào)相關(guān)參數(shù)的資料，根據(jù)需要選取a12/3000i足夠滿足所需要求，該型號(hào)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Tn=12N?M>2.65*3，選用電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩大于計(jì)算電機(jī)總轉(zhuǎn)矩的三倍以上，求滿足要.功率為P=3kw>0.83kw，滿足要求。
綜上所述，選取a12/3000型號(hào)的FANUC電機(jī)足夠滿足設(shè)計(jì)要求，可以帶動(dòng)所設(shè)計(jì)的尾座移動(dòng)。
圖 4.1 速度扭矩特性曲線
該值為20°C的標(biāo)準(zhǔn)值，公差為“10%”，速度轉(zhuǎn)矩特性取決于軟件的類型、參數(shù)設(shè)置和數(shù)字伺服電機(jī)的輸入電壓。（上述數(shù)字顯示平均值）這些值可在不另行通知的情況下更改。
4.2滾珠絲杠選型
滾珠絲杠的設(shè)計(jì)首先選擇結(jié)構(gòu)類型:確定滾珠循環(huán)方式,預(yù)緊方式,結(jié)構(gòu)類型確定之后在計(jì)算其他技術(shù)參數(shù),如公稱直徑d0,導(dǎo)程P,長(zhǎng)度。
4.2.1滾珠絲杠導(dǎo)程的確定
選取FANUC電機(jī),最大轉(zhuǎn)速為3000rpm。電機(jī)與絲杠直連,傳動(dòng)比為1。X向移動(dòng)速度一般不超過(guò)25mm/min,即Vmax=1500mm/min,則絲杠導(dǎo)程為：
Ph=Vmaxi*nmax=15001*3000≈0.5mm (4.3)
所以選取Ph=10mm滿足要求。
4.2.2滾珠絲杠副載荷計(jì)算
滾珠絲杠承重時(shí)的滑動(dòng)摩擦系數(shù)最大為0.004,靜摩擦系數(shù)與滑動(dòng)摩擦系數(shù)差別并不大,此處取靜摩擦系數(shù)為0.006。則靜摩擦力為：
F0=μ0*M*g+f=0.006*1500*9.8+10≈100N (4.4)
式中:
M—尾座的總質(zhì)量，經(jīng)計(jì)算約為1500kg。
f—滑塊密封阻力，按10N計(jì)算。
Fmax≈Fmin≈F0=100N
滾珠絲杠副的當(dāng)量載荷為:
Fm=2Fmax+Fmin3≈100N (4.5)
4.2.3預(yù)期額定動(dòng)載荷計(jì)算Cam
有預(yù)載情時(shí)計(jì)算得：
Cam=fe*Fmax
式中，
--預(yù)加負(fù)載系數(shù)（見(jiàn)表4-15）。
表4.2 預(yù)加負(fù)載系數(shù)表
預(yù)加載荷類型
較大預(yù)加負(fù)載
中等預(yù)加負(fù)載
輕微預(yù)加負(fù)載
3.4
4.5
6.7
選取中等預(yù)加負(fù)載，fe=4.5。
Cam=4.5*100=45N
4.2.4最小底徑估算
估算滾珠絲杠的最大允許軸向變形量：
δm<13~14*重復(fù)定位精度 （4.6）
X向的重復(fù)定位精度取0.005，則
δm<14*0.005=0.00125mm
根據(jù)安裝方式估算滾珠絲杠副螺紋低徑d2m
當(dāng)滾珠絲杠副的安裝方式采用兩端支承時(shí)，計(jì)算最小底徑公式：
d2min≥1010FJ?lsπ?δm?E=0.039*μ0?mg?1.05～1.1?lu+10～14?Phδm (4.7)
式中，
L--兩個(gè)固定軸承之間的距離（mm）；
--最小底徑（mm）；
--靜摩擦力（N）；
--楊氏彈性模量（2.1×105N/mm2）;
--靜摩擦系數(shù)。如果機(jī)床工作臺(tái)是滾動(dòng)導(dǎo)軌，靜摩擦系數(shù)取0.01-0.02之,如果是滑動(dòng)導(dǎo)軌，取0.1-0.2之間。
表4.3 載荷系數(shù)表
載荷性質(zhì)
無(wú)沖擊、平穩(wěn)載荷
輕微沖擊載荷
沖擊振動(dòng)載荷
負(fù)載系數(shù)
1.0~1.2
1.2~1.5
1.5~2.0
表4.4 精度系數(shù)表
精度等級(jí)
1,2,3
4,5
6
9
精度系數(shù)
1.0
0.8
0.7
0.6
表4.5 可靠性系數(shù)表
可靠性%
90
94
95
96
97
99
可靠性系數(shù)
1.0
0.63
0.54
0.45
0.34
0.22
因?yàn)榻z杠長(zhǎng)L=1200mm,所以取滾珠絲杠兩固定端最大距離L=1200mm。
計(jì)算螺紋底徑：
d2m≥0.039Fm*L1000δm=0.039*100*12001000*0.00125=14mm
4.2.5滾珠絲杠選取
按照絲杠導(dǎo)程，底徑參考表4.6，選擇型號(hào)為BIF3210。絲杠導(dǎo)程Ph=10mm，直徑d0=32mm。
表 4.6 優(yōu)先組合
4.2.6滾珠絲杠剛度校核
一般滾珠絲杠比較細(xì)長(zhǎng)，它的剛度應(yīng)該特別重視。
確定滾珠絲杠預(yù)緊力
FP=13Fmax
FP=13*100=33N
最大牽引力為1500N，L=1200mm。
（1）絲杠的拉伸壓縮變形量δ1
根據(jù)Fmax=1500N，d0=32mm，查閱資料可查出δLL=1.2*10-5mm，可算出：
δ1=δLL*1200=1.4*10-2(mm)
（2）滾珠絲杠與螺紋滾道間接觸變形δ2
查閱資料，滾珠絲杠滾珠和滾道接觸變形量δQ
δQ=6.2μm
因進(jìn)行了預(yù)緊，δ2=1/2δQ=3.1μm
根據(jù)以上計(jì)算：
δ=δ1+δ2=1.71*10-2mm
一般要求的定位精度遠(yuǎn)大于0.0171mm，所以所選絲杠螺母副符合剛度要求
4.3對(duì)尾座整體液壓鎖緊裝置進(jìn)行計(jì)算校核
設(shè)計(jì)液壓推桿的面積為A,已知尾座與床體的摩擦系數(shù)為0.1，液壓壓力為5Mpa，要求在鎖緊狀態(tài)下尾座可承受1000kgf的軸向頂緊力而不移動(dòng)。（1kgf≈10N）
F壓力=2P*A=5*106*2.0*10-2*2=2*105N (4.8)
求得液壓鎖緊的最大摩擦力為
f=μFN=μP*A=0.1*2*105=2*104N (4.9)
取安全系數(shù)i=1.8
f>F頂緊*1.8 (4.10)
通過(guò)計(jì)算液壓壓力為5Mpa，在鎖緊狀態(tài)下尾座承受1000kgf的軸向頂緊力時(shí)而移動(dòng)。
4.4上下箱體鎖緊螺栓預(yù)緊力計(jì)算
4.4.1受橫向載荷的螺栓組鏈接：
上下箱體的連接采用8個(gè)M16*80普通螺栓連接，應(yīng)保證預(yù)緊后所產(chǎn)生的最大摩擦力大于等于橫向載荷。
假設(shè)螺栓需要預(yù)緊力均為F0，螺栓數(shù)目n,則：
fF0ni≥KsF (4.11)
于是可以算出所需要的預(yù)緊力F0為
F0≥KsFfni (4.12)
式中：f—結(jié)合面的摩擦系數(shù)，見(jiàn)表4.1；
i— 接合面數(shù)（i=1）；
Ks—防滑系數(shù)，Ks=1.1~1.3。
F0≥1.1*100000.1*4*1=27500N
表格 4.7 連接接合面的摩擦系數(shù)
被連接件
結(jié)合表面狀態(tài)
摩擦系數(shù)
鋼或鑄鐵零件
干燥加工表面
0.10-0.16
有油加工表面
0.06-0.10
軋制表面
0.30-0.35
鋼結(jié)構(gòu)件
涂富鋅漆
0.35-0.40
噴砂處理
0.45-0.55
鑄鐵對(duì)磚料，混凝土或木材
干燥表面
0.40-0.45
4.4.2受轉(zhuǎn)矩的螺栓組連接：
采用普通螺栓連接時(shí),靠連接預(yù)緊后在接觸面間產(chǎn)生的摩擦力矩來(lái)抵抗轉(zhuǎn)矩T,假設(shè)各螺栓的預(yù)緊力均為F0',則各螺栓處產(chǎn)生的摩擦力相等,假設(shè)此摩擦力集中作用在螺栓中心處。根據(jù)作用在地板上的力矩平衡及連接強(qiáng)度條件,則有:
fF0'r1+fF0'r1+?+fF0'≥Ks*T （4.13）
根據(jù)上面的計(jì)算公式可以得出各螺栓所需要的預(yù)緊力：
F0'≥KsTfr1+r2+?+r3 （4.14）
式中：f—結(jié)合面的摩擦系數(shù)，見(jiàn)表4.1；
rn—第n個(gè)螺栓軸線到螺栓組對(duì)稱中心O的距離；
z—螺栓數(shù)目；
Ks—防滑系數(shù)，Ks=1.1~1.3。
代入數(shù)值計(jì)算可得：
T=10000*85+188=2730
F0'≥KsTfr1+r2+?+r3=1.1*27300.1*0.856=35000N
F0總=F0+F0'=27500+35000=65200N
4.4.3螺紋連接的強(qiáng)度計(jì)算：
在預(yù)緊力的作用下螺栓承受拉伸應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，處于復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)。進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)應(yīng)該綜合考慮。
拉伸應(yīng)力為
σ=F0π4d12 （4.15）
螺栓危險(xiǎn)截面的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為
τ=F0tanφ+?d2Ω16d13=tan?+tanφ1-tan?tanφ2d2d1F0π4d12 (4.16)
根據(jù)第四強(qiáng)度理論得：
σca=σ2+3τ2=1.3σ (4.17)
螺栓危險(xiǎn)截面的拉伸強(qiáng)度條件為：
σca=1.3F0π4d12≤σ (4.18)
σca=1.3*652000.145=584552Pa≈0.6MPa
螺紋連接件的許用應(yīng)力：
σ=σsS （4.19）
式中σs—螺紋材料屈服極限，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)；
S—安全系數(shù)，見(jiàn)表4.8。
根據(jù)查表可得，σs=640MPa。
表格 4.8 螺紋連接安全系數(shù)S
載荷類型
靜載荷
變載荷
松螺栓連接
1.2-1.7
緊螺栓連接
受軸向及橫向載荷的普通螺栓連接
不控制預(yù)緊力的計(jì)算
M6-M16
M16-M30
M30-M60
M6-M16
M16-M30
M30-M60
碳鋼
5-4
4-2.5
2.5-2
碳鋼
12.5-8.5
8.5
8.5-12.5
合金鋼
5.7-5
5-3.4
3.4-3
合金鋼
10-6.8
6.8
6.8-10
控制預(yù)緊力的計(jì)算
1.2-1.5
1.2-1.5
鉸制孔用螺栓連接
鋼：Sτ=2.5,Sp=1.25
鑄鋼：Sp=2.0-2.5
鋼：Sτ=3.5-5.0,Sp=1.5
鑄鋼：Sp=2.5-3.0
根據(jù)表格4.3，S=1.2。
螺栓連接的許用應(yīng)力計(jì)算可得：
σ=640*1061.2=533*106Pa。
所以σca<σ
根據(jù)計(jì)算螺栓連接部分滿足強(qiáng)度條件。
5 尾座總體裝配圖
1上箱體,2下箱體,3調(diào)整塊,4液壓缸,5螺栓,6壓板
7螺母,8絲杠,9伺服電機(jī),10調(diào)整塊,11螺栓,12螺栓
圖 5.1 尾座裝配圖
工作過(guò)程：當(dāng)加工長(zhǎng)軸類零件需要頂緊時(shí)，可以利用本設(shè)計(jì)的尾座。利用伺服電機(jī)9進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，滾珠絲杠副傳動(dòng)，帶動(dòng)尾座左右移動(dòng)，尾座與機(jī)床各接觸面均有潤(rùn)滑油溝，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可以保證運(yùn)行的順暢和平穩(wěn)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到尾座頂緊工件的位置時(shí)，利用液壓缸4將壓板6上拉，將尾座鎖緊在頂緊位置。當(dāng)加工過(guò)程結(jié)束，需要將尾座恢復(fù)到原位，將斷開(kāi)液壓油的供給，使與液壓缸連接的壓板在復(fù)位彈簧和自重的作用下向下運(yùn)動(dòng)，尾座不再鎖緊在機(jī)床床體上，然后同樣利用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠傳動(dòng)，將尾座移動(dòng)到車床尾部。
尾座位置的調(diào)整：當(dāng)尾座套筒的軸心與被被加工工件的軸心不重合時(shí)，可以利用調(diào)整塊3,10和調(diào)整螺栓5,11進(jìn)行對(duì)心調(diào)整。將尾座上體1推到最左側(cè)，用螺栓4稍微固定，調(diào)整尾座套筒軸心的位置，若想將尾座向下挪動(dòng)，需擰緊螺釘11與調(diào)整塊10，使尾座上體向下動(dòng)，若想將尾座向上挪動(dòng)，需擰緊螺釘12，是尾座上體向上動(dòng)；若尾座需要向右移動(dòng)，需擰緊螺釘5與調(diào)整塊3，使尾座上體向右移動(dòng)。
6 結(jié) 論
本設(shè)計(jì)的與數(shù)控機(jī)床配合使用，能極大提高生產(chǎn)效率，減少人力投入，在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)滾珠絲杠傳動(dòng)，進(jìn)行尾座移動(dòng)的自動(dòng)控制，在尾座運(yùn)動(dòng)到工件所需要的頂緊位置時(shí)，電機(jī)停止驅(qū)動(dòng)，然后利用液壓缸進(jìn)行尾座的自動(dòng)鎖緊，本設(shè)計(jì)只負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)可編程尾座的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在數(shù)控編程方面不做設(shè)計(jì)，只為實(shí)現(xiàn)可編程提供可能。在設(shè)計(jì)中的結(jié)論如下：
（1）本設(shè)計(jì)主要針對(duì)DL32M 斜床身數(shù)控機(jī)床進(jìn)行可編程尾座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)理論分析，確定尾座整體的方案設(shè)計(jì)，綜合分析各驅(qū)動(dòng)方案和鎖緊方案的優(yōu)缺點(diǎn)，然后選擇最佳的驅(qū)動(dòng)方案和鎖緊方案。
（2）根據(jù)已有的數(shù)控機(jī)床床體的各個(gè)尺寸設(shè)計(jì)出機(jī)床尾座箱體的總體結(jié)構(gòu)尺寸，然后根據(jù)機(jī)床尾座箱體尺寸設(shè)計(jì)出各零部件的結(jié)構(gòu)尺寸，繪制出總體裝配圖和重要零件圖。
（3）為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求和預(yù)想的效果，對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行選型，對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行選型和校核，對(duì)重要螺栓進(jìn)行強(qiáng)度校核。
參 考 文 獻(xiàn)
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附錄1：外文翻譯
在磨削過(guò)程中為了實(shí)現(xiàn)精密鍛造曲軸準(zhǔn)確對(duì)心的可動(dòng)尾座
B. Denkena a , O. Gümmer a
摘要
在萊布尼茨漢諾威大學(xué)的合作研究中心489正在研究一個(gè)新的和創(chuàng)新的制造曲軸的過(guò)程鏈。通過(guò)無(wú)毛刺和近凈形精鍛可以明顯縮短工藝鏈，然而由于新工藝鏈的特點(diǎn)這種新的生產(chǎn)工藝要求在研磨前進(jìn)行精確的工件對(duì)齊。本文提出了一種新的包括光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)（傳感器）的機(jī)床綜合定位系統(tǒng)并且介紹了一個(gè)活躍的尾座（執(zhí)行器）。對(duì)于定位誤差的檢測(cè)，用計(jì)算機(jī)集成光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量曲軸的幾何元素。一個(gè)求幾何數(shù)據(jù)和計(jì)算和調(diào)整向量的值的算法。這個(gè)向量包含偏心和傾斜誤差的修正。磨床擺錘的自由度（DOF）的程度將用來(lái)糾正偏心誤差。曲軸的傾斜誤差被一個(gè)新的可移動(dòng)的尾座修正。這種尾座在磨削過(guò)程中產(chǎn)生反向的傾斜。壓電式線性驅(qū)動(dòng)器為了此目的，尾座中心在兩自由度的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)作為角度位置的函數(shù)被兩個(gè)新開(kāi)發(fā)的壓電式線性驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)（行程4毫米）?；钚晕沧牧Χ榷ㄎ痪缺或?yàn)證。在1.5微米的范圍內(nèi)的定位精度可以通過(guò)重復(fù)學(xué)習(xí)控制的來(lái)獲得高達(dá)10Hz,此外在磨削過(guò)程中進(jìn)行了主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)試驗(yàn)。
關(guān)鍵詞：機(jī)械；磨削；自適應(yīng)控制；
1簡(jiǎn)介
在汽車工業(yè)中，鍛造的曲軸由于其與鑄造相比，具有更高的承載能力和延展性，變得越來(lái)越重要。這些性能允許更緊湊和更輕的設(shè)計(jì)〔1〕。此外，曲軸制造商由于經(jīng)濟(jì)原因被迫縮短加工時(shí)間和步驟。
基于這一需求，在漢諾威萊布尼茨大學(xué)合作研究中心489（CRC 489）中研究了一種用于制造高性能部件的新工藝鏈。鍛造的無(wú)毛刺和近凈形狀以允許傳統(tǒng)工藝鏈的顯著縮短[2 ]。
精密鍛造可省去去毛刺和軟預(yù)加工。此外，通過(guò)采用整體熱處理的精鍛后的曲軸直接硬化，可以縮短工藝鏈，也可以省略冷卻和再加熱的工藝步驟。在精密鍛造和硬化之后，曲軸僅通過(guò)研磨[ 3 ]定型。然而，由于新工藝步驟的特點(diǎn)，這種新的工藝鏈需要適應(yīng)的后續(xù)工藝步驟。軟預(yù)加工的缺乏導(dǎo)致軸承的不等量的余量，這必須被磨削。由于變形和余量分布，鍛造工件軸不同于最佳加工軸線，需要對(duì)偏心和傾斜誤差進(jìn)行在位對(duì)準(zhǔn)。根據(jù)技術(shù)上有用的標(biāo)準(zhǔn)（如不平衡和允許）分配軸承上的可用余量，并確保無(wú)阻磨削過(guò)程。生產(chǎn)工程和機(jī)床研究所（IFW）和測(cè)量與自動(dòng)控制研究所（IMR）合作，研究磨床內(nèi)長(zhǎng)部件的主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。對(duì)尾座用光學(xué)測(cè)量裝置測(cè)量夾緊曲軸及其在磨削過(guò)程中的調(diào)整進(jìn)行了研究。
圖1精密對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)
夾緊的曲軸的幾何形狀和位置可以通過(guò)光學(xué)內(nèi)聯(lián)測(cè)量系統(tǒng)來(lái)測(cè)量。根據(jù)測(cè)量的幾何數(shù)據(jù)，計(jì)算調(diào)整矢量，調(diào)整偏心和傾斜誤差。在路徑控制磨削中，可以利用磨床擺錘的自由度來(lái)校正偏心誤差?？梢詫⑾鄳?yīng)的值分配給機(jī)器控制。曲軸的傾斜誤差由一個(gè)新的主動(dòng)尾架（參見(jiàn)圖1）通過(guò)將工件在圓形路徑上的一側(cè)位移作為曲軸的角位置的函數(shù)來(lái)校正。
2測(cè)量系統(tǒng)
測(cè)量系統(tǒng)由陰影投影系統(tǒng)、錐形傳感器和三個(gè)線性軸（見(jiàn)圖1）組成。在磨削之前，它測(cè)量曲軸。在測(cè)量過(guò)程中，主動(dòng)夾緊尾座的中心點(diǎn)處于其零位置。借助于線性軸，測(cè)量系統(tǒng)可以被定位。陰影投影系統(tǒng)測(cè)量曲軸的幾何形狀，并結(jié)合線性軸的位置信號(hào)檢測(cè)軸承的位置。錐度傳感器測(cè)量曲柄腹板和軸承在曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的輪廓。保護(hù)罩保護(hù)測(cè)量系統(tǒng)在磨削過(guò)程中不接觸冷卻潤(rùn)滑劑和切屑（見(jiàn)圖2）。
測(cè)量的幾何形狀被轉(zhuǎn)換成一個(gè)坐標(biāo)系。分析了軸承上的余量分布，計(jì)算了當(dāng)前夾緊軸與理想加工軸線的調(diào)整矢量。如果有足夠的余量來(lái)保證最終磨削，則通過(guò)使用質(zhì)量近似來(lái)計(jì)算關(guān)于殘余不平衡的理想加工軸線。這樣，磨削過(guò)程中的不平衡可以被最小化。
圖2測(cè)量系統(tǒng)的線輪廓和縱剖面
調(diào)整向量包含偏心和傾斜誤差的校正。相關(guān)數(shù)據(jù)將被分配給磨床和主動(dòng)尾架。有關(guān)測(cè)量系統(tǒng)的進(jìn)一步信息發(fā)表在[4]中。
3.迅速的尾座
3.1裝配
為了糾正傾斜誤差，必須由主動(dòng)尾架產(chǎn)生圓形運(yùn)動(dòng)。為了將中心套筒定位在平面中，選擇具有兩個(gè)線性軸的箱內(nèi)原理（圖3）。
圖3兩自由度壓電混合定位的箱型原理
主動(dòng)尾架的動(dòng)力學(xué)目前設(shè)計(jì)為曲軸轉(zhuǎn)速為600轉(zhuǎn)/分（10 Hz），在±2 mm的調(diào)整行程內(nèi)，精度為±1.5μm。
作為每個(gè)軸的驅(qū)動(dòng)器，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了壓電-液壓混合定位。兩個(gè)液壓螺桿短行程致動(dòng)器（行程：4毫米）串聯(lián)與一個(gè)壓電執(zhí)行器（行程：60μm，1000 V）每軸。液壓螺桿在氣缸中提供了緊湊性的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兊目煞e性進(jìn)入結(jié)構(gòu)[5 ]。
壓電致動(dòng)器只能產(chǎn)生壓縮力，并且必須防止張力。在〔6〕中，提出了一種雙作用液壓缸壓電液壓定位方法。為了防止張力和產(chǎn)生拉力，壓電致動(dòng)器被預(yù)加載。這不是必要的使用兩個(gè)單作用液壓缸。通過(guò)執(zhí)行器的對(duì)立布置，產(chǎn)生預(yù)載荷。此外，在定位期間可以避免齒隙。液壓缸由每個(gè)軸的一個(gè)伺服閥驅(qū)動(dòng)。
壓電致動(dòng)器具有高度的動(dòng)力學(xué)定位精度和剛度[7]。缺點(diǎn)是它們的執(zhí)行器長(zhǎng)度約為0.2%的有限行程范圍[8]。為了提高定位精度和動(dòng)力學(xué)性能，特別是在外力作用下，一個(gè)液壓定位軸由一個(gè)壓電致動(dòng)器組合而成。
其目的是開(kāi)發(fā)出的壓電-液壓混合定位可以滿足定位精度和動(dòng)力學(xué)的要求。
3.2控制結(jié)構(gòu)
圖4顯示了壓電-液壓混合定位的控制結(jié)構(gòu)。對(duì)于圓形定位，指定了每個(gè)軸的正弦動(dòng)態(tài)參考值。通過(guò)測(cè)量質(zhì)量的位置，計(jì)算出控制偏差。一方面，控制偏差由壓電控制器補(bǔ)償。壓電控制器由一個(gè)簡(jiǎn)單的pi -控制器組成。該積分器必須調(diào)整壓電驅(qū)動(dòng)器的滯后。除了控制偏差外，還增加了壓電驅(qū)動(dòng)器的撓度，并將其輸入到液壓控制的輸入中，使壓電致動(dòng)器能夠在控制偏差被液壓修正后，立即返回零位置。
圖4 壓電-液壓混合定位的控制結(jié)構(gòu)
液壓控制是一種基于模型的IMC-控制器(內(nèi)部模型控制)，具有smith預(yù)測(cè)器和附加的集成元素。利用史密斯預(yù)測(cè)器，考慮了約2毫秒伺服閥的死時(shí)間。液壓控制器的i貢獻(xiàn)是調(diào)節(jié)外部力和伺服閥的中性位置所必需的。通過(guò)使用基于模型的液壓控制器，與簡(jiǎn)單的pi -控制器相比，可以大大提高動(dòng)態(tài)和超調(diào)。由于動(dòng)態(tài)參考值的存在，設(shè)置和實(shí)際值之間的滯后是不可避免的。為此，采用液壓定位系統(tǒng)的速度前饋控制來(lái)減小滯后。由于循環(huán)定位導(dǎo)致了引用值的循環(huán)重復(fù)，所以使用了迭代學(xué)習(xí)控制。迭代學(xué)習(xí)速度控制方案如圖5所示。
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圖5 迭代學(xué)習(xí)速度控制方案
如果已知參考值的周期長(zhǎng)度和控制過(guò)程的延遲時(shí)間，可以在無(wú)干擾的定位過(guò)程中對(duì)速度前饋控制進(jìn)行優(yōu)化，從而使控制偏差最小化。低通濾波器是用來(lái)避免測(cè)量噪聲與前饋控制摻雜在一起。在延時(shí)中考慮了濾波器和液壓驅(qū)動(dòng)的延時(shí)。為了實(shí)現(xiàn)迭代學(xué)習(xí)前饋控制，最后一個(gè)周期的錯(cuò)誤被存儲(chǔ)和延遲，以便在接下來(lái)的循環(huán)中考慮到它。關(guān)于迭代學(xué)習(xí)控制的進(jìn)一步信息可以在[9]中找到。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
4.1定位精度
每一個(gè)壓電式液壓軸的位置是由測(cè)量范圍為6毫米的渦流傳感器測(cè)量的。此外，壓電驅(qū)動(dòng)器的撓度可以用應(yīng)變計(jì)來(lái)測(cè)量。為了驗(yàn)證不同控制器的定位精度，對(duì)圓形軌道進(jìn)行了分析。
圖6顯示了相對(duì)于壓電-液壓混合定
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