SK40立式數(shù)控銑床設(shè)計-主軸部件設(shè)計
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2013 年 11 月 3 日
原文1:
第3篇A hybrid 5-axis CNC milling machine
第4節(jié)4. The hybrid concept
譯文1:
混合五軸數(shù)控銑床
4.混合動力概念
文中提出的混合動力型五軸數(shù)控銑床包含了串行和并行的元素。我們首先列出銑床可能的布局形式和解釋我們選擇的機(jī)床剖面結(jié)構(gòu)。
4.1串行/并行軸分布
一個五軸數(shù)控銑床至少需要五個執(zhí)行機(jī)構(gòu)。六軸的機(jī)床,不管怎樣有六種執(zhí)行機(jī)構(gòu),讓之必要的第六軸的旋轉(zhuǎn)刀具的對稱軸線把他靈巧的退化,額外的自由度通常是限制在軟件。因為機(jī)器的自制造成本與致動器的數(shù)量有關(guān),設(shè)計一種混合的五軸機(jī)床和五個致動器直接提供了一個潛在優(yōu)勢六軸機(jī)床。五軸數(shù)控銑床的軸分布是有幾種可能的組合,如表1中所示。
全串行結(jié)構(gòu)和全并行結(jié)構(gòu)類型分別屬于I和VI 。類型II是不切實際的。因此類型III,IV,V是唯一真正的五軸候選分布。此外,我們放棄III型結(jié)構(gòu)的考慮,理由是連續(xù)堆疊三自由度是非常困難的,我們盡量得避免。因此,我們只剩下兩個分布并行和串行軸,IV和V型。
并行結(jié)構(gòu)少于6自由度需要約束元素的限制機(jī)制在其他方向。ⅴ型結(jié)構(gòu)由一個一自由度串行結(jié)構(gòu)和一個四自由度并行結(jié)構(gòu),需要二自由度約束。這種約束結(jié)構(gòu)必須是精心設(shè)計的, 因為它們可能會確定的并行結(jié)構(gòu)的整體剛度。一個四自由度并聯(lián)結(jié)構(gòu)使用被動約束的立柱被引入[19]。整體剛度的關(guān)鍵取決于被動的立柱,是為了抵抗彎曲和扭轉(zhuǎn)的時刻,被動的立柱必須足夠大來實現(xiàn)所需的結(jié)構(gòu)剛度。另一方面,IV型結(jié)構(gòu)是有吸引力的, 因為與3軸機(jī)床的經(jīng)驗表明,一個串行的二軸向上層疊不可以實現(xiàn)顯著擴(kuò)大的結(jié)構(gòu)。因此,我們可以限制我們的搜索到IV型結(jié)構(gòu)。
在第IV型結(jié)構(gòu)中,實現(xiàn)三自由度與并行結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)二自由度連續(xù),接下來的問題是三平移和兩個旋轉(zhuǎn)自由度必須分別分配到哪個串行和并行組件機(jī)制。一種選擇是把兩個旋轉(zhuǎn)自由度的串行機(jī)制。然而,這將導(dǎo)致在第3.1.2節(jié)中提到的問題:從工程學(xué)的角度看,在兩個轉(zhuǎn)動副層疊的機(jī)床中,需要兩個中的其中一個為C-軸,這會導(dǎo)致運(yùn)動奇點。疊加一個A-軸和B軸到另一個上是非常有困難的,因為每個結(jié)構(gòu)本身就是非常大的。因此,根據(jù)我們的分析,我們得出結(jié)論,是一個可行的組合的自由度,IV型結(jié)構(gòu)如圖圖7(a)所示。
鑒于我們打算避免更高程度的結(jié)構(gòu)連接,最好的方式來實現(xiàn)兩個平移和一個轉(zhuǎn)動自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)通過一個平面機(jī)構(gòu)來實現(xiàn),這也提供了極大的裝配便利如圖8所示。這臺機(jī)器布局所減少的形式顯示在圖7(b): 平面機(jī)構(gòu)的三自由度在平面?zhèn)鬟f,和下面的串行機(jī)制提供的兩個平面運(yùn)動。假設(shè)這是可以設(shè)計的,我們已經(jīng)取得了配置,避免一個三軸串行堆疊使用并行機(jī)制,并對于更容易管理的2軸堆疊使用串行機(jī)制。
4.2。配置設(shè)計
三自由度平面型并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)已經(jīng)得到了很好的研究,在運(yùn)動學(xué)文獻(xiàn)中有多篇論文 [20-22]。在所有可能的平面機(jī)制類型中,我們只會考慮那些在本文使用三個類似的致動器。換句話說,我們將避免,例如,驅(qū)動一個自由度的線性滾珠螺桿和兩個與旋轉(zhuǎn)致動器。這個決定的原因是模塊化,三個配置仍然廣泛的存在,見圖8。
這三種類型的平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)如圖8所示,是眾所周知的,并且被稱為RRR,RPR,其中R和P分別代表旋轉(zhuǎn)和移動關(guān)節(jié)和PRR類型?,F(xiàn)在進(jìn)入一個新的考慮選擇過程。切削力通??梢暈榫哂须S機(jī)性特征的干擾。干擾執(zhí)行器上的反射力必須足夠小,以達(dá)到良好的跟蹤性能。因為RRR需要一個高的齒輪比,所以他們的機(jī)制并不滿足這樣的考慮機(jī)床應(yīng)用。此外,他們放一個大彎矩在撐桿的平面上。我們從考慮的理由進(jìn)一步消除RPR結(jié)構(gòu),它有一個伸縮接頭構(gòu)成限制在3.4節(jié)討論。
圖9顯示了剩余的配置,,即PRR類型并聯(lián)機(jī)構(gòu),在上下文的軸分布在前一節(jié)中討論的。費雷拉指出在此時的PKM,在一個特殊的配置時,當(dāng)圖1和2接頭與圖9不謀而合。這個機(jī)制也可以解決封閉形式的正向運(yùn)動學(xué) [23]。我們不利用這個功能在我們的機(jī)器上,因為這些接頭的組合軸承設(shè)計帶來了其他困難會使撐桿之間的碰撞。
原文2:
第4篇 Development of a high-speed CNC cutting machine using linear motors
第1節(jié)1. Introduction
第2節(jié)2. Machine design and construction
2.1. Electrospindle
2.1.1. Tool holding
譯文2:
高速數(shù)控切割機(jī)采用直線電機(jī)的發(fā)展
1.介紹
術(shù)語“高速加工”(HSM)已經(jīng)使用了很多年,來描述在高轉(zhuǎn)速下的工具小直徑端銑。定義HSM使用的標(biāo)準(zhǔn)不同[1]。除了轉(zhuǎn)速,如外周的切割速度,材料去除率和進(jìn)給速率,可以使用不同的標(biāo)準(zhǔn)來定義HSM。此外,[2,3]使用切割刀具和操作的類型,工件材料都可能使速度施加限制。然而,對于傳統(tǒng)的加工過程中,似乎有一個共識,即主軸通常為10,000轉(zhuǎn)/分鐘至100,0000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速所涉及,[4-6]雖然低至5000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速的允許一定的銑削操作[7]。高轉(zhuǎn)速通常伴隨較高工作進(jìn)給率,輪廓加工通常發(fā)生在15-60米/分鐘[1]的范圍。高速加工的優(yōu)點包括增加材料去除率,降低刀具磨損,提高了表面光潔度,機(jī)薄壁部件的能力,并有能力加工硬質(zhì)材料[1,8]。高速機(jī)床是昂貴的,因為他們需要的是更嚴(yán)格的要求相對于常規(guī)數(shù)控機(jī)床,需要高于正常規(guī)范數(shù)控系統(tǒng)機(jī)錯綜復(fù)雜的輪廓,這常見于模具及模具型腔在高速行駛時工作。一直使用傳統(tǒng)的方法在建設(shè)機(jī)床旋轉(zhuǎn)電機(jī)和傳動螺桿實現(xiàn)運(yùn)動。在這種類型的機(jī)器的性能的限制因素是有限的,最大旋轉(zhuǎn)速度,轉(zhuǎn)動慣量,飽和,間隙和磁滯等[8]。一種線性電動機(jī),是一個簡單的電磁致動器由兩個剛性部件支持線性軸承。線性馬達(dá)提供了顯著的優(yōu)勢,超過傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)。速度超過6米/秒,加速度為100 m/s2是常見的,[8],而速度為11米/秒,并已聲稱已經(jīng)達(dá)到200 m/s2加速度[9]。除了電機(jī)塊由于沒有移動部件,可重復(fù)性和準(zhǔn)確性也得到了改善[8]。此外,簡單的機(jī)械裝置和直線驅(qū)動技術(shù)的成本相對較低,使得它的吸引力作為基礎(chǔ)開發(fā)一個工作臺運(yùn)動系統(tǒng),用于高速銑削。
2.機(jī)械設(shè)計與施工
器的設(shè)計機(jī)包括下以任務(wù),這是在給定的順序進(jìn)行:
(a)規(guī)格的高速電主軸;
(b)計算有效的載荷和規(guī)格的直線電機(jī)系統(tǒng)及數(shù)控控制;
(c)制造機(jī)底座;
(d)與數(shù)控控制的電主軸接口;
(e) 提供一個基于PC系統(tǒng)的用戶界面。
2.1電主軸
主軸可涵蓋范圍廣泛的旋轉(zhuǎn)速度和額定功率。管理主軸速度和壽命的因素是所用軸承的類型和尺寸,使用的潤滑系統(tǒng),所述電源單元[1]。熱量太大是一個影響主軸的性能的重要的因素[10,11],所以需要一個冷卻系統(tǒng)。所選擇的主軸是一個Faemat110 CU5.1KW液體冷卻能力之間的速度500轉(zhuǎn)/分鐘,30000轉(zhuǎn)/分鐘,由變頻器控制的電主軸。主軸連接到PLC,而這又需要連接到數(shù)控系統(tǒng)控制。該系統(tǒng)使主軸轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向得受20V和0-5V模擬輸入的裝置的控制。主軸的總質(zhì)量為29公斤,總有效載荷35公斤,包括輔助設(shè)備。
2.1.1刀具夾緊
俗稱“ISO錐度”(ISO297,BS1660第4部分,DIN69871)陡峭的錐形筒夾夾頭結(jié)合常見的加工中心上使用多年,并一直在提供的尺寸范圍,最常見的錐度尺寸30,40,45和50。所用的錐角是7:24。夾頭和機(jī)床主軸錐角制造不同的精確度(ISO1947,BS4500,DIN7178)引起一系列的“AT”號從AT1(高耐受性)AT6(公差下限)指定。標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床制造AT3或AT4。AT2錐度控制或更好的建議適用于高速加工的應(yīng)用[12]。ISO錐形卡盤在高轉(zhuǎn)速下使用時,也有一些缺點。他們有一個大的質(zhì)量和大小,很容易發(fā)生扭曲離心力。此外,運(yùn)行在錐形界面的不準(zhǔn)確性引起的,可能會引起振動。由于系統(tǒng)采用一個單一的錐形提供位置,會有一些錯誤換刀之間的重復(fù)性。
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