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1中文翻譯組合機(jī)床滑臺動態(tài)特性的研究【摘要】本 利用功率鍵合圖和狀態(tài)空間分析法對組合機(jī)床滑臺的前沖和運(yùn)動平穩(wěn)性問題進(jìn)行分析與研究，建立了滑臺的液壓驅(qū)動系統(tǒng)一自調(diào)背壓調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。通過計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真，分析了滑臺產(chǎn)生前沖和運(yùn)動不平穩(wěn)的原 及主要影響 素。從中得出，如果合理地設(shè)計(jì)液壓缸和自調(diào)背壓調(diào)壓閥的結(jié)構(gòu)尺寸，可以使滑臺的動態(tài)特性得到顯著改善。1 引言組合機(jī)床工作中，滑臺運(yùn)動速度的大小和方向以及所承受負(fù)載的變化都將程度不同地影響其工作性能。特別是在工進(jìn)過程中?；_上負(fù)載的突然消失引起的前沖以及負(fù)載的周期變化引起的運(yùn)動不平穩(wěn)，都將影響被加工件的表面質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)會致使刀具折斷。根據(jù)大連機(jī)床廠要求，作者采用功率鍵合圖和狀態(tài)空間分析法建立組合機(jī)床滑臺的新型液壓驅(qū)動系統(tǒng)一自調(diào)背壓調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。通過計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真和研究。分析滑臺產(chǎn)生前沖和運(yùn)動不平穩(wěn)的原 以及主要的影響，以便改善滑臺的動態(tài)特性。2 動態(tài)數(shù)學(xué)模型組合機(jī)床滑臺的液壓驅(qū)動系統(tǒng)一自調(diào)背壓調(diào)速系統(tǒng)的工作原理圖如圖 I 所示。該系統(tǒng)是用來完成"工進(jìn)一停止一快退”的工作循環(huán)。當(dāng)滑臺工進(jìn)時(shí)，三位四通換向閥處于圖示右位，油泵的供油壓力在濫流閥的作用下近似地保持恒定，該油液流經(jīng)換向閥和調(diào)速閥后進(jìn)入油缸的無桿腔，推動滑臺左移；同時(shí)，油缸有桿腔排出的壓力油經(jīng)自調(diào)背壓閥和換向閥流回油箱。在此過程中，兩個單向閥和溢流閥始終沒有改變原有的工作狀態(tài)。對象該系統(tǒng)這樣的復(fù)雜非線性系統(tǒng)，為了便于研究其動態(tài)特性，建立一個僅著重考慮主要影響因素的合理簡單的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是尤其重要的[1][2]。從理論分析和試驗(yàn)研究中得知：該系統(tǒng)的過程時(shí)間是遠(yuǎn)大于調(diào)速閥的過程時(shí)間的，油缸無桿腔有效承壓面積很大，調(diào)速閥出口流量的瞬時(shí)超調(diào)反映為滑臺運(yùn)動速度的變化是很小的[2]。為了拓寬和深入研究系統(tǒng)的動態(tài)特性，使研究工作能在微型計(jì)算機(jī)上有效地進(jìn)行，本 對原模型[2]做進(jìn)一步簡化，假定調(diào)速閥在系統(tǒng)的整個過渡過程中輸出恒定的流量，視其為流源。這樣，系統(tǒng)的動態(tài)模型的結(jié)構(gòu)簡圖如圖 2 所示，它是由油缸、滑臺，自凋背壓閥和聯(lián)接管路等組成。本論文中所使用的符號：s1-流源，即調(diào)速閥出口流量；Sel—滑臺滑動摩擦力R 一滑臺等效粘性摩擦系數(shù)I1—滑臺與油缸的質(zhì)量 12—自調(diào)背壓閥閥心質(zhì)量C1、c2—油缸無桿腔及有桿腔的液容C2—自調(diào)背壓閥彈簧柔度R1, R2 自調(diào)背壓閥阻尼孔液阻，R9—自調(diào)背壓閥閥口液阻Se2—自調(diào)背壓閥彈簧的初始預(yù)緊力；I4, I5—管路的等效液感C5、C6—管路的等效液容：R5, R7-管路的等效液阻；2V3, V4—油缸無桿腔及有桿腔內(nèi)容積；P3, P4—油缸無桿腔及有桿腔的壓力F—滑臺承受負(fù)載，滑臺前沖現(xiàn)象是作用在滑臺上的負(fù)載突然消失（如鉆透工作情況)引起的。在此過程中，滑臺的負(fù)載 F、運(yùn)動速度 V、油缸兩腔壓力 P3 和 P4 的變化可從圖 4 仿真結(jié)果看出。當(dāng)滑臺在負(fù)載的作用下勻速運(yùn)動時(shí)，油缸無桿腔油液壓力較高．油液中聚集了大量的能量。當(dāng)負(fù)載突然消失時(shí)，該腔油壓隨之迅速降低，油液從高壓態(tài)轉(zhuǎn)入低壓態(tài)的過程中向系統(tǒng)釋放很多能量，致使滑臺高速向前沖擊。然而，滑臺的前沖使油缸有桿腔油液受壓引起背壓升高，從而消耗掉系統(tǒng)中的一部分能量，對滑臺的前沖起一定的抑制作用。應(yīng)當(dāng)看到，在所研究的系統(tǒng)中，自調(diào)背壓閥的入口壓力要受到油缸兩腔油壓的綜合作用。在負(fù)載消失的瞬間，自調(diào)背壓閥的壓力迅速上升，并穩(wěn)定在高于初始背壓的數(shù)值上。從圖中可見，自調(diào)背壓調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載消失瞬間油缸背壓力升高的幅度大于傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)，所以，其油缸有桿腔中油液吸收的能量 多；結(jié)果，滑臺的前沖量比傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)要小近 20%?？梢姴捎米哉{(diào)背莊調(diào)速系統(tǒng)作為驅(qū)動系統(tǒng)的滑臺在抑制前沖方面具有良好的特性，其中自調(diào)背壓閥起了很大作用。四.滑臺的運(yùn)動平穩(wěn)性當(dāng)作用于滑臺上的負(fù)載周期變化時(shí)（如銑削加工情況） ，滑臺的運(yùn)動速度要產(chǎn)生一定的波動。為于保 加工質(zhì)量的要求，必須盡可能地減小其速度波動范圍。從討論問題的方便出發(fā)，假設(shè)負(fù)載按正弦波規(guī)律變化，從而得到的數(shù)字仿真結(jié)果如圖 5 所示。由此可見該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)有著相同的變化規(guī)律和非常接近的數(shù)值。原 是負(fù)載的變化幅度不大，油缸兩腔壓力也 沒有較大變化，最終導(dǎo)致自調(diào)背壓閥的作用不夠明顯。五、改善措施研究結(jié)果表明，以自調(diào)背壓調(diào)速系統(tǒng)為驅(qū)動系統(tǒng)的滑臺，其動態(tài)特性優(yōu)于傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)。要減少滑臺的前沖量， 必需在負(fù)載消失的瞬間迅速提高油缸有桿腔的背壓力；要提高滑臺的運(yùn)動平穩(wěn)性 需增加系統(tǒng)的剛性，主要措施在于減小油液的體積。從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)得知，油缸有桿腔與排油管間有一很大的容積，如圖 6a 所示。它的存在方面延遲和衰減了自調(diào)背壓閥的作用，另一方面也降低了系統(tǒng)的剛性，它限制了前沖特性和運(yùn)動平穩(wěn)性的進(jìn)一步改善。因此，改善滑臺動態(tài)特性可從兩個途徑進(jìn)行：即改變油缸容積和改變自調(diào)背壓閥結(jié)構(gòu)尺寸。通過一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的仿真計(jì)算以及結(jié)果的比較可以得出：當(dāng)把油缸有桿腔與排油管間容積 V4 同無桿腔與進(jìn)油管間容積 V3 之比由原來的 5.5 改為 1 時(shí)，如圖 6b 所示，同時(shí)，把自調(diào)背壓閥閥芯底 直徑由原來的 10mm 增加為 13mm,阻尼三角槽邊長從原來的 lmm 減小到 0.7mm 時(shí)，可使滑臺的前沖量減小 30%,過渡過程時(shí)間明顯縮短，滑臺的運(yùn)動平穩(wěn)性得到很大改善。通過理論分析和計(jì)算機(jī)仿真研究,自調(diào)背壓調(diào)速系統(tǒng)作為組合機(jī)床滑臺的驅(qū)動系統(tǒng)是很有推廣使用價(jià)值的。影響滑臺動態(tài)特性的主要 素是油缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)和自調(diào)背壓閥的尺寸。若對其進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，可使滑臺的動態(tài)特性得到顯著地改善。同時(shí)，也說明了采用功率鍵合圖和狀態(tài)空間分析法研究復(fù)雜非線性是方便有效的。1946 年誕生了世界上第一臺電子計(jì) 機(jī)，這表明人類創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進(jìn)3入信息社會奠定了基礎(chǔ)。6 年后即在 1952 年，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機(jī)床。從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個世紀(jì)以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。早期計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度低，對當(dāng)時(shí)的科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理影響還不大，但不能適應(yīng)機(jī)床實(shí)時(shí)控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路"搭"成一臺機(jī)床專用計(jì) 機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控（HARD-WIRED NC） ，簡稱為數(shù)控（NC） 。隨著元器件的發(fā)展，這個階段歷經(jīng)了三代，即 1952年的第一代--電子管；1959 年的第二代--晶體管；1965 年的第三代--小規(guī)模集成電路。到 1970 年，通用小型計(jì) 機(jī)業(yè)已出現(xiàn)并成批生產(chǎn)。于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進(jìn)入了計(jì) 機(jī)數(shù)控 （CNC）階段 （把計(jì) 機(jī)前面應(yīng)有的"通用"兩個字省略了） 。到 1971 年，美國 INTEL 公司在世界上第一次將計(jì) 機(jī)的兩個最核心的部件--運(yùn)器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術(shù)集成在一塊芯片上，稱之為微處理器（MICROPROCESSOR） ，又可稱為中央處理單元 （簡稱CPU） 。到 1974 年微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因?yàn)樾⌒陀?jì) 機(jī)功能太強(qiáng)，控制一臺機(jī)床能力有富裕（故當(dāng)時(shí)曾用于控制多臺機(jī)床，稱之為群控） ，不如采用微處理器經(jīng)濟(jì)合理。而且當(dāng)時(shí)的小型機(jī)可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高，但可以通過多處理器結(jié)構(gòu)來解決。由于微處理器是通用計(jì) 機(jī)的核心部件，故仍稱為計(jì) 機(jī)數(shù)控。到了 1990 年，PC 機(jī)的性能已發(fā)展到很高的階段，可以滿 作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。數(shù)控系統(tǒng)從此進(jìn)入了基于 PC 的階段。總之，計(jì)算機(jī)數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。即 1970 年的第四代--小型計(jì)算機(jī)；1974 年的第五代--微處理器和 1990 年的第六代--基于 PC（也就是為 PC-BASED） ?；?PC 所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點(diǎn)，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路。至少采用 PC 機(jī)作為它的前端機(jī)，來處理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。PC 機(jī)所具有的友好的人機(jī)界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程通訊，遠(yuǎn)程診斷和維修將更加普遍。隨著人工智能在計(jì) 機(jī)領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。1 應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng) 2 運(yùn)行狀態(tài)的目的。3 引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工將熟練工人和專家的經(jīng)驗(yàn)，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。4 引入故障診斷專家系統(tǒng)5 智能化數(shù)字伺服驅(qū)動裝置可以通過自動識別負(fù)載，而自動調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最 的運(yùn)行。從微觀上看，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的威力。可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。由于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動的運(yùn)動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。可以實(shí)現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高 3～7 倍。4由于計(jì) 機(jī)有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實(shí)現(xiàn)了"柔性自動化"。加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要"修配"。可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。擁有自動報(bào)警、自動監(jiān)控、自動補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間無 看管加工。如：降低了工人的勞動強(qiáng)度，節(jié)省了勞動力 （一個人可以看管多臺機(jī)床） ，減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)等等。以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機(jī)床數(shù)控化還是推行 FMC （柔性制造單元） 、FMS （柔性制造系統(tǒng)）以及 CIMS （計(jì) 機(jī)集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍、民機(jī)械工業(yè)，在 70 年代末、80 年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè) （包括軍、民機(jī)械工業(yè)）進(jìn)行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機(jī)床、FMC、FMS 外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行 CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行 MIS （管理信息系統(tǒng)） 、CIMS 等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對國外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造（稱之為信息化） ，最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強(qiáng)。在美國、日本和德國等國家，機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時(shí)代。由于機(jī)床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造是個"永恒"的課題。在美國、日本、德國，用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，已形成了機(jī)床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè)。在美國，機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床再生 （Remanufacturing）業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有：Bertsche 工程公司、ayton 機(jī)床公司、Devlieg-Bullavd （得寶）服務(wù)集團(tuán)、US 設(shè)備公司等。 。在日本，機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床改裝 （Retrofitting）業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程集團(tuán)、崗三機(jī)械公司、千代田工機(jī)公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。機(jī)床與生產(chǎn)線的數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點(diǎn)：其一是恢復(fù)原功能，對機(jī)床、生產(chǎn)線存在的故障部分進(jìn)行診斷并恢復(fù)；其二是 NC 化，在普通機(jī)床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成 NC 機(jī)床、CNC 機(jī)床；其三是翻新，為提高精度、效率和自動化程度，對機(jī)械、電氣部分進(jìn)行翻新，對機(jī)械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度；對其不滿足生產(chǎn)要求的 CNC 系統(tǒng)以最新 CNC 進(jìn)行更新；其四是技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或?yàn)榱耸褂眯鹿に嚒⑿录夹g(shù)，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和檔次的更新改造。同購置新機(jī)床相比，一般可以節(jié)省 60％～80％的費(fèi)用，改造費(fèi)用低。特別是大型、特殊機(jī)床尤其明顯。一般大型機(jī)床改造，只花新機(jī)床購置費(fèi)用的 1/3，交貨期短。但有些特殊情況，如高速主軸、托盤自動交換裝置的制作與安裝過于費(fèi)工、費(fèi)錢，往往改造成本提高 2～3 倍，與購置新機(jī)床相比，只能節(jié)省投資 50％左右。所利用的床身、立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅(jiān)固的鑄造構(gòu)件，而不是那種焊接構(gòu)件，改造后的機(jī)床性能高、質(zhì)量好，可以作為新設(shè)備繼續(xù)使用多年。但是受到原來機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，不宜做突破性的改造。5