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1中文翻譯組合機床滑臺動態(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床滑臺的前沖和運動平穩(wěn)性問題進行分析與研究，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)學模型。通過計算機數(shù)字仿真，分析了滑臺產(chǎn)生前沖和運動不平穩(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 引言組合機床工作中，滑臺運動速度的大小和方向以及所承受負載的變化都將程度不同地影響其工作性能。特別是在工進過程中?；_上負載的突然消失引起的前沖以及負載的周期變化引起的運動不平穩(wěn)，都將影響被加工件的表面質(zhì)量，嚴重時會致使刀具折斷。根據(jù)大連機床廠要求，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)學模型。通過計算機數(shù)字仿真和研究。分析滑臺產(chǎn)生前沖和運動不平穩(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)學模型組合機床滑臺的液壓驅(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"工進一停止一快退”的工作循環(huán)。當滑臺工進時，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)速閥后進入油缸的無桿腔，推動滑臺左移；同時，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)學模型是尤其重要的[1][2]。從理論分析和試驗研究中得知：該系統(tǒng)的過程時間是遠大于調(diào)速閥的過程時間的，油缸無桿腔有效承壓面積很大，調(diào)速閥出口流量的瞬時超調(diào)反映為滑臺運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算機上有效地進行，本 對原模型[2]做進一步簡化，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—滑臺承受負載，滑臺前沖現(xiàn)象是作用在滑臺上的負載突然消失（如鉆透工作情況)引起的。在此過程中，滑臺的負載 F、運動速度 V、油缸兩腔壓力 P3 和 P4 的變化可從圖 4 仿真結(jié)果看出。當滑臺在負載的作用下勻速運動時，油缸無桿腔油液壓力較高．油液中聚集了大量的能量。當負載突然消失時，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.滑臺的運動平穩(wěn)性當作用于滑臺上的負載周期變化時（如銑削加工情況） ，滑臺的運動速度要產(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動平穩(wěn)性的進一步改善。因此，改善滑臺動態(tài)特性可從兩個途徑進行：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)的仿真計算以及結(jié)果的比較可以得出：當把油缸有桿腔與排油管間容積 V4 同無桿腔與進油管間容積 V3 之比由原來的 5.5 改為 1 時，如圖 6b 所示，同時，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，可使滑臺的前沖量減小 30%,過渡過程時間明顯縮短，滑臺的運動平穩(wěn)性得到很大改善。通過理論分析和計算機仿真研究,自調(diào)背壓調(diào)速系統(tǒng)作為組合機床滑臺的驅(qū)動系統(tǒng)是很有推廣使用價值的。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。若對其進行合理設(shè)計，可使滑臺的動態(tài)特性得到顯著地改善。同時，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 機，這表明人類創(chuàng)造了可增強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)造的那些只是增強體力勞動的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進3入信息社會奠定了基礎(chǔ)。6 年后即在 1952 年，計算機技術(shù)應(yīng)用到了機床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機床。從此，傳統(tǒng)機床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個世紀以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。早期計算機的運算速度低，對當時的科學計算和數(shù)據(jù)處理影響還不大，但不能適應(yīng)機床實時控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路"搭"成一臺機床專用計 機作為數(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 機業(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，從此進入了計 機數(shù)控 （CNC）階段 （把計 機前面應(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 機的兩個最核心的部件--運器和控制器，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)。這是因為小型計 機功能太強，控制一臺機床能力有富裕（故當時曾用于控制多臺機床，稱之為群控） ，不如采用微處理器經(jīng)濟合理。而且當時的小型機可靠性也不理想。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 機的核心部件，故仍稱為計 機數(shù)控。到了 1990 年，PC 機的性能已發(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)從此進入了基于 PC 的階段?？傊嬎銠C數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。即 1970 年的第四代--小型計算機；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，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 機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔數(shù)控的任務(wù)。PC 機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠程通訊，遠程診斷和維修將更加普遍。隨著人工智能在計 機領(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)，達到改進系統(tǒng) 2 運行狀態(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，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載，而自動調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最 的運行。從微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力?？梢约庸こ鰝鹘y(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應(yīng)該運動的運動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面?？梢詫崿F(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高 3～7 倍。4由于計 機有記憶和存儲能力，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，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序，就可實現(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"?？蓪崿F(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機床間的頻繁搬運。擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無 看管加工。如：降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力 （一個人可以看管多臺機床） ，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 機集成制造系統(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)達國家的軍、民機械工業(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、民機械工業(yè)）進行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機床、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、民機械工業(yè)進行深入改造（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。在美國、日本和德國等國家，機床改造作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。由于機床以及技術(shù)的不斷進步，機床改造是個"永恒"的課題。在美國、日本、德國，用數(shù)控技術(shù)改造機床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，已形成了機床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè)。在美國，機床改造業(yè)稱為機床再生 （Remanufacturing）業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有：Bertsche 工程公司、ayton 機床公司、Devlieg-Bullavd （得寶）服務(wù)集團、US 設(shè)備公司等。 。在日本，機床改造業(yè)稱為機床改裝 （Retrofitting）業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程集團、崗三機械公司、千代田工機公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。機床與生產(chǎn)線的數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點：其一是恢復(fù)原功能，對機床、生產(chǎn)線存在的故障部分進行診斷并恢復(fù)；其二是 NC 化，在普通機床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成 NC 機床、CNC 機床；其三是翻新，為提高精度、效率和自動化程度，對機械、電氣部分進行翻新，對機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，或為了使用新工藝、新技術(shù)，在原有基礎(chǔ)上進行較大規(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。同購置新機床相比，一般可以節(jié)省 60％～80％的費用，改造費用低。特別是大型、特殊機床尤其明顯。一般大型機床改造，只花新機床購置費用的 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工、費錢，往往改造成本提高 2～3 倍，與購置新機床相比，只能節(jié)省投資 50％左右。所利用的床身、立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅固的鑄造構(gòu)件，而不是那種焊接構(gòu)件，改造后的機床性能高、質(zhì)量好，可以作為新設(shè)備繼續(xù)使用多年。但是受到原來機械結(jié)構(gòu)的限制，不宜做突破性的改造。5