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 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程的自動化和現(xiàn)代化，減少人力，縮短工時(shí)，做到與時(shí)俱進(jìn)，適應(yīng)社會的快速發(fā)展和進(jìn)步，將會給企業(yè)帶來很大的效益。 本設(shè)計(jì)是針對傳統(tǒng)手動尾座無法適應(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)自動化的全新尾座。首先查閱國內(nèi)外相關(guān)資料為設(shè)計(jì)的開始做準(zhǔn)備，接下來通過選擇驅(qū)動方案，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)尾座移動的伺服電機(jī)驅(qū)動部分，液壓缸控制的鎖緊部分等，實(shí)現(xiàn)快速自動進(jìn)給頂緊和自動液壓鎖緊。實(shí)現(xiàn)了機(jī)床尾座在機(jī)械加工過程中的自動化，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)一定會帶給企業(yè)高效益和降低工人的勞動強(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國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 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)歷了長時(shí)間的發(fā)展，到今天主要以數(shù)控機(jī)床為主[1]。我國政府高度重視數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，國務(wù)院提出了《國家中長期科學(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)的手動機(jī)床尾座對于數(shù)控機(jī)床的加工效率并不高，而且工人勞動強(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程的自動化高速化和現(xiàn)代化，做到與時(shí)俱進(jìn)，適應(yīng)社會的快速發(fā)展和進(jìn)步。當(dāng)在加工過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控制尾座的移動和鎖緊工作，從而減少尾座頂緊工件的勞動量，降低工人的勞動強(qiáng)度，可以提高加工過程的機(jī)械化和自動化水平，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，給企業(yè)帶來更高的效益。 1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 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，數(shù)控機(jī)床給機(jī)械制造業(yè)帶來了革命性的變化。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，減輕操作者勞動強(qiáng)度、改善勞動條件，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)國家的手里。在機(jī)床尾座的設(shè)計(jì)和研發(fā)方面，德國和日本等國也是走在前列，比如日本的馬扎克和FANUC，德國的通快集團(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夹g(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，但是德國日本等國家在數(shù)控技術(shù)方面發(fā)展的比我們早太多，所以我國相對于在數(shù)控技術(shù)方面發(fā)展較早較快的美國和德國日本等國家在自動化程度，定位精度，定位速度等方面仍然存在一定的差距。但是相信在我國技術(shù)人員的努力下，對于機(jī)床尾座的發(fā)展一定會趕上甚至超越其他國家。 2）發(fā)展趨勢[1] (1)高精度 當(dāng)代工業(yè)產(chǎn)品對精度的要求越來越高，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)的手動驅(qū)動尾座浪費(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)的手動驅(qū)動的尾座已不能滿足高自動化的數(shù)控機(jī)床，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床在加工過程中完全的自動化，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)備高自動化的發(fā)展，在企業(yè)的生產(chǎn)操作過程中，減少了“人 ”的介入，實(shí)現(xiàn)了尾座的快速移動及定位，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 對數(shù)控機(jī)床尾座的自動化的改造，除完善其各項(xiàng)加工性能外，對外觀、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)床尾座操作越來越簡單，顯示信息越來越清晰、豐富，使工人操作過程更簡單容易，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)，它主要增加自動驅(qū)動部分和液壓鎖緊部分還有套筒自動伸縮結(jié)構(gòu)部分，驅(qū)動部分通過伺服電機(jī)帶動滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)尾座的整體移動，鎖緊部分通過液壓鎖緊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)尾座運(yùn)動到工作位置后的自動鎖緊，免去了人手動鎖緊的過程。 因?yàn)閭鹘y(tǒng)手動尾座的箱體結(jié)構(gòu)很難滿足此次設(shè)計(jì)的要求，所以需要對尾座的箱體進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，其中就要考慮驅(qū)動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)尾座都是自動化的，所以在尾座運(yùn)動過程中要盡量減少阻力，所以還要設(shè)計(jì)整體的潤滑油孔。在液壓鎖緊部分沒有選擇傳統(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)動機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 2.1.1方案一：液壓驅(qū)動，利用液壓缸驅(qū)動尾座左右移動 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 優(yōu)點(diǎn)： 　　1)液壓驅(qū)動裝置同其它類型的驅(qū)動裝置相比，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、整體重量相對更輕一些，動作速度非?？欤梢愿咚賹?shí)現(xiàn)頻繁的啟動與換向動作。 　　2)能實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速,有很大的調(diào)速范圍。。 　　3)能實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，可以在液壓回路中安裝安全閥以便起到過載保護(hù)的作用。因?yàn)橐簤候?qū)動裝置能吸收掉運(yùn)動過程中的沖擊和振動，所以運(yùn)動過程很平穩(wěn)。 　　4)液壓驅(qū)動裝置能在各種方位實(shí)現(xiàn)傳動，這種裝置應(yīng)用起來比較方便和靈活，容易實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動。因?yàn)檎w的體積很小、傳遞的功率又很大，所以這種驅(qū)動方案可在比較小的空間里面實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動形式。這些特點(diǎn)使液壓驅(qū)動在組合機(jī)床中的使用和自動線中的使用十分普遍。 　　5)操作起來簡單，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械的自動化，特別是和電氣控制系統(tǒng)組合起來時(shí)上述優(yōu)點(diǎn)就會表現(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)不可避免會有油液漏損的現(xiàn)象、通油的管路在工作時(shí)也會有細(xì)微彈性變形的產(chǎn)生,因此液壓傳動不適合用于高傳動精度的傳動系統(tǒng)中。 　　2)液壓所用的零部件對精度要求較高，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)水平來支持液壓裝置的使用和維護(hù)。 　　3)在工作過程中，如果油液溫度和工作載荷變化比較大，就會影響系統(tǒng)運(yùn)動速度的穩(wěn)定性，因此也會有爬行現(xiàn)象的產(chǎn)生，這樣對機(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)的性能也會收到影響，如果有雜質(zhì)混入油液，在運(yùn)行過程中也會出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，更嚴(yán)重的甚至出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。 　　4)油液在管路中流動時(shí)會產(chǎn)生壓力損失，因?yàn)橛鸵阂朔Σ恋茸龉Α９苈吩介L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。 2.1.2方案二：電機(jī)帶動絲杠螺母驅(qū)動尾座左右移動 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）傳動效率高。 2）傳動精度高，傳動平穩(wěn)。摩擦阻力很小，而且摩擦阻力大小不受運(yùn)動速度影響，穩(wěn)定性很好。 3）反向運(yùn)動時(shí)不會出現(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，這樣一來運(yùn)動過程中軸向傳動的精度和軸向剛度便可得到極大的提高。 4）在運(yùn)動形式的轉(zhuǎn)換時(shí)有可逆性。滾珠絲杠傳動可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和直線運(yùn)動的雙向轉(zhuǎn)換，因?yàn)閭鲃舆^程中摩擦損失特別小。絲杠既可以是主動件也可以是從動件，螺母也一樣作為主動件和從動件都是可以的。 5）使用壽命比較長。滾珠絲杠有更長的壽命，因?yàn)闈L動摩擦的摩損小，不會出現(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)過精細(xì)的磨削成形過程，有極其復(fù)雜的工藝要求，給滾珠絲杠副的制造帶來了極大的難度。 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)鎖緊需要附加制動裝置。 2.1.3方案比較分析： 液壓驅(qū)動尾座一般用在全機(jī)能數(shù)控車床上，自動化程度相對較高，但是穩(wěn)定性相對較差，定位精度不高。 電機(jī)式驅(qū)動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，和各種驅(qū)動方案的特點(diǎn)，選擇電機(jī)驅(qū)動時(shí)更合適的選擇，最終設(shè)計(jì)驅(qū)動方案如圖3.2所示。 圖2.3 驅(qū)動傳動機(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度。一般配合的牙不超過八個(gè)，超出配合的牙都是多余的，沒有太大作用，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頻率特別高時(shí)，操作就會特別的麻煩，需要人工的縮進(jìn)和松開，很難實(shí)現(xiàn)自動化和高速化，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)自動縮進(jìn)控制，大多是都用在手動鎖緊方面。 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于其他的鎖緊方式有很大的優(yōu)勢，因?yàn)橐簤焊椎膭幼魉俣忍貏e快，而且整個(gè)液壓回路可以實(shí)現(xiàn)自動控制，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，這樣就會產(chǎn)生更大的鎖緊力，在工作過程中保證鎖緊工作的穩(wěn)定度，對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)尾座的自動控制，但傳統(tǒng)的手動尾座結(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)方面相對于傳統(tǒng)的手動尾座做了很多的改進(jìn)，要實(shí)現(xiàn)尾座整體的自動移動，要實(shí)現(xiàn)尾座整體的自動鎖緊，要實(shí)現(xiàn)尾座套筒的自動伸縮，就要設(shè)計(jì)與之相對應(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，要對機(jī)床主體的所需尺寸進(jìn)行測量，測量機(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，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,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 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)孔長度為L1=45mm，小孔直徑r=50mm,小孔長度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 芯軸小徑長度為:l2=50mm 液壓缸的芯軸上下移動的最大范圍是:△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，推動芯軸向上移動，芯軸與壓板用螺栓連接，芯軸的向上移動帶動壓板也向上移動，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，為了加速芯軸快速復(fù)位，我們加入了復(fù)位彈簧給芯軸一個(gè)向下的推力，使芯軸帶動壓板快速向下移動，尾座不再鎖緊可自由運(yùn)動。在蓋板上加入導(dǎo)向的芯軸，避免芯軸在上下運(yùn)動過程中發(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，選型可帶動尾座整體移動的電機(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型號的FANUC電機(jī)足夠滿足設(shè)計(jì)要求，可以帶動所設(shè)計(jì)的尾座移動。 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,傳動比為1。X向移動速度一般不超過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)的滑動摩擦系數(shù)最大為0.004,靜摩擦系數(shù)與滑動摩擦系數(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)床工作臺是滾動導(dǎo)軌，靜摩擦系數(shù)取0.01-0.02之,如果是滑動導(dǎo)軌，取0.1-0.2之間。 表4.3 載荷系數(shù)表 載荷性質(zhì) 無沖擊、平穩(wěn)載荷 輕微沖擊載荷 沖擊振動載荷 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 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，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。（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。 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)，見表4.1； rn—第n個(gè)螺栓軸線到螺栓組對稱中心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 工作過程：當(dāng)加工長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，滾珠絲杠副傳動，帶動尾座左右移動，尾座與機(jī)床各接觸面均有潤滑油溝，在運(yùn)動過程中可以保證運(yùn)行的順暢和平穩(wěn)，當(dāng)運(yùn)動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)加工過程結(jié)束，需要將尾座恢復(fù)到原位，將斷開液壓油的供給，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，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)動滾珠絲杠傳動，將尾座移動到車床尾部。 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，需擰緊螺釘11與調(diào)整塊10，使尾座上體向下動，若想將尾座向上挪動，需擰緊螺釘12，是尾座上體向上動；若尾座需要向右移動，需擰緊螺釘5與調(diào)整塊3，使尾座上體向右移動。 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)動下，通過滾珠絲杠傳動，進(jìn)行尾座移動的自動控制，在尾座運(yùn)動到工件所需要的頂緊位置時(shí)，電機(jī)停止驅(qū)動，然后利用液壓缸進(jìn)行尾座的自動鎖緊，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)動方案和鎖緊方案的優(yōu)缺點(diǎn)，然后選擇最佳的驅(qū)動方案和鎖緊方案。 （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，對伺服電機(jī)進(jìn)行選型，對滾珠絲杠進(jìn)行選型和校核，對重要螺栓進(jìn)行強(qiáng)度校核。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 汪淑珍,賈輝. 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r與應(yīng)對政策[J]. 重慶文理學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012, 1:94-97 [2] 焦炬. 淺析數(shù)控機(jī)床發(fā)展現(xiàn)狀[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2011,3:16-18 [3] 李進(jìn)冬,王國玉. 基于模塊化的車床尾座設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械工程師,2015,(05):185-186. 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Active Tailstock for Precise Alignment of Precision Forged Crankshafts during Grinding[J]. Procedia CIRP, 2013,12:121-126. - 52 - 附錄1：外文翻譯 在磨削過程中為了實(shí)現(xiàn)精密鍛造曲軸準(zhǔn)確對心的可動尾座 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)新的制造曲軸的過程鏈。通過無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)行精確的工件對齊。本文提出了一種新的包括光學(xué)測量系統(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）。對于定位誤差的檢測，用計(jì)算機(jī)集成光學(xué)測量系統(tǒng)測量曲軸的幾何元素。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）的程度將用來糾正偏心誤差。曲軸的傾斜誤差被一個(gè)新的可移動的尾座修正。這種尾座在磨削過程中產(chǎn)生反向的傾斜。壓電式線性驅(qū)動器為了此目的，尾座中心在兩自由度的動態(tài)驅(qū)動作為角度位置的函數(shù)被兩個(gè)新開發(fā)的壓電式線性驅(qū)動器實(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重復(fù)學(xué)習(xí)控制的來獲得高達(dá)10Hz,此外在磨削過程中進(jìn)行了主動對準(zhǔn)試驗(yàn)。 關(guān)鍵詞：機(jī)械；磨削；自適應(yīng)控制； 1簡介 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，需要對偏心和傾斜誤差進(jìn)行在位對準(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，并確保無阻磨削過程。生產(chǎn)工程和機(jī)床研究所（IFW）和測量與自動控制研究所（IMR）合作，研究磨床內(nèi)長部件的主動對準(zhǔn)。對尾座用光學(xué)測量裝置測量夾緊曲軸及其在磨削過程中的調(diào)整進(jìn)行了研究。 圖1精密對準(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光學(xué)內(nèi)聯(lián)測量系統(tǒng)來測量。根據(jù)測量的幾何數(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)新的主動尾架（參見圖1）通過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)來校正。 2測量系統(tǒng) 測量系統(tǒng)由陰影投影系統(tǒng)、錐形傳感器和三個(gè)線性軸（見圖1）組成。在磨削之前，它測量曲軸。在測量過程中，主動夾緊尾座的中心點(diǎn)處于其零位置。借助于線性軸，測量系統(tǒng)可以被定位。陰影投影系統(tǒng)測量曲軸的幾何形狀，并結(jié)合線性軸的位置信號檢測軸承的位置。錐度傳感器測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)測量系統(tǒng)在磨削過程中不接觸冷卻潤滑劑和切屑（見圖2）。 測量的幾何形狀被轉(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保證最終磨削，則通過使用質(zhì)量近似來計(jì)算關(guān)于殘余不平衡的理想加工軸線。這樣，磨削過程中的不平衡可以被最小化。 圖2測量系統(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尾架。有關(guān)測量系統(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，必須由主動尾架產(chǎn)生圓形運(yùn)動。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 主動尾架的動力學(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)動器，已經(jīng)開發(fā)了壓電-液壓混合定位。兩個(gè)液壓螺桿短行程致動器（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。通過執(zhí)行器的對立布置，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。 壓電致動器具有高度的動力學(xué)定位精度和剛度[7]。缺點(diǎn)是它們的執(zhí)行器長度約為0.2%的有限行程范圍[8]。為了提高定位精度和動力學(xué)性能，特別是在外力作用下，一個(gè)液壓定位軸由一個(gè)壓電致動器組合而成。 其目的是開發(fā)出的壓電-液壓混合定位可以滿足定位精度和動力學(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)。對于圓形定位，指定了每個(gè)軸的正弦動態(tài)參考值。通過測量質(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)簡單的pi -控制器組成。該積分器必須調(diào)整壓電驅(qū)動器的滯后。除了控制偏差外，還增加了壓電驅(qū)動器的撓度，并將其輸入到液壓控制的輸入中，使壓電致動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)測器和附加的集成元素。利用史密斯預(yù)測器，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。通過使用基于模型的液壓控制器，與簡單的pi -控制器相比，可以大大提高動態(tài)和超調(diào)。由于動態(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。 57/5000 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度和控制過程的延遲時(shí)間，可以在無干擾的定位過程中對速度前饋控制進(jìn)行優(yōu)化，從而使控制偏差最小化。低通濾波器是用來避免測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)誤被存儲和延遲，以便在接下來的循環(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量范圍為6毫米的渦流傳感器測量的。此外，壓電驅(qū)動器的撓度可以用應(yīng)變計(jì)來測量。為了驗(yàn)證不同控制器的定位精度，對圓形軌道進(jìn)行了分析。 圖6顯示了相對于壓電-液壓混合定