精密数控车若干关键技术的研究

精密数控车若干关键技术的研究

王小东

山东省城市服务技师学院山东烟台264670

摘要：随着科学技术的快速发展，高档数控机床正朝着高速度、高精度、高效率与复合化方向发展，精密数控车床和车削中心已成为现代数控机床发展的主要方向之一。研究开发一台精密数控车床需要多种方案的反复比较和试验，也需要大量的技术投资和较长的开发周期。如何利用现有技术快速有效地提高其动态特性和加工性能，己成为精密数控车床国产化堕待解决的问题。

关键词：精密数控车；关键技术；隔振研究

1章精密数控车动态特性与减隔振研究

精密数控车需要有良好的动态特性和加工精度，以满足现代机械加工工艺的要求，减少和避免振动的发生，并保证机床在额定功率范围内使用不发生振动，是机床产品的一项重要内容。

首先对精密数控车整机进行动态特性仿真分析，依据分析结果做了整机测试和切削振动试验；同时提出在结构上通过动静压电主轴、静压导轨、空气弹簧隔振器和树脂混凝土床身等措施对精密数控车进行被动减隔振，实现了对精密数控车振动的控制，减小振动对机床动态性能的影响，提高了加工精度。

1.1精密数控车整机动态特性研究

1.1.1整机动态特性有限元分析

复杂精密零件的加工对机床装备的性能不断提出新的挑战。为了保证零件加工精度，必须在设计阶段对机床整机的动态特性进行精确预测和评估。通过模态分析，能够获得数控车床各部分的固有频率和振型，从而为其设计和减振提供可靠的数据支持，因此具有非常重要的研究意义。

1.1.2整机有限元建模

ANSYS一般有两种方法用于建立结构的有限元模型：直接使用软件自带的建模模块采用自底向上或者自顶向下的方法建模；或通过数据接口，把专业CAD软件生成的三维实体模型导入到ANSYS中。因为ANSYS软件建模功能较弱，特别是在建复杂结构模型时操作十分繁琐，所以对于机床这类复杂结构采用第二种方法建模。本文中采用Solidworks软件建立精密数控车床整机的三维实体模型。

1.1.3有限元模型导入

目前，将专业CAD软件生成的三维实体模型直接转换为CAE模型仍存在很多问题，许多复杂模型在传递过程中会产生数据丢失或CAE模型无法生成的问题，因此在转换前对CAD模型进行适当简化和修改，其基本原则如下：

①保证CAD建模时的精确性，以真实反映结构的动静态特性；

②忽略或去掉CAD模型的所有小特征，包括倒角、倒圆、小孔以及凸台等；

③对CAD模型中的小锥度、小曲率曲面进行直线化和平面化处理；

④不考虑对整机动态特性影响小的零部件结构，如螺钉、垫片等。

以上简化和修改主要是为了避免小特征和小结构件在进行网格划分时，产生大量的有限元单元，占用大量计算机的计算时间，并且小特征的存在会造成网格质量下降，影响结构的分析精度。

根据上述原则通过Solidworks软件建立机床的简化三维模型，整机模型主要包括床身、主轴箱和刀架等，然后导入ANSYSWorkbench中。将主轴的径向定义为X轴，轴向定义为Z轴，根据右手定则Y轴为垂直水平面方向。

1.1.4边界条件设置和模型加载

结合面的处理：在机床中各零部件之间是通过不同种类的联接而成的，联接处的结合条件对结构性能特别是动态性能有很大影响。资料显示，一台机床90%以上的阻尼和55%的动柔度来自结合部软件提供了5种接触类型，即Bonded，NoSeparation，Frictionless，Rough和Frictional。在Solidworks中直接打开Workbench软件的同时，其所建立的CAD模型会自动进入ANSYSWorkbenchDesign模块中，系统自动识别机床各零部件之间的结合面并自动将其设为Bonded类型，类似于经典ANSYS软件中的粘接处理。通过修改，本文将主轴与主轴箱轴承孔之间的联接、刀架与床身的联接全部设为Frictionless。其余部分接受Workbench软件的默认设置，将各结合面粘结在一起。

网格划分：ANSYSWorkbench软件提供了Automatic（自动划分网格法）、Tetrahedrons（四面体划分网格法）、HexDominant，Swept（扫掠法）和CFX-mesh等网格划分方式。此处选择Automatic法，系统根据分析的类型及零部件的结构特点自动选择网格划分类型并自动调节网格划分的疏密程度，以便于模态分析得到较为精确的结果。施加载荷：根据该机床的实际工况，即机床平放在地面，且下底面通过空气弹簧隔振垫支撑，隔振垫通过地脚螺栓与地面固定，因此需要对地脚螺栓孔面间施加fixedsupport（固定约束）。由于模态分析时不需要对模型进行加载，因此没有施加任何外载荷。

1.2精密数控车动态特性与减隔振研究

该振动系统具有多个振型，且每个振型都有自己的特性，如固有频率、动柔度和阻尼等。颤振总是发生在系统的某一阶固有频率上或者附近，所以要找出颤振发生在加工系统的哪一个环节是十分重要的，可通过修改结构来改变固有频率，进而抑制颤振的发生。

对于车削过程，产生颤振有两个必要条件：①系统受到扰动而产生交变切削力；②该交变切削力提供振动系统维持颤振所需的能量。从交变切削力激振的角度来看，机床系统有很多环节可能共振，从而引起刀具和工件的自激振动。但是考虑到能量补给和质量效应，只有刀具和工件最具备颤振条件。颤振的能量主要来源于交变切削力，而且刀具和工件受交变切削力的直接作用，得到的能量补给最大，在机床切削系统中刀具或者工件一般是加工系统中质量最小的，因此颤振一般是由工件系统或刀具系统之一，或者两者共同作用引起的。

本试验中，工件直径为SOmm，伸出端长100mm，可近似认为工件是刚性的，初步判断颤振是由刀具系统引起的。为确认颤振频率与刀具系统固有频率是否接近，对刀具系统进行了有限元模态分析和锤击试验。

1.3精密数控车减隔振结构

高档数控机床之所以具有良好的动态特性和加工性能，除了零部件加工装配精度较高以外，还必须减小和隔离来自机床本身和外界环境的振动。对于减隔振，目前常用的解决方法有：①减少激振力，精确平衡回转零部件，提高装配精度；②提高工艺系统的刚度及阻尼，增强抵抗振动的能力，减小振动；③调节系统固有频率，尽可能使旋转工件的频率远离机床元件的固有频率，避免共振的产生；④采用减振器或隔振器，减小或隔离振源的振动。

1.3.1液体动静压电主轴

高精度主轴是机床的核心，主轴系统振动是影响精密加工表面形貌的一个极为重要的因素[tm，它的结构决定了从系统传给主轴的振动方式和大小，也决定了从主轴传给系统的振动大小。为了提高系统抵抗振动的能力，在主轴系统设计过程重点研究了后置式电主轴和液体动静压轴承。

1.3.2后置式电主轴

在精密数控车中，普遍采用电主轴单元，取消了中间传动环节（皮带、齿轮和传动轴等），将电机轴与主轴合二为一，把传动链的长度缩短为零，简化了机床的传动与结构，减轻了主轴系统的重量和惯性。由于电机是主运动唯一的动力源，它在将运动传给主轴的同时，也将振动传给了主轴，影响加工精度。因为电机自身的振动是无法消除的，只能从提高主轴刚度和改善主轴系统结构等方面减小振动。

电主轴分电机中置式电主轴和电机后置式电主轴两种，结构形式差异较大。电机中置式电主轴主要应用在铿铣类加工中心，电机和主轴一体，结构紧凑，节省空间，但是主轴的尺寸较小，刚度较低，电机的振动直接传给主轴；而电机后置式电主轴主要用于数控车床，电机置于主轴之后与主轴之间通过高速联轴节联接，主轴的尺寸可以增大，不受电机限制，从而使刚度增大。

2数控车加工技术在未来的应用趋势

2.1性能的发展趋势

机械制造业的关键指标是精度、速度以及效率，数控技术已经采用的较为先进的芯片以及控制系统，因此加工的精度和效度都得到了大大的提高。控制系统性能在未来的柔性化、复合性以及智能化成为趋势，柔性化主要包含控制系统自身的柔性，以及群控系统的柔性。由于数控系统采用的模块化的设计，因此其覆盖的功能面更广，可以满足不同人群的需要。在复合加工中的未来发展趋势是尽可能的减少工艺，减少工序，朝着多功能的方向发展。

2.2功能的发展趋势

数控系统和使用者之间的对话接口是用户界面，未来，用户界面会实现图形化。不同的用户对界面的要求也是不一样的，因此对于界面的开发工作难度也一直在加大，因此用户界面的开发成为了当前计算机软件研发的最为困难的一环，未来的数控技术的功能的发展趋势首当其冲就是用户界面的图形化。其次是计算机可视化，计算机视觉技术可以运用图像处理操作，进行分析，将图像分解为便于进行管理的小块任务。尤其是在工厂操作中，环境受限，计算机技术就可以加以应用，对设备的个体零件等进行识别，控制起来相对简单。

2.3体系结构的发展趋势

未来数控技术在模具制造中还会进一步产生集成化、模块化和网络化的趋势，采用高度的集成化芯片以及可以进行编程的集成电路，可以提高数控系统的运行速度。在未来，硬件的模块化也是一大趋势，硬件的模块化是实现数控系统标准的发展趋势，基于模块，利用数控技术制成不同系列的产品。最后的趋势就是数控的网络化趋势，联网可以进行对操作过程的远程控制，实现无人化的操作。进行网络化，可以在任何一台的机床上对其他的机床进行程序的编制、操作等。

结束语

数控技术的发展与利用成度在一定程度上反应一个国家综合国力、一个企业综合竞争能力，但是数控工艺编制能力反应企业技术能力、人才储备以及关键零部件以及高精尖承接能力。但是工艺编制技术因应于设计要求的变化而变化，这种变化要通过反复练习方能提高。

参考文献

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[2]裴炳文.数控加工工艺与编程[M].北京：机械工业出版社，2011.

[3]田春霞.数控加工工艺[M].北京：机械工业出版社，2011.

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