重心驅動原理在高速臥式鏜銑加工中心關鍵部件結構設計中的應用*

黃曉嚴，李 壯

(大連華根機械有限公司，遼寧 大連 116620)

0 引言

高速進給驅動技術是保證高速加工中心高速工作的關鍵技術。傳統(tǒng)的加工中心大都是利用單個絲杠驅動實現(xiàn)其各個方向的運動，而絲杠與絲杠驅動部件的重心很難重合，因此驅動部件容易受到扭矩，產(chǎn)生振動，從而影響加工中心速度的提高。在高速臥式加工中心的結構設計中采用新型的數(shù)控起床進給驅動方式——重心驅動技術，能夠有效地提高其運動速度和運動精度。

1 重心驅動的原理

在對運動物體施加作用力時，如果力的作用線不通過物體重心，那么物體就會受到附加的偏心載荷，這會使物體的運動受到擾動，從而產(chǎn)生振動［2］。研究表明，運動物體的振動大小與驅動點與重心的距離成正比［3］。重心驅動就是利用這個原理，盡可能地使驅動力直接通過被驅動物體的重心，從而避免偏載，也就避免了產(chǎn)生振動。在高速臥式加工中心結構設計中采用重心驅動技術，就是要把運動部件的重心置于兩個驅動點中間，產(chǎn)生與實際的驅動力通過重心完全相同的效果，極好地抑制了各軸進行驅動時產(chǎn)生的振動，實現(xiàn)了機床的穩(wěn)定驅動。

2 高速臥式加工中心

高速臥式加工中心由床身、立柱、滑架、主軸箱、工作臺等關鍵部件組成，屬于鏜銑類加工中心，其模型如圖1所示。立柱固定在床身上，并安裝兩根導軌分別與滑架上的滑塊配合。滑架上安裝的兩條導軌分別與主軸箱上的滑塊配合。工作臺上安裝的滑塊與床身上的導軌配合。主軸箱沿著滑架上下運動，實現(xiàn)加工中心Y方向的移動，滑架沿著立柱左右運動，實現(xiàn)加工中心X方向的運動。主軸箱和滑架均布置在立柱一側，組成框架式結構，即“箱中箱”式結構。工作臺由直線電機驅動沿著床身上的導軌前后運動，實現(xiàn)加工中心Z方向的運動。

圖1 高速加工中心模型

3 應用重心驅動技術的結構設計

3.1 工作臺結構設計

按照重心驅動的原理，為了使工作臺在Z方向(工作臺前后移動方向)能達到較高的運動速度，采用直線電機加兩對稱放置直線導軌的結構布局。工作臺受到的驅動力作用于工作臺的理論重心，這樣可以有效地減少工作臺前后移動的振動。工作臺的驅動結構如圖2所示。

3.2 主軸箱結構設計

主軸箱采用對稱設計，兩根絲杠放置于主軸箱重心的兩側。當兩個電機驅動絲杠時，驅動力接近主軸箱重心，這樣可以有效地減少主軸箱上下移動的振動。主軸箱的驅動結構如圖3所示。

3.3 滑架結構設計

滑架體本身采用中空四邊形、矩形加橫筋四周環(huán)繞壁構成，用鑄鐵鑄成。這樣的滑架，結構上使其在裝配有主軸箱的時候，左右和上下移動均為重心驅動，而且本身能吸收振動，提高抗彎，抗扭能力?；芙Y構的驅動結構如圖4所示。

圖4 滑架結構示意圖

立柱和滑架上的導軌為垂直布置，滑架、立柱和主軸箱所形成的“箱中箱”的結構能夠確保切削力同時作用在兩組導軌之間，并有效的避免加工過程中所產(chǎn)生的顛覆力矩，同時可以提高加工中心各個方向的剛度。

3.4 立柱結構設計

由于立柱中心有主軸和各種油管、氣管和電纜，所以立柱為矩形四邊環(huán)狀形狀，其也采用左右對稱，上下根據(jù)主軸的運動行程和受力情況考慮其高矮。厚度根據(jù)主軸承受最大軸向力確定其厚度。

4 整機動靜態(tài)特性有限元分析

利用有限元軟件對應用重心驅動技術的高速臥式鏜銑加工中心整機進行動靜態(tài)特性有限元分析，可以檢驗重心驅動技術是否可以使加工中心具有良好的動靜態(tài)特性［3］。

4.1 分析前處理

將加工中心的三維模型導入到Ansys Workbench環(huán)境中，采用自動網(wǎng)格劃分功能對整機模型進行網(wǎng)格劃分，劃分好網(wǎng)格的整機模型有360527單元、667712個節(jié)點［4］。在整機模型中，各部件的結合部位可以簡化為一系列等效彈簧和一系列等效阻尼器構成的動力學模型?？衫糜邢拊Ｐ椭械慕佑|面來模擬等效彈簧剛度和等效阻尼系數(shù)，利用結合類型的Friction和Stiffness建立滑塊結合部位彈性約束，通過改變模擬導軌、滑塊接觸面積和高度尺寸來改變接觸剛度和阻尼系數(shù)。

4.2 靜態(tài)特性分析

靜態(tài)特性分析是用來計算加工中心在固定載荷下的效應，即穩(wěn)態(tài)載荷引起的系統(tǒng)或部件的應力和應變等，所以靜態(tài)特性分析為優(yōu)化機床結構、改善機床性能、保證機床的加工精度提供了非常重要的參考［5］。在加工中心刀具位置施加正常工況下的切削力，在床身底面施加固定約束，對加工中心進行靜態(tài)特性分析。其變形結果圖5所示，應力結果如圖6所示。

圖5 加工中心變形圖

從圖5可以看出加工中心變形分布比較均勻，床身變形最小，工作臺次之，立柱變形從下往上慢慢增加，滑架、主軸箱和工作臺的變形均為上下左右對稱，由此可知，重心驅動技術，確實可以使加工中心受力均勻。最大位移出現(xiàn)在刀具位置，為0.066mm，這是由于對刀具沒有進行精確建模，應力集中導致。而其余床身部件累計變形小于0.03mm左右。

從圖6可以看出，加工中心應力分布比較均勻，加工中心最大應力為16.36MPa，遠遠小于灰鑄鐵的極限應力250Mpa。

圖6 加工中心應力圖

綜合圖5和6，立柱、主軸箱、滑架和工作臺的應變和應力都呈對稱分布，且數(shù)值均較小，可以看出采用重心驅動的高速臥式鏜銑加工中心具有良好的靜態(tài)特性。

4.3 動態(tài)特性分析

利用有限元軟件對加工中心進行模態(tài)分析，計算其固有振動特性，確定其固有頻率和振型，為研究加工中心工作過程中產(chǎn)生的振動現(xiàn)象提供依據(jù)［6-7］。由于加工中心低階固有頻率才有可能切削力頻率接近或重合產(chǎn)生共振，所以只分析滑枕前四階模態(tài)。前四階固有頻率如表1所示，振型如圖7所示。前處理與靜態(tài)特性分析相同，且不施加載荷，如下所示為加工中心的4階固有頻率與振型圖。

表1 整機4階固有頻率

如圖7所示，加工中心的一階模態(tài)為立柱沿Z方向前后擺動，二階模態(tài)模態(tài)為立柱沿X方向左右擺動，三階為立柱繞Y方向扭動，四階模態(tài)為滑架、主軸箱尾部沿Y方向上下振動。

主軸箱、滑架的振動都比較平穩(wěn)且幅值很小，立柱的振動稍大，由此可以看出加工中心動剛度較好，但立柱為其薄弱環(huán)節(jié)。由于主軸箱安裝在滑架上，滑架安裝在立柱上，因此立柱的振動將傳遞到主軸箱上，引起刀具的振動，降低加工精度，所以提高立柱的動剛度，可大幅度提高整個加工中心的動剛度。

應用重心驅動的該高速臥式鏜銑加工中心實際的進給速度為:X=75m/min、Y=75m/min、Z=100m/min，加速度1.2g。雖然沒有達到國外的水平，但相對國內(nèi)的水平已經(jīng)有了很大的提高。因此，重心驅動技術作為一種新型的數(shù)控機床進給驅動方式，可以有效地減少加工中心的振動，提高其動靜態(tài)特性。

圖7 整機前四階振型圖

5 結束語

(1)介紹了重心驅動的原理，并應用重心驅動原理設計了高速臥式鏜銑加工中心的關鍵部件，利用有限元軟件分析了整機的動靜態(tài)特性分析，整機具有較好的動靜特性。

(2)重心驅動技術作為一種新型的數(shù)控機床進給驅動方式，可以有效地減少加工中心的振動，提高其動靜態(tài)特性。

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