一種電主軸四軸聯(lián)動鉆床的研制方法

楊 帆

（衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 衢州 324000）

隨著數(shù)控技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展，越來越多的機械制造設(shè)備在不斷地向高速、高效、高精度、自動化領(lǐng)域發(fā)展。高速機床是實現(xiàn)高速加工的裝備基礎(chǔ)，高速大功率的內(nèi)裝電動機主軸單元（以下簡稱電主軸）作為高速機床的核心功能部件，是完成高速加工的關(guān)鍵件，其性能指標直接決定機床的發(fā)展水平。電主軸結(jié)構(gòu)的主要特征是將電機置于機床主軸內(nèi)部，直接驅(qū)動主軸，實現(xiàn)電機-主軸一體化的功能。由于電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊以及高轉(zhuǎn)速、高精度、高效率等優(yōu)點，滿足了高效加工的要求。

1 研究現(xiàn)狀[1～2 ]

與國外相比，我國電主軸的研制和應(yīng)用水平處于相對落后狀態(tài)，同世界先進水平還有相當(dāng)?shù)牟罹?，迫切需要迎頭趕上。高速電主軸單元技術(shù)是制約我國高速加工技術(shù)發(fā)展的瓶頸。為了趕上高速加工技術(shù)發(fā)展的潮流，我國正在不斷加大對高速加工關(guān)鍵功能部件—高速電主軸單元的研究力度，并在“十一五”科技攻關(guān)計劃中提出了“高速電主軸單元的研制”項目。

基于電主軸聯(lián)動技術(shù)的數(shù)控鉆床研制正是我國進入高速列車時代的標志，而高速列車制動摩擦片的專用數(shù)控鉆削設(shè)備目前國內(nèi)尚未研制出爐。通過四個電主軸一體化，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，從而達到高速、高精度以及高效率，降低系統(tǒng)傳動誤差的目的。

該系統(tǒng)主要由液壓自動定位夾緊系統(tǒng)、電主軸聯(lián)動鉆床系統(tǒng)、真空自動屑塵吸附系統(tǒng)、PLC中央控制系統(tǒng)等組成。目前，國內(nèi)關(guān)于上述技術(shù)均有一定的研究與實踐成果，通過充分吸取該領(lǐng)域的相關(guān)理論優(yōu)秀成果，運用系統(tǒng)控制學(xué)理論與模糊控制理論研究專用電主軸聯(lián)動鉆床自動控制系統(tǒng)，并深入挖掘該設(shè)備的工藝優(yōu)化參數(shù)，為進一步研究工作得以順利開展提供基礎(chǔ)理論與應(yīng)用理論的技術(shù)支撐。通過對其關(guān)鍵技術(shù)的深入研究，開發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的高速電主軸單元是滿足數(shù)控機床向高速化和主軸單元化方向發(fā)展的需要，進而為推進我國高速機床行業(yè)整體技術(shù)進步打下堅實基礎(chǔ)。

2 電主軸聯(lián)動鉆床系統(tǒng)具體研究方法[3]

針對高速列車制動裝置的核心零件制動片加工過程中的關(guān)鍵工藝技術(shù)——四孔聯(lián)鉆技術(shù)，具體研究是四孔聯(lián)鉆的電主軸聯(lián)動鉆床系統(tǒng)、自動夾緊定位系統(tǒng)以及自動真空吸塵系統(tǒng)，實現(xiàn)高速列車對制動片特殊的性能要求及高精度要求。

（1）電主軸聯(lián)動系統(tǒng)

由于高速列車制動片上具有四個非對稱中心，加工設(shè)備電主軸聯(lián)動鉆床上四個電主軸也必然不對稱。因此，電主軸聯(lián)動鉆床的動態(tài)特性必然是研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。同時，電主軸聯(lián)動鉆床是由四個電主軸做成一體結(jié)構(gòu)，并行通信控制方法與振動模態(tài)特性分析方法也是研究的關(guān)鍵技術(shù)。

運用機械模糊優(yōu)化設(shè)計理論、傳遞矩陣法、機械動力學(xué)原理、MATLAB優(yōu)化工具箱優(yōu)化電主軸聯(lián)動鉆床的尺寸結(jié)構(gòu)和性能，在大功率高速電主軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、動靜態(tài)特性分析和熱態(tài)分析系統(tǒng)研究與開發(fā)方面都取得了顯著的成就，這些研究能很好地運用相關(guān)軟件對高速加工的計算建模和模態(tài)分析，實現(xiàn)高速軸承、高速電機技術(shù)以及潤滑、冷卻技術(shù)等方面深入發(fā)展。對電主軸在線動平衡技術(shù)深入優(yōu)化設(shè)計研究，并帶動機床的動態(tài)測試診斷、高速控制系統(tǒng)等相關(guān)的技術(shù)共同進步。實現(xiàn)虛擬設(shè)計制造和控制，對高速電主軸聯(lián)動技術(shù)較為深入系統(tǒng)地研究，并進行試制和應(yīng)用，以期擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。

（2）自動夾緊定位系統(tǒng)

高速列車制動片在電主軸聯(lián)動加工過程中，為提高加工精度采用分步式加工方法，即切削量和進給速度分段式，這也導(dǎo)致工件在加工過程中受力也是分段的。因此，為提高加工效率和節(jié)能降耗，根據(jù)加工切削力大小自動地調(diào)整液壓夾緊系統(tǒng)，成為著手研究的重要問題。該系統(tǒng)主要有液壓站、中心定位系統(tǒng)、自動夾緊及變頻控制系統(tǒng)等部分組成。

（3）自動真空吸塵系統(tǒng)

在機械加工過程中，粉塵一直是困擾加工精度和刀具磨損的重要因素。針對此情況，采用自動真空吸塵系統(tǒng)，系統(tǒng)主要有葉片式吸力泵、環(huán)形吸塵管道系統(tǒng)、變頻動力系統(tǒng)等組成。該系統(tǒng)實時地監(jiān)測和調(diào)整吸塵動力，從而達到提高加工精度和節(jié)能降耗的目的。

3 解決的關(guān)鍵問題

高速列車制動片的電主軸聯(lián)動鉆床在開發(fā)過程中要著重解決好兩個問題：一是電主軸聯(lián)動特性；二是電主軸聯(lián)動鉆床自動控制問題。

（1）電主軸聯(lián)動特性

該設(shè)備采用四個電主軸做成一體機的方式，“一次性”完成加工過程，滿足了提高生產(chǎn)效率與設(shè)備小型化要求。但是，由于高速列車制動片安裝四孔并非中心對稱，該設(shè)備運行時的動平衡問題、機電磁多重耦合問題、模態(tài)共振問題以及電主軸并行通信問題也就成為民重點研究的核心問題。運用機械模糊優(yōu)化設(shè)計理論與自動控制系統(tǒng)，運用相關(guān)軟件對高速加工的計算建模和模態(tài)分析，對電主軸聯(lián)動技術(shù)深入優(yōu)化設(shè)計研究，帶動了機床的動態(tài)測試診斷、高速控制系統(tǒng)等相關(guān)的技術(shù)的共同進步。

（2）自動控制系統(tǒng)

根據(jù)高速列車制動片加工過程中影響因素：環(huán)境溫度、切削潤滑、切削受力不均、電主軸聯(lián)動鉆床振動、粉塵等對因素之間的內(nèi)在聯(lián)系，可以通過自動控制系統(tǒng)進行實時有效地監(jiān)測和制定相應(yīng)地控制策略，通過PLC中央控制單元，實現(xiàn)對該設(shè)備的集成控制，以達到高精度、高效率，低消耗的目的。

4 電主軸聯(lián)動鉆床系統(tǒng)研究路線

本文研究的最終目標是高速列車制動裝置的專用電主軸聯(lián)動鉆床的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其優(yōu)化，探索基于電主軸聯(lián)動鉆削加工工藝的控制方法。因此，可以采用理論建模分析與試驗數(shù)據(jù)驗證的方法，通過電主軸聯(lián)動鉆床聯(lián)鉆動態(tài)控制模擬，最終獲得工藝優(yōu)化參數(shù)，為企業(yè)產(chǎn)品的研制提供技術(shù)支撐，總體研究技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 聯(lián)動鉆削技術(shù)路線

（1）電主軸聯(lián)動建模與分析

根據(jù)電主軸聯(lián)動鉆床加工過程中聯(lián)動特性、機電耦合特性、切削參數(shù)、鉆削工藝因素等影響因子建立動力學(xué)模型，并運用ANSYS軟件進行動力學(xué)分析，根據(jù)各個因素在加工過程中的不同作用，綜合分析出合理的工藝參數(shù)；通過計算機模擬試驗，進行數(shù)據(jù)修正，最終獲得聯(lián)動機構(gòu)優(yōu)化結(jié)構(gòu)和合理的工藝參數(shù)，如圖2所示。

圖2 電主軸聯(lián)動模型技術(shù)路線

（2）工件自動夾緊系統(tǒng)

高速列車制動片在電主軸聯(lián)動加工過程中，其加工材料表層硬度高于內(nèi)部硬度，刀具切入過程中負載力較大，完全切入以后負載力相對較小，刀具完全切出時負載力急劇下降。負載力的上述變化引起機床振動和沖擊，并直接影響工件的加工尺寸精度與位置精度，因此通過分段式的切削量和進給速度來提高加工精度。同時，為提高加工效率和節(jié)能降耗，根據(jù)加工切削力大小自動地調(diào)整液壓夾緊系統(tǒng)，成為著手研究的重要問題。該系統(tǒng)主要有加工參數(shù)、中央控制單元、自動夾具及變頻器等部分組成，如圖3所示。

圖3 自動夾緊技術(shù)路線

（3）電主軸聯(lián)動鉆床控制方法

電主軸聯(lián)動鉆床主要由工作臺、電主軸聯(lián)動鉆床聯(lián)動系統(tǒng)、液壓站、工裝夾緊定位系統(tǒng)、真空粉塵吸附系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電氣自動控制系統(tǒng)等組成。電主軸聯(lián)動鉆床聯(lián)動系統(tǒng)為制動片工件鉆削過程提供動力源；液壓站為該工件夾緊和定位提供液壓油和動力源，同時為機床提供冷卻潤滑系統(tǒng)；真空粉塵吸附系統(tǒng)根據(jù)加工工件過程中的粉塵量多少自動地調(diào)控吸附力。每一組成部分都通過中央控制單元PLC發(fā)出指令，實現(xiàn)各子系統(tǒng)功能，如圖4所示。

圖4 電主軸控制子系統(tǒng)

高速列車制動裝置的電主軸聯(lián)動鉆床能否獲得優(yōu)良的鉆削工藝參數(shù)和制動片加工精度，不僅取決于聯(lián)動鉆削設(shè)備的合理結(jié)構(gòu)設(shè)計，而且取決于該設(shè)備工藝參數(shù)的優(yōu)化和正確選用。作為該設(shè)備的控制大腦——PLC控制系統(tǒng)，在加工過程中發(fā)揮著重要作用。通過優(yōu)化和分析處理系統(tǒng)，控制該設(shè)備各個執(zhí)行元件，從而達到高速列車制動裝置對機床的高速、高效、高精度以及穩(wěn)定性等多目標的要求，因此，電氣自動控制系統(tǒng)是該設(shè)備的中樞神經(jīng)，電氣自動控制系統(tǒng)技術(shù)路線如圖5所示。

圖5 電氣自動控制系統(tǒng)技術(shù)路線

5 結(jié)束語

通過對國內(nèi)、外電主軸技術(shù)的現(xiàn)有研究資料進行對比分析和消化吸收，運用械模糊優(yōu)化設(shè)計理論、傳遞矩陣法、機械動力學(xué)原理等數(shù)學(xué)工具，在計算機數(shù)據(jù)分析軟件MATLAB、UG三維建模軟件、Adams動力學(xué)仿真軟件等協(xié)作下，仔細分析各個系統(tǒng)的相互關(guān)聯(lián)系與獨立性，分清主次要矛盾，對預(yù)研制的電主軸聯(lián)動鉆床系統(tǒng)化整為零。同時，對機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)分別建模仿真與設(shè)計優(yōu)化，形成電主軸聯(lián)動鉆床的虛擬樣機，直至樣機的生產(chǎn)、裝配以及調(diào)試。

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