直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)主軸的靜態(tài)特性分析

邱巖

摘要：直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)主軸可以有效提升加工產(chǎn)品質(zhì)量水平，尤其對(duì)加工效率及精度有著重要意義。本文對(duì)自主開發(fā)直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)主軸的結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行分析，希望借此機(jī)會(huì)構(gòu)建直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)主軸的高效銑削模型。在材料力學(xué)以及機(jī)械設(shè)計(jì)的分析方法上，對(duì)直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)主軸的受力形式以及零件材料的不同，運(yùn)用相應(yīng)強(qiáng)度及剛度進(jìn)行相互校核及計(jì)算，以此做到有限元的正確對(duì)比及驗(yàn)算。

Abstract： Direct-drive CNC turntable spindle can effectively improve the quality of processed products， especially for processing efficiency and accuracy. This article analyzes the structure and principle of the self-developed direct-drive CNC turntable spindle， hoping to take this opportunity to build an efficient milling model of the direct-drive CNC turntable spindle. In the analysis methods of material mechanics and mechanical design， the force form of the direct-drive CNC turntable spindle and the difference of the parts materials are checked and calculated with the corresponding strength and stiffness to achieve the correct comparison of the finite element. And checking.

關(guān)鍵詞：直驅(qū)式數(shù)控;轉(zhuǎn)臺(tái)主軸;靜態(tài)特性;方法

Key words： direct-drive numerical control;turntable spindle;static characteristics;method

中圖分類號(hào)：TG519.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）18-0109-02

0? 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)制造業(yè)的要求也提出了更高的要求。高速銑削加工技術(shù)也在各制造行業(yè)，如汽車、模型、航天等各個(gè)制造行業(yè)里廣泛使用，尤其是在對(duì)一些容易變形的加工材料更是被廣泛使用。因需要在加工中心進(jìn)行高速銑削加做到工件銑削質(zhì)量的提升。所以，在直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)主軸工件質(zhì)量的功能性質(zhì)與其制造精度有著不分割的影響。這是數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)主軸中非常重要的因素之一，對(duì)于其設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度以及性能表現(xiàn)直接可以從其加工工件的表層就可以體現(xiàn)出來(lái)，繼而會(huì)對(duì)加工中心工件性能及質(zhì)量帶來(lái)不可忽視的影響。在數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)主軸的靜態(tài)特性設(shè)計(jì)方法的不斷改進(jìn)及制造過(guò)程中，直驅(qū)式技術(shù)也得到了更進(jìn)一步的發(fā)展，它完全解決了以往數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的形式操作，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)科技的改革，加強(qiáng)其數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)有效結(jié)合編碼器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)角的反饋功能進(jìn)行更合理控制，以此可以實(shí)現(xiàn)更高精度的轉(zhuǎn)速及扭矩的加工轉(zhuǎn)速。

1? 直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)主軸靜態(tài)特性的簡(jiǎn)介及其主軸結(jié)構(gòu)分析

在數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)方法的不斷優(yōu)化改進(jìn)中，直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)主軸靜態(tài)技術(shù)也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。但因以往數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)傳動(dòng)形式較為復(fù)雜，使之無(wú)法對(duì)加工技術(shù)精度做到真正的突破。直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)主軸運(yùn)行的過(guò)程中，編碼器的電機(jī)轉(zhuǎn)角可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的信息數(shù)據(jù)，以此做到更加高精準(zhǔn)度轉(zhuǎn)速的加工扭矩，同時(shí)有效構(gòu)建了高速削切模型，通過(guò)其有效結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的計(jì)算方法，應(yīng)對(duì)其剛度進(jìn)行有效的校核，并結(jié)合有限元分析軟件對(duì)直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)主軸的靜態(tài)特性做出有效分析，明確驗(yàn)算其剛度及強(qiáng)度。

1.1 直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)主軸簡(jiǎn)介? 直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)主軸包括軸承安裝軸段、工作臺(tái)面軸段等軸段通過(guò)螺栓進(jìn)行固定連接。將其力矩電機(jī)于編碼器在轉(zhuǎn)臺(tái)主軸上進(jìn)行有效的安裝，并在底座安裝液壓剎車并將其有效固定，實(shí)現(xiàn)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的正常運(yùn)行功能，并將其生成的扭轉(zhuǎn)力，確保將軸承安裝軸段以及相互固定連接的部位做到有效旋轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，可以準(zhǔn)確估算出，編碼器正確估值，并將其工件準(zhǔn)確安裝在工作臺(tái)面上，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)刀具的有效高速銑削工作。

1.2 結(jié)構(gòu)分析? 直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)主軸是通過(guò)軸承安裝軸段、工作臺(tái)面軸段之間的相鄰零件的螺栓固定連接，并通過(guò)相互的配合實(shí)現(xiàn)過(guò)渡工作，實(shí)現(xiàn)剛度以及軸度的有效運(yùn)行。但在實(shí)際過(guò)程中，因轉(zhuǎn)臺(tái)主軸需要對(duì)安裝零件進(jìn)行加工，并在遇到運(yùn)行過(guò)程中，并在運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)相互磨損的情況發(fā)生，使之產(chǎn)生了過(guò)渡的損耗，需要對(duì)其鑄鐵進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，使之安裝軸段的鋼制進(jìn)行有效的調(diào)整，以此提升其韌性及強(qiáng)度[2]。

1.3 直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)主軸軸承的選型與校核? 在直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)主軸中，軸承是非常重要的組成部分，它與直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的使用壽命有著非常重要的密切關(guān)系。在直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)主軸中需要將其設(shè)計(jì)性能指標(biāo)設(shè)定工作臺(tái)面跳動(dòng)應(yīng)急軸向力的做大承重的都是需要有轉(zhuǎn)臺(tái)女軸承來(lái)進(jìn)行控制的。該過(guò)程需要將直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)原理先進(jìn)行一個(gè)充分分析，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)需要承受來(lái)自各個(gè)方向的作用力，因此，這種軸承在我國(guó)各個(gè)軸承生產(chǎn)企業(yè)都有研發(fā)生產(chǎn)，在各企業(yè)選擇使用軸承過(guò)程中，需要選擇國(guó)家認(rèn)證的廠家，這對(duì)軸承的使用壽命來(lái)說(shuō)是非常重要的。不僅如此，在軸承當(dāng)中還有一個(gè)外圈以及圓柱滾子等配件，這對(duì)軸承的預(yù)載狀況來(lái)說(shuō)是不可缺少的關(guān)鍵部分。在中心徑向部分會(huì)有保持架以及兩排滾珠，在外圈還包括定向軸圈以及L性軸圈，其中軸承是由螺栓固定而成的這樣可以確保在搬運(yùn)過(guò)程中，以及在安裝運(yùn)輸中的穩(wěn)定安全性[3]。再有，軸承的主要性能特點(diǎn)是它具有高精度的聯(lián)合載荷能力，可以在運(yùn)行時(shí)承受各個(gè)方向帶來(lái)的壓力，其中包括雙薪軸向載荷、傾覆力矩等等。除此之外，在進(jìn)行一些高要求的軸承安設(shè)時(shí)，例如。旋轉(zhuǎn)桌臺(tái)、旋轉(zhuǎn)花盆等等。都需要在軸承套圈上需要在安裝套圈上面打上孔洞這樣可以為后續(xù)的安裝打下良好的基礎(chǔ)。將編碼器與直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行有效連接，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)部件的反饋情況，其性能的好壞直接影響著數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的精確度，該過(guò)程需要通過(guò)編碼器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)以及信號(hào)等功能部件的設(shè)置，這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)通訊信號(hào)的有效傳輸，便于與各機(jī)械設(shè)備有效連接?？梢詫⒍喾N數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)楦鱾€(gè)有效的傳輸數(shù)據(jù)，為工作人員提供便利的管理?xiàng)l件。與此同時(shí)，根據(jù)工作原理可以分成多種方式進(jìn)行，如磁電式、光電式等等。都可以通過(guò)一定精度實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)限制，但同時(shí)也需要配合更高的安裝要求。相對(duì)于磁電式來(lái)說(shuō)，不需要占據(jù)太大的空間，可以很好地適用各種環(huán)境，但是卻不能提供高精準(zhǔn)使用數(shù)據(jù)，這與安裝技術(shù)以及其方式精準(zhǔn)度有著非常重要的關(guān)系。對(duì)于電容式來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行安裝時(shí)相對(duì)便利，并且對(duì)各個(gè)配件零件要求標(biāo)準(zhǔn)并不高，但是在一定的精度上，確是往往不夠的，通常在終端市場(chǎng)被廣泛應(yīng)用。需要注意的是，編碼器也是有許多類別的，一般被分為增量型以及絕對(duì)值型。在有效應(yīng)用增量值編碼器過(guò)程中每一次的設(shè)備的啟動(dòng)，需要對(duì)其進(jìn)行設(shè)置回零處理工序，但是有效應(yīng)用絕對(duì)值編碼器時(shí)則不要進(jìn)行回零處理，可以在首次使用時(shí)就可以記住各個(gè)使用機(jī)械的位置，并對(duì)其可以自動(dòng)化進(jìn)行有效識(shí)別，準(zhǔn)確無(wú)誤地回到之前設(shè)置的位置中來(lái)，為工作以及維修人員，提供了高效便利，不需要工作人員再進(jìn)行回零操作[3]。

2? 銑削模型分析

2.1 銑削模型設(shè)計(jì)要求? 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要注意超精密度電主軸的精確設(shè)計(jì)，進(jìn)行高速環(huán)形銑削作為超高精密高光加工。其中電主軸額定功率為4kW，最高可轉(zhuǎn)速20 000r/min，額定扭矩為4N·m，圓柱立銑刀直徑20.5mm，并通過(guò)加工手冊(cè)以及產(chǎn)品需要的設(shè)計(jì)要求，以此發(fā)揮高速銑削工藝的真正作用。

2.2 切削力的計(jì)算? 在進(jìn)行計(jì)算過(guò)程中，需要對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行明確計(jì)算，以此準(zhǔn)確設(shè)計(jì)出圓柱刀具的相應(yīng)削數(shù)，并在其自身的中心軸周圍進(jìn)行高速刀具的有效旋轉(zhuǎn)功能，并對(duì)其齒給量進(jìn)行有效的寬度分析，并以此獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

3? 直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)主軸的強(qiáng)度計(jì)算

3.1 將載荷圖簡(jiǎn)化成力學(xué)模型? 為確保便于彎矩、剪力等計(jì)算分析，可根據(jù)材料力學(xué)以及理論力學(xué)等相關(guān)知識(shí)，并將各個(gè)力分解到主線軸上。該過(guò)程可將垂直作用運(yùn)用到工作臺(tái)面的軸段邊緣處，這產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)組合效應(yīng)，在對(duì)其分剪力進(jìn)行相應(yīng)扭矩過(guò)程中，進(jìn)行有效的臺(tái)面計(jì)算，以此實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)面的軸段的有效處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)邊緣處彎曲軸段的有效判斷，實(shí)現(xiàn)剪力的有效處理，其他可作為扭轉(zhuǎn)處理。

3.2 強(qiáng)度校核? 因是3個(gè)零件構(gòu)成了主軸轉(zhuǎn)臺(tái)，這使各個(gè)零件材質(zhì)會(huì)負(fù)載不同區(qū)別的負(fù)載，這會(huì)產(chǎn)生不同的強(qiáng)化校核理論。這當(dāng)中工作臺(tái)面軸段可作為軸鐵件，所產(chǎn)生的受力形式是向兩個(gè)方向拉伸的，這時(shí)可以進(jìn)行查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)，字鑄鐵向兩個(gè)方向進(jìn)行拉伸時(shí)，其強(qiáng)度結(jié)果可以準(zhǔn)確獲得實(shí)驗(yàn)操作的正確分析。該過(guò)程需要多其工作臺(tái)面軸段進(jìn)行相應(yīng)強(qiáng)度的有效計(jì)算，并在其一定的校對(duì)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)對(duì)力理論的實(shí)施驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)軸面的有效處理，以此獲得鋼質(zhì)的有效正確處理。不僅如此，根據(jù)其理論進(jìn)行對(duì)受力彎扭組合的搭配，實(shí)現(xiàn)第四硬度的有效校核，在其安裝過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)對(duì)剛度調(diào)質(zhì)的有效處理，并在其彎曲組合的實(shí)施力矩過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)對(duì)第三硬度的理論的有效校對(duì)，轉(zhuǎn)子安裝軸段進(jìn)行鋼度的調(diào)質(zhì)處理，受力為純扭矩形式，并采用第三強(qiáng)度理論進(jìn)行校核。將有關(guān)資料查詢，鋼的屈服極限可以達(dá)到σ23s=353MPa，灰鑄鐵HT350 的強(qiáng)度極限 σ23b=350MPa。轉(zhuǎn)臺(tái)軸段需要將其軸段的不同方向的軸段壓力進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)的調(diào)整，可以減輕工作臺(tái)面各個(gè)軸段的危險(xiǎn)操作點(diǎn)值，有效延長(zhǎng)剛度的使用期限，使之強(qiáng)度足夠。軸承安裝軸段上危險(xiǎn)截面最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于鋼度極度限制，強(qiáng)度足夠。轉(zhuǎn)子安裝軸段的危險(xiǎn)實(shí)現(xiàn)其最大應(yīng)力的過(guò)小值，鋼度調(diào)質(zhì)屈服極限值的最大強(qiáng)度[4]。

4? 剛度計(jì)算

4.1 當(dāng)量直徑的計(jì)算? 根據(jù)以往的機(jī)械設(shè)計(jì)對(duì)階梯軸進(jìn)行相應(yīng)的直徑計(jì)算，并對(duì)其階梯的簡(jiǎn)化直徑光軸進(jìn)行有效處理分析，以此實(shí)現(xiàn)正確的簡(jiǎn)化直徑計(jì)算，通過(guò)計(jì)算公式獲得階梯軸段的數(shù)據(jù)計(jì)算，并在其階梯軸計(jì)算的過(guò)程中，能獲得軸段的有效計(jì)算。在直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)主軸靜態(tài)特性獲得有力支撐，其軸承分成左右兩段懸臂梁，以此做到當(dāng)量直徑的兩段進(jìn)行計(jì)算。

4.2 直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)主軸的有限元分析? 直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)主軸其結(jié)構(gòu)性較為復(fù)雜，所以需準(zhǔn)確解析相應(yīng)模型。并通過(guò)有限元理論結(jié)合相應(yīng)特點(diǎn)分析，并積極采用有限元進(jìn)行分析軟件會(huì)對(duì)直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)主軸帶來(lái)的有限元建模影響。并在直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)主軸系統(tǒng)建模中進(jìn)行必要簡(jiǎn)化。需要注意的是，需要忽略圓角及倒角的局部細(xì)節(jié)特征處理，并積極采用轉(zhuǎn)臺(tái)軸承實(shí)施開展有限元軟件軸承約束，并對(duì)其軸的旋轉(zhuǎn)參數(shù)，進(jìn)行相應(yīng)方向的優(yōu)化調(diào)整，并根據(jù)直驅(qū)式數(shù)控狀態(tài)主軸靜態(tài)特性的虛偽原理，實(shí)施開展電機(jī)轉(zhuǎn)子受力點(diǎn)固定的方法措施。

4.3 結(jié)果對(duì)比? 針對(duì)于理論設(shè)計(jì)有限元的結(jié)果分析結(jié)果可以給出的結(jié)果表明，獲得有限元分析結(jié)果的計(jì)算理論結(jié)果相吻合，其可作為兩者之間的相互校核比對(duì)方法，并有效設(shè)計(jì)出直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)主軸的靜態(tài)以及強(qiáng)度的符合要求[5]。

5? 總結(jié)

直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)主軸的結(jié)構(gòu)及原理，會(huì)以經(jīng)典切削作為基礎(chǔ)理論，構(gòu)建高速銑削模型，并高速銑削切削力進(jìn)行徑向以及軸向的切向分力，以此實(shí)現(xiàn)直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，達(dá)到主軸零件材料的受力的不同形式。除此之外，強(qiáng)度理論的強(qiáng)度及剛度進(jìn)行校核計(jì)算，并根據(jù)有限元理論基礎(chǔ)有效利用有限元軟件實(shí)施進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)主軸靜態(tài)特性分析。結(jié)果表明，該過(guò)程直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)主軸可以滿足靜態(tài)及強(qiáng)度的要求，在實(shí)際應(yīng)用中可以取得成功。

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