数控机床主轴支承系统设计(编辑修改稿)

数控机床主轴支承系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。 从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面 高速、高精加工技术及装备的新趋势 效率、质量是先进制造技术的主体。 高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。 为此日本先端技术研究会将其列为 5 大现代制造技术之一，国际生产工程学会（ CIRP）将其确定为 21世纪的中心研究方向之一。 在轿车工业领域，年产 30 万辆的生产节拍是 40 秒 /辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。 近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。 这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。 从 EMO2020 展会情况来看，高速加工中心进给速度可达 80m/min，甚至更高，空运行速度可达 100m/min 左右。 目前世界上许多汽车 厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。 美国 CINCINNATI公司的 HyperMach 机床进给速度最大达 60m/min，快速为 100m/min，加速度达 2g，主轴转速已达 60 000r/min。 加工一薄壁飞机零件，只用 30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需 3h，在普通铣床加工需 8h；德国 DMG 公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达 12*!000r/mm 和 1g。 在加工精度方面，近 10年来，普通级数控机床的加工精度已由 10μ m 提高到 5μ m，精密级加工中心则 从 3～ 5μ m，提高到 1～ m，并且超精密加工精度已开西安航空职业技术学院 毕业设计论文 8 始进入纳米级 ( m)。 在可靠性方面，国外数控装置的 MTBF 值已达 6000h 以上，伺服系统的 MTBF 值达到 30000h 以上，表现出非常高的可靠性。 为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。 五坐标 轴联动加工和复合加工机床快速发展 采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。 一般认为， 1台 5轴联动机床的效率可以等于 2台 3轴联 动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时， 5 轴联动加工可比 3轴联动加工发挥更高的效益。 但过去因 5 轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比 3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了 5 轴联动机床的发展。 当前由于电主轴的出现，使得实现 5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。 因此促进了复合主轴头类型 5轴联动机床和复合加工机床（含 5面加工机床）的发展。 在 EMO2020 展会上，新日本工机的 5 面加工机床采用复合主轴头，可实现 4个 垂直平面的加工和任意角度的加工，使得 5面加工和 5 轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。 德国 DMG 公司展出 DMUVoution 系列加工中心，可在一次装夹下 5面加工和 5 轴联动加工，可由 CNC 系统控制或 CAD/CAM直接或间接控制。 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接 方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。 为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。 目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的 NGC(The NextGeneration WorkStation/MachineControl)、欧共体的 OSACA(Open System ArchitectureFor Control Within Automation Systems)、日本的 OSEC(Open System Environment For 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 9 Controller)，中国的 ONC(Open Numerical Control System)等。 数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。 所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系 统，形成具有鲜明个性的名牌产品。 目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。 数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。 国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在 EMO2020 展中，日本山崎马扎克（ Mazak)公司展出的“ CyberProduction Center”（智能生产控制中心，简称 OPC)；日本大隈（ Okuma）机床公司展出“ IT Plaza”（信息技术广场，简称 IT广场 )；德国西门子 (SIEMENS)公司展出的 Open Manufacturing Environment（开放制造环境，简称 OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。 重视新技术标准、规范的建立 关于数控系统设计开发规范 如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开 放式体系结构数控系统规范(OMAC、 OSACA、 OSEC)的研究和制定，世界 3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。 我国在2020 年也开始进行中国的 ONC 数控系统的规范框架的研究和制定。 关于数控标准 数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。 数控技术诞生后的 50年间的信息交换都是基于 ISO6983 标准，即采用 G， M 代码描述如何（ HOW）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。 为此，国际上正在 研究和制定一种新的 CNC 系统标准 ISO14649（ STEPNC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，西安航空职业技术学院 毕业设计论文 10 从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。 STEPNC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。 首先， STEPNC提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中， NC 加工程序都集中在单个计算机上。 而在新标准下， NC 程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。 其次， STEPNC 数控系统还可大大减少加工图纸（约 75％）、加工程序编制时间（约 35％）和加工时间（约 50％）。 目前，欧美国家非常重视 STEPNC的研究，欧洲发起了 STEPNC的 IMS 计划 (～)。 参加这项计划的有来自欧洲和日本的 20 个 CAD/CAM/CAPP/CNC 用户、厂商和学术机构。 美国的 Step Tools 公司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型 (Super Model)，其目标是用统一的规范描述所有加工过程。 目前这种新的数据交换 格式已经在配备了SIEMENS、 FIDIA 以及欧洲 OSACANC 数控系统的原型样机上进行了验证。 对我国数控技术及其产业发展的基本估计 我国数控技术起步于 1958 年，近 50 年的发展历程大致可分为 3个阶段：第一阶段从 1958 年到 1979 年，即封闭式发展阶段。 在此阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。 第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。 在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环 境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。 第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。 在此阶段，我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。 在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达 50％，配国产数控系统（普及型）也达到了 10％。 纵观我国数控技术近 50年的发展历程，特别是经过 4个 5年计划的攻关，总体来看取得了以下成绩。 ，基本掌握了现代数控技术。 我国现在已基本掌握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及 其配套件的基础技术，其中大部分技术已具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。 在攻关成果和部分技术商品化的基础上，建立了诸如华中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。 兰州电机厂、华中数西安航空职业技术学院 毕业设计论文 11 控等一批伺服系统和伺服电机生产厂以及北京第一机床厂、济南第一机床厂等若干数控主机生产厂。 这些生产厂基本形成了我国的数控产业基地。 、开发、管理人才的基本队伍。 虽然在数控技术的研究开发以及产业化方面取得了长足的进步，但我们也要清醒地认识到，我国高端数控技 术的研究开发，尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的现实需求还有较大的差距。 虽然从纵向看我国的发展速度很快，但横向比（与国外对比）不仅技术水平有差距，在某些方面发展速度也有差距，即一些高精尖的数控装备的技术水平差距有扩大趋势。 从国际上来看，对我国数控技术水平和产业化水平估计大致如下。 ，与国外先进水平大约落后 10～ 15年，在高精尖技术方面则更大。 ，市场占有率低，品种覆盖率小，还没有形成规模生产；功能部件专业化生产水平及成套能力较低；外观质量相对差；可靠性不高，商品化程度不 足；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。 ，对竞争前数控技术的研究开发、工程化能力较弱；数控技术应用领域拓展力度不强；相关标准规范的研究、制定滞后。 分析存在上述差距的主要原因有以下几个方面。 对国产数控产业进程艰巨性、复杂性和长期性的特点认识不足；对市场的不规范、国外的封锁加扼杀、体制等困难估计不足；对我国数控技术应用水平及能力分析不够。 从技术的角度关注数控产业化问题的时候多，从系统的、产业链的角度综合考虑数控产业化问题的时候少；没有建立完 整的高质量的配套体系、完善的培训、服务网络等支撑体系。 不良机制造成人才流失，又制约了技术及技术路线创新、产品创新，且制约了规划的有效实施，往往规划理想，实施困难。 企业在技术方面自主创新能力不强，核心技术的工程化能力不强。 机床标准落后，水平较低，数控系统新标准研究不够。 综合前面所述，数控机床要向高效，高精，高智能化发展，不仅要求高的数控系统，还要求数控机床的功能部件可以持久耐用，而且 精度和刚度一定要高，这对数控机床的生产厂家提出了较高 的要求，在设计方面就要多加考虑。 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 12 数控机床的主要部件包括：床身，主轴，进给伺服系统，数控装置等。 但是在加工过程中决定加工质量的主要参数就是主轴的精度。 随着产品的复杂程度越来越大，加工精度的要求越来越高，对所要求的数控机床的加工范围，加工精度的又了更高的要求，使数控机床要向精密，超精密，高速超高速数控机床发展，在这样的情况下，就对数控机床的主轴部件的设计和安装提出了更高的要求。 因为主轴部件是机床的执行件，它的功能是支承并带动工件或刀具，完成表面成形运动，同时还起传递运动和扭矩 ，承受切削力和驱动力等载 荷作用。 由于主轴部件的工作性能直接影响机床的加工性能，加工质量和生产率，因此它是机床中的一个关键部件。 所以要对现有的数控机床进行优化设计，使数控机床在现有的基础上得到进一步提高，这也是。