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嘉峪檢測網(wǎng) 2018-09-05 12:07
細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)
一旦建立了概念設(shè)計(jì)，就要初步確定零部件的尺寸以核查設(shè)計(jì)的工作效果。接著，在制定任何更多細(xì)節(jié)前引進(jìn)制造部門審核設(shè)計(jì)。如果一致認(rèn)為機(jī)器不難制造，除了一個(gè)最初的成本估算外，將整個(gè)設(shè)計(jì)包交給上級管理層批準(zhǔn)。估算制造、裝配和庫存成本并與預(yù)期訂單的期望收入進(jìn)行比較。最后，做決定開始細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。在概念設(shè)計(jì)階段確定的范圍基礎(chǔ)上組成細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)并提出任務(wù)。在描述中心接口HSMC的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)，首先通過考慮影響機(jī)械精度的主要誤差來源來概述出設(shè)計(jì)方法，然后討論機(jī)械和電子系統(tǒng)。
誤差來源
一個(gè)設(shè)計(jì)師繪制初始和最終機(jī)械零部件草圖之前，在概念設(shè)計(jì)階段，他或她應(yīng)該考慮各種輸入對所描述機(jī)器的影響。這里討論HSMC審核機(jī)械和電子系統(tǒng)零部件的選擇時(shí)，應(yīng)該要注意的一些誤差來源。注意現(xiàn)在評價(jià)加工中心的性能時(shí)涉及關(guān)于加工中心的ASNI/ASMEB 5.54 1992B標(biāo)準(zhǔn)。
1 幾何誤差
機(jī)器幾何誤差發(fā)生在所有坐標(biāo)軸上，每個(gè)坐標(biāo)軸由三個(gè)平移誤差和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)誤差組合成型。在各個(gè)坐標(biāo)軸之間也存在垂直度和平行度誤差。最差的幾何誤差是角誤差。通過初始點(diǎn)和測量點(diǎn)間的距離較大成為角誤差，也被稱為阿貝誤差。阿貝誤差是最容易被忽略的誤差來源。靜變形誤差則由機(jī)械本身重量和工作重量產(chǎn)生。利用精細(xì)建立的結(jié)構(gòu)件，連接裝置和軸承模型，可以準(zhǔn)確預(yù)測誤差并將其保持在期望閾值之下。
2 力學(xué)誤差
機(jī)器中的力學(xué)誤差主要由切削活動(dòng)中的結(jié)構(gòu)共振產(chǎn)生。造成刀具中有“吱吱”的聲音而且破壞了零件表面材料。這種振動(dòng)很難分析和預(yù)測，因?yàn)楫?dāng)?shù)毒吲c工件接觸時(shí)，改變了其剛度特性。模擬這種現(xiàn)象的一個(gè)保守方法是利用有限元運(yùn)行切削刀具。在每臺機(jī)器的一系列合理的頻率周圍施加更大的安全波段可以處理由刀具與工件接觸引起機(jī)器剛度的改變。然后，指令控制器會(huì)影響工作速度。雖然這不能解決切削刀具剛度和振動(dòng)問題，但是確定的共振也有利于設(shè)計(jì)時(shí)為允許的地板振動(dòng)層制定規(guī)范，而且可以明確伺服循環(huán)時(shí)間和運(yùn)行速度。
一旦機(jī)器制造出來，它的力學(xué)誤差就有跡可循，而且呈現(xiàn)一定的特征。一般來說，把其制造的堅(jiān)固些、抗阻尼以及重量輕些都有利于機(jī)器更容易達(dá)到高速工作狀態(tài)。
3 熱誤差
機(jī)床的熱膨脹極少是相同的，因此不能僅僅通過線性補(bǔ)償系數(shù)測量數(shù)據(jù)。這些熱變形由發(fā)動(dòng)機(jī)、直線或旋轉(zhuǎn)軸承以及切削過程產(chǎn)生的熱量引起。但是環(huán)境溫度的變化會(huì)以不同的方式影響機(jī)器。機(jī)器抵抗環(huán)境溫度的能力依賴于環(huán)境的熱量循環(huán)。機(jī)器的熱量持續(xù)時(shí)間和這兩者之間的熱傳遞特性。如果環(huán)境的溫度是穩(wěn)定的，機(jī)器應(yīng)該緊緊與環(huán)境相聯(lián)系。如果把機(jī)器安裝在一個(gè)通風(fēng)的地方，它應(yīng)該不受環(huán)境影響。
為了讓機(jī)器達(dá)到熱平衡，許多機(jī)器需要一段預(yù)熱時(shí)間。傳統(tǒng)上來說，操作者通過“空轉(zhuǎn)”一段時(shí)間使機(jī)器預(yù)熱。為了使機(jī)器預(yù)熱后變形到合適的結(jié)構(gòu)，一些機(jī)床制造者人工整修機(jī)床。通過使用加熱組件嘗試減少機(jī)床的預(yù)熱時(shí)間，對于這種機(jī)床，就應(yīng)該積極地利用控制溫度的液體或加熱和冷卻機(jī)床零件的抗加熱器。否則，結(jié)構(gòu)不變的外形部分之間的溫度梯度將造成機(jī)器彎曲。從長遠(yuǎn)來看，為減少熱變形應(yīng)謹(jǐn)慎選擇零件和幾何參數(shù)，以及積極地冷卻主要熱量產(chǎn)生區(qū)，這是解決熱誤差問題最經(jīng)濟(jì)的方法。
分析以前關(guān)于熱量控制的嘗試，在最終設(shè)計(jì)時(shí)，團(tuán)隊(duì)決定用油霧冷卻主軸軸承，盡可能使發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)件，用切削液沖洗工作區(qū)域。另外，把結(jié)構(gòu)件做成短而結(jié)實(shí)的形狀以便最大可能的減少角變形。進(jìn)行機(jī)器的熱性能有限元分析也證實(shí)：即使假設(shè)機(jī)器在最糟工作情況也能達(dá)到機(jī)器精確度規(guī)格。
4 工件影響
傳統(tǒng)的加工中心通常因?yàn)榧庸すぜ闹亓慷艿讲焕绊?，因?yàn)橹亓渴箼C(jī)器結(jié)構(gòu)件變形而且改變其機(jī)械特性。在高速加工中心中，工件固定在一個(gè)位置直到加工結(jié)束。在加工開始之前，可以利用機(jī)器上的探測器準(zhǔn)確知道工件位置，從而了解工件是怎么變形的，然后通過支撐使其得到補(bǔ)償。在這一點(diǎn)上，HSMC可以不受工件重量的影響。
線性軸承選擇
為了使機(jī)器最小能量輸入實(shí)現(xiàn)最大運(yùn)動(dòng)速度，需要低摩擦的預(yù)裝軸承。低摩擦也有利于最大限度減少在高速運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的熱量。另外需要預(yù)裝軸承獲得高剛度以抵抗慣性力?，F(xiàn)有三種線性軸承可以用于此處；靜壓軸承、滑動(dòng)接觸軸承和滾動(dòng)軸承。靜壓軸承包括液體靜壓軸承和氣體靜壓軸承。它是唯一一種使機(jī)器真正無摩擦和預(yù)裝的軸承。前一種利用緩沖的高壓油使一個(gè)機(jī)構(gòu)件懸浮在另一個(gè)上面。氣體靜壓軸承則利用低壓空氣，其對沖擊負(fù)載很敏感。液體靜壓軸承在機(jī)床中有很大用途。
對于機(jī)床的滑動(dòng)接觸軸承。利用一層薄薄的低摩擦材料黏附于運(yùn)動(dòng)軸承的表面。襯墊一般需要加潤滑油在堅(jiān)硬的鋼或鑄鐵軌道上滑動(dòng)。這種軸承多年來已成為機(jī)床業(yè)的主體。它作為一個(gè)具有良好抗振性、高硬度介質(zhì)摩擦的軸承獲得了良好的聲譽(yù)。利用這種軸承可以獲得巨大的表面接觸區(qū)，允許機(jī)器抵擋非常高切削和沖擊負(fù)載?；瑒?dòng)摩擦軸承加工。磨削或刮研很容易，而且它是一種非常通用的軸承材料。而且，有限的摩擦有時(shí)導(dǎo)致一種被稱為黏滑的情況，它會(huì)限制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和決斷性。
另一種選擇就是滾動(dòng)軸承，有趣的是，機(jī)床廠歷來使用高技術(shù)人才操作表面處理機(jī)床用于加工其他機(jī)器。從山頂洞人在地上撿起一塊石頭后，手指工具用來更簡單地制造更好的下一代工具。相似的，機(jī)床廠開發(fā)越來越精密的磨床，其需要考慮長行程和高精確度，這時(shí)在許多情況下，使用滾動(dòng)軸承代替滑動(dòng)軸承，有許多種類的滾動(dòng)組件線性軸承，它們有非常低的摩擦特性。但是，它們不能承載大量的單位面積負(fù)載，而且不像在許多情況下，使用滾動(dòng)軸承代替滑動(dòng)接觸軸承。有許多種類的滾動(dòng)組件線性軸承，它們有非常低的摩擦特性；另外，一旦磨損了也不能再重復(fù)修復(fù)或采用凹形楔來調(diào)整。因此很長時(shí)間內(nèi)，除了低功率機(jī)器上，機(jī)床廠避免使用它們。但是，滾動(dòng)組件軸承的標(biāo)準(zhǔn)化，低成本和低摩擦特性是非常吸引人的。
以前在大型機(jī)器上使用過圓柱滾動(dòng)軸承，它們往往需要淬硬鋼，以定制設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，通常需要12個(gè)軸承墨盒，以權(quán)力支持一個(gè)軸。作為一種選擇，工程團(tuán)隊(duì)考慮一種自成一體的單元，一般稱為直線導(dǎo)軌，但是對高速加工中心來說卻足夠了。用螺栓把直線導(dǎo)軌固定在結(jié)構(gòu)件上而且以最小的直線偏差形式把零件固定在滑動(dòng)架上。通過給直線導(dǎo)軌增加更多的定位組件以獲得負(fù)載能力和剛度。組件越多成本越大，可以在測試夾具上找到合適的位置，使得原型達(dá)到經(jīng)濟(jì)性的平衡。在傳統(tǒng)的機(jī)器上使用這個(gè)滑動(dòng)架裝配模型，相比耐磨軸承系統(tǒng)，它能以較低成本生產(chǎn)出表面光滑的零件。
如果考慮軸承座機(jī)器安裝，適合直線導(dǎo)軌是線性軸承，從制造觀點(diǎn)看，它用螺栓把主要精密組件固定在精密磨制表面上。最后，利用復(fù)制技術(shù)把軸承連接上脫模劑，并在機(jī)器的毛坯鑄件槽上懸掛。接著在夾具周圍注入特殊的環(huán)氧，這樣就可以做出床身和夾具的外形，因此可以為軸承軌道獲得幾乎完美的位置。所以對現(xiàn)行軸承規(guī)定固定精密加工和表面處理操作只需在少量夾具上進(jìn)行。
執(zhí)行器
高速加工中心的運(yùn)動(dòng)軸需要高壓力、高速和高精度的線性執(zhí)行器?？捎玫倪x擇包括直線電動(dòng)機(jī)、齒輪齒條和滾珠絲杠。直線電動(dòng)機(jī)可以在不使用中間傳動(dòng)裝置的情況下移動(dòng)運(yùn)動(dòng)軸。然而，缺少對較高的電動(dòng)機(jī)慣性和硬度響應(yīng)的傳動(dòng)裝置，會(huì)導(dǎo)致這種電動(dòng)機(jī)對高速、高質(zhì)量系統(tǒng)準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)控制不切實(shí)際，還會(huì)遭受大量切削相應(yīng)的傳動(dòng)裝置，會(huì)導(dǎo)致這種電動(dòng)機(jī)對高速、高質(zhì)量系統(tǒng)準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)控制不切實(shí)際，還會(huì)遭受大量的切削力干擾。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，直線電動(dòng)機(jī)有一天可能是這種應(yīng)用的一個(gè)實(shí)際選擇。
齒輪齒條傳動(dòng)裝置，一般用于需要大范圍運(yùn)動(dòng)的機(jī)床中。齒輪形狀可以研磨得很精確，而且多個(gè)齒輪相互嚙合能夠用于放置劇烈反應(yīng)。但是，一個(gè)精確的齒輪齒條系統(tǒng)沒有內(nèi)在的減速比，因此它需要一個(gè)大型發(fā)動(dòng)機(jī)或昂貴的高精密減速器。對于同樣的系統(tǒng)，對于長度適中的行程，一個(gè)齒輪齒條傳動(dòng)裝置比一個(gè)滾珠絲杠要昂貴。在齒輪接觸之前齒輪齒條裝置也不能利用自動(dòng)清潔刷來洗刷齒輪齒。
絲杠可提供經(jīng)濟(jì)、高效。精確的轉(zhuǎn)動(dòng)到直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。一般來說，它們需要一定運(yùn)動(dòng)行程和速度的機(jī)床傳動(dòng)裝置的合適選擇。一個(gè)絲杠傳動(dòng)裝置，把傳動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)能量。對于高壓力應(yīng)用，使用多線螺紋，它們通過提供一個(gè)額外的承載路線增加螺紋的承載能力，卻不會(huì)影響力之間的力矩，對于滾珠絲杠，通過在絲杠和螺母的螺紋結(jié)構(gòu)之間放入滾珠，提供滾動(dòng)接觸，把摩擦降低到最低。滾珠絲杠利用一個(gè)滾珠行星系統(tǒng)代替滾珠而且能夠承受比滾珠絲杠更高的負(fù)載，但是它們一般只有較小的螺距。對于高速加工中心我們選擇滾珠絲杠。
選擇一個(gè)滾珠絲杠需要了解所用電動(dòng)機(jī)和負(fù)載。如果運(yùn)動(dòng)軸高速運(yùn)動(dòng)，為保持電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在一個(gè)合理的水平，需要一個(gè)有較大螺距的絲桿。如果螺距太小，而電動(dòng)機(jī)和滾珠杠必須以高頻率轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致產(chǎn)生“軸攪動(dòng)”的動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性。另一方面，滾珠絲杠需要較高力矩的電動(dòng)機(jī)以獲得同具有較小的螺距和低力矩高速電動(dòng)機(jī)相同的力。前者也需要電動(dòng)機(jī)有較高力矩，這意味著較大電流從而導(dǎo)致更高的熱量浪費(fèi)。這些因素最終將對利用滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際速度產(chǎn)生限制。利用已有技術(shù)，工程司發(fā)現(xiàn)自己的線速度范圍局限在25~50m/min，符合RSO的要求。為了從所有可能的組件中選擇實(shí)際的滾珠絲杠/電動(dòng)機(jī)組合，寫一份可獲得的電動(dòng)機(jī)和絲杠螺距表格記錄，用來挑選最大限度降低成本和熱量產(chǎn)生的一對滾珠絲杠/電動(dòng)機(jī)組合。
軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)
對于一個(gè)車床，電動(dòng)機(jī)框架的大小直接與電動(dòng)機(jī)成本和制成結(jié)構(gòu)有關(guān)。通常如果不確定電動(dòng)機(jī)大小，設(shè)計(jì)師面對的就是其他結(jié)構(gòu)尺寸。可能在任何時(shí)候，最好保守地選擇安裝比所需較大一些的電動(dòng)機(jī)。允許選擇較小的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行模型性能測試，而考慮使用較大電動(dòng)機(jī)以適應(yīng)變化的用戶需求。購買和在一臺機(jī)器上設(shè)計(jì)安裝大型電動(dòng)機(jī)來控制大或小型電動(dòng)機(jī)，比大修改機(jī)器結(jié)構(gòu)以適應(yīng)大型電動(dòng)機(jī)更容易。設(shè)計(jì)師應(yīng)該允許為帶有完整編碼器和轉(zhuǎn)速計(jì)的電動(dòng)機(jī)安裝留下足夠空間。
為一個(gè)機(jī)床選擇合適的電動(dòng)機(jī)經(jīng)常通過考慮電動(dòng)機(jī)的溫度上升來確定。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)繞組具有有限電阻，它們在使用期間會(huì)變得非常熱。電動(dòng)機(jī)防護(hù)外殼經(jīng)常直接用螺栓固定在機(jī)床構(gòu)件上，但是，這也為熱量傳導(dǎo)提供了直接途徑。因此，運(yùn)動(dòng)軸和軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)是機(jī)床中熱量產(chǎn)生的主要來源之一。熱量從電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)移到機(jī)床結(jié)構(gòu)上會(huì)嚴(yán)重降低精確性。放置電動(dòng)機(jī)熱量轉(zhuǎn)移到結(jié)構(gòu)件的最好方法是，利用隔熱的高硬度陶瓷接口和輻射熱的防護(hù)裝置試著把電動(dòng)機(jī)從結(jié)構(gòu)件隔離出去。用風(fēng)扇給電動(dòng)機(jī)降溫以及把冷空氣輸入到機(jī)床中也是有效的方法。為機(jī)床設(shè)計(jì)散熱和防變形結(jié)構(gòu)同樣很明智。
主軸設(shè)計(jì)
因?yàn)橹鬏S必須安裝一個(gè)功率為15kW的電動(dòng)機(jī)，盡可能地用HSMC確定主軸設(shè)計(jì)是最重要的，以便開始其他結(jié)構(gòu)件的詳細(xì)設(shè)計(jì)工作。對于滾珠軸承主軸，只有當(dāng)直徑很小時(shí)才能獲得高于20000r/min的主軸轉(zhuǎn)速，這樣離心力就不會(huì)使?jié)L珠上產(chǎn)生大的徑向力去擠壓軸承滾道，而且不會(huì)引起快速疲勞。但是，加工中心的標(biāo)準(zhǔn)工具需要的主軸直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于滾珠軸承技術(shù)所能支撐的主軸直徑，現(xiàn)有的滾珠軸承技術(shù)所能制成的主軸不能再大于20000r/min的速度下安全，準(zhǔn)確的工作。
氣體靜壓軸承作為相對于滾珠軸承的一種選擇可以用來提高主軸速度。雖然較精確而且能夠獲得比滾珠軸承較高的速度，但如果主軸不準(zhǔn)確地進(jìn)給刀具在工件上，多數(shù)空氣軸承主軸很容易受到影響而破壞。甚至完全由計(jì)算機(jī)控制安裝，仍然有程序錯(cuò)誤造成碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。一個(gè)典型行業(yè)操作者的經(jīng)驗(yàn)之談表明，每天一次碰撞很平常。但在大多數(shù)空氣軸承主軸中不能接受這個(gè)可能性。
液體靜壓軸承在許多類型的機(jī)器主軸中都有成功的運(yùn)用，而且因?yàn)椴槐叵窨諝廨S承所需的準(zhǔn)確公差那樣與主軸裝配，它受碰撞的影響很小。液體靜壓軸承通過拉扯相對運(yùn)動(dòng)中零件間粘稠的油層運(yùn)行，因此主軸軸線的位置時(shí)主軸轉(zhuǎn)速的函數(shù)。在高速時(shí)，雖然可以冷卻這些油，但是油的黏性剪切仍會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生大量熱能，增加傳感器裝置來監(jiān)控主軸位置以及利用這些傳感器信號作為誤差補(bǔ)償信號的有關(guān)費(fèi)用和可靠性問題被研究過。但是這個(gè)選擇太貴而且不可靠，不能在生產(chǎn)機(jī)器上實(shí)施。另外，高速工具更換所需的大量快速開始、停止循環(huán)液不允許液體靜壓潤滑層的充分形成，從而需要加壓流體協(xié)助階段。液體靜壓軸承通常多用在主軸以恒定轉(zhuǎn)速持續(xù)運(yùn)行的機(jī)器上。這些因素導(dǎo)致液體靜壓主軸不適合HSMC。
也可以考慮磁性軸承，但是它對此項(xiàng)目來說太昂貴。磁性軸承伺服控制的電磁體放在主軸邊緣的周圍，使主軸位于中心。它們的根本限制是控制系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。
一旦發(fā)現(xiàn)了合適現(xiàn)成的滾珠軸承主軸，下一步是確定能量和傳動(dòng)裝置來驅(qū)動(dòng)主軸。計(jì)劃中HSMC是快速轉(zhuǎn)動(dòng)、停止和更換刀具的。這極其重要從而影響電動(dòng)機(jī)的選擇標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)今技術(shù)趨勢是無刷直流電動(dòng)機(jī)，它們的維護(hù)成本很低。對于HSMC的主軸，電動(dòng)機(jī)必須快速帶動(dòng)主軸加速，加工一個(gè)零件，然后快速減速更換刀具。系統(tǒng)中存儲的能量與速度的平方成正比，因此在此系統(tǒng)中，主軸電動(dòng)機(jī)不考慮產(chǎn)生熱源的大型電動(dòng)機(jī)。
無刷電動(dòng)機(jī)沒有動(dòng)態(tài)中斷能力，因此需要提供電流以便使電動(dòng)機(jī)停下來。另一方面，當(dāng)引線的極性轉(zhuǎn)換時(shí)，直流電刷電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)而且它們減慢時(shí)，實(shí)際上產(chǎn)生了電流。輸入HSMC主軸的幾乎25%的能量將發(fā)費(fèi)在刀具更換的開始和結(jié)束，可以通過使用電刷電機(jī)節(jié)約能源。根據(jù)電動(dòng)機(jī)供應(yīng)商以及工作臺測試證實(shí)，在所需高速電動(dòng)機(jī)下，電動(dòng)機(jī)刷形成的電弧不會(huì)產(chǎn)生問題。選擇那些不用大量外部能量輸入而擁有自動(dòng)中斷能力的電動(dòng)機(jī)有利于減少整體熱量進(jìn)入機(jī)器中。
另一種主軸設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是在高速下攻螺紋和絲錐抵達(dá)孔底部之前停止主軸的能力。不幸的是，為了達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)需要一個(gè)不缺實(shí)際的電動(dòng)機(jī)來為整個(gè)主軸瞬間停止產(chǎn)生力矩。幸運(yùn)的是，考慮當(dāng)絲錐抵達(dá)孔底部時(shí)它和主軸之間的運(yùn)動(dòng)，存在有一種特殊的離合器式攻螺紋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。我們知道恰當(dāng)?shù)墓ぞ咴谀承┑胤酵ǔ？梢怨?jié)省大量設(shè)計(jì)時(shí)間和精力。
一旦選擇了主軸電動(dòng)機(jī)的種類，必須確定一個(gè)電動(dòng)機(jī)/傳動(dòng)裝置。因?yàn)橹鬏S小從20~20000r/min運(yùn)轉(zhuǎn)，第一個(gè)想法是利用無遮蔽的電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸。電動(dòng)機(jī)利用主軸軸承去支撐轉(zhuǎn)子，而釘子則與主軸軸承外圈固定在同一結(jié)構(gòu)上。這種選擇有助于進(jìn)行一個(gè)很明確的設(shè)計(jì)，但是，以這種高速運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)成本是非常昂貴的。同樣，密封電動(dòng)機(jī)刷不受軸承油霧滑潤的影響也很難，對于一個(gè)電刷電動(dòng)機(jī)以低速在油槽中運(yùn)轉(zhuǎn)，只要維持通過電動(dòng)機(jī)油液流量，電動(dòng)機(jī)的合理溫度控制規(guī)則是可能的。但是，本項(xiàng)目中如果油浸在電動(dòng)機(jī)上，高速主軸將會(huì)產(chǎn)生大量黏性剪切。
作為第二種選擇，考慮的是一個(gè)帶有雙速傳送裝置且更經(jīng)濟(jì)的電動(dòng)機(jī)。在所需速度下沒有合適的齒輪傳動(dòng)裝置，因此開發(fā)了一個(gè)專門的同步帶傳動(dòng)裝置。建立一個(gè)原型試驗(yàn)臺進(jìn)行測試并過度使用以確定設(shè)計(jì)的可靠性。它工作狀態(tài)優(yōu)良而且不需要大量修改。因此可完成主軸和它的能源傳動(dòng)元件的設(shè)計(jì)，并準(zhǔn)備與其他設(shè)計(jì)整合。
在選擇最好的主軸設(shè)計(jì)時(shí)，也要注意熱量的影響。以前，各個(gè)制造商通過冷卻或預(yù)熱主軸以保持穩(wěn)定的溫度。通常利用內(nèi)部油霧倆冷卻高速主軸。如果主軸外部首先得到冷卻，它將是主軸收縮，使主軸軸承超載并咬住，不幸的是，利用油冷卻的溫度必須小控制而且要通過絕緣軟管壓入。正如前面討論的，預(yù)熱主軸將對其他結(jié)構(gòu)造成影響，因此不能考慮將其作為一個(gè)可行的選擇。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
當(dāng)使用薄鋼板作為主要結(jié)構(gòu)材料時(shí)，主要的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是最大限度地減輕重量以及最大剛度?？梢酝ㄟ^遵循以下一些原則去完成這個(gè)目標(biāo)。第一個(gè)是盡可能使單個(gè)部件質(zhì)量原理質(zhì)量為中心。這樣會(huì)產(chǎn)生橫梁效應(yīng)，從而最大限度增大剛度——重量比。第二個(gè)原則是平衡結(jié)構(gòu)的剛度以確保沒有單個(gè)元件超過應(yīng)力。第一輪的有限元分析表面一個(gè)硬板在它制成的板材上，只有小的偏差時(shí)，其幾乎為零偏差。很明顯應(yīng)用后一種原則是明智的。根據(jù)應(yīng)變輸出表的測試發(fā)現(xiàn)，如果改變硬板材的定位和方向使其承擔(dān)更多的負(fù)載，其他主要元件的偏差就大大減小了。需要牢記的是設(shè)計(jì)師不應(yīng)只滿足一個(gè)工程設(shè)計(jì)的運(yùn)行，而應(yīng)該去爭最優(yōu)的性能。
液壓和氣壓支撐裝置
對這種機(jī)床提出的目標(biāo)之一是僅使用通過壓縮空氣提供能量的電動(dòng)機(jī)或傳動(dòng)裝置，這在工廠所有機(jī)器上都適合。這要求改變公司的刀具存儲卡盤電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。從歷史上來說，公司的刀具夾持卡盤利用液壓電動(dòng)機(jī)和硬質(zhì)制動(dòng)器來指引卡盤。對于HSMC，設(shè)計(jì)一個(gè)利用伺服控制電動(dòng)機(jī)的電力裝置去定位卡盤。雖然電力系統(tǒng)的制造成本是300美元，比一個(gè)液壓裝置高出很多，但維修師估計(jì)，它每年花費(fèi)的維修成本僅為原來的1/6.
傳感系統(tǒng)
傳感和控制系統(tǒng)是機(jī)床中樞神經(jīng)系統(tǒng)。沒有傳感器裝置感知其他變量，機(jī)器將停工。不幸的是傳感器也是機(jī)器中最脆弱的元件，一般來說，盡量最大限度減少傳感器的數(shù)量以便提高機(jī)械的潛在運(yùn)行時(shí)間。在HSMC上，需要位置傳感器測量運(yùn)動(dòng)軸在全部形成范圍內(nèi)的直線位置以及測量形成的單個(gè)點(diǎn)。為了測量直線運(yùn)動(dòng)，在許多有效的，經(jīng)濟(jì)的可選方案：電磁感應(yīng)傳感器。直線編碼器、磁性傳感器和精密滾珠絲杠上的旋轉(zhuǎn)傳感器。
對這項(xiàng)應(yīng)用，需要的分辨率限制了在滾珠絲桿上對直線量具或處理器的成本效率選擇。直線量具可以理想地安裝在距刀尖可能近的地方以減少阿貝折射。不幸的是，這些地方將有飛揚(yáng)的切屑，濺起的切削液和滴落的潤滑油。其次的最佳位置是靠近滾珠絲杠。分解器是合適的旋轉(zhuǎn)傳感器，因?yàn)樗鼈內(nèi)菀酌芊馇夷团K。分解器最主要的問題是在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，不能測量出由于熱膨脹引起的滾珠杠中的任何誤差。另一方面，直線量具能夠直接測量滑動(dòng)架的運(yùn)動(dòng)。只要滾珠絲杠可以提供平穩(wěn)的反彈自由運(yùn)動(dòng)，控制器可以通過從直線傳感器測量得到的信息來準(zhǔn)確地控制滑架的運(yùn)動(dòng)，不用限制循環(huán)。因此雖然直線傳感器比分解器貴一些，較難安裝一些，但是它們能夠提高準(zhǔn)確性和可靠性。而且，通過研究客戶需求，確定這兩者傳感器都是可選的。
在機(jī)器上用傳感器裝置測量獨(dú)立位置的應(yīng)用很廣泛，以幫助確定運(yùn)動(dòng)軸的終點(diǎn)位置和刀具存儲卡盤中刀具的位置。對于高循環(huán)的應(yīng)用，非接觸開關(guān)是常見的傳感器選擇。為了防止運(yùn)動(dòng)軸超出預(yù)計(jì)的行程范圍，提供了三個(gè)限位。第一個(gè)限位是一個(gè)軟件運(yùn)動(dòng)軸行程控制，如果直線傳感器讀數(shù)超過了最大值，它中斷主控直線傳感器讀數(shù)超過最大值，它中斷主控直線傳感器讀數(shù)超過了最大值，它中斷主控智制路徑。第二個(gè)限位是非接觸接近傳感器給制路徑。第二個(gè)限位是非接近傳感器給電動(dòng)機(jī)發(fā)出信號中斷電源。
小結(jié)
這個(gè)案例研究強(qiáng)調(diào)是一個(gè)典型的高效率、計(jì)算機(jī)控制的臥式加工中心的設(shè)計(jì)過程。設(shè)計(jì)過程的描述讓人覺得設(shè)計(jì)決策很容易，實(shí)際情況恰好相反，完成這個(gè)設(shè)計(jì)并且為生產(chǎn)做好準(zhǔn)備是需要大量的工程經(jīng)驗(yàn)、工作臺測試和計(jì)算的，其在市場上取得了成功。當(dāng)把金屬板外罩拿掉，試著想象那些顯現(xiàn)出來的所有部件。在理論上用這種方式分解一個(gè)及其的能力是一項(xiàng)技能，能夠幫你找到競爭中的強(qiáng)勢和劣勢。
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