组合机床滑台动态特性的研究-中文翻译

1中文翻译组合机床滑台动态特性的研究【摘要】本 利用功率键合图和状态空间分析法对组合机床滑台的前冲和运动平稳性问题进行分析与研究，建立了滑台的液压驱动系统一自调背压调速系统的动态数学模型。通过计算机数字仿真，分析了滑台产生前冲和运动不平稳的原 及主要影响 素。从中得出，如果合理地设计液压缸和自调背压调压阀的结构尺寸，可以使滑台的动态特性得到显著改善。1 引言组合机床工作中，滑台运动速度的大小和方向以及所承受负载的变化都将程度不同地影响其工作性能。特别是在工进过程中。滑台上负载的突然消失引起的前冲以及负载的周期变化引起的运动不平稳，都将影响被加工件的表面质量，严重时会致使刀具折断。根据大连机床厂要求，作者采用功率键合图和状态空间分析法建立组合机床滑台的新型液压驱动系统一自调背压调速系统的动态数学模型。通过计算机数字仿真和研究。分析滑台产生前冲和运动不平稳的原 以及主要的影响，以便改善滑台的动态特性。2 动态数学模型组合机床滑台的液压驱动系统一自调背压调速系统的工作原理图如图 I 所示。该系统是用来完成工进一停止一快退”的工作循环。当滑台工进时，三位四通换向阀处于图示右位，油泵的供油压力在滥流阀的作用下近似地保持恒定，该油液流经换向阀和调速阀后进入油缸的无杆腔，推动滑台左移；同时，油缸有杆腔排出的压力油经自调背压阀和换向阀流回油箱。在此过程中，两个单向阀和溢流阀始终没有改变原有的工作状态。对象该系统这样的复杂非线性系统，为了便于研究其动态特性，建立一个仅着重考虑主要影响因素的合理简单的动态数学模型是尤其重要的12。从理论分析和试验研究中得知：该系统的过程时间是远大于调速阀的过程时间的，油缸无杆腔有效承压面积很大，调速阀出口流量的瞬时超调反映为滑台运动速度的变化是很小的2。为了拓宽和深入研究系统的动态特性，使研究工作能在微型计算机上有效地进行，本 对原模型2做进一步简化，假定调速阀在系统的整个过渡过程中输出恒定的流量，视其为流源。这样，系统的动态模型的结构简图如图 2 所示，它是由油缸、滑台，自凋背压阀和联接管路等组成。本论文中所使用的符号：s1-流源，即调速阀出口流量；Sel滑台滑动摩擦力R 一滑台等效粘性摩擦系数I1滑台与油缸的质量 12自调背压阀阀心质量C1、c2油缸无杆腔及有杆腔的液容C2自调背压阀弹簧柔度R1, R2 自调背压阀阻尼孔液阻，R9自调背压阀阀口液阻Se2自调背压阀弹簧的初始预紧力；I4, I5管路的等效液感C5、C6管路的等效液容：R5, R7-管路的等效液阻；2V3, V4油缸无杆腔及有杆腔内容积；P3, P4油缸无杆腔及有杆腔的压力F滑台承受负载，滑台前冲现象是作用在滑台上的负载突然消失（如钻透工作情况)引起的。在此过程中，滑台的负载 F、运动速度 V、油缸两腔压力 P3 和 P4 的变化可从图 4 仿真结果看出。当滑台在负载的作用下匀速运动时，油缸无杆腔油液压力较高油液中聚集了大量的能量。当负载突然消失时，该腔油压随之迅速降低，油液从高压态转入低压态的过程中向系统释放很多能量，致使滑台高速向前冲击。然而，滑台的前冲使油缸有杆腔油液受压引起背压升高，从而消耗掉系统中的一部分能量，对滑台的前冲起一定的抑制作用。应当看到，在所研究的系统中，自调背压阀的入口压力要受到油缸两腔油压的综合作用。在负载消失的瞬间，自调背压阀的压力迅速上升，并稳定在高于初始背压的数值上。从图中可见，自调背压调速系统在负载消失瞬间油缸背压力升高的幅度大于传统的调速系统，所以，其油缸有杆腔中油液吸收的能量 多；结果，滑台的前冲量比传统调速系统要小近 20%。可见采用自调背庄调速系统作为驱动系统的滑台在抑制前冲方面具有良好的特性，其中自调背压阀起了很大作用。四.滑台的运动平稳性当作用于滑台上的负载周期变化时（如铣削加工情况） ，滑台的运动速度要产生一定的波动。为于保 加工质量的要求，必须尽可能地减小其速度波动范围。从讨论问题的方便出发，假设负载按正弦波规律变化，从而得到的数字仿真结果如图 5 所示。由此可见该系统与传统的调速系统有着相同的变化规律和非常接近的数值。原 是负载的变化幅度不大，油缸两腔压力也 没有较大变化，最终导致自调背压阀的作用不够明显。五、改善措施研究结果表明，以自调背压调速系统为驱动系统的滑台，其动态特性优于传统的调速系统。要减少滑台的前冲量， 必需在负载消失的瞬间迅速提高油缸有杆腔的背压力；要提高滑台的运动平稳性 需增加系统的刚性，主要措施在于减小油液的体积。从系统的结构得知，油缸有杆腔与排油管间有一很大的容积，如图 6a 所示。它的存在方面延迟和衰减了自调背压阀的作用，另一方面也降低了系统的刚性，它限制了前冲特性和运动平稳性的进一步改善。因此，改善滑台动态特性可从两个途径进行：即改变油缸容积和改变自调背压阀结构尺寸。通过一系统结构参数的仿真计算以及结果的比较可以得出：当把油缸有杆腔与排油管间容积 V4 同无杆腔与进油管间容积 V3 之比由原来的 5.5 改为 1 时，如图 6b 所示，同时，把自调背压阀阀芯底 直径由原来的 10mm 增加为 13mm,阻尼三角槽边长从原来的 lmm 减小到 0.7mm 时，可使滑台的前冲量减小 30%,过渡过程时间明显缩短，滑台的运动平稳性得到很大改善。通过理论分析和计算机仿真研究,自调背压调速系统作为组合机床滑台的驱动系统是很有推广使用价值的。影响滑台动态特性的主要 素是油缸内部结构和自调背压阀的尺寸。若对其进行合理设计，可使滑台的动态特性得到显著地改善。同时，也说明了采用功率键合图和状态空间分析法研究复杂非线性是方便有效的。1946 年诞生了世界上第一台电子计 机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进3入信息社会奠定了基础。6 年后即在 1952 年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路搭成一台机床专用计 机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIRED NC） ，简称为数控（NC） 。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即 1952年的第一代-电子管；1959 年的第二代-晶体管；1965 年的第三代-小规模集成电路。到 1970 年，通用小型计 机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计 机数控 （CNC）阶段 （把计 机前面应有的通用两个字省略了） 。到 1971 年，美国 INTEL 公司在世界上第一次将计 机的两个最核心的部件-运器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR） ，又可称为中央处理单元 （简称CPU） 。到 1974 年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计 机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控） ，不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计 机的核心部件，故仍称为计 机数控。到了 1990 年，PC 机的性能已发展到很高的阶段，可以满 作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于 PC 的阶段。总之，计算机数控阶段也经历了三代。即 1970 年的第四代-小型计算机；1974 年的第五代-微处理器和 1990 年的第六代-基于 PC（也就是为 PC-BASED） 。基于 PC 所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用 PC 机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC 机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。随着人工智能在计 机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。1 应用自适应控制技术数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统 2 运行状态的目的。3 引入专家系统指导加工将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。4 引入故障诊断专家系统5 智能化数字伺服驱动装置可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最 的运行。从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高 37 倍。4由于计 机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了柔性自动化。加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要修配。可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无 看管加工。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力 （一个人可以看管多台机床） ，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行 FMC （柔性制造单元） 、FMS （柔性制造系统）以及 CIMS （计 机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在 70 年代末、80 年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业 （包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS 外，还包括在产品开发中推行 CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行 MIS （管理信息系统） 、CIMS 等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化） ，最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。在美国、日本和德国等国家，机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个永恒的课题。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生 （Remanufacturing）业。从事再生业的著名公司有：Bertsche 工程公司、ayton 机床公司、Devlieg-Bullavd （得宝）服务集团、US 设备公司等。 。在日本，机床改造业称为机床改装 （Retrofitting）业。从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点：其一是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复；其二是 NC 化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成 NC 机床、CNC 机床；其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的 CNC 系统以最新 CNC 进行更新；其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。同购置新机床相比，一般可以节省 6080的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的 1/3，交货期短。但有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往改造成本提高 23 倍，与购置新机床相比，只能节省投资 50左右。所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。5