ZK5201 鑽床主軸和進給（gěi）係統對鑽孔精度的（de）影（yǐng）響-數控機床市場網（wǎng）

您現在的位置：鑽床網> 技術（shù）前沿> ZK5201 鑽（zuàn）床主軸和進給係統對鑽孔精度的影響

ZK5201 鑽（zuàn）床主軸和進給（gěi）係統對鑽孔精度的影響

2019-2-11 來源：武漢大學動力（lì）與機械學院作（zuò）者：肖華，張立佳（jiā），肖帥

摘要：針對 ZK5201 鼓式刹車片（piàn）專（zhuān）用（yòng）鑽床，對其主軸係統和進給係（xì）統的（de）鑽孔（kǒng）精度進行研（yán）究。利用有限元軟件平台，重點分析機床主軸的徑向應力應變，並且從主軸的（de）模（mó）態分析得到了主軸的固有頻率和振型，結（jié）果表明該鑽床的主軸係統能夠保證（zhèng）最終加工精度。

通過建立進給係統的數學模（mó）型，利用 MATLAB 分析係統（tǒng）參數對階躍響應動（dòng）態特性曲線的影響，建立了進（jìn）給係統誤差與主要（yào）係統參數之間的定量關係，通過優化（huà）係統參數，降低進給係統的誤（wù）差，從（cóng）而提高了刹車（chē）片鑽床的穩定性和精度。

關鍵詞：鼓式刹（shā）車片，數控鑽床，精度，動態特性（xìng）

1 、引言

汽車刹車片作為汽車的安全件，直接影響到汽車行駛安全（quán）製動的性能，因此需要高精度、高質量的生產來保障汽車（chē）的安（ān）全行（háng）駛。刹車片螺栓連接孔的加工效率一直以來都非常低，采用數控機床對刹車片鑽孔工藝進行改（gǎi）進後，刹車片鑽孔效率得到大（dà）幅提升（shēng），但刹車片鑽孔精度的控製是目（mù）前最（zuì）關鍵的問題。

在對於刹車片孔加工精（jīng）度分析與研究，國外主要是通過機床精度建模技術來進行，模型的建立（lì）大部分是以靜（jìng）態或準靜態（tài）分析為（wéi）主，存在著一定（dìng）的缺（quē）陷與不足，如通用性問題等。在實際數控機床加（jiā）工過程中，機床的精度影響因素大部分非常複雜而且難以進行量化（huà）分析和判定，因此，對很多機床精度建模的分析與研究還（hái）隻是停（tíng）留在理論分析階段（duàn）與實驗（yàn）階段，缺乏一個比（bǐ）較精確分析的數學模（mó）型。

2 、影響刹車片孔加工精度的分析

2.1 刹車片孔加工特點

刹車片（piàn）是非金（jīn）屬，屬於（yú）複合材料，刹車（chē）片（piàn）孔是階梯孔，分布在具有一定弧度的刹車片上，采用（yòng）複（fù）合刀具進行加工，並且不同刹車片（piàn）階（jiē）梯孔的（de）直徑和深度都有所不同，孔位置的多樣性以及刹車片弧度的多樣性給加工帶來了一定的困難。刹車片孔加工既有形狀尺寸要求，也有孔（kǒng）與其他孔和麵（miàn）的（de）位置精度（dù）要求。其主要形狀位置精度要求有（yǒu）：孔徑的（de）尺寸（cùn）公差

、位置度公差、圓度公差和角度公差等。

我們重點對 ZK5201 三工位刹車片鑽床鑽孔精度（dù）進行分析，為刹車片鑽床提高（gāo）鑽孔精度采取有效措施。

2.2 ZK5201 數控鑽床的（de）誤差分析

影響數控機床加工精度的因素有多種，其中主要的影響因素（sù）有以下的幾（jǐ）種：機床整機的結構、夾具的精（jīng）度、伺服係統、工藝過程參數和外界環境。數控機（jī）床不（bú）同的誤差（chà）源對加工精度的影響（xiǎng）是不一樣的，結合 ZK5201 數控（kòng）鑽床的實（shí）際情況，對鑽床本體精度影響（xiǎng）的主軸及進給係統兩方麵進行分（fèn）析。

3 、鑽床（chuáng）主（zhǔ）軸係統對精度影響分析（xī）

數（shù）控（kòng）機床的主軸與刀具直接相連，它的精度（dù）將直接影響到被加工零件的（de）精度，而機床主軸的靜動態性能是對（duì）主軸（zhóu）分析時必須考慮的因素。

3.1 主軸結構分（fèn）析

主軸通過皮帶輪來進行驅動，主軸前支承承受徑向載荷和軸向（xiàng）載荷，主軸後支承承受徑向載荷。主軸係統的進給運動是通過交流伺服電機（jī）驅動滾珠絲杠來完成。主軸部件的結構簡（jiǎn）圖，主要是由（yóu）機床主軸、軸承、主軸（zhóu）箱體、軸承座壓蓋和套筒等零件組成，如圖 1 所示（shì）。ZK5201 鑽床的主軸工（gōng）作時高速旋轉，有一定的衝擊和振動，一方麵用（yòng）靜（jìng）強度分（fèn）析它的強度和剛度，另（lìng）一方麵用模態分析來計算它（tā）的固有頻率和高階頻（pín）率。

3.2 主軸的（de）靜力學分析

在 Workbench Mechanical 中，通過（guò）有限元後處理程序，得到主軸的徑向方向變形，如圖 2 所示。

由圖 2 可知：主軸的總的最大變形位置發生在軸與鑽頭安裝的結合處，其變形量為 Umax的值為 16.68um。變形的（de）變化值所引起（qǐ）的幾何（hé）精度誤差（chà）值應（yīng）小於機床的幾何誤差的（

1/3—1/5）T，由刹車片孔加工的位置（zhì）精度為±0.1mm 可以得，軸的變形誤（wù）差的範圍為：

而實際所分析的最大（dà）位移為 16.68um，小於軸變形的誤差（chà）範圍，能夠達到精度的要求，但非常接（jiē）近，在實際的加工過程當中需要適（shì）當增大主軸的（de）剛度。

3.3 主軸的模態分析

主軸在理論上是可以求出無窮多（duō）階的頻率，但是對於實際的加工（gōng）過程而言，隻有最低的幾階固（gù）有頻率才有（yǒu）可能和實際外（wài）界的激勵頻率相接近。ANYSYS Workbench 的模態分析結果，如表 1所示。

在對主軸進行模態分析中，主（zhǔ）要（yào）考慮工作（zuò）頻率附近的固有頻率的分布情況，應該盡量地避免工作頻率附近存在共振頻（pín）率，通常設定主軸的最高的工作轉速不能超過 1 階的（de）臨界轉速的75%。其 1 階模態振型，如圖 3 所示。

從表 1 可以得出，主軸（zhóu）的 1 階頻率為 1801.4Hz，通過計算可以得到主軸的（de）臨界轉速 nt為：

而 ZK5201 數控鑽床的主軸的工作的最高轉速（sù） 2840r/min，遠遠低於其 1 階臨界轉速，所以該主軸從（cóng）模態分析的（de）角度來說，設計合理，可以有效地避開共振區，避免產生大的變形，保（bǎo）證了最終的加工精度。

4 、鑽床（chuáng）進給係統對精度影響分（fèn）析（xī）

ZK5201 型刹車片鑽床進給係統主要由以（yǐ）下幾部分組成：伺服驅動係統、機械傳（chuán）動部件、執行元件和檢測反饋環節。進給係統可以看做是一個動力學（xué）的係統模型，以伺服電機的角位移作為機械傳動的輸入，以執行部件的運動作為輸出，將進給（gěi）傳動係統簡化為動力學係統（tǒng）的（de）模（mó）型。

4.1 進給係統誤差組成

進給係統誤差來源主（zhǔ）要有（yǒu）三方麵：機械係統本身製造誤差、靜態載荷變形誤差和熱變形誤差。對機床本體精度進行分析，因此不考慮熱變形引起的誤差（chà）。ZK5201 數控機床的進給（gěi）係統的誤差可以用以（yǐ）下的公式來進行表示：

由此，ZK5201 數控係統進給係統的誤差主要（yào）由（yóu）三部分組成：機械傳動的間隙誤差 e2、滾（gǔn）珠（zhū）絲杠與主傳（chuán）動機構自身（shēn）的製造誤差 e3和係統自（zì）身（shēn）的彈性變（biàn）形誤差（其中：K—

係統的等效扭轉剛度；J0—等效轉動慣量；f—機械係統的等效阻尼；L—滾珠絲杠的導程）。

其中的第一項 e2和第二項 e3的誤差均為定（dìng）值，可變的誤差項僅有第（dì）三項-係統自（zì）身（shēn）的彈性變形誤差，它是係統誤差的主要來源。

4.2 進給係統動態特性分析

4.2.1 進給係統（tǒng）的單位（wèi）階躍響應與（yǔ）響應性（xìng）能分析

通過計算得出 ZK5201 數控鑽床進給係統的相關參數，如（rú）表2 所示。

表2

根據對 ZK5201 進給係統參量的計算，帶入到進給係統（tǒng）的數學模型中，可（kě）得：

通過 MATLAB 對數控鑽床的進給係（xì）統進行單位階躍響應仿真，得到的階躍響應（yīng）曲線，如圖 4 所（suǒ）示。

為了對進給係統（tǒng）的單位階躍響應的（de）特性（xìng）進行說明（míng），一般采用4 個指標來進行說明：

（1）上升時（shí）間 tr=0.007；（2）峰值時間（jiān） tP=0.01；（3）最（zuì）大超調（diào）量 MP=2×10- 5；（4）調整時間 tS=0.026。通過以上的進給係統的單位階躍響應特性曲線以及性能指標的考慮，可以得到如下的結論：①由於機械的負載、執行部件（jiàn）的質量等元件的質量是（shì）確定的，所以對於係統影響比較大的因素主要是係統的等效阻尼係數f 和係統的總體等效的剛度 K。

②通過特性曲線可以估計，因為係統的超調量（liàng）偏大，係統的等效（xiào）阻尼係數應適當（dāng）地加大，係統的總體剛度也應有所提高，加快調整的時間，提（tí）高係統的響應速度，同時也應該減小係統的振動幅度。

4.2.2 進給係統的單（dān）位（wèi）階（jiē）躍響應（yīng）與參數 f 的（de）關係

進給係統等效（xiào）阻尼係數 f 產生改變，以此來分析（xī）對於進給係統單位階躍響應曲線特性（xìng）的影響。因此，我們采用控製變量法，在（zài）保證進給係統其它參數不變的情況下（xià），隻改變係統的等（děng）效阻尼係數，選取 f=（0.11~1.0）。

執行 MATLAB 的相關程序後，得到的階躍響應曲線，如（rú）圖 5所示。當 f=0.11，係統的超調量的值偏大，這也說明從係統受到（dào）階躍響應（yīng）開始到最終的（de）穩定值，其波（bō）動（dòng）變化範圍比較大，係統不太穩定。當 0.1<f<1 時，隨著 f 的值不斷的（de）上升，係統單位（wèi）階躍響應的超調量減少，但上升的（de）時間卻有所加長。

對於整個的進給係統來說，必須（xū）得綜合考慮（lǜ）到超調量和上升時間這兩個因素，因此最終 f 的值應該（gāi）接近於 0.21。

4.2.3 進給係統的（de）單位階（jiē）躍響應與參數 K 的關係

通過對係統階躍響應（yīng）的分（fèn）析，可以得到當 f=0.21 時，係統的超調量和上升時間這兩個變量的綜合效果（guǒ）是最優。繼續保持其它的參數不（bú）變，隻改變係統的（de）總體剛度 K，選（xuǎn）取 K=

（40~200）kg/μm。

執行 MATLAB 的相關程序（xù）後，可以得到的進給係統（tǒng）隨著係統總的剛度變化而產生的階躍響應曲線，如圖 6 所示。當 f=0.21，J0=0.0031kg/m2時，隨著（zhe）進給係統總體等效剛度 K 的增大，係統達到（dào）穩態後輸出幅值越來越小。這與實際的情況相符，隨（suí）著剛度的增加，係統的振動會越（yuè）來（lái）越小。因此，我們需要選取一個合理的（de）值（zhí），既能夠保證係統的剛度，又（yòu）能夠滿足加工精度的要求。

在鑽床的進給係統的總體等效剛度為 K=40.1kg/um，係統達到穩（wěn）態時的幅值為 0.1mm，當（dāng）係統的總體等效剛度增加一倍時，係統的穩態幅值（zhí）為 0.05mm，穩態幅值（zhí）也（yě）降了一倍。從這個階段來說增加（jiā）係統（tǒng）的總體等（děng）效剛度對於（yú）減小（xiǎo）係統振動（dòng）的效果非常明顯；當超出這個範圍之後，影（yǐng）響的效果不明顯，也不經濟。

5 、提高進給係統精度的措施

對於 ZK5201 數控（kòng）鑽床而言，通（tōng）過以上的分析可得，係統的階躍響應達到穩態的幅值為 0.1mm，根據孔的（de）加工要求，綜合考慮誤差的影響因素其振動（dòng）誤差應控製在 0.05mm 左右，因此應當減小機床進給係統達到穩態後的幅值。綜合以上的分析得到，影（yǐng）響進給係統精度最主要的參數有四個：總的轉動慣（guàn）量、總的等效剛度、等效阻尼係數和絲杆（gǎn）的導程。

在改變係（xì）統（tǒng）的總的等效剛度和等效阻尼係數之後，可以分別得到改進前後係統的階躍響應曲線，如圖 7 所示。

以上對於這些參數以（yǐ）及相關的一些參數（shù）的定量的分析，針對目前的 ZK5201 進給係統存在（zài）的一些問題，提出一些相關的改進的措施，如表 4 所示。

6 、結論

通過對 ZK5201 數控機床主軸的靜力學（xué）分析和模態分析，可知機床主軸的最高轉速（sù）避開了共振轉（zhuǎn）速，驗證了主（zhǔ）軸的可靠性，有利於保證加工精度（dù）。進給（gěi）係（xì）統精（jīng）度的影響因素眾多，對其（qí）進行建模分析（xī），采用（yòng）控製變量法，在保證進給係統其它參數不變的（de）情況下，分析這些因素與（yǔ）伺服進給係統精度的關係，能（néng）以低投入獲得高的加工精度。

對數控（kòng）機床主軸和進給係統的誤差組成進行了詳細的分（fèn）析，得到了主軸和（hé）進給係統誤差與主要係統參數（shù）的定量關（guān）係，分析原因並給出了一些改（gǎi）善措（cuò）施，通過大量（liàng）現場實驗，鑽孔的位置誤（wù）差值平均降低了（±2.694）um，精度提高了 12%，為（wéi）今後刹車片鑽床提高鑽孔精度提供了一（yī）些可參考的方法。

投稿箱：
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表（biǎo），或進行資訊合作，歡迎（yíng）聯係本網編輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息（xī）

名企推薦

業界視點

| 更多

行業（yè）數據

| 更多

博文選萃

| 更多