机床结构动态性能
研究综述
刘康康
（北京信息科技大学机电工程学院，北京100192）
摘要--阐述了机床结构动态性能的研究现状及范围，从整机动态性能、关键部件动态性能，以及结合部动态性能三个方面进行论述分析给出具体实例，并给出了进一步研究的建议。
关键词:整机动态性能；关键部件动态性能；结合部动态性能
Abstract--This paper expounds the present situation of the study on dynamic performance of machine tool structure and the scope, key components from the machine dynamic performance, dynamic performance, dynamic performance and the integration of three aspects discusses analysis of specific examples, and gives Suggestions for further research.
Key words The machine dynamic performance The dynamic performance of key parts Integration of dynamic performance
0引言
社会生产中数控机床的使用范围越来越广，生产对机床的要求也越来越高，除了要求机床重量轻、成本低、使用方便和具有良好的工艺可靠性外，还要求机床具有良好的加工性能。事实证明，随着机床加工性能的不断提高，对机床结构动态性能的要求也随之增加。本文在对机床结构动态性能进行研究时，将机床结构动态性能定义为机床整体或者机床某子结构在动态力作用下所表现出的性能，包括模态、阻尼和动刚(柔)度等。经过大量的文献调研，围绕机床结构动态性能的相关研究，并在分析与总结的基础上进行归纳，同时提出进一步研究的建议。本文根据阐述的需要以及鉴于结合面对机床结构动态性能分析的重要性，将机床结构动态性能分为整机动态性能、关键部件动态性能以及结合部动态性能三个部分进行分析【1】。
1 机床结构动态性能研究现状
机械结构的动态特性问题早在30年代就引起人们的重视。但目前，机械动态设计仍然是正在发展中的一项新技术，涉及现代动态分析、计算机技术、产品结构动力学理论、应用数学、设计方法学等众多学科范围，还没有形成完整的动态设计理论，方法和体系，许多问题尚需进行深入广泛的研究。不论是国内还是国外，动态设计都还处在初级阶段，许多高层次动态设计问题正在研究过程中。正因为如此，目前大型高速旋转机械屡屡发生毁机事故，由于这些事故多数是在强非线性、强藕合的条件下发生的，因此，近来国内外科技工作者对这些机械的动态设计十分重视。动态设计已经从一般的动态设计向更高层次的方向发展，即向非线性、高维、多参数的研究方向发展。这就要求设计者用更新和更深的理论、方法与技术进行设计，这必然会给动态设计带来相当的难度。
目前国内外对机械设备的动态设计十分重视，机械系统的非线性动力学问题是国际上研究的热点，许多原来认识不清的问题，现在可以用非线性动力学理论与方法来解决。因此，对重大机械装备进行高层次的动力学设计，引入与采用非线性动力学理论与方法。这是十分必需的。60年代，随着振动实验技术的发展，以及机械阻抗测试了迈和频率特性分析的问世，使结构频率响应函数测试成为可能。70年代发展起来的快速傅立叶变换技术及有限元分析技术，实现了机械结构的实验建模和理论建模;80年代末，机械机构的动杰设计得到了发展。目前机械结构动态设计研究的重点，是将作为动态分析重要手段的实验模态分析技术和有限元分析方法同迅速发展的计算机辅助设计技术有机结合起来，以便进一步发展和完善机械结构动态设计技术。在此基础上，对机械结构进行优化设计。现代加工技术日益向着高速、大切削量的方向发展，这就要求所设计的机床具有高速、高刚度、高精度的优良性能。为了适应生产线的快速可重组性，现代数控机床对地基的要求越来越弱，或者根本就不需要特殊的地基;数控机床加工中的振动不仅产生噪音，还将严重响应零件加工表面的质量。这样，为
了保证应有的加工质量，必须使数控机床，尤其是机床床身，具有极好的动、静刚度。由于我国数控机床结构动态设计技术和手段落后，仿制国外产品成功率低，使我国高性能数控机床的设计技术与发达国家有较大的差距随着汽车工业、航天制造业等行业的发展，对大型模具加工中心、高速加工中心的需求量愈来愈大。要想提高数控机床的性能，必须以科学的方法进行结构设计。概括目前机床动态研究领域的内容，可知设计阶段预测机床的动、静刚度问题尚未解决，而数控机床的静、动态性能关系到机床加工精度、效率、振动等问题，是目前研究的热点【2】。
1.1整机动态性能
机床是机械制造工业中最基本的设备。随着国民经济的发展，人们对机床提出了越来越高的要求，其中最基本的问题就是要提高机床的工作性能，而机床的工作性能是与其动态性能紧密相关的。随着现代设计方法的广泛运用，对机床进行动态特性分析，用动态设计取代静态设计已成为现代机床设计发展的必然趋势。机床是由多个部件组成的复杂组合结构,各部件之间结合部的动态参数对整机动态性能的分析精度产生的影响很大，特别是在动态分析中，各零部件之间结合部的接触参数对动态性能的解析计算精度影响很大，因此要准确预测机床的动态性能,应该将机床作为一个整体进行分析。目前对整机动态性能的研究主要有以下三种思路:1)从整机的模态分析入手，通过分析模态参数,确定薄弱部件,进而对薄弱部件进行分析和再设计,达到提高整机动态性能的目的，这种思路即是从整机到部件的思路2)在对整机进行动态性能分析的同时，选定一些关键部件，并对这些关键部件进行动态性能分析和再设计，这种思路即是整机与部件并行的思路。3)先将整机分解成不同的子结构，然后对各子结构进行动态性能分析和再设计，最后在考虑结合部参数影响的情况下分析整机的动态性能，这种思路即是从部件到整机的思路。整机到部件的思路在整机动态性能的研究中运用得最为广泛。一些学者通过有限元建模对整机进行模态分析，进而确定机床的薄弱部件；鉴于动态实验能够准确地进行模态参数的识别以及为动态优化提供准确的数据，很多学者以实验为中心进行整机动态性能的研究【3】。
南京理工大学的夏玲玲等人以KVCIOSON立式加工中心为研究对象，建立了其整机有限元模型，重点研究了机床结合面特性的等效处理，分别计算了柔性联接和刚性联接两种模型的整机模态，对比两者的计算结果，研究了结合面特性对机床动态性能的影响【4】。
西安交通大学的刘弹针对传统机床整机动态性能测试架构高成本、可测对象单一、分析方法有限等问题，提出一种基于反射的对象关系映射与插件技术的机床整机动态性能测试架构，该架构可降低测试成本、扩展测试对象和分析接口方法的种类。基于该架构实现对西门子 840D 系列数控系统的圆测试、主轴测试、通用轴测试和恒速轴测试等测试与分析。通过对比实验验证了该系统的测试效果和完整性【5】。
经过有限元分析和动态测试实验确定整机薄弱环节后，往往存在多种可修改方案，一些学者提出整机和部件并行的思路，有效地缩短了动态性能研究修改的周期。长春工业大学关英俊等人运用这一思路进行了整机动态刚度实验和有限元仿真，在较短的时间内得出了机床动态性能。动态性能研究中部件到整机的思路即是先使关键零部件动态性能满足设计要求，从而确保整机的动态性能符合要求。此时结合部动态参数准确程度将决定该方法的准确性【6】。
沈阳机床的赵进等人进行了机床整体系统振动特性分析，用有限元计算方法对新研发的产品整机进行动态性能估计，掌握机床加工区域的的振型及固有频率。在该数控机床完成安装后对整机进行振动模态测试，把实验得到的模态参数与有限元计算得到的进行对比。结果表明，有限元模型的振型与实验基本一致。可以对研发的新产品进行动态特性预估分析【7】。
1.2关键部件动态性能
随着机床转速和加工精度的不断提高，企业对机床结构动态性能也提出了更高的要求，如果无法保证关键部件的动态性能，那么整机的动态性能也将无法保证。研究表明，中型车床各个部件的动态性能均反映在刀具与工件切削处的综合位移中,主轴部件的影响最大:未处于共振状态时主轴部件的影响占总影响值的 30% ～40%，共振状态时主轴部件的影响占总影响值的 60% ～80%。可见对机床关键部件动态性能的研究具有非常重要的意义。目前对机床关键零/部件的研究范围非常广泛，其中对
主轴系统的研究最具代表性。
北京工业大学的张飞等人以某机床集团自主研发与设计的大型龙门铣床为研究对象,对铣床较高转速下出现的振动异常现象及影响铣床动态性能的关键部件(摆角铣头与滑枕)进行了探究。铣床在转速较高的条件工作时,其关键件摆角铣头出现明显的振动异常现象,就此对摆角铣头传动系统进行了阶次分析,发现引起振动异常的原因是传动系统中通过齿轮轴连接的两齿轮发生调至现象所引起的强迫振动,连接轴存在严重的不平衡。并且提出与关键件第一阶固有频率重合的强迫固有振动所对应的工作转速,工作时应尽量避免在此转速下工作【8】。
中国科学技术大学王硕桂等人以滚动轴承静力学和滚道控制理论为基础，研究了多种因素对轴承滚珠与内圈及外圈的接触刚度、轴承径(轴)向刚度和角刚度的影响，并编写了相关的计算程序【9】。
天津大学的钱叶昶对三门峡车床主轴,以改善主轴动态特性、提高机床加工性能为研究目的,借助有限元分析软件ANSYS,研究了主轴轴承刚度、轴承预紧力及轴承跨距对机床主轴动态特性的影响规律。为进一步研究机床综合动态特性、实现对数控机床加工性能的正确评估和开发数控机床综合动态性测试系统,提供了一定的理论基础【10】。
西安交通大学田久良等人建立了主轴轴承系统的热力耦合模型，研究装配过盈量、温升和离心效应等因素对轴承变形和刚度的影响，并通过有限元法和模态实验进行对比验证。为了更好地模拟主轴系统的实际工况，一些学者将主轴轴承夹持装置刀具作为整体来研究其动态性能【11】。
1.3 结合部动态性能
机床的振动是影响现代数控机床加工精度以及生产效率的主要原因之一。随着数控设备自动化程度的不断提高以及高速切削和超精加工的迅速发展，都要求必须对振动产生的原因和过程进行深入的研究。而机床的振动与结合部的非线性特性有着重要关系。机床结合部很大程度上影响了整机的动力学特性，机床中结合部接结合部动态性能对被连接系统动态性能的影响很大，对于由多个部件组成的机床更是如此。研究表明:机床静刚度的 30% ～50% 由结合部刚度决定,机床上出现的振动问题有60% 以上源自结合部，机床阻尼有90%以上来源于结合部,因此开展机床结合部动态性能的研究，对提高整机动态性能具有极其重要的意义。1998年02期20 世纪 50年代,前苏联学者开始对机床的结构振动特性及其影响因素开展了研究之后,各国学者相继开始对结合部进行研究。相对结合部的静态性能而言，其动态性能的研究要困难得多，主要体现在以下两个方面：其一，结合面不是一个独立的动力学单元，它只能存在于机械结构中；其二，结合面自身的阻尼与它所处的结构系统中其他结构的阻尼往往处于同一数量级。几十年来，众多学者从不同方面研究了结合部的动态性能。一些学者以实验为出发点，研究结合部的动态性能。
张学良等人对结合面动态性能参数的理论及获取方法进行了深入的研究，提出了用于获取具有通用性的结合面动态基础性能参数实验装置的设计原则和对结合面动态基础性能参数影响因素的处理方法等【12】。
日本学者堤正臣对螺栓结合面进行动态实验，定性地分析了结合面阻尼产生的原因，经过进一步研究认为结合面间的微观滑移是结合面切向阻尼产生的原因【13】。
中国石油大学赵宏林等人从基本的动力学方程出发，利用一个振动周期中某方向输入能量与阻尼消耗能量相等的特点，得出了单平面、多平面结合部的阻尼数学模型，并将该模型融合到机床结构的建模中【14】。
四川大学的的孙明楠等人针对企业精密卧式加工中心动力学设计的需要,在对该加工中心导轨部件进行模态试验的基础上,提出了一种将模态实验数据与有限元分析模型相集成的导轨结合部动力学参数的优化识别方法。该方法以试验所得各阶模态频率与阻尼比为优化目标,在Matlab与Ansys 的集成环境下建立优化任务,采用基于Armijo搜索准则的拟牛顿BFGS算法对结合部动力学参数优化计算。导轨结合部动力学参数优化识别结果表明,所提出优化识别算法的收敛性好、精度能满足工程应用需要【17】。
2 总结与展望
最近几年来研究人员对整机以及关键部件的动态性能进行了大量的研究，逐步找到了一些理论，也分析出了影响整机及关键部件及结合部动态性能的因素;但有些方法也存在着诸多等问题。今后若要对机床整机动态性能有更好的研究，应加强以
下三个方面:1)减少假设条件，将实际工况融入机床动态性能理论模型；2)机床结构动态性能研究的目的是分析机床动态性能对最终加工精度的影响，应该加强动态性能与最终加工精度关系的研究；3)采用可靠性理论，采用概率统计的方法提高动态性能实验的可靠性。
参考文献
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数控机床的工作原理及基本结构 一、程序编制及程序载体 数控程序就是数控机床自动加工零件的工作指令。在对加工零件进行工艺分析的基础上,确定零件坐标系在机床坐标系上的相对位置,即零件在机床上的安装位置;刀具与零件相对运动的尺寸参数;零件加工的工艺路线、切削加工的工艺参数以及辅助装置的动作等。得到零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息后,用由文字、数字与符号组成的标准数控代码,按规定的方法与格式,编制零件加工的数控程序单。编制程序的工作可由人工进行;对于形状复杂的零件,则要在专用的编程机或通用计算机上进行自动编程(APT)或CAD/CAM设计。 编好的数控程序,存放在便于输入到数控装置的一种存储载体上,它可以就是穿孔纸带、磁带与磁盘等,采用哪一种存储载体,取决于数控装置的设计类型。 数控机床的基本结构
二、输入装置 输入装置的作用就是将程序载体(信息载体)上的数控代码传递并存入数控系统内。根据控制存储介质的不同,输入装置可以就是光电阅读机、磁带机或软盘驱动器等。数控机床加工程序也可通过键盘用手工方式直接输入数控系统;数控加工程序还可由编程计算机用RS232C或采用网络通信方式传送到数控系统中。 零件加工程序输入过程有两种不同的方式:一种就是边读入边加工(数控系统内存较小时),另一种就是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器,加工时再从內部存储器中逐段逐段调出进行加工。 三、数控装置 数控装置就是数控机床的核心。数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序,经过数控装置的逻辑电路或系统软件进行编译、运算与逻辑处理后,输出各种控制信息与指令,控制机床各部分的工作,使其进行规定的有序运动与动作。 零件的轮廓图形往往由直线、圆弧或其她非圆弧曲线组成,刀具在加工过程中必须按零件形状与尺寸的要求进行运动,即按图形轨迹移动。但输入的零件加工程序只能就是各线段轨迹的起点与终点坐标值等数据,不能满足要求,因此要进行轨迹插补,也就就是在线段的起点与终点坐标值之间进行“数据点的密化”,求出一系列中间点的坐标值,并向相应坐标输出脉冲信号,控制各坐标轴(即进给运动的各执行元件)的进给速度、进给方向与进给位移量等。 四、驱动装置与位置检测装置
关于机械系统设计的综述报告 摘要：阐述了机械系统的组成部分和机械系统设计的各个组成部分; 并对机械系统设计的五大子系统进行了说明，介绍了每个子系统的概念以及设计重点。从总体总结了机械系统设计的一般步骤，每个环节所要完成的工作与注意部分。最后展望未来机械系统设计将与现代设计理论方法结合展现更大的优势。 关键词：机械系统；机械系统设计；子系统 1.引言 机械工业历来是发达国家的重要支柱产业，是一个国家的工业基础。但从70年代开始，世界传统工业因不适应科技水平和社会生产力的飞速发展而产生大幅度滑坡，一度曾被称之为“夕阳工业”。而现代机械系统以传统机械工业为基础，融合控制理论、计算科学和信息技术、体现系统论、优化论、对应论、智能论、寿命论、突变论、艺术论等现代设计思想，不但能代替人的体力劳动，更能解放人的一部分脑力劳动，已经成为现代人类改造客观世界的重要工具。同时，也使机械工业逐渐摆脱窘境，日益显示出其新的活力。 2.机械系统设计 2.1机械系统组成 机械系统是机电一体化系统的最基本要素，由若干机构，零件，部件组成，包括动力系统，执行机构，传动机构，支撑机构，控制机构等，用于完成指定的动作，传递功率，运动或者信息。 (1)动力系统 动力系统包括动力机及其配套装置，是机械系统工作的动力源。动力机输出的运动通常为转动，而且转速较高。选择动力机时，应全面考虑执行系统的运动和工作载荷、机械系统的使用环境和工况以及工作载荷的机械特性等要求，使系统既有良好的动态性能，又有较好的经济性。 (2)传动系统 传动系统是把动力机的动力和运动传递给执行系统的中问装置。如果动力机的工作性能完全符合执行系统工作的要求，传动系统也可
第31卷第1期福州大学学报(自然科学版)Vol.31No.1 2003年2月Journal of Fuzhou University(Natural Science)Feb.2003 文章编号:1000-2243(2003)01-0069-04大型机床动态特性的整机有限元分析 林有希1,高诚辉1,高济众2 (1.福州大学机械工程系,福建福州350002;2.合肥工业大学机械学院,安徽合肥 230009) 摘要:用静态凝聚法和子结构技术,大幅度缩减机床整机有限元分析的计算规模,保证了工程研究感兴趣 的低阶频率范围的精度.结合1台大型机床整机的有限元建模,在微机上对其进行动态性能分析,判别薄 弱环节,提出设计修改方向和建议. 关键词:大型机床;模态分析;有限元;静态凝聚 中图分类号:TH113文献标识码:A Dynamic finite element analysis of heavy-duty machine tool LIN You-xi1,GAO Cheng-hui1,GAO Ji-zhong2 (1.Department of Mechanical Engineering,Fuzhou University,Fuzhou,Fujian350002,China;2.College of Me- chanical Engineering,Hefei University of Technology,Hefei,Anhui230009,China) A bstract:Stiffness and mass matrices is effectively r educed by static condensation and sub-str ucture method.The finite element analysis for complex mechanical structure can be performed in personal c om- puter.The result and discussion of the dynamic analysis is presented for a heavy-duty machine tool, with pr ogram AMTPOS. Keywords:heavy-duty machine tool;dynamic analysis;finite element method;static c ondensation 机床是工作母机,其动态特性将直接影响加工精度和质量.对于机床这种复杂而庞大的结构,其动态有限元分析将导致成千上万个自由度的特征值问题,尤其拓展到在微机上进行的高频度分析计算,巨大的计算规模使计算机容量和计算时间难以承受.因此,有效缩减计算规模是机床整机有限元分析面临的关键问题之一.虽然子空间迭代法或P-W等方法[1,2]充分计及矩阵[M]和[K]的稀疏或带状性质,但也难以用来克服上述困难.在机床整机动态分析与参数优化程序系统AMTPOS①中,利用凝聚降阶技术解决计算规模问题,实现微机上对设计阶段的机床进行静动态性能分析预测,在多台机床分析实践中取得了成效.本文将详细讨论1台重型立式镗铣床的动态分析过程. 1 静态凝聚法 对于大型特征值问题,Guyan R J[3]提出一种矩阵降阶的办法,称为静态凝聚或特征值节化.其基本思想是保留一小部分未知的结点位移作为“主”自由度(保留),通过静态凝聚变换,消去另一部分称为“副”自由度(内部)的位移,从而使得动力矩阵的尺寸得到减缩.其基础是假设在低频段上惯性力对副自由度的影响比静力效应小,略去副自由度上惯性的作用.由副自由度上的位能极值条件: [K lb]{U b}+[K ll]{U l}=0(1)其中:{U b}为主自由度上的位移向量;{U l}为副自由度上的位移向量;[K]和[M]也相应分块,得到约束方程: {U l}=-[K ll]-1[K lb]{U b}(2) 收稿日期:2002-08-26 作者简介:林有希(1967-),男,在职博士,高级工程师. ①AMTPOS系统能在图纸设计阶段对机床整机静动态性能进行分析预测,判别薄弱环节,提出修改方向.由合肥工业大学和北京机床研究所合作研制.
数控机床与数控技术综述报告 【摘要】数控机床——是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。数控机床与普通机床的主要区别在于：数控机床带有数控系统（程序控制系统），可以通过编制程序来实现自动化加工。而普通机床没有该特性。本文在介绍数控机床特点的基础之上，根据我国数控技术的现状，分析了国家在数控技术领域的研究工作以及国内外机床的发展趋势 【关键词】数控机床数控研究发展趋势 引言 数控机床及由数控机床组成的制造系统是改造传统产业、构建数字化企业的重要基础装备，它的发展一直备受人们关注。数控机床以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，它开创了机械产品向机电一体化发展的先河，因此数控技术成为先进制造技术中的一项核心技术。另一方面，通过持续的研究，信息技术的深化应用促进了数控机床的进一步提升，进入21世纪,我国机床制造业既面临着提升机械制造业水平的需求而引发的制造装备发展的良机,也遭遇到加入WTO后激烈的市场竞争的压力。从技术层面上来讲,加速推进数控技术将是解决机床制造业持续发展的一个关键。 1.数控机床概述 1.1 数控机床的特点： 数控机床对零件的加工过程，是严格按照加工程序所规定的参数及动作执行的。它是一种高效能自动或半自动机床，与普通机床相比，具有以下明显特点：（1）适合于复杂异形零件的加工数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件的加工，因此在宇航、造船、模具等加工业中得到广泛应用。（2）加工精度高 （3）加工稳定可靠实现计算机控制，排除人为误差，零件的加工一致性好，质量稳定可靠。 （4）高柔性加工对象改变时，一般只需要更改数控程序，体现出很好的适应性，可大大节省生产准备时间。在数控机床的基础上，可以组成具有更高柔性的自动化制造系统—FMS。
筋板布置型式对机床动态性能的影响 Ξ 毛海军① 孙庆鸿① 陈 南① 陈 新① 何 杰① 张建润① 郑文友② 王建平② (①东南大学 ②无锡机床股份有限公司) 摘要 以M2120A 内圆磨床为对象,比较了采用不同筋板型式后各主要零件及整机的动态性能。分析结果 表明,依据零件的振型特点选用相宜的筋板型式可明显提高其动刚度,而且由改进后的各零件组合而成的整机磨床比原磨床具有更好的动态特性。 关键词 内圆磨床 动态特性 筋板型式 本文借助三维CAD 软件Pro/E 与有限元分析软件ANSYS ,分析了M2120A 内圆磨床主要零件的筋板布置型式对其动态特性的影响,比较了由改进后的各零件组合而成的整机磨床与原磨床的动态特性。 1 X 型筋板对零件动态性能的影响 在M2120A 内圆磨床的主要零件中,床身、桥板、床头箱滑板与磨架支座滑板可视作同一类零件,均属于长宽高为同一数量级的实体结构。原结构设计全部采用了井字型筋板。现以桥板为例分析说明筋板布置型式对其动态性能的影响。经分析原桥板的第一阶扭转频率为2791115Hz (见图1a )。现将原桥板的井字型筋板分别改为X 型与米字型,而其它结构保持不变,则有限元分析结果显示:X 型桥板的第一阶扭转频率为3241631Hz ,比原桥板提高了16131%;而米字型桥板的第一阶扭转频率为3121631Hz ,比原桥板提高了12%。图1b 、c 所示分别为对应的扭转振型图 。 图1 桥板第一阶扭转振型图 由以上分析可知,采用X 型筋板的结构比采用井字型筋板的结构具有更高的抗扭能力。同时,通过比较米字型桥板与X 筋板的桥板还可以看出,尽管前者比后者多设置了两根筋板,但桥板的扭转频率不仅没有提高反而降低了12Hz 。这说明按传统的经验设计方法,盲目设置多条筋板对提高结构本身的动刚度并 不一定有利。 对床身、床头箱滑板与磨架支座滑板也按以上方式改变筋板型式,经分析其第一阶扭转频率也均有显著提高,可得到与桥板分析相同的结论。 2 井字型筋板对零件动态性能的影响 M2120A 内圆磨床工作台是属于长度远大于截面 的宽度与高度的类似于梁式杆的结构。原设计采用米字型筋板。经有限元分析可知,工作台的第一阶振型为弯曲,其频率为91125Hz (见图2a )。现将米字型筋板改用井字型,而仍保持其它结构不变,则经有限元分析得到其第一阶弯曲频率为126187Hz (见图2b ),比原工作台提高了39104%。这表明采用米字型筋板的结构与采用井字型筋板的相比,前者的抗弯曲能力不如后者高 。 (a )米字型筋板工作台 (b )井字型筋板工作台 弯曲振型图(f =91125hz ) 弯曲振型图(f =126187hz ) 图2 工作台第一阶弯曲振型图 3 磨床整机动态特性的比较 通常,单个零件动刚度的高低可以通过比较相应 的第一阶频率的大小来评定,而对于由各零件组合而成的磨床整机就不是如此简单,常常需要通过计算才 设计与研究 Ξ江苏省九五重大工业攻关项目(B G98006—2)
岩心分析技术及应用 一、X射线衍射 1．X射线衍射分析技术 全岩矿物组分和粘土矿物可用X射线衍射（XRD）迅速而准确地测定。XRD分析借助于X射线衍射仪来实现，它主要由光源、测角仪、X射线检测和记录仪构成。 由于粘土矿物的含量较低，砂岩中一般3%~15%。这时，X射线衍射全岩分析不能准确地反映粘土的组成与相对含量，需要把粘土矿物与其它组分分离，分别加以分析。首先将岩样抽提干净，然后碎样，用蒸馏水浸泡，最好湿式研磨，并用超声波振荡加速粘土从颗粒上脱落，提取粒径小于2μm（泥、页岩）或小于5μm（砂岩）的部分，沉降分离、烘干、计算其占岩样的重量百分比。 粘土矿物的XRD分析使用定向片，包括自然干燥的定向片（N片）、经乙二醇饱和的定向片（再加热至550℃），或盐酸处理之后的自然干燥定向片。粒径大于2μm或5μm的部分则研磨至粒径<40μm的粉末，用压片法制片，上机分析。此外还可以直接进行薄片的XRD分析，它对于鉴定疑难矿物十分方便，并可与薄片中矿物的光性特征对照，进行综合分析。 2．X射线衍射在保护油气层中的应用 1）地层微粒分析 地层微粒指粒径小于37μm（或44μm）即能通过美国400目（或325目）筛的细粒物质，它是砂岩中重要的损害因素，砂岩中与矿物有关的地层损害都与其有密切的联系。地层微粒的分析为矿物微粒稳定剂的筛选、解堵措施的优化提供依据。除粘土矿物外，常见的其它地层微粒有长石、石英、云母、菱铁矿、方解石、白云石、石膏等。 2）全岩分析 对粒径大于5μm的非粘土矿物部分进行XRD分析，可以知道诸如云母、碳酸盐矿物、黄铁矿、长石的相对含量，对酸敏（HF，HCl）性研究和酸化设计有帮助。长石含量高的砂岩，当酸液浓度和处理规模过大时，会削弱岩石结构的完整性，并且存在着酸化后的二次沉淀问题，可能导致土酸酸化失败。 3）粘土矿物类型鉴定和含量计算
概述 铸造是人类掌握比较早的一种金属热加工工艺，已有约6000年的历史。中国约在公元前1700～前1000年之间已进入青铜铸件的全盛期，工艺上已达到相当高的水平。 铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。铸造毛坯因近乎成形，而达到免机械加工或少量加工的目的降低了成本并在一定程度上减少了制作时间．铸造是现代装置制造工业的基础工艺之一。被铸金属有：铜、铁、铝、锡、铅等，普通铸型的材料是原砂、黏土、水玻璃、树脂及其他辅助材料。特种铸造的铸型包括：熔模铸造、消失模铸造、金属型铸造、陶瓷型铸造等。（原砂包括：石英砂、镁砂、锆砂、铬铁矿砂、镁橄榄石砂、兰晶石砂、石墨砂、铁砂等）。 铸造的发展 中国商朝的重875公斤的司母戊方鼎，战国时期的曾侯乙尊盘，西汉的透光镜，都是古代铸造的代表产品。早期的铸件大多是农业生产、宗教、生活等方面的工具或用具，艺术色彩浓厚。那时的铸造工艺是与制陶工艺并行发展的，受陶器的影响很大。 中国在公元前513年，铸出了世界上最早见于文字记载的铸铁件－晋国铸型鼎,重约270公斤。欧洲在公元八世纪前后也开始生产铸铁件。铸铁件的出现，扩大了铸件的应用范围。例如在15～17世纪，德、法等国先后敷设了不少向居民供饮用水的铸铁管道。18世纪的工业革命以后，蒸汽机、纺织机和铁路等工业兴起，铸件进入为大工业服务的新时期，铸造技术开始有了大的发展。 进入20世纪，铸造的发展速度很快，其重要因素之一是产品技术的进步，要求铸件各种机械物理性能更好，同时仍具有良好的机械加工性能；另一个原因是机械工业本身和其他工业如化工、仪表等的发展，给铸造业创造了有利的物质条件。如检测手段的发展，保证了铸件质量的提高和稳定，并给铸造理论的发展提供了条件；电子显微镜等的发明，帮助人们深入到金属的微观世界，探查金属结晶的奥秘，研究金属凝固的理论，指导铸造生产。 铸造产品发展的趋势是要求铸件有更好的综合性能，更高的精度，更少的加工余量和更光洁的表面。此外，节能的要求和社会对恢复自然环境的呼声也越来越高。为适应这些要求，新的铸造合金将得到开发，冶炼新工艺和新设备将相应出现。 铸造生产的机械化自动化程度在不断提高的同时，将更多地向柔性生产方面发展，以扩大对不同批量和多品种生产的适应性。节约能源和原材料的新技术将会得到优先发展，少产生或不产生污染的新工艺新设备将首先受到重视。质量控制技术在各道工序的检测和无损探伤、应力测定方面，将有新的发展。 铸造业的发展，铸造是现代机械制造工业的基础工艺之一，因此铸造业的发展标志着一个国家的生产实力。据2008年统计，我国年产铸件3350万吨，是世界铸造第一大国。 例如
文章编号:100122354(2000)1020024203 机床整机的动态特性分析Ξ 覃文洁1,左正兴1,刘玉桐1,文占科1,丁庆新2 (11北京理工大学车辆工程学院CAD/CAM室,北京 100081; 21北京第一机床厂) 摘要:采用用户自定义矩阵单元来处理机床结合部的接触问题,在商品化软件平台上建立了机床整机的有限元模型,并对其进行了动态特性的分析。运用该方法来进行结构的性能预测,已用于工厂对机床的结构改进设计中。 关键词:机床;有限元;动态特性 中图分类号:TH122 文献标识码:A 1 引言 机床是机械制造工业中最基本的设备。随着国民经济的发展,人们对机床提出了越来越高的要求,其中最基本的问题就是要提高机床的工作性能,而机床的工作性能是与其动态性能紧密相关的。随着现代设计方法的广泛运用,对机床进行动态特性分析,用动态设计取代静态设计已成为现代机床设计发展的必然趋势。 机床是由多个零部件组成的复杂组合结构,仅对个别零部件进行分析,无法全面反映机床整体的性能,特别是在动态分析中,各零部件之间结合部的接触参数对动态性能的解析计算精度影响很大,因此,要准确地预测机床的动态性能,就必须对整机进行动力学分析。 在进行结构动力学分析的实际运用中,通常采取的方法是将连续系统离散化为只有有限个自由度的系统,由此求出连续系统的近似解。这些离散化的方法中有集中质量法、假设模态法、模态综合法和有限元法。集中质量法虽然做法简单,但如何选取各个集中点以及如何配置各点的质量,才能使所得结果比较接近于实际情况,这都需要经验或实验的启示,缺乏一般的理论指导。假设模态法和模态综合法的精度在很大程度上取决于所选择的结构或子结构的假设模态,对于复杂结构,这种假设模态难以找到,并且对于不同的结构没有通用性。而有限元法则是对每个单元取假设模态,由于单元的数目通常比较大,假设模态就可以取得非常简单;而且它以节点位移作为系统的广义坐标,可以降低系统微分方程的耦合程度,给用计算机求解 无间隙机构运转情况。另外,从考虑有阻尼和无阻尼对比情况来看,阻尼对弹性连杆变形是有一定影响的,由图4、图5可以看出计入阻尼可以减弱弹性杆件的变形,并且使得运动具有一定的规律性,提高了机构的稳定程度,所以可以采用具有一定阻尼的智能减振材料对含间隙弹性机构实行主动控制。 5 结论 本文在牛顿法建立的含间隙刚性机构二阶段模型的基础上,引入瞬时结构假设,建立了含间隙弹性连杆机构的动力学模型,分析了运动副间隙和结构阻尼对弹性连杆机构动态特性的影响,计算结果表明,间隙使得弹性连杆机构动态响应明显加大,而结构阻尼的存在减弱了杆件的弹性变形运动,并且使得变形运动具有一定的规律性,提高了机构的稳定程度,所以可以采用具有一定阻尼的智能减振材料对含间隙弹性机构实行主动控制。总之,在进行高速、精密机构动力分析时计入间隙和杆件弹性是完全必要的。 参考文献 [1] Winfrey R C,Anderson R V,Gnilda C W.Analysis of elastic ma2 chinery with clearances[J].ASME Journal of Engineering for Indus2 try,1973,95:695-703. [2] Dubowsky S,G ardner T N.Design and analysis of multilink flexible mechanisms with multiple clearance connections[J].ASME Journal of Engineering for Industry,1977,99:88-96. [3] 李哲,含间隙弹性平面连杆机构动力分析[J].机械工程学报, 1994,30(Supp):134-139. [4] 冯志友,孙序梁,张策.多运动副间隙的平面四杆机构动力分析 [J].佳木斯工学院学报,1991,9(2). [5] 张策.弹性连杆机构的分析与设计(第二版)[M].北京:机械工 业出版社,1997. 42 计算机辅助设计专题论文《机械设计》2000年10月№10 Ξ收稿日期:2000203224 基金项目:863资助项目(952064500) 作者简介:覃文洁(19682),女,讲师,工学硕士。主要研究方向:机械结构分析、机械系统多体动力学仿真等。
文献综述 ——机床状态监控系统的设计 1．前言 为了使数控机床加工过程安全、可靠、高效、高质量地进行，对加工设备进行状态监测就变得非常重要。本文分析了数控机床状态监测的主要内容，论述了设备状态监测系统的基本组成和状态监测系统实现的关键技术，并针对数控机床的加工过程，总结数控机床状态监测系统的工作流程和系统实现的具体结构。 2．主题 目前，国内大多数机床监控系统属于专用系统，其开放性较差，已不能满足当今制造业的发展需求，属于工厂内部典型的“自动化孤岛”。而计算机软件技术及工业控制网络技术的发展，使得工厂自动化设备的互联成为可能。机床信息采集与监测技术研究已经得到许多科技工作者的高度重视。 数控机床多用PLC控制，同时计算机网络是快捷、高效、广普的信息传递媒介。PC—PLC网络因而成为数控机床数据采集与监控的主要研究方向。但是一方面由于数控机床的封闭性，实际应用中很难直接从PLC读取机床的各种信息；另一方面，一些数控机床厂商如SIEMENS，FANUC等开发有针对自己机床数据采集与监测的软件，但是大多价格昂贵[1～5]。 随着技术的进步，制造业设备的复杂程度和智能化程度不断提高，然而复杂设备因其结构的复杂性，而使其在提高功能或性能时，给系统的可靠性、安全性、可用性、经济性等方面带来了一系列难题，系统发生故障或失效的潜在可能性也越来越大[6]。对设备自动化加工过程进行状态监测的主要目的就是要保证加工系统的安全运行，合理并优化使用自动化设备，避免设备故障，保证加工工件质量，减少额外的辅助工作时间，提高生产效率和设备利用率。同时，设备的状态监测也是对设备进行故障诊断的基础[7]。 数控机床状态监测是指对数控机床加工过程中的某些工作状态数据进行数据采集和处理，通过将实际特征参数与正常值进行比较，从而掌握数控机床的实际工作状态，了解设备工作是否正常合理，同时为故障诊断和预测提供依据。主要包括机床状态监测、刀具状态监测、加工过程监测和加工工件质量监测等4个方面。数控机床的加工过程是一个复杂的物理化学过程，对其进行状态监测涉及很多相关技术。一般的设备状态监测与故障诊断系统主要包括信息获取、特征提取和状态识别3个主要方面。其实无论是状态监测还是故障诊断与预测，数据采集、传输与处理是基础。设计一个状态监测系统，其关键是要设计一个合理的数据采集与处理系统来实现状态监测。
数控机床的动态特性概述 李凯旋
研究机床动态特性的重要性和必要性现代机床正向高速，大功率，高精度的方向发展， 除了要求机床重量轻，成本低，使用方便和具有良 好的工艺性能外，对机床的加工性能要求也愈来愈 高。机床的加工性能与其动态特性紧密相关。 由于受到理论分析和测试实验手段落后的限制，传统的机床设计 的主要依据是静刚度和静强度，对机床的动态特性考虑较少。结 果常常是以较大的安全系数加强机床结构。导致机床结构尺寸和 重量加大。并不能从根本上改观机床的动态特性。
机床的动态特性的基本概念 机床的动态性能是指机床运转之后振动、噪声、热变形与磨损等性 能的总称。但长期以来主要指的是机床的振动性能，即主要指机床 抵抗振动的能力。【1】????? ??????===振型）振型（一阶振型，二阶变形大小）动态柔度变形的能力。动刚度：动载荷下抵抗变形的能力。静刚度：静载荷下抵抗为临界阻尼系数为阻尼系数，阻尼比）（固有角频率固有频率(/1r r ,r/r 2/f f co co n n n n d k ωξπωω机床结构的动态特性参数主要参数包括固有频率，阻尼比，振型，动刚度等。机床的动态分析主要是研究抵抗振动的能力，包括抗振性和切削稳定性，【2】??? ?????????切削自激振的能力）切削稳定性（机床抵抗主要零件的固有频率阻尼特性机床的结构刚度振动的能力）抗振性（机床抵抗受迫激振力：由回转的不平衡质量作为振动系统的振动源产生的周期性简谐振动。【1】诸乃雄，机床动态设计原理与应用[M]上海：同济大学出版社，1987:1-3 【2】陈雪瑞，金属切削机床设计[ M ] 太原: 山西科学教育出版社, 1988.147-151 主要指标外力的激励频率与物体的固有频率相等时，物体的振动形态成为主振型或一阶振型。外力的激励频率是物体固有频率二倍时，物体的振动形态为二阶振型，以此类推.......
数控机床的现状与发展 趋势综述
数控机床的现状与发展趋势 摘要：从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控技术的应用,关键在于开发具有高速度、高精度、高稳定性的高新技术设备,在现有加工设备中,只有数控机床才有可能担当其重任。然而,要实现真正意义上的高速切削加工,数控机床还需向高速、高精度、柔性化、控制系统开放性、控制系统支撑软件和工厂生产数据管理方向迈进,才能适应现代制造业飞速发展的要求。 关键：高速化 / 高精度化 / 复合化 / 智能化 / 开放化 / 网络化 / 多轴化 / 绿色化 进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。本文简要分析了数控机床高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、网络化、多轴化、绿色化等发展趋势，并提出了我国数控机床发展中存在的一些问题。 一、数控机床的发展趋势 机械加工装备对促进制造技术发展的紧密关系和以数字化为特征数控机床是柔性化制造系统和敏捷化制造系统的基础装备。其总的发展趋势是：高精化、高速化、高效化、柔性化、智能化和集成化，并注重工艺实用性和经济性。 （一）高速化 随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对数控机床加工的高速化要求越来越高。 （1）主轴转速：机床采用电主轴（内装式主轴电机），主轴最高转速达 200000r/min；
数控车床 控制系统：SIEMENS 801S 加工性能：可车削内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、公、英制螺纹等；配有四工位刀架，可满足不同需要的加工；可开闭的防护门及各种安全警示标牌确保了操作者的安全。适用于多品种、批量加工，对复杂、高精度零件更能显示其优越性。 数控车床 控制系统：GSK 980TD—a 加工性能：可车削内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、公、英制螺纹等；配有四工位刀架，可满足不同需要的加工；可开闭的防护门及各种安全警示标牌确保了操作者的安全。适用于多品种、批量加工，对复杂、高精度零件更能显示其优越性。 数控车床 控制系统：FANUC0i—T 加工性能：可车削内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、公、英制螺纹等；配有四工位刀架，可满足不同需要的加工；可开闭的防护门及各种安全警示标牌确保了操作者的安全。适用于多品种、批量加工，对复杂、高精度零件更能显示其优越性。 数控车床 控制系统：华中世纪星系统 加工性能：可车削内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、公、英制螺纹等；配有四工位刀架，可满足不同需要的加工；可开闭的防护门及各种安全警示标牌确保了操作者的安全。适用于多品种、批量加工，对复杂、高精度零件更能显示其优越性。 数控铣床 控制系统：FANUC 0 i—M 技术性能：本机布局为立式主轴、十字型床鞍工作台，结构紧凑、加工范围广泛，一次装夹后可完成铣、镗、钻、铰、攻丝等多种工序的加工。主轴采用交流主轴电机同步齿形带传动，噪声低。主要应用于机械零件和模具加工，与同类产品相比，性能出众。 结构特点：强力切削、低速高扭矩、恒功率范围宽（FANUC交流主轴电机）。主要构件刚度高、床身立柱床鞍均为稠筋、封闭式框架结构。无齿轮传动、噪声低、振动小、热变形小。 数控立式加工中心 控制系统：SIEMENS 802D
数控机床与普通机床的结构图比较，国内外发展趋势与就业分析 数控系统的发展趋势 从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，数控系统正在向电气化、电子化、高速化、精密化等方面高速发展，其主要研究热点有以下几个方面： 1、性能发展方面 1.1 高精高速高效化速度 1.2 柔性化 1.3 多轴化 2 功能发展方面 2.1 用户界面图形化 2.2插补和补偿多样化 2.3高性能的内置PLC 2.4 多媒体技术应用 3 体系结构的发展方面 3.1 集成化 3.2 模块化 4 智能化、开放式新一代数控系统 4.1 智能化 4.2 开放式 5 网络化、信息化加工技术的发展趋势 5. 1 数控机床网络化 5. 2 数控机床信息化 6 绿色机床技术的发展趋势 绿色机床提出一种全新的概念,大幅减少机床重量,节省材料,同时降低机床使用时的能源消耗。绿色机床关注数控机床与环境和人的关系,强调节能减排,确保在大幅度提高机床生产效率的同时降低生产系统对环境的负荷以及对操作者健康的危害。因此,绿色机床具有以下几大特点: (1) 机床主要零部件由再生材料制造。
(2) 机床的重量和体积减少50 %以上。 (3) 通过减轻移动质量、降低空运转功率等措施使功率消耗减少30 %～40 %。 (4) 使用过程中产生的各种废弃物减少50 %～60 % ,保证基本没有污染的工作环境。 (5) 报废后机床的材料100 %可回收。 据统计,目前机床使用过程中用于切除金属的功率只占到25 %左右,各种损耗和辅助功能占去大部分。机床绿色化的第一个措施是通过大幅度降低机床重量和减少所需的驱动功率来构建具有生态效益的机床。传统的机床设计理念是“只有足够的刚度才能保证加工精度,提高刚度就必须增加机床重量”。因此,现有机床重量的80 %用于保证机床的刚度,而只有20 %用于满足机床运动学的需要。绿色机床就是要在保证机床刚度的前提下大幅减少机床移动部件的重量,达到省材、节能的目的。 数控机床与普通机床的区别 数控机床对零件的加工过程，是严格按照加工程序所规定的参数及动作执行的。它是一种高效能自动或半自动机床，与普通机床相比，具有以下明显特点： 1、适合于复杂异形零件的加工 数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件的加工，因此在宇航、造船、模具等加工业中得到广泛应用。 2、加工精度高 3、加工稳定可靠 实现计算机控制，排除人为误差，零件的加工一致性好，质量稳定可靠。 4、高柔性 加工对象改变时，一般只需要更改数控程序，体现出很好的适应性，可大大节省生产准备时间。在数控机床的基础上，可以组成具有更高柔性的自动化制造系统—FMS。 5、高生产率 数控机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高，一般为普通机床的3～5 倍，对某些复杂零件的加工，生产效率可以提高十几倍甚至几十倍。 6、劳动条件好
2017年7月 第45卷第13期 机床与液压 MACHINE TOOL &HYDRAULICS Jul．2017 Vol．45No．13 DOI :10.3969/j．issn．1001-3881．2017．13．037 收稿日期:2016-04-14 基金项目:国家科技支撑计划(2015BAF32B03)作者简介:徐许林(1961 ),男,总工程师,从事曲轴磨床设计制造工作三E -mail:hbxgxxl@163．com三 机床直线导轨的单元化及发展 徐许林1,杨双双2,饶建华2,李昌平2 (1.湖北九洲数控机床有限责任公司,湖北孝感432000; 2.中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院,湖北武汉430074) 摘要:导轨副是机床系统的重要组件,其质量是影响机床加工精度二运行效率和运动平稳性的直接因素三机床制造的专业化二机床结构的模块化都促进着机床导轨的独立化和单元化三介绍了机床直线导轨脱离机床床身形成独立单元体的过程,列出了3种典型的导轨单元,分别介绍了其结构特点及应用场合,总结了目前导轨单元的研究情况,并对机床直线导轨单元的未来发展进行了展望三 关键词:导轨单元;滚动导轨单元;磁悬浮;静压 中图分类号:TH117一一文献标志码:A一一文章编号:1001-3881(2017)13-159-6 Unitization of Linear Guide in Machine Tools and its Development XU Xulin 1,YANG Shuangshuang 2,RAO Jianhua 2,LI Changping 2 (1.Hubei Jiuzhou CNC Machine Tools Co.,Ltd.,Xiaogan Hubei 432000,China;2.Faculty of Mechanical &Electronic Information,China University of Geosciences, Wuhan Hubei 430074,China) Abstract :As one of the important components of machine tools,the quality of guide rail is a direct factor which has influence to machine tool s machining precision,movement efficiency and stability.Professionalization of machine tool manufacturing and modularity of machine tool structure constantly promote the development of machine tool guide rail s independence and unitization.The process of forming independent unites of linear guide in machine tool separating from machine tool itself is introduced.Three kinds of representa-tive linear guide units were listed,and the structural feature and application situation were introduced respectively.The research infor-mation about these various units is summarized,which provides an outlook about the future development of linear guide units in ma-chine tools. Keywords :Guide unit;Rolling guide unit;Magnetic suspension;Hydrostatic pressure 0一前言 现代机床向高速二高精度迅速发展,机床重要功能部件的独立模块化成为设计制造的发展趋势,如电主轴二刀架模块二进给模块等三机床导轨作为机床重要组件,直接影响机床运作效率二加工精度和使用寿命三随着机床标准化要求的不断提升及模块化程度的不断深化,导轨开始从机床床身及运动部件分离开来,形成独立的导轨单元模块三 直线导轨是机床导轨的一种,直线导轨单元化是指将直线导轨副从机床床身和移动单元中脱离出来,集成于一体,形成独立单元三该单元在具备基本功能的同时方便了导轨在机床上的安装二使用与维护,便于专业化制造,满足了现代机床对导轨的要求,不仅节省了设计时间和制造成本,更有效实现了导轨生产的标准化和系列化三 本文作者首先介绍了导轨单元的形成,从直线导 轨单元类型着手,重点阐述了3种典型直线导轨单元的工作原理与组合特点,分析了不同单元的应用优势与适用场合;此外,进一步综述了近年来机床直线导轨单元的研究情况,阐述了发展重点及难点,并对精密机床导轨单元未来发展进行了展望三 1一机床直线导轨单元1．1一机床导轨单元化 在传统机床中,通常选择在机床床身和移动部件 上加工出导轨作为导向和支承系统,如图1(a)中左上图所示三出于导轨对加工精度影响的重要性,机床床身导轨及运动件均需经过精磨级别的加工方可达到精度要求,并需反复调配达到要求的装配精度后才可使用三这样一来,就引发了以下几方面的问题:(1)加工难三重型机床床身具有较大的尺寸和质量,这使得在床身上加工导轨时有较大难度,需要大型高精度机床加工[1]三 万方数据
数控技术概述 数控是数字控制的简称，英文为 Numerical Control，简称NC。目前数控一般是采用通用或专用计算机实现数字程序控制，因此数控也称为计算机数控(Computer Numerical Control )，简称CNC，国外一般都称为CNC，很少再用NC这个概念了。下面详细说明之： 数控(Numerical Control NC 数字控制)是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。 现在，数控技术也叫计算机数控技术(Computer Numerical Control )，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成。 一、数控技术的发展状况 第一代数控系统：1952年至1959年，采用电子管元件。 第二代数控系统：1959年开始，采用晶体管元件。 第三代数控系统：1965年开始，采用集成电路。 第四代数控系统：1970年开始，采用大规模集成电路及小型通用计算机。 第五代数控系统：1974年开始，采用微处理机和微型计算机。 柔性制造系统(Flexible Manufacturing System-FMS)带有自动换刀装置(Automatic Tool Changer-ATC)的数控加工中心，是柔性制造的硬件基础，是制造系统的基本级别。其后出现的柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell-FMC)，是较之高一级的柔性制造系统，它一般由加工中心机床与自动更换工件(Automated Work-piece Changer-AWC)的随行托盘(pallet)或工业机器人以及自动检测与监控技术装备所组成。由多台和存储，以及必要的工件清洗和尺寸检查设备，并由高一级的计算机对整个系统进行控制和管理。可实现多品种的全部机械加工。 计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System-CIMS):将车间制造过程的自动化,从生产决策、产品设计、市场预测直到销售的整个生产活动的自动化，特别是技术和管理科室工作的自动化的要求综合成一个完整的生产制造系统，即所谓的计算机集成制造系统，它将一个制造工厂的生产活动进行有机的集成，以实现更高效益、更高柔性的智能化生产。这是当今自动化制造技术发展的最高阶段。
国内并联机床的发展 并联机床作为一种新型的加工设备，已成为当前机床技术的一个重要研究方向，受到了国际机床行业的高度重视。并联机床克服了传统串联机床移动部件质量大、系统刚度低、刀具只能沿固定导轨进给、作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷。并联机床可完成从毛坯至成品的多道加工工序，实现并联机床加工的复合化。 并联机床是近年来发展起来的一种新型结构机床。因没用实体坐标轴，固又称为虚拟轴机床。并联机床是空间机构学研究成果在数控机床领域中的创造性应用，它集机构学理论﹑机器人技术和数字控制技术于一体，是多学科交叉的新兴产物。它的发展可以分为3个阶段：模拟器阶段、并联机器人阶段和并联机床阶段。 并联机床的优点 并联机床是新一代的数控机床。它完全打破了传统机床结构的概念，采用了多杆并行驱动方式。从机床整体来说，传统的串联机构机床是属于位置求解简单而机构复杂的机床而相对于并联机构机床，则机构简单而位置求解复杂。在并联机构的位置分析中，位置反解比较简单，位置正解却非常复杂，与串联机构截然相反。与串联机构机床相比，并联机床主要有以下优点。 （1）刚度重量比大。因采用并联闭环静定或非静定杆系结构，且在准静态情况下，传动构件理论上为仅受拉压载荷的二力杆，故传动机构的单位重量具有很高的承载能力。 （2）动态性能好。运动部件惯性的大幅度降低有效地改善了伺服控制器的动态品质，允许动平台获得很高的进给速度和加速度，因而特别适合各种高速数控作业。 （3）机床结构简单，集成化、模块化程度高。这使得并联机床结构设计和加工等多方面得以简化。 （4）变换坐标系方便。由于没有实体坐标系，机床坐标系与工件坐标系的转换全部靠软件完成，非常方便。 （5）技术附加值高。并联机床结构看起来很简单，但设计、控制却很复杂，具有“硬件”简单、“软件”复杂的特点，是一种技术附加值很高的机电一体化产品。 （6）使用寿命长。并联机床由于没有传统机床导轨，避免了导轨磨损、锈蚀、划伤等现象。从以上分析可以看出，并联机床具有许多传统机床无法替代的优点,弥补了串联机床的不足。虽然不会成为传统机床的替代者,但我们完全可以预见在不远的将来并联机床将会在一些专业领域里成为传统机床强有力的补充者。 并联机床在国内的发展状况 我国并联机床的研究与开发几乎与世界同步。1994年并联机床在国际上首次展出之后，国内许多高校和科研单位也纷纷投入力量进行研究。由清华大学和天津大学合作开发的我国第一台并联机床，在1998年的北京机床展览会上展出。在1999年北京CIMT’99中国国际机床展览会上，展出了哈尔滨工业大学研制的BJ-30型并联机床，该机床还成功地进行了叶轮加工的演示。同时，在这次展