立式磨床

立式磨床（精选3篇）

立式磨床 篇1

1 引言

数控立式圆台磨床是近年来开发和推广应用的新型精密磨削加工设备,适应了风力发电、核电等大型装备零部件高效率、高精度、高稳定性加工的要求[1]。其结构特点和加工要求决定了立式圆台磨床的立柱结构的重要性,结构动态特性直接关系到结构的振动状况、产品质量和安全可靠性[2]。在工程技术领域,人们通常利用有限元法对磨床关键功能部件进行模态分析,以获得其动态特性参数,据此进行结构优化设计,提高磨床的整体刚度和性能。近年来,模态实验技术的发展也已经成为分析结构动态特性的重要方法,它是综合运用线性振动理论、动态测试技术、数字信号处理和参数识别方法等手段进行系统识别的过程[3]。为了提高磨床的动态特性分析的可靠性,本文通过对立式圆台磨床的立柱结构进行有限元模态分析和实验模态测试综合分析的方式,以对立柱结构的优化设计提出一点建议。

2 计算模态分析

通过三维建模软件建立立式磨床的立柱结构,在考虑不影响其结构设计要求的前提下,简化影响有限元计算精度的小结构部位,如倒角、退刀槽、螺纹等。然后保存为中性文件,导入到有限元软件中进行前处理,采用Tet10单元划分网格,建立有限元模型,如图1所示。

因立柱采用灰铸铁HT300铸造,根据其实际材料特性,其弹性模量取为1.2GPa,密度为7300kg/m3,泊松比为0.25。

有限元计算采用Lanczos方法对立柱结构进行模态计算,因我们关心的是立柱结构的低阶模态,故我们设置计算立柱的前7阶模态。

根据模态分析结果,立柱的前6阶弹性体模态频率和振型描述见表1。前3阶振型如图1所示。

3 实验模态测试

为了验证有限元分析的结果,提高立柱结构的动态特性分析的准确性,我们同时采用锤击脉冲激励法和变时基采样方法[4]对立柱进行实验模态分析。

3.1 模态实验思路

本次立柱机构的实验模态测试系统主要包括数据采集仪、信号放大器、传感器、力锤、计算机等硬件设备和测试分析软件两部分。模态实验方案思路如测试系统框图2所示。

3.2 测点布置

根据立柱结构尺寸,以不丢失模态又尽可能反映结构特点为原则布置测点,对每一个测点根据现场可操作性测量三向响应,以获得其空间振型。本实验共有179个测点,如图3所示,激振点位于立柱背面的右上部位,即第18测点处。

3.3 采样频率设置

在结构动态分析中,产品的动态性能主要由低阶模态特性决定,因此在工程设计中一般对低阶的模态结果比较关注。参考有限元模态计算的结果,我们主要关心立柱0~320Hz频率范围内的动态特性。为了避免发生频率混叠,按照香农采样定理,信号的采样频率不得低于欲分析最高频率的2倍。本实验中,通过预实验知4个加速度传感器的采样频率设为320Hz,变时倍数采用8,其锤击采样频率就为2560Hz,此时传递函数较好,相干性较高。

3.4 实验数据处理

在实验过程中需要进行预实验,调试放大器和各项设置参数,降低不良干扰,获得良好的实验数据。

(1)本实验采取锤击法对立柱结构进行激励,为减少噪声干扰,提高频谱分析精度,采用单输入多输出法进行数据采集,即一个输入力信号对应4个输出加速度传感器感应信号。

(2)放大器需要接地设置以避免交流频率的干扰和影响。

(3)试验模态分析中常用相干系数来判断测试的可靠性[5]。相干系数为输入、输出互谱的模的平方与输入、输出自谱之积的比值,当相干系数γ2不小于0.8时,即认为传递函数估计是可信的。在本立柱的模态实验中,绝大部分测点的相干函数都是合理的。图4为18测点处的相干函数曲线。

3.5 实验模态结果分析

在激振实验和信号数据采集完成后,使用分析软件对采集到的信号进行了变时基传递函数分析,并对所得的传递函数进行了集总平均,采用质量归一的正则化方式识别了立柱结构的模态参数,数据分析流程如图5所示。在分析频率范围内共识别了6阶明显的弹性体模态。表2列出了实验得到的立柱六阶固有频率。图6为前三阶模态实验振型图。

4 有限元与实验结果比较

对比上述有限元模态计算的结果和模态实验测试的结果,对比其振型状态和模态参数结果,其误差最大为9.5%,我们易知两者的分析结果在感兴趣的频率段,各阶振型上吻合较好,表明所建立的有限元模型基本正确,实验与有限元较好地进行了相互验证。由此可识别该立柱结构的固有频率如表3所示。

5 结构修改建议

综合上述模态分析结果,立柱结构的上部分横向抗弯曲变形能力不足,是主要的薄弱环节。根据机床动力学修改理论[6],对立柱结构进行分析,主要是立柱内部筋板结构和布局不够合理,导致立柱整体或局部刚度不够,抗弯能力较低。为此我们采取四种方案对立柱内部筋板结构进行了修改。

方案一:将立柱原来的横向筋板结构由原来的半截形状改为整块形状。

方案二:在方案一的基础上,增加3块整块形状的横向筋板结构。

/Hz

方案三:增加两块纵向筋板结构。

方案四:方案二和方案三的综合。

四种方案的模态分析结果如表4所示。

对比优化前,原第1阶振型与优化方案一、二、四个方案中的第2阶对应,分别提高了29.4%、38.4%和39.8%,即这三个优化方案改进了第1阶振型,明显提高了立柱的固有频率,可见,筋板结构布局及其数量会直接影响到立柱的低阶固有特性。优化方案三对立柱固有频率和振型的改善不明显。但综合优化方案一、二、四来看,后两种方案从结构上增加了筋板数量,改动结构较大,因此增添了结构的复杂性,加大了立柱的制造成本。综合上述四种方案,我们建议采用第一种优化方案。

6 结论

本文通过有限元模态分析和实验模态测试结果的对比,验证了有限元模型的可行性和可靠性,获得了立式圆台磨床关键基础件立柱结构的低阶模态参数,通过各阶模态频率和振型的分析确定了立柱结构的薄弱部位,并据此对立柱结构进行了优化修改,通过不同优化方案的对比,改善了立柱结构的抗弯能力;也为后续改善立式磨床整机的动态特性,提高立式磨床加工精度提供了依据。

摘要：高精度立式立柱结构的动态特性会直接影响到大尺寸零件的加工精度和精度稳定性。计算模态分析和实验分析方法的结合使用,可准确可靠地获得了立柱结构的特征参数,验证了计算模型的可行性和准确性,为立柱结构设计优化提供了依据。

关键词：立式磨床立柱,动态特性,实验,优化

参考文献

[1]刘博.多功能立式磨床的控制系统的研究与开发[D].上海:上海大学,2009:5-6.

[2]姜衡,朱海飞,陈忠,等.立式加工中心整机动态特性的测试与分析[J].制造技术与机床,2010(8):59.

[3]曹文平.五轴联动铣床的实验模态分析[D].北京:北京信息科技大学,2008:12.

[4]应怀樵.脉冲力与结构振动响应传递函数的变时基、变窗长采样分析新方法研究[R].北京:铁道科学研究院东方振动与噪声研究所研究报告,1990.

[5]孟杰,陈小安,陈锋.高速电主轴的试验模态分析[J].机械设计,2009(6):70-78.

[6]廖伯瑜,周新民,尹志宏.现代机械动力学及其工程应用:建模、分析、仿真、修改、控制、优化[M].北京:机械工业出版社,2003.

[7]杨剑,张璞,陈火红.新编MD Nastran有限元实例教程[M].北京:机械工业出版社,2008.

立式磨床 篇2

1 转塔结构

转塔立式磨床的转塔是机床的一个重要部分,对加工精度有非常大的影响,因此,要求转位的重复定位精度高,定位要稳定。目前在各类转塔中,普遍采用齿盘定位的方法,这是因为齿盘定位压紧后具有很好的定位精度,并且在切削加工中能保持很高的稳定性。

我们用西门子840DSL生产研制的数控转塔立式磨床,转塔上装有高速电主轴和通用主轴,转塔底座和砂轮架结构如图1所示。

转塔采用5度分度的定位齿盘,转塔定位完成后由液压把转塔压紧定位,底座主要有以下几部分组成:本体、三联齿轮、涡轮副、齿轮组件、传感器和伺服电机。

按照转塔定位齿轮5度的分度结构,我们把转塔轴设置成定位轴,定位轴在设定时,应首先把轴设置成旋转轴,然后再把轴设定成定位轴,按这样的步骤设定,我们把转塔设置为A轴,过程如下。

2 参数设定

首先A轴是旋转轴,模态轴:

MD30300$MA_IS_ROT_AX=1;该轴是旋转轴

通过上面的设定,A轴被设置成分度轴了。

3 使用方法和程序

在手动方式下移动A轴时,电机不是连续运转,而是走n个步距。在自动方式下执行指令:POS[A]=CDC(R1)——R1对应不同砂轮位置的分度位,转塔电机就转到相应的砂轮位置。这样设置后,转塔能自动完成5度的进给,使转塔定位齿盘的停止定位能正确的啮合。转塔整个控制动作流程是:启动信号输入—转塔松开指令输出—转塔松开状态确认—延时—转塔按指定方向和速度运转—转塔旋转到位—延时—转塔夹紧指令输出—转塔夹紧状态确认信号—结束。

为了使用方便,编写一个子程序把整个转塔的动作包含其中,在MDA和自动方式下,调用这个子程序即可完成转塔一系列的控制,子程序名为:ZT.SPF。程序中包括:转塔液压的松开指令M88,转塔液压的压紧指令M89。这两个M指令在PLC程序中进行处理,M88指令中包括了对定位轴的伺服信号的处理,液压阀松开指令发出,转塔松开到位信号的检测及延时处理。而M89包含了所有对转台压紧过程的处理,包括:对定位轴的伺服信号的处理,液压阀压紧指令发出,转塔压紧到位信号的检测及延时处理等。在MDAI和AUTO操作方式下,转塔的控制可用下面指令控制:

N1 MSG(“ZT IS BEGING”);提示信息

N2 IF R1<3 GOTOF END1;转塔角度范围下限

N2 IF R1>39 GOTOF END2;转塔角度范围下限

4 结论

我们用西门子数控系统840DSL研制生产的数控立式转塔磨床,转塔由定位轴控制,在使用中方便容易调整,同时由于定位加工稳定取得好的效果。

参考文献

[1]西门子公司.840DSL简明调试手册[Z].

立式磨床 篇3

例1机床砂轮不转, 报警提示“SPINDLE WARMUP”。

分析处理:经查找, “SPINDLE WARMUP”是独立于系统加工程序之外的报警子程序, 其程序如下。

程序是由C语言编写的条件语句, 满足条件后主轴 (砂轮轴) 正转, 转速为1800r/min, 或者主轴 (砂轮轴) 反转, 转速为1800r/min;不能满足上述条件, 停止, 停留2s, 满足条件, 退出报警子程序。

在条件语句中, 由于条件不满足造成程序停止, 所以需要查找造成该程序停止的条件。在该程序中, 条件只有两个, 即M1=3 S1=1800 ELSE M1=4 S1=1800。分析该报警与砂轮转速有关, 随即查找与砂轮转速有关的子程序, 抽取部分子程序如下:

从上述子程序中不难看出, 正是由于语句IF R102>1800造成的S_WARMUP报警, 而R102正是砂轮的实际转速。回到系统的主界面, 重新启动加工, 发现此时砂轮的转速超过1800, 即IF R102>1800, 条件语句条件成立, 造成程序停止。

程序中语句“DEF INT VP_REAL”的意思是“定义, 整数变量, 砂轮线速度”。程序中语句“DEF REAL RAGGIO_MOLA”的意思是“定义, 实数变量, 砂轮实际直径”。在实际加工过程中, 随着加工时间的延长, 砂轮实际直径变小, 即RAGGIO_MOLA不断地变小, 而砂轮的线速度即VP_REAL没有变化。在上述子程序中有如下语句“R102= (VP_REAL*60000) / (RAGGIO_MOLA*6.28) ”。从中可以看出:砂轮的线速度不变, 而砂轮实际直径随加工时间增长而变小, 所以R参数R102不停地增大, 直至R102>1800, 发生报警。

要想解除报警, 可以在子程序中把语句“R102>1800”的1800改为更大的数值, 或者在OEM界面中, 把砂轮的线速度值改小。考虑到程序中以“IF R102>1800 S_WARMUP”作为条件, 可能是从安全角度考虑设置的砂轮最大转速值, 所以将砂轮的线速度值适当地下调, 然后回到系统主界面, 启动加工, 此时砂轮实际转速为1754, 即R102<1800, 满足程序运行条件。报警排除, 机床恢复正常。

例2机床试生产时, 初期偶尔出现驱动器使能被切断, 故障报警“无使能信号加载”, 后来该报警发生频率逐渐频繁。

分析处理:驱动器使能被切断是制造商设计的对机床的一种保护手段, 说明系统存在过载或故障。一开始怀疑是否某处电机负载过大, 于是按报警信息提示对应的轴的电机, 在系统上对该轴的电机做优化, 优化后对比驱动器参数1407, 1409, 其数值果然有很大变化。这说明, 该轴的机械部分确实存在问题, 于是设法使电机的抱闸松开, 锁紧丝母背帽, 加强润滑后, 再次对该轴进行优化, 对比驱动器参数, 发现经过优化后伺服驱动已处于较理想状态, 试车生产后报警次数有所减少。此后, 在某次开机后发现, 使能加载不上, 电源馈入模块上5号指示灯 (电源进线故障) 常亮。检查三相进线电压为386V、387V和386V, 但直流母线电压 (P500和M500之间的电压) 仅510V左右 (正常应在560V) , 此电压逐渐跌落至300V后再缓慢升高至510V, 此过程反复。在排除其他原因后, 通过分析判定应该是电源进线故障。对线路检查后发现熔断器QU1上有一相的连线由于接触不良已经被烧焦, 经过处理后, 开机送电, 报警解除, 机床恢复正常。

摘要：意大利数控立式磨床的两例典型故障及分析, 即机床砂轮不转和无使能信号加载故障。