嵌入式直驱刀架性能分析与测试

摘要

数控加工中心以高速、高效、高精度为其主要特征，大大降低了加工的成本，提高了加工质量，已然成为现代高档数控机床发展的主攻方向。数控刀架作为数控加工中心的关键核心功能部件之一，其结构和性能的优劣直接影响加工工件的精度、质量和效率。随着伺服驱动技术的发展，伺服电机驱动取代传统刀架已成为现实，简化结构、增强可靠性、缩短换刀时间等大大提高其综合性能，但伺服驱动必须通过中间减速机构来满足刀架低速换刀所需的大扭矩。
　　直联驱动是由力矩电机直接驱动负载，摒弃了中间减速传动环节，实现了零传动。直驱力矩电机转动惯量相对较小，响应速度快，适合于低速大扭矩的工况下工作。本文将这种直驱技术应用于数控刀架上，研发出了一种高性能的嵌入式直驱刀架，并对其进行性能分析及功能测试研究，具体的主要内容如下:
　　第一、介绍课题的背景，研究目的及意义，介绍数控刀架的国内外研究现状，对比分析伺服电机驱动与力矩电机直接驱动刀架的结构特点、应用场合、具有的优势与不足，进行可行性分析与论证。
　　第二、提出整体技术研究方案，做基本结构及功能实现分析，建立直驱刀架虚拟样机并通过接口技术与RecurDyn仿真软件结合，进行运动仿真分析，观察刀架在工作状况下功能状况，得出设计合理，没有干涉现象发生。
　　第三、对刀架转动件进行转动惯量评估，初选换刀速度曲线，分析启动转矩、换刀速度、换刀加速度，进行二阶系统建模仿真以及高速切削定、变载荷作用下的各瞬态性能的研究分析等。
　　第四、建立嵌入式直驱刀架虚拟样机的有限元建模，对其做静力分析、模态分析、谐响应分析等静、动态特性分析，并进行结构参数的优化。
　　第五、对直驱刀架物理样机进行内嵌力矩电机的基本功能调试，电机参数配置、电机相位整定与环路控制调节，提出测试任务、基本要求、技术指标，并进行初步的试验台搭建，刀架在工况下的振动、温度的初步测试实验验证。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 课题研究目的及意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 课题研究内容及章节结构

第2章 总体结构方案研究与运动分析

2．1 整体技术研究方案

2．2 基本结构及功能实现

2．2．1 基本结构

2．2．2 功能实现

2．3 虚拟样机建立

2．4 运动功能模块划分

2．4．1 驱动模块

2．4．2 支撑固定模块

2．4．3 运动模块

2．5 运动仿真分析

2．5．1 导入实体模型

2．5．2 创建运动副并添加约束及驱动

2．5．3 创建模型部件运动函数

2．5．4 仿真分析

2．5．5 结果后处理——生成曲线

2．6 本章小结

第3章 瞬态性能研究

3．1 回转部分转动惯量估算

3．2 换刀速度与加速度分析

3．2．1 换刀角速度曲线的选取

3．2．2 角速度与角加速度估算

3．3 启动转矩分析

3．3．1 克服刀具均布时转矩

3．3．2 克服刀具非均布时转矩

3．4 高速换刀的瞬态特性分析

3．4．1 系统模型建立

3．4．2 二阶系统振荡仿真

3．5 高速切削瞬态性能分析

3．5．1 切削力估算

3．5．2 定载荷瞬态性能分析

3．5．3 变载荷瞬态性能分析

3．6 本章小结

第4章 动静态特性分析及优化

4．1 静态特性分析

4．1．1 有限元建模

4．1．2 模型网格划分及施加约束力

4．1．3 求解并分析静态特性结果

4．2 动态特性分析

4．2．1 模态分析理论建模

4．2．2 直驱刀架的模态分析

4．2．3 直驱刀架的谐响应分析

4．3 直驱刀架参数优化

4．3．1 创建优化项目

4．3．2 设置直驱刀架优化参数

4．3．3 添加参数优化设计点

4．3．4 重新计算求解

4．3．5 优化结果评价分析

4．4 本章小结

第5章 驱动调试与测试实验验证

5．1 测试任务

5．2 测试方案的基本要求

5．3 测试的主要技术指标

5．4 基本功能参数调试

5．4．1 力矩电机参数配置调试

5．4．2 电机相位整定

5．4．3 控制环路调试

5．5 刀架振动、温度测试试验

5．5．1 振动测试试验

5．5．2 温度测试试验

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 研究成果总结

6．2 展望

致谢

参考文献

个人简历在学期间发表的学术论文