开题报告-GROB G700加工中心B轴一体式直驱结构研究.docx

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1、课题来源本课题来源于实习企业的工程生产实际课题。科学依据（包括课题的科学意义；国内外研究概况、水平和发展趋势；应用前景等。课题意义：机械传动技术是机械制造行业中的重要研究领域之一，随着现代机械制造业的高速发展，现代机械工程对传递运动与动力的机械传动装置提出了更高的要求。一汽无锡柴油机厂CA6DL机加工车间6DM生产线采用GROB公司G700加工中心，该型加工中心占地小，大量采用紧凑型结构。其中B轴一体式直接驱动结构十分有特色，其抛弃了传统的交流伺服电机、齿轮变速、涡轮蜗杆传动系统，大大提高了传动效率，减小体积。车间对传统机械传动式回转台有较多的维护、保养、维修的经验，但对于一体式直驱回转台的维

2、修经验处于空白。目前采用该结构的机床6DM缸盖线MH0P30发生B轴回转台无法动作的故障，GROB人员认为需要将其整个拆下返厂后才能确定故障根源，而返厂维修价格昂贵，因此车间决定着手对数控回转台的结构和工作原理进行详细研究，并尝试自主维修，根据维修结果分析预防故障的措施，制定预防预见计划。回转台传动结构研究概状：数控回转台是数控加工中心不可缺少的关键功能部件，主要功能是参与零件的分度加工，各种圆弧加工、与直线坐标进给联动进行曲面加工等，可以扩大机床的工艺范围、有效减少工件加工过程中的辅助时间并提高零件的加工精度。数控回转台的结构主要由伺服驱动系统、传动机构及定位锁紧机构等几部分组成。其中，传动

3、机构形式是数控回转台能否实现高精度定位功能的关键所在，主要影响了数控回转台旋转定位精度和重复定位精度。传动机构结构形式也直接决定了数控回转台在机床整体结构中的布局方式以及数控回转台的最终动静态性能。国内外文献资料表明，在数控多轴联动回转工作台的实现方案中，主要有以下三种结构类型：滚动齿蜗轮蜗杆副回转工作台、电机直接驱动回转工作台、伺服电机驱动齿轮齿条副回转工作台。传统传动结构：机械行业中应用较为广泛的回转台传动方式是蜗轮蜗杆副传动。它具有可实现大传动比、交错轴传动、传动平稳、无噪声、结构紧凑、传动效率低、具有自锁性、无强制冷却润滑时不能长时间连续运行等特点。普通的蜗轮蜗杆副传动机构由于结构与制

4、造精度限制，其反向间隙调整般只能达到0.03-0.08mm,这显然无法满足高精度数控回转台的使用要求，因此，在实际使用中，数控回转台多使用具有可靠、便捷消除间隙功能的蜗轮蜗杆传动方式。常用的具有消除间隙功能蜗轮蜗杆传动方式主要有：两段式蜗杆传动、双导程蜗杆传动和双蜗杆传动。（I）两段式蜗杆传动两段式蜗杆传动结构较为简单，该类型蜗杆由实心蜗杆轴和空心蜗杆套组成，空心蜗杆套套在实心蜗杆轴上，形成双段式结构。实心蜗杆轴通过花键或涨紧套与空心蜗杆套连接并传递扭矩，使两者同时转动。两个蜗杆的接触面留有一定间隙，安装有调整垫片，通过修磨垫片调整两个蜗杆之间的距离以达到调整蜗轮与蜗杆之间的间隙。当修磨调整垫

5、片进行间隙调整时，需保证实心蜗杆右侧齿面和空心蜗杆套左侧齿面分别于蜗轮的左右齿面相接触。此时实心蜗杆的作用就是驱动蜗轮逆时针转动，空心蜗杆套的作用就是驱动蜗轮顺时针转动。这种结构的主要优点是蜗轮蜗杆均可使用标准刀具加工而成，加工成本与普通蜗轮蜗杆相近。其主要缺点是：调整困难需要反免拆装蜗杆调整垫片才可进行间隙调整；当处于散热不良的条件下工作时，蜗杆温度升高会导致两段蜗杆间隙缩小，当间隙缩小到一定程度时，直接导致蜗杆蜗轮咬死无法运转。（2）双导程蜗杆传动双导程蜗杆传动与普通的蜗轮蜗杆传动的主要区别是：双导程蜗杆左、右两侧的齿面具有不同的导程（齿距），但同一侧面的导程是相同的。由于该类型蜗杆左、右

6、两侧齿面具有导程差，因此其轴向齿厚从一端至另一端按比例逐渐变厚或变薄，但是与其啮合的蜗轮齿厚为均匀不变的，因此当蜗杆沿轴线移动时，蜗轮与蜗杆的啮合侧隙逐渐增大或变小。由此可以断定一定存在一位置，当蜗杆移动到该位置时会消除蜗轮与蜗杆的啮合侧隙。由于同一侧导程相同，没有破坏啮合的条件，所以当轴向移动蜗杆后，也能保持良好的啮合。在实际运用中，通常在蜗杆一侧设计有调整螺母，通过旋转调整螺母即可使蜗杆轴向移动，进而达到调整侧隙的目的。这种结构的主要优点是：调整方便，在进行调整时不需要拆卸整个机床部件，不仅方便了装配时调整侧隙，而且在设备使用一段时间后，方便调整由于部件磨损导致的侧隙，有利于保持精度稳定性

7、;蜗杆为一整体件，刚度和强度较两段式蜗杆好。其缺点是加工困难，成本高。（3）双蜗杆传动双蜗杆传动的蜗杆与涡轮均为普通类型，其特别之处为一个蜗轮布置两根蜗杆与其啮合。两根蜗杆通过齿轮与传动比为1:1同步齿形带相连，实现同步反向转动。其调整侧隙的方式就是调整其中一根蜗杆沿轴向方向移动，推动蜗轮微量移动，使蜗轮正向、反向旋转时总能与其中一根蜗杆齿面相啮合，从而实现消除蜗轮蜗杆反向间隙的目的。此类传动方式调整简单，传动稳定，精度稳定性好，但是结构复杂，占用空间较大。直驱式回转台传动结构研究概状：传统的数控回转台结构的驱动动力源及传动结构主要是高速伺服电机以及涡轮蜗杆副的减速传动机构。采用这种驱动方式的

8、数控回转台存在着动态响应慢、机械传动链存在弹性变形和反向间隙等缺陷，因此，它难以满足现代数控加工对高档数控加工中心的高精度、响应快、高效率的要求。而直驱式回转工作台取消了中间的传动环节，采用直接由电机的驱动方式驱动转台旋转，大大提高了回转台的传动效率和传动精度，减小了回转台在实际生产过程中的定位精度和重复定位精度。同时，这种驱动方式还具有转矩大、能耗低等优点，为实现数控系统的高速响应、准确快速定位等提供了更高的可能性。国外：运动控制是支撑数控机床、机器人以及其他相关领域发展基础，国际知名制造商包括美国的RochwelKParker、GEFanUc、Baldor等公司，欧洲的SienICns、B

9、oschRexrothPager等公司，以及日本的三菱、Fanuc.等公司技术先进，产品线完整，也是直驱技术和产品的领跑企业，他们可以提供整套的运动控制产品和行业解决方案，直接服务于以装备制造、汽车制造为代表的工业应用领域，以医疗仪器、家电为代表的民用领域和武器装备制造、航空航天等军用领域。据不完全统计，运动控制相关产业在全球达到30亿美元产业规模。而且保持年增长率高达2%惊人的成长速度，其中采用直驱技术的部分每年以30%的速度更快的增长。以德国、日本、美国、瑞士为代表的在数控加工中心领域处于领先地位的国家，近年来研发并生产出多款采用直接驱技术的机床产品，并且其应用领域和技术水平已经达到了较高

10、的地步。DMG.MAZAK等公司均开始大量改用直驱功能部件。与此同时，日本的Fanuc公司的研发生产的纳米级的Robonano系列加工中心的各个轴的直线运动和回转运动均采用了直接驱技术，但是该系列加工中心尚不对外销售。德国F.Zimmerman公司不仅提供数控加工中心和直驱电机驱动的摆角铳头产品，还拥有3旋转座标摆角铳头的专利。基于直驱技术的各种高速加工中心、多轴机床、齿轮机床、精密磨床、数控冲床等如雨后春笋，层出不穷。针对加工中心数控转台技术的研究，国外相关研究领域的专家和学者主要就不同形式转台的几何误差和定位精度进行了深入研究，并针对存在的问题提出相应的改进措施。加拿大的科研人员于2011

11、年从传感器和阻尼器的控制角度研究了直驱回转工作台的定位精度。同年，韩国科研人员KIMJae-hyun等通过运用有限元软件分析了加工中心倾斜式的摆动转台静动态特性与热特性，同时对其进行了轻量化设计研究。国内：目前，我国直驱技术的发展与国际水平还存在较大差距。虽然国内自2005年就开展了以力矩电机为核心的直接驱动回转台的功能部件技术的研究以及产品开发，但大多停留在产品样机的研究阶段。在力矩电机相关技术领域，国内与国外也存在较大差距。欧美国家自上世纪90年代初就已经开始应用力矩电机，而且现在已经普及。然而，国内直到上世纪90年代中期才开始着手力矩电机相关技术的研究，而且成功的应用实例非常少。国内企业

12、包括凯奇电气、华中数控都展出过相关样机，但均未形成批量产品。清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、沈阳工业大学及某些从事相关机床生产的企业都在力矩电机设计和应用方面开展了许多研究工作，也为社会小批量提供了一些力矩电机产品，但是仍然未曾实现直驱回转台的普及。发展趋势和应用前景：我国数控加工中心的关键功能部件发展较为缓慢，尤其是回转工作台等重要功能部件仅能满足中低档数控加工中心的需要，而衡量数控加工中心整体水平的直驱回转台仍需依赖进口。为了满足我国由“中国制造”向“中国创造”的战略转型，为了顺利实现“中国制造2025”的宏伟目标，就必须要想方设法，使我国摆脱对国外高档数控加工中心的高度依赖性进口，打

13、破国外生产企业的垄断地位，就必须要突破高档加工中心的关键功能部件的相关核心技术。因此，我们必须加快开展直驱回转台技术研究，满足现代数控加工中心对高效率、高精度、高柔性等工作条件要求，从而使其获得优良的动态响应特性。未来的研究将会朝以下几个方向发展：(1) 采用力矩电机作为动力源：直驱技术的核心是采用力矩电机。以力矩电机为驱动方式的机床工作台，克服了传统工作台振动、动态刚度差、抗干扰能力差等问题。在精度上，力矩电机驱动不再通过机械传送的方式来构成传送链，可以实现极高的灵敏度。力矩电机驱动还减少运行中的磨损，极大提高了工作台的使用寿命。(2) 高性能：随着信号控制技术以及计算机技术的不断发展，对于

14、数控转台未来的发展注入了全新的活力。并且还从根本上发展了自控控制以及响应的性能。(3) 高精度：在实际工作中，数控转台的重免定位精度以及本身的定位操作处于一个不断提升的形式下，存在非常好的精度。(4) 高柔性：随着现代数控回转台不断朝着柔性化发展，需要从根本上发展自动化程度，这样就可以促使整个机床的加工过程不断实现强化，同时又能满足生产线加工的一系列要求。(5) 大型化：为了满足现代大型机床加工领域发展的需要，就要求我们朝着大型化发展整个数控回转台，并且逐步提升回转台的承载能力。研究内容本课题主要进行回转台传动结构、直驱式回转台传动的分析，以及对实际生产企业中的应用案例进行结构分析和故障排除，

15、并针对关键零件(主轴承)提出可行的故障预防方案。主要研究内容包括以下方面：(1) 直驱式回转台结构是未来发展趋势根据已有的国内外科研成果和实际生产案例，分析传统的数控回转台的传动方式和它们的传动特点；分析实际生产中采用这种传统驱动方式的数控回转台的特点，以及它不能用于现代高档数控加工中心的原因。根据国内外的关于直驱式回转台传动结构的资料，分析直驱式回转台传动的传动特点和工作原理；并与传统的回转台的传动结构对比，分析出直驱式回转台的优点所在，得出其能适用于现代高性能、高精度数控加工中心的原因，明确直驱式回转台在未来发展的地位。(2) 对B轴一体式直驱回转台案例进行分析与故障修复针对企业车间的工程

16、生产实际案例，即对GROBG700加工中心B轴一体式直驱回转台结构进行详细的机械结构分析和故障机理分析。根据回转台传动结构，制定初步拆解方案，并咨询专家意见，对拆解方案完成优化；完成拆解并分析故障源，制定合理的维修方案并完成维修和组装，进行离线检测测试回转台结构安装效果；进行上机测试和效果验证，完成对该故障B轴一体式直驱回转台结构的维修。(3) 针对故障机制、关键零件提出可行的预防方案根据车间资料和维修过程，分析得到发生故障频率最富的关键零件为B轴一体式直驱回转台结构的主轴承，针对主轴承提出有效的故障预防方案。首先分析该轴承的作用和结构特点；其次，分析生产中轴承的常见故障机制；根据车间实际生产案例分析车间内直驱式回转台主轴承的实效形式，并结合机电一体化技术、测试技术等，提出可行的、有效的故障实时监测方案，实现对轴承的实时状态监控和故障预警，降低主轴承发生故障的频率，保证回转台的正常