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加工中心回轉(zhuǎn)工作臺的動態(tài)性能研究及優(yōu)化設計-背景及意義
閱讀：264 發(fā)布時間：2020-8-131.1課題背景及意義
從2010年至今，我國機床行業(yè)實現(xiàn)了平穩(wěn)快速的發(fā)展，在2010年全年累 計完成工業(yè)總產(chǎn)值達到5.5千億元，同比增長40.6%。其中，金屬切割機床行業(yè) 的工業(yè)總產(chǎn)值為1.3億元，同比增長34.3%。金切機床產(chǎn)量為75.6萬臺，其中數(shù) 控機床產(chǎn)量達到22.4萬臺，同比增長分別為33.1%和66.7%。成形機床行業(yè)工業(yè) 總產(chǎn)值407.5億元，同比增長42.2%。成形機床產(chǎn)量為26.1萬臺，其中數(shù)控機床 產(chǎn)量達到1.2萬臺，同比增長分別為18.0%和8.1%。
2011年，中國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整取得初步成效，機床工具行業(yè)在科技創(chuàng)新、產(chǎn)品 開發(fā)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整方面都取得明顯進步。自主創(chuàng)新成果產(chǎn)業(yè)化進程加快，自 主研發(fā)了一批高速的、精密的、復合的、多軸聯(lián)動的數(shù)控機床，和一些規(guī)格大、 噸位重的超重型數(shù)控機床新產(chǎn)品。這是國家科學技術重大專項有關項目取得的 階段性成果。這些新的研究成果滿足了國家一些重點領域用戶和軍工建設的急 需，在一些國民經(jīng)濟發(fā)展和工建設中起到了非常關鍵的作用。新產(chǎn)品開 發(fā)成果顯著：開發(fā)了多種精密、高速、智能、復合數(shù)控機床，高性能功能部件， 高檔數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)字化工量具，高性能磨具、磨料、機床附件和機床電器等。 機床協(xié)會編制的《國產(chǎn)數(shù)控機床推薦產(chǎn)品匯編》（2010版）中已經(jīng)列入近幾年開 發(fā)的1100多種數(shù)控機床新產(chǎn)品。
盡管如此，數(shù)控機床產(chǎn)品在2011年的進口額仍大幅增長。12個月份里，進 口額與歷史高的2008年同期相比還增長27.8%，又創(chuàng)歷史新高。同時，進口 產(chǎn)品中中高檔產(chǎn)品比例很大。同時，數(shù)控機床產(chǎn)品出口累計達到70.3億美元， 與上年同期相比也有大幅增長，但出口產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不盡合理，低檔的資源性、高 能耗產(chǎn)品占有很大比例。
2011年，第12屆中國機床展覽會在北京舉行，主題為"以科技創(chuàng)新迎 接后危機時代〃。這次展覽會突出了機床界在金融危機后的變革思路和改革 方向，注重科技創(chuàng)新在裝備制造業(yè)進步和發(fā)展中的重要地位和作用，進而促進 了國民經(jīng)濟各領域方式轉(zhuǎn)變和結(jié)構(gòu)調(diào)整。在這次機床展上，數(shù)控機床特別是加 工中心和復合機床在裝備制造業(yè)內(nèi)已呈現(xiàn)出“量大面廣”的態(tài)勢，這類工作母
機在各類制造業(yè)中已經(jīng)開始普及應用，并清晰地表現(xiàn)出鮮明的時代特征與發(fā)展 趨勢。機床運動無論是運動疊加串聯(lián)機床，還是并聯(lián)運動機床，對大多數(shù)金屬 加工機床來說，數(shù)控進給復合運動的加工，是以直線軸加上回轉(zhuǎn)軸的聯(lián)動來實 現(xiàn)。為了應對日益增多的復雜零件加工、提高加工精度和效率，多軸機床和復 合機床將會進一步創(chuàng)新發(fā)展。因此在現(xiàn)代加工中心的開發(fā)中，數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺 的設計與制造，成為研制數(shù)控機床的核心任務之一，而數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺，同時 也起著支撐工件重量、卡緊、定位工件的功能，所以要重視其創(chuàng)新設計。
為了滿足多品種、小批量，特別是結(jié)構(gòu)復雜、精度要求高的零件的自動化 生產(chǎn)，出現(xiàn)了適用這種需求的靈活的、通用的、能夠適用產(chǎn)品頻繁變化的柔性 自動化機床——數(shù)控機床。加工中心因為具有刀庫和轉(zhuǎn)臺，在一次裝夾的情況 下，可進行多個工序的加工，因此，其自動化程度和生產(chǎn)效率大大優(yōu)于普通機 床。
高檔數(shù)控機床制造業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)。黨的十七大《國家中長期科 學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006年--2020年)》都將裝備制造，特別是數(shù)控裝備列 為重點發(fā)展的對象，《綱要》中所列的16個重大專項中就有高檔數(shù)控機床與基 礎制造裝備[1]。西方發(fā)達國家長期將數(shù)控制造裝備列為重要戰(zhàn)略物資，尤其是在 涉及航天、造船、大型電力設備制造等領域，對我國出口的高檔數(shù)控機床還往 往附帶各種苛刻的條件，在關鍵技術上更是對我們進行嚴密。正是由于國 內(nèi)在一些關鍵共性技術上長期未取得突破性進展，導致我國高檔數(shù)控機床的國 際競爭力受到嚴重制約。因此，開展對高檔數(shù)控機床及其相關共性技術的應用 研究，對于提升我國數(shù)控機床行業(yè)的核心競爭力，提高我國重點行業(yè)的制造能 力都具有十分重大的戰(zhàn)略意義。
隨著生產(chǎn)力水平的不斷提高和數(shù)控技術在各個領域的廣泛應用[2]，數(shù)控機床 也成為工程中*的一部分。而數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺作為加工中心的重要基礎 部件，不僅可以實現(xiàn)圓周進給，還可以進行分度運動的工作臺，對于提高加工 中心的加工效率有著非常重要的作用。回轉(zhuǎn)工作臺主要由電機、蝸桿傳動、齒 輪傳動、工作臺等部件組成，且可進行間隙消除和蝸輪加緊。但隨著*制造 業(yè)的快速發(fā)展，機械工業(yè)對機床質(zhì)量、產(chǎn)品精度和可靠性提出了更高的要求， 現(xiàn)有的回轉(zhuǎn)工作臺的控制性和穩(wěn)定性等動態(tài)特性已經(jīng)不能*市場的需 要。數(shù)控機床（尤其是加工中心）的各個傳動系統(tǒng)經(jīng)常處于各種激勵作用下， 產(chǎn)生不可避免地各種響應，即產(chǎn)生各式各樣的振動。振動對機械系統(tǒng)的影響是 不能忽略的，它不僅會降低加工產(chǎn)品的精度，加重構(gòu)件的磨損，而且還容易引 起結(jié)構(gòu)部件的*超限破壞與疲勞破壞。一旦激勵載荷的頻率與承載部件或機 構(gòu)的固有頻率接近時，就會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。共振的產(chǎn)生將導致機械機構(gòu)或部件 的嚴重損害。據(jù)統(tǒng)計，機械故障中60%以上是由振動間接或直接引起的[3,4]。所 以研究和解決裝備制造業(yè)中出現(xiàn)的各種振動問題已經(jīng)成為一個非常關鍵的、緊 迫的任務。
回轉(zhuǎn)工作臺系統(tǒng)作為加工中心的一個比較典型的力學振動系統(tǒng)，其工作過 程中，既要考慮因原動力（電機）作用產(chǎn)生的強迫振動，還要考慮傳動機構(gòu)（蝸 輪蝸桿傳動、齒輪傳動）在加工過程中發(fā)生的顫振[5](—種動不穩(wěn)定現(xiàn)象）。這 些振動一旦與工作臺系統(tǒng)的固有頻率接近，將嚴重影響加工中心的生產(chǎn)效率。
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