文 献 综 述

前言

风力发电是能够大规模利用、可再生能源的发电项目，是一种洁净能源,越来越受到世界各国的重视。叶片做为风力发电设备的重要组成零件，其加工制造过程值得我们深入研究。

风电叶片尺寸大、制造工艺路径长、规格多，需要多副模具才能满足企业生产需求；传统风电模具制造过程复杂、周期长、尺寸精度差、费用高，不能满足风电叶片企业快速发展的需求。为克服传统风电叶片模具制造的局限性，一种基于3D打印的增减材模具复合制造技术应运而生。进给系统的设计与分析是设计机床的关键，所以进给系统的设计在设计机床中显得尤为重要。

本文综合了很多有关风能、复合加工和机床进给系统的期刊、论文，对其中进行概括和总结，以便于为相关研究人员提供可靠的依据。本文主要介绍对风电叶片增减材加工机床的X轴进给系统的设计计算和建模方法。

1 基于3D打印的增减材制造

随着增材制造的发展以及其局限性的突出，人们开始思考增减材的复合加工制造。发达国家对基于增减材制造的复合制造的研究开展比国内要早，但该技术仍处于探索阶段。

减材制造与增材制造的优缺点具有很强的互补关系^[1]，图 1 所示

图1 复合加工快速成型系统技术优势

最主要的增减材复合加工技术是沉积制造技术，是由美国斯坦福大学研究，结合了去除法和添加法，所用材料分为成形材料和支撑材料，成形的零件具有很高的精度^[2～3] 。每沉积完一层材料，用数控加工的方法将该层零件或支撑材料加工成形到零件的表面外形后继续下一层的沉积，最后去除支撑材料 ^[4～6] 。

3D打印技术是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术，与传统的去除材料加工技术不同。

纵观全球，经过十多年的探索和发展，3D打印技术有了长足的进步，目前已经能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率。目前国际上较先进的产品可以实现每小时25mm厚度的垂直速率，并可实现24位色彩的彩色打印。欧美发达国家，3D打印技术已经初步形成了成功的商用模式，相对而言，国内3D打印技术研发水平与国外相比还有较大差距^[7] 。

2 机床进给系统

本课题针对风电叶片的增减材复合制造技术开发风电叶片增减材机床及相关的CAM软件。该机床采用大跨度动梁式龙门结构，主要包括水平纵向进给系统（X轴）、水平横向进给系统（Y轴）和双垂直进给系统（Z1/Z2轴，五轴打印头和五轴铣削头）组成。由于我还是在校大学生，能力还是有限，本次毕业设计主要研究风电叶片增减材机床X轴进给系统设计与分析。

2.1 机床研究背景

数控机床是国家制造业发展的重要保障,在国民经济建设中扮演着十分重要的角色^[8] ,与国外先进的技术水平相比, 我国数控机床的发展水平依然处于落后状态,高档数控机床仍然需要大量的进口, 使得中国成为了世界第一机床进口国^[9] 。

2.2 机床进给系统的组成

进给系统是机床的重要组成部分，它的设计质量直接影响整机的加工性能和产品质量^[10] ,而且其性能影响到整个机床的冲击、振动以及机器的使用性能，所以研究数控机床进给系统的设计手段对我国机床行业发展非常重要。

进给系统的组成及各部分的工作原理简述如下：

（1）控制介质。

进行数控机床加工时，需在任何机床之间建立某种联系，以便机床正确的执行认的意图，这种进行联系的中间介质机控制介质又称为信息载体^[11]。

(2)计算机数控装置。

计算机数控装置是数控装置的核心，其绝大部分采用微型计算机控制；它有输入设备、输出设备、运算器、控制器和存储器组成^[12]。

输入设备即把控制介质上的信息翻译成计算机能够识别的信息代码并送到指定的存储器中以便进行运算处理。

输出设备即将经计算机处理过的信息代码经过翻译之后转变成机床能够执行的指令和人能够识别的信息符号。

运算器是对计算机中的信息进行算术或逻辑运算的器件。存储器是用来存储计算机所需的各种信息代码的器件。控制器是用来控制计算机内部的运算并按照一定的顺序使各个部件协调工作的部件^[13]。

（3）伺服机构

伺服构的作用是把数控装蛊的运动指令转变成机床移动部件的运动，使工作台按照预先规定的轨迹运动，以便使加工出符合图纸要求的工件,伺服机构由伺服控制电路、功率放大电路和伺服电机组成。常用的伺服电机有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机^[14]。

（4）机床

数控机床是高精度和高生产率的自动化加工机床，它具有更好的抗震性和刚度，相对运动面的摩擦系数小，进给传动部份的间隙小的特点^[15]。

（5）测量装置

测量装置江机床移动的实际位置、速度检测出来转变成电信号，并反馈至计算机中使计算机能随时判断机床的实际位置、速度与指令要求是否一致，并发出相应指令纠正所产生的误差^[16]。

2.3 导轨

根据机床功能的不同,进给系统的机械结构也有所差异，需要根据实际情况选用。导轨是机床进给系统的重要组成部分 ,对机床的影响非常大, 不同类型的机床对导轨的要求也不同, 数控机床对导轨的要求要比普通机床的高 。

2.3.1 三种导轨的特点、经济性和应用场合

滑动导轨，是机床上应用最为久远的导轨,至今仍在各类机床产品上广为应用, 尤其是在普通机床上,一般为了提高其耐磨寿命和精度 ,需要在导轨表面进行淬火和磨削加工,现代机床最常用的是塑料滑动导轨^[17]。滑动塑料导轨最明显的特点：优良的刚性、吸振性和阻尼性,适宜切削负载大的机床使用，其成本较低, 经济且实用。

静压导轨是将有一定压力的油液输送到导轨面的油腔中 ,形成压力油膜从而浮起运动部件 ,使导轨工作表面处于纯液体摩擦、,精度保持性好 ,摩擦系数也非常低,所以大大降低了驱动功率,除此以外 ,静压导轨的运动不受速度和负载的限制 , 无低速爬行现象 , 承载能力大, 刚度好;油液有吸振的效果 ,摩擦时发热也小 ^[18]。缺点是结构复杂 ,需要专门配置一套液压系统,油的清洁度要求也高,所以其成本高 ,中小型的数控机床很少使用。特别适用于各种大 、 重型机床 、 数控机床 、 精密机床的工作台及其他运动件上。

滚动导轨的特点是 ：动、静摩擦系数基本上相同 ,启动时阻力小, 不容易产生冲击,低速运动稳定性好;定位精度高, 运动平稳 ,微量移动准确 ,磨损小, 精度保持性好, 寿命长，抗振性差^[19]。由于对其防护要求高, 结构复杂 ,并且制造较困难, 所以需要由专业厂制造, 成本较高 。

随着数控机床高速化趋势的出现 , 滚动导轨被广泛应用，尤其是直线导轨，与滑动导轨不同的是 ,导轨的接触特点为点接触或线接触 ,具有较小的摩擦系数，响应更迅速 ,快速移动速度高,更有利于复杂曲面工件的高速加工。

直线导轨除了具有以上优点外，还具有安装和维修都比较方便的优点,由于它是一个独立的部件，对机床支撑部件部分的技术要求不高，既不需要淬硬也不需要磨削或刮研只需要精铣或精刨^[20]。由于这种导轨可以预紧，因而比滚动体不循环的滚动导轨刚度高，承载能力大，但不如滑动导轨，抗振动和冲击载荷的机床不宜使用直线滚动导轨副^[21]。

2.3.2 三种导轨的装配难易、防撞性和可维修性

在制造过程中，对机床导轨的精度要求很高，滑动导轨和静压导轨都需要人工配刮，劳动强度大 ,效率低。而直线导轨可调整锁紧螺钉和侧面压板来调整精度 ,技术要求高, 相对来说劳动强度较小 ,效率更高。

机床使用过程中难免会发生冲撞 ,所以要重点考虑高速移动部件撞击后可能出现的故障程度，滚动导轨更容易受到损坏 ，用户自行修复的可能性极小 ，要更换新的^[22]。滑动导轨和静压导轨因为它们的接触面积大、承受冲击的能力较强，冲撞后在现场维修相对容易些。

在选用机床的导轨应该根据实际情况。高精尖产品宜采用直线导轨 ，大型重载机床且要求精度较高时可采用静压导轨 ,从经济实用机床刚性要求较高的角度看 ,应选用滑动导轨^[23]。

2.4 机床进给系统设计现状及不足

目前我国机床行业，进给系统的功能部件选型还是主要根据设计人员的经验进行人工设计,已无法满足企业对数控机床能和产量上的需求。

针对这种现状, 很多人开始用数字化的设计手段来设计进给系统, 以提高设计效率和设计质量。 佘少玲^[24] 建立一个专家系统来设计数控铣床进给系统 ；赵万军^[25] 开发了数控机床滚珠丝杠副计算机选型设计系统,并得到了验证,增强了系统的可信度；丁峰,陈洪芳^[26] 开发了 CAD系统，利用计算机辅助设计方法完成滚珠丝杠的选型设计,；吴文英^[27] 通过分析伺服电机和滚珠螺母副, 为高性能加工中心进给系统提供了计算机辅助设计。

这些研究都取得了一定的成果, 但也存在着一些不足, 如：大多仅仅对进给系统中某一种进行的研究,对整个进给系统的设计就略显不足,因为这些不足,使得这些工具软件很难在企业中推广应用^[28] 。

3 结束语

根据设计领域现有的研究成果，进而设计能够制造出风电叶片模具的增减材机床进给系统，以此来满足风电叶片企业快速发展的需求。

本文简单介绍了复合制造与3D打印，并介绍了对机床的研究背景、机床进给系统的组成、各种导轨的特点、经济性和应用场合、三种导轨的装配难易、防撞性和可维修性和机床进给系统设计现状及不足，可为今后对机床进给系统结构设计方面提供一些技术参考。

总之，增减材复合加工机床进给系统的设计是比较全新设计，很多学者和研究机构都在研究，相信不久就会取得很大的进步。

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