【正文】 .................................................................... 35 伺服電機選型計算 .............................................................................................. 35 其他部件設計選用 ...................................................................................................... 38 結 論 ................................................................................................................................. 41 致 謝 ................................................................................................................................. 42 參考文獻 ................................................................................................................................. 43 附 錄 ................................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 附錄 A .................................................................................................. 錯誤 !未定義書簽。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 1 頁 1 緒論 數控工作平臺概述 數控工作臺（ numerical control table）又稱數控精密工作臺、數控運動平臺、數控定位平臺、電動平移臺 、 數控工作臺 。 設計上采用滾珠絲杠副和滾動導軌副傳動結構，具有精度高、效率高、壽命長、磨損小、節(jié)能低耗、磨擦系數小、結構緊湊、通用性強等特點。數控工作臺可 廣泛應用于激光焊接機、插線機、打孔機、涂膠機、機械手、搬運、檢測裝置、斷層射線掃描、小型數控機床及實用教學領域。數控精密工作臺系列可選擇步進電機驅動，直流伺服電機驅動，交流伺服電機驅動。 數控工作臺產品基礎構件可以采用優(yōu)質鋁合金、鑄鐵、鋼材及大理石等材料，傳動結構可以采用直線導軌、直線圓導軌、滾珠絲杠、同步帶及氣缸等多種組合形式，滿足各種行業(yè)、不同場合的需要。 數控工作臺發(fā)展及其產業(yè)化現狀 數控工作平臺分類 數控工作臺按其移動自由度可分為一維數控工作臺、二維數控工作臺以及三維數控工作臺。 （ 1）一維數控工作臺 圖 一維數控工作臺 （ 2）二維 數控工作 臺 雙坐標工作臺分別是由兩臺型號一致、工作行程相同或不同的單坐標工作臺疊加組 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 2 頁 合而成。雙坐標工作臺組成原則是上層工作臺行程一定要小于等于下層工作臺行程。 圖 二維數控工作臺 （ 3） 三維數控工作 臺 三坐標數控工作臺按照使用方式的差異分為小型數控工作臺、大型數控工作臺、專用數控工作臺。 小型數控工作臺由單坐標工作臺和雙坐標工作臺疊加組合而成， 其 工作行程：505050 mm 600600150 mm。 專用型數控工作 臺，例如用做三維雕刻工作臺， 其 工作行程： 505050 mm 600600150 mm。 數控工作臺發(fā)展趨勢及產業(yè)化現狀 當今世界電子技術迅速發(fā)展，微處理器、微型計算機在各技術領域得到了廣泛應用，對各領域技術的發(fā)展起到了極大的推動作用。一個較完善的機電一體化系統(tǒng)，應包含以下幾個基本要素：機械本體、動力與驅動部分、執(zhí)行機構、傳感測試部分、控制及信息處理部分。機電一體化是系統(tǒng)技術、計算機與信息處理技術、自動控制技術、檢測傳感技術、伺服傳動技術和機械技術等多學科技術領域綜合交叉的技術密集型系統(tǒng)工程 。新一代的 CNC 系統(tǒng)這類典型機電一體化產品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展 [1]。 工作臺作為數控機床的重要組成部分，也是影響加工精度的重要組成環(huán)節(jié)。從一開始為了滿足加工簡單的零件而設計的直線運動的 X— Y 工作臺，到現在為了實現多工位加工而制造的分度工作臺和回轉工作臺等。為了滿足現代制造業(yè)的發(fā)展，也為了環(huán)境的要求，一作臺的驅動裝置從原來的機械驅動變?yōu)橐簤候寗樱F在更多的采用了氣動裝置，更好的保護了環(huán)境，節(jié)約了資源。由于工作臺是一臺機床的關鍵配套部件，因此世界各國都有對其進行研究，我國 在 工作 臺 的研究開發(fā)方面 也 取得了長足的進步 。目前工作臺 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 3 頁 的種類繁多，傳統(tǒng)的工作臺只能安裝在某一指定機床上，伴隨著科技的與時俱進，它們的功能也由傳統(tǒng)單一性向現代的多功能性方向發(fā)展，現在一些工作臺，它不僅可以安裝在鉆床上，還可以安裝在銑床和鏜床等機床上。并且目前部分工作臺還可以作為機床的第四回轉軸，大大提高了機床的性能。國外工作臺的功能與我國所生產的工作臺功能基本相似，但是在其精度方面，國外的一些公司所生產的工作臺要略高于我國所生產的工作臺。因此我國與國外相比，還是有一定的差距，因此工作臺的設計具有重要意義，我們要借助時 代的步伐，與時俱進，開拓創(chuàng)新，使我國成為具有領先技術的綜合性強國。 一維數控工作臺設計的意義及設計內容 本設計所設計的一維工作臺采用了低摩擦的直線滾動導軌和精密的絲杠，它的工作原理是通過運動控制卡來控制 伺服 電機，使工作臺實現了數控控制。工作臺的自動化能大大減輕勞動強度，提高勞動生產效率。本設計的數控工作臺機電系統(tǒng)設計是一個 閉 環(huán)控制系統(tǒng)，其結構簡單，實現方便而且能保證一定的精度。通過微機控制技術的簡單的應用，實現對機床的控制，使機床的加工范圍擴大，精度和可靠性進一步提高。本設計所設計的工作臺不僅可用于銑 床上進行數控銑削加工，而且還能夠用于鉆床上數控鉆削加工，所以其功能遠高于傳統(tǒng)的普通工作臺是新一代機電一體化的典型產品。 通過對工作臺的設計，能夠正確運用機床數控系統(tǒng)等課程的基本理論個有關知識，學會設備數控化改造方案的擬定、比較、分析及進行必要的計算；通過對設備改造的機械部分設計，掌握數控設備典型零件的計算方法和步驟以及正確的結構設計方法；通過設備的數控系統(tǒng)硬件和軟件設計，掌握簡單的數控系統(tǒng)硬件及軟件設計的基本方法；通過課程設計，初步樹立正確的設計思想，培養(yǎng)自己分析問題和解決問題的能力；提高自己應用手冊、標準 以及編寫文件等資料的能力。 在本設計中著重介紹了如何對工作臺進行總體設計 以及 對導軌、絲杠、電機 的 選用計算。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 4 頁 2 工作臺總體方案設計 工作臺基本原理 滾珠絲杠進給系統(tǒng) 伺服控制方式 用于數控工作臺的伺服機構有開環(huán)（圖 ）、半閉環(huán)（圖 ）、閉環(huán)（圖 ）和混合伺服幾種方式。開環(huán)系統(tǒng)主要多用在經濟型數控系統(tǒng)或老設備的數控改造；混合伺服方式只有在大型機床中使用。在半閉環(huán)方式中，機床定位精度很大程度取決于滾珠絲杠的精度，通過選用高精度的滾珠絲杠，輔以螺距誤差補償等措施，半閉環(huán)完全可以滿足普通精 度級的加工中心的定位精度的要標。對定位精度特別高的加工中心來說，由于螺距誤差補償受絲杠溫度變化的影響以及反向間隙補償受工件重量變化的影響，半閉環(huán)方式已不能滿足其精度要求。這時則要求考慮采用全閉環(huán)的方式進行伺服系統(tǒng)的設計，但其設計和調整技術難度較大，只有在大型、精密數控機床中采用。在以上幾種方式中，一般根據目標給定的精度要求、機床種類來選用適當的伺服方式。半閉環(huán)是被最廣泛使用的伺服方式。一般在設計是選用半閉環(huán)方式進行初步設計與計算，當半閉環(huán)方式不能滿足要求時才選用全閉環(huán)方式和混合伺服方式 [2]。 圖 開環(huán)控制系統(tǒng) 圖 半閉環(huán)控制系統(tǒng) 圖 閉環(huán)控制系統(tǒng) 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 5 頁 工作臺總體設計 工作臺物理模型初步設計 滾珠絲杠驅動的數控工作臺的物理模型如圖 所示，其工作簡圖如圖 所示，相應的連接關系如圖 所示。 由圖 可以看出 ： 它是由驅動電機、電機支承、聯軸器、前端軸承、前端軸承座、滾珠絲杠、滾珠螺母、后端軸承、后端軸承座、導軌和工作臺等組成，是一個復雜的動力學系統(tǒng)。通過聯接關系圖 （圖 ） 可以看出 ： 滾珠絲杠是通過三個鏈條的單元連接到床身上的 ， 即 ： 電機支座 — 電機 — 聯軸器 ； 前端軸承座 — 前端軸承 ； 后端軸承座 — 后端軸承 [3]。 圖 數控工作臺的物理模型 圖 數控工作臺工作簡圖 圖 數控工作臺各部分連接關系 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 6 頁 工作臺控制結構初步設計 工作臺控制結構如圖 所示 [4]。采用上位 PC 機或數控系統(tǒng)發(fā)送運動指令到運動控制卡，運動控制卡接受運動指令經處理后 發(fā)出連續(xù)的、高頻率的脈沖串，通過改變發(fā)出脈沖的頻率來控制電機的速度， 通過 改變發(fā)出脈沖的數量來控制電機的位置 ，其 脈沖輸出模式包括脈沖 /方向、脈沖 /脈沖方式。脈沖計數可用于編碼器的位置反饋，提供機器準確的位置，糾正傳 動過程中產生的誤差。數字輸入 /輸出點可用于 語 限位、原點開關等。伺服電機作為執(zhí)行器件， 把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。將運動傳遞給絲杠螺母副，帶動工作臺實現相應的運動 [5]。 圖 工作臺控制結構圖 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 7 頁 3 滾珠絲杠單元設計計算選型 滾珠絲杠副特點及其結構 滾珠絲杠（目前已基本取代梯形絲桿，已俗稱絲桿） ， 是用來將旋轉運動轉化為直線運動 、 或將直線運動轉化為旋轉運動的執(zhí)行元件 。 其三維圖如圖 所示。 圖 滾珠絲杠副三維模型 滾珠絲桿由螺桿 螺母 滾珠 3 和滾珠循環(huán)返回 裝置 4（圖 ） 組成。它的功能是將旋轉運動轉化成直線運動 。 由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應用于各種工業(yè)設備和精密儀器。 圖 滾珠絲杠副組成 滾珠絲杠副是將螺母與絲杠分別加工成凹半圓弧形成螺紋，在螺紋之間放入滾珠形成的。滾珠沿螺旋滾道滾動，帶動螺母或絲杠軸向移動，將原先傳動中使用的 T 行絲杠的螺紋摩擦變?yōu)闈L動摩擦，因而降低了摩擦阻力，消除了爬行現象，從而提高了傳動精度與傳動機械效率。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 8 頁 滾珠絲杠副特點 滾珠絲杠副有很多優(yōu)點，主要為傳動效率高，約為 92%~96%,可消除軸向移動產生的間隙，定 位精度高，剛度好，運動平穩(wěn)，無爬行現象，傳動精度高。再次，旋轉運動變?yōu)橹本€運動，絲杠與螺母都可作為主動件，磨損小，使用壽命長。到哪滾珠絲杠副制作工藝復雜，精度要求高，且不能自鎖。 （ 1) 傳動效率高 在滾珠絲杠中，自由滾動的滾珠將力與運動在絲杠與螺母之間傳遞。這一傳遞方式取代了傳統(tǒng)的螺紋絲杠副的絲杠與螺母間直接作用方式，因而以最小滾動摩擦代替了傳統(tǒng)絲杠的滑動摩擦，使?jié)L珠絲杠副傳動效率達 90%以上，整個傳動副的驅動力減少至滑動絲杠的 1/3 左右，發(fā)熱效率也因此得以大幅降低（如圖 ） [6]。 圖 滾 珠絲杠的機械效率 （ 2）定位精度高 滾珠絲杠副發(fā)熱率、溫升小以及在加工過程中對絲杠采取預拉伸并預緊消除軸向間隙等措施，使絲杠副具有高的定位精度和重復定位精度。 （ 3）傳動可逆性 滾珠絲杠副沒有滑動絲杠粘滯摩擦，消除了在傳動過程中可能出現的爬行現象，滾珠絲杠副能實現兩種傳動方式 — 將旋轉運動轉化為直線運動或將直線運動轉化為旋轉運動并傳遞動力。 （ 4）使用壽命長 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 9 頁 由于對絲杠滾道形狀的準確性 、 表面硬度 、 材料的選擇等方面加以嚴格控制，滾珠絲杠的實際壽命遠高于滑動絲杠。 （ 5）同步性能好 由于滾珠絲杠副運轉順滑、消除 軸向間隙以及制造的一直性，采用多套滾珠絲杠副方案驅動同一套裝置或多個相同部件時，可獲得很好的同步工作。 滾珠絲杠副結構 （ 1）滾珠絲杠的循環(huán)方式