【正文】 .................................................................... 35 伺服電機(jī)選型計(jì)算 .............................................................................................. 35 其他部件設(shè)計(jì)選用 ...................................................................................................... 38 結(jié) 論 ................................................................................................................................. 41 致 謝 ................................................................................................................................. 42 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................................. 43 附 錄 ................................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 附錄 A .................................................................................................. 錯誤 !未定義書簽。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 頁 1 緒論 數(shù)控工作平臺概述 數(shù)控工作臺（ numerical control table）又稱數(shù)控精密工作臺、數(shù)控運(yùn)動平臺、數(shù)控定位平臺、電動平移臺 、 數(shù)控工作臺 。 設(shè)計(jì)上采用滾珠絲杠副和滾動導(dǎo)軌副傳動結(jié)構(gòu)，具有精度高、效率高、壽命長、磨損小、節(jié)能低耗、磨擦系數(shù)小、結(jié)構(gòu)緊湊、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。數(shù)控工作臺可 廣泛應(yīng)用于激光焊接機(jī)、插線機(jī)、打孔機(jī)、涂膠機(jī)、機(jī)械手、搬運(yùn)、檢測裝置、斷層射線掃描、小型數(shù)控機(jī)床及實(shí)用教學(xué)領(lǐng)域。數(shù)控精密工作臺系列可選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，直流伺服電機(jī)驅(qū)動，交流伺服電機(jī)驅(qū)動。 數(shù)控工作臺產(chǎn)品基礎(chǔ)構(gòu)件可以采用優(yōu)質(zhì)鋁合金、鑄鐵、鋼材及大理石等材料，傳動結(jié)構(gòu)可以采用直線導(dǎo)軌、直線圓導(dǎo)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(shù)控工作臺發(fā)展及其產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀 數(shù)控工作平臺分類 數(shù)控工作臺按其移動自由度可分為一維數(shù)控工作臺、二維數(shù)控工作臺以及三維數(shù)控工作臺。 （ 1）一維數(shù)控工作臺 圖 一維數(shù)控工作臺 （ 2）二維 數(shù)控工作 臺 雙坐標(biāo)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(biāo)工作臺疊加組 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 頁 合而成。雙坐標(biāo)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(shù)控工作臺 （ 3） 三維數(shù)控工作 臺 三坐標(biāo)數(shù)控工作臺按照使用方式的差異分為小型數(shù)控工作臺、大型數(shù)控工作臺、專用數(shù)控工作臺。 小型數(shù)控工作臺由單坐標(biāo)工作臺和雙坐標(biāo)工作臺疊加組合而成， 其 工作行程：505050 mm 600600150 mm。 專用型數(shù)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(shù)控工作臺發(fā)展趨勢及產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀 當(dāng)今世界電子技術(shù)迅速發(fā)展，微處理器、微型計(jì)算機(jī)在各技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動作用。一個較完善的機(jī)電一體化系統(tǒng)，應(yīng)包含以下幾個基本要素：機(jī)械本體、動力與驅(qū)動部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測試部分、控制及信息處理部分。機(jī)電一體化是系統(tǒng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、檢測傳感技術(shù)、伺服傳動技術(shù)和機(jī)械技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域綜合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程 。新一代的 CNC 系統(tǒng)這類典型機(jī)電一體化產(chǎn)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(shù)控機(jī)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(shè)計(jì)的直線運(yùn)動的 X— Y 工作臺，到現(xiàn)在為了實(shí)現(xiàn)多工位加工而制造的分度工作臺和回轉(zhuǎn)工作臺等。為了滿足現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，也為了環(huán)境的要求，一作臺的驅(qū)動裝置從原來的機(jī)械驅(qū)動變?yōu)橐簤候?qū)動，現(xiàn)在更多的采用了氣動裝置，更好的保護(hù)了環(huán)境，節(jié)約了資源。由于工作臺是一臺機(jī)床的關(guān)鍵配套部件，因此世界各國都有對其進(jìn)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(jìn)步 。目前工作臺 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jī)床上，伴隨著科技的與時俱進(jìn)，它們的功能也由傳統(tǒng)單一性向現(xiàn)代的多功能性方向發(fā)展，現(xiàn)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(jī)床上。并且目前部分工作臺還可以作為機(jī)床的第四回轉(zhuǎn)軸，大大提高了機(jī)床的性能。國外工作臺的功能與我國所生產(chǎn)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(chǎn)的工作臺要略高于我國所生產(chǎn)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(shè)計(jì)具有重要意義，我們要借助時 代的步伐，與時俱進(jìn)，開拓創(chuàng)新，使我國成為具有領(lǐng)先技術(shù)的綜合性強(qiáng)國。 一維數(shù)控工作臺設(shè)計(jì)的意義及設(shè)計(jì)內(nèi)容 本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的一維工作臺采用了低摩擦的直線滾動導(dǎo)軌和精密的絲杠，它的工作原理是通過運(yùn)動控制卡來控制 伺服 電機(jī)，使工作臺實(shí)現(xiàn)了數(shù)控控制。工作臺的自動化能大大減輕勞動強(qiáng)度，提高勞動生產(chǎn)效率。本設(shè)計(jì)的數(shù)控工作臺機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個 閉 環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)方便而且能保證一定的精度。通過微機(jī)控制技術(shù)的簡單的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對機(jī)床的控制，使機(jī)床的加工范圍擴(kuò)大，精度和可靠性進(jìn)一步提高。本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的工作臺不僅可用于銑 床上進(jìn)行數(shù)控銑削加工，而且還能夠用于鉆床上數(shù)控鉆削加工，所以其功能遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的普通工作臺是新一代機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品。 通過對工作臺的設(shè)計(jì)，能夠正確運(yùn)用機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)等課程的基本理論個有關(guān)知識，學(xué)會設(shè)備數(shù)控化改造方案的擬定、比較、分析及進(jìn)行必要的計(jì)算；通過對設(shè)備改造的機(jī)械部分設(shè)計(jì)，掌握數(shù)控設(shè)備典型零件的計(jì)算方法和步驟以及正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法；通過設(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)，掌握簡單的數(shù)控系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)的基本方法；通過課程設(shè)計(jì)，初步樹立正確的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)自己分析問題和解決問題的能力；提高自己應(yīng)用手冊、標(biāo)準(zhǔn) 以及編寫文件等資料的能力。 在本設(shè)計(jì)中著重介紹了如何對工作臺進(jìn)行總體設(shè)計(jì) 以及 對導(dǎo)軌、絲杠、電機(jī) 的 選用計(jì)算。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁 2 工作臺總體方案設(shè)計(jì) 工作臺基本原理 滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng) 伺服控制方式 用于數(shù)控工作臺的伺服機(jī)構(gòu)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(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)或老設(shè)備的數(shù)控改造；混合伺服方式只有在大型機(jī)床中使用。在半閉環(huán)方式中，機(jī)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(bǔ)償?shù)却胧?，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(biāo)。對定位精度特別高的加工中心來說，由于螺距誤差補(bǔ)償受絲杠溫度變化的影響以及反向間隙補(bǔ)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(jìn)行伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，但其設(shè)計(jì)和調(diào)整技術(shù)難度較大，只有在大型、精密數(shù)控機(jī)床中采用。在以上幾種方式中，一般根據(jù)目標(biāo)給定的精度要求、機(jī)床種類來選用適當(dāng)?shù)乃欧绞健０腴]環(huán)是被最廣泛使用的伺服方式。一般在設(shè)計(jì)是選用半閉環(huán)方式進(jìn)行初步設(shè)計(jì)與計(jì)算，當(dāng)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(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁 工作臺總體設(shè)計(jì) 工作臺物理模型初步設(shè)計(jì) 滾珠絲杠驅(qū)動的數(shù)控工作臺的物理模型如圖 所示，其工作簡圖如圖 所示，相應(yīng)的連接關(guān)系如圖 所示。 由圖 可以看出 ： 它是由驅(qū)動電機(jī)、電機(jī)支承、聯(lián)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(dǎo)軌和工作臺等組成，是一個復(fù)雜的動力學(xué)系統(tǒng)。通過聯(lián)接關(guān)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(jī)支座 — 電機(jī) — 聯(lián)軸器 ； 前端軸承座 — 前端軸承 ； 后端軸承座 — 后端軸承 [3]。 圖 數(shù)控工作臺的物理模型 圖 數(shù)控工作臺工作簡圖 圖 數(shù)控工作臺各部分連接關(guān)系 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁 工作臺控制結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì) 工作臺控制結(jié)構(gòu)如圖 所示 [4]。采用上位 PC 機(jī)或數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送運(yùn)動指令到運(yùn)動控制卡，運(yùn)動控制卡接受運(yùn)動指令經(jīng)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(jī)的速度， 通過 改變發(fā)出脈沖的數(shù)量來控制電機(jī)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(jì)數(shù)可用于編碼器的位置反饋，提供機(jī)器準(zhǔn)確的位置，糾正傳 動過程中產(chǎn)生的誤差。數(shù)字輸入 /輸出點(diǎn)可用于 語 限位、原點(diǎn)開關(guān)等。伺服電機(jī)作為執(zhí)行器件， 把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。將運(yùn)動傳遞給絲杠螺母副，帶動工作臺實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動 [5]。 圖 工作臺控制結(jié)構(gòu)圖 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁 3 滾珠絲杠單元設(shè)計(jì)計(jì)算選型 滾珠絲杠副特點(diǎn)及其結(jié)構(gòu) 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(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動 、 或?qū)⒅本€運(yùn)動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)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(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動 。 由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)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(xiàn)象，從而提高了傳動精度與傳動機(jī)械效率。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁 滾珠絲杠副特點(diǎn) 滾珠絲杠副有很多優(yōu)點(diǎn)，主要為傳動效率高，約為 92%~96%,可消除軸向移動產(chǎn)生的間隙，定 位精度高，剛度好，運(yùn)動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高。再次，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)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(fù)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(yùn)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(dá) 90%以上，整個傳動副的驅(qū)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(jī)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(yù)拉伸并預(yù)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(fù)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(xiàn)的爬行現(xiàn)象，滾珠絲杠副能實(shí)現(xiàn)兩種傳動方式 — 將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動或?qū)⒅本€運(yùn)動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動并傳遞動力。 （ 4）使用壽命長 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁 由于對絲杠滾道形狀的準(zhǔn)確性 、 表面硬度 、 材料的選擇等方面加以嚴(yán)格控制，滾珠絲杠的實(shí)際壽命遠(yuǎn)高于滑動絲杠。 （ 5）同步性能好 由于滾珠絲杠副運(yùn)轉(zhuǎn)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(qū)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(jié)構(gòu) （ 1）滾珠絲杠的循環(huán)方式