【正文】 .......................660 / 75第 1 章 緒論隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)競爭的日趨激烈，產(chǎn)品更新速度越來越快，復(fù)雜形式的零件越來越多，精度要求越來越高，多品種、中小批量生產(chǎn)的比重明顯增加。位置檢測裝置采用高分辨率的脈沖編碼器，通過半閉環(huán)控制測量工作臺的直線位移。 / 75摘 要隨著制造業(yè)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的加工設(shè)備已無法承擔(dān)加工高精度、復(fù)雜型面零件的要求，數(shù)控機(jī)床良好的加工精度和數(shù)控系統(tǒng)可滿足此要求。工作臺型面采用平面形式，減少工作臺的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量，使系統(tǒng)有更快的響應(yīng)特性。激烈的市場競爭使產(chǎn)品研制生產(chǎn)周期越來越短。在機(jī)械產(chǎn)品中，單件與小批量產(chǎn)品占到70%~80%[1]，這類產(chǎn)品一般都采用通用機(jī)床加工，當(dāng)產(chǎn)品改變時，機(jī)床與工藝裝備均需作相應(yīng)的變換和調(diào)整。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的性能日臻完善，數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。后來受美國空軍委托，帕森斯公司與麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)研究所合作進(jìn)行研制工作。近年來，由于引進(jìn)了國外的數(shù)控系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)的制造技術(shù)，使我國數(shù)控機(jī)床在品種、數(shù)量和質(zhì)量方面得到了迅速的發(fā)展。 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢 [13]1. 高精度化現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、新材料及新零件的出現(xiàn)，對精密加工技術(shù)不斷提出新的要求，提高加工精度，發(fā)展新型超精密加工機(jī)床，完善精密加工技術(shù)，適應(yīng)現(xiàn)代科技的發(fā)展，已經(jīng)成為數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向之一。采用柔性自動化設(shè)備或系統(tǒng)，是提高加工精度和效率，縮短生產(chǎn)周期，適應(yīng)市場變化需求和提高競爭力的有效手段。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展已模糊了粗、精加工工序的概念。為了適應(yīng) FMC、FMS 以及進(jìn)一步聯(lián)網(wǎng)組成 CIMS 的要求，先進(jìn)的 CNC 系統(tǒng)為用戶提供了強(qiáng)大的聯(lián)網(wǎng)功能，除有 RS232 串行接口、RS422 等接口外，還帶有遠(yuǎn)程緩沖功能的 DNC 接口，可實(shí)現(xiàn)幾臺數(shù)控機(jī)床之間的數(shù)據(jù)通信和直接對幾臺數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制。數(shù)控機(jī)床是以數(shù)字形式給出指令進(jìn)行加工的，由于目前數(shù)控裝置的脈沖當(dāng)量一般達(dá)到了 ，而且進(jìn)給傳動鏈的反向間隙與絲杠螺距誤差等均可由數(shù)控裝置進(jìn)行補(bǔ)償，因此，數(shù)控機(jī)床能達(dá)到比較高的加工精度和質(zhì)量穩(wěn)定性。數(shù)控機(jī)床移動部件的快速移動和定位均采用了加速與減速措施，由于選用了很高的空行程運(yùn)動速度，因而消耗在快進(jìn)、快退和定位的時間要比一般機(jī)床少的多。4 / 75用數(shù)控機(jī)床加工零件，能準(zhǔn)確地計(jì)算零件的加工工時，并有效簡化了檢驗(yàn)和工夾具、半成品的管理工作。數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大，但它并不能完全代替其他類型的機(jī)床，也還不能以最經(jīng)濟(jì)的方式解決機(jī)械加工中的所有問題。目前有向中批量發(fā)展的趨勢。推廣數(shù)控機(jī)床的最大障礙是設(shè)備的初始投資大。5 / 75 設(shè)計(jì)參數(shù)和方案確定 機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)包括機(jī)床的主參數(shù)和基本參數(shù)，基本參數(shù)包括尺寸參數(shù)、運(yùn)動參數(shù)及動力參數(shù)。2）標(biāo)準(zhǔn)化工具或夾具的安裝尺寸。、4176。工作臺有兩種驅(qū)動形式：液壓驅(qū)動和滾珠絲杠驅(qū)動。它可以消除反向間隙并施加預(yù)緊，有助于提高定位精度和剛度。在點(diǎn) A 上以 R 為半徑對該工件施以力P 時，工作臺則能相對軸心 O 回轉(zhuǎn) [4][8]。 “V—平”導(dǎo)軌貼塑，可降低摩擦系數(shù)也可提高使用壽命。8 / 75第 2 章 數(shù)控機(jī)床的組成和分類 數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床一般由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、測量反饋裝置和機(jī)床主機(jī)組成（如圖 2—1 所示） 。 數(shù)控機(jī)床的分類 [3] 目前，數(shù)控機(jī)床品種齊全，規(guī)格繁多，可從不同角度和按照多種原則進(jìn)行分類。 如數(shù)控線切割機(jī)床、數(shù)控電火花加工機(jī)床、數(shù)控激光切割機(jī)床、數(shù)控火焰切割機(jī)床等。其路線和移動速度是可以控制的。對位移和速度進(jìn)行嚴(yán)格的不間斷控制，即可以加工曲線或者曲面零件，如凸輪及葉片等。工作臺的移動速度和位移量是由輸入脈沖的頻率和脈沖數(shù)決定的。采用閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床可以消除由于傳動部件制造中存在的精度誤差給工件加工帶來的影響，從而得到很高的加工精度。這種系統(tǒng)的閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括機(jī)械傳動環(huán)節(jié)，因此，可獲得穩(wěn)定的控制特性。 分辨率為 10181。 低檔數(shù)控機(jī)床一般只有簡單的數(shù)碼管顯示或簡單的 CRT 字符顯示。中檔數(shù)控機(jī)床有 RS232 或 DNC 接口。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給指令，來自數(shù)控12 / 75系統(tǒng)，經(jīng)進(jìn)給電動機(jī)和驅(qū)動機(jī)構(gòu)，使執(zhí)行部件如刀架、工作臺、主軸箱等按程序的規(guī)定運(yùn)動。1數(shù)控裝置 2伺服系統(tǒng) 3伺服電動機(jī) 4執(zhí)行部件 5反饋信號發(fā)生器圖 3—1 半閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖 工作臺機(jī)構(gòu)傳動設(shè)計(jì)工作臺機(jī)構(gòu)傳動系統(tǒng)采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，伺服電動機(jī)通過同步齒形帶與絲杠聯(lián)接。sph絲杠的導(dǎo)程通常是標(biāo)準(zhǔn)值，從經(jīng)濟(jì)上考慮，應(yīng)根據(jù)廠家提供的產(chǎn)品樣本中選取 [20]。根據(jù)精度要求，脈沖當(dāng)量可定為 a=，電動機(jī)每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù) b 應(yīng)為 ???式中 —— 傳動比。 工作原理與特點(diǎn) 滾珠絲杠螺母副在絲杠和螺母上都有半圓弧行的螺旋槽，當(dāng)將它們套狀在一起時便構(gòu)成了滾珠的螺旋滾道。由于滾珠絲杠螺母副中是滾動摩擦，它有以下特點(diǎn)：14 / 75，摩擦損失小 由文獻(xiàn)[21]中知道滾珠絲杠螺母副的傳動效率為： tan()?????式中 —— 螺旋線升角（ ） ；??—— 摩擦角（非常小，滾珠絲杠約為 左右） 。，使用壽命長。 外循環(huán)的回珠器有插管式和螺旋槽式兩種。有圓柱凸鍵反向器和腰形嵌塊式反向器（亦稱扁圓鑲塊反向器） 。預(yù)加載荷可以提高定位精度和軸向剛度。m；2 級為 8181。定位精度由下列幾部分誤差組成：滾珠絲杠副制造的誤差和由于載荷和溫度的作用，絲杠、軸承、聯(lián)軸節(jié)和伺服系統(tǒng)的誤差。各種規(guī)格的滾珠絲杠，其額定動載荷 可從樣本或手冊中查得，計(jì)算的原理與計(jì)算滾動軸承相同。3 級精度絲杠， =1；5 級精度絲杠，af af=。平均轉(zhuǎn)速： (r/min)maxin201n???所以， 6 664405(1) 9(1)hLrrr???把上述參數(shù)代入式（3—1）得：(KN)? 滾珠絲杠的選取和極限轉(zhuǎn)速的計(jì)算滾珠絲杠副的極限轉(zhuǎn)速主要是指滾珠絲杠副在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，避免產(chǎn)生共振現(xiàn)象，使?jié)L珠絲杠副在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時的最高轉(zhuǎn)速。又由 maxspvnh?式中 —— 工作臺快進(jìn)速度（m/s） ；maxv—— 滾珠絲杠的導(dǎo)程（m） 。c 滾珠絲杠副效率計(jì)算由文獻(xiàn)[21]中知道絲杠螺母副的傳動效率為： tan()?????螺旋升角 ??????傳動效率 an2109t()??????21 / 75 滾珠絲杠副剛度驗(yàn)算滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程 的變化值 [7]sphsph?maxssFEA???式中 —— 絲趕導(dǎo)程（cm） ；sph—— 彈性模量（N/cm） ， ；?—— 螺紋小徑處的截面積（ ） ， ； Ac2()d??d 由上述可知為 ；(cm2)229.()()???? (cm)max 7sp ??????滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量 很小,可以忽略。在機(jī)床工作臺加速與磨削加工過程中，在軸向方向會產(chǎn)生力，必須保證這個力小于允許的壓彎臨界載荷 ，否則可能導(dǎo)致進(jìn)給絲杠彎曲。注意選用軸向剛度高，摩擦力矩小，運(yùn)轉(zhuǎn)精度高的軸承，選用合適的支承形式，并保證支承座有足夠的剛度[15]。 滾珠絲杠對軸承的要求 滾珠絲杠對軸承的要求，與主軸和傳動軸對軸承的要求有相同的一面，但是也有不同的一面。因此絲杠軸承的軸向精度和剛度要求較高。目前，已有滾珠絲杠專用軸承，但其主要依靠進(jìn)口。后者多用于大牽引力，要求高剛度的大型、重型機(jī)床。3）根據(jù)載荷的情況，軸承可以進(jìn)行各種組合。 這種組配方式的受力作用線向內(nèi)收斂，所以軸承間的有效支點(diǎn)距離縮小，這種組配方式可承受雙向的軸向載荷和徑向載荷，但承受傾斜力矩的能力較差，并會較多地降低軸承的極限轉(zhuǎn)速，一般使適用于需要精度調(diào)心的場合。軸向膨脹對背靠背組配將使過盈減小，于是，可以補(bǔ)償一部分徑向膨脹；而對于面對面組配，將使過盈進(jìn)一步增加。軸承經(jīng)預(yù)緊后，各個滾動體都承受著一定的預(yù)負(fù)荷，從各個方向支承著內(nèi)圈。預(yù)緊后，滾動體和滾道都產(chǎn)生了一定的彈性變形，滾動體直徑較大其變形較大，直徑較小其變形也較小，因此截面不同，直徑不一致的影響被彈性變形縮小了，滾道波紋的高點(diǎn)也在彈性變形下被壓下去了，這就是預(yù)緊能提高精度的另一個原因。滾動體與滾道在無載荷時是點(diǎn)接觸。適當(dāng)預(yù)緊后，滾動體與滾道間可以建立起穩(wěn)定的油膜，油的粘滯阻尼、摩擦阻尼和滾動體及滾道的材料內(nèi)摩擦阻尼都可以提高主軸組件的動態(tài)特性和降低噪聲。預(yù)緊力越大發(fā)熱量也越多，隨著預(yù)緊力的增加，溫升的增加將越來越快。這是由于滾動體與滾道間的接觸應(yīng)力較大，反而會降低壽命。因此預(yù)緊力的選擇原則是：負(fù)荷重，要求剛度高，轉(zhuǎn)速較低或允許的溫升較高時，應(yīng)選較大的預(yù)緊力，反之，則應(yīng)選較小的預(yù)緊力。 接觸角的推力角接觸球軸承，兩端固定支承（這樣絲杠在工作過程中始終受到拉應(yīng)力） ，背靠背組配。同步齒形帶傳動機(jī)構(gòu)具有良好的動態(tài)特性，完全可以滿足數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給的要求 [12]。其主要缺點(diǎn)是安裝時中心距的要求嚴(yán)格，卻價格比其他帶傳動昂貴。由于強(qiáng)度不夠齒形帶在工作時可能產(chǎn)生的失效形式有：1）由于強(qiáng)力層的強(qiáng)度不夠而引起的強(qiáng)力層彎曲疲勞破壞；2）在沖擊載荷的作用下，強(qiáng)力層產(chǎn)生斷裂或從齒背中抽出；3）由于強(qiáng)力層伸長，使齒帶齒距改變，引起爬齒；4）帶齒的磨損、彎曲、剪斷和老化龜裂等。 gg2ms表 4—1 聚氨脂齒形帶（強(qiáng)力層為鋼絲繩）的許用拉力 和 值[]sq?31 / 75傳動比 ； 伺服電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速，已知主動輪轉(zhuǎn)速max1dNi?maxd=2022(r/min)，傳動比 ，功率 kW，每天工作小于 10 小時。m inD小帶輪的最小直徑 不是直接選定，而是由其最少齒數(shù) 控制，mi minZ見下表：minZ表 4—3 表minZ一天運(yùn)轉(zhuǎn)時間/ h≤10 10～16 ＞16載荷性質(zhì)載荷平穩(wěn) /mm小帶輪轉(zhuǎn)速 11/inr?? 2 、3 4 5 7 10＜1000 12 14 16 18 20 22 241000～3000 14 16 18 20 22 24 26＞3000 16 18 20 22 24 —— ——33 / 75設(shè)計(jì)的帶輪所選的齒數(shù) 應(yīng)大于 。03A? L 中心距初選后，按下式初選帶長： ()()DAA???????則帶的齒數(shù)為 ,????數(shù)值，并且 =40～250，最終確定帶的齒數(shù)為 90。i從前面的計(jì)算知最大進(jìn)給力加摩擦力為 ， ，??動效率 =，傳動比 =1。為了保證足夠的角加速度使系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，將不得采用過大的伺服電動機(jī)和伺服控制系統(tǒng)。 (2sphnvJmw????2sp移 動 （ ） )=（ Kgm）砂輪架和移動部件最大質(zhì)量為 1200Kg，折算到電機(jī)軸上的慣量為：??2242sp移 動 ()1()=（ Kgm）3 J??4帶 輪 （ Dd） ???4（ 52） .815.?2（ Kgm）LJJ?移 動絲 杠 螺 母 帶 輪 .??4（ ） 0??4=681（ Kgm）根據(jù)以上的計(jì)算，選擇交流伺服電機(jī)，因交流伺服電機(jī)沒有電刷，壽命長，故障少，允許的轉(zhuǎn)速較高。?慣量匹配條件是： 14LmJ?39 / 75????不滿足慣量匹配條件。40 / 75圖 5—1 挖去圓柱體后的帶輪 最大空載加速轉(zhuǎn)矩的計(jì)算空載加速轉(zhuǎn)矩發(fā)生在執(zhí)行部件從靜止以階躍指令加速到快移速度（最高速度）時，這個轉(zhuǎn)矩不得超過伺服電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩 ，可按下式計(jì)算：maxTmax2()60LnJTMt???41 / 75式中 —— 快速移動的電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min） ；maxn—— 加速、減速時間（s） ，按 ta≈3/Ks，取 150～200ms；t—— 系統(tǒng)的開環(huán)增益，通常取 8 s1～25 s1，加工中心一般取sK左右；120s??—— 電機(jī)慣量（ ） ，可從樣本中查到；mJ2kgm? —— 負(fù)載慣量（ ） ；L? —— 負(fù)載轉(zhuǎn)矩（ ） 。系統(tǒng)增益的意義vK是，單位轉(zhuǎn)角誤差，能使電動機(jī)獲得較大的角速度。118~25vKs??的倒數(shù)是系統(tǒng)的時間常數(shù) ，即s at1()astK?速度環(huán)的開環(huán)增益 ，常取為 ， 可根據(jù)加速度進(jìn)行驗(yàn)so(2~4)sos算。maxTN?要滿足 a? 已知： ，系統(tǒng)增益 ，max10/sv?15vKs??ax10m()3v?max2..5s48spThJ??43 / 75即已滿足 。外圓磨床、曲軸磨床、凸輪磨床、螺紋磨床等的導(dǎo)軌，包括床身導(dǎo)軌和砂輪架墊板導(dǎo)軌，它們都是采用“V平”導(dǎo)軌的組合。由于縮小了兩導(dǎo)軌中心距的開檔尺寸，便于操作者裝卸工件，且手搖臺面輕便，增大導(dǎo)軌面寬度，可降低導(dǎo)軌面壓力，減小磨損，提高使用壽命。（2）圓周運(yùn)動導(dǎo)軌 導(dǎo)軌副的相對運(yùn)動軌跡為一圓，如立式車床的工作臺和底座之間的導(dǎo)軌。但由于運(yùn)動部件上進(jìn)油困難，故仍從固定導(dǎo)軌進(jìn)油，油腔也可在固定導(dǎo)軌上，可用于直線運(yùn)動導(dǎo)軌和圓周運(yùn)動導(dǎo)軌。（1） 滾動導(dǎo)軌 兩導(dǎo)軌工作面之間為滾動摩擦，它由導(dǎo)軌面間的滾珠、滾柱、滾針等滾動體實(shí)現(xiàn)，在進(jìn)給運(yùn)動導(dǎo)軌中用得較多。使用滾動導(dǎo)作為直線導(dǎo)軌時，不會有爬行現(xiàn)象發(fā)生，可達(dá)到極高的定位精度。②定位精度高 一般滾動導(dǎo)軌的重復(fù)定位精度為 ，普通滑動導(dǎo)軌一般 10～20181。這種導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)小，機(jī)械效率高，導(dǎo)軌面有一層油膜，保證導(dǎo)軌面不相互接觸