【文章內(nèi)容簡介】 始注重機床的剛度，為實現(xiàn)大功率切削，提高加工效率奠定基礎(chǔ)。改善機床剛性主要從兩個方面考慮：一是研制新的高剛性材料。日本東金屬產(chǎn)業(yè)公司研制出了一種新的鑄件材料，是在鋁中添加 20％碳化硅的復(fù)合材料，可作為精密機床、高速加工機床的床身構(gòu)件。這種鑄件材料質(zhì)量輕 (為一般鑄件的 1／ 3)且剛性較好，振動衰減率高 (比一般鑄件高 15％ )，能吸收振動，熱傳導(dǎo)率高。二是改善機床結(jié)構(gòu)。北村機械株式會社的 Mytrunnion 系列加工中 心采用新開發(fā)的門式結(jié)構(gòu)，這是繼箱中箱結(jié)構(gòu)的加工中心后的又一種新結(jié)構(gòu)的加工中心，其 x、 Y、Z軸均采用了雙滾珠絲杠。 目前 數(shù)控 回 轉(zhuǎn) 工作臺已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床和加工中心上，它的總的發(fā)展 趨勢是： 1． 在規(guī)格上將向兩頭延伸，即開發(fā)小型和大型轉(zhuǎn)臺； 2． 在性能上將研制以鋼為材料的蝸輪，大幅度提高工作臺轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)臺的承載能力； 3． 在形式上繼續(xù)研制兩軸聯(lián)動和多軸并聯(lián)回轉(zhuǎn)的數(shù)控轉(zhuǎn)臺。 五軸聯(lián)動數(shù)控機床 我國現(xiàn)有數(shù)控機床主要是以經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機床為主，只適用于形狀復(fù)雜的直線，斜線等零件的加工，對于那些復(fù)雜的型 面卻只能用手動加工，這對于產(chǎn)品多樣化和產(chǎn)品更新快及效率高的年代已經(jīng)不再適應(yīng)。 為適應(yīng)生產(chǎn)的發(fā)展必須對現(xiàn)有的機床進行升級。在我國，從經(jīng)濟和技術(shù)角度出發(fā)，對數(shù)控機床的升級主要是對機床的性能和功能方面的增加。 在現(xiàn)有的 3軸聯(lián)動機床的工作臺上增加一個旋轉(zhuǎn)數(shù)控工作臺（一臺帶有兩個旋轉(zhuǎn)自由度的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺），再通過對數(shù)控系統(tǒng)的升級改造使該機床成為五軸聯(lián)動的數(shù)控機床。 設(shè)原鏜床旋轉(zhuǎn)刀具的軸線為 Z軸，水平方向平行于工作臺裝甲面的方向為 X軸，并且與 Z軸垂直，確定了 X、 Z軸正方向后，可以根據(jù)右手螺旋法則確定 Y 軸的方向。兩個旋 轉(zhuǎn)軸 A與 X軸平行， B 與新工作臺垂直，他們的原點都在 Y 軸上（如下圖）其中 B軸是隨 A軸的旋轉(zhuǎn)而隨時變化。 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 8 圖 16 坐標(biāo)軸分布 該數(shù)控機床的工作臺不僅可以沿 X、 Y、 Z 方向做平行移動，還可以沿 A、 B 方向做旋轉(zhuǎn)進給或者分度運動，升級后的數(shù)控機床，它的新工作臺可以和原來的工作臺作為一個整體，既可以做 3 坐標(biāo)的直線運動，還可以做繞 3坐標(biāo)中的兩個做旋轉(zhuǎn)進給運動或分度，因此該機床的適用范圍很廣，不僅適合于簡單的直線，斜線，圓弧加工外還等適應(yīng)那些更加復(fù)雜的曲面以及球面零件的加工。如沈陽機床股份有限公司開發(fā)的五軸加工車銑中心 。倒庫容量 16，數(shù)控系統(tǒng)： Siemens840D，可控制 X、 Y、 Z、 B、 C 五個軸，具有車削中心加銑削中心的特點。上海重型機床廠開發(fā)的雙主軸倒順式車削中心，第一主軸正置，第二主軸倒置。主軸具有 C軸功能，采用 12 工位動力刀架，具有自動上下料和全封閉多道防護裝置，可一次性上料完成零件的正反面加工，包括車削、鏜孔、鉆孔、攻絲等多道工序。適用于大批量輪轂、盤類零件的加工 。 五軸聯(lián)動機床也稱五坐標(biāo)機床，它是在三個平動軸（沿 X、 Y、 Z 軸的直線運動）的基礎(chǔ)上增加了兩個轉(zhuǎn)動軸（能實現(xiàn)繞 X軸、 Z 軸旋轉(zhuǎn)運動，即 A 軸和 C軸），不僅 可使刀具相對于弓箭的位置任意可控，而且刀具軸線相對于工件的方向也在一定范圍內(nèi)任意可控。 本章小 結(jié) 本章主要對數(shù)控機床發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢做了簡要介紹，分析了本課題研究的目的和意義，為完成本次設(shè)計做了準(zhǔn)備。 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 9 第 2 章 電火花成型加工主軸附件頭 AB 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計 數(shù)控電火花成型機床的直線進給由工作臺完成，附件頭主要實現(xiàn)在 AB 兩軸向的轉(zhuǎn)動。并且通過 伺服電機 實現(xiàn)精密控制。它的驅(qū)動是伺服系統(tǒng)的驅(qū)動方式。它可以與其他伺服進給軸聯(lián)動。它的進給、分度轉(zhuǎn)位和定位鎖緊都是由給定的指令進行控制的。附件頭的運動是由伺 服電動機，經(jīng)齒輪減速后由蝸桿傳給蝸輪。為了消除蝸桿副的傳動間隙，采用了雙螺距漸厚蝸桿，通過移動蝸桿的軸向位置調(diào)整間隙。這種蝸桿的左右兩側(cè)面具有不同的螺距，因此蝸桿齒厚從頭到尾逐漸增厚。但由于同一側(cè)的螺距是相同的，所以仍然可以保持正常的嚙合。 當(dāng)工作臺靜止時必須處于鎖緊狀態(tài)。為此，在蝸輪底部的輻射方向有 8對夾緊瓦，并在底座上均布同樣數(shù)量的小液壓缸。當(dāng)小液壓缸的上腔接通壓力油時，活塞便壓向鋼球，撐開夾緊瓦，并夾緊蝸輪。在 機床 需要回轉(zhuǎn)時，先使小液壓缸的上腔接通回油路，在彈簧的作用下，鋼球抬起，夾緊瓦將蝸輪松開。 數(shù)控電火花主軸附件頭的定位精度主要取決于蝸桿副的傳動精度，因而必須采用高精度蝸桿副。在實際測量靜態(tài)定位誤差之后，確定需要補償角度的位置和補償?shù)闹?，記憶在補償回路中，由數(shù)控裝置進行誤差補償。在全閉環(huán)控制系統(tǒng)中，由高精度的圓光柵發(fā)出精確到位信號，反饋給數(shù)控裝置進行控制。 設(shè)計的 主軸附件頭 主要解決兩個問題 ：一個是在 A 軸上做 一定角 度的轉(zhuǎn)動，一個是在 B軸上 也 做一定角度的轉(zhuǎn)動。因為附件頭要安裝在電火花成型加工機床的主軸上，所以必須對尺寸大小做嚴(yán)格的控制，不能太大。必須保證附件頭要與工件電極絕緣 。因為電火花成型加工沒有切削力，所以在剛度上沒有特別要求。 主要參數(shù) 1 重復(fù)定位精度： 2 B軸轉(zhuǎn)速： 40 r/min A軸轉(zhuǎn)速： 40r/min 3 扭矩： T=2 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 10 設(shè)計準(zhǔn)則 我們的設(shè)計過程中，本著以下幾條設(shè)計準(zhǔn)則： 1） 創(chuàng)造性的利用所需要的物理性能 2） 分析原理和性能 3） 判別功能載荷及其意義 4） 創(chuàng)造有利的載荷條件 5） 預(yù)測意外載荷 6） 提高合理的應(yīng)力分布和剛度 7） 重量要適宜 8） 應(yīng)用基本公式求相稱尺寸和最佳尺寸 9） 根據(jù)性能組合 選擇材料 10）零件與整體之間精度的選擇 11）功能設(shè)計應(yīng)適應(yīng)制造工藝和降低成本的要求 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 11 第 3 章 電動機的選擇與控制 選擇 伺服 電機來驅(qū)動 主軸附件頭的旋轉(zhuǎn) 。 因為本電機驅(qū)動 主軸附件頭 是在控制系統(tǒng)控制下作進給運動的，采用開環(huán)控制。 1. 轉(zhuǎn)角的控制脈沖數(shù)成比例，可構(gòu)成直接數(shù)字控制； 2. 有定位轉(zhuǎn)矩； 3. 可構(gòu)成廉價的開環(huán)控制系統(tǒng)。 伺服 電動機的特點 伺服電機（ servo motor ）是指在伺服系統(tǒng)中控制 機械元件 運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將 電 壓 信號轉(zhuǎn)化為 轉(zhuǎn)矩 和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服 電機 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入 信號 控制，并能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動 電壓 等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著 轉(zhuǎn)矩 的增加而勻速下降。 伺服 電機的原理 伺服系統(tǒng)（ servomechanism）是使物體的位置、方位、 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 12 伺服電機（圖 1） [1] 狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。 伺服主要靠 脈沖 來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到 1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn) 1個脈沖對應(yīng)的角度，從而實現(xiàn)位移，因為，伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的 控制電機 的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確的定位，可以達到 。直流伺服 電機 分為有刷和無刷電機。 有刷電機 成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動 轉(zhuǎn)矩 大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護不方便 （換碳刷），產(chǎn)生 電磁 干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用 場合 。 無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝?fù)雜，容易實現(xiàn)智能化，其電子換相 方式 靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。 交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和 異步電機 ，目前 運動控制 中一般都用同步電機，它的 功率 范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運行的應(yīng)用。 伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的 U/V/W 三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋 信號 給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。 交流伺服電機和無刷直流伺服電機在功能上的區(qū)別：交流伺服要好一些，因為是正弦波控制，轉(zhuǎn)矩脈動小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比較簡單，便宜。 伺服 電機的種類 交流伺服電動機 交流伺服電動機定子的構(gòu)造基本上與 電容 分相式單相異步電動機相似 .其定子上裝有兩個位置互差 90176。的繞 組，一個是 勵磁繞組 Rf，它始終接在 交流電壓 Uf上；另一個是控制繞組 L，聯(lián)接控制信號電壓 Uc。所以交流伺服電動機又稱兩個伺服電動機。 交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式，但為了使伺服電動機具有較寬的調(diào)速范圍、線性的 機械特性 ，無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應(yīng)的性能，它與普通電動機相比，應(yīng)具有轉(zhuǎn)子電阻 大和 轉(zhuǎn)動慣量小這兩個特點。目前應(yīng)用較多的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種形式：一種是采用高電阻率的導(dǎo)電材料做成的高電阻率導(dǎo)條的鼠籠轉(zhuǎn)子，為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 13 轉(zhuǎn)子做得細(xì)長；另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉(zhuǎn)子，杯壁很薄，僅 ，為了減小磁路的磁阻，要在空心杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)放置固定的內(nèi)定子 .空心杯形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量很小，反應(yīng)迅速，而且運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，因此被廣泛采用。 交流伺服電動機在沒有控制電壓時，定子內(nèi)只有 勵磁繞組 產(chǎn)生的脈動磁場，轉(zhuǎn)子靜止不動。當(dāng)有控制電壓時，定子內(nèi)便產(chǎn)生一個 旋轉(zhuǎn)磁場 ，轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)，在負(fù)載恒定的情況下，電動機的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的大小而變化，當(dāng)控制電壓的相位相反時，伺服電動機將反轉(zhuǎn)。 永磁交流伺服電動機 20世紀(jì) 80年代以來，隨著集成電路、 電力電子技術(shù) 和交流可變速驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，永磁交流伺服驅(qū)動技術(shù)有了突出的發(fā)展，各國 著名 電氣 廠商相繼推出各自的交流伺服電動機和 伺服驅(qū)動器 系列產(chǎn)品并不斷完善和更新。 交流伺服系統(tǒng) 已成為當(dāng)代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機。 90年代以后，世界各國已經(jīng)商品化了的交流伺服系統(tǒng)是采用全 數(shù)字控制 的正弦波電動機伺服驅(qū)動。交流伺服驅(qū)動裝置在傳動領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。 永磁交流伺服電動機同 直流伺服電機 比較，主要優(yōu)點有： ⑴無 電刷 和換向器，因此工作可靠，對維護和保養(yǎng)要求低。 ⑵定子繞組散熱比較方便。 ⑶慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。 ⑷適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)。 ⑸同功率下有較小的體 積和重量。 伺服電動機與單相異步電動機比較 交流伺服電動機的工作原理與分相式單相異步電動機雖然相似，但前者的轉(zhuǎn)子電阻比后者大得多，所以伺服電動機與單機異步電動機相比，有三個顯著特點： 起動轉(zhuǎn)矩 大 由于轉(zhuǎn)子電阻大，與普通異步電動機的轉(zhuǎn)矩特性曲線相比，有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉(zhuǎn)差率 S01，這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性（機械特性）更接近于線性，而且具有較大的起動轉(zhuǎn)矩。因此，當(dāng)定子一有控制電壓，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動，即具有起動快、靈敏度高的特點。 運行范圍較廣 無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 14 正常運轉(zhuǎn)的伺服電動機，只要失去控制電壓，電機立 即停止運轉(zhuǎn)。當(dāng)伺服電動機失去控制電壓后，它處于單相運行狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)子電阻大，定子中兩個相反方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的兩個轉(zhuǎn)矩特性（ T1－ S T2－ S2曲線）以及合成轉(zhuǎn)矩特性（ T－ S 曲線） 交流伺服電動機的輸出功率一般是 。當(dāng) 電源 頻率為 50Hz，電壓有 36V、 110V、2 380V；當(dāng)電源頻率為 400Hz，電壓有 20V、 26V、 36V、 115V 等多種。 交流伺服電動機運行平穩(wěn)、噪音小。但控制特性是非線性，并且由于轉(zhuǎn)子電阻大，損耗大，效率低，因此與同容量直流伺服電動機相比，體積大、 重量重，所以只適用于 的小功率控制系統(tǒng)。 A 軸方向上伺服電機的選擇和及運動參數(shù)的計算 采用伺服電機為驅(qū)動單元， 伺服電機接收到 1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn) 1個脈沖對應(yīng)的角度，從而實現(xiàn)位移，因為，伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的 控制電機 的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確的定位，可以達到 。 伺服電機的選擇 按照具體設(shè)計情況選擇 110 系列 伺服電機 。 2) 選擇 伺服電機 的扭矩 伺服電機 的扭矩應(yīng)該大于負(fù)載的最大扭矩。額定扭矩小于工作