【文章內容簡介】 始注重機床的剛度，為實現大功率切削，提高加工效率奠定基礎。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％碳化硅的復合材料，可作為精密機床、高速加工機床的床身構件。這種鑄件材料質量輕 (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，熱傳導率高。二是改善機床結構。北村機械株式會社的 Mytrunnion 系列加工中 心采用新開發(fā)的門式結構，這是繼箱中箱結構的加工中心后的又一種新結構的加工中心，其 x、 Y、Z軸均采用了雙滾珠絲杠。 目前 數控 回 轉 工作臺已廣泛應用于數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速和轉臺的承載能力； 3． 在形式上繼續(xù)研制兩軸聯動和多軸并聯回轉的數控轉臺。 五軸聯動數控機床 我國現有數控機床主要是以經濟型數控系統和數控機床為主，只適用于形狀復雜的直線，斜線等零件的加工，對于那些復雜的型 面卻只能用手動加工，這對于產品多樣化和產品更新快及效率高的年代已經不再適應。 為適應生產的發(fā)展必須對現有的機床進行升級。在我國，從經濟和技術角度出發(fā)，對數控機床的升級主要是對機床的性能和功能方面的增加。 在現有的 3軸聯動機床的工作臺上增加一個旋轉數控工作臺（一臺帶有兩個旋轉自由度的數控回轉工作臺），再通過對數控系統的升級改造使該機床成為五軸聯動的數控機床。 設原鏜床旋轉刀具的軸線為 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，可以根據右手螺旋法則確定 Y 軸的方向。兩個旋 轉軸 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軸的旋轉而隨時變化。 河南理工大學本科生畢業(yè)設計（論文）說明書 8 圖 16 坐標軸分布 該數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 方向做旋轉進給或者分度運動，升級后的數控機床，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 坐標的直線運動，還可以做繞 3坐標中的兩個做旋轉進給運動或分度，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那些更加復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，數控系統： 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 。 五軸聯動機床也稱五坐標機床，它是在三個平動軸（沿 X、 Y、 Z 軸的直線運動）的基礎上增加了兩個轉動軸（能實現繞 X軸、 Z 軸旋轉運動，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任意可控。 本章小 結 本章主要對數控機床發(fā)展現狀和發(fā)展趨勢做了簡要介紹，分析了本課題研究的目的和意義，為完成本次設計做了準備。 河南理工大學本科生畢業(yè)設計（論文）說明書 9 第 2 章 電火花成型加工主軸附件頭 AB 軸結構設計 數控電火花成型機床的直線進給由工作臺完成，附件頭主要實現在 AB 兩軸向的轉動。并且通過 伺服電機 實現精密控制。它的驅動是伺服系統的驅動方式。它可以與其他伺服進給軸聯動。它的進給、分度轉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整間隙。這種蝸桿的左右兩側面具有不同的螺距，因此蝸桿齒厚從頭到尾逐漸增厚。但由于同一側的螺距是相同的，所以仍然可以保持正常的嚙合。 當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量的小液壓缸。當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的值，記憶在補償回路中，由數控裝置進行誤差補償。在全閉環(huán)控制系統中，由高精度的圓光柵發(fā)出精確到位信號，反饋給數控裝置進行控制。 設計的 主軸附件頭 主要解決兩個問題 ：一個是在 A 軸上做 一定角 度的轉動，一個是在 B軸上 也 做一定角度的轉動。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 1 重復定位精度： 2 B軸轉速： 40 r/min A軸轉速： 40r/min 3 扭矩： T=2 河南理工大學本科生畢業(yè)設計（論文）說明書 10 設計準則 我們的設計過程中，本著以下幾條設計準則： 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） 預測意外載荷 6） 提高合理的應力分布和剛度 7） 重量要適宜 8） 應用基本公式求相稱尺寸和最佳尺寸 9） 根據性能組合 選擇材料 10）零件與整體之間精度的選擇 11）功能設計應適應制造工藝和降低成本的要求 河南理工大學本科生畢業(yè)設計（論文）說明書 11 第 3 章 電動機的選擇與控制 選擇 伺服 電機來驅動 主軸附件頭的旋轉 。 因為本電機驅動 主軸附件頭 是在控制系統控制下作進給運動的，采用開環(huán)控制。 1. 轉角的控制脈沖數成比例，可構成直接數字控制； 2. 有定位轉矩； 3. 可構成廉價的開環(huán)控制系統。 伺服 電動機的特點 伺服電機（ servo motor ）是指在伺服系統中控制 機械元件 運轉的發(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，位置精度非常準確，可以將 電 壓 信號轉化為 轉矩 和轉速以驅動控制對象。伺服 電機 轉子轉速受輸入 信號 控制，并能快速反應，在自動控制系統中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數小、線性度高、始動 電壓 等特性，可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。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉現象，轉速隨著 轉矩 的增加而勻速下降。 伺服 電機的原理 伺服系統（ servomechanism）是使物體的位置、方位、 河南理工大學本科生畢業(yè)設計（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（或給定值）的任意變化的自動控制系統。 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 1個脈沖對應的角度，從而實現位移，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一個角度，都會發(fā)出對應數量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統就會知道發(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 的轉動，從而實現精確的定位，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，結構簡單，啟動 轉矩 大，調速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護不方便 （換碳刷），產生 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，響應快，速度高，慣量小，轉動平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝碗s，容易實現智能化，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)運行的應用。 伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的 U/V/W 三相電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋 信號 給驅動器，驅動器根據反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數）。 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子通常做成鼠籠式，但為了使伺服電動機具有較寬的調速范圍、線性的 機械特性 ，無“自轉”現象和快速響應的性能，它與普通電動機相比，應具有轉子電阻 大和 轉動慣量小這兩個特點。目前應用較多的轉子結構有兩種形式：一種是采用高電阻率的導電材料做成的高電阻率導條的鼠籠轉子，為了減小轉子的轉動慣量，河南理工大學本科生畢業(yè)設計（論文）說明書 13 轉子做得細長；另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉子，杯壁很薄，僅 ，為了減小磁路的磁阻，要在空心杯形轉子內放置固定的內定子 .空心杯形轉子的轉動慣量很小，反應迅速，而且運轉平穩(wěn)，因此被廣泛采用。 交流伺服電動機在沒有控制電壓時，定子內只有 勵磁繞組 產生的脈動磁場，轉子靜止不動。當有控制電壓時，定子內便產生一個 旋轉磁場 ，轉子沿旋轉磁場的方向旋轉，在負載恒定的情況下，電動機的轉速隨控制電壓的大小而變化，當控制電壓的相位相反時，伺服電動機將反轉。 永磁交流伺服電動機 20世紀 80年代以來，隨著集成電路、 電力電子技術 和交流可變速驅動技術的發(fā)展，永磁交流伺服驅動技術有了突出的發(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 伺服驅動器 系列產品并不斷完善和更新。 交流伺服系統 已成為當代高性能伺服系統的主要發(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，世界各國已經商品化了的交流伺服系統是采用全 數字控制 的正弦波電動機伺服驅動。交流伺服驅動裝置在傳動領域的發(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，易于提高系統的快速性。 ⑷適應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： 起動轉矩 大 由于轉子電阻大，與普通異步電動機的轉矩特性曲線相比，有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉差率 S01，這樣不僅使轉矩特性（機械特性）更接近于線性，而且具有較大的起動轉矩。因此，當定子一有控制電壓，轉子立即轉動，即具有起動快、靈敏度高的特點。 運行范圍較廣 無自轉現象 河南理工大學本科生畢業(yè)設計（論文）說明書 14 正常運轉的伺服電動機，只要失去控制電壓，電機立 即停止運轉。當伺服電動機失去控制電壓后，它處于單相運行狀態(tài)，由于轉子電阻大，定子中兩個相反方向旋轉的旋轉磁場與轉子作用所產生的兩個轉矩特性（ T1－ S T2－ S2曲線）以及合成轉矩特性（ T－ S 曲線） 交流伺服電動機的輸出功率一般是 。當 電源 頻率為 50Hz，電壓有 36V、 110V、2 380V；當電源頻率為 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。 A 軸方向上伺服電機的選擇和及運動參數的計算 采用伺服電機為驅動單元， 伺服電機接收到 1個脈沖，就會旋轉 1個脈沖對應的角度，從而實現位移，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一個角度，都會發(fā)出對應數量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統就會知道發(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 的轉動，從而實現精確的定位，可以達到 。 伺服電機的選擇 按照具體設計情況選擇 110 系列 伺服電機 。 2) 選擇 伺服電機 的扭矩 伺服電機 的扭矩應該大于負載的最大扭矩。額定扭矩小于工作