【文章內(nèi)容簡介】 此數(shù)據(jù)確定是由開環(huán)伺服系統(tǒng)還是由半閉環(huán)伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制。如采用開環(huán)伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制、機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單、成本低、工作比較穩(wěn)定、調(diào)試方便，但精度不高；如采用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制，可獲得穩(wěn)定的控制特性，還可以獲得比較滿意的精度和速度。通過市場調(diào)研和本次設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，數(shù)控磨床工作臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對加工精度的影響至關(guān)重要，而磨床加工精度一般都比較高，故本次設(shè)計(jì)采用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制。工作臺有兩種驅(qū)動形式：液壓驅(qū)動和滾珠絲杠驅(qū)動。液壓驅(qū)動形式由于使用工作壓力高的油性介質(zhì)，因此機(jī)構(gòu)輸出力大，機(jī)械結(jié)構(gòu)更緊湊，動作平穩(wěn)可靠，易于調(diào)節(jié)和噪聲較小，但要配置液壓泵和油箱，當(dāng)油液滲漏時(shí)會污染環(huán)境，易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象；而滾珠絲杠驅(qū)動可提高系統(tǒng)的靈敏度、定位精度和防止爬行，降低數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的摩擦并減少靜、動摩擦系數(shù)之差。因此，行程不太長的直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)常用滾珠絲杠螺母副 [2]。它是直線運(yùn)動與回轉(zhuǎn)運(yùn)動相互轉(zhuǎn)化的新型傳動裝置。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。結(jié)合已知條件則選用滾珠絲杠驅(qū)動。而上工作臺還應(yīng)能夠進(jìn)行回轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)磨錐的需要。上工作臺 1 上置有頭架 2 和尾架 4 長度為 L 且被磨削面為圓柱面的工件 3 裝夾在頭尾架之間。在點(diǎn) A 上以 R 為半徑對該工件施以力P 時(shí)，工作臺則能相對軸心 O 回轉(zhuǎn) [4][8]。如圖 3—1 所示。7 / 751 上工作臺 2頭架 3工件 4尾架圖 3—1 工作臺回轉(zhuǎn)機(jī)理MK1332 數(shù)控外圓磨床主要用于圓柱類零件、圓錐面和凸輪軸頸的磨削。工作臺導(dǎo)軌采用“V—平”導(dǎo)軌， “V—平”導(dǎo)軌導(dǎo)向精度高，加工裝配也較方便。 “V—平”導(dǎo)軌貼塑，可降低摩擦系數(shù)也可提高使用壽命。通過同步齒形帶將伺服電動機(jī)和滾珠絲杠聯(lián)接，傳動精度高，作用在軸和軸承上的載荷小。滾珠絲杠的支承采用兩端固定，可使絲杠具有最大的剛度。該數(shù)控外圓磨床采用兩軸數(shù)控系統(tǒng)，即砂輪進(jìn)給、工作臺移動兩軸數(shù)控，尾架采用液壓系統(tǒng)控制，砂輪自動修整和砂輪修整后的自動補(bǔ)償，本機(jī)床具有足夠的剛性和抗震性。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） 。機(jī)床主機(jī)是數(shù)控機(jī)床的主體，包括床身、箱體、導(dǎo)軌、主軸、工作臺、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等機(jī)械部件。圖 2—1 數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床主機(jī)的結(jié)構(gòu)有下面幾個(gè)特點(diǎn)：1）由于采用了高性能的主軸及進(jìn)給伺服驅(qū)動裝置，簡化了數(shù)控機(jī)床的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)，傳動鏈較短；2）數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高的動態(tài)特性，動態(tài)剛度、阻尼精度、耐磨性以及抗熱變形性能，適應(yīng)連續(xù)自動化加工；3）較多地采用高效傳動件，如滾珠絲杠副、直線滾動導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌等。 此外，為保證數(shù)控機(jī)床功能的充分發(fā)揮，還有一些配套部件（如冷卻、派屑、防護(hù)、潤滑、照明、儲運(yùn)等一系列裝置）和附屬設(shè)備（程編機(jī)和對刀儀等等） 。 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。9 / 75 按工藝用途分類 這類機(jī)床和傳統(tǒng)的通用機(jī)床品種一樣，有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜床以及加工中心等。加工中心是帶有自動換刀裝置，在一次裝卡后可以進(jìn)行多種工序加工的數(shù)控機(jī)床。 如數(shù)控折彎機(jī)、數(shù)控彎管機(jī)、數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)等。 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。 按控制運(yùn)動方式分類 個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)到另一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的定位精度,而不管從一點(diǎn)到另一點(diǎn)是按照什么軌跡、數(shù)控坐標(biāo)鏜床、數(shù)控沖剪床和數(shù)控測量機(jī)等。 直線切削控制又稱平行切控制。這類數(shù)控機(jī)床不僅要求具有準(zhǔn)確的定位功能，而且還要保證從一點(diǎn)到另一點(diǎn)之間移動的軌跡是一條直線。其路線和移動速度是可以控制的。這類數(shù)控機(jī)床包括：數(shù)控車床、數(shù)控鏜銑床、加工中心等。 輪廓控制又稱為連續(xù)軌跡控制。這類數(shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置能同時(shí)控制兩個(gè)或兩個(gè)以上坐標(biāo)軸，并且具有插補(bǔ)功能。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。輪廓控制數(shù)控機(jī)床有兩坐標(biāo)及兩坐標(biāo)以上的數(shù)控銑床，可加工曲面的數(shù)控車床、加工中心等。10 / 75 按伺服系統(tǒng)的類型分類根據(jù)有無檢測反饋元件及其檢測裝置，機(jī)床的伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)伺服、閉環(huán)伺服和半閉環(huán)伺服。 這類數(shù)控機(jī)床沒有檢測反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號的流程是單向的，其精度主要取決于驅(qū)動器件和電機(jī)（如步進(jìn)電機(jī)）的性能。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。它適用于精度、速度要求不高的場合。 這類機(jī)床數(shù)控裝置中插補(bǔ)器發(fā)出的指令信號與工作臺末端測得的實(shí)際位置反饋信號進(jìn)行比較。根據(jù)其差值不斷控制運(yùn)動，進(jìn)行誤差修正，直至差值在誤差允許的范圍內(nèi)為止。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。但是，由于很多機(jī)械傳動環(huán)節(jié)（尤其是慣量較大的工作臺）包括在閉環(huán)控制的環(huán)路內(nèi)，各部件的摩擦特性、剛性及間隙等都是非線性量，直接影響伺服系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)，故閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)整都有較大的難度，設(shè)計(jì)和調(diào)整的不好，很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。所以，閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床主要用于一些精度要求高和速度高的精密大型數(shù)控機(jī)床，如鏜銑床、超精車床、超精磨床等。 大多數(shù)數(shù)控機(jī)床采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，它的檢測元件裝在電機(jī)或絲杠的端頭。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。由于采用高分辨率的測量元件（如脈沖編碼器） ，又可以獲得比較滿意的精度和速度。半閉環(huán)系統(tǒng)的控制精度介于開環(huán)與閉環(huán)之間。 按照功能水平分類按照功能水平分類，可將數(shù)控機(jī)床分為高、中、低檔三類。 分辨率為 10181。m，進(jìn)給速度為 8m/min~15m/min 為低檔；分辨率為 1181。m，11 / 75進(jìn)給速度為 15m/min~24m/min 為中檔；分辨率為 ，進(jìn)給速度為15m/min~100m/min 為高檔。 低檔數(shù)控機(jī)床最多聯(lián)動軸數(shù)為 2 軸~3 軸，中、高檔則為 3 軸~5 軸以上。 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。而中檔的有較齊全的 CRT 顯示，不僅有字符，而且還有圖形、人機(jī)對話、自診斷等功能。高檔的還有三維動態(tài)圖形顯示。 低檔數(shù)控機(jī)床無通信功能。中檔數(shù)控機(jī)床有 RS232 或 DNC 接口。 CPU 低檔數(shù)控機(jī)床一般采用 8 位 CPU，中、高檔的已經(jīng)由 16 位 CPU 發(fā)展的 32位、64 位 CPU，并具有精簡指令集的 RISC 中央處理單元。此外，進(jìn)給伺服水平以及 PC 功能也是衡量數(shù)控檔次的標(biāo)準(zhǔn)。第 3 章 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)與普通機(jī)床不同。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。半閉環(huán)控制系統(tǒng)原理（如圖 3—1 所示）為數(shù)控裝置 1 發(fā)出的指令脈沖經(jīng)伺服系統(tǒng) 伺服電動機(jī) 3 帶動執(zhí)行部件（工作臺）4，按程序運(yùn)動。反饋信號發(fā)生器 5 發(fā)出反饋信號并送至伺服系統(tǒng)與數(shù)控裝置發(fā)來的指令相比較，檢查指令是否被正確的執(zhí)行。半閉環(huán)系統(tǒng)的反饋裝置裝在伺服電動機(jī)或絲杠上不能糾正絲杠的誤差以及受載后絲杠、軸承等的變形，因而精度比全閉環(huán)要低一些。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。絲杠的最高轉(zhuǎn)速 的確定，其與使用要求，如機(jī)床工作臺的工maxN作進(jìn)給速度和快進(jìn)速度相關(guān)。工作臺要求的最高速度 10m/min。伺服電maxv?動機(jī)通過帶輪與絲杠聯(lián)接，轉(zhuǎn)速可由下式計(jì)算： (r/min)maxax10spvnh?式中 —— 工作臺快進(jìn)速度（m/min） ；maxv13 / 75—— 絲杠導(dǎo)程（mm） 。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]。由文獻(xiàn)[20]選取絲杠的導(dǎo)程為 5mm，則由（r/min）maxax100125spvnh???絲杠的最高轉(zhuǎn)速 r/min。要求定位精度為 ，絲杠ax2d的“任意 300mm 行程內(nèi)的行程變動量 ”取為定位精度的 1/3～1/2，即30v～。1 級精度的滾珠絲杠 =，故應(yīng)取一級精度。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。i脈沖編碼器有每轉(zhuǎn) 2022500、5000 脈沖等數(shù)種。選取每轉(zhuǎn) 5000 脈沖的編碼器。 滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠螺母副是直線運(yùn)動與回轉(zhuǎn)運(yùn)動能相互轉(zhuǎn)換的新型傳動裝置。 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(shí)便構(gòu)成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有滾珠回路管道，在螺母上的進(jìn)出口將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來，構(gòu)成了封閉的循環(huán)滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠。當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠在滾道內(nèi)部既自轉(zhuǎn)有沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動。因此迫使螺母（或絲杠）軸向移動。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） 。?10?，可消除絲杠和螺母螺紋間隙 適當(dāng)預(yù)緊后的滾珠絲杠副，可消除螺紋間隙，這樣反向時(shí)就可以沒有空程死區(qū)，反向定位精度高。，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高 滾珠絲杠副基本是滾動摩擦，摩擦阻力小， 摩擦阻力的大小幾乎與運(yùn)動速度完全無關(guān)。 即絲杠和螺母都可作為從動件。，使用壽命長。 其加工精度要求高，表面粗糙度值要求低，一般都要求磨削成型，故制造成本高。 特別是垂直安裝的絲杠，由于自身質(zhì)量的慣性力的作用，下降時(shí)當(dāng)傳動切斷后，不能立即停止運(yùn)動，故常需要添加制動裝置。 滾珠絲杠螺母副的循環(huán)方式 滾珠絲杠螺母副常用的循環(huán)方式有兩種：一種是滾珠在循環(huán)過程中有時(shí)與絲杠脫離的稱為外循環(huán)；另一種是滾珠始終與絲杠保持接觸的稱為內(nèi)循環(huán)。 外循環(huán)的回珠器有插管式和螺旋槽式兩種。外循環(huán)結(jié)構(gòu)制造工藝簡單，使用較廣泛。其缺點(diǎn)是滾道接縫處很難做得平滑，影響滾珠滾動的平穩(wěn)性，甚至發(fā)生卡珠現(xiàn)象，噪聲也較大。15 / 75 內(nèi)循環(huán)均采用反向器實(shí)現(xiàn)滾珠循環(huán)，反向器有兩種形式。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） 。這種反向器的外廓和螺母上的切槽尺寸精度要求都較高。 滾珠絲杠副的軸向間隙消除和預(yù)加載荷 滾珠絲杠螺母副的軸向間隙消除主要有以下幾種：1）墊片消隙式 2）螺紋消隙式 3）齒差消隙式三種。第一種調(diào)整結(jié)構(gòu)簡單、剛性好、精度適中，故目前在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用較廣。預(yù)加載荷可以提高定位精度和軸向剛度。 滾珠絲杠副的精度 滾珠絲杠當(dāng)量動載荷的計(jì)算數(shù)控機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)用的是定位（p）類滾珠絲杠副 [7]。精度主要采用 1 級或 2 級。絲杠精度可按“任意 300mm 行程內(nèi)行程變動量 ”選擇，這項(xiàng)公差30v1 級為 6181。m；2 級為 8181。m。滾珠絲杠的長度是受到精度的限制的 [20]。半閉環(huán)系統(tǒng)滾珠絲杠副的精度，主要根據(jù)要求的機(jī)床定位精度選擇。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。在初步設(shè)計(jì)時(shí)，可假定絲杠的累積誤差約占機(jī)床定位誤差的 1/3～1/2，據(jù)此初選絲杠的精度，以后再進(jìn)行驗(yàn)算并修改。滾珠絲杠應(yīng)根據(jù)其額定動載荷選用。一批相同的滾珠絲杠副，在軸向載荷的作用下，運(yùn)轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)后 90%不產(chǎn)生疲勞點(diǎn)蝕，則 稱為這種規(guī)格絲杠副Ca610Ca的額定動載荷。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。滾珠絲杠的當(dāng)量動載荷 為 [5][14]Cm16 / 75 （N） （3—1）3mwaFLfC?所選的滾珠絲杠副，其額定動載荷 不得小于此值，即?式中 —— 軸向平均載荷(N)；mF在“載荷—時(shí)間”變化規(guī)律不明時(shí)，（N ）maxin23F??、 —— 絲杠的最大、最小工作載荷（N） ；maxFin —— 工作壽命（ ） ；L610r?64(10)mnhLr??—— 平均轉(zhuǎn)速（r/min） ；mnmaxin2n?、 —— 絲杠的最高、最低轉(zhuǎn)速（r/min） ；maxnin—— 工作壽命。 一般機(jī)床可取 =10000h、數(shù)控機(jī)床可取hhh=15000h。—— 精度系數(shù)。3 級精度絲杠， =1；5 級精度絲杠，af af=。af—— 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)。無沖擊時(shí)取 1～；一般情況取 ～；有wf沖擊振動時(shí)取 ～；絲杠的最大載荷為最大進(jìn)給力加摩擦力；最小載荷即摩擦力。工作臺質(zhì)量加頭、尾架質(zhì)量 加工件最大質(zhì)量 為：1M23M17 / 75 (kg)max123850210M?????由文獻(xiàn)[20]查得直線導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為 ；故摩擦力（N）?靜載荷最大軸向力可近似取最大加工受力： Nmax10wF?最大載荷： (N) ??平均載荷： (N)因?yàn)楣ぷ髋_最大移動速度為 10m/min，絲杠導(dǎo)程為 5mm，可知絲杠最