【文章內(nèi)容簡介】 由于系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，又增加了維修費(fèi)用。如果缺少完善的售后服務(wù)，往往不能及時(shí)排除設(shè)備故障，將會(huì)在一定程度上影響機(jī)床的利用率，這些因素都會(huì)增加綜合生產(chǎn)費(fèi)用。 考慮到以上所述的種種原因，在決定選用數(shù)控機(jī)床加工時(shí)，需要進(jìn)行反復(fù)對比和仔細(xì)的經(jīng)濟(jì)分析，以發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的經(jīng)濟(jì)效益。 6 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(dòng)參數(shù)及動(dòng)力參數(shù)。 機(jī)床主參數(shù)反映機(jī)床規(guī)格大小和工作范圍，有些機(jī)床還規(guī)定有第二主參數(shù)。 機(jī)床的尺寸參數(shù)是指機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)，通常包括以下尺寸。 1）與被加工零件有關(guān)的尺寸，如磨床頭架上最大加工直徑。 2）標(biāo)準(zhǔn)化工具或夾具的安裝尺寸。 運(yùn)動(dòng)參數(shù)是指機(jī)床執(zhí)行件，如主軸、工作臺(tái)和刀架的運(yùn)動(dòng)速度。 動(dòng)力參數(shù)包括電動(dòng)機(jī)的功率、液壓缸的牽引力、液壓馬達(dá)或步進(jìn)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩等。 MK1332 數(shù)控外圓磨床設(shè)計(jì)參數(shù) 工作臺(tái)最大縱向移動(dòng)量 1100mm 工作臺(tái)最大回轉(zhuǎn)角度 +3176。、 4176。 工作臺(tái)最大移動(dòng)速度 10m/min 工件最大回轉(zhuǎn)直徑 φ 320mm 工件最大重量 150kg 工作臺(tái)重量 850kg 尾架重量 200kg 最大切削受力 1000N 最大磨削長度 1000mm 中心高 180mm 最大砂輪線速度 60m/s 7 MK1332 數(shù)控外圓磨床 加工產(chǎn)品的主要精度 外圓的粗糙度 aR ≤ 縱截面內(nèi)直徑的一致性 圓度 設(shè)計(jì)方案的確定 由于工作臺(tái)最大移動(dòng)速度 10m/min，由此數(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(tái)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(tái)有兩種驅(qū)動(dòng)形式：液壓驅(qū)動(dòng)和滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(huì)污染環(huán)境，易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象；而滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)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(dòng)摩擦系數(shù)之差。因此，行程不太長的直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)常用滾珠絲杠螺母副 [ 2]。它是直線運(yùn)動(dòng)與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)化的新型傳動(dòng)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(dòng)。而上工作臺(tái)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(tái) 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(tái)則能相對軸心 O回轉(zhuǎn) [4][8]。如圖 3— 1 所示。 8 1 上工作臺(tái) 2頭架 3工件 4尾架 圖 3— 1 工作臺(tái)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(tái)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(dòng)機(jī)和滾珠絲杠聯(lián)接，傳動(dòng)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(tái)移動(dòng)兩軸數(shù)控，尾架采用液壓系統(tǒng)控制，砂輪自動(dòng)修整和砂輪修整后的自動(dòng)補(bǔ)償，本機(jī)床具有足夠的剛 性和抗震性。 9 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(tái)、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(dòng)裝置，簡化了數(shù)控機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)鏈較短； 2）數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高的動(dòng)態(tài)特性，動(dòng)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(dòng)化加工； 3）較多地采用高效傳動(dòng)件，如滾珠絲杠副、直線滾動(dòng)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(chǔ)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。 10 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(dòng)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(dòng)方式分類 點(diǎn)位控制又稱點(diǎn)到點(diǎn)控制 .這類數(shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置只要求精確地控制一個(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)是按照什么軌跡運(yùn)動(dòng) .在移動(dòng)過程中不進(jìn)行任何加工 .這類數(shù)控機(jī)床主要有數(shù)控鉆床、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(dòng)的軌跡是一條直線。其路線和移動(dòng)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。 11 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(hào)的流程是單向的，其精度主要取決于驅(qū)動(dòng)器件和電機(jī)（如步進(jìn)電機(jī)）的性能。工作臺(tái)的移動(dòng)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(hào)與工作臺(tái)末端測得的實(shí)際位置反饋信 號(hào)進(jìn)行比較。根據(jù)其差值不斷控制運(yùn)動(dòng)，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(dòng)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(dòng)環(huán)節(jié)（尤其是慣量較大的工作臺(tái)）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(dòng)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。 12 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，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(dòng)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(dòng)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)。 13 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)控系統(tǒng)，經(jīng)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使執(zhí)行部件如刀架、工作臺(tái)、主軸箱等按程序的規(guī)定運(yùn)動(dòng)。 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(dòng)機(jī) 3 帶動(dòng)執(zhí)行部件（工作臺(tái)） 4，按程序運(yùn)動(dòng)。反饋信號(hào)發(fā)生器 5 發(fā)出反饋信 號(hào)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(dòng)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(dòng)機(jī) 4執(zhí)行部件 5反饋信號(hào)發(fā)生器 圖 3— 1 半閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖 工作臺(tái)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)設(shè)計(jì) 工作臺(tái)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，伺服電動(dòng)機(jī)通過同步齒形帶與絲杠聯(lián)接。絲杠的最高轉(zhuǎn)速 maxN 的確定，其與使用要求，如機(jī) 床工作臺(tái)的工作進(jìn)給速度和快進(jìn)速度相關(guān)。工作臺(tái)要求的最高速度 maxv ? 10m/min。伺服電動(dòng)機(jī)通過帶輪與絲杠聯(lián)接，轉(zhuǎn)速可由下式計(jì)算： 14 maxmax 1000spvn h? (r/min) 式中 maxv —— 工作臺(tái)快進(jìn)速度（ m/min）； sph —— 絲杠導(dǎo)程（ mm）。 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 m a xm a x 1000 1 0 0 0 1 0 20215spvn h ?? ? ?（ r/min） 絲杠的最高轉(zhuǎn)速 max 2021dn ? r/min。要求定位精度為 ，絲杠的“任意 300mm 行程內(nèi)的行程變動(dòng)量 300v ”取為定位精度的 1/3～1/2，即 ～ 。 1 級(jí)精度的滾珠絲杠 300v =，故應(yīng)取一級(jí)精度。根據(jù)精度要求，脈沖當(dāng)量可 定為 a=，電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù) b 應(yīng)為 5 1 50 01sphbia? ? ? ? 式中 i —— 傳動(dòng)比。 脈沖編碼器有每轉(zhuǎn) 202 2500、 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(dòng)與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能相互轉(zhuǎn)換的新型傳動(dòng)裝置。 15 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(dòng)。因此迫使螺母（或絲杠）軸向移動(dòng)。由于滾珠絲杠螺母副中是滾動(dòng)摩擦，它有以下特點(diǎn)： ，摩擦損失小 由文獻(xiàn) [21]中知道滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為： tantan( )?? ??? ? 式中 ? —— 螺旋線升角（ ）； ? —— 摩擦角（非常小，滾珠絲杠約為 10? 左右）。 ，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(dòng)精度高 滾珠絲杠副基本是滾動(dòng)摩擦，摩擦阻力小， 摩擦阻力的大小幾乎與運(yùn)動(dòng)速度完全無關(guān)。 即絲杠和螺母都可作為從動(dòng) 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(dòng)切斷后，不能立即停止運(yùn)動(dòng)，故常需要添加制動(dòng)裝置。 16 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)。