【正文】 統(tǒng)），以及其輔助裝置等幾個(gè)部分。由于本機(jī)床對(duì)整機(jī)系統(tǒng)的精度要求很高，因而對(duì)傳動(dòng)零部件的制造精度、安裝精度、運(yùn)動(dòng)精度等都要求非常高。它主要由工控機(jī)、交流伺服電機(jī)進(jìn)給控制單元、電主軸驅(qū)動(dòng)單元、全隔離I/O接口、各種傳感器、繼電器，以及軟件等組成。 由于國(guó)產(chǎn)聯(lián)想工控機(jī)具有很高的性價(jià)比，而且完全能夠滿足需要，因此，主機(jī)選用國(guó)產(chǎn)的聯(lián)想工控機(jī)。界面是完全的漢字界面，軟件人—機(jī)對(duì)話功能強(qiáng)，自診斷性好，采用流行的“多窗口”顯示技術(shù)進(jìn)行機(jī)床狀態(tài)的動(dòng)態(tài)顯示；在操作上，既可以采用菜單方式操作，也可用受力方式操作，相當(dāng)靈活方便；非常適應(yīng)國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)要求。 ⑶ 輔助裝置 輔助裝置主要包括除塵、冷卻、氣動(dòng)、排屑、潤(rùn)滑、照明等輔助設(shè)備，它們的主要作用就是使機(jī)床能夠更有效的工作。 機(jī)床總體布局 機(jī)床總體布局的基本要求1) 機(jī)床布局首先必須滿足用戶提出的各種要求。2) 確保實(shí)現(xiàn)即定工藝方法所要求的工件和刀具的相對(duì)位置與相對(duì)運(yùn)動(dòng)。3) 確保機(jī)床具有與所要求的加工精度相適應(yīng)的剛度、抗振性、熱變形和噪音水平。同時(shí)，還應(yīng)最大限度的考慮機(jī)床的系列化和部件的通用化程度。應(yīng)力求便于自動(dòng)上下料以及將其納入自動(dòng)線。7) 機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、合理可靠，便于加工和裝配，并注意采用新技術(shù)。 影響機(jī)床總體布局的基本因素影響機(jī)床總體布局的基本因素包括表面形成運(yùn)動(dòng)；機(jī)床運(yùn)動(dòng)的分配；工件的尺寸、重量和形狀；機(jī)床性能要求；生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)率要求；機(jī)床的自動(dòng)化程度；機(jī)床操縱方便性要求（人機(jī)工程學(xué)）；模塊化設(shè)計(jì)等等方面。 本次設(shè)計(jì)的PCB數(shù)控四軸鉆銑床的總體結(jié)構(gòu)布局 根據(jù)上述機(jī)床總體布局的基本要求及其影響因素，我設(shè)計(jì)出的PCB數(shù)控四軸鉆銑床的總體結(jié)構(gòu)如圖16 ，本數(shù)控機(jī)床主要由床身，橫梁，立柱，X、Y、Z向伺服傳動(dòng)系統(tǒng)及其導(dǎo)軌部裝系統(tǒng)，以及電主軸工作裝置等組成。裝有兩個(gè)主軸架的拖板，用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌式安裝在其上的主軸架作垂直運(yùn)動(dòng)構(gòu)成Z坐標(biāo)。 1— 機(jī)床外殼 2—Z軸進(jìn)給部裝3—電主軸部裝 4—拖板 5—橫梁 6—工作臺(tái) 8—墊片 9—床身圖16 機(jī)床各主要組成部件機(jī)構(gòu)方案分析機(jī)床床身、橫梁、立柱這三部分是整個(gè)主機(jī)機(jī)床的基礎(chǔ)和支架。⑶ 橫梁的兩端立柱成對(duì)稱分布，既形成門式結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了動(dòng)剛度，又減少了熱變形。對(duì)于機(jī)床其他各主要組成部分機(jī)構(gòu)方案的分析在本章后面章節(jié)中有詳細(xì)闡述，在此就不再重復(fù)。 機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)的組成機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)通常包括：表面形成運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)；輔助運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)；分度運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)；控制運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)；校正運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)。 PCB數(shù)控四軸鉆銑床的傳動(dòng)系統(tǒng)本次設(shè)計(jì)的PCB數(shù)控四軸鉆銑床的傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括了X、Y、Z三個(gè)方向上的伺服進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)，它又主要包括伺服進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和導(dǎo)軌部裝機(jī)構(gòu)。滾珠絲桿具有精度高、剛性好、滾動(dòng)慣量小的特點(diǎn)。③ X、Y向絲桿采用接觸角為60176。的雙推力向心軸承，并且一端軸向固定一端自由。本次設(shè)計(jì)中采用的導(dǎo)軌部裝機(jī)構(gòu)如圖110(a)、(b)和(c)所示，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：① 采用了國(guó)際上先進(jìn)的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌技術(shù)，具有良好的傳動(dòng)剛度和傳動(dòng)精度；② 工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)采用半閉式矩形，并采用了縱向加強(qiáng)筋增強(qiáng)其強(qiáng)度。設(shè)計(jì)選用專用鉆銑電主軸，在保證加工要求的前提下避免了復(fù)雜的主軸部件設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，提高了效率，并使機(jī)床在加工方面有了一個(gè)質(zhì)的飛躍。 圖113 電主軸部裝示意圖167。 潤(rùn)滑系統(tǒng)潤(rùn)滑式減少摩擦和磨損的重要的措施。考慮到本機(jī)床的精度要求、速度高、載荷小的特點(diǎn)，采用壓力式循環(huán)潤(rùn)滑方式，潤(rùn)滑劑則暫時(shí)選用高速機(jī)械油HJ5。此外，機(jī)床總體設(shè)計(jì)中還包括相應(yīng)的機(jī)床基礎(chǔ)，排屑系統(tǒng)等等部分。第二章 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)伺服進(jìn)給系統(tǒng)，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，它由伺服驅(qū)動(dòng)電路、伺服驅(qū)動(dòng)裝置（電機(jī)）、位置檢測(cè)裝置、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及執(zhí)行部件等部分組成。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)與一般機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)有本質(zhì)上的差異，它能根據(jù)指令信號(hào)自動(dòng)精確的控制執(zhí)行部件的位移、方向和速度，以及數(shù)個(gè)執(zhí)行部件按一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，以合成一定的運(yùn)動(dòng)軌跡。因此，伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)非常關(guān)鍵的工作！167。由于加工所用的刀具， 加工零件的材料以及零件加工要求的變化范圍很廣，為了保證在所有的加工情況下都能得到最佳的切削條件與加工質(zhì)量，要求進(jìn)給速度能在很大的范圍內(nèi)變化，即有很大得調(diào)速范圍。一般得數(shù)控機(jī)床，其進(jìn)給速度都在1m/min24m/min得范圍內(nèi)。b) 位移精度高：即輸出的位移量有較高的精度，也就是實(shí)際位移與指令位移之差值要小。重復(fù)定位精度為177。穩(wěn)定性是伺服系統(tǒng)能夠正常工作的最基本的條件，所謂穩(wěn)定的系統(tǒng)，即系統(tǒng)在輸入量改變，啟動(dòng)狀態(tài)或外界干擾下，其輸出量經(jīng)過幾次衰減振蕩后，能迅速的穩(wěn)定在新的或原有的平衡狀態(tài)下。動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快慢，反映了系統(tǒng)跟蹤精度的高低，直接影響輪廓加工精度的高低和加工表面的質(zhì)量。因此不能一味的追求極高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，而應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的響應(yīng)速度。2) 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求機(jī)床的位置調(diào)節(jié)精度對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)提出了很高的要求。⑶ 負(fù)載引起的軌跡誤差盡可能小。⑵ 整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)具有高的剛度、良好的阻尼特性。 伺服系統(tǒng)的類型分析與選擇伺服系統(tǒng)按不同的方式劃分，可分為不同的類型，其中最常見的按控制原理分類。它由系統(tǒng)送出進(jìn)給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制和功率放大后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪副與滾珠絲桿螺母副驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)的控制。工作臺(tái)的移動(dòng)速度和位移量是由輸入的脈沖頻率和脈沖量決定的。但其精度低、速度低、低速穩(wěn)定性差，效率也相對(duì)低下，因而適用于經(jīng)濟(jì)數(shù)控和老設(shè)備的改造等精度和速度要求不高的場(chǎng)合。并補(bǔ)償誤差后，再發(fā)送補(bǔ)償后的信號(hào)對(duì)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而控制運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)。它主要適用于精度較好，經(jīng)濟(jì)性良好的數(shù)控機(jī)床。圖23 閉環(huán)控制系統(tǒng) b) 特點(diǎn)及適用范圍位精度方面，由于閉環(huán)系統(tǒng)能夠補(bǔ)償機(jī)械傳動(dòng)裝置中的各種誤差、間隙及干擾的影響，定位精度高，可達(dá)177。（最高可達(dá)位置檢測(cè)元件的精度）；在穩(wěn)定性方面，由于進(jìn)給絲桿的拉壓，扭轉(zhuǎn)剛度以及摩擦阻尼特性過間隙等非線性因素都包括在位置控制閉環(huán)內(nèi)，所以若參數(shù)匹配適當(dāng)，將引起系統(tǒng)振蕩，大大降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性?？傊?，閉環(huán)控制系統(tǒng)能獲得相對(duì)較高的速度和精度，但價(jià)格非常高，維護(hù)也非常困難，故只適用于精度要求和速度要求非常高的精密、超精密的大型數(shù)控機(jī)床。由上可見，該機(jī)床的精度和速度都不是非常高，再考慮到，設(shè)計(jì)出的機(jī)床定位于較高的性價(jià)比，在基本能滿足要求的情況下，盡可能降低成本。因此，本次設(shè)計(jì)的伺服進(jìn)給系統(tǒng)選用的是半閉環(huán)控制系統(tǒng)。167。1) 滾珠絲桿副的工作原理滾珠螺旋傳動(dòng)是在螺桿和螺母的滾道之間，放入適量的滾動(dòng)體，是螺桿和螺母之間由滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦的螺旋傳動(dòng)。為了防止?jié)L動(dòng)體在運(yùn)動(dòng)過程中由螺紋滾道滾出，在螺母或螺桿上設(shè)有滾動(dòng)體返回裝置，使?jié)L動(dòng)體沿滾道面運(yùn)動(dòng)后能自動(dòng)的返回其入口處，形成循環(huán)回路，從而不斷地參與工作。圖24 滾珠絲桿副 2) 滾珠絲桿副的特點(diǎn) a) 滾珠絲桿副的地優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：⑴ 摩擦小、傳動(dòng)效率高。因而，在同樣的負(fù)荷下驅(qū)動(dòng)扭矩較滑動(dòng)絲桿傳動(dòng)減少2/33/4，同時(shí)它的逆?zhèn)鲃?dòng)效率也很高，接近于正傳動(dòng)效率。在伺服控制系統(tǒng)中采用滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)，不僅提高了傳動(dòng)效率，而且還可以減少啟動(dòng)力矩、顫動(dòng)及滯后時(shí)間。 由于時(shí)滾動(dòng)摩擦，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)相差極小，無論時(shí)靜止還時(shí)高速或低速時(shí)，摩擦扭矩幾乎不變。 由于摩擦力小，工作時(shí)螺桿的熱變形小，螺桿尺寸穩(wěn)定，并且經(jīng)調(diào)整預(yù)緊后，可得到無間隙傳動(dòng)，因而，具有較高得傳動(dòng)精度，定位精度和軸向剛度。 滾珠絲桿副得主要零件，如絲桿、螺母、滾珠和滾珠循環(huán)返回裝置得部分零件，均采用優(yōu)質(zhì)得合金鋼制成，其滾道表面淬火硬度至HRC6062，并有較低得表面粗糙度，再加上滾動(dòng)摩擦得磨損小，因而具有良好得耐磨性，而且可高速運(yùn)行。 用幾套相同得滾珠絲桿副同時(shí)傳動(dòng)幾個(gè)相同的運(yùn)動(dòng)部件，可得到較好得同步運(yùn)動(dòng)。⑺ 可靠性高，滑動(dòng)密封裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便。 在需要自鎖功能的地方，如，用于垂直方向的傳動(dòng)時(shí)，必須在系統(tǒng)中附加自鎖式制動(dòng)裝置。3) 滾珠絲桿副的選取與校核 a) 分析當(dāng)滾珠絲桿副在高速或中等轉(zhuǎn)速下（n10轉(zhuǎn)/分）工作時(shí)，其失效的主要形式為滾道或滾珠表面的摩擦點(diǎn)蝕，此種情況下滾珠絲桿副基本尺寸的選擇應(yīng)以疲勞壽命為依據(jù)，即按額定運(yùn)動(dòng)載荷進(jìn)行選用計(jì)算。這種情況下滾珠絲桿副的基本尺寸的選擇應(yīng)按照靜載荷進(jìn)行選擇。一般情況下，滾珠絲桿副的承載能力取決于其抗疲勞能力，故首先應(yīng)按壽命條件幾額定動(dòng)載荷選擇或校核其基本參數(shù)，同時(shí)，檢驗(yàn)其載荷是否超過額定靜載荷。本次選用的1326型交流伺服電機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為3000r/min。一般按額定動(dòng)載荷或額定靜載荷來選用滾珠絲桿副的尺寸規(guī)格；只有細(xì)長(zhǎng)而由承受壓縮載荷的滾珠絲桿副才需作壓桿穩(wěn)定性核算；對(duì)轉(zhuǎn)速高，支承距離大的滾珠絲桿副，才作臨界轉(zhuǎn)速的核算；對(duì)精度要求高的滾珠絲桿副，才作剛度的核算。因此，工作臺(tái)重量約是：2000+600+200+= N；取2900 N。⑷ 切削力F（N）切削力F得計(jì)算應(yīng)取鉆、銑工作狀態(tài)下得最大值，即：切削力F=Max{鉆、銑工作狀態(tài)下得切削力}。⑸ 摩擦阻力F（N）摩擦阻力F=載重直線滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)（）；⑹ 慣性力F(N)X向：慣性力F=工作臺(tái)質(zhì)量最大加速度=200NY向：慣性力F=拖板質(zhì)量最大加速度=290NZ向：慣性力F=主軸架質(zhì)量最大加速度=35N；綜上所述，可得滾珠絲桿的工作條件為： 表21 滾珠絲桿的工作條件及當(dāng)量載荷 軸向載荷(N)進(jìn)給當(dāng)量載荷當(dāng)量轉(zhuǎn)速最大切削力最大摩擦力最大慣性力最大速度（m/min）最大加速度F（N）n（r/min）X向26562000~101m/s21771000Y向39892900~101m/s22651000Z向660350~102m/s2441500 c) 滾珠絲桿當(dāng)量載荷和當(dāng)量轉(zhuǎn)速得計(jì)算 由文獻(xiàn)[3]式（）和式（）得：又由文獻(xiàn)[14]表（）知：軸向載荷在F 和F之間作周期變化時(shí)，F(xiàn)m=1/3(F+F)…………………………………………()其中，F(xiàn)和F 分別為最大和最小軸向載荷，計(jì)算結(jié)果如表21中所示。按本次選用的1326型交流伺服電機(jī)，X向和Y向n =2000r/min，Z向n=3000 r/min,而n均為0，故n的計(jì)算結(jié)果如表21所示。不同規(guī)格及負(fù)載鋼球圈數(shù)的C值可查文獻(xiàn)[14]：式中：f——壽命系數(shù)，根據(jù)預(yù)期壽命L（h）（）。帶入數(shù)據(jù)計(jì)算可到X、Y、Z三向滾珠絲桿得計(jì)算動(dòng)載荷，結(jié)果入下表：表22 絲桿的計(jì)算動(dòng)載荷絲桿X向Y向Z向計(jì)算動(dòng)載荷（N） 根據(jù)以上結(jié)果知，直徑大于10mm得滾珠絲桿均能滿足要求得動(dòng)載荷，再結(jié)合南京工藝設(shè)備制造廠生產(chǎn)的滾珠絲桿系列，初選：X向：FFbD2510P3Y向：FFbD2510P3Z向：FFbD205P3X、Y、Z三向滾珠絲桿均為雙螺母墊片預(yù)緊。方法見文[1]、。g) 臨界轉(zhuǎn)速的核算 臨界轉(zhuǎn)速的核算是校核所選定的滾珠絲桿的名義直徑，在給定的支撐條件下，其最高轉(zhuǎn)速是否有靠近其橫向固有頻率而發(fā)生共振的危險(xiǎn)。如該值小于所選直徑則可用，否則，應(yīng)改選較大的名義直徑。h) 系統(tǒng)剛度的計(jì)算由于系統(tǒng)的加工精度與其系統(tǒng)剛度的密切相關(guān)，加工精度越高，對(duì)其系統(tǒng)剛度要求也越高。而在X、Y、Z三向中，Y向的絲桿受力最大，下面就以Y向絲桿倆進(jìn)行校核。② 絲桿的軸向拉伸壓縮變形δ2；③ 由絲桿的扭矩變形而引起的螺距的變化，一般忽略不記；④ 支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形δ3；⑤ 螺母座及軸承支座的變形。因此，滾珠絲桿副的校核，主要是考慮δδδ3之和是否大于所要求的定位精度的一半。 Kz——載荷分布不均勻系數(shù)，與制造精度有關(guān)，一般取Kz=； Fp——預(yù)緊力（N），一般取Fp= F/3=398/3=133N；代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：δ1=104mm ② 軸向拉伸壓縮變形δ2：由文獻(xiàn)[14]： δ=FL/EA………………()式中，L——絲桿的計(jì)算長(zhǎng)度，由前文知：L=； F——絲桿軸向載荷，由前文知：F=398N； E——絲桿材料的彈性模量：鋼材的彈性模量E=105(MPa)； A——絲桿的切面面積，A=π(d Dw)2/4=104m2代入計(jì)算得：δ=103mm故，δ2=δ/2=103mm③ 支承滾珠絲桿得軸承得軸向接觸變形δ3：由文獻(xiàn)[3]： δc=（F2/dθZ2）1/3/Sinα……………………（）其中，F(xiàn)——軸承軸向載荷，由前文知：F=398N； Z——軸承的滾動(dòng)體數(shù)，Z=13； dθ——軸承的滾動(dòng)體直徑，dθ=6mm； α——軸承的接觸角，α=60176。選擇最高的零級(jí)滾珠絲桿(),故其絲桿傳動(dòng)精度為：δ=962103mm﹤δ/2=103mm可見，所選的絲桿剛度能夠滿足設(shè)計(jì)要求。這里選取I=2500 P/r。由于機(jī)床最小分辨率與絲桿螺距成反比，但在能滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，應(yīng)盡可能選擇大導(dǎo)程的絲桿，故這里選擇P=10mm。⑵ 預(yù)緊類型：滾珠絲桿有多種預(yù)緊形式，如單螺母無預(yù)緊，單螺母變位導(dǎo)程預(yù)緊，雙螺母墊片預(yù)緊，雙螺母齒差預(yù)緊等等。⑶ 工作原理：雙螺母墊片預(yù)緊通過在兩個(gè)螺母之間加一個(gè)墊塊，通過改變墊塊的厚度賴改變兩個(gè)螺母的相對(duì)位置，式每個(gè)螺母中的滾珠分別接觸絲桿滾道的左右兩邊，分別承受絲桿軸向兩個(gè)方向的力，達(dá)到消除反向間隙及施加預(yù)緊力的目的，同時(shí)，也提高了