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第一章 緒論 控銑床簡介 科學技術的發(fā)展以及世界先進制造技術的興起和不斷成熟，對數控加工技術提出了更高的要求；超高速切削、超精密加工等技術的應用，對數控機床的數控系統(tǒng)、伺服性能、主軸驅動、機床結構等提出了更高的性能指標； 迅速發(fā)展和 不斷成熟，又將對數控機的可靠性、通信功能、人工智能和自適應控制等技術提出更高的要求。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，數控系統(tǒng)的性能日益完蓋，數控技術的應用頷域日益擴大。 數控銑床是在數控加工中心領域中最具代表性的一種典型機床，在數控機床中所占的比率最大，數控加工中 心、柔性制造單元等都是數控銑床基礎上派生或發(fā)展起來的。它具有功能性強、加工范圍廣、工藝較復雜等點，主要用于各種復習的平面、輪廓、曲面等零件的銑削加工，同時還可以進行鉆、擴、鏜、攻螺紋等加工，在航空航天、汽車制造、機械加工和模具制造業(yè)中應用非常廣泛。 控銑床的組成 數控銑床一 般由數控系統(tǒng) 、機床基礎部件、主軸箱、進給伺服系統(tǒng)及輔助裝置等幾大部分組成。 （ 1） 數控系統(tǒng) 數控系統(tǒng)是機床運動控制的中心，通常數控銑床都配有高性能、高精度、集成軟件的微機數控系統(tǒng)，具有直線插補、圓弧插補、刀具補償、固定循環(huán)、 用戶宏程序等功能，能完成絕大多數的基本銑削以及鏜削、鉆削、攻螺紋等循環(huán)加工。 （ 2） 機床基礎部件 通常是指底坐、立柱、工作臺、橫梁等，是整個機床的基礎和框架。 （ 3） 主軸箱 包括主軸箱和主軸傳動系統(tǒng)，用于裝刀具并帶動刀具旋轉 、主傳動大多采用專用的無級調速電動機驅動。 （ 4） 進給伺服系統(tǒng) 由進給電動機和進給執(zhí)行機構組成，按照程序設定的進給速度實現刀具和工件之間的相對運動，其主軸垂直方向進給運動及工作臺的橫向和縱向進給運動均由各自的交流伺服電機來驅動。 （ 5） 輔助裝置 包括液壓 、氣動、潤 滑 、冷卻系統(tǒng)和排屑、防護 等裝置。 控銑床 的分類 數控銑床品種繁多，規(guī)格不一， 可按通用銑床的分類方法分為以下 3 類 ： (1)數控立式銑床 ： 數控立式銑床主軸軸線垂直于水平面，這種銑床占數控銑床的大多數，應用范圍也最廣。目 前三坐標數控立式銑床占數控銑床的大多數，一般可進行三軸聯動加工 。 (2)臥式數控銑床 ： 臥式數控銑床的主軸軸線平行于水平面。為了擴大加工范圍和擴充功能，臥式數控銑床通常采用增加數控轉臺或萬能數控轉臺的方式來實現四軸和五軸聯動加工。這樣既可以加工工件側面的連續(xù)回轉輪廓，又可以實現在一次裝夾中通過轉臺改變零件的加工位 置也就是通常所說的工位，進行多個位置或工作面的加工。 (3)立臥兩用轉換銑床 ： 這類銑床的主軸可以進行轉換，可在同一臺數控銑床上進行立式加工和臥式加工，同時具備立、臥式銑床的功能。 控銑床的用途和工藝特點 銑床 是用銑刀進行切削加的機床 ,銑床的加工情況如圖 1示。在銑床上，用不同銑刀可以對平面 、斜面、溝槽、臺階、 T 形槽 、 燕尾槽等表面進行加工 ，另外配上分度頭或回轉臺還可以加工齒輪、螺旋面、花鍵軸、凸輪等各種成型表面。故銑床的萬能性強，應用范圍很廣。銑床的主參數是工作臺面寬度及長度。 圖 1銑 床上的典型工作 銑床的工藝特點如下： (1)銑床的主軸帶動銑刀作旋轉主運動； (2)銑刀是多齒、多刃連續(xù)進行切削； (3)多數銑床由工作臺帶動工件作直線進給運動； (4)銑刀在切削時，每個刀齒的切削過程是斷續(xù)的，同時參加切削的齒數是變化的，每個刀齒的切削厚度也是變化的，因此容易引起機床振動； (5)銑削時，銑刀同時參加切削的齒數較多，便于采用較大的銑削速度和進給給量，因而生產效率高。 國數控產業(yè)的現狀 當前，我國的數控系統(tǒng)正處在由研究開發(fā)階段向推廣應用階段過渡的關鍵時期。也是由封閉型系統(tǒng)向開放型系 統(tǒng)過渡的時期。我國數控系統(tǒng)在技術上已趨于成熟，在重大關鍵技術上（包括核心技術），已達到國外先進水平。目前，已新開發(fā)出數控系統(tǒng) 80 種。自“七五”以來，國家一直把數控系統(tǒng)的發(fā)展作為重中之重來支持，現已開發(fā)出具有中國版權的數控系統(tǒng)，掌握了國外一直對我國封鎖的一些關鍵技術。 控產業(yè)發(fā)展面臨的問題 當前 ,我國數控機床產業(yè)面臨的挑戰(zhàn)是國內市場占有率偏低。據有關資料表明 ,1999 年國產數控機床的市場占有率僅為 造成這種嚴峻的形勢 ,除客觀原因外 ,主要是產品的質量、可靠性不過硬?！笆濉逼陂g ,我國機 械制造工業(yè)正朝著精密化、柔性化、集成化、自動化、智能化方面迅速發(fā)展 ,國內數控機床需求強勁 ,我國數控機床產業(yè)適逢極好的發(fā)展機遇。然而 ,我國加入 ＷＴＯ 后 ,國外生產的數控機床將會更多的進入我國市場 ,市場競爭更為激烈。提高國產數控機床市場占有率 ,關鍵在于提高質量和可靠性。幾年來 ,經過對國內外數控機床的機械結構剖析和使用性能的調研 ,探索和總結了數控機床機械結構設計和制造的新技術?，F時主要存在有以下幾個問題： （ 1） 缺乏產業(yè)規(guī)模 （ 2） 缺乏發(fā)展數控產業(yè)的政策和技術配套體系 （ 3） 缺乏技術創(chuàng)新，產品更新和產業(yè)調整的內在動 力 （ 4） 面臨國外強手競爭的巨大壓力 展趨勢 隨著科學技術的發(fā)展、制造技術的進步和人類生活水平的提高，以及社會對產品質量和品種的多樣化的要求 趨勢日益增強 。中、小批量生產的比例明顯增加，對數控機床的柔性和通用性提出了更高的要求，希望市場能提供不同加工需求，能迅速高效、低成本地構筑面向用戶的控制系統(tǒng)，并大幅度地降低維護和培訓的成本，同時還要求具有網絡功能，以適應未來車間面向任務和定單的生產組織和管理模式。為此，近 10 年來，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，各種不同層次的開放式數控系統(tǒng)應運而生，發(fā)展很快。目前正朝 標準化開放體系結構的方向前進。就體系結構而言，當今世界上的數控系統(tǒng)大致分為 4 種類型：傳統(tǒng)數控系統(tǒng)、 “ C” 結構的數控系統(tǒng)、 “ 入 結構的開放式數控統(tǒng)、開放式數控系統(tǒng)。特別是進入 20 世紀 90 年代以來，隨著國際上計算機技術突飛猛進的發(fā)展，數控技術正在不斷采用計算機、控制理論等領域的最新技術成就。 目前 ,國外數控機床的性能正朝著高速化、高精度、高效率、高柔性、高自動化、高可靠性、智能化、復合化、網絡化、開放式體系結構等方向迅速發(fā)展 ,這將對數控機床機械結構設計和制造的質量和可靠性提出更高的要求?！笆?”期間 ,我國機械制造行業(yè)必須瞄準國際數控機床發(fā)展的科學前沿 ,開拓創(chuàng)新 ,消化吸收國外先進技術 ,開創(chuàng)我國數控機床設計和制造技術的新局面。 濟型數控銑床的改造 縱橫向進給系統(tǒng)原機床掛輪機構、進給箱、溜板箱、滑動絲杠 ,光杠等全部拆除，縱向、橫向以伺服電機作為驅動，通過聯軸器與滾珠絲杠聯接實現傳動?？v向進給機構：縱向伺機服電機為 15 型直流伺服電機，滾珠絲杠仍安裝在原絲杠位置 ,其螺母副通過托架安裝在床鞍底部 ,滾珠絲杠兩端加裝接套、接桿及支承 ,與床身尾部步進電機相聯接。伺服電機經減速后 ,減速器輸出軸用 套筒聯軸器與絲杠直接聯接 ,這種結構簡單 ,徑向尺寸小 ,可防止被聯接軸的位移和偏斜所帶來裝配困難和附加應力。 改造后的數控機床應有以下發(fā)展方向：單一的數字控制應向數控中心發(fā)展，數控機床總體布局更加合理，機床控制系統(tǒng)的控制和運算功能更進一步加強，機床的伺服系統(tǒng)采用交流數字伺服系統(tǒng)代替直流伺服系統(tǒng)，編程更趨合理化，加工工藝更趨簡單化 90%機床的檢測和監(jiān)控系統(tǒng)要能實現自動化。 第二章 數控銑床進給傳動裝置設計 要求 數控機床伺機服進給系統(tǒng)是由伺服驅動電路、伺服驅動裝置。機械傳動機構及執(zhí)行部件組成。 從位置控制 的角度看，伺服系統(tǒng)有開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)之分。開環(huán)控制不需要位置檢測與反饋；閉環(huán)和半閉環(huán)制需要有位置位檢測與反饋環(huán)節(jié)。 服系統(tǒng)機械傳動結構設計特點 為確定伺服系統(tǒng)的定位精度和工作穩(wěn)定性，在機構傳動結構設計上都要求無間隙、低摩擦、高剛度、高諧振以及適宜的阻尼比。為了達到這些要求，機械傳動結構的設計中應盡量采用低摩擦傳動副，如滾動導軌。靜壓導軌、貼塑導軌、滾珠絲杠等，以減小摩擦力；通過選區(qū)用最佳降速比來降低慣量；采用預緊的辦法提高傳動剛度；用消隙的辦法減小反向死區(qū)誤差等，其中最重要的是提高傳動剛度和 降低慣量。采用預緊消除間隙提高傳動剛度，不僅不需要增大尺寸和慣量，而且也使傳動剛度接近常數，這是伺機服進給系統(tǒng)機械結構設計中最突出的特點。 向伺服進給系統(tǒng)設計的基本要求 數 控銑床進給系統(tǒng)必須保證由數控裝置發(fā)出的控制指令轉換成速度符合要求的相應位移或直線位移，帶動運動部件運動。根據工件加工的需要，在機床上各運動坐標的數字控制可以是相互獨立的，也可以是聯動的?？傊?，數控機對進給系統(tǒng)的要求集中在精度 、穩(wěn)定性和快速響應三個方面。為滿足這些要求，首先需要高性能的伺服驅動電機，同時也需要高質量的機械結構與之 匹配 。為提高進給系統(tǒng)機械結構性能主要采取以下措施： （ 1） 提高系統(tǒng)機械結構的傳動剛度：主要是從傳動元件的剛度、消除傳動元件之間的間隙、盡可能縮短進給傳動鏈的長度、采用預緊措施這幾方面為出發(fā)點考慮。 （ 2） 采用低而穩(wěn)定的摩擦傳動副：因為數控銑床進給系統(tǒng)多采用剛度高、摩擦因數小而穩(wěn)定的滾動摩擦副，如滾珠絲杠螺母副、直線滾動導軌等。 （ 3） 慣量匹配：最佳慣量匹配目的是為保證伺服驅動電機的工作性能和滿足傳動系統(tǒng)對控制指令的快速響應的要求。由于在通常情況下傳動系統(tǒng)機械結構的慣量總是大于要求的數值，故而在設計時為得到最佳的 慣量匹配，總是希望傳動系統(tǒng)中元件的質量和慣量要小一些，降速比則要大一些。 （ 4） 提高傳動件精度 ： 高質量的機械傳動配合與高性能的伺服電動機使現代數控機床進給系統(tǒng)性能有了大幅度提高。 服系統(tǒng)對伺服電機的要求 （ 1）從最低速到最高速電機都能平穩(wěn)運轉，轉矩波動要小，尤其在低速如 更低速時，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現象。 （ 2）電機應具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。一般直流伺服電機要求在數分鐘內過載 4而不損壞。 （ 3）為了滿足快速響應的要求，電機應有較小的轉動慣量和大 的堵轉轉矩，并具有盡可能小的時間常數和啟動電壓。電機應具有耐受 4000上的角加速度的能力，才能保證電機可在 內從靜止啟動到額定轉速。 （ 4）電機應能隨頻繁啟動、制動和反轉。 隨著微電子技術、計算機技術和伺服控制技術的發(fā)展，數控機床的伺服系統(tǒng)已開始采用高速、高精度的全數字伺服系統(tǒng)。使伺服控制技術從模擬方式、混合方式走向全數字方式。由位置、速度和電流構成的三環(huán)反饋全部數字化、軟件處理數字 用靈活，柔性好。數字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術和改進伺服性能的措施，使控制精度和品質大大提 高。 交流伺服已占據了機床進給伺服的主導地位，并隨著新技術的發(fā)展而不斷完善，具體體現在三個方面。一是系統(tǒng)功率驅動裝置中的電力電子器件不斷向高頻化方向發(fā)展，智能化功率模塊得到普及與應用；二是基于微處理器嵌入式平臺技術的成熟，將促進先進控制算法的應用；三是網絡化制造模式的推廣及現場總線技術的成熟，將使基于網絡的伺服控制成為可能 。 第三章 總體設計方案論證 將一臺 數控銑床改造成經濟型中檔精度數控銑床，改造目的主要是利用數控方法加工任意圓弧面和凸輪的曲面。要求原銑床的改動盡可以少，希望保留原操作機構 ，以便數控部分發(fā)生故障時仍能手工半自動操作。圖 2－ 1 為 圖 2－ 1 立式銑床外形及傳動系統(tǒng) 1－ 電動機； 2－ 萬向接頭； 3－ 離合器 ； 4－ 手輪； 5－ 手柄； 6－ 傳動軸 ； 7－ 軸承 其主軸不能進行升降運動。工作臺的升降只能通過軸 7 手動操作，縱向的機動是通過萬向接頭 2 將運動傳給 而實現的。而橫向和縱向手動操作是通過手柄 5 和手輪 4 進行的。 可以看出 ,進給軸設計與主軸設計相比 ,具有相同的重要性。因而 ,進給軸的設計應從動、靜 兩方面充分考慮 ,位置精度才能達到該標準的要求。在數控銑床進給系統(tǒng)的設計中 ,根據橫向、縱向的不同精度要求 ,不同移動質量及轉動慣量等特點 ,分別解決設計中的主要矛盾。以期望設計結果能滿足各項性能指標的要求 ,達到預期的結果 ,即滿足設計任務書的要求。 控系統(tǒng)的選擇 數控系統(tǒng) 主要有三種類型，改造時，應根據具體情況進行選擇。 （ 1） 步進電動機拖動的開環(huán)系統(tǒng)：該系統(tǒng)的伺服驅動裝置主要上步進電動機、功率步進電動機、電液脈沖馬達等。由數控系統(tǒng)送出的進給指令脈沖，經驅動電路控制和功率放大后，使步進電機轉動，通 過齒輪副與滾珠絲杠副驅動執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數量、頻率及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運動的位移量、速度和運動方向。這種系統(tǒng)不需要將所測得的實際位置和速度反饋到輸入端，故稱為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進電動機的角位移精度，齒輪、絲杠等傳動元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。因此，對傳動元件和制造精度要求高，運動副之間摩擦力要小，要實行無間隙傳動。這種系統(tǒng)的最高速度受步進電動機的頻響特性限制，容易失步，低速時易發(fā)生共振和噪聲，影響表面加工質量。 該系統(tǒng)結構簡單，調試維修方便，工作可靠 ，成本低，易改裝成功。 （ 2）異步電動機或直流電動機拖動，光柵測量反饋的閉環(huán)數控系統(tǒng)：該系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別是：由光柵、感應同步器等位置檢測裝置測得的實際位置反饋信號，隨時與給定值進行比較，將兩者的差值放大和變換，驅動執(zhí)行機構，以給定的速度向著消除偏差的方向動運動，直到位置與反饋的實際位置的差值等于零為止。閉環(huán)進給系統(tǒng)在結構上比開環(huán)進給系統(tǒng)復雜，成本也高，對環(huán)境室溫要求嚴格，設計和調試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲得比開環(huán)進給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，驅動功率更大的特性指標。但是閉環(huán)系統(tǒng)設計和調整都有較 大技術難度，設計調整不當，易出現不穩(wěn)定現象。改造時可根據產品技術要求，決定是否有必要采用這種系統(tǒng)。 （ 3）交 /直流伺服電動機拖動，編碼器反饋的半閉環(huán)數控系統(tǒng)：半閉環(huán)系統(tǒng)檢測元件安裝在中間傳動件上，間接測量執(zhí)行部件的位置。賽馬場只能補償系統(tǒng)環(huán)路內部部分元件的誤差，因此，它的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，但是它結構與調試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡單。在將角位移檢測元件與速度檢測元件和伺機服電動機做成一個整體時則無需考慮位置檢測裝置的安裝問題。 動元件 選擇 （ 1）步進電動機，直流伺服電動機，交流伺服電動機是目前常用的 驅動元件。步進電機是一種將電的脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移的機電執(zhí)行元件，它能快速的啟動，制動和反轉；在一定頻率范圍內各種運動方式都能任意的改變且不會失步，具有自整步的能力；沒有一周累計誤差，所以定位精度很高；價格便宜。但由于步進電機的動態(tài)特性遠不如交，直流伺服電機，尤其是運行的可靠性得不到保證。采用步進電機驅動的缺點是效率低，驅動慣量負載能力差，作高速運動時容易失步，目前已使用的較少。 （ 2）直流伺服電動機具有良好的啟動、制動和調速特性，可以方便地在寬范內實現平滑無級調速，因此在對伺服電動機的調速性 能和啟動性能要求較高的設備中，大都采用直流伺服電動機驅動。但由于直流伺服電動機存在著一些固有的缺點，如它的電刷和換向器易磨損，需要經常維護等；換向器換向時會產生火花，使電動機的最高轉速受到限制，也使應用環(huán)境受到限制；此外，它結構復雜，制造困難，所用鋼鐵材料消耗大，制造成本高，因此，現在已很少選用直流伺服電動機。 （ 3）交流伺服電動機則沒有直流伺服電動機的上述缺點，且轉子慣量較直流伺服電動機小，使得動態(tài)上響應更好。一般來說，在同樣的體積下，交流伺服電動機的輸出功率可比直流伺服電動機提高 10%— 70%，此外，交 流伺服電動機的容量也比直流伺服電動機大，達到更高的電壓和轉速。在交流伺服系統(tǒng)中可以用交流同步電機也可以用交流感應電機。交流感應電機結構簡單，與同容量的直流伺服電機相比質量輕、價格便宜、它的缺點是不能經濟地實現范圍較大的平滑調速。所以，在數控銑床的進給系統(tǒng)中一般不用這種電機。 對于交流同步電機的轉速與所用電源的頻頻之間存在一種嚴格的關系，即在電源電壓和頻率固定不變時，它的轉速是穩(wěn)定不變的。由變頻電源供電給同步電機時，便可方便地獲得與頻率成正比的可變速度。并可得到非常硬的機械特性及較寬的調速范圍。其結構雖然比感 應電機復雜，但比直流電機簡單。 同步電機又分為電磁式和非電磁式兩大類。在后一類中又有磁滯式、永磁式和反應式多種。在數控銑床的進給驅動系中，多數采用永磁式交流同步電機。 經過以分析并考慮對系統(tǒng)調速的加速時間的要求本題選用直流伺服電動以滿足設計任務書的要求。 動機構 擇選 本課題選用的是滾珠絲杠螺母副。因為滾珠絲杠螺母副是一種低摩擦、高精度、高效率的機構，在數控機床上得到廣泛應。它的傳動特點是在具有螺旋槽的絲杠螺母之間裝有滾珠作為中間傳動元件。當絲杠和螺母相對運動時，滾珠沿絲杠螺旋槽滾道滾動，因此絲杠和螺 母之間基本上為滾動摩擦。并且滾珠絲杠螺母副的動（靜）摩擦系數相差極小，配以滾動導軌，起動力矩很小，運動靈敏，低速時不會出現爬行。滾珠絲杠螺母機構是回轉運動與直線運動相互轉動的傳動裝。它具有以下優(yōu)點 : （ 1） 摩擦損失小、傳動效率高 傳動效率可達 92%是普通絲杠傳動的 3～4 倍，而驅動轉矩僅為滑動絲杠螺母機構的 25%。 （ 2） 運動平穩(wěn)，摩擦力小、靈敏度高、低速時無爬行 由于主要存在的是滾動摩擦，不僅動、靜摩擦因數都很小，且其差值小，因而啟動轉矩小，動作靈敏。 （ 3） 軸向剛度高、反向定位精度高 由于可以完全消除絲杠與螺母之間的間隙并可實現滾珠的預緊，因而軸向剛度高，反向時無空行程，定位精度高。 （ 4） 滾珠絲杠螺母副主要零件均經過熱處理，其滾道表面的硬度值可達60— 62而耐磨性好，壽命長，精度穩(wěn)定性好。 （ 5） 磨損小、壽命長、維護簡單 使用壽命是普通滑動絲杠的 4～ 10 倍 。 （ 6） 傳動具有可逆性 、不能自鎖 由于摩擦因數小、不能自鎖，因面使該機構的傳動具有可逆性，可以把旋轉運動轉化為直線運動，還可以把直線運動轉化為旋轉運動。由于不能自鎖，在作垂直運動時應附加裝或防止逆轉的裝置，防止工作臺 因自重而下降。 因為滾珠絲杠螺母副與普通絲杠螺母副相比有這么多的優(yōu)點，因此，本題目選用滾珠絲杠螺母副。 軸器 選擇 聯軸器有剛性聯軸器與彈性聯軸器之分，本課題選用的是無彈性的 位 十字滑塊聯軸器。這種 十字滑塊聯軸器由兩個在端面上開有凹槽的半聯軸器和一個兩面帶有凸牙的中間盤組成。因凸牙可在凹槽中滑動，故可補償安裝及運轉時兩軸間的相對位移。 這種聯軸器零件的材料可用 45 鋼，工作表面需要進行熱處理，以提高其硬度；要求較低時也可用 ，不進行熱處理。為了減少摩擦及磨損，使用時應從中間盤的油孔中 注油進行潤 滑。 位十字滑塊聯軸器 主要性能特點有 : （ 1） 高扭距剛性和靈敏度 （ 2） 零回轉間隙 （ 3） 彈性十字滑快補償較大的徑向、角向、軸向偏差 （ 4） 結構簡單、抗油腐蝕和電氣絕緣 （ 5） 定位螺絲固定 （ 6） 鋁合金材料 軌副選擇 目前，在普通機床上仍廣度泛地應用滑動導軌，因其具有結構簡單、制造方便、剛性好、抗振性強等優(yōu)點。但是傳統(tǒng)的鑄鐵 — 鑄鐵、鑄鐵 — 淬火鋼滑動導軌副，其靜摩擦系數大，動摩擦系數隨速度變化而變化， 摩擦損失大，低速時易出現爬行，影響運動的平穩(wěn)性和定位精度 ，力矩損失大。而將導軌改造為滾動導軌或靜壓導軌工藝復雜，費用大，周期長。因此目前在數控機床上已不采用，取而代之的是鑄鐵 — 塑料或鑲鋼 — 塑料導軌。它們主要包括以下兩種類型： （ 1） 貼塑導軌：是以聚四氟乙烯為基體，加入青銅粉、二硫化鉬和石墨等填充劑混合燒結而成。它具有摩擦特性好、耐磨性好、減振性好等特點，這種導軌已經在中、小型數控機床上廣泛應用。這種軟帶可在原有滑動導軌面上粘結劑粘結，加壓固化后進行精加工，故一般稱之為貼塑導軌。由于其工藝較簡單，對原有滑動導軌不需作大的改動，故在普通機床數控機床改裝上應用廣泛。 （ 2） 涂塑導軌：它是以環(huán)氧樹脂為基體，加入二硫化鉬和膠體 石墨以及鐵粉等混合而成，再配以固化劑調勻涂刮或注入導軌面。這種涂塑導軌具有良好的摩擦特性和耐磨性，可使用在大型、重型數控機床上。 經過分析 與比較結合實際產品所需求的加工精度，本題改造的數控銑床的導軌副選用貼塑導軌以滿足設計任務書的要求。 體設計方案的確 由于改造成后 的 控銑床應具有定位、 直線插補、順、逆圓插補。暫停、循環(huán)加工、對工件進行鉆、擴、鉸、锪、鏜以及攻螺紋等功能，故應選擇連續(xù)控制系統(tǒng)，考慮到屬于經濟控銑床加工精度有一 定要求，為了簡化結構、降低成本，采用伺服電機半閉環(huán)系統(tǒng)。 根據機床要求，采用 8 位微機。由于 51 系列單片機具有集成度高，可靠性好、功能強、速度快?？垢蓴_能力強，具有很高的性能價格比特點。決定采用 51 系列單片機組成微機作為數控裝置的核心，其代表為 8031、 8051、8751，經過比較采用具有價格底、功能強、使用靈活等優(yōu)點的 8031 有擴展系統(tǒng)的單片機，即用 8031 外接 2764（ 6264（ 8255（擴展 I/O）接口等芯片擴展一個較簡單的微機控制系統(tǒng)。 該系統(tǒng)中有時鐘電路 模塊，復位及復位電路，數碼顯示接口電路，光電耦合器等組成。系統(tǒng)的加程序和控制命令通過鍵盤操作實現。 為了實現機床所要求的分辨率，采用伺服機電機通過聯軸器帶動絲杠轉動，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時，為了提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加負荷的結構。 系統(tǒng)設計總體方案圖如圖 2示 微機光電耦合功率驅動光電耦合功率驅動伺服電動機伺服電動機縱向工作臺橫向工作臺圖 2立式銑床數控改造的總體方案示意圖 向進給系統(tǒng)的改造 （ 1）縱向進給系統(tǒng)需作以下改動： 將帶輪去掉，將帶輪的軸通過聯軸器與伺服電機相連，絲杠傳動副改用 滾珠絲杠螺母副， 其余部分不動，仍保留機床縱向進給的機構部分，這種改造成本最低。 （ 2）撤除原機床的進給箱，溜板箱 ,光杠與絲杠以及安裝座，配上滾珠絲杠及其相應的安裝裝置，縱向驅動的伺服電機安裝在車床的床尾，并不占據絲杠空間。 ; （ 3）滾珠絲桿仍安置在原絲桿的位置 ,采用一端軸向固定 ,一端浮動的結構形式為便于安裝滾珠絲桿螺母副 ,絲桿不是整體的 ,而是采用分體式 ,即用連接套筒剛性連接。由于采用了滾珠絲杠可提高系統(tǒng)的精度和縱向進給整體剛度。 （ 4）縱向進給機 構和橫向進給機構均由伺服電動機、滾珠絲桿螺母副通過 成。 第四章 縱向進給機構的設計與計算 知參數條件 （ 1） 工作臺尺寸（寬 ×長）： 320×1250 2）縱向行程： 660 3）最大縱向進給力： 5000N （ 4）工作臺、夾具及工件重力： 2800N （ 5）工作臺快速速度： 15m/ 6）最大進給速度： 0.8 m/ 7）主電動機功率： W （ 8）啟動加速時間： 30 9）機床定位精度： ± 10）脈沖當量： 珠絲桿副主要參數的確定 在數控機床的設計中 ,滾珠絲杠副的作用是將伺服電機的旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動 ,用較小的轉矩可以獲得很大的推力。滾珠絲杠副的傳動是一種應用較廣的機構 ,尤其是將旋轉運動變?yōu)橹本€運動的各種機構中 ,滾珠絲杠副的傳動是最簡單、經濟而又可靠的。 所以滾珠絲杠副的選擇對 整個機床的制造起著不可忽視的作用 。滾珠絲杠副的精度是影響機床的定位精度及重復定位精度的最主要的因素。為了在機床的設計中更合理的選用滾珠絲杠副 ,使其充分發(fā)揮效能 ,必須進行一系列的計算。 滾珠絲杠副已經標準化 ,因此滾珠絲杠副的設計歸結為滾珠絲杠副型號的選擇。一般情況下 ,設計滾珠絲杠時 ,已知條件為 :最大工作負載 平均 工作負載用下的使用壽命 ,絲杠的工作長度 (或螺母的有效行程 ),絲杠的轉速 (或平均轉速 ),滾道的硬度及絲杠的運轉情況。 計步驟 通常的設計步驟為 : A、計算作用在滾珠絲杠上的最大動載 荷 ; B、從滾珠絲杠列表指出相應最大動負載的近似值 ,并初選幾個型號 ; C、根據具體工作要求，對于結構尺寸、循環(huán)方式、調隙方法及傳動效率等方面的要求，從初選的幾個型號中再挑出比較合適的直徑、導程、滾珠列數等，確定某一型號。 D、根 據所選的型號 ,列出或計算出其主要參數的數值 ,計算傳動效率 ,并驗算剛度及穩(wěn)定系數是否滿足要求。如不滿足要求 ,則另選其他型號 ,再作上述計算和驗算 ,直至滿足要求為止。 計計算 根據 進給系統(tǒng)定位精度的要求，初步選用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。如果經計算后半閉環(huán)系統(tǒng)不能滿足定位精度要求，改用 全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 從產品目錄中查得伺服電動的最高轉速為 500m a x 或 000 r 。取伺服電機通過聯軸器與絲杠直接，即 1?i 。 工作臺快速進給的最高速度 要求達到m ax 。取電動機的最高轉速 500m a x ，則絲杠的最高轉速 500 r ?；窘z杠導程公 式如下： 1 1 )-(4 101 5 0 0 151 0 0 01 0 0 0 m a xm a x vP h ????根據精度要求，數控機床的脈沖當量可定為 005.0?a 沖 。伺服電機每轉應發(fā)出的脈沖數由以下公式可知： 19)-(5 0 ???? 果采用旋轉變壓器方案，因旋轉變壓器的分解精度為每轉 2000 個脈沖，則在伺服電動機和旋轉變壓器軸之間安裝 1： 1 的升速齒輪。當 采用脈沖編碼器方案時， 因脈沖編曲碼器有每轉 2000、 2500、 5000 脈沖等數種 產品，故編碼器后應加倍頻器。如選用每轉 2500 脈沖的編碼器，則位頻器的倍數為 在速度反饋裝置中，與旋轉變壓器配套的，可采用測速發(fā)電機的轉速為1000r/，輸出一定的電壓量如， 1000r/出 6V）。如采 用脈沖編碼器方案，則可在倍頻器后加頻率 /電壓轉換器（ F/V），其轉換比例為每0 7 p 輸出電壓 為 例如 6V） 。即相當于測速發(fā)電機轉速達到 1000r/才能輸出 6V 的電壓，而此時脈沖編碼應實現 0 7 p 。 圖 4－ 1 為上述 2 種方案的傳動系統(tǒng)圖。這 2 種方案目前都有使用，各配不同的數控系統(tǒng)。本設計采用圖 b 方案。 位置反饋每 分 1 0 0 0 0 脈 沖速度反饋 ，－ 1 伺服系統(tǒng)的傳動系統(tǒng)圖 珠絲杠 選擇 珠絲杠精度 由于本系統(tǒng)要求達到 ±定位精度，根據此要求查閱滾珠絲杠樣本，對于 1 級（ 度絲杠，任意 300導程允差為 2 級（ 度絲杠的導程允差為 步設計時先設計絲杠的任意 300程內的行程變動量30～ 1/2，即 此，取滾珠絲杠精度為 ，即為 1 級精度絲杠。 珠絲杠選擇 滾珠絲杠的名義直徑 、 滾珠的列數和工作圈數應按當量動載荷 絲杠的最大載荷為切削力的最大進給力加摩擦力； 最小載荷即摩擦力。已知最大進給力 000?，工作臺加工件 與夾具的重力為 2800N，貼塑導軌的摩擦系數為 絲杠的最小載荷（即摩擦力） 1 1 22 8 0 ??? 絲杠最大載荷 1121125000m a x ??? 平均載荷 16)-(4 34453 1125112232 m i nm a x m ??????絲 杠最高轉速為 1500r/作臺最小進給速度為 1mm/絲杠的最低轉速為 取為 0，則平均轉速 ? ? m 5 02/01 5 0 0 ?? 。絲杠使用命取 5000? ， 1?5.1?絲杠工作壽命由公式可知： 13)-(4 67510 1 5 0 00750601060 66 ????? L — 工作壽命，以 一個單位； n — 絲杠轉速， r ； T — 絲杠的使用 壽命，對數控機床可取 5000? ，本題選取 5000? 。 代入公式可得絲杠的當量動載荷14)-( 4 . 4 451 33 ????式中 精度響影系數，對于 1、 2、 3 級精度的滾珠絲杠取 1?于 4、5 級精度滾珠絲杠取 9.0?題取 1? 載荷性質系數，無沖擊取 1~般情況取 較大沖擊振動時取 題取 5.1? 查 滾珠絲杠樣本中與得選擇mC＜后由此確 定滾珠絲杠副的型號和尺寸。查滾珠絲杠產品中樣本，選擇 內循環(huán)浮動返回器雙螺母對旋預緊滾珠絲杠副。其名義直徑為 40程為 10個螺母滾珠有 5 列。額定動載荷 6?，mC＜合設計要求。軸向剛度 ?。預緊力 44/564/ ???。只要軸向載荷值不達到或超過預緊力 倍，就不必對預緊力提出額外的要求。本題中絲杠最大載荷小于 珠絲杠支承選擇 滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷，徑向載荷主要是臥式絲杠的自重。因此對絲杠的軸向精度和軸向剛度應有較高要求。其兩端支承的配置情況如圖 4－ 2 所示的軸向固定方式。其中圖 a）為一端軸向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短杠和垂直進給絲杠杠；圖 b)為一端軸向固定一端自由的支承配置方式，常用于較長的臥式安裝絲杠 ；圖 c)為兩端固定方式，常用于長絲杠或高轉速、高剛度的絲杠，這種配置方式可對絲杠進行預拉伸。 支承間距離工 作 臺軸向載荷a)支承間距離工 作 臺軸向載荷b)支承間距離工 作 臺軸向載荷c)圖 4－ 2 滾珠絲杠的支承配置 滾珠絲杠中經常使用的滾動軸承有以下 2 類。 1） 接觸角為 ?60 的角接觸球軸承 這是目前國內外廣泛采用的滾珠絲杠軸承，這種軸承可組配置。圖書 4－ 3b）為 1 對 背靠背組合方式，圖 4一對面對面方式。這兩種方式可承受雙向軸向推力。圖 3－ 3d)為一同向組合方式，其承受能力較高，但只承受 1 個方向的軸向力，同向組合時的額定動載荷2 個為 3 個為 4 個為 － 3e)為 1 對同向與左邊 1 個面對面組合方式。用上述方法還能派生出三聯、四聯等多種組合方式。由于螺母與絲杠的同軸度在制造安裝的過程中難免有誤差，而且采用面對面組合方式時兩接觸 與軸線交點間的距離a 比背對背的小，故容易實現自動調整。因此在進給傳動中面對面組合用得較多。 2） 滾珠 — 推力圓柱滾子組合軸承（圖 4－ 3f） 外圈 3 與箱體固定不轉，只圈 1、 5 和隔套內圈 6 隨軸轉動，滾針 7 承受徑向載荷，圓柱滾子（或球） 2 和 4 分別承受兩個方向的軸向載荷，修磨隔套內圈 6的寬度可調整軸承的軸向預緊量。 圖 4－ 3 滾珠絲杠用軸承 上 述 2 類軸承中， ?60 角接觸軸承的摩擦力矩小于后者，而且可以根據需要進行組合，但剛度較 后者低，目前在一般中，小型數控機床中被廣泛應用。滾針 —圓柱滾子軸承多用于重載和要求高剛度的地方。經過分析在此設計中本傳動系統(tǒng)的絲杠采用一端軸向固定，一端浮動的結構形式如圖 4－ 3 所示。固定端采用 1對 ?60 接觸球軸承面對面組配，以容易實現自動調整。簡支端支承采用深溝球軸承，只承受絲杠的重力。同時滾珠絲杠工作時要發(fā)熱，其溫度高于床身。為了補償因絲杠熱膨脹而引起的定位精度誤差，可采用絲杠預拉伸的結構，使預拉伸量略大于熱膨脹量。 最大行程工 作 臺7602030－ 3 選定后的絲杠的支承簡圖 珠絲杠螺母副間隙消除和預緊 珠絲杠螺母機構是回轉運動與直線運動相互轉換的傳動裝置，是數控機床伺服進給系統(tǒng)中使用最為廣泛的傳動裝置。 滾珠絲杠在軸向載荷作用下，滾珠和螺紋滾道接觸區(qū)會產生嚴重接觸變形，接觸剛度與接觸表面預緊力成正比。如果滾珠絲杠螺母副間存在間隙，接觸剛度較??；當滾珠絲杠反向旋轉時，螺母不會立即反向，存在死區(qū)，影響絲杠的傳動精度。因此，滾珠絲杠螺母副必須消除間隙，并施加預緊力，以保證絲杠、滾珠和螺母之間沒有間隙，提高滾珠絲杠螺母副的接 觸剛度。 滾珠絲杠螺母副通常采用雙螺母結構，如圖 4－ 4 所示 1－滾珠螺母； 2－緊定螺釘； 3－支座； 4－滾珠絲杠； 5－調整墊片 圖 4－ 4 雙螺母滾珠絲杠 圖中 1 代表滾珠螺母， 3 代表支座，螺母與支座之間有調整墊片，通過調整墊片來調節(jié)滾珠螺母與滾珠絲杠螺紋之間的間隙。 通過調整兩個螺母之間的軸向位置，使兩個螺母的滾珠在承受載荷之前，分別與絲杠的兩個不同的側面接觸，產生一定的預緊力，以達到提高軸向剛度的目的。調整預緊有多種方式，上圖所示的為墊片調整式，通過改變墊片的厚薄來改變兩個螺母之間的軸向距離，實現軸 向間隙消除和預緊。這種方式的優(yōu)點是結構簡單、剛度高、可靠性好。 擇伺服電機 伺服電機的選擇用，應考慮三個要求：最大切削負載轉矩，不得超過電機的額定轉矩；電機的轉子慣量 與負載慣量 匹配（匹配條件可根據伺服電機樣本提供的匹配條件，也可以按照一般的匹配規(guī)律）；快速移動時，轉矩不得超過伺服電機的最大轉矩。 大的切削負載轉矩計算 所選伺服電動機的額定轉矩應大于最大切削負載轉矩。最大切削負載矩 T 可根據公式計算可得，即 3)-( 3. 4 2 00m a x ??????? ??? ??其 中 ， 從 前 面 的 計 算 已 知 ， 最 大 進 給 力 112，絲杠導程? ，預緊力 NF p 14000? ，查絲杠樣本，滾珠絲杠螺母副的機械效率 。因滾珠絲杠預加載荷引起的附加摩擦力矩 ???? 0 0 0 查哈爾濱軸承總廠《角接觸推力球軸承組配技 術條件》，得 7602030個軸承的摩擦力矩為 ,故一對軸承的摩擦力矩 ? 支端軸承不預緊，其摩擦力矩可忽略不計。伺服電動機絲杠直連，其傳動比 1:1?i ，則 最大切削負載轉矩 ?????? ? 故所選伺服電機的額定轉矩應大于此值。 載慣量計算 伺服電動機的轉子慣量 與負載慣量 匹配。負載慣量可按以下次序計算。工件夾具與工作臺的最大質量為 算到電動機軸上的慣量 1J 可按公式計算得： 5)-( 3 . 4 22221 ???????????????????????????????????式中 v— 工作臺移動速度， ； ? — 伺服電機的角速度， ； m — 直線移動工件夾具和工作臺的質量， 絲杠名義直徑 ?，長度 ，絲杠材料（鋼）的密度33 /108.7 ? 。則絲杠加在電動機軸上的慣量，根據公式可知： 6)-( 3 . 4 0 0 2 243402 ?????? ??? 聯軸器節(jié)加上鎖緊螺母等的慣量3 23 001.0 ? 故負載總慣量 5)-( 3 . 4 0 0 4 2 0 321 ????????按式 4 中小型數控機床慣量匹配條件， 4/1 ?? J ，所選伺服電動機的轉子慣量 在 。 根據上述計算可初步選定伺服電動機，如果選用直流伺服電動機，可選北京數控設備廠的 15 型直流伺服電動機，其額定轉矩為 大于最大切削負載轉 矩 轉子慣量 ? ，滿足匹配要求。如選 用交流伺服電動機，可選用交流伺服電動機，可選 20 型。其額定轉矩為轉子慣量 ? ，最大輸出轉矩 ? 147m 機械時間常數 ? ，滿足要求。 15 型直流伺服電動機的主要技術參數為： 最高轉速1500 r 額定轉矩 17.6 最大轉矩154 轉子慣量 反電動勢系數? 轉矩系數? 電樞直流電阻 機械時間常數 15.2 空載加速轉矩計算 當執(zhí)行件從靜止以階躍指令加速到最大移動（快移）速度時，所需的空載加速轉矩 8)-( 3 . 4 602 m a ?空載加速時，主要克服的是慣性。如選用 15 直流伺服電機，總慣量： 2 9 )-(5 0 1 9 4 M ?????? 加速時間t 的 3～ 4 倍，故 ? 3~4） (3~4)× ????0 1 5 0 020 1 9 20 型交流伺服電動機 的 6 ?8 4 ????0 1 5 0 020 1 9 125~167 空載加速轉矩此可見，15 型直流伺服電動機的 ? 154m ?,滿足設計要求； 20 型交流伺服電動機的可使用，但加速時間較長。 經過比較 從成本與造價方面考慮本題采用 20 型交流伺服電動機 。 服系統(tǒng)增益 通常取系統(tǒng)增益 ?5? ?1?s 。對輪廓控制的加工中心機床可取較大值，如取 120 ?? 服系統(tǒng)的時間常數? ? ???。如果選用 15 型直流伺服電機，執(zhí)行件（工作臺）達 到的最大加速度根據公式可知 8)-( 3 . 4 / 2m a x Ta h ????? ??伺服系統(tǒng)要求達到的最大加速度發(fā)生在系統(tǒng)處于時間常數行件的速度 從加到， a 略大于而按照加速能力選擇 120 ?? a ，可以適當 增大提高 系統(tǒng)的性能。 度驗算 本數控銑床要求的定位精度為 ±余誤差為伺服系統(tǒng)誤差 、 絲杠軸承的軸向跳動和在載荷作用下各機械環(huán)節(jié)彈性變形起的位移等。 服剛度 伺服剛度可根據下式子計算，即 ? ?K 1 ??伺服電動機的增益，它等于電動機的角速度 )/( 與輸入電壓 )(比值。輸入電壓 少量消耗于電樞回路的阻抗外，大部分被反電動勢所平衡。( ，為伺服電動機單位角速度 )/( V）。估算時，可以近似地認為輸入電壓 于反電動勢。因而近似地可認為 K 1? 2m a xm a x /1030 201530 s ???? 15 直流伺服電動機的轉矩系數 ?，因伺服系統(tǒng)增益120 ?? sK s ，速度控制的開環(huán)增益 ?0~4 取 10 402022 ?????? 反電動勢系數 ?，則 )/( ?? ；電樞直流電阻?? 故 ? ?? ? r a 1 0 4 ?? ???? 折合到工作臺部件的直線剛度 ?? /410/1041022 622' ????????????????????? 珠絲杠的拉壓剛度 本題 中的絲杠為一端軸向定位結構。其最小拉壓剛度發(fā)生在工作臺螺母離定位 點交接班遠的位置。已知工作臺的絲向行 程為 660 螺母移動到離定位點最近位置時，還應保留一定的絲杠距離，假設為 140而絲杠最大距 離 01 4 06 6 0m a x ???? 。代入公式計得絲杠拉剛度 17)-( 3. 4 /10410 6m a a xm i ? ?? ???? 式中，絲杠名義直徑0題目中0D＝ 40d＝ D－0d＝ 40－ ? 。 E 為絲杠材料鋼的彈性模量，102 ??，則 ? /2 1 0240 3 2 112m i n ?????? ? 杠軸承的軸向剛度 哈爾濱軸承總廠生產的 7602030號軸承的鋼球直徑 鋼珠數 Z＝ 17，接觸角 ??60? ，預加載荷 9000?，軸向外載荷為導軌摩擦力14? ，故軸向載荷 預加載荷與軸向外載荷之和，即 9)-( 3 . 3 3 2 1 43 1 42 9 0 0 0 ????絲杠軸承軸向載荷剛度 5)-( 3 . 3 s i 3 52 ?（ 5） ?????? ? 珠絲杠螺母的接觸剛度 查樣本手冊得 c /2300? 性聯軸節(jié)扭轉剛度 查文獻得 1 ??? 折合到工作臺部件的直線剛度為 ? /24500/24211' ????????????????????? 合剛度 計算出伺服剛度折算到工作臺部件的直線剛度 、滾珠絲杠最小拉壓剛度杠軸承軸向剛度珠絲杠螺母接觸剛度折算到工作臺部件直線剛度'K 后，按彈簧串聯原則合成求得綜合剛度 K ，即 2 1 )-(4 111111 '1m i n' ??? （ 4－ 21） 故 cb