畢業(yè)設(shè)計三坐標(biāo)銑床的數(shù)控化改造.pdf

畢畢畢畢 業(yè)業(yè)業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè)設(shè)設(shè) 計計計計（論論論論 文文文文） 設(shè)計設(shè)計設(shè)計設(shè)計(論文論文論文論文)題目題目題目題目：三坐標(biāo)銑床的數(shù)控化改造三坐標(biāo)銑床的數(shù)控化改造三坐標(biāo)銑床的數(shù)控化改造三坐標(biāo)銑床的數(shù)控化改造 姓姓姓姓 名名名名 : * 學(xué)學(xué)學(xué)學(xué) 號號號號 : * 系系系系 部部部部 : 機(jī)電工程系機(jī)電工程系機(jī)電工程系機(jī)電工程系 專專專專 業(yè)業(yè)業(yè)業(yè) : 機(jī)電一體化機(jī)電一體化機(jī)電一體化機(jī)電一體化 年年年年 級級級級 : * 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 : * 許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 1 摘要摘要摘要摘要 畢業(yè)設(shè)計是在原有普通銑床的基礎(chǔ)上,對其進(jìn)行改造,成為三坐標(biāo)數(shù)控銑床。該機(jī)床 能通過三軸聯(lián)動，實現(xiàn)曲線直線等不同的加工路線。 所設(shè)計的三坐標(biāo)數(shù)控銑床，三個坐標(biāo)方向的移動均由步進(jìn)電機(jī)帶動，主軸電機(jī)采用 交流電機(jī)，所有電機(jī)均由單片機(jī)進(jìn)行控制。設(shè)計主要對數(shù)控銑床的機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，了解 單片機(jī)的工作原理，主要有以下幾個方面：X、Y,Z 工作臺的傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計，主要是滾珠 絲杠的運用；機(jī)床整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，了解優(yōu)缺點，充分考慮主要矛盾，擇優(yōu)選取；單片 機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計，進(jìn)一步熟悉其應(yīng)用。 在數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)中，加工精度和加工可靠性是伺服系統(tǒng)決定的，本文對普通銑床的 數(shù)控化改造進(jìn)行了分析和設(shè)計，通過對普通銑床的數(shù)控化改造，提高了普通銑床的加工 能力和加工范圍，節(jié)省了直接購買機(jī)床的部分資金，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞： 銑床, 數(shù)控, 三坐標(biāo) 許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2 目錄 摘要 1 Abstract . 錯誤錯誤錯誤錯誤！未定義書簽未定義書簽未定義書簽未定義書簽。 前言 4 第一章 概論 5 1.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生及發(fā)展 . 5 1.2 數(shù)控機(jī)床的組成及分類 . 6 1.2.1 數(shù)控機(jī)床的組成 6 1.2.2 數(shù)控機(jī)床的分類 7 1.3 數(shù)控機(jī)床的特點及應(yīng)用范圍 8 1.3.1 數(shù)控機(jī)床的特點 8 1.3.2 數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍 8 第二章 設(shè)計主要參數(shù)及基本思想 9 2.1 課題要求 . 9 2.1.1 題目名稱（包括主要技術(shù)參數(shù)）及技術(shù)要求 . 9 2.1.2 課題內(nèi)容及工作量 . 9 許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 3 2.2 設(shè)計原則 . 9 2.3 總結(jié)構(gòu)設(shè)計 10 2.3.1 數(shù)控機(jī)床的機(jī)構(gòu)設(shè)計要求 . 10 2.3.2 提高機(jī)床的結(jié)構(gòu)剛度 . 10 2.3.3 提高進(jìn)給運動的平穩(wěn)性和精度 11 第三章 三坐標(biāo)數(shù)控銑床的設(shè)計和計算 12 3.1 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計 . 12 3.1.1 主傳動變速系統(tǒng) . 13 3.2 主軸系統(tǒng)計算 16 3.3.1 對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求 . 18 3.3.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計要求 . 19 3.3.3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性及伺服性能分析 . 19 3.4 進(jìn)給傳動的計算 . 20 3.4.1 X 軸滾珠絲杠副 20 3.4.2 Y 軸滾珠絲杠副 . 23 3.4.3 Z 軸滾珠絲杠副 27 3.4.4 滾珠絲杠的安裝與使用 . 30 第四章 微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計 . 33 4.1 微機(jī)控制系統(tǒng)組成及特點 . 33 4.1.1 微機(jī)控制系統(tǒng)的組成 . 33 4.1.2 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的特點 . 33 4.2 微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)備介紹 34 4.2.1 主控制器 CPU 的選擇 . 34 4.2.2 存儲器電路的擴(kuò)展 . 35 4.2.3 I/O 口電路的擴(kuò)展 . 37 4.2.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 . 39 許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 4 4.2.5 其它輔助電路設(shè)計 . 40 4.3 程序部分 41 結(jié)論 . 45 參考文獻(xiàn) . 46 致 謝 47 前言 隨著人工智能在計算機(jī)領(lǐng)域的滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)引入自適應(yīng)控制模糊系統(tǒng) 和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制機(jī)理，不但具有自動編程前饋控制模糊控制學(xué)習(xí)控制自適 應(yīng)控制工藝參數(shù)自動生成三維刀具補(bǔ)償運動參數(shù)動態(tài)補(bǔ)償?shù)裙δ埽胰藱C(jī)截 面極為友好，并且有故障診斷專家系統(tǒng)使自診斷和故障監(jiān)控功能更趨完善。伺服系統(tǒng) 智能化的主軸交流驅(qū)動和智能化進(jìn)給伺服裝置， 能自動識別負(fù)載并自動優(yōu)化調(diào)整參數(shù)。 直線電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)以使用化。 用數(shù)控銑床加工零件時，首先應(yīng)編制該零件的加工程序，這是數(shù)控銑床的工作指令。 將加工程序輸入數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制機(jī)床主運動的變速啟動停止進(jìn)給 運動的方向速度和位移量，以及工件裝夾和冷卻潤滑的開關(guān)等動作，使刀具與被加 工零件以及其它輔助裝置嚴(yán)格按照加工工序規(guī)定的順序運動軌跡加工出符合要求的 零件。 三坐標(biāo)數(shù)控銑床的進(jìn)給運動是數(shù)字控制的直接對象， 不論點位控制還是連續(xù)控制， 被加工工件的最后坐標(biāo)精度和輪廓精度都受到進(jìn)給運動的傳動精度靈敏度和穩(wěn)定性 的影響。為此，要注意以下三點進(jìn)給運動要求： (1) 減少運動件的摩擦力。進(jìn)給系統(tǒng)雖有許多元件，但摩擦阻力主要來自絲杠和 許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 5 導(dǎo)軌。絲杠和導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的滾動化是減少摩擦的重要措施之一。 (2) 提高傳動精度和剛度。在進(jìn)給系統(tǒng)中滾珠絲杠和支承結(jié)構(gòu)是決定其傳動精度 和剛度的主要部件，因此，必須首先保證它們的加工精度。 (3) 減少運動慣量。進(jìn)給系統(tǒng)中每個元件的慣量對伺服機(jī)構(gòu)的啟動和制動特性都有 直接的影響。尤其是處于高速運轉(zhuǎn)的零件，其慣性的影響更大。 設(shè)計是在原有普通銑床的基礎(chǔ)上,對其進(jìn)行改造,成為三坐標(biāo)數(shù)控銑床。該機(jī)床能通 過三軸聯(lián)動，實現(xiàn)曲線直線等不同的加工路線。 所設(shè)計的三坐標(biāo)數(shù)控銑床，三個坐標(biāo)方向的移動均由步進(jìn)電機(jī)帶動，主軸電機(jī)采用交流 電機(jī)，所有電機(jī)均由單片機(jī)進(jìn)行控制。 此設(shè)計主要對數(shù)控銑床的機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，了解單片機(jī)的工作原理，主要有以下幾個 方面：X、Y、Z 工作臺的傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計，主要是滾珠絲杠的運用；機(jī)床整體結(jié)構(gòu)的設(shè) 計，了解優(yōu)缺點，充分考慮主要矛盾，擇優(yōu)選??；單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計，進(jìn)一步熟悉 其應(yīng)用。 第一章 概論 1.1 1.1 1.1 1.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生及發(fā)展數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生及發(fā)展數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生及發(fā)展數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生及發(fā)展 隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜，且需頻繁改型。特別是 在宇航、造船、軍事等領(lǐng)域所需的零件，精度要求高，形狀復(fù)雜，批量小。普通機(jī)床已 不能適應(yīng)這些需求。為了滿足上述要求，一種新型的機(jī)床數(shù)字程序控制機(jī)床（簡稱 數(shù)控機(jī)床）應(yīng)運而生。 最早進(jìn)行數(shù)控機(jī)床研制的是美國人。 1952 年， 美國麻省理工學(xué)院成功地研制出一套 三坐標(biāo)聯(lián)動， 利用脈沖乘法器原理的數(shù)控機(jī)床。 但這臺數(shù)控機(jī)床僅是一臺試驗性的機(jī)床， 當(dāng)時用的電子元件是電子管。 直到 1954 年 11 月， 第一臺工業(yè)用的數(shù)控機(jī)床才生產(chǎn)出來。 從此以后，世界上其他一些工業(yè)國家也多開始開發(fā)、生產(chǎn)及應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。我國數(shù) 控機(jī)床的研制是從 1958 年起步的。 1965 年國內(nèi)開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)。 從 70 年代開 始，數(shù)控技術(shù)廣泛應(yīng)用于車、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工、點加工等領(lǐng)域，數(shù)控加工中 心在上海、北京研制成功。在這一時期，數(shù)控線切割機(jī)床由于結(jié)構(gòu)簡單，使用方便、價 格低廉，在模具加工中得到了推廣。1985 年，我國數(shù)控機(jī)床品種有了新的發(fā)展。 早期的數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)采用電子管，體積大、功耗高，只在軍事部門應(yīng)用。只有 在微處理機(jī)用于數(shù)控機(jī)床后，才真正使數(shù)控機(jī)床得到了普及。目前數(shù)控技術(shù)的主要發(fā)展 趨勢是：實現(xiàn)高速度，高可靠性，高精度，大功率，多功能；采用微處理機(jī)和微型計算 機(jī)，向著增強(qiáng)功能、降低造價、方便使用的目標(biāo)進(jìn)展；積極應(yīng)用計算技術(shù)、系統(tǒng)工程理 許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 6 論和控制技術(shù)的最新成果，像這綜合自動化方向變革。 1.2 數(shù)控機(jī)床的組成及分類 1.2.1 數(shù)控機(jī)床的組成 數(shù)控機(jī)床的種類繁多，但從組成一臺完整的數(shù)控機(jī)床上講，它由控制介質(zhì)、數(shù)控裝 置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床本體絲大部分以及輔助設(shè)備組成。如圖（1）所示。 、 圖圖圖圖 1.1 1.1 1.1 1.1 數(shù)控機(jī)床組成示意圖數(shù)控機(jī)床組成示意圖數(shù)控機(jī)床組成示意圖數(shù)控機(jī)床組成示意圖 1控制介質(zhì) 控制介質(zhì)是指零件加工信息傳送到數(shù)控裝置去的信息載體?？刂平橘|(zhì)有多種形式， 它隨著數(shù)控裝置的類型不同而不同，常用的有穿孔紙帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等。另外， 隨著 CAD/CAM 技術(shù)的發(fā)展，有些數(shù)控設(shè)備利用 CAD/CAM 軟件在其他計算機(jī)上編程，然后 通過計算機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)通信，將程序和數(shù)據(jù)直接傳送給數(shù)控裝置。 2. 數(shù)控裝備 數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的控制中心。它由輸入裝置、控制裝置和輸出裝置等組成。如 圖（2）所示，劃線框內(nèi)位數(shù)控裝置。 輸入裝置受控制介質(zhì)上的信息，經(jīng)過識別與譯碼之后，送到控制運算器。這些信息 將作為控制與運算的原始依據(jù)。 控制運算器根據(jù)輸入裝置送來的信息進(jìn)行運算，并將控制命令輸送往輸出裝置，輸 出裝置將控制器發(fā)出的控制命令送到伺服系統(tǒng)， 經(jīng)功率放大， 驅(qū)動機(jī)床完成相應(yīng)的動作。 圖圖圖圖 1.2 1.2 1.2 1.2 數(shù)控裝置組成示意圖數(shù)控裝置組成示意圖數(shù)控裝置組成示意圖數(shù)控裝置組成示意圖 3.伺服系統(tǒng) 控 制 介 質(zhì) 閱 讀 機(jī) 輸 入 裝 備 控 制 器 輸 出 裝 置 伺 服 機(jī) 構(gòu) 控制介質(zhì) 數(shù)控裝備 伺服裝置 機(jī)床本體 輔助裝備 許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 7 伺服系統(tǒng)，亦稱隨動系統(tǒng)，是一種能夠跟蹤輸入的指令信號進(jìn)行動作，從而獲得精 確的位置、速度或力輸出的自動控制系統(tǒng)。它是數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括驅(qū)動和執(zhí)行 兩大部分。伺服系統(tǒng)接受數(shù)控系統(tǒng)的指令信息，并按照指令信息的要求帶動機(jī)床移動部 件運動，以加工出符合要求的零件。指令信息是以脈沖信息體現(xiàn)的，每一脈沖使機(jī)床移 動部件產(chǎn)生的位移叫脈沖當(dāng)量(常用的脈沖當(dāng)量為 0.001mm0.01mm)。 從自動控制理論的角度來分析，無論多么復(fù)雜的伺服系統(tǒng)，都是有一些功能元件組 成的。圖（3）是由各功能元件組成的伺服系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)方框圖。 輸入 輸出量 指令 圖圖圖圖 1.3 1.3 1.3 1.3 伺服系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)方框圖伺服系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)方框圖伺服系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)方框圖伺服系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)方框圖 目前數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)中，常用的位移執(zhí)行機(jī)構(gòu)有功率步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電動 機(jī)和交流伺服電動機(jī)，后兩者都帶有光電編碼器等位置測量元件。 4. 機(jī)床本體 機(jī)床本體是數(shù)控機(jī)床的主體，是用于完成各種切削加工的機(jī)械部分，它是在原有的 普通機(jī)床的基礎(chǔ)上改進(jìn)而得到的，具有以下特點： （1）數(shù)控機(jī)床采用了高性能的主軸及伺服系統(tǒng)傳動系統(tǒng)，機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)簡化，傳 動鏈較短。 （2）數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高的剛度，阻尼精度及耐磨性，熱變形小。 （3）更多地采用高效傳動部件，如滾動絲杠副，直線滾動導(dǎo)軌等。 除了上述四個主要部分外， 數(shù)控機(jī)床還有一些輔助裝置和附屬設(shè)備， 如電器， 液壓， 氣動系統(tǒng)與冷卻、排屑、照明、儲運等裝置以及編程機(jī)、對刀塊等。 1.2.2 數(shù)控機(jī)床的分類 1 刀具相對于工件移動的軌跡分類 （1） 點位控制數(shù)控機(jī)床 點位控制機(jī)床的特點是只控制移動部件的終點位置，即 控制移動部件由一個位置到另一個位置的精確定位，而對它們運動過程中的軌跡沒有嚴(yán) 格的要求，在移動和定位過程中不進(jìn)行任何加工。 （2）點位直線控制數(shù)控機(jī)床 直線控制數(shù)控機(jī)床的特點是刀具相對于工件的運動 不僅要控制兩點間的準(zhǔn)確位置（距離） ，還要控制兩點之間移動的速度和軌跡。 （3）輪廓控制數(shù)控機(jī)床 輪廓控制又稱連續(xù)控制，大多數(shù)數(shù)控機(jī)床具有輪廓控制 比較 元件 調(diào)節(jié) 元件 執(zhí)行 元件 被控 對象 測量、反饋元件 許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 8 功能。其特點是能同時控制兩個以上的軸，具有插補(bǔ)功能。 （4） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方式分類 2 按驅(qū)動裝置的特點分類 （1）開環(huán)控制系統(tǒng) 它是指不帶反饋裝置的控制系統(tǒng)。它是根據(jù)穿孔帶上的數(shù)據(jù) 指令經(jīng)過控制運算發(fā)出脈沖信號輸出到伺服驅(qū)動裝置，使驅(qū)動伺服裝置轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角 度，然后經(jīng)過減速齒輪和絲杠螺母機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)換為移動部件的直線位移。 （2） 閉環(huán)控制系統(tǒng) 它是指在機(jī)床的運動部件上安裝位移測量裝置，將加工中測 量到的實際位置值反饋到數(shù)控裝置中，與輸入值的指令相比較，用比較的差值控制移動 部件，直到差值為零，即實現(xiàn)移動部件的精確定位。 （3） 半閉環(huán)控制系統(tǒng) 它是在開環(huán)控制系統(tǒng)的絲杠上或進(jìn)給電動機(jī)的軸上裝有角 位移檢測裝置。通過檢測伺服機(jī)構(gòu)的滾珠絲杠轉(zhuǎn)角間接測移動部件的位移，然后將數(shù)據(jù) 反饋給比較器進(jìn)行比較，輸出比較后的差值進(jìn)行控制。 3. 按加工方法分類 （1） 金屬切削類數(shù)控機(jī)床； （2） 金屬成型類數(shù)控機(jī)床； （3）數(shù)控特種加工機(jī)床； （4） 其它類的數(shù)控機(jī)床 4. 按數(shù)控機(jī)床的性能分類 (1)低檔數(shù)控機(jī)床； (2) 中檔數(shù)控機(jī)床； (3) 高檔數(shù)控機(jī)床； 1.3 數(shù)控機(jī)床的特點及應(yīng)用范圍 1.3.1 數(shù)控機(jī)床的特點 數(shù)控機(jī)床是一個裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)床。它是一種高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品。特點 如下： （1）適應(yīng)性強(qiáng)，加工精度高，質(zhì)量穩(wěn)定 （2）生產(chǎn)率高 （3）減輕勞動強(qiáng)度、改善勞動條件 （4）良好的經(jīng)濟(jì)效益 （5）有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化 1.3.2 數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍 從最經(jīng)濟(jì)的方面出發(fā)，數(shù)控機(jī)床適用于加工： 許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 9 （1）多品種小批量零件； （2）結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，精度要求較高的零件； （3）需要頻繁改型的零件； （4）價格昂貴，不容許報廢的關(guān)鍵零件； （5）需要小生產(chǎn)周期的急需零件。 第二章 設(shè)計主要參數(shù)及基本思想 2.1 課題要求 2.1.1 題目名稱（包括主要技術(shù)參數(shù)）及技術(shù)要求 三坐標(biāo)數(shù)控銑床設(shè)計 （1）X、Y、Z 軸的行程分別為 300mm、300mm、250mm; （2）進(jìn)給精度 0.01mm； （3）X、Y、Z 軸 快速進(jìn)給速度分別為 6m/min、6m/min、3m/min； （4）工作臺面尺寸 300x500mm; （5）脈沖當(dāng)量 0.01mm/步； （6）重復(fù)定位精度 0.01mm. 2.1.2 課題內(nèi)容及工作量 (1) 簡易數(shù)控銑床總圖 A0 一張 (2)控制原理圖設(shè)計 A0 一張 (3)計說明書一份 1.2 萬字以上 (4)翻譯 500 漢字 注：全部圖紙用計算機(jī)繪制，說明書由計算機(jī)輸出。 2.2 設(shè)計原則 根據(jù)設(shè)計要求和銑床的具體情況，課題的基本設(shè)計方案如下： （1）機(jī)床采用連續(xù)控制系統(tǒng)，定位方式采用增量坐標(biāo)控制。 （2）考慮到機(jī)床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開 環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動。 許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 10 （3）進(jìn)給傳動的設(shè)計是機(jī)床設(shè)計的重點，數(shù)控機(jī)床必須有精確的進(jìn)給傳動系，才 會有高的精度和表面質(zhì)量?？紤]到電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選用，為達(dá)到分辨 率 0.01mm 的要求，需采用齒輪降速傳動，利用電子控制系統(tǒng)消除誤差。 （4）為了保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，又要求機(jī)構(gòu)緊湊，所以選用絲杠螺母副。 為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。 （5）傳動系統(tǒng)要加上脈動裝置。 以上為基本的設(shè)計方案，除了這些，課題應(yīng)注意機(jī)床的幾何精度的修正，數(shù)控指 令的顯示和使用等。 2.3 總結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.3.1 數(shù)控機(jī)床的機(jī)構(gòu)設(shè)計要求 數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求主要有以下方面: （1）有良好的抗振性能和較大的額定切削功率，高的靜、動態(tài)剛度； （2）有較高的熱穩(wěn)定性和較高的幾何精度、傳動精度、定位精度； （3）有數(shù)控系統(tǒng)及其介質(zhì)。 下面我們詳述數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要要求 2.3.2 提高機(jī)床的結(jié)構(gòu)剛度 機(jī)床的剛度是指切削力和其它力作用下,抵抗變形的能力。機(jī)床在切削過程當(dāng)中， 要承受各種外力的作用，承受的靜態(tài)力有運動部件和被加工零件的自重；承受的動態(tài)力 有：切削力、驅(qū)動力、加減速時引起的慣性力、摩擦阻力等。組成機(jī)床的結(jié)構(gòu)部件在這 種力作用下將產(chǎn)生變形。如固定連接表面或嚙合運動表面的接觸變形；各支撐零件的彎 曲和扭轉(zhuǎn)變形，以及某些支撐件的局部變形等，這些變形都會直接或間接的引起刀具和 工件之間的相對位移，從而導(dǎo)致工件的加工誤差，或者影響機(jī)床切削過程的特性。 (1) 選擇及布置隔板和筋條 床身的靜剛度是直接影響機(jī)床的加工精度和其生產(chǎn)率的主要因素之一。而靜剛度及 固有頻率， 是影響動剛度的重要因素。 支承件的隔板和筋條的合理性， 可提高構(gòu)件的靜、 動剛度。 (2) 結(jié)構(gòu)剛度 與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床應(yīng)有更高的靜、動剛度，更好的抗振性。機(jī)床的導(dǎo)軌和 支承件通常是局部剛度最弱的部分，在本次設(shè)計中，采用雙臂聯(lián)接形式，X、Y 軸導(dǎo)軌較 窄。 (3) 采用焊接結(jié)構(gòu)的構(gòu)件 許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 11 采用鋼板和焊鋼而不采用鑄件的原因： 1）鋼的彈性模量約為鑄鐵的兩倍，因此采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)床身有利于提高固有頻 率。在形狀和輪廓尺寸相同的前提下，如要求焊接件與鑄件的剛度相同，則焊接件的臂 厚只需鑄件的一半。 2）如果要求局部剛度相同，因局部剛度與臂厚的三次方成正比，所以焊接件的臂 厚只需鑄件的 80%左右。 3）鋼可以提高構(gòu)件的諧振頻率使共振不易發(fā)生。 4）鋼板焊接能將構(gòu)件做成全封閉的箱形結(jié)構(gòu)，提高剛度。焊接結(jié)構(gòu)床身的突出優(yōu) 點是制造周期短， 一般比鑄鐵快 1.7-3.5 倍。 省去了制作木模和鑄造工序， 不易出廢品。 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活，便于產(chǎn)品更新、改進(jìn)結(jié)構(gòu)。焊接件能達(dá)到與鑄件相同，甚至更好的 結(jié)構(gòu)特性，可提高抗彎截面慣性矩，減少質(zhì)量。 合理的結(jié)構(gòu)布局可以提高剛度，機(jī)床的工作頭部分由于重力作用將會使機(jī)床立柱產(chǎn) 生彎曲變形，切削力將使立柱產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。這些變形將影響到加工精度。故本 次設(shè)計中將采取通過在立柱上方安裝兩組定滑輪來平衡重力的方法，來減少立柱的變 形，提高機(jī)床的剛度。 2.3.3 提高進(jìn)給運動的平穩(wěn)性和精度 數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸進(jìn)給運動的精度極大的影響零件的加工精度。 在開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)中 運動精度取決于系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)，特別是機(jī)械傳動部件的精度；在閉環(huán)和半閉環(huán)進(jìn)給系 統(tǒng)中，位置檢測裝置的分辨率對運動精度有決定性的影響，但是機(jī)械傳動部件的特性對 運動精度也有一定的影響。通常在開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)中，設(shè)定的脈沖當(dāng)量為 0.01mm 時，實 際的定位精度最好的情況也只能達(dá)到 0.025mm。 在閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)中， 設(shè)定的脈沖當(dāng)量 （或 稱最小設(shè)定單位）一般為 0.001mm，實際上定位精度只能達(dá)到 0.003mm，當(dāng)指令進(jìn)給系 統(tǒng)做單步進(jìn)給（即每次移動 0.001mm）時，開始一兩個單步指令，進(jìn)給部件并不動作， 到第三個單步指令時才突跳一段距離，以后又如此重復(fù)。這些現(xiàn)象都是因為進(jìn)給系統(tǒng)的 低速爬行現(xiàn)象引起的，而低速爬行現(xiàn)象又決定于機(jī)械傳動部件的特性。 本設(shè)計采取的方案有： （1）減少靜、動摩擦系數(shù)之差 （2）提高系統(tǒng)的傳動剛度。 許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 12 第三章 三坐標(biāo)數(shù)控銑床的設(shè)計和計算 3.1 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計 主傳動系統(tǒng)一般由動力源（如電動機(jī)） 、變速裝置及執(zhí)行元件（如主軸、刀架、工 作臺） ，以及開停、換向和制動機(jī)構(gòu)等部分組成。動力源為執(zhí)行元件提供動力，并使其 得到一定的運動速度和方向,變速裝置傳遞動力以及變換運動速度，執(zhí)行元件執(zhí)行機(jī)床 所需的運動，完成旋轉(zhuǎn)或直線運動。 現(xiàn)代切削加工正向著高速、高效和高精度方向發(fā)展，對機(jī)床的性能提出越來越高的 要求，如轉(zhuǎn)速高，調(diào)速范圍大，恒扭矩調(diào)速范圍達(dá) 1：1001：1000，恒功率調(diào)速范圍 達(dá) 1：10 以上；更大的功率范圍達(dá) 2.2250kW，能在切削加工中自動變換速度；機(jī)床結(jié) 構(gòu)簡單，噪聲小，動態(tài)性能好，可靠性高等。數(shù)控機(jī)床主傳動設(shè)計應(yīng)滿足如下特點： （1）主傳動采用直流或交流電動機(jī)無級調(diào)速 （2）數(shù)控機(jī)床驅(qū)動電動機(jī)和主軸功率特性的匹配設(shè)計 （3）數(shù)控機(jī)床高速主傳動設(shè)計 （4）數(shù)控機(jī)床采用部件標(biāo)準(zhǔn)、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計 （5）數(shù)控機(jī)床的柔性化、復(fù)合化 （6）虛擬軸機(jī)床設(shè)計 為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床加工范圍廣、 工藝適應(yīng)性強(qiáng)、 加工精度高和自動化程度高等特點， 要求主傳動裝置應(yīng)具有以下特點： （1）具有較大的調(diào)速范圍，并實現(xiàn)無級調(diào)速。無級變速傳動在一定的變速范圍內(nèi)連 續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以便得到最有利的切削速度；能在運轉(zhuǎn)中變速，便于實現(xiàn)變速自動化；能 在負(fù)載下變速，便于車削大端面時保持恒定的切削速度，以提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。 （2）具有較高的精度和剛度，傳動平穩(wěn)，噪音低。數(shù)控機(jī)床加工精度的提高，與主 傳動系統(tǒng)的剛度密切相關(guān)。為此，應(yīng)提高傳動件的精度與剛度，采用高精度軸承及合理 許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 13 的支撐跨距等，以提高主軸組件的剛性。 （3）良好的抗震性和熱穩(wěn)定性。數(shù)控機(jī)床一般既要進(jìn)行粗加工，又要精加工；加工 時可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻 運動部件不平穩(wěn)以及切削過程中的自激振動等 原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動，影響加工精度和表面粗糙度，嚴(yán) 重時甚至破壞刀具或零件，使加工無法進(jìn)行。因此主傳動系統(tǒng)中的各主要零部件不但要 具有一定的剛度，而且要求具有足夠的抑制各種干擾力引起振動的能力抗振性?？拐?性 用動剛度或動柔度來衡量。例如主軸組件的動剛度取決于主軸的當(dāng)量靜剛度 阻尼比 及固有頻率等參數(shù)。 機(jī)床在切削加工中主傳動系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產(chǎn)生變形，破壞了零部件之 間的相對位置精度和運動精度造成的加工誤差，且熱變形限制了切削用量的提高，降低 傳動效率，影響到生產(chǎn)率。為此，要求主軸部件有較高的熱穩(wěn)定性，通過保持合適的配 合精度，并進(jìn)行循環(huán)潤滑保持熱平衡等措施來實現(xiàn)。 3.1.1 主傳動變速系統(tǒng) 普通機(jī)床一般采用機(jī)械有級變速調(diào)速傳動，而數(shù)控機(jī)床需要自動變速；且在切削階 梯軸的不同直徑，切削曲線旋轉(zhuǎn)面和斷面時，需要隨切削的直徑的變化而自動變速，以 保持切削速度基本恒定。這些自動變速又是無級變速，以利于在一定的調(diào)速范圍內(nèi)選用 到理想的切削速度，這樣既有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。 機(jī)床主傳動中常采用的無級變速裝置有三大類：變速電動機(jī)、機(jī)械無級變速裝置和 液壓無級變速裝置。 無級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計原則： 一為盡量選擇功率和扭矩特性符合傳動系統(tǒng)要求的無級變速裝置。如銑床主傳動系 統(tǒng)要求恒功率傳動，就應(yīng)該選擇恒功率無級變速裝置。 二為無級變速系統(tǒng)裝置單獨使用時，其調(diào)速范圍較小，尤其是恒功率調(diào)速范圍往往 小于機(jī)床實際需要的恒功率變速范圍。為此，常把無級變速裝置與機(jī)械分級變速箱串聯(lián) 在一起使用，以擴(kuò)大恒功率變速范圍和整個變速范圍。 1主軸部件設(shè)計 主軸部件的性能要求 主軸部件是機(jī)床主要部件之一，它是機(jī)床的執(zhí)行元件。它的功用是支承并帶動工件 或刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削，承受切削力和驅(qū)動力等載荷，完成表面成型運動。主軸部件由主 軸及其支承軸承、傳動件、密封件及定位元件等組成。 主軸部件的工作性能對整機(jī)性能和加工質(zhì)量以及機(jī)床生產(chǎn)效率有著直接影響，是決 定機(jī)床性能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的重要因素。因此，對主軸部件有如下要求： 許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 14 （1）軸的旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后，在無載荷、低速轉(zhuǎn)動的條件下，主軸安裝工件或刀 具部位的定心表面（如車床軸端的定心短錐、錐孔，銑床軸端的 7：24 錐孔）的徑向和 軸向跳動。旋轉(zhuǎn)精度取決于的主要件如主軸、軸承、殼體孔等的制造、裝配和調(diào)整精度。 工件轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)精度還取決于主軸的轉(zhuǎn)速、軸承的性能，潤滑劑和主軸組件的平衡。 （2）剛度 主軸部件的剛度是指其在外載荷作用下抵抗變形的能力，通常以主軸前 端產(chǎn)生單位位移的彈性變形時，在位移方向上所施加的作用力來定義的。主軸部件的剛 度是綜合剛度，它是主軸、軸承等剛度的綜合反映。因此，主軸的尺寸和形狀、滾動軸 承的類型和數(shù)量、預(yù)緊和配置形式、傳動件的布置方式、主軸部件的制造和裝配質(zhì)量等 都影響主軸部件的剛度。 （3）溫升 因為相對運動處的摩擦生熱，切削取得切削熱等使主軸溫度升高將引起 熱變形使主軸伸長， 軸承間隙的變化， 降低了加工的精度； 溫升也會降低潤滑劑的粘度， 惡化潤滑條件。因此，各類機(jī)床對溫升都有一定的限制。 （4）可靠性 數(shù)控機(jī)床是高度自動化的機(jī)床，所以必須保證工作可靠性，可喜的是 這方面的研究正在發(fā)展。 （5）精度保持性 它指長期保持其原始制造精度的能力。對數(shù)控機(jī)床的主軸組件必 須有足夠的耐磨性，以便長期保持精度。 2主軸部件的組成和軸承選型 （1）主軸部件，它由主軸及其支承軸承、傳動件、密封件及定位元件等組成。 （2） 主軸的傳動件， 可以位于前后支承之間， 也可位于后支承之后的主軸后懸伸端。 目前傳動件位于后懸伸端的越來越多。這樣做，可以實現(xiàn)分離傳動和模塊化設(shè)計：主軸 組件（稱為主軸單元）和變速箱可以做成獨立的功能部件，又專門的工廠集中生產(chǎn)，作 為商品出售。變速箱和主軸間可用齒輪副或帶傳動聯(lián)接。本三坐標(biāo)曲面數(shù)控銑床采用帶 傳動聯(lián)接。主軸支承分徑向和推力（軸向） 。角接觸球軸承兼起徑向和推力支承的作用。 推力支承應(yīng)位于前支承內(nèi)，原因是數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)原點，常設(shè)定在主軸前端。為了減少 熱膨脹造成的坐標(biāo)原點的位移，應(yīng)盡量縮短坐標(biāo)原點支推力支承之間的距離。 （3）主軸軸承，選用角接觸球軸承。這種軸承即可承受徑向載荷，又可承受軸向載 荷。這種球軸承為點接觸，剛度較低。為了提高剛度和承載能力，常采用多聯(lián)組配的辦 法。有三種基本組配方式，分別為背對背，面對面和同向組配，背靠背和面對面組配都 能受雙向軸向載荷；同向組配只能承受單向軸向載荷。背對背比面對面安裝的軸承具有 較高的抗顛覆力矩的能力。運轉(zhuǎn)時，軸承的外圈的散熱條件比內(nèi)圈好，因此，內(nèi)圈的溫 度將高于外圈，徑向膨脹的結(jié)果將使軸承的過盈加大。軸向膨脹對與背靠背組配將使過 盈減少，于是，可以補(bǔ)償一部分徑向膨脹；而對于面對面組配，將使過盈進(jìn)一步加大。 基于上述分析，主軸受到彎距，又屬高速運轉(zhuǎn)，因此主軸軸承必須采用背靠背組配。 許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 15 （4）角接觸角軸承的間隙調(diào)整和預(yù)緊 主軸軸承的內(nèi)部間隙，必須能夠調(diào)整，多數(shù)軸承，還應(yīng)在過盈狀態(tài)下工作，使?jié)L動 體和導(dǎo)軌之間有一定的預(yù)變形，這就是軸承的預(yù)緊。 軸承預(yù)緊后，內(nèi)部無間隙，滾動體從各個方向支承主軸，有利于提高運動精度。滾 動體的直徑不可能絕對相等，滾道也不可能絕對正圓，因而在預(yù)緊前只有部分滾導(dǎo)體與 滾道接觸。預(yù)緊后，滾導(dǎo)體和滾道都有了一定的變形，參加工作的滾動體將增多，各滾 動體的受力將更加均勻。這些都有利提高軸承的精度、剛度和壽命。如主軸產(chǎn)生振動， 則由于各個方面都有滾動體支承，可以提高抗振性。但是，預(yù)緊后發(fā)熱較多，溫升較高； 而且較大的預(yù)緊力將使壽命下降，故預(yù)緊要適量。 角接觸角軸承在軸向力的作用下，使內(nèi)外圈產(chǎn)生軸向錯位實現(xiàn)預(yù)緊，衡量預(yù)緊力大 小的是軸向預(yù)緊力，簡稱預(yù)緊力 Fa0，單位為 N。多聯(lián)角接角球軸承是根據(jù)預(yù)緊力組配 的。軸承廠規(guī)定了輕預(yù)緊、中預(yù)緊和重預(yù)緊三級預(yù)緊。訂貨時可指定預(yù)緊級別。軸承廠 在內(nèi)圈（背靠背組配）或外圈（面對面組配）的端面根據(jù)預(yù)緊力磨去。裝配時擠緊， 便可得到預(yù)定的預(yù)緊力。如果兩個軸承間需要隔開一定的距離，可在兩軸承之間加入厚 度相同的內(nèi)外隔套。 在軸向載荷的作用下， 不受力側(cè)軸承的滾動體與滾道不能脫離接觸。 而滿足這個條件的最小預(yù)緊力，雙聯(lián)組配為最大軸向載荷的 35%。 （5） 承載能力和壽命 主軸軸承通常載荷相對較輕。一些特殊重載主軸外軸承的承載能力是沒有問題的。 主軸軸承的壽命，主要不是取決于疲勞點蝕，而是由于磨損而降低精度。通常，如軸承 精度為 P4 級，經(jīng)使用磨損后跳動精度降為 P5 級,這個軸承就認(rèn)為應(yīng)該更換了。雖然還 未達(dá)到其疲勞壽命，但這種“精度壽命”目前還難以估計。 3主軸組件的動態(tài)特性 通常，主軸組件的固有頻率很高，但是，高速主軸，特別是帶內(nèi)裝式電動機(jī)高速主 軸，電動機(jī)轉(zhuǎn)子是一個集中質(zhì)量，將使固有頻率下降，有可能發(fā)生共振。改善動態(tài)特性， 可采取下列措施： （1） 是主軸組件的固有頻率避開激振力頻率。 通常使固有頻率高于激振頻率的 30% 以上。 如果發(fā)生共振的那階模態(tài)屬于主軸在彈性基礎(chǔ)上 （軸承） 的剛體振動的第一階 （平 移）和第二階（搖擺）模態(tài)，則應(yīng)提高軸承的剛度。如果屬于主軸的彎曲振動，則應(yīng)提 高主軸的剛度，如加粗直徑。 激振力可能來自主軸組件的不平衡，這時激振頻率等于主軸轉(zhuǎn)速乘以 /30。 也可能來自斷續(xù)切削，這時激振頻率還應(yīng)乘以刀齒數(shù) Z。 （2）增大阻尼。如前所述，降低模態(tài)，常是主軸的剛度振動。這時主軸軸承，特 別是前軸承的阻尼對主軸組件的抗振性影響很大。如果要求得到很光的加工表面，滾動 許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 16 軸承適當(dāng)預(yù)緊可以增大阻尼，但過大的預(yù)緊反而使阻尼減少，故選擇預(yù)緊時還因考慮阻 尼因素。 （3）采用消振裝置。 4主軸軸承的潤滑 滾動軸承在接觸區(qū)的壓強(qiáng)很高，在這么高的壓強(qiáng)下，接觸區(qū)產(chǎn)生變形，是一塊小面 積的接觸而不是一條線或一個點的接觸；潤滑劑在高壓下被壓縮，粘度升高了。因此， 才能在滾動體與滾道的接觸區(qū)，形成一定厚度的油膜，把兩者隔開，滾道體與滾道的接 觸面積很小，所以，滾動軸承所需的潤滑劑很少的。當(dāng)然，也可用脂潤滑，還有用油氣 潤滑的。 （1） 脂潤滑 滾動軸承能用脂潤滑是它的突出優(yōu)點之一。脂潤滑不需要供油管路和系統(tǒng)，沒有漏 油問題。如果脂的選擇合適、潔凈、密封良好，不使灰塵、油、切削液等進(jìn)入，壽命是 很長的。一次充填可用到大修，不需補(bǔ)充，也不要加脂孔。 脂潤滑可選用鋰基脂，如 SKFLGLT2 號（常用于球軸承） 。 （2） 油氣潤滑 如果 dn 值較大時，還需對軸承進(jìn)行冷卻。如果用油兼作潤滑和冷卻，則由于油的 攪拌作用，溫升反而會增加。最好用油潤滑，用空氣冷卻。油霧潤滑能達(dá)到這個目的， 但是易污染環(huán)境。比較好的方法是油氣潤滑：在吹向軸承的空氣中定期地注入油，油并 不霧化，用后可回收，不污染環(huán)境。油 用于潤滑，空氣用于冷卻。 3.2 主軸系統(tǒng)計算 V 帶傳動的設(shè)計計算 三角帶的選用應(yīng)保證有效地傳遞最大功率（不打滑）并有足夠的使用壽命（一定的疲 勞強(qiáng)度） 。帶傳動設(shè)計計算的主要內(nèi)容包括確定帶的型號、基準(zhǔn)長度和根數(shù)；確定帶輪 的材料、結(jié)構(gòu)尺寸；確定傳動中心距及作用在軸上的力等。 (1) 確定計算功率 Pd P Ad =4 .14122 . 1=kW 式中：K A工況系數(shù)(工作情況系數(shù)) P電機(jī)額定功率 Kw (2) 選擇三角帶型號 根據(jù) Pd、n1由圖 7-8 選 SPA 型 窄 V 帶 (3) 確定帶輪直徑 D1、D2 小帶輪直徑 D1應(yīng)滿足：D 1 Dmin，以免帶的彎曲應(yīng)力過大而導(dǎo)致其壽命降低。 查 許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 17 表 7-4 取 Dmm90 min= ,故選擇 Dmm100 1= (4) 計算膠帶速度 smsm nD v/25/5 . 6 60000 1250100 100060 11 =120162 1 ， 即滿足條件。 (7) 確定 V 帶根數(shù) z V 帶根數(shù) Z 可按下式計算： L d KKPP P z )( 00 + = 由表 7-6a 查得 kW27. 2 0 = ) 1 1 ( 10 i b K nK= 由表 7-10 查得 3 107862. 2 = b K 由表 7-11 查得 1199. 1= i K 許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 18 ) 1199. 1 1 1 (1250107862. 2 3 = i P kW38. 0= 由表 7-9 查得 96. 0= K 由表 7-3 查得 89. 0= L K 代入求根公式，得 96. 089. 0)38. 027. 2( 4 .14 + =z 02. 6= 取 z=6,符合表 7-4 推薦的輪槽數(shù) (8) 確定初拉力 0 F 單根 V 帶合適的初拉力可按下式計算： 2 0 ) 1 5 . 2 (500qv Kzv P F d += 由表 7-5 得 mkgq/12. 0= 2 0 5 . 612. 0) 1 1 5 . 2 ( 5 . 66 4 .14 500+ =F N282= (9) 計算作用在軸上的壓力Q 2 sin2 1 zQ= 2 162 sin28262= N3383= 3.3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計 3.3.1 對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求 進(jìn)給伺服系統(tǒng)不但是數(shù)控機(jī)床的一個重要組成部分，也是數(shù)控機(jī)床區(qū)別于一般機(jī)床 的一個特殊部分。數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)可歸納為：定位精度高；跟蹤指 令信號的響應(yīng)快；系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。 (1) 穩(wěn)定性 伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當(dāng)作用在系統(tǒng)上的擾動信號消失后， 系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來的 穩(wěn)定狀態(tài)下運行,或者在輸入的指令信號作用下，系統(tǒng)能夠達(dá)到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能 力。 伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是系統(tǒng)本身的一種特性， 取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成元件的參數(shù) （如 許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 19 慣性、剛度、阻尼、增益等） ， ，與外界的作用信號（包括指令信號或擾動信號）的性質(zhì) 或形式無關(guān)。 (2) 精度 伺服系統(tǒng)的精度是指系統(tǒng)的輸出量復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。 伺服系統(tǒng)工作過程中通 常存在三種誤差：動態(tài)誤差、穩(wěn)定性誤差和靜態(tài)誤差。實際中只要保證系統(tǒng)的誤差滿足 精度指標(biāo)就行。 (3) 快速響應(yīng)性 快速響應(yīng)特性是指系統(tǒng)對指令輸入信號的響應(yīng)速度及瞬態(tài)過程結(jié)束的迅速程度。 它 包含系統(tǒng)的響應(yīng)時間，傳動裝置的加速能力。它直接影響機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)率。 3.3.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計要求 在靜態(tài)設(shè)計方面有： (1) 能夠克服摩擦力和負(fù)載； (2) 很小的進(jìn)給位移量； (3) 高的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度； (4) 足夠的調(diào)速范圍； (5) 進(jìn)給速度均勻，在速度很低時無爬行現(xiàn)象； 在動態(tài)設(shè)計方面的要求有： (1) 具有足夠的加速和制動轉(zhuǎn)矩； (2) 具有良好的動態(tài)傳遞性能，以保證在加工中獲得高的軌跡精度和滿意的表面質(zhì) 量； (3) 負(fù)載引起的軌跡誤差盡可能??； 對于數(shù)控機(jī)床機(jī)械傳動部件則有以下要求 (1)被加速的運動部件具有較小的慣量； (2)具有較高的剛度； (3)良好的阻尼； (4)傳動部件在拉壓剛度、 扭轉(zhuǎn)剛度、 摩擦阻尼特性和間隙等方面盡可能 小的非線性； 3.3.3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性及伺服性能分析 1時間響應(yīng)特性 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性，按其描述方法的不同，分為時間響應(yīng)特性和頻率響應(yīng)特 性。 時間響應(yīng)特性是用來描述系統(tǒng)對迅速變化的指令能否迅速跟蹤的特性，它由瞬態(tài)響 許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 20 應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)兩部分組成。由于系統(tǒng)包含一些儲能元件，所以當(dāng)輸入量作用于系統(tǒng)時， 系統(tǒng)輸出不能立刻跟隨輸入量變化，而是在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定之前表現(xiàn)為瞬態(tài)響應(yīng)過程（或 叫過渡過程） 。穩(wěn)定響應(yīng)是指當(dāng)時間 t 趨向無窮大時系統(tǒng)的輸出狀態(tài)。若在穩(wěn)定時，輸 出和輸入不能完全吻合，就認(rèn)為系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差。 2. 頻率響應(yīng)特性 時間響應(yīng)特性是從微分方程出發(fā)，研究系統(tǒng)響應(yīng)隨時間的變化的規(guī)律，即在已知傳 遞函數(shù)的前況下，從系統(tǒng)在階越輸入及斜坡輸入時間應(yīng)速度及振蕩過程的狀態(tài)中來獲得 動態(tài)特性參數(shù)。然而在很多情況下，傳遞函數(shù)不清楚，所以只能由試驗的方法來求取動 態(tài)特性。因此出現(xiàn)頻率響應(yīng)特性法。所謂頻率響應(yīng)特性,就是系統(tǒng)對正弦輸入信號的響 應(yīng)，即它通過研究系統(tǒng)對正弦輸入信號的響應(yīng)規(guī)律來獲得啟動態(tài)特性。 3. 快速性分析 所謂快速性分析是指分析系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能，快速性反映了系統(tǒng)的瞬態(tài)質(zhì)量。 對于線性進(jìn)給伺服系統(tǒng)，由于它包含各種電路、機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置和機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，系 統(tǒng)各環(huán)節(jié)都有時間常數(shù)，對高頻信號來不及反應(yīng)，只是一個地通漏波器。這種系統(tǒng)的通 頻寬帶，對高頻信號響應(yīng)速度快，所以從開環(huán)頻率特性圖看，提高系統(tǒng)的截止頻率，則 可以提高閉環(huán)回路的響應(yīng)速度。 3.4 進(jìn)給傳動的計算 3.4.1 X 軸滾珠絲杠副 (1) 精度 要求：進(jìn)給精度mm01. 0 快速進(jìn)給精度min/6m (2) 疲勞強(qiáng)度 絲杠的最大載荷為最大進(jìn)給力加摩擦力， 最大進(jìn)給力為1625N,工作臺質(zhì)量700kg, 則： 1） 求計算載荷 Fc NFFf248 . 90035. 0700 min = NF1649241625 max =+= 3 2 minmax FF Fm + = 3 2421649+ = N1107= 根據(jù)機(jī)電一體化設(shè)計基礎(chǔ) 許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 21 計算載荷 c F MAHFc FKKKF= 查表 2-6 取 2 . 1= F K 查表 2-8 取 0 . 1= A K 查表 2-7 取 0 . 1= H K 查表 2-4 取 D 級精度 則： NFc132811070 . 10 . 12 . 1= 2） 計算額定動載荷計算值 a C 取絲杠的工作壽命為hLh20000 =,min/100rnm= 3 1067. 1 4 = hmL n ca FC 3 1067. 1 20000100 4 1328 = N6546= 3） 選用 FC1-4020-2.5 型絲杠，由表 2-9 得絲杠副數(shù)據(jù)： 公稱直徑 mmD50 0 = 導(dǎo)程 mmp10= 滾珠直徑 mmd953. 5 0 = 按表 2-1 種尺寸公式計算： 滾道半徑 mmdR096. 3953. 552. 052. 0 0 = 偏心距 mm d Re 20 104 . 8) 2 953. 5 096. 3(707. 0) 2 (707. 0 = 絲杠內(nèi)徑 mmReDd98.33096. 32104 . 824022 2 01 =+=+= 4） 穩(wěn)定性驗算 絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負(fù) 荷。另一端游動，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變 形后可在游動端自由伸縮，如下圖。 螺母 固定端 游動端 由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計時應(yīng)驗算其 安全系數(shù)S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)S 絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 cr F，并按下式計算 許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 22 2 2 )(l EI F a cr = 式中，E 為絲杠材料的彈性模量，對于鋼,E=206Gpa；l 為絲杠工作長度（m） ； a I為 絲杠危險截面的軸慣性矩（ 4 m） ；為長度系數(shù)，取 3 2 =。 48 4 1 1054. 6 64 m d Ia = NFcr 6 2 892 1087. 1 )4 . 0 3 2 ( 105 . 610206 = = 安全系數(shù) 3 6 1059. 1 1107 1087. 1 = = m cr F F S 查表 2-10，S=2.53.3 ,SS,絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。 高速長絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速 臨界轉(zhuǎn)速 cr n。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速 cr nn，所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。 此外滾珠絲杠副還受nD0值的限制，通常要求min/107 4 0 rmmnDS,絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。 高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速臨 界轉(zhuǎn)速 cr n。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速 cr nn，所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。 此外滾珠絲杠副還受nD0值的限制，通常要求min/107 4 0 rmmnDS,絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。 高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速臨 界轉(zhuǎn)速 cr n。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速 cr nn，所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。 此外滾珠絲杠副還受nD0值的限制，通常要求min/107 4 0 rmmnD min/107min/10410040 43 0 rmmrmmnD= 5）剛度驗算 滾珠絲杠在工作負(fù)載 F(N)和轉(zhuǎn)矩 T(mN)共同作用下引起每個導(dǎo)程的變形量 0 L(m)為： c GJ Tp EA pF L 2 2 0 = 式中:A 絲杠截面積, 2 1 4 1 dA=； c J為絲杠的極慣性矩， 4 1 32 dJc =；G 為絲杠 切變模量，對鋼GPaG3 .83=；T 為轉(zhuǎn)矩。 )tan( 2 0 += D FT m 式中：為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)； m F為平均工作載荷 許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 30 mNT=+= 54. 4)2 . 0334tan(10 2 40 2762 3 按最不利的情況?。ㄆ渲?m FF=） 4 1 2 2 2 1 2 0 164 2Gd Tp Ed pF GJ Tp EA pF L c +=+= 492 23 29 3 )03398. 0(103 .83)14. 3( 54. 4)1010(16 )03398. 0(1020614. 3 276210104 + = m 2 107 . 9 = 則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為： m p L lL85. 4 1010 107 . 9 5 . 0 3 2 0 = = = 通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差L小于其傳動精度的 1/2，即 mmmL5005. 01 . 0 2 1 2 1 = 該絲杠的L滿足上市，所以其剛度可以滿足要求。 6）效率驗算 滾珠絲杠副的傳動效率為 947. 0 )2 . 0334tan( ) 334tan( )tan( tan = + = + = 要求在 90%95%之間，所以該絲杠副合格。 經(jīng)上述計算驗算，F(xiàn)C1-4010-2.5各項性能均符合題目要求，所以合格。 3.4.4 滾珠絲杠的安裝與使用 (1)潤滑 為使?jié)L珠絲杠副能充分發(fā)揮機(jī)能，在其工作狀態(tài)下，必須潤滑，潤滑方式主要有以 下兩種 1.潤滑脂 潤滑脂的給脂量一般是螺母內(nèi)部空間容積的1/3，一般滾珠絲杠副在螺母內(nèi)部已加 注GB7324-94 2#鋰基潤滑脂； 2.潤滑油 潤滑油的給油量標(biāo)準(zhǔn)如表16所示，但是隨行程、潤滑油的種類、使用條件（熱抑 制量）等的不同而有所變化。請注意使用。 表16 潤滑油的給油量標(biāo)準(zhǔn)（間隔3分鐘） 許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 31 表三表三表三表三潤滑油的給油量標(biāo)準(zhǔn)潤滑油的給油量標(biāo)準(zhǔn)潤滑油的給油量標(biāo)準(zhǔn)潤滑油的給油量標(biāo)準(zhǔn) 軸 頸 (mm) 給油量 (cc) 48 0.03 1014 0.05 1518 0.07 2025 0.10 2832 0.15 3640 0.25 4550 0.30 5563 0.40 70100 0.50 100160 0.60 (2)防塵 滾珠絲杠副與滾動軸承一樣，如果污物及異物進(jìn)入就很快使它磨耗，成為破損的原 因。因此，考慮有污物異物（切削碎削）進(jìn)入時，必須采用防塵裝置（折皺保護(hù)罩、絲 杠護(hù)套等），將絲杠軸完全保護(hù)起來。 另外，如沒有異物，但有浮塵時可在滾珠螺母兩端增加防塵圈，請用戶根據(jù)需要按 編號規(guī)則選定合適規(guī)格型號。 (3)使用 滾珠絲杠副在使用時應(yīng)注意以下事項： 1.滾珠螺母應(yīng)在有效行程內(nèi)運動，必要時要在行程兩端配置限位，以避免螺母越程 脫離絲杠軸而使?jié)L珠脫落。 2.滾珠絲杠副由于傳動效率高，不能自鎖，在用于垂直方向傳動時，如部件重量未 加平衡，必須防止傳動停止或電機(jī)失電后，因部件自重而產(chǎn)生的逆?zhèn)鲃?。防逆?zhèn)鲃臃椒?可用蝸輪蝸桿傳動、液壓式電器制動器及超越離合器等。 (4)安裝 滾珠絲杠副在安裝時應(yīng)注意以下事項： 許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院