（精密儀器及機械專業(yè)論文）小型精密鐘表機床的研制(精密儀器及機械專業(yè)優(yōu)秀論文).pdf

上海大學碩士研究生學位論文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 摘要 鐘表師在制作鐘表零部件時，往往需要一臺小型精密鐘表機床，文獻表明： 現(xiàn)有的鐘表機床存在結構復雜、功能單一、精度較低、等缺點，因而開發(fā)一臺結 構簡單、緊湊、功能多樣化、精度較高的小型鐘表機床有其現(xiàn)實意義。 本文設計的鐘表機床包括基座、三維精密工作臺、支架、傳動機構以及主軸 系統(tǒng)五大部分。根據(jù)鐘表及微小零件加工的一般要求，通過科學的分析，得出該 機床較為合理的基本技術參數(shù)和精度指標；同時，也確立了機床的加工功能，它 與各種機床附件的配合使用可完成：車削、銑削、鉆孔、鏜孔、表面打磨和拋光 等機加工。本文完成了機床的總體設計、機床機械部分各主要機構的具體設計、 電器控制部分設計；并采用s o l i dw o r k s 軟件對機床進行了三維實體造型；借助 a n s y s 軟件對機床的關鍵零部件作了有限元分析，并以此指導設計，有效提高 了機床的精度；設計過程中，作者對機床的主體機構作了精度分析和校核，證明 了該設計可以達到預期的目標。 在設計期間，充分考慮到機床光、機、電一體化產(chǎn)品方向的后續(xù)發(fā)展，作者 對機床自動控制裝置、光學顯微鏡裝置的添加預留了接口，并對此作了初步的探 討。 關鍵詞：鐘表機床變頻調(diào)速器三維實體造型有限元分析精度分析 小型精密鐘表機床的研制 t h er do fm i n i a t u r ep r e c i s i o nh o r o l o g i c a lm a c h i n et o o l a b s t r a c t w h e nt h eh o r o l o g i s tm a n u f a c t u r e st h ec o m p o n e n t so ft h ew a t c h ，i ti sn e c e s s a r y f o rh i mt oh a v eam i n i a t u r ep r e c i s i o nh o r o l o g i c a lm a c h i n et 0 0 1 a c c o r d i n gt ot h e c o l l e c t i n gd a t u m ，m a n yh o r o l o g i c a lm a c h i n et o o l si nt h em a r k e th a v es u c hd e f e c t sa s ， c o m p l i c a t e d ，l i t t l ef u n c t i o n sa n dl o wp r e c i s i o ne t c a sar e s u l t ，t h ea u t h o rd e s i g n sa m i n i a t u r eh o r o l o g i c a lm a c h i n et o o l 謝也t h ec h a r a c t e r i s t i c s ：s i m p l es t r u c t i o n m a n y f u n c t i o n s ，a n dh i g hp r e c i s i o n t h em a c h i n et o o lm a i n l yc o n s i s t so ff i v ep a r t s t h e ya r et h e3 dp r e c i s i o n w o r k i n gt a b l e ，t h es u p p o r t i n gf r a m e ，t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s ma n dt h es p i n d l e s y s t e m a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t so ft h el i t t l ec o m p o n e n t so ft h e w a t c ha n dt h r o u g ht h es c i e n t i f i ca n a l y s i s ，t h ea u t h o rg e t st h er a t i o n a lp a r a m e t e r sa n d t h ei n d e xm a r ko f t h et 0 0 1 a tt h es a l i l et i m e ，t h ea u t u o rb u l i d st h et o o l sf u n c t i o n sw i t h t h eh e l po ft h ea c c e s s a r i e s ，s u c ha st u r n i n g ，m i l l i n g ，d r i l l i n g ，b o r i n g ，s u r f a c ed r e s s i n g a n dt h ep o l i s h i n ge t e i nt h i ss u b j e c t ，t h ea u t h o rf i n i s h e st h ew h o l ed e s i g np r o p o s a l ，t h e s t r u c t u r a ld e s i g no fa l lt h et o o l sm e c h a n i s m s a n df i n i s h e st h ed e s i g no ft h ee l e c t i c a l c o n t r o ld e v i c e a n dt h ea u t h o rc r e a t e st h em a c h i n et o o l s3 ds o l i dm o d e l 、i t l lt h eh e l p o f t h es o l i dw o r k sa n dc a r r i e so u tt h ef e a t ot h em a c h i n et o o l sk e yc o m p o n e n t sa n d t h er e s u l t sc a nb eu s e dt oi n s t r u c tt h ed e s i g n ，a n dt h u si ti su s e f u lt oi m p r o v et h e p r e c i s i o no ft h em a c h i n et 0 0 1 f u r t h e r m o r e ，t h e a u t h o rf i n i s h e st h et h e o r e t i c a l p r e c i s i o na n a l y s i so ft h em a c h i n et o o l ，i tp r o v e st h a tt h i sd e s i g nc a nr e a c ht h e a n t i c i p a t i v eg o a l i nt h ec o l l r s eo fd e s i g n ，c o n s i d e r i n gt h es u b s e q u e n td e v e l o p m e n tt h a tt h e m a c h i n et o o lw i l lb em a d ei n t oan e w p r o d u c ti n t e g r a t i n gw i t ht h eo p t i c s ，m e c h a n i c s a n de l e c t r o n i c s ，t h ea t u t h o rp r o v i d e st h ei n t e r f a c e sf o rt h em i c r o s c o p ee q u i p m e n ta n d t h ea u t o m a t i cc o n t r o ld e v i c e ，o nt h eo t h e rh a n d ，t h ea u t h o ra l s om a k e ss o m e p r e l i m i n a r ye x p l o r a t o r yr e s e a r c h k e y w o r d s ：h o r o l o g i c a lm a c h i n et o o l ，f r e q u e n c yv a r i a t i o ns p e e dc o n t r o l l e r , 3 ds o l i dm o d e l ，f e a ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) ，p r e c i s i o na r i a l y s i s i j 原創(chuàng)性聲明 本人聲明：所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作。 除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已發(fā)表 或撰寫過的研究成果。參與同一工作的其他同志對本研究所做的任何 貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 本論文使用授權說明 本人完全了解上海大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權保 留論文及送交論文復印件，允許論文被查閱和借閱；學?？梢怨颊撐牡娜炕?部分內(nèi)容。 ( 保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定) 簽名：趁蕉瓠導師簽名：乜熏笪! 歪日期：蘭蜉! 臼筍 上海大學碩士研究生學位論文 t h ep o s f g r a d u a t e t h e s i so fs h a n g h a u n i v e r s i t y 第一章緒論 引言 隨著我國市場經(jīng)濟的發(fā)展，社會對機電一體化產(chǎn)品的多品種、小批量、個性 化的要求日益增強。鐘表業(yè)在這方阿的要求尤為突出，為滿足這種需求，開發(fā)小 型精密機床有廣闊的應用價值，它適合獨立鐘表師的工作需求。本文就這一項目 丌展設計分析和研究。 1 1 1 課題背景【4 】 我國自二十世紀五十年代生產(chǎn)首款手表以來，鐘表產(chǎn)業(yè)取得了長足的發(fā)展。 如今，我國每年的手表產(chǎn)量達十四億塊，時鐘產(chǎn)量達六億臺，分別占世界總產(chǎn)量 的百分之八十和百分之九十以上，成為鐘表生產(chǎn)的第一大國，然而中國鐘表在國 際市場上的競爭力并不強。經(jīng)營理念落后、出口產(chǎn)品技術含量低、品牌培育意識 不強等劣勢阻礙了我國鐘表產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。為此，我國的鐘表企業(yè)需采取重 研發(fā)、創(chuàng)名牌、走出去加強技術研發(fā)，充分提高產(chǎn)品附加值的相應對簸才能提升 我國鐘表的競爭力。 對于一位獨立的鐘表師來說，鐘表零件一般是在機床上加工完成的。文獻表 明，目前市場上鐘表機床大多數(shù)有車、銑、鉆等單一的功能，但鐘表機構一般都 較為復雜，有主夾板、夾板( 包括中央輪夾板、第四輪夾板、擺輪半夾板) 、擒 縱輪夾板。各種夾板上還有凸臺、沉孔等等，這樣，一個零件就很難在一臺單一 功能的機床上完成。夾板平面用銑床銑削，沉孔則采用鉆床進行鉆削等等；更重 要的是，鐘表部件所要求的這種車削、銑削、鉆削等工藝的精度比較高，如果多 次裝夾顯然會影響加工精度，此外，鐘表零件表面的精飾加工往往需要工件與刀 具成不同的傾角；加工曲面時，要求銑刀在銑削時呈一定的傾斜。雖然這些要求 數(shù)控加工中心( c n c ) 能夠滿足，但對獨立鐘表師或規(guī)模較小的研發(fā)部門來說， 其投資成本太高。有鑒于此，研制一臺具有多自由度( 5 個自由度) 、多種功能 ( 具有車、銑、鉆等功能) 的小型鐘表機床是非常有必要的。經(jīng)市場調(diào)查、文獻 表明，尚無類似的機床出現(xiàn)。 1 1 2 國內(nèi)外“鐘表機床”的研究情況簡介 1 1 2 1 機床的發(fā)展趨勢 目前，機床的數(shù)控化、數(shù)控機床的p c 化是大勢所趨，與此同時，機床業(yè)還 在進一步提高和開發(fā)高精度、高效率、高自動化( 簡稱“三高”) 、多樣性、成套 性、綜合性( 簡稱“三性”) 的單機與環(huán)節(jié)。現(xiàn)代機床制造業(yè)的發(fā)展，已經(jīng)擺脫 了單一工藝加工的束縛，多工藝復合加工機床不斷涌現(xiàn)，復合化也是近幾年機床 了單一工藝加工的束縛，多工藝復合加工機床不斷涌現(xiàn)，復合化也是近幾年機床 小型精密鐘表機床的研制 t h er do fm r n i a l u r ep r e c s i o nh o r o l o g i c a lm a c h i n et o o l 發(fā)展的模式，它將多種動力頭集中在一臺機床上，工件一次裝夾就可完成多道工 序，從而提高工件的加工精度。在特殊加工機床領域，如混合式微型機床有了長 足的發(fā)展( d e v e l o p m e n to f h y b r i dm i c r om a c h i n et 0 0 1 ) ；此外新技術在機床加工 業(yè)的應用：如在銑削工藝中的刀具智能在線監(jiān)控系統(tǒng)( a ni n t e l l i g e n to n - l i n e m o n i t o r i n gs y s t e m ) i 拘研制等等，都是現(xiàn)代機床業(yè)發(fā)展的方向。 1 1 2 2 著名廠家生產(chǎn)的機床 就小型精密機床來說，瑞士、英國、美國、日本和德國生產(chǎn)的產(chǎn)品較為先進。 瑞士更因其鐘表產(chǎn)業(yè)在國際上的領先地位，其生產(chǎn)的小型鐘表機床在市場上受到 青睞。 1 圖1 是瑞士威力銘w i l l m i n 一- 4 0 8 加工中心，它有 五軸五聯(lián)動加工的能力。該加工中心除x 、y 、z 三自 由度直線運動外，還帶有一個擺動盤和一個旋轉工作 臺。圖中，a 軸繞x 軸旋轉，b 軸繞y 軸旋轉，c 軸繞 z 軸旋轉，從而擺動盤繞y 軸旋轉是b 軸，旋轉工作臺 繞z 軸旋轉是c 軸。擺動軸b 與旋轉軸c 垂直相交， 。， 擺動盤b 的旋轉中心落在旋轉軸c 上，本課題需要研制 的機床與此加工中心在結構上有些類似，并且它們都具 有五個自由度。 2 圖1 - 2 所示為美國s h e r l i n e 公司生產(chǎn)的m o d e l 4 5 0 0 小型車床。其特點是，該型 號機床配有大量的酣件，這些附件使該機床可以實現(xiàn)車削、鏜削、鉆削、鉸孔、 拋光、成形面以及錐面加工等操作。速度 控制的范圍為7 0 r p m 到2 8 0 0 r p m 。利用調(diào) 零手輪，操作者可以隨時重新置零，從而 在加工時有利于消除因計算而引起的誤 差。 3 圖1 3 是s h e r l i n e 公司最近開發(fā)的 m o d e l 5 4 0 0 型小銑床。車床與銑床的不同圖l - 2 m o d e l 4 5 0 0 小型車床 在于：車床是工件旋轉、刀具固定，而銑 床是刀具旋轉、工件固定。m o d e l 5 4 0 0 系列小銑床目前是s h e r l i n e 公司的主流產(chǎn) 品，該型號機床的特點不僅在于其配有完善的附件，且其結構設計也非常緊湊、 合理。該立式銑床可實現(xiàn)如飛刀切削，鉆削，擴孔等操作。 上海大學碩士研究生學位論文 t h ep o s t g r a d u a t e1 h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 銑床在運作時，刀具旋轉，工件固定不動，因 而大型的零部件只要被裝夾牢固，就可在機床上加 工。機床主軸電機為大功率的直流電機，并配有變 頻調(diào)速裝置，可連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率范圍從5 0 h z 到 6 0 h z 而不損失扭矩。圖1 3 型號的小銑床可實現(xiàn)的 運動自由度為四，即空間沿x 、y 、z 軸線的直線 運動以及繞z 軸旋轉運動。 4 圖1 _ 4 為s h e r l i n e 公司開發(fā)研制的 m o d e l 2 0 0 0 2 0 1 0 d e l u x e 8 d i r 銑床。它在保持了原來 功能的基礎上增加了豎直方向旋轉立柱沿z 軸的擺 轉，其幅度為一9 0 。 + 9 0 。，并且可通過激 圖卜3 m 0 d e l 5 4 0 0 型銑床 光雕刻的度盤準確控 制擺轉角度。旋轉立柱附屬裝置的后面是一個轉向 節(jié)，可使得主軸箱靠近或遠離操作人員實現(xiàn)傾斜。 另外，在新的基礎立柱上設計了一個主中心鎖緊裝 置，可使滑枕上下浮動。這些輔助運動加強了該型 號機床的功能。 圖1 - 4 m o d e l2 0 0 0 2 0 1 0 6 圖1 5 為s h e r l i n e 公司在基于m o d e l 5 4 0 0 型系列 小銑床的基礎上，在空間三坐標軸( x 、y 、z ) 上安裝了三個步進電機，再配有 合適的計算機軟硬件程序，就構成了一個簡單的c h l c 中心p n8 0 2 0 。它主要適 用于家庭作坊式手工藝人，他們希望利用c n c 的 優(yōu)點來成批力n q - d , 零件，以及加工一些手工不能完 成的的三維型面；同時該機床也適用于小型的研究 機構，供研究人員從事開發(fā)、研究，學生也可借助 于該機床來學習如何操作c n c 。 我國2 0 0 4 年機床市場需求在產(chǎn)品方面有一下 特點： 圖1 5 洲8 0 2 0 c n c 門式框架結構的機床繼續(xù)成為需求的熱點。 這種結構剛性好，裝夾方便，易于形成高速、高效的特點。 普通機床繼續(xù)保持熱銷狀態(tài)，但經(jīng)濟型數(shù)控機床將進一步替代普通機床的 部分市場。 小型精密鐘表機床的研制 t h er & do fm i n i a t u r ep r e c i s i o nh o r o l o g i c a lm a c h i n et o o l 對專門化及專用機床保持較高的需求。目前，專門化及專用的概念也有進 一步的擴大，用戶要求的是制造工藝和應用工藝的結合，即符合用戶特殊工藝要 求的功能專業(yè)化的機床。 當前，我國的鐘表業(yè)進入了前所未有的好時期，世界鐘表企業(yè)高度集中在我 國，即意味著信息、人才、設備、資金、技術等行業(yè)發(fā)展優(yōu)勢資源的高度集中， 運用好這些優(yōu)勢資源，不斷的去創(chuàng)新，開發(fā)新的產(chǎn)品那我們國家鐘表產(chǎn)業(yè)就會取 得更大的進展。 1 2 本課題的研究目標及意義 1 2 1 本課題研究目標 課題的研究目標是把鐘表機床設計成一臺如圖1 5 所示的帶有數(shù)控系統(tǒng)、集 成顯微鏡裝置的光、機、電一體化產(chǎn)品，它應具有五個運動自由度分別為x 、y 、 z ，以及繞z 軸的旋轉和繞z 軸的擺轉；配合機床附件它可完成車、銑、鉆、磨 等多種機加工：利用顯微鏡裝置的功能，它還可完成對微小元件的加工。 1 2 2 本課題的研究意義 機電一體化技術從2 0 世紀5 0 年代發(fā)展至今，開發(fā)的產(chǎn)品層出不窮。該技術 給傳統(tǒng)的機械產(chǎn)業(yè)和制造業(yè)從產(chǎn)業(yè)機構、生產(chǎn)方式和管理體制等方面也帶來了深 刻的變化，它是制造業(yè)特別是機械工業(yè)技術和產(chǎn)品發(fā)展的必然趨勢，本課題研制 的小型鐘表機床也是一種機電一體化產(chǎn)品。該機床不僅僅供鐘表師對鐘表零部件 進行維修以及開發(fā)、研制新型的鐘表產(chǎn)品，同時也可供科研、教學單位或小型修 理業(yè)來完成單件、小批小型零件的機加工；此外還可進行市場化運作。 1 。3 本文的主要內(nèi)容概述 作者本著“實用化”的目的從機床的基本參數(shù)著手，完成了機床的總體方案 設計；整個機床的機械部分設計，包括基座、三維精密工作臺、支架、傳動機構、 主軸系等五個組成部分；對于電器控制部分的設計，作者運用變頻調(diào)速技術完成 了主驅動電機的調(diào)速裝置設計；此外作者使用三維軟件s o l i d w o r k s 對機床進行了 三維造型，提供了其三維造型圖；同時對機床的前景設計做了許多積極的探索。 4 上海大學碩士研究生學位論文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 本文主要內(nèi)容包括： 第一章 本章緒論，分析了課題的研究背景，介紹了當前國內(nèi)外小型鐘 表機床的研究現(xiàn)狀，闡述了課題的研究意義。 第二章介紹t d , 型精密鐘表機床的技術參數(shù)，提出了機床設計的總體 方案。 第三章 具體闡述了機床機械部分的設計，包括三維工作臺、支撐部件、 傳動機構以及主軸系的設計。 第四章 電器控制部分設計，作者在本章中簡要闡述了如何利用變頻調(diào) 速技術來控制微型三相異步電動機，提出了具體的實施方案。 第五章利用三維造型軟件s o l i d w o r k s 建立機床的三維實體造型，并在 此基礎上利用a n s y s 軟件對機床重要零部件進行了有限元分 析。 第六章闡述了精度分析的一般方法，對機床精度進行了理論分析，找 出了其中的誤差源。并提出設計中相應的控制措旌。 第七章對本文作了總結，提出了機床設計中存在的不足之處，對下一 步的工作做了展望。 1 4 本章小結 在本章中，作者對課題的研究背景以及國內(nèi)外相關鐘表機床的研究現(xiàn)狀作了 陳述，同時闡述了本課題的研究意義，并對本文的內(nèi)容安排作了簡要說明。 小型精密鐘表機床的研制 t h er & do fm i n i a t u r ep r e c i s i o nh o r o l o g i c a lm a c h i n et o o l 第二章機床的技術要求及總體方案 2 1 機床的總體要求 本課題設計的多功能小型精密鐘表機床總體上有一下特點： 1 整體結構力求簡單，緊湊，具有很高的剛度。 一件成功的工業(yè)產(chǎn)品，須符合“實用、經(jīng)濟、美觀”的設計原則。 2 力求設計的機床，其功能趨向多樣性。 所設計的小型鐘表機床，因鉸鏈機構、機床支架可在0 0 9 0 0 ( 常用0 。、4 5 。和9 0 0 ) 之間擺轉、主軸端采用拉桿設計，使得機床功能趨向多樣化。 ( 1 ) 拉桿與夾具、小銑刀的配合使用，可實現(xiàn)立式銑削。 ( 2 ) 拉桿與夾具、小鉆頭的配合可實現(xiàn)鉆削。 ( 3 ) 在支架擺轉9 0 0 之后亦即支架呈水平狀態(tài)，拉桿與夾具、車刀、鏜刀 的配合可實現(xiàn)車削、鏜削。 ( 4 ) 水平方向工作臺進給絲杠的傳動，可實現(xiàn)切制螺紋。 ( 5 ) 基于鐘表零件加工工藝的要求，該機床可實現(xiàn)對鐘表零件拋光的功能。 ( 6 ) 拉桿與夾具、小砂輪配合，借助于變頻調(diào)速器在速度上的調(diào)節(jié)實現(xiàn)磨 削工藝。 ( 7 ) 采用旋轉工作臺的分度功能，通過拉桿與夾具、齒輪滾、銑刀的配合 可實現(xiàn)n q - $ 十表齒輪( 一種特殊的修正擺線齒輪) 。 3 所設計的機床要有很高的精度：包括其幾何精度、運動精度、傳動精度以及 動態(tài)精度。 i 幾何精度：它是指機床在不運轉時部件間相互位置精度和主要零件的形 位精度。本機床主要是主軸中心線相對工作臺移動方向的垂直度和平行度，主軸 的端面跳動和徑向跳動。這些精度主要是由制造精度和裝配精度決定的。 i i 運動精度：是指機床在以工作速度運動時各主要零部件的幾何位置精度。 i i i 傳動精度：它是指機床傳動鏈各末端執(zhí)行件之間運動的協(xié)調(diào)性和均勻 性。 i v 動態(tài)精度：它是指機床在一切外來條件下，包括負載，周圍環(huán)境等的影 響下的零部件的形位精度。影響它的因素主要有機床的剛度、抗振性和熱變形等 等。一般情況下，機床的剛度越高其動態(tài)精度就越高。 6 上海大學碩士研究生學位論文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v b r s i t y 2 2 機床設計所要求的技術參數(shù)及總體結構 2 2 1 機床的技術參數(shù) 本文設計的小型精密鐘表機床其技術參數(shù)如下表所示，附表1 為機床的主要 的加工精度指標；附表2 為機床精度指標，附表3 為機床主要的技術參數(shù)。 機床加工精度指標附表1 機床精度指標附表2 機床技術參數(shù)附表3 參數(shù)名稱單位精度指標備注 平面度u m o 5 車、銑等操作 表面粗糙度 u m r a 0 8車、銑等操作 加工誤差 m mo 0 2 車、銑等操作 主軸徑向跳動唧0 0 1 2 主軸 主軸軸向竄動唧0 0 1 2 主軸 定位精度姍 0 0 2 工作臺 重復定位精度 岫0 0 1 5 工作臺 分度精度 秒5 繞z 軸擺轉 重復分度精度秒士3 繞z 軸擺轉 分度精度 秒 土5 繞z 軸旋轉 重復分度精度秒 士3 繞z 軸旋轉 回轉精度 j m l l0 0 0 1 主軸 參數(shù)名稱單位有效量程參數(shù)名稱單位有效量程 機床總體尺寸 m m2 8 0 2 7 5 3 8 0 繞z 軸擺轉 0 。1 2 0 o 加工區(qū)域范圍 m m一4 0 4 0 繞z 軸旋轉 0 。3 6 0 o 主軸中心距立 1 3 0 主軸變速范圍 r m l n1 0 0 2 8 0 0 柱表面距離 主軸端面距工 作臺面距離 5 4 進給量 m m m i no 1 5 工作臺面尺寸m m2 0 0 x 1 6 0主電機k wo 1 8 小型精密鐘表機床的研制 t h er & do fm i n i a t u r ep r e c i s i o nh o r o l o g i c a lm a c h i n et o o l 2 , 2 2 機床的總體結構 框圖1 機床的總體結構( 框圖1 ) 分三部分：機械部分、電器控制部分和光學部分。 機械部分設計主要包括基座、三維精密工作臺、支架、傳動機構以及主軸系；電 器控制部分設計主要包括微型三相異步電動機的變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計和x 、y 、 z 三個方向的步進電機控制裝置設計；光學部分設計是在機床的基礎上集成顯微 鏡裝置。在本課題中，作者主要承擔機床機械部分設計；電器控制部分中有關微 型三相異步電動機的變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計；步進電動機的控制部分以及光學裝置 的集成將在機床的后續(xù)設計中完成。作者在進行機械部分設計時，為添加步進電 機和集成顯微鏡裝置預留了空間。 2 3 機床總體設計方案 8 】【1 0 】【1 1 】 目前，制造業(yè)進入了買方市場，顧客對產(chǎn)品的多樣化和個性化的要求越來越高 同時由于市場的全球化，企業(yè)間的競爭越來越激烈，顧客對產(chǎn)品的交貨期和價格的 要求也越來越高。新工藝、新技術的不斷出現(xiàn)也使得從傳統(tǒng)大批量生產(chǎn)模式向“模 塊化設計”和制造方向轉變，計算機技術和成組技術的發(fā)展，以及制造的全球化 和網(wǎng)絡化，傳統(tǒng)單件生產(chǎn)模式也在向“模塊化設計”邁進?！澳K化設計”是日趨 發(fā)展的一種新型設計方法。它的特點是：在功能分析的基礎上，劃分并設計出一 系列功能模塊，通過模塊選擇與組合以構成一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不 同性能、不同規(guī)格的系列產(chǎn)品。 此外，“可重組機床的設計方法”或“可重構機床的設計方法”也是在近幾 年的發(fā)展中出現(xiàn)的一種新的設計理念。機床的可重組強調(diào)在機床設計的開始階段 上海大學碩士研究生學位論文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s n y 就考慮如何使機床能夠根據(jù)今后一定的外部環(huán)境變化進行相應的重組。一般來說 衡量一臺機床是否具有可重組性有三個準則：( 1 ) 機床結構是否采用模塊化設計：( 2 ) 機床數(shù)控系統(tǒng)有無開放性；( 3 ) 機床是否易于與其他設備如物流系統(tǒng)集成，及由此 形成的生產(chǎn)線能否重構。 機床產(chǎn)品的創(chuàng)新取決于總體方案的創(chuàng)新，其次是具體零部件的創(chuàng)新?？傮w方 案創(chuàng)新設計是機床產(chǎn)品設計的關鍵，它對機床的功能、性能、制造成本、制造周 期、外觀及其與外界( 物流系統(tǒng)或人) 的可視性等起著決定性的作用。 機床總體方案創(chuàng)新設計，是充分利用成熟的零部件技術，創(chuàng)造出新的產(chǎn)品品 種。它的主要內(nèi)容可分為以下幾個方面： 1 傳動方案設計 主傳動的傳動方式有：經(jīng)普通電機和機械變速傳動；變頻電機傳動( 可 直接驅動或經(jīng)帶輪或齒輪傳動) ；伺服電機傳動( 與主軸的傳動方式同) 其 中為有級變速主傳動；為無級變速主傳動。 進給傳動的傳動方式有：普通電機和機械變速傳動；步進電機傳動； 伺服電機傳動；直線電機。其中為有級變速主傳動；為無級變速主傳 動。 總體方案中的傳動方式設計是根據(jù)功能、性能要求和希望制造成本的設計條 件，合理的選擇確定最佳傳動方案。一般來說無級變速傳動的功能、性能好便于 自動控制，但價格昂貴，有級變速傳動的特點則剛剛相反。 2 執(zhí)行件運動的驅動方式 執(zhí)行件運動的驅動方式有：串聯(lián)驅動方式，傳統(tǒng)機床的執(zhí)行件( 安裝刀具 或工件的部件) 運動都是采用串連驅動方式；并聯(lián)驅動方式，新型的并聯(lián)機床 ( 又稱虛擬軸機床) 的執(zhí)行件采用的是并聯(lián)驅動方式。并聯(lián)機床的特點是：理論 上機床的剛度、精度很高；執(zhí)行件重量輕，運動速度可以很高：運動控制復雜； 作業(yè)空間相對較小。而串聯(lián)驅動機床的特點正好相反。因而出現(xiàn)了串聯(lián)、并聯(lián)相 結合的混聯(lián)式機床，以吸收串聯(lián)驅動和并聯(lián)驅動各自的優(yōu)點。 3 運動功能設計 運動功能設計的任務就是確定機床的坐標軸數(shù)、備坐標的運動性質( 直線運 動或回轉運動) ，各坐標軸的排列順序以及各坐標軸的運動分配( 即各軸運動是 由工件和刀具的哪一側完成) 。一般來說機床的坐標運動軸數(shù)越多，功能越強， 所能完成的加工工藝范圍越寬，但價格也越貴。 4 機床的總體結構布局設計 同一種運動功能方案的設計，可以有不同的結構布局形式，例如三坐標銑床 可以有立式、臥式、斜置式、滑枕式和龍門式等形式。機床總體結構布局形式對 機床的整機性能、制造周期和成本影響重大。 9 小型精密鐘表機床的研制 t h er & do fm i n i a t u r ep r e c i s i o nh o r o l o g i c a lm a c h i n et o o l 5 控制系統(tǒng)方案的設計 微機數(shù)字控制技術在機床上的應用是機床現(xiàn)代化的標志。機床數(shù)控系統(tǒng)有以 下幾種分類方式：按機床類型分，有點位元控制、直線控制和輪廓控制；按 控制器分，有硬件數(shù)控和計算機數(shù)控；按伺服系統(tǒng)控制環(huán)路分，有開環(huán)、閉環(huán) 和半閉環(huán)系統(tǒng)；按功能水平分，有高、中、低三類?？刂葡到y(tǒng)方案的設計主要 根據(jù)機床類型及經(jīng)濟能力合理選擇。 6 總體方案評價 對總體方案主要從以下幾個方面進行評價：方案的整機性能、柔性、與物流 的可親性、可重組能力、制造成本、制造周期、外觀造型、可靠性及可維護性。 上述評價因素中，部分因素是可以定量的，部分因素只能是定性的。 2 3 1 機床機械部分設計方案 基于以上對機床產(chǎn)品的設計方法和總體方案設計的敘述，考慮到后續(xù)設計中 集成顯微鏡光學裝置以及機床自動控制系統(tǒng)的添加的可實施性，確定機床機械部 分的總體設計方案。方案l 和方案2 均采用臺式鉆床的總體結構布局。 方案1 中，部件7 為傳動模塊，采用的是微型異步電動機經(jīng)同步帶輪、同 步帶傳動帶動主軸系5 的傳動模式，微型異步電動機外接變頻調(diào)速器實旌對主軸 的同步變速，從而實現(xiàn)無級變速的主傳動。 運動功能設計，設計的機床要求具有多功能的特點。機床具有5 個自由度， 如機床運動自由度示意圖所示：x 、y 、z 空間三個坐標軸方向的直線運動，以 及繞z 軸的旋轉運動z r ( 可旋轉工作臺3 ) 和繞z 軸的擺轉運動( 支架6 在y o z 平面內(nèi)的擺轉) 。 上海大學碩士研究生學位論文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 框圖2 為機床五自由度實現(xiàn)示意圖，方案1 中平移工作臺模塊2 的前后、左 右直線運動以及箱體4 與支架6 的上下直線運動都是通過精密螺旋傳動來實現(xiàn) 的；支架6 在y o z 平面內(nèi)的擺轉是通過一鉸鏈裝置來實現(xiàn)的；可旋轉工作臺3 的回轉運動是通過一對錐齒輪傳動來實現(xiàn)的。 機床五自由度 土 審 精密螺旋傳精密螺旋傳精密螺旋傳 旋轉工作臺 在立柱之間 動，x 方向動，y 方向 動，z 方向的滾 通過一對錐安裝一個鉸 的滾動直線 的滾動直線動直線導軌、鎖 齒輪傳動鏈機構來實 導軌 導軌緊裝置 現(xiàn) 框圖2 小型精密鐘表機床的研制 t h er & do fm i n i a t u r ep r e c i s i o nh o r o l o g i c a lm a c h i n et o o l 作者鑒于機床的工作環(huán)境以及其多功能的特點，在方案l 的基礎上對其結構 作了一些調(diào)整提出了方案2 ； 方案1 中支架6 為方形立柱，箱體( 滑動導軌) 與立柱配合時，其圓周方 向定位比較可靠，但方形零件( 固定導軌) 其加工成本太高不利于經(jīng)濟性，同時 z 方向的剛度也不高，在一定程度上減少了整個機床的剛度，而在方案2 中作者 對支架作了修改，采用圓形立柱，這樣首先加工難度不高，同時剛度相對較好， 而與其配合的箱體4 ( 兼做滑動導軌) 的加工較容易，有利于節(jié)約成本，為了確 定箱體的圓周方向的定位，作者在支架6 上開了兩個對稱的滑鍵槽( 圖2 - 1 ) 所示， 通過滑鍵塊與箱體4 的固定再與支架6 的配合起到固定的效果。 課題設計的初衷主要是考慮對于鐘表零部件夾板、表殼等的機加工，因此 其加工區(qū)域相對比較小，考慮到機床后續(xù)的發(fā)展，顯然方 案1 中支架6 與平移工作臺模塊的相對位置阻礙了加工的 區(qū)域范圍，作者對此作了詳細的調(diào)研，收集了大量的機床 資料、圖片，如圖1 3 、i - 4 、i - 5 顯示，其平移工作臺模塊 2 的位置大多采用如方案2 的設計，這樣有利于拓寬機床 的加工區(qū)域，同時也可使機床得到更廣泛的應用。 從“可重組機床的設計思想”上來看，評價一臺機 床是否具有可重組性，其中關鍵一條在于該機床是否具有 集成其它設備、裝置的可能性。因而在設計初，作者就考 。1 慮到鐘表零部件較小的特點，在加工和維修此類零件時就需要一臺顯微鏡裝置， 如果在機床上集成一臺顯微鏡裝置就無需額外添加該設備。因此從機床后續(xù)設計 來看，方案2 更有利。 總之，從以上項敘述可以得出，方案2 更合理些，本課題采用總體 方案2 的設計。 上海大學碩士研究生學位論文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 2 3 2 機床電器控制部分設計方案【3 1 】【4 4 機床電器控制部分設計主要包括兩個方面：分別為x 、y 、z 三個方向直線 運動的自動控制和對微型三相異步電動機的調(diào)速控制，本文作者著重探討對微型 三相異步電動機的變頻調(diào)速控制，同時對x 、y 、z 三個方向的直線運動的自動 控制做一些初步的探索，提出一個合適的方案，也供后續(xù)設計參考。 2 3 2 1x 、y 、z 三個方向直線運動的自動控制設計方案【3 1 】 對x 、y 、z 三個方向直線運動的自動控制，本文預通過p l c 控制步進電機 的方式來完成。 p l c ( n 司- 編程控制器) 是以微機技術為基礎發(fā)展起來的新一代工業(yè)控制裝置， 它的結構形式基本上與微型計算機相同，j 、型p l c 是為取代傳統(tǒng)的繼電接觸式控 制系統(tǒng)和其它順序控制器而設計的，故又與通用微型計算機的硬件有所區(qū)別。它 是把繼電器控制的優(yōu)點，與計算機的功能齊全、靈活性、通用性相結合，用計算機 編程軟件邏輯代替繼電器接線邏輯的通用性自動控制設備，是一種較理想的新型 工業(yè)控制裝置，其特點為高可靠性：編程簡單，使用方便；可采用梯形圖 編程方式，與實際繼電器控制電路非常接近，一般電氣工作者很容易接受；環(huán) 境要求低，適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境體積小，重量輕，擴充方便，組合靈活。 其組成結構如框圖3 所示； 框圖3p l c 硬件組成圖 小型精密鐘表機床的研制 t h er & do fm i n i a t u r ep r e c i s i o nh o r o l o g i c a lm a c h i n et o o l 本文欲采取p l c 控制x 、y 、z 三個方向的步進電機以實現(xiàn)直線運動的自動 控制。初期控制系統(tǒng)方案如下； 框圖4 p l c 控制系統(tǒng)流程圖 2 , 3 2 2 微型三相異步電動機變頻調(diào)速控制設計 4 4 1 據(jù)本文前述，機床的主傳動方式有多種，本文采用微型三相異步電動機通過 變頻調(diào)速器來控制機床速度的方式。 交流異步電動機是應用最廣泛的一種動力機械，它具有結構簡單、制造容易、 運行可靠、維護方便而且效率高、重量輕、價格低等優(yōu)點。但是，異步電動機存 在的一個最大缺點是調(diào)速性能差；在生產(chǎn)中由于工藝要求需要電動機調(diào)速的場 合，通常從兩個方面來解決，一是不用異步電動機采用調(diào)速性能好的直流電動機， 而是應用新技術，使異步電動機的運行能夠按照生產(chǎn)工藝要求進行調(diào)速。本文是 通過采用變頻調(diào)速技術來對微型三相異步電動機進行調(diào)速的。 1 4 上海大學碩士研究生學位論文 1 h ep o s t g r a d u 肛t h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i + r y 近幾年來，電機調(diào)速技術發(fā)展很快，應用范圍也越來越廣，尤以變頻調(diào)速技 術發(fā)展最為迅速。變頻調(diào)速器是當今優(yōu)秀的“電調(diào)速”產(chǎn)品，它能使交流異步電 動機無級調(diào)速，且調(diào)速范圍寬，精度高，并能調(diào)節(jié)升速和減速時間，能實現(xiàn)無電 沖擊的軟啟動和軟制動：它的功率因數(shù)高，工作效率高，低速運行時可以節(jié)省電 力，它裝有輸入外控接口和負反饋接口，便于外閉環(huán)自動控制，一些變頻器裝有 p i d 調(diào)節(jié)器，可以補償拖動系統(tǒng)的慣性誤差，很容易實現(xiàn)智能化的群控。 基于變頻調(diào)速器的一系列優(yōu)點，它在機床領域內(nèi)的應用也越來越多。機床采 用變頻調(diào)速器，主要為了完成機床的某種功能，提高生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質量。 此外，機床主軸采用變頻無級調(diào)速，可使磨具或刀具以最小的磨損產(chǎn)生最高的光 潔度和加工精度。變頻調(diào)速器由電子線路進行控制，比較靈活，控制速度快，可 以有效的提高機床的加工效率。 圖2 - - 2 三相3 8 0 v 微小功率異步電機變頻調(diào)速原理圖 三相3 8 0 v 微小功率異步電動機，可采用三相3 8 0 v 變頻調(diào)速的方法；將變 頻器通入3 8 0 v 電源，整流成直流電，然后逆變成變頻交流電，輸出線接異步電 機，接法采用y 型接法；如圖2 2 所示。 2 4 小結 本章從機床的總體要求出發(fā)，闡述了機床實現(xiàn)的主要功能，機床的總體構成 以及主要的技術參數(shù)；同時作者敘述了當前設計機床的幾種方法。本著實用性的 觀點，作者提出了機床的總體設計方案，主要包括機械部分和電器控制部分的設 計。 小型精密鐘表機床的研制 t h e r & d o f m i n i a t u r e p r e c i s i o n h o r o l o g i c a l m a c h i n e t o o l 第三章機床機械部分設計 在第二章中已經(jīng)確定了機床的總體設計方案( 包括機械部分設計和電器控制 部分設計) ，本章將對機床機械部分的設計過程作詳細的闡述：主要包括工作臺 設計、支撐結構設計、傳動機構設計以及主軸系設計。 3 1 工作臺設計 3 1 1 工作臺需要實現(xiàn)的功能 在第二章的論述中，機床有五個自由度，其中工作臺實現(xiàn)三個自由度：即 水平方向運動，包括x 方向直線運動和y 方向直線運動，回轉運動，即繞z 軸的旋轉運動。其中x 、y 方向的直線運動保證了工件在水平方向上的定位，而 繞z 軸的回轉運動則確定了工件在圓周方向上的定位。 3 1 2 工作臺設計方案的選擇 據(jù)第二章機床技術參數(shù)要求，以及其實現(xiàn)的運動功能確定該機床三維精密工 作臺采用“疊加式“的結構形式，亦即工作臺總體分上下兩層疊加起來，上層為 旋轉工作臺，下層為水平方向平移工作臺( 如第二章機床機械部分設計示意圖方 案2 所示) 。 圖3 - 1 為三維工作臺設計方案，鑒于機床總體尺寸的設計要求，充分考慮到 機床的小型化，下層工作臺采用“組合式”結構，亦即該機床平移工作臺中采用 的第一層滑動導軌，同時兼做第二層工作平臺的固定導軌，從而有利于減少其整 體尺寸，達到設計效果。 圖3 - 1 三維工作臺設計方案一 上海大學碩士研究生學位論文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a u n i v e r s i t y 圖3 - 2 圖3 2 為方案一的三維工作臺裝配圖及其零件爆炸視圖。綜合二維和三維視 圖，不難看出此方案工作臺的結構特點：采用滑動絲杠螺母機構傳動( 下層絲 桿軸1 4 與下層方螺母1 3 構成一對滑動螺旋，上層絲桿軸1 2 與上層方螺母1 1 構 成一對滑動螺旋) 實現(xiàn)直線運動；考慮到工作臺的結構緊湊，高度要求小，調(diào) 整要方便，作者采用了燕尾槽導軌；旋轉工作臺的結構設計采用一對錐齒輪的 嚙合傳動來實現(xiàn)。 采用該方案設計的工作臺，其具體的傳動線路為： i 冰平x 、y 直線運動：轉動手輪a 1 5 ，通過滑動螺旋副1 4 與1 3 的傳動， 帶動導軌支撐底板2 實現(xiàn)x 方向直線運動；同樣在由上層方螺母1 1 和上層絲桿 軸1 2 組成的滑動螺旋副的傳動下，帶動上層滑動實現(xiàn)y 方向直線運動。 i i 旋轉工作臺6 繞z 軸的回轉運動；通過轉動手輪b 1 0 ，則小錐齒輪9 隨之 旋轉，而通過錐齒輪9 與5 的嚙合，5 隨之旋轉帶動旋轉工作臺6 繞固定軸8 旋 轉，實現(xiàn)回轉運動。 方案一存在的不足：大錐齒輪5 與旋轉工作臺通過軸承7 來支撐，可靠性 不高。盡管機床加工對象屬小型零件( 主要是手表零部件) 切削力不大，但靠軸 承7 內(nèi)圈圍繞固定軸8 轉動，同時又靠軸承7 外圈來承受外力，故軸承7 容易損 壞；此外，軸承與固定軸裝配時要求很高的同軸度才能保證旋轉工作臺6 不繞軸 線偏轉，這給加工也帶來非常大的難度，不利于節(jié)約成本。圖3 - 1 設計的上層 滑動導軌3 和導軌支撐底板2 均采用燕尾槽導軌，其設計結構與一般燕尾槽導軌 不同，加工難度就相對比較高，也不利于節(jié)約成本。鑒于方案一存在的不足，作 者提出了方案二。 小型精密鐘表機床的研制 t h er do fm 1 n i a t u r ep r e c i s i o nh o r o l o g i c a lm a c h i n et 0 0 l 圖3 - 3 三維工作臺設計方案二 圖3 - 3 即在方案一的基礎上確立的，針對方案一中的缺點，作者對旋轉工 作臺作了如圖3 3 所示的變化，重新對旋轉工作臺的結構進行了設計，轉動手輪 b 9 ，通過小錐齒輪8 與大錐齒輪5 的嚙合傳動，帶動旋轉工作臺6 沿著