數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺原理與數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢

目錄TOC\o"1-2"\h\u97381緒論 3318021.1前言 3114391.2課題來源 3140651.3研究目的與意義 3264281.4研究項(xiàng)目的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 3172412數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺原理 465192.1數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺 48742.2設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 5157782.3主要技術(shù)參數(shù) 5122802.4本章小結(jié) 567623數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5269803.1傳動(dòng)方案的確定 565153.2齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 767843.3伺服電機(jī)的選擇及運(yùn)動(dòng)參數(shù)的計(jì)算 9274173.4蝸輪及蝸桿的選用與校核 10101793.5蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸 12105853.6軸的校核與計(jì)算 13299623.7彎矩組合圖 14315003.8根據(jù)最大危險(xiǎn)截面處的扭矩確定最小軸徑 15241833.9齒輪上鍵的選取與校核 154643.10軸承的選用 15259003.11本章小結(jié) 16287514數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢 1658754.1性能發(fā)展方向 16214554.2功能發(fā)展方向 17123064.3體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 18131024.4智能化新一代PCNC數(shù)控系統(tǒng) 19125125設(shè)計(jì)總結(jié) 19114736參考文獻(xiàn) 201緒論1.1前言加工中心最初是從數(shù)控銑床發(fā)展而來的。第一臺加工中心是1958年由美國卡尼-特雷克公司首先研制成功的。它在數(shù)控臥式鏜銑床的基礎(chǔ)上增加了自動(dòng)換刀裝置，從而實(shí)現(xiàn)了工件一次裝夾后即可進(jìn)行銑削、鉆削、鏜削、鉸削和攻絲等多種工序的集中加工。二十世紀(jì)70年代以來，加工中心得到迅速發(fā)展，出現(xiàn)了可換主軸箱加工中心，它備有多個(gè)可以自動(dòng)更換的裝有刀具的多軸主軸箱，能對工件同時(shí)進(jìn)行多孔加工。一臺加工中心是由機(jī)床（機(jī)械部分）和控制系統(tǒng)（電氣部分）兩部分組成，機(jī)床是加工中星的主體，控制系統(tǒng)是加工中心的核心。加工中心的主機(jī)通常是由三大基礎(chǔ)部件組（床身、立柱和工作臺）和主軸部件、刀具存儲自動(dòng)交換系統(tǒng)（ATC）及其它輔助功能部件組成。有的加工中心還具有托盤（工作臺）自動(dòng)交換系統(tǒng)（APC）。1.2課題來源這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題來源于自選課題——面向殼體零件的臥式加工中心工作臺設(shè)計(jì)，目的是通過本次的設(shè)計(jì)工作，能夠在對面向殼體零件加工的臥式加工中心的了解的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對加工中心工作臺的設(shè)計(jì)，并與同組人的對主軸部件、刀庫、夾具的設(shè)計(jì)相應(yīng)，最終設(shè)計(jì)出整個(gè)機(jī)床主要結(jié)構(gòu)部件。此課題讓我們有機(jī)會對機(jī)械設(shè)計(jì)方面的知識有一個(gè)系統(tǒng)的回顧，進(jìn)一步加深學(xué)習(xí)。1.3研究目的與意義畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是培養(yǎng)我們綜合應(yīng)用所學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)理論、基本技能和專業(yè)知識的能力，培養(yǎng)我們建立正確的設(shè)計(jì)思想，掌握工程設(shè)計(jì)的一般程序、規(guī)范和方法。培養(yǎng)我們的設(shè)計(jì)計(jì)算、工程繪圖、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)據(jù)處理、查閱文獻(xiàn)、外文資料的閱讀與翻譯、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、文字表達(dá)等基本工作實(shí)踐能力，使我們初步掌握科學(xué)研究的基本方法和思路。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是解決臥式加工中心數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的工作原理和機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算部分，設(shè)計(jì)思路是先原理后結(jié)構(gòu)，先整體后局部。1.4研究項(xiàng)目的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢目前數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床和加工中心上，它的總的發(fā)展趨勢是：1．在規(guī)格上將向兩頭延伸，即開發(fā)小型和大型轉(zhuǎn)臺；2．在性能上將研制以鋼為材料的蝸輪，大幅度提高工作臺轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)臺的承載能力；3．在形式上繼續(xù)研制兩軸聯(lián)動(dòng)和多軸并聯(lián)回轉(zhuǎn)的數(shù)控轉(zhuǎn)臺。數(shù)控轉(zhuǎn)臺的市場分析：隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，加工中心將會越來越多地被要求配備第四軸或第五軸，以擴(kuò)大加工范圍。估計(jì)近幾年要求配備數(shù)控轉(zhuǎn)臺的加工中心將會達(dá)到每年600臺左右。預(yù)計(jì)未來幾年，雖然某些行業(yè)由于產(chǎn)能過剩、受到宏觀調(diào)控的影響而繼續(xù)保持著較低的行業(yè)景氣度外，部分裝備制造業(yè)將有望保持較高的增長率，特別是那些國家產(chǎn)業(yè)政策鼓勵(lì)振興和發(fā)展的裝備子行業(yè)。作為裝備制造業(yè)的母機(jī)，普通加工機(jī)床將獲得年均15％－20％左右的穩(wěn)定增長。2數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺原理數(shù)控機(jī)床的圓周進(jìn)給由回轉(zhuǎn)工作臺完成，稱為數(shù)控機(jī)床的第四軸：回轉(zhuǎn)工作臺可以與X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)，從而加工出各種球、圓弧曲線等?；剞D(zhuǎn)工作臺可以實(shí)現(xiàn)精確的自動(dòng)分度，擴(kuò)大了數(shù)控機(jī)床加工范圍。2.1數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺主要用于數(shù)控鏜床和銑床，其外形和通用工作臺幾乎一樣，但它的驅(qū)動(dòng)是伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式。它可以與其他伺服進(jìn)給軸聯(lián)動(dòng)。圖2-1為自動(dòng)換刀數(shù)控鏜床的回轉(zhuǎn)工作臺。它的進(jìn)給、分度轉(zhuǎn)位和定位鎖緊都是由給定的指令進(jìn)行控制的。工作臺的運(yùn)動(dòng)是由伺服電動(dòng)機(jī)，經(jīng)齒輪減速后由蝸桿-蝸輪帶動(dòng)。圖2-11—工作臺

2—滾柱導(dǎo)軌

3、4—夾緊瓦

5—小液壓缸

6—活塞

7—彈簧

8—鋼球

9—圓光柵10—雙列圓柱滾子軸承11—圓錐滾子軸承為了消除蝸桿副的傳動(dòng)間隙，采用了雙螺距漸厚蝸桿，通過移動(dòng)蝸桿的軸向位置來調(diào)整間隙。這種蝸桿的左右兩側(cè)面具有不同的螺距，因此蝸桿齒厚從頭到尾逐漸增厚。但由于同一側(cè)的螺距是相同的，所以仍然可以保持正常的嚙合。當(dāng)工作臺靜止時(shí)，必須處于鎖緊狀態(tài)。為此，在蝸輪底部的輻射方向裝有8對夾緊瓦4和3，并在底座上均布同樣數(shù)量的小液壓缸5。當(dāng)小液壓缸的上腔接通壓力油時(shí)，活塞6便壓向鋼球8，撐開夾緊瓦，并夾緊蝸輪。在工作臺需要回轉(zhuǎn)時(shí)，先使小液壓缸的上腔接通回油路，在彈簧7的作用下，鋼球8抬起，夾緊瓦將蝸輪松開。

回轉(zhuǎn)工作臺的導(dǎo)軌面由大型滾動(dòng)軸承支承，并由圓錐滾柱軸承11及雙列向心圓柱滾子軸承10保持準(zhǔn)確的回轉(zhuǎn)中心。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的定位精度主要取決于蝸桿副的傳動(dòng)精度，因而必須采用高精度蝸桿副。在半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，可以在實(shí)際測量工作臺靜態(tài)定位誤差之后，確定需要補(bǔ)償角度的位置和補(bǔ)償?shù)闹?，記憶在補(bǔ)償回路中，由數(shù)控裝置進(jìn)行誤差補(bǔ)償。在全閉環(huán)控制系統(tǒng)中，由高精度的圓光柵10發(fā)出工作臺精確到位信號，反饋給數(shù)控裝置進(jìn)行控制?；剞D(zhuǎn)工作臺設(shè)有零點(diǎn)，當(dāng)它作回零運(yùn)動(dòng)時(shí)，先用擋鐵壓下限位開關(guān)，使工作臺降速，然后由圓光柵或編碼器發(fā)出零位信號，使工作臺準(zhǔn)確地停在零位。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺可以作任意角度的回轉(zhuǎn)和分度，也可以作連續(xù)回轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。2.2設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1）分析原理和性能2）判別功能載荷及其意義3）功能設(shè)計(jì)應(yīng)適應(yīng)制造工藝和降低成本的要求4）提高合理的應(yīng)力分布和剛度5）重量要適宜6）應(yīng)用基本公式求相稱尺寸和最佳尺寸7）根據(jù)性能組合選擇材料8）零件與整體零件之間精度的進(jìn)行選擇2.3主要技術(shù)參數(shù)（1）回轉(zhuǎn)半徑：315mm（2）重復(fù)定位精度：0.005mm（3）電機(jī)功率0.5kw（4）電機(jī)轉(zhuǎn)矩8.0NM（5）總傳動(dòng)比：72.5（6）最大承載重量100㎏2.4本章小結(jié)主要簡單介紹畢業(yè)設(shè)計(jì)題目（數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺）和其發(fā)展概況，設(shè)計(jì)背景、工作原理、設(shè)計(jì)參數(shù)也作了進(jìn)一步的說明。3數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1傳動(dòng)方案的確定3.1.1驅(qū)動(dòng)方式選擇由于數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的控制精度要求較高且工作功率不大，動(dòng)力源應(yīng)選擇微特電機(jī)?？蛇x步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)。由于本工作臺設(shè)計(jì)為閉環(huán)控制，故開環(huán)的步進(jìn)電機(jī)不合適，選用用于閉環(huán)控制中的，廣泛使用的交流伺服電動(dòng)機(jī)：交流伺服電動(dòng)機(jī)定子的構(gòu)造基本上與電容分相式單相異步電動(dòng)機(jī)相似.其定子上裝有兩個(gè)位置互差90°的繞組，一個(gè)是勵(lì)磁繞組Rf，它始終接在交流電壓Uf上；另一個(gè)是控制繞組L，聯(lián)接控制信號電壓Uc。所以交流伺服電動(dòng)機(jī)又稱兩個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)。交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式，但為了使伺服電動(dòng)機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍、線性的機(jī)械特性，無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應(yīng)的性能，它與普通電動(dòng)機(jī)相比，應(yīng)具有轉(zhuǎn)子電阻大和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小這兩個(gè)特點(diǎn)。目前應(yīng)用較多的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種形式：一種是采用高電阻率的導(dǎo)電材料做成的高電阻率導(dǎo)條的鼠籠轉(zhuǎn)子，為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)子做得細(xì)長；另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉(zhuǎn)子，杯壁很薄，僅0.2-0.3mm，為了減小磁路的磁阻，要在空心杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)放置固定的內(nèi)定子.空心杯形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，反應(yīng)迅速，而且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，因此被廣泛采用。交流伺服電動(dòng)機(jī)在沒有控制電壓時(shí)，定子內(nèi)只有勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)。當(dāng)有控制電壓時(shí)，定子內(nèi)便產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)，在負(fù)載恒定的情況下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的大小而變化，當(dāng)控制電壓的相位相反時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)將反轉(zhuǎn)。交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理與分相式單相異步電動(dòng)機(jī)雖然相似，但前者的轉(zhuǎn)子電阻比后者大得多，所以伺服電動(dòng)機(jī)與單機(jī)異步電動(dòng)機(jī)相比，有三個(gè)顯著特點(diǎn)：1、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大：由于轉(zhuǎn)子電阻大，其轉(zhuǎn)矩特性曲線與普通異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線相比，有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉(zhuǎn)差率S0＞1，這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性（機(jī)械特性）更接近于線性，而且具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此，當(dāng)定子一有控制電壓，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)，即具有起動(dòng)快、靈敏度高的特點(diǎn)。運(yùn)行范圍較廣無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象：正常運(yùn)轉(zhuǎn)的伺服電動(dòng)機(jī)，只要失去控制電壓，電機(jī)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)失去控制電壓后，它處于單相運(yùn)行狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)子電阻大，定子中兩個(gè)相反方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的兩個(gè)轉(zhuǎn)矩特性（T1－S1、T2－S2曲線）以及合成轉(zhuǎn)矩特性（T－S曲線）交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率一般是0.1-100W。當(dāng)電源頻率為50Hz，電壓有36V、110V、220、380V；當(dāng)電源頻率為400Hz，電壓有20V、26V、36V、115V等多種。交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小。但控制特性是非線性，并且由于轉(zhuǎn)子電阻大，損耗大，效率低，因此與同容量直流伺服電動(dòng)機(jī)相比，體積大、重量重，所以只適用于0.5-100W的小功率控制系統(tǒng)。

3.1.2傳動(dòng)方案傳動(dòng)時(shí)應(yīng)滿足的要求數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺一般由原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置和工作臺組成，傳動(dòng)裝置在原動(dòng)機(jī)和工作臺之間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，并可實(shí)現(xiàn)分度運(yùn)動(dòng)。在本課題中，原動(dòng)機(jī)采用電液脈沖馬達(dá)，工作臺為T形槽工作臺，傳動(dòng)裝置由齒輪傳動(dòng)和蝸桿傳動(dòng)組成。合理的傳動(dòng)方案主要滿足以下要求：（1）機(jī)械的功能要求：應(yīng)滿足工作臺的功率、轉(zhuǎn)速和運(yùn)動(dòng)形式的要求。（2）工作條件的要求：例如工作環(huán)境、場地、工作制度等。（3）工作性能要求：保證工作可靠、傳動(dòng)效率高等。（4）結(jié)構(gòu)工藝性要求；如結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、使用維護(hù)便利、工藝性和經(jīng)濟(jì)合理等。3.1.3傳動(dòng)方案及其分析數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺傳動(dòng)方案為：伺服電機(jī)——齒輪傳動(dòng)——蝸桿傳動(dòng)——工作該傳動(dòng)方案分析如下：齒輪傳動(dòng)承受載能力較高，傳遞運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確、平穩(wěn)，傳遞功率和圓周速度范圍很大，傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊。蝸桿傳動(dòng)有以下特點(diǎn)：1．傳動(dòng)比大在分度機(jī)構(gòu)中可達(dá)1000以上。與其他傳動(dòng)形式相比，傳動(dòng)比相同時(shí)，機(jī)構(gòu)尺寸小，因而結(jié)構(gòu)緊湊。2．傳動(dòng)平穩(wěn)蝸桿齒是連續(xù)的螺旋齒，與蝸輪的嚙合是連續(xù)的，因此，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低。3．可以自鎖當(dāng)蝸桿的導(dǎo)程角小于齒輪間的當(dāng)量摩擦角時(shí)，若蝸桿為主動(dòng)件，機(jī)構(gòu)將自鎖。這種蝸桿傳動(dòng)常用于起重裝置中。4．效率低、制造成本較高蝸桿傳動(dòng)是，齒面上具有較大的滑動(dòng)速度，摩擦磨損大，故效率約為0.7-0.8，具有自鎖的蝸桿傳動(dòng)效率僅為0.4左右。為了提高減摩擦性和耐磨性，蝸輪通常采用價(jià)格較貴的有色金屬制造。由以上分析可得：將齒輪傳動(dòng)放在傳動(dòng)系統(tǒng)的高速級，蝸桿傳動(dòng)放在傳動(dòng)系統(tǒng)的低速級，傳動(dòng)方案較合理。同時(shí)，對于數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺，結(jié)構(gòu)簡單，它有兩種型式：開環(huán)回轉(zhuǎn)工作臺、閉環(huán)回轉(zhuǎn)工作臺。兩種型式各有特點(diǎn)：開環(huán)回轉(zhuǎn)工作臺開環(huán)回轉(zhuǎn)工作臺和開環(huán)直線進(jìn)給機(jī)構(gòu)一樣，都可以用點(diǎn)液脈沖馬達(dá)、功率步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)。閉環(huán)回轉(zhuǎn)工作臺閉環(huán)回轉(zhuǎn)工作臺和開環(huán)回轉(zhuǎn)工作臺大致相同，其區(qū)別在于：閉環(huán)回轉(zhuǎn)工作臺有轉(zhuǎn)動(dòng)角度的測量元件（圓光柵）。所測量的結(jié)果經(jīng)反饋與指令值進(jìn)行比較，按閉環(huán)原理進(jìn)行工作，使轉(zhuǎn)臺分度定位精度更高。3.2齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)由于前述所選電機(jī)可知T=2.39N.M傳動(dòng)比設(shè)定為i=3，效率η=0.97工作日安排每年300工作日計(jì)，壽命為10年。3.2.1選擇齒輪傳動(dòng)的類型根據(jù)GB/T10085—1988的推薦，采用直齒輪傳動(dòng)的形式。3.2.2選擇材料考慮到齒輪傳動(dòng)效率不大，速度只是中等，故蝸桿用45號鋼；為達(dá)到更高的效率和更好的耐磨性，要求齒輪面，硬度為45-55HRC。3.2.3按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，在校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。傳遞轉(zhuǎn)矩T1=9.55*106P1/N1=（9.55*106×0.75/3000）=2.39N.M載荷系數(shù)K：因載荷平穩(wěn)，查表取K=1.2齒寬系數(shù)ψd:查表取ψd=1許用接觸壓力［δH］：［δH］=［δH2］=220Mpa傳動(dòng)比i=3將以上參數(shù)代入公式d1≥32.8mm3.2.4確定齒輪的主要參數(shù)與主要尺寸1）齒數(shù)取Z1=22，則Z2=i×Z1=3×22=66,取Z2=66。2）模數(shù)m=d1/Z1=32.88/22=1.49mm,取標(biāo)準(zhǔn)值m=1.5。3）中心距標(biāo)準(zhǔn)中心距α=0.5m(Z1+Z2)=66mm4）其他主要尺寸分度圓直徑：d1=mZ1=1.5*22=33mm,d2=mZ2=1.5*66=99mm齒頂圓直徑：da1=d1+2m=33+2*1.5=36mm,da2=d2+2m=99+2*1.5=102mm齒寬：b=ψdd1=0.6*33=19.8mm,取b2=b1+(5-10)=25-30mm,取b1=30mm。3.2.5校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度δF=2KT1YFS/bd1m≤［δF］復(fù)合齒形系數(shù)Ys：由X=0（標(biāo)準(zhǔn)齒輪）及Z1、Z2查表得YFS1=4.12，YFS2=3.96則δF1=2KT1YFS1/bmd1=2*1.2*2.39*103*4.12/(19.8*1.5*33)=74.6Mpa＜［δF1］=314.28MpaδF2=δF1YFS2/YFS1=(74.6*3.96/4.12)Mpa=71.70MPa＜［δF2］=300Mpa彎曲強(qiáng)度足夠。3.2.6確定齒輪傳動(dòng)精度齒輪圓周速度v=d1nπ/(60*1000)=3.14*72.5*970/(60*1000)=3.68m/s由表確定第Ⅲ公差組為8級。第Ⅰ、Ⅱ公差組也定為8級，齒厚偏差選HK3.2.7齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)小齒輪d1=33mmda1=36mm采用實(shí)心式齒輪大齒輪d2=99mmda2=102mm采用腹板式齒輪3.3伺服電機(jī)的選擇及運(yùn)動(dòng)參數(shù)的計(jì)算3.3.1伺服電機(jī)的選擇按照工作要求和條件選交流伺服電機(jī)。20世紀(jì)80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術(shù)和交流可變速驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，永磁交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)有了突出的發(fā)展，各國著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器系列產(chǎn)品并不斷完善和更新。交流伺服系統(tǒng)已成為當(dāng)代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機(jī)。90年代以后，世界各國已經(jīng)商品化了的交流伺服系統(tǒng)是采用全數(shù)字控制的正弦波電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)。交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置在傳動(dòng)領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)同直流伺服電動(dòng)機(jī)比較，主要優(yōu)點(diǎn)有：⑴無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護(hù)和保養(yǎng)要求低。⑵定子繞組散熱比較方便。⑶慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。⑷適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)。⑸同功率下有較小的體積和重量。3.3.2選擇伺服電機(jī)的具體型號和參數(shù)馬達(dá)的額定功率應(yīng)等于或稍大于工作要求的功率。額定功率小于工作要求，則不能保證工作機(jī)器正常工作，或使馬達(dá)長期過載、發(fā)熱大而過早損壞；額定功率過大，則馬達(dá)價(jià)格高，并且由于效率和功率因素低而造成浪費(fèi)。工作所需功率為：Pw=FwVw/1000ηwKWPw=Tnw/9950ηwKW式中T=150N.M,nw=36r/min,電機(jī)工作效率ηw=0.97，代入上式得Pw=150×36/（9950×0.97）=0.56KW電機(jī)所需的輸出功率為：P0=Pw/η式中：η為電機(jī)至工作臺主動(dòng)軸之間的總效率。由表2.4查得：齒輪傳動(dòng)的效率為ηw=0.97；一對滾動(dòng)軸承的效率為ηw=0.99；蝸桿傳動(dòng)的效率為ηw=0.8。因此，η=η1η23η3=0.97×0.993×0.8=0.75P0=Pw/η=0.56/0.75=0.747KW一般電機(jī)的額定功率Pm=(1-1.3)P0=(1-1.3)0.747=0.747-0.97KW則由表取電機(jī)額定功率為：Pm=0.75KW。確定電機(jī)轉(zhuǎn)速按表推薦的各種機(jī)構(gòu)傳動(dòng)范圍為，?。糊X輪傳動(dòng)比：3-5，蝸桿傳動(dòng)比：15-32，則總的傳動(dòng)范圍為：i=i1×i2=3×15-5×32=45-160電機(jī)轉(zhuǎn)速的范圍為N=i×nw=(45-160)×36=1620-5760r/min根據(jù)這些，選取三菱公司的HF-SP51B型電機(jī)，符合要求。3.4蝸輪及蝸桿的選用與校核由于前述所選電機(jī)可知T=6.93N.M傳動(dòng)比設(shè)定為i=27.5，效率η=0.8工作日安排每年300工作日計(jì)，壽命為10年。3.4.1選擇蝸桿傳動(dòng)類型根據(jù)GB/T10085—1988的推薦，采用漸開線蝸桿。3.4.2選擇材料考慮到蝸桿傳動(dòng)效率不大，速度只是中等，故蝸桿用45號鋼；為達(dá)到更高的效率和更好的耐磨性，要求蝸桿螺旋齒面淬火，硬度為45-55HRC。蝸輪用鑄錫磷青銅Zcusn10Pb1，金屬鑄造。為了節(jié)約貴重的有色金屬，僅齒圈用青銅制造，而輪芯用灰鑄鐵HT100制造。3.4.3按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)根據(jù)閉式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，在校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。傳動(dòng)中心距：(3-2)（1）確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)距T2按Z1=1，估取效率η=0.8，則T2=T*η*i=153.4N.M(3-3)（2）確定載荷系數(shù)K因工作載荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數(shù)Kβ=1；由使用系數(shù)KA表從而選取KA=1.15；由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動(dòng)載系數(shù)KV=1.1；則K=KA*Kβ*KV=1*1.15*1.1=1.265≈1.27(3-4)（3）確定彈性影響系數(shù)ZE選用的鑄錫磷青銅蝸輪和蝸桿相配。（4）確定接觸系數(shù)Zρ先假設(shè)蝸桿分度圓直徑d1和傳動(dòng)中心距a的比值d1/a=0.30，從而可查出Zρ=3.12。（5）確定許用應(yīng)力[σH]根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅zcusn10Pb1，金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度＞45HRC，從而可查得蝸輪的基本許用應(yīng)力[σH]=268Mpa。因?yàn)殡妱?dòng)刀架中蝸輪蝸桿的傳動(dòng)為間隙性的，故初步定位、其壽命系數(shù)為KHN=0.92，則[σH]=KHN[σH]=0.92×268=246.56≈247Mpa(3-5)（6）計(jì)算中心距(3-6) 設(shè)計(jì)中心距a=270mm，m=2.5mm，齒形角α=20°，蝸桿分度圓直徑d1=45mm；這時(shí)d/a=0.19，從而可查得接觸系數(shù)=2.72，因?yàn)椋糧ρ，因此以上計(jì)算結(jié)果可用。3.5蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸3.5.1蝸桿為了便于蝸桿的加工，每一個(gè)m對應(yīng)一系列d1值，查表（GB10085—88）得：直徑系數(shù)q=18；分度圓直徑d1=45mm，蝸桿頭數(shù)Z1=1；分度圓導(dǎo)程角γ=arctgZ1/q=3°11′38蝸桿軸向齒距：Px=mπ=7.85mm(3-7)蝸桿齒頂圓直徑：da1=d1+2m=50mm(3-8)蝸桿軸向齒厚：=3.93mm(3-10)3.5.2蝸輪蝸輪齒數(shù)：Z2=2a/m-q=198，變位系數(shù)Χ=0蝸輪分度圓直徑：d2=mZ2=2.5*198=495mm(3-11)蝸輪喉圓直徑：da2=d2+2m=500mm(3-12)蝸輪齒根圓直徑df2=d2-2m(1.16-X2)=489.2mm(3-13)蝸輪頂圓直徑de2=d2+2*0.5m=497.5mm(3-14)蝸輪輪緣寬度B=0.45（d1+6m）=27mm(3-15)3.5.3校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度(3-18)當(dāng)量齒數(shù)Zv2=Z2/cos3γ=198/cos3.18°=198(3-19)根據(jù)Χ2=0，ZV2=198，可查得齒形系數(shù)=1.26，螺旋角系數(shù)Yβ=1-γ/140°=0.9773；(3-20)許用彎曲應(yīng)力[δF]=KFN[δF]=56×0.72=40.32MPa(3-21)=2.31×0.9773=4.29MPa(3-22)所以彎曲強(qiáng)度是滿足要求的。3.6軸的校核與計(jì)算3.6.1畫出受力簡圖圖3-1受力簡圖計(jì)算出：R1=46.6NR2=26.2N3.6.2畫出扭矩圖T=η.i.T電機(jī)=0.36×60×0.98=21.2N.M（3-33）圖3-2扭矩圖3.6.3彎矩圖M=72.8×180×10-3=13.1N.（3-34）圖3-3彎矩圖3.7彎矩組合圖由此可知軸的最大危險(xiǎn)截面所在。組合彎矩（3-35）3.8根據(jù)最大危險(xiǎn)截面處的扭矩確定最小軸徑（3-36）扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取α=0.6抗彎截面系數(shù)W=0.1d3根據(jù)各個(gè)零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀及小3.9齒輪上鍵的選取與校核（1）取鍵連接的類型好尺寸因其軸上鍵的作用是傳遞扭矩，應(yīng)用平鍵連接就可以了。在此用平鍵。由資料可查出鍵的截面尺寸為：寬度b=5mm，高度h=5mm，由連軸器的寬度并參考鍵的長度系列，從而取鍵長L=10mm。（2） 鍵連接的強(qiáng)度鍵、軸和連軸器的材料都是鋼，因而可查得許用擠壓力[δp]=50～60MPa，取其平均值[δp]=135MPa。鍵的工作長度l=L-b=10-5=5mm，鍵與連軸器的鍵槽的接觸高度k=0.5h=2.5mm，從而可得：δp=2000T/(kld)=127≤[δp]可見滿足要求。此鍵的標(biāo)記為：鍵B5×10GB/T1096—1979。3.10軸承的選用滾動(dòng)軸承是現(xiàn)代機(jī)器中廣泛應(yīng)用的部件之一。它是依靠主要元件的滾動(dòng)接觸來支撐轉(zhuǎn)動(dòng)零件的。與滑動(dòng)軸承相比，滾動(dòng)軸承摩擦力小，功率消耗少，啟動(dòng)容易等優(yōu)點(diǎn)。并且常用的滾動(dòng)軸承絕大多數(shù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因此使用滾動(dòng)軸承時(shí)，只要根據(jù)具體工作條件正確選擇軸承的類型和尺寸。驗(yàn)算軸承的承載能力。以及與軸承的安裝、調(diào)整、潤滑、密封等有關(guān)的“軸承裝置設(shè)計(jì)”問題。3.10.1軸承的類型考慮到軸各個(gè)方面的誤差會直接傳遞給加工工件時(shí)的加工誤差，因此選用調(diào)心性能比較好的圓錐滾子軸承。此類軸承可以同時(shí)承受徑向載荷及軸向載荷，外圈可分離，安裝時(shí)可調(diào)整軸承的游隙。其機(jī)構(gòu)代碼為3000，然后根據(jù)安裝尺寸和使用壽命選出軸承的型號為：30208。3.10.2軸承的游隙及軸上零件的調(diào)配軸承的游隙和欲緊時(shí)靠端蓋下的墊片來調(diào)整的，這樣比較方便。3.10.3滾動(dòng)軸承的配合滾動(dòng)軸承是標(biāo)準(zhǔn)件，為使軸承便于互換和大量生產(chǎn)，軸承內(nèi)孔于軸的配合采用基孔制，即以軸承內(nèi)孔的尺寸為基準(zhǔn)；軸承外徑與外殼的配合采用基軸制，即以軸承的外徑尺寸為基準(zhǔn)。3.10.4滾動(dòng)軸承的潤滑考慮到電動(dòng)刀架工作時(shí)轉(zhuǎn)速很高，并且是不間斷工作，溫度也很高。故采用油潤滑，轉(zhuǎn)速越高，應(yīng)采用粘度越低的潤滑油；載荷越大，應(yīng)選用粘度越高的。3.10.5滾動(dòng)軸承的密封裝置軸承的密封裝置是為了阻止灰塵，水，酸氣和其他雜物進(jìn)入軸承，并阻止?jié)櫥瑒┝魇ФO(shè)置的。密封裝置可分為接觸式及非接觸式兩大類。此處，采用接觸式密封，唇形密封圈。唇形密封圈靠彎折了的橡膠的彈性力和附加的環(huán)行螺旋彈簧的緊扣作用而套緊在軸上，以便起密封作用。唇形密封圈封唇的方向要緊密封的部位。即如果是為了油封，密封唇應(yīng)朝內(nèi)；如果主要是為了防止外物浸入，密封唇應(yīng)朝外。3.11本章小結(jié)對數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的主要零件及傳動(dòng)系統(tǒng)的零件進(jìn)行設(shè)計(jì)選型零件校核，按照機(jī)械設(shè)計(jì)一書進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成機(jī)械部分。4數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢4.1性能發(fā)展方向(1)高速高精高效化速度、精度和效率是機(jī)械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系統(tǒng)以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，同時(shí)采取了改善機(jī)床動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機(jī)床的高速高精高效化已大大提高。

(2)柔性化包含兩方面：數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性，數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，功能覆蓋面大，可裁剪性強(qiáng)，便于滿足不同用戶的需求；群控系統(tǒng)的柔性，同一群控系統(tǒng)能依據(jù)不同生產(chǎn)流程的要求，使物料流和信息流自動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而最大限度地發(fā)揮群控系統(tǒng)的效能。

(3)工藝復(fù)合性和多軸化以減少工序、輔助時(shí)間為主要目的的復(fù)合加工，正朝著多軸、多系列控制功能方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床的工藝復(fù)合化是指工件在一臺機(jī)床上一次裝夾后，通過自動(dòng)換刀、旋轉(zhuǎn)主軸頭或轉(zhuǎn)臺等各種措施，完成多工序、多表面的復(fù)合加工。數(shù)控技術(shù)軸，西門子880系統(tǒng)控制軸數(shù)可達(dá)24軸。

(4)實(shí)時(shí)智能化早期的實(shí)時(shí)系統(tǒng)通常針對相對簡單的理想環(huán)境，其作用是如何調(diào)度任務(wù)，以確保任務(wù)在規(guī)定期限內(nèi)完成。而人工智能則試圖用計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)人類的各種智能行為?？茖W(xué)技術(shù)發(fā)展到今天，實(shí)時(shí)系統(tǒng)和人工智能相互結(jié)合，人工智能正向著具有實(shí)時(shí)響應(yīng)的、更現(xiàn)實(shí)的領(lǐng)域發(fā)展，而實(shí)時(shí)系統(tǒng)也朝著具有智能行為的、更加復(fù)雜的應(yīng)用發(fā)展，由此產(chǎn)生了實(shí)時(shí)智能控制這一新的領(lǐng)域。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，實(shí)時(shí)智能控制的研究和應(yīng)用正沿著幾個(gè)主要分支發(fā)展：自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、學(xué)習(xí)控制、前饋控制等。例如在數(shù)控系統(tǒng)中配備編程專家系統(tǒng)、故障診斷專家系統(tǒng)、參數(shù)自動(dòng)設(shè)定和刀具自動(dòng)管理及補(bǔ)償?shù)茸赃m應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在高速加工時(shí)的綜合運(yùn)動(dòng)控制中引入提前預(yù)測和預(yù)算功能、動(dòng)態(tài)前饋功能，在壓力、溫度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使數(shù)控系統(tǒng)的控制性能大大提高，從而達(dá)到最佳控制的目的。4.2功能發(fā)展方向(1)用戶界面圖形化用戶界面是數(shù)控系統(tǒng)與使用者之間的對話接口。由于不同用戶對界面的要求不同，因而開發(fā)用戶界面的工作量極大，用戶界面成為計(jì)算機(jī)軟件研制中最困難的部分之一。當(dāng)前INTERNET、虛擬現(xiàn)實(shí)、科學(xué)計(jì)算可視化及多媒體等技術(shù)也對用戶界面提出了更高要求。圖形用戶界面極大地方便了非專業(yè)用戶的使用，人們可以通過窗口和菜單進(jìn)行操作，便于藍(lán)圖編程和快速編程、三維彩色立體動(dòng)態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形動(dòng)態(tài)跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實(shí)現(xiàn)。(2)科學(xué)計(jì)算可視化科學(xué)計(jì)算可視化可用于高效處理數(shù)據(jù)和解釋數(shù)據(jù)，使信息交流不再局限于用文字和語言表達(dá)，而可以直接使用圖形、圖像、動(dòng)畫等可視信息?？梢暬夹g(shù)與虛擬環(huán)境技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域，如無圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、虛擬樣機(jī)技術(shù)等，這對縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本具有重要意義。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，可視化技術(shù)可用于CAD/CAM，如自動(dòng)編程設(shè)計(jì)、參數(shù)自動(dòng)設(shè)定、刀具補(bǔ)償和刀具管理數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)處理和顯示以及加工過程的可視化仿真演示等。

(3)插補(bǔ)和補(bǔ)償方式多樣化多種插補(bǔ)方式如直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、圓柱插補(bǔ)、空間橢圓曲面插補(bǔ)、螺紋插補(bǔ)、極坐標(biāo)插補(bǔ)、2D+2螺旋插補(bǔ)、NANO插補(bǔ)、NURBS插補(bǔ)(非均勻有理B樣條插補(bǔ))、樣條插補(bǔ)(A、B、C樣條)、多項(xiàng)式插補(bǔ)等。多種補(bǔ)償功能如間隙補(bǔ)償、垂直度補(bǔ)償、象限誤差補(bǔ)償、螺距和測量系統(tǒng)誤差補(bǔ)償、與速度相關(guān)的前饋補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、帶平滑接近和退出以及相反點(diǎn)計(jì)算的刀具半徑補(bǔ)償?shù)取?/p>

(4)內(nèi)裝高性能PLC數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝高性能PLC控制模塊，可直接用梯形圖或高級語言編程，具有直觀的在線調(diào)試和在線幫助功能。編程工具中包含用于車床銑床的標(biāo)準(zhǔn)PLC用戶程序?qū)嵗?，用戶可在?biāo)準(zhǔn)PLC用戶程序基礎(chǔ)上進(jìn)行編輯修改，從而方便地建立自己的應(yīng)用程序。

(5)多媒體技術(shù)應(yīng)用多媒體技術(shù)集計(jì)算機(jī)、聲像和通信技術(shù)于一體，使計(jì)算機(jī)具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，應(yīng)用多媒體技術(shù)可以做到信息處理綜合化、智能化，在實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備的故障診斷、生產(chǎn)過程參數(shù)監(jiān)測等方面有著重大的應(yīng)用價(jià)值。4.3體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展(1)集成化采用高度集成化CPU、RISC芯片和大規(guī)?？删幊碳呻娐稦PGA、EPLD、CPLD以及專用集成電路ASIC芯片，可提高數(shù)控系統(tǒng)的集成度和軟硬件運(yùn)行速度。應(yīng)用FPD平板顯示技術(shù)，可提高顯示器性能。平板顯示器具有科技含量高、重量輕、體積小、功耗低、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)超大尺寸顯示，成為和CRT抗衡的新興顯示技術(shù)，是21世紀(jì)顯示技術(shù)的主流。應(yīng)用先進(jìn)封裝和互連技術(shù)，將半導(dǎo)體和表面安裝技術(shù)融為一體。通過提高集成電路密度、減少互連長度和數(shù)量來降低產(chǎn)品價(jià)格，改進(jìn)性能，減小組件尺寸，提高系統(tǒng)的可靠性。

(2)模塊化硬件模塊化易于實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的集成化和標(biāo)準(zhǔn)化。根據(jù)不同的功能需求，將基本模塊，如CPU、存儲器、位置伺服、PLC、輸入輸出接口、通訊等模塊，作成標(biāo)準(zhǔn)的系列化產(chǎn)品，通過積木方式進(jìn)行功能裁剪和模塊數(shù)量的增減，構(gòu)成不同檔次的數(shù)控系統(tǒng)。

(3)網(wǎng)絡(luò)化機(jī)床聯(lián)網(wǎng)可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和無人化操作。通過機(jī)床聯(lián)網(wǎng)，可在任何一臺機(jī)床上對其它機(jī)床進(jìn)行編程、設(shè)定、操作、運(yùn)行，不同機(jī)床的畫面可同時(shí)顯示在每一臺機(jī)床的屏幕上。

(4)通用型開放式閉環(huán)控制模式采用通用計(jì)算機(jī)組成總線式、模塊化、開放式、嵌入式體系結(jié)構(gòu)，便于裁剪、擴(kuò)展和升級，可組成不同檔次、不同類型、