X-Y數(shù)控工作臺設(shè)計-工作臺面400×600mm含6張CAD圖

X-Y數(shù)控工作臺設(shè)計-工作臺面400×600mm含6張CAD圖,數(shù)控,工作臺,設(shè)計,工作,臺面,mm,妹妹,cad X-Y數(shù)控工作臺設(shè)計（工作臺面400×600 mm2） 摘 要 XY數(shù)控工作臺采用開環(huán)控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)行方便并且能夠保證一定的精度，設(shè)計主要對工作臺的機(jī)械部分進(jìn)行設(shè)計，包括滾珠絲桿、滾動導(dǎo)軌、軸承等傳動元件及步進(jìn)電動機(jī)的計算及選用，最后對控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析和完成各電子元件的選用，并且利用CAD進(jìn)行了裝配圖的繪制，各機(jī)械元件的設(shè)計及各零件的安裝也做了比較詳細(xì)的說明。 關(guān)鍵詞： 機(jī)械部分；傳動元件；控制系統(tǒng) Abstract XY CNC worktable adopts open-loop control system, which is simple in structure, convenient in implementation and can ensure certain accuracy. The design mainly designs the mechanical part of the worktable, including the calculation and selection of transmission elements such as ball screw, rolling guide rail, bearing and stepper motor. Finally, the control system is analyzed and the selection of electronic components is completed, and the use of CAD The drawing of assembly drawing, the design of mechanical components and the installation of various parts are also described in detail. Key words: mechanical part; transmission element; control system 目 錄 第一章 緒論 1 1.1、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢 1 (1) 高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢 1 (2) 5 軸聯(lián)動加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展 1 (3) 智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 2 1.2、對我國數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計 2 1.3、對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考 3 第二章 數(shù)控機(jī)床基礎(chǔ) 4 2.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展 4 1．?dāng)?shù)控機(jī)床的產(chǎn)生 4 2．?dāng)?shù)控機(jī)床的發(fā)展概況 5 3．我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展概況 6 4．?dāng)?shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢 7 2.2 數(shù)控機(jī)床的概念及組成 7 1．?dāng)?shù)控機(jī)床的概念 7 2．?dāng)?shù)控機(jī)床的組成 8 2.3 數(shù)控機(jī)床的種類與應(yīng)用 10 1 按機(jī)床運(yùn)動軌跡進(jìn)行分類 10 2 按伺服系統(tǒng)類型進(jìn)行分類 12 3 按工藝用途進(jìn)行分類 14 4 按數(shù)控系統(tǒng)功能水平進(jìn)行分類 14 5 按所用數(shù)控裝置的構(gòu)成方式分類 15 2.4 數(shù)控機(jī)床加工的特點(diǎn)及應(yīng)用 16 1．?dāng)?shù)控機(jī)床加工特點(diǎn) 16 2．?dāng)?shù)控機(jī)床的應(yīng)用 17 第三章 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定 18 3.1. 總體方案步驟確定： 18 3.2機(jī)械傳動部件的選擇 18 1 ）導(dǎo)軌副的選用 18 2 ）絲杠螺母副的選用 19 3 ）減速裝置的選用 19 4 ）伺服電動機(jī)的選用 19 5 ）檢測裝置的選用 19 3.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計 19 第四章 機(jī)械部分設(shè)計 21 4.1. 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 22 4.2. 工作臺外形尺寸及重量初步估算 22 4.3. 滾動導(dǎo)軌副的計算、選擇 23 4.4. 滾珠絲杠計算、選擇 24 （1） 強(qiáng)度計算 24 （2） 傳動效率計算 26 （3） 穩(wěn)定性驗(yàn)算 26 （4） 剛度驗(yàn)算 27 4.5. 齒輪計算、設(shè)計 27 4.6. 步進(jìn)電機(jī)的選用 28 （1）計算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 28 (2) 計算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩分快速空載起動和承受最大工作負(fù) 31 (3)步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 31 (4)步進(jìn)電動機(jī)的性能校核 31 第五章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 32 5.1. 設(shè)計內(nèi)容 32 5.2. 設(shè)計步驟 33 5.3 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 38 第六章 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計 39 6.1. 系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容 39 6.2. 軟件設(shè)計 40 結(jié)束語 49 參考文獻(xiàn) 50 致 謝 63 第一章 緒論 在我國對外開放進(jìn)一步深化的新環(huán)境下 ,發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備、提高我國制造業(yè)信息化水平和國際競爭能力的重要性 ,并從戰(zhàn)略和策略兩個層面提出了發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備的幾點(diǎn)看法。 裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度 ,數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備 ,又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機(jī)械運(yùn)動和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù) ,而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品 ,其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域。 1.1、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化 ,使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征 ,而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大 ,他對國計民生的一些重要行業(yè) IT、汽車、輕工、醫(yī)療等的發(fā)展起著越來越重要的作用。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看 ,其主要研究熱點(diǎn)有以下幾個方面: (1) 高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢 效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率 ,提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次 ,縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。從 EMO2001 展會情況來看 ,高速加工中心進(jìn)給速度可達(dá) 80m/ min ,甚至更高 ,空運(yùn)行速度可達(dá) 100m/ min左右。目前世界上許多汽車廠 ,包括我國的上海通用汽車公司 ,已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機(jī)床。在加工精度方面 ,近 10 年來 ,普通級數(shù)控機(jī)床的加工精度已由 10μm提高到 5μm ,精密級加工中心則從 3～5μm ,提 高到 1～1.5μm并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級 0.1μm 。為了實(shí)現(xiàn)高速、高精加工 ,與這配套的功能部件如電主軸、直線電機(jī)得到了快速的發(fā)展 ,應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。 (2) 5 軸聯(lián)動加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展 采用 5 軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工 ,可用刀具最佳幾何形狀進(jìn)行切削 ,不僅光潔度高 ,而且效率也大幅度提高。但過去因 5 軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、主機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因 ,其價格要比 3 軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床高出數(shù)倍 ,加之編程技術(shù)難度較大 ,制約了 5 軸聯(lián)動機(jī)床的發(fā)展。當(dāng)前由于電主軸的出現(xiàn) ,使得實(shí)現(xiàn) 5 軸聯(lián)動加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化 ,其制造難度和成本大幅度降低 ,數(shù)控系統(tǒng)的價格差距縮小。因此促進(jìn)了復(fù)合主軸頭類型 5 軸聯(lián)動機(jī)床和復(fù)合加工機(jī)床 含 5 面加工機(jī)床 的發(fā)展。 (3) 智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng) ,智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面:為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化 ,如加工過程的自適應(yīng)控制 ,工藝參數(shù)自動生成;為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化 ,如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動識別負(fù)載自動選定模型、自整定等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺上 ,面向機(jī)床廠家和最終用戶 ,通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象 數(shù)控功能 ,形成系列化 ,并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技訣竅集成到控制系統(tǒng)中 ,快速實(shí)現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng) ,形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn)品。目前開放數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運(yùn)行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機(jī)床博覽會的一個新亮點(diǎn)。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求 ,也是實(shí)現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元 ,反映了數(shù)控機(jī)床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢。 1.2、對我國數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計 我國數(shù)控技術(shù)起步于 1958 年 ,近 50 年的發(fā)展歷程大致可分為三個階段：第一階段從 1958 年到 1979 年 ,即封閉式發(fā)展階段。在此階段 ,由于國外的技術(shù)封鎖和我國的基礎(chǔ)條件的制 ,數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期 ,即引進(jìn)技術(shù) ,消化吸收 ,初步建立起國產(chǎn)化體系階段。在此階段 ,由于改革開放和國家的重視 ,以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善 ,我國數(shù)控技術(shù)的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方面都取得了長足的進(jìn)步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間 ,即實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的研究 ,進(jìn)入市場競爭階段?？v觀我國數(shù)控技術(shù)近 50 年的發(fā)展歷程 ,特別是經(jīng)過 4 個 5 年計劃的攻關(guān) ,總體來看取得的成績還是不小。 1.3、對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考 (1) 、戰(zhàn)略考慮。我國是制造大國 ,在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移 ,所以 ,我們應(yīng)站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題。首先從社會安全看 ,因?yàn)橹圃鞓I(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè) ,制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平 ,而且還可緩解我國就業(yè)的壓力 ,保障社會的穩(wěn)定;其次從國防安全看 ,西方發(fā)達(dá)國家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略物質(zhì) ,對我國實(shí)現(xiàn)禁運(yùn)和限制 ,“東芝事件”和“考克斯報告”就是最好的例證。 (2)、發(fā)展策略。從我國基本國情的角度出發(fā) ,以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟(jì)的市場需求為導(dǎo)向 ,以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo) ,用系統(tǒng)的方法 ,選擇能夠主導(dǎo) 21 世紀(jì)初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容 ,實(shí)現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。強(qiáng)調(diào)市場需求為導(dǎo)向 ,即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主 ,以整機(jī)如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機(jī)床、曲型數(shù)字化機(jī)械、重點(diǎn)行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等 帶動數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點(diǎn)解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件 數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機(jī)、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等 的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產(chǎn)品;沒有規(guī)模就不會有價值低廉而富有競爭力的產(chǎn)品;當(dāng)然 ,沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終難有出頭之日。 第二章 數(shù)控機(jī)床基礎(chǔ) 2.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展 隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各類工業(yè)新產(chǎn)品層出不窮。機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)作為國民工業(yè)的基礎(chǔ)，其產(chǎn)品更是日趨精密復(fù)雜，特別是宇航、航海、軍事等領(lǐng)域所需的機(jī)械零件，精度要求更高、形狀更為復(fù)雜且往往批量較小，加工這類產(chǎn)品需要經(jīng)常改裝或調(diào)整設(shè)備，普通機(jī)床或?qū)I(yè)化程度高的自動化機(jī)床顯然無法適應(yīng)這些要求。同時，隨著市場競爭的日益加劇，生產(chǎn)企業(yè)也迫切需要進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量及降低生產(chǎn)成本。在這種背景下，一種新型的生產(chǎn)設(shè)備——數(shù)控機(jī)床就應(yīng)運(yùn)而生了，它綜合應(yīng)用了電子計算機(jī)、自動控制、伺服驅(qū)動、精密測量及新型機(jī)械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果，形成了今后機(jī)械工業(yè)的基礎(chǔ)并指明了機(jī)械制造工業(yè)設(shè)備的發(fā)展方向。 1．?dāng)?shù)控機(jī)床的產(chǎn)生 數(shù)控機(jī)床的研制最早是從美國開始的。1948年，美國帕森斯公司（Parsons Co.）在完成研制加工直升機(jī)漿葉輪廓用檢查樣板的加工機(jī)床任務(wù)時，提出了研制數(shù)控機(jī)床的初步設(shè)想。1949年，在美國空軍后勤部的支持下，帕森斯公司正式接受委托，與麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室（Servo Mechanism Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology）合作，開始數(shù)控機(jī)床的研制工作。經(jīng)過3年的研究，世界上第一臺數(shù)控機(jī)床試驗(yàn)樣機(jī)于1952年試制成功。這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補(bǔ)三坐標(biāo)連續(xù)控制系統(tǒng)銑床，其數(shù)控系統(tǒng)全部采用電子管元件，其數(shù)控裝置體積比機(jī)床本體還要大。后來經(jīng)過3年的改進(jìn)和自動編程研究，該機(jī)床于1955年進(jìn)入試用階段。此后，其他一些國家（如德國、英國、日本、前蘇聯(lián)和瑞典等）也相繼開展數(shù)控機(jī)床的研制開發(fā)和生產(chǎn)。1959年，美國克耐·杜列克公司（Keaney & Trecker）首次成功開發(fā)了加工中心（Machining Center），這是一種有自動換刀裝置和回轉(zhuǎn)工作臺的數(shù)控機(jī)床，可以在一次裝夾中對工件的多個平面進(jìn)行多工序的加工。但是，直到20世紀(jì)50年代末，由于價格和其他因素的影響，數(shù)控機(jī)床僅限于航空、軍事工業(yè)應(yīng)用，品種也多為連續(xù)控制系統(tǒng)。直到20世紀(jì)60年代，由于晶體管的應(yīng)用，數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)一步提高了可靠性且價格下降，一些民用工業(yè)開始發(fā)展數(shù)控機(jī)床，其中多數(shù)為鉆床、沖床等點(diǎn)定位控制的機(jī)床。數(shù)控技術(shù)不僅在機(jī)床上得到實(shí)際應(yīng)用，而且逐步推廣到焊接機(jī)、火焰切割機(jī)等，使數(shù)控技術(shù)應(yīng)用范圍不斷地得到擴(kuò)展。 2．?dāng)?shù)控機(jī)床的發(fā)展概況 自1952年美國研制成功第一臺數(shù)控機(jī)床以來，隨著電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制和精密測量等技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床也在迅速地發(fā)展和不斷地更新?lián)Q代，先后經(jīng)歷了5個發(fā)展階段。 第1代數(shù)控機(jī)床：1952—1959年采用電子管元件構(gòu)成的專用數(shù)控裝置（Numerical Control，NC）。 第2代數(shù)控機(jī)床：從1959年開始采用晶體管電路的NC系統(tǒng)。 第3代數(shù)控機(jī)床：從1965年開始采用小、中規(guī)模集成電路的NC系統(tǒng)。 第4代數(shù)控機(jī)床：從1970年開始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計算機(jī)控制的系統(tǒng)（Computer Numerical Control，CNC）。 第5代數(shù)控機(jī)床：從1974年開始采用微型計算機(jī)控制的系統(tǒng)（Microcomputer Numerical Control，MNC）。 近年來，微電子和計算機(jī)技術(shù)日益成熟，其成果正不斷滲透到機(jī)械制造的各個領(lǐng)域中，先后出現(xiàn)了計算機(jī)直接數(shù)控（DNC）系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)（FMS）和計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）。這些高級的自動化生產(chǎn)系統(tǒng)均以數(shù)控機(jī)床為基礎(chǔ)，它們代表著數(shù)控機(jī)床今后的發(fā)展趨勢。 （1）計算機(jī)直接數(shù)控系統(tǒng) 所謂計算機(jī)直接數(shù)控（Direct Numerical Control，DNC）系統(tǒng)，即使用一臺計算機(jī)為數(shù)臺數(shù)控機(jī)床進(jìn)行自動編程，編程結(jié)果直接通過數(shù)據(jù)線輸送到各臺數(shù)控機(jī)床的控制箱。中央計算機(jī)具有足夠的內(nèi)存容量，因此可統(tǒng)一存儲、管理與控制大量的零件程序。利用分時操作系統(tǒng)，中央計算機(jī)可以同時完成一群數(shù)控機(jī)床的管理與控制，因此也稱它為計算機(jī)群控系統(tǒng)。 目前DNC系統(tǒng)中的各臺數(shù)控機(jī)床都有各自獨(dú)立的數(shù)控系統(tǒng)，并與中央計算機(jī)連成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)分級控制，而不再考慮讓一臺計算機(jī)去分時完成所有數(shù)控裝置的功能。 隨著DNC技術(shù)的發(fā)展，中央計算機(jī)不僅用于編制零件的程序以控制數(shù)控機(jī)床的加工過程，而且進(jìn)一步控制工件與刀具的輸送，形成了一條由計算機(jī)控制的數(shù)控機(jī)床自動生產(chǎn)線，它為柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展提供了有利條件。 （2）柔性制造系統(tǒng) 柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System，F(xiàn)MS）也叫做計算機(jī)群控自動線，它是將一群數(shù)控機(jī)床用自動傳送系統(tǒng)連接起來，并置于一臺計算機(jī)的統(tǒng)一控制之下，形成一個用于制造的整體。其特點(diǎn)是由一臺主計算機(jī)對全系統(tǒng)的硬、軟件進(jìn)行管理，采用DNC方式控制兩臺或兩臺以上的數(shù)控加工中心機(jī)床，對各臺機(jī)床之間的工件進(jìn)行調(diào)度和自動傳送；利用交換工作臺或工業(yè)機(jī)器人等裝置實(shí)現(xiàn)零件的自動上料和下料，使機(jī)床每天24小時均能在無人或極少人的監(jiān)督控制下進(jìn)行生產(chǎn)。如日本FANUC公司有一條FMS由60臺數(shù)控機(jī)床、52個工業(yè)機(jī)器人、兩臺無人自動搬運(yùn)車、一個自動化倉庫組成，這個系統(tǒng)每月能加工10000臺伺服電機(jī)。 （3）計算機(jī)集成制造系統(tǒng) 計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer Integrated Manufacturing System，CIMS），是指用最先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)，控制從定貨、設(shè)計、工藝、制造到銷售的全過程，以實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)一體化的高效率的柔性集成制造系統(tǒng)。它是在生產(chǎn)過程自動化（例如計算機(jī)輔助設(shè)計、計算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計、計算機(jī)輔助制造、柔性制造系統(tǒng)等）的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他管理信息系統(tǒng)的發(fā)展逐步完善的，有各種類型計算機(jī)及其軟件系統(tǒng)的分析、控制能力，可把全廠的生產(chǎn)活動聯(lián)系起來，最終實(shí)現(xiàn)全廠性的綜合自動化。 3．我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展概況 我國從1958年開始由北京機(jī)床研究所和清華大學(xué)等單位首先研制數(shù)控機(jī)床，并試制成功第一臺電子管數(shù)控機(jī)床。從1965年開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)，直到20世紀(jì)60年代末至70年代初，研制的劈錐數(shù)控銑床、非圓插齒機(jī)等獲得成功。與此同時，還開展了數(shù)控銑床加工平面零件自動編程的研究。1972—1979年是數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)和使用階段，例如清華大學(xué)成功研制了集成電路數(shù)控系統(tǒng)；在車、銑、鏜、磨、齒輪加工、電加工等領(lǐng)域開始研究和應(yīng)用數(shù)控技術(shù)；數(shù)控加工中心機(jī)床研制成功；數(shù)控升降臺銑床和數(shù)控齒輪加工機(jī)床開始小批生產(chǎn)供應(yīng)市場。從20世紀(jì)80年代開始，隨著改革開放政策的實(shí)施，我國先后從日本、美國、德國等國家引進(jìn)先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)。如北京機(jī)床研究所從日本FANUC公司引進(jìn)FANUC3、FANUC5、FANUC6、FANUC7系列產(chǎn)品的制造技術(shù)；上海機(jī)床研究所引進(jìn)美國GE公司的MTC－1數(shù)控系統(tǒng)等。在引進(jìn)、消化、吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，北京機(jī)床研究所又開發(fā)出BSO3經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)和BSO4全功能數(shù)控系統(tǒng)，航空航天部706所研制出MNC864數(shù)控系統(tǒng)等。到“八五”末期，我國數(shù)控機(jī)床的品種已有200多個，產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到年產(chǎn)10000臺的水平，是1980年的500倍。我國數(shù)控機(jī)床在品種、性能以及控制水平上都有了新的飛躍，數(shù)控技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了一個繼往開來的發(fā)展階段。 4．?dāng)?shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢 從數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自動化是數(shù)控機(jī)床的重要發(fā)展趨勢。對單臺主機(jī)不僅要求提高其柔性和自動化程度，還要求具有更高層次的柔性制造系統(tǒng)和計算機(jī)集成系統(tǒng)的適應(yīng)能力。我國國產(chǎn)數(shù)控設(shè)備的主軸轉(zhuǎn)速已達(dá)10000~40000r/min，進(jìn)給速度達(dá)到30~60m/min，換刀時間t<2.0s，表面粗糙度Ra<0.008μm。 在數(shù)控系統(tǒng)方面，目前世界上幾個著名的數(shù)控裝置生產(chǎn)廠家，諸如日本的FANUC公司、德國的SIEMENS公司和美國的A-B公司，其產(chǎn)品都在向系列化、模塊化、高性能和成套性方向發(fā)展。它們的數(shù)控系統(tǒng)都采用了16位和32位微處理器，標(biāo)準(zhǔn)總線及軟件模塊和硬件模塊結(jié)構(gòu)，內(nèi)存容量擴(kuò)大到了1MB以上，機(jī)床分辨率可達(dá)0.1μm，高速進(jìn)給速度可達(dá)100m/min，控制軸數(shù)可達(dá)16個，并采用先進(jìn)的電裝工藝。 在驅(qū)動系統(tǒng)方面，交流驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展迅速。交流驅(qū)動已由模擬式向數(shù)字式方向發(fā)展，以運(yùn)算放大器等模擬器件為主的控制器正被以微處理器為主的數(shù)字集成元件所取代，從而克服了零點(diǎn)漂移、溫度漂移等弱點(diǎn)。 2.2 數(shù)控機(jī)床的概念及組成 1．?dāng)?shù)控機(jī)床的概念 數(shù)控技術(shù)是20世紀(jì)中期發(fā)展起來的機(jī)床控制技術(shù)。數(shù)字控制（Numerical Control，簡稱NC）是一種自動控制技術(shù)，是用數(shù)字化信號對機(jī)床的運(yùn)動及其加工過程進(jìn)行控制的一種方法。 數(shù)控機(jī)床（NC Machine）就是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。它是一種綜合應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、精密測量技術(shù)、通信技術(shù)和精密機(jī)械技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。 國家信息處理聯(lián)盟（International Federation of Information Processing，簡稱IFIP）第五技術(shù)委員會對數(shù)控機(jī)床作了如下定義：數(shù)控機(jī)床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)床，該系統(tǒng)能邏輯地處理具有特定代碼和其他符號編碼指令規(guī)定的程序。 2．?dāng)?shù)控機(jī)床的組成 數(shù)控機(jī)床的種類很多，但任何一種數(shù)控機(jī)床都是由控制介質(zhì)、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)和機(jī)床本體等若干基本部分組成，如圖1-1所示。 圖1-1 數(shù)控機(jī)床的組成 （1）控制介質(zhì) 數(shù)控系統(tǒng)工作時，不需要操作工人直接操縱機(jī)床，但機(jī)床又必須執(zhí)行人的意圖，這就需要在人與機(jī)床之間建立某種聯(lián)系，這種聯(lián)系的中間媒介物即稱為控制介質(zhì)。在控制介質(zhì)上存儲著加工零件所需要的全部操作信息和刀具相對工件位移信息，因此，控制介質(zhì)就是將零件加工信息傳送到數(shù)控裝置去的信息載體。控制介質(zhì)有多種形式，它隨著數(shù)控裝置類型的不同而不同，常用的有穿孔紙帶、穿孔卡、磁帶、磁盤和USB接口介質(zhì)等?？刂平橘|(zhì)上記載的加工信息要經(jīng)過輸入裝置傳送給數(shù)控裝置，常用的輸入裝置有光電紙帶輸入機(jī)、磁帶錄音機(jī)、磁盤驅(qū)動器和USB接口等。 除了上述幾種控制介質(zhì)外，還有一部分?jǐn)?shù)控機(jī)床采用數(shù)碼撥盤、數(shù)碼插銷或利用鍵盤直接輸入程序和數(shù)據(jù)。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（如局域網(wǎng)），將程序和數(shù)據(jù)直接傳送給數(shù)控裝置。 （2）數(shù)控系統(tǒng) 數(shù)控裝置是一種控制系統(tǒng)，是數(shù)控機(jī)床的中心環(huán)節(jié)。它能自動閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字，并將其譯碼，從而使機(jī)床進(jìn)給并加工零件。數(shù)控系統(tǒng)通常由輸入裝置、控制器、運(yùn)算器和輸出裝置4部分組成，如圖1-2所示。 圖1-2 數(shù)控裝置結(jié)構(gòu) 輸入裝置接受由穿孔帶閱讀機(jī)輸出的代碼，經(jīng)識別與譯碼之后分別輸入到各個相應(yīng)的寄存器，這些指令與數(shù)據(jù)將作為控制與運(yùn)算的原始數(shù)據(jù)?？刂破鹘邮茌斎胙b置的指令，根據(jù)指令控制運(yùn)算器與輸入裝置，以實(shí)現(xiàn)對機(jī)床的各種操作（如控制工作臺沿某一坐標(biāo)軸的運(yùn)動、主軸變速和冷卻液的開關(guān)等）以及控制整機(jī)的工作循環(huán)（如控制閱讀機(jī)的啟動或停止、控制運(yùn)算器的運(yùn)算和控制輸出信號等）。 運(yùn)算器接受控制器的指令，將輸入裝置送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行某種運(yùn)算，并不斷向輸出裝置送出運(yùn)算結(jié)果，使伺服系統(tǒng)執(zhí)行所要求的運(yùn)動。對于加工復(fù)雜零件的輪廓控制系統(tǒng)，運(yùn)算器的重要功能是進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算。所謂插補(bǔ)運(yùn)算就是將每個程序段輸入的工件輪廓上的某起始點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)送入運(yùn)算器，經(jīng)過運(yùn)算之后在起點(diǎn)和終點(diǎn)之間進(jìn)行“數(shù)據(jù)密化”，并按控制器的指令向輸出裝置送出計算結(jié)果。 輸出裝置根據(jù)控制器的指令將運(yùn)算器送來的計算結(jié)果輸送到伺服系統(tǒng)，經(jīng)過功率放大驅(qū)動相應(yīng)的坐標(biāo)軸，使機(jī)床完成刀具相對工件的運(yùn)動。 目前均采用微型計算機(jī)作為數(shù)控裝置。微型計算機(jī)的中央處理單元（CPU）又稱微處理器，是一種大規(guī)模集成電路。它將運(yùn)算器、控制器集成在一塊集成電路芯片中。在微型計算機(jī)中，輸入與輸出電路采用大規(guī)模集成電路，即所謂的I/O接口。微型計算機(jī)擁有較大容量的寄存器，并采用高密度的存儲介質(zhì)，如半導(dǎo)體存儲器和磁盤存儲器等。存儲器可分為只讀存儲器（ROM）和隨機(jī)存取存儲器（RAM）兩種類型，前者用于存放系統(tǒng)的控制程序，后者存放系統(tǒng)運(yùn)行時的工作參數(shù)或用戶的零件加工程序。微型計算機(jī)數(shù)控裝置的工作原理與上述硬件數(shù)控裝置的工作原理相同，只是前者采用通用的硬件，不同的功能通過改變軟件來實(shí)現(xiàn)，因此更為靈活與經(jīng)濟(jì)。 （3）伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動電動機(jī)和伺服驅(qū)動裝置組成，它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分。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)床本體的移動部件運(yùn)動或使執(zhí)行部分動作，以加工出符合要求的工件。指令信息是脈沖信息的體現(xiàn)，每個脈沖使機(jī)床移動部件產(chǎn)生的位移量叫做脈沖當(dāng)量。機(jī)械加工中一般常用的脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖、0.005mm/脈沖、0.001mm/脈沖，目前所使用的數(shù)控系統(tǒng)脈沖當(dāng)量一般為0.001mm/脈沖。 伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件，它的好壞直接影響著數(shù)控加工的速度、位置、精度等。伺服機(jī)構(gòu)中常用的驅(qū)動裝置，隨數(shù)控系統(tǒng)的不同而不同。開環(huán)系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)常用步進(jìn)電機(jī)和電液脈沖馬達(dá)；閉環(huán)系統(tǒng)常用寬調(diào)速直流電機(jī)和電液伺服驅(qū)動裝置等。 （4）輔助控制系統(tǒng) 輔助控制系統(tǒng)是介于數(shù)控裝置和機(jī)床機(jī)械、液壓部件之間的強(qiáng)電控制裝置。它接受數(shù)控裝置輸出的主運(yùn)動變速、刀具選擇交換、輔助裝置動作等指令信號，經(jīng)過必要的編譯、邏輯判斷、功率放大后直接驅(qū)動相應(yīng)的電器、液壓、氣動和機(jī)械部件，以完成各種規(guī)定的動作。此外，有些開關(guān)信號經(jīng)過輔助控制系統(tǒng)傳輸給數(shù)控裝置進(jìn)行處理。 （5）機(jī)床本體 機(jī)床本體是數(shù)控機(jī)床的主體，由機(jī)床的基礎(chǔ)大件（如床身、底座）和各種運(yùn)動部件（如工作臺、床鞍、主軸等）所組成。它是完成各種切削加工的機(jī)械部分，是在普通機(jī)床的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的。其具有以下特點(diǎn)： l 數(shù)控機(jī)床采用了高性能的主軸與伺服傳動系統(tǒng)、機(jī)械傳動裝置。 l 數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高的剛度、阻尼精度和耐磨性。 l 更多采用了高效傳動部件，如滾珠絲杠副、直線滾動導(dǎo)軌。 與傳統(tǒng)的手動機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床的外部造型、整體布局，傳動系統(tǒng)與刀具系統(tǒng)的部件結(jié)構(gòu)及操作機(jī)構(gòu)等方面都發(fā)生了很多變化。這些變化的目的是為了滿足數(shù)控機(jī)床的要求和充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)，因此，必須建立數(shù)控機(jī)床設(shè)計的新概念。 2.3 數(shù)控機(jī)床的種類與應(yīng)用 當(dāng)前數(shù)控機(jī)床的品種很多，結(jié)構(gòu)、功能各不相同，通?？梢园聪率龇椒ㄟM(jìn)行分類。 1 按機(jī)床運(yùn)動軌跡進(jìn)行分類 按機(jī)床運(yùn)動軌跡不同，可分為點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床、直線控制數(shù)控機(jī)床和輪廓控制數(shù)控機(jī)床。 （1）點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床 點(diǎn)位控制（Positioning Control）又稱為點(diǎn)到點(diǎn)控制（Point to Point Control）。刀具從某一位置向另一位置移動時，不管中間的移動軌跡如何，只要刀具最后能正確到達(dá)目標(biāo)位置，就稱為點(diǎn)位控制。 點(diǎn)位控制機(jī)床的特點(diǎn)是只控制移動部件由一個位置到另一個位置的精確定位，而對它們的運(yùn)動過程中的軌跡沒有嚴(yán)格要求，在移動和定位過程中不進(jìn)行任何加工。因此，為了盡可能地減少移動部件的運(yùn)動時間和定位時間，兩相關(guān)點(diǎn)之間的移動先以快速移動到接近新點(diǎn)位的位置，然后進(jìn)行連續(xù)降速或分級降速，使之慢速趨近定位點(diǎn)，以保證其定位精度。點(diǎn)位控制加工示意圖如圖1-3所示。 這類機(jī)床主要有數(shù)控坐標(biāo)鏜床、數(shù)控鉆床、數(shù)控點(diǎn)焊機(jī)和數(shù)控折彎機(jī)等，其相應(yīng)的數(shù)控裝置稱為點(diǎn)位控制數(shù)控裝置。 （2）直線控制數(shù)控機(jī)床 直線控制（Straight Cut Control）又稱平行切削控制（Parallet Cut Control）。這類控制除了控制點(diǎn)到點(diǎn)的準(zhǔn)確位置之外，還要保證兩點(diǎn)之間移動的軌跡是一條直線，而且對移動的速度也有控制，因?yàn)檫@一類機(jī)床在兩點(diǎn)之間移動時要進(jìn)行切削加工。 直線控制數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)是刀具相對于工件的運(yùn)動不僅要控制兩相關(guān)點(diǎn)的準(zhǔn)確位置（距離），還要控制兩相關(guān)點(diǎn)之間移動的速度和軌跡，其軌跡一般由與各軸線平行的直線段組成。它和點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床的區(qū)別在于當(dāng)機(jī)床移動部件移動時，可以沿一個坐標(biāo)軸的方向進(jìn)行切削加工，而且其輔助功能比點(diǎn)位控制的數(shù)控機(jī)床多。直線控制加工示意圖如圖1-4所示。 圖1-3 點(diǎn)位控制加工示意圖 圖1-4 直線控制加工示意圖 這類機(jī)床主要有數(shù)控坐標(biāo)車床、數(shù)控磨床和數(shù)控鏜銑床等，其相應(yīng)的數(shù)控裝置稱為直線控制數(shù)控裝置。 （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)床具有輪廓控制功能。輪廓控制數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)是能同時控制兩個以上的軸聯(lián)動，具有插補(bǔ)功能。它不僅要控制加工過程中的每一點(diǎn)的位置和刀具移動速度，還要加工出任意形狀的曲線或曲面。輪廓控制加工示意圖如圖1-5所示。 屬于輪廓控制機(jī)床的有數(shù)控坐標(biāo)車床、數(shù)控銑床、加工中心等。其相應(yīng)的數(shù)控裝置稱為輪廓控制裝置。輪廓控制裝置比點(diǎn)位、直線控制裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，功能齊全得多。 2 按伺服系統(tǒng)類型進(jìn)行分類 按伺服系統(tǒng)類型不同，可分為開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床、閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床和半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床。 圖1-5 輪廓控制加工示意圖 （1）開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 開環(huán)控制（Open loop Control）數(shù)控機(jī)床通常不帶位置檢測元件，伺服驅(qū)動元件一般為步進(jìn)電動機(jī)。數(shù)控裝置每發(fā)出一個進(jìn)給脈沖后，脈沖便經(jīng)過放大，并驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動一個固定角度，再通過機(jī)械傳動驅(qū)動工作臺運(yùn)動。開環(huán)伺服系統(tǒng)如圖1-6所示。這種系統(tǒng)沒有被控對象的反饋值，系統(tǒng)的精度完全取決于步進(jìn)電動機(jī)的步距精度和機(jī)械傳動的精度，其控制線路簡單，調(diào)節(jié)方便，精度較低（一般可達(dá)0.02mm），通常應(yīng)用于小型或經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。 圖1-6 開環(huán)伺服系統(tǒng) （2）閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 閉環(huán)控制（Closed loop Control）數(shù)控機(jī)床通常帶位置檢測元件，隨時可以檢測出工作臺的實(shí)際位移并反饋給數(shù)控裝置，與設(shè)定的指令值進(jìn)行比較后，利用其差值控制伺服電動機(jī)，直至差值為零。這類機(jī)床一般采用直流伺服電動機(jī)或交流伺服電動機(jī)驅(qū)動。位置檢測元件常有直線光柵、磁柵、同步感應(yīng)器等。閉環(huán)伺服系統(tǒng)如圖1-7所示。 由閉環(huán)伺服系統(tǒng)的工作原理可以看出，系統(tǒng)精度主要取決于位置檢測裝置的精度，從理論上講，它完全可以消除由于傳動部件制造中存在的誤差給工件加工帶來的影響，所以這種系統(tǒng)可以得到很高的加工精度。閉環(huán)伺服系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)整都有很大的難度，直線位移檢測元件的價格比較昂貴，主要用于一些精度要求較高的鏜銑床、超精車床和加工中心。 （3）半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 半閉環(huán)控制（Semi－Closed loop Control）數(shù)控機(jī)床通常將位置檢測元件安裝在伺服電動機(jī)的軸上或滾珠絲杠的端部，不直接反饋機(jī)床的位移量，而是檢測伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)角，將此信號反饋給數(shù)控裝置進(jìn)行指令比較，用差值控制伺服電動機(jī)。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)如圖1-8所示。 圖1-7 閉環(huán)伺服系統(tǒng) 圖1-8 半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 因?yàn)榘腴]環(huán)伺服系統(tǒng)的反饋信號取自電動機(jī)軸的回轉(zhuǎn)，因此系統(tǒng)中的機(jī)械傳動裝置處于反饋回路之外，其剛度、間歇等非線性因素對系統(tǒng)穩(wěn)定性沒有影響，調(diào)試方便。同樣，機(jī)床的定位精度主要取決于機(jī)械傳動裝置的精度，但是現(xiàn)在的數(shù)控裝置均有螺距誤差補(bǔ)償和間歇補(bǔ)償功能，不需要將傳動裝置各種零件的精度提得很高，通過補(bǔ)償就能將精度提高到絕大多數(shù)用戶都能接受的程度。再加上直線位移檢測裝置比角位移檢測裝置昂貴得多，因此，除了對定位精度要求特別高或行程特別長，不能采用滾珠絲杠的大型機(jī)床外，絕大多數(shù)數(shù)控機(jī)床均采用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 3 按工藝用途進(jìn)行分類 按工藝用途不同，可分為金屬切削類數(shù)控機(jī)床、金屬成型類數(shù)控機(jī)床、數(shù)控特種加工機(jī)床和其他類型的數(shù)控機(jī)床。 （1）金屬切削類數(shù)控機(jī)床 金屬切削類數(shù)控機(jī)床包括數(shù)控車床、數(shù)控鉆床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜床以及加工中心。切削類機(jī)床發(fā)展最早，目前種類繁多，功能差異也較大，加工中心能實(shí)現(xiàn)自動換刀。這類機(jī)床都有一個島庫，可容納10~100把刀具。其特點(diǎn)是：工件一次裝夾可完成多道工序。為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，有的加工中心使用雙工作臺，一面加工，一面裝卸，工作臺可以自動交換。 （2）金屬成型類數(shù)控機(jī)床 金屬成型類數(shù)控機(jī)床包括數(shù)控折彎機(jī)、數(shù)控組合沖床和數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)等。這類機(jī)床起步晚，但目前發(fā)展很快。 （3）數(shù)控特種加工機(jī)床 數(shù)控特種加工機(jī)床有線切割機(jī)床、數(shù)控電火花加工機(jī)床、火焰切割機(jī)和數(shù)控激光機(jī)切割機(jī)床等。 （4）其他類型的數(shù)控機(jī)床 其他類型的數(shù)控機(jī)床有數(shù)控三坐標(biāo)測量機(jī)床等。 4 按數(shù)控系統(tǒng)功能水平進(jìn)行分類 按數(shù)控系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)、功能指標(biāo)和關(guān)鍵部件的功能水平不同，數(shù)控機(jī)床可分為低、中、高3個檔次。國內(nèi)還分為全功能數(shù)控機(jī)床、普及型數(shù)控機(jī)床和經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。這些分類方法劃分的界線是相對的，不同時期的劃分標(biāo)準(zhǔn)有所不同，大體有以下幾個方面。 （1）控制系統(tǒng)CPU的檔次 低檔數(shù)控系統(tǒng)一般采用8位CPU，中、高檔數(shù)控系統(tǒng)采用16位或64位的CPU，現(xiàn)在有些CNC裝置已采用64位的CPU。 （2）分辨率和進(jìn)給速度 分辨率為位移檢測裝置所能檢測到的最小位移單位，分辨率越小，則檢測精度越高。它取決于檢測裝置的類型和制造精度。一般認(rèn)為，分辨率為10μm，進(jìn)給速度為8~10m/min是低檔數(shù)控機(jī)床；分辨率為1μm，進(jìn)給速度為10~20m/min是中檔數(shù)控機(jī)床；分辨率為0.1μm，進(jìn)給速度為15~20m/min是高檔數(shù)控機(jī)床。通常分辨率應(yīng)比機(jī)床所要求的加工精度高一個數(shù)量級。 （3）伺服系統(tǒng)類型 一般采用開環(huán)、步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)的為低檔數(shù)控機(jī)床；中、高檔數(shù)控機(jī)床則采用半閉環(huán)或閉環(huán)的直流伺服或交流伺服系統(tǒng)。 （4）坐標(biāo)聯(lián)動軸數(shù) 數(shù)控機(jī)床聯(lián)動軸數(shù)也是常用區(qū)分機(jī)床檔次的一個標(biāo)志。按同時控制的聯(lián)動軸數(shù)，可分為2軸聯(lián)動、3軸聯(lián)動、2.5軸聯(lián)動（任一時刻3軸中只能實(shí)現(xiàn)兩軸聯(lián)動，另一軸則是點(diǎn)位或直線控制）、4軸聯(lián)動、5軸聯(lián)動等。低檔數(shù)控機(jī)床的聯(lián)動軸數(shù)一般不超過2軸；中、高檔的聯(lián)動軸數(shù)則為3~5軸。 （5）通信功能 低檔數(shù)控系統(tǒng)一般無通信能力；中檔數(shù)控系統(tǒng)可以有RS-232C或直接（DirectNumerical Control，簡稱DNC）接口；高檔數(shù)控系統(tǒng)還可以有制造自動化協(xié)議（Manufacturing Automation Protocol，簡稱MAP）通信接口，具有聯(lián)網(wǎng)功能。 （6）顯示功能 低檔數(shù)控系統(tǒng)一般只有簡單的數(shù)碼管顯示或單色CRT字符顯示；中檔數(shù)控系統(tǒng)則有較齊全的CRT顯示，不僅有字符，而且有二維圖形、人機(jī)對話、狀態(tài)和自診斷等功能；高檔數(shù)控系統(tǒng)還可以有三維圖形顯示、圖形編輯等功能。 5 按所用數(shù)控裝置的構(gòu)成方式分類 按所用數(shù)控裝置的構(gòu)成方式不同，可分為硬線數(shù)控系統(tǒng)和軟線數(shù)控系統(tǒng)。 （1）硬線數(shù)控系統(tǒng) 硬線數(shù)控系統(tǒng)使用硬線數(shù)控裝置，它的輸入處理、插補(bǔ)運(yùn)算和控制功能，都由專用的固定組合邏輯電路來實(shí)現(xiàn)，不同功能的機(jī)床，其組合邏輯電路也不相同。改變或增減控制、運(yùn)算功能時，需要改變數(shù)控裝置的硬件電路。因此該系統(tǒng)通用性和靈活性差，制造周期長，成本高。20世紀(jì)70年代初期以前的數(shù)控機(jī)床基本是屬于這種類型。 （2）軟線數(shù)控系統(tǒng) 軟線數(shù)控系統(tǒng)也稱計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，它使用軟線數(shù)控裝置。這種數(shù)控裝置的硬件電路由小型或微型計算機(jī)再加上通用或?qū)Ｓ玫拇笠?guī)模集成電路制成，數(shù)控機(jī)床的主要功能幾乎全部由系統(tǒng)軟件來實(shí)現(xiàn)，所以不同功能的數(shù)控機(jī)床其系統(tǒng)軟件也就不同，而修改或增減系統(tǒng)功能時，也不需要改動硬件電路，只需要改變系統(tǒng)軟件。因此，該系統(tǒng)具有較高的靈活性，同時由于硬件電路基本是通用的，這就有利于大量生產(chǎn)、提高質(zhì)量和可靠性、縮短制造周期和降低成本。20世紀(jì)70年代中期以后，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和微型計算機(jī)的出現(xiàn)，以及集成電路的集成度不斷提高，計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)才得到不斷發(fā)展和提高，目前幾乎所有的數(shù)控機(jī)床都采用軟線數(shù)控系統(tǒng)。 2.4 數(shù)控機(jī)床加工的特點(diǎn)及應(yīng)用 1．?dāng)?shù)控機(jī)床加工特點(diǎn) 與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床是一種機(jī)電一體化的高效自動機(jī)床，它具有以下加工特點(diǎn)。 （1）具有廣泛的適應(yīng)性和較高的靈活性 數(shù)控機(jī)床更換加工對象，只需要重新編制和輸入加工程序即可實(shí)現(xiàn)加工；在某些情況下，甚至只要修改程序中部分程序段或利用某些特殊指令就可實(shí)現(xiàn)加工（例如利用縮放功能指令就可實(shí)現(xiàn)加工形狀相同尺寸不同的零件）。這為單件、小批量多品種生產(chǎn)，產(chǎn)品改型和新產(chǎn)品試制提供了極大的方便，大大縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備及試制周期。 （2）加工精度高，質(zhì)量穩(wěn)定 由于數(shù)控機(jī)床采用了數(shù)字伺服系統(tǒng)，數(shù)控裝置每輸出一個脈沖，通過伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)使機(jī)床產(chǎn)生相應(yīng)的位移量（稱為脈沖當(dāng)量），可達(dá)0.1~1μm；機(jī)床傳動絲杠采用間歇補(bǔ)償，螺距誤差及其傳動誤差可由閉環(huán)系統(tǒng)加以控制，因此數(shù)控機(jī)床能達(dá)到較高的加工精度。例如普通精度加工中心，定位精度一般可達(dá)到每300mm長度誤差不超過（0.005~0.008）mm，重復(fù)精度可達(dá)到0.001mm。另外，數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)剛性和熱穩(wěn)定性都較好，制造精度能保證；其自動加工方式避免了操作者的人為操作誤差，加工質(zhì)量穩(wěn)定，合格率高，同批加工的零件幾何尺寸一致性好。數(shù)控機(jī)床能實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動，可以加工普通機(jī)床很難加工甚至不可能加工的復(fù)雜曲面。 （3）加工生產(chǎn)率高 在數(shù)控機(jī)床上可選擇最有利的加工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多道工序連續(xù)加工；也可實(shí)現(xiàn)多機(jī)看管。由于采用了加速、減速措施，使機(jī)床移動部件能快速移動和定位，大大節(jié)省可加工過程中的空程時間。 （4）可獲得良好的經(jīng)濟(jì)效率 雖然數(shù)控機(jī)床分?jǐn)偟矫總€零件上的設(shè)備費(fèi)（包括折舊費(fèi)、維修費(fèi)、動力消耗費(fèi)等）較高，但生產(chǎn)效率高，單件、小批量生產(chǎn)時節(jié)省輔助時間（如畫線、機(jī)床調(diào)整、加工檢驗(yàn)等），節(jié)省直接生產(chǎn)費(fèi)用。數(shù)控機(jī)床加工精度穩(wěn)定，減少廢品率，使生產(chǎn)成本進(jìn)一步降低。 2．?dāng)?shù)控機(jī)床的應(yīng)用 數(shù)控機(jī)床的性能特點(diǎn)決定了它的應(yīng)用范圍。對于數(shù)控加工，可按適應(yīng)程度將加工對象大致分為3類。 （1）最適應(yīng)類 加工精度要求高，形狀、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是具有復(fù)雜曲線、曲面輪廓的零件，或具有不開暢內(nèi)腔的零件。這類零件用通用機(jī)床很難加工，很難檢測，質(zhì)量也難保證。 必須在一次裝夾中完成銑、鉆、絞、锪或攻絲等多道工序的零件。 （2）較適應(yīng)類 價格昂貴，毛坯獲得困難，不允許報廢的零件。這類零件在普通機(jī)床上加工時，有一定難度，受機(jī)床的調(diào)整、操作人員的精神、工作狀態(tài)等多種因素影響，容易產(chǎn)生次品或廢品。為可靠起見，可選擇在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行加工。 在通用機(jī)床上加工生產(chǎn)效率低，勞動強(qiáng)度大，質(zhì)量難穩(wěn)定控制的零件。 用于改型比較、供性能測試的零件（它們要求尺寸一致性好）；多品種、多規(guī)格、單件小批量生產(chǎn)的零件。 （3）不適應(yīng)類 利用毛坯作為粗基準(zhǔn)定位進(jìn)行加工或定位完全需要人工找正的零件。數(shù)控機(jī)床無在線檢測系統(tǒng)可自動檢測調(diào)整零件位置坐標(biāo)的情況下，加工余量很不穩(wěn)定的零件。 必須用特定的工藝裝備，或依據(jù)樣板、樣件加工的零件或加工內(nèi)容。 需大批量生產(chǎn)的零件。隨著數(shù)控機(jī)床性能的提高、功能的完善和成本的降低，隨著數(shù)控加工用的刀具、輔助用具的性能不斷改善提高和數(shù)控加工工藝的不斷改進(jìn)，利用數(shù)控機(jī)床高自動化、高精度、工藝集中的特性，將數(shù)控機(jī)床用于大批量生產(chǎn)的情況逐漸多起來。因此，適應(yīng)性是相對的，會隨著科技的發(fā)展而發(fā)生變化。 快速原型法是綜合運(yùn)用CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光加工技術(shù)和材料技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從零件設(shè)計到三維實(shí)體原型制造一體化的系統(tǒng)技術(shù)。 第三章 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定 數(shù)控機(jī)床XY工作臺與控制系統(tǒng)是采用數(shù)字化信號，通過可編程的自動控制工作方式，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行及其加工過程產(chǎn)生的位置、角度、速度、力等信號進(jìn)行控制的新型自動化機(jī)床。數(shù)控機(jī)床的計算機(jī)信息處理及控制的內(nèi)容主要包括：基本的數(shù)控數(shù)據(jù)輸入輸出、直線和圓弧插補(bǔ)運(yùn)算、刀具補(bǔ)償、間隙補(bǔ)償、螺距誤差補(bǔ)償和位置伺服控制等。 3.1. 總體方案步驟確定： 由于該設(shè)計主要考慮XY工作臺和控制系統(tǒng)的設(shè)計，總體方案設(shè)計包括： 1 運(yùn)動功能設(shè)計 包括確定機(jī)床所需運(yùn)動的個數(shù)、形式、功能及排列順序。 2 基本參數(shù)設(shè)計 包括數(shù)控系統(tǒng)工作參數(shù)、尺寸參數(shù)、運(yùn)動參數(shù)和動力參數(shù)設(shè)計等。 3 傳動系統(tǒng)設(shè)計 包括傳動方式、傳動原理圖及傳動系統(tǒng)圖設(shè)計。 4 控制系統(tǒng)設(shè)計 包括控制方式及控制原理、控制系統(tǒng)圖設(shè)計。 設(shè)計主要內(nèi)容：該設(shè)計旨在單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的多用XY工作臺確定，通過總體方案步驟的確定得出主要設(shè)計內(nèi)容如下： 3.2機(jī)械傳動部件的選擇 1 ）導(dǎo)軌副的選用 要設(shè)計的X-Y工作臺是用來配套數(shù)控雕刻機(jī)使用的，需要承受的載荷不大，但脈沖當(dāng)量小、定位精度高，因此，決定選用直線滾動導(dǎo)軌副，它只有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。 2 ）絲杠螺母副的選用 伺服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，要滿足0.005mm的脈沖當(dāng)量和0.01mm的定位精度，滑動絲杠副無能為力，只有選用滾珠絲杠副才能達(dá)到。滾珠絲杠副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高，預(yù)緊后可消除反向間隙。 3 ）減速裝置的選用 選擇了步進(jìn)電動機(jī)和滾珠絲杠副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運(yùn)動部件折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)。 4 ）伺服電動機(jī)的選用 任務(wù)書規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到0.001mm，定位精度也未達(dá)到微米級，空載最快移動速度也只有3000mm / min。因此，本設(shè)計不必采用高檔次的伺服電動機(jī)，如交流同服電動機(jī)或直流伺服電動機(jī)等，可以選用性能好一些的步進(jìn)電動機(jī)，如混合式步進(jìn)電動機(jī)，以降低成本，提高性價比。 5 ）檢測裝置的選用 選用步進(jìn)電動機(jī)作為伺服電動機(jī)后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所給的精度對于步進(jìn)電動機(jī)來說還是偏高的，為了確保電動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不受切削負(fù)載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測電動機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應(yīng)與步進(jìn)電動機(jī)的步距角相匹配。 考慮到X、Y兩個方向的加工范圍相似，承受的工作載荷相差不大，為了減少設(shè)計工作量，X、Y兩個坐標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動機(jī)，以及檢測裝置擬采用相同的型號與規(guī)格。 3.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計 1 設(shè)計的X-Y工作臺準(zhǔn)備用在數(shù)控雕刻機(jī)上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有單坐標(biāo)定位、兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)的基本功能，所以控制系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計成連續(xù)控制型。 2 對于步進(jìn)電動機(jī)的半用環(huán)控制，選用MCS-S系列的8位單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的CPU，能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)。 3 要設(shè)計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還需要擴(kuò)展程序存儲器、鍵盤與顯示電路、I/0接口電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、審行接口電路等。 4 選擇合適的驅(qū)動電源，與步進(jìn)電動機(jī)配套使用 X—Y工作臺的傳動方式 為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母傳動副。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)。 由于工作臺的運(yùn)動部件重量和工作載荷不大，故選用滾動直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺的摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動平穩(wěn)性。 工作臺主要參數(shù)： 設(shè)計參數(shù)如下： 工作臺尺寸（長×寬）：400mm×600mm 工作臺行程 X向：400mm Y向：250mm 快進(jìn)速度 X向 1.6m/min Y向 1.6m/min 進(jìn)給速度 X 、Y向 0.6m/min 最小指令值 X、Y向 0.01mm/脈沖 定位精度： X向、Y向均為 ±0.01mm 主電機(jī)功率： 7.5KW 啟動加速時間： 30ms 考慮電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，以及考慮步進(jìn)電機(jī)負(fù)載匹配，采用齒輪減速傳動。系統(tǒng)總體框圖如下: 計 算 機(jī) 光電隔離 功率放大 步進(jìn) 電機(jī) X向工作臺 光電隔離 功率放大 步進(jìn) 電機(jī) Y向工作臺 圖 3.1 x-y傳動工作臺方案框圖 第四章 機(jī)械部分設(shè)計 機(jī)械部分設(shè)計內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動部件慣性的計算，選擇步進(jìn)電機(jī)，傳動及導(dǎo)向元件的設(shè)計、計算與選擇，繪制機(jī)械部分裝配圖等。 設(shè)計主要思路： X Y 工作臺中X 、Y 方向的移動, 可采用螺旋機(jī)械或齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu), 這兩種均可把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動。因?yàn)榇藱C(jī)構(gòu)以傳遞運(yùn)動為主, 要求有較高的傳動精度, 又要求結(jié)構(gòu)緊湊, 所以選用螺旋機(jī)構(gòu)。但常用的螺旋機(jī)構(gòu)中絲杠和螺母之間的相對運(yùn)動是滑動, 磨損較嚴(yán)重, 影響傳動精度, 壽命短, 效率低,不能滿足高速度、高效率和高精度等傳動要求。為了使運(yùn)動靈敏又能滿足精度要求, 選用滾珠螺旋機(jī)構(gòu)。滾珠螺旋傳動是在螺桿和螺母間放人適當(dāng)數(shù)量的滾珠, 使螺桿和螺母之間的摩擦由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的一種傳動裝置?，F(xiàn)采用了間隙可調(diào)的滾珠絲杠傳動。為使傳動穩(wěn)定可靠, 采用絲杠轉(zhuǎn)動, 螺母帶著工作臺作移動的傳動形式。螺母帶著工作臺在底座的導(dǎo)軌上移動, 因?yàn)檫\(yùn)動部件重量不大, 切削力也不大, 行程較小, 所以確定采用有預(yù)加載荷雙v形滾珠導(dǎo)軌。 數(shù)控X Y工作臺主要是對滾珠絲杠、滾珠導(dǎo)軌、步進(jìn)電機(jī)的選擇, 使其滿足數(shù)控X Y 工作臺傳動系統(tǒng)高速度、高效率、高精度的要求。 4.1. 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 脈沖當(dāng)量δp是一個進(jìn)給指令時工作臺的位移量，應(yīng)小于等于工作臺的位置精度，由于定位精度為±0.01mm因此選擇脈沖當(dāng)量為0.01mm。 4.2. 工作臺外形尺寸及重量初步估算 根據(jù)給定的有效行程，畫出工作臺簡圖，估算X向和Y向工作臺承載重量WX和WY。 取X向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?00mm,Y向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?50mm,設(shè)計工作臺簡圖如下: 圖 4.1 工作臺簡圖 X向拖板(上拖板)尺寸為: 400×600×50 重量:按重量=體積*材料比重估算為: = 400×600×50×10-3×7.8×10-2=936N Y向拖板(下拖板)尺寸為: 460×600×50 =460×600×50×10-3×7.8×10-2=1076.4N 上導(dǎo)軌(含電機(jī))重量為 (1000×600×8+2×800×35×70)×10-3×7.8×10-2=680.16N 夾具及工件重量:約155N X-Y工作臺運(yùn)動部分總重量約為: W=936N+1076.4N+680.16N+155N=2847N 4.3. 滾動導(dǎo)軌副的計算、選擇 根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般運(yùn)行狀況)，3.0~5.0（運(yùn)動時受沖擊、振動）。根據(jù)計算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌： 因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取 PX=0.5×(FZ+WX)=0.5×(2847+936)=1891.5N PY=0.5×(FZ+WY)=0.5×(2847+1076.4)=1961.7N COX=FSL×PX=4×1891.5N=7566N COY=FSL×PY=4×1961.7N=7846.8N 滑塊承受工作載荷Fmax的計算及導(dǎo)軌型號的選取 工作載荷是影響直線滾動導(dǎo)軌副偉用壽命的重要因素。本例中的X-Y工作臺為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式。 查文獻(xiàn)[8]，根據(jù)計算的工作載荷，初選直線滾動導(dǎo)軌副的型號為KL系列的JSA-LG15型，其額定動載荷C=7.94kN,額定靜載荷C=9.5kN. 任務(wù)書規(guī)定工作臺面尺寸為400mmx 600mm，加工范圍為400mmx 250mm，考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，查文獻(xiàn)[8]，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌的長度為940mm。 基本參數(shù)如下: 額定載荷/N 靜態(tài)力矩/N*M 滑座重量 導(dǎo)軌重量 導(dǎo)軌長度 動載荷 靜載荷 L (mm) 7940 9500 55 55 88 0.60 3.1 940 滑座個數(shù) 單向行程長度 每分鐘往復(fù)次數(shù) M 4 0.6 4 表 4.2 HJG-D25滾動直線導(dǎo)軌基本參數(shù) (2)距離額定壽命L的計算 上述選收的KL系列JSA-LG1S型導(dǎo)軌