畢業(yè)論文定稿-XK716數(shù)控機床z向直流伺服進給系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計

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原版文檔，無刪減，可編輯，歡迎下載詳細圖紙可扣扣咨詢 414951605 或 1304139763XX 大學課 程 設(shè) 計 (論 文 )XK716 數(shù)控機床 z 向直流伺服進給系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計所 在 學 院專 業(yè)班 級姓 名學 號指 導 老 師年 月 日I摘 要數(shù)控機床即數(shù)字程序控制機床，是一種自動化機床，數(shù)控技術(shù)是數(shù)控機床研究的核心，是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、集成化的基礎(chǔ)。隨著制造技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控機床借助現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)、工序集約化和新的功能部件使機床的加工范圍、動態(tài)性能、加工精度和可靠性有了極大的提高。本文主要設(shè)計 X716 數(shù)控銑床 Z 向進給系統(tǒng)設(shè)計部分，機械結(jié)構(gòu)采用直流伺服電機與滾珠絲杠直接相連的方式，其控制方式采用直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)半閉環(huán)控制。在對進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的過程中，主要對滾珠絲杠螺母副和直線滾動導軌副進行了計算、校核，確保了機械傳動部件的精度和剛度；通過計算，選擇了電氣驅(qū)動部分，包括直流伺服電機和與之匹配的伺服單元。關(guān)鍵詞：直線滾動導軌；滾珠絲杠螺母副；直流伺服電機IIAbstractNC machine tool is the digital process control machine tool, is an automated machine tools, CNC technology is the core of numerical control machine tool research, is the manufacturing industry that realizes the automation, network, flexible, integrated foundation. With the development of manufacturing technology, modern CNC machine tools with the aid of the modern design technology, process intensification and the new function part make machine processing range, dynamic performance, the processing precision and reliability are greatly improved.In this paper, the main design X716 Z milling machine CNC feed system design part, the mechanical structure of DC servo motor and ball screw directly connected, the control of DC servo drive system semi closed loop control. On the feeding system of the mechanical structure of the design process, mainly on the ball screw nut pair and the linear rolling guideway were calculated, verification, to ensure that the mechanical transmission precision and rigidity; by calculating, chose electrical driving part, including DC servo motor and the matched servo unit.Key words: Linear rolling guide; ball screws; DC servo motorIII目錄摘 要 .IAbstract II目錄 .III第 1 章 前言.11.1 課題研究的背景必要性 11.2 數(shù)控機床的產(chǎn)生和發(fā)展 21.2.1 數(shù)控機床的產(chǎn)生 21.2.2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展 21.3 我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展概況 21.3.1 數(shù)控技術(shù)再國民經(jīng)濟中的重要地位 21.3.2 我國數(shù)控機床的發(fā)展歷程與成就 .31.3.3 我國數(shù)控機床發(fā)展存在的問題與對策 51.4 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 61.5 數(shù)控銑床的主要功能及特點 71.6 數(shù)控銑床的分類和應(yīng)用： 71.6.1 數(shù)控銑床的分類 .71.6.2 數(shù)控銑床的應(yīng)用 .71.5 XK716 數(shù)控機床的參數(shù) 71. 6 本章小結(jié) 8第 2 章 Z 向進給傳動系統(tǒng)的設(shè)計和計算 .92.1 進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計 92.1.1 對進給伺服系統(tǒng)的基本要求 .92.1.2 進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計要求 .92.1.3 進給伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性及伺服性能分析 .102.2 切削參數(shù)計算 102.2.1 精度 .102.2.2 銑削工件時銑削力的計算 10IV2.2.3 進給工作臺工作載荷計算 .112.2.4 首先初步估算工作臺的重量 132.2.5 銑削用量選擇 .132.2.6 銑削力的計算 .142.3 Z 向滾珠絲杠副計算與選擇 .152.3.1 動載荷計算 152.3.2 選用 FC1-4020-2.5 型絲杠 162.3.3 穩(wěn)定性驗算 .162.3.4 剛度驗算 .182.3.5 效率驗算 .192.4 Z 向直流電機選擇計算 .192.5 導軌的設(shè)計與選型 .242.5.1 導軌概述 242.5.2 滾動直線導軌副的計算 26第 3 章 控制系統(tǒng)的設(shè)計.313.1 微機控制系統(tǒng)組成及特點 .313.1.1 微機控制系統(tǒng)的組成 313.1.2 微機數(shù)控系統(tǒng)的特點 323.2 微機控制系統(tǒng)設(shè)備介紹 .323.2.1 主控制器 CPU 的選擇 .323.2.2 存儲器電路的擴展 333.2.3 I/O 口電路的擴展 .343.2.4 直流電機驅(qū)動電路 .353.2.5 其它輔助電路設(shè)計 363.3 程序部分 .36總結(jié)與展望.41參考文獻.43致 謝.44VVIVII1第 1 章 前言1.1 課題研究的背景必要性隨著科學技術(shù)的發(fā)展，機械產(chǎn)品日趨精密、復雜、而且產(chǎn)品的生產(chǎn)周期短、改型頻繁。這不僅對機床設(shè)備提出精度與效率的要求提出了通用性與靈活的要求。特別是航空、造船、武器、模具生產(chǎn)等精密加工的零件具有精度高、形狀復雜、經(jīng)常變動的特點。因此機械產(chǎn)品部件的生產(chǎn)設(shè)備機床也相應(yīng)的提出了高性能、高精度化的要求。利用計算機控制數(shù)控機床進行加工使得零件的加工變得十分的方便、快速，很大程度上節(jié)約了人力和物力的使用，使得工業(yè)自動化程度更高。但是許多企業(yè)由于資金等方面的約束不能及時引進先進數(shù)控機床，這樣制約了生產(chǎn)率的提高，不利于自動化程度的提高。因此各種機床的數(shù)控改造開發(fā)成為眾多專業(yè)技術(shù)人員研究的一。數(shù)控，用數(shù)字化信號對機床運動及其加工過程進行控制，其對零件的加工相比普通機床有著很多的優(yōu)點：（1）自動化程度高，勞動強度低。（2）加工精度、加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠。（3）對零件加工的適應(yīng)性強，靈活性好，能加工形狀復雜的零件。（4）加工生產(chǎn)率高。（5）有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。（6）對加工對像的適應(yīng)性強。并且目前在機械行業(yè)中，隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，產(chǎn)品更新周期越來越短，中小批量的生產(chǎn)所占有的比例越來越大，對機械產(chǎn)品的精度和質(zhì)量要求也在不斷地提高與推進。所以普通機床越來越難以滿足加工的要求，同時由于技術(shù)水平的提高，數(shù)控機床的價格在不斷下降，因此，數(shù)控機床在機械行業(yè)中的使用將越來越普遍，而對原有普通機床的數(shù)控化改造也應(yīng)是越來越廣泛，依照設(shè)計任務(wù)本設(shè)計對 XW5032 銑床進行了數(shù)控化改造。 21.2 數(shù)控機床的產(chǎn)生和發(fā)展隨著社會生產(chǎn)和科學技術(shù)的迅速發(fā)展，機械產(chǎn)品日趨精密復雜，且要求頻繁改型，特別是在宇航、造船、軍事等領(lǐng)域所需的機械零件，精度要求高，形狀復雜，批量小。加工這類產(chǎn)品需要經(jīng)常改裝或調(diào)整設(shè)備，普通機床或?qū)Ｓ没潭雀叩淖詣踊瘷C床一般 不能適應(yīng)這些要求。為了解決上述問題，一種新型的機床——數(shù)控機床應(yīng)運而生。這種新型機床具有適應(yīng)性強、加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。他綜合應(yīng)用電子計算機、自動控制、伺服驅(qū)動、精密測量和新型機械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果。1.2.1 數(shù)控機床的產(chǎn)生世界上第一臺成功研制的數(shù)控機床是一臺三坐標的數(shù)控銑床，于 1952 年由美國帕森斯公司和麻省理工學院合作完成。早在 1948 年，美國在研制加工直升機葉片輪廓檢查用樣板的技工機床任務(wù)時，就提出了研制數(shù)控機床的初始設(shè)想。1949 年，在美國空軍部門的支持下，帕森斯公司正式接受委托，與麻省理工學院伺服機構(gòu)實驗室合作，開始從事數(shù)控機床的研制工作。經(jīng)過三年時間的研究，于 1952 年試制成功世界上第一臺數(shù)控機床試驗性樣機。這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補三坐標連續(xù)控制銑床。其控制裝置由 2000 多個電子管組成，占用一個普通實驗室那么大。這臺數(shù)控銑床的誕生，標志著機械制造的數(shù)字控制時代的開始。1.2.2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展數(shù)控機床的發(fā)展是隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了電子管—分立式晶體管—小規(guī)模集成電路—大規(guī)模集成電路—小型計算機—超大規(guī)模集成電路—微機式的數(shù)控系統(tǒng)等幾個發(fā)展階段。20 世紀 90 年代以來，數(shù)控系統(tǒng)朝著以通用微機為基礎(chǔ)、體系結(jié)構(gòu)開放和智能化方向發(fā)展。以上的三代數(shù)控系統(tǒng)是由計算機硬件和軟件組成，利用存儲器里的軟件控制系統(tǒng)工作，因此稱為 CNC 系統(tǒng)或軟件控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)容易擴大功能，柔性好，可靠性高。1.3 我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展概況1.3.1 數(shù)控技術(shù)再國民經(jīng)濟中的重要地位數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機械運動和過程進行控制的技術(shù)，是 20 世紀后半葉最重3要，發(fā)展最快的工業(yè)技術(shù)之一，它以制造過程為對象，以信息技術(shù)為手段，以數(shù)字坐標方式對運動部件進行位置控制為主要特征，為單件小批量生產(chǎn)的自動化開辟了可行的技術(shù)途徑，也為現(xiàn)代柔性制造技術(shù)奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。數(shù)控機床是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品，其技術(shù)覆蓋很多領(lǐng)域。其中，精密機械制造技術(shù)，信息處理、加工、傳輸技術(shù)，自動控制技術(shù)，伺服驅(qū)動技術(shù)，傳感器及檢測技術(shù)和計算機技術(shù)是數(shù)控技術(shù)涵蓋的主要領(lǐng)域。數(shù)控機床還是運用高新技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進行改進和提升的重要載體。以信息化帶動工業(yè)化，實現(xiàn)社會生產(chǎn)力的跨越式發(fā)展，將在一定程度上取決于數(shù)控機床的技術(shù)進步。它代表著裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度。而裝備工業(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)（如信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、航空航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術(shù)和重要裝備。數(shù)控技術(shù)又是當今先進制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)?，F(xiàn)在世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競爭能力。此外，世界上各工業(yè)發(fā)達國家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高、精、尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策?？傊?，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達國家加速經(jīng)濟發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。1.3.2 我國數(shù)控機床的發(fā)展歷程與成就我國從 1958 年開始研究數(shù)控機床，一直到 20 世紀 60 年代中期還處于研制、開發(fā)時期。當時，一些高校和科研單位研制出的試驗性樣機，是從電子管數(shù)控系統(tǒng)起步的。1965 年開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)。從 20 世紀 70 年代起，數(shù)控技術(shù)在車、銑、銼、磨、齒輪加工、電加工等領(lǐng)域全面展開，加工中心在上海、北京研制成功。但是，由于元器件的質(zhì)量差和產(chǎn)品的制造工藝水平低等原因，數(shù)控系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性未得到解決，未能廣泛推廣。在這一時期，數(shù)控線切割機由于結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價格低廉，在模具加工中得到推廣。直線控制、點位控制的數(shù)控車床、數(shù)控銑床和加工中心開始在生產(chǎn)中應(yīng)用。20 世紀 80 年代，我國從日本 FANUC 公司引進了 3,5,6,7 等系列的數(shù)控系統(tǒng)和直流伺服電動機、直流主軸伺服電動機等的制造技術(shù)，還引進了美國 GE 公司的4MCI 系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)、德國 SIEMENS 公司的 VS 系列晶閘管調(diào)速裝置，并進行了商品化生產(chǎn)。這些系統(tǒng)功能齊全、可靠性高，得到了推廣應(yīng)用，推動了我國數(shù)控機床的穩(wěn)定發(fā)展，使我國的數(shù)控機床在性能和質(zhì)量上產(chǎn)生了一個質(zhì)的飛躍。在這期間，我國在引進、消化國外技術(shù)的基礎(chǔ)上進行了大量的開發(fā)工作。我國數(shù)控機床的品種有了較大發(fā)展，品種不斷增多，規(guī)格齊全。許多技術(shù)復雜的大型數(shù)控機床、重型數(shù)控機床都相繼研制出來。為了跟蹤國外現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，北京機床研究所還研制出了 JCS-FMS-1 型和 JCS-FMS-2 型柔性制造單元和柔性制造系統(tǒng)。改革開放近 30 年來，我國的數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)取得了舉世矚目的成就。特別是“十五”期間，數(shù)控機床發(fā)展進人了快車道。國家有關(guān)部門的統(tǒng)計數(shù)字表明， “十五”是我國機床工具行業(yè)發(fā)展最快的五年。2004 年，我國機床工具行業(yè)產(chǎn)品銷售收人 1 032 億元，大約是 2000 年 507 億元的 2 倍，平均年增長約 19％；2004 年，全國金屬切削機床產(chǎn)量為 39 萬臺，大約是 2000 年 17 萬臺的 2．3 倍，平均年增長約 23 寫。機床工具行業(yè)的主導產(chǎn)品—數(shù)控機床的發(fā)展速度遠高于機床工具全行業(yè)的平均發(fā)展速度。國產(chǎn)數(shù)控金屬切削機床年產(chǎn)量從“九五”計劃末期的幾千臺，增加到 2001 年的 17 521 臺,2002'年的 24 803 臺，2003 年的 36 813 臺，2004 年的 51 861 臺，其中 2004 年的產(chǎn)量大約是 2000 年產(chǎn)量的 3. 7 倍，平均年增長約 39％。金屬加工機床產(chǎn)值數(shù)控化率從2001 年的 26. 2％提高到 2004 年的 32．7％，形成了一批數(shù)控機床生產(chǎn)的主導企業(yè)，2004 年數(shù)控機床年產(chǎn)量超千臺的企業(yè)有 14 家，其產(chǎn)量合計占全行業(yè)數(shù)控機床總產(chǎn)量的50％以上，其中數(shù)控機床產(chǎn)量最高的一家企業(yè)年產(chǎn)量達 6 000 多臺。連續(xù)幾年來數(shù)控機床產(chǎn)量快速上升，也帶動了出口，2004 年全行業(yè)數(shù)控金屬加工機床出口 14 404 臺。數(shù)控機床的年產(chǎn)量已經(jīng)突破原國家經(jīng)貿(mào)委發(fā)布的到 2005 年全國數(shù)控機床產(chǎn)量達到 25 000^-30 000 臺的奮斗目標。數(shù)控機床的品種也從“九五”期間的 128 種發(fā)展到目前的1 500 多種。國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)品大部分達到了國際 20 世紀 90 年代初期或中期水平，為國家重點建設(shè)提供了一批高水平的數(shù)控機床。不僅如此， “十五”期間，我國在高端數(shù)控機床關(guān)鍵技術(shù)研究方面取得重大突破。目前，我國在普及型數(shù)控機床技術(shù)上已經(jīng)成熟，還基本掌握了多（五）坐標聯(lián)動的關(guān)鍵技術(shù)。這不僅打破了國外的技術(shù)封鎖，而且使該技術(shù)進人實用性階段。北京機電研究院為東方汽輪機廠開發(fā)的五軸聯(lián)動加工中心，已在東方汽輪機廠實際應(yīng)用，不僅完全滿足了汽輪機葉片加工質(zhì)量的要求，而且其加工效率可與進口機床的媲美，但其價格僅為進口機床的三分之一。復合加工技術(shù)的研究也取得很大成績，我國研制成功的五軸聯(lián)動車銑復合加工中心、五軸五面加工中心、雙主軸車削中心等均已實現(xiàn)商品化。5我國高速加工技術(shù)的研究與應(yīng)用取得重要進展。其中在直線電動機應(yīng)用技術(shù)的研究方面，基本掌握了負載變化擾動、熱變形補償、隔磁和防護等部分關(guān)鍵技術(shù)，填補了我國在直線電動機應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的空白，進一步縮短了與國外的差距。此外，我國還完成了 10 000^-18 000 r/min 高速主軸單元的產(chǎn)品開發(fā)和加工制造工藝的研究，并在國產(chǎn)加工中心上應(yīng)用。超精密加工（亞微米）技術(shù)和裝備的研究也取得突破，北京機床研究所研制的超精密加工和納米加工技術(shù)與裝備已達到世界領(lǐng)先水平，打破了國外對我國的技術(shù)封鎖。目前，數(shù)控機床在我國國民經(jīng)濟的各行各業(yè)發(fā)揮著越來越重要的作用，數(shù)控機床已經(jīng)成為企業(yè)技術(shù)改造的首先設(shè)備之一。我國已經(jīng)成為數(shù)控機床的生產(chǎn)大國、消費大國和進口大國。國民經(jīng)濟各個行業(yè)需要大量數(shù)控機床的開發(fā)人才和應(yīng)用人才。1.3.3 我國數(shù)控機床發(fā)展存在的問題與對策當前，國外數(shù)控技術(shù)發(fā)展很快，呈現(xiàn)出高速度、高精度、高可靠性、多軸控制、工藝復合、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和環(huán)?；l(fā)展的態(tài)勢。與國外數(shù)控技術(shù)的發(fā)展相比，我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展仍然存在著較大差距，主要體現(xiàn)在以下四個方面。(1)在技術(shù)水平上，國外對加工中心的研究已經(jīng)轉(zhuǎn)向高速、精密、多軸、復合、智能和環(huán)保等技術(shù)的研究。我國加工中心的總體技術(shù)水平與國外同類產(chǎn)品的先進水平相比大約落后 10^-15 年，在“高、精、尖”技術(shù)方面則更大。(2)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上，高端市場（即高速、精密、多軸、復合加工中心市場）基本上被美國、日本和歐洲發(fā)達工業(yè)國家所壟斷，國內(nèi)開發(fā)的五軸聯(lián)動數(shù)控機床、復合加工中心、高速加工中心等產(chǎn)品，雖然已經(jīng)投人使用，但多數(shù)產(chǎn)品與商品化尚有一段距離，而且在技術(shù)水平和性能參數(shù)上與歐、美、日等地的產(chǎn)品還有較大差距。低端市場（即普及型數(shù)控機床市場）受到周邊的日本、韓國和我國臺灣地區(qū)產(chǎn)品的沖擊較大，形成激烈競爭。多年來，國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)量小、進口產(chǎn)品量大的局面一直存在。(3)產(chǎn)品開發(fā)能力上，國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)缺乏對產(chǎn)品競爭前數(shù)控技術(shù)的深人研究與開發(fā)，特別是對加工中心應(yīng)用領(lǐng)域的拓展力度不強，集中體現(xiàn)在：產(chǎn)品開發(fā)能力較弱，對產(chǎn)品標準規(guī)范的研究、制定滯后，技術(shù)創(chuàng)新能力不強。導致開發(fā)出的產(chǎn)品技術(shù)先進性不明顯，市場針對性不強，缺乏市場競爭力。(4)產(chǎn)業(yè)化水平上，市場占有率低，品種覆蓋率小。從總體上看，加工中心還沒有形成規(guī)模生產(chǎn)；功能部件專業(yè)化生產(chǎn)水平及配套能力較低；產(chǎn)品質(zhì)量不高，主要體6現(xiàn)在可靠性不高，商品化程度不足，關(guān)鍵功能部件沒有自己配套的主渠道；數(shù)控系統(tǒng)的推廣應(yīng)用還不夠等等。這些問題已經(jīng)引起了國家有關(guān)部門的高度重視，并正在采取措施加以改進。2006年 6 月，國務(wù)院發(fā)布了《關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見｝ ） （以下簡稱《意見》 ） ，裝備制造業(yè)得到了國家前所未有的重視， 《意見》將在三個方面重點下四點:第一，加快開發(fā)高檔數(shù)控機床品種，縮短與世界先進水平的差距，提升我國機床工具行業(yè)整體水平，對市場急需的高檔數(shù)控機床品種，要集中力量，重點突破，加大科技投人，加強基礎(chǔ)研究和開發(fā)研究，提高原始創(chuàng)新和集成創(chuàng)新能力，掌握一批高檔數(shù)控關(guān)鍵產(chǎn)品開發(fā)的核心技術(shù)，推出一批高檔數(shù)控機床品種，滿足重點用戶急需，精心培育高檔數(shù)控機床市場。第二，積極促進功能部件產(chǎn)業(yè)化，培育一批功能部件的龍頭企業(yè)，加大政策支持力度，重點發(fā)展高檔數(shù)控系統(tǒng)、高速主軸單元、精密滾動功能部件、動力刀架、精密轉(zhuǎn)臺、高速導軌防護裝置等高水平的功能部件，加快產(chǎn)業(yè)化進程，培育國產(chǎn)品牌，實現(xiàn)功能部件與數(shù)控機床同步發(fā)展。第三，進一步發(fā)展普及型數(shù)控機床，我國普及型數(shù)控機床技術(shù)已經(jīng)成熟，產(chǎn)業(yè)化迫在眉捷，急需進一步提高可靠性和質(zhì)量，及時供應(yīng)市場，提高產(chǎn)業(yè)集中度，實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠、快速地滿足市場，以提高制造能力和生產(chǎn)集中度為重點，支持骨干企業(yè)快速發(fā)展。第四，努力提高國產(chǎn)數(shù)控機床市場占有率，是“十一五”期間行業(yè)發(fā)展的重中之重，要從質(zhì)量、可靠性、服務(wù)等方面入手，創(chuàng)品牌、擴市場、擋進口、爭出口，爭取在五年內(nèi)使國產(chǎn)數(shù)控機床國內(nèi)市場占有率有較大提高。《意見》切中了我國數(shù)控機床發(fā)展中的關(guān)鍵問題，為發(fā)展國產(chǎn)數(shù)控機床提供了良好的政策環(huán)境。毫無疑問，隨著《意見》的貫徹實施，多年來困擾我國機床工具行業(yè)發(fā)展的數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)化和自主開發(fā)能力偏低的問題，將得到一定程度的解決，國產(chǎn)數(shù)控機床在國內(nèi)市場占有率長期不高的局面將被扭轉(zhuǎn)。高等學校作為國家各類人才的培養(yǎng)基地，為裝備制造業(yè)培養(yǎng)急需的數(shù)控機床開發(fā)與應(yīng)用人才，是義不容辭的責任。1.4 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢隨著科學技術(shù)的發(fā)展，制造技術(shù)的進步，以及社會對產(chǎn)品質(zhì)量和品種多樣化的要求越來越強烈。中、小批量生產(chǎn)的比例明顯增加，要求現(xiàn)代數(shù)控機床成為一種精密、高效、復合、集成功能和低成本的自動化加工設(shè)備。同時，為了滿足制造業(yè)向更高層7次發(fā)展，為柔性制造單元、柔性制造系統(tǒng)，以及計算機集成制造系統(tǒng)提供基礎(chǔ)設(shè)備，也要求數(shù)控機床向更高水平發(fā)展。當前，數(shù)控機床技術(shù)呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢：（1） 高精度化；（2） 運動高速化；（3）柔性化；（4）高自動化；（5）高可靠性；（6）智能化；（7）復合化；（8）網(wǎng)絡(luò)化；（9）開放式體系結(jié)構(gòu)。1.5 數(shù)控銑床的主要功能及特點數(shù)控銑床的可分為立式、臥式和立臥兩用式數(shù)控銑床，各種銑床適用的數(shù)控系統(tǒng)不同，其功能也不盡相同。除各有其特點之外，常具有下列主要功能：① 點位控制功能；② 連續(xù)輪廓控制功能；③ 刀具半徑自動補償功能；④ 刀具長度補償功能；⑤ 鏡像加工功能；⑥ 固定循環(huán)功能； ⑦ 特殊功能 。具備自適應(yīng)功能的數(shù)控銑床可以在加工過程中把感受到的切削狀況的變化，通過適應(yīng)性控制系統(tǒng)及時控制機床改變切削用量，使銑床及刀具始終保持最佳狀態(tài)，從而可獲得較高的切削效率和加工質(zhì)量，延長刀具使用壽命。數(shù)控銑床的主要特點：（1） 高柔性及工序復合化；（2） 加工精度高；（3）生產(chǎn)效率高；（4）減輕操作者的勞動強度。1.6 數(shù)控銑床的分類和應(yīng)用：1.6.1 數(shù)控銑床的分類按運動方式分：（1）點位控制數(shù)控銑床 (2）直線控制數(shù)控銑床（3）輪廓控制數(shù)控銑床；按控制方式分：(1）開環(huán)控制數(shù)控銑床(2）閉環(huán)控制數(shù)控銑床(3）半閉環(huán)控制數(shù)控銑床；按主軸的布局形式分：（1）立式數(shù)控銑床：（2）臥式數(shù)控銑床（3）立臥兩用式數(shù)控銑床等等1.6.2 數(shù)控銑床的應(yīng)用數(shù)控銑床主要用于加工平面和曲面輪廓的零件，還可以加工復雜型面的零件、樣板、模具、螺旋槽等。同時也可以進行鉆、擴、鉸、锪和鏜孔的加工，但因數(shù)控銑床不具自動換刀功能，所以不能完成復雜孔的加工。數(shù)控銑床主要應(yīng)用于汽車制造業(yè)、模具制造業(yè)、機床制造業(yè)、航空航天業(yè)、造船業(yè)、軍事工業(yè)及其他行業(yè)81.7 XK716 數(shù)控機床的參數(shù)本課題設(shè)計的立式數(shù)控銑床可以銑削平面和溝槽，也可加工空間曲面；若將銑刀換成鉆頭或絞刀，則可加工光孔或螺紋孔。銑床主要技術(shù)參數(shù)如下：工作臺工作面尺寸（長 寬） ?90m6?工作臺 X 向最大行程 3工作臺 Y 向最大行程 4工作臺 T 型槽數(shù) 3工作臺 T 型槽寬 18mm 工作臺 T 型槽間距 90mm機床分辨率均為 0.005mm最大移動速度 2m/min 1. 8 本章小結(jié)本章節(jié)首先介紹了數(shù)控技術(shù)的背景發(fā)展歷程，進而分析了數(shù)控技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀及未來趨勢，最后介紹了研究的主要內(nèi)容和意義。9第 2 章 Z 向進給傳動系統(tǒng)的設(shè)計和計算2.1 進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計2.1.1 對進給伺服系統(tǒng)的基本要求進給伺服系統(tǒng)不但是數(shù)控機床的一個重要組成部分，也是數(shù)控機床區(qū)別于一般機床的一個特殊部分。數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的性能指標可歸納為：定位精度高；跟蹤指令信號的響應(yīng)快；系統(tǒng)的穩(wěn)定好。(1) 穩(wěn)定性伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當作用在系統(tǒng)上的擾動信號消失后，系統(tǒng)能夠恢復到原來的穩(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。它直接影響機床的加工精度和生產(chǎn)率。2.1.2 進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計要求在靜態(tài)設(shè)計方面有：能夠克服摩擦力和負載(2) 很小的進給位移量(3) 高的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度(4) 足夠的調(diào)速范圍(5) 進給速度均勻，在速度很低時無爬行現(xiàn)象10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) 負載引起的軌跡誤差盡可能小對于數(shù)控機床機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高的剛度良好的阻尼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2.1.3 進給伺服系統(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。(2) 頻率響應(yīng)特性(3) 快速性分析2.2 切削參數(shù)計算2.2.1 精度要求：進給精度 m05.快速進給精度 in/2機床分辨率均為 0.005mm，選擇系統(tǒng)脈沖當量為 =0.005mm/step。p?2.2.2 銑削工件時銑削力的計算銑削運動的特征：主運動為銑刀繞自身軸線高速旋轉(zhuǎn)，進給運動為工作臺帶動工件在垂直于銑刀軸線方向緩慢進給（銑鍵槽時，可使鍵槽銑刀沿軸線進給） 。銑刀的類型很多，但以圓柱銑刀和端銑刀為基本形式。圓柱銑刀和端銑刀的切削部分都可以看做車刀刀頭的演變，銑刀的每一個刀齒相當于一把車刀。它的切削基本規(guī)律與車削相似，所不同的是銑刀回轉(zhuǎn)，刀齒數(shù)多。11通常假定銑削時銑刀受到的銑削抗力是作用在刀齒某點上，如圖 1 所示。設(shè)刀齒上受到銑削抗力的合力為 F,將 F 沿銑刀軸線、徑向和切向進行分解，則分別為軸向銑削力 F}、徑向銑削力 F，和切向銑削力 F 二。切向銑削力 F 二是沿銑刀主運動方向的分力，它消耗銑床主電動機功率（即銑削功率）最多。因此，切向銑削力 F 二可按銑削功率 (kW)或主電動機功率 （kw）算出。PEPE式中:v—機床主軸的計算轉(zhuǎn)速（主軸傳遞全部功率時的最低切削速度,m/s)；ηm—機床主傳動系統(tǒng)的傳動效率，一般取，ηm～0.8。圖 3.1 銑削抗力及工作臺上的載荷2.2.3 進給工作臺工作載荷計算作用在進給工作臺上的合力 F′與銑刀刀齒受到的銑削抗力 F 的合力大小相同、方向相反，如圖所示。合力 F′就是設(shè)計和校核工作臺進給系統(tǒng)時要考慮的工作載荷可以沿著銑床工作臺運動方向分解為三個力：工作臺縱向進給方向載荷 F1，工作臺橫向進給方向載荷 Fc，工作臺垂直進給方向載荷 Fv。進給工作臺的工作載荷 F1、Fc 和 Fv 與切向銑削力 Fz 之間有一定的經(jīng)驗比值（見表 1） 。因此，計算出 Fz 后，即可計算出進給工作臺的工作載荷 F1、Fc 和 Fv。NvmEzz1033???12表 2.1 工作臺工作載荷與切向鐵削力的經(jīng)驗比值在表 2-1 中， 表示銑削寬度（mm） ，它是銑削用量要素之一，是垂直于銑刀軸ae線測量的切削層尺寸從圖 2-3 可知，圓柱銑削時， 為待加工表面與已加工表面之間的垂直距離；端e銑時， 恰為工件寬度，不是待加工表面與已加工表面之間離。e圖 2.2 順銑與逆銑圖 2.2 表示圓柱銑的順銑和逆銑的不同方式。順銑時，縱向進給方向載荷 F1 與進給方向一致，垂直進給方向載荷 Fv 向下,逆銑時方向相反。 圖 2.2 表示對稱端銑和不對稱端銑。對稱端銑分有順銑和逆銑之分。在表 1 中，d。表示圓柱銑刀直徑或端銑刀直徑（mm）, 表示每齒進給量（mm/齒）af，即銑刀每轉(zhuǎn)一個齒間角時工件與銑刀的相對移動量。每齒進給量 、每轉(zhuǎn)進給量 f f13和工作臺的進給速度 三者之間的關(guān)系為vfmm/minZnavff?式中：Z-銑刀齒數(shù)；n-銑刀轉(zhuǎn)速（r/min）2.2.4 首先初步估算工作臺的重量首先要初步估算工作臺的重量及銑削工件的最大切削力才能進行設(shè)計。X 軸方向移動的工作臺尺寸：長 寬 高為 900 600 80 ,重量約為??3m3302.2N，最大行程 630mm ；Y 軸方向移動的工作臺尺寸：長 寬 高為 300 300 80 ,重量約為3550.368N，最大行程 400mm ；設(shè)夾具及工件的質(zhì)量約為 200Kg，重量約為 1960N ；則 XY 工作臺總質(zhì)量約為 480.83kg,總重量約為 5812.573N（包括夾具及工件） 。2.2.5 銑削用量選擇銑削用量選擇原則：首先應(yīng)盡可能取較大的切削深度 及切削寬度 然后盡可能paea取較大的每齒進給量 ，最后才盡可能取較大的銑削速度 。粗銑時余量大，加工要fa v求低，主要考慮銑刀的耐用度及銑削力的影響；而精銑時余量小，加工要求高，主要考慮加工質(zhì)量的提高。1.銑削深度 的選擇pa（1）當工件表面要求的光潔度為 時，通常銑削無硬皮的鋼料時，3?；銑削鑄鋼或鑄鐵時 。3~5pam?5~7pam?14（2）當工件表面要求的光潔度為 時,可分粗銑、半精銑、兩步銑削。粗銑4~5?后留 余量。0.5~1m（3）當工件表面要求的光潔度為 時,可分粗銑、半精銑、精銑三步銑削。67半精銑 ，精銑 左右。.20pa?0.5pam?2.每齒進給量 的選擇f當銑削深度 選定后，盡可能取較大的每齒進給量 。粗銑時限制每齒進給量pa fa的是銑削力及銑刀容屑空間的大小，當工藝系統(tǒng)剛性俞好及銑刀齒數(shù)愈少時， 可fa fa取得愈大；半精銑及精銑時限制每齒進給量 的是工件表面光潔度。光潔度要求愈高，f應(yīng)俞小。f2.2.6 銑削力的計算銑床通常用于銑削平面和溝槽。銑刀又分為圓柱銑刀、立銑刀、盤形銑刀、端銑刀、半圓弧銑刀、T 形槽銑刀。其中用立銑刀銑削溝槽時的銑削力最大，故按用立銑刀銑削溝槽時計算銑削力。銑削力與銑刀材料、銑刀類型、工件材料的硬度、銑削寬度、銑削深度、每齒進給量、銑刀直徑、銑刀齒數(shù)有關(guān)?？砂础督饘偾邢髟砑皯?yīng)用》中的公式進行計算：2.01.03.0.175. 6821.9?????nZdaFpfez銑削溝槽時采用粗齒高速鋼立銑刀，按工件材料為 的碳鋼來275/b??公 斤 力 毫 米設(shè)計。查《金屬切削手冊》 ，選擇銑削用量為銑刀直徑 ，銑刀齒數(shù) ，md106?Z銑削寬度 ，每齒進給量 ，銑削深度 ，銑刀的切mae60?maf18.0?zap/8.?削速度 。sv/7.3in/2采用端面銑刀在主軸上的計算轉(zhuǎn)速下進行強力切削，主軸具有最大扭矩，并能傳遞主電15動機的全部功率。 由 得： Dnv?? srv/12014.3/73?????故 NFz 498360658.60825.9 2.1.3.10.17.1. ??? ??2.3 Z 向滾珠絲杠副計算與選擇2.3.1 動載荷計算絲桿的最大載荷為主軸重量加摩擦力，最小載荷為主軸重量減最大進給力的 Z 向分力。根據(jù)上節(jié) NFz 4983601206518.068251.9 2317 ????? ??根據(jù)《機電一體化設(shè)計基礎(chǔ)》計算載荷 cMAHFK查表 2-6 取 查表 2-8 取 2.1?0.1?A查表 2-7 取 查表 2-4 取 D 級精度0.H則： NFc 598043.12.???2）計算額定動載荷'aC取絲杠的工作壽命為 ,hLh20'?min/10rn31067.' 4'??hmLncaFC31067.24N5?2.3.2 選用 FC1-4020-2.5 型絲杠由表 2-9 得絲杠副數(shù)據(jù)：16公稱直徑 mD50?導程 p1滾珠直徑 d953.0按表 2-1 種尺寸公式計算：滾道半徑 mdR096.35.25.0???偏心距 de 20 104.8)2953.06.(7.)2(7. ????????絲杠內(nèi)徑 mReDd 98.306.14.80201???2.3.3 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① 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 crF2)(lEIFacr???17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） ；為絲杠危險截面的軸慣性矩（ ） ； 為長度系數(shù)，取 。aI 4m?32??84105.6d????NFcr 52892 107.).3(14???安全系數(shù) 25.3760.8?mcrS查表 2-10，[S]=2.5～3.3，S[S] ，絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。② 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——臨街轉(zhuǎn)速 。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速 。crncrn?max臨街轉(zhuǎn)速按下式計算： 21)(90ldfnccr??式中： 為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表 2-10，本題取 ，cf 927.3?cf3?2)5.03(987.91??crnmin/52.34ri/6013axrn???即： ，所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。maxcr?③ 此外滾珠絲杠副還受 值的限制，通常要求nD0 min/10740rnD???mi/17i/140430 rrnD??????182.3.4 剛度驗算滾珠絲杠在工作負載 F(N)和轉(zhuǎn)矩 T( )共同作用下引起每個導程的變形量mN?(m)為：0L?cGJTpEAF?20??式中:A 絲杠截面積, ； 為絲杠的極慣性矩， ；G 為絲杠切214d?cJ4132dJc??變模量，對鋼 ；T 為轉(zhuǎn)矩。Pa3.8)tn(20????DFTm式中： 為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)； 衛(wèi)平均工作載荷mFNT ???????54.)2.0'34tan(1024763按最不利的情況取（其中 ）mF412120 64GdTpEJTpEAFLc???????49223293 )08.(1.8).3(5)()08.(2614.37????m?07.9??則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為：mpLl ?85.4107.95320?????通常要求絲杠的導程誤差 小于其傳動精度的 1/2，即L?L??50.12????19該絲杠的 滿足上式，所以其剛度可以滿足要求。L?2.3.5 效率驗算滾珠絲杠副的傳動效率 為?947.0)2.'34tan()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。機床分辨率均為 0.005mm，選擇系統(tǒng)脈沖當量為 =0.005mm/step。p?2.4 Z 向直流電機選擇計算1. 計算工作臺、絲杠折算到電機軸上的慣量 dJ根據(jù)《機電一體化基礎(chǔ)》所提供的計算公式： ??????????????????221 ?PgGJiJXSd式中： ------------折算到電機軸的慣量 ；d )(2cmK?----------小 大齒輪的慣量 ；21,J--------------絲杠慣量 ；S )(2g?--------------橫向工作臺及夾具重量 , ；XG(NGX2156?--------------絲杠螺距 ， ；P)(cmcP8.0絲杠轉(zhuǎn)動慣量的計算：由于有些傳動件（如齒輪、絲杠等）的轉(zhuǎn)動慣量不易精確計算，可將其等效成圓柱體來近似計算。圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量可依據(jù)公式： 324ldJ???式中： 材料密度 ,對鋼取 ；?)(3cmKg35108.7cmKg??圓柱體直徑 .(對于齒輪、絲杠等就是其等效直徑 )；d圓柱體長度 ,(對于齒輪、絲杠等就是其等效齒寬或長度)l(20則： 32141bdJ???54.780.???20157Kgcm?則可算得： ??????????????????221 ?PgGJiJXSd??2210.80.57.078.49.6.314? ??????? ???????? ?≈2.032.Kgcm?2/gc2. 慣量匹配驗算初選的直流電機安川/R02SAKOE 的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量： =4.61KgMJ2cm?轉(zhuǎn)動系統(tǒng)與直流電機的慣量匹配條件： 14?MdJ而： 2.03.461dMJ?所以慣量是匹配的。3. 負載轉(zhuǎn)矩計算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇計算快速空載起動時所需力矩 起依據(jù)公式： 0maxf??起式中：---快速空載起動力矩 ；起M)(cN?---空載起動時折算到電機軸上最大加速力矩 ；max )(cmN?---折算到電機軸上的摩擦力矩 ；f )(?---由于絲杠預緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩 ；0 )(?又： ?*max??J式中： --慣量和 ， ；?)(cN? 2.03461.dMJNcm?????