0087-三坐標(biāo)數(shù)控磨床設(shè)計【全套4張CAD圖】
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目 錄
設(shè)計任務(wù)書…………………………………………………… 1
開題報告……………………………………………………… 1
摘要…………………………………………………………… 2
正文：
第一章 概論………………………………………………… 3
第二章 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計……………………………………… 7
第三章 進給伺服系統(tǒng)機構(gòu)設(shè)計…………………………… 8
第四章 床身與導(dǎo)軌………………………………………… 18
第五章 主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計……………………………… 20
第六章 控制系統(tǒng)設(shè)計……………………………………… 27
程序……………………………………………………………28
參考文獻………………………………………………………30
切削刀具的維護
維護意味著產(chǎn)品的保養(yǎng)。在機械行業(yè)，它也指通過對產(chǎn)品設(shè)備的管理來防止其損壞也包括損壞后的修理。
對切削刀具的維護保養(yǎng)包括：以一種不會引發(fā)惡性結(jié)果的方式管理刀具和根據(jù)刀具的知識來合理應(yīng)用刀具的切削特性兩方面內(nèi)容。像對黃銅制刀具的維護是指制造和打磨刀具，使非常規(guī)的損壞（像打磨的裂縫等）不會出現(xiàn)。更進一步,如果惡劣的切削環(huán)境發(fā)生。具有能恢復(fù)到原來的狀態(tài)以致于達到理想的切削效果。
這章的內(nèi)容包括4個部分：:
1.刀具的管理和保養(yǎng)
2.刀具的管理知識
3.刀具應(yīng)用知識和刀具的維護
4.刀具的打磨和維護
象其他的設(shè)備如：機床、傳動系和機器人，切削刀具的管理知識對于產(chǎn)品的生產(chǎn)的影響意義重大。
如果由于刀具的保養(yǎng)不善出現(xiàn)刀具斷裂的情況，那么，無論有多么好的設(shè)備,順暢的切削過程也是不可能出現(xiàn)的。更不用說提高切削的精度和效率和降低成本了。
在過去對產(chǎn)品設(shè)備維護的要求程度決定了設(shè)備的價錢。機床、空氣過濾器系統(tǒng)和自動化設(shè)備一般都會給予很多的維護和保養(yǎng)。然而，相對于刀具等便宜的小件對它們的保養(yǎng)以前認(rèn)為是不必要的。
以前幾乎沒有什么文章和書籍在深層次上討論刀具的維護和保養(yǎng)。
7.2切削刀具的保養(yǎng)和維護
刀具可按應(yīng)用分類
金剛石,立方碳化硼以及以三氧化二鋁都是的不能用普通刀具加工的機加工材料。
而幾乎所有的金屬都能用刀具加工(鋁合金刀具的切削速度高于5000m/min,相當(dāng)于300km/h.)。
然而，具有如此優(yōu)良的切削特性的刀具具有明顯的缺點。象刀片非常的脆，易對螺栓體和刀柄造成損害造成安裝問題.。生噪聲、振動以致斷裂破碎，結(jié)果出現(xiàn)象切削精度下降等問題。
當(dāng)對刀具進行維護時實行以下的過程是很必要的：
7.2.1確保刀片之間沒有接觸
要避免象圖7.1那樣手握許多的刀片。也要戒除象圖7.2那樣把幾把刀片放在同一個口袋中。要確保象7.3那樣將刀片分隔存放,每隔放置一把刀片。
刀具的相互接觸將導(dǎo)致邊緣的脫落和碎裂7.5,7.6,7.7都展示了這種情況。
7.2.2要保證刀片之間沒有接觸
刀片之間的接觸會對接觸的部分造成傷害，從而是它們的切削能力下降。
7.2.3刀具維護時的注意事項
將刀具掉落在硬地面上將會造成切削邊緣的損壞。這種問題特別容易放生在很脆的陶瓷刀具上和又長又脆的刀具像滾花刀和鉆頭。操作工人要防止在地面不太平坦的時候,用手推車搬運放在盒子里的刀具，這樣是將會造成刀具的損壞的。圖7.7顯示了由于和其他的刀具接觸而造成的到柄損壞的例子。
7.1避免用手拿很多刀片 7.2不要把刀片放在口袋里
7.3 避免將刀片以無續(xù)的狀態(tài)放在刀片盒里 7.4由于刀片的接觸在刀片的邊緣產(chǎn)生的缺口
7.5，7.6由于刀片的接觸而出現(xiàn)缺口不能使用的陶瓷刀片
當(dāng)將刀具放置在金屬架子上和金屬盒子里時，必須保證切削的刀邊不能接觸金屬的表面，放置時的輕拿輕放也是必要的。圖7.8顯示了刀柄邊緣被扭曲的例子，建議使用塑料和橡膠或是聚乙烯盒子。
在刀具的安裝處損壞將導(dǎo)致安裝精度的下降，在這種情況下不能在好的經(jīng)濟效益下,獲得好的剛度和穩(wěn)定性，結(jié)果產(chǎn)生振動和噪聲導(dǎo)致刀具的壽命變短，切削邊緣的穩(wěn)定性變差。
7.7由于切削刀具的相互接觸而對刀座的損害 7.8刀座的扭曲變形損壞 7.9推薦帶手套處理刀具
7.2.4在操作時對刀片座的保護
和刀片一樣,刀片座也是由碳化物制成的。因此刀片的振動經(jīng)常會導(dǎo)致刀片座的變形損壞。
在這種情況下,度下降.當(dāng)?shù)镀荒芊€(wěn)定的固定,不能很好的切削。如果在使用多重刀具時候(像滾花刀)將會導(dǎo)致切削邊緣的可靠度下降和切削精度下降。使用可分類刀片時注意保護刀片座也是和必要的.
7.2.5當(dāng)處理刀具時要帶手套
像圖7.9那樣帶手套操作是我們強烈推薦的，空手拿刀片是非常不明智的。當(dāng)?shù)镀话惭b在到刀片座上時,就存在損壞的危險。當(dāng)?shù)毒呱贤可嫌偷臅r候就增加了這種危險性。手上的汗和油將導(dǎo)致刀具的生銹，鐵銹使刀具的表面不平使安裝的穩(wěn)定性下降,產(chǎn)生振動和噪聲,使切削精度下降。
7.3刀具的維護和保養(yǎng)
7.3.1刀具管理的基本知識
適當(dāng)?shù)膶Φ毒吖芾?，以取得順暢的切削過程是很必要的。這門學(xué)問不是機械上設(shè)備的操作知識而是管理學(xué)的知識。大體知識結(jié)構(gòu)概括如下：
1．刀具的管理不意味著單單保存它，而是為刀具深層次的使用作準(zhǔn)備而使刀具在一個可以立即使用的狀態(tài)下保存它。
2．像可分離的刀片，在下一道工序還沒有確定的時候一定要把它拿下來
3．如果刀具要是有一段時間不能應(yīng)用的話,一定要對刀具進行防銹處理。
4．應(yīng)根據(jù)刀具的用途、型號、使用頻率來安排保管刀具。
5．儲存刀具時要使它們?nèi)菀捉咏?
6．要確保損壞的刀具在保存前要先進行修理。
7．對于已經(jīng)永久損壞的刀具要及時丟棄，不要保存沒有用的刀具。
8．對工人進行刀具管理方面知識的教育，對刀具的管理建立規(guī)章制度，并且對所有工人逐漸灌輸這種思想。
7.3.2對刀具相互接觸的預(yù)防
可分類的切削刀片是由硬度在34-45hrc的合金鋼通過熱處理制造的。刀具體是由高碳鋼和硬度低于35hrc 的合金鋼制成的。刀具的接觸將導(dǎo)致接觸區(qū)的損壞而導(dǎo)致切削精度的下降，以下幾點注意事項被認(rèn)為可以防止這些問題出現(xiàn)：
1．儲存時就要避免刀具的接觸.不要像圖7.10和7.11所示的那樣的存放刀具。表7.1顯示了因為與其他刀具安裝螺桿接觸，在刀具表面產(chǎn)生的不可修復(fù)的粗糙度的變化情況。分體刀具安裝處的粗糙度的數(shù)值過大使得其安裝到機床上極其困難。更主要的是如果損壞發(fā)生在刀座上，安裝分體刀片是很麻煩的。象表7.2所示的如果刀具上有凹坑，在切削表面將會導(dǎo)致表面不平。在這種情況下，消除不平的表面的方法是用油性磨刀石。圖7.2展示了刀具表面在被恢復(fù)的情況。
7.10 7.11
表7.1因為和其他的刀座的接觸螺栓體表面粗糙度的變化
表7.2由于刀具的相互接觸而產(chǎn)生塑性扭曲的例子
2．保持刀具在一個安全的條件下使用.像儲存刀具的時候不能讓它們從架子上掉落下來。
3．從光滑的架子上移動的時候，保證刀具在箱子沒打開前不被移動。
4．如果刀具的備件很容易損壞，保存多余的備件是很必要的。
7.12在修理后一個小洞的重大影響 7.13生銹的洞
表7.3防銹和不防銹的表面粗糙度對比
7.3.3刀具的防銹
圖7.13示的刀柄生銹,表7.3展示了刀具生銹的程度和表面粗糙度的關(guān)系.鐵銹大大安裝處的堅固程度。
1．當(dāng)室外的潮濕度很高的時候，要保證窗子是關(guān)著的。雖然刀具表面的涂層能夠防銹，但是長時間放置在潮濕的環(huán)境下還是會生銹的。
2.特別要注意因為環(huán)境溫度的不同引起的刀具的生銹。象切削刀具頻繁從冷的地方使用而后又移入溫暖的環(huán)境，這將導(dǎo)致刀具表面生銹。
3．通常金屬架子沒有防銹涂層，所以特別容易生銹。把刀具放置在其上也會導(dǎo)致刀具生銹。辦法是在架子上蓋上像塑料、橡膠或聚乙烯材料。
4．如果刀具長時間不用，就要周期性的檢查刀具的情況。刀具特別是刀座和安裝的部分尤其不能生銹。
7.3.4分類刀片的管理方法
刀片是刀具的的切削韌因此是刀具的重要部分。它又小又輕故此方便攜帶和處理；而另一方面,處理不認(rèn)真,將不同等級的刀片混在一起，或是將同一種類不同等級的刀片防在一起,以上這種情況都會使刀片的辨別變得困難.以下都是要考慮的因素。
1． 個箱子只放一個刀片,以防刀片之間的相互接觸。
2． 于分類刀片,使用者要做有效的記號。
a保存刀片的時候,同一種刀片作同樣的記號。
b如果一種刀片一個盒子放不下,一定要將這些盒子放在一起。
3．根據(jù)刀具的生產(chǎn)公司和產(chǎn)品的數(shù)目來保存它。
4．根據(jù)刀片的公差等級來儲存它.像A、C、E、G、M等等。
5．可以根據(jù)刀片的等級,用途.形狀來儲存它。
6．確保同樣形狀不同等級的可分類刀片不放在一起。
7.4刀具的應(yīng)用和維護的知識
在產(chǎn)品設(shè)備的保養(yǎng)維護中最重要的使用技術(shù).。
但是，無論保養(yǎng)和維修的技術(shù)多么先進,但是操作者在選刀的時候范了錯誤，選了不合適的切削條件的刀具.那么產(chǎn)品設(shè)備的損壞也會發(fā)生,對刀具也是如此.
7.4.1選用切削刀具要適合切削的目的。
所有的產(chǎn)品設(shè)備像切削刀具、]手動工具和貴重機器都有其專門的用途。為了將起所有的特性都發(fā)揮出來利用，我們必須選擇最合適的操作方法。刀具的選擇應(yīng)該基于刀具的特性。
1．選擇切削刀具必須適用于工件的材料特性。例如：不能用切削鑄鐵的刀具來切削剛。選擇不適合的刀具會引起刀具邊緣的損害，這將導(dǎo)致切削溫度的提高和提高切削抗性這都將導(dǎo)致對刀具體的損害。
在選擇刀具的等級和刀片的形狀時必須小心，特別對于難于切削的材料。如圖7.14所示的是由于刀具等選擇的不正確，切削熱使工件和刀具熔為合金之后很短時間內(nèi)刀具外部生成的非常薄的層。在切削難加工的工件時，等級和形狀選擇不正確會在刀具上很快出現(xiàn)裂痕也會導(dǎo)致刀片座的損壞。
7.14 用不合適的到造成的非正常的損失
7.15表面磨削合適和不合適的磨削深度而產(chǎn)生的不同情況對比
2．根據(jù)使用切削刀具規(guī)定的用途來使用它。在一般的情況，在粗切和精切時使用一把刀是不可能的.選擇刀具不恰當(dāng)?shù)臅r候會導(dǎo)致切削邊緣非正常的損壞和對刀具體的損壞。
3．在刀具合適的使用范圍使用它，應(yīng)用范圍包括：切削狀態(tài)、切削模式、刀具壽命標(biāo)準(zhǔn)和切削流。在合適的切削范圍以外使用導(dǎo)致的損傷將引發(fā)精度的問題。
4．根據(jù)工件的形狀和寬度來選擇表面的滾花刀，選擇不合適的滾花刀將導(dǎo)致振動，使刀具的壽命嚴(yán)重下降。
5．對于專用刀或是高速刀具，它們更是要在合適的使用范圍內(nèi)使用，不能使用精切刀來代替粗切刀。用高速刀具象陶瓷刀具來代替低速刀具也會導(dǎo)致斷裂的問題。
7.4.2刀具要適合機器
切削技術(shù)的硬件主要是由機床和切削刀具組成的。足夠的柔性來掩蓋其他部分的缺點，可以防止麻煩的產(chǎn)生。
1．如果機床的軸向力很小或是剛度很差，這時要選擇鋒利的和低切削抗力的刀具。
2．如果機床的精度不高選擇圓角半徑小的，鋒利和切削抗力小的刀具。更重要的是選擇具有好的切削邊緣可信度的刀具，這樣在振動和噪聲的條件下滑落和斷裂都不會發(fā)生。
7.4.3在準(zhǔn)備切削刀具時的注意事項：
象自動化和非人的操作使得在準(zhǔn)備階段的核查工作變的很重要，
1．當(dāng)使用來自不同廠家的刀片時有種可能是切削性不同。這種情況的切削振動和異常損害要特別小心。
7.16根絕切削邊緣的損壞 7.17因為沒有緊固刀片的損壞
對磨削表面和刀具壽命的列表
2．在使用多把刀具的時候,要保證工序表被安排在可接受的范圍內(nèi).如圖7.16所示由于工序表安排不合適印發(fā)的刀片上的損害。
3．當(dāng)使用可分類的切削刀具時,對刀片座的損害和扭曲是要特別小心的。
4．當(dāng)將刀片安裝在刀具上時,保證不要安裝的過緊.對于陶瓷刀片如果安裝的過緊能導(dǎo)致刀片碎成幾片,如7.17所示那樣。
5．當(dāng)將刀片安裝在刀具上時,要選擇合適夾具螺母形狀和大小的扳手.如圖7.18所示對于同一個夾具螺空用合適和不合適的扳手的后果。
7.4.4將刀具安裝在機床上時的注意事項
每一把刀具和機床一樣都有不同的結(jié)構(gòu).一把刀具安裝的合適與否對機床的等級精度的影響是深刻的.
1．當(dāng)將切削刀具安裝在機床上時，保證沒有灰塵和鐵屑在刀具體，刀具空和各個部分。
2．當(dāng)安裝刀片時,特別是薄刀片時,保證沒有扭彎和彎曲是很必要的.
3．當(dāng)安裝多功能時,要保證切削邊緣已經(jīng)經(jīng)過過熱處理。
7.4.5設(shè)置切削環(huán)境時的注意事項
當(dāng)?shù)毒吆颓邢鳁l件不相適應(yīng)時，刀刃就會像圖19那樣折斷，如圖20那樣焊接，高速刀具的疲勞情形如圖21，塑性疲勞變形如圖22，這些都是何容易發(fā)生的。以下是選刀具時應(yīng)注意的。
7.19切削邊緣的振動 7.20切削邊緣的融合
7.21高速刀具的切削 7.22切削邊緣的塑性扭曲
1．依據(jù)刀具的性能參數(shù)來選擇切削條件。以下就是刀具的各種參數(shù)
A：端銑和立銑
刀具的等級，直徑，傾角，軸傾角，內(nèi)傾角，引腳，螺旋角，立銑刀尖形狀（圓或方），刀齒的數(shù)目，刀片槽的尺寸，刀把的大小，刀具的長度，機器安裝環(huán)境，刀具突出的長度。存在實體，刀刃幾何形狀，精度和系列刀片的形狀。破碎機的實體和幾何形狀，刀具的結(jié)構(gòu)。
B: 運轉(zhuǎn)時的刀把和鉆桿
刀具等級，前傾角，側(cè)傾角，前面角，側(cè)面角，切削刃前角，切削刃后角，修圓角尺寸，側(cè)面大小，機器安裝環(huán)境，刀具突出的長度，刀刃的的幾何形狀，刀片的精度和形狀，刀具的結(jié)構(gòu)（鍍銅的，成系列的刀片，實心的等）
C：鉆具
鉆刀的等級，直徑，伸出長度，頂角大小，刀刃數(shù)目，間隙大小，橫刃的幾何厚度，鉆刀的形狀（如麻花鉆，直鉆等）錐度大小，定位導(dǎo)向aihfiksbfjhfbjhffbsbfsgfjsfmshfksfsfnk
2．依據(jù)刀具不同等級的性能來選擇切削環(huán)境。以下是刀具的等級類型及性能。
A：高速鋼，炭化鋼，陶瓷，金屬陶瓷，F(xiàn)CR,CBN和金剛石
B：D級，M級和K級的性能（高溫硬度，內(nèi)應(yīng)力，疲勞強度，抗氧化能力，高溫氣流穩(wěn)定性，塑性變形抗力，節(jié)點抗力，高強度抗力，熱爆抗力和熱震抗力）
3．依據(jù)工件性能來選擇切削條件。以下是工件的性能：
A：刀具的化學(xué)成分，硬度，強度，扭曲率，熱處理條件，拉伸強度，高溫硬度，易碎性，可淬性，親和性和可煅性。
B：工件和成品的形狀，原料的去除，剛度，毛邊表面性能（硬度和面的縮放比例）材料密度（厚度變量）長度和直徑的關(guān)系，節(jié)點抗力。
4．依據(jù)現(xiàn)況和切削液特點來選擇切削環(huán)境。切削液的性能包括冷卻方法，冷卻體和冷卻類型。
圖23
如圖23是高速切削后，所產(chǎn)生的熱量在冷卻過程中對刀刃的沖擊后的破壞的情形
7.23在潮濕的表面磨削由于溫度
而產(chǎn)生的裂紋引起的永久的震動
7.4.6車削后對刀具的維護
在切削后把刀具從車床上移走時，要特別注意在維護中所涉及的刀具管理的項目。當(dāng)往箱子里或架子上存放刀具時要特別注意維護的規(guī)則和管理的技術(shù)。
5．刀具的再修復(fù)和維護
鍍銅刀具是由切削刃和與其不同材料的長柄組成的，在這種情況下很多問題容易發(fā)生。
在許多情況下，研磨和再研磨時所出現(xiàn)的毛病是由制造鍍銅刀具過程中的問題所引起的。首先，由鍍銅的技術(shù)所關(guān)聯(lián)的問題，再者，也有成本的問題。
7.5.1劣質(zhì)鍍銅所涉及的問題
通常，銀或銅比較適合做鍍層材料。吸濕性依賴于材料被粘結(jié)劑連接的強度。鍍銅材料的吸濕性因依賴于刀具的等級和鋼材料的性能而有不同的意義。
1． 刀具等級和吸濕性
擁有大量粘結(jié)材料的刀具的吸濕性高，而只有很少；量的粘結(jié)材料的刀具的吸濕性是很低的。
WC-CO級具有高吸濕性而WC-TiC-TaC-Co級有較低的吸濕性。當(dāng)TiC的含量增加時，吸濕性就會降低。
K級碳化物具有較高的吸濕性，接下來依次是M級和P級。陶瓷具有比P級更低的吸濕性。與陶瓷相比鍍銅和鍍銀的吸濕性已經(jīng)是很低的了。
2．吸濕性與柄的材料
含鉻高的鋼，含錳高的鋼和經(jīng)過熱處理的材料有較低的吸濕性。
3．助熔劑是用來提高鍍銅材料的吸濕性的。助熔劑可以阻止鍍銅表面的氧化。經(jīng)過清除雜質(zhì)的鍍銅材料不僅可以提高其吸濕性也能氧化其表面的分子。
由于柄的等級和其具有吸濕性的材料，鍍銅很容易出現(xiàn)問題，再者，助熔劑沒有及時起作用時問題也是很容易出現(xiàn)的。
7. 5.2鍍銅的斷裂
刀具的熱膨脹性和刀柄的材料實質(zhì)上時不同的。圖表4是某一等級的刀具和刀柄在室溫下鍍銅的殘余應(yīng)力圖。
碳化物和柄的材料的熱膨脹率是1：2，故當(dāng)濕度正常時，刀具就能經(jīng)得起會導(dǎo)致斷裂得內(nèi)應(yīng)力。
為了降低鍍銅時的變形，在柄上鉆些空或凹槽。為了多面鍍銅可以在刀具和刀柄間放上銅片或者銅網(wǎng)。如表7.5和7.6。再者，也可以如表7.7所示，刀座的厚度可以是刀片層面的3倍或更多。
不要在空氣中冷卻鍍銅刀具，因為溫度迅速下降會造成斷裂。把刀具放在鹽水盆里或木灰里或硅土里來冷卻，一直到7攝氏度，然后在放到熱水里來清洗，若不洗干凈，在研磨時就會軋傷，這將引起并造成碎裂。
7.5.3研磨與再研磨的碎裂
由于在磨石上進行粗磨或擠軋而引起研磨溫度迅速上升的原因，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，會引起研磨裂縫。此外，不適當(dāng)?shù)牟僮饕矔鹚榱?，就像研磨后把它放在水里。圖24是手柄的研磨碎裂，圖25是這些碎裂的放大圖，圖26是延長后的碎裂。圖27是刀柄的最后破壞情況。
表框1是關(guān)于研磨鍍銅刀具的要點概括。表框2和圖表8是車刀的研磨順序，圖表9是邊磨刀的研磨順序。
表7.4殘余應(yīng)力對銅件的影響
表7.5防止鍍銅斷裂的措施表 表7.6刀桿長度和鍍銅斷裂的關(guān)系
表7.7在刀桿上開洞減小壓力
本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告
論文題目：三坐標(biāo)數(shù)控磨床設(shè)計
現(xiàn)代制造技術(shù)，如柔性制造系統(tǒng)（FMS）、計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）、并行工程（C.E）、精益生產(chǎn)（L.P）、敏捷制造（A.M）等正在我國興起并逐步實施。作為以上各項現(xiàn)代化生產(chǎn)哲理和生產(chǎn)模式的最低層設(shè)備-數(shù)控機床是最終生產(chǎn)出合格產(chǎn)品的重要環(huán)節(jié)。數(shù)控機床不僅能提高產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，還能大大改善工人的勞動條件。本次設(shè)計的就是數(shù)控機床的一種，即三坐標(biāo)數(shù)控磨床，其主要技術(shù)要求和工作量如下：
1、三坐標(biāo)數(shù)控磨床的主要技術(shù)要求
（1）X、Y、Z行程分別為300mm、300mm 、300mm。
（2）進給精度為0.001mm
（3）X、Y、Z軸快速移動速度分別為10m/min、10m/min、10m/min
(4 )工作臺面尺寸420×300mm
2、課題內(nèi)容及工作量
（1） 三坐標(biāo)數(shù)控磨床總體布置圖Ao 1張
（2） X-Y工作臺裝配圖（機構(gòu)圖）Ao1張
（3） 磨頭機構(gòu)裝配圖Ao1張
（4） 單片機控制原理圖Ao1張
（5） 設(shè)計說明書15000字、開題報告2000字
（6） 外文翻譯5000漢字
（7） 編制源程序100句以上
一、三坐標(biāo)數(shù)控磨床的工作原理
用數(shù)控磨床加工曲面零件時，首先應(yīng)編制該曲面零件的加工程序，這是數(shù)控曲面磨床的工作指令。將加工程序輸入數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制機床主運動的變速、啟動、停止、進給運動的方向、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。
二、三坐標(biāo)數(shù)控磨床的組成
三坐標(biāo)數(shù)控磨床主要有控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、機床主機和測量反饋裝置等五部分組成。
（1）控制介質(zhì) 用于記載各種加工信息的載體，以控制機床的運動，實現(xiàn)零件的加工。數(shù)控介質(zhì)有穿孔帶、穿孔卡、磁帶及磁盤等，用鍵盤將加工程序直接鍵入，并且可在數(shù)碼顯示器或CRT顯示器上顯示出來。
（2）數(shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控機床的核心，是高技術(shù)密集型產(chǎn)品。任何一個微機控制系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。有了硬件才有軟件運行的基礎(chǔ)，而只有配置了軟件的硬件才能構(gòu)成控制系統(tǒng)。構(gòu)成微機控制系統(tǒng)的基本硬件有以下四部分組成：
1） 中央處理單元 即CPU
2） 總線 有數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AB）和控制總線（CD）
3） 存儲器 包括可編程存儲器和隨機可讀存儲器
4） 輸入輸出接口電路
（3）伺服系統(tǒng) 由伺服驅(qū)動裝置和伺服進給系統(tǒng)組成，是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分。作用是把來自數(shù)控裝置的各種指令轉(zhuǎn)換成機床移動部件的運動速度、運動方向和位移量。
伺服驅(qū)動裝置：直流伺服電機。
進給伺服系統(tǒng)：有驅(qū)動控制單元、驅(qū)動元件、機械傳動部件、執(zhí)行件和檢測反饋環(huán)節(jié)等組成。驅(qū)動控制單元和驅(qū)動元件組成伺服驅(qū)動系統(tǒng)；檢測元件與反饋電路組成檢測裝置亦稱檢測系統(tǒng)。進給伺服系統(tǒng)中采用的驅(qū)動裝置為直流伺服電機。
（4）機床主機
機床是數(shù)控機床的主體，包括床身、箱體、導(dǎo)軌、主軸、進給機構(gòu)等機械部件。
1）床身 三坐標(biāo)數(shù)控磨床應(yīng)具有更好的剛性和抗振性，因此床身采用密封式箱型結(jié)構(gòu)，在床身底內(nèi)腔填充泥芯和混凝土等阻尼材料，當(dāng)發(fā)生振動時，利用阻尼材料之間的相對摩擦耗散振動能量。
2）導(dǎo)軌 導(dǎo)軌由運動件和承導(dǎo)件組成。運動件：需要做直線運動的零部件。承導(dǎo)件：用于支承并限制運動件，使其只能按給定的要求和規(guī)定的方向作直線運動。設(shè)計中可采用滑動導(dǎo)軌，對導(dǎo)軌要求有以下幾點：①要有一定的導(dǎo)向精度。②要有良好的耐磨性。③要有足夠的剛度。④有減小熱變形影響。⑤要使運動輕便平穩(wěn)。⑥要有一定的工藝性。
滑動導(dǎo)軌間隙的調(diào)整：采用刮、磨相應(yīng)的結(jié)合面或加墊片的方法以獲得相應(yīng)的間隙；鑲條調(diào)整，這是側(cè)向間隙常用的調(diào)整方法，鑲條有直鑲條和斜鑲條兩種。
三坐標(biāo)數(shù)控磨床采用貼塑導(dǎo)軌，這是一種金屬對塑料的摩擦形式。屬于滑動摩擦導(dǎo)軌，導(dǎo)軌一滑移面上貼有一層抗磨軟帶，導(dǎo)軌的另一滑移面上貼為淬火磨削面，軟帶是以聚四氟乙烯為基材，添加合金粉和高氧化物的高分子復(fù)合材料。塑料導(dǎo)軌剛性好、動靜摩擦系數(shù)差值小、耐磨性好、無爬行、抗振性好、化學(xué)的穩(wěn)定性好、維護修理方便、經(jīng)濟性好。
三個方向的導(dǎo)軌副、滾珠絲杠副由自動間隙潤滑油泵進行定時潤滑，潤滑油泵安裝在立柱側(cè)面，通過分油器將潤滑油分送到各潤滑點上。
3）主軸 主軸部件包括主軸軸承、傳動件和相應(yīng)的緊固件。主軸的端部是標(biāo)準(zhǔn)的。傳動件如齒輪、帶輪等與一般的機械零件相同。機床主軸部件，三個方向的進給及其它部件滾動軸承，均采用潤滑脂潤滑。
4）工作臺 ：X、Y工作臺傳動機構(gòu)；X向齒輪減速和滾珠絲杠傳動方式（Y向和X向X、Y工作臺的組成相同）；驅(qū)動機構(gòu)（X、Y向兩個電機）。
X、Y工作臺工作原理：通過控制X、Y向電機驅(qū)動傳動機構(gòu)，從而帶動X、Y工作臺沿X向Y向運動。
滾珠絲杠螺旋傳動：在螺母和螺桿間放入適當(dāng)數(shù)量的滾珠，使螺母和螺桿之間的摩擦由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的一種裝置。有螺母、螺桿、滾珠及滾珠循環(huán)返回裝置四個部分組成。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動螺母移動時，滾珠沿螺桿螺旋滾道而滾動，在螺桿上滾動數(shù)周后，滾珠從滾道的一端滾出并沿返回裝置返回另一端，重新進入軌道，從而構(gòu)成閉合回路。
三 參考資料
1．?dāng)?shù)控機床設(shè)計手冊；
2．機械設(shè)計手冊；
3．機電傳動控制；
4．標(biāo)準(zhǔn)件手冊。
5. 磨削原理
四 進度計劃
第一階段：完成所選課程，完成英文翻譯。
第二階段： 完成畢業(yè)設(shè)計的總體規(guī)劃，查閱相關(guān)資料。
第三階段：完成X-Y工作臺設(shè)計及相關(guān)計算。
第四階段： 完成磨頭設(shè)計。
第五階段： 完成控制系統(tǒng)設(shè)計。
第六階段：撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書，出圖，準(zhǔn)備答辯。
第 1 頁 中文摘要 本次設(shè)計為三坐標(biāo)數(shù)控磨床，該機床能通過三軸聯(lián)動，實現(xiàn)曲線直線等不同的 加工路線，同時可以通過更換砂輪來加工不同的型腔和輪廓提高其表面質(zhì)量。另外 該機床也能夠?qū)ζ渌恍┕ぞ吡慵M行表面加工。 所設(shè)計的三坐標(biāo)數(shù)控磨床，磨頭與立柱之間用鼠齒器相連，可以改變主軸與工 作臺的角度。三個坐標(biāo)方向的移動均由交流伺服電機帶動絲杠驅(qū)動，所選用的聯(lián)軸 器為十字滑塊聯(lián)軸器，工作臺選用雙推與雙推軸承組成兩端固定支承，達到所要求 的高精度。三個方向通過速度反饋和位置反饋實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)。主軸電機采用交流電 機，由變頻器對其進行無級調(diào)速。所有電機均有單片機進行控制。 此設(shè)計主要對數(shù)控磨床的機構(gòu)進行設(shè)計，了解單片機的工作原理，主要有以 下幾個方面：X、Y 工作臺的傳動機構(gòu)設(shè)計，主要是滾珠絲杠的運用；伺服系統(tǒng)應(yīng) 用開環(huán)控制，了解它的工作原理；機床整體結(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?。粩?shù)控裝置的設(shè)計，了解其控制原理。 設(shè)計中充分考慮經(jīng)濟性、工藝性、適用性等要求，選擇最好的方案，以達到 最佳的效果。 關(guān)鍵詞：數(shù)控 三坐標(biāo) 銑床 第 2 頁 英文摘要 This design is for tri-coordinate numerical control grinding machine .This machine tool can work along the curve and straight line through co-operation of three axles .By changing the abrasive wheel it can also process different type and outline .And thus improve the quality of its surface .Furthermore, this machine tool can handle the face-improving process of other tools and components . The tri-coordinate NC curved surface grinding machine work head is connected with stand post by means of a mouse-tooth device .It can change the angle between the main axle and work desk. The motion of tri- coordinate direction is urged by DC. The work desk is fixed at both ends, thus it can reach the high accuracy .Three coordinate direction move and urge by direct current serve electrical machinery and realize half close ring system through speed feedback and position feedback. Main shaft adopt and exchange electrical machinery by electrical machinery ,go on step speed regulation to their by converter. All electrical machineries are controlled by the one-chip computer. In this way the product produced are with high quality we mainly design the structure of the numerically controlled milling machine, and find out control prnciple of single tool machine: The design of the transmission structure of X、Y worktable .Mainly the application of boll beany; Assiting system with the control of open-loop system and its working prinples; The design of the whole machine structure and it advantages and disadvantages; The design of the numerically controlled device ,and its control principles. In this design ,we fully consider the practical orders of economy , technology and applicability and choose the least plan to get the least effect. Key Words: Numerical Control Tri-coordinate Milling Machine 第 3 頁 目錄 中文摘要 .1 英文摘要 .2 目錄 .3 第一章 概論 .1 1.1 數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展 1 1.2 何謂數(shù)控機床 .1 1.3 數(shù)控機床的應(yīng)用范圍 .1 1.4 數(shù)控機床的基本組成 .2 1.5 數(shù)控機床的分類 .2 1.6 數(shù)控機床的工作過程 .2 1.7 數(shù)控機床的特點 2 1.8 磨削概論 .2 1.9 三坐標(biāo)數(shù)控磨床 3 第二章 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 .6 2.1 提高機床的結(jié)構(gòu)剛度的設(shè)計 6 2.2 提高機床的抗振性的措施 7 2.3 提高機床靈敏度 7 第三章 進給伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 .8 3.1 進給伺服系統(tǒng)的作用 .8 3.2 進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計要求 .8 3.2.1 對進給伺服系統(tǒng)的基本要求 8 3.2.2 進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計要求 .9 3.3 進給伺服系統(tǒng)的組成 9 3.4 進給伺服系統(tǒng)的分類 9 3.5 給伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 10 3.5.1 數(shù)控機床的位置調(diào)節(jié)系統(tǒng) .10 3.5.2 進給伺服系統(tǒng)的數(shù)字模型 .10 3.6 進給伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性及伺服性能分析 .10 3.6.1 時間響應(yīng)性 .10 3.6.2 頻率響應(yīng)特性 .11 3.6.3 穩(wěn)定性分析 .11 3.6.4 快速性分析 .11 3.6.5 伺服精度 .11 3.7 驅(qū)動元件的設(shè)計 .12 3.7.1. 選用伺服電動機 .12 3.7.2 選用交流伺服電機 12 3.8 機械傳動部件的設(shè)計 .14 第四章 床身與導(dǎo)軌 .20 4.1 床身設(shè)計 .20 4.1.1 床身結(jié)構(gòu)的基本要求 .20 4.1.2 床身的結(jié)構(gòu) .20 4.1.3 床身的截面形狀 .20 4.1.4 鋼板焊接結(jié)構(gòu) 21 第 4 頁 4.1.5 箱體封沙結(jié)構(gòu) 21 4.2 導(dǎo)軌設(shè)計 21 4.2.1 對導(dǎo)軌的要求 21 4.2.2 滑動導(dǎo)軌 .21 4.2.3 貼塑滑動導(dǎo)軌 .21 4.2.4 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu) .22 4.2.5 導(dǎo)軌設(shè)計 .22 4.2.6 導(dǎo)軌的材料 22 第五章 主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 .23 5.1 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計要求 23 5.2 主傳動變速系統(tǒng)的設(shè)計 23 5.3 主軸組件設(shè)計 23 5.3.1 對主軸組件的性能要求 .23 5.3.2 主軸組件的組成和軸承選型 .24 5.3.3 主軸組件的技術(shù)要求 .25 5.3.4 主軸組件的動態(tài)特性 26 5.3.5 主軸軸承的潤滑 .26 5.4 選擇主軸電機 27 5.5 高速帶的設(shè)計計算 .29 第六章 控制系統(tǒng)設(shè)計 .31 6.1 確定硬件電路的總體方案 .31 6.2 主控制器 CPU 的選擇 .31 6.3 存儲器擴展電路設(shè)計 .31 6.4 I/O 口擴展電路設(shè)計 32 6.5 交流伺服電機驅(qū)動電路 .32 6.6 主軸電機驅(qū)動電路 .32 6.7 越界報警 .32 程 序 .33 設(shè) 計 小 結(jié) .36 參考文獻 .37 第 1 頁 第一章 概論 設(shè)計任務(wù)書 1、三坐標(biāo)數(shù)控磨床的主要技術(shù)要求 （1）X、Y、Z 行程分別為 300mm、300mm 、300mm。 （2）進給精度為 0.001mm （3）X、Y、Z 軸快速移動速度分別為 10m/min、10m/min、10m/min (4 )工作臺面尺寸 420×300mm 2、課題內(nèi)容及工作量 （1） 三坐標(biāo)數(shù)控磨床總體布置圖 Ao 1 張 （2） X-Y 工作臺裝配圖（機構(gòu)圖）Ao1 張 （3） 磨頭機構(gòu)裝配圖 Ao1 張 （4） 單片機控制原理圖 Ao1 張 （5） 設(shè)計說明書 15000 字、開題報告 2000 字 （6） 外文翻譯 5000 漢字 （7） 編制源程序 100 句以上 注：所有的尺寸均由計算機繪制 1.1 數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展 1952 年，美國麻省理工學(xué)院成功的研制出一套三坐標(biāo)聯(lián)動，利用脈動乘法器 原理的實驗性數(shù)控系統(tǒng)，并把它裝在一臺立式銑床上。當(dāng)時用的電子元件是電子管， 這就是世界上的第一臺數(shù)控機床。1959 年，數(shù)控裝置中廣泛采用電子管和印刷電 路板，從而跨入數(shù)控的第二代。1965 年，出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路，由于它體積小、 功耗低，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得以進一步提高，從此數(shù)控發(fā)展到第三代。1970 年， 在美國芝加哥國際機床展覽會上首次展出的數(shù)控系統(tǒng)采用計算機數(shù)控系統(tǒng)的機床， 這便是數(shù)控的第四代。1974 年，出現(xiàn)了第五代數(shù)控系統(tǒng)（MNC 微處理機控制系統(tǒng)） 。 我國是從 1958 年開始研制數(shù)控技術(shù)的，一直到 60 年代中期處于研制、開發(fā)時 期。當(dāng)時，一些高等院校、科研單位研制出實驗樣機，開發(fā)也是從電子管開始的。 1965 年國內(nèi)開始研制晶體管數(shù)控技術(shù)。從 70 年代開始，數(shù)控技術(shù)在車、銑、鉆、 鏜、磨、齒輪加工等領(lǐng)域全面展開，數(shù)控加工中心在上海、北京研制成功。在這一 時期，數(shù)控線切割機床由于結(jié)果簡單、使用方便、價格低廉，在模具加工中得到了 推廣。80 年代我國數(shù)控機床有了新的發(fā)展。90 年代以及接下來主要是向高檔數(shù)控 機床發(fā)展。 1.2 何謂數(shù)控機床 數(shù)控機床是一種綜合應(yīng)用了微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制、精密測量和 機床結(jié)構(gòu)等方面的最新成就而發(fā)展起來的高效自動化精密機床，是一種典型的機電 一體化產(chǎn)品。它是機械加工自動化的核心設(shè)備。 第 2 頁 1.3 數(shù)控機床的應(yīng)用范圍 數(shù)控機床在加工下面這些零件中更能顯示出它的優(yōu)越性： 批量?。?00 件以下）而又多次生產(chǎn)的零件；在加工過程中必須進行多種加 工的零；幾何形狀復(fù)雜的零件；切削余量大的零件；必須控制公差（即公差范圍小） 的零件；工藝設(shè)計經(jīng)常變化的零件；加工過程中的錯誤會造成嚴(yán)重浪費的貴重零件； 需要全部檢測的零件。 1.4 數(shù)控機床的基本組成 如圖所示： 1.5 數(shù)控機床的分類 1. 按工藝用途分類：數(shù)控磨床、數(shù)控銑床、數(shù)控折彎機等 2. 按控制類型的方式分類： 點位控制數(shù)控機床（如：數(shù)控鉆床、數(shù)控坐標(biāo)銑床） ；直線控制數(shù)控機床 （如：數(shù)控車床、加工中心） ；輪廓控制數(shù)控機床（如： 數(shù)控磨床） 3. 伺服系統(tǒng)的類型分類：開環(huán)數(shù)控機床、閉環(huán)數(shù)控機床、半閉環(huán)數(shù)控機床 次設(shè)計的三坐標(biāo)數(shù)控磨床屬于金屬切削類，半閉環(huán)輪廓控制的數(shù)控機床。 1.6 數(shù)控機床的工作過程 在上述工作過程中，要求數(shù)控機床使用者完成的工作主要是工藝分析和數(shù)控 編程（有手工編程、自動編程、計算機輔助編程三種方法） ，并將程序存到存儲介 質(zhì)上，其它步驟都是由數(shù)控系統(tǒng)和機床自動進行的。 1.7 數(shù)控機床的特點 數(shù)控機床作為一種高自動化、高柔性的加工設(shè)備，具有以下特點： （1） 適應(yīng)范圍廣 （2）生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短（3）生產(chǎn)效率和加工精度高 （4）工序高度集 中（5）能完成復(fù)雜型面的加工 （6）技術(shù)含量高 1.8 磨削概論 磨削是指用砂輪等固結(jié)的磨具進行加工的過程，是機械加工的重要方法。從當(dāng) 第 3 頁 前掌握的先進技術(shù)的情況來看，美國、俄羅斯、德國、英國和日本等國家居于前列。 我國的磨削技術(shù)在建國后得到了很大的發(fā)展，現(xiàn)在已門類比較齊全。同其它加工方 法相比，磨削加工具有以下特點：（1）能獲得很高的加工精度 （2）能適應(yīng)各種 不同性質(zhì)的材料加工 （3）能獲得較高的生產(chǎn)率 （4）適應(yīng)性廣 1.9 三坐標(biāo)數(shù)控磨床 本次設(shè)計的三坐標(biāo)數(shù)控磨床主要是對總體結(jié)構(gòu)、工作臺、主軸箱等的機械 部分的設(shè)計，以及整機電氣控制部分的設(shè)計。機械部分如下： 1 主要用途和適用范圍 三坐標(biāo)數(shù)控磨床是三軸聯(lián)動的經(jīng)濟型數(shù)控機床. 利用三軸聯(lián)動來形成砂輪與工 件的相對運動，通過更換不同的砂輪來達到各種不同的形狀尺寸的要求?？梢跃_ 高效的完成平面內(nèi)各種復(fù)雜曲線的零件的自動加工。更能完成復(fù)雜曲面的加工，且 獲得高的精度。因為通過數(shù)控，加工時不通過模具就能保證零件的加工精度，提高 了勞動生產(chǎn)率，具有較高的性能價格比。本磨床屬中型磨床，適用于企業(yè)的模具、 異型零件的加工。 2 機床的基本參數(shù) 名稱 參數(shù) 工作臺面寬度×長度 420mm×300mm 工作臺 X 軸行程 300mm 工作臺 Y 軸行程 300mm 工作臺 Z 軸行程 350mm X、Y、Z 軸快速移動速度 都為 10r/min X、Y、Z 電機 70SL5A2 交流伺服電機 主軸轉(zhuǎn)速級數(shù) 無級調(diào)速 主軸轉(zhuǎn)速范圍 （3980～14920）r/min 主電機功率 7.0kw 主軸交流電機 1HP6103-4CG4 機床外形尺寸 1792mm×1308mm×2018mm 3 機床的主要結(jié)構(gòu) 機床主要有工作臺、主軸箱、立柱、電氣柜、CNC 系統(tǒng)等組成。 ● 工作臺 工作臺的 X、Y 向進給是由交流伺服電機通過十字滑塊聯(lián)軸器傳動，結(jié)構(gòu)簡單， 調(diào)整維修方便。 工作臺面有三個梯形槽（見下圖） ，供夾具定位和安裝固定工件使用。中間一個 第 4 頁 梯形槽是定位梯形槽。 ●主軸箱(參看下圖) 主軸部件有主軸、刀具的自動夾緊松開機構(gòu)、前后軸承等組成。 動力由電機軸經(jīng)一級帶傳動給主軸，通過調(diào)整電壓調(diào)整伺服電機的轉(zhuǎn)速，從而 實現(xiàn)無級變速。 主軸為中空外圓柱零件，前端裝定向鍵，與刀柄配合部位采用 7：24 的錐度。 為了保證主軸部件剛度，前支承由三個 C 級向心推力角接觸球軸承 3 組成，前兩個 大口朝上，承受切削力，提高主軸剛度，后一個大口朝下，后支承采用兩個 D 級向 心推力球軸承 5，小口相對，后支承僅承受徑向載荷，故外圈軸向不需要定位。軸 承采用油脂潤滑。 刀具自動拉緊與松開機構(gòu)及切削清除裝置裝在主軸內(nèi)孔中，刀夾自動拉緊松開 機構(gòu)由拉桿 7 和頭部的兩瓣彈力卡爪 2、碟形彈簧 7、活塞 9 和螺旋彈簧 8 組成。 夾緊時，活塞 9 的上端無油壓，彈簧 8 使活塞 9 向上移到圖示位置。碟形彈簧 7 使 拉桿 6 上移至圖示位置，卡爪上移，將刀具拉緊。當(dāng)需要松開刀柄時，液壓缸的上 腔進油，活塞 9 向下移動壓縮彈簧 8，并推動拉桿 6 向下移動。與此同時，碟形彈 簧 8 被壓縮?？ㄗ﹄S拉桿 6 一起向下移動。移到主軸孔較大處時，便松開了刀柄， 刀具連同刀柄一起被拔出。 刀柄夾緊機構(gòu)用彈簧夾緊，液壓放松，以保證在工作中如果突然停電，刀柄不會 自行松脫。 活塞桿孔的上端接有壓縮空氣。刀具從主軸中拔出后，壓縮空氣通過活塞桿和拉 桿中孔，把主軸錐孔吹凈。 彈性卡爪的外周是錐面，與主軸的錐孔相配合使爪收緊，從而卡緊刀柄。這種卡 爪與刀柄的接合面與拉桿垂直，故拉緊力大?？ㄗεc刀柄為面接觸，接觸應(yīng)力較小， 不易壓潰。 ●立柱 立柱用于實現(xiàn)主軸箱的垂直移動和支撐。固定在立柱上端的電機直接傳動絲杠， 可使主軸箱垂直移動。 4 機床的傳動系統(tǒng) 1.主傳動圖及說明 主傳動圖參看傳動系統(tǒng)圖。主運動由主運動電機，經(jīng)一級高速帶傳到主軸，并 通過調(diào)節(jié)電機的控制電壓獲得各級轉(zhuǎn)速，主軸轉(zhuǎn)速為（3980～14920）r/min。實現(xiàn) 第 5 頁 無級調(diào)速。 2.進給傳動圖及說明 進給傳動圖參看傳動系統(tǒng)圖。X、Y、Z 三個軸各有一套基本相同的進給伺服系統(tǒng)。 電壓調(diào)速交流伺服電機直接帶動滾珠絲杠，功率都為 1.4kw，無級調(diào)速。三個軸的 進給速度均為 1～400mm/min。快移速度都為 10m/min。三個伺服電機分別由數(shù)控指 令通過計算機控制，任意兩個軸都可聯(lián)動。 傳動系統(tǒng)圖 第 6 頁 第二章 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 該磨床的總體設(shè)計包括:系統(tǒng)設(shè)計(包含數(shù)控裝置的功能設(shè)計、元件和部件設(shè)計,程 序段格式設(shè)計及系統(tǒng)的總體設(shè)計);邏輯設(shè)計(包含運算器設(shè)計、控制器設(shè)計及電路 設(shè)計);機床主機的結(jié)構(gòu)設(shè)計.本次設(shè)計主要對總體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計. 數(shù)控機床的功能設(shè)計和普通機床有著很大的差別.對數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求 可歸納為如下幾個方面: (1) 具有很大的餓切削功率、高的靜、動態(tài)剛度和良好的抗振性能； (2) 具有較高大的幾何精度、傳動精度、定位精度和熱穩(wěn)定性； (3) 具有實現(xiàn)輔助操作自動化的結(jié)構(gòu)部件。 2.1 提高機床的結(jié)構(gòu)剛度的設(shè)計 機床的剛度是指切削力和其它力作用下,抵抗變形的能力.該磨床要求具有高的 靜剛度和動剛度。 機床在切削過程當(dāng)中，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)力有砌學(xué)力、驅(qū)動力、加減速器時引起的慣性力、摩擦阻力等。組成機床的結(jié) 構(gòu)部件在這些力作用下將產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致工件的加工誤差。為了使機床達到高 大結(jié)構(gòu)剛度，獲得符合要求的工件，進行如下結(jié)構(gòu)設(shè)計： 1、 構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式的選擇 （1） 選擇截面的形狀和尺寸 由于形狀相同的截面，當(dāng)保持相同的截面積時，應(yīng)減小臂厚，加大截面的輪廓 尺寸，所以該機床的立柱、床身等支撐件做成型腔。圓形截面的抗扭剛度比方形截 面的大，抗彎剛度比方形截面小，所以立柱、床身等承受彎曲載荷的部件做成方形， 而象主軸等承受扭轉(zhuǎn)載荷的零件做成圓形。 由于封閉式截面的剛度比不封閉式截面的剛度大很多，因此該磨床采用封閉式 床身。 由于臂上開孔將使剛度下降，所開孔部部件對剛度要求又很高，就在孔的周邊 加上凸緣，以使抗彎剛度得到恢復(fù)。 （2） 隔板和筋條的布置 合理布置支承件的隔板和筋條，可提高構(gòu)件的靜、動剛度，磨床采用叉筋板的 支承件，立柱內(nèi)部就是布置了交叉的筋條。 （3） 構(gòu)件的局部剛度 磨床的導(dǎo)軌和支承件的連接部件，往往是局部剛度最弱的部分，但是聯(lián)接方式 對局部剛度影響很大。在本次設(shè)計中，由于 Z 軸導(dǎo)軌較寬，故采用雙臂聯(lián)接形式； X、Y 軸導(dǎo)軌較窄，采用單臂聯(lián)接，但在單臂上增加垂直筋條以提高局部剛度。 （4） 采用焊接結(jié)構(gòu)的構(gòu)件 機床的床身、立柱等支承件，采用鋼板和型鋼焊接而成，具有減小質(zhì)量，提高 剛度的顯著特點。 第 7 頁 采用鋼板和型鋼而不采用鑄件的原因： ①鋼的彈性模量約為鑄鐵的兩倍，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。 2、結(jié)構(gòu)布局的設(shè)計 三坐標(biāo)數(shù)控磨床設(shè)計的主軸中心位于立柱的對稱面內(nèi)，主軸箱的自重不再引 起立柱的變形，相同的切削力所引起的立柱的彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形均大為減小， 這相當(dāng)于提高了機床的剛度。另在立柱上方安裝兩組定滑輪來平衡重力，以減小 立柱的變形。 2.2 提高機床的抗振性的措施 機床在加工時可能產(chǎn)生兩種形態(tài)的振動：強迫振動和自激振動。機床的抗振 性就是抵抗這兩種振動的能力。 改善和提高抗振性應(yīng)從以下幾個方面著手： （1） 減少機床的內(nèi)部振源 機床高速旋轉(zhuǎn)主軸、帶輪均應(yīng)進行平衡；裝配在一起的旋轉(zhuǎn)部件，應(yīng)該保 證同軸，并且消除傳動間隙，采用平衡裝置和降低往復(fù)運動件的重量，以減小 可能的激振力，裝在機床上的電機需隔振安裝。 （2） 提高靜態(tài)剛度 提高靜態(tài)剛度可以提高構(gòu)件或系統(tǒng)的諧振頻率，從而避免發(fā)生共振。但為了 提高情態(tài)剛度而引起的構(gòu)件質(zhì)量的增加，會使共振頻率發(fā)生騙移，這是不利的。因 此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)強調(diào)提高單位質(zhì)量的個剛度。 （3）增加構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的阻尼 該磨床對滾動軸承適當(dāng)預(yù)緊以增大阻尼，將型砂或混凝土等阻尼材料填 充在支承件的零部件臂中，可以提高阻尼性。以減少振動。 2.3 提高機床靈敏度 該三坐標(biāo)數(shù)控磨床通過數(shù)字信息來控制刀具與工件的相對運動，它要求在相 當(dāng)大的進給速度范圍內(nèi)都能達到較高的精度，因而運動部件應(yīng)具有較高的靈敏度。 導(dǎo)軌部分采用貼塑滑動導(dǎo)軌，以減少摩擦力使其在低速時無爬行現(xiàn)象。工作臺、刀 架等部件的移動采用支流伺服電機驅(qū)動，經(jīng)滾珠絲杠傳動，減少了進給系統(tǒng)所需要 的驅(qū)動扭矩，提高了運動精度和運動平穩(wěn)性。 第 8 頁 第三章 進給伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1 進給伺服系統(tǒng)的作用 伺服系統(tǒng)接受數(shù)控裝置發(fā)出的進給脈沖或進給位移量，并把它變換成模擬量 (如轉(zhuǎn)角、電壓、相位等)，經(jīng)功率放大后去驅(qū)動工作臺，使工作臺進行精確的定位 或按照規(guī)定的軌跡作嚴(yán)格的相對運動，最后加工出符合于精度要求的零件。因此， 伺服系統(tǒng)的性能也是決定數(shù)控機床的加工精度、加工表面質(zhì)量、生產(chǎn)率和機床的可 靠性的關(guān)鍵之一。 3.2 進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計要求 3.2.1 對進給伺服系統(tǒng)的基本要求 帶有數(shù)字調(diào)節(jié)的進給驅(qū)動系統(tǒng)都屬于伺服系統(tǒng)。進給伺服系統(tǒng)不僅是數(shù)控機 床的一個重要組成部分，也是數(shù)控機床區(qū)別與一般機床的一個特殊部分。數(shù)控機床 對進給系統(tǒng)的性能指標(biāo)可歸納為：定位精度要高；跟蹤指令信號的響應(yīng)要快；系統(tǒng) 的穩(wěn)定性要好。 1. 穩(wěn)定性 所謂的穩(wěn)定的系統(tǒng)，即系統(tǒng)在輸入量的改變、啟動狀態(tài)或外界干擾作用下，其 輸出量經(jīng)過幾次衰減振蕩后，能迅速地穩(wěn)定在新的或原有的平衡狀態(tài)下。它是伺服 系統(tǒng)能夠進行正常工作的基本條件。它包含絕對穩(wěn)定性和相對穩(wěn)定性。 進給伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的慣性、剛度、阻尼以及系統(tǒng)增益都有關(guān)系。 適當(dāng)選擇系統(tǒng)的機械參數(shù)（主要有阻尼、剛度、諧振頻率和失動量等）和電氣參數(shù)， 并使它們達到最佳區(qū)配，是進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計的目標(biāo)之一。 2. 精度 所謂進給伺服系統(tǒng)的精度是指系統(tǒng)的輸出量復(fù)線輸入量的精確程度，即準(zhǔn)確性。 它包含動態(tài)誤差，即瞬態(tài)過程出現(xiàn)的偏差；穩(wěn)態(tài)誤差，即瞬態(tài)過程結(jié)束后，系統(tǒng)存 在的偏差；靜態(tài)誤差，即元件誤差及干擾誤差。 常用的精度指標(biāo)有定位精度、重復(fù)定位精度和輪廓跟隨精度。精度用誤差來表 示，定位誤差是工作臺由一點到另一點時，指令值與實際移動距離的最大差值。重 復(fù)定位誤差是指工作臺進行一次循環(huán)動作之后，回到初始位置的偏差值。輪廓跟隨 誤差是指多坐標(biāo)連動時，實際運動軌跡與給定運動軌跡之間的最大偏差值。影響精 度的參數(shù)很多，關(guān)系也很復(fù)雜，采用數(shù)字調(diào)節(jié)技術(shù)可以提高伺服驅(qū)動系統(tǒng)的精度。 3. 快速響應(yīng)特性 所謂的快速響應(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。系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，則加工效率越高，軌跡跟隨精度越高。但響應(yīng) 速度過快會造成系統(tǒng)的超調(diào)，甚至?xí)鹣到y(tǒng)的不穩(wěn)定。因此，應(yīng)適當(dāng)選擇快速響 應(yīng)特性。 該三坐標(biāo)數(shù)控磨床是輪廓控制的機床，除了要求高的定位精度外，還要求良好 第 9 頁 的快速性及形成輪廓的各運動坐標(biāo)伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的一致性。該三坐標(biāo)數(shù)控 磨床采用的是是閉環(huán)控制型式，對于閉環(huán)系統(tǒng)主要是穩(wěn)定性問題。 3.2.2 進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計要求 機床的位置調(diào)節(jié)對進給伺服系統(tǒng)提出很高的要求。其中在靜態(tài)設(shè)計方面有： 1. 能夠克服摩擦力和負(fù)載： （1）很小的進給位移量； （2）高的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度； （3）足夠的調(diào)速范圍； 2. 進給速度均勻，在速度很低時無爬行現(xiàn)象； 3. 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，以便完成啟動制動過程； （2） 具有良好的動態(tài)傳遞性能以保證在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的?。?4. 機械傳動部件的設(shè)計要求有： (1) 被加速的運動部件具有小的慣量； (2) 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方面盡可能小的非線性； 3.3 進給伺服系統(tǒng)的組成 3.4 進給伺服系統(tǒng)的分類 按控制方式不同分為開環(huán)系統(tǒng)、半閉環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng).該次設(shè)計的數(shù)控磨床采用 閉環(huán)系統(tǒng)。 a) 采用閉環(huán)系統(tǒng)的原因： 1.閉環(huán)系統(tǒng)的檢測裝置安裝在工作臺上，由于閉環(huán)系統(tǒng)能對整個系統(tǒng)誤差進行自動 補償，故控制精度高(0.001mm～0.003mm)快速性好,只是成本較高,而該數(shù)控磨床要 求進給精度為 0.001mm，為了滿足設(shè)計要求，采用閉環(huán)系統(tǒng)。2.開環(huán)系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu) 簡單、工作可靠、造價低廉，但是沒有位置反饋環(huán)節(jié)這樣的機械傳動裝置的摩擦、 慣量、間隙所引起的定位誤差不能調(diào)整，且其控制精度（0.01mm～0.02mm）和快速 性較差。不能滿足該數(shù)控磨床的設(shè)計要求,故不采用開環(huán)系統(tǒng).3.半閉環(huán)系統(tǒng)的檢測 裝置安裝在滾珠絲杠軸端或電機軸端。由于檢測元件檢測的反饋信號不包含從絲杠 第 10 頁 軸到工作臺間傳動鏈的誤差，因此這部分誤差得不到自動補償，精度比閉環(huán)系統(tǒng)的 要低，也不滿足該數(shù)控磨床的要求，故不采用半閉環(huán)系統(tǒng)。 b) 閉環(huán)系統(tǒng)的組成原理 機床數(shù)控裝置中發(fā)生的指令信號與工作臺末端測得的實際位置反饋信號進行 比較，根據(jù)其差值不斷控制運動，進行誤差修正，直至差值在誤差允許的范圍 之內(nèi)為止。采用閉環(huán)系統(tǒng)控制可以消除由于運動部件制造中存在的精度誤差給 工件帶來的影響，從而得到很高的加工精度。個部分的關(guān)系如下圖所示： 3.5 給伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 3.5.1 數(shù)控機床的位置調(diào)節(jié)系統(tǒng) 數(shù)控機床的位置調(diào)節(jié)技術(shù)保證被加工零件的尺寸精度和輪廓精度。其位置調(diào)節(jié) 系統(tǒng)如圖所示： 輸入?yún)?shù)的產(chǎn)生和位置調(diào)節(jié)器的功能可用計算機完成,從而構(gòu)成一個數(shù)字位置 調(diào)節(jié)系統(tǒng)。進給驅(qū)動部件可以是電氣的或是液壓的,分別稱為電氣驅(qū)動部件和液壓 驅(qū)動部件。該三坐標(biāo)數(shù)控磨床采用電氣驅(qū)動，它包括從給定值的輸入到電機的輸出。 從電機的輸出經(jīng)過機械傳動到執(zhí)行件（工作臺）稱為機械傳動部件。 3.5.2 進給伺服系統(tǒng)的數(shù)字模型 在位置環(huán)的調(diào)節(jié)上有模擬式和數(shù)字式，或者說有連續(xù)控制方式和離散控制方式。 機床的數(shù)字調(diào)節(jié)系統(tǒng)是由計算機作為調(diào)節(jié)器，按采樣方式工作的，因而屬于離散控 制方式。這類系統(tǒng)精度高，動態(tài)性能好，可充分利用計算機的快速運算功能和存儲 功能，使進給伺服系統(tǒng)始終處于最佳工作狀態(tài)。另外，由于計算機作為調(diào)節(jié)器，因 而調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有很大柔性。 3.6 進給伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性及伺服性能分析 3.6.1 時間響應(yīng)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。 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)達到穩(wěn)定之前表現(xiàn)為瞬態(tài) 響應(yīng)過程（或叫過度過程） 。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)。 第 11 頁 若在穩(wěn)態(tài)時，輸出與輸入不能完全吻合，就認(rèn)為系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差。 系統(tǒng)的時間響應(yīng)特性不僅決定于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能（如一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)就不 同） ，而且也決定于輸入信號的類型，且隨加工對象的不同以及切削用量的不同而 改變。尤其考慮到啟動、停車、正反方向等控制情況，各坐標(biāo)軸速度信號的變化極 為復(fù)雜。 3.6.2 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)隨時間的變化規(guī)律，即在已知 傳遞函數(shù)的情況下，從系統(tǒng)在節(jié)躍輸入及斜坡輸入時間響應(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，所以只能由實驗方 法求取動態(tài)特性的。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)，即它是通過研究系統(tǒng)對正弦輸入信號的響應(yīng)規(guī)律來獲得其動態(tài) 特性。由于頻率特性與傳遞函數(shù)密切相關(guān)，因此在工程中的應(yīng)用越來越多?？捎深l 率響應(yīng)數(shù)據(jù)擬合成傳遞函數(shù)而建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 3.6.3 穩(wěn)定性分析 對控制系統(tǒng)的基本要求是工作的穩(wěn)定性。只有工作穩(wěn)定才能進一步討論其他性 能指標(biāo)。系統(tǒng)的穩(wěn)定受多種因素的影響，其中包括機械傳動部件的慣性、阻尼、剛 性和傳動比。為考察機械傳動部件的參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，根據(jù)穩(wěn)定判斷式編 制計算程序。 3.6.4 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。 分析系統(tǒng)快速性的方法很多，有直接求解法、間接評價法和計算機模擬法等。 直接求解法比較麻煩，且不易得到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)對瞬態(tài)質(zhì)量影響的一般規(guī)律；計 算機模擬法十分簡便，而且還用于復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、多變量系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)以及某 些難于得出數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)，單它需要一套軟件和上機條件。間接評價法，方法簡 單，又能明顯地看出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)對瞬態(tài)質(zhì)量的影響，故在系統(tǒng)分析和設(shè)計中被 廣泛地采用。 對于線性進給伺服系統(tǒng)，由于它包括各種電路、機電轉(zhuǎn)換裝置和機械傳動機構(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)，只是一個低通濾波器。這種系 統(tǒng)的通頻帶寬，對高頻信號響應(yīng)速度快，所以從開環(huán)頻率特性圖看，提高閉環(huán)回路 的響應(yīng)速度。 為使進給伺服系統(tǒng)獲得良好的伺服性能（穩(wěn)定性、快速性） ，國外文獻對機械 傳動部件提出很高的諧振頻率，但對這些數(shù)據(jù)并沒有進行理論分析。有的文獻認(rèn)為： 在電氣伺服系統(tǒng)中，可控硅電源以及支流馬達特性引起的諧振是對伺服系統(tǒng)性能起 限制作用的因素。但實際上機械傳動部件不是剛性，往往達不到很高的諧振頻率， 且阻尼又低，可能成為提高伺服性能的限制因素。 3.6.5 伺服精度 伺服精度的高低用誤差的大小來平衡，所謂伺服誤差就是伺服系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時指 第 12 頁 令位置和實際位置之差，它反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)質(zhì)量。 理想的伺服系統(tǒng)是在任意時刻輸出和輸入都同步，沒有誤差，但這是不可能的。 造成不同步的原因很多，系統(tǒng)本身動態(tài)特性，外加負(fù)載和內(nèi)部擾動等都會造成實際 位置偏離指令位置。 欲求出伺服誤差，必須先分別求出系統(tǒng)在輸入信號和外加負(fù)載等信號的作用下 產(chǎn)生的輸出響應(yīng)，然后根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加原理將這些響應(yīng)疊加起來求出實際位置， 再用指令位置減去實際位置便得到伺服誤差。 要求出進給驅(qū)動系統(tǒng)伺服誤差的解析表達式。應(yīng)討論以下幾個重要概念： （1）速度誤差 由斜坡信號輸入產(chǎn)生的伺服誤差成為速度誤差。它實際上表示在一定的進給速 度下，系統(tǒng)指令位置與實際位置的偏差。 （2）伺服靜剛度 伺服靜剛度是指在恒定外負(fù)載作用下，進給驅(qū)動系統(tǒng)抵抗位置偏差的能力，也 就是伺服馬達為消除位置偏差而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩（或力）與位置偏差之比。 3.7 驅(qū)動元件的設(shè)計 X、Y、Z 三個方向的驅(qū)動裝置均選用交流伺服電動機。 3.7.1. 選用伺服電動機 伺服電機最大的特點是可控。在有控制信號輸入時，伺服電機就轉(zhuǎn)動；沒有信 號輸入時，則停止轉(zhuǎn)動；改變控制電壓的大小和相位，就可以改變伺服電機的轉(zhuǎn)速 和轉(zhuǎn)向。 服電機與普通的電機相比具有以下特點： （1）調(diào)速范圍廣。服電機的轉(zhuǎn)速隨著控制電壓改變，能在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。 （2）轉(zhuǎn)子的慣性小。即能實現(xiàn)迅速啟動、停轉(zhuǎn)。 （3）控制功率小，過載能力強，可靠性好。 傳動生產(chǎn)用的傳動電機主要用來完成能量的變換,具有較高的力能指標(biāo)(如效率 和功率因數(shù)率),而控制電機則主要用來完成控制信號的傳遞和變換,要求它們技術(shù) 性能穩(wěn)定可靠、動作靈敏、精度高、體積小、重量輕、耗電少。這這是該數(shù)控磨床 的要求，因此，選用伺服電機。 3.7.2 選用交流伺服電機 交流伺服電機可靠性很高,基本上不用維護,造價低,且機電時間常數(shù)小。而該 次設(shè)計的數(shù)控磨床的進給伺服系統(tǒng)是隨動系統(tǒng)，要求電動機的時間常數(shù)小，啟動和 反轉(zhuǎn)頻率高。交流伺服電機滿足要求。直流伺服電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電刷和換向器需經(jīng) 常維護；由于電刷與換向器間的接觸產(chǎn)生火花，造成無線電干擾；由于磁滯回線的 影響增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。因此選用交流伺服電機。 1.電機轉(zhuǎn)速 =10000/10=1000r/minspMhvn/? 第 13 頁 ?2spRSPhFM??14.320.4?? spspVTwvhFgmf??2])[(? 取電機轉(zhuǎn)速為 =1500r/minMn 2.靜態(tài)轉(zhuǎn)矩 st =st ZCR?? （1）摩擦力矩 ①導(dǎo)軌摩擦 =0.06[(200+400)×9.8+1476]])[(VTwvRFgmfF? =441.4N —摩擦系數(shù) 0.06; —工件質(zhì)量;vf w —工作臺質(zhì)量; g—重力加速度;Tm —垂直于導(dǎo)軌的切削力。V 折算到滾珠絲杠上的摩擦力矩 為：RSPM = =702.8N ②絲杠螺母傳動摩擦 絲杠螺母傳動的摩擦耗損可通過傳動效率 來表示，sp? =0.94 —滾珠絲杠直徑 32mmspd —滾珠絲杠導(dǎo)程 10mmsh 將以上各種摩擦力矩綜合起來，得到折算到電機軸上的摩擦力矩 ，對于絲?RM 杠螺母傳動： = =702.8/0.94=747.7N?RMspsphd02.1??? 第 14 頁 spMChF??2?N25094.1350??（2）切削力矩對于絲杠螺母傳動 = （3）重力矩 因為工作臺水平，不會引起轉(zhuǎn)矩，故不需要計算 ZM 通過以上計算可知 = =747.7+2500.=3247.7N·mmstMZMCR?? 有轉(zhuǎn)速和計算出的靜力矩，可以利用伺服電機的轉(zhuǎn)速圖來選擇電機。結(jié)果如下： 型號：70SL5A2 勵磁電壓：220v 控制電壓：220v 額定轉(zhuǎn)速：1500r/min 最小啟動轉(zhuǎn)炬：≥1800g·cm 空載轉(zhuǎn)速：≥2700r/min 時間常數(shù)：≤0.015S 重量：2000g 3.8 機械傳動部件的設(shè)計 一臺機床所具有的加工精度、工件表面粗糙度和生產(chǎn)率取決于電氣驅(qū)動部件和 機械傳動部件的優(yōu)良設(shè)計。機械傳動部件的設(shè)計好壞對進給伺服系統(tǒng)的伺服性能影 響很大。此外，還要求伺服電機速度環(huán)的動特性與機械部分動特性相協(xié)調(diào)。借助于 調(diào)節(jié)技術(shù)可以幫助這兩部分實現(xiàn)良好的匹配。 對于閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計主要是穩(wěn)定性的問題。 滾珠絲杠主要承受軸向載荷,除絲杠自重外,一般無徑向載荷,因此,滾珠絲杠副要求 軸向精度和剛度較高。進給系統(tǒng)要求運動靈活，對微小位移響應(yīng)要靈敏，因此，軸 承的摩擦力矩盡量小。滾珠絲杠轉(zhuǎn)速不高，且高速運轉(zhuǎn)時間短，因而，發(fā)熱不是主 要問題。 軸承采用 60 接觸角推力角接觸球軸承,其特點如下：O ①接觸角大，保持架用增強尼龍注塑成型。臂薄，可容下較多的鋼球，因此軸 向承載能力大，剛度大。 ②能承受軸向和徑向載荷，可以簡化軸承支座結(jié)構(gòu)。 ③根據(jù)載荷情況可以進行組合。 ④啟動摩擦力矩小，可以降低滾珠絲杠副的驅(qū)動功率，提高進給系統(tǒng)的靈敏度。 該數(shù)控磨床的機械傳動部件設(shè)計方案，采用交流伺服電機與滾珠絲杠直接相聯(lián) 的裝置。如下圖所示: 第 15 頁 1 交流伺服電機 2.十字滑塊聯(lián) 軸器 3 滾珠絲杠 4 螺母及螺母座 滾珠絲杠的設(shè)計計算: 已知數(shù)據(jù): 工作臺重量: m1=400Kg 工件最大重量: m2=200Kg 工作臺最大行程: L=300mm 工作臺滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù): =0.06? 絲杠副壽命:Lh=10a 工作可靠性: 96% 切削方式及定位精度: 磨削(輪廓控制),定位精度±0.01/300mm 絲杠兩端為固定支承,每個支座安裝兩個 60 接觸角推力角接觸球軸承,背靠背O 安裝,進行預(yù)拉伸。 磨削方式 縱向切削力 Fa/N 速度 V/m.min 1?時間比例 q% 強力磨削 2000 0.6 15 一般磨削 1000 0.8 30 精密磨削 500 1 50 快速移動 0 10 5 設(shè)計計算步驟: 1. 絲杠載荷: 導(dǎo)軌摩擦力 Fu= (m1+m2)g=0.06(400+200)X9.8? =0.06(400+200)X9.8=353N 第 16 頁 強力磨削時載荷 Famax=2000+353=2353N 一般磨削是載荷 Fa=1000+353=1353N 精密磨削時載荷 Fa=500+353=853N 快速移動時載荷 Fa=0+353=353N 2. 電機轉(zhuǎn)速(最大) nmax=1500N 絲杠最大轉(zhuǎn)速 nm=1000 r/min 強力磨削 n1=60 r/min 一般磨削 n2=80 r/min 精密磨削 n3=100 r/min 3. 絲杠導(dǎo)程 Ph 工作臺最大速度: Vmax=10m/min=10·1000=10000mm/min Ph= = =10 mmnVmax10/ 4. 當(dāng)量轉(zhuǎn)速 nm nm= n1q1/100+ n2q2/100+………= 60·15/100+80·30/100+100·50/100+2000·5/ 100=183 r/min 5.當(dāng)量負(fù)荷 Fm=3 16534823746985815?? =706N 6.初選滾珠絲杠 (1)計算動負(fù)荷 Caj=KhFm/Knf∑=3.9·706/0.56·0.385=12770N (2)要求壽命 Lh 壽命 Lh=300(日)×16(h)×0.6(開機率)×10（年）=28800h 由壽命系數(shù) Kh= 轉(zhuǎn)速系數(shù) Kn= (3)綜合系數(shù) 影響滾珠絲杠副壽命的綜合系數(shù): f∑= (4)滾珠絲杠副的型號 CMD3210-2.5 額定動負(fù)荷 Ca=25909NCaj=12770N 3 213211 00?????qnFqnmm3 3 1050100625 ????9.350 1???????hL 56.03.1???????mn8.1.80??ukahtf 第 17 頁 ?2cLdf 25.0473?utlAE'?509.2416??? ?FKnh4596.013? 預(yù)緊力 Fo=0.25Ca=6477N1/3Fmax=2353/3=784N 可見初選的滾珠絲杠符合設(shè)計要求。 7. 絲杠螺紋部分長度 Lu Lu=工作臺最大行程(300)+螺母長度(129)+兩端余程(25) =300+129+25×2=479mm 8.支承距離 L 支承距離 LLu=479 因此取 L=700mm 9.臨界轉(zhuǎn)速校核 (1)絲杠底徑 d2=d0-1.2Dw=32-1.2×6.35=24.4mm=0.0244m 取 25mm (2)支承方式系數(shù) 查表 f2=4.73 (兩端固定) (3)臨界轉(zhuǎn)速計算長度 Lc=129/2+300+40+(700-479)/2=500mm=0.5m 臨界轉(zhuǎn)速 nc=9900× 9900× =21617r/min 可見 ncnma 所以 符合要求 10. 壓桿穩(wěn)定校核 兩端固定支承,絲杠不受壓縮,因而不必校核穩(wěn)定性。 11. 預(yù)拉伸計算 設(shè)溫升為 3.5 C0 (1)溫升引起的伸長量 = =11×10 ×3.5×0.59=22umt?ul??6? (2)絲杠全長伸長量 =11×10 ×3.5×0.7=27umtz6 (3)預(yù)緊力 Ft= = ×2.1×10 =459N1 12. 軸承選擇 (1)軸端結(jié)構(gòu) 采用 E 型和 F 型 (并排)軸端 (2)軸承型號主要尺寸和參數(shù) 軸承型號為 7602020TVP 查表 得:d=20mm D=47mm B=14mm Z=15 Dw=5.953 Ca=19600N (3)預(yù)緊力確定 預(yù)緊力 Fo=2300N 軸承的最大軸向載荷為 F max=Ft+Fmax/2=459+2353/2=1636N' 由于 FoF max/3=1636/3=545N 所以,符合要求.' (4)疲勞壽命計算 由軸承動負(fù)荷計算公式校核 C= =2549N 第 18 頁 maxs?AEFL4 6120.04.31???F cKF0593.6sin52?o 進給方向是可變的，負(fù)荷可能是（Ft+Fm/2）或（Ft-Fm/2） ，兩者機會相等，取 平均值 F=459N Kn=0.56 取 Lh=1500h 則 Kh=3.11 初選 7602020TVP 參數(shù)如下：d=20mm D=47mm B=14mm Dw=5.953 Ca=19600N Fo=2300N 可見 額定動負(fù)荷 Ca=19600計算動負(fù)荷 C=2549 所以，軸承滿足壽命要求。 13.定位精度校核 (1)絲杠在拉壓載荷下的最大彈性位移 = × = =0.0033Fmaxs?610 快速移動時 F=353N , =1.2ummaxs? 強力,磨削時 F=2353N , =7.8ums 精密磨削時 F=853N , =2.8ummaxs (2)絲杠與螺母間的接觸變形 c? = 查表得 CMD3210-2.5 滾珠絲杠到螺母的接觸剛度 Kc=955N/um 所以得:c? 快速移動時 = 353/955=0.37um 強力,磨削時 =2353/955=2.5umc 精密磨削時 =853/955=0.89um? (3)軸承的接觸變形 B 角接觸軸承的軸向剛度 KB=23.6[Z sin ] Fo2wD?531 =23.6[13 ] =246N/um 10 快速移動時 =353/246=1.4umB? 第 19 頁 強力,磨削時 =2353/246=9.1umB? 精密磨削時 =853/246=3.5um (4)絲杠系統(tǒng)的總位移 = + +?maxscB? 快速移動時 =1.2+0.37+1.4=2.97um? 強力,磨削時 =7.8+2.5+9.6=19.9um 精密磨削時 =2.8+0.89+3.5=7.19um (5)定位精度 發(fā)生在螺母處于絲杠中部處, 和 與螺母的位置無關(guān)。所以以上求得的maxs?c?B 位移均為 /650mm。查表得絲杠精度等級為 1 級，任意 300mm 的行程公差為 6um。 加上快移時的總位移 2.97um?？梢詽M足輪廓控制定位精度 0.01/300mm 的要求。同 理分析，能滿足精密磨削的定位精度±0.02/300mm 的要求。強力磨削時，可以滿 足粗加工要求。 通過以上的分析計算，可知該滾珠絲杠符合定位精度要求。 計算結(jié)果: Y 向滾珠絲杠副型號：CMD32×10-2.5-1/760×479 X 向滾珠絲杠副型號：CMD32×10-2.5-1/690×479 CMD 型外插管埋入式雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲杠副: 公稱直徑 32mm,基本導(dǎo)程 10mm,循環(huán)圈數(shù)(圈數(shù)×列數(shù))2.5×1 X、Y 兩端支承均為 E、F 型 軸承型號均為 7602020TVP 60 度接觸角推力角接觸球軸承 3.9 檢測元件 該磨床的閉環(huán)系統(tǒng)中選用的檢測元件是光柵傳感器。 光柵傳感器在精密直線位移和轉(zhuǎn)角位移測量中應(yīng)用甚廣，直線測量精度可達 0.5um，轉(zhuǎn)角位移測量精度可達±1 （1/3600 度）' 第 20 頁 第四章 床身與導(dǎo)軌 4.1 床身設(shè)計 4.1.1 床身結(jié)構(gòu)的基本要求 機床的床身是整個機床的基礎(chǔ)支承件,一般用來放置導(dǎo)軌等重要部件。為了滿足 數(shù)控機床高速度、高精度、高生產(chǎn)率、高可靠性和高自動化的要求，與普通機床相 比，數(shù)控機床應(yīng)有更高的靜、動剛度，更好的抗振性。數(shù)控機床床身主要在下面四 個方面提出了更高的要求。 1.很高的精度和精度保持性 在床身上有很多安裝部件的加工面和運動部件的導(dǎo)軌面,這些面本身的精度和 相互位置精度要求都很高,而且要能長時間保持.另外,機床在切削加工時,所有動、 靜載荷最后往往都傳到床身上，所以，床身上的受力很復(fù)雜。為此，為保證零部件 之間的相互位置或相對運動精度，處滿足幾何尺寸位置等精度要求外，還要滿足靜、 動剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性和工藝等方面的技術(shù)要求。 2. 應(yīng)具有足夠的靜、動剛度 靜剛度包括：床身的自身結(jié)構(gòu)剛度、局部剛度和接觸剛度，都應(yīng)該采取相應(yīng)的 措施，最后達到有較高的剛度—質(zhì)量比。 動剛度直接反映機床的運動特性，為了保證機床在交變載荷作用下具有較高的 抵抗變形的能力和抵抗受迫振動及自激振動的能力，可以通過適當(dāng)增加阻尼，提高 固有頻率等措施避免共振及因薄臂振動而產(chǎn)身的噪聲。 3. 較好的熱穩(wěn)定性 控機床來說，尤其是高精度數(shù)控機床，熱穩(wěn)定性已成為一個突出的問題，必須 在設(shè)計上要作到使整機的熱變形較小，或使熱變形對加工精度的影響較小。 4.高的強度和耐磨性 通常床身在抵抗外負(fù)載荷而不超過允許的變形情況下，都具有足夠的強度。但 是，對于外負(fù)載荷比較大而變形要求不大的部位，仍有注意其強度的情況。至于床 身與運動部件相接觸的部位，即導(dǎo)軌處，要求有良好的耐磨性。 4.1.2 床身的結(jié)構(gòu) 該次設(shè)計的數(shù)控磨床的 Z 向運動是垂直與工作臺的上下運動.這種結(jié)構(gòu)的床身有 固定立柱和移動立柱兩種方式由于后者加工制造不方便,加上本次設(shè)計的數(shù)控磨床 屬于中型機床,故采用固定立柱式。 4.1.3 床身的截面形狀 為了在較小質(zhì)量下獲得高的靜剛度和適當(dāng)?shù)墓逃蓄l率，該機床的床身采用帶有 對角筋的箱體結(jié)構(gòu)。對角筋截面可明顯床身的扭轉(zhuǎn)剛度，并且便于設(shè)計成全封閉的 箱形結(jié)構(gòu)。 4.1.4 鋼板焊接結(jié)構(gòu) 該機床的床身采用鋼板直接焊接而成。焊接結(jié)構(gòu)床身的突出優(yōu)點是制造周期短。 第 21 頁 一般比鑄鐵快 1.7～3.5 倍。省去了制作木摸和鑄造工序，不易出廢品。焊接結(jié)構(gòu) 設(shè)計靈活，便于產(chǎn)品更新、改進結(jié)構(gòu)。焊接件能達到與鑄件相同，甚至更好的結(jié)構(gòu) 特性，可提高抗彎截面慣性矩，減小質(zhì)量。采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)能夠按剛度要求布置 筋板的形式，充分發(fā)揮臂板和筋板的承載和抗變形作用。另外，焊接床身采用鋼板， 其彈性摸量 E 為 MPa，而鑄鐵的彈性摸量 E 為 MPa，兩者幾乎相差5102?5102.? 一倍。因此采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)床身有利于提高固有頻率。 4.1.5 箱體封沙結(jié)構(gòu) 床身封沙結(jié)構(gòu)是利用筋板隔成封閉箱體結(jié)構(gòu)。對于焊接結(jié)構(gòu)的床身，在床身內(nèi)腔 填充泥芯和混凝土等阻尼材料，當(dāng)振動時，利用相當(dāng)摩擦來耗散振動能量。利用沙 粒良好的吸振性能，可以提高機構(gòu)件的阻尼比。提高床身結(jié)構(gòu)的靜剛度，有剛度和 質(zhì)量關(guān)系式 K= ( 為系統(tǒng)無阻尼振動時的固有頻率)可以看出增加質(zhì) m 可2omw? 以提高靜剛度.封沙結(jié)構(gòu)降低了床身的重心,有利于床身機構(gòu)的穩(wěn)定性,可提高床身 的抗彎和抗扭剛度。 4.2 導(dǎo)軌設(shè)計 4.2.1 對導(dǎo)軌的要求 對導(dǎo)軌的要求,納起來有下列幾點: 1. 要有一定的導(dǎo)向精度 2.要有良好的耐磨性 3.要有足夠的剛度 4.要減少熱變形影響 5.要使運動輕便平穩(wěn) 6.要有一定的工藝性 4.2.2 滑動導(dǎo)軌 導(dǎo)軌按照接觸面的摩擦情況而言.可分為:滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌等 三大類型。該次設(shè)計的數(shù)控磨床采用滑動導(dǎo)軌。 滑動導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單制造方便，承載面積大，接觸剛度好，抗振性能好等一系 列優(yōu)點?；瑒訉?dǎo)軌一般用于定位精度要求不高的開環(huán)系統(tǒng)中，本次設(shè)計的伺服系統(tǒng) 是閉環(huán)系統(tǒng)，因為有了反饋系統(tǒng)，導(dǎo)軌的定位精度，由于誤差進行補償而不受影響， 故采用滑動導(dǎo)軌。 4.2.3 貼塑滑動導(dǎo)軌 滑動導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，接觸剛度大的優(yōu)點。但傳統(tǒng)滑動導(dǎo)軌摩擦 阻力大，磨損快，動靜摩擦系數(shù)差別大，低速時易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。因此，采用帶有 耐磨粘貼帶覆蓋層的新型塑料滑動導(dǎo)軌。 本次設(shè)計采用的塑料導(dǎo)軌是聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶。 1. 聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶的特點 摩擦性好:鑄鐵淬火導(dǎo)軌副的靜摩擦系數(shù)與動摩擦系數(shù)相差較大,幾乎是相差一 倍.而金屬聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶的靜、動摩擦系數(shù)基本不變。這種良好的摩擦性能 可防止低速爬行，是運動平穩(wěn)并獲得較高的定位精度。 耐磨性好：處摩擦系數(shù)低外，聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶材質(zhì)中含有青二硫化鉬和石 第 22 頁 墨，因此，本身即具有潤滑作用，對潤滑油的供油量要求不高，采用間歇式供油即 可。此外，塑料質(zhì)地較軟，即便是嵌入金屬碎屑、灰塵等，也不至損傷金屬導(dǎo)軌面 和軟帶本身，可延長導(dǎo)軌副的使用壽命。 減振性好：塑料有很好的阻尼性，其減
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