【0209】9三坐標(biāo)數(shù)控磨床設(shè)計(jì)

【0209】9三坐標(biāo)數(shù)控磨床設(shè)計(jì),0209,坐標(biāo),數(shù)控,磨床,設(shè)計(jì) 第 1 頁(yè) 中文摘要 本次設(shè)計(jì)為三坐標(biāo)數(shù)控磨床，該機(jī)床能通過(guò)三軸聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)曲線直線等不同的 加工路線，同時(shí)可以通過(guò)更換砂輪來(lái)加工不同的型腔和輪廓提高其表面質(zhì)量。另外 該機(jī)床也能夠?qū)ζ渌恍┕ぞ吡慵M(jìn)行表面加工。 所設(shè)計(jì)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(tái)的角度。三個(gè)坐標(biāo)方向的移動(dòng)均由交流伺服電機(jī)帶動(dòng)絲杠驅(qū)動(dòng)，所選用的聯(lián)軸 器為十字滑塊聯(lián)軸器，工作臺(tái)選用雙推與雙推軸承組成兩端固定支承，達(dá)到所要求 的高精度。三個(gè)方向通過(guò)速度反饋和位置反饋實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)。主軸電機(jī)采用交流電 機(jī)，由變頻器對(duì)其進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速。所有電機(jī)均有單片機(jī)進(jìn)行控制。 此設(shè)計(jì)主要對(duì)數(shù)控磨床的機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，了解單片機(jī)的工作原理，主要有以 下幾個(gè)方面：X、Y 工作臺(tái)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是滾珠絲杠的運(yùn)用；伺服系統(tǒng)應(yīng) 用開(kāi)環(huán)控制，了解它的工作原理；機(jī)床整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，了解優(yōu)缺點(diǎn)，充分考慮主 要矛盾，擇優(yōu)選??；數(shù)控裝置的設(shè)計(jì)，了解其控制原理。 設(shè)計(jì)中充分考慮經(jīng)濟(jì)性、工藝性、適用性等要求，選擇最好的方案，以達(dá)到 最佳的效果。 關(guān)鍵詞：數(shù)控 三坐標(biāo) 銑床 第 2 頁(yè) 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(yè) 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(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展 ..................................................................................................1 1.2 何謂數(shù)控機(jī)床 .................................................................................................................1 1.3 數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍 .....................................................................................................1 1.4 數(shù)控機(jī)床的基本組成 .....................................................................................................2 1.5 數(shù)控機(jī)床的分類 .............................................................................................................2 1.6 數(shù)控機(jī)床的工作過(guò)程 .....................................................................................................2 1.7 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) ........................................................................................................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(jì) .............................................................................................................6 2.1 提高機(jī)床的結(jié)構(gòu)剛度的設(shè)計(jì) ..........................................................................................6 2.2 提高機(jī)床的抗振性的措施 ..............................................................................................7 2.3 提高機(jī)床靈敏度 ..............................................................................................................7 第三章 進(jìn)給伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ...............................................................................................8 3.1 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的作用 .....................................................................................................8 3.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 .............................................................................................8 3.2.1 對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求 ....................................................................................8 3.2.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 .......................................................................................9 3.3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的組成 ......................................................................................................9 3.4 進(jìn)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(jī)床的位置調(diào)節(jié)系統(tǒng) ...................................................................................10 3.5.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的數(shù)字模型 ...................................................................................10 3.6 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及伺服性能分析 .......................................................10 3.6.1 時(shí)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(dòng)元件的設(shè)計(jì) ...........................................................................................................12 3.7.1. 選用伺服電動(dòng)機(jī) .................................................................................................12 3.7.2 選用交流伺服電機(jī) ................................................................................................12 3.8 機(jī)械傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì) ...................................................................................................14 第四章 床身與導(dǎo)軌 ...............................................................................................................20 4.1 床身設(shè)計(jì) .......................................................................................................................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(yè) 4.1.5 箱體封沙結(jié)構(gòu) ........................................................................................................21 4.2 導(dǎo)軌設(shè)計(jì) ........................................................................................................................21 4.2.1 對(duì)導(dǎo)軌的要求 ........................................................................................................21 4.2.2 滑動(dòng)導(dǎo)軌 .............................................................................................................21 4.2.3 貼塑滑動(dòng)導(dǎo)軌 .......................................................................................................21 4.2.4 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu) ...............................................................................................................22 4.2.5 導(dǎo)軌設(shè)計(jì) ...............................................................................................................22 4.2.6 導(dǎo)軌的材料 ............................................................................................................22 第五章 主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .............................................................................................23 5.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 ................................................................................................23 5.2 主傳動(dòng)變速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ................................................................................................23 5.3 主軸組件設(shè)計(jì) ................................................................................................................23 5.3.1 對(duì)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(dòng)態(tài)特性 ............................................................................................26 5.3.5 主軸軸承的潤(rùn)滑 ...................................................................................................26 5.4 選擇主軸電機(jī) ................................................................................................................27 5.5 高速帶的設(shè)計(jì)計(jì)算 .......................................................................................................29 第六章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ...........................................................................................................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(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) ...................................................................................................31 6.4 I/O 口擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) ....................................................................................................32 6.5 交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 ...............................................................................................32 6.6 主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 .......................................................................................................32 6.7 越界報(bào)警 .......................................................................................................................32 程 序 .........................................................................................................................................33 設(shè) 計(jì) 小 結(jié) .............................................................................................................................36 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................................37 第 1 頁(yè) 第一章 概論 設(shè)計(jì)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(jìn)給精度為 0.001mm （3）X、Y、Z 軸快速移動(dòng)速度分別為 10m/min、10m/min、10m/min (4 )工作臺(tái)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(tái)裝配圖（機(jī)構(gòu)圖）Ao1 張 （3） 磨頭機(jī)構(gòu)裝配圖 Ao1 張 （4） 單片機(jī)控制原理圖 Ao1 張 （5） 設(shè)計(jì)說(shuō)明書 15000 字、開(kāi)題報(bào)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(jì)算機(jī)繪制 1.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展 1952 年，美國(guó)麻省理工學(xué)院成功的研制出一套三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，利用脈動(dòng)乘法器 原理的實(shí)驗(yàn)性數(shù)控系統(tǒng)，并把它裝在一臺(tái)立式銑床上。當(dāng)時(shí)用的電子元件是電子管， 這就是世界上的第一臺(tái)數(shù)控機(jī)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(jìn)一步提高，從此數(shù)控發(fā)展到第三代。1970 年， 在美國(guó)芝加哥國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上首次展出的數(shù)控系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)） 。 我國(guó)是從 1958 年開(kāi)始研制數(shù)控技術(shù)的，一直到 60 年代中期處于研制、開(kāi)發(fā)時(shí) 期。當(dāng)時(shí)，一些高等院校、科研單位研制出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，開(kāi)發(fā)也是從電子管開(kāi)始的。 1965 年國(guó)內(nèi)開(kāi)始研制晶體管數(shù)控技術(shù)。從 70 年代開(kāi)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(kāi)，數(shù)控加工中心在上海、北京研制成功。在這一 時(shí)期，數(shù)控線切割機(jī)床由于結(jié)果簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格低廉，在模具加工中得到了 推廣。80 年代我國(guó)數(shù)控機(jī)床有了新的發(fā)展。90 年代以及接下來(lái)主要是向高檔數(shù)控 機(jī)床發(fā)展。 1.2 何謂數(shù)控機(jī)床 數(shù)控機(jī)床是一種綜合應(yīng)用了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制、精密測(cè)量和 機(jī)床結(jié)構(gòu)等方面的最新成就而發(fā)展起來(lái)的高效自動(dòng)化精密機(jī)床，是一種典型的機(jī)電 一體化產(chǎn)品。它是機(jī)械加工自動(dòng)化的核心設(shè)備。 第 2 頁(yè) 1.3 數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍 數(shù)控機(jī)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(guò)程中必須進(jìn)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?。?的零件；工藝設(shè)計(jì)經(jīng)常變化的零件；加工過(guò)程中的錯(cuò)誤會(huì)造成嚴(yán)重浪費(fèi)的貴重零件； 需要全部檢測(cè)的零件。 1.4 數(shù)控機(jī)床的基本組成 如圖所示： 1.5 數(shù)控機(jī)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?rùn)C(jī)等 2. 按控制類型的方式分類： 點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床（如：數(shù)控鉆床、數(shù)控坐標(biāo)銑床） ；直線控制數(shù)控機(jī)床 （如：數(shù)控車床、加工中心） ；輪廓控制數(shù)控機(jī)床（如： 數(shù)控磨床） 3. 伺服系統(tǒng)的類型分類：開(kāi)環(huán)數(shù)控機(jī)床、閉環(huán)數(shù)控機(jī)床、半閉環(huán)數(shù)控機(jī)床 次設(shè)計(jì)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(jī)床。 1.6 數(shù)控機(jī)床的工作過(guò)程 在上述工作過(guò)程中，要求數(shù)控機(jī)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(dòng)編程、計(jì)算機(jī)輔助編程三種方法） ，并將程序存到存儲(chǔ)介 質(zhì)上，其它步驟都是由數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床自動(dòng)進(jìn)行的。 1.7 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) 數(shù)控機(jī)床作為一種高自動(dòng)化、高柔性的加工設(shè)備，具有以下特點(diǎn)： （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(jìn)行加工的過(guò)程，是機(jī)械加工的重要方法。從當(dāng) 第 3 頁(yè) 前掌握的先進(jìn)技術(shù)的情況來(lái)看，美國(guó)、俄羅斯、德國(guó)、英國(guó)和日本等國(guó)家居于前列。 我國(guó)的磨削技術(shù)在建國(guó)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(diǎn)：（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(jì)的三坐標(biāo)數(shù)控磨床主要是對(duì)總體結(jié)構(gòu)、工作臺(tái)、主軸箱等的機(jī)械 部分的設(shè)計(jì)，以及整機(jī)電氣控制部分的設(shè)計(jì)。機(jī)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(dòng)的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床. 利用三軸聯(lián)動(dòng)來(lái)形成砂輪與工 件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)更換不同的砂輪來(lái)達(dá)到各種不同的形狀尺寸的要求。可以精確 高效的完成平面內(nèi)各種復(fù)雜曲線的零件的自動(dòng)加工。更能完成復(fù)雜曲面的加工，且 獲得高的精度。因?yàn)橥ㄟ^(guò)數(shù)控，加工時(shí)不通過(guò)模具就能保證零件的加工精度，提高 了勞動(dòng)生產(chǎn)率，具有較高的性能價(jià)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(jī)床的基本參數(shù) 名稱 參數(shù) 工作臺(tái)面寬度×長(zhǎng)度 420mm×300mm 工作臺(tái) X 軸行程 300mm 工作臺(tái) Y 軸行程 300mm 工作臺(tái) Z 軸行程 350mm X、Y、Z 軸快速移動(dòng)速度 都為 10r/min X、Y、Z 電機(jī) 70SL5A2 交流伺服電機(jī) 主軸轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù) 無(wú)級(jí)調(diào)速 主軸轉(zhuǎn)速范圍 （3980～14920）r/min 主電機(jī)功率 7.0kw 主軸交流電機(jī) 1HP6103-4CG4 機(jī)床外形尺寸 1792mm×1308mm×2018mm 3 機(jī)床的主要結(jié)構(gòu) 機(jī)床主要有工作臺(tái)、主軸箱、立柱、電氣柜、CNC 系統(tǒng)等組成。 ● 工作臺(tái) 工作臺(tái)的 X、Y 向進(jìn)給是由交流伺服電機(jī)通過(guò)十字滑塊聯(lián)軸器傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 調(diào)整維修方便。 工作臺(tái)面有三個(gè)梯形槽（見(jiàn)下圖） ，供夾具定位和安裝固定工件使用。中間一個(gè) 第 4 頁(yè) 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(dòng)夾緊松開(kāi)機(jī)構(gòu)、前后軸承等組成。 動(dòng)力由電機(jī)軸經(jīng)一級(jí)帶傳動(dòng)給主軸，通過(guò)調(diào)整電壓調(diào)整伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而 實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)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(gè) C 級(jí)向心推力角接觸球軸承 3 組成，前兩個(gè) 大口朝上，承受切削力，提高主軸剛度，后一個(gè)大口朝下，后支承采用兩個(gè) D 級(jí)向 心推力球軸承 5，小口相對(duì)，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(rùn)滑。 刀具自動(dòng)拉緊與松開(kāi)機(jī)構(gòu)及切削清除裝置裝在主軸內(nèi)孔中，刀夾自動(dòng)拉緊松開(kāi) 機(jī)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(shí)，活塞 9 的上端無(wú)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(kāi)刀柄時(shí)，液壓缸的上 腔進(jìn)油，活塞 9 向下移動(dòng)壓縮彈簧 8，并推動(dòng)拉桿 6 向下移動(dòng)。與此同時(shí)，碟形彈 簧 8 被壓縮?？ㄗ﹄S拉桿 6 一起向下移動(dòng)。移到主軸孔較大處時(shí)，便松開(kāi)了刀柄， 刀具連同刀柄一起被拔出。 刀柄夾緊機(jī)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(huì) 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(guò)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。卡爪與刀柄為面接觸，接觸應(yīng)力較小， 不易壓潰。 ●立柱 立柱用于實(shí)現(xiàn)主軸箱的垂直移動(dòng)和支撐。固定在立柱上端的電機(jī)直接傳動(dòng)絲杠， 可使主軸箱垂直移動(dòng)。 4 機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng) 1.主傳動(dòng)圖及說(shuō)明 主傳動(dòng)圖參看傳動(dòng)系統(tǒng)圖。主運(yùn)動(dòng)由主運(yùn)動(dòng)電機(jī)，經(jīng)一級(jí)高速帶傳到主軸，并 通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)的控制電壓獲得各級(jí)轉(zhuǎn)速，主軸轉(zhuǎn)速為（3980～14920）r/min。實(shí)現(xiàn) 第 5 頁(yè) 無(wú)級(jí)調(diào)速。 2.進(jìn)給傳動(dòng)圖及說(shuō)明 進(jìn)給傳動(dòng)圖參看傳動(dòng)系統(tǒng)圖。X、Y、Z 三個(gè)軸各有一套基本相同的進(jìn)給伺服系統(tǒng)。 電壓調(diào)速交流伺服電機(jī)直接帶動(dòng)滾珠絲杠，功率都為 1.4kw，無(wú)級(jí)調(diào)速。三個(gè)軸的 進(jìn)給速度均為 1～400mm/min?？煲扑俣榷紴?10m/min。三個(gè)伺服電機(jī)分別由數(shù)控指 令通過(guò)計(jì)算機(jī)控制，任意兩個(gè)軸都可聯(lián)動(dòng)。 傳動(dòng)系統(tǒng)圖 第 6 頁(yè) 第二章 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 該磨床的總體設(shè)計(jì)包括:系統(tǒng)設(shè)計(jì)(包含數(shù)控裝置的功能設(shè)計(jì)、元件和部件設(shè)計(jì),程 序段格式設(shè)計(jì)及系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì));邏輯設(shè)計(jì)(包含運(yùn)算器設(shè)計(jì)、控制器設(shè)計(jì)及電路 設(shè)計(jì));機(jī)床主機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).本次設(shè)計(jì)主要對(duì)總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì). 數(shù)控機(jī)床的功能設(shè)計(jì)和普通機(jī)床有著很大的差別.對(duì)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 可歸納為如下幾個(gè)方面: (1) 具有很大的餓切削功率、高的靜、動(dòng)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(dòng)精度、定位精度和熱穩(wěn)定性； (3) 具有實(shí)現(xiàn)輔助操作自動(dòng)化的結(jié)構(gòu)部件。 2.1 提高機(jī)床的結(jié)構(gòu)剛度的設(shè)計(jì) 機(jī)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(dòng)剛度。 機(jī)床在切削過(guò)程當(dāng)中，承受的靜態(tài)力有運(yùn)動(dòng)部件和被加工零件的自重；承受的 動(dòng)態(tài)力有砌學(xué)力、驅(qū)動(dòng)力、加減速器時(shí)引起的慣性力、摩擦阻力等。組成機(jī)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(jī)床達(dá)到高 大結(jié)構(gòu)剛度，獲得符合要求的工件，進(jìn)行如下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 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(shí)，應(yīng)減小臂厚，加大截面的輪廓 尺寸，所以該機(jī)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(kāi)孔將使剛度下降，所開(kāi)孔部部件對(duì)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(dòng)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(duì)局部剛度影響很大。在本次設(shè)計(jì)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(jī)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(diǎn)。 第 7 頁(yè) 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(jì) 三坐標(biāo)數(shù)控磨床設(shè)計(jì)的主軸中心位于立柱的對(duì)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(jī)床的剛度。另在立柱上方安裝兩組定滑輪來(lái)平衡重力，以減小 立柱的變形。 2.2 提高機(jī)床的抗振性的措施 機(jī)床在加工時(shí)可能產(chǎn)生兩種形態(tài)的振動(dòng)：強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)。機(jī)床的抗振 性就是抵抗這兩種振動(dòng)的能力。 改善和提高抗振性應(yīng)從以下幾個(gè)方面著手： （1） 減少機(jī)床的內(nèi)部振源 機(jī)床高速旋轉(zhuǎn)主軸、帶輪均應(yīng)進(jìn)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(dòng)間隙，采用平衡裝置和降低往復(fù)運(yùn)動(dòng)件的重量，以減小 可能的激振力，裝在機(jī)床上的電機(jī)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(huì)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(jì)時(shí)應(yīng)強(qiáng)調(diào)提高單位質(zhì)量的個(gè)剛度。 （3）增加構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的阻尼 該磨床對(duì)滾動(dòng)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(dòng)。 2.3 提高機(jī)床靈敏度 該三坐標(biāo)數(shù)控磨床通過(guò)數(shù)字信息來(lái)控制刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，它要求在相 當(dāng)大的進(jìn)給速度范圍內(nèi)都能達(dá)到較高的精度，因而運(yùn)動(dòng)部件應(yīng)具有較高的靈敏度。 導(dǎo)軌部分采用貼塑滑動(dòng)導(dǎo)軌，以減少摩擦力使其在低速時(shí)無(wú)爬行現(xiàn)象。工作臺(tái)、刀 架等部件的移動(dòng)采用支流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)滾珠絲杠傳動(dòng)，減少了進(jìn)給系統(tǒng)所需要 的驅(qū)動(dòng)扭矩，提高了運(yùn)動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。 第 8 頁(yè) 第三章 進(jìn)給伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 進(jìn)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(jìn)給脈沖或進(jìn)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(dòng)工作臺(tái)，使工作臺(tái)進(jìn)行精確的定位 或按照規(guī)定的軌跡作嚴(yán)格的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(jī)床的加工精度、加工表面質(zhì)量、生產(chǎn)率和機(jī)床的可 靠性的關(guān)鍵之一。 3.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 3.2.1 對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求 帶有數(shù)字調(diào)節(jié)的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都屬于伺服系統(tǒng)。進(jìn)給伺服系統(tǒng)不僅是數(shù)控機(jī) 床的一個(gè)重要組成部分，也是數(shù)控機(jī)床區(qū)別與一般機(jī)床的一個(gè)特殊部分。數(shù)控機(jī)床 對(duì)進(jìn)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(hào)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(dòng)狀態(tài)或外界干擾作用下，其 輸出量經(jīng)過(guò)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(jìn)行正常工作的基本條件。它包含絕對(duì)穩(wěn)定性和相對(duì)穩(wěn)定性。 進(jìn)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(jī)械參數(shù)（主要有阻尼、剛度、諧振頻率和失動(dòng)量等）和電氣參數(shù)， 并使它們達(dá)到最佳區(qū)配，是進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一。 2. 精度 所謂進(jìn)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(dòng)態(tài)誤差，即瞬態(tài)過(guò)程出現(xiàn)的偏差；穩(wěn)態(tài)誤差，即瞬態(tài)過(guò)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(lái)表 示，定位誤差是工作臺(tái)由一點(diǎn)到另一點(diǎn)時(shí)，指令值與實(shí)際移動(dòng)距離的最大差值。重 復(fù)定位誤差是指工作臺(tái)進(jìn)行一次循環(huán)動(dòng)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(dòng)時(shí)，實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與給定運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(duì)指令輸入信號(hào)的響應(yīng)速度及瞬態(tài)過(guò)程結(jié)束的迅 速程度。它包含系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，傳動(dòng)裝置的加速能力。它直接影響機(jī)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(guò)快會(huì)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(jī)床，除了要求高的定位精度外，還要求良好 第 9 頁(yè) 的快速性及形成輪廓的各運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)伺服系統(tǒng)動(dòng)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(duì)于閉環(huán)系統(tǒng)主要是穩(wěn)定性問(wèn)題。 3.2.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 機(jī)床的位置調(diào)節(jié)對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)提出很高的要求。其中在靜態(tài)設(shè)計(jì)方面有： 1. 能夠克服摩擦力和負(fù)載： （1）很小的進(jìn)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(jìn)給速度均勻，在速度很低時(shí)無(wú)爬行現(xiàn)象； 3. 在動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方面的要求有： （1） 具有足夠的加速和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以便完成啟動(dòng)制動(dòng)過(guò)程； （2） 具有良好的動(dòng)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小； 4. 機(jī)械傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)要求有： (1) 被加速的運(yùn)動(dòng)部件具有小的慣量； (2) 高的剛度； (3) 良好的阻尼； (4) 傳動(dòng)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(jìn)給伺服系統(tǒng)的組成 3.4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的分類 按控制方式不同分為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)、半閉環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng).該次設(shè)計(jì)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(cè)裝置安裝在工作臺(tái)上，由于閉環(huán)系統(tǒng)能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)誤差進(jìn)行自動(dòng) 補(bǔ)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(jìn)給精度為 0.001mm，為了滿足設(shè)計(jì)要求，采用閉環(huán)系統(tǒng)。2.開(kāi)環(huán)系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單、工作可靠、造價(jià)低廉，但是沒(méi)有位置反饋環(huán)節(jié)這樣的機(jī)械傳動(dòng)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(jì)要求,故不采用開(kāi)環(huán)系統(tǒng).3.半閉環(huán)系統(tǒng)的檢測(cè) 裝置安裝在滾珠絲杠軸端或電機(jī)軸端。由于檢測(cè)元件檢測(cè)的反饋信號(hào)不包含從絲杠 第 10 頁(yè) 軸到工作臺(tái)間傳動(dòng)鏈的誤差，因此這部分誤差得不到自動(dòng)補(bǔ)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(jī)床數(shù)控裝置中發(fā)生的指令信號(hào)與工作臺(tái)末端測(cè)得的實(shí)際位置反饋信號(hào)進(jìn)行 比較，根據(jù)其差值不斷控制運(yùn)動(dòng)，進(jìn)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(yùn)動(dòng)部件制造中存在的精度誤差給 工件帶來(lái)的影響，從而得到很高的加工精度。個(gè)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(jī)床的位置調(diào)節(jié)系統(tǒng) 數(shù)控機(jī)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(jì)算機(jī)完成,從而構(gòu)成一個(gè)數(shù)字位置 調(diào)節(jié)系統(tǒng)。進(jìn)給驅(qū)動(dòng)部件可以是電氣的或是液壓的,分別稱為電氣驅(qū)動(dòng)部件和液壓 驅(qū)動(dòng)部件。該三坐標(biāo)數(shù)控磨床采用電氣驅(qū)動(dòng)，它包括從給定值的輸入到電機(jī)的輸出。 從電機(jī)的輸出經(jīng)過(guò)機(jī)械傳動(dòng)到執(zhí)行件（工作臺(tái)）稱為機(jī)械傳動(dòng)部件。 3.5.2 進(jìn)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(shuō)有連續(xù)控制方式和離散控制方式。 機(jī)床的數(shù)字調(diào)節(jié)系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)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(dòng)態(tài)性能好，可充分利用計(jì)算機(jī)的快速運(yùn)算功能和存儲(chǔ) 功能，使進(jìn)給伺服系統(tǒng)始終處于最佳工作狀態(tài)。另外，由于計(jì)算機(jī)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(jìn)給伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及伺服性能分析 3.6.1 時(shí)間響應(yīng)性 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，按其描述方法的不同，分為時(shí)間響應(yīng)特性和頻率響 應(yīng)特性。 時(shí)間響應(yīng)特性是用來(lái)描述系統(tǒng)對(duì)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(chǔ)能元件，所以當(dāng)輸入量作用于 系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)輸出不能立刻跟隨輸入量變化，而是在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定之前表現(xiàn)為瞬態(tài) 響應(yīng)過(guò)程（或叫過(guò)度過(guò)程） 。穩(wěn)定響應(yīng)是指當(dāng)時(shí)間 t 趨向無(wú)窮大時(shí)系統(tǒng)的輸出狀態(tài)。 第 11 頁(yè) 若在穩(wěn)態(tài)時(shí)，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(shí)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(hào)的類型，且隨加工對(duì)象的不同以及切削用量的不同而 改變。尤其考慮到啟動(dòng)、停車、正反方向等控制情況，各坐標(biāo)軸速度信號(hào)的變化極 為復(fù)雜。 3.6.2 頻率響應(yīng)特性 時(shí)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(shí)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(shí)間響應(yīng)速度及振蕩過(guò)程的狀態(tài) 中來(lái)獲得動(dòng)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(shí)驗(yàn)方 法求取動(dòng)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(duì)正 弦輸入信號(hào)的響應(yīng)，即它是通過(guò)研究系統(tǒng)對(duì)正弦輸入信號(hào)的響應(yīng)規(guī)律來(lái)獲得其動(dòng)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(lái)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(duì)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(jìn)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(jī)械傳動(dòng)部件的慣性、阻尼、剛 性和傳動(dòng)比。為考察機(jī)械傳動(dòng)部件的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，根據(jù)穩(wěn)定判斷式編 制計(jì)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(píng)價(jià)法和計(jì)算機(jī)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(duì)瞬態(tài)質(zhì)量影響的一般規(guī)律；計(jì) 算機(jī)模擬法十分簡(jiǎn)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(jī)條件。間接評(píng)價(jià)法，方法簡(jiǎn) 單，又能明顯地看出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)對(duì)瞬態(tài)質(zhì)量的影響，故在系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)中被 廣泛地采用。 對(duì)于線性進(jìn)給伺服系統(tǒng)，由于它包括各種電路、機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)， 系統(tǒng)各環(huán)節(jié)都有時(shí)間常數(shù)，對(duì)高頻信號(hào)來(lái)不及反應(yīng)，只是一個(gè)低通濾波器。這種系 統(tǒng)的通頻帶寬，對(duì)高頻信號(hào)響應(yīng)速度快，所以從開(kāi)環(huán)頻率特性圖看，提高閉環(huán)回路 的響應(yīng)速度。 為使進(jìn)給伺服系統(tǒng)獲得良好的伺服性能（穩(wěn)定性、快速性） ，國(guó)外文獻(xiàn)對(duì)機(jī)械 傳動(dòng)部件提出很高的諧振頻率，但對(duì)這些數(shù)據(jù)并沒(méi)有進(jìn)行理論分析。有的文獻(xiàn)認(rèn)為： 在電氣伺服系統(tǒng)中，可控硅電源以及支流馬達(dá)特性引起的諧振是對(duì)伺服系統(tǒng)性能起 限制作用的因素。但實(shí)際上機(jī)械傳動(dòng)部件不是剛性，往往達(dá)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.