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本科生畢業(yè)論文 設計 開題報告 論文題目 三坐標數(shù)控銑床設計 學生姓名 專 業(yè) 班 級 指導教師 一 數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展 科學技術的不斷發(fā)展 對機械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來越高要求 機械加工 工藝過程的自動化是實現(xiàn)上述要求的最主要的措施之一 它不僅提高產(chǎn)品的質(zhì)量 提高 生產(chǎn)效率 降低生產(chǎn)成本 還能夠大大改善工人的勞動條件 大批量的自動化生產(chǎn)廣泛采用自動機床 組合機床和專用機床以及專用自動生產(chǎn)線 實行多刀 多工位同時加工 以達到高效率和高自動化 但這些都屬于剛性自動化 在 面對小批量生產(chǎn)時并不是適用 因為小批量生產(chǎn)需要經(jīng)常變化產(chǎn)品的種類 這就要求生 產(chǎn)線具有柔性 而從某種程度上說 數(shù)控機床的出現(xiàn)正是很大的滿足了這一要求 1952 年 美國麻省理工學院成功的研制出一套三坐標聯(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)控技術的 一直到 60 年代中期處于研制 開發(fā)時期 當時 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 從 70 年代開始 數(shù)控技術在車 銑 鉆 鏜 磨 齒輪 加工等領域全面展開 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 數(shù)控技術是近代發(fā)展起來的一種自動控制技術 是用數(shù)字化信號對機床運動及其加 工過程進行控制的一種方法 目前 在工業(yè)發(fā)達國家 無論在國防工業(yè)或民用工業(yè) 數(shù) 控機床的應用均已相當普遍 數(shù)控機床已不在局限用來加工單件 小批以及形狀復雜的 零件 數(shù)控加工中心機床 它是在一般數(shù)控鏜銑床上加裝刀庫和自動換刀裝置 可以連續(xù) 地對零件進行各加工面的銑 鉆 鉸 鏜以及攻絲的加工 減少了機床的占地面積 壓 縮了半成品的庫存量 減少工序間的輔助時間 有效地提高了生產(chǎn)率 可以預見 高級自動化技術將進一步證明數(shù)控機床的價值 并且正在更為廣闊的開 拓著數(shù)控機床的應用領域 二 數(shù)控銑床的工作原理 用數(shù)控銑床加工零件時 首先應編制該零件的加工程序 這是數(shù)控銑床的工作指令 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等動作 使刀具與被加工零 件以及其它輔助裝置嚴格按照加工工序規(guī)定的順序 運動軌跡加工出符合要求的零件 三 數(shù)控銑床的組成 數(shù)控銑床的組成 機床 數(shù)控裝置 控制介質(zhì) 伺服系統(tǒng) 測量裝置等組成 機床 三坐標數(shù)控磨床應具有更好的剛性和抗振性 因此床身采用密封式箱型結構 在床身底內(nèi)腔填充泥芯和混凝土等阻尼材料 當發(fā)生振動時 利用阻尼材料之間的相對 摩擦耗散振動能量 數(shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控機床的核心 是高技術密集型產(chǎn)品 它的功能是接受輸 入裝置輸入的加工信息 經(jīng)過數(shù)控裝置的系統(tǒng)軟件對代碼進行處理后 輸入相應的指令 脈沖 驅(qū)動伺服系統(tǒng) 來控制機床的各個運動部件按規(guī)定的要求實現(xiàn)各個運動 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 也可通過通信接口直接輸入所需各種信息 三坐標數(shù)控銑床采用通信接口直接輸入所需各種信息 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 伺服系統(tǒng) 由伺服電動機和伺服驅(qū)動裝置組成 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 伺服系 統(tǒng)要求有良好的快速響應性能 進給速度范圍要大 靈敏而準確的跟蹤指令功能和轉(zhuǎn)速 在較大的范圍內(nèi)要求有良好的工作穩(wěn)定性 此數(shù)控銑床的驅(qū)動元件為交流三相異步電動 機 測量裝置 是將床身的實際位置 速度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號反饋回數(shù)控裝置 以校 核執(zhí)行部件實際運動速度 方向和位移量 并使之與加工指令相一致 四 設計題目及技術要求 設計題目是三坐標數(shù)控銑床設計 從總體布局和結構形式 與普通銑床相似 主 要還是由床身 主軸箱 刀架 進給系統(tǒng) 液壓 冷卻 潤滑系統(tǒng)等部分組成 但是 由于動力源采用了交流伺服電機 控制系統(tǒng)實現(xiàn)了 CNC 所以 使得主運動和進給系統(tǒng) 機械結構大大簡化 尤其是進給系統(tǒng) 與普通銑床的進給系統(tǒng)有質(zhì)的區(qū)別 沒有傳統(tǒng)的 進給箱 板箱和掛輪架 而是直接由伺服電機通過滾球絲杠驅(qū)動溜板和刀架 實現(xiàn)進給 運動 主要設計要求 三坐標數(shù)控銑床 進給精度 0 01mm X Y Z 坐標進給速度 2m min X Y 行程 300mm Z 行程 250mm 工作臺尺寸 420 300mm 五 數(shù)控銑床各組成部分的分析 1 X Y 工作臺 X Y 工作臺的組成 X Y 工作平臺傳動機構 X 向齒輪減速和滾珠絲杠傳動方向 Y 向和 X 向相同 驅(qū)動機構 X Y 向兩個電機 X Y 工作臺的工作原理 通過控制 X Y 向電機驅(qū)動傳動機構 從而帶動 X Y 工作 平臺沿 X Y 向運動 2 主軸 主軸部件包括主軸軸承 傳動件和相應的緊固件 主軸的端部是標準的 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 3 導軌 由運動和承導件組成 運動件 需要做直線運動的零部件 承導件 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 設計中可采用滑動導軌 對導軌要求有以下幾點 1 要有一定的導向精度 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 主要用來支承和引導部件沿一定的軋道運動 要求導向精度高 耐磨性能好 足夠 的剛度 本設計采用塑料導軌 鑲粘塑料導軌已廣泛用于數(shù)控機床 其摩擦系數(shù)小 且 動 靜摩擦差很小 能防止低速爬行現(xiàn)象 耐磨性 抗撕傷能力強 加工性和化學穩(wěn)定 性好 工藝簡單 成本底 并有良好的自潤滑性和抗震性 塑料導軌多與淬硬剛導軌相 配使用 滑動導軌間隙的調(diào)整 采相應的用刮 磨結合面或加墊片的方法以獲得相應的間隙 鑲條調(diào)整 這是側向間隙常用的調(diào)整方法 鑲條有直鑲條和斜鑲條兩種 采用矩形導軌 這種導軌的特點是結構簡單 制造 檢驗和修理較易 新導軌制造精度高 但導軌經(jīng)磨 損后不能自動補償 導向性不如三角形導軌好 三坐標數(shù)控銑床采用貼塑導軌 這是一種金屬對塑料的摩擦形式 屬于滑動摩擦導 軌 導軌一滑移面上貼有一層抗磨軟帶 導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合材料 塑料導軌剛性好 動 靜摩擦系數(shù)差值小 耐磨性好 無爬行 抗振性好 化學的穩(wěn)定性好 維護修理方便 經(jīng)濟性好 塑料導軌和其它導軌相比 有以下特點 1 摩擦系數(shù)低而穩(wěn)定性比鑄鐵導軌低一個數(shù)量級 2 動靜摩擦系數(shù)相近 運動平穩(wěn)性和爬行性能較鑄鐵導軌副好 3 吸收振動具有良好的阻尼性 優(yōu)于接觸剛度較低的滾動導軌和易于飄浮的靜 壓導軌 4 耐磨性好 有自身潤滑作用 無潤滑油也能工作 灰塵磨粒的遷入性好 5 化學的穩(wěn)定性好 耐高 低溫 耐強酸強堿 強氟化劑及各種有機溶劑 6 維護修理方便 軟帶磨損后更易更換 7 經(jīng)濟性好 結構簡單 成本低 約為滾動導軌成本的 1 120 三成復合材料 DU 導軌板成本的 1 4 三個方向的導軌副 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 在立柱側面 通過分油器將潤滑油分送到各潤滑點上 4 進給裝置 三坐標數(shù)控銑床的進給運動是數(shù)字控制的直接對象 不論點位控制還是連續(xù)控制 被加工工件的最后坐標精度和輪廓精度都受到進給運動的傳動精度 靈敏度和穩(wěn)定性的 影響 為此 要注意以下三點進給運動要求 1 減少運動件的摩擦力 進給系統(tǒng)雖有許多元件 但摩擦阻力主要來自絲杠 和導軌 絲杠和導軌結構的滾動化是減少摩擦的重要措施之一 2 提高傳動精度和剛度 在進給系統(tǒng)中滾珠絲杠和支承結構是決定其傳動精 度和剛度的主要部件 因此 必須首先保證它們的加工精度 3 減少運動慣量 進給系統(tǒng)中每個元件的慣量對伺服機構的啟動和制動特性 都有直接的影響 尤其是處于高速運轉(zhuǎn)的零件 其慣性的影響更大 5 滾動絲杠 滾珠絲杠螺母副 在具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間傳動元件 以減少 摩擦 當絲杠與螺母相對運動時 滾珠沿螺旋槽向前滾動 在絲杠上滾過數(shù)圈以后通過 回程引導裝置 逐個地又滾回到絲杠與螺母之間 構成一個閉和回路 它的優(yōu)點是 1 摩擦系數(shù)小 傳動效率高 可達 0 92 0 96 所需傳動轉(zhuǎn)矩小 2 靈敏度高 傳動平穩(wěn) 不易產(chǎn)生爬行 隨動精度和定位精度高 3 磨損小 壽命長 精度保持性好 4 可通過預緊和間隙消除措施提高軸向剛度和反向精度 5 運動具有可逆性 不僅可以將旋轉(zhuǎn)運動 6 進給伺服系統(tǒng) 進給伺服系統(tǒng)的組成 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 7 微處理器 用來集中控制 分時處理數(shù)控系統(tǒng)的各項任務 單微處理器機構的基本組成包括 微處理器和總線 存儲 I O 接口 MDI CRT 接口 位置控制器 PC 微機控制系統(tǒng)的硬 件設計主要就是上述幾個部分的具體設計 六 參考資料 1 數(shù)控機床設計手冊 2 機械設計手冊 3 機電傳動控制 4 標準件手冊 5 機電一體化設計手冊 七 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)設計的總體規(guī)劃 查閱相關資料 第三階段 完成X Y工作臺設計及相關計算 第四階段 完成磨頭設計 第五階段 完成控制系統(tǒng)設計 第六階段 撰寫畢業(yè)設計說明書 出圖 準備答辯 1 中文摘要 三坐標數(shù)控銑床設計 畢業(yè)設計是在原有普通銑床的基礎上 對其進行改造 成為三坐標數(shù)控銑床 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 所設計的三坐標數(shù)控銑床 三個坐標方向的移動均由步進電機帶動 主軸電機 采用交流電機 所有電機均由單片機進行控制 設計主要對數(shù)控銑床的機構進行設 計 了解單片機的工作原理 主要有以下幾個方面 X Y Z 工作臺的傳動機構設 計 主要是滾珠絲杠的運用 機床整體結構的設計 了解優(yōu)缺點 充分考慮主要矛 盾 擇優(yōu)選取 單片機控制系統(tǒng)的設計 進一步熟悉其應用 在數(shù)控機床系統(tǒng)中 加工精度和加工可靠性是伺服系統(tǒng)決定的 本文對普通銑 床的數(shù)控化改造進行了分析和設計 通過對普通銑床的數(shù)控化改造 提高了普通銑 床的加工能力和加工范圍 節(jié)省了直接購買機床的部分資金 具有很好的經(jīng)濟效益 關鍵詞 銑床 數(shù)控 改造 三坐標 2 英文摘要 Three Coordinate NC Milling Machine Design Basing on the common milling machine this thesis reconstructs it and turns it to a NC milling with three coordinate This reconstructed machine can realize cure line and straight line machining pathway by three axis linkage The reconstructed milling machine movements along x y and Z are drove by step driver the AC motor is used in principal axis All above motors are controlled by single chip This thesis focuses on designing the mechanism of the and mastering the single chip working principle Which is including to the drive system design of X Y Z workbench the whole machine construction design and the control system design of single chip In a NC machine tool system the precision and reliability of the machine tool depend on the serve system Through the reconstructing analyzing and designing of a common milling machine serve system the machining ability can be improved and a big sum money may be saved the company will benefit from it Keywords Milling Machine NC Reconstruct Three Coordinate 3 目錄 中文摘要 1 英文摘要 2 目錄 3 前言 1 第 1 章 概論 2 1 1 數(shù)控機床的產(chǎn)生及發(fā)展 2 1 2 數(shù)控機床的組成及分類 2 1 3 數(shù)控機床的特點及應用范圍 4 第 2 章 設計主要參數(shù)及基本思想 5 2 1 課題要求 5 2 2 設計原則 5 2 3 總結構設計 5 第 3 章 立式數(shù)控銑床的設計和計算 8 3 1 主傳動系統(tǒng)的設計 8 3 2 主軸系統(tǒng)計算 11 3 3 進給伺服系統(tǒng)的設計 13 3 4 進給傳動的計算 15 第 4 章 微機控制系統(tǒng)的設計 25 4 1 微機控制系統(tǒng)組成及特點 25 4 2 微機控制系統(tǒng)設備介紹 25 4 3 程序部分 29 致 謝 33 參考文獻 34 1 前言 隨著人工智能在計算機領域的滲透和發(fā)展 數(shù)控系統(tǒng)引入自適應控制 模糊 系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡的控制機理 不但具有自動編程 前饋控制 模糊控制 學習控 制 自適應控制 工藝參數(shù)自動生成 三維刀具補償 運動參數(shù)動態(tài)補償?shù)裙δ?而且人機截面極為友好 并且有故障診斷專家系統(tǒng)使自診斷和故障監(jiān)控功能更趨 完善 伺服系統(tǒng)智能化的主軸交流驅(qū)動和智能化進給伺服裝置 能自動識別負載 并自動優(yōu)化調(diào)整參數(shù) 直線電機驅(qū)動系統(tǒng)以使用化 用數(shù)控銑床加工零件時 首先應編制該零件的加工程序 這是數(shù)控銑床的 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等 動作 使刀具與被加工零件以及其它輔助裝置嚴格按照加工工序規(guī)定的順序 運 動軌跡加工出符合要求的零件 三坐標數(shù)控銑床的進給運動是數(shù)字控制的直接對象 不論點位控制還是連續(xù) 控制 被加工工件的最后坐標精度和輪廓精度都受到進給運動的傳動精度 靈敏 度和穩(wěn)定性的影響 為此 要注意以下三點進給運動要求 1 減少運動件的摩擦力 進給系統(tǒng)雖有許多元件 但摩擦阻力主要來自絲 杠和導軌 絲杠和導軌結構的滾動化是減少摩擦的重要措施之一 2 提高傳動精度和剛度 在進給系統(tǒng)中滾珠絲杠和支承結構是決定其傳動 精度和剛度的主要部件 因此 必須首先保證它們的加工精度 3 減少運動慣量 進給系統(tǒng)中每個元件的慣量對伺服機構的啟動和制動特性 都有直接的影響 尤其是處于高速運轉(zhuǎn)的零件 其慣性的影響更大 設計是在原有普通銑床的基礎上 對其進行改造 成為三坐標數(shù)控銑床 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 所設計的三坐標數(shù)控銑床 三個坐標方向的移動均由步進電機帶動 主軸電機采用 交流電機 所有電機均由單片機進行控制 此設計主要對數(shù)控銑床的機構進行設計 了解單片機的工作原理 主要有以下 幾個方面 X Y Z 工作臺的傳動機構設計 主要是滾珠絲杠的運用 機床整體結 構的設計 了解優(yōu)缺點 充分考慮主要矛盾 擇優(yōu)選取 單片機控制系統(tǒng)的設計 進一步熟悉其應用 2 第 1 章 概論 1 1 數(shù)控機床的產(chǎn)生及發(fā)展 隨著社會生產(chǎn)和科學技術的發(fā)展 機械產(chǎn)品日趨精密復雜 且需頻繁改型 特 別是在宇航 造船 軍事等領域所需的零件 精度要求高 形狀復雜 批量小 普 通機床已不能適應這些需求 為了滿足上述要求 一種新型的機床 數(shù)字程序控 制機床 簡稱數(shù)控機床 應運而生 最早進行數(shù)控機床研制的是美國人 1952 年 美國麻省理工學院成功地研制 出一套三坐標聯(lián)動 利用脈沖乘法器原理的數(shù)控機床 但這臺數(shù)控機床僅是一臺試 驗性的機床 當時用的電子元件是電子管 直到 1954 年 11 月 第一臺工業(yè)用的數(shù) 控機床才生產(chǎn)出來 從此以后 世界上其他一些工業(yè)國家也多開始開發(fā) 生產(chǎn)及應用數(shù)控機床 我 國數(shù)控機床的研制是從 1958 年起步的 1965 年國內(nèi)開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng) 從 70 年代開始 數(shù)控技術廣泛應用于車 銑 鉆 鏜 磨 齒輪加工 點加工等領 域 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構 簡單 使用方便 價格低廉 在模具加工中得到了推廣 80 年代 我國從日本及 美國 德國引進一些新技術 這使我國的數(shù)控機床在性能和質(zhì)量上產(chǎn)生了一個質(zhì)的 飛躍 1985 年 我國數(shù)控機床品種有了新的發(fā)展 早期的數(shù)控機床控制系統(tǒng)采用電子管 體積大 功耗高 只在軍事部門應用 只有在微處理機用于數(shù)控機床后 才真正使數(shù)控機床得到了普及 目前數(shù)控技術的 主要發(fā)展趨勢是 實現(xiàn)高速度 搞可靠性 高精度 大功率 多功能 采用微處理 機和微型計算機 向著增強功能 降低造價 方便使用的目標進展 積極應用計算 技術 系統(tǒng)工程理論和控制技術的最新成果 像這綜合自動化方向變革 1 2 數(shù)控機床的組成及分類 1 2 1 數(shù)控機床的組成 數(shù)控機床的種類繁多 但從組成一臺完整的數(shù)控機床上講 它由控制介質(zhì) 數(shù)控裝置 伺服系統(tǒng)和機床本體絲大部分以及輔助設備組成 如圖 1 所示 圖 1 1 數(shù)控機床組成示意圖 1 控制介質(zhì) 控制介質(zhì)是指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)控裝置的類型不同而不同 常用的有穿孔紙帶 穿孔卡 磁帶 磁 盤等 另外 隨著 CAD CAM 技術的發(fā)展 有些數(shù)控設備利用 CAD CAM 軟件在其他計 算機上編程 然后通過計算機與數(shù)控系統(tǒng)通信 將程序和數(shù)據(jù)直接傳送給數(shù)控裝置 控制介質(zhì) 數(shù)控裝備 伺服裝置 機床本體 輔助裝備 3 2 數(shù)控裝備 數(shù)控裝置是數(shù)控機床的控制中心 它由輸入裝置 控制裝置和輸出裝置等組 成 如圖 2 所示 劃線框內(nèi)位數(shù)控裝置 輸入裝置受控制介質(zhì)上的信息 經(jīng)過識別與譯碼之后 送到控制運算器 這 些信息將作為控制與運算的原始依據(jù) 控制運算器根據(jù)輸入裝置送來的信息進行運算 并將控制命令輸送往輸出裝 置 輸出裝置將控制器發(fā)出的控制命令送到伺服系統(tǒng) 經(jīng)功率放大 驅(qū)動機床完 成相應的動作 圖 1 2 數(shù)控裝置組成示意圖 3 伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng) 亦稱隨動系統(tǒng) 是一種能夠跟蹤輸入的指令信號進行動作 從而獲 得精確的位置 速度或力輸出的自動控制系統(tǒng) 它是數(shù)控機床的執(zhí)行機構 包括驅(qū) 動和執(zhí)行兩大部分 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 動機床移動部件運動 以加工出符合要求的零件 指令信息是以脈沖信息體現(xiàn)的 每一脈沖使機床移動部件產(chǎn)生的位移叫脈沖當量 常用的脈沖當量為 0 001mm 0 01mm 從自動控制理論的角度來分析 無論多么復雜的伺服系統(tǒng) 都是有一些功能元 件組成的 圖 3 是由各功能元件組成的伺服系統(tǒng)基本結構方框圖 輸入 輸出量 指令 圖 1 3 伺服系統(tǒng)基本結構方框圖 目前數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)中 常用的位移執(zhí)行機構有功率步進電機 直流伺服電動 機和交流伺服電動機 后兩者都帶有光電編碼器等位置測量元件 4 機床本體 機床本體是數(shù)控機床的主體 是用于完成各種切削加工的機械部分 它是在原 有的普通機床的基礎上改進而得到的 具有以下特點 1 數(shù)控機床采用了高性能的主軸及伺服系統(tǒng)傳動系統(tǒng) 機械傳動結構簡化 傳動鏈較短 2 數(shù)控機床機械結構具有較高的剛度 阻尼精度及耐磨性 熱變形小 3 更多地采用高效傳動部件 如滾動絲杠副 直線滾動導軌等 控制介質(zhì) 閱讀機 輸 入 裝 備 控 制 器 輸 出 裝 置 伺 服 機 構 比較 元件 調(diào)節(jié) 元件 執(zhí)行 元件 被控 對象 測量 反饋元件 4 除了上述四個主要部分外 數(shù)控機床還有一些輔助裝置和附屬設備 如電器 液壓 氣動系統(tǒng)與冷卻 排屑 照明 儲運等裝置以及編程機 對刀塊等 1 2 2 數(shù)控機床的分類 1 按控制系統(tǒng)的特點分類 1 點位控制數(shù)控機床 點位控制機床的特點是只控制移動部件的終點位置 即控制移動部件由一個位置到另一個位置的精確定位 而對它們運動過程中的軌跡 沒有嚴格的要求 在移動和定位過程中不進行任何加工 2 線控制數(shù)控機床 直線控制數(shù)控機床的特點是刀具相對于工件的運動不僅 要控制兩點鍵的準確位置 距離 還要控制兩點之間移動的速度和軌跡 3 廓控制數(shù)控機床 輪廓控制又稱連續(xù)控制 大多數(shù)數(shù)控機床具有輪廓控制 功能 其特點是能同時控制兩個以上的軸 具有插補功能 4 執(zhí)行機構的控制方式分類 開環(huán)控制系統(tǒng) 它是指不帶反饋裝置的控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng) 它是指在機床的運動部件上安裝位移測量裝置 將加工中 測量到的實際位置值反饋到數(shù)控裝置中 與輸入值的指令相比較 用比較的差值控 制移動部件 直到差值為零 即實現(xiàn)移動部件的精確定位 半閉環(huán)控制系統(tǒng) 它是在開環(huán)控制系統(tǒng)的絲杠上或進給電動機的軸上裝有 角位移檢測裝置 2 按工藝要求 金屬切削類數(shù)控機床 金屬成型類數(shù)控機床 數(shù)控特種加工機床 其它類的數(shù)控機床 3 按數(shù)控機床的性能分類 檔數(shù)控機床 中檔數(shù)控機床 高檔數(shù)控機床 1 3 數(shù)控機床的特點及應用范圍 1 3 1 數(shù)控機床的特點 數(shù)控機床是一個裝有程序控制系統(tǒng)的機床 它是一種高度機電一體化的產(chǎn)品 特點如下 1 工精度高 2 工生產(chǎn)率高 3 減輕勞動強度 改善勞動條件 4 良好的經(jīng)濟效益 5 有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化 1 3 2 數(shù)控機床的應用范圍 從最經(jīng)濟的方面出發(fā) 數(shù)控機床適用于加工 1 多品種小批量零件 2 結構較復雜 精度要求較高的零件 3 需 要頻繁改型的零件 4 價格昂貴 不容許報廢的關鍵零件 5 需要小生產(chǎn)周 期的急需零件 5 第 2 章 設計主要參數(shù)及基本思想 2 1 課題要求 2 1 1 題目名稱 包括主要技術參數(shù) 及技術要求 立式升降臺數(shù)控銑床 1 Z 軸的行程分別為 300 300 250mm 2 進給精度 0 01mm 3 X Y Z 軸快速進給速度分別為 6 6 3m min 4 工作臺面尺寸 300 x500mm 5 脈沖當量 0 01mm 步 6 重復定位精度 0 01mm 2 1 2 課題內(nèi)容及工作量 1 簡易數(shù)控銑床總圖 A0 一張 2 X Y 工作臺部件圖 A1 一張 3 部分零件圖折合 A1 一張 4 軸部件圖 A0 一張 5 控制原理圖設計 A0 一張 6 計說明書一份 2 萬字以上 7 翻譯 5000 漢字 8 上機編程 100 句以上 注 全部圖紙用計算機繪制 說明書由計算機輸出 2 2 設計原則 根據(jù)設計要求和銑床的具體情況 課題的基本設計方案如下 1 機床采用連續(xù)控制系統(tǒng) 定位方式采用增量坐標控制 2 考慮到機床加工精度要求不高 為了簡化結構 降低成本 采用步進 電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動 3 進給傳動的設計是機床設計的重點 數(shù)控機床必須有精確的進給傳動 系 才會有高的精度和表面質(zhì)量 考慮到電機步距角和絲杠導程只能 按標準選用 為達到分辨率 0 01mm 的要求 需采用齒輪降速傳動 利 用電子控制系統(tǒng)消除誤差 4 為了保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性 又要求機構緊湊 所以選用絲杠 螺母副 為提高傳動剛度和消除間隙 采用有預加載荷的結構 5 傳動系統(tǒng)要加上脈動裝置 以上為基本的設計方案 除了這些 課題應注意機床的幾何精度的修正 數(shù)控 指令的顯示和使用等 2 3 總結構設計 2 3 1 數(shù)控機床的機構設計要求 數(shù)控機床的結構設計要求主要有以下方面 1 有良好的抗振性能和很大的額定切削功率 高的靜 動態(tài)剛度 2 有較高的熱穩(wěn)定性和較高的幾何精度 傳動精度 定位精度 3 有數(shù)控系統(tǒng)及其介質(zhì) 下面我們詳述數(shù)控機床結構設計的主要要求 6 2 3 2 提高機床的結構剛度 機床的剛度是指切削力和其它力作用下 抵抗變形的能力 機床在切削過程當 中 要承受各種外力的作用 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 切削力 驅(qū)動力 加減速時引起的慣性力 摩擦阻力等 組成機床的 結構部件在這種力作用下將產(chǎn)生變形 如固定連接表面或嚙合運動表面的接觸變形 各支撐零件不得彎曲和扭轉(zhuǎn)變形 以及某些支撐件的局部變形等 這些變形都會直 接或間接的引起刀具和工件之間的相對位移 從而導致工件的加工誤差 或者影響 機床切削過程的特性 1 選擇及布置隔板和筋條 床身的靜剛度是直接影響機床的加工精度和其生產(chǎn)率的主要因素之一 而靜剛 度及固有頻率 是影響動剛度的重要因素 支承件的隔板和筋條的合理性 可提高 構件的靜 動剛度 2 結構剛度 與普通機床相比 數(shù)控機床應有更高的靜 動剛度 更好的抗振性 機床 的導軌和支承件往往是局部剛度最弱的部分 在本次設計中 采用雙臂聯(lián)接形式 X Y 軸導軌較窄 3 采用焊接結構的構件 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 因此采用鋼板焊接結構床身有利于提高固 有頻率 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 鋼可以提高構件的諧振頻率使共振不易發(fā)生 4 鋼板焊接能將構件做成全封閉的箱形結構 提高剛度 焊接結構床身的突 出優(yōu)點是制造周期短 一般比鑄鐵快 1 7 3 5 倍 省去了制作木模和鑄造工序 不 易出廢品 焊接結構設計靈活 便于產(chǎn)品更新 改進結構 焊接件能達到與鑄件相 同 甚至更好的結構特性 可提高抗彎截面慣性矩 減少質(zhì)量 合理的結構布局可以提高剛度 機床的工作頭部分由于重力作用將會使機床立 柱產(chǎn)生彎曲變形 切削力將使立柱產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形 這些變形將影響到加工精 度 故本次設計中將采取通過在立柱上方安裝兩組定滑輪來平衡重力的方法 來減 少立柱的變形 提高機床的剛度 2 3 3 提高進給運動的平穩(wěn)性和精度 數(shù)控機床各坐標軸進給運動的精度極大的影響零件的加工精度 在開環(huán)進給系 統(tǒng)中運動精度取決于系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié) 特別是機械傳動部件的精度 在閉環(huán)和半閉 環(huán)進給系統(tǒng)中 位置監(jiān)測裝置的分辨率對運動精度有決定性的影響 但是機械傳動 部件的特性對運動精度也有一定的影響 通常在開環(huán)進給系統(tǒng)中 設定的脈沖當量 為 0 01mm 時 實際的定位精度最好的情況也只能達到 0 025 在閉環(huán)進給系統(tǒng)中 7 設定的脈沖當量 或稱最小設定單位 一般為 0 001mm 實際上定位精度只能達到 0 003mm 當指令進給系統(tǒng)做單步進給 即每次移動 0 001mm 時 開始一兩個單 步指令 進給部件并不動作 到第三個單步指令時才突跳一段距離 以后又如此重 復 這些現(xiàn)象都是因為進給系統(tǒng)的低速爬行現(xiàn)象引起的 而低速爬行現(xiàn)象又決定于 機械傳動部件的特性 本設計采取的方案有 1 減少靜 動摩擦系數(shù)之差 2 提高系統(tǒng)的傳動剛 度 8 第 3 章 立式數(shù)控銑床的設計和計算 3 1 主傳動系統(tǒng)的設計 主傳動系統(tǒng)一般由動力源 如電動機 變速裝置及執(zhí)行元件 如主軸 刀架 工作臺 以及開停 換向和制動機構等部分組成 動力源給執(zhí)行元件提供動力 并使其得到一定的運動速度和方向 變速裝置傳遞動力以及變換運動速度 執(zhí)行元 件執(zhí)行機床所需的運動 完成旋轉(zhuǎn)或直線運動 現(xiàn)代切削加工正朝著高速 高效和高精度方向發(fā)展 對機床的性能提出越來越 高的要求 如轉(zhuǎn)速高 調(diào)速范圍大 恒扭矩調(diào)速范圍達 1 100 1 1000 恒功率 調(diào)速范圍達 1 10 以上 更大的功率范圍達 2 2 250kW 能在切削加工中自動變 換速度 機床結構簡單 噪聲小 動態(tài)性能好 可靠性高等 數(shù)控機床主傳動設計 應滿足如下特點 1 動采用直流或交流電動機無級調(diào)速 2 數(shù)控機床驅(qū)動電動機和主軸功率特性的匹配設計 3 數(shù)控機床高速主傳動設計 4 數(shù)控機床采用部件標準 模塊化結構設計 5 數(shù)控機床的柔性化 復合化 6 虛擬軸機床設計 為了適應數(shù)控機床加工范圍廣 工藝適應性強 加工精度高和自動化程度高等 特點 要求主傳動裝置應具有以下特點 1 具有較大的調(diào)速范圍 并實現(xiàn)無級調(diào)速 無機變速傳動在一定的變速 范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速 以便得到最有利的切削速度 能在運轉(zhuǎn)中變速 便于實現(xiàn)變 速自動化 能在負載下變速 便于車削大端面時保持恒定的切削速度 以提高生產(chǎn) 效率和加工質(zhì)量 2 具有較高的精度和剛度 傳動平穩(wěn) 噪音低 數(shù)控機床加工精度的提 高 與主傳動系統(tǒng)的剛度密切相關 為此 應提高傳動件的精度與剛度 采用高精 度軸承及合理的支撐跨距等 以提高主軸組件的剛性 3 良好的抗振興和熱穩(wěn)定性 數(shù)控機床一般既要進行粗加工 又要精加 工 加工時可能由于斷續(xù)切削 加工余量不均勻 運動部件不平穩(wěn)以及切削過程中 的自激振動等原因引起的沖擊力或交變力的干擾 使主軸產(chǎn)生振動 影響加工精度 和表面粗糙度 嚴重時甚至破壞刀具或零件 使加工無法進行 因此主傳動系統(tǒng)中 的各主要零部件不但要具有一定的剛度 而且要求具有足夠的抑制各種干擾力引起 振動的能力 抗振性 抗振性用動剛度或動柔度來衡量 例如主軸組件的動剛度取 決于主軸的當量靜剛度 阻尼比及固有頻率等參數(shù) 機床在切削加工中主傳動系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產(chǎn)生變形 破壞了零部 件之間的相對位置精度和運動精度造成的加工誤差 且熱變形限制了切削用量的提 高 降低傳動效率 影響到生產(chǎn)率 為此 要求主軸部件有較高的熱穩(wěn)定性 通過 保持合適的配合精度 并進行循環(huán)潤滑保持熱平衡等措施來實現(xiàn) 3 1 1 主傳動變速系統(tǒng) 普通機床一般采用機械有級變速調(diào)速傳動 而數(shù)控機床需要自動變速 且在 切削階梯軸的不同直徑 且削曲線旋轉(zhuǎn)面和斷面時 需要隨切削的直徑的變化而自 9 動變速 以保持切削速度基本恒定 這些自動變速又是無級變速 以利于在一定的 調(diào)速范圍內(nèi)選用到理想的切削速度 這樣既有利于提高加工精度 又有利于提高切 削效率 機床主傳動中常采用得無級變速裝置有三大類 變速電動機 機械無級變速 裝置和液壓無級變速裝置 無級變速主傳動系設計原則 一為盡量選擇功率和扭矩特性符合傳動系要求的無級變速裝置 如銑床主傳動 系要求恒功率傳動 就應選擇恒功率無級變速裝置 二為無級變速系統(tǒng)裝置單獨使 用時 其調(diào)速范圍較小 尤其是恒功率調(diào)速范圍往往小于機床實際需要的恒功率變 速范圍 為此 常把無級變速裝置宇機械分級變速箱串聯(lián)在一起使用 以擴大恒功 率變速范圍和整個變速范圍 1 主軸部件設計 主軸部件的性能要求 主軸部件是機床主要部件之一 它是機床的執(zhí)行元件 他的功用是支承并帶動 工件或刀具旋轉(zhuǎn)進行切削 承受切削力和驅(qū)動力等載荷 完成表面成型運動 主軸 部件由主軸及其支承軸承 傳動件 密封件及定位元件等組成 主軸部件的工作性能對整機性能和加工質(zhì)量以及機床生產(chǎn)效率有著直接影響 是決定機床性能和技術經(jīng)濟指標的重要因素 因此 對主軸部件有如下要求 1 軸的旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后 在無載荷 低速轉(zhuǎn)動的條件下 主軸安裝工件 或刀具部位的定心表面 如車床軸端的定心短錐 錐孔 銑床軸端的 7 24 錐孔 的徑向和軸向跳動 旋轉(zhuǎn)精度取決于的主要件如主軸 軸承 殼體孔等的制造 裝 配和調(diào)整精度 工件轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)精度還取決于主軸的轉(zhuǎn)速 軸承的性能 潤滑劑 和主軸組件的平衡 2 剛度 主軸部件的剛度是指其在外載荷作用下抵抗變形的能力 通常以主 軸前端產(chǎn)生單位位移的彈性便形時 在位移方向上所施加的作用力來定義的 主軸 部件的剛度是綜合剛度 它是主軸 軸承等剛度的綜合反映 因此 主軸的尺寸和 形狀 滾動軸承的類型和數(shù)量 預緊和配置形式 傳動件的布置方式 主軸部件的 制造和裝配質(zhì)量等都影響主軸部件的剛度 3 溫升 因個相對運動處的摩擦生熱 切削取得切削熱等使主軸溫度升高將引 起熱變形使主軸伸長 軸承間隙的變化 降低了加工的精度 溫升也會降低潤滑劑 的粘度 惡化潤滑條件 因此 各類機床對溫升都有一定的限制 4 可靠性 數(shù)控機床是高度自動化的機床 所以必須保證工作可靠性 可喜的 地方是這方面的研究正在發(fā)展 5 精度保持性 它指長期保持其原始制造精度的能力 對數(shù)控機床的主軸組件 必須有足夠的耐磨性 以便長期保持精度 2 主軸部件的組成和軸承選型 1 主軸部件 它由主軸及其支承軸承 傳動件 密封件及定位元件等組成 2 主軸的傳動件 可以位于前后支承之間 也可位于后支承之后的主軸后懸 伸端 目前傳動件位于后懸伸端的越來越多 這樣做 可以實現(xiàn)分離傳動和模塊化 設計 主軸組件 稱為主軸單元 和變速箱可以做成獨立的功能部件 又專門的工 廠集中生產(chǎn) 作為商品出售 變速箱和主軸間可用齒輪副或帶傳動聯(lián)接 本三坐標 曲面數(shù)控銑床采用帶傳動聯(lián)接 主軸支承分徑向和推力 軸向 角接觸球軸承兼 起徑向和推力支承的作用 推力支承應位于前支承內(nèi) 原因是數(shù)控機床的坐標原點 10 常設定在主軸前端 為了減少熱膨脹造成的坐標原點的位移 應盡量縮短坐標原點 支推力支承之間的距離 3 主軸軸承 選用角接觸球軸承 這種軸承即可承受徑向載荷 又可承受軸 向載荷 這種球軸承為點接觸 剛度較低 為了提高剛度和承載能力 長采用多聯(lián) 組配的辦法 有三種基本組配方式 分別為背對背 面對面和同向組配 背靠背和 面對面組配都能受雙向軸向載荷 同向組配只能承受單向軸向載荷 背對背比面對 面安裝的軸承具有較高的抗顛覆力矩的能力 運轉(zhuǎn)時 軸承的外圈的散熱條件比內(nèi) 圈好 因此 內(nèi)圈的溫度將高于外圈 徑向膨脹的結果將使軸承的過盈加大 軸向 膨脹對背靠背組配將使過盈減少 于是 可以補償一部分徑向膨脹 而對于面對面 組配 將使過盈進一步加大 基于上述分析 主軸受到彎距 又屬高速運轉(zhuǎn) 因此 主軸軸承必須采用背靠背組配 4 角接觸球軸承的間隙調(diào)整和預緊 主軸軸承的內(nèi)部間隙 必須能夠調(diào)整 多數(shù)軸承 還應在過盈狀態(tài)下工作 使 滾動體和導軌之間有一定的預變形 這就是軸承的預緊 軸承預緊后 內(nèi)部無間隙 滾動體從各個方向支承主軸 有利于提高運動精度 滾動體的直徑不可能絕對相等 滾道也不可能絕對正圓 因而預緊前只有部分滾導 體與滾道接觸 預緊后 滾導體和滾道都有了一定的變形 參加工作的滾動體將增 多 各滾動體的受力將更加均勻 這些都有利提高軸承的精度 剛度和壽命 如主 軸產(chǎn)生振動 則由于各個方面都有滾動體支承 可以提高抗振性 但是 預緊后發(fā) 熱較多 溫升較高 且較大的預緊將使壽命下降 故預緊要適量 角接觸球軸承在軸向力的作用下 使內(nèi)外圈產(chǎn)生軸向錯位實現(xiàn)預緊 衡量預緊 力大小的是軸向預緊力 簡稱預緊力 Fa0 單位為 N 多聯(lián)角接觸球軸承是根據(jù)預 緊力組配的 軸承廠規(guī)定了輕預緊 中預緊和重預緊三級預緊 訂貨時可指定預緊 級別 軸承廠在內(nèi)圈 背靠背組配 或外圈 面對面組配 的端面根據(jù)預緊力磨去 裝配時擠緊 便可得到預定的預緊力 如果兩個軸承間需要隔開一定的距離 可在兩軸承之間加入厚度相同的內(nèi)外隔套 在軸向載荷的作用下 不受力側軸承的 滾動體與滾道不能脫離接觸 而滿足這個條件的最小預緊力 雙聯(lián)組配為最大軸向 載荷的 35 5 承載能力和壽命 主軸軸承通常載荷相對較輕 除上些特殊重載主軸外軸承的承載能力是沒有問 題的 主軸軸承的壽命 主要不是取決于疲勞點蝕 而是由于磨損而降低精度 通 常 如軸承精度為 P4 級 經(jīng)使用磨損后跳動精度降為 P5 級 這個軸承就認為應該 更換了 雖然還未達到其疲勞壽命 但這種 精度壽命 目前還難以估計 3 主軸組件的動態(tài)特性 通常 主軸組件的固有頻率很高 但是 高速主軸 特別是帶內(nèi)裝式電動機高 速主軸 電動機轉(zhuǎn)子是一個集中質(zhì)量 將使固有頻率下降 有可能發(fā)生共振 改善 動態(tài)特性 可采取下列措施 1 是主軸組件的固有頻率避開激振力頻率 通常使固有頻率高于激振頻率的 30 以上 如果發(fā)生共振的那階模態(tài)屬于主軸在彈性基礎上 軸承 的剛體振動的 第一階 平移 和第二階 搖擺 模態(tài) 則應提高軸承的剛度 如果屬于主軸的彎 曲振動 則應提高主軸的剛度 如加粗直徑 激振力可能來自主軸組件的不平衡 這時激振頻率等于主軸轉(zhuǎn)速乘以 30 也可能來自斷續(xù)切削 這時激振頻率還應乘以刀齒數(shù) Z 11 2 增大比尼 如前所述 降低模態(tài) 常是主軸的剛度振動 這時主軸軸承 特別是前軸承的阻尼對主軸組件的抗振性影響很大 如果要求得到很光的加工表面 滾動軸承適當預緊可以增大阻尼 但過大的預緊反而使阻尼減少 故選擇預緊時還 因考慮阻尼因素 3 采用消振裝置 4 主軸軸承的潤滑 滾動軸承在接觸區(qū)的壓強很高 在這么高的壓強下 接觸區(qū)產(chǎn)生變形 是一塊 小面積的接觸而不是一條線或一個點的接觸 潤滑劑在高壓下被壓縮 粘度升高了 因此 才能在滾動體與滾道的接觸區(qū) 形成一定厚度的油膜 把兩者隔開 滾道體 與滾道的接觸面積很小 所以 滾動軸承所需的潤滑劑很少的 當然 也可用脂潤 滑 還有用油氣潤滑的 1 脂潤滑 滾動軸承能用脂潤滑是它的突出優(yōu)點之一 脂潤滑不需要供油管路和系統(tǒng) 沒 有漏油問題 如果脂的選擇合適 潔凈 密封良好 不使灰塵 油 切削液等進入 壽命是很長的 一次充填可用到大修 不需補充 也不要加脂孔 脂潤滑可選用鋰基脂 如 SKFLGLT2 號 常用于球軸承 2 油氣潤滑 如果 dn 值較大時 還需對軸承進行冷卻 如果用油兼作潤滑和冷卻 則由于 油的攪拌作用 溫升反而會增加 最好用油潤滑 用空氣冷卻 油霧潤滑需能達到 這個目的 但是易污染環(huán)境 比較好的方法是油氣潤滑 在吹向軸承的空氣中定期 地注入油 油并不霧化 用后可回收 不污染環(huán)境 油用于潤滑 空氣用于冷卻 3 2 主軸系統(tǒng)計算 三角膠帶傳動的計算和選定 三角帶的選用應保證有效地傳遞最大功率 不打滑 并有足夠的使用壽命 一 定的疲勞強度 1 確定計算功率 Pd kWA 4 12 式中 K 工況系數(shù)A P 電機額定功率 Kw 2 選擇三角帶型號 根據(jù) P n 由圖 7 8 選 SPA 型窄 V 帶d1 3 確定帶輪直徑 D D 2 小帶輪直徑 D 應滿足 D D 查表 7 4 取 D 故選擇 D 1min m90in m10 4 計算膠帶速度 sv 25 60125601 故 D 選擇合格1 D mi212 12 5 確定中心距 a 和帶長 Ld 7 021D 210a 得 m6 初選 30 帶長 maaLd 0784 202121 查表 7 3 取 中心距 Ld6 0 a 的調(diào)整范圍 ad2415 min m93x 6 驗算小帶倫包角 1 78012aD 得 即滿足條件 621 7 確定 V 帶根數(shù) z LdKP 0 由表 7 6a 查得 kW27 0 1 ibn 由表 7 10 查得 3086 由表 7 11 查得 9 iK 19 2517 23 iP kW80 由表 7 9 查得 6 由表 7 3 查得 9 L 代入求根公式 得 96 08 3 027 41 z 6 取 z 6 符合表 7 4 推薦的輪槽數(shù) 8 確定出拉力 0F 13 20 15 qvKzvPFd 由表 7 5 得 mkgq 12 20 5 60 564 N8 9 計算作用在軸上的壓力 Q 2sin1 z 6i86 N3 3 3 進給伺服系統(tǒng)的設計 3 3 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)的結構及組成 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 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 快速響應性 快速響應特性是指系統(tǒng)對指令輸入信號的響應速度及瞬態(tài)過程結束的迅速程度 它包含系統(tǒng)的響應時間 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 3 3 2 進給伺服系統(tǒng)的設計要求 在靜態(tài)設計方面有 1 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 14 在動態(tài)設計方面的要求有 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 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等方面盡可能 小的非線性 3 3 3 進給伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應特性及伺服性能分析 1 時間響應特性 進給伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性 按其描述方法的不同 分為時間響應特性和頻率響 應特性 時間響應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)響應和穩(wěn)態(tài)響應兩部分組成 由于系統(tǒng)包含一些儲能元件 所以當輸入量作用于 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) 響應過程 或叫過渡過程 穩(wěn)定響應是指當時間 t 趨向無窮大時系統(tǒng)的輸出狀態(tài) 若在穩(wěn)定時 輸出和輸入不能完全吻合 就認為系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差 2 頻率響應特性 時間響應特性是從微分方程出發(fā) 研究系統(tǒng)響應隨時間的變化的規(guī)律 即在已 知傳遞函數(shù)的前況下 從系統(tǒng)在階越輸入及斜坡輸入時間應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 所以只能由試驗的 方法來求取動態(tài)特性 因此出現(xiàn)頻率響應特性法 所謂頻率響應特性 就是系統(tǒng)對 正眩輸入信號的響應 即它通過研究系統(tǒng)對正眩輸入信號的響應規(guī)律來獲得啟動態(tài) 特性 3 快速性分析 所謂快速性分析是指分析系統(tǒng)的快速響應性能 快速性反映了系統(tǒng)的瞬態(tài)質(zhì)量 對于線性進給伺服系統(tǒng) 由于它包含各種電路 機電轉(zhuǎn)換裝置和機械傳動機構 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 只是一個地通漏波器 這種系 統(tǒng)的通頻寬帶 對高頻信號響應速度快 所以從開環(huán)頻率特性圖看 提高系統(tǒng)的截 止頻率 則可以提高閉環(huán)回路的響應速度 3 4 進給傳動的計算 3 4 1 X 軸滾珠絲杠副 1 精度 要求 進給精度 m01 快速進給精度 in 6 2 疲勞強度 15 絲鋼的最大載荷為最大進給力加摩擦力 最大進給力為 1625N 工作臺質(zhì)量 700kg 則 1 摩擦力 fFNf 248 9035 7min 16425ax 3iaF 1649 N07 根據(jù) 機電一體化設計基礎 計算載荷 cFMAHFK 查表 2 6 取 查表 2 8 取 2 10 1 A 查表 2 7 取 查表 2 4 取 D 級精度0 則 Nc 328107 2 計算額定動載荷 aC 取絲杠的工作壽命為 hLh2 min rn 31067 4 mncaF 28 N5 3 選用 FC1 4020 2 5 型絲杠 由表 2 9 得絲杠副數(shù)據(jù) 公稱直徑 D0 導程 mp1 滾珠直徑 d953 0 按表 2 1 種尺寸公式計算 滾道半徑 mR096 35 20 偏心距 e 20 14 8 7 7 絲杠內(nèi)徑 ReDd 9 306 14 822201 4 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 16 螺 母固 定 端 游 動 端 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) 所以在設計時應驗算 其安全系數(shù) S 其值應大于絲杠副傳動結構允許安全系數(shù) S 絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 crF 2 lEIFacr 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 4m32 48105 6dIa NFcr 62892 107 3 1 安全系數(shù) 3 605 1078 mcrS 查表 2 10 S 2 5 3 3 S S 絲杠是安全的 不會失穩(wěn) 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 90ldfcr 式中 為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù) 見表 2 10 本題取 cf 927 3 cf 2 4 03 87 91 crn min 4r i 613max 即 所以絲杠工作時不會發(fā)生共振 ancr 此外滾珠絲杠副還受 值的限制 通常要求nD0 min 10740rnD i 430 r 17 5 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mN 量 m 為 0L cGJTpEAFL 20 式中 A 絲杠截面積 為絲杠的極慣性矩 G 為14d4132dJc 絲杠切變模量 對鋼 T 為轉(zhuǎn)矩 PaG3 8 tn 20 DFm 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 mF NT 84 1 2 0 34ta 1473 按最不利的情況取 其中 m 4121 20 6GdTpEFJpEAFLc 492 2393 08 1 8 3 6 08 614 37 2 則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為 mpLl 5 10 64320 通常要求絲杠的導程誤差 小于其傳動精度的 1 2 即 21 該絲杠的 滿足上市 所以其剛度可以滿足要求 L 6 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 FC1 4010 2 5 各項性能均符合題目要求 所以合格 3 4 2 Y 軸滾珠絲杠副 1 精度 要求 進給精度 m01 快速進給精度 in 6 2 疲勞強度 18 絲鋼的最大載荷為最大進給力加摩擦力 最大進給力為 1625N 工作臺質(zhì)量 900kg 則 1 摩擦力 fFNf 318 905 9min 16325ax iaF 316 N4 根據(jù) 機電一體化設計基礎 計算載荷 cFMAHFK 查表 2 6 取 查表 2 8 取 2 10 1 A 查表 2 7 取 查表 2 4 取 D 級精度0 則 Nc 3714 2 計算額定動載荷 aC 取絲杠的工作壽命為 hLh2 min 0rn 31067 4 mncaF 2 N59 3 選用 FC1 4020 2 5 型絲杠 由表 2 9 得絲杠副數(shù)據(jù) 公稱直徑 D0 導程 mp1 滾珠直徑 d953 0 按表 2 1 種尺寸公式計算 滾道半徑 mR096 35 20 偏心距 e 214 8 7 70 絲杠內(nèi)徑 ReDd 9 306 14 8202201 4 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 19 螺 母固 定 端 游 動 端 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) 所以在設計時應驗 算其安全系數(shù) S 其值應大于絲杠副傳動結構允許安全系數(shù) S 絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 crF 2 lEIFacr 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 4m32 48105 6dIa NFcr 52892 109 3 1 安全系數(shù) 507 14 8 mcrS 查表 2 10 S 2 5 3 3 S S 絲杠是安全的 不會失穩(wěn) 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 90ldfncr 式中 為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù) 見表 2 10 本題取 cf 927 3 cf 2 5 03 87 91 crn min 6 4r 13max 即 所以絲杠工作時不會發(fā)生共振 ancr 此外滾珠絲杠副還受 值的限制 通常要求nD0 min 10740rnD i i 4430 r 20 5 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mN 量 m 為 0L cGJTpEAFL 20 式中 A 絲杠截面積 為絲杠的極慣性矩 G 為14d4132dJc 絲杠切變模量 對鋼 T 為轉(zhuǎn)矩 PaG3 8 tn 20 DFm 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 mF NT 85 1 2 0 34ta 143 按最不利的情況取 其中 m 4121 20 6GdTpEFJpEAFLc 492 2393 08 1 8 3 5 08 614 3 2 則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為 mpLl 7 10 65320 通常要求絲杠的導程誤差 小于其傳動精度的 1 2 即 5 21 該絲杠的 滿足上市 所以其剛度可以滿足要求 L 6 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 FC1 4010 2 5 各項性能均符合題目要求 所以合格 3 4 3 Z 軸滾珠絲杠副 1 精度 要求 進給精度 m01 快速進給精度 in 3 2 疲勞強度 21 絲鋼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垂 直分力 主軸重量為 300kg 則 1 摩擦力 fFNf 108 9035 min 21ax 768 93in 2minaxFm 3750 N76 根據(jù) 機電一體化設計基礎 計算載荷 cFMAHFK 查表 2 6 取 查表 2 8 取 2 10 1 A 查表 2 7 取 查表 2 4 取 D 級精度0 則 Nc 34276 2 計算額定動載荷 aC 取絲杠的工作壽命為 hLh min 10rn 31067 4 mncaF 2 N5 3 選用 FC1 4020 2 5 型絲杠 由表 2 9 得絲杠副數(shù)據(jù) 公稱直徑 D0 導程 mp1 滾珠直徑 d953 0 按表 2 1 種尺寸公式計算 滾道半徑 mR096 35 20 偏心距 e 2104 8 2 7 70 絲杠內(nèi)徑 RDd 9 36 104 82201 4 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 22 螺 母固 定 端 游 動 端 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) 所以在設計時應驗 算其安全系數(shù) S 其值應大于絲杠副傳動結構允許安全系數(shù) S 絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 crF 2 lEIFacr 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 4m32 48105 6dIa NFcr 52892 107 3 1 安全系數(shù) 50 2761 8 mcrS 查表 2 10 S 2 5 3 3 S S 絲杠是安全的 不會失穩(wěn) 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 90ldfcr 式中 為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù) 見表 2 10 本題取 cf 927 3 cf 2 5 03 87 91 crn min 52 4r 613max 即 所以絲杠工作時不會發(fā)生共振 ancr 此外滾珠絲杠副還受 值的限制 通常要求nD0 min 10740rnD i 430 r 23 5 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 cGJTpEAFL 20 式中 A 絲杠截面積 為絲杠的極慣性矩 G 為14d4132dJc 絲杠切變模量 對鋼 T 為轉(zhuǎn)矩 PaG3 8 tn 20 DFm 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 mF NT 54 2 0 34ta 14763 按最不利的情況取 其中 m 412120 6GdTpEJTpEAFLc 49223293 08 8 3 5 8 1264 37 m 20 則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為 mpLl 5 4107 532 通常要求絲杠的導程誤差 小于其傳動精度的 1 2 即 21 該絲杠的 滿足上市 所以其剛度可以滿足要求 L 6 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 FC1 4010 2 5 各項性能均符合題目要求 所以合格 24 第 4 章 微機控制系統(tǒng)的設計 4 1 微機控制系統(tǒng)組成及特點 4 1 1 微機控制系統(tǒng)的組成 微機控制系統(tǒng)主要由微型計算機和伺服系統(tǒng)兩大部份組成 其中微機又包括硬 件和軟件兩部分 1 微機控制系統(tǒng)基本硬件組成 硬件時組成系統(tǒng)的基礎 有了硬件軟件才能有效地運行 硬件電路的可靠性直 接影響到數(shù)控系統(tǒng)的性能指標 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下部分組成 25 1 主控制器 即中央處理單元 CPU 2 存儲器 包括只讀可編程存儲器和隨機讀寫數(shù)據(jù)存儲器 3 接口 2 微機數(shù)控系統(tǒng)軟件 軟件是指為實現(xiàn)微機控制系統(tǒng)各項功能編制的專用程序 它一般由以下幾部分 組成 1 輸入數(shù)據(jù)處理程序 它接受輸入的零件加工程序 用標準代碼表示的加工 指令和數(shù)據(jù)整理成便于解釋執(zhí)行的格式后存放 2 插補運算程序 它完成普通數(shù)控系統(tǒng)中插補器的功能 3 速度控制程序 它根據(jù)給定的速度代碼或每分毫米數(shù)控制插補運算的頻率 以保證預定速度進給 4 管理程序和診斷程序 管理程序?qū)?shù)據(jù)輸入 處理及切削加工過程服務的 各個程序進行調(diào)度 還可以對面板命令 時鐘信號 故障信號等引起的中斷進行處 理 診斷程序可以在運行中及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障 并指示故障類型 4 1 2 微機數(shù)控系統(tǒng)的特點 1 可靠性高 由于采用大規(guī)模集成電路 軟件連接以及資診斷功能 所以 大大提高了無故障運行時間 即使又極少的故障也能及時發(fā)現(xiàn)和排除 2 靈活性強 由于系統(tǒng)的硬件是通用 標準化的 對于不同機床的控制要 求只需更換可編程只讀存儲器中的系統(tǒng)程序就可實現(xiàn) 3 易于實現(xiàn)機電一體化 采用大規(guī)模集成電路時控制框尺寸大為縮小 采 用可編程接口又可將 M S T 等順序控制部分邏輯電路與數(shù)控裝置結合一起 使結 構更為緊湊 4 價格低 采用微機數(shù)控 使數(shù)控機床電氣部分成本大為下降 對功比較 齊全的數(shù)控機床價格幅度下降更大 5 由于微機的功能強 存儲量大 可實現(xiàn)多功能控制 多路運行控制及數(shù) 據(jù)和圖形顯示等 給操作人員和監(jiān)視生產(chǎn)過程帶來方便 4 2 微機控制系統(tǒng)設備介紹 4 2 1 主控制器 CPU 的選擇 CPU 的選擇應考慮以下要素 1 控制數(shù)據(jù)處理的速度 2 ROM RAM 的容量 3 指令系統(tǒng)功能的強弱 即編程的靈活性 4 I O 口擴展的能力 即對外設控制的能力 5 開發(fā)手段 包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路 目前在數(shù)控系統(tǒng)中常用的芯片由 8086 8088 80286 80386 以及 8098 8096 等 16 位機的 CPU 也有 8080 Z80 和 8051 8031 8751 等 8 位機的 CPU 但從性 能價格比上 我們擬采用 MCS 51 系列單片機中的 8031 作為主控制器 下面介紹 MCS 51 單片機的硬件結構 如圖 4 下面對各功能部件作進一步的說明 1 數(shù)據(jù)存儲器 RAM 片內(nèi)為 128 個字節(jié) 片外最多可擴至 64K 字節(jié) 26 2 程序存儲器 ROM EPROM 8031 無此部件 8051 為 4KROM 8751 為 4KEPROM 片外最多可外擴至 64K 字節(jié) 3 中斷系統(tǒng) 具有 5 個中斷源 2 級中斷優(yōu)先權 4 定時器 計數(shù)器 2 個 16 位的定時器 計數(shù)器 具有四種工作方式 5 串行口 1 個全雙工的串行口 具有四種工作方式 6 P1 口 P2 口 P3 口 P0 口 為四個并行 8 位 I O 口 7 特殊功能寄存器 SFR 共有 21 個 用于對片內(nèi)各功能模塊進行管理 控制 監(jiān)視 8 微處理器 CPU 為 8 位的 CPU 且內(nèi)含一個 1 位 CPU 位處理器 不 僅可處理字節(jié)數(shù)據(jù) 還可以進行位變量處理 ROM EPROM 圖 4 1 MCS 51 單片機內(nèi)結構 4 2 2 存儲器電路的擴展 1 程序存儲器的擴展 單片機應用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲器芯片 其型號分別為 2716 2732 2764 27128 27256 等 其容量分別位 2k 4k 8k 16k 32k 在 選擇芯片時 要考慮 CPU 與 EPROM 時序的匹配 即 8031 所能讀取的時間必須大于 EPROM 多要求的讀取時間 此外 還要考慮最大讀出速度 工作溫度計存儲器的容 量 在滿足容量要求是應盡量選擇大容量芯片 以減少芯片數(shù)量 是系統(tǒng)簡化 在 本系統(tǒng)中 我們擬采用 2764 作為擴展芯片 2764 與 8031 主要是三總線的聯(lián)接 2764 中的低 8 位地址線通過地址鎖存器 74LS373 與