7機(jī)電一體化畢業(yè)論文

1、 目錄摘要3第一章 概論51.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生及發(fā)展51.2 數(shù)控機(jī)床的組成及分類(lèi)61.2.1 數(shù)控機(jī)床的組成31.2.2 數(shù)控機(jī)床的分類(lèi)41.3 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍51.3.1 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)51.3.2 數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍5第二章 設(shè)計(jì)主要參數(shù)及基本思想62.1 課題要求62.1.1 題目名稱(chēng)（包括主要技術(shù)參數(shù)）及技術(shù)要求62.1.2 課題內(nèi)容及工作量62.2 設(shè)計(jì)原則62.3 總結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)72.3.1 數(shù)控機(jī)床的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求72.3.2 提高機(jī)床的結(jié)構(gòu)剛度72.3.3 提高進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和精度8第三章 三坐標(biāo)數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)和計(jì)算93.1主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)93.1.1 主傳動(dòng)變速系統(tǒng)

2、103.2 主軸系統(tǒng)計(jì)算113.3.1 對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求113.3.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求123.3.3 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133.4進(jìn)給傳動(dòng)的計(jì)算133.4.1 X軸滾珠絲杠副143.4.2 Y軸滾珠絲杠副153.4.3 Z軸滾珠絲杠副153.4.4滾珠絲杠的安裝與使用16結(jié)論16致 謝17參考文獻(xiàn).18三坐標(biāo)銑床的數(shù)控化改造摘 要畢業(yè)設(shè)計(jì)是在原有普通銑床的基礎(chǔ)上,對(duì)其進(jìn)行改造,成為三坐標(biāo)數(shù)控銑床。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。所設(shè)計(jì)的三坐標(biāo)數(shù)控銑床，三個(gè)坐標(biāo)方向的移動(dòng)均由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)，主軸電機(jī)采用交流電機(jī)，所有電機(jī)均由單片機(jī)進(jìn)行控制。

3、設(shè)計(jì)主要對(duì)數(shù)控銑床的機(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,Z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；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)選取；單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步熟悉其應(yīng)用。在數(shù)控機(jī)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(duì)普通銑床的數(shù)控化改造進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)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(gòu)買(mǎi)機(jī)床的部分資金，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞： 銑床, 數(shù)控, 三坐標(biāo)ABSTRACT This paper is aimed to solve the problem of low effic

4、iency，bad accuracy and high demand on the workers technical level，through the technical reform on mechanical drive system (PLC controls the two stepping motors to drive workpieces double position feed)An idle old common lathe is refit into a special equipment by using numerical controlled technique

5、The refit machine promoted its processing accuracy and level of automatic control of the parts and greatly improved the productive efficiency and it has the following characteristics:small investment，better efficiency，less refit workload，short period of manufacturing . 隨著人工智能在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)引入自適應(yīng)控制

6、模糊系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制機(jī)理，不但具有自動(dòng)編程前饋控制模糊控制學(xué)習(xí)控制自適應(yīng)控制工藝參數(shù)自動(dòng)生成三維刀具補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)參數(shù)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)裙δ?，而且人機(jī)截面極為友好，并且有故障診斷專(zhuān)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(dòng)和智能化進(jìn)給伺服裝置，能自動(dòng)識(shí)別負(fù)載并自動(dòng)優(yōu)化調(diào)整參數(shù)。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以使用化。用數(shù)控銑床加工零件時(shí)，首先應(yīng)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(jī)床主運(yùn)動(dòng)的變速啟動(dòng)停止進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的方向速度和位移量，以及工件裝夾和冷卻潤(rùn)滑的開(kāi)關(guān)等動(dòng)作，使刀具與被加工零件以及其它輔助裝置嚴(yán)格按照加工工序規(guī)定的順序運(yùn)動(dòng)軌跡加工出符合要

7、求的零件。三坐標(biāo)數(shù)控銑床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是數(shù)字控制的直接對(duì)象，不論點(diǎn)位控制還是連續(xù)控制，被加工工件的最后坐標(biāo)精度和輪廓精度都受到進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)精度靈敏度和穩(wěn)定性的影響。為此，要注意以下三點(diǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)要求：(1) 減少運(yùn)動(dòng)件的摩擦力。進(jìn)給系統(tǒng)雖有許多元件，但摩擦阻力主要來(lái)自絲杠和導(dǎo)軌。絲杠和導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的滾動(dòng)化是減少摩擦的重要措施之一。(2) 提高傳動(dòng)精度和剛度。在進(jìn)給系統(tǒng)中滾珠絲杠和支承結(jié)構(gòu)是決定其傳動(dòng)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(yùn)動(dòng)慣量。進(jìn)給系統(tǒng)中每個(gè)元件的慣量對(duì)伺服機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)和制動(dòng)特性都有直接的影響。尤其是處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的零件，其慣性的影響更大。設(shè)計(jì)是在原有普通銑

8、床的基礎(chǔ)上,對(duì)其進(jìn)行改造,成為三坐標(biāo)數(shù)控銑床。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。所設(shè)計(jì)的三坐標(biāo)數(shù)控銑床，三個(gè)坐標(biāo)方向的移動(dòng)均由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)，主軸電機(jī)采用交流電機(jī)，所有電機(jī)均由單片機(jī)進(jìn)行控制。此設(shè)計(jì)主要對(duì)數(shù)控銑床的機(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、Z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；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?。粏纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步熟悉其應(yīng)用。第一章 概論1.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生及發(fā)展隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜，且需頻繁改型。特別是在宇航、造船、軍事等領(lǐng)域所需的零件，精度要求高，

9、形狀復(fù)雜，批量小。普通機(jī)床已不能適應(yīng)這些需求。為了滿(mǎn)足上述要求，一種新型的機(jī)床數(shù)字程序控制機(jī)床（簡(jiǎn)稱(chēng)數(shù)控機(jī)床）應(yīng)運(yùn)而生。最早進(jìn)行數(shù)控機(jī)床研制的是美國(guó)人。1952年，美國(guó)麻省理工學(xué)院成功地研制出一套三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，利用脈沖乘法器原理的數(shù)控機(jī)床。但這臺(tái)數(shù)控機(jī)床僅是一臺(tái)試驗(yàn)性的機(jī)床，當(dāng)時(shí)用的電子元件是電子管。直到1954年11月，第一臺(tái)工業(yè)用的數(shù)控機(jī)床才生產(chǎn)出來(lái)。從此以后，世界上其他一些工業(yè)國(guó)家也多開(kāi)始開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)及應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。我國(guó)數(shù)控機(jī)床的研制是從1958年起步的。1965年國(guó)內(nèi)開(kāi)始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)。從70年代開(kāi)始，數(shù)控技術(shù)廣泛應(yīng)用于車(chē)、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工、點(diǎn)加工等領(lǐng)域，數(shù)控加工中心在上海、北

10、京研制成功。在這一時(shí)期，數(shù)控線切割機(jī)床由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便、價(jià)格低廉，在模具加工中得到了推廣。1985年，我國(guó)數(shù)控機(jī)床品種有了新的發(fā)展。早期的數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)采用電子管，體積大、功耗高，只在軍事部門(mén)應(yīng)用。只有在微處理機(jī)用于數(shù)控機(jī)床后，才真正使數(shù)控機(jī)床得到了普及。目前數(shù)控技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)是：實(shí)現(xiàn)高速度，高可靠性，高精度，大功率，多功能；采用微處理機(jī)和微型計(jì)算機(jī)，向著增強(qiáng)功能、降低造價(jià)、方便使用的目標(biāo)進(jìn)展；積極應(yīng)用計(jì)算技術(shù)、系統(tǒng)工程理論和控制技術(shù)的最新成果，像這綜合自動(dòng)化方向變革。 1.2 數(shù)控機(jī)床的組成及分類(lèi)1.2.1 數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控裝備機(jī)床本體輔助裝備 數(shù)控機(jī)床的種類(lèi)繁多，但從組成一臺(tái)

11、完整的數(shù)控機(jī)床上講，它由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床本體絲大部分以及輔助設(shè)備組成。如圖（1）所示。、圖1.1 數(shù)控機(jī)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(lèi)型不同而不同，常用的有穿孔紙帶、穿孔卡、磁帶、磁盤(pán)等。另外，隨著CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展，有些數(shù)控設(shè)備利用CAD/CAM軟件在其他計(jì)算機(jī)上編程，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)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。2. 數(shù)控裝備數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)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(guò)識(shí)別與譯

12、碼之后，送到控制運(yùn)算器。這些信息將作為控制與運(yùn)算的原始依據(jù)?？刂七\(yùn)算器根據(jù)輸入裝置送來(lái)的信息進(jìn)行運(yùn)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(dòng)機(jī)床完成相應(yīng)的動(dòng)作?？刂平橘|(zhì)閱讀機(jī)輸 入 裝 備控 制 器輸 出 裝 置伺 服 機(jī) 構(gòu) 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(chēng)隨動(dòng)系統(tǒng)，是一種能夠跟蹤輸入的指令信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作，從而獲得精確的位置、速度或力輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它是數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)床移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)，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

13、，每一脈沖使機(jī)床移動(dòng)部件產(chǎn)生的位移叫脈沖當(dāng)量(常用的脈沖當(dāng)量為0.001mm0.01mm)。從自動(dòng)控制理論的角度來(lái)分析，無(wú)論多么復(fù)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(jié)構(gòu)方框圖。調(diào)節(jié)元件執(zhí)行元件被控對(duì)象比較元件輸入 輸出量 指令 測(cè)量、反饋元件 圖1.3 伺服系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)方框圖目前數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)中，常用的位移執(zhí)行機(jī)構(gòu)有功率步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)，后兩者都帶有光電編碼器等位置測(cè)量元件。4. 機(jī)床本體機(jī)床本體是數(shù)控機(jī)床的主體，是用于完成各種切削加工的機(jī)械部分，它是在原有的普通機(jī)床的基礎(chǔ)上改進(jìn)而得到的，具有以下特點(diǎn)：（1）數(shù)控機(jī)床采用

14、了高性能的主軸及伺服系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，傳動(dòng)鏈較短。（2）數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)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(dòng)部件，如滾動(dòng)絲杠副，直線滾動(dòng)導(dǎo)軌等。除了上述四個(gè)主要部分外，數(shù)控機(jī)床還有一些輔助裝置和附屬設(shè)備，如電器，液壓，氣動(dòng)系統(tǒng)與冷卻、排屑、照明、儲(chǔ)運(yùn)等裝置以及編程機(jī)、對(duì)刀塊等。 1.2.2 數(shù)控機(jī)床的分類(lèi)1 刀具相對(duì)于工件移動(dòng)的軌跡分類(lèi)（1） 點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床 點(diǎn)位控制機(jī)床的特點(diǎn)是只控制移動(dòng)部件的終點(diǎn)位置，即控制移動(dòng)部件由一個(gè)位置到另一個(gè)位置的精確定位，而對(duì)它們運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的軌跡沒(méi)有嚴(yán)格的要求，在移動(dòng)和定位過(guò)程中不進(jìn)行任何加工。（2）點(diǎn)位直線控制數(shù)控

15、機(jī)床 直線控制數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)是刀具相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)不僅要控制兩點(diǎn)間的準(zhǔn)確位置（距離），還要控制兩點(diǎn)之間移動(dòng)的速度和軌跡。（3）輪廓控制數(shù)控機(jī)床 輪廓控制又稱(chēng)連續(xù)控制，大多數(shù)數(shù)控機(jī)床具有輪廓控制功能。其特點(diǎn)是能同時(shí)控制兩個(gè)以上的軸，具有插補(bǔ)功能。（4） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方式分類(lèi)2 按驅(qū)動(dòng)裝置的特點(diǎn)分類(lèi)（1）開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 它是指不帶反饋裝置的控制系統(tǒng)。它是根據(jù)穿孔帶上的數(shù)據(jù)指令經(jīng)過(guò)控制運(yùn)算發(fā)出脈沖信號(hào)輸出到伺服驅(qū)動(dòng)裝置，使驅(qū)動(dòng)伺服裝置轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng)的角度，然后經(jīng)過(guò)減速齒輪和絲杠螺母機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)換為移動(dòng)部件的直線位移。（2） 閉環(huán)控制系統(tǒng) 它是指在機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件上安裝位移測(cè)量裝置，將加工中測(cè)量到的實(shí)際位置值反饋

16、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(dòng)部件，直到差值為零，即實(shí)現(xiàn)移動(dòng)部件的精確定位。（3） 半閉環(huán)控制系統(tǒng) 它是在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的絲杠上或進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的軸上裝有角位移檢測(cè)裝置。通過(guò)檢測(cè)伺服機(jī)構(gòu)的滾珠絲杠轉(zhuǎn)角間接測(cè)移動(dòng)部件的位移，然后將數(shù)據(jù)反饋給比較器進(jìn)行比較，輸出比較后的差值進(jìn)行控制。3. 按加工方法分類(lèi)（1） 金屬切削類(lèi)數(shù)控機(jī)床；（2） 金屬成型類(lèi)數(shù)控機(jī)床；（3）數(shù)控特種加工機(jī)床；（4） 其它類(lèi)的數(shù)控機(jī)床4. 按數(shù)控機(jī)床的性能分類(lèi)(1)低檔數(shù)控機(jī)床；(2) 中檔數(shù)控機(jī)床；(3) 高檔數(shù)控機(jī)床；1.3 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍1.3.1 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)數(shù)控機(jī)床是一個(gè)裝有程序控制系

17、統(tǒng)的機(jī)床。它是一種高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品。特點(diǎn)如下：（1）適應(yīng)性強(qiáng)，加工精度高，質(zhì)量穩(wěn)定（2）生產(chǎn)率高（3）減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)條件（4）良好的經(jīng)濟(jì)效益（5）有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化1.3.2 數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍從最經(jīng)濟(jì)的方面出發(fā)，數(shù)控機(jī)床適用于加工：（1）多品種小批量零件；（2）結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，精度要求較高的零件；（3）需要頻繁改型的零件；（4）價(jià)格昂貴，不容許報(bào)廢的關(guān)鍵零件；（5）需要小生產(chǎn)周期的急需零件。第二章 設(shè)計(jì)主要參數(shù)及基本思想2.1 課題要求2.1.1 題目名稱(chēng)（包括主要技術(shù)參數(shù)）及技術(shù)要求三坐標(biāo)數(shù)控銑床設(shè)計(jì)（1）X、Y、Z軸的行程分別為 300mm、300mm、250mm;（2）進(jìn)給

18、精度0.01mm；（3）X、Y、Z軸 快速進(jìn)給速度分別為 6m/min、6m/min、3m/min；（4）工作臺(tái)面尺寸300x500mm;（5）脈沖當(dāng)量0.01mm/步；（6）重復(fù)定位精度 0.01mm.2.1.2 課題內(nèi)容及工作量(1) 簡(jiǎn)易數(shù)控銑床總圖A0一張(2)控制原理圖設(shè)計(jì)A0一張(3)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份1.2萬(wàn)字以上(4)翻譯500漢字注：全部圖紙用計(jì)算機(jī)繪制，說(shuō)明書(shū)由計(jì)算機(jī)輸出。2.2 設(shè)計(jì)原則根據(jù)設(shè)計(jì)要求和銑床的具體情況，課題的基本設(shè)計(jì)方案如下： （1）機(jī)床采用連續(xù)控制系統(tǒng)，定位方式采用增量坐標(biāo)控制。（2）考慮到機(jī)床加工精度要求不高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)

19、動(dòng)。（3）進(jìn)給傳動(dòng)的設(shè)計(jì)是機(jī)床設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床必須有精確的進(jìn)給傳動(dòng)系，才會(huì)有高的精度和表面質(zhì)量?？紤]到電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選用，為達(dá)到分辨率0.01mm的要求，需采用齒輪降速傳動(dòng)，利用電子控制系統(tǒng)消除誤差。（4）為了保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，又要求機(jī)構(gòu)緊湊，所以選用絲杠螺母副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。（5）傳動(dòng)系統(tǒng)要加上脈動(dòng)裝置。 以上為基本的設(shè)計(jì)方案，除了這些，課題應(yīng)注意機(jī)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.3.1 數(shù)控機(jī)床的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求主要有以下方面:（1）有良好的抗振性能和較大的額定切削功率，高的

20、靜、動(dòng)態(tài)剛度；（2）有較高的熱穩(wěn)定性和較高的幾何精度、傳動(dòng)精度、定位精度；（3）有數(shù)控系統(tǒng)及其介質(zhì)。下面我們?cè)斒鰯?shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要要求2.3.2 提高機(jī)床的結(jié)構(gòu)剛度機(jī)床的剛度是指切削力和其它力作用下,抵抗變形的能力。機(jī)床在切削過(guò)程當(dāng)中，要承受各種外力的作用，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：切削力、驅(qū)動(dòng)力、加減速時(shí)引起的慣性力、摩擦阻力等。組成機(jī)床的結(jié)構(gòu)部件在這種力作用下將產(chǎn)生變形。如固定連接表面或嚙合運(yùn)動(dòng)表面的接觸變形；各支撐零件的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，以及某些支撐件的局部變形等，這些變形都會(huì)直接或間接的引起刀具和工件之間的相對(duì)位移，從而導(dǎo)致工件的加工誤差，或者影響機(jī)床

21、切削過(guò)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(jī)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(dòng)剛度的重要因素。支承件的隔板和筋條的合理性，可提高構(gòu)件的靜、動(dòng)剛度。(2) 結(jié)構(gòu)剛度與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床應(yīng)有更高的靜、動(dòng)剛度，更好的抗振性。機(jī)床的導(dǎo)軌和支承件通常是局部剛度最弱的部分，在本次設(shè)計(jì)中，采用雙臂聯(lián)接形式，X、Y軸導(dǎo)軌較窄。(3) 采用焊接結(jié)構(gòu)的構(gòu)件采用鋼板和焊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(jié)構(gòu)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

22、）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。焊接結(jié)構(gòu)床身的突出優(yōu)點(diǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，便于產(chǎn)品更新、改進(jìn)結(jié)構(gòu)。焊接件能達(dá)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，減少質(zhì)量。合理的結(jié)構(gòu)布局可以提高剛度，機(jī)床的工作頭部分由于重力作用將會(huì)使機(jī)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(shè)計(jì)中將采取通過(guò)在立柱上方安裝兩組定滑

23、輪來(lái)平衡重力的方法，來(lái)減少立柱的變形，提高機(jī)床的剛度。2.3.3 提高進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和精度 數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的精度極大的影響零件的加工精度。在開(kāi)環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)精度取決于系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)，特別是機(jī)械傳動(dòng)部件的精度；在閉環(huán)和半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)中，位置檢測(cè)裝置的分辨率對(duì)運(yùn)動(dòng)精度有決定性的影響，但是機(jī)械傳動(dòng)部件的特性對(duì)運(yùn)動(dòng)精度也有一定的影響。通常在開(kāi)環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)中，設(shè)定的脈沖當(dāng)量為0.01mm時(shí)，實(shí)際的定位精度最好的情況也只能達(dá)到0.025mm。在閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)中，設(shè)定的脈沖當(dāng)量（或稱(chēng)最小設(shè)定單位）一般為0.001mm，實(shí)際上定位精度只能達(dá)到0.003mm，當(dāng)指令進(jìn)給系統(tǒng)做單步進(jìn)給（即每次移動(dòng)0.0

24、01mm）時(shí)，開(kāi)始一兩個(gè)單步指令，進(jìn)給部件并不動(dòng)作，到第三個(gè)單步指令時(shí)才突跳一段距離，以后又如此重復(fù)。這些現(xiàn)象都是因?yàn)檫M(jìn)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(jī)械傳動(dòng)部件的特性。本設(shè)計(jì)采取的方案有：（1）減少靜、動(dòng)摩擦系數(shù)之差（2）提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度。第三章 三坐標(biāo)數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)和計(jì)算3.1主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主傳動(dòng)系統(tǒng)一般由動(dòng)力源（如電動(dòng)機(jī)）、變速裝置及執(zhí)行元件（如主軸、刀架、工作臺(tái)），以及開(kāi)停、換向和制動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分組成。動(dòng)力源為執(zhí)行元件提供動(dòng)力，并使其得到一定的運(yùn)動(dòng)速度和方向,變速裝置傳遞動(dòng)力以及變換運(yùn)動(dòng)速度，執(zhí)行元件執(zhí)行機(jī)床所需的運(yùn)動(dòng)，完成旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)代切削加工正向著高速、

25、高效和高精度方向發(fā)展，對(duì)機(jī)床的性能提出越來(lái)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(dá)1：1001：1000，恒功率調(diào)速范圍達(dá)1：10以上；更大的功率范圍達(dá)2.2250kW，能在切削加工中自動(dòng)變換速度；機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，噪聲小，動(dòng)態(tài)性能好，可靠性高等。數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足如下特點(diǎn)：（1）主傳動(dòng)采用直流或交流電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速（2）數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和主軸功率特性的匹配設(shè)計(jì)（3）數(shù)控機(jī)床高速主傳動(dòng)設(shè)計(jì)（4）數(shù)控機(jī)床采用部件標(biāo)準(zhǔn)、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（5）數(shù)控機(jī)床的柔性化、復(fù)合化（6）虛擬軸機(jī)床設(shè)計(jì)為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床加工范圍廣、工藝適應(yīng)性強(qiáng)、加工精度高和自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，要求主傳動(dòng)裝置應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

26、（1）具有較大的調(diào)速范圍，并實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)中變速，便于實(shí)現(xiàn)變速自動(dòng)化；能在負(fù)載下變速，便于車(chē)削大端面時(shí)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(dòng)平穩(wěn)，噪音低。數(shù)控機(jī)床加工精度的提高，與主傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度密切相關(guān)。為此，應(yīng)提高傳動(dòng)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）良好的抗震性和熱穩(wěn)定性。數(shù)控機(jī)床一般既要進(jìn)行粗加工，又要精加工；加工時(shí)可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻 運(yùn)動(dòng)部件不平穩(wěn)以及切削過(guò)程中的自激振動(dòng)等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸

27、產(chǎn)生振動(dòng)，影響加工精度和表面粗糙度，嚴(yán)重時(shí)甚至破壞刀具或零件，使加工無(wú)法進(jìn)行。因此主傳動(dòng)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(dòng)的能力抗振性?？拐裥?用動(dòng)剛度或動(dòng)柔度來(lái)衡量。例如主軸組件的動(dòng)剛度取決于主軸的當(dāng)量靜剛度 阻尼比及固有頻率等參數(shù)。機(jī)床在切削加工中主傳動(dòng)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(duì)位置精度和運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(guò)保持合適的配合精度，并進(jìn)行循環(huán)潤(rùn)滑保持熱平衡等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。3.1.1 主傳動(dòng)變速系統(tǒng)普通機(jī)床一般采用機(jī)械

28、有級(jí)變速調(diào)速傳動(dòng)，而數(shù)控機(jī)床需要自動(dòng)變速；且在切削階梯軸的不同直徑，切削曲線旋轉(zhuǎn)面和斷面時(shí)，需要隨切削的直徑的變化而自動(dòng)變速，以保持切削速度基本恒定。這些自動(dòng)變速又是無(wú)級(jí)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(jī)床主傳動(dòng)中常采用的無(wú)級(jí)變速裝置有三大類(lèi)：變速電動(dòng)機(jī)、機(jī)械無(wú)級(jí)變速裝置和液壓無(wú)級(jí)變速裝置。無(wú)級(jí)變速主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則：一為盡量選擇功率和扭矩特性符合傳動(dòng)系統(tǒng)要求的無(wú)級(jí)變速裝置。如銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)要求恒功率傳動(dòng)，就應(yīng)該選擇恒功率無(wú)級(jí)變速裝置。二為無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)裝置單獨(dú)使用時(shí)，其調(diào)速范圍較小，尤其是恒功率調(diào)速范圍往往小于機(jī)床實(shí)際需要的恒

29、功率變速范圍。為此，常把無(wú)級(jí)變速裝置與機(jī)械分級(jí)變速箱串聯(lián)在一起使用，以擴(kuò)大恒功率變速范圍和整個(gè)變速范圍。1主軸部件設(shè)計(jì)主軸部件的性能要求主軸部件是機(jī)床主要部件之一，它是機(jī)床的執(zhí)行元件。它的功用是支承并帶動(dòng)工件或刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削，承受切削力和驅(qū)動(dòng)力等載荷，完成表面成型運(yùn)動(dòng)。主軸部件由主軸及其支承軸承、傳動(dòng)件、密封件及定位元件等組成。主軸部件的工作性能對(duì)整機(jī)性能和加工質(zhì)量以及機(jī)床生產(chǎn)效率有著直接影響，是決定機(jī)床性能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的重要因素。因此，對(duì)主軸部件有如下要求：（1）軸的旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后，在無(wú)載荷、低速轉(zhuǎn)動(dòng)的條件下，主軸安裝工件或刀具部位的定心表面（如車(chē)床軸端的定心短錐、錐孔，銑床軸端的7

30、：24錐孔）的徑向和軸向跳動(dòng)。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(rùn)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)生單位位移的彈性變形時(shí)，在位移方向上所施加的作用力來(lái)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(dòng)軸承的類(lèi)型和數(shù)量、預(yù)緊和配置形式、傳動(dòng)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?yàn)橄鄬?duì)運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)，軸承間隙的

31、變化，降低了加工的精度；溫升也會(huì)降低潤(rùn)滑劑的粘度，惡化潤(rùn)滑條件。因此，各類(lèi)機(jī)床對(duì)溫升都有一定的限制。（4）可靠性 數(shù)控機(jī)床是高度自動(dòng)化的機(jī)床，所以必須保證工作可靠性，可喜的是這方面的研究正在發(fā)展。（5）精度保持性 它指長(zhǎng)期保持其原始制造精度的能力。對(duì)數(shù)控機(jī)床的主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便長(zhǎng)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(dòng)件、密封件及定位元件等組成。（2）主軸的傳動(dòng)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(dòng)件位于后懸伸端的越來(lái)越多。這樣做，可以實(shí)現(xiàn)分離傳動(dòng)和模塊化設(shè)計(jì)：主軸組件（稱(chēng)為主軸單元）和變速箱可以做成獨(dú)立的功能

32、部件，又專(zhuān)門(mén)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(dòng)聯(lián)接。本三坐標(biāo)曲面數(shù)控銑床采用帶傳動(dòng)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(yīng)位于前支承內(nèi)，原因是數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)原點(diǎn)，常設(shè)定在主軸前端。為了減少熱膨脹造成的坐標(biāo)原點(diǎn)的位移，應(yīng)盡量縮短坐標(biāo)原點(diǎn)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(diǎn)接觸，剛度較低。為了提高剛度和承載能力，常采用多聯(lián)組配的辦法。有三種基本組配方式，分別為背對(duì)背，面對(duì)面和同向組配，背靠背和面對(duì)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

33、。背對(duì)背比面對(duì)面安裝的軸承具有較高的抗顛覆力矩的能力。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(jié)果將使軸承的過(guò)盈加大。軸向膨脹對(duì)與背靠背組配將使過(guò)盈減少，于是，可以補(bǔ)償一部分徑向膨脹；而對(duì)于面對(duì)面組配，將使過(guò)盈進(jìn)一步加大?；谏鲜龇治觯鬏S受到彎距，又屬高速運(yùn)轉(zhuǎn)，因此主軸軸承必須采用背靠背組配。（4）角接觸角軸承的間隙調(diào)整和預(yù)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(yīng)在過(guò)盈狀態(tài)下工作，使?jié)L動(dòng)體和導(dǎo)軌之間有一定的預(yù)變形，這就是軸承的預(yù)緊。軸承預(yù)緊后，內(nèi)部無(wú)間隙，滾動(dòng)體從各個(gè)方向支承主軸，有利于提高運(yùn)動(dòng)精度。滾動(dòng)體的直徑不可能絕對(duì)相等，滾道也不可能絕對(duì)正

34、圓，因而在預(yù)緊前只有部分滾導(dǎo)體與滾道接觸。預(yù)緊后，滾導(dǎo)體和滾道都有了一定的變形，參加工作的滾動(dòng)體將增多，各滾動(dòng)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(dòng)，則由于各個(gè)方面都有滾動(dòng)體支承，可以提高抗振性。但是，預(yù)緊后發(fā)熱較多，溫升較高；而且較大的預(yù)緊力將使壽命下降，故預(yù)緊要適量。角接觸角軸承在軸向力的作用下，使內(nèi)外圈產(chǎn)生軸向錯(cuò)位實(shí)現(xiàn)預(yù)緊，衡量預(yù)緊力大小的是軸向預(yù)緊力，簡(jiǎn)稱(chēng)預(yù)緊力Fa0，單位為N。多聯(lián)角接角球軸承是根據(jù)預(yù)緊力組配的。軸承廠規(guī)定了輕預(yù)緊、中預(yù)緊和重預(yù)緊三級(jí)預(yù)緊。訂貨時(shí)可指定預(yù)緊級(jí)別。軸承廠在內(nèi)圈（背靠背組配）或外圈（面對(duì)面組配）的端面根據(jù)預(yù)緊力磨去。裝配時(shí)

35、擠緊，便可得到預(yù)定的預(yù)緊力。如果兩個(gè)軸承間需要隔開(kāi)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(cè)軸承的滾動(dòng)體與滾道不能脫離接觸。而滿(mǎn)足這個(gè)條件的最小預(yù)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(duì)較輕。一些特殊重載主軸外軸承的承載能力是沒(méi)有問(wèn)題的。主軸軸承的壽命，主要不是取決于疲勞點(diǎn)蝕，而是由于磨損而降低精度。通常，如軸承精度為P4級(jí)，經(jīng)使用磨損后跳動(dòng)精度降為P5級(jí),這個(gè)軸承就認(rèn)為應(yīng)該更換了。雖然還未達(dá)到其疲勞壽命，但這種“精度壽命”目前還難以估計(jì)。3主軸組件的動(dòng)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

36、電動(dòng)機(jī)高速主軸，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是一個(gè)集中質(zhì)量，將使固有頻率下降，有可能發(fā)生共振。改善動(dòng)態(tài)特性，可采取下列措施：（1） 是主軸組件的固有頻率避開(kāi)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(chǔ)上（軸承）的剛體振動(dòng)的第一階（平移）和第二階（搖擺）模態(tài)，則應(yīng)提高軸承的剛度。如果屬于主軸的彎曲振動(dòng)，則應(yīng)提高主軸的剛度，如加粗直徑。激振力可能來(lái)自主軸組件的不平衡，這時(shí)激振頻率等于主軸轉(zhuǎn)速乘以 /30。也可能來(lái)自斷續(xù)切削，這時(shí)激振頻率還應(yīng)乘以刀齒數(shù)Z。（2）增大阻尼。如前所述，降低模態(tài)，常是主軸的剛度振動(dòng)。這時(shí)主軸軸承，特別是前軸承的阻尼對(duì)主軸組件的抗振性影響很大。

37、如果要求得到很光的加工表面，滾動(dòng)軸承適當(dāng)預(yù)緊可以增大阻尼，但過(guò)大的預(yù)緊反而使阻尼減少，故選擇預(yù)緊時(shí)還因考慮阻尼因素。（3）采用消振裝置。4主軸軸承的潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承在接觸區(qū)的壓強(qiáng)很高，在這么高的壓強(qiáng)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(gè)點(diǎn)的接觸；潤(rùn)滑劑在高壓下被壓縮，粘度升高了。因此，才能在滾動(dòng)體與滾道的接觸區(qū)，形成一定厚度的油膜，把兩者隔開(kāi)，滾道體與滾道的接觸面積很小，所以，滾動(dòng)軸承所需的潤(rùn)滑劑很少的。當(dāng)然，也可用脂潤(rùn)滑，還有用油氣潤(rùn)滑的。（1） 脂潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承能用脂潤(rùn)滑是它的突出優(yōu)點(diǎn)之一。脂潤(rùn)滑不需要供油管路和系統(tǒng)，沒(méi)有漏油問(wèn)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(jìn)入，壽命是很長(zhǎng)的。一次充填可用