512 三坐標(biāo)數(shù)控磨床設(shè)計(jì),坐標(biāo),數(shù)控,磨床,設(shè)計(jì) 第 1 頁 中文摘要本次設(shè)計(jì)為三坐標(biāo)數(shù)控磨床，該機(jī)床能通過三軸聯(lián)動，實(shí)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(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的角度。三個坐標(biāo)方向的移動均由交流伺服電機(jī)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(dá)到所要求的高精度。三個方向通過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)，由變頻器對其進(jìn)行無級調(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，主要有以下幾個方面：X、Y 工作臺的傳動機(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?。粩?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 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 .............................................................................................................................11.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展 ..................................................................................................11.2 何謂數(shù)控機(jī)床 .................................................................................................................11.3 數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍 .....................................................................................................11.4 數(shù)控機(jī)床的基本組成 .....................................................................................................21.5 數(shù)控機(jī)床的分類 .............................................................................................................21.6 數(shù)控機(jī)床的工作過程 .....................................................................................................21.7 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) ........................................................................................................21.8 磨削概論 .........................................................................................................................21.9 三坐標(biāo)數(shù)控磨床 ............................................................................................................3第二章 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .............................................................................................................62.1 提高機(jī)床的結(jié)構(gòu)剛度的設(shè)計(jì) ..........................................................................................62.2 提高機(jī)床的抗振性的措施 ..............................................................................................72.3 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) ...............................................................................................83.1 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的作用 .....................................................................................................83.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 .............................................................................................83.2.1 對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求 ....................................................................................83.2.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 .......................................................................................93.3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的組成 ......................................................................................................93.4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的分類 ....................................................................................................93.5 給伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 ............................................................................................103.5.1 數(shù)控機(jī)床的位置調(diào)節(jié)系統(tǒng) ...................................................................................103.5.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的數(shù)字模型 ...................................................................................103.6 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性及伺服性能分析 .......................................................103.6.1 時間響應(yīng)性 ...........................................................................................................103.6.2 頻率響應(yīng)特性 .......................................................................................................113.6.3 穩(wěn)定性分析 ...........................................................................................................113.6.4 快速性分析 ...........................................................................................................113.6.5 伺服精度 ...............................................................................................................113.7 驅(qū)動元件的設(shè)計(jì) ...........................................................................................................123.7.1. 選用伺服電動機(jī) .................................................................................................123.7.2 選用交流伺服電機(jī) ................................................................................................123.8 機(jī)械傳動部件的設(shè)計(jì) ...................................................................................................14第四章 床身與導(dǎo)軌 ...............................................................................................................204.1 床身設(shè)計(jì) .......................................................................................................................204.1.1 床身結(jié)構(gòu)的基本要求 ...........................................................................................204.1.2 床身的結(jié)構(gòu) ...........................................................................................................204.1.3 床身的截面形狀 ...................................................................................................204.1.4 鋼板焊接結(jié)構(gòu) ........................................................................................................21第 4 頁 4.1.5 箱體封沙結(jié)構(gòu) ........................................................................................................214.2 導(dǎo)軌設(shè)計(jì) ........................................................................................................................214.2.1 對導(dǎo)軌的要求 ........................................................................................................214.2.2 滑動導(dǎo)軌 .............................................................................................................214.2.3 貼塑滑動導(dǎo)軌 .......................................................................................................214.2.4 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu) ...............................................................................................................224.2.5 導(dǎo)軌設(shè)計(jì) ...............................................................................................................224.2.6 導(dǎo)軌的材料 ............................................................................................................22第五章 主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .............................................................................................235.1 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 ................................................................................................235.2 主傳動變速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ................................................................................................235.3 主軸組件設(shè)計(jì) ................................................................................................................235.3.1 對主軸組件的性能要求 .......................................................................................235.3.2 主軸組件的組成和軸承選型 ...............................................................................245.3.3 主軸組件的技術(shù)要求 ...........................................................................................255.3.4 主軸組件的動態(tài)特性 ............................................................................................265.3.5 主軸軸承的潤滑 ...................................................................................................265.4 選擇主軸電機(jī) ................................................................................................................275.5 高速帶的設(shè)計(jì)計(jì)算 .......................................................................................................29第六章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ...........................................................................................................316.1 確定硬件電路的總體方案 ...........................................................................................316.2 主控制器 CPU 的選擇 ...................................................................................................316.3 存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) ...................................................................................................316.4 I/O 口擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) ....................................................................................................326.5 交流伺服電機(jī)驅(qū)動電路 ...............................................................................................326.6 主軸電機(jī)驅(qū)動電路 .......................................................................................................326.7 越界報警 .......................................................................................................................32程 序 .........................................................................................................................................33設(shè) 計(jì) 小 結(jié) .............................................................................................................................36參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................................37第 1 頁 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 軸快速移動速度分別為 10m/min、10m/min、10m/min(4 )工作臺面尺寸 420×300mm2、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(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(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(shí)驗(yàn)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(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，在美國芝加哥國際機(jī)床展覽會上首次展出的數(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(shí)驗(yàn)樣機(jī)，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(jī)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(jī)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(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)、自動控制、精密測量和機(jī)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(jī)床，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。它是機(jī)械加工自動化的核心設(shè)備。第 2 頁 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?。┑牧慵还に囋O(shè)計(jì)經(jīng)常變化的零件；加工過程中的錯誤會造成嚴(yán)重浪費(fèi)的貴重零件；需要全部檢測的零件。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)控折彎機(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)床的工作過程 在上述工作過程中，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、自動編程、計(jì)算機(jī)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(jī)床自動進(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)行加工的過程，是機(jī)械加工的重要方法。從當(dāng)?shù)?3 頁 前掌握的先進(jìn)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(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)控磨床主要是對總體結(jié)構(gòu)、工作臺、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)動的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床. 利用三軸聯(lián)動來形成砂輪與工件的相對運(yùn)動，通過更換不同的砂輪來達(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^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(jī)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 350mmX、Y、Z 軸快速移動速度 都為 10r/minX、Y、Z 電機(jī) 70SL5A2 交流伺服電機(jī)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(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、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(jìn)給是由交流伺服電機(jī)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?！裰鬏S箱(參看下圖)主軸部件有主軸、刀具的自動夾緊松開機(jī)構(gòu)、前后軸承等組成。動力由電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)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(jī)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(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，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(jìn)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(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，刀柄不會自行松脫?；钊麠U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?！窳⒅⒅糜趯?shí)現(xiàn)主軸箱的垂直移動和支撐。固定在立柱上端的電機(jī)直接傳動絲杠，可使主軸箱垂直移動。4 機(jī)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(yùn)動由主運(yùn)動電機(jī)，經(jīng)一級高速帶傳到主軸，并通過調(diào)節(jié)電機(jī)的控制電壓獲得各級轉(zhuǎn)速，主軸轉(zhuǎn)速為（3980～14920）r/min。實(shí)現(xiàn)第 5 頁 無級調(diào)速。2.進(jìn)給傳動圖及說明進(jìn)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(jìn)給伺服系統(tǒng)。電壓調(diào)速交流伺服電機(jī)直接帶動滾珠絲杠，功率都為 1.4kw，無級調(diào)速。三個軸的進(jìn)給速度均為 1～400mm/min?？煲扑俣榷紴?10m/min。三個伺服電機(jī)分別由數(shù)控指令通過計(jì)算機(jī)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(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(shí)現(xiàn)輔助操作自動化的結(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剛度。機(jī)床在切削過程當(dāng)中，承受的靜態(tài)力有運(yùn)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(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，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(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 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)床在加工時可能產(chǎn)生兩種形態(tài)的振動：強(qiáng)迫振動和自激振動。機(jī)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(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，并且消除傳動間隙，采用平衡裝置和降低往復(fù)運(yùn)動件的重量，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)時應(yīng)強(qiáng)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(jī)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(yùn)動，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(jī)驅(qū)動，經(jīng)滾珠絲杠傳動，減少了進(jìn)給系統(tǒng)所需要的驅(qū)動扭矩，提高了運(yùn)動精度和運(yùn)動平穩(wěn)性。第 8 頁 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)動工作臺，使工作臺進(jìn)行精確的定位或按照規(guī)定的軌跡作嚴(yán)格的相對運(yùn)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(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)床的一個特殊部分。數(shù)控機(jī)床對進(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(jìn)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(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(diǎn)到另一點(diǎn)時，指令值與實(shí)際移動距離的最大差值。重復(fù)定位誤差是指工作臺進(jìn)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(shí)際運(yùn)動軌跡與給定運(yùn)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(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(jī)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(yùn)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(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，在速度很低時無爬行現(xiàn)象；3. 在動態(tài)設(shè)計(jì)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?。?. 機(jī)械傳動部件的設(shè)計(jì)要求有：(1) 被加速的運(yùn)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(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(jìn)行自動補(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(jī)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(jì)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(jī)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(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)生的指令信號與工作臺末端測得的實(shí)際位置反饋信號進(jìn)行比較，根據(jù)其差值不斷控制運(yùn)動，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(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)成一個數(shù)字位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)。進(jìn)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(jī)的輸出。從電機(jī)的輸出經(jīng)過機(jī)械傳動到執(zhí)行件（工作臺）稱為機(jī)械傳動部件。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)的動態(tài)響應(yīng)特性及伺服性能分析3.6.1 時間響應(yīng)性進(jìn)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(dá)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(shí)驗(yàn)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。可由頻率響應(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(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)械傳動部件的慣性、阻尼、剛性和傳動比。為考察機(jī)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(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、間接評價法和計(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(jì)中被廣泛地采用。對于線性進(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)械傳動機(jī)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(jìn)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(xiàn)對機(jī)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(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。3.6.5 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(shí)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(shí)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(shí)際位置，再用指令位置減去實(shí)際位置便得到伺服誤差。要求出進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)伺服誤差的解析表達(dá)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(shí)際上表示在一定的進(jìn)給速度下，系統(tǒng)指令位置與實(shí)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(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)抵抗位置偏差的能