2140 MK1332數(shù)控外圓磨床工作臺結構設計,mk1332,數(shù)控,磨床,工作臺,結構設計 IMK1332 數(shù)控外圓磨床工作臺結構設計摘 要隨著制造業(yè)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的加工設備已無法承擔加工高精度、復雜型面零件的要求，數(shù)控機床良好的加工精度和數(shù)控系統(tǒng)可滿足此要求。而國外的數(shù)控機床比較昂貴，其價格要比國內高 50%~60%，結合市場調研和畢業(yè)設計的實際，進行磨床工作臺結構設計。針對數(shù)控磨床工作臺存在的爬行、顫振現(xiàn)象，進給滾珠絲杠剛性低問題，確定了采用滾珠絲杠帶動工作臺，滾珠絲杠和電動機之間采用同步齒形帶聯(lián)接，工作臺導軌貼塑，從而改善了潤滑條件，同時也起到減振作用，MK1332 數(shù)控外圓磨床的爬行、顫振現(xiàn)象得到有效解決，提高了零件加工質量；絲杠采用兩端固定支承，滾動軸承背靠背組配，剛性可提高一倍。位置檢測裝置采用高分辨率的脈沖編碼器，通過半閉環(huán)控制測量工作臺的直線位移。工作臺型面采用平面形式，減少工作臺的質量、轉動慣量，使系統(tǒng)有更快的響應特性。本機床對提高加工質量和效率、縮短產品開發(fā)周期有積極的意義。關鍵詞 數(shù)控磨床 工作臺 滾珠絲杠 貼塑導軌IIAbstractAlong with the rapid development of the manufacturing sector, the traditional processing equipment has been unable to undertake the processing precision, complex parts of the surface, NC Machine good precision and CNC machining systems can meet this requirement. Abroad CNC machine tools more expensive than domestic prices high 50% ~ 60%. combine market research and graduate of the actual design, structural design workstations Grinder. CNC Grinder against the crawling stage, flutter, feed rigid low-ball screw, determine the use of ball screw driven workstations, ball screw and motor uses synchronous belt link Guide laminating workstations, thereby improving the lubrication conditions, but also play a role in damping, MK1332 CNC Cylindrical Grinder crawl, flutter phenomenon to be an effective solution to improve the quality of the parts processing; Screw using both fixed supports, Rolling back-up, rigid be doubled. Position detection device using high-resolution pulse encoder, through half-closed loop control workstations measurement of linear displacement. Workstations using planar surface forms, reducing the quality of workstations, moment of inertia, allowing the system to have a faster response. The processing machine to improve quality and efficiency, shorten the product development cycle has a positive meaning. Keywords CNC Grinder Worktable Ball Screws Laminating Guide目 錄摘 要 ..........................................................................................................................IAbstract.....................................................................................................................II第 1 章 緒論 .............................................................................................................11.1 數(shù)控加工技術 ..................................................................................................11.1.1 數(shù)控機床的產生和發(fā)展 ..........................................................................21.1.2 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 ..............................................................................31.2 數(shù)控機床的優(yōu)點 ..............................................................................................41.2.1 數(shù)控機床的優(yōu)點 ....................................................................................41.2.2 數(shù)控機床加工零件的特點 ....................................................................51.3 設計參數(shù)和方案確定 ......................................................................................61.3.1 機床主要技術參數(shù) ..................................................................................61.3.2 MK1332 數(shù)控外圓磨床設計參數(shù) ................................................................61.3.3 MK1332 數(shù)控外圓磨床加工產品的主要精度 .......................................71.3.4 設計方案的確定 ....................................................................................7第 2 章 數(shù)控機床的組成和分類 ...............................................................................92.1 數(shù)控機床的組成 .............................................................................................92.2 數(shù)控機床的分類 .............................................................................................92.2.1 按工藝用途分類 ..................................................................................102.2.2 按控制運動方式分類 ..........................................................................102.2.3 按伺服系統(tǒng)的類型分類 ......................................................................112.2.4 按照功能水平分類 ..............................................................................11第 3 章 進給系統(tǒng)設計 .............................................................................................133.1 工作臺機構傳動設計 ...................................................................................133.2 滾珠絲杠螺母副 ...........................................................................................143.2.1 工作原理與特點 ..................................................................................153.2.2 滾珠絲杠螺母副的循環(huán)方式 ..............................................................163.2.3 滾珠絲杠副的軸向間隙消除和預加載荷 ..........................................163.3 滾珠絲杠副的精度 .......................................................................................163.3.1 滾珠絲杠當量動載荷的計算 ..............................................................163.3.2 滾珠絲杠的選取和極限轉速的計算 ..................................................193.3.3 滾珠絲杠副效率計算 ..........................................................................223.3.4 滾珠絲杠副剛度驗算 ..........................................................................22第 4 章 滾珠絲杠的支承 .......................................................................................244.1 軸端支承形式的選擇 ....................................................................................244.1.1 滾珠絲杠軸端支承形式的選擇 .............................................................244.1.2 滾珠絲杠對軸承的要求 ........................................................................254.1.3 軸承的組配方式 ....................................................................................254.2 軸承預緊力 ....................................................................................................264.2.1 軸承應適當?shù)念A緊 ， 適當?shù)念A緊有助于提高軸承的工作能力 ........274.2.2 預緊與發(fā)熱 ............................................................................................284.3 滾珠絲杠的聯(lián)接 ...........................................................................................304.3.1 同步齒形帶的計算 ................................................................................31第 5 章 電動機的選擇和慣量匹配計算 ...............................................................375.1 最大靜態(tài)切削負載轉矩的計算 ....................................................................375.2 慣量匹配計算 ................................................................................................385.3 最大空載加速轉矩的計算 ............................................................................415.4 系統(tǒng)增益設計 ................................................................................................43第 6 章 導軌的選擇與工作臺型面的確定 .............................................................456.1 導軌的選擇 ...................................................................................................456.1.1 導軌的分類 ............................................................................................456.1.2 導軌的間隙調整機構 ............................................................................486.1.3 貼塑導軌設計 ........................................................................................496.2 工作臺型面的確定 ........................................................................................51第 7 章 機床定位精度驗算 .....................................................................................53結論 ...........................................................................................................................56致謝 ...........................................................................................................................57參考文獻 ...................................................................................................................58附錄 1 ........................................................................................................................60附錄 2 ........................................................................................................................661第 1 章 緒論隨著科學技術的飛速發(fā)展和經濟競爭的日趨激烈，產品更新速度越來越快，復雜形式的零件越來越多，精度要求越來越高，多品種、中小批量生產的比重明顯增加。激烈的市場競爭使產品研制生產周期越來越短。傳統(tǒng)的加工設備和制造方法已難于適應這種多樣化、柔性化與復雜形狀零件的高效高質量加工要求。汽車、拖拉機與家用電器等行業(yè)的產品零件，為了解決高產優(yōu)質的問題，多采用專用的工藝裝備、專用自動化機床或專用的自動生產線和自動化車間進行生產。但是應用這些專用生產設備，生產準備周期長，產品改型不易，因而使新產品的開發(fā)周期增長。在機械產品中，單件與小批量產品占到70%~80%[1]，這類產品一般都采用通用機床加工，當產品改變時，機床與工藝裝備均需作相應的變換和調整。通用機床的自動化程度不高，基本上由人工操作，難于提高生產效率和保證產品質量，特別是一些由曲線、曲面輪廓組成的復雜零件，只能借助靠模和仿形機床，或者借助劃線和樣板用手工操作的方法來加工，加工精度和生產效率受到很大的限制。數(shù)控機床就是為了解決單件、小批量、特別是復雜型面零件加工的自動化并保證質量要求而產生的，它為單件、小批生產的精密復雜零件提供了自動化加工手段。1.1 數(shù)控加工技術科學技術的發(fā)展以及世界先進制造技術的興起和不斷成熟，對數(shù)控加工技術提出了更高的要求；超高速切削、超精密加工等技術的應用，對數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)、伺服性能、主軸驅動、機床結構等提出了更高的性能指標；FMS的迅速發(fā)展和 CIMS 的不斷成熟，將對數(shù)控機床的可靠性、通信功能、人工智能和自適應控制等技術提出更高的要求。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的性能日臻完善，數(shù)控技術的應用領域日益擴大。當今數(shù)控機床正在不斷采用最新技術成就，朝著高速化、高精度化、多功能化、智能化、模塊化、系統(tǒng)化和高可靠性等方向發(fā)展 [2]。1.1.1 數(shù)控機床的產生和發(fā)展數(shù)控機床是在機械制造技術和控制技術的基礎上發(fā)展起來的。1948 年，美國帕森斯公司在研制加工直升機葉片輪廓檢驗樣板的機床時，首先提出了應用電子計算機控制機床來加工樣板曲線的設想。后來受美國空軍委托，帕森斯2公司與麻省理工學院伺服機構研究所合作進行研制工作。1952 年試制成功世界上第一臺三坐標立式銑床。后來，又經過改進并開展自動編程技術的研究，數(shù)控機床于 1955 年進入實用階段，這對于加工復雜曲面的發(fā)展起了重要作用 [3]。我國從 1958 年開始研制數(shù)控機床，在研制與推廣使用數(shù)控機床方面取得了一定成績。近年來，由于引進了國外的數(shù)控系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)的制造技術，使我國數(shù)控機床在品種、數(shù)量和質量方面得到了迅速的發(fā)展。目前，我國已有幾十家機床廠能夠生產不同類型的數(shù)控機床和加工中心。目前，在數(shù)控技術領域中，我國和先進的工業(yè)國家之間還存在著不小的差距，但這種差距正在縮小。隨著工廠、企業(yè)技術改造的深入開展，各行各業(yè)對數(shù)控機床的需求量將會有大幅度的增長，這將有力促進我國數(shù)控機床的發(fā)展。1.1.2 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 [1-3]1. 高精度化現(xiàn)代科學技術的發(fā)展、新材料及新零件的出現(xiàn)，對精密加工技術不斷提出新的要求，提高加工精度，發(fā)展新型超精密加工機床，完善精密加工技術，適應現(xiàn)代科技的發(fā)展，已經成為數(shù)控機床的發(fā)展方向之一。其精度已從微米級到亞微米級，乃至納米級。2.高速化提高生產率是數(shù)控機床追求的基本目標之一。數(shù)控機床高速化可充分發(fā)揮現(xiàn)代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率，降低加工成本，而且還可提高零件的表面加工質量和精度，對制造業(yè)實現(xiàn)高效、優(yōu)質、低成本生產具有廣泛的實用性。3.高柔性化采用柔性自動化設備或系統(tǒng)，是提高加工精度和效率，縮短生產周期，適應市場變化需求和提高競爭力的有效手段。4.高自動化高自動化是指全部加工過程中盡量減少人的介入而自動完成規(guī)定的任務，它包括物料流和信息流的自動化。5.智能化隨著人工智能在計算機領域的不斷滲透與發(fā)展，為適應制造業(yè)生產柔性化、自動化發(fā)展需要，智能化正成為數(shù)控機床及發(fā)展的熱點，它不僅貫穿在生產加工的全過程，還貫穿在產品的售后服務和維修中。6.復合化復合化包含工序復合化和功能復合化。數(shù)控機床的發(fā)展已模糊了粗、精加工工序的概念。加工中心的出現(xiàn)，又把車、銑、鏜等工序集中到一臺機床來3完成，打破了傳統(tǒng)的工序界限和分開加工的工藝規(guī)程，可最大限度地提高設備利用率。7.高可靠性數(shù)控機床的可靠性一直是用戶最關心的。數(shù)控系統(tǒng)將采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)?；虺笠?guī)模的專用及混合式集成電路，以減少元器件的數(shù)量，提高可靠性。8.網(wǎng)絡化為了適應 FMC、FMS 以及進一步聯(lián)網(wǎng)組成 CIMS 的要求，先進的 CNC 系統(tǒng)為用戶提供了強大的聯(lián)網(wǎng)功能，除有 RS232 串行接口、RS422 等接口外，還帶有遠程緩沖功能的 DNC 接口，可實現(xiàn)幾臺數(shù)控機床之間的數(shù)據(jù)通信和直接對幾臺數(shù)控機床進行控制。9.開放式體系結構20 世紀 90 年代以后，計算機技術的飛速發(fā)展推動數(shù)控機床技術更快地更新?lián)Q代，世界上許多數(shù)控系統(tǒng)生產廠家利用 PC 機豐富的軟硬件資源開發(fā)開放式體系結構的新一代數(shù)控系統(tǒng)。1.2 數(shù)控機床的優(yōu)點1.2.1 數(shù)控機床的優(yōu)點1.加工對象改型的適應性強利用數(shù)控機床加工改型零件，只需要重新編制程序就能實現(xiàn)對零件的加工。它不同于傳統(tǒng)的機床，不需要制造、更換許多工具、夾具和檢具，更不需要重新調整機床。2.加工精度高數(shù)控機床是以數(shù)字形式給出指令進行加工的，由于目前數(shù)控裝置的脈沖當量一般達到了 0.001mm，而且進給傳動鏈的反向間隙與絲杠螺距誤差等均可由數(shù)控裝置進行補償，因此，數(shù)控機床能達到比較高的加工精度和質量穩(wěn)定性。3.生產效率高零件加工所需要的時間包括機動時間與輔助時間兩部分。數(shù)控機床能有效的減少這兩部分時間，因而加工生產率比一般機床高的多。數(shù)控機床主軸轉速和進給量的范圍比普通機床的范圍大，每一道工序都能選用最有利的切削用量，良好的結構剛性允許數(shù)控機床進行大切削用量的強力切削，有效地節(jié)省了機動時間。數(shù)控機床移動部件的快速移動和定位均采用了加速與減速措施，由于選用了很高的空行程運動速度，因而消耗在快進、快退和定位的時間要比一4般機床少的多。4.自動化程度高數(shù)控機床對零件的加工是按事先編好的程序自動完成的，操作者除了操作面板、裝拆零件、關鍵工序的中間測量以及觀察機床的運行之外，其他的機床動作直至加工完畢，都是自動連續(xù)完成，勞動強度與緊張程度均大為減輕，勞動條件也得到相應的改善。5.良好的經濟效益使用數(shù)控機床加工零件時，分攤在每個零件上的設備費用是較昂貴的。但在單件、小批量生產情況下，可以節(jié)省工藝裝備費用、減少輔助生產工時、生產管理費用及降低廢品率，因此能夠獲得良好的經濟效益。6.有利于生產管理的現(xiàn)代化用數(shù)控機床加工零件，能準確地計算零件的加工工時，并有效簡化了檢驗和工夾具、半成品的管理工作。這些特點都有利于使生產管理現(xiàn)代化。數(shù)控機床在應用中也有不利的一面，如提高了起始階段的投資，對設備維護的要求高，對操作人員的技術水平要求高等。1.2.2 數(shù)控機床加工零件的特點 [2]數(shù)控機床確實存在一般機床所不具備的許多優(yōu)點，但是這些優(yōu)點都是以一定條件為前提的。數(shù)控機床的應用范圍正在不斷擴大，但它并不能完全代替其他類型的機床，也還不能以最經濟的方式解決機械加工中的所有問題。數(shù)控機床通常最適合加工有以下特點的零件。1.多品種小批量生產的零件數(shù)控機床設備費用高昂，與大批量生產采用的專用機床相比其效率還不夠高。通常，采用數(shù)控機床加工的合理生產批量在 10~200 件之間。目前有向中批量發(fā)展的趨勢。2.結構比較復雜的零件通常數(shù)控機床適宜于加工結構比較復雜、在普通機床上加工需要有昂貴的工藝裝備的零件。3.需要頻繁改型的零件數(shù)控機床節(jié)省了大量的工藝裝備費用，使綜合費用下降。4.價格昂貴、不允許報廢的關鍵零件。5.需要最短生產周期的急需零件推廣數(shù)控機床的最大障礙是設備的初始投資大。由于系統(tǒng)本身的復雜性，又增加了維修費用。如果缺少完善的售后服務，往往不能及時排除設備故障，將會在一定程度上影響機床的利用率，這些因素都會增加綜合生產費用?？紤]到以上所述的種種原因，在決定選用數(shù)控機床加工時，需要進行反5復對比和仔細的經濟分析，以發(fā)揮數(shù)控機床的經濟效益。1.3 設計參數(shù)和方案確定1.3.1 機床主要技術參數(shù)機床的主要技術參數(shù)包括機床的主參數(shù)和基本參數(shù)，基本參數(shù)包括尺寸參數(shù)、運動參數(shù)及動力參數(shù)。機床主參數(shù)反映機床規(guī)格大小和工作范圍，有些機床還規(guī)定有第二主參數(shù)。機床的尺寸參數(shù)是指機床的主要結構的尺寸參數(shù)，通常包括以下尺寸。1）與被加工零件有關的尺寸，如磨床頭架上最大加工直徑。2）標準化工具或夾具的安裝尺寸。運動參數(shù)是指機床執(zhí)行件，如主軸、工作臺和刀架的運動速度。動力參數(shù)包括電動機的功率、液壓缸的牽引力、液壓馬達或步進電機的額定轉矩等。1.3.2 MK1332 數(shù)控外圓磨床設計參數(shù)工作臺最大縱向移動量 1100mm工作臺最大回轉角度 +3°、-4°工作臺最大移動速度 10m/min工件最大回轉直徑 φ320mm工件最大重量 150kg工作臺重量 850kg尾架重量 200kg最大切削受力 1000N最大磨削長度 1000mm中心高 180mm最大砂輪線速度 60m/s1.3.3 MK1332 數(shù)控外圓磨床加工產品的主要精度外圓的粗糙度 ≤0.32aR6縱截面內直徑的一致性 0.008mm圓度 0.0025mm1.3.4 設計方案的確定由于工作臺最大移動速度 10m/min，由此數(shù)據(jù)確定是由開環(huán)伺服系統(tǒng)還是由半閉環(huán)伺服系統(tǒng)進行控制。如采用開環(huán)伺服系統(tǒng)進行控制、機床結構簡單、成本低、工作比較穩(wěn)定、調試方便，但精度不高；如采用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)進行控制，可獲得穩(wěn)定的控制特性，還可以獲得比較滿意的精度和速度。通過市場調研和本次設計的實際情況，數(shù)控磨床工作臺結構設計對加工精度的影響至關重要，而磨床加工精度一般都比較高，故本次設計采用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)進行控制。工作臺有兩種驅動形式：液壓驅動和滾珠絲杠驅動。液壓驅動形式由于使用工作壓力高的油性介質，因此機構輸出力大，機械結構更緊湊，動作平穩(wěn)可靠，易于調節(jié)和噪聲較小，但要配置液壓泵和油箱，當油液滲漏時會污染環(huán)境，易產生爬行現(xiàn)象；而滾珠絲杠驅動可提高系統(tǒng)的靈敏度、定位精度和防止爬行，降低數(shù)控機床進給系統(tǒng)的摩擦并減少靜、動摩擦系數(shù)之差。因此，行程不太長的直線運動機構常用滾珠絲杠螺母副 [2]。它是直線運動與回轉運動相互轉化的新型傳動裝置。它可以消除反向間隙并施加預緊，有助于提高定位精度和剛度。結合已知條件則選用滾珠絲杠驅動。而上工作臺還應能夠進行回轉，以實現(xiàn)磨錐的需要。上工作臺 1 上置有頭架 2 和尾架 4 長度為 L 且被磨削面為圓柱面的工件 3 裝夾在頭尾架之間。在點 A 上以 R 為半徑對該工件施以力P 時，工作臺則能相對軸心 O 回轉 [4][8]。如圖 3—1 所示。1- 上工作臺 2-頭架 3-工件 4-尾架圖 3—1 工作臺回轉機理MK1332 數(shù)控外圓磨床主要用于圓柱類零件、圓錐面和凸輪軸頸的磨削。工作臺導軌采用“V—平”導軌， “V—平”導軌導向精度高，加工裝配也較方便。 “V—平”導軌貼塑，可降低摩擦系數(shù)也可提高使用壽命。通過同步齒形帶將伺服電動機和滾珠絲杠聯(lián)接，傳動精度高，作用在軸和軸承上的載荷小。滾7珠絲杠的支承采用兩端固定，可使絲杠具有最大的剛度。該數(shù)控外圓磨床采用兩軸數(shù)控系統(tǒng)，即砂輪進給、工作臺移動兩軸數(shù)控，尾架采用液壓系統(tǒng)控制，砂輪自動修整和砂輪修整后的自動補償，本機床具有足夠的剛性和抗震性。第 2 章 數(shù)控機床的組成和分類2.1 數(shù)控機床的組成數(shù)控機床一般由控制介質、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、測量反饋裝置和機床主機組成（如圖 2—1 所示） 。機床主機是數(shù)控機床的主體，包括床身、箱體、導軌、主軸、工作臺、進給機構等機械部件。圖 2—1 數(shù)控機床的組成數(shù)控機床主機的結構有下面幾個特點：1）由于采用了高性能的主軸及進給伺服驅動裝置，簡化了數(shù)控機床的機械傳動結構，傳動鏈較短；2）數(shù)控機床的機械結構具有較高的動態(tài)特性，動態(tài)剛度、阻尼精度、耐磨性以及抗熱變形性能，適應連續(xù)自動化加工；3）較多地采用高效傳動件，如滾珠絲杠副、直線滾動導軌、靜壓導軌等。此外，為保證數(shù)控機床功能的充分發(fā)揮，還有一些配套部件（如冷卻、派8屑、防護、潤滑、照明、儲運等一系列裝置）和附屬設備（程編機和對刀儀等等） 。2.2 數(shù)控機床的分類 [3]目前，數(shù)控機床品種齊全，規(guī)格繁多，可從不同角度和按照多種原則進行分類。2.2.1 按工藝用途分類1.金屬切削類數(shù)控機床 這類機床和傳統(tǒng)的通用機床品種一樣，有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜床以及加工中心等。加工中心是帶有自動換刀裝置，在一次裝卡后可以進行多種工序加工的數(shù)控機床。2.金屬成形類數(shù)控機床 如數(shù)控折彎機、數(shù)控彎管機、數(shù)控回轉頭壓力機等。3.數(shù)控特種加工及其他類型數(shù)控機床 如數(shù)控線切割機床、數(shù)控電火花加工機床、數(shù)控激光切割機床、數(shù)控火焰切割機床等。2.2.2 按控制運動方式分類1.點位控制數(shù)控機床 點位控制又稱點到點控制.這類數(shù)控機床的數(shù)控裝置只要求精確地控制一個坐標點到另一個坐標點的定位精度,而不管從一點到另一點是按照什么軌跡運動.在移動過程中不進行任何加工.這類數(shù)控機床主要有數(shù)控鉆床、數(shù)控坐標鏜床、數(shù)控沖剪床和數(shù)控測量機等。2.直線控制數(shù)控機床 直線切削控制又稱平行切控制。這類數(shù)控機床不僅要求具有準確的定位功能，而且還要保證從一點到另一點之間移動的軌跡是一條直線。其路線和移動速度是可以控制的。這類數(shù)控機床包括：數(shù)控車床、數(shù)控鏜銑床、加工中心等。3.輪廓控制數(shù)控機床 輪廓控制又稱為連續(xù)軌跡控制。這類數(shù)控機床的數(shù)控裝置能同時控制兩個或兩個以上坐標軸，并且具有插補功能。對位移和速度進行嚴格的不間斷控制，即可以加工曲線或者曲面零件，如凸輪及葉片等。輪廓控制數(shù)控機床有兩9坐標及兩坐標以上的數(shù)控銑床，可加工曲面的數(shù)控車床、加工中心等。2.2.3 按伺服系統(tǒng)的類型分類根據(jù)有無檢測反饋元件及其檢測裝置，機床的伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)伺服、閉環(huán)伺服和半閉環(huán)伺服。1.開環(huán)伺服數(shù)控機床 這類數(shù)控機床沒有檢測反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號的流程是單向的，其精度主要取決于驅動器件和電機（如步進電機）的性能。工作臺的移動速度和位移量是由輸入脈沖的頻率和脈沖數(shù)決定的。它適用于精度、速度要求不高的場合。2.閉環(huán)控制數(shù)控機床 這類機床數(shù)控裝置中插補器發(fā)出的指令信號與工作臺末端測得的實際位置反饋信號進行比較。根據(jù)其差值不斷控制運動，進行誤差修正，直至差值在誤差允許的范圍內為止。采用閉環(huán)控制的數(shù)控機床可以消除由于傳動部件制造中存在的精度誤差給工件加工帶來的影響，從而得到很高的加工精度。但是，由于很多機械傳動環(huán)節(jié)（尤其是慣量較大的工作臺）包括在閉環(huán)控制的環(huán)路內，各部件的摩擦特性、剛性及間隙等都是非線性量，直接影響伺服系統(tǒng)的調節(jié)參數(shù)，故閉環(huán)系統(tǒng)的設計和調整都有較大的難度，設計和調整的不好，很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。所以，閉環(huán)控制數(shù)控機床主要用于一些精度要求高和速度高的精密大型數(shù)控機床，如鏜銑床、超精車床、超精磨床等。3.半閉環(huán)控制數(shù)控機床 大多數(shù)數(shù)控機床采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，它的檢測元件裝在電機或絲杠的端頭。這種系統(tǒng)的閉環(huán)環(huán)路內不包括機械傳動環(huán)節(jié)，因此，可獲得穩(wěn)定的控制特性。由于采用高分辨率的測量元件（如脈沖編碼器） ，又可以獲得比較滿意的精度和速度。半閉環(huán)系統(tǒng)的控制精度介于開環(huán)與閉環(huán)之間。2.2.4 按照功能水平分類按照功能水平分類，可將數(shù)控機床分為高、中、低檔三類。1.分辨率和進給速度 分辨率為 10μm，進給速度為 8m/min~15m/min 為低檔；分辨率為 1μm，進給速度為 15m/min~24m/min 為中檔；分辨率為 0.1μm，進給速度為15m/min~100m/min 為高檔。2.多坐標聯(lián)動功能 10低檔數(shù)控機床最多聯(lián)動軸數(shù)為 2 軸~3 軸，中、高檔則為 3 軸~5 軸以上。 3.顯示功能 低檔數(shù)控機床一般只有簡單的數(shù)碼管顯示或簡單的 CRT 字符顯示。而中檔的有較齊全的 CRT 顯示，不僅有字符，而且還有圖形、人機對話、自診斷等功能。高檔的還有三維動態(tài)圖形顯示。4.通信功能 低檔數(shù)控機床無通信功能。中檔數(shù)控機床有 RS232 或 DNC 接口。5.主 CPU 低檔數(shù)控機床一般采用 8 位 CPU，中、高檔的已經由 16 位 CPU 發(fā)展的 32位、64 位 CPU，并具有精簡指令集的 RISC 中央處理單元。此外，進給伺服水平以及 PC 功能也是衡量數(shù)控檔次的標準。第 3 章 進給系統(tǒng)設計數(shù)控機床的進給系統(tǒng)與普通機床不同。數(shù)控機床的進給指令，來自數(shù)控系統(tǒng)，經進給電動機和驅動機構，使執(zhí)行部件如刀架、工作臺、主軸箱等按程序的規(guī)定運動。半閉環(huán)控制系統(tǒng)原理（如圖 3—1 所示）為數(shù)控裝置 1 發(fā)出的指令脈沖經伺服系統(tǒng) 2、伺服電動機 3 帶動執(zhí)行部件（工作臺）4，按程序運動。反饋信號發(fā)生器 5 發(fā)出反饋信號并送至伺服系統(tǒng)與數(shù)控裝置發(fā)來的指令相比較，檢查指令是否被正確的執(zhí)行。半閉環(huán)系統(tǒng)的反饋裝置裝在伺服電動機或絲杠上不能糾正絲杠的誤差以及受載后絲杠、軸承等的變形，因而精度比全閉環(huán)要低一些。111-數(shù)控裝置 2-伺服系統(tǒng) 3-伺服電動機 4-執(zhí)行部件 5-反饋信號發(fā)生器圖 3—1 半閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖3.1 工作臺機構傳動設計工作臺機構傳動系統(tǒng)采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，伺服電動機通過同步齒形帶與絲杠聯(lián)接。絲杠的最高轉速 的確定，其與使用要求，如機床工作臺的工maxN作進給速度和快進速度相關。工作臺要求的最高速度 10m/min。伺服電maxv?動機通過帶輪與絲杠聯(lián)接，轉速可由下式計算：(r/min)maxax10spvnh?式中 —— 工作臺快進速度（m/min） ；maxv—— 絲杠導程（mm） 。sph絲杠的導程通常是標準值，從經濟上考慮，應根據(jù)廠家提供的產品樣本中選取 [20]。由文獻[20]選取絲杠的導程為 5mm，則由（r/min）maxax100125spvnh???絲杠的最高轉速 r/min。要求定位精度為 0.012/300mm，絲杠ax2d的“任意 300mm 行程內的行程變動量 ”取為定位精度的 1/3～1/2，即30v0.004～0.006mm。1 級精度的滾珠絲杠 =0.006mm，故應取一級精度。根據(jù)12精度要求，脈沖當量可定為 a=0.001mm/脈沖，電動機每轉發(fā)出的脈沖數(shù) b 應為 510.sphbia???式中 —— 傳動比。i脈沖編碼器有每轉 2000、2500、5000 脈沖等數(shù)種。選取每轉 5000 脈沖的編碼器。3.2 滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠螺母副是直線運動與回轉運動能相互轉換的新型傳動裝置。3.2.1 工作原理與特點 滾珠絲杠螺母副在絲杠和螺母上都有半圓弧行的螺旋槽，當將它們套狀在一起時便構成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有滾珠回路管道，在螺母上的進出口將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來，構成了封閉的循環(huán)滾道，并在滾道內裝滿滾珠。當絲杠旋轉時，滾珠在滾道內部既自轉有沿滾道循環(huán)轉動。因此迫使螺母（或絲杠）軸向移動。由于滾珠絲杠螺母副中是滾動摩擦，它有以下特點：1.傳動效率高，摩擦損失小 由文獻[21]中知道滾珠絲杠螺母副的傳動效率為： tan()?????式中 —— 螺旋線升角（ ） ；??—— 摩擦角（非常小，滾珠絲杠約為 左右） 。?10?2.給予適當?shù)念A緊，可消除絲杠和螺母螺紋間隙 適當預緊后的滾珠絲杠副，可消除螺紋間隙，這樣反向時就可以沒有空程死區(qū)，反向定位精度高。3.運動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高 滾珠絲杠副基本是滾動摩擦，摩擦阻力小， 摩擦阻力的大小幾乎與運動速度完全無關。4.有可逆性 即絲杠和螺母都可作為從動件。5.磨損小，使用壽命長。136.制造工藝復雜 其加工精度要求高，表面粗糙度值要求低，一般都要求磨削成型，故制造成本高。7.不能自鎖 特別是垂直安裝的絲杠，由于自身質量的慣性力的作用，下降時當傳動切斷后，不能立即停止運動，故常需要添加制動裝置。3.2.2 滾珠絲杠螺母副的循環(huán)方式 滾珠絲杠螺母副常用的循環(huán)方式有兩種：一種是滾珠在循環(huán)過程中有時與絲杠脫離的稱為外循環(huán)；另一種是滾珠始終與絲杠保持接觸的稱為內循環(huán)。1.外循環(huán) 外循環(huán)的回珠器有插管式和螺旋槽式兩種。外循環(huán)結構制造工藝簡單，使用較廣泛。其缺點是滾道接縫處很難做得平滑，影響滾珠滾動的平穩(wěn)性，甚至發(fā)生卡珠現(xiàn)象，噪聲也較大。2.內循環(huán) 內循環(huán)均采用反向器實現(xiàn)滾珠循環(huán)，反向器有兩種形式。有圓柱凸鍵反向器和腰形嵌塊式反向器（亦稱扁圓鑲塊反向器） 。這種反向器的外廓和螺母上的切槽尺寸精度要求都較高。3.2.3 滾珠絲杠副的軸向間隙消除和預加載荷 滾珠絲杠螺母副的軸向間隙消除主要有以下幾種：1）墊片消隙式 2）螺紋消隙式 3）齒差消隙式三種。第一種調整結構簡單、剛性好、精度適中，故目前在數(shù)控機床上應用較廣。預加載荷可以提高定位精度和軸向剛度。3.3 滾珠絲杠副的精度3.3.1 滾珠絲杠當量動載荷的計算數(shù)控機床進給機構用的是定位（p）類滾珠絲杠副 [7]。精度主要采用 1 級或 2 級。絲杠精度可按“任意 300mm 行程內行程變動量 ”選擇，這項公差30v1 級為 6μm；2 級為 8μm。滾珠絲杠的長度是受到精度的限制的 [20]。半閉環(huán)系統(tǒng)滾珠絲杠副的精度，主要根據(jù)要求的機床定位精度選擇。定位14精度由下列幾部分誤差組成：滾珠絲杠副制造的誤差和由于載荷和溫度的作用，絲杠、軸承、聯(lián)軸節(jié)和伺服系統(tǒng)的誤差。在初步設計時，可假定絲杠的累積誤差約占機床定位誤差的 1/3～1/2，據(jù)此初選絲杠的精度，以后再進行驗算并修改。滾珠絲杠應根據(jù)其額定動載荷選用。一批相同的滾珠絲杠副，在軸向載荷的作用下，運轉 轉后 90%不產生疲勞點蝕，則 稱為這種規(guī)格絲杠副Ca610Ca的額定動載荷。各種規(guī)格的滾珠絲杠，其額定動載荷 可從樣本或手冊中查得，計算的原理與計算滾動軸承相同。滾珠絲杠的當量動載荷 為 [5][14]Cm3waFLf?（N） （3—1）所選的滾珠絲杠副，其額定動載荷 不得小于此值，即?式中 —— 軸向平均載荷(N)；mF在“載荷—時間”變化規(guī)律不明時，（N ）maxin23F??、 —— 絲杠的最大、最小工作載荷（N） ；maxFin—— 工作壽命（ ） ；L610r?64(10)mnhLr??—— 平均轉速（r/min） ；mnmaxin2n?、 —— 絲杠的最高、最低轉速（r/min） ；maxnin—— 工作壽命。 一般機床可取 =10000h、數(shù)控機床可取hhh=15000h?！?精度系數(shù)。1、2、3 級精度絲杠， =1；4、5 級精度絲杠，af af=0.9。af—— 運轉狀態(tài)系數(shù)。無沖擊時取 1～1.2；一般情況取 1.2～1.5；有wf15沖擊振動時取 1.5～2.5；絲杠的最大載荷為最大進給力加摩擦力；最小載荷即摩擦力。工作臺質量加頭、尾架質量 加工件最大質量 為：1M23M(kg)max123850210?????由文獻[20]查得直線導軌的摩擦系數(shù)為 0.04；故摩擦力in.497.fF?（N）靜載荷最大軸向力可近似取最大加工受力： Nmax10wF?最大載荷： (N) max1047.1.4wf??平均載荷： (N)min23.F因為工作臺最大移動速度為 10m/min，絲杠導程為 5mm，可知絲杠最高轉速為 2000r/min，絲杠最低轉速為電動機最低轉速近似為 0。平均轉速： (r/min)maxin201n???所以， 6 664405(1) 9(1)hLrrr???把上述參數(shù)代入式（3—1）得： 337.190.2mwaFLfC?(KN)3.3.2 滾珠絲杠的選取和極限轉速的計算滾珠絲杠副的極限轉速主要是指滾珠絲杠副在高速運轉時，避免產生共振現(xiàn)象，使?jié)L珠絲杠副在正常運轉時的最高轉速。（r/min）7210spcdnfL??式中 —— 極限轉速（r/min） ；cn—— 絲杠支承間距（mm） ；L—— 與支承方法有關的臨界轉速系數(shù)；f16設計過程中為了提高絲杠的剛度，選用兩端固定的支承形式，由表 3—1可知 =21.9；由工作臺最大縱向移動量可初步確定絲杠支承間距約為f1400mm。表 3—1 臨界轉速系數(shù) f1.根據(jù)軸向壓力選取絲杠直徑（3—2）124()0aspLFdm??N； =1.4m,將 、 值代入式（3—2）中，得10aFw?Lf=10.9156(mm)，故取 ≥11mm。spdspd2.最大轉矩限制 max0And?式中 A —— 確定最大轉速的常數(shù)，取 50000～70000；d0 —— 絲杠名義直徑（mm） 。又由 maxspvnh?式中 —— 工作臺快進速度（m/s） ；maxv—— 滾珠絲杠的導程（m） 。sph(r/min)max102.5spvnh??支承形式雙推——雙推 21.9雙推——支承 15.1單推——單推 9.7雙推——自由 3.417(mm)0max50725~3Adn???:3.臨界轉速限制由式 （3—3）2710cspnLdf??由 r/min≤ ；max20n?cN將 =1400mm， =21.9（見表 3—1）代入（3—3）得：Lf(mm)7.9spd?4.選擇絲杠直徑由上面計算結果得KN1.2mC?N470.amm1spdmm(25~3)s?mm17.9spd?根據(jù)以上數(shù)據(jù)，從文獻[20]中選擇滾珠絲杠型號為 BNFN3205-5 雙螺母預壓型滾珠絲杠副，其參數(shù)如下：公稱直徑： 32mm滾珠直徑： 3.55mm導 程： 5mm循環(huán)列數(shù)： 2圈 數(shù)： 2.5絲杠內徑： 29.2mm絲杠外徑： 32mm額定動載荷： 18.5KN 18額定靜載荷： 56.4KN 軸向剛度： 1110N/μm額定動載荷為 18.5KN 大于計算結果 11.2KN，預緊力為額定動負荷的10﹪，則 KN，只要軸向外載荷不超過 的三倍，0.1.851.pmFC???pF就不必對預緊力提出額外要求 [8]，今最大外載荷為 1470.4N，小于此值，故不必對預緊力提出額外的要求。（r/min）77229.1010364spcdnfL??因為工作臺最大移動速度為 10m/min，絲杠導程為 5mm，可知絲杠最高轉速為2000r/min﹤ =3263（r/min）,故符合要求。c3.3.3 滾珠絲杠副效率計算由文獻[21]中知道絲杠螺母副的傳動效率為： tan()?????螺旋升角 sprctrct5213.4hd??????傳動效率 an2109t()??????3.3.4 滾珠絲杠副剛度驗算滾珠絲杠受工作負載引起的導程 的變化值 [7]sphsph?maxssFEA???式中 —— 絲趕導程（cm） ；sph—— 彈性模量（N/cm） ， ；E72.10?—— 螺紋小徑處的截面積（ ） ， ； Ac2()d??d 由上述可知為 29.2mm；19(cm2)229.()3.14()6.dA????(cm)max 7sp 70.5.410.spFhE??????滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量 很小,可以忽略。所以sph?(μm)10.26.sp??查文獻[20]可知 1 級精度滾珠絲杠的允差為 6μm,故剛度足夠。在機床工作臺加速與磨削加工過程中，在軸向方向會產生力，必須保證這個力小于允許的壓彎臨界載荷 ，否則可能導致進給絲杠彎曲。aF壓彎臨界載荷 可用下式計算：a(N)410spamdL??式中 —— 絲杠底徑（mm） ；spd—— 絲杠支承間距（mm） ；L—— 與絲杠支承方法有關的臨界載荷系數(shù)， =20.3mm（見表 3—2） 。表 3—2 臨界載荷系數(shù)(N)4420.397.53101aF??而 (N)，遠小于此值。max1470.F?支承形式雙推——雙推 20.3雙推——支承 10.2單推——單推 5.1雙推——自由 1.320第 4 章 滾珠絲杠的支承為了滿足高精度、高剛度進給系統(tǒng)的需要，除了應采用高精度、高剛度的滾珠絲杠副外，還必須充分重視支承的設計。注意選用軸向剛度高，摩擦力矩小，運轉精度高的軸承，選用合適的支承形式，并保證支承座有足夠的剛度[15]。4.1 軸端支承形式的選擇4.1.1