【0209】9三坐標數(shù)控磨床設(shè)計,0209,坐標,數(shù)控,磨床,設(shè)計 第 1 頁 中文摘要 本次設(shè)計為三坐標數(shù)控磨床，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，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 該機床也能夠?qū)ζ渌恍┕ぞ吡慵M行表面加工。 所設(shè)計的三坐標數(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。三個坐標方向的移動均由交流伺服電機帶動絲杠驅(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，達到所要求 的高精度。三個方向通過速度反饋和位置反饋實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)。主軸電機采用交流電 機，由變頻器對其進行無級調(diào)速。所有電機均有單片機進行控制。 此設(shè)計主要對數(shù)控磨床的機構(gòu)進行設(shè)計，了解單片機的工作原理，主要有以 下幾個方面：X、Y 工作臺的傳動機構(gòu)設(shè)計，主要是滾珠絲杠的運用；伺服系統(tǒng)應(yīng) 用開環(huán)控制，了解它的工作原理；機床整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，了解優(yōu)缺點，充分考慮主 要矛盾，擇優(yōu)選取；數(shù)控裝置的設(shè)計，了解其控制原理。 設(shè)計中充分考慮經(jīng)濟性、工藝性、適用性等要求，選擇最好的方案，以達到 最佳的效果。 關(guān)鍵詞：數(shù)控 三坐標 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 .............................................................................................................................1 1.1 數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展 ..................................................................................................1 1.2 何謂數(shù)控機床 .................................................................................................................1 1.3 數(shù)控機床的應(yīng)用范圍 .....................................................................................................1 1.4 數(shù)控機床的基本組成 .....................................................................................................2 1.5 數(shù)控機床的分類 .............................................................................................................2 1.6 數(shù)控機床的工作過程 .....................................................................................................2 1.7 數(shù)控機床的特點 ........................................................................................................2 1.8 磨削概論 .........................................................................................................................2 1.9 三坐標數(shù)控磨床 ............................................................................................................3 第二章 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 .............................................................................................................6 2.1 提高機床的結(jié)構(gòu)剛度的設(shè)計 ..........................................................................................6 2.2 提高機床的抗振性的措施 ..............................................................................................7 2.3 提高機床靈敏度 ..............................................................................................................7 第三章 進給伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 ...............................................................................................8 3.1 進給伺服系統(tǒng)的作用 .....................................................................................................8 3.2 進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計要求 .............................................................................................8 3.2.1 對進給伺服系統(tǒng)的基本要求 ....................................................................................8 3.2.2 進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計要求 .......................................................................................9 3.3 進給伺服系統(tǒng)的組成 ......................................................................................................9 3.4 進給伺服系統(tǒng)的分類 ....................................................................................................9 3.5 給伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 ............................................................................................10 3.5.1 數(shù)控機床的位置調(diào)節(jié)系統(tǒng) ...................................................................................10 3.5.2 進給伺服系統(tǒng)的數(shù)字模型 ...................................................................................10 3.6 進給伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性及伺服性能分析 .......................................................10 3.6.1 時間響應(yīng)性 ...........................................................................................................10 3.6.2 頻率響應(yīng)特性 .......................................................................................................11 3.6.3 穩(wěn)定性分析 ...........................................................................................................11 3.6.4 快速性分析 ...........................................................................................................11 3.6.5 伺服精度 ...............................................................................................................11 3.7 驅(qū)動元件的設(shè)計 ...........................................................................................................12 3.7.1. 選用伺服電動機 .................................................................................................12 3.7.2 選用交流伺服電機 ................................................................................................12 3.8 機械傳動部件的設(shè)計 ...................................................................................................14 第四章 床身與導(dǎo)軌 ...............................................................................................................20 4.1 床身設(shè)計 .......................................................................................................................20 4.1.1 床身結(jié)構(gòu)的基本要求 ...........................................................................................20 4.1.2 床身的結(jié)構(gòu) ...........................................................................................................20 4.1.3 床身的截面形狀 ...................................................................................................20 4.1.4 鋼板焊接結(jié)構(gòu) ........................................................................................................21 第 4 頁 4.1.5 箱體封沙結(jié)構(gòu) ........................................................................................................21 4.2 導(dǎo)軌設(shè)計 ........................................................................................................................21 4.2.1 對導(dǎo)軌的要求 ........................................................................................................21 4.2.2 滑動導(dǎo)軌 .............................................................................................................21 4.2.3 貼塑滑動導(dǎo)軌 .......................................................................................................21 4.2.4 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu) ...............................................................................................................22 4.2.5 導(dǎo)軌設(shè)計 ...............................................................................................................22 4.2.6 導(dǎo)軌的材料 ............................................................................................................22 第五章 主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 .............................................................................................23 5.1 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計要求 ................................................................................................23 5.2 主傳動變速系統(tǒng)的設(shè)計 ................................................................................................23 5.3 主軸組件設(shè)計 ................................................................................................................23 5.3.1 對主軸組件的性能要求 .......................................................................................23 5.3.2 主軸組件的組成和軸承選型 ...............................................................................24 5.3.3 主軸組件的技術(shù)要求 ...........................................................................................25 5.3.4 主軸組件的動態(tài)特性 ............................................................................................26 5.3.5 主軸軸承的潤滑 ...................................................................................................26 5.4 選擇主軸電機 ................................................................................................................27 5.5 高速帶的設(shè)計計算 .......................................................................................................29 第六章 控制系統(tǒng)設(shè)計 ...........................................................................................................31 6.1 確定硬件電路的總體方案 ...........................................................................................31 6.2 主控制器 CPU 的選擇 ...................................................................................................31 6.3 存儲器擴展電路設(shè)計 ...................................................................................................31 6.4 I/O 口擴展電路設(shè)計 ....................................................................................................32 6.5 交流伺服電機驅(qū)動電路 ...............................................................................................32 6.6 主軸電機驅(qū)動電路 .......................................................................................................32 6.7 越界報警 .......................................................................................................................32 程 序 .........................................................................................................................................33 設(shè) 計 小 結(jié) .............................................................................................................................36 參考文獻 ...................................................................................................................................37 第 1 頁 第一章 概論 設(shè)計任務(wù)書 1、三坐標數(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 420×300mm 2、課題內(nèi)容及工作量 （1） 三坐標數(shù)控磨床總體布置圖 Ao 1 張 （2） X-Y 工作臺裝配圖（機構(gòu)圖）Ao1 張 （3） 磨頭機構(gòu)裝配圖 Ao1 張 （4） 單片機控制原理圖 Ao1 張 （5） 設(shè)計說明書 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：所有的尺寸均由計算機繪制 1.1 數(shù)控機床的產(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(shù)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(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。 1.2 何謂數(shù)控機床 數(shù)控機床是一種綜合應(yīng)用了微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制、精密測量和 機床結(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床，是一種典型的機電 一體化產(chǎn)品。它是機械加工自動化的核心設(shè)備。 第 2 頁 1.3 數(shù)控機床的應(yīng)用范圍 數(shù)控機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行多種加 工的零；幾何形狀復(fù)雜的零件；切削余量大的零件；必須控制公差（即公差范圍?。?的零件；工藝設(shè)計經(jīng)常變化的零件；加工過程中的錯誤會造成嚴重浪費的貴重零件； 需要全部檢測的零件。 1.4 數(shù)控機床的基本組成 如圖所示： 1.5 數(shù)控機床的分類 1. 按工藝用途分類：數(shù)控磨床、數(shù)控銑床、數(shù)控折彎機等 2. 按控制類型的方式分類： 點位控制數(shù)控機床（如：數(shù)控鉆床、數(shù)控坐標銑床） ；直線控制數(shù)控機床 （如：數(shù)控車床、加工中心） ；輪廓控制數(shù)控機床（如： 數(shù)控磨床） 3. 伺服系統(tǒng)的類型分類：開環(huán)數(shù)控機床、閉環(huán)數(shù)控機床、半閉環(huán)數(shù)控機床 次設(shè)計的三坐標數(shù)控磨床屬于金屬切削類，半閉環(huán)輪廓控制的數(shù)控機床。 1.6 數(shù)控機床的工作過程 在上述工作過程中，要求數(shù)控機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、計算機輔助編程三種方法） ，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)和機床自動進行的。 1.7 數(shù)控機床的特點 數(shù)控機床作為一種高自動化、高柔性的加工設(shè)備，具有以下特點： （1） 適應(yīng)范圍廣 （2）生產(chǎn)準備周期短（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)的磨具進行加工的過程，是機械加工的重要方法。從當 第 3 頁 前掌握的先進技術(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：（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 三坐標數(shù)控磨床 本次設(shè)計的三坐標數(shù)控磨床主要是對總體結(jié)構(gòu)、工作臺、主軸箱等的機械 部分的設(shè)計，以及整機電氣控制部分的設(shè)計。機械部分如下： 1 主要用途和適用范圍 三坐標數(shù)控磨床是三軸聯(lián)動的經(jīng)濟型數(shù)控機床. 利用三軸聯(lián)動來形成砂輪與工 件的相對運動，通過更換不同的砂輪來達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。因為通過數(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 350mm X、Y、Z 軸快速移動速度 都為 10r/min X、Y、Z 電機 70SL5A2 交流伺服電機 主軸轉(zhuǎn)速級數(shù) 無級調(diào)速 主軸轉(zhuǎn)速范圍 （3980～14920）r/min 主電機功率 7.0kw 主軸交流電機 1HP6103-4CG4 機床外形尺寸 1792mm×1308mm×2018mm 3 機床的主要結(jié)構(gòu) 機床主要有工作臺、主軸箱、立柱、電氣柜、CNC 系統(tǒng)等組成。 ● 工作臺 工作臺的 X、Y 向進給是由交流伺服電機通過十字滑塊聯(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。 ●主軸箱(參看下圖) 主軸部件有主軸、刀具的自動夾緊松開機構(gòu)、前后軸承等組成。 動力由電機軸經(jīng)一級帶傳動給主軸，通過調(diào)整電壓調(diào)整伺服電機的轉(zhuǎn)速，從而 實現(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。當需要松開刀柄時，液壓缸的上 腔進油，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。 活塞桿孔的上端接有壓縮空氣。刀具從主軸中拔出后，壓縮空氣通過活塞桿和拉 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。 ●立柱 立柱用于實現(xiàn)主軸箱的垂直移動和支撐。固定在立柱上端的電機直接傳動絲杠， 可使主軸箱垂直移動。 4 機床的傳動系統(tǒng) 1.主傳動圖及說明 主傳動圖參看傳動系統(tǒng)圖。主運動由主運動電機，經(jīng)一級高速帶傳到主軸，并 通過調(diào)節(jié)電機的控制電壓獲得各級轉(zhuǎn)速，主軸轉(zhuǎn)速為（3980～14920）r/min。實現(xiàn) 第 5 頁 無級調(diào)速。 2.進給傳動圖及說明 進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給伺服系統(tǒng)。 電壓調(diào)速交流伺服電機直接帶動滾珠絲杠，功率都為 1.4kw，無級調(diào)速。三個軸的 進給速度均為 1～400mm/min。快移速度都為 10m/min。三個伺服電機分別由數(shù)控指 令通過計算機控制，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 該磨床的總體設(shè)計包括:系統(tǒng)設(shè)計(包含數(shù)控裝置的功能設(shè)計、元件和部件設(shè)計,程 序段格式設(shè)計及系統(tǒng)的總體設(shè)計);邏輯設(shè)計(包含運算器設(shè)計、控制器設(shè)計及電路 設(shè)計);機床主機的結(jié)構(gòu)設(shè)計.本次設(shè)計主要對總體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計. 數(shù)控機床的功能設(shè)計和普通機床有著很大的差別.對數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求 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) 具有實現(xiàn)輔助操作自動化的結(jié)構(gòu)部件。 2.1 提高機床的結(jié)構(gòu)剛度的設(shè)計 機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。 機床在切削過程當中，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。為了使機床達到高 大結(jié)構(gòu)剛度，獲得符合要求的工件，進行如下結(jié)構(gòu)設(shè)計： 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。 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 三坐標數(shù)控磨床設(shè)計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， 這相當于提高了機床的剛度。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 提高機床的抗振性的措施 機床在加工時可能產(chǎn)生兩種形態(tài)的振動：強迫振動和自激振動。機床的抗振 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） 減少機床的內(nèi)部振源 機床高速旋轉(zhuǎn)主軸、帶輪均應(yīng)進行平衡；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)運動件的重量，以減小 可能的激振力，裝在機床上的電機需隔振安裝。 （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)計時應(yīng)強調(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 提高機床靈敏度 該三坐標數(shù)控磨床通過數(shù)字信息來控制刀具與工件的相對運動，它要求在相 當大的進給速度范圍內(nèi)都能達到較高的精度，因而運動部件應(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驅(qū)動，經(jīng)滾珠絲杠傳動，減少了進給系統(tǒng)所需要 的驅(qū)動扭矩，提高了運動精度和運動平穩(wěn)性。 第 8 頁 第三章 進給伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1 進給伺服系統(tǒng)的作用 伺服系統(tǒng)接受數(shù)控裝置發(fā)出的進給脈沖或進給位移量，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，使工作臺進行精確的定位 或按照規(guī)定的軌跡作嚴格的相對運動，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)控機床的加工精度、加工表面質(zhì)量、生產(chǎn)率和機床的可 靠性的關(guān)鍵之一。 3.2 進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計要求 3.2.1 對進給伺服系統(tǒng)的基本要求 帶有數(shù)字調(diào)節(jié)的進給驅(qū)動系統(tǒng)都屬于伺服系統(tǒng)。進給伺服系統(tǒng)不僅是數(shù)控機 床的一個重要組成部分，也是數(shù)控機床區(qū)別與一般機床的一個特殊部分。數(shù)控機床 對進給系統(tǒng)的性能指標可歸納為：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。 適當選擇系統(tǒng)的機械參數(shù)（主要有阻尼、剛度、諧振頻率和失動量等）和電氣參數(shù)， 并使它們達到最佳區(qū)配，是進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計的目標之一。 2. 精度 所謂進給伺服系統(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到另一點時，指令值與實際移動距離的最大差值。重 復(fù)定位誤差是指工作臺進行一次循環(huán)動作之后，回到初始位置的偏差值。輪廓跟隨 誤差是指多坐標連動時，實際運動軌跡與給定運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)，甚至會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此，應(yīng)適當選擇快速響 應(yīng)特性。 該三坐標數(shù)控磨床是輪廓控制的機床，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動坐標伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的一致性。該三坐標數(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 進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計要求 機床的位置調(diào)節(jié)對進給伺服系統(tǒng)提出很高的要求。其中在靜態(tài)設(shè)計方面有： 1. 能夠克服摩擦力和負載： （1）很小的進給位移量； （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） 負載引起的軌跡誤差盡可能的?。?4. 機械傳動部件的設(shè)計要求有： (1) 被加速的運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 進給伺服系統(tǒng)的組成 3.4 進給伺服系統(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)誤差進行自動 補償，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 求進給精度為 0.001mm，為了滿足設(shè)計要求，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 之內(nèi)為止。采用閉環(huán)系統(tǒng)控制可以消除由于運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)控機床的位置調(diào)節(jié)系統(tǒng) 數(shù)控機床的位置調(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)器的功能可用計算機完成,從而構(gòu)成一個數(shù)字位置 調(diào)節(jié)系統(tǒng)。進給驅(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的輸出。 從電機的輸出經(jīng)過機械傳動到執(zhí)行件（工作臺）稱為機械傳動部件。 3.5.2 進給伺服系統(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。 機床的數(shù)字調(diào)節(jié)系統(tǒng)是由計算機作為調(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，可充分利用計算機的快速運算功能和存儲 功能，使進給伺服系統(tǒng)始終處于最佳工作狀態(tài)。另外，由于計算機作為調(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(yīng)過程（或叫過度過程） 。穩(wěn)定響應(yīng)是指當時間 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，所以只能由實驗方 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?？捎深l 率響應(yīng)數(shù)據(jù)擬合成傳遞函數(shù)而建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 3.6.3 穩(wěn)定性分析 對控制系統(tǒng)的基本要求是工作的穩(wěn)定性。只有工作穩(wěn)定才能進一步討論其他性 能指標。系統(tǒng)的穩(wěn)定受多種因素的影響，其中包括機械傳動部件的慣性、阻尼、剛 性和傳動比。為考察機械傳動部件的參數(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、間接評價法和計算機模擬法等。 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 算機模擬法十分簡便，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)計中被 廣泛地采用。 對于線性進給伺服系統(tǒng)，由于它包括各種電路、機電轉(zhuǎn)換裝置和機械傳動機構(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） ，國外文獻對機械 傳動部件提出很高的諧振頻率，但對這些數(shù)據(jù)并沒有進行理論分析。有的文獻認為： 在電氣伺服系統(tǒng)中，可控硅電源以及支流馬達特性引起的諧振是對伺服系統(tǒng)性能起 限制作用的因素。但實際上機械傳動部件不是剛性，往往達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.