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I MK1332 數(shù)控外圓磨床工作臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 摘 要 隨著制造業(yè)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的加工設(shè)備已無法承擔加工高精度、復(fù)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(nèi)高 50%~60%，結(jié)合市場調(diào)研和畢業(yè)設(shè)計 的實際，進行磨床工作臺結(jié)構(gòu)設(shè)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(dǎo)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(zhì)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(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量， 使系統(tǒng)有更快的響應(yīng)特性。本機床對提高加工質(zhì)量和效率、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期 有積極的意義。 關(guān)鍵詞 數(shù)控磨床 工作臺 滾珠絲杠 貼塑導(dǎo)軌 II Abstract Along 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 ..........................................................................................................................I Abstract.....................................................................................................................II 第 1 章 緒論 .............................................................................................................1 1.1 數(shù)控加工技術(shù) ..................................................................................................1 1.1.1 數(shù)控機床的產(chǎn)生和發(fā)展 ..........................................................................2 1.1.2 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 ..............................................................................3 1.2 數(shù)控機床的優(yōu)點 ..............................................................................................4 1.2.1 數(shù)控機床的優(yōu)點 ....................................................................................4 1.2.2 數(shù)控機床加工零件的特點 ....................................................................5 1.3 設(shè)計參數(shù)和方案確定 ......................................................................................6 1.3.1 機床主要技術(shù)參數(shù) ..................................................................................6 1.3.2 MK1332 數(shù)控外圓磨床設(shè)計參數(shù) ................................................................6 1.3.3 MK1332 數(shù)控外圓磨床加工產(chǎn)品的主要精度 .......................................7 1.3.4 設(shè)計方案的確定 ....................................................................................7 第 2 章 數(shù)控機床的組成和分類 ...............................................................................9 2.1 數(shù)控機床的組成 .............................................................................................9 2.2 數(shù)控機床的分類 .............................................................................................9 2.2.1 按工藝用途分類 ..................................................................................10 2.2.2 按控制運動方式分類 ..........................................................................10 2.2.3 按伺服系統(tǒng)的類型分類 ......................................................................11 2.2.4 按照功能水平分類 ..............................................................................11 第 3 章 進給系統(tǒng)設(shè)計 .............................................................................................13 3.1 工作臺機構(gòu)傳動設(shè)計 ...................................................................................13 3.2 滾珠絲杠螺母副 ...........................................................................................14 3.2.1 工作原理與特點 ..................................................................................15 3.2.2 滾珠絲杠螺母副的循環(huán)方式 ..............................................................16 3.2.3 滾珠絲杠副的軸向間隙消除和預(yù)加載荷 ..........................................16 3.3 滾珠絲杠副的精度 .......................................................................................16 3.3.1 滾珠絲杠當量動載荷的計算 ..............................................................16 3.3.2 滾珠絲杠的選取和極限轉(zhuǎn)速的計算 ..................................................19 3.3.3 滾珠絲杠副效率計算 ..........................................................................22 3.3.4 滾珠絲杠副剛度驗算 ..........................................................................22 第 4 章 滾珠絲杠的支承 .......................................................................................24 4.1 軸端支承形式的選擇 ....................................................................................24 4.1.1 滾珠絲杠軸端支承形式的選擇 .............................................................24 4.1.2 滾珠絲杠對軸承的要求 ........................................................................25 4.1.3 軸承的組配方式 ....................................................................................25 4.2 軸承預(yù)緊力 ....................................................................................................26 4.2.1 軸承應(yīng)適當?shù)念A(yù)緊 ， 適當?shù)念A(yù)緊有助于提高軸承的工作能力 ........27 4.2.2 預(yù)緊與發(fā)熱 ............................................................................................28 4.3 滾珠絲杠的聯(lián)接 ...........................................................................................30 4.3.1 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 ...............................................................37 5.1 最大靜態(tài)切削負載轉(zhuǎn)矩的計算 ....................................................................37 5.2 慣量匹配計算 ................................................................................................38 5.3 最大空載加速轉(zhuǎn)矩的計算 ............................................................................41 5.4 系統(tǒng)增益設(shè)計 ................................................................................................43 第 6 章 導(dǎo)軌的選擇與工作臺型面的確定 .............................................................45 6.1 導(dǎo)軌的選擇 ...................................................................................................45 6.1.1 導(dǎo)軌的分類 ............................................................................................45 6.1.2 導(dǎo)軌的間隙調(diào)整機構(gòu) ............................................................................48 6.1.3 貼塑導(dǎo)軌設(shè)計 ........................................................................................49 6.2 工作臺型面的確定 ........................................................................................51 第 7 章 機床定位精度驗算 .....................................................................................53 結(jié)論 ...........................................................................................................................56 致謝 ...........................................................................................................................57 參考文獻 ...................................................................................................................58 附錄 1 ........................................................................................................................60 附錄 2 ........................................................................................................................66 1 第 1 章 緒論 隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展和經(jīng)濟競爭的日趨激烈，產(chǎn)品更新速度越來越 快，復(fù)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(chǎn)的 比重明顯增加。激烈的市場競爭使產(chǎn)品研制生產(chǎn)周期越來越短。傳統(tǒng)的加工設(shè) 備和制造方法已難于適應(yīng)這種多樣化、柔性化與復(fù)雜形狀零件的高效高質(zhì)量加 工要求。汽車、拖拉機與家用電器等行業(yè)的產(chǎn)品零件，為了解決高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的問 題，多采用專用的工藝裝備、專用自動化機床或?qū)Ｓ玫淖詣由a(chǎn)線和自動化車 間進行生產(chǎn)。但是應(yīng)用這些專用生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)準備周期長，產(chǎn)品改型不易， 因而使新產(chǎn)品的開發(fā)周期增長。在機械產(chǎn)品中，單件與小批量產(chǎn)品占到 70%~80%[1]，這類產(chǎn)品一般都采用通用機床加工，當產(chǎn)品改變時，機床與工藝 裝備均需作相應(yīng)的變換和調(diào)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(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量，特別是一些由曲線、曲面輪廓組成的 復(fù)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(chǎn)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(fù)雜型面零件加工的自動化并保證質(zhì)量要求而產(chǎn)生的，它為單 件、小批生產(chǎn)的精密復(fù)雜零件提供了自動化加工手段。 1.1 數(shù)控加工技術(shù) 科學技術(shù)的發(fā)展以及世界先進制造技術(shù)的興起和不斷成熟，對數(shù)控加工 技術(shù)提出了更高的要求；超高速切削、超精密加工等技術(shù)的應(yīng)用，對數(shù)控機床 的數(shù)控系統(tǒng)、伺服性能、主軸驅(qū)動、機床結(jié)構(gòu)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(yīng)控制等技術(shù)提出更高的要求。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù) 控系統(tǒng)的性能日臻完善，數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大。當今數(shù)控機床正在不 斷采用最新技術(shù)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(chǎn)生和發(fā)展 數(shù)控機床是在機械制造技術(shù)和控制技術(shù)的基礎(chǔ)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(yīng) 用電子計算機控制機床來加工樣板曲線的設(shè)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(gòu)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(jīng)過改進并開展自動編程技術(shù)的研究， 數(shù)控機床于 1955 年進入實用階段，這對于加工復(fù)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(shù)，使 我國數(shù)控機床在品種、數(shù)量和質(zhì)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(chǎn)不同類型的數(shù)控機床和加工中心。目前，在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)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(shù)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(shù)的發(fā)展、新材料及新零件的出現(xiàn)，對精密加工技術(shù)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(shù)， 適應(yīng)現(xiàn)代科技的發(fā)展，已經(jīng)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(chǎn)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(zhì)量和精度，對制造業(yè)實現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、低成本生產(chǎn)具 有廣泛的實用性。 3.高柔性化 采用柔性自動化設(shè)備或系統(tǒng)，是提高加工精度和效率，縮短生產(chǎn)周期， 適應(yīng)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(wù)， 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(lǐng)域的不斷滲透與發(fā)展，為適應(yīng)制造業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)加工的全過程，還貫穿在產(chǎn)品的售后服務(wù)和維修中。 6.復(fù)合化 復(fù)合化包含工序復(fù)合化和功能復(fù)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(shè)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(guān)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(luò)化 為了適應(yīng) 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(jié)構(gòu) 20 世紀 90 年代以后，計算機技術(shù)的飛速發(fā)展推動數(shù)控機床技術(shù)更快地 更新?lián)Q代，世界上許多數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家利用 PC 機豐富的軟硬件資源開發(fā)開 放式體系結(jié)構(gòu)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(yīng)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(diào)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(zhì)量穩(wěn)定性。 3.生產(chǎn)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(chǎn)率比一般機床高的多。數(shù)控機床主軸轉(zhuǎn) 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(jié)構(gòu)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(guān)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(yīng)的改善。 5.良好的經(jīng)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(shè)備費用是較昂貴的。 但在單件、小批量生產(chǎn)情況下，可以節(jié)省工藝裝備費用、減少輔助生產(chǎn)工時、 生產(chǎn)管理費用及降低廢品率，因此能夠獲得良好的經(jīng)濟效益。 6.有利于生產(chǎn)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(chǎn)管理現(xiàn)代化。 數(shù)控機床在應(yīng)用中也有不利的一面，如提高了起始階段的投資，對設(shè)備 維護的要求高，對操作人員的技術(shù)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(yīng)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(jīng)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(chǎn)的零件 數(shù)控機床設(shè)備費用高昂，與大批量生產(chǎn)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(chǎn)批量在 10~200 件之間。目前有向 中批量發(fā)展的趨勢。 2.結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的零件 通常數(shù)控機床適宜于加工結(jié)構(gòu)比較復(fù)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(guān)鍵零件。 5.需要最短生產(chǎn)周期的急需零件 推廣數(shù)控機床的最大障礙是設(shè)備的初始投資大。由于系統(tǒng)本身的復(fù)雜性， 又增加了維修費用。如果缺少完善的售后服務(wù)，往往不能及時排除設(shè)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(chǎn)費用。 考慮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(fù)對比和仔細的經(jīng)濟分析，以發(fā)揮數(shù)控機床的經(jīng)濟效益。 1.3 設(shè)計參數(shù)和方案確定 1.3.1 機床主要技術(shù)參數(shù) 機床的主要技術(shù)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(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)，通常包括以下尺寸。 1）與被加工零件有關(guān)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(zhuǎn)矩等。 1.3.2 MK1332 數(shù)控外圓磨床設(shè)計參數(shù) 工作臺最大縱向移動量 1100mm 工作臺最大回轉(zhuǎn)角度 +3°、-4° 工作臺最大移動速度 10m/min 工件最大回轉(zhuǎn)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/s 1.3.3 MK1332 數(shù)控外圓磨床加工產(chǎn)品的主要精度 外圓的粗糙度 ≤0.32aR 6 縱截面內(nèi)直徑的一致性 0.008mm 圓度 0.0025mm 1.3.4 設(shè)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(jié)構(gòu)簡單、 成本低、工作比較穩(wěn)定、調(diào)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(diào)研和本次設(shè)計的實際情況，數(shù)控磨床工作臺結(jié)構(gòu)設(shè)計對加工精度的影響至關(guān) 重要，而磨床加工精度一般都比較高，故本次設(shè)計采用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)進行控 制。 工作臺有兩種驅(qū)動形式：液壓驅(qū)動和滾珠絲杠驅(qū)動。液壓驅(qū)動形式由于 使用工作壓力高的油性介質(zhì)，因此機構(gòu)輸出力大，機械結(jié)構(gòu)更緊湊，動作平穩(wěn) 可靠，易于調(diào)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(chǎn)生爬行現(xiàn)象；而滾珠絲杠驅(qū)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(gòu)常用滾珠絲杠螺母副 [2]。它是直線運動與回轉(zhuǎn)運動相互 轉(zhuǎn)化的新型傳動裝置。它可以消除反向間隙并施加預(yù)緊，有助于提高定位精度 和剛度。結(jié)合已知條件則選用滾珠絲杠驅(qū)動。而上工作臺還應(yīng)能夠進行回轉(zhuǎn)， 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(zhuǎn) [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(zhuǎn)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(dǎo)軌采用“V—平”導(dǎo)軌， “V—平”導(dǎo)軌導(dǎo)向精度高，加工裝配也較方 便。 “V—平”導(dǎo)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(zhì)、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(dǎo) 軌、主軸、工作臺、進給機構(gòu)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(jié)構(gòu)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(qū)動裝置，簡化了數(shù)控機床的機械 傳動結(jié)構(gòu)，傳動鏈較短； 2）數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)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(yīng)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(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)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(shè)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(zhuǎn)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(qū)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(nèi)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(nèi)， 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(diào)節(jié)參 數(shù)，故閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)整都有較大的難度，設(shè)計和調(diào)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(nèi)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(jīng)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(shè)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(jīng)進給電動機和驅(qū)動機構(gòu)，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(jīng) 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。 11 1-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(gòu)傳動設(shè)計 工作臺機構(gòu)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(zhuǎn)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(guān)。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(zhuǎn)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(dǎo)程（mm） 。sph 絲杠的導(dǎo)程通常是標準值，從經(jīng)濟上考慮，應(yīng)根據(jù)廠家提供的產(chǎn)品樣本 中選取 [20]。由文獻[20]選取絲杠的導(dǎo)程為 5mm，則由 （r/min）maxax100125spvnh??? 絲杠的最高轉(zhuǎn)速 r/min。要求定位精度為 0.012/300mm，絲杠ax2d 的“任意 300mm 行程內(nèi)的行程變動量 ”取為定位精度的 1/3～1/2，即30v 0.004～0.006mm。1 級精度的滾珠絲杠 =0.006mm，故應(yīng)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(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù) b 應(yīng) 為 510.sphbia??? 式中 —— 傳動比。i 脈沖編碼器有每轉(zhuǎn) 2000、2500、5000 脈沖等數(shù)種。選取每轉(zhuǎn) 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(zhuǎn)運動能相互轉(zhuǎn)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(gòu)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(gòu)成了封閉的循環(huán)滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾 珠。當絲杠旋轉(zhuǎn)時，滾珠在滾道內(nèi)部既自轉(zhuǎn)有沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)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(yù)緊，可消除絲杠和螺母螺紋間隙 適當預(yù)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(guān)。 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。 13 6.制造工藝復(fù)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(zhì)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(nèi)循環(huán) 內(nèi)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(yù)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(diào)整結(jié)構(gòu)簡單、剛性好、精度適中，故 目前在數(shù)控機床上應(yīng)用較廣。預(yù)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(gòu)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(nèi)行程變動量 ”選擇，這項公差30v 1 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(shè)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(yīng)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(zhuǎn) 轉(zhuǎn)后 90%不產(chǎn)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]Cm 3waFLf? （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(zhuǎn)速（r/min） ；mnmaxin2n? 、 —— 絲杠的最高、最低轉(zhuǎn)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(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)。無沖擊時取 1～1.2；一般情況取 1.2～1.5；有wf 15 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(zhì)量 加頭、尾架質(zhì)量 加工件最大質(zhì)量 為：1M23M (kg)max123850210????? 由文獻[20]查得直線導(dǎo)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(dǎo)程為 5mm，可知絲杠最高轉(zhuǎn) 速為 2000r/min，絲杠最低轉(zhuǎn)速為電動機最低轉(zhuǎn)速近似為 0。 平均轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的計算 滾珠絲杠副的極限轉(zhuǎn)速主要是指滾珠絲杠副在高速運轉(zhuǎn)時，避免產(chǎn)生共振 現(xiàn)象，使?jié)L珠絲杠副在正常運轉(zhuǎn)時的最高轉(zhuǎn)速。 （r/min）7210spcdnfL?? 式中 —— 極限轉(zhuǎn)速（r/min） ；cn —— 絲杠支承間距（mm） ；L —— 與支承方法有關(guān)的臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)；f 16 設(shè)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f 1400mm。 表 3—1 臨界轉(zhuǎn)速系數(shù) f 1.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。spdspd 2.最大轉(zhuǎn)矩限制 max0And? 式中 A —— 確定最大轉(zhuǎn)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(dǎo)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 3.4 17 (mm)0max50725~3Adn???: 3.臨界轉(zhuǎn)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(jié)果得 KN1.2mC? N470.a mm1spd mm(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(yù) 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(dǎo) 程： 5mm 循環(huán)列數(shù)： 2 圈 數(shù)： 2.5 絲杠內(nèi)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(jié)果 11.2KN，預(yù)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(yù)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(yù)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(dǎo)程為 5mm，可知絲杠最高轉(zhuǎn)速為 2000r/min﹤ =3263（r/min）,故符合要求。c 3.3.3 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(dǎo)程 的變化值 [7]sphsph?maxssFEA??? 式中 —— 絲趕導(dǎo)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(dǎo)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(chǎn)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(dǎo)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(guān)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