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湖南科技大學(xué)瀟湘學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄 第一章 緒論…………………………………………………………………………… 1 1.1調(diào)研過程………………………………………………………………………2 1.2調(diào)研內(nèi)容………………………………………………………………………4 1.3方法實(shí)現(xiàn)及預(yù)期目標(biāo)…………………………………………………………10 1.4本章小結(jié)………………………………………………………………………15 第二章 龍門加工中心進(jìn)給系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)……………………………………16 2.1切削力的分析與計(jì)算………………………………………………………………16 2.1.1設(shè)計(jì)參數(shù)……………………………………………………………………16 2.1.2切削力計(jì)算中的參數(shù)………………………………………………………16 2.1.3切削力公式及計(jì)算…………………………………………………………17 2.2滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型……………………………………………………18 2.1.1滾珠絲杠的主要參數(shù)尺寸…………………………………………………19 2.2.2龍門加工中心X方向進(jìn)給的滾珠絲杠螺母副的選型……………………20 2.2.3龍門加工中心Y方向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副的選型與計(jì)算………………23 2.2.4龍門加工中心Z方向進(jìn)給系統(tǒng)滾珠絲杠螺母副的選擇與計(jì)算…………26 2.3交流伺服電機(jī)的選型與計(jì)算………………………………………………………29 2.3.1機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式………………………………………………29 2.3.2轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算……………………………………………………………29 2.3.3傳動(dòng)系統(tǒng)的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算……………………………………………30 2.3.4軸承的校核…………………………………………………………………31 2.3.5聯(lián)軸器的選型………………………………………………………………33 2.3.6滾動(dòng)導(dǎo)軌的預(yù)緊……………………………………………………………33 第三章 滾珠絲杠螺母副進(jìn)給部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………34 3.1滾珠絲杠螺母副……………………………………………………………………34 3.2直線滾動(dòng)導(dǎo)軌………………………………………………………………………36 第四章 基礎(chǔ)部件的造型及裝配……………………………………………………37 4.1基礎(chǔ)部件的三維建?！?7 4.2裝配…………………………………………………………………………………37 第五章 裝配工程圖……………………………………………………………………39 5.1主視圖………………………………………………………………………………39 5.2側(cè)視圖………………………………………………………………………………40 5.3俯視圖………………………………………………………………………………41 第六章 畢業(yè)設(shè)計(jì)總結(jié)…………………………………………………………………42 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………43 致謝…………………………………………………………………………………………44 - 45 - 第一章 概述 近年來，對(duì)中國(guó)出口看好的建設(shè)機(jī)械廠家對(duì)立式車床的需求令人矚目。從去年起，數(shù)控車床生產(chǎn)廠家期待著在飛機(jī)、高性能發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等方面設(shè)備投資比較活躍的重電機(jī)行業(yè)的訂貨。 由于市場(chǎng)在交貨期、質(zhì)量、價(jià)格方面的要求越來越高，一些中小規(guī)模的設(shè)備用戶為縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，更青睞一次裝卡、可搞多種加工的復(fù)合型加工機(jī)。 考慮到環(huán)保要求而采用半干式加工的需求也在增加，根據(jù)這類用戶的要求，OM制作所以產(chǎn)學(xué)協(xié)作的方式開發(fā)出采用氣化熱半干式加工技術(shù)，并加強(qiáng)了節(jié)省能源的措施，控制了電力的使用。 現(xiàn)在，市場(chǎng)對(duì)于提高了通用性的、低價(jià)位的小型數(shù)控立式車床的需求仍在擴(kuò)大，同時(shí)，和臥式數(shù)控車床一樣，帶有加工中心意識(shí)的功能型復(fù)合機(jī)的開發(fā)研制比較活躍。例如，隨著對(duì)復(fù)雜形狀工件成品加工要求的提高，也在研制將立式車床功能加上鉆、攻絲、鏜等旋轉(zhuǎn)方面的加工功能。 因配置了C軸，不同的復(fù)合加工也可通過一次裝卡進(jìn)行。此外，在以切削為主的同時(shí)，加上采用單刀具的雙面約束 ATC方式后，在銑加工功能方面也見到不少可進(jìn)行重切加工的工序集約型產(chǎn)品。 著手生產(chǎn)各種機(jī)型的廠家在追求高速、高精度的同時(shí)，還在如何使機(jī)體小型化及成本控制方面下功夫。也就是說此類產(chǎn)品的開發(fā)重點(diǎn)在于機(jī)體的小型化、適應(yīng)形成柔性線體系方面。 從技術(shù)開發(fā)動(dòng)向來看，是謀求提高主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、提高精密度、并將對(duì)應(yīng)熱變位、模塊化等集中體現(xiàn)出來。其中，作為機(jī)床基本課題的高速化研究也不斷取得成果。 由于提高進(jìn)給速度直接關(guān)系到產(chǎn)品的加工時(shí)間，以利提高生產(chǎn)效率，因此在高速進(jìn)給技術(shù)方面，驅(qū)動(dòng)裝置采用直線電機(jī)的機(jī)型正在增多。同時(shí)也有廠家在開發(fā)不使用直線電機(jī)，采用進(jìn)給軸以大導(dǎo)程滾珠絲杠為驅(qū)動(dòng)，進(jìn)給加速度1.5G~ 2G、快速進(jìn)給速度120 mm／min的高速臥式加工中心。并在主軸上采用雙面約束刀具、主軸轉(zhuǎn)速為 2 萬 r/min、快速進(jìn)給速度為60 m/min、以盡量縮短重復(fù)定位、刀至刀等的非切削時(shí)間。為解決速度提高帶來的熱變位影響，防止精度下降，一般都采用獨(dú)自的補(bǔ)正裝置或主軸冷卻結(jié)構(gòu)、冷卻裝置等。 從1999年第六屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上多棱數(shù)控機(jī)床股份有限公司推出國(guó)內(nèi)首臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控龍門鏜銑床以來，先后有桂林機(jī)床股份有限公司、北京第一機(jī)床廠、濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司等企業(yè)試制生產(chǎn)出五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控龍門鏜銑床。而且隨著產(chǎn)品技術(shù)水平和質(zhì)量可靠性的不斷提高，濟(jì)二和多棱等廠家已經(jīng)能夠?yàn)橛脩籼峁┬∨可唐贰Ｔ诒緦谜箷?huì)上，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控龍門加工中心鏜銑床展品的技術(shù)水平又有提高。漢川機(jī)床有限責(zé)任公司推出的XH2420/5X五軸聯(lián)動(dòng)龍門加工中心，工作臺(tái)面積2000mm×4000mm，配置德國(guó)西泰克公司（CYTEC）生產(chǎn)的雙擺角頭。主軸采用高速電主軸，主電機(jī)功率21KW，主軸最高轉(zhuǎn)速18000r/min，雙擺角頭的A軸和C軸兩個(gè)擺軸的最大進(jìn)給速度360°/S，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸都采用具有當(dāng)今國(guó)際先進(jìn)水平的力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)，結(jié)構(gòu)緊湊驅(qū)動(dòng)力矩大，A軸最大扭矩1300Nm，C軸最大扭矩2000Nm。采用力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，省掉原來的齒輪機(jī)械傳動(dòng)，零部件幾乎沒有任何磨損，具有高動(dòng)態(tài)性能和高速性能，提高了加工精度和工作性能。 從龍門加工中心和數(shù)控龍門鏜銑床展品的總體水平看，不論是國(guó)內(nèi)展品或是國(guó)外展品在技術(shù)水平，質(zhì)量可靠性和外觀造型等方面都有較大提高。在機(jī)床的油漆色調(diào)和整體防護(hù)方面，國(guó)內(nèi)展品與國(guó)外展品的差距有明顯的縮短；而關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵部件和整機(jī)可靠性與國(guó)外展品還有較大的差距。例如本屆參展的五軸聯(lián)動(dòng)龍門加工中心的關(guān)鍵部件——雙擺角頭，除桂林機(jī)床股份有限公司在第一臺(tái)基礎(chǔ)上改進(jìn)后自行開發(fā)研制的以外，其他國(guó)內(nèi)廠家的展品幾乎全部都是購(gòu)買國(guó)外公司的。所以具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)、關(guān)鍵部件正是我們當(dāng)前與國(guó)外展品的差距，也正是我們當(dāng)前努力拚搏的方向。 1.1調(diào)研過程： 接到此設(shè)計(jì)任務(wù)后不久，我便在老師的指導(dǎo)下，充分利用圖書館及通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)龍門加工中心進(jìn)行了了解。近年來，大量的國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料表明，龍門加工中心和數(shù)控龍門鏜銑床是能源、航空航天、船舶、機(jī)車車輛、軍工、汽車、工程機(jī)械、重型機(jī)械、機(jī)床等行業(yè)不可缺少的重要工藝加工設(shè)備。尤其是配置雙擺角銑頭或多功能附件銑頭的此類機(jī)床，可實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)或五面加工，完成各種復(fù)雜平面、曲面零件的高效率、高質(zhì)量加工。 由于目前市場(chǎng)需求較大，所以國(guó)內(nèi)不少?gòu)牟簧孀泯堥T銑床的廠家也紛紛上陣，開發(fā)研制各種龍門加工中心和數(shù)控龍門鏜銑床。以生產(chǎn)鉆鏜床著稱的中捷機(jī)床有限公司推出三臺(tái)龍門加工中心：THA58200×500橋式五軸龍門加工中心；THA57200×400龍門五面加工中心和GMB200×40-5F龍門鏜銑五面加工中心，而且各有特色。其中THA58200×500橋式龍門加工中心配置意大利FIDA雙擺角頭，主軸最高轉(zhuǎn)速24000r/min，可實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)功能，為航空航天和模具行業(yè)服務(wù)。THA57200×400龍門五面加工中心配置立臥雙主軸同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的單箱雙主軸頭，其頭與滑枕為端齒聯(lián)結(jié)。5°×72轉(zhuǎn)位，實(shí)現(xiàn)工件一次裝夾的五面加工，結(jié)構(gòu)比較緊湊。 調(diào)研結(jié)果： 龍門加工中心相關(guān)信息： 對(duì)GF-450型龍門加工中心的研究： GF450龍門式小型雕刻機(jī) 三軸行程 450x450x250 三軸最高移動(dòng)速度 X,Y,Z=15m min 三軸最高加工速度 三菱65系列7m min 三軸解析度 0.001mm 定位精度 ±0.005mm 重復(fù)定位精度 ±0.005mm 三軸螺桿尺寸 φ20xP5.0mm 工作臺(tái)尺寸 550x450mm T型槽尺寸 10x5x90mm 最大載重 80kg 最大加工行程 450x450x250mm 主軸最高轉(zhuǎn)速 10,000rpm(Optional 30,000 60,000rpm) 主軸刀具形式 ISO25-30,000rpm ER系列：60,000rpm BT30 10,000) 刀具數(shù)量 8 tools 最大刀具直徑 φ12mm 主軸鼻端至工作臺(tái)距離 80-300mm 門寬度 600mm 三軸馬達(dá) X,Y,Z=750w 抽水馬達(dá) 1:4hp 機(jī)械外罩 全罩鈑金 機(jī)械占地面積 1300x1650x2000mm 控制器形式 新代控制器 1、 本機(jī)適合使用高速主軸，可選配24，000 or 30,000rpm 工件表面極光細(xì)致 2、 可使用 BT ，CAT ，ISO，或HSK刀把 3、 換刀時(shí)間7 secretary 機(jī)械介紹： 1、 門型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加工快速穩(wěn)定。 2、 Z軸與X軸距離縮短，解決主軸前傾問題 3、 采用內(nèi)藏式主軸，加工效率高，表面細(xì)致。 4、 X，Y，Z三軸線性滑軌。 5、 本機(jī)主結(jié)構(gòu)體完全采用沒級(jí)米漢納鑄鐵制成，再經(jīng)應(yīng)力消除，確保機(jī)械多年不變形。 6、 結(jié)構(gòu)內(nèi)部采用合理化肋骨強(qiáng)化設(shè)計(jì)，大幅提高機(jī)械剛性。 7、 X，Y，Z軸采用精密級(jí)線性滑軌，行程速度快，符合高速加工之需要。 8、 主軸采用4.5KW強(qiáng)力馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速可達(dá)30，000-50，000rpm. 9、 主軸采用P4（ABEC 7）級(jí)精密軸承。 適用場(chǎng)合： 1、 銅極/模具 2、 珠寶金飾加工。 3、 小型3C產(chǎn)品模殼制造。 4、 鞋業(yè)模具。 5、 文字雕刻。 龍門加工中心進(jìn)給系統(tǒng)滾珠絲杠螺母副相關(guān)信息： 作為傳動(dòng)滑動(dòng)絲杠的進(jìn)一步延伸發(fā)展, 滾珠絲杠由于其高效率、溫升少、高精度、高速度、高剛性可逆性、長(zhǎng)壽命、低能耗、同步性、高靈敏度、無間隙、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而在當(dāng)代數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用, 為了滿足數(shù)控機(jī)床高進(jìn)給速度、高定位精度、高平穩(wěn)性和快速響應(yīng)的要求, 必須合理選擇滾珠絲杠副, 并進(jìn)行必要的校核計(jì)算。滾珠絲杠的選擇包括其精度選擇、尺寸規(guī)格( 包括導(dǎo)程與公程直徑 、支承方式等幾個(gè)方面的內(nèi)容。）滾珠絲杠副的承載能力用額定動(dòng)載荷或額定靜載荷來表示, 在加工中心的設(shè)計(jì)中一般按額定動(dòng)載荷來確定滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格, 對(duì)細(xì)長(zhǎng)而又承受壓縮載荷的滾珠絲杠作壓桿穩(wěn)定性核算; 對(duì)轉(zhuǎn)速高, 支承距離大的滾珠絲杠副作臨界轉(zhuǎn)速校核; 對(duì)精度要求高的滾珠絲杠作剛度校核; 對(duì)數(shù)控機(jī)床, 需核算其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量; 對(duì)全閉環(huán)系統(tǒng), 需核算其諧振頻率。 龍門加工中心交流伺服電機(jī)相關(guān)信息： 交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)主要可分為兩部分，即定子部分和轉(zhuǎn)子部分。其中定子的結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成90度電角度的兩相繞組。其中一組為激磁繞組，另一組為控制繞組，交流伺服電動(dòng)機(jī)一種兩相的交流電動(dòng)機(jī)。 交流伺服電動(dòng)機(jī)使用時(shí)，激磁繞組兩端施加恒定的激磁電壓Uf，控制繞組兩端施加控制電壓Uk。當(dāng)定子繞組加上電壓后，伺服電動(dòng)機(jī)很快就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來。 通入勵(lì)磁繞組及控制繞組的電流在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)向，當(dāng)任意一個(gè)繞組上所加的電壓反相時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向就發(fā)生改變，電機(jī)的方向也發(fā)生改變。 1.2調(diào)研內(nèi)容： 此次研究課題的主要內(nèi)容為龍門加工中心進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 1、 龍門加工中心整體布局， 2、 龍門加工中心傳動(dòng)方式的選擇， 3、 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型， 4、 交流伺服電機(jī)的計(jì)算與選型， 5、 精度驗(yàn)證與剛度校核。 此次研究課題的設(shè)計(jì)要求為對(duì)動(dòng)工作臺(tái)式龍門加工中心進(jìn)給系統(tǒng)的研究。動(dòng)橫梁式龍門加工中心如下圖所示： 圖 1.1 龍門加工中心x向進(jìn)給可通過工作臺(tái)的進(jìn)給，龍門立柱的進(jìn)給或者橫梁的進(jìn)給三種進(jìn)給方法來實(shí)現(xiàn)。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我選擇了工作臺(tái)進(jìn)給的方式。工作臺(tái)進(jìn)給方式設(shè)計(jì)方便，進(jìn)給平穩(wěn)，一根滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，兩根直線滾動(dòng)導(dǎo)軌對(duì)稱安裝，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便伺服系統(tǒng)的控制。 傳動(dòng)方式的選擇： 直線電機(jī)的傳動(dòng)。一般電動(dòng)機(jī)工作時(shí)都是轉(zhuǎn)動(dòng)的．但是用旋轉(zhuǎn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的交通工具（比如電動(dòng)機(jī)車和城市中的電車等）需要 做直線運(yùn)動(dòng)，用旋轉(zhuǎn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器的一些部件也要做直線運(yùn)動(dòng)．這就需要增加把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的一套裝置．現(xiàn)在已制成了直線運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，即直線電機(jī)． 直線電機(jī)的原理并不復(fù)雜．設(shè)想把一臺(tái)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)沿著半徑的方向剖開，并且展平，這就成了一臺(tái)直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（圖）． 圖1.2 在直線電機(jī)中，相當(dāng) 于旋轉(zhuǎn)電機(jī)定子的，叫初級(jí)；相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的，叫次級(jí)．初級(jí)中通以交流，次級(jí)就在電磁力的作用下沿著初級(jí)做直線運(yùn)動(dòng)．這時(shí)初級(jí)要做得很長(zhǎng)，延伸到運(yùn)動(dòng) 所需要達(dá)到的位置，而次級(jí)則不需要那么長(zhǎng)．實(shí)際上，直線電機(jī)既可以把初級(jí)做得很長(zhǎng)，也可以把次級(jí)做得很長(zhǎng)；既可以初級(jí)固定、次級(jí)移動(dòng)，也可以次級(jí)固定、初 級(jí)移動(dòng)． 直線電機(jī)是一種新型電機(jī)，近年來應(yīng)用日益廣泛．磁懸浮列車就是用直線電機(jī)來驅(qū)動(dòng)的． 磁懸浮列車是一種全新的列車．一般的列車，由于車輪和鐵軌之間存在摩擦，限制了速度的提高，它所能達(dá)到的最高運(yùn)行速度不超過300km/n．磁懸 浮列車是將列車用磁力懸浮起來，使列車與導(dǎo)軌脫離接觸，以減小摩擦，提高車速。列車由直線電機(jī)牽引．直線電機(jī)的一個(gè)級(jí)固定于地面，跟導(dǎo)軌一起延伸到遠(yuǎn)處； 另一個(gè)級(jí)安裝在列車上．初級(jí)通以交流，列車就沿導(dǎo)軌前進(jìn)．列車上裝有磁體（有的就是兼用直線電機(jī)的線圈），磁體隨列車運(yùn)動(dòng)時(shí)，使設(shè)在地面上的線圈（或金屬 板）中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)和列車上的磁體（或線圈）之間的電磁力把列車懸浮起來．懸浮列車的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行平穩(wěn)，沒有顛簸，噪聲小，所需的牽引力很 小，只要幾千kw的功率就能使懸浮列車的速度達(dá)到550km／h．懸浮列車減速的時(shí)候，磁場(chǎng)的變化減小，感應(yīng)電流也減小，磁場(chǎng)減弱，造成懸浮力下降．懸浮 列車也配備了車輪裝置，它的車輪像飛機(jī)一樣，在行進(jìn)時(shí)能及時(shí)收入列車，?？繒r(shí)可以放下來，支持列車． 要使質(zhì)量巨大的列車靠磁力懸浮起來，需要很強(qiáng)的磁場(chǎng)，實(shí)用中需要用高溫超導(dǎo)線圈產(chǎn)生這樣強(qiáng)大的磁場(chǎng)． 直線電機(jī)除了用于磁懸浮列車外，還廣泛地用于其他方面，例如用于傳送系統(tǒng)、電氣錘、電磁攪拌器等．在我國(guó)，直線電機(jī)也逐步得到推廣和應(yīng)用．直線電機(jī)的原理雖不復(fù)雜，但在設(shè)計(jì)、制造方面有它自己的特點(diǎn)，產(chǎn)品尚不如旋轉(zhuǎn)電機(jī)那樣成熟，有待進(jìn)一步研究和改進(jìn)． 直線電機(jī)可以認(rèn)為是旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)方面的一種變形，它可以看作是一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿其徑向剖開，然后拉平演變而成。近年來，隨著自動(dòng)控制技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，對(duì)各類自動(dòng)控制系統(tǒng)的定位精度提出了更高的要求，在這種情況下，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)再加上一套變換機(jī)構(gòu)組成的直線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代控制系統(tǒng)的要求，為此，近年來世界許多國(guó)家都在研究、發(fā)展和應(yīng)用直線電機(jī)，使得直線電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。 直線電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，主要有如下幾個(gè)特點(diǎn)：一是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于直線電機(jī)不需要把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)的附加裝置，因而使得系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，重量和體積大大地下降；二是定位精度高，在需要直線運(yùn)動(dòng)的地方，直線電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)直接傳動(dòng)，因而可以消除中間環(huán)節(jié)所帶來的各種定位誤差，故定位精度高，如采用微機(jī)控制，則還可以大大地提高整個(gè)系統(tǒng)的定位精度；三是反應(yīng)速度快、靈敏度高，隨動(dòng)性好。直線電機(jī)容易做到其動(dòng)子用磁懸浮支撐，因而使得動(dòng)子和定子之間始終保持一定的空氣隙而不接觸，這就消除了定、動(dòng)子間的接觸摩擦阻力，因而大大地提高了系統(tǒng)的靈敏度、快速性和隨動(dòng)性；四是工作安全可靠、壽命長(zhǎng)。直線電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)無接觸傳遞力，機(jī)械摩擦損耗幾乎為零，所以故障少，免維修，因而工作安全可靠、壽命長(zhǎng)。 直線電機(jī)主要應(yīng)用于三個(gè)方面：一是應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)，這類應(yīng)用場(chǎng)合比較多；其次是作為長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)電機(jī)；三是應(yīng)用在需要短時(shí)間、短距離內(nèi)提供巨大的直線運(yùn)動(dòng)能的裝置中。 高速磁懸浮列車 磁懸浮列車是直線電機(jī)實(shí)際應(yīng)用的最典型的例子，目前，美、英、日、法、德、加拿大等國(guó)都在研制直線懸浮列車，其中日本進(jìn)展最快。 　　直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電梯 世界上第一臺(tái)使用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電梯是1990年4月安裝于日本東京都關(guān)島區(qū)萬世大樓，該電梯載重600kg，速度為105m/min，提升高度為22.9m。由于直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電梯沒有曳引機(jī)組，因而建筑物頂?shù)臋C(jī)房可省略。如果建筑物的高度增至1000米左右，就必須使用無鋼絲繩電梯，這種電梯采用高溫超導(dǎo)技術(shù)的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，線圈裝在井道中，轎廂外裝有高性能永磁材料，就如磁懸浮列車一樣，采用無線電波或光控技術(shù)控制。 超高速電動(dòng)機(jī) 在旋轉(zhuǎn)超過某一極限時(shí)，采用滾動(dòng)軸承的電動(dòng)機(jī)就會(huì)產(chǎn)生燒結(jié)、損壞現(xiàn)象。為此近年來，國(guó)外研制了一種直線懸浮電動(dòng)機(jī)（電磁軸承），采用懸浮技術(shù)使電機(jī)的動(dòng)子懸浮在空中，消除了動(dòng)子和定子之間的機(jī)械接觸和摩擦阻力，其轉(zhuǎn)速可達(dá)25000～100000r/min以上，因而在高速電動(dòng)機(jī)和高速主軸部件上得到廣泛的應(yīng)用。如日本安川公司新近研制的多工序自動(dòng)數(shù)控車床用5軸可控式電磁高速主軸采用兩個(gè)經(jīng)向電磁軸承和一個(gè)軸向推力電磁軸承，可在任意方向上承受機(jī)床的負(fù)載。在軸的中間，除配有高速電動(dòng)機(jī)以外，還配有與多工序自動(dòng)數(shù)控車床相適應(yīng)的工具自動(dòng)交換機(jī)構(gòu)。 伺服電機(jī)、滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)：目前普通絲杠的最大進(jìn)給速度為40m/min，最大直線加速度為0.5g。而一些高精密滾珠絲杠的最大速度已達(dá)60m/min，最大加速度達(dá)1.0g。滾珠絲杠螺母副是一種低摩擦、高精度、高效率的機(jī)構(gòu)。滾珠絲杠螺母副其它特點(diǎn)如下：滾珠絲杠傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是摩擦因數(shù)小，傳動(dòng)精度高，傳動(dòng)效率高達(dá)85％一98％，是普通滑動(dòng)絲杠傳動(dòng)的2～4倍。滾珠絲杠副的摩擦角小于1°，因此不能自鎖。如果用于立式升降運(yùn)動(dòng)則必須有制動(dòng)裝置。其動(dòng)、靜摩擦因數(shù)之差很小，有利于防止爬行和提高進(jìn)給系統(tǒng)的靈敏度；采用消除反向間隙并預(yù)緊的措施，有助于提高定位精度和剛度。一般情況下，滾珠絲杠可以直接從專門生產(chǎn)廠家訂購(gòu)，無需自行設(shè)計(jì)制造。 　　 由于滾珠絲杠的傳動(dòng)精度高、系統(tǒng)剛性好，在數(shù)控、精密機(jī)械和各種機(jī)電產(chǎn)品中廣泛使用。運(yùn)動(dòng)極靈敏，低速時(shí)不會(huì)出現(xiàn)爬行； 可以完全消除間隙并可預(yù)緊，故有較高的軸向剛度，反向定位精度高； 滾珠絲杠螺母副摩擦系數(shù)小，無自鎖，能實(shí)現(xiàn)可逆?zhèn)鲃?dòng)； 滾珠絲杠螺母副的滾珠循環(huán)方式一般分外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種，如下圖所示。 圖1.3 滾珠絲杠由于制造工藝已十分成熟，導(dǎo)程精度高、傳遞扭矩大，已成為標(biāo)的機(jī)床功能部件，因此在進(jìn)給傳動(dòng)中應(yīng)用很普遍。滾珠絲杠螺母副由于在絲杠和螺母之間放人了滾珠，使絲杠與螺母間傳動(dòng)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，因而大大地減小了摩擦阻力，提高了傳動(dòng)效率，并具有響應(yīng)靈敏度高、傳動(dòng)快捷的特點(diǎn)。其傳動(dòng)效率可達(dá)9O%以上。由于是滾動(dòng)摩擦，動(dòng)、靜摩擦因數(shù)相差極小，因此無論是靜止還是在低速和高速傳動(dòng)時(shí)，摩擦轉(zhuǎn)矩變化不大。在使用滾珠絲杠傳動(dòng)時(shí)，可以采用多種預(yù)加載荷的方法消除間隙，使反向時(shí)無空行程。此外，在安裝滾珠絲杠時(shí)，給絲杠預(yù)加拉伸負(fù)載，可提高絲杠的剛度，補(bǔ)償絲杠的熱伸長(zhǎng)，因而可取得很高的傳動(dòng)精度。滾珠絲杠副傳動(dòng)的一個(gè)缺點(diǎn)是:當(dāng)絲杠較長(zhǎng)且水平安裝時(shí)，因絲杠的自重會(huì)產(chǎn)生撓度彎曲，如圖1.4所示。絲杠的撓度會(huì)影響到絲杠螺母運(yùn)行到不同的位置時(shí)使定位精度產(chǎn)生變化，另外絲杠的長(zhǎng)徑比(長(zhǎng)度與直徑之比)如果很大(本項(xiàng)目的機(jī)床工作行程6000mm，如選長(zhǎng)6500mm、直徑somm的絲杠，則長(zhǎng)徑比高達(dá)81，這是一種典型的細(xì)長(zhǎng)桿)，工作時(shí)受載荷影響，容易失穩(wěn)。當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)速稍高時(shí)，彎曲偏心引起的絲杠軸心離心力會(huì)加劇撓度，使絲杠螺母受到徑向力(見圖1.4中的F)，滾珠在滾道中受力增加，運(yùn)轉(zhuǎn)中會(huì)產(chǎn)生噪聲。盡管絲杠撓度可以通過絲杠預(yù)拉伸的方法得到改善，但對(duì)于大行程的機(jī)床，這種絲杠撓度是無法避免的因此在工作臺(tái)行程超過4一5m時(shí)，一般不使用滾珠絲杠副傳動(dòng)。 圖1.4 交流伺服電機(jī)：交流伺服電機(jī)通常都是單相異步電動(dòng)機(jī)，有鼠籠形轉(zhuǎn)子和杯形轉(zhuǎn)子兩種結(jié)構(gòu)形式。與普通電機(jī)一樣，交流伺服電機(jī)也由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子上有兩個(gè)繞組，即勵(lì)磁繞組和控制繞組，兩個(gè)繞組在空間相差90°電角度。固定和保護(hù)定子的機(jī)座一般用硬鋁或不銹鋼制成。籠型轉(zhuǎn)子交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子和普通三相籠式電機(jī)相同。杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)由外定子，杯形轉(zhuǎn)子和內(nèi)定子三部分組成。它的外定子和籠型轉(zhuǎn)子交流伺服電機(jī)相同，轉(zhuǎn)子則由非磁性導(dǎo)電材料（如銅或鋁）制成空心杯形狀，杯子底部固定在轉(zhuǎn)軸上?？招谋谋诤鼙。ㄐ∮?.5mm），因此轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小。內(nèi)定子由硅鋼片疊壓而成，固定在一個(gè)端蓋上，內(nèi)定子上沒有繞組，僅作磁路用。電機(jī)工作時(shí)，內(nèi)﹑外定子都不動(dòng)，只有杯形轉(zhuǎn)子在內(nèi)、外定子之間的氣隙中轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于輸出功率較小的交流伺服電機(jī)，常將勵(lì)磁繞組和控制繞組分別安放在內(nèi)、外定子鐵心的槽內(nèi)。 交流伺服電機(jī)的工作原理和單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)無本質(zhì)上的差異。但是，交流伺服電機(jī)必須具備一個(gè)性能，就是能克服交流伺服電機(jī)的所謂“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，即無控制信號(hào)時(shí)，它不應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，特別是當(dāng)它已在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如果控制信號(hào)消失，它應(yīng)能立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。而普通的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來以后，如控制信號(hào)消失，往往仍在繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。 當(dāng)電機(jī)原來處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，如控制繞組不加控制電壓，此時(shí)只有勵(lì)磁繞組通電產(chǎn)生脈動(dòng)磁場(chǎng)。可以把脈動(dòng)磁場(chǎng)看成兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。這兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同樣的大小和轉(zhuǎn)速，向相反方向旋轉(zhuǎn)，所建立的正、反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)分別切割籠型繞組（或杯形壁）并感應(yīng)出大小相同，相位相反的電動(dòng)勢(shì)和電流（或渦流），這些電流分別與各自的磁場(chǎng)作用產(chǎn)生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩為零，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)不起來。一旦控制系統(tǒng)有偏差信號(hào)，控制繞組就要接受與之相對(duì)應(yīng)的控制電壓。在一般情況下，電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的磁場(chǎng)是橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。一個(gè)橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可以看成是由兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)合成起來的。這兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)幅值不等（與原橢圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向相同的正轉(zhuǎn)磁場(chǎng)大，與原轉(zhuǎn)向相反的反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)?。?，但以相同的速度，向相反的方向旋轉(zhuǎn)。它們切割轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)的電勢(shì)和電流以及產(chǎn)生的電磁力矩也方向相反、大小不等（正轉(zhuǎn)者大，反轉(zhuǎn)者?。┖铣闪夭粸榱悖运欧姍C(jī)就朝著正轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)起來，隨著信號(hào)的增強(qiáng)，磁場(chǎng)接近圓形，此時(shí)正轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及其力矩增大，反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及其力矩減小，合成力矩變大，如負(fù)載力矩不變，轉(zhuǎn)子的速度就增加。如果改變控制電壓的相位，即移相180o，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向相反，因而產(chǎn)生的合成力矩方向也相反，伺服電機(jī)將反轉(zhuǎn)。若控制信號(hào)消失，只有勵(lì)磁繞組通入電流，伺服電機(jī)產(chǎn)生的磁場(chǎng)將是脈動(dòng)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子很快地停下來。 為使交流伺服電機(jī)具有控制信號(hào)消失，立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)的功能，把它的轉(zhuǎn)子電阻做得特別大，使它的臨界轉(zhuǎn)差率Sk大于1。在電機(jī)運(yùn)行過程中，如果控制信號(hào)降為“零”，勵(lì)磁電流仍然存在，氣隙中產(chǎn)生一個(gè)脈動(dòng)磁場(chǎng)，此脈動(dòng)磁場(chǎng)可視為正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的合成。正向及反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體后產(chǎn)生的力矩一轉(zhuǎn)速特性曲線1、2，以及它們的合成特性曲線。假設(shè)電動(dòng)機(jī)原來在單一正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的帶動(dòng)下運(yùn)行于A點(diǎn)，此時(shí)負(fù)載力矩是。一旦控制信號(hào)消失，氣隙磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為脈動(dòng)磁場(chǎng)，它可視為正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的合成，電機(jī)即按合成特性曲線運(yùn)行。由于轉(zhuǎn)子的慣性，運(yùn)行點(diǎn)由A點(diǎn)移到B點(diǎn)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生了一個(gè)與轉(zhuǎn)子原來轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的制動(dòng)力矩。在負(fù)載力矩和制動(dòng)力矩的作用下使轉(zhuǎn)子迅速停止。 必須指出，普通的兩相和三相異步電動(dòng)機(jī)正常情況下都是在對(duì)稱狀態(tài)下工作，不對(duì)稱運(yùn)行屬于故障狀態(tài)。而交流伺服電機(jī)則可以靠不同程度的不對(duì)稱運(yùn)行來達(dá)到控制目的。這是交流伺服電機(jī)在運(yùn)行上與普通異步電動(dòng)機(jī)的根本區(qū)別。 1.3方法實(shí)現(xiàn)及預(yù)期目標(biāo) 小型高速龍門加工中心結(jié)構(gòu)精巧，以快速的自動(dòng)換刀裝置彌補(bǔ)了常見加工中心對(duì)于小型零件加工的不足。特別適用于工業(yè)生產(chǎn)中精密小產(chǎn)品（金屬和非金屬）的批量加工和小型精密模具的制做。 為了實(shí)現(xiàn)本次課程設(shè)計(jì)的目標(biāo)，首先要對(duì)龍門加工中心的進(jìn)給系統(tǒng)的基本原理進(jìn)行研究，提出問題。其次，提出針對(duì)問題的研究方案，并對(duì)依據(jù)龍門加工中心進(jìn)給系統(tǒng)的工作原理和加工要求進(jìn)行合理分析，細(xì)化設(shè)計(jì)方案。用CAD，PRO/ENGINEE軟件繪制出裝配圖，保證設(shè)計(jì)要求：1、設(shè)計(jì)的加工中心的加工范圍為1.2mX1.6m；2、設(shè)計(jì)的機(jī)床要求可以進(jìn)行粗加工、半精加工和精加工。定位精度0.003mm；3、快速空行程進(jìn)給速度40m/min，加工進(jìn)給速度10 m/min。檢測(cè)進(jìn)給部分設(shè)計(jì)的合理性，是否能夠滿足高速加工環(huán)境以及進(jìn)給精度。在此基礎(chǔ)上，對(duì)龍門加工中心的進(jìn)給系統(tǒng)構(gòu)造三維模型。 龍門加工中心整體布局如下圖所示 圖1.5 龍門加工中心進(jìn)給系統(tǒng)如下圖所示： 圖1.6 方案簡(jiǎn)介： 為了實(shí)現(xiàn)此次課題研究的設(shè)計(jì)要求，在本論文中將對(duì)以下幾個(gè)有關(guān)龍門加工中心的部件進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。 1、滾珠絲杠螺母副的選擇：螺母是分為單螺母和雙螺母，一般單螺母的承載負(fù)荷是沒有雙螺母大，使用周期也沒有雙螺母壽命長(zhǎng)，在以后的保養(yǎng)和維護(hù)也沒有雙螺母方便。 所以選型要根據(jù)設(shè)備的要求，滿足做設(shè)備的條件，才是最好的，不要盲目追求高精度，高負(fù)荷的絲桿，會(huì)對(duì)機(jī)器的成本增加很多，絲桿的一個(gè)級(jí)別價(jià)格就會(huì)相差好多。 2、滾珠絲杠螺母副軸向間隙的調(diào)整與預(yù)緊： 為了提高滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)精度和軸向剛度，安裝時(shí)需要消除絲杠與螺母之間的傳動(dòng)間隙，并對(duì)絲杠——螺母進(jìn)行預(yù)緊。但落幕的絲杠，在出廠前通常采用過盈滾珠預(yù)緊火變導(dǎo)程自預(yù)緊，絲杠與螺母之間幾乎沒有間隙，用戶使用時(shí)不必考慮。對(duì)于雙螺母的絲杠副，墊片調(diào)整預(yù)緊和螺紋調(diào)整預(yù)緊兩種方式。 圖1.7 雙螺母墊片調(diào)整法 圖1.8雙螺母螺紋調(diào)整法 圖1.9鎖緊螺母調(diào)整法 3、滾珠絲杠螺母副的支撐形式： 雙推——自由式，剛度、臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性低。設(shè)計(jì)時(shí)盡量使絲杠受拉力。適用于較短及垂直安裝的絲杠。 雙推——簡(jiǎn)支式，臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性高。絲杠有熱膨脹的余地。適用于較長(zhǎng)的、臥式安裝的絲杠。 單推——單推式，可根據(jù)預(yù)計(jì)溫升產(chǎn)生的熱膨脹量進(jìn)行預(yù)拉伸。 雙推——雙推式，絲杠的軸向剛度高。絲杠一般不會(huì)受壓，無壓桿穩(wěn)定性問題。可用預(yù)拉伸減小因絲杠自重引起的下垂。適用于對(duì)剛度和位移精度要求高的場(chǎng)合。 4、交流伺服電機(jī)的選擇：　目前,交流伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床,機(jī)器人等領(lǐng)域,在這些要求高精度,高動(dòng)態(tài)性能以及小體積的場(chǎng)合,應(yīng)用交流伺服系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì)。 交流伺服電機(jī)具有較高的動(dòng)態(tài)性能、高可靠性及非常低的維護(hù)要求,以其堅(jiān)固耐用、經(jīng)濟(jì)性能好等優(yōu)點(diǎn)越來越廣泛地應(yīng)用于數(shù)控龍門加工中心的進(jìn)給系統(tǒng)。 交流伺服電機(jī)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)分析及選型,與進(jìn)給機(jī)構(gòu)正常、可靠運(yùn)行及制造成本密切相關(guān)。 選擇電機(jī)主要應(yīng)考慮滿足轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的要求,其中負(fù)載慣量的計(jì)算涉及因素比較復(fù)雜。 交流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，在這里將步進(jìn)電機(jī)與交流伺服電機(jī)作比較: 一、控制精度不同，兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為3.6°、?1.8°，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72?°、0.36°。也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機(jī)床的步進(jìn)電機(jī)，其步距角為0.09°；德國(guó)百格拉公司（BERGER?LAHR）生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)其步距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角。?交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機(jī)為例，對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°/10000=0.036°。對(duì)于帶17位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動(dòng)器每接收217=131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655。? 二、低頻特性不同，步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。 三、矩頻特性不同，步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。 四、過載能力不同，?步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆]有這種過載能力，在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。 五、運(yùn)行性能不同，步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。 六、速度響應(yīng)性能不同，步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下MSMA?400W交流伺服電機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合。 綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。 5、進(jìn)給精度的保證：隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展, 機(jī)械制造業(yè)面臨著高速度、高精度等新的挑戰(zhàn), 高速進(jìn)給系統(tǒng)成為高速高精度數(shù)控車床的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。由于進(jìn)給系統(tǒng)剛度低、慣量大, 難以獲得高進(jìn)給速度和高加速度, 同時(shí)還產(chǎn)生較大的失動(dòng)量, 使傳動(dòng)誤差增大, 影響機(jī)床加工精度; 由于各傳動(dòng)部件之間存在間隙、摩擦、彈性變形, 以及電動(dòng)機(jī)運(yùn)行誤差等因素引起的失動(dòng)量, 導(dǎo)致執(zhí)行部件滯后或引發(fā)振蕩[1 ,2 ] 。為了提高高速高精度數(shù)控車床的定位精度和傳動(dòng)精度, 除了正確設(shè)計(jì)、選擇進(jìn)給系統(tǒng)部件, 精確計(jì)算其強(qiáng)度、穩(wěn)定性和驅(qū)動(dòng)力矩外, 還要對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的剛度進(jìn)行合理設(shè)計(jì), 減少因剛度引起的失動(dòng)量, 以確保加工定位精度。 6、 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的選擇： 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副具有摩擦因數(shù)小、不易爬行、便于安裝和預(yù)緊、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于精密機(jī)床、數(shù)控機(jī)床和測(cè)量?jī)x器等。其缺點(diǎn)是抗震性較差、成本較高。 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副由導(dǎo)軌和滑塊兩部分組成，一般滑塊中裝有兩組滾珠，當(dāng)滾珠從工作軌道滾到滑塊端部時(shí)，會(huì)經(jīng)端面擋板和滑塊中的返回軌道返回。在導(dǎo)軌和滑塊之間的滾道內(nèi)循環(huán)滾動(dòng)。 裝配時(shí)經(jīng)常將兩根導(dǎo)軌固定在支撐件上，每根導(dǎo)軌上一般有兩個(gè)滑塊，滑塊固定在移動(dòng)件上。若移動(dòng)件較長(zhǎng)，可在一根導(dǎo)軌上安裝兩個(gè)以上的滑塊；若移動(dòng)件較寬，可選可選用兩根以上的導(dǎo)軌。兩根導(dǎo)軌中，一根為基準(zhǔn)導(dǎo)軌，另一根為從動(dòng)導(dǎo)軌，基準(zhǔn)導(dǎo)軌上有基準(zhǔn)面A其上滑塊有基準(zhǔn)面B。安裝時(shí)先固定基準(zhǔn)導(dǎo)軌，之后以基準(zhǔn)導(dǎo)軌校正從動(dòng)導(dǎo)軌，達(dá)到裝配要求時(shí)再緊固從動(dòng)導(dǎo)軌。 產(chǎn)品選型，從產(chǎn)品樣本中選定導(dǎo)軌型號(hào)后，可根據(jù)給定的額定動(dòng)載荷計(jì)算出導(dǎo)軌副的距離額定壽命和小時(shí)額定壽命。常見的球?qū)к壍木嚯x期望壽命為50km，滾子導(dǎo)軌為100km。若所得結(jié)果大于導(dǎo)軌的預(yù)期壽命，則初選的型號(hào)滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)然，也可先給出導(dǎo)軌副的期望壽命，再反推出額定動(dòng)載荷，據(jù)此選擇合適的型號(hào)。 當(dāng)滾動(dòng)導(dǎo)軌的工作速度較低、靜載荷較大時(shí)，選型時(shí)還應(yīng)考慮相應(yīng)的額定靜載荷不小于工作靜載荷的兩倍。 1.4本章小結(jié) 通過對(duì)市場(chǎng)上龍門加工中心的研究，和龍門加工中心進(jìn)給系統(tǒng)中各部件的研究，結(jié)合以上的說明，得出龍門加工中心的設(shè)計(jì)方案。龍門加工中心的進(jìn)給系統(tǒng)由滾珠絲杠螺母副，交流伺服電機(jī)，聯(lián)軸器，滾動(dòng)軸承以及直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副組成。在后面的章節(jié)中，對(duì)龍門加工中心進(jìn)給系統(tǒng)中的各部件進(jìn)行具體的選型與計(jì)算。 第二章 龍門加工中心進(jìn)給系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì) 2.1切削力的分析與計(jì)算 2.1.1設(shè)計(jì)參數(shù) 銑刀要求： （1） 高速鋼圓柱銑刀 （2） 銑刀直徑 16mm （3） 銑削深度 10mm （4） 銑削寬度 0.3mm （5） 進(jìn)給量 4m/min （6） 切削速度 6000r/min 2.1.2銑削力計(jì)算中的參數(shù) 本次設(shè)計(jì)的龍門加工中心，采用的是五軸聯(lián)動(dòng)銑頭，按銑削力及銑削功率的分析與計(jì)算，參照資料《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》及《金屬切削原理與刀具》。 銑削用量、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)參數(shù)如下： (1)—銑削力系數(shù)；在使用圓柱銑刀加工碳素鋼時(shí),取669 (2)—銑削接觸弧深；側(cè)吃刀量,在平行于工作平面垂直于切削刃基點(diǎn)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上側(cè)吃刀量。圓柱銑刀銑削時(shí)，為切削層深度。 (3)—每齒進(jìn)給量； (4)—銑刀直徑； (5)—銑削深度；背吃刀量，在通過切削刃基點(diǎn)并垂直于工作平面的方向上測(cè)量的吃刀量，圓柱銑刀銑削時(shí)，為被加工表面的寬度。 (6)Z—銑刀齒數(shù)[ 致謝 在我完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的這段時(shí)間里，我首先要感謝我的指導(dǎo)老師康輝民，是老師的指導(dǎo)細(xì)心指導(dǎo)加上認(rèn)真負(fù)責(zé)才能使我完成這次的設(shè)計(jì)。在我的學(xué)業(yè)和論文的研究工作中無不傾注著老師們辛勤的汗水和心血。老師的嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)態(tài)度、淵博的知識(shí)、無私的奉獻(xiàn)精神使我深受啟迪。從尊敬的導(dǎo)師身上，我不僅學(xué)到了扎實(shí)、寬廣的專業(yè)知識(shí)，也學(xué)到了做人的道理。在此我要向我的導(dǎo)師致以最衷心的感謝和深深的敬意。 我不會(huì)忘記這難忘的幾個(gè)月的時(shí)間。畢業(yè)論文的制作給了我難忘的回憶。在我徜徉書海查找資料的日子里，面對(duì)無數(shù)書本的羅列，最難忘的是每次找到資料時(shí)的激動(dòng)和興奮；親手設(shè)計(jì)進(jìn)給系統(tǒng)的時(shí)間里，記憶最深的是每一步小小思路實(shí)現(xiàn)時(shí)那幸福的心情；為了論文我曾趕稿到深夜，但看著親手打出的一字一句，心里滿滿的只有喜悅毫無疲憊。這段旅程看似荊棘密布，實(shí)則蘊(yùn)藏著無盡的寶藏。我從資料的收集中，掌握了很多進(jìn)給系統(tǒng)、高速切削的知識(shí)，讓我對(duì)我所學(xué)過的知識(shí)有所鞏固和提高，并且讓我對(duì)當(dāng)今數(shù)控加工中心、高速切削技術(shù)的最新發(fā)展技術(shù)有所了解。在整個(gè)過程中，我學(xué)到了新知識(shí)，增長(zhǎng)了見識(shí)。在今后的日子里，我仍然要不斷地充實(shí)自己，爭(zhēng)取在所學(xué)領(lǐng)域有所作為。 　　腳踏實(shí)地，認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)，實(shí)事求是的學(xué)習(xí)態(tài)度，不怕困難、堅(jiān)持不懈、吃苦耐勞的精神是我在這次設(shè)計(jì)中最大的收益。我想這是一次意志的磨練，是對(duì)我實(shí)際能力的一次提升，也會(huì)對(duì)我未來的學(xué)習(xí)和工作有很大的幫助。 　　在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中也使我們的同學(xué)關(guān)系更進(jìn)一步了，同學(xué)之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量，聽聽不同的看法對(duì)我們更好的理解知識(shí)，所以在這里非常感謝幫助我的同學(xué)。 ]; (7)—銑刀前角； (8)—主偏角； (9)—刃傾角； (10)—銑刀后角； (11)—副偏角； (12)—銑刀螺旋角。 2.1.3銑削力公式及計(jì)算 切削力公式如下： 按設(shè)計(jì)參數(shù)與要求： 高速鋼圓柱銑刀，銑刀直徑：16mm，銑削深度：1mm，銑削寬度：0.3mm，進(jìn)給量4m/min，切削速度：6000r/min。 首先計(jì)算每齒進(jìn)給量： =4m/min/6000r/min*30.2mm/z 將設(shè)計(jì)參數(shù)帶入切削力計(jì)算公式中進(jìn)行計(jì)算得： = =580 在設(shè)計(jì)機(jī)床與夾具時(shí)，為了方便測(cè)量，通常將作用在工件上的總切削力F’（與F大小相等，方向相反），沿機(jī)床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向分解為三個(gè)力： （1） 進(jìn)給力 總切削力F’在縱向進(jìn)給方向上的分力。 （2） 橫向進(jìn)給力 總切削力F’在橫向進(jìn)給方向上的分力。 （3） 垂直進(jìn)給力 總切削力F’在垂直進(jìn)給方向上的分力。 銑削時(shí)，各進(jìn)給力和切削力具有一定的比例關(guān)系，如下表所示，如果求出了，便可計(jì)算出，，三個(gè)分力。 銑刀總切削力的大小為： 表2.1 銑削條件 比值 對(duì)稱銑削 不對(duì)稱銑削 逆銑 順銑 圓柱銑削 / 1.0~1.20 0.8~0.9 / 0.2~0.3 0.75~0.8 / 0.35~0.4 0.35~0.4 進(jìn)給力=493 橫向進(jìn)給力=435 垂直進(jìn)給力=232 銑削功率: 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)也消耗一些功率，一般情況下，，所以總的切削功率 圖2.1 2.2滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 作為傳動(dòng)滑動(dòng)絲杠的進(jìn)一步延伸發(fā)展, 滾珠絲杠由于其高效率、溫升少、高精度、高速度、高剛性、可逆性、長(zhǎng)壽命、低能耗、同步性、高靈敏度、無間隙、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而在當(dāng)代數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用, 為了滿足數(shù)控機(jī)床高進(jìn)給速度、高定位精度、高平穩(wěn)性和快速響應(yīng)的要求, 必須合理選擇滾珠絲杠副, 并進(jìn)行必要的校核計(jì)算。 滾珠絲杠的選擇包括其精度選擇、尺寸規(guī)格(包括導(dǎo)程與公程直徑) 、支承方式等幾個(gè)方面的內(nèi)容。滾珠絲杠副的承載能力用額定動(dòng)載荷或額定靜載荷來表示, 在加工中心的設(shè)計(jì)中一般按額定動(dòng)載荷來確定滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格, 對(duì)細(xì)長(zhǎng)而又承受壓縮載荷的滾珠絲杠作壓桿穩(wěn)定性核算; 對(duì)轉(zhuǎn)速高, 支承距離大的滾珠絲杠副作臨界轉(zhuǎn)速校核; 對(duì)精度要求高的滾珠絲杠作剛度校核; 對(duì)數(shù)控機(jī)床, 需核算其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量; 對(duì)全閉環(huán)系統(tǒng), 需核算其諧振頻率。 2.2.1滾珠絲杠的主要尺寸參數(shù)： 公稱直徑，用于標(biāo)注的尺寸值（無公差）。 （1） 節(jié)圓直徑，滾珠絲杠與滾珠螺母體及滾珠絲杠位于理論接觸點(diǎn)時(shí)，滾珠球心包絡(luò)的圓柱直徑。節(jié)圓直徑通常與滾珠絲杠的公稱直徑相等。 （2） 導(dǎo)程，滾珠螺母相對(duì)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)2弧度時(shí)的行程（無公差）。 （3） 公稱導(dǎo)程，通常用作尺寸標(biāo)識(shí)的導(dǎo)程值。 （4） 行程，轉(zhuǎn)動(dòng)滾珠絲杠或滾珠螺母時(shí)，滾珠絲杠或滾珠螺母的軸向位移量。 （5） 有效行程，有指定精度要求的行程部分（即行程加上滾珠螺母體的長(zhǎng)度）。 此外，還有絲杠螺紋外徑，絲杠螺紋底徑，螺母體外徑，螺母體螺紋底徑，螺母體螺紋內(nèi)經(jīng)，滾珠直徑，絲杠螺紋全長(zhǎng)等。標(biāo)注如下圖所示。 圖2.2 2.2.2龍門加工中心X方向進(jìn)給的滾珠絲杠螺母副的選型 1、 計(jì)算進(jìn)給牽引力（N） 工作臺(tái)重量800kg,工件與夾具最大重量為600kg。 =1.15*493+0.004(435+13720) =623.57 其中：k 考慮顛覆力矩的影響，k=1.15 滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，=0.003~0.005 =0.004 工作臺(tái)及夾具部件重量，工作臺(tái)重量為800kg，夾具總重量為600kg。 =（800+600）*9.8=14155N 2、絲杠導(dǎo)程的確定 絲杠導(dǎo)程的選擇一般根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)快速進(jìn)給的最高速度為、伺服電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 及電機(jī)與絲杠的傳動(dòng)比 i來確定, 基本絲杠導(dǎo)程應(yīng)滿足下式為: 其中： 快速進(jìn)給速度，按機(jī)床設(shè)計(jì)要求：=40m/min。 電機(jī)與絲杠的傳動(dòng)比，由于本次設(shè)計(jì)中采用伺服電機(jī)與滾珠絲杠直接連接，故電機(jī)與絲杠的傳動(dòng)比=1。 伺服電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，=5000r/min。 所以，上式中，8 取=10進(jìn)行計(jì)算。 3、精度選擇 滾珠絲杠的精度直接影響數(shù)控機(jī)床的定位精度,在滾珠絲杠精度參數(shù)中, 其導(dǎo)程誤差對(duì)床定位精度影響最明顯。一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定絲杠的任意300mm行程變動(dòng)量應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)定位的定位精300p度值的 1/3～1/2, 在最后精度驗(yàn)算中確定。 根據(jù)GB/T 17587.3—1998標(biāo)準(zhǔn)，滾珠絲杠副的精度等級(jí)被分為1、2、3、4、5、7、10七個(gè)等級(jí)，其中，最高精度為1，最低精度為10。 4、最大動(dòng)載荷的計(jì)算 最大動(dòng)載荷的計(jì)算公式如下： 其中： 滾珠絲杠副的壽命，單位為r。=60nT/(其中，T為使用壽命，普通機(jī)械取T=5000~10000h，數(shù)控機(jī)床一般機(jī)電設(shè)備取T=15000h；n為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。) 在本次設(shè)計(jì)中，=2700 載荷系數(shù)，由下表查得：=1.5 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) 平穩(wěn)或輕度沖擊 1.0~1.2 中等沖擊 1.2~1.5 較大沖擊或震動(dòng) 1.5~2.5 表2-2 硬度系數(shù)，58HRC時(shí)，取1.0；等于55HRC時(shí)，取1.11；等于52.5HRC時(shí)，取1.35；等于50HRC時(shí)，取1.56；等于45HRC時(shí)，取2.40。） 在本次設(shè)計(jì)中=1.0 滾珠絲桿副的最大工作載荷，單位為N。 將所選參數(shù)帶入式中，得： =13025N 5、規(guī)格型號(hào)的選擇 初選滾珠絲杠副的規(guī)格時(shí)，應(yīng)使其額定動(dòng)載荷。 當(dāng)滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速狀態(tài)下（n10r/min）長(zhǎng)時(shí)間承受工作載荷時(shí)，還應(yīng)使其額定靜載荷。 通過上述計(jì)算以及對(duì)滾珠絲杠副規(guī)格型號(hào)選擇的描述，在本次設(shè)計(jì)中，額定動(dòng)載荷13025N，而額定靜載荷18000N。 根據(jù)額定動(dòng)載荷和額定靜載荷，可從表中選擇滾珠絲桿副的規(guī)格型號(hào)和有關(guān)參數(shù)。公稱直徑和導(dǎo)程應(yīng)盡量選擇優(yōu)先組合，同時(shí)還要滿足控制系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)程的要求。 通過上述計(jì)算中得出的結(jié)論，滾珠絲杠螺母副導(dǎo)程=10，查表選擇CDM5010-3 其滾珠絲杠參數(shù)為： 公稱直徑， =50mm 基本導(dǎo)程， =10mm 絲杠外徑， =49mm 絲杠底徑， =43.14mm 循環(huán)圈數(shù)， n =3 剛度，=960 其螺母安裝尺寸為（mm）： D=140，L=171，B=18，D1=95，D4=118，h=11，油杯孔M8*1， =11，=18。 滾珠絲杠螺母副尺寸標(biāo)注如下圖所示： 圖2.3 圖2.4 2.2.3龍門加工中心Y方向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副的選型與計(jì)算 1、計(jì)算進(jìn)給牽引力（N） 十字滑座，主軸箱以及主軸上各部件共重1600kg。 =1.15*232+0.004(435+15680) =331.26 其中：k 考慮顛覆力矩的影響，k=1.15 滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)， =0.003~0.005 =0.004 工作臺(tái)及夾具部件重量，工作臺(tái)重量為800kg，夾具總重量為600kg。 =（1600）*9.8=15680N 2、絲杠導(dǎo)程的確定 絲杠導(dǎo)程的選擇一般根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)快速進(jìn)給的最高速度為、伺服電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 及電機(jī)與絲杠的傳動(dòng)比 i來確定, 基本絲杠導(dǎo)程應(yīng)滿足下式為: 其中： 快速進(jìn)給速度，按機(jī)床設(shè)計(jì)要求：=40m/min。 電機(jī)與絲杠的傳動(dòng)比，由于本次設(shè)計(jì)中采用伺服電機(jī)與滾珠絲杠直接連接，故電機(jī)與絲杠的傳動(dòng)比=1。 伺服電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，=5000r/min。 所以，上式中，8 取=8進(jìn)行計(jì)算。 3、精度選擇 滾珠絲杠的精度直接影響數(shù)控機(jī)床的定位精度,在滾珠絲杠精度參數(shù)中, 其導(dǎo)程誤差對(duì)床定位精度影響最明顯。一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定絲杠的任意300mm行程變動(dòng)量應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)定位的定位精300p度值的 1/3～1/2, 在最后精度驗(yàn)算中確定。 根據(jù)GB/T 17587.3—1998標(biāo)準(zhǔn)，滾珠絲杠副的精度等級(jí)被分為1、2、3、4、5、7、10七個(gè)等級(jí)，其中，最高精度為1，最低精度為10。 4、最大動(dòng)載荷的計(jì)算 最大動(dòng)載荷的計(jì)算公式如下： 其中： 滾珠絲杠副的壽命，單位為r。=60nT/(其中，T為使用壽命，普通機(jī)械取T=5000~10000h，數(shù)控機(jī)床一般機(jī)電設(shè)備取T=15000h；n為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。) 在本次設(shè)計(jì)中，=2700 載荷系數(shù)，由下表查得：=1.5 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) 平穩(wěn)或輕度沖擊 1.0~1.2 中等沖擊 1.2~1.5 較大沖擊或震動(dòng) 1.5~2.5 表2.3 硬度系數(shù)，58HRC時(shí)，取1.0；等于55HRC時(shí)，取1.11；等于52.5HRC時(shí)，取1.35；等于50HRC時(shí)，取1.56；等于45HRC時(shí)，取2.40。） 在本次設(shè)計(jì)中=1.0 滾珠絲桿副的最大工作載荷，單位為N。 將所選參數(shù)帶入式中，得： =6919N 5、規(guī)格型號(hào)的選擇 初選滾珠絲杠副的規(guī)格時(shí)，應(yīng)使其額定動(dòng)載荷。 當(dāng)滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速狀態(tài)下（n10r/min）長(zhǎng)時(shí)間承受工作載荷時(shí)，還應(yīng)使其額定靜載荷。 通過上述計(jì)算以及對(duì)滾珠絲杠副規(guī)格型號(hào)選擇的描述，在本次設(shè)計(jì)中，額定動(dòng)載荷6919N。 根據(jù)額定動(dòng)載荷和額定靜載荷，可從表中選擇滾珠絲桿副的規(guī)格型號(hào)和有關(guān)參數(shù)。公稱直徑和導(dǎo)程應(yīng)盡量選擇優(yōu)先組合，同時(shí)還要滿足控制系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)程的要求。 根據(jù)