車床數(shù)控改造,車床,數(shù)控,改造 開題報(bào)告 概述 ? 數(shù)控機(jī)床是集機(jī)械、電氣、液壓、氣動、微電子和信息等多項(xiàng)技術(shù)為一體的機(jī)電一體化產(chǎn)品。是機(jī)械制造設(shè)備中具有高精度、高效率、高自動化和高柔性化等優(yōu)點(diǎn)的工作母機(jī)。數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平高低及其在金屬切削加工機(jī)床產(chǎn)量和總擁有量的百分比是衡量一個(gè)國家國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)制造整體水平的重要標(biāo)志之一。數(shù)控車床是數(shù)控機(jī)床的主要品種之一，它在數(shù)控機(jī)床中占有非常重要的位置，幾十年來一直受到世界各國的普遍重視并得到了迅速的發(fā)展。 ??? 我國數(shù)控車床從20世紀(jì)70年代初進(jìn)入市場，至今通過各大機(jī)床廠家的不懈努力，通過采取與國外著名機(jī)床廠家的合作、合資、技術(shù)引進(jìn)、樣機(jī)消化吸收等措施，使得我國的機(jī)床制造水平有了很大的提高，其產(chǎn)量在金屬切削機(jī)床中占有較大的比例。目前，國產(chǎn)數(shù)控車床的品種、規(guī)格較為齊全，質(zhì)量基本穩(wěn)定可靠，已進(jìn)入實(shí)用和全面發(fā)展階段。 ??? 根據(jù)不同的市場定位和需求，數(shù)控車床可分為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床和全功能型數(shù)控車床。下面結(jié)合寶雞機(jī)床廠數(shù)十年研制和生產(chǎn)數(shù)控車床的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐，談?wù)勎覈鴶?shù)控車床在結(jié)構(gòu)方面的現(xiàn)狀及今后數(shù)控車床的整體發(fā)展趨勢。 一、數(shù)控車床的現(xiàn)狀 1. 床身和導(dǎo)軌 (1)床身 ??? 機(jī)床的床身是整個(gè)機(jī)床的基礎(chǔ)支承件，是機(jī)床的主體，一般用來放置導(dǎo)軌、主軸箱等重要部件。床身的結(jié)構(gòu)對機(jī)床的布局有很大的影響。按照床身導(dǎo)軌面與水平面的相對位置，床身有圖1所示的5種布局形式。一般來說，中、小規(guī)格的數(shù)控車床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型數(shù)控車床或小型精密數(shù)控車床才采用平床身，立床身采用的較少。平床身工藝性好，易于加工制造。由于刀架水平放置，對提高刀架的運(yùn)動精度有好處，但床身下部空間小，排屑困難；刀架橫滑板較長，加大了機(jī)床的寬度尺寸，影響外觀。平床身斜滑板結(jié)構(gòu)，再配置上傾斜的導(dǎo)軌防護(hù)罩，這樣既保持了平床身工藝性好的優(yōu)點(diǎn)，床身寬度也不會太大。斜床身和平床身斜滑板結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代數(shù)控車床中被廣泛應(yīng)用，是因?yàn)檫@種布局形式具有以下特點(diǎn)： ??? ☆ 容易實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化； ??? ☆ 機(jī)床外形整齊、美觀，占地面積??； ??? ☆ 容易設(shè)置封閉式防護(hù)裝置； ??? ☆ 容易排屑和安裝自動排屑器； ??? ☆ 從工件上切下的熾熱切屑不至于堆積在導(dǎo)軌上影響導(dǎo)軌精度； ??? ☆ 宜人性好，便于操作； ??? ☆ 便于安裝機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動化。 ??? 例如，寶雞機(jī)床廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)的CJK6140H系列簡式數(shù)控車床采用的是平床身平滑板結(jié)構(gòu)；CK75系列全功能數(shù)控車床采用的是后斜床身斜滑板結(jié)構(gòu)。而我們剛剛研制開發(fā)完成的CK535D全功能數(shù)控倒置立式車床，采用的是直立床身直立滑板結(jié)構(gòu)。該機(jī)床采用大功率內(nèi)藏式電主軸結(jié)構(gòu)，主軸可沿X和Z軸移動，以實(shí)現(xiàn)自動上下料功能。該機(jī)床配置有自動回轉(zhuǎn)料庫，從而實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動化，同時(shí)該機(jī)床也很容易被加入生產(chǎn)線。 ??????????? ?? a)后斜床身-斜滑板 b)直立床身-直立滑板 ?????????? ? c)平床身-平滑板 d)前斜床身-平滑板 ? ??????? e)平床身-斜滑板 圖1 床身布局 (2)導(dǎo)軌 ??? 車床的導(dǎo)軌可分為滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌兩種。 ??? 滑動導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)滑動導(dǎo)軌摩擦阻力大，磨損快，動、靜摩擦系數(shù)差別大，低速時(shí)易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。目前，數(shù)控車床已不采用傳統(tǒng)滑動導(dǎo)軌，而是采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動導(dǎo)軌和新型塑料滑動導(dǎo)軌。它們具有摩擦性能良好和使用壽命長等特點(diǎn)。 ??? 導(dǎo)軌剛度的大小、制造是否簡單、能否調(diào)整、摩擦損耗是否最小以及能否保持導(dǎo)軌的初始精度，在很大程度上取決于導(dǎo)軌的橫截面形狀。車床滑動導(dǎo)軌的橫截面形狀常采用山形截面和矩形截面。山形截面，如圖2(a)所示。這種截面導(dǎo)軌導(dǎo)向精度高，導(dǎo)軌磨損后靠自重下沉自動補(bǔ)償。下導(dǎo)軌用凸形有利于排污物，但不易保存油液。矩形截面，如圖2(b)所示。這種截面導(dǎo)軌制造維修方便，承載能力大，新導(dǎo)軌導(dǎo)向精度高，但磨損后不能自動補(bǔ)償，需用鑲條調(diào)節(jié)，影響導(dǎo)向精度。 ?????????? a) 山形截面 b) 矩形截面 ??????????????????????圖2 導(dǎo)軌截面 ??? 寶雞機(jī)床廠生產(chǎn)的CJK6140H系列簡式數(shù)控車床床身采用的是山形貼塑導(dǎo)軌，CK75系列全功能數(shù)控車床采用的是矩形貼塑導(dǎo)軌。 ??? 滾動導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是摩擦系數(shù)小，動、靜摩擦系數(shù)很接近，不會產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，可以使用油脂潤滑。數(shù)控車床導(dǎo)軌的行程一般較長，因此滾動體必須循環(huán)。根據(jù)滾動體的不同，滾動導(dǎo)軌可分為滾珠直線導(dǎo)軌和滾柱直線導(dǎo)軌，如圖3所示。后者的承載能力和剛度都比前者高，但摩擦系數(shù)略大。寶雞機(jī)床廠生產(chǎn)的CK75C系列全功能數(shù)控車床采用的是滾珠直線導(dǎo)軌，CK535D全功能數(shù)控倒置立式車床X向?qū)к壊捎玫氖菨L柱直線導(dǎo)軌。 ???????????? a) 滾珠直線導(dǎo)軌 b) 滾柱直線導(dǎo)軌 ???????????????????????????圖3 滾動導(dǎo)軌 2. 主軸變速系統(tǒng) ??? 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床大多數(shù)是不能自動變速的，需要變速時(shí)，只能把機(jī)床停止，然后手動變速。而全功能數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)大多采用無級變速。目前，無級變速系統(tǒng)主要有變頻主軸系統(tǒng)和伺服主軸系統(tǒng)兩種，一般采用直流或交流主軸電機(jī)，通過帶傳動帶動主軸旋轉(zhuǎn)，或通過帶傳動和主軸箱內(nèi)的減速齒輪(以獲得更大的轉(zhuǎn)矩)帶動主軸旋轉(zhuǎn)。由于主軸電機(jī)調(diào)速范圍廣，又可無級調(diào)速，使得主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡化。主軸電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)可輸出全部功率和最大轉(zhuǎn)矩。 3. 刀架系統(tǒng) ??? 數(shù)控車床的刀架是機(jī)床的重要組成部分。刀架用于夾持切削用的刀具，因此其結(jié)構(gòu)直接影響機(jī)床的切削性能和切削效率。在一定程度上，刀架的結(jié)構(gòu)和性能體現(xiàn)了機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)水平。隨著數(shù)控車床的不斷發(fā)展，刀具結(jié)構(gòu)形式也在不斷翻新。 ??? 刀架是直接完成切削加工的執(zhí)行部件，所以，刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強(qiáng)度和剛度，以承受粗加工時(shí)的切削抗力。由于切削加工精度在很大程度上取決于刀尖位置，所以要求數(shù)控車床選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)，以保證有較高的重復(fù)定位精度。此外，刀架的設(shè)計(jì)還應(yīng)滿足換刀時(shí)間短、結(jié)構(gòu)緊湊和安全可靠等要求。 ??? 按換刀方式的不同，數(shù)控車床的刀架系統(tǒng)主要有回轉(zhuǎn)刀架、排式刀架和帶刀庫的自動換刀裝置等多種形式。 (1) 排式刀架 ??? 排式刀架一般用于小規(guī)格數(shù)控車床，以加工棒料或盤類零件為主。它的結(jié)構(gòu)形式為，夾持著各種不同用途刀具的刀夾沿著機(jī)床的X坐標(biāo)軸方向排列在橫向滑板上。刀具的典型布置方式如圖4所示。這種刀架在刀具布置和機(jī)床調(diào)整等方面都較為方便，可以根據(jù)具體工件的車削工藝要求，任意組合各種不同用途的刀具，一把刀具完成車削任務(wù)后，橫向滑板只要按程序沿X軸移動預(yù)先設(shè)定的距離后，第二把刀就到達(dá)加工位置，這樣就完成了機(jī)床的換刀動作。這種換刀方式迅速省時(shí)，有利于提高機(jī)床的生產(chǎn)效率。寶雞機(jī)床廠生產(chǎn)的CK7620P全功能數(shù)控車床配置的就是排式刀架。 ?????????????????????????????????? 圖4 排式刀架 (2) 回轉(zhuǎn)刀架 回轉(zhuǎn)刀架是數(shù)控車床最常用的一種典型換刀刀架，通過刀架的旋轉(zhuǎn)分度定位來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動換刀動作，根據(jù)加工要求可設(shè)計(jì)成四方、六方刀架或圓盤式刀架，并相應(yīng)地安裝4把、6把或更多的刀架?；剞D(zhuǎn)刀架的換刀動作可分為刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位和刀架鎖緊等幾個(gè)步驟。它的動作是由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令完成的?；剞D(zhuǎn)刀架根據(jù)刀架回轉(zhuǎn)軸與安裝底面的相對位置，分為立式刀架和臥式刀架兩種。寶雞機(jī)床廠生產(chǎn)的CJK6140H系列簡式數(shù)控車床配置的是四工位立式刀架或六工位臥式刀架，CK75系列全功能數(shù)控車床配置的是8工位或12工位臥式刀架，如圖5所示。 圖5 臥式回轉(zhuǎn)刀架 (3) 帶刀庫的自動換刀裝置 ??? 上述排刀式刀架和回轉(zhuǎn)刀架所安裝的刀具都不可能太多，即使是裝備兩個(gè)刀架，對刀具的數(shù)目也有一定限制。當(dāng)由于某種原因需要數(shù)量較多的刀具時(shí)，應(yīng)采用帶刀庫的自動換刀裝置。帶刀庫的自動換刀裝置由刀庫和刀具交換機(jī)構(gòu)組成。 4. 進(jìn)給傳動系統(tǒng) ??? 數(shù)控車床的進(jìn)給傳動系統(tǒng)一般均采用進(jìn)給伺服系統(tǒng)。這也是數(shù)控車床區(qū)別于普通車床的一個(gè)特殊部分。 ??? 數(shù)控車床的伺服系統(tǒng)一般由驅(qū)動控制單元、驅(qū)動元件、機(jī)械傳動部件、執(zhí)行件和檢測反饋環(huán)節(jié)等組成。驅(qū)動控制單元和驅(qū)動元件組成伺服驅(qū)動系統(tǒng)。機(jī)械傳動部件和執(zhí)行元件組成機(jī)械傳動系統(tǒng)。檢測元件與反饋電路組成檢測系統(tǒng)。 ??? 進(jìn)給伺服系統(tǒng)按其控制方式不同可分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)控制方式通常是具有位置反饋的伺服系統(tǒng)。根據(jù)位置檢測裝置所在位置的不同，閉環(huán)系統(tǒng)又分為半閉環(huán)系統(tǒng)和全閉環(huán)系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)具有將位置檢測裝置裝在絲杠端頭和裝在電機(jī)軸端兩種類型。前者把絲杠包括在位置環(huán)內(nèi)，后者則完全置機(jī)械傳動部件于位置環(huán)之外。全閉環(huán)系統(tǒng)的位置檢測裝置安裝在工作臺上，機(jī)械傳動部件整個(gè)被包括在位置環(huán)之內(nèi)。 ??? 開環(huán)系統(tǒng)的定位精度比閉環(huán)系統(tǒng)低，但它結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、造價(jià)低廉。由于影響定位精度的機(jī)械傳動裝置的磨損、慣性及間隙的存在，故開環(huán)系統(tǒng)的精度和快速性較差。 ??? 全閉環(huán)系統(tǒng)控制精度高、快速性能好，但由于機(jī)械傳動部件在控制環(huán)內(nèi)，所以系統(tǒng)的動態(tài)性能不僅取決于驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而且還與機(jī)械傳動部件的剛度、阻尼特性、慣性、間隙和磨損等因素有很大關(guān)系，故必須對機(jī)電部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行綜合考慮才能滿足系統(tǒng)的要求。因此全閉環(huán)系統(tǒng)對機(jī)床的要求比較高，且造價(jià)也較昂貴。閉環(huán)系統(tǒng)中采用的位置檢測裝置有：脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、磁尺、光柵尺和激光干涉儀等。 ??? 數(shù)控車床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)中常用的驅(qū)動裝置是伺服電機(jī)。伺服電機(jī)有直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)之分。交流伺服電機(jī)由于具有可靠性高、基本上不需要維護(hù)和造價(jià)低等特點(diǎn)而被廣泛采用。 二、數(shù)控車床發(fā)展趨勢 ??? 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，它對國計(jì)民生的一些重要行業(yè)(IT、汽車、輕工、醫(yī)療等)的發(fā)展起著越來越重要的作用，因?yàn)檫@些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。當(dāng)前數(shù)控車床呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢。 1. 高速、高精密化 ??? 高速、精密是機(jī)床發(fā)展永恒的目標(biāo)。隨著科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，機(jī)電產(chǎn)品更新?lián)Q代速度加快，對零件加工的精度和表面質(zhì)量的要求也愈來愈高。為滿足這個(gè)復(fù)雜多變市場的需求，當(dāng)前機(jī)床正向高速切削、干切削和準(zhǔn)干切削方向發(fā)展，加工精度也在不斷地提高。另一方面，電主軸和直線電機(jī)的成功應(yīng)用，陶瓷滾珠軸承、高精度大導(dǎo)程空心內(nèi)冷和滾珠螺母強(qiáng)冷的低溫高速滾珠絲杠副及帶滾珠保持器的直線導(dǎo)軌副等機(jī)床功能部件的面市，也為機(jī)床向高速、精密發(fā)展創(chuàng)造了條件。 ??? 數(shù)控車床采用電主軸，取消了皮帶、帶輪和齒輪等環(huán)節(jié)，大大減少了主傳動的轉(zhuǎn)動慣量，提高了主軸動態(tài)響應(yīng)速度和工作精度，徹底解決了主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)皮帶和帶輪等傳動的振動和噪聲問題。采用電主軸結(jié)構(gòu)可使主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到10000r/min以上。 ??? 直線電機(jī)驅(qū)動速度高，加減速特性好，有優(yōu)越的響應(yīng)特性和跟隨精度。用直線電機(jī)作伺服驅(qū)動，省去了滾珠絲杠這一中間傳動環(huán)節(jié)，消除了傳動間隙(包括反向間隙)，運(yùn)動慣量小，系統(tǒng)剛性好，在高速下能精密定位，從而極大地提高了伺服精度。 ??? 直線滾動導(dǎo)軌副，由于其具有各向間隙為零和非常小的滾動摩擦，磨損小，發(fā)熱可忽略不計(jì)，有非常好的熱穩(wěn)定性，提高了全程的定位精度和重復(fù)定位精度。 ??? 通過直線電機(jī)和直線滾動導(dǎo)軌副的應(yīng)用，可使機(jī)床的快速移動速度由目前的10～20m/mim提高到60～80m/min，甚至高達(dá)120m/min。 2. 高可靠性 ??? 數(shù)控機(jī)床的可靠性是數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品質(zhì)量的一項(xiàng)關(guān)鍵性指標(biāo)。數(shù)控機(jī)床能否發(fā)揮其高性能、高精度和高效率，并獲得良好的效益，關(guān)鍵取決于其可靠性的高低。 3. 數(shù)控車床設(shè)計(jì)CAD化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊化 ??? 隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及及軟件技術(shù)的發(fā)展，CAD技術(shù)得到了廣泛發(fā)展。CAD不僅可以替代人工完成繁瑣的繪圖工作，更重要的是可以進(jìn)行設(shè)計(jì)方案選擇和大件整機(jī)的靜、動態(tài)特性分析、計(jì)算、預(yù)測及優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以對整機(jī)各工作部件進(jìn)行動態(tài)模擬仿真。在模塊化的基礎(chǔ)上在設(shè)計(jì)階段就可以看出產(chǎn)品的三維幾何模型和逼真的色彩。采用CAD，還可以大大提高工作效率，提高設(shè)計(jì)的一次成功率，從而縮短試制周期，降低設(shè)計(jì)成本，提高市場競爭能力。 ??? 通過對機(jī)床部件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，不僅能減少重復(fù)性勞動，而且可以快速響應(yīng)市場，縮短產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)周期。 4. 功能復(fù)合化 ??? 功能復(fù)合化的目的是進(jìn)一步提高機(jī)床的生產(chǎn)效率，使用于非加工輔助時(shí)間減至最少。通過功能的復(fù)合化，可以擴(kuò)大機(jī)床的使用范圍、提高效率，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用、一機(jī)多能，即一臺數(shù)控車床既可以實(shí)現(xiàn)車削功能，也可以實(shí)現(xiàn)銑削加工；或在以銑為主的機(jī)床上也可以實(shí)現(xiàn)磨削加工。寶雞機(jī)床廠已經(jīng)研制成功的CX25Y數(shù)控車銑復(fù)合中心，該機(jī)床同時(shí)具有X、Z軸以及C軸和Y軸。通過C軸和Y軸，可以實(shí)現(xiàn)平面銑削和偏孔、槽的加工。該機(jī)床還配置有強(qiáng)動力刀架和副主軸。副主軸采用內(nèi)藏式電主軸結(jié)構(gòu)，通過數(shù)控系統(tǒng)可直接實(shí)現(xiàn)主、副主軸轉(zhuǎn)速同步。該機(jī)床工件一次裝夾即可完成全部加工，極大地提高了效率。 5. 智能化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化和集成化 ??? 21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)。智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動生成；為提高驅(qū)動性能及使用連接方面的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動識別負(fù)載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機(jī)界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控等方面的內(nèi)容，以方便系統(tǒng)的診斷及維修等。 ??? 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近年來機(jī)床發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實(shí)現(xiàn)新的制造模式，如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元。 ??? 數(shù)控機(jī)床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是：從點(diǎn)(數(shù)控單機(jī)、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床)、線(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段車間獨(dú)立制造島、FA)、體(CIMS、分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng))的方向發(fā)展，另一方面向注重應(yīng)用性和經(jīng)濟(jì)性方向發(fā)展。柔性自動化技術(shù)是制造業(yè)適應(yīng)動態(tài)市場需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是各國制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢，是先進(jìn)制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)。其重點(diǎn)是以提高系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用化為前提，以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標(biāo)，注重加強(qiáng)單元技術(shù)的開拓和完善。CNC單機(jī)向高精度、高速度和高柔性方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床及其構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)能方便地與CAD、CAM、CAPP及MTS等聯(lián)結(jié)，向信息集成方向發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向開放、集成和智能化方向發(fā)展。 摘要 數(shù)控車床是集機(jī)械、電氣、液壓、氣動、微電子和信息等多項(xiàng)技術(shù)為一體的機(jī)電一體化產(chǎn)品。是機(jī)械制造設(shè)備中具有高精度、高效率、高自動化和高柔性化等優(yōu)點(diǎn)的工作母機(jī)。數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平高低及其在金屬切削加工機(jī)床產(chǎn)量和總擁有量的百分比是衡量一個(gè)國家國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)制造整體水平的重要標(biāo)志之一。數(shù)控車床是數(shù)控機(jī)床的主要品種之一，它在數(shù)控機(jī)床中占有非常重要的位置，幾十年來一直受到世界各國的普遍重視并得到了迅速的發(fā)展。 因此了解數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)與工作原理是操作、維修、改進(jìn)數(shù)控車床的前提，也是設(shè)計(jì)一款數(shù)控車床的基本?；诖吮疚慕榻B了數(shù)控車床的主軸系統(tǒng)、伺服進(jìn)給系統(tǒng)、刀架系統(tǒng)等的特點(diǎn)、設(shè)計(jì)要求及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對于系統(tǒng)部件也作了介紹。 關(guān)鍵詞： 數(shù)控車床 主軸系統(tǒng) 伺服進(jìn)給系統(tǒng) 刀架系統(tǒng) 28 第 頁 Abstract Numerical-controlled Lathe is a electromechanical integration product,which is multinomial technology for one-piece. Numerical- -controlled Lathe is multituded by mechanism、 electric 、hydraulic、 pressure,pneumatic、 electrino、information and so on. It is main working machine and possesses high precision、 high efficiency、high automation and high flexibility in the mechanical manufacturing equipment.The technology capability of Numerical-controlled Lathe and percentage of machine output and in possession of amount is one of the important signal weighting the whole level of one state national economy extend and commercial manufacture Numerical-controlled Lathe is one of main variety of Numerical-controlled Machine,it take a important place in the Numerical-controlled Machine,and for decade years,it is given the prevalence regard from all the world and get the prompt develop. Therefore study the structure and working principle is the premise of operate、maintain、improve Numerical-controlled Lathe, also it is the basic of designing Numerical-controlled Lathe.Introduced the characteristics, the design request and the structure characteristicses of Principal axis system 、Servo system and Tools system of Numerical-controlled Lathe according to this text, also made a introduction for the system parts. Keywords: NCLathe Principal axis system Servo system Tools system 目錄 第一章 概述…………………………………………………… 1 一 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展……………………………………1 二 數(shù)控機(jī)床的組成與適用范圍………………………………1 三 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)與分類……………………………………3 四 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢………………………………………4 第二章 設(shè)計(jì)基本思想和主要參數(shù)…………………………5 一 課題要求……………………………………………………5 二 設(shè)計(jì)思想……………………………………………………5 第三章 主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)……………………………… 7 一 主傳動系統(tǒng)概述…………………………………………… 7 二 主軸驅(qū)動裝置、工作特性及速度控制…………………… 8 三 主軸部件…………………………………………………… 9 四 主傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)說明………………………………13 第四章 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)………………………………15 一 進(jìn)給傳動系統(tǒng)概述…………………………………………15 二 交流伺服驅(qū)動裝置及調(diào)速…………………………………17 三 位置檢測裝置………………………………………………18 四 進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)………………………………………………20 五 進(jìn)給傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說明……………………………………22 總結(jié)…………………………………………………………………26 參考文獻(xiàn)………………………………………………………… 27 第一章 概述 一 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生及發(fā)展 科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來越高的要求。機(jī)械加工工藝過程的自動化是實(shí)現(xiàn)上述要求的最主要的措施之一。它不僅提高產(chǎn)品的質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、還能夠大大改善工人的勞動條件。 大批量的自動化生產(chǎn)廣泛采用自動機(jī)床、組合機(jī)床和專用機(jī)床以及專用自動生產(chǎn)線，實(shí)行多刀、多工位多面同時(shí)加工，以達(dá)到高效率和高自動化。但這些都屬于剛性自動化，在面對小批量生產(chǎn)時(shí)并不是適用，因?yàn)樾∨可a(chǎn)需要經(jīng)常變化產(chǎn)品的種類，這就要求生產(chǎn)線具有柔性。而從某種程度上說，數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)正是很地滿足了這一要求。 1952年，美國麻省理工學(xué)院成功地研制出一套三坐標(biāo)聯(lián)動，利用脈沖乘法器原理的試驗(yàn)性數(shù)控系統(tǒng)，并把它裝在一臺立式銑床上。當(dāng)時(shí)用的電子元件是電子管，這就是第一代世界上的第一臺數(shù)控機(jī)床。 我國是從1958年開始研究數(shù)控技術(shù)，一直到60年代中期處于研制、開發(fā)時(shí)期。當(dāng)時(shí)，一些高等院校、科研單位研制出試驗(yàn)樣機(jī)，開發(fā)也是從電子管開始的。1965年國內(nèi)開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)。從70年代開始，數(shù)控技術(shù)在車、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工、點(diǎn)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(shí)期，數(shù)控線切割機(jī)床由于結(jié)構(gòu)簡單，使用方便、價(jià)格低廉，在模具加工中得到了推廣。80年代，我國從日本發(fā)那科公司引進(jìn)了5、7、3等系列的數(shù)控系統(tǒng)和交流伺服電機(jī)、交流主軸電機(jī)技術(shù)，以及從美國、德國引進(jìn)一些新技術(shù)。這使我國的數(shù)控機(jī)床在性能和質(zhì)量上產(chǎn)生了一個(gè)質(zhì)的飛躍。1985年，我國數(shù)控機(jī)床品種有了新的發(fā)展。90年代以及接下來主要是向高檔數(shù)控機(jī)床發(fā)展。 二 數(shù)控機(jī)床的組成與適用范圍 （一）數(shù)控機(jī)床的組成 如圖所示，數(shù)控機(jī)床由以下幾個(gè)不分組成。 1、程序介質(zhì) 根據(jù)零件的幾何和工藝要求，確定零件加工的工藝過程和工藝參數(shù)，然后按規(guī)定的代碼和格式編制數(shù)控加工程序。編制程序的工作可由人工完成，也可以用計(jì)算機(jī)自動編程系統(tǒng)來完成。比較先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床，可以在它的數(shù)控裝置上直接編程。 編好的數(shù)控程序，存放在便于輸入到數(shù)控裝置的一種存儲介質(zhì)上，稱為程序介質(zhì)，可以是穿孔紙帶、磁帶、磁盤等。 2、輸入輸出裝置 輸入輸出裝置主要用于零件數(shù)控程序的編制、存儲、打印和顯示等。簡單的輸入輸出裝置只包括鍵盤和發(fā)光二極管顯示器。一般的輸入輸出裝置除了人機(jī)對話編程鍵盤和CRT外，還包括紙帶、磁帶和磁盤輸入機(jī)、穿孔機(jī)等。高級的數(shù)控系統(tǒng)還使用自動編程機(jī)或CAD/CAM系統(tǒng)。 3、數(shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心。它根據(jù)輸入的程序和數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)控裝置的系統(tǒng)軟件或邏輯電路進(jìn)行編譯、運(yùn)算和邏輯處理后，輸出各種信號和指令。 4、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、位置檢測裝置及輔助控制裝置 伺服驅(qū)動系統(tǒng)由伺服驅(qū)動電路和伺服驅(qū)動裝置組成，并于機(jī)床的執(zhí)行部件和機(jī)械傳動部件組成數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)。它根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)出來的速度和位移指令，控制執(zhí)行部件的進(jìn)給速度、方向和位移。每個(gè)進(jìn)給運(yùn)動的執(zhí)行部件，都配有一套伺服驅(qū)動系統(tǒng)。伺服驅(qū)動系統(tǒng)由開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)之分。在半閉環(huán)和閉環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，還得使用位置檢測裝置，間接或直接測量執(zhí)行部件的實(shí)際進(jìn)給位移，與指令位移進(jìn)行比較，按閉環(huán)原理，將其誤差轉(zhuǎn)換放大后控制執(zhí)行部件的進(jìn)給運(yùn)動。 5、機(jī)床的機(jī)械部件 數(shù)控機(jī)床的機(jī)械部件包括：主運(yùn)動部件，進(jìn)給運(yùn)動執(zhí)行部件如工作臺、拖板及其傳動部件和床身立柱等支承部件，還有冷卻、潤滑、轉(zhuǎn)位和夾緊等輔助裝置。對于加工中心車床，還有存放刀具的刀庫，交換刀具的機(jī)械手等部件。 (二) 數(shù)控機(jī)床的使用范圍 數(shù)控機(jī)床適用于加工： （1）生產(chǎn)批量小的零件（100件以下）； （2）加工精度高、結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的零件，如箱體類，曲線、曲面類的零件； （3）需要進(jìn)行多次改型設(shè)計(jì)的零件； （4）需要精確復(fù)制和尺寸一致性要求高的零件； （5）價(jià)格昂貴的零件，這種零件雖然生產(chǎn)量不大，但是如果加工中因出現(xiàn)錯(cuò)而報(bào)廢，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失。 三 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)與分類 （一）數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) 數(shù)控機(jī)床是一種高效能自動化加工機(jī)床。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床具有如下特點(diǎn)。 1、適應(yīng)性強(qiáng) 數(shù)控機(jī)床是按照被加工零件數(shù)控程序來進(jìn)行自動加工的，當(dāng)改變加工零件時(shí),只要改變數(shù)控程序軟件，而不需要改變機(jī)械部分和控制部分的硬件，就能適應(yīng)加工。因此，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短，有利于機(jī)械產(chǎn)品的更新?lián)Q代。 2、精度高，質(zhì)量穩(wěn)定 數(shù)控機(jī)床本身的精度較高，還可以利用軟件進(jìn)行精度校正和補(bǔ)償，加工零件按數(shù)控程序自動進(jìn)行，可以避免人為的誤差。因此，數(shù)控機(jī)床可以獲得比普通機(jī)床更高的加工精度。尤其提高了同批零件生產(chǎn)的一致性，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。 3、生產(chǎn)率高 數(shù)控機(jī)床上可以采用較大的切削用量，有效地節(jié)省了機(jī)加工時(shí)。還有自動換刀轉(zhuǎn)速、自動換刀和其它輔助操作自動化等功能，而且無需工序間的檢驗(yàn)與測量，故使輔助時(shí)間大為減縮。 4、能完成復(fù)雜型面的加工 許多復(fù)雜曲線和曲面的加工，普通機(jī)床無法實(shí)現(xiàn)，而數(shù)控機(jī)床完全可以完成。 5、減輕勞動輕度，改善勞動條件。 由于數(shù)控機(jī)床是自動完成對零件的加工的，許多動作不需要操作者進(jìn)行，因此勞動條件和勞動強(qiáng)度大為改善。 6、有利于生產(chǎn)管理 采用數(shù)控機(jī)床，有利于向計(jì)算機(jī)控制和管理生產(chǎn)方向發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)制造和生產(chǎn)管理自動化創(chuàng)造了條件。 (二) 數(shù)控機(jī)床的分類 1、按工藝用途分類： （1）普通數(shù)控機(jī)床 （2）數(shù)控加工中心（帶有刀庫和自動換刀裝置的數(shù)控機(jī)床） 2、按控制運(yùn)動的方式分類： （1）點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床 （2）點(diǎn)位直線控制數(shù)控機(jī)床 （3）輪廓控制數(shù)控機(jī)床 3、按伺服系統(tǒng)的控制方式分類： （1）開環(huán)數(shù)控機(jī)床 （2）半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 （3）閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 4、按所用數(shù)控系統(tǒng)的檔次分類 （1）低檔數(shù)控機(jī)床(主要用于車床、線切割機(jī)床及舊機(jī)床改造) （2) 中檔數(shù)控機(jī)床(伺服進(jìn)給采用半閉環(huán)及直、交流伺服控制,三至四軸聯(lián)動制） （3) 高檔數(shù)控機(jī)床(伺服進(jìn)給采用閉環(huán)及直、交流伺服控制，五軸或以上聯(lián)動制） 以上中、高檔數(shù)控機(jī)床一般稱為全功能數(shù)控或標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控。 四 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢 隨著先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，要求現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床向高速度、高精度、高可靠性、智能化和更完善的功能方向發(fā)展。 1、高速、高精度 高速化指數(shù)控機(jī)床的高速切削和高速插補(bǔ)進(jìn)給，目標(biāo)是在保證加工精度的前提下，提高加工速度。這不僅是要求數(shù)控系統(tǒng)的處理速度快，同時(shí)還要求數(shù)控機(jī)床具有大功率和大轉(zhuǎn)矩的高速主軸、高速進(jìn)給電動機(jī)、高性能的刀具、穩(wěn)定的高頻動態(tài)剛度。 高精度包括高進(jìn)給分辨率、高定位精度和重復(fù)定位精度、高動態(tài)剛度、高性能閉環(huán)交流數(shù)字伺服系統(tǒng)等。 2、“開放式” 要求新一代數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)是一種開放式、模塊化的體系結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的構(gòu)成要素應(yīng)是模塊化的，同時(shí)各模塊之間的接口必須是標(biāo)準(zhǔn)的；系統(tǒng)的軟件、硬件構(gòu)造應(yīng)是“透明的”、“可移植的”；系統(tǒng)應(yīng)具有“連續(xù)升級”的能力。 3、智能化 所謂智能化數(shù)控系統(tǒng)，是指具有擬人智能特征，智能數(shù)控系統(tǒng)通過對影響加工精度和效率的物理量進(jìn)行檢測、建模、提取特征，自動感知加工系統(tǒng)得內(nèi)部狀態(tài)及外部環(huán)境，快速做出實(shí)現(xiàn)最佳目標(biāo)的智能決策，對進(jìn)給速度、背吃刀量、坐標(biāo)移動、主軸轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使機(jī)床的加工過程處于最佳狀態(tài)。 （1）在數(shù)控系統(tǒng)中引進(jìn)自適應(yīng)控制技術(shù) 自適應(yīng)控制實(shí)在加工過程中不斷檢查某些能代表加工狀態(tài)的參數(shù) （2）設(shè)置故障自診斷功能 （3）具有人機(jī)對話自動編程功能 （4）應(yīng)用圖像識別和聲控技術(shù) 4、復(fù)合化 復(fù)合化加工，即在一臺機(jī)床上工件一次裝夾便可以完成多工種、多工序的加工，通過減少裝卸刀具、裝卸工件、調(diào)整機(jī)床的輔助時(shí)間，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多能，最大限度的提高機(jī)床的開機(jī)率和利用率。 5、高可靠性 高可靠性的數(shù)控系統(tǒng)是提高數(shù)控機(jī)床可靠性的關(guān)鍵。 6、多種插補(bǔ)功能 數(shù)控機(jī)床除具有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)功能外，有的還具有樣條插補(bǔ)、漸開線插補(bǔ)、螺旋插補(bǔ)、極坐標(biāo)插補(bǔ)、指數(shù)曲線插補(bǔ)、圓柱插補(bǔ)、假想坐標(biāo)插部等。 7、人機(jī)界面的友好 第二章 設(shè)計(jì)基本思想和主要參數(shù) 一 課題要求 （一）題目名稱 數(shù)控車床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（加工直徑500mm） （二）課題內(nèi)容及工作量 （1）數(shù)控車床總裝配圖設(shè)計(jì) （2）主軸部件設(shè)計(jì) （3) 刀具進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) （4）設(shè)計(jì)圖量Ao 4張、設(shè)計(jì)說明書一份 （5）外文翻譯 5000漢字； 全部圖紙用計(jì)算機(jī)輔助繪圖，說明書由計(jì)算機(jī)輸出打印。 二 設(shè)計(jì)思想 參照濟(jì)南第一機(jī)床廠的MJ-50型數(shù)控車床來進(jìn)行設(shè)計(jì)：床身和導(dǎo)軌的布局采用水平床身斜滑板；主軸驅(qū)動采用交流伺服電動機(jī)無機(jī)調(diào)速，采用V型帶帶動主軸旋轉(zhuǎn)：進(jìn)給系統(tǒng)也使用交流伺服電動機(jī)驅(qū)動，使用同步帶機(jī)構(gòu)減速，采用滾珠絲杠副進(jìn)行傳動；刀架系統(tǒng)使用回轉(zhuǎn)刀架機(jī)構(gòu)；尾座使用標(biāo)準(zhǔn)尾座。下面對MJ-50進(jìn)行介紹： （一）MJ-50數(shù)控車床的用途 MJ-50數(shù)控車床主要用來加工軸類零件的內(nèi)外圓柱面、圓錐面、螺紋表面、形成回轉(zhuǎn)體表面。對于盤類零件可進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)孔、鉸空、鏜孔等加工。機(jī)床還可以完成車端面、切槽、倒角的加工。 （二）MJ-50數(shù)控車床的布局 MJ-50數(shù)控車床為兩坐標(biāo)連續(xù)控制的臥式車床。床身為平床身，床身導(dǎo)軌上面支承著30度傾斜布置的滑板，排屑方便。導(dǎo)軌的橫截面為矩形，支承剛性好，且導(dǎo)軌上配置有防護(hù)罩。床身的左上方安裝有主軸箱，主軸有AC交流伺服電動機(jī)驅(qū)動，免去變速傳動裝置，因此使主軸箱的結(jié)構(gòu)變得十分簡單。為了快速而省力地裝夾工件，主軸卡盤的夾緊與松開是由主軸尾端的液壓缸來控制的。 床身右上方安裝有尾座。該機(jī)床有兩種可配置的尾座，一種是標(biāo)準(zhǔn)尾座，另一種是選擇配置的尾座。 滑板的傾斜導(dǎo)軌上安裝有回轉(zhuǎn)刀架，其刀盤上由10個(gè)工位，最多安裝10把刀具?；迳戏謩e安裝有X軸和z軸的進(jìn)給傳動裝置。 根據(jù)用戶的要求，主軸箱前端上可以安裝對刀儀，用于機(jī)床的機(jī)內(nèi)對刀。檢測刀具時(shí)，對刀儀的轉(zhuǎn)臂擺出，其上端的接觸式傳感器測頭對所有刀具進(jìn)行檢測。檢測完成后，對刀儀的轉(zhuǎn)臂擺回到原位，且測頭被鎖在對刀儀防護(hù)罩中。 機(jī)床上配置有操作面板，機(jī)床防護(hù)門，可以配置手動防護(hù)門，也可以配置氣動防護(hù)門。液壓系統(tǒng)的壓力由壓力表顯示。附有主軸卡盤夾緊與松開的腳踏開關(guān)。 （三）MJ-50數(shù)控車床的主要技術(shù)參數(shù) 允許最大工件回轉(zhuǎn)直徑 500mm 最大切削直徑 310mm 最大切削長度 650mm 主軸轉(zhuǎn)速范圍 35~3500r/min(連續(xù)無級) 其中恒扭矩范圍 35~437 r/min 其中恒功率范圍 437~3500 r/min 主軸通孔直徑 80mm 拉管直徑 65mm 刀架有效行程 X軸 182mm;Z軸 675mm 快速移動速度 X軸10m/min;Z軸 15m/min 安裝刀具數(shù) 10把 刀具規(guī)格 車刀25mmx25mm;鏜刀￠12mm~￠45mm 選刀方式 刀盤就近轉(zhuǎn)位 分度時(shí)間 單步 0.8s; 180° 2.2s 尾座套筒直徑 90mm 尾座套筒行程 130mm 主軸AC伺服電動機(jī)連續(xù)/30min 超載 11/15kw 進(jìn)給伺服電動機(jī) X軸AC 0.9kw;Z軸AC 1.8kw 機(jī)床外形尺寸（長x寬x高） 2995mmx1667mmx1796mm 第三章 主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)說明 一 主傳動系統(tǒng)概述 （一）主傳動系統(tǒng)特點(diǎn) 1、目前數(shù)控機(jī)床的主傳動電動機(jī)已不再采用普通的交流異步電動機(jī)或傳統(tǒng)的直流調(diào)速電動機(jī)，它們已逐步被新型的交流調(diào)速電動機(jī)和直流調(diào)速電動機(jī)所代替。 2、轉(zhuǎn)速高，功率大。它能使數(shù)控機(jī)床進(jìn)行大功率的切削和高速切削，實(shí)現(xiàn)高效率加工。 3、變速范圍大。數(shù)控機(jī)床的主傳動系統(tǒng)要求有較大的調(diào)速范圍，一般Rn＞100，以保證加工時(shí)能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。 4、主軸速度的變換迅速可靠。數(shù)控機(jī)床的變速是按照控制指令自動進(jìn)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動操作的要求。由于直流和交流主軸電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)日趨完善，不僅能夠方便地實(shí)現(xiàn)寬范圍的無級變速，而且減少了中間傳遞環(huán)節(jié)，提高了變速控制的可靠性。 （二）對主傳動系統(tǒng)的要求 數(shù)控機(jī)床的主傳動系統(tǒng)除應(yīng)滿足普通機(jī)床傳動要求外，還提出如下要求： 1. 具有較大的調(diào)速范圍，并實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。 數(shù)控機(jī)床為了保證加工時(shí)能選用合理的切削用量，充分發(fā)揮刀具的切削性能，從而獲得最高的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量，必須具有更高的轉(zhuǎn)速和更大的調(diào)速范圍。對于自動換刀的數(shù)控機(jī)床，工序集中工件一次裝夾，可完成許多工序，所以，為了適應(yīng)各種工序和各種加工材質(zhì)的要求，主運(yùn)動的調(diào)速范圍還應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大。 2. 具有較高的精度和剛度，傳動平穩(wěn)，噪音低。 數(shù)控機(jī)床加工精度的提高，與主傳動系統(tǒng)的剛度密切相關(guān)。為此，應(yīng)提高傳動件的精度與剛度，采用高精度軸承及合理的支撐跨距等，以提高主軸組件的剛性。 3. 良好的抗振興和熱穩(wěn)定性。 數(shù)控機(jī)床一般既要進(jìn)行粗加工，又要精加工；加工時(shí)可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻 運(yùn)動部件不平穩(wěn)以及切削過程中的自激振動等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動，影響加工精度和表面粗糙度，嚴(yán)重時(shí)甚至破壞刀具或零件，使加工無法進(jìn)行。因此主傳動系統(tǒng)中的各主要零部件不但要具有一定的剛度，而且要求具有足夠的抑制各種干擾力引起振動的能力—抗振性?？拐裥杂脛觿偠然騽尤岫葋砗饬?。例如主軸組件的動剛度取決于主軸的當(dāng)量靜剛度 阻尼比及固有頻率等參數(shù)。 機(jī)床在切削加工中主傳動系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產(chǎn)生變形，破壞了零部件之間的相對位置精度和運(yùn)動精度造成的加工誤差，且熱變形限制了切削用量的提高，降低傳動效率，影響到生產(chǎn)率。為此，要求主軸部件有較高的熱穩(wěn)定性，通過保持合適的配合精度，并進(jìn)行循環(huán)潤滑保持熱平衡等措施來實(shí)現(xiàn)。 二 主軸驅(qū)動裝置、工作特性及速度控制 為了滿足數(shù)控機(jī)床對主軸驅(qū)動要求，主軸電動機(jī)須具備下述性能： （1） 電機(jī)功率要大，且在大的調(diào)速范圍內(nèi)速度要穩(wěn)定，恒功率調(diào)速范圍要寬； （2） 在斷續(xù)負(fù)載下電機(jī)轉(zhuǎn)速波動要??； （3） 加速、減速時(shí)間短； （4） 溫升低，振動小，噪聲小，可靠性高，壽命長，易維護(hù)，體積小，重量輕； （5） 電動機(jī)過載能力強(qiáng)。 （一）交流主軸驅(qū)動裝置及其工作特性 大多數(shù)進(jìn)給交流伺服電動機(jī)采用永磁式同步電動機(jī)，但主軸交流電動機(jī)則多采用鼠籠式感應(yīng)異步電動機(jī)，這是因?yàn)閿?shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動系統(tǒng)不必像進(jìn)給系統(tǒng)那樣，需要如此高的動態(tài)性能和調(diào)速范圍。鼠籠式感應(yīng)電動機(jī)其結(jié)構(gòu)簡單、便宜、可靠，配上矢量變換控制的主軸驅(qū)動裝置則完全可以滿足數(shù)控機(jī)床的主軸的要求。 交流主軸電機(jī)的性能可由圖所示功率/速度曲線反應(yīng)過來。從圖中曲線可見交流主軸電機(jī)的特性曲線與直流電機(jī)類似，即在基本速度以下為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，而在基本速度以上為恒功率區(qū)域。但有些電機(jī)，如圖中所示那樣，當(dāng)電機(jī)速度超過某一定值后，其功率/速度曲線又往下傾斜，不能保持恒功率。對于一般主軸電機(jī)，這個(gè)恒功率的速度范圍只有1：3的速度比。另外交流主軸電機(jī)也有一定的過載能力，一般為額定值的1.2倍~1.5倍，過載時(shí)間則從幾分鐘到半個(gè)小時(shí)不等。 （二）交流主軸電機(jī)的調(diào)速 交流主軸電機(jī)屬于交流感應(yīng)電機(jī)，當(dāng)定子三相繞組通上三相交流電時(shí)，將建立起旋轉(zhuǎn)磁場，其主軸磁通￠m的空間轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速no，其值為 no=60f1/p (r/min) 式中，f1為定子供電電源頻率（Hz）；p為旋轉(zhuǎn)磁場極對數(shù)。 感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)n為 n=no(1-s)=60f1(1-s)/p 式中，s為轉(zhuǎn)數(shù)差，s=(no-n)/no 由上面可知調(diào)速方法分為兩類。第一類改變同步轉(zhuǎn)速no的調(diào)速，它可以改變極對數(shù)p，由于p是正整數(shù)，所以只能得到級差很大的有級調(diào)速，僅適用于不要求平滑調(diào)速的場合；另外是變頻調(diào)節(jié)，采用連續(xù)地調(diào)節(jié)定子電源頻率f1，來實(shí)現(xiàn)連續(xù)地改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，它是一種高效型交流調(diào)速，范圍寬，精度高，是數(shù)控機(jī)床中常用的方法。第二類是不改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速，常用的有調(diào)壓調(diào)速和電磁調(diào)速，由于有轉(zhuǎn)差功率損耗，效率低，特性軟，不適合數(shù)控機(jī)床調(diào)速。 從以上分析中，可知改變電源頻率的調(diào)速是一種最有前途的調(diào)速方案，只要改變f1就能實(shí)現(xiàn)no的調(diào)速。但實(shí)際調(diào)速中單純改變頻率是不夠的，因?yàn)楫?dāng)磁場以no速度切割定子繞組，則在每組繞組感應(yīng)電勢為 E1=4.44f1K1w1￠m≈u1 式中，K1w1為定子每組繞組等效匝數(shù)；￠m為每極磁通量；u1為定子相電壓。所以 ￠m= u1/4.44f1K1w1 由此可知，保持定子電壓u1不變，則主磁通￠m的大小將會發(fā)生變化。在調(diào)速過程中，如果頻率從工頻往下調(diào)節(jié)，則￠m上升，將導(dǎo)致鐵心過飽和而使勵(lì)磁電流迅速上升，鐵心過熱，功率因數(shù)下降，電機(jī)帶負(fù)載能力降低。因此，必須在降低頻率的同時(shí)，降低電壓，以保持￠m不變。這就是恒磁通變頻調(diào)速中的“調(diào)頻調(diào)壓控制”。 變頻調(diào)速有下面幾種控制方式： （1）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 （2）恒最大轉(zhuǎn)矩調(diào)速 （3）恒功率調(diào)速 為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，可以使f1大于I頻頻率，得到n﹥no的調(diào)速。由于定子電壓不許超過額定電壓，因此￠m將隨著f1的升高而降低。這時(shí)相當(dāng)于額定電流時(shí)的轉(zhuǎn)矩也減少，特性變軟?？傻玫浇坪愎β实恼{(diào)速特性。 三 主軸部件 主軸部件是機(jī)床的一個(gè)關(guān)鍵部件，數(shù)控機(jī)床的主軸部件，既要滿足精加工時(shí)高精度的要求，又要具備粗加工時(shí)高效切削性能的要求，因此，數(shù)控機(jī)床對主軸回轉(zhuǎn)精度部件的結(jié)構(gòu)剛度和抗振性，運(yùn)轉(zhuǎn)溫度和熱穩(wěn)定性，以及部件的耐磨性和精度的保持能力等方面，都有很高的要求。 （一）主軸部件的性能要求 主軸部件是機(jī)床主要部件之一。它的性能，對整機(jī)的性能有很大的影響。主軸直接承受切削力，轉(zhuǎn)速范圍又很大，所以對主軸部件的主要性能特提出如下要求： 1、旋轉(zhuǎn)精度 主軸的旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后，在無載荷 低速轉(zhuǎn)動的條件下，主軸安裝工件或刀具部位的定心表面（如車床軸端的定心短錐、錐孔，銑床軸端的7：24錐孔）的徑向和軸向跳動。旋轉(zhuǎn)精度取決于的主要件如主軸、軸承、殼體孔等的制造、裝配和調(diào)整精度。工件轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)精度還取決于主軸的轉(zhuǎn)速、軸承的性能，潤滑劑和主軸組件的平衡。 2、剛度 剛度主要反映機(jī)床或部件抵抗外載荷的能力。影響剛度的因素很多，如主軸的的尺寸和形狀，滾動軸承的型號、數(shù)量、預(yù)緊和配置形式，前后支撐的跨距和主軸的前懸伸，傳動件的布置方式等。數(shù)控機(jī)床既要完成粗加工，又要完成精加工，因此對其主軸組件的剛度應(yīng)提出更高的要求。 3、溫升 溫升將引起熱變形使主軸伸長，軸承間隙的變化，降低了加工的精度；溫升也會降低潤滑劑的粘度，惡化潤滑條件。因此，對高精度機(jī)床應(yīng)研究如何減少主軸組件的發(fā)熱，如何控溫等。 4、可靠性 數(shù)控機(jī)床是高度自動化的機(jī)床，所以必須保證工作可靠性。 5、精度保持性 對數(shù)控機(jī)床的主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便長期保持精度。 以上這些要求，有的還是矛盾的。例如高剛度與高速，高速與低升溫，高速與高精度等。這就要具體問題具體分析，例如設(shè)計(jì)高效數(shù)控機(jī)床的主軸組件時(shí)，主軸應(yīng)滿足高速和高剛度的要求；設(shè)計(jì)高精度機(jī)床時(shí)，主軸應(yīng)滿足高剛度 低溫升的要求。 （二）主軸組件的動態(tài)特性 1.平移 主軸作為一個(gè)剛體（實(shí)際上略有彎曲），在彈性支承上作平移振動，主軸各點(diǎn)的振動方向一致。 2.搖擺 主軸在彈性支座上搖擺 ，左右振動方向相反。 3.彎曲 主軸本身作彎曲振動，主軸中間與兩端的振動方向相反，有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。這兩節(jié)點(diǎn)位于支承點(diǎn)附近。 每個(gè)振型都有其固有頻率。每個(gè)振型按固有頻率排列的次序，稱為階。上述三個(gè)振型的固有頻率，以平移振型為最低，彎曲振型為最高，三個(gè)振型分別為第一 二 三振型，振型和固有頻率合稱為模態(tài)?？梢钥闯?，第一 二階模態(tài)的彈性環(huán)節(jié)主要是軸承；第三階則主要是軸承。當(dāng)軸的剛度提高時(shí)，第一二階模態(tài)的固有頻率也隨之提高，但第三階模態(tài)提高不多 主軸是一個(gè)連續(xù)體，又無窮個(gè)模態(tài)。例如還有主軸的扭轉(zhuǎn)振動、縱向振動等。但是，這些模態(tài)的固有頻率較高，工作時(shí)不可能發(fā)生共振，所以，只需研究最低幾階模態(tài)。主軸的模態(tài)，可用有限元法或傳遞矩陣法，借助計(jì)算機(jī)計(jì)算。 通常，主軸組件的固有頻率很高，但是，高速主軸特別是帶內(nèi)裝式電動機(jī)高速主軸，電動機(jī)轉(zhuǎn)子是一個(gè)集中質(zhì)量，將使固有頻率下降，有可能發(fā)生共振。改善動態(tài)特性，可采取下列措施： （1）是主軸組件的固有頻率避開激振力頻率。通常使固有頻率高于激振頻率的30%以上。如果發(fā)生共振的那階模態(tài)屬于主軸在彈性基礎(chǔ)上（軸承）的剛體振動的第一階（平移）和第二階（搖擺）模態(tài)，則應(yīng)提高軸承的剛度。如果屬于主軸的彎曲振動，則應(yīng)提高主軸的剛度，如加粗直徑。 激振力可能來自主軸組件的不平衡，這時(shí)激振頻率等于主軸轉(zhuǎn)速乘以π/30。也可能來自斷續(xù)切削，這時(shí)激振頻率還應(yīng)乘以刀齒數(shù)Z。 （2）增大比尼。如前所述，降低模態(tài)，常是主軸的剛度振動。這時(shí)主軸軸承，特別是前軸承的阻尼對主軸組件的抗振性影響很大。如果要求得到很光的加工表面，滾動軸承適當(dāng)預(yù)緊可以增大阻尼，但過大的預(yù)緊反而使阻尼減少，故選擇預(yù)緊時(shí)還因考慮阻尼因素。 （3）采用消振裝置。 （三）主軸部件的組成 1、主軸部件 一般數(shù)控機(jī)床的主軸部件由主軸、主軸支承、傳動件和相應(yīng)的緊固件組成。對于具有自動換刀功能的數(shù)控機(jī)床，主軸部件還包括刀具自動加緊、主軸自動準(zhǔn)停和主軸孔的清理裝置等結(jié)構(gòu)。主軸部件的構(gòu)造，主要是支撐部分的構(gòu)造。主軸的端部是標(biāo)準(zhǔn)的，傳動件如齒輪、帶輪等與一般機(jī)械零件相同。因此，研究主軸組件主要是研究主軸的支撐部分。 2、 主軸的傳動件 可以位于前后支承之間，也可位于后支承之后的主軸后懸伸端。目前傳動件位于后懸伸端的越來越多。這樣做，可以實(shí)現(xiàn)分離傳動和模塊化設(shè)計(jì)：主軸組件（稱為主軸單元）和變速箱可以做成獨(dú)立的功能部件，又專門的工廠集中生產(chǎn)，作為商品出售。變速箱和主軸間可用齒輪副或帶傳動聯(lián)接。本數(shù)控車床采用帶傳動聯(lián)接。主軸支承分徑向和推力（軸向），圓錐孔雙列圓柱滾子軸承只承受徑向力，角接觸球軸承兼起徑向和推力支承的作用。 3、主軸的支承 （1）軸承的選擇 機(jī)床主軸常用的滾動軸承有：圓錐孔雙列圓柱滾子軸承，雙列推力向心球軸承，雙列圓錐滾子軸承，帶凸肩的雙列空心圓柱滾子軸承，帶預(yù)緊彈簧的單列圓錐滾子軸承和角接觸球軸承。在這次設(shè)計(jì)中用到的滾動軸承主要有： a 、圓錐孔雙列圓柱滾子軸承 內(nèi)圈為1：12的錐孔，當(dāng)內(nèi)圈沿錐形軸頸軸向移動時(shí)，內(nèi)圈脹大以調(diào)整滾道的間隙。滾子數(shù)目多，兩列滾子交錯(cuò)排列，因而承載能力大，剛性好，允許轉(zhuǎn)速高。它的內(nèi)外圈均較薄，因此，要求主軸頸與箱體孔均有較高的制造精度，以免軸頸與箱體孔的形狀誤差是軸承滾道發(fā)生畸變而影響主軸的旋轉(zhuǎn)精度。該軸承只能承受徑向載荷。 b、角接觸球軸承 這種軸承即可承受徑向載荷，又可承受軸向載荷。角接觸球軸承一般組合使用。背對背組合、面對面組合和同向組合，這三種方式，兩個(gè)軸承都共同承擔(dān)徑向載荷；背對背、面對面可承受雙向軸向載荷；同向組合只能承受單向載荷，但承載能力較大，軸向剛度較高。 軸承要合理配置，對提高主軸部件的精度和剛度，降低支承溫升，簡化支承結(jié)構(gòu)有很大的作用。主軸的前后支承均應(yīng)有承受徑向載荷的軸承。 （2）軸承的預(yù)緊 所謂軸承預(yù)緊，就是使軸承滾道預(yù)先承受一定的載荷，不僅能消除減隙，而且還能使?jié)L動體與滾道之間發(fā)生一定的變形，從而使接觸面積增大，軸承受力時(shí)變形減小，抵抗變形的能力增大。因此，對主軸滾動軸承進(jìn)行預(yù)緊和合理選擇預(yù)緊量，可以提高主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度、剛度和抗振性。機(jī)床主軸部件在裝配時(shí)要對軸承進(jìn)行預(yù)緊，使用一段時(shí)間后，間隙或過盈有了變化，還得重新調(diào)整，所以要求預(yù)緊結(jié)構(gòu)便于進(jìn)行調(diào)整。滾動軸承間隙的預(yù)緊與調(diào)整，通常是使軸承內(nèi)、外圈相對軸向移動來實(shí)現(xiàn)的。常用的方法如下： a、軸承內(nèi)圈移動。 這種方法適用于圓錐孔雙列圓柱滾子軸承。用螺母通過套筒推動內(nèi)圈在錐形軸頸上作軸向移動，使內(nèi)圈變形脹大，在滾道上產(chǎn)生過盈，從而達(dá)到預(yù)緊的目的。 b、修磨座圈或隔套。 當(dāng)軸承外圈寬邊相對（背對背）安裝，這時(shí)修磨軸承內(nèi)圈的內(nèi)側(cè)；當(dāng)軸承外圈窄邊相對（面對面）安裝，這時(shí)修磨軸承外圈的窄邊。在安裝時(shí)按相對關(guān)系裝配，并用螺母或法蘭盤將兩個(gè)軸承軸向壓攏，使兩個(gè)修磨過的端面緊貼，這樣在使兩個(gè)軸承的滾道之間產(chǎn)生預(yù)緊。另一種方法是將兩個(gè)厚度不同的隔套放在兩軸承內(nèi)、外圈之間，同樣將兩個(gè)軸承軸向相對壓緊，使?jié)L道之間產(chǎn)生預(yù)緊。 （3）軸承的潤滑 滾動軸承在接觸區(qū)的壓強(qiáng)很高，在這么高的壓強(qiáng)下，接觸區(qū)產(chǎn)生變形，是一塊小面積的接觸而不是一條線或一個(gè)點(diǎn)的接觸；潤滑劑在高壓下被壓縮，粘度升高了。因此，才能在滾動體與滾道的接觸區(qū)，形成一定厚度的油膜，把兩者隔開，滾道體與滾道的接觸面積很小，所以，滾動軸承所需的潤滑劑很少的。當(dāng)然，也可用脂潤滑，還有用油氣潤滑的。 a、脂潤滑 滾動軸承能用脂潤滑是它的突出優(yōu)點(diǎn)之一。脂潤滑不需要供油管路和系統(tǒng)，沒有漏油問題。如果脂的選擇合適、潔凈、密封良好，不使灰塵、油、切削液等進(jìn)入，壽命是很長的。一次充填可用到大修，不需補(bǔ)充，也不要加脂孔。脂潤滑可選用鋰基脂如SKFLGLT2號（常用于球軸承）。 b、油氣潤滑 如果轉(zhuǎn)速較大時(shí)，還需對軸承進(jìn)行冷卻。如果用油兼作潤滑和冷卻，則由于油的攪拌作用，溫升反而會增加。最好用油潤滑，用空氣冷卻。油霧潤滑能達(dá)到這個(gè)目的，但是易污染環(huán)境。比較好的方法是油氣潤滑：在吹向軸承的空氣中定期地注入油，油并不霧化，用后可回收，不污染環(huán)境。油用于潤滑，空氣用于冷卻。 滾動軸承屬于精密零件，因而在使用時(shí)要求相應(yīng)地持慎重態(tài)度，既變使用了高性能的軸承，如果使用不當(dāng)，也不能達(dá)到預(yù)期的性能效果。所以，使用軸承應(yīng)注意以下事項(xiàng)： * 保持軸承及其周圍環(huán)境的清潔。即使肉眼看不見的微笑灰塵進(jìn)入軸承，也會增加軸承的磨損，振動和噪聲。 * 使用安裝時(shí)要認(rèn)真仔細(xì)，不允許強(qiáng)力沖壓，不允許用錘直接敲擊軸承，不允許通過滾動體傳遞壓力。 * 使用合適、準(zhǔn)確的安裝工具，盡量使用專用工具，極力避免使用布類和短纖維之類的東西。 * 防止軸承的銹蝕，直接用手拿取軸承時(shí)，要充分洗去手上的汗液，并涂以優(yōu)質(zhì)礦物油后再進(jìn)行操作，在雨季和夏季尤其要注意防銹。 四 主傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)說明 （一）主運(yùn)動傳動系統(tǒng) 數(shù)控車床的傳動系統(tǒng)：其中主運(yùn)動傳動系統(tǒng)由功率為11/15kw的AC伺服電動機(jī)驅(qū)動，經(jīng)一級1：1的帶傳動帶動主軸旋轉(zhuǎn)，使主軸在35~3500r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，主軸箱內(nèi)部省去了齒輪傳動變速機(jī)構(gòu)，因此減少了原齒輪傳動對主軸精度的影響，并且維修方便。 主軸功率扭矩特性 主軸傳遞的功率或扭矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系：當(dāng)機(jī)床處在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，主軸的轉(zhuǎn)速在437~3500r/min范圍內(nèi)，主軸應(yīng)能傳遞電動機(jī)的全部功率11kw，II（實(shí)線）為主軸的恒功率區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，主軸的最大輸出扭矩（245N·m）應(yīng)隨著主軸的轉(zhuǎn)速的增高而變小。主軸轉(zhuǎn)速在35~437r/min范圍內(nèi)的各級轉(zhuǎn)速并不需要傳遞全部功率，但是主軸的輸出扭矩不變，稱為主軸的恒扭矩區(qū)域I（實(shí)線）。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，主軸所能傳遞的功率隨著主軸的轉(zhuǎn)速的降低而降低。電動機(jī)的超載功率為15kw,超載的最大輸出扭矩為334 N·m。 （二）主軸箱結(jié)構(gòu) 1、主軸箱結(jié)構(gòu) 數(shù)控車床主軸箱結(jié)構(gòu)如圖，交流主軸電動機(jī)通過帶輪15把運(yùn)動傳給主軸。主軸有前后兩個(gè)支承。前支承由一個(gè)圓錐孔雙列圓柱滾子軸承和一對角接觸軸承組成，圓錐孔雙列圓柱滾子軸承用來承受徑向載荷，兩個(gè)角接觸球軸承一個(gè)大口向外（朝向主軸前端），另一個(gè)大口向里（朝向主軸后端），用來承受雙向的軸向載荷和徑向載荷。前支承軸承的間隙用螺母來調(diào)整。用螺釘來防止螺母回松。主軸的后支承為圓錐孔雙列圓柱滾子軸承，軸承間隙用兩個(gè)螺母來調(diào)整。兩個(gè)螺釘是防止螺母回松的。主軸的支承形式為前端定位，主軸受熱膨脹向后伸長。前后支承所用圓錐孔雙列圓柱滾子軸承的支承剛性好，允許的極限轉(zhuǎn)速高。前支承中的角接觸球軸承能承受較大的軸向載荷，且允許的極限轉(zhuǎn)速高。主軸所采用的支承結(jié)構(gòu)適宜低速大載荷的需要。主軸的運(yùn)動經(jīng)過同步帶輪以及同步帶帶動脈沖編碼器，使其與主軸同速運(yùn)轉(zhuǎn)。脈沖編碼器用螺釘固定在主軸箱體上。 主軸箱結(jié)構(gòu)圖 2 、液壓卡盤結(jié)構(gòu) 液壓卡盤固定安裝在主軸前端，回轉(zhuǎn)液壓缸1與接套9用螺釘11連接，接套通過螺釘于主軸后端面連接，使回轉(zhuǎn)液壓缸隨主軸一起轉(zhuǎn)動?？ūP的夾緊與松開，由回轉(zhuǎn)液壓缸通過一根空心拉桿2來驅(qū)動。拉桿后端與液壓缸內(nèi)的活塞10用螺紋連接，用兩端有螺紋的連接套3連接拉桿和滑套6。當(dāng)液壓缸內(nèi)的壓力油推動活塞和拉桿向卡盤方向移動時(shí)，滑套向右移動，由于滑套上楔形槽的作用，使得卡爪座4帶著卡爪5沿徑向向外移動，則卡盤松開。反之液壓缸內(nèi)的壓力油推動活塞和拉桿向主軸后端移動時(shí)，通過楔形機(jī)構(gòu)，使卡盤夾緊工件?？ūP體8用螺釘7固定安裝在主軸前端。 液壓卡盤結(jié)構(gòu)圖 第四章 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)說明 一 進(jìn)給傳動系統(tǒng)概述 （一）進(jìn)給傳動系統(tǒng)的特點(diǎn) 1、盡量采用以摩擦得傳動副。如采用靜壓導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌和滾珠絲杠等，以減小磨擦力。 2、選用最佳的降速比，以達(dá)到提高機(jī)床分辨率，使工作臺盡可能地加速以達(dá)到跟蹤指令、系統(tǒng)折算到驅(qū)動軸上的慣量盡量小的要求。 3、縮短傳動鏈以及用預(yù)緊的方法提高系統(tǒng)的剛度。如采用大轉(zhuǎn)矩寬調(diào)速的直流電動機(jī)與絲杠直接相連應(yīng)用預(yù)加負(fù)載的滾動導(dǎo)軌和滾珠絲杠副，絲杠支承設(shè)計(jì)成兩端軸向固定的、并可預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)等方法來提高轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的剛度。 4、盡量消除傳動間隙，減小反向死區(qū)誤差。如采用消除間隙的聯(lián)軸器（如用加錐銷固定的聯(lián)軸套、用鍵加緊螺釘緊固的聯(lián)軸套以及用無扭轉(zhuǎn)間隙的撓性聯(lián)軸器等），采用有消除間隙措施的傳動副等。 （二）對進(jìn)給傳動系統(tǒng)的要求 為確保數(shù)控機(jī)床寄給系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性等，在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動裝置時(shí)，提出如下要求。 1、高的傳動精度與定位精度 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動裝置的傳動精度和定位精度對零件的加工精度起著關(guān)鍵性的作用，對采用步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動的開環(huán)控制系統(tǒng)尤其如此。無論對點(diǎn)位、直線控制系統(tǒng)，還是輪廓控制系統(tǒng)，傳動精度和定位精度都是表征數(shù)控機(jī)床性能的主要指標(biāo)。設(shè)計(jì)中，通過在進(jìn)給鏈中加入減速齒輪，以減小脈沖當(dāng)量，預(yù)緊傳動滾珠絲杠，消除齒輪、蝸輪等傳動件的間隙等方法，可達(dá)到提高傳動精度和定位精度的目的。由此可見，機(jī)床本身的精度，尤其是伺服傳動鏈和伺服傳動機(jī)構(gòu)的精度，是影響工作精度的主要因素。 2、寬的進(jìn)給調(diào)速范圍 伺服進(jìn)給系統(tǒng)在承擔(dān)全部工作負(fù)載的條件下，應(yīng)具有很寬的調(diào)速范圍，以適應(yīng)各種工件材料、尺寸和刀具等變化的需要，工作進(jìn)給速度范圍可達(dá)到3~6000mm/min。為了完成精密定位，伺服系統(tǒng)得低速趨近速度達(dá)0.1mm/min；為了縮短輔助時(shí)間，提高加工效率，快速移動速度應(yīng)高達(dá)15m/min。在多坐標(biāo)聯(lián)動的數(shù)控機(jī)床上，合成速度維持常數(shù)，是保證表面粗糙度要求的重要條件；為保證較高的輪廓精度，各坐標(biāo)方向的運(yùn)動速度也要配合適當(dāng)；這是對數(shù)控系統(tǒng)合伺服進(jìn)給系統(tǒng)提出的共同要求。 3、響應(yīng)速度要快 所謂快速響應(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，即跟蹤指令信號的響應(yīng)要快；定位速度和輪廓切削進(jìn)給速度要滿足要求；工作臺應(yīng)能在規(guī)定的速度范圍內(nèi)靈敏而精確的跟蹤指令，進(jìn)行單步或連續(xù)移動，在運(yùn)行時(shí)不出現(xiàn)丟步或多步現(xiàn)象。進(jìn)給系統(tǒng)響應(yīng)速度的大小不僅影響機(jī)床的加工效率，而且影響加工精度。設(shè)計(jì)中應(yīng)使機(jī)床工作臺及其傳動機(jī)構(gòu)的剛度、間隙、摩擦以及轉(zhuǎn)動慣量盡可能達(dá)到最佳值，以提高進(jìn)給系統(tǒng)的快速響應(yīng)特性。 4、無間隙傳動 進(jìn)給系統(tǒng)的傳動間隙一般指反向間隙，即反向死區(qū)誤差，它存在于整個(gè)傳動鏈的各個(gè)傳動副中，直接影響數(shù)控機(jī)床的加工精度；因此應(yīng)盡量消除傳動間隙，減小反向死去誤差。設(shè)計(jì)中可采用消除間隙的聯(lián)軸器及有間隙措施的傳動副等方法。 5、穩(wěn)定性好、壽命長 穩(wěn)定性是伺服進(jìn)給系統(tǒng)能夠正常工作的最基本的條件，特別是在低速進(jìn)給情況下不產(chǎn)生爬行，并能適應(yīng)外加負(fù)載的變化而不發(fā)生共振的。穩(wěn)定性與系統(tǒng)的慣性、剛性、阻尼及增益等都有關(guān)系，適當(dāng)選擇各項(xiàng)參數(shù)，并能達(dá)到最佳的工作性能，是伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。所謂進(jìn)給系統(tǒng)的壽命，主要指其保持?jǐn)?shù)控機(jī)床傳動精度和定位精度的時(shí)間長短，及各傳動部件保持其原來制造精度的能力。設(shè)計(jì)中各傳動部件應(yīng)選擇合適的材料及合理的加工工藝與熱處理方法，對于滾珠絲杠和傳動齒輪，必須具有一定的耐磨性和適宜的潤滑方式，以延長其壽命。 6、使用維護(hù)方便 數(shù)控機(jī)床屬于高精度自動控制機(jī)床，主要用于單件、中小批量、高精度及復(fù)雜件的生產(chǎn)加工，機(jī)床的開機(jī)率相應(yīng)就高，因此，進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)便于維護(hù)和保養(yǎng)，最大限度地減小維修工作量，以提高機(jī)床的利用率。 二 交流伺服驅(qū)動裝置及調(diào)速 （一）交流伺服電機(jī) 用于閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置常有直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)等，這與主軸驅(qū)動裝置類似。交流伺服電機(jī)驅(qū)動是最新發(fā)展起來的新型伺服系統(tǒng)，也是當(dāng)前機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)方面的一個(gè)新動向。該系統(tǒng)克服了直流驅(qū)動系統(tǒng)中的電機(jī)電刷和整流子要經(jīng)常維修、電機(jī)尺寸較大和使用環(huán)境受限制等缺點(diǎn)。它能在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)產(chǎn)生理想的轉(zhuǎn)矩，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，用于數(shù)控機(jī)床等進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)為精密位置控制的情況。 交流伺服電機(jī)的功工作原理和兩相異步電動機(jī)相似。由于它在數(shù)控機(jī)床中作為執(zhí)行元件，將交流電信號轉(zhuǎn)換為軸上的角位移或角速度，所以要求轉(zhuǎn)子速度的快慢能夠反映控制信號的相位，無法控制信號時(shí)它不轉(zhuǎn)動，特別是當(dāng)它已在轉(zhuǎn)動時(shí)，如果控制信號消失，它立即停止轉(zhuǎn)動。而普通的感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)動起來以后，若控制信號消失，往往不能立即停止而要繼續(xù)轉(zhuǎn)動一會。 交流伺服電機(jī)也是有轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)成的。定子上有勵(lì)磁繞組和控制繞組，這兩個(gè)繞組在空間上相差90°電角度。若有兩相繞組上加以幅值相等、相位差90°電角度的對稱電壓，則在電機(jī)的氣隙中產(chǎn)生圓形的旋轉(zhuǎn)磁場。若兩個(gè)電壓的幅值不等或相位不為90°電角度，則產(chǎn)生的磁場是一個(gè)橢圓型旋轉(zhuǎn)磁場。加在控制繞組上的信號不同，產(chǎn)生的磁場橢圓度也不同。例如，負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定，改變控制信號，就可以改變磁場的橢圓度，從而控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 （二）交流伺服電動機(jī)的調(diào)速 交流伺服電動機(jī)調(diào)速與交流主軸電機(jī)的調(diào)速相似，即采用變頻調(diào)速。下面介紹變頻調(diào)速產(chǎn)生的磁場定向調(diào)速系統(tǒng)，即矢量變換控制。磁場定向調(diào)速的基本原理是通過矢量變換，把交流電動機(jī)等效為直流電動機(jī)，因?yàn)楫惒诫妱訖C(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩難以直接控制，也就不易獲得良好的控制性能，而直流電動機(jī)能對電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行良好的控制，使直流調(diào)速系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。其思路是按照產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁場這一等效原則建立的。它先將三相對稱繞組等效成兩相對稱繞組，再將其等效成旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)直流正交繞組，這兩個(gè)正交繞組組成正交坐標(biāo)軸，一個(gè)相當(dāng)于直流電機(jī)的等效磁通，另一個(gè)相當(dāng)于直流電機(jī)的等效電樞電流。在旋轉(zhuǎn)的正交坐標(biāo)系，交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型和直流電動機(jī)的一樣。這種等效要經(jīng)過三相-二相交換、矢量旋轉(zhuǎn)變換、直角坐標(biāo)-極坐標(biāo)變換等，才能得到所需的控制變量，使交流電動機(jī)能像直流電動一樣，對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行有效的控制，故稱其為矢量變換控制。又因?yàn)樾D(zhuǎn)的兩個(gè)正交坐標(biāo)軸是由磁通矢量方向決定的，所以又稱磁場定位控制。 交流伺服電動機(jī)由幅值控制、相位控制以及幅值-相位混合控制三種控制方法。保持控制電壓和勵(lì)磁電壓之間的相位差角為90°，僅僅改變控制電壓的幅值，這種控制方式叫幅值控制；保持控制電壓和勵(lì)磁電壓之間的不變，僅僅改變控制電壓與勵(lì)磁電壓之間的相位差角，這種控制方式叫相位控制；在勵(lì)磁電路串聯(lián)移相電容，改變控制電壓的幅值及其對于控制電壓的相位差發(fā)生變化，這種控制方式，叫幅值-相位混合控制。 三 位置檢測裝置 （一）概述 1、對位置檢測裝置的要求 位置檢測是CNC系統(tǒng)的重要組成部分。在閉環(huán)系統(tǒng)中，它的主要作用是檢測位移量，并將檢測的反饋信號和數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號相比較，如有偏差，經(jīng)放大后控制執(zhí)行部件，使其向著消除偏差的方向運(yùn)動，直到偏差為零。 為提高數(shù)控機(jī)床的加工精度，必須提高測量元件和測量系統(tǒng)的精度，不同的數(shù)控機(jī)床對測量元件和測量系統(tǒng)的精度要求、允許的最高移動速度各不相同。一般要求測量元件的分辨率在0.0001mm~0.01mm之內(nèi)，測量精度為0.001mm~0.02mm，運(yùn)動速度為0m/min~24m/min。 數(shù)控機(jī)床對位置檢測裝置的要求如下： （1） 受溫度、濕度的影響小，工作可靠，能長期保持精度，抗干擾能力強(qiáng)； （2） 在機(jī)床執(zhí)行部件移動范圍內(nèi)，能滿足精度和速度的要求； （3） 使用維護(hù)方便，適應(yīng)機(jī)床工作環(huán)境； （4） 成本低。 2、位置檢測裝置的分類 按工作條件和測量要求的不同，測量方式也有不同的劃分方法。 （1）直接測量和間接測量 測量傳感器按形狀可以分為直線性和回轉(zhuǎn)型。若測量傳感器所測量的指標(biāo)就是所要求的指標(biāo)，即直線型傳感器測量直線位移，回轉(zhuǎn)型傳感器測量角位移，即該測量方式為直接測量。典型的直接測量裝置為光柵、感應(yīng)同步器或磁尺、編碼盤。 若回轉(zhuǎn)型傳感器測量的角位移只是中間量，由它再推算出與之對應(yīng)的工作臺直線位移，那么該測量方式為間接測量，其測量精度取決于測量裝置和機(jī)床傳動鏈兩者的精度。典型的間接測量裝置為編碼盤及旋轉(zhuǎn)變壓器。 （2）增量式測量和絕對式測量 按測量裝置編碼的方式可以分為增量式測量和絕對式測量。增量式測量的特點(diǎn)是只測量位移增量，即工作臺每移動一個(gè)測量單位，測量裝置便發(fā)出一個(gè)測量信號，此信號通常是脈沖形式。典型的增量式測量裝置為光柵和增量式光電碼盤。 絕對式測量的特點(diǎn)是被測的任一點(diǎn)的位置都有一個(gè)固定的零點(diǎn)算起，每一測量點(diǎn)都有一對應(yīng)的測量值。典型的絕對式測量裝置為接觸式碼盤及絕對式光電碼盤。 （3）數(shù)字式測量和模擬測量 數(shù)字式測量以量化后的數(shù)字形式表示被測的量。數(shù)字式測量的特點(diǎn)是測量裝置簡單，信號抗干擾能力強(qiáng)，且便于顯示出理，典型的數(shù)字式測量裝置有光電碼盤、接觸式碼盤、光柵等。 模擬式測量是將被測的量用連續(xù)的變量表示。如用電壓變化，相位變化來表示。典型的模擬式測量裝置有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、磁柵等。 數(shù)控機(jī)床常用的各種位置檢測裝置如表所示： 數(shù)字式 模擬式 增量式 絕對式 增量式 絕對式 回轉(zhuǎn)型 圓光柵 編碼盤 旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應(yīng)同步器、圓形磁柵 多極旋轉(zhuǎn)變壓器 直線性 長光柵激光干涉儀 編碼尺 直線感應(yīng)同步器、磁柵 絕對式磁尺 此次設(shè)計(jì)數(shù)控車床主軸和進(jìn)給裝置的位置檢測裝置采用脈沖編碼器，它是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器。下面對脈沖編碼器進(jìn)行介紹： （二）脈沖編碼器 1、脈沖編碼器的分類 脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，把機(jī)械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為脈沖。是數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用廣泛的位置檢測裝置，同時(shí)也作為速度檢測裝置用于速度檢測。 根據(jù)脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)，脈沖編碼器分為光電式、接觸式、電磁感應(yīng)式三種。從精度和可靠性方面來看，光電式編碼器優(yōu)于其它兩種。數(shù)控機(jī)床上常用的是光電式脈沖編碼器。 脈沖編碼器是一種增量檢測裝置，它的型號是由每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)來區(qū)分的。數(shù)控機(jī)床上常用的脈沖編碼器每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)有：2000p/r、2500 p/r和3000 p/r等。在高速、高精度的數(shù)字伺服系統(tǒng)中，應(yīng)用高分辨率的脈沖編碼器，如：20000 p/r、25000 p/r和30000 p/r等。 2、光電脈沖編碼器的工作原理 當(dāng)圓光柵旋轉(zhuǎn)時(shí)，光線透過兩個(gè)光柵的線紋部分，形成明暗條紋。光電元件接受這些明暗相間的光信號，轉(zhuǎn)換為交替變化的電信號，該信號為兩組近似于正弦波的電流信號A和B，A和B信號的相位相差90°。經(jīng)放大整形后變成方波形成兩個(gè)光柵的信號。光電編碼器還有一個(gè)“一轉(zhuǎn)脈沖”，稱為Z相脈沖，每轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè)，用來產(chǎn)生機(jī)床的基準(zhǔn)點(diǎn)。 脈沖編碼器輸出信號有A、A、B、B、Z、Z等信號，這些信號作為位移測量脈沖以及經(jīng)過頻率/電壓變換作為速度反饋信號，進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。 脈沖編碼器的輸出波形 四 進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu) 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)，包括減速機(jī)構(gòu)、絲杠螺母副以及引導(dǎo)和支承執(zhí)行部件的導(dǎo)軌等。 （一）減速機(jī)構(gòu) 此次設(shè)計(jì)中Z軸和X軸進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)中的減速機(jī)構(gòu)