XK716数控机床z向直流伺服进给系统系统设计（全套含CAD图纸）
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徐州工程学院外文翻译 1 三轴并联铣床的功能仿真器 米洛斯 德拉甘米卢蒂诺维奇和莎莎 稿日期： 2007年 7 月 12日 接 稿 日期： 2008 年 6月 27日 发表时间： 2008年7月 24日 施普林格出版社有限公司 2008年伦敦 摘要： 尽管许多实验室，许多人 以 并联机床 的 运动机 为 研究和发展的主题，不幸的是， 至今还是 没有个人 有一定的成就 。 因此 ,利用低成本的但是功能强大的模拟器模拟三轴联动铣床来获取基本经验。 这个想法是基于这样的模拟器可以由传统的三轴数控机床的控制驱动基础上 进行的 。本文描述了一个包括相应的 并联机构，运动学建模和编程算法的选择模拟器的发展过程。功能模拟器的想法已经被 充分 验证 在 标准化操作条件下 ， 使得一些软材料试件 加工成功 。 关键词 ： 并联机床 ； 功能仿真器 ； 模拟和测试 1 简介 在当今世界上， 教育和培训 具有 战略 上的 重要性，特别是在技术和科学学科 。这也适用于并行结构机研究和开发这个世界性的话题。 对并联机床的基本知识的已经出版很多书， 许多不同的并行机制， 3至 6个自由度，包括三自由度并联机构平移正交， 也有使用。 今天，不幸的是，研究机构，大学实验室，和企业绝大多数没有并联机床。究其原因，很明显，是教育和培训 的新技术，如个人知识管理，成本高。为了有助于实现在造型，设计，控制，编程实践经验的收购，以及个人知识管理， 降低 成本， 可以 使用 新 提出 的三 轴并联铣床功能仿真器 来实现。这个想法是基于这样的模拟器可以由传统的 3 轴数控机床的控制驱动 基础上进行的。 作为传统的 三 轴数控机床的轴是相互正交，不同的三自由度正交平移关节空间并联机构，可用于生成模拟器 。 本文描述了模拟器发展，包括相应的并联机构，运动学建模和编程算法的选择程序。功能模拟器 应经被 验证了 在 行 业 标准化操作条件下 成功加工 一些软质材 料。 2 模拟器的概念 根据现在的知识 ,以系列 运动机器和可用的资源为其程序 ,模拟器看作一种混合的三轴驱动传统数控铣床空间并联机构。 其中的一种 功能仿真器 的 概念 ，如徐州工程学院外文翻译 2 图 1所示 。 完全平行的 三 自由度不断支撑关节的长度和线性驱动机制，由传统的 三 轴数控机床的控制。这个机制是基于线性三角，但与正交的线性驱动关节，促进其用用平台，始终保持与基地的同时，使主轴在三个不同的正交 。在图一中 ,始终如一的平行与地平行 ,使主轴的位置在三个不同的正交 P,论文中。一些可能的配置的机制、其中的一个平台被选中 ,因为 它使便于安装并联机构的机器在 其中的 2 个 自由度被 用来减少来自 的震动 ,除了选择和调整引擎的机理与所选择的串行机 ,下面的过程，模型，算法，以及软件必须定义和发展 : 运动造型 ,即直接运动学、矩阵 , 运动学和奇异性分析模型 3 模拟器的机制作用 同时 作为垂直和水平 三 轴数控机床的串行正交和驱动仿真器的轴，是最好的，如果三 个 自由度空间并联 ， 模拟器的机制以及正交平移 的 关节。 与 串行数控机床的轴耦合，这将是必不可少的，在一般情况 下，至少有一个 两个 自由度被动的去耦串联机构。数控机床模拟器与移动刀架和工作台的 是最方便的 。在这样的概念 下 两三个轴的耦合，使 其中一个 自由度串联他们的去耦和被动的模拟器驱动机制就足够了。 如果没有横向和纵向的 3轴数控机床运动结构的划分， 有 三自由度正交平移关节，考虑和模拟器使用空间并联机构的一些例子， 如图 2， 他们的工作区的形状也显示在图中。 该机制 类 似 于 上面 的 例子 ， 在图所示 ， 基本运动学 的 概念 差异 问题 是可以 解决 的 。自由度被动串行 ， 用于分离驾驶 一 系列数控机床轴运动机制的例子如图所3示 。 在一些系列数控机床的概念 中 ，其轴 线可直接用作模拟的并行机制平移关节。在这种情况下，模拟器的一般概念的基础上，如图所示机制 就 可能 被 简化 了 。 图 4显示了没有自己的关节并联机构简化模拟器的例子。数控机床的驱动是一个卧式加工中心。相应的机械接口连接与分离轴加工中心联合 组成一个 平行四边形。两自由度串联机构加工中心分离出来 Y 和 图 5显示了一个简化的立式数控铣床与两个耦合轴模拟器 的 设计。模拟器的机制有一个自己的移动式 ， 联合两自由度串联机构也是垂直轴数控铣床脱钩使用方法 。 徐州工程学院外文翻译 3 4 模拟器造型的例子 图一中对模拟器详细的运动学分析是以图六中的几何模型为基础 的，由于机械本身特有的性质，平台和底座是平行的，因此，图一中的每个空间平行四边形由支柱表示。 连接底座和平台的坐标构架 P和 B是平行的，同时 平行于参考系列机器协调框架 M ，这使得整个模拟器造型归于普通化。这意味着分离并联机构的造型本身是可行的，并且不考虑其安装在水平还是垂直的系列机器上，也不考虑其在平台上的轴的位置。构架 B和 P中的向量 v 和 模拟器参数定义的向量： 移动平台上的连接中心之间的中心点 P被定义为 i=1， 2， 3） 工具 末端的位置向量在构架 P中被定义为 t , h. 模拟器的驱动轴参考点 （ i=1， 2， 3 ）连接坐标向量 L=l1 l2 , ,l1,和 TB a 0 0 11 , TB a 0 1 02 和 TB a 1 0 03 领域坐标向量： 代表工具末端已编制好的位置向量，而 代表平台的位置，即连接在上面的坐标构架P的原操作。由于坐标构架 B和 P总是平行的，所以这两个向量之间的关系是很明显的，即 (1) 其它向量和参数的定义如图六所示，其中 拟器连接坐标向量 系列机器连接坐标 之间的关系如图六所示，是 根据图六中几何关系，得出下列等式： 徐州工程学院外文翻译 4 等式 4中等号两边加以平方得出： 在等式 3中应用 运动学造型便被简化。为了满足这个要求，人们已经找到了具体的方法，即设置参考点 通过替代等式 5 中的机械参数，得到三个等式的方程组： 由这个方程组又得出：相反的运动学等式如 和直接运动学等式如 由以上等式得出： 徐州工程学院外文翻译 5 如上所提，通过调整模拟器的机械参数，等式 6，相反和直接运动学的解大大被简化了。 为了满足等式 6中的条件，采用了六根指示长度的校准支柱，如图七，应用通过校正支柱长度而得出的相反和正运动学解，定义了 知道啥意思） (i=1, 2, 3)的参照点位置，并通过校准 图七。 析运动学的正解和逆解 分析逆运动学方差解，等式 8，在给定平台位置的情况下，不同的平行机械构造有： 基本构造，图 2a，在等式 8中，在平方根之前的所有符号都是负号 可供选择的构造之一，图 2b，在等式 8 中，在平方根之前所有符号都是正的 其它可能的机械构造，在等式 8中，在平方根之前 的符号是正负号用相同的方法，通过对运动学正解分析，等式 9，在驱动轴位置给定的情况下，建立不同的平行机械构造： 基本构造，图 2a，和实际情况一致，在等式 9中，在平方根之前是正号 供选择的构造，图 2c 和 d，在等式 9 中，在平方根之前是负号，根据驱动系列机器的结构可通过不同的方法实现图 2所示的基本的和供选择的构造。 可比矩阵和异常分析 鉴于 常关系重大，这个问题已被细致分析，如图 2a 中显示的机械变型，这种机械变型可用来发展水平机器中心的模拟器，如图 1。考虑时间的情况下区分等式 8，得到的雅可比矩阵为： 徐州工程学院外文翻译 6 由于方程组 7中的等式有连接和领域坐标的功能，根据它们的区别也可以得出 雅可比矩阵： 其中 是正逆运动学的 雅可比矩阵，用这种方法，可以识别出三种不同形式的异常，比如，正逆运动学异常和联合异常。 仔细分析 雅可比矩阵的决定因素， 正逆运动学异常和联合异常是显而易见的。 通过适当的描述和等式，图 8中显示了可能的模拟器异常构造，从图 8中可以看出，所有的异常都处在理论上可获得工作空间的临界上，所以，通过足够的设计解答和或机械限制可以轻松地避免这些异常，这就意味着可获得的模拟器工作空间要比理论上的工 作空间要小，理论上工作空间的界线是在半径 C 的汽缸上，而半径 中得出的 时半径 中的 徐州工程学院外文翻译 7 5 模拟器的实例 大家都知道，除了要选择合适的运动学布局，选择正确的几何维度也是非常重要的，因为要考虑已定的用途，这是个困难的工作，开发 整图 1、 4 和 5 中的模拟器设计参数是为了在可用 器运作效果的基础上获得更多的模型和工作空间维度，其中制造的模拟器就是配给 个程序必须要进行重复，因为在选择基础设计参数时 ，要考虑机构因素可能的干扰和 ) 与 1)决定因素的重要性（等式 14、 15 和 16 中涉及）。 在图 6中模拟器变型的几何模型中，可以看到工作空间维度主要受到平行四边形长度 时要达到图 8中 和 对于配备模拟器的可用 用重复的程序对平行四边形长度 ,3,3重要结合进行分析，在每次重复过程中，要注意潜在的设计限制、干扰以及 ) 与 1)的重要性，即异常产生的距离。 用这种方法得到的参数在图 9中模拟器原型的详细设计中得到轻微的纠正，长度 C=850 ,300 ,350 平行四边形的 形状、体积和可获得工作空间的位置如图 2 在采用这种构想和设计参数的基础上，构造了头两个模拟器，如图 9、 10所示。 6 模拟器编程和测试 在 11），几何工作空间模型可以和其它系统交换，并且可以模仿工具轨迹， 线性插值工具轨迹是从 模拟器使用者可以选择 其它方式也能画出工具轨迹，系统的基础部分是由成的，并且不用后处理器发电机，后处理器包括正逆运动学（ 模拟器设计参数和模拟器工具途径的运算法则（图 12），模拟器工具途径线性化是必要的，因为 样的话，模拟器的工具轨迹仍在先定半径的偏差范围之内，先定半径是 件中点 和点 间， 对于以这种方式获得数控机床长节目 传送到数控机床，可以在空闲的模拟器运行验证。对轴的运动范围已经 在 处理器 上 检查了。 该模拟器在这个阶段的测试包括：核查的程序和通信系统，切割加工各种试件测试（图 13）。 徐州工程学院外文翻译 8 7 结束语 为了有助于实现在造型，设计，控制，编程实践经验的收购，以及 降低 个人知识管理 的 成本， 提出了三 轴并联铣床功能仿真。所开发的三维并联数控铣床功能仿真器作为混合系统，现有的技术设备（数控机床的 并联机制，为全面和复杂的教学 提供了 设施。关于功能模拟器的想法 ，为 验证一些软质材料 在 进行标准化测试操作条件下作出成功的 决策。 这个想法可能会进一步用于 模拟器 的 决策。致谢 由塞尔维亚科技部支持 ，并 提出的尤里卡计划 3239工作 。 12 007 /27 008 /24 008# 008in KM at of of a 3is as a to in KM is be by a of a of a by of of in is to R&D) KM 1. of a 315of is of a to of in a is 2is on by a of NC be 2, 7of a by of of s be to to as a of of of a 2009) 42:813821*):D. . 6,11120 D of 1, by NC on 6to M,of of in P, as of of B, it of on s to of s to be of of 1 2 of s 2009) 42:813821 s to of by of n of at it be s as As in NC it be in a to NC In of of of of NC 2. as in of of of of of of NC as s In of on 2 be an of NC is a of 2s Y of a NC s is of NC of 1,on 6. As s 1, is by B,to at M of it to of of on of 3 of of s 4 of 2009) 42:813821 815v in Bby of at in Pi 1; 2; 3. of is in P138T, 0h. of s i 1; 2; l 138T, l1,by NC 0001000 138of x of P to is B as 6, c is of s l 138m as 6, 0112On of in 6,of q. 4 is 0 6q. 3, is In i. e.,of 6 of 5 of a on NC 2009) 42:813821s q. 5, of is 0008:7 0:8as 09s201 2 i 1; 2; 3As it by of 6, of is To q. 6 of 7. of of i,(i=1, 2, 3) by he of of q. 8, of be 2a, in q. 8, of 2b, 8, in 8, a of 9, of of be 2a, to q. 9, is a 2c d, 9, is a 2be in to of KM in 2a, of 7 of s 2009) 42:813821 817on 1. q. 8 to 110As q. 7 of be by 2101122of of of as as 1408 08 of as be s As it be 8, of so be to or s is of on of c B, q. 8 c B, he of it is in to of is KM 1, 8to a is a KM is 1of 1, 4, in to on of NC is of to of of ) 1) 14, 15,8 2009) 42:813821In of 6,it be by c, as as to of of 3, 3I1 NC c ,3,3in In to as as to of ) 1), to in in of 9. c=850 ,300 mm ,350 mm of 90)AM C 11). It is to is be in by of of of s 12). s NC s as s In s j1NC 9 110 411 2009) 42:813821 819is NC of of in of in of by 13)to of in a is of D as a AM a by of of an &D be of s 13 of 12 of s 2009) 42:813821he 239 by , (2002) 1(2):671683 00077)61706 (2000) of of , (2003) of a 39:403410 , , (2006) of a 4:3949 02635747040003475. S, W (2003) of a J 25:4351 O (1999) et 95399 , , , , , (2005) Developme 学 课程设计 (论文 ) 控机床 z 向直流伺服 进给系统系统设计 所在学院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导老师 年 月 日 I 摘 要 数控机床即数字程序控制机床，是一种自动化机床 ，数控技术是数控机床研究的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。 随着制造技术的发展，现代数控机床借助现代设计技术、工序集约化和新的功能部件使机床的加工范围、动态性能、加工精度和可靠性有了极大的提高。 本文主要设计 控铣床 Z 向进给系统设计部分，机械结构采用直流伺服电机与滚珠丝杠直接相连的方式，其控制方式采用直流伺服驱动系统半闭环控制。在对进给系统机械结构进行设计的过程中，主要对滚珠丝杠螺母副和直线滚动导轨副进行了计算、校核，确保了机械传动部件的精度和刚度；通过计算，选择了电气驱动部分，包括直流伺服电机和与之匹配的伺服单元。 关键词： 直线滚动导轨；滚珠丝杠螺母副；直流伺服电机 C is is an is of is of NC of In 716 Z NC C C On of of on to by C DC 1 目录 摘 要 . I . 录 . 1 第 1 章 前言 . 3 题研究的背景必要性 . 3 控机床的产生和发展 . 4 控机床的产生 . 4 控系统的发展 . 4 国数控技术的发展概况 . 4 控技术再国民经济中的重要地位 . 4 国数控机床的发展历程与成就 . 5 国数控机床发展存在的问题与对策 . 7 控机床的发展趋势 . 8 控铣床的主要功能及特点 . 9 控 铣床的分类和应用： . 9 控铣床的分类 . 9 控铣床的应用 . 9 控机床的参数 . 9 1. 6 本章小结 . 10 第 2 章 Z 向进给传动系统的设计和计算 . 11 给伺服系统的设计 . 11 进给伺服系统的基本要求 . 11 给伺服系统的设计要求 . 11 给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析 . 12 削参数计算 . 12 度 . 12 削工件时铣削力的计算 . 12 2 给工作台工作载荷计算 . 13 先初步估算工作台的重量 . 15 削用量选择 . 15 削力的计算 . 16 向滚珠丝杠副计算与选择 . 17 载荷计算 . 17 用 丝杠 . 18 定性验算 . 18 度验算 . 20 率验算 . 21 向直流电机选择计算 . 21 轨的设计与选型 . 26 轨概 述 . 26 动直线导轨副的计算 . 28 第 3 章 控制系统的设计 . 33 机控制系统组成及特点 . 33 机控制系统的组成 . 33 机数控系统的特点 . 34 机控制系统设备介绍 . 34 控制器 选择 . 34 储器电路的扩展 . 35 ，机械产品 日 趋精密、复杂、而且产品的生 产 周期短、改型频繁。这不仅对机床设备提出精度与效率的要求 提 出了通用性与灵活的要求。特别是航空、造船、武器、模具生产等 精密 加工的零件具有精度高、形状复杂、经常变动的特点。因此机械产 品 部件的生产设备机床也相应的提出了高性能、高精度化的要求。 利用计算机控制数控机床进行加工使得零件的加工变得十分的方便、快速，很大程度上节约了人力和物力的使用，使得工业自动化程度更高。但是许多企业由于资金等方面的约束不能及时引进先进数控机床，这样制约了生产率的提高，不利于自动化程度的提高。因此各种机床的数控改造开发成为众多专业技术人员 研究的一。 数控，用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制，其对零件的加工相比普通机床有着很多的优点： （ 1）自动化程度高，劳动强度低。 （ 2）加工精度、加工质量稳定可靠。 （ 3）对零件加工的适应性强，灵活性好，能加工形状复杂的零件。 （ 4）加工生产率高。 （ 5）有利于生产管理的现代化。 （ 6）对加工对像的适应性强。 并且 目前在机械行业中，随着市场经济的发展，产品更新周期越来越短，中小批量的生产所占有的比例越来越大，对机械产品的精度和质量要求也在不断地提高与推进。所以普通机床越来越难以满足加工的要求，同时 由于技术水平的提高，数控机床的价格在不断下降，因此，数控机床在机械行业中的使用将越来越普遍，而对原有普通机床的数控化改造也应是越来越广泛，依照设计任务本设计对 化改造 。 4 控机床的产生和发展 随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且要求频繁改型，特别是在宇航、造船、军事等领域所需的机械零件，精度要求高，形状复杂，批量小。加工这类产品需要经常改装或调整设备，普通机床或专用化程度高的自动化机床一般 不能适应这些要求。为了解决上述问题，一种新型的机床 数控机床 应运而生。这种新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。他综合应用电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果。 控机床的产生 世界上第一台成功研制的数控机床是一台三坐标的数控铣床，于 1952 年由美国帕森斯公司和麻省理工学院合作完成。早在 1948 年，美国在研制加工直升机叶片轮廓检查用样板的技工机床任务时，就提出了研制数控机床的 初始 设想。 1949年，在美国空军部门的支持下，帕森斯公司正式接受委托，与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始从事数控机床 的研制工作。经过三年时间的研究，于 1952 年试制成功世界上第一台数控机床试验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。其控制装置由 2000多个电子管组成，占用一个普通实验室那么大。这台数控铣床的诞生，标志着机械制造的数字控制时代的开始。 控系统的发展 数控机床的发展是随着数控技术的发展而发展的。数控系统的发展经历了电子管 分立式晶体管 小规模集成电路 大规模集成电路 小型计算机 超大规模集成电路 微机式的数控系统等几个发展阶段。 20 世纪 90 年代以来，数控系统朝着以通用微 机为基础、体系结构开放和智能化方向发展。以上的三代数控系统是由计算机硬件和软件组成，利用存储器里的软件控制系统工作，因此称为 统或软件控制系统。这种系统容易扩大功能，柔性好，可靠性高。 国数控技术的发展概况 控技术再国民经济中的重要地位 数控技术是用数字信息对机械运动和过程进行控制的技术，是 20 世纪后半叶最重要，发展最快的工业技术之一，它以制造过 程为对象，以信息技术为手段，以数字坐标 5 方式对运动部件进行位置控制为主要特征，为单件小批量生产的自动化开辟了可行的技术途径，也为现代柔性制 造技术奠定了重要的技术基础。 数控机床是以数控技术为代表的新技术对传统制造业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，其技术覆盖很多领域。其中，精密机械制造技术，信息处理、加工、传输技术，自动控制技术，伺服驱动技术，传感器及检测技术和计算机技术是数控技术涵盖的主要领域。数控机床还是运用高新技术对传统产业进行改进和提升的重要载体。 以信息化带动工业化，实现社会生产力的跨越式发展，将在一定程度上取决于数控机床的技术进步。它代表着装备工业的技术水平和现代化程度。而装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水 平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空航天等国防工业产业）的使能技术和重要装备。数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。现在世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外，世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高、精、尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进 制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要 途径。 国数控机床的发展历程与成就 我国从 1958年开始研究数控机床，一直到 20世纪 60年代中期还处于研制、开发时期。当时，一些高校和科研单位研制出的试验性样机，是从电子管数控系统起步的。1965年开始研制晶体管数控系统。从 20世纪 70 年代起，数控技术在车、铣、锉、磨、齿轮加工、电加工等领域全面展开，加工中心在上海、北京研制成功。但是，由于元器件的质量差和产品的制造工艺水平低等原因，数控系统的可靠性、稳定性未得到解决，未能 广泛推广。在这一时期，数控线切割机由于结构简单、使用方便、价格低廉，在模具加工中得到推广。直线控制、点位控制的数控车床、数控铣床和加工中心开始在生产中应用。 20世纪 80年代，我国从日本 ,5,6,7等系列的数控系统和直流伺服电动机、直流主轴伺服电动机等的制造技术，还引进了美国 司的 国 进行了商品化生产。这些系统功能齐全、可靠性高，得到了推广应用，推动了我国数控机床的稳定发展， 6 使我国的数控机床在性能和质量上产生了一 个质的飞跃。在这期间，我国在引进、消化国外技术的基础上进行了大量的开发工作。我国数控机床的品种有了较大发展，品种不断增多，规格齐全。许多技术复杂的大型数控机床、重型数控机床都相继研制出来。为了跟踪国外现代制造技术的发展，北京机床研究所还研制出了 改革开放近 30年来，我国的数控机床产业取得了举世瞩目的成就。特别是“十五”期间，数控机床发展进人了快车道。国家有关部门的统计数字表明，“十五”是我国机床工具行业发展最快的五年。 2004年，我国机床 工具行业产品销售收人 1 032亿元，大约是 2000年 507亿元的 2倍，平均年增长约 19； 2004年，全国金属切削机床产量为39万台，大约是 2000 年 17万台的 2 3倍，平均年增长约 23写。机床工具行业的主导产品 数控机床的发展速度远高于机床工具全行业的平均发展速度。国产数控金属切削机床年产量从“九五”计划末期的几千台，增加到 2001年的 17 521台 ,2002年的 24 803台， 2003 年的 36 813 台， 2004 年的 51 861 台，其中 2004 年的产量大约是 2000 年产量的 3. 7倍，平均年增长约 39。金属加工机床产值数控化率从 2001年的 26. 2提高到 2004 年的 32 7，形成了一批数控机床生产的主导企业， 2004 年数控机床年产量超千台的企业有 14 家，其产量合计占全行业数控机床总产量的 50以上，其中数控机床产量最高的一家企业年产量达 6 000多台。连续几年来数控机床产量快速上升，也带动了出口， 2004 年全行业数控金属加工机床出口 14 404 台。数控机床的年产量已经突破原国家经贸委发布的到 2005年全国数控机床产量达到 25 00000 台的奋斗目标。数控机床的品种也从“九五”期间的 128种发展到目前的 1 500多种。国产数控机床产品大部分达到了国际 20世纪 90年代初期或中期水平，为国家重点建设提供了一批高水平的数控机床。 不仅如此，“十五”期间，我国在高端数控机床关键技术研究方面取得重大突破。目前，我国在普及型数控机床技术上已经成熟，还基本掌握了多（五）坐标联动的关键技术。这不仅打破了国外的技术封锁，而且使该技术进人实用性阶段。北京机电研究院为东方汽轮机厂开发的五轴联动加工中心，已在东方汽轮机厂实际应用，不仅完全满足了汽轮机叶片加工质量的要求，而且其加工效率可与进口机床的媲美，但其价格 仅为进口机床的三分之一。复合加工技术的研究也取得很大成绩，我国研制成功的五轴联动车铣复合加工中心、五轴五面加工中心、双主轴车削中心等均已实现商品化。 我国高速加工技术的研究与应用取得重要进展。其中在直线电动机应用技术的研究方面，基本掌握了负载变化扰动、热变形补偿、隔磁和防护等部分关键技术，填补了我 7 国在直线电动机应用技术领域的空白，进一步缩短了与国外的差距。此外，我国还完成了 10 00000 r/速主轴单元的产品开发和加工制造工艺的研究，并在国产加工中心上应用。超精密加工（亚微米）技术和装 备的研究也取得突破，北京机床研究所研制的超精密加工和纳米加工技术与装备已达到世界领先水平，打破了国外对我国的技术封锁。 目前，数控机床在我国国民经济的各行各业发挥着越来越重要的作用，数控机床已经成为企业技术改造的首先设备之一。我国已经成为数控机床的生产大国、消费大国和进口大国。国民经济各个行业需要大量数控机床的开发人才和应用人才。 国数控机床发展存在的问题与对策 当前，国外数控技术发展很快，呈现出高速度、高精度、高可靠性、多轴控制、工艺复合、集成化、智能化、网络化和环保化发展的态势。与国外数控技 术的发展相比，我国数控技术的发展仍然存在着较大差距，主要体现在以下四个方面。 (1)在技术水平上，国外对加工中心的研究已经转向高速、精密、多轴、复合、智能和环保等技术的研究。我国加工中心的总体技术水平与国外同类产品的先进水平相比大约落后 10“高、精、尖”技术方面则更大。 (2)在产品结构上，高端市场（即高速、精密、多轴、复合加工中心市场）基本上被美国、日本和欧洲发达工业国家所垄断，国内开发的五轴联动数控机床、复合加工中心、高速加工中心等产品，虽然已经投人使用，但多数产品与商品化尚有一段距离 ，而且在技术水平和性能参数上与欧、美、日等地的产品还有较大差距。低端市场（即普及型数控机床市场）受到周边的日本、韩国和我国台湾地区产品的冲击较大，形成激烈竞争。多年来，国产数控机床产量小、进口产品量大的局面一直存在。 (3)产品开发能力上，国内生产企业缺乏对产品竞争前数控技术的深人研究与开发，特别是对加工中心应用领域的拓展力度不强，集中体现在：产品开发能力较弱，对产品标准规范的研究、制定滞后，技术创新能力不强。导致开发出的产品技术先进性不明显，市场针对性不强，缺乏市场竞争力。 (4)产业化水平上 ，市场占有率低，品种覆盖率小。从总体上看，加工中心还没有形成规模生产；功能部件专业化生产水平及配套能力较低；产品质量不高，主要体现在可靠性不高，商品化程度不足，关键功能部件没有自己配套的主渠道；数控系统的推广应用还不够等等。 这些问题已经引起了国家有关部门的高度重视，并正在采取措施加以改进。 2006年 8 6 月，国务院发布了关于加快振兴装备制造业的若干意见）（以下简称意见），装备制造业得到了国家前所未有的重视，意见将在三个方面重点 下四点 : 第一，加快开发高档数控机床品种，缩短与世界先进水平的差距 ，提升我国机床工具行业整体水平，对市场急需的高档数控机床品种，要集中力量，重点突破，加大科技投人，加强基础研究和开发研究，提高原始创新和集成创新能力，掌握一批高档数控关键产品开发的核心技术，推出一批高档数控机床品种，满足重点用户急需，精心培育高档数控机床市场。 第二，积极促进功能部件产业化，培育一批功能部件的龙头企业，加大政策支持力度，重点发展高档数控系统、高速主轴单元、精密滚动功能部件、动力刀架、精密转台、高速导轨防护装置等高水平的功能部件，加快产业化进程，培育国产品牌，实现功能部件与数控机床同步发 展。 第三，进一步发展普及型数控机床，我国普及型数控机床技术已经成熟，产业化迫在眉捷，急需进一步提高可靠性和质量，及时供应市场，提高产业集中度，实现稳定、可靠、快速地满足市场，以提高制造能力和生产集中度为重点，支持骨干企业快速发展。 第四，努力提高国产数控机床市场占有率，是“十一五”期间行业发展的重中之重，要从质量、可靠性、服务等方面入手，创品牌、扩市场、挡进口、争出口，争取在五年内使国产数控机床国内市场占有率有较大提高。 意见切中了我国数控机床发展中的关键问题，为发展国产数控机床提供 了良好的政策环境。毫无疑问，随着意见的贯彻实施，多年来困扰我国机床工具行业发展的数控机床产业化和自主开发能力偏低的问题，将得到一定程度的解决，国产数控机床在国内市场占有率长期不高的局面将被扭转。高等学校作为国家各类人才的培养基地，为装备制造业培养急需的数控机床开发与应用人才，是义不容辞的责任。 控机床的发展趋势 随着科学技术的发展，制造技术的进步，以及社会对产品质量和品种多样化的要求越来越强烈。中、小批量生产的比例明显增加，要求现代数控机床成为一种精密、高效、复合、集成功能和低成本的自动化加 工设备。同时，为了满足制造业向更高层次发展，为柔性制造单元、柔性制造系统，以及计算机集成制造系统提供基础设备，也要求数控机床向更高水 平 发展。当前，数控机床技术呈现如下发展趋势 ： （ 1） 高精度化 ； （ 2） 运动高速化 ；（ 3） 柔性 化； （ 4）高自动化 ； （ 5）高可靠性 ； （ 6）智能化 ；（ 7）复合化 ； （ 8）网络化 ； （ 9）开放式体系结构 。 9 控铣床的主要功能及特点 数控铣床的可分为立式、卧式和立卧两用式数控铣床，各 种铣床适用 的数控系统不同，其功能也不尽相同。除各有其特点之外，常具有下列主要功能 ： 点位控制功能 ； 连续轮廓控制功能 ； 刀具半径自动补偿功能 ； 刀具长度补偿功能 ； 镜像加工功能 ； 固定循环功能 ； 特殊功能 。 具备自适应功能的数控铣床可以在加工过程中把感受到的切削状况的变化，通过适应性控制系统及时控制机床改变切削用量，使铣床及刀具始终保持最佳状态，从而可获得较高的切削效率和加工质量，延长刀具使用寿命。 数控铣床的主要特点： （ 1） 高柔性及工序复合化；（ 2） 加工精度高；（ 3）生产效率高；（ 4）减轻操作者的劳动强度。 控铣床的分类和应用： 控铣床的分类 按运动方 式分：（ 1）点位控制 数控铣床 (2）直线控制 数控铣床 （ 3）轮廓控制 数控铣床； 按控制方式分： (1）开环控制 数控铣床 (2）闭环控制 数控铣床 (3）半闭环控制 数控铣床 ； 按主轴的布局形式分：（ 1）立式数控铣床：（ 2）卧式数控铣床（ 3）立卧两用式数控铣床等等 控铣床的应用 数控铣床主要用于加工平面 和曲 面轮廓的零件，还可以加工复杂型面的零件、样板、模具、螺旋槽 等。同时也可以进行钻、扩、铰、锪和镗孔的加工，但因数控铣床不具 自动换刀功能，所以不能完成复杂孔 的加工。 数控铣床主要应用于 汽车制造业 、 模具制造业 、 机床制造业 、 航空航天业 、 造船业 、 军事工业及其他行业 控机床的参数 本课题设计的立式数控铣床可 以 铣削平面和沟槽，也可加工空间曲面；若将铣刀换成钻头或绞刀，则可加工光孔或螺纹孔。铣床主要技术参数 如下 ： 工作台工作面尺寸（长 宽 ） 9 0 0 m m 6 0 0 m m 工作台 X 向最大行程 630 10 工作台 Y 向最大行程 400工作台 T 型槽数 3 工作台 T 型槽宽 18 工作台 T 型槽间距 90床分辨率均为 大移动速度 2m/1. 8 本章小结 本章节首先介绍了数控技术的背景发展历程，进而分析了数控技术的国内外现状及未来趋势，最后介绍了研究的主要内容和意义。 11 第 2 章 Z 向 进给传动系统的设计和计算 给伺服系统的设计 进给伺服系统的基本要求 进给伺服系统不但是数控机床的一个重要组成部分，也是数控机床区别于一般机床的一个特殊部分。数控机床对进给伺服系统的性能指标可归纳为：定位精度高；跟踪指令信号的响应快；系统的稳定好。 (1) 稳定性 伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的扰动信号消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行 ,或者在输入的指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力。伺服系统的稳定性是系统本身的一种特性，取决于系统的结构及组成 元件的参数（如惯性、刚度、阻尼、增益等），与外界的作用信号（包括指令信号或扰动信号）的性质或形式无关。 (2) 精度 伺服系统的精度是指系统的输出量复现输入量的精确程度。伺服系统工作过程中通常存在三种误差：动态误差、稳定性误差和静态误差。实际中只要保证系统的误差满足精度指标就行。 (3) 快速响应性 快速响应特性是指系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度。它包含系统的响应时间，传动装置的加速能力。它直接影响机床的加工精度和生产率。 给伺服系统的设计要求 在静态设计方面有： 能够 克服摩擦力和负载 (2) 很小的进给位移量 (3) 高的静态扭转刚度 (4) 足够的调速范围 (5) 进给速度均匀，在速度很低时无爬行现象 在动态设计方面的要求有： 12 (1) 具有足够的加速和制动转矩 (2) 具有良好的动态传递性能，以保证在加工中获得高的轨迹精度和满意的表面质量 (3) 负载引起的轨迹误差尽可能小 对于数控机床机械传动部件则有以下要求 (1) 被加速的运动部件具有较小的惯量 高的刚度 良好的阻尼 传动部件在拉压刚度 扭转刚度 摩擦阻尼特性和间隙等方面尽可能小的非线性 给伺服系统 的动态响应特性及伺服性能分析 (1)进给伺服系统的动态特性，按其描述方法的不同，分为时间响应特性和频率响应特性。 (2) 频率响应特性 (3) 快速性分析 削参数计算 度 要求：进给精度 快速进给精度 m 机床分辨率均为 择系统脉冲当量为 p = 削工件时铣削力的计算 铣削运动 的特征：主运动为铣刀绕自身轴线高速旋转，进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给（铣键槽时，可使键槽铣刀沿轴线进给）。铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式。圆柱铣刀和端铣刀的切削部分都可以 看做车刀刀头的演变，铣刀的每一个刀齿相当于一把车刀。它的切削基本规律与车削相似，所不同的是铣 刀回转，刀齿数多。 通常假定铣削时铣刀受到的铣削抗力是作用在刀齿某点上，如图 1所示。设刀齿上 13 受到铣削抗力的合力为 F,将 向和切向进行分解，则分别为轴向铣削力F、径向铣削力 F，和切向铣削力 F 二。切 向铣削力 F 二是沿铣刀主运动方向的分力，它消耗铣床主电动机功率（即铣削功率）最多。因此，切向铣削力 E( 主电动机功率 出。 式中 :v 机床主轴的计算转速（主轴传递全部功率时的最低切削速度 ,m/s)； m 机床主传动系统的传动效率，一般取， m 图 削抗力及工作台上的载荷 给工作台工作载荷计算 作用在进给工作台上的合力 F 与铣刀刀齿受到的铣削抗力 F 的合力大小相同、方向相反，如图所示。合力 F就
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