普通铣床的数控化改造.doc

内蒙古科技大学毕业设计说明书n 前 言对于培养工程技术人才的工科性大学来说 ，学生的实践就显得尤为重要，但在大学的四年里，我们都是以书本上的理论知识为重，实践也大多数是参观，自己真正动手的机会很少，所以我们的实践经验可以说几乎为零。所以提高学生的动手能力，理论与实际相结合来解决实际工程问题的能力是很有必要的，而大学最后的毕业设设计，就是真正的理论与实践相结合，要求学生综合运用四年所学的知识来解决实际工程问题，这对我们来说绝对是一次很好的锻炼机会，不仅可以温故以前的所学的专业知识而且可以锻炼自己解决实际工程问题的 能力，为将来的工作打下良好的基础。所以我们应该好好珍惜这次难得的机会，尽自己最大的努力将毕业设计做好，为自己四年的大学画上完美的句号。这次毕业设计我做的题目是“普通铣床的数控化改造”。我们知道制造业是工业的基础，也是直接创造社会财富的基础，是人类生存所不可缺少的行业。世界上各个国、造技术可以很快将发明制造成产品，首先占领市场。先进制造技术可提高原有产品的质量，降低成本等，可获明显的经济效益。总之，先进制造技术是提高本国产品市场经济竞争力的基本保证。制造业领域很宽广，但机械制造业是制造业的根本，而机械加工又是机械制造业的根本。数控技术是机械制造业的先进制造技术之一，是提高多品种，中小批量生产企业经济效益的有效途径，也是先进制造技术发展的重要基础。作为一名学机械专业的学生，在将来的工作中肯定也要接触到数控类产品，所以我要更加珍惜这次难得的机会，做好毕业设计为将来的工作打下基础。本次设计历时一个学期，在尹明老师的指导和其他老师与同学的帮助下，终于较为完满地完成了对普通铣床的数控化改造这项设计，下面是我这次设计的主要内容：n 1 进给伺服系统传动方案的确定进给系统的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。例如，数控机床的最高移动速度，跟踪精度，定位精度等重要指标，均却决进给伺服系统的动态和静态特性。根据设计要求和设计参数确定合理的进给系统。n 2 伺服系统的选择（1）伺服电机的选择，（2）计算转动惯量（3）计算转矩n 3 滚珠丝杠的选择（1）丝杠型号的选择（2）丝杠强度的校核（3）系统的刚度计算n 4 传动系统的设计进给系统应能在X，Y两个坐标方向实现行程为500mm的自动进给，定位精度0.02mm, 重复定位精0.01mm。主传动系统能在Z坐标方向实现行程400mm自动进给，定位精度0.02mm, 重复定位精0.01mm。n 5主轴传动系统的设计通过设计的主轴传动系统，可以使主轴箱能在Z轴方向上下移动，从而扩大了机床的加工范围。在我这次的设计过程中得到了尹明老师的精心指导，在此表示衷心的感谢，同时也对其他组的老师和同学对我们提供帮助表示诚挈的感谢。由于我个人水平有限，再加时间紧迫，在我的设计中还存在许多错误和不妥之处，敬请各位老师，同学批评指正。n 第一章 概 述 n 1.1数控机床的发展史n 1.1.1国外数控机床的发展机床的信息化随着网络技术日益普遍运用，互联网进入车间只是时间问题，这将是数字化制造的主要标志。 从另一角度来看，企业资源计划如果仅仅局限于业务管理部门(人、财、物、产、供、销)或设计开发等企业上层的信息化是远远不够的，车间最底层的加工设备数控机床不能够连成网络或信息化，就必然成为制造业信息化的制约瓶颈。所以，对于现代制造工厂来说，除了要提高机床的数控化率外，更要使所拥有的数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在车间的底层之间及底层与上层之间通信畅通无阻。例如，日本Mazak公司推出新一代的加工中心不仅实现了加工过程和刀具交换的自动化，还配备一个称为信息塔(e-Tower)外部设备，包括计算机、手机、机外和机内摄像头等，能够实现语音、图形、视像和文本的通信功能。该机床与生产计划调度联网，实时反映机床工作状态和加工进度。操作者需指纹确认权限，在屏幕上观察加工过程、故障报警显示、在线帮助排除。它是独立的、自主管理的制造单元。企业的生产计划调度系统安排一周的加工任务，发送到信息塔。信息塔向操作者发出指令，并在屏幕上显示机床的实时工作状态。操作者按照屏幕指示进行操作。遇到问题时，可随时查阅计算机中的操作手册。正常情况下，机床自动工作，操作者与机床在时间和空间上都是分离的。管理者和操作者皆配备有手机，通过手机可以查询生产工况，预计加工完成时间以及延期报告和故障报警。机床发生故障时，屏幕会显示排除故障的方法，Mazak公司维修中心能同时看到问题所在，远距离及时提供帮助，尽可能减少机床的停机时间。新一代数控系统 德国Andron公司的最新产品是新一代基于微机的、在Windows平台上的开放式数控系统。它采用由两个Intel处理器，通过PCI-PCI桥进行相互通信。一个处理器承担数控运算(NC计算机)，另一个作为人机界面计算机。NC计算机中插有NC CPU卡、NC机床卡。NC机床卡与数控驱动装置连接，并通过2块带PCI桥的总线卡与人机界面计算机通信。人机界面计算机的内部总线卡与数控系统操作面板和外部接口连接。人机界面计算机的CPU卡控制触摸式LCD显示屏以及计算机外设和网络通信。 传统的数控系统是将编程系统的数字信号转换成为电压模拟信号，再以电压的大小控制驱动电动机的转速，事实上仍是模拟量控制。新一代数控系统的最大特点还在于采用串行实时通信接口SERCOS和皮米级插补技术。它可将位置控制、速度控制、精密插补以及伺服电动机的控制集成在一个集成电路中。数字伺服驱动技术借助SERCOS接口将数控系统与伺服控制器用光纤连接起来，大幅度提高系统的传输率和响应速度，可达到纳秒级。数控系统性能以及数控机床的加工精度和效率的提高与插补精度是分不开的。Andron公司采用SERCOS接口技术后，开发了皮米级插补技术，将插补精度从110-7m提高到0.610-12 m。插补精度越高，机床加工零件的尺寸精度也越高，表面粗糙度越小，机床运动越平稳，刀具磨损也越小，可进一步降低加工成本。n 1.1.2国内数控机床的发展我国从1958开始研究数控技术，到20世纪60年代中期处于研制、开发阶段。1965年进入晶体管数控装置的研制。60年代末至70年代初研制成功了数控铣床。从20世纪70年代开始，数控技术在车、铣、磨、齿轮加工、电加工等领域全面展开。但由于电子元件的质量和制造工艺水平低，致使数空系统的可靠性、稳定性没有得到解决，因此未能广泛推广。20世纪80年代，中国先后从日本、美国等国家引进了部分数控装置和伺服单元技术，并于1981年开始批量生产数控系统，包括数控装置和伺服单元。在此期间，中国在引进、消化吸收的基础上，跟踪国外先进技术的发展，开发出了一些高档的数控系统，如多轴联动数控系统、数字仿形系统、为柔性单元配套的数控系统等。为了适应机械工业不同层次的需要，还开发出多种经济型数控系统，并得到了广泛应用。现在，中国已经建立了以中、低档数控机床为主的产业体系。n 1.1.3未来数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） 高精度化现代科学技术与生产的发展，对机械加工与测量提出了越来越高的精度要求。加工精密化不只是由于发展高、新技术的需要，也是为了提高普通机电产品的性能质量、寿命和可靠性的需要，同时还是为了减少机械产品装配时的修配工作，提高装配效率的需要。故提高机床的加工精度是现代数控机床发展方向之一。其精度已从微米级到亚微米级，乃至纳米级（10nm 。提高数控机床的加工精度，一般可通过减少数控系统的误差和采用机床误差补偿技术实现。近几十年来，普通级数控机床的加工精度已由 提高到，精密级加工中心精度则从提高到。（2） 运动高速化 高速是高效的基础，要提高生产率，首先就得提高切削速度。这正是机床技术发展追求的基本目标之一。而实现这个目标的主要、最直接的方法就是提高切削速度、进给速度、减少辅助时间。目前铣削的切削速度已达到50008000m/min以上，主轴转速达到30000100000r/min;工作台的移动速度，当分辨率为时，在100200m/min以上。自动换刀速度在1s以内，小线段插补进给速度达到12m/min。（3） 高柔性化实践证明，采用柔性自动化设备或系统，是提高加工精度和效率、缩短生产和供货周期、并能对市场变化作出快速响应和提高竞争能力的有效手段。柔性是指机床适应加工对象变化的能力。传统的自动化设备，由于采用机械或刚性连接和控制，当被加工对象变换时，调整很困难，甚至是不可能的，有时只得全部更新或更换。数控机床的出现，开创了柔性自动化加工的新纪元，对满足加工对象变换有很强的适应能力。而且，在提高单机柔性化的同时，正努力向单元柔性化和系统柔性化方向发展。（4） 高自动化高自动化是指在全部加工过程中尽量减少人的介入而自动完成规定的任务，包括物流和信息流的自动化。20世纪80年代中期以来，以数控机床为主体的加工自动化已从“点”（单台数控机床）、“线”的自动化（FMC、FMS、FTL、FML）发展到“面”的自动化。在国外已出现FA（自动化工厂）和CIMS（计算机集成制造）工厂的实体。尽管由于这种高自动化的技术还不完备，投资过大，回收期较长，但数控机床的高自动化以及向FMC、FMS的系统集成方向发展的总趋势仍是机械制造业发展的主流。（5） 高可靠性 数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。数控机床能否发挥其高性能、高精度、高效率，并获得良好的效益，还要取决于可靠性。 数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数量，提高可靠性。通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求，同时采用硬件结构机床本体的模块化、标准化、通用化和系列化，使得既提高硬件生产批量，又便于组织生产和质量把关。还通过自动运行诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。利用报警提示，及时排除故障。利用容错技术，对重要部件采用“冗余”设计，以实现故障自恢复。利用各种测试、监控技术，自动进行相应的保护。（6） 智能化 随着人工智能在计算机领域的不断渗透与发展，为适应制造业生产的柔性化、自动化发展的需要，智能化正在成为数控设备包括数控机床研究及发展的热点，目前采取的主要技术手段有以下几个方面。 A、 自适应控制技术 自适应控制可根据切削条件的变化，自动调节工作参数，使加工过程能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率，达到改进系统运行状态的目的。可通过监控切削过程中的刀具磨损、破损、切屑形态、切削力及零件的加工质量等，向制造系统反馈信息，通过将过程控制、过程监控、过程优化结合在一起，实现自适应调节。 B、 专家系统技术 将专家的经验和切削加工一般规律与特殊规律存入计算机中，以加工工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统，提供经过优化的切削参数，使加工系统始终处于罪优和最经济的工作状态，从而提高编程效率和降低对操作人员的技术要求，缩短生产准备时间。 C、 故障诊断技术 系统随时对CNC系统本身以及与其相连的个种设备进行自诊断和检查。出现故障立即采取停机等措施，进行故障报警，提示发生故障的部位、原因等，并利用“冗余”技术，自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以确保无人化工厂工作环境的要求。 D、 模式识别技术 应用图象识别和声控技术，使机器自己辨认图样，按照自然语音命令进行加工。n 1.2数控铣床的功能和特点及组成原理 n 1.2.1数控铣床的主要功能数控铣床可以分为立式、卧式和立卧两用式数控铣床，各类铣床配置的数控系统不同，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。（1） 点位控制功能 利用这一功能，数控铣床可以进行只需要作点位控制的钻孔、扩孔、锪孔、铰孔和镗孔等加工。（2） 连续轮廓控制功能 数控铣床通过直线与圆弧插补，可以实现对刀具运动轨迹的连续轮廓控制，加工出由直线和圆弧两种几何要素构成的平面轮廓工件。对非圆曲线（椭圆、抛物线、双曲线等二次曲线及对数螺旋线、阿基米德螺旋线和列表曲线等）构成的平面轮廓，在经过直线或圆弧逼近后也可以加工。除此之外，还可以加工一些空间曲面。（3） 刀具半径自动补偿功能 使用这一功能，在编程时可以很方便得按工件实际轮廓形状和尺寸进行编程计算，而加工中心可以使刀具中心自动偏离工件一个刀具半径，加工出符合要求的轮廓表面。也可以利用该功能，通过改变刀具半径补偿量的方法来弥补铣刀制造的尺寸精度误差，扩大刀具直径选用范围及刀具返修刃磨的允许误差。还可以利用改变刀具半径补偿值的方法，以同一加工程序实现分层铣削和粗、精加工或用于提高加工精度。此外，通过改变刀具半径补偿值的正负号，还可以用同一加工程序加工某些需要相互配合的工件。（4） 刀具长度补偿功能 利用该功能可以自动改变切削平面高度，同时可以降低在制造与返修时对刀具长度尺寸的精度要求，还可以弥补轴向对刀误差。（5） 镜像加工功能 镜像加工也称为轴对称加工。对于一个轴对称形状的工件来说，利用这一功能，只要编出一半形状的加工程序就可以完成全部加工了。（6） 固定循环功能 利用数控铣床对孔进行钻、扩、铰、锪和镗加工时，加工的基本动作是：刀具无切削快速到达孔位慢速切削进给快速退回。对于这种典型化动作，可以专门设计一段程序（子程序），在需要的时候进行调用来实现上述加工循环。特别是在加工许多相同的孔时，应用固定循环功能可以大大简化程序。利用数控铣床的连续轮廓控制功能时，也常常遇到一些典型化的动作，如铣整圆、方槽等，也可以实现循环加工。对于大小不等的同类几何形状（圆、矩形、三角形、平行四边形等），也可以用参数方式编制出加工各种几何形状的子程序，在加工中按需要调用，并对子程序中设定的参数随时赋值，就可以加工出大小不同或形状不同的工件轮廓及孔径、孔深不同的孔。目前，已有不少数控铣床的数控系统附带有各种已编好的子程序库，并可以进行多重嵌套，用户可以直接加以调用，使编程更加方便。（7） 特殊功能 有些数控铣床在增加了计算机仿加工装置后，可以在数控和靠模两种控制方式任选一种进行加工，从而扩大了机床使用范围。 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且削状况（如切削力、温度等）的变化，通过适应性控制系统及时控制机床改变切削量，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。 数控铣床在配置了数据采集系统后，就具备了数据采集功能。目前已出现既能对实物扫描采集数据，又能对采集到的数据进行自动处理并生成数控加工程序的系统。这些未进行设计制造一体化工作提供了有效手段。n 1.2.2数控铣床的主要特点(1) 高柔性及工序复合化数控铣床具有柔性（可变性）高和工序复合化的特点。所谓“柔性”即灵活、通用和万能性，可以适应加工不同形状工件的自动化机床。数控铣床的发展已经模糊了粗、精加工工序的概念，打破了传动的工序界限和分开加工的工艺规程，可最大限度地提高设备利用率。 数控铣床一般都能完成钻孔、镗孔、铰孔、铣平面、铣谢冕、铣槽、铣曲绵（凸轮）、攻螺纹等加工。而且，一般情况下，可以再一次装夹中，完成所需的加工工序。（2） 加工精度高 目前数控装置的脉冲当量（即每发出一个脉冲后滑板的移动量）一般为0.001mm。高精度的数控系统可达0.0001mm。一般情况下，可以保证工件的加工精度。另外，数控加工可避免公认的操作误差，一批加工件的尺寸同一性特别好（包括工件的主要尺寸和倒角等尺寸的同一性），而且还可利用软件进行精度校正和补偿，大大提高了产品质量。 由于数控铣床的高精度和灵活性，能加工很多普通机床难以完成或根本不能加工的复杂型面（如高精度螺旋推进器）。因此，数控铣床首先在航空、航天工业中应用。而加工各种复杂模具更显示优越性。（3） 生产效率高 零件加工所需要的时间包括机动实践与辅助时间两部分。数控能够有效地减少这两部分时间。因而加工生产率比一般铣床高得多。良好的结构性允许数控进行大切削用量的强力切削，有效地节省了机动时间。数控铣床一动部件的快速移动和定位采用了加速与减速措施，因而选用了很高的空行程运动速度，消耗在快进、快退和定位的时间要比一般铣床少得多。 数控铣床一般很少使用专用夹具和工艺装备，在更换工件时，只需调用储存于计算机中的加工程序，装夹工件和调整刀具数据，可大大缩短生产周期。更主要的是数控铣床的万用性带来的高效率，如一般的数控铣床都具有铣床、镗床和钻床的功能。使工序高度集中，大大提高了生产效率并减少了工件的装夹误差。另外，数控铣床得主轴转速和进给量都是无级变速的。因此，有利于选择最佳切削用量。数控铣床都有快进、快退、快速定位功能，可大大减少机动时间。据统计，采用数控铣床比普通铣床可提高生产率35倍。对于复杂的成型棉加工可提高十几倍，甚至几十倍。（4） 减轻操作者的劳动强度 数控铣床对零件加工是按事先编好的程序自动完成的。操作者除了操作键盘、装卸工件和中间测量及观察机床运行外，不需要进行繁重的重复性操作，可大大减轻劳动强度。 由于数控铣床具有以上独特的优点，因此数控铣床已成为机械制造业的主要装备。 但是，数控铣床的编程操作比较复杂，对编程人员的素质要求较高。否则，很难发挥数控铣床的作用。另外，数控铣床的价格昂贵，如编程操作不慎，万一发生碰撞，其后果不勘设想。为此，必须重视编程操作人员的培训。n 1.2.3数控铣床的组成数控铣床于一般的数控机床一样，是由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体组成。下图实线所示为开环控制的数控铣床框图。图1.2.3 数控铣床的组成为了提高机床的加工精度，在上述系统中再加入一个测量装置（即上途中的虚线部分），这样就构成了闭环控制的数控机床框图。开环控制系统的工作过程是这样的：将控制机床工作台运动的位移量、位移速度、位移方向、位移轨迹等参量通过控制介质输入给机床数控装置，数控装置根据这些参量指令计算得出进给脉冲序列（包含有上述4个参量），然后经伺服系统转换放大，最后控制工作台按所要求的速度、轨迹、方向和距离移动。若为闭环系统，则在输入指令值得同时，反馈检测机床工作台的事迹位移值，反馈量与输入量在数控装置中进行比较，若有差值，说明二者兼有误差，则属控装置机床向着消除误差的方向运动。现将各组成部分简述如下。（1） 控制介质 数控铣床工作时，不需要工人去摇动手柄操作机床，但又要自动地执行人们的意图，这就必须在人和数控铣床之间建立某种联系，这种联系的媒介物称为控制介质（或称程序介质、输入介质、信息载体）。在普通机床上零件加工时，由工人按图纸和工艺要求进行加工。在数控铣床商加工时，则要把加工零件所需的全部动作及刀具相对于工件的位置等内容，用数控装置所能接受的数字文字代码来表示，并把这些代码储存在控制介质上。控制介质可以是川孔带，也可以是穿孔卡、磁带、磁盘或其他可以储存代码的载体。至于采用哪一种，则取决于数控装置的类型。而在CAD/CAM集成系统中，将其程序直接送入数控装置，不需上述控制介质。（2） 数控装置数控装置是数控铣床的中枢，在普通数控铣床中一般由输入装置、存储器、控制器、运算器和输出装置组成。数控装置接受输入介质的信息，并将其代码加以识别、储存、运算，输出相应的指令脉冲以驱动伺服系统，进而控制机床动作。在计算机数控铣床中，由于计算机本身即含有运算器、控制器等上述单元，因此其数控装置的作用由一台计算机来完成。（3） 伺服系统伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换为机床一动部件的运动，使工作太（或溜板）精确定位或按照规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合图纸要求的零件。因此伺服系统的性能是决定数控铣床的加工精度、表面质量和生产率的主要因素之一。相对于每个脉冲，机床一动部件的位移量叫做脉冲当量（用 来表示）。常用的脉冲当量为0.01mm/脉冲、0.005mm/买冲及0.001mm/脉冲。在数控铣床的伺服系统中，常用的伺服驱动元件有功率步进电机、电脉冲马达、直流伺服电机和交流伺服电机等。（4） 机床本体 机床主机是数控铣床的主体，它包括床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台、主轴箱、进给机构、刀架等机械部件。它是在数控铣床上自动完成各种切削加工的机械部件。数控铣床中的机床本体，在开始阶段使用通用机床，只是在自动变速、刀架或工作台自动转位和手柄等方面做些改变。实践证明，数控铣床除了由于切削用量大、连续加工发热多等影响工件精度外，还由于是自动控制，在加工中不能像在普通机床上那样可以虽由人工进行干涉。所以其设计要求比通用机床更为严格，制造要求更精密。因而在后来的数控设计时，采用了许多新的加强刚性、减小热变形、提高精度等方面的措施，使得数控铣床的外部造型、整体布局、传动系统及刀具系统等方面都发生了很大的变化。n 1.2.4数控铣床的工作原理数控铣床工作前，要预先根据被加工零件的要求，确定零件加工工艺过程、工艺参数，并按一定的规则形成数控系统能理解的数控加工程序。即将被加工零件的几何信息和工艺信息数字化，按规定的代码和格式编制成数控加工程序。然后用适当的方式将此加工程序输入到数控装置中。此时，即可启动机床运行数控加工程序。在运行数控加工程序的过程中，数控装置会根据数控加工程序的内容，发出各种控制命令，如启动主轴电机、打开冷却液，并进行刀具轨迹计算，同时向特殊的执行单元发出数字位移脉冲并进行进给速度控制，正常情况下可直到程序运行结束，零件加工完毕为止。具体而言，数控铣床的工作过程，即加工零件的过程，如下图所示。其主要步骤如下。 图1.2.4 数控铣床加工过程 （1） 根据被加工零件途中所规定的零件形状、尺寸、材料及技术要求等，制定工件加工的工艺过程，刀具相对工件的运动轨迹、切削参数及辅助动作顺序等，进行零件加工的程序设计。 （2） 用规定的代码和程序格式编写零件加工程序单。 （3） 按照程序单上的代码编作控制介质。 （4） 通过输入装置把加工程序输入给数控装置。 （5） 启动机床后，数控装置根据输入的信息进行一系列的运算和控制处理，将结果以脉冲形式送往机床的伺服系统（如步进电机、直流伺服电机、电液脉冲马达等）。 （6） 伺服系统驱动机床的运动部件，使机床按程序预定的轨迹运动，从而加工出合格的零件。 n 1.3本设计的内容、特点本文设计的题目为：普通铣床的数控化改造，故名四亿就是在机床上增加微型控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。这种机床改造花费少，改造针对性强，时间短，改造后的机床大多能克服原机床的缺点和存在的问题，生产率提高。本设计的内容主要就是对普通铣床的工作台改造，在原有的传动的基础上采用伺服电机控制的传动系统。提高机床的定位的精度和重复定位精度，使之达到定位精度0.01mm,重复定位精度达到0.001mm进给速度达到14000mm/min,快移速度达到=10m/min.机床由底座、中间滑台、传动机构、工作台四部分组成，本设计主要是对传动系统的设计，采用了直流伺服电机，直接带动丝杠，丝杠带动工作台移动。其主要特点是：采用伺服系统，使直流电机转动，通过滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。采用半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分远见的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电动机做成一个整体是则无需考虑位置检测的安装问题。所以不仅使传动机构简单化，从而提高了机床的精度问题，扩大了加工范围，并且可以进行曲面加工。n 1.4 本设计的控制方式采用半闭环系统半闭环系统是在开环控制系统的伺服机构中装有位移检测装置，通过检测伺服机构的滚珠丝杠转角，间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控装置的比较器中，与输入原指令位移值进行比较，用比较厚的差值进行控制，使移动部件补充位移，直到差值消除为止的控制系统。由于半闭环控制系统将移动部件的传动丝杠螺母机构不包括在闭环之内，所以传动丝杠螺母机构的误差仍然会影响移动部件的位移精度。图1.4为半闭环控制系统框图n 1.5本设计的整体方案根据改造目的，需将纵向和横向还有主轴Z想进给运动改造为微机控制。总想进给系统需作以下改动：奖励和崎脱开，去掉手轮，将首轮直接与直流电机相连，由直流电机驱动纵向工作台；工作台由原来的手轮进给，现改为由直流电机驱动，Z向也如此，并自行设计滚珠丝杠副等元件。这里只叙述他它的传动方案：电动机减速机构滚珠丝杠副工作台移动。其明显的特点是：电动机与减速机构作为一体。数控部分采用8255的单片机，CPU上带的两片ROM，外接2764（RPROM）等扩展成的微机控制系统。图1.5 系统设计框图 n 第二章 结构设计n 2.1 传动系统设计根据本题目给定的定位精度要求，初步选用半闭环伺服系统，从手册中查得伺服电机的最高转速为1000r/min获1500r/min。如果伺服电机通过联轴器与丝杠直接连接。即,工作台快速进给的最高转速达到=10m/min，取电机的最高转速:所以取=10mm根据精度要求数控机床的脉冲当量为mm/脉冲，伺服电机每转应发出的脉冲数达到伺服系统中常用的位置反馈器有旋转变压器和脉冲编码器。旋转变压器的分解精度为每转2000个脉冲，如果采用旋转变压器方案，则在伺服电机和旋转变压器轴之间安装5：1的升速齿轮。采用脉冲编码器方案时，因脉冲编码器有每转2000个、2500个、5000个脉冲等数种产品，故编码器后应加倍频器。如选用每转2500个脉冲编码器，则倍频器的倍数为4。速度反馈装置中，与旋转变压器相配套的可采用测速发电机。其性能为电机按1000r/min输出一定的电压量（如输出6v）如采用脉冲编码器方案，则可在倍频器后架频率/电压转换器（F/V）。其转换比例为每分钟个脉冲，输出电压（如6v）。本设计伺服电机每转发出的脉冲为个，故转换比例仍为6（v）/1000（r/min）.下图为上述两种方案的传动系统图。这两种方案目前都有使用，各配不同的数控系统。本设计采用图（B）方案。图2.1 传动系统图1旋转变压器；2测速发电机；3伺服电机；4挠性连周期；5滚珠丝杠；6工作台；7频率/电压转换器；8倍频器；9脉冲编码器；n 2.2 滚珠丝杠螺母副设计与原理由于本系统要求达到的定位精度，根据此要求，查阅滚珠丝杠手册。P型是用于精确定位且能够根据旋转角度和导程间接测量轴向行程的滚珠丝杠副，T型是用于传递力的滚珠丝杠，其轴向行程的测量由与滚珠丝杠副的旋转角度和导程无关的测量装置来完成。所以选用P型。根据精度推荐表，铣床X、Y轴的丝杠精度为4、5级，Z轴的丝杠精度为4、5级，所以本设计选用4级。控铣床上得到了广泛的应用。它的结构特以减少摩擦。图2.2滚珠丝杠结构图图中丝杠和螺母上都加工有圆弧形的螺旋槽，它们对合起来就形成了螺旋滚道。在滚道内装有滚珠，当丝杠与螺母相对运动时，滚珠沿螺旋槽向前滚动，在丝杠上滚过数圈以后通过回程引导装置，逐个地又滚回到丝杠与螺母之间，构成一个闭环的回路。n 2.3直流电机的结构直流伺服电机具有良好的启动、制动和调速特性，可以方便地在宽范围内实现平滑无级调速，故多用在对伺服电机的调速性能要求较高的生产设备中。直流伺服电机的结构主要包括以下三大部分。（1） 定子 定子磁极磁场由钉子的磁极产生。根据产生磁场的方式，直流伺服电机可分为永磁式和他励事。本设计采用用此事。（2） 转子 又成为电枢，有硅钢片叠压而成，表面嵌优线圈，通以直流电时，在钉子磁场作用下产生带动夫在旋转的电磁转矩。（3） 电刷与换向片 为使所产生的电磁转矩保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀地连续旋转，电刷域外价直流电源相接，换向片与电枢导体相连。 n 第三章 设计计算已知参数： 工作台重量 40kg 工件最大重量 100kg 机床定位精度 机床重复定位精度 工作台进给速度 1400mm/min 工作太快移速度 10m/minX轴行程 500mmY轴行程 500mmZ轴行程 400mm工作台为 500500n 3.1力能参数的计算n 3.1.1滚珠丝杠螺母副的选用设计1、主切削力计算：在以工作寿命为基础进行计算时，应按实际加工过程平均铣削条件为准，因此取=2.5mm, =0.2mm/齿，=70mm,z=4, =50mm,对圆柱高速铣刀，=68.2，则=5855（N）对圆柱铣刀逆铣加工，各切削分力有=11.2, 0.20.3 ，=0.350.4，取中间值即=1.1，=0.25，=0.38，则：=0.38=0.385855=2225Nn=2.225(kN)而插补平面内合力F=6616(N)在一周的切削过程中取平均切削力为 =F=6.616=4.14（KN）工作时的周向压力为 对于三角形形导轨，k=1.15, =0.2,而=0，=2.225(KN),G=1.4(KN),则=1.153.1+0.2（2.225+1.4）=3887（N）2、进给传动系统滚珠丝杠的计算滚珠丝杠的名义直径，滚珠的列数和工作圈数应按当量动载荷选择。丝杠的最大载荷，当切削时的最大进给力加摩擦力，最小载荷即为摩擦力。已知最大进给力=2.225KN，工作台加工件的质量M=140Kg，导轨的摩擦因数为0.1，故丝杠的最小载荷（即摩擦力）=0.114010=140 N 丝杠最大载荷 =2225+140=2365 N轴向工作载荷（平均载荷）=3887 N其中，分别为丝杠最大、最小轴向载荷；丝杠的最高转速为1500r/min,工作台最小进给速度为1mm/min,故丝杠的最低转速为0.1r/min,可取为0，则平均转速n=(1500+0)/2=750r/min.故丝杠工作寿命为 式中 L工作寿命 ，以r为1个单位 N丝杠转速 r/min T丝杠使用寿命，对数控机床可取T=15000h计算当量动载荷为=49（Kn）式中 载荷性质系数，无冲击11.2，一般情况取1.21.5，有较大冲击振动时取1.52.5。本设计=1.5精度影响系数，对于4、5级滚珠丝杠取=0.9。查表12113，由此确定滚珠丝杠副的型号和尺寸为内循环浮动式反向器FFZ5020，丝杠底径42.8mm名义直径d=50,额定动载荷=49Kn，符合设计要求。轴向刚度=1138 N/m.预紧力=/4=49/4=12.3KN，只要轴向载荷值不达到或不超过预紧力的3倍，就 不必对预紧力提出额外的要求。本设计中丝杠最大载荷为 =2.36kN远小于3。3、主传动系统的滚珠丝杠的计算滚珠丝杠的名义直径，滚珠的列数和工作圈数应按当量动载荷选择。丝杠的最大载荷，当切削时的最大进给力加摩擦力，最小载荷即为摩擦力。已知最大进给力=2.225KN，工作台加工件的质量M=140Kg，导轨的摩擦因数为0.1，故丝杠的最小载荷（即摩擦力）=0.120010=200 N 丝杠最大载荷 =2225+200=2425 N 轴向工作载荷（平均载荷）=3947 N其中，分别为丝杠最大、最小轴向载荷；丝杠的最高转速为1500r/min,工作台最小进给速度为1mm/min,故丝杠的最低转速为0.1r/min,可取为0，则平均转速n=(1500+0)/2=750r/min.故丝杠工作寿命为 式中 L工作寿命 ，以r为1个单位 N丝杠转速 r/min T丝杠使用寿命，对数控机床可取T=15000h计算当量动载荷为=58（Kn）式中 载荷性质系数，无冲击11.2，一般情况取1.21.5，有较大冲击振动时取1.52.5。本设计=1.5精度影响系数，对于4、5级滚珠丝杠取=0.9。查表12113，由此确定滚珠丝杠副的型号和尺寸为内循环浮动式反向器FFZ50204，丝杠底径42.8mm名义直径d=50,额定动载荷=58KN ,，符合设计要求。轴向刚度=1476 N/m.预紧力=/4=60/4=15KN，只要轴向载荷值不达到或不超过预紧力的3倍，就 不必对预紧力提出额外的要求。本设计中丝杠最大载荷为=2.42kN远小于3。4、滚珠丝杠支承的选择本设计传动系统的丝杠采用一端固定，一端铰接，因为轴向刚度=1138 N/m大，而且适用于对刚度和位移精度要求高的场合，丝杠的静态稳定性和动态稳定性都较高，适用于中等回转速度。图3.1.1.4 选定后的丝杠的支承简图 固定端采用一对 的角接触球轴承面对面相配合。 5、主轴传动系统的制动方式 由于滚珠丝杠副的传动效率高，无自锁作用（特别是滚珠丝杠处于垂直传动时），为防止因自重下降，故必须装有制动装置。如下图所示为数控铣床主轴箱进给丝杠制动装置示意图。机床工作时，电磁铁通电，使摩擦离合器脱开。运动有电机经减速装置传给丝杠，使主轴箱上、下移动。当加工完毕或中间停车时，电机和电磁铁同时断电，借压力弹簧作用合上摩擦离合器，使丝杠不能传动，主轴箱便不会下落。图如下所示：图3.1.1.5 主周箱进给丝杠制动装置n 3.1.2轴承的选择 1、选择轴承的型号由于丝杠工作时，既承受轴向载荷又承受径向载荷,故支承丝杠的轴承选用能同时 承受径向载荷与单向轴向载荷的角接触球轴承.丝杠在传动是要正反转,则轴承承受的轴向力的方向可能反复变化,故采用两个轴成面对面安装.如图所示:图3.1.2.1 角接触球轴承面对面安装轴承型号:2、计算轴承的寿命所谓轴承的寿命,是指轴承中任一滚动体或内,外圈辊道上出现疲劳点蚀前所经历的总转数或一定转速下工作的小时数.滚动轴承寿命计算的目的是防止轴承在预期工作时间内产生点蚀破坏,其寿命与所受载荷的大小有关,作用载荷越大,引起的接触应力也就越大,因而在发生点蚀破坏前所经历的总转数也就越少,即轴承的寿命越短.3.1.2.2 滚动轴承的疲劳曲线轴承的寿命:-基本额定动载荷-当量动载荷-轴承转速-温度系数-寿命指数,球轴承 ； 滚子轴承 对角接触球轴承,其径向当量动载荷为: -轴向动载荷系数-径向动载荷系数-轴承所承受的径向载荷-轴承所承受的轴向载荷由于轴承工作时的温度低于120 ,查表的温度系数=3轴承成对安装故 故轴承的寿命 轴承的预期寿命一般约为500020000h.本设计满足要求。n 3.2 伺服电机的选择及计算n 3.2.1选择伺服电机 伺服电机的选用，应考虑三个要求：最大切削负载转矩，不得超过电机的额定转矩；电机的转子惯量应与负载惯量相匹配；快移时，转矩不得超过伺服电机的最大转矩。n 3.2.2 最大切削负载转矩计算 所选伺服电机的额定转矩应大于最大切削负载转矩。最达切削负载转矩T可根据下式计算，即T=5.88N.m其中，从前面的计算已知最大进给力=2225 N，丝杠导程=10mm，预紧力=3887 N，查手册，滚珠丝杠副的机械效率=0.9，因滚珠丝杠预加载荷引起附加摩擦力矩=查哈尔滨轴承总厂角接触推力球轴承组配技术手册得单个轴承的摩擦力矩为0.32N.m，故一对轴承的摩擦力矩=0.64N.m。另一端直接铰接，其摩擦力可忽略不计。伺服电机与丝杠直连，其传动比i=1.n 3.2.3 负载惯量计算伺服电动机的转子惯量应与负载惯量相匹配，负载惯量可按以下次序计算。（1） 工件、工作台折算到电机轴上的惯量，工件与工 作台的最大质量M=140kg，可按下式计算，即=m(式中： V工作台移动速度，m/s; W伺服电机的角速度，rad/s; m直线移动工件、工作台的质量，kg;（2）丝杠加在电机轴上的惯量，丝杠名义直径=50mm,L=1m,丝杠材料钢的密度=7.8kg/。根据下式公式，丝杠加在电机轴上的惯量为=7.81=0.0048（3）联轴器加在锁紧螺母等得惯量可直接查手册得到=0.001（4） 负载总惯量 =+=0.00035+0.0048+0.001=0.00615按照数控机床惯量匹配条件，1/4,所选伺服电机的转子惯量应在0.006150.0246范围内。可选北京数控设备厂FB15型直流伺服电机，其额定转矩17.6N.m,大于最大切削负载转矩M=5.88N.m,转子惯量=0.019，满足匹配要求。FB15型直流伺服电机的主要参数如下；最高转速： 1500r/min额定转矩 ： 17.6 N.m最大转矩： 154 N.m 转子惯量： 0.019机械时间常数： 15.2ms输出功率P： 1.4kw重量m： 30kgn 3.2.4 空载加速转矩计算当执行件从静止以阶跃指令加速到最大移动（快移速度）时，所需的空载加速转矩为= N.m（1） 空载加速时，主要克服的是惯量。如选用FB15型直流伺服电机总惯量J=+=0.00615+0.019=0.025（2） 加速时间通常取得3倍，取：=3=315.2=45.6ms=0.046 s空载加速转矩不允许超过伺服电机的最大输出转矩，由此可见，FB15型直流伺服电机的=154N.m=85.2 N.m，满足设计要求 。n 3.2.5 伺服系统增益 通常取伺服增益为825。对轮廓控制的数控铣床可取较大值，如取=。伺服系统的时间常数为的倒数，=1/=1/=0.05s。根据式=选FB15型直流伺服电机，执行件（工作台）达到的最大加速度为 伺服系统要求达到的最大加速度发生在系统处于时间数内，工作台的速度从-增加到+时：由于a大于，因而按照加速能力选择=是合适的。n 3.2.6 精度验算本数控铣床要求的定位精度为，滚珠丝杠副允许的最大轴向变形重复定位精度，0.01=0.0033mm.。其余误差为伺服和系统误差、丝杠轴承的轴向跳动和在载荷作用下各机械环节弹性变形引起的位移等。（1） 伺服刚度伺服刚度可根据下式计算，即=N.m/radA、 是伺服电动机的增益，等于电机的角速度（rad/s）,与输入电压的比值。输入电压，除少量消耗于电枢回路的阻抗外，大部分被反电动势所平衡。估算时，可近似地认为输入电压等于反电动势。因而可近似认为=是伺服电机的反电动势系数（s.v/rad）,为伺服电机单位角速度（rad/s）所产生的反电动势（v）.B、是FB15型直流伺服电机的转矩系数=0.57N.m/A，因伺服系统增益=，速度控制的开环增益=0.58s.v/rad,则=1/0.58rad /(s.v);电枢直流电阻=0.26C、折合到工作台部件的直线刚度为=N/m=411N/（2） 滚珠丝杠的挤压刚度本设计丝杠为一端轴向定位结构。其最小拉压刚度发生工作台螺母定位点最远的位置。已知工作台的纵向行程为500mm，螺母移动到离定位点最近位置时，还应保留一定的丝杠距离，假设为150mm。因而丝杠最大距离=500+150=650mm则丝杠拉压刚度为=436N/式中： 丝杠底径42.5mm(即0.0425m) E丝杠材料钢的弹性模量E=2G（3） 丝杠轴承的轴向刚度轴承的钢球直径=7.3mm，钢球数Z=17,接触角=,预加载荷=2900N，轴向外载荷为导轨摩擦力=140N，故轴向载荷为预加载荷与轴向外载荷之和，即=+=2900+140=3040 N丝杠轴承轴向载荷刚度可按下式求得，即=503（4）滚珠丝杠螺母的接触刚度查丝杠螺母手册得=1138 N/mm（5）联轴器的扭转刚度查文献=6.2 折回到工作台部件的直线刚度为（6） 综合刚度k计算出伺服刚度折算到工作台部件的直线刚度，滚珠丝杠最小挤压刚度，丝杠轴承轴向载荷刚度，滚珠丝杠螺母接触刚度，折算到工作台部件直线刚度和联轴器扭转刚度 后，按弹簧串联原则合成求得综合刚度k.。K=（7）弹性变形量 数控铣床的定位精度是在不切削空载条件下