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机械毕业设计全套

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JCJD01-054@设计数控车床控制系统,机械毕业设计全套

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数控机床的反馈校验机 -志罗 丰嘉大学（台湾） 本文介绍一种能够在一般隐形式和空间曲线等一般参数形式下产生二维曲线的校验机。相比之下，现在用的那种利用复杂的算法以满足插值要求的校验机 ，它利用复杂的算法，例如：保持高准确度和不断的进给速度，我们研究的这种更为简单，它利用一个简单的算法和反馈行动改正插值以满足插值要求。 一 简介 在 多轴计算机数字控制（数控）系统中加工非线性轮廓的重要性在不断增加，因为在制造业中一个最重要的趋势是机器少零件更复杂。实现多轴轮廓加工，一个刀具路径运动轨迹的所有轴的插谱是必须的 。为了协调在多轴加工时的刀具运动，也被称为“指挥一代”的插补的作用是在伺服控制回路产生参考位置命令。 现在常用的校验机只能用来加工直线和圆弧。因为，现在的计算机辅助制造都是采用把许多近似曲线连起来以形成原轮廓的方法，然后把这些线段下载到机器上进行加工。这种做法可能造成以下问题： （ 1 ）在沿刀具轨迹的一阶导数分割不连续，然后，恶化了光滑的曲线曲面 ; （ 2 ）分割曲线为了形成线性环节，需要数量庞大的直线段，尤其是当质量表面光滑度要求 ; （ 3 ）存储的线性环节所需的加工复杂曲面大型数控机床需要庞大的存 储空间 ; （ 4） CAM 和数控系统的沟通需要一个庞大的环节。 按这种以一系列的直线段以形成分割曲线地方法， CAM 系统所产生的加工程序通常是非常大的，并可能超出限额的数控机床的存储上限。在这种情况下，目前的办法是要打破加工程序分成几个部分，或利用一个在线通讯来实现 CAM和数控系统的交流。 前一种方法，需要中断的加工过程，因而导致加工时间的增加。后一种方法，在加工正在进行时 CAM 系统会对数控系统产生间断的指令。这需要非常可靠的 CAM 和数控输入 /输出界面，使该两方面的系统在沟通时不造成任何加工误差。 为消除上述问 题，现代的校验机必须能够在数控系统具有产生曲线能力。常规的校验机能够产生简单的二维曲线如直线，弧线，抛物线（阿布拉莫维奇和克劳福德， 1978年 ; 科人， 1976年 ;科人和玛色瑞， 1982年 ; 帕帕利亚诺， 1979 ）。目前研究人员已经提出了能够产生一般曲线的校验机。 Nakartsuyama 等人 ,（ 1983 ）开发了一种插补二维曲线的非参数形式。 Shpitalni等人 , （ 1994 ）提出了一个内插和在参数形式下的三维曲线，这是一个改良的版本。杨等人与1991、 1992、 1994 年在参数形式上提出了一个 准确的插补曲线，这是一个伟大的发现。 在此基础上的方法，周和杨（ 1992 ）提出了一个可以插补 5 轴数控 / CMM的校验机器。 本文主要是把我们研究的新的校验机和以前的版本作比较以进行介绍。该非参数化曲线的细节是首先被分析的；然后，参数曲线的细节再被分析。 二 参数曲线的校验机 一般二维非参数曲线可以表示为一个隐形式： F(x,y)=0 (1) nts 插补的任务是在以下两个要求下沿着曲线产生实时的参考点。第一个要求是沿着曲线加工时保持理想的进 给速度。第二个要求是，消除轮廓误差，它是指偏离曲线上的参照点误差。 2.1 现有的校验机 最简单的内插法为二维曲线的隐形式，可以由下列方程描述： 其中 T是采样周期和 f是理想的进给速度。 xk, yk 和 xt+1, yk+l 分别呈现了参考时间 kT 和 (k + 1)T 的参考点， tx, ty 是曲线上 xk, yk点的 单位切向量。 上述方法可能引起重大的轮廓误差，因此，不建议用于大部分时间曲线。为了减小轮廓误差，公式二可以通过下面的方程修改： 其中 是曲率半径， nx, ny是在 xk, yk点上的单位法向量。 tx, ty, nx, ny, 和可以通过下面的方程计算出来： 用上面的方法会造成 最高轮廓误差（ max ）和进给速度误差 ( fmax),这些误nts差可以通过下面的方程近似得到： 通过公式 （ 9 ）和（ 10 ）可以看出 ，轮廓误差和进给速度误差随着曲率半径减小或者进给速度增加而增加。在许多时候（例如： pmin = 10 mm, f= 30 mm/s, T = 0.01 s），插补的结果都是可以接受的 (emax 0.004 mm, SfmaJf 0.01%)。然而，在不好的情况时（例如： pmin = 5 mm, / = 60 mm/s,则 max 0.04 mm, SfmnJf 0.2%)计算精度不能满足大多数数控计算机系统（一般的要求精度是0.01mm）。 nts 因为现有的校验机的曲率半径太小而进给速度太大，所以它是不合适的。 2.2我们研究的的校验机 现有的校验机为了得到一个微不足道的轮廓误差和恒定进给速度，就需要一个十分复杂的插补算法就像公式（ 3 ） -（ 8 ）中所描述的。如果插条件变得更复杂（即跟踪的曲线曲率半径非常小而进 给速度非常高），上述算法是不足够，这样就需要一个更复杂的算法来实现。我们的插补算法是基于反馈的概念而提出来的。正如图 1中所描述的那样，相比现有的那种利用一种复杂的算法以实现准确插值的插补，该方法用了一种简单的算法和反馈回路以弥补误差。 在我们研究的插补中，公式 2是用来插参考点的。但是，参考点一般是不能设在曲线上的，这样会导致重大的轮廓误差，因此，必须纠正。 经过准确计算的轮廓误差是一个复杂的（注：以前的在方程（ 3 ）可以被视为是一种近似的轮廓误差）和费时的工作。在我们研究的插补中，一个用来显示插补精度的 参数是用来取代轮廓误差的。变量 F 是在把公式 2 转化成隐函数是所产生的参考点的变换得到的。 在实际中， F的幅度的增加将会导致轮廓误差的增加。如果 F=0， 则 =0（参考点在曲线上）。因为计算 F比 容易，我们利用它来修改由公式 2产生的插补值。 就像在图 2中描述的， 是通过公式 2计算出的参考点。 nts 为了让反馈量最小化，我们把 x,y在点 正交向量化。因此，我们得到： 把公式 4和 7带进 14得： 通过公式 11得到的变量 F可以近似成： 通过公式 13、 17和 18参考点的轮廓 误差得到了补偿。 在我们研究的方法中，纠正行动可反复直到 F （和 E ）收敛于任何可忽略的值。相比之下，传统的方法不包括重复补偿，并不能保证准确插值曲线与小半径曲率。此外，相比在公式 3-8中所描述的常规插补，我们的更容易实现。 三 参数曲线的校验机 参数曲线可以通过下面的式子描述： nts其中 u是曲线的空间参数。通常的 X ， Y和 Z 的位置表达为多项式函数的参数铀（如样条） 。我们这就是一般情况。 3.1 现存的校验机 前关键的构想是假设存在一个参考点，这个点在加工时能够以理想的速度跟踪参数曲线。 最简单的方法就是在采样瞬间利用一种递归方法计算出空间参数，可以用以下方程描述（周先生和杨先生， 1991）： 其中 T是周期， f是理想的进给速度， xk, yk,和 zk，是在时间 kT时的第一个参考点坐标。 把空间参数点 (uk+l)代入公式 19采样瞬间的位置可以通过递归的方法计算出来： 其中 xk+ ,yk+, 和 zk+对应的是时间（ k+1） T的位置坐标。 由于参考点 (uk+l) 是通过把 uk+l代入参数方程得到的，所以这个点在曲线上，所以不存在出位置误差。然而，存在一个进给速度误差。 由 于曲线的曲率半径十分大，所以进给误差可以忽略不计（例如， f/f5%）因而上述插补方法已经足够。但是对于小的曲率半径的曲线，内插法是不适合的。为了减小进给误差，公式 20可以修改成以下形式： 其中 xk” ,yk” , 和 zk” 是在时间 KT时的对应的 xy和 z的坐标。 利用修改后的内插法，进给速度误差就会大大降低。但是，更复杂的算法又必须全面贯彻于数控加工的过程中，同时计算时间也增加了。 以上两个方法（公式 20和公式 23）的共同缺点是，进给误差没有计算；因此我们不知道这些方法能不能满足小进给误差。 一种保守的方法是去计算改进后的公式 23，他的增加的计算时间是可以可以预见的。值得注意的是这种改进后的方法是一种典型的常规方法。 nts 上方法的缺点是除了参数方程 19，我没还要计算公式 21， 23和 24 的插补值。对于不同的参数方程我们得到了不同的计算公式而且我们还有计算出他们的插补值。因此，插补值的大小会随着参数曲线的类型的增加而增加。 以上缺点是可以通过下面的方法克服的。 3.2 我们研究的校验机 与上面描述的非参数校验机一样，我们所研究的校验机也是基于反馈这个概念上的。这两种校验机的对比在草图三中已 经给出。 正如上文所述的，现有的方法使用一个复杂的算法以实时性的产生空间参数，以满足不同的的进给速度。我们的构想是有一个简单的算法取代公式 23 中的那种算法，同时用一个反馈来加强补偿。 通过泰勒公式关于参数时间（ W）和反馈时间（ t），我们可以得到： 把公式 26和 27代入公式 25同时忽略高阶项可以得到： nts 当前的进给速率可以通过下式计算： 令 和 分别是空间参数 在修改前后的值。那么，修改规则如下：如果进给误差超过了许可量（例如 1%），补偿程序要重复进行。 与传统的内插法不同， 我们的方法更容易实施（参考表格 2）。另外，我们的公式（例如 28-31）相对于各曲线都是独立的，无关联的。为了插补不同的曲线，相同的改变是参数方程。相反，当利用常规插补时，参数依赖方程例如 21和 24当遇到不同的参数曲线时，都必须重新制定。 四 评估 在这一节里，我们评估的内容包括：（ 1）由插补机提供的插补精度，（ 2）在每个采样周期计算产生参考点的时间。采样周期 T=0.01s，评估师在一台 PC 80486dx2 - 66 MHz 上进行的。 4.1 非参数曲线 这里我们评估对比非参数曲线的校验机。为了对比 常规的和我们研究的校验机，我们给出以下例子。 例子 1 下面是一个椭圆曲线的方程 曲线开始于 0,0结束于 0,20。进给数率是 50mm/s。由于插补方法所造成的轮廓误差在图四中，插补方法见图表三。 通过图表三我们可以看出对于这两种方法进给误差都是可以忽略的（ f/f0.3%）。所以说，主要的就是轮廓误差。反馈插补法比传统方法产生更小的轮廓误差，而且需要的计算时间也是比较少的。换句话说，它是比较准确和高效的，相对常规方法。在这个例子里反馈矫正只用了一次，但轮廓武汉擦得最大值却只有 1.5 m（常 规的是 17 m）。其实，在反馈校验中，反馈可以用好多遍一直到误差足够小。换句话说，迭代校验可以满足任何精度。 通过图表三可以看出这两种方法差额计算要求的差别是比较小的。但是反馈校验得算法比较简单。所以，反馈校验的差额计算所需的时间也是比较少的。事实nts上，两者的时间差别不大只有大概 2 m。 4.2 参数曲线 在这里我们评估对比参数曲线的校验机。为了平衡，我们给出下面的两个例子。 例子二 三维立体曲线方程如下： 需要的进给数率为 30mm/s.图五给出了由于方法所引起的进给误差。 nts 例子三 螺旋曲线方程如下： 需要的进给数率为 60mm/s.图六给出了由于方法所引起的进给误差。 注意到这两种方法都不会产生轮廓误差，因为参数点是通过参数方程计算出来的，而且参数点在参数方程上。 图表四给出了以上两个例子的结果。通过图表我们可以看出，反馈校对给出更小的反馈误差但是学药的计算时间也是比较少的；因此，我们可以说我们研究的这种校验机是比较高效和准确的相对前者而言。 此外，该反馈插补有两个好处。第一好处是，该进 给速度的错误是计算在线插值，而且插补的精确度是实时性的监督。因此，如果一次重大的进给速度发生错误，它立即就会减少很多（由迭代校正反馈插补） 。因此，反馈插补可以随时满足恒进给速度的要求，对于任何参数曲线 。 第二个优势就是，相应的方程比较容易实施（见图表二和公式 28-31）而且这项方程都是独立于参数曲线的。（插补不同的曲线，只要改变的就是方程的参nts数）。因此，随着参数曲线的类型的增加校验机的增加却是很小的。相反，对于常规的校验机，当处理不同的参数曲线时，必须制定不同的参数依赖曲线方程。因此，随着参数曲线 的类型的增加校验机的大小增加却是很大的。 五 总结 为了改善数控机床处理复杂零件的能力，现在的数控机床的校验机必须具备产生曲线的能力。新型的校验机关于参数曲线和非参数曲线的我们已经介绍了。对比现有的校验机利用复杂的算法以满足插补要求（进给速度和精度），我们的校验机利用一个简单的算法和可以矫正插补结果以满足各种要求的。对比现有的校验机，我们的校验机通过比较少的计算满足了较高的要求。 备注： 作者承认获得了台湾科学委员会的财政支持，批号为： NSC 82-0113-E-035-049-T. 参考 书目： 1.Abramovich,A.,and Crawford,T.R.,1978,An Interpolation Algorithm for Control Applications on Microprocessors,Trans,of IEEE,Journal of Industrial Applications of Microprocessors,March,pp.195-202. 2.Chou,J.J.,and Yang,D.C.H?1991,Command Generation for Three-Axis CNC machining,ASME JOURNAL OFE NGINEERING FOR INDUSTRY,Vol.113, August,pp.305-310. 3.Chou,J.J?and Yang,D.C.H.,1992,On The Generation of Coordinated Motion of Five-Axis CNC/CMM Machines,ASME JOURNAL OF ENGINEERING FOR INDUSTRY,Vol.114,Feb.,pp.15-22. 4.Huang,J.T.,and Yang,D.C.H.,1992,A Generalized Interpolator for Com- mand Generation of Parametric Curves in Computer Controlled Machine,Ja- pan/USA ASME Flexible Automation,Vol.1,pp.393-399. 5.Koren,Y.,1976,Interpolator for a Computer Numerical Control System, IEEE Transactions on Computer,Vol.C-25,No.1,Jan.,pp.32-37. 6.Koren,Y.,and Massory,O.,1982,Reference-Word Circular Interpolators for CNC Systems,ASME JOURNAL OF ENGINEERING FOR INDUSTRY,Vol.104,Nov., pp.400-405. 7.Nakartsuyama,M.,et al.,1983,Curve Generation of Implicit Functions by Incremental Computer,Journal of Computer and Graphics,Vol.7,pp.161 167. 8.Papaioannou,S.U.,1979,Interpolation Algorithms for Numerical Control, Computers in Industry,Vol.1,pp.27-40. 9.Yang,D.C.H.,and Kong,T.,1994,Parametric Interpolator Versus Linear Interpolator for Precision CNC Machining,Computer-Aided Design,Vol.26, No.3,March,pp.225-234. 10.Shpitalni,M.,Koren,Y.,and Lo,C.C,1994,Realtime Curve Interpolators, Computer-Aided Design,Vol.26,No.11,Nov.,pp.832-838. nts 机械科学与工程学院 本科生毕业设计（论文） 开题报告 学生姓名 ： 李滕滕 学 号 ： 14041105 班 级 ： 140411 专 业 ： 机械工程及自动化（机电） 指导教师 ： 宫文斌 nts 本科生毕业设计（论文） 翻译资料 中文题目 ： 数控机床的反馈校验机 英文题目 ： Feedback Interpolators for CNC Machine Tools 学生姓名 ： 李滕滕 学 号 ： 14041105 班 级 ： 140411 专 业 ： 机械工程及自动化 指导教师 ： 宫文斌 nts一 课题介绍 1 课题名称： 数控车床控制系统设计设计 2 课题背景 (1) 课题的提出 随着中国制造业的发展，数控技术在各行业、尤其是精加工行业取得了广泛的应用，国内生产的数控系统也取得了重大的发展。数控车床的使用极大地推动了数控技术的发展。数控车床是以 CNC 系统为核心，综合了计算机、自动控制、机电一体化、 PLC、液压、传感器等技术而发展起来的一种通用制造设备。数控车床以其可靠性高、加工产品质量稳定、生产效率高、劳动强度低、操作方便等优点，在制造业中迅速普及。从简单轴类零件到复杂轴类零件，从螺纹加工到 复杂成形曲面的加工，从盘类零件到盖类零件，数控车床均成为主要的加工设备，并且显现出向多功能发展的趋势。数控车床作为先进的、应用最广泛的制造业加工设备之一，在国民生产中占有重要的地位，他与数控铣床、加工中心一起成为现代制造业的三大支柱。 研究数控车床已经是一种对国民发展的大贡献。 (2) 数控车床 的发展现状和趋势 目前国外 NC车床的技术水平 a.高性能目前国外 NC车床全面向高性能发展，依靠改进工艺、布局、结构、驱动和控制五方面来提高精度、效率、自动化。如工艺上车、铣、磨结合；布局上立、卧、倾斜式、倒立式变化， 结构上多主轴、多刀架；驱动上电主轴、滚珠丝杆、直线电机并用；控制上多轴联动、网络化等。在提高复合加工性能方面更加引人瞩目，量大面广的一般 NC车床不断向高性能车削中心和车铣中心发展的配置。 b.高精度加工精度普遍提高，精密车床代替了过去的普通精度 NC车床。加工精度从过去的 1T6-1T7提高到 1T5-1T6。重复定位精度达 1-2微米（高精度车床为0.3Mm），工件精度达 0.3微米，圆度达 1微米，表面粗糙度达 Ra 0.3微米。 NC系统分辨率为 1微米（高精度 NC车床达 0.1微米或 0.01微米），还在继续提高。 c.高效率通过高速化和复合化不断提高加工效率。高速化方面，一般中规格 NC车床主轴转速已从过去的 3000-5000r/min提高到 4000-8000r/min（ NC单轴自动车床达 1.2万、 1.5万、甚至 2万 r/min），快速进给从过去的 10-20m/min提高到 30、甚至 40m/min。主传动功率也大大提高。在复合化方面，具有铣削功能、 Y轴功能的车削中心数量大增，约占 15%。具有 X、 Z、 Y、 B、 C 5轴功能的也逐步增多，出现了车 -磨结合、车床 -加工中心 结合的复合加工机，实现“全部加工”。 d.高自动化采用现场交互式编程和机内自动对刀，有些还与 CAD/CAM相结合；带 AWC、 ATC和 AJC等自动化外围设备的越来越多；监控和自诊断能力日益增强，有些还可进行远程监控与诊断；能自动测 量和进行误差补偿，包括加工误差的实时补偿；更易於集成入自动化加工系统中。 e.模块化设计针对市场需求，为加速发展系列产品、降低成本和缩短交货期，国外 NC车床已普遍采用模块化设计，利用基本模块和各种功能部件灵活配置，组成各式 NC车床、车削中心等。 nts国外 NC 车床的技术发展方向 主要有几方面不断开发新工艺、新材料、新结构、新元件，比如开发硬面车削工艺 (HRC50-68)，公差带在 5微米，表面粗糙度达 Ra 0.4微米，又如开发倒立式车磨结合的车削中心等；进一步提高加工精度，发展精密化、超精密化车床；提 高效率，加速发展高速化，尤其是复合化；在现有自动化基础上进一步发展智能化、无人化、集成化；发展网络化，与车间、工厂、外界联网；发展环保化车床，实现节能、省地、干和半干切削等。 德国 Emag公司的 VSC400型车 -磨结合的车削中心 国内 NC车床的技术水平和存在差距 在改革开放的 20年，中国 NC车床的技术水平提高较快， 在设计、制造、使用上进步很大。 2001年中国 NC车床产量 3900台，进口约 3500台。 1995年中国 NC车床拥有量 2.1万台（占 NC机床之 33%）。 2002年 3月的上海中国 数控机床 展 (CCMT 2002)，展出 200台整机，包括 64台 NC车床，代表了当前中国 NC车床的最高技术水平，另有车削中心 9台，占 14%。 沈阳机床公司与德国合作生产的 SSCKZ 63-5型 5轴车铣中心，可控制 X、 Y、 Z、 B、C轴，床身最大回转直径 800mm，主轴 2000r/min，主电机 37kw，刀库有 12把刀，配西门子 840D NC系统。成都宁江机床厂的 CKE1112型 NC纵切自动车床，加工棒料直径 12mm，主轴转速 12000r/min，为 5轴 2联动，配用 FANUCD-O NC系统。上海第二机床厂的 HM-O15型倒置立式车削中心，主轴 4000r/min，主电机 40kw，采用INDRAMAT NC系统，机床带自动上下料装置。在 2000年 3月的 CCMT展上，上海重型机床厂展出自行设计的 SHZ 1044型双主轴立式车削中心（ 见图 4），具有特色，可侧面反映出目前中国 NC车床的设计和制造水平。 该车床用於电梯曳引轮涡轮组件的半精加工和精加工，有倒置立车和正置立车两部分。带自动上下料装置，为能完成零件全部加工的车削中心。配 SINUMERIK 840C NC 系统，定位精度 X 轴 0.016mm/500mm， Z 轴 0.032mm， C 轴 60；重复定位精度 X 轴 7 微米， Z 轴 0.01mm， C 轴 20，机床配用进口的内装式电主轴、高精度轴承、直线滚动导轨、高精度光栅尺、滚珠丝杆、自动定心卡盘等。 nts存在的主要差距为在精度、效率、自动化上存在一定 差距；主机设计基本功差，缺乏创新，模块化设计少；重要基础元部件、 NC 系统主要依靠进口；缺乏深入系统的科研工作，设计、试验手段较落后；在 NC 车床的产品水平和总体技术水平上，差距明显。 (3) 数控 技术的现状 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（ IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热 点有以下几个方面。 1.高速、高精加工技术及装备的新趋势 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为 5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（ CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。 在轿车工业领域，年产 30 万辆的生产节拍是 40 秒 /辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力 很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。 在加工精度方面，近 10年来，普通级数控机床的加工精度已由 10 m提高到 5 m，精密级加工中心则从 3 5 m，提高到 1 1.5 m，并且超精密加工精度已开始进入纳米级 (0.01 m)。 在可靠性方面，国外数控装置的 MTBF值已达 6 000h以上，伺服系统的 MTBF值达到 30000h以上，表现出非常高的可靠性。 为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展。 2. 5轴联动加工和复合加工机床快速发展 采用 5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为， 1台 5轴联动机床的效率可以等于2台 3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时， 5轴联动加工可比 3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因 5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比 3轴联动数控 机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了 5轴联动机床的发展。 当前由于电主轴的出现，使得实现 5 轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型 5 轴联动机床和复合加工机床（含 5 面加工机床）的发展。 3. 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使 用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、nts简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。 为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的 NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、欧共体的 OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems) 、日本的 OSEC(Open System Environment for Controller)，中国的 ONC(Open Numerical Control System)等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档 次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。 4. 重视新技术标准、规范的建立 a. 关于数控系统设计开发规范 如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、 OSACA、 OSEC)的研究和制定，世界 3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数 控技术的一个新的变革时期的来临。我国在 2000年也开始进行中国的 ONC数控系统的规范框架的研究和制定。 b. 关于数控标准 数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的 50 年间的信息交换都是基于 ISO6983 标准，即采用 G， M 代码描述如何（ how）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的 CNC 系统标准 ISO14649（ STEP NC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据 模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。 (4) 数控技术的原理和特点 数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世； 19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明； 1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。数控技 术是与机床控制密切结合发展起来的。 1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。 现在，数控技术也叫计算机数控技术，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成。 3 工作内容及要求 应了解数控机床原理及用途，主要构成；策划系统的总体结构和实现方案； nts完成 数控机床的机械 部分运动原理设计。控制系统框图、控制部分设计。 包括步进电机驱动电路设计、控制电路设计、位置显示电路、单片机软件控制流程。 每个学生应完成 翻译译文 ，最少工作量为 5000 汉字。 针对本课题内容需要绘制 4 张 A0 工作图，撰写 2 万字设计说明书 。 4 本课题的重点与难点 本课题是在 前人的基础上寻求最好的搭配，已得到好的经济效益。另外，因为进给系统是步进电机，所以作为一个开环系统要在能满足加工精度的基础上最经济的选择方案。主要的的任务是 纵向和横向 进给系统 的 设计包括 纵向和横向滚珠丝杠的选型及校核 ； 纵向和横向步进电 机的选择 ；步进电动机的驱动与控制 。 5 系统的组成及工作原理 本系统是数控车床的进给系统主要包括机械部分和单片机系统两大部分。机械部分包括横向进给和纵向进给部分；单片机系统实线进给系统的的驱动和控制。 6 研究意义 数控机床已经在国民生产中占据了重要地位，而且和各行各业联系紧密。数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机床的发展，一方面是全功能、高性能；另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，无检测反馈 机构，系统的定位精度一般可达 0.01 至 0.02mm。我国在这一方面还没有达到领先的世界水平，因此数控机床的研究的意义是重大的。而且通过设计更好的掌握系统设计地方法，我们可以将四年学得东西更好的融会贯通。 二 进度计划 第一阶段 ： 搜集资料 、 译文和开题报告 （ 2 周） 第二阶段： 设计 、 制图阶段 （ 9 周） 其中 ： 设计草图及初步方案确定 、 初步计算 （ 2 周） 错误 !未找到引用源。 总装图 、 零件图及设计计算 （ 4 周） 错误 !未找到引用源。 编写说明书 （ 2 周） 错误 !未找到引用源。 准备答辩及答辩 （ 1 周） 三 参考文献 1 高春甫 ， 张宏颖等 . 机电控制系统分析与设计 . 科学出版社， 2 李广第 等 . 单片机基础 . 北京航天航空大学出版社， 3 郑玉华 等 . 典型机械（电）产品构造 . 科学出版社， 4 张柱根 等 . 数控原理与数控机床 . 化学工业出版社， nts 5 易红 等 . 数控技术 . 机械工业出版社 ， 6 侯洪生 等 . 机械工程图学 . 科学出版 社， 7 秦荣荣 等 . 机械原理 . 吉林科学技术 出版社， 8 谭庆昌，赵洪志等 . 机械设计 . 高等教育出版社， 9 李佳 等 . 数控机床和应用 . 清华 出版社， 10 北京航空学院机械教研室 . 数控机床的结构与传动 .国防工业出版社 nts 吉林大学机械科学与工程学院 2004 级毕业设计题目审批表 （暨设计任务书） 毕业设计题目 数控车床控制系统设计 设计 04 拟指导学生数 1 课题类型： 设计 结合课题情况： 在研项目 指导教师姓名 宫文斌 所在单位 机 械 电 子工程 毕业设计题目简介（主要包括工作内容、要求等，对指导多名学生的题目应明确各学生的工作内容） 设计任务：设计 数控车床控制系统 设计要求： 应了解 数控机床原理及 用途，主要构成；策划系统的总体结构和实现方案； 完成 数控机床 的 机械部分 运动原理 设计。控制系统框图 、 控制部分设计 。 包括 步进电机驱动 电路设计、 控制电路设计、位置 显示电路、单片机软件控制流程 。 每个学生应完成 翻译译文 ，最少工作量为 5000 汉字。 针对本课题内容需要绘制 4 张 A0 工作图，撰写 2 万字设计说明书 时间安排： 07.9 07.11 搜集整理相关信息资料研究总体方案。 07.11 07.12 总体方案确定 07.12 08.1 总体设计 08.1 08.5 机械、电气设计 08.5 08.6 撰写系统开发说明书 ；出图；答辩准备 。 参考资料： 数控机床 使用说明书 机械工程设计手册 步进电机原理与应用 机电一体化实用教材 微机原理与接口技术 系专家组审核意见： 2008 年 月 日 注：结合课题情况指 在研项目 预研项目；课题类型 指： 设计 论文 软件 nts 数控车床控制系统设计 中文概要 数控机床是典型的机电一体化产品，他综合了电子计算机、自动控制、自动检测、液压与气动以及精密机械等方面的技术。数控机床的高效率和高精度决定了发展数控机床是当前中国机械制造业技术改造的必由之路，是未来工厂自动化的基础。数控机床已经成为关系到国家战略地位和体现国家综合国力的重要基础性产品。 数控车床作为数控机床的典型机床是有很大研究价值的，另外考虑到自己的兴趣爱好，我的题目就选择了数控车床的控制系统设计。在设计过程中我的任务主要是车床的进给系统，其中包括横向和纵向进给系统的机械及 电子部分的计算和设计。为了使得设计更贴近生产，本系统被定义为一款经济性车床的进给系统。 设计内容主要有四部分，第一部分是总体方案的拟定；第二部分是进给系统的设计与计算；第三部分是进给系统的单片机系统设计；第四部分是步进电动机的选用。 本设计说明书主要是简单的介绍和计算校核，由于知识和能力限制未能做更深入的探讨。其中不免有欠妥或错误之处，恳请大家批评指正。 关键词 数控车床 进给系统 驱动控制系统nts 外文概要 Title The Design of Numarical Lathe Contral Syetem Abstract NC machine tools is a typical integration of mechanical and electrical products which integrated the electronic computer, automatic control, automatic detection, hydraulic and pneumatic as well as precision machinery, and other aspects of technology.The high efficiency and the high precision of NC machine tools deside that the developping of NC machine tools is the only way of the technological transformation of Chinas machinery industry and the basis for future factory automation.NC machine tools has become a national strategic position and the overall strength of the state important basic products. As a typical CNC machine tools NC lathe machine is of great research value,while taking into account my interests and hobbies, I chose the topic of the Design of the NC lathes Control System.In the process of designing the lathe the main task is the design and calculation of feeding system, including the horizontal and vertical feed system of mechanical and electronic part of the calculation.In order to make the design closer to production, the system is defined as an economy of the feed system lathe.There are four major design elements .The first part is the development of the overall plan .The second part is the feed system design and calculation.The third part is the design of the feed system SCM system and the drive control system.The fourth part is the choose of the stepper motor. nts The design specification is a simple calculation and checking.Due to my limination of knowledge and capacity it is failure to do more in-depth study.One can not help a defective or wrong, I urge the criticism and correction. Keywords NC Machine Tools The Feeding System Drive Control Systemnts 目次 1 引言 . 1 1.1 设计题目及说明 . 1 1.2 数控车床的现在及发展 . 1 1.2.2 国外 NC 车床的技术发展方向 . 2 1.2.3 国内 NC 车床的技术水平和存在差距 . 3 2. 总体方案的拟定 . 4 2.1 数控车床的组成 . 4 2.2 设计参数 . 4 3 进给伺服系统机械部分设计与计算 . 5 3.1进给系统整体方案的研究及制定 . 5 3.1.1电机与丝杠之间的联接 . 6 3.1.2滚珠丝杠螺母副 . 7 3.1.3进给统传动间隙的补偿机构 . 12 3.2 进给系统的具体设计计算 . 14 3.2.1确定系统的脉冲当量 . 15 3.2.2纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择与校核步骤 15 3.2.3横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤 . 19 3.2.4齿轮有关计算 . 21 4 进给伺服系统步进电动机驱动控制部分设计 . 28 4.1 总方案的拟定 . 28 4.2 芯片的选择及芯片简介 . 29 4.2.1 单片机芯片的选择及简介 . 29 4.2.2 程序存储器芯片的选择及介绍 . 31 4.2.3 光电耦合器芯片的选择及介绍 . 32 4.2.4 步进电动机驱动芯片的选择及介绍 . 32 4.3 步进电动机的选择 . 34 4.4 驱动电路流程图 . 34 结论 . 37 nts 致谢 . 38 参考文献 . 39 nts 吉林大学本科毕业论文 1 1 引言 1.1 设计题目及说明 设计任务：设计数控车床控制系统 设计要求： a） 通过研究以往的数控机床了解数控车床的机械及机电的内容。 b） 数控车床的进给系统的 机械部分的设计； c） 数控车床的进给系统的步进电动机驱动电路的设计； d） 在所有备选方案中选择最经济的方案并考虑到投入生产中的问题。 1.2 数控车床的现在及发展 1.2.1 目前国外 NC车床的技术水平 a.高性能目前国外 NC车床全面向高性能发展，依靠改进工艺、布局、结构、驱动和控制五方面来提高精度、效率、自动化。如工艺上车、铣、磨结合；布局上立、卧、倾斜式、倒立式变化，结构上多主轴、多刀架；驱动上电主轴、滚珠丝杆、直线电机并用；控制上多轴联动、网络化等。在提高复合加工性能方面更加引人瞩目，量大面广的一般 NC车床不断向高性能车削中心和车铣中心发展的配置。 b.高精度加工精度普遍提高，精密车床代替了过去的普通精度 NC车床。加工精度从过去的 1T6-1T7提高到 1T5-1T6。重复定位精度达 1-2微米（高精度车床为 0.3Mm），工件精度达 0.3微米，圆度达 1微米，表面粗糙度达 Ra 0.3微米。 NC系统分辨率为 1微米（高精度 NC车床达 0.1微米或 0.01微米），还在继续提高。 c.高效率通过高速化和复合化不断提高加工效率。高速化方面，一般nts 吉林大学本科毕业论文 2 中规格 NC车床主轴转速已从过去的 3000-5000r/min提高到 4000-8000r/min（ NC单轴自动车床达 1.2万、 1.5万、甚至 2万 r/min），快速进给从过去的10-20m/min提高到 30、甚至 40m/min。主传动功率也大大提高。在复合化方面，具有铣削功能、 Y轴功能的车削中心数量大增，约占 15%。具有 X、 Z、 Y、B、 C 5轴功能的也逐步增多，出现了车 -磨结合、车床 -加工中心 结合的复合加工机，实现“全部加工”。 d.高自动化采用现场交互式编程和机内自动对 刀，有些还与 CAD/CAM相结合；带 AWC、 ATC和 AJC等自动化外围设备的越来越多；监控和自诊断能力日益增强，有些还可进行远程监控与诊断；能自动测量和进行误差补偿，包括加工误差的实时补偿；更易於集成入自动化加工系统中。 e.模块化设计针对市场需求，为加速发展系列产品、降低成本和缩短交货期，国外 NC车床已普遍采用模块化设计，利用基本模块和各种功能部件灵活配置，组成各式 NC车床、车削中心等。 1.2.2 国外 NC 车床的技术发展方向 主要有几方面不断开发新工艺、新材料、新结构、新元件，比如开发硬面车削工艺 (HRC50-68)，公差带在 5微米，表面粗糙度达 Ra 0.4微米，又如开发倒立式车磨结合的车削中心等；进一步提高加工精度，发展精密化、超精密化车床；提高效率，加速发展高速化，尤其是复合化；在现有自动化基础上进一步发展智能化、无人化、集成化；发展网络化，与车间、工厂、外界联网；发展 环保化车床，实现节能、省地、干和半干切削等。 nts 吉林大学本科毕业论文 3 1-1 德国 Emag公司的 VSC400型车 -磨结合的车削中心 1.2.3 国内 NC 车床的技术水平和存在差距 在改革开放的 20年，中国 NC车床的技术水平提高较快，在设计、制造、使用上进步很大。 2001年中国 NC车床产量 3900台，进口约 3500台。 1995年中国 NC车床 拥有量 2.1万台（占 NC机床之 33%）。 2002年 3月的上海中国 数控机床 展 (CCMT 2002)，展出 200台整机，包括 64台 NC车床，代表了当前中国 NC车床的最高技术水平，另有车削中心 9台，占 14%。 沈阳机床公司与德国合作生产的 SSCKZ 63-5型 5轴车铣中心，可控制 X、 Y、Z、 B、 C轴，床身最大回转直径 800mm，主轴 2000r/min，主电机 37kw，刀库有 12把刀，配西门子 840D NC系统。成都宁江机床厂的 CKE1112型 NC纵切自动车床，加工棒料直径 12mm，主轴转速 12000r/min，为 5轴 2联动，配用FANUCD-O NC系统。上海第二机床厂的 HM-O15型倒置立式车削中心，主轴4000r/min，主电机 40kw，采用 INDRAMAT NC系统，机床带自动上下料装置。在 2000年 3月的 CCMT展上，上海重型机床厂展出自行设计的 SHZ 1044型双主nts 吉林大学本科毕业论文 4 轴立式车削中心（见图 4），具有特色，可侧面反映出目前中国 NC车床的设计和制造水平。 该车床用於电梯曳引轮涡轮组件的半精加工和精加 工，有倒置立车和正置立车两部分。带自动上下料装置，为能完成零件全部加工的车削中心。配SINUMERIK 840C NC系统，定位精度 X轴 0.016mm/500mm， Z轴 0.032mm， C轴 60；重复定位精度 X轴 7微米， Z轴 0.01mm， C轴 20，机床配用进口的内装式电主轴、高精度轴承、直线滚动导轨、高精度光栅尺、滚珠丝杆、自动定心卡盘等。 存在的主要差距为在精度、效率、自动化上存在一定差距；主机设计基本功差，缺乏创新，模块化设计少；重要基础元部件、 NC系统主要依靠进口；缺乏深入系统的科研工作，设 计、试验手段较落后；在 NC车床的产品水平和总体技术水平上，差距明显。 2. 总体方案的拟定 2.1 数控车床的组成 数控车床由主轴箱、卡盘、刀架、尾座、数控系统、排泄装置、电控厨、自动拉门以及床身等装置组成。数控车床的床身按照导轨面与水平面的相关位置可分为：平床身、斜床身、平床身斜滑板和立床身 4 种布局本车床选用平车身。 2.2 设计参数 设计参数包括数控进给伺服系统所需要的参数。 最大加工直径 在床面上 400mm 在 床鞍上 210mm 最大加工长度 1000mm 快进速度 纵向 2.4m/min nts 吉林大学本科毕业论文 5 横向 1.2m/min 最大切削进给速度 纵向 0.5m/min 横向 0.25m/min 溜板及刀架重力 纵向 800N 横向 600N 代码制 ISO 脉冲分配方式 逐点比较法 输入方式 增量值、绝对值通用 控制坐标数 2 脉冲当量 纵向 0.01mm/脉冲 横向 0.005mm/脉冲 机床定位精度 0.015mm 刀具补偿量 0mm-99.99mm 进给传动链间隙补偿量 纵向 0.15mm 横向 0.075mm 自动升降速性能 有 3 进给伺服系统机械部分设计与计算 3.1 进给系统整体方案的研究及制定 数控机床进给运动系统，尤其是轮廓控制的进给运动系统，必须对进给运动的位置和运动的速度两个方面同时实现自动控制，与普通机床相比，要求其进给系统有较高的定位精度和良好的动态响应特性。一个典型数控机床闭环控制的进给系统，通常由位置比较放大单元、驱动单元、机械传动装置及检测反馈元件等几部分组成。这里所说的机械传动装置是指将驱动源的旋nts 吉林大学本科毕业论文 6 转运动变为工作台直线运动的整个机械传动链，包括减速装置、转动变移动的丝杠螺母副及导向元件等等。为 确保数控机床进给系统的传动精度、灵敏度和工作的稳定性，对机械部分设计总的要求是消除间隙，减少摩擦，减少运动惯量，提高传动精度和刚度。另外，进给系统的负载变化较大，响应特性要求很高，故对刚度、惯量匹配都有很高的要求。 为了满足上述要求，数控机床一般采用低摩擦的传动副，如减摩滑动导轨、滚动导轨及静压导轨、滚珠丝杠等；保证传动元件的加工精度，采用合理的预紧、合理的支承形式以提高传动系统的刚度；选用最佳降速比，以提高机床的分辨率，并使系统折算到驱动轴上的惯量减少；尽量消除传动间隙，减少反向死区误差，提高位移精度等。 3.1.1 电机与丝杠之间的联接 数控机床进给驱动对位置精度、快速响应特性、调速范围等有较高的要求。实现进给驱动的电机主要有三种：步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。目前，步进电机只适应用于经济型数控机床，直流伺服电机在我国正广泛使用，交流伺服电机作为比较理想的驱动元件已成为发展趋势。数控机床的进给系统当采用不同的驱动元件时，其进给机构可能会有所不同。电机与丝杠间的联接主要有三种形式，如下图所示。 1带有齿轮传动的进给运动 数控机床在机械进给装置中一般采用齿轮传动副来达到一定的降速比要求，如图 3-1a） 所示。由于齿轮在制造中不可能达到理想齿面要求，总存在着一定的齿侧间隙才能正常工作，但齿侧间隙会造成进给系统的反向失动量，对闭环系统来说，齿侧间隙会影响系统的稳定性。因此，齿轮传动副常采用消除措施来尽量减小齿轮侧隙。但这种联接形式的机械结构比较复杂。 nts 吉林大学本科毕业论文 7 ( c )( b )( a )3-1 电机与丝杠间的联接形式 2经同步带轮传动的进给运动 如图 3-1b）所示，这种联接形式的机械结构比较简单。同步带传动综合了带传动和链传动的优点，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但只 能适于低扭矩特性要求的场所。安装时中心距要求严格，且同步带与带轮的制造工艺复杂。 3电机通过联轴器直接与丝杠联接 如图 3-1c）所示，此结构通常是电机轴与丝杠之间采用锥环无键联接或高精度十字联轴器联接，从而使进给传动系统具有较高的传动精度和传动刚度，并大大简化了机械结构。在加工中心和精度较高的数控机床的进给运动中，普遍采用这种联接形式。 本系统采用方案 1带有齿轮传动的进给运动。 3.1.2 滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的一种新型传动装置，在数控机床上得到了广泛的应用。它的结构特 点是在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动元件，以减少摩擦。 1.滚珠丝杠螺母副工作原理 滚珠丝杠螺母副工作原理，如图 3-2a 所示。图中丝杠和螺母上都加工有圆弧形的螺旋槽，当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，构成一个闭合的回路。 nts 吉林大学本科毕业论文 8 内滚道外滚道( ) ( )图 3-2a 滚珠丝杠螺母副工作原理图 图 3-2b 螺纹滚道法向截面形式 2.滚珠 丝杠螺母副结构 滚珠丝杠的螺纹滚道法向截面有单圆弧和双圆弧两种不同的形状，如图3-3b所示 (a)为单圆弧、 b)为双圆弧 )。其中单圆弧工艺简单，双圆弧性能较好。故采用双圆弧。 3.滚珠的循环方式 滚珠循环方式分为外循环和内循环两种方式，本系统采用外循环。 外循环：滚珠在循环过程结束后，通过螺母外表面上的螺旋槽或插管返回丝杠间重新进入循环。如图 3-3a）所示为插管式，它用弯管作为返回管道，这种形式结构工艺性好，但由于管道突出于螺母体外，径向尺寸较大。如图3-3b）所示为螺旋槽式，它是在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的 两端钻出通孔并与螺纹滚道相切，形成返回通道，这种形式的结构比插管式结构径向尺寸小，但制造较复杂。 nts 吉林大学本科毕业论文 9 ( )( )3-3 外循环滚珠丝杠 4.滚珠丝杠螺母副轴向间隙的调整 滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙。为了保证反向传动精度和丝杠的刚度，必须消除轴向间隙。消除间隙的方法常采用双螺母结构，利用两个螺母的相对轴向位移，使两个滚珠螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上。用这种方法预紧消除轴向间隙时，应注意预紧力不宜过大，预紧力过大会使空载力矩增加， 从而降低传动效率，缩短使用寿命。此外还要消除丝杠安装部分和驱动部分的间隙。 本系统的螺母丝杠消除间隙方法：垫片调隙式。如下图所示，调整垫片厚度使左右两螺母不能相对旋转，只产生轴向位移，即可消除间隙和产生预紧力。这种方式结构简单，刚性好，调整时需要卸下调整垫圈修磨，滚道有磨损时不能随时消除间隙和进行预紧。 nts 吉林大学本科毕业论文 10 平键右螺母左螺母锁紧螺母 圆螺母放大丝杠右螺母垫片左螺母3-4 垫片调隙式 5.滚珠丝杠的支承方式 数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除 了加强滚珠丝杠螺母本身的刚度外，滚珠丝杠的正确安装及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素。螺母座、丝杠端部的轴承及其支承加工的不精确性和它们在受力后的过量变形，都会给进给系统的传动刚度带来影响。因此，螺母座的孔与螺母之间必须保持良好的配合，并应保证孔对端面的垂直度，螺母座应增加适当的肋板，并加大螺母座和机床结合部件的面积，以提高螺母座的局部刚度和接触刚度。滚珠丝杠的不正确及支承结构的刚度不足，会使滚珠丝杠的寿命大大下降。因此要注意轴承的选用和组合，尤其是轴向刚度要求较高，为了提高支承的轴向刚度，选择适当的滚动 轴承及其支承方式是十分重要的。常用的支承方式有下列几种，如下图所示。 （ 1）一端装止推轴承（固定 -自由式）。这种安装方式如图 3-5a）所示。其承载能力小，轴向刚度低，仅适用于短丝杠，如用于数控机床的调整环节或升降台式数控机床的垂直坐标中。 nts 吉林大学本科毕业论文 11 (a) (b)(c) (d) 图 3-5 滚珠丝杠的支承结构 （ 2）一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承（固定 -支承式） 这种安装方式如图 3-5b）所示。当滚珠丝杠较长时，一端装止推轴承固定，另一端由深沟球轴承支承。为了减小丝杠热变的影 响，止推轴承的安装位置应远离热源（如液压马达）。 （ 3）两端装止推轴承。这种安装方式如图 3-5c）所示。将止推轴承装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧拉力，有助于提高传动刚度。但这种安装方式对热伸长较为敏感。 （ 4）两端装双重止推轴承及深沟球轴承（固定 -固定式）。这种安装方式如图 3-5d）所示。为了提高刚度，丝杠两端采用双重支承，如止推轴承和深沟球轴承，并施加预紧拉力。这种结构形式，可使丝杠的热变形能转化为止推轴承的预紧力。 综上所述，本系统采用方案（ 4）。 6.滚珠丝杠的保护 滚珠丝杠副可用润滑来提高耐磨性及传 动效率。润滑剂分为润滑油及润滑脂两大类。润滑油用机油、 90 180 号透平油或 140 号主轴油。润滑脂可采用锂基油脂。润滑脂加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内，而润滑油通过壳体上的油孔注入螺母空间内。 nts 吉林大学本科毕业论文 12 滚珠丝杠副和其它滚动摩擦的传动元件，只要避免磨料微粒及化学活性物质进入，就可以认为这些元件几乎是不产生磨损的情况下工作的。但如果在滚道上落入脏物，或使用肮脏的润滑油，不仅会妨碍滚珠的正常运转，而且使磨损急剧增加。 通常采用毛毡圈对螺母副进行密封，毛毡圈的厚度为螺距的 2 3 倍，而且内孔做成螺纹的形状，使之紧密地包住 丝杠，并装入螺母或套筒两端的槽孔内。密封圈除了采用柔软的毛毡之外，还可以采用耐油橡胶或尼龙材料。由于密封圈和丝杠直接接触，因此防尘效果较好，但也增加了滚珠丝杠螺母副的摩擦阻力矩。为了避免这种摩擦阻力矩，可以采用由较硬塑料制成的非接触式迷宫密封圈，内孔做成与丝杠螺纹滚道相反的形状，并留有一定的间隙。 对于暴露在外面的丝杠，一般采用螺旋刚带、伸缩套筒、锥形套筒以及折叠式塑料或人造革等形式的防护罩，以防止尘埃和磨粒粘附到丝杠表面。除与导轨的防护罩相似外，这几种防护罩一端连接在滚珠螺母的端面，另一端固定在滚珠丝杠的 支承座上。 在本系统中采用上端加防沉盖和伸缩套筒的方式做防沉密封。 3.1.3.进给统传动间隙的补偿机构 数控机床进给系统由于经常处于自动变向状态，齿侧间隙会造成进给反向时丢失指令脉冲，并产生反向死区从而影响加工精度，因此必须采取措施消除齿轮传动中的间隙。 nts 吉林大学本科毕业论文 13 偏心套电机 齿轮垫片A A薄片齿轮1薄片齿轮2垫片宽齿轮宽齿轮(a) (b) (c)3-6 圆柱齿轮间隙的几种调整结构 上图所示为圆柱齿轮间隙的几种调整结构。图 3-6a）为偏心套间隙调整结构。将偏心套转过一定角度，可调整两齿轮的中心距，从而得以消除齿侧间隙。图 3-6b) 是带有锥度的齿轮间隙调整结构。两个相互啮合的齿轮都制成带有小锥度，使齿厚沿轴线方向稍有变化。通过修磨垫片的厚度，调整两齿轮的轴向相对位置，即可消除齿侧间隙。图 3-6c）为斜齿圆柱齿轮轴向垫片间隙调整结构。与宽齿轮同时啮合的两个薄片齿轮，用键与轴相联接，彼此不能相对转动。两个薄片齿轮的轮齿是拼装在一起进行加工的 ,加工时在它们之间垫入一定厚度的垫片。装配时将厚度比加工时所用垫片稍大或稍小的垫片垫入它们之间，并用螺母拧紧，于是两薄片齿轮的螺旋齿产生错位，分别与宽齿轮的左、右齿侧贴紧，从而消除了它们之间的齿侧间隙 。显然，采用这种调整结构，无论齿轮正转或反转，都只有一个薄片齿轮承受载荷。 上述几种齿侧间隙的调整方法，结构比较简单，传动刚性好，但调整之后间隙不能自动补偿，且必须严格控制齿轮的齿厚和齿距公差，否则将影响传动的灵活性。 齿侧间隙可自动补偿的调整结构，如下图所示。相互啮合的一对齿轮中的一个做成两个薄片齿轮，两薄片齿轮套装在一起，彼此可作相对运动。两nts 吉林大学本科毕业论文 14 个齿轮的端面上，分别装有螺纹凸耳，拉簧的一端钩在一个凸耳上，另一端钩在穿过另一个凸耳后的螺钉上，在拉簧的拉力作用下，两薄片齿轮的轮齿相互错位，分别贴紧在与之啮合的齿 轮（图中未示出）左、右齿廓面上，消除了它们之间的齿侧间隙，拉簧的拉力大小，可用调整螺母调整。这种调整方法能自动补偿间隙，但结构复杂，传动刚度差，能传递的转矩小。 拉簧调整螺母锁紧螺母螺钉螺纹凸耳薄片齿轮螺纹凸耳B向3-7双齿轮拉簧错齿间隙的调整结构 考虑到经济问题，本机床进给设计采用开环系统步进电动机作为驱动单元。电机与丝杠的连接采用齿轮传动。 3.2 进给系统的具体设计计算 进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量、计算切削力、滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型、齿轮传动计 算、步进电机的计算和选型等。计算简图如下图所示： nts 吉林大学本科毕业论文 15 3-8 进给系统计算简化 3.2.1 确定系统的脉冲当量 脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量 ,它是衡量数控机床加工精度的一个基本参数。因此 ,脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。对经济型数控机床来说，常采用的脉冲当量为 0.01mm/step 和0.005mm/step,在一般经济型数控车床的技术参数中，要求纵向脉冲当量 fp为 0.01mm/step。横向脉冲当量为 fp=0.005mm/step。 3.2.2 纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择与校核 步骤 1.最大工作荷载计算 滚珠丝杠的工作载荷 Fm（ N）是指滚珠丝杠副的在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走到抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。 由于本车床的纵向导轨是三角形导轨，则用公式 3-1计算工作载荷的大小。 Fm=KFL+f (Fv+G) （ 3-1） 1）车削抗力分析 车削外圆时的切削抗力有 Fx Fy Fz，主切削力 Fz 与主切削速度方向nts 吉林大学本科毕业论文 16 一致垂直向下， 是计算机床主轴电机切削功率的主要依据。切深抗力 Fy 与纵向进给垂直，影响加工精度或已加工表面质量。进给抗力 Fx 与进给方向平行且相反指向，设计或校核进给系统是要用它。 纵切外圆时，车床的主切削力 Fz可以用下式计算： Fz=CFz PXFzfyFzVnFz KFz （ 3-2） =5360(N) 由金属切削原理知： Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4 （ 3-3） 得 Fx=1340(N) Fy=2144(N) 因为车刀装夹在拖板上的刀架内，车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨上，车削作业时作用在进给托板的载荷 F1 Fv和 Fc与车刀所受到的车削抗力有对应关系。 因此，作用在进给托板上的载荷可以按下式求出： 托板上的进给方向载荷 F1=Fx=1340(N) 托板上的垂直方向载荷 Fv=Fz=5360(N) 托板上的横向载荷 Fc=Fy=2144(N) 因此，最大工作载荷 Fm=KFL+f (Fv+G) =1.15 1340+0.04 (5360+90 9.8) =1790.68(N) 对于三角形导轨 K=1.15, f =0.03 0.05,选 f =0.04(因为是贴塑导轨 )，G 是纵向横向溜板箱和刀架 的重量，选纵向横向溜板箱的重量为 75kg,刀架重量为 15kg. 2.最大动载荷 C的计算 滚珠丝杠应根据额定动载荷 Ca选用，可用式 3-4计算： nts 吉林大学本科毕业论文 17 C=3L fmm （ 3-4） L 为工作寿命，单位为 10r， L=60nt 10;n 为丝杠转速（ r min） ,n=1000v L0;v 为 最大切削力条件下的进给速度（ m min） ,可取最高进给速度的1/2 1/3;L0为丝杠的基本导程，查资料得 L0=12mm;fm为运转状态系数，因为此时有冲击振动，所以取 fm=1.5. V纵向 =1.59mm/r 1400r/min=2226mm/min n纵向 =v纵向 1/2/L0=2226 1/2/12=92.75r/min L=60nt/106=60 92.75 15000/106=83.5 则 C=3L fmFm =383.5 1.5 1790.68=11740（ N） 初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷 Ca不得小于最大载荷C;因此有 Ca C=11740N 另外例如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转下工作并受载，那么还需考虑其另一种失效形式 -滚珠接触面上的塑性变形。即要考虑滚珠丝杠的额定静载荷 Coa是否充分地超过了滚珠丝杠的工作载荷 Fm,一般使 Coa/Fm=23. 初选滚珠丝杠为：外循环，因为内循环较外循环丝杠贵，并且较难安装。考虑到简易经济改装，所以采用外循环。 因此初选 滚珠丝杠的型号为型 WD63 8-3.5-E 型，主要参数为：Dw=4.763mm,Lo=8mm,dm=63mm, =2o19 ，圈数列数 3.5 1。 3.纵向滚珠丝杠的校核 1）传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为 =tg /tg( + )=tg2o19 /tg(2o19 +10 )=92% （ 3-5） nts 吉林大学本科毕业论文 18 2）刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形将引起导程发生变化，从而影响其定位精度和运动平稳性，滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形，丝杠和螺母之间滚道的接触变形，丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。 a.丝杠的拉压变形量 1 1= Fml/EA （ 3-6） = 1790.68 2280/20.6 10 (31.5)2 =0.0064mm b.滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2 采用有预紧的方式，因此用公式 2=0.001323FmDwFyjz（ 3-7） =0.0013231 7 9 0 . 6 81 7 9 0 . 6 84 . 7 6 3 1 4 5 . 3 63=0.0028mm 在这里 Fyj =1/3Fm=1/3 1790.68=597N Z= dm/Dw=3.14 63/4.763=41.53 Z =41.53 3.5 1=145.36 丝杠的总变形量 = 1+ 2=0.0064+0.0028=0.0092mm4 所以丝杠很稳定。 3.2.3 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤 1.型号选择 1）最大工作载荷计算 由于导向为贴塑导轨，则： k=1.4 f =0.05,F1 为工作台进给方向载荷，Fl=2141N,Fv=5360N,Fc=1340N,G=60kg,t=15000h, nts 吉林大学本科毕业论文 20 最大工作载荷： Fm=kF1+f (Fv+2Fc+G) （ 3-10） =1.4 2144+0.05(5360+2 1