三坐标数控磨床的设计【含CAD图纸和说明书】
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切削刀具的维护维护意味着产品的保养。在机械行业，它也指通过对产品设备的管理来防止其损坏也包括损坏后的修理。对切削刀具的维护保养包括：以一种不会引发恶性结果的方式管理刀具和根据刀具的知识来合理应用刀具的切削特性两方面内容。像对黄铜制刀具的维护是指制造和打磨刀具，使非常规的损坏（像打磨的裂缝等）不会出现。更进一步,如果恶劣的切削环境发生。具有能恢复到原来的状态以致于达到理想的切削效果。这章的内容包括4个部分：:1.刀具的管理和保养2.刀具的管理知识3.刀具应用知识和刀具的维护4.刀具的打磨和维护象其他的设备如：机床、传动系和机器人，切削刀具的管理知识对于产品的生产的影响意义重大。如果由于刀具的保养不善出现刀具断裂的情况，那么，无论有多么好的设备,顺畅的切削过程也是不可能出现的。更不用说提高切削的精度和效率和降低成本了。在过去对产品设备维护的要求程度决定了设备的价钱。机床、空气过滤器系统和自动化设备一般都会给予很多的维护和保养。然而，相对于刀具等便宜的小件对它们的保养以前认为是不必要的。以前几乎没有什么文章和书籍在深层次上讨论刀具的维护和保养。7.2切削刀具的保养和维护刀具可按应用分类金刚石,立方碳化硼以及以三氧化二铝都是的不能用普通刀具加工的机加工材料。而几乎所有的金属都能用刀具加工(铝合金刀具的切削速度高于5000m/min,相当于300km/h.)。然而，具有如此优良的切削特性的刀具具有明显的缺点。象刀片非常的脆，易对螺栓体和刀柄造成损害造成安装问题.。生噪声、振动以致断裂破碎，结果出现象切削精度下降等问题。当对刀具进行维护时实行以下的过程是很必要的：7.2.1确保刀片之间没有接触要避免象图7.1那样手握许多的刀片。也要戒除象图7.2那样把几把刀片放在同一个口袋中。要确保象7.3那样将刀片分隔存放,每隔放置一把刀片。刀具的相互接触将导致边缘的脱落和碎裂7.5,7.6,7.7都展示了这种情况。7.2.2要保证刀片之间没有接触刀片之间的接触会对接触的部分造成伤害，从而是它们的切削能力下降。7.2.3刀具维护时的注意事项将刀具掉落在硬地面上将会造成切削边缘的损坏。这种问题特别容易放生在很脆的陶瓷刀具上和又长又脆的刀具像滚花刀和钻头。操作工人要防止在地面不太平坦的时候,用手推车搬运放在盒子里的刀具，这样是将会造成刀具的损坏的。图7.7显示了由于和其他的刀具接触而造成的到柄损坏的例子。 7.1避免用手拿很多刀片 7.2不要把刀片放在口袋里 7.3 避免将刀片以无续的状态放在刀片盒里 7.4由于刀片的接触在刀片的边缘产生的缺口 7.5，7.6由于刀片的接触而出现缺口不能使用的陶瓷刀片当将刀具放置在金属架子上和金属盒子里时，必须保证切削的刀边不能接触金属的表面，放置时的轻拿轻放也是必要的。图7.8显示了刀柄边缘被扭曲的例子，建议使用塑料和橡胶或是聚乙烯盒子。在刀具的安装处损坏将导致安装精度的下降，在这种情况下不能在好的经济效益下,获得好的刚度和稳定性，结果产生振动和噪声导致刀具的寿命变短，切削边缘的稳定性变差。 7.7由于切削刀具的相互接触而对刀座的损害 7.8刀座的扭曲变形损坏 7.9推荐带手套处理刀具7.2.4在操作时对刀片座的保护和刀片一样,刀片座也是由碳化物制成的。因此刀片的振动经常会导致刀片座的变形损坏。在这种情况下,度下降.当刀片不能稳定的固定,不能很好的切削。如果在使用多重刀具时候(像滚花刀)将会导致切削边缘的可靠度下降和切削精度下降。使用可分类刀片时注意保护刀片座也是和必要的.7.2.5当处理刀具时要带手套像图7.9那样带手套操作是我们强烈推荐的，空手拿刀片是非常不明智的。当刀片被安装在到刀片座上时,就存在损坏的危险。当刀具上涂上油的时候就增加了这种危险性。手上的汗和油将导致刀具的生锈，铁锈使刀具的表面不平使安装的稳定性下降,产生振动和噪声,使切削精度下降。7.3刀具的维护和保养7.3.1刀具管理的基本知识适当的对刀具管理，以取得顺畅的切削过程是很必要的。这门学问不是机械上设备的操作知识而是管理学的知识。大体知识结构概括如下：1刀具的管理不意味着单单保存它，而是为刀具深层次的使用作准备而使刀具在一个可以立即使用的状态下保存它。2像可分离的刀片，在下一道工序还没有确定的时候一定要把它拿下来3如果刀具要是有一段时间不能应用的话,一定要对刀具进行防锈处理。4应根据刀具的用途、型号、使用频率来安排保管刀具。5储存刀具时要使它们容易接近。6要确保损坏的刀具在保存前要先进行修理。7对于已经永久损坏的刀具要及时丢弃，不要保存没有用的刀具。8对工人进行刀具管理方面知识的教育，对刀具的管理建立规章制度，并且对所有工人逐渐灌输这种思想。7.3.2对刀具相互接触的预防可分类的切削刀片是由硬度在34-45hrc的合金钢通过热处理制造的。刀具体是由高碳钢和硬度低于35hrc 的合金钢制成的。刀具的接触将导致接触区的损坏而导致切削精度的下降，以下几点注意事项被认为可以防止这些问题出现：1储存时就要避免刀具的接触.不要像图7.10和7.11所示的那样的存放刀具。表7.1显示了因为与其他刀具安装螺杆接触，在刀具表面产生的不可修复的粗糙度的变化情况。分体刀具安装处的粗糙度的数值过大使得其安装到机床上极其困难。更主要的是如果损坏发生在刀座上，安装分体刀片是很麻烦的。象表7.2所示的如果刀具上有凹坑，在切削表面将会导致表面不平。在这种情况下，消除不平的表面的方法是用油性磨刀石。图7.2展示了刀具表面在被恢复的情况。 7.10 7.11表7.1因为和其他的刀座的接触螺栓体表面粗糙度的变化表7.2由于刀具的相互接触而产生塑性扭曲的例子2保持刀具在一个安全的条件下使用.像储存刀具的时候不能让它们从架子上掉落下来。3从光滑的架子上移动的时候，保证刀具在箱子没打开前不被移动。4如果刀具的备件很容易损坏，保存多余的备件是很必要的。 7.12在修理后一个小洞的重大影响 7.13生锈的洞表7.3防锈和不防锈的表面粗糙度对比7.3.3刀具的防锈图7.13示的刀柄生锈,表7.3展示了刀具生锈的程度和表面粗糙度的关系.铁锈大大安装处的坚固程度。1当室外的潮湿度很高的时候，要保证窗子是关着的。虽然刀具表面的涂层能够防锈，但是长时间放置在潮湿的环境下还是会生锈的。2.特别要注意因为环境温度的不同引起的刀具的生锈。象切削刀具频繁从冷的地方使用而后又移入温暖的环境，这将导致刀具表面生锈。3通常金属架子没有防锈涂层，所以特别容易生锈。把刀具放置在其上也会导致刀具生锈。办法是在架子上盖上像塑料、橡胶或聚乙烯材料。4如果刀具长时间不用，就要周期性的检查刀具的情况。刀具特别是刀座和安装的部分尤其不能生锈。7.3.4分类刀片的管理方法刀片是刀具的的切削韧因此是刀具的重要部分。它又小又轻故此方便携带和处理；而另一方面,处理不认真,将不同等级的刀片混在一起，或是将同一种类不同等级的刀片防在一起,以上这种情况都会使刀片的辨别变得困难.以下都是要考虑的因素。1 个箱子只放一个刀片,以防刀片之间的相互接触。2 于分类刀片,使用者要做有效的记号。a保存刀片的时候,同一种刀片作同样的记号。b如果一种刀片一个盒子放不下,一定要将这些盒子放在一起。3根据刀具的生产公司和产品的数目来保存它。4根据刀片的公差等级来储存它.像A、C、E、G、M等等。5可以根据刀片的等级,用途.形状来储存它。6确保同样形状不同等级的可分类刀片不放在一起。7.4刀具的应用和维护的知识在产品设备的保养维护中最重要的使用技术.。但是，无论保养和维修的技术多么先进,但是操作者在选刀的时候范了错误，选了不合适的切削条件的刀具.那么产品设备的损坏也会发生,对刀具也是如此.7.4.1选用切削刀具要适合切削的目的。所有的产品设备像切削刀具、手动工具和贵重机器都有其专门的用途。为了将起所有的特性都发挥出来利用，我们必须选择最合适的操作方法。刀具的选择应该基于刀具的特性。1选择切削刀具必须适用于工件的材料特性。例如：不能用切削铸铁的刀具来切削刚。选择不适合的刀具会引起刀具边缘的损害，这将导致切削温度的提高和提高切削抗性这都将导致对刀具体的损害。在选择刀具的等级和刀片的形状时必须小心，特别对于难于切削的材料。如图7.14所示的是由于刀具等选择的不正确，切削热使工件和刀具熔为合金之后很短时间内刀具外部生成的非常薄的层。在切削难加工的工件时，等级和形状选择不正确会在刀具上很快出现裂痕也会导致刀片座的损坏。7.14 用不合适的到造成的非正常的损失7.15表面磨削合适和不合适的磨削深度而产生的不同情况对比2根据使用切削刀具规定的用途来使用它。在一般的情况，在粗切和精切时使用一把刀是不可能的.选择刀具不恰当的时候会导致切削边缘非正常的损坏和对刀具体的损坏。3在刀具合适的使用范围使用它，应用范围包括：切削状态、切削模式、刀具寿命标准和切削流。在合适的切削范围以外使用导致的损伤将引发精度的问题。4根据工件的形状和宽度来选择表面的滚花刀，选择不合适的滚花刀将导致振动，使刀具的寿命严重下降。5对于专用刀或是高速刀具，它们更是要在合适的使用范围内使用，不能使用精切刀来代替粗切刀。用高速刀具象陶瓷刀具来代替低速刀具也会导致断裂的问题。7.4.2刀具要适合机器切削技术的硬件主要是由机床和切削刀具组成的。足够的柔性来掩盖其他部分的缺点，可以防止麻烦的产生。1如果机床的轴向力很小或是刚度很差，这时要选择锋利的和低切削抗力的刀具。2如果机床的精度不高选择圆角半径小的，锋利和切削抗力小的刀具。更重要的是选择具有好的切削边缘可信度的刀具，这样在振动和噪声的条件下滑落和断裂都不会发生。7.4.3在准备切削刀具时的注意事项：象自动化和非人的操作使得在准备阶段的核查工作变的很重要，1当使用来自不同厂家的刀片时有种可能是切削性不同。这种情况的切削振动和异常损害要特别小心。 7.16根绝切削边缘的损坏 7.17因为没有紧固刀片的损坏对磨削表面和刀具寿命的列表2在使用多把刀具的时候,要保证工序表被安排在可接受的范围内.如图7.16所示由于工序表安排不合适印发的刀片上的损害。3当使用可分类的切削刀具时,对刀片座的损害和扭曲是要特别小心的。4当将刀片安装在刀具上时,保证不要安装的过紧.对于陶瓷刀片如果安装的过紧能导致刀片碎成几片,如7.17所示那样。5当将刀片安装在刀具上时,要选择合适夹具螺母形状和大小的扳手.如图7.18所示对于同一个夹具螺空用合适和不合适的扳手的后果。7.4.4将刀具安装在机床上时的注意事项每一把刀具和机床一样都有不同的结构.一把刀具安装的合适与否对机床的等级精度的影响是深刻的.1当将切削刀具安装在机床上时，保证没有灰尘和铁屑在刀具体，刀具空和各个部分。2当安装刀片时,特别是薄刀片时,保证没有扭弯和弯曲是很必要的.3当安装多功能时,要保证切削边缘已经经过过热处理。7.4.5设置切削环境时的注意事项当刀具和切削条件不相适应时，刀刃就会像图19那样折断，如图20那样焊接，高速刀具的疲劳情形如图21，塑性疲劳变形如图22，这些都是何容易发生的。以下是选刀具时应注意的。 7.19切削边缘的振动 7.20切削边缘的融合 7.21高速刀具的切削 7.22切削边缘的塑性扭曲1依据刀具的性能参数来选择切削条件。以下就是刀具的各种参数A：端铣和立铣 刀具的等级，直径，倾角，轴倾角，内倾角，引脚，螺旋角，立铣刀尖形状（圆或方），刀齿的数目，刀片槽的尺寸，刀把的大小，刀具的长度，机器安装环境，刀具突出的长度。存在实体，刀刃几何形状，精度和系列刀片的形状。破碎机的实体和几何形状，刀具的结构。B: 运转时的刀把和钻杆 刀具等级，前倾角，侧倾角，前面角，侧面角，切削刃前角，切削刃后角，修圆角尺寸，侧面大小，机器安装环境，刀具突出的长度，刀刃的的几何形状，刀片的精度和形状，刀具的结构（镀铜的，成系列的刀片，实心的等）C：钻具 钻刀的等级，直径，伸出长度，顶角大小，刀刃数目，间隙大小，横刃的几何厚度，钻刀的形状（如麻花钻，直钻等）锥度大小，定位导向aihfiksbfjhfbjhffbsbfsgfjsfmshfksfsfnk2依据刀具不同等级的性能来选择切削环境。以下是刀具的等级类型及性能。 A：高速钢，炭化钢，陶瓷，金属陶瓷，FCR,CBN和金刚石 B：D级，M级和K级的性能（高温硬度，内应力，疲劳强度，抗氧化能力，高温气流稳定性，塑性变形抗力，节点抗力，高强度抗力，热爆抗力和热震抗力）3依据工件性能来选择切削条件。以下是工件的性能： A：刀具的化学成分，硬度，强度，扭曲率，热处理条件，拉伸强度，高温硬度，易碎性，可淬性，亲和性和可煅性。 B：工件和成品的形状，原料的去除，刚度，毛边表面性能（硬度和面的缩放比例）材料密度（厚度变量）长度和直径的关系，节点抗力。4依据现况和切削液特点来选择切削环境。切削液的性能包括冷却方法，冷却体和冷却类型。图23如图23是高速切削后，所产生的热量在冷却过程中对刀刃的冲击后的破坏的情形7.23在潮湿的表面磨削由于温度而产生的裂纹引起的永久的震动7.4.6车削后对刀具的维护 在切削后把刀具从车床上移走时，要特别注意在维护中所涉及的刀具管理的项目。当往箱子里或架子上存放刀具时要特别注意维护的规则和管理的技术。5刀具的再修复和维护镀铜刀具是由切削刃和与其不同材料的长柄组成的，在这种情况下很多问题容易发生。在许多情况下，研磨和再研磨时所出现的毛病是由制造镀铜刀具过程中的问题所引起的。首先，由镀铜的技术所关联的问题，再者，也有成本的问题。7.5.1劣质镀铜所涉及的问题通常，银或铜比较适合做镀层材料。吸湿性依赖于材料被粘结剂连接的强度。镀铜材料的吸湿性因依赖于刀具的等级和钢材料的性能而有不同的意义。1刀具等级和吸湿性拥有大量粘结材料的刀具的吸湿性高，而只有很少；量的粘结材料的刀具的吸湿性是很低的。WC-CO级具有高吸湿性而WC-TiC-TaC-Co级有较低的吸湿性。当TiC的含量增加时，吸湿性就会降低。K级碳化物具有较高的吸湿性，接下来依次是M级和P级。陶瓷具有比P级更低的吸湿性。与陶瓷相比镀铜和镀银的吸湿性已经是很低的了。 2吸湿性与柄的材料 含铬高的钢，含锰高的钢和经过热处理的材料有较低的吸湿性。 3助熔剂是用来提高镀铜材料的吸湿性的。助熔剂可以阻止镀铜表面的氧化。经过清除杂质的镀铜材料不仅可以提高其吸湿性也能氧化其表面的分子。由于柄的等级和其具有吸湿性的材料，镀铜很容易出现问题，再者，助熔剂没有及时起作用时问题也是很容易出现的。 7. 5.2镀铜的断裂 刀具的热膨胀性和刀柄的材料实质上时不同的。图表4是某一等级的刀具和刀柄在室温下镀铜的残余应力图。 碳化物和柄的材料的热膨胀率是1：2，故当湿度正常时，刀具就能经得起会导致断裂得内应力。 为了降低镀铜时的变形，在柄上钻些空或凹槽。为了多面镀铜可以在刀具和刀柄间放上铜片或者铜网。如表7.5和7.6。再者，也可以如表7.7所示，刀座的厚度可以是刀片层面的3倍或更多。 不要在空气中冷却镀铜刀具，因为温度迅速下降会造成断裂。把刀具放在盐水盆里或木灰里或硅土里来冷却，一直到7摄氏度，然后在放到热水里来清洗，若不洗干净，在研磨时就会轧伤，这将引起并造成碎裂。 7.5.3研磨与再研磨的碎裂 由于在磨石上进行粗磨或挤轧而引起研磨温度迅速上升的原因，产生的残余应力，会引起研磨裂缝。此外，不适当的操作也会引起碎裂，就像研磨后把它放在水里。图24是手柄的研磨碎裂，图25是这些碎裂的放大图，图26是延长后的碎裂。图27是刀柄的最后破坏情况。 表框1是关于研磨镀铜刀具的要点概括。表框2和图表8是车刀的研磨顺序，图表9是边磨刀的研磨顺序。表7.4残余应力对铜件的影响 表7.5防止镀铜断裂的措施表 表7.6刀杆长度和镀铜断裂的关系表7.7在刀杆上开洞减小压力 本科生毕业论文（设计）开题报告论文题目：三坐标数控磨床设计现代制造技术，如柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）、并行工程（C.E）、精益生产（L.P）、敏捷制造（A.M）等正在我国兴起并逐步实施。作为以上各项现代化生产哲理和生产模式的最低层设备-数控机床是最终生产出合格产品的重要环节。数控机床不仅能提高产品的质量、生产效率、降低生产成本，还能大大改善工人的劳动条件。本次设计的就是数控机床的一种，即三坐标数控磨床，其主要技术要求和工作量如下：1、三坐标数控磨床的主要技术要求（1）X、Y、Z行程分别为300mm、300mm 、300mm。（2）进给精度为0.001mm（3）X、Y、Z轴快速移动速度分别为10m/min、10m/min、10m/min (4 )工作台面尺寸420300mm2、课题内容及工作量（1） 三坐标数控磨床总体布置图Ao 1张（2） X-Y工作台装配图（机构图）Ao1张（3） 磨头机构装配图Ao1张（4） 单片机控制原理图Ao1张（5） 设计说明书15000字、开题报告2000字（6） 外文翻译5000汉字（7） 编制源程序100句以上一、三坐标数控磨床的工作原理用数控磨床加工曲面零件时，首先应编制该曲面零件的加工程序，这是数控曲面磨床的工作指令。将加工程序输入数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变速、启动、停止、进给运动的方向、速度和位移量，以及工件装夹和冷却润滑的开关等动作，使刀具与被加工零件以及其它辅助装置。二、三坐标数控磨床的组成三坐标数控磨床主要有控制介质、数控装置、伺服系统、机床主机和测量反馈装置等五部分组成。（1）控制介质 用于记载各种加工信息的载体，以控制机床的运动，实现零件的加工。数控介质有穿孔带、穿孔卡、磁带及磁盘等，用键盘将加工程序直接键入，并且可在数码显示器或CRT显示器上显示出来。（2）数控装置 数控装置是数控机床的核心，是高技术密集型产品。任何一个微机控制系统都由硬件和软件两部分组成。有了硬件才有软件运行的基础，而只有配置了软件的硬件才能构成控制系统。构成微机控制系统的基本硬件有以下四部分组成：1） 中央处理单元 即CPU2） 总线 有数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CD）3） 存储器 包括可编程存储器和随机可读存储器4） 输入输出接口电路（3）伺服系统 由伺服驱动装置和伺服进给系统组成，是数控系统的执行部分。作用是把来自数控装置的各种指令转换成机床移动部件的运动速度、运动方向和位移量。伺服驱动装置：直流伺服电机。进给伺服系统：有驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统；检测元件与反馈电路组成检测装置亦称检测系统。进给伺服系统中采用的驱动装置为直流伺服电机。（4）机床主机 机床是数控机床的主体，包括床身、箱体、导轨、主轴、进给机构等机械部件。 1）床身 三坐标数控磨床应具有更好的刚性和抗振性，因此床身采用密封式箱型结构，在床身底内腔填充泥芯和混凝土等阻尼材料，当发生振动时，利用阻尼材料之间的相对摩擦耗散振动能量。2）导轨 导轨由运动件和承导件组成。运动件：需要做直线运动的零部件。承导件：用于支承并限制运动件，使其只能按给定的要求和规定的方向作直线运动。设计中可采用滑动导轨，对导轨要求有以下几点：要有一定的导向精度。要有良好的耐磨性。要有足够的刚度。有减小热变形影响。要使运动轻便平稳。要有一定的工艺性。 滑动导轨间隙的调整：采用刮、磨相应的结合面或加垫片的方法以获得相应的间隙；镶条调整，这是侧向间隙常用的调整方法，镶条有直镶条和斜镶条两种。三坐标数控磨床采用贴塑导轨，这是一种金属对塑料的摩擦形式。属于滑动摩擦导轨，导轨一滑移面上贴有一层抗磨软带，导轨的另一滑移面上贴为淬火磨削面，软带是以聚四氟乙烯为基材，添加合金粉和高氧化物的高分子复合材料。塑料导轨刚性好、动静摩擦系数差值小、耐磨性好、无爬行、抗振性好、化学的稳定性好、维护修理方便、经济性好。 三个方向的导轨副、滚珠丝杠副由自动间隙润滑油泵进行定时润滑，润滑油泵安装在立柱侧面，通过分油器将润滑油分送到各润滑点上。 3）主轴 主轴部件包括主轴轴承、传动件和相应的紧固件。主轴的端部是标准的。传动件如齿轮、带轮等与一般的机械零件相同。机床主轴部件，三个方向的进给及其它部件滚动轴承，均采用润滑脂润滑。 4）工作台 ：X、Y工作台传动机构；X向齿轮减速和滚珠丝杠传动方式（Y向和X向X、Y工作台的组成相同）；驱动机构（X、Y向两个电机）。 X、Y工作台工作原理：通过控制X、Y向电机驱动传动机构，从而带动X、Y工作台沿X向Y向运动。 滚珠丝杠螺旋传动：在螺母和螺杆间放入适当数量的滚珠，使螺母和螺杆之间的摩擦由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种装置。有螺母、螺杆、滚珠及滚珠循环返回装置四个部分组成。当螺杆转动螺母移动时，滚珠沿螺杆螺旋滚道而滚动，在螺杆上滚动数周后，滚珠从滚道的一端滚出并沿返回装置返回另一端，重新进入轨道，从而构成闭合回路。三 参考资料1数控机床设计手册；2机械设计手册；3机电传动控制；4标准件手册。5. 磨削原理四 进度计划第一阶段：完成所选课程，完成英文翻译。第二阶段： 完成毕业设计的总体规划，查阅相关资料。第三阶段：完成X-Y工作台设计及相关计算。第四阶段： 完成磨头设计。第五阶段： 完成控制系统设计。第六阶段：撰写毕业设计说明书，出图，准备答辩。目 录设计任务书 1开题报告 1摘要 2正文：第一章 概论 3第二章 总体结构设计 7第三章 进给伺服系统机构设计 8第四章 床身与导轨 18第五章 主传动系统结构设计 20第六章 控制系统设计 27程序28参考文献30 第 1 页 中文摘要中文摘要 本次设计为三坐标数控磨床，该机床能通过三轴联动，实现曲线直线等不同的加工路线，同时可以通过更换砂轮来加工不同的型腔和轮廓提高其表面质量。另外该机床也能够对其它一些工具零件进行表面加工。 所设计的三坐标数控磨床，磨头与立柱之间用鼠齿器相连，可以改变主轴与工作台的角度。三个坐标方向的移动均由交流伺服电机带动丝杠驱动，所选用的联轴器为十字滑块联轴器，工作台选用双推与双推轴承组成两端固定支承，达到所要求的高精度。三个方向通过速度反馈和位置反馈实现闭环系统。主轴电机采用交流电机，由变频器对其进行无级调速。所有电机均有单片机进行控制。此设计主要对数控磨床的机构进行设计，了解单片机的工作原理，主要有以下几个方面：X、Y 工作台的传动机构设计，主要是滚珠丝杠的运用；伺服系统应用开环控制，了解它的工作原理；机床整体结构的设计，了解优缺点，充分考虑主要矛盾，择优选取；数控装置的设计，了解其控制原理。设计中充分考虑经济性、工艺性、适用性等要求，选择最好的方案，以达到最佳的效果。关键词关键词：数控 三坐标 铣床 第 2 页 英文摘要英文摘要This design is for tri-coordinate numerical control grinding machine .This machine tool can work along the curve and straight line through co-operation of three axles .By changing the abrasive wheel it can also process different type and outline .And thus improve the quality of its surface .Furthermore, this machine tool can handle the face-improving process of other tools and components . The tri-coordinate NC curved surface grinding machine work head is connected with stand post by means of a mouse-tooth device .It can change the angle between the main axle and work desk. The motion of tri-coordinate direction is urged by DC. The work desk is fixed at both ends, thus it can reach the high accuracy .Three coordinate direction move and urge by direct current serve electrical machinery and realize half close ring system through speed feedback and position feedback. Main shaft adopt and exchange electrical machinery by electrical machinery ,go on step speed regulation to their by converter. All electrical machineries are controlled by the one-chip computer. In this way the product produced are with high quality we mainly design the structure of the numerically controlled milling machine, and find out control prnciple of single tool machine: The design of the transmission structure of X、Y worktable .Mainly the application of boll beany; Assiting system with the control of open-loop system and its working prinples; The design of the whole machine structure and it advantages and disadvantages; The design of the numerically controlled device ,and its control principles. In this design ,we fully consider the practical orders of economy , technology and applicability and choose the least plan to get the least effect.KeyKey Words:Words: Numerical Control Tri-coordinate Milling Machine第 3 页 目录目录中文摘要.1英文摘要.2目录.3第一章 概论.11.1 数控机床的产生与发展.11.2 何谓数控机床 .11.3 数控机床的应用范围 .11.4 数控机床的基本组成 .21.5 数控机床的分类 .21.6 数控机床的工作过程 .21.7数控机床的特点 .21.8 磨削概论 .21.9 三坐标数控磨床.3第二章 总体结构设计.62.1 提高机床的结构刚度的设计.62.2 提高机床的抗振性的措施.72.3 提高机床灵敏度.7第三章 进给伺服系统结构设计.83.1 进给伺服系统的作用 .83.2 进给伺服系统的设计要求 .83.2.1 对进给伺服系统的基本要求.83.2.2 进给伺服系统的设计要求.93.3 进给伺服系统的组成.93.4 进给伺服系统的分类.93.5 给伺服系统的数学模型。.103.5.1 数控机床的位置调节系统.103.5.2 进给伺服系统的数字模型.103.6 进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析 .103.6.1 时间响应性.103.6.2 频率响应特性.113.6.3 稳定性分析.113.6.4 快速性分析.113.6.5 伺服精度.113.7 驱动元件的设计 .123.7.1. 选用伺服电动机.123.7.2 选用交流伺服电机.123.8 机械传动部件的设计 .14第四章 床身与导轨.204.1 床身设计 .204.1.1 床身结构的基本要求.204.1.2 床身的结构.204.1.3 床身的截面形状.204.1.4 钢板焊接结构.21第 4 页 4.1.5 箱体封沙结构.214.2 导轨设计.214.2.1 对导轨的要求.214.2.2 滑动导轨.214.2.3 贴塑滑动导轨.214.2.4 导轨结构.224.2.5 导轨设计.224.2.6 导轨的材料.22第五章 主传动系统结构设计.235.1 主传动系统的设计要求.235.2 主传动变速系统的设计.235.3 主轴组件设计.235.3.1 对主轴组件的性能要求.235.3.2 主轴组件的组成和轴承选型.245.3.3 主轴组件的技术要求.255.3.4 主轴组件的动态特性.265.3.5 主轴轴承的润滑.265.4 选择主轴电机.275.5 高速带的设计计算 .29第六章 控制系统设计.316.1 确定硬件电路的总体方案 .316.2 主控制器 CPU 的选择 .316.3 存储器扩展电路设计 .316.4 I/O 口扩展电路设计 .326.5 交流伺服电机驱动电路 .326.6 主轴电机驱动电路 .326.7 越界报警 .32程 序.33设 计 小 结.36参考文献.37第 1 页 第一章第一章 概论概论设计任务书设计任务书1、三坐标数控磨床的主要技术要求（1）X、Y、Z 行程分别为 300mm、300mm 、300mm。（2）进给精度为 0.001mm（3）X、Y、Z 轴快速移动速度分别为 10m/min、10m/min、10m/min (4 )工作台面尺寸 420300mm2、课题内容及工作量（1）三坐标数控磨床总体布置图 Ao 1 张（2）X-Y 工作台装配图（机构图）Ao1 张（3）磨头机构装配图 Ao1 张（4）单片机控制原理图 Ao1 张（5）设计说明书 15000 字、开题报告 2000 字（6）外文翻译 5000 汉字（7）编制源程序 100 句以上注：所有的尺寸均由计算机绘制1.11.1 数控机床的产生与发展数控机床的产生与发展 1952 年，美国麻省理工学院成功的研制出一套三坐标联动，利用脉动乘法器原理的实验性数控系统，并把它装在一台立式铣床上。当时用的电子元件是电子管，这就是世界上的第一台数控机床。1959 年，数控装置中广泛采用电子管和印刷电路板，从而跨入数控的第二代。1965 年，出现了小规模集成电路，由于它体积小、功耗低，使数控系统的可靠性得以进一步提高，从此数控发展到第三代。1970 年，在美国芝加哥国际机床展览会上首次展出的数控系统采用计算机数控系统的机床，这便是数控的第四代。1974 年，出现了第五代数控系统（MNC 微处理机控制系统） 。 我国是从 1958 年开始研制数控技术的，一直到 60 年代中期处于研制、开发时期。当时，一些高等院校、科研单位研制出实验样机，开发也是从电子管开始的。1965 年国内开始研制晶体管数控技术。从 70 年代开始，数控技术在车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工等领域全面展开，数控加工中心在上海、北京研制成功。在这一时期，数控线切割机床由于结果简单、使用方便、价格低廉，在模具加工中得到了推广。80 年代我国数控机床有了新的发展。90 年代以及接下来主要是向高档数控机床发展。1.21.2 何谓数控机床何谓数控机床数控机床是一种综合应用了微电子技术、计算机技术、自动控制、精密测量和机床结构等方面的最新成就而发展起来的高效自动化精密机床，是一种典型的机电一体化产品。它是机械加工自动化的核心设备。第 2 页 1.31.3 数控机床的应用范围数控机床的应用范围数控机床在加工下面这些零件中更能显示出它的优越性：批量小（200 件以下）而又多次生产的零件；在加工过程中必须进行多种加工的零；几何形状复杂的零件；切削余量大的零件；必须控制公差（即公差范围小）的零件；工艺设计经常变化的零件；加工过程中的错误会造成严重浪费的贵重零件；需要全部检测的零件。1.41.4 数控机床的基本组成数控机床的基本组成 如图所示： 1.51.5 数控机床的分类数控机床的分类1. 按工艺用途分类：数控磨床、数控铣床、数控折弯机等2. 按控制类型的方式分类：点位控制数控机床（如：数控钻床、数控坐标铣床） ；直线控制数控机床（如：数控车床、加工中心） ；轮廓控制数控机床（如： 数控磨床）3. 伺服系统的类型分类：开环数控机床、闭环数控机床、半闭环数控机床次设计的三坐标数控磨床属于金属切削类，半闭环轮廓控制的数控机床。1.61.6 数控机床的工作过程数控机床的工作过程 在上述工作过程中，要求数控机床使用者完成的工作主要是工艺分析和数控编程（有手工编程、自动编程、计算机辅助编程三种方法） ，并将程序存到存储介质上，其它步骤都是由数控系统和机床自动进行的。 1.71.7数控机床的特点数控机床的特点数控机床作为一种高自动化、高柔性的加工设备，具有以下特点： （1）适应范围广 （2）生产准备周期短（3）生产效率和加工精度高 （4）工序高度集中（5）能完成复杂型面的加工 （6）技术含量高1.81.8 磨削概论磨削概论 磨削是指用砂轮等固结的磨具进行加工的过程，是机械加工的重要方法。从当第 3 页 前掌握的先进技术的情况来看，美国、俄罗斯、德国、英国和日本等国家居于前列。我国的磨削技术在建国后得到了很大的发展，现在已门类比较齐全。同其它加工方法相比，磨削加工具有以下特点：（1）能获得很高的加工精度 （2）能适应各种不同性质的材料加工 （3）能获得较高的生产率 （4）适应性广1.91.9 三坐标数控磨床三坐标数控磨床 本次设计的三坐标数控磨床主要是对总体结构、工作台、主轴箱等的机械部分的设计，以及整机电气控制部分的设计。机械部分如下：1 主要用途和适用范围三坐标数控磨床是三轴联动的经济型数控机床. 利用三轴联动来形成砂轮与工件的相对运动，通过更换不同的砂轮来达到各种不同的形状尺寸的要求。可以精确高效的完成平面内各种复杂曲线的零件的自动加工。更能完成复杂曲面的加工，且获得高的精度。因为通过数控，加工时不通过模具就能保证零件的加工精度，提高了劳动生产率，具有较高的性能价格比。本磨床属中型磨床，适用于企业的模具、异型零件的加工。2 机床的基本参数名称参数工作台面宽度长度420mm300mm工作台 X 轴行程300mm工作台 Y 轴行程300mm工作台 Z 轴行程350mmX、Y、Z 轴快速移动速度都为 10r/minX、Y、Z 电机70SL5A2 交流伺服电机主轴转速级数无级调速主轴转速范围（398014920）r/min主电机功率7.0kw主轴交流电机1HP6103-4CG4机床外形尺寸1792mm1308mm2018mm 3 机床的主要结构 机床主要有工作台、主轴箱、立柱、电气柜、CNC 系统等组成。 工作台工作台的 X、Y 向进给是由交流伺服电机通过十字滑块联轴器传动，结构简单，调整维修方便。工作台面有三个梯形槽（见下图） ，供夹具定位和安装固定工件使用。中间一个第 4 页 梯形槽是定位梯形槽。主轴箱(参看下图)主轴部件有主轴、刀具的自动夹紧松开机构、前后轴承等组成。 动力由电机轴经一级带传动给主轴，通过调整电压调整伺服电机的转速，从而实现无级变速。 主轴为中空外圆柱零件，前端装定向键，与刀柄配合部位采用 7：24 的锥度。为了保证主轴部件刚度，前支承由三个 C 级向心推力角接触球轴承 3 组成，前两个大口朝上，承受切削力，提高主轴刚度，后一个大口朝下，后支承采用两个 D 级向心推力球轴承 5，小口相对，后支承仅承受径向载荷，故外圈轴向不需要定位。轴承采用油脂润滑。刀具自动拉紧与松开机构及切削清除装置装在主轴内孔中，刀夹自动拉紧松开机构由拉杆 7 和头部的两瓣弹力卡爪 2、碟形弹簧 7、活塞 9 和螺旋弹簧 8 组成。夹紧时，活塞 9 的上端无油压，弹簧 8 使活塞 9 向上移到图示位置。碟形弹簧 7 使拉杆 6 上移至图示位置，卡爪上移，将刀具拉紧。当需要松开刀柄时，液压缸的上腔进油，活塞 9 向下移动压缩弹簧 8，并推动拉杆 6 向下移动。与此同时，碟形弹簧 8 被压缩。卡爪随拉杆 6 一起向下移动。移到主轴孔较大处时，便松开了刀柄，刀具连同刀柄一起被拔出。刀柄夹紧机构用弹簧夹紧，液压放松，以保证在工作中如果突然停电，刀柄不会自行松脱。活塞杆孔的上端接有压缩空气。刀具从主轴中拔出后，压缩空气通过活塞杆和拉杆中孔，把主轴锥孔吹净。弹性卡爪的外周是锥面，与主轴的锥孔相配合使爪收紧，从而卡紧刀柄。这种卡爪与刀柄的接合面与拉杆垂直，故拉紧力大。卡爪与刀柄为面接触，接触应力较小，不易压溃。立柱立柱用于实现主轴箱的垂直移动和支撑。固定在立柱上端的电机直接传动丝杠，可使主轴箱垂直移动。4 机床的传动系统1.主传动图及说明主传动图参看传动系统图。主运动由主运动电机，经一级高速带传到主轴，并通过调节电机的控制电压获得各级转速，主轴转速为（398014920）r/min。实现第 5 页 无级调速。2.进给传动图及说明进给传动图参看传动系统图。X、Y、Z 三个轴各有一套基本相同的进给伺服系统。电压调速交流伺服电机直接带动滚珠丝杠，功率都为 1.4kw，无级调速。三个轴的进给速度均为 1400mm/min。快移速度都为 10m/min。三个伺服电机分别由数控指令通过计算机控制，任意两个轴都可联动。传动系统图第 6 页 第二章第二章 总体结构设计总体结构设计 该磨床的总体设计包括:系统设计(包含数控装置的功能设计、元件和部件设计,程序段格式设计及系统的总体设计);逻辑设计(包含运算器设计、控制器设计及电路设计);机床主机的结构设计.本次设计主要对总体结构进行设计. 数控机床的功能设计和普通机床有着很大的差别.对数控机床的结构设计要求可归纳为如下几个方面:(1) 具有很大的饿切削功率、高的静、动态刚度和良好的抗振性能；(2) 具有较高大的几何精度、传动精度、定位精度和热稳定性；(3) 具有实现辅助操作自动化的结构部件。2.12.1 提高机床的结构刚度的设计提高机床的结构刚度的设计机床的刚度是指切削力和其它力作用下,抵抗变形的能力.该磨床要求具有高的静刚度和动刚度。机床在切削过程当中，承受的静态力有运动部件和被加工零件的自重；承受的动态力有砌学力、驱动力、加减速器时引起的惯性力、摩擦阻力等。组成机床的结构部件在这些力作用下将产生变形，从而导致工件的加工误差。为了使机床达到高大结构刚度，获得符合要求的工件，进行如下结构设计：1、构件的结构形式的选择（1）选择截面的形状和尺寸由于形状相同的截面，当保持相同的截面积时，应减小臂厚，加大截面的轮廓尺寸，所以该机床的立柱、床身等支撑件做成型腔。圆形截面的抗扭刚度比方形截面的大，抗弯刚度比方形截面小，所以立柱、床身等承受弯曲载荷的部件做成方形，而象主轴等承受扭转载荷的零件做成圆形。 由于封闭式截面的刚度比不封闭式截面的刚度大很多，因此该磨床采用封闭式床身。 由于臂上开孔将使刚度下降，所开孔部部件对刚度要求又很高，就在孔的周边加上凸缘，以使抗弯刚度得到恢复。（2）隔板和筋条的布置合理布置支承件的隔板和筋条，可提高构件的静、动刚度，磨床采用叉筋板的支承件，立柱内部就是布置了交叉的筋条。（3）构件的局部刚度 磨床的导轨和支承件的连接部件，往往是局部刚度最弱的部分，但是联接方式对局部刚度影响很大。在本次设计中，由于 Z 轴导轨较宽，故采用双臂联接形式；X、Y 轴导轨较窄，采用单臂联接，但在单臂上增加垂直筋条以提高局部刚度。（4）采用焊接结构的构件 机床的床身、立柱等支承件，采用钢板和型钢焊接而成，具有减小质量，提高刚度的显著特点。第 7 页 采用钢板和型钢而不采用铸件的原因：钢的弹性模量约为铸铁的两倍，在形状和轮廓尺寸相同的前提下，如要求焊接件与铸件的刚度相同，则焊接件的臂厚只需铸件的一半。如果要求局部刚度相同，因局部刚度与臂厚的三次方成正比，所以焊接件的臂厚只需铸件的 80%左右。钢可以提高构件的谐振频率使共振不易发生。钢板焊接能将构件做成全封闭的箱形结构，提高刚度。2、结构布局的设计 三坐标数控磨床设计的主轴中心位于立柱的对称面内，主轴箱的自重不再引起立柱的变形，相同的切削力所引起的立柱的弯曲变形和扭转变形均大为减小，这相当于提高了机床的刚度。另在立柱上方安装两组定滑轮来平衡重力，以减小立柱的变形。2.22.2 提高机床的抗振性的措施提高机床的抗振性的措施 机床在加工时可能产生两种形态的振动：强迫振动和自激振动。机床的抗振性就是抵抗这两种振动的能力。改善和提高抗振性应从以下几个方面着手：（1）减少机床的内部振源 机床高速旋转主轴、带轮均应进行平衡；装配在一起的旋转部件，应该保证同轴，并且消除传动间隙，采用平衡装置和降低往复运动件的重量，以减小可能的激振力，装在机床上的电机需隔振安装。（2）提高静态刚度提高静态刚度可以提高构件或系统的谐振频率，从而避免发生共振。但为了提高情态刚度而引起的构件质量的增加，会使共振频率发生骗移，这是不利的。因此，在结构设计时应强调提高单位质量的个刚度。（3）增加构件和结构的阻尼该磨床对滚动轴承适当预紧以增大阻尼，将型砂或混凝土等阻尼材料填充在支承件的零部件臂中，可以提高阻尼性。以减少振动。2.32.3 提高机床灵敏度提高机床灵敏度该三坐标数控磨床通过数字信息来控制刀具与工件的相对运动，它要求在相当大的进给速度范围内都能达到较高的精度，因而运动部件应具有较高的灵敏度。导轨部分采用贴塑滑动导轨，以减少摩擦力使其在低速时无爬行现象。工作台、刀架等部件的移动采用支流伺服电机驱动，经滚珠丝杠传动，减少了进给系统所需要的驱动扭矩，提高了运动精度和运动平稳性。第 8 页 第三章第三章 进给伺服系统结构设计进给伺服系统结构设计3.13.1 进给伺服系统的作用进给伺服系统的作用伺服系统接受数控装置发出的进给脉冲或进给位移量，并把它变换成模拟量(如转角、电压、相位等)，经功率放大后去驱动工作台，使工作台进行精确的定位或按照规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合于精度要求的零件。因此，伺服系统的性能也是决定数控机床的加工精度、加工表面质量、生产率和机床的可靠性的关键之一。3.23.2 进给伺服系统的设计要求进给伺服系统的设计要求3.2.1 对进给伺服系统的基本要求对进给伺服系统的基本要求带有数字调节的进给驱动系统都属于伺服系统。进给伺服系统不仅是数控机床的一个重要组成部分，也是数控机床区别与一般机床的一个特殊部分。数控机床对进给系统的性能指标可归纳为：定位精度要高；跟踪指令信号的响应要快；系统的稳定性要好。1.1.稳定性稳定性所谓的稳定的系统，即系统在输入量的改变、启动状态或外界干扰作用下，其输出量经过几次衰减振荡后，能迅速地稳定在新的或原有的平衡状态下。它是伺服系统能够进行正常工作的基本条件。它包含绝对稳定性和相对稳定性。进给伺服系统的稳定性和系统的惯性、刚度、阻尼以及系统增益都有关系。适当选择系统的机械参数（主要有阻尼、刚度、谐振频率和失动量等）和电气参数，并使它们达到最佳区配，是进给伺服系统的设计的目标之一。2.精度所谓进给伺服系统的精度是指系统的输出量复线输入量的精确程度，即准确性。它包含动态误差，即瞬态过程出现的偏差；稳态误差，即瞬态过程结束后，系统存在的偏差；静态误差，即元件误差及干扰误差。常用的精度指标有定位精度、重复定位精度和轮廓跟随精度。精度用误差来表示，定位误差是工作台由一点到另一点时，指令值与实际移动距离的最大差值。重复定位误差是指工作台进行一次循环动作之后，回到初始位置的偏差值。轮廓跟随误差是指多坐标连动时，实际运动轨迹与给定运动轨迹之间的最大偏差值。影响精度的参数很多，关系也很复杂，采用数字调节技术可以提高伺服驱动系统的精度。3.快速响应特性所谓的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。系统的响应速度越快，则加工效率越高，轨迹跟随精度越高。但响应速度过快会造成系统的超调，甚至会引起系统的不稳定。因此，应适当选择快速响应特性。该三坐标数控磨床是轮廓控制的机床，除了要求高的定位精度外，还要求良好第 9 页 的快速性及形成轮廓的各运动坐标伺服系统动态性能的一致性。该三坐标数控磨床采用的是是闭环控制型式，对于闭环系统主要是稳定性问题。3.2.2 进给伺服系统的设计要求机床的位置调节对进给伺服系统提出很高的要求。其中在静态设计方面有：1. 能够克服摩擦力和负载：（1）很小的进给位移量；（2）高的静态扭转刚度；（3）足够的调速范围；2. 进给速度均匀，在速度很低时无爬行现象；3. 在动态设计方面的要求有：（1） 具有足够的加速和制动转矩，以便完成启动制动过程；（2） 具有良好的动态传递性能以保证在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的小；4. 机械传动部件的设计要求有：(1) 被加速的运动部件具有小的惯量；(2) 高的刚度；(3) 良好的阻尼；(4) 传动部件在拉压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙方面尽可能小的非线性；3.33.3 进给伺服系统的组成进给伺服系统的组成 3.43.4 进给伺服系统的分类进给伺服系统的分类 按控制方式不同分为开环系统、半闭环系统和闭环系统.该次设计的数控磨床采用闭环系统。a)采用闭环系统的原因：1.闭环系统的检测装置安装在工作台上，由于闭环系统能对整个系统误差进行自动补偿，故控制精度高(0.001mm0.003mm)快速性好,只是成本较高,而该数控磨床要求进给精度为 0.001mm，为了满足设计要求，采用闭环系统。2.开环系统虽然结构简单、工作可靠、造价低廉，但是没有位置反馈环节这样的机械传动装置的摩擦、惯量、间隙所引起的定位误差不能调整，且其控制精度（0.01mm0.02mm）和快速性较差。不能满足该数控磨床的设计要求,故不采用开环系统.3.半闭环系统的检测装置安装在滚珠丝杠轴端或电机轴端。由于检测元件检测的反馈信号不包含从丝杠第 10 页 轴到工作台间传动链的误差，因此这部分误差得不到自动补偿，精度比闭环系统的要低，也不满足该数控磨床的要求，故不采用半闭环系统。b)闭环系统的组成原理 机床数控装置中发生的指令信号与工作台末端测得的实际位置反馈信号进行比较，根据其差值不断控制运动，进行误差修正，直至差值在误差允许的范围之内为止。采用闭环系统控制可以消除由于运动部件制造中存在的精度误差给工件带来的影响，从而得到很高的加工精度。个部分的关系如下图所示：3.53.5 给伺服系统的数学模型。给伺服系统的数学模型。3.5.13.5.1 数控机床的位置调节系统数控机床的位置调节系统 数控机床的位置调节技术保证被加工零件的尺寸精度和轮廓精度。其位置调节系统如图所示：输入参数的产生和位置调节器的功能可用计算机完成,从而构成一个数字位置调节系统。进给驱动部件可以是电气的或是液压的,分别称为电气驱动部件和液压驱动部件。该三坐标数控磨床采用电气驱动，它包括从给定值的输入到电机的输出。从电机的输出经过机械传动到执行件（工作台）称为机械传动部件。3.5.23.5.2 进给伺服系统的数字模型进给伺服系统的数字模型 在位置环的调节上有模拟式和数字式，或者说有连续控制方式和离散控制方式。机床的数字调节系统是由计算机作为调节器，按采样方式工作的，因而属于离散控制方式。这类系统精度高，动态性能好，可充分利用计算机的快速运算功能和存储功能，使进给伺服系统始终处于最佳工作状态。另外，由于计算机作为调节器，因而调节系统具有很大柔性。3.63.6 进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析3.6.13.6.1 时间响应性时间响应性 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。 时间响应特性是用来描述系统对迅速变化的指令能否迅速跟踪的特性，它由瞬态响应和稳态响应两部分组成。由于系统包含一些储能元件，所以当输入量作用于系统时，系统输出不能立刻跟随输入量变化，而是在系统达到稳定之前表现为瞬态响应过程（或叫过度过程） 。稳定响应是指当时间 t 趋向无穷大时系统的输出状态。第 11 页 若在稳态时，输出与输入不能完全吻合，就认为系统有稳态误差。系统的时间响应特性不仅决定于系统结构、性能（如一阶系统和二阶系统就不同） ，而且也决定于输入信号的类型，且随加工对象的不同以及切削用量的不同而改变。尤其考虑到启动、停车、正反方向等控制情况，各坐标轴速度信号的变化极为复杂。3.6.23.6.2 频率响应特性频率响应特性 时间响应特性是从微分方程出发，研究系统响应随时间的变化规律，即在已知传递函数的情况下，从系统在节跃输入及斜坡输入时间响应速度及振荡过程的状态中来获得动态特性参数。然而在很多情况下，传递函数不清楚，所以只能由实验方法求取动态特性的。因此出现频率响应特性法。所谓频率响应特性，就是系统对正弦输入信号的响应，即它是通过研究系统对正弦输入信号的响应规律来获得其动态特性。由于频率特性与传递函数密切相关，因此在工程中的应用越来越多。可由频率响应数据拟合成传递函数而建立系统的数学模型。3.6.33.6.3 稳定性分析稳定性分析 对控制系统的基本要求是工作的稳定性。只有工作稳定才能进一步讨论其他性能指标。系统的稳定受多种因素的影响，其中包括机械传动部件的惯性、阻尼、刚性和传动比。为考察机械传动部件的参数对系统稳定性的影响，根据稳定判断式编制计算程序。3.6.43.6.4 快速性分析快速性分析所谓快速性分析是指分析系统的快速响应性能，快速性反映了系统的瞬态质量。分析系统快速性的方法很多，有直接求解法、间接评价法和计算机模拟法等。直接求解法比较麻烦，且不易得到系统结构和参数对瞬态质量影响的一般规律；计算机模拟法十分简便，而且还用于复杂系统结构、多变量系统、非线性系统以及某些难于得出数学模型的系统，单它需要一套软件和上机条件。间接评价法，方法简单，又能明显地看出系统结构和参数对瞬态质量的影响，故在系统分析和设计中被广泛地采用。对于线性进给伺服系统，由于它包括各种电路、机电转换装置和机械传动机构，系统各环节都有时间常数，对高频信号来不及反应，只是一个低通滤波器。这种系统的通频带宽，对高频信号响应速度快，所以从开环频率特性图看，提高闭环回路的响应速度。为使进给伺服系统获得良好的伺服性能（稳定性、快速性） ，国外文献对机械传动部件提出很高的谐振频率，但对这些数据并没有进行理论分析。有的文献认为：在电气伺服系统中，可控硅电源以及支流马达特性引起的谐振是对伺服系统性能起限制作用的因素。但实际上机械传动部件不是刚性，往往达不到很高的谐振频率，且阻尼又低，可能成为提高伺服性能的限制因素。3.6.53.6.5 伺服精度伺服精度 伺服精度的高低用误差的大小来平衡，所谓伺服误差就是伺服系统在稳态时指第 12 页 令位置和实际位置之差，它反映了系统的稳态质量。 理想的伺服系统是在任意时刻输出和输入都同步，没有误差，但这是不可能的。造成不同步的原因很多，系统本身动态特性，外加负载和内部扰动等都会造成实际位置偏离指令位置。 欲求出伺服误差，必须先分别求出系统在输入信号和外加负载等信号的作用下产生的输出响应，然后根据线性系统的叠加原理将这些响应叠加起来求出实际位置，再用指令位置减去实际位置便得到伺服误差。 要求出进给驱动系统伺服误差的解析表达式。应讨论以下几个重要概念： （1）速度误差 由斜坡信号输入产生的伺服误差成为速度误差。它实际上表示在一定的进给速度下，系统指令位置与实际位置的偏差。 （2）伺服静刚度 伺服静刚度是指在恒定外负载作用下，进给驱动系统抵抗位置偏差的能力，也就是伺服马达为消除位置偏差而产生的转矩（或力）与位置偏差之比。3.73.7 驱动元件的设计驱动元件的设计X、Y、Z 三个方向的驱动装置均选用交流伺服电动机。3.7.1.3.7.1. 选用伺服电动机选用伺服电动机伺服电机最大的特点是可控。在有控制信号输入时，伺服电机就转动；没有信号输入时，则停止转动；改变控制电压的大小和相位，就可以改变伺服电机的转速和转向。 服电机与普通的电机相比具有以下特点：（1）调速范围广。服电机的转速随着控制电压改变，能在宽广的范围内连续调节。（2）转子的惯性小。即能实现迅速启动、停转。（3）控制功率小，过载能力强，可靠性好。传动生产用的传动电机主要用来完成能量的变换,具有较高的力能指标(如效率和功率因数率),而控制电机则主要用来完成控制信号的传递和变换,要求它们技术性能稳定可靠、动作灵敏、精度高、体积小、重量轻、耗电少。这这是该数控磨床的要求，因此，选用伺服电机。3.7.23.7.2 选用交流伺服电机选用交流伺服电机交流伺服电机可靠性很高,基本上不用维护,造价低,且机电时间常数小。而该次设计的数控磨床的进给伺服系统是随动系统，要求电动机的时间常数小，启动和反转频率高。交流伺服电机满足要求。直流伺服电机结构复杂，电刷和换向器需经常维护；由于电刷与换向器间的接触产生火花，造成无线电干扰；由于磁滞回线的影响增加了系统的不稳定性。因此选用交流伺服电机。1.电机转速=10000/10=1000r/minspMhvn/第 13 页 2spRRSPhFM14. 32104 .441spspVTTwvhFgmmf2)(取电机转速为=1500r/minMn2.静态转矩stM=stMZMCRMMM（1）摩擦力矩导轨摩擦=0.06(200+400)9.8+1476)(VTTwvRFgmmfF =441.4N摩擦系数 0.06; 工件质量;vfwm工作台质量; g重力加速度;Tm垂直于导轨的切削力。VTF折算到滚珠丝杠上的摩擦力矩为：RSPM = =702.8N丝杠螺母传动摩擦丝杠螺母传动的摩擦耗损可通过传动效率来表示，sp=0.94 滚珠丝杠直径 32mmspd 滚珠丝杠导程 10mmsph将以上各种摩擦力矩综合起来，得到折算到电机轴上的摩擦力矩，对于丝RM杠螺母传动：= =702.8/0.94=747.7NRMspspsphd02. 011第 14 页 spspMCMChFM2N250094. 014. 32101500（2）切削力矩对于丝杠螺母传动 =（3）重力矩 因为工作台水平，不会引起转矩，故不需要计算ZM通过以上计算可知=747.7+2500.=3247.7NmmstMZMCRMMM有转速和计算出的静力矩，可以利用伺服电机的转速图来选择电机。结果如下：型号：70SL5A2励磁电压：220v控制电压：220v额定转速：1500r/min最小启动转炬：1800gcm空载转速：2700r/min时间常数：0.015S重量：2000g3.83.8 机械传动部件的设计机械传动部件的设计一台机床所具有的加工精度、工件表面粗糙度和生产率取决于电气驱动部件和机械传动部件的优良设计。机械传动部件的设计好坏对进给伺服系统的伺服性能影响很大。此外，还要求伺服电机速度环的动特性与机械部分动特性相协调。借助于调节技术可以帮助这两部分实现良好的匹配。对于闭环系统的设计主要是稳定性的问题。滚珠丝杠主要承受轴向载荷,除丝杠自重外,一般无径向载荷,因此,滚珠丝杠副要求轴向精度和刚度较高。进给系统要求运动灵活，对微小位移响应要灵敏，因此，轴承的摩擦力矩尽量小。滚珠丝杠转速不高，且高速运转时间短，因而，发热不是主要问题。轴承采用 60接触角推力角接触球轴承,其特点如下：O接触角大，保持架用增强尼龙注塑成型。臂薄，可容下较多的钢球，因此轴向承载能力大，刚度大。能承受轴向和径向载荷，可以简化轴承支座结构。根据载荷情况可以进行组合。启动摩擦力矩小，可以降低滚珠丝杠副的驱动功率，提高进给系统的灵敏度。该数控磨床的机械传动部件设计方案，采用交流伺服电机与滚珠丝杠直接相联的装置。如下图所示:第 15 页 1 交流伺服电机 2.十字滑块联轴器3 滚珠丝杠 4 螺母及螺母座滚珠丝杠的设计计算:已知数据:工作台重量: m1=400Kg 工件最大重量: m2=200Kg工作台最大行程: L=300mm 工作台滑动导轨摩擦系数: =0.06丝杠副寿命:Lh=10a 工作可靠性: 96%切削方式及定位精度: 磨削(轮廓控制),定位精度0.01/300mm丝杠两端为固定支承,每个支座安装两个 60接触角推力角接触球轴承,背靠背O安装,进行预拉伸。磨削方式纵向切削力 Fa/N速度 V/m.min1时间比例q%强力磨削20000.615一般磨削10000.830精密磨削500150快速移动0105设计计算步骤:1. 丝杠载荷:导轨摩擦力 Fu=(m1+m2)g=0.06(400+200)X9.8=0.06(4(400+200)X9.8=353N第 16 页 强力磨削时载荷 Famax=2000+353=2353N一般磨削是载荷 Fa=1000+353=1353N精密磨削时载荷 Fa=500+353=853N快速移动时载荷 Fa=0+353=353N2. 电机转速(最大) nmax=1500N丝杠最大转速 nm=1000 r/min强力磨削 n1=60 r/min一般磨削 n2=80 r/min精密磨削 n3=100 r/min3. 丝杠导程 Ph工作台最大速度: Vmax=10m/min=101000=10000mm/minPh=10 mmnV max1000/100004. 当量转速 nmnm= n1q1/100+ n2q2/100+=6015/100+8030/100+10050/100+20005/ 100=183 r/min5.当量负荷 Fm=31653645823332724744694387588156969=706N6.初选滚珠丝杠(1)计算动负荷 Caj=KhFm/Knf=3.9706/0.560.385=12770N(2)要求寿命 Lh寿命 Lh=300(日)16(h)0.6(开机率)10（年）=28800h由寿命系数 Kh= 转速系数 Kn=(3)综合系数影响滚珠丝杠副寿命的综合系数: f= (4)滚珠丝杠副的型号 CMD3210-2.5 额定动负荷 Ca=25909NCaj=12770N321321131100100qnnFqnnFmm333331005183803531005018310085310030183801353100151836023539 . 350031hL56. 03 .3331mn385. 01 . 153. 0118 . 0ukahtfffff第 17 页 2222cLdf225 . 00244. 073. 4utlAE509. 00244. 0410526FKKnh45956. 011. 3 预紧力 Fo=0.25Ca=6477N1/3Fmax=2353/3=784N 可见初选的滚珠丝杠符合设计要求。7. 丝杠螺纹部分长度 LuLu=工作台最大行程(300)+螺母长度(129)+两端余程(25)=300+129+252=479mm8.支承距离 L 支承距离 LLu=479 因此取 L=700mm9.临界转速校核 (1)丝杠底径 d2=d0-1.2Dw=32-1.26.35=24.4mm=0.0244m 取 25mm (2)支承方式系数 查表 f2=4.73 (两端固定) (3)临界转速计算长度 Lc=129/2+300+40+(700-479)/2=500mm=0.5m 临界转速 nc=9900nc=990099009900=21617r/min=21617r/min可见 ncnma 所以 符合要求10. 压杆稳定校核 两端固定支承,丝杠不受压缩,因而不必校核稳定性。11. 预拉伸计算 设温升为 3.5 C0(1)温升引起的伸长量=11103.50.59=22umtutl6(2)丝杠全长伸长量=11103.50.7=27umtz6(3)预紧力 Ft=2.110=459N1112. 轴承选择(1)轴端结构 采用 E 型和 F 型 (并排)轴端(2)轴承型号主要尺寸和参数 轴承型号为 7602020TVP 查表 得:d=20mm D=47mm B=14mm Z=15 Dw=5.953 Ca=19600N (3)预紧力确定 预紧力 Fo=2300N 轴承的最大轴向载荷为 F max=Ft+Fmax/2=459+2353/2=1636N 由于 FoF max/3=1636/3=545N 所以,符合要求.(4)疲劳寿命计算 由轴承动负荷计算公式校核 C=2549N第 18 页 maxsAEFL4611210101 . 20244. 0443 . 1FcKF005953. 060sin52o进给方向是可变的，负荷可能是（Ft+Fm/2）或（Ft-Fm/2） ，两者机会相等，取平均值 F=459N Kn=0.56 取 Lh=1500h 则 Kh=3.11初选 7602020TVP 参数如下：d=20mm D=47mm B=14mmDw=5.953 Ca=19600N Fo=2300N 可见 额定动负荷 Ca=19600计算动负荷 C=2549 所以，轴承满足寿命要求。13.定位精度校核 (1)丝杠在拉压载荷下的最大弹性位移= = =0.0033Fmaxs610快速移动时 F=353N , =1.2ummaxs强力,磨削时 F=2353N , =7.8ummaxs精密磨削时 F=853N , =2.8ummaxs(2)丝杠与螺母间的接触变形c= 查表得 CMD3210-2.5 滚珠丝杠到螺母的接触刚度 Kc=955N/um 所以得:c快速移动时= 353/955=0.37umc强力,磨削时=2353/955=2.5umc精密磨削时=853/955=0.89umc(3)轴承的接触变形 B 角接触轴承的轴向刚度 KB=23.6Z sin Fo2wD53131=23.613 =246N/um31312300快速移动时=353/246=1.4umB第 19 页 强力,磨削时=2353/246=9.1umB精密磨削时=853/246=3.5umB(4)丝杠系统的总位移 =+maxscB快速移动时=1.2+0.37+1.4=2.97um强力,磨削时=7.8+2.5+9.6=19.9um精密磨削时=2.8+0.89+3.5=7.19um(5)定位精度 发生在螺母处于丝杠中部处, 和与螺母的位置无关。所以以上求得的maxscB位移均为/650mm。查表得丝杠精度等级为 1 级，任意 300mm 的行程公差为 6um。加上快移时的总位移 2.97um。可以满足轮廓控制定位精度 0.01/300mm 的要求。同理分析，能满足精密磨削的定位精度0.02/300mm 的要求。强力磨削时，可以满足粗加工要求。 通过以上的分析计算，可知该滚珠丝杠符合定位精度要求。计算结果: Y 向滚珠丝杠副型号：CMD3210-2.5-1/760479X 向滚珠丝杠副型号：CMD3210-2.5-1/690479CMD 型外插管埋入式双螺母垫片预紧滚珠丝杠副:公称直径 32mm,基本导程 10mm,循环圈数(圈数列数)2.51 X、Y 两端支承均为 E、F 型轴承型号均为 7602020TVP 60 度接触角推力角接触球轴承3.93.9 检测元件检测元件 该磨床的闭环系统中选用的检测元件是光栅传感器。光栅传感器在精密直线位移和转角位移测量中应用甚广，直线测量精度可达0.5um，转角位移测量精度可达1 （1/3600 度） 第 20 页 第四章第四章 床身与导轨床身与导轨4.14.1 床身设计床身设计4.1.14.1.1 床身结构的基本要求床身结构的基本要求 机床的床身是整个机床的基础支承件,一般用来放置导轨等重要部件。为了满足数控机床高速度、高精度、高生产率、高可靠性和高自动化的要求，与普通机床相比，数控机床应有更高的静、动刚度，更好的抗振性。数控机床床身主要在下面四个方面提出了更高的要求。1.很高的精度和精度保持性在床身上有很多安装部件的加工面和运动部件的导轨面,这些面本身的精度和相互位置精度要求都很高,而且要能长时间保持.另外,机床在切削加工时,所有动、静载荷最后往往都传到床身上，所以，床身上的受力很复杂。为此，为保证零部件之间的相互位置或相对运动精度，处满足几何尺寸位置等精度要求外，还要满足静、动刚度、抗振性、热稳定性和工艺等方面的技术要求。2. 应具有足够的静、动刚度静刚度包括：床身的自身结构刚度、局部刚度和接触刚度，都应该采取相应的措施，最后达到有较高的刚度质量比。动刚度直接反映机床的运动特性，为了保证机床在交变载荷作用下具有较高的抵抗变形的能力和抵抗受迫振动及自激振动的能力，可以通过适当增加阻尼，提高固有频率等措施避免共振及因薄臂振动而产身的噪声。3. 较好的热稳定性 控机床来说，尤其是高精度数控机床，热稳定性已成为一个突出的问题，必须在设计上要作到使整机的热变形较小，或使热变形对加工精度的影响较小。4.高的强度和耐磨性 通常床身在抵抗外负载荷而不超过允许的变形情况下，都具有足够的强度。但是，对于外负载荷比较大而变形要求不大的部位，仍有注意其强度的情况。至于床身与运动部件相接触的部位，即导轨处，要求有良好的耐磨性。4.1.24.1.2 床身的结构床身的结构 该次设计的数控磨床的 Z 向运动是垂直与工作台的上下运动.这种结构的床身有固定立柱和移动立柱两种方式由于后者加工制造不方便,加上本次设计的数控磨床属于中型机床,故采用固定立柱式。4.1.34.1.3 床身的截面形状床身的截面形状 为了在较小质量下获得高的静刚度和适当的固有频率，该机床的床身采用带有对角筋的箱体结构。对角筋截面可明显床身的扭转刚度，并且便于设计成全封闭的箱形结构。4.1.44.1.4 钢板焊接结构钢板焊接结构 该机床的床身采用钢板直接焊接而成。焊接结构床身的突出优点是制造周期短。第 21 页 一般比铸铁快 1.73.5 倍。省去了制作木摸和铸造工序，不易出废品。焊接结构设计灵活，便于产品更新、改进结构。焊接件能达到与铸件相同，甚至更好的结构特性，可提高抗弯截面惯性矩，减小质量。采用钢板焊接结构能够按刚度要求布置筋板的形式，充分发挥臂板和筋板的承载和抗变形作用。另外，焊接床身采用钢板，其弹性摸量 E 为MPa，而铸铁的弹性摸量 E 为MPa，两者几乎相差51025102 . 1一倍。因此采用钢板焊接结构床身有利于提高固有频率。4.1.54.1.5 箱体封沙结构箱体封沙结构 床身封沙结构是利用筋板隔成封闭箱体结构。对于焊接结构的床身，在床身内腔填充泥芯和混凝土等阻尼材料，当振动时，利用相当摩擦来耗散振动能量。利用沙粒良好的吸振性能，可以提高机构件的阻尼比。提高床身结构的静刚度，有刚度和质量关系式 K=(为系统无阻尼振动时的固有频率)可以看出增加质 m 可2omwo以提高静刚度.封沙结构降低了床身的重心,有利于床身机构的稳定性,可提高床身的抗弯和抗扭刚度。4.24.2 导轨设计导轨设计4.2.14.2.1 对导轨的要求对导轨的要求 对导轨的要求,纳起来有下列几点:1. 要有一定的导向精度 2.要有良好的耐磨性3.要有足够的刚度 4.要减少热变形影响5.要使运动轻便平稳 6.要有一定的工艺性4.2.24.2.2 滑动导轨滑动导轨导轨按照接触面的摩擦情况而言.可分为:滑动导轨、滚动导轨、静压导轨等三大类型。该次设计的数控磨床采用滑动导轨。滑动导轨结构简单制造方便，承载面积大，接触刚度好，抗振性能好等一系列优点。滑动导轨一般用于定位精度要求不高的开环系统中，本次设计的伺服系统是闭环系统，因为有了反馈系统，导轨的定位精度，由于误差进行补偿而不受影响，故采用滑动导轨。4.2.34.2.3 贴塑滑动导轨贴塑滑动导轨 滑动导轨具有结构简单，制造方便，接触刚度大的优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。因此，采用带有耐磨粘贴带覆盖层的新型塑料滑动导轨。 本次设计采用的塑料导轨是聚四氟乙烯导轨软带。1. 聚四氟乙烯导轨软带的特点 摩擦性好:铸铁淬火导轨副的静摩擦系数与动摩擦系数相差较大,几乎是相差一倍.而金属聚四氟乙烯导轨软带的静、动摩擦系数基本不变。这种良好的摩擦性能可防止低速爬行，是运动平稳并获得较高的定位精度。 耐磨性好：处摩擦系数低外，聚四氟乙烯导轨软带材质中含有青二硫化钼和石第 22 页 墨，因此，本身即具有润滑作用，对润滑油的供油量要求不高，采用间歇式供油即可。此外，塑料质地较软，即便是嵌入金属碎屑、灰尘等，也不至损伤金属导轨面和软带本身，可延长导轨副的使用寿命。 减振性好：塑料有很好的阻尼性，其减振消声的性能对提高摩擦副的相对运动速度有很大的意义。 工艺性好：可降低对粘贴塑料的金属导轨基体的硬度和表面质量要求，而且塑料易于加工，使导轨副接触面获得优良的表面质量。 此外，还有化学稳定性好，维修方便，经济性好等优点。2. 导轨软带使用工艺 首先将导轨粘贴面加工至表面粗糙度 Ra3.21.6，有时为了起定位作用，导轨粘贴面加工成 0.5mm 到 1mm 深的凹槽.用汽油或金属清洗或丙酮清洗导轨粘贴面后,用胶粘剂粘合导轨软带,加压初固化 12h 后再合拢到配对的固定导轨上施加一定的压力,并在室温固化 24h,取下清除余胶,即可开油槽和进行精加工,由于这类导轨用粘贴方法,习惯上称为“贴塑导轨” 。4.2.44.2.4 导轨结构导轨结构 该机床的 X 方向和 Z 方向导轨均采用矩形导轨，以为这种导轨制造维修方便，承载能力大，新导轨导向精度高，使用一段时间后可通过镶条调节，以满足导向精度。Y 方向采用 V 形导轨，这种导轨导向精度高，导轨磨损后靠自重下沉自动补偿。下导轨采用凹型的，可以便于存油，顶角采用 90 。o4.2.54.2.5 导轨设计导轨设计 该磨床作用在运动件上的推力平行与运动件的轴线。为了运动件不被卡死，且保证运动灵活，矩形导轨需 h/L2,V 形导轨需 h/L 合格o2 .160o150第 30 页 8.挠曲次数=合格LmvY10009528 .7121000所以选高速带的种类为薄型绵纶片复合平带。带厚（2.253）401(1)301d 取标准，带厚为 3mm带宽 bvcifAKKKKpKb)(2mvv传递功率.kw工况系数拉力计算系1 . 1AK79. 0fK包角修正系数传动布置系数95. 0K0 . 1K传动比系数带的质量95. 0Ki33/1034. 1cmkgm带的许用拉应力aMP5 . 6带的离心拉应力2328 .711034. 1mvcaMP07. 0所以36310210)07. 05 . 6(95. 00 . 195. 079. 0100 . 71 . 1bmm5 .25取 b26mm作用在轴上的力带的预紧力推荐值为2sin21AForoaMP8 . 1带的截面积b2mmrF22 .160sin1090108 . 1246oKN32第 31 页 第六章第六章 控制系统设计控制系统设计6.16.1 确定硬件电路的总体方案确定硬件电路的总体方案 数控系统基本组成：任何一个数控系统都是有硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，有了硬件软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响数控系统的性能指标。数控系统的硬件电路概括起来有以下四部分组成：主控制器 即中央处理单元 CPU；总线 包括数据总线（DB） 、地址总线（AB）和控制总线（CB） ；存储器 包括可编程存储器和随机可读存储器；接口 即 I/O 输入/输出接口电路。 其中 CPU 是系统的核心，其作用是发布命令以及协调各部分电路。存储器用于存放系统软件以及运行过程中的各种数据。I/O 接口电路是系统与外界进行信息交换的桥梁。总线则是连接 CPU、存储器和 I/O 接口电路的纽带，是各部分进行通信的线路。 除此以外，还需要根据系统的要求配备一些外围设备和信号变换器。上图所示的数控系统硬件结构框图。信号交换电路包括 A/D 交换、D/A 转换等。6.26.2 主控制器主控制器 CPUCPU 的选择的选择在微机应用系统中，CPU 的选择应考虑以下三要素： 时钟频率和字长（控制数据处理速度） ；可扩展存储器（ROM/RAM）的容量；指令系统功能是否强（即变成的灵活性） 。I/O 扩展的能力：开发手段（包括支持开发的软件和硬件电路） 。 除此以外，还应根据系统应用场合
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