513 三坐标数控铣床设计【毕业论文+CAD图纸+开题报告】【机械全套资料】
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513 三坐标数控铣床设计【毕业论文+CAD图纸+开题报告】【机械全套资料】,坐标,数控,铣床,设计,毕业论文,cad,图纸,开题,报告,讲演,呈文,机械,全套,资料
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本科生毕业论文（设计）开题报告 论文题目： 三坐标数控 铣床 设计 学生姓名： 专 业： 班 级： 指导教师： 一 数控机床的产生与发展 科学技术的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最主要的措施之一。它不仅提高产品的质量、提高生产效率、降低生产成本、还能够大大改善工人的劳动条件。 大批量的自动化生产广泛采用自动机床、组合机床和专用机床以及专用自动生产线，实 行多刀、多工位同时加工，以达到高效率和高自动化。但这些都属于刚性自动化，在面对小批量生产时并不是适用，因为小批量生产需要经常变化产品的种类，这就要求生产线具有柔性。而从某种程度上说，数控机床的出现正是很大的满足了这一要求。 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（ 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 数控技术是近代发展起来的一种自动控制技术，是用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。目前，在工业发达国家，无论在国防工业或民用工业，数控机床的应用均已相当普遍。数控机床已不在局限用来加工单件、小批以及形状复杂的零件。 数控加工中心机床，它是在一般数控镗铣床上加装刀库和自动换刀装置。可以连续地对零件进行各加工面的铣 、钻、铰、镗以及攻丝的加工。减少了机床的占地面积，压缩了半成品的库存量，减少工序间的辅助时间，有效地提高了生产率。 可以预见，高级自动化技术将进一步证明数控机床的价值，并且正在更为广阔的开拓着数控机床的应用领域。 二 数控铣床的工作原理 用数控铣床加工零件时，首先应编制该零件的加工程序，这是数控铣床的工作指令。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严格按照加工工序规定的顺序、 运动轨迹加工出符合要求的零件。 三 数控铣床的组成 数控铣床的组成：机床、数控装置、控制介质、伺服系统、测量装置等组成。 机床：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。 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。它的功能是接受输入装置输入的加工信息，经过数控装置的系统软件对代码进行处理后，输入相应的指令脉冲，驱动伺服系统，来控制机床的各个运动部件按规定的要求实现各个运动。 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，也可通过通信接口直接输入所需各种信息。三坐标数控铣床采用通信接口直接输入所需各种信息。用键盘将加工程序直接键入，并且可在数码显示器或 示器上显示出来。 伺服系统：由伺服电动机和伺服驱动装置组成，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。伺服系统要求有良好的快速响应性能，进给速度范围要大，灵敏而准确的跟踪指令功能和转速，在较大的范围内 要求有良好的工作稳定性。此数控铣床的驱动元件为交流三相异步电动机。 测量装置：是将床身的实际位置、速度等参数转换成电信号反馈回数控装置。以校核执行部件实际运动速度、方向和位移量，并使之与加工指令相一致。 四 设计题目及技术要求 设计题目是三坐标数控铣床设计。从总体布局和结构形式，与普通铣床相似，主要还是由床身，主轴箱，刀架，进给系统，液压、冷却、润滑系统等部分组成。但是，由于动力源采用了交流伺服电机，控制系统实现了 以，使得主运动和进给系统机械结构大大简化。尤其是进给系统，与普通铣床的进给系统有质 的区别，没有传统的进给箱，板箱和挂轮架，而是直接由伺服电机通过滚球丝杠驱动溜板和刀架，实现进给运动。 主要设计要求：三坐标数控铣床，进给精度 X、 Y、 Z 坐标进给速度 2m/、 Y、行程 300 行程 250作台尺寸 420 300 五 数控铣床各组成部分的分析 1 X、 Y 工作台 X、 Y 工作台的组成： X、 Y 工作平台传动机构； X 向齿轮减速和滚珠丝杠传动方向（ 向相同）；驱动机构： X、 Y 向两个电机。 X、 Y 工作台的工作原理：通过控制 X、 Y 向电机驱动传动机构，从而带动 X、 Y 工作平台沿 X、 Y 向运动。 2 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。 3 导轨 由运动和承导件组成。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： （ 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） 有减小热变形影响。 （ 5） 要使运动轻便平稳。 （ 6） 要有一定的工艺性。 主要用来支承和引导部件沿一定的轧道运动。要求导向精度高，耐磨性能好，足够的刚度。本设计采用塑料导轨，镶粘塑料导轨已广泛用于数控机床。其摩擦系数小，且动、静摩擦差很小，能防止低速爬行现象；耐磨性、抗撕伤能力强；加工性和化学稳定性好；工艺简单，成本底；并有良好的自润滑性和抗震性。塑料导轨多与淬硬刚导轨相配使用。 滑动导轨间隙的调整：采相应的用刮、磨结合面或加 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。采用矩形导轨，这种导轨的特点是结构简单，制造、检验和修理较易，新导轨制造精度高，但导轨经磨损后不能自动补偿，导向性不如三角形导轨好。 三坐标数控铣床采用贴塑导轨，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。 塑料导轨和其它导轨相比，有以下特点： （ 1） 摩擦系数低而稳定性比铸铁导轨低一个数量级； （ 2） 动静摩擦系数相近，运动平稳性和爬行性能较铸铁导轨副好； （ 3） 吸收振动具有良好的阻尼性，优于接触刚度较低的滚动导轨和易于飘浮的静压导轨； （ 4） 耐磨性好，有自身润滑作用，无润滑油也能工作，灰尘磨粒的迁入性好； （ 5） 化学的稳定性好，耐高、低温、耐强酸强碱、强氟化剂及各种有机溶剂； （ 6） 维护修理方便，软带磨损后更易更换； （ 7） 经济性好、结构简单、成本低，约为滚动导轨成本的 1/120。三成复合材料 轨板成本的 1/4。 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。 4 进给装置 三坐标数控铣床的进给运动是数字控制的直接对象，不论点位控制还是连续控制，被加工工件的最后坐标精度和轮廓精度都受到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响。为此，要注意以下三点进给运动要求： （ 1） 减少运动件的摩擦力。进给系统虽有许多元件，但摩擦阻力主要来自丝杠和导轨。丝杠和导轨结构的滚动化是减少摩擦的重要措施之一。 （ 2） 提高传动精度和刚度。在进给系统中滚珠丝杠和支承结构是决定其传动精度和 刚度的主要部件，因此，必须首先保证它们的加工精度。 （ 3） 减少运动惯量。进给系统中每个元件的惯量对伺服机构的启动和制动特性都有直接的影响。尤其是处于高速运转的零件，其惯性的影响更大。 5 滚动丝杠 滚珠丝杠螺母副：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。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，构成一个闭和回路。它的优点是： （ 1） 摩擦系数小，传动效率高，可达 需传动转矩小。 （ 2） 灵敏度高，传动平稳，不易产 生爬行，随动精度和定位精度高。 （ 3） 磨损小，寿命长，精度保持性好。 （ 4） 可通过预紧和间隙消除措施提高轴向刚度和反向精度。 （ 5） 运动具有可逆性，不仅可以将旋转运动。 6 进给伺服系统 进给伺服系统的组成：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。 7 微处理器 用来集中控制，分时处理数控系统的各项任务。单微处理器机构的基本组成包括：微处理器和总线、存储 I/O 接口、 口、位置控制器、 机控制系统的硬件设计主要就是上述几个部分的具体设计。 六 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. 机电一体化设计手册 七 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 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。 1 中文摘要 三坐标数控铣床设计 毕业设计是在原有普通铣床的基础上 ,对其进行改造 ,成为三坐标数控铣床。该机床能通过三轴联动，实现曲线直线等不同的加工路线。 所设计的三坐标数控铣床，三个坐标方向的移动均由步进电机带动，主轴电机采用交流电机，所有电机均由单片机进行控制。设计主要对数控铣床的机构进行设计，了解单片机的工作原理，主要有以下几个方面： X、 Y,要是滚珠丝杠的运用；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；单片机控制系统的设计，进一步熟悉其应用。 在数控机 床系统中，加工精度和加工可靠性是伺服系统决定的，本文对普通铣床的数控化改造进行了分析和设计，通过对普通铣床的数控化改造，提高了普通铣床的加工能力和加工范围，节省了直接购买机床的部分资金，具有很好的经济效益。 关键词 铣床 , 数控 , 改造 , 三坐标 2 英文摘要 C on it it to a NC by x， y， by C is in by on of is to ,Y,Z of In a NC of on of a be a be 3 目录 中文摘要 . 1 英文摘要 . 2 目录 . 3 前言 . 1 第 1 章 概论 . 2 数控机床的产生及发展 . 2 数控机床的组成及分类 . 2 控机床的特点及应用范围 . 4 第 2章 设计主要参数及基本思想 . 5 题要求 . 5 设计原则 . 5 总结构设计 . 5 第 3 章 立式数控铣床的设计和计算 . 8 传动系统的设计 . 8 主轴系统计算 . 11 进给伺服系统的设计 . 13 进给传动的计算 . 14 第 4章 微机控制系统的设计 . 24 机控制系统组成及特点 . 24 微机控制系统设备介绍 . 25 程序部分 . 28 致 谢 . 32 参考文献 . 33 1 前言 随着人工智能在 计算机领域的渗透和发展，数控系统引入自适应控制模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动编程前馈控制模糊学习制自适应控制工艺参数自动生成三维刀具补偿运动参数动态补偿等功能，而且人机截面极为友好，并且有故障诊断专家系统使自和故障监控功能更趋完善。伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，自动识别负载并自动优化调整参数。直线电机驱动系统以使用化。 用数控铣床加工零件时，首先应编制该零件的加工程序，这是数控铣床的工作指令。将加工程序输入数控装置，再由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严格按照加工序规定的顺运动轨迹加工出符合要求的零件。 三坐标数控铣床的进给运动是数字控制的直接对象，不论点位控制还是连续控制，被加工工件的最后坐标精度和轮廓都受到进给运动的传精度灵敏度和稳定性的影响。为此，要注意以下三点进给运动要求： (1) 减少运动件的摩擦力。进给系统虽有许多元件，但摩擦阻力主要来自丝杠和导轨。丝杠和导轨结构的滚动化是减少摩擦的重要措施之一。 (2) 提高传动精 度和刚度。在进给系统中滚珠丝杠和支承结构是决定其传动精度和刚度的主要部件，因此，必须首先保证它们的加工精度。 (3) 减少运动惯量。进给系统中每个元件的惯量对伺服机构的启动和制动特性都有直接的影响。尤其是处于高速运转的零件，其惯性的影响更大。 设计是在原有普通铣床的基础上 ,对其进行改造 ,成为三坐标数控铣床。该机床能通过三轴联动，实现曲线直线等不同的加工路线。 所设计的三坐标数控铣床，三个坐标方向的移动均由步进电机带动，主轴电机采用交流电机，所有电机均由单片机进行控制。 此设计主要对数控铣床的机构进行设计，了 解单片机的工作原理，主要有以下几个方面： X、 Y、 Z 工作台的传动机构设计，主要是滚珠丝杠的运用；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；单片机控制系统的设计，进一步熟悉其应用。 2 第 1 章 概论 数控机床的产生及发展 随着社会生产和科学技术的发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型。特别是在宇航、造船、军事等领域所需的零件，精度要求高，形状复杂，批量小。普通机床已不能适应这些需求。为了满足上述要求，一种新型的机床 数字程序控制机床（简称数控机床）应运而生。 最早进行数控机床研制的是美国人。 1952 年，美国麻省理工学院成功地研制出一套三坐标联动，利用脉冲乘法器原理的数控机床。但这台数控机床仅是一台试验性的机床，当时用的电子元件是电子管。直到 1954年 11月，第一台工业用的数控机床才生产出来。 从此以后，世界上其他一些工业国家也多开始开发、生产及应用数控机床。我国数控机床的研制是从 1958 年起步的。 1965 年国内开始研制晶体管数控系统。从70 年代开始，数控技术 广泛应用于 车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工、点加工等领域，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构简单，使用方便、价格低廉，在模具加工中得到了推广。 80年代，我国从日本及美国、德国引进一些新技术。这使我国的数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。1985年，我国数控机床品种有了新的发展。 早期的数控机床控制系统采用电子管，体积大、功耗高，只在军事部门应用。只有在微处理机用于数控机床后，才真正使数控机床得到了普及。目前数控技术的主要发展趋势是：实现高速度，搞可靠性，高精度，大功率，多功能；采用微处理机和微型计算机，向着增强功能、降低造价、方便使用的目标进展；积极应用计算技术、系统工 程理论和控制技术的最新成果，像这综合自动化方向变革。 数控机床的组成及分类 控机床的组成 数控机床的种类繁多，但从组成一台完整的数控机床上讲，它由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体丝大部分以及辅助设备组成。如图（ 1）所示。 图 控机床组成示意图 （ 1） 控制介质 控制介质是指零件加工信息传送到数控装置去的信息载体。控制介质有多种形式，它随着数控装置的类型不同而不同，常用的有穿孔纸带、穿孔卡、磁带、磁盘等。另外，随着 些数 控设备利用 后通过计算机与数控系统通信，将程序和数据直接传送给数控装置。 （ 2） 数控装备 控制介质 数控装备 伺服装置 机床本 体 辅助装备 3 数控装置是数控机床的控制中心。它由输入装置、控制装置和输出装置等组成。如图（ 2）所示，划线框内位数控装置。 输入装置受控制介质上的信息，经过识别与译码之后，送到控制运算器。这些信息将作为控制与运算的原始依据。 控制运算器根据输入装置送来的信息进行运算，并将控制命令输送往输出装置。 输出装置将控制器发出的控制命令送到伺服系统，经功率放大，驱动机床完成相应的动作。 图 控装置组成示意图 （ 3） 伺服系统 伺服系统，亦称随动系统，是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度或力输出的自动控制系统。它是数控机床的执行机构，包括驱动和执行两大部分。伺服系统接受数控系统的指令信息，并按照指令信息的要求带动机床移动部件运动，以加工出符合要求的零件。指令信息是以脉冲信息体现的，每一脉冲使机床移动部件产生的位移叫脉冲当量 (常用的脉冲当量为 从自动控制理论的角度来分析，无论多么复杂的 伺服系统，都是有一些功能元件组成的。图（ 3）是由各功能元件组成的伺服系统基本结构方框图。 输入 输出量 指令 图 服系统基本结构方框图 目前数控机床的伺服系统中，常用的位移执行机构有功率步进电、直流伺服动机和交流伺服电动机，后两者都带有光电编码器等位置测量元件。 （ 4） 机床本体 机床本体是数控机床的主体，是用于完成各种切削加工的机械部分，它是在原有的普通机床的基础上改进而得到的，具有以下特点： 1) 数控机床采用了高性能的主轴及伺服系统传动系统，机械传动结构简化，传动链较短。 2) 数控机床机械结构具有较高的刚度，阻尼精度及耐磨性，热变形小。 3) 更多地采用 高效传动部件，如滚动丝杠副，直线滚动导轨等。 除了上述四个主要部分外，数控机床还有一些辅助装置和附属设备，如电器，控制介质 阅读机 输 入 装 备 控 制 器 输 出 装 置 伺 服 机 构 比较 元件 调节 元件 执行 元件 被控 对象 测量、反馈元件 4 液压，气动系统与冷却、排屑、照明、储运等装置以及编程机、对刀块等。 控机床的分类 （ 1）按控制系统的特点分类 1） 点位控制数控机床 点位控制机床的特点是只控制移动部件的终点位置，即控制移动部件由一个位置到另一个位置的精确定位，而对它们运动过程中的轨迹没有严格的要求，在移动和定位过程中不进行任何加工。 2) 线控制数控机床 直线控制数控机床的特点是刀具相对于工件的运动不仅要 控制两点键的准确位置（距离），还要控制两点之间移动的速度和轨迹。 3) 廓控制数控机床 轮廓控制又称连续控制，大多数数控机床具有轮廓控制功能。其特点是能同时控制两个以上的轴，具有插补功能。 4) 执行机构的控制方式分类 开环控制系统 它是指不带反馈装置的控制系统。 闭环控制系统 它是指在机床的运动部件上安装位移测量装置，将加工中测量到的实际位置值反馈到数控装置中，与输入值的指令相比较，用比较的差值控制移动部件，直到差值为零，即实现移动部件的精确定位。 半闭环控制系统 它是在开环控制系 统的丝杠上或进给电动机的轴上装有角位移检测装置。 (2)按工艺要求 金属切削类数控机床 金属成型类数控机床 数控特种加工机床 其它类的数控机床 (3)按数控机床的性能分类 档数控机床 中档数控机床 高档数控机床 控机床的特点及应用范围 控机床的特点 数控机床是一个装有程序控制系统的机床。它是一种高度机电一体化的产品。特点如下： （ 1） 工精度高 （ 2） 工生产率高 （ 3） 减轻劳动强度、改善劳动条件 （ 4） 良好的经济效益 （ 5） 有利于生产管理的现代化 控机床的应用范围 从最经 济的方面出发，数控机床适用于加工： （ 1）多品种小批量零件；（ 2）结构较复杂，精度要求较高的零件；（ 3）需要频繁改型的零件；（ 4）价格昂贵，不容许报废的关键零件；（ 5）需要小生产周期的急需零件。 5 第 2 章 设计主要参数及基本思想 题要求 题目名称（包括主要技术参数）及技术要求 立式升降台数控铣床 （ 1） Z 轴的行程分别为 300、 300、 250（ 2）进给精度 （ 3） X、 Y、 Z 轴快速进给速度分别为 6、 6、 3m/ （ 4）工作台面尺寸 300（ 5）脉冲当量 ； （ 6）重复定位精度 课题内容及工作量 (1) 简易数控铣床总图 张 (2) 1一张 (3) 部分零件图折合 张 (4) 轴部件图 (5) 控制原理图设计 张 (6) 计说明书一份 2万字以上 (7) 翻译 5000 汉字 (8) 上机编程 100句以上 注：全部图纸用计算机绘制，说明书由计算机输出。 设计原则 根据设计要求和铣床的具体情况，课题的基本设计方案如下： （ 1） 机床采用连续控制系统，定位方式采用增量坐标控制。 （ 2） 考虑到机床加工精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动。 （ 3） 进给传动的设计是机床设计的重点，数控机床必须有精确的进给传动系，才会有高的精度和表面质量。考虑到电机步距角和丝杠导程只能按标准选用，为达到分辨率 要求，需采用齿轮降速传动，利用电子控制系统消除误差。 （ 4） 为了保证一定的传动精度和平稳性，又要求机构紧凑，所以选用丝杠螺母副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。 （ 5） 传动系统要加上脉动装置。 以上为基本的设计方案，除了这些，课题应注 意机床的几何精度的修正，数控指令的显示和使用等。 总结构设计 控机床的机构设计要求 数控机床的结构设计要求 主要有以下 方面 : （ 1） 有 良好的抗振性能 和 很大的额定切削功率、高的静、动态刚度； （ 2） 有较高 的 热稳定性 和较高 的几何精度、传动精度、定位精度； （ 3） 有 数控系统及其介质 。 下面我们详述数控机床结构设计的主要要求 6 高机床的结构刚度 机床的刚度是指切削力和其它力作用下 ,抵抗变形的能力。机床在切削过程当中，要承受各种外力的作用，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：切削力、驱动力、加减速时引起的惯性力、摩擦阻力等。组成机床的结构部件在这种力作用下将产生变形。如固定连接表面或啮合运动表面的接触变形；各支撑零件不得弯曲和扭转变形，以及某些支撑件的局部变形等，这些变形都会直接或间接的引起刀具和工件之间的相对位移，从而导致工件的加工误差，或者影响机床切削过程的特性。 (1) 选择及布置隔板和筋条 床身的静刚度 是 直接影响机床的加工精度 和 其生产率 的主要因素之一 。 而 静刚度 及 固有频率，是影响动刚度的重要因素。支承件的隔板和筋条 的合理性 ，可提高构件的静、动刚 度。 (2) 结构刚度 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。机床的导轨和支承件往往是局部刚度最弱的部分，在本次设计中，采用双臂联接形式 ，X、 (3) 采用焊接结构的构件 采用钢板和型钢而不采用铸件的原因： 1）钢的弹性模量约为铸铁的两倍，因此采用钢板焊接结构床身有利于提高固有频率。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。 2）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。 3）钢可以提高构件的谐振频率使共振不易发生。 4）钢板焊接能将构件做成全封闭的箱形结构，提高刚度。焊接结构床身的突出优点是制造周期短，一般比铸铁快 。省去了制作木模和铸造工序，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，减少质量。 合理的结构布局可以提高刚度，机床的工作头部分由于重力作用将会使机床立柱产生弯曲变形，切削力将使立柱产生弯曲和扭转变形。这些变形将影响到加工精度。故本次设计中将采取通过在 立柱上方安装两组定滑轮来平衡重力的方法，来减少立柱的变形，提高机床的刚度。 提高进给运动的平稳性和精度 数控机床各坐标轴进给运动的精度极大的影响零件的加工精度。在开环进给系统中运动精度取决于系统各组成环节，特别是机械传动部件的精度；在闭环和半闭环进给系统中，位置监测装置的分辨率对运动精度有决定性的影响，但是机械传动部件的特性对运动精度也有一定的影响。通常在开环进给系统中，设定的脉冲当量为 际的定位精度最好的情况也只能达到 闭环进给系统中， 7 设定的脉冲当量（或 称最小设定单位）一般为 指令进给系统做单步进给（即每次移动 ，开始一两个单步指令，进给部件并不动作，到第三个单步指令时才突跳一段距离，以后又如此重复。这些现象都是因为进给系统的低速爬行现象引起的，而低速爬行现象又决定于机械传动部件的特性。 本设计 采取的 方案 有：（ 1）减少 静 、 动摩擦系数之差 （ 2）提高系统的传动刚度 。 8 第 3 章 立式数控铣床的设计和计算 传动系统的设计 主传动系统一般由动力源（如电动机）、变速装置及执行元件（如主轴、刀架、工作台），以及开停、换向和制动机构等部分组成。动力源给执行元件提供动力，并使其得到一定的运动速度和方向 ,变速装置传递动力以及变换运动速度，执行元件执行机床所需的运动，完成旋转或直线运动。 现代切削加工正朝着高速、高效和高精度方向发展，对机床的性能提出越来越高的要求，如转速高，调速范围大，恒扭矩调速范围达 1： 100 1： 1000，恒功率调速范围达 1： 10 以上；更大的功率范围达 250在 切削加工中自动变换速度；机床结构简单，噪声小，动态性能好，可靠性高等。数控机床主传动设计应满足如下特点： （ 1）动采用直流或交流电动机无级调速 （ 2）数控机床驱动电动机和主轴功率特性的匹配设计 （ 3）数控机床高速主传动设计 （ 4）数控机床采用部件标准、模块化结构设计 （ 5）数控机床的柔性化、复合化 （ 6）虚拟轴机床设计 为了适应数控机床加工范围广、工艺适应性强、加工精度高和自动化程度高等特点，要求主传动装置应具有以下特点： （ 1） 具有较大的调速范围，并实现无级调速。无机变速传动在一定的变 速范围内连续改变转速，以便得到最有利的切削速度；能在运转中变速，便于实现变速自动化；能在负载下变速，便于车削大端面时保持恒定的切削速度，以提高生产效率和加工质量。 （ 2） 具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪音低。数控机床加工精度的提高，与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的精度与刚度，采用高精度轴承及合理的支撑跨距等，以提高主轴组件的刚性。 （ 3） 良好的抗振兴和热稳定性。数控机床一般既要进行粗加工，又要精加工；加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀 运动部件不平稳以及切削过程 中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具或零件，使加工无法进行。因此主传动系统中的各主要零部件不但要具有一定的刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力 抗振性。抗振性用动刚度或动柔度来衡量。例如主轴组件的动刚度取决于主轴的当量静刚度 阻尼比及固有频率等参数。 机床在切削加工中主传动系统的发热使其中所有零部件产生变形，破坏了零部件之间的相对位置精度和运动精度造成的加工误差，且热变形限制了切削用量的提高，降低传动效率，影响到生 产率。为此，要求主轴部件有较高的热稳定性，通过保持合适的配合精度，并进行循环润滑保持热平衡等措施来实现。 传动变速系统 普通机床一般采用机械有级变速调速传动，而数控机床需要自动变速；且在切削阶梯轴的不同直径，且削曲线旋转面和断面时，需要随切削的直径的变化而自 9 动变速，以保持切削速度基本恒定。这些自动变速又是无级变速，以利于在一定的调速范围内选用到理想的切削速度，这样既有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。 机床主传动中常采用得无级变速装置有三大类：变速电动机、机械无级变速装置和液压无级变速 装置。 无级变速主传动系设计原则： 一为尽量选择功率和扭矩特性符合传动系要求的无级变速装置。如铣床主传动系要求恒功率传动，就应选择恒功率无级变速装置。二为无级变速系统装置单独使用时，其调速范围较小，尤其是恒功率调速范围往往小于机床实际需要的恒功率变速范围。为此，常把无级变速装置宇机械分级变速箱串联在一起使用，以扩大恒功率变速范围和整个变速范围。 （ 1） 主轴部件设计 主轴部件的性能要求 主轴部件是机床主要部件之一，它是机床的执行元件。他的功用是支承并带动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载 荷，完成表面成型运动。主轴部件由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成。 主轴部件的工作性能对整机性能和加工质量以及机床生产效率有着直接影响，是决定机床性能和技术经济指标的重要因素。因此，对主轴部件有如下要求： 1）轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动的条件下，主轴安装工件或刀具部位的定心表面（如车床轴端的定心短锥、锥孔，铣床轴端的 7： 24锥孔）的径向和轴向跳动。旋转精度取决于的主要件如主轴、轴承、壳体孔等的制造、装配和调整精度。工件转速下的旋转精度还取决于主轴的转速、轴承的性能，润 滑剂和主轴组件的平衡。 2 ）刚度 主轴部件的刚度是指其在外载荷作用下抵抗变形的能力，通常以主轴前端产生单位位移的弹性便形时，在位移方向上所施加的作用力来定义的。主轴部件的刚度是综合刚度，它是主轴、轴承等刚度的综合反映。因此，主轴的尺寸和形状、滚动轴承的类型和数量、预紧和配置形式、传动件的布置方式、主轴部件的制造和装配质量等都影响主轴部件的刚度。 3）温升 因个相对运动处的摩擦生热，切削取得切削热等使主轴温度升高将引起热变形使主轴伸长，轴承间隙的变化，降低了加工的精度；温升也会降低润滑剂的粘度，恶化润滑条件 。因此，各类机床对温升都有一定的限制。 4）可靠性 数控机床是高度自动化的机床，所以必须保证工作可靠性，可喜的地方是这方面的研究正在发展。 5）精度保持性 它指长期保持其原始制造精度的能力。对数控机床的主轴组件必须有足够的耐磨性，以便长期保持精度。 （ 2）主轴部件的组成和轴承选型 1) 主轴部件，它由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成。 2) 主轴的传动件，可以位于前后支承之间，也可位于后支承之后的主轴后悬伸端。目前传动件位于后悬伸端的越来越多。这样做，可以实现分离传动和模块化设计：主轴组件（ 称为主轴单元）和变速箱可以做成独立的功能部件，又专门的工厂集中生产，作为商品出售。变速箱和主轴间可用齿轮副或带传动联接。本三坐标曲面数控铣床采用带传动联接。主轴支承分径向和推力（轴向）。角接触球轴承兼起径向和推力支承的作用。推力支承应位于前支承内，原因是数控机床的坐标原点， 10 常设定在主轴前端。为了减少热膨胀造成的坐标原点的位移，应尽量缩短坐标原点支推力支承之间的距离。 3) 主轴轴承，选用角接触球轴承。这种轴承即可承受径向载荷，又可承受轴向载荷。这种球轴承为点接触，刚度较低。为了提高刚度和承载能力，长采用多联组配的办法。有三种基本组配方式，分别为背对背，面对面和同向组配，背靠背和面对面组配都能受双向轴向载荷；同向组配只能承受单向轴向载荷。背对背比面对面安装的轴承具有较高的抗颠覆力矩的能力。运转时，轴承的外圈的散热条件比内圈好，因此，内圈的温度将高于外圈，径向膨胀的结果将使轴承的过盈加大。轴向膨胀对背靠背组配将使过盈减少，于是，可以补偿一部分径向膨胀；而对于面对面组配，将使过盈进一步加大。基于上述分析，主轴受到弯距，又属高速运转，因此主轴轴承必须采用背靠背组配。 4) 角接触球轴承的间隙调整和预紧 主轴轴承的内部 间隙，必须能够调整，多数轴承，还应在过盈状态下工作，使滚动体和导轨之间有一定的预变形，这就是轴承的预紧。 轴承预紧后，内部无间隙，滚动体从各个方向支承主轴，有利于提高运动精度。滚动体的直径不可能绝对相等，滚道也不可能绝对正圆，因而预紧前只有部分滚导体与滚道接触。预紧后，滚导体和滚道都有了一定的变形，参加工作的滚动体将增多，各滚动体的受力将更加均匀。这些都有利提高轴承的精度、刚度和寿命。如主轴产生振动，则由于各个方面都有滚动体支承，可以提高抗振性。但是，预紧后发热较多，温升较高；且较大的预紧将使寿命下降，故预 紧要适量。 角接触球轴承在轴向力的作用下，使内外圈产生轴向错位实现预紧，衡量预紧力大小的是轴向预紧力，简称预紧力 位为 N。多联角接触球轴承是根据预紧力组配的。轴承厂规定了轻预紧、中预紧和重预紧三级预紧。订货时可指定预紧级别。轴承厂在内圈（背靠背组配）或外圈（面对面组配）的端面根据预紧力磨去。装配时挤紧，便可得到预定的预紧力。如果两个轴承间需要隔开一定的距离，可在两轴承之间加入厚度相同的内外隔套。在轴向载荷的作用下，不受力侧轴承的滚动体与滚道不能脱离接触。而满足这个条件的最小预紧力，双联组配为最大轴 向载荷的 35%。 5) 承载能力和寿命 主轴轴承通常载荷相对较轻。除上些特殊重载主轴外轴承的承载能力是没有问题的。主轴轴承的寿命，主要不是取决于疲劳点蚀，而是由于磨损而降低精度。通常，如轴承精度为 ，经使用磨损后跳动精度降为 ,这个轴承就认为应该更换了。虽然还未达到其疲劳寿命，但这种“精度寿命”目前还难以估计。 （ 3） 主轴组件的动态特性 通常，主轴组件的固有频率很高，但是，高速主轴，特别是带内装式电动机高速主轴，电动机转子是一个集中质量，将使固有频率下降，有可能发生共振。改善动态特性，可采取下列措 施： 1) 是主轴组件的固有频率避开激振力频率。通常使固有频率高于激振频率的30%以上。如果发生共振的那阶模态属于主轴在弹性基础上（轴承）的刚体振动的第一阶（平移）和第二阶（摇摆）模态，则应提高轴承的刚度。如果属于主轴的弯曲振动，则应提高主轴的刚度，如加粗直径。 激振力可能来自主轴组件的不平衡，这时激振频率等于主轴转速乘以 /30。也可能来自断续切削，这时激振频率还应乘以刀齿数 Z。 11 2） 增大比尼。如前所述，降低模态，常是主轴的刚度振动。这时主轴轴承，特别是前轴承的阻尼对主轴组件的抗振性影响很大。 如果要求得到很光的加工表面，滚动轴承适当预紧可以增大阻尼，但过大的预紧反而使阻尼减少，故选择预紧时还因考虑阻尼因素。 3） 采用消振装置。 （ 4）主轴轴承的润滑 滚动轴承在接触区的压强很高，在这么高的压强下，接触区产生变形，是一块小面积的接触而不是一条线或一个点的接触；润滑剂在高压下被压缩，粘度升高了。因此，才能在滚动体与滚道的接触区，形成一定厚度的油膜，把两者隔开，滚道体与滚道的接触面积很小，所以，滚动轴承所需的润滑剂很少的。当然，也可用脂润滑，还有用油气润滑的。 (1) 脂润滑 滚动轴承能用脂润 滑是它的突出优点之一。脂润滑不需要供油管路和系统，没有漏油问题。如果脂的选择合适、洁净、密封良好，不使灰尘、油、切削液等进入，寿命是很长的。一次充填可用到大修，不需补充，也不要加脂孔。 脂润滑可选用锂基脂，如 用于球轴承）。 (2) 油气润滑 如果 需对轴承进行冷却。如果用油兼作润滑和冷却，则由于油的搅拌作用，温升反而会增加。最好用油润滑，用空气冷却。油雾润滑需能达到这个目的，但是易污染环境。比较好的方法是油气润滑：在吹向轴承的空气中定期地注入油，油并不雾化，用后可回收，不 污染环境。油用于润滑，空气用于冷却。 主轴系统计算 三角胶带传动的计算和选定 三角带的选用应保证有效地传递最大功率（不打滑）并有足够的使用寿命（一定的疲劳强度）。 (1) 确定计算功率 中： 工况系数 P 电机额定功率 2) 选择三 角带型号 根据 图 7带 (3) 确定带轮直径 小带轮直径 满足： D 1 D 查表 7 D ,故选择D (4) 计算胶带速度 25/ 0 0 0 1250100100060 11 故 择合格 D 0 01 0 0212 12 (5) 确定中心距 d)(1 )(2210 得 002100 初选 000 带长 0784)()(22 0212210 查表 7 000中心距 6 120 4 60 1 a x (6) 验算小带伦包角 1 0 121 得 1201621 ， 即满足条件。 (7) 确定 z z)( 00 由表 7得 )11(10 由表 7得 得 1199.11( 由表 7 K 代入求根公式，得 取 z=6,符合表 7(8) 确定出拉力0F 13 20 ) 0 0 d 由表 7 20 1 (9) 计算作用在轴上的压力 Q 2216 2s 62 进给伺服系统的设计 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： (1) 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 14 在动态设计方面的要求有： (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 (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). 时间响应特性 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
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