普通銑床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)

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畢業(yè)論文 普通銑床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 李 穎 學(xué) 號(hào)： 01320131X01 所在系部： 機(jī) 械 系 專業(yè)班級(jí)： 13gz數(shù)控1班 指導(dǎo)教師： 謝 衛(wèi) 蓉 日 期： 2016年5月 附一： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 系 部 機(jī)械工程系 指導(dǎo)教師 謝衛(wèi)容 職 稱 講師 學(xué)生姓名 李穎 專業(yè)班級(jí) 13gz數(shù)控1 學(xué) 號(hào) 設(shè)計(jì)題目 普通銑床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 設(shè) 計(jì) 內(nèi) 容 目 標(biāo) 和 要 求 （設(shè)計(jì)內(nèi)容目標(biāo)和要求、設(shè)計(jì)進(jìn)度等） 本課題改造設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床，應(yīng)滿足實(shí)用和加工精度的要求。 1. 調(diào)研：了解各種數(shù)控銑床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中二維工作臺(tái)的工作性能和加工要求情況，了解開(kāi)環(huán)伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)，提出應(yīng)滿足的技術(shù)要求和條件，分析、比較各種可能的方案并提出初步設(shè)計(jì)方案； 2. 研究和確定數(shù)控銑床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，要求有必要的分析和計(jì)算過(guò)程； 3. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要求畫出總體結(jié)構(gòu)圖、關(guān)鍵零部件圖并對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行校核和驗(yàn)算； 4. 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，畫出控制系統(tǒng)原理圖； 5. 撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書（30-40頁(yè)左右）； 6. 基本技術(shù)要求： 結(jié)構(gòu)尺寸：普通銑床 數(shù)控車床的設(shè)計(jì)參數(shù)： 規(guī) 格 工作臺(tái)行程(mm) 工作臺(tái)、夾具及工作重力(N) 工作臺(tái)快移速度(m/min) 最大進(jìn)給速度(m/min) 走刀方向最大切削分力/垂向最大切削分力x,y向相同(N) 啟動(dòng)加速時(shí)間ms 定位精度 mm X縱向 Y橫向 X縱向 Y橫向 X縱向 Y橫向 X縱向 Y橫向 1250 320 680 240 3300 5500 16 16 0.6 0.6 2750/2200 40 0.01 根據(jù)數(shù)控機(jī)床要求，由調(diào)研確定工作臺(tái)定位精度和重復(fù)定位精度、脈沖當(dāng)量等參數(shù)； 7. 繪制主要零部件圖不少于2張，裝配圖1張； 8. 自選其中某個(gè)零件用PRO/E繪制三維零件圖。 9. 設(shè)計(jì)進(jìn)度： 1)、1—5 周，主要進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作，熟悉題目，收集資料，進(jìn)行畢業(yè)實(shí)習(xí)，明確研究目的和任務(wù)，構(gòu)思總體方案； 2)、6—10周，設(shè)計(jì)計(jì)算，繪圖； 3)、11—13周，編寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。 指導(dǎo)教師簽名：謝衛(wèi)容 年 月 日 系 部審 核  2-1 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）學(xué)生開(kāi)題報(bào)告 課題名稱 普通銑床數(shù)控化改造技術(shù) 課題類型 實(shí)踐應(yīng)用型 指導(dǎo)教師 謝衛(wèi)蓉 學(xué)生姓名 李穎 學(xué) 號(hào) 01320131x01 專業(yè)班級(jí) 13gz數(shù)控一班 本課題的研究現(xiàn)狀、研究目的及意義 數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備。世界各國(guó)信息產(chǎn)業(yè)、生物產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國(guó)防工業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對(duì)市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國(guó)家的戰(zhàn)略物資，不僅大力發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在"高精尖"數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對(duì)我國(guó)實(shí)行封鎖和限制政策。因此大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國(guó)家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國(guó)力和國(guó)家地位的重要途徑。 　數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過(guò)程進(jìn)行控制的技術(shù)，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，如數(shù)控機(jī)床等。其技術(shù)涉及多個(gè)領(lǐng)域。 數(shù)控技術(shù)是一個(gè)比較先進(jìn)的技術(shù)，我過(guò)的信息化技術(shù)主要是依靠引進(jìn)國(guó)外的技術(shù)，而外放在許多高端的核心技術(shù)上有著掌控地位，我們對(duì)國(guó)外的依存度較高，我國(guó)現(xiàn)需要大量從研究開(kāi)發(fā)到使用維修方面各個(gè)層次的技術(shù)人才。在各國(guó)制造業(yè)廣泛使用數(shù)控化技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對(duì)動(dòng)態(tài)多變市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。 所以我們應(yīng)該盡自己所學(xué)，讓自己國(guó)家的數(shù)控化技術(shù)向著一個(gè)更高的平臺(tái)去發(fā)展，讓我國(guó)的數(shù)控化技術(shù)走上頂端，大力發(fā)展以數(shù)控為核心的先進(jìn)數(shù)控化技術(shù)已成為各發(fā)達(dá)國(guó)家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展提高綜合國(guó)力和國(guó)家地位的重要途徑。 課題類型：課題類型： A-理論探究型 B-實(shí)踐應(yīng)用型 2-2 本課題的研究?jī)?nèi)容 主要了解各種數(shù)控銑床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中二維工作臺(tái)的工作性能和加工要求情況，了解開(kāi)環(huán)伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)，提出應(yīng)滿足的技術(shù)要求和條件，分析、比較各種可能的方案并提出初步設(shè)計(jì)方案；研究和確定數(shù)控銑床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，要求有必要的分析和計(jì)算過(guò)程；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要求畫出總體結(jié)構(gòu)圖、關(guān)鍵零部件圖并對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行校核和驗(yàn)算 （1）根據(jù)機(jī)床要求，采用PLC控制。由于PLC控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好，工作環(huán)境 不挑剔，易于檢修等特點(diǎn)，且對(duì)PIC系統(tǒng)較為熟悉，因此采用PLC控制系統(tǒng)系統(tǒng)； （2）數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可以分為直線運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)兩大類。直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)包括機(jī)床的基本坐標(biāo)軸（X、Y、Z軸）以及和基本坐標(biāo)軸平行的坐標(biāo)軸（U、V、W等）的運(yùn)動(dòng)；圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是指繞基本坐標(biāo)軸X、Y、Z回轉(zhuǎn)的坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)。 （3）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括控制系統(tǒng)硬件的基本組成，控制系統(tǒng)軟件的組成與結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)伺服控制系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng) 本課題研究的實(shí)施方案、進(jìn)度安排 為了滿足以上技術(shù)要求，采取以下技術(shù)方案： （1） 工作臺(tái)工作面尺寸：1250*320 （2） 對(duì)滾珠絲杠采取預(yù)緊措施，并對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行預(yù)緊拉伸 （3） 采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) （4） 將伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠連 進(jìn)度安排： 5.3-5.7，準(zhǔn)備工作，查找需要用到的資料，明確研究目的及內(nèi)容，構(gòu)思方案 5.8-5.15，開(kāi)始繪圖 5.16-5.25，準(zhǔn)備答辯 2-3 已查閱的主要參考文獻(xiàn) [1]周驥平.機(jī)械制造自動(dòng)化技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2003 [2]彭文生，李志明，黃華梁.主編.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社.2002.8 [3]吳宗澤，羅圣國(guó)主編.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：高等教育出版社.1999.6 [4]成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：:機(jī)械工業(yè)出版社 [5]成大先主編. 第1卷/機(jī)械設(shè)計(jì)圖冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2000.5 [6]文懷興主編. 數(shù)控銑床設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2006.1 [7]機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)編委會(huì)編寫. 第1卷/機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社 [8]曲玉峰.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：中國(guó)林業(yè)出版社.2006. [9]張永宇.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009. [10]廖效果.數(shù)控技術(shù)[M].武漢：湖北科技技術(shù)出版社，2000. 指導(dǎo)教師意見(jiàn) 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 3 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）學(xué)生申請(qǐng)答辯表 課 題 名 稱 普通銑床數(shù)控化改造技術(shù) 指導(dǎo)教師(職稱) 謝衛(wèi)蓉（講師） 申 請(qǐng) 理 由 畢業(yè)設(shè)計(jì)已完成（申請(qǐng)答辯） 學(xué)生所在系部 機(jī)械工程系 專業(yè)班級(jí) 13gz數(shù)控一班 學(xué)號(hào) 01320131x01 學(xué)生簽名： 日期： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)教師評(píng)審表 序號(hào) 評(píng)分項(xiàng)目（理工類） 滿分 評(píng)分 1 工作量 15 2 文獻(xiàn)閱讀與外文翻譯 10 3 技術(shù)水平與實(shí)際能力 25 4 研究成果基礎(chǔ)理論與專業(yè)知識(shí) 25 5 文字表達(dá) 10 6 學(xué)習(xí)態(tài)度與規(guī)范要求 15 總 分 100 評(píng) 語(yǔ) （是否同意參加答辯） 指導(dǎo)教師簽名： 另附《畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)記錄冊(cè)》 年 月 日 4 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱人評(píng)審表 學(xué)生姓名 李穎 專業(yè)班級(jí) 13gz數(shù)控一班 學(xué)號(hào) 01320131x01 設(shè)計(jì)(論文)題目 普通銑床數(shù)控化改造技術(shù) 評(píng)閱人 評(píng)閱人職稱 序號(hào) 評(píng)分項(xiàng)目（理工類） 滿分 評(píng)分 1 工作量 15 2 文獻(xiàn)閱讀與外文翻譯 10 3 技術(shù)水平與實(shí)際能力 25 4 研究成果基礎(chǔ)理論與專業(yè)知識(shí) 25 5 文字表達(dá) 10 6 學(xué)習(xí)態(tài)度與規(guī)范要求 15 總 分 100 評(píng) 語(yǔ) 評(píng)閱人簽名： 年 月 日 5 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯表 學(xué)生姓名 李穎 專業(yè)班級(jí) 13gz數(shù)控一班 學(xué)號(hào) 01320131x01 設(shè)計(jì)(論文)題目 普通銑床數(shù)控化改造技術(shù) 序號(hào) 評(píng)審項(xiàng)目 指 標(biāo) 滿分 評(píng)分 1 報(bào)告內(nèi)容 思路清晰；語(yǔ)言表達(dá)準(zhǔn)確，概念清楚，論點(diǎn)正確；實(shí)驗(yàn)方法科學(xué)，分析歸納合理；結(jié)論有應(yīng)用價(jià)值。 40 2 報(bào)告過(guò)程 準(zhǔn)備工作充分,時(shí)間符合要求。 10 3 創(chuàng) 新 對(duì)前人工作有改進(jìn)或突破，或有獨(dú)特見(jiàn)解。 10 4 答 辯 回答問(wèn)題有理論依據(jù)，基本概念清楚。主要問(wèn)題回答準(zhǔn)確，深入。 40 總 分 100 答 辯 組 評(píng) 語(yǔ) 答辯組組長(zhǎng)（簽字）： 年 月 日 答辯 委員會(huì) 意見(jiàn) 答辯委員會(huì)負(fù)責(zé)人（簽字）： 年 月 日 6-1 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯記錄表 學(xué)生姓名 李穎 專業(yè)班級(jí) 13gz數(shù)控一班 學(xué)號(hào) 01320131x01 設(shè)計(jì)(論文)題目 普通銑床數(shù)控化改造技術(shù) 答辯時(shí)間 答辯地點(diǎn) 答辯委員會(huì)名單 問(wèn)題1 提問(wèn)人： 問(wèn)題： 回答（要點(diǎn)）： 問(wèn)題2 提問(wèn)人： 問(wèn)題： 回答（要點(diǎn)）： 問(wèn)題3 提問(wèn)人： 問(wèn)題： 回答（要點(diǎn)）： 記錄人簽名 （不足加附頁(yè)） 7 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成績(jī)?cè)u(píng)定總表 學(xué)生姓名：李穎 專業(yè)班級(jí)：13gz數(shù)控一班 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：普通銑床數(shù)控化改造技術(shù) 成績(jī)類別 成績(jī)?cè)u(píng)定 Ⅰ指導(dǎo)教師評(píng)定成績(jī) Ⅱ評(píng)閱人評(píng)定成績(jī) Ⅲ答辯組評(píng)定成績(jī) 總評(píng)成績(jī) Ⅰ40%+Ⅱ20%+Ⅲ40% 評(píng)定等級(jí) 注：成績(jī)?cè)u(píng)定由指導(dǎo)教師、評(píng)閱人和答辯組分別給分(以百分記)，最后按“優(yōu)(90--100)”、“良(80--89)”、“中(70--79)”、“及格(60--69)”、“不及格(60 以下)”評(píng)定等級(jí)。其中，指導(dǎo)教師評(píng)定成績(jī)占40%，評(píng)閱人評(píng)定成績(jī)占20%，答辯組評(píng)定成績(jī)占40%。 摘 要 目前鑒于機(jī) 械制 造行業(yè)對(duì)于加 工精 度與加工效 率的要求不 斷提升，普 通銑 床已難以承擔(dān)以上重 任。但基于普通 銑床基數(shù)大數(shù)控銑 床價(jià)格昂貴的前提，普 通銑床數(shù)控化 改造勢(shì)在必行。改造完成的新型機(jī)床具有適應(yīng)性較強(qiáng)、加工精度較高、生產(chǎn)效率較高和加工質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。它綜 合地應(yīng)用了計(jì)算機(jī)應(yīng)用、自動(dòng) 控制、伺 服驅(qū)動(dòng)、高精 度測(cè)量和創(chuàng) 新的機(jī) 械結(jié)構(gòu)等多 方 面的前 沿技術(shù)，是今后機(jī) 床控制的明 確發(fā)展方向之一。 關(guān)鍵詞：普通銑床；數(shù)控化改造；伺服系統(tǒng)；滾珠絲杠 目 錄 摘 要 11 第一章 緒 論 13 1.1 數(shù)控機(jī)床的組成 13 1.2 機(jī)床數(shù)控化改造的意義 15 1.3 機(jī)床數(shù)控化改造的必要性和迫切性 15 第二章 銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)的改造設(shè)計(jì) 17 2.1 介紹 17 2.1.1 數(shù)控銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn) 17 2.1.2 數(shù)控銑床對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的基本要求 18 2.2 銑床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)控化改造 19 2.2.1數(shù)控銑床對(duì)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的基本要求 20 2.2.2數(shù)控銑床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的基本型式 21 2.2.3數(shù)控改造銑床進(jìn)給系統(tǒng)的型式及介紹 23 第三章 普通銑床數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的擬定 25 3.1 總體方案確定 25 3.1.1系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇 25 3.1.2控制系統(tǒng) 25 3.1.3機(jī)械傳動(dòng)方式 25 第四章 普通銑床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分 26 4.1 設(shè)計(jì)計(jì)算 26 4.1.1系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的選擇 26 4.1.2滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 27 4.1.3 滾珠絲杠螺母副的選用與設(shè)計(jì) 27 4.2 縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算 33 4.2.1等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 33 4.2.2計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率 36 第五章 普通銑床電氣部分改造 37 總 結(jié) 39 參考文獻(xiàn) 40  第一章 緒 論 1.1 數(shù)控機(jī)床的組成 如下圖所示，數(shù)控機(jī)床由一下幾個(gè)部分組成： 1、程序編制及程序載體 數(shù)控機(jī)床自動(dòng)加工零件的工作指令是數(shù)控程序。在對(duì)加工零件進(jìn)行工藝分析的基礎(chǔ)上，要先確定零件坐標(biāo)系在機(jī)床坐標(biāo)系上的相對(duì)位置，刀具與零件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的尺寸參數(shù)；零件加工的工藝路線或加工順序；主運(yùn)動(dòng)的起、停、換向、變速；進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度、位移大小等工藝參數(shù)，以及輔助裝置的動(dòng)作。得到零件的所有運(yùn)動(dòng)、尺寸、工藝參數(shù)等加工信息后，用由文字、數(shù)字和符號(hào)組成的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控代碼，按規(guī)定的方法和格式，編制零件加工的數(shù)控程序單。 把已經(jīng)編好的數(shù)控程序，存放在便于輸入到數(shù)控裝置的一種存儲(chǔ)載體上，它可以是穿孔紙帶、磁帶和磁盤等，采用哪一種存儲(chǔ)載體，取決于數(shù)控裝置的設(shè)計(jì)類型。 （1）輸入裝置 輸入裝置的作用是將程序載體（信息載體）上的數(shù)控代碼傳遞并存入數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)。根據(jù)控制存儲(chǔ)介質(zhì)的不同，輸入裝置可以是光電閱讀機(jī)、磁帶機(jī)或軟盤驅(qū)動(dòng)器等。數(shù)控機(jī)床加工程序也可通過(guò)鍵盤用手工方式直接輸入數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控加工程序還可由編程計(jì)算機(jī)用RS232C或采用網(wǎng)絡(luò)通信方式傳送到數(shù)控系統(tǒng)中。 零件加工程序輸入過(guò)程有兩種不同的方式：一種是邊讀入邊加工（數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)存較小時(shí)），另一種是一次將零件加工程序全部讀入數(shù)控裝置內(nèi)部的存儲(chǔ)器，加工時(shí)再?gòu)膬?nèi)部存儲(chǔ)器中逐段逐段調(diào)出進(jìn)行加工。 （2）數(shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心。數(shù)控裝置從內(nèi)部存儲(chǔ)器中取出或接受輸入裝置送來(lái)的一段或幾段數(shù)控加工程序，經(jīng)過(guò)數(shù)控裝置的邏輯電路或系統(tǒng)軟件進(jìn)行編譯、運(yùn)算和邏輯處理后，輸出各種控制信息和指令，控制機(jī)床各部分的工作，使其進(jìn)行規(guī)定的有序運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作。 零件的輪廓圖形往往由直線、圓弧或其他非圓弧曲線組成，刀具在加工過(guò)程中必須按零件形狀和尺寸的要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，即按圖形軌跡移動(dòng)。但輸入的零件加工程序只能是各線段軌跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)值等數(shù)據(jù)，不能滿足要求，因此要進(jìn)行軌跡插補(bǔ)，也就是在線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)值之間進(jìn)行“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化”，求出一系列中間點(diǎn)的坐標(biāo)值，并向相應(yīng)坐標(biāo)輸出脈沖信號(hào)，控制各坐標(biāo)軸（即進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的各執(zhí)行元件）的進(jìn)給速度、進(jìn)給方向和進(jìn)給位移量等。 （3）輔助控制裝置 輔助控制裝置的主要作用是接收數(shù)控裝置輸出的開(kāi)關(guān)量指令信號(hào)，經(jīng)過(guò)編譯、邏輯判別和運(yùn)動(dòng)，再經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電器，帶動(dòng)機(jī)床的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等輔助裝置完成指令規(guī)定的開(kāi)關(guān)量動(dòng)作。這些控制包括主軸運(yùn)動(dòng)部件的變速、換向和啟停指令，刀具的選擇和交換指令，冷卻、潤(rùn)滑裝置的啟動(dòng)停止，工件和機(jī)床部件的松開(kāi)、夾緊，分度工作臺(tái)轉(zhuǎn)位分度等開(kāi)關(guān)輔助動(dòng)作。 （4）驅(qū)動(dòng)裝置和位置檢測(cè)裝置 驅(qū)動(dòng)裝置接受來(lái)自數(shù)控裝置的指令信息，經(jīng)功率放大后，嚴(yán)格按照指令信息的要求驅(qū)動(dòng)機(jī)床移動(dòng)部件，以加工出符合圖樣要求的零件。因此，它的伺服精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能是影響數(shù)控機(jī)床加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)率的重要因素之一。驅(qū)動(dòng)裝置包括控制器（含功率放大器）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分。目前大都采用直流或交流伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 位置檢測(cè)裝置將數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸的實(shí)際位移量檢測(cè)出來(lái)，經(jīng)反饋系統(tǒng)輸入到機(jī)床的數(shù)控裝置之后，數(shù)控裝置將反饋回來(lái)的實(shí)際位移量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，控制驅(qū)動(dòng)裝置按照指令設(shè)定值運(yùn)動(dòng)。 由于可編程邏 輯控制器（PLC）具有響應(yīng)快，性能可靠，易于使用、編程和修改程序并可直接啟動(dòng)機(jī)床開(kāi)關(guān)等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛用作數(shù)控機(jī)床的輔助控制裝置。 （5）機(jī)床的機(jī)械部件 數(shù)控機(jī)床的機(jī)床本體與傳統(tǒng)機(jī)床相似，由主軸傳動(dòng)裝置、進(jìn)給傳動(dòng)裝置、床身、工作臺(tái)以及輔助運(yùn)動(dòng)裝置、液壓氣動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻裝置等組成。但數(shù)控機(jī)床在整體布局、外觀造型、傳動(dòng)系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及操作機(jī)構(gòu)等方面都已發(fā)生了很大的變化。這種變化的目的是為了滿足數(shù)控機(jī)床的要求和充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)。 1.2 機(jī)床數(shù)控化改造的意義 眾所周知，制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)，是推動(dòng)國(guó)家技術(shù)進(jìn)步的主要力量。加入WTO之后，我國(guó)制造業(yè)正面臨極大的考驗(yàn)和挑戰(zhàn)。我國(guó)制造業(yè)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，總體水平偏低，這直接影響到我國(guó)工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的提高和制造成本的降低，影響到我國(guó)工業(yè)產(chǎn)品的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。為改變這種落后狀況，必須提高制造業(yè)的裝備水平，特別是機(jī)床的數(shù)控化率。購(gòu)置數(shù)控機(jī)床是提高機(jī)床數(shù)控化率的途徑；對(duì)舊機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造，也是提高機(jī)床數(shù)控化率的重要途徑之一。 我國(guó)機(jī)電行業(yè)（包括機(jī)械、電子、汽車、航空、航天、輕工、紡織、冶金、煤炭、郵電、船舶等）擁有的機(jī)床結(jié)構(gòu)比較陳舊，操作系統(tǒng)復(fù)雜，控制系統(tǒng)落后，生產(chǎn)效率低下，如果靠購(gòu)置新的數(shù)控機(jī)床取而代之，顯然耗資巨大，不符合國(guó)情。因此，采用數(shù)控技術(shù)對(duì)現(xiàn)有機(jī)床進(jìn)行改造，符合國(guó)家的產(chǎn)業(yè)政策。另外，從市場(chǎng)容量來(lái)講，不管是汽車制造業(yè)、模具制造業(yè)，還是軍工企業(yè)，機(jī)床數(shù)控化改造都蘊(yùn)藏著無(wú)限商機(jī)。 近年來(lái)，美國(guó)、日本、德國(guó)、英國(guó)、等發(fā)達(dá)國(guó)家，在制造大量數(shù)控機(jī)床的同時(shí)，也非常重視對(duì)普通機(jī)床的數(shù)控化改造，機(jī)床的技術(shù)改造市場(chǎng)十分活躍。在美國(guó)，機(jī)床改造業(yè)被稱為機(jī)床再生業(yè)；在日本，機(jī)床改造業(yè)被稱為機(jī)床改裝業(yè)。機(jī)床改造業(yè)正逐步從機(jī)床制造業(yè)中分化處理，形成了用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床和生產(chǎn)線的新的行業(yè)和領(lǐng)域。 1.3 機(jī)床數(shù)控化改造的必要性和迫切性 從宏觀上看，在20世紀(jì)70年代末、80年代初，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的軍、民機(jī)械工業(yè)，已開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行技術(shù)改造。除在制造過(guò)程中采用數(shù)控機(jī)床，F(xiàn)MC、FMS外，還包括在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造，在生產(chǎn)管理中推行MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS等，以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對(duì)國(guó)外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產(chǎn)品在國(guó)際軍用品和民用品的市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)了大為增強(qiáng)。而我國(guó)在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國(guó)家落后約20年。如在我國(guó)機(jī)床擁有量中，數(shù)控機(jī)床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9%，而日本在1994年已達(dá)20.8%。隨著我國(guó)現(xiàn)代化制造的不斷推進(jìn)，每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說(shuō)明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性和迫切性。 從微觀上看，數(shù)控機(jī)床本身是高科技產(chǎn)品，它比傳統(tǒng)機(jī)床有很多突出的優(yōu)越性，這些優(yōu)越性的發(fā)揮，是數(shù)控機(jī)床的性能有了質(zhì)的提高，打了推動(dòng)了制造也的發(fā)展。傳統(tǒng)機(jī)床經(jīng)過(guò)改造后，得到了近似于數(shù)控機(jī)床的性能，也意味著我國(guó)制造業(yè)整體水平的提高。 第2章 銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)的改造設(shè)計(jì) 2.1 介紹 根據(jù)我國(guó)國(guó)情，八十年代在普通機(jī)床的改造方面，出現(xiàn)了以經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)改造普通機(jī)床，尤其是普車、普銑數(shù)控化改造的熱潮，并逐步形成了經(jīng)濟(jì)型數(shù)控產(chǎn)業(yè)。“八五”后期和“九五”，國(guó)家把舊設(shè)備的改造列入企業(yè)技術(shù)進(jìn)步，工藝更新的一個(gè)重要途徑，很多工廠把普通機(jī)床的數(shù)控化改造列入企業(yè)的發(fā)展計(jì)劃，作為企業(yè)適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)、提高產(chǎn)品市場(chǎng)占有率的一項(xiàng)措施。普通銑床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造，除了選擇可靠性高、性能穩(wěn)定的數(shù)控系統(tǒng)外，對(duì)銑床自身的改造也是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。普通銑床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造包括兩個(gè)方面，即機(jī)床電氣的數(shù)控化改造和機(jī)床本體的數(shù)控化改造。 2.1.1 數(shù)控銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn) 數(shù)控銑床作為一種高速、高效和高精度的自動(dòng)化加工設(shè)備，由于其控制系統(tǒng)功能強(qiáng)大，使機(jī)床的性能得到大大提高。部分機(jī)械日趨簡(jiǎn)化，新的結(jié)構(gòu)，功能不僅不斷涌現(xiàn)，使得其機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的機(jī)床相比，有了明顯的改進(jìn)和變化，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、自動(dòng)化程度高 數(shù)控銑床需要根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的指令，自動(dòng)完成對(duì)進(jìn)給速度，主軸轉(zhuǎn)速、刀具運(yùn)動(dòng)軌跡以及其它機(jī)床輔助機(jī)能（如：自動(dòng)換刀、自動(dòng)冷卻等）的控制。它必須利用伺服進(jìn)給系統(tǒng)代替普通機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)，并可以通過(guò)主軸調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主軸自動(dòng)變速，因此在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，數(shù)控機(jī)床的主軸箱、進(jìn)給變速箱結(jié)構(gòu)一般都非常簡(jiǎn)單；齒輪、軸類零件、軸承的數(shù)量大為減少；電動(dòng)機(jī)可以直接聯(lián)接主軸和滾珠絲杠，不用齒輪。在使用直線電動(dòng)機(jī)、電主軸的場(chǎng)合，甚至可以不用絲杠、主軸箱。在操作上，它不像普通機(jī)床那樣，需要操作者通過(guò)手柄進(jìn)行調(diào)整和變速，操作結(jié)構(gòu)比普通機(jī)床要簡(jiǎn)單得多，許多機(jī)床甚至沒(méi)有手動(dòng)機(jī)械操作機(jī)構(gòu)。此外，由于數(shù)控機(jī)床的大部分輔助動(dòng)作都可以通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)的輔助機(jī)能，因此，常用的操作按鈕也較普通機(jī)床少，操作更方便、更簡(jiǎn)單。 2、廣泛采用高效、無(wú)間隙傳動(dòng)裝置和新技術(shù)、新產(chǎn)品 數(shù)控銑床進(jìn)行的是高速、高精度加工，在簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)的同時(shí)，對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)傳動(dòng)裝置和元件在數(shù)控銑床上得到廣泛的應(yīng)用。如滾珠絲杠副、塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌等高效執(zhí)行部件，不僅可以減少進(jìn)給系統(tǒng)的摩擦阻力，提高傳動(dòng)效率，而且還可以使運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)并獲得較高的定位精度。 近年來(lái)，隨著新材料、新工藝的普及、應(yīng)用、高速加工已經(jīng)成為目前數(shù)控銑床的發(fā)展方向之一?？爝M(jìn)速度達(dá)到了每分鐘數(shù)十米，甚至上百米。主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到了每分鐘上萬(wàn)轉(zhuǎn)，甚至十幾萬(wàn)轉(zhuǎn)，采用電主軸、直線電動(dòng)機(jī)、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌新產(chǎn)品，新技術(shù)勢(shì)在必行。 3、具有適應(yīng)無(wú)人化、柔性化加工的特殊部件 “工藝復(fù)合化”和“功能集成化”是無(wú)人化，柔性化加工的基本要求，也是數(shù)控機(jī)床的最顯著的特點(diǎn)和當(dāng)前的發(fā)展方向。因此，自動(dòng)換刀裝置、動(dòng)力刀架、自動(dòng)排屑裝置、自動(dòng)潤(rùn)滑裝置等特殊機(jī)械部件是必不可少的，有的機(jī)床還帶有自動(dòng)工作臺(tái)交換裝置（APC）。 “功能集成化”是當(dāng)前數(shù)控銑床的另一重要發(fā)展方向，隨著數(shù)控銑床向無(wú)人化、柔性化加工發(fā)展，功能集成化更多體現(xiàn)在工件的自動(dòng)裝卸、自動(dòng)定位；刀具的自動(dòng)對(duì)刀、破損檢測(cè)、壽命管理；工件的自動(dòng)測(cè)量與自動(dòng)補(bǔ)償?shù)裙δ苌稀? 4、對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)、零部件的要求高 高速、高效、高精度的加工要求，無(wú)人化的管理以及工藝復(fù)合化、功能集成化一方面可以大大提高生產(chǎn)率，同時(shí)，也必然會(huì)使機(jī)床的開(kāi)機(jī)時(shí)間、工作負(fù)載隨之增加，機(jī)床必須在高負(fù)載下，長(zhǎng)時(shí)間可靠工作。因此，對(duì)組成機(jī)床的各種零部件和控制系統(tǒng)的可靠性要求很高。 2.1.2 數(shù)控銑床對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的基本要求 1、具有較高的靜、動(dòng)剛度和良好的抗振性 銑床的剛度反映了機(jī)床結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力。銑床變形所產(chǎn)生的誤差，通常很難通過(guò)調(diào)整和補(bǔ)償?shù)霓k法予以解決。為了滿足數(shù)控銑床高效，高精度、高可靠性以及自動(dòng)化的要求、與普通銑床相比，數(shù)控銑床應(yīng)具有更高的靜剛度。此外，為了充分發(fā)揮機(jī)床的效率，加大切削用量，還必須提高機(jī)床的抗振性，避免切削是的共振和顫振，而提高結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度是提高機(jī)床抗振性的基本途徑。 2、 具有良好的熱穩(wěn)定性 銑床的熱變形是影響銑床加工精度的主要因素之一。由于數(shù)控銑床的主軸轉(zhuǎn)速、快進(jìn)速度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通銑床，機(jī)床又長(zhǎng)時(shí)間處于連續(xù)工作狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)、絲杠、軸承和導(dǎo)軌的發(fā)熱都比較嚴(yán)重，加上高速切削產(chǎn)生的切屑影響，使得數(shù)控機(jī)床的熱變形影響比普通銑床要嚴(yán)重的多，雖然在先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)中具有熱變形補(bǔ)償功能，但是它并不能完成消除熱變形對(duì)于加工精度的影響。因此，在數(shù)控銑床上還應(yīng)采取必要的措施，盡可能減少機(jī)床的熱變形。 3、 具有較高的運(yùn)動(dòng)精度與良好的低速穩(wěn)定性 利用伺服系統(tǒng)代替普通銑床的進(jìn)給系統(tǒng)是數(shù)控銑床的主要特點(diǎn)。伺服系統(tǒng)的最小移動(dòng)量（脈沖當(dāng)量），一般只有0.001mm，甚至更小，最低進(jìn)給速度，一般只有1mm/min，甚至更低，這就要求進(jìn)給系統(tǒng)具有較高的運(yùn)動(dòng)精度，良好的跟蹤性能低速穩(wěn)定性，才能對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的位置指令作出準(zhǔn)確的響應(yīng)，從而得到要求的定位精度。 傳動(dòng)裝置的間隙直接影響銑床的定位精度，雖然在數(shù)控中可以通過(guò)采取間隙補(bǔ)償、單向定位等措施減小這一影響，但不能完全消除，特別是對(duì)于非均勻間隙，必須采用機(jī)械消除間隙措施，問(wèn)題才能得到較好地解決。 4、 具有良好的操作、安全防護(hù)性能 方便、舒適的操作性能，是操作者普遍關(guān)心的問(wèn)題。在大部分?jǐn)?shù)控銑床上，刀具和工件的裝卸、刀具和夾具的調(diào)整等還需要操作者完成；機(jī)床的維修更不可能離開(kāi)人。而且由于加工效率的提高，數(shù)控機(jī)床的工件裝卸可能比普通機(jī)床更加頻繁。因此，良好的操作性能是數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問(wèn)題。 數(shù)控銑床是一種高度自動(dòng)化的加工設(shè)備，動(dòng)作復(fù)雜，高速運(yùn)動(dòng)部件較多，對(duì)機(jī)床動(dòng)作互鎖、安全防護(hù)性能等要求比普通銑床要高的多。同時(shí)，數(shù)控銑床一般都有高壓、大流量的冷卻系統(tǒng)，為了防止切屑，冷卻液的飛濺，數(shù)控銑床通常都應(yīng)采用封閉或半封閉的防護(hù)形式，增加防護(hù)性能。 2.2 銑床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)控化改造 數(shù)控銑床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)常用伺服進(jìn)給系統(tǒng)來(lái)工作，伺服進(jìn)給系統(tǒng)的作用是根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)傳來(lái)的指令信息，進(jìn)行放大以后控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)，不僅控制進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度，同時(shí)還要精確控制刀具相對(duì)于工作的移動(dòng)位置和軌跡，因此，數(shù)控銑床進(jìn)給系統(tǒng)，尤其是輪廓控制系統(tǒng)，必須對(duì)經(jīng)運(yùn)動(dòng)的位置和運(yùn)動(dòng)的速度兩方面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。 一個(gè)典型的數(shù)控銑床閉環(huán)控制的進(jìn)給系統(tǒng)，通常有位置比較、放大元件、驅(qū)動(dòng)單元、機(jī)械傳動(dòng)裝置和檢測(cè)反饋元件等幾部分組成，而其中的機(jī)械傳動(dòng)裝置是位置控制環(huán)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。這里所說(shuō)的機(jī)械傳動(dòng)裝置，是指將驅(qū)動(dòng)源旋動(dòng)運(yùn)動(dòng)變?yōu)楣ぷ髋_(tái)直線運(yùn)動(dòng)的整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)鏈，包括減速裝置、絲杠螺母副等中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 2.2.1數(shù)控銑床對(duì)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的基本要求 傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度和慣量主要決定于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而傳動(dòng)系統(tǒng)的間隙、摩擦死區(qū)則是造成傳動(dòng)系統(tǒng)非線性的主要原因。因此，數(shù)控銑床對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的要求可以概況如下： 1、 提高傳動(dòng)部件的剛度 一般來(lái)說(shuō)，數(shù)控銑床直線運(yùn)動(dòng)的定位精度和分辨率都要達(dá)到微米級(jí)，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的定位精度和分辨率都要達(dá)到角秒級(jí)，伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩（特別是起動(dòng)、制動(dòng)是的力矩）也很大。如果傳動(dòng)部件的剛度不足，必然會(huì)使出阿杜部件產(chǎn)生彈性變形，影響系統(tǒng)的定位精度、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和響應(yīng)快速性。加打滾珠絲杠的直徑，對(duì)滾珠絲杠螺母副、支承部件進(jìn)行預(yù)緊，對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸等，都是提高傳動(dòng)系統(tǒng)剛度的有效措施。 2、減小傳動(dòng)部件的慣量 在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)一定是，傳動(dòng)部件的慣量直接決定了進(jìn)給系統(tǒng)的加速度，它是影響進(jìn)給系統(tǒng)快速性的主要因素。特別是在高速加工的數(shù)控機(jī)床上，由于對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的加速度要求高，因此，在滿足系統(tǒng)強(qiáng)度和剛度的前提下，應(yīng)盡可能減小零部件的質(zhì)量、直徑，以降低慣量，提高快速性。 3、減小系統(tǒng)的摩擦阻力 進(jìn)給系統(tǒng)的的摩擦阻力一方面會(huì)降低傳動(dòng)效率，產(chǎn)生發(fā)熱，另一方面，它還直接影響系統(tǒng)的快速性；此外，由于摩擦力的存在，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)的編號(hào)，將導(dǎo)致傳動(dòng)配件的彈性變形，產(chǎn)生非線性的摩擦死區(qū)，影響系統(tǒng)的定位精度和閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。采用滾珠絲杠螺母副、靜壓絲杠螺母副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌和塑型導(dǎo)軌等高效執(zhí)行部件，可以減少系統(tǒng)的摩擦阻力，提高運(yùn)動(dòng)精度，避免低速爬行。 2.2.2數(shù)控銑床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的基本型式 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可以分為直線運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)兩大類。直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)包括機(jī)床的基本坐標(biāo)軸（X、Y、Z軸）以及和基本坐標(biāo)軸平行的坐標(biāo)軸（U、V、W等）的運(yùn)動(dòng)；圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是指繞基本坐標(biāo)軸X、Y、Z回轉(zhuǎn)的坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)。 1、 滾珠絲杠螺母副 滾珠絲杠螺母副具有以下特點(diǎn)； （1）摩擦損失小，傳動(dòng)效率高； （2）絲杠螺母之間預(yù)緊后，可以消除間隙，提高了傳動(dòng)剛度； （3）摩擦阻力小，而且它幾乎與運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)，動(dòng)、靜摩擦力的變化也很小，不易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象； （4）長(zhǎng)期工作磨損小，使用壽命廠，精度保持性好。因此，在數(shù)控銑床上得到了廣泛應(yīng)用，是目前中，小型數(shù)控機(jī)床最為常見(jiàn)的傳動(dòng)型式。 但由于它有運(yùn)動(dòng)的可逆性，即一方面能將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，反過(guò)來(lái)也能將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，不能實(shí)現(xiàn)自鎖。當(dāng)一在垂直傳動(dòng)或水平放置的高速大慣量傳動(dòng)中心必須裝有制動(dòng)裝置，使用具有裝置的伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)是最簡(jiǎn)單的方法。另外，為了防止安裝、使用是螺母脫離絲杠，在機(jī)床上還必須配置超程保護(hù)裝置，這一點(diǎn)對(duì)于高速加工數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)尤為重要。 2、 靜壓絲杠螺母副 靜壓絲杠螺母副是通過(guò)油壓在絲杠和螺母的接觸面之間，產(chǎn)生一層保持一定厚度，且具有一定剛度的壓力油膜，使絲杠和螺母之間有邊界摩擦變?yōu)橐后w摩擦。當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)到是通過(guò)油膜推動(dòng)螺母直線移動(dòng)，反之，螺母轉(zhuǎn)動(dòng)也可使絲杠直線移動(dòng)。靜壓絲杠螺母的特點(diǎn)是： （1）摩擦系數(shù)小，僅為0.0005，比滾珠絲杠（摩擦系數(shù)為0.002～0.005）的摩擦損失更小，因此，其起動(dòng)力矩很小，傳動(dòng)靈敏，避免了爬行。 （2）油膜層可以吸振，提高了運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。 （3）由于油液的不斷運(yùn)動(dòng)，有利于散熱和減少熱變形，提高了機(jī)床的精度和光潔度。 （4）油膜成具有一定剛度，減小了反向間隙。 （5）油膜層介于螺母與絲杠之間，對(duì)絲杠的誤差有“均化”作用，即可以使絲杠的傳動(dòng)誤差小于絲杠本身的制造誤差。 （6）承載能力與供油壓力成正比，與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，但靜壓絲杠螺母副應(yīng)有一套供油系統(tǒng)，而且對(duì)油的清潔度要求高，如果在運(yùn)動(dòng)中供油忽然中斷，將造成股良后果。 3、 靜壓蝸桿蝸條副和齒輪齒條副 大型數(shù)控機(jī)床不宜采用絲杠傳動(dòng)，因長(zhǎng)絲杠制造困難，且容易彎曲下垂，影響傳動(dòng)精度；同時(shí)軸向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度也難提高，如果加大絲杠直徑，則轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大，伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性不易保證，故常用靜壓蝸桿蝸條副和齒輪齒條副傳動(dòng)。 靜壓蝸桿蝸條副的工作原來(lái)與靜壓絲杠螺母相同，蝸條實(shí)質(zhì)上是螺母的一部分，蝸桿相當(dāng)于一根短絲杠，這種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，壓力油必須從蝸桿進(jìn)入靜壓油腔，加上蝸桿是旋轉(zhuǎn)的，與蝸條的接觸區(qū)只有120。左右，要使壓力油只能進(jìn)入接觸區(qū)，必須解決蝸桿的配油問(wèn)題。 齒輪齒條副傳動(dòng)用于行程較長(zhǎng)的大型機(jī)床上，可以得到較大的傳動(dòng)比，進(jìn)行高速直線運(yùn)動(dòng)，剛度及機(jī)械效率也高。但其傳動(dòng)不夠平穩(wěn)，傳動(dòng)精度不高，而且還不能自鎖。采用齒輪齒條副運(yùn)動(dòng)是，必須采取措施消除齒側(cè)間隙，當(dāng)傳動(dòng)負(fù)載小是也可采用雙片薄齒輪調(diào)整法，分別與齒條齒槽的左、右兩側(cè)貼緊，從而消除齒側(cè)間隙。當(dāng)傳動(dòng)負(fù)載大時(shí)，可采用雙厚齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。 4、 直流電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng) 直流電動(dòng)機(jī)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的高速、高精度數(shù)控機(jī)床最有代表性的先進(jìn)技術(shù)之一。利用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以完全取消傳動(dòng)系統(tǒng)中將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的環(huán)節(jié)，大大簡(jiǎn)化機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)所謂的“零傳動(dòng)”。它從根本上消除傳動(dòng)環(huán)節(jié)對(duì)精度、剛度、快速性和穩(wěn)定性的影響，故可以獲得比傳統(tǒng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更高的定位精度，快進(jìn)速度和加速度。 2.2.3數(shù)控改造銑床進(jìn)給系統(tǒng)的型式及介紹 XA5032型銑床數(shù)控化改造進(jìn)給系統(tǒng)，X、Y、Z三軸在滿足傳遞扭矩的前提下采用FANUC 20M 直流伺服電機(jī)并配有直流功能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，提高了驅(qū)動(dòng)性能。步進(jìn)電機(jī)通過(guò)精密膜片抗繞性聯(lián)軸器與滾珠絲杠直接相連，提高了傳動(dòng)精度，效率較高，其中Z向通過(guò)圓錐齒輪轉(zhuǎn)換成垂直方向的傳動(dòng)，其構(gòu)型式如下圖所示 X、Y、Z三軸采用帖塑導(dǎo)軌，靜，動(dòng)摩擦系統(tǒng)變化小，快速移動(dòng)響應(yīng)快，振動(dòng)小，低速移動(dòng)是無(wú)爬行，穩(wěn)定性好。 X、Y向進(jìn)給傳動(dòng)圖 Z向進(jìn)給傳動(dòng)圖 第三章 普通銑床數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的擬定 3.1 總體方案確定 3.1.1系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇 由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù) 控銑床應(yīng)具有定 位、直 線插補(bǔ)、順、逆時(shí) 針插補(bǔ)、暫 停、循 環(huán)加工、公英制螺 紋加工等功能，并且在車削加工中，要求刀具沿X Y軸運(yùn)動(dòng)有確 定的 函 數(shù)關(guān)系（即： 刀具以給定的速 率相對(duì)于工件沿加工路徑運(yùn)動(dòng)）， 所以不能選用點(diǎn)位 控制系統(tǒng)，因?yàn)辄c(diǎn)位 控制系統(tǒng) 要求工件相對(duì) 于刀 具移動(dòng)過(guò)程中 不進(jìn)行切削。因此，改造后的機(jī)床 應(yīng)選用連續(xù)控制系統(tǒng)。 普通銑床型 銑床改造屬 于 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床 ，加工精度 要求不高，為了簡(jiǎn)化結(jié) 構(gòu)，降低 成本，采用步進(jìn)電 機(jī)開(kāi) 環(huán)控 制 系統(tǒng)，因?yàn)殚] 環(huán) 控制系統(tǒng)適 用于精 度 要求 較高的機(jī)床設(shè)計(jì)，且閉環(huán) 控制系統(tǒng)的造價(jià)昂貴。 3.1.2控制系統(tǒng) 根據(jù)機(jī)床要求，采用PLC控制。由于PLC控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好，工作環(huán)境 不挑剔，易于檢修等特點(diǎn)，且對(duì)PIC系統(tǒng)較為熟悉，因此采用PLC控制系統(tǒng)系統(tǒng)。 3.1.3機(jī)械傳動(dòng)方式 為實(shí)現(xiàn)機(jī) 床所要求的分 辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過(guò)齒輪減速再傳向傳動(dòng)杠，為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，盡量 減小摩擦力，所以選用滾珠絲杠螺母副以及滾動(dòng)導(dǎo)軌。 同時(shí)，為提高傳動(dòng)剛度和消除齒間間隙，所以采用預(yù) 加負(fù)載的滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠絲杠副機(jī)構(gòu)。 齒輪傳動(dòng)也采用 消除齒 側(cè)間 隙 的消 隙齒 輪結(jié)構(gòu)。 第四章 普通銑床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分 4.1 設(shè)計(jì)計(jì)算 一臺(tái)銑床銑床改造成數(shù)控銑床，采用PLC控制系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制，具有直線和圓弧插補(bǔ)功能，具有升降速控制功能。其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 規(guī) 格 工作臺(tái)行程(mm) 工作臺(tái)、夾具及工作重力(N) 工作臺(tái)快移速度(m/min) 最大進(jìn)給速度(m/min) 走刀方向最大切削分力/垂向最大切削分力x,y向相同(N) 啟動(dòng)加速時(shí)間ms 定位精度 mm X縱向 Y橫向 X縱向 Y橫向 X縱向 Y橫向 X縱向 Y橫向 1250 320 680 240 3300 5500 16 16 0.6 0.6 2750/2200 40 0.01 伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)：確定系統(tǒng)的負(fù) 載、確定系統(tǒng)脈 沖當(dāng)量，運(yùn)動(dòng)部件慣 量計(jì)算，空 載起動(dòng)及切削力計(jì)算，確定伺服電機(jī)，傳動(dòng)及導(dǎo) 向元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算及選用，繪制機(jī)械部分裝配圖及零件工作圖?，F(xiàn)分述如下： 4.1.1系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的選擇 一個(gè)進(jìn)給脈沖，使機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的位移量，也稱為機(jī)床的最小設(shè)定單位（脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)最基本技術(shù)參數(shù)）。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床常采用的脈沖當(dāng)量是0.01～0.005mm/脈沖。 根據(jù)機(jī)床精度要求調(diào)研確定脈沖當(dāng)量，縱向：0.01mm/脈沖，橫向：0.005mm/脈沖 4.1.2滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 滾珠絲杠螺母副的選型首先要選擇結(jié)構(gòu)類型：確定滾珠循環(huán)方式，滾珠絲杠副的預(yù)緊方式等。結(jié)構(gòu)類型確定之后，即可計(jì)算和確定其他技術(shù)參數(shù)，例如：公稱直徑d0（絲杠外徑d），導(dǎo)程，圈數(shù)j，列數(shù)K等。 滾珠絲杠副的滾珠循環(huán)方式可分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類，外循環(huán)又分為螺旋槽式和插管式。在此選用螺旋槽式外循環(huán)：在螺母外圓上銑出螺旋槽，槽的兩端鉆出通孔，與螺母的螺紋滾道相切，形成滾珠返回通道。為防止?jié)L珠脫落，螺旋槽用鋼套蓋住。在通孔口設(shè)有擋珠器，引導(dǎo)滾珠進(jìn)入通孔。擋珠器用圓形型鋼彎成弧形，并焊接上螺栓，固定在螺母上。它的優(yōu)點(diǎn)是：工藝簡(jiǎn)單，螺母外徑尺寸較小。與此同時(shí)缺點(diǎn)是：螺旋槽同通孔不易連接準(zhǔn)確，擋珠器鋼性差、耐磨性差。 滾珠絲杠副的預(yù)緊方法有以下幾種，雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊、單螺母變導(dǎo)程預(yù)緊以及過(guò)盈滾珠預(yù)緊等。 本次設(shè)計(jì)選用雙螺母螺紋式預(yù)緊結(jié)構(gòu)，它通過(guò)調(diào)整端部的圓螺母，使螺母產(chǎn)生軸向位移，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較緊湊，工作可靠，滾道磨損時(shí)可隨時(shí)調(diào)整，預(yù)緊量不很準(zhǔn)確，應(yīng)用較普遍。 4.1.3 滾珠絲杠螺母副的選用與設(shè)計(jì) 1、銑削力的計(jì)算 對(duì)高速鋼圓柱銑刀，切削力的計(jì)算公式為： 式中： 系數(shù)，其值取決于切削條件和工件材料。當(dāng)工件為碳鋼時(shí)，取=65，=4mm； --每齒進(jìn)給量，取=0.1mm； --背吃刀量，取=30mm； z—銑刀齒數(shù)，取z=4； do一銑刀直徑，取do=27mm； n～銑刀轉(zhuǎn)數(shù)； ，一切削條件改變時(shí)，切削力的修正系數(shù)。 其中參數(shù)按實(shí)際加工過(guò)程中平均銑削條件為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選擇。 由己知條件，取X，=1．0、yF=O．72、UF=O．86、OF=0及gF 20．73，加工 碳鋼時(shí)， =673MPa，其修正系數(shù)為： (3-3) 用圓柱銑刀進(jìn)行逆銑加工時(shí)： 由任務(wù)書可知： 水平銑削分力 垂直銑削分力 軸向分力 由此可算出： 軸向銑削力 =0.375*4313=1617.4N; 軸向銑削力 2、強(qiáng)度校核計(jì)算 燕尾形導(dǎo)軌工作時(shí)軸向力為： 式中：k—考慮顛覆力矩影響的系數(shù)，取1.4； f—導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，取0.2； 、、--切削分力，=2P/3=（2/3）*4.865=3.243(KN), =0, 、==1.617(KN). G—工作臺(tái)重量，G=80*9.8=784=0.784(KN) 由此可得： =1.4*3.243+0.2*（1.617+0.784）=4.5+0.48=5.02(KN) 滾珠絲杠壽命值計(jì)算 L=60NT 壽命值為： 式中：L—工件壽命（r）； N—滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速（r/min）; T—使用壽命時(shí)間（h），數(shù)控機(jī)床一般為1500h； 滾珠絲杠承受的最大動(dòng)負(fù)載計(jì)算： 式中：--滾珠絲杠工作載荷，=1.2，=1.1 參照漢江機(jī)床有限公司絲杠導(dǎo)軌廠的產(chǎn)品樣本，選取HJG．S系FYClD列4006．5．4滾珠絲杠。 該滾珠絲杠副屬外循環(huán)雙螺母法蘭凸出導(dǎo)管式，公稱直徑#40ram，導(dǎo)程Lo=6mm，螺母上的負(fù)荷滾珠總?cè)?shù)為5圈，精度為4級(jí)，右旋螺紋，其動(dòng)載荷為29．126KN，遠(yuǎn)大于12．76KN，強(qiáng)度滿足使用要求。滾珠絲杠兩端支承均采用止推軸承和滾珠向心球軸承，在原有進(jìn)給手動(dòng)端增加齒輪箱，以便安裝減速齒輪及交流伺服電動(dòng)機(jī)，如圖3．3所示。 3、傳動(dòng)效率計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為： 絲杠螺旋升角力=，滾珠絲杠螺母副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)f=O．003～0．004，≈10’，則 由前面的計(jì)算已知：滾珠絲杠的導(dǎo)程步矩角，脈沖當(dāng)量變速箱內(nèi)齒輪的傳動(dòng)比為： 傳動(dòng)比計(jì)算出來(lái)以后，是采用一級(jí)齒輪減速還是二級(jí)齒輪減速，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)上的安排，齒輪減速箱的大小不應(yīng)該影響移動(dòng)溜板在有效行程內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，由于進(jìn)給伺服系統(tǒng)的功率都不大，齒輪的模數(shù)一般耿m=2。所以，齒輪變速箱內(nèi)齒輪的選擇有關(guān)參數(shù)如下：=32， =40，模數(shù)m=2mm，壓力角=20 4、傳動(dòng)效率計(jì)算 　滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為： η= 式中 —螺旋升角, =422′ --摩擦角取10′滾動(dòng)摩擦系數(shù)0.003～0.004 將各數(shù)據(jù)帶入上式得： η== 5、剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠副的軸向變形會(huì)影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度及運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性因此應(yīng)考慮以下引起軸向變形的因素：絲杠的拉伸或壓縮變形量；滾珠與螺紋滾道間的接觸變形；支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形；滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起導(dǎo)程的變化量；和螺母座及軸承支座的變形。最后一種常為滾珠絲杠副系統(tǒng)剛度的薄弱環(huán)節(jié)，但變形量計(jì)算較為困難，一般根據(jù)其精度要求，在結(jié)構(gòu)上盡量增強(qiáng)其剛度而不作計(jì)算。 因此滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)算，主要是前三種變形量，他們的和應(yīng)不大于機(jī)床精度要求允許變形量的一半，否則，應(yīng)考慮選用較大直徑的滾珠絲杠副。 縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖如圖2-1所示。最大牽引力為1870 N.軸承支撐間距=700㎜，絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3 圖2-1 （1）由于一端軸向固定的長(zhǎng)絲桿在工作中可能會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)S，其值應(yīng)大于絲杠副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的允許安全系數(shù)（S），見(jiàn)下表。 絲杠不發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷，其計(jì)算公式為 = E--絲杠材料的彈性模量。對(duì)于鋼，E=206GPa; l--絲杠工作長(zhǎng)度； --絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩； --長(zhǎng)度系數(shù)。 ===N 安全系數(shù)S===179.7，查上表，（S）=3-4. S>(S),絲杠是安全的，不會(huì)失穩(wěn)。 （2）高速長(zhǎng)絲杠工作是可能產(chǎn)生共振，因此需驗(yàn)證其不會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速--臨界轉(zhuǎn)速。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速<。 =9910 =991010927 r/min <=10000 r/min,所以絲杠工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生共振。 （3）滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求<7 =50<所以該絲杠副工作穩(wěn)定。 4.1.4