文獻(xiàn)綜述數(shù)控銑床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)

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1、數(shù)控銑床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng) 摘要： 在國(guó)際貿(mào)易中，很多發(fā)達(dá)國(guó)家把數(shù)控機(jī)床視為具有高技術(shù)附加值、高利潤(rùn)主要電機(jī)出口產(chǎn)品。世界貿(mào)易強(qiáng)國(guó)在進(jìn)行國(guó)內(nèi)機(jī)電產(chǎn)品貿(mào)易的同時(shí)，把高技術(shù)的機(jī)電產(chǎn)品出口打入國(guó)際市場(chǎng)，作為發(fā)展出口經(jīng)濟(jì)的重要戰(zhàn)略措施，數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平高低及其在金屬切削加工機(jī)床產(chǎn)量和總擁有量的百分比是衡量一個(gè)國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)制造整體水平的重要標(biāo)志之一。數(shù)控銑床是數(shù)控機(jī)床的主要品種之一，它在數(shù)控機(jī)床中占有非常重要的位置。 關(guān)鍵詞： 數(shù)控銑床 發(fā)展趨勢(shì) 智能化 柔性化 英文： In international trade,many centuries view digital

2、lathesare as hi-techvalue-adds and profitable exports.Digital lathesare expensive mechanical and electrical products.The powerful trade nations export hi-texh mechanical snd electrical products to the world market whiledoing such business at home ,Which is now an important strategy of develop-ing th

3、eir export economy Key words digital lathe ; development tendency; intelligence; tenderness 1.引言： 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及世界先進(jìn)制造技術(shù)的興起和不斷成熟，對(duì)數(shù)控加工技術(shù)提出了更高的要求；超高速切削、超精密加工等技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)、伺服性能、主軸驅(qū)動(dòng)、機(jī)床結(jié)構(gòu)等提出了更高的性能指標(biāo)；FMS的迅速發(fā)展和CIMS的不斷成熟，又將對(duì)數(shù)控機(jī)的可靠性、通信功能、人工智能和自適應(yīng)控制等技術(shù)提出更高的要求。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的性能日益完蓋，數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用頷域日益擴(kuò)大。

4、 數(shù)控銑床是在數(shù)控加工中心領(lǐng)域中最具代表性的一種典型機(jī)床，在數(shù)控機(jī)床中所占的比率最大，數(shù)控加工中心、柔性制造單元等都是數(shù)控銑床基礎(chǔ)上派生或發(fā)展起來(lái)的。它具有功能性強(qiáng)、加工范圍廣、工藝較復(fù)雜等點(diǎn)，主要用于各種復(fù)習(xí)的平面、輪廓、曲面等零件的銑削加工，同時(shí)還可以進(jìn)行鉆、擴(kuò)、鏜、攻螺紋等加工，在航空航天、汽車制造、機(jī)械加工和模具制造業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。 2.數(shù)控銑床的組成 數(shù)控銑床一般由數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)床基礎(chǔ)部件、主軸箱、進(jìn)給伺服系統(tǒng)及輔助裝置等幾大部分組成。 （1）數(shù)控系統(tǒng) 數(shù)控系統(tǒng)是機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制的中心，通常數(shù)控銑床都配有高性能、高精度、集成軟件的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，具有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、刀具補(bǔ)

5、償、固定循環(huán)、用戶宏程序等功能，能完成絕大多數(shù)的基本銑削以及鏜削、鉆削、攻螺紋等循環(huán)加工。 （2）機(jī)床基礎(chǔ)部件 通常是指底坐、立柱、工作臺(tái)、橫梁等，是整個(gè)機(jī)床的基礎(chǔ)和框架。 （3）主軸箱 包括主軸箱和主軸傳動(dòng)系統(tǒng)，用于裝刀具并帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)、主傳動(dòng)大多采用專用的無(wú)級(jí)調(diào)速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 （4）進(jìn)給伺服系統(tǒng) 由進(jìn)給電動(dòng)機(jī)和進(jìn)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，按照程序設(shè)定的進(jìn)給速度實(shí)現(xiàn)刀具和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其主軸垂直方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)及工作臺(tái)的橫向和縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)均由各自的交流伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。 （5）輔助裝置 包括液壓、氣動(dòng)、潤(rùn)滑、冷卻系統(tǒng)和排屑、防護(hù)等裝置。 2數(shù)控銑床的分類 數(shù)控銑床品種繁多，規(guī)格不

6、一，可按通用銑床的分類方法分為以下3類： (1)數(shù)控立式銑床：數(shù)控立式銑床主軸軸線垂直于水平面，這種銑床占數(shù)控銑床的大多數(shù)，應(yīng)用范圍也最廣。目前三坐標(biāo)數(shù)控立式銑床占數(shù)控銑床的大多數(shù)，一般可進(jìn)行三軸聯(lián)動(dòng)加工。 (2)臥式數(shù)控銑床：臥式數(shù)控銑床的主軸軸線平行于水平面。為了擴(kuò)大加工范圍和擴(kuò)充功能，臥式數(shù)控銑床通常采用增加數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)或萬(wàn)能數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)四軸和五軸聯(lián)動(dòng)加工。這樣既可以加工工件側(cè)面的連續(xù)回轉(zhuǎn)輪廓，又可以實(shí)現(xiàn)在一次裝夾中通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)改變零件的加工位置也就是通常所說(shuō)的工位，進(jìn)行多個(gè)位置或工作面的加工。 (3)立臥兩用轉(zhuǎn)換銑床：這類銑床的主軸可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可在同一臺(tái)數(shù)控銑床上進(jìn)行立式加工和

7、臥式加工，同時(shí)具備立、臥式銑床的功能。 3.數(shù)控銑床的用途和工藝特點(diǎn) 銑床是用銑刀進(jìn)行切削加的機(jī)床,銑床的加工情況如圖1-1所示。在銑床上，用不同銑刀可以對(duì)平面、斜面、溝槽、臺(tái)階、T形槽、燕尾槽等表面進(jìn)行加工，另外配上分度頭或回轉(zhuǎn)臺(tái)還可以加工齒輪、螺旋面、花鍵軸、凸輪等各種成型表面。故銑床的萬(wàn)能性強(qiáng)，應(yīng)用范圍很廣。銑床的主參數(shù)是工作臺(tái)面寬度及長(zhǎng)度。 銑床的工藝特點(diǎn)如下： (1)銑床的主軸帶動(dòng)銑刀作旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動(dòng)； (2)銑刀是多齒、多刃連續(xù)進(jìn)行切削； (3)多數(shù)銑床由工作臺(tái)帶動(dòng)工件作直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)； (4)銑刀在切削時(shí)，每個(gè)刀齒的切削過(guò)程是斷續(xù)的，同時(shí)參加切削的齒數(shù)

8、是變化的，每個(gè)刀齒的切削厚度也是變化的，因此容易引起機(jī)床振動(dòng)； (5)銑削時(shí)，銑刀同時(shí)參加切削的齒數(shù)較多，便于采用較大的銑削速度和進(jìn)給給量，因而生產(chǎn)效率高。 4.數(shù)控銑床進(jìn)給傳動(dòng)裝置要求 數(shù)控機(jī)床伺機(jī)服進(jìn)給系統(tǒng)是由伺服驅(qū)動(dòng)電路、伺服驅(qū)動(dòng)裝置。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行部件組成。從位置控制的角度看，伺服系統(tǒng)有開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)之分。開環(huán)控制不需要位置檢測(cè)與反饋；閉環(huán)和半閉環(huán)制需要有位置位檢測(cè)與反饋環(huán)節(jié)。 4.1伺服系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 為確定伺服系統(tǒng)的定位精度和工作穩(wěn)定性，在機(jī)構(gòu)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上都要求無(wú)間隙、低摩擦、高剛度、高諧振以及適宜的阻尼比。為了達(dá)到這些要求，機(jī)械傳動(dòng)結(jié)

9、構(gòu)的設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量采用低摩擦傳動(dòng)副，如滾動(dòng)導(dǎo)軌。靜壓導(dǎo)軌、貼塑導(dǎo)軌、滾珠絲杠等，以減小摩擦力；通過(guò)選區(qū)用最佳降速比來(lái)降低慣量；采用預(yù)緊的辦法提高傳動(dòng)剛度；用消隙的辦法減小反向死區(qū)誤差等，其中最重要的是提高傳動(dòng)剛度和降低慣量。采用預(yù)緊消除間隙提高傳動(dòng)剛度，不僅不需要增大尺寸和慣量，而且也使傳動(dòng)剛度接近常數(shù)，這是伺機(jī)服進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最突出的特點(diǎn)。 4.2縱向伺服進(jìn)給系統(tǒng)的基本要求 數(shù)控銑床進(jìn)給系統(tǒng)必須保證由數(shù)控裝置發(fā)出的控制指令轉(zhuǎn)換成速度符合要求的相應(yīng)位移或直線位移，帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)。根據(jù)工件加工的需要，在機(jī)床上各運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的數(shù)字控制可以是相互獨(dú)立的，也可以是聯(lián)動(dòng)的?？傊?，數(shù)控機(jī)對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)

10、的要求集中在精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)三個(gè)方面。為滿足這些要求，首先需要高性能的伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)也需要高質(zhì)量的機(jī)械結(jié)構(gòu)與之匹配。為提高進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)性能主要采取以下措施： （1）提高系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)剛度：主要是從傳動(dòng)元件的剛度、消除傳動(dòng)元件之間的間隙、盡可能縮短進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度、采用預(yù)緊措施這幾方面為出發(fā)點(diǎn)考慮。 （2）采用低而穩(wěn)定的摩擦傳動(dòng)副：因?yàn)閿?shù)控銑床進(jìn)給系統(tǒng)多采用剛度高、摩擦因數(shù)小而穩(wěn)定的滾動(dòng)摩擦副，如滾珠絲杠螺母副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌等。 （3）慣量匹配：最佳慣量匹配目的是為保證伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作性能和滿足傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)控制指令的快速響應(yīng)的要求。由于在通常情況下傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的慣量總

11、是大于要求的數(shù)值，故而在設(shè)計(jì)時(shí)為得到最佳的慣量匹配，總是希望傳動(dòng)系統(tǒng)中元件的質(zhì)量和慣量要小一些，降速比則要大一些。 （4）提高傳動(dòng)件精度：高質(zhì)量的機(jī)械傳動(dòng)配合與高性能的伺服電動(dòng)機(jī)使現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)性能有了大幅度提高。 4.3伺服進(jìn)給系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)的要求 （1）從最低速到最高速電機(jī)都能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要小，尤其在低速如0.1r /min或更低速時(shí)，仍有平穩(wěn)的速度而無(wú)爬行現(xiàn)象。 （2）電機(jī)應(yīng)具有大的較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機(jī)要求在數(shù)分鐘內(nèi)過(guò)載4-6倍而不損壞。 （3）為了滿足快速響應(yīng)的要求，電機(jī)應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時(shí)間

12、常數(shù)和啟動(dòng)電壓。電機(jī)應(yīng)具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保證電機(jī)可在0.2s以內(nèi)從靜止啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速。 （4）電機(jī)應(yīng)能隨頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。 隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和伺服控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)已開始采用高速、高精度的全數(shù)字伺服系統(tǒng)。使伺服控制技術(shù)從模擬方式、混合方式走向全數(shù)字方式。由位置、速度和電流構(gòu)成的三環(huán)反饋全部數(shù)字化、軟件處理數(shù)字PID，使用靈活，柔性好。數(shù)字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術(shù)和改進(jìn)伺服性能的措施，使控制精度和品質(zhì)大大提高。 交流伺服已占據(jù)了機(jī)床進(jìn)給伺服的主導(dǎo)地位，并隨著新技術(shù)的發(fā)展而不斷完善，具體體現(xiàn)在三個(gè)方面。一是系統(tǒng)功率驅(qū)動(dòng)裝

13、置中的電力電子器件不斷向高頻化方向發(fā)展，智能化功率模塊得到普及與應(yīng)用；二是基于微處理器嵌入式平臺(tái)技術(shù)的成熟，將促進(jìn)先進(jìn)控制算法的應(yīng)用；三是網(wǎng)絡(luò)化制造模式的推廣及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的成熟，將使基于網(wǎng)絡(luò)的伺服控制成為可能。 圖2－1 X502型立式銑床外形及進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng) 4.4縱向進(jìn)給系統(tǒng)的改動(dòng) （1）縱向進(jìn)給系統(tǒng)需作以下改動(dòng)：將帶輪去掉，將帶輪的軸通過(guò)聯(lián)軸器與伺服電機(jī)相連，絲杠傳動(dòng)副改用滾珠絲杠螺母副，其余部分不動(dòng)，仍保留機(jī)床縱向進(jìn)給的機(jī)構(gòu)部分，這種改造成本最低。 （2）撤除原機(jī)床的進(jìn)給箱，溜板箱,光杠與絲杠以及安裝座，配上滾珠絲杠及其相應(yīng)的安裝裝置，縱向驅(qū)動(dòng)的伺服電機(jī)安裝在車床的床

14、尾，并不占據(jù)絲杠空間。; （3）滾珠絲桿仍安置在原絲桿的位置,采用一端軸向固定,一端浮動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式為便于安裝滾珠絲桿螺母副,絲桿不是整體的,而是采用分體式,即用連接套筒剛性連接。由于采用了滾珠絲杠可提高系統(tǒng)的精度和縱向進(jìn)給整體剛度。 （4）縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)和橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)均由伺服電動(dòng)機(jī)、滾珠絲桿螺母副通過(guò)ML-02型彈性膜片式聯(lián)軸器組成。 圖3－1 滾珠絲杠用軸承 上述2類軸承中，角接觸軸承的摩擦力矩小于后者，而且可以根據(jù)需要進(jìn)行組合，但剛度較后者低，目前在一般中，小型數(shù)控機(jī)床中被廣泛應(yīng)用。滾針—圓柱滾子軸承多用于重載和要求高剛度的地方。經(jīng)過(guò)分析在此設(shè)計(jì)中本傳動(dòng)系統(tǒng)的絲杠采用一

15、端軸向固定，一端浮動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式如圖4－3所示。固定端采用1對(duì)接觸球軸承面對(duì)面組配，以容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整。簡(jiǎn)支端支承采用深溝球軸承，只承受絲杠的重力。同時(shí)滾珠絲杠工作時(shí)要發(fā)熱，其溫度高于床身。為了補(bǔ)償因絲杠熱膨脹而引起的定位精度誤差，可采用絲杠預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)，使預(yù)拉伸量略大于熱膨脹量。 4.5滾珠絲杠螺母副間隙消除和預(yù)緊 珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)裝置，是數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)中使用最為廣泛的傳動(dòng)裝置。 滾珠絲杠在軸向載荷作用下，滾珠和螺紋滾道接觸區(qū)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重接觸變形，接觸剛度與接觸表面預(yù)緊力成正比。如果滾珠絲杠螺母副間存在間隙，接觸剛度較??；當(dāng)滾珠絲杠反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺母

16、不會(huì)立即反向，存在死區(qū)，影響絲杠的傳動(dòng)精度。因此，滾珠絲杠螺母副必須消除間隙，并施加預(yù)緊力，以保證絲杠、滾珠和螺母之間沒(méi)有間隙，提高滾珠絲杠螺母副的接觸剛度。 滾珠絲杠螺母副通常采用雙螺母結(jié)構(gòu)，如圖4－4所示 1－滾珠螺母；2－緊定螺釘；3－支座；4－滾珠絲杠；5－調(diào)整墊片 圖4－4 雙螺母滾珠絲杠 圖中1代表滾珠螺母，3代表支座，螺母與支座之間有調(diào)整墊片，通過(guò)調(diào)整墊片來(lái)調(diào)節(jié)滾珠螺母與滾珠絲杠螺紋之間的間隙。 通過(guò)調(diào)整兩個(gè)螺母之間的軸向位置，使兩個(gè)螺母的滾珠在承受載荷之前，分別與絲杠的兩個(gè)不同的側(cè)面接觸，產(chǎn)生一定的預(yù)緊力，以達(dá)到提高軸向剛度的目的。調(diào)整預(yù)緊有多種方式，上

17、圖所示的為墊片調(diào)整式，通過(guò)改變墊片的厚薄來(lái)改變兩個(gè)螺母之間的軸向距離，實(shí)現(xiàn)軸向間隙消除和預(yù)緊。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛度高、可靠性好。 4.6選擇伺服電機(jī) 伺服電機(jī)的選擇用，應(yīng)考慮三個(gè)要求：最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩，不得超過(guò)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩；電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)與負(fù)載慣量相匹配（匹配條件可根據(jù)伺服電機(jī)樣本提供的匹配條件，也可以按照一般的匹配規(guī)律）；快速移動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩不得超過(guò)伺服電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。 結(jié)束語(yǔ) 通過(guò)對(duì)X502經(jīng)濟(jì)型中檔精度數(shù)控銑床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)及導(dǎo)軌潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改造，使其尤其適合我國(guó)機(jī)床擁有量大,生產(chǎn)規(guī)模小的具體國(guó)情。數(shù)控機(jī)床以伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠進(jìn)行位置控制,減少了

18、中間傳動(dòng)環(huán)節(jié),改善了傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,避免了多級(jí)傳動(dòng)帶來(lái)的累積誤差。經(jīng)改造后的機(jī)床完全能進(jìn)行加工外圓、錐度、螺紋、端面等的自動(dòng)控制, 加工的零件精度高,尺寸一致性好,自動(dòng)化程度高,提高了原機(jī)床的生產(chǎn)效率,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度.而且使用方便,改造費(fèi)用低，采用數(shù)控技術(shù)對(duì)企業(yè)原有機(jī)床進(jìn)行改造,即發(fā)展經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控機(jī)床是當(dāng)前工礦企業(yè)機(jī)床技術(shù)改造的有效途徑。 參考文獻(xiàn) [1] 文懷興，數(shù)控銑床設(shè)計(jì)，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.11 [2] 杜君文，機(jī)械制造技術(shù)裝備及設(shè)計(jì)，天津：天津大學(xué)出版社，2007.10 [3] 李斌，數(shù)控加工技術(shù)，北京：高等教育出版社，2001.8 [4] 王彪，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床實(shí)用操作技術(shù)，北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.3 [5] 王愛(ài)玲，數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)及應(yīng)用，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.1 [6] 劉治平，機(jī)電傳動(dòng)控制，天津：天津大學(xué)出版社，2007.9 [7] 林宋，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.11 [8] 王愛(ài)玲，數(shù)控編程擇術(shù)，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2