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XX 大學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 論 文 XK716 數(shù)控機(jī)床 z 向直流伺服 進(jìn)給系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 所 在 學(xué) 院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學(xué) 號 指 導(dǎo) 老 師 年 月 日 I 摘 要 數(shù)控機(jī)床即數(shù)字程序控制機(jī)床 是一種自動化機(jī)床 數(shù)控技術(shù)是數(shù)控機(jī)床研究的 核心 是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動化 網(wǎng)絡(luò)化 柔性化 集成化的基礎(chǔ) 隨著制造技術(shù)的發(fā)展 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床借助現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù) 工序集約化和新的功能部件使機(jī)床的加工范圍 動 態(tài)性能 加工精度和可靠性有了極大的提高 本文主要設(shè)計(jì) X716 數(shù)控銑床 Z 向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分 機(jī)械結(jié)構(gòu)采用直流伺服電 機(jī)與滾珠絲杠直接相連的方式 其控制方式采用直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)半閉環(huán)控制 在對 進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中 主要對滾珠絲杠螺母副和直線滾動導(dǎo)軌副進(jìn)行 了計(jì)算 校核 確保了機(jī)械傳動部件的精度和剛度 通過計(jì)算 選擇了電氣驅(qū)動部分 包括直流伺服電機(jī)和與之匹配的伺服單元 關(guān)鍵詞 直線滾動導(dǎo)軌 滾珠絲杠螺母副 直流伺服電機(jī) II Abstract NC machine tool is the digital process control machine tool is an automated machine tools CNC technology is the core of numerical control machine tool research is the manufacturing industry that realizes the automation network flexible integrated foundation With the development of manufacturing technology modern CNC machine tools with the aid of the modern design technology process intensification and the new function part make machine processing range dynamic performance the processing precision and reliability are greatly improved In this paper the main design X716 Z milling machine CNC feed system design part the mechanical structure of DC servo motor and ball screw directly connected the control of DC servo drive system semi closed loop control On the feeding system of the mechanical structure of the design process mainly on the ball screw nut pair and the linear rolling guideway were calculated verification to ensure that the mechanical transmission precision and rigidity by calculating chose electrical driving part including DC servo motor and the matched servo unit Key words Linear rolling guide ball screws DC servo motor III 目錄 摘 要 I Abstract II 目錄 III 第 1 章 前言 1 1 1 課題研究的背景必要性 1 1 2 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展 2 1 2 1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生 2 1 2 2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展 2 1 3 我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展概況 2 1 3 1 數(shù)控技術(shù)再國民經(jīng)濟(jì)中的重要地位 2 1 3 2 我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷程與成就 3 1 3 3 我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展存在的問題與對策 5 1 4 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢 6 1 5 數(shù)控銑床的主要功能及特點(diǎn) 7 1 6 數(shù)控銑床的分類和應(yīng)用 7 1 6 1 數(shù)控銑床的分類 7 1 6 2 數(shù)控銑床的應(yīng)用 7 1 5 XK716 數(shù)控機(jī)床的參數(shù) 7 1 6 本章小結(jié) 8 第 2 章 Z 向進(jìn)給傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 9 2 1 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 2 1 1 對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求 9 2 1 2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 9 2 1 3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性及伺服性能分析 10 2 2 切削參數(shù)計(jì)算 10 2 2 1 精度 10 2 2 2 銑削工件時(shí)銑削力的計(jì)算 10 IV 2 2 3 進(jìn)給工作臺工作載荷計(jì)算 11 2 2 4 首先初步估算工作臺的重量 13 2 2 5 銑削用量選擇 13 2 2 6 銑削力的計(jì)算 14 2 3 Z 向滾珠絲杠副計(jì)算與選擇 15 2 3 1 動載荷計(jì)算 15 2 3 2 選用 FC1 4020 2 5 型絲杠 16 2 3 3 穩(wěn)定性驗(yàn)算 16 2 3 4 剛度驗(yàn)算 18 2 3 5 效率驗(yàn)算 19 2 4 Z 向直流電機(jī)選擇計(jì)算 19 2 5 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)與選型 24 2 5 1 導(dǎo)軌概述 24 2 5 2 滾動直線導(dǎo)軌副的計(jì)算 26 第 3 章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 31 3 1 微機(jī)控制系統(tǒng)組成及特點(diǎn) 31 3 1 1 微機(jī)控制系統(tǒng)的組成 31 3 1 2 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn) 32 3 2 微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)備介紹 32 3 2 1 主控制器 CPU 的選擇 32 3 2 2 存儲器電路的擴(kuò)展 33 3 2 3 I O 口電路的擴(kuò)展 34 3 2 4 直流電機(jī)驅(qū)動電路 35 3 2 5 其它輔助電路設(shè)計(jì) 36 3 3 程序部分 36 總結(jié)與展望 41 參考文獻(xiàn) 43 致 謝 44 V 1 第 1 章 前言 1 1 課題研究的背景必要性 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 機(jī)械產(chǎn)品日趨精密 復(fù)雜 而且產(chǎn)品的生產(chǎn)周期短 改型 頻繁 這不僅對機(jī)床設(shè)備提出精度與效率的要求提出了通用性與靈活的要求 特別是 航空 造船 武器 模具生產(chǎn)等精密加工的零件具有精度高 形狀復(fù)雜 經(jīng)常變動的 特點(diǎn) 因此機(jī)械產(chǎn)品部件的生產(chǎn)設(shè)備機(jī)床也相應(yīng)的提出了高性能 高精度化的要求 利用計(jì)算機(jī)控制數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工使得零件的加工變得十分的方便 快速 很大 程度上節(jié)約了人力和物力的使用 使得工業(yè)自動化程度更高 但是許多企業(yè)由于資金 等方面的約束不能及時(shí)引進(jìn)先進(jìn)數(shù)控機(jī)床 這樣制約了生產(chǎn)率的提高 不利于自動化 程度的提高 因此各種機(jī)床的數(shù)控改造開發(fā)成為眾多專業(yè)技術(shù)人員研究的一 數(shù)控 用數(shù)字化信號對機(jī)床運(yùn)動及其加工過程進(jìn)行控制 其對零件的加工相比普 通機(jī)床有著很多的優(yōu)點(diǎn) 1 自動化程度高 勞動強(qiáng)度低 2 加工精度 加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠 3 對零件加工的適應(yīng)性強(qiáng) 靈活性好 能加工形狀復(fù)雜的零件 4 加工生產(chǎn)率高 5 有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化 6 對加工對像的適應(yīng)性強(qiáng) 并且目前在機(jī)械行業(yè)中 隨著市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 產(chǎn)品更新周期越來越短 中小批 量的生產(chǎn)所占有的比例越來越大 對機(jī)械產(chǎn)品的精度和質(zhì)量要求也在不斷地提高與推 進(jìn) 所以普通機(jī)床越來越難以滿足加工的要求 同時(shí)由于技術(shù)水平的提高 數(shù)控機(jī)床 的價(jià)格在不斷下降 因此 數(shù)控機(jī)床在機(jī)械行業(yè)中的使用將越來越普遍 而對原有普 通機(jī)床的數(shù)控化改造也應(yīng)是越來越廣泛 依照設(shè)計(jì)任務(wù)本設(shè)計(jì)對 XW5032 銑床進(jìn)行了數(shù) 控化改造 2 1 2 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展 隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展 機(jī)械產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜 且要求頻繁改型 特別是在宇航 造船 軍事等領(lǐng)域所需的機(jī)械零件 精度要求高 形狀復(fù)雜 批量小 加工這類產(chǎn)品需要經(jīng)常改裝或調(diào)整設(shè)備 普通機(jī)床或?qū)Ｓ没潭雀叩淖詣踊瘷C(jī)床一般 不能適應(yīng)這些要求 為了解決上述問題 一種新型的機(jī)床 數(shù)控機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生 這 種新型機(jī)床具有適應(yīng)性強(qiáng) 加工精度高 加工質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn) 他綜合 應(yīng)用電子計(jì)算機(jī) 自動控制 伺服驅(qū)動 精密測量和新型機(jī)械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成 果 1 2 1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生 世界上第一臺成功研制的數(shù)控機(jī)床是一臺三坐標(biāo)的數(shù)控銑床 于 1952 年由美國帕 森斯公司和麻省理工學(xué)院合作完成 早在 1948 年 美國在研制加工直升機(jī)葉片輪廓檢 查用樣板的技工機(jī)床任務(wù)時(shí) 就提出了研制數(shù)控機(jī)床的初始設(shè)想 1949 年 在美國空 軍部門的支持下 帕森斯公司正式接受委托 與麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室合作 開始從事數(shù)控機(jī)床的研制工作 經(jīng)過三年時(shí)間的研究 于 1952 年試制成功世界上第一 臺數(shù)控機(jī)床試驗(yàn)性樣機(jī) 這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補(bǔ)三坐標(biāo)連續(xù)控制銑 床 其控制裝置由 2000 多個(gè)電子管組成 占用一個(gè)普通實(shí)驗(yàn)室那么大 這臺數(shù)控銑床 的誕生 標(biāo)志著機(jī)械制造的數(shù)字控制時(shí)代的開始 1 2 2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展是隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了電子管 分立式晶體管 小規(guī)模集成電路 大規(guī)模集成電路 小型計(jì)算機(jī) 超大規(guī)模集成電 路 微機(jī)式的數(shù)控系統(tǒng)等幾個(gè)發(fā)展階段 20 世紀(jì) 90 年代以來 數(shù)控系統(tǒng)朝著以通用微機(jī)為基礎(chǔ) 體系結(jié)構(gòu)開放和智能化方 向發(fā)展 以上的三代數(shù)控系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)硬件和軟件組成 利用存儲器里的軟件控制 系統(tǒng)工作 因此稱為 CNC 系統(tǒng)或軟件控制系統(tǒng) 這種系統(tǒng)容易擴(kuò)大功能 柔性好 可 靠性高 1 3 我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展概況 1 3 1 數(shù)控技術(shù)再國民經(jīng)濟(jì)中的重要地位 數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機(jī)械運(yùn)動和過程進(jìn)行控制的技術(shù) 是 20 世紀(jì)后半葉最重 3 要 發(fā)展最快的工業(yè)技術(shù)之一 它以制造過程為對象 以信息技術(shù)為手段 以數(shù)字坐 標(biāo)方式對運(yùn)動部件進(jìn)行位置控制為主要特征 為單件小批量生產(chǎn)的自動化開辟了可行 的技術(shù)途徑 也為現(xiàn)代柔性制造技術(shù)奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)控機(jī)床是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的 機(jī)電一體化產(chǎn)品 其技術(shù)覆蓋很多領(lǐng)域 其中 精密機(jī)械制造技術(shù) 信息處理 加工 傳輸技術(shù) 自動控制技術(shù) 伺服驅(qū)動技術(shù) 傳感器及檢測技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)是數(shù)控技 術(shù)涵蓋的主要領(lǐng)域 數(shù)控機(jī)床還是運(yùn)用高新技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行改進(jìn)和提升的重要載 體 以信息化帶動工業(yè)化 實(shí)現(xiàn)社會生產(chǎn)力的跨越式發(fā)展 將在一定程度上取決于數(shù) 控機(jī)床的技術(shù)進(jìn)步 它代表著裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度 而裝備工業(yè)的技術(shù) 水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度 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) 如信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè) 生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè) 航空航天 等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè) 的使能技術(shù)和重要裝備 數(shù)控技術(shù)又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最 核心的技術(shù) 現(xiàn)在世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù) 以提高制造能力和水平 提高 對動態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競爭能力 此外 世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國家還將數(shù)控技術(shù) 及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資 不僅采取重大措施來發(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)和裝備方面對我國實(shí)行封鎖和限制政策 總之 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)國家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展 提 高綜合國力和國家地位的重要 途徑 1 3 2 我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷程與成就 我國從 1958 年開始研究數(shù)控機(jī)床 一直到 20 世紀(jì) 60 年代中期還處于研制 開發(fā) 時(shí)期 當(dāng)時(shí) 一些高校和科研單位研制出的試驗(yàn)性樣機(jī) 是從電子管數(shù)控系統(tǒng)起步的 1965 年開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng) 從 20 世紀(jì) 70 年代起 數(shù)控技術(shù)在車 銑 銼 磨 齒輪加工 電加工等領(lǐng)域全面展開 加工中心在上海 北京研制成功 但是 由于元 器件的質(zhì)量差和產(chǎn)品的制造工藝水平低等原因 數(shù)控系統(tǒng)的可靠性 穩(wěn)定性未得到解 決 未能廣泛推廣 在這一時(shí)期 數(shù)控線切割機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單 使用方便 價(jià)格低廉 在模具加工中得到推廣 直線控制 點(diǎn)位控制的數(shù)控車床 數(shù)控銑床和加工中心開始 在生產(chǎn)中應(yīng)用 20 世紀(jì) 80 年代 我國從日本 FANUC 公司引進(jìn)了 3 5 6 7 等系列的數(shù)控 系統(tǒng)和直流伺服電動機(jī) 直流主軸伺服電動機(jī)等的制造技術(shù) 還引進(jìn)了美國 GE 公司的 4 MCI 系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng) 德國 SIEMENS 公司的 VS 系列晶閘管調(diào)速裝置 并進(jìn)行了商 品化生產(chǎn) 這些系統(tǒng)功能齊全 可靠性高 得到了推廣應(yīng)用 推動了我國數(shù)控機(jī)床的 穩(wěn)定發(fā)展 使我國的數(shù)控機(jī)床在性能和質(zhì)量上產(chǎn)生了一個(gè)質(zhì)的飛躍 在這期間 我國 在引進(jìn) 消化國外技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量的開發(fā)工作 我國數(shù)控機(jī)床的品種有了較 大發(fā)展 品種不斷增多 規(guī)格齊全 許多技術(shù)復(fù)雜的大型數(shù)控機(jī)床 重型數(shù)控機(jī)床都 相繼研制出來 為了跟蹤國外現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展 北京機(jī)床研究所還研制出了 JCS FMS 1 型和 JCS FMS 2 型柔性制造單元和柔性制造系統(tǒng) 改革開放近 30 年來 我國的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)取得了舉世矚目的成就 特別是 十五 期間 數(shù)控機(jī)床發(fā)展進(jìn)人了快車道 國家有關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明 十五 是我國機(jī) 床工具行業(yè)發(fā)展最快的五年 2004 年 我國機(jī)床工具行業(yè)產(chǎn)品銷售收人 1 032 億元 大約是 2000 年 507 億元的 2 倍 平均年增長約 19 2004 年 全國金屬切削機(jī)床產(chǎn) 量為 39 萬臺 大約是 2000 年 17 萬臺的 2 3 倍 平均年增長約 23 寫 機(jī)床工具行業(yè) 的主導(dǎo)產(chǎn)品 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展速度遠(yuǎn)高于機(jī)床工具全行業(yè)的平均發(fā)展速度 國產(chǎn)數(shù)控 金屬切削機(jī)床年產(chǎn)量從 九五 計(jì)劃末期的幾千臺 增加到 2001 年的 17 521 臺 2002 年的 24 803 臺 2003 年的 36 813 臺 2004 年的 51 861 臺 其中 2004 年的產(chǎn) 量大約是 2000 年產(chǎn)量的 3 7 倍 平均年增長約 39 金屬加工機(jī)床產(chǎn)值數(shù)控化率從 2001 年的 26 2 提高到 2004 年的 32 7 形成了一批數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)的主導(dǎo)企業(yè) 2004 年數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量超千臺的企業(yè)有 14 家 其產(chǎn)量合計(jì)占全行業(yè)數(shù)控機(jī)床總產(chǎn)量的 50 以上 其中數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量最高的一家企業(yè)年產(chǎn)量達(dá) 6 000 多臺 連續(xù)幾年來數(shù)控 機(jī)床產(chǎn)量快速上升 也帶動了出口 2004 年全行業(yè)數(shù)控金屬加工機(jī)床出口 14 404 臺 數(shù)控機(jī)床的年產(chǎn)量已經(jīng)突破原國家經(jīng)貿(mào)委發(fā)布的到 2005 年全國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量達(dá)到 25 000 30 000 臺的奮斗目標(biāo) 數(shù)控機(jī)床的品種也從 九五 期間的 128 種發(fā)展到目前的 1 500 多種 國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品大部分達(dá)到了國際 20 世紀(jì) 90 年代初期或中期水平 為 國家重點(diǎn)建設(shè)提供了一批高水平的數(shù)控機(jī)床 不僅如此 十五 期間 我國在高端數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)研究方面取得重大突破 目前 我國在普及型數(shù)控機(jī)床技術(shù)上已經(jīng)成熟 還基本掌握了多 五 坐標(biāo)聯(lián)動的關(guān) 鍵技術(shù) 這不僅打破了國外的技術(shù)封鎖 而且使該技術(shù)進(jìn)人實(shí)用性階段 北京機(jī)電研 究院為東方汽輪機(jī)廠開發(fā)的五軸聯(lián)動加工中心 已在東方汽輪機(jī)廠實(shí)際應(yīng)用 不僅完 全滿足了汽輪機(jī)葉片加工質(zhì)量的要求 而且其加工效率可與進(jìn)口機(jī)床的媲美 但其價(jià) 格僅為進(jìn)口機(jī)床的三分之一 復(fù)合加工技術(shù)的研究也取得很大成績 我國研制成功的 五軸聯(lián)動車銑復(fù)合加工中心 五軸五面加工中心 雙主軸車削中心等均已實(shí)現(xiàn)商品化 5 我國高速加工技術(shù)的研究與應(yīng)用取得重要進(jìn)展 其中在直線電動機(jī)應(yīng)用技術(shù)的研 究方面 基本掌握了負(fù)載變化擾動 熱變形補(bǔ)償 隔磁和防護(hù)等部分關(guān)鍵技術(shù) 填補(bǔ) 了我國在直線電動機(jī)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的空白 進(jìn)一步縮短了與國外的差距 此外 我國 還完成了 10 000 18 000 r min 高速主軸單元的產(chǎn)品開發(fā)和加工制造工藝的研究 并 在國產(chǎn)加工中心上應(yīng)用 超精密加工 亞微米 技術(shù)和裝備的研究也取得突破 北京 機(jī)床研究所研制的超精密加工和納米加工技術(shù)與裝備已達(dá)到世界領(lǐng)先水平 打破了國 外對我國的技術(shù)封鎖 目前 數(shù)控機(jī)床在我國國民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)發(fā)揮著越來越重要的作用 數(shù)控機(jī)床 已經(jīng)成為企業(yè)技術(shù)改造的首先設(shè)備之一 我國已經(jīng)成為數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)大國 消費(fèi)大 國和進(jìn)口大國 國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)行業(yè)需要大量數(shù)控機(jī)床的開發(fā)人才和應(yīng)用人才 1 3 3 我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展存在的問題與對策 當(dāng)前 國外數(shù)控技術(shù)發(fā)展很快 呈現(xiàn)出高速度 高精度 高可靠性 多軸控制 工藝復(fù)合 集成化 智能化 網(wǎng)絡(luò)化和環(huán)保化發(fā)展的態(tài)勢 與國外數(shù)控技術(shù)的發(fā)展相 比 我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展仍然存在著較大差距 主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面 1 在技術(shù)水平上 國外對加工中心的研究已經(jīng)轉(zhuǎn)向高速 精密 多軸 復(fù)合 智 能和環(huán)保等技術(shù)的研究 我國加工中心的總體技術(shù)水平與國外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平相 比大約落后 10 15 年 在 高 精 尖 技術(shù)方面則更大 2 在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上 高端市場 即高速 精密 多軸 復(fù)合加工中心市場 基本上 被美國 日本和歐洲發(fā)達(dá)工業(yè)國家所壟斷 國內(nèi)開發(fā)的五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床 復(fù)合加工 中心 高速加工中心等產(chǎn)品 雖然已經(jīng)投人使用 但多數(shù)產(chǎn)品與商品化尚有一段距離 而且在技術(shù)水平和性能參數(shù)上與歐 美 日等地的產(chǎn)品還有較大差距 低端市場 即 普及型數(shù)控機(jī)床市場 受到周邊的日本 韓國和我國臺灣地區(qū)產(chǎn)品的沖擊較大 形成 激烈競爭 多年來 國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量小 進(jìn)口產(chǎn)品量大的局面一直存在 3 產(chǎn)品開發(fā)能力上 國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)缺乏對產(chǎn)品競爭前數(shù)控技術(shù)的深人研究與開 發(fā) 特別是對加工中心應(yīng)用領(lǐng)域的拓展力度不強(qiáng) 集中體現(xiàn)在 產(chǎn)品開發(fā)能力較弱 對產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的研究 制定滯后 技術(shù)創(chuàng)新能力不強(qiáng) 導(dǎo)致開發(fā)出的產(chǎn)品技術(shù)先進(jìn) 性不明顯 市場針對性不強(qiáng) 缺乏市場競爭力 4 產(chǎn)業(yè)化水平上 市場占有率低 品種覆蓋率小 從總體上看 加工中心還沒 有形成規(guī)模生產(chǎn) 功能部件專業(yè)化生產(chǎn)水平及配套能力較低 產(chǎn)品質(zhì)量不高 主要體 6 現(xiàn)在可靠性不高 商品化程度不足 關(guān)鍵功能部件沒有自己配套的主渠道 數(shù)控系統(tǒng) 的推廣應(yīng)用還不夠等等 這些問題已經(jīng)引起了國家有關(guān)部門的高度重視 并正在采取措施加以改進(jìn) 2006 年 6 月 國務(wù)院發(fā)布了 關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見 以下簡稱 意見 裝備制造業(yè)得到了國家前所未有的重視 意見 將在三個(gè)方面重點(diǎn)下四點(diǎn) 第一 加快開發(fā)高檔數(shù)控機(jī)床品種 縮短與世界先進(jìn)水平的差距 提升我國機(jī)床 工具行業(yè)整體水平 對市場急需的高檔數(shù)控機(jī)床品種 要集中力量 重點(diǎn)突破 加大 科技投人 加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和開發(fā)研究 提高原始創(chuàng)新和集成創(chuàng)新能力 掌握一批高檔 數(shù)控關(guān)鍵產(chǎn)品開發(fā)的核心技術(shù) 推出一批高檔數(shù)控機(jī)床品種 滿足重點(diǎn)用戶急需 精 心培育高檔數(shù)控機(jī)床市場 第二 積極促進(jìn)功能部件產(chǎn)業(yè)化 培育一批功能部件的龍頭企業(yè) 加大政策支持 力度 重點(diǎn)發(fā)展高檔數(shù)控系統(tǒng) 高速主軸單元 精密滾動功能部件 動力刀架 精密 轉(zhuǎn)臺 高速導(dǎo)軌防護(hù)裝置等高水平的功能部件 加快產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程 培育國產(chǎn)品牌 實(shí) 現(xiàn)功能部件與數(shù)控機(jī)床同步發(fā)展 第三 進(jìn)一步發(fā)展普及型數(shù)控機(jī)床 我國普及型數(shù)控機(jī)床技術(shù)已經(jīng)成熟 產(chǎn)業(yè)化 迫在眉捷 急需進(jìn)一步提高可靠性和質(zhì)量 及時(shí)供應(yīng)市場 提高產(chǎn)業(yè)集中度 實(shí)現(xiàn)穩(wěn) 定 可靠 快速地滿足市場 以提高制造能力和生產(chǎn)集中度為重點(diǎn) 支持骨干企業(yè)快 速發(fā)展 第四 努力提高國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床市場占有率 是 十一五 期間行業(yè)發(fā)展的重中之 重 要從質(zhì)量 可靠性 服務(wù)等方面入手 創(chuàng)品牌 擴(kuò)市場 擋進(jìn)口 爭出口 爭取 在五年內(nèi)使國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床國內(nèi)市場占有率有較大提高 意見 切中了我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展中的關(guān)鍵問題 為發(fā)展國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床提供了良 好的政策環(huán)境 毫無疑問 隨著 意見 的貫徹實(shí)施 多年來困擾我國機(jī)床工具行業(yè) 發(fā)展的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)化和自主開發(fā)能力偏低的問題 將得到一定程度的解決 國產(chǎn)數(shù) 控機(jī)床在國內(nèi)市場占有率長期不高的局面將被扭轉(zhuǎn) 高等學(xué)校作為國家各類人才的培 養(yǎng)基地 為裝備制造業(yè)培養(yǎng)急需的數(shù)控機(jī)床開發(fā)與應(yīng)用人才 是義不容辭的責(zé)任 1 4 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 制造技術(shù)的進(jìn)步 以及社會對產(chǎn)品質(zhì)量和品種多樣化的要 求越來越強(qiáng)烈 中 小批量生產(chǎn)的比例明顯增加 要求現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床成為一種精密 高效 復(fù)合 集成功能和低成本的自動化加工設(shè)備 同時(shí) 為了滿足制造業(yè)向更高層 7 次發(fā)展 為柔性制造單元 柔性制造系統(tǒng) 以及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)提供基礎(chǔ)設(shè)備 也要求數(shù)控機(jī)床向更高水平發(fā)展 當(dāng)前 數(shù)控機(jī)床技術(shù)呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢 1 高 精度化 2 運(yùn)動高速化 3 柔性化 4 高自動化 5 高可靠性 6 智能化 7 復(fù)合化 8 網(wǎng)絡(luò)化 9 開放式體系結(jié)構(gòu) 1 5 數(shù)控銑床的主要功能及特點(diǎn) 數(shù)控銑床的可分為立式 臥式和立臥兩用式數(shù)控銑床 各種銑床適用的數(shù)控系統(tǒng) 不同 其功能也不盡相同 除各有其特點(diǎn)之外 常具有下列主要功能 點(diǎn)位控制功能 連續(xù)輪廓控制功能 刀具半徑自動補(bǔ)償功能 刀具長度 補(bǔ)償功能 鏡像加工功能 固定循環(huán)功能 特殊功能 具備自適應(yīng)功能的數(shù)控銑床可以在加工過程中把感受到的切削狀況的變化 通過 適應(yīng)性控制系統(tǒng)及時(shí)控制機(jī)床改變切削用量 使銑床及刀具始終保持最佳狀態(tài) 從而 可獲得較高的切削效率和加工質(zhì)量 延長刀具使用壽命 數(shù)控銑床的主要特點(diǎn) 1 高柔性及工序復(fù)合化 2 加工精度高 3 生產(chǎn)效率高 4 減輕操作者的勞動強(qiáng)度 1 6 數(shù)控銑床的分類和應(yīng)用 1 6 1 數(shù)控銑床的分類 按運(yùn)動方式分 1 點(diǎn)位控制數(shù)控銑床 2 直線控制數(shù)控銑床 3 輪廓控制 數(shù)控銑床 按控制方式分 1 開環(huán)控制數(shù)控銑床 2 閉環(huán)控制數(shù)控銑床 3 半閉環(huán)控制數(shù) 控銑床 按主軸的布局形式分 1 立式數(shù)控銑床 2 臥式數(shù)控銑床 3 立臥兩用式 數(shù)控銑床等等 1 6 2 數(shù)控銑床的應(yīng)用 數(shù)控銑床主要用于加工平面和曲面輪廓的零件 還可以加工復(fù)雜型面的零件 樣 板 模具 螺旋槽等 同時(shí)也可以進(jìn)行鉆 擴(kuò) 鉸 锪和鏜孔的加工 但因數(shù)控銑床 不具自動換刀功能 所以不能完成復(fù)雜孔的加工 數(shù)控銑床主要應(yīng)用于汽車制造業(yè) 模具制造業(yè) 機(jī)床制造業(yè) 航空航天業(yè) 造船業(yè) 軍事工業(yè)及其他行業(yè) 8 1 7 XK716 數(shù)控機(jī)床的參數(shù) 本課題設(shè)計(jì)的立式數(shù)控銑床可以銑削平面和溝槽 也可加工空間曲面 若將銑刀 換成鉆頭或絞刀 則可加工光孔或螺紋孔 銑床主要技術(shù)參數(shù)如下 工作臺工作面尺寸 長 寬 90m6 工作臺 X 向最大行程 3 工作臺 Y 向最大行程 4 工作臺 T 型槽數(shù) 3 工作臺 T 型槽寬 18mm 工作臺 T 型槽間距 90mm 機(jī)床分辨率均為 0 005mm 最大移動速度 2m min 1 8 本章小結(jié) 本章節(jié)首先介紹了數(shù)控技術(shù)的背景發(fā)展歷程 進(jìn)而分析了數(shù)控技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀 及未來趨勢 最后介紹了研究的主要內(nèi)容和意義 9 第 2 章 Z 向進(jìn)給傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 2 1 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2 1 1 對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求 進(jìn)給伺服系統(tǒng)不但是數(shù)控機(jī)床的一個(gè)重要組成部分 也是數(shù)控機(jī)床區(qū)別于一般機(jī) 床的一個(gè)特殊部分 數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)可歸納為 定位精度高 跟 蹤指令信號的響應(yīng)快 系統(tǒng)的穩(wěn)定好 1 穩(wěn)定性 伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當(dāng)作用在系統(tǒng)上的擾動信號消失后 系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來 的穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行 或者在輸入的指令信號作用下 系統(tǒng)能夠達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的 能力 伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是系統(tǒng)本身的一種特性 取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成元件的參 數(shù) 如慣性 剛度 阻尼 增益等 與外界的作用信號 包括指令信號或擾動信號 的性質(zhì)或形式無關(guān) 2 精度 伺服系統(tǒng)的精度是指系統(tǒng)的輸出量復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度 伺服系統(tǒng)工作過程中 通常存在三種誤差 動態(tài)誤差 穩(wěn)定性誤差和靜態(tài)誤差 實(shí)際中只要保證系統(tǒng)的誤差 滿足精度指標(biāo)就行 3 快速響應(yīng)性 快速響應(yīng)特性是指系統(tǒng)對指令輸入信號的響應(yīng)速度及瞬態(tài)過程結(jié)束的迅速程度 它包含系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間 傳動裝置的加速能力 它直接影響機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)率 2 1 2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 在靜態(tài)設(shè)計(jì)方面有 能夠克服摩擦力和負(fù)載 2 很小的進(jìn)給位移量 3 高的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度 4 足夠的調(diào)速范圍 5 進(jìn)給速度均勻 在速度很低時(shí)無爬行現(xiàn)象 10 在動態(tài)設(shè)計(jì)方面的要求有 1 具有足夠的加速和制動轉(zhuǎn)矩 2 具有良好的動態(tài)傳遞性能 以保證在加工中獲得高的軌跡精度和滿意的表面質(zhì) 量 3 負(fù)載引起的軌跡誤差盡可能小 對于數(shù)控機(jī)床機(jī)械傳動部件則有以下要求 1 被加速的運(yùn)動部件具有較小的慣量 高的剛度 良好的阻尼 傳動部件在拉壓剛度 扭轉(zhuǎn)剛度 摩擦阻尼特性和間隙等方面盡可能小的非線性 2 1 3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性及伺服性能分析 1 時(shí)間響應(yīng)特性 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性 按其描述方法的不同 分為時(shí)間響應(yīng)特性和頻率響應(yīng) 特性 2 頻率響應(yīng)特性 3 快速性分析 2 2 切削參數(shù)計(jì)算 2 2 1 精度 要求 進(jìn)給精度 m05 快速進(jìn)給精度 in 2 機(jī)床分辨率均為 0 005mm 選擇系統(tǒng)脈沖當(dāng)量為 0 005mm step p 2 2 2 銑削工件時(shí)銑削力的計(jì)算 銑削運(yùn)動的特征 主運(yùn)動為銑刀繞自身軸線高速旋轉(zhuǎn) 進(jìn)給運(yùn)動為工作臺帶動工 件在垂直于銑刀軸線方向緩慢進(jìn)給 銑鍵槽時(shí) 可使鍵槽銑刀沿軸線進(jìn)給 銑刀的類 型很多 但以圓柱銑刀和端銑刀為基本形式 圓柱銑刀和端銑刀的切削部分都可以看 做車刀刀頭的演變 銑刀的每一個(gè)刀齒相當(dāng)于一把車刀 它的切削基本規(guī)律與車削相 似 所不同的是銑刀回轉(zhuǎn) 刀齒數(shù)多 11 通常假定銑削時(shí)銑刀受到的銑削抗力是作用在刀齒某點(diǎn)上 如圖 1 所示 設(shè)刀齒 上受到銑削抗力的合力為 F 將 F 沿銑刀軸線 徑向和切向進(jìn)行分解 則分別為軸向銑 削力 F 徑向銑削力 F 和切向銑削力 F 二 切向銑削力 F 二是沿銑刀主運(yùn)動方向的 分力 它消耗銑床主電動機(jī)功率 即銑削功率 最多 因此 切向銑削力 F 二可按銑 削功率 kW 或主電動機(jī)功率 kw 算出 PEPE 式中 v 機(jī)床主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速 主軸傳遞全部功率時(shí)的最低切削速度 m s m 機(jī)床主傳動系統(tǒng)的傳動效率 一般取 m 0 8 圖 3 1 銑削抗力及工作臺上的載荷 2 2 3 進(jìn)給工作臺工作載荷計(jì)算 作用在進(jìn)給工作臺上的合力 F 與銑刀刀齒受到的銑削抗力 F 的合力大小相同 方向相反 如圖所示 合力 F 就是設(shè)計(jì)和校核工作臺進(jìn)給系統(tǒng)時(shí)要考慮的工作載荷可 以沿著銑床工作臺運(yùn)動方向分解為三個(gè)力 工作臺縱向進(jìn)給方向載荷 F1 工作臺橫向 進(jìn)給方向載荷 Fc 工作臺垂直進(jìn)給方向載荷 Fv 進(jìn)給工作臺的工作載荷 F1 Fc 和 Fv 與切向銑削力 Fz 之間有一定的經(jīng)驗(yàn)比值 見表 1 因此 計(jì)算出 Fz 后 即可計(jì)算出進(jìn)給工作臺的工作載荷 F1 Fc 和 Fv NvmEzz1033 12 表 2 1 工作臺工作載荷與切向鐵削力的經(jīng)驗(yàn)比值 在表 2 1 中 表示銑削寬度 mm 它是銑削用量要素之一 是垂直于銑刀軸ae 線測量的切削層尺寸 從圖 2 3 可知 圓柱銑削時(shí) 為待加工表面與已加工表面之間的垂直距離 端e 銑時(shí) 恰為工件寬度 不是待加工表面與已加工表面之間離 e 圖 2 2 順銑與逆銑 圖 2 2 表示圓柱銑的順銑和逆銑的不同方式 順銑時(shí) 縱向進(jìn)給方向載荷 F1 與進(jìn) 給方向一致 垂直進(jìn)給方向載荷 Fv 向下 逆銑時(shí)方向相反 圖 2 2 表示對稱端銑和不對稱端銑 對稱端銑分有順銑和逆銑之分 在表 1 中 d 表示圓柱銑刀直徑或端銑刀直徑 mm 表示每齒進(jìn)給量 mm 齒 af 即銑刀每轉(zhuǎn)一個(gè)齒間角時(shí)工件與銑刀的相對移動量 每齒進(jìn)給量 每轉(zhuǎn)進(jìn)給量 f f 13 和工作臺的進(jìn)給速度 三者之間的關(guān)系為vf mm minZnavff 式中 Z 銑刀齒數(shù) n 銑刀轉(zhuǎn)速 r min 2 2 4 首先初步估算工作臺的重量 首先要初步估算工作臺的重量及銑削工件的最大切削力才能進(jìn)行設(shè)計(jì) X 軸方向移動的工作臺尺寸 長 寬 高為 900 600 80 重量約為 3m 3302 2N 最大行程 630mm Y 軸方向移動的工作臺尺寸 長 寬 高為 300 300 80 重量約為3 550 368N 最大行程 400mm 設(shè)夾具及工件的質(zhì)量約為 200Kg 重量約為 1960N 則 XY 工作臺總質(zhì)量約為 480 83kg 總重量約為 5812 573N 包括夾具及工件 2 2 5 銑削用量選擇 銑削用量選擇原則 首先應(yīng)盡可能取較大的切削深度 及切削寬度 然后盡可能paea 取較大的每齒進(jìn)給量 最后才盡可能取較大的銑削速度 粗銑時(shí)余量大 加工要fa v 求低 主要考慮銑刀的耐用度及銑削力的影響 而精銑時(shí)余量小 加工要求高 主要 考慮加工質(zhì)量的提高 1 銑削深度 的選擇pa 1 當(dāng)工件表面要求的光潔度為 時(shí) 通常銑削無硬皮的鋼料時(shí) 3 銑削鑄鋼或鑄鐵時(shí) 3 5pam 5 7pam 14 2 當(dāng)工件表面要求的光潔度為 時(shí) 可分粗銑 半精銑 兩步銑削 粗銑4 5 后留 余量 0 5 1m 3 當(dāng)工件表面要求的光潔度為 時(shí) 可分粗銑 半精銑 精銑三步銑削 67 半精銑 精銑 左右 20pa 0 5pam 2 每齒進(jìn)給量 的選擇f 當(dāng)銑削深度 選定后 盡可能取較大的每齒進(jìn)給量 粗銑時(shí)限制每齒進(jìn)給量pa fa 的是銑削力及銑刀容屑空間的大小 當(dāng)工藝系統(tǒng)剛性俞好及銑刀齒數(shù)愈少時(shí) 可fa fa 取得愈大 半精銑及精銑時(shí)限制每齒進(jìn)給量 的是工件表面光潔度 光潔度要求愈高 f 應(yīng)俞小 f 2 2 6 銑削力的計(jì)算 銑床通常用于銑削平面和溝槽 銑刀又分為圓柱銑刀 立銑刀 盤形銑刀 端銑刀 半圓弧銑刀 T 形槽銑刀 其中用立銑刀銑削溝槽時(shí)的銑削力最大 故按用立銑刀銑削 溝槽時(shí)計(jì)算銑削力 銑削力與銑刀材料 銑刀類型 工件材料的硬度 銑削寬度 銑削深度 每齒進(jìn)給量 銑刀直徑 銑刀齒數(shù)有關(guān) 可按 金屬切削原理及應(yīng)用 中的公式進(jìn)行計(jì)算 2 01 03 0 175 6821 9 nZdaFpfez 銑削溝槽時(shí)采用粗齒高速鋼立銑刀 按工件材料為 的碳鋼來275 b 公 斤 力 毫 米 設(shè)計(jì) 查 金屬切削手冊 選擇銑削用量為銑刀直徑 銑刀齒數(shù) md106 Z 銑削寬度 每齒進(jìn)給量 銑削深度 銑刀的切mae60 maf18 0 zap 8 削速度 sv 7 3in 2 采用端面銑刀在主軸上的計(jì)算轉(zhuǎn)速下進(jìn)行強(qiáng)力切削 主軸具有最大扭矩 并能傳遞主電 15 動機(jī)的全部功率 由 得 Dnv srv 12014 3 73 故 NFz 498360658 60825 9 2 1 3 10 17 1 2 3 Z 向滾珠絲杠副計(jì)算與選擇 2 3 1 動載荷計(jì)算 絲桿的最大載荷為主軸重量加摩擦力 最小載荷為主軸重量減最大進(jìn)給力的 Z 向 分力 根據(jù)上節(jié) NFz 4983601206518 068251 9 2 3 17 根據(jù) 機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 計(jì)算載荷 cMAHFK 查表 2 6 取 查表 2 8 取 2 1 0 1 A 查表 2 7 取 查表 2 4 取 D 級精度0 H 則 NFc 598043 12 2 計(jì)算額定動載荷 aC 取絲杠的工作壽命為 hLh20 min 10rn31067 4 hmLncaFC 31067 24 N5 2 3 2 選用 FC1 4020 2 5 型絲杠 由表 2 9 得絲杠副數(shù)據(jù) 16 公稱直徑 mD50 導(dǎo)程 p1 滾珠直徑 d953 0 按表 2 1 種尺寸公式計(jì)算 滾道半徑 mdR096 35 25 0 偏心距 de 20 104 8 2953 06 7 2 7 絲杠內(nèi)徑 mReDd 98 306 14 80 201 2 3 3 穩(wěn)定性驗(yàn)算 絲杠一端軸向固定 采用深溝球軸承和雙向球軸承 可分別承受徑向和軸向的負(fù) 荷 另一端游動 需要徑向約束 采用深溝球軸承 外圈不限位 以保證絲杠在受熱 變形后可在游動端自由伸縮 如下圖 螺 母固 定 端 游 動 端 由于一端軸向固定的長絲杠在工作時(shí)可能會發(fā)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)大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù) S 絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 crF 2 l EIFacr 17 式中 E 為絲杠材料的彈性模量 對于鋼 E 206Gpa l 為絲杠工作長度 m 為絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩 為長度系數(shù) 取 aI 4m 32 84105 6d NFcr 52892 107 3 14 安全系數(shù) 2 5 3760 8 mcrS 查表 2 10 S 2 5 3 3 S S 絲杠是安全的 不會失穩(wěn) 高速絲杠工作時(shí)有可能發(fā)生共振 因此需驗(yàn)算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速 臨 街轉(zhuǎn)速 要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速 crncrn max 臨街轉(zhuǎn)速按下式計(jì)算 21 90ldfnccr 式中 為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù) 見表 2 10 本題取 cf 927 3 cf3 2 5 03 987 91 crnmin 52 34r i 6013axrn 即 所以絲杠工作時(shí)不會發(fā)生共振 maxcr 此外滾珠絲杠副還受 值的限制 通常要求nD0 min 107 40rnD mi 17i 140430 rrnD 18 2 3 4 剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠在工作負(fù)載 F N 和轉(zhuǎn)矩 T 共同作用下引起每個(gè)導(dǎo)程的變形量mN m 為 0L cGJTpEAF 20 式中 A 絲杠截面積 為絲杠的極慣性矩 G 為絲杠切214d cJ4132dJc 變模量 對鋼 T 為轉(zhuǎn)矩 Pa3 8 tn 20 DFTm 式中 為摩擦角 其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù) 衛(wèi)平均工作載荷mFNT 54 2 0 34tan 1024763 按最不利的情況取 其中 mF412120 64GdTpEJTpEAFLc 492 23293 08 1 8 3 5 08 2614 37 m 07 9 則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為 mpLl 85 4107 95320 通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差 小于其傳動精度的 1 2 即L L 50 12 19 該絲杠的 滿足上式 所以其剛度可以滿足要求 L 2 3 5 效率驗(yàn)算 滾珠絲杠副的傳動效率 為 947 0 2 34tan tan 要求在 90 95 之間 所以該絲杠副合格 經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)算 FC1 4010 2 5 各項(xiàng)性能均符合題目要求 所以合格 機(jī)床分辨率均為 0 005mm 選擇系統(tǒng)脈沖當(dāng)量為 0 005mm step p 2 4 Z 向直流電機(jī)選擇計(jì)算 1 計(jì)算工作臺 絲杠折算到電機(jī)軸上的慣量 dJ 根據(jù) 機(jī)電一體化基礎(chǔ) 所提供的計(jì)算公式 221 PgGJiJXSd 式中 折算到電機(jī)軸的慣量 d 2cmK 小 大齒輪的慣量 21 J 絲杠慣量 S 2g 橫向工作臺及夾具重量 XG NGX2156 絲杠螺距 P cmcP8 0 絲杠轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算 由于有些傳動件 如齒輪 絲杠等 的轉(zhuǎn)動慣量不易精確 計(jì)算 可將其等效成圓柱體來近似計(jì)算 圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量可依據(jù)公式 32 4ldJ 式中 材料密度 對鋼取 3cmKg35108 7cmKg 圓柱體直徑 對于齒輪 絲杠等就是其等效直徑 d 圓柱體長度 對于齒輪 絲杠等就是其等效齒寬或長度 l 20 則 321 41bdJ 54 780 20157Kgcm 則可算得 221 PgGJiJXSd 2210 80 57 078 49 6 314 2 032 Kgcm 2 gc 2 慣量匹配驗(yàn)算 初選的直流電機(jī)安川 R02SAKOE 的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量 4 61KgMJ2cm 轉(zhuǎn)動系統(tǒng)與直流電機(jī)的慣量匹配條件 14 MdJ 而 2 03 461dMJ 所以慣量是匹配的 3 負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇 計(jì)算快速空載起動時(shí)所需力矩 起 依據(jù)公式 0maxf 起 式中 起M 快速空載起動力矩 cN 空載起動時(shí)折算到電機(jī)軸上最大加速力矩 max cmN f 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩 由于絲杠預(yù)緊時(shí)折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩 0 又 max J 式中 慣量和 cN 2 03461 dMJNcm 21 電機(jī)最大角加速度 2srad 又 260maxtn 其中 電機(jī)最大轉(zhuǎn)速 ax in rt 運(yùn)動部件從停止起動加速到最大快進(jìn)速度所需時(shí)間 s取 25ms 又 360maxaPbVn 則 ax25 721 minr 則 60 234 8ads 故 JMamx6 421 8 0Ncm 又因?yàn)?iLFf 0 式中 0 導(dǎo)軌的摩擦力 N 傳動鏈總效率 一般可取 現(xiàn)取 85 0 7 85 0 又 0XfNGF 式中 垂直方向的切削力 fN 23 7fNcFN 導(dǎo)軌摩擦系數(shù) 貼塑導(dǎo)軌 04 f 橫向工作臺及夾具重量 Y 0X 則 103N0 4 37520 F 故 13 82 4067fM 9 cm 22 又 2001 iLFMP 式中 滾珠絲杠預(yù)加載荷 取 0P 01387PmFN 滾珠絲杠預(yù)緊時(shí)的傳動效率 95 故 203870 1 2 146M 9 Ncm 140 9 8 3 7 153 50maxMf 起 cmN 4 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 快 依據(jù)公式 0Mf 快 而 9 8371 5Ncm 快 故有 153 Mc 快 起 5 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 切 根據(jù)公式 tfM 0切 式中 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩 t cmN 又有公式 iLFft 20 式中 進(jìn)給方向最大切削力 fF N 1 2 1508fCFN 則 180 23 467tM cm 故 tf 0切9 871 5Ncm 6 最大靜轉(zhuǎn)矩選擇 依據(jù)文獻(xiàn) 實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊 上 有 23 1 對于在最大切削力下工作時(shí)所需要電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為 5 0 3max切Mj 18 53 0 76Ncm 2 對于空載起動時(shí)所需要的電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為 951 02max起Mj 3 6 Ncm 由 1 和 2 可知 以計(jì)算得 恒大于 所以就以 作為選取ax1jM2maxj 1maxjM 直流電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的依據(jù) 而初選的直流電機(jī)為安川 R02SAKOE 它的最大靜轉(zhuǎn)矩 為 max1689jNcM 所以初選的直流電機(jī)型號符合要求 7 直流電機(jī)動載荷矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性 由 數(shù)控技術(shù) 得 動矩頻特性 PVf 601maxax 2 501 4167Hz 運(yùn)行矩頻特性 PSeVf 6 其中 最大切削力下的進(jìn)給速度 可取最高進(jìn)給速度 2m mineV min 的 現(xiàn)取中間值 即 31 2ax71 42S 所以 2431ef 01 46 Hz 由直流電機(jī)安川 R02SAKOE 的矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性參數(shù)可以看出所選直流電 機(jī)在起動時(shí)力矩是滿足要求的 所以最終就確定直流電機(jī)的型號為 安川 R02SAKOE 直流伺服電機(jī) 24 2 5 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)與選型 2 5 1 導(dǎo)軌概述 導(dǎo)軌主要用來支撐和引導(dǎo)運(yùn)動部件沿一定的軌道運(yùn)動 在導(dǎo)軌副中 運(yùn)動的一方 稱為動導(dǎo)軌 不動的一方稱為支承導(dǎo)軌 動導(dǎo)軌相對于支承導(dǎo)軌運(yùn)動 通常作直線運(yùn) 動和回轉(zhuǎn)運(yùn)動 1 對導(dǎo)軌的要求 1 導(dǎo)向精度高 導(dǎo)向精度主要是指導(dǎo)軌沿支承導(dǎo)軌運(yùn)動的直線度和圓度 影響導(dǎo)向精度的主要因 素有導(dǎo)軌的幾何精度 導(dǎo)軌的接觸精度 導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式 動導(dǎo)軌及支承導(dǎo)軌的剛度 和熱變形 還有裝配質(zhì)量 導(dǎo)軌的幾何精度綜合反映在靜止或低速下導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度 直線運(yùn)動導(dǎo)軌的檢驗(yàn) 內(nèi)容主要是 導(dǎo)軌在垂直平面內(nèi)的直線度 導(dǎo)軌在水平平面內(nèi)的直線度 在水平面內(nèi) 兩條導(dǎo)軌的平行度 例如 導(dǎo)軌全長為 20 m 的龍門刨床 其直線度誤差為 0 02 1 000 在導(dǎo)軌全長范圍內(nèi)為 0 08 mm 圓周運(yùn)動導(dǎo)軌幾何精度的檢驗(yàn)內(nèi)容與主軸回轉(zhuǎn)精 度的檢驗(yàn)方法相類似 用導(dǎo)軌回轉(zhuǎn)時(shí)端面跳動和徑向跳動表示 例如 最大切削直為 4m 的立車 其允差規(guī)定為 0 05 mm 2 耐磨性好及壽命長 導(dǎo)軌的耐磨性決定了導(dǎo)軌的精度保持性 動導(dǎo)軌沿支承導(dǎo)軌長期運(yùn)行會引起導(dǎo)軌 的不均勻磨損 破壞導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度 從而影響機(jī)床的加工精度 例如 臥式車床的 鑄鐵導(dǎo)軌 若結(jié)構(gòu)欠佳 潤滑不良或維修不及時(shí) 貝 靠近床頭箱一段的前導(dǎo)軌 每 年磨損量達(dá) 0 2 0 3mm 這樣就降低了刀架移動的直線度及對主軸的平行度 加工精度 也就下降了 與此同時(shí) 也增加了溜板箱中開合螺母與絲杠的同軸度誤差 加劇了螺 25 母與絲杠的磨損 3 足夠的剛度 導(dǎo)軌要有足夠的剛度 保證在載荷作用下不產(chǎn)生過大的變形 從而保證各部件間 的相對位置和導(dǎo)向精度 4 低速運(yùn)動的平穩(wěn)性 在低速運(yùn)動時(shí) 作為運(yùn)動部件的動導(dǎo)軌易產(chǎn)生爬行 進(jìn)給運(yùn)動的爬行將提高被加 工表面的表面粗糙度值 故要求導(dǎo)軌低速運(yùn)動平穩(wěn) 不產(chǎn)生爬行 這對于高精度的機(jī) 床尤其重要 5 工藝性好 設(shè)計(jì)導(dǎo)軌時(shí) 要注意到制造 調(diào)整和維護(hù)的方便 力求結(jié)構(gòu)簡單 工藝性和經(jīng)濟(jì) 性好 2 對導(dǎo)軌的技術(shù)要求 1 導(dǎo)軌的精度要求 滑動導(dǎo)軌 不管是 V 一平型還是平一平型 導(dǎo)軌面的平面度通常取 0 01 0 015 mm 長度方向的直線度通常取 0 005 0 01 mm 側(cè)導(dǎo)向面的直線度取 0 01 0 015 mm 側(cè)導(dǎo)向面之間的平行度取 0 01 0 015mm 側(cè)導(dǎo)向面對導(dǎo)軌底面的垂直度取 0 005 0 01mm 鑲鋼導(dǎo)軌的平面度必須控制在 0 005 0 01 mm 以下 其平行度和垂直度控制 在 0 01mm 以下 2 導(dǎo)軌的熱處理 數(shù)控機(jī)床的開動率普遍都很高 這就要求導(dǎo)軌具有較高的耐磨性 以提高其精度 保持性 為此 導(dǎo)軌大多需淬火處理 導(dǎo)軌淬火的方式有中頻淬火 超音頻淬火 火 焰淬火等 其中用的較多的是前兩種方式 26 鑄鐵導(dǎo)軌的淬火硬度 一般為 50 55 HRC 個(gè)別要求 57 HRC 淬火層深度規(guī)定經(jīng) 磨削后應(yīng)保留 1 0 1 5 mm 鑲鋼導(dǎo)軌 一般采用中頻淬火或滲氮淬火方式 淬火硬度為 58 62 HRC 滲氮層 厚度為 0 5 mm 2 導(dǎo)軌的類型和特點(diǎn) 導(dǎo)軌的分類方法有多種 按運(yùn)動軌跡可以分為直線導(dǎo)軌和圓導(dǎo)軌 按工作性質(zhì)可 分為主運(yùn)動導(dǎo)軌 進(jìn)給導(dǎo)軌和調(diào)整導(dǎo)軌 按受力情況可以分為開式導(dǎo)軌和閉式導(dǎo)軌 按摩擦性質(zhì)可以分為滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌 下面首先介紹直線滑動導(dǎo)軌的有關(guān)內(nèi)容 1 直線滑動導(dǎo)執(zhí)的截面形狀 直線滑動導(dǎo)軌有若干個(gè)平面 從制造 裝配和檢驗(yàn)來說 平面的數(shù)量應(yīng)盡可能少 常用的直線滑動導(dǎo)軌的截面形狀有矩形 三角形 燕尾形和圓形 各個(gè)平面所起的作用 也各不相同 在矩形導(dǎo)軌和三角形導(dǎo)軌中 M 面主要起支承作用 N 面是保證直線移動 精度的導(dǎo)向面 J 面是防止運(yùn)動附件抬起的壓板面 在燕尾形導(dǎo)軌中 M 面起導(dǎo)向和壓板 作用 J 面起支承作用 根據(jù)支承導(dǎo)軌的凹凸?fàn)顟B(tài) 又可以將導(dǎo)軌分成凸形導(dǎo)軌和凹形導(dǎo)軌 其中 凸三 角形導(dǎo)軌稱為山形導(dǎo)軌 凹三角形導(dǎo)軌稱為 v 形導(dǎo)軌 凸形導(dǎo)軌不易存儲潤滑油 但 易清除導(dǎo)軌面的切屑等雜物 凹形導(dǎo)軌易存儲潤滑油 但易落人切屑和雜物 必須設(shè) 防護(hù)裝置 2 5 2 滾動直線導(dǎo)軌副的計(jì)算 1 作用于滾動直線導(dǎo)軌副的載荷計(jì)算 由于滾動直線導(dǎo)軌副的特殊結(jié)構(gòu) 使其具有垂直向上 向下 左右和水平四個(gè)方 27 向額定載荷相等 且額定載荷大 剛性好 三個(gè)方向抗顛覆力矩能力大的特點(diǎn) 滾動 導(dǎo)軌受力分析見圖 3 3 下層工作臺的承載重約為 5812 573N w 01238 30 5 9LmLm 2L3L1L 0L3 W 12CP 34CP 41 3 28 圖 3 3 滾動導(dǎo)軌受力分析圖 3 6321014c LWp 3 7322014c Lp 3 8323014c LWp 3 932401c Lp 將已知數(shù)據(jù)代入上式得 15019582 73140 4283cp N 29 215019582 734 54823cp N 315019582 7316 4283cp 415019582 7310 283cp N 載荷成分段變化 其計(jì)算載荷 cp 3 10 3312 ncLLp 式中 對應(yīng)行程內(nèi)的載荷 np 分段行程 L 全行程等于 nL 33333140 27 516 180 74075 9 cpNK 2 滾動直線導(dǎo)軌副的額定壽命 1 額定壽命的計(jì)算公式為 3 1 350htcacffCLp 式中 L 額定壽命 30 C 額定動載荷 計(jì)算載荷 cp 溫度系數(shù) 取 1 0 tf 接觸系數(shù) 取 0 81 c 精度系數(shù) 取 1 0 af 載荷系數(shù) 取 1 5 硬度系數(shù) 取 1 0 hf 2 壽命時(shí)間的計(jì)算 當(dāng)行程的長度一定 以小時(shí)為單位的額定壽命 3 12 31026hLnl 式中 行程長度 l L 額定壽命 每分鐘往復(fù)次數(shù) n 3 133205 min41vl 次 一般情況下 滾動直線導(dǎo)軌副預(yù)期壽命取 20000 小時(shí) 則 3 143 32601250 4620148hLnl km 由 htcacffCLp 31 得 3 15 350tchafpLC 取 則 1 8 1 5 1 0tcahfffff 334 376 255008tchafpLC KN 查漢江機(jī)床公司生產(chǎn)的 HJ D 系列線性滾動導(dǎo)軌產(chǎn)品樣本 其 HJ D 系列中 DA20A 型滾動導(dǎo)軌 C 1260kgf 12 348KN 滿足要求 第 3 章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3 1 微機(jī)控制系統(tǒng)組成及特點(diǎn) 3 1 1 微機(jī)控制系統(tǒng)的組成 微機(jī)控制系統(tǒng)主要由微型計(jì)算機(jī)和伺服系統(tǒng)兩大部份組成 其中微機(jī)又包括硬件 和軟件兩部分 1 微機(jī)控制系統(tǒng)基本硬件組成 硬件時(shí)組成系統(tǒng)的基礎(chǔ) 有了硬件軟件才能有效地運(yùn)行 硬件電路的可靠性直接 影響到數(shù)控系統(tǒng)的性能指標(biāo) 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下部分組成 1 主控制器 即中央處理單元 CPU 2 存儲器 包括只讀可編程存儲器和隨機(jī)讀寫數(shù)據(jù)存儲器 3 接口 2 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)軟件 軟件是指為實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制系統(tǒng)各項(xiàng)功能編制的專用程序 它一般由以下幾部分組 成 1 輸入數(shù)據(jù)處理程序它接受輸入的零件加工程序 用標(biāo)準(zhǔn)代碼表示的加工指令和 數(shù)據(jù)整理成便于解釋執(zhí)行的格式后存放 2 插補(bǔ)運(yùn)算程序它完成普通數(shù)控系統(tǒng)中插補(bǔ)器的功能 32 3 速度控制程序它根據(jù)給定的速度代碼或每分毫米數(shù)控制插補(bǔ)運(yùn)算的頻率 以保 證預(yù)定速度進(jìn)給 4 管理程序和診斷程序管理程序?qū)?shù)據(jù)輸入 處理及切削加工過程服務(wù)的各個(gè)程 序進(jìn)行調(diào)度 還可以對面板命令 時(shí)鐘信號 故障信號等引起的中斷進(jìn)行處理 診斷 程序可以在運(yùn)行中及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障 并指示故障類型 3 1 2 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn) 1 可靠性高 由于采用大規(guī)模集成電路 軟件連接以及資診斷功能 所以大大 提高了無故障運(yùn)行時(shí)間 即使又極少的故障也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除 2 靈活性強(qiáng) 由于系統(tǒng)的硬件是通用 標(biāo)準(zhǔn)化的 對于不同機(jī)床的控制要求只 需更換可編程只讀存儲器中的系統(tǒng)程序就可實(shí)現(xiàn) 3 易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化 采用大規(guī)模集成電路時(shí)控制框尺寸大為縮小 采用可編程 接口又可將 M S T 等順序控制部分邏輯電路與數(shù)控裝置結(jié)合一起 使結(jié)構(gòu)更為緊湊 4 價(jià)格低 采用微機(jī)數(shù)控 使數(shù)控機(jī)床電氣部分成本大為下降 對功比較齊全的數(shù) 控機(jī)床價(jià)格幅度下降更大 5 由于微機(jī)的功能強(qiáng) 存儲量大 可實(shí)現(xiàn)多功能控制 多路運(yùn)行控制及數(shù)據(jù)和圖形 顯示等 給操作人員和監(jiān)視生產(chǎn)過程帶來方便 3 2 微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)備介紹 3 2 1 主控制器 CPU 的選擇 CPU 的選擇應(yīng)考慮以下要素 1 控制數(shù)據(jù)處理的速度 2 ROM RAM 的容量 3 指令系統(tǒng)功能的強(qiáng)弱 即編程的靈活性 4 I O 口擴(kuò)展的能力 即對外設(shè)控制的能力 5 開發(fā)手段 包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路 目前在數(shù)控系統(tǒng)中常用的芯片由 8086 8088 80286 80386 以及 8098 8096 等 16 位機(jī)的 CPU 也有 8080 Z80 和 8051 8031 8751 等 8 位機(jī)的 CPU 但從性能價(jià) 格比上 我們擬采用 MCS 51 系列單片機(jī)中的 8031 作為主控制器 33 下面介紹 MCS 51 單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu) 如圖 4 下面對各功能部件作進(jìn)一步的說明 1 數(shù)據(jù)存儲器 RAM 片內(nèi)為 128 個(gè)字節(jié) 片外最多可擴(kuò)至 64K 字節(jié) 2 程序存儲器 ROM EPROM 8031 無此部件 8051 為 4KROM 8751 為 4KEPROM 片外最多可外擴(kuò)至 64K 字節(jié) 3 中斷系統(tǒng) 具有 5 個(gè)中斷源 2 級中斷優(yōu)先權(quán) 4 定時(shí)器 計(jì)數(shù)器 2 個(gè) 16 位的定時(shí)器 計(jì)數(shù)器 具有四種工作方式 5 串行口 1 個(gè)全雙工的串行口 具有四種工作方式 6 P1 口 P2 口 P3 口 P0 口 為四個(gè)并行 8 位 I O 口 7 特殊功能寄存器 SFR 共有 21 個(gè) 用于對片內(nèi)各功能模塊進(jìn)行管理 控制 監(jiān)視 8 微處理器 CPU 為 8