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南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
1 緒論
1.1 本設(shè)計(jì)研究的目的和意義
機(jī)械制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國68％的社會(huì)財(cái)富來源于制造業(yè)，日本國民總產(chǎn)值的49％是由機(jī)械制造業(yè)提供的我國的機(jī)械制造業(yè)在工業(yè)總產(chǎn)值中也占40％可以說，沒有發(fā)達(dá)的機(jī)械制造業(yè)，就不可能有國家的真正繁榮的富強(qiáng)。而機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展規(guī)模和水平，則是反映國民經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。提高加工效率、降低生產(chǎn)成本、提高加工質(zhì)量、快速更新產(chǎn)品，是機(jī)械制造業(yè)競爭和發(fā)展的基礎(chǔ)，也是機(jī)械制造業(yè)技術(shù)水平的標(biāo)志20世紀(jì)50年代初第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)，使機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了日新月異的局面，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)的應(yīng)用技術(shù)和最基本的裝備。而數(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)。當(dāng)今世界各國機(jī)械制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對(duì)動(dòng)態(tài)多變市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競爭能力，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。
數(shù)控加工技術(shù)是一個(gè)國家繁榮昌盛的最根本的技術(shù)基礎(chǔ)之一，其重要作用正越來越被人們所認(rèn)識(shí)。數(shù)控加工技術(shù)是直接創(chuàng)造社會(huì)財(cái)富的重要手段，是一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要技術(shù)支撐，是發(fā)展各支柱產(chǎn)業(yè)及國民經(jīng)濟(jì)各部門的關(guān)鍵技術(shù)數(shù)控加工技術(shù)水平的高低，可直接影響國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
國防力量的競爭在一定程度上就是先進(jìn)制造技術(shù)的競爭。數(shù)控加工技術(shù)是先進(jìn)國防裝備產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)基礎(chǔ)。新型國防裝備的產(chǎn)業(yè)化常常落后于對(duì)其技術(shù)原理的掌握，這往往是受制于制造技術(shù)。重大制造技術(shù)的突破往往會(huì)帶來一批新裝備的出現(xiàn)。數(shù)控加工技術(shù)也是提高國防裝備性能和威力的重要因素。數(shù)控加工技術(shù)對(duì)我國機(jī)械制造業(yè)已有了飛速發(fā)展，然而市場(chǎng)競爭力不強(qiáng)的問題卻非常突出。這主要反映在機(jī)械產(chǎn)品國內(nèi)市場(chǎng)占有率近年來節(jié)節(jié)下降，已經(jīng)從改革初期的90％左右下降到70％左右。最突出的是機(jī)床，其國內(nèi)市場(chǎng)占有率從1991年的62％下降到1997年的36％。美國的一些機(jī)械企業(yè)早在1990年就已做到了“三個(gè)三”，即產(chǎn)品的生命周期為三年，產(chǎn)品的試制周期為三個(gè)月，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期為三個(gè)星期。
我國加工技術(shù)水平與工業(yè)發(fā)達(dá)國家存在著階段性差距。只有加快發(fā)展數(shù)控加工技術(shù)，改變加工技術(shù)的落后狀態(tài)，才能從根本上提高企業(yè)在市場(chǎng)的競爭能力。
1.2 本設(shè)計(jì)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
當(dāng)今美國不僅生產(chǎn)宇航等使用的高性能數(shù)控機(jī)床，也為中小企業(yè)生產(chǎn)廉價(jià)實(shí)用的數(shù)控機(jī)床（如Haas、Fadal公司等）。其存在的教訓(xùn)是，偏重於基礎(chǔ)科研，忽視應(yīng)用技術(shù)，且在上世紀(jì)80代政府一度放松了引導(dǎo)，致使數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量增加緩慢，於1982年被後進(jìn)的日本超過，并大量進(jìn)口。從90年代起，糾正過去偏向，數(shù)控機(jī)床技術(shù)上轉(zhuǎn)向?qū)嵱?，產(chǎn)量又逐漸上升。
德國政府一貫重視機(jī)床工業(yè)的重要戰(zhàn)略地位，在多方面大力扶植。特別講究“實(shí)際”與“實(shí)效”，堅(jiān)持“以人為本”，師徒相傳，不斷提高人員素質(zhì)。在發(fā)展大量大批生產(chǎn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，於1956年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床後，一直堅(jiān)持實(shí)事求是，講求科學(xué)精神，不斷穩(wěn)步前進(jìn)。德國特別注重科學(xué)試驗(yàn)，理論與實(shí)際相結(jié)合，基礎(chǔ)科研與應(yīng)用技術(shù)科研并重。企業(yè)與大學(xué)科研部門緊密合作，對(duì)用戶產(chǎn)品、加工工藝、機(jī)床布局結(jié)構(gòu)、數(shù)控機(jī)床的共性和特性問題進(jìn)行深入的研究，在質(zhì)量上精益求精。德國的數(shù)控機(jī)床質(zhì)量及性能良好、先進(jìn)實(shí)用、貨真價(jià)實(shí)，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密數(shù)控機(jī)床。德國特別重視數(shù)控機(jī)床主機(jī)及配套件之先進(jìn)實(shí)用，其機(jī)、電、液、氣、光、刀具、測(cè)量、數(shù)控系統(tǒng)、各種功能部件，在質(zhì)量、性能上居世界前列。如西門子公司之?dāng)?shù)控系統(tǒng)和Heidenhain公司之精密光柵，均為世界聞名，競相采用。
日本政府對(duì)機(jī)床工業(yè)之發(fā)展異常重視，通過規(guī)劃、法規(guī)（如“機(jī)振法”、“機(jī)電法”、“機(jī)信法”等）引導(dǎo)發(fā)展。在重視人才及機(jī)床元部件配套上學(xué)習(xí)德國，在質(zhì)量管理及數(shù)控機(jī)床技術(shù)上學(xué)習(xí)美國，甚至青出於藍(lán)而勝於藍(lán)。日本也和美、德兩國相似，充分發(fā)展大量大批生產(chǎn)自動(dòng)化，繼而全力發(fā)展中小批柔性生產(chǎn)自動(dòng)化的數(shù)控機(jī)床。自1958年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床後，1978年產(chǎn)量（7342臺(tái)）超過美國（5688臺(tái)），至今產(chǎn)量、出口量一直居世界首位（2001年產(chǎn)量46604臺(tái)，出口27409臺(tái)，占59%）。戰(zhàn)略上先仿後創(chuàng)，先生產(chǎn)量大而廣的中檔數(shù)控機(jī)床，大量出口，占去世界廣大市場(chǎng)。在上世紀(jì)80年代開始進(jìn)一步加強(qiáng)科研，向高性能數(shù)控機(jī)床發(fā)展。在策略上，首先通過學(xué)習(xí)美國全面質(zhì)量管理(TQC)，變?yōu)槁毠ぷ杂X群體活動(dòng)，保產(chǎn)品質(zhì)量。進(jìn)而加速發(fā)展電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)，進(jìn)入世界前列，為發(fā)展機(jī)電一體化的數(shù)控機(jī)床開道。日本在發(fā)展數(shù)控機(jī)床的過程中，狠抓關(guān)鍵，突出發(fā)展數(shù)控系統(tǒng)。日本FANUC公司戰(zhàn)略正確，仿創(chuàng)結(jié)合，針對(duì)性地發(fā)展市場(chǎng)所需各種低中高檔數(shù)控系統(tǒng)，在技術(shù)上領(lǐng)先，在產(chǎn)量上居世界第一。該公司現(xiàn)有職工3674人，科研人員超過600人，月產(chǎn)能力7000套，銷售額在世界市場(chǎng)上占50%，在國內(nèi)約占70%，對(duì)加速日本和世界數(shù)控機(jī)床的發(fā)展起了重大促進(jìn)作用。
我國的機(jī)械制造工業(yè)已具有一定的實(shí)力。機(jī)床工業(yè)高速發(fā)展，機(jī)床產(chǎn)品除滿
足國內(nèi)建設(shè)需要外，還有部分產(chǎn)品遠(yuǎn)銷國外。我國現(xiàn)已能生產(chǎn)小型儀表機(jī)
床、重型機(jī)床，各種精密的、高度自動(dòng)化的、高效率的機(jī)床。機(jī)床性能正在逐漸提高，有些機(jī)床性能已接近世界先進(jìn)水平。我國目前已能生產(chǎn)100多種數(shù)控機(jī)床，并研制出六軸五聯(lián)動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng)，可應(yīng)用于更加復(fù)雜型面的加工。國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的分辨率已經(jīng)提高到0.001mm。我國機(jī)械制造工業(yè)已經(jīng)取得了巨大的成就，但與世界先進(jìn)水平相比還有很大差距。大部分高精度機(jī)床的性能還不能滿足要求，精度保持性差，特別是數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量、技術(shù)水平和質(zhì)量保證等方面都明顯落后，這主要是管理落后、專業(yè)化生產(chǎn)水平低，工藝落后也是主要因素。由于工藝水平落后，使產(chǎn)品研制出來后也不能迅速轉(zhuǎn)變成商品，即使從國外引進(jìn)的機(jī)電產(chǎn)品技術(shù)，也不能形成批量生產(chǎn)。為此，機(jī)械工業(yè)部門提出了“加強(qiáng)工藝管理、嚴(yán)格工藝紀(jì)律為突破口，提高工藝水平，推行全面質(zhì)量管理，打一場(chǎng)提高產(chǎn)品質(zhì)量的硬仗”作為工藝工作的指導(dǎo)方針。這是振興我國機(jī)械工業(yè)的重大戰(zhàn)略措施之一。隨著電子、信息等高新技術(shù)的不斷發(fā)展，隨著市場(chǎng)需求個(gè)性化與多樣化，在未來的21世紀(jì)中，加工技術(shù)將向著超精密、超高速以及發(fā)展新一代加工設(shè)備的方向發(fā)展。而數(shù)控加工技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)是：工藝設(shè)計(jì)由經(jīng)驗(yàn)判斷走向定量分析，加工工藝由技藝發(fā)展為工程科學(xué)，使工藝模擬技術(shù)得到迅速發(fā)展。
1.3 目前存在的主要問題
自動(dòng)化加工在現(xiàn)代機(jī)械加工中起著重要的作用，數(shù)控機(jī)床加工的高速度、高精度也越來越受到機(jī)械行業(yè)的青睞，在對(duì)數(shù)控設(shè)備的使用過程中，我們對(duì)數(shù)控機(jī)床應(yīng)用的認(rèn)識(shí)也在逐步走向成熟，如何能最大限度的發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的加工效率，我感覺有一些問題必須要解決。
一、目前在企業(yè)中，尤其是國企中的基層技術(shù)干部、管理干部對(duì)數(shù)控機(jī)床加工的原理、對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的特性不了解，對(duì)零件加工工藝和程序的編制生疏，無法編制針對(duì)數(shù)控機(jī)床零件的加工工藝和科學(xué)性強(qiáng)的加工程序，也無法對(duì)數(shù)控設(shè)備進(jìn)行科學(xué)的管理。先進(jìn)的加工方法，落后的管理手段極大的影響了數(shù)控機(jī)床效率的發(fā)揮。
二、數(shù)控操作人員大部分來自普通機(jī)加工，文化素質(zhì)參差不齊，在對(duì)數(shù)控設(shè)備的應(yīng)用中套用普通設(shè)備加工的思路，對(duì)數(shù)控機(jī)床高速切削的特性、數(shù)控刀具的選擇、切削參數(shù)的選擇缺乏科學(xué)性，加工程序的優(yōu)劣及加工效率的高低完全取決于操作工人素質(zhì)的高低，也就不能最大限度的發(fā)揮數(shù)控設(shè)備的加工效率。
三、由于特定的原因，數(shù)控設(shè)備的引進(jìn)系統(tǒng)繁雜，設(shè)備檔次不齊，給技術(shù)人員、操作人員的應(yīng)用和編程帶來很大困難。大大限制了零件的轉(zhuǎn)移加工。
四、一般的系統(tǒng)內(nèi)存容量都不是很大，在加工零件種類繁多時(shí)，大量的加工程序因?yàn)闊o法存儲(chǔ)而不得不進(jìn)行反復(fù)的刪除和鍵入,有限的系統(tǒng)資源有時(shí)甚至無法存儲(chǔ)一個(gè)完整的復(fù)雜零件的加工程序。頻繁的重復(fù)的零件準(zhǔn)備工作浪費(fèi)了大量的工作時(shí)間,直接影響了數(shù)控機(jī)床的效率。加工程序反復(fù)編制也影響了程序的穩(wěn)定性。
五、由于大量的加工程序是使用手工編制的,對(duì)復(fù)雜面的計(jì)算難于保證它的準(zhǔn)確性,也難于保證零件的加工要求,甚至出現(xiàn)廢品。
六、現(xiàn)在企業(yè)大部分建立了自己的局域網(wǎng),在計(jì)算機(jī)中大量使用了CAD/CAM計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)輔助編程軟件.而現(xiàn)在企業(yè)也正逐步實(shí)現(xiàn)CIMS管理體系,但基層缺乏與上層技術(shù)部門銜接的環(huán)境,因而無法獲得技術(shù)部門的有力支持。
1.4 本設(shè)計(jì)擬解決的關(guān)鍵問題和研究方法
1）關(guān)鍵問題
(1)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算：主要解決Z坐標(biāo)平衡的技術(shù)難題。
(2)重要零部件選型設(shè)計(jì)：主要遴選國內(nèi)能用于本項(xiàng)目的零部件，進(jìn)行性能價(jià)格比較。在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，達(dá)到性能價(jià)格比較好。
(3)重要零部件的強(qiáng)度校核與優(yōu)化：本項(xiàng)目的一個(gè)重要內(nèi)容是進(jìn)行重要零部件的數(shù)字化設(shè)計(jì)。
(4)總裝圖與零件圖的計(jì)算機(jī)繪制：本項(xiàng)目的所有圖紙均采用電子文本，部分重要零部件采用三維圖，并在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬裝配，以求減少設(shè)計(jì)失誤。本項(xiàng)目的這個(gè)研究內(nèi)容也是該產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)重要內(nèi)容之一，這項(xiàng)研究可以提升我國在這類產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)水平。
(5)本項(xiàng)目的制造工藝研究：解決大型焊接件的焊接工藝；解決高精度數(shù)控系統(tǒng)制造工藝問題。
2）研究方法
文獻(xiàn)查閱研究、實(shí)體操作、功能分析、調(diào)差法
2 總體方案設(shè)計(jì)
在數(shù)控機(jī)床發(fā)展的初級(jí)階段，人們通常認(rèn)為任何設(shè)計(jì)優(yōu)良的傳統(tǒng)機(jī)床只要裝備了數(shù)控裝置就能成為一臺(tái)完善的數(shù)控機(jī)床。當(dāng)時(shí)采取的主要方法是在傳統(tǒng)的機(jī)床上進(jìn)行改裝，或者以通用機(jī)床為基礎(chǔ)進(jìn)行局部的改進(jìn)設(shè)計(jì)，這些方法在當(dāng)時(shí)還是很有必要的。但隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，考慮到它的控制方式和使用特點(diǎn)，對(duì)機(jī)床的生產(chǎn)率、加工精度和壽命提出了更高的要求。因此，傳統(tǒng)機(jī)床的一些弱點(diǎn)(例如結(jié)構(gòu)剛性不足、抗振性差、滑動(dòng)面的摩擦阻力較大及傳動(dòng)元件中的間隙等)就越來越明顯地暴露出來，它的某些基本結(jié)構(gòu)限制著數(shù)控機(jī)床技術(shù)性能的發(fā)揮?，F(xiàn)以機(jī)床的精度為例，數(shù)控機(jī)床通過數(shù)字信息來控制刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，它要求在相當(dāng)大的進(jìn)給速度范圍內(nèi)能達(dá)到較高的精度。當(dāng)進(jìn)給速度范圍在5-15000mm/min，最大加速度為1500mm/s2時(shí)，定位通常精度為±0.05～0.015mm；進(jìn)行輪廓加工時(shí)，在5-2000mm/min的進(jìn)給范圍內(nèi)，精度為0.02～0.05mm。如此高的加工要求就不難理解遠(yuǎn)在二十多年前已逐步由改裝現(xiàn)有機(jī)床轉(zhuǎn)變?yōu)獒槍?duì)數(shù)控的要求設(shè)計(jì)新機(jī)床的原因。
用數(shù)控機(jī)床加工中、小批量工件時(shí)，要求在保證質(zhì)量的前提下比傳統(tǒng)加工方法有更好的經(jīng)濟(jì)性。數(shù)控機(jī)床價(jià)格較貴，因此每小時(shí)的加工費(fèi)用比傳統(tǒng)機(jī)床的要高。如果不采取措施大幅度地壓縮單件加工工時(shí)，就不可能獲得較好的經(jīng)濟(jì)效果。刀具材料的發(fā)展使切削速度成倍地提高，它為縮短切削時(shí)間提供了可能；加快換刀及變速等操作，又為減少輔助時(shí)間創(chuàng)造了條件。然而這些要求將會(huì)明顯地增加機(jī)床的負(fù)載和負(fù)載狀態(tài)下的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，因而對(duì)機(jī)床的剛度及壽命都提出了新的要求。此外，為了縮短裝夾與運(yùn)送工件的時(shí)間，以及減少工件在多次裝夾中所引起的定位誤差，要求工件在一臺(tái)數(shù)控機(jī)床上的一次裝夾中能先后進(jìn)行粗加工和精加工，要求機(jī)床既能承受粗加工時(shí)的最大切削功率，又能保證精加工時(shí)的高精度，所以機(jī)床的結(jié)構(gòu)必須具有很高的強(qiáng)度、剛度和抗振性。除了排除操作者的技術(shù)熟練程度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，以避免人為造成的廢品和返修品，數(shù)控系統(tǒng)不但要對(duì)刀具的位置或軌跡進(jìn)行控制，而且還要具備自動(dòng)換刀和補(bǔ)償?shù)绕渌δ?，因而機(jī)床的結(jié)構(gòu)必須有很高的可靠性，以保證這些功能的正確執(zhí)行。在數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)競爭日趨激烈的情況下，為了使數(shù)控機(jī)床能以足夠多的功能和相對(duì)低廉的銷售價(jià)格推向市場(chǎng)，設(shè)計(jì)者為此付出了巨大的努力。通用型數(shù)控機(jī)床雖然能夠很好地滿足各類用戶的需求，但由于機(jī)床的功能過于齊全，使售價(jià)提高，用戶不得不為多余的功能承擔(dān)額外的費(fèi)用，成本的上升必然會(huì)削弱產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競爭力；而專用型數(shù)控機(jī)床對(duì)某具體的零件雖然具有良好的經(jīng)濟(jì)性，但它限制了加工對(duì)象的品種變化，使生產(chǎn)柔性下降。
模塊化設(shè)計(jì)思想正是為解決上述矛盾而提出的，它靈活的機(jī)床配置使用戶在數(shù)控機(jī)床的功能、規(guī)格方面有更多的選擇余地，做到既能滿足用戶的加工要求，又盡可能不為多余的功能承擔(dān)額外的費(fèi)用。
數(shù)控機(jī)床通常由床身、立柱、主軸箱、工作臺(tái)、刀架系統(tǒng)及電氣總成等部件組成。如果把各種部件的基本單元作為基礎(chǔ)，按不同功能、規(guī)格和價(jià)格設(shè)計(jì)成多種模塊，用戶可以按需要選擇最合理的功能模塊配置成整機(jī)。這不僅能降低數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造成本，而且能縮短設(shè)計(jì)和制造周期，最終贏得市場(chǎng)。目前，模塊化的概念已開始從功能模塊向全模塊化方向發(fā)展，它已不局限于功能的模塊化，而是擴(kuò)展到零件和原材料的模塊化。
數(shù)控機(jī)床的機(jī)電一體化是對(duì)總體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出的重要要求。它是指在整個(gè)數(shù)控機(jī)床功能的實(shí)現(xiàn)以及總體布局方面必須綜合考慮機(jī)械和電氣兩方面的有機(jī)結(jié)合。新型數(shù)控機(jī)床的各系統(tǒng)已不再是各自不相關(guān)聯(lián)的獨(dú)立系統(tǒng)。最具典型的例子之一是數(shù)控機(jī)床的主軸系統(tǒng)已不再是單純的齒輪和帶輪的機(jī)械傳動(dòng)，而更多的是由交流伺服電動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的電主軸。電氣總成也已不再是單純游離于機(jī)床之外的獨(dú)立部件，而是在布局上和機(jī)床結(jié)構(gòu)有機(jī)地融為一體。由于抗干擾技術(shù)的發(fā)展，目前已把電力的強(qiáng)電模塊與微電子的計(jì)算機(jī)弱電模塊組合成一體，既減小了體積，又提高了系統(tǒng)的可靠性。
2.1 主要技術(shù)參數(shù)：
（1）YAG數(shù)控系統(tǒng)工作方式：主軸固定的三軸連動(dòng)系統(tǒng)；
（2）外形尺寸：長寬高：600mm400mm900mm；
（3）工作臺(tái)面積：長寬：500mm300mm；
（4）中央基準(zhǔn)T型槽寬度：10H8；
（5）T型槽寬度：10mm；
（6）T型槽數(shù)：3條；
（7）工作臺(tái)縱向行程：300mm；
（8）工作臺(tái)橫向行程：250mm；
（9）工作臺(tái)垂直行程：250mm；
（10）進(jìn)給速度(X、Y、Z軸)：5 mm/min～1200 mm/min；
（11）快速移動(dòng)速度(X、Y、Z軸)：≥1200 mm/min；
（12）加工工件最大重量：50kg
2.2 運(yùn)動(dòng)形式
YAG激光器屬于典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。其設(shè)計(jì)除了要求一定的精度之外。另外一個(gè)特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡單。目前市場(chǎng)上主要有兩種典型的結(jié)構(gòu)：
（1）、工作臺(tái)移動(dòng)方式 這種結(jié)構(gòu)就是工件至于工作臺(tái)上由進(jìn)給電機(jī)拖動(dòng)其做X、Y方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。其缺點(diǎn)是工作臺(tái)太重電動(dòng)機(jī)消耗功率大。
（2）、龍門架移動(dòng)式 這種結(jié)構(gòu)類似龍門銑床。X、Z方向在橫梁上。Y方向則由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)龍門架移動(dòng)，工作臺(tái)則固定不動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)具有設(shè)計(jì)簡單、電動(dòng)機(jī)消耗功率小、動(dòng)態(tài)性能好的優(yōu)點(diǎn)。
本產(chǎn)品采用的是市場(chǎng)上流行的第一種方案，即工作臺(tái)移動(dòng)式設(shè)計(jì)。采用這種結(jié)構(gòu)可以使我們的激光器運(yùn)行平穩(wěn)，精度高整機(jī)質(zhì)量較輕。
對(duì)于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，我們采用了滾珠直線導(dǎo)軌副。
該激光器的數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)將采用三軸聯(lián)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式。對(duì)于Z方向上的平衡問題將采用液壓節(jié)流閥來進(jìn)行調(diào)節(jié)。
2.3 導(dǎo)軌設(shè)計(jì)
數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度和定位精度不僅受到機(jī)床零部件的加工精度、裝配精度、剛度及熱變形的影響，而且與運(yùn)動(dòng)件的摩擦特性有關(guān)。
數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)(或拖板)的位移量是以脈沖當(dāng)量作為它的最小單位，通常要求既能以高速又能以極低的速度運(yùn)動(dòng)。為了使工作臺(tái)能對(duì)數(shù)控裝置的指令作出準(zhǔn)確的響應(yīng)，就必須采取相應(yīng)的措施。
目前使用的滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌在摩擦阻尼特性方面存在著明顯的差別。對(duì)于一般滑動(dòng)導(dǎo)軌，如果啟動(dòng)時(shí)作用力克服不了數(shù)值較大的靜摩擦力，這時(shí)被傳動(dòng)的工作臺(tái)并不能立即運(yùn)動(dòng)，作用力只能使一連串的傳動(dòng)元件(如步進(jìn)電機(jī)、齒輪、絲杠及螺母等)產(chǎn)生彈性變形，并儲(chǔ)存了能量。當(dāng)作用力超過靜摩擦力時(shí)，彈性變形恢復(fù)，使工作臺(tái)突然向前運(yùn)動(dòng)。這時(shí)由靜摩擦力變?yōu)閯?dòng)摩擦力，其數(shù)值就明顯減小，使工作臺(tái)產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng)。由于工作臺(tái)的慣性，使它沖過了平衡點(diǎn)而使工作臺(tái)偏離了給定的位置。由于滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌的靜摩擦力較小，而且很接近于動(dòng)摩擦力，加上潤滑油的作用，使它們的摩擦力隨著速度的提高而增大，這就有效地避免了人們十分關(guān)心的所謂“低速爬行”，從而提高了定位精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。因此數(shù)控機(jī)床普遍采用滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌。
滾動(dòng)導(dǎo)軌塊是近三十年發(fā)展起來的新型支承元件。由標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌塊構(gòu)成的滾動(dòng)導(dǎo)軌效率高、靈敏性好、壽命長、潤滑簡單及裝拆方便等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床及其他機(jī)械。
由于滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌降低了摩擦力，相應(yīng)地減小了進(jìn)給系統(tǒng)所需要的驅(qū)動(dòng)扭矩，因此可以使用較小功率的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。在輪廓控制系統(tǒng)中，由于減小了電動(dòng)機(jī)尺寸和慣性矩，這就顯著地改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。
在點(diǎn)位直線或輪廓控制的數(shù)控機(jī)床上加工零件時(shí)，它經(jīng)常受到變化的切削力，如果傳動(dòng)裝置有間隙或剛性不足，則過小的摩擦阻力反而是有害的，因?yàn)樗鼘?huì)產(chǎn)生振動(dòng)。針對(duì)這一情況，除了提高傳動(dòng)剛度之外，還可以采用滑動(dòng)—滾動(dòng)混合導(dǎo)軌，以改善系統(tǒng)的阻尼特性。
除了滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌以外，近二十多年來廣泛采用了由聚四氟乙烯制成的貼塑導(dǎo)軌，它具有更為良好的摩擦特性、耐磨性和吸振作用。
在進(jìn)給系統(tǒng)中用滾珠絲杠代替滑動(dòng)絲杠也可以收到同樣的效果，目前數(shù)控機(jī)床幾乎無一例外地采用了滾珠絲杠傳動(dòng)。
數(shù)控機(jī)床(尤其是開環(huán)系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床)的加工精度在很大程度上取決于進(jìn)給傳動(dòng)鏈的精度。除了減少傳動(dòng)齒輪和滾珠絲杠的加工誤差之外，另一個(gè)重要措施是采用無間隙傳動(dòng)副，用同步帶傳動(dòng)代替齒輪已成為一種趨勢(shì)。對(duì)于滾珠絲杠螺距的累積誤差，通常采用脈沖補(bǔ)償裝置進(jìn)行螺距精度補(bǔ)償。
在導(dǎo)軌設(shè)計(jì)上傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床采用的是兩種方式：
（1）、滑動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì) 即采用圓柱導(dǎo)軌這種導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡單、加工方便的優(yōu)點(diǎn)。但是存在間隙不可調(diào)的問題。而且存在低速爬行現(xiàn)象，種種滑動(dòng)導(dǎo)軌普遍存在的現(xiàn)象嚴(yán)重影響了激光器精度。（因?yàn)榧す馄骷庸さ能壽E比較復(fù)雜）
（2）、滾動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì) 現(xiàn)在市場(chǎng)上大部分雕刻機(jī)都采用的是滾動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)。這種導(dǎo)軌對(duì)比滑動(dòng)導(dǎo)軌具有以下優(yōu)點(diǎn)：
①摩擦系數(shù)小，摩擦系數(shù)一般在0.0025~0.005范圍內(nèi)，運(yùn)動(dòng)靈活。
②動(dòng)、靜摩擦系數(shù)基本相同啟動(dòng)阻力小，不易產(chǎn)生爬行，低速運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好。
③可以預(yù)緊，提高剛度和抗振性，能承受較大的沖擊和振動(dòng)。
④定位精度高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、微量位移準(zhǔn)確。
⑤保養(yǎng)方便，可以脂潤滑，一次裝填。長期使用。
⑥壽命長，使用耐磨材料制作，摩擦小，精度保養(yǎng)性好。
對(duì)于滾動(dòng)導(dǎo)軌又主要采取兩種形式，一種為方形滾動(dòng)導(dǎo)軌，另一種為圓形滾動(dòng)導(dǎo)軌（這種滾動(dòng)導(dǎo)軌由一根光軸和幾個(gè)直線軸承組成。直線軸承軸上移動(dòng)組成滾動(dòng)導(dǎo)軌）比較方形滾動(dòng)導(dǎo)軌和圓形滾動(dòng)導(dǎo)軌兩者各有優(yōu)點(diǎn)，方形滾動(dòng)導(dǎo)軌承載能力強(qiáng)。但是安裝調(diào)比較麻煩并且成本高。圓形滾動(dòng)導(dǎo)軌安裝容易，但間隙不好調(diào)整。由于我們?cè)O(shè)計(jì)的激光器精度特別高，綜合考慮確定采用交叉滾柱滾動(dòng)導(dǎo)軌。這樣成本可以降低又能夠達(dá)到我們的要求。
3 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)必須保證由計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制指令轉(zhuǎn)換成速度符合要求的相應(yīng)角位移或直線位移，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?？偟恼f來，數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的要求集中在精度、穩(wěn)定和快速響應(yīng)三個(gè)方面。為滿足這種要求，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)性能的主要措施有如下要求：
（1）提高系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)剛度
傳動(dòng)剛度高對(duì)開環(huán)數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)的重要性在于開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)需將計(jì)算機(jī)控制指令忠實(shí)可靠地轉(zhuǎn)換成要求的機(jī)械位移。由于開環(huán)系統(tǒng)不再有檢測(cè)元件檢查運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位移，這種轉(zhuǎn)換精度決定了加工的精度。對(duì)于閉環(huán)數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)，傳動(dòng)剛度高有利于減小進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的超調(diào)和振蕩，有助于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。為提高進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)傳動(dòng)剛度的措施主要有以下幾項(xiàng)。
1．提高傳動(dòng)元件的剛度 傳動(dòng)元件的變形會(huì)導(dǎo)致指令脈沖的丟失或傳動(dòng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，影響加工精度和質(zhì)量。
2．消除傳動(dòng)元件之間的間隙 傳動(dòng)元件之間的間隙會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)反向時(shí)指令脈沖的 丟失或系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定。盡管穩(wěn)定的系統(tǒng)誤差可采取輸人補(bǔ)償脈沖的方法加以補(bǔ)償，但由于剛度不足和反向間隙造成的誤差帶有很大的隨機(jī)性，完全精確補(bǔ)償是不可能的。
3．盡可能縮短進(jìn)給傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)鏈的長度 縮短進(jìn)給傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)鏈的長度有助于提高數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)剛度，然而，進(jìn)給傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)鏈的縮短首先要求伺服電機(jī)調(diào)速范圍和輸出轉(zhuǎn)矩能滿足加工精度、生產(chǎn)率和快速運(yùn)動(dòng)的需要。目前一般數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的調(diào)速范圍為0～24m／min，先進(jìn)的已達(dá)到0～240m／min。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)電機(jī)不通過減速環(huán)節(jié)直接連接絲杠帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的方案。隨著直線伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能的不斷提高，由電機(jī)直接帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)已成為現(xiàn)實(shí)。直接驅(qū)動(dòng)取消了包括絲杠在內(nèi)的所有機(jī)械傳動(dòng)元件，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床的“零傳動(dòng)”。豐田工機(jī)、LKUMA等公司機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用直線電機(jī)，最高加速度達(dá)2g，快速移動(dòng)速度達(dá)100～120m/min。
4、采用預(yù)緊措施 預(yù)加載荷可以消除滾動(dòng)摩擦傳動(dòng)副的間隙和提高其傳動(dòng)剛度，也可以提高傳動(dòng)元件的剛度。如絲杠可采用兩端軸向固定和預(yù)拉伸的方法來提高其傳動(dòng)剛度。
（2）采用低而穩(wěn)定摩擦的傳動(dòng)副
數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)多采用剛度高摩擦系數(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，聚四氟乙烯導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌由于其摩擦系數(shù)小，阻尼大，也為數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)所采用。
（3）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，隨著控制系統(tǒng)分辨率從0.001mm提高到0.0001mm，普通精度級(jí)數(shù)控機(jī)床的定位精度目前已從0.012mm／300mm提高到±0.005～0.008mm／300mm，精密級(jí)的定位精度已從0.005mm／全行程提高到±0.0015～0.003mm／全行程，重復(fù)定位精度也已提高到0.001mm。
由于在提高傳動(dòng)精度和剛度、消除間隙等方面的努力，使數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力，即伺服系統(tǒng)的響應(yīng)能力和機(jī)械傳動(dòng)裝置的加速能力方面已有了大幅度提高，過渡過程時(shí)間已能控制在200ms之內(nèi)，正在向提高到幾十毫秒之內(nèi)發(fā)展。隨著快速響應(yīng)能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，進(jìn)給速度已能達(dá)到24m／min(分辨率0.1μm)，快速進(jìn)給速度已能達(dá)到100m／min(分辨率0.1μm)。
（4）進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵元件
為保證伺服進(jìn)給系統(tǒng)工作的精度、剛度和穩(wěn)定性，系統(tǒng)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要要求是高精度、
高剛度、低摩擦和低慣量。為此，對(duì)于關(guān)鍵元件的正確選擇和使用是至關(guān)重要的。驅(qū)動(dòng)電機(jī)和反饋元件的選用也很重要，將在其它章節(jié)介紹。
在傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面。決定采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)的形式，采用這種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有以下幾個(gè)好處：
（1）減少傳動(dòng)鏈容易能夠達(dá)設(shè)計(jì)要求
（2）結(jié)構(gòu)緊湊。
經(jīng)過以上方案比較之后我們確定總體方案為：進(jìn)給系統(tǒng)由伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)形式為工作臺(tái)移動(dòng)，導(dǎo)軌為交叉滾柱導(dǎo)軌導(dǎo)軌。
在YAG激光器數(shù)控系統(tǒng)中存在三個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)X、Y、Z，因此存在三個(gè)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。我們的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)采用的形式如我們?cè)诳傮w方案設(shè)計(jì)中所述，
其具體設(shè)計(jì)如下：
3.1 X向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由滾珠絲桿副，采用絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母平動(dòng)得方式帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，動(dòng)力源將采用高精度伺服電機(jī)，通過膜片型伺服電機(jī)聯(lián)軸器帶動(dòng)，因?yàn)樵撔图す馄鳑]有切削力，并且對(duì)精度等級(jí)比較高，所以將采用滾動(dòng)導(dǎo)軌副。
3.1.1 X向滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算
滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)原理圖。其結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)足在絲杠和螺母的圓弧螺旋槽之間裝有滾珠作為傳動(dòng)元件，因而摩擦系數(shù)小，傳動(dòng)效率可達(dá)90％～95％，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)相差小，在施加預(yù)緊后，軸向剛度好，傳動(dòng)平穩(wěn)，無間隙，不易產(chǎn)生爬行，隨動(dòng)精度和定位精度都較高，是目前數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)最常用的機(jī)械結(jié)構(gòu)之一。
滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)原理圖
1—內(nèi)滾道 2—外滾道
當(dāng)絲杠螺母相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾珠在內(nèi)外弧形螺紋形的滾道內(nèi)滾動(dòng)，為保持絲杠螺母連續(xù)工作，滾珠通過螺母上的返回裝置完成循環(huán)。按照滾珠的循環(huán)方式，滾珠絲杠螺母副分成內(nèi)循環(huán)方式和外循環(huán)方式兩大類(見圖3-1)。內(nèi)循環(huán)方式指在循環(huán)過程中滾珠始終保持和絲杠接觸。這種方式結(jié)構(gòu)緊湊，但要求制造精度較高。外循環(huán)方式則在循環(huán)過程中滾珠與絲杠脫離接觸，制造相對(duì)容易些。
圖3-1
滾珠絲杠螺母副按精度分成4種類型(見表3—1)，又按其循環(huán)方式和消除間隙的方法分成15種結(jié)構(gòu)。
表3-1
通過預(yù)緊可以消除間隙保證換向精度是滾珠絲杠螺母副的特點(diǎn)。通常消除間隙的方法是采用雙螺母結(jié)構(gòu)。雙螺母消除間隙的結(jié)構(gòu)主要有三種形式：
1． 墊片調(diào)隙式 如圖3-2所示，調(diào)整墊片厚度可通過改變兩個(gè)螺母間位移消除傳動(dòng)副的軸向間隙。它的結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好、剛度高、裝卸方便，但調(diào)整比較困難。
圖3-2
2． 螺紋調(diào)隙式 如圖3-3所示，通過轉(zhuǎn)動(dòng)螺母改變兩個(gè)螺母間位移來消除傳動(dòng)副的軸向間隙。它的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)整方便，在出現(xiàn)磨損后還可以隨時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充調(diào)整。缺點(diǎn)是軸向尺寸較長，會(huì)增加絲杠螺紋部分的長度。
圖3-3
3．齒差調(diào)隙式 如圖3-4所示，在兩個(gè)螺母1、5的端面法蘭上分別加工出外齒Z1和Z2，并各自裝入對(duì)應(yīng)的內(nèi)齒圈6中。內(nèi)齒圈通過螺釘固定在螺母外的套筒3端面。通常兩個(gè)外齒輪相差1齒(如Z1=100，Z2=99)。當(dāng)調(diào)整間隙時(shí)，將兩個(gè)外齒輪從內(nèi)齒圈中抽出并相對(duì)內(nèi)齒圈分別同向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒，然后插回原內(nèi)齒圈中。此時(shí)，兩個(gè)螺母間產(chǎn)生的相對(duì)位移為：
(3－1)
式中，P為絲杠的螺距。當(dāng)P=10mm時(shí)，間隙的調(diào)整量為0.001mm。由此可見，此方法可實(shí)現(xiàn)精密微調(diào)，預(yù)緊可靠，不會(huì)發(fā)生松動(dòng)。雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但仍然得到廣泛應(yīng)用。
圖3-4
（1）確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程
：滾柱絲杠副的導(dǎo)程（mm）
：工作臺(tái)最高移動(dòng)速度（m/min）
：電機(jī)最高轉(zhuǎn)速（r/min）
：傳動(dòng)比
因電機(jī)與絲杠直聯(lián)，=1
由技術(shù)要求1查得
代入得，
按推薦組合標(biāo)準(zhǔn)，取
?
（2）確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷
1).最小載荷
機(jī)器空載時(shí)滾珠絲杠副的傳動(dòng)力。如工作臺(tái)重量引起的摩擦力。
因?yàn)檫x用滾珠絲桿所以摩擦系數(shù)為0.005，工作臺(tái)重量為30kg，所以
2).最大載荷??
?
3).滾珠絲杠副的當(dāng)量轉(zhuǎn)速及當(dāng)量載荷Fm：
珠絲杠副在n1,n2,n3…各種轉(zhuǎn)速下，各轉(zhuǎn)速工作時(shí)間占總時(shí)間的百分比分別為t1%, t2%, t3%,…tn%,所受載荷分別是F1,F2,F3…。
當(dāng)負(fù)荷與轉(zhuǎn)速接近正比變化時(shí)，各種轉(zhuǎn)速使用機(jī)會(huì)均等時(shí)，可采用下列公式計(jì)算：
?????
所以r/min
（3）預(yù)期額定動(dòng)載荷
1） 按預(yù)期工作時(shí)間估算
輕微沖擊取w=1.0 精度等級(jí)取＝1 可靠性系數(shù)＝1 預(yù)期工作時(shí)間＝15000H
帶入得＝85.41N
（4）確定允許的最小螺紋底徑
（1） 估算絲杠允許的最大軸向變形量
?① ≤（1/3～1/4）重復(fù)定位精度
?② ≤（1/4～1/5）定位精度
: 最大軸向變形量（μm）
可查資料《數(shù)控床身銑床精度檢驗(yàn)》得：重復(fù)定位精度16μm, 定位精度25μm
?? ① =4
?? ② =5
取兩種結(jié)果的小值=4μm
(2）估算最小螺紋底徑
?絲杠要求預(yù)拉伸，取兩端固定的支承形式
：最小螺紋底徑（mm）
(1.1～1.2)行程+（10～14）
已知：行程為300mm,
代入得
（5）確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào)
（1）FF型 內(nèi)循環(huán)單螺母式滾珠絲杠組成得墊片預(yù)緊的雙螺母滾珠絲桿付
（2）?由計(jì)算出的在樣本中取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副
FF1605-3
（6）確定滾珠絲杠副預(yù)緊力
N
（7）行程補(bǔ)償值與與拉伸力
（1）行程補(bǔ)償值
??
式中：
(2) 預(yù)拉伸力
代入得
（8）確定滾珠絲杠副支承用的軸承代號(hào)、規(guī)格
（1）軸承所承受的最大軸向載荷
???
代入得
???
（2）軸承類型
兩端固定的支承形式，選背對(duì)背60°角接觸推力球軸承
（3）軸承內(nèi)徑
? d 略小于
取
代入得
??
（4）軸承預(yù)緊力
預(yù)加負(fù)荷≥
（5）按樣本選軸承型號(hào)規(guī)格
??? 當(dāng)d=12mm? 預(yù)加負(fù)荷為：≥FBP
????? 所以選70001P軸承
????????? d=12mm
（9)滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(jì)
1) 絲杠螺紋長度Ls：
Ls=Lu+2Le? 由查得余程Le=20
繪制工作圖
（2）兩固定支承距離L1
按樣本查出螺母安裝聯(lián)接尺寸
絲杠全長L
（3）行程起點(diǎn)離固定支承距離L0
由工作圖得
Ls=420
L=470
（10)電機(jī)選擇
1）.作用在滾珠絲杠副各種轉(zhuǎn)矩計(jì)算。
外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩T(N.m)
式中
——滾珠絲杠副導(dǎo)程
η——未預(yù)緊的滾珠絲杠副效率
1、2、3級(jí)精度的絲杠η＝0.9
4級(jí)精度的絲杠η＝0.85
F——作用在滾珠絲杠副上的外加軸向載荷，不同情況下取值不一樣。若計(jì)算電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，機(jī)械是空載起動(dòng)時(shí)，F(xiàn)是導(dǎo)軌摩擦力（垂向運(yùn)動(dòng)F還包括機(jī)構(gòu)重量）；若計(jì)算電機(jī)工作轉(zhuǎn)矩時(shí)，F(xiàn)包括導(dǎo)軌摩擦力，工作載荷（垂向運(yùn)動(dòng)F還包括機(jī)構(gòu)重量）。
＝T
2).負(fù)荷轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL(kg.m2)及傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J(kg.m2)的計(jì)算。
式中
——各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg.m2）和轉(zhuǎn)速（r/min）
——各直線運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量（Kg）和速度（m/min）
——電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg.m2）和轉(zhuǎn)速（r/min）
絲桿直徑為16mm＝0.016m,長415mm＝0.415m
工件工作臺(tái)慣量
絲桿慣量
所以
按照要求所以選取北京和時(shí)利40CB005C-2DE6E
3).最大加速轉(zhuǎn)矩
當(dāng)電機(jī)從靜止升速至
?
式中??
n——電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）
——電機(jī)最高轉(zhuǎn)速（r/min）
ta加速時(shí)間（s）
ta ≈(3-4)或者按性能要求自行規(guī)定。
——電機(jī)時(shí)間常數(shù)。可查電機(jī)樣本
可得到滿足要求。
40CB系列交流伺服電機(jī)
絕緣電阻——500VDC 100MW Min
????? 絕緣強(qiáng)度——1500VAC 1Minute
????? 環(huán)境溫度—— -20℃ ～ +50℃
????? 絕緣等級(jí)——B級(jí)
技術(shù)參數(shù)
單位
伺服電機(jī)型號(hào)
40CB005C-2DE6E
貨物編碼
?
031601
額定輸出功率
W
50
額定轉(zhuǎn)矩
N.m
0.16
瞬間最大轉(zhuǎn)矩
N.m
0.48
額定轉(zhuǎn)速
rpm
3000
最高轉(zhuǎn)速
rpm
3600
電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量
kg.cm2
0.0429
轉(zhuǎn)矩系數(shù)
N.m/A
0.13
額定相電流
A
1.03
瞬間最大相電流
A
3.09
電樞繞阻相電阻
Ω
5.87
電樞繞阻相電感
10.2
機(jī)械時(shí)間常數(shù)
ms
1.53
電氣時(shí)間常數(shù)
ms
1.74
重量
kg
0.58
編碼器
P/R
2500
負(fù)載慣量
?
負(fù)載慣量≤電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量×10（倍）
適配驅(qū)動(dòng)器
?
GS0020A
外形尺寸 單位:mm
（11)傳動(dòng)系統(tǒng)剛度
（1）絲杠抗壓剛度
?? 1）絲杠最小抗壓剛度
=6.6x
：最小抗壓剛度（N/um）
d2? ：絲杠底徑
L1?? ：固定支承距離
=265 N/um
2） 絲杠最大抗壓剛度
x
：最大抗壓剛度（N/um）
=664 N/m
3）滾珠絲杠副滾珠和滾道的接觸剛度
KC ：滾珠和滾道的接觸剛度（N/um）
KC?：查樣本上的剛度（N/um）
FP? ：滾珠絲杠副預(yù)緊力（N）
Ca? ：額定動(dòng)載荷（N）
由樣本查得：
得KC=200 N/um
（12)剛度驗(yàn)算及精度選擇
（1）
=
=
0.0297
N/m
=
0.0237
?N/m
F0
=
已知W1=? 294N ，? =0.005
F0=1.47? N
——靜摩擦力（N）
——靜摩擦系數(shù)
W1?——正壓力（N）
（2） 驗(yàn)算傳動(dòng)系統(tǒng)剛度
：傳動(dòng)系統(tǒng)剛度（N）
已知反向差值或重復(fù)定位精度為16
=33.67＞14.7
（3）傳動(dòng)系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差
=0.008m
（4）確定精度?
?? V300p? ：任意300mm內(nèi)的行程變動(dòng)量對(duì)半閉環(huán)系統(tǒng)言，
? V300p≤0.8×定位精度-
定位精度為16um/300
V300p＜12.8um
絲杠精度取為3級(jí)
V300p=12um＜12.8
(5)?確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào)
已確定的型號(hào)：FF
公稱直徑：16?? 導(dǎo)程：5
螺紋長度：380
絲杠全長：470
P類1級(jí)精度
FF1605-1-P3/380×470
（13)驗(yàn)算臨界壓縮載荷??
絲杠所受最大軸向載荷小于絲杠預(yù)拉伸力F不用驗(yàn)算。
（14)驗(yàn)算臨界轉(zhuǎn)速
:臨界轉(zhuǎn)速（n/min）
f：與支承形式有關(guān)的系數(shù)
：絲杠底徑
：臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度(mm)
由表得f=21.9
由樣本得d2=12.9
由工作圖及表14得：Lc2= L1- L0
2097＞=1500
(15) 驗(yàn)算：
——滾珠絲杠副的節(jié)圓直徑（mm）
——滾珠絲杠副最高轉(zhuǎn)速（n/min）
≈16.4mm
=1200r/min
19680＜70000
（16)滾珠絲杠副形位公差的標(biāo)注（略）
表1
支承方式
簡 圖
K2
λ
f
一端固定
一端自由
0.25
1.875
3.4
一端固定
一端游動(dòng)
2
3.927
15.1
二端支承
1
3.142
9.7
二端固定
4
4.730
21.9
內(nèi)循環(huán)單螺母式滾珠絲杠副尺寸系列
3.1.2 X向?qū)к壴O(shè)計(jì)計(jì)算
導(dǎo)軌副約束執(zhí)行部件運(yùn)動(dòng)，保證其正確運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)伺服進(jìn)給系統(tǒng)的工作性能有重要影響。數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)導(dǎo)軌主要是直線型的?；剞D(zhuǎn)型導(dǎo)軌在加工中心的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上也有應(yīng)用，其工作原理和特點(diǎn)與直線型導(dǎo)軌是相同的。
滾動(dòng)摩擦導(dǎo)軌具有摩擦系數(shù)小，動(dòng)靜摩擦系數(shù)差別小，啟動(dòng)阻力小，能微量準(zhǔn)確移動(dòng)，低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無爬行。因而運(yùn)動(dòng)靈活，定位精度高，通過預(yù)緊可以提高剛度和抗振性，承受較大的沖擊和振動(dòng)，壽命長。和靜壓導(dǎo)軌相比，其結(jié)構(gòu)簡單，保養(yǎng)方便，是適合數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)用比較理想的導(dǎo)軌元件。
1．滾動(dòng)直線導(dǎo)軌 圖3—5是這種結(jié)構(gòu)的示意圖。它是一種滾動(dòng)體為圓珠的單元式標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌元件，相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面經(jīng)研磨成四列圓弧溝槽，滾珠鎖定在保持架上，通過合成樹脂的端面檔塊(圖中未畫出)實(shí)現(xiàn)順暢地循環(huán)滾動(dòng)。導(dǎo)軌溝槽圓弧的曲率為滾動(dòng)體的52％—53％，因而滾珠在負(fù)荷方向?yàn)閮牲c(diǎn)接觸，即使制造有誤差仍能保持滾珠靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，而且由于兩者直徑相差不大，接觸應(yīng)力小，運(yùn)動(dòng)約束好。單元式滾動(dòng)直線導(dǎo)軌在制造時(shí)已消除了間隙，因而剛度和精度都較高。滾動(dòng)直線導(dǎo)軌在裝配平面上采用整體安裝的方法，因而即使安裝平面有些偏差，也能因自身變形的矯正而保證滾珠仍然能順暢地滾動(dòng)。
圖3-5
2．滾動(dòng)導(dǎo)軌塊 滾動(dòng)導(dǎo)軌塊是一種圓柱滾動(dòng)體的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌元件。圖3—6是這種結(jié)構(gòu)的示意圖。滾動(dòng)導(dǎo)軌塊安裝在運(yùn)動(dòng)部件上，工作時(shí)滾動(dòng)體在導(dǎo)軌塊和支承件導(dǎo)軌平面(不動(dòng)件)之間運(yùn)動(dòng)，在導(dǎo)軌塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)循環(huán)。滾動(dòng)導(dǎo)軌塊剛度高、承載能力強(qiáng)、便于拆卸，它的行程取決于支承件導(dǎo)軌平面的長度。但該類導(dǎo)軌制造成本高，抗振性能欠佳。
圖3-6
3.1.3 導(dǎo)軌的選擇:
根據(jù)滾珠絲桿得選擇計(jì)算上得數(shù)據(jù)對(duì)于X-Y方向選用GZV4型滾柱交叉導(dǎo)軌副
滾柱交叉導(dǎo)軌副是由兩根具有V型滾道的導(dǎo)軌、滾子保持架、圓柱滾子等組成，相互交叉排列的圓柱滾子在經(jīng)過精密磨削的V型滾道面上作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可承受各個(gè)方向的載荷，實(shí)現(xiàn)高精度、平穩(wěn)的直線運(yùn)動(dòng)。
特 點(diǎn)：
1. 滾動(dòng)摩擦力阻力低，穩(wěn)定性能好；
2. 起動(dòng)摩擦力小，隨動(dòng)性能好；
3. 接觸面積大，彈性變形量小，有效運(yùn)動(dòng)體多，易實(shí)現(xiàn)高剛性、高負(fù)荷運(yùn)動(dòng)；
4. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，安裝使用方便。
滾柱交叉導(dǎo)軌副基本尺寸：
?
滾柱交叉導(dǎo)軌副保持架基本尺寸：
3.1.4 載荷計(jì)算
行程長度及滾子
（1）導(dǎo)軌的長度不小于行程的1.5倍：
? 式中
??? L——導(dǎo)軌長度(mm)
??? l——運(yùn)行行程長度(mm)
（2）保持架長度：
??? 式中
?????K——保持架長度(mm)
（3）滾子數(shù)計(jì)算：
??? 式中
??????? N——滾子數(shù)量（忽略小數(shù)）
??????? a——保持架端距
??????? f——滾子間距
載荷計(jì)算：
圖中：C——額定動(dòng)載荷（N）——額定靜載荷（N）
——每個(gè)滾子的額定動(dòng)載荷（N）
——每個(gè)滾子的額定靜載荷（N）
N——滾子數(shù)
據(jù)工作臺(tái)技術(shù)要求，所以選用GZV4型導(dǎo)軌
3.2 Y方向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
因?yàn)閅方向得技術(shù)與X方向得技術(shù)要求相當(dāng)，為了便于模塊化制作以及通用性的需要，選用與X方向相同得滾珠絲桿副，伺服電機(jī)，交叉滾柱導(dǎo)軌以及相應(yīng)的聯(lián)結(jié)件。即南京工藝裝備制造廠FF型內(nèi)循環(huán)單螺母式滾珠絲杠組成得墊片預(yù)緊的雙螺母滾珠絲桿付；北京和時(shí)利公司40CB005C-2DE6E型伺服電機(jī)；南京工藝裝備制造廠GZV4型滾柱交叉導(dǎo)軌副。
3.3 Z方向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.3.1 Z方向絲桿計(jì)算與選用
（1)確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程
：滾柱絲杠副的導(dǎo)程（mm）
：工作臺(tái)最高移動(dòng)速度（m/min）
：電機(jī)最高轉(zhuǎn)速（r/min）
：傳動(dòng)比
因電機(jī)與絲杠直聯(lián)，i=1
由表1查得
代入得，
按推薦組合，取
?
（2）確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷
（1）最小載荷
工作臺(tái)的重量以及工作臺(tái)重量引起的摩擦力??=294+294*0.04=305N
（2） 最大載荷
＝813N
（3）當(dāng)量轉(zhuǎn)速
r/min
（4） 當(dāng)量載荷
N
（3）預(yù)期額定動(dòng)載荷
按預(yù)期工作時(shí)間估算
按表9查得：輕微沖擊取=1.0
按表7查得：1～3取
按表8查得：可靠性90%取=1
已知：=15000小時(shí)
代入得
（4）確定允許的最小螺紋底徑
（1） 估算絲杠允許的最大軸向變形量
?① ≤（1/3～1/4）重復(fù)定位精度
?② ≤（1/4～1/5）定位精度
: 最大軸向變形量（μm）
已知：重復(fù)定位精度16μm, 定位精度25μm
?? ① =4
?? ② =5
取兩種結(jié)果的小值 =4μm
(2）估算最小螺紋底徑
? 絲杠要求預(yù)拉伸，取兩端固定的支承形式
(1.1～1.2)行程+（10～14）
已知：行程為250mm,
代入得
（5）確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào)
（1）FF型 內(nèi)循環(huán)單螺母式滾珠絲杠組成得墊片預(yù)緊的雙螺母滾珠絲桿副
（2）?由計(jì)算出的在樣本中取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副FF1605-3
（6)確定滾珠絲杠副預(yù)緊力
?
N
（7）行程補(bǔ)償值與與拉伸力
（1）行程補(bǔ)償值
??
式中：
(2) 預(yù)拉伸力
代入得
（8）確定滾珠絲杠副支承用的軸承代號(hào)、規(guī)格
（1）軸承所承受的最大軸向載荷
???
代入得
（2）軸承類型
兩端固定的支承形式，選角接觸球軸承70001
（3）軸承內(nèi)徑
?d 略小于
取
代入得
（4）軸承預(yù)緊力
預(yù)加負(fù)荷≥
（5）按樣本選軸承型號(hào)規(guī)格
??? 當(dāng)d=12mm? 預(yù)加負(fù)荷為：≥FBP
????? 所以選70001P軸承
????????? d=12mm
預(yù)加負(fù)荷為542N
（9)滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(jì)
1) 絲杠螺紋長度Ls：
Ls=Lu+2Le? 由查得余程Le=20
繪制工作圖
（2）兩固定支承距離L1
按樣本查出螺母安裝聯(lián)接尺寸
絲杠全長L
（3）行程起點(diǎn)離固定支承距離L0
由工作圖得
Ls=420
L=470
（10)電機(jī)選擇
1）.作用在滾珠絲杠副各種轉(zhuǎn)矩計(jì)算。
外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩TF(N.m)
式中
Ph-滾珠絲杠副導(dǎo)程
η-未預(yù)緊的滾珠絲杠副效率
1、2、3級(jí)精度的絲杠η＝0.9
4級(jí)精度的絲杠η＝0.85
F-作用在滾珠絲杠副上的外加軸向載荷，不同情況下取值不一樣。若計(jì)算電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，機(jī)械是空載起動(dòng)時(shí)，F(xiàn)是導(dǎo)軌摩擦力（垂向運(yùn)動(dòng)F還包括機(jī)構(gòu)重量）；若計(jì)算電機(jī)工作轉(zhuǎn)矩時(shí)，F(xiàn)包括導(dǎo)軌摩擦力，工作載荷（垂向運(yùn)動(dòng)F還包括機(jī)構(gòu)重量）。
2).負(fù)荷轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL(kg.m2)及傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J(kg.m2)的計(jì)算。
式中
——各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg.m2）和轉(zhuǎn)速（r/min）
——各直線運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量（Kg）和速度（m/min）
——電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg.m2）和轉(zhuǎn)速（r/min
絲桿直徑為16mm＝0.016m,長415mm＝0.415m
工件工作臺(tái)慣量
絲桿慣量
所以
按照要求所以選取北京和時(shí)利60CB020C-2DE6E
3).最大加速轉(zhuǎn)矩
當(dāng)電機(jī)從靜止升速至:
?
式中??
n——電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）
——電機(jī)最高轉(zhuǎn)速（r/min）
ta加速時(shí)間（s）
ta ≈(3-4)或者按性能要求自行規(guī)定。
——電機(jī)時(shí)間常數(shù)。可查電機(jī)樣本
可得到滿足要求。
（11)傳動(dòng)系統(tǒng)剛度
（1）絲杠抗壓剛度
?? 1）絲杠最小抗壓剛度
=6.6x
：最小抗壓剛度（N/um）
d2：絲杠底徑
L1:固定支承距離
=265 N/um
2）絲杠最大抗壓剛度
x
：最大抗壓剛度（N/um）
=664 N/m
(2)?支承軸承組合剛度
1)一對(duì)預(yù)緊軸承的組合剛度
:一對(duì)預(yù)緊軸承的組合剛度(N/um)
：滾珠直徑(mm)
Z：滾珠數(shù)
：最大軸向工作載荷(N)
：軸承接觸角
=4.762mm???? Z=8??? =15
=1625N/um
KBO=38.92N/um
2）支承軸承組合剛度
由表13兩端固定支承
Kb=2 KBO
Kb=77.84?N/um
Kb?:支承軸承組合剛度? N/um
3）滾珠絲杠副滾珠和滾道的接觸剛度
KC：滾珠和滾道的接觸剛度(N/um)
KC：查樣本上的剛度(N/um)
FP：滾珠絲杠副預(yù)緊力(N)
Ca：額定動(dòng)載荷(N)
由樣本查得：
得KC=200N/um
(12)? 剛度驗(yàn)算及精度選擇
（1）
=
=
0.0216
N/m
=
0.0193
?N/m
F0
=
已知W1=294 N ，? =0.04
F0=11.76? N
F0?：靜摩擦力（N）
：靜摩擦系數(shù)
W1：正壓力（N）
（2）驗(yàn)算傳動(dòng)系統(tǒng)剛度
：傳動(dòng)系統(tǒng)剛度（N）
已知反向差值或重復(fù)定位精度為16
=33.67＞14.7
（3）傳動(dòng)系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差
=0.27um
（4）確定精度?
??V300p：任意300mm內(nèi)的行程變動(dòng)量對(duì)半閉環(huán)系統(tǒng)言，
? V300p≤0.8×定位精度-
定位精度為16um/300
V300p＜12.8um
絲杠精度取為3級(jí)
V300p=12um＜12.8
(5)確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào)
已確定的型號(hào)：FF
公稱直徑：16?? 導(dǎo)程：5
螺紋長度：380
絲杠全長：570
P類1級(jí)精度
FF1605-1-P3? /380×570
（13)驗(yàn)算臨界轉(zhuǎn)速
:臨界轉(zhuǎn)速（n/min）
f：與支承形式有關(guān)的系數(shù)
：絲杠底徑
：臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度（mm）
由表得f=21.9
由樣本得d2=12.9
由工作圖及表14得：Lc2= L1- L0
2097＞=1500
（14)驗(yàn)算：
——滾珠絲杠副的節(jié)圓直徑（mm）
——滾珠絲杠副最高轉(zhuǎn)速（n/min）
≈16.4mm
=1200r/min
19680＜70000
3.3.2 Z向?qū)к壴O(shè)計(jì)計(jì)算
對(duì)于Z方向因?yàn)樵摴ぷ髋_(tái)不受切削力，因此采用雙燕尾形的截面，為了進(jìn)一步減小摩擦系數(shù)和防止爬行，在數(shù)控機(jī)床的動(dòng)導(dǎo)軌和鑲條上貼有以聚四氟乙稀為基體的的塑料導(dǎo)軌軟帶。
貼塑導(dǎo)軌是被廣泛用在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中的一種滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌。貼塑導(dǎo)軌將塑料基的自潤滑復(fù)合材料覆蓋并粘貼于滑動(dòng)部件的導(dǎo)軌上，與鑄鐵或鑲鋼的床身導(dǎo)軌配用，可改變?cè)瓩C(jī)床導(dǎo)軌的摩擦狀態(tài)。目前，使用較普遍的自潤滑復(fù)合材料是填充聚四氟乙烯軟帶。與滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌相比，它的摩擦系數(shù)小，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差小，低速無爬行，吸振，耐磨，抗撕傷能力強(qiáng)，成本低，黏結(jié)工藝簡單，加工性和化學(xué)穩(wěn)定性好，并有良好的自潤滑性和抗振性，可在干摩擦狀態(tài)下工作。
聚四氟乙烯貼塑導(dǎo)軌可在原滑動(dòng)導(dǎo)軌的基礎(chǔ)上粘貼，不受幾何形狀的限制。使用貼塑導(dǎo)軌主要根據(jù)其p—v值，應(yīng)使滑動(dòng)速度和比壓的交點(diǎn)位于圖7—35曲線的下方，在無法滿足要求時(shí)，可加大導(dǎo)軌面積以降低比壓值?？紤]到加工余量，一般選擇厚度為1.6mm的軟帶。
貼塑導(dǎo)軌p—v圖
4 Z方向平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
對(duì)于該數(shù)控系統(tǒng)的Z方向，最重要的是工作臺(tái)及工件向下移動(dòng)時(shí)，不能夠產(chǎn)生所謂的因慣性力而引起的“急落”現(xiàn)象，因?yàn)閅AG激光加工器進(jìn)行的時(shí)高精度的加工，不容許出現(xiàn)這種現(xiàn)象，因此就需要在Z方向加裝平衡系統(tǒng)：
近年來，隨著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，垂直移動(dòng)部件的重量越來越重，為減小垂直方向拖動(dòng)電機(jī)的功率，往往對(duì)垂直部件采取重力平衡措施，以下介紹幾種數(shù)控機(jī)床常用的平衡方法。
1、重錘平衡法
這種方法是目前應(yīng)用最為廣泛的一種平衡方式，運(yùn)動(dòng)部件的平衡是由鏈條通過其兩頭的耳環(huán)分別連接在主軸和重錘上，并通過安裝在支架上的導(dǎo)輪來實(shí)現(xiàn)。為使重錘上下運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，在重錘的兩側(cè)面開有導(dǎo)向槽。這種平衡方法結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，一般用于固定立柱
結(jié)構(gòu)的機(jī)床，但由于加入了重錘，使垂向運(yùn)動(dòng)部件的慣量增大而不利于高速運(yùn)動(dòng)。
2、蓄能器平衡法
這種方法是利用了囊式蓄能器吸收和釋放能量的功能來實(shí)現(xiàn)的，工作原理如圖4-1所示。
圖4-1
在蓄能器2的下側(cè)油口接一單向閥4，并聯(lián)一個(gè)溢流閥3，液壓油通過單向閥4打進(jìn)蓄能器，通過調(diào)整溢流閥3，將所需液壓油的壓力值調(diào)至要求值，并向蓄能器內(nèi)充人一定壓力的氮?dú)狻＿\(yùn)動(dòng)部件5通過安裝在支架上的導(dǎo)輪6實(shí)現(xiàn)與平衡油缸的連接。當(dāng)垂向運(yùn)動(dòng)部件作
上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，平衡油缸7的有桿腔中的液壓油被擠壓，排出蓄能器，運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的壓力被轉(zhuǎn)換為受壓液體而輸入到蓄能器中成為儲(chǔ)備能量，這時(shí)蓄能器氣囊中的氮?dú)獗粔嚎s，使液體的壓力與氣囊的壓