摘要數(shù)控車床是集機械、電氣、液壓、氣動、微電子和信息等多項技術(shù)為一體的機電一體化產(chǎn)品。是機械制造設(shè)備中具有高精度、高效率、高自動化和高柔性化等優(yōu)點的工作母機。數(shù)控機床的技術(shù)水平高低及其在金屬切削加工機床產(chǎn)量和總擁有量的百分比是衡量一個國家國民經(jīng)濟發(fā)展和工業(yè)制造整體水平的重要標(biāo)志之一。數(shù)控車床是數(shù)控機床的主要品種之一，它在數(shù)控機床中占有非常重要的位置，幾十年來一直受到世界各國的普遍重視并得到了迅速的發(fā)展。因此了解數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)與工作原理是操作、維修、改進(jìn)數(shù)控車床的前提，也是設(shè)計一款數(shù)控車床的基本?；诖吮疚慕榻B了數(shù)控車床的主軸系統(tǒng)、伺服進(jìn)給系統(tǒng)、刀架系統(tǒng)等的特點、設(shè)計要求及結(jié)構(gòu)特點，對于系統(tǒng)部件也作了介紹。關(guān)鍵詞： 數(shù)控車床 主軸系統(tǒng) 伺服進(jìn)給系統(tǒng) 刀架系統(tǒng)AbstractNumerical-controlled Lathe is a electromechanical integration product,which is multinomial technology for one-piece. Numerical- -controlled Lathe is multituded by mechanism、 electric 、hydraulic、 pressure,pneumatic、 electrino、information and so on. It is main working machine and possesses high precision、 high efficiency、high automation and high flexibility in the mechanical manufacturing equipment.The technology capability of Numerical-controlled Lathe and percentage of machine output and in possession of amount is one of the important signal weighting the whole level of one state national economy extend and commercial manufacture Numerical-controlled Lathe is one of main variety of Numerical-controlled Machine,it take a important place in the Numerical-controlled Machine,and for decade years,it is given the prevalence regard from all the world and get the prompt develop.Therefore study the structure and working principle is the premise of operate、 maintain、improve Numerical-controlled Lathe, also it is the basic of designing Numerical-controlled Lathe.Introduced the characteristics, the design request and the structure characteristicsesof Principal axis system 、Servo system and Tools system of Numerical-controlled Lathe according to this text, also made a introduction for the system parts.Keywords: NCLathe Principal axis system Servo system Tools system目錄第一章 概述…………………………………………………… 1一 數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展……………………………………1二 數(shù)控機床的組成與適用范圍………………………………1三 數(shù)控機床的特點與分類……………………………………3四 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢………………………………………4第二章 設(shè)計基本思想和主要參數(shù)…………………………5一 課題要求……………………………………………………5二 設(shè)計思想……………………………………………………5第三章 主軸系統(tǒng)設(shè)計與結(jié)構(gòu)……………………………… 7一 主傳動系統(tǒng)概述…………………………………………… 7二 主軸驅(qū)動裝置、工作特性及速度控制…………………… 8三 主軸部件…………………………………………………… 9四 主傳動系統(tǒng)設(shè)計與結(jié)構(gòu)說明………………………………13第四章 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計與結(jié)構(gòu)………………………………15一 進(jìn)給傳動系統(tǒng)概述…………………………………………15二 交流伺服驅(qū)動裝置及調(diào)速…………………………………17三 位置檢測裝置………………………………………………18四 進(jìn)給傳動機構(gòu)………………………………………………20五 進(jìn)給傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說明……………………………………22總結(jié)…………………………………………………………………26參考文獻(xiàn)………………………………………………………… 27第 頁1第一章 概述一 數(shù)控機床的產(chǎn)生及發(fā)展科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對機械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來越高的要求。機械加工工藝過程的自動化是實現(xiàn)上述要求的最主要的措施之一。它不僅提高產(chǎn)品的質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、還能夠大大改善工人的勞動條件。大批量的自動化生產(chǎn)廣泛采用自動機床、組合機床和專用機床以及專用自動生產(chǎn)線，實行多刀、多工位多面同時加工，以達(dá)到高效率和高自動化。但這些都屬于剛性自動化，在面對小批量生產(chǎn)時并不是適用，因為小批量生產(chǎn)需要經(jīng)常變化產(chǎn)品的種類，這就要求生產(chǎn)線具有柔性。而從某種程度上說，數(shù)控機床的出現(xiàn)正是很地滿足了這一要求。1952 年，美國麻省理工學(xué)院成功地研制出一套三坐標(biāo)聯(lián)動，利用脈沖乘法器原理的試驗性數(shù)控系統(tǒng)，并把它裝在一臺立式銑床上。當(dāng)時用的電子元件是電子管，這就是第一代世界上的第一臺數(shù)控機床。我國是從 1958 年開始研究數(shù)控技術(shù)，一直到 60 年代中期處于研制、開發(fā)時期。當(dāng)時，一些高等院校、科研單位研制出試驗樣機，開發(fā)也是從電子管開始的。1965年國內(nèi)開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)。從 70 年代開始，數(shù)控技術(shù)在車、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工、點加工等領(lǐng)域全面展開，數(shù)控加工中心在上海、北京研制成功。在這一時期，數(shù)控線切割機床由于結(jié)構(gòu)簡單，使用方便、價格低廉，在模具加工中得到了推廣。80 年代，我國從日本發(fā)那科公司引進(jìn)了 5、7、3 等系列的數(shù)控系統(tǒng)和交流伺服電機、交流主軸電機技術(shù)，以及從美國、德國引進(jìn)一些新技術(shù)。這使我國的數(shù)控機床在性能和質(zhì)量上產(chǎn)生了一個質(zhì)的飛躍。1985 年，我國數(shù)控機床品種有了新的發(fā)展。90 年代以及接下來主要是向高檔數(shù)控機床發(fā)展。二 數(shù)控機床的組成與適用范圍（一）數(shù)控機床的組成如圖所示，數(shù)控機床由以下幾個不分組成。第 頁21、程序介質(zhì)根據(jù)零件的幾何和工藝要求，確定零件加工的工藝過程和工藝參數(shù)，然后按規(guī)定的代碼和格式編制數(shù)控加工程序。編制程序的工作可由人工完成，也可以用計算機自動編程系統(tǒng)來完成。比較先進(jìn)的數(shù)控機床，可以在它的數(shù)控裝置上直接編程。編好的數(shù)控程序，存放在便于輸入到數(shù)控裝置的一種存儲介質(zhì)上，稱為程序介質(zhì)，可以是穿孔紙帶、磁帶、磁盤等。2、輸入輸出裝置輸入輸出裝置主要用于零件數(shù)控程序的編制、存儲、打印和顯示等。簡單的輸入輸出裝置只包括鍵盤和發(fā)光二極管顯示器。一般的輸入輸出裝置除了人機對話編程鍵盤和 CRT 外，還包括紙帶、磁帶和磁盤輸入機、穿孔機等。高級的數(shù)控系統(tǒng)還使用自動編程機或 CAD/CAM 系統(tǒng)。3、數(shù)控裝置數(shù)控裝置是數(shù)控機床的核心。它根據(jù)輸入的程序和數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)控裝置的系統(tǒng)軟件或邏輯電路進(jìn)行編譯、運算和邏輯處理后，輸出各種信號和指令。4、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、位置檢測裝置及輔助控制裝置伺服驅(qū)動系統(tǒng)由伺服驅(qū)動電路和伺服驅(qū)動裝置組成，并于機床的執(zhí)行部件和機械傳動部件組成數(shù)控機床的進(jìn)給系統(tǒng)。它根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)出來的速度和位移指令，控制執(zhí)行部件的進(jìn)給速度、方向和位移。每個進(jìn)給運動的執(zhí)行部件，都配有一套伺服驅(qū)動系統(tǒng)。伺服驅(qū)動系統(tǒng)由開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)之分。在半閉環(huán)和閉環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，還得使用位置檢測裝置，間接或直接測量執(zhí)行部件的實際進(jìn)給位移，與指令位移進(jìn)行比較，按閉環(huán)原理，將其誤差轉(zhuǎn)換放大后控制執(zhí)行部件的進(jìn)給運動。5、機床的機械部件數(shù)控機床的機械部件包括：主運動部件，進(jìn)給運動執(zhí)行部件如工作臺、拖板及其傳動部件和床身立柱等支承部件，還有冷卻、潤滑、轉(zhuǎn)位和夾緊等輔助裝置。對于加工中心車床，還有存放刀具的刀庫，交換刀具的機械手等部件。(二) 數(shù)控機床的使用范圍數(shù)控機床適用于加工：（1）生產(chǎn)批量小的零件（100 件以下） ；第 頁3（2）加工精度高、結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的零件，如箱體類，曲線、曲面類的零件；（3）需要進(jìn)行多次改型設(shè)計的零件；（4）需要精確復(fù)制和尺寸一致性要求高的零件；（5）價格昂貴的零件，這種零件雖然生產(chǎn)量不大，但是如果加工中因出現(xiàn)錯而報廢，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟損失。三 數(shù)控機床的特點與分類（一）數(shù)控機床的特點數(shù)控機床是一種高效能自動化加工機床。與普通機床相比，數(shù)控機床具有如下特點。1、適應(yīng)性強數(shù)控機床是按照被加工零件數(shù)控程序來進(jìn)行自動加工的，當(dāng)改變加工零件時,只要改變數(shù)控程序軟件，而不需要改變機械部分和控制部分的硬件，就能適應(yīng)加工。因此，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短，有利于機械產(chǎn)品的更新?lián)Q代。2、精度高，質(zhì)量穩(wěn)定數(shù)控機床本身的精度較高，還可以利用軟件進(jìn)行精度校正和補償，加工零件按數(shù)控程序自動進(jìn)行，可以避免人為的誤差。因此，數(shù)控機床可以獲得比普通機床更高的加工精度。尤其提高了同批零件生產(chǎn)的一致性，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。3、生產(chǎn)率高數(shù)控機床上可以采用較大的切削用量，有效地節(jié)省了機加工時。還有自動換刀轉(zhuǎn)速、自動換刀和其它輔助操作自動化等功能，而且無需工序間的檢驗與測量，故使輔助時間大為減縮。4、能完成復(fù)雜型面的加工許多復(fù)雜曲線和曲面的加工，普通機床無法實現(xiàn)，而數(shù)控機床完全可以完成。5、減輕勞動輕度，改善勞動條件。由于數(shù)控機床是自動完成對零件的加工的，許多動作不需要操作者進(jìn)行，因此勞動條件和勞動強度大為改善。6、有利于生產(chǎn)管理采用數(shù)控機床，有利于向計算機控制和管理生產(chǎn)方向發(fā)展，為實現(xiàn)制造和生產(chǎn)管理自動化創(chuàng)造了條件。(二) 數(shù)控機床的分類1、按工藝用途分類： （1）普通數(shù)控機床（2）數(shù)控加工中心（帶有刀庫和自動換刀裝置的數(shù)控機床）2、按控制運動的方式分類：（1）點位控制數(shù)控機床第 頁4（2）點位直線控制數(shù)控機床（3）輪廓控制數(shù)控機床3、按伺服系統(tǒng)的控制方式分類： （1）開環(huán)數(shù)控機床（2）半閉環(huán)控制數(shù)控機床（3）閉環(huán)控制數(shù)控機床4、按所用數(shù)控系統(tǒng)的檔次分類（1）低檔數(shù)控機床(主要用于車床、線切割機床及舊機床改造)（2) 中檔數(shù)控機床(伺服進(jìn)給采用半閉環(huán)及直、交流伺服控制,三至四軸聯(lián)動制）（3) 高檔數(shù)控機床(伺服進(jìn)給采用閉環(huán)及直、交流伺服控制，五軸或以上聯(lián)動制）以上中、高檔數(shù)控機床一般稱為全功能數(shù)控或標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控。四 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢隨著先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，要求現(xiàn)代數(shù)控機床向高速度、高精度、高可靠性、智能化和更完善的功能方向發(fā)展。1、高速、高精度高速化指數(shù)控機床的高速切削和高速插補進(jìn)給，目標(biāo)是在保證加工精度的前提下，提高加工速度。這不僅是要求數(shù)控系統(tǒng)的處理速度快，同時還要求數(shù)控機床具有大功率和大轉(zhuǎn)矩的高速主軸、高速進(jìn)給電動機、高性能的刀具、穩(wěn)定的高頻動態(tài)剛度。高精度包括高進(jìn)給分辨率、高定位精度和重復(fù)定位精度、高動態(tài)剛度、高性能閉環(huán)交流數(shù)字伺服系統(tǒng)等。2、 “開放式”要求新一代數(shù)控機床的控制系統(tǒng)是一種開放式、模塊化的體系結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的構(gòu)成要素應(yīng)是模塊化的，同時各模塊之間的接口必須是標(biāo)準(zhǔn)的；系統(tǒng)的軟件、硬件構(gòu)造應(yīng)是“透明的” 、 “可移植的” ；系統(tǒng)應(yīng)具有“連續(xù)升級”的能力。3、智能化所謂智能化數(shù)控系統(tǒng)，是指具有擬人智能特征，智能數(shù)控系統(tǒng)通過對影響加工精度和效率的物理量進(jìn)行檢測、建模、提取特征，自動感知加工系統(tǒng)得內(nèi)部狀態(tài)及外部環(huán)境，快速做出實現(xiàn)最佳目標(biāo)的智能決策，對進(jìn)給速度、背吃刀量、坐標(biāo)移動、主軸轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)進(jìn)行實時控制，使機床的加工過程處于最佳狀態(tài)。（1）在數(shù)控系統(tǒng)中引進(jìn)自適應(yīng)控制技術(shù) 自適應(yīng)控制實在加工過程中不斷檢查某些能代表加工狀態(tài)的參數(shù)（2）設(shè)置故障自診斷功能（3）具有人機對話自動編程功能（4）應(yīng)用圖像識別和聲控技術(shù)第 頁54、復(fù)合化復(fù)合化加工，即在一臺機床上工件一次裝夾便可以完成多工種、多工序的加工，通過減少裝卸刀具、裝卸工件、調(diào)整機床的輔助時間，實現(xiàn)一機多能，最大限度的提高機床的開機率和利用率。5、高可靠性高可靠性的數(shù)控系統(tǒng)是提高數(shù)控機床可靠性的關(guān)鍵。6、多種插補功能數(shù)控機床除具有直線插補、圓弧插補功能外，有的還具有樣條插補、漸開線插補、螺旋插補、極坐標(biāo)插補、指數(shù)曲線插補、圓柱插補、假想坐標(biāo)插部等。7、人機界面的友好第二章 設(shè)計基本思想和主要參數(shù)一 課題要求（一）題目名稱數(shù)控車床機械結(jié)構(gòu)設(shè)計（加工直徑 500mm）（二）課題內(nèi)容及工作量（1）數(shù)控車床總裝配圖設(shè)計（2）主軸部件設(shè)計（3) 刀具進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計（4）設(shè)計圖量 Ao 4 張、設(shè)計說明書一份（5）外文翻譯 5000 漢字；全部圖紙用計算機輔助繪圖，說明書由計算機輸出打印。二 設(shè)計思想?yún)⒄諠系谝粰C床廠的 MJ-50 型數(shù)控車床來進(jìn)行設(shè)計：床身和導(dǎo)軌的布局采用水平床身斜滑板；主軸驅(qū)動采用交流伺服電動機無機調(diào)速，采用 V 型帶帶動主軸旋轉(zhuǎn)：進(jìn)給系統(tǒng)也使用交流伺服電動機驅(qū)動，使用同步帶機構(gòu)減速，采用滾珠絲杠副進(jìn)行傳動；刀架系統(tǒng)使用回轉(zhuǎn)刀架機構(gòu)；尾座使用標(biāo)準(zhǔn)尾座。下面對 MJ-50 進(jìn)行介紹：（一）MJ-50 數(shù)控車床的用途MJ-50 數(shù)控車床主要用來加工軸類零件的內(nèi)外圓柱面、圓錐面、螺紋表面、形成回轉(zhuǎn)體表面。對于盤類零件可進(jìn)行鉆孔、擴孔、鉸空、鏜孔等加工。機床還可以第 頁6完成車端面、切槽、倒角的加工。（二）MJ-50 數(shù)控車床的布局MJ-50 數(shù)控車床為兩坐標(biāo)連續(xù)控制的臥式車床。床身為平床身，床身導(dǎo)軌上面支承著 30 度傾斜布置的滑板，排屑方便。導(dǎo)軌的橫截面為矩形，支承剛性好，且導(dǎo)軌上配置有防護罩。床身的左上方安裝有主軸箱，主軸有 AC 交流伺服電動機驅(qū)動，免去變速傳動裝置，因此使主軸箱的結(jié)構(gòu)變得十分簡單。為了快速而省力地裝夾工件，主軸卡盤的夾緊與松開是由主軸尾端的液壓缸來控制的。床身右上方安裝有尾座。該機床有兩種可配置的尾座，一種是標(biāo)準(zhǔn)尾座，另一種是選擇配置的尾座。滑板的傾斜導(dǎo)軌上安裝有回轉(zhuǎn)刀架，其刀盤上由 10 個工位，最多安裝 10 把刀具?；迳戏謩e安裝有 X 軸和 z 軸的進(jìn)給傳動裝置。根據(jù)用戶的要求，主軸箱前端上可以安裝對刀儀，用于機床的機內(nèi)對刀。檢測刀具時，對刀儀的轉(zhuǎn)臂擺出，其上端的接觸式傳感器測頭對所有刀具進(jìn)行檢測。檢測完成后，對刀儀的轉(zhuǎn)臂擺回到原位，且測頭被鎖在對刀儀防護罩中。機床上配置有操作面板，機床防護門，可以配置手動防護門，也可以配置氣動防護門。液壓系統(tǒng)的壓力由壓力表顯示。附有主軸卡盤夾緊與松開的腳踏開關(guān)。（三）MJ-50 數(shù)控車床的主要技術(shù)參數(shù)允許最大工件回轉(zhuǎn)直徑 500mm最大切削直徑 310mm最大切削長度 650mm主軸轉(zhuǎn)速范圍 35~3500r/min(連續(xù)無級)其中恒扭矩范圍 35~437 r/min其中恒功率范圍 437~3500 r/min主軸通孔直徑 80mm拉管直徑 65mm刀架有效行程 X 軸 182mm;Z 軸 675mm快速移動速度 X 軸 10m/min;Z 軸 15m/min安裝刀具數(shù) 10 把刀具規(guī)格 車刀 25mmx25mm;鏜刀￠12mm~￠45mm選刀方式 刀盤就近轉(zhuǎn)位分度時間 單步 0.8s; 180° 2.2s尾座套筒直徑 90mm尾座套筒行程 130mm主軸 AC 伺服電動機連續(xù)/30min 超載 11/15kw進(jìn)給伺服電動機 X 軸 AC 0.9kw;Z 軸 AC 1.8kw機床外形尺寸（長 x 寬 x 高） 2995mmx1667mmx1796mm第 頁7第三章 主軸系統(tǒng)設(shè)計與結(jié)構(gòu)說明一 主傳動系統(tǒng)概述（一）主傳動系統(tǒng)特點1、目前數(shù)控機床的主傳動電動機已不再采用普通的交流異步電動機或傳統(tǒng)的直流調(diào)速電動機，它們已逐步被新型的交流調(diào)速電動機和直流調(diào)速電動機所代替。2、轉(zhuǎn)速高，功率大。它能使數(shù)控機床進(jìn)行大功率的切削和高速切削，實現(xiàn)高效率加工。3、變速范圍大。數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)要求有較大的調(diào)速范圍，一般Rn＞100，以保證加工時能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。4、主軸速度的變換迅速可靠。數(shù)控機床的變速是按照控制指令自動進(jìn)行的，因此變速機構(gòu)必須適應(yīng)自動操作的要求。由于直流和交流主軸電動機的調(diào)速系統(tǒng)日趨完善，不僅能夠方便地實現(xiàn)寬范圍的無級變速，而且減少了中間傳遞環(huán)節(jié)，提高了變速控制的可靠性。（二）對主傳動系統(tǒng)的要求數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)除應(yīng)滿足普通機床傳動要求外，還提出如下要求：1. 具有較大的調(diào)速范圍，并實現(xiàn)無級調(diào)速。數(shù)控機床為了保證加工時能選用合理的切削用量，充分發(fā)揮刀具的切削性能，從而獲得最高的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量，必須具有更高的轉(zhuǎn)速和更大的調(diào)速范圍。對于自動換刀的數(shù)控機床，工序集中工件一次裝夾，可完成許多工序，所以，為了適應(yīng)各種工序和各種加工材質(zhì)的要求，主運動的調(diào)速范圍還應(yīng)進(jìn)一步擴大。2. 具有較高的精度和剛度，傳動平穩(wěn)，噪音低。數(shù)控機床加工精度的提高，與主傳動系統(tǒng)的剛度密切相關(guān)。為此，應(yīng)提高傳動件的精度與剛度，采用高精度軸承及合理的支撐跨距等，以提高主軸組件的剛性。3. 良好的抗振興和熱穩(wěn)定性。數(shù)控機床一般既要進(jìn)行粗加工，又要精加工；加工時可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻 運動部件不平穩(wěn)以及切削過程中的自激振動等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動，影響加工精度和表面粗糙度，嚴(yán)重時甚至破壞刀具或零件，使加工無法進(jìn)行。因此主傳動系統(tǒng)中的各主要零部件不但要具有一定的剛度，而且要求具有足夠的抑制各種干擾力引起振動的能力—抗振性。抗振性用動剛度或動柔度來衡量。例如主軸組件的動剛度取決于主軸的當(dāng)量靜剛度 阻尼比及固有頻率等參數(shù)。機床在切削加工中主傳動系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產(chǎn)生變形，破壞了零部件之間的相對位置精度和運動精度造成的加工誤差，且熱變形限制了切削用量的提第 頁8高，降低傳動效率，影響到生產(chǎn)率。為此，要求主軸部件有較高的熱穩(wěn)定性，通過保持合適的配合精度，并進(jìn)行循環(huán)潤滑保持熱平衡等措施來實現(xiàn)。二 主軸驅(qū)動裝置、工作特性及速度控制為了滿足數(shù)控機床對主軸驅(qū)動要求，主軸電動機須具備下述性能：（1） 電機功率要大，且在大的調(diào)速范圍內(nèi)速度要穩(wěn)定，恒功率調(diào)速范圍要寬；（2） 在斷續(xù)負(fù)載下電機轉(zhuǎn)速波動要小；（3） 加速、減速時間短；（4） 溫升低，振動小，噪聲小，可靠性高，壽命長，易維護，體積小，重量輕；（5） 電動機過載能力強。（一）交流主軸驅(qū)動裝置及其工作特性大多數(shù)進(jìn)給交流伺服電動機采用永磁式同步電動機，但主軸交流電動機則多采用鼠籠式感應(yīng)異步電動機，這是因為數(shù)控機床主軸驅(qū)動系統(tǒng)不必像進(jìn)給系統(tǒng)那樣，需要如此高的動態(tài)性能和調(diào)速范圍。鼠籠式感應(yīng)電動機其結(jié)構(gòu)簡單、便宜、可靠，配上矢量變換控制的主軸驅(qū)動裝置則完全可以滿足數(shù)控機床的主軸的要求。交流主軸電機的性能可由圖所示功率/速度曲線反應(yīng)過來。從圖中曲線可見交流主軸電機的特性曲線與直流電機類似，即在基本速度以下為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，而在基本速度以上為恒功率區(qū)域。但有些電機，如圖中所示那樣，當(dāng)電機速度超過某一定值后，其功率/速度曲線又往下傾斜，不能保持恒功率。對于一般主軸電機，這個恒功率的速度范圍只有 1：3 的速度比。另外交流主軸電機也有一定的過載能力，一般為額定值的 1.2 倍~1.5 倍，過載時間則從幾分鐘到半個小時不等。（二）交流主軸電機的調(diào)速交流主軸電機屬于交流感應(yīng)電機，當(dāng)定子三相繞組通上三相交流電時，將建立第 頁9起旋轉(zhuǎn)磁場，其主軸磁通￠m 的空間轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速 no，其值為no=60f1/p (r/min)式中，f1 為定子供電電源頻率（Hz） ；p 為旋轉(zhuǎn)磁場極對數(shù)。感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù) n 為n=no(1-s)=60f1(1-s)/p式中，s 為轉(zhuǎn)數(shù)差，s=(no-n)/no由上面可知調(diào)速方法分為兩類。第一類改變同步轉(zhuǎn)速 no 的調(diào)速，它可以改變極對數(shù) p，由于 p 是正整數(shù)，所以只能得到級差很大的有級調(diào)速，僅適用于不要求平滑調(diào)速的場合；另外是變頻調(diào)節(jié)，采用連續(xù)地調(diào)節(jié)定子電源頻率 f1，來實現(xiàn)連續(xù)地改變電動機的轉(zhuǎn)速，它是一種高效型交流調(diào)速，范圍寬，精度高，是數(shù)控機床中常用的方法。第二類是不改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速，常用的有調(diào)壓調(diào)速和電磁調(diào)速，由于有轉(zhuǎn)差功率損耗，效率低，特性軟，不適合數(shù)控機床調(diào)速。從以上分析中，可知改變電源頻率的調(diào)速是一種最有前途的調(diào)速方案，只要改變 f1 就能實現(xiàn) no 的調(diào)速。但實際調(diào)速中單純改變頻率是不夠的，因為當(dāng)磁場以no 速度切割定子繞組，則在每組繞組感應(yīng)電勢為E1=4.44f1K1w1￠m≈u1式中，K1w1 為定子每組繞組等效匝數(shù)；￠m 為每極磁通量；u1 為定子相電壓。所以￠m= u1/4.44f1K1w1由此可知，保持定子電壓 u1 不變，則主磁通￠m 的大小將會發(fā)生變化。在調(diào)速過程中，如果頻率從工頻往下調(diào)節(jié)，則￠m 上升，將導(dǎo)致鐵心過飽和而使勵磁電流迅速上升，鐵心過熱，功率因數(shù)下降，電機帶負(fù)載能力降低。因此，必須在降低頻率的同時，降低電壓，以保持￠m 不變。這就是恒磁通變頻調(diào)速中的“調(diào)頻調(diào)壓控制” 。變頻調(diào)速有下面幾種控制方式：（1）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速（2）恒最大轉(zhuǎn)矩調(diào)速（3）恒功率調(diào)速 為了擴大調(diào)速范圍，可以使 f1 大于 I 頻頻率，得到 n﹥no 的調(diào)速。由于定子電壓不許超過額定電壓，因此￠m 將隨著 f1 的升高而降低。這時相當(dāng)于額定電流時的轉(zhuǎn)矩也減少，特性變軟?？傻玫浇坪愎β实恼{(diào)速特性。三 主軸部件主軸部件是機床的一個關(guān)鍵部件，數(shù)控機床的主軸部件，既要滿足精加工時高精度的要求，又要具備粗加工時高效切削性能的要求，因此，數(shù)控機床對主軸回轉(zhuǎn)精度部件的結(jié)構(gòu)剛度和抗振性，運轉(zhuǎn)溫度和熱穩(wěn)定性，以及部件的耐磨性和精度的保持能力等方面，都有很高的要求。第 頁10（一）主軸部件的性能要求主軸部件是機床主要部件之一。它的性能，對整機的性能有很大的影響。主軸直接承受切削力，轉(zhuǎn)速范圍又很大，所以對主軸部件的主要性能特提出如下要求：1、旋轉(zhuǎn)精度 主軸的旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后，在無載荷 低速轉(zhuǎn)動的條件下，主軸安裝工件或刀具部位的定心表面（如車床軸端的定心短錐、錐孔，銑床軸端的 7：24 錐孔）的徑向和軸向跳動。旋轉(zhuǎn)精度取決于的主要件如主軸、軸承、殼體孔等的制造、裝配和調(diào)整精度。工件轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)精度還取決于主軸的轉(zhuǎn)速、軸承的性能，潤滑劑和主軸組件的平衡。2、剛度 剛度主要反映機床或部件抵抗外載荷的能力。影響剛度的因素很多，如主軸的的尺寸和形狀，滾動軸承的型號、數(shù)量、預(yù)緊和配置形式，前后支撐的跨距和主軸的前懸伸，傳動件的布置方式等。數(shù)控機床既要完成粗加工，又要完成精加工，因此對其主軸組件的剛度應(yīng)提出更高的要求。3、溫升 溫升將引起熱變形使主軸伸長，軸承間隙的變化，降低了加工的精度；溫升也會降低潤滑劑的粘度，惡化潤滑條件。因此，對高精度機床應(yīng)研究如何減少主軸組件的發(fā)熱，如何控溫等。4、可靠性 數(shù)控機床是高度自動化的機床，所以必須保證工作可靠性。5、精度保持性 對數(shù)控機床的主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便長期保持精度。以上這些要求，有的還是矛盾的。例如高剛度與高速，高速與低升溫，高速與高精度等。這就要具體問題具體分析，例如設(shè)計高效數(shù)控機床的主軸組件時，主軸應(yīng)滿足高速和高剛度的要求；設(shè)計高精度機床時，主軸應(yīng)滿足高剛度 低溫升的要求。（二）主軸組件的動態(tài)特性1.平移 主軸作為一個剛體（實際上略有彎曲） ，在彈性支承上作平移振動，主軸各點的振動方向一致。2.搖擺 主軸在彈性支座上搖擺 ，左右振動方向相反。3.彎曲 主軸本身作彎曲振動，主軸中間與兩端的振動方向相反，有兩個節(jié)點。這兩節(jié)點位于支承點附近。每個振型都有其固有頻率。每個振型按固有頻率排列的次序，稱為階。上述三個振型的固有頻率，以平移振型為最低，彎曲振型為最高，三個振型分別為第一 二 三振型，振型和固有頻率合稱為模態(tài)?？梢钥闯觯谝?二階模態(tài)的彈性環(huán)節(jié)主要是軸承；第三階則主要是軸承。當(dāng)軸的剛度提高時，第一二階模態(tài)的固有頻率也隨之提高，但第三階模態(tài)提高不多主軸是一個連續(xù)體，又無窮個模態(tài)。例如還有主軸的扭轉(zhuǎn)振動、縱向振動等。第 頁11但是，這些模態(tài)的固有頻率較高，工作時不可能發(fā)生共振，所以，只需研究最低幾階模態(tài)。主軸的模態(tài)，可用有限元法或傳遞矩陣法，借助計算機計算。通常，主軸組件的固有頻率很高，但是，高速主軸特別是帶內(nèi)裝式電動機高速主軸，電動機轉(zhuǎn)子是一個集中質(zhì)量，將使固有頻率下降，有可能發(fā)生共振。改善動態(tài)特性，可采取下列措施：（1）是主軸組件的固有頻率避開激振力頻率。通常使固有頻率高于激振頻率的 30%以上。如果發(fā)生共振的那階模態(tài)屬于主軸在彈性基礎(chǔ)上（軸承）的剛體振動的第一階（平移）和第二階（搖擺）模態(tài)，則應(yīng)提高軸承的剛度。如果屬于主軸的彎曲振動，則應(yīng)提高主軸的剛度，如加粗直徑。激振力可能來自主軸組件的不平衡，這時激振頻率等于主軸轉(zhuǎn)速乘以 π/30。也可能來自斷續(xù)切削，這時激振頻率還應(yīng)乘以刀齒數(shù) Z。（2）增大比尼。如前所述，降低模態(tài)，常是主軸的剛度振動。這時主軸軸承，特別是前軸承的阻尼對主軸組件的抗振性影響很大。如果要求得到很光的加工表面，滾動軸承適當(dāng)預(yù)緊可以增大阻尼，但過大的預(yù)緊反而使阻尼減少，故選擇預(yù)緊時還因考慮阻尼因素。（3）采用消振裝置。（三）主軸部件的組成1、主軸部件一般數(shù)控機床的主軸部件由主軸、主軸支承、傳動件和相應(yīng)的緊固件組成。對于具有自動換刀功能的數(shù)控機床，主軸部件還包括刀具自動加緊、主軸自動準(zhǔn)停和主軸孔的清理裝置等結(jié)構(gòu)。主軸部件的構(gòu)造，主要是支撐部分的構(gòu)造。主軸的端部是標(biāo)準(zhǔn)的，傳動件如齒輪、帶輪等與一般機械零件相同。因此，研究主軸組件主要是研究主軸的支撐部分。2、 主軸的傳動件可以位于前后支承之間，也可位于后支承之后的主軸后懸伸端。目前傳動件位于后懸伸端的越來越多。這樣做，可以實現(xiàn)分離傳動和模塊化設(shè)計：主軸組件（稱為主軸單元）和變速箱可以做成獨立的功能部件，又專門的工廠集中生產(chǎn)，作為商品出售。變速箱和主軸間可用齒輪副或帶傳動聯(lián)接。本數(shù)控車床采用帶傳動聯(lián)接。主軸支承分徑向和推力（軸向） ，圓錐孔雙列圓柱滾子軸承只承受徑向力，角接觸球軸承兼起徑向和推力支承的作用。3、主軸的支承（1）軸承的選擇機床主軸常用的滾動軸承有：圓錐孔雙列圓柱滾子軸承，雙列推力向心球軸承，雙列圓錐滾子軸承，帶凸肩的雙列空心圓柱滾子軸承，帶預(yù)緊彈簧的單列圓錐滾子軸承和角接觸球軸承。在這次設(shè)計中用到的滾動軸承主要有：a 、圓錐孔雙列圓柱滾子軸承內(nèi)圈為 1：12 的錐孔，當(dāng)內(nèi)圈沿錐形軸頸軸向移動時，內(nèi)圈脹大以調(diào)整滾道的間隙。滾子數(shù)目多，兩列滾子交錯排列，因而承載能力大，剛性好，允許轉(zhuǎn)速高。第 頁12它的內(nèi)外圈均較薄，因此，要求主軸頸與箱體孔均有較高的制造精度，以免軸頸與箱體孔的形狀誤差是軸承滾道發(fā)生畸變而影響主軸的旋轉(zhuǎn)精度。該軸承只能承受徑向載荷。b、角接觸球軸承這種軸承即可承受徑向載荷，又可承受軸向載荷。角接觸球軸承一般組合使用。背對背組合、面對面組合和同向組合，這三種方式，兩個軸承都共同承擔(dān)徑向載荷；背對背、面對面可承受雙向軸向載荷；同向組合只能承受單向載荷，但承載能力較大，軸向剛度較高。軸承要合理配置，對提高主軸部件的精度和剛度，降低支承溫升，簡化支承結(jié)構(gòu)有很大的作用。主軸的前后支承均應(yīng)有承受徑向載荷的軸承。（2）軸承的預(yù)緊所謂軸承預(yù)緊，就是使軸承滾道預(yù)先承受一定的載荷，不僅能消除減隙，而且還能使?jié)L動體與滾道之間發(fā)生一定的變形，從而使接觸面積增大，軸承受力時變形減小，抵抗變形的能力增大。因此，對主軸滾動軸承進(jìn)行預(yù)緊和合理選擇預(yù)緊量，可以提高主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度、剛度和抗振性。機床主軸部件在裝配時要對軸承進(jìn)行預(yù)緊，使用一段時間后，間隙或過盈有了變化，還得重新調(diào)整，所以要求預(yù)緊結(jié)構(gòu)便于進(jìn)行調(diào)整。滾動軸承間隙的預(yù)緊與調(diào)整，通常是使軸承內(nèi)、外圈相對軸向移動來實現(xiàn)的。常用的方法如下：a、軸承內(nèi)圈移動。這種方法適用于圓錐孔雙列圓柱滾子軸承。用螺母通過套筒推動內(nèi)圈在錐形軸頸上作軸向移動，使內(nèi)圈變形脹大，在滾道上產(chǎn)生過盈，從而達(dá)到預(yù)緊的目的。b、修磨座圈或隔套。當(dāng)軸承外圈寬邊相對（背對背）安裝，這時修磨軸承內(nèi)圈的內(nèi)側(cè)；當(dāng)軸承外圈窄邊相對（面對面）安裝，這時修磨軸承外圈的窄邊。在安裝時按相對關(guān)系裝配，并用螺母或法蘭盤將兩個軸承軸向壓攏，使兩個修磨過的端面緊貼，這樣在使兩個軸承的滾道之間產(chǎn)生預(yù)緊。另一種方法是將兩個厚度不同的隔套放在兩軸承內(nèi)、外圈之間，同樣將兩個軸承軸向相對壓緊，使?jié)L道之間產(chǎn)生預(yù)緊。（3）軸承的潤滑滾動軸承在接觸區(qū)的壓強很高，在這么高的壓強下，接觸區(qū)產(chǎn)生變形，是一塊小面積的接觸而不是一條線或一個點的接觸；潤滑劑在高壓下被壓縮，粘度升高了。因此，才能在滾動體與滾道的接觸區(qū)，形成一定厚度的油膜，把兩者隔開，滾道體與滾道的接觸面積很小，所以，滾動軸承所需的潤滑劑很少的。當(dāng)然，也可用脂潤滑，還有用油氣潤滑的。a、脂潤滑滾動軸承能用脂潤滑是它的突出優(yōu)點之一。脂潤滑不需要供油管路和系統(tǒng)，沒有漏油問題。如果脂的選擇合適、潔凈、密封良好，不使灰塵、油、切削液等進(jìn)入，壽命是很長的。一次充填可用到大修，不需補充，也不要加脂孔。脂潤滑可選用鋰基脂如 SKFLGLT2 號（常用于球軸承） 。第 頁13b、油氣潤滑如果轉(zhuǎn)速較大時，還需對軸承進(jìn)行冷卻。如果用油兼作潤滑和冷卻，則由于油的攪拌作用，溫升反而會增加。最好用油潤滑，用空氣冷卻。油霧潤滑能達(dá)到這個目的，但是易污染環(huán)境。比較好的方法是油氣潤滑：在吹向軸承的空氣中定期地注入油，油并不霧化，用后可回收，不污染環(huán)境。油用于潤滑，空氣用于冷卻。滾動軸承屬于精密零件，因而在使用時要求相應(yīng)地持慎重態(tài)度，既變使用了高性能的軸承，如果使用不當(dāng)，也不能達(dá)到預(yù)期的性能效果。所以，使用軸承應(yīng)注意以下事項：* 保持軸承及其周圍環(huán)境的清潔。即使肉眼看不見的微笑灰塵進(jìn)入軸承，也會增加軸承的磨損，振動和噪聲。* 使用安裝時要認(rèn)真仔細(xì)，不允許強力沖壓，不允許用錘直接敲擊軸承，不允許通過滾動體傳遞壓力。* 使用合適、準(zhǔn)確的安裝工具，盡量使用專用工具，極力避免使用布類和短纖維之類的東西。* 防止軸承的銹蝕，直接用手拿取軸承時，要充分洗去手上的汗液，并涂以優(yōu)質(zhì)礦物油后再進(jìn)行操作，在雨季和夏季尤其要注意防銹。四 主傳動系統(tǒng)設(shè)計與結(jié)構(gòu)說明（一）主運動傳動系統(tǒng)數(shù)控車床的傳動系統(tǒng)：其中主運動傳動系統(tǒng)由功率為 11/15kw 的 AC 伺服電動機驅(qū)動，經(jīng)一級 1：1 的帶傳動帶動主軸旋轉(zhuǎn)，使主軸在 35~3500r/min 的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速，主軸箱內(nèi)部省去了齒輪傳動變速機構(gòu)，因此減少了原齒輪傳動對主軸精度的影響，并且維修方便。第 頁14主軸功率扭矩特性主軸傳遞的功率或扭矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系：當(dāng)機床處在連續(xù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，主軸的轉(zhuǎn)速在 437~3500r/min 范圍內(nèi)，主軸應(yīng)能傳遞電動機的全部功率 11kw，II（實線）為主軸的恒功率區(qū)域。在這個區(qū)域內(nèi)，主軸的最大輸出扭矩（245N·m）應(yīng)隨著主軸的轉(zhuǎn)速的增高而變小。主軸轉(zhuǎn)速在 35~437r/min 范圍內(nèi)的各級轉(zhuǎn)速并不需要傳遞全部功率，但是主軸的輸出扭矩不變，稱為主軸的恒扭矩區(qū)域 I（實線） 。在這個區(qū)域內(nèi)，主軸所能傳遞的功率隨著主軸的轉(zhuǎn)速的降低而降低。電動機的超載功率為 15kw,超載的最大輸出扭矩為 334 N·m。（二）主軸箱結(jié)構(gòu)1、主軸箱結(jié)構(gòu)數(shù)控車床主軸箱結(jié)構(gòu)如圖，交流主軸電動機通過帶輪 15 把運動傳給主軸。主軸有前后兩個支承。前支承由一個圓錐孔雙列圓柱滾子軸承和一對角接觸軸承組成，圓錐孔雙列圓柱滾子軸承用來承受徑向載荷，兩個角接觸球軸承一個大口向外（朝向主軸前端） ，另一個大口向里（朝向主軸后端） ，用來承受雙向的軸向載荷和徑向載荷。前支承軸承的間隙用螺母來調(diào)整。用螺釘來防止螺母回松。主軸的后支承為圓錐孔雙列圓柱滾子軸承，軸承間隙用兩個螺母來調(diào)整。兩個螺釘是防止螺母回松的。主軸的支承形式為前端定位，主軸受熱膨脹向后伸長。前后支承所用圓錐孔雙列圓柱滾子軸承的支承剛性好，允許的極限轉(zhuǎn)速高。前支承中的角接觸球軸承能承受較大的軸向載荷，且允許的極限轉(zhuǎn)速高。主軸所采用的支承結(jié)構(gòu)適宜低速大載荷的需要。主軸的運動經(jīng)過同步帶輪以及同步帶帶動脈沖編碼器，使其與主軸同速運轉(zhuǎn)。脈沖編碼器用螺釘固定在主軸箱體上。第 頁15主軸箱結(jié)構(gòu)圖2 、液壓卡盤結(jié)構(gòu)液壓卡盤固定安裝在主軸前端，回轉(zhuǎn)液壓缸 1 與接套 9 用螺釘 11 連接，接套通過螺釘于主軸后端面連接，使回轉(zhuǎn)液壓缸隨主軸一起轉(zhuǎn)動?？ūP的夾緊與松開，由回轉(zhuǎn)液壓缸通過一根空心拉桿 2 來驅(qū)動。拉桿后端與液壓缸內(nèi)的活塞 10 用螺紋連接，用兩端有螺紋的連接套 3 連接拉桿和滑套 6。當(dāng)液壓缸內(nèi)的壓力油推動活塞和拉桿向卡盤方向移動時，滑套向右移動，由于滑套上楔形槽的作用，使得卡爪座4 帶著卡爪 5 沿徑向向外移動，則卡盤松開。反之液壓缸內(nèi)的壓力油推動活塞和拉桿向主軸后端移動時，通過楔形機構(gòu)，使卡盤夾緊工件?？ūP體 8 用螺釘 7 固定安裝在主軸前端。液壓卡盤結(jié)構(gòu)圖第 頁16第四章 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計與結(jié)構(gòu)說明一 進(jìn)給傳動系統(tǒng)概述（一）進(jìn)給傳動系統(tǒng)的特點1、盡量采用以摩擦得傳動副。如采用靜壓導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌和滾珠絲杠等，以減小磨擦力。2、選用最佳的降速比，以達(dá)到提高機床分辨率，使工作臺盡可能地加速以達(dá)到跟蹤指令、系統(tǒng)折算到驅(qū)動軸上的慣量盡量小的要求。3、縮短傳動鏈以及用預(yù)緊的方法提高系統(tǒng)的剛度。如采用大轉(zhuǎn)矩寬調(diào)速的直流電動機與絲杠直接相連應(yīng)用預(yù)加負(fù)載的滾動導(dǎo)軌和滾珠絲杠副，絲杠支承設(shè)計成兩端軸向固定的、并可預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)等方法來提高轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的剛度。4、盡量消除傳動間隙，減小反向死區(qū)誤差。如采用消除間隙的聯(lián)軸器（如用加錐銷固定的聯(lián)軸套、用鍵加緊螺釘緊固的聯(lián)軸套以及用無扭轉(zhuǎn)間隙的撓性聯(lián)軸器等） ，采用有消除間隙措施的傳動副等。（二）對進(jìn)給傳動系統(tǒng)的要求為確保數(shù)控機床寄給系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性等，在設(shè)計機械傳動裝置時，提出如下要求。1、高的傳動精度與定位精度數(shù)控機床進(jìn)給傳動裝置的傳動精度和定位精度對零件的加工精度起著關(guān)鍵性的作用，對采用步進(jìn)電動機驅(qū)動的開環(huán)控制系統(tǒng)尤其如此。無論對點位、直線控制系統(tǒng)，還是輪廓控制系統(tǒng)，傳動精度和定位精度都是表征數(shù)控機床性能的主要指標(biāo)。設(shè)計中，通過在進(jìn)給鏈中加入減速齒輪，以減小脈沖當(dāng)量，預(yù)緊傳動滾珠絲杠，消除齒輪、蝸輪等傳動件的間隙等方法，可達(dá)到提高傳動精度和定位精度的目的。由此可見，機床本身的精度，尤其是伺服傳動鏈和伺服傳動機構(gòu)的精度，是影響工作精度的主要因素。2、寬的進(jìn)給調(diào)速范圍伺服進(jìn)給系統(tǒng)在承擔(dān)全部工作負(fù)載的條件下，應(yīng)具有很寬的調(diào)速范圍，以適應(yīng)各種工件材料、尺寸和刀具等變化的需要，工作進(jìn)給速度范圍可達(dá)到3~6000mm/min。為了完成精密定位，伺服系統(tǒng)得低速趨近速度達(dá) 0.1mm/min；為了縮短輔助時間，提高加工效率，快速移動速度應(yīng)高達(dá) 15m/min。在多坐標(biāo)聯(lián)動的數(shù)控機床上，合成速度維持常數(shù)，是保證表面粗糙度要求的重要條件；為保證較高的輪廓精度，各坐標(biāo)方向的運動速度也要配合適當(dāng)；這是對數(shù)控系統(tǒng)合伺服進(jìn)給系統(tǒng)提出的共同要求。3、響應(yīng)速度要快所謂快速響應(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)束的迅速第 頁17程度，即跟蹤指令信號的響應(yīng)要快；定位速度和輪廓切削進(jìn)給速度要滿足要求；工作臺應(yīng)能在規(guī)定的速度范圍內(nèi)靈敏而精確的跟蹤指令，進(jìn)行單步或連續(xù)移動，在運行時不出現(xiàn)丟步或多步現(xiàn)象。進(jìn)給系統(tǒng)響應(yīng)速度的大小不僅影響機床的加工效率，而且影響加工精度。設(shè)計中應(yīng)使機床工作臺及其傳動機構(gòu)的剛度、間隙、摩擦以及轉(zhuǎn)動慣量盡可能達(dá)到最佳值，以提高進(jìn)給系統(tǒng)的快速響應(yīng)特性。4、無間隙傳動進(jìn)給系統(tǒng)的傳動間隙一般指反向間隙，即反向死區(qū)誤差，它存在于整個傳動鏈的各個傳動副中，直接影響數(shù)控機床的加工精度；因此應(yīng)盡量消除傳動間隙，減小反向死去誤差。設(shè)計中可采用消除間隙的聯(lián)軸器及有間隙措施的傳動副等方法。5、穩(wěn)定性好、壽命長穩(wěn)定性是伺服進(jìn)給系統(tǒng)能夠正常工作的最基本的條件，特別是在低速進(jìn)給情況下不產(chǎn)生爬行，并能適應(yīng)外加負(fù)載的變化而不發(fā)生共振的。穩(wěn)定性與系統(tǒng)的慣性、剛性、阻尼及增益等都有關(guān)系，適當(dāng)選擇各項參數(shù)，并能達(dá)到最佳的工作性能，是伺服系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)。所謂進(jìn)給系統(tǒng)的壽命，主要指其保持?jǐn)?shù)控機床傳動精度和定位精度的時間長短，及各傳動部件保持其原來制造精度的能力。設(shè)計中各傳動部件應(yīng)選擇合適的材料及合理的加工工藝與熱處理方法，對于滾珠絲杠和傳動齒輪，必須具有一定的耐磨性和適宜的潤滑方式，以延長其壽命。6、使用維護方便數(shù)控機床屬于高精度自動控制機床，主要用于單件、中小批量、高精度及復(fù)雜件的生產(chǎn)加工，機床的開機率相應(yīng)就高，因此，進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)便于維護和保養(yǎng)，最大限度地減小維修工作量，以提高機床的利用率。二 交流伺服驅(qū)動裝置及調(diào)速（一）交流伺服電機用于閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置常有直流伺服電機、交流伺服電機等，這與主軸驅(qū)動裝置類似。交流伺服電機驅(qū)動是最新發(fā)展起來的新型伺服系統(tǒng)，也是當(dāng)前機床進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)方面的一個新動向。該系統(tǒng)克服了直流驅(qū)動系統(tǒng)中的電機電刷和整流子要經(jīng)常維修、電機尺寸較大和使用環(huán)境受限制等缺點。它能在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)產(chǎn)生理想的轉(zhuǎn)矩，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，用于數(shù)控機床等進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)為精密位置控制的情況。交流伺服電機的功工作原理和兩相異步電動機相似。由于它在數(shù)控機床中作為執(zhí)行元件，將交流電信號轉(zhuǎn)換為軸上的角位移或角速度，所以要求轉(zhuǎn)子速度的快慢能夠反映控制信號的相位，無法控制信號時它不轉(zhuǎn)動，特別是當(dāng)它已在轉(zhuǎn)動時，如果控制信號消失，它立即停止轉(zhuǎn)動。而普通的感應(yīng)電動機轉(zhuǎn)動起來以后，若控制信號消失，往往不能立即停止而要繼續(xù)轉(zhuǎn)動一會。交流伺服電機也是有轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)成的。定子上有勵磁繞組和控制繞組，這兩第 頁18個繞組在空間上相差 90°電角度。若有兩相繞組上加以幅值相等、相位差 90°電角度的對稱電壓，則在電機的氣隙中產(chǎn)生圓形的旋轉(zhuǎn)磁場。若兩個電壓的幅值不等或相位不為 90°電角度，則產(chǎn)生的磁場是一個橢圓型旋轉(zhuǎn)磁場。加在控制繞組上的信號不同，產(chǎn)生的磁場橢圓度也不同。例如，負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定，改變控制信號，就可以改變磁場的橢圓度，從而控制伺服電機的轉(zhuǎn)速。（二）交流伺服電動機的調(diào)速交流伺服電動機調(diào)速與交流主軸電機的調(diào)速相似，即采用變頻調(diào)速。下面介紹變頻調(diào)速產(chǎn)生的磁場定向調(diào)速系統(tǒng)，即矢量變換控制。磁場定向調(diào)速的基本原理是通過矢量變換，把交流電動機等效為直流電動機，因為異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩難以直接控制，也就不易獲得良好的控制性能，而直流電動機能對電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行良好的控制，使直流調(diào)速系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。其思路是按照產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁場這一等效原則建立的。它先將三相對稱繞組等效成兩相對稱繞組，再將其等效成旋轉(zhuǎn)的兩個直流正交繞組，這兩個正交繞組組成正交坐標(biāo)軸，一個相當(dāng)于直流電機的等效磁通，另一個相當(dāng)于直流電機的等效電樞電流。在旋轉(zhuǎn)的正交坐標(biāo)系，交流電動機的數(shù)學(xué)模型和直流電動機的一樣。這種等效要經(jīng)過三相-二相交換、矢量旋轉(zhuǎn)變換、直角坐標(biāo)-極坐標(biāo)變換等，才能得到所需的控制變量，使交流電動機能像直流電動一樣，對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行有效的控制，故稱其為矢量變換控制。又因為旋轉(zhuǎn)的兩個正交坐標(biāo)軸是由磁通矢量方向決定的，所以又稱磁場定位控制。交流伺服電動機由幅值控制、相位控制以及幅值-相位混合控制三種控制方法。保持控制電壓和勵磁電壓之間的相位差角為 90°，僅僅改變控制電壓的幅值，這種控制方式叫幅值控制；保持控制電壓和勵磁電壓之間的不變，僅僅改變控制電壓與勵磁電壓之間的相位差角，這種控制方式叫相位控制；在勵磁電路串聯(lián)移相電容，改變控制電壓的幅值及其對于控制電壓的相位差發(fā)生變化，這種控制方式，叫幅值-相位混合控制。三 位置檢測裝置（一）概述1、對位置檢測裝置的要求位置檢測是 CNC 系統(tǒng)的重要組成部分。在閉環(huán)系統(tǒng)中，它的主要作用是檢測位移量，并將檢測的反饋信號和數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號相比較，如有偏差，經(jīng)放大后控制執(zhí)行部件，使其向著消除偏差的方向運動，直到偏差為零。為提高數(shù)控機床的加工精度，必須提高測量元件和測量系統(tǒng)的精度，不同的數(shù)控機床對測量元件和測量系統(tǒng)的精度要求、允許的最高移動速度各不相同。一般要求測量元件的分辨率在 0.0001mm~0.01mm 之內(nèi)，測量精度為 0.001mm~0.02mm，運動速度為 0m/min~24m/min。數(shù)控機床對位置檢測裝置的要求如下：第 頁19（1） 受溫度、濕度的影響小，工作可靠，能長期保持精度，抗干擾能力強；（2） 在機床執(zhí)行部件移動范圍內(nèi)，能滿足精度和速度的要求；（3） 使用維護方便，適應(yīng)機床工作環(huán)境；（4） 成本低。2、位置檢測裝置的分類按工作條件和測量要求的不同，測量方式也有不同的劃分方法。（1）直接測量和間接測量測量傳感器按形狀可以分為直線性和回轉(zhuǎn)型。若測量傳感器所測量的指標(biāo)就是所要求的指標(biāo)，即直線型傳感器測量直線位移，回轉(zhuǎn)型傳感器測量角位移，即該測量方式為直接測量。典型的直接測量裝置為光柵、感應(yīng)同步器或磁尺、編碼盤。若回轉(zhuǎn)型傳感器測量的角位移只是中間量，由它再推算出與之對應(yīng)的工作臺直線位移，那么該測量方式為間接測量，其測量精度取決于測量裝置和機床傳動鏈兩者的精度。典型的間接測量裝置為編碼盤及旋轉(zhuǎn)變壓器。（2）增量式測量和絕對式測量按測量裝置編碼的方式可以分為增量式測量和絕對式測量。增量式測量的特點是只測量位移增量，即工作臺每移動一個測量單位，測量裝置便發(fā)出一個測量信號，此信號通常是脈沖形式。典型的增量式測量裝置為光柵和增量式光電碼盤。絕對式測量的特點是被測的任一點的位置都有一個固定的零點算起，每一測量點都有一對應(yīng)的測量值。典型的絕對式測量裝置為接觸式碼盤及絕對式光電碼盤。（3）數(shù)字式測量和模擬測量數(shù)字式測量以量化后的數(shù)字形式表示被測的量。數(shù)字式測量的特點是測量裝置簡單，信號抗干擾能力強，且便于顯示出理，典型的數(shù)字式測量裝置有光電碼盤、接觸式碼盤、光柵等。模擬式測量是將被測的量用連續(xù)的變量表示。如用電壓變化，相位變化來表示。典型的模擬式測量裝置有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、磁柵等。數(shù)控機床常用的各種位置檢測裝置如表所示：數(shù)字式 模擬式增量式 絕對式 增量式 絕對式回轉(zhuǎn)型 圓光柵 編碼盤 旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應(yīng)同 步器、圓形磁柵 多極旋轉(zhuǎn)變 壓器直線性 長光柵激光 干涉儀 編碼尺 直線感應(yīng)同步器、磁柵 絕對式磁尺此次設(shè)計數(shù)控車床主軸和進(jìn)給裝置的位置檢測裝置采用脈沖編碼器，它是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器。下面對脈沖編碼器進(jìn)行介紹：（二）脈沖編碼器第 頁201、脈沖編碼器的分類脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，把機械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為脈沖。是數(shù)控機床上應(yīng)用廣泛的位置檢測裝置，同時也作為速度檢測裝置用于速度檢測。根據(jù)脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)，脈沖編碼器分為光電式、接觸式、電磁感應(yīng)式三種。從精度和可靠性方面來看，光電式編碼器優(yōu)于其它兩種。數(shù)控機床上常用的是光電式脈沖編碼器。脈沖編碼器是一種增量檢測裝置，它的型號是由每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)來區(qū)分的。數(shù)控機床上常用的脈沖編碼器每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)有：2000p/r、2500 p/r 和 3000 p/r 等。在高速、高精度的數(shù)字伺服系統(tǒng)中，應(yīng)用高分辨率的脈沖編碼器，如：20000 p/r、25000 p/r 和 30000 p/r 等。2、光電脈沖編碼器的工作原理當(dāng)圓光柵旋轉(zhuǎn)時，光線透過兩個光柵的線紋部分，形成明暗條紋。光電元件接受這些明暗相間的光信號，轉(zhuǎn)換為交替變化的電信號，該信號為兩組近似于正弦波的電流信號 A 和 B，A 和 B 信號的相位相差 90°。經(jīng)放大整形后變成方波形成兩個光柵的信號。光電編碼器還有一個“一轉(zhuǎn)脈沖” ，稱為 Z 相脈沖，每轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個，用來產(chǎn)生機床的基準(zhǔn)點。脈沖編碼器輸出信號有 A、A、B、B 、Z、Z 等信號，這些信號作為位移測量脈沖以及經(jīng)過頻率/電壓變換作為速度反饋信號，進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。脈沖編碼器的輸出波形第 頁21四 進(jìn)給傳動機構(gòu)數(shù)控機床的進(jìn)給傳動機構(gòu)，包括減速機構(gòu)、絲杠螺母副以及引導(dǎo)和支承執(zhí)行部件的導(dǎo)軌等。（一）減速機構(gòu)此次設(shè)計中 Z 軸和 X 軸進(jìn)給傳動機構(gòu)中的減速機構(gòu)都使用同步帶傳動，它是一種新型的帶傳動，它利用齒形帶的同步與帶輪的輪齒依次相嚙合傳動運動和動力，因而兼有帶傳動、齒輪傳動和鏈傳動的優(yōu)點，即無相對滑動，平均傳動比準(zhǔn)確，傳動精度高，而且同步帶的強度高，厚度小，重量輕，故可用于高速傳動；同步帶無需特別張緊，故作用在軸和軸承上的載荷小，傳動效率高，在數(shù)控機床上亦有應(yīng)用。（二）滾珠絲杠螺母副機構(gòu)1、工作原理與特點滾珠絲杠副是一種新型的傳動機構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)特點是具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間傳動件，以減少摩擦。絲杠和螺母上都磨有圓弧形的螺旋槽，這兩個圓弧形的螺旋槽對合起來就形成螺旋線滾道，在滾道內(nèi)裝有滾珠。當(dāng)絲杠回轉(zhuǎn)時，滾珠相對于螺母上的滾道滾動，因此絲杠與螺母之間基本上為滾動摩擦。為了防止?jié)L珠從螺母中滾出來，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有回程引導(dǎo)回程裝置，使?jié)L珠能循環(huán)流動。滾珠絲杠副的特點是：（1）傳動效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠副的傳動效率 η=0.92~0.96，比常規(guī)的絲杠螺母副提高 3~4 倍。因此，功率消耗只相當(dāng)于常規(guī)絲杠螺母副的 1/4~1/3。（2）給予適當(dāng)?shù)念A(yù)緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時就可以消除空行死區(qū)，定位精度高，剛度好。（3）運動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高。（4）運動具有可逆性，可以從旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，也可以從直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動，即絲杠和螺母都可作為主動件。（5）磨損小，使用壽命長。（6）制造工藝復(fù)雜。滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。（7）不能自鎖。特別是對于垂直絲杠，由于自重慣性力的作用，下降時當(dāng)傳動切斷后，不能立即停止轉(zhuǎn)動，故常需添加制動裝置。2、滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)和軸向間隙的調(diào)整各種不同結(jié)構(gòu)的滾珠絲杠副，其主要區(qū)別是在螺紋滾道型面的形狀、滾珠循環(huán)方式及軸向間隙的調(diào)整和預(yù)加負(fù)載的方法等三方面。（1）螺紋滾道型面的形狀1）單圓弧型面。 接觸角 β 是隨軸向負(fù)載 F 的大小而變化。F=0 時，β=0，第 頁22承載后隨 F 的增大 β 也增大，β 的大小由接觸變形的大小決定。當(dāng)接觸角 β 增大后，傳動效率 η、軸向剛度 J 以及承載能力隨之增大。2）雙圓弧型面。偏心 e 確定后，滾珠與滾道內(nèi)相切的兩點接觸，接觸角 β 不變一般去 β=45 °。（2）滾珠循環(huán)方式目前國內(nèi)外生產(chǎn)的滾珠絲杠副，可分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)。外循環(huán)是在螺母的外圓上銑有螺旋槽，在螺母內(nèi)部裝上擋珠器，擋珠器的舌部切斷螺紋滾道，迫使?jié)L珠流入通向螺旋槽的孔中而完成循環(huán)。內(nèi)循環(huán)是在螺母外側(cè)孔中裝有接通相鄰滾道的反向器，以迫使?jié)L珠翻越絲杠的齒頂而進(jìn)入相鄰滾道。該設(shè)計采用外循環(huán)插管式。（3）間隙的調(diào)整和施加預(yù)緊力的方法滾珠絲杠副的軸向間隙，是負(fù)載在滾珠與滾道接觸點的彈性變形所引起的螺母位移量和螺母原有間隙的總和。通常采用雙螺母預(yù)緊的方法，把彈性變形量控制在最小限度內(nèi)，應(yīng)用這一方法來消除軸向間隙是需要注意一下兩點：1）通過預(yù)緊力產(chǎn)生預(yù)拉變形以減少彈性變形所引起的位移時，該預(yù)緊力不能過大，否則會引起驅(qū)動力矩增大、傳動效率