VCM40加工中心伺服系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計

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VCM40加工中心伺服系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計 摘 要 當(dāng)今，數(shù)控加工中心在制造業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。數(shù)控加工中心的普及程度和應(yīng)用水平，已經(jīng)成為衡量一個國家綜合國力與工業(yè)生產(chǎn)水平的重要標(biāo)志，也成為衡量一個產(chǎn)品制造企業(yè)生產(chǎn)加工能力的重要指標(biāo)之一。 隨著數(shù)控加工中心的大量應(yīng)用，產(chǎn)品制造企業(yè)急需大量熟練的數(shù)控加工中心應(yīng)用人才。但目前大中專院校缺乏適當(dāng)?shù)臄?shù)控加工中心培訓(xùn)設(shè)備，這已經(jīng)成為數(shù)控加工中心人才培養(yǎng)工作中急需解決的關(guān)鍵問題之一，VMC40加工中心的研制就是為解決此問題而提出的。 本文對VCM40加工中心的研制進(jìn)行了深入分析，具體討論了加工中心的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計和伺服進(jìn)給系統(tǒng)的性能。通過對滾珠絲杠和滾動導(dǎo)軌副進(jìn)行計算和選擇，以及對進(jìn)給伺服電機和與之相配的伺服驅(qū)動器計算和選型，確定了加工中心的伺服進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。在上述工作的基礎(chǔ)上，作者建立了VMC40加工中心進(jìn)給伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并對系統(tǒng)進(jìn)行性能分析。 關(guān)鍵詞：加工中心，伺服系統(tǒng), 滾珠絲杠 Computer Aided Design of Machine Centre Servo Feed System on VCM40 ABSTRACT Today, machining centers have been extensively used in manufacturing industry. Study of the develop of machining centers has been one of the focuses in design area. Now a great lot of persons with ability of machining centers are in dire need of. But the school has no proper equipment for bring up the persons with ability of machining center which has become the key problem now. The machining center VCM40 is the solution of the problem. The thesis aims at developing a kind of machining centers which have numerous functions and are able to machine some precise and complex parts and their cost is low. In this thesis, the development of the machining center VCM40 is thoroughly analyzed. Firstly, the structure alternative of the machining center is proposed. During the process of design the structure alternative of the machining center is proposed. During the process of design the feed system of the machine, the ball screw assemblies and the scroll guides are chosen based on the corresponding calculation, and the model of the servo motors of the servo feed system is designed. Based on the system designed above, the mathematical model of the feed system is constructed and the performances of the system is analyzed. KEY WORDS: Machining Center，Servo System，the Ball Screw Assemblies 50 目　錄 VCM40加工中心伺服系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計 1 第1章 緒論 5 1.1 數(shù)控機床概述 5 1.2 加工中心概述 6 1.3 本課題的主要工作 7 第2章 VMC40加工中心的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 8 2.1 VMC40加工中心的總體布局 8 2.1.1加工中心總體布局設(shè)計的一般原則 8 2.1.2VMC40加工中心的總體布局設(shè)計 9 2.1.3加工中心的組成 11 2.2 VMC40加工中心的機床本體的設(shè)計 13 2.2.1加工中心的機械部分的要求 13 2.2.2VMC40加工中心基礎(chǔ)件的設(shè)計 14 2.2.3VMC40加工中心主軸部件的設(shè)計 16 2.2.4VMC40加工中心刀庫和換刀裝置的設(shè)計 18 2.2.5VMC40加工中心潤滑回路和氣壓回路的設(shè)計 19 2.3 VMC40加工中心伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計 19 2.3.1加工中心伺服進(jìn)給系統(tǒng)的分類 19 2.3.2加工中心伺服進(jìn)給系統(tǒng)由以下主要部分組成 22 2.3.3本加工中心伺服進(jìn)給系統(tǒng)各組成部分的確定 22 第3章 進(jìn)給伺服系統(tǒng)關(guān)鍵部件的設(shè)計與計算 25 3.1 切削力的計算 25 3.2 滾珠絲杠副的選擇與計算 27 3.2.1滾珠絲杠副的介紹 28 3.2.2滾珠絲杠副的計算 30 3.3 伺服電機的選擇計算 34 3.3.1作用在滾珠絲杠副上各種轉(zhuǎn)矩計算 35 3.3.2符合轉(zhuǎn)動慣量及系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量計算 35 3.3.3加速轉(zhuǎn)矩和最大加速轉(zhuǎn)矩 36 3.3.4電機的最大啟動轉(zhuǎn)矩 37 3.3.5電機連續(xù)工作的最大轉(zhuǎn)矩 37 3.4 滾珠絲杠副的驗算 37 3.4.1 傳動系統(tǒng)剛度驗算 37 3.4.2 傳動系統(tǒng)剛度驗算及滾珠絲杠副的精度選擇 39 3.4.3 滾珠絲杠副臨界壓縮載荷的校驗（驗算壓桿穩(wěn)定性） 40 3.4.4滾珠絲杠副的極限轉(zhuǎn)速的校驗 40 3.4.5基本軸向額定靜載荷驗算 41 第4章 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的性能計算 42 4.1 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的工作原理和要求 42 4.2 加工中心伺服進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 43 4.3 伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 44 4.3.1 伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 44 結(jié)　論 51 謝 辭 52 參考文獻(xiàn) 53 第1章 緒論 1.1 數(shù)控機床概述 隨著科學(xué)技術(shù)和社會生產(chǎn)力的迅速發(fā)展，人們對機械產(chǎn)品的生產(chǎn)率和加工質(zhì)量提出了越來越高的要求，而實現(xiàn)上述目的重要措施之一就是實現(xiàn)機械加工工藝過程的自動化。機械加工工藝過程的自動化不僅能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率、降低勞動成本，而且能夠極大的改善生產(chǎn)者的勞動條件。同時，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和市場競爭的日益激烈，工業(yè)產(chǎn)品的品種不斷增加、產(chǎn)品更新?lián)Q代周期不斷縮短，機械產(chǎn)品的生產(chǎn)越來越表現(xiàn)出中小批量的特點；據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計顯示，單件以及小批量生產(chǎn)的零件約占機械加工總量的80%左右。因此，人們對機械行業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備提出了更高的要求，不僅希望生產(chǎn)設(shè)備具有更高的加工精度，而且希望生產(chǎn)設(shè)備具有更好的柔性化的特點。 在解決上述問題的過程中，以實現(xiàn)多品種、小批量產(chǎn)品零件高精度自動加工生產(chǎn)為目的數(shù)控機床（Numerical Control 簡稱NC）便應(yīng)運而生，而且以驚人的速度向前發(fā)展，成為一種靈活的、通用的、能夠適應(yīng)產(chǎn)品頻繁改型的“柔性”自動化機床。1948年美國帕森斯公司（Parsons Co.）在研制加工直升機葉片輪廓檢驗樣板的機床時，首先提出了用電子計算機控制機床加工復(fù)雜曲線樣板的新概念，并受美國空軍的委托與麻省理工學(xué)院（MIT）伺服機構(gòu)研究所進(jìn)行合作，于1952年研制成功了世界上第一臺用專用電子計算機控制的三坐標(biāo)歷史數(shù)控銑床。 機床是機械制造業(yè)中的工作母機，機床的技術(shù)水平和加工水平，將直接影響到應(yīng)用企業(yè)的技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益。數(shù)控機床具有加工精度高、柔性好、自動化程度高、可靠性高和生產(chǎn)率高等優(yōu)點，更適合加工多品種、中小批量和結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的零件。目前，數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用已深入到各行各業(yè)，尤其在機械電子和復(fù)雜零件加工等工業(yè)領(lǐng)域得到了快速而廣泛的應(yīng)用。 當(dāng)今數(shù)控加工中心在制造業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。數(shù)控設(shè)備的普及程度和應(yīng)用水平，已經(jīng)成為衡量一個國家綜合國力與工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志，也成為衡量一個產(chǎn)品制造企業(yè)生產(chǎn)加工能力的重要指標(biāo)之一。因此，各國都在積極發(fā)展數(shù)控機床和數(shù)控設(shè)備制造技術(shù)，以打草提高產(chǎn)品制造企業(yè)生產(chǎn)能力和產(chǎn)品的競爭力的目的。 1.2 加工中心概述 加工中心是數(shù)控機床的進(jìn)一步發(fā)展和綜合。1958年，美國K＆T公司首次把鉆、銑、鏜等多種工序集中于一臺數(shù)控機床上，通過換刀方式實現(xiàn)連續(xù)加工，研制成功了世界上第一臺加工中心。加工中心（Machining Center 簡稱MC）是適應(yīng)省力、省時和節(jié)能的時代要求而迅速發(fā)展起來的自動換刀數(shù)控機床，它綜合了計算機、自動控制、伺服系統(tǒng)、精密測量和新型機械結(jié)構(gòu)等方面的最新技術(shù)成果，并已成為現(xiàn)代制造系統(tǒng)（FMS，CIMS等）中的關(guān)鍵設(shè)備和基礎(chǔ)單元。 加工中心是指帶有刀庫和自動換刀裝置的數(shù)控機床，它綜合了多臺機床的功能，并通過刀庫和自動換刀裝置實現(xiàn)不同數(shù)控機床功能的轉(zhuǎn)換，并且自動改變機床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度完成加工。由于加工中心能夠集中完成多種工序，因而具有以下特點： a、 減少工件裝夾、測量和調(diào)整的時間，減少工件周轉(zhuǎn)、搬運存放的時間，使機床的切削利用率高于普通機約3~4倍； b、 一次裝夾能夠完成多到工序的加工，達(dá)到了減少重復(fù)定位次數(shù)，提高了工件加工精度的目的； c、 綜合實現(xiàn)了多臺機床的功能，減少了生產(chǎn)所需的機床數(shù)量和占地面積。 綜上所述，加工中心是數(shù)控機床中生產(chǎn)率和自動化程度最高的綜合機床，它不僅能夠大幅度地提高弓箭的加工精度，而且極大地提高產(chǎn)品制造的生產(chǎn)率。由于加工中心的上訴優(yōu)點，它出現(xiàn)后得到了快速的應(yīng)用和發(fā)展，成為數(shù)控機床中發(fā)展最快、需求量最大的產(chǎn)品之一。 1.3 本課題的主要工作 所研制的VMC40加工中心應(yīng)滿足下列要求： a、 應(yīng)保證數(shù)控加工中心具備適當(dāng)?shù)募庸ぞ群洼^齊全的工作性能，能夠滿足一般生產(chǎn)所要求的加工工藝范圍。在該數(shù)控加工中心上進(jìn)行操作訓(xùn)練，等同于到企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行培訓(xùn)，使學(xué)生獲得的技能最大限度地應(yīng)用于生產(chǎn)實際。 b、 滿足加工中心教學(xué)的特殊需要。該數(shù)控加工中心在結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)有利于實踐教學(xué)。在結(jié)構(gòu)上便于學(xué)生觀察加工中心工作情況。在結(jié)構(gòu)上能裸露部分盡量裸露；對導(dǎo)軌等要求進(jìn)行防護(hù)的部分采用快卸防護(hù)結(jié)構(gòu)，以便于拆卸和安裝。 c、 較低的產(chǎn)品價格。從而使大多數(shù)高等工科院校、職業(yè)學(xué)校和技校都能買得起、用得上。 作者在該項目中，主要參與了總體方案的確定，負(fù)責(zé)完成機床本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計和X、Y、Z三軸的進(jìn)給傳動系統(tǒng)的設(shè)計工作，參與了零部件的制造和選購以及加工中心的安裝調(diào)試等工作；并在加工中心的研制過程中，對X、Y、Z三軸的進(jìn)給傳動系統(tǒng)建立了數(shù)學(xué)模型，通過性能分析，設(shè)計了PID控制器，顯著地改善了伺服系統(tǒng)的性能。 本文的主要工作和研究內(nèi)容如下： a、 在對VMC40加工中心設(shè)計目標(biāo)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，確定了項目設(shè)計的基本要求。 b、 確定了VMC40加工中心的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。 c、 完成了機床主題的主要部分的設(shè)計。 d、 完成了X、Y、Z三軸的伺服進(jìn)給傳動系統(tǒng)的設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)計算并選擇了伺服電機、滾珠絲杠副和滾動導(dǎo)軌副。 e、 對加工中心的伺服進(jìn)給系統(tǒng)建立了合適的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)性能進(jìn)行認(rèn)真分析。 f、 在系統(tǒng)性能分析的基礎(chǔ)上，通過仿真和實驗，驗證了所建立數(shù)學(xué)模型的正確性。 第2章 VMC40加工中心的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 在對設(shè)計任務(wù)進(jìn)行深入分析后，我們確定了VMC40加工中心的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。根據(jù)設(shè)計目標(biāo)及要求，確定了該加工中心采用龍門動柱式鏜銑類立式結(jié)構(gòu)，此外本章還確定和選擇了機床的總體布局設(shè)計、各個機械部分的結(jié)構(gòu)、伺服進(jìn)給系統(tǒng)的類型以及選擇了加工中心的數(shù)控系統(tǒng)等。 2.1 VMC40加工中心的總體布局 2.1.1加工中心總體布局設(shè)計的一般原則 加工中心的總體布局是其設(shè)計中帶有全局性的關(guān)鍵問題?？傮w布局往往取決于被加工零件的結(jié)構(gòu)類型和加工工藝，并影響著機床的使用性能。因為數(shù)控機床要求高精度、高效率、高剛度、高自動化，所以其總體結(jié)構(gòu)如何合理配置協(xié)調(diào)，更應(yīng)引起足夠的重視。機床總體布局的內(nèi)容包括確定機床各主要部件間的相對運動和相對位置關(guān)系兩方面。在設(shè)計加工中心的總體布局時，需要考慮的因素有： a、 機床的運動及其分配 加工工件需要道具、工件的相對運動。運動執(zhí)行件的運動分配可以是多種方案，既可以是刀具運動工件靜止，也可是刀具精致工件運動，究竟“誰運動誰靜止”一般遵循“誰輕便誰運動”的原則，其中被加工工件的尺寸、形狀和質(zhì)量起著決定作用，布局還應(yīng)保證機床部件或總體上有較好的結(jié)構(gòu)剛度、抗震性和熱穩(wěn)定性。 b、 加工精度 設(shè)計對加工精度和表面質(zhì)量要求較高的機床時，應(yīng)盡量提高機床的傳動精度和剛度，減小振動和熱變形等。為了提高機床的精度，除了適當(dāng)?shù)剡x擇傳動件的制造精度外，應(yīng)盡量縮短傳動鏈。為了提高機床的剛度，機床應(yīng)盡量形成框式結(jié)構(gòu)。為了減少機床在工作中的振動，精密和高速機床常采用分離傳動，將電機和變速箱等振動較大的部件和工作部件分裝在兩個地方。 c、 便于操作、觀察和調(diào)整 機床的布局必須充分考慮到操縱機床的人，處理好人機關(guān)系，充分發(fā)揮人與機床各自的特點，使人的綜合效益能達(dá)到最佳。因此，機床各部件的相對位置的安排，應(yīng)考慮到便于操作和觀察加工情形，還應(yīng)避免操作者彎腰工作，以減輕疲勞。對于數(shù)控機床而言，還要考慮顯示屏幕和操作鍵盤都應(yīng)該放在操作和觀察的位置。 設(shè)計中，應(yīng)首先確定加工對象及加工方法，而后考慮機床必備的運動和相應(yīng)部件，結(jié)合機床性能要求，確定這些部件的相對位置和運動。 2.1.2VMC40加工中心的總體布局設(shè)計 在進(jìn)行總體布局設(shè)計之前，首先應(yīng)明確本加工中心的基本參數(shù)和設(shè)計要求。本加工中心的基本性能參數(shù)如下： 1）主機 （1）工作臺。 工作臺外形尺寸(工作面) 1200mm450mm(1000mm320mm) 工作臺T形槽寬槽數(shù) 18mm3 （2）移動范圍。 工作臺左右行程(X軸) 750mm 工作臺前后行程(Y軸) 400mm 主軸箱上下行程(Z軸) 470mm 主軸端面距工作臺距離 180～650mm （3）主軸箱。 主軸錐孔 錐度7∶24 主軸轉(zhuǎn)速(標(biāo)準(zhǔn)型，高速型)22.5～2250r／min 主軸驅(qū)動電動機功率(額定／30min) 5.5kW／7.5kW （4）進(jìn)給速度。 快速移動速度(X、Y軸) 14m／min (Z軸) 10m／min 進(jìn)給速度(X、Y、Z軸) 1～4000mm／min （5）自動換刀裝置。 刀庫容量 16把 選刀方式 任選 最大刀具尺寸（直徑長度） 100mm300mm 最大刀具質(zhì)量 10kg 庫電動機功率 1.4kW （6）精度。 定位精度 0.012mm／300mm重復(fù)定位精度 0.006mm （7）承載能力。 工作臺允許負(fù)載 500kg 滾珠絲杠尺寸(X、Y、Z軸) ?40mm10mm 鉆孔能力(一次鉆出)  ?32mm 攻絲能力 M24mm 銑削能力 100cm3／min （8）其他。 氣源壓強 49～68.6Pa(250L/min) 機床質(zhì)量 4.5t 占地面積 3500mm3060mm 根據(jù)VMC40經(jīng)濟教育型加工中心的設(shè)計要求，加工中心的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計可以從兩個方面來考慮：一方面是希望本加工中心的加工能力強，加工范圍廣，能滿足多種常見工藝的加工；另一剛面還要考慮本加工中心具有較低的生產(chǎn)成本。 加工中心按主軸加工時的空間位置分為立式和臥式兩種類型。臥式加工中心主軸軸線水平設(shè)置，和立式加工中心相比，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占地面積大，質(zhì)量大，生產(chǎn)成本高。立式加工中心的主軸軸線為垂直設(shè)置，其結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小，生產(chǎn)成本低。配備各種附件后可滿足大部分常見的加工工藝要求。 加工中心按工藝用途分有鏜銑類加工中心、復(fù)合加工中心及車削加工中心。鏜銑類立式加工中心結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小，生產(chǎn)成本低，且一次裝夾后，可連續(xù)進(jìn)行銑、鉆、錢 ,鉸等多種常用工序的加工，適用范圍較廣。復(fù)合加工中心主要指五面復(fù)合加工，功能較多，成本較高。車削加工中心主要用于回轉(zhuǎn)類零件的加工。 考慮到本加工中心的設(shè)計要求，決定采用鏜銑類立式結(jié)構(gòu)形式。這種形式能夠進(jìn)行多種工序的加工，加工工藝范圍大，且占地面積較小、生產(chǎn)成本低，能夠滿足設(shè)計要求。 傳統(tǒng)的機床結(jié)構(gòu)由床身、立柱、主軸箱、工作臺等部分串聯(lián)而成的“C，形結(jié)構(gòu)，其作業(yè)范圍大，控制相對簡單，但是存在如下固有缺陷:1）機床主要結(jié)構(gòu)不但承受拉載荷，而且還承受彎扭載荷。為了保證剛度，通常需要制造粗笨的結(jié)構(gòu)支撐件和運動部件。這就需要消耗較多的材料而且也制約了進(jìn)給速度和加速度的大幅度提高；2）由于零部件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機床的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化程度受到嚴(yán)重限制。高速機床結(jié)構(gòu)設(shè)計方向是增強剛性和減輕移動部件重量，如國際上普遍采用龍門式、框式、O型整體結(jié)構(gòu)、箱中箱式等各種機床的結(jié)構(gòu)等。 本加工中心采用龍門動柱式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的相對運動是工作臺固定而刀具移動，這樣能夠使加工中心的移動部件（主軸）的重量保持不變，從而不會因工件的重量變化而影響系統(tǒng)的原有參數(shù)設(shè)定，從而保證機床始終在最佳狀態(tài)下工作，有助于工件加工質(zhì)量和加工精度的保證；同時，與同規(guī)格的固定立柱式加工中心相比，這種設(shè)計使機床的整體尺寸較小、結(jié)構(gòu)緊湊、減小總體尺寸、降低生產(chǎn)成本、提高設(shè)計的經(jīng)濟性。 同時本機床還考慮排屑、冷卻和換刀裝置，使機床具有相應(yīng)的功能，并使機床的總體結(jié)構(gòu)尺寸較小。 排屑系統(tǒng)的水箱和鐵屑槽放置在底座的中間，在底座的左后方，安裝有刀庫，其容量為16把刀，可完成各種孔加工和銑削加工。 當(dāng)前數(shù)控機床的布局大都采用機、電、液、氣一體化布局全封閉或半封閉防護(hù)。為了便于學(xué)生了解機床的結(jié)構(gòu)，本加工中心采用半封閉防護(hù)，對滾珠絲杠副和滾動導(dǎo)軌副作了防護(hù)。 VMC40加工中心的實物照片和總體布局分別如圖2-1和2-3所示。該加工中心可完成銑、鏜、鉆、锪、鉸和攻螺紋等多種工序，適用于小型板類、盤類、模具類和箱體類等復(fù)雜零件的加工，能滿足多種常見的加工要求，具有適用面廣，占地面積小，生產(chǎn)成本低等優(yōu)點。 2.1.3加工中心的組成 加工中心是帶有刀庫和自動換刀裝置的數(shù)控機床，其組成和數(shù)控機床的相同。數(shù)控機床的基本結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，主要有輸入輸出設(shè)備、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機床本體四部分組成。 圖2-1 VMC40加工中心照片 圖2-2 數(shù)控機床的組成 a、 輸入輸出裝置 實際中所加工的零件形狀復(fù)雜，故加工中心一般需要采用CAM軟件通過計算機進(jìn)行輔助編程。因此，本加工中心配備了RS232串行接口等常用的輸入裝置，便于程序的調(diào)用和傳輸。其作用是 將程序載體上的數(shù)控代碼變成相應(yīng)的電脈沖信號，并將氣傳送及存入數(shù)控裝置內(nèi)。 b、 數(shù)控裝置 選擇了FANUC數(shù)控系統(tǒng)，此系統(tǒng)具有很高的可靠性，功能齊全，適用范圍廣，技術(shù)服務(wù)優(yōu)質(zhì)可靠，操作界面直觀，操作簡便，易于掌握和使用，非常適合學(xué)生的學(xué)習(xí)、操作和使用。它的作用是接受輸入裝置送來的脈沖信號，經(jīng)過數(shù)控裝置的系統(tǒng)軟件進(jìn)行編譯、運算和邏輯處理后，輸出各種信號和指令來控制機床的各個部分的動作。 c、 伺服系統(tǒng)及位置檢測裝置 采用FANUC6L直流伺服系統(tǒng)。該電機具有良好的事件響應(yīng)性能指標(biāo)。響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，穩(wěn)定性好，滿足本控制系統(tǒng)對電機控制性能的要求。檢測裝置為和直流伺服電機一體的編碼器。伺服系統(tǒng)是由伺服驅(qū)動電路和伺服驅(qū)動裝置（電機）組成，并與機床上的執(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)。 d、 機床本體 數(shù)控機床的組成與普通機床相似，但傳動結(jié)構(gòu)要求更為簡單，在精度、剛度、抗震性等方面要求更高。 2.2 VMC40加工中心的機床本體的設(shè)計 加工中心的機械本體是數(shù)控機床的主機部分，其組成為：1）基礎(chǔ)件;包括底座、立柱等起支撐作用的部分。2）主傳動系統(tǒng)：傳遞切削所需的轉(zhuǎn)矩和功率。3）進(jìn)給傳動系統(tǒng)：實現(xiàn)機床移動部件的準(zhǔn)確運動。4）輔助部分：包括液壓系統(tǒng)，冷卻、潤滑和刀庫等部分。 2.2.1加工中心的機械部分的要求 數(shù)控機床的機械系統(tǒng)是從普通機床改革、改造而逐步發(fā)展而來的。在發(fā)展的最初階段，采用的方法是在普通機床上進(jìn)行改裝或局部的改進(jìn)設(shè)計，再裝備上數(shù)控裝置。但隨著數(shù)控機床的工作特點的變化和工作性能的提高，它在外型造型、整體布局、支承部件、機械傳動系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)的部件結(jié)構(gòu)以及操作機構(gòu)等方面都發(fā)生了很大的變化，對機床提出了更高的要求。因此普通機床的一些弱點如剛性不足、抗震性差、熱變形大、滑動面的摩擦阻力大，及傳動元件之間存在間隙等，難以勝任數(shù)控機床對加工精度、表面質(zhì)量、生產(chǎn)率以及使用壽命等要求。因此數(shù)控機床與普通機床相比，除了進(jìn)給部分采用伺服電機組成伺服單元，由數(shù)控裝置運行數(shù)控加工程序，進(jìn)行自動控制之外，數(shù)控機床的設(shè)計已經(jīng)由改裝設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)獒槍?shù)控機床的要求進(jìn)行全新的設(shè)計，并已經(jīng)形成了數(shù)控機床的獨特機械結(jié)構(gòu)。 與普通機床相比，數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)有以下特點： a、 數(shù)控機床采用了高性能主軸部件及傳動系統(tǒng)，機械傳動結(jié)構(gòu)簡化，傳動鏈較短。 b、 數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)具有較高的剛度和耐磨性，熱變形小。 c、 更多采用高效傳動部件如滾珠絲杠副、靜壓導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌等。 因此在設(shè)計數(shù)控加工中心時，充分考慮數(shù)控機床的特點進(jìn)行設(shè)計。 2.2.2VMC40加工中心基礎(chǔ)件的設(shè)計 基礎(chǔ)件是機床的基礎(chǔ)構(gòu)件，其作用是支撐，一般用來放置導(dǎo)軌、主軸箱等重要部件。在切削時，刀具和工件之間相互作用的力沿著大部分支承件逐個傳遞并使之變形，同時支承件的熱變形會改變執(zhí)行部件的相對位置和運動軌跡，會影響加工精度。因此，基礎(chǔ)件的設(shè)計是很重要的。 對基礎(chǔ)件的基本要求是：具有足夠的剛度；具有較好的動態(tài)性能；基礎(chǔ)件的設(shè)計應(yīng)使整機的熱變形較??；應(yīng)排屑暢通、吊裝安全，具有良好的工藝性，以便于制造和裝配。 如加工中心的總圖2-3所示，本加工中心的基礎(chǔ)件是底座、左右立柱和橫梁。與傳動機床相比，本加工中心的底座采用組合焊接件。底座是整個機床的基礎(chǔ)支撐件，用來放置導(dǎo)軌、主軸箱、鞍座、橫梁和立柱等重要部件，因此對其剛度、抗震性和熱穩(wěn)定性都有相應(yīng)的要求。采用型鋼和板材焊接成底座，具有許多優(yōu)點：a、使用鑄造較復(fù)雜，采用焊接不需要木模和澆鑄，生產(chǎn)周期短。又不易出廢品，同時節(jié)約了材料，節(jié)省了模具費用；b、減輕機床重量，鋼的彈性模量約為鑄鐵的1.5到2倍。在形狀和輪廓尺寸相同的前提下，如果要求剛度也相同的話，鋼焊件的壁厚可比鑄件的薄；c、可采用完全封閉的箱式結(jié)構(gòu)，不像鑄件那樣要流出砂孔d、如發(fā)現(xiàn)缺陷可及時采取補救措施。因此，底座的設(shè)計較好的體現(xiàn)了本加工中心的經(jīng)濟性，而且鋼板的彈性量大，有利于提高機床的固有頻率。另外在設(shè)計時，底座中間留有空間，以放置水箱和鐵屑槽，使整體結(jié)構(gòu)更緊湊，尺寸更小。底座的結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。 圖2-3 VMC加工中心布局圖 1.底座 2.立柱3.橫梁 4.主軸箱 5.刀庫 6.電控箱 7.工作臺 8.排屑系統(tǒng) 圖2-4 底座 左右立柱和橫梁為封閉的箱型結(jié)構(gòu)。左右立柱和橫梁承受兩個方向的彎矩和扭矩，故橫截面形狀近似地取為方形，且內(nèi)壁設(shè)置有較高的豎向筋和環(huán)形筋，故增強了剛度。 2.2.3VMC40加工中心主軸部件的設(shè)計 主軸是傳遞主切削力的部件，并做高速旋轉(zhuǎn)運動，因此主軸部件的剛度、強度、精度和散熱是需特別注意的關(guān)鍵技術(shù)。對于立式加工中心來講，主軸部件通常是由主軸、軸承和主軸上的傳動件等一般組成外，還應(yīng)具有刀具自動夾緊、主軸自動準(zhǔn)停和主軸裝刀孔吹屑等裝置。其結(jié)構(gòu)如圖2-5所示。 圖2-5主軸部件 主軸為中空外圓柱零件，前端裝定向鍵，與刀柄配合部位采用7: 24的錐度，設(shè)計為BT40主軸。主軸的支承采用角推力球軸承。 主軸電機通過1: 2的減速比的同步帶帶動主軸的轉(zhuǎn)動。主軸電機為三菱交流變速電機，可實現(xiàn)無級變速，最高轉(zhuǎn)速為8000r/min，經(jīng)過1: 2的減速，主軸可獲得4000r/min的轉(zhuǎn)速，考慮實際上主軸軸承及相關(guān)零件的精度和溫升，因此滿足規(guī)定的3000r/min的轉(zhuǎn)速。 刀具自動抓緊與松開機構(gòu)及主軸裝刀孔吹屑裝置裝在主軸內(nèi)孔中，刀具自動抓緊與松開機構(gòu)由拉桿、刀抓、活塞和蝶簧等組成。抓緊時，活塞上無氣壓，活塞靠蝶簧的彈力上移，從而帶動拉桿上移，刀抓進(jìn)入套筒中，將刀桿拉緊。松刀時，活塞上加氣壓，使活塞桿下移，并壓縮蝶簧，并推拉桿向下，從而使刀桿下移，刀抓從套筒中伸出，便松開了刀具。為保證具有刀具自動夾緊和松開的安全，配有行程開關(guān)發(fā)出相應(yīng)的信號給數(shù)控系統(tǒng)?；钊麠U孔的上端接有壓縮空氣，當(dāng)機械手把刀具從主軸中拔出后，壓縮空氣通過活塞桿和拉桿的中孔，把主軸錐孔吹凈。 主軸準(zhǔn)停功能的實現(xiàn)是靠主軸尾部的感應(yīng)開關(guān)來實現(xiàn)。因主軸作高速旋轉(zhuǎn)運動，所以需用非接觸式的感應(yīng)開關(guān)。 數(shù)控機床的熱變形是影響加工精度的重要因素，在設(shè)計時應(yīng)考慮熱變形的影響。主軸發(fā)熱最多的部位是軸承，故必須考慮對軸承的冷卻問題。設(shè)計時，將切削液回路安排成首先經(jīng)過后軸承外面的主軸箱，再接噴嘴流出，使主軸箱的最下一格成為一個冷卻回路。這樣不僅有效地對軸承進(jìn)行了冷卻，而且節(jié)省了冷卻回路，減低了成本。 2.2.4VMC40加工中心刀庫和換刀裝置的設(shè)計 加工中心的換刀方式有：機械手式和無機械手式。根據(jù)刀具的數(shù)量，刀庫的結(jié)構(gòu)有：鏈?zhǔn)健⒈P式和格子式等種類?？紤]到本加工中心只有16把刀，刀庫的結(jié)構(gòu)選用旋轉(zhuǎn)刀盤方式。換刀選用主軸運動抓刀方式來實現(xiàn)。這種設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、又能滿足學(xué)生學(xué)習(xí)的需要。 根據(jù)主軸的功率大小和切削工件情況，刀具選擇最常用的BT40型，用彈簧力夾刀。 為防止主軸抓刀時由于向上的運動導(dǎo)致刀具受損，在刀庫的設(shè)計時，使刀架進(jìn)行一定角度的旋轉(zhuǎn)并配有調(diào)整塊，不僅能調(diào)整刀盤的垂直度，而且可保證抓刀時不使主軸和刀具受損。 選刀是將裝有標(biāo)準(zhǔn)刀柄的刀具放置在圓盤形刀庫的周邊，電機帶動槽輪轉(zhuǎn)到實現(xiàn)刀庫的轉(zhuǎn)動，由槽輪上的感應(yīng)開關(guān)控制旋轉(zhuǎn)角度來實現(xiàn)的。刀庫及換刀裝置的結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。 圖2-6 刀庫及換刀裝置 2.2.5VMC40加工中心潤滑回路和氣壓回路的設(shè)計 本加工中心的潤滑回路和氣壓回路的幾乎所有元器件都采用標(biāo)準(zhǔn)件，使系統(tǒng)具有良好的互換性，價格也更經(jīng)濟。 2.3 VMC40加工中心伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計 在數(shù)控機床上，伺服系統(tǒng)接受來自來自插補裝置或插補軟件生成的進(jìn)給脈沖指令，經(jīng)過一定的信號變換及電壓、功率放大，將其轉(zhuǎn)化為工作臺相對于刀具的運動。因此，伺服系統(tǒng)是數(shù)控計算裝置和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機床的重要組成部分。伺服驅(qū)動系統(tǒng)的性能在很大程度上決定了數(shù)控機床的性能。加工中心的重要指標(biāo)，如最高移動速度、跟蹤精度、定位精度等，均取決于伺服驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)與靜態(tài)性能。 2.3.1加工中心伺服進(jìn)給系統(tǒng)的分類 伺服驅(qū)動系統(tǒng)按其用途和功能分為進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)和主軸驅(qū)動系統(tǒng)；按其控制原理和有無位置反饋環(huán)節(jié)分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)；電氣伺服控制系統(tǒng)又有交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)和直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)之分。 a、 進(jìn)給驅(qū)動和主軸驅(qū)動 進(jìn)給驅(qū)動是用于數(shù)控機床工作臺的控制系統(tǒng)，控制機床各坐標(biāo)軸的進(jìn)給運動，并提供所需要的轉(zhuǎn)矩。對于進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)，主要關(guān)心它的轉(zhuǎn)矩大小、調(diào)速范圍的大小和調(diào)節(jié)精度的高低以及動態(tài)響應(yīng)速度的快慢。主軸驅(qū)動控制主軸的旋轉(zhuǎn)運動，為主軸提供驅(qū)動功率。對于主軸驅(qū)動系統(tǒng)主要關(guān)心是否具有足夠的功率、寬的恒功率調(diào)節(jié)范圍及速度調(diào)節(jié)范圍。 鑒于主運動伺服系統(tǒng)通常不如進(jìn)給伺服系統(tǒng)要求高。所以，本文著重討論如何提高進(jìn)給伺服系統(tǒng)的性能。 b、開環(huán)控制和閉環(huán)控制 位置控制的職能是精確地控制運動部件的坐標(biāo)位置，快速而準(zhǔn)確地跟蹤指令運動。數(shù)控伺服驅(qū)動系統(tǒng)按有無位置反饋分為開環(huán)控制、半閉環(huán)控制和閉環(huán)控制三種。 1)開環(huán)控制系統(tǒng) 工作臺不需要位置檢測及反饋裝置，CNC系統(tǒng)輸出的控制信號送給伺服驅(qū)動器，驅(qū)動器帶動伺服電機轉(zhuǎn)動，通過絲杠帶動工作臺移動，工作臺移動的速度和位移量直接由指令脈沖數(shù)量和頻率確定，無需檢測工作臺的實際位置。開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機作為驅(qū)動元件，其結(jié)構(gòu)簡單、運行平穩(wěn)、工作可靠、造價低廉，但由于機械傳動裝置的摩擦、慣量、間隙的存在，對定位精度有一定影響，故其精度和快速性較差。因此開環(huán)系統(tǒng)常用于經(jīng)濟型數(shù)控或老設(shè)備的改造。如圖2-7所示。 圖2-7 開環(huán)控制系統(tǒng)框圖 2)半閉環(huán)控制系統(tǒng) 半閉環(huán)系統(tǒng)一般采用角位移檢測原件，將位置檢測元件安裝在電動機軸上，用以精確控制電動機的角度，然后通過滾珠絲杠副等傳動部件，將角度轉(zhuǎn)化成工作臺的位移。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)沒對機械傳動誤差進(jìn)行補償，所以其精度低于閉環(huán)控制系統(tǒng)，調(diào)試比閉環(huán)控制系統(tǒng)方便，且由于機械傳動裝置的剛性和摩擦阻尼等因素大部分不包括在位置控制環(huán)內(nèi)，所以一般情況下系統(tǒng)都能穩(wěn)定工作，同時檢測元件結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，穩(wěn)定性好，價格便宜，因而得到廣泛的應(yīng)用。如圖2-8所示。 圖2-8 半閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 3）閉環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置直接安裝在機床的移動部件上，檢測裝置直接測出實際位移量，或?qū)嶋H所處位置，并將測量值反饋給數(shù)控裝置與指令進(jìn)行比較求得差值，以此構(gòu)成閉環(huán)位置控制，驅(qū)動部件采用直流伺服電機或交流伺服電機。閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度高、快速性好，該系統(tǒng)消除了包括工件傳動鏈在內(nèi)的傳動誤差，因而定位精度高，但其調(diào)試和維修都較困難，系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，一般用于精度要求較高的大型數(shù)控機床上。如圖2-9所示。 圖2-9 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 c、電氣控制系統(tǒng) 電氣控制系統(tǒng)有交流(AC)伺服系統(tǒng)和直流(DC)伺服系統(tǒng)之分。直流大慣量伺服電機具有良好的調(diào)速性能、輸出轉(zhuǎn)矩大、過載能力強；直流小慣量伺服電機比較適應(yīng)數(shù)控機床對頻繁啟動、制動及快速定位與切削的要求。但直流電機一個最大的特點是具有電刷和機械換向器，從而限制了它向大容量、高電壓、高速度方向的發(fā)展。交流伺服系統(tǒng)克服了直流驅(qū)動系統(tǒng)中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)知、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠，適應(yīng)當(dāng)今高速、高精度機械加工的需要。 2.3.2加工中心伺服進(jìn)給系統(tǒng)由以下主要部分組成 a、 驅(qū)動裝置 包括放大器、伺服電機和測速計； b、 機械傳動裝置 滾珠絲杠副和機床移動部件； c、 檢測裝置 編碼器，其作用是檢測工作臺的位置并將信號進(jìn)行反饋； d、 計數(shù)與比較、轉(zhuǎn)換裝置 將輸入指令與反饋信號進(jìn)行比較，并將比較后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。 2.3.3本加工中心伺服進(jìn)給系統(tǒng)各組成部分的確定 對伺服系統(tǒng)來說，判斷控制品質(zhì)的好壞主要有以下三個方面：1）控制精度：輸出量是否控制在目標(biāo)值所允許的誤差范圍內(nèi)；2）快速性：輸出量是否快速而準(zhǔn)確地響應(yīng)控制命令；響應(yīng)速度、跟蹤控制命令的能力如何；3）穩(wěn)定性：伺服系統(tǒng)是否穩(wěn)定；穩(wěn)定是控制系統(tǒng)正常工作的前提。 a、 伺服控制類型的選擇 開環(huán)系統(tǒng)無法滿足本加工中心進(jìn)給位置控制精度的要求。為了在伺服系統(tǒng)中獲得高精度的控制品質(zhì)，最好采用閉環(huán)系統(tǒng)，其能直接檢測伺服機構(gòu)的實際位置和實際速度，并作為反饋信息送入到系統(tǒng)的輸入端與指令值進(jìn)行比較。但實際上，閉環(huán)系統(tǒng)檢測元件價格昂貴，并且將絲杠螺母副、齒輪傳動副等包含在閉環(huán)中，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試安裝困難。而且連接伺服電機的機械離合器、變速機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)軸等是否連接得很好以及摩擦阻力的變化等復(fù)雜因素也可能使伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性變壞。 半閉環(huán)系統(tǒng)精度沒有閉環(huán)系統(tǒng)高，但調(diào)試容易，穩(wěn)定性較好，對于本加工中心的進(jìn)給位置控制而言，精度完全能夠達(dá)到要求。且由于伺服傳動鏈短，故伺服剛性好，而且也能夠滿足精度要求。因此決定采用半閉環(huán)控制，并在伺服電動機軸軸端安裝編碼器。 在半閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)中，由于機械傳動裝置的剛性和摩擦阻尼等因素大部分不包括在位置控制環(huán)內(nèi)，所以一般情況下系統(tǒng)都能穩(wěn)定工作。但因為摩擦力引起的位置誤差在半閉環(huán)系統(tǒng)中是不可避免的；而且輸出與輸入之間的環(huán)形滯后現(xiàn)象主要發(fā)生在絲杠與工作臺間，約占機械傳動裝置總滯后量的70%，所以在半閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計中，主要考慮的設(shè)計要求是定位誤差，并由此決定系統(tǒng)機械傳動裝置剛度的大小，以及由于伺服剛度引起的死區(qū)誤差。 b、 伺服電機類型的確定 數(shù)控機床常采用的電動機有步進(jìn)電機、交流伺服電機和直流伺服電機。步進(jìn)電機具有工作狀態(tài)不易受各種干擾因素的影響，不會有積累誤差，控制簡單，成本低的優(yōu)點；但它在高速和大轉(zhuǎn)矩情況下，易失布和丟步。70年代以來隨著大規(guī)模集成電路和計算機控制技術(shù)的應(yīng)用，特別是矢量控制技術(shù)的應(yīng)用，使得交流伺服電機具備了調(diào)速范圍寬、精度高、動態(tài)響應(yīng)快以及其它良好的技術(shù)性能。因此交流伺服電機得到了廣泛的應(yīng)用。 直流伺服電機具有較高的響應(yīng)速度、精度和頻率優(yōu)良的控制性能，但由于使用電刷和整流子，故壽命較低，需定期維護(hù)。但直流伺服電機的調(diào)速簡單，機械特性硬，超載能力強；而且本加工中心主要用于教學(xué)，希望其調(diào)速簡單，超載能力強，所以采用直流伺服電機。 c、 機床傳動部件類型的確定 數(shù)控機床的運動精度和定位精度不僅受到機床零部件的加工精度和裝配精度、剛度及熱變形的影響，而且與運動的摩擦特性有關(guān)。所以要提高運動精度和定位精度，必須設(shè)法提高進(jìn)給運動的低速運動平穩(wěn)性，減小間隙、摩擦系數(shù)，縮短傳動鏈。在絲杠和導(dǎo)軌的選擇時，選擇滾珠絲杠副和直線滾動導(dǎo)軌副，以減小摩擦，提高系統(tǒng)的精度。 d、 本加工中心的進(jìn)給傳動系統(tǒng) 本加工中心是三軸運動，工作臺是靜止不動的，主軸箱分別沿著橫梁、立柱和鞍座作X向、Y向和Z向運動。從伺服驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)出的信號，傳遞給進(jìn)給電機，電機軸通過聯(lián)軸器和滾珠絲杠副相連，從而帶動機床的移動部件運動。X方向是帶動鞍作左右運動，Y向是帶動機床的橫梁作前后運動，Z向是帶動機床的主軸作上下運動，從而實現(xiàn)了機床的三軸運動。本加工中心的X、Y軸的傳動系統(tǒng)如圖2-10所示。因為它的Z軸不能自鎖，其電機帶有抱閘以實現(xiàn)Z向的制動。而且Z向較重，所以其傳動系統(tǒng)增加了減速帶輪，以便使其電機能和Z向伺服系統(tǒng)的等效慣量相匹配。X、Y、Z三軸各有一套基本相同的伺服驅(qū)動系統(tǒng)。 圖2-10 進(jìn)給傳動系統(tǒng)圖 第3章 進(jìn)給伺服系統(tǒng)關(guān)鍵部件的設(shè)計與計算 機床所具有的加工精度、工件表面粗糙度取決于機床進(jìn)給伺服系統(tǒng)。機床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵部件有滾珠絲杠副、滾動導(dǎo)軌副和伺服電機。因此，機床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵部件的設(shè)計對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的伺服性能影響很大。所以，作者對這一部分進(jìn)行了認(rèn)真的計算、選用和校核，以滿足加工中心的要求，并保證加工中心能正常穩(wěn)定地工作。具體的設(shè)計計算內(nèi)容包括：運動部件慣性計算，滾珠絲杠副及其支撐、伺服電動機及滾動導(dǎo)軌副計算和選擇。 根據(jù)前面所述的加工中心總體結(jié)構(gòu)圖可知，本加工中心的負(fù)荷較重的是Y向，Y向的傳動系統(tǒng)如圖3-1所示。因此，以Y向的設(shè)計來說明設(shè)計過程，而X向和Z向的設(shè)計過程和Y向的相似。Y向的移動部分的重量約4500N。 圖3-1 直流伺服電機驅(qū)動的進(jìn)給系統(tǒng)示意圖 3.1 切削力的計算 在刀具的作用下，被切削層金屬和工件表面層金屬都要發(fā)生彈性變形和塑形變形，因此產(chǎn)生變形抗力；同時在切削過程中，刀具和切屑、工件表面之間存在摩擦力，這些都是切削力的來源。切削力直接影響切削熱的產(chǎn)生，進(jìn)一步影響刀具的耐用度及加工表面的質(zhì)量和加工精度。 切削力又是設(shè)計和使用機床的重要依據(jù)。在設(shè)計機床進(jìn)給伺服系統(tǒng)時，計算滾珠絲杠螺母副及其支撐，伺服電動機及滾動導(dǎo)軌副等都需要用到切削力。因此，首先來確定加工中心的切削力。 銑削加工和車削加工一樣，銑刀每個刀齒上都受到一定的切削力，可分解為三個方向的分力：圓周切削力、背向力、垂直切削力。圓周切削力是消耗功率的力。它將引起銑床主軸扭轉(zhuǎn)變形和彎曲變形；背向力是作用于銑刀軸線方向的力；垂直切削力是作用于洗到半徑方向的李，將引起銑床主軸發(fā)生彎曲。 切削力的大小是由很多因素決定的，如工件的材料、切削用量、刀具角度、切削液和刀具材料等。切削力可按兩種方法計算；銑削法和經(jīng)驗公式法。 a、 銑削功率法 切削過程中消耗的功率主要是按圓周切削力和銑削速度來計算的，即銑削時消耗的功率為： (3-1) 僅給運動也消耗一些功率，但由于數(shù)值較小，可以忽略不計。 機床主軸的功率和銑削功率之間的關(guān)系為： (3-2) 式中： —機床的傳動效率，一般取為0.75-0.85，大值適用于新機床，小值適用于舊機床； —機床主軸的功率，kw； 所以 式中： —機床的計算轉(zhuǎn)速，一般取為； —機床主軸的功率，kw； —銑刀的直徑，mm,(考慮到切削力最大的情況，取)， b、經(jīng)驗公式法 因為加工中心為立式加工中心，所以其切削力按立銑刀的情況進(jìn)行計算。根據(jù)立銑刀的銑削用量以及銑削情況來計算切削力。因為加工中心的加工能力較強，切削量較大，所以按危險的情況來計算。具體到本加工中心，它能完成一般的加工，所以按照刀具的材料為高速鋼，加工的材料為碳鋼的立銑刀的情況來計算。 經(jīng)驗公式如下3-3所示： （3-3） 其中：—垂直于銑刀軸線的側(cè)吃到量，一般取（0.4-0.8）； —每齒進(jìn)給量，一般取0.1-0.2； —平行于軸線的被吃刀量； Z—銑刀齒數(shù)； —銑刀直徑。 根據(jù)本加工中心的常見加工情況和使用刀具的情況，刀具的直徑取為25mm，取為12mm,銑刀齒數(shù)為4。因此，可計算切削力為： 綜合上述兩種計算切削力方法的結(jié)果，取大值作為切削力。 根據(jù)刀具情況和加工情況，按短銑刀和不對稱銑削加工來考慮，查表可得： 所以， 得到切削力的大小，為后面的滾珠絲杠副和滾動導(dǎo)軌副的選擇和計算做準(zhǔn)備。 3.2 滾珠絲杠副的選擇與計算 在數(shù)控機床的設(shè)計中，滾珠絲杠副的作用是將伺服電機的選擇運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，用較小的轉(zhuǎn)矩可以獲得很大的推力。滾珠絲杠副的傳動最簡單、經(jīng)濟而又可靠，所以滾珠絲杠副的傳動是最簡單、經(jīng)濟而又可靠，所以滾珠絲杠副的傳動是一種應(yīng)用較廣的機構(gòu)。滾珠絲杠副的精度是影響是影響機床的定位精度及重復(fù)定位精度的最主要的因素。在機床的設(shè)計中，為了更合理地選用滾珠絲杠副，使其充分發(fā)揮效能，必須進(jìn)行一系列的計算。在設(shè)計選用滾珠絲杠副時，將對其進(jìn)行承載能力的計算。承載能力的計算包括強度計算、剛度計算、穩(wěn)定性校核和臨界轉(zhuǎn)速校核。 3.2.1滾珠絲杠副的介紹 滾珠絲杠副是由專業(yè)廠家組織生產(chǎn)和供應(yīng)，已實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和商品化。用戶可根據(jù)各自的需要方便地進(jìn)行選用和訂購，因此滾珠絲杠副得以廣泛應(yīng)用，成為各類數(shù)控機床的主要傳動機構(gòu)。 a、 滾珠絲杠副的特點 滾珠絲杠副是一種旋轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)，在絲杠和螺母之間裝有中間傳動元件——滾珠，它有絲杠、螺母、滾珠和反向器等四部分組成。當(dāng)絲杠和螺母傳動時，滾珠沿螺紋滾動，絲杠和螺母之間相對運動時，產(chǎn)生滾動摩擦。為防止?jié)L珠從滾道中滾出，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有回程引導(dǎo)裝置，如反向器和擋珠器，它們與螺紋滾道形成循環(huán)回路，是滾珠在螺母滾道內(nèi)即自轉(zhuǎn)又沿滾道循環(huán)傳動。 滾珠絲杠副與滑動絲杠相比較，它以滾動摩擦代替了滑動摩擦具有以下特點： 1） 摩擦系數(shù)小、傳動效率高 由于滾珠絲杠副的摩擦損失小，其傳動效率可達(dá)，約為普通絲杠的3-4倍。 2） 磨損小、壽命長 滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)小，因此其磨損很小，所以具有良好的耐磨性，京都保持性能很好，工作壽命長。 3） 摩擦力小、運動平穩(wěn) 由于是滾動摩擦，其動、靜摩擦系數(shù)相差極小，因而靈敏度高，運動平穩(wěn)，啟動時無顫動，低速傳動時無爬行現(xiàn)象。 4） 不能自鎖 由于滾珠絲杠副的摩擦系數(shù)小，所以沒有自鎖能力，用于垂直升降傳動系統(tǒng)時，必須增設(shè)自鎖裝置或制動裝置。 5） 具有傳動的可逆性 滾珠絲杠副可以從旋轉(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，即絲杠和螺母都可以為主動件，也均可作為從動件。 6） 制造工藝復(fù)雜，成本高 滾珠絲杠、螺母、反向等零件的加工精度和表面粗糙度要求較高，故制造成本高。 因為滾珠絲杠副具有上述的優(yōu)點，所以在各類中、小型數(shù)控機床的直線進(jìn)給中得到廣泛的應(yīng)用。 b、 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)形式 按照滾珠在整個循環(huán)過程中與絲杠表面的接觸情況，循環(huán)方式可分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種。 1)外循環(huán)外循環(huán)就是滾珠在循環(huán)過程中，不能始終保持與絲杠表面接觸，即當(dāng)滾珠從螺紋滾道終端返回到滾道始端時，與絲杠表面脫離接觸。外循環(huán)結(jié)構(gòu)制造工藝簡單，承載能力較高，但滾道焊縫處難以做得平滑，影響滾珠滾動的平穩(wěn)性，甚至發(fā)生卡珠現(xiàn)象，外形尺寸大，噪聲也較大，耐磨性差。 2)內(nèi)循環(huán)滾珠在循環(huán)過程中，始終與絲杠表面保持接觸的循環(huán)叫做內(nèi)循環(huán)。其特點是滾珠螺母的外徑尺寸較小，與滑動絲杠螺母的外形尺寸大致相同；反向器固定牢靠、剛性好且不易磨損;滾珠的返回通道短滾珠數(shù)目少，流暢性好，摩擦損失小，傳動效率高。其缺點是不能做成多頭螺紋的滾珠絲杠副，反向器的回珠槽是三坐標(biāo)空間曲面，加工較復(fù)雜。 c、 滾珠絲杠副的軸向間隙消除和預(yù)加載荷 由于制造和安裝的誤差，滾珠絲杠副存在軸向的傳動間隙，影響其船東精度，并降低了滾珠絲杠副的剛度，因此要采取消除間隙和預(yù)加載荷的方法，目前廣泛采用的是雙螺母調(diào)整預(yù)緊裝置和單螺母調(diào)整預(yù)緊裝置。常用的調(diào)整預(yù)緊方式有以下五種： 1)雙螺母墊片調(diào)整方式用螺釘聯(lián)接滾珠絲杠螺母的凸緣，在凸緣間加墊片調(diào)整墊片厚度，達(dá)到消除間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力的目的。這種方式結(jié)構(gòu)簡單，可靠性好，剛度高，拆裝方便，但精確調(diào)整比較困難，工作中不能隨時調(diào)整。 2)雙螺母螺紋調(diào)整方式在螺母外端加工有螺紋旋轉(zhuǎn)，圓螺母使螺母相對絲杠作軸向移動，以消除間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力。這種結(jié)構(gòu)既緊湊，工作又可靠，調(diào)整方便，但調(diào)整位移量不易精確控制。 3)雙螺母齒差調(diào)整方式在兩個螺母的凸緣上分別切出齒數(shù)為Z1、 Z2的圓柱齒輪，Z1與Z2相差一個齒，通過兩螺母產(chǎn)生的相對角位移而使兩螺母軸向相對位置發(fā)生變化，從而實現(xiàn)間隙的消除和施加預(yù)緊力。該調(diào)整方式的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但調(diào)整精確，可靠精度較高:缺點是結(jié)構(gòu)尺寸較大，加工工藝和裝配性能較差。 4)單螺母變導(dǎo)程自預(yù)緊調(diào)整方式它是在滾珠螺母體內(nèi)的兩列循環(huán)滾珠鏈之間，使內(nèi)螺紋滾道在軸向產(chǎn)生一個。的導(dǎo)程突變量，從而使兩列滾珠在軸向錯位實現(xiàn)預(yù)緊。其特點是結(jié)構(gòu)最簡單，尺寸最緊湊，但使用中不能隨時調(diào)整。 5)單螺母過盈滾珠預(yù)緊方式將滾珠做得大一些，充滿整個滾道，實現(xiàn)預(yù)緊。其特點是結(jié)構(gòu)簡單，尺寸緊湊，但裝配困難，使用中不能隨時調(diào)整。 為了消除間隙和調(diào)整預(yù)緊，通常采用雙螺母結(jié)構(gòu)。以獲得無間隙和具有預(yù)緊力的滾珠絲杠副。綜上所述，確定本滾珠絲杠副采用內(nèi)循環(huán)雙螺母墊片式調(diào)整方式的結(jié)構(gòu)形式。 d、 滾珠絲杠副的支撐方式 為提高傳動剛度，選擇合理的支撐結(jié)構(gòu)并正確安裝很重要。滾珠絲杠主要承受軸向載荷，而徑向載荷主要是臥式絲杠的自重，因此滾珠絲杠的軸向精度和剛度要求較高。滾珠絲杠的支撐方式主要有四種： 1)一端裝有止推軸承(固定一自由式)這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度低，僅適用于短絲杠和垂直方向絲杠。 2)一端裝有止推軸承，另一端裝有深溝球軸承(固定一支承式)這種安裝方式絲杠有熱膨脹的余地，但需保證螺母與兩支承同軸，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。適用于較長絲杠和臥式絲杠。 3)兩端裝有止推軸承這種安裝方式將止推軸承裝在滾珠絲杠的兩端，并施加預(yù)拉力，有助于提高傳動剛度，但對熱伸長較為敏感。 4)兩端裝雙重止推軸承及深溝球軸承為了提高剛度，絲杠兩端采用雙重支承，并施加預(yù)緊拉力。這種結(jié)構(gòu)方式可使絲杠的熱變形轉(zhuǎn)化為止推軸承的預(yù)緊拉力。 作者在X, Y向選擇了一端裝有止推軸承，另一端裝有深溝球軸承的支承方式；它的優(yōu)點是可對絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸，絲杠不會因溫升而伸長，保持了絲杠精度。在Z向選擇了一端裝有止推軸承的支承方式。 3.2.2滾珠絲杠副的計算 a、 加工中心的基本參數(shù)和要求 加工中心的基本參數(shù)如下所述，以Y向為例進(jìn)行設(shè)計： 加工中心移動部分的重量 W=4500N Y向的最大行程 Y向快速進(jìn)給速度 定位精度 重復(fù)定位精度 主軸功率為 5.5-7.5kw 要求壽命為20000小時（兩班制工作十年） 根據(jù)前面的計算還可知切削力為： 為了滿足數(shù)控機床高進(jìn)給速度、高定位精度、高平穩(wěn)性和快速響應(yīng)的要求，必須合理選擇滾珠絲杠副，并進(jìn)行必要的校核計算。 b、確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程 根據(jù)機床傳動要求、負(fù)載大小和傳動效率等因素，綜合考慮確定導(dǎo)程。先按機床傳動要求確定，其公式為： （3-4） 式中：—機床工作臺最快進(jìn)給速度，m/min；本加工中心的最高速度；i—傳動比；因電機與滾珠絲杠副直接聯(lián)結(jié)，故i取1；—驅(qū)動電機最高轉(zhuǎn)速為2000r/min。 c、滾珠絲杠副的工作載荷及轉(zhuǎn)速計算 要對滾珠絲杠副進(jìn)行強度、剛度校核，必須先知道所受載荷。 1)工作載荷Fm工作載荷Fm是指數(shù)控機床工作時，實際作用在滾珠絲杠上的軸向作用力。其數(shù)值可用下列進(jìn)給作用力的實驗公式計算:對于滾動導(dǎo)軌機床 (3-5) 式中：Fm—最大載荷，最大載荷為機床承受最大切削力時作用于滾珠絲杠的軸向載荷，為最大切削力加摩擦力，單位為N； F min—最小載荷，為數(shù)控機床空載時作用于滾珠絲杠的軸向載荷，即摩擦力，單位為N； f摩擦系數(shù)，對滾動導(dǎo)軌取0.003－0.0040 所以 2)工作轉(zhuǎn)速 滾珠絲杠螺母副的最高轉(zhuǎn)速為3000r/min。移動部件的最低速度為1mm/min，故滾珠絲杠螺母副的最低轉(zhuǎn)速可認(rèn)為是0。 工作轉(zhuǎn)速 d、初選滾珠絲杠副 滾珠絲杠副的破壞情況和滾動軸承相似，需進(jìn)行強度和靜強度校核。 1）額定動載荷Ca 按預(yù)期壽命時間計算 (3-6) 式中：Fm－滾珠絲杠副工作載荷，N； －工作轉(zhuǎn)速，r/min； －預(yù)期工作時間，數(shù)控機床一般取20000小時； －精度系數(shù)，精度等級為1、 2、 3級時取 =1.0；精度等級為4、 5級時取=0.9。在此取1.0； －可靠性系數(shù)，一般情況下取1[16]。 －負(fù)荷系數(shù)，按輕微沖擊，取1.3[16]。 若按最大軸向載荷計算