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数控技术综合训练（三）机自15-4xxx目录第一章绪论第二章机床总体方案设计第三章伺服系统设计第四章数控铣床XYZ轴进给系统设计第五章机床导轨设计第一章绪论1.XK712铣床的结构及使用要求分析1.1铣床介绍XK712立式数控钻铣床是一种小型规格、高效通用的自动化机床，机床操作系统为广州数控980MD系统，该系统可控制三个坐标轴：X、Y、Z三轴直线插补,该机配有先进的数字控制系统，通过CNC编程，在一次装夹中可自动完成铣、镗、钻、铰等多种工序的加工节省工装，缩短生产周期，提高加工精度。进给速度倍率随时可调，160*128点阵液晶显示器。机床适用于加工批量钻、铣、镗中、小型零件，可一人操作多台机床，大大提高加工效率，降低加工效率，降低人工成本，操作简单，普通工人稍加培训即可操作。是机械制造、模具制造以及教学等应配置的重要设备。若选用数控转台，可扩大为四轴控制，实现多面加工。第二章机床总体方案设计2.1机床结构简图2.1主轴的材料选择从多方面考虑选用40Cr为本次数控铣床主轴材料。2.2主轴主要结构参数的确定主轴的主要结构参数有：主轴前、后轴颈D1和D2，主轴内孔直径d，主轴主要支撑间的跨距L。这些参数直接影响主轴旋转精度和主轴的刚度。取主轴的最小直径=80mm，最小直径本应该是后轴颈，但是考虑到轴承的轴向固定采用锁紧螺母，应留锁紧螺母的位置。考虑到轴上装轴承，有配合要求，应将后轴颈的直径圆整到标准直径，同时要考虑到选择轴承的类型，还有一个键槽的关系，还有主轴是中空电机直接带动主轴转动的，考虑到主轴的刚度和强度，因此选择后轴颈的直径=160。第三章伺服系统设计数控装置所产生的进给差插补脉冲信号送给伺服系统，由伺服系统控制伺服电机驱动机床上各个进给轴，实现机床加工进给运动。3.1伺服系统概述伺服系统又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制非常灵活方便。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角），其结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。伺服系统主要由三部分组成：控制器，功率驱动装置，反馈装置和电动机。控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量；功率驱动装置作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上，调节电动机转矩的大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电；电动机则按供电大小拖动机械运转。3.1.1伺服系统的特点伺服系统的只要特点：1、精确的检测装置：以组成速度和位置闭环控制；2、有多种反馈比较原理与方法：根据检测装置实现信息反馈的原理不同，伺服系统反馈比较的方法也不相同。常用的有脉冲比较、相位比较和幅值比较3种；3、高性能的伺服电动机(简称伺服电机)：用于高效和复杂型面加工的数控机床，伺服系统将经常处于频繁的启动和制动过程中。要求电机的输出力矩与转动惯量的比值大，以产生足够大的加速或制动力矩。要求伺服电机在低速时有足够大的输出力矩且运转平稳，以便在与机械运动部分连接中尽量减少中间环节；4.宽调速范围的速度调节系统，即速度伺服系统：从系统的控制结构看，数控床的位置闭环系统可看作是位置调节为外环、速度调节为内环的双闭环自动控制系统，其内部的实际工作过程是把位置控制输入转换成相应的速度给定信号后，再通过调速系统驱动伺服电机，实现实际位移。数控机床的主运动要求调速性能也比较高，因此要求伺服系统为高性能的宽调速系统。3.1.2伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求有稳定性、精度和快速响应性。稳定性好：作用在系统上的扰动消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力，在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后到达新的或者回复到原有平衡状态；精度高：伺服系统的精度是指输出量能跟随输入量的精确程度。作为精密加工的数控机床，要求的定位精度或轮廓加工精度通常都比较高，允许的偏差一般都在0.01～0.00lmm之间；快速响应性好：有两方面含义，一是指动态响应过程中，输出量随输入指令信号变化的迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度。快速响应性是伺服系统动态品质的标志之一，即要求跟踪指令信号的响应要快，一方面要求过渡过程时间短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒；另一方面，为满足超调要求，要求过渡过程的前沿陡，即上升率要大。节能高：由于伺服系统的快速相应，注塑机能够根据自身的需要对供给进行快速的调整，能够有效提高注塑机的电能的利用率，从而达到高效节能。3.2传动方案确定及典型元件3.2.1电机与滚珠丝杠的连接数控机床进给驱动对位置精度、快速响应特性、调速范围等有较高的要求。实现进给驱动的电机主要有三种：步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。目前，步进电机只适应用于经济型数控机床，直流伺服电机在我国正广泛使用，交流伺服电机作为比较理想的驱动元件已成为发展趋势。数控机床的进给系统当采用不同的驱动元件时，其进给机构可能会有所不同。电机与丝杠间的联接主要有三种形式，如图2-1所示。（1）带有齿轮传动的进给运动数控机床在机械进给装置中一般采用齿轮传动副来达到一定的降速比要求，如图2-1a）所示。由于齿轮在制造中不可能达到理想齿面要求，总存在着一定的齿侧间隙才能正常工作，但齿侧间隙会造成进给系统的反向失动量，对闭环系统来说，齿侧间隙会影响系统的稳定性。因此，齿轮传动副常采用消除措施来尽量减小齿轮侧隙。但这种联接形式的机械结构比较复杂。你的小标题2—2电机与丝杠间的联接形式（2）经同步带轮传动的进给运动如图2-1b）所示，这种联接形式的机械结构比较简单。同步带传动综合了带传动和链传动的优点，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但只能适于低扭矩特性要求的场所。安装时中心距要求严格，且同步带与带轮的制造工艺复杂。（3）电机通过联轴器直接与丝杠联接如图2-1c）所示，此结构通常是电机轴与丝杠之间采用锥环无键联接或高精度十字联轴器联接，从而使进给传动系统具有较高的传动精度和传动刚度，并大大简化了机械结构。在加工中心和精度较高的数控机床的进给运动中，普遍采用这种联接形式。根据进给系统的要求及设计要求，选择电机通过联轴器直接与丝杠联接，选用合适的联轴器，吸收振动、补偿径向、角向和轴向偏差，使得机床结构简单，拆装方便，同时传动平稳，具有良好的精度。3.2.2滚珠丝杠螺母机构滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的新型传动装置。图2-3是滚珠丝杠螺母副的原理图。在丝杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，当它们套装在一起时形成了螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠。当丝杠相对于螺母旋转时，两者发生轴向位移，而滚珠则沿着滚道滚动，螺母螺旋槽的两端用回珠管连接起来，使滚珠能作周而复始的循环运动，管道的两端还起着挡珠的作用，以防滚珠沿滚道掉出。2-3滚珠丝杠螺母副的原理图由于滚珠丝杠具有传动效率高、运动平稳、寿命高以及可以预紧(以消除间隙，并提高系统刚度)等特点，除了大型数控机床因移动距离大而采用齿条或蜗条外，各类中、小型数控机床的直线运动进给系统普遍采用滚珠丝杠。数控机床进给系统所用的滚珠丝杠必须具有可靠的轴向间隙消除结构、合理的安装结构和有效的防护装置。3.2.3滚珠丝杠的支承方式（1）一端固定，一端自由方式一端固定，另一端自由安装方式，固定端的轴承可以同时承受轴向力和径向力，而滚珠丝杠轴承这种的支承方式主要是用于行程较小的短丝杠轴承或者全封闭式的机床，因为当采用这种结构的机械定位方式时，其精度是最不可靠的，尤其是长径比大的丝杠轴承(滚珠丝杠相对细长)，其热变形是非常明显的。但是，如果是1.5米长的丝杠，其在冷、热的不同环境下变化0.05~0.1mm是属于正常正常现象。尽管如此，由于其结构较简单，安装调试较方便，大多高精度机床依然是采用这种结构；但是，有一点需要特别注意的就是，采用这种结构时必须加装光栅，采用全封闭环来反馈，以便能够充分丝杠的性能。图2-4一端固定，一端自由方式（2）一端固定，另一端支承方式一端固定，另一端支承这种安装方式，固定端的轴承同样也是可以同时承受轴向力和径向力，而支承端只承受径向力，并且能够做微量的轴向浮动，以及可以减少或者避免因丝杠自重而出现的弯曲，另外，丝杠的热变形可以自由的向一端伸长。因此，这是使用最广泛的一种结构。比如：目前国内中小型数控车床、立式加工中心等等都是采用这种结构图2-5一端固定，另一端支承方式（3）两端固定方式丝杠两端均固定。采用这种方式，固定端轴承可以同时承受轴向力，并且可以对丝杠施加适当的预紧力，以提高丝杠的支承刚度，同时还可以部分地补偿丝杠的热变形。因此，大型机床、重型机床以及高精度镗铣床大多都是采用这种结构。当然，其也有不足的地方，那就是采用这种结构的话会使得调整工作比较繁琐；此外，如果在安装调整时两端的预紧力过大的话，将会导致丝杠最终的行程比设计行程长，螺距也会比设计螺距大；而如果两端螺母的预紧力不够的话，就会导致相反的结果，从而容易引起机床振动，致使精度降低。因此，如果是采用两端固定这种结构的话，那么在拆装时一定要严格按照说明书来进行调整，或者是借助仪器(双频激光测量仪)来调整，以免造成一些不必要的损失。图2-6两端固定方式由于所设计铣床Z轴的行程较小，所有径向力较小，对于机床精度影响不大。所以选择一端固定一段自由的支承方式。3.2.4联轴器的选择梅花联轴器结构简单、无需润滑、方便维修、便于检查、免维护，可连续长期运行。高强度聚氨酯弹性元件耐磨耐油，承载能力大，使用寿命长，安全可靠。工作稳定可靠，具有良好的减振、缓冲和电气绝缘性能。具有较大的轴向、径向和角向补偿能力。结构简单，径向尺寸小，重量轻，转动惯量小，适用于中高速场合。结构特点：1.中间弹性体联接2.可吸收振动、补偿径向、角向和轴向偏差3.抗油与电气绝缘4.顺时针与逆时针回转特性完全相同5.定位螺丝固定第四章数控铣床XYZ轴进给系统设计4.1Y轴方向(1)滚珠丝杠精度由于本系统要求达到0.012/300mm的精度要求,根据此要求查阅滚珠丝杠样本,对于一级精度(P1)精度丝杠,任意300mm内导程允许为0.006mm,2级(P,)精度丝杠的导程允许误差为0.008mm。初步设计丝杠的任意300mm行程内的行程动量3mo为定位精度的1/3--1/2,即0.006-0.008mm,因此,取滚珠丝杠精度为2级。(2)滚珠丝杠的选择滚珠丝杠的名义直径,滚珠的列数和工作圈数,应按当量载荷Cm选择。选用FFZD3206-5-P2丝杠螺母副。长度为1120mm。(3)支撑轴承采用一段固定，另一端支撑的支撑方式，固定端选用背对背60°接触角推力球轴承，支撑端选用推力球轴承。4.2X轴方向(1)滚珠丝杠精度由于本系统要求达到0.012/300mm的精度要求,根据此要求查阅滚珠丝杠样本,对于一级精度(P1)精度丝杠,任意300mm内导程允许为0.006mm,2级(P,)精度丝杠的导程允许误差为0.008mm。初步设计丝杠的任意300mm行程内的行程动量3mo为定位精度的1/3--1/2,即0.006-0.008mm,因此,取滚珠丝杠精度为2级。(2)滚珠丝杠的选择滚珠丝杠的名义直径,滚珠的列数和工作圈数,应按当量载荷Cm选择。选用FFZD3206-5-P2丝杠螺母副。长度为1120mm。(3)支撑轴承采用一段固定，另一端支撑的支撑方式，固定端选用背对背60°接触角推力球轴承，支撑端选用推力球轴承。X轴方向(1)滚珠丝杠精度由于本系统要求达到0.012/300mm的精度要求,根据此要求查阅滚珠丝杠样本,对于一级精度(P1)精度丝杠,任意300mm内导程允许为0.006mm,2级(P,)精度丝杠