数控机床主传动系统优化设计及数控技术改造_甜梦文库
数控机床主传动系统优化设计及数控技术改造
江苏大学 硕士学位论文 数控机床主传动系统优化设计及数控技术改造 姓名：王峰 申请学位级别：硕士 专业：机械工程 指导教师：骆志高
江苏丈学Ｔ稃硕＋学付论文摘要本文阐述了数控机床主传动系统的优化设计以及数控技术发展的国内外研究现状 及其意义。以数控机床主传动系统的优化设计理论研究为基础，对数控机床的主要机械部件一床身、主传动、进给运动、回转工作台以及自动换刀装置的优化设计进行了分析，探讨了其数控系统设计的基本模式。在此基础上，本文运用了机电一体化技 术，采取机械和电气设计相结合的原则，对一台保加利亚卧式加工中心ＮＣ８００实施 了数控技术改进，优化设计了其主传动系统，调整了机床机械精度，修复机床几何精 度，有针对性地解决了数控机床存在的机械问题。在设计的数控系统中，以功能和经 济性兼具为原则，较好的满足了实际需要。通过此次数控技术的改进，使得这台加工 中心的技术水准达到了国内先进水平，为我国数控技术的改造工作起到了推动作用。 关键词：数控机床、主传动系统、优化设计、技术改造、江苏大学丁程硕＋学位论文ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｏｆ ｓｔｕｄｙｏｎｏｐｔｉｍｉｚｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆｍａｉｎ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍａｃｈｉｎｅ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｏｆ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｍａｉｎｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐａｒｔｓ ｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏ［ｍａｃｈｉｎｅａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃｏｆｓｕｃｈａｓｍａｃｈｉｎｅ ｂｅｄ，ｍａｉｎ ｄｒｉｖｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ，ｆｅｅｄｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ，ｒｏｔａｒｙ ｔａｂｌｅ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｅｔｏｏｌｓ ｃｈａｎｇｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｅｔｃ．， ｃｏｎｔｒｏｌｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌＯｎｎｕｍｅｒｉｃａｌｄｅｓｉｇｎｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｉｅｓ．Ｂａｓｅｄ ｉｎ Ｂｕｌｇａｒｉａ ｉｓａｂｏｖｅ－ｍｅｎｔｉｏｎｅｄ ｍｅｔｈｏｄ，ａ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｍａｃｈｉｎｅ ｍａｄｅ ｏｆｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄ．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ａｓ ｗｅｌｌａｓｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄｔｏ ｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｍａｉｎ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｄｅｓｉｇｎ，ｂｕｔ ａｌｓｏｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｉｓａｄｊｌｉｓｔｅｄ．Ｔｈｅｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｉｓ ａｌｓｏ ｒｅｎｏｖａｔｅｄ．Ｗｅｒｅｓｏｌｖｅｄ ｔｈｅ ｋｅｙ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｂｌｅｍ ｅｘｉｓｔ ｉｎ ＮＣ８００．ＩＩＩ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｉｔｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｇｒａｄｅ ｍｕｓｔ ｂｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌｌｙ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏｍａｔｃｈ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｎｅｅｄｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ－ｍｅｎｔｉｏｎｅｄ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅｃｅｎｔｅｒ ｒｅａｃｈｔｈｅ ａｄｖａｎｃｅ ｌｅｖｅｌ ｉｎｏｕｒｃｏｕｎｔｒｙ ａｎｄ ｉｔ ｐｌａｙｓａｐｒｏｍｏｔｉｎｇ ｒｏｌｅ ｉｎ ｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆｏｕｒ ｃｏｕｎｔｒｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｍａｃｈｉｎｅ，ｍａｉｎｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｏｐｔｉｍｉｚｅｄｅｓｉｇｎ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ江苏大学Ｔ稃硕七学位论文第一章概论数控机床是综合应用了微电子、计算机、自动控制、自动检测以及精密机械等技 术的最新成果而发展起来的完全新型的机床，它标志着机床工业进入了一个新的阶 段。在工业发达国家中，无论在国防工业或民用工业，数控机床的应用均已相当普遍。由于数控技术改造同购置新机床相比，一般可以节省６０％～８０％的费用，因此，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场。本论文主要研究方向是数控机床主传动系 统的优化设计和数控技术改造。通过对数控机床主传动系统的优化设计和数控技术改 造的研究，为数控机床的机电维修提供有力支持。对一台保加利亚加工中，Ｌ，ＮＣ８００实 施了数控技术改造，优化设计了主传动系统，改造了数控系统，使这台基本停产的加 工中心重新投入使用。１．１数控机床主传动系统的优化设计及数控技术改造的国内外现状１、数控机床的发展在机械制造工业中，单件与小批生产的零件（批量在１０～１００件）约占机械加工 总量的８０％以上。尤其是在造船、航天、航空、机床、重型机械以及国防部门，其生 产特点是加工批量小、改型频繁，零件的形状复杂而且精度要求高，采用专用化程度 很高的自动化机床加工这类零件就显得很不合理，因为需要经常改装与调整设备，对 于专用生产线来说，这种改装与调整甚至是不可能实现的。数字控制（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ，简称Ｎｃ或数控）机床就是在这样的背景下诞生与发展起来的。它极其有效 地解决了上述一系列矛盾，为单件、小批生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段。 当加工对象改变时，除了重新装夹工件和更换刀具之外，只需要更换加工程序，不需 要对机床作任何调整。 加工中心机床是带有刀库和自动换刀装置的数控镗铣床，它的出现打破了一台机 床只进行一种工艺加工的传统概念，主要用于加工箱体零件，工件在一次装夹后，可 以对其大部分加工面进行铣、镗、钻、扩、铰及攻丝等多工序加工，可以有效地避免 由于多次安装造成的定位误差，减少了机床的台数和占地面积，大大提高了生产率和 加工自动化程度。 为了实现工件的自动装卸，有的加工中心机床可以带有两个交换工作台。在交换 工作台上由人工装夹好待加工的零件后，在数控系统的控制下，可以自动地把零件送 上机床，并自动地从机床上卸下已加工好的零件０１。 ２、数控机床的特点江苏大学Ｊ：稃硕士学伊论文１）、对加工对象改型的适应性强２）、加工精度高 ３）、加工生产率高４）、减轻操作者的劳动强度５）、良好的经济效益６）、有利于生产管理的现代化３、数控机床的应用范围１）、多品种小批量生产的零件２）、加工精度高３）、加工生产率高 ４）、减轻操作者的劳动强度５）、良好的经济效益４、数控机床的主传动系统 由于数控机床的主运动的调速范围较大（Ｒ＝１００～２００），单靠调速电机无法满 足这么大的调速范围，另一方面调速电机的功率扭矩特性也难于直接与机床的功率和 扭矩要求相匹配。因此，数控机床主传动变速系统常常在无级变速电机之后串联机械 有级变速传动，以满足机床要求的调速范围和转矩特性。 ５、机床与生产线数控化改造的市场 １）、机床数控化改造的市场 ２００１年国产数控机床的产量为ｌ万多台，２００４年已达Ｎ３７０００多台啪。我国机床役 龄１０年以上的占６０％以上；１０年以下的机床中，自动／半自动机床不到２０％，ＦＭｃ／ＦＭＳ 等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占６０％以上）。可见我们 的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役 龄在１０年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次 低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的 产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。 ２）、进口设备和生产线的数控化改造市场 我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。 据不完全统计，从１９７９～１９８８年１０年间，全国引进技术改造项目就有１８４４６项，大约１６５．８亿美元。１阻、这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项 目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响， 严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备２江苏大学丁稗硕七学伊论文件不全，维护不当，结果运转不良：有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运 行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产 达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间．需要进行 技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富。反而消耗着财富。 这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是 财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的 存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场…。３）、国外改造业的兴起在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意 盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个“永恒”的课 题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、 日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线 数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生（Ｒｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）业。 从事再生业的著名公司有：ＢｅｒｔｓｃｈｅＩ程公司、ａｙｔｏｎ机床公司、Ｄｅｖｌｉｅｇ―Ｂｕｌｌａｖｄ（得 宝）服务集团、ｕｓ设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造 业称为机床改装（Ｒｅｔｒｏｆｉｔｔｉｎｇ）业。从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、岗 三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。 ６、机床数控化改造的内容及特点 １）、机床数控化改造的内容 机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点： ①恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复； ②翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械 部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的ＣＮＣ系统以最新ＣＮＣ进行更新； ③技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原 有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。２）、机床数控化改造的特点 ①减少投资额、交货期短 同购置新机床相比，一般可以节省６０％～８０％的费用，改造费用低。特别是大型、 特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的１／３，交货期短。但 有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往 改造成本提高２～３倍，与购置新机床相比，只能节省投资５０％左右。江苏大学工程硕士学付论文②机械性能稳定可靠，结构受限 所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件， 改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年．但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。＾③熟悉了解设备、便于操作维修 购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地 计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操 作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。④可充分利用现有的条件 可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。 ⑤可以采用最新的控制技术 可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设 备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。１．２数控机床主传动系统优化设计及数控技术改造还有的问题及不足数控机床主传动系统设计是一个比较复杂的问题，设计机床主传动系统时，要在 给定的工作条件及设计要求下，确定传动功率、主轴速度范围、公比、级数等相关参 数。在确定以上参数后，可以有许多不同的传动方案，有多种转速图，他们之中自然有 优劣之分，按常规方法设计时，因需要进行大量反复、繁琐的计算，只能对几种方案进 行计算和比较，要找到最佳结果是比较困难的。以往对机床主传动系统的优化设计， 大多是在给定了设计方案的前提下对参数进行优化，而未进行传动方案的优化决策， 传动方案的优化是进一步设计的前提，直接影响着设计结果。 主轴组件是机床主要部件之一．它的性能，对整机性能有很大的影响。主轴直接 承受切削力，转速范围很大，所以对主轴组件的主要性能提出很高要求。有些数控机 床未进行优化设计，主轴的结构及主轴轴承的选用不当，造成工作一段时间后，主轴 回转误差超差，不仅影响工件的加工质量，还会破坏齿轮、轴承的正常工作条件，使其加快磨损，降低精度。由于电子技术的飞速发展，单纯机械技术的附加值含量越来越少，而微电子技术 的附加值含量却越来越多。随着年代的发展，这种趋势还将增加。一些企业也因此过 分强调了电子技术的作用，而忽视了机械技术。数控机床是机电一体化技术的代表产 品，是机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术、自动控制技术、传感与测试 技术、电力电子技术、伺服驱动技术、系统总体技术等现代高新技术有机结合的产物。４江苏大学Ｔ捍硕士学位论文因此，片面强调－ｆｌ技术，而忽略另－Ｎ技术是非常错误的。 在数控机床改造中，一些企业只委托数控系统生产厂商改造系统，而对机械部分 不愿投资。造成旧机床配上了先进的数控系统，但机床原有的机械问题没有解决，机 电配合也不好，往往不能达到预期的效果。 在数控系统选择上，一些企业不考虑投资的有效性，片面追求名牌、先进、高档、 功能全的，造成了不必要的浪费；一些企业贪图便宜，选择不知名的系统，可靠性差， 售后服务也没有保障，使机床根本无法正常使用，造成了投资失败。１．３论文研究的目的和意义工业发达国家的军、民机械工业，在７０年代末、８０年代初已开始大规模应用数控 机床。其本质是采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除 在制造过程中采用数控机床、ＦＭＣ、ＦＭＳ外，还包括在产品开发中推行ｃＡＤ、ＣＡＥ、ＣＡＭ、 虚拟制造以及在生产管理中推行ＭＩＳ（管理信息系统）、ＣｌＭＳ等等。以及在其生产的 产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械 工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场 上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后２０年。 我国的经济还不发达，广泛推广数控机床的最大障碍是设备的初始投资大。同购 置新机床相比，数控技术改造一般可以节省６０％～８０％的费用，特别是大型、特殊机 床尤其明显。由于数控机床本身的复杂性，如果不掌握维修技术，要花费昂贵的维修 费用，有时不能及时排除设备故障。这将会在一定程度上影响机床的利用率，增加综合生产费用。通过对数控机床主传动系统的优化设计和数控技术改造的研究，为数控机床的机 电维修提供有力支持。对一台保加利亚卧式加工中，已，ＮＣ８００数控技术改造的实施，优 化设计了主传动系统，改造了数控系统，对数控技术的广泛应用和推广数控机床的改 造有着深远意义。１．４研究的基本方法及思路一对数控机床主传动系统优化设计及数控技术改造进行研究，并采用机械和电气改 造相结合的原则，对一台保加利亚卧式加工中心ＮＣ８００进行数控技术改造。 其中主要步骤的简要介绍如下： １）运用优化设计理论，对数控机床主传动系统进行优化设计，找出最佳方案。 ２）对原机床进行全面检查，查出原机床机械、液压、润滑、清洁等方面存在的江苏大学ｒ稃硕十学位论文问题。能修复的修复；磨损的备件进行更换；原机床存在缺陷或没有资料的，进行改进设计。３）对机床几何精度作一次改前的测量，对超差项目进行调整或修理，恢复机床精度。４）数控系统改造。在选择数控系统方面，要特别注意：一要尽量向一个著名厂 家的型号系列靠拢。这样既有利于维修和管理，也有利于备件的购买。千万不要把企 业的数控系统搞成万国牌。二要清楚所选厂家在国内的维修服务状况，以免将来后患无穷。 ５）试车。按照试车要求小心试车，避免发生意外，确保改造的成功。６）验收。通过机床精度和性能验收、试件切削验收以及图纸、资料验收，确认改造是否达到技术要求。６江苏大学Ｔ稃硕士学位论文第二章数控机床主传动系统的优化设计理论分析２．１数控机床的主传动系统“¨，机床主轴要求的功率特性和扭矩特性：以计算转速ｎ，为分晃，从ｎ。至最高转速ｎ一。的区域为恒功率区，在该区域内，任意转速下主轴都可输出额定的功率，最大转矩则随主轴转速的下降而上升。从最低转速皿。至ｎ。的区域为恒转矩区，在该区域内，最大 转矩不再随转速下降而上升，任何转速下可能提供的转矩都不能超过计算转速下的转 矩，这个转矩就是机床主轴的最大转矩￣ｌ。。在此区域内，主轴可能输出的最大功率Ｐ。， 则随主轴转速的下降而下降。通常，恒功率区约占整个主轴变速范围的２／３～３／４，恒转矩区约占１／４～１／３。。交流调频电机用调节电源频率来达到调速的目的。额定转速通常为１５００ｒｐｍ。电 机的恒功率转速范围常为２～４，恒转矩变速范围则可达ｔＯＯＤＡ上。 很明显，变速电机的功率特性与机床主轴的要求不匹配：变速电机的恒功率范围 小而主轴要求的范围大。因此，单凭总变速范围（最高、最低转速之比）设计主传动 系统是不能满足加工要求的，必须考虑性能匹配问题。解决的方法是在电动机与主轴之间串联一个分级变速箱。图２．１为一台加工中心的主传动系统传动图。交流伺服电机通过三爪式联轴节将 动力传递给Ｉ轴。Ｉ轴通过一对固定齿轮将动力传递至Ⅱ轴。Ⅱ轴上装有滑移齿轮， 通过油缸带动拨叉，将动力传递给ＩＩＩ轴齿轮，并实现两档变速。ⅡＩ轴通过平键将动力 传递给主轴。图２．Ｉ主传动系统传动图７江苏大学【程硕士学位论文２．２数控机床主传动系统的理论研究应用分级模块化设计思想，并用图论理论对主传动系统进行分析。 ２．２．１数控机床传动方案的优化决策嘲ｍ １、传动方案的矩阵表达式 主传动系统通常是由顺序串联（或并联）的几个变速组构成的，我们可以用图论 中的有关方法来描述主传动系统的特性。主传动系统可用其“邻接矩阵”来描述。根 据图论中有向树的定义，机床主传动系统可以看作是以电机轴为起点的有向树，设主 传动系统有ｍ根传动轴（含主轴），定义如下矩阵为主传动系统的邻接矩阵：ＳＩＩ Ｓ２ｌ Ｓ＝ Ｓ１２ Ｓ≈…Ｓｈ …ＳｈＳ＿ｌＳ－２…Ｓ＿＿式中元素Ｓｍ表示Ｐ轴到ｑ轴的传动副数目， 且Ｐ、ｑ≤ｍ。由于只能由前级轴向后级轴传动，所以当ｐ≥ｑ时，Ｓｐｑ－０。当ｐ＜ｑ时， 若出现Ｓｐｑ－０，则表示从Ｐ轴到ｑ轴没有传递关系。所以Ｓ矩阵是一个上三角矩阵， 其对角线以下元素均为零。 ２、方案优化的目标函数 设计主传动系统时，应在满足设计要求的前提下，使传动装置中的元件数目最少， 或使传动副数目最少。所以优化的目标函数是：ｆ如，ｓ）＝∑∑Ｓ，。。Ｐｚ ｆ＝Ｉ（２）对于有分支的主传动系统，还应使高速分支传动链尽可能短，即图论中的最短路 径问题。 ３、约束条件 对传动方案的主要约束条件有： ①设计方案的主轴转速级数应与要求的转速级数相等，即约束式中：ｇ ｌ（ｍ，ｓ）是 由邻接矩阵算出的主轴转速级数，Ｉｚ是设计要求的转速级数。 ｇｌ＠，ｊ）＝，ｚｏ 对传动轴数目的限制式中：ｉｎ为方案中采用的传动轴数目。Ｍｍｎ＜肘，Ｅ；肼ｍｎ＋．ｆ刍Ｍ， △Ｍ为考虑结构需要可增加的轴数，一般可取△Ｍ＝ｌ～２；（３）（４）Ｍｍｉｎ为允许的最少轴数，可由下式确定：江苏大学Ｔ捍硕七学位论文一ｍ＾．１等＞羔｛月。ｔ１０为输入轴转速；，（５）式中：Ｉｌｌｌｔ。为主轴最低转速；月“为传动组的最小允许传动比。取矗“＝Ｑ ②对每个传动组中传动副数目的限制： Ｉ＜ｓ，．＜４。且Ｓ，．为整数２５。（６）此外，约束条件还有：只允许有一条并联分支；低速分支的结构式应大体满足“前多后少”的原则等。２．２．２数控机床变速系统的分级模块化嘲嘲 １、数控机床传动模块的建立 机床分级模块化设计，是为满足当前生产批量小、品种变化多、设计周期短的需 要，进行机床设计ＣＡＤ时的一种设计方法。所谓分级模块式设计，就是将整台机器 分成若干模块，各模块又由若干标准化的予模块组成。设计时选用各类合适的标准子 模块，就可迅速构成新的产品设计方案。 通过统计分析知道，现有各类机床变速系统大都是由两块或数块定比齿轮传动 副、双联或三联齿轮变速机构组成的，在结构上有明显的分级特性。可以说，通用机 床的主传动系统，无论有多复杂，总可以将其分成若干个按一定次序组合的“基本传 动机构”，称之为“传动模块”。模块并非传动系统的最小单元，他们是那种能自成体 系的最简单的传动机构，以轴为联系，相互串联在主传动系统中。 根据对各类机床的统计分析，筛选了～批有代表性的常用传动模块。筛选时的基 本原则是图形应尽可能典型，且不能太复杂，便于计算机处理，性能参数要精炼，便 于计算机判断识别：同时，还要有扩展和修改的机动性，以适应新的要求。 图２．２列出了几个传动模块的例子．表中列出了每一种变速模块的结构图、特性 代码（用以表示其功能、变速级数和顺序的一个四位数码）、轴向尺寸、约束条件等。９江苏大学－Ｔ＝稃硕士学位论文序号１２３４５ｎ图‘几 Ｕ１ 上 工Ｊ几ｒ『１ｒ一形崔； 手６２３０ Ｌ＞７ｂＵ封ｎｆ ｒ１叫 审＿１Ｊ ８３２２ Ｌ＞６ｂ．－Ｊ－］『 。７． ］ｌ：基ＪＪ代码２２１０ Ｌ＞ｂ４２２０ Ｌ＞４ｂ７３２２ Ｌ＞５ｂ轴向尺寸ｚｌ―ｚ２≥４ ｚ１一ｚ２ 约束条件 ｚＩ―Ｚ２≥４Ｚ４一Ｚ２≥４ｍ４ ２ｍ２２４Ｚ２＝乙注：ｂ～齿轮宽：Ｌ一齿轮变速组所占有的轴向长度：Ｚ一齿轮齿数；ｍ一齿轮模数图２．２变速模块结构表 ２、数控机床变速模块的识别和轴向布置传动模块中的各种信息都以文件形式存贮，设计传动方案时，由计算机根据设计 要求对存贮的传动模块进行自动识别，选择相应的传动模块，然后自动构成传动系统 方案。该系统必须满足两个条件：变速传动模块副数应等于结构式中相应的传动副数； 变速级数应等于要求的级数。这两个条件也就是识别过程的约束条件。 识别传动模块的逻辑过程可以用图论中的决策表示，如图２．３所示。将传动模块 分为基本模块（指仅有一个传动变速组的模块）和功能模块（指交错排列变速组、单 公用齿轮、双公用齿轮变速组、背轮机构和分支传动机构等）。用节点下的两条边表 示。树根是开始进行决策的起点，树叶是判断的结构。对每一个节点都进行是否满足 约束条件的判断。如满足约束条件，就构成一种传动系统图，然后再从树根开始另一个方案的决策。１０江苏大学工程硕士学位论文注：ｏ一基本模块条件Ｉ一功能模块条件图２．３决策树对于某些既定的设计要求，可以从传动模块中选择不同的模块构成传动系统， 即有许多种满足设计要求的传动系统图，但它们各自所用的元件数量、轴向尺寸是不 同的，应从中选择一种方案。 一般说来，设计变速箱时应尽量缩短轴向尺寸，当然必须大于合理跨距。虽然在 未完成参数优化和结构设计之前，齿宽的具体数值尚未确定，但对于由传动模块构成 的传动系统，其最小轴向尺寸Ｌ可由下式确定：￡≥∑Ｊ肪年Ｉ（７）式中：Ｘ ｉ一为传动模块对应的宽度系数；卜为齿宽；Ｎ一为传动系统中所用模块个数。 据此可以从满足基本设计要求的诸多方案中优选出轴向尺寸Ｌ最小的方案。２．３数控机床主轴的优化设计２．３．１数控机床主轴优化设计的基本理论ｎ帕‘¨１ 机械优化设计是优化理论在机械设计领域的移植和应用，其基本思想是根据机械 设计的理论、方法和标准规范等建立一反映工程设计问题和符合数学规划要求的数学 模型，然后利用数学规划方法和计算机计算技术自动找出设计问题的最优方案。其数 学模型包括三个组成要素，即设计变量、目标函数及约束条件，可以用数学形式表示为：江苏大学Ｔ稃硕士学傍论文目标函数ｍｉｎ ｆ（ｘ） 约束条件ｈ。（Ｘ）＝Ｏ（Ｉ＝Ｉ，２，……，ｍ）；ｈＪ（ｘ）＞／０（ｊ＝１，２，……，Ｐ） 设计变量Ｘ＝（ｘＩ，ｘ２，…，Ｘｎ）１也称可行域）ｘ∈Ｄ（Ｄ：同时满足约束条件的设计点集合，数控机床主轴是数控机床中的重要部件之一，通常为空心阶梯轴。为了便于分析，常将阶梯轴简化成以当量直径表示的等截面轴（见图２．４）。图２．４主轴刚度计算模型 ２．３．２数控机床主轴优化设计的设计要求Ｈ２Ⅶ” 以原机床主轴有关参数和设计规范为基础，在满足各种约束的条件下，保证机床 加工精度，要求设计一个刚度最好、材料最省、具有最紧凑结构的机床主轴。 建立目标函数：根据设计要求，以刚度最好和最小体积为追求的目标，既可满足 各种主轴传动要求，又可减轻重量。即 Ｆ（ｘ）＝嵋石（ｘ）＋吐五（ｘ）斗ｒａｉｎ（８）式中：ＺＯ）――反映刚度的函数：ｚＯ）＝百ａ（ａ２＋ａ１），――截面的惯性矩：（９），＝击厅（Ｄ４－ｄ４） 五（ｘ）――主轴的体积： 五（ｘ）＝｛万（Ｄ２一ｄ２）（ｆ＋口）（１０）（１１）２ｑ、ｑ――加权因子，反映各分目标函数的重要程度。由统一加权法可得ｑ０．８，吼＝Ｏ．２? 则目标函数为：江苏大学１＝程硕士学位论文Ｆ（ｘ）＝巧０．８ｘ丽６４ａｉ（砀ａ２＋丁ａ１）＋―０．２，ｒ―（Ｄ２ｒ－ｄ２）（１＋ａ）２．３．３确定设计变量…’。（１２）由（１２）式可知，影响且标函数的独立参数共有Ｄ、ｄ、１、ａ，但考虑机床结构， 主轴直径大小不想改变，Ｄ不能作为设计变量，因此主轴结构设计变量为：Ｘ＝（ｘｌ，ｘ２，ｘ３）７＝＠，ｌ，口）７２．３．４优化设计约束条件（１３）１）刚度约束机床主轴的刚度是一个重要的性能指标，其外伸端的挠度Ｙ不得 超过规定值％，据此可建立刚度约束：蜀Ｏ）＝Ｙ－Ｙｏ≤Ｏ，由材料力学可知，给定外 力时，Ｊ，值计算公式为ｙ：―Ｆａ２（１―＋ａ）（Ｊ值同上）。３Ｅ／（１４）、７则ｇｌ（力＝芴６４Ｆ丽ａ２（１＋ａ）一儿≤。２）强度约束许用切削应力强度限制值【勺】，令ｑ（１５）２五９可．５５ｉｘ万１０６砚彤，，（１６）则９２（垆％一【ｆｒ】≤ｏ３）转角的限制轴的允许偏转角引立小于允许值【口】，ｐ＝嚣则岛（ｘ）＝口一【目】≤ｏ（１７）４）扭转变形的限制轴的扭转变形条件为∥＜【ｙ】，妒＝５．７３×１。４壶式中：Ｔ一轴所受的扭矩，Ｔ＝９．５５ｘ１０６％；Ｇ一轴的材料的剪切弹性模量；‘一轴截面的惯性矩，‘＝学，则ｇｊ（工）＝ｙ一【ｙ】ｓｏ５）切削力的限制 机床要求有足够的切削力切削金属层ａ切削力Ｅ（１８）ｓ面Ｐｒｌ，取碍江苏大学工程硕士学位论文＝Ｏ．８则 ２．３．５优化设计的程序实现㈣啪Ⅳ一等ｓ。（１９）优化方案决策程序的设计思想是根据约束条件，通过人机对话方式决定最佳结构式和结构网。计算机自动识别满足要求的主轴系统，并且进行轴向排列优选，然后叠加形成主轴系统图。其程序流程图如下所示：１４江苏大学工稃硕十学侥论文第三章数控机床的总体设计３．１数控机床的结构要求３．１．１提高机床的静、动刚度为了提高数控机床主轴的刚度，不但经常采用三支承结构，而且选用刚性很好的双列短圆柱滚子轴承和角接触向心推力轴承，以减小主轴的径向和轴向变形。 加强筋板的结构对机床大件的刚度有着明显的影响。 在大型数控机床中，移动载荷对机床的变形带来很大的影响。除了加强构件的刚 度之外，通常采用液力平衡或重块平衡来减少构件的变形。 提高机床各部件的接触刚度能够增加机床的承载能力，采用刮研的方法可以增加 单位面积上的接触点；在结合面之间施加足够大的预加载荷也能够增加接触面积，这 些措施都能有效地提高接触刚度。 改善动态特性的方法主要是：提高系统的静刚度、增加阻尼以及调整构件的质量 和自振频率。钢板的焊接结构既可以增加静刚度，减轻结构重量，又可以增加构件本 身的阻尼。因此，近年来在一些数控机床上采用了钢板焊接结构的床身、立柱、横梁 和工作台。封砂铸件也有利于振动的衰减，它对提高抗振性也有较好的效果。 在设计机床构件时可以通过调整质量来改变系统的自振频率，使它远离工作范围 内所存在的强迫振动源的频率。 数控机床中的旋转零部件应尽可能进行良好的动平衡，以减少强迫振动源；或者 用弹性材料将振源隔离，以减少振源对机床的影响。 ３．１．２减少机床的热变形 １、减少发热 主轴上的轴承是一个很大的内部熟源。在数控机床上除了采取精密滚动轴承和对 轴承进行油雾润滑外，还可采取静压轴承，降低主轴的温升。 机床加工时所产生的切屑也是一个不容忽视的热源，对于产生大量切屑的数控机 床必须带有良好的排屑装置，以便将热量尽快带走。在使用切削液的数控机床上，切 削液冷却了刀具和工件之后，带走了切削热，当它散落在机床的各处时，也会产生局 部的温升。精密数控机床应控制切削液的温度，并使切削液迅速地通过最短途径从机 床中排出。 润滑油在传动件之间流过，带走了摩擦热，使润滑油池的温度逐渐升高，成为一 个次生热源。因此在一些精密数控机床中已把润滑油池移出机床，当然也可以对油池＼江苏大学工程硕士学位论文进行温度控制。，液压传动系统及其油池是机床上的又一次生热源。除了将油池移出机床外，油泵 的供油量必须选择适当，应尽量采用变量泵，否则大量多余的油液流经溢流阀，将产生很大的热量。 ２、控制温升采用制冷机对润滑液进行强制冷却的方法可以减少热源的影响。也可以在机床低 温部分通过加热的方法，使机床各点的温度趋于一致，这样可以缩短机床的预热时间， 减少由于温差造成的翘曲变形。 ３、改善机床结构 根据热对称性原理，可采用双立柱结构。 对滚珠丝杠可采用预拉的方法来减少丝杠的热变形。在加工滚珠丝杠时，使螺距 略小于名义值，装配时对丝杠进行预拉伸，使其螺距达到名义值。当丝杠工作而受热， 丝杠中的拉应力补偿了热应力，它既减少了热伸长的影响，又提高了丝杠的刚度。 ３．１．３减少运动件的摩擦和消除传动间隙 滚动直线导轨摩擦因数小，一般小于０．００５，仅为滑动导轨副的１／２０～Ｉ／５０，节 省动力，可以承受上下左右四个方向的载荷。磨损小，寿命长，安装、维修润滑简便。 运动灵活、无冲击，在低速微量进给时，能更好地控制位置尺寸。滚动体与圆弧沟槽 相接触，与点接触相比承载能力大，刚性好。滚动直线导轨的运行速度已达２００ｍ／ｍｉｎ。 在欧美各国２／３以上的高速数控机床都采用了滚动直线导轨。它已在各种现代机械设 备中得到越来越广泛的应用。 滚动导轨块：滚动体为圆柱滚子，承载能力大约为球轴承的１０倍以上。摩擦因 数小，摩擦因数斗＝Ｏ．０４～Ｏ．０６，且动静摩擦因数之差较小，对反复启动、停车、反 向且频率较高机构可减少整机重量及动力消耗。灵敏度高，低速微调时控制准确，无 爬行，滚动时导向性好，可提高机械随动性及定位精度。润滑系统简单，拆装、调整 方便。因此广泛应用于数控机床“”． 新型贴塑导轨，底基为０．８普通含锰低碳钢带，厚度１～２ｍｍ，钢带上烧结一层由 ０．２嗍的ＺＱＳｎｌＯ－Ｉ高锡青铜珠，厚度约０．３ｍｍ，再压上一层０．０２～Ｏ．０４ｍｍ厚的聚四 氟乙烯和二硫化钼混合粉末，并做成软带状。塑料导轨具有更好的摩擦特性和耐磨性， 因此有逐渐代替滚动导轨的趋势“”。 在进给系统中用滚珠丝杠代替滑动丝杠。 数控机床（尤其是开环系统）的加工精度很大程度上取决于进给传动链的精度。 除了减少传动齿轮和滚珠丝杠的加工误差外，另一个重要措施是采取无间隙传动副。 对于滚珠丝杠螺距的累积误差，通常采用脉冲补偿装置进行螺距补偿。撕江苏大学丁＝稃硕十学位论文３．１．４提高机床的寿命和精度保持性在设计时就充分考虑数控机床零部件的耐磨性，尤其是机床的导轨、进给丝杠及主轴部件等影响精度的主要零件的耐磨性。此外，保证数控机床各部件的良好润滑也 是提高寿命的重要条件。 ３．１．５减少辅助时间，改善操作性 在数控机床的加工时间中，辅助时间（非切削时间）占有很大比重，要进一步提 高机床生产率就必须采取措施最大限度地压缩辅助时间。目前已经有很多数控机床采 用了多主轴、多刀架以及带刀库的自动换刀装置等，来减少换刀时间，大幅度地压缩 多次装拆工件的时间。几乎所有的数控机床都具有快速运动的性能，使空行程时间缩 短，目前先进的大型加工中心的快速运动速度已达８０ｒｅ／ｒａｉｎ。 数控机床是一种自动化很高的加工设备，在设计时应充分注意提高机床各部分的 互锁能力，以防止事故的发生：尽可能改善操作者的观察、操作和维护条件，并设有 紧急停止装置，这样就进一步防止意外事故；此外，在数控机床上必须留出最有利的 工件装夹位置，以改善装拆工件的操作。装有自动排屑装置。 近年来，由于微处理机的发展，使数控装置日趋小型化。实现机电一体化设计， 尽可能把所有的操作集中在一个面板上。３．２数控机床主传动变速及主轴部件３．２．１主传动变速 １、带有变速齿轮的主传动 通过少数几对齿轮降速，扩大了输出扭矩，以满足主轴的输出扭矩特性的要求。 一般采用液压拨叉和电磁离合器两种常用的变速方法。 （１）、液压拨叉变速 液压拨又是一种用一只或几只小油缸拨动移动齿轮块的变速机构。通过改变不同 的通油方式可以使齿轮块获得不同的变速位置。液压拨叉变速必须在主轴停车之后才 能进行，但停车时拨叉带动齿轮块移动又可能产生“顶齿”现象。因此，在变速时， 主轴电机必须带动各传动齿轮作低速回转，这样移动齿轮便能顺利地啮合．液压拨叉 变速增加了数控机床液压系统的复杂性，而且必须将数控装置送来的电信号先转换成 电磁阀的机械动作，然后再将压力油分配到相应的油缸，因而增加了变速的中间环节， 带来了更多的不可靠因素。（２）、电磁离合器变速电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件，由于它便于实现自动操作，江苏大学【稃硕七学位论文并有现成的系列产品可供选用，因而它已成为自动装置中常用的执行元件。电磁离合 器用于数控机床的主传动时，能简化变速机构，通过若干只安装在各传动轴上的离合 器的吸合和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴的变速。由于电磁离合 器变速具有剩磁和发热等缺点，它的应用范围受到了限制。２、通过皮带传动的主传动可以避免齿轮传动时引起的振动与噪音，但只能用于低扭矩特性要求的主轴。３、由调速电机直接驱动的主传动大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出 扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。３．２．２主轴部件数控机床主轴部件的精度、刚度和热变形对加工质量有着直接的影响，由于数控机床在加工过程中不进行人工调整，这些影响就更为严重。目前数控机床的主轴轴承配置形式主要有三种： ①前支承采用双列短圆柱滚子轴承和６００角接触双列向心推力球轴承组合，后支 承采用成对向心推力球轴承。此配置形式使主轴的综合刚度大幅度提高，可以满足强 力切削的要求，因此普遍应用于各类数控机床的主轴。 ②前轴承采用高精度双列向心推力球轴承。向心推力球轴承具有良好的高速性 能，主轴最高转速可达４０００ｒ／ｍｉｎ，但是它的承载能力小，因而适用于高速、轻载和 精密的数控机床主轴。 ③双列和单列圆锥滚子轴承。这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其 能承受较强的动载荷，安装与调整性能好。但是这种轴承配置方式限制了主轴的最高 转速和精度，因此适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。 为了尽可能减少主轴部件温升引起的热变形对机床工作精度的影响，通常利用润 滑油的循环系统把主轴部件的热量带走，使主轴部件与箱体保持恒定的温度。在某些 数控镗铣床上采用专用的致冷装置，比较理想地实现了温度控制。近年来，某些数控 机床的主轴轴承采用高级油脂，用封入方式进行润滑，每加一次油脂可以使用七年至 十年，为了使润滑油和油脂不致混合，通常采用迷宫式密封方式。 对于数控镗铣床的主轴，考虑到实现刀具的快速或自动装卸，主轴上还必须设计 有刀具自动装卸、主轴准停和主轴孔内的切屑清除装置。 ３．２．３主轴内刀具的自动夹紧和切屑清除装置 在带有刀库的自动换刀数控机床中，为实现刀具在主轴上的自动装卸，其主轴必 须设计有刀具的自动夹紧机构。自动换刀卧式镗铣床主轴采用７：２４的大锥度锥柄，江苏大学工稃硕十学位论文在锥柄的尾端轴颈被拉紧的同时，通过锥面的定心和摩擦作用将刀杆夹紧于主轴的端部。大锥度的锥柄既利于定心，也为松夹带来了方便。在碟形弹簧的作用下，拉杆始 终保持约１００００Ｎ的拉力，并通过拉杆前端的钢球将刀杆的尾部轴颈拉紧。换刀Ｉｉ｛『必 须首先将刀柄松开，即将压力油通入主轴尾部的油缸后腔，活塞推动拉杆向前移动， 同时碟形弹簧压紧。拉杆的前移使前端的钢球位于套筒的喇，Ａｎ处，解除了刀杆上的 拉力。当拉杆继续前移，喷气头的端部把刀具顶松，机械手便取出刀杆。当机械手将 新刀装入后，压力油通入油缸前腔，活塞向后退回原位，碟形弹簧又拉紧刀杆。当活 塞处于前后两个极限位置时，相应的限位开关发出松开和夹紧的信号。 自动清除主轴孔中的切屑和灰尘是换刀操作中的一个不容忽视的问题。如果在主 轴锥孔中掉进了切屑或其它污物，在拉紧刀杆时，主轴锥孔表面和刀杆的锥柄就会被 划伤，甚至使刀杆发生偏斜，破坏了刀具正确的定位，影响加工零件的精度，甚至使 零件报废。为了保持主轴锥孔的清洁，常用压缩空气吹屑。活塞的心部钻有压缩空气 通道，当活塞向前移动时，压缩空气通过活塞由主轴锥孔内的空气喷嘴喷出，将锥孔 清理干净。 ３．２．４主轴准停装置 在自动换刀的数控镗铣床上，切削扭矩通常是通过刀杆的端面键来传递的，因此 在每一次自动装卸刀杆时，都必须使刀柄上的键槽对准主轴的端面键，这就要求主轴 具有准确定位的功能。在加工精密的坐标孔时，由于每次都能在主轴固定的位置上装 刀，就能保证刀尖与主轴相对位置的一致性，从而减少被加工孔的尺寸分散度，这就 是主轴准停装置带来的另一个好处。‘３．３数控机床进给运动及其传动部件３．３．１进给运动的要求 数控机床的进给运动是数字控制的直接对象，不论点位控制还是连续控制，被加 工工件的最后坐标精度和轮廓精度都受到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影 响。为此，在设计进给系统时应充分注意减少摩擦阻力、提高传动精度和刚度、消除 传动间隙以及减少运动件的惯性。 （１）、减少运动件的摩擦阻力 为了提高进给系统的快速响应特性，除了对伺服元件提出要求以外，还必须有效 地减少运动件的摩擦阻力。进给系统虽有许多元件，但摩擦阻力主要来自丝杠和导轨。 因此，丝杠和导轨结构的滚动化是减少摩擦的重要措施之一。 （２）、提高传动精度和刚度１９江苏大学Ｔ程硕士学何论文在进给系统中滚珠丝杠螺母（直线进给系统）、蜗轮蜗杆（圆周进给系统）和支 承结构是决定其传动精度和刚度的主要部件，因此必须首先保证它们的２ｎＴ精度。在 迸给传动链中加入减速齿轮，可以减少脉冲当量，从设计的角度考虑可以提高传动精 度。此外，还可以采用合理的预紧来消除滚珠丝杠螺母副的轴向传动间隙；预紧支承丝杠的轴承以提高支承的结构刚度；以及消除齿轮、蜗轮等传动件的间隙，这些措施都有利于提高传动精度。刚度不足的进给系统将使工作台产生爬行和振动。 采用预紧等措施之后，仍然可能留有微量的间隙，还由于受力后造成的弹性变形， 所以在进给系统反向时仍须由数控装置发出脉冲指令进行自动补偿。 （３）、减少进给惯量 进给系统中每个元件的惯量对伺服机构的启动和制动特性都有直接的影响。尤其 是处于高速运转的零件，其惯性的影响更大。在满足传动强度和刚度的要求下应尽可能将各元件进行合理的配置，并减少它们的惯量。３．３．２滚珠丝杠螺母副 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。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，而滚珠则沿着滚道流动。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活动。管道的两端还起着挡珠 的作用，以防止滚珠沿滚道掉出。 滚珠丝杠副的结构传统分为内循环结构和外循环结构两种。内循环结构安装连接 尺寸小，外循环结构安装连接尺寸大“”。 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，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。 轴向间隙通常是指丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母之间的最大轴向窜动。 除了结构本身的游隙之外，在施加轴向载荷之后，还包括弹性变形所造成的窜动。 滚珠丝杠副通过预紧方法消除间隙时应考虑以下情况：预加载荷能够有效地减小 弹性变形所带来的轴向位移，但过大的预加载荷将增加摩擦阻力，降低传动效率，并 使寿命大为缩短。所以，一般要经过几次调整才能保证机床在最大轴向载荷下，既消除了间隙，又能灵活转动。 常用双螺母结构消除轴向间隙：①垫片调隙式：用螺钉连接滚珠丝杠两个螺母的凸缘，并在凸缘问加垫片。调整 垫片的厚度使螺母产生微量的轴向位移，以达到消除轴向间隙和产生预紧力的目的。 该形式结构紧凑，工作可靠，调整方便，应用广，但不很准确，并且当滚道磨损时不 能随意调整，除非更换垫圈。故适用于一般精度的传动机构。江苏大学１＝稃硕十学位论文②螺纹调隙式：双螺母中的一个外端有凸缘；一个外端无凸缘但制有螺纹，它伸出套简外，用两个圆螺母固定锁紧，并用键防止两螺母相对转动。旋转圆螺母可调整消除间隙并产生预紧力，之后再用锁紧螺母锁紧。该形式结构紧凑、工作可靠、调整方便，缺点是不很精确。⑧齿差调隙式；在两个螺母的凸缘上备制有圆柱外齿轮（齿数为ｚ。、ｚ：，且ｚ２一ｚ。 ＝１）分别与内齿圈啮合，内齿圈用螺钉或定位销固定在套筒上．调整时，先取下两 端的内齿圈，使两螺母产生相对角位移，相应地产生轴向的相对位移，从而两螺母中 的滚珠分别紧贴在螺旋滚道的两个相反的侧面上，然后将内齿圈复位固定，故而达到 消除间隙、产生预紧力的目的。当两个螺母按同方向转过一个齿时，所产生的相对轴向位移为：血；４一与ｐ：丝ｐ：』Ｉ＿’Ｚｌ Ｚ２‘ ＺｌＺ２‘ ＺｌＺ２式中，ｐ为导程。该形式的调整精度很高，工作可靠。但结构复杂，加工和装配工艺性能较差。数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母本身的刚度 之外，滚珠丝杠正确的安装及其支承加工的不精确性和它们在受力之后的过量变形都 会对进给系统的传动刚度带来影响。因此，螺母座的孔与螺母之间必须保持良好的配 合，并应保证孔与端面的垂直度，螺母座应当增加适当的筋板，并加大螺母座和机床 结合部件的接触面积，以提高螺母座的局部刚度和接触刚度。滚珠丝杠的不正确安装 以及支承结构的刚度不足还会使滚珠丝杠的使用寿命大为下降。 为了提高支承的轴向刚度，选择适当的滚动轴承也是十分重要的。国外多采用双 向推力滚针组合轴承。 在支承的配置方面，对于行程小的短丝杠可以采用悬臂的单支承结构。当滚珠丝 杠较长时，为了防止热变形所造成丝杠伸长的影响，希望一端的轴承同时承受轴向力 和径向力，而另一端的轴承只承受径向力，并能够作微量的轴向浮动。由于数控机床 经常要连续工作很长时间，因而应特别重视摩擦热的影响。 用在垂直升降传动或水平放置的高速大惯量传动中，其锁紧装置可以由超越离合器和电磁摩擦离合器等元件组成。滚珠丝杠副和其它滚动摩擦的传动元件一样，只要避免磨料微粒及化学活性物质 进入，就可以认为这些元件几乎是在不产生磨损的情况下工作的。但如在滚道上落入 了脏物，或使用肮脏的润滑油，不仅会妨碍滚珠的正常运转，而且使磨损急剧增加。 因而有效的防护密封和保持润滑油的清洁就显得十分必要。 对螺母密封通常采用由较硬质塑料制成的非接触式迷宫密封圈，内孔做成与丝杠２ｌ江苏大学Ｔ稃硕七学位论文螺纹滚道相反的形状。并留有一定问隙。 对于暴露在外面的丝杠一般采用螺旋钢带、伸缩套、锥形套管以及折叠式塑料或人造革等形式的防护罩，以防止尘埃和磨粒粘附到丝杠表面。３．３．３进给系统传动齿轮间隙的消除数控机床进给系统中的减速齿轮除了本身要求很高的运动精度和工作平稳性之 外，还必须尽可能消除配对齿轮之间的传动间隙。否则在进给系统每一次反向之后就 会使运动滞后于指令信号，这将对加工精度产生很大影响。所以数控机床的进给系统必须采用各种方法去减少或消除齿轮传动间隙。 （１）、刚性调整法刚性调整法是指调整之后齿侧间隙不能自动补偿的调整方法。它要求严格控制齿 轮的齿厚及周节公差，否则传动的灵活性将受到影响。但用这种方法调整的齿轮传动 有较好的传动刚度，而且结构比较简单。常用的方式有：偏心轴套式消除间隙结构、 带有锥度的齿轮来消除间隙的机构、斜齿轮消除间隙的机构。 （２）、柔性调整法 柔性调整法是指调整之后齿侧间隙可以自动补偿的调整方法。在齿轮的齿厚和周 节有差异的情况下，仍可始终保持无间隙啮合。但将影响其传动平稳性，而且这种调 整法的结构比较复杂、传动刚度低．常用的方式有：双齿轮错齿式消除间隙机构、碟 形弹簧消除斜齿轮齿侧间隙的结构。 在数控机床的进给传动链中，常常由于传动元件的键槽与键之间的松动使传动精 度遭到破坏。因此，除了在设计时慎重选择键联接结构之外，对加工和装配必须进行 严格的检查。在装配滚珠丝杠时应当检查轴承的预紧情况，以防止滚珠丝杠的轴向窜 动，因为轴承的游隙也是产生明显传动间隙的另一个原因。 ３．３．４锥环无键联轴器 锥环无键联轴器利用锥环对之间的摩擦实现轴与毂之间的无间隙联接传递扭矩， 且可任意调节两联接件之间的角度位置。通过选择所用锥环的对数，可传递不同大小 的转矩。这种联轴器定心性好，承载能力高，传递功率大、转速高、使用寿命长，具 有过载保护能力，能在受振动和冲击载荷等恶劣条件下连续工作，安装、使用和维护 方便，作用于系统中的载荷小、噪音低“”。 一对锥环的传递转矩Ｔｔ的计算： 锥环与联接套筒接触面的正压力Ｆｎ（Ｎ）为：砌：丝二丝ｔａＩｌ夕＋２９式中，Ｆａ为轴向力（Ｎ）；Ｆｏ为使锥环与轴以及轮毂内壁接触时所加的预紧力（Ｎ）；江苏大学Ｔ程硕士学位论文§为锥面半角（。）；ｌｌ为摩擦系数。锥环传递的转矩为Ｔｔ（Ｎｍ）：Ｔｔ＝砌Ⅳ兰：―（Ｆａ－Ｆ―ｏ）∥。２２（ｔａｎｐ＋２∥）式中，．ｄ为轴径（ｍ）。３．３．５同步齿形带传动 同步齿形带传动机构利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次相啮合传递运动和动 力。它兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点，能方便地实现较远中心距的传动，传 动过程无相对滑动，平均传动比较准确，传动精度高，且齿形带的强度高，厚度小， 重量轻，故可用于低速及高速传动；齿形带无需特别张紧，作用在轴和轴承等处的载 荷小，传动效率高，因此在数控机床、工业机器人等伺服传动中得到广泛应用。３．４回转工作台数控镗铣床的回转工作台除了用来进行各种圆弧加工或与直线进给联动进行曲 面自ｎＩ＃ｂ，还可以实现精确的自动分度，这对箱体零件的加工带来了便利。对于卧式 加工中心来说，回转工作台已成为一个不可缺少的部件。 ３．４．Ｉ数控回转工作台 数控回转工作台主要用于数控镗铣床，其外形和通用机床的分度工作台十分相 似，但其内部结构却具有数控进给驱动机构的许多特点。 数控回转工作台设有零点，当它作回零运动时，先用挡块挡住无触点开关，使工 作台降速，并精确地停在零位。在作任意角度的转位和分度时，由圆光栅进行读数，因此能够达到较高的分度精度。３．４．２定位销式分度工作台 这种工作台的定位分度主要依靠定位销和定位孔来实现。工作台的分度精度主要 由定位销和定位孔的尺寸精度及坐标精度决定，最高可达±５”。为适应大多数的加 工要求，应当尽可能提高最常用的１８００分度销孔的坐标精度，而其它角度可以适当降低。３．４．３鼠齿盘式分度工作台 鼠齿盘式分度工作台是数控机床和其它加工设备中应用很广的一种分度装置。它 既可以作为机床的附件用螺钉紧固在机床工作台上，也可以和数控机床的工作台设计 成一个整体。鼠齿盘分度机构的向心多齿啮合，应用了误差平均原理，因而能够获得 较高的分度精度和定心精度（分度精度为±０．５～±３”）．江苏大学１＝稃硕士学位论文鼠齿盘式分度工作台和其它分度工作台相比，具有重复定位精度商、定位刚度好 和结构简单等优点。鼠齿盘的磨损小，而且随着使用时间的延续，定位精度还有进一 步提高的趋势。因此，目前广泛应用于数控机床。它的缺点是鼠齿盘的制造精度要求 很高，需要某些专用加工设备，尤其是最后一道的齿面研磨工序（一般采用两齿盘对 碰研磨），通常要花费几十小时。此外，它不能进行任意角度的分度运动。３．５自动换刀装置加工中心的自动换刀系统由刀库和刀具交换机构组成。整个换刀过程较为复杂， 首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准的刀柄上，在机外进行尺寸预 调整之后，按一定的方式放入刀库，换刀时先在刀库中进行选刀，并由刀具交换装置 从刀库和主轴上取出刀具，在进行刀具交换之后，将新刀具装入主轴，把旧刀具放回 刀库。存放刀具的刀库具有较大的容量，因而能够进行复杂零件的多工序加工，这就 明显地提高了机床的适应性和加工效率。但整个换刀过程动作较多，既延长了换刀时 间，又使系统变得更为复杂，降低了工作可靠性。３．６数控系统的发展１９４６年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑 力劳动的工具．它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相 比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。 ６年后，即在１９５２年，计算机技术应用到了机床上，美国帕森斯公司（Ｐａｒｓｏｎｓ） 和麻省理工学院（Ｍ．Ｉ．Ｔ．）合作研制成功世界上第一台三坐标数控铣床。从此，传统 机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 ３．６．１数控（ＮＣ）阶段（１９５２～１９７０年） 早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适 应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路“搭”成一台机床专用计算机 作为数控系统，被称为硬件连接数控（ＨＡＲＤ＿ｗＩＲＥＤ ＮＣ），简称为数控（ＮＣ）．随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即１９５２年的第一代――电子管；１９５９年的第 二代――晶体管：１９６５年的第三代――小规模集成电路。３．６．２计算机数控（ＣＮＣ）阶段（１９７０年～现在） 到１９７０年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控 系统的核心部件，从此进入了计算机数控（ＣｏｍｐｕｔｅｒＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌ，简称ＣＮＣ）阶段（把计算机前面应有的“通用”两个字省略了）．到１９７１年，美国ＩＮＴＥＬ公司江苏大学工稃硕士学位论文在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件――运算器和控制器，采用大规模集成 电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（ＭＩＣＲＯＰＲＯＣＥＳＳＯＲ），又可称为中央处理单元（简称ＣＰＵ）。到１９７４年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一 台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器 经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够 高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。到了１９９０年，Ｐｃ机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶 段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于ＰＣ的阶段。总之，计算机数控阶段也经历了三代。即１９７０年的第四代――小型计算机；１９７４ 年的第五代――微处理器和１９９０年的第六代――基于ＰＣ（国外称为ＰＣ―ＢＡＳＥＤ）。还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即ｃＮＣ）了，而我国仍习惯称 数控（Ｎｃ）。所以我们日常讲的“数控”，实质上已是指“计算机数控”了。 ３．６．３数控未来发展的趋势 １、继续向丌放式、基于ＰＣ的第六代方向发展 基于Ｐｃ所具有的开放性、低成本，高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的 数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用Ｐｃ机作为它的前端机，来处理人机界 面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。ＰＣ机所具有的友好的人 机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。 ２、向高速化和高精度化发展 这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。 ３、向智能化方向发展 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。（１）、应用自适应控制技术 数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系 统运行状态的目的。 （２），引入专家系统指导加工 将熟练工人和专家的经验、加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数 数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 （３）、引入故障诊断专家系统 （４）、智能化数字伺服驱动装置江苏大学ｎ［稃硕士学位论文可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。３．６．４以数控机床为基础的自动化生产系统 ｌ、计算机直接数控计算机直接数控系统（ＤｉｒｅｃｔＮｕｍｅｒｉｃａｏＣｏｎｔｒｏｌ，简称ＤＮＣ），即使用一台计算机为数台数控机床进行自动编程，编程结果直接通过电缆输送给各台数控机床的数 控箱。中央计算机具有足够的内存容量，因此可以统一存贮和管理大量的零件程序。 利用分时操作系统，中央计算机可以同时完成一群数控机床的管理与控制，因此，也称它为计算机群控系统。 最初ＤＮＣ系统，其中的数控机床不再带有自己单独的数控箱，它的插补运算功能全部由中央计算机来完成。因此系统中的各台数控机床都不能脱离中央计算机而独立 工作，中央计算机的可靠性就显得格外重要。一旦计算机出现故障，各台数控机床都 将停止运行。目前，ＤＮＣ系统中的各台数控机床都各自有其独立的数控系统，并与中 央计算机联成网络，实现分级控制，而不再考虑让一台计算机去分时完成所有数控装置的功能。２、柔性制造系统 柔性制造系统（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ，简称ＦＭＳ）通常必须具备以下特点：①采用ＤＮＣ方式控制两台或两台以上的数控加工中心机床。 ②机床上，利用交换工作台或工业机器人等装置，实现零件的自动上料与下料。 ③各台机床之间有工件的自动输送系统，例如有轨小车、感应式无轨小车、移动式工业机器人和各种传送带等，并由计算机进行物流的自动控制。④有管理信息系统（ＭａｎａｇｅｍｅｎｔＩｎｆｏｒｎａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ，简称ＭＩＳ）。例如提供刀具与机床的利用率报告，提供系统运行状态的报告以及生产控制的计划等。 ⑤有动态平衡的功能，能进行最佳化调度。 由于柔性制造系统具有以上特点，因而它不仅节省了上料、下料与调整时间，而 且可以在无人看管的条件下实现第二班、甚至第三班和节假日的自动运行。又因为柔 性制造系统中的各个工作单元（如数控加工中心机床、工业机器人、自动输送装置等） 以及整个系统均由计算机进行控制，因此具有高度的柔性，可以有效地应用于多品种 小批量生产，从而进一步提高了经济效益。 ３、计算机集成制造系统 计算机集成制造系统（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ，简称ＣＩＭＳ） 的核心是一个公共的数据库，对信息资源进行存贮与管理，并与各个计算机系统进行 通讯。在此基础上，需要有三个计算机系统。首先是进行产品设计与工艺设计的计算江苏大学工程硕士学位论文机辅助设计与计算机辅助制造系统，即ＣＡＤ／ＣＡＭ系统。该系统使机械制造自动化技术 发展为设计、制造一体化，它可以对产品进行三维几何造型，然后对产品的性能进行 分析与仿真，还可以自动绘制零件图，编制各种文件，并能够为零件自动编制程序甚 至进行工艺设计。第二个计算机系统是计算机辅助生产计划与计算机生产控制系统 （ＣＡＰ／ＣＡＣ）。此系统对加工过程进行计划、调度与控制，ＦＭＳ是这个系统的主体。当 它与ＣＡＤ／ＣＡＭ系统连接起来时，数控机床就可以ＤＮＣ方式从ｃＡＤ／ＣＡｈＩ系统获得零件的 加工程序，从而实现了从设计到产品零件制造的无图纸自动加工。第三个计算机系统 是工厂自动化系统，它可以实现产品的自动装配与测试，材料的自动运输与处理等。３．７数控装置的基本构成一台典型的数控机床其全部的电气控制系统如图３．２所示。图３．２数控机床电气控制系统图 ｌ、数据输入装置 将指令信息和各种应用数据输入数控系统的必要装置。它可以是穿孑Ｌ带阅读机 （已很少使用），３．５ｉｎ软盘驱动器，ＣＮＣ键盘（一般输入操作），数控系统配备的硬盘 及驱动装置（用于大量数据的存储保护）、磁带机（较少使用）、Ｐｃ计算机等等。 ２、数控系统 数控机床的中枢，它将接到的全部功能指令进行解码、运算，然后有序地发出各 种需要的运动指令和各种机床功能的控制指令，直至运动和功能结束。 数控系统都有很完善的自诊断能力，日常使用中更多地是要注意严格按规定操 作，而日常的维护则主要是对硬件使用环境的保护和防止系统软件的破坏。 ３、可编程逻辑控制器 机床各项功能的逻辑控制中心。它将来自ＣＮＣ的各种运动及功能指令进行逻辑排江苏大学１＝稃硕士学位论文序，使它们能够准确地、协调有序地安全运行：同时将来自机床的各种信息及工作状 态传送给ＣＮＣ，使ＣＮＣ能及时准确地发出进一步的控制指令，如此实现对整个机床的控制。 当代ＰＬＣ多集成于数控系统中，这主要是指控制软件的集成化，而ＰＬＣ硬件则在规模较大的系统中往往采取分布式结构。ＰＬＣ与ＣＮＣ的集成是采取软件接口实现的， 一般系统都是将二者间各种通信信息分别指定其固定的存放地址，由系统对所有地址 的信息状态进行实时监控，根据各接口信号的现时状态加以分析判断，据此作出进一 步的控制命令，完成对运动或功能的控制。 不同厂商的ＰＬＣ有不同的ＰＬＣ语言和不同的语言表达形式，因此，力求熟悉某一 机床ＰＬＣ程序的前提是先熟悉该机床的ＰＬＣ语言。４、主轴驱动系统接受来自ＣＮＣ的驱动指令，经速度与转矩（功率）调节输出驱动信号驱动主电动机 转动，同时接受速度反馈实施速度闭环控制。它还通过ＰＬＣ将主轴的各种现实工作状 态通告ＣＮＣ用以完成对主轴的各项功能控制。 主轴驱动系统自身有许多参数设定，这些参数直接影响主轴的转动特性，其中有 些不可丢失或改变的，例如指示电动机规格的参数等，有些是可根据运行状态加以调 改的，例如零漂等。通常ＣＮＣ中也设有主轴相关的机床数据，并且与主轴驱动系统的 参数作用相同，因此要注意二者取一，切勿冲突。 ５、进给伺服系统 接受来自ＣＮＣ对每个运动坐标轴分别提供的速度指令，经速度与电流（转矩）调节 输出驱动信号驱动伺服电机转动，实现机床坐标轴运动，同时接受速度反馈信号实施 速度闭环控制。它也通过ＰＬＣ与ＣＮＣ通信，通报现时工作状态并接受ＣＮＣ的控制。 进给伺服系统速度调节器的正确调节是最重要的，应该在位置开环的条件下作最 佳化调节，既不过冲又要保持一定的硬特性。它受机床坐标轴机械特性的制约，一旦 导轨和机械传动链的状态发生变化，就需重调速度环调节器。６、电器硬件电路随着ＰＬＣ功能的不断强大，电器硬件电路主要任务是电源的生成与控制电路、隔 离继电器部分及各类执行电器（继电器、接触器），很少还有继电器逻辑电路的存在。 但是一些进口机床柜中还有使用自含一定逻辑控制的专用组合型继电器的情况，一旦 这类元件出现故障，除了更换之外，还可以将其去除而由ＰＬＣ逻辑取而代之，但是这 不仅需要对该专用电器的工作原理有清楚的了解，还要对机床的ＰＬＣ语言与程序深入 掌握才行。 ７、机床电器江苏大学丁稃硕士学位论文包括所有的电动机、电磁阀、制动器、各种开关等。它们是实现机床各种动作的 执行者和机床各种现实状态的报告员。 这里可能的主要故障多数属于电器件自身的损坏和连接电线、电缆的脱歼或断裂。８、速度测量 通常由集装于主轴和进给电动机中的测速机来完成。它将电动机实际转速匹配成 电压值送回伺服驱动系统作为速度反馈信号，与指令速度电压值相比较，从而实现速度的精确控制。这里应注意测速反馈电压的匹配联接，并且不要拆卸测速机。由此引起的速度失 控多是由于测速反馈线接反或者断线所致。９、位置测量较早期的机床使用直线或圆形同步感应器或者旋转变压器，而现代机床多采用光 栅尺和数字脉冲编码器作为位置测量元件。它们对机床坐标轴在运行中的实际位置进 行直接或间接的测量，将测量值反馈到ＣＮＣ并与指令位移相比较直至坐标轴到达指令 位置，从而实现对位置的精确控制。 １０、外部设备 一般指ＰＣ计算机、打印机等输出设备，多数不属于机床的基本配置。使用中的 主要问题与输入装置一样，是匹配问题。３．８数控装置的分类３．８．１开环控制系统 开环控制系统就是指不带反馈装置的控制系统。通常使用功率步进电机或电液脉冲马达作为执行机构。数控装置输出的脉冲通过环形分配器和驱动电路，不断改变供电状态，使步进电机转过相应的步距角，再经过减速齿轮带动丝杠旋转，最后转换为 移动部件的直线位移。移动部件的移动速度与位移量是由输入脉冲的频率和脉冲数所决定的。开环控制系统具有结构简单，成本较低等优点。但是数控系统对移动部件的实际 位移量是不进行检测的，也不能进行误差校正，因此，步进电机的步距误差、齿轮与 丝杠等的传动链误差都将反映到被加工零件的精度中去。目前开环系统已不能满足数 控机床日益提高的精度要求。 ３．８．２半闭环控制系统 半闭环控制系统是在开环系统的丝杠上装有角位移检测装置（如感应同步器和光江苏大学工程硕士学位论文电编码器等），通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的位移，然后反馈至数控装 胃中。由于角位移检测装置比直线位移检测装置的结构简单，安装方便，因此配有精 密滚珠丝杠和齿轮的半闭环系统正在被广泛地采用。由于惯性较大的机床移动部件不 包括在闭环之内，系统的调试比较方便，并有很好的稳定性。目Ｉ；｛『已经逐步将角位移 检测装置和伺服电机设计成一个部件，使系统变得更加简单。 ３．８．３闭环控制系统 闭环控制系统是在机床移动部件位置上直接装有直线位置检测装置，将测量到的 实际位移值反馈到数控装置中，与输入的指令位移值进行比较，用差值进行比较，用 差值进行控制，使移动部件按照实际需要的位移量运动，最终实现移动部件的精确定 位。从理论上说，闭环系统的运动精度主要取决于检测装置的精度，而与传动链的误 差无关，显然其控制精度将超过半闭环系统，这就为进一步提高机床的加工精度创造了条件。闭环控制系统对机床的结构以及传动链仍然提出比较严格的要求，传动系统的刚 性不足及间隙、导轨的爬行等因素将增加调试的困难，甚至使伺服系统产生振荡。３．９数控机床运动坐标的电气控制数控机床一个运动坐标的电气控制由电流（转矩）控制环、速度控制环和位置控制 环串联组成。其控制框图如３．４。图３．４数控机床运动坐标电气控制系统图１、电流环为伺服电机提供转矩的电路。一般情况下它与电动机的匹配调节已由制造者作好江苏大学工稃硕士学位论文了或者指定了相应的匹配参数，其反馈信号也在伺服系统内联接完成，因此不需接线与调整。 ２、速度环控制电动机转速亦即坐标轴运行速度的电路。速度调节器是比例积分（ＰＩ）调节 器，其Ｐ、Ｉ调整值完全取决于所驱动坐标轴的负载大小和机械传动系统（导轨、传动 机构）的传动刚度与传动间隙等机械特性，一旦这些特性发生明显变化时，首先需要 对机械传动系统进行修复工作，然后重新调整速度环ＰＩ调节器。 速度环的最佳调节是在位置环开环的条件下才能完成的，这对于水平运动的坐标 轴和转动坐标轴较容易进行，而对于垂向运动坐标轴则位置开环时会自动下落而发生 危险，可以采取先摘下电动机空载调整，然后再装盘了电动机与位置环一起调整或者直接带位置环一起调整，这时需要有一定的经验和细心。 ３、位置环控制各坐标轴按指令位置精确定位的控制环节。位置环将最终影响坐标轴的位置 精度及工作精度。这其中有两方面的工作： ①位置测量元件的精度与ＣＮＣ系统脉冲当量的匹配问题。测量元件单位移动距离 发出的脉冲数目经过外部倍频电路和／或ＣＮＣ内部倍频系数的倍频后要与数控系统规 定的分辨率相符。例如位置测量元件１０脉冲／ｍｍ，数控系统分辨率即脉冲当量为０．００１ｒｍ，则测量元件送出的脉冲必须经过１００倍频方可匹配。②位置环增益系数Ｋｖ值的正确设定与调节。通常Ｋｖ值是作为机床数据设置的， 数控系统中对各个坐标轴分别指定了Ｋｖ值的设置地址和数值单位。在速度环最佳化 调节后Ｋｖ值的设定则成为反映机床性能好坏、影响最终精度的重要因素。Ｋｖ值是机 床运动坐标自身性能优劣的直接表现而并非可以任意放大。关于Ｋｖ值的设置要注意 两个问题，首先要满足下列公式：Ｋｖ＝ｖ／△式中Ｖ：坐标运行速度，ｍ／ｍｉｎ △：跟踪误差，ｍｉｌｌ 注意，不同的数控系统采用的单位可能不同，设置时要注意数控系统规定的单位。 例如，坐标运行速度的单位是ｍ／ｍｉｎ，则Ｋｖ值单位为ｍ／（姗?ｍｉｎ），若ｖ的单位为ｍｍ／ｓ， 则Ｋｖ的单位应为ｒａｍ／（ｒａｍ?ｓ）。 其次要满足各联动坐标轴的Ｋｖ值必须相同，以保证合成运动时的精度。通常是 以Ｋｖ值最低的坐标轴为准。 ４、前馈控制 与反馈相反，它是将指令值取出部分预加到后面的调节电路，其主要作用是减小３１江苏大学＿［稃硕十学位论文跟踪误差以提高动态响应特性从而提高位置控制精度。要注意，ｌｉ｛『馈的加入必须是在上述三个控制环均最佳调试完毕后方可进行。３．１０常用驱动元件３．１０．１步进电机步进电机是一种将脉冲信号变换成角位移（或线位移）的电磁装置，步进电机的 角位移与输入脉冲个数成正比，在时间上与输入脉冲同步。因此只需控制输入脉冲的 数量、频率及电机绕组通电相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在无脉冲 输入时，在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置而处于定位状态油１。 ３．１０．２直流伺服电机ｌ、常用的直流伺服电机（１）、小惯量直流电动机 小惯量电机是由一般直流电机发展而来的，其主要特点是： ①转动惯量小，约为普通直流电机的１／１０左右。 ②由于电枢反应比较小，具有良好的换向性能，电机时间常数只有几个毫秒。 ③由于转子无槽，电气机械均衡性好，使其在低速时运转稳定而均匀，无爬行现象。④最大扭矩约为额定值的１０倍。（２）、直流印刷电枢电动机其主要特点是： ①电机结构简单，成本低。 ②电枢绕组全部在气隙中，散热良好，能承受较大的峰值电流。绕组的电流密度比普通直流电机高。③电枢由非磁性材料组成，轻而电抗小。所以换向性能好，调速范围广而平滑。 （３）、杯式转子直流电动机 由于印刷电机的转子直径较大，快速运动时，转动惯量不能满足要求，而杯式印 刷电机是把印刷电机的电枢制成圆筒形以加强其刚性，并使其容量扩大。其电枢的制 造方法与印刷电机相似，所不同的只是最后卷成圆筒状，并用树脂封固起来。 （４）、宽调速直流电机 上面三种电机都是从减少电机转动惯量来改善其工作特性，但正由于其惯量小， 机床惯量大，必须经过齿轮传动，而且电刷磨损较快。而宽调速电机则是用提高转矩 的方法来改善其性能，使之在闭环伺服系统中得到较为广泛的应用。江苏大学工稃硕士学位论文宽调速电机按激磁方法不同可分为电激磁和永久磁铁激磁两种，电激磁的特点是 激磁大小易于调整，便于安排补偿绕组和换向器，所以电机换向性能好、成本低，在 较宽的范围内得到恒转矩调速。永久磁铁激磁一般无换向极和补偿绕组，其换向性能 受到一定限制。但它由于不需激磁功率，因此效率较高，电机低速时输出扭矩较大，温升低、尺寸小，因而此种结构用得较多。 测速发电机是闭环系统必不可少的速度反馈元件，所以常和宽调速直流电机配合使用，并可按需要与旋转变压器和制动器配合，以满足各类机床的工作要求。宽调速电机具有以下特点：①高转矩 在相同的转子外径和电枢电流的情况下，由于其设计的力矩系数较大，所以产生 的力矩亦较大，从而使电机加速性能和响应特性都有显著的改善。在低速时输出较大 的力矩，应用在数控机床上可以不经减速齿轮而直接去驱动丝杠，从而避免由于齿轮 传动中间隙所产生的噪音、振动及齿隙造成的误差。 ②过载能力强 由于转子热容量大，因此热时间常数大，又采用了耐高压的绝缘材料，所以允许 过载转矩达５～１０倍，电机扭矩惯性比就大。 ③动态响应好 电机定予采用矫顽力很高的铁氧体永磁材料，可使电机电流过载１０倍而不会去 磁，这就显著地提高了电机可供的瞬时加速力矩，改善了动态响应，由于无激磁绕组，使电机发热和温升下降。④调速范围宽，运转平稳 由于电机机械特性和调节特性的线性度好，低速能输出较大的力矩，所以调速范 围宽而运转平稳。 ⑤由于电机的转子惯量接近于普通电机，调试时，外界负载惯量对伺服系统的影 响比较小，所以能在不加负荷惯量的情况下预调，联机时只需作少许调整即可。 ２、直流伺服电机的可控硅驱动 为调节直流电机的转速，必须使其供电系统具有灵活地控制直流电压的大小及方 向的功能。数控机床伺服系统一般都是可逆的调速系统，所以可用可控硅变流器组成 的可逆驱动。其常用形式为磁场可逆或电枢可逆，但鉴于磁场的惯性比电枢大得多， 所以它的快速性较差，目前趋向于用电枢可逆系统。 电枢可逆系统目前应用的主要有：有环流控制、逻辑无环流控制和错位无环流控制。３、脉宽调制快速伺服驱动江苏大学工稃硕士学付论文脉宽调制（ＰＩ］Ｉ『Ｍ）直流快速伺服驱动系统，利用开关频率较高的脉宽可调而幅值不变的矩形波，给伺服电动机电枢回路供电，通过改变脉冲宽度来改变电枢回路的平 均电压，从而达到调速的目的。该系统的特点是： ①采用功率较小的低惯量电机，可使其具有极快的定位速度及很高的定位精度。 ②开关频率高，可以避开机床共振区，使之工作平稳。 ③波纹系数小。用电枢回路的电抗，即可将脉冲滤平，使电流达到接近纯直流的 波形。这样以电流有效值计算的电机发热量就很小，亦即对同一电机来说，采用脉宽 调制快速伺服系统，电机发热少而使伺服系统的热变形小，从而提高其精度。 ④频带宽而具有良好的线性，尤其是接近零点处的直线性较好。 ⑤电动机既能驱动负载，又能制动负载。 ３．１０．３交流伺服电机 交流电机用作电气传动，并在较大转速范围中得到理想的转矩的关键是其控制原 理及其驱动系统的设计，而其驱动系统的产生亦有赖于微机的发展和新型大功率晶体 管的研制成功。从而使交流电机伺服驱动在数控机床的伺服系统中得到应用，并有广 泛的发展前途。 Ｉ、交流电机的磁场变换控制 在电气传动中，电磁转矩的产生及其可控性是关键性的，磁场矢量变换控制是一 种新的控制方法，按供电频率变换装置的种类，可用定子电压矢量或定子电流矢量作 为对转矩的操作量，象直流电机那样实现转矩控制。 磁场矢量变换控制方法，因调速范围广，控制特性好，它适用异步电机和同步电 机。磁场矢量变换控制具有如下特点： ①过渡过程响应快； ②转矩的调节、控制及管理严密，电动机可用到额定的极限值； ③磁通调节容易，并可准确的进行弱磁调速； ④同步电机可在功率因素良好的情况下进行。 ２、同步交流伺服电机 这是一种多极同步型电动机，采用直流激磁的磁场调制方式，能获得较大的转矩 ――惯量比，其控制是用晶体管高频逆变器，通过数字控制的正弦波电源来达到无级 调速。由于它在很广的调速范围内可平稳地连续额定运行，并由于采用精密相位控制， 步距角可自由选择，所以适用于高性能的位置控制可极宽范围的速度控制。 由此可见：同步型交流伺服电机是功率步进电机的发展，它与步进电机相比有如下优点：①效率高。它没有步进电机发热大、功率低的缺点。江苏大学下稃硕士学付论文②采用逆变器正弦波驱动。无步进电机的共振现象。 ③响应频率高、调速范围广。 ④步距角可变，而步进电机的步距角是不变的。克服了机床快进与工作进给速度不能兼顾的缺点。但这种电机使用时，应注意不能过载，因为在超载的情况下会出现失步现象，通常转矩选择在电机的转矩――转速特性曲线最大转矩值的６０％以下。３．１１位移测量装置３．”．１光电盘与编码盘 光电盘是一种光电式转角测量元件。在一个圆盘周围分成相等的透明与不透明部 分，当圆盘与工作轴一起转动时，光电元件接受时断时续的光，产生近似的正弦信号， 经放大整形后形成脉冲信号被送到计数器，根据脉冲的数目或频率可测出工作轴的转 角及转速，所以可以用作脉冲发生器，亦可以由测得的转角求出相应的直线位移。 在结构上除光电式外，还有接触式或电感式的。这类测量装置对精度要求不高的 场合是一种经济而实用的检测手段。 编码盘是一种直接编码式的测量元件。它可直接把被测转角或位移转换成相应的 代码，指示的是绝对位置而无累积误差，在电源切断后位置信息不会失去，由于通道 多结构复杂，不易做到高精度。 在结构上有接触式、光电式及电磁式等几种。 ３．１１．２光栅测量装置 计量光栅有长光栅和圆光栅两种，是数控机床常用的检测元件，它具有精度高、 响应速度较快等优点，是一种非接触式测量。 两块光栅互相平行并保持一定的间隙，如果将指示光栅在其自身的平面内转过一 个很小的角度，这样两块光栅的刻线相交，则在相交处出现黑色条纹，称为莫尔条纹。 莫尔条纹是一种放大机构，并具有平均效应。通过光电信号装置，光栅的移动距离就 可以通过电气系统自动地测量出来。 ＆１１．３感应同步器测量装置 感应同步器是一种检测机械角位移或直线位移的精密传感器。在伺服系统中，它 提供被测部件偏移基准点的角度和位置的测量信号。感应同步器有旋转式和直线式两 种。前者用于测量角度，后者用于测量长度跚１。 ３．１１．４旋转变压器测量装置 旋转变压器的工作原理及使用方法和感应同步器相似，它可以用于测量角度，但江苏大学工程硕士学位论文其精度比感应同步器低些。 ３．¨．５磁尺测量装置磁尺测量装置是将具有一定节距的磁化信号用记录磁头记录在磁性标尺的磁膜上，用来做为测量基准。在测量时，读取磁头（即拾磁磁头）将磁性标尺上的磁化信号转化为电信号，然后再送到检测电路中去，把磁头相对于磁性标尺的位詈或位移量用数字显示出来或转化为控制信号输入给数控机床。３．１２数控系统目前国际上比较知名的数控系统有德国ＳＩＥＭＥＮＳ（西门子）、日本ＦＡＮＵＣ（发那 科）等，国内比较知名的数控系统有华中系统等。３．１２．１ＳＩＮＵＭＥＲＩＫ８４０Ｄ系统ＳＩＮＵＭＥＲＩＫ８４０Ｄ是西门子公司最新推向市场的一种中档数控系统，它与以往数控 系统的不同点在于数控与驱动的接口信号是完全数字化的，它有三个不同的处理器， 可最佳配机床的运行和加工，它的人机界面建立在ＦＬＥＸＯＳ基础上，更易操作，更易 掌握，８４０Ｄ的计算机化，驱动的模块化，控制与驱动接口的数字化，它代表着当今数控发展的趋势。 ８４０Ｄ与ＳＩＮＵＭＥＲＩＫｌ数字驱动系统和 ＳＩＭＡＴＩＣ １６＿全成构，起一器制控程编可７Ｓ数字控制系统，它适于各种复杂加工任务的控制，具有优于其它系统的动态品质和控 制精度。ＳＩＮＵＭＥＲＩＫ ８４０Ｄ的突出之处在于其不断扩展的特性。ＳＩＮＵＭＥＲＩＫ ８４０Ｄ强大 的网络功能，使其突现现代化管理成为可能。另外在ＳＩＮＵＭＥＲＩＫ ８４０Ｄ和ＳＩＭＯＤＲＩＶＥ６１１ 的基础上，只需最少的硬件和软件投资，即可生成易于使用的仿形数字化系统。 最大限度集成是西门子公司的一贯作风，ＳＩＮＵＭＥＲＩＫ ８４０Ｄ集成在与ＳＩＭＯＤＲＩＶＥ ６１ １ 控制模块相同的５０ｍｍ宽框架中，将ＳＩＮＵＭＥＲＩＫＳＩＭＡＴＩＣ ８４０Ｄ，ＳＩＭＯＤＲＩＶＥ６１ＩＤ，加上先进的Ｓ７系统，即为机床的自动化提供了全方位的解决方案：全数字化的系统、革新的系统结构、更高的控制品质、更高的系统分辨率以及更短的采样时间，确保了一流的工件质量。８４０Ｄ还可以实现许多特殊的ＮＣ功能，这在同类系统中是难以看到的。 ＭＭＣｌ００通讯模块是８４０Ｄ的人机操作面板，它通过一根ＭＰＩ电缆与ＮＣＵ相连，其 本身就是一台计算机，它用来完成操作。控制面板与系统之间的通讯任务，具有中文 界面，并附加中文报警文本。 ＮＣＵ计算机模块是８４０Ｄ的核心，８４０Ｄ的ＮＣＵ、ＰＬＣ和通讯都集成在这个模块上， 它配有多种处理程序，控制系统的模块化设计，使得它能够理想地应用于各种系列的江苏大学工稃硕七学位论文数控机床。ＰＬＣ采用的是内装式Ｓ７―３００ＣＰＵ。 闭环控制的Ｉ／ＲＥ电源模块，它向ＮＣＵ提供２４Ｖ工作电源，也向全数字驱动模块 ６１１Ｄ提供６００Ｖ直流线母线电压。 ＳＩＭＯＤＲＩＶＥ６１ＩＤ主轴与迸给模块，它的接口是数字化的。８４０Ｄ的三化特性中的两 化与之有关。８４０Ｄ的ＮＣＵ与６１１Ｄ的信号传递，无论是ＮＣＵ控制６１１Ｄ的信号还是６１１Ｄ的反馈信号，都是通过“ＤＲＩＶＥ ＢＵＳ”驱动总线完成的，除一个使能控制端和两个零脉冲切换端子外，在６１１Ｄ上已无其它控制端和伺服状态输出端。同样指令也只能通 过总线传递而不用象模拟驱动那样通过指令指入端加指令信号，而且其整个驱动的优 化已在第一次轴调整时完成，包括Ｎｃ―ＭＤ的选择，模块与电机型号的选择，频率补 偿等，即使更换驱动模块也无需进行任何优化工作。 ＩＭ３６１是ＰＬＣ输入／输出接口模块。它一边通过总线与Ｉ／Ｏ模块相连，另一边它通 过一根电缆与ＮＣＵ中的ＰＬＣ相连，它可根据机床相应的输入／输出点的多少来确定所 需Ｉ／Ｏ模块的配置数。 伺服电机采用无刷式永磁同步电机，主轴电机采用风冷式免维护的４极鼠笼式感 应交流电机，它们均设计适合与ＳＩＭＯＤＲＩＶＥ６１ｌＤ系统一起使用。具有过载能力高，快 速ＪＪｎ／减速能力，功率损失低，旋转精度提高等特点ｏ”。３．１２．２ＦＡＮＵＣ一０ｉＭＡ系统一一日本ＦＡＮＵＣ（发那科）公司进入中国市场较早，ＦＡＮＵＣ系统比较适应中国国情， 对中国电网和环境的适应性较强。 １９９２年底，由北京机床研究所和日本ＦＡＮＵＣ株式会社各出资５０％，共１１３０万美 元，建立了北京发那科机电有限公司。公司经营的主要目标是针对中国市场情况，为 中国数控机床厂提供高可靠性的数控系统及高质量的服务。公司以生产和销售高技术 的机床数控系统、伺服电机、主轴电机以及它们的驱动系统为主。 公司成立初期就根据中国市场的特点及用户的需要，推出了高性能／价格比的普及型车床数控系统０一ＴＤ。受到了用户的欢迎，迅速占领了市场。在这基础上，公司于１９９８年推出了ｏＣ全功能系列数控系统。２００２年又推出了Ｏｉ―Ｍａｔｅ ＭＡ系统。 目前在国内，大约有４万多台装备ＦＡＮＵＣ数控系统的机床在工作。为了更快、更 好地服务于用户，公司在上海、深圳、大连、重庆设有技术服务中心。由中国质量管 理协会用户委员会数控机床委员会组织广大主机厂及最终用户对国产数控系统的’产 品质量’、’服务质量’、’合同执行’、’售后服务及时性’等各方面进行了评分表明， 北京发那科生产的数控系统被评为用户最满意的数控系统㈨。 ｌ、ＦＡＮＵＣ伺服电机口系列 （１）、Ａｃ伺服电机ａ系列江苏大学Ｔ稃硕士学位论文ａ系列伺服电机是标准的交流伺服电机，用高分辨率的绝对脉冲编码器（６５５３６／ 转）实现高精度进给。有伺服ＨＲＶ（高速响应矢量）控制，伺服控制响应快，适合机 床坐标轴进给驱动，具有平滑旋转和优良的加速。（２）、ＡＣ主轴Ｑ电机高速、大功率主轴电机，适用于机床控制。 有主轴ＨＲＶ控制，响应快，速度稳定。 高速主轴定向控制，高速高精度刚性攻丝。（３）、Ａｃ伺服放大器ｄ系列使用最新的智能型功率控制器件（ＩＰＭ），放大器体积小．有能量再生控制，节省能源。（４）、ＡＣ伺服ＨＲＶ控制 可实现高速／高精度加工，减小了定位时间。 由于采用伺服ＨＲＶ控制和高速速度环，伺服轴进给系统的刚性好，速度增益高。 采用了减小伺服延时的提前控制，大大提高了位置指令的跟踪特性，减小了位置误差。 （５）、Ａｃ尺寸小电机轴向缩短，重量减轻，使用它可以减少整个机器的尺寸。符合国际标准（ＩＥＣ３４－１）防护等级ＩＰ５５。２、最好的性能／价格比ＦＡＮＵＣ―ＯｉＭＡ系统具有先进的ＦＡＮＵｃＣＮＣ技术，包括增强的ＰＭｃ，色彩车富的ＴＦＴ 显示等。ＬＣＤ３、良好的服务与技术支持 ＦＡＮＵｃ―Ｏｉ姒系统的设计是面向加工车间环境的。系统装配前对零部件进行了充分 的测