1、2012 届华北科技学院本 科 毕 业 设 计（论 文）设计(论文)题目： 数控铣床主轴系统及 Z 轴进给系统设计 专 题 题 目： 数控铣床主轴系统及 Z 轴进给系统设计 姓 名： 学 号： 200802024307 专业班级： B083 系(部、院)：机电工程 指导教师： 2012 年 6 月 10 日华北科技学院毕业设计（论文）第 1 页 共 90 页数控铣床主轴系统及 Z轴进给系统设计摘要本文介绍了立式数控铣床的一些基本概况，简述了机床主传动系统方面的原理和类型，分析了各种传动方案的机理。立式数控铣床主传动系统包括了主轴电动机、主轴传动系统和主轴组件三部分组成。本文详细介绍了立式数控铣
2、床主传动系统的设计过程，该立式数控铣床主轴变速是靠带轮进行的，这种传动方式多见于数控车床，它可避免齿轮传动时引起的振动和噪声，是啮合传动中唯一一种不需要润滑的传动方式。在啮合传动中，它的结构最简单，制造最容易，最经济，弹性缓冲的能力最强，重量轻，两轴可以任意布置，噪声低。它的带由专业厂商生产，带轮自行设计制造，它在远距离、多轴传动时比较经济。文中介绍了立式数控铣床主传动系统各种传动方案优缺点的比较、主传动方案的选择和确定、主传动变速系统的设计计算、主轴组件的设计、轴承的选用及其润滑、关键零件的校核、以及主轴电动机的控制等设计过程。关键词数控机床；立式数控铣床；主传动系统；主轴组件；轴承；主轴电
3、动机全套图纸，加 153893706CNC milling machine and spindle system z-axis feed system designAbstract： this text introduces the vertical CNC milling machine of some of the basic situation, this paper describes the main drive system of machine tool of principle and type, analyzes the mechanism of all kinds of t
4、ransmission scheme. Vertical CNC milling machine main transmission system including the spindle motor, main shaft transmission system and spindle component of three parts. This paper introduces the vertical CNC milling machine main transmission system design process, the vertical axis CNC milling ma
5、chine speed is to rely on the pulleys, the transmission way in numerical control lathe, it can avoid caused gear transmission of the vibration and noise, meshing transmission in the only need not lubrication transmission mode. In the meshing transmission, its structure is the most simple, make the m
6、ost easy, the most economical, the most powerful of the elastic cushion, light weight, two axis can be arbitrary decorate, low noise. It brought from specialized manufacturer production, pulleys to design manufacturing, it in the distance, much shaft driving when more economic. This paper introduces
7、 the main transmission system vertical CNC milling machine all kinds of transmission scheme comparison, the advantages and disadvantages of the main transmission scheme selection and sure, main 华北科技学院毕业设计（论文）第 2 页 共 90 页transmission variable speed drive system design calculation, spindle component d
8、esign, the choice of bearing the lubrication, key parts of checking, and spindle motor control, such as design process. Key words：Numerical control machine tools; Vertical CNC milling machine; Main transmission system; Spindle component; Bearing; Spindle motor 目 录引言 -4第一章 绪 论 -61.1 概述 -61.1.1 数控机床简介
9、 -61.1.2 数控机床组成和特点 -71.1.3 数控机床分类 -101.2 数控机床的发展 -151.2.1 国内外发展趋势 -151.2.2 主轴部件发展趋势 -191.2.3 向开放式、基于 PC 的第六代方向发展 -201.2.4 向高速化、高精度化和智能化方向发展 -20第二章 数控铣床主轴系统设计 -222.1 主轴系统方案确定 -232.1.1 数控铣床主轴系统简介 -232.1.2 数控铣床主轴系统的要求 -242.1.3 主轴传动方案的选择 -242.1.4 主轴组件总体方案 -262.2 主轴系统组件的设计 -272.2.1 主轴电机选择 -282.2.2 主轴结构设计
10、 -302.2.3 主轴组件支承设计 -422.2.4 同步带设计 -46华北科技学院毕业设计（论文）第 3 页 共 90 页2.2.5 主轴组件的润滑与密封 -502.2.6 键的设计 -53第三章 数控铣床 Z 轴进给系统设计 -553.1 Z 向进给电机选用 -553.2 联轴器的设计 -563.3 Z 向进给组件设计 -563.3.1 切削力的计算 -563.3.2 滚珠丝杠副的设计计算 -573.3.3 轴承设计验算 -603.3.4 丝杠拉压振动和扭转振动的固有频率验算 -63第四章 总 结 -65参考文献 -67致 谢 -68外文科技资料翻译 -69华北科技学院毕业设计（论文）第
11、 4 页 共 90 页引言制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国或地区经济的实力，科技水平，生活水准和国防实力。国际市场的竞争归根到底是各国制造生产能力及机械制造装备的竞争。机床是制造业的主要生产设备，而数控机床是高精度、高效率的自动化生产设备。目前，国内、外数控机床正朝着高性能、高精度、高效率、高柔性、高自动化和模块化方向迅速发展。尽管我国数控机床的制造、设计、检测等技术得到了一定的发展，但与国外相比，差距还是很大，主要表现在:可靠性差、应变能力差、产品开发周期长、设计手段落后等，这种差距尤其表现在高精度、高速度等尖端机床方面。因此，我们必须紧跟国际机床技术发展的前沿
12、，发展机床的设计、检测、制造等技术。数控技术及装备是发展高新技术产业和尖端工业（如：信息技术及其产业，生物技术及其产业，航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。制造技术和装备是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术则是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。数控机床技术的发展自 1953 年美国研制出第一台三坐标
13、方式升降台数控铣床算起，至今已有 53 年历史了。20 世纪 90 年开始，计算机技术及相关的微电子基础工业的高速发展，给数控机床的发展提供了一个良好的平台，使数控机床产业得到了高速的发展。我国数控技术研究从 1958 年起步，国产的第一台数控机床是北京第一机床厂生产的三坐标数控铣床。虽然从时间上看只比国外晚了几年，但由于种种原因，数控机床技术在我国的发展却一直落后于国际水平，到 1980 年我国的数控机床产量还不到 700台。到 90 年代，我国的数控机床技术发展才得到了一个较大的提速。目前，与国外先进水平相比仍存在着较大的差距。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国
14、家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。数控（numerical control,NC）机床，顾名思义，是一类由数字程序实现控制的机床。与人工操作的普通机床相比，它具有适应范围广、自动化程度高、柔性强、操作者劳动强度低、易于组成自动生产系统等优点。数控机床也就是一种装了程序控制华北科技学院毕业设计（论文）第 5 页 共 90 页系统的机床，该系统能逻辑处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序。通过这次毕业设计，可以达到以下目的：1.培养综合运用专业基础知识和专业技能来解决工程实际问题的能力；2.强化工程实践能力和意识 ,提高本人综合素质和创新能力；3.使本人受到从事本专业工程技术
15、和科学研究工作的基本训练,提高工程绘图、计算、数据处理、外文资料文献阅读、使用计算机、使用文献资和手册、文字表达等各方面的能力；4.培养正确的设计思想和工程经济观点，理论联系实际的工作作风，严肃认真的科学态度以及积极向上的团队合作精神。华北科技学院毕业设计（论文）第 6 页 共 90 页第一章 绪 论1.1 概述数控机床是一种高效能自动加工机床，是一种典型的机电一体化产品。与普通机床相比，数控机床具有如下一些优点：易于加工异型复杂零件；提高生产率；可以实现一机多用，多机看管；可以大大减少专用工装卡具，并有利于提高刀具使用寿命；提高零件的加工精度，易于保证加工质量，一致性好；工件加工周期短，效率
16、高；可以大大减少在制品的数量；可以大大减轻工人劳动强度，减少所需工人数量等。数控机床的机械结构主要由传动系统、支承部件、分度台等部分组成。传动系统的作用是把运动和力由动力源传递给机床执行件，而且要保证传递过程中有良好的动态特性。传动系统在工作过程中，经常受到激振力和激振力矩的作用，使传动系统的轴组件产生弯曲和扭转振动，从而影响机床的工作性能。随着机床切削速度的提高和自动化方向的发展，传动系统的结构组成越来越简单，但对其机械结构性能的要求却越来越高。数控机床是高精度和高生产率的自动化机床，其加工过程中的动作顺序、运动部件的坐标位置及辅助功能，都是通过数字信息自动控制的，操作者在加工过程中无法干预
17、，不能像在普通机床上加工零件那样，对机床本身的结构和装配的薄弱环节进行人为补偿，所以数控机床几乎在任何方面均要求比普通机床设计得更为完善，制造得更为精密。为满足高精度、高效率、高自动化程度的要求，数控机床的结构设计已形成自己的独立体系，在这一结构的完善过程中，数控机床出现了不少完全新颖的结构及元件。随着社会进步的迅速节奏，机电产品日趋精密复杂。产品的精度要求越来越高、更新换代的周期也越来越短，从而促进了现代制造业的发展。尤其是宇航、军工、造船、汽车和模具加工等行业，用普通机床进行加工（精度低、效率低、劳动度大）已无法满足生产要求，从而一种新型的用数字程序控制的机床应运而生。这种机床是一种综合运
18、用了计算机技术、自动控制、精密测量和机械设计等新技术的机电一体化典型产品 数控机床。华北科技学院毕业设计（论文）第 7 页 共 90 页1.1.1 数 控 机 床 简 介数控机床是一种装有程序控制系统（数控系统）的自动化机床。该系统能够逻辑地处理具有使用号码，或其他符号编码指令（刀具移动轨迹信息）规定的程序。具体地讲，把数字化了的刀具移动轨迹的信息输入到数控装置，经过译码、运算，从而实现控制刀具与工件相对运动，加工出所需要的零件的机床，即为数控机床。数控铣床是一种加工功能很强的数控机床，目前迅速发展起来的加工中心、柔性加工单元都是在数控铣床、数控镗床的基础上产生的，两者都离不开铣削方式。由于数
19、控铣削工艺最复杂，需要解决的技术问题也很多，因此，人们在研究和开发数控系统及自动编程语言的软件系统时，也一直把铣削加工作为重点。数控铣床机械部分与普通铣床基本相同，工作台可以做横向、纵向和垂直三个方向的运动。因此普通铣床能加工的工艺内容，数控铣床度能做到。随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，更新换代频繁，生产类型由大批大量生产向多品种小批量生产转化。因此，对机械产品的加工相应地提出了高精度、高柔性与高度自动化的要求。在机床行业，由于采用了数控技术，许多过去在普通机床上无法完成的工艺内容得以完成，大量普通机床为数控机床所代替，这就极大地促进了机床行业的技术进
20、步和行业发展。目前数控机床已经遍布军工、航空航天、汽车、造船、机车车辆、机床、建筑、通用机械、纺织、轻工、电子等几乎所有制造行业。 科学技术的发展以及世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求；超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的数控系统、伺服性能、主轴驱动、机床结构等提出了更高的性能指标；FMS 的迅速发展和 CIMS 的不断成熟，又将对数控机的可靠性、通信功能、人工智能和自适应控制等技术提出更高的要求。随着微电子和计算机技术的发展，数控系统的性能日益完盖，数控技术的应用颔域日益扩大。综上所述，数控机床在促进技术进步和经济发展，提高人类生存质量和创造新的就业
21、机会等方面，起着非常重要的作用。1.1.2 数 控 机 床 组 成 和 特 点数控机床的机械结构主要由传动系统、支承部件、分度台等部分组成。传动系统华北科技学院毕业设计（论文）第 8 页 共 90 页的作用是把运动和力由动力源传递给机床执行件，而且要保证传递过程中有良好的动态特性。传动系统在工作过程中，经常受到激振力和激振力矩的作用，使传动系统的轴组件产生弯曲和扭转振动，从而影响机床的工作性能。随着机床切削速度的提高和自动化方向的发展，传动系统的结构组成越来越简单，但对其机械结构性能的要求却越来越高，从而使传统的设计方法远远达不到要求，这样，各种设计理论的研究和使用就得到了迅猛的发展。数控机床
22、是一种高效能自动加工机床，是一种典型的机电一体化产品。与普通机床相比，数控机床具有如下一些优点：易于加工异型复杂零件；提高生产率；可以实现一机多用，多机看管；可以大大减少专用工装卡具，并有利于提高刀具使用寿命；提高零件的加工精度，易于保证加工质量，一致性好；工件加工周期短，效率高；可以大大减少在制品的数量；可以大大减轻工人劳动强度，减少所需工人数量等。数控机床是高精度和高生产率的自动化机床，其加工过程中的动作顺序、运动部件的坐标位置及辅助功能，都是通过数字信息自动控制的，操作者在加工过程中无法干预，不能像在普通机床上加工零件那样，对机床本身的结构和装配的薄弱环节进行人为补偿，所以数控机床几乎在
23、任何方面均要求比普通机床设计得更为完善，制造得更为精密。为满足高精度、高效率、高自动化程度的要求，数控机床的结构设计已形成自己的独立体系，在这一结构的完善过程中，数控机床出现了不少完全新颖的结构及元件。与普通机床相比，数控机床机械结构有许多特点。(1)数 控 机 床 的 组 成 ：数 控 机 床 主 要 由 输 入 输 出 设 备 、 数 控 装 置 、 伺 服 系 统 、 测 量 反 馈 装 置 和 机 床 本体 组 成 ， 如 图 1-1 所 示 。其 中 ， 存 储 介 质 用 于 记 载 机 床 加 工 零 件 的 全 部 信 息 。 如 零 件 加 工 的 工 艺 过 程 、工 艺
24、参 数 、 位 移 数 据 、 切 削 速 度 等 。 常 用 的 存 储 介 质 有 磁 带 、 磁 盘 等 。 也 有 一 些 数控 机 床 采 用 操 作 面 板 上 的 按 钮 和 键 盘 将 加 工 程 序 直 接 输 入 或 通 过 串 行 接 口 将 计 算 机上 编 写 的 加 工 程 序 输 入 到 数 控 系 统 。 在 计 算 机 辅 助 设 计 与 计 算 机 辅 助 制 造(CAD/CAM)集 成 系 统 中 ， 加 工 程 序 可 不 需 要 任 何 载 体 而 直 接 输 入 到 数 控 系 统 。华北科技学院毕业设计（论文）第 9 页 共 90 页图 1-1 数
25、 控 机 床 的 组 成数 控 装 置 是 控 制 机 床 运 动 的 中 枢 系 统 ， 它 的 基 本 任 务 是 接 收 程 序 介 质 带 来 的 信息 ， 按 照 规 定 的 控 制 算 法 进 行 插 补 运 算 ， 把 它 们 转 换 为 伺 服 系 统 能 够 接 收 的 指 令 信号 ， 然 后 将 结 果 由 输 出 装 置 送 到 各 坐 标 控 制 的 伺 服 系 统 。伺 服 系 统 由 伺 服 驱 动 电 动 机 和 伺 服 驱 动 装 置 组 成 ， 是 数 控 系 统 的 执 行 部 件 。 它的 基 本 作 用 是 接 收 数 控 装 置 发 来 的 指 令
26、脉 冲 信 号 ， 控 制 机 床 执 行 部 件 的 进 给 速 度 、方 向 和 位 移 量 ， 以 完 成 零 件 的 自 动 加 工 。通 常 数 控 系 统 由 数 控 装 置 和 伺 服 系 统 两 部 分 组 成 ， 各 公 司 的 数 控 产 品 也 是 将 两者 作 为 一 体 的 。机床主体也称主机，包括机床的主运动部件、进给运动部件、执行部件和基础部件，如底座、立柱、滑鞍、工作台(刀架)、导轨等。数控机床与普通机床不同，它的主运动和各个坐标轴的进给运动都是由单独的伺服电动机驱动，所以它的传动链短、结构比较简单。为了保证数控机床的快速响应特性，在数控机床上还普遍采用精密滚珠
27、丝杠副和直线滚动导轨副。在加工中心上还配备有刀库和自动换刀装置。同时还有一些良好的配套设施，如冷却、自动排屑、自动润滑、防护和对刀仪等，以利于充分发挥数控机床的功能。此外为了保证数控机床的高精度、高效率和高自动化加工，数控机床的其他机械结构也产生了很大的变化。本次设计即主要完成机床主体部分的设计。(2)数控机床的特点华北科技学院毕业设计（论文）第 10 页 共 90 页数 控 机 床 与 普 通 机 床 加 工 零 件 的 区 别 ， 在 于 数 控 机 床 是 按 照 程 序 自 动 加 工 零 件 ，而 普 通 机 床 由 工 人 手 工 操 作 来 加 工 零 件 。 在 数 控 机 床
28、 上 只 要 改 变 控 制 机 床 动 作 的 程序 ， 就 可 以 达 到 加 工 不 同 零 件 的 目 的 。 由 于 是 一 种 程 序 控 制 过 程 ， 数 控 机 床 相 应 形成 了 以 下 几 个 特 点 。（ 1） 采 用 数 控 机 床 可 以 提 高 零 件 的 加 工 精 度 、 稳 定 产 品 的 质 量 。 因 为 数 控 机床 按 照 预 定 的 加 工 程 序 进 行 加 工 ， 加 工 过 程 中 消 除 了 操 作 者 人 为 的 操 作 误 差 ， 所 以零 件 加 工 的 一 致 性 好 ， 而 且 加 工 精 度 还 可 以 利 用 软 件 来 进
29、 行 校 正 补 偿 ， 因 此 可 以 获得 比 机 床 本 身 所 能 达 到 的 精 度 还 要 高 的 加 工 精 度 及 重 复 定 位 精 度 。(2） . 数 控 机 床 可 以 完 成 普 通 机 床 难 以 完 成 或 根 本 不 能 加 工 的 具 有 复 杂 曲 面 的零 件 的 加 工 。 因 此 它 在 航 空 航 天 、 造 船 、 模 具 等 加 工 业 中 得 到 广 泛 应 用 。(3). 采 用 数 控 机 床 比 普 通 机 床 可 以 提 高 生 产 效 率 2 3 倍 ， 尤 其 是 对 某 些 复杂 零 件 的 加 工 ， 生 产 效 率 可 以 提
30、 高 十 几 倍 甚 至 几 十 倍 。(4). 可 以 实 现 一 机 多 用 。 一 些 数 控 机 床 将 几 种 普 通 机 床 功 能 合 一 ， 加 上 刀 库与 自 动 换 刀 装 置 构 成 加 工 中 心 ， 如 果 能 配 置 数 控 转 台 或 分 度 转 台 ， 则 可 以 实 现 一 次安 装 、 多 面 加 工 。(5). 采 用 数 控 机 床 有 利 于 向 计 算 机 控 制 与 管 理 生 产 方 面 发 展 ， 为 实 现 生 产 过程 自 动 化 创 造 了 条 件 。1.1.3 数 控 机 床 分 类数控机床种类很多，规格不一，人们从不同的角度对其进行
31、了分类。(1)按 机 械 运 动 轨 迹 分 类 ：数 控 机 床 按 其 刀 具 与 工 件 相 对 运 动 的 方 式 ， 可 以 分 为 点 位 控 制 、 直 线 控 制 和轮 廓 控 制 。1)点 位 控 制 数 控 机 床如 图 1-2 所 示 ， 点 位 控 制 是 指 数 控 系 统 只 控 制 刀 具 或 工 作 台 从 一 点 移 至 另 一 点的 准 确 定 位 ， 然 后 进 行 定 点 加 工 ， 而 点 与 点 之 间 的 路 径 不 需 控 制 。 采 用 这 类 控 制 的有 数 控 钻 床 、 数 控 镗 床 和 数 控 坐 标 镗 床 等 。华北科技学院毕业
32、设计（论文）第 11 页 共 90 页2)直 线 控 制 数 控 机 床如 图 1-3 所 示 ， 点 位 直 线 控 制 是 指 数 控 系 统 除 控 制 直 线 轨 迹 的 起 点 和 终 点 的 准确 定 位 外 ， 还 要 控 制 在 这 两 点 之 间 以 指 定 的 进 给 速 度 进 行 直 线 切 削 。 采 用 这 类 控 制的 有 数 控 铣 床 、 数 控 车 床 和 数 控 磨 床 等 。图 1-2 点 位 控 制 钻 孔 加 工 示 意 图现 代 组 合 机 床 采 用 数 控 技 术 ， 驱 动 各 种 动 力 头 、 多 轴 箱 轴 向 进 给 钻 、 镗 、
33、铣等 加 工 ， 也 算 是 一 种 直 线 控 制 数 控 机 床 。 直 控 制 也 称 为 单 轴 数 控 。图 1-3 直 线 控 制 切 削 加 工 示 意 图 图 1-4 轮 廓 控 制 铣 削 加 工 示 意 图3)轮 廓 控 制 数 控 机 床轮 廓 控 制 数 控 机 床 亦称连续轨迹控制，如图 1-4 所示，能够连续控制两个或两个以上坐标方向的联合运动。为了使刀具按规定的轨迹加工工件的曲线轮廓，数控装置具有插补运算的功能，使刀具的运动轨迹以最小的误差逼近规定的轮廓曲线，并协调各坐标方向的运动速度，以便在切削过程中始终保持规定的进给速度。采用这类控制的有数控铣床、数控车床、数
34、控磨床和加工中心等。华北科技学院毕业设计（论文）第 12 页 共 90 页现代数控机床绝大部分都具有两坐标或两坐标以上联动的功能，除此之外还具有刀具半径补偿、刀具长度补偿、机床轴向运动误差补偿、丝杠螺距误差补偿、齿侧间隙误差补偿等一系列功能。(2)按伺服系统的类型分类：1)开 环 伺 服 系 统 数 控 机 床开 环 控 制 系 统 是 指 不 带 反 馈 装 置 的 控 制 系 统 ， 由 步 进 电 机 驱 动 线 路 和 步 进 电 机组 成 。 数 控 装 置 经 过 控 制 运 算 发 出 脉 冲 信 号 ， 每 一 脉 冲 信 号 使 步 进 电 机 转 动 一 定 的角 度 ，
35、通 过 滚 珠 丝 杠 推 动 工 作 台 移 动 一 定 的 距 离 。 如 图 1-5 所 示 。 这 种 伺 服 机构 比 较 简 单 ， 工 作 稳 定 ， 容 易 掌 握 使 用 ， 但 精 度 和 速 度 的 提 高 受 到 限 制 ， 多 用 于对 旧 机 床 的 数 控 化 改 造 。图 1-5 开 环 伺 服 系 统2)闭 环 伺 服 系 统 数 控 机 床闭 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 检 测 到的 实 际 位 移 反 馈 到 数 控 装 置 的 比 较 器 中 ， 与 输 入 的
36、原 指 令 位 移 值 进 行 比 较 ， 用 比 较后 的 差 值 控 制 移 动 部 件 作 补 充 位 移 ， 直 到 差 值 消 除 时 才 停 止 移 动 ， 达 到 精 确 定 位 的控 制 系 统 。 图 1-6 所 示 为 闭 环 伺 服 系 统 。这 类 数 控 机 床 可 以 消 除 由 于 传 动 部 件 制 造 中 存 在 的 精 度 误 差 给 工 件 加 工 带 来的 影 响 ， 从 而 得 到 很 高 的 精 度 。 但 是 由 于 很 多 机 械 传 动 环 节 包 括 在 闭 环 控 制 的环 路 内 ， 各 部 件 的 摩 擦 特 性 、 刚 性 以 及 间
37、 隙 等 都 是 非 线 性 量 ， 直 接 影 响 到 伺 服 系统 的 调 节 参 数 。 因 此 ， 闭 环 伺 服 系 统 的 设 计 和 调 整 都 非 常 困 难 。华北科技学院毕业设计（论文）第 13 页 共 90 页图 1-6 闭 环 伺 服 系 统闭 环 伺 服 系 统 的 优 点 是 精 度 高 。 但 其 系 统 设 计 和 调 整 困 难 、 结 构 复 杂 、 成 本高 ， 主 要 用 于 一 些 精 度 要 求 很 高 的 镗 铣 床 、 超 精 密 车 床 、 超 精 密 铣 床 、 加 工 中 心等 。3)半 闭 环 伺 服 系 统 数 控 机 床这 类 数 控
38、 机 床 采 用 安 装 在 进 给 丝 杠 或 电 动 机 端 头 上 的 转 角 测 量 元 件 测 量 丝 杠旋 转 角 度 ， 来 间 接 获 得 位 置 反 馈 信 息 。 图 1-7 所 示 为 半 闭 环 伺 服 系 统 。图 1-7 半 闭 环 伺 服 系 统这 种 系 统 的 闭 环 环 路 内 不 包 括 丝 杠 、 螺 母 副 及 工 作 台 ， 因 此 可 以 获 得 稳 定 的控 制 特 性 。 而 且 由 于 采 用 了 高 分 辨 率 的 测 量 元 件 ， 可 以 获 得 比 较 满 意 的 精 度 及 速度 。 大 多 数 数 控 机 床 采 用 半 闭 环
39、伺 服 系 统 ， 如 数 控 车 床 、 数 控 铣 床 、 加 工 中 心 等 。4)混 合 控 制 数 控 机 床 将 以 上 三 类 数 控 机 床 的 特 点 结 合 起 来 ， 就 形 成 了 混 合 控 制 数 控 机 床 。 混 合 控 制数 控 机 床 特 别 适 用 于 大 型 或 重 型 数 控 机 床 ， 因 为 大 型 或 重 型 数 控 机 床 需 要 较 高 的 进给 速 度 与 相 当 高 的 精 度 ， 其 传 动 链 惯 量 与 力 矩 大 ， 如 果 只 采 用 全 闭 环 控 制 ， 机 床 传动 链 和 工 作 台 全 部 置 于 控 制 闭 环 中
40、， 闭 环 调 试 比 较 复 杂 。 混 合 控 制 系 统 又 分 为 两 种华北科技学院毕业设计（论文）第 14 页 共 90 页形 式 ： （ 一 ） 开 环 补 偿 型 。 它 的 基 本 控 制 选 用 步 进 电 动 机 的 开 环 伺 服 机 构 ， 另 外 附 加一 个 校 正 电 路 。 用 装 在 工 作 台 的 直 线 位 移 测 量 元 件 的 反 馈 信 号 校 正 机 械 系 统 的 误 差 ，如 图 1-8 所 示 。图 1-8 开 环 补 偿 型 控 制 方 式（ 二 ） 半 闭 环 补 偿 型 。 它 是 用 半 闭 环 控 制 方 式 取 得 高 精 度
41、控 制 ， 再 用 装 在 工 作台 上 的 直 线 位 移 测 量 元 件 实 现 全 闭 环 修 正 ， 以 获 得 高 速 度 与 高 精 度 的 统 一 。 如图 1-9 所 示 ， 其 中 A 是 速 度 测 量 元 件 （ 如 测 速 发 电 机 ） ， B 是 角 度 测 量 元 件 ， C是 直 线 位 移 测 量 元 件 。图 1-9 半闭环补偿型控制方式（3）按联动轴数分类：数 控 系 统 控 制 几 个 坐 标 轴 按 需 要 的 函 数 关 系 同 时 协 调 运 动 ， 称 为 坐 标 联 动 ， 按照 联 动 轴 数 可 以 分 为 ：1） 两 轴 联 动 数 控
42、机 床 能 同 时 控 制 两 个 坐 标 轴 联 动 ， 适 于 数 控 车 床 加 工 旋 转 曲 面 或 数 控 铣床 铣 削 平 面 轮 廓 。 2） 两 轴 半 联 动 华北科技学院毕业设计（论文）第 15 页 共 90 页在 两 轴 的 基 础 上 增 加 了 Z 轴 的 移 动 ， 当 机 床 坐 标 系 的 X、 Y 轴 固 定 时 ， Z 轴可 以 作 周 期 性 进 给 。 两 轴 半 联 动 加 工 可 以 实 现 分 层 加 工 。 3） 三 轴 联 动 数 控 机 床 能 同 时 控 制 三 个 坐 标 轴 的 联 动 ， 用 于 一 般 曲 面 的 加 工 ， 一
43、般 的 型 腔 模具 均 可 以 用 三 轴 加 工 完 成 。 4） 多 坐 标 联 动 数 控 机 床 能 同 时 控 制 四 个 以 上 坐 标 轴 的 联 动 。 多 坐 标 数 控 机 床 的 结 构 复 杂 ，精 度 要 求 高 、 程 序 编 制 复 杂 ， 适 于 加 工 形 状 复 杂 的 零 件 ， 如 叶 轮 叶 片 类 零 件 。 通 常 三 轴 机 床 可 以 实 现 二 轴 、 二 轴 半 、 三 轴 加 工 ； 五 轴 机 床 也 可 以 只 用 到 三 轴联 动 加 工 ， 而 其 他 两 轴 不 联 动 。1.2数控机床的发展随着机械制造生产模式的演变,对机械
44、制造装备提出了不同的要求.在 50 年代“刚性”生产模式下，通过提高效率，自动化程度,进行单一或少品种的大批量生产，以“规模经济”实现降低成本和提高质量的目的。从 90 年代开始，为了对世界生产进行快速响应，逐步实现社会制造资源的快速集成，要求机械制造装备的柔性化程度更高,采用拟实制造和快速成形制造技术。1.2.1 国 内 外 发 展 趋 势 当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竟争，已形成一条无形战线，特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在 20 世纪 80 年代以后加速发展，各方用户提出更多需求，早已成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。较著名的控制系统有:日本 FANUC 系列、Mitsubishi 系列， KUMA 系列、SODICK 系列、日立系列、德国 SIE
