毕业设计（论文）-PBC数控四轴钻铣床的设计.doc

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1、 摘 要PCB数控四轴钻铣床是一种机电一体化的产品，是专用于PCB加工的四轴三联动数控机床。 本机床采用先进的直线滚动轨迹、高精度滚珠丝杆和交流伺服电机；涉及微电子、计算机、自动控制、精密机械、图像处理等多种技术,综合性强，知识、技术、资金密度高，适用于高精度PCB的成形加工。本文对PCB机床的整机系统结构、伺服进给机构、工作装置、机电匹配进行了讨论和分析，特别是对整机系统结构和伺服进给机构进行了详细的设计，主要包括机床动力参数、整机的结构布置、伺服系统的选择以及滚珠丝杆、滚动导轨、联轴器、滚动轴承、交流伺服电机、高速电主轴等关键零部件的选择和设计。关键词： 数控机床，印刷电路板，伺服系统，机

2、电匹配Abstract:The PCB number controls four stalks to drill the product that the miller is a kind of machine electricity integral whole to turn, is four stalks that the appropriation processes at the PCB three allied move a number to control tool machine.The track, high accuracy of straightly roll over

3、 of the this tool machine adoption forerunner rolls bead silk a pole and communicate servo electrical engineering;Involve a micro-electronics, calculator, automatic control, the precise machine, picture processing.etc. be various techniques and synthesize sex strong, knowledge, technique, funds dens

4、ity Gao, be applicable to take shape of high accuracy PCB to process.This text to the whole machine system structure of the PCB tool machine, servo enter to equip to the organization, work, the machine electricity matched to carry on discussion and analyze, especially to the whole machine system str

5、ucture and servo entered to carry on a detailed design for organization, mainly include the structure decoration, servo system of tool machine motive parameter, the whole machine of choice and roll a bead silk pole, roll over to lead a track, unite a stalk machine, roll over bearings and communicate

6、 servo electrical engineering, high speed electricity principal axis etc. key the choice and design of zero partses.Keyword: The number controls tool machine, PC board, servo system, the machine electricity match绪 论本毕业设计课题就是关于PCB四轴数控加工机床的设计，机械加工前沿先进技术在PCB行业取得了广泛应用。 数控钻床和数控铣床是线路板加工中的一种重要设备，该设备价格昂贵，选用

7、数控机床不但对于操作、工艺设定和维护包括对于生产产品的质量都十分重要。本设计的目的在于通过毕业设计，了解PCB四轴数控加工机床总体方法，结构分析和结构布置，明白设计方法和思路，为以后进一步的工作打下基础。通过设计加深对基础知识的理解，并学会理论知识的实际应用，并在原有的基础上有所改进和创新突破。在论文中一共分为三部分：1 机床总体设计 主要对机床的总体系统和结构方案进行了初步的设计和分析；2伺服进给系统的设计 主要进行了两个方面的设计和计算： 伺服进给系统的选择 关键零部件的选择何设计；3机床的工作装置及其数控装置 主要对机床的工作装置的数控装置进行了选择和分析，其主要包括以下两方面的内容：

8、机床的工作装置的设计 机床的数控装置的设计在完成整个设计过程中，掌握的学习方法和团队协作能力有很大的提高，尤其是对各种设计手册的查阅，对一个即将走向工作岗位的毕业生来说，这种能力是不可或缺的，同时也提高了分析和解决问题的能力。第一章 机床总体设计1.1 机床主要技术参数1.1.1 主参数及基本参数 1) 机床主参数的确定机床的主要技术参数包括主参数和基本参数。主参数是机床参数中最主要的，它必须满足以下要求： 直接反映出机床的加工能力和特性； 决定其他基本参数值的大小； 作为机床设计的出发点； 作为用户选用机床的主要依据。 对于通用机床（包括专门机床）主参数通常都以机床的最大加工尺寸来表示。由文

9、献3表7.11可知，数控机床的主参数包括以下参数： 最大加工面积：根据设计要求，机床的最大加工面积为4400600mm; 坐标轴移动的最大行程：由设计要求知：X420mm，Y620mm，Z40mm； 机床的最大加工能力：43块/次（每块1.6mm）。 由相关资料可知：我国大多PCB生产商生产的加工厚度为1.6mm的4层印刷板。根据设计要求将加工能力确定为每次3块，每块1.6mm，即：1.63=4.8mm。2) 机床基本参数及主要技术指标工作尺寸：由机床最大加工面积确定为：1680600；系统分辨率：系统分辨率为0.001mm；机床定位精度：定位精度为0.005/300mm；复定位精度：机床的重

10、复定位精度为0.0025/300mm；刀具直径：铣：0.8175mm,钻：0.36mm；电源：22010%V；功率：约9Kw； 机床重量：约2600Kg。1.1.2 运动参数及动力参数 1) 运动参数的计算a) 主轴极限转速和变速范围根据文献3中的7.1-6和7.1-7知主轴极限转速为：其中：V和V分别为机床的最大、最小加工速度，d和 d分别为机床在最大、最小加工切削速度时所能使用的最大、最小刀具直径。由设计要求和刀具寿命的相关经验，将机床的加工速度定为：铣削为150200m/min，钻削为75470m/min；机床所能加工的最大、最小直径（即刀具直径）为：铣0.83.175mm，钻0.30.

11、6mm。将以上数据代入1.1式和1.2式中，得：铣削：1503879577r/min；钻削：2652579577r/min。又由文献3式7.19知主轴变速范围计算公式为：将钻削和铣削的最大最小转速分别代入上式得：铣削：R=5.3；钻削：R=3b) 进给量和快移速度：由设计要求知，机床采用伺服电机和高速电主轴系统，实行无级变速，故将进给率定为015m/min；快移时速度为1520m/min。c) 主轴计算转速：由公式(1.4)将n和n代入上式得：铣：n=34641r/min：钻：n=44721r/min。d) 主运动转速级数和公比 由前文所述知，本机床采用高速电主轴，其级数为1，可以实现无级变速

12、。2) 动力参数的计算动力参数主要包括： 主轴功率计算； 进给运动功率计算； 快速运动功率计算；由于这些计算要甬道切削参数的相关数据，此处简略，在后文有详细计算。1.1.3 切削数据的计算1) 钻削力的分析和计算a) 钻削力的分析本数控机床采用专用钻铣刀具，起材料为高速钢。由文献3式（7.37）得： (1.5)其中：d 钻孔直径（mm），现取d=0.5mm；轴向扭转系数，标准值可查； 图1-1 钻削力的分析 v钻削速度（r/min），由前计算知：v=44721r/min；f进给量（mm/r），f=0.01mm； b) 参数的拟合是与加工材料有关的钻削力系数。由于目前对于印刷电路板的加工还没有标

13、准参数，但值与材料的硬度有一定的关系，故可通过立方插值在MATLAB工程软件上拟合曲线，以求得其值。由文献3表（7.1-31），及文献8查得不同材料的值，如表（1-1）。表1-1 不同材料的值材料碳钢灰铸铁青铜镁铝合金玻纤硬度2111701409514.5值108.467.44014? 由文献8查得印刷电路板一般为玻纤填充材料，硬度大约在14.5左右，密度大约是1.9g/mm3.利用立方插值法在MATLAB工程软件上拟合曲线，如图1-2所示。图1-2 不同材料强度（硬度）的钻削力拟合曲线由上图可知，值约为2.1368。c) 计算数据及其结果以上各数据及切削力计算结果如下表所示：表1-2 钻削力

14、的计算各参钻 数削力vdfvdf2.14447210.50.010.4010.8271.176F2N可见，本机床的切削力很小。2) 铣削力的分析和计算a) 铣削力的分析图1-3 铣削力的分析 如图1.3所示：数控机床在对印刷电路板进行铣削时，其加工能力设计为每次3块，每块板厚度为1.6mm。其铣削力可分解为、和四个分力（如图），其中：主切削力；轴向抗力（与刀具螺旋角有关）； 铣削进给水平抗力（和的合力使刀杆产生弯曲）；铣削进给垂直分力（使工件抬起或是压紧，容易引起振动）。由于铣削过程的铣削面积是不断变化的，故测量或计算出的铣削力是最大值或平均值。本次设计中均采用最大值进行计算。 主切削力和其他

15、切削力的关系：由文献3表（7.1-16）查得，主切削力和其他切削力的比值关系如下表：表1-3 削力和其他切削力的比值比值顺铣逆铣最大比值/0.350.40.350.4Max/=0.4/1.01.20.80.9Max/=1.2/0.20.30.750.8Max/=0.8b) 铣削力的计算 分析 本机床采用的刀具为钻铣专用刀具，其材料为高速钢。由于PCB加工目前还没有专门的行业标准，特别在电路板的铣削成型加工方面基本上是没有一个合理的标准，所以我先在文献3表（7.1-27）中查得相关的公式（如1.6）。再用MATLAB工程软件对其相关系数进行拟合，并依此作出计算结果，将此结果与同类产品进行比较，结

16、果是比较一致的。(1.6)其中：主切削力（N）；与加工材料有关的铣削力系数，由于目前还没有一个标准，故用MATLAB工程软件通过立方插值来拟合曲线来求其值； 与刀具尺寸有关的修正系数，由文献37.1-29中查得，Max=1.15； 铣削接触弧深（mm），由文献7查得：/4=0.6mm； 每齿进给量(mm/齿), 由文献7查得：=0.105mm/齿； 铣刀直径(mm)，由机床设计最大加工能力知，应不小于所加工工件厚度的1/2，工件厚度为1.63=4.8mm，故=1.63/2=2.4mm；铣削深度（mm）,根据相关经验，一般都是一次加工完成，即=31.6=4.8mm； Z 铣刀齿数，一般Z6。 参

17、数的拟合由于值与材料的硬度有一定的关系，由文献8中查得印刷电路板的材料一般为玻纤，填充材料的硬度大约是14.5，密度约为1.9g/mm3。又根据文献3表(7.1-28)，可查得各种材料的值，如下表：表1-4 不同材料的值材料碳钢灰铸铁青铜镁铝合金玻纤硬度2111701409514.5值683022.520? 利用立方插值法MATLAB工程软件上拟合曲线（如图1-4）。 由上图可知：印刷 电路板的铣削参数值约为4.18。 计算数据及铣削力计算结果如表1-5所示：图1-4 不同材料强度（硬度）的铣削力拟合曲线表1-5 铣削力的计算 参数铣削力Z4.181.150.60.1052.44.8682.9

18、NMax()=0.8=66.4NMax(F)=0.4=33.2NMax()=1.2=99.5N由此可见，本机床工作时的钻削力和铣削力都很小，特别是钻削力，只有2N，与普通金属切削机床有很大差别，设计过程中应与当前同类产品比较进行，以提高性能。因而在以后的设计过程中要充分考虑到这些因素！1.2 整机的系统设计1.2.1 整机系统的组成分析 一台完整的数控机床一般应包括以下几个部分： 主机系统 主机系统是数控机床的主体，包括床身、立柱、进给机构等机械部件。 NC装置 CNC装置是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盘等），以及相应的软件。 驱动装置 驱动装置是数控机床执行机构的驱

19、动部件，包括主轴驱动单元、主轴电机及进给电机等。 床的辅助装置 控机床的辅助装置是指数控机床的一些必须的配套部件，用以保证数控机床的运行。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监测装置。 编程机及其他一些附属装置。1.2.2 PCB数控四轴钻铣床的整机系统PCB数控钻铣床是一种四轴三联动的印刷电路板加工的专用设备，它属于机电一体化产品，并且涉及到光、机、电、计等多个学科。它以ADVANTECH 486型工控机为控制中心，把用户输入的数据和指令自动地编程为机床加工信息，以控制交流伺服电机，使其带动精密滚珠丝杆完成机床工作台的移动，以及完成钻铣电主轴在X、Y

20、、Z三个方向上的各自的驱动。同时辅以对电主轴、吸尘器、水泵等不见的控制，从而构成了一个完善的控制系统。本系统除了具有铣削、钻削自动编程外，还可实现钻孔的人工模拟编程。整机系统如图1-5所示。它主要包括了主机系统、数控装置（CNC装置和驱动系统），以及其辅助装置等几个部分。 主机系统机系统即机械系统，它是数控机床的主体，它由床身、立柱、横梁、拖板、主轴架、工作台、伺服进给机构（包括导轨、丝杆、联轴器和轴承等），以及工作装置等部件组成。由于本机床对整机系统的精度要求很高，因而对传动零部件的制造精度、安装精度、运动精度等都要求非常高。 数控装置控装置是整个数控机床的灵魂，它的工作包括所有的运算、插补

21、自动编程、电机驱动、系统进给、故障诊断、限位保护、出错诊断以及远程连接等等，从而能够确保整台机床能够安全、高效的工作。它主要由工控机、交流伺服电机进给控制单元、电主轴驱动单元、全隔离I/O接口、各种传感器、继电器，以及软件等组成。 对于伺服电机及其驱动器，我选用了美国A-B公司制造的1326型伺服电机及其相应的驱动器，它具有输出力矩大，矩频特性好，工作可靠等特点，从而大大地确保了机床的可靠性、行速度和定位精度。 由于国产联想工控机具有很高的性价比，而且完全能够满足需要，因此，主机选用国产的联想工控机。 软件系统选用了台湾智研公司的软件，它功能丰富、操作方便。界面是完全的汉字界面，软件人机对话功

22、能强，自诊断性好，采用流行的“多窗口”显示技术进行机床状态的动态显示；在操作上，既可以采用菜单方式操作，也可用受力方式操作，相当灵活方便；非常适应国内的市场要求。同时，可实现钻、铣自动编程、CAD联机编程等，在加工过程中可自动进行补偿，严格确保加工精度。 辅助装置 辅助装置主要包括除尘、冷却、气动、排屑、润滑、照明等辅助设备，它们的主要作用就是使机床能够更有效的工作。 控制卡工业计算机X伺服驱动器X伺服电机I/O接口板I/O扩展板小功率继电器大功率接触器变频器电主轴1附 件（照明、冷却、气动、排屑等等）电主轴2X传动Y伺服驱动器编码器网 络 图1-5 整机系统方框图1.3 机床总体布局1.3.

23、1 机床总体布局的基本要求1) 机床布局首先必须满足用户提出的各种要求。如机床的加工范围、工作精度、生产率和经济性等等。2) 确保实现即定工艺方法所要求的工件和刀具的相对位置与相对运动。在紧急合理的条件下，尽量采用较短的传动链，以简化机构，提高传动精度和传动效率。3) 确保机床具有与所要求的加工精度相适应的刚度、抗振性、热变形和噪音水平。4) 通用机床必须满足参数标准和系列型谱中关于机床布局方面的规定。同时，还应最大限度的考虑机床的系列化和部件的通用化程度。5) 对于生产率和自动化程度较高的机床或专用机床。应力求便于自动上下料以及将其纳入自动线。6) 应便于观察加工过程；便于操作、调整和维修机

24、床；便于输送、装卸工作和排除切屑；注意机床的防护，确保安全生产。7) 机床结构简单、合理可靠，便于加工和装配，并注意采用新技术。8) 体积小、重量轻，节省原材料，降低制造成本，缩小机床占地面积，外型美观大方。1.3.2 影响机床总体布局的基本因素影响机床总体布局的基本因素包括表面形成运动；机床运动的分配；工件的尺寸、重量和形状；机床性能要求；生产规模和生产率要求；机床的自动化程度；机床操纵方便性要求（人机工程学）；模块化设计等等方面。在机床设计手册上油非常详细的阐述，此处就不再详加阐述了。1.3.3 本次设计的PCB数控四轴钻铣床的总体结构布局 根据上述机床总体布局的基本要求及其影响因素，我设

25、计出的PCB数控四轴钻铣床的总体结构如图1-6 ，本数控机床主要由床身，横梁，立柱，X、Y、Z向伺服传动系统及其导轨部装系统，以及电主轴工作装置等组成。它石在高刚性的铸造床身的基础上安置双立柱和横梁，构成门式框架结构，主轴架置于拖板上并组成鞍架，沿横梁移动，构成X坐标；工作台置于机座平台上，进行纵向的移动，构成Y坐标。装有两个主轴架的拖板，用直线滚动导轨式安装在其上的主轴架作垂直运动构成Z坐标。这样的布局可保证机床具有足够的刚度，较高的定位精度，而且系统中均采用高性能的交流伺服电机和滚珠丝杆系统以及滚动导轨，这样可保证机床运行轻便、灵活平稳，同时还可以节能，并可达到和保证所需的高精度。 1 机

26、床外壳 2Z轴进给部装3电主轴部装 4拖板 5横梁6工作台 7、8垫片 9床身图1-61.3.4 机床各主要组成部件机构方案分析机床床身、横梁、立柱这三部分是整个主机机床的基础和支架。机床床身作成整体样式，通过螺栓与横梁、立柱联结成门式结构（如图1.7），它的主要特点如下：图1-7 机床床身、横梁、立柱布置图 床身、横梁、立柱均为铸造而成，其工艺性好； 机床床身采用了框架式结构，并做成整体结构，减少了接触面数，大大增强了动刚度和静刚度，具有良好的抗振性。 横梁的两端立柱成对称分布，既形成门式结构增强了动刚度，又减少了热变形。 梁的断面为矩形闭式断面，再横梁内部布置又纵、横式的斜筋板或筋条，增强

27、了机床的刚度。对于机床其他各主要组成部分机构方案的分析在本章后面章节中有详细阐述，在此就不再重复。1.4 机床传动系统设计1.4.1 机床传动系统的组成机床的传动系统通常包括：表面形成运动传动系统；辅助运动传动系统；分度运动传动系统；控制运动传动系统；校正运动传动系统。通常，一台机床传动系统都是由上述各传动系统中的全部或是一部分组成。1.4.2 PCB数控四轴钻铣床的传动系统本次设计的PCB数控四轴钻铣床的传动系统主要包括了X、Y、Z三个方向上的伺服进给传动系统，它又主要包括伺服进给传动机构和导轨部装机构。下面分别给予说明： 1) 伺服进给传动机构机床的伺服进给传动机构如图1-8和图1-9所示

28、：图1-8 X、Y向传动简图图 1-9 Z向传动简图68其主要特点在于： 机床采用了交流伺服电机统丝杆直接相连接的形式，既简化了传动链又提高了传动精度； 机床采用了专业的厂家（暂时选定为南京工艺设备制造厂生产的高精度滚珠丝杆和美国A-B公司的交流伺服电机及其驱动器）。滚珠丝杆具有精度高、刚性好、滚动惯量小的特点。同时，采用的伺服电机和驱动电源，具有输出力矩达、矩频特性好、工作可靠的特点，同时驱动电源的内部已实现了智能化，能够实现对驱动电源的细分步数、驱动波形和锁定电流设置，从而使机床驱动系统能够方便的调到最佳状态。 X、Y向丝杆采用接触角为60的推力向心轴承，并且两端轴向固定，使丝杆的杆度提高

29、了近4倍；Z向采用了接触角为60的双推力向心轴承，并且一端轴向固定一端自由。 采用了梅花型联轴器，有效的消除了轴向及径向间隙，提高了传动精度和刚度； 2) 导轨部装机构图1-10 Y向导轨简图 图1-11 X向导轨简图图1-12 Z向导轨简图为实现工作台、拖板、主轴架（即X、Y、Z三个方向）的运动，必须具有导轨机构。本次设计中采用的导轨部装机构如图1-10(a)、(b)和(c)所示，其结构特点为： 采用了国际上先进的滚动直线导轨技术，其摩擦系数为0.003，导轨平行度小于0.0017/300mm，具有良好的传动刚度和传动精度； 工作台的结构采用半闭式矩形，并采用了纵向加强筋增强其强度。1.5电

30、主轴工作装置结构设计选用专用钻铣电主轴，在保证加工要求的前提下避免了复杂的主轴部件设计，简化了结构，提高了效率，并使机床在加工方面有了一个质的飞跃。其中一个电主轴工作装置结构简图如图1-13所示。 图1-13 电主轴部装示意图1.6 润滑系统、冷却系统及其他相关系统的设计 由于润滑系统，冷却系统及其他相关设计不是本次设计的重点内容，因此下面就简要的描述一下。1.6.1 润滑系统润滑式减少摩擦和磨损的重要的措施。润滑系统的设计包括润滑剂、润滑方式和标准润滑元件的选择，以及专用的润滑元件与管路设计。考虑到本机床的精度要求、速度高、载荷小的特点，采用压力式循环润滑方式，润滑剂则暂时选用高速机械油HJ

31、-5。1.6.2 冷却系统考虑到绿色生产、环保问题，再结合到机床工作的实际情况，暂时选用气体冷却剂压缩空气，即把压缩空气由喷嘴直接输送到切削区，用强制对流的办法带走切削热。此外，机床总体设计中还包括相应的机床基础，排屑系统等等部分。由于这些并不是本次设计的主要内容，而在相关的设计手册上都有详细的阐述，在此就不在加以说明了！本章小结：在本章中，我们对机床的总体系统和结构方案进行了初步的设计和分析，主要包括以下五个方面的问题： 机床的主要技术参数的确定 整机系统的设计 机床的总体布局 机床的传动系统组成 电主轴工作装置结构 滑系统、冷却系统及其他相关系统的设计在确定了机床的总体方案之后，接下来将分

32、别对机床的伺服进给系统、数控装置系统以及机床的辅助数控进行选择和设计。第二章 伺服进给系统的设计伺服进给系统，是数控机床的重要组成部分，它由伺服驱动电路、伺服驱动装置（电机）、位置检测装置、机械传动机构以及执行部件等部分组成。它的作用式：接受数控系统发出的进给位移和速度指令信号，由伺服驱动电路作一定的转换和放大后，经伺服驱动装置（直流、交流伺服电机，直流电机，功率步进电机，电液伺服阀液压马达等）和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴头架、拖板等执行部件进行工作进给和快速进给。数控机床的进给伺服系统与一般机床的进给系统有本质上的差异，它能根据指令信号自动精确的控制执行部件的位移、方向和速度，以及

33、数个执行部件按一定的规律运动，以合成一定的运动轨迹。进给伺服系统的性能，如最高移动速度、定位精度等动态和静态性能，在很大度上决定了数控机床的加工精度、加工表面质量和生产效率。因此，伺服进给系统的设计是数控机床设计中的一项非常关键的工作！2.1 伺服进给系统的选择设计2.1.1 伺服进给系统的技术要求 1) 伺服进给系统基本要求一般说来，数控机床的伺服进给系统应满足以下几个基本要求： a) 调速范围宽： 调速范围是指最高进给速度与最低进给速度之比。由于加工所用的刀具， 加工零件的材料以及零件加工要求的变化范围很广，为了保证在所有的加工情况下都能得到最佳的切削条件与加工质量，要求进给速度能在很大的

34、范围内变化，即有很大得调速范围。目前得先进水平下是在脉冲当量或最小设定单位为1m得情况下，进给速度能在0-240m/min得范围内连续可调。一般得数控机床，其进给速度都在1m/min-24m/min得范围内。在这一调速范围内，要求速度均匀、稳定、低速时无爬行现象，还要求在零速时，伺服电机处于电磁锁住状态，以保持定位精度不变。b) 位移精度高：即输出的位移量有较高的精度，也就是实际位移与指令位移之差值要小。现代数控机床的位移精度一般为0.01-0.001mm，甚至可高到0.1m。按本次设计的要求可知，本机床定位精度要求在0.005/300mm，重复定位精度为0.0025/300mm，系统的分辨率

35、为0.001mm。c) 稳定性好： 即负载特性要硬，当负载发生变化或承受外界干扰的情况下，输出速度应基本不变，而且保持平稳均匀。稳定性是伺服系统能够正常工作的最基本的条件，所谓稳定的系统，即系统在输入量改变，启动状态或外界干扰下，其输出量经过几次衰减振荡后，能迅速的稳定在新的或原有的平衡状态下。 d) 动态响应快：即有高的灵敏度，达到最大的稳态速度的时间要短，一般要求在200-400ms，甚至小于90ms。动态响应的快慢，反映了系统跟踪精度的高低，直接影响轮廓加工精度的高低和加工表面的质量。系统的动态响应速度越快，则加工的效率越高，轨迹跟随精度也就越高，但响应速度过快，就会造成系统的超调，甚至

36、会引起系统的不稳定。因此不能一味的追求极高的动态响应速度，而应根据实际情况选择合适的响应速度。综上所述，数控机床的伺服进给驱动系统的设计要求可归纳为：调速范围宽、位移精度高、稳定性好和动态响应快四个方面。2) 伺服进给系统的设计要求机床的位置调节精度对进给伺服系统提出了很高的要求。a) 在静态设计方面有： 能够有效的克服摩擦力和负载 很小的进给位移量 高的静态扭转刚度 宽的调速范围 进给速度均匀，低速时无爬行现象b) 在动态设计方面的要求有： 具有足够的加速和制动扭矩，以便快速地完成启动、制动过程 具有良好的动态传递性能，以保证在加工中获得高的轨迹精度和满意的表面质量。 负载引起的轨迹误差尽可

37、能小。c) 对数控机床机械传动部件有以下要求： 被加速的运动部件具有较小的惯量。 整个机械系统具有高的刚度、良好的阻尼特性。传动部件在拉压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙等方面应具有尽可能小的非线性。2.1.2 伺服系统的类型分析与选择伺服系统按不同的方式划分，可分为不同的类型，其中最常见的按控制原理分类。伺服系统根据控制原理，即有无检测反馈传感器及其检测部位，可分为开环、半闭环、闭环三中基本的控制方案，现对其分别分析：1) 开环控制系统 a) 工作原理这种系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机等。它由系统送出进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，驱动步进电机转动，通过齿轮副与滚

38、珠丝杆螺母副驱动执行部件，从而实现对运动的控制。图2-1 开环控制系统示意图b) 特点及适应范围这类系统设有检测反馈装置，数控装置发出的指令信号的流程是单向的其精度主要取决于驱动器件和伺服电机的性能。工作台的移动速度和位移量是由输入的脉冲频率和脉冲量决定的。这类系统的结构简单，价格低廉，工作台比较稳定，调试方便。但其精度低、速度低、低速稳定性差，效率也相对低下，因而适用于经济数控和老设备的改造等精度和速度要求不高的场合。 2) 半闭环控制系统 a) 工作原理这类系统在电机轴端安装有位置检测装置，机床的传动丝杆和工作台等不包括在环内，数控系统对反馈信号进行处理。并补偿误差后，再发送补偿后的信号对

39、伺服电机的转速进行控制，从而控制运动部件的运动。图2-2 半闭环控制系统b) 特点及适用范围在定位精度方面，由于机械传动装置的误差及反向间隙检测等同元件的误差一起限制了位置控制精度，所以定位精度不是很高；在稳定性方面，机械传动装置的刚性，摩擦阻尼特性及间隙等非线性性因素都不在位置控制环内，所以稳定性较好。它主要适用于精度较好，经济性良好的数控机床。3) 闭环控制系统 a) 工作原理闭环控制系统采用直线型位移测量元件（直线感应同步器和长光栅等）对机床工作台位移直接测量并进行反馈控制。图2-3 闭环控制系统 b) 特点及适用范围位精度方面，由于闭环系统能够补偿机械传动装置中的各种误差、间隙及干扰的

40、影响，定位精度高，可达0.0010.003mm（最高可达位置检测元件的精度）；在稳定性方面，由于进给丝杆的拉压，扭转刚度以及摩擦阻尼特性过间隙等非线性因素都包括在位置控制闭环内，所以若参数匹配适当，将引起系统振荡，大大降低了系统的稳定性。这给系统设计、调整带来了一定的困难。总之，闭环控制系统能获得相对较高的速度和精度，但价格非常高，维护也非常困难，故只适用于精度要求和速度要求非常高的精密、超精密的大型数控机床。2.1.3 伺服进给系统的选择1) 分析系统的分辨率为0.001mm，机床的定位精度是0.005/300mm，重复定位精度是0.0025/300mm，铣削速度为1000mm/min。由上

41、可见，该机床的精度和速度都不是非常高，再考虑到，设计出的机床定位于较高的性价比，在基本能满足要求的情况下，尽可能降低成本。再结合前文对各种控制的描述分析可以看出，半闭环控制系统基本能够满足设计要求，同时其具有相对低廉的价格和较高的性价比。因此，本次设计的伺服进给系统选用的是半闭环控制系统。2) 结论本次设计中的PCB数控四轴钻铣床，根据设计中的精度要求及考虑到机床的经济性能要求，确定本机床采用边移动、边加工、边变速、边定位的半闭环连续交流控制伺服进给系统。2.2 传动部件的选择设计2.2.1 滚珠丝杆副的选择计算这部分参见文献2机床设计手册第二册和和文献14现代机械传动手册。1) 滚珠丝杆副的

42、工作原理滚珠螺旋传动是在螺杆和螺母的滚道之间，放入适量的滚动体，是螺杆和螺母之间由滑动摩擦变为滚动摩擦的螺旋传动。当螺杆（或螺母）转动时，滚动体依次沿螺纹滚道滚动，并促使螺母（或螺杆）作直线运动。为了防止滚动体在运动过程中由螺纹滚道滚出，在螺母或螺杆上设有滚动体返回装置，使滚动体沿滚道面运动后能自动的返回其入口处，形成循环回路，从而不断地参与工作。而滚动体采用钢球地滚动螺旋传动，即为滚珠丝杆副。图2-4 滚珠丝杆副 2) 滚珠丝杆副的特点 a) 滚珠丝杆副的地优点有以下几个方面： 摩擦小、传动效率高。 一般情况下，其机械效率可达90%以上，约比滑动丝杆传动地机械效率高2-4倍。因而，在同样的负

43、荷下驱动扭矩较滑动丝杆传动减少2/3-3/4，同时它的逆传动效率也很高，接近于正传动效率。因此，它可以比较容易的把直线运动（或旋转运动）转化为旋转运动（或直线运动）。在伺服控制系统中采用滚动螺旋传动，不仅提高了传动效率，而且还可以减少启动力矩、颤动及滞后时间。 灵敏度高、传递平稳。 由于时滚动摩擦，动、静摩擦系数相差极小，无论时静止还时高速或低速时，摩擦扭矩几乎不变。 传动精度高。 由于摩擦力小，工作时螺杆的热变形小，螺杆尺寸稳定，并且经调整预紧后，可得到无间隙传动，因而，具有较高得传动精度，定位精度和轴向刚度。 磨损小、寿命长。 滚珠丝杆副得主要零件，如丝杆、螺母、滚珠和滚珠循环返回装置得部

44、分零件，均采用优质得合金钢制成，其滚道表面淬火硬度至HRC60-62，并有较低得表面粗糙度，再加上滚动摩擦得磨损小，因而具有良好得耐磨性，而且可高速运行。 同步性好。 用几套相同得滚珠丝杆副同时传动几个相同的运动部件，可得到较好得同步运动。 具有传动得可逆性。 可靠性高，滑动密封装置结构简单，维修方便。 b) 滚珠丝杆副的缺点是： 不能自锁。 在需要自锁功能的地方，如，用于垂直方向的传动时，必须在系统中附加自锁式制动装置。 结构复杂，成本高，价格往往以滚珠丝杆有多少毫米来计算。3) 滚珠丝杆副的选取与校核 a) 分析当滚珠丝杆副在高速或中等转速下（n10转/分）工作时，其失效的主要形式为滚道或滚珠表面的摩擦点蚀，此种情况下滚珠丝杆副基本尺寸的选择应以疲劳寿命为依据，即按额定运动载荷进行选用计算。当滚珠丝杆副在低速（n10转/分时，其失效的主要形式为螺纹滚道或滚珠表面产生过大的塑性变形。这种情况下滚珠丝杆副的基本尺寸的选择应按照静载荷进行选择。本数控机床采用电机与丝杆直接相连的驱动方式，其伺服电机采用美国A-B公司生产的1326型交流伺服电机。一般情况下，滚珠丝杆副的承载能力取决于其抗疲劳能力，故首先应按寿命条件几额定动载荷选择或校核其基本参数