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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻綜述） 第 10 頁
數(shù)控機床的歷程和數(shù)控工作臺的設(shè)計概述
摘要
數(shù)控技術(shù)可以說就是先進制造技術(shù)的基礎(chǔ)，體現(xiàn)著數(shù)控技術(shù)的數(shù)控機床和數(shù)控技術(shù)本身就理所當(dāng)然地成為制造業(yè)關(guān)注的重點。
計算機控制的數(shù)控機床、數(shù)控加工中心的高精度、高度柔性化及適合加工復(fù)雜零件的性能，正好滿足當(dāng)今市場競爭和工藝發(fā)展的需要。所以，計算機數(shù)字控制技術(shù)的應(yīng)用是機械制造行業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志，在很大程度上決定了企業(yè)在市場競爭中的成敗。
其中，數(shù)控工作臺采用滾珠直線導(dǎo)軌副為導(dǎo)向支承，滾珠絲杠副是運動執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)。具有精度高、效率高、壽命長、磨損小、節(jié)能低耗、磨擦系數(shù)小、結(jié)構(gòu)緊湊、通用性強等特點。目前已廣泛應(yīng)用于測量、激光焊接、激光切割，涂膠、打孔，插件、小型數(shù)控機床、射線掃描、雕銑機及實用教學(xué)等場合。
通過這些文字的說明，使得更加全面的了解數(shù)控工作臺，為順利的完成數(shù)控工作臺的三維造型設(shè)計及關(guān)鍵零部件的工藝設(shè)計做好準備。
關(guān)鍵詞：數(shù)控工作臺，三維造型，工藝設(shè)計
前言
數(shù)控機床的出現(xiàn)是20世紀機床工業(yè)的主要特點。數(shù)控機床的出現(xiàn)和發(fā)展,有效地解決了高精度、復(fù)雜零件的生產(chǎn)自動化問題[1]。數(shù)控機床是一種裝有計算機數(shù)字控制系統(tǒng)的機床，數(shù)控系統(tǒng)能夠處理加工程序，控制機床自動完成各種加工運動和輔助運動。與普通機床相比，數(shù)控機床能夠自動換刀，自動變更切削參數(shù)，完成平面、回旋面、平面曲線和空間曲面的加工，加工精度和生產(chǎn)率都比較高，因而應(yīng)用日益廣泛。在制造業(yè)中，機械工業(yè)是制造業(yè)的基礎(chǔ)與核心。發(fā)展機械制造業(yè)是發(fā)展國民經(jīng)濟和發(fā)展生產(chǎn)力的一項關(guān)鍵性的的戰(zhàn)略措施。而21世紀機械制造業(yè)的競爭，其實質(zhì)就是數(shù)控技術(shù)的競爭。
X-Y數(shù)控工作臺的設(shè)計可用于刻字設(shè)備、微型簡易數(shù)控鉆/銑床的改造等，是一種多用途的機電一體化裝置。其主要功能是通過X-Y軸的聯(lián)動，可在二維平面內(nèi)實現(xiàn)任意點或軌跡的運動控制。
1數(shù)控機床的發(fā)展歷程
到19世紀末、世界上已經(jīng)有了車床、轉(zhuǎn)塔車床、回輪式車床、單軸和三軸自動車床、臥式銑床、龍門銑床、平面磨床、滾齒機、插齒機等。所以，到19世紀末.世界機床工業(yè)已具有了相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)[2]。
1903年美國萊特(W Wrlght and O Wrlgh)兄弟研制了第一架飛機。20世紀初，機床開始采用單獨電動機驅(qū)動，取代了過去的天軸傳動。在中國，直到50年代初，不少地方都還存在有天軸傳動的痕跡。
20世紀隨著機床工業(yè)的發(fā)展，適應(yīng)汽車工業(yè)的需要、高精度、高效率、高自動化的坐標(biāo)鍵床、磨床、齒輪機床、組合機床大量出現(xiàn)；其中，數(shù)控機床和功能復(fù)合、柔性化、系統(tǒng)集成化亦是20世紀機床工業(yè)最顯著的特征之一。
20世紀中國機床工業(yè)的迅速崛起。在數(shù)控機床方面，中國1958年開始起步，60年代有了正式的數(shù)控機床產(chǎn)品。70年代，開始研制出加工中心。80年代研制出FMC，F(xiàn)MS，而且根據(jù)中國國情，還提出了數(shù)控機床與普通機床并存的獨立制造島(Alone Manufacturing Island)方案。80年代后，世界上掀起了研究實施CIMS的熱潮，應(yīng)該說，F(xiàn)MC、FMS、CIMS的基礎(chǔ)之一，就是數(shù)控機床，而實施FMC、FMS、CIMS又進一步帶動了數(shù)控機床的發(fā)展。
1.1數(shù)控機床的主體機構(gòu)的特點
(1)由于采用了高性能的無級變速主軸及伺服傳動系統(tǒng)，數(shù)控機床的機械傳動結(jié)構(gòu)大為簡化，傳動鏈也大大縮短。
(2)為適應(yīng)連續(xù)的自動化加工和提高加工生產(chǎn)率，數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)具有較高的靜、動態(tài)剛度和阻尼精度，以及較高的耐磨性，而且熱變形小。
(3)為減小摩擦、消除傳動間隙和獲得更高的加工精度，更多地采用了高效傳動部件，如滾珠絲杠副、滾動導(dǎo)軌和消隙齒輪傳動副等。
(4)為了改善勞動條件，減少輔助時間，改善操作性，提高勞動生產(chǎn)率，采用了刀具自動夾緊裝置、刀庫與自動換刀裝置及自動排屑裝置等輔助裝置[3]。
1.2數(shù)控機床機構(gòu)的具體要求
(1)較高的機床靜、動態(tài)剛度 數(shù)控機床是按照數(shù)控編程或手動輸入數(shù)據(jù)方式提供的指令自動進行加工的。由于機械結(jié)構(gòu)(如機床床身、導(dǎo)軌、工作臺、刀架和主軸箱等)的幾何精度與變形產(chǎn)生的定位誤差在加工過程中不能人為地調(diào)整與補償，因此，必須把各處機械結(jié)構(gòu)部件產(chǎn)生的彈性變形控制在最小限度內(nèi)，以保證所要求的加工精度與表面質(zhì)量。為了充分發(fā)揮數(shù)控機床的高效加工能力，并能進行穩(wěn)定切削，在保證靜態(tài)剛度的前提下，還必須提高動態(tài)剛度。
(2)減少機床的熱變形 在內(nèi)外熱源的影響下，機床各部件將發(fā)生不同程度的熱變形，工件與刀具之間的相對運動關(guān)系遭到破壞，機床精度下降。對于數(shù)控機床來說，因為全部加工過程是指令控制的，熱變形的影響就更為嚴重。
(3)減少運動間的摩擦和消除傳動間隙 數(shù)控機床工作臺的位移量是以數(shù)控裝置脈沖當(dāng)量為最小單位的，通常又要求能以極低的速度運動，但速度很低就容易造成爬行無法準確快速響應(yīng)。為了使工作臺能對數(shù)控裝置的指令做出準確響應(yīng)，就必須采取相應(yīng)的措施響應(yīng)數(shù)控裝置的指令。數(shù)控機床的加工精度在很大程度上取決于進給傳動鏈的精度。除了減少傳動齒輪和滾珠絲杠的加工誤差之外，另一個重要措施是采用無間隙傳動副。
(4)提高機床的壽命和精度保持性 為了提高機床的壽命和精度保持性，在設(shè)計時應(yīng)充分考慮數(shù)控機床零部件的耐磨性，尤其是機床導(dǎo)軌、進給伺服驅(qū)動和主軸部件等影響精度的主要零件的耐磨性。在使用過程中，應(yīng)保證數(shù)控機床各部件潤滑良好。
(5)減少輔助時間和改善操作性能 在數(shù)控機床的單件加工中，輔助時間占有較大的比重。要進一步提高機床的生產(chǎn)率，就必須最大限度地壓縮輔助時間。
2數(shù)控工作臺的運行機理
數(shù)控機床是一種高度自動化的機床，在加工工藝與加工表面形成方法上，與普通機床是基本相同的，最根本的不同在于實現(xiàn)自動化控制的原理與方法上。數(shù)控機床是用數(shù)字化的信息來實現(xiàn)自動控制的，將與加工零件有關(guān)的信息——工件與刀具相對運動軌跡的尺寸參數(shù)(進給執(zhí)行部件的進給尺寸)，切削加工的工藝參數(shù)(主運動和進給運動的速度、切削深度等)以及各種輔助操作(主運動變速、刀具更換、冷卻潤滑液啟停、工件加緊松開等)等加工信息——用規(guī)定的文字、數(shù)字和符號組成的代碼，按一定的格式編寫成加工程序單，將加工程序通過控制介質(zhì)輸入到數(shù)控裝置中，由數(shù)控裝置經(jīng)過分析處理后，發(fā)出各種與加工程序相對應(yīng)的信號和指令控制數(shù)控機床進行加工。數(shù)控機床的控制原理通過下述的數(shù)控機床的各系統(tǒng)得以實現(xiàn)其功能[4]。
X-Y數(shù)控工作臺是生產(chǎn)或教學(xué)中應(yīng)用最為普遍的一種機電一體化產(chǎn)品,它包含了機械和電氣控制兩部分[5]。
機械部分中的進給過程，如圖2.1所示，縱向底座與機床工作臺連接,由縱向運動滾珠絲杠、減速器及X向步進電機構(gòu)成的軸系安裝在縱向底座的軸承中,螺母固定在縱溜板上,由步進電機驅(qū)動縱溜板沿底座上的矩形導(dǎo)軌縱向運動[6]。由橫向運動滾珠絲杠、減
1-工作臺橫向部分；2-縱溜板；3-縱向滾珠絲杠螺母副；4-，9-軸承；5-減速器；6-步進電機；
7-右聯(lián)軸器；8-剛性聯(lián)軸器；10-左聯(lián)軸器；11-刻度盤；12-縱向底座；13-手輪.
圖2.1 數(shù)控工作臺運作機理示意圖
速器及Y向步進電機構(gòu)成的橫向軸系安裝在縱溜板上的軸承中,螺母與橫溜板固連,由步進電機驅(qū)動橫溜板沿縱溜板上的導(dǎo)軌橫向運動。
傳動驅(qū)動部分包括步進電動機的驅(qū)動和電磁鐵的驅(qū)動,步進電動機須滿足快速急停、定位以及退刀時能快速運行、工作時能帶動工作臺并克服外力(如切削力、摩擦力)并以指令的速度運行。
3數(shù)控工作臺的結(jié)構(gòu)組成
3.1滾珠絲杠驅(qū)動的數(shù)控工作臺的物理模型：
圖3.1 數(shù)控工作臺的物理模型
3.2數(shù)控工作臺的工作簡圖：
圖3.2 數(shù)控工作臺的工作簡圖
3.3數(shù)控工作臺相應(yīng)部件的連接關(guān)系[7]：
圖3.3 數(shù)控工作臺相應(yīng)部件的連接關(guān)系
根據(jù)以上的圖示分析，數(shù)控工作臺是由驅(qū)動電機、電機支承、聯(lián)軸器、前端軸承、前端軸承座、滾珠絲杠、滾珠螺母、后端軸承、后端軸承座、導(dǎo)軌和工作臺等組成，是一個復(fù)雜的動力學(xué)系統(tǒng)。
4數(shù)控工作臺的設(shè)計特點
數(shù)控工作臺是數(shù)控設(shè)備中的重要附件之一。它的主要功能是將兩個數(shù)控工作臺組裝在一起后，構(gòu)成X-Y數(shù)控工作臺，實現(xiàn)兩個坐標(biāo)的定位和聯(lián)動。數(shù)控工作臺兩側(cè)的結(jié)合面位置及工作臺行程均可根據(jù)用戶的需要進行特殊的定制。數(shù)控工作臺工作行程一般以被加工零件的切削長度和刀盤的直徑大小來確定。行程S=L+D+備量，L為工件切削長度，D為刀盤直徑。二維工作臺的組成原則是上層工作臺行程一定要≤下層工作臺行程。
其中，數(shù)控銑床的工作臺，不僅要平整還要與主軸刀具保持垂直。即使把工件磨得很光滑平整、主軸及刀具的垂直度精度很高，也會存在著裝配誤差以及由于地基不平所帶來的誤差。因此，工作臺的加工方式可采用“自干自”的加工方法。
數(shù)控工作臺的型號的表示方法如圖4.1所示：
圖4.1 數(shù)控工作臺的型號的表示方法
4.1導(dǎo)軌
導(dǎo)軌采用直線導(dǎo)軌[8]。其優(yōu)點有：（1）噪音低，音質(zhì)好；（2）卓越的高速性，壽命長；（3）長期無需維修保養(yǎng)；（4）運動平滑穩(wěn)定，磨擦阻力小。
4.2進給機械系統(tǒng)
進給機械系統(tǒng)均采用滾珠絲杠和滾動導(dǎo)軌副。其優(yōu)點：（1）傳動效率高；（2）運動平穩(wěn)；（3）高精度；（4）高耐用性；（5）同步性好；（6）高可靠性；（7）無背隙與預(yù)緊。
4.3驅(qū)動方式
采用交流伺服同步電機。其優(yōu)點有：（1）無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養(yǎng)的要求低；（2）定子繞組散熱比較方便；（3）慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性；（4）適應(yīng)于高速大力矩的工作狀態(tài)；（5）同功率下有較小的體積和重量。
4.4直線導(dǎo)軌
有兩條直線導(dǎo)軌安裝在底板上，在導(dǎo)軌上安裝有兩個導(dǎo)軌副，它支撐著整個工作臺的重量，但絲杠本身幾乎不承載重量。
4.5滾珠絲杠
滾珠絲杠的型號規(guī)格如圖4.2所示：
圖4.2 滾珠絲杠的型號規(guī)格
4.6電機的選定
驅(qū)動轉(zhuǎn)矩Mta(Mta＝Fa×Ph0/(2000×π×η))與由預(yù)加載荷而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩Mte(Mte＝Fa0×Ph0×Kp/(2000×π×η))在電機選型時需要進行適當(dāng)?shù)姆治?在精確設(shè)計中還要考慮各方面的轉(zhuǎn)矩，如：加速度時的負載轉(zhuǎn)矩及馬達所負荷的總慣性矩等。
平均速度時最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩Mt1為：Mt1＝Mta＋Mte。
電機的選定，一般來說以平均速度時的Mt1在電機額定轉(zhuǎn)矩的30%以內(nèi)情況下使用，則電機額定轉(zhuǎn)矩為M＝Mt1/0.3。
查交流伺服電機性能表，選取符合規(guī)格的電機型號。
4.7校驗及其他
（1） 絲杠理論容許軸向載荷Fk Fk＝fFk×(d2)4/(LK)2×104
（2） 絲杠工作容許軸向載荷Fkzul Fkzul＝Fk/2
（3） 臨界轉(zhuǎn)速nk nk＝fnk×d2/Ln2×107
（4） 允許工作轉(zhuǎn)速nkper nkper≤0.8×nk
數(shù)控機床系統(tǒng)的聯(lián)接結(jié)構(gòu)采用電機與滾珠絲杠直接相聯(lián)的方式，就需要借助聯(lián)軸器讓它們相聯(lián)。聯(lián)軸器是用來將原動機所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩傳遞給從動機的裝置。
5數(shù)控工作臺的應(yīng)用
雙坐標(biāo)X-Y數(shù)控工作臺可廣泛應(yīng)用于測量、激光焊接、激光切割，涂膠、插件、射線掃描、機械手、搬運、機床改造、專機制造及實用教學(xué)等領(lǐng)域?？筛鶕?jù)生產(chǎn)的實際需要選擇步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機作為驅(qū)動；并且在特殊需要的情況下，還可以安裝防塵、電器限位等裝置。
6數(shù)控工作臺的日常維護
通過對機械狀態(tài)測試、數(shù)據(jù)分析與故障診斷，可以確定機械的實時工作狀態(tài)及所需的各種參數(shù)以及確定機械的故障形式和故障部位，直至檢測出發(fā)生故障的零部件或元器件，從而可以對有故障的機械進行快速監(jiān)測和維修[9]。
故障診斷就其診斷內(nèi)容來說極為廣泛，包含有命令，運行參數(shù)，軸的運行失調(diào)等。故障診斷模塊的主要功能是當(dāng)主機向運動控制器發(fā)送命令出錯時，顯示出錯的原因，根據(jù)出錯的原因，排除故障使系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。
7中國數(shù)控機床的未來之路
(1)提高技術(shù)開發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新能力,鼓勵產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合,理順研發(fā)機制[10]。數(shù)控機床要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,首先必須擁有較強的產(chǎn)品開發(fā)能力,要具備快速反應(yīng)市場需求、運用各種先進設(shè)備技術(shù)、及時推出新產(chǎn)品的綜合能力。只有針對中國國情并參考發(fā)達國家經(jīng)驗,建立起產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新體系,集中產(chǎn)品研發(fā)優(yōu)勢,不斷提升產(chǎn)品的技術(shù)含量,企業(yè)才能形成核心競爭力,并保持技術(shù)優(yōu)勢,獲得持續(xù)發(fā)展的空間。
(2)制造裝備的高水平和高效率。數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)化基地的自身裝備水平應(yīng)該首先達到高質(zhì)量、高效率,這也是與一般機床制造企業(yè)的最大區(qū)別之一。
(3)發(fā)展功能部件,打造現(xiàn)代化機床。數(shù)控功能部件是指數(shù)控系統(tǒng)、主軸單元、數(shù)控刀架和轉(zhuǎn)臺、滾珠絲杠副和滾動直線導(dǎo)軌副、刀庫和機械手、高速防護裝置等。功能部件技術(shù)水平及社會整體配套水平直接決定和影響著數(shù)控機床的整機水平和性能。
(4)擴大生產(chǎn)規(guī)模,提升產(chǎn)業(yè)水平。首先,我國數(shù)控機床制造要在規(guī)模生產(chǎn)上取得突破,形成以產(chǎn)業(yè)鏈組成的相對穩(wěn)定的企業(yè)合作群體。其次,我國數(shù)控機床制造企業(yè)要以自主技術(shù)創(chuàng)新為主,通過信息技術(shù)的應(yīng)用,提高產(chǎn)品的檔次和水平,使企業(yè)擁有自己的核心技術(shù)、核心產(chǎn)品和核心人才。在數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)化建設(shè)中,企業(yè)要打造自己的產(chǎn)品品牌,提高企業(yè)和產(chǎn)品的信譽度,讓國產(chǎn)數(shù)控機床得到廣大用戶的認同。再次,提升企業(yè)適應(yīng)市場變化的能力。
我國數(shù)控機床裝備制造業(yè)只要堅持以市場為導(dǎo)向、高效運營、人才激勵、增強凝聚力的發(fā)展原則,就一定能在數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)化中取得新的突破,也一定會使中國的數(shù)控機床裝備制造業(yè)早日跨入世界數(shù)控機床制造強國的行列。
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