（精密儀器及機(jī)械專業(yè)論文）小型精密鐘表機(jī)床的研制(精密儀器及機(jī)械專業(yè)優(yōu)秀論文).pdf

上海大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 摘要 鐘表師在制作鐘表零部件時(shí)，往往需要一臺(tái)小型精密鐘表機(jī)床，文獻(xiàn)表明： 現(xiàn)有的鐘表機(jī)床存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能單一、精度較低、等缺點(diǎn)，因而開發(fā)一臺(tái)結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、功能多樣化、精度較高的小型鐘表機(jī)床有其現(xiàn)實(shí)意義。 本文設(shè)計(jì)的鐘表機(jī)床包括基座、三維精密工作臺(tái)、支架、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及主軸 系統(tǒng)五大部分。根據(jù)鐘表及微小零件加工的一般要求，通過科學(xué)的分析，得出該 機(jī)床較為合理的基本技術(shù)參數(shù)和精度指標(biāo)；同時(shí)，也確立了機(jī)床的加工功能，它 與各種機(jī)床附件的配合使用可完成：車削、銑削、鉆孔、鏜孔、表面打磨和拋光 等機(jī)加工。本文完成了機(jī)床的總體設(shè)計(jì)、機(jī)床機(jī)械部分各主要機(jī)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)、 電器控制部分設(shè)計(jì)；并采用s o l i dw o r k s 軟件對(duì)機(jī)床進(jìn)行了三維實(shí)體造型；借助 a n s y s 軟件對(duì)機(jī)床的關(guān)鍵零部件作了有限元分析，并以此指導(dǎo)設(shè)計(jì)，有效提高 了機(jī)床的精度；設(shè)計(jì)過程中，作者對(duì)機(jī)床的主體機(jī)構(gòu)作了精度分析和校核，證明 了該設(shè)計(jì)可以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。 在設(shè)計(jì)期間，充分考慮到機(jī)床光、機(jī)、電一體化產(chǎn)品方向的后續(xù)發(fā)展，作者 對(duì)機(jī)床自動(dòng)控制裝置、光學(xué)顯微鏡裝置的添加預(yù)留了接口，并對(duì)此作了初步的探 討。 關(guān)鍵詞：鐘表機(jī)床變頻調(diào)速器三維實(shí)體造型有限元分析精度分析 小型精密鐘表機(jī)床的研制 t h er do fm i n i a t u r ep r e c i s i o nh o r o l o g i c a lm a c h i n et o o l a b s t r a c t w h e nt h eh o r o l o g i s tm a n u f a c t u r e st h ec o m p o n e n t so ft h ew a t c h ，i ti sn e c e s s a r y f o rh i mt oh a v eam i n i a t u r ep r e c i s i o nh o r o l o g i c a lm a c h i n et 0 0 1 a c c o r d i n gt ot h e c o l l e c t i n gd a t u m ，m a n yh o r o l o g i c a lm a c h i n et o o l si nt h em a r k e th a v es u c hd e f e c t sa s ， c o m p l i c a t e d ，l i t t l ef u n c t i o n sa n dl o wp r e c i s i o ne t c a sar e s u l t ，t h ea u t h o rd e s i g n sa m i n i a t u r eh o r o l o g i c a lm a c h i n et o o l 謝也t h ec h a r a c t e r i s t i c s ：s i m p l es t r u c t i o n m a n y f u n c t i o n s ，a n dh i g hp r e c i s i o n t h em a c h i n et o o lm a i n l yc o n s i s t so ff i v ep a r t s t h e ya r et h e3 dp r e c i s i o n w o r k i n gt a b l e ，t h es u p p o r t i n gf r a m e ，t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s ma n dt h es p i n d l e s y s t e m a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t so ft h el i t t l ec o m p o n e n t so ft h e w a t c ha n dt h r o u g ht h es c i e n t i f i ca n a l y s i s ，t h ea u t h o rg e t st h er a t i o n a lp a r a m e t e r sa n d t h ei n d e xm a r ko f t h et 0 0 1 a tt h es a l i l et i m e ，t h ea u t u o rb u l i d st h et o o l sf u n c t i o n sw i t h t h eh e l po ft h ea c c e s s a r i e s ，s u c ha st u r n i n g ，m i l l i n g ，d r i l l i n g ，b o r i n g ，s u r f a c ed r e s s i n g a n dt h ep o l i s h i n ge t e i nt h i ss u b j e c t ，t h ea u t h o rf i n i s h e st h ew h o l ed e s i g np r o p o s a l ，t h e s t r u c t u r a ld e s i g no fa l lt h et o o l sm e c h a n i s m s a n df i n i s h e st h ed e s i g no ft h ee l e c t i c a l c o n t r o ld e v i c e a n dt h ea u t h o rc r e a t e st h em a c h i n et o o l s3 ds o l i dm o d e l 、i t l lt h eh e l p o f t h es o l i dw o r k sa n dc a r r i e so u tt h ef e a t ot h em a c h i n et o o l sk e yc o m p o n e n t sa n d t h er e s u l t sc a nb eu s e dt oi n s t r u c tt h ed e s i g n ，a n dt h u si ti su s e f u lt oi m p r o v et h e p r e c i s i o no ft h em a c h i n et 0 0 1 f u r t h e r m o r e ，t h e a u t h o rf i n i s h e st h et h e o r e t i c a l p r e c i s i o na n a l y s i so ft h em a c h i n et o o l ，i tp r o v e st h a tt h i sd e s i g nc a nr e a c ht h e a n t i c i p a t i v eg o a l i nt h ec o l l r s eo fd e s i g n ，c o n s i d e r i n gt h es u b s e q u e n td e v e l o p m e n tt h a tt h e m a c h i n et o o lw i l lb em a d ei n t oan e w p r o d u c ti n t e g r a t i n gw i t ht h eo p t i c s ，m e c h a n i c s a n de l e c t r o n i c s ，t h ea t u t h o rp r o v i d e st h ei n t e r f a c e sf o rt h em i c r o s c o p ee q u i p m e n ta n d t h ea u t o m a t i cc o n t r o ld e v i c e ，o nt h eo t h e rh a n d ，t h ea u t h o ra l s om a k e ss o m e p r e l i m i n a r ye x p l o r a t o r yr e s e a r c h k e y w o r d s ：h o r o l o g i c a lm a c h i n et o o l ，f r e q u e n c yv a r i a t i o ns p e e dc o n t r o l l e r , 3 ds o l i dm o d e l ，f e a ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) ，p r e c i s i o na r i a l y s i s i j 原創(chuàng)性聲明 本人聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作。 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已發(fā)表 或撰寫過的研究成果。參與同一工作的其他同志對(duì)本研究所做的任何 貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 本論文使用授權(quán)說明 本人完全了解上海大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保 留論文及送交論文復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)校可以公布論文的全部或 部分內(nèi)容。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 簽名：趁蕉瓠導(dǎo)師簽名：乜熏笪! 歪日期：蘭蜉! 臼筍 上海大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 t h ep o s f g r a d u a t e t h e s i so fs h a n g h a u n i v e r s i t y 第一章緒論 引言 隨著我國市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的多品種、小批量、個(gè)性 化的要求日益增強(qiáng)。鐘表業(yè)在這方阿的要求尤為突出，為滿足這種需求，開發(fā)小 型精密機(jī)床有廣闊的應(yīng)用價(jià)值，它適合獨(dú)立鐘表師的工作需求。本文就這一項(xiàng)目 丌展設(shè)計(jì)分析和研究。 1 1 1 課題背景【4 】 我國自二十世紀(jì)五十年代生產(chǎn)首款手表以來，鐘表產(chǎn)業(yè)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。 如今，我國每年的手表產(chǎn)量達(dá)十四億塊，時(shí)鐘產(chǎn)量達(dá)六億臺(tái)，分別占世界總產(chǎn)量 的百分之八十和百分之九十以上，成為鐘表生產(chǎn)的第一大國，然而中國鐘表在國 際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力并不強(qiáng)。經(jīng)營理念落后、出口產(chǎn)品技術(shù)含量低、品牌培育意識(shí) 不強(qiáng)等劣勢(shì)阻礙了我國鐘表產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。為此，我國的鐘表企業(yè)需采取重 研發(fā)、創(chuàng)名牌、走出去加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)，充分提高產(chǎn)品附加值的相應(yīng)對(duì)簸才能提升 我國鐘表的競(jìng)爭(zhēng)力。 對(duì)于一位獨(dú)立的鐘表師來說，鐘表零件一般是在機(jī)床上加工完成的。文獻(xiàn)表 明，目前市場(chǎng)上鐘表機(jī)床大多數(shù)有車、銑、鉆等單一的功能，但鐘表機(jī)構(gòu)一般都 較為復(fù)雜，有主夾板、夾板( 包括中央輪夾板、第四輪夾板、擺輪半夾板) 、擒 縱輪夾板。各種夾板上還有凸臺(tái)、沉孔等等，這樣，一個(gè)零件就很難在一臺(tái)單一 功能的機(jī)床上完成。夾板平面用銑床銑削，沉孔則采用鉆床進(jìn)行鉆削等等；更重 要的是，鐘表部件所要求的這種車削、銑削、鉆削等工藝的精度比較高，如果多 次裝夾顯然會(huì)影響加工精度，此外，鐘表零件表面的精飾加工往往需要工件與刀 具成不同的傾角；加工曲面時(shí)，要求銑刀在銑削時(shí)呈一定的傾斜。雖然這些要求 數(shù)控加工中心( c n c ) 能夠滿足，但對(duì)獨(dú)立鐘表師或規(guī)模較小的研發(fā)部門來說， 其投資成本太高。有鑒于此，研制一臺(tái)具有多自由度( 5 個(gè)自由度) 、多種功能 ( 具有車、銑、鉆等功能) 的小型鐘表機(jī)床是非常有必要的。經(jīng)市場(chǎng)調(diào)查、文獻(xiàn) 表明，尚無類似的機(jī)床出現(xiàn)。 1 1 2 國內(nèi)外“鐘表機(jī)床”的研究情況簡(jiǎn)介 1 1 2 1 機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì) 目前，機(jī)床的數(shù)控化、數(shù)控機(jī)床的p c 化是大勢(shì)所趨，與此同時(shí)，機(jī)床業(yè)還 在進(jìn)一步提高和開發(fā)高精度、高效率、高自動(dòng)化( 簡(jiǎn)稱“三高”) 、多樣性、成套 性、綜合性( 簡(jiǎn)稱“三性”) 的單機(jī)與環(huán)節(jié)?，F(xiàn)代機(jī)床制造業(yè)的發(fā)展，已經(jīng)擺脫 了單一工藝加工的束縛，多工藝復(fù)合加工機(jī)床不斷涌現(xiàn)，復(fù)合化也是近幾年機(jī)床 了單一工藝加工的束縛，多工藝復(fù)合加工機(jī)床不斷涌現(xiàn)，復(fù)合化也是近幾年機(jī)床 小型精密鐘表機(jī)床的研制 t h er do fm r n i a l u r ep r e c s i o nh o r o l o g i c a lm a c h i n et o o l 發(fā)展的模式，它將多種動(dòng)力頭集中在一臺(tái)機(jī)床上，工件一次裝夾就可完成多道工 序，從而提高工件的加工精度。在特殊加工機(jī)床領(lǐng)域，如混合式微型機(jī)床有了長(zhǎng) 足的發(fā)展( d e v e l o p m e n to f h y b r i dm i c r om a c h i n et 0 0 1 ) ；此外新技術(shù)在機(jī)床加工 業(yè)的應(yīng)用：如在銑削工藝中的刀具智能在線監(jiān)控系統(tǒng)( a ni n t e l l i g e n to n - l i n e m o n i t o r i n gs y s t e m ) i 拘研制等等，都是現(xiàn)代機(jī)床業(yè)發(fā)展的方向。 1 1 2 2 著名廠家生產(chǎn)的機(jī)床 就小型精密機(jī)床來說，瑞士、英國、美國、日本和德國生產(chǎn)的產(chǎn)品較為先進(jìn)。 瑞士更因其鐘表產(chǎn)業(yè)在國際上的領(lǐng)先地位，其生產(chǎn)的小型鐘表機(jī)床在市場(chǎng)上受到 青睞。 1 圖1 是瑞士威力銘w i l l m i n 一- 4 0 8 加工中心，它有 五軸五聯(lián)動(dòng)加工的能力。該加工中心除x 、y 、z 三自 由度直線運(yùn)動(dòng)外，還帶有一個(gè)擺動(dòng)盤和一個(gè)旋轉(zhuǎn)工作 臺(tái)。圖中，a 軸繞x 軸旋轉(zhuǎn)，b 軸繞y 軸旋轉(zhuǎn)，c 軸繞 z 軸旋轉(zhuǎn)，從而擺動(dòng)盤繞y 軸旋轉(zhuǎn)是b 軸，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái) 繞z 軸旋轉(zhuǎn)是c 軸。擺動(dòng)軸b 與旋轉(zhuǎn)軸c 垂直相交， 。， 擺動(dòng)盤b 的旋轉(zhuǎn)中心落在旋轉(zhuǎn)軸c 上，本課題需要研制 的機(jī)床與此加工中心在結(jié)構(gòu)上有些類似，并且它們都具 有五個(gè)自由度。 2 圖1 - 2 所示為美國s h e r l i n e 公司生產(chǎn)的m o d e l 4 5 0 0 小型車床。其特點(diǎn)是，該型 號(hào)機(jī)床配有大量的酣件，這些附件使該機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)車削、鏜削、鉆削、鉸孔、 拋光、成形面以及錐面加工等操作。速度 控制的范圍為7 0 r p m 到2 8 0 0 r p m 。利用調(diào) 零手輪，操作者可以隨時(shí)重新置零，從而 在加工時(shí)有利于消除因計(jì)算而引起的誤 差。 3 圖1 3 是s h e r l i n e 公司最近開發(fā)的 m o d e l 5 4 0 0 型小銑床。車床與銑床的不同圖l - 2 m o d e l 4 5 0 0 小型車床 在于：車床是工件旋轉(zhuǎn)、刀具固定，而銑 床是刀具旋轉(zhuǎn)、工件固定。m o d e l 5 4 0 0 系列小銑床目前是s h e r l i n e 公司的主流產(chǎn) 品，該型號(hào)機(jī)床的特點(diǎn)不僅在于其配有完善的附件，且其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也非常緊湊、 合理。該立式銑床可實(shí)現(xiàn)如飛刀切削，鉆削，擴(kuò)孔等操作。 上海大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 t h ep o s t g r a d u a t e1 h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 銑床在運(yùn)作時(shí)，刀具旋轉(zhuǎn)，工件固定不動(dòng)，因 而大型的零部件只要被裝夾牢固，就可在機(jī)床上加 工。機(jī)床主軸電機(jī)為大功率的直流電機(jī)，并配有變 頻調(diào)速裝置，可連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率范圍從5 0 h z 到 6 0 h z 而不損失扭矩。圖1 3 型號(hào)的小銑床可實(shí)現(xiàn)的 運(yùn)動(dòng)自由度為四，即空間沿x 、y 、z 軸線的直線 運(yùn)動(dòng)以及繞z 軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 4 圖1 _ 4 為s h e r l i n e 公司開發(fā)研制的 m o d e l 2 0 0 0 2 0 1 0 d e l u x e 8 d i r 銑床。它在保持了原來 功能的基礎(chǔ)上增加了豎直方向旋轉(zhuǎn)立柱沿z 軸的擺 轉(zhuǎn)，其幅度為一9 0 。 + 9 0 。，并且可通過激 圖卜3 m 0 d e l 5 4 0 0 型銑床 光雕刻的度盤準(zhǔn)確控 制擺轉(zhuǎn)角度。旋轉(zhuǎn)立柱附屬裝置的后面是一個(gè)轉(zhuǎn)向 節(jié)，可使得主軸箱靠近或遠(yuǎn)離操作人員實(shí)現(xiàn)傾斜。 另外，在新的基礎(chǔ)立柱上設(shè)計(jì)了一個(gè)主中心鎖緊裝 置，可使滑枕上下浮動(dòng)。這些輔助運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)了該型 號(hào)機(jī)床的功能。 圖1 - 4 m o d e l2 0 0 0 2 0 1 0 6 圖1 5 為s h e r l i n e 公司在基于m o d e l 5 4 0 0 型系列 小銑床的基礎(chǔ)上，在空間三坐標(biāo)軸( x 、y 、z ) 上安裝了三個(gè)步進(jìn)電機(jī)，再配有 合適的計(jì)算機(jī)軟硬件程序，就構(gòu)成了一個(gè)簡(jiǎn)單的c h l c 中心p n8 0 2 0 。它主要適 用于家庭作坊式手工藝人，他們希望利用c n c 的 優(yōu)點(diǎn)來成批力n q - d , 零件，以及加工一些手工不能完 成的的三維型面；同時(shí)該機(jī)床也適用于小型的研究 機(jī)構(gòu)，供研究人員從事開發(fā)、研究，學(xué)生也可借助 于該機(jī)床來學(xué)習(xí)如何操作c n c 。 我國2 0 0 4 年機(jī)床市場(chǎng)需求在產(chǎn)品方面有一下 特點(diǎn)： 圖1 5 洲8 0 2 0 c n c 門式框架結(jié)構(gòu)的機(jī)床繼續(xù)成為需求的熱點(diǎn)。 這種結(jié)構(gòu)剛性好，裝夾方便，易于形成高速、高效的特點(diǎn)。 普通機(jī)床繼續(xù)保持熱銷狀態(tài)，但經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床將進(jìn)一步替代普通機(jī)床的 部分市場(chǎng)。 小型精密鐘表機(jī)床的研制 t h er & do fm i n i a t u r ep r e c i s i o nh o r o l o g i c a lm a c h i n et o o l 對(duì)專門化及專用機(jī)床保持較高的需求。目前，專門化及專用的概念也有進(jìn) 一步的擴(kuò)大，用戶要求的是制造工藝和應(yīng)用工藝的結(jié)合，即符合用戶特殊工藝要 求的功能專業(yè)化的機(jī)床。 當(dāng)前，我國的鐘表業(yè)進(jìn)入了前所未有的好時(shí)期，世界鐘表企業(yè)高度集中在我 國，即意味著信息、人才、設(shè)備、資金、技術(shù)等行業(yè)發(fā)展優(yōu)勢(shì)資源的高度集中， 運(yùn)用好這些優(yōu)勢(shì)資源，不斷的去創(chuàng)新，開發(fā)新的產(chǎn)品那我們國家鐘表產(chǎn)業(yè)就會(huì)取 得更大的進(jìn)展。 1 2 本課題的研究目標(biāo)及意義 1 2 1 本課題研究目標(biāo) 課題的研究目標(biāo)是把鐘表機(jī)床設(shè)計(jì)成一臺(tái)如圖1 5 所示的帶有數(shù)控系統(tǒng)、集 成顯微鏡裝置的光、機(jī)、電一體化產(chǎn)品，它應(yīng)具有五個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度分別為x 、y 、 z ，以及繞z 軸的旋轉(zhuǎn)和繞z 軸的擺轉(zhuǎn)；配合機(jī)床附件它可完成車、銑、鉆、磨 等多種機(jī)加工：利用顯微鏡裝置的功能，它還可完成對(duì)微小元件的加工。 1 2 2 本課題的研究意義 機(jī)電一體化技術(shù)從2 0 世紀(jì)5 0 年代發(fā)展至今，開發(fā)的產(chǎn)品層出不窮。該技術(shù) 給傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)業(yè)和制造業(yè)從產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)方式和管理體制等方面也帶來了深 刻的變化，它是制造業(yè)特別是機(jī)械工業(yè)技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展的必然趨勢(shì)，本課題研制 的小型鐘表機(jī)床也是一種機(jī)電一體化產(chǎn)品。該機(jī)床不僅僅供鐘表師對(duì)鐘表零部件 進(jìn)行維修以及開發(fā)、研制新型的鐘表產(chǎn)品，同時(shí)也可供科研、教學(xué)單位或小型修 理業(yè)來完成單件、小批小型零件的機(jī)加工；此外還可進(jìn)行市場(chǎng)化運(yùn)作。 1 。3 本文的主要內(nèi)容概述 作者本著“實(shí)用化”的目的從機(jī)床的基本參數(shù)著手，完成了機(jī)床的總體方案 設(shè)計(jì)；整個(gè)機(jī)床的機(jī)械部分設(shè)計(jì)，包括基座、三維精密工作臺(tái)、支架、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、 主軸系等五個(gè)組成部分；對(duì)于電器控制部分的設(shè)計(jì)，作者運(yùn)用變頻調(diào)速技術(shù)完成 了主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的調(diào)速裝置設(shè)計(jì)；此外作者使用三維軟件s o l i d w o r k s 對(duì)機(jī)床進(jìn)行了 三維造型，提供了其三維造型圖；同時(shí)對(duì)機(jī)床的前景設(shè)計(jì)做了許多積極的探索。 4 上海大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 本文主要內(nèi)容包括： 第一章 本章緒論，分析了課題的研究背景，介紹了當(dāng)前國內(nèi)外小型鐘 表機(jī)床的研究現(xiàn)狀，闡述了課題的研究意義。 第二章介紹t d , 型精密鐘表機(jī)床的技術(shù)參數(shù)，提出了機(jī)床設(shè)計(jì)的總體 方案。 第三章 具體闡述了機(jī)床機(jī)械部分的設(shè)計(jì)，包括三維工作臺(tái)、支撐部件、 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及主軸系的設(shè)計(jì)。 第四章 電器控制部分設(shè)計(jì)，作者在本章中簡(jiǎn)要闡述了如何利用變頻調(diào) 速技術(shù)來控制微型三相異步電動(dòng)機(jī)，提出了具體的實(shí)施方案。 第五章利用三維造型軟件s o l i d w o r k s 建立機(jī)床的三維實(shí)體造型，并在 此基礎(chǔ)上利用a n s y s 軟件對(duì)機(jī)床重要零部件進(jìn)行了有限元分 析。 第六章闡述了精度分析的一般方法，對(duì)機(jī)床精度進(jìn)行了理論分析，找 出了其中的誤差源。并提出設(shè)計(jì)中相應(yīng)的控制措旌。 第七章對(duì)本文作了總結(jié)，提出了機(jī)床設(shè)計(jì)中存在的不足之處，對(duì)下一 步的工作做了展望。 1 4 本章小結(jié) 在本章中，作者對(duì)課題的研究背景以及國內(nèi)外相關(guān)鐘表機(jī)床的研究現(xiàn)狀作了 陳述，同時(shí)闡述了本課題的研究意義，并對(duì)本文的內(nèi)容安排作了簡(jiǎn)要說明。 小型精密鐘表機(jī)床的研制 t h er & do fm i n i a t u r ep r e c i s i o nh o r o l o g i c a lm a c h i n et o o l 第二章機(jī)床的技術(shù)要求及總體方案 2 1 機(jī)床的總體要求 本課題設(shè)計(jì)的多功能小型精密鐘表機(jī)床總體上有一下特點(diǎn)： 1 整體結(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)單，緊湊，具有很高的剛度。 一件成功的工業(yè)產(chǎn)品，須符合“實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、美觀”的設(shè)計(jì)原則。 2 力求設(shè)計(jì)的機(jī)床，其功能趨向多樣性。 所設(shè)計(jì)的小型鐘表機(jī)床，因鉸鏈機(jī)構(gòu)、機(jī)床支架可在0 0 9 0 0 ( 常用0 。、4 5 。和9 0 0 ) 之間擺轉(zhuǎn)、主軸端采用拉桿設(shè)計(jì)，使得機(jī)床功能趨向多樣化。 ( 1 ) 拉桿與夾具、小銑刀的配合使用，可實(shí)現(xiàn)立式銑削。 ( 2 ) 拉桿與夾具、小鉆頭的配合可實(shí)現(xiàn)鉆削。 ( 3 ) 在支架擺轉(zhuǎn)9 0 0 之后亦即支架呈水平狀態(tài)，拉桿與夾具、車刀、鏜刀 的配合可實(shí)現(xiàn)車削、鏜削。 ( 4 ) 水平方向工作臺(tái)進(jìn)給絲杠的傳動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)切制螺紋。 ( 5 ) 基于鐘表零件加工工藝的要求，該機(jī)床可實(shí)現(xiàn)對(duì)鐘表零件拋光的功能。 ( 6 ) 拉桿與夾具、小砂輪配合，借助于變頻調(diào)速器在速度上的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)磨 削工藝。 ( 7 ) 采用旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的分度功能，通過拉桿與夾具、齒輪滾、銑刀的配合 可實(shí)現(xiàn)n q - $ 十表齒輪( 一種特殊的修正擺線齒輪) 。 3 所設(shè)計(jì)的機(jī)床要有很高的精度：包括其幾何精度、運(yùn)動(dòng)精度、傳動(dòng)精度以及 動(dòng)態(tài)精度。 i 幾何精度：它是指機(jī)床在不運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)部件間相互位置精度和主要零件的形 位精度。本機(jī)床主要是主軸中心線相對(duì)工作臺(tái)移動(dòng)方向的垂直度和平行度，主軸 的端面跳動(dòng)和徑向跳動(dòng)。這些精度主要是由制造精度和裝配精度決定的。 i i 運(yùn)動(dòng)精度：是指機(jī)床在以工作速度運(yùn)動(dòng)時(shí)各主要零部件的幾何位置精度。 i i i 傳動(dòng)精度：它是指機(jī)床傳動(dòng)鏈各末端執(zhí)行件之間運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性和均勻 性。 i v 動(dòng)態(tài)精度：它是指機(jī)床在一切外來?xiàng)l件下，包括負(fù)載，周圍環(huán)境等的影 響下的零部件的形位精度。影響它的因素主要有機(jī)床的剛度、抗振性和熱變形等 等。一般情況下，機(jī)床的剛度越高其動(dòng)態(tài)精度就越高。 6 上海大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v b r s i t y 2 2 機(jī)床設(shè)計(jì)所要求的技術(shù)參數(shù)及總體結(jié)構(gòu) 2 2 1 機(jī)床的技術(shù)參數(shù) 本文設(shè)計(jì)的小型精密鐘表機(jī)床其技術(shù)參數(shù)如下表所示，附表1 為機(jī)床的主要 的加工精度指標(biāo)；附表2 為機(jī)床精度指標(biāo)，附表3 為機(jī)床主要的技術(shù)參數(shù)。 機(jī)床加工精度指標(biāo)附表1 機(jī)床精度指標(biāo)附表2 機(jī)床技術(shù)參數(shù)附表3 參數(shù)名稱單位精度指標(biāo)備注 平面度u m o 5 車、銑等操作 表面粗糙度 u m r a 0 8車、銑等操作 加工誤差 m mo 0 2 車、銑等操作 主軸徑向跳動(dòng)唧0 0 1 2 主軸 主軸軸向竄動(dòng)唧0 0 1 2 主軸 定位精度姍 0 0 2 工作臺(tái) 重復(fù)定位精度 岫0 0 1 5 工作臺(tái) 分度精度 秒5 繞z 軸擺轉(zhuǎn) 重復(fù)分度精度秒士3 繞z 軸擺轉(zhuǎn) 分度精度 秒 土5 繞z 軸旋轉(zhuǎn) 重復(fù)分度精度秒 士3 繞z 軸旋轉(zhuǎn) 回轉(zhuǎn)精度 j m l l0 0 0 1 主軸 參數(shù)名稱單位有效量程參數(shù)名稱單位有效量程 機(jī)床總體尺寸 m m2 8 0 2 7 5 3 8 0 繞z 軸擺轉(zhuǎn) 0 。1 2 0 o 加工區(qū)域范圍 m m一4 0 4 0 繞z 軸旋轉(zhuǎn) 0 。3 6 0 o 主軸中心距立 1 3 0 主軸變速范圍 r m l n1 0 0 2 8 0 0 柱表面距離 主軸端面距工 作臺(tái)面距離 5 4 進(jìn)給量 m m m i no 1 5 工作臺(tái)面尺寸m m2 0 0 x 1 6 0主電機(jī)k wo 1 8 小型精密鐘表機(jī)床的研制 t h er & do fm i n i a t u r ep r e c i s i o nh o r o l o g i c a lm a c h i n et o o l 2 , 2 2 機(jī)床的總體結(jié)構(gòu) 框圖1 機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)( 框圖1 ) 分三部分：機(jī)械部分、電器控制部分和光學(xué)部分。 機(jī)械部分設(shè)計(jì)主要包括基座、三維精密工作臺(tái)、支架、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及主軸系；電 器控制部分設(shè)計(jì)主要包括微型三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和x 、y 、 z 三個(gè)方向的步進(jìn)電機(jī)控制裝置設(shè)計(jì)；光學(xué)部分設(shè)計(jì)是在機(jī)床的基礎(chǔ)上集成顯微 鏡裝置。在本課題中，作者主要承擔(dān)機(jī)床機(jī)械部分設(shè)計(jì)；電器控制部分中有關(guān)微 型三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制部分以及光學(xué)裝置 的集成將在機(jī)床的后續(xù)設(shè)計(jì)中完成。作者在進(jìn)行機(jī)械部分設(shè)計(jì)時(shí)，為添加步進(jìn)電 機(jī)和集成顯微鏡裝置預(yù)留了空間。 2 3 機(jī)床總體設(shè)計(jì)方案 8 】【1 0 】【1 1 】 目前，制造業(yè)進(jìn)入了買方市場(chǎng)，顧客對(duì)產(chǎn)品的多樣化和個(gè)性化的要求越來越高 同時(shí)由于市場(chǎng)的全球化，企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，顧客對(duì)產(chǎn)品的交貨期和價(jià)格的 要求也越來越高。新工藝、新技術(shù)的不斷出現(xiàn)也使得從傳統(tǒng)大批量生產(chǎn)模式向“模 塊化設(shè)計(jì)”和制造方向轉(zhuǎn)變，計(jì)算機(jī)技術(shù)和成組技術(shù)的發(fā)展，以及制造的全球化 和網(wǎng)絡(luò)化，傳統(tǒng)單件生產(chǎn)模式也在向“模塊化設(shè)計(jì)”邁進(jìn)?！澳K化設(shè)計(jì)”是日趨 發(fā)展的一種新型設(shè)計(jì)方法。它的特點(diǎn)是：在功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)出一 系列功能模塊，通過模塊選擇與組合以構(gòu)成一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不 同性能、不同規(guī)格的系列產(chǎn)品。 此外，“可重組機(jī)床的設(shè)計(jì)方法”或“可重構(gòu)機(jī)床的設(shè)計(jì)方法”也是在近幾 年的發(fā)展中出現(xiàn)的一種新的設(shè)計(jì)理念。機(jī)床的可重組強(qiáng)調(diào)在機(jī)床設(shè)計(jì)的開始階段 上海大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s n y 就考慮如何使機(jī)床能夠根據(jù)今后一定的外部環(huán)境變化進(jìn)行相應(yīng)的重組。一般來說 衡量一臺(tái)機(jī)床是否具有可重組性有三個(gè)準(zhǔn)則：( 1 ) 機(jī)床結(jié)構(gòu)是否采用模塊化設(shè)計(jì)：( 2 ) 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)有無開放性；( 3 ) 機(jī)床是否易于與其他設(shè)備如物流系統(tǒng)集成，及由此 形成的生產(chǎn)線能否重構(gòu)。 機(jī)床產(chǎn)品的創(chuàng)新取決于總體方案的創(chuàng)新，其次是具體零部件的創(chuàng)新?？傮w方 案創(chuàng)新設(shè)計(jì)是機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它對(duì)機(jī)床的功能、性能、制造成本、制造周 期、外觀及其與外界( 物流系統(tǒng)或人) 的可視性等起著決定性的作用。 機(jī)床總體方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)，是充分利用成熟的零部件技術(shù)，創(chuàng)造出新的產(chǎn)品品 種。它的主要內(nèi)容可分為以下幾個(gè)方面： 1 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì) 主傳動(dòng)的傳動(dòng)方式有：經(jīng)普通電機(jī)和機(jī)械變速傳動(dòng)；變頻電機(jī)傳動(dòng)( 可 直接驅(qū)動(dòng)或經(jīng)帶輪或齒輪傳動(dòng)) ；伺服電機(jī)傳動(dòng)( 與主軸的傳動(dòng)方式同) 其 中為有級(jí)變速主傳動(dòng)；為無級(jí)變速主傳動(dòng)。 進(jìn)給傳動(dòng)的傳動(dòng)方式有：普通電機(jī)和機(jī)械變速傳動(dòng)；步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)； 伺服電機(jī)傳動(dòng)；直線電機(jī)。其中為有級(jí)變速主傳動(dòng)；為無級(jí)變速主傳 動(dòng)。 總體方案中的傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)是根據(jù)功能、性能要求和希望制造成本的設(shè)計(jì)條 件，合理的選擇確定最佳傳動(dòng)方案。一般來說無級(jí)變速傳動(dòng)的功能、性能好便于 自動(dòng)控制，但價(jià)格昂貴，有級(jí)變速傳動(dòng)的特點(diǎn)則剛剛相反。 2 執(zhí)行件運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式 執(zhí)行件運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式有：串聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式，傳統(tǒng)機(jī)床的執(zhí)行件( 安裝刀具 或工件的部件) 運(yùn)動(dòng)都是采用串連驅(qū)動(dòng)方式；并聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式，新型的并聯(lián)機(jī)床 ( 又稱虛擬軸機(jī)床) 的執(zhí)行件采用的是并聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式。并聯(lián)機(jī)床的特點(diǎn)是：理論 上機(jī)床的剛度、精度很高；執(zhí)行件重量輕，運(yùn)動(dòng)速度可以很高：運(yùn)動(dòng)控制復(fù)雜； 作業(yè)空間相對(duì)較小。而串聯(lián)驅(qū)動(dòng)機(jī)床的特點(diǎn)正好相反。因而出現(xiàn)了串聯(lián)、并聯(lián)相 結(jié)合的混聯(lián)式機(jī)床，以吸收串聯(lián)驅(qū)動(dòng)和并聯(lián)驅(qū)動(dòng)各自的優(yōu)點(diǎn)。 3 運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì) 運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)的任務(wù)就是確定機(jī)床的坐標(biāo)軸數(shù)、備坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)( 直線運(yùn) 動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)) ，各坐標(biāo)軸的排列順序以及各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)分配( 即各軸運(yùn)動(dòng)是 由工件和刀具的哪一側(cè)完成) 。一般來說機(jī)床的坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)軸數(shù)越多，功能越強(qiáng)， 所能完成的加工工藝范圍越寬，但價(jià)格也越貴。 4 機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì) 同一種運(yùn)動(dòng)功能方案的設(shè)計(jì)，可以有不同的結(jié)構(gòu)布局形式，例如三坐標(biāo)銑床 可以有立式、臥式、斜置式、滑枕式和龍門式等形式。機(jī)床總體結(jié)構(gòu)布局形式對(duì) 機(jī)床的整機(jī)性能、制造周期和成本影響重大。 9 小型精密鐘表機(jī)床的研制 t h er & do fm i n i a t u r ep r e c i s i o nh o r o l o g i c a lm a c h i n et o o l 5 控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì) 微機(jī)數(shù)字控制技術(shù)在機(jī)床上的應(yīng)用是機(jī)床現(xiàn)代化的標(biāo)志。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)有以 下幾種分類方式：按機(jī)床類型分，有點(diǎn)位元控制、直線控制和輪廓控制；按 控制器分，有硬件數(shù)控和計(jì)算機(jī)數(shù)控；按伺服系統(tǒng)控制環(huán)路分，有開環(huán)、閉環(huán) 和半閉環(huán)系統(tǒng)；按功能水平分，有高、中、低三類。控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)主要 根據(jù)機(jī)床類型及經(jīng)濟(jì)能力合理選擇。 6 總體方案評(píng)價(jià) 對(duì)總體方案主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)：方案的整機(jī)性能、柔性、與物流 的可親性、可重組能力、制造成本、制造周期、外觀造型、可靠性及可維護(hù)性。 上述評(píng)價(jià)因素中，部分因素是可以定量的，部分因素只能是定性的。 2 3 1 機(jī)床機(jī)械部分設(shè)計(jì)方案 基于以上對(duì)機(jī)床產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法和總體方案設(shè)計(jì)的敘述，考慮到后續(xù)設(shè)計(jì)中 集成顯微鏡光學(xué)裝置以及機(jī)床自動(dòng)控制系統(tǒng)的添加的可實(shí)施性，確定機(jī)床機(jī)械部 分的總體設(shè)計(jì)方案。方案l 和方案2 均采用臺(tái)式鉆床的總體結(jié)構(gòu)布局。 方案1 中，部件7 為傳動(dòng)模塊，采用的是微型異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)同步帶輪、同 步帶傳動(dòng)帶動(dòng)主軸系5 的傳動(dòng)模式，微型異步電動(dòng)機(jī)外接變頻調(diào)速器實(shí)旌對(duì)主軸 的同步變速，從而實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速的主傳動(dòng)。 運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的機(jī)床要求具有多功能的特點(diǎn)。機(jī)床具有5 個(gè)自由度， 如機(jī)床運(yùn)動(dòng)自由度示意圖所示：x 、y 、z 空間三個(gè)坐標(biāo)軸方向的直線運(yùn)動(dòng)，以 及繞z 軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)z r ( 可旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)3 ) 和繞z 軸的擺轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)( 支架6 在y o z 平面內(nèi)的擺轉(zhuǎn)) 。 上海大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 框圖2 為機(jī)床五自由度實(shí)現(xiàn)示意圖，方案1 中平移工作臺(tái)模塊2 的前后、左 右直線運(yùn)動(dòng)以及箱體4 與支架6 的上下直線運(yùn)動(dòng)都是通過精密螺旋傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn) 的；支架6 在y o z 平面內(nèi)的擺轉(zhuǎn)是通過一鉸鏈裝置來實(shí)現(xiàn)的；可旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)3 的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過一對(duì)錐齒輪傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。 機(jī)床五自由度 土 審 精密螺旋傳精密螺旋傳精密螺旋傳 旋轉(zhuǎn)工作臺(tái) 在立柱之間 動(dòng)，x 方向動(dòng)，y 方向 動(dòng)，z 方向的滾 通過一對(duì)錐安裝一個(gè)鉸 的滾動(dòng)直線 的滾動(dòng)直線動(dòng)直線導(dǎo)軌、鎖 齒輪傳動(dòng)鏈機(jī)構(gòu)來實(shí) 導(dǎo)軌 導(dǎo)軌緊裝置 現(xiàn) 框圖2 小型精密鐘表機(jī)床的研制 t h er & do fm i n i a t u r ep r e c i s i o nh o r o l o g i c a lm a c h i n et o o l 作者鑒于機(jī)床的工作環(huán)境以及其多功能的特點(diǎn)，在方案l 的基礎(chǔ)上對(duì)其結(jié)構(gòu) 作了一些調(diào)整提出了方案2 ； 方案1 中支架6 為方形立柱，箱體( 滑動(dòng)導(dǎo)軌) 與立柱配合時(shí)，其圓周方 向定位比較可靠，但方形零件( 固定導(dǎo)軌) 其加工成本太高不利于經(jīng)濟(jì)性，同時(shí) z 方向的剛度也不高，在一定程度上減少了整個(gè)機(jī)床的剛度，而在方案2 中作者 對(duì)支架作了修改，采用圓形立柱，這樣首先加工難度不高，同時(shí)剛度相對(duì)較好， 而與其配合的箱體4 ( 兼做滑動(dòng)導(dǎo)軌) 的加工較容易，有利于節(jié)約成本，為了確 定箱體的圓周方向的定位，作者在支架6 上開了兩個(gè)對(duì)稱的滑鍵槽( 圖2 - 1 ) 所示， 通過滑鍵塊與箱體4 的固定再與支架6 的配合起到固定的效果。 課題設(shè)計(jì)的初衷主要是考慮對(duì)于鐘表零部件夾板、表殼等的機(jī)加工，因此 其加工區(qū)域相對(duì)比較小，考慮到機(jī)床后續(xù)的發(fā)展，顯然方 案1 中支架6 與平移工作臺(tái)模塊的相對(duì)位置阻礙了加工的 區(qū)域范圍，作者對(duì)此作了詳細(xì)的調(diào)研，收集了大量的機(jī)床 資料、圖片，如圖1 3 、i - 4 、i - 5 顯示，其平移工作臺(tái)模塊 2 的位置大多采用如方案2 的設(shè)計(jì)，這樣有利于拓寬機(jī)床 的加工區(qū)域，同時(shí)也可使機(jī)床得到更廣泛的應(yīng)用。 從“可重組機(jī)床的設(shè)計(jì)思想”上來看，評(píng)價(jià)一臺(tái)機(jī) 床是否具有可重組性，其中關(guān)鍵一條在于該機(jī)床是否具有 集成其它設(shè)備、裝置的可能性。因而在設(shè)計(jì)初，作者就考 。1 慮到鐘表零部件較小的特點(diǎn)，在加工和維修此類零件時(shí)就需要一臺(tái)顯微鏡裝置， 如果在機(jī)床上集成一臺(tái)顯微鏡裝置就無需額外添加該設(shè)備。因此從機(jī)床后續(xù)設(shè)計(jì) 來看，方案2 更有利。 總之，從以上項(xiàng)敘述可以得出，方案2 更合理些，本課題采用總體 方案2 的設(shè)計(jì)。 上海大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 2 3 2 機(jī)床電器控制部分設(shè)計(jì)方案【3 1 】【4 4 機(jī)床電器控制部分設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)方面：分別為x 、y 、z 三個(gè)方向直線 運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制和對(duì)微型三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制，本文作者著重探討對(duì)微型 三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制，同時(shí)對(duì)x 、y 、z 三個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)的自動(dòng) 控制做一些初步的探索，提出一個(gè)合適的方案，也供后續(xù)設(shè)計(jì)參考。 2 3 2 1x 、y 、z 三個(gè)方向直線運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制設(shè)計(jì)方案【3 1 】 對(duì)x 、y 、z 三個(gè)方向直線運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制，本文預(yù)通過p l c 控制步進(jìn)電機(jī) 的方式來完成。 p l c ( n 司- 編程控制器) 是以微機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的新一代工業(yè)控制裝置， 它的結(jié)構(gòu)形式基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，j 、型p l c 是為取代傳統(tǒng)的繼電接觸式控 制系統(tǒng)和其它順序控制器而設(shè)計(jì)的，故又與通用微型計(jì)算機(jī)的硬件有所區(qū)別。它 是把繼電器控制的優(yōu)點(diǎn)，與計(jì)算機(jī)的功能齊全、靈活性、通用性相結(jié)合，用計(jì)算機(jī) 編程軟件邏輯代替繼電器接線邏輯的通用性自動(dòng)控制設(shè)備，是一種較理想的新型 工業(yè)控制裝置，其特點(diǎn)為高可靠性：編程簡(jiǎn)單，使用方便；可采用梯形圖 編程方式，與實(shí)際繼電器控制電路非常接近，一般電氣工作者很容易接受；環(huán) 境要求低，適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境體積小，重量輕，擴(kuò)充方便，組合靈活。 其組成結(jié)構(gòu)如框圖3 所示； 框圖3p l c 硬件組成圖 小型精密鐘表機(jī)床的研制 t h er & do fm i n i a t u r ep r e c i s i o nh o r o l o g i c a lm a c h i n et o o l 本文欲采取p l c 控制x 、y 、z 三個(gè)方向的步進(jìn)電機(jī)以實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的自動(dòng) 控制。初期控制系統(tǒng)方案如下； 框圖4 p l c 控制系統(tǒng)流程圖 2 , 3 2 2 微型三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制設(shè)計(jì) 4 4 1 據(jù)本文前述，機(jī)床的主傳動(dòng)方式有多種，本文采用微型三相異步電動(dòng)機(jī)通過 變頻調(diào)速器來控制機(jī)床速度的方式。 交流異步電動(dòng)機(jī)是應(yīng)用最廣泛的一種動(dòng)力機(jī)械，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、 運(yùn)行可靠、維護(hù)方便而且效率高、重量輕、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。但是，異步電動(dòng)機(jī)存 在的一個(gè)最大缺點(diǎn)是調(diào)速性能差；在生產(chǎn)中由于工藝要求需要電動(dòng)機(jī)調(diào)速的場(chǎng) 合，通常從兩個(gè)方面來解決，一是不用異步電動(dòng)機(jī)采用調(diào)速性能好的直流電動(dòng)機(jī)， 而是應(yīng)用新技術(shù)，使異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行能夠按照生產(chǎn)工藝要求進(jìn)行調(diào)速。本文是 通過采用變頻調(diào)速技術(shù)來對(duì)微型三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速的。 1 4 上海大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 1 h ep o s t g r a d u 肛t h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i + r y 近幾年來，電機(jī)調(diào)速技術(shù)發(fā)展很快，應(yīng)用范圍也越來越廣，尤以變頻調(diào)速技 術(shù)發(fā)展最為迅速。變頻調(diào)速器是當(dāng)今優(yōu)秀的“電調(diào)速”產(chǎn)品，它能使交流異步電 動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速，且調(diào)速范圍寬，精度高，并能調(diào)節(jié)升速和減速時(shí)間，能實(shí)現(xiàn)無電 沖擊的軟啟動(dòng)和軟制動(dòng)：它的功率因數(shù)高，工作效率高，低速運(yùn)行時(shí)可以節(jié)省電 力，它裝有輸入外控接口和負(fù)反饋接口，便于外閉環(huán)自動(dòng)控制，一些變頻器裝有 p i d 調(diào)節(jié)器，可以補(bǔ)償拖動(dòng)系統(tǒng)的慣性誤差，很容易實(shí)現(xiàn)智能化的群控。 基于變頻調(diào)速器的一系列優(yōu)點(diǎn)，它在機(jī)床領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用也越來越多。機(jī)床采 用變頻調(diào)速器，主要為了完成機(jī)床的某種功能，提高生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量。 此外，機(jī)床主軸采用變頻無級(jí)調(diào)速，可使磨具或刀具以最小的磨損產(chǎn)生最高的光 潔度和加工精度。變頻調(diào)速器由電子線路進(jìn)行控制，比較靈活，控制速度快，可 以有效的提高機(jī)床的加工效率。 圖2 - - 2 三相3 8 0 v 微小功率異步電機(jī)變頻調(diào)速原理圖 三相3 8 0 v 微小功率異步電動(dòng)機(jī)，可采用三相3 8 0 v 變頻調(diào)速的方法；將變 頻器通入3 8 0 v 電源，整流成直流電，然后逆變成變頻交流電，輸出線接異步電 機(jī)，接法采用y 型接法；如圖2 2 所示。 2 4 小結(jié) 本章從機(jī)床的總體要求出發(fā)，闡述了機(jī)床實(shí)現(xiàn)的主要功能，機(jī)床的總體構(gòu)成 以及主要的技術(shù)參數(shù)；同時(shí)作者敘述了當(dāng)前設(shè)計(jì)機(jī)床的幾種方法。本著實(shí)用性的 觀點(diǎn)，作者提出了機(jī)床的總體設(shè)計(jì)方案，主要包括機(jī)械部分和電器控制部分的設(shè) 計(jì)。 小型精密鐘表機(jī)床的研制 t h e r & d o f m i n i a t u r e p r e c i s i o n h o r o l o g i c a l m a c h i n e t o o l 第三章機(jī)床機(jī)械部分設(shè)計(jì) 在第二章中已經(jīng)確定了機(jī)床的總體設(shè)計(jì)方案( 包括機(jī)械部分設(shè)計(jì)和電器控制 部分設(shè)計(jì)) ，本章將對(duì)機(jī)床機(jī)械部分的設(shè)計(jì)過程作詳細(xì)的闡述：主要包括工作臺(tái) 設(shè)計(jì)、支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及主軸系設(shè)計(jì)。 3 1 工作臺(tái)設(shè)計(jì) 3 1 1 工作臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)的功能 在第二章的論述中，機(jī)床有五個(gè)自由度，其中工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度：即 水平方向運(yùn)動(dòng)，包括x 方向直線運(yùn)動(dòng)和y 方向直線運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即繞z 軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其中x 、y 方向的直線運(yùn)動(dòng)保證了工件在水平方向上的定位，而 繞z 軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)則確定了工件在圓周方向上的定位。 3 1 2 工作臺(tái)設(shè)計(jì)方案的選擇 據(jù)第二章機(jī)床技術(shù)參數(shù)要求，以及其實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)功能確定該機(jī)床三維精密工 作臺(tái)采用“疊加式“的結(jié)構(gòu)形式，亦即工作臺(tái)總體分上下兩層疊加起來，上層為 旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，下層為水平方向平移工作臺(tái)( 如第二章機(jī)床機(jī)械部分設(shè)計(jì)示意圖方 案2 所示) 。 圖3 - 1 為三維工作臺(tái)設(shè)計(jì)方案，鑒于機(jī)床總體尺寸的設(shè)計(jì)要求，充分考慮到 機(jī)床的小型化，下層工作臺(tái)采用“組合式”結(jié)構(gòu)，亦即該機(jī)床平移工作臺(tái)中采用 的第一層滑動(dòng)導(dǎo)軌，同時(shí)兼做第二層工作平臺(tái)的固定導(dǎo)軌，從而有利于減少其整 體尺寸，達(dá)到設(shè)計(jì)效果。 圖3 - 1 三維工作臺(tái)設(shè)計(jì)方案一 上海大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a u n i v e r s i t y 圖3 - 2 圖3 2 為方案一的三維工作臺(tái)裝配圖及其零件爆炸視圖。綜合二維和三維視 圖，不難看出此方案工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：采用滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)傳動(dòng)( 下層絲 桿軸1 4 與下層方螺母1 3 構(gòu)成一對(duì)滑動(dòng)螺旋，上層絲桿軸1 2 與上層方螺母1 1 構(gòu) 成一對(duì)滑動(dòng)螺旋) 實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；考慮到工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)緊湊，高度要求小，調(diào) 整要方便，作者采用了燕尾槽導(dǎo)軌；旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用一對(duì)錐齒輪的 嚙合傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。 采用該方案設(shè)計(jì)的工作臺(tái)，其具體的傳動(dòng)線路為： i 冰平x 、y 直線運(yùn)動(dòng)：轉(zhuǎn)動(dòng)手輪a 1 5 ，通過滑動(dòng)螺旋副1 4 與1 3 的傳動(dòng)， 帶動(dòng)導(dǎo)軌支撐底板2 實(shí)現(xiàn)x 方向直線運(yùn)動(dòng)；同樣在由上層方螺母1 1 和上層絲桿 軸1 2 組成的滑動(dòng)螺旋副的傳動(dòng)下，帶動(dòng)上層滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)y 方向直線運(yùn)動(dòng)。 i i 旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)6 繞z 軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；通過轉(zhuǎn)動(dòng)手輪b 1 0 ，則小錐齒輪9 隨之 旋轉(zhuǎn)，而通過錐齒輪9 與5 的嚙合，5 隨之旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)6 繞固定軸8 旋 轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 方案一存在的不足：大錐齒輪5 與旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)通過軸承7 來支撐，可靠性 不高。盡管機(jī)床加工對(duì)象屬小型零件( 主要是手表零部件) 切削力不大，但靠軸 承7 內(nèi)圈圍繞固定軸8 轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)又靠軸承7 外圈來承受外力，故軸承7 容易損 壞；此外，軸承與固定軸裝配時(shí)要求很高的同軸度才能保證旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)6 不繞軸 線偏轉(zhuǎn)，這給加工也帶來非常大的難度，不利于節(jié)約成本。圖3 - 1 設(shè)計(jì)的上層 滑動(dòng)導(dǎo)軌3 和導(dǎo)軌支撐底板2 均采用燕尾槽導(dǎo)軌，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與一般燕尾槽導(dǎo)軌 不同，加工難度就相對(duì)比較高，也不利于節(jié)約成本。鑒于方案一存在的不足，作 者提出了方案二。 小型精密鐘表機(jī)床的研制 t h er do fm 1 n i a t u r ep r e c i s i o nh o r o l o g i c a lm a c h i n et 0 0 l 圖3 - 3 三維工作臺(tái)設(shè)計(jì)方案二 圖3 - 3 即在方案一的基礎(chǔ)上確立的，針對(duì)方案一中的缺點(diǎn)，作者對(duì)旋轉(zhuǎn)工 作臺(tái)作了如圖3 3 所示的變化，重新對(duì)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪 b 9 ，通過小錐齒輪8 與大錐齒輪5 的嚙合傳動(dòng)，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)6 沿著