2024智能制造裝備設(shè)計與故障診斷

智能制造裝備設(shè)計與故障診斷智能制造裝備設(shè)計與故障診斷第1 緒章節(jié)目錄

智能制造裝備設(shè)計CONTENTS

機械裝備故障診斷導讀基本內(nèi)容：本章主要包含兩個方面的內(nèi)容，即智能制造裝備設(shè)計和機械裝備故障診斷。本章重在智能制造和故障診斷的基本概念的解釋和討論，為后續(xù)章節(jié)的開展做鋪墊學習要點：了解智能制造的概念、現(xiàn)狀、趨勢及意義；熟悉機械制造裝備的設(shè)計方法；了解機械設(shè)備故障診斷的含義、現(xiàn)狀及發(fā)展；掌握常用的智能故障診斷技術(shù)和機械設(shè)備故障診斷的基本流程。 1.1智能制造裝備設(shè)計智能制造概述國家《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》中指出，智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學習、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式。隨著新一代信息技術(shù)和制造業(yè)的深度融合，我國智能制造發(fā)展取得明顯成效，以高檔數(shù)控機床、工業(yè)機器人、智能儀器儀表為代表的關(guān)鍵技術(shù)裝備取得積極進展；智能制造裝備和先進工藝在重點行業(yè)不斷普及，離散型行業(yè)制造裝備的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化步伐加快，流程型行業(yè)過程控制和制造執(zhí)行系統(tǒng)全面普及，關(guān)鍵工藝流程數(shù)控化率大大提高；在典型行業(yè)不斷探索、逐步形成了一些可復制推廣的智能制造新模式，為深入推進智能制造初步奠定了一定的基礎(chǔ)。但目前我國制造業(yè)尚處于機械化、電氣化、自動化、數(shù)字化并存，不同地區(qū)、不同行業(yè)、不同企業(yè)發(fā)展不平衡的階段。智能制造概述發(fā)展智能制造面臨關(guān)鍵共性技術(shù)和核心裝備受制于人，智能制造標準/軟件/網(wǎng)絡(luò)/信息安全基礎(chǔ)薄弱，智能制造新模式成熟度不高，系統(tǒng)整體解決方案供給能力不足，缺乏國際性的行業(yè)巨頭企業(yè)和跨界融合的智能制造人才等突出問題。相對工業(yè)發(fā)達國家，推動我國制造業(yè)智能轉(zhuǎn)型，環(huán)境更為復雜，形勢更為嚴峻，任務(wù)更加艱巨。我們必須遵循客觀規(guī)律，立足國情、著眼長遠，加強統(tǒng)籌謀劃，積極應(yīng)對挑戰(zhàn)，抓住全球制造業(yè)分工調(diào)整和我國智能制造快速發(fā)展的戰(zhàn)略機遇期，引導企業(yè)在智能制造方面走出一條具有中國特色的發(fā)展道路。因此加快發(fā)展智能制造，是培育我國經(jīng)濟增長新動能的必由之路，是搶占未來經(jīng)濟和科技發(fā)展制高點的戰(zhàn)略選擇，對于推動我國制造業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，打造我國制造業(yè)競爭新優(yōu)勢，實現(xiàn)制造強國具有重要戰(zhàn)略意義。智能制造裝備的類型《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》中指出，智能制造的發(fā)展目標之一就是要實現(xiàn)智能制造技術(shù)與裝備實現(xiàn)突破，研發(fā)一批具備較強的競爭力的智能制造關(guān)鍵技術(shù)裝備。當前，我國緊缺的智能制造裝備的種類和數(shù)量較多，主要體現(xiàn)在研發(fā)高檔數(shù)控機床與工業(yè)機器人、增材制造裝備、智能傳感與控制裝備、智能檢測與裝配裝備、智能物流與倉儲裝備五類關(guān)鍵技術(shù)裝備。.2智能制造裝備的類型如圖1-1所示為一個簡易的機器人智能制造生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線包含了數(shù)控機床（加工中心）、工業(yè)機器人（包括裝配、焊接、智能檢測）、PLC總控和信息化管理系統(tǒng)以及自能物流與倉儲裝備幾個方面的內(nèi)容。在這個簡易的智能制造生產(chǎn)線中可以看到，數(shù)控機床、工業(yè)機器人和智能檢測裝置的應(yīng)用不可或缺。因此，本書選擇在加工過程中常用的智能制造裝備進行重點討論，主要包括數(shù)控機床及其典型結(jié)構(gòu)的設(shè)計基礎(chǔ)、工業(yè)機器人的設(shè)計基礎(chǔ)、機器視覺傳感技術(shù)三個方面的內(nèi)容，以上內(nèi)容在后續(xù)章節(jié)中逐一進行講解和討論。圖1-1機械制造裝備的設(shè)計方法機械制造裝備的設(shè)計方法可分為創(chuàng)新設(shè)計、變型設(shè)計和模塊化設(shè)計三大類型，需依據(jù)不同的設(shè)計類型和設(shè)計要求采用不同的設(shè)計方法。1.創(chuàng)新設(shè)計創(chuàng)新設(shè)計需經(jīng)過四個主要的階段，如圖1-2所示：圖1- 創(chuàng)新設(shè)計需經(jīng)過的四個主要階機械制造裝備的設(shè)計方法（1）產(chǎn)品規(guī)劃階段產(chǎn)品規(guī)劃階段包含的主要內(nèi)容包括需求分析，調(diào)查研究、預測、可行性分析和編制設(shè)計任務(wù)書幾個主要內(nèi)容。1）需求分析。2）調(diào)查研究。3）預測。4）可行性分析。5）編制設(shè)計任務(wù)書。在上述基礎(chǔ)上，最后進行設(shè)計任務(wù)書的編制。產(chǎn)品設(shè)計任務(wù)書是指導產(chǎn)品設(shè)計的基礎(chǔ)性文件，其主要任務(wù)是對產(chǎn)品進行選型，確定最佳設(shè)計方案。機械制造裝備的設(shè)計方法（2）方案設(shè)計階段方案設(shè)計實質(zhì)上是根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的要求，對產(chǎn)品功能原理進行設(shè)計。方案設(shè)計階段一般包含以下幾個步驟：1）對設(shè)計任務(wù)的抽象。2）建立功能結(jié)構(gòu)。3）尋求原理解和求解方法。4）初步設(shè)計方案的形成。5）初步設(shè)計方案的評價與篩選。1.1.3 1.1.3 機械制造裝備的設(shè)計方法?（3）技術(shù)設(shè)計階段該階段主要包含以下三個方面的內(nèi)容：1）確定結(jié)構(gòu)原理方案。確定結(jié)構(gòu)原理方案的基本內(nèi)容主要包含確定結(jié)構(gòu)原理方案的主要依據(jù)，確定結(jié)構(gòu)原理方案以及評價和修改三個方面。2）總體設(shè)計?？傮w設(shè)計的任務(wù)是將結(jié)構(gòu)原理方案進一步具體化。對于復雜程度較高的重要設(shè)計項目，可以提出多個總體設(shè)計方案供選擇。3）結(jié)構(gòu)設(shè)計。結(jié)構(gòu)設(shè)計階段的主要任務(wù)是在總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)原理方案結(jié)構(gòu)化，繪制產(chǎn)品總裝圖、部件裝配圖；提出初步的零件表，加工和裝配說明書等等1.1.3 1.1.3 機械制造裝備的設(shè)計方法?（4）施工設(shè)計階段施工設(shè)計階段主要進行零件工作圖設(shè)計，完善部件裝配圖和總裝配圖，進行商品化設(shè)計，編制各類技術(shù)文檔等。綜上所述，以上介紹的是機械制造裝備設(shè)計的典型步驟，比較適用于創(chuàng)新設(shè)計類型，對于不同的設(shè)計類型，設(shè)計步驟大致相同。機械制造裝備的設(shè)計方法2.變型設(shè)計為了快速滿足市場需求的變化，常常采用適應(yīng)型和變參數(shù)型設(shè)計方法。兩種設(shè)計方法都是在原有的產(chǎn)品基礎(chǔ)上，保持其基本工作原理和總體結(jié)構(gòu)不變。適應(yīng)型設(shè)計是通過改變或更換部分部件或結(jié)構(gòu)，變參數(shù)型設(shè)計是通過改變部分尺寸與性能參數(shù)，形成所謂的變形產(chǎn)品，以擴大使用范圍，滿足更廣泛的用戶需求。適應(yīng)型設(shè)計和變參數(shù)型設(shè)計統(tǒng)稱為“變型設(shè)計”。變型設(shè)計在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，按照一定規(guī)律演變出各種不同規(guī)格參數(shù)、布局和附件的產(chǎn)品，擴大原有產(chǎn)品的性能和功能，形成一個產(chǎn)品系列。機械制造裝備的設(shè)計方法（1）系列化設(shè)計的基本概念為了縮短產(chǎn)品的設(shè)計、制造周期，降低成本，保證和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，在產(chǎn)品設(shè)計中應(yīng)遵循系列化設(shè)計的方法，以提高系列產(chǎn)品中零部件的通用化和標準化程度。系列化設(shè)計方法是在設(shè)計的某一類產(chǎn)品中，選擇功能、結(jié)構(gòu)和尺寸等方面較典型產(chǎn)品為基型，以它為基礎(chǔ)，運用結(jié)構(gòu)典型化、零部件通用化、標準化的原則，設(shè)計出其他各種尺寸參數(shù)的產(chǎn)品，構(gòu)成產(chǎn)品的基型系列。系列化設(shè)計應(yīng)遵循“產(chǎn)品系列化、零部件通用化、標準化”原則(簡稱“三化”原則)。有時將“結(jié)構(gòu)的典型化”作為第四條原則，即所謂的“四化”原則。系列化設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計合理化的一條途徑，是提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、開發(fā)變型產(chǎn)品的重要途徑之。1.1.3 1.1.3 機械制造裝備的設(shè)計方法?（2）系列化設(shè)計的優(yōu)缺點系列化設(shè)計的優(yōu)點如下：1）可以用較少品種規(guī)格的產(chǎn)品滿足市場較大范圍的需求2）系列中不同規(guī)格的產(chǎn)品是經(jīng)過嚴格性能試驗和長期生產(chǎn)考驗的基型產(chǎn)品演變和派生而成的，可以大大減少設(shè)計工作量，提高設(shè)計質(zhì)量，減少產(chǎn)品開發(fā)的風險，縮短產(chǎn)品的研制周期。3）產(chǎn)品有較高的結(jié)構(gòu)相似性和零部件的通用性，因而可以壓縮工藝裝備的數(shù)量和種類，有助于縮短產(chǎn)品的研制周期，降低生產(chǎn)成本。4）零部件的種類少，系列中的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相似，便于進行產(chǎn)品的維修，改善售后服務(wù)質(zhì)量。5）為開展變型設(shè)計提供技術(shù)基礎(chǔ)。系列化設(shè)計的缺點是：為以較少品種規(guī)格的產(chǎn)品滿足市場較大范圍的需求，每個品種規(guī)格的產(chǎn)品都具有一定的通用性，滿足一定范圍的使用需求，用戶只能在系列型譜內(nèi)有限的一些品種規(guī)格中選擇所需的產(chǎn)品，選到的產(chǎn)品，一方面其性能參數(shù)和功能特性不一定最符合用戶的要求，另一方面有些功能還可能冗余。機械制造裝備的設(shè)計方法（3）系列化設(shè)計的步驟1）主參數(shù)和主要性能指標的確定。2）經(jīng)過技術(shù)和經(jīng)濟分析。3）制定系列型譜。在制訂系列型譜過程中，應(yīng)周密地策劃系列內(nèi)產(chǎn)品零部件的通用化和標準化。通用化是指同一類型、不同規(guī)格或不同類型的產(chǎn)品中，部分零部件彼此相互適用。標準化是指使用要求相同的零部件按照現(xiàn)行的各種標準和規(guī)范進行設(shè)計和制造。機械制造裝備的設(shè)計方法系列型譜內(nèi)的產(chǎn)品是在基型產(chǎn)品的基礎(chǔ)上經(jīng)過演變和派生而擴展成的。擴展的方式有縱系列、橫系列和跨系列擴展三類。1）縱系列產(chǎn)品?？v系列產(chǎn)品是一組功能、工作原理和結(jié)構(gòu)相同，而尺寸和性能參數(shù)不同的產(chǎn)品。2）橫系列產(chǎn)品。橫系列產(chǎn)品是在基型產(chǎn)品基礎(chǔ)上，通過增加、減去、更換或修改某些零部件，實現(xiàn)功能擴展的派生產(chǎn)品。例如，在臥式車床基礎(chǔ)上開發(fā)的為加工軸承套圈的無尾座短床身車床、為加工大直徑工件的馬鞍形車床等。3）跨系列產(chǎn)品?？缦盗挟a(chǎn)品是采用相同的主要基礎(chǔ)件和通用部件的不同類型產(chǎn)品。例如，通過改造坐標鏜床的主軸箱部件和部分控制系統(tǒng)，可開發(fā)出坐標磨床、坐標電火花成形機床、三坐標測量機等不同類型產(chǎn)品，即跨系列產(chǎn)品。機械制造裝備的設(shè)計方法3.模塊化設(shè)計模塊化設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計合理化的另一條途徑，是提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、加快設(shè)計進度、進行組合設(shè)計的重要途徑。模塊化設(shè)計是按合同要求，選擇適當?shù)墓δ苣K，直接拼裝成所謂的“組合產(chǎn)品”。進行組合產(chǎn)品的設(shè)計，是在對一定范圍內(nèi)不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計出一系列功能模塊，通過這些模塊的組合，構(gòu)成不同類型或相同類型不同性能的產(chǎn)品，以滿足市場的多方面需求。模塊應(yīng)該用系列化設(shè)計原理進行設(shè)計，即每類模塊具有多種規(guī)格、其規(guī)格參數(shù)按一定的規(guī)律變化，而功能結(jié)構(gòu)則完全相同，不同模塊中的零部件可標準化和通用化。機械制造裝備的設(shè)計方法（1）模塊化設(shè)計的優(yōu)點1）便于用新技術(shù)、新設(shè)計性能更好的模塊取代原有舊模塊，提高產(chǎn)品的性能，加快產(chǎn)品的更新?lián)Q代。2）采用模塊化設(shè)計，只需更換部分模塊，或設(shè)計制造個別模塊和專用部件，便可快速滿足用戶提出的特殊訂貨要求，大大縮短設(shè)計和供貨周期。3）模塊化設(shè)計方法由于產(chǎn)品的大多數(shù)零部件由單件小批生產(chǎn)性質(zhì)變?yōu)榕可a(chǎn)，有利于用成組加工等先進工藝，有利于組織專業(yè)化生產(chǎn)，既提高質(zhì)量，又降低成本。4）模塊系統(tǒng)中大部分部件由模塊組成，設(shè)備如發(fā)生故障，只需更換有關(guān)模塊，維護修理更為方便，對生產(chǎn)影響少，還能加快產(chǎn)品更新?lián)Q代。1.1.3 1.1.3 機械制造裝備的設(shè)計方法?（2）模塊化設(shè)計的步驟1）對市場需求進行深入調(diào)查，明確任務(wù)。為了能以最少的模塊組合出數(shù)量最多、總功能各不相同的產(chǎn)品，需要對市場需求進行深入調(diào)查，對所有欲實現(xiàn)的總功能加以明確，摒棄市場需求很少而又需要付出很大設(shè)計和制造代價的那些總功能。2）建立功能結(jié)構(gòu)。待實現(xiàn)的總功能可由多個具有分功能的模塊組合而成。如何劃分模塊是模塊化產(chǎn)品設(shè)的關(guān)鍵問題。模塊種類少，通用化程度高，加工批量大，對降低成本較有利。但每個模塊需具有更多的功能和更高的性能，其結(jié)構(gòu)必然復雜，組成的每個產(chǎn)品的功能冗余必然也多，模塊化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)柔性化程度也必然低。設(shè)計時應(yīng)對功能、性能和成本等方面進行全面分析，才能合理地劃分模塊。3）合理確定產(chǎn)品的系列型譜和參數(shù)。模塊化系統(tǒng)也應(yīng)遵循系列化設(shè)計的原理，以用戶的需求為依據(jù)，通過市場調(diào)查及技術(shù)經(jīng)濟分析，確定模塊的系列型譜。4）模塊的組合。模塊化系統(tǒng)的設(shè)計要考慮模塊如何組合，以達到用較少種類的模塊組合出盡可能多的組合產(chǎn)品的目的。5）模塊的計算機管理系統(tǒng)。先進的模塊化系統(tǒng)不但可采用CAD，而且可用計算機進行管理，以更好地體現(xiàn)模塊化設(shè)計的優(yōu)越性。模塊的計算機輔助管理的功能包括對模塊進行編碼、給出模塊系統(tǒng)最多可組合的產(chǎn)品數(shù)、根據(jù)用戶要求分析組合方案的可行性、選擇最佳的組合方案、為新的模塊設(shè)計提供信息等。 1.2機械裝備故障診斷故障診斷的基本概念1.故障及機械故障診斷的含義美國政府AD報告《工程項目管理人員測試性與診斷性指南》（AD-A208917）的故障定義：造成裝置、組件或元件不能按規(guī)定方式工作的一種物理狀態(tài)。例如發(fā)動機無法啟動、汽車剎車不靈、機床運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)、機床加工精度超標、機器運行時振動噪聲過大、齒輪輪齒折斷等現(xiàn)象。2.故障的分類（1）按故障發(fā)生的原因按故障發(fā)生的原因可分為：1）磨損性故障。2）錯用性故障。3）先天性故障。故障診斷的基本概念2.故障的分類按故障造成的后果按故障造成的后果可分為：1）危害性故障。2）安全性故障。按故障發(fā)生的快慢按故障發(fā)生的快慢可分為：1）突發(fā)性故障。2）漸發(fā)性故障。按故障發(fā)生的范圍按故障發(fā)生的范圍可分為：1）偶發(fā)性故障。2）多發(fā)性故障。按故障發(fā)生的頻次故障診斷的基本概念3.機械故障診斷的分類同樣的，為了便于信息交流也對機械故障診斷進行分類，通?？砂慈缦路椒ㄟM行分類。按診斷目的：1）功能診斷。2）運行診斷。按診斷方式：1）在線監(jiān)測。2）巡回檢測。按提取信息的方式：1）直接診斷。2）間接診斷。故障診斷的基本概念機械故障診斷的分類按診斷時所要求的機械運行工況條件常規(guī)工況診斷。特殊工況診斷。按診斷功能分簡易診斷。精密診斷。機械故障診斷還可根據(jù)所采用的技術(shù)手段不同而分為振動診斷、油樣分析、溫度監(jiān)測、無損檢測等。故障診斷的基本概念故障診斷的意義機械設(shè)備故障診斷可及時地對各種異常狀態(tài)或故障狀態(tài)作出診斷，預防或消除故障，同時對設(shè)備運行進行必要的指導，保證設(shè)備發(fā)揮設(shè)計能力，制訂合理的監(jiān)測維修制度，以便在允許的條件下充分挖潛，延長服役期限和使用壽命，降低設(shè)備全壽命周期費用。此外，通過檢測監(jiān)視、故障分析、性能評估等，為設(shè)備結(jié)構(gòu)修改、優(yōu)化設(shè)計、合理制造及生產(chǎn)過程提供數(shù)據(jù)和信息。因此，機械設(shè)備故障診斷是避免災(zāi)難性事故的需求，也是設(shè)備管理發(fā)展的客觀需求。智能故障診斷技術(shù)1.智能故障診斷技術(shù)概述智能故障診斷過程的實質(zhì)是知識的運用和處理的過程，知識的數(shù)量和質(zhì)量決定了智能診斷系統(tǒng)能力的大小和診斷效果，推理控制策略決定了知識使用的效率。因此，關(guān)于智能診斷理論研究的核心內(nèi)容為：知識的表示和知識的使用。智能故障診斷技術(shù)2.智能故障診斷技術(shù)的方法（1）基于故障樹的方法過去，故障樹是故障診斷中最普通、最常用的方法。故障樹的起點開始于癥狀或測試的結(jié)果，接著是決策樹權(quán)、行為組成和決策，最后是修理建議。故障樹的主要優(yōu)點是簡單易行，故障樹方法幾乎不需要使用訓練方法。然而，對復雜系統(tǒng)而言，故障樹會很龐大。采用故障樹的系統(tǒng)通常依賴性很強，而且工程上幾乎是不可改變的，這意味著系統(tǒng)不能更新。另外，故障樹不能顯示出求解所使用的知識。智能故障診斷技術(shù)（2）基于實例的推理方法基于實例的推理（CaseBasedReasoning，CBR）能通過修改相似問題的成功結(jié)果來求解新問題。它能通過將獲取新知識作為實例來進行學習，不需要詳細的應(yīng)用領(lǐng)域模型。CBR的主要技術(shù)包括實例表達和索引、實例檢索、實例修訂和實例學習等。智能故障診斷技術(shù)（3）基于模型的方法在過去的十多年里，基于模型的方法作為智能診斷系統(tǒng)的主要的研究方向之一已經(jīng)取代了基于實例的方法。模型是實際被診斷系統(tǒng)的近似描述?；居谀Ｐ偷脑\斷方法即利用從實際系統(tǒng)或器件中得到的觀察結(jié)果和信息，通過模型對故障進行預測?；谀Ｐ偷姆椒ú捎玫氖嵌嗉壏绞剑紫扔酶呒壞Ｐ蛯ο到y(tǒng)整體進行初級診斷再用詳細模型對部分進行診斷，如此逐漸循環(huán)診斷，找到故障。智能故障診斷技術(shù)（4）基于專家系統(tǒng)的方法這種方法不依賴于系統(tǒng)的數(shù)學模型，而是根據(jù)人們長期的實踐經(jīng)驗和大量的故障信息知識設(shè)計出的一套智能計算機程序，以此來解決復雜系統(tǒng)的故障診斷問題。若某一時刻系統(tǒng)發(fā)生故障，領(lǐng)域?qū)＜彝梢詰{視覺、聽覺、嗅覺或測量設(shè)備得到一些客觀事實，并根據(jù)對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)故障歷史的深刻了解很快就做出判斷，確定故障的原因和部位。對于復雜系統(tǒng)的故障診斷，這種基于專家系統(tǒng)的故障診斷方法尤其有效。智能故障診斷技術(shù)（5）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ArtificialNeuralNetwork，ANN）是大量神經(jīng)元廣泛互連而成的復雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它誕生于1943年。ANN是人類大腦神經(jīng)細胞結(jié)構(gòu)和功能的模仿，具有與人腦類似的記憶、學習、聯(lián)想等能力。在ANN中，信息處理是通過神經(jīng)元之間的相互作用來實現(xiàn)的，知識與信息的存儲表現(xiàn)為分布式網(wǎng)絡(luò)元件之間的關(guān)聯(lián)，網(wǎng)絡(luò)的學習和識別取決于各神經(jīng)元連接權(quán)值的動態(tài)演化過程。ANN是大規(guī)模并行結(jié)構(gòu)，信息可以分布式存儲，并且具有良好的自適應(yīng)性、自組織性和容錯性，因此ANN在故障診斷領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。智能故障診斷技術(shù)（6）基于模糊推理的方法在模糊理論中引入了“部分真”，“部分假”的概念，這是與傳統(tǒng)的要么真(1)要么假(0)的認識最大的區(qū)別與進步。在模糊集理論中，對模糊集定義了一系列的操作，這與傳統(tǒng)集合的操作是相似的。模糊推理是利用模糊推理規(guī)則對有條件的和無條件的模糊命題或規(guī)則進行操作。故障檢測時，特征信號有時是連續(xù)變化的，這種變化易導致測量誤差和噪聲，因此，很難定義可靠的測量閾值。模糊邏輯通過使用部分重疊的語言變量給這個問題提供了很好的解決方法。故障診斷時，由于測量到的特征信號值不完全精確，因此，該過程的診斷也只是近似的。基于模糊規(guī)則的模糊推理系統(tǒng)對該問題提供了一種解決方法。.2 智能故障診斷技術(shù)（7）基于模式識別的方法模式識別系統(tǒng)的輸入為模式矢量，而輸出為該輸入模式所屬的范疇或類別。一般情況下，模式識別系統(tǒng)可分為兩個步驟來實現(xiàn)，第一步為特征獲取，第二步為分類。特征獲取就是選擇輸入模式的明確特征，向分類器提供一個測量特征的列表。分類的任務(wù)就是將輸入模式的特征與分類狀態(tài)相匹配，也就是說，在給定輸入特征的情況下，分類器必須決定哪一級的模式范疇與輸入模式最相匹配。智能故障診斷的應(yīng)用及現(xiàn)狀1.故障診斷技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)目前，診斷技術(shù)主要應(yīng)用在以下五個方面。（1）旋轉(zhuǎn)機械故障診斷（2）往復式機械的故障診斷（3）各種流程工業(yè)設(shè)備的故障診斷（4）加工過程的故障診斷（5）各種基礎(chǔ)零件的故障診斷智能故障診斷的應(yīng)用及現(xiàn)狀2.國內(nèi)診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀日前，我國在診斷技術(shù)方面的研究主要集中在以下幾個方面。（1）信號分析與處理技術(shù)的研究（2）傳感器技術(shù)的研究（3）關(guān)于人工智能與專家系統(tǒng)的研究（4）關(guān)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究（5）關(guān)于診斷系統(tǒng)的開發(fā)與研究故障診斷的基本流程1.確立運行狀態(tài)監(jiān)測的內(nèi)容主要包括確立監(jiān)測參數(shù)、監(jiān)測部位及監(jiān)測方式(在線/巡檢)等方面的內(nèi)容2.建立測試系統(tǒng)根據(jù)步驟1的要求選取傳感器及其配套儀器，組成測試系統(tǒng)，用以收集故障診斷所需的信息。3.測試、分析及信息提取主要內(nèi)容：對測試系統(tǒng)所獲得的信號進行加工，包括濾波、異常數(shù)據(jù)剔除、各種分析算法（如時域、頻域）等。4.狀態(tài)診斷、監(jiān)測及預報主要內(nèi)容有構(gòu)造或選定判據(jù)，確定劃分設(shè)備狀態(tài)的各有關(guān)參量的門檻值等內(nèi)容。智能制造裝備設(shè)計與故障診斷第2 數(shù)控機床設(shè)計基

數(shù)控機床概述章節(jié)目 數(shù)控機床的總體設(shè)CONTENTS

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)設(shè)計數(shù)控機床伺服進給傳動系統(tǒng)設(shè)計導讀基本內(nèi)容：數(shù)控機床作為工業(yè)之母，也作為我國智能制造的重點發(fā)展裝備，其設(shè)計理論和方法自然具有舉足輕重的作用。本章重點對數(shù)控機床的設(shè)計基礎(chǔ)進行了討論。首先對數(shù)控機床的基本概念進行了討論，比如數(shù)控機床的組成、工作過程、類型等；其次結(jié)合數(shù)控機床設(shè)計的基本要求，介紹了數(shù)控機床的總體設(shè)計方案；然后對數(shù)控機床兩個最主要的系統(tǒng)設(shè)計進行了詳細討論，分別是數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)設(shè)計和數(shù)控機床的進給傳動系統(tǒng)設(shè)計。學習要點：了解數(shù)控機床的工作過程、分類和基本要求；了解數(shù)控的基本設(shè)計理論，如零件表面的成形方法及機床的運動、機床原理圖等；掌握數(shù)控機床的總體方案設(shè)計、數(shù)控機床的主傳動 2.1數(shù)控機床概述2.1.12.1.1數(shù)控機床的組成1.信息載體信息載體（控制介質(zhì)）的作用是將被加工零件的加工信息，按照既定的格式和代碼存儲在某一個載體上，然后通過該載體將零件加工信息輸入到數(shù)控裝置中進行加工。零件的加工信息通常包括零件的幾何信息、工藝信息、位置信息等等。而常用的信息載體有穿孔卡、穿孔帶、磁盤、磁帶等等。此外，數(shù)控裝置上往往帶有操作面板，也可通過該操作面板直接輸入零件的各個加工參數(shù)；其次，在計算機上編寫的加工程序也可通過串行口輸入到數(shù)控裝置中控制加工。高檔的數(shù)控系統(tǒng)可能還包含一套自動編程機或者CAD/CAM系統(tǒng)，由這些設(shè)備實現(xiàn)編制程序、輸入程序、輸入數(shù)據(jù)及顯示、模擬顯示、存儲和打印等功能。數(shù)控機床的組成2.計算機數(shù)控系統(tǒng)計算機數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控裝置中的一種。數(shù)控裝置可分為普通數(shù)控系統(tǒng)和計算機數(shù)控系統(tǒng)。對于高檔數(shù)控機床，一般均采用計算數(shù)控系統(tǒng)。計算機數(shù)控系統(tǒng)的工作過程是：在其接受到信息載體輸入的加工信息以后，計算機數(shù)控系統(tǒng)對這些加工信息進行處理（編譯、運算、邏輯處理等），將處理后的結(jié)果形成輸出信號傳送到伺服控制系統(tǒng)，由伺服系統(tǒng)控制執(zhí)行機構(gòu)進行零件的加工。其中，輸出的信號內(nèi)容涵蓋了零件加工所需的所有信息，如進給速度、進給方向、位移量、主軸變速、主軸換向、主軸啟停、選刀換刀指令、冷卻液啟停、夾具松開和夾緊、分度臺轉(zhuǎn)位等各類信息。數(shù)控裝置通常由輸入裝置、控制器、運算器和輸出裝置等組成。數(shù)控機床的組成3.伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的主要作用是接收來自計算機數(shù)控系統(tǒng)的指令信號（通常為脈沖信號），并通過伺服驅(qū)動元件控制執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行指令信號，以完成零件加工的目的。4.機床本體機床本體即數(shù)控機床的機械部件，一方面起到支撐、受力、減振、輔助安裝等作用，另一方面接收伺服系統(tǒng)的控制，完成零件的加工，是零件加工的執(zhí)行者。2.1.12.1.1數(shù)控機床的組成5.測量反饋裝置測量反饋裝置的主要作用是在零件加工的過程中，實時檢測各執(zhí)行部件的速度、位移等信息，并將檢測的結(jié)果反饋到計算機數(shù)控系統(tǒng)中，并與理論上輸入的速度和位移等參數(shù)進行比較，并實時修正執(zhí)行部件的運動誤差，提高零件加工精度的目的。測量反饋裝置，又稱位置反饋裝置，若數(shù)控機床無測量反饋裝置，稱為開環(huán)控制系統(tǒng)；若測量反饋裝置安裝在伺服系統(tǒng)之后，執(zhí)行部件之前，稱為半閉環(huán)控制系統(tǒng)；若測量反饋裝置直接對最終的執(zhí)行部件進行檢測并反饋，稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。顯然閉環(huán)控制系統(tǒng)的檢測精度最高，但結(jié)構(gòu)也最為復雜，成本相對較高。測量反饋裝置中，根據(jù)測量對象和測量目的的不同，需采用不同的測量部件，如脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵和磁尺等。2.1.2 2.1.2 數(shù)控機床的工作過程數(shù)控機床的工作過程如圖2-2所示。數(shù)控機床的類型數(shù)控機床的品種齊全、規(guī)格繁多，可按照不同角度進行分類，本書從數(shù)控系統(tǒng)的運動方式和控制方式兩個角度進行分類討論。1.按運動方式分類按運動方式分類是指根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的運動方式的不同來分類，可分為點位控制數(shù)控機床、直線控制數(shù)控機床和輪廓控制數(shù)控機床。（1）點位控制數(shù)控機床采用點位控制系統(tǒng)的機床稱為點位控制數(shù)控機床。點位控制系統(tǒng)是指數(shù)控系統(tǒng)僅能實現(xiàn)刀具相對于工件從一點到另一點的精確定位運動，對軌跡不作控制要求，且運動過程中不進行任何加工。數(shù)控機床的類型（2）直線控制數(shù)控機床采用點位直線控制系統(tǒng)的機床稱為直線控制數(shù)控機床。點位直線控制系統(tǒng)是指數(shù)控系統(tǒng)不僅精確的控制刀具或工作臺從一個點運動到另外一個點，同時還能保證該運動為直線運動，同時與點位控制系統(tǒng)不同的是，移動部件在移動過程中進行切削。應(yīng)用這類控制系統(tǒng)的有數(shù)控車床、數(shù)控鉆床和數(shù)控銑床等。圖2-4所示為數(shù)控銑床加工示意圖。圖2- 數(shù)控銑床加工示意數(shù)控機床的類型（3）輪廓控制數(shù)控機床采用輪廓控制系統(tǒng)（也稱連續(xù)控制系統(tǒng)）的數(shù)控機床稱為輪廓控制數(shù)控機床。輪廓控制系統(tǒng)是指數(shù)控系統(tǒng)既能夠精確的控制刀具或工作臺從一個點運動到另一個點，同時還能控制在運動過程中的速度和位移，且運動的軌跡不再僅僅是直線，而是具有一定形狀的輪廓曲線。應(yīng)用這類控制系統(tǒng)的有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控齒輪加工機床和加工中心等等。如圖2-5所示為輪廓控制系統(tǒng)加工示意圖。數(shù)控機床的類型2.按控制方式分類按控制方式分類是指根據(jù)數(shù)控機床有無反饋裝置，且按照反饋裝置位置的不同來進行分類，可分為開環(huán)控制數(shù)控機床，閉環(huán)控制數(shù)控機床和半閉環(huán)控制數(shù)控機床。（1）開環(huán)控制數(shù)控機床數(shù)控機床的類型2.按控制方式分類按控制方式分類是指根據(jù)數(shù)控機床有無反饋裝置，且按照反饋裝置位置的不同來進行分類，可分為開環(huán)控制數(shù)控機床，閉環(huán)控制數(shù)控機床和半閉環(huán)控制數(shù)控機床。（2）半閉環(huán)控制數(shù)控機床數(shù)控機床的類型2.按控制方式分類按控制方式分類是指根據(jù)數(shù)控機床有無反饋裝置，且按照反饋裝置位置的不同來進行分類，可分為開環(huán)控制數(shù)控機床，閉環(huán)控制數(shù)控機床和半閉環(huán)控制數(shù)控機床。（3）閉環(huán)控制數(shù)控機床數(shù)控機床設(shè)計的基本要求在許多場合，普通機床的結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計計算方法仍適用于數(shù)控機床。1.安全可靠2.剛性好3.精度高4.熱變形小5.振動小6.噪音小7.低速平穩(wěn)性 2.2數(shù)控機床的總體設(shè)計機床設(shè)計的基本理論1.零件表面的成形方法及機床的運動（1）工作原理機床是依靠刀具與工件之間的相對運動，加工出一定幾何形狀和尺寸精度的工件表面。不同的工件幾何表面，往往需要采用不同類型的刀具，做不同的表面形成運動，而成為不同類型的機床。例如，車床為獲得圓柱面，應(yīng)有主軸回轉(zhuǎn)運動(主運動)和刀架溜板的縱向移動(進給運動)，車端面時則刀架做橫向進給運動。因此，要進行機床的幾何運動設(shè)計需要先了解工件表面形成的幾何方法。2.2.1 2.2.1 機床設(shè)計的基本理論?（2）工件表面的形成方法1）幾何表面的形成。2）發(fā)生線的形成。在切削加工中，由于所使用刀具的切削刃的形狀和采用的加工方法不同，形成生成線的方法也不同。一般可歸納為4種方法，分別是：軌跡法、成形法、相切法和展成法。加工表面的形成方法是母線形成方法和導線形成方法的組合。因此，加工表面形成所需要的刀具與工件之間的相對運動也是形成母線和導線所需相對運動的組合。.1 機床設(shè)計的基本理論（3）機床的運動不同的工藝方法所要求的機床運動軌跡的類型和數(shù)量是不同的。機床的運動可按下面的方法進行分類。1）按功用分。可分為表面成形運動和非表面成形運動。表面成形運動又可分為主運動和進給運動。2）按組成分?？煞譃楹唵芜\動和復合運動。所謂簡單運動，是指最容易得到的運動，一般把旋轉(zhuǎn)運動和直線運動稱為簡單運動。但是，對于復雜的生成線，比如螺旋線的生成，就需要兩個簡單運動的組合，一般是工件的旋轉(zhuǎn)運動和刀具的縱向進給運動，這樣的運動就稱為復合的表面成形運動，或簡稱復合成形運動。（3）機床的運動不同的工藝方法所要求的機床運動軌跡的類型和數(shù)量是不同的。機床的運動可按下面的方法進行分類。1）按功用分。可分為表面成形運動和非表面成形運動。表面成形運動又可分為主運動和進給運動。2）按組成分?？煞譃楹唵芜\動和復合運動。所謂簡單運動，是指最容易得到的運動，一般把旋轉(zhuǎn)運動和直線運動稱為簡單運動。但是，對于復雜的生成線，比如螺旋線的生成，就需要兩個簡單運動的組合，一般是工件的旋轉(zhuǎn)運動和刀具的縱向進給運動，這樣的運動就稱為復合的表面成形運動，或簡稱復合成形運動。機床設(shè)計的基本理論2.機床運動原理圖圖2-11是車床的運動原理圖。回轉(zhuǎn)運動Cp為主運動，直線運動Zf和Xf為進給運動。對于一般的車床，Cp僅為主運動；對于有螺紋加工功能或有加工非圓回轉(zhuǎn)面（如橢圓面）功能的數(shù)控車床，則Cp一方面為主運動，另一方面Cp可與Zf組成復合運動進行螺紋加工，或Cp可與Xf組成復合運動進行非圓回轉(zhuǎn)面加工，稱這類數(shù)控車床具有軸功能。機床設(shè)計的基本理論3.機床的傳動原理圖（1）機床的傳動聯(lián)系一般的，機床由運動源、傳動裝置和執(zhí)行件三個部分組成。執(zhí)行件是指執(zhí)行機床運動的部件，如主軸、刀架、工作臺等；運動源是為執(zhí)行件提供運動和動力的裝置，如交流異步電動機、直流電動機、步進電機等；傳動裝置是傳遞運動和動力的裝置，通過它把執(zhí)行件和運動源，或者把一個執(zhí)行件和另一個執(zhí)行件聯(lián)系起來，使執(zhí)行件獲得一定的速度和方向的運動，并使有關(guān)執(zhí)行件之間保持某種確定的運動關(guān)系。機床的傳動裝置有機械、液壓、電氣、氣壓等多種形式。機床設(shè)計的基本理論根據(jù)傳動聯(lián)系的性質(zhì)，傳動鏈可以分為外聯(lián)系傳動鏈和內(nèi)聯(lián)系傳動鏈兩類。1）外聯(lián)系傳動鏈。它是聯(lián)系運動源(如電動機)和機床執(zhí)行件(如主軸、刀架、工作臺等)的傳動鏈，使執(zhí)行件得到運動，而且能改變運動的速度和方向，但不要求運動源和執(zhí)行件之間有嚴格的傳動比關(guān)系。2）內(nèi)聯(lián)系傳動鏈。當表面成型運動為復合的成型運動時，它是由保持嚴格的相對運動關(guān)系的幾個單元運動(旋轉(zhuǎn)或直線運動)所組成的。為完成復合的成型運動，必須由傳動鏈把實現(xiàn)這些單元運動的執(zhí)行件與執(zhí)行件之間聯(lián)系起來，并使其保持確定的運動關(guān)系，這種傳動鏈叫做內(nèi)聯(lián)系傳動鏈。.1 機床設(shè)計的基本理論（2）傳動原理圖機床的運動原理圖只表示運動的個數(shù)、形式、功能及排列順序，不表示運動之間的傳動關(guān)系。若將動力源與執(zhí)行件、不同執(zhí)行件之間的運動及傳動關(guān)系同時表示出來，就是傳動原理圖。2.2.2 2.2.2 機床總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計1.數(shù)控機床總體布局在采用數(shù)控機床加工零件時，對于不同表面形狀的工件，往往需采用不同類型的刀具，分配不同的表面成形運動，因此就產(chǎn)生了不同類型的數(shù)控機床。數(shù)控機床的總體布局對制造和使用都有很大的影響，在該階段的主要作用是得到機床的總體結(jié)構(gòu)布局形態(tài)。（1）總體布局與工件形狀、尺寸和重量的關(guān)系（2）運動分配與部件的布局（3）總體布局與機床的結(jié)構(gòu)性能（4）機床的使用要求與總體布局數(shù)控機床在裝卸工件和刀具(加工中心可以自動裝卸刀具)、清理切屑、觀察加工情況和調(diào)整等輔助工作時，還得由操作者來完成。因此，在考慮數(shù)控機床總體布局時，除遵循布局的一般原則外，還應(yīng)該考慮在使用方面的特定要求，例如：數(shù)控機床各操作按鈕的布置位置要便于操作、數(shù)控機床的刀具和工件要易于拆裝以及機床的結(jié)構(gòu)布局要便于排屑等等。機床總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計2.機床總體結(jié)構(gòu)的概略形狀和尺寸設(shè)計其設(shè)計過程大致如下：1）首先確定末端執(zhí)行件的概略形狀與尺寸。2）設(shè)計末端執(zhí)行件與其相鄰的下一個功能部件的結(jié)合部的形式、概略尺寸。若為運動導軌結(jié)合部，則執(zhí)行件一側(cè)相當于滑臺，相鄰部件一側(cè)相當于滑座，考慮導軌結(jié)合部的剛度及導向精度，選擇并確定導軌的類型及尺寸。3）根據(jù)導軌結(jié)合部的設(shè)計結(jié)果和該運動的行程尺寸，同時考慮部件的剛度要求，確定下一個功能部件（即滑臺側(cè)）的概略形狀與尺寸。4）重復上述過程，直到基礎(chǔ)支承件（底座、立柱、床身等）設(shè)計完畢。5）若要進行機床結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計，則可將功能部件細分成子部件，根據(jù)制造廠的產(chǎn)品規(guī)劃，進行模塊提取與設(shè)置。6）初步進行造型與色彩設(shè)計。7）機床總體結(jié)構(gòu)方案的綜合評價。.3 機床主要參數(shù)的設(shè)計機床的主要技術(shù)參數(shù)包括機床的主參數(shù)和基本參數(shù)，基本參數(shù)可包括尺寸參數(shù)、運動參數(shù)及動力參數(shù)。1.主參數(shù)和尺寸參數(shù)機床主參數(shù)是代表機床規(guī)格大小及反映機床最大工作能力的一種參數(shù)，為了更完整地表示機床的工作能力和工作范圍，有些機床還規(guī)定有第二主參數(shù)，見GB/T15375—94《金屬切削機床型號編制方法》。通用機床主參數(shù)已有標準，根據(jù)用戶需要選用相應(yīng)數(shù)值即可，而專用機床的主參數(shù)，一般以加工零件或被加工面的尺寸參數(shù)來表示。2.2.3 2.2.3 機床主要參數(shù)的設(shè)計2.2.3 2.2.3 機床主要參數(shù)的設(shè)計?3）標準公比和標準數(shù)列。2.2.3 2.2.3 機床主要參數(shù)的設(shè)計.3 機床主要參數(shù)的設(shè)計（2）進給運動參數(shù)大部分機床的進給量用工件或刀具每轉(zhuǎn)的位移量表示，單位為mm/r，如車床、鉆床、鏜床、滾齒機等。直線往復運動的機床，如刨、插床，以每一往復的位移表示。對于銑床和磨床，由于使用的是多刃刀具，進給量常以每分鐘的位移量表示，單位為mm/min。數(shù)控機床的進給量通常采用電動機無極變速的方式實現(xiàn)。而普通機床則既有機械無極變速方式，又有機械有級變速方式。在采用有級變速時，對于進給量的變化只影響生產(chǎn)率的機床，為使相對損失為一定值，進給量的數(shù)列一般取等比數(shù)列。.3 機床主要參數(shù)的設(shè)計3.動力參數(shù)機床的動力參數(shù)較多，包括電動機的功率、液壓缸的牽引力、液壓馬達或步進電動機的額定轉(zhuǎn)矩等。機床各傳動件的結(jié)構(gòu)參數(shù)（軸或絲杠的直徑、齒輪及蝸輪的模數(shù)、傳動帶的類型等）都是根據(jù)動力參數(shù)設(shè)計計算的。動力參數(shù)既不能太大也不能調(diào)小，由于通用機床的使用情況相當復雜，切削力和進給力的規(guī)律研究不夠等原因，現(xiàn)階段動力參數(shù)的確定方法還未完全成熟，由于篇幅有限，本書僅對主傳動電動機的功率、進給驅(qū)動電動機的功率和快速運動電動機的功率采用計算的方法加以討論。2.2.3 2.2.3 機床主要參數(shù)的設(shè)計（2）進給驅(qū)動電動機功率的確定機床進給運動驅(qū)動源可分成如下幾種情況：1）進給運動與主運動合用一個電動機。2）進給運動中工作進給與快速進給合用一個電動機時，由于快速進給所需功率遠大于工作進給的功率，且兩者不同時工作，所以不必單獨考慮工作進給所需功率。3）進給運動采用單獨電動機驅(qū)動，則需要確定進給運動所需功率(或轉(zhuǎn)矩)。（3）快速運動電動機功率的確定 2.3數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)設(shè)計概述主傳動系統(tǒng)的設(shè)計要求如下：1）主軸具有一定的轉(zhuǎn)速和足夠的轉(zhuǎn)速范圍、轉(zhuǎn)速級數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)運動的開停、變速、換向和制動，以滿足機床的運動要求。2）主電動機具有足夠的功率，全部機構(gòu)和元件具有足夠的強度和剛度，以滿足機床的動力要求。3）主傳動的有關(guān)結(jié)構(gòu)，特別是主軸組件要有足夠高的精度、抗振性，熱變形和噪聲要小，傳動效率要高，以滿足機床的工作性能要求。4）操縱靈活可靠，調(diào)整維修方便，潤滑密封良好，以滿足機床的使用要求。5）結(jié)構(gòu)簡單緊湊，工藝性好，成本低，以滿足經(jīng)濟性要求。無級變速主傳動系統(tǒng)1.無級變速裝置的分類無級變速是指在一定范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速（或速度）能連續(xù)地變換，從而獲取最有利的切削速度。機床主傳動中常采用的無級變速裝置有三大類：變速電動機、機械無級變速裝置和液壓無級變速裝置。（1）變速電動機機床上常用的變速電動機有直流電動機和交流變頻電動機，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率變速，通常調(diào)速范圍僅為2?3；額定轉(zhuǎn)速以下為恒轉(zhuǎn)矩變速，調(diào)整范圍很大，可達30甚至更大。上述功率和轉(zhuǎn)矩特性一般不能滿足機床的使用要求。為了擴大恒功率調(diào)速范圍，在變速電動機和主軸之間串聯(lián)一個分級變速箱。廣泛用于數(shù)控機床、大型機床中。無級變速主傳動系統(tǒng)（2）機械無級變速裝置機械無級變速裝置有柯普(Koop)型、行星錐輪型、分離錐輪鋼環(huán)型和寬帶型等多種結(jié)構(gòu)，它們都是利用摩擦力來傳遞轉(zhuǎn)矩，通過連續(xù)地改變摩擦傳動副工作半徑來實現(xiàn)無級變速。由于它的變速范圍小，多數(shù)是恒轉(zhuǎn)矩傳動，通常較少單獨使用，而是與分級變速機構(gòu)串聯(lián)使用，以擴大變速范圍。機械無級變速器應(yīng)用于要求功率和變速范圍較小的中小型車床、銑床等機床的主傳動中，更多地是用于進給變速傳動中。（3）液壓無級變速裝置液壓無級變速裝置通過改變單位時間內(nèi)輸入液壓缸或液動機中液體的油量來實現(xiàn)無級變速。它的特點是變速范圍較大、變速方便、傳動平穩(wěn)、運動換向時沖擊小、易于實現(xiàn)直線運動和自動化。常用在主運動為直線運動的機床中，如刨床、拉床等。無級變速主傳動系統(tǒng)2.電動機無級調(diào)速的配置方式目前主流的數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)多采用電動機無極調(diào)速的方式，為了擴大恒功率調(diào)速范圍，在變速電動機和主軸之間串聯(lián)一個分級變速箱，總體上主要有四種配置方式，如圖2-17所示。（1）帶有變速齒輪的主傳動大、中型數(shù)控機床采用這種變速方式。如圖2-17a）所示，通過少數(shù)幾對齒輪降速，擴大輸出轉(zhuǎn)矩，以滿足主軸低速時對輸出轉(zhuǎn)矩特性的要求。數(shù)控機床在交流或直流電動機無級變速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速，使之成為分段無級變速?；讫X輪的移位大都采用液壓缸加撥叉，或者直接由液壓缸帶動齒輪來實現(xiàn)。無級變速主傳動系統(tǒng)（2）通過帶傳動的主傳動如圖2-17b）所示，這種傳動主要應(yīng)用在轉(zhuǎn)速較高、變速范圍不大的機床。電動機本身的調(diào)速就能夠滿足要求，不用齒輪變速，可以避免齒輪傳動引起的振動與噪聲。它適用于高速、低轉(zhuǎn)矩特性要求的主軸。常用的是V帶和同步齒形帶。（3）用兩個電動機分別驅(qū)動如圖2-17c）所示，這是上述兩種方式的混合傳動，具有上述兩種性能。高速時電動機通過帶輪直接驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)；低速時，另一個電動機通過兩級齒輪傳動驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)，齒輪起到降速和擴大變速范圍的作用，這樣就使恒功率區(qū)增大，擴大了變速范圍，克服了低速時轉(zhuǎn)矩不夠且電動機功率不能充分利用的缺陷。無級變速主傳動系統(tǒng)（4）內(nèi)裝電動機主軸傳動結(jié)構(gòu)如圖2-17d）所示，這種主傳動方式大大簡化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出轉(zhuǎn)矩小，電動機發(fā)熱對主軸影響較大。主傳動系統(tǒng)變速方案設(shè)計1.調(diào)速電動機的選擇及其功率和轉(zhuǎn)矩特性數(shù)控機床上常用的無級變速機構(gòu)為直流或交流調(diào)速電動機。（1）直流電動機直流電動機從額定轉(zhuǎn)速nd向上至最高轉(zhuǎn)速nmax，是用調(diào)節(jié)磁場電流(簡稱調(diào)磁)的辦法來調(diào)速的，屬于恒功率；從額定轉(zhuǎn)速nd向下至最低轉(zhuǎn)速nmin，是用調(diào)節(jié)電樞電壓(簡稱調(diào)壓)的辦法來調(diào)速的，屬恒轉(zhuǎn)矩。一般直流電動機恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍較大，達30，甚至更大；而恒功率調(diào)速范圍小，一般在2~3之間，滿足不了現(xiàn)代數(shù)控機床的要求；在高轉(zhuǎn)速范圍要進一步提高轉(zhuǎn)速，就必須加大勵磁電流，將引起電刷產(chǎn)生火花，限制了電動機的最高轉(zhuǎn)速和調(diào)速范圍。因此，直流電動機僅在早期的數(shù)控機床上應(yīng)用較多。主傳動系統(tǒng)變速方案設(shè)計（2）交流電動機交流調(diào)速電動機靠調(diào)節(jié)供電頻率的辦法調(diào)速。因此常稱為調(diào)頻主軸電動機。通常，額定轉(zhuǎn)速向上至最高轉(zhuǎn)速nmax為恒功率，調(diào)速范圍為3~5；額定轉(zhuǎn)速nd至最低轉(zhuǎn)速nmin為恒轉(zhuǎn)矩，調(diào)速范圍為幾十甚至超過一百。直流和交流調(diào)速電動機的功率轉(zhuǎn)矩特性見圖2-18。2.3.3 2.3.3 主傳動系統(tǒng)變速方案設(shè)計2.電動機和主軸功率特性的匹配設(shè)計在設(shè)計數(shù)控機床主傳動時，必須考慮電動機與機床主軸功率特性匹配問題。由于主軸要求的恒功率變速范圍Rnp遠大于電動機的恒功率變速范圍Rdp，所以在電動機與主軸之間要串聯(lián)一個分級變速箱，以擴大其恒功率調(diào)速范圍，滿足低速大功率切削時對電動機的輸出功率的要求。在設(shè)計分級變速箱時，考慮機床結(jié)構(gòu)復雜程度、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性要求等因素，變速箱公比的選取有下列三種情況：2.3.4 2.3.4 主軸轉(zhuǎn)速的自動變換在采用調(diào)速電動機的主傳動無級變速系統(tǒng)中，主軸的正、反啟動與停止制動是直接控制電動機來實現(xiàn)的，主軸轉(zhuǎn)速的變換則由電動機轉(zhuǎn)速的變換與分擋變速機構(gòu)的變換相配合來實現(xiàn)。由于主軸轉(zhuǎn)速的二位S代碼最多只有99種，即使是使用四位S代碼直接指定主軸轉(zhuǎn)速也只能按一轉(zhuǎn)遞增，而且分級越多指令信號的個數(shù)越多，則越難于實現(xiàn)。因此，實際上將主軸轉(zhuǎn)速按等比數(shù)列分成若干級，根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速的S代碼發(fā)出相應(yīng)的有級級數(shù)與電動機的調(diào)速信號來實現(xiàn)主軸的主動換速。電動機的驅(qū)動信號由電動機的驅(qū)動電路根據(jù)轉(zhuǎn)速指令信號來轉(zhuǎn)換。齒輪有級變速則采用液壓撥叉或電磁離合器實現(xiàn)。主傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計1.變速機構(gòu)大多數(shù)機床的主運動都要進行變速，變速方式分為分級變速和無級變速。分級變速機構(gòu)有下列幾種。（1）交換齒輪變速機構(gòu)這種變速機構(gòu)的變速簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，主要用于大批量生產(chǎn)的自動或半自動機床、專用機床及組合機床等。（2）滑移齒輪變速機構(gòu)這種變速機構(gòu)廣泛應(yīng)用于通用機床和一部分專用機床中。主傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計（3）離合器變速傳動在離合器變速機構(gòu)中應(yīng)用較多的有牙嵌式離合器、齒輪式離合器和摩擦片式離合器。當變速機構(gòu)為斜齒或人字齒圓柱齒輪時，不便于采用滑移齒輪變速，則應(yīng)用牙嵌式或齒輪式離合器變速。摩擦片式離合器可以是機械的、電磁的或液壓的，特點是可在運轉(zhuǎn)過程中變速，接合平穩(wěn)沖擊小，便于實現(xiàn)自動化。采用摩擦離合器變速時，為減小離合器的尺寸，應(yīng)盡可能將離合器安排在轉(zhuǎn)速較高的傳動軸上，而且要防止出現(xiàn)超速現(xiàn)象。2.3.5 2.3.5 主傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計2.齒輪在軸上的布置齒輪的布置方式，直接影響到變速箱的尺寸、變速操縱的方便性以及結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的可能性，設(shè)計時，要根據(jù)具體要求，合理加以布置。在變速傳動組內(nèi)，盡量以較小的齒輪為滑移齒輪，使得操縱省力。在同一個變速組內(nèi)，須保證當一對齒輪完全脫開嚙合之后，另一對齒輪才能開始進入嚙合，即兩個固定齒輪的間距，應(yīng)大于滑移齒輪的寬度。2.3.6 2.3.6 現(xiàn)代數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)設(shè)計1.數(shù)控機床高速主傳動設(shè)計現(xiàn)代數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)設(shè)計2.數(shù)控機床的柔性化、復合化設(shè)計現(xiàn)代數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)設(shè)計3.并聯(lián)（虛擬軸）機床設(shè)計 2.4數(shù)控機床伺服進給傳動系統(tǒng)設(shè)計概述1.伺服進給系統(tǒng)的特點數(shù)控進給伺服系統(tǒng)按有無位置檢測和反饋進行分類，可分為開環(huán)伺服系統(tǒng)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)的精度較差，但結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)整，在精度不太高的場合中仍得到較廣泛的應(yīng)用，如機床改造等。閉環(huán)系統(tǒng)通過直接測量工作臺等移動部件的位移從而實現(xiàn)精度高的反饋控制。對部分數(shù)控機床來說，其檢測反饋信號是從伺服電動機軸或滾珠絲杠上取得的，稱為半閉環(huán)系統(tǒng)。相比于閉環(huán)系統(tǒng)，半閉環(huán)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)角測量就比較容易實現(xiàn)，但由于后繼傳動鏈傳動誤差的影響，測量補償精度比閉環(huán)系統(tǒng)差。半閉環(huán)系統(tǒng)由于系統(tǒng)簡單而且調(diào)整方便，現(xiàn)在已廣泛地應(yīng)用在數(shù)控機床上。概述2.伺服進給系統(tǒng)設(shè)計的基本要求1）精度要求。2）響應(yīng)速度。3）調(diào)速范圍。4）低速、大轉(zhuǎn)矩。伺服進給系統(tǒng)中的機械傳動部件數(shù)控機床的進給運動可分為直線運動和圓周運動兩類。實現(xiàn)直線進給運動主要有絲杠螺母副(通常為滾珠絲杠或靜壓絲杠)、齒輪/齒條副，以便將伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動變成機床所需要的直線運動；在高速加工機床上，有時還可以采用直線電動機直接驅(qū)動。為了提高回轉(zhuǎn)軸精度，數(shù)控機床的圓周進給運動一般都通過傳統(tǒng)的蝸輪/蝸桿副實現(xiàn)，在高速加工機床上，有時還可以采用轉(zhuǎn)臺直接驅(qū)動電動機驅(qū)動。伺服進給系統(tǒng)中的機械傳動部件（1）滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠螺母副具有摩擦損耗低、傳動效率高、動/靜摩擦變化小、不易低速爬行及使用壽命長、精度保持性好等一系列優(yōu)點，并可通過絲杠螺母的預緊消除間隙、提高傳動剛度，因此，在數(shù)控機床上得到了極為廣泛應(yīng)用，它是目前中、小型數(shù)控機床最常見的傳動形式。滾珠絲杠螺母副具有運動的可逆性，傳動系統(tǒng)不能自鎖，它一方面能將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，反過來也可能將直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動，因此，當用于受重力作用的垂直進給軸時，進給系統(tǒng)必須安裝制動器和重力平衡裝置。此外，為了防止安裝、使用時的螺母脫離絲杠滾道，機床還必須有超程保護。伺服進給系統(tǒng)中的機械傳動部件（2）靜壓絲杠螺母副靜壓絲杠螺母副可通過油壓，在絲杠和螺母的接觸面產(chǎn)生一層一定厚度、且有一定剛度的壓力油膜，使絲杠和螺母由邊界摩擦變?yōu)橐后w摩擦，通過油膜推動螺母移動。靜壓絲杠螺母的摩擦系數(shù)僅為滾珠絲杠的1/10，其靈敏更高、間隙更??；同時，由于油膜層還具有吸振性，油液的流動散熱效果，因此，其運動更平穩(wěn)、熱變形更??；此外，介于螺母與絲杠間的油膜層對絲杠的加工誤差有“均化”作用，可以部分補償絲杠本身的制造誤差，提高傳動系統(tǒng)的精度。靜壓絲杠螺母副的成本高，而且還需要配套高清潔度、高可靠性的供油系統(tǒng)，因此，多用于高精度加工的磨削類數(shù)控機床。伺服進給系統(tǒng)中的機械傳動部件（2）靜壓絲杠螺母副靜壓絲杠螺母副可通過油壓，在絲杠和螺母的接觸面產(chǎn)生一層一定厚度、且有一定剛度的壓力油膜，使絲杠和螺母由邊界摩擦變?yōu)橐后w摩擦，通過油膜推動螺母移動。靜壓絲杠螺母的摩擦系數(shù)僅為滾珠絲杠的1/10，其靈敏更高、間隙更??；同時，由于油膜層還具有吸振性，油液的流動散熱效果，因此，其運動更平穩(wěn)、熱變形更??；此外，介于螺母與絲杠間的油膜層對絲杠的加工誤差有“均化”作用，可以部分補償絲杠本身的制造誤差，提高傳動系統(tǒng)的精度。靜壓絲杠螺母副的成本高，而且還需要配套高清潔度、高可靠性的供油系統(tǒng)，因此，多用于高精度加工的磨削類數(shù)控機床。伺服進給系統(tǒng)中的機械傳動部件（3）靜壓蝸桿蝸條副和齒輪齒條副大型數(shù)控機床不宜采用絲杠傳動，因長絲杠的制造困難，且容易彎曲下垂，影響傳動精度；同時其軸向剛度、扭轉(zhuǎn)剛度也難提高，慣量偏大，因此，需要采用靜壓蝸桿蝸條副、齒輪齒條副等方式傳動。靜壓蝸桿蝸條副的工作原理與靜壓絲杠螺母副基本相同，蝸條實質(zhì)上是螺母的一部分，蝸桿相當于一根短絲杠，由于蝸條理論上可以無限接長，故可以用于對定位精度、運動速度要求較高的落地式、龍門式等大型數(shù)控機床的進給驅(qū)動。伺服進給系統(tǒng)中的機械傳動部件（4）直線電動機和轉(zhuǎn)臺直接驅(qū)動直線電動機和轉(zhuǎn)臺直接驅(qū)動是近年來發(fā)展起來的代表性技術(shù)之一，它已經(jīng)被廣泛用于現(xiàn)代高速、高精度機床。利用直線電動機和轉(zhuǎn)臺直接驅(qū)動電動機驅(qū)動直線軸和回轉(zhuǎn)軸，可完全取消傳動系統(tǒng)中將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動的環(huán)節(jié)，從而大大簡化機械傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)所謂的“零傳動”。使用直線電動機和轉(zhuǎn)臺直接驅(qū)動電動機的進給系統(tǒng)，可從根本上消除機械傳動對精度、剛度、快速性、穩(wěn)定性的影響，故可獲得比傳統(tǒng)進給驅(qū)動系統(tǒng)更高的定位精度、速度和加速度。伺服進給系統(tǒng)中的驅(qū)動裝置及其調(diào)速1.步進電機步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)角位移或直線位移的轉(zhuǎn)換裝置，是開環(huán)伺服系統(tǒng)的最后執(zhí)行元件，主要用于經(jīng)濟型數(shù)控機床。（1）步進電機的工作原理.3 伺服進給系統(tǒng)中的驅(qū)動裝置及其調(diào)速（2）步進電機的使用特性1）步距誤差。2）最高啟動頻率和最高工作頻率。3）輸出的轉(zhuǎn)矩-頻率特性。2.直流伺服電機直流伺服電動機具有良好的啟動、制動和調(diào)速特性，可以方便地在寬范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑無級調(diào)速，故多用在對伺服電動機調(diào)速性能要求較高的生產(chǎn)設(shè)備中。直流伺服電動機的工作原理與一般直流電動機的工作原理完全相同。數(shù)控機床上常用的直流伺服電動機主要有小慣量直流電動機和大慣量直流伺服電動機2.4.3 2.4.3 伺服進給系統(tǒng)中的驅(qū)動裝置及其調(diào)速3.交流伺服電機（1）交流伺服電動機的分類和特點數(shù)控機床中多用永磁式同步電動機，其特點是：1）交流伺服電動機的機械特性比直流伺服電動機的機械特性要硬，其直線更為接近水平線。另外，其斷續(xù)工作一區(qū)范圍更大，尤其是高速區(qū)，這有利于提高電動機的加、減速能力。2）高可靠性，用電子逆變器取代了直流電動機換向器和電刷；工作壽命由軸承決定。因無換向器及電刷，也省去了此項目的保養(yǎng)和維護。3）主要損耗在定子繞組與鐵芯上，故散熱容易，便于安裝熱保護；而直流電動機損耗主要在轉(zhuǎn)子上，散熱困難。4）轉(zhuǎn)子慣量小，其結(jié)構(gòu)允許高速工作。5）體積小，質(zhì)量小。（2）永磁式交流伺服電動機4.直線伺服電機隨著加工效率和質(zhì)量要求的提高以及直線電動機技術(shù)的進步，高速數(shù)控機床采用一種新型的直線電動機伺服驅(qū)動進給方式。它取消了從電動機到工作臺間的一切中間傳動環(huán)節(jié)，稱為“零傳動”。同滾珠絲杠傳動方式相比較，直線電動機驅(qū)動方式具有進給速度高、加速度大、啟動推力大、剛度和定位精度高、行程長度不受限制等優(yōu)點。自1993年德國Ex-Cell-O公司第一次將直線電動機用于加工中心以來，這種新型的高速進給單元已引起世界各國的普遍關(guān)注。美國、德國、日本、英國等工業(yè)發(fā)達國家對直線電動機產(chǎn)品進行了深入的研究與開發(fā)，采用直線電動機驅(qū)動的高速加工中心已成為21世紀機床的發(fā)展方向之一。能制造裝備設(shè)計與故障診斷第3 數(shù)控機床的典型結(jié)構(gòu)設(shè) 數(shù)控機床導軌設(shè)計章節(jié)目CONTENTS章節(jié)目CONTENTS 主軸組件設(shè)計 位置檢測裝置 換刀裝置 計算機數(shù)控系統(tǒng)導讀基本內(nèi)容：在對數(shù)控機床的設(shè)計有了一定理論基礎(chǔ)之后，本章重點對數(shù)控機床典型結(jié)構(gòu)的設(shè)計進行了分類討論。主要包括數(shù)控機床導軌的設(shè)計、主軸組件的設(shè)計計算、位置檢測裝置的種類和原理、換刀裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計幾部分內(nèi)容。此外，由于數(shù)控裝置在數(shù)控機床中必不可少，因此本章還對計算機數(shù)控系統(tǒng)的基本原理及應(yīng)用也進行了討論。通過對第二章和本章內(nèi)容的學習，可讓讀者對數(shù)控機床從整體和局部兩個方面對數(shù)控機床的設(shè)計有更加清晰的認識。學習要點：掌握數(shù)控機床導軌的設(shè)計、主軸組件的設(shè)計計算、位置檢測裝置的種類和原理、換刀裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計；了解計算機數(shù)控系統(tǒng)的基本原理及應(yīng)用。 3.1數(shù)控機床導軌設(shè)計導軌的基本要求導軌為機床直線運動部件提供導向和支承，導軌的性能對機床的運動速度和定位精度有著重要的影響。數(shù)控機床對導軌的基本要求與其他機床相同，它主要包括如下幾點。精度好剛度高低摩擦低速運動的平穩(wěn)性導軌的分類根據(jù)導軌接觸面的摩擦性質(zhì)，數(shù)控機床常用的導軌可分滑動導軌，滾動導軌和靜壓導軌類。滑動導軌滑動導軌具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、剛度高、抗振性好等優(yōu)點，是傳統(tǒng)數(shù)控機床使用最廣泛的導軌形式。滾動導軌滾動導軌的導軌面上放置有滾珠、滾柱、滾針等滾動體，它可使導軌由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦。2.導軌的分類根據(jù)導軌接觸面的摩擦性質(zhì)，數(shù)控機床常用的導軌可分滑動導軌，滾動導軌和靜壓導軌類。靜壓導軌靜壓導軌的滑動面開有油腔，當壓力油通過節(jié)流口注入油腔后，可在滑動面上形成壓力油膜，使運動部件浮起后成為純液體摩擦，因此，其摩擦系數(shù)極低、運動磨損極小、精度保持性非常好，且其承載能力大、剛度和抗振性好、運動速度更高、低速無爬行，但其結(jié)構(gòu)復雜，安裝要求高，并且需要配套高清潔度的供油系統(tǒng)，因此，多用于高精度的數(shù)控磨削機床。3.導軌的截面形狀3.導軌的截面形狀直線運動導軌的截面形狀回轉(zhuǎn)運動導軌的截面形狀回轉(zhuǎn)運動導軌主要用于圓形工作臺、轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)塔頭架等旋轉(zhuǎn)運動部件?；剞D(zhuǎn)運動導軌的截面形狀有三種：平面環(huán)形、錐面環(huán)形和雙錐面。直線運動導軌的組合形式直線運動導軌通常有六種組合形式，分別是：雙三角形導軌、雙矩形導軌、三角形和矩形導軌的組合、燕尾形導軌、矩形導軌和燕尾形導軌、圓形導軌。滑動導軌的設(shè)計滑動導軌的設(shè)計計算主要是分析受力，計算壓力，驗算磨損量，確定合理尺寸。導軌的損壞形式主要是磨損，而導軌的磨損又與導軌表面的壓力（單位面積上的壓力）有密切關(guān)系，隨著壓力增加，導軌的磨損量也增加。此外，導軌面的接觸變形又與壓力近似地成正比。在初步選定導軌的結(jié)構(gòu)尺寸后，應(yīng)核算導軌面的壓力，使其限制在允許范圍內(nèi)。鑄鐵導軌的許用平均壓力見表31（（1）導軌的受力分析（（2）導軌的壓強計算和壓強分布因為導軌長度遠大于寬度，可以認為壓強在寬度方向均布，因此，導軌面的壓強計算可按一維問題處理。當導軌的自身變形遠小于接觸變形時，可以只考慮接觸變形對壓強分布的影響，沿導軌長度的接觸變形和壓強可視為按線性分布。導軌的壓強如圖35示。滾動導軌的設(shè)計滾動導軌的定義及優(yōu)缺點在兩導軌面之間放置滾珠、滾柱或滾針等滾動體，使導軌面之間的摩擦具有滾動摩擦性質(zhì)，這種導軌稱為滾動導軌。滾動導軌的設(shè)計計算求出切削力和背向力對每個滑塊的作用力，如表32所示。將每個滑塊的受力相加，可得計算載荷。滾動導軌的計算滾動導軌的計算與滾動軸承計算相似，以在一定的載荷下行走一定的距離，90%的支承不發(fā)生點蝕為依據(jù)，這個載荷稱為額定動載荷，行走的距離稱為額定壽命。滾動導軌的預期壽命除了與額定動載荷和導軌的實際工作載荷有關(guān)外，還與導軌的硬度、滑塊部分的工作溫度和每根導軌上的滑塊數(shù)目有關(guān)。 3.2主軸組件設(shè)計概述數(shù)控機床的主軸部件是機床重要的組成部分之一，包括支撐和內(nèi)裝在主軸上的傳動零件等。由于數(shù)控機床的轉(zhuǎn)速高，功率大，并且在加工過程中不進行人工調(diào)整，因此要求良好的回轉(zhuǎn)精度、結(jié)構(gòu)剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性及部件的耐磨性和精密的保持性。3.2.2 3.2.2 主軸端部的結(jié)構(gòu)形式數(shù)控機床的主軸部件是機床重要的組成部分之一，包括支撐和內(nèi)裝在主軸上的傳動零件等。由于數(shù)控機床的轉(zhuǎn)速高，功率大，并且在加工過程中不進行人工調(diào)整，因此要求良好的回轉(zhuǎn)精度、結(jié)構(gòu)剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性及部件的耐磨性和精密的保持性。.3 主軸部件的支撐1.概述機床主軸帶著刀具或夾具在支承中做回轉(zhuǎn)運動，應(yīng)能傳遞切削扭矩、承受切削抗力，并保證必要的旋轉(zhuǎn)精度。數(shù)控機床的主軸支承根據(jù)主軸部件的轉(zhuǎn)速、承載能力及回轉(zhuǎn)精度等要求的不同而采用不同種類的軸承。一般中、小型數(shù)控機床(如車床、銑床、加工中心、磨床)的主軸部件多數(shù)采用滾動軸承；重型數(shù)控機床采用液體靜壓軸承；高精度數(shù)控機床(如坐標磨床)采用氣體靜壓軸承；轉(zhuǎn)速達(2～10)×104r/min的主軸可采用磁力軸承或陶滾珠軸承。不同類型主軸軸承的優(yōu)缺點見表3-3。在以上各類軸承中，以滾動軸承的使用最為普通，而且這種軸承又有許多不同類型。2.主軸軸承常用的幾種軸承類型及其配置形式主軸組件的設(shè)計計算1.設(shè)計步驟概述根據(jù)機床的要求選定主軸組件的結(jié)構(gòu)（包括軸承及其配置）后，應(yīng)進行計算，以決定主要尺寸。設(shè)計和計算的主要步驟如下：1）根據(jù)統(tǒng)計資料，初選主軸直徑。2）選擇主軸的跨距。3）進行主軸組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)結(jié)構(gòu)要求修正上述數(shù)據(jù)。4）進行驗算。5）據(jù)驗算結(jié)果對設(shè)計進行必要的修改。主軸組件的設(shè)計計算2.初選主軸直徑主軸直徑直接影響主軸部件的剛度。直徑越粗，剛度越高，但同時與它相配的軸承等零件的尺寸也越大。故設(shè)計之初，只能根據(jù)統(tǒng)計資料選擇主軸直徑。3.主軸懸伸量的確定主軸懸伸量a是指主軸前支承徑向支反力的作用點到主軸前端面之間的距離，見圖3-12。它對主軸組件剛度影響較大。根據(jù)分析和試驗，縮短懸伸量可以顯著提高主軸組件的剛度和抗振性。因此，設(shè)計時在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下，盡量縮短懸伸量a。主軸組件的設(shè)計計算4.主軸最佳跨距的選擇主軸的跨距（前、后支承之間的距離）對主軸組件的性能有很大影響，合理選擇跨距是主軸組件設(shè)計中一個相當重要的問題。提升主軸組件性能的措施1.提高旋轉(zhuǎn)精度提高主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度，首先是要保證主軸和軸承具有一定的精度，此外還可采取一些工藝措施。提升主軸組件性能的措施2.裝配后精加工為提高運動精度，除適當提高軸承的精度外，對于滾動軸承還可采取下列措施：1）消除間隙并適當預緊，使各滾動體受力均勻。2）控制軸頸和軸承座孔的圓度誤差。3）適當加長外圈的長度，使外圈與箱體孔的配合可以略松，以免箱體孔的圓度誤差影響外圈滾道。4）采用NNU4900K系列軸承(擋邊開在外圈上，內(nèi)圈可以分離的3182100系列軸承)，可將內(nèi)圈裝在主軸上后再精磨滾道。5）內(nèi)圈與軸頸、外圈與座孔配合不能太緊。提升主軸組件性能的措施3.改善動態(tài)特性改善動態(tài)特性的主要措施如下。1）使主軸組件的固有頻率避開激振力的頻率。2）主軸軸承的阻尼對主軸組件的抗振性影響很大，特別是前軸承。3）采用三支承結(jié)構(gòu)時，其中輔助支承的作用在很大程度上是為提高抗振性。4）用消振裝置。提升主軸組件性能的措施4.控制主軸組件溫升主要措施有以下兩項。1）減少軸承發(fā)熱量合理選擇軸承類型和精度，保證支承的制造和裝配質(zhì)量，采用適當?shù)臐櫥绞?，均有利于減少軸承發(fā)熱。2）采用散熱裝置通常采用熱源隔離法、熱源冷卻法和熱平衡法，能夠有效地降低軸承溫升，減少主軸組件熱變形。機床實行箱外強制循環(huán)潤滑，不僅帶走了部分熱量，而且使油箱擴大了散熱面積。對于高精度機床主軸組件，油液還用專門的冷卻器冷卻，降低潤滑油溫度。有的采用恒溫裝置，降低軸承溫升，使主軸熱變形小而均勻。 3.3位置檢測裝置概述1.檢測裝置的分類概述2.數(shù)控測量裝置的性能指標與要求數(shù)控測量裝置安放在伺服驅(qū)動系統(tǒng)中。測量裝置所測量的各種物理量是不斷變化的，因此傳感器的測量輸出必須能準確、快速地跟隨反映這些被測量的變化。傳感器的性能指標應(yīng)包括靜態(tài)特性和動態(tài)特性。數(shù)控測量裝置的性能指標與要求如下：1）精度符合輸出量與輸入量之間特定函數(shù)關(guān)系的準確程度稱為精度，數(shù)控用傳感器應(yīng)滿足高精度和高速實時測量的要求。2）分辨率應(yīng)適應(yīng)機床精度和伺服系統(tǒng)的要求。分辨率的提高，對提高系統(tǒng)性能指標及運行平穩(wěn)性都很重要。高分辨率傳感器已能滿足亞微米和角秒級精度設(shè)備的要求。概述3）靈敏度實時測量裝置不但要靈敏度高，而且輸出、輸入關(guān)系中各點的靈敏度應(yīng)該是一致的。4）遲滯對某一輸入量，傳感器的正行程的輸出量與反行程的輸出量的不一致，稱為遲滯。數(shù)控伺服系統(tǒng)的傳感器要求遲滯小。5）測量范圍和量程傳感器的測量范圍應(yīng)滿足系統(tǒng)的要求，并留有余地。6）零漂與溫漂傳感器的漂移量是其重要的性能標志，它反映了隨時間和溫度的變化，傳感器測量精度的微小變化。此外，對測量裝置還要求工作可靠，抗干擾性強，使用維護方便，成本低等。常用位置檢測裝置1.旋轉(zhuǎn)變壓器簡稱旋變。是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化的信號元件。當勵磁繞組以一定頻率的交流電壓勵磁時，輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關(guān)系，或保持某一比例關(guān)系，或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系。常用位置檢測裝置（1）旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)及工作原理旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)與纏繞式異步電動機相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。旋轉(zhuǎn)變壓器可單獨和滾珠絲杠相連，也可與伺服電動機組成一體。從轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓的輸出方式來看，旋轉(zhuǎn)變壓器可分為有刷和無刷兩種類型。（2）應(yīng)用在數(shù)控機床中，如果將旋轉(zhuǎn)變壓器安裝在數(shù)控機床的絲杠上，當角從0°變化到360°時，表示絲杠上的螺母移動了一個螺距，由此可間接地測量出工作臺的移動距離。測量工作臺的整個行程全長時，可加一個計數(shù)器，累計行走的螺距數(shù)，即可折算成位移總長度。常用位置檢測裝置2.感應(yīng)同步器（1）結(jié)構(gòu)感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)如圖3-19所示，其定尺和滑尺的基板采用與機床熱膨脹系數(shù)相近的鋼板制成，鋼板上用絕緣黏結(jié)劑貼有銅箔，并利用腐蝕的辦法做成圖示矩形繞組。長尺叫定尺，短尺叫滑尺。標準感應(yīng)同步器定尺長度為250mm，滑尺長度為10mm，使用時定尺安裝在固定部件上（如機床床身），滑尺安裝在運動部件上。常用位置檢測裝置由圖3-19可以看出，當滑尺的兩個繞組中的任意一相通以激磁電流時，由于電磁感應(yīng)作用，在定尺繞組中必然產(chǎn)生感應(yīng)電勢。定尺繞組中感應(yīng)的總電勢是滑尺上正弦繞組和余弦繞組所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢的相量和。如圖3-20所示，表示滑尺繞組相對定尺繞組移動時定尺繞組感應(yīng)電勢的變化情況。常用位置檢測裝置（3）特點感應(yīng)同步器的特點主要有：1）測量精度高。感應(yīng)同步器系直接對機床位移進行測量，中間不經(jīng)過任何機械轉(zhuǎn)換裝置，測量精度只受本身精度限制。由于感應(yīng)同步器的極對數(shù)多，定尺上的感應(yīng)電壓信號是多周期的平均效應(yīng)，從而減少了制造繞組局部誤差的影響，所以測量精度較高，達0.001mm。2）測量長度不受限制?？善唇映筛鞣N需要的長度，根據(jù)測量長度的需要，采用多塊定尺接長，相鄰定尺間隔也可以調(diào)整，使拼接后總長度的精度保持（或略低于）精度。常用位置檢測裝置3）對環(huán)境的適應(yīng)性強。4）維護簡便，使用壽命長。由于感應(yīng)同步器定尺與滑尺之間不直接接觸，因而沒有磨損，所以壽命長；同時不怕油污、灰塵和沖擊、振動等，因而維護簡便。但是感應(yīng)同步器大多裝在切屑或切削液容易入侵的部位，必須用鋼帶或折罩覆蓋，以免切屑劃傷滑尺與定尺的繞組。5）注意安裝間隙。感應(yīng)同步器安裝時要注意定尺與滑尺之間的間隙，一般在0.02?0.25mm以內(nèi)，滑尺移動過程中，由于晃動所引起的間隙變化也必須控制在0.01mm之內(nèi)。如間隙過大，必將影響測量信號的靈敏度。感應(yīng)同步器由于具有以上一系列的優(yōu)點，所以廣泛用于位置檢測。常用位置檢測裝置3.光柵在高精度的數(shù)控機床上，目前大量使用光柵作為反饋檢測元件。光柵與前面講的旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器不同，它不是依靠電磁學原理進行工作的，不需要勵磁電壓，而是利用光學原理進行工作，因而不需要復雜的電子系統(tǒng)。（1）光柵的種類光柵尺是一種直線位移傳感器，有物理光柵與計量光柵之分。在數(shù)控機床上使用的光柵屬于計量光柵，用于直接測量工作臺的移動。采用光柵尺構(gòu)成的全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)可以補償傳動鏈的誤差。它分為玻璃透射光柵與金屬反射光柵兩類。3.3.2 3.3.2 常用位置檢測裝置莫爾條紋是光的衍射和干涉作用的總效果，其方向與光柵刻線相垂直，如圖3-22所示。兩條明帶或兩條暗帶之間的距離稱為莫爾條紋間隔B。若光柵尺的柵距為，光柵尺相對位移一個柵距，莫爾條紋也上下移動一個條紋間距B，則光電元件輸出信號也就變化一個周期，最后由數(shù)字顯示儀顯示出光柵尺（運動件）的準確位移。莫爾條紋主要起放大和平均誤差的作用。（3）光柵檢測裝置結(jié)構(gòu)4.脈沖編碼器脈沖編碼器又稱碼盤，是一種回轉(zhuǎn)式數(shù)字測量元件，通常安裝在被檢測軸上，隨被檢測軸一起轉(zhuǎn)動，可將被檢測軸的角位移轉(zhuǎn)換為增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式碼盤可分為接觸式、光電式和電磁式3種。其中，光電碼盤在數(shù)控機床上應(yīng)用較多，而由霍爾效應(yīng)構(gòu)成的電磁碼盤則可用作速度檢測元件。常用位置檢測裝置光電脈沖編碼器又稱增量式光電編碼器，它是采用圓光柵通過光電轉(zhuǎn)換將軸轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換成電脈沖信號的器件。光電脈沖編碼器按每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)目的多少，可分為多種型號，如表3-6和表3-7所示。數(shù)控機床是根據(jù)滾珠絲杠螺距來選用相應(yīng)的脈沖編碼器的。常用位置檢測裝置5.磁柵磁柵又稱磁尺，是一種計算磁波數(shù)目的位置檢測元件。它是用錄磁磁頭將具有周期變化的、一定波長的方波或正弦波電信號記錄在磁性標尺上，用它作為測量位移量的基準尺。測量時，用拾磁磁頭讀取記錄在磁性標尺上的方波或正弦波電磁信號，通過檢測電路將其轉(zhuǎn)化為電信號，根據(jù)此電信號，將位移量用數(shù)字顯示出來或者送到位置控制系統(tǒng)。磁柵檢測裝置由磁性標尺、拾磁磁頭及檢測電路三部分組成。磁柵按其結(jié)構(gòu)特點可分為直線式和角位移式，分別用于長度和角度的檢測。常用位置檢測裝置磁柵的特點磁柵作為檢測元件可用在數(shù)控機床和其他測量機上，其特點如下：1）測量精度高。2）制作、安裝與調(diào)整簡單，可以在機床上直接錄制磁帶，錄磁、去磁方便，不需安裝、調(diào)整，避免安裝誤差。3）對使用環(huán)境要求低，工作穩(wěn)定，可以在油污、灰塵較多的工作環(huán)境里使用。 3.4換刀裝置3.4.1 3.4.1 概述3.4.2 3.4.2 自動換刀裝置1.自動回轉(zhuǎn)刀架數(shù)控車床上使用的回轉(zhuǎn)刀架是一種最簡單的自動換刀裝置。根據(jù)不同的加工對象，有四方刀架和六角刀架等多種形式，回轉(zhuǎn)刀架上分別安裝著四把、六把或更多的刀具，并按數(shù)控裝置的指令換刀?；剞D(zhuǎn)刀架又有立式和臥式兩種，立式回轉(zhuǎn)刀架的回轉(zhuǎn)軸與機床主軸成垂直布置，結(jié)構(gòu)比較簡單，經(jīng)濟型數(shù)控車床多采用這種刀架回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強度和剛度，以承受粗加工時切削抗力和減少刀架在切削力作用下和位移變形。提高加工精度?；剞D(zhuǎn)刀架還要選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)，以保證回轉(zhuǎn)刀架在每次轉(zhuǎn)位之后具有較高的重復定位精度(一般為0.001~0.005mm)。自動換刀裝置2.轉(zhuǎn)塔頭式換刀裝置帶有旋轉(zhuǎn)刀具的數(shù)控機床常采用轉(zhuǎn)塔頭式換刀裝置，如數(shù)控鉆床的多軸轉(zhuǎn)塔頭等，其轉(zhuǎn)塔頭上裝有幾個主軸，每個主軸上均裝一把刀具，加工過程中轉(zhuǎn)塔頭可自動轉(zhuǎn)位實現(xiàn)自動換刀，主軸轉(zhuǎn)塔頭就相當于一個轉(zhuǎn)塔刀庫，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，換刀時間短，僅為2s左右。自動換刀裝置3.帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)由于回轉(zhuǎn)刀架、轉(zhuǎn)塔頭式換刀裝置容納的刀具數(shù)量不能太多，不能滿足復雜零件的加工需要，因此，自動換刀數(shù)控機床多采用帶刀庫的自動換刀裝置。帶刀庫的自動換刀裝置由刀庫和刀具變換機構(gòu)組成，換刀過程較為復雜。刀庫1）盤式刀庫。此刀庫結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用較多。刀具的方向與主軸同向，換刀時主軸箱上升至最高位置。這時主軸和刀具正好對準刀庫的某一個位置，刀具被夾住，然后刀庫將下一個工序旋轉(zhuǎn)至與主軸對準的位置，刀庫后退將新刀具插入主軸孔中，主軸箱下降進行加工。此換刀裝置的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、換刀可靠性較好。缺點是換刀時間長，適用于刀庫容量較小的加工中心采用。2）鏈式刀庫。此刀庫結(jié)構(gòu)緊湊，刀庫容量較大，鏈環(huán)的形狀可根據(jù)機床的布局制成各種形狀，也可將換刀位突出以便于換刀，當需要增加刀具數(shù)量時，只需增加鏈條的長度即可，給刀庫設(shè)計/與制造帶來了方便。刀具交換裝置數(shù)控機床的自動換刀裝置中，實現(xiàn)刀庫與機床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為刀具的交換裝置，刀具的交換方式有兩種：由刀庫與機床主軸的相對運動實現(xiàn)刀具交換以及采用機械手交換刀具。刀具的交換方式及它們的具體結(jié)構(gòu)對機床的生產(chǎn)率和工作可靠性有直接影響。刀具交換裝置1）利用刀庫與機床主軸的相對運動實現(xiàn)刀具交換。此裝置在換刀時必須首先將用過的刀具送回刀庫，然后再從刀庫中取出新刀具，兩個動作不能同時進行，換刀時間較長，臥式加工中心機床就采用這類刀具交換方式。刀具交換裝置2）采用機械手進行刀具交換。采用機械手進行刀具交換的方式應(yīng)用最廣泛。這是因為機械手換刀靈活，動作快，而且結(jié)構(gòu)簡單。由于刀庫及刀具交換方式的不同，換刀機械手也有多種形式。從手臂的類型來分，有單臂機械手和雙臂機械手。常用的雙臂機械手有如圖3-29所示的幾種結(jié)構(gòu)形式，圖a）是鉤手，圖b）是抱手，圖c）是伸縮手，圖d）是插手。這幾種機械手能夠完成抓刀→拔刀→回轉(zhuǎn)→插刀→返回等一系列動作。為了防止刀具掉落，各機械手的活動爪都帶有自鎖機構(gòu)。由于雙臂回轉(zhuǎn)機械手的動作比較簡單，而且能夠同時抓取和裝卸機床主軸和刀庫集中的刀具，因此換刀時間進一步縮短。 3.5計算機數(shù)控系統(tǒng)3.5.1 3.5.1 概述1.計算機數(shù)控系統(tǒng)的概念按照ISO的定義，數(shù)控系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng)，它自動閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字。并將其譯碼，從而使機床移動和加工零件。計算機數(shù)控系統(tǒng)（簡稱CNC系統(tǒng)）是20世紀70年代發(fā)展起來的新的機床數(shù)控系統(tǒng)，它用一臺計算機代替先前硬件數(shù)控所完成的功能。所以，它是一種包含有計算機在內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)。其原理是根據(jù)計算機存儲的控制程序進行數(shù)字控制。數(shù)控系統(tǒng)分輪廓控制系統(tǒng)和點位控制系統(tǒng)。輪廓控制系統(tǒng)比較復雜，功能齊全，有的還包括了點位控制功能的內(nèi)容；點位控制系統(tǒng)比較簡單（如鉆、鏜），這里主要介紹輪廓控制系統(tǒng)。2.CNC裝置的組成3.5.2 3.5.2 計算機數(shù)字控制裝置的結(jié)構(gòu)1.計算機數(shù)字控制裝置的硬件結(jié)構(gòu)計算機數(shù)字控制裝置（CNC裝置）從功能到水平來分有低、中、高三點；從價格、功能、使用等綜合指標考慮可分為經(jīng)濟型數(shù)控裝置和標準型（全功能型）數(shù)控裝置。CNC裝置按微處理器的個數(shù)可以分為單微處理器和多微處理器結(jié)構(gòu)；按CNC裝