立式加工中心移动工作台设计

1 前言数控机床是一种装有计算机数字控制系统的机床，数控系统能够处理加工程序，控制机床完成各种动作。

与普通机床相比，数控机床能够完成平面曲线和空间曲面的加工，加工精度和生产效率都比较高，因而应用日益广泛。

1.1 数控机床的组成一般来说，数控机床由机械部分、数字控制计算机、伺服系统、PC控制部分、液压气压传动系统、冷却润滑和排泄装置组成。

数控机床是由程序控制的，零件的编程工作是数控机床加工的重要组成部分。

伺服系统是数控机床的驱动部分，计算机输出的控制命令是通过伺服系统产生坐标移动的。

普通的立式加工中心有三个伺服电机，分别驱动纵向工作台、横向工作台、主轴箱沿X向、Y向、Z向运动。

X、Y、Z是互相垂直的坐标轴，因而当机床三坐标联动时可以加工空间曲面。

而对于五轴联动的数控机床来说，则多出了B轴和C轴。

Y轴的旋转轴为B轴，Z轴的旋转轴为C轴。

1.2 数控机床的加工运动机械加工是由切削的主运动和进给运动完成的，控制主运动可以得到合理的切削速度，控制进给可得到各种不同的加工表面。

数控机床的坐标运动是进给运动，对于三坐标的数控机床，各坐标的运动方向通常是相互垂直的，即各自沿笛卡尔坐标系的X、Y、Z轴的正负方向移动。

如何控制这些坐标移动来完成各种不同的空间曲面加工是数字控制的主要任务。

大家知道，在三维空间笛卡尔坐标系中，空间任何一点都可以用X、Y、Z坐标值来表示，对一条空间曲线也可以用三维坐标函数来表示。

怎样控制各坐标轴的运动才能完成曲面加工呢？现在来介绍一下吧。

曲面加工时刀具的移动轨迹与理论上的曲线不吻合，而是一条逼近线。

由于各种插补的计算公式不同，使逼近的折线也不同，通常有下面几种计算方法：逐点比较法，积分法和时间分割法。

1.3 数控机床的优、缺点数控机床有许多优点，因而发展很快，逐渐成为机械加工的主导机床。

（1）用数控机床加工可以获得很好的加工精度，加工质量稳定数控机床的传动件，特别是滚珠丝杠精度很高。

装配时消除了传动间隙，并采用了提高刚度的措施，因而传动精度很高。

机床导轨采用滚动导轨或粘接有摩擦系数很小的合成塑料，因而减小了摩擦阻力，消除了低速爬行。

闭环、半闭环伺服系统，装有精度很高的位置检测装置元件，并随时把位置误差反馈给计算机，使之能够及时进行误差校正。

因而使数控机床获得很高的加工精度。

数控机床的一切操作都是由程序支配的，若电控系统稳定可靠，它的工作是很可靠的，与手工操作相比，数控机床没有人为干扰，因而加工质量稳定。

（2）具有较高的生产效率在数控机床上使用的刀具通常是不重磨装夹式道具，具有很硬的表面涂层，因而切削速度较高。

采用对刀仪进行对刀，加工中心的刀库有足够数量的刀具，自动换刀的速度很快，空行程的速度在15m/min以上，有些达到了240m/min，因而辅助时间很短。

与普通机床相比，数控机床的生产效率可提高2~3倍，有些可达到几十倍。

（3）功能多许多数控机床具有很多加工功能，在一台机床上可以进行钻孔、镗孔、铣平面、铣槽、铣凸轮曲线及各种轮廓线，甚至刻字。

除装卡面可对六面体的五个面进行加工，有时还能对与坐标平面成一定角度的平面加工。

在一次装卡下完成各种加工，可以消除因重复装卡带来的误差。

也减少了测量和装卡的辅助时间。

（4）对不同零件的适应性强在同一台数控机床上可适应不同品种及尺寸规格的零件进行加工，只要更换加工程序，就可改变加工零件的品种。

（5）能够完成普通机床不能完成的复杂表面加工有些空间曲面，例如螺旋浆表面，五坐标联动数控机床加工，使之性能大为改进；数控仿形应用范围更广，具有重复应用、镜像加工功能。

（6）数控机床可大大减轻工人的劳动强度，并有较高的经济效益。

任何事物都有其二重性，数控机床也不是没有缺点，主要是有以下几方面：1）价格昂贵，一次投资较大。

2）维修和操作比较复杂要求具有较高技术水平和文化程度的工人和维修人员进行操作和维修。

数控机床是科学技术发展的结果。

高技术产品，一定要求有较高技术水平的人才操作和维修，因而如果说这是一条缺点的话，还不如说它对人们文化技术水平的提高的一种促进。

数控机床适用于多品种中、小批量生产；形状比较复杂、精度要求较高的零件加工；产品更新频繁、生产周期要求短的加工；用数控机床可以组成自动化车间和自动化工厂（FA），目前应用较多的是组成柔性自动化生产线（FML）、柔性制造单元（FMC）和柔性制造系统（FMS）。

1.4 数控机床的分类目前，数控机床品种齐全，规格繁多，可从不同角度和按照多种原则进行分类。

1.4.1. 按工艺用途分类（1）金属切削类数控机床这类机床和传统的通用机床品种一样，有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镗床以及加工中心等。

加工中心是带有自动换刀装置，在一次装卡后可以进行多种工序加工的数控机床。

（2）金属成型类数控机床如数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机等。

（3）数控特种加工及其他类型数控机床如数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床、数控火焰切割机床等。

1.4.2. 按控制运动的方式分类（1）点位控制数控机床点位控制（Positioning Control）又称点到点控制（Point to Point Control）。

这类数控机床的数控装置只要求精确地控制一个坐标点到另一坐标点的定位精度，见图（1.1）：图1.1 点位控制切削示意图而不管一点到另一点是按照什么轨迹运动。

在移动过程中不进行任何加工。

为了精确定位和提高生产率，首先系统高速运行，然后进行1 级~3 级减速，使之慢速趋近定位点，减小定位误差。

这类数控机床主要有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲剪床和数控测量机等。

使用数控钻镗加工零件可以省去钻模、镗模等工装，又能保证加工精度。

（2）直线控制数控机床直线切削控制（Straight Cut Control）又称平行切削控制（ParalklCutControl）。

这类数控机床不仅要求具有准确的定位功能，而且还要保证从一点到另一点之间移动的轨迹是一条直线。

其路线和移动速度是可以控制的。

对于不同的刀具和工件，可以选择不同的切削用量。

这一类数控机床包括：数控车床、数控镗铣床、加工中心等，如图1.2所示。

图1.2 直线控制切削示意图（3）轮廓控制数控机床" 轮廓控制（Contouring Control）又称为连续轨迹控制（Contou-OUS PathControl）。

这类数控机床的数控装置能同时控制两个或两个以上坐标轴，并具有插补功能。

对位移和速度进行严格的不间断的控制，即可以加工曲线或者曲面零件，如凸轮及叶片等。

轮廓控制数控机床有两坐标及两坐标以上的数控铣床、可加工曲面的数控车床、加工中心等（见图1.3）。

图1.3 轮廓控制切削示意图1.4.3 按有无检测装置分类（1）开环系统开环系统没有检测装置。

因此加工精度比较低，通常由步进电机驱动。

这种系统结构简单，价格便宜。

但步进电机转矩比较低。

（2）闭环系统闭环系统的位置检测装置装在床身和移动部件上，可以把坐标移动的准确位置检测出来并反馈给计算机，因此装有闭环系统的数控机床加工精度很高。

（3）半闭环系统这种系统与闭环系统相比不同之处是检测装置装在伺服电机的尾部，用测量电机测量位置坐标位置。

由于电动机到工作台之间的传动间隙和弹性变形、热变形等因素，因而检测的数据与实际的坐标值有误差。

但由于半闭环结构简单，安装调试放便。

检测元件不容易受损害等优点，目前应用较多。

（4）按可联动的坐标数分类按照联动（同时控制）轴数分，可以分为2 轴联动、2.5 轴联动、3 轴联动、4 轴联动、5轴联动等数控机床。

2.5轴联动是三个坐标轴（X、Y、Z）中任意两轴联动，另一个是点位或直线控制。

1.5 数控机床的发展1952年美国PARSONS公司和麻省理工学院合作试制了世界上第一台三坐标数控立式铣床。

54年美国Bendix-Cooperation公司生产出第一台工业数控机床。

先是由电子管控制，随后经历了晶体管控制、集成电路控制（NC），计算机控制（CNC），直到现在的微处理器控制（MNC）。

我国从1958年开始研制数控机床，70年代初得到广泛发展，数控技术在车床、铣床、钻床、磨床、齿轮加工机床、电加工机床等得到应用，并制出加工中心。

80年代，我国从日本发那科公司引进了3、5、6、7 等系列的数控系统和直流伺服电机，直流主轴电机等制造技术，以及引进美国GE公司的MCR系统和交流伺服系统，德国西门子VS系列可控硅调速装置，并进行了商品化生产。

这些系统可靠性高，功能齐全。

与此同时，还自行开发了3、4、5轴联动的数控系统以及双电机驱动的同步数控系统（用于火焰切割机）和新品种的伺服电机，推动了我国数控机床稳定发展，使我国数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。

它的发展趋势：1）具有先进的自检能力，使之能长期可靠的工作。

2）向高速、高精度发展。

3）更高的生产率和利用率。

4）单元模块化。

5）更强的通讯能力、图像编辑和显示能力。

2 进给伺服系统设计2.1 进给伺服系统的设计要求2.1.1、对进给伺服系统的基本要求带有数字调节的进给驱动系统都属于伺服系统。

进给伺服系统不仅是数控机床的一个重要组成部分，也是数控机床区别于一般机床的一个特殊部分。

数控机床对进给伺服系统的性能指标可归纳为：定位精度要高；跟踪指令信号的响应要快；系统的稳定性要好。

1.稳定性所谓稳定的系统，即系统在输入量改变、启动状态或外界干扰作用下，其输出量经过几次衰减振荡后，能迅速地稳定在新的或原有的平衡状态下。

它是进给伺服系统能够正常工作的基本条件。

它包含绝对稳定性和相对稳定性（稳定裕度）进给伺服系统的稳定性和系统的惯性、刚度、阻尼以及系统增益都有关系。

适当选择系统的机械参数（主要有阻尼、刚度、谐振频率和失动量等）和电气参数，并使它们达到最佳匹配，是进给伺服系统设计的目标之一。

2.精度所谓进给伺服系统的精度是指系统的输出量复现输入量的精确程度（偏差），即准确性。

它包含动态误差，即瞬态过程出现的偏差；稳态误差，即瞬态过程结束后，系统存在的偏差；静态误差，即元件误差及干扰误差。

常用的精度指标有定位精度、重复定位精度和轮廓跟随精度。

精度用误差来表示，定位误差是指工作台由一点移动到另一点时，指令值与实际移动距离的最大差值。

重复定位误差是指工作台进行一次循环动作之后，回到初始位置的偏差值。

轮廓跟随误差是指多坐标联动时，实际运动轨迹与给定运动轨迹之间的最大偏差值。

影响精度的参数很多，关系也很复杂。

采用数字调节技术可以提高伺服驱动系统的精度。

3.快速响应特性所谓快速响应特性是指系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度。

它包含系统的响应时间，传动装置的加速能力。

它直接影响机床的加工精度和生产率。

系统的响应速度越快，则加工效率越高，轨迹跟随精度也越高。