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。

但响应速度过快会造成系统的超调，甚至会引起系统不稳定。

因此，应适当选择快速响应特性。

对于点位控制的机床，主要应保证定位精度，并尽量减少定位时间。

对于轮廓控制的机床，除了要求高的定位精度外，还要求良好的快速性及形成轮廓的各运动坐标伺服系统动态性能的一致性。

对于开环及半闭环的控制形式，主要是应满足定位精度的要求，而对于闭环的控制形式，则主要是稳定性问题。

2.1.2、进给伺服系统的设计要求
机床的位置调节对进给伺服系统提出很高的要求。

其中在静态设计方面有：
（1）能够克服摩擦力和负载。

当加工中最大切削力为20000～30000N时，电机轴上的转矩需要10～40N·m。

（2）很小的进给位移量。

目前最小分辨率为0.1μm。

（3）高的静态扭转刚度。

（4）足够的调速范围。

电机的最大转矩由快进速度决定。

（5）进给速度均匀，在速度很低时无爬行现象。

在动态设计方面的要求有：
（1）具有足够的加速和制动转矩，以便快速地完成启动和制动过程。

目前带有速度调节的伺服电机其响应时间通常为20～100ms。

在整个转速范围内，加速到快进速度或对快进速度进行制动需要转矩20～200 N·m；而在换向时加速到加工进给速度需要转矩10～150 N·m。

驱动装置应能在很短的时间内达到4倍的额定转矩。

（2）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。

（3）负载引起的轨迹误差尽可能小。

对于数控机床机械传动部件则有以下要求：
（1）被加速的运动部件具有较小的惯量。

（2）高的刚度。

（3）良好的阻尼。

（4）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具有尽可能小的非线性。

2.2进给伺服系统的组成及其数学模型
2.2.1、进给伺服系统的组成
数控机床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。

驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统；机械传动部件和执行元件组成机械传动系统；检测元件与反馈电路组成检测装置，亦称检测系统。

机床数字调节技术中，最重要、最基本的调节技术就是进给伺服系统的位置调节技术。

而实现这些调节技术的前提是建立被调节系统的数学模型。

1.数控机床的位置调节系统
数控机床的位置调节技术保证被加工零件的尺寸精度和轮廓精度。

其位置调节系统如图2.1所示。

图中输人参数的产生和位置调节器的功能可用数字计算机完成，从而构成一个数字位置调节系统。

进给驱动部件可以是电气的或液压的，分别称为电气驱动部件和液压驱动部件，它包括从给定值的输入到电机或液动机的输出。

从电机或液动机的输出经过机械传动到执行件（工作台或刀架）称为机械传动部件。

图2.1 数控机床的位置调节系统
2.数控机床进给伺服系统的分类
进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。

闭环控制方式通常是具有位置反馈的伺服系统。

根据位置检测装置所在位置的不同，闭环系统又分为半
闭环系统和全闭环系统。

半闭环系统具有位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴端两种，前者把丝杠包括在位置环内，后者则完全置机械传动部件于位置环之外。

全闭环系统的位置检测装置安装在工作台上，机械传动部件整个被包括在位置环之内。

开环系统的定位精度一般在±0.01～±0.02mm之间，它结构简单、工作可靠、造价低廉，由于影响定位精度的机械传动装置的摩擦、惯量、间隙的存在，故精度和快速性较差。

全闭环系统控制精度高（定位精度可达±0.001～±0.003mm）、快速性好，但由于机械传动部件在控制环内，所以系统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数，而且还与机械传动部件的刚度、阻尼特性、惯量、间隙和摩擦等因素有很大关系，故必须对机电部件的结构参数综合考虑才能满足系统的要求。

因此全闭环系统对机床的要求比较高，且造价较昂贵。

另外，为了提高开环系统和半闭环系统的精度，分别在原有系统的基础上增添位置检测装置。

这里的位置检测不是用于位置的全反馈，而是作为位置误差的补偿反馈。

半闭环系统的优、缺点介于全闭环系统和开环系统之间。

闭环系统中采用的位置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅和激光干涉仪等。

进给伺服系统中常用的驱动装置有电液伺服马达和伺服电机，后者又分为直流伺服电机和交流伺服电机。

电液伺服马达具有功率大、响应快和伺服刚度大等优点，缺点是效率低、噪声大、占地面积大，对油的清洁度要求高和污染环境等，目前只用在少数大型机床上。

交流伺服电机可靠性最高，基本上不需要维护，造价低，由于解决了控制技术，国外交流伺服电机正在取代直流伺服电机。

而在国内数控机床的进给驱动中，交、直流伺服电机驱动系统，在数量上已经各占了一半，交流伺服系统将占绝对优势。

现在广泛应用的直流调速系统有两类：可控硅（SCR）调速系统和大功率晶体管脉宽调速（PWM）系统，由于PWM系统具有更为突出的控制性能，所以它正在取代SCR调速系统。

现阶段我们广泛采用SPWM系统调速。

在位置环的调节方式上有模拟式和数字式，或者说有连续控制方式和离散控制方
式。

机床的数字调节系统是由计算机作为调节器，按采样方式工作的，因而属于离散控制方式。

这类系统精度高，动态性能好，可充分利用计算机的快速运算功能和存储功能，使进给伺服系统始终处在最佳工作状态。

另外，由于计算机作为调节器，因而调节系统具有很大的柔性。

2.2.2、进给伺服系统的数学模型
1.获得机床数学模型的方法
在分析和设计机床的调节系统时，第一步就是建立被研究系统的数学模型。

建立数学模型的方法通常有解析法和实验法。

用解析法获得系统的数学模型是比较困难的，而且还必须做许多工程上的简化。

另外，尽管数学模型的解析求解过程是严谨的，但是由于数学模型本身是在某些理想化的条件下建立的，实际情况如何，还需要用实验的方法加以验证和修改。

相反，用实验法确定系统的数学模型则比较简单，在解决简单的实际问题时很有用。

不过在理论分析和研究时，解析法具有优越性。

实验法是根据实验获得的输入输出信号来确定系统的数学模型的。

在这种意义上，可以称此为系统辨识。

系统辨识有两种情况：一种是对系统完全未知，这就要采用所谓的黑盒子辨识（Black-box-identification）的方法；另一种是对系统有一定的了解，通过辨识来确定系统的模型。

数控机床的系统辨识通常属后一种。

2. 进给伺服系统的理论建模
理论上用解析的方法来建立直流伺服电机驱动的进给系统的数学模型如下。

1）工程简化
实际的控制系统是非常复杂的，例如组成控制系统的各环节具有非线性、时变性以及各种相关关系等，系统内外又受到众多因素的影响。

如果对所有的影响考虑得“无微不至”，则我们可能无法用数学模型来表达一个控制系统，或者即使表达出来也很难求解。

因此，在建立一个系统的数学模型时，必须忽略某些次要因素，把某些性能理想化，而在进行简化的同时又要尽可能使建立的数学模型能较准确地表达实际的控制系统，这就需要简化性和准确性的统一。

当然，这种数学模型还需要在实践中加以验证和改进。

在建立直流电机驱动的进给伺服系统的数学模型时采用了下列一些工程上常用
的简化：
（1）用集中参数代替分布参数。

例如用集中质量代替分布质量。

（2）用定量参数代替时变参数。

即认为系统的各参数不随时间而变化。

（3）用等效的线性特性代替非线性特性。

控制系统中具有许多非线性因素，如电气元件中的死区和饱和，机械传动链中的间隙，导轨中的库仑摩擦力和振动阻尼特性等，这些非线性特性有时是必须如实加以考虑的，有时则可以用等效的线性特性来代替。

（4）用单自由度力学系统代替多自由度力学系统。

机械传动部件实质上是一个多自由度的力学系统，但是适当地选择动力学参数以保证其振动特性和原来系统相近，则一个复杂系统的振动就可以简化成一个简单系统的振动。

（5）略去次要因素的影响，例如油缸中可忽略油的泄漏等等。

2）建立数学模型的步骤
（1）首先确定系统或元件的输入量、输出量。

（2）根据各组成元件所遵循的物理定律，例如机械系统中的牛顿定律、电路系统的克希霍夫定律等，列出运动微分方程式。

（3）消去中间变量，就可求解系统或元件的微分方程式。

（4）对于线性系统，经拉氏变换后，可画出系统或元件方块图。

3）建立数学模型举例可控硅调速的直流电机驱动的位置调节系统，其典型结构图如图2.2所示。

位置
位置环速
度
环检测反馈
位置调节速度调节
SPWM伺服电机
工作台
图2.2 位置调节系统结构框图
该位置调节系统由位置环和速度环组成，若单从坐标位置考虑，则位置环输入是脉冲数，相应的输出是位移。

位置检测装置一般看作无惯性环节，于是有
x(t)p (t)p C x = （2-1） 式中 x (t )p ——反馈脉冲数；
p C ——位置反馈系数（脉冲/mm ）;
(t)x ——工作台位移（mm ）。

以指令脉冲与反馈脉冲的差作为位置环给定脉冲，经过数/模（D/A ）转换器和位置调节器变成模拟电压，作为速度环的给定值，以控制直流伺服电机向有除误差的方向旋转。

从位置环的给定到速度环的给定可看作位置放大器，于是有
gn(t)p p(t)x(t)U k [p p ]=- （2-2） 式中 gn (t )U ——速度环给定电压（V ）；
p k ——位置放大器增益（V/脉冲）；
p(t )p ——位置环给定脉冲。

旋转编码器的速度反馈回路可近似看成无惯性环节，于是有
fn(t)n U C n = （2-3） 式中 n C ——速度反馈系数（s ·V/rad ）;
n ——旋转编码器的转速
速度环给定电压与速度环以馈电压相减以后进入速度调节器。

这里将速度调节器看作比例环节。

SPWM 功放是一个延迟环节，由于延迟环节很短，只有几毫秒，故可把SPWM 功率放大器看成是一个无惯性环节。

这样，速度调节器和功率放大器可以合在一起，以一个环节速度放大器来表示，于是电机电枢回路输入电压为
A(t)n gn(t)fn(t)U K [U U ]=- （2-4） 式中 A(t)U ——电枢回路输入电压（V ）；。