（精密仪器及机械专业论文）小型精密钟表机床的研制(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

上海大学硕士研究生学位论文 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 钟表师在制作钟表零部件时，往往需要一台小型精密钟表机床，文献表明： 现有的钟表机床存在结构复杂、功能单一、精度较低、等缺点，因而开发一台结 构简单、紧凑、功能多样化、精度较高的小型钟表机床有其现实意义。 本文设计的钟表机床包括基座、三维精密工作台、支架、传动机构以及主轴 系统五大部分。根据钟表及微小零件加工的一般要求，通过科学的分析，得出该 机床较为合理的基本技术参数和精度指标；同时，也确立了机床的加工功能，它 与各种机床附件的配合使用可完成：车削、铣削、钻孔、镗孔、表面打磨和抛光 等机加工。本文完成了机床的总体设计、机床机械部分各主要机构的具体设计、 电器控制部分设计；并采用s o l i dw o r k s 软件对机床进行了三维实体造型；借助 a n s y s 软件对机床的关键零部件作了有限元分析，并以此指导设计，有效提高 了机床的精度；设计过程中，作者对机床的主体机构作了精度分析和校核，证明 了该设计可以达到预期的目标。 在设计期间，充分考虑到机床光、机、电一体化产品方向的后续发展，作者 对机床自动控制装置、光学显微镜装置的添加预留了接口，并对此作了初步的探 讨。 关键词：钟表机床变频调速器三维实体造型有限元分析精度分析 小型精密钟表机床的研制 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 谢也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 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：趁蕉瓠导师签名：乜熏笪! 歪日期：兰蜉! 臼笋 上海大学硕士研究生学位论文 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 第一章绪论 引言 随着我国市场经济的发展，社会对机电一体化产品的多品种、小批量、个性 化的要求日益增强。钟表业在这方阿的要求尤为突出，为满足这种需求，开发小 型精密机床有广阔的应用价值，它适合独立钟表师的工作需求。本文就这一项目 丌展设计分析和研究。 1 1 1 课题背景【4 】 我国自二十世纪五十年代生产首款手表以来，钟表产业取得了长足的发展。 如今，我国每年的手表产量达十四亿块，时钟产量达六亿台，分别占世界总产量 的百分之八十和百分之九十以上，成为钟表生产的第一大国，然而中国钟表在国 际市场上的竞争力并不强。经营理念落后、出口产品技术含量低、品牌培育意识 不强等劣势阻碍了我国钟表产业的进一步发展。为此，我国的钟表企业需采取重 研发、创名牌、走出去加强技术研发，充分提高产品附加值的相应对簸才能提升 我国钟表的竞争力。 对于一位独立的钟表师来说，钟表零件一般是在机床上加工完成的。文献表 明，目前市场上钟表机床大多数有车、铣、钻等单一的功能，但钟表机构一般都 较为复杂，有主夹板、夹板( 包括中央轮夹板、第四轮夹板、摆轮半夹板) 、擒 纵轮夹板。各种夹板上还有凸台、沉孔等等，这样，一个零件就很难在一台单一 功能的机床上完成。夹板平面用铣床铣削，沉孔则采用钻床进行钻削等等；更重 要的是，钟表部件所要求的这种车削、铣削、钻削等工艺的精度比较高，如果多 次装夹显然会影响加工精度，此外，钟表零件表面的精饰加工往往需要工件与刀 具成不同的倾角；加工曲面时，要求铣刀在铣削时呈一定的倾斜。虽然这些要求 数控加工中心( c n c ) 能够满足，但对独立钟表师或规模较小的研发部门来说， 其投资成本太高。有鉴于此，研制一台具有多自由度( 5 个自由度) 、多种功能 ( 具有车、铣、钻等功能) 的小型钟表机床是非常有必要的。经市场调查、文献 表明，尚无类似的机床出现。 1 1 2 国内外“钟表机床”的研究情况简介 1 1 2 1 机床的发展趋势 目前，机床的数控化、数控机床的p c 化是大势所趋，与此同时，机床业还 在进一步提高和开发高精度、高效率、高自动化( 简称“三高”) 、多样性、成套 性、综合性( 简称“三性”) 的单机与环节。现代机床制造业的发展，已经摆脱 了单一工艺加工的束缚，多工艺复合加工机床不断涌现，复合化也是近几年机床 了单一工艺加工的束缚，多工艺复合加工机床不断涌现，复合化也是近几年机床 小型精密钟表机床的研制 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 发展的模式，它将多种动力头集中在一台机床上，工件一次装夹就可完成多道工 序，从而提高工件的加工精度。在特殊加工机床领域，如混合式微型机床有了长 足的发展( 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 ) ；此外新技术在机床加工 业的应用：如在铣削工艺中的刀具智能在线监控系统( 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，都是现代机床业发展的方向。 1 1 2 2 著名厂家生产的机床 就小型精密机床来说，瑞士、英国、美国、日本和德国生产的产品较为先进。 瑞士更因其钟表产业在国际上的领先地位，其生产的小型钟表机床在市场上受到 青睐。 1 图1 是瑞士威力铭w i l l m i n 一- 4 0 8 加工中心，它有 五轴五联动加工的能力。该加工中心除x 、y 、z 三自 由度直线运动外，还带有一个摆动盘和一个旋转工作 台。图中，a 轴绕x 轴旋转，b 轴绕y 轴旋转，c 轴绕 z 轴旋转，从而摆动盘绕y 轴旋转是b 轴，旋转工作台 绕z 轴旋转是c 轴。摆动轴b 与旋转轴c 垂直相交， 。， 摆动盘b 的旋转中心落在旋转轴c 上，本课题需要研制 的机床与此加工中心在结构上有些类似，并且它们都具 有五个自由度。 2 图1 - 2 所示为美国s h e r l i n e 公司生产的m o d e l 4 5 0 0 小型车床。其特点是，该型 号机床配有大量的酣件，这些附件使该机床可以实现车削、镗削、钻削、铰孔、 抛光、成形面以及锥面加工等操作。速度 控制的范围为7 0 r p m 到2 8 0 0 r p m 。利用调 零手轮，操作者可以随时重新置零，从而 在加工时有利于消除因计算而引起的误 差。 3 图1 3 是s h e r l i n e 公司最近开发的 m o d e l 5 4 0 0 型小铣床。车床与铣床的不同图l - 2 m o d e l 4 5 0 0 小型车床 在于：车床是工件旋转、刀具固定，而铣 床是刀具旋转、工件固定。m o d e l 5 4 0 0 系列小铣床目前是s h e r l i n e 公司的主流产 品，该型号机床的特点不仅在于其配有完善的附件，且其结构设计也非常紧凑、 合理。该立式铣床可实现如飞刀切削，钻削，扩孔等操作。 上海大学硕士研究生学位论文 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 铣床在运作时，刀具旋转，工件固定不动，因 而大型的零部件只要被装夹牢固，就可在机床上加 工。机床主轴电机为大功率的直流电机，并配有变 频调速装置，可连续调节电源频率范围从5 0 h z 到 6 0 h z 而不损失扭矩。图1 3 型号的小铣床可实现的 运动自由度为四，即空间沿x 、y 、z 轴线的直线 运动以及绕z 轴旋转运动。 4 图1 _ 4 为s h e r l i n e 公司开发研制的 m o d e l 2 0 0 0 2 0 1 0 d e l u x e 8 d i r 铣床。它在保持了原来 功能的基础上增加了竖直方向旋转立柱沿z 轴的摆 转，其幅度为一9 0 。 + 9 0 。，并且可通过激 图卜3 m 0 d e l 5 4 0 0 型铣床 光雕刻的度盘准确控 制摆转角度。旋转立柱附属装置的后面是一个转向 节，可使得主轴箱靠近或远离操作人员实现倾斜。 另外，在新的基础立柱上设计了一个主中心锁紧装 置，可使滑枕上下浮动。这些辅助运动加强了该型 号机床的功能。 图1 - 4 m o d e l2 0 0 0 2 0 1 0 6 图1 5 为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 小铣床的基础上，在空间三坐标轴( x 、y 、z ) 上安装了三个步进电机，再配有 合适的计算机软硬件程序，就构成了一个简单的c h l c 中心p n8 0 2 0 。它主要适 用于家庭作坊式手工艺人，他们希望利用c n c 的 优点来成批力n q - d , 零件，以及加工一些手工不能完 成的的三维型面；同时该机床也适用于小型的研究 机构，供研究人员从事开发、研究，学生也可借助 于该机床来学习如何操作c n c 。 我国2 0 0 4 年机床市场需求在产品方面有一下 特点： 图1 5 洲8 0 2 0 c n c 门式框架结构的机床继续成为需求的热点。 这种结构刚性好，装夹方便，易于形成高速、高效的特点。 普通机床继续保持热销状态，但经济型数控机床将进一步替代普通机床的 部分市场。 小型精密钟表机床的研制 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 对专门化及专用机床保持较高的需求。目前，专门化及专用的概念也有进 一步的扩大，用户要求的是制造工艺和应用工艺的结合，即符合用户特殊工艺要 求的功能专业化的机床。 当前，我国的钟表业进入了前所未有的好时期，世界钟表企业高度集中在我 国，即意味着信息、人才、设备、资金、技术等行业发展优势资源的高度集中， 运用好这些优势资源，不断的去创新，开发新的产品那我们国家钟表产业就会取 得更大的进展。 1 2 本课题的研究目标及意义 1 2 1 本课题研究目标 课题的研究目标是把钟表机床设计成一台如图1 5 所示的带有数控系统、集 成显微镜装置的光、机、电一体化产品，它应具有五个运动自由度分别为x 、y 、 z ，以及绕z 轴的旋转和绕z 轴的摆转；配合机床附件它可完成车、铣、钻、磨 等多种机加工：利用显微镜装置的功能，它还可完成对微小元件的加工。 1 2 2 本课题的研究意义 机电一体化技术从2 0 世纪5 0 年代发展至今，开发的产品层出不穷。该技术 给传统的机械产业和制造业从产业机构、生产方式和管理体制等方面也带来了深 刻的变化，它是制造业特别是机械工业技术和产品发展的必然趋势，本课题研制 的小型钟表机床也是一种机电一体化产品。该机床不仅仅供钟表师对钟表零部件 进行维修以及开发、研制新型的钟表产品，同时也可供科研、教学单位或小型修 理业来完成单件、小批小型零件的机加工；此外还可进行市场化运作。 1 。3 本文的主要内容概述 作者本着“实用化”的目的从机床的基本参数着手，完成了机床的总体方案 设计；整个机床的机械部分设计，包括基座、三维精密工作台、支架、传动机构、 主轴系等五个组成部分；对于电器控制部分的设计，作者运用变频调速技术完成 了主驱动电机的调速装置设计；此外作者使用三维软件s o l i d w o r k s 对机床进行了 三维造型，提供了其三维造型图；同时对机床的前景设计做了许多积极的探索。 4 上海大学硕士研究生学位论文 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 本文主要内容包括： 第一章 本章绪论，分析了课题的研究背景，介绍了当前国内外小型钟 表机床的研究现状，阐述了课题的研究意义。 第二章介绍t d , 型精密钟表机床的技术参数，提出了机床设计的总体 方案。 第三章 具体阐述了机床机械部分的设计，包括三维工作台、支撑部件、 传动机构以及主轴系的设计。 第四章 电器控制部分设计，作者在本章中简要阐述了如何利用变频调 速技术来控制微型三相异步电动机，提出了具体的实施方案。 第五章利用三维造型软件s o l i d w o r k s 建立机床的三维实体造型，并在 此基础上利用a n s y s 软件对机床重要零部件进行了有限元分 析。 第六章阐述了精度分析的一般方法，对机床精度进行了理论分析，找 出了其中的误差源。并提出设计中相应的控制措旌。 第七章对本文作了总结，提出了机床设计中存在的不足之处，对下一 步的工作做了展望。 1 4 本章小结 在本章中，作者对课题的研究背景以及国内外相关钟表机床的研究现状作了 陈述，同时阐述了本课题的研究意义，并对本文的内容安排作了简要说明。 小型精密钟表机床的研制 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 第二章机床的技术要求及总体方案 2 1 机床的总体要求 本课题设计的多功能小型精密钟表机床总体上有一下特点： 1 整体结构力求简单，紧凑，具有很高的刚度。 一件成功的工业产品，须符合“实用、经济、美观”的设计原则。 2 力求设计的机床，其功能趋向多样性。 所设计的小型钟表机床，因铰链机构、机床支架可在0 0 9 0 0 ( 常用0 。、4 5 。和9 0 0 ) 之间摆转、主轴端采用拉杆设计，使得机床功能趋向多样化。 ( 1 ) 拉杆与夹具、小铣刀的配合使用，可实现立式铣削。 ( 2 ) 拉杆与夹具、小钻头的配合可实现钻削。 ( 3 ) 在支架摆转9 0 0 之后亦即支架呈水平状态，拉杆与夹具、车刀、镗刀 的配合可实现车削、镗削。 ( 4 ) 水平方向工作台进给丝杠的传动，可实现切制螺纹。 ( 5 ) 基于钟表零件加工工艺的要求，该机床可实现对钟表零件抛光的功能。 ( 6 ) 拉杆与夹具、小砂轮配合，借助于变频调速器在速度上的调节实现磨 削工艺。 ( 7 ) 采用旋转工作台的分度功能，通过拉杆与夹具、齿轮滚、铣刀的配合 可实现n q - $ 十表齿轮( 一种特殊的修正摆线齿轮) 。 3 所设计的机床要有很高的精度：包括其几何精度、运动精度、传动精度以及 动态精度。 i 几何精度：它是指机床在不运转时部件间相互位置精度和主要零件的形 位精度。本机床主要是主轴中心线相对工作台移动方向的垂直度和平行度，主轴 的端面跳动和径向跳动。这些精度主要是由制造精度和装配精度决定的。 i i 运动精度：是指机床在以工作速度运动时各主要零部件的几何位置精度。 i i i 传动精度：它是指机床传动链各末端执行件之间运动的协调性和均匀 性。 i v 动态精度：它是指机床在一切外来条件下，包括负载，周围环境等的影 响下的零部件的形位精度。影响它的因素主要有机床的刚度、抗振性和热变形等 等。一般情况下，机床的刚度越高其动态精度就越高。 6 上海大学硕士研究生学位论文 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 机床设计所要求的技术参数及总体结构 2 2 1 机床的技术参数 本文设计的小型精密钟表机床其技术参数如下表所示，附表1 为机床的主要 的加工精度指标；附表2 为机床精度指标，附表3 为机床主要的技术参数。 机床加工精度指标附表1 机床精度指标附表2 机床技术参数附表3 参数名称单位精度指标备注 平面度u m o 5 车、铣等操作 表面粗糙度 u m r a 0 8车、铣等操作 加工误差 m mo 0 2 车、铣等操作 主轴径向跳动唧0 0 1 2 主轴 主轴轴向窜动唧0 0 1 2 主轴 定位精度姗 0 0 2 工作台 重复定位精度 岫0 0 1 5 工作台 分度精度 秒5 绕z 轴摆转 重复分度精度秒士3 绕z 轴摆转 分度精度 秒 土5 绕z 轴旋转 重复分度精度秒 士3 绕z 轴旋转 回转精度 j m l l0 0 0 1 主轴 参数名称单位有效量程参数名称单位有效量程 机床总体尺寸 m m2 8 0 2 7 5 3 8 0 绕z 轴摆转 0 。1 2 0 o 加工区域范围 m m一4 0 4 0 绕z 轴旋转 0 。3 6 0 o 主轴中心距立 1 3 0 主轴变速范围 r m l n1 0 0 2 8 0 0 柱表面距离 主轴端面距工 作台面距离 5 4 进给量 m m m i no 1 5 工作台面尺寸m m2 0 0 x 1 6 0主电机k wo 1 8 小型精密钟表机床的研制 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 机床的总体结构 框图1 机床的总体结构( 框图1 ) 分三部分：机械部分、电器控制部分和光学部分。 机械部分设计主要包括基座、三维精密工作台、支架、传动机构以及主轴系；电 器控制部分设计主要包括微型三相异步电动机的变频调速系统的设计和x 、y 、 z 三个方向的步进电机控制装置设计；光学部分设计是在机床的基础上集成显微 镜装置。在本课题中，作者主要承担机床机械部分设计；电器控制部分中有关微 型三相异步电动机的变频调速系统的设计；步进电动机的控制部分以及光学装置 的集成将在机床的后续设计中完成。作者在进行机械部分设计时，为添加步进电 机和集成显微镜装置预留了空间。 2 3 机床总体设计方案 8 】【1 0 】【1 1 】 目前，制造业进入了买方市场，顾客对产品的多样化和个性化的要求越来越高 同时由于市场的全球化，企业间的竞争越来越激烈，顾客对产品的交货期和价格的 要求也越来越高。新工艺、新技术的不断出现也使得从传统大批量生产模式向“模 块化设计”和制造方向转变，计算机技术和成组技术的发展，以及制造的全球化 和网络化，传统单件生产模式也在向“模块化设计”迈进。“模块化设计”是日趋 发展的一种新型设计方法。它的特点是：在功能分析的基础上，划分并设计出一 系列功能模块，通过模块选择与组合以构成一定范围内的不同功能或相同功能不 同性能、不同规格的系列产品。 此外，“可重组机床的设计方法”或“可重构机床的设计方法”也是在近几 年的发展中出现的一种新的设计理念。机床的可重组强调在机床设计的开始阶段 上海大学硕士研究生学位论文 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 就考虑如何使机床能够根据今后一定的外部环境变化进行相应的重组。一般来说 衡量一台机床是否具有可重组性有三个准则：( 1 ) 机床结构是否采用模块化设计：( 2 ) 机床数控系统有无开放性；( 3 ) 机床是否易于与其他设备如物流系统集成，及由此 形成的生产线能否重构。 机床产品的创新取决于总体方案的创新，其次是具体零部件的创新。总体方 案创新设计是机床产品设计的关键，它对机床的功能、性能、制造成本、制造周 期、外观及其与外界( 物流系统或人) 的可视性等起着决定性的作用。 机床总体方案创新设计，是充分利用成熟的零部件技术，创造出新的产品品 种。它的主要内容可分为以下几个方面： 1 传动方案设计 主传动的传动方式有：经普通电机和机械变速传动；变频电机传动( 可 直接驱动或经带轮或齿轮传动) ；伺服电机传动( 与主轴的传动方式同) 其 中为有级变速主传动；为无级变速主传动。 进给传动的传动方式有：普通电机和机械变速传动；步进电机传动； 伺服电机传动；直线电机。其中为有级变速主传动；为无级变速主传 动。 总体方案中的传动方式设计是根据功能、性能要求和希望制造成本的设计条 件，合理的选择确定最佳传动方案。一般来说无级变速传动的功能、性能好便于 自动控制，但价格昂贵，有级变速传动的特点则刚刚相反。 2 执行件运动的驱动方式 执行件运动的驱动方式有：串联驱动方式，传统机床的执行件( 安装刀具 或工件的部件) 运动都是采用串连驱动方式；并联驱动方式，新型的并联机床 ( 又称虚拟轴机床) 的执行件采用的是并联驱动方式。并联机床的特点是：理论 上机床的刚度、精度很高；执行件重量轻，运动速度可以很高：运动控制复杂； 作业空间相对较小。而串联驱动机床的特点正好相反。因而出现了串联、并联相 结合的混联式机床，以吸收串联驱动和并联驱动各自的优点。 3 运动功能设计 运动功能设计的任务就是确定机床的坐标轴数、备坐标的运动性质( 直线运 动或回转运动) ，各坐标轴的排列顺序以及各坐标轴的运动分配( 即各轴运动是 由工件和刀具的哪一侧完成) 。一般来说机床的坐标运动轴数越多，功能越强， 所能完成的加工工艺范围越宽，但价格也越贵。 4 机床的总体结构布局设计 同一种运动功能方案的设计，可以有不同的结构布局形式，例如三坐标铣床 可以有立式、卧式、斜置式、滑枕式和龙门式等形式。机床总体结构布局形式对 机床的整机性能、制造周期和成本影响重大。 9 小型精密钟表机床的研制 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 控制系统方案的设计 微机数字控制技术在机床上的应用是机床现代化的标志。机床数控系统有以 下几种分类方式：按机床类型分，有点位元控制、直线控制和轮廓控制；按 控制器分，有硬件数控和计算机数控；按伺服系统控制环路分，有开环、闭环 和半闭环系统；按功能水平分，有高、中、低三类。控制系统方案的设计主要 根据机床类型及经济能力合理选择。 6 总体方案评价 对总体方案主要从以下几个方面进行评价：方案的整机性能、柔性、与物流 的可亲性、可重组能力、制造成本、制造周期、外观造型、可靠性及可维护性。 上述评价因素中，部分因素是可以定量的，部分因素只能是定性的。 2 3 1 机床机械部分设计方案 基于以上对机床产品的设计方法和总体方案设计的叙述，考虑到后续设计中 集成显微镜光学装置以及机床自动控制系统的添加的可实施性，确定机床机械部 分的总体设计方案。方案l 和方案2 均采用台式钻床的总体结构布局。 方案1 中，部件7 为传动模块，采用的是微型异步电动机经同步带轮、同 步带传动带动主轴系5 的传动模式，微型异步电动机外接变频调速器实旌对主轴 的同步变速，从而实现无级变速的主传动。 运动功能设计，设计的机床要求具有多功能的特点。机床具有5 个自由度， 如机床运动自由度示意图所示：x 、y 、z 空间三个坐标轴方向的直线运动，以 及绕z 轴的旋转运动z r ( 可旋转工作台3 ) 和绕z 轴的摆转运动( 支架6 在y o z 平面内的摆转) 。 上海大学硕士研究生学位论文 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 框图2 为机床五自由度实现示意图，方案1 中平移工作台模块2 的前后、左 右直线运动以及箱体4 与支架6 的上下直线运动都是通过精密螺旋传动来实现 的；支架6 在y o z 平面内的摆转是通过一铰链装置来实现的；可旋转工作台3 的回转运动是通过一对锥齿轮传动来实现的。 机床五自由度 土 审 精密螺旋传精密螺旋传精密螺旋传 旋转工作台 在立柱之间 动，x 方向动，y 方向 动，z 方向的滚 通过一对锥安装一个铰 的滚动直线 的滚动直线动直线导轨、锁 齿轮传动链机构来实 导轨 导轨紧装置 现 框图2 小型精密钟表机床的研制 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 作者鉴于机床的工作环境以及其多功能的特点，在方案l 的基础上对其结构 作了一些调整提出了方案2 ； 方案1 中支架6 为方形立柱，箱体( 滑动导轨) 与立柱配合时，其圆周方 向定位比较可靠，但方形零件( 固定导轨) 其加工成本太高不利于经济性，同时 z 方向的刚度也不高，在一定程度上减少了整个机床的刚度，而在方案2 中作者 对支架作了修改，采用圆形立柱，这样首先加工难度不高，同时刚度相对较好， 而与其配合的箱体4 ( 兼做滑动导轨) 的加工较容易，有利于节约成本，为了确 定箱体的圆周方向的定位，作者在支架6 上开了两个对称的滑键槽( 图2 - 1 ) 所示， 通过滑键块与箱体4 的固定再与支架6 的配合起到固定的效果。 课题设计的初衷主要是考虑对于钟表零部件夹板、表壳等的机加工，因此 其加工区域相对比较小，考虑到机床后续的发展，显然方 案1 中支架6 与平移工作台模块的相对位置阻碍了加工的 区域范围，作者对此作了详细的调研，收集了大量的机床 资料、图片，如图1 3 、i - 4 、i - 5 显示，其平移工作台模块 2 的位置大多采用如方案2 的设计，这样有利于拓宽机床 的加工区域，同时也可使机床得到更广泛的应用。 从“可重组机床的设计思想”上来看，评价一台机 床是否具有可重组性，其中关键一条在于该机床是否具有 集成其它设备、装置的可能性。因而在设计初，作者就考 。1 虑到钟表零部件较小的特点，在加工和维修此类零件时就需要一台显微镜装置， 如果在机床上集成一台显微镜装置就无需额外添加该设备。因此从机床后续设计 来看，方案2 更有利。 总之，从以上项叙述可以得出，方案2 更合理些，本课题采用总体 方案2 的设计。 上海大学硕士研究生学位论文 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 机床电器控制部分设计方案【3 1 】【4 4 机床电器控制部分设计主要包括两个方面：分别为x 、y 、z 三个方向直线 运动的自动控制和对微型三相异步电动机的调速控制，本文作者着重探讨对微型 三相异步电动机的变频调速控制，同时对x 、y 、z 三个方向的直线运动的自动 控制做一些初步的探索，提出一个合适的方案，也供后续设计参考。 2 3 2 1x 、y 、z 三个方向直线运动的自动控制设计方案【3 1 】 对x 、y 、z 三个方向直线运动的自动控制，本文预通过p l c 控制步进电机 的方式来完成。 p l c ( n 司- 编程控制器) 是以微机技术为基础发展起来的新一代工业控制装置， 它的结构形式基本上与微型计算机相同，j 、型p l c 是为取代传统的继电接触式控 制系统和其它顺序控制器而设计的，故又与通用微型计算机的硬件有所区别。它 是把继电器控制的优点，与计算机的功能齐全、灵活性、通用性相结合，用计算机 编程软件逻辑代替继电器接线逻辑的通用性自动控制设备，是一种较理想的新型 工业控制装置，其特点为高可靠性：编程简单，使用方便；可采用梯形图 编程方式，与实际继电器控制电路非常接近，一般电气工作者很容易接受；环 境要求低，适用于恶劣的工业环境体积小，重量轻，扩充方便，组合灵活。 其组成结构如框图3 所示； 框图3p l c 硬件组成图 小型精密钟表机床的研制 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 三个方向的步进电机以实现直线运动的自动 控制。初期控制系统方案如下； 框图4 p l c 控制系统流程图 2 , 3 2 2 微型三相异步电动机变频调速控制设计 4 4 1 据本文前述，机床的主传动方式有多种，本文采用微型三相异步电动机通过 变频调速器来控制机床速度的方式。 交流异步电动机是应用最广泛的一种动力机械，它具有结构简单、制造容易、 运行可靠、维护方便而且效率高、重量轻、价格低等优点。但是，异步电动机存 在的一个最大缺点是调速性能差；在生产中由于工艺要求需要电动机调速的场 合，通常从两个方面来解决，一是不用异步电动机采用调速性能好的直流电动机， 而是应用新技术，使异步电动机的运行能够按照生产工艺要求进行调速。本文是 通过采用变频调速技术来对微型三相异步电动机进行调速的。 1 4 上海大学硕士研究生学位论文 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 近几年来，电机调速技术发展很快，应用范围也越来越广，尤以变频调速技 术发展最为迅速。变频调速器是当今优秀的“电调速”产品，它能使交流异步电 动机无级调速，且调速范围宽，精度高，并能调节升速和减速时间，能实现无电 冲击的软启动和软制动：它的功率因数高，工作效率高，低速运行时可以节省电 力，它装有输入外控接口和负反馈接口，便于外闭环自动控制，一些变频器装有 p i d 调节器，可以补偿拖动系统的惯性误差，很容易实现智能化的群控。 基于变频调速器的一系列优点，它在机床领域内的应用也越来越多。机床采 用变频调速器，主要为了完成机床的某种功能，提高生产效率，提高产品质量。 此外，机床主轴采用变频无级调速，可使磨具或刀具以最小的磨损产生最高的光 洁度和加工精度。变频调速器由电子线路进行控制，比较灵活，控制速度快，可 以有效的提高机床的加工效率。 图2 - - 2 三相3 8 0 v 微小功率异步电机变频调速原理图 三相3 8 0 v 微小功率异步电动机，可采用三相3 8 0 v 变频调速的方法；将变 频器通入3 8 0 v 电源，整流成直流电，然后逆变成变频交流电，输出线接异步电 机，接法采用y 型接法；如图2 2 所示。 2 4 小结 本章从机床的总体要求出发，阐述了机床实现的主要功能，机床的总体构成 以及主要的技术参数；同时作者叙述了当前设计机床的几种方法。本着实用性的 观点，作者提出了机床的总体设计方案，主要包括机械部分和电器控制部分的设 计。 小型精密钟表机床的研制 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 第三章机床机械部分设计 在第二章中已经确定了机床的总体设计方案( 包括机械部分设计和电器控制 部分设计) ，本章将对机床机械部分的设计过程作详细的阐述：主要包括工作台 设计、支撑结构设计、传动机构设计以及主轴系设计。 3 1 工作台设计 3 1 1 工作台需要实现的功能 在第二章的论述中，机床有五个自由度，其中工作台实现三个自由度：即 水平方向运动，包括x 方向直线运动和y 方向直线运动，回转运动，即绕z 轴的旋转运动。其中x 、y 方向的直线运动保证了工件在水平方向上的定位，而 绕z 轴的回转运动则确定了工件在圆周方向上的定位。 3 1 2 工作台设计方案的选择 据第二章机床技术参数要求，以及其实现的运动功能确定该机床三维精密工 作台采用“叠加式“的结构形式，亦即工作台总体分上下两层叠加起来，上层为 旋转工作台，下层为水平方向平移工作台( 如第二章机床机械部分设计示意图方 案2 所示) 。 图3 - 1 为三维工作台设计方案，鉴于机床总体尺寸的设计要求，充分考虑到 机床的小型化，下层工作台采用“组合式”结构，亦即该机床平移工作台中采用 的第一层滑动导轨，同时兼做第二层工作平台的固定导轨，从而有利于减少其整 体尺寸，达到设计效果。 图3 - 1 三维工作台设计方案一 上海大学硕士研究生学位论文 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 图3 - 2 图3 2 为方案一的三维工作台装配图及其零件爆炸视图。综合二维和三维视 图，不难看出此方案工作台的结构特点：采用滑动丝杠螺母机构传动( 下层丝 杆轴1 4 与下层方螺母1 3 构成一对滑动螺旋，上层丝杆轴1 2 与上层方螺母1 1 构 成一对滑动螺旋) 实现直线运动；考虑到工作台的结构紧凑，高度要求小，调 整要方便，作者采用了燕尾槽导轨；旋转工作台的结构设计采用一对锥齿轮的 啮合传动来实现。 采用该方案设计的工作台，其具体的传动线路为： i 冰平x 、y 直线运动：转动手轮a 1 5 ，通过滑动螺旋副1 4 与1 3 的传动， 带动导轨支撑底板2 实现x 方向直线运动；同样在由上层方螺母1 1 和上层丝杆 轴1 2 组成的滑动螺旋副的传动下，带动上层滑动实现y 方向直线运动。 i i 旋转工作台6 绕z 轴的回转运动；通过转动手轮b 1 0 ，则小锥齿轮9 随之 旋转，而通过锥齿轮9 与5 的啮合，5 随之旋转带动旋转工作台6 绕固定轴8 旋 转，实现回转运动。 方案一存在的不足：大锥齿轮5 与旋转工作台通过轴承7 来支撑，可靠性 不高。尽管机床加工对象属小型零件( 主要是手表零部件) 切削力不大，但靠轴 承7 内圈围绕固定轴8 转动，同时又靠轴承7 外圈来承受外力，故轴承7 容易损 坏；此外，轴承与固定轴装配时要求很高的同轴度才能保证旋转工作台6 不绕轴 线偏转，这给加工也带来非常大的难度，不利于节约成本。图3 - 1 设计的上层 滑动导轨3 和导轨支撑底板2 均采用燕尾槽导轨，其设计结构与一般燕尾槽导轨 不同，加工难度就相对比较高，也不利于节约成本。鉴于方案一存在的不足，作 者提出了方案二。 小型精密钟表机床的研制 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 图3 - 3 三维工作台设计方案二 图3 - 3 即在方案一的基础上确立的，针对方案一中的缺点，作者对旋转工 作台作了如图3 3 所示的变化，重新对旋转工作台的结构进行了设计，转动手轮 b 9 ，通过小锥齿轮8 与大锥齿轮5 的啮合传动，带动旋转工作台6 沿着