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數(shù)控鏟磨床縱向進給系統(tǒng)的設計 摘 要 鏟磨床是滾刀、成型銑刀等復雜刀具的精加工機床。由于傳統(tǒng)鏟磨床加工 精度下降、生產(chǎn)效率低，工人勞動強度大，本設計對傳統(tǒng)鏟磨床的縱向進給機 構進行數(shù)控化改造來改善其上述不足之處。 通過對目前工廠中傳統(tǒng)的鏟磨床進行研究，參考數(shù)控機床的相關文獻，了 解鏟磨床縱向進給部分的工作原理，并深入分析鏟磨床在加工的過程中各個零 部件的受力情況，按壽命計算選擇了絲杠的尺寸規(guī)格，并校核了額定動載荷、 傳動效率、剛度，最終選擇了漢江機床廠生產(chǎn)的滾珠絲杠。通過對主軸受力的 分析選擇了用推力球軸承承受軸向力，用深溝球軸承承受徑向力的形式。導軌 的選取參考了漢江機床廠生產(chǎn)的滾動導軌，對導軌的壽命以及額定載荷進行了 校核，均能滿足要求。電機根據(jù)滾珠絲杠的導程計算出的最高轉速，和傳動過 程中的最大轉矩選取了富士公司的伺服電機并對轉動慣量進行了校核。由于采 用了閉環(huán)系統(tǒng)，在查閱了光柵尺的相關參數(shù)后，選擇 FAGOR 公司的光柵尺能使 在規(guī)定的行程內(nèi)定位分辨率達到要求。 通過上述設計實現(xiàn)了鏟磨床縱向進給系統(tǒng)的數(shù)控化改造，滿足了加工精度 的要求，具有加工穩(wěn)定可靠，效率高等優(yōu)點。 關鍵詞: 數(shù)控鏟磨床;縱向進給系統(tǒng);精加工;閉環(huán)系統(tǒng) I Design of Longitudinal Feed System of CNC Relief Grinding Machine Abstract CNC relief grinding machine is a complex tool finishing machine for hobbing cutter, formed mill cutter. Because traditional relief grinding machine’s accuracy and production efficiency is low, the workers labor intensity is too big .The purpose of the numerical control reformation for the longitudinal feed system of traditional relief grinding machine is to improve the performance. After the traditional relief grinding machine had been researched in the factory at present, and reference related literature of CNC machine tools, The longitudinal feed part of relief grinding machine of working principle, and in-depth analysis of relief grinding machine in the process of machining force situation of every parts and components. According to the life of screw，chosed the size of screw. And checked the dynamic load rating, transmission efficiency, stiffness. Ultimately chose the ball screw produced by Hanjiang Machine Tool Factory . Through the analysis of the force acting on the spindle. A thrust ball bearing under axial force had been chosed, and a deep groove ball bearings bear radial force. With reference to the rolling guide produced by Hanjiang Machine Tool Factory, and calculating the life of rail and rated load, All parameters of guide can satisfied the requirements. According to the highest speed of the motor which is calculated according to the lead of ball screw and maximum torque of transmission process, The servo motor Fuji Corp had been chosed. And the moment of inertia is checked. Due to the adoption of the closed-loop system, the related parameters of grating ruler lookup, The grating ruler produced by FAGOR company had been chosed, which can satisfied that Positioning resolution meet the requirements stipulated in the distance. II Through the design , Implementation of the NC transformation of relief grinding machine longitudinal feed system, It meet’s the requirement of processing precision , and the processing is stable and reliable, high efficiency. Key words:CNC relief grinding machine; Longitudinal feed system; Finish machining;Closed loop system III 目 錄 1 緒論 .........................................................................................................................1 1.1 概述 .......................................................................................................................1 1.2 數(shù)控機床的優(yōu)點 ...................................................................................................2 1.3 數(shù)控機床的組成 ...................................................................................................3 2 總體方案設計 ......................................................................................................7 2.1 機床的運動關系 ...................................................................................................7 2.2 傳動方案的設計 ....................................................................................................7 2.2.1 絲杠的選型及支撐方式的設計 ....................................................................7 2.2.2 檢系統(tǒng)的選取 ................................................................................................8 2.2.3 導軌的選定 ....................................................................................................8 2.2.4 絲杠和電機連接零件的選取 ........................................................................9 2.2.5 軸承類型的選取 ............................................................................................9 3 進給伺服系統(tǒng)機械部分計算與校核 ..........................................................10 3.1 滾珠絲杠螺母副的計算和選型.........................................................................10 3.1.1 額定動載荷 ..................................................................................................10 3.1.2 傳動效率校核 ..............................................................................................12 3.2 軸承的計算和選型 .............................................................................................12 3.2.1 推力球軸承的選型 ......................................................................................12 3.2.2 深溝球軸承的選型 ......................................................................................13 3.3 絲杠的剛度和穩(wěn)定性校核 .................................................................................14 3.3.1 絲杠的剛度校核 .........................................................................................14 3.3.2 穩(wěn)定性校核 ..................................................................................................15 3.4 導軌的計算和選型 .............................................................................................15 3.4.1 滾動直線導軌副行程長度的壽命 ..............................................................15 3.5 伺服電機的計算和選型.....................................................................................16 3.5.1 電機轉速的選取 ..........................................................................................17 3.5.2 電機轉矩的計算 ..........................................................................................17 3.5.3 轉動慣量的校核 ..........................................................................................18 3.6 編碼器的選型.....................................................................................................18 IV 4 進給系統(tǒng)機械部分結構設計 ........................................................................19 4.1 進給伺服系統(tǒng)裝配圖的設計 .............................................................................19 4.2 安裝過程中應注意的問題 .................................................................................19 5 總結 .......................................................................................................................21 參考文獻 ....................................................................................................................22 致 謝 .........................................................................................................................23 畢業(yè)設計（論文）知識產(chǎn)權聲明 ......................................................................24 畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明 ..........................................................................25 1 緒論 1 1 緒論 1.1 概述 我國目前機床總量為 380 萬余臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有 11.34 萬臺，這 說明我國機床數(shù)控化率不到 3%。我們大多數(shù)制造業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工設備大 多數(shù)是傳統(tǒng)機床，而且半數(shù)以上是役齡在 10 年以上的舊機床。用這種機床加工 出來的產(chǎn)品普遍存在質量差、品種少、成本高等缺點，因此這些產(chǎn)品在國際、 國內(nèi)市場上缺乏競爭了，這直接影響了企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須提高機床 的數(shù)控化率。 在過去的幾十年，雖然金屬切削的基本原理變化不大，但隨著社會生產(chǎn)力 的發(fā)展，要求制造業(yè)向自動化和精密化方向發(fā)展，而刀具材料和電子技術的進 步，特別是微電子技術、電子計算機的技術進步，運用到控制系統(tǒng)中，既能幫 助機床的自動化，又能提高加工精度。這些都要求對舊機床進行改造。另外， 在經(jīng)濟方面，用機床的數(shù)控改造比更新設備節(jié)約 50%的資金。再加上市場的原 因，由于目前機床市場供給無法滿足大量的機床設備的更新需要，因此更顯示 出機床數(shù)控改造的必要性。 數(shù)控改造相對于購置數(shù)控機床來說，能充分發(fā)揮設備的潛力，改造后的機 床比傳統(tǒng)機床有很多突出優(yōu)點，由于數(shù)控機床的計算機有很高的運算能力，可 以準確的計算出每個坐標軸的運動量，加工出較復雜的曲線和曲面 。其計算機??1 有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記憶和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順 序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序，就可以實現(xiàn)另 一工件的加工，從而實現(xiàn)“柔性自動化” 。改造后的機床不像購買新機那樣，要 重新了解機床操作和維修，也不了解能否滿足加工要求。改造可以精確計算出 機床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者對機床的特性早已了解，操作 和維修方面培訓時間短，見效快。另外，數(shù)控改造可以充分利用現(xiàn)有地基，不 必像購入新機那樣需要重新構筑地基，還可以根據(jù)技術革新的發(fā)展速度，及時 地提高生產(chǎn)設備的自動化水平和檔次，將機床改造成當今水平的機床。 由于鏟磨床已經(jīng)停止生產(chǎn)，因此將傳統(tǒng)的鏟磨床進行數(shù)控化改造很有必要。 數(shù)控機床不但技術上具有先進性，同時在應用上比其他傳統(tǒng)的自動化改造方案 有較大的通用性和可用性，且投入費用低，用戶承擔得起。由于自投入使用以 來取得了顯著的技術經(jīng)濟效益，已成為我國設備技術改造中主要方向之一，也 為我國傳統(tǒng)機械制造技術朝機電一體化技術方向過渡的主要內(nèi)容之一。 畢業(yè)設計（論文） 2 1.2 數(shù)控機床的優(yōu)點 相對于傳統(tǒng)機床，數(shù)控機床有以下明顯的優(yōu)越性： (1) 提高生產(chǎn)率。數(shù)控機床能縮短生產(chǎn)準備時間，增加切削加工時間的比率。 采用最佳參數(shù)和最佳走刀路線，縮短加工時間，從而提高生產(chǎn)率。 (2) 數(shù)控機床可以提高零件的加工精度，穩(wěn)定產(chǎn)品質量。由于它是按照程序 自動加工不需要人工干預，其加工精度還可以利用軟件進行校正及補償，故可 以獲得比機床本身精度還要高的精度和重復精度。 (3) 有廣泛的適應性和較大的靈活性。通過改變程序，就可以加工新產(chǎn)品的 零件，能夠完成很多普通機床難以完成或者根本不能加工的復雜型面零件的加 工。 (4) 可以實現(xiàn)一機多用。一些數(shù)控機床，可以自動換刀，一次裝卡后，幾乎 能完成零件的全部加工部位的加工，節(jié)省了設備和廠房面積。 (5) 可以進行精確的成本計算和生產(chǎn)進度安排，減少在制品，加速資金周轉， 提高經(jīng)濟效益。 (6) 不需要專用夾具。采用普通的通用夾具就能滿足數(shù)控加工的要求。節(jié)省 了專用夾具設計制造和存放的費用。 (7) 大大減輕了工人的勞動強度 。??2 因此，采用數(shù)控機床，可以降低工人的勞動強度，節(jié)省勞動力（個人可以 看管多臺機床） ，減少工裝，縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作 出快速反應。此外，機床數(shù)控化還是推行 FMC（柔性制造單元） 、FMS（柔性制 造系統(tǒng)）以及 CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎。數(shù)控技 術已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術和基礎技術。 1.3 數(shù)控機床的組成 機床的伺服系統(tǒng)一般由驅動控制單元、驅動元件、機械傳動部件、執(zhí)行件 和檢測反饋環(huán)節(jié)等組成。驅動控制單元和驅動元件組成伺服驅動系統(tǒng)。機械傳 動部件和執(zhí)行元件組成機械傳動系統(tǒng)。檢測元件與反饋電路組成檢測系統(tǒng) 。??3 由于各種數(shù)控機床所完成的加工任務不同，它們對進給伺服系統(tǒng)的要求也 不盡相同，但通常可概括為以下幾方面：可逆運行；速度范圍寬；具有足夠的 傳動剛度和高的速度穩(wěn)定性；快速響應并無超調；高精度；低速大轉矩。 機床的進給傳動系統(tǒng)一般均采用進給伺服系統(tǒng)。這也是數(shù)控機床區(qū)別于普 通機床的一個特殊部分。 進給伺服系統(tǒng)按其控制方式不同可分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)控制方 畢業(yè)設計（論文） 3 式通常是具有位置反饋的伺服系統(tǒng)。根據(jù)位置檢測裝置所在位置的不同，閉環(huán) 系統(tǒng)又分為半閉環(huán)系統(tǒng)和全閉環(huán)系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)具有將位置檢測裝置裝在絲 杠端頭和裝在電機軸端兩種類型。前者把絲杠包括在位置環(huán)內(nèi)，后者則完全置 機械傳動部件于位置環(huán)之外。全閉環(huán)系統(tǒng)的位置檢測裝置安裝在工作臺上，機 械傳動部件整個被包括在位置環(huán)之內(nèi)。 開環(huán)系統(tǒng)的定位精度比閉環(huán)系統(tǒng)低，但它結構簡單、工作可靠、造價低廉。 由于影響定位精度的機械傳動裝置的磨損、慣性及間隙的存在，故開環(huán)系統(tǒng)的 精度和快速性較差。 全閉環(huán)系統(tǒng)控制精度高、快速性能好，但由于機械傳動部件在控制環(huán)內(nèi)， 所以系統(tǒng)的動態(tài)性能不僅取決于驅動裝置的結構和參數(shù)，而且還與機械傳動部 件的剛度、阻尼特性、慣性、間隙和磨損等因素有很大關系，故必須對機電部 件的結構參數(shù)進行綜合考慮才能滿足系統(tǒng)的要求。因此全閉環(huán)系統(tǒng)對機床的要 求比較高，且造價也較昂貴。閉環(huán)系統(tǒng)中采用的位置檢測裝置有：脈沖編碼器、 旋轉變壓器、感應同步器、磁尺、光柵尺和激光干涉儀等。 機床的進給伺服系統(tǒng)中常用的驅動裝置是伺服電機。伺服電機有直流伺服 電機和交流伺服電機之分。交流伺服電機由于具有可靠性高、基本上不需要維 護和造價低等特點而被廣泛采用。 直流伺服電動機引入了機械換向裝置。其成本高，故障多，維護困難，經(jīng) 常因碳刷產(chǎn)生的火花而影響生產(chǎn)，并對其他設備產(chǎn)生電磁干擾。同時機械換向 器的換向能力，限制了電動機的容量和速度。電動機的電樞在轉子上，使得電 動機效率低，散熱差。為了改善換向能力，減小電樞的漏感，轉子變得短粗， 影響了系統(tǒng)的動態(tài)性能。 伺服系統(tǒng)對伺服電機的要求： (1) 從最低速到最高速電機都能平穩(wěn)運轉，轉矩波動要小，尤其在低速如 0.1r /min 或更低速時，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。 (2) 電機應具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。一般 直流伺服電機要求在數(shù)分鐘內(nèi)過載 4～6 倍而不損壞。 (3) 為了滿足快速響應的要求，電機應有較小的轉動慣量和大的堵轉轉矩， 并具有盡可能小的時間常數(shù)和啟動電壓。電機應具有耐受 4000rad/s2 以上的角加 速度的能力，才能保證電機可在 0.2s 以內(nèi)從靜止啟動到額定轉速。 (4) 電機應能隨頻繁啟動、制動和反轉。 隨著微電子技術、計算機技術和伺服控制技術的發(fā)展，數(shù)控機床的伺服系 統(tǒng)已開始采用高速、高精度的全數(shù)字伺服系統(tǒng)。使伺服控制技術從模擬方式、 混合方式走向全數(shù)字方式。由位置、速度和電流構成的三環(huán)反饋全部數(shù)字化、 畢業(yè)設計（論文） 4 軟件處理數(shù)字 PID，使用靈活，柔性好。數(shù)字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術 和改進伺服性能的措施，使控制精度和品質大大提高。 交流伺服已占據(jù)了機床進給伺服的主導地位，并隨著新技術的發(fā)展而不斷 完善，具體體現(xiàn)在三個方面。一是系統(tǒng)功率驅動裝置中的電力電子器件不斷向 高頻化方向發(fā)展，智能化功率模塊得到普及與應用；二是基于微處理器嵌入式 平臺技術的成熟，將促進先進控制算法的應用；三是網(wǎng)絡化制造模式的推廣及 現(xiàn)場總線技術的成熟，將使基于網(wǎng)絡的伺服控制成為可能。 鏟磨床是滾刀、成型銑刀等復雜刀具的精加工機床，縱向進給系統(tǒng)是實現(xiàn) 螺旋運動的重要部分，也是保證產(chǎn)品達到高的加工精度和穩(wěn)定的加工質量的關 鍵部件, 以伺服電機、減速裝置、滾珠絲杠副、滑動導軌等組成的閉環(huán)傳動系統(tǒng) 能保證系統(tǒng)獲得較高的精度、剛度和穩(wěn)定性, 使之滿足數(shù)控系統(tǒng)的要求。數(shù)控機 床與普通機床相比,增加了功能,提高了性能,簡化了結構.較好地解決形狀復雜、 精密、小批量及形狀多變零件的加工問題。能獲得穩(wěn)定的加工質量和提高生產(chǎn) 率，其應用越來越廣泛，但是數(shù)控的應用也受到其他條件限制：(1)數(shù)控機床價 格昂貴，一次性投資巨大，中小企業(yè)常是心有余而力不足；(2)目前，各企業(yè)都 有大量的普通機床，完全用數(shù)控機床替換根本不可能，而且替代下的機床閑置 起來又會造成浪費；(3)在國內(nèi)，訂購新數(shù)控機床的交貨周期一般較長，往往不 能滿足生產(chǎn)急需；(4)通用數(shù)控機床對某一類具體生產(chǎn)項目有多余功能。 數(shù)控機床具有一定的自動化能力，以實現(xiàn)額定的加工工藝目標。這一工作 早在 20 世紀 60 年代已經(jīng)在開始迅速發(fā)展，并有專門企業(yè)經(jīng)營這門業(yè)務。目前， 國外已發(fā)展成為一個新興產(chǎn)業(yè)部門，從美國、日本等工業(yè)化國家的經(jīng)驗看，機 床的數(shù)控化改造也必不可少，如日本的大企業(yè)中有 26%的機床經(jīng)過數(shù)控化改造， 中小企業(yè)則達 74%。在美國有許多數(shù)控專業(yè)化公司為世界各地提供數(shù)控化改造 業(yè)務。中國是擁有 300 多萬臺機床的國家，其中大部分是多年積累生產(chǎn)的普通 機床，自動化程度低。要想在近幾年用自動和精密設備更新現(xiàn)有機床，不論是 資金還是中國機床制造廠的能力都是辦不到的，因此，普通機床的數(shù)控化改造 大有可為，它適合中國的經(jīng)濟水平、生產(chǎn)水平和教育水平，已成為中國設備技 術改造的主要方向之一。 機床數(shù)控化的優(yōu)點：(1) 改造閑置設備，能發(fā)揮機床原有的功能和改造后的 新增功能，提高了機床的使用價值，可以提高固定資產(chǎn)的使用效率；(2)適應多 品種、小批量零件生產(chǎn)；(3) 自動化程度提高、專業(yè)性強、加工精度高、生產(chǎn)效 率高；(4)降低對工人的操作水平的要求；(5) 數(shù)控改造費用低、經(jīng)濟性好；(6)數(shù) 控改造的周期短，可滿足生產(chǎn)急需。 普通機床(如 C616，C618，CA6140)等是金屬切削加工最常用的一類機床。 畢業(yè)設計（論文） 5 普通機床刀架的縱向和橫向進給運動是由主軸回轉運動經(jīng)掛輪傳遞而來，通過 進給箱變速后，由光杠或絲杠帶動溜板箱、縱溜箱、橫溜板移動。進給參數(shù)要 靠手工預先調整好，改變參數(shù)時要停車進行操作。刀架的縱向進給運動和橫向 進給運動不能聯(lián)動，切削次序也由人工控制。 對普通機床進行數(shù)控化改造，利用數(shù)控裝置，機床就可以按預先輸入的加 工指令進行切削加工。由于加工過程中的切削參數(shù)，切削次序和刀具都會按程 序自動調節(jié)和更換，再加上縱向和橫向進給聯(lián)動的功能，數(shù)控改裝后的機床就 可以加工出各種形狀復雜的回轉零件，并能實現(xiàn)多工序自動車削，從而提高了 生產(chǎn)效率和加工精度，也能適應小批量多品種復雜零件的加工 。??4 十幾年來，隨著科學技術的發(fā)展，機床也在不斷進步，數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品不斷 改進完善，并且有了階段性的突破，使新的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)功能更強，可靠性 更穩(wěn)定，功率增大，結構簡單，維修方便。由于這項技術的發(fā)展增強了經(jīng)濟型 數(shù)控的活力，根據(jù)我國國情，該技術在今后一段時間內(nèi)還將是我國機械行業(yè)老 設備改造的很好途徑。對于原有老的經(jīng)濟型數(shù)控機床，特別是 80 年代末期改造 的設備，由于種種原因閑置的很多，浪費很大；在用的設備使用至今也十幾年 了，同樣面臨進一步改造的問題通過改造可以提高原有裝備的技術水平，大大 提高生產(chǎn)效率，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。 2 總體方案設計 6 2 總體方案設計 2.1 機床的運動關系 數(shù)控鏟磨床主要通過砂輪的磨削來實現(xiàn)對刀具的加工，加工的過程中的運 動主要包括工件主軸回轉運動，砂輪縱向移動，砂輪橫向進給運動，砂輪的回 轉運動這四部分所形成的空間運動。工件的回轉和砂輪的縱向移動構成螺旋運 動，砂輪的橫向進給和砂輪的回轉構成鏟背運動，兩種運動合成完成滾刀的鏟 磨加工。 2.2 傳動方案的設計 縱向進給系統(tǒng)中初步設計利用交流伺服電機驅動整個傳動系統(tǒng)運動，并且通 過絲杠將電機的旋轉轉換為直線運動，通過聯(lián)軸器使絲杠與電機直接連接，絲 杠兩端采用一端固定一端簡直的支撐方式，絲杠螺母通過連接部分與工作臺連 接，從而實現(xiàn)鏟磨床的縱向進給運動。初步設計如圖 2.1 所示。 圖 2.1 方案簡圖 2.2.1 絲杠的選型及支撐方式的設計 絲杠是回轉運動與直線運動相互轉換的傳動裝置，是數(shù)控機床伺服進給系 統(tǒng)中使用最為廣泛的傳動裝置。滾珠絲杠具有傳動效率高、摩擦損失小，傳動 精度高，磨損小、使用壽命長等優(yōu)點。相對于滑動絲杠來說，滾珠絲杠僅用較 小的扭矩就能獲得較大的軸向推力而且功耗損失只有滑動絲杠的 1／4～1／3。 滾動摩擦的啟動摩擦阻力很小，所以滾珠絲杠螺母副的動作靈敏，并且滾動摩 擦阻力幾乎與運動速度無關，這樣就可以保證運動的平穩(wěn)性，即使在低速下仍 2 總體方案設計 7 可獲得均勻的運動，保證了較高的傳動精度。因此，本次設計采用滾珠絲杠， 由于絲杠有專業(yè) 的生產(chǎn)廠家生產(chǎn)，并且有相應的國家標準，因此在選擇時我參考了漢江機床廠 生產(chǎn)的相關產(chǎn)品，并對絲杠兩端固定部分做了必要的設計。 絲杠的安裝形式有四種：(1)一端固定，一端自由：(2)兩端游動：(3)一端固 定，一端游動：(4)兩端固定。 選擇兩端固定的安裝形式，其特點是(1)剛度最高，只要軸承無間隙，絲杠 的軸向剛度為一端固定的 4 倍；(2)絲杠一般不會受壓，無壓桿穩(wěn)定問題，固有 頻率比一端固定的高；(3) 可以預拉伸，預緊拉伸后可見小絲杠自重的下垂和熱 補償膨脹 。]5[ 2.2.2 檢系統(tǒng)的選取 伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號是單方向送的。 指令發(fā)出后，不再反饋回來，故稱開環(huán)控制。開環(huán)系統(tǒng)主要由步進電機驅動。 閉環(huán)控制系統(tǒng)具有裝在機床移動部件上的檢測反饋元件，用來檢測實際位 移量，能補償系統(tǒng)的誤差，因而伺服控制精度高。閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電 機或交流伺服電機驅動。 半閉環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)不同，不直接檢測工作臺的位移量，而是用檢 測元件出驅動軸的轉角，再間接推算出工作臺實際的位移量，也有反饋回路， 其性能介于開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)之間 。??6 由于本次設計中，要求定位分辨率 1μm，故采取全閉環(huán)系統(tǒng)來保證定位分 辨率，提高加工工件的加工精度。 2.2.3 導軌的選定 導軌是數(shù)控機床的重要部件之一，它在很大程度上決定數(shù)控機床的剛度， 精度和精度保持性。其中直線滾動導軌副是在滑塊與導軌之間放入適當?shù)匿撉颍?使滑塊與導軌之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，在很大程度上降低了二者之間的 運動摩擦阻力與滑動導軌相比較滾動導軌具有以下優(yōu)點: (1) 運動靈敏度高，滾動導軌的摩擦系數(shù)遠小于滑動導軌，并且滾動導軌動 靜摩擦力之差很小，隨動性極好，即驅動信號與機械動作滯后的時間間隔極短， 有益于提高數(shù)控系統(tǒng)的響應速度和靈敏度。無論實在高速還是低速運動，滾動 導軌的摩擦系數(shù)基本上不變，一般滾動導軌運動時沒有爬行現(xiàn)象。 (2) 定位精度高，一般滾動導軌的重復定位誤差為 0.1～0.2μm.滑動導軌一般 為 10～20μm.因此滾動導軌能實現(xiàn)高定位精度和重復定位精度。 畢業(yè)設計（論文） 8 (3) 牽引力小，移動靈活。 (4) 鋼制淬硬導軌具有極高的耐磨性修理周期可達到 10～15 年。故導軌的 磨損小，保持性好。 (5) 潤滑系統(tǒng)簡單，維護方便。 (6) 驅動功率大幅度下降只相當于普通機械的十分之一。適應高速直線運動， 其瞬時速度比滑動導軌提高約 10 倍。能實現(xiàn)無間隙運動，提高機械系統(tǒng)的運動 剛度 。??7 因此采用滾動導軌。 2.2.4 絲杠和電機連接零件的選取 由于要求工作臺的最大直線速度為 500mm／s，折算到電機上的轉速可能很 高，因此電機與絲杠的鏈接用聯(lián)軸器。這樣也大大簡化了主軸的結構，縮短傳 動鏈，提高了傳動精度同時有效的提高了主軸部件的剛度。 2.2.5 軸承類型的選取 軸承按承受的外部載荷的不同來分類時可以分為向心軸承、推力軸承和向 心推力軸承。其中向心軸承主要承受徑向載荷，也承受一定的軸向載荷。推力 軸承則只能承受軸向載荷 。由于本次設計中要求快速進給時的極限轉速較高，??8 故采用能夠達到較高轉速的球軸承。由于絲杠主要承受軸向力的作用，為了保 證機床的高速度，高精度，左端選取兩個深溝球軸承承受向心力，兩個推力球 軸承，承受軸向載荷，右端采取兩個深溝球軸承和一個推力球軸承的形式，這 樣在機床工作的過程中既保證了受力方面的要求，有保證了機床在快速進給的 過程中有較高的速度的要求。并且保證了機床的高精度和可靠性，而且提高了 傳動系統(tǒng)的剛度。 3 進給伺服系統(tǒng)機械部分計算與校核 9 3 進給伺服系統(tǒng)機械部分計算與校核 3.1 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 由于滾珠絲杠的承載能力用額定負荷表示，故在選取絲杠時根據(jù)額定載荷 選取。在參考了傳統(tǒng)鏟磨床的切削力后，對于機床Ｘ，Ｙ，Ｚ軸上的切削分力 分別取 500N，500N，600N。 由公式 YzXmaxFW' fF??）（ （3.1）可得 ＝1008.4Na 3.1.1 額定動載荷 由于要求機床最大工作速度為 500mm/s,工作時最大速度為 200mm/s 考慮到 絲杠及電機的轉速及實際中鏟磨床中絲杠的導程，初選絲杠的導程為 10mm 因此滾珠絲杠工作時的最高轉速 n=1200r／min。 所以絲杠的工作速度較高。 由公式 3ak????????FCL （3.2） 其中 k—工況系數(shù)； Ca—額定動載荷； Fa—軸向載荷； k 的取值參見表 3.1 表 3.1 工況系數(shù) 使用條件 k 無沖擊的平穩(wěn)運動 1.0～1.2 一般情況 1.2～1.5 沖擊和振動情況 1.5～2.0 通過查表可知 k 一般情況下取 1.5。 機床工作臺重 1500N，且滾動導軌的摩擦系數(shù)為 0.0025～0.005，這里取 0.005。 切削力為 600N，此次設計對絲杠螺母施加預緊力，預緊力為軸向載荷的三 3 進給伺服系統(tǒng)機械部分計算與校核 10 分之一，F(xiàn)a 為最大軸向載荷。 解得 Fa=1512N4.1083??Fa 數(shù)控機床的使用壽命 L =15000hh 由公式 n60L1h?? （3.3） 得 L=2700 百萬轉 NFKLCa9.315a3??? 由于數(shù)控機床對滾珠絲杠副的剛度有較高要求，故選擇螺母時要注重其剛 度的保證。此處選擇插管式外循環(huán)的端法蘭雙螺母形式，且螺母取 2.5 2 列以? 保證絲杠的剛度要求。 漢江機床廠 HJG-S 系列絲杠的具體參數(shù)以及相關尺寸如下圖 3.1，圖 3.2 所 示： 圖 3.1 滾珠絲杠尺寸圖 畢業(yè)設計（論文） 11 圖 3.2 漢江機床廠滾珠絲杠 根據(jù)動載荷和公稱導程值得核對最后選取的滾珠絲杠的型號 FYC D4010-2 5。 3.1.2 傳動效率校核 ???????tan （3.4） 式中螺旋升角 =4°33′ 摩擦角 一般為 8′～12′ 取 10′，滾動摩擦系數(shù) 0.003～0.005 取 0.005 計算得 =0.9773﹥0.9??)0134tan(ta???????? 故傳動效率合格。 3.2 軸承的計算和選型 軸承部分絲杠的直徑為 25mm。 畢業(yè)設計（論文） 12 3.2.1 推力球軸承的選型 推力軸承的選取時軸向載荷按最大軸向載荷選取，來保證軸承達到相應的 強度。 由軸承的計算公式 ?610???hLnPC （3.5） 式中： P—軸承所受載荷 ; C—基本額定動載荷; —預期計算壽命;'hL n—軸承的轉速; 已知：P=1512.6N =15000h n=3000r／min'hL 代入后可得 C=21KN 查閱機械零件手冊和選取代號為 51205 的推力球軸承，具體參數(shù)見表 3.2 所 示： 表 3.2 軸承 51205 參數(shù) 軸承代號 其它尺寸 安裝尺寸 基本額定負荷 極限轉速 重量 mm mm KN r／min Kg 51205 d D da Da Cr Coa 脂 油 m1 asr min min max 27 47 38 34 0.6 21.2 40.2 3400 4800 0.12 3.2.2 深溝球軸承的選型 因為絲杠、聯(lián)軸器、推力球軸承等的總重量為 35kg 所以作用在軸承上的徑 向力的大小為 343N。 由公式（3.5）可得，軸承應具有的基本額定動載荷為： =4776.2N?610???hLnPC 查閱機械零件手冊后選取代號為 6205 的深溝球軸承具體參數(shù)如下表 3.3 所 示： 表 3.3 軸承 6205 參數(shù) 軸承代號 基本尺寸 安裝尺寸 基本額定負荷 極限轉速 重量 畢業(yè)設計（論文） 13 mm mm KN r／min Kg 6205 d D t da Da Cr Cor 脂 油 masr min min max 25 52 15 31 46 1 10.8 6.95 12000 16000 0.121 3.3 絲杠的剛度和穩(wěn)定性校核 3.3.1 絲杠的剛度校核 最大切削力 600N,支撐間距 1206mm，絲杠及軸承均進行預緊，預緊力為最 大軸向載荷的三分之一。 (1) 滾珠絲杠的軸向剛度 l4d 21EK?? （3.6） 式中： —絲杠螺紋底徑；1 l—受力點到推力支撐端的距離； E—彈性模量，E=2.1× MPa；510 當工作臺位于兩端推力支撐的正中間時剛度為最低。 Ld 21min1K?? （3.7） L—安裝間距 mm； 已知： =0.033m L=1.23m1d 代入得 =718 N／minK? (2) 螺母的軸向剛度 K 2 因對螺母施加預緊力故： 3 12a.08???????CF （3.8） 式中：K—尺寸樣本中的剛度值； Fa—軸向載荷； Ca—額定動載荷； 已知： K=2250 N／ Fa=1512.6N Ca=55017Nm? 代入得 =1170.4 N／2 畢業(yè)設計（論文） 14 (3) 支撐軸承的軸向剛度 K 3 3 12b3FZd7.4K）（? （3.9） 式中： —滾珠直徑，單位 mm；b Z —滾動體數(shù)； F —軸向載荷，單位 N； 軸承為 6205 帶入相關參數(shù)得 K =619.3 N／3m? (4) 螺母座、軸承座的軸向剛度 K 4 在設計中應使安裝部位有高剛度，一般可忽略不計。 由公式 43211?? （3.10） 可得 =0.0038618K 代入公式 Fa?? （3.11） 可得 =5.84 m? 對于全長為 1230mm，精度為 2 級的絲杠 300mm 單一導程變動量為 14 ﹥ 。?? 3.3.2 穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠兩端采用推力球軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不需作穩(wěn)定性校核。 故所選取絲杠合格。 3.4 導軌的計算和選型 3.4.1 滾動直線導軌副行程長度的壽命 31sh06nL2?? （3.12） 式中 —壽命時間，單位為 h;h L —行程的長度，單位為 m；s —每分鐘往返的次數(shù)（1／min）：n 畢業(yè)設計（論文） 15 由于 =15000h L =600mm =10 1／minhsn 所以 L=10800km 考慮到使用環(huán)境的影響，對壽命的計算采用如下公式： 額定壽命 50FCf3cwTH???）（ （3.13） 式中: —計算載荷（N）;cF —接觸系數(shù)取;f —硬度系數(shù)取;H —載荷系數(shù)取;w —溫度系數(shù)??；Tf 已知 =1500N =0.81 =0.9 =2.0 =0.9cFcfHfwTf 解得額定動載荷 =27434.8N=27.4KNCTffFLC???350 查閱漢江機床廠相關滾動導軌的參數(shù)后取 DA30AAL 型號導軌具體參數(shù)如 下圖 3.4 所示： 圖 3.3 漢江機床廠導軌尺寸 圖 3.4 漢江機床廠滾動導軌 畢業(yè)設計（論文） 16 額定靜載荷的計算 =14.5﹥fFoCs f 取 1.3s 故選取導軌合適。 3.5 伺服電機的計算和選型 進給系統(tǒng)的伺服電機一般都采用高速、中小慣量的電機，以滿足運動部件 的高速、高精度加工要求。伺服電機的選擇包括確定電機類型、安裝形式、轉 速、輸出轉矩與加減速能力等。其中電機類型、安裝形式?jīng)Q定于機械部件的結 構，一般由機械設計人員確定，轉速、輸出轉矩與加減速能力，通過計算確定 。??9 3.5.1 電機轉速的選取 一般而言，伺服電機的調速范圍與調速性能都已經(jīng)能夠滿足絕大多數(shù)進給 傳動系統(tǒng)的控制要求 。因此伺服電機的選擇通常只需要確定最高轉速，前面??10 已經(jīng)確定了滾珠絲杠的具體型號以及與電機的連接方式，因此電機的最高轉速 也就是絲杠的最高轉速，由前面的計算可知絲杠的最高轉速為 3000r／min。 3.5.2 電機轉矩的計算 伺服電機連續(xù)額定輸出轉矩需要通過計算負載轉矩后確定，連續(xù)輸出轉矩 可以通過負載轉矩確定電機的靜態(tài)轉矩，對于輸出特性很硬的電機，電機的連 續(xù)輸出轉矩幾乎與靜態(tài)輸出轉矩相等，因此可以通過計算負載轉矩 來確定靜LM 態(tài)輸出轉矩 。電機負載轉矩 但是對于理想的進給sM??1 GRVLM???? 系統(tǒng)，摩擦轉矩與電機的靜態(tài)轉矩之間應滿足如下關系： sRs.005.?? （3.14） —摩擦阻力折算到電機上的轉矩；R 摩擦轉矩 RSLAbdRFaSLAbdRF MiM????? （3.15） —導軌摩擦轉矩;RF —防護罩摩擦轉矩;Abd —絲杠支撐軸承轉矩;SL 畢業(yè)設計（論文） 17 (1) ????FUVTTwsmSPRFghM????????cos2 （3.16） 式中： —滾動導軌的預載荷（N） ；FU —切削力在垂直方向的分力（N） ；VT —工件質量（kg） ；w —工作臺質量（kg） ；m —絲杠導程（m） ；SPh —絲杠傳動效率；s? —與導軌形式有關的導軌摩擦系數(shù)；F? —傾斜角度；? 已知: =0.005 01.hsp?973.0sm??N150gT?? 0??0?FUVT 故 =1.405×10 N·mRM2- (2) AbdSMspAbdF??? （3.17） 式中： —多級伸縮防護罩產(chǎn)生的阻力；Abd 防護罩所產(chǎn)生的摩擦阻力如下表 3.4 所示： 表 3.4 多級伸縮防護罩產(chǎn)生的阻力 寬度范圍 摩擦阻力 AbdF 0—1m 180 N／m 1—2m 220N／m 2—3m 250N／m =180N／m =0.01m =0.85AbdFsphSM? 故 =0.3372 N·mM (3)絲杠支撐軸承摩擦轉矩可以直接從軸承生產(chǎn)廠家提供的參數(shù)中查到 =0.5 N·mRSL ∴ =0.01405+0.03372+0.5×4=2.05 N·m?sRs1.005.? 查閱富士電機的相關參數(shù)后選取 GYG202CC2-T2 型號電機，即可滿足以上 要求。 畢業(yè)設計（論文） 18 電機的具體參數(shù)如下表 3.5 所示: 表 3.5 電機 GYG202CC2-T2 參數(shù) 電機型號 GYG202CC2-T2 額定輸出（KW） 2.0 額定轉矩（N·m） 9.55 最大扭矩（N·m） 28.6 額定轉速（r/min） 2000 最大轉速（r/min） 3000 慣性矩（Kg·m ） 29.51×102 4? 額定電流（A） 12.3 最大電流（A） 36.9 3.5.3 轉動慣量的校核 聯(lián)軸器的轉動慣量查閱相關手冊后可知 J=0.5×10 Kg·m3-2 滾珠絲桿的慣量 LdJC???41207. （3.18） 已知: d=36.6mm L=1206mm 代入數(shù)據(jù)可得 ∴ =1.6×10 Kg·mCJ3-2 直線運動部件的慣量 2w][J?sph? （3.19） 式中: m—運動部件質量； 已知: 工作臺質量 m=153kg ∴J =0.387×10 Kg·mW3-2 負載總慣量 J =2.487×10 Kg·m ﹤2.951×10 Kg·mL3-23-2 故所選電機合適。 3.6 編碼器的選型 定位分辨率是指測量系統(tǒng)能檢測顯示的最小計量單位。精度是指測量的精 確度。FAGOR 公司直線光柵尺的精度是指在測量長度范圍內(nèi)，任選一米長度中 出現(xiàn)的最大誤差。不同型號的直線光柵尺將決定機床的不同的分辨率。由于機 床工作時最大進給速度為 12m／min，并且要求定位分辨率達 1μm,經(jīng)過計算后絲 畢業(yè)設計（論文） 19 杠的直徑為 40mm，絲杠的行程為 600mm，在查閱相關直線光柵尺冊相關資料 后，選擇小橫截面積 S 系列的光柵尺，型號為 SY 相關參數(shù)如下圖 3.5 所示： 圖 3.7 S 系列光柵尺參數(shù) 4 進給系統(tǒng)機械部分結構設計 4.1 進給伺服系統(tǒng)裝配圖的設計 機械部分結構設計的任務是畫出進給伺服系統(tǒng)的機械裝配圖，用以表達設 計者構思，設計特點及計算結果的重要部分。 在繪制機械裝配圖時，除了從總體上考慮機床布局情況與原機床的聯(lián)系外， 還應認真的考慮與具體結構設計有關的一些問題。 (1) 了解原機床的詳細結構。 (2) 根據(jù)載荷特點和支承形式確定絲杠兩端支承軸承的型號。 (3) 考慮各部位間的定位、聯(lián)接和調整方法。例如，應保證絲杠兩端支承與 滾珠絲杠螺母同軸，保證絲杠與機床導軌平行，考慮螺母座。軸承座在安裝面 上的聯(lián)接與定位、伺服電機在箱體上的聯(lián)接與定位等。 (4) 考慮密封、防護、潤滑以及安全機構等問題。例如，絲杠螺母的潤滑、 防塵、防鐵屑保護、軸承的潤滑及密封、齒輪的潤滑及密封等。 (5) 在進行各零部件結構設計時，應注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順 序，保證安裝、調試和拆卸的方便。 此外，注意繪制裝配圖時的一些基本要求。例如，制圖標準、視圖布置及 圖形畫法要求、重要的中心距、中心高、聯(lián)系尺寸和輪廓尺寸的標準、重要配 4 進給系統(tǒng)機械部分結構設計 20 合的標注、裝配技術要求、標題欄要求等。 在進行縱向進給伺服系統(tǒng)結構設計之前，必須對整個機床的布局有所了解。 縱向進給機構，伺服電機通過法蘭和箱體相連，并在箱體內(nèi)通過聯(lián)軸器和滾珠 絲杠相連接，軸承左側的深溝球軸承和推力軸承均通過與箱體設計在一起的軸 承座進行安裝，安裝時要注意安裝的順序，滾珠絲桿右端通過軸承座安裝在機 床床身上。工作臺部分則通過自己設計的兩個鏈接零件與絲杠螺母相連。 4.2 安裝過程中應注意的問題 經(jīng)過計算，已知此縱向進給系統(tǒng)采用 GYG202CC2-T2 型伺服電機，經(jīng)過聯(lián) 軸器直接連接滾珠絲杠，滾珠絲桿公稱直徑為 =40mm。滾珠絲杠螺母副選用0d 的是外循環(huán)雙螺母內(nèi)包式。 安裝的過程中注意考慮以下問