數控機床進給系統(tǒng)

數控機床進給系統(tǒng),數控機床,進給,系統(tǒng) 目 錄 摘 要 2 2數控車床設計概述 4 3進給伺服系統(tǒng)概述 5 4橫向進給系統(tǒng)的設計計算 9 4.1主切削力及其切削分力計算 9 4.2導軌摩擦力的計算 9 4.3計算滾珠絲杠螺母副的軸向負載力 9 4.4確定進給傳動鏈的傳動比i和傳動級數 10 4.5滾珠絲杠的動載荷計算與直徑估算 10 4.6滾珠絲杠螺母副承載能力校核 11 4.7計算機械傳動的剛度 12 4.8驅動電機的選型與計算 13 4.9機械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析 16 4.10機械傳動系統(tǒng)的誤差計算與分析 17 4.11確定滾珠絲杠螺母副的精度等級和規(guī)格型號 17 5進給系統(tǒng)的結構設計 18 5.1滾珠絲杠螺母副的設計 18 5.2齒輪傳動副的設計 19 5.3齒輪箱的設計 20 5.4床身及導軌 21 5.5中間軸的設計 24 5.6軸承端蓋的設計 26 總結與體會 28 致謝詞 29 參考文獻 30 摘 要 本設計是把普通數控車床改造成經濟型數控車床。經濟型數控車床就是指價格低廉、操作使用方便、比較適合我國國情的，動化的機床。采用數控機床，可以降低工人的勞動強度，節(jié)省勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少工裝，縮短新產品試制周期和生產周期，可對市場需求作出快速反應。在設計的時候具體進行了詳細的各部件的選型和計算。比如：導軌的設計選型、滾珠絲杠螺母副的選型與計算。還進行了進給傳動系統(tǒng)的剛度計算、進給傳動系統(tǒng)的誤差分析、驅動電機的選型計算、驅動電機與滾珠絲杠的聯(lián)接、驅動電機與進給傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性分析等。 【關鍵詞】車床、數控、傳動系統(tǒng) Abstract This project is to alter the common lathe into the economical lathe. The economical lathe is a advanced and roboticized lathe that has low price, convenient operation, and adapt to the situation of our country and has installed cnc system. During the project we particularly dealt with the choice and calculation of every assembly. Such as:The choice and calculation of guideway, ballscrew nut pair and drive electromotor. Caculate the inflexibility of feed transmission system. Analyse the error of feed transmission system. Junction between drive electromotor and ballscrew. Dynamic analysis of drive electromotor and feed transmission system . 【Key words】Lathe；CNC；Transmission System 1前言 我國目前機床總量380余萬臺，而其中數控機床總數只有11.34萬臺，即我國機床數控化率不到3％。近10年來，我國數控機床年產量約為0.6～0.8萬臺，年產值約為18億元。機床的數控化率僅為6％。這些機床中,役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機床中，自動/半自動機床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產線更屈指可數（美國和日本自動和半自動機床占60％以上）。可見我們的大多數制造行業(yè)和企業(yè)的生產、加工裝備絕大數是傳統(tǒng)的機床，而且半數以上是役齡在10年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產品國內、外市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機床的數控化率。 而相對于傳統(tǒng)機床，數控機床有以下明顯的優(yōu)越性： 1、可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。 2、可以實現(xiàn)加工的柔性自動化，從而效率比傳統(tǒng)機床提高3～7倍。 3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。 4、可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。 5、擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償等多種自律功能，可實現(xiàn)長時間無人看管加工。 因此，采用數控機床，可以降低工人的勞動強度，節(jié)省勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少工裝，縮短新產品試制周期和生產周期，可對市場需求作出快速反應。 此外，機床數控化還是推行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。數控技術已經成為制造業(yè)自動化的核心技術和基礎技術。 本次設計的內容是機床總體方案設計及總體布局圖繪制、縱向及橫向伺服進給機構的理論計算、結構設計及繪制裝配圖、典型零件繪制、數控系統(tǒng)（硬件連接圖）設計、典型零件的數控車削加工程序編制及外文資料文獻翻譯，并撰寫畢業(yè)設計論文。 設計的目的是培養(yǎng)綜合運用基礎知識和專業(yè)知識，解決工程實際問題的能力，提高綜合素質和創(chuàng)新能力，受到本專業(yè)工程技術和科學研究工作的基本訓練，使工程繪圖、數據處理、外文文獻閱讀、程序編制、使用手冊等基本技能得到訓練和提高，培養(yǎng)正確的設計思想、嚴肅認真的科學態(tài)度，加強團隊合作精神。 在設計中，先通過參觀及查閱等了解有關系統(tǒng)的工作原理，作用及結構特點。選擇合適的算法，根據計算結果查閱手冊，得出相關的結構或零件。 2數控車床設計概述 用數控機床加工零件時，首先應將加工零件的幾何信息和工藝信息變成加工程序，由輸入部分送入數控裝置，經過數控裝置的處理、運算，按各坐標軸的分量送到各軸的驅動電路，經過轉換、放大進行伺服電動機的驅動，帶動各軸運動，并進行反饋控制，使刀具和工件及其他輔助裝置嚴格地按照加工程序規(guī)定的順序、軌跡和參數有條件不紊亂地作，從而加工出零件的全部輪廓。 數控機床具有很好的柔性，當加工對象變換時，只需重新編制加工程序即可，原來的程序可存儲備用，不必像組合機床那樣需要針對新加工零件重新設計機床，致使生產準備時間過長。 經濟型數控車床，對于保證和提高被加工零件的精度，主要依靠兩方面來實現(xiàn)：一是系統(tǒng)的控制精度；二是機床本身的機械傳動精度。數控車床的進給傳動系統(tǒng)，由于必須對進給位移的位置和速度同時實現(xiàn)自動控制。所以，數控車床與普通臥式車床相比應具有有更好的精度．以確保機械傳動系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性。數控改造對機械傳動系統(tǒng)的要求為： （1)盡量采用低摩擦的傳動副。如滾動導軌和滾珠絲杠螺母副，以減小摩擦力。 （2)選用最佳的降速比，為達到數控機床所要求的脈沖當量，使運動位移盡可能加速達到跟蹤指今。 （3)盡量縮短傳動鏈以及用預緊的辦法提高傳動系統(tǒng)的剛度。 （4)盡量消除傳動間隙，以減小反向行程誤差。如采用消除間隙的聯(lián)軸節(jié)和消除傳動齒輪間隙的機構等。 （5)盡景滿足低振動和高可靠性方面的要求。為此應選擇間隙小、傳動精度高高、運動平穩(wěn)、效率高以及傳遞扭矩大的傳動元件。 從應用的方面考慮，結合目前國內大多數的情況，可采用更換滾珠絲杠來代替原機床上的T型絲杠。也可對原車床上T型絲杠加以修復，但此時必須相應修配與與此相配合的螺母，盡量減小其間隙，提高配合精度。 —般說來．如原車床的工作性能良好．精度尚未降低，則應盡量保留機床的傳動系統(tǒng)。使改造后的數控車床同時具有微機控制和原機床操作的雙重功能。如原車床使用時間較長．運動部件磨損嚴重．除了對導軌精度進行修復外．還應將傳動部件拆除或更換，以確保改造后車床的傳動精度。 數控機床一般由控制介質、數控裝置、伺服系統(tǒng)和機床組成機床本體的各機械部件組成，如圖2.1： 圖2.1數控機床的餓組成 電動機的選擇 (1)根據機械的負載特性和生產工藝對電動機的啟動、制動、反轉、調速等要求，選擇電動機類型。 (2)根據負載轉矩、轉速變化范圍和啟動頻繁程度等要求，考慮電動機的溫升限制、過載能力額啟動轉矩，選擇電動機功率，并確定冷卻通風方式。所選電動機功率應留有余量，負荷率一般取0.8～0.9。 (3)根據使用場所的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護措施，選擇電動機的結構型式。 (4)根據企業(yè)的電網電壓標準和對功率因素的要求，確定電動機的電壓等級和類型。 (5)根據生產機械的最高轉速和對電力傳動調速系統(tǒng)的過渡過程的要求，以及機械減速機構的復雜程度，選擇電動機額定轉速。 此外，還要考慮節(jié)能、可靠性、供貨情況、價格、維護等等因素。 電動機類型和結構型式的選擇 由于不同的機床要求不同的主軸輸出性能(旋轉速度，輸出功率，動態(tài)剛度，振動抑制等)，因此，主軸選用標準與實際使用需要是緊密相關的?？偟膩碚f，選擇主軸驅動系統(tǒng)將在價格與性能之間找出一種理想的折衷。表1簡要給出了用戶所期望的主軸驅動系統(tǒng)的性能。下面將對各種交流主軸系統(tǒng)進行對比、分析。 表1.1 理想主軸驅動系統(tǒng)性能 項目 內容 高性能 低速區(qū)要有足夠的轉矩 寬恒功率范圍,并在高速范圍內保持一定轉矩 高旋轉精度 高動態(tài)響應 高加減速,起制動能力 具有強魯棒性,能適應環(huán)境條件和參數變化 高效率,低噪聲 低價格 低購買價格,低維護價格,低服務價格 通用要求 耐用性,可維護性,安全可靠性 感應電機交流主軸驅動系統(tǒng)是當前商用主軸驅動系統(tǒng)的主流，其功率范圍從零點幾個kW到上百kW，廣泛地應用于各種數控機床上。 3進給伺服系統(tǒng)概述 數控機床伺服系統(tǒng)的一般結構如圖3.1所示： 圖3.1 數控機床進給系統(tǒng)伺服 由于各種數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?？筛爬橐韵聨追矫妫嚎赡孢\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。 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分鐘內過載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，數控機床的伺服系統(tǒng)已開始采用高速、高精度的全數字伺服系統(tǒng)。使伺服控制技術從模擬方式、混合方式走向全數字方式。由位置、速度和電流構成的三環(huán)反饋全部數字化、軟件處理數字PID，使用靈活，柔性好。數字伺服系統(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。 數控車床的進給傳動系統(tǒng)一般均采用進給伺服系統(tǒng)。這也是數控車床區(qū)別于普通車床的一個特殊部分。 ??? 數控車床的伺服系統(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)。 ??? 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)控制方式通常是具有位置反饋的伺服系統(tǒng)。根據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，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。 ??? 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，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，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。 ??? 數控車床的進給伺服系統(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，經常因碳刷產生的火花而影響生產，并對其他設備產生電磁干擾。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。 交流伺服已占據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，將使基于網絡的伺服控制成為可能。 4橫向進給系統(tǒng)的設計計算 設計參數如下： 縱向：工作臺重量：W=600kg 行程：S=0.7m 最大進給速度：=0.2m/s 工作速度：=0.1m/s 4.1主切削力及其切削分力計算 已知機床主電動機的額定功率為7.5kw，最大工件直徑D=400mm，主軸計算轉速n=85r/m。在此轉速下，主軸具有最大扭矩和功率，道具的切削速度為 取機床的機械效率，則有 走刀方向的切削分力和垂直走刀方向的切削分力為 4.2導軌摩擦力的計算 導軌受到垂向切削分力，縱向切削分力，移動部件的全部質量（包括機床夾具和工件的質量）m=30.61kg(所受重力W=300N)，查表得鑲條緊固力，取導軌動摩擦系數，則 計算在不切削狀態(tài)下的導軌摩擦力和 4.3計算滾珠絲杠螺母副的軸向負載力 計算最大軸向負載力 計算最小軸向負載力 4.4確定進給傳動鏈的傳動比i和傳動級數 取步進電動機的步距角，滾珠絲杠的基本導程，進給傳動鏈的脈沖當量，則有 按最小慣量條件，查得應該采用2級傳動，傳動比可以分別取、。根據結構需要，確定各傳動齒輪的齒數分別為、、、，模數m=2，齒寬b=20mm。 4.5滾珠絲杠的動載荷計算與直徑估算 （1）按預期工作時間估算滾珠絲杠預期的額定動載荷 已知數控機床的預期工作時間，滾珠絲杠的當量載荷 ，查表得載荷系數；初步選擇滾珠絲杠的精度等級為3級精度，取精度系數；查表得可靠性系數。取滾珠絲杠的當量轉速，已知，滾珠絲杠的基本導程，則 （2）根據定位精度的要求估算允許的滾珠絲杠的最大軸向變形。 已知本車床橫向進給系統(tǒng)的定位精度為40 ,重復定位精度為16 ，則有 取上述計算結果的較小值，即。 （3）估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑 滾珠絲杠螺母的安裝方式擬采用一端固定、一端游動支承方式，滾珠絲杠螺母副的兩個固定支承之間的距離為 L=行程+安全行程+2×余程+螺母長度+支承 ≈（1.2～1.4）行程+（25～30） 取L=(1.4×200+30×6)mm=460mm （4）初步確定滾珠絲杠螺母副的型號 根據以上計算所得的、、和結構的需要，初步選擇南京工藝裝備公司生產的FF型內循環(huán)螺母，型號為FF3206-5，其公稱直徑、基本導程、額定動載荷和螺紋底徑如下： 4.6滾珠絲杠螺母副承載能力校核 已知滾珠絲杠螺母副的螺紋底徑，已知滾珠絲杠螺母副的最大受壓長度，絲杠水平安裝時，取，查表得，則有 本車床橫向進給系統(tǒng)滾珠絲杠螺母副的最大軸向壓縮載荷為，遠小于其臨界壓縮載荷的值，故滿足要求。 滾珠絲杠螺母副臨界轉速的計算長度，其彈性模量 ，密度，重力加速度 滾珠絲杠的最小慣性矩為 滾珠絲杠的最小截面積為 取，查表得，則有 本橫向進給傳動鏈的滾珠絲杠螺母副的最高轉速為166.67r/m，遠小于其臨界轉速，故滿足要求。 滾珠絲杠螺母副額定壽命的校核,滾珠絲杠的額定動載荷，已知其軸向載荷，滾珠絲杠的轉速，運轉條件系數，則有 本車床數控化改造后，滾珠絲杠螺母副的總工作壽命，故滿足要求。 4.7計算機械傳動的剛度 已知滾珠絲杠的彈性模量，滾珠絲杠的底徑。當滾珠絲杠的螺母中心至固定端支承中心的距離時，滾珠絲杠螺母副具有最小拉壓剛度 當時，滾珠絲杠螺母副具有最大拉壓剛度 已知滾動體直徑mm，滾動體個數Z=15.軸承接觸角。軸承最大軸向工作載荷。則滾珠絲杠螺母副支承軸承的剛度為： 查表得滾珠與滾道的接觸剛度，滾珠絲杠的額定動載 。已知滾珠絲杠上所承受的最大軸向載荷則 進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為 故。 進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度最小值為 故 已知扭矩作用點之間的距離，滾珠絲杠的剪切模量 ，滾珠絲杠的底徑，則有 4.8驅動電機的選型與計算 （1）計算滾珠絲杠的轉動慣量 已知滾珠絲杠的密度，則有 （2）計算折算到絲杠軸上的移動部件的轉動慣量 已知橫向進給系統(tǒng)執(zhí)行部件的總質量為m=30.61kg;絲杠軸每轉一圈，機床執(zhí)行部件在軸向移動的距離L=0.6cm則 （3）計算各齒輪的轉動慣量 （4）計算加在電動機軸上總負載轉動慣量 （5）計算折算到電動機軸上的切削負載力矩 已知在切削狀態(tài)下的軸向負載力，絲杠每轉一圈，機床執(zhí)行部件軸向移動的距離L=6mm=0.006m，進給傳動系統(tǒng)的傳動比i=6.25總效率η=0.85，則有 （6）計算折算到電動機上的摩擦負載力矩 已知在不切削狀態(tài)下的軸向負載力矩，則有 （7）計算由滾珠絲杠預緊力產生的并折算到電動機軸上的附加負載力矩 已知滾珠絲杠螺母副的效率，滾珠絲杠螺母副的預緊力為 折算到電動機軸上的負載力矩T的計算。 空載時（快進力矩），為 切削時（工進力矩），為 根據以上計算結果和查表初選130BF001型反應式步進電動機，其轉動慣量；而進給傳動系統(tǒng)的負載慣量；對于開環(huán)系統(tǒng)，一般取加速時間。當機床以最快進給速度運動時電動機的最高轉速為： （8）計算橫向進給系統(tǒng)所需的折算到電動機軸上的各種力矩 計算空載啟動力矩 計算快進力矩 計算工進力矩 （9）選擇驅動電動機的型號 根據以上計算和查表選擇國產150BF002型電動機，其主要參數如下：相數，5；步距角，；最大靜轉矩，；轉動慣量，；最高空載啟動頻率，2800Hz；運行頻率，8000Hz；分配方式，五相十拍。 確定最大靜轉矩： 機械傳動系統(tǒng)空載啟動力矩與所需的步進電動機的最大靜轉矩的關系為： 機械傳動系統(tǒng)空載啟動力矩與所需的步進電動機的最大靜轉矩的關系為： 取和中的較大者為所需的步進電動機的最大靜轉矩。本電動機的最大靜轉矩為，大于，可以在規(guī)定的時間內正常啟動，故滿足要求。 驗算慣量匹配，為了使機械傳動的慣量達到較合理的匹配，系統(tǒng)的負載慣量與伺服電動機的轉動慣量之比一般應滿足下式： 因為，故滿足慣量匹配要求。 4.9機械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析 滾珠絲杠螺母副的綜合拉壓剛度，機床執(zhí)行部件的質量和滾珠絲杠螺母副的質量分別為、，滾珠絲杠螺母副和機床執(zhí)行部件的等效質量為，已知m=30.61kg，則： 折算到滾珠絲杠軸上的系統(tǒng)總當量轉動慣量為 已知滾珠絲杠的扭轉剛度，則 由以上計算可知，絲杠—工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率、扭轉振動系統(tǒng)的最低固有頻率都比較高。一般按的要求來設計機械傳動系統(tǒng)的剛度，故滿足要求。 4.10機械傳動系統(tǒng)的誤差計算與分析 （1）計算機械傳動系統(tǒng)的反向死區(qū) 已知進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值，導軌的靜摩擦力為，則 即，故滿足要求。 （2）計算機械傳動系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差 即，故滿足要求。 （3）計算滾珠絲杠因扭轉變形產生的誤差 已知負載力矩，扭矩作用點之間的距離，絲杠底徑，則有 由該扭轉變形引起的軸向移動滯后量將影響工作臺的定位精度，有 4.11確定滾珠絲杠螺母副的精度等級和規(guī)格型號 確定滾珠絲杠螺母副的精度等級，本進給傳動系統(tǒng)采用開環(huán)控制系統(tǒng)，應滿足如下要求： 取滾珠絲杠螺母副的精度等級為3級，查表得，當螺紋長度約為350mm時，，；； 故滿足設計要求。 縱向進給系統(tǒng)的設計方法與橫向進給系統(tǒng)類似，不在此贅述了。 5進給系統(tǒng)的結構設計 5.1滾珠絲杠螺母副的設計 滾珠絲杠螺母副是直線運動與回轉運動能相互轉換的新型傳動裝置，在絲杠和螺母上都有半圓弧形的螺旋槽，當他們套裝在一起時便形成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有滾珠的回路管道，將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來構成封閉的螺旋滾道，并在滾道內裝滿滾珠，當絲杠旋轉時，滾珠在滾道內既自轉又沿滾道循環(huán)轉動，因而迫使螺母軸向移動。 滾珠絲杠螺母副具有以下特點： （1）傳動效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠螺母副的傳動效率為0.92-0.96，比普通絲杠高3-4倍。因此，功率消耗只相當于普通絲杠的1/4-/3. （2）若給于適當預緊，可以消除絲杠和螺母之間的螺紋間隙，反向時還可以消除空載死區(qū)，從而使絲杠的定位精度高，剛度好。 （3）運動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高。 （4）具有可逆性，既可以從螺旋運動轉換成直線運動，也可以從直線運動轉換成旋轉運動。也就是說，絲杠和螺母可以作為主動件。 （5）磨損小，使用壽命長。 （6）制造工藝復雜。滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。 （7）不能自鎖。特別是垂直安裝的絲杠，由于其自重和慣性力的不同，下降時當傳動切斷后，不能立即停止運動，故還需要增加制動裝置。 本次設計采用的是內循環(huán)的絲杠螺母副，精度為3級，兩端采用了小圓螺母為軸向定位絲杠螺母副采用的預緊方式為單螺母消除間隙方法。它是在滾珠螺母體內的兩列循環(huán)滾珠鏈之間，使內螺紋滾道在軸向產生一個的導程突變量，從而使兩列滾珠在軸向錯位而實現(xiàn)預緊。這種調隙方法結構簡單，但載荷量須預先設定而且不能改變。 滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷，徑向載荷主要是臥式絲杠的自重。因此對絲杠的軸向精度和軸向剛度應有較高要求，其兩端支承的配置情況有：一端軸向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短絲杠和垂直進給絲杠；一端固定一端浮動的方式，常用于較長的臥式安裝絲杠；以及兩端固定的安裝方式，常用于長絲杠或高轉速、高剛度、高精度的絲杠，這種配置方式可對絲桿進行預拉伸。因此在此課題中采用兩端固定的方式，以實現(xiàn)高剛度、高精度以及對絲杠進行拉伸。 絲杠中常用的滾動軸承有以下兩種：滾針—推力圓柱滾子組合軸承和接觸角為60°角接觸軸承，在這兩種軸承中，60°角接觸軸承的摩擦力矩小于后者，而且可以根據需要進行組合，但剛度較后者低，目前在一般中小型數控機床中被廣泛應用。滾針—圓柱滾子軸承多用于重載和要求高剛度的地方。 60°角接觸軸承的組合配置形式有面對面的組合、背靠背組合、同向組合、一對同向與左邊一個面對面組合。由于螺母與絲杠的同軸度在制造安裝的過程中難免有誤差，又由于面對面組合方式，兩接觸線與軸線交點間的距離比背對背時小，實現(xiàn)自動調整較易。因此在進給傳動中面對面組合用得較多。 在此課題中采用了以面對面配對組合的60°角接觸軸承，組合方式為DDB。以容易實現(xiàn)自動調整。滾珠絲杠工作時要發(fā)熱，其溫度高于床身。為了補償因絲杠熱膨脹而引起的定位精度誤差，可采用絲杠預拉伸的結構，使預拉伸量略大于熱膨脹量。 圖5.1為滾珠絲杠螺母及其支承結構圖。 圖5.1 滾珠絲杠結構 5.2齒輪傳動副的設計 齒輪傳動裝置主要由齒輪傳動副組成，其任務是傳遞伺服電動機輸出的扭矩和轉速，并使伺服電動機與負載（工作臺）之間的扭矩、轉速、以及負載慣量相匹配，使伺服電機的高速低扭矩輸出變?yōu)樨撦d所需要的低速扭矩。在開環(huán)系統(tǒng)中還可以計算所需的脈沖當量。 對傳動裝置的總要求是傳動精度要求高、穩(wěn)定性好和靈敏度高（或響應速度快），在設計齒輪傳動裝置時，也應從有利于提高這三個指標的角度來提出設計要求。對于開環(huán)控制系統(tǒng)而言，傳動誤差直接影響數控裝備的工作精度，因而應盡可能縮短傳動鏈、消除傳動間隙，以提高傳動精度和剛度。對于閉環(huán)控制系統(tǒng)，齒輪傳動裝置完全在伺服回路中，給系統(tǒng)增加了慣性環(huán)節(jié)其性能參數將直接影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。無論是開環(huán)控制系統(tǒng)還是閉環(huán)控制系統(tǒng)，齒輪傳動裝置都將影響整個系統(tǒng)的靈敏度（響應速度），從這個角度考慮應注意減少摩擦和轉動慣量，以提高傳動裝置的加速度。 在設計齒輪傳動裝置時，除考慮以上要求外，還應考慮其傳動比分配及傳動級數對傳動件的轉動慣量和執(zhí)行件的失動影響。增加傳動級數，可以減少傳動慣量，但級數增加，使傳動裝置結構復雜，降低了傳動效率，增大了噪聲，同時也增大了傳動間隙和摩擦損失，對伺服系統(tǒng)不利。因此不能單純根據轉動慣量來選取傳動級數，而應綜合考慮來選取最佳的傳動，而應綜合考慮來選取最佳的傳動級數和各級傳動比。 在數控設備的進給驅動系統(tǒng)中，考慮到慣量、扭矩、或脈沖當量的要求，有時要在電動機到絲杠之間加入齒輪傳動副，而齒輪等傳動副存在的間隙，會使進給運動反向滯后于指令信號，造成反向死區(qū)而影響其傳動精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，為了提高進給系統(tǒng)的傳動精度，必須消除齒輪副的間隙。 本設計采用的是雙片齒輪錯齒調整法。兩片齒輪周向可調彈簧錯齒消除間隙結構。兩個相同齒數的薄片齒輪與另一個寬齒輪嚙合，兩薄片齒輪可相對回轉。在兩個薄片齒輪的端面均勻分布著四個螺孔，分別裝上凸耳。其中一個齒輪的端面還有另外四個通孔，凸耳可以在其中穿過，彈簧的兩端分別鉤在凸耳和調節(jié)螺釘上。通過螺母調節(jié)彈簧的拉力，調節(jié)完后用螺母鎖緊。彈簧的拉力使薄片齒輪錯位，即兩個薄片齒輪的左右齒面分別貼在寬齒輪槽的左、右齒面上，從而消除了齒側間隙。齒輪傳動副的零件圖見圖5.2 圖5.2 齒輪傳動副 5.3齒輪箱的設計 齒輪箱主要把齒輪裝入，通過軸連接電動機和絲杠。主要結構是一個方形的箱，然后要加工出一些孔裝軸、絲杠、端蓋等等。在右側內壁也要加工一個孔來支承軸承。同時還要通過兩個凸耳用螺栓與導軌聯(lián)接。齒輪箱結構如圖5.3： 圖5.3齒輪箱的結構 圖5.4為齒輪箱零件圖： 圖5.4齒輪箱零件圖 5.4床身及導軌 對于數控機床來說，作為主要支承件的床身至關重要，其結構性能的好壞直接影響著機床的各項性能指標。它支承著數控車床的床頭箱，床鞍，刀架，尾座等部件，承受著切削力、重力、摩擦力等靜態(tài)力和動態(tài)力的作用。其結構的合理性和性能的好壞直接影響著數控車床的制造成本；影響著車床各部件之間的相對位置精度和車床在工作中各運動部件的相對運動軌跡的準確性，從而影響著工件的加工質量；還影響著車床所用刀具的耐用度，同時也影響著機床的工作效率和壽命等。因此，床身特別是數控車床的床身具有足夠的靜態(tài)剛度和較高的剛度/質量比；良好的動態(tài)性能；較小的熱變形和內應力；并易于加工制造，裝配等，才能滿足數控車床對床身的要求。 數控車床工作時，受切削力的作用，床身發(fā)生彎曲，其中，影響最大的是床身水平面內的彎曲。因此，在床身不太長的情況下，主要應提高床身在水平面內的彎曲剛度。所以，在設計床身時，采用與水平面傾斜45°的斜面床身。這種結構的特點是：(1)在加工工件時，切屑和切削液可以從斜面的前方(即床身的一側)落下，就無需在床身上開排屑孔，這樣，床身斜面就可以做成一個完整的斜面。(2)切屑從工件上落到位于床身前面的排屑器中，再由排屑器將切屑排出。這樣，機床在工作中，排屑性能和散熱性能要好，可以減少床身在工作中吸收由于切削產生的熱量，從而減少床身的熱變形，使機床更好地保持加工精度。(3)由于在床身上無需開排屑孔，就可以增加與底座連接的床身底面的整體性，從而可增加床身底面的剛性?；谝陨咸攸c使得床身抵抗來自切削力在水平和垂直面內的分力所產生的彎曲變形能力，以及它們的合力產生的扭轉變形能力顯著增強。從而大幅度提高了床身的抗彎和抗扭剛度。床身在彎曲、扭轉載荷作用下，床身的變形與床身的截面的抗彎慣性矩和抗扭慣性矩有關。材料、截面相同，但形狀不同的床身，截面的慣性矩相差很大。截面積相同時，采用空形截面，加大外輪廓尺寸，在工藝允許的情況下，盡可能減小壁厚，可以大大提高截面的抗彎和抗扭剛度；矩形截面的抗彎剛度高于圓形截面，但圓形截面的抗扭剛度較高；封閉截面的剛度顯著高于不封閉截面的剛度。為此，在設計床身截面時，綜合考慮以上因素，在滿足使用、工藝情況下，采用空心截面，加大輪廓，減小壁厚，采用全封閉的類似矩形的床身截面形式，同時，為了提高床身的抗扭剛度和床身的剛度／重量比，在大截面內設計一個較小的類似圓形截面。 床身與導軌為一體，床身材料的選擇應根據導軌的要求選擇。鑄鐵具有良好的減震性和耐磨性，易于鑄造和加工。床身材料采用機械性能優(yōu)良的HT250，其硬度、強度較高，耐磨性較好，具有很好的減震性。 車床的導軌可分為滑動導軌和滾動導軌兩種。滑動導軌具有結構簡單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點。但傳統(tǒng)滑動導軌摩擦阻力大且磨損快，動、靜摩擦系數差別大，低速時易產生爬行現(xiàn)象。目前，數控車床已不采用傳統(tǒng)滑動導軌，而是采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動導軌和新型塑料滑動導軌。它們具有摩擦性能良好和使用壽命長等特點。在動導軌上鑲裝塑料具有摩擦系數低、耐磨性高、抗撕傷能力強、低速時不易爬行、加工性和化學穩(wěn)定性好、工藝簡單、成本低等優(yōu)點，在各類機床上都有應用，特別是用在精密、數控和重型機床的動導軌上。塑料導軌可與淬硬的鑄造鐵支承導軌和鑲鋼支承導軌組成對偶摩擦副。 機床導軌的質量在一定程度上決定了機床的加工精度、工作能力和使用壽命。導軌的功用是導向和承載。車床的床身導軌屬于進給導軌，進給運動導軌的動導軌與支承的靜導軌之間的相對運動速度較低。 直線運動滑動導軌截面形狀主要有三角形、矩形、燕尾形和圓形，并可互相組合。由于矩形導軌制造簡單，剛度高，承載能力大，具有兩個相垂直的導軌面。且兩個導軌面的誤差不會相互影響，便于安裝。再將矩形整體傾斜45°后，側面磨損能自動補償，克服了矩形導軌側面磨損不能自動補償的缺陷，使其導向性更好。本次設計我采用的是燕尾槽導軌。 鑲條是用來調整矩形導軌和燕尾導軌的側隙，以保證導軌面的正常接觸。鑲條應放在導軌受力較小的一側。壓板用于調整輔助導軌面的間隙和承受顛覆力矩。如圖5.5，是用磨或刮壓板3的e面和d面來調整間隙。壓板的d面和e面用空刀槽分開，間隙大磨刮d面，太緊時則修e面。這種方式構造簡單，應用較多，但調整時比較麻煩。 圖5.5鑲條 床身及導軌結構見圖5.6。 圖5.6床身及導軌 5.5中間軸的設計 中間軸上的齒輪是電機輸出與滾珠絲杠的傳力結構，它主要通過鍵連接齒輪2和齒輪3.所以要設計鍵槽，可設計一個鍵槽為兩個齒輪傳力。兩邊要留軸頸上軸承，中間軸的裝配見圖5.7： 圖5.7 中間軸 中間軸的零件圖見圖5.8： 圖5.8 5.6軸承端蓋的設計 滾珠絲杠兩端有軸承端蓋，它的作用是軸承外圈的軸向定位，和防塵和密封，除它本身可以防塵和密封外，它常和密封件配合以達到密封的作用。左側端蓋因為滾珠絲杠要通過所以設計了一個孔用氈墊來封油。右邊可以設計成封閉式的端蓋可以減小加工難度。軸承端蓋見圖5.9和圖5.10。 圖5.9 圖5.10 總結與體會 畢業(yè)設計是對我們大學期間所學知識的一次總結與運用，是對以前每門課程設計的綜合，是對所學知識的徹底檢驗。剛開始選擇課題的時候，我因為對數控車床比較感興趣，所以選擇了關于數控車床方面的課題。我所在的組設計的是一臺數控車床，我主要對其中的橫向進給系統(tǒng)及縱向進給系統(tǒng)進行設計。開始設計之前，我首先上網搜索了有關車床方面的知識，對數控車床的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢有了進一步的了解，也讓我學習到了很多新的知識。設計的時候，我們對學校的一些數控車床進行了觀察，我主要觀察了機床的進給系統(tǒng)結構，同時并結合自己的課題對機床的總體布局做了進一步的研究，并通過查閱資料和相關圖冊，設計出了滿足數控車床需要的橫向進給系統(tǒng)及縱向進給系統(tǒng)。 畢業(yè)設計是我們走向工作崗位的最后一次練兵，是一次理論和實踐完美結合的過程。在近三個月的畢業(yè)設計當中，使我更加認識到理論聯(lián)系實際的重要性，只有理論而不去進行實踐是不行的。在設計過程中，我參考了一些圖紙，在參考的基礎上，理解并分析其優(yōu)缺點，取長補短，對自己其中不合理的部分進行了充分改進。通過這次設計，自己在查閱資料、運用資料、中英文翻譯、運用專業(yè)知識及CAD繪圖等方面的能力有了較大地提高，對如何將機、電互相結合起來有了較深刻的認識，彌補了原來學習中的很多不足之處，為以后從事機械方面的工作打下了一定的基礎，積累了一定的經驗，對設計工作有了一定的認識。 總之，這次設計順利完成使我受益匪淺，不但鞏固了我以前學習的東西，而且學到了很多新東西，為我走向社會打下了深厚的基礎。同時也使我懂得了一個真正設計的步驟以及方法。 致謝詞 經過3個月的忙碌和工作，本次畢業(yè)設計已經接近尾聲，作為一個本科生的畢業(yè)設計，由于經驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導師的督促指導，以及一起工作的同學們的支持，想要完成這個設計是難以想象的。 在這里首先要感謝我的導師楊昌明。楊老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設計的每個階段，從查閱資料到設計草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細設計，裝配草圖等整個過程中都給予了我悉心的指導。我的設計較為復雜煩瑣，但是張老師仍然細心地糾正圖紙中的錯誤。除了敬佩張老師的專業(yè)水平外，他的治學嚴謹和科學研究的精神也是我永遠學習的榜樣，并將積極影響我今后的學習和工作。 其次要感謝我的同學對我無私的幫助，特別是在軟件的使用方面，正因為如此我才能順利的完成設計，我要感謝我的母?！魅A大學，是母校給我們提供了優(yōu)良的學習環(huán)境；另外，我還要感謝那些曾給我授過課的每一位老師，是你們教會我專業(yè)知識。在此，我再說一次謝謝！謝謝大家！！！。 【參考文獻】 [1] 范超毅.數控技術課程設計[M].武漢：華中科技大學出版社，2007. 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