數(shù)控車(chē)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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1、摘要 本設(shè)計(jì)是把普通數(shù)控車(chē)床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床。經(jīng)濟(jì) 型數(shù)控車(chē)床就是指價(jià)格低廉、操作使用方便、比較適合我國(guó) 國(guó)情的，動(dòng)化的機(jī)床。采用數(shù)控機(jī)床，可以降低工人的勞動(dòng) 強(qiáng)度，節(jié)省勞動(dòng)力（一個(gè)人可以看管多臺(tái)機(jī)床），減少工裝， 縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對(duì)市場(chǎng)需求作出快速反 應(yīng)。在設(shè)計(jì)的時(shí)候具體進(jìn)行了詳細(xì)的各部件的選型和計(jì)算。 比如：導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)選型、滾珠絲杠螺母副的選型與計(jì)算。還 進(jìn)行了進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度計(jì)算、 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差分析、 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型計(jì)算、驅(qū)動(dòng)電機(jī)與滾珠絲杠的聯(lián)接、驅(qū)動(dòng)電 機(jī)與進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析等。 【關(guān)鍵詞】車(chē)床、數(shù)控、傳動(dòng)系統(tǒng) 30 A

2、bstract 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 c

3、hoice 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 analy

4、sis of drive electromotor and feed transmission system . 【 Key words 】 Lathe ； CNC； Transmission System 摘 要 1 Abstract 2 前言 4 1 數(shù)控車(chē)床設(shè)計(jì)概述 5 1.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 6 1.2 電動(dòng)機(jī)類(lèi)型和結(jié)構(gòu)型式的選擇 7 2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)概述 8 3 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 10 3.1 設(shè)計(jì)參數(shù) 10 3.2 切削力及其切削分力計(jì)算 10 3.3 軌摩擦力的計(jì)算 10 3.4 算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力 11 3.5 定進(jìn)

5、給傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比 i 和傳動(dòng)級(jí)數(shù) 11 3.6 珠絲杠的動(dòng)載荷計(jì)算與直徑估算 11 3.7 珠絲杠螺母副承載能力校核 13 3.8 計(jì)算器械傳動(dòng)的剛度 14 3.9 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型與計(jì)算 15 3.10 械傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析 18 3.11 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差計(jì)算與分析 18 3.12 確定滾珠絲杠螺母副的精度等級(jí)和規(guī)格型號(hào) 19 4 進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20 4.1 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì) 20 4.2 齒輪傳動(dòng)副的設(shè)計(jì) 21 4.3 齒輪箱的設(shè)計(jì) 22 4.4 床身及導(dǎo)軌 22 4.5 中間軸的設(shè)計(jì) 25 4.6 軸承端蓋的設(shè)計(jì) 25

6、 總結(jié)與體會(huì) 26 致謝詞 27 【參考文獻(xiàn)】 28 、， 、. 前言 我國(guó)目前機(jī)床總量 380 余萬(wàn)臺(tái)，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有 11.34 萬(wàn)臺(tái)，即我國(guó)機(jī)床數(shù)控化率不到 3％。近 10 年來(lái)，我國(guó)數(shù)控機(jī)床年 產(chǎn)量約為0.6?0.8萬(wàn)臺(tái)，年產(chǎn)值約為18億元。機(jī)床的數(shù)控化率僅為 6％。 這些機(jī)床中 , 役齡 10 年以上的占 60％以上； 10 年以下的機(jī)床中， 自動(dòng)/半自動(dòng)機(jī)床不到20%, FMC/FM等自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)更屈指可數(shù)（美 國(guó)和日本自動(dòng)和半自動(dòng)機(jī)床占 60％以上）。可見(jiàn)我們的大多數(shù)制造 行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、 加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機(jī)床， 而且半數(shù)以上是 役

7、齡在 10 年以上的舊機(jī)床。用這種裝備加工出來(lái)的產(chǎn)品國(guó)內(nèi)、外市 場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力， 直接影響一個(gè)企業(yè)的的生存和發(fā)展。 所以必須大力 提高機(jī)床的數(shù)控化率。 而相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)床，數(shù)控機(jī)床有以下明顯的優(yōu)越性： 可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來(lái)的曲線(xiàn)、 曲面等復(fù)雜的零件。 可以實(shí)現(xiàn)加工的柔性自動(dòng)化，從而效率比傳統(tǒng)機(jī)床提高 3?7 倍。 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”。 可實(shí)現(xiàn)多任務(wù)序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。 擁有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，可實(shí) 現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人看管加工。 因此， 采用數(shù)控機(jī)床， 可以降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度， 節(jié)省勞動(dòng)

8、力 （一 個(gè)人可以看管多臺(tái)機(jī)床），減少工裝，縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周 期，可對(duì)市場(chǎng)需求作出快速反應(yīng)。 此外，機(jī)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(jì)算機(jī)集成制 造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動(dòng)化 的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。 本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容是機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)及總體布局圖繪制、 縱向及 橫向伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)的理論計(jì)算、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及繪制裝配圖、 典型零件繪 制、數(shù)控系統(tǒng)（硬件連接圖）設(shè)計(jì)、典型零件的數(shù)控車(chē)削加工程序編 制及外文數(shù)據(jù)文獻(xiàn)翻譯，并撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。 設(shè)計(jì)的目的是培養(yǎng)綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)， 解決工程

9、實(shí)際 問(wèn)題的能力， 提高綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力， 受到本專(zhuān)業(yè)工程技術(shù)和科學(xué) 研究工作的基本訓(xùn)練，使工程繪圖、數(shù)據(jù)處理、外文文獻(xiàn)閱讀、程序 編制、使用手冊(cè)等基本技能得到訓(xùn)練和提高，培養(yǎng)正確的設(shè)計(jì)思想、 嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度，加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作精神。 在設(shè)計(jì)中， 先通過(guò)參觀及查閱等了解有關(guān)系統(tǒng)的工作原理， 作用 及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。選擇合適的算法，根據(jù)計(jì)算結(jié)果查閱手冊(cè)，得出相關(guān)的 結(jié)構(gòu)或零件。 1 數(shù)控車(chē)床設(shè)計(jì)概述 用數(shù)控機(jī)床加工零件時(shí)， 首先應(yīng)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(shù)控裝置，經(jīng)過(guò)數(shù)控裝置的處理、 運(yùn)算，按各坐標(biāo)軸的分量送到各軸的驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換、放大進(jìn)行

10、 伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)各軸運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)行回饋控制，使刀具和工件 及其它輔助裝置嚴(yán)格地按照加工程序規(guī)定的順序、 軌跡和參數(shù)有條件 不紊亂地作，從而加工出零件的全部輪廓。 數(shù)控機(jī)床具有很好的柔性， 當(dāng)加工對(duì)象變換時(shí)， 只需重新編制加 工程序即可， 原來(lái)的程序可存儲(chǔ)備用， 不必像組合機(jī)床那樣需要針對(duì) 新加工零件重新設(shè)計(jì)機(jī)床，致使生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床，對(duì)于保證和提高被加工零件的精度，主要依靠 兩方面來(lái)實(shí)現(xiàn)： 一是系統(tǒng)的控制精度； 二是機(jī)床本身的機(jī)械傳動(dòng)精度。 數(shù)控車(chē)床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)， 由于必須對(duì)進(jìn)給位移的位置和速度同時(shí)實(shí) 現(xiàn)自動(dòng)控制。所以，數(shù)控車(chē)床與普通臥式車(chē)床相比應(yīng)

11、具有有更好的精 度．以確保機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性。數(shù)控改造對(duì)機(jī)械 傳動(dòng)系統(tǒng)的要求為： （ 1） 盡量采用低摩擦的傳動(dòng)副。如滾動(dòng)導(dǎo)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(dá)到數(shù)控機(jī)床所要求的脈沖當(dāng)量，使 運(yùn)動(dòng)位移盡可能加速達(dá)到跟蹤指今。 （ 3）盡量縮短傳動(dòng)鏈以及用預(yù)緊的辦法提高傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度。 （ 4） 盡量消除傳動(dòng)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(dòng)齒輪間隙的機(jī)構(gòu)等。 （ 5）盡景滿(mǎn)足低振動(dòng)和高可靠性方面的要求。為此應(yīng)選擇間隙 小、傳動(dòng)精度高高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、效率高以及傳遞扭矩大的傳動(dòng)組件。 從應(yīng)用的方面考慮，

12、 結(jié)合目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)的情況， 可采用更換滾 珠絲杠來(lái)代替原機(jī)床上的 T型絲杠。也可對(duì)原車(chē)床上T型絲杠加以修 復(fù)，但此時(shí)必須相應(yīng)修配與與此相配合的螺母，盡量減小其間隙，提 高配合精度。 一般說(shuō)來(lái).如原車(chē)床的工作性能良好.精度尚未降低，則應(yīng)盡量 保留機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)。使改造后的數(shù)控車(chē)床同時(shí)具有微機(jī)控制和原機(jī) 床操作的雙重功能。如原車(chē)床使用時(shí)間較長(zhǎng).運(yùn)動(dòng)部件磨損嚴(yán)重.除 了對(duì)導(dǎo)軌精度進(jìn)行修復(fù)外.還應(yīng)將傳動(dòng)部件拆除或更換，以確保改造 后車(chē)床的傳動(dòng)精度。 數(shù)控機(jī)床一般由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床組成機(jī)床 本體的各機(jī)械部件組成，如圖1.1: 圖1.1數(shù)控機(jī)床的組成 1.1電動(dòng)機(jī)

13、的選擇 (1)根據(jù)機(jī)械的負(fù)載特性和生產(chǎn)工藝對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、反 轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇電動(dòng)機(jī)類(lèi)型。 (2)根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化范圍和啟動(dòng)頻繁程度等要求，考慮 電動(dòng)機(jī)的溫升限制、超載能力額啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，選擇電動(dòng)機(jī)功率，并確定 冷卻通風(fēng)方式。所選電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)留有余量，負(fù)荷率一般取0.8?0.9 (3)根據(jù)使用場(chǎng)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(hù)措施，選擇電動(dòng)機(jī)的結(jié) 構(gòu)型式。 (4)根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)和對(duì)功率因素的要求，確定電動(dòng)機(jī) 的電壓等級(jí)和類(lèi)型。 (5)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的最高轉(zhuǎn)速和對(duì)電力傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程 的要求，以及機(jī)械減速機(jī)構(gòu)的

14、復(fù)雜程度，選擇電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速。 止匕外，還要考慮節(jié)能、可靠性、供貨情況、價(jià)格、維護(hù)等等因素。 1.2電動(dòng)機(jī)類(lèi)型和結(jié)構(gòu)型式的選擇 由于不同的機(jī)床要求不同的主軸輸出性能（旋轉(zhuǎn)速度，輸出功率, 動(dòng)態(tài)剛度，振動(dòng)抑制等），因此，主軸選用標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際使用需要是緊 密相關(guān)的。總的來(lái)說(shuō)，選擇主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將在價(jià)格與性能之間找出一 種理想的折衷。表1.1簡(jiǎn)要給出了用戶(hù)所期望的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性 能。下面將對(duì)各種交流主軸系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比、分析。 表1.1理想主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能 項(xiàng)目 內(nèi)容 高性能 低速區(qū)要有足夠的轉(zhuǎn)矩 寬恒功率范圍，并在高速范圍內(nèi)保持一定轉(zhuǎn)矩 局旋轉(zhuǎn)精度 高動(dòng)態(tài)響應(yīng) 高加減速，起制動(dòng)能

15、力 具有強(qiáng)魯棒性，能適應(yīng)環(huán)境條件和參數(shù)變化 局效率，低噪聲 低價(jià)格 低購(gòu)買(mǎi)價(jià)格，低維護(hù)價(jià)格，低服務(wù)價(jià)格 通用要求 耐用性，可維護(hù)性，安全可靠性 感應(yīng)電機(jī)交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是當(dāng)前商用主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主流， 其 功率范圍從零點(diǎn)幾個(gè)kW到上百kW廣泛地應(yīng)用于各種數(shù)控機(jī)床上。 2進(jìn)給伺服系統(tǒng)概述 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖 2.1所示: 由于各種數(shù)控機(jī)床所完成的加工任務(wù)不同，它們對(duì)進(jìn)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(yùn)行；速度范 圍寬；具有足夠的傳動(dòng)剛度和高的速度穩(wěn)定性；快速響應(yīng)并無(wú)超調(diào)； 高精度；低速大轉(zhuǎn)矩。 伺服系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)的要求： (

16、1)從最低速到最高速電機(jī)都能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要小，尤其 在低速如0.1r /min或更低速時(shí)，仍有平穩(wěn)的速度而無(wú)爬行現(xiàn)象。 (2)電機(jī)應(yīng)具有大的較長(zhǎng)時(shí)間的超載能力，以滿(mǎn)足低速大轉(zhuǎn)矩的 要求。一般直流伺服電機(jī)要求在數(shù)分鐘內(nèi)超載 4-6倍而不損壞。 (3)為了滿(mǎn)足快速響應(yīng)的要求，電機(jī)應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時(shí)間常數(shù)和啟動(dòng)電壓。電機(jī)應(yīng)具有 耐受4000rad/s 2以上的角加速度的能力，才能保證電機(jī)可在 0.2s 以?xún)?nèi)從靜止啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速。 (4)電機(jī)應(yīng)能隨頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。 隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和伺服控制技術(shù)的發(fā)展， 數(shù)控機(jī)床 的伺服系統(tǒng)已開(kāi)始采用

17、高速、高精度的全數(shù)字伺服系統(tǒng)。使伺服控制 技術(shù)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(gòu) 成的三環(huán)回饋全部數(shù)字化、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(shù)和改進(jìn)伺服性能的措施， 使控 制精度和質(zhì)量大大提高。 數(shù)控車(chē)床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)一般均采用進(jìn)給伺服系統(tǒng)。 這也是數(shù)控 車(chē)床區(qū)別于普通車(chē)床的一個(gè)特殊部分。 數(shù)控車(chē)床的伺服系統(tǒng)一般由驅(qū)動(dòng)控制單元、驅(qū)動(dòng)組件、機(jī)械 傳動(dòng)部件、 執(zhí)行件和檢測(cè)回饋環(huán)節(jié)等組成。 驅(qū)動(dòng)控制單元和驅(qū)動(dòng)組件 組成伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 機(jī)械傳動(dòng)部件和執(zhí)行組件組成機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。 檢 測(cè)組件與回饋電路組成檢測(cè)系統(tǒng)。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)

18、按其控制方式不同可分為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)和死循環(huán)系 統(tǒng)。 死循環(huán)控制方式通常是具有位置回饋的伺服系統(tǒng)。 根據(jù)位置檢測(cè) 裝置所在位置的不同， 死循環(huán)系統(tǒng)又分為半死循環(huán)系統(tǒng)和全死循環(huán)系 統(tǒng)。 半死循環(huán)系統(tǒng)具有將位置檢測(cè)裝置裝在絲杠端頭和裝在電機(jī)軸端 兩種類(lèi)型。 前者把絲杠包括在位置環(huán)內(nèi)， 后者則完全置機(jī)械傳動(dòng)部件 于位置環(huán)之外。 全死循環(huán)系統(tǒng)的位置檢測(cè)裝置安裝在工作臺(tái)上， 機(jī)械 傳動(dòng)部件整個(gè)被包括在位置環(huán)之內(nèi)。 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的定位精度比死循環(huán)系統(tǒng)低，但它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作 可靠、造價(jià)低廉。 由于影響定位精度的機(jī)械傳動(dòng)裝置的磨損、慣性及 間隙的存在，故開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的精度和快速性較差。 全死循環(huán)系統(tǒng)控制

19、精度高、快速性能好，但由于機(jī)械傳動(dòng)部 件在控制環(huán)內(nèi)， 所以系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不僅取決于驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)和參 數(shù)，而且還與機(jī)械傳動(dòng)部件的剛度、阻尼特性、慣性、間隙和磨損等 因素有很大關(guān)系， 故必須對(duì)機(jī)電部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行綜合考慮才能滿(mǎn) 足系統(tǒng)的要求。 因此全死循環(huán)系統(tǒng)對(duì)機(jī)床的要求比較高， 且造價(jià)也較 昂貴。死循環(huán)系統(tǒng)中采用的位置檢測(cè)裝置有：脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓 器、感應(yīng)同步器、磁尺、光柵尺和激光干涉儀等。 數(shù)控車(chē)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)中常用的驅(qū)動(dòng)裝置是伺服電機(jī)。伺 服電機(jī)有直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)之分。 交流伺服電機(jī)由于具有 可靠性高、基本上不需要維護(hù)和造價(jià)低等特點(diǎn)而被廣泛采用。 直流

20、伺服電動(dòng)機(jī)引入了機(jī)械換向裝置。其成本高，故障多，維護(hù) 困難， 經(jīng)常因碳刷產(chǎn)生的火花而影響生產(chǎn)， 并對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干 擾。同時(shí)機(jī)械換向器的換向能力，限制了電動(dòng)機(jī)的容量和速度。電動(dòng) 機(jī)的電樞在轉(zhuǎn)子上， 使得電動(dòng)機(jī)效率低， 散熱差。 為了改善換向能力， 減小電樞的漏感，轉(zhuǎn)子變得短粗，影響了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 交流伺服已占據(jù)了機(jī)床進(jìn)給伺服的主導(dǎo)地位， 并隨著新技術(shù)的發(fā) 展而不斷完善， 具體體現(xiàn)在三個(gè)方面。 一是系統(tǒng)功率驅(qū)動(dòng)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(yīng) 用；二是基于微處理器嵌入式平臺(tái)技術(shù)的成熟， 將促進(jìn)先進(jìn)控制算法 的應(yīng)用；三是網(wǎng)絡(luò)化制造模式

21、的推廣及現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的成熟， 將使基 于網(wǎng)絡(luò)的伺服控制成為可能。 3橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1 設(shè)計(jì)參數(shù) 設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 縱向：工作臺(tái)重量： W=800N 行程：S=650mm 脈沖當(dāng)量：p=0.006mm/P p 最大進(jìn)給速度：Vmax =2m/min 橫向：工作臺(tái)重量： W=300N 行程：S=200mm 脈沖當(dāng)量：p =0.004mm/P p 最大進(jìn)給速度：Vmax=1m/min 3.2 切削力及其切削分力計(jì)算 已知機(jī)床主電動(dòng)機(jī)的額定功率 pm為7.5kw,最大工件直徑 D=400mm主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速n=85r/m。在此轉(zhuǎn)速下，主軸具有最大扭矩 和功率，道

22、具的切削速度為 二 Dn v 二 60 3.14 400 10 85 60 = 1.78m/s 取機(jī)床的機(jī)械效率刈=0.8,則有 Pm 3 Fz = - 10 N =3370.79N v 走刀方向的切削分力Fx和垂直走刀方向的切削分力Fy為 Fx =0.25Fz =0.25 3370.79N =842.7N Fy =0.4Fz =0.4 3370.79N =1348.32N 3.3 軌摩擦力的計(jì)算 導(dǎo)軌受到垂向切削分力 匕=Fz =3370.79N ,縱向切削分力 Fc =Fy =1348.32N，移動(dòng)部件的全部質(zhì)量(包括機(jī)床夾具和工件的質(zhì)量) m=30.

23、61kg(所受重力W=300N)查表得鑲條緊固力fg =2000N ,取導(dǎo)軌 動(dòng)摩擦系數(shù)N=0.15,則 F」= J(W fg Fv Fc) = 0.15 (300 2000 3370.79 1348.32) = 1052.87N 計(jì)算在不切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力Fp0和F0 F.0 = 口(W fg) =0.15 (300 2000)=345N F0 =」o(W fg) = 0.2 (300 2000) = 460N 3.4 算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力 計(jì)算最大軸向負(fù)載力Famax Famax = Fy F」= (1348.32 1052.87)N = 2401.19N 計(jì)

24、算最小軸向負(fù)載力Fa min Famin = F .。= 345N 3.5 定進(jìn)給傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比i和傳動(dòng)級(jí)數(shù) 取步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角口 =1.5口，滾珠絲杠的基本導(dǎo)程L=6mm, 進(jìn)給傳動(dòng)鏈的脈沖當(dāng)量6p =0.004mm/P,則有 p 二 Lo 360 p p 1.5 6 360 0.004 = 6.25 按最小慣量條件，查得應(yīng)該采用 2級(jí)傳動(dòng)，傳動(dòng)比可以分別取 i[=3、i2=2.1。根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，確定各傳動(dòng)齒輪的齒數(shù)分別為 乙=20、 z2=60、z3=20、z4=42,模數(shù) m=Z 齒寬 b=20mm 3.6 珠絲杠的動(dòng)載荷計(jì)算與直徑估算 (1)按預(yù)期工作

25、時(shí)間估算滾珠絲杠預(yù)期的額定動(dòng)載荷 已知數(shù)控機(jī)床的預(yù)期工作時(shí)間Lh =15000h ,滾珠絲杠的當(dāng)量載荷 Fm - Fa max = 2370.34 N ,查表得載荷系數(shù)fw=1.3；初步選擇滾珠絲杠的精度等級(jí)為 3級(jí)精度，取精度系數(shù)fa=1；查表得可靠性系數(shù)*=1。取滾珠絲杠的 當(dāng)量轉(zhuǎn)速nm =nmax,已知vmax =1m/min ,滾珠絲杠的基本導(dǎo)程L0 =6mm, 則 nmax 1000Vmax 1000 1 " L二 6 = 166.67r/m Cam= 360nmLh Fmfw am m h 100 fa fc a c 3 2370.34

26、1.3 = 360 166.67 15000 N =16585.8N 100 1 1 (2)根據(jù)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(chē)床橫向進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度為 40 Rm,重復(fù)定位精度為 16 Tm,則有 、’max1 ,=(-：-)16」m =5.33 : 8」m 3 2 1 1 , , 、max2 二( )40-m = 8 ： 10.Lm 5 4 取上述計(jì)算結(jié)果的較小值，即6max=5.33Nm。 (3)估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑 d2m 滾珠絲杠螺母的安裝方式擬采用一端固定、一端游動(dòng)支承方式, 滾珠絲杠螺母副的兩個(gè)固定支承之間的距

27、離為 L= 行程佞全行程+2 乂余程+螺母長(zhǎng)度+支承 ?(1.2 ?1.4)行程 + (25?30) L0 d2m -0.078 取 L=(1.4 X200+30X 6)mm=460mm FL 460 460 —=0.078 15.54mm ,max 5.33 (4)初步確定滾珠絲杠螺母副的型號(hào) 根據(jù)以上計(jì)算所得的L。、Cam、d2m和結(jié)構(gòu)的需要，初步選擇南京 工藝裝備公司生產(chǎn)的FF型內(nèi)循環(huán)螺母，型號(hào)為FF3206-5,其公稱(chēng)直 徑d、基本導(dǎo)程L0、額定動(dòng)載荷Ca和螺紋底徑d2如下： d0 = 32mm L0 =6mm Ca =20200N Cam =16585.80N

28、a am d2 = 27.9mm d2m = 15.54mm 3.7珠絲杠螺母副承載能力校核 27.94 3002 105N =448831.21N 已知滾珠絲杠螺母副的螺紋底徑d2 = 27.9mm ,已知滾珠絲杠螺母 副的最大受壓長(zhǎng)度L=300mm,絲杠水平安裝時(shí)，取( = 1/3,查表得 七=2,則有 _ d4 51_ Fc =K1K2 dl 105 =12 c 1 2 L2 3 本車(chē)床橫向進(jìn)給系統(tǒng)滾珠絲杠螺母副的最大軸向壓縮載荷為 Famax =2401.19N ,遠(yuǎn)小于其臨界壓縮載荷Fc的值，故滿(mǎn)足要求。 滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算長(zhǎng)度 L2 = 300mm

29、 ,其彈性模量 _ _ 一 5 E =2.1 10 MPa,密度 P = 1><7.8 義 101N/mm3,重力加速度 g = 9.8x103mm/s2 滾珠絲杠阻最小慣性矩為 二 4 3.14 4 4 I = - d；=— 27.94 =29728.05mm4 64 64 滾珠絲杠的最小截面積為 A = —d2 =314 27.92 =611.05mm2 一 4 4 , 取九=0.8,查表得人= 3.927,則有 = 0.8 60 3.9272 2 3.14 3002 2.1 105 29728.05 9.8 103 \ 7.8 10, 61

30、1.05 = 4692249r/min 本橫向進(jìn)給傳動(dòng)鏈的滾珠絲杠螺母副的最高轉(zhuǎn)速為 166.67r/m ,遠(yuǎn)小于其臨界轉(zhuǎn)速，故滿(mǎn)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(dòng)載荷 Ca=20200N,已知其軸向載荷 Fa = Famax =2401.19N ,滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速 n =nmax =166.67r/min ,運(yùn)轉(zhuǎn)條件系數(shù) fw =1.2 ,則有 L -( Ca )3 106 =( 20200 )3 106r Fafw 2401.19 1.2 =344.533 106r L 60n 344.533 106 60 166.67 h =34453h

31、 本車(chē)床數(shù)控化改造后，滾珠絲杠螺母副的總工作壽命 Lh =34453h至1500Oh ,故滿(mǎn)足要求。 3.8計(jì)算器械傳動(dòng)的剛度 已知滾珠絲杠的彈性模量E=2.1>d05MPa ,滾珠絲杠的底徑 d2 = 2 7. 9nm。當(dāng)滾珠絲杠的螺母中心至固定端支承中心的距離 a=Ly =300mm時(shí)，滾珠絲杠螺母副具有最小拉壓剛度 Ksmin smin 二 d；E 4Ly 10， 3.14 27.92 2.1 105 4 300 = 427.73N/」m 當(dāng)a =Lj =100mm時(shí)，滾珠絲杠螺母副具有最大拉壓剛度 （田,、 二 d；E 3 3.14 27.92

32、 2.1 105 Ksmax = 1283.21N/」m —10 二 4LJ 4 100 已知滾動(dòng)體直徑dQ = 6.75 mm滾動(dòng)體個(gè)數(shù) Z=15.軸承接觸角 6 =60%軸承最大軸向工作載荷FBmax=Famax =2401.19N。則滾珠絲杠螺 母副支承軸承的剛度 Kb為： Kb =2 2.34 3 dQZ2FamaxSin”： =2 2.34 36.75 152 2401.19 ( ；)2 = 654.49 N /」m 查表得滾珠與滾道的接觸剛度 K =683N / Rm ,滾珠絲杠的額定動(dòng) 載Ca = 20200 N o已知滾珠絲杠上所承受的最大軸向載荷 Fa

33、max=2401.19N則 Kc =K( F 1 3aL)3 =683 ( 0.1Ca a - 1 2401.19、3 )3 0.1 20200 N/」m = 723.51N/」m 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為 K max 1 1 1 1 十 十 = Ksmax Kb Kc 1283.21 s max b c  1 1 故 Kmax=723.51N/Nm。 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度最小值為 Kmin smin 1 1 +——十—— Kb Kc 1 1 1 =0.005248 4

34、27.73 654.49 723.51 故 Kmin =191N/」m 已知扭矩作用點(diǎn)之間的距離 L2 = 355mm ,滾珠絲杠的剪切模量 G =8.1 M104MPa ,滾珠絲杠的底徑d2=27.9mm,則有 二 d4G 3.14 27.94 10」 8.1 104 106 32L2 32 355 10* =13566.04 N *m/rad 3.9驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型與計(jì)算 (1)計(jì)算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 已知滾珠絲杠的密度P = 7.8M10^kg/cm=4.275kg *cm ,則有 n Jr =、0.78 10J3D4Lj = 1.38kg *

35、cm2 j 1 (2)計(jì)算折算到絲杠軸上的移動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 已知橫向進(jìn)給系統(tǒng)執(zhí)行部件的總質(zhì)量為 m=30.61kg;絲杠軸每轉(zhuǎn) 一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸向移動(dòng)的距離 L=0.6cm則 , ,L、2 C …,0.6 、2 c 2 J L = m() =30.61 ( ) = 0.28kg *cm 2 二 2 3.14 (3)計(jì)算各齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jz1=Jz3=0.78 10，44 2kg ? cm2 = 0.4kg ? cm2 Jz2 =0.78 10 3 124 2kg *cm2 = 32.3kg *cm2 3 42 4 2 2 Jz4 =0.78 10 (——) 2

36、kg ? cm =7.8kg,cm 5 (4)計(jì)算加在電動(dòng)機(jī)軸上總負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jd 1 1 Jd = Jz1 ”(Jz2 Jz3)”(Jz4 Jr Jl) Ii i 1 _ 1 _ _ _ = 0.4 (32.3 0.4) 2(7.8 1.38 0.28) 9 6.25 (5)計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩 Tc 已知在切削狀態(tài)下的軸向負(fù)載力Fa =Famax=2401.19N，絲杠每轉(zhuǎn)一 圈，機(jī)床執(zhí)行部件軸向移動(dòng)的距離 L=6mm=0.006m進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的 傳動(dòng)比i=6.25總效率刀=0.85 ,則有 FaL 2二 i 2401.19 0.006 2 3.

37、14 0.85 6.25 N *m = 0.43N *m (6)計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)上的摩擦負(fù)載力矩 Q F0L 27-i 已知在不切削狀態(tài)下的軸向負(fù)載力矩 小=345N ,則有 =0.062N *m 345 0.006 2 3.14 0.85 6.25 (7)計(jì)算由滾珠絲杠預(yù)緊力Fp產(chǎn)生的并折算到電動(dòng)機(jī)軸上的附 加負(fù)載力矩Tf 已知滾珠絲杠螺母副的效率 * =0.98 ,滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力 Fp為 L 1「 Fp - Famax =800.4N 3 Tf FpLo 2二 i (1- 2)= 800.4 0.006 2 3.14 0.85

38、6.25 2 (1-0.98 )= 0.0057N *m 折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載力矩 T的計(jì)算。 空載時(shí)(快進(jìn)力矩)，為 TKJ =T」Tf =(0.062 0.0057)N *m = 0.068N *m 切削時(shí)(工進(jìn)力矩)，為 TGJ =Tc Tf =(0.43 0.0057)N，m = 0.436N，m 根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果和查表初選 130BF001型反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)， 其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=4.6kg，cm 二 1n max (Jm Jd) 60 980ta a ;而進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載慣量 Jd =2.8kg?cm2;對(duì)于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，一般取加速時(shí)間ta=0

39、.05s。當(dāng)機(jī)床以 最快進(jìn)給速度v=1000mm/min運(yùn)動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為： nmax 1000 6.25r/min = 1041.67r / min 6 (4.6 2.8) 2 3.14 1041.67 6.25 60 980 0.05 =102.9kgf .cm =10.08N .m (8)計(jì)算橫向進(jìn)給系統(tǒng)所需的折算到電動(dòng)機(jī)軸上的各種力矩 計(jì)算空載啟動(dòng)力矩Tq q Tq = Tap (T」Tf) = (10.08 0.062 0.0057)N ? m = 10.15N ? m 計(jì)算快進(jìn)力矩Tkj Tkj =Tj Tf =(0.062 0.0057)N *m

40、 = 0.068N *m 計(jì)算工進(jìn)力矩Tgj Tgj =Tc Tf =(0.43 0.0057)N ?m=0.44N ?m (9)選擇驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的型號(hào) 根據(jù)以上計(jì)算和查表選擇國(guó)產(chǎn) 150BF002型電動(dòng)機(jī)，其主要參數(shù) 如下：相數(shù)，5；步距角，0.750/1.5。；最大靜轉(zhuǎn)矩，13.72N，m;轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量，9.8kg .cm2;最高空載啟動(dòng)頻率，2800Hz;運(yùn)行頻率，8000Hz; 分配方式，五相十拍。 確定最大靜轉(zhuǎn)矩Ts： 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)空載啟動(dòng)力矩Tq與所需的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn) 矩Tsi的關(guān)系為： —=0.951 Tsi Tq 10.15 Tsi =-q - N *m

41、-10.67N *m 0.951 0.951 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)空載啟動(dòng)力矩Tq與所需的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn) q 矩Ts2的關(guān)系為： Ts2 = TGJ = 044 N *m = 1.47 N *m 0.3 0.3 取Ts1和Ts2中的較大者為所需的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩 Ts=10.67N?m。本電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩為13.72N?m,大于T,，可以在 規(guī)定的時(shí)間內(nèi)正常啟動(dòng)，故滿(mǎn)足要求。 驗(yàn)算慣量匹配，為了使機(jī)械傳動(dòng)的慣量達(dá)到較合理的匹配，系統(tǒng) 的負(fù)載慣量Jl與伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm之比一般應(yīng)滿(mǎn)足下式： 0.25 < Jd <1 Jm 因?yàn)?^=4125 = 0.436 w [

42、0.25,1],故滿(mǎn)足慣量匹配要求 Jm 9.8 3.10械傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析 滾珠絲杠螺母副的綜合拉壓剛度 K=Kmin =191x106N/m,機(jī)床執(zhí) 行部件的質(zhì)量和滾珠絲杠螺母副的質(zhì)量分別為 m、ms,滾珠絲杠螺母 副和機(jī)床執(zhí)行部件的等效質(zhì)量為 md=m + 1/3ms,已知m=30.61kg,則: 2 3 ms = - 3.2 64 7.8 10 =4.01kg 1 md 二 m 3 ms md K。 ,nc 1 二 (30.61 3 4.01)kg 31.95kg 191 106 rad / s = 2445rad / s 31.95 折算到滾珠絲杠軸上的系

43、統(tǒng)總當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 Js = Ji =(9.8 4.275) 6.25kg *cm2 =88kg *cm2 = 0.0088kg *m2 已知滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度 Ks = K = 13566.04N ?m/rad ,則 Ks 13566.04 nt 1241.6rad / s \ Js . 0.0088 由以上計(jì)算可知，絲杠一工作臺(tái)縱向振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率 心、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率 露t者B比較高。一般按8n = 300rad/s 的要求來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度，故滿(mǎn)足要求。 3.11機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差計(jì)算與分析 (1)計(jì)算器械傳動(dòng)系統(tǒng)的反向死區(qū) 二 已知進(jìn)給傳動(dòng)系

44、統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值 Km. = 191父106 N / mm , 導(dǎo)軌的靜摩擦力為F =460N ,則 2F 3 2 460 3 a =2 10 = 6 10 mm = 4.82 10 mm Kmin 191 106 即△ =4.82 Nm <8Nm ,故滿(mǎn)足要求。 (2)計(jì)算器械傳動(dòng)系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差 ■：;k max 1 1 3 ■：;kmax = F0(——-——)10 K K min max 1 1 3 _3 = 460 ( 6 6) 10 =0.71 10 mm 191 10 271 10 即6皿* =0.71Nm<6Nm

45、,故滿(mǎn)足要求。 (3)計(jì)算滾珠絲杠因扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的誤差 已知負(fù)載力矩T=Tkj =68N?mm ,扭矩作用點(diǎn)之間的距離 L2 = 355mm,絲杠底徑 d2= 27.9mm,則有 nTL2 .68 355 - 7.21 10 怖=7.21 10 1=0.0029 d24 27.94 由該扭轉(zhuǎn)變形8引起的軸向移動(dòng)滯后量6將影響工作臺(tái)的定位精度, 有 、=L0 二=6 0.0029 mm : 0.05」m 360 360 3.12確定滾珠絲杠螺母副的精度等級(jí)和規(guī)格型號(hào) 確定滾珠絲杠螺母副的精度等級(jí)， 本進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)采用開(kāi)環(huán)控制 系統(tǒng)，應(yīng)滿(mǎn)足如下要求： V300p +ep E

46、0.8M(定位精度—6kmax—5)=0.8父(40 — 0.71 —0.05)Nm = 31.39Nm ep 小 Vup M0.8X(定位精度-6kmax—6)Nm = 31.39Nm 取滾珠絲杠螺母副的精度等級(jí)為 3級(jí)，查表得V300p =12^m ,當(dāng)螺 紋長(zhǎng)度約為 350mm寸，ep=13Nm, Kp=12Nm; V300 p+ep =25^m<31.39^m ; ep Vup =25」m 三31.39口m 故滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與橫向進(jìn)給系統(tǒng)類(lèi)似，不在此贅述了。 4進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì) 滾珠絲杠螺母副是直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能相

47、互轉(zhuǎn)換的新型傳動(dòng) 裝置，在絲杠和螺母上都有半圓弧形的螺旋梢， 當(dāng)他們套裝在一起時(shí) 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(lái)構(gòu)成封閉的螺旋滾道， 并在滾道內(nèi)裝滿(mǎn)滾珠，當(dāng)絲 杠旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠在滾道內(nèi)既自轉(zhuǎn)又沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)， 因而迫使螺母軸 向移動(dòng)。 滾珠絲杠螺母副具有以下特點(diǎn)： (1)傳動(dòng)效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)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(dāng)于普通絲 杠的 1/4-/3. (2)若給于適當(dāng)預(yù)緊，可以消除絲杠和螺母之間的螺紋間隙， 反向時(shí)還可以消除空載死區(qū)，從而使絲杠的定位精度高，剛度好。 (

48、3)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高。 (4)具有可逆性，既可以從螺旋運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，也可以 從直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。也就是說(shuō)，絲杠和螺母可以作為主動(dòng)件。 (5)磨損小，使用壽命長(zhǎng)。 (6)制造工藝復(fù)雜。滾珠絲杠和螺母等組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(shí)當(dāng)傳動(dòng)切斷后，不能立即停止運(yùn)動(dòng)，故還需要增加制 動(dòng)裝置。 本次設(shè)計(jì)采用的是內(nèi)循環(huán)的絲杠螺母副， 精度為3級(jí)，兩端采用 了小圓螺母為軸向定位絲杠螺母副采用的預(yù)緊方式為單螺母消除間 隙方法。它是在滾珠螺母體內(nèi)的兩列循環(huán)滾珠鏈之間， 使

49、內(nèi)螺紋滾道 在軸向產(chǎn)生一個(gè)&L0的導(dǎo)程突變量，從而使兩列滾珠在軸向錯(cuò)位而實(shí) 現(xiàn)預(yù)緊。這種調(diào)隙方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但載荷量須預(yù)先設(shè)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(duì)絲杠的軸向精度和軸向剛度應(yīng)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(jìn)給絲杠；一端固定一端浮動(dòng)的方式，常用于較長(zhǎng)的臥式安 裝絲杠； 以及兩端固定的安裝方式， 常用于長(zhǎng)絲杠或高轉(zhuǎn)速、 高剛度、 高精度的絲杠， 這種配置方式可對(duì)絲桿進(jìn)行預(yù)拉伸。 因此在此課題中 采用兩端固定的方式，以實(shí)現(xiàn)高剛度、高精度以及對(duì)絲杠進(jìn)行拉伸。 絲

50、杠中常用的滾動(dòng)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(jù)需要進(jìn)行組合， 但剛度較后者低， 目前在一般中小型數(shù)控機(jī)床中被廣泛應(yīng)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(duì)面的組合、背靠背組合、 同向組合、 一對(duì)同向與左邊一個(gè)面對(duì)面組合。 由于螺母與絲杠的同軸 度在制造安裝的過(guò)程中難免有誤差， 又由于面對(duì)面組合方式， 兩接觸 線(xiàn)與軸線(xiàn)交點(diǎn)間的距離比背對(duì)背時(shí)小， 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整較易。 因此在進(jìn) 給傳動(dòng)中面對(duì)面組合用得較多。 在此課題中

51、采用了以面對(duì)面配對(duì)組合的 60角接觸軸承，組合 方式為DDB以容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整。滾珠絲杠工作時(shí)要發(fā)熱，其溫度 高于床身。 為了補(bǔ)償因絲杠熱膨脹而引起的定位精度誤差， 可采用絲 杠預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)，使預(yù)拉伸量略大于熱膨脹量。 4.2 齒輪傳動(dòng)副的設(shè)計(jì) 齒輪傳動(dòng)裝置主要由齒輪傳動(dòng)副組成， 其任務(wù)是傳遞伺服電動(dòng)機(jī) 輸出的扭矩和轉(zhuǎn)速，并使伺服電動(dòng)機(jī)與負(fù)載（工作臺(tái)）之間的扭矩、 轉(zhuǎn)速、 以及負(fù)載慣量相匹配， 使伺服電機(jī)的高速低扭矩輸出變?yōu)樨?fù)載 所需要的低速扭矩。在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中還可以計(jì)算所需的脈沖當(dāng)量。 對(duì)傳動(dòng)裝置的總要求是傳動(dòng)精度要求高、穩(wěn)定性好和靈敏度高 （或響應(yīng)速度快），在設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)

52、裝置時(shí)，也應(yīng)從有利于提高這三 個(gè)指標(biāo)的角度來(lái)提出設(shè)計(jì)要求。 對(duì)于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)而言， 傳動(dòng)誤差直 接影響數(shù)控裝備的工作精度， 因而應(yīng)盡可能縮短傳動(dòng)鏈、 消除傳動(dòng)間 隙，以提高傳動(dòng)精度和剛度。對(duì)于死循環(huán)控制系統(tǒng)，齒輪傳動(dòng)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(shù)將直接影響整個(gè) 系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 無(wú)論是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)還是死循環(huán)控制系統(tǒng)， 齒輪傳動(dòng) 裝置都將影響整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度（響應(yīng)速度），從這個(gè)角度考慮應(yīng)注 意減少摩擦和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以提高傳動(dòng)裝置的加速度。 在設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)裝置時(shí)， 除考慮以上要求外， 還應(yīng)考慮其傳動(dòng)比 分配及傳動(dòng)級(jí)數(shù)對(duì)傳動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和執(zhí)行件的失動(dòng)影響。 增

53、加傳動(dòng) 級(jí)數(shù)，可以減少傳動(dòng)慣量，但級(jí)數(shù)增加，使傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，降低 了傳動(dòng)效率，增大了噪聲， 同時(shí)也增大了傳動(dòng)間隙和摩擦損失，對(duì)伺 服系統(tǒng)不利。 因此不能單純根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來(lái)選取傳動(dòng)級(jí)數(shù)， 而應(yīng)綜合 考慮來(lái)選取最佳的傳動(dòng)， 而應(yīng)綜合考慮來(lái)選取最佳的傳動(dòng)級(jí)數(shù)和各級(jí) 傳動(dòng)比。 在數(shù)控設(shè)備的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，考慮到慣量、扭矩、或脈沖當(dāng)量 的要求， 有時(shí)要在電動(dòng)機(jī)到絲杠之間加入齒輪傳動(dòng)副， 而齒輪等傳動(dòng) 副存在的間隙， 會(huì)使進(jìn)給運(yùn)動(dòng)反向滯后于指令信號(hào)， 造成反向死區(qū)而 影響其傳動(dòng)精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 因此， 為了提高進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)精 度，必須消除齒輪副的間隙。 本設(shè)計(jì)采用的是雙片齒

54、輪錯(cuò)齒調(diào)整法。 兩片齒輪周向可調(diào)彈簧錯(cuò) 齒消除間隙結(jié)構(gòu)。 兩個(gè)相同齒數(shù)的薄片齒輪與另一個(gè)寬齒輪嚙合， 兩 薄片齒輪可相對(duì)回轉(zhuǎn)。在兩個(gè)薄片齒輪的端面均勻分布著四個(gè)螺孔， 分別裝上凸耳。 其中一個(gè)齒輪的端面還有另外四個(gè)通孔， 凸耳可以在 其中穿過(guò)， 彈簧的兩端分別鉤在凸耳和調(diào)節(jié)螺釘上。 通過(guò)螺母調(diào)節(jié)彈 簧的拉力，調(diào)節(jié)完后用螺母鎖緊。彈簧的拉力使薄片齒輪錯(cuò)位，即兩 個(gè)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(cè)間隙。 4.3 齒輪箱的設(shè)計(jì) 齒輪箱主要把齒輪裝入， 通過(guò)軸連接電動(dòng)機(jī)和絲杠。 主要結(jié)構(gòu)是 一個(gè)方形的箱，然后要加工出一些孔裝軸、絲杠、端蓋等等。

55、在右側(cè) 內(nèi)壁也要加工一個(gè)孔來(lái)支承軸承。 同時(shí)還要通過(guò)兩個(gè)凸耳用螺栓與導(dǎo) 軌聯(lián)接。 4.4 床身及導(dǎo)軌 對(duì)于數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)， 作為主要支承件的床身至關(guān)重要， 其結(jié)構(gòu)性 能的好壞直接影響著機(jī)床的各項(xiàng)性能指針。 它支承著數(shù)控車(chē)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(dòng)態(tài)力的作用。 其結(jié)構(gòu)的合理性和性能的好壞直接影響著數(shù)控車(chē) 床的制造成本； 影響著車(chē)床各部件之間的相對(duì)位置精度和車(chē)床在工作 中各運(yùn)動(dòng)部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的準(zhǔn)確性，從而影響著工件的加工質(zhì) 量； 還影響著車(chē)床所用刀具的耐用度， 同時(shí)也影響著機(jī)床的工作效率 和壽命等。 因此， 床身特別是數(shù)控

56、車(chē)床的床身具有足夠的靜態(tài)剛度和 較高的剛度 / 品質(zhì)比；良好的動(dòng)態(tài)性能；較小的熱變形和內(nèi)應(yīng)力；并 易于加工制造，裝配等，才能滿(mǎn)足數(shù)控車(chē)床對(duì)床身的要求。 數(shù)控車(chē)床工作時(shí)，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(nèi)的彎曲。因此，在床身不太長(zhǎng)的情況下，主要 應(yīng)提高床身在水平面內(nèi)的彎曲剛度。所以，在設(shè)計(jì)床身時(shí)，采用與水 平面傾斜 45的斜面床身。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是： (1) 在加工工件時(shí)， 切屑和切削液可以從斜面的前方 (即床身的一側(cè) ) 落下， 就無(wú)需在床身 上開(kāi)排屑孔，這樣，床身斜面就可以做成一個(gè)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，

57、再由排屑器將切屑排出。 這 樣，機(jī)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(chǎn)生的熱量， 從而減少床身的熱變形， 使機(jī)床更好地 保持加工精度。 (3) 由于在床身上無(wú)需開(kāi)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。 基于以上特 點(diǎn)使得床身抵抗來(lái)自切削力在水平和垂直面內(nèi)的分力所產(chǎn)生的彎曲 變形能力， 以及它們的合力產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形能力顯著增強(qiáng)。 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(zhuǎn)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(guān)。 材料、 截面 相同，但形狀不同的床身，截面的慣性矩相

58、差很大。截面積相同時(shí)， 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(shè)計(jì)床身截面時(shí)，綜合考慮以上因素， 在滿(mǎn)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(lèi)似矩形的床身截面形式， 同時(shí)， 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(nèi)設(shè)計(jì)一個(gè)較小的類(lèi)似圓形截 面。 床身與導(dǎo)軌為一體， 床身材料的選擇應(yīng)根據(jù)導(dǎo)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

59、。 床身材料采用機(jī)械 性能優(yōu)良的HT25Q其硬度、強(qiáng)度較高，耐磨性較好，具有很好的減 震性。 車(chē)床的導(dǎo)軌可分為滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌兩種。 滑動(dòng)導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單、制造方便、 接觸剛度大等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦阻力大且 磨損快，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差別大，低速時(shí)易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。目前，數(shù) 控車(chē)床已不采用傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)軌，而是采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑 動(dòng)導(dǎo)軌和新型塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌。它們具有摩擦性能良好和使用壽命長(zhǎng)等 特點(diǎn)。在動(dòng)導(dǎo)軌上鑲裝塑料具有摩擦系數(shù)低、耐磨性高、抗撕傷能力 強(qiáng)、低速時(shí)不易爬行、加工性和化學(xué)穩(wěn)定性好、工藝簡(jiǎn)單、成本低等 優(yōu)點(diǎn)，在各類(lèi)機(jī)床上都有應(yīng)用，特別是用在精密、數(shù)控和重型機(jī)床的

60、 動(dòng)導(dǎo)軌上。塑料導(dǎo)軌可與淬硬的鑄造鐵支承導(dǎo)軌和鑲鋼支承導(dǎo)軌組成 對(duì)偶摩擦副。 機(jī)床導(dǎo)軌的質(zhì)量在一定程度上決定了機(jī)床的加工精度、工作能力 和使用壽命。導(dǎo)軌的功用是導(dǎo)向和承載。車(chē)床的床身導(dǎo)軌屬于進(jìn)給導(dǎo) 軌，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的動(dòng)導(dǎo)軌與支承的靜導(dǎo)軌之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較 低。 直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)滑動(dòng)導(dǎo)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(dǎo)軌制造簡(jiǎn)單，剛度高，承載能力大，具有 兩個(gè)相垂直的導(dǎo)軌面。且兩個(gè)導(dǎo)軌面的誤差不會(huì)相互影響，便于安裝。 再將矩形整體傾斜45后，側(cè)面磨損能自動(dòng)補(bǔ)償，克服了矩形導(dǎo)軌 側(cè)面磨損不能自動(dòng)補(bǔ)償?shù)娜毕?，使其?dǎo)向性更好。本次設(shè)計(jì)我采用的 是燕尾梢導(dǎo)軌。 鑲條

61、是用來(lái)調(diào)整矩形導(dǎo)軌和燕尾導(dǎo)軌的側(cè)隙， 以保證導(dǎo)軌面的正 常接觸。鑲條應(yīng)放在導(dǎo)軌受力較小的一側(cè)。 壓板用于調(diào)整輔助導(dǎo)軌面 的間隙和承受顛覆力矩。如圖4.1 ,是用磨或刮壓板3的e面和d面 來(lái)調(diào)整間隙。壓板的d面和e面用空刀梢分開(kāi)，間隙大磨刮d面，太 緊時(shí)則修e面。這種方式構(gòu)造簡(jiǎn)單，應(yīng)用較多，但調(diào)整時(shí)比較麻煩。 圖4.1鑲條 4.5 中間軸的設(shè)計(jì) 中間軸上的齒輪是電機(jī)輸出與滾珠絲杠的傳力結(jié)構(gòu)， 它主要通過(guò) 鍵連接齒輪 2 和齒輪 3. 所以要設(shè)計(jì)鍵槽， 可設(shè)計(jì)一個(gè)鍵槽為兩個(gè)齒輪 傳力。 4.6 軸承端蓋的設(shè)計(jì) 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

62、密封，除它本身可以防塵和密封外，它常和密封件配合以達(dá)到 密封的作用。 左側(cè)端蓋因?yàn)闈L珠絲杠要通過(guò)所以設(shè)計(jì)了一個(gè)孔用氈墊 來(lái)封油。右邊可以設(shè)計(jì)成封閉式的端蓋可以減小加工難度。 總結(jié)與體會(huì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我們大學(xué)期間所學(xué)知識(shí)的一次總結(jié)與運(yùn)用， 是對(duì)以 前每門(mén)課程設(shè)計(jì)的綜合， 是對(duì)所學(xué)知識(shí)的徹底檢驗(yàn)。 剛開(kāi)始選擇課題 的時(shí)候， 我因?yàn)閷?duì)數(shù)控機(jī)床比較感興趣， 所以選擇了關(guān)于數(shù)控機(jī)床方 面的課題。 我所在的組設(shè)計(jì)的是一臺(tái)數(shù)控車(chē)床， 我主要對(duì)其中的橫向 進(jìn)給系統(tǒng)及縱向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 開(kāi)始設(shè)計(jì)之前， 我首先上網(wǎng)搜索 了有關(guān)車(chē)床方面的知識(shí)， 對(duì)數(shù)控車(chē)床的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)有了進(jìn)一 步的了

63、解，也讓我學(xué)習(xí)到了很多新的知識(shí)。設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們對(duì)學(xué)校 的一些數(shù)控車(chē)床進(jìn)行了觀察， 我主要觀察了機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 同 時(shí)并結(jié)合自己的課題對(duì)機(jī)床的總體布局做了進(jìn)一步的研究， 并通過(guò)查 閱資料和相關(guān)圖冊(cè)， 設(shè)計(jì)出了滿(mǎn)足數(shù)控車(chē)床需要的橫向進(jìn)給系統(tǒng)及縱 向進(jìn)給系統(tǒng)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們走向工作崗位的最后一次練兵， 是一次理論和實(shí) 踐完美結(jié)合的過(guò)程。 在近三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中， 使我更加認(rèn)識(shí)到理 論聯(lián)系實(shí)際的重要性， 只有理論而不去進(jìn)行實(shí)踐是不行的。 在設(shè)計(jì)過(guò) 程中，我參考了一些圖紙，在參考的基礎(chǔ)上，理解并分析其優(yōu)缺點(diǎn)， 取長(zhǎng)補(bǔ)短， 對(duì)自己其中不合理的部分進(jìn)行了充分改進(jìn)。 通過(guò)這次設(shè)計(jì)

64、， 自己在查閱數(shù)據(jù)、運(yùn)用數(shù)據(jù)、中英文翻譯、運(yùn)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)及 CA膾圖 等方面的能力有了較大地提高， 對(duì)如何將機(jī)、 電互相結(jié)合起來(lái)有了較 深刻的認(rèn)識(shí)， 彌補(bǔ)了原來(lái)學(xué)習(xí)中的很多不足之處， 為以后從事機(jī)械方 面的工作打下了一定的基礎(chǔ)， 積累了一定的經(jīng)驗(yàn)， 對(duì)設(shè)計(jì)工作有了一 定的認(rèn)識(shí)。 總之， 這次設(shè)計(jì)順利完成使我受益匪淺， 不但鞏固了我以前學(xué)習(xí) 的東西，而且學(xué)到了很多新東西，為我走向社會(huì)打下了深厚的基礎(chǔ)。 同時(shí)也使我懂得了一個(gè)真正設(shè)計(jì)的步驟以及方法。 致謝詞 經(jīng)過(guò) 3 個(gè)月的忙碌和工作， 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲， 作為一 個(gè)專(zhuān)科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)， 由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏， 難免有許多考慮不

65、周全的地 方，如果沒(méi)有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及一起工作的同學(xué)們的支持，想要 完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。 在這里首先要感謝我的導(dǎo)師孫老師。 孫老師平日里工作繁多， 但在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段， 從查閱數(shù)據(jù) 到設(shè)計(jì)草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細(xì)設(shè)計(jì)，裝配草圖等整 個(gè)過(guò)程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。 我的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜煩瑣， 但是孫老 師仍然細(xì)心地糾正圖紙中的錯(cuò)誤。 除了敬佩孫老師的專(zhuān)業(yè)水平外， 他 的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣， 并將積極影響 我今后的學(xué)習(xí)和工作。 其次要感謝我的同學(xué)對(duì)我無(wú)私的幫助，特別 是在軟件的使用方面， 正因?yàn)槿绱宋也拍茼樌耐瓿稍O(shè)計(jì)， 我要感

66、謝 我的母校 -- 日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院，是母校給我們提供了優(yōu)良的學(xué)習(xí)環(huán) 境；另外，我還要感謝那些曾給我授過(guò)課的每一位老師，是你們教會(huì) 我專(zhuān)業(yè)識(shí)。在此，我再說(shuō)一次謝謝！謝謝大家?。?！。 【參考文獻(xiàn)】 [1] 范超毅 . 數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì) [M]. 武漢：華中科技大學(xué)出版社， 2007. [2] 濮良貴 . 機(jī)械設(shè)計(jì) [M]. 北京：高等教育出版社， 2001. [3] 劉朝儒 . 機(jī)械制圖 .[M] 北京：高等教育出版社， 2001. [4] 鄧志平 . 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ) .[M] 成都：西南交通大學(xué)出版社， 2004. [5] 胡秋 . 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [J]. 機(jī)床與液壓， 2004（ 6 ）： 55-56. [6] 鄒小琦 . 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度 [J]. 南昌大學(xué)學(xué)報(bào)， 1997 （ 4）： 84-87. [7] 王愛(ài)玲， 白恩遠(yuǎn) . 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床 [M]. 北京： 國(guó)防工業(yè)出版社， 2003. [8] 陳立德，機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) .3 版. 北京 : 高等教育出版社 ,2007 [9] 徐曉峰 , 電機(jī)及拖動(dòng) .