XK6130數(shù)控銑床總體設計及垂直進給機構(gòu)設計【含CAD高清圖紙和說明書】

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Enterprises equipment updating step are counteracted severly. So General lathes numerically controlled reforming is a quick way that costs less, improve production precision and efficiency, and it can improve enterprises competitive power. So it can takes its place in our way to a powerful manufacturing country. The main contents is:1. The economical efficiency of the reform is evaluated in detail and the reforming scheme is maked according to misty optimums synthesize adjudicate principle.2. The ball screws type, assembling, supporting, bearing type, and stepping motor of feeding system is designed.3. The import and domestic NC systems were compared carefully, brought up a choose method and selected the NC system and automatic tool rest according to the function and accuracy index of reforming.4. In order to protect the function of cutting a screw ,we carefully studied the impulse regulator and its connection with the principal axis, and draw out a technique diagram.5. Disassembled the lathe, throw away the old feeding system, repaired the main driving system ,covered plastics on sliding surface, shoveling or scraping and testing, counted or measured the parts of the lathe.6. Draw out parts diagrams and assemble diagram.7 .Methods of installing and testing of general purpose lathes numerically controlled reforming were put forward.Key Words: General purpose milling， Numerical control(NC)，Reform目錄摘要IAbstractII目錄III第1章 前言11.1問題提出11.1.1國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展概況11.1.2數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢21.1.3智能化新一代PC NC數(shù)控系統(tǒng)31.2普通機床數(shù)控化設計經(jīng)濟性評價31.2.1微觀看設計的必要性31.2.2宏觀看設計的必要性41.3 普通機床數(shù)控化設計市場51.3.1設計的市場51.3.2進口設備和生產(chǎn)線的數(shù)控化設計市場5第2章 總體方案的設計62.1總體方案設計要求62.2 總體方案擬定62.3主要設計內(nèi)容72.3.1伺服控制系統(tǒng)的選擇72.3.2機械部分設計7第3章 主傳動系統(tǒng)的設計和計算103.1主傳動系統(tǒng)的設計103.1.1 主傳動變速系統(tǒng)103.1.2 主軸部件設計103.2 主軸系統(tǒng)計算13第4章 垂直進給傳動系統(tǒng)的設計和計算164.1 進給伺服系統(tǒng)的設計164.1.1 對進給伺服系統(tǒng)的基本要求164.1.2 進給伺服系統(tǒng)的設計要求164.2 垂直滾珠絲杠副計算與選擇174.2.1 精度174.2.2疲勞強度174.2.3選用 FC1-4020-2.5型絲杠184.2.4 穩(wěn)定性驗算194.2.5 剛度驗算204.2.6 效率驗算21總結(jié)與展望22參考文獻23致 謝24第1章 前言1.1問題提出數(shù)控銑床作為機電液氣一體化的典型產(chǎn)品，是現(xiàn)代機械制造業(yè)中不可缺少的加工設備，在機械制造業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，能解決機械制造中結(jié)構(gòu)復雜、精密、批量小、零件多變的加工問題，且產(chǎn)品加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較高。企業(yè)要在激烈的市場競爭中獲得生存、求得發(fā)展,就必須在最短的時間內(nèi)以優(yōu)異的質(zhì)量、低廉的成本,制造出合乎市場需要的、性能合適的產(chǎn)品,而產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣,制造周期的快慢,生產(chǎn)成本的高低,又往往受工廠現(xiàn)有加工設備的直接影響。購買新的數(shù)控機床是提高數(shù)控化率的主要途徑,但是成本太高，很多工廠在短時間內(nèi)都無法有那么多的資金，這嚴重阻礙企業(yè)的設備更新和設備設計的步伐；同時目前大多數(shù)企業(yè)還有數(shù)量眾多，而且還具有較長使用壽命的普通機床，由于普通機床加工精度相對較低、不能批量生產(chǎn)，生產(chǎn)的自動化程度不高，生產(chǎn)自適應性差，但考慮投資成本，產(chǎn)業(yè)的連續(xù)性和轉(zhuǎn)型周期，又不能馬上淘汰。而設計現(xiàn)有舊機床、配備與之相適應的數(shù)控系統(tǒng)，把普通機床改裝成數(shù)控機床，是當前許多企業(yè)對現(xiàn)有設備設計換代的首選辦法，也是提高機床數(shù)控化率的一條有效途徑，不失為一條投資少、提升產(chǎn)品加工精度及質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率的捷徑，使企業(yè)提升競爭力，在我國成為世界制造業(yè)中心及制造強國的進程中，占有一席之地。1.1.1國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展概況機床作為機械制造業(yè)的重要基礎裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注，由于計算機技術(shù)的興起，促使機床的控制信息出現(xiàn)了質(zhì)的突破，導致了應用數(shù)字化技術(shù)進行柔性自動化控制的新一代機床數(shù)控機床的誕生和發(fā)展。隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了根本性變革，各工業(yè)發(fā)達國家投入巨資，對現(xiàn)代制造技術(shù)進行研究開發(fā)，提出了全新的制造模式。在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，數(shù)控技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，它集微電子、計算機、信息處理、自動檢測、自動控制等高新技術(shù)于一體，具有高精度、高效率、柔性自動化等特點，對制造業(yè)實現(xiàn)柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。目前，數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革，由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎上，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了超薄型、超小型化；在智能化基礎上，綜合了計算機、多媒體、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡等多學科技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了高速、高精、高效控制，加工過程中可以自動修正、調(diào)節(jié)與補償各項參數(shù)，實現(xiàn)了在線診斷和智能化故障處理；在網(wǎng)絡化基礎上，CAD/CAM與數(shù)控系統(tǒng)集成為一體，機床聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)了中央集中控制的群控加工。長期以來，我國的數(shù)控系統(tǒng)為傳統(tǒng)的封閉式體系結(jié)構(gòu)，CNC只能作為非智能的機床運動控制器。加工過程變量根據(jù)經(jīng)驗以固定參數(shù)形式事先設定，加工程序在實際加工前用手工方式或通過CAD/CAM及自動編程系統(tǒng)進行編制。CAD/CAM和CNC之間沒有反饋控制環(huán)節(jié)，整個制造過程中CNC只是一個封閉式的開環(huán)執(zhí)行機構(gòu)。在復雜環(huán)境以及多變條件下，加工過程中的刀具組合、工件材料、主軸轉(zhuǎn)速、進給速率、刀具軌跡、切削深度、步長、加工余量等加工參數(shù)，無法在現(xiàn)場環(huán)境下根據(jù)外部干擾和隨機因素實時動態(tài)調(diào)整，更無法通過反饋控制環(huán)節(jié)隨機修正CAD/CAM中的設定量，因而影響CNC的工作效率和產(chǎn)品加工質(zhì)量。由此可見，傳統(tǒng)CNC系統(tǒng)的這種固定程序控制模式和封閉式體系結(jié)構(gòu)，限制了CNC向多變量智能化控制發(fā)展，已不適應日益復雜的制造過程，因此，對數(shù)控技術(shù)實行變革勢在必行。1.1.2數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢1、性能發(fā)展方向 (1) 高速高精高效化速度、精度和效率是機械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系統(tǒng)以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，同時采取了改善機床動態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機床的高速高精高效化已大大提高。(2) 柔性化包含兩方面：數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性，數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設計，功能覆蓋面大，可裁剪性強，便于滿足不同用戶的需求；群控系統(tǒng)的柔性，同一群控系統(tǒng)能依據(jù)不同生產(chǎn)流程的要求，使物料流和信息流自動進行動態(tài)調(diào)整，從而最大限度地發(fā)揮群控系統(tǒng)的效能。(3) 工藝復合性和多軸化以減少工序、輔助時間為主要目的的復合加工，正朝著多軸、多系列控制功能方向發(fā)展。數(shù)控機床的工藝復合化是指工件在一臺機床上一次裝夾后，通過自動換刀、旋轉(zhuǎn)主軸頭或轉(zhuǎn)臺等各種措施，完成多工序、多表面的復合加工。數(shù)控技術(shù)軸，西門子880系統(tǒng)控制軸數(shù)可達24軸。(4) 實時智能化早期的實時系統(tǒng)通常針對相對簡單的理想環(huán)境，其作用是如何調(diào)度任務，以確保任務在規(guī)定期限內(nèi)完成。而人工智能則試圖用計算模型實現(xiàn)人類的各種智能行為?？茖W技術(shù)發(fā)展到今天，實時系統(tǒng)和人工智能相互結(jié)合，人工智能正向著具有實時響應的、更現(xiàn)實的領(lǐng)域發(fā)展，而實時系統(tǒng)也朝著具有智能行為的、更加復雜的應用發(fā)展，由此產(chǎn)生了實時智能控制這一新的領(lǐng)域。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，實時智能控制的研究和應用正沿著幾個主要分支發(fā)展：自適應控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、專家控制、學習控制、前饋控制等。例如在數(shù)控系統(tǒng)中配備編程專家系統(tǒng)、故障診斷專家系統(tǒng)、參數(shù)自動設定和刀具自動管理及補償?shù)茸赃m應調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在高速加工時的綜合運動控制中引入提前預測和預算功能、動態(tài)前饋功能，在壓力、溫度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使數(shù)控系統(tǒng)的控制性能大大提高，從而達到最佳控制的目的。1.1.3智能化新一代PC NC數(shù)控系統(tǒng)當前開發(fā)研究適應于復雜制造過程的、具有閉環(huán)控制體系結(jié)構(gòu)的、智能化新一代PCNC數(shù)控系統(tǒng)已成為可能。智能化新一代PC NC數(shù)控系統(tǒng)將計算機智能技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、CAD/CAM、伺服控制、自適應控制、動態(tài)數(shù)據(jù)管理及動態(tài)刀具補償、動態(tài)仿真等高新技術(shù)融于一體，形成嚴密的制造過程閉環(huán)控制體系。1.2普通機床數(shù)控化設計經(jīng)濟性評價根據(jù)對市場的調(diào)研，目前新的經(jīng)濟數(shù)控銑床，8.5萬/臺，普通新銑床，售價3.8萬/臺，使用壽命8-10年，而已使用了6-8年的舊銑床，估價0.5萬/臺，通過設計還可使用4-6年。普通銑床每臺數(shù)控化設計所需價格大約3萬，數(shù)控加工的生產(chǎn)率可提高20-30%。因此需要對普通銑床的數(shù)控化設計進行經(jīng)濟性評價。設備現(xiàn)代化設計是指應用現(xiàn)代技術(shù)成就和先進經(jīng)驗，適應生產(chǎn)的需要，改變現(xiàn)有設備的結(jié)構(gòu)（包括更換新部件、新裝置、新附件等），改善現(xiàn)有設備的技術(shù)性能，使之全部或局部達到新設備的性能。1.2.1微觀看設計的必要性從微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。(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。由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。(2) 可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高37倍。由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，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，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了柔性自動化。(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?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。由以上五條派生的優(yōu)點：(1)降低了工人的勞動強度；(2)節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機床）；(3)減少了工裝；縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期；(4)可對市場需求作出快速反應等等。以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。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)信息化設計的基礎。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎技術(shù)。1.2.2宏觀看設計的必要性從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應用數(shù)控機床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機械工業(yè)）進行技術(shù)設計。除在制造過程中采用數(shù)控機床、FMC、FMS外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對國外軍、民機械工業(yè)進行深入設計（稱之為信息化），最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。而我們在信息技術(shù)設計傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達國家約落后20年。如我國機床擁有量中，數(shù)控機床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9，而日本在1994年已達20.8，因此每年都有大量機電產(chǎn)品進口。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化設計的必要性。1.3 普通機床數(shù)控化設計市場1.3.1設計的市場我國目前機床總量380余萬臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機床數(shù)控化率不到3。近10年來，我國數(shù)控機床年產(chǎn)量約為0.60.8萬臺，年產(chǎn)值約為18億元。機床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為6。我國機床役齡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(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機床占60以上）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?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)的機床，而且半數(shù)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(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益。所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。1.3.2進口設備和生產(chǎn)線的數(shù)控化設計市場我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進技術(shù)、設備和生產(chǎn)線進行技術(shù)設計。據(jù)不完全統(tǒng)計，從19791988年10年間，全國引進技術(shù)設計項目就有18446項，大約165.8億美元。這些項目中，大部分項目為我國的經(jīng)濟建設發(fā)揮了應有的作用。但是有的引進項目由于種種原因，設備或生產(chǎn)線不能正常運轉(zhuǎn)，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴重的使企業(yè)陷入困境。一些設備、生產(chǎn)線從國外引進以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護不當，結(jié)果運轉(zhuǎn)不良；有的引進時只注意引進設備、儀器、生產(chǎn)線，忽視軟件、工藝、管理等，造成項目不完整，設備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動運行，沒有發(fā)揮應有的作用；有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好，但是因為設備故障不能達產(chǎn)達標；有的因為能耗高、產(chǎn)品合格率低而造成虧損；有的已引進較長時間，需要進行技術(shù)更新。種種原因使有的設備不僅沒有創(chuàng)造財富，反而消耗著財富。這些不能使用的設備、生產(chǎn)線是個包袱，也是一批很大的存量資產(chǎn)，修好了就是財富。只要找出主要的技術(shù)難點，解決關(guān)鍵技術(shù)問題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產(chǎn)，爭取到最大的經(jīng)濟效益和社會效益。這也是一個極大的設計市場。第2章 總體方案的設計2.1總體方案設計要求總體方案設計應考慮機床數(shù)控系統(tǒng)的類型，計算機的選擇，以及傳動方式和執(zhí)行機構(gòu)的選擇等。（1）普通銑床數(shù)控化設計后應具有定位、縱向和橫向的直線插補、圓弧插補功能，還要求能暫停，進行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此，數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng)。（2）銑床數(shù)控化改裝后屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證一定加工精度的前提下應簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，因此，進給伺服系統(tǒng)采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。（3）根據(jù)普通銑床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經(jīng)濟性要求，經(jīng)濟型數(shù)控機床一般采用8位微機。在8位微機中，MCS51系列單片機具有集成度高、可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強、具有很高的性價比，因此，可選 MCS51系列單片機擴展系統(tǒng)。（4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機數(shù)控系統(tǒng)中除了CPU外，還包括擴展程序存儲器，擴展數(shù)據(jù)存儲器、I/O接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工數(shù)據(jù)和機床狀態(tài)信息的顯示器，包括光電隔離電路和步進電機驅(qū)動電路，此外，系統(tǒng)中還應包括螺紋加工中用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路。（5）設計自動回轉(zhuǎn)刀架及其控制電路。（6）縱向和橫向進給是兩套獨立的傳動鏈，它們由步進電機、齒輪副、絲杠螺母副組成，其傳動比應滿足機床所要求的分辨率。（7）為了保證進給伺服系統(tǒng)的傳動精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副，并應有預緊機構(gòu)，以提高傳動剛度和消除間隙，齒輪副也應有消除齒側(cè)間隙的機構(gòu)。（8）采用貼塑導軌，以減小導軌的摩擦力。2.2 總體方案擬定數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)設計要求： 在設計中應盡可能保留原機床結(jié)構(gòu)。主傳動系統(tǒng)中保留主軸箱內(nèi)滑移齒輪變速機構(gòu)，取消原操作手柄，實現(xiàn)主軸的正反轉(zhuǎn)及停止，改由數(shù)控系統(tǒng)直接控制主電機，當數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出M03指令后，主電機正轉(zhuǎn)，通過傳動系統(tǒng)實現(xiàn)主軸正轉(zhuǎn)。縱、橫進給系統(tǒng)均采用交流伺服電動機。用滾珠絲杠螺母機構(gòu)代替普通的滑動絲杠螺母機構(gòu),具有摩擦力小,運動靈敏, 無爬行現(xiàn)象, 也可以進行預緊, 以實現(xiàn)無間隙傳動,傳動剛度好,反向時無空程死區(qū)等特點?？商岣邆鲃泳?。導軌需沿用原機床的導軌，但因起精度較低，不適合數(shù)控機床。因而在原導軌上粘接四氟乙烯軟帶，使其有良好的耐摩性和較小的摩擦阻力，能預防爬行并具有自潤滑性。將原刀架和小托板拆除，將銑床刀架換為四工位電動刀架，將刀架調(diào)整好高度安裝在中拖板上，由數(shù)控系統(tǒng)直接控制，減少輔助時間，提高效率。為保證加工螺紋時縱向進給運動與主軸的回轉(zhuǎn)運動有嚴格的運動關(guān)系，需要在主軸尾部安裝主軸脈沖發(fā)生器。主軸脈沖發(fā)生器與主軸同步旋轉(zhuǎn)，同時發(fā)出與主軸轉(zhuǎn)角相對應的脈沖信號，使數(shù)控系統(tǒng)控制刀架的縱向移動量。2.3主要設計內(nèi)容2.3.1伺服控制系統(tǒng)的選擇因要求設計后的銑床為經(jīng)濟型數(shù)控銑床。所以在保證具有一定加工精度的前提下，從設計成本考慮。應簡化結(jié)構(gòu)，降低成本。可采以步進電動機為驅(qū)動裝置的開環(huán)系統(tǒng)，但是考慮到加工精度的要求，應采用以伺服電動機為驅(qū)動的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)的環(huán)路短，剛性好，較容易獲得較高的精度和速度，目前大多數(shù)數(shù)控機床都采用半閉環(huán)系統(tǒng)，而隨著機電一體化技術(shù)的發(fā)展，伺服電動機生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)中就把電機和檢測元件直接安裝在一起，形成成套的產(chǎn)品，極大的方便了用戶，省去了安裝調(diào)整誤差。（半閉環(huán)控制系統(tǒng)如下圖1所示）檢測器執(zhí)行件伺服放大器伺服電機減速箱脈沖指令比較線路 圖1 半閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖 2.3.2機械部分設計1.床頭箱部分保留主軸箱內(nèi)的滑移齒輪，取消操作手柄。將原床身的掛輪、進給箱及內(nèi)部傳動齒輪系統(tǒng)去除，其余部分保持不變。在該處安裝縱向伺服電動機與齒輪減速箱總成。絲杠、光杠和操作桿（“三桿”）拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠。滾珠絲杠的另一端支承座安裝在銑床尾座原來裝軸承座的部分。 并在主軸箱后端安裝光電編碼器。編碼器的安裝方式有兩種，一種是安裝，另一種是異軸安裝。因為原機床主動掛輪與主軸傳動比為1:1，所以可將編碼器安裝于原機床主動掛輪處。這種安裝方式較簡單，易安裝。2.進給系統(tǒng)（橫向）的設計將銑床溜板箱拆除，在原處安裝滾珠絲杠螺母座，絲杠螺母固定在其上。將橫溜板中的普通絲杠、螺母拆除，在該處安裝橫向進給滾珠絲杠螺母副， 伺服電機與絲杠間采用一級減速器聯(lián)接, 以縮小傳動鏈, 提高系統(tǒng)剛度, 并減少傳動鏈誤差。橫向伺服電動機與齒輪減速器總成安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠通過膜片聯(lián)軸器相連。膜片聯(lián)軸器的特點是易平衡，不需潤滑。結(jié)構(gòu)簡單，有一定的補償性能和緩沖性能。因其尺寸較大，故可將其放在減速箱內(nèi)。橫向滾珠絲杠選擇南京工藝裝備公司生產(chǎn)的FFZL型內(nèi)循環(huán)墊片預緊螺母式滾珠絲杠螺母副。型號為FFZL2505-3【1】,其公稱直徑d0 =25mm、基本導程L0=5mm 。滾珠絲杠的支撐方式選用兩端固定式，其傳動精度高，并有較好的剛度。適合于距離不長的場合。滾珠絲杠需要預緊，其大小約為軸向力的三分之一。減速箱齒輪傳動初定傳動比為2，可取Z1=24 則Z2=48,齒寬B=16.在設計齒輪傳動時，為了提高傳動精度，必須消除齒輪副的間隙。數(shù)控機床進給系統(tǒng)由于經(jīng)常處于變向狀態(tài),反向時如果驅(qū)動鏈中的齒輪等傳動副存在間隔,就會使進給運動的反向滯后于指令信號,從而影響其傳動精度,因此24/48這一對齒輪還必須采取措施消除齒輪傳動中的間隙,以提高數(shù)控機床進給系統(tǒng)的傳動精度。齒輪間隙的調(diào)整采用圓柱薄片齒輪可調(diào)拉簧錯齒法來實現(xiàn),其結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2 齒輪間隙的調(diào)整結(jié)構(gòu)圖圖中,在2 個薄片齒輪1 和2 上裝有螺紋的凸耳4 和8 ,彈簧的一段鉤在凸耳4上,另一端鉤在螺釘5 上。彈簧3 所受的張力大小可用螺母6 來調(diào)節(jié)螺釘5 的伸出長度,調(diào)整好后再用螺母7 鎖緊。在選擇伺服電機時應考慮以下幾點：a、慣量匹配，即0.25Jd/Jm1， 其中Jd為折算到到電動機的負載慣量，Jm為電動機轉(zhuǎn)動慣量。b、轉(zhuǎn)矩伺服電機的額定轉(zhuǎn)矩必須滿足實際需要，但是不需要留有過多的余量，因為一般情況下，其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的3 倍。c、短時間特性(加減速轉(zhuǎn)矩)，工作負載轉(zhuǎn)矩大于電動機加減速轉(zhuǎn)矩。根據(jù)以上原則，取電動機型號為1FT5066-0A01【2】3.導軌設計因原機床的導軌精度不能滿足數(shù)控機床的要求。但設計的原則是盡量保持原機床的部件。故只能將導軌加以利用。導軌表面貼塑的方法可使得導軌精度提高。因此可在導軌上加四氟乙烯軟帶。其特點是，摩擦系數(shù)低，運動平穩(wěn)，可吸收震動，維修方便，損壞后更換容易。在本次設計中采用美國霞板公司研制的德爾賽塑料導軌軟帶。 (三)、數(shù)控系統(tǒng)的選擇 機床數(shù)控系統(tǒng)(CNC系統(tǒng))是數(shù)控機床的控制核心，隨著機床數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，提高了數(shù)控機床的整體性能，尤其是它的加工精度和生產(chǎn)效率提高得更為顯著，現(xiàn)在，數(shù)控機床已在機械工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用。目前市場上流行的數(shù)控系統(tǒng)，如FANUC、西門子、華中數(shù)控系統(tǒng)等，本設計為經(jīng)濟行數(shù)控銑床，只要滿足設計要求功能及精度即可。通過比較，國內(nèi)的華中數(shù)控系統(tǒng)不僅能達到要求，并且價格便宜，是數(shù)控機床的設計的首選系統(tǒng)，根據(jù)功能要求，選擇華中HNC-21TF型數(shù)控系統(tǒng)。第3章 主傳動系統(tǒng)的設計和計算3.1主傳動系統(tǒng)的設計主傳動系統(tǒng)一般由動力源（如電動機）、變速裝置及執(zhí)行元件（如主軸、刀架、工作臺），以及開停、換向和制動機構(gòu)等部分組成。動力源給執(zhí)行元件提供動力，并使其得到一定的運動速度和方向,變速裝置傳遞動力以及變換運動速度，執(zhí)行元件執(zhí)行機床所需的運動，完成旋轉(zhuǎn)或直線運動?，F(xiàn)代切削加工正朝著高速、高效和高精度方向發(fā)展，對機床的性能提出越來越高的要求，如轉(zhuǎn)速高，調(diào)速范圍大，恒扭矩調(diào)速范圍達1：1001：1000，恒功率調(diào)速范圍達1：10以上；更大的功率范圍達2.2250kW，能在切削加工中自動變換速度；機床結(jié)構(gòu)簡單，噪聲小，動態(tài)性能好，可靠性高等。3.1.1 主傳動變速系統(tǒng)普通機床一般采用機械有級變速調(diào)速傳動，而數(shù)控機床需要自動變速；且在切削階梯軸的不同直徑，且削曲線旋轉(zhuǎn)面和斷面時，需要隨切削的直徑的變化而自動變速，以保持切削速度基本恒定。這些自動變速又是無級變速，以利于在一定的調(diào)速范圍內(nèi)選用到理想的切削速度，這樣既有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。機床主傳動中常采用得無級變速裝置有三大類：變速電動機、機械無級變速裝置和液壓無級變速裝置。無級變速主傳動系設計原則：一為盡量選擇功率和扭矩特性符合傳動系要求的無級變速裝置。如銑床主傳動系要求恒功率傳動，就應選擇恒功率無級變速裝置。二為無級變速系統(tǒng)裝置單獨使用時，其調(diào)速范圍較小，尤其是恒功率調(diào)速范圍往往小于機床實際需要的恒功率變速范圍。為此，常把無級變速裝置宇機械分級變速箱串聯(lián)在一起使用，以擴大恒功率變速范圍和整個變速范圍。3.1.2 主軸部件設計主軸部件的性能要求主軸部件是機床主要部件之一，它是機床的執(zhí)行元件。他的功用是支承并帶動工件或刀具旋轉(zhuǎn)進行切削，承受切削力和驅(qū)動力等載荷，完成表面成型運動。主軸部件由主軸及其支承軸承、傳動件、密封件及定位元件等組成。主軸部件的工作性能對整機性能和加工質(zhì)量以及機床生產(chǎn)效率有著直接影響，是決定機床性能和技術(shù)經(jīng)濟指標的重要因素。因此，對主軸部件有如下要求：1）軸的旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后，在無載荷、低速轉(zhuǎn)動的條件下，主軸安裝工件或刀具部位的定心表面（如車床軸端的定心短錐、錐孔，銑床軸端的7：24錐孔）的徑向和軸向跳動。旋轉(zhuǎn)精度取決于的主要件如主軸、軸承、殼體孔等的制造、裝配和調(diào)整精度。工件轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)精度還取決于主軸的轉(zhuǎn)速、軸承的性能，潤滑劑和主軸組件的平衡。2 ）剛度 主軸部件的剛度是指其在外載荷作用下抵抗變形的能力，通常以主軸前端產(chǎn)生單位位移的彈性便形時，在位移方向上所施加的作用力來定義的。主軸部件的剛度是綜合剛度，它是主軸、軸承等剛度的綜合反映。因此，主軸的尺寸和形狀、滾動軸承的類型和數(shù)量、預緊和配置形式、傳動件的布置方式、主軸部件的制造和裝配質(zhì)量等都影響主軸部件的剛度。3）溫升 因個相對運動處的摩擦生熱，切削取得切削熱等使主軸溫度升高將引起熱變形使主軸伸長，軸承間隙的變化，降低了加工的精度；溫升也會降低潤滑劑的粘度，惡化潤滑條件。因此，各類機床對溫升都有一定的限制。4）可靠性 數(shù)控機床是高度自動化的機床，所以必須保證工作可靠性，可喜的地方是這方面的研究正在發(fā)展。5）精度保持性 它指長期保持其原始制造精度的能力。對數(shù)控機床的主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便長期保持精度。（2）主軸部件的組成和軸承選型1) 主軸部件，它由主軸及其支承軸承、傳動件、密封件及定位元件等組成。2) 主軸的傳動件，可以位于前后支承之間，也可位于后支承之后的主軸后懸伸端。目前傳動件位于后懸伸端的越來越多。這樣做，可以實現(xiàn)分離傳動和模塊化設計：主軸組件（稱為主軸單元）和變速箱可以做成獨立的功能部件，又專門的工廠集中生產(chǎn)，作為商品出售。變速箱和主軸間可用齒輪副或帶傳動聯(lián)接。本三坐標曲面數(shù)控銑床采用帶傳動聯(lián)接。主軸支承分徑向和推力（軸向）。角接觸球軸承兼起徑向和推力支承的作用。推力支承應位于前支承內(nèi)，原因是數(shù)控機床的坐標原點，常設定在主軸前端。為了減少熱膨脹造成的坐標原點的位移，應盡量縮短坐標原點支推力支承之間的距離。3) 主軸軸承，選用角接觸球軸承。這種軸承即可承受徑向載荷，又可承受軸向載荷。這種球軸承為點接觸，剛度較低。為了提高剛度和承載能力，長采用多聯(lián)組配的辦法。有三種基本組配方式，分別為背對背，面對面和同向組配，背靠背和面對面組配都能受雙向軸向載荷；同向組配只能承受單向軸向載荷。主軸軸承必須采用背靠背組配。4) 角接觸球軸承的間隙調(diào)整和預緊主軸軸承的內(nèi)部間隙，必須能夠調(diào)整，多數(shù)軸承，還應在過盈狀態(tài)下工作，使?jié)L動體和導軌之間有一定的預變形，這就是軸承的預緊。軸承預緊后，內(nèi)部無間隙，滾動體從各個方向支承主軸，有利于提高運動精度。滾動體的直徑不可能絕對相等，滾道也不可能絕對正圓，因而預緊前只有部分滾導體與滾道接觸。預緊后，滾導體和滾道都有了一定的變形，參加工作的滾動體將增多，各滾動體的受力將更加均勻。這些都有利提高軸承的精度、剛度和壽命。如主軸產(chǎn)生振動，則由于各個方面都有滾動體支承，可以提高抗振性。角接觸球軸承在軸向力的作用下，使內(nèi)外圈產(chǎn)生軸向錯位實現(xiàn)預緊，衡量預緊力大小的是軸向預緊力，簡稱預緊力Fa0，單位為N。多聯(lián)角接觸球軸承是根據(jù)預緊力組配的。軸承廠規(guī)定了輕預緊、中預緊和重預緊三級預緊。訂貨時可指定預緊級別。軸承廠在內(nèi)圈（背靠背組配）或外圈（面對面組配）的端面根據(jù)預緊力磨去。裝配時擠緊，便可得到預定的預緊力。如果兩個軸承間需要隔開一定的距離，可在兩軸承之間加入厚度相同的內(nèi)外隔套。在軸向載荷的作用下，不受力側(cè)軸承的滾動體與滾道不能脫離接觸。而滿足這個條件的最小預緊力，雙聯(lián)組配為最大軸向載荷的35%。5) 承載能力和壽命主軸軸承通常載荷相對較輕。除上些特殊重載主軸外軸承的承載能力是沒有問題的。主軸軸承的壽命，主要不是取決于疲勞點蝕，而是由于磨損而降低精度。通常，如軸承精度為P4級，經(jīng)使用磨損后跳動精度降為P5級,這個軸承就認為應該更換了。（3） 主軸組件的動態(tài)特性通常，主軸組件的固有頻率很高，但是，高速主軸，特別是帶內(nèi)裝式電動機高速主軸，電動機轉(zhuǎn)子是一個集中質(zhì)量，將使固有頻率下降，有可能發(fā)生共振。改善動態(tài)特性，可采取下列措施：1) 是主軸組件的固有頻率避開激振力頻率。2） 增大比尼。3） 采用消振裝置。3.2 主軸系統(tǒng)計算三角膠帶傳動的計算和選定三角帶的選用應保證有效地傳遞最大功率（不打滑）并有足夠的使用壽命（一定的疲勞強度）。(1) 確定計算功率PkW式中：K工況系數(shù)P電機額定功率 Kw(2) 選擇三角帶型號根據(jù)P、n由圖7-8選SPA型窄V帶(3) 確定帶輪直徑D、D小帶輪直徑D應滿足：DD 查表7-4取D,故選擇D(4) 計算膠帶速度故 D選擇合格D(5) 確定中心距a和帶長L得 初選 帶長 查表7-3，取中心距 a的調(diào)整范圍：(6) 驗算小帶倫包角得 ， 即滿足條件。(7) 確定V帶根數(shù)z由表7-6a查得 由表7-10查得 由表7-11查得 由表7-9查得 由表7-3查得 代入求根公式，得取z=6,符合表7-4推薦的輪槽數(shù)(8) 確定出拉力由表7-5得 (9) 計算作用在軸上的壓力第4章 垂直進給傳動系統(tǒng)的設計和計算4.1 進給伺服系統(tǒng)的設計4.1.1 對進給伺服系統(tǒng)的基本要求進給伺服系統(tǒng)不但是數(shù)控機床的一個重要組成部分，也是數(shù)控機床區(qū)別于一般機床的一個特殊部分。數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的性能指標可歸納為：定位精度高；跟蹤指令信號的響應快；系統(tǒng)的穩(wěn)定好。(1) 穩(wěn)定性伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當作用在系統(tǒng)上的擾動信號消失后，系統(tǒng)能夠恢復到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運行,或者在輸入的指令信號作用下，系統(tǒng)能夠達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是系統(tǒng)本身的一種特性，取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成元件的參數(shù)（如慣性、剛度、阻尼、增益等），與外界的作用信號（包括指令信號或擾動信號）的性質(zhì)或形式無關(guān)。(2) 精度伺服系統(tǒng)的精度是指系統(tǒng)的輸出量復現(xiàn)輸入量的精確程度。伺服系統(tǒng)工作過程中通常存在三種誤差：動態(tài)誤差、穩(wěn)定性誤差和靜態(tài)誤差。實際中只要保證系統(tǒng)的誤差滿足精度指標就行。(3) 快速響應性快速響應特性是指系統(tǒng)對指令輸入信號的響應速度及瞬態(tài)過程結(jié)束的迅速程度。它包含系統(tǒng)的響應時間，傳動裝置的加速能力。它直接影響機床的加工精度和生產(chǎn)率。4.1.2 進給伺服系統(tǒng)的設計要求在靜態(tài)設計方面有：能夠克服摩擦力和負載(2) 很小的進給位移量(3) 高的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度(4) 足夠的調(diào)速范圍(5) 進給速度均勻，在速度很低時無爬行現(xiàn)象在動態(tài)設計方面的要求有：(1) 具有足夠的加速和制動轉(zhuǎn)矩(2) 具有良好的動態(tài)傳遞性能，以保證在加工中獲得高的軌跡精度和滿意的表面質(zhì)量(3) 負載引起的軌跡誤差盡可能小對于數(shù)控機床機械傳動部件則有以下要求(1) 被加速的運動部件具有較小的慣量高的剛度良好的阻尼傳動部件在拉壓剛度 扭轉(zhuǎn)剛度 摩擦阻尼特性和間隙等方面盡可能小的非線性.3.3 進給伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應特性及伺服性能分析(1).時間響應特性進給伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性，按其描述方法的不同，分為時間響應特性和頻率響應特性。(2) 頻率響應特性(3) 快速性分析4.2 垂直滾珠絲杠副計算與選擇4.2.1 精度 要求：進給精度 快速進給精度4.2.2疲勞強度 絲桿的最大載荷為主軸重量加摩擦力，最小載荷為主軸重量減最大進給力的垂直分力。主軸重量為300kg,則：1）摩擦力 根據(jù)機電一體化設計基礎計算載荷查表2-6取 查表2-8取 查表2-7取 查表2-4取D級精度則：2）計算額定動載荷取絲杠的工作壽命為, 4.2.3選用 FC1-4020-2.5型絲杠由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)：公稱直徑 導程 滾珠直徑 按表2-1種尺寸公式計算：滾道半徑偏心距絲杠內(nèi)徑 4.2.4 穩(wěn)定性驗算絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負荷。另一端游動，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動端自由伸縮，如下圖。 由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設計時應驗算其安全系數(shù)S,其值應大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)S 絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 式中，E為絲杠材料的彈性模量，對于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長度（m）；為絲杠危險截面的軸慣性矩（）；為長度系數(shù)，取。 安全系數(shù) 查表2-10，S=2.53.3，SS，絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。 高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速臨街轉(zhuǎn)速。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速。 臨街轉(zhuǎn)速按下式計算： 式中：為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表2-10，本題取， 即：，所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。 此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求4.2.5 剛度驗算滾珠絲杠在工作負載F(N)和轉(zhuǎn)矩T()共同作用下引起每個導程的變形量(m)為： 式中:A絲杠截面積,；為絲杠的極慣性矩，；G為絲杠切變模量，對鋼；T為轉(zhuǎn)矩。 式中：為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；衛(wèi)平均工作載荷 按最不利的情況?。ㄆ渲校?則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為： 通常要求絲杠的導程誤差小于其傳動精度的1/2，即 該絲杠的滿足上式，所以其剛度可以滿足要求。4.2.6 效率驗算 滾珠絲杠副的傳動效率為 要求在90%95%之間，所以該絲杠副合格。 經(jīng)上述計算驗算，F(xiàn)C1-4010-2.5各項性能均符合題目要求，所以合格。23總結(jié)與展望總結(jié)與展望經(jīng)過這次畢業(yè)設計,我體會到任何一向技術(shù)革新都是不容易的。要經(jīng)過嚴格的計算、選擇，重要的是要與實際相結(jié)合，才能設計出經(jīng)濟、實用的產(chǎn)品，這也是設計的主要目的之一。同時我也意識到自己還有許多不足之處，知識掌握得不夠牢固，今后需要不斷的努力來彌補自己的不足。通過分析設計題目和要求之后，特別是機械部分的計算，有時不只一次計算，還要進行多次反復的計算和校核，可能才能符合要求。同時還必須不斷翻閱多本參考書目，查找所需的相關(guān)信息。所以通過這次畢業(yè)設計我又重新學習了很多知識，對我以后的發(fā)展已到了非常重要的作用。參考文獻1 戴曙.金屬切削機床M.北京：機械工業(yè)出版社，1992，10.2 趙如福.金屬機械加工工藝人員手冊M.上海：上?？萍汲霭嫔?，1995，25-26.3 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