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本科畢業(yè)設計(論文) 本科畢業(yè)設計(論文) FINAL PROJECT/THESIS OF UNDERGRADUATE (2015 屆) (2015 屆) 機床滾珠絲桿裝配動態(tài)性能檢測 試驗臺設計 機床滾珠絲桿裝配動態(tài)性能檢測 試驗臺設計 The Design of Dynamic Test Bench for Measuring Ball Screw Assembly of Machine Tool 學學 院院 機械工程學院機械工程學院 專專 業(yè)業(yè) 機械設計制造及其自動化機械設計制造及其自動化 學生姓名學生姓名 學學 號號 指導教師指導教師 完成日期完成日期 2015 年年 5 月月 承諾書承諾書 本人鄭重承諾： 所呈交的畢業(yè)論文“機床滾珠絲桿裝配動態(tài)性能檢測試驗臺設計”是在導 師的指導下， 嚴格按照學校和學院的有關規(guī)定由本人獨立完成。 文中所引用的觀點和參考資 料均已標注并加以注釋。論文研究過程中不存在抄襲他人研究成果和偽造相關數據等行為。 如若出現任何侵犯他人知識產權等問題，本人愿意承擔相關法律責任。 承諾人(簽名)：_ 日期： 年 月 日 摘摘 要要 螺母副預緊力是影響滾珠絲桿進給運動特性的主要因素 （在一定程度上也能 防止螺母副滑落，特別是在立式機床中） ，而滾珠絲桿的運動精度直接影響機床 的定位精度和重復定位精度。 目前對于滾珠絲桿副的研究主要集中在對絲桿的沖 擊及軸向接觸剛度力學模型上， 這樣就忽略了預緊力對滾珠絲桿進給運動特性的 影響。 由于滾珠在運行過程中需反復進出絲桿滾道，從而產生絲桿摩擦力矩的波 動， 對于系統的運行穩(wěn)定性產生較大的影響。隨著滾珠絲桿副預緊力的提高及施 加軸向作用力， 其摩擦力矩波動將隨之發(fā)生變化對絲桿的傳動性能產生極大的影 響，其中預緊力占主導地位（一般情況下預緊力是大于軸向力的） ：當預緊力過 大，機床的軸向剛度會得到提高，但會影響其傳動穩(wěn)定性；而預緊力過小，滾珠 啟動時的阻力就會變小，但會影響機床的傳動精度，如重復定位精度。目前國內 尚無對滾珠絲桿副批量產品進行預緊力直接測量和控制的裝置， 僅有應用于實驗 的測試裝置。但其幾何尺寸較大，影響產品總成尺寸，故未能用于實際產品的測 量。 所以本次設計了一個預緊力調節(jié)機構，它能實現螺母副預緊力的調節(jié)和實時 監(jiān)控，而且其結構精巧，使用簡單方便，能廣泛用于研究預緊力的各種實驗臺， 也能大批生產并應用于實際機床，使機床的各項性能指標都得到提高。 關鍵詞關鍵詞：滾珠絲桿，螺母副，預緊力，試驗臺 ABSTRACT Nut pre tightening force is the main factor affecting the motion characteristics of ball screw feed(It can prevent the nut down to a certain extent, especially in vertical machine tool),The accuracy of ball screw is directly influenced by the movement accuracy of the machine tool and the accuracy of the positioning is directly influenced. At present, the research of the ball screw pair is mainly focused on the impact of the screw and the mechanical model of the axial contact stiffness, so that the influence of the preload on the feed motion of the ball screw is neglected. As the ball movement in the process of the need to repeatedly screw in and out, resulting in the fluctuation of the screw friction torque, the stability of the system to produce a greater impact. With ball screw pre tightening force of improving and applying an axial force, the friction torque fluctuation will ensue changes of ballscrew transmission performance have a great impact, the pre tightening force accounted for dominant position(under normal circumstances the preload is greater than the axial force):when the preload is too large, the axial stiffness of the machine tool will be improved, but it will affect the stability of the machine; The preload is too small, the resistance will become small when the ball starts, but it will affect the transmission accuracy of the machine tools, such as repeat positioning accuracy. At present, there is no device for the pre tightening force direct measurement and control of the ball screw pair, and only the test device is applied to the experiment. However, its geometric size, the impact of the total size of the product, it failed to measure the actual product. So the design of a pre tightening force adjusting mechanism, it can realize nut pair pre tightening force adjusting and real-time monitoring, and the structure of delicate, simple and convenient to use, can be widely applied to the pre tightening force of various experimental station, also can mass production and application in the actual machine, to improve the performance indexes of the machine bed. keywords：Ball screw, Nut vice, Pre-tightening force, Test bench i 目錄目錄 摘要摘要 ABSTRACT 第第 1 章章 緒論緒論 1 1.1 項目的研究背景及意義 . 1 1.2 目前研究的概況和發(fā)展趨勢 . 2 1.3 設計研究的內容及目的 . 4 1.3.1 重點解決的問題 . 4 1.3.2 研究的幾個主要方面. 5 1.3.3 設計預期成果 . 5 1.4 論文組織結構 . 5 第第 2 章章 試驗臺總體方案設計試驗臺總體方案設計 7 2.1 VMC850E 立式加工中心簡介 7 2.2 整體布局 . 9 2.3 試驗臺零部件設計及選擇 . 10 2.3.1 工作臺尺寸確定 . 10 2.3.2 滾珠絲桿選擇. 11 2.3.3 聯軸器選擇. 13 2.3.4 電機選擇. 14 2.3.5 電機座設計. 16 2.3.6 螺母副選擇. 17 2.3.7 前后支撐座選擇 . 18 2.3.8 導軌選擇. 19 2.3.9 壓電陶瓷選擇 . 21 2.3.10 傳感器選擇 . 22 2.3.11 行程開關選擇及相關零部件設計 . 23 2.3.12 緩沖器設計 . 25 2.3.13 床身設計 . 26 2.3.14 床身支撐腳設計 . 29 第第 3 章章 滾珠絲滾珠絲桿桿螺母副預緊力調節(jié)機構設計螺母副預緊力調節(jié)機構設計 31 第第 4 章章 試驗臺零部件校核試驗臺零部件校核 37 4.1 滾珠絲桿校核 . 37 4.2 聯軸器剛強度校核 . 40 ii 4.3 電機校核 . 40 4.4 軸承校核 . 40 4.5 導軌校核 . 41 4.6 調節(jié)螺栓收縮度校核 . 41 4.7 螺栓螺紋部分的校核 . 42 第第 5 章章 結論結論 43 參考文獻參考文獻 45 致致 謝謝 47 機床滾珠絲桿裝配動態(tài)性能檢測試驗臺設計 1 第第1章章 緒論緒論 1.1 項目的研究背景及意義項目的研究背景及意義 隨著機械制造工業(yè)的發(fā)展，人們對零件精度的要求越來越高，數控車床由于其高 效率、高精度等方面的優(yōu)勢漸漸普及，在機械加工設備中的占有率越來越高。在當今 制造業(yè)中，數控機床一般采用滾珠絲桿。滾珠絲桿是目前世界上應用最廣泛的一種傳 動方式，它具有摩擦小、效率高、靈敏度高、傳動平穩(wěn)、磨損小、壽命長等優(yōu)點，但 由于制造和裝配的誤差，滾珠絲桿副總是存在間隙，同時滾珠絲桿在軸向載荷的作用 下，滾珠和螺紋滾道接觸部位會產生彈性形變，影響滾珠絲桿的傳動精度，但可以通 過調節(jié)絲桿與螺母副之間預緊力的大小來消除軸向間隙、提高軸向剛度，所以在數控 機床結構中滾珠絲桿被普遍使用。 由精密滾珠絲桿副綜合性能試驗臺，再結合市場調查可以發(fā)現，雖高速、高精密 是機床發(fā)展發(fā)展永恒的主題， 但是目前對于提高機床的精度， 人們主要從電機分辨率、 軸承、滾珠絲桿自身結構、螺母副等結構模型上來研究。而對于其中的滾珠絲桿副的 研究則主要還是集中在對絲桿的沖擊及軸向接觸剛度力學模型上， 這樣就忽略了預緊 力對滾珠絲桿進給運動特性的影響。 而預緊力對滾珠絲桿進給運動特性的影響卻是無 法忽視的，當預緊力過大，機床的軸向剛度會得到提高，但會影響其傳動穩(wěn)定性；而 預緊力過小或不存在時，滾珠啟動時的阻力就會變小，但機床的傳動精度就會嚴重下 圖 1.1 滾珠絲桿螺母副結構原理圖 上海理工大學本科畢業(yè)設計(論文) 2 降，如重復定位精度。所以對預緊力的研究是非常具有意義的。如何調節(jié)預緊力來提 高剛度成了人們日益關注的課題（并且人們想出了雙螺母調隙的方法，但卻不方便隨 時的根據需要調節(jié)螺母間預緊力的大小，而且每次調節(jié)必須停機并人工調節(jié)，不但麻 煩還需要一定的經驗才能調好） 。所以本文以此為目的， 在如何調節(jié)預緊力來提高滾 珠絲桿傳動副的傳動精度和軸向剛度上做了些研究， 最終設計了一個預緊力調節(jié)機構。 機床一般采用滾珠絲桿與螺母副來實現電機帶動工作臺的進給運動， 在螺母副中 很多是用滾珠與絲桿配合來將絲桿的轉動轉化成工作臺（螺母副）的直線進給運動。 而機床滾珠與絲桿之間并不是完全無間隙配合， 所以需要通過預緊力來使工作臺與絲 桿的轉動同步性能提高和減小回程誤差。 目前我們研究的雙螺母預緊力可調機構則有 效的解決了調節(jié)預緊力的功能，能更好的實現提高機床精度，從而提高機床的加工范 圍，間接的提高機床的利用價值。這就是我們此設計的意義，我相信其價值也是非常 可觀的。 1.2 目前目前研究的概況和發(fā)展趨勢研究的概況和發(fā)展趨勢 高速、高精密是機床發(fā)展永恒的目標。隨著科學技術突飛猛進的發(fā)展，機電產 品對零件加工的精度和表面質量的要求也愈來愈高。為滿足這個市場的需求，當前機 床正向高速切削、干切削和準干切削的方向發(fā)展，加工精度也在不斷地提高。另一方 面，電主軸和直線電機的成功應用，陶瓷滾珠軸承、高精度大導程空心內冷和滾珠螺 母強冷的低溫高速滾珠絲桿副及帶滾珠保持器的直線導軌副等機床功能部件的面市， 也為機床向高速、精密發(fā)展創(chuàng)造了條件。 圖 1.2 電主軸 圖 1.3 陶瓷滾珠軸承 近年來，隨著現代制造技術水平的提高，數控機床、機器人等機械設備的進給 速度越來越快，必然帶動滾珠絲桿副向高速化的方向發(fā)展。現階段我國滾動功能部件 行業(yè)的產品水平和發(fā)達國家相比還有較大差距， 普遍存在產品性能指標遠遠落后精度 指標，而且整個滾動功能部件行業(yè)測試儀器配備不完善，有些項目的主要性能指標無 法測試，同時行業(yè)缺乏統一的檢驗規(guī)程，使理論研究和生產實踐均受到制約。為使國 產滾動功能部件滿足高性能數控機床的要求， 博特公司研制開發(fā)了精密滾珠絲桿副綜 機床滾珠絲桿裝配動態(tài)性能檢測試驗臺設計 3 合性能試驗臺、高速精密滾珠絲桿副速度噪聲試驗臺、精密滾珠絲桿副剛度試驗臺、 精密滾珠絲桿副載荷試驗臺、精密滾珠絲桿副摩擦力矩測試儀等設備，并以此組建了 國內第一家滾動功能部件性能試驗室。 如相關的精密滾珠絲桿副綜合性能試驗臺： 該試驗臺能測量絲桿的最大長度為 2000mm 直徑為 2080mm，實際工作行程 小于 1800mm?？梢酝瓿韶撦d狀態(tài)下的加速度、速度、定位精度以及絲桿熱伸長的在 線實時測量。 控制系統采用了高分辨率的單軸數控系統， 上位機軟件采用 Visual basic 6.0 編寫。各項測量數據經計算機處理后，可以實現硬盤數據保存并打印輸出規(guī)范的 檢測報告。試驗臺安裝時嚴格保證兩直線導軌和滾珠絲桿在兩個方向的平行度，前后 軸承采用高精度的 C 級向心球軸承，絲桿及導軌均采用噴油潤滑。 圖 1.4 光柵尺 測量儀器采用高精密光柵尺或雙頻激光作為長度測量基準，實現了滾珠絲桿副 工作狀態(tài)下定位精度和重復定位精度的測量，測試分辨率為 0.2 微米。通過在絲桿螺 母前軸承座后軸承座等處設置多路高精度溫度傳感器， 實現了載荷狀態(tài)下絲桿溫升的 實時測量：分辨率為 0.1 攝氏度；利用高精度加速度傳感器及位移傳感器，完成了對 高速精密滾珠絲桿副載荷狀態(tài)下的加速度、速度以及熱位移的測量，測試加速度分辨 率 0.0001g，最大加速度為 5g，熱位移分辨率為 0.1 微米。各性能參數通過計算機測 量處理后，存盤保存并打印輸出規(guī)范的檢測報告。測量時，工作臺移動速度可達 72m/min。 但目前國內尚無對滾珠絲桿副批量產品進行預緊力直接測量和控制的裝置，僅 有應用于實驗的測試裝置（如上所說的精密滾珠絲桿副綜合性能試驗臺） 。但其幾何 尺寸較大，影響產品總成尺寸，故未能大批生產并用于實際產品的測量。 而我們的設計是從螺母副滾珠與絲桿間預緊力大小著手來提高機床工作臺運動 精度間接的提高機床加工精度，從本質上還是遵循高精度化的步伐，而我們的設計只 是在機床上添加一個機構而沒有改變機床原有結構， 相對于重新設計機床來說更方便、 上海理工大學本科畢業(yè)設計(論文) 4 更快捷、 更經濟。 另一方面,我們的設計是通過傳感器來調節(jié)的， 數據都是通過電腦處 理的，所以調節(jié)起來相對來說就比較方便，也充分實現了機械自動化。 1.3 設計設計研究的內容研究的內容及目的及目的 1.3.1 重點解決的問題重點解決的問題 機床滾珠絲桿裝配動態(tài)性能檢測試驗臺總體方案的設計 首先通過全面的市場調查并閱讀大量相關文獻資料、教材及新聞背景資料（包括 機械設計的原理及方法， 國際水平探討方面的書籍、 報刊） ,對機床滾珠絲桿裝配動態(tài) 性能檢測試驗臺的結構有一定的了解，并確定試驗臺的總體設計方案。 試驗臺的機械結構設計 根據市場調查來選擇具有一定代表性的機床或加工中心作參考來初步估算工作 臺的重量、最大行程、及加工工件時的最大切削力等相關參數，再進行試驗臺的總體 布局；后確定試驗臺的主要技術參數，選擇好需要的零件并設計好相關的零部件，完 成試驗臺的具體結構設計。 預緊力調節(jié)機構的設計 單螺母定導程的滾珠絲桿副是不能消除軸向間隙的， 雙螺母卻可以消除它的軸向 間隙。通過預加載荷來消除間隙的方法有許多。在機床上常用的雙螺母法，其原理圖 如下圖所示。 圖 1.5 滾珠絲桿副的消除間隙和預加載荷原理 1、 絲桿； 2、左螺母； 3、鋼球； 4、右螺母 在預緊力 F0的作用下，圖中個（a）是左、右螺母往兩頭撐開；而（b）則是向中 間擠緊。這時接觸角為 45 ，左右螺母接觸相反。左、右螺母的中間安裝一塊板，使 機床滾珠絲桿裝配動態(tài)性能檢測試驗臺設計 5 兩螺母作為一個整體，這就使這個整體與絲桿間處于無間隙或過盈狀態(tài)，以提高接觸 剛度。而我們的工作的創(chuàng)新點就是設計一個機構代替兩螺母中間的板，并通過調節(jié)兩 螺母間的距離來調節(jié)預緊力的大小。 1.3.2 研究的幾個主要方面研究的幾個主要方面 機床滾珠絲桿裝配動態(tài)性能檢測試驗臺的總體方案設計。 機床滾珠絲桿裝配動態(tài)性能檢測試驗臺結構設計。 機床滾珠絲桿裝配動態(tài)性能檢測試驗臺輔助裝置設計。 預緊力調節(jié)機構結構設計。 預緊力調節(jié)裝置的安裝及試驗臺的整體布局。 1.3.3 設計預期設計預期成果成果 通過對市場加工設備的調查，從中選出適用范圍較廣的機床或加工中心，并參 照其螺母絲桿副的傳動系統及各部件的主要技術參數來設計一個非常接近目前國內 機床加工設備的試驗臺， 完成其總體方案設計； 設計出相關的輔助裝置， 如緩沖裝置、 限位裝置、支撐裝置等，選出其中用到的標準件的型號并設計出非標件，最后用圖紙 表達一些主要非標件的機構及要求；最主要的是設計出我們的預緊力調節(jié)裝置，使得 它能完美的實現絲桿螺母副預緊力的無級調節(jié)和實時監(jiān)測功能； 最后再將預緊力調節(jié) 機構安裝到試驗臺上，觀察其工作效果。 最后根據以上工作，完成試驗臺的總裝配圖、三維結構圖，以及預緊力機構的 裝配圖、主要部件的零件圖、一份詳細的設計說明書，并完成論文和其相關東西。 1.4 論文組織結構論文組織結構 本文共分五部分，第一部分為緒論，主要介紹了本文項目的背景及工作的目標， 主要研究內容及相關的創(chuàng)新點。 第二部分為試驗臺總體方案設計， 主要介紹了如何經過市場調查后選擇的參考加 工中心并通過相關的計算來設計并選擇試驗臺的主要零部件。 其中介紹了在選擇零部 件時要注意的問題和相關方面的專業(yè)知識。 第三部分為此次設計的主要機構滾珠絲桿螺母副預緊力調節(jié)機構； 在里面介 紹了預緊力調節(jié)機構的背景和背景。 第四部分主要是校核前面章節(jié)中選擇的標準件以及主要工作元件的剛度、強度、 彎曲度等。 第五部分是對本次設計的總結，其中列出了設計中的一些不足之處。 上海理工大學本科畢業(yè)設計(論文) 6 機床滾珠絲桿裝配動態(tài)性能檢測試驗臺設計 7 第第 2 章章 試驗臺總體方案設計試驗臺總體方案設計 因為我的目的是實現對螺母副預緊力的檢測和調節(jié)， 而同時需要設計一個滾珠絲 桿試驗臺來用于試驗。 通過市場調查發(fā)現，其中 VMC 系列的加工中心越來越適用市場要求，而該系列 的 VMC850E 的適應性具有一定程度上的代表性。它適用于加工高精度、多工序、復 雜形狀零件的一款新型加工中心，能適應從粗加工到精加工的加工要求，可獨立完成 零件的銑、鉆、攻、鏜及二維三維曲面、斜面的精確加工等多種不同的加工方式，這 樣則大幅的縮短生產周期，提升了加工的效率。 所以試驗臺可參考市面上使用范圍較廣的 VMC850E 立式加工中心， 這樣更具有 代表性，實用性也會更強。但本試驗的對象是螺母副預緊力的檢測和調節(jié)，只需設計 單軸試驗臺，所以可參考 VMC850E 立式加工中心 X 軸參數進行設計。 2.1 VMC850E 立式加工中心簡介立式加工中心簡介 日前，VMC 系列產品市場競爭日益激烈，中捷立式加工中心事業(yè)部的產品優(yōu)勢 逐漸減弱，對產品銷售形成不利影響。為打破這種局面，該事業(yè)部設計并制造了經濟 型產品 VMC850 立式加工中心，以爭奪更多的市場份額。 VMC850E 立式加工中心主要用于加工板類、盤類件、殼體件、模具等精度高、 工序多、形狀復雜的零件，可在一次裝夾中連續(xù)完成銑、鉆、擴、鉸、鏜、攻絲及二 維三維曲面，斜面的精確加工，加工實現程序化，縮短了生產周期，從而使用戶獲得 良好的經濟效益。產品亮點為采用皮帶和主軸一比一傳動，使主軸轉速達到 8000 轉 /分，提高產品加工效率；各軸均采用絲桿和電機直聯，減少加工間隙，進一步提高產 品的加工精度；螺旋式的排屑器，實現了產品的自動化排屑；潤滑、氣動系統采用整 體供貨，縮短了產品安裝周期，提高交貨速度； 、是國防工業(yè)、拖拉機、輕工行業(yè)、 汽車制造、紡織機械、小型模具及機床行業(yè)技術改造理想的加工設備之一。 通過對 VMC850 的初步研究可以發(fā)現 VMC850 立式加工中心具有以下兩種主要 機械特性： 高鋼性、重切削 全部采用優(yōu)質樹脂砂耐磨鑄件，強韌筋骨，超大立柱，寬低座，蜂巢式結構。經 退火處理，清除應力長久不變形。三軸采用鋼性極強的矩形導軌，可承受重切削，工 作臺精密研磨，淬火處理，大大增強了表面硬度。 上海理工大學本科畢業(yè)設計(論文) 8 高精度 三軸傳動均采用臺灣 C3 級精密滾珠絲桿，安裝 P3 級軸承，確保了定位精度和 重復定位精度。三軸均采用日本三菱伺服馬達和主軸電機，直聯傳動，提供了強勁的 動力，確保了在強大承載能力下的進給精度。采用國際知名品牌的 P3 級主軸，確保 了主軸的可靠性高、壽命長、噪音小、震動小、精度高的優(yōu)點。 VMC850 立式加工中心控制系統特性為穩(wěn)定性好、速度快、精度高。其采用世界 先進頂級的三菱數控系統， M60S系列均采用伺服驅動， 確保了控制系統的穩(wěn)定性高、 速度快，表面光滑，精度高等優(yōu)點，具備了制造模具應有的功能，是模具生產的最佳 選擇。 參考 VMC850B（E）主要參數可暫定以下數據： 工作臺質量：200Kg； 最大負載：約 600Kg，則可得導軌負重 M=200+600=800Kg； 行程長度 L：X 軸最大行程為 850mm，Y 軸最大行程為 560mm； 最快移動速度 V：X、Y 軸最快移動速度均為 32m/min； 加（減）速時間：t1（t3）=0.15s； 每分鐘往返次數：8； 定位精度：X、Y 軸的定位精度均為 0.005mm/300mm； 重復定位精度：X、Y 軸的定位精度均為 0.005mm/300mm； 最小進給量：s=0.020mm/脈沖； 希望壽命時間：30000h； 絲桿密度：7.9x103Kg/m3 ； 允許最大負荷：500Kg； 機床重量：5200Kg； 圖 2.1 VMC850E 立式加工中心 機床滾珠絲桿裝配動態(tài)性能檢測試驗臺設計 9 2.2 整體布局整體布局 我們設計試驗臺的目的是為了實現絲桿螺母副預緊力的調節(jié)和檢測， 因此可以參 考 VMC850E 的 X、Y 兩軸布局來具體設計雙軸聯動試驗臺。 所以在試驗臺中我們要合適的布局好工作臺、床身、電機、聯軸器、預緊力機構 的位置，然后再根據具體功能添加輔助零部件及機構。并且要盡量使其結構簡單、緊 湊，兼顧試驗臺的精度、剛度、抗震性和熱穩(wěn)定性的結構性能。 該試驗臺由各類部件組成，進行布局時要從其工作原理結合各部件的外形、尺寸 和重量等因素，來確定各主要部件之間的相對位置關系和配置；另一方面還應考慮試 驗臺的操作維修、外觀形狀、生產管理和人機關系等因素。總體布局是設計中帶全局 性的問題。對試驗臺的制造和使用關系很大。 在此次設計中考慮到的問題： 工作臺上安裝的工件的形狀、尺寸、重量； 本次設計中，工作臺的形狀設計成傳統的方形試驗臺，在其上面開有 T 型槽，主 要用來固定工件，是鉗工工人用來調試設備，裝配設備（如夾具） ，維修設備的基礎 平臺；其重量則是估算為 VMC850E 立式加工中心工作臺的重量，暫取 200Kg；而工 作臺的尺寸則是在 VMC850E 立式加工中心工作臺的基礎上稍作改變， 因為我們的試 驗臺并沒有 VMC850E 加工中心大，所以根據實際情況將工作臺的尺寸取為 600 500mm，高度則通過工作臺截面高寬比來計算。 試驗臺運動的分配； 試驗臺預定設計為雙軸試驗臺，類似于普通的十字滑臺，如圖 2.2 所示。所以試 驗臺運動主要分配為 X、Y 軸的進給運動。而具體則由電機輸出動力，通過聯軸器將 動力傳到滾珠絲桿，然后由絲桿螺母副轉化為工作臺的直線進給運動。 試驗臺的結構性能； 試驗臺數控裝置的各項動作和指令都是由試驗臺本體轉換成真實的、 準確的機械 運動和動作，才能實現數控機床的功能，并保證數控機床的性能要求。本試驗臺的本 體由以下幾部分構成： 進給系統：其功用是實現 X、Y 軸的進給運動。 試驗臺基礎件：主要有床身、底座、滑座、工作臺等。其功用是支承試驗臺本 體的零部件，并保證這些零部件在切削加工過程中占有的準確位置。 實現工件精確定位的裝置和附件：如工作臺。 試驗臺的結構特性包括結構的靜剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性、低速運動的平穩(wěn)性及 運動時的摩擦特性、幾何精度、傳動精度等。而本試驗臺主要通過合理設計截面形狀 和尺寸來提高基礎件的結構靜剛度、抗震性等，如在床身打圓孔、鑄筋板等。 人工操作的方便性； 上海理工大學本科畢業(yè)設計(論文) 10 為了使本試驗臺操作方便，所以試驗臺基本是自動化，如進給系統、預緊力調節(jié) 機構。而預緊力調節(jié)機構實現工作臺的實時監(jiān)控和調節(jié)則是通過電腦對壓電陶瓷、傳 感器的控制來實現的。 圖 2.2 試驗臺總體布局 2.3 試驗試驗臺零部件設計及選擇臺零部件設計及選擇 圖 2.3 單軸方案簡圖 1、伺服電機 2、前支撐座 3、后支撐座 4、負載 5、工作臺 6、絲桿 7、聯軸器 2.3.1 工作臺尺寸確定工作臺尺寸確定 根據 VMC850E 立式加工中心參數可知：工作臺為矩形 T 型槽，具體參數：重量 約為 200Kg；長寬：1000mm 500mm，但我們的試驗臺比 VMC850E 要窄，所以取長 寬：600 500。T 型槽尺寸 18 5，截面高寬比 0.10.18。 暫取截面高寬比 0.12，則工作臺高：h=500 0.12=60mm 機床滾珠絲桿裝配動態(tài)性能檢測試驗臺設計 11 設間距為 a，兩邊空出 b，則： 18 5+4a+2b=500 通過對多種工作臺 T 型槽的測量并根據比例可取 T 型槽間距 90mm，兩邊各留 25mm，若尺寸影響到導軌滑塊的安裝，則最后可以根據導軌滑塊再稍做調整。之后 再根據工作臺與試驗臺其他部件間的連接關系來確定螺紋孔、通孔等的位置。具體結 構如下圖： 圖 2.4 工作臺尺寸圖 2.3.2 滾珠絲滾珠絲桿桿選擇選擇 滾珠絲桿精度選擇 X、Y 軸精度均為 0.005mm/300mm，為了滿足精度 0.005mm/300mm ，因此滾 珠絲桿的精度等級應選擇 C1 級（ 0.005mm/300mm） ，所以選用精密制造 C1 級滾珠 絲桿。 滾珠絲桿導程選擇 由 VMC850E 立式加工中心 X、 Y 軸最快移動速度均為 32m/min， 導程 1020mm 左右，預定電機轉速： N=32 103 10=3200rpm，所以電機轉速在 30006000rpm 預定電機額定轉速為 3000rpm，取快速移動速度 30m/min，所以絲桿導程為： 30x1000 3000=10mm 為了滿足最小進給量 0.020mm/脈沖，所以導程應選： 10mm （1000p/rev） 滾珠絲桿的絲桿螺紋長度 L 的計算 L=Lu+L1+2Le （2.1） 式子中：Lu機床工作臺的有效行程，單位：mm 上海理工大學本科畢業(yè)設計(論文) 12 L1螺母長度，單位：mm Le余程(按下表選取)，單位：mm 表 2.1 滾珠絲桿導程-余程表 導程Ph（mm） 4 5 6 8 10 12 16 20 余程le（mm） 16 20 24 32 40 45 50 60 由上可知，已選導程為 10mm，則：余程 le=40mm， 而本試驗臺中采用雙螺母副（螺母副總長約 200mm） ，雙螺母中間的機構長約 100mm，所以 L1=200 2+100=500mm， X 軸的有效行程為 Lu=850mm，所以：L=850+500+80=1430mm； VMC850E 立式加工中心 Y 軸有效行程為 560mm，但我的試驗臺床身比其窄， 所以這里取 Y 軸有效行程為 220mm。 Y 軸的有效行程為 Lu=220mm，所以：L=220+500+80=800mm。 滾珠絲桿直徑選擇： VMC850E 立式加工中心 X、Y 軸滾珠絲桿直徑均為 40mm，參考 NSK 滾珠絲桿 型號表： 表 2.2 NSK 滾珠絲桿部分型號表 再根據滾珠絲桿導程為 10mm，為了使絲桿不過于細長且剛強度足夠，且參考 VMC850E 立式加工中心絲桿的直徑，選得 X、Y 軸直徑都為 40mm。 綜上，根據已定數據參考 NSK 滾珠絲桿型號表，應選擇： HTF-4010-7.5，具體參數如上表所示。 圖 2.5 滾珠絲桿零件圖 機床滾珠絲桿裝配動態(tài)性能檢測試驗臺設計 13 滾珠絲桿總長度選擇 一般情況下，國產滾珠絲桿副螺紋部分的長徑比小于或等于 30，國外滾珠絲桿 副長徑比小于或等于 70，在此參考日本 NSK（國外）滾珠絲桿副長徑比，并根據軸 端長度和絲桿螺紋長度，取兩軸絲桿長度分別為：X 軸 1709mm，Y 軸 1079mm。 2.3.3 聯軸器選擇聯軸器選擇 撓性聯軸器的共同特點是具有不同程度補償兩軸線軸向、徑向、角向相對偏移的 能力。無彈性元件撓性聯軸器由可做移動或滑動的剛性件組成，過去亦稱為剛性可移 式聯軸器，利用聯接元件間的相對移動性以補償被聯接兩軸線的相對位移，大部分彈 性元件撓性聯軸器需在良好的潤滑和密封條件下工作， 選用時應充分考慮其對軸線位 移的補償范圍，這類聯軸器雖有一定補償能力但不能減振緩沖（最大量隨型號不同而 異） ，因此不適用于有沖擊、振動的軸系傳動。但它有一個缺點，由于它的材質是橡 膠、 尼龍等， 所以其強度低、 壽命短、 承載能力小、 不耐高溫， 只適用于低溫的場合。 無彈性元件撓性聯軸器包括滑塊聯軸器、鏈條聯軸器、齒式聯軸器、萬向聯軸器、球 面滾子聯軸器、滾珠聯軸器、鋼球聯軸器等。 剛性聯軸器即使承受負載時也沒有任何回轉間隙，即便有偏差而產生負荷時，剛 性聯軸器還是剛性傳遞扭矩。如果系統中有任何偏差，都會導致軸、軸承或聯軸器過 早的損壞，也就是說其無法在高速的環(huán)境下工作，因為它無法補償由于高速運轉產生 高溫而產生的軸間相對位移。當相對位移能成功被控制，在伺服系統應用中剛性聯軸 器也可以發(fā)揮很出色的性能。剛性聯軸器在結構上的特點是，存在一個保險環(huán)節(jié)（如 銷釘可動聯接等） ，其只能承受限定載荷。當實際載荷超過事前限定的載荷時，保險 環(huán)節(jié)就發(fā)生變化，截斷運動和動力的傳遞，從而保護機器的其余部分不致損壞，即起 安全保護作用。具有過載保護作用，還有將機器電動機的帶載起動轉變?yōu)榻瓶蛰d起 動的作用， 但它對于兩軸間同心度的要求非常高。 而小規(guī)格的剛性聯軸器具有重量輕， 超低慣性和高靈敏度的優(yōu)越性能，且在實際應用中，剛性聯軸器具有免維護，超強抗 油性以及耐腐蝕的優(yōu)點。雖然過去人們不贊成把剛性聯軸器用在伺服傳動中，但由于 其高扭矩承重、剛性和零間隙性能，小規(guī)格的剛性聯軸器越來越多的應用在運動控制 領域中。 而本試驗臺是應用于伺服系統中，而且對其強度、壽命、承載能力等都有一定程 度上的要求， 當試驗臺使用正常的情況下電機軸與滾珠絲桿之間基本不會有過多的偏 移，對補償兩軸線軸向、徑向、角向相對偏移的能力也沒有特殊要求，再者工作臺的 移動速度也不會太快，一般也不會出現高速的情況，所以在此試驗臺中剛性聯軸器能 發(fā)揮出色的性能，而撓性聯軸器相對來說就不適合了。 參考 VNC850E 加工中心得：主軸轉速 8000rpm，扭矩 52.5nm，且 X、Y 軸滾珠 絲桿軸徑 d=40mm，查得其端部直徑為 d1=25mm，并且選用剛性凸緣聯軸器（與相連 軸采用鍵連接） 。 上海理工大學本科畢業(yè)設計(論文) 14 查 機械設計課程設計 P318 聯軸器型號選得： 凸緣剛性聯軸器型號為 GYH5(Y 型)，主要參數為：TN=224Nm,n=9000rpm, d1=25mm，軸孔長度 L=62mm，外徑 DC=105mm，轉動慣量為 I=0.003kg*m2，質量為 Mc=3.15kg，摩擦系數 0.1，傳動效率 0.9。 圖 2.6 凸緣聯軸器 2.3.4 電機選擇電機選擇 滾珠絲桿通過軸承與前后支持座裝配固定,伺服電機通過聯軸器實現與滾珠絲桿 直聯,直線運動部件有工作臺和工件。 1. Y 軸參數 負載速度:V=30mm/min;直線運動部分(工作臺與工件)質量:M=200+600=800kg;滾 珠絲桿的有效長度:LB=220mm;滾珠絲桿的直徑:DB=40mm;滾珠絲桿導程:PB=10mm; 聯軸器質量:MC=3.15kg;聯軸器的外徑:DC=105mm;摩擦系數:=0.1;機械傳動效率: =0.9。 2. X 軸參數 負載速度:V=30mm/min;直線運動部分(包括 Y 軸所有零部件以及 Y 軸床身)質 量:M1=800+400=1200kg;滾珠絲桿的有效長度:LB=850mm;滾珠絲桿的直徑:DB=40mm; 滾珠絲桿導程:PB=10mm;聯軸器質量:MC=3.15kg;聯軸器的外徑:DC=105mm;摩擦系 數:=0.1;機械傳動效率: =0.9。 轉速計算 由上可知絲桿的導程為 P=10mm， 通過上 述參數 ,我 們 可計算 出滾珠 絲 桿 轉速 N1與電 機軸 轉速 NM： N1=Vmax/P=30/0.010=3000rpm 因采用聯軸器與絲桿直聯的方式， 所以X、 Y電機主軸轉速均為： Nm=N1=3000rpm. 滾珠絲桿換算轉矩計算 X 軸：TL=g M P2=0.1 9.8 1200 0.01020.9=2.08Nm 機床滾珠絲桿裝配動態(tài)性能檢測試驗臺設計 15 Y 軸：TL=gMP2=0.19.88000.01020.9=1.39Nm 電機軸換算轉動慣量(JM)的計算 電機軸換算轉動慣量包含兩部分:直線運動部件將其慣量折算成旋轉物體的轉動 慣量及滾珠絲桿、聯軸器的轉動慣量 滾珠絲桿轉動慣量： X 軸：JB= LB DB4/32= 7.9 103 0.85 0.044/32=1.69 103Kg m2； 聯軸器： JC=0.003 Kg m2； 直線運動的物體將其慣量折算成旋轉物體的轉動慣量： JL=M （PB/2）2=3.03 10-3 Kg m2； 所以電機軸換算轉動慣量為： JM=JB+JC+JL= 1.69 103+ 0.003 + 3.03 103 7.72 103kg m2 Y 軸：JB=LB DB4/32=7.9103 0.22 0.044/32=0.44 103Kg m2 聯軸器： JC=0.003Kg m2 直線運動的物體將其慣量折算成旋轉物體的轉動慣量： JL=M （PB/2）2=2.03 10-3 Kg m2 所以電機軸換算轉動慣量為： JM=JB+JC+JL= 0.44 103+ 0.003 + 2.03 103 5.47 103kg m2 負載運行功率計算 Y 軸： 恒速時的功率：P0=2NMTL/60=2x3000x1.3960=436.68w=0.44kw 恒加（減）速的功率：Pa=(2NM/60)2xJM/t1=3599w=3.60kw 所以 P0+Pa=4.04kw X 軸： 恒速時的功率：P0=2NMTL/60=230002.08 60=653w=0.65kw 恒加（減）速的功率：Pa=(2NM/60)2xJM/t1=5080w=5.08kw 所以 P0+Pa=5.73kw 伺服電機的初步選型 選型條件： TL小于或等于 T額（TLY=1.39Nm，TLX=2.08Nm） ； P0+Pa=（12）x 電機額定輸出（Y 軸：P0+Pa=4.04kw；X 軸：P0+Pa=5.73kw） ； NM小于或等于 N額（NM=3000rpm） ； JM小于或等于伺服單位的容許負載轉動慣量（Y 軸：JM=5.47 103 kg*m2；X 軸：JM=7.72 103 kg*m2） ； 根據以上條件和數據再參考三菱伺服電機選型手冊得： X、Y 軸電機都應選擇電機型號：HC-RP353，驅動器：MR-J3-70A 主要參數：T額=11.1Nm，N額=3000rpm，P額=3.5kw。 上海理工大學本科畢業(yè)設計(論文) 16 圖 2.7 電機 HC-RP 安裝尺寸圖 2.3.5 電機電機座座設計設計 由于本設計中雙螺母副中間連接了預緊力調節(jié)機構，而其外徑大于螺母副，所以 電機并不能放到床身上，而是有一定的距離，所以要設計一個支承件來安裝電機并能 容納聯軸器（X、Y 軸電機、聯軸器等參數大致相同，因此支撐架可設計成一樣） 。 根據聯軸器的總長 116mm，可設計電機座內部長為 136mm（兩邊各留 10mm 以 防止聯軸器與之摩擦） 。 聯軸器 DC=105mm，則取電機座內部寬 130mm。 由電機軸到床身的高度及電機尺寸則可取其高為 198mm。 取支撐架壁厚 20mm， 上方留空并在壁上攻 4 個 M4 的螺紋孔， 用于和蓋板連接。 下方與床身連接，電機軸到床身的距離為 108mm，則在左右鑄 18mm 的板；在其上 鉆 4 個 8 的通孔來用于螺栓連接； 鉆 6 的通孔用于電機盒的定位 （用 6 銷定位） 并在與電機連接面打孔 110mm，深 5mm。而在兩頭對應電機軸高度打 60 的通孔 來讓電機軸與滾珠絲桿穿過，最后在與電機連接側鉆 9 孔用于電機安裝。 圖 2.8 電機盒設計圖 機床滾珠絲桿裝配動態(tài)性能檢測試驗臺設計 17 2.3.6 螺母副選擇螺母副選擇 滾珠絲桿螺母副螺旋傳動除具有螺旋傳動的一般特征 （降速傳動比大及牽引力大） 外，與滑動螺旋傳動相比，具有下列特性： （1）傳動效率高：在滾珠絲桿副中，自由滾動的滾珠將力與運動在絲桿與螺母 之間傳遞。這一傳動方式取代了傳統螺紋絲桿副之間的絲桿與螺母間直接作用方式， 因而以極小滾動摩擦代替了傳統絲桿的滑動摩擦，使?jié)L珠絲桿副傳動效率達到 90% 以上，整個傳動副的驅動力矩減少至滑動絲桿的 1/3 左右，發(fā)熱率也因此得以大幅降 低。 （2）定位精度高： 滾珠絲桿副發(fā)熱率低，溫升小以及在加工過程中對絲桿采取 預拉伸并預緊消除軸向間隙等措施，使絲桿副具有高的定位精度和重復定位精度。 傳動可逆性：滾珠絲桿副沒有滑動絲桿粘滯摩擦，消除了在傳動過程中可能出現 的爬行現象， 滾珠絲桿副能夠實現兩種傳動方式將旋轉運動轉化為直線運動或將直 線運動轉化為旋轉運動并傳遞動力。 （3）使用壽命長：由于對絲桿滾道形狀的準確性、表面硬度、材料的選擇等方 面加以嚴格控制，滾珠絲桿副的實際壽命遠高于滑動絲桿。 （4） 同步性能好： 由于滾珠絲桿副運轉順滑、 消除軸向間隙以及制造的一致性， 采用多套滾珠絲桿副方案驅動同一裝置或多個相同部件時，可獲得很好的同步工作。 根據螺母副的公稱直徑 d0=40mm， 導程 P=10mm， 查 FFZD 型內循環(huán)墊片預緊螺 母式滾珠絲桿副尺寸系列得： 應選用螺母型號為：FFZD4010-5 具體尺寸如下表： 表 2.3 FFZD4010-5 尺寸表 圖 2.9 螺母副參考尺寸圖 2.3.7 前后支撐座選擇前后支撐座選擇 滾珠絲桿的安裝方式一般叫做滾珠絲桿的支承形式，通常有兩大類（絲桿旋轉類 和螺母旋轉類）共 4 種典型的支承形式，支承形式不同，所允許的軸向載荷和回轉轉 上海理工大學本科畢業(yè)設計(論文) 18 速也有所不同。應該根據工況情況來選擇，在機床中一般選用絲桿旋轉類。絲桿的支 承形式分為 3 種： 兩端固定型 該形式兩端分別一對軸承約束軸向和徑向自由度，負荷由兩組軸承共同承擔。采 用這種方式，固定端軸承可以同時承受軸向力，并且可以對絲桿施加適當的預緊力， 以提高絲桿的支承剛度，同時還可以部分地補償絲桿的熱變形。因此，大型機床、重 型機床以及高精度鏜銑床大多都是采用這種結構。當然，其也有不足的地方，那就是 采用這種結構的話會使得調整工作比較繁瑣；此外，如果在安裝調整時兩端的預緊力 過大的話，將會導致絲桿最終的行程比設計行程長，螺距也會比設計螺距大；而如果 兩端螺母的預緊力不夠的話，就會導致相反的結果，從而容易引起機床振動，致使精 度降低。因此，如果是采用兩端固定這種結構的話，那么在拆裝時一定要嚴格按照說 明書來進行調整，或者是借助儀器(雙頻激光測量儀)來調整，以免造成一些不必要的 損失。這種安裝方式適用于高轉速、高精度的場合。在定位要求很高的場合，可以根 據受力情況和絲桿受熱變形趨勢精確到設定目標行程補償，來進一步提高定位精度。 一端固定，一端游隙型 該形式一端由一對軸承約束軸向和徑向自由度， 另一端由單個軸承約束徑向自由 度， 負荷是由一對軸承副承擔， 游動的單個軸承能防止懸臂擾度， 但受熱會變形伸長， 會影響加工精度。因此，這是使用最廣泛的一種結構。比如：目前國內中小型數控車 床、立式加工中心等等都是采用這種結構。 一端固定，一端自由 該形式一端由一對軸承約束軸向和徑向自由度，另一端懸空呈懸空自由狀態(tài)，負 荷均有一對軸承副承擔，并且需要克服絲桿回轉離心力造成的彎矩，適用于低轉速， 中精度，軸向長度短的場合。此形式結構簡單，受力情況差，但在行程小，轉速低時 經常用到。盡管如此，由于其結構較簡單，安裝調試較方便，大多高精度機床依然是 采用這種結構；但是，有一點需要特別注意的就是，采用這種結構時必須加裝光柵， 采用全封閉環(huán)來反饋，以便能夠充分絲桿的性能。 在本試驗臺中對精度的要求較高，三種方案中一端固定一端自由精度較差，而且 必須加裝光柵，采用全閉環(huán)系統來反饋，其只適用于中精度，軸向長度短的情況，而 我們的絲桿長度約 2000mm，明顯不適用；而一端固定另一端自由絲桿受熱會變形伸 長，會影響加工精度；而兩端固定更適用于高精度場合，只要嚴格按照說明來安裝的 話，軸的變形也可以由預緊力來抵消，相比之下這種方案更適合此次設計的試驗臺。 所以前后支撐座都選擇固定端方形 （BK 系列） 支撐座， 由于絲桿直徑 d0=4