河南科技大學數(shù)控銑床結構設計畢業(yè)論文

1、河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 鉆銑床 河南科技大學數(shù)控龍門銑床機械結構設計摘要 現(xiàn)在世界上很多發(fā)達的工業(yè)化國家在生產中廣泛應用數(shù)控機床。隨著電子技術和控制技術的飛速發(fā)展，當今的數(shù)控系統(tǒng)功能已經非常強大，而且隨著數(shù)控技術的不斷發(fā)展和應用領域的擴大，他對國計民生的一些重要行業(yè)的發(fā)展起著越來越重要的作用。隨著科學技術的發(fā)展，世界先進技術的興起和不斷成熟，對數(shù)控技術提出了更高的要求。當今數(shù)控機床正在不斷采用最新成果 ，朝著高速化，超精度化，多功能化、智能化、系統(tǒng)化、網絡化、高可靠性與環(huán)保等方向發(fā)展。 本次畢業(yè)設計就是通過對5軸數(shù)控龍門銑床機械結構設計來加深對數(shù)控機床的了解。通過本次畢業(yè)設計了解數(shù)控龍門

2、銑床的機械結構，并對一些關鍵的部件進行校核。并通過此次畢業(yè)設計熟練掌握一門三維繪圖工具-Inventor. 關鍵詞：滾珠絲杠，滾動導軌，五軸聯(lián)動銑頭，Inventor.I A 5 AXIS NC MILLING PLANER MECHANICAL STRUCTURE DESIGNABSTRACTIn many advanced industrialized countries in the world now is widely used CNC machine in the production .With the rapid development of electronic techno

3、logy and control technology, today's numerical control system function is very strong, and with the continuous development of numerical control technology and application field expands,it to some important industry of the national economy and people's livel is playing a more and more importa

4、nt role in the development.With the development of science and technology, the rise of the world's advanced technology and matures, we put higher requirements on numerical control technology.Modern nc machine tools Using the latest achievements , toward high speed, super precision, and multi-fun

5、ctional and intelligent, systematic, network, such as high reliability and environmental protection.This graduation design is based on the five axis nc milling planer mechanical structure design to deepen understanding of nc machine tools.Through the graduation design ,I have understanded the mechan

6、ical structure of the CNC gantry milling machine, and some of the key components for checking.And through the graduation design I master a 3 dimensinal drawing tool - Inventor. KEY WORDS：Ball screw , Rolling guide , Five-axis linkage milling head, Inventor 目 錄前 言1第1章 數(shù)控機床概述2第2章 整體結構方案3第3章 伺服進給系統(tǒng)機械傳動

7、機構的設計4§3.1 伺服進給系統(tǒng)機械傳動機構設計的一般要求4 §3.2 滾珠絲杠螺母副的原理及支撐方式6§3.2.1 滾珠絲杠螺母副的原理及特點6§3.2.2 滾珠絲杠螺母副的支撐方式 8 §3.2.3 支承軸承的選擇9§3.3 滾珠絲杠副的疲勞壽命計算9 §3.4 預加負荷11 §3.5 機床滾珠絲杠副總體校核11 §3.6 數(shù)控機床導軌16 §3.6.1 導軌的基本類型16 §3.6.2 對導軌的基本要求16 §3.6.3 直線滾動導軌17第4章 數(shù)控機床的進給驅動19

8、 §4.1伺服系統(tǒng)的基本要求19 §4.2伺服電機的選擇與計算21結 論26參考文獻27致謝282前 言畢業(yè)設計是實現(xiàn)培養(yǎng)目標的重要教學環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新能力、實踐能力和創(chuàng)業(yè)精神的重要過程。畢業(yè)設計在培養(yǎng)大學生探求真理、強化社會意識、進行科學研究基本訓練、提高綜合實踐能力與素質等方面，具有不可替代的作用，也是教育與生產勞動和社會實踐相結合的重要體現(xiàn)。畢業(yè)設計的目的是:（1） 使學生進一步鞏固和加深對所學的基礎理論、基本技能和專業(yè)知識的掌握，使之系統(tǒng)化、綜合化。培養(yǎng)學生的獨立工作、獨立思考和綜合運用已學知識解決實際問題的能力，尤其注重培養(yǎng)學生開發(fā)創(chuàng)造能力和獨立獲取新知識

9、的能力。（2） 使學生初步掌握科學研究的基本方法，獲得從事系統(tǒng)科學研究的初步訓練，注重科學能力和素質的培養(yǎng)。在實際工程設計中，學生可以得到所學過的理論基礎，技術基礎等全面的訓練，為將來做好機械設計工程師的工作提供全面的鍛煉機會。我們一組此次畢業(yè)設計是結合老師的具體研制項目設立的，以在實習工廠所參觀的設備為參考，結合自己所學知識，在老師和同學的指導和幫助下，查閱許多相關手冊，最終設計出了此次5軸數(shù)控龍門銑床。 此外，本次畢業(yè)設計主要由Inventor實體造型完成。它被廣泛應用于機械制造行業(yè)，通過Inventor 設計的5軸數(shù)控龍門銑床 ，和一般應用工程圖的表達方式相比，具有更加直觀的效果。 在張

10、波老師的指導下，我一邊查資料、計算、繪圖，一邊觀察實習。其間曾經遇到很多問題，如三維圖的裝配，滾珠絲杠的選型等等，但在張波老師和同學們的幫助下，經過自己的努力，問題一個一個得到了解決。本次設計得到了學校、圖書館、老師、同學們的大力支持，在此表示衷心的感謝。限于本人水平和經驗有限，再加上時間倉促，難免有疏漏和不妥的地方，敬請廣大老師和同學批評指正。謝謝！ 孟鑫 2014年8月第一章 數(shù)控機床概述 從20世紀中葉數(shù)控技術出現(xiàn)以來，數(shù)控機床給機械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數(shù)控加工具有如下特點：加工柔性好，加工精度高，生產率高，減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產管理的現(xiàn)代化以及經濟效益的提高

11、。數(shù)控機床是一種高度機電一體化的產品，適用于加工多品種小批量零件、結構較復雜、精度要求較高的零件、需要頻繁改型的零件、價格昂貴不允許報廢的關鍵零件、要求精密復制的零件、需要縮短生產周期的急需零件以及要求100%檢驗的零件。數(shù)控機床的特點及其應用范圍使其成為國民經濟和國防建設發(fā)展的重要裝備。進入21世紀，我國經濟與國際全面接軌，進入了一個蓬勃發(fā)展的新時期。機床制業(yè)既面臨著機械制造業(yè)需求水平提升而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機，也遭遇到加入世界貿易組織后激烈的國際市場競爭的壓力，加速推進數(shù)控機床的發(fā)展是解決機床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個關鍵。隨著制造業(yè)對數(shù)控機床的大量需求以及計算機技術和現(xiàn)代設計技術的飛速進步

12、，數(shù)控機床的應用范圍還在不斷擴大，并且不斷發(fā)展以更適應生產加工的需要。 我國數(shù)控機床行業(yè)總體的技術開發(fā)能力和技術基礎薄弱，信息化技術應用程度不高。行業(yè)現(xiàn)有的信息化技術來源主要依靠引進國外技術，且外方在許多高新產品的核心技術上具有掌控地位，我們對國外技術的依存度較高，對引進技術的消化仍停留在掌握已有技術和提高國產化率上，沒有上升到形成產品自主開發(fā)能力和技術創(chuàng)新能力的高度。具有高精度、高速、高效、復合功能、多軸聯(lián)動等特點的高性能實用數(shù)控機床基本上還得依賴進口。與國外產品相比，我國的差距主要是機床的高速高效化和精密化上。對高速加工技術，國外已進行了多年的研究，對高速加工的機理、機床結構、機床剛度和精

13、度的影響等都有了系統(tǒng)的研究，并開發(fā)生產了各種高速銑削中心、高速加工中心，廣泛應用于航空器鋁合金零件和模具加工上12。 第二章 整體結構方案 方案一:采用數(shù)控龍門移動結構，龍門移動 ，工作臺固定在龍門底座上，且配置為二軸聯(lián)動的旋轉工作臺。X軸采用雙絲杠驅動加線性滾珠導軌，Y軸采用雙線性滾珠導軌安裝呈垂直分布狀態(tài) ，Z軸采用大規(guī)格線性滾珠導軌。 方案二:與方案一1樣，采用龍門移動結構，工作臺與龍門底座采用一體結構，Z軸滑枕上配置五軸聯(lián)動銑頭。導軌配置方面，與方案1一樣。方案三:機床采用定梁式龍門銑床結構。配置二軸聯(lián)動的旋轉工作臺，且工作臺，且工作臺在線性滾珠導軌上作X向運動，滾珠絲杠螺母副與導軌配

14、置方面，與方案1一樣。方案四:與方案3一樣，采用定梁式龍門銑床結構，工作臺在線性滾珠導軌上作X向運動，Z軸滑枕上配置五軸聯(lián)動銑頭。導軌配置方面，與方案1一致。對比分析以上4種方案設計，方案1與方案2都采用動梁式龍門結構。此結構的最大缺陷：由于是靠滾珠絲杠與線性滾珠導軌驅動形式，則難以保證機床的剛性； 采用雙絲杠驅動技術，對機床控制部分要求提高了，同時提高了零件加工工藝難度。優(yōu)點在于機加工效率較高。方案1采用了二軸聯(lián)動的旋轉工作臺結構；方案2采用了五軸聯(lián)動銑頭結構。相比之下，二軸聯(lián)動的旋轉工作臺因受結構及空間的約束。不宜加工大型工件；而五軸聯(lián)動銑頭相對結構緊湊，在空問上自由度較大。方案3與方案4

15、都采用定粱式龍門結構，此結構的最大優(yōu)點：在結構上具有較高的剛度。且不用擔心質量不當而影響機床的加速度方面的性能；結構的缺陷在于工作臺移動，從而在x軸方向上占用的空間較大，也不利機床x軸向上的加速度性能。其旋轉工作臺結構與五軸聯(lián)動銑頭方面的特點前面已作說明，此處不再重述舊5。綜合上述資料，本課題采用方案4的總體結構設計。圖2-1 五軸數(shù)控龍門銑床 第三章 伺服進給系統(tǒng)機械傳動機構的設計§3.1伺服進給系統(tǒng)機械傳動機構設計的一般要求4 伺服進給系統(tǒng)機械傳動機構是指將電動機的旋轉運動，變?yōu)楣ぷ髋_或刀架的運動的整個機械傳動鏈，包括引導和支撐執(zhí)行部件的導軌、絲杠螺母副、齒輪齒條副、蝸桿副、齒輪

16、或齒鏈副及其支撐部件等。 由于進給傳動系統(tǒng)的精度、靈敏度、穩(wěn)定性直接影響了數(shù)控機床的定位精度和輪廓加工精度，因此，在機械傳動機構的設計中應滿足下列要求： (1)提高傳動部件的剛度 一般來說，數(shù)控機床的直線運動的定位精度和分辨率都要達到微米級，回轉的定位精度和分辨率都要達到角秒級，如果傳動部件的剛度不足，必然會導致傳動部件產生彈性變形，工作臺產生爬行、振動和反向死區(qū)，影響系統(tǒng)的定位精度、動態(tài)穩(wěn)定性和響應的快速性。關于機械傳動機構的傳動剛度，主要取決于絲杠螺母副、蝸桿副及其支撐結構的剛度?？s短傳動鏈、合理選擇絲杠以及絲杠螺母副的支撐部件等，施加預緊力是提高傳動剛度的有效途徑。 (2)高諧振 為了提

17、高系統(tǒng)的抗振性，應使機械傳動部件具有高的固有頻率和合適的阻尼，一般要求機械傳動系統(tǒng)的固有頻率應高于伺服驅動系統(tǒng)固有頻率的23倍。 (3)摩擦阻力小 為了提高伺服進給系統(tǒng)的快速響應特性，保證其運動平穩(wěn)、定位準確，除對伺服元件提出要求外，還必須減小運動件的摩擦阻力和動、靜摩擦系數(shù)之差。機械傳動機構的摩擦阻力主要來自絲杠螺母副和導軌。為了減小摩擦阻力，普遍采用滾珠絲杠螺母副、靜壓絲杠螺母副、滾動導軌和塑料導軌 。 (4)減小傳動部件的慣量 傳動部件的慣量對伺服機構的起動和制動特性都有影響，尤其是處于高速運轉的零件，由于對進給系統(tǒng)的加速度要求較高。在驅動電機一定時，傳動部件的慣量直接決定了進給系統(tǒng)的加

18、速度，它是影響進給系統(tǒng)快速性的主要因素。因此，在滿足系統(tǒng)強度和剛度的前提下，應盡可能減小零部件的重量、直徑，以降低慣量，提高快速特性。 (5)無間隙 機械傳動部件之間的間隙是造成伺服進給系統(tǒng)反向死區(qū)的一個主要原因，因此，對傳動鏈的各個環(huán)節(jié)，如聯(lián)軸器、齒輪副、蝸桿副、絲杠螺母副及其支撐部件等，均采用消除間隙的結構措施或施加預緊力。§3.2滾珠絲杠螺母副的原理及支撐方式 滾珠絲杠螺母傳動屬于滾動螺旋傳動。滾動螺旋傳動的滾動體有滾珠和滾子兩大類，其應用最廣泛的是以滾珠為滾動體的滾珠絲杠螺母傳動。 滾珠絲杠螺母副作為精密、高效的傳動元件在數(shù)控機床得到廣泛應用，在機械工業(yè)、交通運輸、航天航空、

19、軍工產品等領域應用也很普遍，可作精密定位自動控制、動力傳遞和運動轉換1。§3.2.1 滾珠絲杠螺母副的原理及特點 滾珠絲杠螺母副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機械元件，基結構原理如圖3.1所示。 圖3-1 滾珠絲杠螺母副 在絲杠和螺母上都有半圓形的螺旋槽，當他們套裝在一起時便成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有滾珠回珠滾道，將數(shù)圈螺旋滾道的兩端連接成封閉的循環(huán)滾道，滾道裝滿滾珠，當絲杠旋轉時，滾珠在滾道內自轉，同時又在封閉滾道內循環(huán)，使絲杠和螺母相對產生軸向運動。當絲杠(或螺母)固定時，螺母(或絲杠)即可產生相對直線運動，從而帶動工作臺或其他移動件作直線運動。 滾珠絲杠副具有如下特點： (

20、1)傳動效率高 滾動摩擦的摩擦損失小，傳動效率n=0.920.94，是普通滑動絲杠的34倍。 (2)摩擦力小 因其動、靜摩擦系數(shù)小，故傳動靈敏、運動平穩(wěn)、低速不易爬行，隨動精度和定位精度高。 (3)可預緊 滾珠絲杠副經預緊后可消除軸向間隙，有助于定位精度和剛度的提高，即使反向也沒有空行程，反向定位精度高，且傳動平穩(wěn)。 (4)定位精度和重復定位精度高。 (5)有可逆性 因滾珠絲杠副摩擦系數(shù)小，所以不僅將旋轉運動轉換為直線運動，也可以將直線運動轉換為旋轉運動，絲杠和螺母既可作主動件，也可作從動件。 (6)使用壽命長 滾珠絲杠副采用優(yōu)質合金鋼制成，其滾道表面淬火硬度達6062HRC，表面粗糙度小，而

21、且是滾動摩擦。故磨損很小，使用壽命長。 (7)同步性好 用幾套相同的滾珠絲杠副同時傳動幾個相同的部件或裝置時，可獲得較好的同步性1。§3.2.2滾珠絲杠螺母副的支撐方式 數(shù)控機床的進給系統(tǒng)要獲得高的傳動精度，除了滾珠絲杠副本身的剛度外，滾珠絲杠的正確安裝及支撐結構也不容忽視。滾珠絲杠副作為數(shù)控機床關鍵功能部件之一，它的安裝形式的優(yōu)劣很大程度上決定了機床的運動精度和加工精度。在現(xiàn)有機床中，滾珠絲杠的安裝方式一般有五種：a、一端固定，一端自由；b、一端固定，一端游動；c、兩端游動；d、兩端固定；e、絲杠固定，螺母旋轉；常見的四種主要支承形式見圖32。其各安裝方式所適用的加工狀況如下：方式

22、a適用于低速回轉、絲杠較短的情況；方式b適用于中速回轉、高精度的情況；方式c適用于中速回轉的情況。方式d適用于高速回轉、高精度的情況；方式e適用于絲杠長且速度較高的情況。本課題三軸均采用了兩端固定(d)的支撐方式。 圖3-2 滾珠絲杠螺母副的支承形式3.2.3支承軸承的選擇 滾珠絲杠對軸承的要求是要保證足夠的精度和疲勞壽命。但滾珠絲杠主要承受軸向載荷，除絲杠自重外，一般無徑向載荷。因此，滾珠絲杠的軸承的軸向精度和剛度要求高。進給系統(tǒng)要求運轉靈活，對微小位移響應要靈敏。 滾珠絲杠支承中用得最多的滾動軸承是接觸角推力角接觸球軸承，其次是滾針和推力滾子軸承的組合軸承。后者多用于牽引力大，要求剛度高的

23、大型與重型機床。結合本機床的特點及支承方式，因此選擇接觸角推力角接觸球軸承。 §3.3滾珠絲杠副的疲勞壽命計算 滾珠絲杠副的額定壽命計算原理與滾動軸承相同，這里只引用一些有關的理論和計算公式。 （1）額定壽命 Lh=(.)3 (h) Lh:為滾珠絲杠副在可靠性為90%的額定壽命(h)Ca:為額定軸向動載荷（N） fm:為絲杠的軸向當量負荷（N）Nm:為絲杠的當量轉速（r/min）ft為溫度系數(shù) fh為硬度系數(shù)fa為精度系數(shù) fw為負載性質系數(shù)fk為可靠性系數(shù)(2) 當量負荷在轉速變負荷情況下，必須折算成當量轉速和當量負荷進行壽命計算。 當轉速變動，負荷不變動時，當量轉速按各轉速所占的

24、時間百分比折合，按下式計算： nm=+.+ 式中，nm為當量轉速（r/min），q1,q2,.qn為轉速n1,n2,.nn所占的時間百分比。 當負荷與轉速都變動時，當量負荷按下式計算Fm= 式中，q1,q2,.qn為負荷F1，F(xiàn)2，.Fn所占的時間百分比。（3） 滾珠絲杠副的選用 當滾珠絲杠副在較高轉速(一般轉速n>1000r/min)下工作時，應按使用壽命選擇基本尺寸，并驗算其承載能力是否超過額定動載荷；當滾珠絲杠副在低速（n<30r/min）下工作時，應按使用壽命和額定靜負荷兩種方法確定基本尺寸，并選擇其中較大尺寸，當滾珠絲杠副在靜負荷下工作時，只需按額定靜負載選擇。Caj=

25、式中：Fa為滾珠絲杠副的軸向負載（N）Caj為滾珠絲杠副的計算動載荷 Kh為壽命系數(shù)Kn為轉速系數(shù) 為綜合系數(shù) §3.4預加負荷 為了消除滾珠絲杠副的間隙，提高傳動定位精度和軸向剛度，用雙螺母預緊的方法消除絲杠副間的間隙。 預緊原理和計算與滾動軸承預緊相同，一對角接觸球軸承背靠背或面對面安裝，當軸向外載荷達到預緊力的3倍時，另一側軸承將卸載。這個結論對于雙螺母預緊的滾珠絲杠副也是適用的。因此，滾珠絲杠副的預緊力不應小于最大軸向載荷的1/3，即應滿足以下條件： Fa0>1/3Fmax 式中： Fa0為軸向預緊力 Fmax為軸向最大載荷 用戶訂購滾珠絲杠副時，將滾珠絲杠副所需預緊力

26、，即在技術要求中規(guī)定的并由生產廠家出廠產品調整好的預緊力大小通知生產廠家。§3.5機床滾珠絲杠副總體校核設此機床的參數(shù)如下：工作臺質量 m1=500kg 工件最大質量m2=200kg工作臺最大行程l=800mm 工作臺滑動導軌摩擦系數(shù)=0.006絲杠兩端為固定支承，切削方式為銑削，定位精度/300mm絲杠壽命：10a 工作可靠性：96%切削方式縱向切削力Fa/N速度v/(m/min)時間比例q/%強力切削20000.615一般切削10000.830精密切削500150快速移動及定位085表3-切削力，速度和時間比表3-2 設計計算結果見下表1序號計算項目符號單位計算依據計算結果1絲杠

27、載荷導軌摩擦力強力切削時載荷一般銑削時載荷精銑時載荷快移時載荷FamaxFaFaFaN =(m1+m2)g=0.006(500+200)×9.8Famax=2000+42Fa=1000+42Fa=500+42Fa=424220421042542422電機轉速（最大）絲杠最大轉速（快移）強力銑削一般銑削精密銑削nmaxnn1n2n3r/min1500100060801003絲杠導程Phmm工作臺最大速度 Vmax=8x1000=8000mm/minPh=Vmax/n=884當量轉速nmr/minnm=n1q1/100+n2q2/100+.=60×15/100+8030/100

28、+10050/100+10005/1001335當量負荷FmN Fm=121512156 初選滾珠絲杠（1） 計算動載荷（2） 要求壽命（3） 綜合系數(shù)（4） 滾珠絲杠副的型號CajLhfNhCaj=KhFm/Knf=3.9×1215÷0.64÷0.408Lh=300(日)×16（h）×0.6(開機率)×10（a）=28800h(查表得Kh=3.9,Kn=0.64)f=ftfhfafk/fw=1×1×1×0.53÷1.3=0.408有標準選用FFZD型內循環(huán)浮動反向器雙螺母墊片預緊滾珠絲杠副，型

29、號FFZD3208，額定動載荷Ca=32KN>Caj.預緊力F0=0.25Ca=8000N>1/3Fmax=×2042=680N1814728800h0.408符合要求7絲杠螺紋部分長度lummLu=工作臺最大行程（800mm）+螺母長度（123mm）+兩端余程（2×170.5mm）=1264mm12648支承距離lmm支承距離l應大于lu12869臨界轉速校核（1） 絲杠底徑（2） 支撐方式系數(shù)（3） 臨界轉速計算長度ncd2f2Lcr/minMmnc=9900f22d2/Lc2=9900×4.732×0.0234/1.052d2=d0-1

30、.2Dw=32-1.2×7.144=0.0234(d0為絲杠公稱直徑，Dw為滾珠直徑)f2=4.73（兩端固定）Lc=123/2+170+800+=1043nc>nmax47000.02344.731.04310壓桿穩(wěn)定校核兩端固定支承，絲杠不受壓縮，因而不必校核穩(wěn)定性11預拉伸計算（1） 溫升引起的伸長量（2） 絲杠全長伸長量（3） 預拉力ztZtzFtN設溫升為3.5則zt=lu=11×10-6×3.5×1264=40Ztz=11×10-6×3.5×1.3=50Ft=zt,AE/lu=5×10-6

31、5;3.14×0.02342/1.03×4=43804050438012定位精度校核（1） 絲杠在拉壓載荷下的最大彈性位移（2） 絲杠與螺母間的接觸變形（3） 絲杠系統(tǒng)的總位移（4） 定位精度 ZsmaxZcZcZsmax=×106=1.3F40.023422.11011×10=0.0036F快移時F=42N, Zsmax=1.5強力銑削F=2042，Zsmax=8.7精密銑削F=542，Zsmax=3.3 Zc=F/Kc有標準查得FFZD×-3滾珠絲杠副的接觸剛度Kc=1170N/所以得快移時Zc=F/Kc=42/1170=0.036強力銑削

32、時Zc=F/Kc=2042/1170=2.1精密銑削時Zc=F/Kc=542/1170=0.79 Zsmax發(fā)生在螺母處于絲杠中部處，Zc和ZB與螺母位置無關所以以上求得的位移均為Z/650mm 由標準，取絲杠等級為1級，任意300的行程公差為6。加上快移時的總位移3.36，可以滿足點位控制定位精度0.01/300的要求。同理分析，能滿足精密銑削的定位精度0.02/300mm要求。強力銑削時，可以滿足粗加工要求。 1.58.73.30.0362.10.79滿足定位精度要求 §3.6數(shù)控機床導軌 導軌的主要功能是導向和承載。導軌使運動部件沿一定的軌跡運動，從而保證各部件之間的相對位置精

33、度。導軌主要由機床上兩個相對運動部件的配合面組成一對導軌副，其中，不動的配合面成為支承導軌，運動的配合面稱為運動導軌。§3.6.1導軌的基本類型 導軌按運動軌跡可分為直線運動導軌和圓周運動導軌；按摩擦性質可分為滑動導軌和滾動導軌。其中滑動導軌又有普通滑動導軌，液體動壓導軌，液體靜壓導軌之分。滾動導軌按滾動體的形狀又可分為滾珠導軌和滾柱導軌。滾動導軌在進給運動導軌中使用較多。§3.6.2對導軌的基本要求1.）導向精度 導向精度是指運動導軌沿支承導軌運動時直線運動導軌的直線性及圓周運動導軌的真圓性,以及導軌同其它運動件之間相互位置的準確性,影響導向精度的主要因素有:導軌的幾何精

34、度,導軌的接觸精度及導軌的結構形式,導軌和基礎件結構剛度和熱變形,動壓導軟和靜壓導軌之間油膜的剛度,以及導軌的裝配質量等等。 2.）剛度 導軌的剛度是機床工作質量的重要指標,它表示導軌在承受動靜載荷下抵抗變形的能力,若剛度不足,則直接影響部件之間的相對位置精度和導向精度,另外還使得導軌面上的比壓分布不均,加重導軌的磨損,因此導軌必須具有足夠的剛度o 3.）耐磨性 導軌的不均勻磨損,破壞導軌的導向精度從而影響機床的加工精度的材料、導軌面的摩掠性質,導軌受力情況及兩導軌相對運動精度有關。 4.）低速平穩(wěn)性 當運動導軌作低速運動或微量移動時,應保證導軌運動平穩(wěn),不產生爬行現(xiàn)象,機床的爬行現(xiàn)象將影響被

35、加工零件粗糙度和加工精度,特別是對高精度機床來說,必須引起足夠的重視。 5.）結構工藝性 在可能的情況下,設計時應盡量使導軌結構簡單,便于制造、調整和維護。應盡量減少刮研量,對于鐐裝導軌,應做到更換容易,力求工藝性及經濟性好。§3.6.3直線滾動導軌1、直線滾動導軌的特點 直線滾動導軌在數(shù)控機床中有廣泛的應用。相對普通機床所用的滑動導軌而言，它有以下幾方面的優(yōu)點： 1.1定位精度高 直線滾動導軌可使摩擦系數(shù)減小到滑動導軌的1/50。由于動摩擦與靜摩擦系數(shù)相差很小，運動靈活，可使驅動扭矩減少90%，因此，可將機床定位精度設定到超微米級。 1.2降低機床造價并大幅度節(jié)約電力 采用直線滾動

36、導軌的機床由于摩擦阻力小，特別適用于反復進行起動、停止的往復運動，可使所需的動力源及動力傳遞機構小型化，減輕了重量，使機床所需電力降低90%，具有大幅度節(jié)能的效果。1.3 可提高機床的運動速度 直線滾動導軌由于摩擦阻力小，因此發(fā)熱少，可實現(xiàn)機床的高速運動，提高機床的工作效率2030%。 1.4 可長期維持機床的高精度 對于滑動導軌面的流體潤滑，由于油膜的浮動，產生的運動精度的誤差是無法避免的。在絕大多數(shù)情況下，流體潤滑只限于邊界區(qū)域，由金屬接觸而產生的直接摩擦是無法避免的，在這種摩擦中，大量的能量以摩擦損耗被浪費掉了。與之相反，滾動接觸由于摩擦耗能小滾動面的摩擦損耗也相應減少，故能使直線滾動導

37、軌系統(tǒng)長期處于高精度狀態(tài)。同時，由于使用潤滑油也很少，大多數(shù)情況下只需脂潤滑就足夠了，這使得在機床的潤滑系統(tǒng)設計及使用維護方面都變的非常容易了。 滾動導軌的缺點是抗震性較差，對防護要求較高。由于導軌間無油膜的存在，滾動體與導軌是點接觸或線接觸，接觸應力較大，故一般滾動體和導軌需用淬火鋼制成。另外，滾動體直徑的不一致或導軌面不平，都會使運動部件傾斜或高度發(fā)生變化，影響導軌精度，因此，對滾動體的精度和導軌平面度要求高。與普通滑動導軌相比，滾動導軌的結構復雜，制造困難，成本較高。目前，滾動導軌用于實現(xiàn)微量進給和精密定位，常用于對運動靈敏度要求較高的數(shù)控機床8。 綜上，本機床采用的是直線滾動導軌。圖3

38、-3 直線滾動導軌第四章 數(shù)控機床的進給驅動 數(shù)控機床進給驅動伺服系統(tǒng)是以機床移動部件的位置和速度為控制量的自動控制系統(tǒng)，又稱隨動系統(tǒng)，拖動系統(tǒng)，或伺服機構。在數(shù)控機床上，伺服驅動系統(tǒng)接收來自插補裝置或插補軟件生成的進給脈沖指令，經過一定的信號變換及電壓，功率放大，將其轉化為機床工作臺相對于切削刀具的運動或主電機的運動。 伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)切削刀具運動，工件運動，主電機運動的驅動和執(zhí)行機構，是數(shù)控機床的四肢。伺服系統(tǒng)的性能，在很大程度上決定了數(shù)控機床的性能。因此，研究與開發(fā)高性能的伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數(shù)控機床的關鍵技術之一10。§4.1伺服系統(tǒng)的基本要求 1.要

39、求具有可逆行的能力 在加工過程中，機床工作臺根據加工軌跡的要求，隨時都可以實現(xiàn)正向或反向運動，同時要求在方向變化時，不應有反向間隙和運動的損失。數(shù)控機床一般采用具有削除反向間隙能力的傳動機構，如滾珠絲杠。2.要求具有較寬的調整范圍 為適應不同的加工條件，數(shù)控機床要求進給在很寬的范圍內無級變化。這就要求伺服電動機有很寬的調整范圍和優(yōu)異的調整特性。經過機械傳動后，電動機轉速的變化范圍即可轉換為進給速度的變化范圍。對一般數(shù)控機床而言，進給速度范圍在024時，都可以滿足加工要求。通常 在這樣的速度范圍還可以提出以下更細的技術要求。（1） 在12400mm/min即1：2400調速范圍內，要求均勻、穩(wěn)定

40、、無爬行、且速降小。（2） 在1mm/min以下時具有一定的瞬時速度，但平均速度很低。（3） 在零速度時，即工作臺停止運動時，要求電動機有電磁轉矩以維持定位精度，使定位誤差不超過系統(tǒng)的允許范圍，即電動機處于伺服鎖定轉態(tài)。2. 要求具有足夠的傳動剛性和高的速度穩(wěn)定性 為適應不同的加工條件，數(shù)控機床要求進給能在很寬的范圍內無級變化。這就要求伺服電動機有很寬的調整范圍和仗恃的調速特性。經過機械傳動后，電動機轉速的變化范圍即可轉換為進給速度的變化范圍。對一般數(shù)控機床而主，進給速度范圍在024時，都可以滿足加工要求。通常在這樣的速度范圍還可以提出以下更細的技術要求。（1） 在1-2400mm/min即1

41、:2400高速范圍內，要求均勻、穩(wěn)定、無爬行，且速降小。（2） 在1mm/min以下時具有一定的瞬時速度，但平均速度很低。（3） 在零速度時，即工作臺停止運動時，要求電動機有電磁轉矩以維持定位精度，使定位誤差不超過系統(tǒng)的允許范圍，即電動機處理伺服鎖定轉態(tài)。3. 要求具有足夠的傳動剛性和高的速度穩(wěn)定性 伺服系統(tǒng)在不同的負載情況下或切削條件發(fā)生變化時應使進給系統(tǒng)速度穩(wěn)定，即具有良好的靜態(tài)與動太負載特性。剛性良好的系統(tǒng)，速度負載力矩變化的影響很小。通常要求承受的額定矩變化時，靜態(tài)速降應小于5%，動態(tài)速降應小于10%。4. 要求具有快速響應的能力 為保證輪廓切削開關的高精度和低的表面粗糙度，對位置伺服

42、系統(tǒng)除了要求國交高的定位精度外，還要求有良好的快速響應特性，即要求跟蹤指令信號的響應快速。這主要有兩方面的要求；一是伺服系統(tǒng)處于頻繁的啟動、制動、加速、減速等動態(tài)過程時，為了提高生產效率和保證加工質量，要求加、減速度足夠大，以縮短過渡過程時間，一般電動機速度由零到最大，或從最大減少到零，時間應控制在200MS以下，甚至少于幾十毫秒，且速度變化時不應有超調；二是當負載突變時，過渡過程恢復時間要短且無振蕩，這樣才能得到光滑的加工表面。5. 要求具有高精度 為了滿足數(shù)控加工精度的要求，關鍵是保證數(shù)控機床的定位精度和進給精度。這是伺服系統(tǒng)性能的重要指標。位置伺服系統(tǒng)的定位精度一般要求能達到1pm甚至0

43、.1pm，相應地，對伺服系統(tǒng)的分辨力也提出了要求。分辨力是指當伺服系統(tǒng)接受CNC送來的一個脈沖時，工作臺相應移動的距離，也稱脈沖當量。系統(tǒng)力取決于系統(tǒng)穩(wěn)定工作性能和所使用的位置檢測元件。目前的閉環(huán)伺服系統(tǒng)都能達到1pm的分辨力（脈沖當量）。高精度數(shù)控機床可達到0.1pm的分辨力甚至更小。6. 要求低速時仍有較大的輸入轉矩7. 低速時進給雞翅要有大的轉矩輸出，以滿足低速進給切削的要求。§4.2伺服電機的選擇與計算 隨著中國宏觀經濟的發(fā)展，帶動了國內市場對機床工具的需求，刺激了我國機床工具市場的發(fā)展。國內涌現(xiàn)一批機床生產企業(yè)，這其中有一大部分為中小型企業(yè)，他們在伺服電機選取上通常采用經驗

44、法與類比法，無涉及理論的計算校核，從而使產品設計成功率大打折扣，影響了新品的上市時間。本課題以安川伺服電機為例，結合本課題設計機床X軸結構模型來分析在數(shù)控機床設計中伺服電機的選取問題。 (1)結構模型參數(shù)x軸結構模型：滾珠絲杠通過軸承與前后支撐座裝配固定，伺服電機通過聯(lián)軸器實現(xiàn)與滾珠絲杠直聯(lián)，直線運動部件有工作臺和工件，具體結構和運動情形見：圖4-1。 圖4-1 X軸結構模型圖結構模型參數(shù)如下：負載速度：Vl=8mmin； 直線運動部分(工作臺與工件)質量：M=700Kg； 滾珠絲杠的有效長度：L=0.8m； 滾珠絲杠的直徑：D=0.028mm； 滾珠絲杠的密度：=7.8103Kg/m3 滾珠

45、絲杠導程：Ph=0.008m； 聯(lián)軸器質量：Mc=1.5Kg； 聯(lián)軸器的外徑：Dc=0.048m； 定位頻率：n=30次min； 定位長度： l=0.2m； 定位時間：tm=1.4s； 摩擦系數(shù)： =0.006； 機械傳動效率： =O.9。 圖4-2 速度線圖根據速度線圖知：循環(huán)時間t=2(s) 此例中，我們設定：加速度時間與減速時間相同，即ta=td,；還有，在伺服系統(tǒng)中，濾波器設定FIL=O的設定中整定時間約為 ts=01(s)。由此可推算出加速度時間：ta=td=tm-ts-=1.4-0.1-=0.1(s) 注：tm為一個周期內運動時間，此例中設定為14(s).恒速時間：tc=tm-ts

46、-ta-td=1.4-0.1-0.1-0.1=1.1(s) (2) 計算步驟轉速的計算通過上述結構模型參數(shù)，我們可計算出滾珠絲杠轉速（Nl）與電機軸轉速(NM)滾珠絲杠轉速:Nl=1000(r/min) 因采用聯(lián)軸器與滾珠絲杠直聯(lián)的方式，則電機軸轉速NM=Nl滾珠絲杠換算轉矩( TL)TL=0.058（N.m） 電機軸換算轉動慣量(JM)的計算 在此模型中，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與滾珠絲杠、聯(lián)軸器的轉動慣量：滾珠絲杠：JB=.L.DB4=.7.81030.80.0284= 3.810-4(Kg.m2) 聯(lián)軸器：Jc=McDc2/8=1.50.

47、0482/8=4.310-4(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.2=700()2=1110-4(Kg.m2)電機軸換算負載轉動慣量：JM=JB+JC+JL=3.810-4+4.310-4+1110-4=1.9110-3(Kg.m2) 負載運行功率的計算 從模型的運動速度線圖可以看出，負載運行功率在該模型中分負載恒速運行功率與負載加減速運行功率。負載恒速運行功率： P0=2NMTL/60=25000.058/60=3.035(W) 負載加減速速運行功率：Pa=()2NM2JM/ta=52.36(W) 伺服電機的初步選型選型的條件：a、 TL電機額定轉矩。b、

48、1.3(Po+Pa)電機額定輸出； c、NM電機額定轉速；d、JM伺服單元的容許負載轉動慣量。綜合上述，所選的伺服電機及伺服單元要同時滿足以上四個條件，由此初步選取伺服電機及伺服單元：伺服電機SGMGHlAA2A 伺服單元SGDM1AADA其技術規(guī)格如下：額定輸出：3 KW 額定轉速：1500rmin最高轉速：2000rmin 額定轉矩：20N·m瞬間最大轉矩：50 N·m 電動機轉動慣量：281×10-2 Kg·m2 伺服單元容許負載轉動慣量：1405×10-2 Kg·m2對初步選型的伺服電機的核算對初步選型的伺服電機的核算主要從以

49、下三個方面進行： a、所需啟動轉矩(Tp)的校核Tp= 15.76N·m<50 N·m= 瞬間最大轉矩其中，式中:J為電動機轉動慣量 (Kg·m2)b、所需制動轉矩(Ts)的校核Ts=15.65N·m<50 N·m= 瞬間最大轉矩c、轉矩有效值( Tms)的校核Tms=3<20N·m =額定轉矩經以上三方面的校核，可知所選取的伺服電機、伺服單元滿足使用要求。通過上述理論計算校核，我們在設計過程中能選擇最合適的產品，避免了因經驗方法及類比法造成整臺機器設計不足的情況，在一定程度上，提高了機床設計的成功率13。 結 論 通過本次畢業(yè)設計，使我對過去所學知識進行了較為系統(tǒng)的回顧，并且獨立地完成了一個數(shù)控機床的總體設計，這是我對數(shù)控機床有了初步的了解，數(shù)控機床與普通機床既有聯(lián)系又有區(qū)別，不僅對數(shù)控機床的作用及工作的效率有了一定的了解，而且熟練了三維制圖及裝配的能力， 三維制圖是機床設計的基礎，雖然在過程中遇到了不少的困難但通過詢問老師和同學，也得以解決，為此也大大加強了我三維制圖的能力。由于技術水平有限，加上時間的倉促，設計中難免存在著一些不足之處，特別是在設計主軸外伸和確定總行程時，由于受到工件孔位置和大小的限制，采用了非標件，請老師給予斧正。這次的設計感到頗為有收獲，使我在過程中