數(shù)控車床進(jìn)給傳動(dòng)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告題目：數(shù)控車床縱向進(jìn)給伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)院（系） 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí) 080209 姓 名 景祥 學(xué) 號(hào) 080209108 導(dǎo) 師 高紅紅 2012年3月8日一.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）綜述（題目背景、研究意義及國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況） 1.題目背景及研究意義過去，在我國(guó)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)以上是役齡在10年以上的舊機(jī)床。用這種裝備加工出來的產(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1。數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性，由于計(jì)算機(jī)可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算

2、出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面；可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，而且是柔性自動(dòng)化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高37倍；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，因而可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無人看管加工2-3。 2.國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況目前,國(guó)外數(shù)控機(jī)床的性能正朝著高精度、高效率、高柔性、高自動(dòng)化方向迅速發(fā)展,這將對(duì)數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的質(zhì)量和可靠性提出更高的要求4-5。例如，日本法努克公司，三菱電機(jī)公司，安川電機(jī)公司，德國(guó)西門子公司，aeg公司，力士樂indramat公司，美國(guó)抗體公司，通用電氣公司等均先后在1984年前后將交流伺服系統(tǒng)付諸實(shí)用6。我國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)是

3、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率偏低。據(jù)有關(guān)資料表明,1999年國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的市場(chǎng)占有率僅為38.88%7。造成這種嚴(yán)峻的形勢(shì),除客觀原因外,主要是產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性不過硬?！笆濉逼陂g,我國(guó)機(jī)械制造行業(yè)必須瞄準(zhǔn)國(guó)際數(shù)控機(jī)床發(fā)展的科學(xué)前沿,開拓創(chuàng)新,消化吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù),開創(chuàng)我國(guó)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的新局面 8-10。然而,我國(guó)加入后,國(guó)外生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床將會(huì)更多的進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng),市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)更為激烈。提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)占有率,關(guān)鍵在于提高質(zhì)量和可靠性11。幾年來,經(jīng)過對(duì)國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)剖析和使用性能的調(diào)研,探索和總結(jié)了數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的新技術(shù)12-14。數(shù)控車床改造設(shè)計(jì)在國(guó)外已發(fā)展成一個(gè)新興的工

4、業(yè)部門。早在20世紀(jì)60代已經(jīng)開始迅速發(fā)展，并又專門的企業(yè)經(jīng)營(yíng)這門業(yè)務(wù)15。其發(fā)展的原因是多方面的:首先是技術(shù)原因。隨著社會(huì)生產(chǎn)力的巨大發(fā)展，要求制造技術(shù)向自動(dòng)化及精密化前進(jìn)。并且刀具材料和電子技術(shù)也有了很大進(jìn)步，反映到控制系統(tǒng)中，它即能幫助機(jī)床自動(dòng)化又能提高加工準(zhǔn)確度。這些技術(shù)進(jìn)步和高生產(chǎn)率要求，精密加工和型面加工的增多等，突出了舊機(jī)床技術(shù)改造的必要性及迫切性。其次是經(jīng)濟(jì)原因。經(jīng)統(tǒng)計(jì)采用改造設(shè)計(jì)技術(shù)加以現(xiàn)代化比之更新設(shè)備可節(jié)約50的資金。這不僅為資金不充沛的小企業(yè)技術(shù)改造開創(chuàng)了新路，而且對(duì)實(shí)力雄厚的大型企業(yè)也極具吸引力。第三是生產(chǎn)上的原因。在工業(yè)生產(chǎn)中，多品種、中批量及小批量生產(chǎn)是現(xiàn)代機(jī)械制

5、造業(yè)的基本特征。不難看出，完成這些生產(chǎn)任務(wù)數(shù)控機(jī)床是最佳選擇16-17?；谝陨显?要實(shí)現(xiàn)我國(guó)的生產(chǎn)現(xiàn)代化，將我國(guó)現(xiàn)有一部分普通機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和精密化，改造是必由之路18。 二.本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施1. 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容本設(shè)計(jì)為縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：確定系統(tǒng)的負(fù)載，確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，選擇伺服電機(jī)，滾珠絲杠副，導(dǎo)軌副，軸承等零部件，運(yùn)動(dòng)部件慣量計(jì)算，空載起動(dòng)及切削力矩機(jī)計(jì)算，確定伺服電機(jī)等。設(shè)計(jì)時(shí)要求電機(jī)與絲杠采用柔性連接，電機(jī)選用伺服電機(jī)對(duì)電機(jī)的大小選擇進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)滾珠絲杠直徑及支承形式選擇進(jìn)行強(qiáng)度較核。設(shè)計(jì)與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，既要滿足理論要求

6、，又要滿足生產(chǎn)現(xiàn)實(shí)實(shí)際。設(shè)計(jì)應(yīng)遵循先易后難、先局部后全局的規(guī)律。2.縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)擬采用的研究方案在此提出以下倆種不同方案：下圖分別為倆種方案的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 直流伺服電機(jī)齒輪減速滾珠絲杠交流伺服電機(jī)聯(lián)軸器滾珠絲扛工作臺(tái)工作臺(tái) 圖1 縱向進(jìn)給結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1.進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)類型數(shù)控車床的進(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。 1.1.直流伺服電機(jī)直流伺服電動(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

7、。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。1.2.交流伺服電機(jī)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)化制造模式的推廣及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的成熟，將使基于網(wǎng)絡(luò)的伺服控制成為可能。2.傳動(dòng)類型數(shù)控車床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的基本傳動(dòng)方式常用的有兩種：滾珠絲杠螺母副和靜壓絲杠螺母副。2.1.滾珠絲杠螺母副在數(shù)控車床上，將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)裝置一般采用滾珠絲杠螺母副

8、。其特點(diǎn)是：傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)靈敏，摩擦力小，不易產(chǎn)生爬行，使用壽命長(zhǎng)，具有可逆性，制造工藝復(fù)雜，不僅可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，亦可將直線運(yùn)動(dòng)變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，軸向運(yùn)動(dòng)精度高，施加預(yù)緊力后，可消除軸向間隙，反向時(shí)無空行程。因此，在數(shù)控車床上得到了廣泛的應(yīng)用，是目前中、小型數(shù)控車床的常見的傳動(dòng)方式。2.2.靜壓絲杠螺母副其特點(diǎn)是：摩擦系數(shù)小，平穩(wěn)性高，反向間隙?。坏?，靜壓絲杠螺母副應(yīng)有一套供油系統(tǒng)，而且對(duì)有的清潔度要求高，如果在運(yùn)動(dòng)中供油忽然中斷，將造成不良后果。由以上比較，根據(jù)要求，縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)方式。3.電機(jī)與絲杠聯(lián)接方式滾珠絲杠螺母副與電動(dòng)機(jī)的聯(lián)接的型式主要有三種

9、：3.1.帶有齒輪傳動(dòng)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)數(shù)控機(jī)床在機(jī)械進(jìn)給裝置中一般采用齒輪傳動(dòng)副來達(dá)到一定的降速比要求，如圖2a）所示。由于齒輪在制造中不可能達(dá)到理想齒面要求，總存在著一定的齒側(cè)間隙才能正常工作，但齒側(cè)間隙會(huì)造成進(jìn)給系統(tǒng)的反向失動(dòng)量，對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)來說，齒側(cè)間隙會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，齒輪傳動(dòng)副常采用消除措施來盡量減小齒輪側(cè)隙。但這種聯(lián)接形式的機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。圖2 電機(jī)與絲杠間的聯(lián)接形式3.2.經(jīng)同步帶輪傳動(dòng)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)如圖2b）所示，這種聯(lián)接形式的機(jī)械結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。同步帶傳動(dòng)綜合了帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，可以避免齒輪傳動(dòng)時(shí)引起的振動(dòng)和噪聲，但只能適于低扭矩特性要求的場(chǎng)所。安裝時(shí)中心距要求嚴(yán)格，且同步帶

10、與帶輪的制造工藝復(fù)雜。3.3.電機(jī)通過聯(lián)軸器直接與絲杠聯(lián)接如圖2c）所示，這是一種最簡(jiǎn)單的連接型式.這種結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)點(diǎn)是:具有最大的扭轉(zhuǎn)剛度，從而使進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)具有較高的傳動(dòng)精度和傳動(dòng)剛度，并大大簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)。在加工中心和精度較高的數(shù)控車床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中，普遍采用這種聯(lián)接形式。 方案的確定：比較之下，我打算選擇第三種方案。 三.本課題研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)，前期已開展工作1.本課題的重點(diǎn)及難點(diǎn)（1）滾珠絲杠本身是一種細(xì)長(zhǎng)低剛度元件,在外力作用下極易產(chǎn)生變形、振動(dòng)、噪聲。因此,深入研究滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性對(duì)數(shù)控機(jī)床保持良好的運(yùn)行狀態(tài)具有決定性影響。（2）滾珠絲杠螺母副間隙消除和預(yù)緊滾珠絲杠螺

11、母機(jī)構(gòu)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)裝置，是數(shù)控車床伺服進(jìn)給系統(tǒng)中使用最為廣泛的傳動(dòng)裝置。滾珠絲杠在軸向載荷作用下，滾珠和螺紋滾道接觸區(qū)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重接觸變形，接觸剛度與接觸表面預(yù)緊力成正比。如果滾珠絲杠螺母副間存在間隙，接觸剛度較小；當(dāng)滾珠絲杠反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺母不會(huì)立即反向，存在死區(qū)，影響絲杠的傳動(dòng)精度。因此，滾珠絲杠螺母副必須消除間隙，并施加預(yù)緊力，以保證絲杠、滾珠和螺母之間沒有間隙，提高滾珠絲杠螺母副的接觸剛度。2.前期開展工作采用理論與實(shí)際相結(jié)合，用理論指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐反過來修正理論，查閱和引用中外文參考資料進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，根據(jù)類比方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 四.完成本課題的工作方案及進(jìn)度計(jì)劃（按周

12、次填寫）第1-3周：查閱相關(guān)資料并分析車床加工對(duì)象和加工要求，初步提出系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，并撰寫開題報(bào)告；第4-6周：分析給定參數(shù)，確定總體設(shè)計(jì)方案，并提出各部分的設(shè)計(jì)方案；第7-9周：計(jì)算并選擇伺服電機(jī)、滾珠絲杠副、導(dǎo)軌副、軸承等零部件；第10-12周：設(shè)計(jì)數(shù)控車床縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械零件圖 第13-15周：設(shè)計(jì)數(shù)控車床縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械裝配圖第16-17周：整理前期資料并撰寫畢業(yè)論文；第18周：提交論文并答辯。參考文獻(xiàn)1.盛伯浩，唐華數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展淺析航空制造技術(shù)，20022.王愛玲.白恩遠(yuǎn).現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床M.國(guó)防工業(yè)出版社.20033.李雪梅.數(shù)控機(jī)床.北京.電子工業(yè)出版社.2005

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