畢業(yè)論文CNC數(shù)控車床橫向進給系統(tǒng)方案

1、 . PAGE1 / NUMPAGES211 前言1.1 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展概況20世紀人類社會最偉大的科技成果是計算機的發(fā)明與應(yīng)用，計算機與控制技術(shù)在機械制造設(shè)備中的應(yīng)用是世紀制造業(yè)發(fā)展的最重大的技術(shù)進步。自從1952年美國第1臺數(shù)控銑床問世至今已經(jīng)歷了進60年。它經(jīng)歷60年的2個階段和6代的發(fā)展歷程：第1階段是硬件數(shù)控（NC）,第1代1952年的電子管；第2代1959年晶體管分離元件；第3代1965年的小規(guī)模集成電路；第2階段是軟件數(shù)控（CNC），第4代1970年的小型計算機；第5代1974年的微處理器；第6代1990年基于個人PC機（PC-BASEO）。第6代的系統(tǒng)優(yōu)點主要有：（1）元器件集

2、成度高，可靠性好，性能高，可靠性已達到5萬小時以上；（2）基于PC平臺,技術(shù)進步快，升級換代容易；（3）提供了開放式基礎(chǔ)，可供利用的軟、硬件資源豐富，使數(shù)控功能擴展到很寬的領(lǐng)域（如CAD、CAM、CAPP，連接網(wǎng)卡、聲卡、打印機、攝像機等）；（4）對數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠來說，提供了優(yōu)良的開發(fā)環(huán)境，簡化了硬件。1.2 數(shù)控技術(shù)性能發(fā)展方向 （1）高速、高精、高效化速度、精度和效率是制造技術(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)和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）柔性化柔性化

3、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(shè)計，功能覆蓋面大，可裁剪性強，便于滿足不同用戶的要求;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(fù)合性和多軸化多軸化是以減少工序與輔助時間為主要目的的復(fù)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(fù)合化是指工件在一臺機床上裝夾后，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(fù)合加工。（4）實時智能化在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，實時智能控制的研究和應(yīng)用正沿著幾個主要分支發(fā)展：自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、學習控制、前饋控

4、制等。1.3 數(shù)控技術(shù)功能發(fā)展方向（1）用戶界面圖形化用戶界面是CNC系統(tǒng)與使用者之間的對話接口。由于不同用戶對界面的要求不同，因而開發(fā)用戶界面的工作量很大，用戶界面成為計算機軟件研制中最困難的部件之一。圖形用戶界面極方便了非專業(yè)用戶的使用，人們可以通過窗口和菜單進行操作，便于藍圖編輯和快速編輯、三維彩色立體動態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形動態(tài)跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實現(xiàn)。（2）科學計算可視化科學計算可視化可用于高效處理數(shù)據(jù)和解釋數(shù)據(jù)，使信息交流不再局限于文字和語言表達，而可以直接使用圖示、圖像、動畫等科室信息。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，可視化技術(shù)可用于CAD/CAM,如自動編程設(shè)

5、計、參數(shù)自動設(shè)定、刀具補償和刀具管理數(shù)據(jù)的動態(tài)處理和顯示以與加工過程的可視化仿真演示等。(3)插補和補償方式的多樣化插補方式有多種多樣，如直線插補、圓弧插補、圓柱插補、空間橢圓曲面插補、螺紋插補、極坐標插補、螺旋插補、NANO插補、NURBS插補（非均勻有理B樣條插補）、樣條插補、多項式插補等。多種補償功能，如間隙補償、垂直度補償、象限誤差補償、溫度補償?shù)取＃?）裝高性能PLC在CNC系統(tǒng)裝高性能PLC控制模塊，可直接用提醒圖或高級語言編程，具有直觀的在線幫助功能。（5）多媒體技術(shù)應(yīng)用在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，應(yīng)用多媒體技術(shù)可以做到信息處理綜合化、智能化，在實時監(jiān)控系統(tǒng)和生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備的故障診斷、生產(chǎn)過程

6、參數(shù)檢測等方面有著重大的應(yīng)用價值。1.4數(shù)控機床的應(yīng)用（1）數(shù)控機床的適用圍數(shù)控機床是一種可編程的通用加工設(shè)備，但因設(shè)備投資費用較高，還不能用數(shù)控機床完全替代其他類型的設(shè)備。因此，數(shù)控機床選用有其一定的適用圍。數(shù)控機床最適用加工結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、精度要求高的零件以與產(chǎn)品更新頻繁、生產(chǎn)周期要求短的多品種小批量零件的生產(chǎn)。（2）數(shù)控機床的特點數(shù)控機床與通用機床相比 ，它具有以下特點：= 1 * GB3提高加工零件的精度，穩(wěn)定產(chǎn)品的質(zhì)量。= 2 * GB3能完成普通機床難完成或更本不能加工的復(fù)雜零件加工。= 3 * GB3生產(chǎn)率高。= 4 * GB3對產(chǎn)品改型設(shè)計的實用性強。= 5 * GB3有利于制造

7、技術(shù)向綜合自動化方向發(fā)展，數(shù)控機床是機械加工自動化的基本設(shè)備，是新一代生產(chǎn)技術(shù)柔性制造單元、柔性制造系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)的基本工作單元。1.5中國數(shù)控機床的發(fā)展 中國數(shù)控機床制造業(yè)在20世紀80年代曾有過高速發(fā)展的階段，許多機床廠從傳統(tǒng)產(chǎn)品實現(xiàn)向數(shù)控化產(chǎn)品的轉(zhuǎn)型并有許多廠家生產(chǎn)經(jīng)濟型微型數(shù)控機床。但總體來說，技術(shù)水品不是很高，質(zhì)量不佳，所以在20世紀90年代初期，面臨國家經(jīng)濟由計劃經(jīng)濟向市場經(jīng)濟轉(zhuǎn)移調(diào)整，經(jīng)歷了幾年最困難的蕭條時期，那時生產(chǎn)能力下降50%。 當今世界工業(yè)國家數(shù)控機床的擁有量反映了這個國家的經(jīng)濟能力和國防實力。中國的數(shù)控化低，已有數(shù)控機床利用率低、開動率低，這是發(fā)展中國21世

8、紀制造業(yè)必須首先解決的最主要問題。2 總體設(shè)計方案要設(shè)計數(shù)控車床，首先要對數(shù)控機床進行分類2.1數(shù)控機床的分類由于設(shè)計的要求，數(shù)控機床在本設(shè)計中只對伺服系統(tǒng)的類型進行分類。數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號（脈沖或電壓），通過伺服驅(qū)動機床部件運動，按照控制方式不同，伺服系統(tǒng)分為三類：2.1.1開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)進給系統(tǒng)為無位置檢測系統(tǒng)。如圖2.1所示系統(tǒng)的驅(qū)動元件主要是步進電機或電液壓馬達。該系統(tǒng)的特點是，只按照數(shù)控系統(tǒng)的指令進行工作，而對執(zhí)行的結(jié)果，即移動部件的實際移動，不進行監(jiān)測和反饋。開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試、維修、使用都很方便，工作可靠，成本低廉。但精度差，低速不平穩(wěn)，高速扭矩小。一般用于輕載、負載變化不

9、大的或經(jīng)濟型數(shù)控車床上。圖2.1 開環(huán)伺服系統(tǒng)2.1.2閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)是誤差控制隨動系統(tǒng)。如圖2.2所示系統(tǒng)是由位置比較環(huán)節(jié)、伺服驅(qū)動放大器、伺服電動機、機械傳動裝置和位移監(jiān)測裝置組成。閉環(huán)伺服系統(tǒng)的工作原理是，當數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出唯一指令后，經(jīng)過伺服電機、機械傳動裝置驅(qū)動移動部件移動，直線位置檢測裝置把檢測到的位移量反饋到位置比較環(huán)節(jié)，與輸入信號進行比較，將誤差補償?shù)娇刂浦噶钪?，再去控制伺服電機。圖2.2 閉環(huán)伺服系統(tǒng)2.1.3半閉環(huán)系統(tǒng) 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)介于開環(huán)伺服系統(tǒng)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)之間，精度比開環(huán)伺服系統(tǒng)高，調(diào)試比閉環(huán)伺服系統(tǒng)簡單、容易、成本也較閉環(huán)低是一般數(shù)控常用的一種伺服系統(tǒng)，目前這種

10、伺服系統(tǒng)適用于大型數(shù)控機床。簡化圖如圖2.3圖2.3 半閉環(huán)系統(tǒng)2.2總體設(shè)計的方案本次設(shè)計是對C616型普通機床進行數(shù)控改造，利用微機改造現(xiàn)在的普通機床，主要解決的問題是： （1）如何把普通車床機械運動中進給和刀架轉(zhuǎn)位的手工控制，改造成由計算機控制刀架的自動轉(zhuǎn)位以與自動進給的自動加工車床，即經(jīng)濟型數(shù)控車床。由于是經(jīng)濟型的數(shù)控車床改造，所以要考慮的在滿足設(shè)計的基本要求后，盡可能的少的改動普通車床，以降低改造成本。（2）在一般加工過程中，開環(huán)伺服系統(tǒng)控制的精度即可滿足經(jīng)濟型數(shù)控車床要求。所以，在次改造中，大體可確定為采用開環(huán)伺服控制系統(tǒng)。選擇了開環(huán)伺服控制系統(tǒng)，那就是必須選擇步進電動機作為驅(qū)動裝

11、置。為提高傳動系統(tǒng)中的傳動精度，本次設(shè)計采用滾珠絲杠進行傳動；為降低改造難度，改造過程中直接把進給箱中的齒輪拿出來，換上步進電機，把車床X軸用步進電機和滾珠絲杠進行驅(qū)動，運用微機對步進電機進行控制。這樣數(shù)控機床進給系統(tǒng)的改造部分就解決完成。為了完成螺紋加工，首先必須解決兩個問題：1、一般螺紋加工經(jīng)過幾次切削才能完成，為了防止亂扣，再次進刀的位置必須一樣。2、主軸每轉(zhuǎn)一周螺紋車刀必須在X軸向精確的進給一個螺距。后者，運用步進電機可解，前者可以通過脈沖發(fā)生器的同步信號來解決。經(jīng)濟型數(shù)控車床如果車螺紋必須按照主軸的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生進給運動。在車螺紋時，主軸脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一個同步信號，所以每次切削前，就掃描

12、同步信號，信號到來開始切削，否則等待。這樣就保證每次切削的始點位置在工件圓周的某一點的位置上。在設(shè)計控制系統(tǒng)時，也要充分考慮耐用性和經(jīng)濟性，計算機雖然功能強大，但由于不經(jīng)濟和抗干擾能力不強，所以不能選用。所以選用功能充足和抗干擾能力強的單片機的擴展來組成控制系統(tǒng)。數(shù)控機床的方案簡化圖如下圖2.4圖2.4 傳動方案3橫向進給系統(tǒng)3.1橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)濟型數(shù)控車床橫向進給系統(tǒng)的改造設(shè)計過程比較簡單，一般是將步進電機經(jīng)過減速處理后，通過齒輪和滾珠絲杠的驅(qū)動，使刀架橫向移動，對加工物體進行橫向加工。步進電機安裝在大托板上，用法蘭盤將步進電機和機床大托板連接起來，以保證他們之間的同軸度，從而提高其傳

13、動精度。3.2 橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 已知條件：工作臺重： W=300N 時間常數(shù)： T=25ms 滾珠絲杠基本導(dǎo)程： 行程： S=190mm 脈沖當量： 布距角： 快速進給速度： V=1m/min3.2.1橫向切削力的計算 從機械設(shè)計手冊在可知，在一般外圓車削時： (3.1)切削功： (3.2) 式中： N電機功率，查機床說明書可知。N=4kw；-主傳動系統(tǒng)總功率，一般為0.60.7 取=0.65 K-進給系統(tǒng)功率系數(shù)，取為K=0.96 所以： N=40.650.96=2.496 (kw) 又因為 （3.3） 式中： v切削線速度，取v=100m/min； 則主切削力 ：=61202.4

14、96/100=1527.6 (N) ?。?(N) 則橫向進給系統(tǒng)的切削力為763.8（N） 在切斷工作時： (N)3.2.2滾珠絲杠設(shè)計與計算 (1)強度計算：對于燕尾型導(dǎo)軌： (3.4) 取k=1.4 =0.2 則 (N) 絲杠壽命值： （3.5） 式中 -使用壽命，h；-滾珠絲杠的當量轉(zhuǎn)速，r/min。 查表 （3.6） =1 （r/min） 則 最大動負載： (3.7) 式中 -動載荷系數(shù)；-硬度影響系數(shù)； P滾珠絲杠當量載荷； 查表 則 =5063.97 (N)根據(jù)最大動載荷的值，查手冊取漢江機床廠的產(chǎn)品樣本系列，滾珠絲杠公稱直徑為20mm，型號為*4-5-E,額定功率為5393（N）

15、，滿足設(shè)計強度要求。（2）傳動效率計算： 螺旋升角，摩擦角 （3.8） = =0.95（3）滾珠絲杠剛度驗算：由公式得： (3.9)式中 滾珠絲杠截面積： （3.10） =（2.8031/2） =6.17則 (cm)因為滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小,可忽略，即：所以 導(dǎo)程變形誤差為： (3.11) =100 =5.88 (um/m)查表可知E級精度滾珠絲杠允許的螺距誤差為15，因此，剛度足夠。 （4）穩(wěn)定性驗算： 由于選用滾珠絲杠的直徑與原絲杠直徑一樣，而支承方式由原來的一端固定、一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭?，一端徑向支承，所以穩(wěn)定性增強，故不再驗算。 3.3步進電機的選擇與計算3.3.1步進

16、電機選用的基本原則合理選用步進電機是比較復(fù)雜的問題，需要根據(jù)電機在整個系統(tǒng)中的實際工作情況，仔細分析才能正確的選擇。選擇步進電機的最基本原則如下：（1）步距角 步距角應(yīng)滿足： （3.12） 式中：傳動比系統(tǒng)對步進電機鎖驅(qū)動部件的最小轉(zhuǎn)角（2）精度步進電機的精度可用步矩誤差或積累誤差衡量。積累誤差是指轉(zhuǎn)子從任意位置開始，經(jīng)過任意步后，轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值，用積累誤差衡量精度比較實用。所選擇的步進電機應(yīng)該滿足： （3.13） 式中：步進電機的積累誤差系統(tǒng)對步進電機的驅(qū)動部分允許的角度誤差（3）轉(zhuǎn)矩選用步進電機，通常希望步進電機的輸出轉(zhuǎn)矩大。因此，要使步進電機工作正常，正常啟動并滿足

17、轉(zhuǎn)速的要求，必須考慮：= 1 * GB3啟動力矩 一般啟動力矩選取為： （3.14） 式中: 電動機啟動力矩電動機靜負載力矩根據(jù)步進電機的拍數(shù)和相數(shù)，啟動力矩選取如下表3-1所示。步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩為，由步進電機的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中所給定的值。= 2 * GB3在滿足要求的運行頻率圍，電機運行的力矩應(yīng)該大于電機的最大靜載力矩與電動機轉(zhuǎn)動慣量所引起的慣性矩之和。表 3-1啟動力矩選取運行方式拍數(shù)3648510612相數(shù)334455660.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866（4）啟動頻率因為步進電機的啟動頻率隨著負載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的增大而降低，所以，相應(yīng)負載力矩和轉(zhuǎn)

18、動慣量的極限啟動頻率應(yīng)該滿足： （3.15）式中：極限啟動頻率；步進電機要求的最高啟動頻率。3.3.2 步進電機相關(guān)計算（1）步進電機橫向進給系統(tǒng)的選用： (3.16) =2.6333 =52.67 (N.cm)為滿足最小步距的要求，電機選用三相六拍工作方式，查表得；所以電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩： 步進電機的最高工作頻率為： （3.17） =1000/60 =3333.3（r/z）根據(jù)以上計算數(shù)據(jù)，可選用110BF003 型直流步進電機。110BF003型伺服電機的參數(shù)有： 最大靜轉(zhuǎn)矩 ： 7.84 最大運行頻率 : 7000Hz 步距角 ： 0.75/1.5( ) 4 數(shù)控機床傳動設(shè)計數(shù)控車床傳動

19、機構(gòu)是指將電動機產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變成車刀在加工過程中的直線運動的整體機械傳動鏈。具體的附屬機構(gòu)有：齒輪減速器、導(dǎo)軌、滾動絲杠副、工作臺等。4.1數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的特點4.1.1數(shù)控車床與普通機床傳動系統(tǒng)的不同與普通車床比較，數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)具有以下特點：(1)轉(zhuǎn)速高、功率大 它能使數(shù)控機床進行大功率切屑和高速切削，實現(xiàn)高效率加工。（2）變速圍寬 數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)有較寬的調(diào)速圍，一般，以保證加工時嫩能選用合理的切屑進給量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。（3）主軸變換迅速可靠 數(shù)控機床的變速是按照控制指令自動進行的，因此變速機構(gòu)必須適應(yīng)自動操作的要求。由于直流和交流主軸電機調(diào)速

20、系統(tǒng)日趨完善，不僅能夠方便地實現(xiàn)寬圍無極變速，而且減少了中間傳遞環(huán)節(jié)，提高了變速控制的可靠性。(4)主軸組件的耐磨性高 這樣就能使傳動系統(tǒng)長期保證精度。凡有機械摩檫的部件。如軸承、錐孔等都有足夠的硬度，軸承處還有良好的潤滑。4.1.2數(shù)控機床傳動系統(tǒng)的要求 （1）為了確保數(shù)控機床傳動系統(tǒng)的高精度和工作平穩(wěn)性等，再設(shè)計數(shù)控車床中，對傳動裝置的設(shè)計要有以下要求= 1 * GB3高傳動精度與定位精度；= 2 * GB3寬的進給調(diào)速圍；= 3 * GB3響應(yīng)速度要快；= 4 * GB3無間隙傳動；= 5 * GB3壽命長、穩(wěn)定性好；= 6 * GB3大的轉(zhuǎn)矩輸出；= 7 * GB3機床可逆運行；= 8

21、 * GB3減小運動慣量；= 9 * GB3減小摩檫阻力、高諧振；= 10 * GB3使用維護方便；4.2 導(dǎo)軌設(shè)計4.2.1導(dǎo)軌的基本要求（1）導(dǎo)向精度 是指機床的運動部件沿導(dǎo)軌移動時的直線性和它與有關(guān)基面之間相互位置的準確性。無論在空載時好是在切屑加工時，導(dǎo)軌都應(yīng)有足夠的導(dǎo)向精度。影響導(dǎo)向精度的主要因素包括導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式，導(dǎo)軌的制造精度裝配質(zhì)量，以與導(dǎo)軌和基礎(chǔ)件的剛度等。(2)精度保持性 是指導(dǎo)軌在長期使用中保持導(dǎo)向精度的能力。導(dǎo)軌的耐磨性是保持精度的決定性因素，它與導(dǎo)軌的摩檫性質(zhì)、導(dǎo)軌的材料等有關(guān)。除了力求減少磨損量外，還應(yīng)使導(dǎo)軌面在磨損后能自動補償和便于調(diào)整。(3)低速運動平穩(wěn)性 運動

22、部件在導(dǎo)軌上低速運動或微量移動時，運動應(yīng)平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象。這一要求對數(shù)控機床尤為重要。他與導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)類型、材料、潤滑條件等有關(guān)。要求導(dǎo)軌的摩檫系數(shù)小，以減少摩檫阻力。而且動、靜摩檫系數(shù)應(yīng)該盡量接近，同時還應(yīng)有良好的阻尼特性。(4)結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好 要便于加工、裝配、調(diào)整和維修。4.2.2 導(dǎo)軌的分類和特點機床上常用的導(dǎo)軌，按其接觸間的摩檫性質(zhì)的不同，可分為三大類：(1)滑動導(dǎo)軌滑動導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡單、制動方便、剛度好、抗振性強等優(yōu)點，因此在一般的機床應(yīng)用最為廣泛。常用的導(dǎo)軌截面形狀有三角形、矩形、燕尾型與圓柱型等四種。塑料導(dǎo)軌滑動摩檫特點有：摩檫特性好、耐磨性好、減振性好、工藝性好；還具有良好

23、的經(jīng)濟性、結(jié)構(gòu)簡單、成本低。（2）滾動導(dǎo)軌在導(dǎo)軌工作面間放入滾珠、滾柱或滾針等滾動物體，使導(dǎo)軌面間成為滾動摩檫，可以大大降低摩檫系數(shù)，提高運動靈敏度。直線滾動導(dǎo)軌是目前最流行的一種形式。直線滾動導(dǎo)軌主要由導(dǎo)軌體、滑塊、滾珠、保持器、端蓋等組成使用時，導(dǎo)軌固定在不運動部件上，滑塊固定在運動部分上。當滑塊沿導(dǎo)軌移動時。滾珠在導(dǎo)軌和滑塊之間的圓弧中運動，并通過端蓋滾道，從工作負載區(qū)到非工作負荷區(qū)，然后再到工作負荷去，由此不斷循環(huán)，從而使導(dǎo)軌體和滑塊之間實現(xiàn)滾動運動。滾動運動優(yōu)點是摩檫系數(shù)小，運動輕便靈活，靈敏度高：低速運動平穩(wěn)性好，不會產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，定位精度高；耐磨性好，磨損小，精度保持好：且潤滑系

24、統(tǒng)簡單，為此滾動導(dǎo)軌在數(shù)控機床上得到普遍應(yīng)用。但是，滾動導(dǎo)軌的抗振性差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對對臟污較敏感，必須有良好的防護措施。（3）靜壓導(dǎo)軌靜壓導(dǎo)軌是在導(dǎo)軌工作面間通入具有一定壓強的潤滑油，使運動件浮動導(dǎo)軌面間充滿潤滑油形成的油膜，因而始終處于純液體摩檫狀態(tài)。靜壓導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)極小，功率消耗很少，由于系統(tǒng)液體摩檫，故導(dǎo)軌不會磨損，因而導(dǎo)軌的精度保持性好，壽命長。油膜厚度幾乎不受速度的影響，油膜承受能力大、剛度好、吸振性良好、導(dǎo)軌運行平穩(wěn)，既不爬行，也不產(chǎn)生振動。但靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并需要有一個具有良好過濾效果的液壓裝置，制制造成本較高。目前，靜壓導(dǎo)軌較多地用于大型、重型數(shù)控機床上。因為本次設(shè)計的是經(jīng)

25、濟型數(shù)控車床，終合經(jīng)濟型數(shù)控車床造價低廉，結(jié)構(gòu)簡單，使用性廣的要求；我選用的導(dǎo)軌為燕尾型滑動導(dǎo)軌。4.3滾珠絲杠副的設(shè)計4.3.1滾珠絲杠副的工作原理：滾珠絲杠是回轉(zhuǎn)運動和直線運動相互裝換的新型傳動裝置，是在絲杠和螺母之間以滾珠為滾動體地螺旋傳動件。4.3.2滾珠絲杠的特點： （1）傳動效率高 滾珠絲杠副的傳動效率高達0.950.98，是普通絲杠的34倍，功率消耗減少三分之二到四分之三。（2）靈敏度高、傳動平穩(wěn) 由于是滾動摩檫，動摩擦系數(shù)相對來說比較小，因此低速不易爬行，高速傳動平穩(wěn)。（3）定位精度高、傳動剛度高 用多種方法可以消除絲杠螺母的軸向間隙，使反向無空行程，定位精度高，適適當預(yù)緊后，

26、還可以提高軸向剛度。(4)不能自鎖、有可逆性 即能將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動，也能將直線運動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動。因此滾動絲杠在垂直狀態(tài)使用時 ，應(yīng)增加制動裝置或平衡塊。(5)磨損小、壽命長、維護簡單 使用壽命是普通滾珠絲杠的410倍。(6)同步型好 用幾套一樣的滾珠絲杠副同時傳動幾個一樣的部件或裝置時，可獲得較好的同步性,有專業(yè)廠生產(chǎn)，選用配套方便。（7）制造成本高 滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度與表面粗糙度要求高 ，制造工藝復(fù)雜，成本高。4.3.3滾珠絲杠副的參數(shù)特點（1)滾珠絲杠工程直徑 即滾珠絲杠的外徑，滾珠和滾道在理論上的接觸角狀態(tài)時，包括滾珠球心的圓柱直徑，它是滾珠絲杠副的特征尺寸。公稱直

27、徑與負載基本成正比，直徑越大的負載越大，推薦滾珠絲杠副的公稱直徑應(yīng)大于絲杠工作長度的三分之一，數(shù)控機床床上用的進給絲杠，公稱直徑為 30到 80mm。（2)導(dǎo)程L 也稱螺距，即螺桿每旋轉(zhuǎn)一周螺母直線運動的距離，導(dǎo)程與直線速度有關(guān)，再輸入轉(zhuǎn)速一定的情況下，導(dǎo)程越大速度越快。（3)基本導(dǎo)程 即螺紋長度，絲杠相對螺母旋轉(zhuǎn)2 rad時，螺母上基本點的軸向移動距離?；緦?dǎo)程按承載能力選取，選取后應(yīng)演算步距，以滿足單進給脈沖的步距要求，還要演算螺升角，以滿足效率要求。（4)接觸角 在螺紋滾道法向刨面滾珠球心與滾道接觸點的連線和螺紋軸線的垂直直線間的夾角，理想接觸角 為45度。（5)滾珠直徑 滾珠直徑應(yīng)根據(jù)

28、軸承廠提供的盡量選用。滾珠直徑大則承載能力就越大，在一般情況下與公稱直徑和導(dǎo)程相關(guān)，在導(dǎo)程已確定的情況下，滾珠直徑受到絲杠相鄰兩螺紋間過濾部分最小寬度確定限制。 （6)螺母形式 螺母按法蘭式分大約有圓法蘭、單切邊法蘭、雙切邊法蘭和無邊法蘭;螺螺母長度分為單螺母和雙螺母。（7)滾珠的工作圈數(shù)j 即珠卷數(shù)，這個參數(shù)一般標有型號的導(dǎo)程，珠卷數(shù)數(shù)值越大表示負載越大螺母長度越長， （8)滾珠的基本參數(shù) ：除了上述的若干參數(shù)之外，滾珠絲杠副還有絲杠螺紋大徑d，絲杠螺紋小徑，全長L，螺母螺紋大徑D，螺母螺紋小徑，滾道圓弧偏心距e，滾道圓弧半徑R等參數(shù)。滾珠絲杠副的精度與代號，滾珠絲杠副由機械工業(yè)標準規(guī)定，按

29、其適用圍與要求分為六個等級精度，即C、D、E、F、G、H級，C級精度最高，其余依次逐級降低，其精度包括各元件的精度和裝配后的綜合精度，其中包括導(dǎo)程誤差，絲杠大徑對螺紋軸線的徑向圓跳動，絲杠和螺母表面粗糙度，有預(yù)加載荷時螺母安裝端面對絲杠螺母螺紋軸線的圓跳動，有預(yù)加載荷時螺母安裝直徑對絲杠螺紋軸線的徑向圓跳動以與滾珠絲杠公稱直徑尺寸變動量等。4.3.4滾珠絲杠的支撐方式和制動方式滾珠絲杠的進給系統(tǒng)要獲得較高的傳動剛度，除了加強本身的剛度外，滾珠絲杠要正確安裝以與支撐結(jié)構(gòu)的剛度也是不可忽視的因素。滾珠絲杠的支撐方式有：（1）一端裝推力軸承。這種安裝方式適用于行程較小的短絲杠，他的承受能力小，軸向剛

30、度要求低。（2）一端裝推力軸承，另一端裝向心球軸承。這種方式適用于行程較長的絲杠。（3）兩端裝推力軸承。把推力軸承裝在滾珠絲杠的兩端并加預(yù)緊力，有助于提高剛度，而且在加工工作時只承受工作拉力。缺點是對熱變形較為敏感。（4）兩端裝止推軸承與向心球軸承。它的兩端均采用雙重支撐并施加預(yù)緊力，使絲杠具有較大的剛度。滾珠絲杠螺母副的傳動效率高但不能自鎖，需要設(shè)置制動裝置。最常見的制動方式是電氣電磁方式，級采用電磁制動器，且一般按在電動機部。其他制動方式還有：在傳動鏈中匹配逆轉(zhuǎn)效率低的高速比系統(tǒng)。4.3.5滾珠絲杠副的使用防護滾珠絲杠副和其他滾動摩檫的傳動元件一樣，如有硬質(zhì)的灰塵或者切屑等贓物進入滾道，就

31、會妨礙滾珠的正常運轉(zhuǎn)并且會加劇滾珠與滾道的摩檫，加速磨損，因此有效的防護密封和保持潤滑油的清潔就十分的有必要了。常用的防塵密封裝置有密封圈和防護罩相結(jié)合，密封圈系在滾珠螺母的兩端，和絲杠直接相接觸，其材料有毛氈圈，耐油橡皮或尼龍等，防塵效果好。但有接觸壓力和摩擦力距增加的現(xiàn)象，所以有時可采用非接觸式，由聚氯乙烯等塑料制成的迷宮密封圈。對于暴露在外面的絲杠一般采用伸縮套筒式、折疊式的塑料或人造革等形式的防護罩，以防止空氣中粉塵或粘附在絲杠表面。滾珠絲杠副和普通絲杠螺母副一樣，要用潤滑劑來提高耐磨性與傳動效率。潤滑劑可分為潤滑油或潤滑脂兩大類。潤滑油可采用一般機械有貨90180號透平油或140號主

32、軸油，經(jīng)過殼體上的油孔注入螺紋的空間。潤滑脂可采用鋰基油脂，油脂則加在螺紋滾道和安裝螺母上的殼體空間。4.3.6滾珠絲杠設(shè)計步驟在一般情況下，設(shè)計滾珠絲杠時，必須知道下列條件：最大工作負載Pmax作用下的使用壽命下絲杠的工作長度1，絲杠的轉(zhuǎn)速，滾道的硬度HRC與絲杠的運轉(zhuǎn)情況，然后按下列步驟進行設(shè)計計算。1） 由計算作用在滾珠絲杠上的最大動載荷Q的數(shù)值。2） 從滾珠絲杠設(shè)計標準中，找出相應(yīng)尺寸系列對應(yīng)的最大動載荷Q的相近值，并初選幾個型號。3） 根據(jù)具體工作要求，對于結(jié)構(gòu)尺寸，循環(huán)方式，調(diào)整方法與傳動效率反面的要求，從初選的幾個型號中在挑出比較合適的公稱直徑，導(dǎo)程，滾珠列數(shù)K，滾珠圈數(shù)等確定某

33、以型號。4） 由選出的型號，列出某主要參數(shù)的數(shù)值，計算傳動效率，驗算剛度與穩(wěn)定性系數(shù)是否滿足要求。若不滿足要求，則需另選型號，再做上述的計算和驗算直到滿足要求為止。5） 對于低速運轉(zhuǎn)（n10rmin）的滾珠絲杠，無需計算最大動載荷Q值，只考慮最大靜載荷是否超過了最大工作載荷Pmin=23倍。4.4其他傳動機構(gòu)的設(shè)計4.4.1輪式傳動輪在本次設(shè)計中主要起到連接電機和絲杠的作用。一般多采用齒輪副或同步帶輪來傳動。在滿足電機的情況下，考慮到低速性能與加減速慣性匹配的問題，電機要經(jīng)過幾級減速來傳動。無論是采用齒輪還是同步帶輪來傳動，其動間隙的消除是比較關(guān)鍵的。齒輪傳動中常有的方法有錯齒消隙法、偏心軸調(diào)

34、整法等等；同步帶輪傳動中多采用調(diào)整中心距或緊輪消隙法。(1)齒輪傳動的消除間隙采用齒輪傳動時，齒側(cè)間隙會造成開環(huán)或半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的死區(qū)誤差，影響定位精度。為了消除齒側(cè)間隙并獲得強剛性，必須采用各種具有消除間隙或預(yù)緊措施的齒輪副。對于直齒圓柱齒輪傳動，常采用的方法有雙片齒輪錯齒法。(2)傳動鏈的級數(shù)和各級傳動比的選擇對于數(shù)控機床的齒輪比，應(yīng)采用設(shè)計，結(jié)構(gòu)和工藝均比較簡單，而且易獲得高精度的平行軸漸開線圓柱齒輪傳動，設(shè)計時應(yīng)該先確定傳動形式和傳動方案，然后根據(jù)最佳比原則計算出總的傳動比，正確確定傳動鏈的級數(shù)和各級傳動比。通常齒輪傳動鏈的級數(shù)少一點比較好，這樣可簡化傳動鏈的結(jié)構(gòu)，提高了傳動精度，減小

35、了傳動中空程的誤差。同時一對齒輪的傳動比也不能過大，若采用一級傳動，傳動比大則體積大，反而結(jié)構(gòu)不緊湊。另外，在選取單級傳動比時，還應(yīng)考慮數(shù)控機床中，齒輪傳動的實際工作條件。如果齒輪受力小且均勻，傳動比應(yīng)該為負值，以求磨損均衡，避免載荷集中在某些齒上。當然，兩種情況下，還考慮脈沖當量的要求。如果，齒輪傳動的總和傳動比過大，則用單級傳動不能解決問題，應(yīng)該采用多級傳動。多級傳動級數(shù)確定和各級傳動比的分配原則，通常用以下幾個方面的特殊要求:= 1 * GB3按提高轉(zhuǎn)角精度的原則進行分配= 2 * GB3最小等效傳動慣量的原則分配傳動比= 3 * GB3輕是指齒輪傳動鏈中所有傳遞運動的準確性工作平穩(wěn)性，

36、載荷分布的均勻性。以上分別從三個不同特殊要求出發(fā)，論述了如何正確合理的確定傳動的級數(shù)和分配各級傳動比。其間有相似之處，也有相互矛盾之處。在實際工程中，特別是特殊要求不是單一的，因此在正式的確定傳動級數(shù)和分配各級傳動時，應(yīng)從具體條件出發(fā)，統(tǒng)籌規(guī)劃，減少各級之間的種種沖突。4.5步進電動機數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于伺服驅(qū)動電動機與其驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展。數(shù)控技術(shù)發(fā)展的初期多采用步進電動機加液壓扭矩放大器；20世紀70年代初期使用由步進電動機、伺服閥、液壓馬達組成的電液脈沖馬達；70年代中后期，開始了永磁式寬調(diào)速直流伺服電動機時代；80年代交流伺服電動機逐漸取代了直流伺服電動機。步進電機是將

37、電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。同步帶輪制造工藝的發(fā)展很大程度上表現(xiàn)在精度等級與生產(chǎn)效率的提高.自七十年代以來各種同步帶輪的制造精度，普遍提高一級左右.有的甚至23級.一般低速同步帶輪精度由過去的89級提高到78級。

38、機床同步帶輪由68級提高到46級.軋機同步帶輪由78級提高到56級。對于模數(shù)不大的中小規(guī)格同步帶輪，由于高性能滾齒機的開發(fā)，加上刀具材料的改善，滾齒效率有了顯著提高。采用多頭滾刀，在大進給且條件下，可達到的切削速度為90m/s。如用超硬滾刀加工模數(shù)3左右的調(diào)質(zhì)鋼同步帶輪，切削過度可達200ms.提高插齒效率，要受到插齒機刀具往復(fù)運動機構(gòu)的限制。最近在開發(fā)采用刀具卸載，使用靜壓軸承，增強刀架與立柱剛性等新結(jié)構(gòu)后，效率有明顯提高。新型插齒機的沖程數(shù)可達到2000次分。同步帶輪用鋼的發(fā)展趨勢；一是含Cr，Ni，Mo的低合金鋼；二是硼鋼；三是碳氮共滲用鋼；四是易切削鋼。由于我國缺乏Ni、Cr，常用20CrMnTi滲碳鋼或用含硼加稀土鋼。重型機械常用18CrMnNiMo滲碳鋼或中碳合金鋼。機床行業(yè)食用40Cr，38CrMoAl等鋼以與高速同步帶輪用25Cr2MoV鋼進行氮化。 本