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湖 南 科 技 大 學
瀟湘學院畢業(yè)設(shè)計（論文）
題目
三坐標龍門加工中心進給傳動設(shè)計
作者
張陽
學院
湖南科技大學瀟湘學院
專業(yè)
機械設(shè)計制造及其自動化
學號
1053010504
指導教師
康輝民
二〇〇 年 月 日
湖 南 科 技 大 學
瀟湘學院畢業(yè)設(shè)計（論文）任務書
機電工程 系 機電 教研室
教研室主任: （簽名） 2014 年 月 日
學生姓名: 張陽 學號: 1053010504 專業(yè): 機械設(shè)計制造及其自動化
1 設(shè)計（論文）題目及專題： 三坐標龍門加工中心進給傳動設(shè)計
2 學生設(shè)計（論文）時間：自 年 月 日開始至 年 月 日止
3 設(shè)計（論文）所用資源和參考資料：
1）CAD制圖軟件；
2）機械設(shè)計手冊；
3）相關(guān)參考文獻；
4 設(shè)計（論文）應完成的主要內(nèi)容：
1）對龍門加工中心進行整體布局設(shè)計；
2）對傳動部分繪制裝配圖；
3）進行相關(guān)計算和選用；
4）撰寫設(shè)計說明書不少于40頁。
5 提交設(shè)計（論文）形式（設(shè)計說明與圖紙或論文等）及要求：
提交畢業(yè)設(shè)計說明書；
總工作量折合A0圖紙2.5張以上。
6 發(fā)題時間： 年 月 日
指導教師： （簽名）
學 生： （簽名）
湖 南 科 技 大 學
瀟湘學院畢業(yè)設(shè)計（論文）指導人評語
[主要對學生畢業(yè)設(shè)計（論文）的工作態(tài)度，研究內(nèi)容與方法，工作量，文獻應用，創(chuàng)新性，實用性，科學性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進行綜合評價]
指導人： （簽名）
年 月 日
指導人評定成績：
湖 南 科 技 大 學
瀟湘學院畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱人評語
[主要對學生畢業(yè)設(shè)計（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究內(nèi)容與方法，實用性與科學性，結(jié)論和存在的不足等進行綜合評價]
評閱人： （簽名）
年 月 日
評閱人評定成績：
湖 南 科 技 大 學
瀟湘學院畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯記錄
日期：
學生： 學號： 班級：
題目：
提交畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會下列材料：
1 設(shè)計（論文）說明書 共 頁
2 設(shè)計（論文）圖 紙 共 頁
3 指導人、評閱人評語 共 頁
畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會評語：
[主要對學生畢業(yè)設(shè)計（論文）的研究思路，設(shè)計（論文）質(zhì)量，文本圖紙規(guī)范程度和對設(shè)計（論文）的介紹，回答問題情況等進行綜合評價]
答辯委員會主任： （簽名）
委員： （簽名）
（簽名）
（簽名）
（簽名）
答辯成績：
總評成績：
摘要
我國生產(chǎn)的龍門加工中心和數(shù)控龍門鏜銑床產(chǎn)品的主要品種，根據(jù)機床結(jié)構(gòu)布局形式劃分為：按龍門架是否移動，分為龍門固定工作臺移動式和龍門移動式；按橫梁是否在立柱上運動，分為動梁式和定梁式兩種；橫梁在高架床身上移動稱為高架式；按機床凈重和工作臺承載能力，分為輕型、中型和重型（超重型）等。
滾珠絲杠由于制造工藝已十分成熟，導程精度高、傳遞扭矩大，已成為標的機床功能部件，因此在進給傳動中應用很普遍。滾珠絲杠螺母副由于在絲杠和螺母之間放人了滾珠，使絲杠與螺母間傳動變?yōu)闈L動摩擦，因而大大地減小了摩擦阻力，提高了傳動效率，并具有響應靈敏度高、傳動快捷的特點。其傳動效率可達9O%以上。由于是滾動摩擦，動、靜摩擦因數(shù)相差極小，因此無論是靜止還是在低速和高速傳動時，摩擦轉(zhuǎn)矩變化不大。在使用滾珠絲杠傳動時，可以采用多種預加載荷的方法消除間隙，使反向時無空行程。
本次畢業(yè)論文中，對數(shù)控機床的進給系統(tǒng)進行了設(shè)計，運用了滾珠絲杠螺母副的進給方式。對滾珠絲杠螺母副的選型和計算有詳細的介紹，同時也包括交流伺服電機的選型等。并對數(shù)控機床的總體布局進行了設(shè)計。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機床 龍門加工中心 進給系統(tǒng) 滾珠絲杠 伺服電機 選擇計算
Abstrsct
Our production of nc machining center and longmen longmen boring and milling machine main varieties of products, according to the structure arrangement forms into: according to whether move into the frame which is fabricated according to fixed workbench mobile and longmen longmen mobile, According to whether the crossbar column in motion, divided into fixed beam and beam type two kinds, In the overhead beams GaoJiaShi called upon the bed movement, Press machine net and workbench bearing capacity, light, medium and heavy (super-heavy), etc.
The ball screw due to the manufacturing process has been very mature, high precision, lead, and has become a big torque machine parts, thus subject to drive in the application is very common. The ball screw nut pair in the ball screw and nut due to the ball, placed between ball screw and nut to drive into the rolling friction between, thus greatly reduced friction resistance and improve the transmission efficiency and high sensitivity, drive fast response characteristics. The transmission efficiency can reach 9O % above. The rolling friction is due, and are, therefore, whether very factors (or in low and high-speed transmission, friction torque. In using andball bearing, can use multiple preload super method to eliminate clearances, reverse when empty.
The graduation thesis of the CNC system into the design, use a ball screw nut pair of feeding. On the ball screw nut pair of selection and calculation have detailed introduction, also including ac servo motor selection, etc. And the general layout of nc machine tools on the design.
Keywords: CNC processing center Feeding system The ball screw Selection
湖南科技大學瀟湘學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
目錄
第一章 緒論…………………………………………………………………………… 1
1.1調(diào)研過程………………………………………………………………………2
1.2調(diào)研內(nèi)容………………………………………………………………………4
1.3方法實現(xiàn)及預期目標…………………………………………………………10
1.4本章小結(jié)………………………………………………………………………15
第二章 龍門加工中心進給系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計……………………………………16
2.1切削力的分析與計算………………………………………………………………16
2.1.1設(shè)計參數(shù)……………………………………………………………………16
2.1.2切削力計算中的參數(shù)………………………………………………………16
2.1.3切削力公式及計算…………………………………………………………17
2.2滾珠絲杠螺母副的計算與選型……………………………………………………18
2.1.1滾珠絲杠的主要參數(shù)尺寸…………………………………………………19
2.2.2龍門加工中心X方向進給的滾珠絲杠螺母副的選型……………………20
2.2.3龍門加工中心Y方向進給滾珠絲杠螺母副的選型與計算………………23
2.2.4龍門加工中心Z方向進給系統(tǒng)滾珠絲杠螺母副的選擇與計算…………26
2.3交流伺服電機的選型與計算………………………………………………………29
2.3.1機電傳動系統(tǒng)的運動方程式………………………………………………29
2.3.2轉(zhuǎn)動慣量的計算……………………………………………………………29
2.3.3傳動系統(tǒng)的等效負載轉(zhuǎn)矩計算……………………………………………30
2.3.4軸承的校核…………………………………………………………………31
2.3.5聯(lián)軸器的選型………………………………………………………………33
2.3.6滾動導軌的預緊……………………………………………………………33
第三章 滾珠絲杠螺母副進給部件結(jié)構(gòu)設(shè)計……………………………………34
3.1滾珠絲杠螺母副……………………………………………………………………34
3.2直線滾動導軌………………………………………………………………………36
第四章 基礎(chǔ)部件的造型及裝配……………………………………………………37
4.1基礎(chǔ)部件的三維建?！?7
4.2裝配…………………………………………………………………………………37
第五章 裝配工程圖……………………………………………………………………39
5.1主視圖………………………………………………………………………………39
5.2側(cè)視圖………………………………………………………………………………40
5.3俯視圖………………………………………………………………………………41
第六章 畢業(yè)設(shè)計總結(jié)…………………………………………………………………42
參考文獻……………………………………………………………………………………43
致謝…………………………………………………………………………………………44
- 45 -
第一章 概述
近年來，對中國出口看好的建設(shè)機械廠家對立式車床的需求令人矚目。從去年起，數(shù)控車床生產(chǎn)廠家期待著在飛機、高性能發(fā)電機、風力發(fā)電機等方面設(shè)備投資比較活躍的重電機行業(yè)的訂貨。
由于市場在交貨期、質(zhì)量、價格方面的要求越來越高，一些中小規(guī)模的設(shè)備用戶為縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，更青睞一次裝卡、可搞多種加工的復合型加工機。
考慮到環(huán)保要求而采用半干式加工的需求也在增加，根據(jù)這類用戶的要求，OM制作所以產(chǎn)學協(xié)作的方式開發(fā)出采用氣化熱半干式加工技術(shù)，并加強了節(jié)省能源的措施，控制了電力的使用。
現(xiàn)在，市場對于提高了通用性的、低價位的小型數(shù)控立式車床的需求仍在擴大，同時，和臥式數(shù)控車床一樣，帶有加工中心意識的功能型復合機的開發(fā)研制比較活躍。例如，隨著對復雜形狀工件成品加工要求的提高，也在研制將立式車床功能加上鉆、攻絲、鏜等旋轉(zhuǎn)方面的加工功能。
因配置了C軸，不同的復合加工也可通過一次裝卡進行。此外，在以切削為主的同時，加上采用單刀具的雙面約束 ATC方式后，在銑加工功能方面也見到不少可進行重切加工的工序集約型產(chǎn)品。
著手生產(chǎn)各種機型的廠家在追求高速、高精度的同時，還在如何使機體小型化及成本控制方面下功夫。也就是說此類產(chǎn)品的開發(fā)重點在于機體的小型化、適應形成柔性線體系方面。
從技術(shù)開發(fā)動向來看，是謀求提高主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、提高精密度、并將對應熱變位、模塊化等集中體現(xiàn)出來。其中，作為機床基本課題的高速化研究也不斷取得成果。
由于提高進給速度直接關(guān)系到產(chǎn)品的加工時間，以利提高生產(chǎn)效率，因此在高速進給技術(shù)方面，驅(qū)動裝置采用直線電機的機型正在增多。同時也有廠家在開發(fā)不使用直線電機，采用進給軸以大導程滾珠絲杠為驅(qū)動，進給加速度1.5G~ 2G、快速進給速度120 mm／min的高速臥式加工中心。并在主軸上采用雙面約束刀具、主軸轉(zhuǎn)速為 2 萬 r/min、快速進給速度為60 m/min、以盡量縮短重復定位、刀至刀等的非切削時間。為解決速度提高帶來的熱變位影響，防止精度下降，一般都采用獨自的補正裝置或主軸冷卻結(jié)構(gòu)、冷卻裝置等。
從1999年第六屆中國國際機床展覽會上多棱數(shù)控機床股份有限公司推出國內(nèi)首臺五軸聯(lián)動數(shù)控龍門鏜銑床以來，先后有桂林機床股份有限公司、北京第一機床廠、濟南二機床集團有限責任公司等企業(yè)試制生產(chǎn)出五軸聯(lián)動數(shù)控龍門鏜銑床。而且隨著產(chǎn)品技術(shù)水平和質(zhì)量可靠性的不斷提高，濟二和多棱等廠家已經(jīng)能夠為用戶提供小批量商品。在本屆展會上，五軸聯(lián)動數(shù)控龍門加工中心鏜銑床展品的技術(shù)水平又有提高。漢川機床有限責任公司推出的XH2420/5X五軸聯(lián)動龍門加工中心，工作臺面積2000mm×4000mm，配置德國西泰克公司（CYTEC）生產(chǎn)的雙擺角頭。主軸采用高速電主軸，主電機功率21KW，主軸最高轉(zhuǎn)速18000r/min，雙擺角頭的A軸和C軸兩個擺軸的最大進給速度360°/S，兩個旋轉(zhuǎn)軸都采用具有當今國際先進水平的力矩電機直接驅(qū)動技術(shù)，結(jié)構(gòu)緊湊驅(qū)動力矩大，A軸最大扭矩1300Nm，C軸最大扭矩2000Nm。采用力矩電機驅(qū)動，省掉原來的齒輪機械傳動，零部件幾乎沒有任何磨損，具有高動態(tài)性能和高速性能，提高了加工精度和工作性能。
從龍門加工中心和數(shù)控龍門鏜銑床展品的總體水平看，不論是國內(nèi)展品或是國外展品在技術(shù)水平，質(zhì)量可靠性和外觀造型等方面都有較大提高。在機床的油漆色調(diào)和整體防護方面，國內(nèi)展品與國外展品的差距有明顯的縮短；而關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵部件和整機可靠性與國外展品還有較大的差距。例如本屆參展的五軸聯(lián)動龍門加工中心的關(guān)鍵部件——雙擺角頭，除桂林機床股份有限公司在第一臺基礎(chǔ)上改進后自行開發(fā)研制的以外，其他國內(nèi)廠家的展品幾乎全部都是購買國外公司的。所以具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)、關(guān)鍵部件正是我們當前與國外展品的差距，也正是我們當前努力拚搏的方向。
1.1調(diào)研過程：
接到此設(shè)計任務后不久，我便在老師的指導下，充分利用圖書館及通過網(wǎng)絡對龍門加工中心進行了了解。近年來，大量的國內(nèi)外有關(guān)資料表明，龍門加工中心和數(shù)控龍門鏜銑床是能源、航空航天、船舶、機車車輛、軍工、汽車、工程機械、重型機械、機床等行業(yè)不可缺少的重要工藝加工設(shè)備。尤其是配置雙擺角銑頭或多功能附件銑頭的此類機床，可實現(xiàn)五軸聯(lián)動或五面加工，完成各種復雜平面、曲面零件的高效率、高質(zhì)量加工。
由于目前市場需求較大，所以國內(nèi)不少從不涉足龍門銑床的廠家也紛紛上陣，開發(fā)研制各種龍門加工中心和數(shù)控龍門鏜銑床。以生產(chǎn)鉆鏜床著稱的中捷機床有限公司推出三臺龍門加工中心：THA58200×500橋式五軸龍門加工中心；THA57200×400龍門五面加工中心和GMB200×40-5F龍門鏜銑五面加工中心，而且各有特色。其中THA58200×500橋式龍門加工中心配置意大利FIDA雙擺角頭，主軸最高轉(zhuǎn)速24000r/min，可實現(xiàn)五軸聯(lián)動功能，為航空航天和模具行業(yè)服務。THA57200×400龍門五面加工中心配置立臥雙主軸同時轉(zhuǎn)動的單箱雙主軸頭，其頭與滑枕為端齒聯(lián)結(jié)。5°×72轉(zhuǎn)位，實現(xiàn)工件一次裝夾的五面加工，結(jié)構(gòu)比較緊湊。
調(diào)研結(jié)果：
龍門加工中心相關(guān)信息：
對GF-450型龍門加工中心的研究：
GF450龍門式小型雕刻機
三軸行程 450x450x250
三軸最高移動速度 X,Y,Z=15m min
三軸最高加工速度 三菱65系列7m min
三軸解析度 0.001mm
定位精度 ±0.005mm
重復定位精度 ±0.005mm
三軸螺桿尺寸 φ20xP5.0mm
工作臺尺寸 550x450mm
T型槽尺寸 10x5x90mm
最大載重 80kg
最大加工行程 450x450x250mm
主軸最高轉(zhuǎn)速 10,000rpm(Optional 30,000 60,000rpm)
主軸刀具形式 ISO25-30,000rpm ER系列：60,000rpm BT30 10,000)
刀具數(shù)量 8 tools
最大刀具直徑 φ12mm
主軸鼻端至工作臺距離 80-300mm
門寬度 600mm
三軸馬達 X,Y,Z=750w
抽水馬達 1:4hp
機械外罩 全罩鈑金
機械占地面積 1300x1650x2000mm
控制器形式 新代控制器
1、 本機適合使用高速主軸，可選配24，000 or 30,000rpm 工件表面極光細致
2、 可使用 BT ，CAT ，ISO，或HSK刀把
3、 換刀時間7 secretary
機械介紹：
1、 門型結(jié)構(gòu)設(shè)計，加工快速穩(wěn)定。
2、 Z軸與X軸距離縮短，解決主軸前傾問題
3、 采用內(nèi)藏式主軸，加工效率高，表面細致。
4、 X，Y，Z三軸線性滑軌。
5、 本機主結(jié)構(gòu)體完全采用沒級米漢納鑄鐵制成，再經(jīng)應力消除，確保機械多年不變形。
6、 結(jié)構(gòu)內(nèi)部采用合理化肋骨強化設(shè)計，大幅提高機械剛性。
7、 X，Y，Z軸采用精密級線性滑軌，行程速度快，符合高速加工之需要。
8、 主軸采用4.5KW強力馬達驅(qū)動，轉(zhuǎn)速可達30，000-50，000rpm.
9、 主軸采用P4（ABEC 7）級精密軸承。
適用場合：
1、 銅極/模具
2、 珠寶金飾加工。
3、 小型3C產(chǎn)品模殼制造。
4、 鞋業(yè)模具。
5、 文字雕刻。
龍門加工中心進給系統(tǒng)滾珠絲杠螺母副相關(guān)信息：
作為傳動滑動絲杠的進一步延伸發(fā)展, 滾珠絲杠由于其高效率、溫升少、高精度、高速度、高剛性可逆性、長壽命、低能耗、同步性、高靈敏度、無間隙、維護簡單等優(yōu)點而在當代數(shù)控機床進給伺服機構(gòu)中得到廣泛應用, 為了滿足數(shù)控機床高進給速度、高定位精度、高平穩(wěn)性和快速響應的要求, 必須合理選擇滾珠絲杠副, 并進行必要的校核計算。滾珠絲杠的選擇包括其精度選擇、尺寸規(guī)格( 包括導程與公程直徑 、支承方式等幾個方面的內(nèi)容。）滾珠絲杠副的承載能力用額定動載荷或額定靜載荷來表示, 在加工中心的設(shè)計中一般按額定動載荷來確定滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格, 對細長而又承受壓縮載荷的滾珠絲杠作壓桿穩(wěn)定性核算; 對轉(zhuǎn)速高, 支承距離大的滾珠絲杠副作臨界轉(zhuǎn)速校核; 對精度要求高的滾珠絲杠作剛度校核; 對數(shù)控機床, 需核算其轉(zhuǎn)動慣量; 對全閉環(huán)系統(tǒng), 需核算其諧振頻率。
龍門加工中心交流伺服電機相關(guān)信息：
交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)主要可分為兩部分，即定子部分和轉(zhuǎn)子部分。其中定子的結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成90度電角度的兩相繞組。其中一組為激磁繞組，另一組為控制繞組，交流伺服電動機一種兩相的交流電動機。 交流伺服電動機使用時，激磁繞組兩端施加恒定的激磁電壓Uf，控制繞組兩端施加控制電壓Uk。當定子繞組加上電壓后，伺服電動機很快就會轉(zhuǎn)動起來。 通入勵磁繞組及控制繞組的電流在電機內(nèi)產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向決定了電機的轉(zhuǎn)向，當任意一個繞組上所加的電壓反相時，旋轉(zhuǎn)磁場的方向就發(fā)生改變，電機的方向也發(fā)生改變。
1.2調(diào)研內(nèi)容：
此次研究課題的主要內(nèi)容為龍門加工中心進給系統(tǒng)的設(shè)計。
1、 龍門加工中心整體布局，
2、 龍門加工中心傳動方式的選擇，
3、 滾珠絲杠螺母副的計算與選型，
4、 交流伺服電機的計算與選型，
5、 精度驗證與剛度校核。
此次研究課題的設(shè)計要求為對動工作臺式龍門加工中心進給系統(tǒng)的研究。動橫梁式龍門加工中心如下圖所示：
圖 1.1
龍門加工中心x向進給可通過工作臺的進給，龍門立柱的進給或者橫梁的進給三種進給方法來實現(xiàn)。在本次畢業(yè)設(shè)計中，我選擇了工作臺進給的方式。工作臺進給方式設(shè)計方便，進給平穩(wěn)，一根滾珠絲杠螺母傳動，兩根直線滾動導軌對稱安裝，結(jié)構(gòu)簡單，方便伺服系統(tǒng)的控制。
傳動方式的選擇：
直線電機的傳動。一般電動機工作時都是轉(zhuǎn)動的．但是用旋轉(zhuǎn)的電機驅(qū)動的交通工具（比如電動機車和城市中的電車等）需要 做直線運動，用旋轉(zhuǎn)的電機驅(qū)動的機器的一些部件也要做直線運動．這就需要增加把旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動的一套裝置．現(xiàn)在已制成了直線運動的電動機，即直線電機．
直線電機的原理并不復雜．設(shè)想把一臺旋轉(zhuǎn)運動的感應電動機沿著半徑的方向剖開，并且展平，這就成了一臺直線感應電動機（圖）．
圖1.2
在直線電機中，相當 于旋轉(zhuǎn)電機定子的，叫初級；相當于旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)子的，叫次級．初級中通以交流，次級就在電磁力的作用下沿著初級做直線運動．這時初級要做得很長，延伸到運動 所需要達到的位置，而次級則不需要那么長．實際上，直線電機既可以把初級做得很長，也可以把次級做得很長；既可以初級固定、次級移動，也可以次級固定、初 級移動．
直線電機是一種新型電機，近年來應用日益廣泛．磁懸浮列車就是用直線電機來驅(qū)動的．
磁懸浮列車是一種全新的列車．一般的列車，由于車輪和鐵軌之間存在摩擦，限制了速度的提高，它所能達到的最高運行速度不超過300km/n．磁懸 浮列車是將列車用磁力懸浮起來，使列車與導軌脫離接觸，以減小摩擦，提高車速。列車由直線電機牽引．直線電機的一個級固定于地面，跟導軌一起延伸到遠處； 另一個級安裝在列車上．初級通以交流，列車就沿導軌前進．列車上裝有磁體（有的就是兼用直線電機的線圈），磁體隨列車運動時，使設(shè)在地面上的線圈（或金屬 板）中產(chǎn)生感應電流，感應電流的磁場和列車上的磁體（或線圈）之間的電磁力把列車懸浮起來．懸浮列車的優(yōu)點是運行平穩(wěn)，沒有顛簸，噪聲小，所需的牽引力很 小，只要幾千kw的功率就能使懸浮列車的速度達到550km／h．懸浮列車減速的時候，磁場的變化減小，感應電流也減小，磁場減弱，造成懸浮力下降．懸浮 列車也配備了車輪裝置，它的車輪像飛機一樣，在行進時能及時收入列車，?？繒r可以放下來，支持列車．
要使質(zhì)量巨大的列車靠磁力懸浮起來，需要很強的磁場，實用中需要用高溫超導線圈產(chǎn)生這樣強大的磁場．
直線電機除了用于磁懸浮列車外，還廣泛地用于其他方面，例如用于傳送系統(tǒng)、電氣錘、電磁攪拌器等．在我國，直線電機也逐步得到推廣和應用．直線電機的原理雖不復雜，但在設(shè)計、制造方面有它自己的特點，產(chǎn)品尚不如旋轉(zhuǎn)電機那樣成熟，有待進一步研究和改進．
直線電機可以認為是旋轉(zhuǎn)電機在結(jié)構(gòu)方面的一種變形，它可以看作是一臺旋轉(zhuǎn)電機沿其徑向剖開，然后拉平演變而成。近年來，隨著自動控制技術(shù)和微型計算機的高速發(fā)展，對各類自動控制系統(tǒng)的定位精度提出了更高的要求，在這種情況下，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機再加上一套變換機構(gòu)組成的直線運動驅(qū)動裝置，已經(jīng)遠不能滿足現(xiàn)代控制系統(tǒng)的要求，為此，近年來世界許多國家都在研究、發(fā)展和應用直線電機，使得直線電機的應用領(lǐng)域越來越廣。
直線電機與旋轉(zhuǎn)電機相比，主要有如下幾個特點：一是結(jié)構(gòu)簡單，由于直線電機不需要把旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動的附加裝置，因而使得系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)大為簡化，重量和體積大大地下降；二是定位精度高，在需要直線運動的地方，直線電機可以實現(xiàn)直接傳動，因而可以消除中間環(huán)節(jié)所帶來的各種定位誤差，故定位精度高，如采用微機控制，則還可以大大地提高整個系統(tǒng)的定位精度；三是反應速度快、靈敏度高，隨動性好。直線電機容易做到其動子用磁懸浮支撐，因而使得動子和定子之間始終保持一定的空氣隙而不接觸，這就消除了定、動子間的接觸摩擦阻力，因而大大地提高了系統(tǒng)的靈敏度、快速性和隨動性；四是工作安全可靠、壽命長。直線電機可以實現(xiàn)無接觸傳遞力，機械摩擦損耗幾乎為零，所以故障少，免維修，因而工作安全可靠、壽命長。
直線電機主要應用于三個方面：一是應用于自動控制系統(tǒng)，這類應用場合比較多；其次是作為長期連續(xù)運行的驅(qū)動電機；三是應用在需要短時間、短距離內(nèi)提供巨大的直線運動能的裝置中。
高速磁懸浮列車 磁懸浮列車是直線電機實際應用的最典型的例子，目前，美、英、日、法、德、加拿大等國都在研制直線懸浮列車，其中日本進展最快。
直線電機驅(qū)動的電梯 世界上第一臺使用直線電機驅(qū)動的電梯是1990年4月安裝于日本東京都關(guān)島區(qū)萬世大樓，該電梯載重600kg，速度為105m/min，提升高度為22.9m。由于直線電機驅(qū)動的電梯沒有曳引機組，因而建筑物頂?shù)臋C房可省略。如果建筑物的高度增至1000米左右，就必須使用無鋼絲繩電梯，這種電梯采用高溫超導技術(shù)的直線電機驅(qū)動，線圈裝在井道中，轎廂外裝有高性能永磁材料，就如磁懸浮列車一樣，采用無線電波或光控技術(shù)控制。
超高速電動機 在旋轉(zhuǎn)超過某一極限時，采用滾動軸承的電動機就會產(chǎn)生燒結(jié)、損壞現(xiàn)象。為此近年來，國外研制了一種直線懸浮電動機（電磁軸承），采用懸浮技術(shù)使電機的動子懸浮在空中，消除了動子和定子之間的機械接觸和摩擦阻力，其轉(zhuǎn)速可達25000～100000r/min以上，因而在高速電動機和高速主軸部件上得到廣泛的應用。如日本安川公司新近研制的多工序自動數(shù)控車床用5軸可控式電磁高速主軸采用兩個經(jīng)向電磁軸承和一個軸向推力電磁軸承，可在任意方向上承受機床的負載。在軸的中間，除配有高速電動機以外，還配有與多工序自動數(shù)控車床相適應的工具自動交換機構(gòu)。
伺服電機、滾珠絲杠螺母副的傳動：目前普通絲杠的最大進給速度為40m/min，最大直線加速度為0.5g。而一些高精密滾珠絲杠的最大速度已達60m/min，最大加速度達1.0g。滾珠絲杠螺母副是一種低摩擦、高精度、高效率的機構(gòu)。滾珠絲杠螺母副其它特點如下：滾珠絲杠傳動的優(yōu)點是摩擦因數(shù)小，傳動精度高，傳動效率高達85％一98％，是普通滑動絲杠傳動的2～4倍。滾珠絲杠副的摩擦角小于1°，因此不能自鎖。如果用于立式升降運動則必須有制動裝置。其動、靜摩擦因數(shù)之差很小，有利于防止爬行和提高進給系統(tǒng)的靈敏度；采用消除反向間隙并預緊的措施，有助于提高定位精度和剛度。一般情況下，滾珠絲杠可以直接從專門生產(chǎn)廠家訂購，無需自行設(shè)計制造。
由于滾珠絲杠的傳動精度高、系統(tǒng)剛性好，在數(shù)控、精密機械和各種機電產(chǎn)品中廣泛使用。運動極靈敏，低速時不會出現(xiàn)爬行； 可以完全消除間隙并可預緊，故有較高的軸向剛度，反向定位精度高； 滾珠絲杠螺母副摩擦系數(shù)小，無自鎖，能實現(xiàn)可逆?zhèn)鲃樱?滾珠絲杠螺母副的滾珠循環(huán)方式一般分外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種，如下圖所示。
圖1.3
滾珠絲杠由于制造工藝已十分成熟，導程精度高、傳遞扭矩大，已成為標的機床功能部件，因此在進給傳動中應用很普遍。滾珠絲杠螺母副由于在絲杠和螺母之間放人了滾珠，使絲杠與螺母間傳動變?yōu)闈L動摩擦，因而大大地減小了摩擦阻力，提高了傳動效率，并具有響應靈敏度高、傳動快捷的特點。其傳動效率可達9O%以上。由于是滾動摩擦，動、靜摩擦因數(shù)相差極小，因此無論是靜止還是在低速和高速傳動時，摩擦轉(zhuǎn)矩變化不大。在使用滾珠絲杠傳動時，可以采用多種預加載荷的方法消除間隙，使反向時無空行程。此外，在安裝滾珠絲杠時，給絲杠預加拉伸負載，可提高絲杠的剛度，補償絲杠的熱伸長，因而可取得很高的傳動精度。滾珠絲杠副傳動的一個缺點是:當絲杠較長且水平安裝時，因絲杠的自重會產(chǎn)生撓度彎曲，如圖1.4所示。絲杠的撓度會影響到絲杠螺母運行到不同的位置時使定位精度產(chǎn)生變化，另外絲杠的長徑比(長度與直徑之比)如果很大(本項目的機床工作行程6000mm，如選長6500mm、直徑somm的絲杠，則長徑比高達81，這是一種典型的細長桿)，工作時受載荷影響，容易失穩(wěn)。當絲杠轉(zhuǎn)速稍高時，彎曲偏心引起的絲杠軸心離心力會加劇撓度，使絲杠螺母受到徑向力(見圖1.4中的F)，滾珠在滾道中受力增加，運轉(zhuǎn)中會產(chǎn)生噪聲。盡管絲杠撓度可以通過絲杠預拉伸的方法得到改善，但對于大行程的機床，這種絲杠撓度是無法避免的因此在工作臺行程超過4一5m時，一般不使用滾珠絲杠副傳動。
圖1.4
交流伺服電機：交流伺服電機通常都是單相異步電動機，有鼠籠形轉(zhuǎn)子和杯形轉(zhuǎn)子兩種結(jié)構(gòu)形式。與普通電機一樣，交流伺服電機也由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子上有兩個繞組，即勵磁繞組和控制繞組，兩個繞組在空間相差90°電角度。固定和保護定子的機座一般用硬鋁或不銹鋼制成?；\型轉(zhuǎn)子交流伺服電機的轉(zhuǎn)子和普通三相籠式電機相同。杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電機的結(jié)構(gòu)由外定子，杯形轉(zhuǎn)子和內(nèi)定子三部分組成。它的外定子和籠型轉(zhuǎn)子交流伺服電機相同，轉(zhuǎn)子則由非磁性導電材料（如銅或鋁）制成空心杯形狀，杯子底部固定在轉(zhuǎn)軸上。空心杯的壁很?。ㄐ∮?.5mm），因此轉(zhuǎn)動慣量很小。內(nèi)定子由硅鋼片疊壓而成，固定在一個端蓋上，內(nèi)定子上沒有繞組，僅作磁路用。電機工作時，內(nèi)﹑外定子都不動，只有杯形轉(zhuǎn)子在內(nèi)、外定子之間的氣隙中轉(zhuǎn)動。對于輸出功率較小的交流伺服電機，常將勵磁繞組和控制繞組分別安放在內(nèi)、外定子鐵心的槽內(nèi)。
交流伺服電機的工作原理和單相感應電動機無本質(zhì)上的差異。但是，交流伺服電機必須具備一個性能，就是能克服交流伺服電機的所謂“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，即無控制信號時，它不應轉(zhuǎn)動，特別是當它已在轉(zhuǎn)動時，如果控制信號消失，它應能立即停止轉(zhuǎn)動。而普通的感應電動機轉(zhuǎn)動起來以后，如控制信號消失，往往仍在繼續(xù)轉(zhuǎn)動。
當電機原來處于靜止狀態(tài)時，如控制繞組不加控制電壓，此時只有勵磁繞組通電產(chǎn)生脈動磁場。可以把脈動磁場看成兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁場。這兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁場以同樣的大小和轉(zhuǎn)速，向相反方向旋轉(zhuǎn)，所建立的正、反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場分別切割籠型繞組（或杯形壁）并感應出大小相同，相位相反的電動勢和電流（或渦流），這些電流分別與各自的磁場作用產(chǎn)生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩為零，伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)不起來。一旦控制系統(tǒng)有偏差信號，控制繞組就要接受與之相對應的控制電壓。在一般情況下，電機內(nèi)部產(chǎn)生的磁場是橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場。一個橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場可以看成是由兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁場合成起來的。這兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁場幅值不等（與原橢圓旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向相同的正轉(zhuǎn)磁場大，與原轉(zhuǎn)向相反的反轉(zhuǎn)磁場小），但以相同的速度，向相反的方向旋轉(zhuǎn)。它們切割轉(zhuǎn)子繞組感應的電勢和電流以及產(chǎn)生的電磁力矩也方向相反、大小不等（正轉(zhuǎn)者大，反轉(zhuǎn)者小）合成力矩不為零，所以伺服電機就朝著正轉(zhuǎn)磁場的方向轉(zhuǎn)動起來，隨著信號的增強，磁場接近圓形，此時正轉(zhuǎn)磁場及其力矩增大，反轉(zhuǎn)磁場及其力矩減小，合成力矩變大，如負載力矩不變，轉(zhuǎn)子的速度就增加。如果改變控制電壓的相位，即移相180o，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向相反，因而產(chǎn)生的合成力矩方向也相反，伺服電機將反轉(zhuǎn)。若控制信號消失，只有勵磁繞組通入電流，伺服電機產(chǎn)生的磁場將是脈動磁場，轉(zhuǎn)子很快地停下來。
為使交流伺服電機具有控制信號消失，立即停止轉(zhuǎn)動的功能，把它的轉(zhuǎn)子電阻做得特別大，使它的臨界轉(zhuǎn)差率Sk大于1。在電機運行過程中，如果控制信號降為“零”，勵磁電流仍然存在，氣隙中產(chǎn)生一個脈動磁場，此脈動磁場可視為正向旋轉(zhuǎn)磁場和反向旋轉(zhuǎn)磁場的合成。正向及反向旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導體后產(chǎn)生的力矩一轉(zhuǎn)速特性曲線1、2，以及它們的合成特性曲線。假設(shè)電動機原來在單一正向旋轉(zhuǎn)磁場的帶動下運行于A點，此時負載力矩是。一旦控制信號消失，氣隙磁場轉(zhuǎn)化為脈動磁場，它可視為正向旋轉(zhuǎn)磁場和反向旋轉(zhuǎn)磁場的合成，電機即按合成特性曲線運行。由于轉(zhuǎn)子的慣性，運行點由A點移到B點，此時電動機產(chǎn)生了一個與轉(zhuǎn)子原來轉(zhuǎn)動方向相反的制動力矩。在負載力矩和制動力矩的作用下使轉(zhuǎn)子迅速停止。
必須指出，普通的兩相和三相異步電動機正常情況下都是在對稱狀態(tài)下工作，不對稱運行屬于故障狀態(tài)。而交流伺服電機則可以靠不同程度的不對稱運行來達到控制目的。這是交流伺服電機在運行上與普通異步電動機的根本區(qū)別。
1.3方法實現(xiàn)及預期目標
小型高速龍門加工中心結(jié)構(gòu)精巧，以快速的自動換刀裝置彌補了常見加工中心對于小型零件加工的不足。特別適用于工業(yè)生產(chǎn)中精密小產(chǎn)品（金屬和非金屬）的批量加工和小型精密模具的制做。
為了實現(xiàn)本次課程設(shè)計的目標，首先要對龍門加工中心的進給系統(tǒng)的基本原理進行研究，提出問題。其次，提出針對問題的研究方案，并對依據(jù)龍門加工中心進給系統(tǒng)的工作原理和加工要求進行合理分析，細化設(shè)計方案。用CAD，PRO/ENGINEE軟件繪制出裝配圖，保證設(shè)計要求：1、設(shè)計的加工中心的加工范圍為1.2mX1.6m；2、設(shè)計的機床要求可以進行粗加工、半精加工和精加工。定位精度0.003mm；3、快速空行程進給速度40m/min，加工進給速度10 m/min。檢測進給部分設(shè)計的合理性，是否能夠滿足高速加工環(huán)境以及進給精度。在此基礎(chǔ)上，對龍門加工中心的進給系統(tǒng)構(gòu)造三維模型。
龍門加工中心整體布局如下圖所示
圖1.5
龍門加工中心進給系統(tǒng)如下圖所示：
圖1.6
方案簡介：
為了實現(xiàn)此次課題研究的設(shè)計要求，在本論文中將對以下幾個有關(guān)龍門加工中心的部件進行研究設(shè)計。
1、滾珠絲杠螺母副的選擇：螺母是分為單螺母和雙螺母，一般單螺母的承載負荷是沒有雙螺母大，使用周期也沒有雙螺母壽命長，在以后的保養(yǎng)和維護也沒有雙螺母方便。
所以選型要根據(jù)設(shè)備的要求，滿足做設(shè)備的條件，才是最好的，不要盲目追求高精度，高負荷的絲桿，會對機器的成本增加很多，絲桿的一個級別價格就會相差好多。
2、滾珠絲杠螺母副軸向間隙的調(diào)整與預緊：
為了提高滾珠絲杠螺母副的傳動精度和軸向剛度，安裝時需要消除絲杠與螺母之間的傳動間隙，并對絲杠——螺母進行預緊。但落幕的絲杠，在出廠前通常采用過盈滾珠預緊火變導程自預緊，絲杠與螺母之間幾乎沒有間隙，用戶使用時不必考慮。對于雙螺母的絲杠副，墊片調(diào)整預緊和螺紋調(diào)整預緊兩種方式。
圖1.7 雙螺母墊片調(diào)整法
圖1.8雙螺母螺紋調(diào)整法
圖1.9鎖緊螺母調(diào)整法
3、滾珠絲杠螺母副的支撐形式：
雙推——自由式，剛度、臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性低。設(shè)計時盡量使絲杠受拉力。適用于較短及垂直安裝的絲杠。
雙推——簡支式，臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性高。絲杠有熱膨脹的余地。適用于較長的、臥式安裝的絲杠。
單推——單推式，可根據(jù)預計溫升產(chǎn)生的熱膨脹量進行預拉伸。
雙推——雙推式，絲杠的軸向剛度高。絲杠一般不會受壓，無壓桿穩(wěn)定性問題。可用預拉伸減小因絲杠自重引起的下垂。適用于對剛度和位移精度要求高的場合。
4、交流伺服電機的選擇： 目前,交流伺服系統(tǒng)廣泛應用于數(shù)控機床,機器人等領(lǐng)域,在這些要求高精度,高動態(tài)性能以及小體積的場合,應用交流伺服系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢。 交流伺服電機具有較高的動態(tài)性能、高可靠性及非常低的維護要求,以其堅固耐用、經(jīng)濟性能好等優(yōu)點越來越廣泛地應用于數(shù)控龍門加工中心的進給系統(tǒng)。 交流伺服電機的動力學參數(shù)分析及選型,與進給機構(gòu)正常、可靠運行及制造成本密切相關(guān)。
選擇電機主要應考慮滿足轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的要求,其中負載慣量的計算涉及因素比較復雜。
交流伺服電機的優(yōu)點，在這里將步進電機與交流伺服電機作比較:
一、控制精度不同，兩相混合式步進電機步距角一般為3.6°、?1.8°，五相混合式步進電機步距角一般為0.72?°、0.36°。也有一些高性能的步進電機步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機床的步進電機，其步距角為0.09°；德國百格拉公司（BERGER?LAHR）生產(chǎn)的三相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進電機的步距角。?交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機為例，對于帶標準2500線編碼器的電機而言，由于驅(qū)動器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當量為360°/10000=0.036°。對于帶17位編碼器的電機而言，驅(qū)動器每接收217=131072個脈沖電機轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當量的1/655。?
二、低頻特性不同，步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負載情況和驅(qū)動器性能有關(guān)，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機器的正常運轉(zhuǎn)非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電機上加阻尼器，或驅(qū)動器上采用細分技術(shù)等。交流伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便于系統(tǒng)調(diào)整。
三、矩頻特性不同，步進電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。
四、過載能力不同，?步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象。
五、運行性能不同，步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應處理好升、降速問題。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。
六、速度響應性能不同，步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下MSMA?400W交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。
綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電機。
5、進給精度的保證：隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展, 機械制造業(yè)面臨著高速度、高精度等新的挑戰(zhàn), 高速進給系統(tǒng)成為高速高精度數(shù)控車床的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。由于進給系統(tǒng)剛度低、慣量大, 難以獲得高進給速度和高加速度, 同時還產(chǎn)生較大的失動量, 使傳動誤差增大, 影響機床加工精度; 由于各傳動部件之間存在間隙、摩擦、彈性變形, 以及電動機運行誤差等因素引起的失動量, 導致執(zhí)行部件滯后或引發(fā)振蕩[1 ,2 ] 。為了提高高速高精度數(shù)控車床的定位精度和傳動精度, 除了正確設(shè)計、選擇進給系統(tǒng)部件, 精確計算其強度、穩(wěn)定性和驅(qū)動力矩外, 還要對進給系統(tǒng)的剛度進行合理設(shè)計, 減少因剛度引起的失動量, 以確保加工定位精度。
6、 直線滾動導軌副的選擇：
直線滾動導軌副具有摩擦因數(shù)小、不易爬行、便于安裝和預緊、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，廣泛應用于精密機床、數(shù)控機床和測量儀器等。其缺點是抗震性較差、成本較高。
直線滾動導軌副由導軌和滑塊兩部分組成，一般滑塊中裝有兩組滾珠，當滾珠從工作軌道滾到滑塊端部時，會經(jīng)端面擋板和滑塊中的返回軌道返回。在導軌和滑塊之間的滾道內(nèi)循環(huán)滾動。
裝配時經(jīng)常將兩根導軌固定在支撐件上，每根導軌上一般有兩個滑塊，滑塊固定在移動件上。若移動件較長，可在一根導軌上安裝兩個以上的滑塊；若移動件較寬，可選可選用兩根以上的導軌。兩根導軌中，一根為基準導軌，另一根為從動導軌，基準導軌上有基準面A其上滑塊有基準面B。安裝時先固定基準導軌，之后以基準導軌校正從動導軌，達到裝配要求時再緊固從動導軌。
產(chǎn)品選型，從產(chǎn)品樣本中選定導軌型號后，可根據(jù)給定的額定動載荷計算出導軌副的距離額定壽命和小時額定壽命。常見的球?qū)к壍木嚯x期望壽命為50km，滾子導軌為100km。若所得結(jié)果大于導軌的預期壽命，則初選的型號滿足設(shè)計要求。當然，也可先給出導軌副的期望壽命，再反推出額定動載荷，據(jù)此選擇合適的型號。
當滾動導軌的工作速度較低、靜載荷較大時，選型時還應考慮相應的額定靜載荷不小于工作靜載荷的兩倍。
1.4本章小結(jié)
通過對市場上龍門加工中心的研究，和龍門加工中心進給系統(tǒng)中各部件的研究，結(jié)合以上的說明，得出龍門加工中心的設(shè)計方案。龍門加工中心的進給系統(tǒng)由滾珠絲杠螺母副，交流伺服電機，聯(lián)軸器，滾動軸承以及直線滾動導軌副組成。在后面的章節(jié)中，對龍門加工中心進給系統(tǒng)中的各部件進行具體的選型與計算。
第二章 龍門加工中心進給系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計
2.1切削力的分析與計算
2.1.1設(shè)計參數(shù)
銑刀要求：
（1） 高速鋼圓柱銑刀
（2） 銑刀直徑 16mm
（3） 銑削深度 10mm
（4） 銑削寬度 0.3mm
（5） 進給量 4m/min
（6） 切削速度 6000r/min
2.1.2銑削力計算中的參數(shù)
本次設(shè)計的龍門加工中心，采用的是五軸聯(lián)動銑頭，按銑削力及銑削功率的分析與計算，參照資料《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》及《金屬切削原理與刀具》。
銑削用量、進給運動參數(shù)如下：
(1)—銑削力系數(shù)；在使用圓柱銑刀加工碳素鋼時,取669
(2)—銑削接觸弧深；側(cè)吃刀量,在平行于工作平面垂直于切削刃基點的進給運動方向上側(cè)吃刀量。圓柱銑刀銑削時，為切削層深度。
(3)—每齒進給量；
(4)—銑刀直徑；
(5)—銑削深度；背吃刀量，在通過切削刃基點并垂直于工作平面的方向上測量的吃刀量，圓柱銑刀銑削時，為被加工表面的寬度。
(6)Z—銑刀齒數(shù)[
致謝
在我完成畢業(yè)設(shè)計的這段時間里，我首先要感謝我的指導老師康輝民，是老師的指導細心指導加上認真負責才能使我完成這次的設(shè)計。在我的學業(yè)和論文的研究工作中無不傾注著老師們辛勤的汗水和心血。老師的嚴謹治學態(tài)度、淵博的知識、無私的奉獻精神使我深受啟迪。從尊敬的導師身上，我不僅學到了扎實、寬廣的專業(yè)知識，也學到了做人的道理。在此我要向我的導師致以最衷心的感謝和深深的敬意。
我不會忘記這難忘的幾個月的時間。畢業(yè)論文的制作給了我難忘的回憶。在我徜徉書海查找資料的日子里，面對無數(shù)書本的羅列，最難忘的是每次找到資料時的激動和興奮；親手設(shè)計進給系統(tǒng)的時間里，記憶最深的是每一步小小思路實現(xiàn)時那幸福的心情；為了論文我曾趕稿到深夜，但看著親手打出的一字一句，心里滿滿的只有喜悅毫無疲憊。這段旅程看似荊棘密布，實則蘊藏著無盡的寶藏。我從資料的收集中，掌握了很多進給系統(tǒng)、高速切削的知識，讓我對我所學過的知識有所鞏固和提高，并且讓我對當今數(shù)控加工中心、高速切削技術(shù)的最新發(fā)展技術(shù)有所了解。在整個過程中，我學到了新知識，增長了見識。在今后的日子里，我仍然要不斷地充實自己，爭取在所學領(lǐng)域有所作為。
腳踏實地，認真嚴謹，實事求是的學習態(tài)度，不怕困難、堅持不懈、吃苦耐勞的精神是我在這次設(shè)計中最大的收益。我想這是一次意志的磨練，是對我實際能力的一次提升，也會對我未來的學習和工作有很大的幫助。
在這次畢業(yè)設(shè)計中也使我們的同學關(guān)系更進一步了，同學之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量，聽聽不同的看法對我們更好的理解知識，所以在這里非常感謝幫助我的同學。
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(7)—銑刀前角；
(8)—主偏角；
(9)—刃傾角；
(10)—銑刀后角；
(11)—副偏角；
(12)—銑刀螺旋角。
2.1.3銑削力公式及計算
切削力公式如下：
按設(shè)計參數(shù)與要求：
高速鋼圓柱銑刀，銑刀直徑：16mm，銑削深度：1mm，銑削寬度：0.3mm，進給量4m/min，切削速度：6000r/min。
首先計算每齒進給量：
=4m/min/6000r/min*30.2mm/z
將設(shè)計參數(shù)帶入切削力計算公式中進行計算得：
=
=580
在設(shè)計機床與夾具時，為了方便測量，通常將作用在工件上的總切削力F’（與F大小相等，方向相反），沿機床工作臺運動方向分解為三個力：
（1） 進給力 總切削力F’在縱向進給方向上的分力。
（2） 橫向進給力 總切削力F’在橫向進給方向上的分力。
（3） 垂直進給力 總切削力F’在垂直進給方向上的分力。
銑削時，各進給力和切削力具有一定的比例關(guān)系，如下表所示，如果求出了，便可計算出，，三個分力。
銑刀總切削力的大小為：
表2.1
銑削條件
比值
對稱銑削
不對稱銑削
逆銑
順銑
圓柱銑削
/
1.0~1.20
0.8~0.9
/
0.2~0.3
0.75~0.8
/
0.35~0.4
0.35~0.4
進給力=493
橫向進給力=435
垂直進給力=232
銑削功率:
進給運動也消耗一些功率，一般情況下，，所以總的切削功率
圖2.1
2.2滾珠絲杠螺母副的計算與選型
作為傳動滑動絲杠的進一步延伸發(fā)展, 滾珠絲杠由于其高效率、溫升少、高精度、高速度、高剛性、可逆性、長壽命、低能耗、同步性、高靈敏度、無間隙、維護簡單等優(yōu)點而在當代數(shù)控機床進給伺服機構(gòu)中得到廣泛應用, 為了滿足數(shù)控機床高進給速度、高定位精度、高平穩(wěn)性和快速響應的要求, 必須合理選擇滾珠絲杠副, 并進行必要的校核計算。
滾珠絲杠的選擇包括其精度選擇、尺寸規(guī)格(包括導程與公程直徑) 、支承方式等幾個方面的內(nèi)容。滾珠絲杠副的承載能力用額定動載荷或額定靜載荷來表示, 在加工中心的設(shè)計中一般按額定動載荷來確定滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格, 對細長而又承受壓縮載荷的滾珠絲杠作壓桿穩(wěn)定性核算; 對轉(zhuǎn)速高, 支承距離大的滾珠絲杠副作臨界轉(zhuǎn)速校核; 對精度要求高的滾珠絲杠作剛度校核; 對數(shù)控機床, 需核算其轉(zhuǎn)動慣量; 對全閉環(huán)系統(tǒng), 需核算其諧振頻率。
2.2.1滾珠絲杠的主要尺寸參數(shù)：
公稱直徑，用于標注的尺寸值（無公差）。
（1） 節(jié)圓直徑，滾珠絲杠與滾珠螺母體及滾珠絲杠位于理論接觸點時，滾珠球心包絡的圓柱直徑。節(jié)圓直徑通常與滾珠絲杠的公稱直徑相等。
（2） 導程，滾珠螺母相對滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)2弧度時的行程（無公差）。
（3） 公稱導程，通常用作尺寸標識的導程值。
（4） 行程，轉(zhuǎn)動滾珠絲杠或滾珠螺母時，滾珠絲杠或滾珠螺母的軸向位移量。
（5） 有效行程，有指定精度要求的行程部分（即行程加上滾珠螺母體的長度）。
此外，還有絲杠螺紋外徑，絲杠螺紋底徑，螺母體外徑，螺母體螺紋底徑，螺母體螺紋內(nèi)經(jīng)，滾珠直徑，絲杠螺紋全長等。標注如下圖所示。
圖2.2
2.2.2龍門加工中心X方向進給的滾珠絲杠螺母副的選型
1、 計算進給牽引力（N）
工作臺重量800kg,工件與夾具最大重量為600kg。
=1.15*493+0.004(435+13720)
=623.57
其中：k 考慮顛覆力矩的影響，k=1.15
滾動導軌摩擦系數(shù)，=0.003~0.005
=0.004
工作臺及夾具部件重量，工作臺重量為800kg，夾具總重量為600kg。
=（800+600）*9.8=14155N
2、絲杠導程的確定
絲杠導程的選擇一般根據(jù)設(shè)計目標快速進給的最高速度為、伺服電機的最高轉(zhuǎn)速 及電機與絲杠的傳動比 i來確定, 基本絲杠導程應滿足下式為:
其中： 快速進給速度，按機床設(shè)計要求：=40m/min。
電機與絲杠的傳動比，由于本次設(shè)計中采用伺服電機與滾珠絲杠直接連接，故電機與絲杠的傳動比=1。
伺服電機的最高轉(zhuǎn)速，=5000r/min。
所以，上式中，8
取=10進行計算。
3、精度選擇
滾珠絲杠的精度直接影響數(shù)控機床的定位精度,在滾珠絲杠精度參數(shù)中, 其導程誤差對床定位精度影響最明顯。一般在初步設(shè)計時設(shè)定絲杠的任意300mm行程變動量應小于目標設(shè)定位的定位精300p度值的 1/3～1/2, 在最后精度驗算中確定。
根據(jù)GB/T 17587.3—1998標準，滾珠絲杠副的精度等級被分為1、2、3、4、5、7、10七個等級，其中，最高精度為1，最低精度為10。
4、最大動載荷的計算
最大動載荷的計算公式如下：
其中： 滾珠絲杠副的壽命，單位為r。=60nT/(其中，T為使用壽命，普通機械取T=5000~10000h，數(shù)控機床一般機電設(shè)備取T=15000h；n為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。)
在本次設(shè)計中，=2700
載荷系數(shù)，由下表查得：=1.5
運轉(zhuǎn)狀態(tài)
平穩(wěn)或輕度沖擊
1.0~1.2
中等沖擊
1.2~1.5
較大沖擊或震動
1.5~2.5
表2-2
硬度系數(shù)，58HRC時，取1.0；等于55HRC時，取1.11；等于52.5HRC時，取1.35；等于50HRC時，取1.56；等于45HRC時，取2.40。）
在本次設(shè)計中=1.0
滾珠絲桿副的最大工作載荷，單位為N。
將所選參數(shù)帶入式中，得：
=13025N
5、規(guī)格型號的選擇
初選滾珠絲杠副的規(guī)格時，應使其額定動載荷。
當滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速狀態(tài)下（n10r/min）長時間承受工作載荷時，還應使其額定靜載荷。
通過上述計算以及對滾珠絲杠副規(guī)格型號選擇的描述，在本次設(shè)計中，額定動載荷13025N，而額定靜載荷18000N。
根據(jù)額定動載荷和額定靜載荷，可從表中選擇滾珠絲桿副的規(guī)格型號和有關(guān)參數(shù)。公稱直徑和導程應盡量選擇優(yōu)先組合，同時還要滿足控制系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)對導程的要求。
通過上述計算中得出的結(jié)論，滾珠絲杠螺母副導程=10，查表選擇CDM5010-3
其滾珠絲杠參數(shù)為：
公稱直徑， =50mm
基本導程， =10mm
絲杠外徑， =49mm
絲杠底徑， =43.14mm
循環(huán)圈數(shù)， n =3
剛度，=960
其螺母安裝尺寸為（mm）：
D=140，L=171，B=18，D1=95，D4=118，h=11，油杯孔M8*1，
=11，=18。
滾珠絲杠螺母副尺寸標注如下圖所示：
圖2.3
圖2.4
2.2.3龍門加工中心Y方向進給滾珠絲杠螺母副的選型與計算
1、計算進給牽引力（N）
十字滑座，主軸箱以及主軸上各部件共重1600kg。
=1.15*232+0.004(435+15680)
=331.26
其中：k 考慮顛覆力矩的影響，k=1.15
滾動導軌摩擦系數(shù)， =0.003~0.005
=0.004
工作臺及夾具部件重量，工作臺重量為800kg，夾具總重量為600kg。
=（1600）*9.8=15680N
2、絲杠導程的確定
絲杠導程的選擇一般根據(jù)設(shè)計目標快速進給的最高速度為、伺服電機的最高轉(zhuǎn)速 及電機與絲杠的傳動比 i來確定, 基本絲杠導程應滿足下式為:
其中： 快速進給速度，按機床設(shè)計要求：=40m/min。
電機與絲杠的傳動比，由于本次設(shè)計中采用伺服電機與滾珠絲杠直接連接，故電機與絲杠的傳動比=1。
伺服電機的最高轉(zhuǎn)速，=5000r/min。
所以，上式中，8
取=8進行計算。
3、精度選擇
滾珠絲杠的精度直接影響數(shù)控機床的定位精度,在滾珠絲杠精度參數(shù)中, 其導程誤差對床定位精度影響最明顯。一般在初步設(shè)計時設(shè)定絲杠的任意300mm行程變動量應小于目標設(shè)定位的定位精300p度值的 1/3～1/2, 在最后精度驗算中確定。
根據(jù)GB/T 17587.3—1998標準，滾珠絲杠副的精度等級被分為1、2、3、4、5、7、10七個等級，其中，最高精度為1，最低精度為10。
4、最大動載荷的計算
最大動載荷的計算公式如下：
其中： 滾珠絲杠副的壽命，單位為r。=60nT/(其中，T為使用壽命，普通機械取T=5000~10000h，數(shù)控機床一般機電設(shè)備取T=15000h；n為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。)
在本次設(shè)計中，=2700
載荷系數(shù)，由下表查得：=1.5
運轉(zhuǎn)狀態(tài)
平穩(wěn)或輕度沖擊
1.0~1.2
中等沖擊
1.2~1.5
較大沖擊或震動
1.5~2.5
表2.3
硬度系數(shù)，58HRC時，取1.0；等于55HRC時，取1.11；等于52.5HRC時，取1.35；等于50HRC時，取1.56；等于45HRC時，取2.40。）
在本次設(shè)計中=1.0
滾珠絲桿副的最大工作載荷，單位為N。
將所選參數(shù)帶入式中，得：
=6919N
5、規(guī)格型號的選擇
初選滾珠絲杠副的規(guī)格時，應使其額定動載荷。
當滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速狀態(tài)下（n10r/min）長時間承受工作載荷時，還應使其額定靜載荷。
通過上述計算以及對滾珠絲杠副規(guī)格型號選擇的描述，在本次設(shè)計中，額定動載荷6919N。
根據(jù)額定動載荷和額定靜載荷，可從表中選擇滾珠絲桿副的規(guī)格型號和有關(guān)參數(shù)。公稱直徑和導程應盡量選擇優(yōu)先組合，同時還要滿足控制系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)對導程的要求。
根據(jù)