1878_MJ—50型數(shù)控車床進給傳動系統(tǒng)設(shè)計

1878_MJ—50型數(shù)控車床進給傳動系統(tǒng)設(shè)計,_mj,50,數(shù)控車床,進給,傳動系統(tǒng),設(shè)計 單位代碼 0 2 學(xué) 號 080105630 分 類 號 TH6 密 級 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書MJ—50 型數(shù)控車床進給傳動系統(tǒng)設(shè)計院 （ 系 ） 名 稱 工 學(xué) 院 機 械 系專 業(yè) 名 稱 機 械 設(shè) 計 制 造 及 其 自 動 化學(xué) 生 姓 名 董 杰指 導(dǎo) 教 師 閆 存 富2012 年 5 月 15 日黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 I 頁MJ—50 型數(shù)控車床進給傳動系統(tǒng)設(shè)計摘 要伺服進給系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組成部分，對機床整體性能有著決定性的影響。越來越多的研究人員在進給伺服系統(tǒng)的研究中投入大量精力。研究設(shè)計進給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并進行誤差計算和精度分析，有利于深入了解進給系統(tǒng)的原理和設(shè)計方法，進而探求可能的優(yōu)化設(shè)計。本次設(shè)計了以滾珠絲杠為核心元件的 MJ-50 數(shù)控車床工作臺進給傳動系統(tǒng)。MJ-50 數(shù)控車床進給傳動系統(tǒng)主要由電動機、滾珠絲杠、工作臺、聯(lián)軸器、導(dǎo)軌組成。通過對數(shù)控車床進給傳動系統(tǒng)的設(shè)計理論，首先進行了伺服進給傳動系統(tǒng)的總體方案設(shè)計以及機床精度的選擇；其次是沿 Z 軸（縱向）進給和沿 X 軸（橫向）進給傳動系統(tǒng)設(shè)計的滾珠絲杠的計算與選擇、滾珠絲杠支承軸承的選擇、通過計算選擇進給傳動系統(tǒng)的其他相關(guān)元器件、對傳動系統(tǒng)的剛度、慣量匹配等進行了校核驗算；再次通過計算來選擇進給傳動系統(tǒng)的伺服電動機以及聯(lián)軸器，最后進行導(dǎo)軌的選擇。證明計算得出的結(jié)果較好得滿足了提出的設(shè)計要求，利用 Auto CAD 軟件繪制了相關(guān)的裝配圖。關(guān)鍵詞：數(shù)控車床, 進給伺服系統(tǒng), 滾珠絲杠黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 （ 論 文 ） 第 II 頁The Design drives System of CNC LathesAuthor: Dong Jie Tutor: Yan Cunfu AbstractServo system is an important part of NC machine tools, having adecisive influence on the overall performance of machine tool. More and more researchers devote a great deal of energy in the study of servo system. Studying on design of feeding system structure, error calculation and precision analysis are helpful for understanding the feed system principle and design method, then exploring possible optimization design.This design of a ball screw pair for the MJ-50 CNC lathe cross slide table of the core components of the feed drive system. MJ-50 CNC lathe feed drive system motors, ball screws, cross table, couplings, rail. CNC lathe feed drive system design theory, the overall program design and the choice of machine precision servo feed drive system; followed along the Z axis (vertical) to feed along the X axis (horizontal) feed drive calculation and selection of the system design of the ball screw nut, ball screw support bearings choice, selected by calculating the other components of the feed drive system, the stiffness of the drive system inertia matching checking checking; again calculation to select the feed drive system, servo motor coupling, the final choice of rail. Better prove that the calculated results must meet the requirements of the proposed design. Using the Auto CAD software rendering the related parts graph and assembly drawing. paper .Key words: CNC lathes, Servo System, Ball screw pair黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 （ 論 文 ） 第 III 頁目 錄1 緒論 ..................................................................................................................................................11.1 數(shù)控機床的概念 ...................................................................................................................11.2 數(shù)控機床的組成分類及特點 ............................................................................11.2.1 數(shù)控機床的組成 ...........................................................................................................11.2.2 數(shù)控機床的分類 ...........................................................................................................11.2.3 數(shù)控機床的特點 ...........................................................................................................21.3 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展簡史及國外發(fā)展現(xiàn)狀 .........................................................................21.4 我國數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 ..................................................................................31.4.1 我國數(shù)控技術(shù)狀況 .......................................................................................................31.4.2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 .................................................................................................41.5 伺服系統(tǒng)對伺服電機的要求 ............................................................................................41.6 設(shè)計的內(nèi)容和目的 ...............................................................................................................52 進給傳動系統(tǒng)的總體設(shè)計 .......................................................................................................62.1 機床的主要性能參數(shù) ..........................................................................................................62.2 進給傳動系統(tǒng)的精度要求 .................................................................................................72.3 進給傳動伺服系統(tǒng)的選擇 .................................................................................................72.4 進給傳動系統(tǒng)的傳動要求及傳動類型的選擇 ..........................................................82.4.1 進給傳動系統(tǒng)的傳動要求 ........................................................................................82.4.2 進給傳動類型的選擇 .................................................................................................82.5 電機與絲杠聯(lián)接方式的選擇 ............................................................................................92.6 支撐形式方案選擇 ..............................................................................................................103 總體方案設(shè)計 .............................................................................................................................123.1 方案設(shè)計及總體布局 ........................................................................................................123.2 主切削力的計算 ..................................................................................................................124 橫向進給傳動系統(tǒng)設(shè)計 .........................................................................................................15黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 （ 論 文 ） 第 IV 頁4.1 已知技術(shù)參數(shù) ......................................................................................................................154.2 X 軸滾珠絲杠的計算及選擇 ........................................................................................154.3 滾珠絲杠支承軸承的選擇 .............................................................................................194.4 X 軸滾珠絲杠的校核 .......................................................................................................204.4.1 臨界壓縮負(fù)荷 .............................................................................................................204.4.2 臨界轉(zhuǎn)速 .......................................................................................................................214.4.3 滾珠絲杠拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率 ....................................................224.4.4 滾珠絲杠扭轉(zhuǎn)剛度 ....................................................................................................234.4.5 滾珠絲杠傳動精度計算 ..........................................................................................244.5 X 軸滾珠絲杠進給傳動系統(tǒng)變形計算 .......................................................................254.5.1 滾珠絲杠精度計算 ....................................................................................................254.6 X 軸進給伺服電機的選擇計算 ....................................................................................284.6.1 X 軸進給伺服電機的校核 ......................................................................................304.7 聯(lián)軸器的選擇 .....................................................................................................................315 縱向進給傳動系統(tǒng)設(shè)計 .........................................................................................................325.1 已知技術(shù)參數(shù) ......................................................................................................................325.2 Z 軸滾珠絲杠的計算及選擇 ..........................................................................................325.3 Z 軸滾珠絲杠支承軸承的選擇 .....................................................................................345.4 Z 軸滾珠絲杠的校核 ........................................................................................................355.4.1 臨界壓縮負(fù)荷 ...........................................................................................355.4.2 臨界轉(zhuǎn)速 .......................................................................................................................355.4.3 滾珠絲杠拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率 ....................................................355.4.4 滾珠絲杠扭轉(zhuǎn)剛度 ....................................................................................................365.4.5 滾珠絲杠傳動精度計算 ...........................................................................................375.5 Z 軸滾珠絲杠進給傳動系統(tǒng)變形計算 .......................................................................375.5.1 Z 軸精度計算 ..............................................................................................................385.6 Z 軸進給伺服電機的選擇與計算 ................................................................................385.6.1 伺服電機的校核 .........................................................................................................40黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 （ 論 文 ） 第 V 頁5.7 聯(lián)軸器的選擇 ......................................................................................................................416 床身及導(dǎo)軌的選擇 ...................................................................................................................426.1 床身的選擇 ..........................................................................................................................426.2 導(dǎo)軌的選擇 ..........................................................................................................................43結(jié) 論 .............................................................................................................................................46致 謝 .............................................................................................................................................47參考文獻 .............................................................................................................................................48、黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 1 頁1 緒論1.1 數(shù)控機床的概念數(shù)控機床是綜合應(yīng)用計算機、自動控制、自動檢測及精密機械等高新技術(shù)的產(chǎn)物，是技術(shù)密集度及自動化程度很高的典型機電一體化加工設(shè)備。1.2 數(shù)控機床的組成分類及特點1.2.1 數(shù)控機床的組成數(shù)控機床一般由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機床本體組成。1、控制介質(zhì)：以指令的形式記載各種加工信息；2、數(shù)控裝置：接受輸入的加工信息，經(jīng)數(shù)控裝置運算處理，向伺服系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的脈沖；3、伺服系統(tǒng)：把數(shù)控裝置的脈沖信號轉(zhuǎn)換成機床運動部件的機械位移；用于實現(xiàn)數(shù)控機床的進給伺服控制和主軸伺服控制。4、機床本體：包括，主軸部分、進給系統(tǒng)、刀庫和自動換刀裝置(ATC)、自動托盤交換裝置(APC)等。1.2.2 數(shù)控機床的分類數(shù)控機床的品種和規(guī)格繁多，分類方法不一。根據(jù)不完全統(tǒng)計，目前已有近500 種數(shù)控機床。根據(jù)數(shù)控機床的功能和組成，一般分為以下幾類： 按坐標(biāo)軸數(shù)分類：一般數(shù)控機床，數(shù)控加工中心機床，多坐標(biāo)軸數(shù)控機床；按特點分類：點位控制數(shù)控機床，直線控制數(shù)控機床，輪廓控制數(shù)控機床；黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 2 頁按有無測量裝置分類：開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)；按功能水平分類：經(jīng)濟型，普及型，高級型。1.2.3 數(shù)控機床的特點數(shù)控機床較好地解決了復(fù)雜、精密、小批、多變的零件加工問題，是一種靈活的、高效能的自動化機床，尤其對于約占機械加工總量 80%的單件、小批量零件的加工，更顯示出其特有的靈活性。概括起來，數(shù)控機床有以下幾方面的特點：1、提高加工精度，尤其提高了同批零件加工的一致性，使產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；2、提高生產(chǎn)效率，一般約提高效率 3-5 倍，使用數(shù)控加工中心機床則可提高生率 5-10倍；3、可加工形狀復(fù)雜的零件；4、減輕了勞動強度，改善了勞動條件；5、有利于生產(chǎn)管理和機械加工綜合自動化的發(fā)展。1.3 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展簡史及國外發(fā)展現(xiàn)狀1949 年美國帕森公司首先提出了機床數(shù)字控制的概念。1952 年第一代數(shù)控系統(tǒng)——電子管數(shù)控系統(tǒng)的誕生。20 世紀(jì) 50 年代末，完全由固定布線的晶休管元器件電路所組成的第二代數(shù)控系統(tǒng)——晶體管數(shù)控系統(tǒng)被研制成功，取代了昂貴的、易壞的、難以推廣的電子管控制裝置。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，1965 年出現(xiàn)了第三代數(shù)控系統(tǒng)——集成電路數(shù)控系統(tǒng)。1970 年，在美國芝加哥國際機床展覽會上，首次展出了第四代數(shù)控系統(tǒng)——小型計算機數(shù)控系統(tǒng)，然后，隨著微型計算機以其無法比擬的性能價格比滲透各個行業(yè)，1974 年，第五代數(shù)控系統(tǒng)——微型計算機數(shù)控系統(tǒng)也出現(xiàn)了。應(yīng)用一個或多個計算機作為數(shù)控系統(tǒng)的核心組件的數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)稱為計算機數(shù)控系統(tǒng)(CNC) 。綜上所述，由于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)也隨著不斷更新，發(fā)展非常迅速，幾乎 5 年左右時間就更新?lián)Q代一次 [1]。數(shù)控機床是先進制造業(yè)的基礎(chǔ)機械，是最典型的多品種、小批量、高科技含量的機電一體化產(chǎn)品。歐、美、日等工業(yè)化國家已先后完成了數(shù)控機床產(chǎn)品進程，1990 年日本機床產(chǎn)值數(shù)控化率達 75％，美國達 70．1％，德國達 57％。目前世界數(shù)控機床年黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 3 頁產(chǎn)量超過 15 萬臺，品種超過 1500 多種 [2]。1.4 我國數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢1.4.1 我國數(shù)控技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r目前，我國數(shù)控系統(tǒng)正處在由研究開發(fā)階段向推廣應(yīng)用階段過渡的關(guān)鍵時期，也是由封閉型向開放型過渡的時期。我國數(shù)控系統(tǒng)在技術(shù)上已趨于成熟，在重大關(guān)鍵技術(shù)(包括核心技術(shù))，已達到國際先進水平。自“ 七五” 以來，國家一直把數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展作為重中之重來支持，現(xiàn)已開發(fā)出具有中國版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)，掌握了國外一直對我國封鎖的一些關(guān)鍵技術(shù)。例如，曾長期困擾我國、并受到西方國家封鎖的多坐標(biāo)聯(lián)動技術(shù)對我們已不再是難題，當(dāng)量的超精密數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控仿型系統(tǒng)、非圓齒輪加工系統(tǒng)、高速進給數(shù)控系m?1.0統(tǒng)、實時多任務(wù)操作系統(tǒng)都已研制成功。尤其是基于 PC 機的開放式智能化數(shù)控系統(tǒng)，可實施多軸控制，具備聯(lián)網(wǎng)進線等功能既可作為獨立產(chǎn)品，又是一代開放式的開發(fā)平臺，為機床廠及軟件開發(fā)商二次開發(fā)創(chuàng)造了條件。特別重要的是，我國數(shù)控系統(tǒng)的可靠性已有很大提高，MPBF 值可以在 15000h 以上。同時大部分?jǐn)?shù)控機床配套產(chǎn)品已能國內(nèi)生產(chǎn)，自我配套率超過 60%。這些成功為中國數(shù)控系統(tǒng)的自行開發(fā)和生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ) [1]。我國進行改革開放后，由于政策的開放，使得金屬切削行業(yè)得以和世界上先進的機床制造國家進行技術(shù)交流，并通過引進技術(shù)，到 80 年代初，國產(chǎn)數(shù)控機床進入實用化階段，1991 年數(shù)控機床的產(chǎn)值數(shù)控化率為 14．3％，到 1997 年數(shù)控機床產(chǎn)值數(shù)控化率為 24．5％。目前，我國數(shù)控機床(包括經(jīng)濟型機床)品種約有 500 個。 但是，與國外數(shù)控車床相比，在性能、質(zhì)量、 設(shè)計、制造等各方面存在較大差異，并存在許多不足：機械件的材質(zhì)、加工精度、加工工藝存在較大差距，裝配工藝也存在一定差距；主軸及卡盤剛性差，主軸定位準(zhǔn)停不好；安全性較差，軟硬件保護功能不夠；刀片磨損快，生產(chǎn)成本高，效率低；硬件設(shè)計方面不規(guī)范，不符合國標(biāo)，有的機床廠家甚至仍然停留在十年二十年前的設(shè)計思想；程序設(shè)計方面缺乏標(biāo)準(zhǔn)，不規(guī)范，邏輯性不強，故障率高，在使用過程中需不斷對程序進行修改；外圍元件布置及走線黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 4 頁不規(guī)范，標(biāo)牌線號不清，圖紙與實物不符，維修困難；使用的元器件本身質(zhì)量差，使用壽命短，故障率高，有的機床廠家為了降成本卻忘記了質(zhì)量、忘記了可靠性，選用一些國產(chǎn)的軸承、接觸器、繼電器、接近開關(guān)等元件，在生產(chǎn)過程中小故障連綿不斷；柔性化不強，多品種生產(chǎn)困難。而國外數(shù)控車床無論是設(shè)計水平，還是制造水平，都要高出國內(nèi)數(shù)控車床。機械件材質(zhì)、加工精度、加工工藝、裝配工藝比較好；軟硬件設(shè)計有專門的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計規(guī)范合理，配套件齊全，標(biāo)牌標(biāo)示清楚齊全；使用的元器件質(zhì)量好，故障率低；新技術(shù)的應(yīng)用及時領(lǐng)先；概括來說，精度及可靠性高、性能穩(wěn)定故障率低 [3] 。1.4.2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)性能日臻完善，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大。為了滿足社會經(jīng)濟發(fā)展和科技發(fā)展的需要，數(shù)控系統(tǒng)正朝著高精度、高速度、高可靠性、多功能、智能化及開放性等方向發(fā)展。1.5 數(shù)控系統(tǒng)對伺服電機的要求1 、從最低速到最高速電機都能平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動要小，尤其在低速如 0.1r /min 或更低速時，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。2、電機應(yīng)具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。3、為了滿足快速響應(yīng)的要求，電機應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時間常數(shù)和啟動電壓。電機應(yīng)具有耐受 4000rad/s2 以上的角加速度的能力，才能保證電機可在 0.2s 以內(nèi)從靜止啟動到額定轉(zhuǎn)速。4、電機應(yīng)能隨頻繁啟動、制動和反轉(zhuǎn)。隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和伺服控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控車床的伺服系統(tǒng)已開始采用高速、高精度的全數(shù)字伺服系統(tǒng)。使伺服控制技術(shù)從模擬方式、混合方式走向全數(shù)字方式。由位置、速度和電流構(gòu)成的三環(huán)反饋全部數(shù)字化、軟件處理數(shù)字 PID，使用靈活，柔性好。數(shù)字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術(shù)和改進伺服性能的措施，使控制精度和品質(zhì)大大提高 [4]。 黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 5 頁1.6 設(shè)計的內(nèi)容和目的本次設(shè)計的內(nèi)容是機床總體方案設(shè)計縱向及橫向伺服進給機構(gòu)的理論計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計及繪制裝配圖、數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計及外文資料文獻翻譯，并撰寫畢業(yè)設(shè)計論文。設(shè)計的目的是培養(yǎng)綜合運用基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識，解決工程實際問題的能力，提高綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，受到本專業(yè)工程技術(shù)和科學(xué)研究工作的基本訓(xùn)練，使工程繪圖、數(shù)據(jù)處理、外文文獻閱讀、使用手冊等基本技能得到訓(xùn)練和提高，培養(yǎng)正確的設(shè)計思想、嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度，加強團隊合作精神。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 6 頁2 進給傳動系統(tǒng)的總體設(shè)計2.1 機床的主要性能參數(shù)本設(shè)計對數(shù)控車床的進給系統(tǒng)進行了設(shè)計，該數(shù)控車床具有剛度高、排屑功能流暢、運轉(zhuǎn)噪音低、傳動效率高、精度保持性好、有效壽命長等優(yōu)點。車床的進給伺服系統(tǒng)采用交流伺服電機驅(qū)動，選用精密數(shù)控系統(tǒng)，并合理選用高精度元器件，保證了伺服系統(tǒng)達到要求的精度、重復(fù)定位精度，并使其具有高剛度和良好的穩(wěn)定性。車床的主要技術(shù)參數(shù)如表 2.1 所示。表 2.1 車床主要技術(shù)參數(shù)序 號 項 目 子 項 目 單 位 參 數(shù) 值工件最大回轉(zhuǎn)直徑 mm 500?最大車削長度 mm 650(頂尖距)1加工范圍最大車削直徑 mm 310主軸通孔直徑 mm 80?主軸轉(zhuǎn)速范圍 r.p.m 35~3500主軸恒功率范圍 r.p.m 437~3500主軸恒扭矩范圍 r.p.m 35~4372 主軸主軸電機功率 kw 11/15(連續(xù)、30min)傾斜角度 度 45X 軸行程 mm 675Z 軸行程 mm 182X 軸快速移動速度 m/min 153 床鞍Z 軸快速移動速度 m/min 10黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 7 頁2.2 進給傳動系統(tǒng)的精度要求良好的電氣部件設(shè)計和機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，能保證進給伺服系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。本設(shè)計著重進行進給伺服系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳動設(shè)計。本次設(shè)計的進給系統(tǒng)采用滾珠絲杠螺母副傳動，Z、X 兩軸聯(lián)動，單軸具有較高的定位精度和重復(fù)定位精度。2.3 進給傳動伺服系統(tǒng)的選擇1、開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床中最簡單的伺服系統(tǒng)，開環(huán)進給伺服系統(tǒng)的精度較低，速度也受到步進電動機性能的限制。但由于其結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)整，在精度要求不太高的場合中得到較廣泛的應(yīng)用。 2、閉環(huán)控制系統(tǒng)因為開環(huán)系統(tǒng)的精度不能很好地滿足數(shù)控機床的要求，所以為了保證精度，最根本的辦法是采用閉環(huán)控制方式。閉環(huán)控制系統(tǒng)是采用直線型位置檢測裝置對數(shù)控機床工作臺位移進行直接測量并進行反饋控制的位置伺服系統(tǒng)。3、半閉環(huán)控制系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)型角度測量元件（脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應(yīng)同步器等）和伺服電動機按照反饋控制原理構(gòu)成的位置伺服系統(tǒng)，稱作半閉環(huán)控制系統(tǒng)。半閉環(huán)控制系統(tǒng)的檢測裝置有兩種安裝方式：一種是把角位移檢測裝置安裝在絲杠末端；另一種是把角位移檢測裝置安裝在電動機軸端。數(shù)控機床要求達到預(yù)定的精度要求以外，根據(jù)需求，并且考慮到經(jīng)濟的效益，還要求具有良好的穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力?；谶@些要求，本設(shè)計采用閉環(huán)控制方式，包含位置反饋環(huán)合速度反饋環(huán)閉環(huán)控制能夠較好地減小誤差，有利于提高機床性能。伺服系統(tǒng)控制原理圖如圖 2.1 所示。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 8 頁圖 2.1 進給伺服系統(tǒng)原理圖2.4 進給傳動系統(tǒng)的要求及傳動類型的選擇2.4.1 進給傳動系統(tǒng)的要求數(shù)控車床進給傳動裝置的精度、靈敏度和穩(wěn)定性，將直接影響工件的加工精度。為此，數(shù)控車床的進給傳動系統(tǒng)必須滿足:1、低慣量；2、低摩擦阻力；3、高剛度；4、高諧震；5、消除傳動間隙。 2.4.2 進給傳動系統(tǒng)類型的選擇數(shù)控車床進給傳動系統(tǒng)的基本傳動方式常用的有兩種：滾珠絲杠螺母副和靜壓絲杠螺母副。1、滾珠絲杠螺母副在數(shù)控車床上將回轉(zhuǎn)運動與直線運動相互轉(zhuǎn)換的傳動裝置一般采用滾珠絲杠螺母副。其特點是：傳動效率高，一般為 η=0.92～0.98；傳動靈敏，摩擦力小，不易產(chǎn)生爬行；使用壽命長；具有可逆性，不僅可以將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，亦可將直線運動變成旋轉(zhuǎn)運動；軸向運動精度高，施加預(yù)緊力后，可消除軸向間隙，反向時無空黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 9 頁行程；是目前中、小型數(shù)控機床的常見的傳動方式。2、靜壓絲杠螺母副其特點是：摩擦系數(shù)小；僅為 0.0005；平穩(wěn)性高；反向間隙小。但是，靜壓絲杠螺母副應(yīng)有一套供油系統(tǒng)，而且對有的清潔度要求高，如果在運動中供油忽然中斷，將造成不良后果。由以上兩種形式進行比較，根據(jù)根據(jù)設(shè)計要求，縱向進給傳動系統(tǒng)和橫向進給傳動系統(tǒng)都應(yīng)該采用滾珠絲杠螺母副的傳動方式。2.5 電機與絲杠聯(lián)接方式的選擇滾珠絲杠與電動機的聯(lián)接的型式主要有三種：1、與聯(lián)軸器直接聯(lián)接這是一種最簡單的連接型式。這種結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)點是：具有最大的扭轉(zhuǎn)剛度；傳動機構(gòu)本身無間隙；傳動精度高；而且結(jié)構(gòu)簡單、安裝、調(diào)整方便；適用于像中小型號的數(shù)控車床。聯(lián)軸器采用彈性柱銷聯(lián)軸器，它能補償因同軸度及垂直度誤差引起的“干涉”現(xiàn)象.采用這種彈性柱銷聯(lián)軸器把電動機與絲杠直接聯(lián)接，不僅可以簡化結(jié)構(gòu)，減少噪聲，而且可以消除傳動間隙，能減少中間環(huán)節(jié)帶來的傳動誤差,提高傳動剛度。2、通過齒輪聯(lián)接 這種調(diào)整方法的優(yōu)點是可以在齒輪的齒厚和周節(jié)變化的情況下,保持齒輪的無間隙嚙合。但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，軸向尺寸大、傳動剛度低、傳動平穩(wěn)性較差，一般用于精度要求低的車床中。3、通過同步齒形帶聯(lián)接 同步齒輪帶傳動具有帶傳動和鏈傳動的共同優(yōu)點,與齒輪傳動相比它結(jié)構(gòu)更簡單,制造成本更低,安裝調(diào)整更方便，并且傳動不打滑，不需要大的張緊力。 但是在同步齒形傳動設(shè)計時對材料的要求很高。在滿足車床要求的前提下，通過對比，本設(shè)計采用通過電動機與滾珠絲杠直接與黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 10 頁聯(lián)軸器聯(lián)接，這是一種簡單的聯(lián)接形式，具有大的扭轉(zhuǎn)剛度，制造成本低，傳動精度高，而且結(jié)構(gòu)簡單，安裝調(diào)整方便。2.6 支撐形式方案的選擇滾珠絲杠螺母副是一種將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動的理想傳動件，因其具有螺紋絲杠無法比擬的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，更是普通數(shù)控車床、精密車床不可或缺的零部件，兼具高效率、高精度、可逆性等特點。滾珠絲杠的支撐形式有四種：如圖 2.2 所示：（a）此種形式適用于中小載荷，低速，短絲杠垂直安裝；（b）此種形式適用于中等轉(zhuǎn)速，高速度，高精度；（c）此種形式適用于中等載荷，中等轉(zhuǎn)速；（d）此種形式適用于承載能力大，高速，高剛度，高精度的車床。（a）一端固定、一端自由 （b）兩端游動（c）一端固定、一端游動 （d）兩端固定圖 2.2 滾珠絲杠的支撐形式從剛度計算可以看出，絲杠的支撐方式對絲杠的剛度影響很大。采用兩端固定的支承方式壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速高，絲杠的軸向剛度為一端固定的 4 倍，絲杠可以預(yù)拉伸，預(yù)拉伸后可減小絲杠自重下垂和補償熱膨脹以及絲杠高速回轉(zhuǎn)時自由端的晃動。因此本設(shè)計采用兩端固定的支撐方式。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 11 頁采用兩端固定的支撐方式適用于對剛度和位移精度要求高的場合，符合本設(shè)計的設(shè)計要求。對于伺服電機，由于系統(tǒng)要求精度高，X、Z 兩軸應(yīng)該分別采用獨立電機驅(qū)動，不宜采用步進電機驅(qū)動，因此選用交流伺服電機。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 12 頁3 總體方案設(shè)計3.1 方案設(shè)計及總體布局機床結(jié)構(gòu)可以布置成臥式、立式、倒立式及斜置式等，根據(jù)設(shè)計任務(wù)——加工軸類和直徑不太大的盤、套類零件，采用臥式斜床身形式。主軸水平安裝，橫向成 45°布置。數(shù)控車床的伺服系統(tǒng)是連接數(shù)控系統(tǒng)和車床主體的重要部分。在設(shè)計中，采用螺旋傳動，計算滾珠絲杠副尺寸規(guī)格，接著進行絲杠的校核并進行精度等驗算，根據(jù)計算的扭矩選擇伺服電機。3.2 主切削力的計算切削力的大小可用各種測力儀測得，也可用實驗得出的近似公式計算：(3.1)PZXYZCtsk?(3.2)vhPZk??料(3.3)??NkgkstyvpzYXPZPZz .? 式中 ——系數(shù)。決定于工件材料和加工方法，在一定的切削條件（v、s、t 固pzC定）下， 為一常數(shù)。 大表示工件材料的加工性差； 小表示工件材料的加工zPZ pzC性好。k——總的修正系數(shù)。決定于工件材料、切削用量和刀具幾何形狀等?！謩e為工件材料、切削速度、主偏角、前角、刀具磨損限vPZhPZk??料度對 P 的修正系數(shù)。、 ——指數(shù)。一般情況下 。這說明吃刀深度對切削力的影響要比pzXYpzYX?走刀量對切削力的影響大。下表所列為的系數(shù)、指數(shù)和修正系數(shù)。這些系數(shù)在下列條件下制定：刀片材料為黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 13 頁硬質(zhì)合金，工件材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼， ， ， ，2bmkg.N75??in50??45???， ，后刀面磨損限度 ，切削時不用冷卻液，車削外圓。10?????? .1:90h 它們的系數(shù)、指數(shù)和修正系數(shù)之值也不同，可從有關(guān)手冊中查得，如表 3.1。表 3.1系 數(shù) 及 指 數(shù)工件材料 PZCPZXPZY結(jié)構(gòu)鋼 167 1．0 0．75修 正 系 數(shù)b??40 50:50 60 60 70:70 80 80 90:90 100工 件材 料=PZk料 0．84 0．90 0．95 1．0 1．04 1．09v= 50 100 200 300 400 500切 削速 度 =vPZ1．0 0．90 0．82 0．77 0．74 0．71φ= 30° 45° 60° 70° 90°主 偏角 =PZk?1．08 1．0 0．94 0．94 0．89γ= +20° +10° 0° -10° -20°前 角=PZ?0．90 1．0 1．1 1．2 1．3h= 0．9 1.2:1.5 2.0:后刀面磨損限度 =hPZk1.0 1.05切削功率是切削時在切削區(qū)內(nèi)消耗的功率。在切削速度為已知時，切削功率可用下式計算：(3.4)10260ZZvPNkw??切 削在校驗機床選用的電動機功率時應(yīng)使(3.5)??切 削 過 電 機式中 ——機床電動機名義功率（千瓦） ；N電 機黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 14 頁——機床效率（一般齒輪機床 =0.7 0.8） ；??:——電動機超載時容許的系數(shù)（一般 =1.25） [5][7]。k過 k過如表 3.1，取其中各參數(shù)的最大值進行估算取 =167， =1.0， ，PZCPZX0.75PZY?=1.09， =1.08， =1.3， =1.05， =0.9k料 k?k?hPZkvPZk取 切深 t=5mm，進給量 s=0.3mm/r則由公式(3.3) ： NkgPZ48097.505.138.90.131675.0?????(3.6):1:.2:XYF?Z而 切削功率：取切削速度為 105m/min，由公式(3.4)(3.5)得：489.510.462Nk???切 削8.407512.96k????切 削電 機 過取 1Nk??切 削黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 15 頁4 橫向進給傳動系統(tǒng)設(shè)計4.1 已知技術(shù)參數(shù)橫向最大行程（X 軸）182mm；橫向快速進給速度：10 m/min；刀架估計質(zhì)量：150kg；滑板的估計尺寸（長 寬 高）：400mm 200mm 80mm；??材料選為 HT200。4.2 X 軸滾珠絲杠的計算及選擇1、滾珠絲杠導(dǎo)程的確定在本設(shè)計中，電機和絲杠直接相連，傳動比為 ，設(shè)電機的最高工作轉(zhuǎn)速為1?i，則絲杠導(dǎo)程為：min50maxrn?(4.1)maxnvPh?，取 3.510??hp6?hP2、確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速(4.2)/minhvrP由公式(4.2),最大進給速度時絲杠的轉(zhuǎn)速： min67.103maxrPvh???最小進給速度時絲杠的轉(zhuǎn)速： in167.0mini rvh絲杠等效轉(zhuǎn)速：（取 ）12t?黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 16 頁(4.3)min21inmaxrtn??， ——轉(zhuǎn)速 ， 作用下的時間(s)。1t2axin in17.21minaxrtm???3、估計工作臺質(zhì)量及工作臺承重刀架質(zhì)量： 1509.847GN?滑板： 392410.8520N????總質(zhì)量： 2521?4、確定絲杠的等效負(fù)載工作負(fù)載是指機床工作時，實際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，它的數(shù)值可用進給牽引力的試驗公式計算。選定導(dǎo)軌為滑動導(dǎo)軌，取摩擦系數(shù)為 0.03，K 為顛覆力矩影響系數(shù)，一般取 1.1 1.5，現(xiàn)取為 1.1，則絲杠所受的力為（如圖 4.1 所示）：:圖 4.1 受力分析(4.4)max22() 21.0.3048)190XZYFKfGF???????? =NminF?黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 17 頁maxinF?其等效負(fù)載可按下式估算（取 ， ）：21t?21t1，t 2——軸向載荷 ， 作用下的時間(s)。maxFinn1，n 2——軸向載荷 ， 作用下的轉(zhuǎn)速(r/min)。i(4.5)NtnFm1396213mi3ax?????????5、確定絲杠所受的最大動載荷 (4.6)1/360fTnwhCNatk????????fw——負(fù)荷性質(zhì)系數(shù)；（查表：當(dāng)一般運轉(zhuǎn)時，f w 為 1.2 1.5，取 fw=1.5。 ）:ft——溫度系數(shù)；fh——硬度系數(shù)；（查表：滾道實際硬度≥HRC58 時，f h=1。 ）fa——精度系數(shù)；（查表：當(dāng)精度等級為 3 時，f a=1.0。 ）fk——可靠性系數(shù)；( 查表：可靠性為 90%時，f k =1.00。)Fm——等效負(fù)荷(N) ；nm——等效轉(zhuǎn)速(r/min)；Tn——工作壽命(h)。 （查表得：數(shù)控車床： Th=15000。 ）由公式(4.6) 6601508.9401hmTn????NnfFCmhwarc 3761??????6、由絲杠軸向壓力選取絲杠底徑44310???Ldaxsp（4.7）式中， —X 軸滾珠絲杠底徑，mm； —絲杠支承距離， mm；xspd.黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 18 頁—壓彎臨界載荷， N； —與絲桿支承方式有關(guān)的臨界載荷系數(shù)，見表 4.1aFm黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 19 頁表 4.1 系數(shù) 和mf支承方式 f雙推-雙推 21.9 20.3雙推-支承 15.1 10.2單推-單推 9.7 5.1雙推-自由 3.4 1.3計算 為保證強度和精度，估取 進行計算。將各項數(shù)值代入式（4.7） ，LmL40?得： 。mdxsp4.7.?7、最大轉(zhuǎn)速限制滾珠絲杠的最大轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足下式的要求：Andxsp?ma.（4.8）式中， —絲杠底徑，mm；xspd.—絲杠最大轉(zhuǎn)速，r/min；man—常取 =50000~70000.A已知絲杠最大轉(zhuǎn)速為 ，取 =70000 計算，得： 。min150maxrn?Amdxsp28.?8、選擇絲杠直徑由上述計算結(jié)果，可以得知選取的滾珠絲杠須滿足如下的式子的限制： ???oaaCmx.min. spxspdd9、選擇滾珠絲杠型號由文獻 [7,8]可知，查表選定為山東濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的外循環(huán)插管式墊片預(yù)緊導(dǎo)珠管埋入型絲杠，型號： CDM3206-3。絲杠公稱直徑為 φ32mm，基本導(dǎo)程 ，其額定動載荷 ，額定靜載荷 ，圈數(shù) 列數(shù)mph6?NCa1697?NCa45968??=3 2，絲杠螺母副的接觸剛度為 ，絲杠底徑 27.9mm，螺母長度為? umKc30108mm，取絲杠的精度為 3 級。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 20 頁4.3 滾珠絲杠支承軸承的選擇計算動態(tài)等效載荷：表 4.2 徑向載荷系數(shù)（ ）和軸向載荷系數(shù) （ ）XY組合列數(shù)2 列 3 列 4 列組合形式代號DF DT DFD DTD DFT DFF DFT DTT2.17e?承受軸向載荷的列數(shù)1 列 2 列 1 列 2 列 3 列 1 列 2 列 3 列 4 列X1.9 — 1.43 2.33 — 1.17 2.33 2.53 —/arFe?Y0.54 — 0.77 0.35 — 0.89 0.35 0.26 —0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92/r?— — —