車床主軸精度測試實驗臺的設(shè)計

1車床主軸精度測試實驗臺的設(shè)計摘 要車床主軸精度包含有三個：徑向跳動，軸向竄動，回轉(zhuǎn)精度。而主軸回轉(zhuǎn)誤差是影響機(jī)床加工精度的主要因素，主軸回轉(zhuǎn)精度是評定機(jī)床動態(tài)性能的一項主要指標(biāo)。通過測量主軸回轉(zhuǎn)誤差，可以監(jiān)視主軸運(yùn)行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)和診斷故障，也可以通過誤差補(bǔ)償來提高主軸的回轉(zhuǎn)精度。本次設(shè)計了以滾珠絲杠和激光位移傳感器為核心元件的車床主軸回轉(zhuǎn)精度測試機(jī)構(gòu)。車床主軸回轉(zhuǎn)精度測試機(jī)構(gòu)傳動系統(tǒng)主要由電動機(jī)、滾珠絲杠、工作臺、聯(lián)軸器、導(dǎo)軌、激光位移傳感器組成。通過對回轉(zhuǎn)精度測試機(jī)構(gòu)的設(shè)計理論，首先進(jìn)行了伺服進(jìn)給傳動系統(tǒng)的總體方案設(shè)計以及機(jī)器精度的選擇；其次是車床主軸回轉(zhuǎn)精度測量機(jī)構(gòu)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(jìn)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(jìn)行了校核驗算；再次通過計算來選擇進(jìn)給傳動系統(tǒng)的伺服電動機(jī)以及聯(lián)軸器，最后進(jìn)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：回轉(zhuǎn)精度測試, 伺服系統(tǒng), 激光位移傳感器，滾珠絲杠2AbstractPrecision spindle lathe includes three: axial, radial runout, rotary accuracy. Spindle rotary error is the main factor that influences the machining accuracy of the machine tool and spindle rotation accuracy is one of the main indicators of the machine tool's dynamic performance evaluation. Through the measurement of spindle rotation error can monitor running state of main spindle, timely detection and fault diagnosis, can also through error compensation to improve the rotation accuracy of the spindle.The design of the lathe spindle rotary precision ball screw mechanism to test and laser displacement sensor as the core element. Lathe spindle's gyration accuracy test transmission system mainly consists of a motor, ball screw, table, coupling, a guide rail, a laser displacement sensor. Through the design theory of rotation accuracy testing mechanism. Firstly, the servo feed drive system of the overall design scheme and the precision of the machine selection; second is the choice of ball screw lathe spindle's gyration accuracy measuring mechanism design calculation and selection, the ball bearing guide screw bearing, by calculating the selection of feed drive system and other relevant components, the transmission system stiffness, inertia matching is carried out to calculate the school verification; again by calculating to choose the feed drive system of the servo motor and a coupling and finally to guide the choice. The calculated results prove that better meet the design requirements, assembly drawings of the related use of Auto CAD software.Keywords: rotating precision, servo system, laser displacement sensor, ball screw3目 錄摘 要 .1Abstract.21 緒論 .41.1 課題的意義 .41.2 國內(nèi)外主軸回轉(zhuǎn)精度測量技術(shù)國內(nèi)外的發(fā)展 .41.3 課題設(shè)計思路 .71.4 課題設(shè)計結(jié)構(gòu) .72 車床主軸回轉(zhuǎn)精度測試方法及方案的確認(rèn) .82.1 回轉(zhuǎn)精度的測試方法的選擇 .82.1.1 打表法測試 .82.1.2 單向測量法 .82.1.3 雙向測量法 .92.1.4 CCD 測量法 .102.1.5 測量方法的選擇 .112.2 車床主軸回轉(zhuǎn)精度測試試驗臺結(jié)構(gòu)方案的確認(rèn) .112.2.1 進(jìn)給傳動系統(tǒng)的要求 .112.2.2 進(jìn)給傳動系統(tǒng)類型的選擇 .112.2.3 電機(jī)與絲杠聯(lián)接方式的選擇 .122.2.4 支撐形式方案的選擇 .132.2.5 整機(jī)方案的確認(rèn) .143 試驗臺進(jìn)給系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 .153.1 擬定技術(shù)參數(shù) .153.2 滾珠絲杠的計算及選擇 .153.3 滾珠絲杠支承軸承的選擇 .183.4 滾珠絲杠的校核 .193.4.1 臨界壓縮負(fù)荷 .193.4.2 臨界轉(zhuǎn)速 .203.4.3 滾珠絲杠拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率 .203.4.4 滾珠絲杠扭轉(zhuǎn)剛度 .223.4.5 滾珠絲杠傳動精度計算 .233.5 滾珠絲杠進(jìn)給傳動系統(tǒng)變形計算 .243.5.1 滾珠絲杠精度計算 .243.6 伺服電機(jī)的選擇與計算 .273.6.1 進(jìn)給伺服電機(jī)的校核 .293.7 聯(lián)軸器的選擇 .30結(jié) 論 .3144.1 本論文所取得的結(jié)果 .314.2 技術(shù)展望 .32致 謝 .33參考文獻(xiàn) .3451 緒論1.1 課題的意義車床主軸精度包含有三個：徑向跳動，軸向竄動，回轉(zhuǎn)精度。而主軸回轉(zhuǎn)誤差是影響機(jī)床加工精度的主要因素，主軸回轉(zhuǎn)精度是評定機(jī)床動態(tài)性能的一項主要指標(biāo)。通過測量主軸回轉(zhuǎn)誤差，可以監(jiān)視主軸運(yùn)行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)和診斷故障，也可以通過誤差補(bǔ)償來提高主軸的回轉(zhuǎn)精度。車床主軸回轉(zhuǎn)精度是衡量機(jī)械系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，是影響機(jī)床工作精度的主要因素。車床主軸回轉(zhuǎn)誤差的測量技術(shù)對精密機(jī)械設(shè)備的發(fā)展有著重要作用。車床主軸的回轉(zhuǎn)誤差包括徑向誤差和軸向誤差。軸向回轉(zhuǎn)誤差的測量相對比較簡單，只需在車床主軸端面安裝微位移傳感器，進(jìn)行一維位移量的測量即可。因此車床主軸回轉(zhuǎn)誤差測量技術(shù)的研究焦點一直集中在徑向誤差的精確測量上。在課題設(shè)計的過程中我們能學(xué)到較多課堂上學(xué)不到的東西，在設(shè)計進(jìn)行階段指導(dǎo)老師提供了很多相關(guān)機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計的基本要求和設(shè)計思路，整個設(shè)計過程中使受益匪淺。是我在即將離開學(xué)校踏入社會一次重要的設(shè)計體驗。也是為以后的工作生活打下了基礎(chǔ)，在此過程中我學(xué)到機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計方法和步驟。這次設(shè)計是我在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下一點點親自完成，無論是在市場調(diào)研考察還是設(shè)計資料的查閱，都使得我們學(xué)到了很多東西。在設(shè)計過程中用到很多機(jī)械設(shè)計的基礎(chǔ)課程知識，由于長期沒有得以應(yīng)用，很多的基礎(chǔ)知識也都忘記了。使得我又從新把大一、大二、大三學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識重新溫習(xí)。真正實現(xiàn)了學(xué)以致用的目的。1.2 國內(nèi)外主軸回轉(zhuǎn)精度測量技術(shù)國內(nèi)外的發(fā)展在加工中心和數(shù)控機(jī)床的科研、設(shè)計制造和應(yīng)用方面，國際公認(rèn)的技術(shù)和應(yīng)用大國當(dāng)屬美、德、日三國。例如著名的美國辛辛那提(Cincinnati)公司的數(shù)控機(jī)床、哈斯(Haas)公司和 FADAL 公司的加工中心；德國巨浪(CH 瓜 ON)公司立式加工中心、德馬吉(DMG)公司的加工中心、西門子(SIMENS)公司的數(shù)控系統(tǒng)；日本的馬扎克、大隈、6森精機(jī)三大機(jī)床公司、東芝(Toshiba) 公司的五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床、法拉克 (GE FAM 7C)公司的數(shù)控系統(tǒng)，此外還有瑞士的超高精度加工中心和數(shù)控機(jī)床。1998 年美國為振興其制造業(yè)制訂了“集成制造技術(shù)計劃及其路線圖計劃(MTI 及 MTR)，提出了包括信息、制造和產(chǎn)品創(chuàng)新三個方面的六項策略，其中柔性化、可重構(gòu)與分布式生產(chǎn)，智能化的工藝與裝備成為兩個重要策略。至今美國在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入全面集成和完全的數(shù)字化制造階段。目前國內(nèi)加工中心數(shù)控機(jī)床的主軸精度與國外相比有較大的差距，制造精度一般在 0.01rmm0.005mm 之間，而國外已經(jīng)達(dá)到 2 u m 以下。這里既有設(shè)計上的原因，又有制造和裝配上的問題。國外機(jī)床行業(yè)的主要廠家都有嚴(yán)格的精密主軸裝配質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)手段，在軸系裝配過程中的質(zhì)量控制體系非常細(xì)化，檢測手段先進(jìn)，包括非接觸的光電磁電測量、激光測量，主軸剛性和熱位移的有限元分析、振動模態(tài)分析等。近幾十年來國內(nèi)外學(xué)者對主軸回轉(zhuǎn)誤差的測量技術(shù)做了大量的研究，取得了許多成果。比較傳統(tǒng)的測量方法就是標(biāo)準(zhǔn)棒法，其方法是在主軸的端面安裝圓度誤差較小的標(biāo)準(zhǔn)棒，當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時，用千分表對標(biāo)準(zhǔn)棒進(jìn)行測量。對于主軸回轉(zhuǎn)精度較低的機(jī)床而言，其回轉(zhuǎn)誤差遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)棒的圓度誤差和安裝偏心誤差，此時可以將千分表的測量值作為主軸的回轉(zhuǎn)誤差值。但對于主軸回轉(zhuǎn)精度較高的機(jī)床而言，其回轉(zhuǎn)誤差值與標(biāo)準(zhǔn)棒的圓度誤差和安裝偏心處于同一個數(shù)量級甚至更低，便不能將測量值作為回轉(zhuǎn)誤差值來處理。為了提高測量精度，使用圓度更好的標(biāo)準(zhǔn)球作為被測基準(zhǔn)，此時的測量結(jié)果包括主軸的回轉(zhuǎn)誤差、標(biāo)準(zhǔn)球的圓度誤差和安裝偏心誤差，運(yùn)用誤差分離技術(shù)將三種誤差分離開來。標(biāo)準(zhǔn)球的安裝偏心誤差最有效的是運(yùn)用濾一次諧波的方式將其去除，它最早是由韋恩州立大學(xué)的 Kim Kt 提出的，因為偏心誤差信號是正弦或者余弦信號，所以該方法運(yùn)用傅立葉分析法將一次諧波性質(zhì)的偏心誤差去除。將標(biāo)準(zhǔn)球的安裝偏心誤差去除后，就剩下標(biāo)準(zhǔn)球的圓度誤差與主軸的回轉(zhuǎn)誤差組合信號，可以用相應(yīng)的誤差分離方法將二者分離，比較常用的是反向法、多點法、多步法等。反向法誤差分離技術(shù)是 Donaldson 在 1 972 年首先提出的，它使用一個測頭對標(biāo)準(zhǔn)球分兩步進(jìn)行測量，當(dāng)測頭采集完一組數(shù)據(jù)后，將標(biāo)準(zhǔn)球和測頭同時旋轉(zhuǎn) 180°安裝，7再進(jìn)行一次測量，對兩次測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就可以將主軸的回轉(zhuǎn)誤差和標(biāo)準(zhǔn)球的圓度誤差分離出來，該方法是一種完全的誤差分離方法，能較徹底的將兩種誤差分離開來，但由于測量的過程中要旋轉(zhuǎn)測頭和標(biāo)準(zhǔn)球，會帶來一定的安裝誤差，此方法目前已經(jīng)較普遍的運(yùn)用在主軸靜態(tài)回轉(zhuǎn)誤差的測量中。多點法同時使用多個測頭對標(biāo)準(zhǔn)球測量，最常用的是三點法，將三個測頭按一定角度布置，主軸旋轉(zhuǎn)過程中，測頭同時采集數(shù)據(jù)，對三組進(jìn)行處理就可以得出主軸的回轉(zhuǎn)誤差。這種方法適用于主軸回轉(zhuǎn)誤差的動態(tài)測量，但難以保證三個傳感器的安裝位置精度。多步法使用一個傳感器對標(biāo)準(zhǔn)球測量，標(biāo)準(zhǔn)球相對主軸上某點做多次轉(zhuǎn)位，每轉(zhuǎn)位一次采集一次數(shù)據(jù)，最后對多次采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就可以分離出主軸的回轉(zhuǎn)誤差和標(biāo)準(zhǔn)球的圓度誤差，這種測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡單，但測量時需要多次轉(zhuǎn)位標(biāo)準(zhǔn)球比較繁瑣。在精確的空氣軸承主軸測試裝置上分別用反向法、多步法、多點法進(jìn)行納米級回轉(zhuǎn)精度重復(fù)測量和比較，證明了這三種方法都能達(dá)到納米級的分離精度。以上三種是最基本的誤差分離方法，國內(nèi)許多學(xué)者提出的誤差分離方法都是建立在這三種方法之上的。國防科技大學(xué)的黃長征、李圣怡采用兩點法測量超精密車床主軸的動態(tài)回轉(zhuǎn)誤差，該方法用兩個電容傳感器呈 180°對稱安裝同時進(jìn)行測量，該法能測量主軸的動態(tài)回轉(zhuǎn)誤差，但系統(tǒng)將測試軸裝到車床錐孔內(nèi)，安裝困難，有較大的局限性。中國船舶工業(yè)總公司第 6354 所的闡光萍提出了運(yùn)用單測頭雙向轉(zhuǎn)位法來測量空氣主軸的回轉(zhuǎn)誤差，該方法能區(qū)分測量結(jié)果中不同性質(zhì)的一次諧波分量。廣東工業(yè)大學(xué)的王少衡、馬平瞄提出運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計的方法來分離主軸的徑向回轉(zhuǎn)誤差和圓度誤差，該方法能實現(xiàn)實時、在線測量。綜上所述，國內(nèi)外對機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)誤差測量技術(shù)的研究現(xiàn)狀主要包括以下幾點：(1)用標(biāo)準(zhǔn)棒法對主軸回轉(zhuǎn)精度較低的機(jī)床進(jìn)行測量已經(jīng)成為一種成熟技術(shù)，目前這種方法在低精度機(jī)床的測試中得到廣泛應(yīng)用。(2)國內(nèi)外學(xué)者提出了很多種誤差的分離方法。標(biāo)準(zhǔn)球和主軸的偏心量比較小時，可以用濾一次諧波的方式將其消除。剩余的標(biāo)準(zhǔn)球圓度誤差與主軸回轉(zhuǎn)誤差可用相應(yīng)的誤差分離方法實現(xiàn)納米級的分離精度。(3)對機(jī)床主軸靜態(tài)回轉(zhuǎn)誤差測量研究的較多，測量方法已經(jīng)很成熟。目前主軸的靜態(tài)回轉(zhuǎn)誤差值已經(jīng)成為衡量機(jī)床技術(shù)水平的重要指標(biāo)之一。(4)對高精度主軸的動態(tài)回轉(zhuǎn)誤差測量研究的還比較少。目前的大多數(shù)測量方法只8是針對靜態(tài)回轉(zhuǎn)誤差測量，而動態(tài)測量對測量系統(tǒng)有特殊要求，如要求測量儀器有很高的頻響特性、分辨率，主軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)要求有平穩(wěn)的轉(zhuǎn)速等，因此具有一定的難度。(5)調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)球和主軸偏心的商品化機(jī)構(gòu)還比較少。運(yùn)用諸如消除一次諧波的數(shù)學(xué)方法消偏心誤差能將大部分偏心誤差消除，但總會在結(jié)果中殘留一部分偏心量，這對高精度回轉(zhuǎn)誤差分離的結(jié)果有很大的影響，因此在運(yùn)用數(shù)學(xué)方法消偏心之前，最好能用調(diào)偏心機(jī)構(gòu)將偏心盡量調(diào)小，因為較大的偏心量很可能會掩蓋微小的回轉(zhuǎn)誤差信號。目前的調(diào)偏心機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，不適于偏心量的微調(diào)。因此對高精度回轉(zhuǎn)誤差的測量需要設(shè)計更精密的調(diào)偏心機(jī)構(gòu)。1.3 課題設(shè)計思路1）參考所有與主軸回轉(zhuǎn)精度檢測產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)，了解整個主軸回轉(zhuǎn)精度檢測試驗臺的整機(jī)系統(tǒng)的組成。2）主軸回轉(zhuǎn)精度檢測試驗臺整機(jī)方案的確認(rèn)。3）主軸回轉(zhuǎn)精度檢測試驗臺機(jī)械臂的設(shè)計計算，并對主要零部件進(jìn)行設(shè)計校核。4）主軸回轉(zhuǎn)精度檢測試驗臺整機(jī)工作裝置的設(shè)計計算。1.4 課題設(shè)計結(jié)構(gòu)本文以主軸回轉(zhuǎn)精度檢測試驗臺項目作為應(yīng)用背景，對其機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。全文共分為四章，各章的主要內(nèi)容如下：第一章前言部分，主要介紹主軸回轉(zhuǎn)精度檢測試驗臺的研究現(xiàn)狀和課題研究的目的及意義；第二章了解目前常用的測方法，然后對對整個主軸回轉(zhuǎn)精度檢測試驗臺的整機(jī)方案進(jìn)行確認(rèn)，包括傳動系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)等確認(rèn)。第三章完成整個主軸回轉(zhuǎn)精度檢測試驗臺機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算；第四章總結(jié)了全文的研究工作，給出了存在的問題和進(jìn)一步研究的方向。92 車床主軸回轉(zhuǎn)精度測試方法及方案的確認(rèn)2.1 回轉(zhuǎn)精度的測試方法的選擇隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)床的回轉(zhuǎn)精度在逐步提高，因此對機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)誤差的測量方法也在不斷地向更高精度演變，機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)誤差的測試方法主要有打表測量法、美國 LRL 單向測量法、捷克 VUOSO 雙向測量法和 CCD 測量法。2.1.1 打表法測試早期機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)精度不是很高時，測量機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)誤差的常用方法是將一精密芯棒插入機(jī)床主軸錐孔，通過在芯棒的表面及端面放置千分表來進(jìn)行測量，如圖 2-1 所示。這種測量方法簡單易行，但卻會引入錐孔的偏心誤差，而且不能反映主軸在工轉(zhuǎn)狀態(tài)下的回轉(zhuǎn)誤差，更不能用于高速高精密回轉(zhuǎn)精度測量。除此之外也有采用測量試件來評定主軸回轉(zhuǎn)誤差。圖 2-1 主軸回轉(zhuǎn)誤差打表測量法2.1.2 單向測量法單向測量法只在主軸回轉(zhuǎn)面的一個方向上安裝傳感器連續(xù)拾取數(shù)據(jù)。然后以主軸回轉(zhuǎn)角作為自變量，將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為位移量，按主軸回轉(zhuǎn)角度展開疊加的基圓上，形成圓圖像，如圖 2-2 所示。由于只在一個方向上拾取數(shù)據(jù)，所以通常將傳感器安裝在誤差的敏感方向。敏感方向是通過加工或測試的瞬間接觸點并平行于工件理想加工10的法線方向，非敏感方向在垂直于敏感方向的直線上。單向測量法測量的主軸回轉(zhuǎn)誤差運(yùn)動實質(zhì)上只是實際二維主軸回轉(zhuǎn)誤差運(yùn)動在敏感方向的分量。因此單向測量法，只適用于具有敏感方向的主軸回轉(zhuǎn)精度的測量，例如工件回轉(zhuǎn)型機(jī)床。車床就是工件回轉(zhuǎn)型機(jī)床的一個典型代表。這種測量方法同樣不可避免地會混入主軸或者標(biāo)準(zhǔn)球的形狀誤差，在機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)精度不高，混入的形狀誤差可以忽略時，用單向測量法得到的車床主軸圓圖像的外緣輪廓與工件的外緣很相似，所以這樣得到的圓圖像能很好地用來評價車床主軸的加工精度及加工質(zhì)量。圖 2-2 主軸回轉(zhuǎn)誤差圖像及圓圖像2.1.3 雙向測量法主軸的回轉(zhuǎn)誤差運(yùn)動是一個二維平面運(yùn)動，因此對其精確測量，需要至少兩個傳感器在主軸橫截面內(nèi)相互垂直的兩個方向同時采集數(shù)據(jù)，再將這兩組位移數(shù)據(jù)合成才能復(fù)現(xiàn)主軸的實際回轉(zhuǎn)誤差軌跡。雙向測量法就是這樣一種方法，如圖 2-3 所示。傳統(tǒng)的雙向測量法同樣忽略了主軸或者標(biāo)準(zhǔn)球的形狀誤差，而且還會混入偏心誤差，從而影響測量結(jié)果的精確性。11圖 2-3 雙向測量法示意圖2.1.4 CCD 測量法對機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)誤差的測量，除了采用電容或電感渦流傳感器對安裝在主軸上的標(biāo)準(zhǔn)球進(jìn)行單點或多點測量外，隨著科學(xué)與技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)生了一種光電測量主軸回轉(zhuǎn)誤差的方法CCD 測量法。電荷耦合器件 CCD(Charge Coupled Device)是近年來發(fā)展很快的一種圖像信息傳感器，具有光電靈敏度高、敏感單元尺寸小、測量裝置簡單及易于電腦處理等優(yōu)點。由CCD 傳感器、光學(xué)系統(tǒng)、信號采集與處理構(gòu)成的 CCD 光電非接觸式測量系統(tǒng)的使用范圍不斷擴(kuò)展，其優(yōu)越性也得到更多的體現(xiàn)，并隨著 CCD 生產(chǎn)工藝和分辨率的提高以及對 CCD 輸出信號新型處理方法的運(yùn)用還能實現(xiàn)更精密的、亞像素級的測量。這種測量系統(tǒng)不需要借助標(biāo)準(zhǔn)球，可以對主軸回轉(zhuǎn)誤差進(jìn)行直接的測量，因此無須進(jìn)行誤差分離，對數(shù)據(jù)的處理也更加快速、準(zhǔn)確。CCD 測量法的實驗系統(tǒng)是一個光電檢測系統(tǒng)，它由機(jī)床、被測光源、光電轉(zhuǎn)換部分及數(shù)據(jù)處理部分組成，光電轉(zhuǎn)換部分將光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)化為模擬的電壓信號，最后通過數(shù)據(jù)處理部分將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并最終計算出光斑的位置，進(jìn)而計算出主軸的回轉(zhuǎn)誤差。整個實驗裝置如圖 2-4 所示。12圖 2-4 CCD 測量法示意圖2.1.5 測量方法的選擇通過比較上訴四種測量方法，考慮的精度和便利性要求，本文選擇雙向測量方法。2.2 車床主軸回轉(zhuǎn)精度測試試驗臺結(jié)構(gòu)方案的確認(rèn)2.2.1 進(jìn)給傳動系統(tǒng)的要求回轉(zhuǎn)精度測試機(jī)構(gòu)進(jìn)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，回轉(zhuǎn)精度測試機(jī)構(gòu)的進(jìn)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。 2.2.2 進(jìn)給傳動系統(tǒng)類型的選擇回轉(zhuǎn)精度測試機(jī)構(gòu)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13在回轉(zhuǎn)精度測試機(jī)構(gòu)上將回轉(zhuǎn)運(yùn)動與直線運(yùn)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 =0.920.98；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(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動，亦可將直線運(yùn)動變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；軸向運(yùn)動精度高，施加預(yù)緊力后，可消除軸向間隙，反向時無空行程；是目前中、小型回轉(zhuǎn)精度測試機(jī)構(gòu)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)?。粌H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(yùn)動中供油忽然中斷，將造成不良后果。由以上兩種形式進(jìn)行比較，根據(jù)根據(jù)設(shè)計要求，系統(tǒng)采用滾珠絲杠螺母副的傳動方式。2.2.3 電機(jī)與絲杠聯(lián)接方式的選擇滾珠絲杠與電動機(jī)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(jī)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回轉(zhuǎn)精度測試機(jī)構(gòu)。聯(lián)軸器采用彈性柱銷聯(lián)軸器，它能補(bǔ)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(jī)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機(jī)器中。3、通過同步齒形帶聯(lián)接 14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。在滿足機(jī)器要求的前提下，通過對比，本設(shè)計采用通過電動機(jī)與滾珠絲杠直接與聯(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。2.2.4 支撐形式方案的選擇滾珠絲杠螺母副是一種將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)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)，更是普通回轉(zhuǎn)精度測試機(jī)構(gòu)、精密機(jī)器不可或缺的零部件，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 2-5 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，高精度的機(jī)器。（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 2-5 滾珠絲杠的支撐形式15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(bǔ)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。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(jī)，由于系統(tǒng)要求精度高，壓縮/拉伸和總行程調(diào)節(jié)兩軸應(yīng)該分別采用獨立電機(jī)驅(qū)動，不宜采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，因此選用交流伺服電機(jī)。2.2.5 整機(jī)方案的確認(rèn)本次設(shè)計的測量核心為激光位移傳感器，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖 2-6 所示：圖 2-6 試驗臺結(jié)構(gòu)圖如圖 2-6 所示，為了實現(xiàn)試驗臺的自動化程度，同時可以保證試驗臺的通用性，本次試驗臺由 X,Y 兩個驅(qū)動軸組成，通過控制 X、 Y 軸的運(yùn)動位置，可實現(xiàn)不同型號車床主軸回轉(zhuǎn)精度的檢測。本試驗臺可實現(xiàn)在線檢測，主軸回轉(zhuǎn)時，兩個激光位移傳感器同時采集數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)講采集的數(shù)據(jù)反映到電腦中，通過電腦可以清楚的得知主軸的回轉(zhuǎn)精度。163 試驗臺進(jìn)給系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計3.1 擬定技術(shù)參數(shù)最大行程 730mm；慢速進(jìn)給速度：0.1m/min快速進(jìn)給速度：1 m/min；Y 軸和傳感器工裝估計質(zhì)量：60kg；滑板的估計尺寸（長 寬 高）：140mm 140mm 22mm；材料選為 6031。3.2 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(jī)和絲杠直接相連，傳動比為 ，設(shè)電機(jī)的最高工作轉(zhuǎn)速為1i，則絲杠導(dǎo)程為：min50maxrn(3.1)maxnvPh，取 67.0153hp6hP2、確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速(3.2)/minhvrP由公式(3.2),最大進(jìn)給速度時絲杠的轉(zhuǎn)速： min67.103maxrPvh最小進(jìn)給速度時絲杠的轉(zhuǎn)速： in167.0mini rvh絲杠等效轉(zhuǎn)速：（取 ）12t17(3.3)min21inmaxrtn， 轉(zhuǎn)速 ， 作用下的時間(s)。1t2axin in17.21minaxrtm3、估計工作臺質(zhì)量及工作臺承重由已知參數(shù)可知總質(zhì)量： NG6014、確定絲杠的等效負(fù)載工作負(fù)載是指機(jī)器工作時，實際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力。選定導(dǎo)軌為滑動導(dǎo)軌，取摩擦系數(shù)為 0.3。(3.4) max0.36 18NFG5、確定絲杠所受的最大動載荷 (3.5)/3601FfTnmwhCatkfw負(fù)荷性質(zhì)系數(shù)；（查表：當(dāng)一般運(yùn)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： SLC-M 激光切割機(jī)工作臺：T h=15000。）由公式(3.5) 6601508.9401hmTnN327n6fFCmhwarcr 186、由絲杠軸向壓力選取絲杠底徑44310mLFdaxsp（3.6）式中，X 軸滾珠絲杠底徑，mm；xspd.絲杠支承距離， mm；L壓彎臨界載荷，N；aF與絲桿支承方式有關(guān)的臨界載荷系數(shù)，見表 3.1m表 3.1 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(qiáng)度和精度，估取 進(jìn)行計算。將各項數(shù)值代入式（3.6），Lm10L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：Andxspma.（3.7）式中， 絲杠底徑，mm；xspd.絲杠最大轉(zhuǎn)速， r/min；man常取 =5000070000.A已知絲杠最大轉(zhuǎn)速為 ，取 =70000 計算，得： 。min150maxrnAm19dx.sp8、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. spxspdd199、選擇滾珠絲杠型號由文獻(xiàn) 7,8可知，查表選定為上銀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： BSBR1606。絲杠公稱直徑為 16mm，基本導(dǎo)程。mph63.3 滾珠絲杠支承軸承的選擇計算動態(tài)等效載荷：表 3.2 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 /arFeY0.54 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 動態(tài)等效載荷 ：aParaXFY（3.8）式中， 徑向載荷, N；rF軸向載荷, N；a徑向載荷系數(shù)；X軸向載荷系數(shù)。Y計算動載荷 ：aC3ahPL（3.9）代入數(shù)值，查閱機(jī)械設(shè)計手冊，可得底徑為 12.9mm 的滾珠絲杠的右端軸承內(nèi)20徑應(yīng)略小于絲杠外徑，取 ，型號規(guī)格為 12TAC47A。滿足設(shè)計要求。12在本設(shè)計中采用固定固定安裝的雙螺母墊片預(yù)緊的成對滾珠絲杠專用軸承組合。 滾珠絲杠支承用專用軸承的特點：1、剛性大。采用特殊設(shè)計的尼龍成形保持架，增加了鋼球數(shù)，且接觸角為 60°軸向剛性大。2、不需要預(yù)調(diào)整。對每種組合形式，生產(chǎn)廠家已作好了能得到最佳預(yù)緊力的間隙，故用戶在裝配時不需要再調(diào)整，只要按廠家作出的裝置序列符號排列后，裝緊即可。3、起動力矩小。與圓錐滾子軸承、圓柱滾子軸承相比，起動力矩小。為了易于吸收滾珠螺母與軸承之間的不同軸度，推薦采用正面組合形式。3.4 滾珠絲杠的校核 滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓振動固有頻率，其扭轉(zhuǎn)剛度影響扭轉(zhuǎn)固有頻率。承受軸向負(fù)荷的滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度 Ke 由絲杠本身的拉壓剛度 Ks，絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度 Kc，軸承的接觸剛度 KB，螺母座的剛度KH，按不同支承組合方式的計算而定。扭轉(zhuǎn)剛度按絲杠的參數(shù)計算。 3.4.1 臨界壓縮負(fù)荷絲杠的支承方式對絲杠的剛度影響很大，采用兩端固定的支承方式并對絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸，可以最大限度地發(fā)揮絲杠的潛能。臨界壓縮負(fù)荷按下式計算：(3.10)211max0crfEIFKFNL式中 E材料的彈性模量 E 鋼 =2.1×1011(N/m2)；L0最大受壓長度(m)；21K1安全系數(shù)，取 K1=1/3；Fmax最大軸向工作負(fù)荷 (N)；f1絲杠支承方式系數(shù)；(支承方式為雙固雙固時，f 1=4，f 2=4.730)I絲杠最小截面慣性矩(m 4)：(3.11)4420(1.26wIdd式中 d0絲杠公稱直徑(mm)；dw滾珠直徑 (mm)。 412843.14(6.239)0.7I m絲杠螺紋部分長度 ，取 mLu580930uL經(jīng)過設(shè)計論證絲杠全長為 由公式(3.6) 218max643.02.71254.32095NFcr F可見 遠(yuǎn)大于 ，臨界壓縮負(fù)荷滿足要求。crmax3.4.2 臨界轉(zhuǎn)速(3.12)222max30910crccffdEInknLAL式中 A絲杠最小橫截面： 2642.7.8104d臨界轉(zhuǎn)速計算長度：cL取 ，10.m安全系數(shù)，一般取 ；2k20.8k材料的密度： ；37.51/gm絲杠支承方式系數(shù)，查表得 ，2f 24.70f22min150in2365019.073.491max2 rrncr 滿足要求。3.4.3 滾珠絲杠拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率滾珠絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度 Ke 的計算公式：兩端固定：111(/)4eBcHSNm（3.13）式中 Ke 滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度(N/m)；KH螺母座的剛度(N/m)；Kc絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度(N/m) ；KS絲杠本身的拉壓剛度(N/m)；KB軸承的接觸剛度(N/m)。（1）絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度可查滾珠絲杠副型號樣本；（2）軸承的接觸剛度可查軸承型號樣本；（3）螺母座的剛度可近似估算為 1000；（4）絲杠本身的拉壓剛度。對絲杠支承組合方式為兩端固定的方式：(3.14)610/sAElKNma式中 A絲杠最小橫截面， ；2()4AdE材料的彈性模量，E=2.1 1011(N/m2)；l兩支承間距(m)；a螺母至軸向固定處的距離(m) 。已知：軸承的接觸剛度 ，絲杠螺母的接觸剛度 ，mNKB108 mNKC7.16絲杠的最小拉壓剛度 ，螺母座剛度 。s2.54min H102311140876.045.2eK32/Nm絲杠系統(tǒng)軸向拉壓振動的固有頻率：(3.15)/eBKrads式中 m絲杠末端的運(yùn)動部件與工件的質(zhì)量和 (N/m)；Ke絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度(N/m) 。 minr150inr12038srad6301248.9wB 顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠(yuǎn)大于 1500r/min，能滿足要求。3.4.4 滾珠絲杠扭轉(zhuǎn)剛度滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度按下式計算：(3.16)47.8mTdKL式中 絲杠平均直徑：mdL絲杠長度 rmNKT97361450.287扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率:(3.17)()3TTswzJ式中 JW運(yùn)動部件質(zhì)量換算到絲杠軸上的轉(zhuǎn)動慣量(kg·m 2)；JZ絲杠上傳動件的轉(zhuǎn)動慣量(kg·m 2)；JS絲杠的轉(zhuǎn)動慣量(kg·m 2)。由文獻(xiàn) 7，8 得：24平移物體的轉(zhuǎn)動慣量為： 2420.1()5.098Jkgm:絲杠轉(zhuǎn)動慣量： 421.60zJkgm:in/r297s/rad.4271036.42.597T 顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠(yuǎn)大于 1500r/min，可以滿足設(shè)計要求。3.4.5 滾珠絲杠傳動精度計算滾珠絲杠的拉壓剛度 ： 24sdEKL(3.18)導(dǎo)軌運(yùn)動到兩極位置時，有最大和最小拉壓剛度，其中，L 值分別為 9mm和 100mm。最大與最小傳動剛度： 25max0.16.0163.7/4sAEKNmL25in.9.9.2/s 最大和最小機(jī)械傳動剛度： m/N65.24018/7.6/2.195/K/1/KBCminsino 24 43222106. 0.5.1085.73)(kgmLddJssss25maxax11341/1/635.7/./08osCBK NmK由于機(jī)械傳動裝置引起的定位誤差為0min0ax()kF(3.19) 1456.()1.782.34k m對于 3 級滾珠絲杠，其任意 300mm 導(dǎo)程公差為 ，機(jī)器定位精度2，所以， ，可以滿足由于傳動剛度變化m0/24. Vp8.530所引起的定位誤差小于（1/3 1/5）機(jī)器定位精度的要求。再加上閉環(huán)反饋系統(tǒng):的補(bǔ)償，定位精度能進(jìn)一步提高 10。3.5 滾珠絲杠進(jìn)給傳動系統(tǒng)變形計算本精密 SLC-M 激光切割機(jī)工作臺的進(jìn)給傳動系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，系統(tǒng)的精度取決于組成進(jìn)給系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的精度，由下列幾部分誤差組成：滾珠絲杠副制造的誤差和由于載荷與溫度變化的作用產(chǎn)生的絲杠、螺母、軸承、聯(lián)軸器及伺服系統(tǒng)的誤差 。滾珠絲杠副制造誤差由所選絲杠副的精度決定，可按任意300mm 行程內(nèi)行程變動量 而定。3.5.1 滾珠絲杠精度計算1、滾珠絲杠的軸向變形量計算絲杠的拉伸或壓縮變形量在軸向載荷作用下，絲杠在軸線方向上被拉伸或壓縮，變形量的大小與支承方式和螺母工作位置有關(guān)。由于絲杠采用兩端固定的形式，根據(jù)材料力學(xué)求解超靜定計算式，求得變形量：EALbaF/1（3.20） 式中，F(xiàn)軸向工作載荷，N；26E彈性模量，對于鋼，E=20.6× N/ ；A絲杠截面積（按底徑定）， ；L絲杠在支承間的受力長度， ；a,b螺母至兩支承端的距離，當(dāng)螺母運(yùn)動到兩支承端中點時，變形最大，其最大變形量：EAFL4/max1（3.21）絲杠底徑為 12.9 ，F(xiàn)=180N，根據(jù)前面計算結(jié)果，取 L=930 ，代入數(shù)值，得， 419.50絲杠扭轉(zhuǎn)變形所產(chǎn)生的軸向變形量絲杠工作過程中受到扭矩作用，扭轉(zhuǎn)變形將引起絲杠導(dǎo)程發(fā)生變化。一個導(dǎo)程的變化量：002L（3.22） 式中， 絲杠導(dǎo)程，mm；0L扭矩作用下絲杠每一導(dǎo)程長度兩截面上的相對扭轉(zhuǎn)角，rad。則絲杠受扭矩作用在支承長度L上產(chǎn)生的軸向變形量：0122L（3.23）根據(jù)材料力學(xué)公式，計算扭轉(zhuǎn)角：0MLGJ（3.24）式中， 絲杠的驅(qū)動扭矩， ；MNgm剪切彈性模量，對鋼，G=8.24× N/ ；G絲杠截面慣性矩， 。L根據(jù)進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計過程中驅(qū)動電機(jī)的選擇計算，已算出M=2700 N mm，因27此，得： radGJML6440 105.9.1232.80m4612 .59. 由于絲杠較短，絲杠自重彎曲所引起的軸向變形量可以忽略不計。 故可以求得在載荷作用下，絲杠的軸向變形量： 9851085.94121 2、滾珠與滾道面彈性接觸變形引起的軸向變形量 2螺母體變形量包括螺母和螺母座的變形量、螺母的固定螺栓所產(chǎn)生的軸向變形量與滾道面彈性接觸變形引起的軸向變形量，由于螺母和螺母座的剛性好，可以不考慮其變形。因采用預(yù)緊螺母，對固定螺栓的變形也可以略去不計。對螺母體的變形只需考慮滾珠與滾道面彈性接觸變形量。取 =1.04，故有