課程設計（論文）橫向進給系統(tǒng)設計三維設計

華 北 科 技 學 院 課 程 設 計 目錄 摘要 1、前言 2、進給傳動系統(tǒng)的計算 2.1、設計方案的確定 2.2、進給系統(tǒng)的設計 2.3、進給系統(tǒng)的設計計算 2.3（1）、切削力計算 2.3（2）、進給工作臺工作載荷計算 2.3（3）、絲杠設計計算 2.3（4）、齒輪及轉矩的有關計算 2.3（5）、步進電機的選擇 3、進給系統(tǒng)的結構設計 3.1絲杠螺母副的設計 3.2齒輪傳動副的設計 3.3齒輪箱的設計 3.4床身及導軌 3.5中間軸的設計 3.6軸承端蓋的設計 總結與體會 參考文獻 摘 要 本設計是把普通數(shù)控車床改造成經(jīng)濟型數(shù)控車床。經(jīng)濟型數(shù)控車床就是指價格低廉、操作使用方便、比較適合我國國情的，動化的機床。采用數(shù)控機床，可以降低工人的勞動強度，節(jié)省勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少工裝，縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應。在設計的時候具體進行了詳細的各部件的選型和計算。比如：導軌的設計選型、絲杠螺母副的選型與計算。還進行了進給傳動系統(tǒng)的剛度計算、進給傳動系統(tǒng)的誤差分析、驅動電機的選型計算、驅動電機與絲杠的聯(lián)接、驅動電機與進給傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性分析等。 【關鍵詞】車床、數(shù)控、傳動系統(tǒng) 一、前言 我國目前機床總量380余萬臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機床數(shù)控化率不到3％。近10年來，我國數(shù)控機床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬臺，年產(chǎn)值約為18億元。機床的數(shù)控化率僅為6％。這些機床中,役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機床中，自動/半自動機床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機床占60％以上）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?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)的機床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品國內、外市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。 而相對于傳統(tǒng)機床，數(shù)控機床有以下明顯的優(yōu)越性： 1、可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。 2、可以實現(xiàn)加工的柔性自動化，從而效率比傳統(tǒng)機床提高3～7倍。 3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。 4、可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。 5、擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，可實現(xiàn)長時間無人看管加工。 因此，采用數(shù)控機床，可以降低工人的勞動強度，節(jié)省勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少工裝，縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應。 此外，機床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎。數(shù)控技術已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術和基礎技術。 二、進給系統(tǒng)的設計與計算 2.1、設計方案的確定 利用微機對進給系統(tǒng)進行半閉環(huán)控制，脈沖當量為0.01mm/脈沖，驅動元件采用步進電機，傳動系統(tǒng)采用絲杠副。 采用微機對數(shù)據(jù)進行計算處理，由I/O接口輸出步進脈沖，經(jīng)一級齒輪減速絲杠轉動，從而實現(xiàn)進給運動。 2.2、進給系統(tǒng)的設計 采用半閉環(huán)機床進給系統(tǒng)，步進電機經(jīng)一級減速齒輪傳動副，絲桿拖動工作臺。傳感器與電機軸相聯(lián)，用來檢測電機轉角和轉速，并把它們轉換為電信號反饋給數(shù)控裝置，傳感器采用脈沖編碼器。 2.3、進給系統(tǒng)的設計計算 工作臺重量： mT=600Kg F=1500N 時間常數(shù)： T=25 ms 絲杠基本導程： Lo=6mm 行程： Sw=700mm 步距角： /step 快速進給速度： （1）切削力計算 由《機床設計手冊》可知，切削功率 式中：N---電機功率，查機床說明書，N=7.5 KW； ---主傳動系統(tǒng)總效率，一般為0.7～0.85取=0.7； K---進給系統(tǒng)功率系數(shù)，取為K=0.96。 則有： Nc=7.50.70.96=5.04 kw 切向銑削力： F=10 N 式中： V---主軸傳遞全部功率時的最底切削速度（m/s） 則有： V=D95/60000=1.7m/s=102m/min F==2964（N） （2）進給工作臺工作載荷計算: 從《數(shù)控銑床》中表2-1可得知，在一般立式銑削時，工作臺進給方向載荷： F=0.4Fz=0.42964=1185 N （3)絲杠設計計算： 由《數(shù)控技術》可知，采用燕尾導軌，導軌銑床絲杠的軸向力： 采用矩型導軌: 式中K=1.1 =0.15 則有： 1）強度計算： 壽命值： 式中：n---為絲桿轉速（r/min） v---為最大切削力下的進給速度（m/min）,取最高進給速度的1/3 T---額定壽命，查表得 T=15000h ---絲桿導程，取=6mm 則有： v= r/min L 最大動負載C ： C 查表得：運轉狀態(tài)系數(shù) 根據(jù)最大動負荷C的值，可選則絲杠的型號。查表2-5得，選取絲杠直徑為50mm，型號為ND5006，其額定載荷為29350N，所以強度足夠。 2） 效率計算： 根據(jù)《機械原理》的公式，絲杠螺母副的傳動效率為： 式中：---為絲桿螺旋升角，查得： ---為摩擦角，絲桿副的滾動摩擦系數(shù)f=0.003～0.004,其摩擦角約等于 則有： 3） 剛度驗算： 絲杠受工作負載F引起的導程的變化量，絲桿的拉壓變形量 式中：mm=0.6cm; E---為材料彈性模量，對鋼 A---為絲杠截面積 則有： 與螺紋滾道間的接觸變形量 ,有預緊： 式中：---為直徑，查表得=3.969mm Z圈數(shù)列數(shù) 2513=75 ---為預緊力 則有: 則絲桿的總變形量 : 查表知E級精度絲杠允許的螺距誤差（1m長）為15um/m 故剛度足夠。 4)穩(wěn)定性驗算 失穩(wěn)時的臨界載荷 式中:E---為絲桿材料彈性模量,對鋼 I---為截面慣性矩,對絲桿圓截面 ---為絲桿底徑,=48mm 則有： L---為絲桿最大工作長度,取L=375mm ---為絲桿支承方式系數(shù),參考圖2-13和表2-7,取=2.0 則有: 穩(wěn)定安全系數(shù)： 所選絲桿穩(wěn)定安全系數(shù)，查表得： 則有 ，故穩(wěn)定性不存在問題。 （4）齒輪及轉矩的有關計算 1）有關齒輪計算 傳動比 故取 m=2 mm B=20 mm 則有 2)轉動慣量計算： 工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量 絲杠的轉動慣量 齒輪的轉動慣量 電動機轉動慣量很少，可以忽略 因此，總的轉動慣量 所需轉動力矩計算 快速空載啟動時所需力矩 式中 ---空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩； ---折算到電機軸上的摩擦力矩； ---由于絲杠預金所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩； 式中：---為傳動系統(tǒng)各部件慣量折算到電機軸上的總等效轉動慣量（ ---為電機最大角加速度（） ---為運動部件最大快進速度對應的電機最大轉速（） t---為運動部件從靜止啟動加速到最大快進進給速度所需時間（s）,取t=0.025s 則有： 空載摩擦力矩： 式中： G---運動部件總重力（N） ---為導軌摩擦系數(shù)，取0.2 i---齒輪傳動降速比，i=1.25 ---傳動系統(tǒng)總效率，取=0.8 ---基本導程，取=0.6cm 則有： 附加摩擦力矩： 式中： ---為絲桿預加載荷，取的1/3 ---為絲桿預緊是的傳動效率，取=0.9 則有： (5) 步進電機的選擇 步進電機的名義啟動轉矩 為滿足最小步距要求，電機選用五相十拍工作方式，查表知 所以，步進電機最大靜轉矩： 步進電機最高工作頻率： 綜合考慮，查表選用 130BF001 型直流步進電機，能滿足使用要求。 三、進給系統(tǒng)的結構設計 3.1絲杠螺母副的設計 絲杠螺母副是直線運動與回轉運動能相互轉換的新型傳動裝置，在絲杠和螺母上都有半圓弧形的螺旋槽，當他們套裝在一起時便形成了的螺旋滾道。螺母上有的回路管道，將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來構成封閉的螺旋滾道，并在滾道內裝滿，當絲杠旋轉時，在滾道內既自轉又沿滾道循環(huán)轉動，因而迫使螺母軸向移動。 絲杠螺母副具有以下特點： （1）傳動效率高，摩擦損失小。絲杠螺母副的傳動效率為0.92-0.96，比普通絲杠高3-4倍。因此，功率消耗只相當于普通絲杠的1/4-/3. （2）若給于適當預緊，可以消除絲杠和螺母之間的螺紋間隙，反向時還可以消除空載死區(qū)，從而使絲杠的定位精度高，剛度好。 （3）運動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高。 （4）具有可逆性，既可以從螺旋運動轉換成直線運動，也可以從直線運動轉換成旋轉運動。也就是說，絲杠和螺母可以作為主動件。 （5）磨損小，使用壽命長。 （6）制造工藝復雜。絲杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。 （7）不能自鎖。特別是垂直安裝的絲杠，由于其自重和慣性力的不同，下降時當傳動切斷后，不能立即停止運動，故還需要增加制動裝置。 本次設計采用的是內循環(huán)的絲杠螺母副，精度為3級，兩端采用了小圓螺母為軸向定位絲杠螺母副采用的預緊方式為單螺母消除間隙方法。它是在螺母體內的兩列循環(huán)鏈之間，使內螺紋滾道在軸向產(chǎn)生一個的導程突變量，從而使兩列在軸向錯位而實現(xiàn)預緊。這種調隙方法結構簡單，但載荷量須預先設定而且不能改變。 絲杠中常用的滾動軸承有以下兩種：滾針—推力圓柱滾子組合軸承和接觸角為60角接觸軸承，在這兩種軸承中，60角接觸軸承的摩擦力矩小于后者，而且可以根據(jù)需要進行組合，但剛度較后者低，目前在一般中小型數(shù)控機床中被廣泛應用。滾針—圓柱滾子軸承多用于重載和要求高剛度的地方。 60角接觸軸承的組合配置形式有面對面的組合、背靠背組合、同向組合、一對同向與左邊一個面對面組合。由于螺母與絲杠的同軸度在制造安裝的過程中難免有誤差，又由于面對面組合方式，兩接觸線與軸線交點間的距離比背對背時小，實現(xiàn)自動調整較易。因此在進給傳動中面對面組合用得較多。 3.2齒輪傳動副的設計 本設計采用的是雙片齒輪錯齒調整法。兩片齒輪周向可調彈簧錯齒消除間隙結構。兩個相同齒數(shù)的薄片齒輪與另一個寬齒輪嚙合，兩薄片齒輪可相對回轉。在兩個薄片齒輪的端面均勻分布著四個螺孔，分別裝上凸耳。通過螺母調節(jié)彈簧的拉力，調節(jié)完后用螺母鎖緊。彈簧的拉力使薄片齒輪錯位，從而消除了齒側間隙。 3.3齒輪箱的設計 齒輪箱主要把齒輪裝入，通過軸連接電動機和絲杠。主要結構是一個方形的箱，然后要加工出一些孔裝軸、絲杠、端蓋等等。在右側內壁也要加工一個孔來支承軸承。同時還要通過兩個凸耳用螺栓與導軌聯(lián)接。 3.4床身及導軌 對于數(shù)控機床來說，作為主要支承件的床身至關重要，其結構性能的好壞直接影響著機床的各項性能指標。它支承著數(shù)控車床的床頭箱，床鞍，刀架，尾座等部件，承受著切削力、重力、摩擦力等靜態(tài)力和動態(tài)力的作用。其結構的合理性和性能的好壞直接影響著數(shù)控車床的制造成本；影響著車床各部件之間的相對位置精度和車床在工作中各運動部件的相對運動軌跡的準確性，從而影響著工件的加工質量；還影響著車床所用刀具的耐用度，同時也影響著機床的工作效率和壽命等。因此，床身特別是數(shù)控車床的床身具有足夠的靜態(tài)剛度和較高的剛度/質量比；良好的動態(tài)性能；較小的熱變形和內應力；并易于加工制造，裝配等，才能滿足數(shù)控車床對床身的要求。 數(shù)控車床工作時，受切削力的作用，床身發(fā)生彎曲，其中，影響最大的是床身水平面內的彎曲。因此，在床身不太長的情況下，主要應提高床身在水平面內的彎曲剛度。所以，在設計床身時，采用與水平面傾斜45的斜面床身。這種結構的特點是：(1)在加工工件時，切屑和切削液可以從斜面的前方(即床身的一側)落下，就無需在床身上開排屑孔，這樣，床身斜面就可以做成一個完整的斜面。(2)切屑從工件上落到位于床身前面的排屑器中，再由排屑器將切屑排出。這樣，機床在工作中，排屑性能和散熱性能要好，可以減少床身在工作中吸收由于切削產(chǎn)生的熱量，從而減少床身的熱變形，使機床更好地保持加工精度。(3)由于在床身上無需開排屑孔，就可以增加與底座連接的床身底面的整體性，從而可增加床身底面的剛性?；谝陨咸攸c使得床身抵抗來自切削力在水平和垂直面內的分力所產(chǎn)生的彎曲變形能力，以及它們的合力產(chǎn)生的扭轉變形能力顯著增強。從而大幅度提高了床身的抗彎和抗扭剛度。床身在彎曲、扭轉載荷作用下，床身的變形與床身的截面的抗彎慣性矩和抗扭慣性矩有關。材料、截面相同，但形狀不同的床身，截面的慣性矩相差很大。截面積相同時，采用空形截面，加大外輪廓尺寸，在工藝允許的情況下，盡可能減小壁厚，可以大大提高截面的抗彎和抗扭剛度；矩形截面的抗彎剛度高于圓形截面，但圓形截面的抗扭剛度較高；封閉截面的剛度顯著高于不封閉截面的剛度。為此，在設計床身截面時，綜合考慮以上因素，在滿足使用、工藝情況下，采用空心截面，加大輪廓，減小壁厚，采用全封閉的類似矩形的床身截面形式，同時，為了提高床身的抗扭剛度和床身的剛度／重量比，在大截面內設計一個較小的類似圓形截面。 床身與導軌為一體，床身材料的選擇應根據(jù)導軌的要求選擇。鑄鐵具有良好的減震性和耐磨性，易于鑄造和加工。床身材料采用機械性能優(yōu)良的HT250，其硬度、強度較高，耐磨性較好，具有很好的減震性。 車床的導軌可分為滑動導軌和滾動導軌兩種。滑動導軌具有結構簡單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點。但傳統(tǒng)滑動導軌摩擦阻力大且磨損快，動、靜摩擦系數(shù)差別大，低速時易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。目前，數(shù)控車床已不采用傳統(tǒng)滑動導軌，而是采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動導軌和新型塑料滑動導軌。它們具有摩擦性能良好和使用壽命長等特點。在動導軌上鑲裝塑料具有摩擦系數(shù)低、耐磨性高、抗撕傷能力強、低速時不易爬行、加工性和化學穩(wěn)定性好、工藝簡單、成本低等優(yōu)點，在各類機床上都有應用，特別是用在精密、數(shù)控和重型機床的動導軌上。塑料導軌可與淬硬的鑄造鐵支承導軌和鑲鋼支承導軌組成對偶摩擦副。 直線運動滑動導軌截面形狀主要有三角形、矩形、燕尾形和圓形，并可互相組合。由于矩形導軌制造簡單，剛度高，承載能力大，具有兩個相垂直的導軌面。且兩個導軌面的誤差不會相互影響，便于安裝。再將矩形整體傾斜45后，側面磨損能自動補償，克服了矩形導軌側面磨損不能自動補償?shù)娜毕?，使其導向性更好。本次設計我采用的是燕尾槽導軌。 鑲條是用來調整矩形導軌和燕尾導軌的側隙，以保證導軌面的正常接觸。鑲條應放在導軌受力較小的一側。壓板用于調整輔助導軌面的間隙和承受顛覆力矩。如圖5.5，是用磨或刮壓板3的e面和d面來調整間隙。壓板的d面和e面用空刀槽分開，間隙大磨刮d面，太緊時則修e面。這種方式構造簡單，應用較多，但調整時比較麻煩。 3.5中間軸的設計 中間軸上的齒輪是電機輸出與絲杠的傳力結構，它主要通過鍵連接齒輪2和齒輪3.所以要設計鍵槽，可設計一個鍵槽為兩個齒輪傳力。兩邊要留軸頸上軸承。 絲杠兩端有軸承端蓋，它的作用是軸承外圈的軸向定位，和防塵和密封，除它本身可以防塵和密封外，它常和密封件配合以達到密封的作用。左側端蓋因為絲杠要通過所以設計了一個孔用氈墊來封油。右邊可以設計成封閉式的端蓋可以減小加工難度。 總結與體會 畢業(yè)設計是對我們大學期間所學知識的一次總結與運用，是對以前每門課程設計的綜合，是對所學知識的徹底檢驗。剛開始選擇課題的時候，我因為對數(shù)控車床比較感興趣，所以選擇了關于數(shù)控車床方面的課題。我所在的組設計的是一臺數(shù)控車床，我主要對其中的進給系統(tǒng)及縱向進給系統(tǒng)進行設計。開始設計之前，我首先上網(wǎng)搜索了有關車床方面的知識，對數(shù)控車床的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢有了進一步的了解，也讓我學習到了很多新的知識。設計的時候，我們對學校的一些數(shù)控車床進行了觀察，我主要觀察了機床的進給系統(tǒng)結構，同時并結合自己的課題對機床的總體布局做了進一步的研究，并通過查閱資料和相關圖冊，設計出了滿足數(shù)控車床需要的進給系統(tǒng)及縱向進給系統(tǒng)。 畢業(yè)設計是我們走向工作崗位的最后一次練兵，是一次理論和實踐完美結合的過程。在近三個月的畢業(yè)設計當中，使我更加認識到理論聯(lián)系實際的重要性，只有理論而不去進行實踐是不行的。在設計過程中，我參考了一些圖紙，在參考的基礎上，理解并分析其優(yōu)缺點，取長補短，對自己其中不合理的部分進行了充分改進。通過這次設計，自己在查閱資料、運用資料、中英文翻譯、運用專業(yè)知識及CAD繪圖等方面的能力有了較大地提高，對如何將機、電互相結合起來有了較深刻的認識，彌補了原來學習中的很多不足之處，為以后從事機械方面的工作打下了一定的基礎，積累了一定的經(jīng)驗，對設計工作有了一定的認識。 總之，這次設計順利完成使我受益匪淺，不但鞏固了我以前學習的東西，而且學到了很多新東西，為我走向社會打下了深厚的基礎。同時也使我懂得了一個真正設計的步驟以及方法。 目錄 摘要 1、前言 2、進給伺服系統(tǒng)概述 3、橫向進給系統(tǒng)的計算 3.1、設計方案的確定 3.2、縱向進給系統(tǒng)的設計 3.3、縱向進給系統(tǒng)的設計計算 3.3（1）、切削力計算 3.3（2）、進給工作臺工作載荷計算 3.3（3）、滾珠絲杠設計計算 3.3（4）、齒輪及轉矩的有關計算 3.3（5）、步進電機的選擇 4、進給系統(tǒng)的結構設計 4.1滾珠絲杠螺母副的設計 4.2齒輪傳動副的設計 4.3齒輪箱的設計 4.4床身及導軌 4.5中間軸的設計 4.6軸承端蓋的設計 總結與體會 參考文獻 摘 要 本設計是把普通數(shù)控車床改造成經(jīng)濟型數(shù)控車床。經(jīng)濟型數(shù)控車床就是指價格低廉、操作使用方便、比較適合我國國情的，動化的機床。采用數(shù)控機床，可以降低工人的勞動強度，節(jié)省勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少工裝，縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應。在設計的時候具體進行了詳細的各部件的選型和計算。比如：導軌的設計選型、滾珠絲杠螺母副的選型與計算。還進行了進給傳動系統(tǒng)的剛度計算、進給傳動系統(tǒng)的誤差分析、驅動電機的選型計算、驅動電機與滾珠絲杠的聯(lián)接、驅動電機與進給傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性分析等。 【關鍵詞】車床、數(shù)控、傳動系統(tǒng) 一、前言 我國目前機床總量380余萬臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機床數(shù)控化率不到3％。近10年來，我國數(shù)控機床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬臺，年產(chǎn)值約為18億元。機床的數(shù)控化率僅為6％。這些機床中,役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機床中，自動/半自動機床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機床占60％以上）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?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)的機床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品國內、外市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。 而相對于傳統(tǒng)機床，數(shù)控機床有以下明顯的優(yōu)越性： 1、可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。 2、可以實現(xiàn)加工的柔性自動化，從而效率比傳統(tǒng)機床提高3～7倍。 3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。 4、可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。 5、擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，可實現(xiàn)長時間無人看管加工。 因此，采用數(shù)控機床，可以降低工人的勞動強度，節(jié)省勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少工裝，縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應。 此外，機床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎。數(shù)控技術已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術和基礎技術。 二、進給伺服系統(tǒng)概述 數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的一般結構如下圖所示： 由于各種數(shù)控機床所完成的加工任務不同，它們對進給伺服系統(tǒng)的要求也不盡相同，但通?？筛爬橐韵聨追矫妫嚎赡孢\行；速度范圍寬；具有足夠的傳動剛度和高的速度穩(wěn)定性；快速響應并無超調；高精度；低速大轉矩。 伺服系統(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，轉矩波動要小，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）電機應具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。一般直流伺服電機要求在數(shù)分鐘內過載4-6倍而不損壞。 （3）為了滿足快速響應的要求，電機應有較小的轉動慣量和大的堵轉轉矩，并具有盡可能小的時間常數(shù)和啟動電壓。電機應具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保證電機可在0.2s以內從靜止啟動到額定轉速。 （4）電機應能隨頻繁啟動、制動和反轉。 進給伺服系統(tǒng)按其控制方式不同可分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)控制方式通常是具有位置反饋的伺服系統(tǒng)。根據(jù)位置檢測裝置所在位置的不同，閉環(huán)系統(tǒng)又分為半閉環(huán)系統(tǒng)和全閉環(huán)系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)具有將位置檢測裝置裝在絲杠端頭和裝在電機軸端兩種類型。前者把絲杠包括在位置環(huán)內，后者則完全置機械傳動部件于位置環(huán)之外。全閉環(huán)系統(tǒng)的位置檢測裝置安裝在工作臺上，機械傳動部件整個被包括在位置環(huán)之內。 開環(huán)系統(tǒng)的定位精度比閉環(huán)系統(tǒng)低，但它結構簡單、工作可靠、造價低廉。由于影響定位精度的機械傳動裝置的磨損、慣性及間隙的存在，故開環(huán)系統(tǒng)的精度和快速性較差。 全閉環(huán)系統(tǒng)控制精度高、快速性能好，但由于機械傳動部件在控制環(huán)內，所以系統(tǒng)的動態(tài)性能不僅取決于驅動裝置的結構和參數(shù)，而且還與機械傳動部件的剛度、阻尼特性、慣性、間隙和磨損等因素有很大關系，故必須對機電部件的結構參數(shù)進行綜合考慮才能滿足系統(tǒng)的要求。因此全閉環(huán)系統(tǒng)對機床的要求比較高，且造價也較昂貴。閉環(huán)系統(tǒng)中采用的位置檢測裝置有：脈沖編碼器、旋轉變壓器、感應同步器、磁尺、光柵尺和激光干涉儀等。 數(shù)控車床的進給伺服系統(tǒng)中常用的驅動裝置是伺服電機。伺服電機有直流伺服電機和交流伺服電機之分。交流伺服電機由于具有可靠性高、基本上不需要維護和造價低等特點而被廣泛采用。 三、橫向進給系統(tǒng)的設計與計算 3.1、設計方案的確定 利用微機對進給系統(tǒng)進行半閉環(huán)控制，脈沖當量為0.01mm/脈沖，驅動元件采用步進電機，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副。 采用微機對數(shù)據(jù)進行計算處理，由I/O接口輸出步進脈沖，經(jīng)一級齒輪減速滾珠絲杠轉動，從而實現(xiàn)橫向進給運動。 3.2、橫向進給系統(tǒng)的設計 采用半閉環(huán)機床進給系統(tǒng)，步進電機經(jīng)一級減速齒輪傳動副，滾珠絲桿拖動工作臺。傳感器與電機軸相聯(lián)，用來檢測電機轉角和轉速，并把它們轉換為電信號反饋給數(shù)控裝置，傳感器采用脈沖編碼器。 3.3、橫向進給系統(tǒng)的設計計算 工作臺重量： W=889.2Kgf=8892N 時間常數(shù)： T=25 ms 滾珠絲杠基本導程： Lo=6mm 行程： S=375mm 步距角： /step 快速進給速度： （1）切削力計算 由《機床設計手冊》可知，切削功率 式中：N---電機功率，查機床說明書，N=7.5 KW； ---主傳動系統(tǒng)總效率，一般為0.7～0.85取=0.7； K---進給系統(tǒng)功率系數(shù)，取為K=0.96。 則有： Nc=7.50.70.96=5.04 kw 切向銑削力： F=10 N 式中： V---主軸傳遞全部功率時的最底切削速度（m/s） 則有： V=D95/60000=1.7m/s=102m/min F==2964（N） （2）進給工作臺工作載荷計算: 從《數(shù)控銑床》中表2-1可得知，在一般立式銑削時，工作臺橫向進給方向載荷： F=0.4Fz=0.42964=1185 N （3)滾珠絲杠設計計算： 由《數(shù)控技術》可知，采用燕尾導軌，導軌銑床絲杠的軸向力： 采用矩型導軌: 式中K=1.1 =0.15 則有： 1）強度計算： 壽命值： 式中：n---為絲桿轉速（r/min） v---為最大切削力下的進給速度（m/min）,取最高進給速度的1/3 T---額定壽命，查表得 T=15000h ---滾珠絲桿導程，取=6mm 則有： v= r/min L 最大動負載C ： C 查表得：運轉狀態(tài)系數(shù) 根據(jù)最大動負荷C的值，可選則滾珠絲杠的型號。查表2-5得，選取滾珠絲杠直徑為50mm，型號為ND5006，其額定載荷為29350N，所以強度足夠。 2） 效率計算： 根據(jù)《機械原理》的公式，絲杠螺母副的傳動效率為： 式中：---為絲桿螺旋升角，查得： ---為摩擦角，滾珠絲桿副的滾動摩擦系數(shù)f=0.003～0.004,其摩擦角約等于 則有： 3） 剛度驗算： 滾珠絲杠受工作負載F引起的導程的變化量，絲桿的拉壓變形量 式中：mm=0.6cm; E---為材料彈性模量，對鋼 A---為滾珠絲杠截面積 則有： 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 ,有預緊： 式中：---為滾珠直徑，查表得=3.969mm Z圈數(shù)列數(shù) 2513=75 ---為預緊力 則有: 則絲桿的總變形量 : 查表知E級精度絲杠允許的螺距誤差（1m長）為15um/m 故剛度足夠。 4)穩(wěn)定性驗算 失穩(wěn)時的臨界載荷 式中:E---為絲桿材料彈性模量,對鋼 I---為截面慣性矩,對絲桿圓截面 ---為絲桿底徑,=48mm 則有： L---為絲桿最大工作長度,取L=375mm ---為絲桿支承方式系數(shù),參考圖2-13和表2-7,取=2.0 則有: 穩(wěn)定安全系數(shù)： 所選絲桿穩(wěn)定安全系數(shù)，查表得： 則有 ，故穩(wěn)定性不存在問題。 （4）齒輪及轉矩的有關計算 1）有關齒輪計算 傳動比 故取 m=2 mm B=20 mm 則有 2)轉動慣量計算： 工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量 絲杠的轉動慣量 齒輪的轉動慣量 電動機轉動慣量很少，可以忽略 因此，總的轉動慣量 所需轉動力矩計算 快速空載啟動時所需力矩 式中 ---空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩； ---折算到電機軸上的摩擦力矩； ---由于絲杠預金所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩； 式中：---為傳動系統(tǒng)各部件慣量折算到電機軸上的總等效轉動慣量（ ---為電機最大角加速度（） ---為運動部件最大快進速度對應的電機最大轉速（） t---為運動部件從靜止啟動加速到最大快進進給速度所需時間（s）,取t=0.025s 則有： 空載摩擦力矩： 式中： G---運動部件總重力（N） ---為導軌摩擦系數(shù)，取0.2 i---齒輪傳動降速比，i=1.25 ---傳動系統(tǒng)總效率，取=0.8 ---基本導程，取=0.6cm 則有： 附加摩擦力矩： 式中： ---為滾珠絲桿預加載荷，取的1/3 ---為滾珠絲桿預緊是的傳動效率，取=0.9 則有： (5) 步進電機的選擇 步進電機的名義啟動轉矩 為滿足最小步距要求，電機選用五相十拍工作方式，查表知 所以，步進電機最大靜轉矩： 步進電機最高工作頻率： 綜合考慮，查表選用 130BF001 型直流步進電機，能滿足使用要求。 四、進給系統(tǒng)的結構設計 4.1滾珠絲杠螺母副的設計 滾珠絲杠螺母副是直線運動與回轉運動能相互轉換的新型傳動裝置，在絲杠和螺母上都有半圓弧形的螺旋槽，當他們套裝在一起時便形成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有滾珠的回路管道，將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來構成封閉的螺旋滾道，并在滾道內裝滿滾珠，當絲杠旋轉時，滾珠在滾道內既自轉又沿滾道循環(huán)轉動，因而迫使螺母軸向移動。 滾珠絲杠螺母副具有以下特點： （1）傳動效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠螺母副的傳動效率為0.92-0.96，比普通絲杠高3-4倍。因此，功率消耗只相當于普通絲杠的1/4-/3. （2）若給于適當預緊，可以消除絲杠和螺母之間的螺紋間隙，反向時還可以消除空載死區(qū)，從而使絲杠的定位精度高，剛度好。 （3）運動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高。 （4）具有可逆性，既可以從螺旋運動轉換成直線運動，也可以從直線運動轉換成旋轉運動。也就是說，絲杠和螺母可以作為主動件。 （5）磨損小，使用壽命長。 （6）制造工藝復雜。滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。 （7）不能自鎖。特別是垂直安裝的絲杠，由于其自重和慣性力的不同，下降時當傳動切斷后，不能立即停止運動，故還需要增加制動裝置。 本次設計采用的是內循環(huán)的絲杠螺母副，精度為3級，兩端采用了小圓螺母為軸向定位絲杠螺母副采用的預緊方式為單螺母消除間隙方法。它是在滾珠螺母體內的兩列循環(huán)滾珠鏈之間，使內螺紋滾道在軸向產(chǎn)生一個的導程突變量，從而使兩列滾珠在軸向錯位而實現(xiàn)預緊。這種調隙方法結構簡單，但載荷量須預先設定而且不能改變。 絲杠中常用的滾動軸承有以下兩種：滾針—推力圓柱滾子組合軸承和接觸角為60角接觸軸承，在這兩種軸承中，60角接觸軸承的摩擦力矩小于后者，而且可以根據(jù)需要進行組合，但剛度較后者低，目前在一般中小型數(shù)控機床中被廣泛應用。滾針—圓柱滾子軸承多用于重載和要求高剛度的地方。 60角接觸軸承的組合配置形式有面對面的組合、背靠背組合、同向組合、一對同向與左邊一個面對面組合。由于螺母與絲杠的同軸度在制造安裝的過程中難免有誤差，又由于面對面組合方式，兩接觸線與軸線交點間的距離比背對背時小，實現(xiàn)自動調整較易。因此在進給傳動中面對面組合用得較多。 下圖為滾珠絲杠螺母及其支承結構圖。 4.2齒輪傳動副的設計 本設計采用的是雙片齒輪錯齒調整法。兩片齒輪周向可調彈簧錯齒消除間隙結構。兩個相同齒數(shù)的薄片齒輪與另一個寬齒輪嚙合，兩薄片齒輪可相對回轉。在兩個薄片齒輪的端面均勻分布著四個螺孔，分別裝上凸耳。通過螺母調節(jié)彈簧的拉力，調節(jié)完后用螺母鎖緊。彈簧的拉力使薄片齒輪錯位，從而消除了齒側間隙。齒輪傳動副的零件圖見下圖： 4.3齒輪箱的設計 齒輪箱主要把齒輪裝入，通過軸連接電動機和絲杠。主要結構是一個方形的箱，然后要加工出一些孔裝軸、絲杠、端蓋等等。在右側內壁也要加工一個孔來支承軸承。同時還要通過兩個凸耳用螺栓與導軌聯(lián)接。齒輪箱結構如下圖： 4.4床身及導軌 對于數(shù)控機床來說，作為主要支承件的床身至關重要，其結構性能的好壞直接影響著機床的各項性能指標。它支承著數(shù)控車床的床頭箱，床鞍，刀架，尾座等部件，承受著切削力、重力、摩擦力等靜態(tài)力和動態(tài)力的作用。其結構的合理性和性能的好壞直接影響著數(shù)控車床的制造成本；影響著車床各部件之間的相對位置精度和車床在工作中各運動部件的相對運動軌跡的準確性，從而影響著工件的加工質量；還影響著車床所用刀具的耐用度，同時也影響著機床的工作效率和壽命等。因此，床身特別是數(shù)控車床的床身具有足夠的靜態(tài)剛度和較高的剛度/質量比；良好的動態(tài)性能；較小的熱變形和內應力；并易于加工制造，裝配等，才能滿足數(shù)控車床對床身的要求。 數(shù)控車床工作時，受切削力的作用，床身發(fā)生彎曲，其中，影響最大的是床身水平面內的彎曲。因此，在床身不太長的情況下，主要應提高床身在水平面內的彎曲剛度。所以，在設計床身時，采用與水平面傾斜45的斜面床身。這種結構的特點是：(1)在加工工件時，切屑和切削液可以從斜面的前方(即床身的一側)落下，就無需在床身上開排屑孔，這樣，床身斜面就可以做成一個完整的斜面。(2)切屑從工件上落到位于床身前面的排屑器中，再由排屑器將切屑排出。這樣，機床在工作中，排屑性能和散熱性能要好，可以減少床身在工作中吸收由于切削產(chǎn)生的熱量，從而減少床身的熱變形，使機床更好地保持加工精度。(3)由于在床身上無需開排屑孔，就可以增加與底座連接的床身底面的整體性，從而可增加床身底面的剛性。基于以上特點使得床身抵抗來自切削力在水平和垂直面內的分力所產(chǎn)生的彎曲變形能力，以及它們的合力產(chǎn)生的扭轉變形能力顯著增強。從而大幅度提高了床身的抗彎和抗扭剛度。床身在彎曲、扭轉載荷作用下，床身的變形與床身的截面的抗彎慣性矩和抗扭慣性矩有關。材料、截面相同，但形狀不同的床身，截面的慣性矩相差很大。截面積相同時，采用空形截面，加大外輪廓尺寸，在工藝允許的情況下，盡可能減小壁厚，可以大大提高截面的抗彎和抗扭剛度；矩形截面的抗彎剛度高于圓形截面，但圓形截面的抗扭剛度較高；封閉截面的剛度顯著高于不封閉截面的剛度。為此，在設計床身截面時，綜合考慮以上因素，在滿足使用、工藝情況下，采用空心截面，加大輪廓，減小壁厚，采用全封閉的類似矩形的床身截面形式，同時，為了提高床身的抗扭剛度和床身的剛度／重量比，在大截面內設計一個較小的類似圓形截面。 床身與導軌為一體，床身材料的選擇應根據(jù)導軌的要求選擇。鑄鐵具有良好的減震性和耐磨性，易于鑄造和加工。床身材料采用機械性能優(yōu)良的HT250，其硬度、強度較高，耐磨性較好，具有很好的減震性。 車床的導軌可分為滑動導軌和滾動導軌兩種?；瑒訉к壘哂薪Y構簡單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點。但傳統(tǒng)滑動導軌摩擦阻力大且磨損快，動、靜摩擦系數(shù)差別大，低速時易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。目前，數(shù)控車床已不采用傳統(tǒng)滑動導軌，而是采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動導軌和新型塑料滑動導軌。它們具有摩擦性能良好和使用壽命長等特點。在動導軌上鑲裝塑料具有摩擦系數(shù)低、耐磨性高、抗撕傷能力強、低速時不易爬行、加工性和化學穩(wěn)定性好、工藝簡單、成本低等優(yōu)點，在各類機床上都有應用，特別是用在精密、數(shù)控和重型機床的動導軌上。塑料導軌可與淬硬的鑄造鐵支承導軌和鑲鋼支承導軌組成對偶摩擦副。 直線運動滑動導軌截面形狀主要有三角形、矩形、燕尾形和圓形，并可互相組合。由于矩形導軌制造簡單，剛度高，承載能力大，具有兩個相垂直的導軌面。且兩個導軌面的誤差不會相互影響，便于安裝。再將矩形整體傾斜45后，側面磨損能自動補償，克服了矩形導軌側面磨損不能自動補償?shù)娜毕荩蛊鋵蛐愿?。本次設計我采用的是燕尾槽導軌。 鑲條是用來調整矩形導軌和燕尾導軌的側隙，以保證導軌面的正常接觸。鑲條應放在導軌受力較小的一側。壓板用于調整輔助導軌面的間隙和承受顛覆力矩。如圖5.5，是用磨或刮壓板3的e面和d面來調整間隙。壓板的d面和e面用空刀槽分開，間隙大磨刮d面，太緊時則修e面。這種方式構造簡單，應用較多，但調整時比較麻煩。 床身及導軌結構見下圖： 4.5中間軸的設計 中間軸上的齒輪是電機輸出與滾珠絲杠的傳力結構，它主要通過鍵連接齒輪2和齒輪3.所以要設計鍵槽，可設計一個鍵槽為兩個齒輪傳力。兩邊要留軸頸上軸承，中間軸的裝配見下圖： 中間軸的零件圖見下圖： 4.6軸承端蓋的設計 滾珠絲杠兩端有軸承端蓋，它的作用是軸承外圈的軸向定位，和防塵和密封，除它本身可以防塵和密封外，它常和密封件配合以達到密封的作用。左側端蓋因為滾珠絲杠要通過所以設計了一個孔用氈墊來封油。右邊可以設計成封閉式的端蓋可以減小加工難度。軸承端蓋見下圖： 總結與體會 畢業(yè)設計是對我們大學期間所學知識的一次總結與運用，是對以前每門課程設計的綜合，是對所學知識的徹底檢驗。剛開始選擇課題的時候，我因為對數(shù)控車床比較感興趣，所以選擇了關于數(shù)控車床方面的課題。我所在的組設計的是一臺數(shù)控車床，我主要對其中的橫向進給系統(tǒng)及縱向進給系統(tǒng)進行設計。開始設計之前，我首先上網(wǎng)搜索了有關車床方面的知識，對數(shù)控車床的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢有了進一步的了解，也讓我學習到了很多新的知識。設計的時候，我們對學校的一些數(shù)控車床進行了觀察，我主要觀察了機床的進給系統(tǒng)結構，同時并結合自己的課題對機床的總體布局做了進一步的研究，并通過查閱資料和相關圖冊，設計出了滿足數(shù)控車床需要的橫向進給系統(tǒng)及縱向進給系統(tǒng)。 畢業(yè)設計是我們走向工作崗位的最后一次練兵，是一次理論和實踐完美結合的過程。在近三個月的畢業(yè)設計當中，使我更加認識到理論聯(lián)系實際的重要性，只有理論而不去進行實踐是不行的。在設計過程中，我參考了一些圖紙，在參考的基礎上，理解并分析其優(yōu)缺點，取長補短，對自己其中不合理的部分進行了充分改進。通過這次設計，自己在查閱資料、運用資料、中英文翻譯、運用專業(yè)知識及CAD繪圖等方面的能力有了較大地提高，對如何將機、電互相結合起來有了較深刻的認識，彌補了原來學習中的很多不足之處，為以后從事機械方面的工作打下了一定的基礎，積累了一定的經(jīng)驗，對設計工作有了一定的認識。 總之，這次設計順利完成使我受益匪淺，不但鞏固了我以前學習的東西，而且學到了很多新東西，為我走向社會打下了深厚的基礎。同時也使我懂得了一個真正設計的步驟以及方法。 【參考文獻】 [1] 范超毅.數(shù)控技術課程設計[M].武漢：華中科技大學出版社，2007. 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