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摘 要
數(shù)控機(jī)床在現(xiàn)代制造業(yè)中扮演著一個重要的角色。本論文介紹了THY5940型立式加工中心設(shè)計思想和設(shè)計過程。主要敘述了數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)的傳動設(shè)計及主要傳動件滾珠絲杠及其支承的設(shè)計計算。并對進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行了校驗，取得了預(yù)期的效果。
該機(jī)床適用于摩托車、汽車、輕工機(jī)械等行業(yè)提高生產(chǎn)率。不僅對刀具的位置或軌跡進(jìn)行控制，而且還具有自動換刀和補(bǔ)償功能，具有很高的強(qiáng)度，剛度和抗震性。以前采用的專用機(jī)床加工零件，雖然效率較高，但制約被加工零件的改進(jìn)。而加工中心具有柔性，從而能適應(yīng)產(chǎn)品在最短時間內(nèi)達(dá)到商品化。本加工中心的設(shè)計擬采用主機(jī)，數(shù)控系統(tǒng)(包括伺服和驅(qū)動系統(tǒng))及相關(guān)配套件三部分組成。在對以前研究成果分析總結(jié)的基礎(chǔ)上，按照技術(shù)要求指標(biāo)，對初步擬訂的方案進(jìn)行細(xì)化，論證，完善和總結(jié)。
加工中心的進(jìn)給系統(tǒng)承擔(dān)加工中心各直線坐標(biāo)軸的定位和切削進(jìn)給，進(jìn)給系統(tǒng)的好壞將直接影響整機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和精度指標(biāo)。設(shè)計過程中應(yīng)使進(jìn)給穩(wěn)定性和快速響應(yīng)的特性。同時，要求有合理的控制系統(tǒng)，而且要求對驅(qū)動元件和機(jī)械傳動裝置的參數(shù)進(jìn)行合理的選擇，使整個進(jìn)給系統(tǒng)工作時的動態(tài)特性相匹配。
THY5940型立式加工中心機(jī)床解決了單件，小批量，特別是復(fù)雜型面的零件的加工自動化問題。對于提高企業(yè)的生產(chǎn)率，提高工件的加工精度以及提高機(jī)床的使用壽命都具有十分重要的意義。
經(jīng)過研究，本論文基本取得了預(yù)期效果，完成了進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算。同時，對數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計方法的研究也取得一定的效果。
關(guān)鍵詞：數(shù)控技術(shù)；數(shù)控機(jī)床；進(jìn)給系統(tǒng)；滾珠絲杠
Abstract
Numerical control machine tools play an important role in nowadays manufacturing. This article integrate the design method and design process of the entering system of NC machining center of type of THY 5940.It specifies the driving design and important driving accessory –ball bearing and it，s bearing of the entering system of NC machining center .In the same way ,checkout the entering system . We have achieved the method of intelligent design.
This machine applies to car/motorcycle and light industry of engine in order to improve their production ratio. It is not only control the position and track of the falchion, but also has the function of change the falchion automatically and compensates; have high intension/Steelton and non-shake. In the old days, people often use special machine to product accessories. Although have a high production ratio, hobble the improving of producing accessories. But NC machining center is flexible, so it can adopt the changed production and organize production and shorten regulate period of production possibly. The NC machine center design adopt main –frame\NC machining center system and correlative accessories, on the base of the former study progeny.
The entering system of NC machining bears NC machining all line coordinate ordination and cutting entering. The advantage and disadvantage of entering system will influence the driving station of the whole machine and precision guideline. In the process of design, we should make sure that the interring system meets the stability and response quickly. Contemporary, require reasonable control system. Furthermore, have a logical choose for the parameter of driving settings. So the whole entering system can match the machine when it is working.
The entering system of NC machining center of type of THY 5940 settle the problems of the product automatically of one accessory small production and complex accessories. This machine has an important role in improving the production of enterprise to improve the product precision and advance the longevity of machine.
After this study, we have realized the anticipate purpose. We have completed the antitype of the intelligent design system, and we have achieved the method of intelligent design.
Key words： Numerical control technology； Numerical control machine tool；Feed system；Ball bearing guide screw
II
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 引言 1
第2章 THY5940簡介 4
2.1 機(jī)床的設(shè)計參數(shù) 4
2.2 機(jī)床坐標(biāo)與進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu) 5
第3章 進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算 6
3.1 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu) 6
3.1.1 進(jìn)給傳動系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu) 6
3.1.2 設(shè)計傳動系統(tǒng)時應(yīng)注意的問題 7
3.1.3 傳動過程中的關(guān)鍵元件 8
3.2 滾珠絲杠的選擇 9
3.3 絲杠拖動電機(jī)的確定 9
3.3.1 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量J 9
3.3.2 電機(jī)的選擇 10
3.4 剛度計算 11
第4章 滾珠絲杠副的校驗與進(jìn)給系統(tǒng)誤差分析 13
4.1 機(jī)床定位精度與絲杠精度 13
4.2 滾珠絲杠的疲勞強(qiáng)度 13
4.3 死區(qū)誤差的分析 14
4.4 由傳動剛度的變化引起的定位誤差 14
第5章 機(jī)床的總體設(shè)計思路 16
5.1 主軸箱平衡和主軸箱拖動 16
5.2 滑座及立柱拖動 16
5.3 床身及滑座拖動 16
5.4 機(jī)床的防護(hù)系統(tǒng) 17
結(jié) 論 18
參 考 文 獻(xiàn) 19
致 謝 21
20
本科生畢業(yè)設(shè)計論文
第1章 引言
THY5940型立式加工中心是為汽車/摩托車/輕工機(jī)械等行業(yè)提高生產(chǎn)效率而開發(fā)的新產(chǎn)品。該機(jī)床總體布局為工作臺固定，立柱移動式。主運(yùn)動采用數(shù)字交流伺服電機(jī)拖動，可無機(jī)調(diào)速。該加工中心除針對汽車零件的加工外，還可以對其它種類的零件進(jìn)行銑、鏜、鉆、擴(kuò)、攻絲、平面及任何曲面的加工，它是輕工機(jī)械領(lǐng)域較為理想的設(shè)備，特別適合于汽車、摩托車行業(yè)以及輕工機(jī)械行業(yè)大批量生產(chǎn)的需要。該產(chǎn)品既可單機(jī)使用，也可以通過小的改動與柔性生產(chǎn)線聯(lián)機(jī)使用。因此，產(chǎn)品使用范圍廣。
根據(jù)加工特點及提高生產(chǎn)率的要求，采用加工和裝夾同時進(jìn)行。使工作臺的一側(cè)為加工區(qū)，另一側(cè)為卸載區(qū)。加工時工作臺固定，加工完工作后，只做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，代替交換工作臺的功能。機(jī)床的三個移動坐標(biāo)(X、Y、Z)均由主軸實現(xiàn)。主軸箱側(cè)掛于立柱上，并實現(xiàn)Z向進(jìn)給。立柱在滑座上移動實現(xiàn)Y向進(jìn)給?；诖采砩弦苿訉崿F(xiàn)X向進(jìn)給。在工作臺兩側(cè)設(shè)有螺旋排屑槽，將切屑排至機(jī)床的后面，在通過鏈?zhǔn)脚判计?與冷卻水箱一體)傳至切屑集中處。整機(jī)設(shè)有防護(hù)間，電器柜在防護(hù)間一側(cè)便于操作，液壓站安置在電器柜后面，從整體上設(shè)計較為合理。
目前我國數(shù)控機(jī)床的數(shù)量和品種，尚不能完全滿足國內(nèi)市場需求，自2000年以來，我國數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量以平均37%的速度增長，2003年國產(chǎn)數(shù)控金屬切削機(jī)床年產(chǎn)量達(dá)到36000多臺。但由于進(jìn)口機(jī)床的大量涌入，國產(chǎn)金切數(shù)控機(jī)床在國內(nèi)市場的占有率明顯下降。2003年我國國內(nèi)機(jī)床總消費(fèi)為67.3億美元，其中進(jìn)口機(jī)床41.3億美元，已連續(xù)三年成為世界最大的機(jī)床進(jìn)口國。進(jìn)口依存率113%，國內(nèi)市場自我滿足率僅為44%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于日本的86%，意大利的67%和德國的59%，可以說已威脅到我國機(jī)械制造基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的安全。同時僅2003年1年，就有德國吉特邁集團(tuán)，日本牧野銑床，日本豐田工，意大利利雅路集團(tuán)及韓國大宇機(jī)床等在我國開辦獨(dú)資企業(yè)。在開拓國際市場的同時，中國機(jī)床企業(yè)在國內(nèi)卻面臨著越來越嚴(yán)峻的競爭形式。2004年我國機(jī)床進(jìn)口突破了55億美元大關(guān)。[1]
分析表明，中國機(jī)床市場目前仍分為中低端和高端兩個領(lǐng)域。眾多中國企業(yè)，通常是國有企業(yè)占據(jù)低端市場，“低端混戰(zhàn)“愈演愈烈，但高端市場則主要由外國制造商，特別是被歐洲，日本的制造商壟斷。我國汽車，航空和航天，發(fā)電，船舶，特別是軍工等行業(yè)急需的高技術(shù)數(shù)控機(jī)床75%甚至100%依賴進(jìn)口。部分高檔數(shù)控機(jī)床仍然被作為戰(zhàn)略物資在國際市場上受到禁運(yùn)限制。
但如今這一切正發(fā)生改變，新產(chǎn)品開發(fā)有了很大突破，技術(shù)含量高的產(chǎn)品山主導(dǎo)地位。沈陽機(jī)床集團(tuán)機(jī)床股份有限公司中捷友誼)為上海磁懸浮快速列車線生產(chǎn)的s臺數(shù)控銼銑床組成的軌道梁生產(chǎn)線就是一個例子。數(shù)控機(jī)床發(fā)展的關(guān)鍵配套產(chǎn)品通過政府的支持有了突破和快速發(fā)展，如北京航天機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)集團(tuán)公司建立了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺;煙臺第_機(jī)床附件)開發(fā)為數(shù)控機(jī)床配套的多種動力卡盤和過濾排屑裝置。我國機(jī)床市場正形成以數(shù)控機(jī)床為主流的消費(fèi)，但我國在數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)化方面與國外仍然有很大差別。
我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展由成長期進(jìn)入成熟期，我國供應(yīng)市場的1500種數(shù)控機(jī)床，覆蓋超重型機(jī)床，高精度機(jī)床，特種加工機(jī)床，鍛壓設(shè)備，前沿高技術(shù)機(jī)床等領(lǐng)域，覆蓋面之廣可與日，德，意，美等國家媲美。目前，我國已基本掌握了多(五)坐標(biāo)聯(lián)動的關(guān)鍵技術(shù)，不僅打破了國外的技術(shù)封鎖，而且使該技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)入實用化階段。國際上只有2、3個國家能夠生產(chǎn)數(shù)控超重型機(jī)床，我國就是其中之一。[2]
我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品已延伸到成套，復(fù)合領(lǐng)域。數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的神經(jīng)中樞。是長期阻礙我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在世界范圍內(nèi)，經(jīng)過多年來市場競爭的優(yōu)勝劣汰，已形成由日本發(fā)那科公司獨(dú)占世界市場50%，德國西門子公司占據(jù)25%的壟斷局面。
我國從20世紀(jì)90年代末開始，就掌握基于通用32位工控機(jī)開放式體系結(jié)構(gòu)，一舉步入世界先進(jìn)技術(shù)行列，開發(fā)出能與加工中心，復(fù)合車削機(jī)床及齒輪機(jī)床配套的數(shù)控系統(tǒng)，特別是控制五軸聯(lián)動(如用于桂林機(jī)床公司與多棱機(jī)床公司龍門式鏜銑床，齊一車銑復(fù)合加工中心)和具備網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程監(jiān)控，診斷，操作功能的數(shù)控系統(tǒng)，開發(fā)出弧齒錐齒輪數(shù)控加工，三維激光視覺檢測。目前批量投入市場的國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)，性價比優(yōu)勢明顯，正在改變國際強(qiáng)手在中國市場上奇貨可居的壟斷局面。
高速加工是而向21世紀(jì)的一項高新技術(shù)。它以高效率、高精度和高表而質(zhì)量為基木航空航人、汽車工業(yè)、模具制造、光電工程和儀器儀表等行業(yè)中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，己取得了重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。是當(dāng)代先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。
為了實現(xiàn)高速加工.首先要有高速數(shù)控機(jī)床。高速數(shù)控機(jī)床必須同時具有高速主軸系統(tǒng)和高速進(jìn)給系統(tǒng).才能實現(xiàn)材料切削過程的高速化。為了實現(xiàn)高速進(jìn)給.除了可以繼續(xù)采用經(jīng)過改進(jìn)的滾珠攤杠以外.最近幾年又出現(xiàn)子‘直線電機(jī)’和“JI聯(lián)虛擬軸機(jī)構(gòu)”等新型的高速進(jìn)給方式.從結(jié)構(gòu)、性能到總體布局.二者之間都有很大的差別.形成了二種截然不同的高速進(jìn)給系統(tǒng)。
高速加工的切削速度為常規(guī)切速的10倍左右。為了使刀具每齒進(jìn)給量基木保持不變.以保證零件的加工精度、表而質(zhì)量和刀具的耐用度.則進(jìn)給量也必須相應(yīng)提高10倍左右.達(dá)到60 m/ min以上.有的甚至高達(dá)120 m/ min。大的進(jìn)給量和快速行程.木身也是縮短切削工時和輔助工時的要求。[3]
機(jī)床加工零件時.工作行程一般只有幾十至幾百毫米.因此只有在瞬間達(dá)到高速和在高速行程中瞬間準(zhǔn)停.高速直線運(yùn)動才有意義。這就要求高速機(jī)床不但進(jìn)給速度高而且加速度大。最大加速度之值要達(dá)到1- g gig為重力加速度)。高的加速度運(yùn)動會對機(jī)床造成巨大的動載荷。因此要采取一系列有效措施.提高機(jī)床的動靜剛度。從某種意義上說.高速加工促使機(jī)床設(shè)計從‘速度設(shè)計”發(fā)展到子‘加速度設(shè)律’的新階段。 此外.進(jìn)給系統(tǒng)要能實現(xiàn)快速的伺服控制和誤差補(bǔ)償.有較高的定位精度和跟蹤精度.以便進(jìn)行工件的高效精密加工。[4]
從以上可以看出，國外的數(shù)控機(jī)床水平比較先進(jìn)。我國在數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展還面臨著以下問題：數(shù)控化水平低，缺乏發(fā)展產(chǎn)業(yè)的政策和技術(shù)配套體系，面臨國外強(qiáng)手競爭的巨大壓力。所以，我國機(jī)床裝備制造業(yè)市場意識的強(qiáng)化與核心技術(shù)的發(fā)展，只能通過進(jìn)一步的開放市場來解決，在競爭中培育成長。開放式自主發(fā)展既是促進(jìn)自身快速成長的必要途徑，又是打造高端品牌的戰(zhàn)略選擇。根據(jù)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展需要，集中力量突破數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，形成國內(nèi)自主版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，迎接數(shù)控機(jī)床行業(yè)的每一個挑戰(zhàn)。
第2章 THY5940簡介
2.1 機(jī)床的設(shè)計參數(shù)
本機(jī)床為THY5940型立式銑鏜加工中心，產(chǎn)品規(guī)格為400*630*2。主要的設(shè)計參數(shù)如表2-1所示。
表2-1 技術(shù)參數(shù)
項目 單位 規(guī)格
型號
THY5940
工作臺尺寸
mm
400x630x2
承重
kg
500
立柱橫向行程X
mm
600
立柱縱向行程Y
mm
400
主軸箱垂直行程Z
mm
600
工作臺回轉(zhuǎn)C
0°\180°
主軸錐孔
ISO7:24 No.40
主軸轉(zhuǎn)速
r/min
45-6000
主軸最大扭矩
N.m
180
主電機(jī)功率
kw
7
主軸中心到立柱導(dǎo)軌面距離
mm
530
主軸端面到工作臺面最小距離
mm
210
切削進(jìn)給X、Y、Z
Mm/min
1-10000
快速移動X/Y/Z
m/min
24/24/15
刀庫容量
把
16
定位精度X、Y、Z
mm
±0.005
重復(fù)定位精度X、Y、Z
mm
±0.003
機(jī)床重量
kg
10000
機(jī)床外形尺寸(長x寬x高)
mm
2760x2850x2725
2.2 機(jī)床坐標(biāo)與進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)[5]
圖2.2.1 機(jī)床坐標(biāo)
圖2.2.2 傳動進(jìn)給系統(tǒng)
1 伺服電機(jī) 2 彈性聯(lián)軸器 3 滾珠絲杠 4 螺栓
THY5940型立式銑鏜加工中心進(jìn)給系統(tǒng)是采用半閉環(huán)方式，反饋信號是由安裝在伺服電機(jī)上的脈沖編碼器反饋到位置偏差檢測器。脈沖編碼器與電機(jī)同軸，電機(jī)與絲杠直接連接，機(jī)床坐標(biāo)和運(yùn)動方向如圖1所示，進(jìn)給驅(qū)動裝置如圖2所示。其特點是結(jié)構(gòu)簡單，產(chǎn)生誤差的環(huán)節(jié)少，同時由于轉(zhuǎn)動慣量減少，使伺服特性有較大改善，在整個進(jìn)給系統(tǒng)中，除了有伺服電機(jī)、檢測元件、滾珠絲杠聯(lián)軸器等運(yùn)動部件外，導(dǎo)軌的性能對進(jìn)給系統(tǒng)的影響不容忽視。
第3章 進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算
加工中心的進(jìn)給系統(tǒng)承擔(dān)加工中心各直線坐標(biāo)軸的定位和切削進(jìn)給，它的性能直接影響整機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和精度指標(biāo)。
3.1 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)
3.1.1 進(jìn)給傳動系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)[6]
數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動采用無級調(diào)速的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，伺服電機(jī)經(jīng)過由進(jìn)給傳動系統(tǒng)將動力和運(yùn)動傳遞給工作臺等運(yùn)動執(zhí)行部件。通常進(jìn)給傳動系統(tǒng)是由一至兩級齒輪副或帶輪副和滾珠絲杠螺母副或齒輪齒條副或蝸桿蝸條副所組成。傳動系統(tǒng)的齒輪副或帶輪副的主要作用是通過降速來匹配進(jìn)給系統(tǒng)的慣量和獲得要求的輸出機(jī)械特性，對開環(huán)系統(tǒng)，還匹配所需的脈沖當(dāng)量作用。近年來由于伺服電機(jī)及其控制單元性能的提高，許多數(shù)控床的進(jìn)給系統(tǒng)去掉了降速齒輪副，直接將伺服電機(jī)與滾珠絲杠連接，其典型結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，它是立式數(shù)控銑床X和Y兩坐標(biāo)進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。伺服電機(jī)1與滾珠絲杠3通過聯(lián)軸器2直接驅(qū)動工作臺5。直線運(yùn)動采用滾動導(dǎo)軌，保證運(yùn)動的精度和動作的靈敏度。
圖3-1 伺服電機(jī)與絲杠直聯(lián)的進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖
1- 伺服電機(jī)；2-聯(lián)軸節(jié)；3-滾珠絲杠；4-限位開關(guān)；5-工作臺；
6-軸承；7-導(dǎo)軌；8-磁尺；9-螺母
3.1.2 設(shè)計傳動系統(tǒng)時應(yīng)注意的問題
由于數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動是數(shù)字控制的直接對象，被加工工件的最終位置精度和輪廓精度都與進(jìn)給運(yùn)動的傳動精度、靈敏度和穩(wěn)定性有關(guān)。因此，在設(shè)計傳動結(jié)構(gòu)，選用傳動零件時，必須考慮以下幾方面問題[7]
(1) 減少運(yùn)動件的摩擦阻力。機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)的摩擦阻力，主要來自絲杠螺母副和導(dǎo)軌。在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，為了減小摩擦阻力，消除低速進(jìn)給爬行現(xiàn)象，提高整個伺服進(jìn)給系統(tǒng)穩(wěn)定性，廣泛采用滾珠絲杠和滾動導(dǎo)軌以及塑料導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌等。
(2) 提高傳動精度和剛度。進(jìn)給傳動系統(tǒng)的傳動精度和剛度，與絲杠螺母副及其支承結(jié)構(gòu)的剛度有密切的關(guān)系。為此，首先要保證各個零件的加工精度，尤其是提高滾珠絲桿螺母副的傳動精度。其次是對滾珠絲杠和軸承進(jìn)行預(yù)緊等措施來提高進(jìn)給精度和剛度。
(3) 減少各運(yùn)動零件的慣量。傳動元件的慣量對進(jìn)給系統(tǒng)的啟動和制動特性都有影響，尤其是高速運(yùn)轉(zhuǎn)的零件，其慣量的影響更大。在滿足傳動強(qiáng)度和剛度的前提下，盡可能減小執(zhí)行部件的質(zhì)量，減小旋轉(zhuǎn)零件的直徑和質(zhì)量，以減少運(yùn)動部件的慣量。
(4) 系統(tǒng)要有適度阻尼。阻尼會降低進(jìn)給伺服系統(tǒng)的快速響應(yīng)特性.但又可增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，當(dāng)剛度不足時，運(yùn)動件之間的運(yùn)動阻尼對降低工作臺爬行，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性起了重要作用。因此，在減小摩擦阻力的同時，還應(yīng)考慮傳動部件具有適度的阻尼，以保證它們抗千擾的能力。
(5) 穩(wěn)定性好、壽命長。穩(wěn)定性是伺服進(jìn)給系統(tǒng)能正常工作的基本條件，應(yīng)能保證系統(tǒng)在低速進(jìn)給時不產(chǎn)生爬行，并能適應(yīng)外加負(fù)載的變化而不發(fā)生共振。穩(wěn)定性與系統(tǒng)的慣性、剛性、阻尼及增益等有關(guān)。而進(jìn)給系統(tǒng)的壽命，主要指保持?jǐn)?shù)控機(jī)床傳動精度和定位精度時間的長短，即各傳動部件保持其原制造精度的能力，故應(yīng)合理選擇各傳動件的材料、熱處理方法及加工工藝，并采用適宜的潤滑方式和防護(hù)措施，以延長壽命。
(6) 使用維護(hù)方便數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)便于維護(hù)和保養(yǎng)，最大限度地減少維修工作量，以提高機(jī)床的利用率。
3.1.3 傳動過程中的關(guān)鍵元件[8]
以上要求的滿足必須靠進(jìn)給傳動系統(tǒng)中的各個元件來保證，尤其是幾個關(guān)鍵元件，分別是：
聯(lián)軸節(jié)—用于連接伺服電機(jī)與滾珠絲杠，把伺服電機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩直接傳遞到滾珠絲杠上。數(shù)控機(jī)床上常用無鍵彈性環(huán)聯(lián)軸節(jié)和套筒式聯(lián)軸節(jié)，其中彈性 環(huán)聯(lián)軸節(jié)具有定心好、承載能力強(qiáng)、沒有集中源、裝拆方便、密封和保護(hù)性好等優(yōu)點，得到廣泛應(yīng)用。
滾珠絲杠螺母副—是實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動與直線運(yùn)動相互轉(zhuǎn)換的傳動裝置，具有效率高、運(yùn)動平穩(wěn)、壽命高及預(yù)緊等優(yōu)點，在各類中、小型數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中得到普遍應(yīng)用。
導(dǎo)軌副—機(jī)床導(dǎo)軌是機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)之一。機(jī)床加工精度和使用壽命在很大程度上決定于機(jī)床導(dǎo)軌的質(zhì)量，數(shù)控機(jī)床的導(dǎo)軌則有更高的要求。如在高速進(jìn)給時不振動，低速進(jìn)給時不爬行，具有很高的靈敏度，能在重載下長期連續(xù)工作，耐磨性要高，精度保持性要好等?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床使用的導(dǎo)軌，從類型上仍是滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌3種，但在材料和結(jié)構(gòu)上己發(fā)生了質(zhì)的變化， 已不同于普通機(jī)床的導(dǎo)軌。
伺服電機(jī)—主要用于接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給指令信號，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蛑本€位移，從而驅(qū)動執(zhí)行部件實現(xiàn)所要求的運(yùn)動。進(jìn)給系統(tǒng)伺服電機(jī)應(yīng)該 滿足如下要求：首先，精度高，輸出位移有足夠的精度，即實際位移與指令位移之差要?。黄浯?，應(yīng)該具有較長時間的大過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求；再次，調(diào)速范圍寬，而且從最低速到最高速時，電機(jī)均能平滑運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動小，特別是在低速(如0. 1r / min或更低)時，速度平穩(wěn)而無爬行現(xiàn)象。最后，能承受頻繁振動、制動和反轉(zhuǎn)。
進(jìn)給系統(tǒng)不僅要求有合理的控制系統(tǒng)，而且要求對驅(qū)動元件和機(jī)械傳動裝置的參數(shù)進(jìn)行合理選擇，以使整個進(jìn)給系統(tǒng)工作時的動態(tài)響應(yīng)特性相匹配。
3.2 滾珠絲杠的選擇
滾珠絲杠是機(jī)床坐標(biāo)移動的關(guān)鍵部件，其質(zhì)量的好壞和刀具可靠性的程序?qū)⒂绊懼鬏S的性能及該機(jī)床的質(zhì)量。
X向絲杠的拖動力在三個直線坐標(biāo)中最大，因為它要拖動滑座、立柱、主軸箱、刀庫等，所以初選定該絲杠直徑為，伺服電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速可查文獻(xiàn)[4] ,則絲杠的螺距。因此選擇該向絲杠螺距為。
3.3 絲杠拖動電機(jī)的確定
3.3.1 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量J
本小節(jié)用到的公式參見文獻(xiàn)[4]
（3—1）
：折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量
：絲杠本身的轉(zhuǎn)動慣量
= （3—2）
式中：S：絲杠導(dǎo)程 cm. S==
W：絲杠上移動部件總重量kg,估計(包括：滑座、立柱、主軸箱、變速箱、刀庫、重錘等)
g： 重力加速度(g=
= （3—3）
=
式中：D：絲杠直徑 cm D==
L：絲杠長度 cm L==
J絲==
J==0.31+0.063=
3.3.2 電機(jī)的選擇
所需力矩M= (Ma/Mf/Mo的計算，見文獻(xiàn)[4] P514.表6.6-30
Ma:加速力矩 Ma= （3—4）式中：J：轉(zhuǎn)動慣量(包括電機(jī)軸慣量)
N：電機(jī)轉(zhuǎn)速
T：加速時間常數(shù)(一般取0.2秒)
：摩擦力矩 （3—5）
式中：P：摩擦力 P=
S：導(dǎo)程()
η：效率(取0.9)
（3—6）
式中：：絲杠預(yù)緊力(取3000N)
根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]推薦：負(fù)載折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量不能大于電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量的4倍
根據(jù)電機(jī)樣本可以選定電機(jī)的參數(shù)為：
=36N.m
從計算結(jié)果可以看出，絲杠產(chǎn)生的力矩主要是電機(jī)的加速力矩，所需力矩總和為：
M==35+0.68+0.01=35.7N.m
3.4 剛度計算
為了確保機(jī)床的定位精度和工作穩(wěn)定性，在機(jī)械傳動裝置上，要求是無間隙低摩擦、低慣量、高精度、高諧振以及適宜的阻尼比，其中提高剛度，降低慣量尤為重要[9]
目前，在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，提高傳動剛度的方法有：
(1) 將電機(jī)與滾珠絲杠直接聯(lián)系，采用錐形夾緊環(huán)的消隙聯(lián)軸器，這樣可
簡化結(jié)構(gòu)，減少噪聲，消除配合間隙提高傳動剛度。
(2) 提高絲杠及其支承剛度，采用DJM型單型脹套聯(lián)結(jié)彈性膜片聯(lián)軸器如
圖3-4所示。
(3) 對滾珠絲杠螺旋副的預(yù)緊和滾珠絲杠的預(yù)拉伸。系統(tǒng)的剛度主要取決
于最后傳動件滾珠絲杠的拉壓剛度K△。
圖3.4 彈性聯(lián)軸器
滾珠絲杠的拉壓剛度K△
（3—7）
式中：d為絲杠中徑(cm)；E為模量彈性()；為受力點到支承端距離(cm)；n為行程比：,L為總行程長(cm)
軸承剛度： （3—8）
式中：Pa為軸向載荷(N)；Z為滾動體數(shù)；do為滾動體直徑(mm)；β為滾動軸承接觸角。
絲杠螺母座剛度與軸承座剛度：
（3—9 ）
式中：I為支承座抗彎斷面慣性矩(cm4)；L為支承座中心到支承表面的高度(cm)；E為支承座材料的彈性模量().
絲杠傳動的綜合拉壓剛度：絲杠傳動的綜合拉壓剛度與軸向固定形式及軸承是否預(yù)緊有關(guān)，對于兩端固定，軸承預(yù)緊：
(3—10)
X軸：， ；
Y軸：， ；
第4章 滾珠絲杠副的校驗與進(jìn)給系統(tǒng)誤差分析
4.1 機(jī)床定位精度與絲杠精度
絲杠精度將直接影響加工中心各軸的定位精度，因此根據(jù)機(jī)床定位精度的要求，選用相應(yīng)精度的滾珠絲杠。根據(jù)要求選1級精度。
在絲杠精度對機(jī)床定位精度的影響中，導(dǎo)程誤差的影響最明顯。而絲杠在運(yùn)轉(zhuǎn)中由于溫升引起的絲杠伸長，將直接影響機(jī)床定位精度。
絲杠溫升引起的變形量為[10]：
(4-1)
式中：α——絲杠膨脹系數(shù)
L——絲杠長度(由絲杠的選擇，初定L=1290mm)
——絲杠與床身之間的溫差，一般按△t=2-3℃
4. 2 滾珠絲杠的疲勞強(qiáng)度
絲杠的最大載荷為最大進(jìn)給力加摩擦力；最小載荷為摩擦力。根據(jù)設(shè)計要求，取最大進(jìn)給力為5000N?；傲⒅?、主軸箱、變速箱、刀庫、重錘等的重量約為3000kg，導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為0.01，固摩擦力為
最大載荷
平均載荷 （4—2）
絲杠的最高轉(zhuǎn)速為1500r/min.
絲杠的最低轉(zhuǎn)速可認(rèn)為是平均轉(zhuǎn)速
絲杠的工作壽命取h=15000h, ,
代入式
從文獻(xiàn)[11]P688，選擇FFZ4010型內(nèi)循環(huán)浮動返向器雙螺母對旋預(yù)緊滾珠絲杠副。直徑50mm，導(dǎo)程20mm，5列，額定動載荷為Ca=56kN,大于計算結(jié)果(Cm=48KN) 。軸向剛度
根據(jù)表下的注，預(yù)緊力。只要軸向外載荷不超過的3倍，就不必對預(yù)緊力提出額外的要求。今最大載荷僅5294N遠(yuǎn)小于此值。
根據(jù)文獻(xiàn)[12] ，這種絲杠軸端直徑不得超過32mm,固采用30mm的軸承。一端軸向固定，采用60°接觸角的7602030TVP型推力角接觸球軸承。一對面對面組配，其參數(shù)見文獻(xiàn)[1] P.80。另一端簡支，采用一個6206195型深溝球軸承。
4. 3 死區(qū)誤差的分析[12]
死區(qū)誤差既傳動系統(tǒng)啟動或反向時產(chǎn)生的輸入運(yùn)動與輸出運(yùn)動之間的差值。
反向死區(qū)的存在直接影響工件與刀具的定位精度，半閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)的死區(qū)誤差是影響定位精度的主要原因，產(chǎn)生死區(qū)誤差的主要原因有(1)機(jī)械傳動系統(tǒng)中的間隙；(2)克服導(dǎo)軌摩擦力而產(chǎn)生的摩擦死區(qū)；(3)系統(tǒng)中電氣，液壓元件的死區(qū)。其中在實際工作中的死區(qū)誤差，主要由間隙和摩擦死區(qū)兩部分組成，而間隙可以部分消除或完全消除。摩擦間隙只能通過減少摩擦，增加傳動剛度而控制在一定的數(shù)值內(nèi)。
通過采取間隙消除措施后死區(qū)誤差變?yōu)閇13]
（4—3）
式中：為進(jìn)給導(dǎo)軌摩擦力(N)；為絲杠綜合拉壓剛度(N/um);W為進(jìn)給方向載荷(N)；u為摩擦系數(shù)。
THY5940機(jī)床要求的定位精度為
計算得該機(jī)床死區(qū)誤差為：
X軸死區(qū)誤差：
Y軸死區(qū)誤差：
4.4 由傳動剛度的變化引起的定位誤差[14]
（4—4）
式中：為最大摩擦力；為最小綜合拉壓剛度；為最大綜合拉壓剛度。
數(shù)控機(jī)床主要誤差的檢驗是在空載下進(jìn)行的[15]。計算得THY5940由傳動剛度的變化引起的定位誤差為：X為軸向定位誤差：;Y軸向定位誤差；；Z軸向定位誤差；。
由傳動剛度的變化引起的定位誤差遠(yuǎn)小于(1/3-1/5)機(jī)床定位精度的要求?？梢钥闯霰緳C(jī)床的進(jìn)給傳動綜合拉壓剛度是比較好的。
第5章 機(jī)床的總體設(shè)計思路
5.1 主軸箱平衡和主軸箱拖動
本機(jī)床的立柱是移動式的，它可沿X向(與滑座一起)和Y向作快速移動和進(jìn)給。主軸箱沿立柱導(dǎo)軌上下移動，實現(xiàn)Z向快速移動和進(jìn)給。X、Y、Z三個坐標(biāo)均采用直線滾動導(dǎo)軌，移動速度好，精度好，噪聲低。
主軸箱平衡采用重錘式的平衡方法，結(jié)構(gòu)簡單[16]。為了使立柱在快速移動時，重錘沒有沖擊，因此在重錘中加了兩個導(dǎo)向柱，因此重錘只能沿立柱上下移動。在導(dǎo)向柱與重錘之間裝有直線導(dǎo)軌。
主軸箱拖動由伺服電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸節(jié)傳至絲杠，使主軸箱沿立柱作Z向移動。最高移動速度可達(dá)18m/min，滾珠絲杠直徑為40mm，在主軸箱上下移動極限處有極限開關(guān)，在主軸箱零位設(shè)有回零開關(guān)。
立柱上的兩根直線導(dǎo)軌的導(dǎo)條側(cè)面都有定位基面，并有壓塊將導(dǎo)條壓緊，導(dǎo)軌上的滑塊固定在主軸箱上，共四個。
5.2 滑座及立柱拖動[17]
立柱通過直線導(dǎo)軌的滑塊坐在滑座直線導(dǎo)軌上，并可實現(xiàn)Y向移動。立柱底面固定有四個滑塊，每條導(dǎo)軌上有兩個滑塊，滑塊組的一側(cè)有定位基面，并用壓塊壓緊，而另一側(cè)為浮動。立柱拖動由伺服電機(jī)經(jīng)練軸節(jié)傳給絲杠，使立柱在Y向移動，實現(xiàn)24m/min的最高移動速度?；显O(shè)有立柱移動的極限開關(guān)和回零開關(guān)(Y向回零)。
5.3 床身及滑座拖動
滑座通過固定在其下面的四個滑塊，在床身直線導(dǎo)軌上移動，并由伺服電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸節(jié)可實現(xiàn)Y向移動，其最高速度可達(dá)24m/min,而且在行程兩端設(shè)有極限開關(guān)，同時設(shè)有回零開關(guān)。
床身共有13個與地腳連接的螺釘孔，每個地腳螺孔都可調(diào)整機(jī)床的水平，機(jī)床的防護(hù)間坐在床身的四周沿上。
5.4 機(jī)床的防護(hù)系統(tǒng)
本機(jī)床采用全防護(hù)型，除電氣柜、冷卻箱及接屑盒，其它都在防護(hù)間內(nèi)，使機(jī)床在切削加工時，鐵屑及冷卻液不外溢，可保持機(jī)床周圍的衛(wèi)生清潔。
該機(jī)床三個移動坐標(biāo)都有導(dǎo)軌防護(hù)[18]。其中，主軸箱移動導(dǎo)軌(Z向)防護(hù)是直線導(dǎo)軌自身帶的，滾珠絲杠也是采用單獨(dú)防護(hù)，既螺旋保護(hù)套。X向、Y向?qū)к壏雷o(hù)采用的是防護(hù)拉板形式的，即可防護(hù)導(dǎo)軌，又可防護(hù)絲杠。
結(jié) 論
本論文系統(tǒng)研究了THY5940型數(shù)控鏜銑床進(jìn)給傳動系統(tǒng)的設(shè)計方法，并對傳動過程中的一些常見問題進(jìn)行了分析。同時對機(jī)械元件和機(jī)械傳動裝置的參數(shù)進(jìn)行了合理的選擇，使得整個進(jìn)給系統(tǒng)在工作時的動態(tài)特性相匹配，有效提高了機(jī)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量和效率。歸納起來本文主要完成了以下的任務(wù)：
(1) 完成了數(shù)控鏜銑床進(jìn)給傳動系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計的計算與選擇，大幅度提高了機(jī)構(gòu)設(shè)計速度;
(2) 參考前人的設(shè)計成果及設(shè)計理念，總結(jié)出適合本機(jī)床的設(shè)計方案，保證了設(shè)計結(jié)果的合理性;
(3) THY5940型機(jī)床解決了以前一些專用機(jī)床的效率低、小批量、制約被加工零件的改進(jìn)等缺點，使得加工具有更大的柔性，從而能適應(yīng)產(chǎn)品的換型與更新，提高了生產(chǎn)效率與企業(yè)的先進(jìn)性。
（4) 解決了機(jī)床設(shè)計過程中的一些常見問題，并對數(shù)控機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)以及工作過程有了進(jìn)一步更深刻的認(rèn)識。
參 考 文 獻(xiàn)
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[19] Schulz II. Dynamic Stiffness and Contouring Accuracy of a IISC Linear Motor Machine. Proceedings of the 2nd International Conference on Irish Speed Machine, Darmstadt, Germany，1999. 75~83
致 謝
本學(xué)位論文是在xxx老師的直接關(guān)心和悉心指導(dǎo)下完成的。導(dǎo)師以其淵博的學(xué)識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、任勞任怨和誨人不倦的精神不斷地教育我、激勵我，使我受益匪淺；同時為我的學(xué)習(xí)和研究工作提供了各種有利的條件，使我能夠不斷取得學(xué)業(yè)上的進(jìn)步并順利完成課題的研究和論文的撰寫工作。導(dǎo)師真不愧為良師益友，在此，學(xué)生向?qū)熤乱哉\摯的敬意并表示衷心的感謝!
同時也十分感謝我的舍友，感謝他們正直善良、樂觀向上的精神為我營造了一個友善和諧的學(xué)習(xí)、生活空間;還要感謝工程專業(yè)的所有幫助和關(guān)心我的同學(xué)，在此向他們致以真誠的謝意。
還要感謝我的親人，特別是我的父母，他們給予我生活上無微不至的關(guān)心及精神上的支持與鼓勵，使我能順利完成學(xué)業(yè)。