1878_MJ—50型數(shù)控車床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1878_MJ—50型數(shù)控車床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì),_mj,50,數(shù)控車床,進(jìn)給,傳動(dòng)系統(tǒng),設(shè)計(jì) 黃河科技學(xué)院本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論文） 任 務(wù) 書工 學(xué)院 機(jī)械 系 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 專業(yè) 08 級(jí) 3 班學(xué) 號(hào) 080105630 學(xué)生 董杰 指 導(dǎo) 教 師 閆 存 富 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目MJ—50 型數(shù)控車床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作內(nèi)容與基本要求（目標(biāo)、任務(wù)、途徑、方法，應(yīng)掌握的原始資料（數(shù)據(jù)） 、參考資料（文獻(xiàn)）以及設(shè)計(jì)技術(shù)要求、注意事項(xiàng)等） （紙張不夠可加頁）一、設(shè)計(jì)技術(shù)要求、原始資料（數(shù)據(jù)） 、參考資料（文獻(xiàn)） 1、設(shè)計(jì)要求：主要是數(shù)控車床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)為主線，以理論計(jì)算及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)為輔的綜合性題目。2、參考文獻(xiàn)：數(shù)控機(jī)床構(gòu)造，機(jī)械設(shè)計(jì),金屬工藝學(xué)及熱處理、機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)、機(jī)械工程手冊(cè)等資料。 二、設(shè)計(jì)目標(biāo)與任務(wù) 1、查閱文獻(xiàn)資料不少于 12 篇，其中外文資料不少于 2 篇；編寫文獻(xiàn)綜述（不少于 3000 字） 。2、翻譯外文科技資料，不少于 3000 字。3. 完成開題報(bào)告。4、完成數(shù)控車床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制裝配圖、部件圖和零件圖，折合 A1 圖紙 3 張以上。5、編寫設(shè)計(jì)說明書，不少于 8000 漢字。 三、時(shí)間安排1——3 周 完成開題報(bào)告、文獻(xiàn)翻譯、文獻(xiàn)綜述等4——11 周 完成總體設(shè)計(jì)、撰寫說明書等12——13 周 修改論文、資格審查等14 周 畢業(yè)答辯畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間： 2012 年 2 月 13 日至 2012 年 5 月 15 日計(jì) 劃 答 辯 時(shí) 間： 2012 年 5 月 19 日專業(yè)（教研室）審批意見：審批人簽名：黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告表課題名稱 MJ—50 型數(shù)控車床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)課題來源 教師擬訂 課題類型 AX 指導(dǎo)教師 閆存富學(xué)生姓名 董杰 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào) 080105630一、調(diào)研資料的準(zhǔn)備根據(jù)任務(wù)書的要求，在做本課題前，查閱了與課題相關(guān)的資料有： 機(jī)械設(shè)計(jì)（第四版） 、機(jī)械制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)、數(shù)控機(jī)床構(gòu)造、數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)書等以及與設(shè)計(jì)相關(guān)的手冊(cè)。二、設(shè)計(jì)的目的與要求 畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)教學(xué)中最后一個(gè)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，通過該設(shè)計(jì)過程，可以檢驗(yàn)學(xué)生所學(xué)的知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生處理工程中實(shí)際問題的能力，因此意義特別重大。本設(shè)計(jì)主要是數(shù)控車床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)為主線，以理論計(jì)算及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)為輔的綜合性題目。三、設(shè)計(jì)的思路與預(yù)期成果 1、設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)主要包括伺服進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)以及機(jī)床精度要求，沿 Z 軸（縱向）進(jìn)給和沿 X 軸（橫向）進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)， Z 軸和 X 軸的滾珠絲杠的選擇與計(jì)算、滾珠絲杠支承軸承的選擇、進(jìn)給伺服電機(jī)的選擇計(jì)算、聯(lián)軸器的選擇、導(dǎo)軌的選擇計(jì)算、相關(guān)驗(yàn)算和校核，以及進(jìn)給系統(tǒng)精度分析。2、預(yù)期的成果（1）完成文獻(xiàn)綜述一篇，不少與 3000 字，與專業(yè)相關(guān)的英文翻譯一篇，不少于 3000 字。（2）完成內(nèi)容與字?jǐn)?shù)都不少于規(guī)定量的畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書一份。（3）繪制圖紙量不少于 A1圖紙 3 張。四、任務(wù)完成的階段內(nèi)容及時(shí)間安排1 周——2 周 收集設(shè)計(jì)資料并完成開題報(bào)告3 周——4 周 完成英文資料翻譯并寫出文獻(xiàn)綜述5 周——6 周 進(jìn)行總體設(shè)計(jì)和部分零部件的選擇與設(shè)計(jì)7 周——10 周 繪制裝配圖和部分零件圖、編寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 周 修改整理，準(zhǔn)備答辯五、完成設(shè)計(jì)（論文）所具備的條件因素本人已修完機(jī)械設(shè)計(jì)（第四版） 、機(jī)械制圖、數(shù)控機(jī)床構(gòu)造、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)控車床設(shè)計(jì)、數(shù)控機(jī)床位置精度分析與誤差補(bǔ)償技術(shù)與畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)等課程，圖書館有大量的相關(guān)文獻(xiàn)資料，以及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)等資源可供參考。指導(dǎo)教師簽名： 日期： 課題來源：（1）教師擬訂；（2）學(xué)生建議；（3）企業(yè)和社會(huì)征集；（4）科研單位提供課題類型：（1）A—工程設(shè)計(jì)（藝術(shù)設(shè)計(jì)） ；B—技術(shù)開發(fā)；C—軟件工程；D—理論研究；E—調(diào)研報(bào)告（2）X—真實(shí)課題；Y—模擬課題；Z—虛擬課題要求（1） 、 （2）均要填，如 AY、BX 等。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 綜 述 ) 第 1 頁數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：本文介紹了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的基本組成和設(shè)計(jì)要求，進(jìn)給系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，沿 Z 軸（縱向）和 X 軸（橫向）進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及進(jìn)給系統(tǒng)的精度分析。關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床，伺服進(jìn)給系統(tǒng)，精度分析前言數(shù)控機(jī)床是一種裝有計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的機(jī)床，數(shù)控系統(tǒng)能夠處理加工程序，控制機(jī)床自動(dòng)完成各種加工運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床能夠自動(dòng)換刀，自動(dòng)變更切削參數(shù)，完成平面、回旋面、平面曲線和空間曲面的加工，加工精度和生產(chǎn)率都比較高，因而應(yīng)用日益廣泛。它可以幫助人類完成很多危險(xiǎn)、繁重、重復(fù)的體力勞動(dòng)。 [1]數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高度集成和交融的產(chǎn)物，它涉及機(jī)械、控制、電子、計(jì)算機(jī)、人工智能、知識(shí)庫系統(tǒng)以及認(rèn)識(shí)科學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域，是當(dāng)代最具有代表性的機(jī)電一體化技術(shù)之一。人類文明的發(fā)展、科技的進(jìn)步已和數(shù)控機(jī)床的研究、應(yīng)用產(chǎn)生了密不可分的關(guān)系。為了適應(yīng)社會(huì)的需求，各院校都比較重視數(shù)控技術(shù)和控制技術(shù)等課程在機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化專業(yè)的開設(shè)，使培養(yǎng)的學(xué)生懂得數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)方面的技術(shù)。經(jīng)過50 多年的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、航空航天、商業(yè)、旅游、醫(yī)藥衛(wèi)生、辦公自動(dòng)化及生活服務(wù)等眾多領(lǐng)域獲得了越來越普遍的應(yīng)用。1 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展20 世紀(jì) 40 年代末，美國開始研究數(shù)控機(jī)床，1952 年，美國麻省理工學(xué)院(mit)伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室成功研制出第一臺(tái)數(shù)控銑床，并于 1957 年投入使用。這是制造技術(shù)發(fā)展過程中的一個(gè)重大突破，標(biāo)志著制造領(lǐng)域中數(shù)控加工時(shí)代的開始。數(shù)控技術(shù)到現(xiàn)在已發(fā)展到第六代，第一代采用的是電子管，第二代采用的是晶體管，第三代是小規(guī)模集成電路，第四代采用 了 CNC 技術(shù)，第五代應(yīng)用了微處理器技術(shù)，而第六代數(shù)控機(jī)床以個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC 機(jī)）為平臺(tái)。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 綜 述 ) 第 2 頁數(shù)控加工是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，這一發(fā)明對(duì)于制造行業(yè)而言，具有劃時(shí)代的意義和深遠(yuǎn)的影響。世界上主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家都十分重視數(shù)控加工技術(shù)的研究和發(fā)展。我國于 1958 年開始研制數(shù)控機(jī)床，成功試制出配有電子管數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，1965 年開始批量生產(chǎn)配有晶體管數(shù)控系統(tǒng)的三坐標(biāo)數(shù)控銑床。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前的數(shù)控機(jī)床已實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制并在工業(yè)界得到廣泛應(yīng)用，在模具制造行業(yè)的應(yīng)用尤為普及。 2 數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)給伺服系統(tǒng)主要包括電動(dòng)機(jī)及其控制和驅(qū)動(dòng)裝置組成。伺服電動(dòng)機(jī)是進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)力部件，它提供執(zhí)行部件運(yùn)動(dòng)所需的動(dòng)力，伺服電動(dòng)機(jī)有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)和直線電動(dòng)機(jī)等。目前，數(shù)控機(jī)床采用的進(jìn)給伺服系統(tǒng)一般是由伺服電動(dòng)機(jī)—滾珠絲杠—移動(dòng)部件組成的方案。在輕載設(shè)備上，有些已采用直線電動(dòng)機(jī)來直接驅(qū)動(dòng)移動(dòng)部件再在導(dǎo)軌上移動(dòng)，國外逐漸開始在數(shù)控機(jī)床上采用直線電動(dòng)機(jī)用于伺服機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)。2.1 數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的基本組成進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由一下幾個(gè)部分組成：位置控制單元、速度控制單元、驅(qū)動(dòng)元件、檢測與反饋元件和機(jī)械執(zhí)行部件。伺服進(jìn)給系統(tǒng)的作用是接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號(hào)，由伺服驅(qū)動(dòng)電路作轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)裝置（直流、交流、功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或電液脈沖光馬達(dá)等）和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)、主軸箱等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給和快速移動(dòng)。驅(qū)動(dòng)元件的作用是將進(jìn)給指令轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件所需要的信號(hào)形式，機(jī)械執(zhí)行元件則將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的機(jī)械位移。檢測與反饋單元將工作臺(tái)的實(shí)際位置檢測后反饋給比較控制環(huán)節(jié)，比較控制環(huán)節(jié)將指令信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差驅(qū)動(dòng)控制單元，驅(qū)動(dòng)和控制執(zhí)行元件帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。2.2 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 綜 述 ) 第 3 頁（1）靜態(tài)設(shè)計(jì)方面的要求：能夠克服摩擦阻力和負(fù)載；很小的進(jìn)給位移量；高靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度；足夠的調(diào)速范圍；進(jìn)給速度均勻，低速時(shí)無爬行現(xiàn)象。（2）動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方面的要求：具有足夠的加速和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以便快速完成起停；具有良好的動(dòng)態(tài)傳遞性能；負(fù)載引起的軌跡誤差應(yīng)盡可能小。（3）對(duì)機(jī)械傳動(dòng)部件的要求：被加速的部件具有較小的慣量；高剛度；良好的阻尼；傳動(dòng)部件在拉壓剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、摩擦阻尼特性和間隙等方面有盡可能小的非線性。3 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)3.1 機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù) 3.2 進(jìn)給傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 綜 述 ) 第 4 頁本機(jī)床具有較高的精度要求，為了保證精度，在選用精密元器件和精密數(shù)控系統(tǒng)的同時(shí)，應(yīng)盡量減小傳動(dòng)鏈，并需要保證較高的剛度，提高傳動(dòng)系統(tǒng)效率，以減小溫升的影響。用滾珠絲杠螺母副直連電機(jī)傳動(dòng)的方案。并采用“雙推—支承”絲杠支承方式。 “雙推 —支承”方式能夠避免絲杠自重引起的彎曲，以及高速回轉(zhuǎn)時(shí)自由端的晃動(dòng)，符合本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)條件。X 、Z 兩軸分別用獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)。滾珠絲杠螺母副是一種將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的理想傳動(dòng)件，因其具有螺紋絲杠無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，更是普通數(shù)控機(jī)床、精密機(jī)床不可或缺的零部件。滾珠絲杠螺母副具有驅(qū)動(dòng)力矩小、精度高、可實(shí)現(xiàn)微進(jìn)給、無側(cè)隙、剛度高、告訴等優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)方案示意圖如下圖所示：(a) Z 軸傳動(dòng)方案(b) X 軸傳動(dòng)方案對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由于系統(tǒng)要求精度高，不宜采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此選用交流伺服電機(jī)。3.3 進(jìn)給伺服方案設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床要求達(dá)到預(yù)定的精度要求以外，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(jì)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(jī)床性能。伺服系統(tǒng)控制原理圖如下圖 2 所示：Z 軸驅(qū)動(dòng)電機(jī) 聯(lián)軸器 滾珠絲杠螺母副 滑板X 軸驅(qū)動(dòng)電機(jī) 聯(lián)軸器 滾珠絲杠螺母副 刀架黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 綜 述 ) 第 5 頁圖 2 伺服系統(tǒng)控制原理圖4 沿 Z 軸（縱向）和 X 軸（橫向）進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 滾珠絲杠螺母副的切削力的大小計(jì)算切削力的大小可以用各種儀器測得，也可以用實(shí)驗(yàn)得出的近似公式計(jì)算：（1）PZPZXYZPCtSk????（2）vPZPZhkk??????料（3）ZZXYZ vPZhPZtSkkk?????????料式中， —系數(shù)，由工件的材料和加工方法決定，一定的切削條件（PC一定）下， 為常數(shù)。 大表示工件的材料加工性差， 小，表示vst、 、 ZPZCPZC工件的材料加工性好；—總體修正系數(shù)； —工件材料對(duì) 的修正系數(shù)；kPZk料—切削速度對(duì) 的修正系數(shù)； —主偏角對(duì) 的修正系數(shù) 3；vPZ PZk?—前角對(duì) 的修正系數(shù)； —刀具磨損限度對(duì) 的修正系數(shù)；k? hP—指數(shù)， ，表示吃刀深度對(duì)切削力的影響要比走刀量對(duì)PZXY、 PZXY?切削力的影響大。4.2 滾珠絲杠支承軸承的動(dòng)態(tài)等效載荷計(jì)算動(dòng)態(tài)等效載荷：黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 綜 述 ) 第 6 頁表 9 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(hào)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/ar?— — — — — — — — —?jiǎng)討B(tài)等效載荷 ：aParaXFY??式中， —徑向載荷， N； —軸向載荷，N； —徑向載荷系數(shù)，見表r aFX9；—軸向載荷系數(shù)，見表 9。Y3ahCPL?4.3 進(jìn)給伺服電機(jī)的選擇選擇的進(jìn)給系統(tǒng)的伺服電機(jī)，應(yīng)滿足如下要求：1、在所有進(jìn)給速度范圍內(nèi)（包括快速移動(dòng)） ，空載進(jìn)給力矩應(yīng)小于電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩；2、最大切削力矩小黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 綜 述 ) 第 7 頁于電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩；3、加、減速時(shí)間應(yīng)符合所希望的時(shí)間常數(shù)；4、快速進(jìn)給頻繁度應(yīng)在希望值之內(nèi)。為選取滿足上述要求的電動(dòng)機(jī)，需要進(jìn)行負(fù)載扭矩計(jì)算，功率計(jì)算，加減速扭矩計(jì)算，并進(jìn)行慣量匹配驗(yàn)算。在此，依據(jù)功率要求和轉(zhuǎn)矩要求進(jìn)行電機(jī)選型，之后進(jìn)行慣量匹配計(jì)算。4.4 聯(lián)軸器的選擇電機(jī)通過聯(lián)軸器直接與滾珠絲杠連接，依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 ，選取膜片式聯(lián)軸器，膜片式聯(lián)軸器是一種用不銹鋼膜片作為撓性組件的撓性聯(lián)軸器，具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、承載能力大、傳動(dòng)效率高、精度高、強(qiáng)度高、等優(yōu)點(diǎn)，可用于高、低溫，高、中速，大轉(zhuǎn)矩和有油和水的場合。在此，根據(jù)電機(jī)軸直徑、長度和絲杠鏈接尺寸來選定型號(hào)。5 進(jìn)給系統(tǒng)的精度分析進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)和主軸系統(tǒng)一樣，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度、重復(fù)定位精度對(duì)機(jī)床整體的精度性能有重大影響，很大成程度上決定了零件加工質(zhì)量。滾珠絲杠螺母副傳動(dòng)作為大多數(shù)精密數(shù)控機(jī)床采用的進(jìn)給傳動(dòng)方式，其誤差更是對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)有著決定性的影響。5.1 影響機(jī)床精度的主要誤差源（1）幾何誤差它包括裝配過程所積累的誤差和使用零部件不精確所造成的誤差，它是構(gòu)成機(jī)床不精確的主要誤差源之一。幾何誤差可能呈現(xiàn)連續(xù)性，也可能表現(xiàn)出滯后性或隨機(jī)性。（2）運(yùn)動(dòng)誤差在多軸協(xié)調(diào)工作時(shí)出現(xiàn)的誤差。比如在滾削過程中，旋轉(zhuǎn)軸和線性運(yùn)動(dòng)軸之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)誤差是制造誤差的主要來源。（3）熱變形誤差熱誤差是因溫度上升引起機(jī)床元件的膨脹變形并最終導(dǎo)致工件和刀具之間的相對(duì)位移，它對(duì)精密加工的影響最大，尤其導(dǎo)致的工件尺寸誤差和形狀誤差的比例可占到 40%～70%。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 綜 述 ) 第 8 頁（4）切削力誤差包括重力負(fù)載、軸加速以及機(jī)床振動(dòng)誤差。由子切削力的作用，機(jī)床零部件發(fā)生變形，導(dǎo)致刀具和工件的相對(duì)位置發(fā)生變化，最終導(dǎo)致加工誤差。（5）其他誤差源包括材料不穩(wěn)定引起的誤差、檢測誤差、刀具磨損誤差、ｓ誤差、環(huán)境誤差等。對(duì)于一般精度的數(shù)控機(jī)床，幾何誤差占加工誤差中的 20%～70% ，載荷變形引起的誤10%～20%，熱變形誤差占 20%～40% 。而對(duì)于精密數(shù)控機(jī)床上的加工，熱變形引起的加工誤差所占比例可達(dá) 40%～70%。參考文獻(xiàn)[1]文懷興. 夏田 . 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.[2] 侯力.機(jī)電一體化設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社,2003.[3] 張世昌.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社,2002.[4]王愛玲. 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M]. 北京:兵器工業(yè)出版社，1999.[5]邱宣懷. 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頁機(jī)床系統(tǒng)刀尖點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)耦合摘要：顫振已經(jīng)成為影響高速加工的一個(gè)最主要因素，刀尖點(diǎn)的頻率響應(yīng)函數(shù)是識(shí)別穩(wěn)定性切削的關(guān)鍵。為了能快速獲取不同刀具—刀柄—主軸組合的機(jī)床整機(jī)頻響函數(shù)，目前有研究將機(jī)床整機(jī)分解成幾大部分，其中刀具往往等效為均勻直徑梁，且沒有分析這種近似等效帶來的誤差。針對(duì)上述問題，對(duì)機(jī)床—主軸—刀柄—刀具這一系統(tǒng)提出一種新的劃分方法，并采用響應(yīng)耦合子結(jié)構(gòu)分析技術(shù)進(jìn)行頻響函數(shù)求解在所提劃分方法中將整機(jī)分解為三個(gè)子結(jié)構(gòu)：機(jī)床—主軸部分、刀柄和刀桿部分、刀具的刀齒部分。機(jī)床—主軸的頻響函數(shù)通過錘擊法獲取，刀柄和刀桿的頻響函數(shù)采用 Timoshenko 梁模型計(jì)算得到，刀齒的頻響函數(shù)則采用有限元計(jì)算獲得，同時(shí)還計(jì)算采用梁模型等效刀齒結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)，最終通過子結(jié)構(gòu)耦合方法得到整機(jī)的頻響函數(shù)特性，由三種不同刀具懸長的整機(jī)頻響函數(shù)特性測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所提預(yù)測方法精度較好，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)刀齒的等效梁模型同樣能獲得較高的預(yù)測精度。所做研究為工程上機(jī)床刀尖點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)提供了一種快速預(yù)測方法。關(guān)鍵詞：響應(yīng)耦合 動(dòng)力學(xué) 立銑 顫振1 引言在航空航天和汽車的制造要求不斷提高的情況下，在高速加工中材料去除速度是可以通過提高主軸轉(zhuǎn)速或軸向深度削減速度來達(dá)到。加大對(duì)允許的軸向深度的顫振限制，這促使許多人去顫振分析和研究相關(guān)避免的方法 [1-3]。穩(wěn)定葉圖可以用于識(shí)別穩(wěn)定和不穩(wěn)定的切削區(qū)的模擬芯片寬度和主軸轉(zhuǎn)速以及它們之間的關(guān)系。然而，研究刀尖點(diǎn)方面的知識(shí)需要去完成一個(gè)機(jī)床—主軸—刀柄—刀具的組合穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)響應(yīng)葉圖。錘擊法被廣泛用于研究和在工廠中來識(shí)別刀尖點(diǎn)的動(dòng)力響應(yīng)。然而，這往往需要大量時(shí)間去對(duì)機(jī)床—主軸—刀柄—刀具進(jìn)行測試。因此，通過預(yù)測刀尖點(diǎn)的動(dòng)態(tài)的方法為其提供了一個(gè)首選替代方案。施密茨等 [4-7]，開發(fā)出一種方法簡稱為響應(yīng)耦合結(jié)構(gòu)分析（RCSA ） ，它可以用來對(duì)機(jī)床—主軸—刀柄—刀具相黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 翻 譯 ) 第 2 頁似的動(dòng)態(tài)預(yù)測。對(duì)與響應(yīng)耦合結(jié)構(gòu)分析法來說，先前已有人用歐拉 - 伯努利或Timoshenko 梁理論來對(duì)刀柄進(jìn)行建模，刀具的刀齒部分，近似為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的圓柱梁。例如，PARK 等 [8]，ERTURK 等 [9]，NAMAZI 等 [10]，菲利茲，等 [11]，在使用等效直徑梁的基礎(chǔ)上采用響應(yīng)耦合結(jié)構(gòu)分析的方法對(duì)刀具動(dòng)態(tài)進(jìn)行研究。首次由的 KOPS，等 [12]提出的當(dāng)量直徑和基于等效遵守和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法來簡化計(jì)算最終磨偏轉(zhuǎn)。 KIVANC，等 [13]所產(chǎn)生的是基于刀具的刀齒慣性交叉部分基礎(chǔ)上的當(dāng)量直徑。雖然以前的研究結(jié)果表明：在試驗(yàn)的對(duì)比中沒有文字記錄，在預(yù)測模型中用一個(gè)當(dāng)量直徑的光束和實(shí)驗(yàn)測量有很好的一致性，可以用有限元的解決方案和近似常數(shù)橫截面的解決方案來解決刀具的刀齒部分，這兩種方法對(duì)我們來說差異不明顯。另一方面，也很必要根據(jù)刀具的刀齒部分的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)來分析，以獲得更精確的結(jié)果。在這項(xiàng)研究中，一個(gè)由 Pro /e 工程軟件的實(shí)際的刀具的刀齒部分三維模型已經(jīng)創(chuàng)建，采用有限元法來計(jì)算其動(dòng)態(tài)。采用當(dāng)量直徑束逼近刀具的刀齒部分來和以前作出比較。Timoshenko 梁模型確定刀柄和刀桿部分的響應(yīng)耦合。沖擊試驗(yàn)和逆響應(yīng)耦合結(jié)構(gòu)分析法需要在這些響應(yīng)耦合中再加上機(jī)床主軸的動(dòng)態(tài)分析。最后，進(jìn)行了三組動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證不同的刀具懸伸長度所產(chǎn)生的情況。2 機(jī)床—主軸—刀柄—刀具的響應(yīng)耦合結(jié)構(gòu)分析法2.1 偶和的過程和響應(yīng)耦合結(jié)構(gòu)分析 本節(jié)中的，基于對(duì)以往的文獻(xiàn) [4-7] 對(duì)響應(yīng)耦合結(jié)構(gòu)分析法的簡要回顧。由兩個(gè)裝配的硬性連接部件組成。如圖所示 1（a） ，相似耦合，或頻率響應(yīng)函數(shù)，Gij，可以表示為（1）,?????????????jijiIJijij MXFPLNHG?其中 H，L ， N，和 P 是指空間的相似耦合矩陣，Xi 和 θi裝配位移和旋轉(zhuǎn)度一致，F(xiàn)j 和 Mj 一致對(duì)應(yīng)于坐標(biāo)的力和力矩。i 對(duì)應(yīng)于 j，坐標(biāo)響應(yīng)耦合被稱為直接耦合，否則是間接耦合。子耦合 Rij，如圖 1（b） ，定義式（2）黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 翻 譯 ) 第 3 頁（2）,?????????????jijiijij mxfplnhR?其中，X i 和 θi 分別對(duì)應(yīng)于位移和旋轉(zhuǎn)度，F(xiàn) j 和 Mj 中的 i 和 j 分別對(duì)應(yīng)于坐標(biāo)的作用力和時(shí)刻。圖 1.剛性連接的兩個(gè)組成部分根據(jù)圖中所確定的坐標(biāo)。 1，相似直接耦合， Gaa 和 Gdd，間接耦合，G aa 和 Gdd 可以表示為一個(gè)函數(shù)的的子耦合，如下所示（3）??,1bacbaa RRG????（4）,1cdbdcd（5）??,1cdbad???（6）,1bacbdcaRG2.2 相似耦合的描述標(biāo)準(zhǔn)銑床，主軸部分可以被描繪成圖 2，由三個(gè)組成部分：主軸機(jī)，刀架和系統(tǒng)。在這三部分中，動(dòng)態(tài)響應(yīng)主軸機(jī)是最難建模的 ，由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和未知的阻尼力。因此，在沖擊試驗(yàn)中通常測量其動(dòng)力。該系統(tǒng)包括刀具的刀齒部分和刀具的直刀桿部分，刀柄的橫截面是一個(gè)不變離散性間隔常數(shù)，因此，刀柄和刀桿部分可以很方便的用模型歐拉 - 伯努利或 Timoshenko 梁來建模。刀具的刀齒耦合部分可以用有限元方法來計(jì)算。在這項(xiàng)工作中，裝配圖可以分黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 翻 譯 ) 第 4 頁解成主軸機(jī)，刀架和刀柄三部分：最后，刀具的刀齒部分如圖 3.獲得耦合裝配和獲得的響應(yīng)耦合結(jié)構(gòu)方法可應(yīng)用于預(yù)測類似動(dòng)力學(xué)。圖 2.機(jī)床—主軸—刀柄—刀具圖 3.耦合響應(yīng)模型和機(jī)床—主軸—刀柄—刀具3 響應(yīng)部件計(jì)算3.1 機(jī)床刀具的刀齒部分圖 4 描述了該機(jī)床刀具的刀齒部分的運(yùn)行方向和負(fù)荷，用來計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)。其中外徑 do 和長度 lf 分別為 19.05 毫米和 49.3 毫米，右側(cè) AB 是該工具的自由端和左側(cè) CD 的刀具的刀齒部分的終端和刀柄的始端。壓力(f 1)和壓力 (f2)分別應(yīng)用在 A 和 C 的位置，轉(zhuǎn)速 (m1) 和轉(zhuǎn)速(m 2)分別作用在兩個(gè)側(cè)面。在不同的負(fù)載條件下可以在 B 和 D 的位置可以計(jì)算其撓度黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 翻 譯 ) 第 5 頁圖 4.在不同的負(fù)載下刀具的刀齒部分得有限元模型有限元軟件 ANSYS Workbench 11.0 可以用于計(jì)算。該模型是四面體網(wǎng)狀 8 228 固體元素（187 固體）。從對(duì)網(wǎng)格大小的查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，即使使用更細(xì)網(wǎng)格對(duì)其結(jié)果影響不大。刀具材料（硬質(zhì)合金）的屬性分別為：楊氏模量 E = 550 GPa時(shí)，泊松比 ν= 0.22，密度 ρ= 15 000kg/m3 的，阻尼比 β= 0.000 75。f 1, f2, m1, 和 m2 分別為設(shè)置 1 N（或 N.1 米）和運(yùn)用在 AB 和 CD 自由邊界條件的表面。直接響應(yīng)和間接響應(yīng) Rij (i, j=1, 2)分別在表 1 中，其定義在 2.1.表 1.刀具的刀齒部分的直接響應(yīng)和間接響應(yīng)圖 5 顯示的是刀具的刀齒部分的預(yù)測響應(yīng) h11 在 200 赫茲到 2 000 赫茲的頻率范圍內(nèi)的部分。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 翻 譯 ) 第 6 頁圖 5.h11 刀具的刀齒部分的響應(yīng)從圖 5 可以看出在此范圍內(nèi)沒有發(fā)生共振。這是因?yàn)榈毒叩牡洱X部分太小，其開始自然頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 2 000 赫茲，在測量頻率帶寬以外。3.2 刀具的刀齒部分的等效直徑光束如前所述，有限元法被運(yùn)用于計(jì)算刀具的刀齒部分，但是這可能是一種費(fèi)時(shí)的細(xì)網(wǎng)狀模型。作為一個(gè)替代方法，等效直徑的刀具的刀齒部分也可用運(yùn)用于近似實(shí)際刀齒幾何 [12-13]。在這項(xiàng)研究中，等效直徑是在以同等質(zhì)量 m 的原則的基礎(chǔ)上進(jìn)行運(yùn)用的。在這種情況下，等量直徑 deq 可以被計(jì)算：（7）????,4202feqildlm??????lo 和 li 是懸錘和插入長度的刀柄如圖 6 所示。因此，計(jì)算 14.75 毫米是選定的刀具的長度（柄部直徑 19.05 毫米） ?？梢阅M為當(dāng)量直徑均勻的光束的 Timoshenko 梁，這比 Euler-Bernoulli 梁模型更準(zhǔn)確，因?yàn)榍罢甙ㄞD(zhuǎn)動(dòng)慣量和剪切效應(yīng)。通過使用適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量（M）和剛度矩陣 [15]有限元法[14]對(duì)每個(gè)自由旋轉(zhuǎn)和兩端的位移以及自由梁來建模。通過對(duì)元素 M 和 K 矩陣進(jìn)行整理形成整體的質(zhì)量和剛性的矩陣。應(yīng)用 Guyan黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 翻 譯 ) 第 7 頁消元法 [14]，在運(yùn)動(dòng)方程的值域中可以得到 n 個(gè)元素。它可以也可以做為固體結(jié)構(gòu)來建模，并利用 ANSYS 類似的去解決工作臺(tái) 11.0，的刀具的刀齒部分。在這里，R ij (i, j=3, 4).被定義為的響應(yīng)光束。圖 6.刀桿和刀柄的結(jié)構(gòu)和尺寸表 2 列出了兩種型號(hào)下得三中彎曲形狀的固有頻率差異與等效直徑的光束模型的實(shí)際刀具的刀齒部分模型。這種方法的最大的錯(cuò)誤率是 10.7％，這只是看到的第一種模式。從這個(gè)表中，可以看出，F(xiàn)EM and Timoshenko 的解決一個(gè)恒定截面 EDB 模型光束的方案的差異非常小。表 2.兩個(gè)不同模型赫茲的自然頻率比較3.3 部件的刀柄和支架裝配刀柄和刀桿都是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)并且也可以建模為多段的結(jié)構(gòu)的Timoshenko 梁。圖 6 顯示了二維刀桿和刀柄的結(jié)構(gòu)和尺寸?？紤]到不同的刀具懸長度，三個(gè)維度，刀柄懸長度 ls，刀具的插入長度 li， 刀柄 li，在 3 中提供了黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 翻 譯 ) 第 8 頁刀柄的空白長度。Timoshenko 梁模型結(jié)構(gòu)分為五個(gè)部分（ Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ和V）如圖 6，每節(jié)用 25 個(gè)部分來表示。刀柄的材料特性是：E = 200 GPa，ν= 0.29，ρ= 7 850 kg/m3 的， β= 0.000 75。自由刀具柄和刀桿分別為 R55 和 R66，交叉耦合 R56 和 R65 在它們的兩端，決定了使用 Timoshenko 梁模型。表 3.三個(gè)不同的刀柄長度的懸長度圖 7 顯示了三個(gè)不同的頻率范圍從 200 赫茲到 2 000 赫茲耦合 H55 刀柄的懸長度; 表 3 描述了三種不同的情況下差別，很類似于刀具的刀齒，在此范圍內(nèi)沒有共振發(fā)生;觀察噪聲響應(yīng)在 600 赫茲以下的很少。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 翻 譯 ) 第 9 頁圖 7.預(yù)測刀柄和刀桿 H55 的響應(yīng) 4 機(jī)床主軸響應(yīng)耦合組件4.1 機(jī)床主軸響應(yīng)從刀桿和刀柄的對(duì)比來看，很難對(duì)機(jī)床主軸進(jìn)行建模。機(jī)床主軸動(dòng)力學(xué)建模，需要知道它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軸承的剛度值和阻尼水平的詳細(xì)信息，然后往往由有限元法來完成。然而，這方面的知識(shí)，對(duì)于一般的最終用戶是不可能知道黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 翻 譯 ) 第 10 頁的。因此，通過沖擊試驗(yàn)被運(yùn)用在響應(yīng)耦合結(jié)構(gòu)分析方法來確定所需要的響應(yīng)。首先，用一個(gè)簡單的標(biāo)準(zhǔn)圓柱幾何工件插入主軸來記錄沖擊試驗(yàn)的直接和間接的耦合測試結(jié)果。第二，在模擬過程中超出標(biāo)準(zhǔn)衡器法蘭（逆 RCSA）的部分與機(jī)床主軸響應(yīng)相互隔離。為 Mikron UCP 600 Vario 銑床配備一個(gè) Step-Tec 的 20 KR /分鐘，16 千瓦的墨盒式主軸。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的法蘭夾住在主軸（HSK-63A 接口） 。低加速度計(jì)用來記錄一個(gè) PCB 086B03 沖擊錘振動(dòng)響應(yīng)的影響。一個(gè) MLI Metal Max 6.0 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)被用于數(shù)據(jù)的收集。4.2 響應(yīng)耦合的組成部分使用耦合響應(yīng)部件對(duì)兩個(gè)模型進(jìn)行了評(píng)估：1）實(shí)際的刀具的刀齒（R 11 和R22）機(jī)床 —刀柄—刀具的響應(yīng)耦合（R 55 和 R66）然后是機(jī)床主軸的響應(yīng)，當(dāng)量直徑的光束（R 33 和 R44 型） ，機(jī)床—刀柄—刀具（R 55 和 R66）的響應(yīng)，然后機(jī)床主軸的響應(yīng)（R 77） ，這些可以簡化成 EDB 模型。對(duì)于三種不同的刀具懸伸長度例進(jìn)行評(píng)估;相關(guān)的組裝這些和 H 相似的響應(yīng)在圖 8 中被展現(xiàn)出來，可以看出，兩個(gè)模型的預(yù)測的精度是可以接受的。結(jié)果列于表 4黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 翻 譯 ) 第 11 頁圖 8.相關(guān)裝配（ 機(jī)床—主軸—刀柄—刀具）響應(yīng)黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 翻 譯 ) 第 12 頁5 結(jié)論對(duì)于機(jī)床—主軸—刀柄—刀具組裝動(dòng)力學(xué)的預(yù)測完全依靠響應(yīng)耦合結(jié)構(gòu)分析技術(shù)。刀具的刀齒部分響應(yīng)采用有限元方法和等效梁計(jì)算工具直徑的Timoshenko 模型。刀柄和刀桿也仿照使用 Timoshenko 梁響應(yīng)理論，而機(jī)床主軸響應(yīng)采用了沖擊試驗(yàn)測量。從這項(xiàng)研究可以得出以下結(jié)論：（1）有限元法可以成功地用于預(yù)測刀具的刀齒部分。（2）通過與有限元分析解決方案的比較來解決刀具的刀齒部分，表明，當(dāng)量直徑 Timoshenko 梁模型是一個(gè)可接受的近似。（3）AF 和 EDB 模型耦合的結(jié)果 3 中刀具懸伸長度，兩個(gè)模型預(yù)測表明良好的一致性，實(shí)驗(yàn)誤差均小于 5％。 畢業(yè)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)翻譯院 （ 系 ） 名 稱 工 學(xué) 院 機(jī) 械 系專 業(yè) 名 稱 機(jī) 械 設(shè) 計(jì) 制 造 及 其 自 動(dòng) 化學(xué) 生 姓 名 董 杰 指 導(dǎo) 教 師 閆 存 富2012 年 03 月 10 日2008 級(jí)本科（2010 專升本）畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)間安排2011-12-10 選題2011-12-25 左右導(dǎo)師與學(xué)生見面（發(fā)任務(wù)書、文獻(xiàn)翻譯） 、安排假期任務(wù)2011-2-25 上交開題報(bào)告2011-3-12 上交文獻(xiàn)翻譯、文獻(xiàn)綜述2011-3-30 中期檢查2011-4-30 完成所有的設(shè)計(jì)任務(wù)、修改論文2011-5-06 指導(dǎo)教師評(píng)定成績2011-5-10 匯總2011-5-12 主審教師評(píng)定成績，修改完善論文與圖紙，準(zhǔn)備答辯2011-5-16 匯總，安排答辯2011-5-19、 20 答辯注：每次上交的材料一定按照規(guī)定的時(shí)間、規(guī)定的模版與格式，否則不予通過。任務(wù)書格式見附件 0開題報(bào)告格式見附件一文獻(xiàn)翻譯要求與設(shè)計(jì)相關(guān)的英文原文一篇，翻譯后的漢字不少于 3000 漢字（上交時(shí)，英文原文格式不要改動(dòng)，翻譯后的中文按照模版要求。裝訂時(shí)英文在前） 。封面與正文格式見附件二文獻(xiàn)綜述不少于 3000 字，參考文獻(xiàn)不少于 12 篇，且應(yīng)有 2 篇以上的外文參考文獻(xiàn)。封面與正文格式見附件三畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書封面與正文格式見附件四，說明書內(nèi)容不得少于 1 萬字，參考文獻(xiàn)不少于 12 篇，且應(yīng)有 2 篇以上的外文參考文獻(xiàn)。請(qǐng)各位指導(dǎo)老師按照規(guī)定的要求完成畢業(yè)設(shè)計(jì)全部資料。謝謝機(jī)械系2011.11.5單位代碼 0 2 學(xué) 號(hào) 080105630 分 類 號(hào) TH6 密 級(jí) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書MJ—50 型數(shù)控車床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)院 （ 系 ） 名 稱 工 學(xué) 院 機(jī) 械 系專 業(yè) 名 稱 機(jī) 械 設(shè) 計(jì) 制 造 及 其 自 動(dòng) 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(jì) 說 明 書 第 I 頁MJ—50 型數(shù)控車床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要伺服進(jìn)給系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，對(duì)機(jī)床整體性能有著決定性的影響。越來越多的研究人員在進(jìn)給伺服系統(tǒng)的研究中投入大量精力。研究設(shè)計(jì)進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行誤差計(jì)算和精度分析，有利于深入了解進(jìn)給系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)方法，進(jìn)而探求可能的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)了以滾珠絲杠為核心元件的 MJ-50 數(shù)控車床工作臺(tái)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)。MJ-50 數(shù)控車床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)、滾珠絲杠、工作臺(tái)、聯(lián)軸器、導(dǎo)軌組成。通過對(duì)數(shù)控車床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論，首先進(jìn)行了伺服進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)以及機(jī)床精度的選擇；其次是沿 Z 軸（縱向）進(jìn)給和沿 X 軸（橫向）進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的滾珠絲杠的計(jì)算與選擇、滾珠絲杠支承軸承的選擇、通過計(jì)算選擇進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的其他相關(guān)元器件、對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度、慣量匹配等進(jìn)行了校核驗(yàn)算；再次通過計(jì)算來選擇進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的伺服電動(dòng)機(jī)以及聯(lián)軸器，最后進(jìn)行導(dǎo)軌的選擇。證明計(jì)算得出的結(jié)果較好得滿足了提出的設(shè)計(jì)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(jìn)給伺服系統(tǒng), 滾珠絲杠黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 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(jì) （ 論 文 ） 第 III 頁目 錄1 緒論 ..................................................................................................................................................11.1 數(shù)控機(jī)床的概念 ...................................................................................................................11.2 數(shù)控機(jī)床的組成分類及特點(diǎn) ............................................................................11.2.1 數(shù)控機(jī)床的組成 ...........................................................................................................11.2.2 數(shù)控機(jī)床的分類 ...........................................................................................................11.2.3 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) ...........................................................................................................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(duì)伺服電機(jī)的要求 ............................................................................................41.6 設(shè)計(jì)的內(nèi)容和目的 ...............................................................................................................52 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) .......................................................................................................62.1 機(jī)床的主要性能參數(shù) ..........................................................................................................62.2 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的精度要求 .................................................................................................72.3 進(jìn)給傳動(dòng)伺服系統(tǒng)的選擇 .................................................................................................72.4 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)要求及傳動(dòng)類型的選擇 ..........................................................82.4.1 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)要求 ........................................................................................82.4.2 進(jìn)給傳動(dòng)類型的選擇 .................................................................................................82.5 電機(jī)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(jì) .............................................................................................................................123.1 方案設(shè)計(jì)及總體布局 ........................................................................................................123.2 主切削力的計(jì)算 ..................................................................................................................124 橫向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) .........................................................................................................15黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 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(jì)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(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)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(dòng)精度計(jì)算 ..........................................................................................244.5 X 軸滾珠絲杠進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)變形計(jì)算 .......................................................................254.5.1 滾珠絲杠精度計(jì)算 ....................................................................................................254.6 X 軸進(jìn)給伺服電機(jī)的選擇計(jì)算 ....................................................................................284.6.1 X 軸進(jìn)給伺服電機(jī)的校核 ......................................................................................304.7 聯(lián)軸器的選擇 .....................................................................................................................315 縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) .........................................................................................................325.1 已知技術(shù)參數(shù) ......................................................................................................................325.2 Z 軸滾珠絲杠的計(jì)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(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)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(dòng)精度計(jì)算 ...........................................................................................375.5 Z 軸滾珠絲杠進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)變形計(jì)算 .......................................................................375.5.1 Z 軸精度計(jì)算 ..............................................................................................................385.6 Z 軸進(jìn)給伺服電機(jī)的選擇與計(jì)算 ................................................................................385.6.1 伺服電機(jī)的校核 .........................................................................................................40黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 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(xiàn) .............................................................................................................................................48、黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 1 頁1 緒論1.1 數(shù)控機(jī)床的概念數(shù)控機(jī)床是綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測及精密機(jī)械等高新技術(shù)的產(chǎn)物，是技術(shù)密集度及自動(dòng)化程度很高的典型機(jī)電一體化加工設(shè)備。1.2 數(shù)控機(jī)床的組成分類及特點(diǎn)1.2.1 數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床一般由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)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(yùn)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(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的機(jī)械位移；用于實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服控制和主軸伺服控制。4、機(jī)床本體：包括，主軸部分、進(jìn)給系統(tǒng)、刀庫和自動(dòng)換刀裝置(ATC)、自動(dòng)托盤交換裝置(APC)等。1.2.2 數(shù)控機(jī)床的分類數(shù)控機(jī)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(jì)，目前已有近500 種數(shù)控機(jī)床。根據(jù)數(shù)控機(jī)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(jī)床，數(shù)控加工中心機(jī)床，多坐標(biāo)軸數(shù)控機(jī)床；按特點(diǎn)分類：點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床，直線控制數(shù)控機(jī)床，輪廓控制數(shù)控機(jī)床；黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 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(jì)型，普及型，高級(jí)型。1.2.3 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)數(shù)控機(jī)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(dòng)化機(jī)床，尤其對(duì)于約占機(jī)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(jī)床有以下幾方面的特點(diǎn)：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(jī)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(dòng)強(qiáng)度，改善了勞動(dòng)條件；5、有利于生產(chǎn)管理和機(jī)械加工綜合自動(dòng)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(jī)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(jī)床展覽會(huì)上，首次展出了第四代數(shù)控系統(tǒng)——小型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，然后，隨著微型計(jì)算機(jī)以其無法比擬的性能價(jià)格比滲透各個(gè)行業(yè)，1974 年，第五代數(shù)控系統(tǒng)——微型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)也出現(xiàn)了。應(yīng)用一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(CNC) 。綜上所述，由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)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(shí)間就更新?lián)Q代一次 [1]。數(shù)控機(jī)床是先進(jìn)制造業(yè)的基礎(chǔ)機(jī)械，是最典型的多品種、小批量、高科技含量的機(jī)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(jī)床產(chǎn)品進(jìn)程，1990 年日本機(jī)床產(chǎn)值數(shù)控化率達(dá) 75％，美國達(dá) 70．1％，德國達(dá) 57％。目前世界數(shù)控機(jī)床年黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 3 頁產(chǎn)量超過 15 萬臺(tái)，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(shí)期，也是由封閉型向開放型過渡的時(shí)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(dá)到國際先進(jìn)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(duì)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(dòng)技術(shù)對(duì)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(jìn)給數(shù)控系m?1.0統(tǒng)、實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)都已研制成功。尤其是基于 PC 機(jī)的開放式智能化數(shù)控系統(tǒng)，可實(shí)施多軸控制，具備聯(lián)網(wǎng)進(jìn)線等功能既可作為獨(dú)立產(chǎn)品，又是一代開放式的開發(fā)平臺(tái)，為機(jī)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(shí)大部分?jǐn)?shù)控機(jī)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(jìn)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(jìn)的機(jī)床制造國家進(jìn)行技術(shù)交流，并通過引進(jìn)技術(shù)，到 80 年代初，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床進(jìn)入實(shí)用化階段，1991 年數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)值數(shù)控化率為 14．3％，到 1997 年數(shù)控機(jī)床產(chǎn)值數(shù)控化率為 24．5％。目前，我國數(shù)控機(jī)床(包括經(jīng)濟(jì)型機(jī)床)品種約有 500 個(gè)。 但是，與國外數(shù)控車床相比，在性能、質(zhì)量、 設(shè)計(jì)、制造等各方面存在較大差異，并存在許多不足：機(jī)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(hù)功能不夠；刀片磨損快，生產(chǎn)成本高，效率低；硬件設(shè)計(jì)方面不規(guī)范，不符合國標(biāo)，有的機(jī)床廠家甚至仍然停留在十年二十年前的設(shè)計(jì)思想；程序設(shè)計(jì)方面缺乏標(biāo)準(zhǔn)，不規(guī)范，邏輯性不強(qiáng)，故障率高，在使用過程中需不斷對(duì)程序進(jìn)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(jì) 說 明 書 第 4 頁不規(guī)范，標(biāo)牌線號(hào)不清，圖紙與實(shí)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(jī)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(qiáng)，多品種生產(chǎn)困難。而國外數(shù)控車床無論是設(shè)計(jì)水平，還是制造水平，都要高出國內(nèi)數(shù)控車床。機(jī)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(jì)有專門的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)算機(jī)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(kuò)大。為了滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(duì)伺服電機(jī)的要求1 、從最低速到最高速電機(jī)都能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要小，尤其在低速如 0.1r /min 或更低速時(shí)，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。2、電機(jī)應(yīng)具有大的較長時(shí)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(jī)應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時(shí)間常數(shù)和啟動(dòng)電壓。電機(jī)應(yīng)具有耐受 4000rad/s2 以上的角加速度的能力，才能保證電機(jī)可在 0.2s 以內(nèi)從靜止啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速。4、電機(jī)應(yīng)能隨頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(jìn)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(jì) 說 明 書 第 5 頁1.6 設(shè)計(jì)的內(nèi)容和目的本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容是機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)縱向及橫向伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)的理論計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及繪制裝配圖、數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及外文資料文獻(xiàn)翻譯，并撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。設(shè)計(jì)的目的是培養(yǎng)綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)，解決工程實(shí)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(xiàn)閱讀、使用手冊(cè)等基本技能得到訓(xùn)練和提高，培養(yǎng)正確的設(shè)計(jì)思想、嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度，加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作精神。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 6 頁2 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)2.1 機(jī)床的主要性能參數(shù)本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)控車床的進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該數(shù)控車床具有剛度高、排屑功能流暢、運(yùn)轉(zhuǎn)噪音低、傳動(dòng)效率高、精度保持性好、有效壽命長等優(yōu)點(diǎn)。車床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(dá)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(hào) 項(xiàng) 目 子 項(xiàng) 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(jī)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(dòng)速度 m/min 153 床鞍Z 軸快速移動(dòng)速度 m/min 10黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 7 頁2.2 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的精度要求良好的電氣部件設(shè)計(jì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)著重進(jìn)行進(jìn)給伺服系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)的進(jìn)給系統(tǒng)采用滾珠絲杠螺母副傳動(dòng)，Z、X 兩軸聯(lián)動(dòng)，單軸具有較高的定位精度和重復(fù)定位精度。2.3 進(jìn)給傳動(dòng)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(jī)床中最簡單的伺服系統(tǒng)，開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的精度較低，速度也受到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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?yàn)殚_環(huán)系統(tǒng)的精度不能很好地滿足數(shù)控機(jī)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(duì)數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)位移進(jìn)行直接測量并進(jìn)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)軸端。數(shù)控機(jī)床要求達(dá)到預(yù)定的精度要求以外，根據(jù)需求，并且考慮到經(jīng)濟(jì)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(jì)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(jī)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(jì) 說 明 書 第 8 頁圖 2.1 進(jìn)給伺服系統(tǒng)原理圖2.4 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的要求及傳動(dòng)類型的選擇2.4.1 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的要求數(shù)控車床進(jìn)給傳動(dòng)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(jìn)給傳動(dòng)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(dòng)間隙。 2.4.2 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)類型的選擇數(shù)控車床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的基本傳動(dòng)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(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)裝置一般采用滾珠絲杠螺母副。其特點(diǎn)是：傳動(dòng)效率高，一般為 η=0.92～0.98；傳動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，亦可將直線運(yùn)動(dòng)變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；軸向運(yùn)動(dòng)精度高，施加預(yù)緊力后，可消除軸向間隙，反向時(shí)無空黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 9 頁行程；是目前中、小型數(shù)控機(jī)床的常見的傳動(dòng)方式。2、靜壓絲杠螺母副其特點(diǎn)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(duì)有的清潔度要求高，如果在運(yùn)動(dòng)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(jì)要求，縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)和橫向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)都應(yīng)該采用滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)方式。2.5 電機(jī)與絲杠聯(lián)接方式的選擇滾珠絲杠與電動(dòng)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(diǎn)是：具有最大的扭轉(zhuǎn)剛度；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)本身無間隙；傳動(dòng)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(hào)的數(shù)控車床。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(dòng)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(dòng)間隙，能減少中間環(huán)節(jié)帶來的傳動(dòng)誤差,提高傳動(dòng)剛度。2、通過齒輪聯(lián)接 這種調(diào)整方法的優(yōu)點(diǎn)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(dòng)剛度低、傳動(dòng)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(dòng)具有帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)的共同優(yōu)點(diǎn),與齒輪傳動(dòng)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(dòng)不打滑，不需要大的張緊力。 但是在同步齒形傳動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)材料的要求很高。在滿足車床要求的前提下，通過對(duì)比，本設(shè)計(jì)采用通過電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠直接與黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 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(dòng)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(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的理想傳動(dòng)件，因其具有螺紋絲杠無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)。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(dòng)（c）一端固定、一端游動(dòng) （d）兩端固定圖 2.2 滾珠絲杠的支撐形式從剛度計(jì)算可以看出，絲杠的支撐方式對(duì)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(shí)自由端的晃動(dòng)。因此本設(shè)計(jì)采用兩端固定的支撐方式。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 11 頁采用兩端固定的支撐方式適用于對(duì)剛度和位移精度要求高的場合，符合本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求。對(duì)于伺服電機(jī)，由于系統(tǒng)要求精度高，X、Z 兩軸應(yīng)該分別采用獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)，不宜采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此選用交流伺服電機(jī)。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 12 頁3 總體方案設(shè)計(jì)3.1 方案設(shè)計(jì)及總體布局機(jī)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(jì)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(jì)中，采用螺旋傳動(dòng)，計(jì)算滾珠絲杠副尺寸規(guī)格，接著進(jìn)行絲杠的校核并進(jìn)行精度等驗(yàn)算，根據(jù)計(jì)算的扭矩選擇伺服電機(jī)。3.2 主切削力的計(jì)算切削力的大小可用各種測力儀測得，也可用實(shí)驗(yàn)得出的近似公式計(jì)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(duì) P 的修正系數(shù)。、 ——指數(shù)。一般情況下 。這說明吃刀深度對(duì)切削力的影響要比pzXYpzYX?走刀量對(duì)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(jì) 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(shí)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(cè)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(shí)在切削區(qū)內(nèi)消耗的功率。在切削速度為已知時(shí)，切削功率可用下式計(jì)算：(3.4)10260ZZvPNkw??切 削在校驗(yàn)機(jī)床選用的電動(dòng)機(jī)功率時(shí)應(yīng)使(3.5)??切 削 過 電 機(jī)式中 ——機(jī)床電動(dòng)機(jī)名義功率（千瓦） ；N電 機(jī)黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 14 頁——機(jī)床效率（一般齒輪機(jī)床 =0.7 0.8） ；??:——電動(dòng)機(jī)超載時(shí)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(jìn)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(jìn)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(jī) 過取 1Nk??切 削黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 15 頁4 橫向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 已知技術(shù)參數(shù)橫向最大行程（X 軸）182mm；橫向快速進(jìn)給速度：10 m/min；刀架估計(jì)質(zhì)量：150kg；滑板的估計(jì)尺寸（長 寬 高）：400mm 200mm 80mm；??材料選為 HT200。4.2 X 軸滾珠絲杠的計(jì)算及選擇1、滾珠絲杠導(dǎo)程的確定在本設(shè)計(jì)中，電機(jī)和絲杠直接相連，傳動(dòng)比為 ，設(shè)電機(jī)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(jìn)給速度時(shí)絲杠的轉(zhuǎn)速： min67.103maxrPvh???最小進(jìn)給速度時(shí)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(jì) 說 明 書 第 16 頁(4.3)min21inmaxrtn??， ——轉(zhuǎn)速 ， 作用下的時(shí)間(s)。1t2axin in17.21minaxrtm???3、估計(jì)工作臺(tái)質(zhì)量及工作臺(tái)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(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，它的數(shù)值可用進(jìn)給牽引力的試驗(yàn)公式計(jì)算。選定導(dǎo)軌為滑動(dòng)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(jì) 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(shí)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(dòng)載荷 (4.6)1/360fTnwhCNatk????????fw——負(fù)荷性質(zhì)系數(shù)；（查表：當(dāng)一般運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(shí)際硬度≥HRC58 時(shí)，f h=1。 ）fa——精度系數(shù)；（查表：當(dāng)精度等級(jí)為 3 時(shí)，f a=1.0。 ）fk——可靠性系數(shù)；( 查表：可靠性為 90%時(shí)，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(jì) 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(jì) 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(jì)算 為保證強(qiáng)度和精度，估取 進(jìn)行計(jì)算。將各項(xiàng)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(jì)算，得： 。min150maxrn?Amdxsp28.?8、選擇絲杠直徑由上述計(jì)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(hào)由文獻(xiàn) [7,8]可知，查表選定為山東濟(jì)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(hào)： CDM3206-3。絲杠公稱直徑為 φ32mm，基本導(dǎo)程 ，其額定動(dòng)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(jí)。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 20 頁4.3 滾珠絲杠支承軸承的選擇計(jì)算動(dòng)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(hào)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?— — —