數(shù)控車床縱向進給系統(tǒng)設(shè)計

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1、數(shù)控機床課程設(shè)計說明書第一章、數(shù)控機床進給系統(tǒng)概述 數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖圖1-1所示： 圖1-1數(shù)控機床進給系統(tǒng)伺服由于各種數(shù)控機床所完成的加工任務(wù)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(yīng)并無超調(diào)；高精度；低速大轉(zhuǎn)矩。1.1、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(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動要小，尤其在低速如0.1r /min或更低速時，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。（2）電機應(yīng)具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機要求在數(shù)分鐘內(nèi)過載4-6倍而不損壞。（3）

2、為了滿足快速響應(yīng)的要求，電機應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時間常數(shù)和啟動電壓。電機應(yīng)具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保證電機可在0.2s以內(nèi)從靜止啟動到額定轉(zhuǎn)速。（4）電機應(yīng)能隨頻繁啟動、制動和反轉(zhuǎn)。隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和伺服控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)已開始采用高速、高精度的全數(shù)字伺服系統(tǒng)。使伺服控制技術(shù)從模擬方式、混合方式走向全數(shù)字方式。由位置、速度和電流構(gòu)成的三環(huán)反饋全部數(shù)字化、軟件處理數(shù)字PID，使用靈活，柔性好。數(shù)字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術(shù)和改進伺服性能的措施，使控制精度和品質(zhì)大大提高。數(shù)控車床的進給傳動系統(tǒng)一般均采用進給伺

3、服系統(tǒng)。這也是數(shù)控車床區(qū)別于普通車床的一個特殊部分。1.2、伺服系統(tǒng)的分類 數(shù)控車床的伺服系統(tǒng)一般由驅(qū)動控制單元、驅(qū)動元件、機械傳動部件、執(zhí)行件和檢測反饋環(huán)節(jié)等組成。驅(qū)動控制單元和驅(qū)動元件組成伺服驅(qū)動系統(tǒng)。機械傳動部件和執(zhí)行元件組成機械傳動系統(tǒng)。檢測元件與反饋電路組成檢測系統(tǒng)。 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(nèi)，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

4、裝在工作臺上，機械傳動部件整個被包括在位置環(huán)之內(nèi)。 開環(huán)系統(tǒng)的定位精度比閉環(huán)系統(tǒng)低，但它結(jié)構(gòu)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(nèi)，所以系統(tǒng)的動態(tài)性能不僅取決于驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)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(guān)系，故必須對機電部件的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、磁尺、光柵尺和激光干涉儀等。 數(shù)

5、控車床的進給伺服系統(tǒng)中常用的驅(qū)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。直流伺服電動機引入了機械換向裝置。其成本高，故障多，維護困難，經(jīng)常因碳刷產(chǎn)生的火花而影響生產(chǎn)，并對其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。同時機械換向器的換向能力，限制了電動機的容量和速度。電動機的電樞在轉(zhuǎn)子上，使得電動機效率低，散熱差。為了改善換向能力，減小電樞的漏感，轉(zhuǎn)子變得短粗，影響了系統(tǒng)的動態(tài)性能。交流伺服已占據(jù)了機床進給伺服的主導(dǎo)地位，并隨著新技術(shù)的發(fā)展而不斷完善，具體體現(xiàn)在三個方面。一是系統(tǒng)功率驅(qū)動裝置中的電力電子器件不斷向高頻化方向發(fā)展

6、，智能化功率模塊得到普及與應(yīng)用；二是基于微處理器嵌入式平臺技術(shù)的成熟，將促進先進控制算法的應(yīng)用；三是網(wǎng)絡(luò)化制造模式的推廣及現(xiàn)場總線技術(shù)的成熟，將使基于網(wǎng)絡(luò)的伺服控制成為可能。1.3、主要設(shè)計任務(wù)參數(shù) 車床控制精度：0.01mm（即為脈沖當量）；最大進給速度：Vmax=5m/min。 最大加工直徑為Dmax=400mm，工作臺及刀架重：110；最大軸 ，向力=160；導(dǎo)軌靜摩擦系數(shù)=0.2；行程=1280mm；步進電機：110BF003；步距角：0.75；電機轉(zhuǎn)動慣量：J=1.810-2 .m2。第二章、數(shù)控車床縱向進給系統(tǒng)傳動的方案設(shè)計 數(shù)控機床進給驅(qū)動對位置精度、快速響應(yīng)特性、調(diào)速范圍等有較

7、高的要求。實現(xiàn)進給驅(qū)動的電機主要有三種：步進電機、直流伺服電機和交流伺服電機。目前，步進電機只適應(yīng)用于經(jīng)濟型數(shù)控機床，直流伺服電機在我國正廣泛使用，交流伺服電機作為比較理想的驅(qū)動元件已成為發(fā)展趨勢。數(shù)控機床的進給系統(tǒng)當采用不同的驅(qū)動元件時，其進給機構(gòu)可能會有所不同。電機與絲杠間的聯(lián)接主要有三種形式，如圖2-1所示。2.1、帶有齒輪傳動的進給運動數(shù)控機床在機械進給裝置中一般采用齒輪傳動副來達到一定的降速比要求，如圖2-1a）所示。由于齒輪在制造中不可能達到理想齒面要求，總存在著一定的齒側(cè)間隙才能正常工作，但齒側(cè)間隙會造成進給系統(tǒng)的反向失動量，對閉環(huán)系統(tǒng)來說，齒側(cè)間隙會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，齒輪

8、傳動副常采用消除措施來盡量減小齒輪側(cè)隙。但這種聯(lián)接形式的機械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。圖21 電機與絲杠間的聯(lián)接形式2.2、經(jīng)同步帶輪傳動的進給運動如圖2-1b）所示，這種聯(lián)接形式的機械結(jié)構(gòu)比較簡單。同步帶傳動綜合了帶傳動和鏈傳動的優(yōu)點，可以避免齒輪傳動時引起的振動和噪聲，但只能適于低扭矩特性要求的場所。安裝時中心距要求嚴格，且同步帶與帶輪的制造工藝復(fù)雜。2.3、電機通過聯(lián)軸器直接與絲杠聯(lián)接 如圖2-1c）所示，此結(jié)構(gòu)通常是電機軸與絲杠之間采用錐環(huán)無鍵聯(lián)接或高精度十字聯(lián)軸器聯(lián)接，從而使進給傳動系統(tǒng)具有較高的傳動精度和傳動剛度，并大大簡化了機械結(jié)構(gòu)。在加工中心和精度較高的數(shù)控機床的進給運動中，普遍采用這種聯(lián)

9、接形式。 根據(jù)進給系統(tǒng)的要求及設(shè)計要求，選擇帶有齒輪傳動的進給運動，選用最佳降速比，可以提高機床的分辨率，并使系統(tǒng)折算到驅(qū)動軸上的慣量減少；盡量消除傳動間隙，減少反向死區(qū)誤差，提高位移精度等。第三章、運動設(shè)計 3.1、降速比計算功率步進電動機型號為110BF003，其主要技術(shù)參數(shù)為最大靜轉(zhuǎn)矩為7.84,步距角0.75,電機轉(zhuǎn)動慣量：J=1.810-2 .m2；快速空載啟動時電動機轉(zhuǎn)速。進給傳動鏈的脈沖當量.選滾珠絲杠的螺距為12mm.由 （31） 式中 步進電動機的步距角 脈沖當量，mm S 絲杠螺距, mm 3.2、減速齒輪的確定 選擇一級減速器，選齒輪，模數(shù)，齒寬。選擇斜齒輪調(diào)隙，齒輪的參

10、數(shù)如表31。31齒輪參數(shù)表法向模數(shù)2齒數(shù)20齒形角齒頂高系數(shù)螺旋角15o徑向變位系數(shù)0精度等級配對齒輪圖號齒數(shù)50公差組檢驗項目代號極限偏差值10.09020.01630.01340.016第四章、絲杠螺母機構(gòu)的選擇與計算 已知條件：工作臺及刀架重：110,所以重量為 最大行程：1280mm，失動量：，工作臺最高速度： 查表選擇絲桿預(yù)期壽命： 小時 ， 摩擦系數(shù)。則導(dǎo)軌的靜摩擦力FO。 （41）最大軸向負載 4.1、動載強度計算 當轉(zhuǎn)速時，滾珠絲杠；螺母的主要破壞形式是工作表面的疲勞點蝕，因此要進行動載強度計算，其計算動載荷應(yīng)小于或等于滾珠絲桿螺母副的額定動負荷，即 （42) 式中 動載荷系數(shù)

11、，見表3 1; 硬度影響系數(shù)，見表3-2; 當量動負荷，N; 滾珠絲杠；螺母副的額定動負荷，N； 壽命，以r為一個單位。 (43) 式中 T使用壽命，h；按設(shè)計機床要求取T=15000h N循環(huán)次數(shù)： 滾珠絲杠的當量轉(zhuǎn)速，r/min。 (44） 代入上式得 （45）表4-1 動載荷系數(shù)載荷性質(zhì)載荷性質(zhì)平穩(wěn)輕微沖擊較大沖擊和振動中等沖擊表4-2 硬度影響系數(shù)、硬度5552.55047.545401.01.111.351.561.922.403.851.01.111.401.672.102.644.50當工作載荷單調(diào)連續(xù)或周期行單調(diào)連續(xù)變化時，則 （46）式中 最大和最小工作載荷，N。查表41 4

12、2取=1.5 =1.56代入上式得 （47） 4.2、靜強度計算 當轉(zhuǎn)速時，滾珠絲杠螺母的主要破壞形式為滾珠接觸面上產(chǎn)生較大的塑性變形，影響正常工作。因此，應(yīng)進行靜強度計算，最大計算靜載荷為 （110） 式中 硬度硬度影響系數(shù)，見表52；取=1.67. 滾珠絲杠螺母副的額定靜負荷，N。代入得 （48）根據(jù)計算額定動負載荷和額定靜負荷初選滾珠絲杠副型號為。其基本參數(shù)為公稱直徑，導(dǎo)程，滾珠直徑。額定動負荷，額定靜負荷。動載荷與靜載荷載均滿足要求。4.3、臨界轉(zhuǎn)速校核 對于高速長絲杠有可能發(fā)生共振，需要算其臨界轉(zhuǎn)速，不會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速為臨界 轉(zhuǎn)速 （49） （410） 式中 臨界轉(zhuǎn)速計算長度，m

13、； 絲杠支撐方式系數(shù)。兩端固定時， 代入數(shù)據(jù)得 遠遠小于其最大速度，故臨界轉(zhuǎn)速滿足。4.4、額定壽命的校核 滾珠絲杠的額定動載荷，已知其軸向載荷，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速，運轉(zhuǎn)條件系數(shù)，則有 （411） （412）滾珠絲杠螺母副的總工作壽命，故滿足要求。第五章、動力計算5.1、傳動件轉(zhuǎn)動慣量的計算 5.11、小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 （51） 式中 齒輪分度圓直徑，mm，； （52） 齒輪寬度，mm。 5.12、大齒輪轉(zhuǎn)動慣量 （53） 式中 齒輪分度圓直徑，mm （54） 5.13、計算工作臺的轉(zhuǎn)動慣量JW （55) 式中 W工作臺（包括工件）的質(zhì)量， kg； S絲杠螺距，mm。 5.14、計算絲杠的轉(zhuǎn)動慣量

14、Js (56）式中L支撐距，mm。5.15、負載折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量為： （57）5.2、電動機力矩的計算 5.2.1、計算加速力矩Ma （58） 5.2.2、計算摩擦力矩Mf （59） 式中 傳動鏈總效率，取=0.8。 5.2.3、計算附加摩擦力矩 （510） 式中 傳動鏈總效率，取=0.8； 滾珠絲杠未預(yù)緊時的效率，取=0.9。 5.2.4、空載啟動時電動機所需力矩：（511） 因此，選用7.84的步進電機滿足要求。第六章、絲杠螺母機構(gòu)的傳動剛度計算 滾珠絲杠一段軸向支撐，絲杠的最小拉壓剛度和最大拉壓剛度分別為：（61)(62）式中 E彈性模量。按近似估算，將絲杠本身的拉壓剛度乘以1

15、/3，作為傳動的綜合拉壓剛度，即： （63） （64）反向死區(qū)誤差計算 （65） 所以能滿足單脈沖進給的要求。計算由于傳動剛度的變化的定位誤差，應(yīng)使 （66） 滿足由于傳動剛度變化引起的定位誤差小于機床定位精度的要求。第七章、結(jié)構(gòu)設(shè)計7.1、滾珠絲杠的支承 滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷，徑向載荷主要是臥式絲杠的自重。因此對絲杠的軸向精度和軸向剛度應(yīng)有較高要求，其兩端支承的配置情況有：一端軸向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短絲杠和垂直進給絲杠；一端固定一端浮動的方式，常用于較長的臥式安裝絲杠；以及兩端固定的安裝方式，常用于長絲杠或高轉(zhuǎn)速、高剛度、高精度的絲杠，這種配置方式可對絲桿進行預(yù)拉伸

16、。因此在此課題中采用兩端固定的方式，以實現(xiàn)高剛度、高精度以及對絲杠進行拉伸。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(yīng)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(diào)整較易。因此在進給傳動中面對面組合用得較多。在

17、此設(shè)計中采用了以面對面配對組合的60角接觸軸承，以容易實現(xiàn)自動調(diào)整。滾珠絲杠工作時要發(fā)熱，其溫度高于床身。為了補償因絲杠熱膨脹而引起的定位精度誤差，可采用絲杠預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)，使預(yù)拉伸量略大于熱膨脹量。 7.2、滾珠絲杠螺母副間隙消除和預(yù)緊 滾珠絲杠螺母機構(gòu)是回轉(zhuǎn)運動與直線運動相互轉(zhuǎn)換的傳動裝置，是數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)中使用最為廣泛的傳動裝置。滾珠絲杠在軸向載荷作用下，滾珠和螺紋滾道接觸區(qū)會產(chǎn)生嚴重接觸變形，接觸剛度與接觸表面預(yù)緊力成正比。如果滾珠絲杠螺母副間存在間隙，接觸剛度較??；當滾珠絲杠反向旋轉(zhuǎn)時，螺母不會立即反向，存在死區(qū)，影響絲杠的傳動精度。因此，滾珠絲杠螺母副必須消除間隙，并施加預(yù)緊力

18、，以保證絲杠、滾珠和螺母之間沒有間隙，提高滾珠絲杠螺母副的接觸剛度。滾珠絲杠螺母副通常采用雙螺母結(jié)構(gòu)，如圖71所示 1.滾珠螺母；2.緊定螺釘；3.支座；4.滾珠絲杠；5.調(diào)整墊片圖71雙螺母滾珠絲杠圖中1代表滾珠螺母，3代表支座，螺母與支座之間有調(diào)整墊片，通過調(diào)整墊片來調(diào)節(jié)滾珠螺母與滾珠絲杠螺紋之間的間隙。通過調(diào)整兩個螺母之間的軸向位置，使兩個螺母的滾珠在承受載荷之前，分別與絲杠的兩個不同的側(cè)面接觸，產(chǎn)生一定的預(yù)緊力，以達到提高軸向剛度的目的。調(diào)整預(yù)緊有多種方式，上圖所示的為墊片調(diào)整式，通過改變墊片的厚薄來改變兩個螺母之間的軸向距離，實現(xiàn)軸向間隙消除和預(yù)緊。這種方式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、剛度高、

19、可靠性好。7.3、主要結(jié)構(gòu)性能及特點的分析在本設(shè)計的進給系統(tǒng)中的主要結(jié)構(gòu)零件是滾珠螺母絲杠，以下簡要介紹其傳動的形式及主要主要特點。滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機械元件，其作用是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動，它是傳統(tǒng)滑動絲杠的進一步延伸發(fā)展。滾珠絲杠副是在絲杠和螺母之間以滾珠為滾動體的螺旋傳動元件。滾珠絲杠副有多種結(jié)構(gòu)型式。按滾珠循環(huán)方式分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類。外循環(huán)回珠器用插管式的較多，內(nèi)循環(huán)回珠器用腰形槽嵌塊式的較多。按螺紋軌道的截面形狀分為單圓弧和雙圓弧兩種截形。由于雙圓弧截形軸向剛度大于單圓弧截形，因此目前普遍采用雙圓弧截形的絲杠。按預(yù)加負載形式分

20、，可分為單螺母無預(yù)緊、單螺母變位導(dǎo)程預(yù)緊、單螺母加大鋼球徑向預(yù)緊、雙螺母墊片預(yù)緊、雙螺母差齒預(yù)緊、雙螺母螺紋預(yù)緊。數(shù)控機床上常用雙螺母墊片式預(yù)緊，其預(yù)緊力一般為軸向載荷的1/3。滾珠絲杠副與滑動絲杠螺母副比較有很多優(yōu)點：傳動效率高、靈敏度高、傳動平穩(wěn)：磨損小、壽命長；可消除軸向間隙，提高軸向剛度等。第八章、總結(jié)與體會 經(jīng)過為期兩周的奮戰(zhàn)我的數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計終于完成了。雖然比較辛苦但是獲益也良多。課程設(shè)計不僅是對前面所學(xué)知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次課程設(shè)計使我明白了自己原來知識還比較欠缺。自己要學(xué)習(xí)的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點眼

21、高手低。通過這次課程設(shè)計，我才明白學(xué)習(xí)是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識和綜合素質(zhì)。 在這次課程設(shè)計中也使我們的同學(xué)關(guān)系更進一步了，同學(xué)之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量，聽聽不同的看法對我們更好的理解知識，所以在這里非常感謝幫助我的同學(xué)。 總之，不管學(xué)會的還是學(xué)不會的的確覺得困難比較多，真是萬事開頭難，不知道如何入手,最后終于做完了有種如釋重負的感覺。此外，還得出一個結(jié)論：知識必須通過應(yīng)用才能實現(xiàn)其價值！有些東西以為學(xué)會了，但真正到用的時候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認為只有到真正會用的時候才是真的學(xué)會了。 在整個設(shè)計中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨

22、立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響，而且大大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。雖然這個設(shè)計做的也不太好，但是在設(shè)計過程中所學(xué)到的東西是這次課程設(shè)計的最大收獲和財富，使我終身受益。 參考文獻資料1 文懷興 夏田編著 數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計 化學(xué)工業(yè)出版社 北京2 文懷興 夏田編著 數(shù)控機床設(shè)計實踐指南 化學(xué)工業(yè)出版社 北京3 濮良貴 紀名剛主編 機械設(shè)計 高等教育出版社 北京4 吳克堅 鄭文偉主編 機械原理 高等教育出版社 北京5 盧秉恒主編 機械制造技術(shù)基礎(chǔ) 機械工業(yè)出版社 北京 6 曹金榜主編 機床主軸/變速箱設(shè)計指導(dǎo) 機械工業(yè)出版社 北京7 周開勤主編 機械零件手冊 高等教育出版社 北京8 上海紡織工學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)主編 機床設(shè)計圖冊 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 上海第14頁 共14頁