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鹽城工學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2004 1 0 緒論 本設(shè)計(jì)課題為 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床橫向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 因?yàn)槲覀儧](méi)有精良的 加工工具或者是自動(dòng)化系數(shù)等各方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)的不及西歐等國(guó)家 所以我國(guó)的機(jī)械 制造業(yè)與他們的有著很大的差距的原因 制造業(yè)是關(guān)系到國(guó)際民生的大事 是 富民強(qiáng)國(guó)的必要因素 我國(guó)要有更好的發(fā)展 必須形成我們自己富有特色的現(xiàn) 代化制造體系 隨著時(shí)代的發(fā)展 科技的日新月異 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大 數(shù)控 機(jī)床及其系統(tǒng)己成為現(xiàn)代化機(jī)器制造業(yè)中不可缺少的組成部分 面對(duì)我國(guó)目前 機(jī)床擁有量少 工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模小的特點(diǎn) 突出的任務(wù)是用較少的資金迅速改變 機(jī)械工業(yè)落后的生產(chǎn)面貌 使之盡可能地提高自動(dòng)化程度 保證加工質(zhì)量 減 輕勞動(dòng)強(qiáng)度 提高經(jīng)濟(jì)效益 橫向進(jìn)給系統(tǒng) 主傳動(dòng)系統(tǒng) 和 縱向進(jìn)給系統(tǒng) 被稱(chēng)為車(chē)床的三大核 心系統(tǒng) 其重要地位是不言而喻了 三大系統(tǒng)的精確性 準(zhǔn)確性 必將影響加 工產(chǎn)品的性能 而實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)的有效的 基本的途徑就是普及應(yīng)用經(jīng)濟(jì)型數(shù) 控機(jī)床 并對(duì)原有的機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造 而這就是我們課題的目的 前提條件 1 床身上最大回轉(zhuǎn)直徑 400mm 2 快移速度 x 軸 4m min 3 定位精度 x 軸 0 035mm 4 重復(fù)定位精度 x 軸 0 0075mm 刀架 0 010mm 設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)課題要求 橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí) 電機(jī)與絲杠采用柔性結(jié) 構(gòu) 電機(jī)選用伺服電機(jī) 對(duì)電機(jī)的大小選擇進(jìn)行驗(yàn)證 及對(duì)滾珠絲杠直徑和支 承形式選擇進(jìn)行強(qiáng)度較核 設(shè)計(jì)精度達(dá)原始數(shù)據(jù) 本課題所設(shè)計(jì)的進(jìn)給系統(tǒng)是針對(duì)經(jīng)濟(jì)型中檔數(shù)控車(chē)床的 該系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功 一旦應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中 將使工廠的生產(chǎn)的數(shù)字化水平加強(qiáng) 生產(chǎn)力水平顯著 提高 勞動(dòng)強(qiáng)度減輕 經(jīng)濟(jì)效益得到提高 根據(jù)自己三個(gè)多月來(lái)的設(shè)計(jì)過(guò)程 編寫(xiě)了這本 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 其中 書(shū) 中肯定存在著相當(dāng)?shù)囊恍﹩?wèn)題 期望領(lǐng)導(dǎo) 老師給予批評(píng) 指正 數(shù)控機(jī)床橫向進(jìn)給設(shè)計(jì) 2 1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況及現(xiàn)狀介紹 從上世紀(jì)五十年代數(shù)控技術(shù)開(kāi)始發(fā)展到 1965 年 數(shù)控裝置從最初的電子 管元件 晶體管元件 集成電路到目前使用比較普遍的小型計(jì)算機(jī)和微處理器 共經(jīng)歷了五代的發(fā)展 世界主要工業(yè)國(guó)家的數(shù)控機(jī)床己進(jìn)入了指生產(chǎn)階段 數(shù) 控機(jī)床的產(chǎn)量 擁有量 數(shù)控化率都在急速上升 我國(guó)從 1958 看開(kāi)始研究數(shù)控機(jī)械加工技術(shù) 60 年代針對(duì)壁錐 非圓齒輪 等復(fù)雜形狀的工件研制出了數(shù)控壁錐銑床 數(shù)控非圓齒輪插齒機(jī)等設(shè)備 保證 了加工質(zhì)量 減少了廢品 提高了效率 取得了良好的效果 70 年代針對(duì)航空 工業(yè)等加工復(fù)雜形狀零件的急需 從 1973 年以來(lái)組織了數(shù)控機(jī)床攻關(guān)會(huì)戰(zhàn) 經(jīng) 過(guò)三年努力 到 1975 年己研制出了 40 多個(gè)品種 300 多臺(tái)數(shù)控機(jī)床 經(jīng)過(guò) 30 年 的努力 我國(guó)數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)的研制也歷經(jīng)了第一代電子管靈敏控 第二 代晶體管數(shù)控及第三代集成電路數(shù)控 從 1975 年到 1979 年 7 年內(nèi)累計(jì)生產(chǎn) 數(shù)控機(jī)床 4108 臺(tái) 其中約 3 4 以上的數(shù)控線切割機(jī)床 進(jìn)入 80 年代 我國(guó)重 新重視發(fā) 展數(shù)控技術(shù) 采取了暫從國(guó)外引進(jìn)控制機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 為國(guó)內(nèi)主機(jī)配 套的方針 1981 年 我國(guó)從日本 FANVC 公司引進(jìn)了 FANVC3 系列 5 系列 7 系 列的數(shù)控系統(tǒng)和在直流伺服電機(jī) 直流主軸電機(jī) 技術(shù) 并在北京機(jī)床研究所建 立了數(shù)控設(shè)備廠 于 1981 年底開(kāi)始驗(yàn)收投產(chǎn) 1982 年生產(chǎn)約 40 套系統(tǒng) 1982 年生產(chǎn)約 100 套系統(tǒng) 1985 年生產(chǎn)約 400 套系統(tǒng) 伺服電機(jī)與主軸電機(jī)也配套 生產(chǎn) 這些系統(tǒng)是外國(guó) 70 年代的水平 功能較全 可靠性能比較高 這樣就使 機(jī)床行業(yè)發(fā)展數(shù)控機(jī)床有了可靠的基礎(chǔ) 使我國(guó)的主機(jī)品種與技術(shù)水平都有圈 套的發(fā)展與提高 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)數(shù)控裝置 直流電 機(jī)驅(qū)動(dòng)的半閉環(huán)數(shù)控裝置和點(diǎn)位式經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置三種 對(duì)于數(shù)控車(chē)床改造一 般選用步電機(jī)驅(qū)動(dòng)開(kāi)環(huán)數(shù)控裝置 選擇時(shí)主要考慮以下性能 CPU 類(lèi)型 用戶(hù) 容量 控制軸或聯(lián)動(dòng)軸數(shù) 設(shè)定單位 插補(bǔ)類(lèi)型 編程尺寸及編程標(biāo)準(zhǔn) G M S T F 功能 刀補(bǔ)功能 間隙補(bǔ)償功能及循環(huán)功能 顯示方式及顯示 信息的形式 絕對(duì)編程 增量編程 程序輸入方式以及報(bào)警 診斷等 根據(jù)需 要選擇相應(yīng)的性能 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元的性能參數(shù) 步進(jìn)電機(jī)性能參數(shù)及安裝尺寸 控制箱與 電機(jī)的接線型式 系統(tǒng)的快速度給速度 空載起動(dòng)頻率 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩 系統(tǒng)升頻 降頻時(shí)間 起動(dòng)矩頻特性 起動(dòng)慣頻特性 運(yùn)行矩頻特性 驅(qū)動(dòng)電路的型式 高低壓驅(qū)動(dòng)電路 斬波驅(qū)動(dòng)電路 調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)電路 細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路 電流檢 測(cè)型功率放大電路等 不同的電路型式 其工作性能不同 根據(jù)加工需要合理 選擇 刀架控制與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要考慮刀架型式 如四位或八位電動(dòng)刀架 或轉(zhuǎn)塔 鹽城工學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2004 3 六位刀架 定位精度及重復(fù)定位精度 換刀時(shí)間 刀具選擇時(shí)刀架的轉(zhuǎn)向 夾 緊力 刀桿尺寸及裝夾刀具結(jié)構(gòu)型式等性能參數(shù) 我國(guó)己有少數(shù)產(chǎn)品開(kāi)始進(jìn)入 國(guó)際市場(chǎng) 還有幾種合作生產(chǎn)的數(shù)機(jī)床返銷(xiāo)國(guó)外 目前 我國(guó)除了能獨(dú)立地設(shè) 計(jì)與生產(chǎn)常規(guī)的數(shù)控機(jī)床外 還能生產(chǎn)五坐標(biāo)數(shù)控銑床 加工中心以及柔性制 造系統(tǒng) 如北京機(jī)床研究所開(kāi)發(fā)研制的 JCS FMC 1 JCS FMC 2 柔性加工單元 XH715 型立式加工中心 民明機(jī)床古物 THK4680 型全閉環(huán)精密加工中心 沈陽(yáng) 中捷友誼廠的 TK66100 臥式銑削加工中心 青海第一機(jī)床廠的 XH754 臥式加工 中心等 這一切都說(shuō)明 我國(guó)的機(jī)床數(shù)控技術(shù)進(jìn)入新的發(fā)展時(shí)期 預(yù)計(jì)在不遠(yuǎn) 的將來(lái)會(huì)趕上或超過(guò)世界先進(jìn)國(guó)家水平 數(shù)控機(jī)床橫向進(jìn)給設(shè)計(jì) 4 2 總體方案論證 2 1 選擇動(dòng)力系統(tǒng) 經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控機(jī)床動(dòng)力系統(tǒng)可分為三類(lèi) 1 步進(jìn)電機(jī)式 采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與定位 是開(kāi)環(huán)系統(tǒng) 同時(shí)限于造價(jià) 不再采用其它 措施補(bǔ)償位置誤差 由于目前功率步進(jìn)電機(jī)力矩還不太大 所以機(jī)床的空選 種速度較低 一般用于半精加工 這種系統(tǒng)具有 2 3 種插補(bǔ)功能 通過(guò)軟件 控制接口 可加工錐面 螺紋 簡(jiǎn)單外形的曲面等十分靈活 由于性?xún)r(jià)比較 恰當(dāng) 一般中小型企業(yè)在技術(shù)力量和財(cái)力上都比較容易實(shí)現(xiàn) 因此在全國(guó)較 容易推廣 普及 2 交流點(diǎn)位式 采用交流電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng) 用光柵數(shù)字點(diǎn)位控制 與步進(jìn)電機(jī)相比 提高 了定位精度 光柵分辨率可達(dá) 0 001mm 重復(fù)定位精度為 0 005mm 所以加 工精度較高 由于采用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng) 功率大 可進(jìn)行大切屑量加工零件加 工中 效果尤為顯著 目前 交流點(diǎn)式系統(tǒng)只能加工柱面 不能加工曲面和 螺紋功能上有限 而且成本高 使性能價(jià)格比相對(duì)下降 一般用于大企業(yè)或 專(zhuān)業(yè)化工廠使用 國(guó)內(nèi)用的很少 3 半閉環(huán)連續(xù)控制式 采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) 以脈沖編碼器檢測(cè)位置 實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)連續(xù)控制 由于采用高性能直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) 扭矩大 速度高 過(guò)載能力強(qiáng) 可進(jìn)行 強(qiáng)力切削 當(dāng)絲杠螺在 6mm 左右時(shí) 快速可達(dá) 8 9m min 且不丟步 效率 高 該系統(tǒng)功能齊全 還帶有可編程序控制器 使強(qiáng)電計(jì)大大簡(jiǎn)化 以上三種驅(qū)動(dòng)方式而言 各有利弊 經(jīng)過(guò)比較選擇直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)因 為速度高 過(guò)載能力強(qiáng) 且擁有可編程序控制器 易學(xué)易用 在機(jī)床伺服控 制系統(tǒng)中 步進(jìn)電機(jī)人微言輕執(zhí)行單元 具有控制方便可靠 價(jià)格低 且適 合于開(kāi)環(huán)控制等特點(diǎn) 因此在簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床中得到廣泛的應(yīng)用 但由于步進(jìn) 電機(jī)步距角 功率較小 存在振蕩等弱點(diǎn)的限制 在高精大功率應(yīng)用場(chǎng)合并 不很合適 故考慮采用伺服電機(jī)控制 2 2 選擇傳動(dòng)裝置 鹽城工學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2004 5 數(shù)控機(jī)床半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)中伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)齒輪副 或同步齒形帶副 滾珠 絲杠拖動(dòng)工作臺(tái) 反饋裝置與電動(dòng)機(jī)相聯(lián) 發(fā)出反饋信號(hào) 亦可把反饋裝置裝 在絲杠的端部 伺服電機(jī)可直接與絲杠聯(lián)接 數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)裝置是將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)楣ぷ髋_(tái)的直線運(yùn)動(dòng)的整個(gè) 機(jī)械傳動(dòng)鏈及其附屬結(jié)構(gòu) 包括齒輪減速機(jī) 絲杠螺母副 導(dǎo)軌 工作臺(tái)等 在數(shù)控機(jī)床數(shù)字調(diào)節(jié)技術(shù)儀式 傳動(dòng)裝置是伺服系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié) 因此 數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)裝置與普通機(jī)床中傳動(dòng)裝置上有重要差別 故它的設(shè)計(jì)與通機(jī) 床傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)不同 數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)要求除了有較高的定位精度 外 還應(yīng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 即系統(tǒng)跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快 穩(wěn)定性 要好 為確保數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作穩(wěn)定性 在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝 置時(shí) 通常提出了無(wú)間隙 低磨擦 低慣量 高剛度 高諧振頻率心臟有適應(yīng) 阻尼比的要求 設(shè)計(jì)任務(wù)要完成的設(shè)計(jì)是橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 一般來(lái)說(shuō)此種系統(tǒng)的傳動(dòng) 裝置采用螺旋傳動(dòng) 螺旋傳動(dòng)主要用來(lái)把旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng) 或把直線傳動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 其中 有傳遞能量為主的傳力螺旋 有以傳遞運(yùn)動(dòng)為主 并要求有較高的傳動(dòng) 精度的傳動(dòng)螺旋 還有調(diào)節(jié)整零件相互位置的調(diào)整螺旋 螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)又有滑 動(dòng)絲杠螺母 滾珠絲杠螺母和液壓絲杠螺母機(jī)構(gòu)之別 在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)中 螺旋傳動(dòng)主要來(lái)實(shí)現(xiàn)精密的進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 并廣泛采用滾珠絲杠副傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 選用滾珠絲杠副傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 因?yàn)榇朔N機(jī)構(gòu)有如下特點(diǎn) 1 傳動(dòng)效率高 磨擦損失小 滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為 0 92 0 96 比常規(guī)的絲杠螺母副提高了 3 4 倍 滑動(dòng)絲杠效率為 0 2 0 4 因此 功率消耗只相當(dāng)于常規(guī)絲杠副的 1 4 1 3 2 給予適當(dāng)預(yù)緊 可消除絲杠和螺母的螺紋間隙 反向時(shí)就可以消除 空程死區(qū) 定位精度高 剛度好 3 有可逆性 可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線傳動(dòng) 也可以從直線傳動(dòng)轉(zhuǎn) 換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 即絲杠和螺母都可以作為主動(dòng)件 4 磨損小 使用壽命長(zhǎng) 精度保持性好 3 具體設(shè)計(jì)說(shuō)明 數(shù)控機(jī)床橫向進(jìn)給設(shè)計(jì) 6 3 1 橫向進(jìn)給滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)選擇 在一般情況下 設(shè)計(jì)滾珠絲杠時(shí) 必須知道下列條件 最大工作負(fù)載 Fmax 或平均工作負(fù)載 Fm 作用下的使用壽命 T 絲杠的工作長(zhǎng)度 L 或螺母 的有效行程 絲杠的轉(zhuǎn)速 n 平均轉(zhuǎn)速 n 滾道的硬度 HRC 及絲杠的運(yùn)轉(zhuǎn)情 況 然后按下列步驟進(jìn)行設(shè)計(jì) 1 計(jì)算作用在滾珠絲杠上的最大動(dòng)負(fù)載 Ca 的數(shù)值 2 從滾珠絲杠設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中 找出相應(yīng)尺寸系列對(duì)應(yīng)的最大動(dòng)載荷 Ca 的相 近值 并初選型號(hào) 3 根據(jù)具體工作要求 對(duì)于結(jié)果尺寸 循環(huán)方式 調(diào)隙方法及傳動(dòng)效率等 方面的要求 從初選的幾個(gè)型號(hào)中再挑選出比較合適的公稱(chēng)直徑 d0 導(dǎo)程 L0 滾珠列數(shù) k 滾珠圈數(shù) j 等確定某一型號(hào) 4 根據(jù)所選出的型號(hào) 列出 或算出 其主要參數(shù)的數(shù)值 驗(yàn)算其剛度及 穩(wěn)定性系數(shù)是否滿足要求 若不滿足要求 則需要另選其它型號(hào) 再做上述的 計(jì)算和驗(yàn)算直至滿足要求為止 3 1 1 確定滾珠絲杠的支承方式 一 滾珠絲杠常用的支承方式見(jiàn)下圖 圖 a 為一端軸向固定一端自由 常用于短絲杠和豎直安裝的絲杠 圖為一 端固定一端簡(jiǎn)支 常用于較長(zhǎng)的臥式安裝絲杠 圖 c 為兩端固定 常用于長(zhǎng)絲 杠或高轉(zhuǎn)速 要求高速精度 高剛度的地方 這種方式還可以預(yù)拉伸 這種安 裝方式雖優(yōu)點(diǎn)顯著 但工藝比較困難 鹽城工學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2004 7 滾珠絲杠都用滾動(dòng)軸承支承 可用的滾動(dòng)軸承種類(lèi)很多 從目前情況看來(lái) 本課題可選用角接觸球軸承 這種軸承可以組配 a 圖為一對(duì)背靠背 b 圖為一以面對(duì)面 都承受兩 個(gè)方向的載荷 由于螺母 固定在床鞍上 與絲杠 固定在床鞍上 與絲杠 固定在床身上 的同軸度難免有某些誤差 希望軸承有一定的自動(dòng)調(diào)心作用 面對(duì)面組配時(shí) 兩接觸線與軸線交點(diǎn)之間的距離比背靠背時(shí)小 調(diào)心較易 所 以絲杠軸承面對(duì)面配用得比較多 這種軸承是在預(yù)加載荷的條件下組配的 背靠背組配時(shí) 內(nèi)圈端面各磨去 裝配時(shí)壓緊內(nèi)圈 就可施加預(yù)加載荷 簡(jiǎn)支端常用深溝球軸承 不預(yù)緊 本課題設(shè)計(jì)采用的是角接觸球軸承 原因在于 1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)既承受縱向的力 又要承受橫向進(jìn)給力 考慮到系 統(tǒng)受力情況 2 為了保證加工精度 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡范圍決定了采用 角接觸球軸承 3 1 2 滾珠絲杠副額定載荷 1 額定動(dòng)載荷 Ca 即在一組有相同參數(shù)的滾珠死杠副中 把 90 達(dá)到 10 轉(zhuǎn)而不發(fā)生疲勞剝6 數(shù)控機(jī)床橫向進(jìn)給設(shè)計(jì) 8 傷 所能承受的純軸向載荷稱(chēng)為額定動(dòng)載 以 Ca 表示 2 額定靜載荷 Cao 在滾珠絲杠副靜止 或轉(zhuǎn)速 10r min 狀態(tài)下 承受最大接觸應(yīng)力的滾珠 和滾道接觸面的塑性變形量只和為滾珠直徑 0 00001 倍時(shí)的軸向載荷 稱(chēng)為額 定靜載荷 以 Cao 表示 3 1 3 滾珠絲杠幅主要參數(shù)的確定 1 按預(yù)期壽命 Ln 及軸向載荷 Fa 進(jìn)行選擇 Ln Ca Fa 10 轉(zhuǎn) 1 3 1 36 一般情況下 Fa 可以用平均載荷 Fm 予以代替 Fm 1 3 2 3minax2F 式中 Ln 為預(yù)期設(shè)計(jì)壽命 Fmax 為最大軸向載荷 Fmin 為最小軸向載荷 對(duì)于機(jī)床 Ln 通常取 Ln 20 10 轉(zhuǎn) 6 則 Ca Fm 2 71Fm 1 3 3 320 本課題設(shè)計(jì)的要求 系統(tǒng)最大進(jìn)給力為 2750N 橫向進(jìn)給為一半即 1375N 所以得 Fmax 680N 經(jīng)驗(yàn)值 Fmin 35 Fmax 238N 所以 Fm 537 7N328175 故 Ca 2 71Fm 2 71 237 7 644 2N 鹽城工學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2004 9 2 按承受的最大軸向力 Fmax 確定參數(shù)計(jì)算靜負(fù)荷 Cmo Cmo K K FmaxFH 即 CmoCmo 1 5 2 680 2062 5N 故 絲杠的額定動(dòng)載荷 Ca 644 2N 絲杠的額定靜載荷 Ca 2062 5N 選擇 代號(hào)為 2005 4 型的滾珠絲杠 其基本直徑 20mm 大徑 19 5mm 基本導(dǎo)程 5mm 4 對(duì)選定的滾珠絲杠幅參數(shù)進(jìn)行核算 1 最大軸向壓縮載荷 F 滾珠絲杠受壓力作用后 在彈性范圍內(nèi)的臨界穩(wěn)定載荷 Fc 由下式計(jì)算 Fc 4 3 4 2 4 Ldbcm 式中 m 20 10 N mm 42 dc 為公稱(chēng)直徑 mm d 為滾珠直徑 mm b Ls 為絲杠軸的支撐距離 mm 則 水平安置時(shí) n 4 nFc y n 許用穩(wěn)定安全系數(shù) Nc 5244 103 50 17 120 F 3 即 F 為最大載向壓縮載荷 Fa 2 極限轉(zhuǎn)速的計(jì)算為使絲杠副在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不發(fā)生共振現(xiàn)象 應(yīng)對(duì)其極 限轉(zhuǎn)速進(jìn)行核算 當(dāng)絲杠發(fā)生共振時(shí)轉(zhuǎn)速稱(chēng)為臨界轉(zhuǎn)速 以 Nc 表示 數(shù)控機(jī)床橫向進(jìn)給設(shè)計(jì) 10 Nc 121 4 3 5 min 1026rLkdbc 式中 為公稱(chēng)直徑 cd d 為滾珠直徑b 為支承結(jié)構(gòu)系數(shù)0k K 2 5 極限轉(zhuǎn)速 n 滿足 n 0 8Nc Nc 121x10 20 3 175 6 min 105 24r min 104 8 03rNcn 3 滾珠絲杠副的預(yù)加副載 為了消除螺母間隙 提高滾珠絲杠副的剛性 與定位精度 在絲杠和螺 母 間施加預(yù)加載荷 Fp 其預(yù)加載荷大小為 Fp Fmax 3 229N 4 3 6 4 滾珠絲杠副的剛度 滾珠絲杠副的剛度 K gj11 式中 K 為滾珠絲杠副的剛度 K j 為滾珠的軸向接觸剛度 K1 為螺母的安裝剛度 Kg 為絲杠軸的安裝剛度 當(dāng)有預(yù)加負(fù)荷 Fp 且為額定動(dòng)載荷的 1 10 時(shí) Kj 可近似的以下式表示 1 4 3 7 54 032mnZdFKjb 式中 F 為軸向工作載荷 N db 為滾珠直徑 mm Z Z 圈數(shù) 列數(shù) 鹽城工學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2004 11 Z 為一圈滾珠數(shù) 內(nèi)循環(huán) Z d 0 db 3 5 粒 d0為公稱(chēng)直徑 210 為滾子數(shù) Kj 0 54 5 2 10 3 N m3 2517 312 螺母支撐剛度 K1 2 K1 5 3 8 10ln 8mNEA 其中 A 為螺母橫截面積 E 2 1 10 5 Ln 為螺母支承面至有效滾延間的長(zhǎng)度 A 0 4 10 3 mm2 故 K1 0 4 10 3 2 1 105 1000 10 3 0 85 10 3 N m 絲杠軸的支承剛性 Kg 3 當(dāng)采用圖示的支承方式 Kg A E 1546 10 8 0 7 10 3 N m 10 3 9 810ln EA 滾珠絲杠副的剛度 K 因?yàn)?gj1 所以 K 1 2 3 103 N m j1 5 驅(qū)動(dòng)力矩及驅(qū)動(dòng)功率 數(shù)控機(jī)床橫向進(jìn)給設(shè)計(jì) 12 使絲杠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所需驅(qū)動(dòng)力矩 Ma F Ph 2000 N m 10 3 10 公稱(chēng)導(dǎo)程 Ph 2 5mm 0 9 所以 Ma 0 61N m 由預(yù)緊力所產(chǎn)生的摩擦力矩 Mf K N m 10 3 11 810 2 PhFp Mf 2 3 103 N m59 v 總驅(qū)動(dòng)力矩 M Ma Mf M Ma Mf 0 63N m 10 3 12 所需功率 W Kw 1 3 13 950 W 10 87 636kw 式中 F 為軸向載荷 Ph 為公稱(chēng)直徑 為效率 3 1 4 滾珠絲杠與伺服電動(dòng)機(jī)的聯(lián)接 滾珠絲可通過(guò)齒輪副或步齒形帶與伺服電機(jī)相接 也可通過(guò)聯(lián)軸節(jié)與伺服 電動(dòng)機(jī)直接聯(lián)接 為了消除絲杠與電機(jī)軸之間的同軸度和垂直誤差 可用撓性聯(lián)軸節(jié)或波紋 管聯(lián)軸節(jié) 一般為撓性聯(lián)軸節(jié) 柔性片分別用螺釘和球面墊圈與兩邊的聯(lián)軸套 相聯(lián) 通過(guò)柔性片傳遞力矩 柔性片由不銹鋼制成 每片厚 0 25mm 這種聯(lián)軸 節(jié)已由專(zhuān)門(mén)工廠生產(chǎn) 其性能尺寸見(jiàn) 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) 第 3 冊(cè) P496 伺服電動(dòng)機(jī)有直流和交流兩類(lèi) 直流伺服電動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)較早 交流伺服電動(dòng) 機(jī)國(guó)外于 70 年代末期開(kāi)始應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床 由于交流伺服電動(dòng)機(jī)沒(méi)有電刷 因 此壽命長(zhǎng) 允許的轉(zhuǎn)速高 還適當(dāng)宜于易燃易爆的環(huán)境中使用 交流伺服電動(dòng) 機(jī)發(fā)展得快 在國(guó)外已基本上取代了直流伺服電動(dòng)機(jī) 在我國(guó) 交流服電動(dòng)機(jī) 也已采用 直流伺服電動(dòng)機(jī)仍有應(yīng)用仍較多 伺服控制系統(tǒng)一般都是閉環(huán)或半閉環(huán)控制系統(tǒng) 鹽城工學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2004 13 圖中給出了典型的伺服控制系統(tǒng)的框圖 這是一個(gè)三環(huán)控制系統(tǒng) 外環(huán) 是位置控制環(huán) 是決定系統(tǒng)主要性質(zhì)的基本控制環(huán) 它決定著系統(tǒng)的位置控 制精度 速度控制環(huán)用于實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)和速度控制精度 電壓控制環(huán)可實(shí) 現(xiàn)對(duì)伺服放大器的電壓控制 半閉環(huán)控制 半閉環(huán)控制系統(tǒng)不但有前向的指令控制通道 而且有檢測(cè)元件輸出的反 饋控制通道 而檢測(cè)元件是安裝在絲杠軸或電機(jī)軸上的 檢測(cè)同角位移后 推算出工作臺(tái)的實(shí)際位移 以偏差值實(shí)現(xiàn)位置控制 此系統(tǒng)由于檢測(cè)元件檢 測(cè)的反饋信號(hào)不包含從旋轉(zhuǎn)軸到工作臺(tái)之間的傳動(dòng)鏈的誤差 這部分誤差將 不能被自動(dòng)補(bǔ)償 因此這種由等效反饋信號(hào)組成的控制系統(tǒng)為半閉環(huán)控制系 統(tǒng) 閉環(huán)控制 數(shù)控機(jī)床橫向進(jìn)給設(shè)計(jì) 14 閉環(huán)控制與半閉環(huán)控制其組成原理及控制方法基本相同 在閉環(huán)控制系統(tǒng) 中 要求以工作臺(tái) 或刀架 的最終控制輸出作為反饋信號(hào) 即要求測(cè)量元件 安裝在工作臺(tái)上 而不是安裝在絲杠或電機(jī)軸上 但因直接測(cè)量工作臺(tái)的實(shí)際 位移 需配備如光柵 磁柵或感應(yīng)同步器等安裝和維修要求都比較高的位置檢 測(cè)元件 這使整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格提高 由于閉環(huán)控制能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)誤差進(jìn)行自動(dòng) 補(bǔ)償 因此 其精度比半閉環(huán)控制要高 精度取決于位置檢測(cè)元件的測(cè)量精度 總之 這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是精度高 速度快 但調(diào)試和維修比較復(fù)雜 適宜 于大型和精密的數(shù)控機(jī)床 鹽城工學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2004 15 3 2 伺服電機(jī)型號(hào)選擇 3 2 1 進(jìn)給電機(jī)功率的確定 在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度較低的情況下 空載功率很小 計(jì)算時(shí)可以略去 進(jìn) 給電機(jī)的功率可根據(jù)進(jìn)給的有效功率和傳動(dòng)件的機(jī)械效率來(lái)計(jì)算 即 11 3 14 YsVQNs 6120 式中 Ns 進(jìn)給電動(dòng)機(jī)功率 KW Q 進(jìn)給抗力 公斤力 Vs 進(jìn)給速度 米 分 Ys 進(jìn)給傳動(dòng)的總機(jī)械效率 一般可取 0 15 0 20 根據(jù)資料顯示 CDJK6140 系列車(chē)床的最大切削主力 F 2750N 即 Pz 2750N 故進(jìn)給力 Px 0 5Pz 1375N Ys 取 0 2 Vs 0 4m min 代入 式 kwNs 4602 61375 3 1 2 伺服電機(jī)型號(hào) 考慮到進(jìn)給系統(tǒng)的過(guò)載現(xiàn)象 選擇的電機(jī)功率應(yīng)該大于選擇的電機(jī)功率 根據(jù)參照電機(jī)手冊(cè) 南京蘇強(qiáng)數(shù)控機(jī)電有限公司 所以 選擇型號(hào)為 110SNMA6 I 型 的永磁無(wú)刷伺服電機(jī) 數(shù)控機(jī)床橫向進(jìn)給設(shè)計(jì) 16 額定功率 額定轉(zhuǎn)矩 額定轉(zhuǎn)速 額定電流 轉(zhuǎn)子慣量 機(jī)械時(shí)間常數(shù) 電機(jī)時(shí)間常數(shù) 1 256kw 6N m 2000r Pm 5 0A 0 718 1 0 3 kg m 2 0 8ms 6 14ms 3 1 3 同步帶輪的選擇 為了保證傳動(dòng)精度 本設(shè)計(jì)采用同步帶輪來(lái)傳動(dòng) 同步帶輪傳動(dòng)不僅能夠 保證良好的傳動(dòng)精度 還能降低傳動(dòng)產(chǎn)生的噪音 對(duì)磨損的要求也同時(shí)符合要 求 一般同步帶輪有統(tǒng)一生產(chǎn) 本課題設(shè)計(jì)選用的是慈溪恒力同步帶輪有限公 司生產(chǎn) 規(guī)格如下 鹽城工學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2004 17 4 結(jié)論 至今為止 基本上完成了本課程的設(shè)計(jì)要求 課題的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括 絲杠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 伺服電機(jī)與絲杠的連接形式設(shè)計(jì) 絲杠與床鞍的連接設(shè)計(jì) 絲 杠的支承方式設(shè)計(jì) 伺服電機(jī)的選擇 進(jìn)給系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)精度 直接將導(dǎo)致整個(gè)機(jī)床的加工精度 因此 絲杠精度的 選擇 絲杠的支承如何保證軸向定位精度等關(guān)鍵性問(wèn)題是急需解決的 由于自 身的經(jīng)驗(yàn)有限 面對(duì)這些關(guān)鍵性問(wèn)題只能從理論上去尋求解決的方法 因此 自己所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)用到生產(chǎn)實(shí)踐中仍相距甚遠(yuǎn) 電機(jī)的選擇也相當(dāng)重要 對(duì)于整個(gè)進(jìn)給系統(tǒng)的來(lái)說(shuō) 要求嚴(yán)格 數(shù)控機(jī)床橫向進(jìn)給設(shè)計(jì) 18 5 參考文獻(xiàn) 1 張新義 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì) 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1994 7 2 李 洪 實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) 沈陽(yáng) 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社 1999 1 3 陳宏鈞 馬素敏 金屬速查速算手冊(cè) 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1994 7 4 范云漲 陳兆年 金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè) 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1994 7 5 王啟義 蔡群禮 胡寶珍 金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì) 東北工學(xué)院出版社 1989 10 6 黃祖德 機(jī)械設(shè)計(jì) 北京理工大學(xué)出版社 1992 6 7 吳宗澤 機(jī)械設(shè)計(jì)禁忌 500 例 北京機(jī)械出版社 1996 8 黃鶴訂 國(guó)家機(jī)械工業(yè)局 中國(guó)機(jī)電產(chǎn)品目錄第 10 冊(cè) 北京機(jī)械出版社 2000 7 9 滾珠絲杠 上海川浦機(jī)械實(shí)業(yè)公司樣本 10 同步帶輪 慈溪恒力同步帶輪有限公司 11 電機(jī)手冊(cè) 南京蘇強(qiáng)數(shù)控機(jī)電有限公司 鹽城工學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2004 19 6 設(shè)計(jì)工作小結(jié) 畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我四年來(lái)學(xué)習(xí)和實(shí)踐的一個(gè)綜合鍛煉和考核 是踏上社會(huì)前 在學(xué)校的一次磨練 要充分發(fā)揮自己的知識(shí) 在設(shè)計(jì)中 我基本將四年來(lái)所學(xué) 知識(shí)進(jìn)行了綜合運(yùn)用 并了解了本專(zhuān)業(yè)方面最新科技動(dòng)態(tài)和發(fā)展趨勢(shì) 經(jīng)過(guò)這 次畢業(yè)設(shè)計(jì) 進(jìn)一步加強(qiáng)了對(duì)以前學(xué)習(xí)的把握 增長(zhǎng)了見(jiàn)識(shí) 也充分展示了自 己的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)能力 在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中 經(jīng)歷了實(shí)際考察 資料收集 方案論證 工程圖的繪 制 說(shuō)明書(shū)的書(shū)寫(xiě)等設(shè)計(jì)過(guò)程 這使我掌握了設(shè)計(jì)的一般步驟 為以后走上工 作崗位進(jìn)行其它方面的工作奠定了結(jié)實(shí)的基礎(chǔ) 從這次設(shè)計(jì)中體會(huì)到 在平時(shí)要搞好 搞懂每個(gè)知識(shí)點(diǎn) 要虛心并誠(chéng)心地向老師 同學(xué)請(qǐng)教 做事需要講團(tuán)體協(xié)作 考慮問(wèn)題應(yīng)該多方面 多角度 力爭(zhēng)按最嚴(yán)格的工作要 求做事 培養(yǎng)設(shè)計(jì)能力與嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的工作作風(fēng) 體會(huì)到了工程技 術(shù)人員所應(yīng)該具備的基本素質(zhì) 由于本人理論及實(shí)踐水平有限 設(shè)計(jì)圖樣 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)定有許多錯(cuò)誤和 不妥之處 敬請(qǐng)各位老師和同學(xué)指出 提出批評(píng)和修改意見(jiàn) 最后 向在設(shè)計(jì)期間給予關(guān)心指導(dǎo)的沙愛(ài)民老師謹(jǐn)以最誠(chéng)摯的謝意 同時(shí) 也謝謝幫助我的同學(xué) 數(shù)控機(jī)床橫向進(jìn)給設(shè)計(jì) 20 7 附件清單 橫向進(jìn)給系統(tǒng)裝配圖 CJK40000 A0 1 張 刮削板 CJK40101 A4 1 張 把手 CJK40102 A3 1 張 套筒 CJK40103 A3 1 張 絲杠 CJK40104 A3 1 張 橫滑板 CJK30105 A1 1 張 螺母座 CJK30106 A3 1 張 壓板 CJK30107 A4 1 張 墊板 CJK30108 A4 1 張 外殼護(hù)罩 CJK30109 A3 1 張 同步帶輪 CJK30111 A4 1 張 軸套 CJK30114 A4 1 張 調(diào)整螺釘 CJK30117 A4 1 張 鋃條 CJK30118 A3 1 張 擋板 CJK30119 A4 1 張 法蘭座 CJK30122 A3 1 張 擋邊 CJK30123 A4 1 張 同步帶輪 CJK30111 A4 1 張 電纜罩 CJK30156 A3 1 張 壓板 CJK30162 A4 1 張 擋塊 CJK30169 A4 1 張 橫向電機(jī)支架 CJK30170 A1 1 張 床鞍 CJK50000 A0 1 張