畢業(yè)論文CNC數(shù)控車床縱向進給系統(tǒng)設計.doc

1前言我國數(shù)控車床從20世紀70年代初進入市場，至今通過各大機床廠家的不懈努力，通過采取與國外著名機床廠家的合作、合資、技術引進、樣機消化吸收等措施，使得我國的機床制造水平有了很大的提高，其產(chǎn)量在金屬切削機床中占有較大的比例.但我國在五軸加工技術、高速加工技術、精密加工技術等方面與國外方面還有很大的差距。主要問題有：1缺乏系統(tǒng)深入的科研工作, 難以對各種技術資料進行積累, 設計方法陳舊。2、缺乏實事求是的科學精神, 忽視了數(shù)控機床本身的技術特點、發(fā)展規(guī)律, 沒有實事求是地制定數(shù)控機床發(fā)展的規(guī)劃, 盲目性大。3、沒有合理地運用資源。各個研究所孤軍奮戰(zhàn),不通力合作,并且床行業(yè)人員素質低, 缺乏各方面人才。4、我國制造業(yè)大環(huán)境的制約。我國依靠引進和合作生產(chǎn)來發(fā)展各類主機, 至今我國許多高性能、新結構的數(shù)控機床大都為合作產(chǎn)品, 基本處于仿制階段。國產(chǎn)數(shù)控機床及其功能部件無論在技術參數(shù)上，還是在各種動態(tài)指標上，與工業(yè)發(fā)達國家的同類產(chǎn)品均存在一定差距。目前，國內沈陽機床集團在引進技術的基礎上成功開發(fā)出BW60HSI型系列高速臥式加工中心，并已批量進入市場。該機采用電主軸，主軸最高轉速16 000 rmin，由零至最高轉速的時間為l s，快速移動速度60 mmin。寧江集團開發(fā)的高速加工中心主軸轉速高達40 000 rmin。當前，在數(shù)控機床精密化方面，美國的水平最高，不僅生產(chǎn)中小型精密機床，而且由于國防和尖端技術的需要，研究開發(fā)了大型精密機床。其代表產(chǎn)品有LLL實驗室研制成功的DTM一3型精密車床和LODTM大型光學金剛石車床，它們是世界公認水平最高的、達到當前技術最前沿的大型精密機床。其它國家也相應研制成功各種類似的裝備，如英國的Cranfield、日本的東芝機械等。近年來我國對超精密機床的研制也一直在進行。北京機床研究所研制成功了JCS一027型超精密車床、JCS一03型超精密銑床、JCS一035型數(shù)控超精密車床等。1.1設計的目的機床課程設計目的在于通過機床進給運動系統(tǒng)的結構設計，使學生在結構方案過程中，得到結構構思、方案分析、結構工藝性、機械制圖、零件設計、編寫技術文件和查閱技術資料的等方面的綜合訓練，樹立正確的設計思想，掌握基本的設計方法，并培養(yǎng)學生具有初步的結構分析、結構設計與計算能力。1.2數(shù)控機床的基本概念科學技術的發(fā)展，對機械產(chǎn)品提出了高精度、高復雜性的要求，而且產(chǎn)品的更新?lián)Q代也在加快，這對機床設備不僅提出了精度和效率的要求，而且也對其提出了通用性和靈活性的要求。數(shù)控機床就是針對這種要求而產(chǎn)生的一種新型自動化機床。數(shù)控機床集微電子技術、計算機技術、自動控制技術及伺服驅動技術、精密機械技術于一體，是高度機電一體化的典型產(chǎn)品。它本身又是機電一體化的重要組成部分，是現(xiàn)代機床技術水平的重要標志。數(shù)控機床體現(xiàn)了當前世界機床技術進步的主流，是衡量機械制造工藝水平的重要指標，在柔性生產(chǎn)和計算機集成制造等先進制造技術中起著重要的基礎核心作用。數(shù)控機床（Numerical Control Machine Tools）是指采用數(shù)字形式信息控制的機床。詳言之，凡是用數(shù)字化的代碼將零件加工過程中所需的各種操作和步驟以及刀具與工件之間的相對位移量等記錄在程序介質上送入計算機或數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過譯碼、運算及處理，控制機床的刀具與工件的相對運動，加工出所需要的工件的一類機床即為數(shù)控機床1。數(shù)控機床的工作原理就是將加工過程所需的各種操作（如主軸變速、工件的松開與夾緊、進刀與退刀、開車與停車、自動關停冷卻液）和步驟以及工件的形狀尺寸用數(shù)字化的代碼表示，通過控制介質（如穿孔紙帶或磁盤等）將數(shù)字信息送入數(shù)控裝置，數(shù)控裝置對輸入的信息進行處理與運算，發(fā)出各種控制信號，控制機床的伺服系統(tǒng)或其他驅動元件，使機床自動加工出所需要的工件。所以，數(shù)控加工的關鍵是加工數(shù)據(jù)和工藝參數(shù)的獲取，即數(shù)控編程。數(shù)控加工一般包括以下幾個內容：（1）對圖紙進行分析，確定需要數(shù)控加工的部分；（2）利用圖形軟件（如CAXA制造工程師）對需要數(shù)控加工的部分造型；（3）根據(jù)加工條件，選擇合適的加工參數(shù)，生成加工軌跡（包括粗加工、半精加工、精加工軌跡）；（4）軌跡的仿真檢驗；（5）生成G代碼；（6）傳給機床加工。1.3數(shù)控機床的組成數(shù)控機床的種類繁多，但從一臺完整的數(shù)控機床上講，數(shù)控機床主要由控制介質、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、機床本體組成，如圖1.1所示為數(shù)控機床的組成的基本框圖。為了提高本機床的加工精度，達到高精度的設計要求，在上述系統(tǒng)中加入一個測量裝置，這樣構成了由閉環(huán)控制的數(shù)控機床的框圖。開環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程是：將控制機床工作臺運動的位移量、位移速度、位移方向、位移軌跡等參量通過控制介質輸入給機床數(shù)控裝置，數(shù)控裝置根據(jù)這些參量指令計算機得出進給脈沖序列（包含有上述四個參量），然后經(jīng)伺服系統(tǒng)轉換放大，最后控制工作臺按所要求的速度、軌跡、方向和距離移動。閉環(huán)控制：是在機床的最終的運動部件的相應位置直接直線或回轉式檢測裝置，將直接測量到的位移或角位移值反饋到數(shù)控裝置的比較器中與輸入指令移量進行比較，用差值控制運動部件，使運動部件嚴格按實際需要的位移量運動2。圖1.1 數(shù)控機床的組成1.3.1控制介質數(shù)控機床工作時，不需要工人去搖手柄操作機床，但又要自動的執(zhí)行人們的意圖，這就必須在人和數(shù)控機床之間建立某種聯(lián)系，這種聯(lián)系的媒介物稱為控制介質（或稱程序介質、輸入介質、信息載體）3。控制介質又稱信息載體，是人與數(shù)控機床之間的媒介物質，反映了數(shù)控加工中全部信息?？刂平橘|有多種形式，它隨著數(shù)控裝置的類型不同而不同，常用的有穿孔紙帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等。還有的采用數(shù)碼撥盤、數(shù)碼插銷或利用鍵盤直接將程序及數(shù)據(jù)輸入。另外，隨著CAD/CAM技術的發(fā)展，有些數(shù)控設備利用CAD/CAM軟件在其計算機上編程，然后通過計算機與數(shù)控系統(tǒng)通信，將程序和數(shù)據(jù)直接傳送給數(shù)控裝置。 1.3.2數(shù)控裝置數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心?，F(xiàn)代的數(shù)控裝置普遍采用通用計算機作為數(shù)控裝置主要硬件：包括微型機系統(tǒng)的基本組成部分，CPU、存儲器、局部總線以及輸入輸出接口等；軟件部分：就是我們所說的數(shù)控系統(tǒng)軟件基本功能：讀入零件加工程序，根據(jù)加工程序所指定零件形狀，計算出刀具中心的移動軌跡，并按照程序指定的進給速度，求出每個微小的時間段（插補周期）內刀具應該移動的距離，在每個時間段結束前，把下一個時間段內刀具應該移動的距離送給伺服單元。1.3.3伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的執(zhí)行結構，是數(shù)控系統(tǒng)和機床本體之間的電氣聯(lián)系環(huán)節(jié)。主要由伺服電動機、驅動控制系統(tǒng)和位置檢測與反饋裝置等組成。目前數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)中，常用的控制對象可以是步進電動機、直流伺服電動機或交流伺服電動機（后兩者等帶有光電編碼器等位置測量元件）4。1.3.4機床數(shù)控機床的本體是指機械結構實體。可以在普通機床的基礎上改裝，也可以單獨設計。與傳統(tǒng)通機床相比較，數(shù)控機床的機械部分有以下特點： （1）數(shù)控機床采用了高性能的主軸及伺服傳動系統(tǒng)，機械傳動結構簡化，傳動鏈較短，傳動精度高等特點。（2）數(shù)控機床機械結構具有較高的剛度，阻尼精度及耐磨性，熱變形小。 （3）更多地采用高效傳動部件，一般采用滾珠絲杠副、直線滾動導軌副或塑料涂層導軌等。具有完善的刀具自動交換及管理系統(tǒng)。 1.4數(shù)控機床的分類數(shù)控機床的品種規(guī)格很多，分類方法也各不相同。一般可根據(jù)功能和結構，按下面 4 種原則進行分類5。1.4.1按機床運動的控制軌跡分類（1） 點位控制的數(shù)控機床點位控制只要求控制機床的移動部件從一點移動到另一點的準確定位對于點與點之間的運動軌跡的要求并不嚴格，在移動過程中不進行加工，各坐標軸之間的運動是不相關的。為了實現(xiàn)既快又精確的定位，兩點間位移的移動一般先快速移動，然后慢速趨近定位點，以保證定位精度。具有點位控制功能的機床主要有數(shù)控鉆床、數(shù)控鑊床、數(shù)控沖床等。隨著數(shù)控技術的發(fā)展和數(shù)控系統(tǒng)價格的降低，單純用于點位控制的數(shù)控系統(tǒng)已不多見。 （2） 直線控制數(shù)控機床 直線控制數(shù)控機床也稱為平行控制數(shù)控機床，其特點是除了控制點與點之間的準確定位外，還要控制兩相關點之間的移動速度和路線（軌跡），但其運動路線只是與機床坐標軸平行移動，也就是說同時控制的坐標軸只有一個（即數(shù)控系統(tǒng)內不必有插補運算功能），在移位的過程中刀具能以指定的進給速度進行切削，一般只能加工矩形、臺階形零件。其有直線控制功能的機床主要有比較簡單的數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床等。這種機床的數(shù)控系統(tǒng)也稱為直線控制數(shù)控系統(tǒng)。同樣，單純用于直線控制的數(shù)控機床也不多見。（3） 輪廓控制數(shù)控機床輪廓控制數(shù)控機床也稱連續(xù)控制數(shù)控機床，其控制特點是能夠對兩個或兩個以 h 的運動坐標的位移和速度同時進行控制。為了滿足刀具沿工件輪廓的相對運動軌跡符合工件加工輪廓的要求，必須將各坐標運動的位移控制和速度控制按照規(guī)定的比例關系精確地協(xié)調起來。因此在這類控制方式中，就要求數(shù)控裝置具有插補運算功能所謂插補就是根據(jù)程序輸入的基本數(shù)據(jù)（如直線的終點坐標、圓弧的終點坐標和圓心坐標或半徑），通過數(shù)控系統(tǒng)內插補運算器的數(shù)學處理，把直線或圓弧的形狀描述出來，也就是一邊計算，一邊根據(jù)計算結果向各坐標軸控制器分配脈沖，從而控制各坐標軸的聯(lián)動位移量與要求的輪廓相符合在運動過程中刀具對工件表面進行連續(xù)切削，可以進行各種直線、圓弧、曲線的加工輪廓控制的加工。這類機床主要有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控線切割機冰、加工中心等，其相應的數(shù)控裝置稱為輪廓控制數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)它所控制的聯(lián)動坐標軸數(shù)不同，又可以分為下面幾種形式 二軸聯(lián)動：主要用于數(shù)控車床加工旋轉曲面或數(shù)控銑床加工曲線柱面。 二軸半聯(lián)動主要用于三軸以上機床的控制，其中兩根軸可以聯(lián)動，而另外一根軸可以作周期勝進給。 三軸聯(lián)動：一般分為兩類，一類就是 x 、 y 、 z 三個直線坐標軸聯(lián)動，比較多的用于數(shù)控銑床、加工中心等，用球頭銑刀銑切三維空間曲面另一類是除了同時控制 x 、 y 、 z 中兩個直線坐標外，還同時控制圍繞其中某一直線坐標軸旋轉的旋轉坐標軸。如車削加工中心，它除了縱向（z軸）、橫向（x軸）兩個直線坐標軸聯(lián)動外，還需同時控制圍繞 z 軸旋轉的主軸（c軸）聯(lián)動。 四軸聯(lián)動：同時控制 x 、 y 、 z 三個直線坐標軸與某一旋轉坐標軸聯(lián)動。 五軸聯(lián)動：除同時控制 x 、 y 、 z 三個育線坐標軸聯(lián)動外還同時控制圍繞這這些直線坐標軸旋轉的 a 、 b 、 c 坐標軸中的兩個坐標軸，形成同時控制五個軸聯(lián)動這時刀具可以被定在空間的任意方向比如控制刀具同時繞 x 軸和 y 軸兩個方向擺動，使得刀具在其切削點上始終保持與被加工的輪廓曲面成法線方向，以保證被加工曲面的光滑性，提高其加工精度和加工效率，減小被加工表面的粗糙度1.4.2按伺服控制的方式分類（1） 開環(huán)控制數(shù)控機床這類機床的進給伺服驅動是開環(huán)的，即沒有檢測反饋裝置，一般它的驅動電動機為步進電機，步進電機的主要特征是控制電路每變換一次指令脈沖信號，電動機就轉動一個步距角，并且電動機本身就有自鎖能力其控制系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)輸出的進給指令信號通過脈沖分配器來控制驅動電路，它以變換脈沖的個數(shù)來控制坐標位移量，以變換脈沖的頻率來控制位移速度，以變換脈沖的分配順序來控制位移的方向。因此這種控制方式的最大特點是控制方便、結構簡單、價格便宜數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令信號流是單向的，所以不存在控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，但由于機械傳動的誤差不經(jīng)過反饋校正，故位移精度不高。早期的數(shù)控機床均采用這種控制方式，只是故障率比較高，目前由于驅動電路的改進，使其仍得到了較多的應用。尤其是在我國，一般經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)和舊設備的數(shù)控改造多采用這種控制方式。另外，這種控制方式可以配置單片機或單板機作為數(shù)控裝置，使得整個系統(tǒng)的價格降低。（2）閉環(huán)控制機床 這類數(shù)控機床的進給伺服驅動是按閉環(huán)反饋控制方式工作的，其驅動電動機可采用直流或交流兩種伺服電機，并需要配置位置反饋和速度反饋，在加工中隨時檢測移動部件的實際位移量，并及時反饋給數(shù)控系統(tǒng)中的比較器，它與插補運算所得到的指令信號進行比較，其差值又作為伺服驅動的控制信號，進而帶動位移部件以消除位移誤差。 按位置反饋檢測元件的安裝部位和所使用的反饋裝置的不同，它又分為全閉環(huán)和半閉環(huán)兩種控制方式 全閉環(huán)控制 如圖1.2所示，其位置反饋裝置采用直線位移檢測元件（目前一般采用光柵尺），安裝在機床的床鞍部位，即直接檢測機床坐標的直線位移量，通過反饋可以消除從電動機到機床床鞍的整個機械傳動鏈中的傳動誤差，從而得到很高的機床靜態(tài)定位精度。但是，由于在整個控制環(huán)內，許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙均為非線性，并且整個機械傳動鏈的動態(tài)響應時間與電氣響應時間相比又非常大這為整個閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性校正帶來很大困難，系統(tǒng)的設計和調整也都相當復雜因此，這種全閉環(huán)控制方式主要用于精度要求很高的數(shù)控坐標幢床、數(shù)控精密磨床等6。 圖1.2 閉環(huán)系統(tǒng)控制框圖 半閉環(huán)控制 如圖1.3所示，其位置反饋采用轉角檢測元件（目前主要采用編碼器等），直接安裝在伺服電動機或絲杠端部。由于大部分機械傳動環(huán)節(jié)未包括在系統(tǒng)閉環(huán)環(huán)路內，因此叫獲得較穩(wěn)定的控制特性。絲杠等機械傳動誤差不能通過反饋來隨時校正，但是可采用軟件定值補償方法來適當提高其精度目前，大部分數(shù)控機床采用半閉環(huán)控制方式7。 圖1.3 半閉環(huán)系統(tǒng)控制框圖 混合控制數(shù)控機床 將上述控制方式的特點有選擇地集中，可以組成混合控制的方案。如前所述，由于開環(huán)控制方式穩(wěn)定性好、成本低、精度差，而全閉環(huán)穩(wěn)定性差，所以為了互為彌補，以滿足某些機床的控制要求，宜采用混合控制方式。采用較多的有開環(huán)補償型和半閉環(huán)補償型兩種方式1.4.3按數(shù)控系統(tǒng)的功能水平分類按數(shù)控系統(tǒng)的功能水平，通常把數(shù)控系統(tǒng)分為低、中、高三類。這種分類方式，在我國用的較多。低、中、高三檔的界限是相對的，不同時期，劃分標準也會不同。就目前的發(fā)展水平看，可以將各種類型的數(shù)控系統(tǒng)分為低、中、高檔三類。其中中、高檔一般稱為全功能數(shù)控或標準型數(shù)控在我國還有經(jīng)濟型數(shù)控的提法。經(jīng)濟型數(shù)控屬于低檔數(shù)控，是指由單片機和步進電動機組成的數(shù)控系統(tǒng)，或其他功能簡單、價格低的數(shù)控系統(tǒng)。經(jīng)濟型數(shù)控主要用于車床、線切割機床以及舊機床改造等1.4.4按加工工藝及機床用途的類型分類 金屬切削類 指采用車、銑、撞、鉸、鉆、磨、刨等各種切削工藝的數(shù)控機床。它又可被分為以下兩類。普通型數(shù)控機床 如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床等。 加工中心 其主要特點是具有自動換刀機構的刀具庫，工件經(jīng)一次。裝夾后，通過自動更換各種刀具，在同一臺機床上對工件各加工面連續(xù)進行銑（車）鍵、鉸、鉆、攻螺紋等多種工序的加工，如（幢銑類）加工中心、車削中心、鉆削中心等。 金屬成型類 指采用擠、沖、壓、拉等成型工藝的數(shù)控機床，常用的有數(shù)控壓力機、數(shù)控折彎機、數(shù)控彎管機、數(shù)控旋壓機等。 特種加工類 主要有數(shù)控電火花線切割機、數(shù)控電火花成型機、數(shù)控火焰切割機、數(shù)控激光加工機等。 測量、繪圖類主要有三坐標測量儀、數(shù)控對刀儀、數(shù)控繪圖儀等8。2設計任務書的分析1.1 畢業(yè)設計任務書該機床適合于復雜輪廓的高精度的回轉零件的加工，主軸采用伺服電機，進給系統(tǒng)采用滾珠絲扛設計。X/Z軸行程250/400,主軸轉速范圍100-4000rpm，床身上最大回轉直徑260，最大切削直徑200。1縱向進給裝配圖（Ao或加長或2張）2拆有關零件圖3設計說明書一份（要求不少于12000字，英文摘要不少于300單詞）4外文翻譯資料（要求不少于2000字符）5圖紙工作量：不少于3.5張零號圖的繪圖量1.2 總體方案的確定本系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，這樣就達到了精確進給的目的，該機床適合于復雜輪廓的高精度的回裝零件的加工，主軸采用伺服電機，進給系統(tǒng)采用滾珠絲杠設計。在縱向進給系統(tǒng)上采用閉環(huán)控制，適時的進行進給量的調整達到了較高的精度，傳動效率大到96%。數(shù)控系統(tǒng)：以單片機為核心進行系統(tǒng)的控制，配合編碼器進行精確進給。對于縱向進給系統(tǒng)采用步進電機控制絲杠的動作，步進電機通過一對齒輪鏈連接的齒輪來傳遞動力，并且有復雜的液壓和電子回路，該系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng)，是數(shù)控機床中精度更高的系統(tǒng)。對于滾珠絲杠選取FD-32062型，其優(yōu)點是:螺母的軸向尺寸小，而且已經(jīng)預加載荷消除了間隙。采用滾珠絲杠，絲杠兩端采用軸承支撐，共采用四個軸承進行軸向固定，在左端用鎖緊螺母和軸肩來防止軸向竄動，右端采用一對背靠背安裝的角接觸球軸承、螺母和軸肩來進行軸向固定。一級減速齒輪，采用帶連接傳動，采用張緊輪來定期的調整帶的張緊，定期人工調整齒輪的中心距。方案如下圖所示：3伺服電機的選取3.1伺服電機的工作原理3.1.1伺服的定義伺服：一詞源于希臘語“奴隸”的意思。人們想把“伺服機構”當個得心應手的馴服工具，服從控制信號的要求而動作。在訊號來到之前，轉子靜止不動；訊號來到之后，轉子立即轉動；當訊號消失，轉子能即時自行停轉。由于它的“伺服”性能，因此而得名。 伺服系統(tǒng)：是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。伺服的主要任務是按控制命令的要求、對功率進行放大、變換與調控等處理，使驅動裝置輸出的力矩、速度和位置控制的非常靈活方便。3.1.2伺服電機工作原理伺服電機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉現(xiàn)象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。伺服電機是一個典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，減速齒輪組由電機驅動，其終端（輸出端）帶動一個線性的比例電位器作位置檢測，該電位器把轉角坐標轉換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅動電機正向或反向地轉動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于為0，從而達到使伺服電機精確定位的目的。伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。 伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉1個脈沖對應的角度，從而實現(xiàn)位移，因為，伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉一個角度，都會發(fā)出對應數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉動，從而實現(xiàn)精確的定位，可以達到0.001mm。直流伺服電機分為有刷和無刷電機。有刷電機成本低，結構簡單，啟動轉矩大，調速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉動平滑，力矩穩(wěn)定。控制復雜，容易實現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。3.2伺服電機的選擇原則雖然選擇伺服電動機的主要參數(shù)是功率。但是大多時候，選擇伺服電機并不功率，而是根據(jù)電機的負載條件進行選擇的。加載電機軸上的負載共有兩種：負載轉矩和負載慣量9。3.2.1電機選擇伺服電動機的主要參數(shù)是功率。大多時候，選擇伺服電機不按功率，而是根據(jù)負載條件進行選擇的。加載電機軸上的負載有兩種：負載轉矩和負載慣量9。根據(jù)負載轉矩選擇電機電動機的最大切削負載轉矩不得超過電動機的額定轉矩，將其折算至電動機軸的最大切削負載轉矩為： 滾珠絲杠的機械效率 絲杠導程絲杠上的最大軸向載荷，等于最大軸向進給力加導軌的摩擦力 因滾珠絲杠螺母預加載荷引起的附加摩擦轉矩 滾珠絲杠軸承的摩擦轉矩I 傳動比（2）根據(jù)負載慣量選擇電機從牛頓第二定律我們可以看出，進給系統(tǒng)所需要的加速轉矩Ta等于系統(tǒng)轉動慣量乘電動機的角加速度a，即Ta=j*a。由此可以看出角加速度a影響系統(tǒng)的動態(tài)特性：當a越小的時候，計算機發(fā)出的指令到伺服電機執(zhí)行完畢之間的時間越長，也就是通常說的反應慢；當a變化時系統(tǒng)的反應忽快忽慢，影響機床的加工精度；在Ta基本保持不變的情況下，如果想要a變化盡量小，就應使慣量J變化也盡量小一些。3.2.2選擇容量的基本原則：（1）工作溫度 電機在運行的時侯，一定要保證電機的實際最高溫度Qmax等于或者略微小于電機絕緣的允許的最高工作溫度Qa；（2）過載能力 電機在運行的時侯，必須有要一定過載能力，尤其在短期工作的時侯，因為電機的慣性很大，所以當電機在短時間內承受了高于額定功率若干倍的負載功率時還可以保證QmaxQa ,因此這時決定電動機容量的主要的因素，不是電機的發(fā)熱能力而是電機的過載能力，也就是所需要的的電機的最大轉矩Tmax必須大于運行的過程中有可能出現(xiàn)的最大負載轉矩Tmax（3）啟動能力 除了上述原則選擇容量外，根據(jù)實際生產(chǎn)機械的要求，還應根據(jù)技術經(jīng)濟指標即工作環(huán)境等條件來選擇電動機種類、轉速、電壓、電動機的結構形式等。3.2.3伺服電機的選擇考慮以上的多方面因素，通過查詢查電機手冊我選取交流伺服電機Y112M-4-B5型，功率為4kw,轉速為1440 r/min。4滾珠螺旋傳動4.1滾珠螺旋傳動的原理和特點滾珠螺旋傳動就是在絲杠、螺母間放入適量的滾珠，使得絲杠同螺母之間的摩擦從普通螺旋滑動摩擦變?yōu)榱藵L動摩擦。它是由絲杠、螺母、滾珠和滾珠循環(huán)返回裝置四個部分組成的。絲杠轉動的時侯，將帶動滾珠沿著螺紋滾道滾動。為了達到防止?jié)L珠從滾道面掉出的目地，應在在螺母上裝上反向器，這樣就構成滾珠的循環(huán)通道。使?jié)L珠從通道的一端滾出后，沿著通道進入到另一端，然后又重新進入到滾道，從而形成了一閉合回路。滾珠螺旋傳動與滑動螺旋傳動相比具有下列特點：(1)滾動摩擦小，傳動效率高；(2)傳動精度高。經(jīng)調整預緊后，可消除軸向間隙，提高傳動精度；(3)啟動扭矩接近運轉扭矩，工作較平穩(wěn)；(4)磨損小且壽命長，可用調整裝置調整間隙，傳動精度與剛度均得到提高；(5)不具有自鎖性，可將直線運動變?yōu)榛剞D運動。4.2滾珠螺旋傳動的結構形式螺旋傳動的結構形式有很多種，主要的區(qū)別在滾珠的循環(huán)方式、螺紋滾道的截面形狀和消除軸向間隙的調整預緊方法這三方面。4.2.1滾珠循環(huán)方式按照滾珠在循環(huán)過程中和絲杠表面的接觸情況，可將其分為內循環(huán)和外循環(huán)這兩種。(1)內循環(huán)式 指的是滾珠在循環(huán)過程中始終與絲杠保持著接觸。內循環(huán)式均采用反向器來實現(xiàn)滾珠的循環(huán)。如圖4.1所示，反向器有這兩種型式，圖a是圓柱凸鍵反向器，圖b是扁圓鑲塊反向器。反向器的上面銑有S形的反向槽，將相鄰的兩螺紋滾道連接了起來，使?jié)L珠從螺紋滾道進人反向器，借助著反向器使?jié)L珠越過絲杠頂牙進入到相鄰滾道，從而實現(xiàn)循環(huán)。圖 4.1 內循環(huán)式原理圖(a) 圓柱凸鍵反相器 （b）扁圓鑲塊反相器1 凸鍵 2.3 反向槽(2)外循環(huán)式 指滾珠在循環(huán)過程中有時與絲杠脫離接觸。該方式按滾珠循環(huán)時的返回方式又分為插管式和螺旋槽式，如圖4.2所示。圖4.2a為常用的插管式，它用彎管作為返回通道；圖4.2b為螺旋槽式，它是在螺母外圓上銑出一條螺旋槽，槽的兩端各鉆一通孔與螺紋滾道相切，形成返回通道。外循環(huán)式使用較廣，缺點是滾道接縫處很難做得平滑，從而影響滾珠滾動的穩(wěn)定性。圖 4.2 外循環(huán)原理圖4.2.2螺紋滾道法向截面的形狀螺紋滾道法向截面的形狀，常見的單圓弧和雙圓弧這兩種。在螺紋滾道法向截面內，滾珠與滾道接觸點的公法線和絲杠軸線垂直線之間夾角a稱為接觸角，一般的取a=45。單圓弧滾道加工用砂輪成型簡單，容易得到較高加工精度。不過接觸角a隨間隙及軸向載荷而變化，所以傳動效率、承載能力和軸向剛度均不穩(wěn)定。雙圓弧滾道德接觸角a在工作過程中基本保持不變，所以其效率、承載能力和軸向剛度比較穩(wěn)定。滾道底部與滾珠不相接觸，它的間隙可存儲一定量的潤滑物和贓物，從而減小摩擦和磨損。不過磨削滾道砂輪修正、加工和檢驗都比較困難。 滾道的半徑滾珠直徑r0 R/ r0 =1.04和1.11兩種10。4.2.3消除軸向間隙的調整預緊方法 滾珠絲杠螺母副軸向間隙的調整和預緊，通常都是采用雙螺母預緊的方式，使兩個螺母之間產(chǎn)生軸向的位移，從而達到消除間隙和產(chǎn)生預緊力的目的4.3材料和熱處理滾珠螺旋傳動的螺桿和螺母通常都采用相同的材料制造。選擇材料與熱處理的時候，應考慮精度、長度及直徑和工藝性等因素。一般選用GCr15,9Mn2V和CrWMn,進行整體淬火后回火達到HRC5862，其中螺母應取其上限。精密螺桿的材料可選用20CrM0A材料,進行滲碳淬火；或選用4020CrM0A材料，進行高頻或中頻表面淬火，進行穩(wěn)定處理11。4.4滾珠絲杠螺母副的預緊和滾珠絲杠的預拉伸要提高傳動精度有兩個困難。一是光靠增大傳動零件幾何尺寸雖然能夠提高剛度，然而也加大了轉動慣量。二是一般傳動件的受力與變形并不是呈線形關系，因此負載不同的時后，系統(tǒng)諧振頻率不是常數(shù)，這給閉環(huán)系統(tǒng)的調試工作帶來了極其大困難。所以，現(xiàn)代數(shù)控機床要采用施加預緊力來消除間隙、提高傳動剛度。這樣無需增大尺寸，又能夠使剛度接近常數(shù)。這是伺服進給系統(tǒng)機械傳動機構設計的突出的特點。下面說明預緊力大小的確定12。4.4.1滾珠絲杠螺母副的預緊力滾珠絲杠螺母副的預緊通常采用雙螺母結構。為了使預緊后的雙螺母結構在正向傳動鏈受力運行的時侯其反向傳動鏈仍能保證無間隙出現(xiàn)，就要求預緊力的數(shù)值應大于最大軸向載荷的1/3倍12。雙螺母結構加了預載后會引起附加的摩擦力矩，這就要求考慮效率和壽命問題。則無預載時的驅動力矩M1、加預載后的附加摩擦力矩M0和加預載后的效率分別為： （4.1） （4.2） （4.3）式子中 P1最大軸向載荷（kg f） P0預緊力（kg f） S導程（cm） 未預緊時的效率預緊系數(shù)，按計算，當，；并且時，（即 P0P1/3），增長緩慢。所以一般取P0P1/3，此時滾珠絲杠與螺母的接觸變形量比無預緊力時減少一半。4.4.2滾珠絲杠的預拉伸與推力軸承的預緊力滾珠絲杠預拉伸作用：補償絲杠的熱變形、提高絲杠的拉壓剛度、提高推力軸承軸向剛度、提高軸承座軸向剛度13。決定絲杠預拉伸力時，要考慮下列因素：（1）使絲杠在最大軸向載荷的作用下，在受力方向上仍保持受拉狀態(tài)。此時，預拉伸力應為最大工作載荷的035倍，或近似為1/3倍。（2）絲杠要能補償其熱變形。絲杠熱變形為： （4.4）式子中 a絲杠熱膨脹系數(shù)。對于合金鋼，取1.110-51-1l絲杠長度絲杠與床身之間的溫差。恒溫車間則取23；對絲杠進行預拉伸可以補償熱伸長，絲杠兩端固定結構，其一端軸承座軸向的位置可調，拉伸量等于或大于熱伸長量。絲杠熱伸長后，就會使預拉伸力下降以至消失，但是卻不會產(chǎn)生行程誤差。為了補償絲杠熱膨脹，絲杠預拉伸量應該略大于熱膨脹量。發(fā)熱后，熱膨脹量抵消了部分得預拉伸量，使絲杠內拉應力下降，但是長度卻沒有什么變化。絲杠預拉伸時引起絲杠伸長為： (4.5)式子中 P0預拉伸力 l 絲杠長度 A絲杠橫截面積d1絲杠螺紋底徑E彈性模量。對于鋼材（3）考慮軸承允許的動載荷。在校核軸承的計算中，必須考慮預拉伸力。對預拉伸的滾珠絲杠，其螺距累積誤差應規(guī)定為負值。在預拉伸絲杠的設計中還應注意： 增強絲杠兩端的支承剛度。 注意提高絲杠本身剛度，應盡量的避免采用直徑大小相差懸殊的結構，盡量的減少空刀槽。 預拉伸力是通過絲杠兩端的螺紋和螺母施加，絲杠的兩端應造成方頭。通常采用測量絲杠仲長量方法控制預拉伸力。5縱向進給系統(tǒng)的設計5.1設計參數(shù)工作臺重量：W=100時間常數(shù)：T=25ms滾珠絲杠導程：S=6行程：400脈沖當量：步距角：5.2切削力計算該數(shù)控機床的伺服電機選用Y112M-4-B5，功率為4kw，轉速為1440r/min.。切削功率 (5.1)式中 P電機功率（kw）,4kw 主傳動系統(tǒng)總效率，取0.65 K進給系統(tǒng)功率系數(shù)，取0.96則： 又 則： (5.2)式中 主切削力，N 切削線速度，取代入上式得 通常，縱向切削分力為： 橫向切削分力為： 5.3滾珠絲杠設計機床絲杠的縱向軸向力為 （5.3） 式中 顛覆力矩影響的試驗系數(shù)，取1.15 導軌上的摩擦系數(shù)，=0.17 工作臺作用在導軌上的重力，N 工作臺的質量， 重力加速度將各個數(shù)值代入式中得F=1.15748.50.17(14971009.8)1282N強度計算滾珠絲杠的轉速為: （5.4）式子中切削線速度，=100m/min進給量，=0.3工件直徑，=80滾珠絲杠螺距，=6以上數(shù)值代入上式得取壽命時間,壽命值。取運轉系數(shù),硬度系數(shù)，則最大負載：選取滾珠絲杠的公稱直徑為32，型號為FD3206-2 左，滾珠直徑4，螺距為6，其額定動載荷是11995NQ=4088N,所以強度夠用。效率計算：滾珠絲杠的螺旋升角，摩擦角，滾珠絲杠傳動效率5.4步進電機及齒輪的選用5.4.1縱向步進電機的選?。?）確定步距角取系統(tǒng)的脈沖當量，選用步距角。（2）啟動力矩的計算，設步進電機等效負載力矩M，負載力，則根據(jù)能量守恒原理，電機所做的功與負載所作的功關系為14 15 （5.5）式子中 電機轉角，則 移動部件的現(xiàn)對位移，則 滾珠絲杠的傳動效率，則 負載力 （5.6）式子中 工作臺作用在導軌上的重力機床導軌摩擦系數(shù)，作用在工作臺上的切削力，縱向絲杠牽引力，W 14 （5.7）式子中 縱向切削分力，則當量摩擦系數(shù)， 代入式（5.7）中得將，,代入式（5-5）中得 如果不考慮起動時運動部件慣性的影響，啟動力矩,取安全系數(shù)為0.3，則，工作方式為四相八拍的步進電機，其步進電機的最高頻率取Vmax=1/s則： 根據(jù)以上，選用110BFG型步進電機比較合適。該電機步距角為0.75/1.5，最大轉矩800Ncm,最高空載啟動頻率為1800HZ。5.4.2縱向齒輪設計步距角為0.75/1.5，滾珠絲杠的螺距P=6mm，脈沖當量=0.01mm/脈沖。在步進電機與滾珠絲杠之間所加的一對縱向齒輪的傳動比I=Z1/Z2=0.8考慮到機床的結構尺寸的直徑，選取主動輪Z1=48,從動輪Z2=60，由指導經(jīng)驗參考取模數(shù)為1.5mm6結論從三月底到答辯，整個設計進行了將近三個月的時間?；叵肫疬@三個月的時光，有苦澀，也有甜蜜，有汗水，也有收獲，記得剛開始搞這個課題的時候，可以說，從理論到實際都是一片空白，是老師不厭其煩的給我們講解，不辭辛勞的帶我們到處參觀，讓我們從理性到感性有了一個充分的認識，隨著畢業(yè)設計的深入，我們一點點的理解課題。在這次設計中，我學到很多的東西，比如，從老師那學會分析思路和方案的解決，以及制定大致的設計框架，學會樂邊入手邊設計，并且知道了許多課本上沒有的實際經(jīng)驗。更值得一提的是，我從我的同學身上也學到許多的東西，他們的或細致，或嚴謹?shù)淖黠L。特別是一些細節(jié)的東西，他們都掌握得很清楚，從他們身上，我看到了未來工程師的影子。畢業(yè)設計師對每個同學大學四年知識的總結，它覆蓋了近四年的知識，其中，既包括了專業(yè)理論知識，也包括了這些知識的實際應用。他是對我們綜合素質的一次真正的檢閱。同時他還培養(yǎng)了我們分析問題，解決問題的能力。正因為如此，通過這次的畢業(yè)設計，我對大學四年的課程內容有了更深的認識和理解。在我們離校的時候，跟近一步的鞏固了我們的專業(yè)基礎理論知識。通過這次畢業(yè)設計，我們能夠掌握一般設計的基本程序，為我們以后在自己的工作崗位上獨立搞設計打下了很好的基礎，從最