數(shù)控機床傳動與進給機構(gòu)設計概述.doc

本科畢業(yè)論文題目：數(shù)控機床傳動與進給機構(gòu)設計學 院:機械自動化學院專 業(yè):機械電子工程學 號:學生姓名:指導教師:日 期:摘 要本次設計主要包括兩部分內(nèi)容，第一部分是主傳動系統(tǒng)的設計，第二部分是進給傳動系統(tǒng)的設計，主傳動系統(tǒng)的設計目標是使機床主軸能在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速，在設計這一部分時，主要進行了一下幾項工作：分級變速箱的設計，主軸尺寸設計，支承方式的選擇，為了滿足主軸的剛度要求，還要對主軸進行校核計算。進給傳動系統(tǒng)設計的主要目標是使機床工作臺能在xy方向上自由移動，機床xyz三方向上的傳動構(gòu)件相同，故只需設計x方向傳動系統(tǒng)，主要涉及到：導軌的選型，滾珠絲杠與支承軸承，驅(qū)動電機的選型與計算，主要零部件的精度驗算，裝配圖設計，確定各部分零件的主要尺寸后，零件的細節(jié)尺寸設計在裝配圖中完成。在對零件進行校核時，主要根據(jù)零件的剛度和壽命進行校核，本次設計主要的設計方法是理論設計和經(jīng)驗設計。關(guān)鍵詞： 數(shù)控銑床； 主傳動； 進給傳動； 伺服電機Abstract This design mainly includes two parts, the first part is the design of the main drive system, the second part is the design of the feed drive system, the main drive system design goal is to make the machine spindle in a certain speed range to achieve stepless speed , In the design of this part, the main work carried out a few: classification gearbox design, spindle size design, support the choice of way, in order to meet the stiffness requirements of the spindle, but also the spindle to check the calculation. Feeding drive system design of the main goal is to make the machine table in the xy direction of free movement, the machine xyz three directions of the same transmission components, so only the design of x-direction drive system, mainly related to: guide selection, Ball screw and bearing bearing, drive motor selection and calculation, the accuracy of the main parts of the calculation, assembly diagram design to determine the main parts of the various parts of the size of the details of the design of parts in the assembly diagram to complete. In the parts to check, mainly based on the stiffness and life of parts to check, the design of the main design method is the theoretical design and experience design.Key words: CNC milling machine; Main drive； Feed drive； Servo motor 目 錄1 緒論51.1 選題的背景及意義51.2 數(shù)控機床的發(fā)展情況51.3 設計任務62 主傳動系統(tǒng)設計72.1 概述72.2 分級變速箱的設計72.2.1 分級變速箱的變速級數(shù)72.2.2 傳動公比的確定72.2.3 傳動齒輪齒數(shù)的確定72.3 主軸組件的基本要求82.4 采用滾動軸承的主軸組件92.4.1 支承方式的選擇92.4.2 軸承間隙的調(diào)整與預緊92.5 主軸尺寸設計92.6 主軸組件的剛度計算102.7 軸承潤滑和主軸密封112.8 本章小結(jié)113 進給傳動系統(tǒng)設計133.1 導軌軸向負載力計算133.2 導軌的選型133.3 滾珠絲杠與支承軸承143.3.1 滾珠絲杠的計算143.3.2 支承用軸承的選用163.3.3 承載能力校驗163.4 驅(qū)動電機的選型與計算173.5 主要零部件的精度驗算183.5.1 伺服剛度KR183.5.2 絲杠的軸向拉壓剛度183.5.3 軸承的軸向剛度183.5.4 滾珠與滾道的接觸剛度Kc193.5.5 進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度K193.6 進給傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性分析193.7 驅(qū)動電動機與滾珠絲杠的連接193.8 本章小結(jié)204 數(shù)控機床控制系統(tǒng)設計214.1 控制系統(tǒng)硬件的基本組成214.1.1 概述214.1.2 數(shù)控系統(tǒng)的主要性能與規(guī)格214.1.3 主軸和進給軸控制的硬件系統(tǒng)22 4.2 數(shù)控機床主要的電氣控制回路235 總結(jié)24參考文獻24致謝251 緒論1.1 選題的背景及意義以數(shù)控機床作為本次設計的主要內(nèi)容，非常貼近于國家目前的經(jīng)濟發(fā)展大勢。前不久國家提出了中國工業(yè)4.0，中國制造2025等發(fā)展目標，這不僅僅是一句口號，還會轉(zhuǎn)化為切切實實的行動，如何實現(xiàn)工業(yè)4.0？參照德國的標準，實現(xiàn)工業(yè)4.0必須要實現(xiàn)生產(chǎn)的智能化和數(shù)據(jù)化，依靠傳統(tǒng)的機床根本無法實現(xiàn)這一點，必須借助于新一代的數(shù)控機床才有可能實現(xiàn)這一目標，數(shù)控機床能實現(xiàn)自動化的加工，加工精度和經(jīng)濟效益遠高于工人手工操作，人們只需將預先寫好的程序傳入數(shù)控機床，機床便能讀取這些命令并加工出滿足工藝要求的各種零件，大大提高了生產(chǎn)效率，降低了工人的工作負擔。數(shù)控機床的加工能力遠大于普通機床，這是因為與普通機床相比，它多了一個重要的組成部分，即數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)過多年的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)成為一個比較成熟的分支，它主要包括輸入輸出，數(shù)控裝置，伺服裝置和相關(guān)的輔助裝置。加工零件時，工人必須先根據(jù)零件的加工工藝編寫程序，然后將程序輸入數(shù)控系統(tǒng)中去，完成這一過程的就是數(shù)控系統(tǒng)的輸入輸出設備，主要有手動輸入和通信接口兩種輸入方式。數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心，相當于機床的cpu，它能識別輸入的程序，并將這些程序轉(zhuǎn)化為機床的控制命令，通常使用微型計算機完成這一功能。數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)包括主要的傳動結(jié)構(gòu)和動力部分，是完成機床機械運動的主要裝置，本篇論文也主要圍繞這一部分展開，包括主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)，主傳動系統(tǒng)控制刀具的運動，刀具軌跡的具體實現(xiàn)方法則是在微型計算機中通過插補運算得到，進給傳動系統(tǒng)則實現(xiàn)工件的各種運動，主要通過三軸的絲杠來實現(xiàn)。機床是一個復雜的系統(tǒng)，它由許多小裝置組合到一起，在數(shù)控裝置的控制下，完成各種復雜的運動。本次主要設計伺服系統(tǒng)，設計時也不能脫離這個系統(tǒng)，要考慮到與其他裝置的相互配合，例如，數(shù)控機床一般都能實現(xiàn)自動換刀的功能，刀具又與主軸配合到一起，因此在設計主傳動系統(tǒng)主軸時，要考慮到自動換刀裝置，在比如機床的溫度控制系統(tǒng)，在設計機床的各個運動部件時，都應該考慮到這一系統(tǒng)。1.2 數(shù)控機床的發(fā)展情況經(jīng)過從最初的購買引進，到現(xiàn)在的自主創(chuàng)新，中國的機床行業(yè)從無到有，有了巨大的發(fā)展，現(xiàn)在，在國家的大力扶持下，我國的機床行業(yè)迎來了又一個發(fā)展機遇期，在相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域不斷取得突破，大連機床廠是一家運營比較成功的機床企業(yè)，該廠的許多機床代表著中國機床市場上最高端的一批產(chǎn)品，例如VDWA50、B50五軸立式加工中心，這一型號機床能實現(xiàn)刀具的三軸運動，工作臺采用兩軸聯(lián)動加工技術(shù)，實現(xiàn)了機床的五軸聯(lián)動加工，該機床利用重心驅(qū)動，復合設計等相關(guān)原理，使得機床具有良好的工作性能，結(jié)構(gòu)緊湊，性價比高。在第十五屆中國國際機床展覽會上，中國的機床企業(yè)展示了大量的先進機床，例如沈陽機床展示的i5智能機床，寶雞西力精密機械展示的FTN50自動化加工單元，數(shù)控系統(tǒng)方面則有華中數(shù)控展示的華中8型數(shù)控系統(tǒng)。本次機床展覽會顯示了中國機床行業(yè)令人驚訝的創(chuàng)新能力與產(chǎn)品設計能力，在多年的發(fā)展過程中，中國的機床行業(yè)并沒有在外國的技術(shù)封鎖與殘酷的市場競爭中消亡，反而依靠自身能力，一步一個腳印，走出了自己的康莊大道，出現(xiàn)了一批具有極強研發(fā)能力的企業(yè)，例如沈陽機床，大連機床，華中數(shù)控，廣州數(shù)控等等?，F(xiàn)如今，中國的機床行業(yè)仍有大量的問題沒有解決，經(jīng)過2008年經(jīng)融危機后，西方的許多工業(yè)強國都意識到了制造業(yè)在國民經(jīng)濟中的重要地位，紛紛加大了對制造業(yè)的研發(fā)投入，中國面臨的競爭也越來越激烈，與國際上的機床制造強國相比，中國的機床制造業(yè)主要存在以下幾項缺點：（1）在技術(shù)水平上，經(jīng)過多年的發(fā)展，外國企業(yè)積累了雄厚的研發(fā)能力，目前，他們已將目光投向與新一代數(shù)控機床設計，技術(shù)方面呈現(xiàn)“高，精，尖”的特點，在這些高水平數(shù)控機床設計上，中國仍有一定的差距。（2）從機床市場上的產(chǎn)品組成上看，機床市場上產(chǎn)品的整體水平還處于中下游，技術(shù)水平與西方發(fā)達國家相比有一定的差距，一些高水平的數(shù)控機床還處于試驗階段，并沒有投放市場。（3）從數(shù)控機床的研發(fā)設計能力上看，中國的機床行業(yè)研發(fā)能力還有不足，機床是一個系統(tǒng)，且比一般產(chǎn)品更加復雜，它有許多零件組成，每一個都對整個系統(tǒng)的性能產(chǎn)生一定的影響，沒有雄厚的科研能力與相關(guān)的技術(shù)積累，很難設計出性能優(yōu)異的機床，而中國的機床行業(yè)就是缺少相關(guān)的技術(shù)積累，一直處于摸索過程中。（4）從市場化程度上看，中國機床行業(yè)在國際市場上并沒有占據(jù)很大的市場份額，甚至在國內(nèi)市場上所占份額都不算太大，主要因為中國機床水平落后于西方的工業(yè)強國，雖然中國一直在奮起直追，但中國面臨的競爭壓力只會越來越大。目前，這些問題已經(jīng)引起了相關(guān)部門的重視，產(chǎn)業(yè)扶持力度也在不斷加大，相信將來，中國的機床行業(yè)也能趕上世界先進水平。1.3 設計任務 本次設計主要包括兩大部分內(nèi)容，第一部分是主傳動系統(tǒng)的設計，已知參數(shù)有主電機功率5.5kw，最高轉(zhuǎn)速為6000r/min，額定功率為1500r/min，主軸轉(zhuǎn)速范圍為306000r/min，具體設計內(nèi)容有：分級變速箱的設計，主軸的設計，主軸支承軸承的設計。第二部分是進給傳動系統(tǒng)的設計，已知參數(shù)有工作臺重量210kg，最大承重300kg，面積1000320mm，切削速度104000mm/min，最大速度5000mm/min，工作臺x向行程600mm，定位精度0.05mm，具體設計零件有滾珠絲杠的設計，支承軸承的設計，導軌的選型，伺服電機的設計，伺服電機與滾珠絲杠的連接，滾珠絲杠的剛度校核與壽命校核。2 主傳動系統(tǒng)設計2.1 概述主軸電機啟動后，經(jīng)過主軸箱的變速機構(gòu)，來調(diào)節(jié)刀具的切削速度，進而加工加工各種不同的零件。主軸電機的轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)，屬于無級調(diào)速，但是調(diào)速范圍不大，在本次設計中，主電動機參數(shù)已知，其額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，經(jīng)過變頻器變速后最大轉(zhuǎn)速可以達到6000r/min，為了使數(shù)控銑床的主軸能夠無級調(diào)速，并且扭矩能夠?qū)崿F(xiàn)加工要求，可以在調(diào)速電機后串聯(lián)有級調(diào)速機構(gòu)，即齒輪調(diào)速，進過無極變速和有級變速的共同調(diào)節(jié)，可以使主軸轉(zhuǎn)速范圍滿足設計要求，在加工零件時，主軸轉(zhuǎn)速應在其計算轉(zhuǎn)速以上，此時可以充分發(fā)揮主電動機的功率。2.2分級變速箱的設計2.2.1分級變速箱的變速級數(shù) 在設計機床的主傳動系統(tǒng)時，已知的設計參數(shù)有：主軸的調(diào)速范圍為306000r/min，計算轉(zhuǎn)速為500r/min，采用5.5kw的主軸專用變頻電機作為主電動機使用，電動機的基本轉(zhuǎn)速為1500r/min，最高轉(zhuǎn)速可達6000r/min。主軸要求的恒功率調(diào)速范圍： Rnp=6000/500=12電動機的恒功率調(diào)速范圍為： Rp=6000/1500=4機床在加工零件時，電動機會工作在恒功率范圍，這是電動機的主要工作狀態(tài)，但由計算可以，在恒功率范圍內(nèi)，電動機的調(diào)速范圍達不到主軸的要求，因此要設計分級變速箱，以滿足主軸的調(diào)速范圍。故可以使用兩對齒輪變速。2.2.2傳動公比的確定 分級變速箱各級轉(zhuǎn)速之比，即為傳動公比，前面已經(jīng)求得，變速箱為兩級變速機構(gòu)，一般情況下，可以使各級轉(zhuǎn)速之間滿足等比數(shù)列關(guān)系，這樣可以使轉(zhuǎn)速損失均勻分布到各級，也能使設計過程變得更加簡單，傳動公比的大小是有規(guī)定的，其取值大小只能為一下幾種：1.06、1.12、1.26、1.41、1.58、1.78、2.因為電動機電額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，主軸的額定轉(zhuǎn)速為500r/min，Z=2,故可求得傳動公比為：，=1.73，取=1.78.2.2.3傳動齒輪齒數(shù)的確定 在確定齒輪齒數(shù)時，應該使齒輪齒輪的結(jié)構(gòu)更加緊湊，使機床主傳動系統(tǒng)的誤差更小，具體要求如下：1) 齒輪的齒數(shù)和Sz不應過大兩個齒輪相互嚙合時，齒數(shù)越多，兩齒輪的中心矩也就會更大，這會加大主傳動系統(tǒng)的質(zhì)量，也會使其尺寸加大，一般推薦齒輪的齒數(shù)和小于100.2） 小齒輪的齒數(shù)盡量取較小值，但也不能過小，過小會產(chǎn)生根切，也可能使兩軸靠地過近，使其他結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，一般情況下，小齒輪的齒數(shù)應該不小于18個。3） 齒輪齒數(shù)應該滿足傳動公比在設計只初，就確定了傳動公比為1.78，故在選擇齒輪齒數(shù)時，也要滿足該要求，兩者之間允許存在誤差，但誤差應在合理范圍之內(nèi)。 使用查表法可求得齒輪齒數(shù)查閱機械制造技術(shù)裝備及設計表4.2-3，當=1.78時取Z1=27,則Z2=75-27=48,取Z2=45,Z3=30時，Z4=84-30=54,Z5=32時，Z6=52,r/min由上述可得，主傳動系統(tǒng)圖和轉(zhuǎn)速圖如下：600027：4552：3230：542000150050090306000 1500Z5 Z4 Z690Z3Z2 Z11 圖2.1 主傳動系統(tǒng)圖 圖2.2 轉(zhuǎn)速圖 2.3 主軸組件的基本要求 （1） 回轉(zhuǎn)精度 在機床運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，測量主軸前軸頸的徑向圓跳動，軸向竄動，即可得到主軸的回轉(zhuǎn)精度，主軸加工零件時，主要就是做旋轉(zhuǎn)運動，因此，如果主軸存在回轉(zhuǎn)精度誤差，這種誤差將會傳遞到零件的各個尺寸中去，對機床的整個精度造成極大影響。 （2） 剛度 主軸抵抗變形的能力稱為主軸的剛度，主軸剛度與其結(jié)構(gòu)和材料有關(guān)，作為機床主傳動系統(tǒng)的一部分，當其變形量過大時，會直接影響到與其裝配的軸承、齒輪等等其他零件，會使這些零件的工作性能發(fā)生變化，進而使整個系統(tǒng)的性能降低。（3） 抗震性主軸在運轉(zhuǎn)的過程中，存在震動現(xiàn)象，主軸抵抗這種震動的能力被稱為抗震性，當主軸的抗震性過低時，不僅不能加工出滿意的零件，還會大幅縮短刀具的使用壽命，也會使主軸與軸承，齒輪之間發(fā)生碰撞，磨損，加大配合間隙，一般采取的措施是安裝阻尼器，來增加主軸的抗震性。（4）溫升 主軸旋轉(zhuǎn)速度最高可達6000r/min，高速運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生劇烈摩擦，使溫度升高，機床性能受到很大影響，常見的有，主軸溫度升高產(chǎn)生熱變形，進而使回轉(zhuǎn)精度降低，也會使主軸零件之間產(chǎn)生相對位移，使它們之間的配合準確性下降，軸承溫度過高時會發(fā)生膨脹，使內(nèi)徑減小，極端情況下會發(fā)生抱軸現(xiàn)象。為了解決這一問題，一般機床都會增加冷卻系統(tǒng)。使機床溫度保持在20以內(nèi)。（5）耐磨性 主軸上安裝刀具的地方，是最容易發(fā)生磨損的地方，磨損量過大時，會影響到刀具的安裝精度，進而使加工零件的精度達不到要求，主軸的耐磨性主要與主軸的材料和熱處理有關(guān) ，對于一般的精密機床，常用的主軸材料為40Cr或者20Cr,16MnCr5,12CrNi2A,并將主軸滲碳淬硬處理，使其HRC硬度不低于60.（6） 主軸主要的精度指標根據(jù)一般的設計經(jīng)驗，主軸前支承軸承的同軸度約為5微米，軸承與軸組成過盈配合，過盈量在5微米以內(nèi)，主軸前端為7：24的錐孔，該孔與前支承軸承的同軸度為3至5微米，采用7：24錐孔的原因是在安裝刀具是易定位且不自鎖。2.4 采用滾動軸承的主軸組件2.4.1 支承方式的選擇在設計主軸支承方式時，主要根據(jù)經(jīng)驗設計，如今大部分數(shù)控銑床主軸支承均采用角接觸球軸承，具有很好的固定作用，但滾子與滾道的接觸方式為點接觸式，其剛度較低，承載能力太小，為了克服這些缺點，可以使用雙列背對背安裝并預緊，本次設計中，機床主軸軸承選用7212AC/P4,其尺寸大小為：60mm110mm22mm，本次設計時，角接觸球軸承采用4級精度，能夠滿足要求的工作精和運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，查閱參考文獻1表4-1-16得,軸承與軸的配合采用h4（預緊），查表4-1-17得：軸承與外殼孔的配合公差帶型號為H5.2.4.2 軸承間隙的調(diào)整與預緊 軸承預緊能有效地提升軸承的工作性能，在軸承上添加一個適當?shù)念A緊力，可以使?jié)L子與滾道之間的接觸面積增加，增加了結(jié)構(gòu)的剛度，預緊力也不能過大，過大時使兩者之間的接觸壓力過大，運動過程中發(fā)熱量增大，使壽命降低，采用下圖所示方法預緊時，適當大小的預緊力應為軸向負荷的四分之一。 圖2.3 軸承的預緊2.5 主軸尺寸設計主軸的主要參數(shù)包括以下幾個部分：（1） 主軸直徑主軸直徑會對主軸剛度和主傳動系統(tǒng)的整體大小產(chǎn)生一定影響，加大主軸直徑會使公差值增大，主軸的精度就會降低，故在設計主軸的尺寸大小時，只能根據(jù)經(jīng)驗和相關(guān)資料來確定主軸直徑，一般而言，前軸頸直徑大于后軸頸直徑，且為其（0.70.8）倍。查閱參考文獻2表4.3-8，選取前軸頸直徑D1=65mm，后軸頸直徑D2=50mm。（2） 主軸內(nèi)孔直徑的確定在保證主軸剛度的前提下，應使主軸內(nèi)孔直徑盡量取大，根據(jù)經(jīng)驗設計，孔徑應為直徑的二分之一，故孔徑大小為25mm。（3） 主軸懸伸量a的確定主軸的前懸伸量不能過大，也不能過小，過大時，會使主軸剛度和穩(wěn)定性降低，容易發(fā)生撓動，而為了保證主軸前端到工作臺的距離，前懸伸量也不能太小，主軸懸伸量可按下表選取。 表2.1 主軸懸伸量與前端軸頸之比 機床和主軸的類型 a/ D1 通用機床和精密機床 0.51.5中等長度銑床 1.252.5加工孔等結(jié)構(gòu)的機床，需要較長的加工刀桿 2.5 取取懸伸量與主軸前軸頸直徑之比為1.25，則主軸懸伸量為a=1.2560=70mm.（4） 主軸支承跨距L的確定主軸支承跨距可按如下經(jīng)驗公式計算： 式中 D主軸外徑（mm） d主軸內(nèi)徑（mm） K500N/m。通常而言，L=（23）a，故L可取210mm。2.6主軸組件的剛度計算 主軸前軸頸直徑為65mm，后軸頸直徑為50mm，在計算主軸的剛度時，可將其近似認為為一個等直徑長軸，軸徑為前后軸頸直徑的平均值。 d=（65+50）/2=57.5mm切削工件時，主軸前端會受到工件的反作用力，如圖，則撓度為： 式中 F外載荷（N）； a前懸伸（mm）； L跨距（mm）； E彈性模量，鋼的E=2（MPa)； I截面慣性矩，I=0.05()()； d主軸外徑（mm）； di主軸孔徑（mm）。將E、I代入式中可得： 孔的直徑相對與軸的直徑而言較小，在計算時為了簡化計算過程，孔的影響可以忽略： 彎曲剛度 ： 同理可簡化為 ： 2.7 軸承潤滑和主軸密封對軸承進行潤滑可有效地提升軸承的工作性能，減小發(fā)熱量，使磨損量降低，延長軸承的使用壽命，在現(xiàn)代的數(shù)控機床系統(tǒng)中，常用的潤滑方式有油潤滑和脂潤滑，這兩種潤滑方式各有優(yōu)缺點，油潤滑通常應用于告訴旋轉(zhuǎn)主軸中，使用方便，更換簡單，與其相比，采用脂潤滑時，潤滑脂更換更加困難，但更換一次后即可以使用很長時間，維護費用低，溫度上升也較慢，因此在本次設計中，采用脂潤滑方式。在機床工作時，會產(chǎn)生很多的切削和粉塵，這些雜質(zhì)很容易進入到潤滑脂中，使?jié)櫥Ч档停瑫r也會對零件表面造成磨損，故必須對主軸進行密封，脂潤滑的主軸組件多用不接觸的曲路密封，如圖： 圖2.4 主軸的密封2.8本章小結(jié)設計主傳動系統(tǒng)的整體思路就是設計無級變速機構(gòu)和有級變速機構(gòu)，無級變速機構(gòu)主要是主軸電機自帶的調(diào)速性能，有級變速機構(gòu)主要是變速齒輪箱，交流主軸變頻電機主電機的參數(shù)已知，故本章更加側(cè)重于主傳動系統(tǒng)的有級調(diào)速設計，在此過程中，先確定了調(diào)速級數(shù)，然后根據(jù)等比原則確定了傳動公比，根據(jù)設計經(jīng)驗，確定了傳動齒輪齒數(shù)。機床主傳動系統(tǒng)的主要零件是機床主軸和支承軸承，主軸對機床的工作性能有極大的影響，機床主軸前軸頸直徑只能根據(jù)經(jīng)驗查閱相關(guān)資料確定，確定原則就是機床主軸要求的回轉(zhuǎn)精度，剛度，穩(wěn)定性等要求，確定前軸頸直徑后，便根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，使主軸尺寸遞減，得到其他各部分主軸直徑，主軸剛度驗算則采用了簡化方法，將主軸視為一根等直徑長軸，采用理論計算方法驗算其剛度滿足要求。背對背安裝的角接觸球軸承大量用于現(xiàn)代數(shù)控機床主軸支承，是比較成功的設計先列，本次設計中，借鑒該種方法，同樣采用角接觸球軸承支承主軸，求得主軸直徑后，可以確定軸承的具體型號。3 進給傳動系統(tǒng)設計3.1導軌軸向負載力計算（1） 主軸的計算轉(zhuǎn)速屬于已知參數(shù)，其大小為500r/min，采用125mm銑刀強力銑削可得主切削力Fz，銑刀的切削速度為： 機床的機械效率為0.8時，F(xiàn)z計算如下：（2） 切削分力的計算查閱參考文獻3表2-1可得： 式中：F1縱向切削分力； Fv垂向切削分力； Fc橫向切削分力。切削時，工件固定在工作臺上，工作臺會受到一定的作用力，工作臺尤在導軌上移動，此時導軌摩擦力大小為：式中：摩擦系數(shù)，=0.06； W工作臺自重和負載，W=（210+300）9.8=4998N; fg鑲條緊固力（N）,查3表2-3得：fg=1500N.不切削時，摩擦力F0計算如下：（3）查閱參考文獻3式（2-10a）得，進給牽引力為：3.2導軌的選型 矩形導軌結(jié)構(gòu)簡單，使用維護方便，能承受較大載荷，能較好地滿足工藝要求，本次設計中，導軌選用矩形導軌，工作臺運動過程中，會與導軌產(chǎn)生摩擦，這對工作臺的平穩(wěn)運行十分不利，為此，在導軌和工作臺之間加上一層用特殊材料制成的軟帶可以顯著提高工作臺的工作性能，防止出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，貼塑導軌具有良好的工作性能，但它與矩形導軌相互配合時，在磨損后不能自動補償間隙，當磨損量過大，使間隙過大時，會使工作太的運動失去準確性，難以定位，故需要對導軌間隙進行調(diào)整，如下圖所示，才用修復刮研式方法調(diào)整間隙，當間隙過大時，可以刮研左邊平面，當間隙過小時，可以刮研右邊平面。 圖3.1 導軌3.3 滾珠絲杠與支承軸承3.3.1滾珠絲杠的計算伺服電機的最高轉(zhuǎn)速是1500r/min，工作臺的最高移動速度為5000mm/min，故絲杠基本導程為： 絲杠的最低轉(zhuǎn)速為：則絲杠的平均轉(zhuǎn)速為：絲杠的平均載荷為：絲杠的額定動載荷為：滾珠絲杠的最大軸向變形量可按如下方法計算：最大軸向變形量取最小值max=6.67m絲杠螺母到支承的最大距離計算如下：估算最小螺紋底徑：式中：E彈性模量（Mpa），一般滾珠絲杠去E=2.1105Mpa； max軸向變形量； F0導軌的靜摩擦力。上述計算可得如下結(jié)論：絲杠導程為3.33mm，絲杠的額定動載荷為10.41KN，絲杠底徑不小于18.28mm，故查閱參考文獻2附錄表A-3可選絲杠型號為FFZD3206-3,其基本參數(shù)如下： 圖3.2 滾珠絲杠滾珠絲杠螺母副的預加負荷為： 取Fp=13000/9=1444N滾珠絲杠預拉伸力Ft的計算：3.3.2 支承軸承的選用(1)軸承的軸向負載力：(2)軸承的預緊力Fp計算如下：(3) 軸承的當量軸向載荷計算如下(4) 基本額定動載荷C計算如下：查參考文獻3表2-25得，徑向系數(shù)X=1.9,軸向系數(shù)Y=0.54,故在安裝時，要對滾珠絲杠螺母副進行預拉伸，在支承形式的選擇上，選用兩端固定的支承形式，60角接觸球軸承背對背安裝時有許多優(yōu)點，可以承受兩個方向的軸向力，由計算可知，絲杠的螺紋底徑為27.9mm，采取過盈配合，故可選取內(nèi)徑為25mm的軸承，角接觸球軸承7205B的主要參數(shù)為內(nèi)徑25mm，外徑52mm，厚度15mm，基本額定動負荷14600N，動負荷大于預緊力，最高轉(zhuǎn)速也能夠滿足要求。3.3.3 承載能力校驗（1）滾珠絲杠臨界轉(zhuǎn)速校核（2）滾珠絲杠螺母副額定壽命的校驗 由上述計算結(jié)果知，絲杠的額定動載荷大小為13000N,在機床一般工作情況下，運轉(zhuǎn)條件系數(shù)大小為1.3，滾珠絲杠軸向載荷的計算結(jié)果為1048.71N,計算轉(zhuǎn)速為500r/min，故滾珠絲杠螺母副的額定壽命為：該滾珠絲杠滿足要求。3.4 驅(qū)動電機的選型與計算（1）已知最大的進給力Fmax=1048.71N,絲杠導程Ph=6mm，預緊力Fp=1444N,機械效率=0.9，由參考文獻3式（2-54）可得外部載荷所產(chǎn)生的摩擦力矩為： 由式（2-56）可得預緊力所產(chǎn)生的摩擦力矩為：由式（2-55）可得摩擦負載力矩為：則最大切削負載力矩為：（2）負載慣量計算伺服電動機的轉(zhuǎn)子慣量JM應與負載慣量JL相匹配，移動部件總的質(zhì)量為510kg，查閱參考文獻2式（4.4-5）可得電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量為：絲杠公稱直徑為D0=32mm=0.032m，長度l=1.2m，絲杠材料鋼的密度=7.8103kg/m3.由參考文獻2式（4.4-6）可知絲杠加載電動機軸上的慣量：聯(lián)軸節(jié)加上鎖緊螺母等的慣量J3可直接查閱手冊得；J3=0.0001kgm2。故負載的總慣量為：按中小型數(shù)控機床慣量匹配條件，1JM/JL4,所選伺服電機的轉(zhuǎn)子慣量JM應在1.5296.11610kgm2范圍之內(nèi)。根據(jù)上述計算可初步選擇交流伺服電動機GK6061-6AC31-FE,其額定轉(zhuǎn)速為2000r/min，靜轉(zhuǎn)矩M0=6Nm，相電流I0=6.2A,轉(zhuǎn)矩常數(shù)KT=1.09Nm/A,轉(zhuǎn)動慣量J=8.710-4kgm2,重量為10.6kg。（3）空載加速轉(zhuǎn)矩計算在工作臺加速到最大移動速度的過程中，所需的空載加速轉(zhuǎn)矩Ta按參考文獻2式（4.4-8）求得：空載加速時，主要克服的是慣性。如選用GK6061-6AC31-FE電動機，總慣量為： 一般情況下，數(shù)控銑床伺服系統(tǒng)的開環(huán)增益為20Hz，工作臺加速到最大速度所需的時間為ta=3/ks=0.15s則空載加速轉(zhuǎn)矩為：由上式可知，該伺服電機能夠滿足要求。3.5 主要零部件的精度驗算 本次設計中要求滾珠絲杠的定位精度要達到0.05mm，滾珠絲杠的定位主要是數(shù)控裝置來控制，而具體實現(xiàn)則是由絲杠的機械結(jié)構(gòu)完成，由此可見，進給傳動系統(tǒng)的精度主要受到數(shù)控裝置的精度和絲杠的機械精度影響，這一部分主要完成絲杠的機械精度驗算。3.5.1伺服剛度KR KM是伺服電機的增益，可近似認為KM=1/Ke。GK606伺服電機的轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kt=1.09Nm/A，由前述計算可知，伺服系統(tǒng)增益Ks值為20，開環(huán)增益Kv0=40/s，反電動勢系數(shù)Ke=0.764sV/rad，電樞直流電阻RM=0.3，故工作臺的直線剛度計算如下：3.5.2滾珠絲杠的拉壓剛度 滾珠絲杠的固定方式不同，其拉壓剛度也會不同，本次設計中，絲杠為一端軸向定位結(jié)構(gòu)，工作臺的縱向行程為已知參數(shù)600mm，當工作臺移動到離固定支承最遠時，滾珠絲杠有最小拉壓剛度，當工作臺移動到離固定支承最近時，它們不可直接接觸，中間還應該有一段距離，假設為150mm，故可得絲桿 的最大距離為750mm，即lmax=0.75m,代入?yún)⒖嘉墨I2式（4.4-18）可得絲杠的拉壓剛度為：式中，di為絲杠的最小螺紋底徑，E是鋼的彈性模量，E=200Gpa，則：3.5.3絲杠軸承的軸向剛度 滾珠絲杠的固定端所選用的軸承位7205B角接觸球軸承，其基本參數(shù)為：鋼球數(shù)Z=12，鋼球直徑大小db=7.5mm，由前述計算可知，其預加載荷F0大小為1444N，導軌的摩擦力F0為389.88N，故軸向載荷Fa=F0+F0=1444+389.88=1833.88N,軸承的載荷剛度Kb計算如下：3.5.4滾珠與滾道的接觸剛度Kc 滾珠絲杠的剛度K=839N/m，額定動載荷Ca=13000N，由前面的計算結(jié)論，絲杠的最大軸向載荷Famax=1833.88N,則接觸剛度Kc為：3.5.5進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度K(2) 彈性模量在進行定位精度驗算時，要計算其彈性變形，為了避免其他因素影響到機床的定位，故只能在空載狀態(tài)下驗算，此時彈性變形只由空載摩擦力引起。3.6 進給傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性分析 在前述的計算中，已經(jīng)求得滾珠絲杠的綜合拉壓剛度為K為94.86N/m，查閱參考文獻3表A-3可得滾珠絲杠的滾珠絲杠螺母副的質(zhì)量為：機床工作臺和工件夾具的質(zhì)量m為510kg，所以上述兩者的等效質(zhì)量md為：分析計算結(jié)果，nc數(shù)值較大，在設計機械傳動系統(tǒng)的剛度時，nc一般取為300rad/s，故nc=430.8rad/s能夠滿足要求。3.7 驅(qū)動電動機與滾珠絲杠的連接 聯(lián)軸器的型號有很多種，很多都能滿足此次設計要求，目前市場上的數(shù)控機床應用最多的是膜片聯(lián)軸器，本次設計也采用膜片聯(lián)軸器，滾珠絲杠的最小螺紋底徑為27.9mm，故絲杠末端直徑會小于28mm，取為24mm，剛好能與聯(lián)軸器相互配合。查閱參考文獻3附表A-6得，聯(lián)軸器型號為02，聯(lián)軸器簡圖如下： 圖3.3 彈性聯(lián)軸器3.8本章小結(jié)本章是本次設計的第二個主要部分，從驅(qū)動環(huán)節(jié)到執(zhí)行環(huán)節(jié)，每一部分都有具體的設計要求與設計任務。采用交流伺服電機作為系統(tǒng)的動力源，其轉(zhuǎn)速要能滿足機床的最大移動速度（5000r/min），同時要能提供足夠的扭矩，交流伺服電機不僅能滿足這些要求，同時其轉(zhuǎn)速與電源頻率成比例關(guān)系，易于調(diào)節(jié)，采用膜片聯(lián)軸器將電機與絲杠連接，絲杠則選用FFZD3206-3，其循環(huán)方式為內(nèi)循環(huán)，并對絲杠的轉(zhuǎn)速和壽命進行了驗算。機床導軌選用矩形導軌，為了降低導軌面的摩擦力，使工作臺運動更加平穩(wěn)，在導軌間隙貼塑，機床工作臺的重量為210kg，最大承重為300kg，帶有三個T行槽，其具體結(jié)構(gòu)設計在裝配圖中完成。在設計完系統(tǒng)的主要零件后，計算了整個系統(tǒng)的剛度，由此對系統(tǒng)的動態(tài)特性進行了分析，其最低固有頻率滿足要求。4數(shù)控機床控制系統(tǒng)設計4.1 控制系統(tǒng)硬件的基本組成4.1.1 概述 數(shù)控機床與普通機床的最大不同便是多了一個數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)主要有輸入輸出裝置，控制裝置，伺服裝置，輔助裝置組成，其結(jié)構(gòu)大致如下圖所示：驅(qū)動系統(tǒng)控制對象（設備）控制微機鍵盤顯示輔助控制檢測 圖4.1 控制系統(tǒng)目前市場上能生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的大型公司主要有華中數(shù)控，廣州數(shù)控，北京凱恩帝數(shù)控，本次設計中，采用華中數(shù)控公司的HNC-21MD數(shù)控系統(tǒng)和HSV-160型全數(shù)字交流伺服驅(qū)動單元及GK6交流永磁同步伺服電機和變頻主軸。4.1.2 數(shù)控系統(tǒng)的主要性能及規(guī)格 HNC-21MD是一款比較成熟的產(chǎn)品，目前已大量運用于數(shù)控機床上，采用這款數(shù)控系統(tǒng)完全能滿足此設計要求。主要由以下幾個部分組成：l 工業(yè)PC機l 中央處理單元（CPU）高性能32位微處理器l 存儲器（DRAM RAM）SMB RAMl 程序斷電存儲區(qū)Flash ROM 16MBl 顯示器：8.4寸彩色LCD分辨率為640480l NC鍵盤l RS232 接口RS232 波特率為19200l 網(wǎng)絡接口 以太網(wǎng)接口l 控制軸數(shù)3軸HNC-21MD主要參數(shù)如下： 表4.1 HNC-21MD參數(shù)CNC功能最大控制軸：36進給軸+1主軸 聯(lián)動軸數(shù)：3軸最小分辨率：1微米坐標系設定 加工過程圖形仿真顯示和實時跟蹤MDI功能 n M、S、T功能固定銑削循環(huán)CNC編程最小編程尺寸：0.001毫米、度 最大編程尺寸：99999.999最大編程行數(shù)：50萬行 公/英制編程絕對/相對指令編程 宏指令編程子程序調(diào)用 工件坐標系設定直徑/半徑編程 自動控制倒角（圓角、直角）插補功能直線插補，最大6個軸圓弧插補 攻絲切削刀具補償功能刀具長度補償 刀尖半徑補償操作功能8.4/TFT彩色液晶顯示屏 防靜電薄膜編程面板與機床操作面板PC標準鍵盤接口 手持單元（選件）圖形顯示功能與動態(tài)實時仿真 網(wǎng)絡通訊功能（選件）進給軸功能無限旋轉(zhuǎn)軸功能 最高設定速度43000mm/min進給修調(diào)0%-150% 快移修調(diào)0%-100%多種回參考點功能：單向、雙向主軸功能主軸轉(zhuǎn)速：最大32000rpm主軸修調(diào)：從0%-150% 主軸速度和修調(diào)顯示輔助功能主軸正反轉(zhuǎn) n 自動換刀 n 冷卻開/停PCL功能內(nèi)嵌式PLC 提供標準PLC例程 PLC狀態(tài)顯示HNC-21MD外觀圖和尺寸圖如下： 圖4.2 HNC-21MD外觀圖 圖4.3 HNC-21MD尺寸圖4.1.3主軸和進給軸控制的硬件系統(tǒng)本次設計中，機床主軸的調(diào)速范圍為306000r/min，可以采用HSV-160交流伺服驅(qū)動單元，HSV-160的產(chǎn)品參數(shù)如下： 表4.2 HSV-160參數(shù)輸入電源三相AC220V電源，-15%+10%，50/60Hz環(huán)境條件溫 度環(huán)境溫度 055(無結(jié)露)保存溫度 -2065海 拔海拔 1000 以下振 動5.88s2以下，1060Hz(共振頻率下不可連續(xù)使用)控制方式IGBT PWM方式 正弦波驅(qū)動全數(shù)字串行絕對式編碼器EnDat2.1/2.2協(xié)議、HiperFACE協(xié)議、TAMAGAWA協(xié)議A/B相通用復合增量式編碼器，A/B/Z/、U/V/W信號差動輸入（RS422電平）控制信號輸 入使能、復位、觸發(fā)信號、用戶指定輸 出報警、用戶指定正面面板按鍵 5個、八段數(shù)碼管 6個（組合顯示）、LED 2個再生制動內(nèi)置再生制動電阻，可選配外部制動電阻控制模式位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制、位置/速度控制監(jiān)視功能轉(zhuǎn)速、當前位置、位置偏差、電機轉(zhuǎn)矩、運行狀態(tài)等4.2數(shù)控機床主要的電氣控制回路（1） plc連接電路圖如下 圖4.5 plc連接電路圖5總結(jié) 經(jīng)過為期三個月的設計，本次數(shù)控機床的進給傳動機構(gòu)設計總算是完成了，在整個設計過程中，不僅運用到了以前學過的基礎知識，也接觸到了許多以前不了解的新的領(lǐng)域，對設計者的整體水平都有巨大的提升?？梢哉f，我也是站在巨人的肩膀上才完成了這項工作，設計中，借鑒了大量前人的經(jīng)驗，同時加入了自己的一些創(chuàng)新想法，一些結(jié)構(gòu)參數(shù)與市場上的XK713并不完全相同，在具體工作中，先根據(jù)主軸電機設計了分級變速機構(gòu)，分級變速機構(gòu)是按照等比原則設計，這樣在滿足設計要求的前提下簡化了設計過程，設計主軸時在滿足主軸的性能要求下，根據(jù)設計經(jīng)驗初步設計了主軸的參數(shù)，主軸的具體設計參數(shù)是在裝配圖的設計過程中完成的，這樣的設計方法不僅能使主軸的參數(shù)滿足設計要求，同時也能使主傳動系統(tǒng)中各部分的結(jié)構(gòu)尺寸更加協(xié)調(diào)，使整個系統(tǒng)成為一個有機的整體。本次設計中完成的第二項主要工作就是進給機構(gòu)的設計，這個過程主要包含四個部分，第一部分是滾珠絲杠的設計，滾珠絲杠屬于標準件，只需計算出幾個主要參數(shù)就可以根據(jù)國標選擇出