數(shù)控車床伺服進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計畢業(yè)論文

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1、沈陽理工大學學士學位論文I摘要數(shù)控機床作為機電一體化的典型產(chǎn)品，在機械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好的解 決了現(xiàn)代機械制造中結(jié)構(gòu)復雜，精密，批量小，多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加 工質(zhì)量，大幅度提高生產(chǎn)效率。本論文主要對數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)的機械部分這一課題 進行探討，文中詳細描述了數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)的設計方法，包括傳動系統(tǒng)總體設計，滾珠絲杠副的選擇，伺服電動機的選擇，精度和剛度驗算。同時運用軟件Solidworks做 出伺服進給系統(tǒng)的零部件，以及將各個零部件進行裝配，二維工程圖出圖。關(guān)鍵詞：數(shù)控機床；伺服電動機；伺服進給系統(tǒng)；滾珠絲杠副沈陽理工大學學士學位論文2AbstractNC

2、machine tools as typical electromechanical products, plays an enormous role inmachinery manufacturing, it solutes the problems of modern machinery manufacturing complex,precision, small batches, changeable parts processing, also it can be able to stable quality ofproducts, in crease productivity gre

3、atly .In this paper, it mai nly explore to the topic ofmechanical parts of NC machine toolsservo feed system, This article describes the designingmethod of the NC machine toolsservo feed system , including designing the transmissionsystem, choosing Ball Screws, servo motor, checking the accuracy and

4、 rigidity. Make out partsof NC machine toolsservo feed system and assemble the parts with solidworks. Export 2Dengin eeri ng draw ing and make the ani mati ons of feed system, produce three-dime nsio nalcutaway views of Ball Screws and Rolli ng Guides矚慫潤厲釤瘞睞櫪廡賴。Key word: NC machi ne;Servo motor; Ser

5、vo feed system; Ball Screw聞 創(chuàng)溝燴鐺險愛氌譴凈。沈陽理工大學學士學位論文3目錄摘要.殘騖樓諍錈瀨濟溆塹籟。Abstract.釅錒極額閉鎮(zhèn)檜豬訣錐。1緒論.1.彈貿(mào)攝爾霽斃攬磚鹵廡。1.1數(shù)控機床的概念. .1.謀蕎摶篋飆鐸懟類蔣薔。1.2數(shù)控機床的組成分類及特點 . .1廈礴懇蹣駢時盡繼價騷。4.1.8數(shù)控機床的組成 .1煢楨廣鰳鯡選塊網(wǎng)羈淚。4.1.9數(shù)控機床的分類 . .1鵝婭盡損鵪慘歷蘢鴛賴。4.1.10數(shù)控機床的特點 .2籟叢媽羥為贍債蟶練淨。1.3數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展簡史及國外發(fā)展現(xiàn)狀 . .2預頌圣鉉儐歲齦訝驊糴。1.4我國數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 .3滲釤嗆

6、儼勻諤鱉調(diào)硯錦。4.2.1數(shù)控技術(shù)狀況. .3鐃誅臥瀉噦圣騁貺頂廡。4.2.2數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 .4擁締鳳襪備訊顎輪爛薔。1.5伺服系統(tǒng)的特點. .4贓熱俁閫歲匱閶鄴鎵騷。1.6本課題的研究內(nèi)容和方法 .6壇搏鄉(xiāng)囂懺蔞鍥鈴氈淚。1.7本章小結(jié). .7.蠟變黲癟報倀鉉錨鈰贅。2進給系統(tǒng)的總體方案設計 .7買鯛鴯譖曇膚遙閆擷凄。沈陽理工大學學士學位論文42.1機床的主要性能. .8綾鏑鯛駕櫬鶘蹤韋轔糴。2.2進給系統(tǒng)的精度要求. .8驅(qū)躓髏彥浹綏譎飴憂錦。2.3進給傳動控制伺服系統(tǒng)的選擇 . .8貓蠆驢繪燈鮒誅髏貺廡。2.4進給系統(tǒng)的傳動要求及傳動類型的選擇 . .9鍬籟饗逕瑣筆襖鷗婭薔。2.4

7、.1進給系統(tǒng)的傳動要求. .9構(gòu)氽頑黌碩飩薺齦話騖。2.4.2傳動類型的選擇. .9輒嶧陽檉籪癤網(wǎng)儂號澩。2.5電機與絲杠聯(lián)接方式的選擇. .10堯側(cè)閆繭絳闕絢勵蜆贅。2.6進給傳動方案設計.11識饒鎂錕縊灩筧嚌儼淒。3數(shù)控車床伺服進給系統(tǒng)X軸選型.1 2凍鈹鋨勞臘錯癇婦脛糴。3.1滾珠絲桿機構(gòu)的計算選型 . .13恥諤銪滅縈歡煬鞏鶩錦。4.2.4精度等級選定 .14鯊腎鑰詘褳鉀溈懼統(tǒng)庫。4.2.5導程的計算和選定 . .15碩癘鄴頏謅攆檸攜驤蘞。4.2.6絲桿支承方式選定 .15閿擻輳嬪諫遷擇植秘騖。3.1.5絲桿外徑選定及校核. .1 5氬嚕躑竄貿(mào)懇彈濾頷澩。3.1.6計算最大軸向載荷 .

8、16釷鵒資贏車贖孫滅獅贅。3.1.7軸向允許載荷計算 . .16慫闡譜鯪逕導嘯畫長涼。3.1.8絲杠允許轉(zhuǎn)速計算及校核 .1 7諺辭調(diào)擔鈧諂動禪瀉類。3.1.9壽命計算及校核. .19嘰覲詿縲鐋囁偽純鉿錈。3.%2電機的選型 .19熒紿譏鉦鏌觶鷹緇機庫。5.2.1轉(zhuǎn)速的計算. .1.9鶼漬螻偉閱劍鯫腎邏蘞。沈陽理工大學學士學位論文55.2.2驅(qū)動扭矩計算 .20紂憂蔣氳頑薟驅(qū)藥憫騖。323計算角加速度. .21穎芻莖峽餑億頓裊賠瀧。324電機所需的加速扭矩. .2 1濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。325計算各種運動狀態(tài)下點檢所需要的驅(qū)動扭矩.21銚銻縵嚌鰻鴻鋟謎諏涼。3.2.6電機轉(zhuǎn)動慣量要求.22擠

9、貼綬電麥結(jié)鈺贖嘵類。3.3滾珠絲杠副的支承的設計 .22賠荊紳諮侖驟遼輩襪錈。3.4同步齒輪帶傳動的設計. .24塤礙籟饈決穩(wěn)賽釙冊庫。3.5導軌的選擇.25裊樣祕廬廂顫諺鍘羋藺。4數(shù)控車床伺服進給系統(tǒng)Z軸選型.26倉嫗盤紲囑瓏詁鍬齊驚。5.2.5滾珠絲桿機構(gòu)的計算選型 .26綻萬璉轆娛閬蟶鬮綰瀧。4.1.1載荷的確定.27驍顧燁鶚巰瀆蕪領鱺賻。5.3精度等級選定.27瑣釙濺曖惲錕縞馭篩涼。5.4導程的計算和選定.28鎦詩涇艷損樓紲鯗餳類。5.5絲桿支承方式選定 .29櫛緶歐鋤棗鈕種鵑瑤錟。5.6絲桿外徑選定及校核 .29轡燁棟剛殮攬瑤麗鬮應。5.7計算最大軸向載荷 .29峴揚爛滾澗輻灄興渙藺

10、。4.1.7軸向允許載荷計算 . .30詩叁撻訥燼憂毀厲鋨驁。1絲杠允許轉(zhuǎn)速計算及校核 .3 1則鯤愜韋瘓賈暉園棟瀧。2壽命計算及校核.33脹鏝彈奧秘孫戶孿釔賻。5.2.6電機的選型 .33鰓躋峽禱紉誦幫廢掃減。沈陽理工大學學士學位論文61轉(zhuǎn)速的計算 .33稟虛嬪賑維嚌妝擴踴糶。2驅(qū)動扭矩計算 . .34陽簍埡鮭罷規(guī)嗚舊巋錟。423計算角加速度. .35溈氣嘮戇萇鑿鑿櫧諤應。1電機所需的加速扭矩 .35鋇嵐縣緱虜榮產(chǎn)濤團藺。4.2.5計算各種運動狀態(tài)下點檢所需要的驅(qū)動扭矩.35懨俠劑鈍觸樂鷴燼觶騮。4.2.6電機轉(zhuǎn)動慣量要求. .36謾飽兗爭詣繚鮐癩別濾。1滾珠絲杠副的支承的設計 .37咼鉉們

11、歟謙鴣餃競蕩賺。4.4聯(lián)軸器傳動的設計.39瑩諧齷蘄賞組靄縐嚴減。4.5導軌的選擇. .39麩肅鵬鏇轎騍鐐縛縟糶。5伺服進給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計. .40納疇鰻吶鄖禎銣膩鰲錟。5.1 solidworks實體設計的特征功能及其在本次設計中的應用40風攆鮪貓鐵頻鈣薊糾廟。5.2伺服進給系統(tǒng)主要零件的設計及裝配 . .41滅曖駭諗鋅獵輛覯餿藹。導軌的設計 .41鐒鸝餉飾鐔閌貲諢癱騮。Z軸絲杠螺母的設計 .45攙閿頻嶸陣澇諗譴隴瀘。添加軸承 .46趕輾雛紈顆鋝討躍滿賺。5.2.4添加緊固件. .46夾覡閭輇駁檔驀遷錟減。X軸滑塊的設計 .47視絀鏝鴯鱭鐘腦鈞欖糲。絲杠的設計 .47偽澀錕攢鴛擋緬鐒鈞錠。伺

12、服進給系統(tǒng)零件的裝配 .48緦徑銚膾齲轎級鏜撟廟。5.4伺服進給系統(tǒng)的裝配圖. .49騅憑鈳銘僥張礫陣軫藹。沈陽理工大學學士學位論文7結(jié) 論 .51癘騏鏨農(nóng)剎貯獄顥幗騮。致謝寸.52鏃鋝過潤啟婭澗駱讕濾。參考文獻.5.3榿貳軻謄壟該檻鯔塏賽。附錄A.54邁蔦賺陘賓唄擷鷦訟湊。附錄B. 69嶁硤貪塒廩袞憫倉華糲。沈陽理工大學學士學位論文11 緒論1.1 數(shù)控機床的概念數(shù)控機床是綜合應用計算機、自動控制、自動檢測及精密機械等高新技術(shù)的產(chǎn)物， 是技術(shù)密集度及自動化程度很高的典型機電一體化加工設備。它與普通機床相比，其優(yōu) 越性是顯而易見的，不僅零件加工精度高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，且自動化程度極高，可減輕 工

13、人的體力勞動強度，大大提高了生產(chǎn)效率，特別值得一提的是數(shù)控機床可完成普通機 床難以完成或根本不能加工的復雜曲面的零件加工，因而數(shù)控機床在機械制造業(yè)中的地位愈來愈顯得重要。該櫟諼碼戇沖巋鳧薩錠。1.2 數(shù)控機床的組成分類及特點1.2.1數(shù)控機床的組成數(shù)控機床一般由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機床本體組成。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)控裝置運算處理，向伺服系統(tǒng)發(fā)出相應 的脈沖；3、 伺服系統(tǒng)：把數(shù)控裝置的脈沖信號轉(zhuǎn)換成機床運動部件的機械位移；用于實現(xiàn) 數(shù)控機床的進給伺服控制和主軸伺服控制。劇妝諢貰攖蘋塒呂侖廟。4、 機械系統(tǒng)：包括，主軸部

14、分、進給系統(tǒng)、刀庫和自動換刀裝置(ATC)、自動托盤 交換裝置(APC)等。1.2.2數(shù)控機床的分類數(shù)控機床的品種和規(guī)格繁多，分類方法不一。根據(jù)不完全統(tǒng)計，目前已有近500種數(shù)控機床。根據(jù)數(shù)控機床的功能和組成，一般分為以下幾類：臠龍訛驄椏業(yè)變墊羅蘄。1、按坐標軸數(shù)分類：一般數(shù)控機床，數(shù)控加工中心機床，多坐標軸數(shù)控機床；沈陽理工大學學士學位論文22、按特點分類：點位控制數(shù)控機床，直線控制數(shù)控機床，輪廓控制數(shù)控機床；3、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)；4、按功能水平分類：經(jīng)濟型，普及型，高級型。1.2.3數(shù)控機床的特點數(shù)控機床較好地解決了復雜、精密、小批、多變的零件

15、加工問題，是一種靈活的、 高效能的自動化機床，尤其對于約占機械加工總量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)控機床有以下幾方面的特點：鰻順褸悅漚縫輾屜鴨騫。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35倍，使用數(shù)控加工中心機床則可提高生率510倍；3、可加工形狀復雜的零件；4、減輕了勞動強度，改善了勞動條件；5、有利于生產(chǎn)管理和機械加工綜合自動化的發(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床數(shù)字控制的概念。1952年第一代數(shù)控系統(tǒng)一電子管數(shù)控系統(tǒng)的誕生。20世紀50年代末

16、，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)一一晶體管數(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)一一 集成電路數(shù)控系統(tǒng)。1970年，在美國芝加哥國際機床展覽會上， 首次展出了第四代數(shù)控 系統(tǒng)一一小型計算機數(shù)控系統(tǒng)，然后，隨著微型計算機以其無法比擬的性能價格比滲透 各個行業(yè)，1974年，第五代數(shù)控系統(tǒng)一一微型計算機數(shù)控系統(tǒng)也出現(xiàn)了。應用一個或多個計算機作為數(shù)控系統(tǒng)的核心組件的數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)稱為計算機數(shù)控系統(tǒng)（CNC）。 綜上所述,由于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)也隨著不斷更新，發(fā)展

17、 非常迅速，幾乎5年左右時間就更新?lián)Q代一次。穡釓虛綹滟鰻絲懷紆濼。數(shù)控機床是先進制造業(yè)的基礎機械，是最典型的多品種、小批量、高科技含量的機 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)控機床產(chǎn)品進程，1990年日本沈陽理工大學學士學位論文3機床產(chǎn)值數(shù)控化率達75%，美國達70.1%,德國達57%。目前世界數(shù)控機床年產(chǎn)量超 過15萬臺，品種超過1500多種2。隸誆熒鑒獫綱鴣攣駘賽。1.4 我國數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢1.4.1數(shù)控技術(shù)狀況目前，我國數(shù)控系統(tǒng)正處在由研究開發(fā)階段向推廣應用階段過渡的關(guān)鍵時期，也是 由封閉型向開放型過渡的時期。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

18、核心技術(shù)），已達到國際先進水平。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聯(lián)動技術(shù)對我們已不再是難題，0.1m 當量的超精密數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控仿型系統(tǒng)、非圓齒輪加工系統(tǒng)、高速進給數(shù)控系統(tǒng)、實時多 任務操作系統(tǒng)都已研制成功。尤其是基于PC機的開放式智能化數(shù)控系統(tǒng)，可實施多軸控制，具備聯(lián)網(wǎng)進線等功能既可作為獨立產(chǎn)品，又是一代開放式的開發(fā)平臺，為機床廠 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

19、以上。同時大部分數(shù)控機床配套產(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 。浹繢膩叢著駕 驃構(gòu)碭湊。我國進行改革開放后，由于政策的開放，使得金屬切削行業(yè)得以和世界上先進的機床制 造國家進行技術(shù)交流，并通過引進技術(shù)，到80年代初，國產(chǎn)數(shù)控機床進入實用化階段，1991年數(shù)控機床的產(chǎn)值數(shù)控化率為14.3%,到1997年數(shù)控機床產(chǎn)值數(shù)控化率為24.5%。 目前，我國數(shù)控機床（包括經(jīng)濟型機床）品種約有500個2。鈀燭罰櫝箋礱颼畢韞糲。但是，與國外數(shù)控車床相比，在性能、質(zhì)量設計、制造等各方面存在較大差異，并存在許多不足：機械件的材質(zhì)、加工精度、加工工藝存在較大

20、差距，裝配工藝也存在 一定差距；主軸及卡盤剛性差，主軸定位準停不好；安全性較差，軟硬件保護功能不夠； 刀片磨損快，生產(chǎn)成本高，效率低；硬件設計方面不規(guī)范，不符合國標，比如使用電壓 等級、電線顏色使用、圖紙資料的繪制裝訂、提交等等，有的機床廠家甚至仍然停留在 十年二十年前的設計思想；程序設計方面缺乏標準，不規(guī)范，邏輯性不強，故障率高， 在使用過程中需不斷對程序進行修改；外圍元件布置及沈陽理工大學學士學位論文4走線不規(guī)范，標牌線號不清，圖 紙與實物不符，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 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、

21、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，多品種生產(chǎn)困難。 而國外數(shù)控車床無論是設計水平，還是制造水平，都要高出國內(nèi)數(shù)控車床。機械件材質(zhì)、 加工精度、加工工藝、裝配工藝比較好；軟硬件設計有專門的標準，設計規(guī)范合理，配 套件齊全，標牌標示清楚齊全；使用的元器件質(zhì)量好，故障率低；新技術(shù)的應用及時領 先；概括來說，精度及可靠性高、性能穩(wěn)定故障率低 。愜執(zhí)緝蘿紳頎陽灣愴鍵。142數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)性能日臻完善，數(shù)控系統(tǒng)應用領域 日益擴大。為了滿足社會經(jīng)濟發(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

22、發(fā)展。貞廈給鏌綞牽鎮(zhèn)獵鎦龐。1.5 伺服系統(tǒng)的特點數(shù)字控制，是一種自動控制技術(shù)，是用數(shù)字化信號對控制對象加以控制的一種方法。 數(shù)控機床是采用了數(shù)控技術(shù)的機床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床。數(shù)控機床是典型 的數(shù)控化設備，它一般由信息載體、計算機數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機床四部分組成。嚌鰭級廚脹鑲銦礦毀蘄。1、信息載體信息載體又稱控制介質(zhì)，用于記錄數(shù)控機床上加工一個零件所必需的各種信息，以 控制機床的運動，實現(xiàn)零件的機械加工。常用的信息載體有穿孔帶等，通過相應的輸入 裝置將信息輸入到數(shù)控系統(tǒng)中。數(shù)控機床也可采用操作面板上的按鈕和鍵盤將加工信息 直接輸入，或通過竄行口將計算機上編寫的加工程序輸入到數(shù)控系

23、統(tǒng)。 高級的數(shù)控系統(tǒng) 可能還包含一套自動編程機或者CAD/CAM系統(tǒng)。薊鑌豎牘熒浹醬籬鈴騫。2、計算機數(shù)控系統(tǒng)計算機數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的核心，它的功能是接受載體送來的加工信息，經(jīng)計算 和處理后去控制機床的動作。它由硬件和軟件組成。硬件除計算機外，其外圍設備主要 包括光電閱讀機、CRT、鍵盤、面板、機床接口等。軟件由管理軟件和控制軟件組成。 數(shù)控裝置控制機床的動作可沈陽理工大學學士學位論文5概括為：機床主運動、機床的進給運動、刀具的選擇和刀具 的補償、其它輔助運動等。齡踐硯語蝸鑄轉(zhuǎn)絹攤濼。3、伺服系統(tǒng)它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分，包括驅(qū)動機構(gòu)和機床移動部件，它接受數(shù)控裝置發(fā)來的各 種動作命令，驅(qū)動受控

24、設備運動。伺服電動機可以是步進電機、電液馬達、直流伺服電 機或交流伺服電機。紳藪瘡顴訝標販繯轅賽。4、機床它是用于完成各種切削加工的機械部分，是在普通機床的基礎上發(fā)展起來的，但也 做了很多改進和提高，它的主要特點是：由于大多數(shù)數(shù)控機床采用了高性能的主軸及伺 服傳動系統(tǒng)，因此數(shù)控機床的機械傳動結(jié)構(gòu)得到了簡化，傳動鏈較短；為了適應數(shù)控機 床連續(xù)地自動化加工，數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)具有較高的動態(tài)剛度、阻尼精度及耐磨性，熱 變形較??；更多地采用高效傳動部件，如滾珠絲杠副、直線滾動導軌等；不少數(shù)控機床 還采用了刀庫和自動換刀裝置以提高機床工作效率 。飪籮獰屬諾釙誣苧徑凜。數(shù)控機床集中了傳統(tǒng)的自動機床、精密機床

25、和萬能機床三者的優(yōu)點，將高效率、高 精度和高柔性集中于一體。而數(shù)控機床技術(shù)水平的提高首先依賴于進給和主軸驅(qū)動特性 的改善以及功能的擴大，為此數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的位置控制、速度控制、伺服電 機、機械傳動等方面都有很高的要求。烴斃潛籬賢擔視蠶賁粵。伺服系統(tǒng)是指以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。在數(shù)控機床中，伺服系統(tǒng)主要指各坐標軸進給驅(qū)動的位置控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)接受來自CNC裝置的進給脈沖，經(jīng)變換和放大，再驅(qū)動各加工坐標軸按指令脈沖運動。這些軸有的帶動工作臺， 有的帶動刀架，通過幾個坐標軸的綜合聯(lián)動，使刀具相對于工件產(chǎn)生各種復雜的機械運 動，加工出所要求的復雜形狀工件。鋝豈濤軌躍輪蒔講

26、嫗鍵。進給伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機床機械傳動部件間的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機床的重要組成部分。它包含機械、電子、電機（早期產(chǎn)品還包含液壓）等各種部件，并涉及到強電與 弱電控制，是一個比較復雜的控制系統(tǒng)。要使它成為一個既能使各部件互相配合協(xié)調(diào)工 作，又能滿足相當高的技術(shù)性能指標的控制系統(tǒng)，的確是一個相當復雜的任務。提高伺 服系統(tǒng)的技術(shù)性能和可靠性，對于數(shù)控機床具有重大意義，研究與開發(fā)高性能的伺服系 統(tǒng)一直是現(xiàn)代數(shù)控機床的關(guān)鍵技術(shù)之一。沈陽理工大學學士學位論文6擷偽氫鱧轍冪聹諛詼龐。由于各種數(shù)控機床所完成的加工任務不同，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；

27、具有足夠的傳動剛度和高的 速度穩(wěn)定性；快速響應并無超調(diào)；高精度；低速大轉(zhuǎn)矩。蹤飯夢摻釣貞綾賁發(fā)蘄。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。婭鑠機職錮夾簣軒蝕騫。2）電機應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46倍而不損壞。譽諶摻鉺錠試監(jiān)鄺儕瀉。3）為了滿足快速響應的要求，電機應有較小的轉(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

28、到額定轉(zhuǎn)速。儔聹執(zhí)償閏號燴鈿膽賾。4）電機應能隨頻繁啟動、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?？b電悵淺靚蠐淺錒鵬凜。1.6 本課題的研究內(nèi)容和方法本次設計的內(nèi)容是車床進給系統(tǒng)方案設計及總體布局圖繪制、縱向及橫向伺服進給機構(gòu)的理論計算、結(jié)構(gòu)設計及繪制裝配圖、典型零件繪制及外文資料文獻翻譯，并撰寫 畢

29、業(yè)設計論文。驥擯幟褸饜兗椏長絳粵。在設計中通過查閱資料確定數(shù)控車床的切削力，由切削力的大小來確定數(shù)控車床伺 服進給系統(tǒng)的各種運動參數(shù)及傳動方案，然后通過計算當量動載荷選擇滾珠絲杠，通過 計算最大切削負載轉(zhuǎn)沈陽理工大學學士學位論文7矩，負載慣量選擇伺服電動機。癱噴導閽騁艷搗靨驄鍵。1.7 本章小結(jié)本章先介紹了數(shù)控機床的分類，特點與研究現(xiàn)狀，介紹了數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，以 及伺服系統(tǒng)的特點。最后介紹了本課題研究的主要內(nèi)容和研究方法。鑣鴿奪圓鯢齙慫餞離龐。沈陽理工大學學士學位論文82 進給系統(tǒng)的總體方案設計2.1 機床的主要性能本設計對數(shù)控車床的進給系統(tǒng)進行了設計，該車床主要用于小尺寸的軸類零件和盤

30、類零件的精密加工。該數(shù)控車床具有剛度高、排屑功能流暢、運轉(zhuǎn)噪音低、傳動效率高、精度保持性好、 有效壽命長等優(yōu)點。為保證機床運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，采用了高精密孔式主軸結(jié)構(gòu)和大功率交 流伺服主軸電機，并具備良好的抗振性設計。欖閾團皺鵬緦壽驏頦蘊。車床的進給伺服系統(tǒng)采用交流伺服電機驅(qū)動，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)達到要求的精度、重復定位精度，并使其具有高剛度和良好 的穩(wěn)定性。遜輸吳貝義鰈國鳩猶騙。2.2 進給系統(tǒng)的精度要求進給伺服系統(tǒng)的精度對機床的加工精度有很大的影響，良好的電氣部件設計和機械結(jié)構(gòu)設計，能保證進給伺服系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。幘覘匱駭儺紅鹵齡鐮瀉。本設計著重進行進給

31、伺服系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)設計、傳動設計。本車床精度較高，能進 行微米級加工，能獲得高質(zhì)量的加工表面。進給系統(tǒng)采用滾珠絲杠螺母副傳動，Z、X兩軸聯(lián)動，單軸具有較高的定位精度和重復定位精度。誦終決懷區(qū)馱倆側(cè)澩賾。2.3 進給傳動控制伺服系統(tǒng)的選擇1、開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床中最簡單的伺服系統(tǒng)，執(zhí)行元件一般為步進電機。開環(huán)進 給伺服系統(tǒng)的精度較低，速度也受到步進電動機性能的限制。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用。醫(yī)滌侶綃噲睞齒辦銩凜。2、閉環(huán)控制系統(tǒng)因為開環(huán)系統(tǒng)的精度不能很好地滿足數(shù)控機床的要求，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

32、統(tǒng)是采用直線型位置檢測裝置對數(shù)控機床工作 臺位移進行直接測量沈陽理工大學學士學位論文9并進行反饋控制的位置伺服系統(tǒng)。臚當為遙頭韙鰭啰暈糞。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、圓感應同步器等）和伺服電 動機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機軸端。鴣湊鸛齏嶇燭罵獎選鋸。數(shù)控機床要求達到預定的精度要求以外，根據(jù)需求，并且考慮到經(jīng)濟的效益，還要 求具有良好的穩(wěn)定性和快速響應能力?；谶@些要求，本設計采用閉環(huán)控制方式，包含 位置反饋環(huán)合

33、速度反饋環(huán)閉環(huán)控制能夠較好地減小誤差，有利于提高機床性能.筧驪鴨櫨懷鏇頤嶸悅廢。2.4 進給系統(tǒng)的傳動要求及傳動類型的選擇2.4.1進給系統(tǒng)的傳動要求數(shù)控機床進給傳動裝置的精度、靈敏度和穩(wěn)定性，將直接影響工件的加工精度。為 此，數(shù)控機床的進給傳動系統(tǒng)必須滿足：（1）傳動精度高；（2）摩擦阻力??；（3）運 動部件慣量小。韋鋯鯖榮擬滄閡懸贖蘊。2.4.2傳動類型的選擇數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)的基本傳動方式常用的有兩種：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)控機床上，將回轉(zhuǎn)運動與直線運動相互轉(zhuǎn)換的傳動裝置一般采用滾珠絲杠螺母 副。其特點是：傳動效率高，一般為n=0.920.98;傳動靈敏

34、，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)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，亦可將直線運動 變成旋轉(zhuǎn)運動；軸向運動精度高，施加預緊力后，可消除軸向間隙，反向時無空行程； 因此，在數(shù)控機床上得到了廣泛的應用，是目前中、小型數(shù)控機床的常見的傳動方式。沈陽理工大學學士學位論文10濤貶騙錟晉鎩錈撳憲騙。2、靜壓絲杠螺母副其特點是：摩擦系數(shù)小，僅為0.0005,;平穩(wěn)性高；反向間隙?。坏?，靜壓絲杠 螺母副應有一套供油系統(tǒng)，而且對有的清潔度要求高，如果在運動中供油忽然中斷，將 造成不良后果。鈿蘇饌?cè)A檻榪鐵樣說瀉。由以上比較，根據(jù)要求，縱向進給傳動系統(tǒng)和橫向進給傳動系統(tǒng)都采用滾珠絲杠螺 母副的傳

35、動方式。2.5 電機與絲杠聯(lián)接方式的選擇滾珠絲杠螺母副與電動機的聯(lián)接的型式主要有三種：1、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)點是：具有最大的扭轉(zhuǎn)剛度；傳動機 構(gòu)本身無間隙，傳動精度高，而且結(jié)構(gòu)簡單，安裝、調(diào)整方便，適用于像中小型號的數(shù)控車 床。聯(lián)軸器采用撓性聯(lián)軸器，它能補償因同軸度及垂直度誤差引起的干涉”現(xiàn)象.采用這種撓性聯(lián)軸器把電動機與絲杠直接聯(lián)接，不僅可以簡化結(jié)構(gòu)，減少噪聲，而且可以消 除傳動間隙，能減少中間環(huán)節(jié)帶來的傳動誤差，提高傳動剛度。戧礱風愴澆鄖適濘嚀贗。2、通過齒輪聯(lián)接這種調(diào)整方法的優(yōu)點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

36、復雜，軸向尺寸大、傳動剛度低、傳動平穩(wěn)性較差，一般用于精度要 求低的機床中。購櫛頁詩燦戶踐瀾襯鳳。3、通過同步齒形帶聯(lián)接同步齒輪帶傳動具有帶傳動和鏈傳動的共同優(yōu)點，與齒輪傳動相比它結(jié)構(gòu)更簡單，制 造成本更低,安裝調(diào)整更方便。并且傳動不打滑、不需要大的張緊力；但是在同步齒形傳動設計時對材料的要求很高。囁奐闃頜曖躑谫瓚獸糞。在滿足機床要求的前提下，通過對比本課題Z軸采用通過聯(lián)軸器聯(lián)接電機與絲杠副，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，傳動精度高，而且結(jié)構(gòu) 簡單，安裝沈陽理工大學學士學位論文11調(diào)整方便。虛齬鐮寵確嶁誄禱臚鋸。X軸采用同步帶連接電動機與絲杠副的方式，同步齒輪帶傳動具有帶

37、傳動和鏈傳動的共同優(yōu)點，與齒輪傳動相比它結(jié)構(gòu)更簡單，制造成本更低，安裝調(diào)整更方便。與頂鍔筍類謾蠑紀 黽廢。2.6 進給傳動方案設計本車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，應盡量減小傳動鏈，并需要保證較高的剛度，提高傳動系統(tǒng)效率，以減小溫升的 影響。用滾珠絲杠螺母副直連電機傳動的方案。并采用“雙推一支承”絲杠支承方式。“雙推一支承”方式能夠避免絲杠自重引起的彎曲，以及高速回轉(zhuǎn)時自由端的晃動，符 合本設計的設計條件。X、Z兩軸分別用獨立電機驅(qū)動。結(jié)釋鏈蹌絞塒繭綻綹蘊。滾珠絲杠螺母副是一種將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動的理想傳動件，因其具有螺紋絲杠無法比擬的優(yōu)點，被

38、廣泛應用于各行業(yè)，更是普通數(shù)控機床、精密機床不可或缺的零 部件。兼具高效率、高精度、可逆性的特點。滾珠絲杠螺母副具有驅(qū)動力矩小、 精度高、 可實現(xiàn)微進給、無側(cè)隙、剛度高、告訴等優(yōu)點。餑詘鉈鯔縹評繒肅鮮驃。對于驅(qū)動電機，由于系統(tǒng)要求精度高，不宜采用步進電機驅(qū)動，因此選用交流伺服 電機。數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)是連接數(shù)控系統(tǒng)和機床主體的重要部分，在設計中，在伺服方 式上選擇最廣泛應用的半閉環(huán)方式。采用螺旋傳動，計算滾珠絲杠副尺寸規(guī)格，接著進 行絲杠的校核并進行精度等驗算，根據(jù)計算的扭矩選擇伺服電機。爺纜鉅摯騰廁綁藎箋潑。沈陽理工大學學士學位論文123 數(shù)控車床伺服進給系統(tǒng) X 軸選型伺服進給系統(tǒng)主要技術(shù)

39、參數(shù)：進給運動行程X軸：350mm Z軸：950mm進給速度范圍X軸：1-5000mm/min Z軸：1-5000mm/min快速移動速度X軸：12m/minZ軸：12m/min沈陽理工大學學士學位論文13定位精度X軸：0.008mm/300mm Z軸：0.008mm/300mm3.1 滾珠絲桿機構(gòu)的計算選型3.11載荷的確定載荷確定由solidworks重量計算功能確定，如右圖3.1所示X軸：W=124.8kg*9.8N/kg=1223.04N圖 3.1 滑塊重量確定查常用材料的摩擦系數(shù)，鑄鐵-鑄鐵在有潤滑的靜摩擦系數(shù)是0.18，導軌接觸面的摩擦阻力 f =0.18 1223.04N =22

40、0.15N3.1.2精度等級選定根據(jù)滾珠絲杠機構(gòu)在具體使用場合所需要提供的定位精度（允許誤差）。按照其具 體長度，沈陽理工大學學士學位論文14對照不同等級滾珠絲杠機構(gòu)所對應的導程累積誤差表。判定選擇軋制滾珠絲杠 還是磨制滾珠絲杠，選擇能滿足定位精度的最低等級，也就是選用最經(jīng)濟的精度等級。錁熾邐繒薩蝦竇補飆贗。滾珠絲杠機構(gòu)的精度應根據(jù)實際要求來選用，不要盲目地選用過高的精度，使用軋 制滾珠絲杠能夠滿足使用要求時就不必使用磨制滾珠絲杠。 因為精度等級越高， 制造成 本也越高。 價格越貴，應盡可能選用價格低廉的軋制滾珠絲杠，以降低設備制造成本。通常情況下各種典型設備所選用的精度參考等級如下圖.3.2

41、所示。曠戧輔鑽襉倆瘋謅琿鳳。4 K-4 呂車:mi公固涼冷垃杠機- 建杠摟別廉制笊fit軸杠軋制滾眸竝杠精度等緩C0C1C2C3C5C7C8揺紋K/mmE電Ee士Ee士EeEr士EE3151一 -寶S5B712823盤3丄540053+37597131Q25204005006485715ID2720500630G496】盲16123023-6308007S107U181335258001QQQ甘61115li21154027毎毎300 mm士口一05 mm1000125096139U112K164&:駅毎300 mn + 0.1 mm125010011715m211329i.S54351600

42、200018ii25153521S540200025002213他J84124774石25003)502&15215019?35431504UOQ亠-115fib*0005000-177i圖 3.2 精度等級選定X軸需要滿足的定位精度是0.008mm/300mm我們選擇THK公司精度等級為C2的磨 制滾珠絲桿，器導程誤差范圍e= 0.007mm/300mm。轉(zhuǎn)庫蹺僉詘腳瀕諮閥糞。沈陽理工大學學士學位論文153.1.3導程的計算和選定導程表示絲杠轉(zhuǎn)動一周時螺母沿軸向移動的距離，單位：mm。導程的計算與驅(qū)動電機是否帶減速器有關(guān)，下面以典型的安裝情況電機帶減速器通過彈性聯(lián)軸器與絲杠連接（即直聯(lián)）的情

43、況為例，說明導程的具體計算方法。假設電 機所帶減速器的減速比為i。嬤鯀賊灃謁麩溝賚淶鋸。根據(jù)導程的定義，電機所需要的轉(zhuǎn)速Nm、與最大進給速度Vmax、絲杠導程Pb、減速比i之間的關(guān)系為(3.1)其中Vmax，單位m/s。在X軸中，最大進給速度是0.2m/s,選用電機的額定轉(zhuǎn)速為Nm=3000r/min，使用 帶輪傳動，傳動比i=1訊鎬謾蟈賀綜樞輒鎖廩。根據(jù)計算結(jié)果，需要選用4mm或更大導程的滾珠絲桿。3.1.4絲桿支承方式選定絲桿支承方式主要根據(jù)絲桿長度、轉(zhuǎn)速、定位精度來選定，在絲桿長度較短、轉(zhuǎn)速較低尤其是垂直提升負載的場合則可以選用一端固定一端游動的簡單安裝方式，我們選用這種方式。兒躉讀閌軒

44、鯀擬釔標藪。3.1.5絲桿外徑選定及校核間隙絲杠外徑主要按以下條件來進行初選：Vmax10360PbiPbVmaxI。60-Nmi0.2 103603000 1=4(mm)沈陽理工大學學士學位論文16在按定位精度選定的滾珠絲杠系列（磨制滾珠絲杠或軋制滾珠絲杠）中選定，在相應的精度等級及絲杠長度下，絲杠外徑的大小必須滿足所要求的軸向在標準的導程-絲杠外徑組合中選定絲杠外徑?，F(xiàn)初選外徑為50mm,型號為FFZD5006-3。3.1.6計算最大軸向載荷在一定的絲杠外徑下，絲杠有可能無法承受使用條件下的最大軸向載荷而發(fā)生彎 曲，因此還必須對初選的絲杠外徑進行軸向允許載荷校核，使絲杠直徑具有足夠的剛度，

45、保證在最大軸向載荷下絲杠不會發(fā)生彎曲變形。因此首先要計算最大軸向載荷?？壧A詞嗇適籃異銅鑑驃。計算最大軸向載荷的另一作用為：軸向載荷是汁算扭矩載荷的基礎，只有計算出軸向載 荷后才能計算扭矩載荷，而扭矩載荷是進行電機選型的重要依據(jù)。鮒簡觸癘鈄餒嬋鏘戶潑。根據(jù)力學原 理，可知各種工 作情況下 的軸向載荷 最大是加 速前進時，此時F =mg f ma =0.003 124.8 9.8220.15 124.8 0.1 = 236.30Nm-負載滑塊的質(zhì)量，kg；a負載滑塊運動的加速度，m/sT;J直線導軌副的摩擦系數(shù)，取0.003;f-導軌無載荷時的運動阻力，N;3.1.7軸向允許載荷計算計算出最大軸向

46、載荷后，就可以直接進行軸向允許載荷計算及校核了，校核的原則 為：在最大軸向載荷作用下絲杠不會發(fā)生彎曲；在最大軸向載荷作用下絲杠不會發(fā)生屈 月服。瞇毆蠐謝銀癩嘮閣蹺贋。 絲杠在不發(fā)生彎曲的前提下所允許的最大軸向載荷計算沈陽理工大學學士學位論文17這種軸向允許載荷與絲杠安裝方法、絲杠安裝間距、絲杠溝槽最小直徑等因素有關(guān)，沈陽理工大學學士學位論文18P最大軸向允許載荷，N;L-絲桿安裝間距，mm；dr-絲桿溝槽最小直徑，mm；2與安裝方式有關(guān)的系數(shù)，取1.2；絲杠在不發(fā)生屈服前提下的最大允許軸向載荷計算絲杠在不發(fā)生屈服的前提下所允許的最大軸向拉伸或壓縮載荷按以下公式計算;P2d；N = 116 25

47、2N =72500 N4B最大軸向允許載荷，N;dr-絲桿溝槽最小直徑，mm；-絲杠材料的允許拉伸壓縮應力（通常情況下為147 N/mmA2）0計算所得最大軸向載荷均遠遠小于兩個軸向允許載荷。3.1.8絲杠允許轉(zhuǎn)速計算及校核絲杠允許轉(zhuǎn)速必須滿足兩個條件：絲杠最高轉(zhuǎn)速不超過臨界轉(zhuǎn)速；絲杠最高轉(zhuǎn)速不 超過DN值。臨界轉(zhuǎn)速計算選定絲杠外徑除需要進行彎曲及屈服校核外，還必須保證絲杠在不發(fā)生共振的前提下使用。隨著絲杠轉(zhuǎn)速的提高，逐漸接近絲杠固有頻率時，滾珠絲杠機構(gòu)會發(fā)生共振而 不能使用。計算公式為:d：410 N,2 竺 10：N= 52083N300沈陽理工大學學士學位論文19該固有頻率與絲杠的個臨界

48、轉(zhuǎn)速對應，而絲杠的外徑與此固有頻率密切相關(guān)， 因此需要進行校核，確保絲杠在固有頻率（臨界轉(zhuǎn)速）以下運行，即絲杠最高轉(zhuǎn)速不能 超過其臨界轉(zhuǎn)速。閔屢螢馳鑷雋劍頌崗鳳。臨界轉(zhuǎn)速的計算公式為：602E 103Jn,：2-，-：0.8 =3257r/min12二L2IAn,-臨界轉(zhuǎn)速，r/min；E楊氏彈性模量（通常情況下絲杠材料的E =2.06 105N/mm2）；J-絲桿斷面與轉(zhuǎn)動慣量有關(guān)的參數(shù)，Jdr4，mm464?絲杠材料的密度（7.8 106kg/mm3）；A絲杠溝槽最小直徑所在剖面的面積，Ad；mm2；4與安裝方式有關(guān)的系數(shù)，取1.875；DN值絲杠允許轉(zhuǎn)速除不得超過臨界轉(zhuǎn)速外，還必須不超過

49、DN允許值所謂DN值是指絲杠公稱直徑（即滾珠中心位置所在圓的直徑）D與絲杠轉(zhuǎn)速N的 乘積。絲杠轉(zhuǎn)速N增大時，絲杠公稱直徑必須減小，絲杠公稱直徑太小又會造成系統(tǒng)剛 性差、易變形、影響加工精度等問題。此外，過度提高絲杠的轉(zhuǎn)速N還會引起絲杠發(fā)熱、 機構(gòu)共振等問題，國際上一般DN70000-100000,少數(shù)制造商（例如口本NSK公司、 德國Bosch公司）已將DN值提高到150000。具體大小參照制造商提供的數(shù)據(jù)， 通常的 設計規(guī)范為：檁傷葦開閾燈傘饉諧糧。磨制滾珠絲杠及軋制大導程滾珠絲杠：DN70000軋制滾珠絲杠：DN50000沈陽理工大學學士學位論文203.1.9壽命計算及校核即使是合理地設計

50、、選用滾珠絲杠機構(gòu)，經(jīng)過一定時間的運行后，滾珠絲杠機構(gòu)都 會因為磨損而不能繼續(xù)使用，從開始使用直至不能使用前的使用時間稱為滾珠絲杠的壽 命。造成滾珠絲杠壽命有限的原因除磨損造成的精度下降外，還有因為疲勞造成的疲勞 壽命，工程上主要以滾珠絲杠的疲勞壽命來推算其額定壽命。鄭餼腸絆頎鎦鷓鮞嚶錳。滾珠絲杠的疲勞壽命可以由實際運行時間來表示，計算公式為：Lh壽命時間，h;C基本動額定負載，N;Pm軸向平均負載，N;Nm-平均轉(zhuǎn)速，r/min；Fw-運行系數(shù)，正常運行時fw=1.2-1.5；壽命計算大于一般數(shù)控機床的使用壽命標準時間20000h,符合條件。3.2 電機的選型由于滾珠絲杠機構(gòu)一般都用于精密的

51、進給機構(gòu)，所以在使用滾珠絲杠機構(gòu)時，通常 都通過伺服電機或步進電機進行驅(qū)動其中伺服電機驅(qū)動一般應用在要求高精度、高效 率、高可靠性的運動控制場合，而步進電機驅(qū)動一般應用在要求比伺服電機稍低的場合 使用伺服電機或步進電機時，電機的選型方法和要求又有所區(qū)別。這里我們選用伺服電 機。棄鈾縫遷馀氣鰷鸞覲廩。3.2.1轉(zhuǎn)速的計算電機的轉(zhuǎn)速必須能夠滿足負載最高工作速度的需要，即在電機額定轉(zhuǎn)速下，負載的 運動速度必須高于所需要的最高速度?？梢郧蟪鲭姍C所需要的最低額定轉(zhuǎn)速：Lh10610660Nm60 x3000 1236.3I.2丿4400弋20782.7h調(diào)誶續(xù)鷚髏鋮沈陽理工大學學士學位論文21隨著滾珠絲

52、杠轉(zhuǎn)速的提高，其工作頻率接近絲杠的固有頻率時將導致共振，因此一 定要在絲杠的臨界轉(zhuǎn)速以下使用。如前所述，在選定絲杠外徑時需要根據(jù)安裝條件、材 料特性、直徑等參數(shù)對臨界轉(zhuǎn)速進行計算，確認絲杠最高轉(zhuǎn)速不超過其臨界轉(zhuǎn)速，否則 必須重新選擇絲杠外徑，直到滿足要求為止。這里的額定轉(zhuǎn)速滿足條件。厲聳紐楊鱔晉頇兗蓽驃。3.2.2驅(qū)動扭矩計算因為進行電機選型時需要以電機所需的最大扭矩及扭矩的有效值為依據(jù)，所有需要對加速狀態(tài)下電機所需要的驅(qū)動扭矩進行計算。苧曖蘿藶黃邏閂巹東澤。根據(jù)力學原理，加速扭矩等于機構(gòu)總轉(zhuǎn)動慣量與角加速度的乘積，所以首先要計算 所有部件的總轉(zhuǎn)動慣量并折算到驅(qū)動電機上。總轉(zhuǎn)動慣量包括絲杠的轉(zhuǎn)

53、動慣量、工作臺 與工件的轉(zhuǎn)動慣量。鴿攝禱鋅儀憚銼嚕緡贊。等速運動時所需要的驅(qū)動扭矩TL= 22.5N m絲桿的轉(zhuǎn)動慣量2 2J 15 45 kg cm / m 1.5m = 23.175 kg cm工作臺的轉(zhuǎn)動慣量JT工作臺與工件的轉(zhuǎn)動慣量，kg m2；饅喪劉藪VmaxI。60PBi0.2 103604匯1=3000r / minJT10 = 124.85.0610-5kg m2PBI2兀沈陽理工大學學士學位論文22m工作臺與工件的總質(zhì)量，kg；沈陽理工大學學士學位論文23PB絲桿導程，mm折算到驅(qū)動電機上的總轉(zhuǎn)動慣量JL折算到驅(qū)動電機上的總轉(zhuǎn)動慣量，kg m2；JS絲桿的轉(zhuǎn)動慣量，kg m2

54、；JT工作臺與工件的轉(zhuǎn)動慣量，kg m2；電機至絲杠的減速比3.2.3計算角加速度2兀nmax2兀江4000 ccc c/2角加速度計算公式：廠209 Brad / s601160江2；-角加速度，rad/sA2；nmax-電機工作的最高轉(zhuǎn)速，r/min；t1加速時間，s。3.2.4電機所需的加速扭矩T廠JLJm二7.38 1 10_22.09二15.4 N mTa-加速扭矩，N m；Jm-電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，kg m23.2.5計算各種運動狀態(tài)下點檢所需要的驅(qū)動扭矩JLJsJT.2i23.17510-65.0610-57.38 kg m沈陽理工大學學士學位論文24加速運動狀態(tài)下的扭矩:TK二

55、TLT廠22.515.4N m = 37.9N m等速運動狀態(tài)下的扭矩：二TL二22.5N m減速速運動狀態(tài)下的扭矩：Tg二TL- Ta= 22.5-15.4N m二7.1N m加速運動狀態(tài)下電機所需要的驅(qū)動扭矩TK最大，只要以這種情況下的最大驅(qū)動扭 矩進行計算就可以了。3.2.6電機轉(zhuǎn)動慣量要求慣量比應滿足以下關(guān)系： =JL-10Jm慣量比；JL-折算到驅(qū)動電機上的總轉(zhuǎn)動慣量，kg m2；Jm-電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，kg m2。根據(jù)以上計算數(shù)據(jù)選用電機型號為松下MSMA102P1H，參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)速：3000r/mi n最高轉(zhuǎn)速：6000r/mi n額定轉(zhuǎn)矩：90N.m最高轉(zhuǎn)矩：150N.m

56、額定輸出功率：3kw慣量比：30倍以下3.3 滾珠絲杠副的支承的設計滾珠絲杠副的支承為了獲得高精度、高剛度的進給系統(tǒng)，不僅應選用高精度、高剛 度的滾珠沈陽理工大學學士學位論文25絲杠副，而且必須十分重視滾珠絲杠支承的設計。我們選擇的支撐結(jié)構(gòu)形式選沈陽理工大學學士學位論文26用一端固定一端游動的方式，它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，剛度、臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性低， 設計時盡量使絲桿受拉伸。簞嗇癲剴凈趕鉤嬙鱷鳧。自由端的軸承主要承受徑向的載荷，軸向的載荷的載荷很小，在這里我們預選角接 觸球軸承B6901ZZ來計算。頑鷲瑪濱廈峴轆庫糞糧。已知徑向負載1223.04N,軸向負載50N，額定轉(zhuǎn)速3000r/min,計

57、算公式為P = XFrYFaPr軸承負載，動態(tài)等效負載，N；Fr徑向負載，N；Fa軸向負載，N；X、丫一一系數(shù)。F50軸向負載比為0.11，查表得e值為0.3，e 500.04，所以X=1,Y=0,Fr1233.04Pr=1 1223.04 =1223.04N，再由基本額定壽命計算公式：Lh基本額定壽命，h；Cr基本動態(tài)額定負載;Pr軸承負載，動態(tài)等效負載，N；n-轉(zhuǎn)速，r/min。壽命計算大于一般數(shù)控機床的使用壽命標準時間20000h,符合條件(3.2)10=24293h660 n6盧310迸20000!603000 272i500G屮g6n8lfl1230i:.63CB0075713581

58、33E即8UC伽 086Uis.j031l&10毎 300 rumiooo12509e13區(qū)1134L&仆昭毎初（1 HIEdto, l mm0. 05 mm1600117152113:M3520001811蹣1535ElI：-402000緲Q,221330181124?74C2500315026IS21S0IS54315040001一1J56S40005600一I=一14077H= r土：不洋評黑朗漠帯* 求脅站址一圖 4.2 精度等級確定X軸需要滿足的定位精度是0.008mm/300mm,我們選擇THK公司精度等級為C2的磨制滾珠絲桿，器導程誤差范圍e= 0.007mm/300mm。綏驊懸

59、縉澀鷂禍紳撻糧。4.1.3導程的計算和選定導程表示絲杠轉(zhuǎn)動一周時螺母沿軸向移動的距離，單位：mm。導程的計算與驅(qū)動電機是否帶減速器有關(guān)，下面以典型的安裝情況電機帶減速器通過彈性聯(lián)軸器與絲杠連接（即直聯(lián)）的情況為例，說明導程的具體計算方法。假設電 機所帶減速器的減速比為i。饅鎖開鑰燜緒玨編軻錙。沈陽理工大學學士學位論文32根據(jù)導程的定義，電機所需要的轉(zhuǎn)速Nm與最大進給速度Vmax絲杠導程Pb、減沈陽理工大學學士學位論文33其中Vmax單位m/s。在Z軸中，最大進給速度是0.2m/s,選用電機的額定轉(zhuǎn)速Nm=3000r/min，使用聯(lián) 軸器直聯(lián)傳動，傳動比i=1獄質(zhì)嶇僅痺鮚潰脫幀開。根據(jù)計算結(jié)果，

60、需要選用4mm或更大導程的滾珠絲桿。4.1.4絲桿支承方式選定絲桿支承方式主要根據(jù)絲桿長度、轉(zhuǎn)速、定位精度來選定，在絲桿長度較短、轉(zhuǎn)速 較低尤其是垂直提升負載的場合則可以選用一端固定一端自由的簡單安裝方式，我們選用這種方式。鍥莧娛殫穢籩殤蕢謬蘚。4.1.5絲桿外徑選定及校核間隙絲杠外徑主要按以下條件來進行初選：在按定位精度選定的滾珠絲杠系列（磨制滾珠絲杠或軋制滾珠絲杠）中選定，在相應的精度等級及絲杠長度下，絲杠外徑的大小必須滿足所要求的軸向在標準的導程-絲杠外徑組合中選定絲杠外徑?，F(xiàn)初選外徑為50mm,型號為FFZD5006-3.4.1.6計算最大軸向載荷在一定的絲杠外徑下，絲杠有可能無法承受

61、使用條件下的最大軸向載荷而發(fā)生彎 曲，因此還速比i之間的關(guān)系為Nm103 60Pbi(4.1)PbVmaxI。6030.2 10 603000 1=4(mm)沈陽理工大學學士學位論文34必須對初選的絲杠外徑進行軸向允許載荷校核，使絲杠直徑具有足夠的剛度，保證在最大軸向載荷下絲杠不會發(fā)生彎曲變形。因此首先要計算最大軸向載荷。雜磚墳雖紜飯曇覡墾騾。計算最大軸向載荷的另一作用為：軸向載荷是汁算扭矩載荷的基礎，只有計算出軸向載荷后才能計算扭矩載荷，而扭矩載荷是進行電機選型的重要依據(jù)。軾梔嗶鑊繃瘍懔諍訝澤。根據(jù)力學原 理，可知各種工作情 況下的軸向載荷最大是加速前進時，此時F =mg f ma =0.0

62、03 540.04 9.8952.63540.04 0.1 = 1022.51Nm-負載滑塊的質(zhì)量，kg；a負載滑塊運動的加速度，m/sT;J直線導軌副的摩擦系數(shù)，取0.003;f-導軌無載荷時的運動阻力，N。4.1.7軸向允許載荷計算計算出最大軸向載荷后，就可以直接進行軸向允許載荷計算及校核了，校核的原則 為：在最大軸向載荷作用下絲杠不會發(fā)生彎曲；在最大軸向載荷作用下絲杠不會發(fā)生屈 月服。尋頭厭嗆羈陰帥讕匭贊。 絲杠在不發(fā)生彎曲的前提下所允許的最大軸向載荷計算這種軸向允許載荷與絲杠安裝方法、絲杠安裝間距、絲杠溝槽最小直徑等因素有關(guān)，計算公式為：生104N =1.2104N=5787NL290

63、02R最大軸向允許載荷，N；沈陽理工大學學士學位論文35L絲桿安裝間距，mm；dr-絲桿溝槽最小直徑，mm；2與安裝方式有關(guān)的系數(shù)，取1.2;絲杠在不發(fā)生屈服前提下的最大允許軸向載荷計算絲杠在不發(fā)生屈服的前提下所允許的最大軸向拉伸或壓縮載荷按以下公式計算；P2d2N = 116 252N= 72500N4B最大軸向允許載荷，N;dr-絲桿溝槽最小直徑，mm；匚絲杠材料的允許拉伸壓縮應力（通常情況下為147 N/mmA2）0計算所得最大軸向載荷均遠遠小于兩個軸向允許載荷。4.1.8絲杠允許轉(zhuǎn)速計算及校核絲杠允許轉(zhuǎn)速必須滿足兩個條件：絲杠最高轉(zhuǎn)速不超過臨界轉(zhuǎn)速；絲杠最高轉(zhuǎn)速不 超過DN值。臨界轉(zhuǎn)速

64、計算選定絲杠外徑除需要進行彎曲及屈服校核外，還必須保證絲杠在不發(fā)生共振的前提下使用。隨著絲杠轉(zhuǎn)速的提高，逐漸接近絲杠固有頻率時，滾珠絲杠機構(gòu)會發(fā)生共振而 不能使用。該固有頻率與絲杠的個臨界轉(zhuǎn)速對應，而絲杠的外徑與此固有頻率密切相關(guān), 因此需要進行校核，確保絲杠在固有頻率（臨界轉(zhuǎn)速）以下運行，即絲杠最高轉(zhuǎn)速不能 超過其臨界轉(zhuǎn)速。訪齣剛璽蘇濫夾趕螢憑。臨界轉(zhuǎn)速的計算公式為：沈陽理工大學學士學位論文36ni-臨界轉(zhuǎn)速，r/min；E楊氏彈性模量（通常情況下絲杠材料的 E=2.06 105N/mm2）；J絲桿斷面與轉(zhuǎn)動慣量有關(guān)的參數(shù)，Jdr4，mm464r絲杠材料的密度（7.8 106kg/mm3）；

65、A絲杠溝槽最小直徑所在剖面的面積，Ad2mm2；4-與安裝方式有關(guān)的系數(shù)，取1.875；DN值絲杠允許轉(zhuǎn)速除不得超過臨界轉(zhuǎn)速外，還必須不超過DN允許值所謂DN值是指絲杠公稱直徑（即滾珠中心位置所在圓的直徑）D與絲杠轉(zhuǎn)速N的 乘積。絲杠轉(zhuǎn)速N增大時，絲杠公稱直徑必須減小，絲杠公稱直徑太小又會造成系統(tǒng)剛 性差、易變形、影響加工精度等問題。此外，過度提高絲杠的轉(zhuǎn)速N還會引起絲杠發(fā)熱、 機構(gòu)共振等問題，國際上一般DN70000-100000,少數(shù)制造商（例如口本NSK公司、 德國Bosch公司）已將DN值提高到150000。具體大小參照制造商提供的數(shù)據(jù)， 通常的 設計規(guī)范為：寫韞僂諶虛鍤囈辮褻糝。磨制

66、滾珠絲杠及軋制大導程滾珠絲杠：DN70000軋制滾珠絲杠：DN1圖 5.3 草圖 3燕尾槽導軌三維繪制1、在剛剛建立的三維模型上繪制草圖并拉伸，如圖5.4沈陽理工大學學士學位論文51圖 5.4 草圖 42、繪制草圖拉伸并切除，如圖5.5圖 5.5 草圖 5沈陽理工大學學士學位論文52經(jīng)過其他步驟的制作，最后大溜板如圖5.6所示圖 5.6 大溜板5.2.2Z軸絲杠螺母的設計利用草圖來繪制絲杠螺母的外輪廓，然后進行拉伸，如圖5.7所示。沈陽理工大學學士學位論文53添加緊固件以M6圓柱頭螺釘為例，如上所說，亦可直接導入標準件。圖圖 5.7 絲杠螺母523添加軸承軸承的添加可以自行繪制也可直接調(diào)入標準件，如圖5.85245.9所示圖 5.8 軸承沈陽理工大學學士學位論文54圖 5.9 圓柱頭螺釘5.2.5 X軸滑塊的設計依舊利用草圖拉伸命令，得到大體輪廓，然后再繪制細節(jié)，如圖5.10圖 5.10 滑塊實體5.2.6絲杠的設計可以直接創(chuàng)建圓柱體， 輸入?yún)?shù)也可草圖拉伸繪制。由于螺紋在出工程圖是一般都 是簡化的，所以這里便不再繪制出螺紋。如圖5.11所示撾鉬轍魘僑絢綰來誄緊。沈陽理工大學學士學位論