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鹽城工學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 2004
0、緒論
本設(shè)計(jì)課題為：經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床橫向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 。因?yàn)槲覀儧]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)”被稱為車床的三大核心系統(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，編寫了這本《設(shè)計(jì)說(shuō)明書》， 其中，書中肯定存在著相當(dāng)?shù)囊恍﹩?wèn)題，期望領(lǐng)導(dǎo)、老師給予批評(píng)，指正。
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?！〗?jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(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)控車床改造一般選用步電機(jī)驅(qū)動(dòng)開環(huán)數(shù)控裝置。選擇時(shí)主要考慮以下性能：CPU類型、用戶容量、控制軸或聯(lián)動(dòng)軸數(shù)、設(shè)定單位、插補(bǔ)類型、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。
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
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。由于性價(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?qū)I(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?yàn)樗俣雀?，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
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η：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
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。
滾珠絲杠都用滾動(dòng)軸承支承?？捎玫臐L動(dòng)軸承種類很多。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δ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)生疲勞剝傷
所能承受的純軸向載荷稱為額定動(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）
一般情況下，F(xiàn)a可以用平均載荷Fm予以代替：
Fm= [1] （3-2）
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)）
則：Ca=Fm:2.71Fm [1] （3-3）
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==537.7N
故：Ca=2.71Fm=2.71×237.7=644.2N
(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=KKFmax
即Cmo
Cmo=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）
式中：m=20×10（N/mm）
dc為公稱直徑（mm）.
d為滾珠直徑（mm）
Ls為絲杠軸的支撐距離（mm）
則： 水平安置時(shí)[n]=4
[n]—許用穩(wěn)定安全系數(shù)
F
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)速稱為臨界轉(zhuǎn)速，以Nc表示：
Nc=121 [4] （3-5）
式中：為公稱直徑；
d為滾珠直徑
為支承結(jié)構(gòu)系數(shù)
K=2.5
極限轉(zhuǎn)速n滿足：
n < 0.8Nc
Nc=121x10(20-3.175)
（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：
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：
[4] （3-7）
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)
Z’為一圈滾珠數(shù)
內(nèi)循環(huán) Z’=d0/db-(3～5)粒
d0為公稱直徑 210為滾子數(shù)
∴Kj＝0.54＝5.2×103 N/μm
、螺母支撐剛度K1：
K1＝[5] （3-8）
其中：A為螺母橫截面積
E＝2.1×105
Ln為螺母支承面至有效滾延間的長(zhǎng)度
A＝0.4×103 mm2
故，K1＝（0.4×103×2.1×105）/（1000×103）＝0.85×103（N/μm）
、絲杠軸的支承剛性Kg
當(dāng)采用圖示的支承方式：
Kg==(A*E)/（1546×108）＝0.7×103（N/μm）[10] （3-9）
滾珠絲杠副的剛度K：
因?yàn)椋?
所以K=1/( )=2.3×103 （N/μm）
（5）驅(qū)動(dòng)力矩及驅(qū)動(dòng)功率
使絲杠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所需驅(qū)動(dòng)力矩：
Ma＝（F×Ph）/（2000×π×η ） (N.m) [10] （3-10）
公稱導(dǎo)程Ph＝2.5mm
η＝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）
Mf=2.3×103×N.m
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）
W=
式中：F為軸向載荷
Ph為公稱直徑
η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)已由專門工廠生產(chǎn)，其性能尺寸見《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。直流伺服電動(dòng)機(jī)開發(fā)較早。交流伺服電動(dòng)機(jī)國(guó)外于70年代末期開始應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床。由于交流伺服電動(dòng)機(jī)沒有電刷，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)：
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：
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。
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）
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
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)。
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
0.718×10
kg.m
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：
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。
5、參考文獻(xiàn)
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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
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)了見識(shí)，也充分展示了自己的專業(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)明書的書寫等設(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。
最后，向在設(shè)計(jì)期間給予關(guān)心指導(dǎo)的沙愛民老師謹(jǐn)以最誠(chéng)摯的謝意！同時(shí)也謝謝幫助我的同學(xué)。
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
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