1、三江學院本科生畢業設計（論文）題 目 數控磨床y軸結構設計_ _ 高等職業技術 院（系） 機械設計制造與自動化 專業學生姓名 錢明懷 學號 g105152025_ 指導老師 沈仙法 職稱 講師_ 指導老師工作單位 三江學院_ 起訖日期 2013 年 12月 16號2013 年 4月 7號_ 摘 要機械制造中最常用的加工方法之一。隨著高速磨削和強力磨削工藝的發展，進一步提高了磨削的效率。磨床因為加工用途越來越廣而且在日常加工中容易實現自動化，從而使得金屬切削機床使用范圍日益擴大，所占的比重不斷上升，從而讓金屬切削機床在發達國家占了25%以上。本文介紹數控磨床y軸結構的系統進行設計，它包括了進給伺

2、服系統以及導軌和底座的設計。在目前的生產生活中它不僅能有效地增加生產效率而且還能減少勞動時間，通過這種方式就能減少生產成本，所以在生產生活中大量的使用這種設備，是一種很好的減少成本的方式，因此磨床的研究從來都是很重要的任務，因為磨床的規模化，在加工和設計者的面前，將會出現很多的難題，為了趕上先進的生產水平，我們只能不斷的優化加工設備。關鍵詞：磨削：機床：進給伺服系統abstractone of the most commonly usedmethod of processingmachinery manufacturing. with the development ofhigh speed

3、grindingandgrindingprocess,to further improve thegrindingefficiency.grindingin machiningand easy to realizeautomation,thusgrindingapplicationsmore widely,the increasing scope of the use,in themetal cutting machine toolsaccounted forthe proportion rising,in the industrialdeveloped countriesaccounted

4、for more than25% ofmetalcutting machine tools.this paperintroduces thesystem of ncgrinder yweekstructuredesign,it includes thefeed servosystem anddesignguideand base.to present in the industrialproduction more than he can not onlyreduce the machining process can effectively reduce the processingtime

5、,socan greatlyreduceprocessing cost,so it has goodreference value in theextensive use ofsuchequipment,and grinderresearch has beena veryimportant task,withthemore commongrinding machine,more and more difficult problemswill facein front ofthe designersand processors,wemust constantlyimprove theproces

6、sing facilitiesto catch up with theinternational industrylevel.keywords：grinding;machine tool; servo system目錄第一章 概論1.1數控機床的產生與發展11.2 何謂數控機床11.3 數控機床的應用范圍11.4 數控機床的基本組成21.5 數控機床的分類21.6 數控機床的工作過程21.7 數控機床的特點21.8 磨削概論31.9 數控磨床32.1提高y軸的結構剛度的設計52.3提高靈敏度63.1 進給伺服系統的作用73.2 進給伺服系統的設計要求73.2.2 進給伺服系統的設計要求83.5

7、給伺服系統的數學模型93.5.1 數控機床的位置調節系統93.5.2 進給伺服系統的數字模型103.6 進給伺服系統的動態響應特性及伺服性能分析103.6.1 時間響應性103.6.2 頻率響應特性103.6.3 穩定性分析113.6.4 快速性分析113.6.5 伺服精度113.7.1. 選用伺服電動機123.7.2選用交流伺服電機133.8 機械傳動部件的設計144.1 y軸底座設計204.1.1 y軸底座結構的基本要求204.2 導軌設計214.2.1對導軌的要求214.2.2 滑動導軌214.2.3 貼塑滑動導軌224.2.4 導軌結構224.2.5 導軌設計224.2.6導軌的材料2

8、35.1 交流伺服電機驅動電路245.2 越界報警24 三江學院2014屆本科生畢業設計（論文）第一章 概論1.1數控機床的產生與發展 隨著科學技術和社會生產的發展，機械產品的形狀和結構不斷改進，對零件加工質量的要求越來越高。為了保證產品的質量，提高生產率和降低成本，要求機床不僅具有較好的通用性和靈活性，因此產生了數控機床。1952年，美國麻省理工學院勝利制出一套三坐標聯動，使用脈動乘法器的實驗性數控體系，并把它裝在一臺立式銑床上。那時用的電子元件是電子管，這就是世界上的第一臺數控機床。1959年，數控裝配中廣泛選用電子管和印刷電路板，從而跨入數控的第二代。1965年，涌現了小規模集成電路，因

9、為它體積小、功耗低，使數控系統的可靠性可以進一步提升，之后數控發展到第三代。1970年，在美國芝加哥國際機床博覽會上首次展出的數控系統選用計算機數控系統的機床，這就是數控的第四代。1974年，涌現了第五代數控系統（mnc微處理機控制系統）。 我國是從1958年入手研制數控技能的，60年代針對壁錐、非圓齒輪等復雜形狀的工件研制出了數控機床。70年代針對航空工業等加工復雜形狀零件的需求，生產了40多種數控機床。目前我國除具有設計與生產常規的數控機床還生產出了柔性制造系統。我國的機床數控技術已經進入了一個心的發展時期。預計在不遠的就愛你過來，我國將會趕上和超過世界先進國家的水平。 1.2 何謂數控機

10、床 數控機床是一種微電子技術，歸納利用計算機科技、自動控制技術、精密測量技術以及機床結構制造方面的最新成果和發展高效的自動化機床精度，是一種典型的機電一體化產品。它是機械加工自動化的核心設備。 1.3 數控機床的應用范圍 應用范圍：小批量（200 件以下）而又生產多次的零件在加工過程中必須進行多種加工的零件幾何形狀復雜的零件切削余量大的零件必須控制公差（即公差范圍?。┑牧慵に囋O計經常變化的零件加工過程中的錯誤會造成嚴重浪費的貴重零件需要全部檢測的零件 1.4 數控機床的基本組成 如圖所示： 1.5 數控機床的分類 1.按工藝用途分類：數控磨床、數控銑床、數控折彎機等 2.按控制類型的方式分類

11、： 點對點控制數控機床（如：數控坐標數控銑床、數控鉆床）；直線控制的數控機床（如：加工中心、數控車床）；輪廓控制的數控機床（如：數控磨床） 3. 伺服系統類型分為三類：開環、閉環、半閉環三類數控機床 次設計數控磨床屬于金屬切削，半閉環輪廓控制數控機床。 1.6 數控機床的工作過程 在上述工作過程中，數控機床用戶實現的主要工作是過程分析和數控編程的需求（手工編程，自動編程，計算機輔助編程三種方法），并存儲在存儲介質上的程序。 1.7 數控機床的特點 數控機床是一種高自動化、高柔性的數控加工設備，所以有以下特點： （1）適應范圍廣 （2）生產準備周期短（3）生產效率和加工精度高 （4）工序高度集中

12、（5）能完成復雜型面的加工 （6）技術含量高 1.8 磨削概論 砂輪等凝結的磨具進行加工的過程就是磨削，是機械加工的重要方法。從而今掌握的先進技術的情形來看，美國、俄羅斯、德國、英國和日本等國度居于前沿。我國的磨削技術在開國后得到了很大的成長，如今已門類比較完全。和其它加工方法相比，磨削具有以下特點：（1）獲得高精度（2）處理可以適用于各種材料的不同特性（3）可獲得較高的生產率（4）適應性廣1.9 數控磨床 本次設計的數控磨床主要是對y軸的床身結構、工作臺、絲杠等機械部分的設計。機械部分如下：1 、可以三軸聯動的經濟型的數控機床是數控磨床。 使用三軸聯動來控制動作砂輪與工件之間相對運動，通過改

13、換不同的類型的砂輪來滿足各種不同的類型的外形尺寸的需求。能夠精確高效的完成平面內各種繁雜弧線的零件的自動加工。更能實現繁雜曲面的加工，且得到高的精度。數控加工無模具，可以保證加工精度，提高勞動生產率，具有很高的性能價格比。磨床是一個中型的磨具，適用于加工企業的模具，成型零件。 2、y軸的基本參數 表1-1 y軸參數名稱參數工作臺寬度長度420mm300mm工作臺y軸行程300mmy軸快速移動速度都為10m/miny軸電機70sl5a2交流伺服電機3、機床的傳動系統 進給傳動圖及說明 進給傳動圖參看傳動系統圖。y軸的進給伺服系統如圖所示。滾珠絲杠由電壓調速交流伺服電動機帶動，無級調速，功率為1.

14、4kw。y軸的進給速度均為1400mm/min?？煲扑俣榷紴?0m/min。由數控指令經由計算機調動伺服電機，任意兩個軸都可聯動。 圖1-2 傳動系統圖第二章 y軸結構設計我設計的磨床的y軸結構包括:系統設計(程序段格式設計、系統的整體設計、數控裝置的功能設計、元件和部件設計);邏輯設計(控制器設計、電路設計和運算器設計)。普通機床和數控機床的功能設計之間有很大的區別.數控機床的結構設計能夠總結為以下幾個方面: (1)具備很大的切削功率、高的靜態和動態剛度以及良好的抗振性能； (2)具備幾何精度高、定位精度高、傳動精度高和良好的熱穩定性； (3)具有自動化輔助操作的結構組件的實現。 2.1提高

15、y軸的結構剛度的設計 機床的剛度是指切削力和其余力作用下,抵擋變形的能力.我設計的磨床需要靜剛度較高和動剛度較高。 磨床在磨削過程當中，在磨削過程中的磨削，運動部件和零件加工質量的靜承載力；動態軸承的摩擦阻力，在切削力，慣性力。機床結構件會變形，在這些力的作用下，使工件的加工誤差。為了使機床實現結構剛度高，獲得合格的工件，為后續的結構設計的需要：1.構件的結構形式的選擇 (1)選擇截面的形狀和尺寸相同的截面形狀，同時保持相同的橫截面面積，應減少臂粗，增加剖面，使機床床身支承構件制成的腔。方形截面的抗扭剛度比圓形的要小，圓形截面的抗彎剛度要比方形的要小，因此軸等承受扭轉載荷的零件必要做成圓形，床

16、身等承受的彎曲載荷的部件必要做成方形。不封閉式截面的剛度比封閉式截面的剛度小的多，于是采用封閉式床身。 (2)構件的局部剛度 引導和支持磨床連接構件的剛度，是最弱的部分，于是聯接方式對局部剛度有很大的影響。在我的設計中， x軸導軌較，所以用雙臂聯接，用于改善局部剛度。 (3)采用焊接結構的構件機床的所有支承件用鋼板和型鋼焊接而成，減小了質量和提升剛度等明顯特點。 使用鋼板和型鋼而不使用鑄件： 鋼的彈性模量兩倍于是鑄鐵，如果外形和輪廓尺寸相同情況下，需要焊接件剛度和鑄件的剛度也必須相同，鋼板和型剛的焊接件壁厚需求鑄件的一半就可以滿足要求。 只要局部地方的剛度相同，只需局部剛度和臂厚的三次方成正比

17、，鋼板和型剛的焊接件的臂厚只要鑄件的百分之80左右。 鋼能夠增加構件的諧振頻率，不易發生共振。 鋼板焊接能將其做成全封閉箱，提高剛度。2.2提高y軸底座的抗振性的措施 機床的抗振性是為了抵抗強迫振動和自激振動這兩種振動。 改善和提高抗振性能應該有以下幾點： 1、縮小底座里面的振源 裝配在一起的旋轉部件，應當確保同軸，并且去除傳動間隙，使用平衡裝置和降低往復運動件的重量，以消減可能的激振力，裝在底座上的電機需隔振安裝。 2、提高靜態剛度 提高靜態剛度從而提高零件或系統的諧振頻率，可以避免發生共振。但如果提高靜態剛度而引起了構件質量的加多，會使共振頻率發生騙移，這是不利于設計的。因此，重點應放在提

18、高單位質量的個剛度。 2.3提高靈敏度 該數控磨床y軸經過數字信息來控制刀具與工件的相對運動，它需要在相當大的進給速度范圍內都能夠達到比較高的精度，是以運動部件應當具備較高的靈敏度。導軌部分使用貼塑滑動導軌，以減少摩擦力讓其在低速時無爬行現象。工作臺的移動使用支流伺服電機驅動，經滾珠絲杠傳動，消減了進給系統所需要的驅動扭矩，使得運動精度和運動平穩性提高了。 第三章 進給伺服系統結構設計3.1 進給伺服系統的作用 伺服系統接收數控裝置發出的進給脈沖或者進給位移量，并把它變更成模擬量 ( 如電壓、轉角、相位等)，經功率放大后從而驅動工作臺，使工作臺依照精確的定位或根據規定的軌跡作相對運動，從而能加

19、工出合適于精度要求的零件。因此，伺服系統的性能也是決定數控機床的加工精度、加工表面質量、生產率和機床的可靠性的關鍵之一。 3.2 進給伺服系統的設計要求 3.2.1 對進給伺服系統的要求 帶有數字顯示的進給驅動系統都屬于伺服系統。進給伺服系統不光是數控機床的一個主要組成部分，同樣也是數控機床與一般機床不同的一個特殊機構。數控機床對于進給系統的性能指標可分為：定位精度高；跟蹤指令信號的響應要快速；系統的穩定性要好。 1、穩定性 穩定的系統，即系統在輸入量的變化、啟動狀態或外界不穩定作用下，其輸出量經由幾次衰減振蕩后，能快速地穩定在新的或原有的穩定狀態下。它是伺服系統可以舉行正常工作的基本條件。它

20、蘊含絕對穩定性和相對穩定性。 進給伺服系統的穩定性以及系統的慣性、剛度、阻尼和系統增益都有相關。得當采取系統的機械參數（主要的有阻尼、剛度、諧振頻率以及失動量等）和電氣數據，從而使它們擁有最佳互配，是進給伺服系統的設計的目的之一。 2、精度 所謂進給伺服系統的精確度就是指系統的輸出量復線輸入量的切確程度，也就是準確性。它包含動態誤差，即瞬態過程中呈現出的偏差；穩態誤差，即瞬態過程結束后所存在的偏差；靜態誤差，也就是元件誤差和干擾誤差。 3、快速響應特性 所謂的快速響應系統是指系統對指令輸入信號的反應速度及瞬態過程停止的迅速程度。它包括系統的響應時間，加速傳動裝置的能力。該系統直接影響機床的加工

21、精度和生產率。使該系統的響應速度更快，從而讓加工效率越高，軌跡和精度更高。但響應速度過快會使系統出現超調，嚴重的會引起系統的不穩定。因此，應該選擇合適的快速響應特性。 該數控磨床y軸使用輪廓控制，因此要求高的定位精度外，還要求很好的快速性同時還有形成輪廓的各運動坐標伺服系統動態能力的一致性。該數控磨床使用的是閉環控制型式，對于閉環系統主要是穩定性問題。 3.2.2 進給伺服系統的設計要求 機床的位置調節會對進給伺服系統提出很高的要求。其中在靜態設計應該： 1. 能夠克服摩擦力和負載： （1）很小的進給位移量； （2）高的靜態扭轉剛度； （3）足夠的調速范圍。 2. 進給速度均勻，在速度很低時沒

22、有爬行現象。 3. 在動態設計方面的要求有： (1) 具有良好的加速和制動轉矩，從而完成啟動制動過程； (2) 具有良好的動態特性來保證高精度和良好的表面質量的軌跡(3) 負載引起的軌跡誤差盡可能的?。?4. 機械傳動部件的設計要求有： (1) 被加速的運動部件具有小的慣量；(2) 高的剛度；(3) 良好的阻尼；(4) 傳動部件在拉壓剛度、扭轉剛度、摩擦阻尼特性和間隙方面盡可能小的非線性。3.3進給伺服系統的組成圖3-1 伺服系統的組成3.4進給伺服系統的分類按控制方式不同分為開環系統、半閉環系統和閉環系統.該次設計的數控磨床y軸采用閉環系統。 a) 采用閉環系統的原因： 1 . 安裝在桌子上

23、的閉環系統檢測裝置，由于閉環系統可以自動補償系統誤差，控制精度高（0.0010.003mm）快速的性能，但成本高，而該數控磨床要求進給精度為 0.001 mm，為了滿足設計要求，采用閉環系統。2.開環系統雖然具有結構簡單、工作可靠、造價低，但是沒有位置反饋環節，會使得定位誤差不能調節，其控制精度（0.01mm 0.02 mm）和快速性不好。無法滿足該數控磨床的要求,所以不采用開環系統. 3. 半閉環系統檢測裝置安裝在滾珠絲杠軸和電機軸其中一端。因為檢測元件檢測的反饋信號不包括從絲杠軸到工作臺間傳動鏈的誤差，是以這部分誤差無法到自動補償，精度比閉環系統的精度要低，同時也不滿足該數控磨床的要求，所

24、以不采用半閉環系統。 b) 閉環系統的組成原理 機床數控裝置中產生的指令信號和工作臺末端測量得到的實際位置反饋信號進行對比，按照其差值持續控制運動，進行誤差修正，直到差值在誤差容許的范疇之內為止。采用閉環系統控制可以消除因為運動部件制造中存在的精度誤差從而給工件帶來的影響，因此得到很高的加工精度。個部分的關系如下圖所示： 圖3-2 閉環系統的組成原理3.5給伺服系統的數學模型 3.5.1 數控機床的位置調節系統 數控機床的位置調節技術保證被零件加工的尺寸精度和形狀精度。其位置調節系統如圖所示： 輸入參數的產生和位置調節器的功能可用計算機完成,從而構成一個數字位置調節系統。進給驅動部件可以是電氣

25、的或是液壓的,分別稱為電氣驅動部件和液壓驅動部件。該數控磨床y軸使用電氣驅動，包括了從定值的輸入到電機的輸出。從電機的輸出通過機械傳動到工作臺，這稱之為機械傳動部件。 3.5.2 進給伺服系統的數字模型 在位置環的調節上有模擬式和數字式，或者說有連續控制方式和離散控制方式。機床的數控系統是由一臺計算機作為調節器，根據采樣模式工作的，屬于離散控制方式。這種系統精度高，動態性能高，可充分使用計算機的快速運算功能和保存功能，使得進給伺服系統永遠處于最好工作狀態。另外，因為計算機作為調節器，是以調節系統擁有很大柔性。 3.6 進給伺服系統的動態響應特性及伺服性能分析 3.6.1 時間響應性 進給伺服系

26、統的動態特性，根據不同的描述方法，分為時間和頻率響應特性時間響應特性是反映系統對迅速變化的指令是否可以迅速跟蹤的特性，它由瞬態響應和穩態響應兩個部分組成。該系統包含多個儲能元件，所以當輸入量傳輸到系統時，系統輸出不能立刻按照輸入量的變化，要在系統達到穩定之前體現為瞬態響應過程（或叫過度過程）。穩定響應是指加入時間t趨向無窮大時系統的輸出狀況。如果在穩態時，輸出與輸入無法完全一致，那么就認為系統有穩態誤差。 系統的時間響應特性不但決定于系統結構、性能（如一階系統和二階系統就不同），并且也決定于輸入信號的種類，且隨加工目標的不同和切削用量的不同而轉變。尤其考慮到啟動、停車、正反方向等控制情況，各坐

27、標軸速度信號的變化極為復雜。 3.6.2 頻率響應特性 時間響應特性是從微分方程出發，研究系統響應隨時間的變化規律，即在已知傳遞函數的情況下，從系統在節躍輸入及斜坡輸入期間響應速度及振蕩過程的狀況中來獲得動態特性參數。但是在許多情況下，傳遞函數模糊，所以只能通過實驗方法獲得動態特性的。所謂頻率響應特性，便是系統對正弦輸入信號的反映，即它是通過考慮系統對正弦輸入信號響應的規律來獲得它的動態特性。由于頻率特性和傳遞函數有著密切的關系，所以在工程中的應用越來越多。可以從頻率響應數據擬合成傳遞函數從而建立數學模型。 3.6.3 穩定性分析 對控制系統的基本要求是工作的穩定性。只有穩定的工作才能進一步探

28、討性能指標。系統的穩定受多種因素的影響，其中包括機械傳動部件的慣性、阻尼、剛性和傳動比。為考察機械傳動部件的參數對系統穩定性的影響，根據穩定判斷式編制計算程序。 3.6.4 快速性分析 所謂快速性分析是指分析系統的快速響應性能，快速性反映了系統的瞬態質量。 解釋系統快速性的方法不少，有直接求解法、間接評價法以及計算機模擬法等。直接求解法較為麻煩，且難以得到系統結構和參數對于瞬態質量的影響規律；計算機仿真十分簡便，而且還能適用于復雜系統結構、多變量系統以及非線性系統等某些難以得到數學模型的系統，但是它需要一套軟件以及上機條件。間接評價法，方法比較簡單，而且能明顯地看到系統結構以及參數對于瞬態質量

29、的影響，所以廣泛地運用在系統分析和設計。 關于線性進給伺服系統，因為它包含各種電路、機電轉換裝置以及機械傳動機構，系統各個環節都有時間常數，對于高頻信號不能及時反應，僅僅是一個低通濾波器。這類系統的通頻帶寬，對高頻信息響應速度快，是以從開環頻率特性圖看，應該要提高閉環回路的響應速度。 為了使得進給伺服系統擁有良好的伺服性能（穩定、快速），外國文獻對于機械傳動部件要求很高的諧振頻率，但是對于這些數據沒有進行理論分析。有的作者認為：在電氣伺服系統中，可控硅電源和支流馬達特性引發的諧振是使得伺服系統性能限制的因素。但是實際上由于機械傳動部件不是剛性，常常達不到很高的諧振頻率，而且阻尼又低，很可能因此

30、成為提高伺服性能的限制因素。 3.6.5 伺服精度 伺服精度的大小用誤差的大小來平衡，常講的伺服誤差是伺服系統穩態時的指令位置和實際位置的差，它反映系統的穩態質量。 理想的伺服系統是在任何時刻輸出和輸入都是同步的，沒有誤差，然而這是不可能的。形成不同步的原因有很多，系統因為本身動態特性，外加負載以及內部擾動等等都可能造成實際位置與指令位置的偏移。 想要求出伺服誤差，一定要分別求出系統在輸入信號以及外加負載等等信號的共同作用下發生的輸出響應，而后按照線性系統的疊加原理將所有的響應疊加起來從而知道實際位置，然后用指令位置減去實際位置就能得到伺服誤差。 要算出進給驅動系統伺服誤差的計算表達式。要討論

31、以下幾個重要概念： (1) 速度誤差 由斜坡信號輸入產生的伺服誤差成為速度誤差。它實際上表示在一定的進速度下，系統指令位置與實際位置的偏差。 (2) 伺服靜剛度伺服靜剛度是指在外負載恒定的時候，進給驅動系統阻止位置誤差的能力，也就是說伺服馬達為了消除位置偏差從而產生的轉矩（或力）和位置偏差之比。 3.7 驅動元件的設計 驅動裝置選用交流伺服電動機。 3.7.1. 選用伺服電動機 伺服電機最大的特點是可控。在有控制信號輸入時，伺服電機就轉動；沒有信號輸入時，則停止轉動；轉變控制電壓的大小和相位，就可以靠此轉變伺服電機的速度和方向。 服電機與普通的電機相比具有以下特點： （1）調速范圍大。服電機的

32、轉動速度隨著控制電壓改變，從而能夠在寬廣的范圍內不斷調節。 （2）轉子的慣性小。從而能夠實現迅速啟動、停轉。 （3）控制功率小，過載能力大，可靠性高。 傳動生產所使用的傳動電機一般用來完成能量的轉換,要有較高的力能指標(比如效率以及功率因數率),然而控制電機則是主要為了完成控制信號的傳遞與變換,所以要求它們性能穩定可靠、動作靈敏、體積小、精度高、耗電少、重量輕。所以這是該數控磨床的電動機要求，因此，選用伺服電機。 3.7.2選用交流伺服電機 交流伺服電機可靠性較好,基本上用不著維護,價格低,而且機電時間常數小。因為該次設計的數控磨床的進給伺服系統是隨動系統，要求電動機的時間常數小，啟動和反轉頻

33、率高。所以交流伺服電機滿足要求。由于直流伺服電機結構復雜，電刷以及換向器要經常維護；由于電刷與換向器間的接觸產生火花，造成無線電干擾；由于磁滯回線的影響增加了系統的不穩定性。因此選用交流伺服電機。 1.電機轉速 nm v/h sp =10000/10=1000r/min 取電機轉速為nm=1500r/min 2.靜態轉矩m st m st = mr +mmc +mz （1）摩擦力矩 導軌摩擦 fr =fvmw+mtg+fvt=0.06(200+400)9.8+1476 =441.4n fv 摩擦系數0.06; mw 工件質量; mt 工作臺質量; g重力加速度; fvt 垂直于導軌的切削力。

34、折算到滾珠絲杠上的摩擦力矩m rsp 為： mrsp=frhsp2=702.8n絲杠螺母傳動摩擦 絲杠螺母傳動的摩擦耗損可通過傳動效率sp 來表示 sp=11+0.02dsphsp=0.94dsp滾珠絲杠直徑32mm hsp滾珠絲杠導程10mm將以上各種摩擦力矩綜合起來，得到折算到電機軸上的摩擦力矩mr ，對于絲杠螺母傳動：mr=fvmw+mtg+fvthsp2sp=702.8/0.94=747.7n（2）切削力矩mmc=fmchsp2sp=15001023.140.94=2500（3）重力矩 由于工作臺水平，不會引起轉矩，所以不需要計算mz 通過以上計算可知 mst=mr+mmc+mz=74

35、7.7+2500.=3247.7nmm 有轉速和計算出的靜力矩，可以利用伺服電機的轉速圖來選擇電機。結果如下： 型號：70sl5a2勵磁電壓：220v控制電壓：220v額定轉速：1500r/min最小啟動轉炬：1800gcm空載轉速：2700r/min時間常數：0.015s重量：2000g 3.8 機械傳動部件的設計 一臺機床所具備的加工精度、工件表面粗糙度以及生產率是有電氣驅動部件和機械傳動部件的好壞來決定的。機械傳動部件的設計好壞對于進給伺服系統的性能影響非常大。另外，要求伺服電機速度環的動特性與機械部分動特性互相協調。通過調節技術可以使得這兩部分實現很好的匹配。 對于閉環系統的設計主要是

36、穩定性的問題。 滾珠絲杠主要是要承受軸向載荷,所以除絲杠自重外,一般沒有徑向載荷,所此,滾珠絲杠副的軸向精度以及剛度要高。而且進給系統的運動要靈活，對于細小的位移響應要快速，所以，軸承的摩擦力矩盡量的要小。滾珠絲杠轉速不高，而且高速運轉時間短，所以，發熱不是問題。 軸承采用60 o 接觸角推力角接觸球軸承,其特點如下： 接觸角大，保持架是用增強尼龍注塑成型的。臂薄，所以可容下較多的鋼球，因此軸向承載能力較大，剛度大。 能承受軸向和徑向載荷，可以簡化軸承支座結構。 根據載荷情況可以進行組合。 啟動摩擦力矩小，從而降低滾珠絲杠副的驅動功率，進而提高進給系統的靈敏度。 該數控磨床的機械傳動部件設計方

37、案，采用交流伺服電機與滾珠絲杠直接相聯的裝置圖3-3 傳動部分設計圖1 交流伺服電機 2.十字滑塊聯軸器 3.滾珠絲杠 4.螺母和螺母座 滾珠絲杠的設計計算:已知數據:工作臺重量: m1=400kg工件最大重量: m2=200kg工作臺最大行程: l=300mm工作臺滑動導軌摩擦系數: =0.06絲杠副的壽命:lh=10a 工作的可靠性: 96%切削方式和定位精度: 磨削(輪廓控制),定位精度0.01/300mm絲杠兩端是固定支承,每個支座要安裝兩個60 o 接觸角推力角接觸球軸承,要背靠背安裝,并且進行預拉伸。表3-1 磨削參數磨削方式縱向切削力fa/n速度v/m.min1時間比例q%強力磨

38、削2000 0.6 15 一般磨削10000.830 精密磨削500 1 50 快速移動0 10 5 設計計算步驟: 1. 絲杠載荷: 導軌摩擦力fu=(m1+m2)g=0.06(400+200)x9.8 =0.06(400+200)x9.8=353n 強力磨削時載荷famax=2000+353=2353n 一般磨削是載荷fa=1000+353=1353n 精密磨削時載荷fa=500+353=853n 快速移動時載荷fa=0+353=353n 2. 電機轉速(最大) nmax=1500n 絲杠最大轉速nm=1000 r/min 強力磨削n1=60 r/min 一般磨削n2=80 r/min 精

39、密磨削n3=100 r/min 3. 絲杠導程 ph 4. 工作臺最大速度: vmax=10m/min=101000=10000mm/min ph=vmaxn=10000/1000=10 mm 5. 當量轉速 nm nm= n1q1/100+ n2q2/100+= 6015/100+8030/100+10050/100+20 3f13n1nmq1100+f23n1nmq2100+ =183r/min5.當量負荷fm=388156969+446943875+233327247+16536458=706n 6.初選滾珠絲杠 (1)計算動負荷caj=khfm/knf=3.9706/0.560.385

40、=12770n (2)要求壽命lh 壽命lh=300(日)0.6(開機率)16(h)10（年）=28800h 由壽命系數 kh=lh50013=3.9 轉速系數 kn=33.3nm13=0.56(3)綜合系數 影響滾珠絲杠副壽命的綜合系數: ftfhfafkfu=0.8110.531.1=0.385(4)滾珠絲杠副 cmd3210-2.5 額定動負荷ca=25909ncaj=12770n 預緊力fo=0.25ca=6477n1/3fmax=2353/3=784n 可見初選的滾珠絲杠符合設計要求。 7. 絲杠螺紋部分長度 lu lu=工作臺最大行程(300)+螺母長度(129)+兩端余程lu=3

41、00+129+252=479mm8.支承距離 l 支承距離llu=479mm 因此取l=700m9.臨界轉速校核 (1)絲杠底徑d2=d0-1.2dw=32-1.26.35=24.4mm=0.0244m取25mm (2)支承方式系數 查表 f2=4.73 (兩端固定) (3)臨界轉速計算長度lc=129/2+300+(700-479)/2+40=500mm=0.5m 臨界轉速nc=9900f22d2le2=99004.7320.02440.52=21617r/min 可見ncnma 所以符合要求10.壓桿穩定校核 兩端固定支承,所以絲杠不受壓縮,不必校核穩定性。11.預拉伸計算 設溫升為 3.

42、5 0 c (1)溫升引起的伸長量t =tlu =11106 3.50.59=22um (2)絲杠全長伸長量tz =11106 3.50.7=27um (3)預緊力 ft=510-640.024420.5092.11011=459n12.軸承選擇 (1)軸端結構 采用e型和f型 (并排)軸端 (2)軸承型號主要尺寸和參數 軸承型號為7602020tvp 查表 得:d=20mm d=47mm b=14mm z=15 dw=5.953 ca=19600n (3)預緊力確定 預緊力fo=2300n 軸承的最大軸向載f max=ft+fmax/2=459+2353/2=1636n 由于fof max/

43、3=1636/3=545n 所以,符合要求. (1) 疲勞壽命計算 khknf=3.110.56459由軸承動負荷計算公式來校核得 c=2549n 因為進給方向是可變的，負荷可能是（ft+fm/2）與（ft-fm/2），兩者機會相等，取平均值f=459nkn=0.56 取 lh=1500h 則 kh=3.11初選 7602020tvp 參數如下：d=20mm d=47mm b=14mmdw=5.953 ca=19600n fo=2300n可見 額定動負荷ca=19600計算動負荷c=2549所以，軸承滿足壽命要求。13.定位精度校核 (1)絲杠在拉壓載荷下所產生的最大彈性位移s max=fl4

44、ae=1.3f440.024422.11011106=0.0033f 快速移動時f=353n , s max =1.2um 強力,磨削時f=2353n , s max =7.8um 精密磨削時f=853n , s max =2.8um (2)絲杠與螺母間的接觸變形c 查表得cmd3210-2.5滾珠絲杠到螺母的接觸剛度 kc=955n/um 所以得: 快速移動時c = 353/955=0.37um 強力磨削時c =2353/955=2.5um 精密磨削時c =853/955=0.89um (3)軸承的接觸變形b 角接觸軸承的軸向剛度為246n，所以 快速移動時b=353/246=1.4um；

45、強力磨削時b=2353/246=9.1um； 精密磨削時b=853/246=3.5um (4)絲杠系統的總位移 =s max+c+b 快速移動時=1.2+0.37+1.4=2.97um 強力,磨削時=7.8+2.5+9.6=19.9um 精密磨削時=2.8+0.89+3.5=7.19um (5)定位精度 s max 發生在螺母在絲杠中間時, c 和b與螺母的位置沒有關。因此以上求得的位移都是/650mm。查表得到絲杠精度等級是1級，任意300mm 的行程公差是 6 um。再加上快移時候的總位移2.97um。滿足輪廓控制定位精度0.01/300mm的條件。同理分析，可以滿足精密磨削的定位精度0.

46、02/300mm的要求。強力磨削時，可以滿足粗加工要求。 通過上面的分析計算，可以知到該滾珠絲杠符合定位精度要求。 計算結果: y向滾珠絲杠副型號：cmd3210-2.5-1/760479 cmd型外插管埋入式雙螺母墊片預緊滾珠絲杠副: 公稱直徑32mm,基本導程10mm,循環圈數(列數圈數) 12.5 y軸 兩端支承均為e、f型 軸承型號均為 7602020tvp 60度接觸角推力角接觸球軸承 圖3-4 絲杠三維模型第四章 底座與導軌4.1 y軸底座設計 4.1.1 y軸底座結構的基本要求 底座是整個y軸的基礎支承件,一般都是用來放置導軌等重要部件。為了滿足數控機床高速度、高生產率、高可靠性

47、、高精度和高自動化的要求，同時與普通機床相比，數控機床要有更高的靜、動剛度，以及好的抗振性。底座主要在五個方面提出了要求。1.很高的精度和精度持久性 在底座上有不少安裝部件的加工面和活動部件的導軌面,這些面自身的精度以及相互位置精度要求都非常高,并且要能長時間保持.此外,機床在切削加工時,全部動、靜載荷最終往往都傳到底座上，是以，底座上的受力非常復雜。為此，為確保零部件之間的相互位置或者相對運動精度，除了滿足幾何尺寸位置精度以外，還要滿足靜、動剛度、抗振性、熱穩定性等等方面的技術要求。2.應具備足夠的靜、動剛度 靜剛度 包含：底座的自身結構剛度、局部剛度以及接觸剛度，都是要采取相應的措施，最終

48、達到有較高的剛度質量比。 3.動剛度直接反映底座的運動特性，為了確保底座在交變載荷作用下擁有較高的抵御變形的能力和抵擋受迫振動和自激振動的能力，同時可以通過適當增加阻尼，提高固有頻率等等措施減少共振和因薄臂振動而產身的噪聲。4.較好的熱穩定性 對機床來講，高精度數控機床的熱穩定性已成為一個突出的問題，一定要在設計上要使整機的熱變形減小，或者使熱變形對于加工精度的影響減小。 5.高的強度和耐磨性 每每底座在抵御外負載荷而沒有超過允許的變形情況下，都是擁有足夠的強度?？墒?，關于外負載荷比較大而且變形要求不大的部位，仍然要注意其強度的情況。至于底座與活動部件相觸的部位，即導軌處，要求有優秀的耐磨性。

49、 圖4-1 y軸底座三維圖4.2 導軌設計 4.2.1對導軌的要求 對導軌的要求,納起來有下列幾點: 1.要有一定的導向精度 2.要有良好的耐磨性 3.要有足夠的剛度 4.要減少熱變形影響 5.要使運動輕便平穩 6.要有一定的工藝性 4.2.2 滑動導軌 導軌按照接觸面的摩擦情況而言.可分為:滑動導軌、滾動導軌、靜壓導軌等三大類型。該次設計的數控磨床y軸采用滑動導軌。 滑動導軌結構簡單制造方便，承載面積大，接觸剛度好，抗振性能好等一系列優點。滑動導軌通常用于定位精度不高的開環系統中，因為本次設計的伺服系統是閉環系統，所以有了反饋系統，導軌的定位精度，因為誤差進行補償從而不受影響，所以采用滑動導

50、軌。 4.2.3 貼塑滑動導軌 滑動導軌擁有結構簡單，制造方便，接觸剛度大的好處。但是傳統的滑動導軌摩擦阻力大，磨損快，動態摩擦系數差別大，低速時會發生爬行現象。所此，使用新型塑料滑動導軌。 本次設計采用的塑料導軌是聚四氟乙烯導軌軟帶。 1. 聚四氟乙烯導軌軟帶的特點 摩擦性好:鑄鐵淬火導軌副的靜摩擦系數與動摩擦系數相差較大,幾乎是相差一倍.但是金屬聚四氟乙烯導軌軟帶的靜與動摩擦系數一般不變。所以這種良好的摩擦性能可以減少低速爬行，從而使得運動平穩并且得到較高的定位精度。 耐磨性好：摩擦系數低外，聚四氟乙烯導軌軟帶材質中擁有有青二硫化鉬和石墨，因此，本身即擁有潤滑作用，對于潤滑油的供油量要求低

51、，所以使用間歇式供油即可。另外，塑料質地較軟，即使是嵌入金屬碎屑、灰塵等，也不會損傷金屬導軌面以及軟帶本身，同時可以延長導軌副的使用壽命。 減振性好：塑料的阻尼性較高，其減振消聲的機能對提高磨擦副的相對運動速度有較高的意義。 工藝性好：可降低對粘貼塑料的金屬導軌基體的硬度和表面質量要求，而且由于塑料容易加工，從而使得導軌副接觸面獲得優良的表面質量。 同時，還有化學穩定性高，維修方便，經濟性好等好處。 2. 導軌軟帶使用工藝 最初將導軌粘貼表面加工到表面粗糙度ra3.21.6，有時為了達到定位作用，導軌粘貼面要加工成0.5mm到1mm深的凹槽.使用汽油和金屬清洗或者丙酮清洗導軌粘貼面,然后用膠粘劑粘合導軌軟帶,加壓初固化12h后再合攏到配對的固定導軌上施加一定的壓力,并在室溫固化 24 h,取下去除余膠,即可開油槽以及進行精加工,因為這類導軌使用了粘貼方法,一般稱為“貼塑導軌”。 4.2.4 導軌結構 y方向使用v形導軌，這種導軌導向精度較高，導軌磨損后可以靠自重下沉自動補償。同時下導軌采用凹型的，也能便于存油，頂角采用90 o 。 4.2.5 導軌設計 該磨床作用在活動件上的推力與運動件的軸線平行。為了運