1、鄭州大學自考本科畢業論文 專業 數控技術 姓名 趙帥昌 準考證號 090111100139 論文題目立式磨床進給系統的設計 與分析 年月日目錄摘 要IAbstractII1 概述11。1 立式磨床的簡介11。2 立式磨床的特點11.3 立式磨床橫向進給系統的深入研究21.3.1 傳動系統的選擇21。3.2 研究方向和內容61.4 設計方法實現及預期目標61.4。1 滾珠絲杠螺母副71。4。2 絲杠中常用的滾動軸承81。4.3 滾珠絲杠螺母副的支撐形式81.5 交流伺服電機的選擇91.6 進給精度的保證101。7 直線滾動導軌副的選擇102 立式磨床橫向進給系統的整體設計122.1 計算進給牽引

2、力（N)122.2 導軌摩擦力的計算122。3 計算滾珠絲杠螺母副的軸向負載力132。4 確定進給傳動鏈的傳動比142.5 滾珠絲杠的動載荷計算與直徑估算142.6 最大動載荷的計算142。7 規格型號的選擇152。8 伺服電機的選擇162。9 滾珠絲杠螺母副承載能力校核173 三維造型194 床身材料的選擇及壁厚的設計214。1 對立式磨床總體研究，進行立磨總體布局機構設計214。2 立式磨床的材料及床身分析22結束語25參考文獻26摘 要立式磨床由工作臺、動力及傳動裝置、導軌基座、橫向導軌和導板臺、縱向導軌及導板、磨具及拋光輪組成。工作臺是立式的，與動力及傳動裝置相連；導板基座與工作臺相對

3、而立，橫向導軌裝配在導軌基座上,橫向導板臺套裝在橫向導軌上,兩個縱向導軌則固定在橫向導板臺上，磨具與拋光輪裝置均安裝在縱向導板上。通過操作臺控制可使磨具及拋光輪沿橫向與縱向任意移動,消除了臥式磨床工作臺水平放置所造成周邊下垂，并降低了運動阻力，節約能耗。由于適用范圍更廣、加工精度更高、功能更全面、可靠性更好等。突出的進步就是均能一次裝夾在一個工位上完成零件的外圓、內圓、端面等多個磨削表面的多工序加工,克服了重復裝夾帶來的累積誤差及輔助時間的浪費,從而達到高效率、高精度、高可靠性.【1】橫向進給系統是數控裝置和機床機械傳動部件間的聯系環節，是數控機床的重要組成部分.它包含機械、電子、電機(早期產

4、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。橫向進給的確是一個相當復雜的任務。提高伺服系統的技術性能和可靠性,對于數控機床具有重大意義，研究與開發高性能的伺服系統一直是現代數控機床的關鍵技術之一。關鍵詞 立式磨床，橫向進給，數控，傳動系統AbstractVertical grinder from the bench， power and transmission equipment, rail base, horizontal rails and the guide plate units, the vertical rails and guide, compo

5、sed of abrasive and polishing wheel。 Table is vertical， and connected with the power and transmission device； guide base and the table relative standing, grinding and polishing wheel devices are installed in the vertical guide plate。 By grinding and polishing wheels can console control along an arbi

6、trary horizontal and vertical movement, eliminating horizontal horizontal grinding table caused by peripheral sag， and reduce the movement resistance， saving energy consumption. As for the broader， higher precision, more comprehensive, better reliability and so on。 to overcome the accumulated errors

7、 caused by repeated clamping and supporting a waste of time, So as to achieve high efficiency， high precision and high reliability.個人收集整理,勿做商業用途個人收集整理，勿做商業用途Horizontal feed system is the machine tool numerical control devices and mechanical transmission connecting link between parts， is an important

8、 part of CNC machine tools. It includes machinery， electronics, motor （early product also contains hydraulic）， and other components， and relate to the strong electric and electronic control, is a more complex control systems。 Traverse is indeed a very complex task. Servo system to improve the techni

9、cal performance and reliability， highperformance servo systems research and development of modern CNC machine tools has been one of the key。個人收集整理，勿做商業用途個人收集整理，勿做商業用途Key words Vertical Grinder，Cross feed，CNC,Transmission 1 概述1.1 立式磨床的簡介 立式磨床由工作臺、動力及傳動裝置、導軌基座、橫向導軌和導板臺、縱向導軌及導板、磨具組成（如下圖1.1）。工作臺是立式的，與動力

10、及傳動裝置相連；導板基座與工作臺相對而立，橫向導軌裝配在導軌基座上，橫向導板臺套裝在橫向導軌上，兩個縱向導軌則固定在橫向導板臺上,磨具與拋光輪裝置均安裝在縱向導板上。通過操作臺控制可使磨具及拋光輪沿橫向與縱向任意移動.本發明消除了臥式磨床工作臺水平放置所造成周邊下垂，并降低了運動阻力,節約能耗。對被加工的工件研磨和拋光可在同一設備上進行，方便操作人員隨時觀察或檢驗研磨或拋光狀態。【2】在立式磨床上,工件直立安裝在卡盤中。在臥式磨床上,夾緊力必須保證工件不會落在卡盤的外面。豎直夾緊的工件只要求有足夠的夾緊力來抵抗磨削力。重力有利于磨削過程，而不是阻礙磨削。由于固定在立式磨床上只需要較小的夾緊力，

11、所以工件變形可能較少。這減小了圓度誤差的幾率。根據試驗工件得到的結果來看，立式磨床可以達到小于±0.39m的圓度誤差。圖1.11.2 立式磨床的特點立式磨床可以從事外徑、內徑和表面磨削。根據工件的形狀，這三項工作全都可以在一次裝卡內實施。當這種情況可能時，就避免了由于多次裝卡而引起的誤差。可以更精確地保持內徑和外徑之間的圓度，以及內徑、外徑與表面的垂直度。因為工件和磨削主軸是豎直的，所以實際上沒有下彎的問題要解決。機床結構本來就是剛性的.【3】立式磨床更易裝載和卸載。手工裝載和卸載無需在起動卡盤的同時支撐工件。操作者只需簡單地將工件向下安裝到卡盤中即可.使工件對中也發生得更加自然，因

12、為當卡爪閉合時沒有不均勻的重力.用起重機或機械手裝載和卸載也可能變得更加簡單,因為卡盤內的工件在回轉車或傳輸盤上具有相同的穩定定位。例如，像齒輪這樣的碟形零件可以水平向下傳送，以便拾取安裝。同樣地將它水平向下放置在磨床的卡盤內。立式磨床通常還比與其相當的臥式磨床更加小巧。立式磨床占用更多高度空間，而占地面積較少。這就在機床旁邊為自動裝載機或機械手留出了空間，使自動化成為一項更具吸引力的選擇。 用于對各種外形的金屬、非金屬薄形精密零件（軸承、閥片、密封件、油泵葉片、活塞環等)上下兩平行端面的同時磨削。機床采用立式龍門結構,上，下磨頭垂直安置于同一中心線上，剛性和熱穩定性可靠。 上，下磨頭的進給機

13、構采用伺服控制系統.磨頭主軸采用交流變頻無級調速,適應各種磨削工藝要求。 在臥式磨床上,X和Z軸的滑動面比磨削作用的點低。立式磨床將這些軸的導軌置于磨削作用點之上。磨削粉塵不會落入這些運動表面上.這減小了磨損，延長了機床的使用壽命，而保持了它的精度.【4】對立式磨床進行全方面的了解，并要熟悉其結構原理和工作原理。由于適用范圍更廣、加工精度更高、功能更全面、可靠性更好等。突出的進步就是均能一次裝夾在一個工位上完成零件的外圓、內圓、端面等多個磨削表面的多工序加工，克服了重復裝夾帶來的累積誤差及輔助時間的浪費,從而達到高效率、高精度、高可靠性。另外，更高功能數控系統的應用,各個廠家分別開發了四軸或五

14、軸的數控立式磨床，并都能實現聯動,配合金剛滾輪的應用，可以實現圓弧面、溝道、偏心孔（軸）以及其他多種復雜曲面的磨削。還有對靜壓主軸回轉工作臺以及動靜壓砂輪主軸軸系的應用,使機床的加工精度、承載力、剛性以及使用壽命都有大幅度的提高，配合變頻電機無級調速的使用，使加工過程更靈活、效率更高。1.3 立式磨床橫向進給系統的深入研究橫向進給系統是數控裝置和機床機械傳動部件間的聯系環節，是數控磨床的重要組成部分.它包含機械、電子、電機（早期產品還包含液壓）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。橫向進給的確是一個相當復雜的任務。提高伺服系統的技術性能和可靠性，對于數控磨床具有重大意義

15、,研究與開發高性能的伺服系統一直是現代數控機床的關鍵技術之一.進給傳動系統承擔了數控機床各直線坐標軸和回轉坐標軸的定位,以及切削進給系統的傳動精度、靈敏度和穩定性，它直接影響被加工件的最后輪廓精度和加工精度。進給單元包括伺服驅動部件、滾動單元、位置監測單元等.要求進給單元運轉靈活，分辨率高,定位精度高，沒有爬行，既要適合空行程時的快進給，又要適應加工時的小進給或者微進給，既要有較大的加速度，又要有足夠大的推力 ，剛性高，動態響應快，定位精度好。數控機床普遍采用旋轉電機（交直流伺服電機)與滾動絲杠組合的軸向進給方案.1.3.1 傳動系統的選擇數控機床的伺服系統是連接數控系統和機床主體的重要部分，

16、在設計中，在伺服方式上選擇最廣泛應用的半閉環方式。采用螺旋傳動，計算滾珠絲杠副尺寸規格，接著進行絲杠的校核并進行精度等驗算，根據計算的扭矩選擇伺服電機.機床進給系統采用直線電動機直接驅動與原旋轉電動機傳動方式的最大區別是取消了從電動機到工作臺（拖板）之間的一切機械中間傳動環節。即把機床進給傳動鏈的長度縮短為零。故這種傳動方式即稱“直接驅動”。帶來了原旋轉電動機驅動方式無法達到的性能指標和一定優點。但也帶來了新的矛盾和問題.它有響應速度快、 精度高 、傳動剛度高、推力平穩 速度快、加減速過程短等優點。但也存在著 滑臺要保持高剛度的同時還要輕、 環境要求、 冷卻問題、 隔磁及防護問題等。所以要綜合

17、考慮價格方面直線電機的價格要高出很多，這也是限制直線電機被更廣泛應用的原因。并且直線電機在提供同樣轉矩時的能耗是“旋轉伺服電機+滾珠絲杠”一倍以上,旋轉伺服電機+滾珠絲杠”屬于節能、增力型傳動部件,直線電機可靠性受控制系統穩定性影響，對周邊的影響很大必須采取有效隔磁與防護措施，隔斷強磁場對滾動導軌的影響和對鐵屑磁塵的吸附。 從最低速到最高速電機都能平穩運轉，轉矩波動要小，尤其在低速如0.1r /min或更低速時，仍有平穩的速度而無爬行現象。 電機應具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。一般直流伺服電機要求在數分鐘內過載46倍而不損壞。為了滿足快速響應的要求，電機應有較小的轉動慣量

18、和大的堵轉轉矩，并具有盡可能的時間常數和啟動電壓。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以內從靜止啟動到額定轉速。電機應能隨頻繁啟動、制動和反轉.隨著微電子技術、計算機技術和伺服控制技術的發展，數控機床的伺服系統已開始采用高速、高精度的全數字伺服系統.使伺服控制技術從模擬方式、混合方式走向全數字方式。由位置、速度和電流構成的三環反饋全部數字化、軟件處理數字PID，使用靈活，柔性好。數字伺服系統采用了許多新的控制技術和改進伺服性能的措施,使控制精度和品質大大提高。 所以根據對比直線電機傳動系統和滾珠絲杠傳動系統,并依據于要加工的元件和要求和設計要求,我們

19、最終選擇伺服電機+滾珠絲杠的結構（如圖1.2）。運動進給系統主要構成：大規格預負載直線滾柱導軌支撐運動部件、大扭矩伺服電機直連大直徑預負荷滾珠絲杠驅動運動部件、高精度直線光柵尺實現全閉環位置控制。傳動方式的選擇：圖1。2滾珠絲杠傳動系統是一個以滾珠作為滾動媒介的滾動螺旋傳動的體系。以傳動形式分為兩種：     （1)將回轉運動轉化成直線運動。（2）將直線運動轉化成回轉運動。 傳動效率高：滾珠絲杠傳動系統的傳動效率高達90%98,為傳統的滑動絲杠系統的24倍，所以能以較小的扭矩得到較大的推力，亦可由直線運動轉為旋轉運動(運動可逆）. 運動平穩：滾

20、珠絲杠傳動系統為點接觸滾動運動,工作中摩擦阻力小、靈敏度高、啟動時無顫動、低速時無爬行現象，因此可精密地控制微量進給。 高精度：滾珠絲杠傳動系統運動中溫升較小,并可預緊消除軸向間隙和對絲杠進行預拉伸以補償熱伸長，因此可以獲得較高的定位精度和重復定位精度. 高耐用性：鋼球滾動接觸處均經硬化（HRC5863)處理，并經精密磨削，循環體系過程純屬滾動，相對磨損甚微，故具有較高的使用壽命和精度保持性. 同步性好:由于運動平穩、反應靈敏、無阻滯、無滑移，用幾套相同的滾珠絲杠傳動系統同時傳動幾個相同的部件或裝置,可以獲得很好的同步效果。 高可靠性：與其它傳動機械，液壓傳動相比，滾珠絲杠傳動系統故障率很低，

21、維修保養也較簡單，只需進行一般的潤滑和防塵。在特殊場合可在無潤滑狀態下工作。 無背隙與高剛性:滾珠絲杠傳動系統采用歌德式溝槽形狀，使鋼珠與溝槽達到最佳接觸以便輕易運轉。若加入適當的預緊力，消除軸向間隙，可使滾珠有更佳的剛性,減少滾珠和螺母、絲杠間的彈性變形，達到更高的精度。交流伺服電機：交流伺服電機通常都是單相異步電動機，有鼠籠形轉子和杯形轉子兩種結構形式.與普通電機一樣,交流伺服電機也由定子和轉子構成。定子上有兩個繞組，即勵磁繞組和控制繞組，兩個繞組在空間相差90°電角度。固定和保護定子的機座一般用硬鋁或不銹鋼制成。籠型轉子交流伺服電機的轉子和普通三相籠式電機相同。杯形轉子交流伺服

22、電機的結構如圖312由外定子4,杯形轉子3和內定子5三部分組成。它的外定子和籠型轉子交流伺服電機相同，轉子則由非磁性導電材料（如銅或鋁）制成空心杯形狀,杯子底部固定在轉軸7上.空心杯的壁很薄（小于0.5mm），因此轉動慣量很小。內定子由硅鋼片疊壓而成，固定在一個端蓋1。8上，內定子上沒有繞組，僅作磁路用。電機工作時,內外定子都不動，只有杯形轉子在內、外定子之間的氣隙中轉動。對于輸出功率較小的交流伺服電機，常將勵磁繞組和控制繞組分別安放在內、外定子鐵心的槽內。 【5】交流伺服電機的工作原理和單相感應電動機無本質上的差異.但是，交流伺服電機必須具備一個性能，就是能克服交流伺服電機的所謂“自轉”現象

23、，即無控制信號時，它不應轉動，特別是當它已在轉動時，如果控制信號消失，它應能立即停止轉動.而普通的感應電動機轉動起來以后，如控制信號消失，往往仍在繼續轉動。當電機原來處于靜止狀態時，如控制繞組不加控制電壓，此時只有勵磁繞組通電產生脈動磁場。可以把脈動磁場看成兩個圓形旋轉磁場。這兩個圓形旋轉磁場以同樣的大小和轉速，向相反方向旋轉，所建立的正、反轉旋轉磁場分別切割籠型繞組（或杯形壁）并感應出大小相同,相位相反的電動勢和電流（或渦流），這些電流分別與各自的磁場作用產生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩為零，伺服電機轉子轉不起來。一旦控制系統有偏差信號，控制繞組就要接受與之相對應的控制電壓.在一般情

24、況下，電機內部產生的磁場是橢圓形旋轉磁場.一個橢圓形旋轉磁場可以看成是由兩個圓形旋轉磁場合成起來的.這兩個圓形旋轉磁場幅值不等（與原橢圓旋轉磁場轉向相同的正轉磁場大，與原轉向相反的反轉磁場小），但以相同的速度，向相反的方向旋轉。它們切割轉子繞組感應的電勢和電流以及產生的電磁力矩也方向相反、大小不等（正轉者大，反轉者小）合成力矩不為零,所以伺服電機就朝著正轉磁場的方向轉動起來，隨著信號的增強，磁場接近圓形，此時正轉磁場及其力矩增大，反轉磁場及其力矩減小,合成力矩變大,如負載力矩不變，轉子的速度就增加。如果改變控制電壓的相位，即移相180o，旋轉磁場的轉向相反，因而產生的合成力矩方向也相反,伺服電

25、機將反轉。若控制信號消失，只有勵磁繞組通入電流，伺服電機產生的磁場將是脈動磁場,轉子很快地停下來.個人收集整理，勿做商業用途文檔為個人收集整理,來源于網絡為使交流伺服電機具有控制信號消失,立即停止轉動的功能，把它的轉子電阻做得特別大，使它的臨界轉差率Sk大于1。在電機運行過程中，如果控制信號降為“零”，勵磁電流仍然存在,氣隙中產生一個脈動磁場,此脈動磁場可視為正向旋轉磁場和反向旋轉磁場的合成。圖313畫出正向及反向旋轉磁場切割轉子導體后產生的力矩一轉速特性曲線1、2,以及它們的合成特性曲線3.圖313b中,假設電動機原來在單一正向旋轉磁場的帶動下運行于A點，此時負載力矩是。一旦控制信號消失，氣

26、隙磁場轉化為脈動磁場，它可視為正向旋轉磁場和反向旋轉磁場的合成，電機即按合成特性曲線3運行。由于轉子的慣性，運行點由A點移到B點,此時電動機產生了一個與轉子原來轉動方向相反的制動力矩。在負載力矩和制動力矩的作用下使轉子迅速停止。必須指出,普通的兩相和三相異步電動機正常情況下都是在對稱狀態下工作，不對稱運行屬于故障狀態.而交流伺服電機則可以靠不同程度的不對稱運行來達到控制目的。這是交流伺服電機在運行上與普通異步電動機的根本區別.【6】可見，為了適應高密度、高速度的磨床發展，在以下幾個方面應重點研究：（1)減少運動部件的摩擦阻力小； (2)提高傳動精度和剛度； (3）運動部件慣量小。 a根據所給參

27、數,和一些相關資料，對立式磨床進行整體設計，在經過運動分析、受力分析、和強度校核的前提下,設計出立式磨床的主要結構和布局特點。b用AutoCAD與Pro/E設計出進給系統的結構，作出二維圖與三維圖.根據零件圖和產品裝配圖，對零件進行分析。c掌握進給系統的傳動情況,了解該系統的主要機電部件，并設計出各部件之間聯系的總體構想。d分析選用零件的特點,以各部件的尺寸精度、形狀精度、位置精度、等方面的技術要求;對全部技術要求應進行歸納整理.e確定零件的選用和配合方法。f如何保證滾珠絲杠螺母副的防護與潤滑。g分析伺服電機+滾珠絲杠與直線電機的優缺點， 并選取最優化的設計。1.3.2 研究方向和內容對立式磨

28、床的進給系統進行了解研究和設計（如圖1.3）。伺服電機+滾珠絲杠的結構的進給傳動系統的主要機電部件有：(1)運動部件（如工作臺、導軌、橫梁、立柱等）;（2）伺服電動機；（3)檢測元件；（4）聯軸節；（5）絲杠軸承；(6)滾珠絲杠螺母副（或齒輪齒條副）；(7）減速機構(齒輪副和帶輪)。圖1。31.4 設計方法實現及預期目標為了實現本次課程設計的目標，首先要對立式磨床的進給系統的基本原理進行研究，提出問題.其次，提出針對問題的研究方案，并對依據立式磨床進給系統的工作原理和加工要求進行合理分析，細化設計方案.【7】用CAD，PRO/ENGINEE軟件繪制出裝配圖，保證設計要求：1、設計橫向進給行程為

29、1200mm，進給速度為12m/min；2、檢測進給部分設計的合理性，是否能夠滿足高速加工環境以及進給精度。在此基礎上，對進給系統構造三維模型。下圖為進給系統結構圖 （圖1。4）：圖1。4方案簡介:為了實現此次課題研究的設計要求，在本論文中將對立式磨床進給系統的幾個部件進行研究設計.【8】1.4.1 滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠螺母副是直線運動與回轉運動能相互轉換的新型傳動裝置，在絲杠和螺母上都有半圓弧形的螺旋槽，當他們套裝在一起時便形成了滾珠的螺旋滾道.螺母上有滾珠的回路管道，將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來構成封閉的螺旋滾道，并在滾道內裝滿滾珠，當絲杠旋轉時，滾珠在滾道內既自轉又沿滾道循環轉動，因而

30、迫使螺母軸向移動。滾珠絲杠螺母副具有以下特點：(1）傳動效率高,摩擦損失小.滾珠絲杠螺母副的傳動效率為0。920.96，比普通絲杠高34倍。因此，功率消耗只相當于普通絲杠的1/4-1/3。（2）若給于適當預緊，可以消除絲杠和螺母之間的螺紋間隙，反向時還可以消除空載死區,從而使絲杠的定位精度高，剛度好。（3）運動平穩,無爬行現象，傳動精度高。（4)具有可逆性，既可以從螺旋運動轉換成直線運動,也可以從直線運動轉換成旋轉運動。也就是說，絲杠和螺母可以作為主動件.（5）磨損小，使用壽命長.（6)制造工藝復雜。滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。(7）不能自鎖。特別是

31、垂直安裝的絲杠，由于其自重和慣性力的不同,下降時當傳動切斷后，不能立即停止運動,故還需要增加制動裝置。本次設計采用的是內循環的絲杠螺母副，精度為2級，兩端采用了小圓螺母為軸向定位絲杠螺母副采用的預緊方式為單螺母消除間隙方法.它是在滾珠螺母體內的兩列循環滾珠鏈之間,使內螺紋滾道在軸向產生一個的導程突變量，從而使兩列滾珠在軸向錯位而實現預緊。這種調隙方法結構簡單，但載荷量須預先設定而且不能改變。滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷,徑向載荷主要是臥式絲杠的自重.因此對絲杠的軸向精度和軸向剛度應有較高要求，其兩端支承的配置情況有：一端軸向固定一端自由的支承配置方式,通常用于短絲杠和垂直進給絲杠；一端固定一端

32、浮動的方式，常用于較長的臥式安裝絲杠；以及兩端固定的安裝方式，常用于長絲杠或高轉速、高剛度、高精度的絲杠,這種配置方式可對絲桿進行預拉伸。因此在此課題中采用兩端固定的方式，以實現高剛度、高精度以及對絲杠進行拉伸。1.4.2 絲杠中常用的滾動軸承 有以下兩種:滾針推力圓柱滾子組合軸承和接觸角為60°角接觸軸承，在這兩種軸承中，60°角接觸軸承的摩擦力矩小于后者，而且可以根據需要進行組合，但剛度較后者低，目前在一般中小型數控機床中被廣泛應用。滾針-圓柱滾子軸承多用于重載和要求高剛度的地方。60°角接觸軸承的組合配置形式有面對面的組合、背靠背組合、同向組合、一對同向與左

33、邊一個面對面組合。由于螺母與絲杠的同軸度在制造安裝的過程中難免有誤差，又由于面對面組合方式，兩接觸線與軸線交點間的距離比背對背時小,實現自動調整較易。因此在進給傳動中面對面組合用得較多.滾珠絲杠螺母副的選擇:螺母是分為單螺母和雙螺母,一般單螺母的承載負荷是沒有雙螺母大，使用周期也沒有雙螺母壽命長,在以后的保養和維護也沒有雙螺母方便.所以選型要根據設備的要求，滿足做設備的條件，才是最好的，不要盲目追求高精度，高負荷的絲桿，會對機器的成本增加很多，絲桿的一個級別價格就會相差好多.1.4.3 滾珠絲杠螺母副的支撐形式雙推自由式，剛度、臨界轉速、壓桿穩定性低。設計時盡量使絲杠受拉力。適用于較短及垂直安

34、裝的絲杠（如下圖1。5）。【9】 圖1.5雙推簡支式，臨界轉速、壓桿穩定性高。絲杠有熱膨脹的余地。適用于較長的、臥式安裝的絲杠（如下圖1。6）. 圖1。6 雙推雙推式，絲杠的軸向剛度高.絲杠一般不會受壓，無壓桿穩定性問題.可用預拉伸減小因絲杠自重引起的下垂。適用于對剛度和位移精度要求高的場合(如圖1.7）。 圖1。71.5 交流伺服電機的選擇目前，交流伺服系統廣泛應用于數控機床,機器人等領域,在這些要求高精度,高動態性能以及小體積的場合,應用交流伺服系統具有明顯優勢。 交流伺服電機具有較高的動態性能、高可靠性及非常低的維護要求,以其堅固耐用、經濟性能好等優點越來越廣泛地應用于數控龍門加工中心的

35、進給系統. 交流伺服電機的動力學參數分析及選型,與進給機構正常、可靠運行及制造成本密切相關。 選擇電機主要應考慮滿足轉速、轉矩的要求,其中負載慣量的計算涉及因素比較復雜。【10】交流伺服電機的優點,在這里將步進電機與交流伺服電機作比較: (1) 控制精度不同，兩相混合式步進電機步距角一般為3.6°、1.8°，五相混合式步進電機步距角一般為0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步進電機步距角更小。如四通公司生產的一種用于慢走絲機床的步進電機，其步距角為0。09°；德國百格拉公司生產的三相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關設置為1.

36、8°、0。9°、0.72°、0。36°、0。18°、0.09°、0.072°、0。036°，兼容了兩相和五相混合式步進電機的步距角. 交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。以松下全數字式交流伺服電機為例,對于帶標準2500線編碼器的電機而言，由于驅動器內部采用了四倍頻技術，其脈沖當量為360°/10000=0。036°。對于帶17位編碼器的電機而言，驅動器每接收217=131072個脈沖電機轉一圈，即其脈沖當量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.

37、8°的步進電機的脈沖當量的1/655。  (2) 低頻特性不同，步進電機在低速時易出現低頻振動現象。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現象對于機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應采用阻尼技術來克服低頻振動現象，比如在電機上加阻尼器，或驅動器上采用細分技術等。交流伺服電機運轉非常平穩,即使在低速時也不會出現振動現象。交流伺服系統具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統內部具有頻率解析機能,可檢測出機械的共振點，便于系統調整。(3) 矩頻特性不同，步進電機的輸出力矩隨轉

38、速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出,即在其額定轉速(一般為2000RPM或3000RPM）以內,都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上就是為恒功率輸出。 (4) 過載能力不同，步進電機一般不具有過載能力.交流伺服電機具有較強的過載能力。以松下交流伺服系統為例,它具有速度過載和轉矩過載能力.其最大轉矩為額定轉矩的三倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉矩，便出現了力矩浪費的現象。(5) 運行性能不同

39、,步進電機的控制為開環控制，啟動頻率過高或負載過大易出現丟步或堵轉的現象，停止時轉速過高易出現過沖的現象,所以為保證其控制精度，應處理好升、降速問題。交流伺服驅動系統為閉環控制,驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成位置環和速度環，一般不會出現步進電機的丟步或過沖的現象,控制性能更為可靠.(6) 速度響應性能不同,步進電機從靜止加速到工作轉速需要200400毫秒。交流伺服系統的加速性能較好，以松下MSMA 400W交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合.綜上所述,交流伺服系統在許多性能方面都優于步進電機。1.6 進給

40、精度的保證隨著現代科技的發展, 機械制造業面臨著高速度、高精度等新的挑戰， 高速進給系統成為高速高精度數控車床的關鍵環節之一.由于進給系統剛度低、慣量大, 難以獲得高進給速度和高加速度, 同時還產生較大的失動量, 使傳動誤差增大, 影響機床加工精度; 由于各傳動部件之間存在間隙、摩擦、彈性變形， 以及電動機運行誤差等因素引起的失動量, 導致執行部件滯后或引發振蕩。為了提高高速高精度數控車床的定位精度和傳動精度, 除了正確設計、選擇進給系統部件， 精確計算其強度、穩定性和驅動力矩外， 還要對進給系統的剛度進行合理設計, 減少因剛度引起的失動量， 以確保加工定位精度。【11】 1.7 直線滾動導軌

41、副的選擇直線滾動導軌副具有摩擦因數小、不易爬行、便于安裝和預緊、結構緊湊等優點，廣泛應用于精密機床、數控機床和測量儀器等.其缺點是抗震性較差、成本較高。 直線滾動導軌副由導軌和滑塊兩部分組成,一般滑塊中裝有兩組滾珠,當滾珠從工作軌道滾到滑塊端部時，會經端面擋板和滑塊中的返回軌道返回。在導軌和滑塊之間的滾道內循環滾動。裝配時經常將兩根導軌固定在支撐件上，每根導軌上一般有兩個滑塊，滑塊固定在移動件上.若移動件較長，可在一根導軌上安裝兩個以上的滑塊；若移動件較寬,可選用兩根以上的導軌.兩根導軌中，一根為基準導軌，另一根為從動導軌，基準導軌上有基準面A其上滑塊有基準面B。安裝時先固定基準導軌，之后以基

42、準導軌校正從動導軌，達到裝配要求時再緊固從動導軌。產品選型，從產品樣本中選定導軌型號后，可根據給定的額定動載荷計算出導軌副的距離額定壽命和小時額定壽命。常見的球導軌的距離期望壽命為50km，滾子導軌為100km。若所得結果大于導軌的預期壽命,則初選的型號滿足設計要求。當然，也可先給出導軌副的期望壽命，再反推出額定動載荷，據此選擇合適的型號。當滾動導軌的工作速度較低、靜載荷較大時，選型時還應考慮相應的額定靜載荷不小于工作靜載荷的兩倍。【12】2 立式磨床橫向進給系統的整體設計設計機床的第一步，是確定總體方案。總體方案是機床部件和零件的設計依據,對整個設計的影響較大。因此，在擬定總體方案的過程中，

43、必須全面地、周密地考慮，使所定方案技術先進、經濟合理.首先對立式磨床進給系統進行全方面的了解，并深入了解其橫向進給系統的結構和原理，在圖書館、網上、期刊各種渠道獲取相關知識，并實地參觀機床總體布局，歸納總結出最優的方案，設計出立式磨床橫向進給的相關數據和圖形。2.1 計算進給牽引力(N)查表： 力的指數形式=3158N橫向進給力 總切削力在橫向進給方向上的分力。垂直進給力 總切削力在垂直進給方向上的分力.根據要求查表 =0。85=0.。853158=2684。3N=0。75=0。75*3158=2368.5N 2.2 導軌摩擦力的計算車床的導軌可分為滑動導軌和滾動導軌兩種。滑動導軌具有結構簡單

44、、制造方便、接觸剛度大等優點。但傳統滑動導軌摩擦阻力大且磨損快，動、靜摩擦系數差別大，低速時易產生爬行現象。目前，數控車床已不采用傳統滑動導軌，而是采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動導軌和新型塑料滑動導軌。它們具有摩擦性能良好和使用壽命長等特點。在動導軌上鑲裝塑料具有摩擦系數低、耐磨性高、抗撕傷能力強、低速時不易爬行、加工性和化學穩定性好、工藝簡單、成本低等優點,在各類機床上都有應用,特別是用在精密、數控和重型機床的動導軌上.塑料導軌可與淬硬的鑄造鐵支承導軌和鑲鋼支承導軌組成對偶摩擦副。【13】機床導軌的質量在一定程度上決定了機床的加工精度、工作能力和使用壽命.導軌的功用是導向和承載。車床的床身導

45、軌屬于進給導軌,進給運動導軌的動導軌與支承的靜導軌之間的相對運動速度較低.直線運動滑動導軌截面形狀主要有三角形、矩形、燕尾形和圓形,并可互相組合。由于矩形導軌制造簡單，剛度高,承載能力大,具有兩個相垂直的導軌面.且兩個導軌面的誤差不會相互影響，便于安裝。再將矩形整體傾斜45°后，側面磨損能自動補償,克服了矩形導軌側面磨損不能自動補償的缺陷,使其導向性更好（如圖2.1).圖2.1導軌受到垂向切削分力3158N，縱向切削分力2368.5N，移動部件的全部質量（包括機床夾具和工件的質量）m=1200kg(所受重力W=12000N)，查表得鑲條緊固力，由于采用直線滾柱導軌支撐運動部件,=0.

46、01。 =0.01（12000+2000+3158+2368。5） =195。265N 在不切削狀態下導軌的摩擦力=(+） =0.01（12000+2000） =140N2.3 計算滾珠絲杠螺母副的軸向負載力圖2.2計算最大軸向負載力 (2368。5+195.265）=2563.765N計算最小軸向負載力= 140N 2.4 確定進給傳動鏈的傳動比 由于是電機與滾珠絲杠直接連接固定,所以傳動比為 1。2.5 滾珠絲杠的動載荷計算與直徑估算（1）按預期工作時間估算滾珠絲杠預期的額定動載荷。已知數控機床的預期工作時間.滾珠絲杠的當量載荷=1447.2N，查表得載荷系數；初步選擇滾珠絲杠的精度等級為

47、2級精度，取精度系數；查表得可靠性系數。取滾珠絲杠的當量轉速，已知，滾珠絲杠的基本導程L=8mm，則 = =3446。78N2。6 最大動載荷的計算最大動載荷的計算公式如下： 其中： 滾珠絲杠副的壽命，單位為r。=60nT/(其中，T為使用壽命，普通機械取T=500010000h，數控機床一般機電設備取T=15000h；n為絲杠每分鐘轉數）。在本次設計中，=1950.載荷系數，由下表(表2。1)查得：=1.5.【14】表2。1運轉狀態平穩或輕度沖擊1.01.2中等沖擊1.21.5較大沖擊或震動1。52.5硬度系數，58HRC時，取1.0；等于55HRC時,取1。11;等于52。5HRC時，取1

48、。35；等于50HRC時，取1.56；等于45HRC時，取2.40。在本次設計中=1.0.滾珠絲桿副的最大工作載荷，單位為N。將所選參數帶入式中,得： =33763.1N2.7 規格型號的選擇初選滾珠絲杠副的規格時，應使其額定動載荷.【15】當滾珠絲杠副在靜態或低速狀態下（n10r/min）長時間承受工作載荷時,還應使其額定靜載荷。通過上述計算以及對滾珠絲杠副規格型號選擇的描述，在本次設計中，額定動載荷33763。1N，而額定靜載荷18000N.根據額定動載荷和額定靜載荷，可從表中選擇滾珠絲桿副的規格型號和有關參數.公稱直徑和導程應盡量選擇優先組合,同時還要滿足控制系統和伺服系統對導程的要求。

49、通過上述計算中得出的結論，滾珠絲杠螺母副導程=8,查表選擇CDM50085。其滾珠絲杠參數為:公稱直徑, =50mm基本導程， =8mm絲杠外徑, =49。5mm絲杠底徑， =44.2mm循環圈數， n =2剛度， =2735如圖2.3。圖2。32。8 伺服電機的選擇 =24KW 選用的膜片聯軸器 ， 系數為。 =24/0。98 =24。5KW 所以,選取伺服電機的功率為25KW 8372 所以，我們選用的電機型號是西門子電機 1PM4101。2.9 滾珠絲杠螺母副承載能力校核已知滾珠絲杠螺母副的螺紋底徑34.2，已知滾珠絲杠螺母副的最大受壓長度，絲杠水平安裝時，取,查表得，則有 =46447

50、9N本機床橫向進給系統滾珠絲杠螺母副的最大軸向壓縮載荷為2563。765N，遠小于其臨界壓縮載荷的值,故滿足要求.滾珠絲杠螺母副臨界轉速的計算長度，其彈性模量，密度，重力加速度。 滾珠絲杠的最小慣性矩為 1751760。483 滾珠絲杠的最小截面積為 865064。2862取，查表得，則有 =89834393r/min本橫向進給傳動鏈的滾珠絲杠螺母副的最高轉速為1500r/min,遠小于其臨界轉速，故滿足要求。 滾珠絲杠螺母副額定壽命的校核，滾珠絲杠的額定動載荷，已知其軸向載荷，滾珠絲杠的轉速，運轉條件系數，則有 = =2539h滾珠絲杠母副的總工作壽命h，故滿足要求。3 三維造型由于涉及的計

51、算我們已經完成，并且知道了零部件的尺寸和床身的尺寸,所以我們可以為這次設計畫出三維造型。【16】我們可以畫出零件圖。 圖3。1 滾珠絲杠螺母副圖3.2 軸套圖3。3 滾珠絲杠和導軌塊固定于床身上圖3.4 滾珠絲杠間位置和關系三維建模可以讓我們更清楚零件之間的配合，讓我們更直觀的了解其結構。并且在零件與零件裝配的時候更能發現問題，更能設計出好的裝配方式.4 床身材料的選擇及壁厚的設計4.1 對立式磨床總體研究，進行立磨總體布局機構設計對于機床來說，作為主要支承件的床身至關重要，其結構性能的好壞直接影響著機床的各項性能指標。其結構的合理性和性能的好壞直接影響著數控車床的制造成本；影響著車床各部件之

52、間的相對位置精度和在工作中各運動部件的相對運動軌跡的準確性，從而影響著工件的加工質量；同時也影響著機床的工作效率和壽命等。因此，床身特別是數控機床的床身具有足夠的靜態剛度和較高的剛度/質量比；良好的動態性能;較小的熱變形和內應力；并易于加工制造，裝配等，才能滿足數控車床對床身的要求。數控機床工作時，受磨削力的作用,床身發生彎曲，其中，影響最大的是床身水平面內的彎曲.因此，在床身不太長的情況下，主要應提高床身在水平面內的彎曲剛度.所以,在設計床身時，采用與水平面傾斜45°的斜面床身。這種結構的特點是：(1) 在加工工件時，切屑和切削液可以從斜面的前方（即床身的一側)落下，就無需在床身上

53、開排屑孔,這樣,床身斜面就可以做成一個完整的斜面.(2) 磨屑從工件上落到位于床身前面的排屑器中,再由排屑器將切屑排出。這樣，機床在工作中，排屑性能和散熱性能要好,可以減少床身在工作中吸收由于切削產生的熱量,從而減少床身的熱變形，使機床更好地保持加工精度。(3) 由于在床身上無需開排屑孔，就可以增加與底座連接的床身底面的整體性，從而可增加床身底面的剛性。基于以上特點使得床身抵抗來自切削力在水平和垂直面內的分力所產生的彎曲變形能力，以及它們的合力產生的扭轉變形能力顯著增強.從而大幅度提高了床身的抗彎和抗扭剛度.床身在彎曲、扭轉載荷作用下，床身的變形與床身的截面的抗彎慣性矩和抗扭慣性矩有關。材料、

54、截面相同，但形狀不同的床身，截面的慣性矩相差很大。截面積相同時，采用空形截面,加大外輪廓尺寸,在工藝允許的情況下，盡可能減小壁厚，可以大大提高截面的抗彎和抗扭剛度；矩形截面的抗彎剛度高于圓形截面，但圓形截面的抗扭剛度較高;封閉截面的剛度顯著高于不封閉截面的剛度。為此，在設計床身截面時，綜合考慮以上因素，在滿足使用、工藝情況下，采用空心截面，加大輪廓，減小壁厚，采用全封閉的類似矩形的床身截面形式,同時，為了提高床身的抗扭剛度和床身的剛度重量比，在大截面內設計一個較小的類似圓形截面。床身與導軌為一體，床身材料的選擇應根據導軌的要求選擇。鑄鐵具有良好的減震性和耐磨性，易于鑄造和加工。床身材料采用機械

55、性能優良的HT250,其硬度、強度較高，耐磨性較好，具有很好的減震性。立式磨床采用整體立式結構布局，高剛度床身，立柱上直接安裝水平移動導軌，兩個可垂直移動磨頭左右布置。左側可擺角立磨頭加工工件的內外圓和錐面，右側水平磨頭加工端面，可保證工件一次裝夾完成除底面外全部加工內容。測量裝置采用單獨滑枕帶動測頭伸縮并水平、垂直移動，在機測量工件尺寸。【17】圖4.1為機床整體圖。 圖4。1立式磨床根據其技術特點采用框架結構雙立柱,主軸箱在其中移動，構成Y坐標軸。框架結構的雙立柱由于結構對稱，主軸箱在兩立柱中間上下運動，與傳動的主軸箱側掛式結構相比，大大提高了整機的結構剛度。另外，主軸箱是從左右兩導軌的內側進行定位,熱變形產生的主軸中心變位被限制在垂直方向上，因此，可以通過對Y軸的補償,減小熱變形的影響。并且型床身結構可以使工作臺沿著床身作 向移動時，在全行程范圍內,工作臺和工件完全支撐在床身上，因此，機床剛性好，工作臺承載能力強，加工精度容易得到保證.立式磨床可利用重力固定工件， 主軸不會變形.此外，與臥式磨床相比,用于