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龍門(mén)加工中心Z軸與Y軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）主要涉及研究方向
QLM27100動(dòng)門(mén)式龍門(mén)加工中心采用高架橋式整體結(jié)構(gòu)，主要由機(jī)床床身、橫梁、拖板、滑塊、主軸系統(tǒng)、工作臺(tái)、傳動(dòng)系統(tǒng)等組成，共有X1、X2、Y、Z、A、C六個(gè)軸，X1和X2為同步坐標(biāo)軸，可實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)。X軸、Y軸、Z軸均采用帶高精度脈沖編碼器的伺服電機(jī)，彈性聯(lián)軸器和高精密滾珠絲杠的直聯(lián)式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給，并采用精密型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，安裝了光柵尺，進(jìn)行全閉環(huán)控制，定位精度較高。
本題目要求對(duì)該機(jī)床三向進(jìn)給中的Z向和Y向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)，包括電機(jī)及聯(lián)軸器的選用，傳動(dòng)件的設(shè)計(jì)、計(jì)算和校核，軸承、導(dǎo)軌、Z軸拖板及方滑枕、Y軸拖板及橫梁的設(shè)計(jì)等，實(shí)現(xiàn)Z軸和Y軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。運(yùn)用ProE或Solidworks軟件對(duì)設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維模型設(shè)計(jì)，分解其結(jié)構(gòu)，確定拆裝序列，演示各部分拆裝的過(guò)程。
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）選題依據(jù)及背景
數(shù)控機(jī)床在機(jī)械加工中有著重要作用，本題目要求學(xué)生對(duì)數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)和零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)、選型和校核，并且鍛煉學(xué)生運(yùn)用ProE或Solidworks等三維造型軟件進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的能力，可以培養(yǎng)機(jī)械專(zhuān)業(yè)學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)能力和工程應(yīng)用能力。
對(duì)學(xué)生的要求
要求學(xué)生具備機(jī)械制造專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、機(jī)械制圖能力、機(jī)械設(shè)計(jì)能力和一定的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力。
開(kāi)展課題所具備的條件
完成該題目已具備的條件：可參考無(wú)錫橋聯(lián)數(shù)控生產(chǎn)的五軸龍門(mén)加工中心QLM27000-5x，依據(jù)該機(jī)床的基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
具體參數(shù)
X軸行程------------------------------------------------------1000mm
Y軸行程------------------------------------------------------1000mm
Z軸行程-------------------------------------------------------500mm
主軸端面距工作臺(tái)面距離-------------------------------------300-800mm
快進(jìn)速度（X、Y、Z?軸）---------------------------------------40m/min
工進(jìn)速度（X、Y、Z?軸）---------------------------------------20m/min
加速度---------------------------------------------------------6m/s2
定位精度（X、Y、Z）------------------------------------------0.015mm
重復(fù)定位精度（X、Y、Z）---------------------------------------0.01mm
最小分辨率（X、Y、Z）---------------------------------------0.0001mm
機(jī)床電源----------------------------------------------AC3×380V三相50Hz
機(jī)床外形尺寸---------------------------------2800×3500×3200mm
2015-3-9
～2015-4-10 進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和各零部件的選用、設(shè)計(jì)、計(jì)算和校核；完成翻譯。 4月8日前，進(jìn)行中期檢查
2015-4-11
～2015-4-30 確定拖板在Y向（即水平方向）的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)部件，進(jìn)行草圖設(shè)計(jì)。
確定托板及方滑枕在Z向的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)部件，進(jìn)行草圖設(shè)計(jì)。（軸承，導(dǎo)軌）
2015-5-1
～2015-5-22 對(duì)相應(yīng)結(jié)構(gòu)用ProE或Solidworks完成三維設(shè)計(jì)，裝配圖設(shè)計(jì)和繪制。 5月22日前，進(jìn)行畢設(shè)工作的后期檢查
實(shí)物圖網(wǎng)址http://www.wx-ql.com/product.asp?lt=33
實(shí)物圖
老師要求根據(jù)預(yù)估的所要驅(qū)動(dòng)物體重量及動(dòng)作估算，所以大概主軸（Z軸）重量根據(jù)大概外形尺寸，密度進(jìn)行計(jì)算的。謝謝
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
課題名稱 龍門(mén)加工中心Z軸與Y軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
系 別
專(zhuān) 業(yè)
班 級(jí)
學(xué) 號(hào)
姓 名
指導(dǎo)教師
教研室主任
系 主 任
年 月 日
摘 要
本文全面闡述了龍門(mén)加工中心的結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計(jì)特點(diǎn)，論述了采用伺服電機(jī)和滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點(diǎn)。詳細(xì)介紹了龍門(mén)加工中心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核，并進(jìn)行了分析。另外匯總了有關(guān)技術(shù)參數(shù)。
高速度、高精度、高效率和高剛度已成為當(dāng)今數(shù)控機(jī)床發(fā)展的主要方向，為了彌補(bǔ)這些不足，龍門(mén)龍門(mén)加工中心便應(yīng)運(yùn)而生,大大提高了零件的精度和效率，降低生產(chǎn)成本，因此龍門(mén)加工中心Z軸與Y軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成為當(dāng)前數(shù)控機(jī)床行業(yè)重點(diǎn)研究的對(duì)象之一。
其中著重介紹了滾珠絲杠的原理及選用原則，系統(tǒng)地對(duì)滾珠絲杠生產(chǎn)、應(yīng)用等環(huán)節(jié)進(jìn)行了介紹。包括種類(lèi)選擇、參數(shù)選擇、精度選擇、循環(huán)方式選擇、與主機(jī)匹配的原則以及廠家的選擇等。
關(guān)鍵詞：龍門(mén)加工中心，數(shù)控，伺服電機(jī)，滾珠絲杠
Abstract
This paper describes the principles of a comprehensive structure of gantry machining center, design features, discusses the advantages of using servo motor and ball screw nut pairs. Details of the design and verification of the machining center, and analyzed. Also summarizes the technical parameters.
High-speed, high efficiency and high rigidity has become the main direction of development of today's CNC machine tools, in order to remedy these shortcomings, gantry machining center will come into being, greatly improving the accuracy and efficiency of parts, reduce production costs, and therefore the goal machining centers Z axis and Y-axis feed motion mechanism designed to be one of the objects of the current focus on the CNC machine tool industry.
Which focuses on the principle and the principle of selection of ball screw, ball screw system to production, application and other aspects were introduced. Including species selection, parameter selection, accuracy of selection, mode selection cycle, the principle of matching the host and select manufacturers and the like.
Keywords: gantry machining centers, CNC, servo motor, ball screw
29
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 緒 論 1
1.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及趨勢(shì) 1
1.2 龍門(mén)加工中心的基本原理 2
1.3 課題研究的目的和意義 4
第2章 設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求 5
2.1課題的主要內(nèi)容和基本要求 5
2.2 設(shè)計(jì)的內(nèi)容 5
2.2.1 數(shù)控裝置總體方案的確定 5
2.2.2 機(jī)械部分的設(shè)計(jì) 5
2.2.3 編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 6
2.3 機(jī)床主要部件及運(yùn)動(dòng)方式的選定 6
第3章 Z向進(jìn)給伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8
3.1 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 8
3.1.1 最大工作載荷的計(jì)算 8
3.1.2 最大動(dòng)載荷的計(jì)算 8
3.1.3 滾珠絲杠螺母副的選型 9
3.1.4 滾珠絲杠副的支承方式 9
3.1.5 傳動(dòng)效率的計(jì)算 9
3.1.6 剛度的驗(yàn)算 9
3.1.7 穩(wěn)定性校核 10
3.1.8 臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證 10
3.2 步進(jìn)直線電機(jī)的計(jì)算和選用 11
3.2.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 11
3.2.2 電機(jī)力矩的計(jì)算 12
3.3 步進(jìn)直線電機(jī)的選擇 14
第4章 Y向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 16
4.1 滾珠絲杠的選擇 16
4.1.1 滾珠絲杠的精度 16
4.2 伺服電機(jī)的選擇 20
4.2.1 最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 20
4.2.2 負(fù)載慣量的計(jì)算 20
4.2.3 空載加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算 22
4.2.4 軸向間隙的調(diào)整和加預(yù)緊力的方法 22
4.3 導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇 24
4.4 聯(lián)軸器的選擇 25
4.5 軸承的選擇 26
總結(jié) 27
參考文獻(xiàn) 28
致 謝 29
第1章 緒 論
1.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及趨勢(shì)
1946年誕生了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，這表明人類(lèi)創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分代替腦力勞動(dòng)的工具。它與人類(lèi)在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會(huì)中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動(dòng)的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類(lèi)進(jìn)入信息社會(huì)奠定了基礎(chǔ)。6年后，即在1952年，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上，在美國(guó)誕生了第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段和六代的發(fā)展。
數(shù)控NC階段（1952年-1970年）
早期計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度低，對(duì)當(dāng)時(shí)的科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理影響還不大，但不能適應(yīng)機(jī)床實(shí)時(shí)控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路"搭"成一臺(tái)機(jī)床專(zhuān)用計(jì)算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控（HARD-WIRED NC），簡(jiǎn)稱為數(shù)控（NC）。隨著元器件的發(fā)展，這個(gè)階段經(jīng)歷了三代，即1952年的第一代—電子管；1959年的第二代—晶體管；1965年的第三代—小規(guī)模集成電路。
計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）階段（1970年-現(xiàn)在）
到1970年，通用小型計(jì)算機(jī)業(yè)已出現(xiàn)并成批生產(chǎn)。于是將它移植過(guò)來(lái)作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進(jìn)入了計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）階段（把計(jì)算機(jī)前面應(yīng)有的“通用”兩個(gè)字省略了）。到1971年，美國(guó)INTEL公司在世界上第一次將計(jì)算機(jī)的兩個(gè)最核心的部件—運(yùn)算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術(shù)集成在一塊芯片上，稱之為微處理器（MICROPROCESSOR），又可稱為中央處理單元（簡(jiǎn)稱CPU）。
到1974年微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因?yàn)樾⌒陀?jì)算機(jī)功能太強(qiáng)，控制一臺(tái)機(jī)床能力有富裕（故當(dāng)時(shí)曾用于控制多臺(tái)機(jī)床，稱之為群控），不如采用微處理器經(jīng)濟(jì)合理。而且當(dāng)時(shí)的小型機(jī)可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高，但可以通過(guò)多處理器結(jié)構(gòu)來(lái)解決。由于微處理器是通用計(jì)算機(jī)的核心部件，故仍稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控。
到了1990年，PC機(jī)（個(gè)人計(jì)算機(jī)，國(guó)內(nèi)習(xí)慣稱微機(jī)）的性能已發(fā)展到很高的階段，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。數(shù)控系統(tǒng)從此進(jìn)入了基于PC的階段。
總之，計(jì)算機(jī)數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。即1970年的第四代—小型計(jì)算機(jī)；1974年的第五代—微處理器和1990年的第六代—基于PC（國(guó)外稱為PC-BASED）。
還要指出的是，雖然國(guó)外早已改稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控（即CNC）了，而我國(guó)仍習(xí)慣稱數(shù)控（NC）。所以我們?nèi)粘Ｖv的"數(shù)控"，實(shí)質(zhì)上已是指"計(jì)算機(jī)數(shù)控"了。
3.數(shù)控未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)
(1) 繼續(xù)向開(kāi)放式、基于PC的第六代方向發(fā)展
基于PC所具有的開(kāi)放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點(diǎn)，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會(huì)走上這條道路。至少采用PC機(jī)作為它的前端機(jī)，來(lái)處理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問(wèn)題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。PC機(jī)所具有的友好的人機(jī)界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程通訊，遠(yuǎn)程診斷和維修將更加普遍。
(2) 向高速化和高精度化發(fā)展
這是適應(yīng)機(jī)床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。
(3) 向智能化方向發(fā)展
隨著人工智能在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。
1.2 龍門(mén)加工中心的基本原理
數(shù)控控制（Numerical Control）是用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)及其過(guò)程進(jìn)行控制的一種控制方法。
數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過(guò)程進(jìn)行控制的技術(shù)，是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的一門(mén)新型的，發(fā)展十分迅速的高新技術(shù)。數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術(shù)范圍所覆蓋的領(lǐng)域又：機(jī)械制造技術(shù)；微電子技術(shù)；信息處理傳輸技術(shù)；自動(dòng)控制技術(shù)；伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)；檢驗(yàn)監(jiān)控技術(shù)；傳感技術(shù)；軟件技術(shù)等。數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的是能技術(shù)和最基本的裝備。在提高生產(chǎn)率，降低成本，保證質(zhì)量及改善工人勞動(dòng)強(qiáng)度等方面，都有突出的優(yōu)點(diǎn)；特別是在適應(yīng)機(jī)械產(chǎn)品迅速更新?lián)Q代，小批量，多品種生產(chǎn)方面，各類(lèi)數(shù)控裝備是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造技術(shù)的關(guān)鍵。
數(shù)控機(jī)床是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，或者說(shuō)是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。國(guó)際信息處聯(lián)盟（International Federation of Information Processing, IEIP）第五技術(shù)委員會(huì)，對(duì)數(shù)控機(jī)床作了如下的定義：數(shù)控機(jī)床是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機(jī)床。該系統(tǒng)能邏輯的處理具有使用碼或其他符號(hào)編碼指令規(guī)定的程序。
龍門(mén)加工中心經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的技術(shù)發(fā)展和推動(dòng)，已從傳統(tǒng)的單軸式發(fā)展到多軸
式，從傳統(tǒng)龍門(mén)加工中心發(fā)展到現(xiàn)代化智能的加工中心，從單面的加工發(fā)展到多
面的加工，發(fā)展速度快，技術(shù)比較成熟。但是對(duì)于龍門(mén)五面體加工中心，由于我
國(guó)基礎(chǔ)技術(shù)薄弱，研究方法落后，資金投入不足等原因，以及國(guó)外對(duì)核心技術(shù)的
封鎖，導(dǎo)致我國(guó)五面體加工中心發(fā)展緩慢[4]。從龍門(mén)加工中心主要部件的發(fā)展情況來(lái)看，國(guó)內(nèi)外龍門(mén)加工中心的龍門(mén)和滑枕的機(jī)構(gòu)基本都具有以下特點(diǎn)：
1. 龍門(mén) 主要是由一個(gè)橫梁和兩個(gè)立柱構(gòu)成。分為橫梁固定、橫梁靠定位塊
鎖定分段升降和橫梁任意升降三種類(lèi)型。橫梁固定式結(jié)構(gòu)機(jī)床剛性好，但不適合
加工大型工件，因?yàn)樵诩庸た拷ぷ髋_(tái)面的工件部位時(shí)，滑枕伸出長(zhǎng)度過(guò)大，加
工剛性較差，影響加工尺寸精度；橫梁靠定位塊鎖定分段升降型結(jié)構(gòu)機(jī)床剛性較
好，但橫梁升降運(yùn)動(dòng)不能與滑枕上下移動(dòng)聯(lián)動(dòng)，且操作較復(fù)雜；橫梁任意升降型
結(jié)構(gòu)橫梁升降運(yùn)動(dòng)可以與滑枕上下移動(dòng)聯(lián)動(dòng)，加工范圍較廣，適合新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。
立柱和橫梁的橫截面為矩形，剛性好，可耐重切削并長(zhǎng)期保持高精度。主軸箱在
橫梁上的導(dǎo)軌有自重平衡裝置，其動(dòng)作靈活、迅速且準(zhǔn)確。由于主軸箱左右移動(dòng)
時(shí)，橫梁升降用滾珠絲杠所受負(fù)載有變動(dòng)，使精度降低，所以采用配置在橫梁左
右兩側(cè)的油缸來(lái)平衡主軸箱左右移動(dòng)造成的變動(dòng)負(fù)載和橫梁本身的自重，以提高
機(jī)床的精度。
2. 滑枕 從結(jié)構(gòu)上可分為開(kāi)式和閉式兩種型式。開(kāi)式結(jié)構(gòu)的滑枕通過(guò)壓板夾
緊在主軸箱上，滑枕的截面積大；閉式結(jié)構(gòu)的滑枕被夾緊在主軸箱內(nèi)，滑枕的截
面積小。主軸箱內(nèi)有液壓平衡裝置，使滑枕上下移動(dòng)靈活，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力重切削。
主軸滑枕內(nèi)部采用強(qiáng)制內(nèi)冷卻，即使作長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)重切削，也可保持高精度?；?
枕的行程以滿足工件側(cè)面下部的加工要求為宜，不宜太長(zhǎng)，以免影響加工時(shí)的機(jī)
床剛度。滑枕采用一體型的結(jié)構(gòu)，以提高機(jī)床的整體剛性。
1.3 課題研究的目的和意義
我國(guó)近幾年龍門(mén)加工中心進(jìn)給機(jī)構(gòu)雖然發(fā)展較快，但與國(guó)際先進(jìn)水平還存在一定的差距，主要表現(xiàn)在：可靠性差，外觀質(zhì)量差，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，應(yīng)變能力差。
針對(duì)傳統(tǒng)龍門(mén)加工中心進(jìn)給機(jī)構(gòu)的不足之處及生產(chǎn)中存在的問(wèn)題，有必要在傳統(tǒng)機(jī)床的基礎(chǔ)上研究出新型龍門(mén)加工中心進(jìn)給機(jī)構(gòu)。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)銑床手動(dòng)的進(jìn)給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，加入新技術(shù)，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，降低勞動(dòng)強(qiáng)度及工作量。
龍門(mén)加工中心進(jìn)給機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)是：在規(guī)格上將向兩頭延伸，即開(kāi)發(fā)小型和大型進(jìn)給機(jī)構(gòu)；在性能上將研制以鋼為材料的進(jìn)給機(jī)構(gòu)，大幅度提高進(jìn)給機(jī)構(gòu)的承載能力；在形式上繼續(xù)研制多軸并聯(lián)，甚至于五軸并聯(lián)的進(jìn)給機(jī)構(gòu)。
綜上所訴，龍門(mén)加工中心進(jìn)給機(jī)構(gòu)的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)具有很高研究的意義.本課題采用類(lèi)似的機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果的方法，進(jìn)行龍門(mén)加工中心進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)更好的工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化。
本課題對(duì)龍門(mén)加工中心進(jìn)給機(jī)構(gòu)部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，研究龍門(mén)加工中心的結(jié)構(gòu)，主要部件及典型零件的設(shè)計(jì)方法，其意義如下：
1、通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究掌握機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般步驟和方法；
2、通過(guò)對(duì)課題的研究，了解國(guó)內(nèi)外有關(guān)數(shù)控機(jī)床的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)；
3、通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)培養(yǎng)自己的創(chuàng)新精神，提供分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。
第2章 設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求
2.1課題的主要內(nèi)容和基本要求
本課題要求設(shè)計(jì)一臺(tái)龍門(mén)加工中心，機(jī)床主要設(shè)計(jì)參數(shù)下表所示：
完成該題目已具備的條件：可參考無(wú)錫橋聯(lián)數(shù)控生產(chǎn)的五軸龍門(mén)加工中心QLM27000-5x，依據(jù)該機(jī)床的基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
具體參數(shù)
X軸行程------------------------------------------------------1000mm
Y軸行程------------------------------------------------------1000mm
Z軸行程-------------------------------------------------------500mm
主軸端面距工作臺(tái)面距離-------------------------------------300-800mm
快進(jìn)速度（X、Y、Z?軸）---------------------------------------40m/min
工進(jìn)速度（X、Y、Z?軸）---------------------------------------20m/min
加速度---------------------------------------------------------6m/s2
定位精度（X、Y、Z）------------------------------------------0.015mm
重復(fù)定位精度（X、Y、Z）---------------------------------------0.01mm
最小分辨率（X、Y、Z）---------------------------------------0.0001mm
機(jī)床電源----------------------------------------------AC3×380V三相50Hz
機(jī)床外形尺寸---------------------------------2800×3500×3200mm
2.2 設(shè)計(jì)的內(nèi)容
2.2.1 數(shù)控裝置總體方案的確定
(1).數(shù)控裝置設(shè)計(jì)參數(shù)的確定；
(2).方案的分析，比較，論證。
2.2.2 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)
(1).確定脈沖當(dāng)量；
(2).機(jī)械部件的總體尺寸及重量的初步估算；
(3).傳動(dòng)元件及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)，計(jì)算和選用；
(4).確定伺服電機(jī)；
(5).繪制機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖；
(6).系統(tǒng)等效慣量計(jì)算；
(7).系統(tǒng)精度分析。
2.2.3 編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
(1) 說(shuō)明書(shū)是設(shè)計(jì)的總結(jié)性技術(shù)文件，應(yīng)敘述整個(gè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，包括提方案的確定，系統(tǒng)框圖的分析，機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算，選用元器件參數(shù)的說(shuō)明；
(2)論文正文不少于10000字。
2.3 機(jī)床主要部件及運(yùn)動(dòng)方式的選定
（1）伺服電機(jī)的選擇
本次設(shè)計(jì)選用交流伺服電機(jī)，根據(jù)本進(jìn)給系統(tǒng)定位精度的要求，初步選用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。如果經(jīng)計(jì)算后半閉環(huán)系統(tǒng)不能滿足定位精度要求，可改用全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。交流伺服電機(jī)有交流同步電機(jī)和交流感應(yīng)電機(jī)。交流感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與同容量的直流伺服電動(dòng)機(jī)相比較，質(zhì)量輕、價(jià)格便宜。缺點(diǎn)是不能經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)范圍較大的平滑調(diào)速。所以數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)中一般不采用這種電動(dòng)機(jī)。
交流同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與所用電源的頻率之間存在一種嚴(yán)格的關(guān)系，即在電源電壓和頻率固定不變時(shí)，它的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定不變得。由變頻電源供電給同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，便可方便地獲得與頻率成正比的可變速度。并可得到非常硬的機(jī)械特性及寬的調(diào)速范圍。其結(jié)構(gòu)雖然比感應(yīng)電動(dòng)機(jī)復(fù)雜，但比直流電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單。同步電動(dòng)機(jī)又分為電磁式和非電磁式兩大類(lèi)。在后一類(lèi)中又有磁滯式、永磁式和反應(yīng)式多種。在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，多采用永磁式同步電動(dòng)機(jī)。在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中，采用具有大轉(zhuǎn)矩、寬調(diào)速并裝有反饋元件的機(jī)電一體化的永磁式交流同步電動(dòng)機(jī)已十分普及。
（2）滾珠絲杠螺母副的選擇
滾珠絲杠具有高精度、高剛度、高效率及無(wú)間隙等優(yōu)點(diǎn)。特別是在半閉環(huán)加工系統(tǒng)中，滾珠絲杠自身的精度對(duì)機(jī)床加工精度有很大的影響，定位精度在很大程度上受到滾珠絲杠精度的影響。
滾珠螺母副[4]的滾珠循環(huán)方式一般會(huì)分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種。對(duì)于內(nèi)循環(huán)方式，滾珠在循環(huán)過(guò)程中始終保持與滾珠絲杠接觸。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠螺母副工作滾珠數(shù)目少，徑向尺寸緊湊，摩擦損失少，流暢性好，傳動(dòng)效率高，軸向剛度好，但回珠器槽行比較復(fù)雜，需三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床才能進(jìn)行加工。外循環(huán)過(guò)程中滾珠與絲杠脫離接觸，目前使用插管完成滾珠循環(huán)的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性好，但滾道管子突出于螺母外面，所以外循環(huán)滾珠絲杠螺母徑向尺寸較大。滾珠和滾珠絲杠螺母副接觸處有過(guò)盈配合，即兩者達(dá)到預(yù)緊；滾珠絲杠螺母副事先通過(guò)調(diào)節(jié)左右螺母的相互離開(kāi)和靠近消除間隙。常用的消除間隙或預(yù)緊的辦法有墊片是調(diào)隙結(jié)構(gòu)、螺紋式調(diào)隙結(jié)構(gòu)和齒差式調(diào)隙結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)采用墊片式調(diào)隙結(jié)構(gòu)。
（3）導(dǎo)軌副的選用
要設(shè)計(jì)的進(jìn)給機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌選用貼塑導(dǎo)軌，它屬于滑動(dòng)導(dǎo)軌，是在機(jī)床的動(dòng)導(dǎo)軌面上貼上一層抗磨軟帶，導(dǎo)軌副的另一個(gè)固定導(dǎo)軌面為磨削面。這樣就會(huì)使導(dǎo)軌摩擦系數(shù)變?yōu)?.03—0.05，導(dǎo)軌速度可達(dá)30m/min，剛度比較高，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差值小，沒(méi)有爬行。耐磨性與鑄鐵對(duì)鑄鐵導(dǎo)軌副相比可提高1—3倍。
第3章 Z向進(jìn)給伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型
3.1.1 最大工作載荷的計(jì)算
Z軸行程為500mm，已知重力（N），為直線導(dǎo)軌，查表3-1，最大工作載荷的計(jì)算如下：
= (3.1)
式中： —為考慮顛覆力矩影響時(shí)的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，取1.4；
—為滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取0.2。
3.1.2 最大動(dòng)載荷的計(jì)算
(3.2)
(3.3)
(3.4)
式中：—滾珠絲杠副的壽命系數(shù)，單位為r；
—絲杠壽命，取15000；
—載荷系數(shù)，一般取1.2；
—硬度系數(shù)取1；
—橫向絲杠副最大工作載荷，其值為2459.6；
—橫向滾珠絲杠導(dǎo)程，初選為。
—橫向最大工進(jìn)速度，該設(shè)計(jì)值為；
—橫向最大工進(jìn)速度對(duì)應(yīng)絲杠的轉(zhuǎn)度，單位。
計(jì)算得出得 ：=12278.8。
3.1.3 滾珠絲杠螺母副的選型
根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷,選擇江蘇啟東潤(rùn)澤機(jī)床附件有限公司生產(chǎn)的FL3205-3型內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副，采用雙螺母方式預(yù)緊，精度等級(jí)為3級(jí)，其參數(shù)如表3-1所示。
表3-1 FL3205-3型滾珠絲杠相關(guān)參數(shù)
公稱直徑/
導(dǎo)程/
鋼球直徑/
絲杠外徑/
絲杠底徑/
額定載荷/
接觸剛度
/
1453
32
5
3.5
19
16.5
32.8
14
3.1.4 滾珠絲杠副的支承方式
考慮到橫向滾珠絲杠副的長(zhǎng)度、精度與負(fù)載的大小以及改造成本，采用雙推-單推支承方式，該方式軸向剛度高，位移精度好，可以進(jìn)行預(yù)拉伸。
3.1.5 傳動(dòng)效率的計(jì)算
= (3.5)
式中：—螺距升角，根據(jù),可得=2°28′；
—摩擦角，一般取=10′。
算得： ==95.67% (3.6)
3.1.6 剛度的驗(yàn)算
=（“+”號(hào)代表拉伸，“-”代表壓縮）
式中：—絲杠的最大工作載荷，單位為；
—絲杠縱向最大有效行程，單位為；
—絲杠材料的彈性模量，鋼；
—絲杠的橫截面面積，單位按絲杠螺紋的底徑確定。
根據(jù)設(shè)計(jì)，為2459.6N，為420，為36.5，算得：
==±0.0047 (3.7)
=±4.7
查表3-3可知，,所以剛度足夠。
3.1.7 穩(wěn)定性校核
= (3.8)
式中：—絲杠支承系數(shù)，由表3-4得出單推-單推時(shí)，取1；
—滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5～4，本設(shè)計(jì)取4；
—滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為，本設(shè)計(jì)中該值為500；
—按絲杠底徑確定的截面慣性矩，（，單位為）本設(shè)中將代入算出=87080。
由以上數(shù)據(jù)可以算出：== (3.9)
臨界載荷遠(yuǎn)大于工作載荷（2459.6N），故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。
3.1.8 臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證
(3.10)
式中：—絲杠支承系數(shù)，單推-單推方式時(shí)，由表3-5可得該值為12.1；
—臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度，單位為，本設(shè)計(jì)中該值約為720；
—絲杠內(nèi)徑，單位；
—安全系數(shù)，可取=0.8
經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出=5321，由已知，可以算出，該值小于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。
3.2 步進(jìn)直線電機(jī)的計(jì)算和選用
3.2.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算
（1）軸、絲杠等圓柱體慣量計(jì)算（）
(3.11)
對(duì)于鋼材：
(3.12)
式中：
M—圓柱體質(zhì)量（）
D—圓柱體直徑（）
L—圓柱體長(zhǎng)度（）
—鋼材的密度
對(duì)于齒輪：D可取分度圓直徑，L取齒輪寬度；
對(duì)于絲杠：D可近似取絲杠公稱直徑—滾珠直徑，L取絲杠長(zhǎng)度。
具體計(jì)算如下：
(3.13)
（2）絲杠傳動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的總傳動(dòng)慣量
步進(jìn)直線電機(jī)到絲杠，此傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
(3.14)
式中：
具體計(jì)算如下：
(3.15)
3.2.2 電機(jī)力矩的計(jì)算
電機(jī)的負(fù)載力矩在各種工況下是不同的，下面分快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩、快速進(jìn)給時(shí)所需力矩、最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩等幾部分介紹其計(jì)算方法。
（1） 快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩
式中：
（2） 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩
因此對(duì)運(yùn)動(dòng)部件已起動(dòng)，固不包含，顯然。
（3）最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩
式中：
在采用絲杠螺母副傳動(dòng)時(shí)，上述各種力矩可用下式計(jì)算
(3.16)
式中：
摩擦力矩
式中：
附加摩擦力矩
(3.17)
式中：
折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩
式中：
具體計(jì)算：
橫向： (3.18)
(3.19)
3.3 步進(jìn)直線電機(jī)的選擇
目前，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控中大多數(shù)采用反應(yīng)式步進(jìn)直線電機(jī)。
1. 首先根據(jù)最大靜轉(zhuǎn)距
從表中查出，當(dāng)步進(jìn)直線電機(jī)為三相六拍時(shí)，
(3.20)
縱向： (3.21)
按此最大靜轉(zhuǎn)矩產(chǎn)步進(jìn)直線電機(jī)型號(hào)表（三相）可查出，110BYG3500型最大靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩為8N.m，大于所需靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號(hào)。但必須進(jìn)一步考核步進(jìn)直線電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。
步進(jìn)直線電機(jī)起動(dòng)頻率 Hz (3.22)
最高工作頻率 Hz (3.23)
從電機(jī)表中查出，110BYG3500型步進(jìn)直線電機(jī)的空載起動(dòng)頻率為1600Hz，運(yùn)行頻率為30000Hz，滿足要求。
橫向： (3.24)
按此最大靜轉(zhuǎn)矩產(chǎn)步進(jìn)直線電機(jī)型號(hào)表（三相）可查出，90BYGH3502型最大靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩為5N.m，大于所需靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號(hào)。
第4章 Y向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算
4.1 滾珠絲杠的選擇
4.1.1 滾珠絲杠的精度
查閱滾珠絲杠的樣本選擇絲杠精度為5級(jí)精度等級(jí)，Y軸行程1000mm
4.1.2 滾珠絲杠參數(shù)的計(jì)算
（1）最大工作載荷的計(jì)算
絲杠的最大載荷為工作時(shí)的最大進(jìn)給力加摩擦力，最小載荷即為摩擦力。設(shè)最大進(jìn)給力=5000N，導(dǎo)軌上面移動(dòng)部件的重量約為500㎏，導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為0.04，故絲杠的最小載荷（即摩擦力）
（N） (4.1)
絲杠最大載荷是：
5000＋196＝5196（N） (4.2)
平均載荷是：
=×=≈3529（N） (4.3)
（2）當(dāng)量動(dòng)載荷的計(jì)算
滾珠絲杠副類(lèi)型的選擇主要是根據(jù)導(dǎo)程和動(dòng)載荷兩個(gè)參數(shù),其選擇的原則為:①滾珠絲杠的靜載荷Coa不能大于額定靜載荷Coam,即Coa≤Coam;②滾珠絲杠的動(dòng)載荷Ca不能大于額定動(dòng)載荷Cam,即Ca≤Cam。
驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速2000 r/min
絲杠最高轉(zhuǎn)速為2000r/min，工作臺(tái)最小進(jìn)給速度為0.5m/min，故絲杠的最低轉(zhuǎn)速為0.1r/min，可取為0，則平均轉(zhuǎn)速n=1000r/min。絲杠使用壽命T=15000h，故絲杠的工作壽命
==675（r） (4.4)
當(dāng)量動(dòng)載荷值： (4.5)
式中： ——載荷性質(zhì)系數(shù)，無(wú)沖擊取1-1.2，一般情況取1.2-1.5，有較大沖擊振動(dòng)時(shí)取1.5-2.5；
——精度影響系數(shù)，對(duì)1、2、3級(jí)精度的滾珠絲杠取=1.0，對(duì)4、5級(jí)精度的絲杠取=0.9。
根據(jù)要求去=1.5，=0.9，代入數(shù)據(jù)得
≈51.59（KN） (4.6)
根據(jù)計(jì)算所得最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查滾珠絲杠樣本，選擇FF4010-5型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返回器雙螺母對(duì)旋預(yù)緊滾珠絲杠副，其公稱直徑為40mm，導(dǎo)程為10mm，循環(huán)滾珠為5圈×2列，精度等級(jí)取5級(jí)，額定動(dòng)載荷為55600N，大于最大計(jì)算動(dòng)載荷=51590N，符合設(shè)計(jì)要求。
表4.1 滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)
名 稱
符 號(hào)
計(jì)算公式和結(jié)果
公稱直徑（mm）
40
螺距(mm)
P
10
接觸角
鋼球直徑(mm)
7.144
螺紋滾道法面半徑(mm)
偏心距(mm)
0.009
螺紋升角(mm)
=
絲杠外徑(mm)
39.5
絲杠底徑(mm)
34.3
螺桿接觸直徑(mm)
32.87
（3）傳動(dòng)效率的計(jì)算
將公稱直徑=40mm，導(dǎo)程=10mm，代入λ=arctan[]，的絲杠螺旋升角λ=。將摩擦角，代入=，得傳動(dòng)效率=93.7%。
（4）剛度的驗(yàn)算
本傳動(dòng)系統(tǒng)的絲杠采用一端軸向固定，一端浮動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式。固定端采用一對(duì)面對(duì)面角接觸球軸承和一個(gè)角接觸球軸承，另一端也采用角接觸球軸承，這種安裝適應(yīng)于較高精度、中等載荷的絲杠。
滾珠絲杠螺母的剛度的驗(yàn)算可以用接觸量來(lái)校核。
a、滾珠絲杠滾道間的接觸變
根據(jù)公式Z=，求得單圈滾珠數(shù)Z=22，改型號(hào)絲杠為雙螺母，滾珠的圈數(shù)×列數(shù)為5×2，代入公式圈數(shù)×列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=220。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力=1732（N）。查相關(guān)公式得滾珠絲杠與螺紋滾道間接觸變形
(4.7)
式中=51590N。代入數(shù)據(jù)得；
==0.013(mm)
因?yàn)榻z杠有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載，所以實(shí)際變形量可以減少一半，取=0.0065mm。
b、絲杠在工作載荷作用下的抗壓變形
絲杠采用的是兩端都為角接觸球軸承，軸承的中心距a=720mm，鋼的彈性模量E=,由表2.1中可知，滾珠直徑=7.144mm，絲杠底徑=34.3mm，則 絲杠的截面積： =1540.6()
根據(jù)公式代入數(shù)據(jù)得：
=0.018(mm)
C、總的變形
==0.0065+0.018=0.0245mm,絲杠的有效行程為600， 絲杠在有效行程500—400mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到30μm,，可見(jiàn)絲杠剛度足夠。
（5）穩(wěn)定性的驗(yàn)算
(4.8)
公式中取支撐系數(shù)=2，
由絲杠底徑=43.3mm求的截面慣性矩=188957.7()，壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥式水平安裝），滾珠螺母至軸向固定處的距離取最大值1200mm，代入公式得：
=181129.6(㎏)
則f=181129.6N大于=51590N，故不會(huì)失穩(wěn)，滿足使用要求。
（6）臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算
對(duì)于滾珠絲杠還有可能發(fā)生共振，需要驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速，設(shè)不會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速。
查資料得公式 ：
(4.9)
為絲杠支承方式系數(shù)（一端固定，一端游動(dòng)）
代入數(shù)據(jù)得：4397(r/min),臨界速度遠(yuǎn)大于絲杠所需轉(zhuǎn)速，故不會(huì)發(fā)生共振。
（7）滾珠絲杠選型和安裝尺寸的確定
由以上驗(yàn)算可以知道，絲杠型號(hào)為FF4010-5完全符合所需要求，故確定選用該型號(hào)，安裝尺寸查表可知。
（8）絲杠支承的選擇
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(duì)絲杠的軸向精度和軸向剛度應(yīng)有較高要求。其兩端支承的配置情況為軸向固定方式。本次設(shè)計(jì)絲杠支承選用一端固定，另一端浮動(dòng)。
4.2 伺服電機(jī)的選擇
4.2.1 最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
所選伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩。最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩T可根據(jù)以下公式計(jì)算，即
(4.10)
從前面的計(jì)算可以知道，最大載荷N，絲杠導(dǎo)程=10mm=0.01m，預(yù)緊力=N，根據(jù)計(jì)算的滾珠螺母絲杠的機(jī)械效率=0.947，因?yàn)闈L珠絲杠預(yù)加載荷引起的附加摩擦力矩：
（N·m） (4.11)
查手冊(cè)得單個(gè)軸承的摩擦力矩為0.32N·m，故一對(duì)軸承的摩擦力矩=0.64N·m。簡(jiǎn)支端軸承步預(yù)緊，其摩擦力矩可忽略不計(jì)。伺服電動(dòng)機(jī)與絲杠直接相連，其傳動(dòng)比=1，則最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩：
(N·m)
所選的伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)該大于此值。
4.2.2 負(fù)載慣量的計(jì)算
伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)與負(fù)載慣量相匹配。
負(fù)載慣量可以按一下次序計(jì)算。立柱與主軸箱的質(zhì)量為500㎏，折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量可按下式計(jì)算，
(kg·㎡) (3.14)
絲杠名義直徑=50mm=0.05m，長(zhǎng)度L=1.2m絲杠材料（鋼）的密度ρ=7.8㎏·。根據(jù)公式計(jì)算絲杠加在電動(dòng)機(jī)軸上的慣量
(㎏·㎡) (4.12)
聯(lián)軸器加上鎖緊螺母等的慣量可直接查手冊(cè)得到，即(㎏·㎡)
故負(fù)載總的慣量為
(㎏·㎡)
電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)與負(fù)載慣量相匹配。通常要求不小于，但也不是越大越好。因越大，總的慣量就越大，加速度性能受影響。為了保證足夠的角加速度，以滿足系統(tǒng)反應(yīng)的靈敏的，將采用轉(zhuǎn)矩較大的伺服電動(dòng)機(jī)和它的伺服控制系統(tǒng)。根據(jù)有關(guān)資料的推薦，匹配條件為：
(4.13)
則所選交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)在0.0092—0.036㎏·㎡范圍之內(nèi)。
根據(jù)上述計(jì)算可選用表3.2中的交流伺服電機(jī)α22/3000i型，其額定轉(zhuǎn)矩為22N·m，最高，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.012㎏·㎡。
表4.2 FANUCα(HV)i系列交流伺服電機(jī)
型號(hào)
α1/ 5000i
α2/ 5000i
α4/ 4000i
α8/ 3000i
α12/ 3000i
α22/3000i
輸出功率/kw
0.5
0.75
1.4
1.6
3
4
額定轉(zhuǎn)矩(N·m)
1
2
4
8
12
22
最高轉(zhuǎn)速
5000
5000
4000
3000
3000
3000
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(㎏·㎡)
0.00031
0.00053
0.0014
0.0026
0.0026
0.012
質(zhì)量㎏
3
4
8
12
18
29
伺服放大器規(guī)格
20i
20i
20i
40i
80i
80i
4.2.3 空載加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算
當(dāng)執(zhí)行件從靜止以階躍指令加速到最大移動(dòng)（快速）速度時(shí)，所需要的空載加速轉(zhuǎn)矩按下式求，
(4.14)
空載加速時(shí)，主要克服的是慣性，選用的α22/3000i型交流伺服電動(dòng)機(jī),總慣量
0.0120+0.0092=0.0212(㎏·㎡)
加速度時(shí)間通常取的3~4倍，故=(3~4)=(3~4)×6=18~24(ms)，則
(N·m)
4.2.4 軸向間隙的調(diào)整和加預(yù)緊力的方法
對(duì)于滾珠絲杠副，除了單一方向的進(jìn)給傳動(dòng)精度有一定的要求外，對(duì)它的軸向間隙也有嚴(yán)格的要求，以保證反向傳動(dòng)的精度。要把軸向間隙完全消除，也是相當(dāng)困難的。通常采用雙螺母，并加預(yù)緊力的方法來(lái)消除其軸向間隙。雙螺母經(jīng)加預(yù)緊力調(diào)整后，能基本上消除軸向間隙。單螺母的滾珠絲杠副是不能調(diào)整軸向間隙和預(yù)緊力的，其軸向間隙只能依靠滾珠絲杠副本的精度和安裝時(shí)絲杠和螺母的連接精度來(lái)保證。
雙螺母加預(yù)緊力消除軸向間隙必須注意兩點(diǎn)，一是：通過(guò)預(yù)緊后產(chǎn)生的力，可促使預(yù)拉變形，以減少?gòu)椥宰冃嗡鸬奈灰?。但預(yù)緊力不能太大，否則會(huì)使驅(qū)動(dòng)力矩增大，傳動(dòng)效率反而降低，使用壽命也隨之縮短。二是：軸向間隙的消除，不能忽視絲杠的安裝部分和驅(qū)動(dòng)部分的軸向間隙，應(yīng)同時(shí)調(diào)整是它減少到最小。目前常用的雙螺母預(yù)緊力調(diào)整方法有下面三種。
（1）墊片調(diào)隙式
如圖所示為墊片調(diào)隙式，一般用螺釘來(lái)連接滾珠絲杠上的兩個(gè)螺母的凸緣處，在中間加墊片。墊片的厚度是螺母間產(chǎn)生軸向位移，以達(dá)到消除間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力的目的。
這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠，裝拆方便。但缺點(diǎn)是調(diào)整很費(fèi)時(shí)，在工作狀態(tài)下不能隨意調(diào)整，因?yàn)橐鼡Q不同厚度的墊片才能消除間隙，所以是用于一般精度的機(jī)構(gòu)中使用。
（2）螺紋調(diào)隙式
如圖所示為螺紋調(diào)隙式。它是一個(gè)螺母的外端有凸緣，而另一個(gè)螺母的外端沒(méi)有凸緣，車(chē)有螺紋，它伸出在套筒外，并用兩個(gè)圓螺母調(diào)整好間隙后，再用一圓螺母鎖緊螺母鎖緊就可以了。
這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)整方便，所以應(yīng)用廣泛，但調(diào)整的位移量不太精確。
圖4.4 墊片調(diào)隙式 圖4.5螺紋調(diào)隙式
（3）齒差調(diào)隙式
如圖所示為齒差調(diào)隙式。它是在兩個(gè)螺母的凸緣上各有圓齒輪2，兩者的齒數(shù)值相差一個(gè)齒，裝入內(nèi)齒圓3中，內(nèi)齒圓3是用螺釘1和定位銷(xiāo)4固定在套筒5上的。調(diào)整是先取下內(nèi)齒圓3，轉(zhuǎn)動(dòng)圓柱齒輪2，在兩個(gè)滾柱螺母相對(duì)于滾筒5轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以使兩個(gè)螺母相互產(chǎn)生角位移，這樣滾柱螺母對(duì)于滾珠絲杠的螺旋滾道也相對(duì)移動(dòng)是兩個(gè)螺母中的滾柱分別貼近在螺旋滾到的兩個(gè)相反的側(cè)面上。消除間隙并產(chǎn)生預(yù)緊力后，把內(nèi)齒圓3套上用定位銷(xiāo)4固定。
這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是調(diào)整精確可靠，定位精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，僅在高精度的數(shù)控機(jī)床有所應(yīng)用。
1——螺釘； 2——圓柱齒輪； 3——內(nèi)齒圓；
4——定位銷(xiāo)； 5——套筒。
圖4-6 齒差調(diào)隙式
4.3 導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇
根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般運(yùn)行狀況)，3.0~5.0（運(yùn)動(dòng)時(shí)受沖擊、振動(dòng)）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌：
因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取
根據(jù)計(jì)算額定靜載荷初選導(dǎo)軌:
選擇漢機(jī)江機(jī)床廠HJG-D系列滾動(dòng)直線導(dǎo)軌,其型號(hào)為:HJG-D25
基本參數(shù)如下:
表4.3 額定靜載荷初選導(dǎo)軌
額定載荷/N
靜態(tài)力矩/N*M
滑座重量
導(dǎo)軌重量
導(dǎo)軌長(zhǎng)度
動(dòng)載荷
靜載荷
L
(mm)
17500
26000
198
198
288
0.60
3.1
760
滑座個(gè)數(shù)
單向行程長(zhǎng)度
每分鐘往復(fù)次數(shù)
M
4
0.6
4
導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷N
依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導(dǎo)軌的基本動(dòng)額定載荷 (kN)驗(yàn)算導(dǎo)軌的工作壽命Ln：
額定行程長(zhǎng)度壽命:
導(dǎo)軌的額定工作時(shí)間壽命:
導(dǎo)軌的工作壽命足夠.
4.4 聯(lián)軸器的選擇
金屬?gòu)椥栽闲月?lián)軸器是由各種片狀、圓柱狀、卷板狀等形狀的金屬?gòu)椈?，利用金屬?gòu)椈傻娜跣宰冃我赃_(dá)到補(bǔ)償兩軸相對(duì)偏移 和減振、緩沖功能，構(gòu)成不同結(jié)構(gòu)、性能的撓性聯(lián)軸器。金屬?gòu)椥栽确墙饘購(gòu)椥栽?qiáng)度高，使用壽命長(zhǎng)，傳遞載荷能力大，,適用于高溫工況，彈性模最大且穩(wěn)定。
如圖3.5所示膜片聯(lián)軸器是由幾組膜片（不銹鋼薄板）用螺栓交錯(cuò)地與兩半聯(lián)軸器聯(lián)接，每組膜片由數(shù)片疊集而成，膜片分為連桿式和不同形狀的整片式。膜片聯(lián)軸呂靠膜片的彈性變形來(lái)補(bǔ)償報(bào)聯(lián)兩軸的相對(duì)位移，是一種高性能的金屬弱性元件撓性聯(lián)軸器，結(jié)構(gòu)較緊湊，強(qiáng)度高，不用潤(rùn)滑，使用壽命長(zhǎng)，無(wú)旋轉(zhuǎn)間隙，不受溫度和油污影響，具有耐酸、耐堿、防腐蝕的特點(diǎn)，適用于高速、高溫、有腐蝕介質(zhì)工況環(huán)境的軸系傳動(dòng)，廣泛用于各種機(jī)械裝置的軸系傳動(dòng) 。
圖4.7 DJM5金屬膜片撓性聯(lián)軸器
4.5 軸承的選擇
滾珠絲杠中經(jīng)常使用的滾動(dòng)軸承有以下兩類(lèi)。
（1）接觸角為的角接觸球軸承
這是目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用的滾珠絲杠軸承，這種軸承可以組合配置。一種為面對(duì)面方式，另一種為背靠背組合方式。這兩種方式都可承受雙向軸向推力，還有一種是通向組合方式，其承受能力較高，但只承受一個(gè)方向的軸向力，同向組合時(shí)的額定動(dòng)載荷等于單個(gè)軸承的乘下列系數(shù)：2個(gè)為1.40;3個(gè)為2.16；4個(gè)為2.64。由于螺母與絲杠的同軸度在制造安裝的過(guò)程中難免有誤差，而且采用面對(duì)面組合方式時(shí)兩接觸線與軸線交點(diǎn)間的距離a比背對(duì)背的小，故容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整。因此在進(jìn)給傳動(dòng)中面對(duì)面組合用的較多。
（2）滾針—推力圓柱滾子組合軸承
外圈與箱體固定不轉(zhuǎn)，內(nèi)圈和隔套內(nèi)圈隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，滾針承受徑向載荷，圓柱滾子分別承受兩個(gè)方向的軸向載荷，修磨隔套內(nèi)圈的寬度可調(diào)整軸承的軸向預(yù)緊量。
本次設(shè)計(jì)選用角接觸球軸承，根據(jù)軸的直徑選用型號(hào)為表3.3中的7009 GB/T 292—1994。
表4.4 角接觸球軸承
總結(jié)
在這幾個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我認(rèn)真分析了指導(dǎo)老師提供的基本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和要求，之后在查閱了大量工具書(shū)和期刊資料；對(duì)現(xiàn)在我國(guó)的龍門(mén)加工中心進(jìn)給機(jī)構(gòu)總體趨勢(shì)進(jìn)行分析，在網(wǎng)上和圖書(shū)館搜集了大量的第一手的資料，首先初步確定了本次設(shè)計(jì)的基本方案，然后設(shè)計(jì)出了具體的方案。
數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本要求為：定位精度高，跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快；系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。反應(yīng)在伺服系統(tǒng)性能指標(biāo)上，即穩(wěn)定性、精度和快速響應(yīng)特性。為滿足這些要求，機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中用盡量采用低摩擦傳動(dòng)副，如滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌、貼塑導(dǎo)軌、滾珠絲杠等，以減少摩擦力； 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展必定是未來(lái)制造業(yè)的發(fā)展方向，數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)由各坐標(biāo)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制單元、機(jī)械傳動(dòng)部件、執(zhí)行件和控制反饋環(huán)節(jié)組成，顯然伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過(guò)選用最佳降速比來(lái)降低慣量；采用預(yù)緊的辦法提高傳動(dòng)剛度；用消除的辦法減少反向死區(qū)誤差等，其中最重要的是提高傳動(dòng)剛度和降低慣量。采用預(yù)緊消除間隙提高傳動(dòng)剛度，不僅不需要增大尺寸和慣量，而且也是傳動(dòng)剛度接近常數(shù)，這是伺服進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的突出特點(diǎn)。
伺服系統(tǒng)采用了步進(jìn)電機(jī)通過(guò)彈性聯(lián)軸器直接與滾珠絲杠連接驅(qū)動(dòng)絲杠傳動(dòng)，而且其軸承采用的是角接觸軸承保證其主軸不竄動(dòng)，采用一個(gè)深溝來(lái)保證其徑向的圓跳動(dòng)。在設(shè)計(jì)中我們兼顧經(jīng)濟(jì)性，考慮滿足精度的要求，因此對(duì)于設(shè)備及元件的選擇都要求具有高精度，因此設(shè)計(jì)的成本較高。
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致 謝
本論文是在導(dǎo)師XXX的悉心指導(dǎo)下完成的，在這次設(shè)計(jì)中得到了很多老師和同學(xué)的熱心幫助，在這里我要一一向他們表示感謝。首先我要感謝我們的指導(dǎo)老師教授。從畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)始到期末答辯，老師一直嚴(yán)格要求我們，為我們安排了理合的作息時(shí)間，避免了由于作息時(shí)間無(wú)序而出現(xiàn)的懶散現(xiàn)象的發(fā)生。為了能使我們按時(shí)勝利的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)，XX老師多次帶領(lǐng)我們小組的同學(xué)實(shí)地參觀數(shù)控龍門(mén)加工中心，加深了我們對(duì)數(shù)控機(jī)床的理性認(rèn)識(shí)。有的同學(xué)設(shè)計(jì)的課題可查閱的相關(guān)資料較少，老師親就親自通過(guò)不同途徑為這些同學(xué)找到相關(guān)的資料，保證了這些同學(xué)的進(jìn)度。正是在老師有效的指導(dǎo)下，使得我們小組每個(gè)同學(xué)的進(jìn)度都達(dá)到了學(xué)院的要求。我很欣賞老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，敬佩他的為人；感謝他對(duì)我們的耐心指導(dǎo)。我相信他對(duì)我的教誨一定會(huì)使我終身受益。
其次我要感謝我們小組的所有同學(xué)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中他們給了我無(wú)私的幫助。特別是李建同學(xué)，他勤奮、樂(lè)于助人而又富有知識(shí)。在許多方面都走在我們的前面，讓我覺(jué)得他就好比是身邊的一本手冊(cè)，隨時(shí)都能解決我在設(shè)計(jì)中遇到的困惑。
再次我要感謝機(jī)自實(shí)驗(yàn)室的所有老師以及曾在數(shù)控機(jī)床操作方面給予我們幫助的學(xué)長(zhǎng)們。感謝他們?yōu)槲覀兲峁┝水厴I(yè)設(shè)計(jì)的場(chǎng)所以及無(wú)私的幫助