数控铣床进给系统的设计

目 录 摘 要 . I Abstract . II 第一章 绪 论 . - 1 - 1.1 数控技术与数控机床 . - 1 - 1.2 数控机床的特点及发展趋式 . - 1 - 1.3 数控铣床与其进给系统 . - 3 - 1.4 总体设计方案的拟定 . - 3 - 第二章 机床横向进给系统机械部分计算与设计 . - 5 - 2.1 脉冲当量的选择与切削力的计算 . - 5 - 2.2 滚珠丝杆螺母副的计算和选型 . - 6 - 2.3 伺服电机的选择 . - 12 - 2.4 导轨的设计及滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧 . - 15 - 2.5 联轴器的选用 . - 16 - 第三章 三维实体造型设计及图纸生成 . - 17 - 3.1 工具软件 UG 的介绍 . - 17 - 3.2 造型过程 . - 17 - 3.3 二维图纸的生成 . - 20 - 第四章 零件的数控加工及程序编制 . - 21 - 4.1 数控工艺分析和加工 路线的确定 . - 21 - 4.2 数控机床的选型 . - 21 - 4.3 定位基准、装夹方案和对刀点 . - 21 - 4.4 选择刀具 . - 22 - 4.5 确定切削用量 . - 22 - 4.6 数控程序 . - 23 - 结 论 . - 26 - 参考文献 . - 27 - 致谢 . - 28 - I 数控铣床（ 320mm） Y 轴进给系统三维设计及加工 专 业： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 摘 要 近年来，我国经济飞速发展，既促进和带动了制造业的发展，也 使其遇到了严峻的挑战，迫切地需要改造传统的加工制造模式。这其中很重要的一条就是使用更高速、更精确、更可靠的数控机床来代替普通的人工机床。本文就是在这样的背景下，借助先进的 CAX 软件 UG NX 5.0，通过对其他数控机床的分析与观察，根据实际要求，分析、设计数控铣床（ 320mm）横向进给系统。特别值的一提的是，本文摒弃了传统的二维设计方法，利用 UG 进行三维参数化造型设计，直接生成工程图纸和加式代码，这对于缩短设计周期，提高设计质量和产品的加工生产效率有着重要的意义。 关键词 ：数控铣床；进给系统；加工 II Three-dimensional Design And Manufacturing Of Feed Machanism In NC Mill Machine Tool Abstract These years,the economy of China is developing very fast which pushes the manufacturing industry to a new step as well as bringing great challenge,making it necessary to refresh the traditional mode of manufacture.Using numerical control(NC) machine tool in stead of ordinary machine tool is one of the important ways to reach our goals,as the fomer is faster,more accurate and more relliable.On the background of this,thanks to the powerfull three-dimensional CAX software,it is very convenient to analyse,design and produce,compared of the traditional two-dimensional method.In this paper,after careful studying of the other NC machine tools,based on pratical requriment which has been provided by our teacher,we have designed the feed mechanism(Y-oritation) of mill NC machine tool(320mm).One of the things that Im eager to share with you is what a wonder to use UG in the process of design and shaping.With the help of UG, we can produc the engineering deawing and code for production immediently after three dimensional modeling which is a great help to the production.All in all , we can design a better machine in a shorte time. Keyword:NC Mill Machine Tool；Feed System；Manufacturing - 1 - 第一章 绪 论 1.1 数控技术与数控机床 数控技术是现代制造技术的基础。它综合了计算机技术、自动控制技术、自动检测技术和精密机械等高新技术，因此广泛应用于机械制造业。数控机床替代普通机床，从而使得制造业发生了根本性的变化，并带来了巨大的经济效益。 目前，数控技术已被世界各国列为优先发展的关键工业技术，成为国际间科技竞争的重点。数控技术的应用将机械制造与微电子、计算机、信息处理、现代控制理论、检测技术以及光电磁等多种学科技术融为一体，使制造业成为知识、技术密集的大学科范畴内的现代制造业，成为国民经济的基础工 业。 数控技术是当今柔性自动化和智能自动化的技术基础之一，它使传统制造工艺发生了显著的、本质的变化。随着数控技术的不断发展和应用，工艺方法和制造系统的不断更新，形成了 CAD、 CAM、 CAPP、 CAT、 FMS 等一系列具有划时代意义的新技术、 新工艺的制造系统。 在国际贸易中，很多发达国家把数控机床视为具有高技术附加值、高利润主要电机出口产品。世界贸易强国在进行国内机电产品贸易的同时，把高技术的机电产品出口打入国际市场，作为发展出口经济的重要战略措施，数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的 百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控铣床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置。 1.2 数控机床的特点及发展趋式 随着科学技术的发展，制造技术的进步，以及社会对产品质量和品种多样化的要求越来越强烈。中、小批量生产的比例明星增加，要求现代数控机床成为一种精密、高效、复合、集成功能和低成本的自动化加工设备。同时，为满足制造业向更高层次发展，为柔性制造单元、柔性制造系统，以及计算机集成制造系统提供基础设备，也要求数控机床向更高水平发。 世界数控机床产业发展的基 本共识是朝着高速高效化、精密化、复合化、智能化、信息化、环保化和设计模块化的方向发展。 高速高效化 高速和超高速加工技术可以提高加工效率，也是加工难削材料、提高加工精度、控制振动的重要保障。其技术关键是提高机床的主轴转速和进给速度。比如进一步提高高速电主轴最高转速及功率、扭矩，采用传感技术进行振动监测和诊断，进一步轻量化进给系统，采用直线电机和力矩电机的直接驱动方式，由刀具 - 2 - 主轴部件实现机床的 3 个直线坐标运动等。 精密化 由于机床结构和各组件加工的精密化，机床达到微米级精度已不是问题。目前高档数控机床定位精度 （全行程）已达 0.004 0.006mm，重复定位精度 0.0020.003mm。同时，代表精度水平的超精密的纳米级机床已开始不断涌现。 复合化 在零部件一体化程度不断提高、数量不断减少的同时，加工的产品形状日益复杂，多轴化控制的机床适合加工形状复杂的工件。另一方面，产品周期的缩短要求加工机床能够随时调整和适应新的变化，满足各种各样产品的加工需求，这就要求 1 台机床能够处理以往需要几台机床处理的工序。在保持工序集中和减少工件重新安装定位的前提下，使更多的不同加工过程复合在一台机床上，以减少占地面积，减少零件传 送和库存，保证加工精度和节能降耗的要求。 智能化 现代智能化数控机床可以根据切削条件的变化，自动调节工作参数，保持最佳工作状态，得到较高的加工精度和较低的表面粗糙度值，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。此外，系统还可以随时对 CNC 系统本身以及与其相连的各种设备进行自诊断、检查，实现故障停机、故障报警、提示发生故障的部位、原因等。智能化现代数控机床的发展趋势是采用人工智能专家诊断系统。 信息化 利用计算机技术和网络通信技术，机床制造商可以建立机床远程技术支持体系，实现工况信息的传输、存储、查询和显示 ，以及远程智能诊断。基于网络连接，机床用户可以及时获得机床制造商的远程技术支持，机床制造商可准确有效地得到用户方的机床工况资料数据，进行机床状态的网上在线诊断，实现机床全生产周期服务的开放式网络监控服务，可以提高售后服务效率，并有助于及时改进产品的质量。 环保化 环保是机床产品必须达到的条件。通过干切削、准干切削、硬切削等措施避免冷却液、润滑液对周围环境造成生态危害以及采用全封闭的罩壳，全面避免切屑或切削液外溅是主要的两个环保化要求。 设计模块化 模块化的设计在机床制造中已应用得炉火纯青，横向系列，纵向系列 ，全系列，跨系列的模块化设计使得同样两台机床，外形上看，好象完全一样，但功能则完全不同，所构成的模块很多则是通用的。模块化设计将是贯穿产品设计全过 - 3 - 程的一条主线，无论是机床技术发展的潮流还是市场竞争的要求，无论是降低成本的需要，还是提高产品质量的需要，都要求在产品的开发设计中，切实做好模块化的设计工作。产品生产向社会协作、专业化方向发展，小而全的模式将被淘汰。 1.3 数控铣床与其进给系统 数控铣床可以人为立式、卧式和立卧两用式数控铣床，各类铣床配置的数控系统不同，其功能也不尽相同，主要有点位控制功能、连续轮 廓控制功能、刀具半径自动补偿功能、刀具长度自动补偿功能、镜像加工功能、固定循环功能和特殊功能。具备自适应功能的数控铣床可以在加工过程中把感受到的切削状况（如切削力、温度等）的变化，通过适应性控制系统及时控制机床改变切削用量，使铣床及刀具始终保持最佳状态，从而可获得较高的切削效率和加工质量，延长刀具使用寿命。数控铣床在配置了数据采集系统后，就具备了数据采集功能。目前已出现既对实物扫描采集数据，又能对采集到的数据进行自动处理生成数控加工程序的系统，这些为进行设计制造一体化工作提供了手段。 数控机床的进给系统是数 控装置与机床本体的传动环节，其作用是接收数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作转换和放大后，经伺服驱动装置（直流、交流伺服电机，功率步进电机，电液马达等）和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴头架等执行部件实现工作进给和快速运动。它能根据指令信号精确的控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。 数控铣床进给伺服系统由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件组成。伺服系统按使用的驱动装置分类可分为电液伺服系统和电气伺服系统；按使用直流伺服电机或交流 伺服电机分类可分为直流伺服系统和交流伺服系统；按反馈比较方式分类可分为脉冲数字比较伺服系统、相位比较伺服系统、幅值比较伺服系统及全数字伺服系统；按有无位置检测和反馈可以分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。伺服进给系统的基本要求是高精度、快的响应速度、宽的调速范围、低速时的大转矩。 1.4 总体设计方案的拟定 一、系统运动方式的确定 数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统和连续控制系统。本次设计的机床要求具有定位、直线插补、顺、逆圆弧插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，故应 选择连续控制系统。 - 4 - 二、控制方式的选择 伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。 开环控制系统中，没有检测反馈装置，数控装置发出的信号的流向是单向的，也正是由于信号的单向流程，它对机床移动部件的实际位置不作检测，所以机床的加工精度要求不太高，其精度主要取决于伺服系统的性能，开环伺服系统主要由步进电机驱动。这类机床工作比较稳定，反应迅速，调试和维修比较简单。目前经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。 半闭环控制系统中，对工作台的实际位置不进行检查测量，而是是通过与伺服电机有联系的的测量元件，如 测速发电机或光电编码盘等间接检测伺服电机的转角，推算出工作台的实际位置，有此值与指令值进行比较，用差值来实现控制。这种控制方式介于开环与闭环之间，精度没有闭环高，调式却比闭环方便。 闭环控制系统有机床移动部件上的检测反馈装置，在加工时刻检测机床移动部件的位置，使之和数控装置所要求的位置相符合，以期达到很高的加工精度。闭环系统多采用直流伺服电动机或交流电机驱动。这类机床的优点是精度最高的，速度快，但是调试和维修比较复杂，其关键是系统的稳定性，所以在设计时应对其稳定性给予足够重视。 本次设计的机床精度要求高，但 考虑到经济及调试等问题，选用半闭环型的控制系统。 三、机械传动方式 目前数控铣床的纵向和横向多采用伺服电机， 进给系统的机械传动链采用滚珠丝杠、静压丝杠和无间隙齿轮副等，以尽量减小反向间隙。 我们这里拟采用的是滚珠丝杠副传动，以减少摩擦系数，提高进给机构的整体刚度。滚珠丝杠与电机间用联轴器直接连接，以消除间隙。 - 5 - 第二章 机床横向进给系统机械部分计算与设计 主要参数如下： 工作台面积 (长宽 ) 900 320 mm 工作台左右行程 (X 向 ) 630 mm 工作台前后行程 (Y 向 ) 400 mm 主轴上、下行程 (Z 向 ) 500 mm 工作台最大承重 600 kg 主轴端面至工作台面距离 125-625 mm 刀具最大尺寸 100 250 mm 刀具 最大重量 6 kg 主轴最高转速 8000 rpm 进给速度 5-5000 mm/min 快速移动速度 15000 mm/min 主电机功率 7.5kw 主轴最大输出 扭矩 94 N.m 定位精度 JB/T8772.4-1998 X:0.01mm ， Y、 Z： 0.01mm 全程 进给电机扭矩 8 N.m 起动加速时间（ ms）： 30 2.1 脉冲当量的选择与切削力的计算 一选择脉冲当量 根据机床精度要求确定脉冲当量： 横向： 0.01mm/step 二计算切削力 切削功率为 KNNC 试中 N-主电动机功率， 7.5KW -主传动系统总效率，一般为 0.60.7，取为 0.6 K-进给系统功率系数，取 0.96 根据上述公式可得：CN=4.32KW。又因为CN= ZF V/6120,V 为切削线速度，取 100mm/min，所以主切削力为 ZF =2.59KN。 - 6 - 通常：纵向切削分力纵F=（ 0.60.9) ZF 垂直切削分力垂F=（ 0.450.7） ZF 横向切削分力横F=（ 0.50.55） ZF 取 纵F=0.6 ZF =1.55KN 垂F=0.45 ZF =1.165KN 横F=0.5 ZF =1.265KN 2.2 滚珠丝杆螺母副的计算和选型 1、计算进给轴向力 Fm(N) 丝杠上的工作载荷 Fm是指滚珠丝钢负载驱动工作台时滚珠丝钢所承受 的轴向力，也叫进给牵引力。它包括三个力：滚珠丝杆的走刀抗力、工件的重力、作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。矩形导轨的工作载荷 Fm 的计算公式为： )2( GFFfKFFm 纵垂横 式中 K 考虑颠覆力矩影响的实验系数，矩形滑动导轨取 K=1.4； f 滑动导轨摩擦系数：贴塑导轨为 0.03-0.05，取 0.03； G 工作台、夹具和刀具的重量， G=600 9.8=5880N。 则 NFm k93.1)88.555.121 6 5.1(03.02 6 5.14.1 2、动载强度计算 当转速 10 / minnr 时，滚珠丝杠螺母的主要破坏形式是工作表面的疲劳点蚀，因此要进行动载强度计算，其计算动载荷 Q 应小于或等于滚珠丝杆螺母副的额定动负荷，即 Q=ap3KK FmL 式中 pK 载荷性质系数，本式中去pK=1.5； Ka 精度影响系数，本式中取 Ka =1； L 滚珠丝杆工作寿命，以 610 r 为 1 个单位； 本次设计中，电机与丝杆通过联轴器直接相连，减速比 i=1，工作台的最高 - 7 - 进给速度达到 5m/min，选用丝杆导程为 6mm 的丝杆，丝杆的最高转速为1500r/min，工作台的最小进给速度为 5mm/min，故丝杆的最低转速为 0.5r/min，可取为 0，则平均转速 n=（ 1500+0） /2=750r/min。故丝杆的工作寿命为 L=61060nT =610150075060 =675 式中 T 丝杆使用寿命，按设计机床要求取 T=15000h； n 丝杆转速； 代入上式得 Q=ap3KK FmL = 1 19305.16753 =25395N 3、静强度计算 当转速 10 / minnr 时，滚珠丝杠螺母的主要破坏形式为滚珠接触面上产生较大的塑性变形，影响正常工作。因此，应进行静强度计算，最大计算静载荷0Q为 max0Q FfS 式中 maxF 滚珠丝杆的最大轴向负载； Sf 静态安全系数，当为一般运转时，Sf=1-2，Sf=2-3，本式中Sf=2.5； 则，上式为max0Q Ff S=2.51930=4825N 根据计算额定动负载荷和额定静负荷初选滚珠丝杠副型号为 4506LW1 型一列 2.5 圈外循环螺纹预紧滚珠丝杆副。 其名义直径为 45mm，导程 6mm，滚珠直径 3.969mm。额定动负荷 16758N，额定静负荷orF=63994N。动载荷与静载荷载均满足要求选定精度为 1 级。 4、滚珠丝杆支承选择 滚珠丝杠的支承形式有四种：（ 1）一端固定，一端自由，这种安装方式承载能力小，轴刚度低，只是用于短丝杆，一般用于数控机床的调节环节或升降台式数控铣床的立向坐标中；（ 2）一端固定，一端简支，此种可用于丝杆较长的情况；（ 3）两端固定，这种安装方式适用于承载能力大，高速，高刚度，高精度的机床。 从刚度计算可 以看出，丝杆的支撑方式对丝杆的刚度影响很大。而采用两端固定的支承方式，压杆的稳定性和临界转速高，丝杠的轴向刚度为一端固定的 4倍，丝杠可以预拉伸，预拉伸后可减小丝杠自重下垂和补偿热膨胀且轴承组合的 - 8 - 刚度高。 本传动系统的丝杆采用两端固定的结构形式。固定端用单排推力球轴承51307 和深沟球轴承 6307，推力轴承承受轴向力，深沟轴承承受径向力，中间用套筒分开。 5、压杆稳定性 细长杆在受压缩载荷时，不会发生失稳的最大压缩载荷为临界载荷erF。 erF=3.424211010Ldf(N) wDdd 2.102 （ m） 式中 0d 丝杆公称直径， m； wD 滚珠直径， m； L 丝杆最大受压长度， m； 1f 丝杆支承方式系数（当一端固定，一端自由时， 1f =0.25；当一 端固定，一端游动时， 1f =2.0；两端固定时， 1f =4.0）。 代入数据得 wDdd 2.102 =45-4.0 3.969=29.124mm erF=3.424211010Ldf=3.4241094.0 029124.0410 =61600(N) 临界载荷erF与工作载荷 Fm 之比称为稳定性安全系数kn，当k n= merFF kn,则压杆稳定， kn为许用稳定性安全系数，一般 kn=2.5-4； 此时kn= 3.4019626 1 6 0 0mer FF kn 则此丝杆稳定。 6、临界转速校核 对于高速长丝杠有可能发生共振，需要算其临界转速，不会发生共振的最高转速为临界转速 ( / min).cnr - 9 - 22229910ccfdnL 201 .2 wd d D 式中 Lc 临界转速计算长度 ,取 0.4m； 丝杠支撑方式系数。 （当一端固定，一端自由时， 2f =1.875；当一端固定，一端游动时， 2f =3.927；两端固定时， 2f =4.730）。 wDdd 2.102 =45-1.2 3.969=40.2372mm m i n/140774.00402372.0499109910n 222c rLdfc 远远大于其最大速度，故临界转速满足。 7、额定寿命的校核 滚珠丝杠的额定动载荷 16758Ca ，已知其轴向载荷 1930NFm ，滚珠丝杠的转 速 min/r675n ，运转条件系数 5.1fw ，则有 r10304105.11930 1 6 7 5 810fL 66363wma ）（）（ F C h1 7 2 5 06 7 560 103 0 4n60L 6k L 滚珠丝杠螺母副的总工作寿命 h1500017250L k ，故满足要求。 预紧力pF=aC/4=16758/4=4190N。符合要求。 8、 传动效率的计算 丝杠螺母副的传动效率为 = )tan(tan v v 式中 摩擦角 =10 摩擦角 v = 34 2f - 10 - =)tan(tan v v =)0134tan(34tan =0.960 滚珠丝杠的传动效率高，这可使丝杠副的温度变化较小，对减小热变形，提高刚度、强度都起了很大作用。 滚珠丝杠基本尺寸 滚珠丝杠副主要尺寸列表 9、传动系统刚度及精度验算 丝杆的导程误差、伺服系统误差、丝杆轴承的轴向跳动误差和在载荷作用下各机械作用下各机械环节弹性环节变形引起的误差是影响系统精度的因素。 主要尺寸 计算公式 计算结果 公称直径 0d 45 基本导程 0L 6 接触角 34 钢球直径 bd 3.969 滚道法面半径 R R=0.52 bd 2.06 螺纹升角 00darctg L 302 偏心距 e e=(R- 2/db )sin 0.005 螺杆外径 d d= 0d -（ 0.20.25） bd 44.1 螺杆内径 1d d1 =d0 +2e-2R 43.22 螺杆接触直径 xd xd = 1d - bd cos 39.2 螺母螺纹直径 D D= 0d -2e+2R 49.11 螺母内径 1D 1D = 0d +（ 0.20.25） bd 45.89 - 11 - （ 1）传动系统综合刚度计算 由滚珠丝杆本身的抗压刚度tminK、支承轴承的轴向刚度baK、滚珠丝杆副中滚珠与滚道的接触刚度CK、折算到滚珠丝杆副上伺服系统刚度RK、折算到滚珠丝杆副上联轴节的刚度 1K 、滚珠丝杆副的抗扭刚度 kK 、螺母座、轴承座的刚度hK 形成的综合刚度 K 为： hk1Rcbat m i n11111111KKKKKKKK 一般在校核计算中，折算到滚珠丝杆副上联轴节的刚度、滚珠丝杆副的抗扭刚度、螺母座、轴承座的刚度、伺服刚度一般可忽略不计。则上式可简化为： cbatm in1111KKKK （ 1.1）滚珠丝杆本身的抗 压刚度tminK 已知工作台的横向行程为 400mm，当螺母移动到离定位点最远位置时，距离为最远，最大距离为 734mm=0.734m。则丝杆拉压刚度为 61126m a x216m a xt m i n 10734.0410204322.0104d10 LELAEK =399（ N/ m ） 式中 1d 丝杆底径 E 丝杆材料钢的弹性惯量， E= 。a102 2 GP （ 1.2）丝杆轴承的轴向刚度 单排推力球轴承 51307 的预加载荷0F=3102N，轴向外载荷为导轨摩擦力fF =fG=0.03 600 9.8=176N,故轴向载荷为预加载荷与轴向外载荷之和，即aF=0F + fF=3102+176=3278(N)。 丝杆轴承轴向载荷刚 度可按下式求得，即 3 23 2 17144.7350644.344.3 ZdFK aba =505（ N/ m ） （ 1.3）滚珠丝杆螺母的接触刚度cK 查丝杆螺母样本手册得 - 12 - cK=2300（ N/ m ） 则传动系统总和刚度 K 为 cbatm in1111KKKK=23 00150 5139 911=174（ N/ m ） （ 2）弹性变形量 数控铣床的定位精度是在不切削空载条件下检验的。故轴向载荷仅为导轨的摩擦力 fF 。本设计中的摩擦力 fF =206N,故因 fF 引起的弹性变形量为 )(11 8 52 0 6 mKF f （ 3）定位误差验算 本设计中滚珠丝杆在任意 300mm 内的导程误差300V为 6 m ，加弹性变形量 =1 m ，即 6+1=7 m 。再加上某些次要因素，将不会超过要求的定位公差，能满足定位精度 0.01 的设计要求。 2.3 伺服电机的选择 伺服电机的选用，应考虑三个要求：最大切削负债转矩，不得超过电机的额定转矩，电机的转子惯量 MJ 应与负载惯量 rJ 相匹配（匹配条件可根据伺服电机样本提供的匹配条件，也可以按照一般的匹配规律）；快速移动时，转矩不得超过伺服电机的最大转矩。 （ 1） 最大切削负载转矩计算 所选伺服电机的额定转矩应大于最大切削负载转矩。最大切削负载转矩 T可根据下式计算，即 T=(2max hPF+ POT + foT )i= 9.02 006.01930 +2.4+0.23=2.85（ mN ) 其 中 ， 从 前 面 的 计 算 已 知 最 大 进 给 力maxF=1930N ， 丝 杆 导 程hP =10mm=0.006m，预紧力 PF =3120N ，查丝杆样本，滚珠丝杆螺母副的机械效率 =0.9。因滚珠丝杆预加载荷引起的附加摩擦力矩 - 13 - POT=8.29P hPF= 3120 0.01/29.8=1.87( mN ) 查单个轴承的摩擦力矩为 0.115 mN ，故一对 轴承的摩擦力矩POT=0.23 mN 。伺服电机与丝杆直连其传动比 i=1。 （ 2） 负载惯量计算 伺服电动机的转子惯量 MJ 应与负载惯量 rJ 相匹配。负载惯量可按以下次序计算。 工件、夹具与工作台折算导电机轴上的惯量 1J ： 22h21 2 01.0006n2 nmwv ）（）（）（ PmJ 0.00152( 2mkg ) 丝杆加在电机轴上的惯量 2J 丝杆名义直径0D=45mm，长度 l=600m，丝杆材料钢的密度 =7.8 33 m/kg10 。根据下列计算，丝杆加在电机轴上的惯量 2J 为 43402 0 4 5.06.0108.7321321 LDJ 0.0024( 2mkg ) 联轴器加上锁紧螺母等的转动惯量3J可直接查手册得到 3J=0.001 2mkg 则负载及 机械传动装置总的转动惯量为： 2321r 0 0 4 9 2.0001.00024.00 0 1 5 2.0 mkgJJJJ 按照小型数控机床惯量匹配条件， 4/1 r JJM ，所选伺服电机的转子惯量 MJ应在 0.006050.0242 2mkg 范围之内。 根据上述计算可初步选定伺服电机。选用直流伺服电机，可选北京数控设备厂的 FB-14 型直 流伺服电机，其额定转矩为 16.8N m，大于最大切削负载转矩M=2.8N m；转子惯量 MJ =0.016 2mkg ，满足匹配要求。 FB-14 型直流伺服电机的主要技术参数如下。 最高转 速 n ： 1500r/min 。 - 14 - 额定转矩eT： 16.8N m 。 最大转矩maxT： 154N m 。 转子惯量 MJ ： 0.016 2mkg 。 反电动势系数eK： 0.583 rad/s V 。 转矩系数tK： 0.57N m/A。 电驱直流电阻 26.0m：R 。 （ 3）空载加速转矩计算 当执行件从静止以阶跃指令加速导最大移动（快速移动）时，所需的空载加速转矩aT为 aT=act6.9Jn 空载加速时，主要克服的是惯性。总惯量 MJJJ r0.00605+0.019=0.025（ N m） 则 aT= 0 4 5 6.06.9 1 5 0 00 2 5.0t6.9 acJn86 （ N m） 空载加速转矩aT不允许超过伺服电机的最大输出转矩maxT。由此可见，FB-14 型直流伺服电机的maxT=154N m aT=86N m，满足设计要求。 （ 4）伺服系统增益 通常取系统增益SK为 825.对轮廓控制的数控铣床可取较大值。如取SK=20 1s 。伺服系统的时间常数at=1/SK=1/20s=0.05s。根据aT=act6.9Jn 。如选用FB-14 型直流伺服电机，执行件（工作台）达到的最大加速度为 82.92 01.0025.0 1542m a x hPJTa(m/ 2s ) 伺服系统要求达到的最大加速度发生在系统处于时间常数at内，执行件的速度从 -maxv增加导 +maxv时 - 15 - ）（ 2m a xm a x s/m1030 201530 SKVa 显然，maxaa，因而按照加速能力选择SK=20 1s 是合适的。如maxa远小于a，可适当增大SK值以提高系统的性能。 2.4 导轨的设计及滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧 一、导轨的设计 铣床上的直线运动部件都是沿着它的床身、立柱、横梁、等支承件上的导轨进行运动的，导轨的作用概括地说就是对运动部件起导向和支承作用，导 轨的制造精度及精度保持性对机床加工精度有着重要的影响。导轨主要由机床上两个相对运动部件的配合面组成一对导轨副，其中不动的配合面成为支承（固定）导轨，运动的配合面成为运动导轨。 滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。目前已不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨，且已广泛用于数控机床上，其摩擦因数小，且动、静摩擦因数差很小，能防止低速爬行现象，耐磨性强等特点。塑料导轨多与铸铁导轨或淬硬 钢导轨相配使用。 二、滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧 滚珠丝杠副是回转运动与直线运动相互转换的一种新型传动装置，在数控铣床上得到了广泛的应用。 滚珠丝杠在轴向载荷作用下，滚珠和螺纹滚道接触区会产生严重接触变形，接触刚度与接触表面预紧力成正比。如果滚珠丝杠螺母副间存在间隙，接触刚度较小；当滚珠丝杠反向旋转时，螺母不会立即反向，存在死区，影响丝杠的传动精度。为了保证滚珠丝杠反向传动精度和轴向精度，必须消除滚珠丝杠螺母副轴向间隙。消除间隙的方法常采用双螺母结构，利用两个螺母的相对轴向位移，使两个滚珠螺母中的滚珠分别 贴紧在螺纹滚道的两个相反的侧面上，用这种方法预紧消除轴向间隙时，应注意预紧力不宜过大。预紧力过大会使空载力矩增加，从而减低传动效率，缩短使用寿命。 通过调整两个螺母之间的轴向位置，使两个螺母的滚珠在承受载荷之前，分别与丝杠的两个不同的侧面接触，产生一定的预紧力，以达到提高轴向刚度的目的。 - 16 - 调整预紧有多种方式，上图所示的为螺纹调隙式结构，用键限制螺母在螺母座内的转动。调整时，拧动圆螺母将螺母沿轴向移动一定距离，在消除间隙之后用另一圆螺母将其锁紧。这种调整方法的结构简单紧凑，调整方便，但调整较差。 2.5 联轴器的选用 凸缘联轴器是把两个带有凸缘的半联轴器有键分别与两轴联接，然后有螺栓把两个半联轴器联成一体，以传递运动和转矩。这种联轴器有两种主要的结构形式。一种是普通的凸缘联轴器，通常是靠铰制孔用螺栓来实现现轴对中；另一种是有对中榫的凸缘联轴器，靠一人半联轴器上的凸肩与另一个半联轴器睥凹缘相配合而对中。 凸缘联轴器结构简单、成本低、可传递较大的转矩，对于转速不高、无冲击、轴的刚性大、对中性好时常采用，本设计选用有对中榫的凸缘联轴器。 - 17 - 第三章 三维实体造型设计及图纸生成 3.1 工具软件 UG 的介绍 EDS 公司的 Unigraphics NX 是一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工提供了数字化造型和验证手段。 Unigraphics NX 针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的解决方案。Unigraphics NX 为设计师和工程师提供了一个产品开发的崭新模式 ，它不仅对几何的操纵，更重要的是团队将能够根据工程需求进行产品开发 。 Unigraphics NX 能够有效地捕捉、利用和共享数字化工程完整过程中的知识，事实证明为企业带来了战略性的收益。 来自 UGS PLM 的 NX 使企 业能够通过新一代数字化产品开发系统实现向产品全生命周期管理转型的目标。 NX 包含了企业中应用最广泛的集成应用套件，用于产品设计、工程和制造全范围的开发过程。 如今制造业所面临的挑战是，通过产品开发的技术创新，在持续的成本缩减以及收入和利润的逐渐增加的要求之间取得平衡。为了真正地支持革新，必须评审更多的可选设计方案，而且在开发过程中必须根据以往经验中所获得的知识更早地做出关键性的决策。 NX 是 UGS PLM 新一代数字化产品开发系统，它可以通过过程变更来驱动产品革新。 NX 独特之处是其知识管理基础，它 使得工程专业人员能够推动革新以创造出更大的利润。 NX 可以管理生产和系统性能知识，根据已知准则来确认每一设计决策。 NX 建立在为客户提供无与伦比的解决方案的成功经验基础之上，这些解决方案可以全面地改善设计过程的效率，削减成本，并缩短进入市场的时间。通过再一次将注意力集中于跨越整个产品生命周期的技术创新， NX 的成功已经得到了充分的证实。这些目标使得 NX 通过无可匹敌的全范围产品检验应用和过程自动化工具，把产品制造早期的从概念到生产的过程都集成到一个实现数字化管理和协同的框架中 3.2 造型过程 本次 设计中的三维造型全部采用 UGNX5.0,主要是对电机外形、联轴器、轴承、轴承座、丝杆、丝杆螺母、底座以及一些标准件的造型设计。 1、 底座的设计 - 18 - 底座是整个进给机构的支撑部件，尺寸为 806 270 165mm，上表面用作导轨，里面的凸台用于和轴承座配合，端面用于安装电机，毛坏铸造，有配合的面应进行机加工。 2、丝杆的设计 丝杆是将电机的旋转运动转化为工作台的直线运动，是一个重要的部件，此丝杆的公称直径为 45mm，长 605mm,两端用深沟球轴承和推力球轴承固定，分别承受径向力和轴向力。 2、 轴承的设计 本设计采用了深沟球轴承 6307 和推力球轴承 51307 来固定丝杆。 - 19 - 4、联轴器的设计 联轴器是将电机轴和丝杆连接起来的零件，本设计采用的是标准的凸缘联轴器， GB/T5843-2003。 - 20 - 3.3 二维图纸的生成 本次设计中最后得到的装配图及零件图，都是在各零件建模以后，在 UG 中从建模环境转入制图环境，完成三维到二维的转换过程，然后转入 ATUOCAD中进行修改，最后定型为符合国家标准的图纸。 - 21 - 第四章 零件的数 控加工及程序编制 4.1 数控工艺分析和加工路线的确定 当选择并决定某个零件进行数控加工后，必须对零件图进行仔细工艺分析，选择哪些最合适，最需要进行数控加工的内容和工序。 在选择并作出决定时。应结合车间的实际，立足于解决难题，攻克关键和提高生产效率，充分发挥数控加工的优势。 数控加工的工艺性问题，主要是指从数控加工的可能性与方便性两个角度提出一些必须分析和审查的内容。根据数控加工的特点，要求保证定位基准的可靠性；数控加工工序与普通工序的衔接。接下去便可着手数控工序的设计，确定走刀路线和安排工步顺序，为编程作 准备，包括零件图纸中的标注方法保持设计工艺，检测基准与编程原点设置的一致性。 4.2 数控机床的选型 在选择数控机床时，应注意以下几点： （ 1）所选择的机床应能满足零件的加工的精度要求。 （ 2）所选择的数控机床的数控系统应能满足加工要求。 （ 3）所选用的数控机床的数控系统应能满足零件的需要。 （ 4）所选用数控机床的回转刀架或刀库的容量应足够大，刀具数量能满足加工要求。 （ 5）噪声和造型。 4.3 定位基准、装夹方案和对刀点 当确定了在某台数控机床上加工某个零件以后，就应该根据零件图确定零件在机床上的定位装夹方 法。 数控机床对夹具提出了两个基本要求：一是保证夹具在机床上定好方向；另 个是协调零件和机床坐标系的尺寸关系。为保证装夹迅速方便，多采用气动、液压夹具以减少数控机床的停机时间。 为了确定夹具在机床工作台上的位置，以及零件在夹具上或机床上的位置，就要有定位基础。定位基础应尽量与设计基础一致，以减少定位误差对尺寸精度的影响。 对刀点是指在数控机床上用刀具加工零件时，刀具相对零件运动的起始点，程序就是从这一点开始的，所以对刀点也可以叫做程序原点。可以选择刀具上的某一点作为对刀点，也可以选择零件外某一点。 - 22 - 对刀点应 选择在对刀方便的地方，在采用相对坐标系的数控机床中，对刀点可选在零件孔的中心上，夹具上的专用对刀孔或垂真平面的交线上。在采用绝对坐标系的数控机床中，对刀点可选在机床坐标系或原点为确定值的点上。 4.4 选择刀具 数控机床所选择的刀具就满足安装调整方便，刚性好，精度高，耐用度高。 与普通机床相比，数控加工对刀具的选择要严格的多，它常常是专用的，编程时，常需预先规定好刀具的结构尺寸和调整尺寸，尤其是自动换刀数控机床、在刀具安装到机床上之前，应根据编程时确定的参数，在机床外的调整中调到所需尺寸 对一般的经济型数控 机床，现在大多数配有四刀位自动转位刀架，则各种刀架上的布置亦有严格的布置要求，应按加工程序，选择好所需的刀具，画出刀具布置图。 4.5 确定切削用量 数控加工中切削用量应根据加工技术要求、刀具耐用度、切削条件等加以确定，采用查表法，在缺乏数控加工切削用量表格的情况下，亦可参照普通加工切削用量表格确定。 1、主轴转速 主轴转速 n 就根据允许的切削用量来选取。 自动换刀数控机床往往主轴或刀库上装刀花费的时间比较多，所以确定切削用量要保证刀具能加工完一个零件或保证刀具耐用度不低于一个工作班，到少不低于半个工作班。 2、切削深度 切削深度 t 主要根据机床，刀具和工件的刚性来确定的。在刚性良好的情况下，应尽可能使加工表面的加工余量，以便减少走刀次数，提高加工效率，当加工精度和表面粗糙度要求高时，可以留一点什么是，最后光一刀，机订的精加余量可较普通机床的精加工余量小一点。 3、 进给速度或进给量 进给速度是数控机床切削用量中的一个重要参数，通常根据加工速度各表面粗糙度要求选取。当要求较高时，进给速度应取得小一点。 - 23 - 4.6 数控程序 本文加工底座 % N0010 G40 G17 G90 G70 N0020 G91 G28 Z0.0 :0030 T00 M06 N0040 G0 G90 X861.7 Y80.2279 S0 M03 N0050 G43 Z175. H00 N0060 Z26. N0070 G1 Y57.8356 Z20. F250. M08 N0080 X858.7 N0090 X831.977 Y25. N0100 G0 Z24.2426 N0110 X834.655 Y28.2906 N0120 Z175. N0130 X861.7 Y113.0636 N0140 Z26. N0150 G1 Y90.6713 Z20. N0160 X858.7 N0170 X805.254 Y25. N0180 G0 X819.7429 Y28.8823 N0190 Z23. N0200 Z175. N0210 X861.7 Y138.1008 N0220 Z26. N0230 G1 Y142. Z24.9552 N0240 Y123.5069 Z20. N0250 X858.7 N0260 X778.531 Y25. N0270 G0 X754. N0280 Z23. - 24 - N0290 Z175. N0300 X856.8063 Y121.1801 N0310 Z23. N0320 G1 Z20. N0330 X858.7 Y123.5069 N0340 Y145. N0350 X849.469 N0360 X769.3 Y46.4931 N0370 G0 X759.8317 Y34.859 N0380 X754. N0390 Z23. N0400 Z175. N0410 X847.5753 Y142.6732 N0420 Z23. N0430 G1 Z20. N0440 X849.469 Y145. N0450 X822.746 N0460 X769.3 Y79.3287 N0470 G0 X759.8317 Y67