X718数控铣床y向进给系统设计说明

.PAGE2.XK718数控铣床Y向交流伺服进给系统设计[摘要]:本文主要设计X718数控铣床Y向交流伺服进给系统设计部分,机械结构采用交流伺服电机与滚珠丝杠直接相连的方式,其控制方式采用交流伺服驱动系统半闭环控制。在对进给系统机械结构进行设计的过程中,主要对滚珠丝杠螺母副和直线滚动导轨副进行了计算、校核,确保了机械传动部件的精度和刚度；通过计算,选择了电气驱动部分,包括交流伺服电机和与之匹配的伺服单元.滚动直线导轨；滚珠丝杠螺母副选取汉江机床厂提供的外循环双螺母凸出式双螺母对旋预紧滚珠丝杠。[关键词]:半闭环控制,直线滚动导轨；滚珠丝杠螺母副；交流伺服电机；目录X718数控铣床Y向交流伺服进给系统设计1目录2引言31.数控铣床概述41.1数控机床的产生和发展41.1.1数控机床的产生41.1.2数控系统的发展51.3数控机床的发展趋势91.4数控铣床的主要功能及特点91.5数控铣床的分类和应用：101.5.1数控铣床的分类：101.5.2数控铣床的应用102.数控铣床总体设计112.1确定立式数控铣床的总体目标112.2确定机床的总体布局112.2.1机床的运动分配112.2.2机床结构布局112.2.3机械系统的传动、支承、导向方式123.X718进给系统设计123.1铣削工件时铣削力的计算133.1.1铣削抗力分析133.1.2进给工作台工作载荷计算143.1.3首先初步估算工作台的重量153.1.4铣削用量选择153.1.5铣削力的计算163.2导轨的设计与选型173.2.1导轨概述173.2.2滚动直线导轨副的计算193.3滚珠丝杠螺母副的选型与计算213.3.1滚珠丝杠螺母副概述213.4电机的设计选用273.5进给传动系统的动态特性分析293.6驱动电动机与滚珠丝杠的连接314.X718CNC数控系统的设计……………………344.1控制系统总体方案的拟定与控制系统的选定………...345.位置检测元件的选择…………..365.1位置检测元件的概述……………………365.2位置检测元件的选择……………………365.3位置检测元件参数介绍…………………37参考文献39引言制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱,其发展水平标志着该国或地区经济的实力,科技水平,生活水准和国防实力。国际市场的竞争归根到底是各国制造生产能力及机械制造装备的竞争。随着社会生产和科学技术的发展,机械产品的性能和质量的提高。产品的更新换代也不断的加快。因此对机床不仅要求迅速适应产品零件的换代有教高的精度和生产率,而且应有教高的精度和生产率,生产的需要促使数控机床的产生。随着电子技术,特别是计算机技术的发展,数控机床迅速发展起来。数控机床的进一步设计的必要性可以解决形状复杂小批零件的加工问题,稳定加工质量和提高生产率。但是由于受其它条件的限制,例如价格、精度等问题。所以设计改造数控机床的进给系统是刻不容缓的。数控机床进给传动系统的设计,其中包括进给系统的轴向负载计算,导轨的设计与选型,滚珠丝杠螺母副的选型计算,进给传动系统的动态特性分析误差计算,驱动电动机的选型计算,驱动电动机与滚珠丝杠的连接等等。通过这次课程设计,可以达到以下目的：1,培养综合运用专业基础知识和专业技能来解决工程实际问题的能力；2,强化工程实践能力和意识,提高本人综合素质和创新能力；3,使本人受到从事本专业工程技术和科学研究工作的基本训练,提高工程绘图、计算、数据处理、使用计算机、使用文献资和手册、文字表达等各方面的能力；4,培养正确的设计思想和工程经济观点,理论联系实际的工作作风,严肃认真的科学态度以及积极向上的团队合作精神。1.数控铣床概述数控铣床是一种加工功能很强的数控机床,目前迅速发展起来的加工中心、柔性加工单元等都是在数控铣床、数控镗床的基础上产生的,两者都离不开铣削方式。由于数控铣床工艺最复杂,需要解决的问题很多,因此,目前人们在研究和开发数控系统及自动编程语言软件时,也一直把铣削加工作为重点。1.1数控机床的产生和发展随着社会生产和科学技术的迅速发展,机械产品日趋精密复杂,且要求频繁改型,特别是在宇航、造船、军事等领域所需的机械零件,精度要求高,形状复杂,批量小。加工这类产品需要经常改装或调整设备,普通机床或专用化程度高的自动化机床一般不能适应这些要求。为了解决上述问题,一种新型的机床——数控机床应运而生。这种新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。他综合应用电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果。1.1.1数控机床的产生世界上第一台成功研制的数控机床是一台三坐标的数控铣床,于1952年由美国帕森斯公司和麻省理工学院合作完成。早在1948年,美国在研制加工直升机叶片轮廓检查用样板的技工机床任务时,就提出了研制数控机床的初始设想。1949年,在美国空军部门的支持下,帕森斯公司正式接受委托,与麻省理工学院伺服机构实验室合作,开始从事数控机床的研制工作。经过三年时间的研究,于1952年试制成功世界上第一台数控机床试验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。其控制装置由2000多个电子管组成,占用一个普通实验室那么大。这台数控铣床的诞生,标志着机械制造的数字控制时代的开始。1.1.2数控系统的发展数控机床的发展是随着数控技术的发展而发展的。数控系统的发展经历了电子管—分立式晶体管—小规模集成电路—大规模集成电路—小型计算机—超大规模集成电路—微机式的数控系统等几个发展阶段。20世纪90年代以来,数控系统朝着以通用微机为基础、体系结构开放和智能化方向发展。以上的三代数控系统是由计算机硬件和软件组成,利用存储器里的软件控制系统工作,因此称为CNC系统或软件控制系统。这种系统容易扩大功能,柔性好,可靠性高。1.2我国数控技术的发展概况1.2.1数控技术再国民经济中的重要地位数控技术是用数字信息对机械运动和过程进行控制的技术,是20世纪后半叶最重要,发展最快的工业技术之一,它以制造过程为对象,以信息技术为手段,以数字坐标方式对运动部件进行位置控制为主要特征,为单件小批量生产的自动化开辟了可行的技术途径,也为现代柔性制造技术奠定了重要的技术基础。数控机床是以数控技术为代表的新技术对传统制造业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品,其技术覆盖很多领域。其中,精密机械制造技术,信息处理、加工、传输技术,自动控制技术,伺服驱动技术,传感器及检测技术和计算机技术是数控技术涵盖的主要领域。数控机床还是运用高新技术对传统产业进行改进和提升的重要载体。以信息化带动工业化,实现社会生产力的跨越式发展,将在一定程度上取决于数控机床的技术进步。它代表着装备工业的技术水平和现代化程度。而装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业〔如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空航天等国防工业产业的使能技术和重要装备。数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。现在世界各国制造业广泛采用数控技术,以提高制造能力和水平,提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外,世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资,不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业,而且在"高、精、尖"数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之,大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。1.2.2我国数控机床的发展历程与成就我国从1958年开始研究数控机床,一直到20世纪60年代中期还处于研制、开发时期。当时,一些高校和科研单位研制出的试验性样机,是从电子管数控系统起步的。1965年开始研制晶体管数控系统。从20世纪70年代起,数控技术在车、铣、锉、磨、齿轮加工、电加工等领域全面展开,加工中心在上海、北京研制成功。但是,由于元器件的质量差和产品的制造工艺水平低等原因,数控系统的可靠性、稳定性未得到解决,未能广泛推广。在这一时期,数控线切割机由于结构简单、使用方便、价格低廉,在模具加工中得到推广。直线控制、点位控制的数控车床、数控铣床和加工中心开始在生产中应用。20世纪80年代,我国从日本FANUC公司引进了3,5,6,7等系列的数控系统和直流伺服电动机、直流主轴伺服电动机等的制造技术,还引进了美国GE公司的MCI系统和交流伺服系统、德国SIEMENS公司的VS系列晶闸管调速装置,并进行了商品化生产。这些系统功能齐全、可靠性高,得到了推广应用,推动了我国数控机床的稳定发展,使我国的数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。在这期间,我国在引进、消化国外技术的基础上进行了大量的开发工作。我国数控机床的品种有了较大发展,品种不断增多,规格齐全。许多技术复杂的大型数控机床、重型数控机床都相继研制出来。为了跟踪国外现代制造技术的发展,北京机床研究所还研制出了JCS-FMS-1型和JCS-FMS-2型柔性制造单元和柔性制造系统。改革开放近30年来,我国的数控机床产业取得了举世瞩目的成就。特别是"十五"期间,数控机床发展进人了快车道。国家有关部门的统计数字表明,"十五"是我国机床工具行业发展最快的五年。20XX,我国机床工具行业产品销售收人1032亿元,大约是20XX507亿元的2倍,平均年增长约19％；20XX,全国金属切削机床产量为39万台,大约是20XX17万台的2．3倍,平均年增长约23写。机床工具行业的主导产品—数控机床的发展速度远高于机床工具全行业的平均发展速度。国产数控金属切削机床年产量从"九五"计划末期的几千台,增加到20XX的17521台,2002'年的24803台,20XX的36813台,20XX的51861台,其中20XX的产量大约是20XX产量的3.7倍,平均年增长约39％。金属加工机床产值数控化率从20XX的26.2％提高到20XX的32．7％,形成了一批数控机床生产的主导企业,20XX数控机床年产量超千台的企业有14家,其产量合计占全行业数控机床总产量的50％以上,其中数控机床产量最高的一家企业年产量达6000多台。连续几年来数控机床产量快速上升,也带动了出口,20XX全行业数控金属加工机床出口14404台。数控机床的年产量已经突破原国家经贸委发布的到20XX全国数控机床产量达到25000^-30000台的奋斗目标。数控机床的品种也从"九五"期间的128种发展到目前的1500多种。国产数控机床产品大部分达到了国际20世纪90年代初期或中期水平,为国家重点建设提供了一批高水平的数控机床。不仅如此,"十五"期间,我国在高端数控机床关键技术研究方面取得重大突破。目前,我国在普及型数控机床技术上已经成熟,还基本掌握了多〔五坐标联动的关键技术。这不仅打破了国外的技术封锁,而且使该技术进人实用性阶段。北京机电研究院为东方汽轮机厂开发的五轴联动加工中心,已在东方汽轮机厂实际应用,不仅完全满足了汽轮机叶片加工质量的要求,而且其加工效率可与进口机床的媲美,但其价格仅为进口机床的三分之一。复合加工技术的研究也取得很大成绩,我国研制成功的五轴联动车铣复合加工中心、五轴五面加工中心、双主轴车削中心等均已实现商品化。我国高速加工技术的研究与应用取得重要进展。其中在直线电动机应用技术的研究方面,基本掌握了负载变化扰动、热变形补偿、隔磁和防护等部分关键技术,填补了我国在直线电动机应用技术领域的空白,进一步缩短了与国外的差距。此外,我国还完成了10000^-18000r/min高速主轴单元的产品开发和加工制造工艺的研究,并在国产加工中心上应用。超精密加工〔亚微米技术和装备的研究也取得突破,北京机床研究所研制的超精密加工和纳米加工技术与装备已达到世界领先水平,打破了国外对我国的技术封锁。目前,数控机床在我国国民经济的各行各业发挥着越来越重要的作用,数控机床已经成为企业技术改造的首先设备之一。我国已经成为数控机床的生产大国、消费大国和进口大国。国民经济各个行业需要大量数控机床的开发人才和应用人才。1.2.3.我国数控机床发展存在的问题与对策当前,国外数控技术发展很快,呈现出高速度、高精度、高可靠性、多轴控制、工艺复合、集成化、智能化、网络化和环保化发展的态势。与国外数控技术的发展相比,我国数控技术的发展仍然存在着较大差距,主要体现在以下四个方面。<1>在技术水平上,国外对加工中心的研究已经转向高速、精密、多轴、复合、智能和环保等技术的研究。我国加工中心的总体技术水平与国外同类产品的先进水平相比大约落后10^-15年,在"高、精、尖"技术方面则更大。<2>在产品结构上,高端市场〔即高速、精密、多轴、复合加工中心市场基本上被美国、日本和欧洲发达工业国家所垄断,国内开发的五轴联动数控机床、复合加工中心、高速加工中心等产品,虽然已经投人使用,但多数产品与商品化尚有一段距离,而且在技术水平和性能参数上与欧、美、日等地的产品还有较大差距。低端市场〔即普及型数控机床市场受到周边的日本、韩国和我国XX地区产品的冲击较大,形成激烈竞争。多年来,国产数控机床产量小、进口产品量大的局面一直存在。<3>产品开发能力上,国内生产企业缺乏对产品竞争前数控技术的深人研究与开发,特别是对加工中心应用领域的拓展力度不强,集中体现在：产品开发能力较弱,对产品标准规范的研究、制定滞后,技术创新能力不强。导致开发出的产品技术先进性不明显,市场针对性不强,缺乏市场竞争力。<4>产业化水平上,市场占有率低,品种覆盖率小。从总体上看,加工中心还没有形成规模生产；功能部件专业化生产水平及配套能力较低；产品质量不高,主要体现在可靠性不高,商品化程度不足,关键功能部件没有自己配套的主渠道；数控系统的推广应用还不够等等。这些问题已经引起了国家有关部门的高度重视,并正在采取措施加以改进。20XX6月,国务院发布了《关于加快振兴装备制造业的若干意见｝〔以下简称《意见》,装备制造业得到了国家前所未有的重视,《意见》将在三个方面重点下四点:第一,加快开发高档数控机床品种,缩短与世界先进水平的差距,提升我国机床工具行业整体水平,对市场急需的高档数控机床品种,要集中力量,重点突破,加大科技投人,加强基础研究和开发研究,提高原始创新和集成创新能力,掌握一批高档数控关键产品开发的核心技术,推出一批高档数控机床品种,满足重点用户急需,精心培育高档数控机床市场。第二,积极促进功能部件产业化,培育一批功能部件的龙头企业,加大政策支持力度,重点发展高档数控系统、高速主轴单元、精密滚动功能部件、动力刀架、精密转台、高速导轨防护装置等高水平的功能部件,加快产业化进程,培育国产品牌,实现功能部件与数控机床同步发展。第三,进一步发展普及型数控机床,我国普及型数控机床技术已经成熟,产业化迫在眉捷,急需进一步提高可靠性和质量,及时供应市场,提高产业集中度,实现稳定、可靠、快速地满足市场,以提高制造能力和生产集中度为重点,支持骨干企业快速发展。第四,努力提高国产数控机床市场占有率,是"十一五"期间行业发展的重中之重,要从质量、可靠性、服务等方面入手,创品牌、扩市场、挡进口、争出口,争取在五年内使国产数控机床国内市场占有率有较大提高。《意见》切中了我国数控机床发展中的关键问题,为发展国产数控机床提供了良好的政策环境。毫无疑问,随着《意见》的贯彻实施,多年来困扰我国机床工具行业发展的数控机床产业化和自主开发能力偏低的问题,将得到一定程度的解决,国产数控机床在国内市场占有率长期不高的局面将被扭转。高等学校作为国家各类人才的培养基地,为装备制造业培养急需的数控机床开发与应用人才,是义不容辞的责任。1.3数控机床的发展趋势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显增加,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,为了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展。当前,数控机床技术呈现如下发展趋势：〔1高精度化；〔2运动高速化；〔3柔性化；〔4高自动化；〔5高可靠性；〔6智能化；〔7复合化；〔8网络化；〔9开放式体系结构。1.4数控铣床的主要功能及特点数控铣床的可分为立式、卧式和立卧两用式数控铣床,各种铣床适用的数控系统不同,其功能也不尽相同。除各有其特点之外,常具有下列主要功能：①点位控制功能；②连续轮廓控制功能；③刀具半径自动补偿功能；④刀具长度补偿功能；⑤镜像加工功能；⑥固定循环功能；⑦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。数控铣床的主要特点：〔1高柔性及工序复合化；〔2加工精度高；〔3生产效率高；〔4减轻操作者的劳动强度。1.5数控铣床的分类和应用：1.5.1数控铣床的分类：按运动方式分：〔1点位控制数控铣床<2直线控制数控铣床〔3轮廓控制数控铣床；按控制方式分：<1开环控制数控铣床<2闭环控制数控铣床<3半闭环控制数控铣床；按主轴的布局形式分：〔1立式数控铣床：〔2卧式数控铣床〔3立卧两用式数控铣床等等1.5.2数控铣床的应用数控铣床主要用于加工平面和曲面轮廓的零件,还可以加工复杂型面的零件、样板、模具、螺旋槽等。同时也可以进行钻、扩、铰、锪和镗孔的加工,但因数控铣床不具自动换刀功能,所以不能完成复杂孔的加工。数控铣床主要应用于汽车制造业、模具制造业、机床制造业、航空航天业、造船业、军事工业及其他行业2.数控铣床总体设计2.1确定立式数控铣床的总体目标本课题设计的立式数控铣床可以铣削平面和沟槽,也可加工空间曲面；若将铣刀换成钻头或绞刀,则可加工光孔或螺纹孔。铣床主要技术参数如下：工作台工作面尺寸〔长宽工作台X向最大行程工作台Y向最大行程工作台T型槽数3工作台T型槽宽18mm工作台T型槽间距90mm快速移动速度〔X、Y轴6m/min最小分辨率0.005mm定位精度±0.015mm重复定位精度±0.006mm2.2确定机床的总体布局机床的运动分配本课题拟解决问题的思路是参照XK7132型立式铣床和TH5632C型立式加工中心机床的总体布局、机械传动部分、进行优化组合,设计出精度高、灵活性强的立式数控铣床。由于工作台尺寸较大,可加工较重或尺寸较高的工件,故机床运动分配如下：主运动：刀具的旋转运动；进给运动：工作台X、Y方向的进给运动和铣刀头带着刀具Z方向的垂直进给运动；机床结构布局本机床采用床身框式立柱的"L"型结构形式,主轴箱装在框式立柱中间,设计成对称形结构。框式立柱布局要比单立柱少承受一个扭转力矩和一个弯曲力矩,因而受力后变形较小,有利于提高加工精度；框式立柱布局的受热与热变形是对称的,因此,热变形对加工精度的影响小。Y向滑座相对于机床床身作进给运动,X向座相对于Y向作进给运动,工作台固定在X向座上,工作台不做垂直方向运动；主轴箱沿框式立柱在沿垂直导轨上下移动。由于机床尺寸较大,为了方便操作者的操作与观察,将人机界面设置为吊挂按钮站。机械系统的传动、支承、导向方式1.机床进给系统传动方案机床X、Y方向进给系统分别采用交流伺服电机驱动,通过电机与滚珠丝杠直接相连,将旋转运动转化为直线进给运动其传动的机械装置如图2.1所示。这种传动方案采用负载能力强的交流伺服电机,直接通过丝杠带动工作台进给,传动链短,刚度大,传动精度高,是现代数控机床进给传动的主要组成形式。图2.1进给传动的机械装置2.机床进给系统的支承、导向方式。X方向进给系统由Y方向进给系统支承,采用一端固定、一端支撑的方式支承,固定端选用一对背对背安装的角接触球轴承,支撑端选用一对深沟球轴承。本机床属于中型机床,导向方式采用矩形导轨,矩形导轨承载能力高,制造方便。本设计选用线性滚动导轨。3.X716进给系统设计在现代数控机床中,为得到高速下的平稳运行,并具有较高的定位精度且防止爬行,要求进给系统中的机械传动装置和元件具有较高的灵敏度,低摩擦阻力和动、静摩擦系数之差以及高寿命等特点,而滚动导轨和滚珠丝杠螺母副能较好的满足这些要求。因此本工作台的设计采用了滚动导轨加滚珠丝杠螺母副的组合。3.1铣削工件时铣削力的计算3.1.1铣削抗力分析铣削运动的特征：主运动为铣刀绕自身轴线高速旋转,进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给〔铣键槽时,可使键槽铣刀沿轴线进给。铣刀的类型很多,但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式。圆柱铣刀和端铣刀的切削部分都可以看做车刀刀头的演变,铣刀的每一个刀齿相当于一把车刀。它的切削基本规律与车削相似,所不同的是铣刀回转,刀齿数多。通常假定铣削时铣刀受到的铣削抗力是作用在刀齿某点上,如图1所示。设刀齿上受到铣削抗力的合力为F,将F沿铣刀轴线、径向和切向进行分解,则分别为轴向铣削力F}、径向铣削力F,和切向铣削力F二。切向铣削力F二是沿铣刀主运动方向的分力,它消耗铣床主电动机功率〔即铣削功率最多。因此,切向铣削力F二可按铣削功率<kW>或主电动机功率〔kw算出。式中:v—机床主轴的计算转速〔主轴传递全部功率时的最低切削速度,m/s>；ηm—机床主传动系统的传动效率,一般取,ηm～0.8。图3.1铣削抗力及工作台上的载荷3.1.2进给工作台工作载荷计算作用在进给工作台上的合力F′与铣刀刀齿受到的铣削抗力F的合力大小相同、方向相反,如图所示。合力F′就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工作载荷可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力：工作台纵向进给方向载荷F1,工作台横向进给方向载荷Fc,工作台垂直进给方向载荷Fv。进给工作台的工作载荷F1、Fc和Fv与切向铣削力Fz之间有一定的经验比值〔见表1。因此,计算出Fz后,即可计算出进给工作台的工作载荷F1、Fc和Fv。表3.1工作台工作载荷与切向铁削力的经验比值从图2-3可知,圆柱铣削时,为待加工表面与已加工表面之间的垂直距离；端铣时,恰为工件宽度,不是待加工表面与已加工表面之间离。图3.2顺铣与逆铣图3.2表示圆柱铣的顺铣和逆铣的不同方式。顺铣时,纵向进给方向载荷F1与进给方向一致,垂直进给方向载荷Fv向下,逆铣时方向相反。图3.2表示对称端铣和不对称端铣。对称端铣分有顺铣和逆铣之分。在表1中,d。表示圆柱铣刀直径或端铣刀直径〔mm,表示每齿进给量〔mm/齿,即铣刀每转一个齿间角时工件与铣刀的相对移动量。每齿进给量、每转进给量f和工作台的进给速度三者之间的关系为mm/min式中：Z-铣刀齿数；n-铣刀转速〔r/min3.1.3首先初步估算工作台的重量首先要初步估算工作台的重量及铣削工件的最大切削力才能进行设计。X轴方向移动的工作台尺寸：长宽高为90060080,重量约为3302.2N,最大行程630mm；Y轴方向移动的工作台尺寸：长宽高为30030080,重量约为550.368N,最大行程400mm；设夹具及工件的质量约为200Kg,重量约为1960N；则XY工作台总质量约为480.83kg,总重量约为5812.573N〔包括夹具及工件。3.1.4铣削用量选择铣削用量选择原则：首先应尽可能取较大的切削深度及切削宽度然后尽可能取较大的每齿进给量,最后才尽可能取较大的铣削速度。粗铣时余量大,加工要求低,主要考虑铣刀的耐用度及铣削力的影响；而精铣时余量小,加工要求高,主要考虑加工质量的提高。1.铣削深度的选择〔1当工件表面要求的光洁度为时,通常铣削无硬皮的钢料时,；铣削铸钢或铸铁时。〔2当工件表面要求的光洁度为时,可分粗铣、半精铣、两步铣削。粗铣后留余量。〔3当工件表面要求的光洁度为时,可分粗铣、半精铣、精铣三步铣削。半精铣,精铣左右。2.每齿进给量的选择当铣削深度选定后,尽可能取较大的每齿进给量。粗铣时限制每齿进给量的是铣削力及铣刀容屑空间的大小,当工艺系统刚性俞好及铣刀齿数愈少时,可取得愈大；半精铣及精铣时限制每齿进给量的是工件表面光洁度。光洁度要求愈高,应俞小。3.1.5铣削力的计算铣床通常用于铣削平面和沟槽。铣刀又分为圆柱铣刀、立铣刀、盘形铣刀、端铣刀、半圆弧铣刀、T形槽铣刀。其中用立铣刀铣削沟槽时的铣削力最大,故按用立铣刀铣削沟槽时计算铣削力。铣削力与铣刀材料、铣刀类型、工件材料的硬度、铣削宽度、铣削深度、每齿进给量、铣刀直径、铣刀齿数有关。可按《金属切削原理及应用》中的公式进行计算：铣削沟槽时采用粗齿高速钢立铣刀,按工件材料为的碳钢来设计。查《金属切削手册》,选择铣削用量为铣刀直径,铣刀齿数,铣削宽度,每齿进给量,铣削深度,铣刀的切削速度。采用端面铣刀在主轴上的计算转速下进行强力切削,主轴具有最大扭矩,并能传递主电动机的全部功率。由得：故主切削力分解到Y方向上的分力是：3.2导轨的设计与选型3.2.1导轨概述导轨主要用来支撑和引导运动部件沿一定的轨道运动。在导轨副中,运动的一方称为动导轨,不动的一方称为支承导轨。动导轨相对于支承导轨运动,通常作直线运动和回转运动。1.对导轨的要求1>导向精度高导向精度主要是指导轨沿支承导轨运动的直线度和圆度。影响导向精度的主要因素有导轨的几何精度、导轨的接触精度、导轨的结构形式、动导轨及支承导轨的刚度和热变形,还有装配质量。导轨的几何精度综合反映在静止或低速下导轨的导向精度。直线运动导轨的检验内容主要是：导轨在垂直平面内的直线度,导轨在水平平面内的直线度,在水平面内两条导轨的平行度。例如：导轨全长为20m的龙门刨床,其直线度误差为0.02/1000,在导轨全长范围内为0.08mm。圆周运动导轨几何精度的检验内容与主轴回转精度的检验方法相类似,用导轨回转时端面跳动和径向跳动表示。例如：最大切削直为4m的立车,其允差规定为0.05mm.2>耐磨性好及寿命长导轨的耐磨性决定了导轨的精度保持性。动导轨沿支承导轨长期运行会引起导轨的不均匀磨损,破坏导轨的导向精度,从而影响机床的加工精度。例如：卧式车床的铸铁导轨,若结构欠佳、润滑不良或维修不及时,贝。靠近床头箱一段的前导轨,每年磨损量达0.2-0.3mm,这样就降低了刀架移动的直线度及对主轴的平行度,加工精度也就下降了。与此同时,也增加了溜板箱中开合螺母与丝杠的同轴度误差,加剧了螺母与丝杠的磨损。3>足够的刚度导轨要有足够的刚度,保证在载荷作用下不产生过大的变形,从而保证各部件间的相对位置和导向精度。4>低速运动的平稳性在低速运动时,作为运动部件的动导轨易产生爬行。’进给运动的爬行将提高被加工表面的表面粗糙度值,故要求导轨低速运动平稳,不产生爬行,这对于高精度的机床尤其重要。5>工艺性好设计导轨时,要注意到制造、调整和维护的方便,力求结构简单、工艺性和经济性好。2.对导轨的技术要求1>导轨的精度要求滑动导轨,不管是V一平型还是平一平型,导轨面的平面度通常取0.01-0.015mm,长度方向的直线度通常取0.005-0.01mm；侧导向面的直线度取0.01-0.015mm,侧导向面之间的平行度取0.01-0.015mm,侧导向面对导轨底面的垂直度取0.005-0.01mm.镶钢导轨的平面度必须控制在0．005-0．01mm以下,其平行度和垂直度控制在0.01mm以下。2>导轨的热处理数控机床的开动率普遍都很高,这就要求导轨具有较高的耐磨性,以提高其精度保持性。为此,导轨大多需淬火处理。导轨淬火的方式有中频淬火、超音频淬火、火焰淬火等,其中用的较多的是前两种方式。铸铁导轨的淬火硬度,一般为50-55HRC,个别要求57HRC；淬火层深度规定经磨削后应保留1.0-1.5mm.镶钢导轨,一般采用中频淬火或渗氮淬火方式,淬火硬度为58-62HRC,渗氮层厚度为0.5mm.2．导轨的类型和特点导轨的分类方法有多种：按运动轨迹可以分为直线导轨和圆导轨,按工作性质可分为主运动导轨、进给导轨和调整导轨,按受力情况可以分为开式导轨和闭式导轨,按摩擦性质可以分为滑动导轨和滚动导轨。下面首先介绍直线滑动导轨的有关内容:1.直线滑动导执的截面形状直线滑动导轨有若干个平面,从制造、装配和检验来说,平面的数量应尽可能少。常用的直线滑动导轨的截面形状有矩形、三角形、燕尾形和圆形,各个平面所起的作用也各不相同。在矩形导轨和三角形导轨中,M面主要起支承作用,N面是保证直线移动精度的导向面,J面是防止运动附件抬起的压板面；在燕尾形导轨中,M面起导向和压板作用,J面起支承作用。根据支承导轨的凹凸状态,又可以将导轨分成凸形导轨和凹形导轨。其中,凸三角形导轨称为山形导轨,凹三角形导轨称为v形导轨。凸形导轨不易存储润滑油,但易清除导轨面的切屑等杂物。凹形导轨易存储润滑油,但易落人切屑和杂物,必须设防护装置。3.2.2滚动直线导轨副的计算1.作用于滚动直线导轨副的载荷计算由于滚动直线导轨副的特殊结构,使其具有垂直向上、向下、左右和水平四个方向额定载荷相等,且额定载荷大,刚性好,三个方向抗颠覆力矩能力大的特点,滚动导轨受力分析见图3.3。下层工作台的承载重约为5812.573N343411W图3.3滚动导轨受力分析图3.9将已知数据代入上式得：载荷成分段变化,其计算载荷：3.10式中：——对应行程内的载荷；——分段行程；——全行程等于；2.滚动直线导轨副的额定寿命〔1额定寿命的计算公式为：3.1式中：L——额定寿命；C——额定动载荷；——计算载荷；——温度系数取1.0；——接触系数取0.81；——精度系数取1.0；——载荷系数取1.5；——硬度系数取1.0；〔2寿命时间的计算：当行程的长度一定,以小时为单位的额定寿命：3.12式中：——行程长度；L——额定寿命；——每分钟往复次数；3.13一般情况下,滚动直线导轨副预期寿命取20000小时,则：3.14由得3.15取则：查汉江机床公司生产的HJ-D系列线性滚动导轨产品样本,其HJ-D系列中DA20A型滚动导轨C=1260kgf=12.348KN,满足要求。3.3滚珠丝杠螺母副的选型与计算3.3.1滚珠丝杠螺母副概述数控机床给传动系统中,将旋转运动转化为直线运动的方法很多,采用滚珠丝杠螺母副是常用的方法之一。1.滚珠丝杠螺母副及工作原理及特点1>滚珠丝杠螺母副工作原理滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置其结构如图3.4所示。在丝杠3和螺母1上都有半圆弧半圆弧形的螺旋槽,当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠的回路管道4,将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的螺旋滚道,并在滚道内装满滚珠2.当丝杠旋转时,滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动,因而迫使螺母<或滚珠丝杠轴向移动。2>滚珠丝杠螺母副的特点:<1>传动效率高,摩擦损失小。滚珠丝杠图4滚珠丝杠螺母副的结构原理螺母副的传动效率为0.92-0．96,比普通丝杠〔梯形丝杠高3-4倍。因此,功率消耗只相当于普通丝杠的1/4-1/3。<2>若给予适当预紧,可以消除丝杠和螺母之间的螺纹间隙,反向时还可以消除空载死区,从而使丝杠的定位精度高,刚度好。<3>运动平稳,无爬行现象,传动精度高。<4>具有可逆性,既可以从旋转运动转换成直线运动,也可以从直线运动转换成旋转运动。也就是说,丝杠和螺母都可以作为主动件。<5>磨损小,使用寿命长。<6>制造工艺复杂。滚珠丝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>不能自锁。特别是垂直安装的丝杠,由于其自重和惯性力的作用,下降时当传动吻断后,不能立即停止运动,故需要增加制动装置。3.3.2滚珠丝杠螺母副的选型与计算1.滚珠丝杠精度选择1>滚珠丝杠的精度等级国家标准GB/T17587．3-1998将滚珠丝杠分为定位滚珠丝杠副<P型和传动滚珠丝杠副〔T型两大类。滚珠丝杠的精度等级分为7个等级,即1、2,3,4,5,7,10级,1级精度最高,依次降低。<1>滚珠丝杠副的精度指标如下：①2二行程内允许的行程变动量；②300mm行程内允许的行程变动量；③有效行程内的目标行程公差；④有效行程内允许的行程变动量；⑤有效行程内的补偿值C.滚珠丝杠副各项精度指标的关系如图3.5所示。图3.5滚珠丝杠副各项精度指标的关系<2>2弧度内行程变动量和任意行程内行程变动量参见表3表2：2弧度内行程变动量和任意300mm行程内行程变动量〔单位：><3>有效行程内的目标行程公差e和允许的行程变动量Vup参见表2。表3有效行程内的目标行程公差,和允许的行程变动〔单位>2滚珠丝杠的精度选择根据/GQ1140-1989的规定；坐标轴的反向值主要取决于该坐标轴的摩擦死区误差乙值的大小；而定位误差一是取决于滚珠丝杠自身的螺距误差的影响,二是取决于由传动系统刚度变化产生弹性变形而引起的定位误差6k的影响。因此,坐标轴的摩擦死区误差公值、滚珠丝杠自身的螺距误差和由传动系统刚度变化产生弹性变形而引起的定位误差、始终是滚珠丝杠的精度选择的依据。而对滚珠丝杠精度进行的种种计算都是为了求出值而展开的。一般情况下,滚珠丝杠的精度选择按以下公式计算。<1>对于在开环系统中使用的滚珠丝杠,有<2>对于在半闭环系统或可以进行行程补偿的开环系统中使用的滚珠丝杠,有0。80。8式中的定位精度是指机床各坐标轴的定位精度值,为已知条件。根据上述两式可以计算出滚珠丝杠的和、值,然后可以根据表2-20和表2-21来确定滚珠丝杠的精度等级。2.滚珠丝杠螺母副支承方式及轴承的选择为了满足数控机床进给系统高精度、高刚度的需要,除了应该采用高精度、高刚度热滚珠丝杠螺母副外,还必须充分重视支承的设计。应注意选用轴向刚度高、摩擦力矩小、运转精度高的轴承,同时选用合适的支承方式,并保证支承座有足够的刚度。1>滚珠丝杠螺母副支承方式的选择支承的作用是限制两端固定轴的轴向窜动。较短的滚珠丝杠或竖直安装的滚珠丝杠,可以一端固定一端自由〔无支承。水平安装的滚珠丝杠较长时,可以一端固定一端游动。用于精密和高精度机床〔包括数控机床的滚珠丝杠副,为了提高滚珠丝杠的拉压刚度,可以两端固定。为了减少滚珠丝杠因自重下垂和补偿热膨胀,两端固定的滚珠丝杠还可以进行预拉伸。滚珠丝杠的支承结构形式可以分为三种类型〔见表3.4。表3.4中,"自由〔代号O,指的是无支承；"游动"〔代号S,指的是径向有约束,轴向无约束〔例如装有深沟球轴承、圆柱滚子轴承；"固定"〔代号。’F’,指的是径向和轴向都有约束〔例如装有双向推力球轴承与深沟球轴承的组合轴承、角接触球轴承和圆锥滚子轴承。一般情况下,应将固定端作为轴向位置的基准,尺寸链和误差计算都由此开始,并尽可能以固定端为驱动端。表3.4滚珠丝杠的支承结构形式2>所用轴承的选择由于滚珠丝杠轴承所受载荷主要是轴向载荷,径向除丝杠的自重外,一般无外载荷。因此,对滚珠丝杠轴承的要求是轴向精度和轴向刚度要高。另外,丝杠转速一般不会很高,或高速运转的时间很短,因此发热不是主要问题。数控．机床进给系统要求运动灵活,对微小的位移〔丝杠微小的转角要响应灵敏。因此所用轴承的摩擦力矩要尽量低。滚珠丝杠所用轴承的类型根据滚珠丝杠螺母副支承方式的不同而不同。一般情况下,游动轴承多用深沟球轴承。表3.5是一些轴承的特点比较。表3.5各类滚动轴承特点比较目前,在以上各类轴承中用的最多的是表所列举的60度接触角推力角接触球轴承,其次是表所列举的滚针和推力滚子组合轴承。后者多用于大牵引力、要求高刚度的大型、重型机床。3.4电机的设计选用伺服电机的选择,应考虑三个要求：最大切削负载转矩,不得超过电机的额定转矩；电机的转子惯量应与负载惯量相匹配〔匹配条件可根据伺服电机样本提供的匹配条件,也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。最大切削负载转矩的计算所选伺服电机的额定转矩应大于最大切削负载转矩。最大切削负载转矩可根据下式计算。即其中,从前面的计算已知最大进给力,丝杠导程预紧力〔额定的动载荷由以上查表可得46.5KN,则;根据XX轴承总厂《角接触推力球轴承组配技术条件》得760306单个轴承摩擦力矩为0.32,故一对轴承的摩擦力矩〔,伺服电机与丝杠直接连接,其传动比i=1。则=〔2负载惯量计算伺服电机的转子惯量应与负载惯量相匹配。负载惯量可按以下次序计算:工件,夹具及工作台折算到电机轴上的惯量,工件,夹具及工作台的最大质量为480.83,可按下式计算丝杠加在电机轴上的惯量,丝杠的公称直径,长度,丝杠的材料密度。根据下式计算=连轴器加上锁紧螺母等的惯量可直接查手册得到=0.001〔负载总惯量按照数控机床惯量匹配条件,,所选伺服电机的转子惯量应在0.0054~0.021范围之内。根据上述计算可初步选规定伺服电机。如选用交流伺服电机,可选型号为SGMSH30A□A型,其输出功率为,其外形尺寸图如图3.6所示,其外形尺寸如表所示。相应地,伺服驱动器选择与电机相匹配的SGMSH30A□A型号的。图3.6SGMSH型伺服电机外形尺寸图3.5进给传动系统的动态特性分析在进给传动系统内,滚珠丝杠螺母副的刚度是影响机械系统动态特性的最薄弱环节,其拉压刚度〔又称为纵向刚度和扭转刚度分别是引起机械系统纵向振动和扭转振动的主要原因。为了保证所设计的进给传动系统具有较好的快速．响应性能和较小的跟踪误差,并且不会在变化的输人信号激励下产生共振,必须对其动态特性加以分析,以找出影响系统动态特性的主要参数。1.纵向振动在分析进给传动系统的纵向振动时,可以忽略电动机和联轴器〔或减速器的影响,则由滚珠丝杠和机床执行部件构成的纵向振动系统可以简化成如图2-45所示的动力学模型,其动力平衡方程可以表达为式中:-滚珠丝杠螺母副和机床执行部件的等效质量〔其中m,ms分别为机床执行部件的质量和滚珠丝杠螺母副的质量；f—机床导轨的勃性阻尼系数；K。—滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度；y—机床执行部件的实际位移；x—电动机的转角折算到机床执行部件上的等效位移,即指令位移。图3.7丝杠一工作台纵向振动系统的简化动力学模型对式进行拉氏变换并整理,得到系统的传递函数：将式化成二阶系统的标准形式,得显然,这是一个二阶振荡系统,根据自动控制理论,当系统允许有一定超调时,可以取系统的阻尼比=0.4-0.8<见图3.7,图中Km为系数,使系统在输人信号变化或有外界扰动时,其输出响应可以较快地达到稳定值；当系统不允许有任何超调时,可取1,使系统输出响应不出现振荡。加大系统最低固有频率。二可以加快系统的响应速度,有利于避开输人信号的频率范围,防止共振产生。图3.7二阶系统阶跃响应曲线可见,影响纵向振动系统动态特性的主要参数是系统最低固有频率和阻尼比系统的最低固有频率与滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度Ko和机床执行部件的质量有关,增大Ko或减小,都可以提高。同时,阻尼比除了主要与导轨戮性阻尼系数f有关外,还与刚度Ko和质量有关。因此,在结构设计时,应通过刚度Ko、质量和导轨猫性阻尼系数f等参数的合理匹配而使系统最低固有频率和阻尼比获得适当的数值,以保证系统具有良好的动态特性。2.关于系统阻尼对系统动态特性的影响系统阻尼对系统动态特性的影响比较复杂。如果系统阻尼较大,将不利于系统定位精度的提高,容易降低系统的快速响应性,但可以提高系统的稳定性,减小过渡过程中的超调量,并降低振动响应的幅值。目前,许多伺服系统采用了滚动导轨,实践证明,滚动导轨可以减小摩擦系数,提高定位精度和低速运动的平稳性,但阻尼较小,常使系统的稳定速度减小。所以,在采用滚动导轨结构时,应注意采取其他措施来控制阻尼的大小。对系统阻尼影响最大的是导轨阻尼。导轨阻尼特性比较复杂。除去与运动速度成正比的勃性阻尼系数以外,导轨的静摩擦,随运动方向不同而改变符号的动摩擦,以及造成负阻尼的摩擦力下降特性等,都是非线性因素。将这些因素折算成等效的薪性阻尼系数只是一个近似方法。大量实验证明,无论静摩擦系数还是动摩擦系数,与等效的勃性阻尼系数之间都没有简单的关系。因而在设计时,要给出具体的阻尼数据是困难的。一般除了可以参照前人的研究结果进行定性分析外,应通过具体实验来获取可靠数据。3.6驱动电动机与滚珠丝杠的连接在数控机床进给传动系统中,驱动电动机与滚珠丝杠的连接是数控机床稳定工作的重要环节之一。目前,在直线进给传动系统中,驱动电动机与滚珠丝杠的连接方式主要有联轴器、齿轮和同步带。3.6.1联轴器联轴器是用来连接进给机构的两根轴使之一起回转以传递扭矩和运动的一种装置。机器运转时,被连接的两轴不能分离,只有停车后,将联轴器拆开,两轴才能脱开。目前联轴器的类型繁多,有液压式、电磁式和机械式。机械式联轴器是应用最广泛的一种,它借助于机械构件相互间的机械作用力来传递扭矩,大致可将联轴器划分为刚性联轴器和弹性联轴器两大类。<1>刚性联轴器可分为以下两类。①固定式联轴器,主要有套筒联轴器、凸缘联轴器和夹壳联轴器等。②可移式联轴器,主要有齿轮联轴器、十字滑块联轴器和万向联轴器等。<2>弹性联轴器可分为以下两类。①金属弹性件联轴器,主要有簧片联轴器、膜片联轴器和波形管联轴器等。②非金属弹性联轴器,主要有轮胎式联轴器、整圈橡胶联轴器和橡胶块联轴器。下面介绍几种数控机床常用的联轴器。1.套筒联轴器套筒联轴器〔见图3.8>由连接两轴端的套筒和连接套筒与轴的连接件〔键或销组成。一般当轴端直径d80mm时,套筒用35或45钢制造；d>80mm时,可用强度较高的铸铁制造。套筒联轴器各部分尺寸间的关系如下：套筒长L3d；套筒外径D=1.5d；销子直径=<0.3-0.25>d<对小联轴器,取0.3；对大联轴器,取0.25>；销子中心到套筒端部的．距离e0.75d。图3.8套筒联物器图<a>键连接；<b>销连接图3.9凸缘联轴器<a>键连接；<b>销连接此种联轴器构造简单,径向尺寸小,但其装拆困难〔轴需作轴向移动,且要求两轴严格对中,不允许有径向及角度偏差,因此使用上受到一定限制。3.6.2.凸缘联轴器凸缘联轴器是把两个带有凸缘的半联轴器分别与两轴连接,然后用螺栓把两个半联轴器连成一体,以传递动力和扭矩〔见图3.9。凸缘联轴器还有两种对中方法：一种是用一个半联轴器上的凸肩与另一个半联轴器上的凹槽相配合而对中〔见图3.9<a,另一种则是共同与另一部分环相配合而对中〔见图3.9<b>。前者在装拆时轴必须作轴向移动,后者则无此缺点。连接螺栓可以采用半精制的普通螺栓,此时螺栓杆与钉孔壁间存有间隙,扭矩靠半联轴器结合面间的摩擦力来传递〔见图3.9〔b；也可采用铰制孔用螺栓,此时螺栓杆与钉孔为过渡配合,靠螺栓杆承受挤压与剪切来传递扭矩〔见图3.9<a>凸缘联轴器可制成带防护边的〔见图3.9<a或不带防护边的〔见图3.9<b>。凸缘联轴器的材料可用HT250或碳钢,重载或圆周速度大于30m/s时应用铸钢或锻钢。凸缘联轴器对于所连接的两轴的对中性要求很高,当两轴间有位移与倾斜存在时,就在机件内引起附加载荷,使工作情况恶化,这是它的主要缺点。但由于其结构简单、成本低以及可传递较大扭矩,故当转速低、无冲击、轴的刚度大以及对中性较好时亦常采用。4.CNC数控系统的设计4.1控制系统总体方案的拟定与控制系统的选定1>数控系统的选择：本设计选用德国SIEMENS公司生产的SINUMERIK802D系统进行电气部分设计。2>外围电路设计：外围电路主要包括主轴的旋转电路、坐标轴的进给电路、换刀装置电路、润滑系统电路、冷却系统电路等。3>主电路及供电电路的设计：主电路包括电源的进线,总开关,冷却、润滑、排屑、散热风扇等辅助功能的电机连接。4>控制电路的设计主要完成数控系统的上、下电的控制,主电路接触器和电磁控制,以及三色灯的控制。5>CNC电气设计及PLC输入/输出电气设计主要为CNC电气连接与PLC输入/输出部分的电气设计系统的选定选用SINUMERIK802D。XD-40数控铣床是采用德国SINUMERIK802D系统控制的三轴机床,SINUMERIK802D将所有CNC、PLC、HMI和通讯任务集成于一个单一的部件。免维护的PC硬件集成了PROFIBUS接口用于驱动和I/O模块并具有速装结构的超薄操作面板。作为驱动系统的SIMODRIVE611具有模块化设计和PROFIBUS接口,因而各轴驱动的功率独立配置。SIMATICS7-200的指令集可直接适用于机床。系统不仅能够执行通常的SINUMERIK零件加工程序,而且可以使用非西门子的G代码。SIEMENS802D通过PROFIBUS联接到SIMODRIVE611UE及I/O模块PP72/48,机床各部分信号通过I/O模块进出PCU。4.2.1采用主要元部件a>SIEMENS802D型CNC控制系统、三轴驱动电机。b>主轴采用1PH7交流主轴电机及相应的驱动装置,或变频主轴。c>全数控键盘〔水平结构。d>通过PROFIBUS联接的I/O模块PP72/48。e>通过PROFIBUS联接的SIMODRIVE611通用驱动系统。f>电子手轮。5.位置检测元件的选择5.1位置检测元件的概述位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环,半闭环系统中,它的主要作用是检测位移和速度,并发出反馈信号,构成闭环和半闭环控制。数控机床对位置检测元件的要求如下：工作可靠,抗干扰能力强。满足精度要求和速度要求易于安装,维护方便,适应机床工作环境；成本低5.2位置检测元件的选择一、位移传感器基