三自由度工作台设计【全套CAD图纸+Word说明书】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 I 桂林电子科技大学信息科技学院 毕业设计 (论文 ) 题 目： 三自由度工作台设计 院 （系）： 机电工程 系 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 姓 名： 职 称： 题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 要 本 文 全面阐述了 三自由度工作台 的结 构原理，设计特点，论述了采用 伺服 电机和滚珠丝杠螺母副的优点。详细介绍了 三自由度工作台 的结构设计及校核，并进行了分析。另外汇总了有关技术参数。 高速度、高精度、高效率和高刚度已成为当今数控机床发展的主要方向，普通龙门机床一般只能进行单面，当零件的另一个表面时，需要加装一个直角转换头或者调转零件的面后重新装夹，这不但增加了机床操作者的劳动强度，影响效率，并且重新定位装夹也降低了零件的精度，为了弥补这些不足，龙门 三自由度工作台 便应运而生。五面体 三自由度工作台 一次装夹就能实现工件五个表面的，这大大提高了零件的精度和 效率，降低生产成本，因此五面体 三自由度工作台 成为当前数控机床行业重点研究的对象之一。 其中着重介绍了滚珠丝杠的原理及选用原则，系统地对滚珠丝杠生产、应用等环节进行了介绍。包括种类选择、参数选择、精度选择、循环方式选择、与主机匹配的原则以及厂家的选择等。 关键词 ： 三自由度工作台 ， 数控 ，伺服 电机 ， 滚珠丝杠 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 of in of In a of of NC of to a or of re of in to up as of be of so of of of of of 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 录 摘 要 . . 录 . 1 章 绪 论 .数控系统的发展及趋势 .自由度工作台的基本原理 .作台伺服进给系统 .服驱动装置 .题研究的目的和意义 . 2 章 设计的内容及要求 .题的主要内容和基本要求 .度计划与应完成的工作 .设计的内容 . 数控装置总体方案的确定 . 8 械部分的设计 . 8 写设计说明书 . 8 床主要部件及运动方式的选定 . 3 章 丝杠进给系统的设计计算 .滚珠丝杠螺母副的选用设计 . 滚珠 丝杠副的传动原理 . 滚珠丝杠副的传动特点 . 滚珠丝杠副的结构与调整 . 12 向间隙的 调整和加预紧力的方法 . 13 珠丝杠的选择 . 滚珠丝杠的精度 . 15 珠丝杠参数的计算 . 15 服电机的选择 .文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 V 大切削负载转矩的计算 . 19 载惯量的计算 . 19 载加速转矩计算 . 21 动导轨的选择计算 . 工作载荷的计算 . 21 时额定工作寿命的计算 . 22 离额定工作寿命的计算 . 22 定动载荷计算及选型 . 22 轴器的选择 .承的选择 .珠丝杠副的安全使用 . 润滑 . 24 尘 . 25 用 . 25 装 . 25 第 4 章 硬件电路图的设计 .机控制系统组成及特点 . 微机控制系统的组成 . 26 机数控系统的特点 . 26 机控制系统设备介绍 . 主控制器 选择 . 27 储器电路的扩展 . 28 ， Q 号交流 401339828 或 11970985 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 第 1 章 绪 论 数控系统的发展及趋势 1946 年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。 6 年后，即在 1952 年，计算机技术 应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 数控 段（ 1952 年 ） 早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路 搭 成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（ C），简称为数控（ 随着元器件的发展，这个阶段经历了三代，即 1952 年的第一代 电子管； 1959 年的第二代 晶体管； 1965 年的第三代 小规模集成电路。 计算机数控（ 段（ 1970 年 到 1970 年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（ 段（把计算机前面应有的“通用 ”两个字省略了）。到 1971 年，美国 司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件 运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（ 又可称为中央处理单元（简称 到 1974 年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算 机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。 到了 1990 年， （个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于 阶段。 总之，计算机数控阶段也经历了三代。即 1970 年的第四代 小型计算机； 1974 年的第五代 微处理器 和 1990 年的第六代 基于 外称为 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即 ，而我国仍习惯称数控（ 所以我们日常讲的 数控 ，实质上已是指 计算机数控 了。 (1) 继续向开放式、基于 第六代方向发展 基于 具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用 作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。 所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。 (2) 向高速化和高精度化发展 这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。 (3) 向智能化方向发展 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。 自由度工作台 的基本原理 数控控制（ 是用数字化信号对机床的运动及其过程进行控制的一种控制方法。 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是现代化工业生产中的一门新型的，发展十分迅速的高新技术 。数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围所覆盖的领域又：机械制造技术；微电子技术；信息处理传输技术；自动控制技术；伺服驱动技术；检验监控技术；传感技术；软件技术等。数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的是能技术和最基本的装备。在提高生产率，降低成本，保证质量及改善工人劳动强度等方面，都有突出的优点；特别是在适应机械产品迅速更新换代，小批量，多品种生产方面，各类数控装备是实现先进制造技术的关键。 数控机床是采用了数控技术 的机床，或者说是装备了数控系统的机床。国际信息处联盟（ 第五技术委员会，对数控机床作了如下的定义：数控机床是一种装了程序控制系统的机床。该系统能逻辑的处理具有使用码或其他符号编码指令规定的程序。 龙门加工中心经过长期的技术发展和推动，已从传统的单轴式发展到多轴 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 式，从传统龙门加工中心发展到现代化智能的加工中心，从单面的加工发展到多 面的加工，发展速度快，技术比较成熟。但是对于龙门五面体加工中心，由 于我 国基础技术薄弱，研究方法落后，资金投入不足等原因，以及国外对核心技术的 封锁，导致我国五面体加工中心发展缓慢 4。从龙门加工中心主要部件的发展情况来看，国内外龙门加工中心的龙门和滑枕的机构基本都具有以下特点： 1. 龙门 主要是由一个横梁和两个立柱构成。分为横梁固定、横梁靠定位块 锁定分段升降和横梁任意升降三种类型。横梁固定式结构机床刚性好，但不适合 加工大型工件，因为在加工靠近工作台面的工件部位时，滑枕伸出长度过大，加 工刚性较差，影响加工尺寸精度；横梁靠定位块锁定分段升降型结构机床刚性较 好，但 横梁升降运动不能与滑枕上下移动联动，且操作较复杂；横梁任意升降型 结构横梁升降运动可以与滑枕上下移动联动，加工范围较广，适合新产品开发。 立柱和横梁的横截面为矩形，刚性好，可耐重切削并长期保持高精度。主轴箱在 横梁上的导轨有自重平衡装置，其动作灵活、迅速且准确。由于主轴箱左右移动 时，横梁升降用滚珠丝杠所受负载有变动，使精度降低，所以采用配置在横梁左 右两侧的油缸来平衡主轴箱左右移动造成的变动负载和横梁本身的自重，以提高 机床的精度。 2. 滑枕 从结构上可分为开式和闭式两种型式。开式结构的滑枕通过压板夹 紧在主轴箱上，滑枕的截面积大；闭式结构的滑枕被夹紧在主轴箱内，滑枕的截 面积小。主轴箱内有液压平衡装置，使滑枕上下移动灵活，可实现强力重切削。 主轴滑枕内部采用强制内冷却，即使作长时间连续重切削，也可保持高精度。滑 枕的行程以满足工件侧面下部的加工要求为宜，不宜太长，以免影响加工时的机 床刚度。滑枕采用一体型的结构，以提高机床的整体刚性。 作台伺服进给系统 工作台伺服进给系统是一机床移动位置为控制量的自动控制系统。它根据数控装置输出的电脉冲信号，是机床工作台、主轴等移动部件按照规定的运动速度、运动方 向和位置要求做相应的移动，并对其定位精度加以控制。工作台性能在很大程度上取决于进给伺服系统的性能。 进给运动是机床成型运动的一个重要部分，其传动质量直接关系到机床的加工性能。工作台的进给运动是数字控制的直接对象被加工工件最终坐标位置精度和轮廓精度买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 都会受到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响。工作台对进给系统的要求集中在精度、稳定和快速响应等方面。为满足这种要求，首先需要高性能的伺服驱动电机，同时也需要高质量的机械结构与之匹配。因此工作台的进给传动系统机械结构需满足如下要求。 （ 1）高的传动精度与定位精度 工作台进给系统的传动精度和定位精度，是机床最重要的性能指标。传动精度直接影响机床加工轮廓面的精度，定位精度直接关系到加工的尺寸精度。 （ 2）宽的进给调速范围 为保证工作台在不同工况下对进给速度的选择，进给系统应该有较大的调速范围。工作台的伺服进给系统一般为 3 （ 3）快的响应速度 所谓快速响应，是指进给系统对指令信号的变化跟踪要快，并能迅速趋于稳定。目前，工作台已较普遍的采用了伺服电动机不通过减速环节直接连接丝杠带动运动部件实现运动的方案。本次设计就是采用了这个方案来获取快的 响应速度。 （ 4）低速、大转矩 根据机床的加工特点，经常在低速下进行重切削，即在低速下进给驱动系统必须有大的转矩输出。 此次设计采用的是半闭环伺服系统。半闭环系统的精度虽然比闭环系统的精度要低一些，但是它的结构与调整比较简单。而且，在半闭环系统中，转角测量表较容易实现。应用非常广泛。 图 2闭环进给伺服系统原理图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 服驱动装置 伺服驱动装置接收数控系统发出的进给指令信号，并将其转换为角位移或直线位移，从而驱动执行部件实现要求的运动。伺服驱动装置应该满足如下要求。 （ 1）精度高。输出位 移有足够的精度，即实际位移与指令位移之差要小。 （ 2）应该具有较长时间的大过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电动机要求数分钟内过载 4而不损坏。 （ 3）调速范围宽，而且从最低速到最高速时，电动机均能平滑运转，转矩波动小，特别是在低速（如 更低）时，速度平稳而无爬行现象。 （ 4）能承受频繁振动、制动和反转。 在工作台的闭环或半闭环进给伺服系统中，伺服驱动装置主要采用交、直流伺服电动机。 直流伺服电动机具有良好的启动、制动和调速特性，可以方便地在宽调速范围内实现平滑无极调速，故多 用在对伺服电机的调速性能要求较高的工作台上。 交流伺服电动机，转子惯量比直流电动机小，动态响应好，输出的功率可比直流电动机提高 10%可达到更高的电压和转速。 题研究的目的和意义 工作台 是一种在计算机控制下带有自动换刀系统的能完成多工序复合加工的自动化机床， 并正向高速 高效 、高精度 、模块化、网络化 和 复合化 方向发展。由于 工作台是典型的集高新技术于一体的机械加工设备， 其生产效率高、柔性好、一机多用和易于加工复杂的曲线、曲面零件等特点，早已成为工业发达国家军民机械工业的主力加工设备。 一个国家的工 作台拥有量、消费量及总体技术水平与这个国家机械工业的加工制造技术水平息息相关。 我国的工作台从70年代开始，已有很大发展，但技术、品种和数量上都还远远不能适应我国的经济、技术发展的需要。 进入21世纪以后，中国工作台的消费量随着军民机械工业的大规模技术改造而迅速增长，如2001年中国工作台的消费量仅为2662台（其中进口2290台），而同年美国、日本和德国的工作台消费量分别为11505、6090和5291台。到了2005年，中国工作台的消费量猛增至约13200台（估计值，工作台的产量数据未公布），其中进口103 43台。2005年工作台的消费量是2001买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 一举超过美、日、德诸国，成为世界上消费工作台最多的国家。 根据机械工人杂志社等单位的调查，从近600份重点用户的有效问卷中得出的结果是，工作台机床的应用已遍及全国26个行业，其中汽车、摩托车及其零部件制造业占24%，航空航天和军工行业占18%，机床工具业占11%，模具行业占8%，轻工机械行业占4%。在这些企业拥有的工作台中，虽然普及型的立式和卧式工作台仍占多数，但多轴联动、高速、大型精密等高档工作台也占有一定比重，如在所调查 的近600户用户中，拥有5轴联动工作台的占24%。说明中国市场消费的工作台虽然以普及型的中档机为主，但高档机在消费量中所占比重估计已达15%至20%。 中国消费的工作台大部分依靠进口（2005年进口量占消费量的七成多），各类机床进口额之首，主要从日本、中国台湾、德国和韩国等地进口。2006年上半年，中国进口工作台5511台，比分别增长20%和11%，仍保持两位数增长，说明中国工作台市场的规模还有增长空间。 工作台用于安装工件，并带动工件进给，以完成各种切削加 工，是任何切削机床必不可少的重要部件。与普通切削机床不同的是，工作台的工作台是在数控系统的控制下自动完成进给的，能够自动完成各种轮廓和曲面的加工。工作台直线工作台主要在数控系统控制下完成纵向（ X 方向）和横向（ Y 方向）进给。为了实现任意角度和在切削过程中转台能够回转，工作台还要设置数控回转工作台，这样工作台就多了一个 标，能够完成更加复杂的见曲面的加工。工作台常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台，它们的功用各不相同。分度工作台的功用只是将工件转位换面，和自动换刀装置配合使用，实现工件一次安装能完成 几个面的加工。而数控回转工作台除了分度和转位的功能外，还能实现圆周进给运动。 我国近几年 三自由度工作台 进给机构 虽然发展较快，但与国际先进水平还存在一定的差距，主要表现在：可靠性差，外观质量差，产品开发周期长，应变能力差。 针对传统 三自由度工作台 进给机构 的不足之处及生产中存在的问题，有必要在传统机床的基础上研究出新型 三自由度工作台 进给机构 。通过对传统铣床手动的进给系统、夹紧系统及传动系统的创新设计，加入新技术，从而提高产品质量和生产效率，实现自动化，降低劳动强度及工作量。 三自由度工作台 进给机构 的发展现状和趋 势是：在规格上将向两头延伸，即开发小型和大型 进给机构 ；在性能上将研制以钢为材料的 进给机构 ，大幅度提高 进给机构 的承买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 载能力；在形式上继续研制多轴并联，甚至于五轴并联的 进给机构 。 综上所诉， 三自由度工作台 进给机构 的开发和设计具有很高研究的意义 行 三自由度工作台 进给机构 的设计，使其能够实现更好的工业生产自动化。 本课题对 三自由度工作台 进给机构 部件进行了设计，研究 三自由度工作台 的结构，主要部件及典型零件的设计方法，其意义如下： 1、通过对数控机床的结构设计和研究掌握机构设计的 一般步骤和方法； 2、通过对课题的研究，了解国内外有关数控机床的技术现状和发展趋势； 3、通过毕业设计培养自己的创新精神，提供分析问题和解决问题的能力。 第 2 章 设计的内容及要求 题的主要内容和基本要求 本课题要求设计一台 三自由度工作台 ， X、 Y 轴采用滚珠丝杠螺母副传动方式实现运动变换， 机床主要设计参数下表所示： X 轴有效行程 5000 轴有效行程 3000 轴有效行程 1000 工作台尺寸 2500 5000 工进给速度 0.5 m/速进 给速度 10 m/动电机最高转速 2000 r/度计划与应完成的工作 应完成的工作： 1、完成二万字左右的毕业设计说明书，其中包括 400 字左右的中文摘要，英文摘要应与中文摘要内容完全相同； 2、 完成 与课题相关， 不少于 3000汉 字 的 英文资料翻译（附英文原文）； 3、完成总体结构、结构及传动设计； 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 4、绘制 装配图及所有非标件零件图 。 进度计划： 1、第 1阅相关资料， 了解 表面感应加热机床技术技术要求，完成开题报告 ； 2、第 3周，翻译一篇与设计相关的英文论文； 3、第 4据设计要求确定总体方案及计算； 4、第 6周，根据设计要求完成 找其技术参数 ； 5、第 7成 机床总体结构、 Z 轴结构及传动设计 ； 6、第 12制图纸； 7、第 15周，编写毕业设计说明书，准备答辩。 设计的内容 控装置总体方案的确定 (1) (2)较，论证。 械部分的设计 (1) (2) (3)算和选用 ； (4) (5) (6) (7) 写设计说明书 (1) 说明书是 设计的总结性技术文件，应叙 述整个设计的内容，包括提 方案的确定，系统框图的分析，机械传动设计计算，选用元器件参数的说明； (2)论文正文不少于 10000 字。 床主要部件及运动方式的选定 （ 1）伺服电机的选择 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 本次设计选用交流伺服电机，根据本进给系统定位 精度的要求，初步选用半闭环伺服系统。如果经计算后半闭环系统不能满足定位精度要求，可改用全闭环伺服系统。交流伺服电机有交流同步电机和交流感应电机。交流感应电机结构简单，与同容量的直流伺服电动机相比较，质量轻、价格便宜。缺点是不能经济的实现范围较大的平滑调速。所以数控机床的进给系统中一般不采用这种电动机。 交流同步电动机的转速与所用电源的频率之间存在一种严格的关系，即在电源电压和频率固定不变时，它的转速是稳定不变得。由变频电源供电给同步电动机时，便可方便地获得与频率成正比的可变速度 。并可得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。其结构虽然比感应电动机复杂，但比直流电动机简单。同步电动机又分为电磁式和非电磁式两大类。在后一类中又有磁滞式、永磁式和反应式多种。在数控机床的进给驱动系统中，多采用永磁式同步电动机。在数控机床进给驱动中，采用具有大转矩、宽调速并装有反馈元件的机电一体化的永磁式交流同步电动机已十分普及。 （ 2）滚珠丝杠螺母副的选择 滚珠丝杠具有高精度、高刚度、高效率及无间隙等优点。特别是在半闭环加工系 统中，滚珠丝杠自身的精度对机床加工精度有很大的影响，定位精度在很大程度上受到滚珠丝杠精度的影响。 滚珠螺母副 4的滚珠循环方式一般会分为外循环和内循环两种。对于内循环方式，滚珠在循环过程中始终保持与滚珠丝杠接触。内循环滚珠丝杠螺母副工作滚珠数目少，径向尺寸紧凑，摩擦损失少，流畅性好，传动效率高，轴向刚度好，但回珠器槽行比较复杂，需三坐标数控机床才能进行加工。外循环过程中滚珠与丝杠脱离接触，目前使用插管完成滚珠循环的结构，结构简单，工艺性好，但滚道管子突出于螺母外面，所以外循环滚珠丝杠螺母径向尺寸较大。滚珠 和滚珠丝杠螺母副接触处有过盈配合，即两者达到预紧；滚珠丝杠螺母副事先通过调节左右螺母的相互离开和靠近消除间隙。常用的消除间隙或预紧的办法有垫片是调隙结构、螺纹式调隙结构和齿差式调隙结构。本次设计采用垫片式调隙结构。 （ 3）导轨副的选用 要设计的进给机构的导轨选用贴塑导轨，它属于滑动导轨，是在机床的动导轨面上贴上一层抗磨软带，导轨副的另一个固定导轨面为磨削面。这样就会使导轨摩擦系数变为 轨速 度可达 30m/度比较高，动、静摩擦系数差值小，没有爬买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 行。耐磨性与铸铁对铸铁导轨副相比可提高 1 3 倍。 第 3 章 丝杠 进给 系统的设计计算 滚珠丝杠螺母副的选用设计 进给机构 的进给运动，由进电机的转动，然后带动 工作台 丝杠传动。在数控 工作台上的丝杠传动，可以用普通的丝杠传动，也还有应用滚珠丝杠来转动。原因是普通丝杠买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 传动摩，但总是不太稳定。 所以，在 三自由度工作台 上要擦系数大，效率低，传动中有间隙。虽然传动中的间隙可以用一些办法来补偿，修正采用 滚珠丝杠传动。滚珠丝杠传动有一系列的优点，但制造工艺较为复杂，成本高，在某些应用上受到一定的限制，但随着数控 工作台 的发展，它的使用将会更加广泛。 滚珠丝杠传动都使用防护罩，以防止空气中的尘土和其它杂物等进入。 滚珠丝杠和滚珠螺母组成滚珠丝杠螺母副，它是把步进电机的转动角位移，变换成数控 工作台 进给机构 的的直线位移。 滚珠丝杠螺母副，也简称为滚珠丝杠副，是一种新的传动机构，它是在丝杠和螺母的螺旋槽之间装有滚珠，以此作为中间元件的一种传动机构。 珠丝杠副的传动原理 丝杠和螺 母上都有圆弧形的螺旋槽 ,这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成螺旋线的滚道 ,在滚道内装有许多滚珠 滚珠相对于螺母上的滚道滚动 ,因此丝杠与螺母之间滚道的摩擦为滚动摩擦 在螺母的螺旋槽两端应用挡住器挡住 ,并设有回路滚道是他的两端连接起来 沿着这个回路滚道从新返回到滚道的另一端