立式加工中心Z轴进给传动设计与仿真【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 摘要 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）的使能技术和最基本的装备。制造技术和装备是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术则是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今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。 数控机床技术的发展自 1953 年美国研制出第一台三坐标方式升降台数控铣床算起，至今已有 53 年历史了。 20 世纪 90 年开始，计算机技术及相关的微电子基础工业的高速发展，给数控机床的发展提供了一个良好的平台，使数控机床产业得到了高速的发展。我国数控技术研究从1958 年起步，国产的第一台数控机床是北京第一机床厂生产的三坐标数控铣床。虽然从时间上看只比国外晚了几年，但由于种种原因，数控机床技术在我国的发展却一直落后于国际水平，到 1980 年我国的数控 机床产量还不到 700 台。到 90 年代，我国的数控机床技术发展才得到了一个较大的提速。目前，与国外先进水平相比仍存在着较大的差距。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 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。 加工中心：是带有刀库和 自动换刀装置 的一种高度自动化的多功能数控机床。在中国香港，台湾及广东 一代也有很多人叫它电脑锣。工件在加工中心上经一次装夹后，数字控制系统能控制机床按不同工序，自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助机能，依次完成工件几个面上多工序的加工。并且有多种换刀或选刀功能，从而使生产效率大大提高。 加工中心由于备有刀库并能自动更换刀具，使得工件在一次装夹中可以完成多工序的加工。加工中心一般不需要人为干预，当机床开始程序后，它将一直运行到程序结束。 关键词 ： 数控机床； 进给传动系统； 滚珠丝杠； 仿真 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 of in is of is of of is s in in to to to In in NC of to to of of to of 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 NC 953 NC so 3 0 0 of to NC a NC in 958, NC of C to to a to in of is a on 980, s NC is 00 In 990s, s a At to In NC as of s to of an a is a NC 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 it in by a to of in to of a of or so is of in a of do to it to to of 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目 录 第 1 章概述 . 1 题的背景 . 1 1 2 国内外相关产品及研发现状 . 4 1 3 主要研究内容及技术路线 . 6 第 2 章滚珠丝杠螺母副 . 7 珠丝杆副及其支承的选取 . 7 算 . 7 第 3 章伺服电机 . 19 服电机的选型 . 19 机负载扭矩计算 . 19 量匹配计算 . 20 服定位精度的验证 . 21 械传动装置刚度计算 . 21 服刚度计算 . 22 第 4 章仿真 分析 . 23 电进给系统综合结构图 . 23 真分析 . 23 想线性状态的仿真分析 . 23 4. 2. 2 具有摩擦非线性因素的仿真分析 . 24 参考文献 . 25 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 致谢 . 28 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 第 1 章 概述 题的背景 制造业直接体现了一个国家的生产力水平，是区别发展中国家和发达国家的重要因素。制造业是我国国民经济的支柱产业，是我国经济增长的主导部门和经济转型的基础，是我国城镇就业的主要渠道和国际竞争力的集中体现：作为过去 20 多年我国综合国力提高的主要标志。我国已经成为装备制造业大国，但产业大而不强、自主创新能力薄弱、自主创新产品推广应用困难等问题依然突出。应该看到，我国目前正处于扩大内需、加快基础设施建设和产业转型升级的关键时期，对先进装备有着巨大的市场需求。因此，提高中高档数控机床的市场竞争力 是机床行业转型升级的首要任务。必须采取有效措施加快产业结构调整，推动产业优化升级，加强技术创新，促进装备制造业持续稳定发展，为我国经济平稳较快发展做出贡献。 数控机床作为现代装备制造业的关键装备，其产量和技术水平在某种程度上代表了国家的工业现代化水平和竞争力。我国数控机床的技术水平、性能和质量与装备制造业发达国家还有很大差距，高档数控机床及功能部件大多依靠进口，同时，数控机床作为国防军工的战略装各，是各种武器装备最重要的制造母机，是国防军工装备现代化的重要保证口。因此，一些发达国家把高性能数控机床作为战略物 资严加控制，限制我国进口。 根据中国机床工具工业协会市场部提供的国际招标信息，中国机床工具工业协会分会对 2012年 1 3月份通过国际招标采购的加工中心总量、产品分类占比、产品水平和价格方面、用户及制造商情况进行了统计分析。进一步了解了市场需求，为企业有针对性地开发新产品并积极参与国际招标竞争起到引导作用。根据国际招标采购加工中心汇总表， 2012 年 1 3 月，加工中心中标项目共有 153 项，中标数量为 314台，产品金额总计 46962 4万美元。各类加工中心中标情况见表 1 1。 表 1 1 各类加工中心中标情况 产 品分类 中标数量 产品数额（万美元） 金额占比 % 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 卧式加工中心 6 卧式加工中心 166 龙门加工中心 27 其它加工中心 50 立式加工中心 2 立式加工中心 61 其它加工中心 2 总计 314 00% 2012年 1 3月份通过国际招标采购的 314 台加工中心， 分布在 13 个国家和地区。以金额计算，德国中标额最大，达到 24387 万美元，占中标总额的 51 93；日本中标额排第 2，为 13856 06万美元，占中标总额的 29 5；法国排名第 3，中标额为 2065 44 万美元，占中标总额的 4 4；美国中标额最少，为 11 17万美元，占中标总额的 0 02。以数量计算，日本中标台数最多，为 119 台；德国中标 97 台名列第 2；法国中标 23 台排在第 3；中国中标 17 台位列第 4。详细情况见表 1 2。 表 1 2 中标产品国别分布及占比 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 制造商国别或地区 台数 金额（万美元） 金额占 比 德国 97 日本 119 法国 23 意大利 12 瑞士 7 韩国 12 奥地利 1 中国 17 捷克 5 西班牙 2 中国台湾 14 新加坡 2 美国 1 总计 314 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 由以上数据可以看出， 2012 年，世界 28 个主要机床生产国机床产值 932 亿美元，中国机床产值 273 6 亿美元，约占 30，中国金属加工机床消耗约占全球市场的 45。 2012年，机床进口额 136 6亿美元，其中加工中心进口 5万台，进口额 56 5亿美元，占进口机床总额的 41 4。 2012年军工企业进口五轴联动机床进口数量约占总进口机床 70。而德国哈默公司 性能机床，是我国进口主要机种之一。 爱好 军事的朋友大多都知道著名的“东芝事件”：上世纪末，日本东芝公司卖给前苏联几台五轴联动的数控铣床，结果让前苏联用于制造潜艇的推进螺旋桨，上了几个档次，使美国间蝶船的声纳监听不到潜艇的声音了，所以美国以东芝公司违反了战略物资禁运政策，要惩处东芝公司。由此可见，五轴联动数控机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设各等等行业，有着举足轻重的影响力。现在大家普遍认为，五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转予、大型柴油机曲轴等加工的唯一手段。是衡量我国数控装备 制造水平的重要依据之一。与装备制造发达国家相比，我国在五轴加工中心系列化程度、加工功能、加工效率、加工精度和市场占有率上尚有差距。尤其是五轴加工中心国产制造能力明显不足，这已经成为制约我国制造业快速发展，尤其是制约国家重大国防、航空和航天装备制造能力的瓶颈。 1 2 国内外相关产品及研发现状 根据近三年来，中国国际机床展览会展出机床产品来看，展会展品的特点是：突出智能功能，倡导低碳和绿色制造方式，柔性、复合、五轴联动、高精、高速化仍然是数控机床的发展主流，自动化水平高，机床向安全、宜人化深度发展。 1 1届展会 具有五轴联动功能的机床展品有 80余台套，众多国际知名厂家都带来展品。如 克朗、森精机等，台湾的崴立、簏驰和友佳公司都带来五轴联动机床展出，国内的沈阳集团、大连机床集团、北京机电院等也都展出了五轴联动加工中心。展会展出的五轴联动加工中心结构形式多种多样，从功能上讲除了叶片式、叶轮式及龙门式加工中心外，五轴机床不再仅展示曲面加工，还有不少是展示一次装夹，多面高效加工的功能。这是展会五轴机床最突出的亮点，也是五轴机床买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 的发展趋势，更是全面解决方案服务理念的具体体现。 瑞士 00U 五轴加工中心属于高效铣削领域中的最新一代产品。机床结构设计紧凑、稳定性好且动力出众。尤为突出的是：它对第四轴和第五轴的直接驱动使其在加工 500工件时回转轴和摆动轴有充足的动能。它具有四种不同类型的工作台，可使小型工件在完全联动的回转摆动工作台上手动轻松装载，并可以从后面进行托盘交换。机床主要参数：行程 (X 850 800X 550动轴： +91。 121。，回转轴： 360。，工作主轴： 20000 1，快速移动： 45m 作台面： 500 630 大承重： 80060把。 0也是一次装夹多面加工的典范。该机将万能铣床和立式加工中心的性能完美地结合，满足一次装夹五轴联动轮廓加工的要求。该机采用了动梁式龙门结构，直线轴 (X 行程为 600 500 500 轴采用转速 高达 60动范围为 +5。 1 10。的快速数控摆动分度工作台。工作台的直径为 630载能力为 400转轴的力矩电机驱动提高了机床的稳定性和动态性能。 0 标准机床采用滚珠丝杠传动，快移速 度为 50 m 机左侧刀库和链式托架的设计也非常巧妙，机械手结构简单，稳定可靠。标配 30 把刀库。标配 14， 000 轴，用户也可以选配 18， 000 4， 000 轴。所有主轴可以配置 还有 北京机电院的 通科技的 500 等五轴加工中心，先进的驱动技术及控制系统在五轴联动 7J 口 32 中 ,t上得到了广泛的应用，如直驱技术、直线电机、力矩电机、内装式电主轴、热变形控制技术以及结构优化技术等被广泛利用。 力矩电机在五轴联动机床的结构创新设计中起到了特别重要的作用。 从五轴联动加工中心产品上看，国内五轴机床已走过从无到有，特别引人关注的时段。五轴机床的市场与立、卧式加工中心相比相对还比较小，如果机床做不成精品和实用，不能全面为用户解决加工问题，用户是不会轻易采购的。国外众多知名厂商大多在其原有的机床上做了很大的改进，五轴机床的结构设计巧妙，制造精良，全面解决问题的能力非常强，这正是国内厂家需要好好学习的，也是我国五轴机床的发展方向。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 1 3 主要研究内容及技术路线 目前，我国数控机床的技术水平、性能和质量与装备 制造业发达国家还有很大差距，高档数控机床及功能部件大多依靠进口。数控机床作为国防军工的战略装备，是各种武器装备最重要的制造母机，是国防军工装备现代化的重要保证。因此，一些发达国家把高性能数控机床作为战略物资严加控制，限制我国进口。大连机床集团有限责任公司在综合比较分析国内外五轴联动设计技术，综合借鉴国内外先进机床设计结构和设计分析手段的基础上，采用设计计算和试验相结合的方法，系统的对墙式五轴加工中心总体布局、主要功能部件的设计、机床精度保持和机床高速运动的动态性能分析等关键项技术进行深入研究。 论文作者为本 产品主要研发人之。本文将针对墙式五轴加工中心开发过程中机床结构方面的问题展开研究，并着重进行以下几方面的分析和论述： (1)机床总体布局的确定 依据国内外高档五轴加工中心的机床参数，综合分析市场需求、投入市场的竞争力、企业生产能力及产品结构等因素，确定合理的机床参数；分析各种五轴加工中心结构布局，综合考虑机床的整体刚性、性能、制造成本、操作方便等因素，确定切合实际可行的布局方案。 (2)机床各传动系统的理论分析及计算选型 对机床三向进给传动系统进行理论分析，计算、校核三向丝杠及驱动电机的规格和型号；选定主 传动功率，分析主轴形式并确定主传动系统动力参数；进行直取式快速换刀系统理论分析计算，确定刀库驱动电机及减速机的规格和型号。 (3)机床各部件原理分析及结构模型设计 简要介绍产品研发设计软件平台 点分析三向进给传动结构原理、分析提高传动系统性能的措施，完成结构设计：进行直取式快速换刀系统结构原理分析及设计，简要分析床身、横梁、滑板、双轴摇篮转台等功能机构的结构原理及设计，完成机床的外观造型设计。 (4)主要结构模型有限元分析 简要介绍 化设计流程；运用 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 第 2 章 滚珠丝杠 螺母副 珠丝杆副及其支承的选取 在半闭环控制方式中 , 机床定位精度很大程度上取决于滚珠丝杆的精度 , 其中丝杆的导程误差对机床定位精度的影响最明显。因此根据机床定位精度要求 , 首先确定丝杆导程精度 , 再根据机床行程、快速移动速度、承载要求 , 确定丝杆轴长、导程、直径。最终选定滚珠丝杆型号为 50 10长度分别为 , 轴承型号为 35 算 (1)滚珠丝杠 选型的初始设计条件如表 床各移动部件的重量如表 表 滚珠丝杠初始设计条件 进给方向 驱动数量 行程（ 快进速度（ m/ 定位精度（ 单驱 1100 60 向 双驱 1100 60 向 单驱 750 60 机床移动部件重量 移动部件 横梁结构 滑板结构 主轴箱结构 工作台最大载量 重量（ 2300 500 900 2000 考虑到在没有平衡器的情况下，只靠伺服电机对主轴单元进行升降及位置保买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 持 ，电 机负荷过大，电力耗损量增加，另外，电机也会发热使得丝杠受热变长，影响机床精度，因此，利用氮气平衡器平衡其重量，来减轻伺服电机负荷，降低电力消耗和发热，提高时的加工度，减轻丝杠及主轴单元导向部的负荷。 初选 气平衡器 充气压在 7 0始负荷为 5 6 大负荷为 6 7衡力取初始值的 90： 5 (2)运转条件如表 表 运转条件 运动类型 N） N） N） 传动速度m/用时间比例（ %） 切削阻力 滑动阻力削阻力 滑动阻力削阻力 滑动阻力重 快进 0 55 0 145 0 3855 60000 30 轻中切削 4000 55 4000 145 4000 3855 800 50 重切削 8000 55 8000 145 8000 3855 200 20 注： 1)滑动阻力 F=u 中导轨面摩擦系数： u=0 004 (3)各基本参数的选定 丝杠直径： d=45( 丝杠轴底槽径： 9 4(丝杠螺纹总长： 大行程 +螺母 长 +余量 轴承安装距离： 大行程 +螺母长 2+轴端余量 最大行程： 丝杠总长度： L 如表 基本参数的选定 进给方向 丝杠螺纹总长 1330 1330 957 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 轴承安装距离 1417 1417 1043 最大行程 1120 1120 770 丝杠总长度 L（ 1672 1672 1300 丝杠选择精度等级： 驱动电机的最高转速 床预备达到的最高进给速度 V。来计算丝杠导程Ph(规伺服电机 900(r 机床快速移动速度 000( 计算公式为 )(3 9 0 0/6 0 0 0 0/ m a xm a x (2故初选择丝杠导程为 20杠快进转速 N： 60000 20=3000(4)直径、导程、螺母的选定 定动载荷的确认，如表 表 额定动载荷的选定 运转类型 N） N） N） 丝杠转速（ 使用时间比例（ %） 快进 55 80 3855 3000 30 轻中切削 4055 2280 145 40 50 强力切削 8055 4480 4145 10 20 因为 55倍。 平均负载 312211322321131 ). .( (2买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 平均转数 . . 根据公式 2 2、 2 3求各方向的平均负载和平均转数，计算结果见表 f。 表 2 6 平均负载和平均转数 进给方向 N） 1372 768 3828 Nm(922 922 922 负载系数 表 负载系数值 没有冲击的平滑运转时 通运转时 振动冲击的运转时 床疲劳寿命的一般目标值： 0000h(注： 16 小时 250 天 10 年 0 5移动率 )。机床运转平滑，基本没有冲击，因此，取 本额定动负载 )(10)60( 2311 (2 根据公式 2 4 求得各进给方向需求最 小 基本额定动负载，如表 2 8。 表 各进给方向需求 最小基本额定动负载 进给方向 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 (N) 17028 9532 47511 初选丝杠基本额定动载荷为 69100N，所以满足使用条件。 容许转速的确认 a危险速度 取 f=21 9，丝杠快进转速为 n=3000 )(10 72 (2计算最小轴底槽径 根据公式 表 各进给方向最小轴底直径值 表 进给方向 （ 于初定参数中，丝杠直径： d=45(轴底槽径： d。 =39 4227 5(所以满足使用条件。 b求 d 135000300045 滚珠丝杠系统刚度的确认 a 螺杆刚性： 性位移量 ) 在产生最大轴向 位 移的螺杆中央位置上进行计算： )/(10 32 (2买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 )(10 32 (2(纵向弹性系数 E=b螺母刚性 性位移量 1/3左右的最大轴向负载设为预压负载： 31m a x)(2 (其中刚性值 K=1470 N m，基本额定动负载 9100N，刚性计算基准系数 =(2c支撑轴承刚 性位移量 支撑轴承为滚珠丝杠用推力角接触球轴承 (2A ，轴承组合型号为： 2A 72 轴承刚性值： 260 N m (2计算结果： (2将 a、 b、 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 表 各进给方向滚珠丝杠刚度计算值 进给方向 螺杆 螺母（公称型号：6E） 轴承 合计 L m N B 向 260 向 260 向 260 进给方向丝杠刚度计算结果满足要求。 (5)基本的安全性确认 可轴向负载确认 表 压屈负载系数值 安装方式 m N 固定 自由 单支撑 简单支撑 固定 简单支撑 固定 固定 4142 )10( m 将公式 表 各进给方向最小轴底直 径值 进给方向 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 因为初选丝杠 9 416 89，所以满足要求。 允许转速确认 a 危险速度 72 10 (2表 各进给方向最大容许转速值 进给方向 为初选丝杠 n=300020000 h，所以满足要求。 (6)对适合要求性能的项目进行确认 精度的确认 a定位精度： 选用定精度等级： 据丝杠样本查得： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 表 2 16 x Y Z 进给方向定位用代表性移动量误差 进给方向 600 600 250 足机床定位精度： 0 02X、 Y， 0 016 b热位移量 根据公式 (2其中热膨胀系数 31012 16 ， ,得出： 表 2 17 各进给方向热位移量 进给方向 X 向 Y 向 Z 向 c预张力 为了吸收丝杠受热延伸量，通常在安装丝杠时对其施加一定的张力，它相当于杆温度升高 23时的张力。 根据公式 2 （ 2 得出对滚珠丝杠进行预拉伸合理的拉伸量时的预紧力： 0009037 d支撑轴承校核 将轴承基本额定动载荷 预张力 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 可以 为标准，校核轴承。 表 轴承校核值 轴承型号 N) 2720500 算结果满足要求。 驱动扭矩的确认 表 2 19 驱动电机型号表 项目 驱动电机型号 90 F 90 F 90 F 子惯量 a负载 丝杆惯性力矩： 432 （ 2 其中： 7 8 m)， 0 045(表 2 20 各进给方向 进给方向 m) 动部分惯性矩： 2)2( w （ 2 其中： 0 02(m) 表 2 21 各进给方向 进给方向 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 Jw(m) 轴器惯性矩： 根据联轴器结构设定： m)。 合计： 表 2 22 各进给方向惯性力矩及其与驱动电机比值 进给方向 X 向 (W+C) W+ L/b驱动 扭 (2其中 12 按轴承组合的起动扭矩值求得 : )( 取 1= 2 23 各进给方向扭矩值表 T(N m) 快进时 切时 切时 机额定扭矩大于 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 表 2 24 电机规格参数表 项目 电机型号 90 F 90 F 90 F 定转速 (3000 3000 3000 额定扭矩 (N m) 扭矩 (N m) 高转速 (3900 3900 3900 最大扭矩 (N m) 150 150 150 电机惯量 (m) 定输出攻略（ .9 ： 2)(1 (2表 3 25 各进给方向加速时间值 进给方向 s) 中 0(m/表 2 26 各进给方向加速度值 进给方向 a (m/s) a (g) 定三向进给加速度 5 m/s ，根据以上计算确定达到要求的目标值。 通过以上的计算和校核，我们选定本机床的丝杠型号为： 6E 向电机型号分别为 90 F 制动 )， 90 F 制动 )， 90制动 )。买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 第 3 章 伺服电机 服电机的选型 数控系统所发出的控制指令 , 是通过伺服驱动器和伺服电机驱动机床执行部件的。所选电机应满足下列条件 : 在所有进给速度范围内 , 空载进给扭矩小于电机额定转矩 ; 最大负载扭矩小于电机额定 转矩 ; 电机转动惯量与进给负载惯量合理匹配 ; 定位加速时的最大扭矩小于电机最大转矩。因此 , 必须进行最大负载扭矩计算、惯量匹配计算和加减速扭矩计算 , 据此确定合适的电机型号。 电机负载扭矩即滚珠丝杆克服外部载荷作等速运动所需的力矩 , 可按下式计算 12 （ 3 式中 :在丝杆上的轴向外部载荷 ( N) , 其值与 轴向进给力大小相等方向相反 ; 杆导程 1- 滚珠丝杆的正效率 螺母滚珠丝杆的预紧力矩 ,