龙门加工中心Z轴与Y轴进给运动机构设计【全套CAD图纸+毕业论文答辩资料】

需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 毕业设计 (论文 ) 课题名称   龙门加工中心 Z 轴与 Y 轴进给运动机构设计  系       别                   专       业                   班       级                   学       号                   姓       名                   指导教师                                           教研室主任                                     系   主   任                                       年     月     日     要  本文 全面阐述了 龙门加工中心 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 龙门加工中心 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，为了弥补这些不足，龙门龙门加工中心便应运而生 ,大大 提高了零件的精度和效率，降低生产成本，因此龙门加工中心 Z 轴与 Y 轴进给运动机构设计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 ： 龙门加工中心， 数控 ，伺服 电机 ， 滚珠丝杠  需要购买对应 纸  咨询 14951605 of a of of of of of of s in to of  to be of of on NC on of of to of of V 目   录  摘   要 . .   录 .  1 章   绪  论 .数控系统的发展及趋势 .门加工中心的基本 原理 .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 .设计的内容 . 数控装置总体方案的确定 . 5 械部分的设计 . 5 写设计说明书 . 6 床主要部件及运动方式的选定 . 3 章   Z 向进给伺服进给结构设计  .滚珠丝杠螺母副的计算和选型 .  最大工作载荷的计算 . 8 最大动载荷的计算 . 8 滚珠丝杠螺母副的选型 . 9 滚珠丝杠副的支承方式 . 9 传动效率的计算 . 9 刚度的验算 . 9 稳定性校核 . 10 临界转速的验证 . 10 步进直线电机的计算和选用 . 11 转动惯量的计算 .  电机力矩的计算 . 12 需要购买对应 纸  咨询 14951605 V 步进直线电机的选择 . 4 章   Y 向进给机构设计计算  .滚珠丝杠的选择 .  滚珠丝杠的 精度 . 16 伺服电机的选择 .  最大负载转矩的计算 . 20 负载惯量的计算 . 20 空载加速转矩计算 . 22 轴向间隙的调整和加预紧力的方法 . 22 导轨副的计算、选择 .联轴器的选择 .轴承的选择 .结 .考文献 .  谢 . 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。  2 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   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。  门加工中心的基本原理  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，对数控需要购买对应 纸  咨询 14951605 3 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  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。  4 题研究的目的和意义  我国近几年龙门加工中心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。  针对传统龙门加工中心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龙门加工中心进给机构。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。  龙门加工中心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，龙门加工中心进给机构的开发和设计具有很高研究的意义 行龙门加工中心进给机构的设计，使其能够实现更好的工业生产自动化。  本课题对龙门加工中心进给机构部件进行了设计，研究龙门加工中心的结构，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。  需要购买对应 纸  咨询 14951605 5 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龙门加工中心， 机床主要设计参数下表所示：  完成该题目已具备的条件：可参考无锡桥联数控生产的 五轴龙门加工中心据该机床的基本参数进行设计。  具体参数  轴行程 轴行 程 轴端面距工作台面距离 进速度（ X、 Y、 Z 轴） 进速度（ X、 Y、 Z 轴） 速度 位精度（ X、 Y、 Z） 复定位精度（ X、 Y、 Z） 小分辨率（ X、 Y、 Z） 床电源 80V 三相 50床外形尺寸 5003200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) 6 (3)算和选用；  (4) (5)结构装配图；  (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                                                   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。  需要购买对应 纸  咨询 14951605 7 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，没有爬行。耐磨性与铸铁对铸铁导轨副相比可提高 1 3 倍。  8 第 3 章   Z 向进给伺服进给结构设计  滚珠丝杠螺母副的计算和选型  最大工作载荷的计算   500已知重力（ N） 00' ，为直线导轨，查表 3大工作载荷  )2( = )(                      (式中：  K 为考虑颠覆力矩影响时的实验系数，取   为滑动导轨摩擦系数，取  最大动载荷的计算   3(610/60                                    (m 0/1 0 0 0m a x (式中： L 滚珠丝杠副的寿命系数，单位为 610 r；  T 丝杠寿命，取 15000；  载荷系数，一般取  硬度系数取 1；   横向丝杠副最大工作载荷，其值为    横向滚珠丝杠导程，初选为    横向最大工进速度，该设计值为 .0 m ；  n 横向最大工进速度对应丝杠的转度，单位 r 。  计算得出得  ：  需要购买对应 纸  咨询 14951605 9 滚珠丝杠螺母副的选型  根据计算出的最大动载荷选择江苏启东润泽机床附件有限公司生产的用双螺母方式预紧，精度等级为 3级，其参数如表3 表 3滚珠丝杠相关参数  公称直径/导程/钢球直径/丝杠外径/丝杠底径/额定载荷/接触刚度  / 1   0dhPd  2d  453 32 5 9 4 滚珠丝杠副的支承方式  考虑到横向滚珠丝杠副的长度、精度与负载的大小以及改造成本，采用双推 方式轴向刚度高，位移精度好，可以进行预拉伸。  传动效率的计算   =) (式中： 螺距升角，d ,可得 =2 28；   摩擦角，一般取 =10。  算得：           =)01822822 =                         (刚度的验算  1 = （“ +”号代表拉伸，“ -”代表压缩）  式中： 丝杠的最大工作载荷，单位为 N ；  10  丝杠纵向最大有效行程，单位为   E 丝杠材料的弹性模量，钢 M P ；  S 丝杠的横截面面积，单位 2丝杠螺纹的底径2d确定。  根据设计，  4202d为 算得：  1 =25 )  5 9 = (        (= 4.7 m  查表 3m 131 < ,所以刚度足够。  稳定性校核  = 22k                                    (式中：丝杠支承系数，由表 3单推时，；  K 滚珠丝杠稳定安全系数，一般取 4，本设计取 4；  a 滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为 本设计中该值为 500  I 按丝杠底径 2d 确定的截面惯性矩，（6442 ，单位为 4本设中将 代入算出 I =87080 4  由以上数据可以算出： =5 0 05 0 04 8 7 0 8  = )( N      (临界载荷 远大于工作载荷 故丝杠不会失稳。  临界转速的验证  722m a x 10                         (式中：丝杠支承系数，单推 表 3 需要购买对应 纸  咨询 14951605 11  临界转速计算长度，单位为 本设计中该值约为 720  2d 丝杠内径，单位   安全系数，可取过计算，得出 5321 r ，由已知 m ax ， 可以算出00m a x ，该值小于丝杠临界转速，所以满足要求。  步进直线电机的计算和选用  转动惯量的计算  （ 1）轴、丝杠等圆柱体惯量计算（   82                                   (对于钢材：  34                                (式中：  M 圆柱体质量（   D 圆柱体直径（   L 圆柱体长度（   钢材的密度 23 /108.7  对于齿轮：       对于丝杠：  滚珠直径，  具体计算如下：  4 3 20 . 7 8 2 . 5 7 5 1 0 2 . 2 8 5 ( . )J k g c m 丝 杠               (（ 2）丝杠传动时折算到电机轴上的总传动惯量  步进直线电机到丝杠，此传动系统折算到电机轴上的转动惯量为：  12 )2()()( 2022211 s (式中：  220k g . c m ) ;.)k g c c m传 动 系 统 折 算 到 电 机 轴 上 的 转 动 惯 量 （丝 杠 的 转 动 惯 量 （ ；工 作 台 及 工 件 等 移 动 部 件 的 重 量 （ ） ；丝 杠 的 导 程 （ ） 。具体计算如下：  )()2 )21(22      (电机力矩的计算  电机的负载力矩在各种工况下是不同的，下面分快速空载起动时所需力矩、快速进给时所需力矩、最大切削负载时所需力矩等几部分介绍其计算方法。  （ 1）  快速空载起动时所需力矩起M0'm a x f 起式中：  ）。矩（电机轴上的附加摩擦力由于丝杠预紧时折算到）力矩（折算到电机轴上的摩擦）；轴上的加速力矩（空载起动时折算到电机）；快速空载起动力矩（起.a x（ 2）  快速进给时所需力矩快f 快因此对运动部件已起动，固不包含然起快 。  （ 3）最大切削负载时所需力矩切 0切式中：  ）。负载力矩（折算到电机轴上的切削 t . 需要购买对应 纸  咨询 14951605 13 在采用丝杠螺母副传动时，上述各种力矩可用下式计算  2m a a x 1060210260 x (式中：）。时间（最大进给速度所需要的运动部件从停止加速到）；步进电机的步距角（）；脉冲当量（）；电机最大转速（）；电机最大角加速度（）；上的总等效转动惯量（传动系统折算到电机轴m i n/.m a （ 2 00式中：  。取传动链总效率，一般可计算；齿轮降速比，按导轨摩擦系数；）；运动部件总重量（引力处摩擦力的计算；），其计算如计算牵（，进行切削加工时空载快速起动时）；垂直方向切削力（'12000（ 0）（ 20000 12 p                                        (式中：  。动效率，一般取滚珠丝杠未预紧时的传滚珠丝杠导程；）；为进给牵引力（，般取滚珠丝杠预加载荷，0000折算到电机轴上的切削负载力矩 ）（ 14 2 0式中：  其于参数如上。）；进给方向最大切削力（ NF t  具体计算：  横向：).(4080).(）（）（().(m a 切起           (步进直线电机的选择  目前，经济型数控中大多数采用反应式步进直线电机。  1. 首先根据最大静转距 初选电机型号m a 步进直线电机为三相六拍时，  8 6 j m a x 起M(纵向： ).(起(按此最大静转矩产步进直线电机型号表（三相）可查出， 110最大静转矩转矩为 于所需静转矩，可作为初选型号。但必须进一步考核步进直线电机起动矩频特性和运行矩频特性。  步进直线电机起动频率   400 60100 0 m a x z                 (最高工作频率                          (需要购买对应 纸  咨询 14951605 15 从电机表中查出， 110步进直线电机的空载起动频率为 1600行频率为 30000足要求。  横向：  起(按此最大静转矩产步进直线电机型号表（三相）可查出， 90最大静转矩转矩为 于所需静转矩，可作为初选型号。  16 第 4 章   Y 向进给机构设计计算  滚珠丝杠的选择  滚珠丝杠的精度  查阅滚珠丝杠的样本选择丝杠精度为 5 级精度等级， 000  滚珠丝杠参数的计算  （ 1）最大工作载荷的计算  丝杠的最大载荷为工作时的最大进给力加摩擦力，最小载荷即为摩擦力。设最大进给力 5000N，导轨上面移动部件的重量约为 500 ，导轨的摩擦系数为 丝杠的最小载荷（即摩擦力 ）   f  N）                               (丝杠最大载荷是：  000 196 5196（ N）                                       (平均载荷是：   FF   31 = 311 9 65 1 9 62 3529（ N）                    (（ 2）当量动载荷的计算                                               滚珠丝杠副类型的选择主要是根据导程和动载荷两个参数 ,其选择的原则为 :滚珠丝杠的静载荷