机械毕业设计（论文）-热盘加工专用机床设计【全套图纸】

编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： 热盘加工专用机床设计热盘加工专用机床设计 进给系统设计进给系统设计 电控系统设计电控系统设计 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 0923243 学生姓名： 指导教师： （职称：高级工程师） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 热盘加工专 用机床设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成 果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表 示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、 集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 95 II 学 号： 0923243 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 无锡太湖学院无锡太湖学院 信信 机机 系系 机械工程及自动化机械工程及自动化 专业专业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：一、题目及专题： 1、题目 热盘加工专用机床设计 2、专题 进给系统设计 电控系统设计 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 本课题为橡胶机械中的一个重要部件，该工件为迷宫形的通道， 内通蒸汽。而热盘就是作为蒸汽通道用的。 本课题的背景是厂方已签订了两年（每件 1000 件）热盘的加工协 议。如能按质按量完成。前景是可以签订长期（不少于 5 年） 的加工 协议。 以每只零件通道加工 800 元计。每年可有 80 万加工费。如长期 加工建议采用立式镗铣床加工中心（售价约 160 万元）。 目前厂方要求设计一个过渡加工机床，等取得了长期合同后再 进行购买立式镗铣床加工中心。厂方目前流动资金不是很充裕，故要 求以低廉的价格制造出加工机床，要求稳定性好，加工精度要求不是 很高。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求： II 对总体加工方案的比较及数控编程。 进给系统部件图、电控系统部件图、零件图（折合 0 号图纸不少于 三张）。 设计说明书一份（不少于 1 万字）。 专业英语翻译一份（不少于 1 万字）。 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 95 班班 姓名姓名 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所所学科组组长研究所所 长长 签名签名 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 12 日日 III 摘摘 要要 鉴于我国目前资金短缺，工业生产规模小的特点，用较小资金迅速改变机械工业落 后的生产面貌，使之尽可能地提高自动化程度保证生产质量，减轻劳动程度提高经济效 益。而实现这一任务有效的、基本的途径就是普及以及应用经济型数控机床。 此次设计的热盘加工专用机床就是把普通机床和数控技术结合在一起。机床的设计 参考了立式铣床和龙门镗铣床的床身和加工方式，同时附加了数控技术。可以实现加工 的自动化，提高了加工的效率。 在热盘加工专用机床的设计中，我主要负责进给系统和电控系统设计。进给系统是 采用，步进电机，滚珠丝杠副和直线滚动导轨相结合的传递方式，利用步进电机转动， 带动滚珠丝杠的旋转，从而实现工作台沿导轨方向运动。电控系统主要是采用 8031 芯片， 构成开环系统，利用芯片控制步进电机的转速和方向，实现自动化加工。 这次设计的机床虽然加工精度不是很高，但稳定性好，价格低廉，设备费用投入较 少，满足企业发展初期的需要，适合我国目前国情。 关键词：关键词：数控化;步进电机;滚珠丝杠 IV ABSTRACT In view of the shortage of funds, and small-scale industrial production, smaller funds rapidly changing the face of Machinery Industry backward production, so as much as possible to improve the degree of automation to ensure production quality, reduce the degree of labor to improve economic efficiency. Effective to achieve this task, the basic way is universal and application of economical CNC. The design of the hot plate special machine is ordinary machine tools and CNC technologies together. The design of the machine reference bed and processing of vertical milling machine and gantry milling machine, and additional CNC technology. Can realize the automation of the processing, improve the processing efficiency. Hot plate special machine design, is mainly responsible for the feed system and electric control system design. The feed system is used, the stepper motor, ball screw and linear rolling guide rail combining the transfer mode, the use of stepper motor rotation, driven by the rotation of the ball screw, in order to achieve the direction of movement of the table along the guide rails. The electronic control system is using the 8031 chip, constitute the open-loop system, take advantage of the speed and direction of the chip stepper motor control, automated processing. The design of the machine is not very high machining accuracy, good stability, low prices, equipment costs less input, to meet the needs of the early development of enterprises, suited to Chinas national conditions. Key words: CNC ;stepper motor ;ball screw V 目目 录录 摘 要 .III ABSTRACT IV 目 录.V 1 绪论 .1 1.1 概述1 1.2 课题源公司的简介.1 1.3 本设计任务相关要求.1 1.4 热盘工件图样.1 2 加工方法选择 .3 2.1 工艺方案的制定.3 2.2 采用立式铣削加工的理由.3 2.3 数控机床.4 2.3.1 数控机床工作原理 4 2.3.2 数控机床的组成 4 2.3.3 数控编程坐标系的选取 5 3 机床总体设计方案的拟定 .6 4 进给系统的设计 .9 4.1 工作台进给系统的设计.9 4.1.1 传动部件的选择和分析 9 4.1.2 导轨的选择与设计 10 4.1.3 驱动电机的选择和分析 12 4.1.4 轴承的选择 16 4.1.5 工作台进给系统的结构 18 4.2 横梁进给系统设计.19 4.2.1 横梁进给系统的结构 19 4.2.2 横梁结构的分析 20 4.2.3 横梁进给系统零部件选择 20 5 进给系统机械部分设计 .21 5.1 工作台进给系统机械部分设计21 5.1.1 滚珠丝杠的机械特性计算 21 5.1.2 导轨副的作用、计算与选择 23 5.1.3 步进电机的选择 23 5.1.4 联轴器的选择 25 5.1.5 轴承的选择 25 5.2 横梁进给系统机械部分设计25 6 电控系统部分设计 .26 VI 6.1 控制形式的选择和分析.26 6.1.1 开环控制系统 26 6.1.2 闭环控制系统 26 6.1.3 半闭环控制系统 26 6.2 控制系统方案确定.27 6.2.1 数控系统基本硬件组成 27 6.2.2 总体组成 27 6.3 软、硬件任务合理分配.27 6.4 主控器.28 6.4.1 主控芯片选择 28 6.4.2 MCS-51 系列单片机介绍28 6.4.3 三总线结构 29 6.4.4 存储器结构 29 6.4.5 时序 29 6.4.6 中断功能 31 6.4.7 MCS-51 单片机常用系统扩展芯片31 6.5 存储系统扩展设计.31 6.5.1 芯片选择 31 6.5.2 地址分配及译码 32 6.6 机床中部分电机控制电路.34 6.6.1 电动机正反转控制电路 34 6.6.2 冷却泵的控制电路 35 7 结论与展望 .37 7.1 结论37 7.2 不足之处及未来展望37 致 谢 .38 参考文献 .39 热盘加工专机设计 进给系统设计 电控系统设计 1 1 绪论绪论 1.1 概述概述 毕业设计是对每个即将毕业的大学生在校四年学习情况的综合测评和考量，对每个 要走向社会的我们具有非常重要的意义，是对学校和家长做出一次总结性的汇报，是对 自我能力的一次展示，还是对自我不足的一种审查。更是非常有用的一次实践机会。 本次毕业设计的题目是“橡胶轮胎硫化机热盘加工专用机床设计”专题是“进给系统设 计，电控系统设计”课题来源于昌明橡胶机械制造有限公司的热盘加工专用机床设计，对 于橡胶产业中所使用的热盘加工及机械产业中的零部件的加工均有一定的参考价值。 本设计应达到的要求： 1.对热盘加工工艺（经简化）方案的简要分析比较； 2.完成本设计的机床总图及床身部件图； 3.设计说明书一份，要求对机床的总体设计部分详细分析说明，并包括必要的计算， 文字简洁通顺，重要公式数据应注明出处； 4.对制造厂家调研，了解其对质量、成本要求，索设计的专机要结合厂方具体生产条 件。 1.2 课题源公司的简介课题源公司的简介 江阴昌明橡胶机械有限公司,位于风景秀丽的江苏省无锡市江阴祝塘镇文林社区，距 无锡市五十公里,水陆交通十分便利。 该公司专门从事橡胶机械的生产.其各项性能指标均已达到国外同类产品的水平， 目前，该公司设计和生产的产品已为国内外几十家生产厂家配套。该公司除对现有产品 精益求精外,还可根据用户需要专业设计,制造特殊的产品。 公司秉承“创新理念、追求卓越、迅速改善、永续经营的经营理念” ，并以“质量是 第一工作” ， “顾客的满意是我们的荣誉”作为我们永远不变的质量政策；以爱护环境、 回报社会、关爱雇员等社会责任为己任；把“诚信、负责、创新、团队”作为公司不断 的追求和目标，愿与广大朋友携手共创美好的明天！ 1.3 本设计任务相关要求本设计任务相关要求 厂方要求尽量降低造价，力争造价在5万元以内。并且本设计于四月初定稿，五月开 始试制，七月装配完成并放入生产。因为年产1000件并签订了两年的合同，但顾虑到今 后如长期合同，则购入大型立式镗铣加工中心加工，但该机床售价160万左右，目前经济 上不可能，如这两年合同完成，又有（三年以上）加工合同，则可以考虑购买立式加工 中心。（现每只零件铣加工费用为800元到900元） 1.4 热盘工件图样热盘工件图样 无锡太湖学院学士学位论文 2 图1.1 热盘工件图样 热盘加工专机设计 进给系统设计 电控系统设计 3 2 加工方法选择加工方法选择 2.1 工艺方案的制定工艺方案的制定 机械加工工艺规程是规定产品或零部件机械加工工艺过程和操作方法的工艺文件。 生产规模的大小，工艺水平的高低以及解决各种工艺问题的方法和手段都要通过机械加 工工艺规程来体现。因此，机械加工工艺规程设计是一项重要而又严肃的工作。为能具 体确切地说明工艺过程，一般将机械加工工艺过程分为工序、安装、工位、工步和走刀。 这是设计组合机床最重要的一步。工艺方案制定得正确与否，将决定机床能否达到 “体积小，重量轻，结构简单，使用方便，效率高，质量好”的要求。为了使工艺方案 制定的合理，先进，必须从认真的分析被加工的零件（或同类零件）图纸开始，深入现 场全面了解被加工零件的结构特点，加工部位，尺寸精度，表面粗糙度和技术要求，定 位夹紧方式工艺方法和加工过程所采用的刀具，辅具，切屑用量情况及产生率要求高， 分析其优缺点，总结设计，制造，使用单位和操作者的丰富的实践经验，以求理论紧密 联系生产实际，从而确定零件在组合机床上完成的工艺（工序）内容及方法，决定刀具 种类，结构型式，数量及切屑用量等。 根据选定的工艺方案确定机床的配置型式，并定出影响机床总体布局和技术性能的 主要部件的结构方案。既要考虑能实现工艺方案，以确保零件的加工精度，技术要求及 生产率；又要考虑机床的操作方便可靠，易于维修，且冷却，排屑情况良好。 以上两个步骤是十分重要的。对于同一个零件的加工，可能会有各种不同的工艺方 案和机床配置方案，在最后决定采取哪种方案时，决不能草率，要全面地看问题，综合 分析各方面的情况，进行多种方案对比，从中选择最佳方案。 2.2 采用立式铣削加工的理由采用立式铣削加工的理由 由于铣削具有工艺范围广、生产效率高、容易产生振动、刀齿散热条件好等特点， 所以立式铣床的铣削加工时中小零件的加工中非常普遍。 立式铣床铣削加工的特点：铣刀是典型的多刃刀具， 加工过种有几个刀齿同时参加 切削， 点的切削宽度较大，铣削时的主运动是铣刀的旋转，有利于进行高速切削，故铣 刀的生产率高于刨削加工。 铣削加工范围广，可以加刨削无法加工或难以加工的表面。 立式铣床铣削过程中，就每个刀齿而言是依次参加切削，刀齿在离开工件的一段时间内， 可以得到 一次冷却，因此，刀齿散热条件好，有利于减少铣刀的磨损，延长了使用寿命。 由于是断续切削，刀齿在切入切出工件时产生冲击，而且每个刀齿的切削厚度也时刻在 变化，这就引起切削面积和切削力的变化，因此铣削过程不平稳，容易产生振动，直接 影响工件表面粗糙度。 立式铣床铣刀比刨床刨刀结构更复杂，铣刀的制造与刃磨比刨刀困难，所以铣削成 本比刨削高。铣削与刨削的加工质量大致相同，经粗精加工后都可达到中等精度，但在 加工大平面时， 刨削后明显接刀痕，而且直径小于工件宽度的端铣刀加工时，各次走刀 无锡太湖学院学士学位论文 4 间有明显的接刀痕，影响表面质量，铣削加工用于单件小批量生产，也造用于大批量生 产。 2.3 数控机床数控机床 2.3.1 数控机床工作原理数控机床工作原理 数控机床加工零件时，首先应编制零件的数控程序，这是数控机床的工作指令。将 数控程序输入到数控装置，在由数控装置控制机床主运动的变速、启停、进给运动的方 向、速度、位移大小以及其它诸如刀具选择交换、工件加紧松开和冷却液的启、停等工 作，使刀具与工件及其它辅助装置严格按照数控程序规定的顺序、路程和参数进行工作， 从而加工出形状、尺寸与精度复合要求的零件。 2.3.2 数控机床的组成数控机床的组成 数控机床的种类繁多，但从组成一台完整的机床上讲，一般由，控制介质、数控装 置、进给伺服系统、检测反馈装置和机床本体五大部分及辅助设备组成。如图2.1 图 2.1 数控机床的组成 2.3.2.1 控制介质控制介质 控制介质是指将零件加工信息传送到数控装置去的信息载体。控制介质有多种形式， 它随着数控装置的类型不同而不同，常有的有穿孔纸带、穿孔卡、磁带和磁盘等。除了 上述几种控制介质外，还有一部分数控机床采用数码盘、数码插销或利用键盘直接将程 序及数据输入。另外，随着 CAD/CAM 技术的发展，有些数控设备利用 CAD/CAM 技术 在其它计算机上编程，然后通过计算机与数控系统通信，将程序和数据直接传送给数控 装置。 2.3.2.2 数控装置数控装置 数控装置时数控机床的控制中心，现在的数控装置通常由一台通用或专用微型计算 机构成。它由输入装置、控制运算器和输出装置等构成。 输入装置接受控制介质上的信息竞购识别和译码之后，送到运算控制器。这些信息 将最为控制和运算的原始数据。控制运算器根据输入装置送来的信息进行运算，并将控 制命令送往输出装置。输出装置将控制运算器发出的控制命令送到伺服系统，经功率放 大，驱动机床完成相应的动作。 2.3.2.3 伺服系统伺服系统 伺服系统是数控机床的执行机构，包括驱动和执行两大部分。伺服系统接受数控系 统指令信息，并按照指令信息的要求带动机床的移动部件运动或畸形部分动作，一加工 出复合要求的零件。指令信息是以脉冲信息体现的，每一个脉冲使机床移动部件产生的 热盘加工专机设计 进给系统设计 电控系统设计 5 位移量叫脉冲当量（常用的脉冲当量为 0.0010.01）。目前数控机床的伺服系统中，常用 的位移执行机构是功率步进电机，直流伺服电动机和交流伺服电动机，后两者都带有电 光编码器等位置测量组件。 2.3.2.4 机床本体机床本体 机床本体是数控机床的主体，是用于完成各种切削工作的机械部分，它是在原普通 机床的基础上改进而得到的，具有以下优点： 1.数控机床采用了高性能的主轴及伺服传动系统，机械传动结构简化，传动链较短。 2.数控机床机械结构具有较高的刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形小。 3.更多的采用高效传动部件，如滚珠丝杠副，直线滚动导轨等。 2.3.2.5 检测反馈装置检测反馈装置 检测反馈装置由检测元件和相应的测量电路组成。其作用是检测速度、位移或工件 尺寸，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制。没有检测反馈装置的数控系统被称为 开环系统；直接从工作台或工件获取反馈信息的数控系统被称为闭环系统；从伺服电机 运转轴获取反馈信息的数控系统被称为半闭环系统（检测反馈装置包括在伺服系统中）。 常用的检测元件有脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、电感应传感器、光栅和 磁尺等。 除上述五个部分外，数控机床还有一些辅助装置及附属设备，如电源、液压、气动 系统与冷却、排屑、润滑、照明、储运等装置以及编程机、对刀仪等。 2.3.3 数控编程坐标系的选取数控编程坐标系的选取 机床中使用顺时针方向的直角坐标系（右手笛卡尔直角坐标系） ，机床中的运动是指 刀具和工件之间的相对运动，是道具相对于静止工件的运动。 直角坐标系的编程程序更加适用于纵向工作台。纵向工作台由纵向丝杠带动在转台 的导轨上作纵向移动，以带动台面上的工件作纵向进给。台面上的 T 形槽用以安装夹具 或工件。根据工件加工的需要，在机床上各运动坐标的数字控制可以是相互独立的，也 可以是联动的。纵向工作台在精度，稳定和快速相应等方面十分配合系统，且纵向工作 台价格较低，设计也相对简单，使用更加便捷。 在数学中的极坐标系是由极点、极轴和极角组成，然而在数控车铣加工中心上的极 坐标系的概念与数学中的极坐标系完全不同，在车铣加工中心上的极坐标系是在与机床 Z 轴垂直的平面内，由相互垂直的实轴（第一轴）X 和虚轴（第二轴）C 组成，极坐标系 的坐标原点与程序原点重合，且虚轴 C 的单位不是度或弧度，而是与实轴 X 轴的单位一 样，均为毫米。 极坐标系编程适应分度回转工作台，分度回转工作台是机械加工中常用的机床附件， 用于镗床，铣床，钻床等需要多面转位加工的工件。分度回转工作台操作不便，而且分 度只限于某些规定的角度，难以满足一些特殊分度工件的加工要求，而且由于分度回转 工作台设计繁琐，造价比较昂贵并且不便于大型工件装夹。 综上所述，所以由于造价成本的需求，此次选用直角坐标系进行编程。 无锡太湖学院学士学位论文 6 3 机床总体设计方案的拟定机床总体设计方案的拟定 由于此次要加工的零件为热盘，加工以铣削为主。因此，此次的机床设计参考铣床 的样式。 在日常生活中常用的铣床为立式铣床，卧式铣床和龙门铣床。 立式铣床（见图 3.1）与卧式铣床（见图 3.2）相比较，主要区别是主轴垂直布置， 除了主轴布置不同以外，工作台可以上下升降， 立式铣床用的铣刀相对灵活一些，适用 范围较广。可使用立铣刀、机夹刀盘、钻头等。可铣键槽、铣平面、镗孔等。卧式铣床 也可使用上面各种刀具，但不如立铣方便，主要是可使用挂架增强刀具（主要是三面刃 铣刀、片状铣刀等）强度。可铣槽、铣平面、切断等。卧式铣床一般都带立铣头，虽然 这个立铣头功能和刚性不如立式铣床强大，但足以应付立铣加工。这使得卧式铣床总体 功能比立式铣床强大。立式铣床没有此特点，不能加工适合卧铣的工件。生产率要比卧 式铣床高。立式铣床是一种通用金属切削机床。本机床的主轴锥孔可直接或通过附件安 装各种圆柱铣刀、成型铣刀、端面铣刀、角度铣刀等刀具。 产品用途：适用于加工各种零部件的平面、斜面、沟槽、孔等，是机械制造、模具、 仪器、仪表、汽车、摩托车等行业的理想加工设备。所以现在很多厂家，都选用卧式铣 床加立铣头，节省设备投资。但是由于立铣的零活多，这种卧式铣床加立铣头的方式， 实际上是天天挂着立铣头，当立铣用，反而不如立式铣床更适合。 卧铣多用于齿轮,花键,开 槽,切割等加工,立式铣床除多用于平面加工方面外,平面有高低曲直几何形状的工件,如模 具类,立铣也可以发挥很大的作用。 龙门铣床简称龙门铣（见图 3.3），是具有门式框架和卧式长床身的铣床。龙门铣床 上可以用多把铣刀同时加工表面，加工精度和生产效率都比较高，适用于在成批和大量 生产中加工大型工件的平面和斜面。数控龙门铣床还可加工空间曲面和一些特型零件。 龙门铣床的外形与龙门刨床相似，区别在于它的横梁和立柱上装的不是刨刀刀架而是带 有主轴箱的铣刀架，并且龙门铣床的纵向工作台的往复运动不是主运动，而是进给运动， 而铣刀的旋转运动是主运动。且龙门铣床具有足够的刚性，效率高，操作方便，结构简 单，性能全面性等特点。另外，由于龙门铣床的特殊结构，十分便于大型工件的装夹。 热盘加工专机设计 进给系统设计 电控系统设计 7 图3.1 立式铣床 图3.2 卧式铣床 图3.3 龙门铣床 通过对于立式铣床与龙门铣床的性能分析，本次设计将龙门铣床与立式铣床相结合， 工作台通过滚珠丝杠的带动进行 Y 轴方向的运动，动力头固定在横梁上通过滚珠丝杠的 带动进行 X 轴方向的运动。 无锡太湖学院学士学位论文 8 图 3.4 机床总体结构图 如图 3.4，图中 1 为工作台进给系统，2 为横梁进给系统，在此次的设计中，我主要 负责这两个进给系统的设计。 热盘加工专机设计 进给系统设计 电控系统设计 9 4 进给系统的设计进给系统的设计 4.1 工作台进给系统的设计工作台进给系统的设计 4.1.1 传动部件的选择和分析传动部件的选择和分析 4.1.1.1 齿轮传动装置齿轮传动装置 齿轮传动式应用非常广泛的一种机械传动，各种机床的传动装置中几乎都有齿轮传 动。在数控机床伺服进给系统中采用齿轮传动装置的目的有两个。一时将高转速的转矩 的伺服电机（如步进电机、直流和交流伺服电机等）的输出改变为低转速大转矩的执行 件的输入；另一个是使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中专有较小的比重。此外， 对于开环系统还可以保证所要求的运动精度。 为了尽量减小齿侧间隙对数控机床加工精度的影响，经常在结构上采取措施，以减 小或消除齿轮副的空程误差。如采用双片齿轮错齿法、利用偏心套调整齿轮副中心距或 采用轴向垫片调整法消除齿轮侧隙。 与采用同步齿形带相比，在数控机床进给传动链中采用齿轮减速装置，更容易产生 低频振荡，因此减速机构中常配置阻尼器来改善动态性能。 4.1.1.2 带传动带传动 带传动是一种应用很广泛的机械传动。带传动又主动轮，从动轮和适度张紧在两轮 上的封闭环传动带组成，它是利用传动带作为中间的扰性件，依靠传动带与带轮之间的 摩擦力来传递运动的。 4.1.1.3 链传动链传动 链传动是由闭合的挠性环形两条和主，从动轮组成，链轮是特殊齿形的齿，依靠链 轮轮齿的链节的啮合来传递运动和动力，链传动时属于带有中间挠性的啮合运动。 4.1.1.4 蜗杆传动蜗杆传动 蜗杆传动是用来传递空间年交错轴之间的运动与动力，一般两咒夹角为 90 度。 4.1.1.5 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副 为了提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行，必须降低数控机床进给系统的 摩擦并减少静、动摩擦系数之差。因此形成不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠副。 滚珠丝杠副的传动效率高达 85%-98%，是普通滑动丝杠副的 24 倍。滚珠丝杠副的 摩擦角小于 1，因此不自锁。如果滚珠丝杠副驱动升降运动（如主轴箱或升降台的升降） ，则必须有制动装置。 滚珠丝杠的静、动摩擦系数实际上巨虎没有什么差别。它可以消除反向间隙并施加 预载，有助于提高定位精度和刚度。滚珠丝杠由专门工厂制造。 数控加工时，需将旋转运动转变成直线运动，故采用丝杠螺母传动机构。数控机床 上一般采用滚珠丝杠，它可将滑动摩擦变为滚动摩擦，满足进给系统减少摩擦的基本要 求。该传动副传动效率高，摩擦力小，并可消除间隙，无反向空行程；但制造成本高， 不能自锁，尺寸亦不能太大，一般用于中小型数控机床的直线进给。 无锡太湖学院学士学位论文 10 滑动丝杠螺母副用于旧机床的数控改造、经济型数控机床等；滚珠丝杠螺母副用于中高 档数控机床；静压丝杠螺母副用于高精度 数控机床、重型机床。滚珠丝杠螺母副滚珠循 环方式有两种：外循环与内循环。 （a）外循环 (b) 内循环 图 4.1 滚珠丝杠副的结构及原理 1）内循环 滚珠在循环过程中与丝杠始终保持接触的称为内循环。喂了保证承载能力，一个螺 母中要保证有 34 圈滚珠工作。内循环滚珠的回路短，滚珠数目少，流畅性好，摩擦损 失小，传动效率高，且径向尺寸紧凑，轴向刚度高。但此种循环方式不能用于多头螺纹 传动，回珠槽形状复杂，需要用三坐标数控铣床加工。适用于各种高灵敏、高刚度的精 密进给定位系统。重载荷、多头螺纹、大导程不宜采用。 2）外循环 滚珠在循环回路中与丝杠脱离接触的称为外循环。根据滚珠循环回路结构形式的不 同可分为螺旋槽式、插管式和盖板式等。 螺旋槽式的结构在螺母体上的回珠螺旋槽与回珠孔不易准确平滑连接，拐弯处曲率 变化较大，滚珠运动不平稳。挡珠机构刚性差，易磨损，适用于一般机床，在高刚度传 动和高速运转的场合不宜采用。 插管式滚珠螺母是利用插入螺母的管道作为回珠槽，分为凸出式插管型和内包式插 管型。其结构简单，工艺性优良，适合成批生产。回珠管可设计制造成较理想的运动管 道。适用于重载荷传动、高速驱动及精密定位系统。在大导程、小导程、多头螺纹中显 示出独特优点，是目前应用最广泛的结构。 此次的设计是依靠步进电机通过齿轮传动减速，带动滚珠丝杠的转动，从而使工作 台移动，所以选择齿轮传动和滚珠丝杠传动部件。滚珠丝杠用内循环单螺母式1。 4.1.2 导轨的选择与设计导轨的选择与设计 导轨的主要功能是导向和承载。导轨使运动部件沿一定的轨迹运动，从而保证各部 件之间的相对位置精度。导轨主要由机床上两个相对运动部件的配合而组成一对导轨副， 其中，不动的配合面成为支承导轨，运动的配合面称为运动导轨。 热盘加工专机设计 进给系统设计 电控系统设计 11 机电一体化系统对导轨的基本要求是导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性 好、温度变化小以及结构工艺性好等。 按接触面的摩擦性质可分为： 1） 滑动导轨副： 滑动导轨机构简单，阻尼系数大，刚度大；但易产生低速爬行现象，易磨损。滑动 导轨是金属对金属型式，目前在数控机床上很少采用。摩擦系数较大，而且变化范围也 大，对于精度高的工件加工心有余而力不足。承载能力中等。接触刚度高。滑动导轨一 般仅用于普通精度的机床。数控机床已不采用。 图 4.2 滑动摩擦导轨结构 2） 滚动导轨副： 直线滚动导轨由导轨和滑块两部分组成。导轨通常为两根，装在支撑件上，每根导 轨上有 2 个滑块，固定在移动件导轨体上。 直线滚动导轨副的工作原理就是滑块中装有四组滚珠，在导轨条的滑块的断点，就 经合成树脂制造的端面挡板和滑块中的回珠孔回到另一端，经另一端端面挡板再进入循 环。四组滚珠各有自己的回株孔，分别处于滑块的四角。四组滚珠和滚道相当于四个直 线运动角接触滚珠轴承。接触角为 45 度时，四个方向具有相同的承载能力。 无锡太湖学院学士学位论文 12 图 4.3 直线滚动导轨的外形和结构 3） 液体静压导轨： 无磨损，无静摩擦，无低速爬行现象，阻尼系数大；但设计、制造、使用较复杂。 图 4.4 开式静压导轨 4） 气浮导轨： 无磨损，无静摩擦，无低速爬行现象，无需回行管道，不产生污染；但刚度小，阻 尼系数很小，容易引起振荡。 通过综合比较，此次设计中选用直线滚动导轨副2。 4.1.3 驱动电机的选择和分析驱动电机的选择和分析 机床的伺服驱动一般是通过电机的驱动来实现的。控制电机一般是指用于自动控制、 自动调节、远距离测量、随动系统以及计算机装置中的微特电机。它是构成开环控制、 热盘加工专机设计 进给系统设计 电控系统设计 13 闭环控制、同步连接等系统的基础元件，根据它在自动控制系统中的职能可分为测量元 件、放大元件、执行元件和校正元件四类。控制电机主要用来完成控制信号的传递和变 换，要求它们技术性能稳定可靠、动作灵敏、精度高、体积小、重量轻、耗电少。控制 电机的主要任务是转换和传动控制信号，能量的转换是次要的。 控制电机的类型很多，常用的有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机3。 4.1.3.1 步进电机步进电机 步进电机又称电脉冲马达，是伺服电机的一种。步进电机可按照输入的脉冲指令一 步步的旋转，即可将输入的数字指令信号转换成相应的角位移。因此它实际上是一种数 模转换装置。由于步进电机成本较低，易于控制，因而被广泛应用于开环控制的伺服系 统中。 步进电机按照产生转矩的方式可分为永磁式（PM） 、可变磁阻式（VR） 和混合式 （HB）三种。 永磁式步进电机的转子是用圆柱形永磁铁制作的，定子上有通电绕组。定 子绕组通电励磁后，与转子永磁铁产生的磁场，根据同性相斥、异性相吸的原理驱动转 子转动。永磁式步进电机的转矩小，步距角为 7.59，广泛用于计算机外围设备和仪器 仪表行业。 可变磁阻式步进电机也叫反应式步进电机，其转子和定子由铁芯制作，定子上绕组 有通电线圈。定子通电励磁与转子铁芯之间的吸引力驱动转子转动。转子在定子磁场中 始终专项磁阻最小的位置。反应式步进电机没有永磁铁，因此在断电后没有保持力。 混合式步进电机则综合了永磁式步进电机和反应式步进电机的优点，永磁铁转子和 定子有轴向齿槽，转矩产生原理同永磁式步进电机。混合式步进电机产生的转矩大，断 电时具有保持力，步距角为 0.915。 步进电机有如下特点。 输出角与输入脉冲严格成比例，且在时间上同步。步进电机的步距角不受各种干 扰因素，如电压的大小、电流的强弱、波形等的影响，转子的速度主要取决于脉冲信号 的频率，总的位移量则取决于总脉冲的个数。 转子惯量小，启、停时间短。 输出转角的精度高，无累积误差。步进电机实际步距角与理论步距角总有一定的 误差，且误差可以累加，但是当步进电机转过一周后，总的误差又回到零。 易于计算机控制，维修方便，寿命长。步进电机本身就是一个数/模转换器，能够 直接接受计算机输出的数字量。 容易实现正、反转和启、停控制。 能量效率低，存在失步现象。 4.1.3.2 直流伺服电机直流伺服电机 直流伺服电机具有响应迅速、精度和效率高、高速范围宽、负载能力大、控制特性 优良等优点，被广泛应用在闭环或半闭环控制的伺服系统中。其缺点就是转子上安装了 具有机械运动性质的电刷和换向器，需要定期维修和更换电刷，使用寿命短、噪声大， 电机功率不能太大等。 无锡太湖学院学士学位论文 14 直流伺服电机按定子磁场产生方式可分为永磁式和他励式两类，它们的性能相近。 由于永磁式直流伺服电机不需要外加励磁电源，因而在机电一体化伺服系统中应用较多。 直流伺服电机按电枢的结构与形状可分为平滑电枢型、空心电枢型和有槽电枢型等。 平滑电枢型的电枢无槽，其绕组用环氧树脂粘固在电枢铁芯上，因而转子形状细长，转 动惯量小。空心电枢型的电枢无铁芯，且常做成杯形，其转子转动惯量小。有槽电枢型 的电枢与普通直流电动机的电枢相同，因而，转子转动惯量较大。 4.1.3.3 交流伺服电机交流伺服电机 两相交流伺服电机的结构与普通异步电机的结构差不多，其定绕组则与单相电容式 异步电机的结构相类似。定子用硅钢片叠成，在定子铁芯的内圆表面上嵌入相差 90电角 度的绕组，一个叫励磁绕组 WF，另一个叫控制绕组 WC。两相交流伺服电机转子一般分 为笼式转子和杯形转子两种结构形式。 区分步进电机与伺服电机的依据条件主要视具体应用情况而定，简单地说要确定： 负载的性质（如水平还是垂直负载等），转矩、惯量、转速、精度、加减速等要求，上 位控制要求（如对端口界面和通讯方面的要求），主要控制方式是位置、转矩还是速度 方式。供电电源是直流还是交流电源，亦或电池供电，电压范围。据此以确定电机和配 用驱动器或控制器的型号。 还可以按照下表区别选择步进系统还是伺服系统（步进电机的负荷及扭矩计算）: 表 4-1 步进电机与伺服电机的比较 步进电机系统 伺服电机系统 力矩范围中小力矩（一般 在 20Nm 以下） 小、中、 大，全范围 速度范围 低（一般在 2000RPM 以 下，大力矩电机小于 1000RPM） 高（可达 5000RPM）,直流伺服 电机更可达 12 万转/分 控制方式主要是位置控制多样化智能化的控制方式，位 置/转速/转矩方式 平滑性低速时有振动（但用细分型驱动器 则可明显改善） 好，运行平滑 精度一般较低，细分型驱动时较高高 矩频特性高速时，力矩下降快力矩特性好，特性较硬 过载特性过载时会失步可 310 倍过载（短时） 反馈方式大多数为开环控制，也可接编码器， 防止失步 闭环方式，编码器反馈 编码器类型光电型旋转编码器（增量型/绝对值 型） 旋转变压器型 旋转变压器型一般快 温升运行温度高一般 维护性基本可以免维护较好 热盘加工专机设计 进给系统设计 电控系统设计 15 价格低较高 所以考虑到这次设计的要求，为了在不影响工作精度条件下，我选择了步进电机。 4.1.3.4 步进电机的工作原理步进电机的工作原理 步进电机能将脉冲信号直接转换成角位移（或直线位移） ，这在计算机控制系统中特 别方便，使用它可能省去数模转换接口。步进电机的角位移是一个步距一个步距（对应 一个脉冲）移动的，所以称为步进电机。当步进电机的结构已确定，控制方式也选定后， 步距角的大小是固定的，所以可以对它进行开环控制。 步进电机的定子上有若干对极，极上有绕组，相对极上的绕组连在一起，作为一相。 转子有几个凸出的齿，下图是步进电机的简化模型，图中定子上有三对极，三相绕组有 一端均连在一起，另一端 A、B、C 引入控制信号，形成星形接法。转子上有四个齿。这 种为三相步进电机3。 图 4.5 为步进电机的简化模型 图 4.5 步进电机简化模型 设启动时转子的 1、3 齿在 A 相绕组极的附近，当第一个脉冲通往 A 相，则磁通企图 沿着磁阻最小的路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的 1、3 齿要和 A 极对齐。下一个 脉冲通入 B 相，则磁通要按磁阻最小的路径闭合，即 2、4 齿要和 B 极对齐，也即转子逆 无锡太湖学院学士学位论文 16 时针方向走了一个一步。在下一个脉冲通入 C 相，根据磁通沿磁阻最小的路径闭合原理， 1、3 齿要和 C 极对齐，也即转子又逆时针走了一步。依次不断地给 A、B、C 相以脉冲， 则步进电机就一步一步地按逆时针方向旋转。若通电脉冲的次序为 A、C、B、A不 难推出，转子将以顺时针方向一步步旋转。这样，用不同的分配脉冲次序的方式就可以 方便地实现控制步进电机的目的。 4.1.3.5 步进电机的控制与驱动步进电机的控制与驱动 步进电机的特性与配套使用的驱动电源（驱动器）有密切关系。驱动电源由脉冲分 配器、功率放大器等组成，如下图所示。驱动电源是将变频信号源（微机或数控装置等） 送来的脉冲信号及方向信号按要求的配电方式自动循环供给电机各相绕组，以驱动电机 转子正反向旋转。变频信号源是可提供从几赫兹到几万赫兹的频率信号连续可调的脉冲 信号发生器。因此，只要控制输入电脉冲的数量及频率就可精确控制步进电机的转角及 转速3。 图 4.6 为步进电机的驱动电源组成 图 4.6 步进电机的驱动电源组成 4.1.3.6 步进电机的选型步进电机的选型 选择步进电机时，通常需要考虑的问题有：步进电机的种类、步距角、运行频率、 转矩等。目前市场上提供了很多步进电机品种，但在我国最常用的步进电机有反应式步 进电机（BC 或 BF 系列）和混合式步进电机（BYG 系列）两种。在电机体积相同的条件 下，混合式步进电机的转矩比反应式步进电机大，同时混合式步进电机步距角可以做的 较小。在外形尺寸上受到限制、又需要小步距角和大转矩的情况下，选择混合式步进电 机。在需要快速移动大距离的条件下，应选择转动惯量惯量小、运行频率高、价格较低 的反应式步进电机。另外，混合式步进电机在断电时有自定位转矩，而反应式步进电机 在停止供电后，转子处在自由位置。 通过比较，我们选用混合式步进电机1。 4.1.4 轴承的选择轴承的选择 轴承是机械行业中应用比较广泛的基础传动部件，其加工质量直接影响传动性能。 它具有摩擦力小、升速迅速等特点，其制造水平影响主机性能。源于其特有的传动性能， 从而广泛应用于国民经济的各个领域。 热盘加工专机设计 进给系统设计 电控系统设计 17 轴承的种类主要分为以下几种： 1.角接触球轴承 角接触球轴承可同时承受径向负荷和轴向负荷。能在较高的转速下工作。接触角越 大，轴向承载能力越高。高精度和高速轴承通常取 15 度接触角。在轴向力作用下，接触 角会增大。主要用于机床主轴、高频马达、燃汽轮机、离心分离机、小型汽车前轮、差 速器小齿轮轴、油泵、空气压缩机、各类变速器、燃料喷射泵、印刷机械。 2.深沟球轴承 深沟球轴承是滚动轴承中最为普通的一种类型。基本型的深沟球轴承由一个外圈， 一个内圈、一组钢球和一组保持架构成。深沟球轴承类型有单列和双列两种，单列深沟 球轴承类型代号为 6，双列深沟球轴承代号为 4。其结构简单，使用方便，是生产最普遍， 应用最广泛的一类轴承。主要用于汽车的后轮、变速器、电气装置、仪表以及各种产业 机械。 3.四点接触球轴承 四点接触球轴承是一种分离型轴承，也可以说是一套轴承可承受双向轴向载荷的角 接触球轴承。其内、外圈滚道是桃型的截面，当无载荷或是纯径向载荷作用时，钢球和 套圈呈现为四点接触，这也是这个名称的由来。四点接触球轴承可以承受径向负荷、双 向轴向负荷。 4.调心球轴承 由于外圈滚道面呈球面，具有调心性能，因此可自动调整因轴或外壳的挠曲或不同 心引起的轴心不正，圆锥孔轴承通过使用紧固件可方便地安装在轴上。主要用于木工机 械、纺织机械传动轴、立式带座调心轴承。 5.圆柱滚子轴承 圆柱滚子与滚道呈线接触，径向负荷能力大，即适用于承受重负荷与冲击负荷，也 适用于高速旋转的机构，大多用于机床主轴。主要用于中型及大型电动机、发电机、内 燃机、燃汽轮机、机床主轴、减速装置、装卸搬运机械、各类产业机械。 6.实体型滚针轴承 采用滚针，体积可以缩小，并可承受大径向负荷无内圈轴承要把具有合适精度和硬 度的轴的安装面作为滚道面使用。主要用于汽车发动机、变速器、泵、挖土机履带轮、 提升机、桥式起重机、压缩能限制两个方向的轴向位移，但比现规格的双列角接触球球 轴承占用的轴向空间少。 7.圆锥滚子轴承 该类轴承装有圆台形滚子，滚子由内圈大挡边引导，外圈与内组件(内圈与滚子和保 持架组件)可分离，便于装拆。主要用于汽车的前轮、后轮、变速器、机床主轴、建筑机 械、大型农业机械、铁路车辆齿轮减速装置、轧钢机辊颈及减速装置。 8.调心滚子轴承 该类轴承在球面滚道外圈与双滚道内圈之间装有球面滚子，具有调心性能，因此可 自动调整因轴或外壳的挠曲或不同心引起的轴心不正，可承受径向负荷与双向轴向负荷。 无锡太湖学院学士学位论文 18 特别是径向负荷能力大，适用于承受重负荷与冲击负荷，圆锥孔轴承通过使用紧固件或 退卸套可便于轴上的装拆。主要用于造纸机械、减速装置、铁路车辆车轴、轧钢机齿轮 箱座、轧钢机辊道子、破碎机、振动筛、印刷机械、木工机械、各类产业用减速机、立 式带座调心轴承。 9.推力球轴承 由带滚道的垫圈形滚道圈与球和保持架组件构成，与轴配合的滚道圈称做轴圈，与 外壳配合的滚道圈称做座圈。双向轴承则将中圈秘轴配合，单向轴承可承受单向轴向负 荷，双向轴承可承受双向