毕业设计（论文）-数控铣床纵向进给机构设计及编程.doc

毕业设计（论文）说明书 题目: 数控铣床纵向进给机构设计及编程系 名 机械系 专 业 机械设计制造及其自动化 学 号 6007201043 姓 名 指导教师 2011年 5 月 30 日毕业设计（论文）任务书题目：数控铣床纵向进给机构设计及编程系 名 称 机械工程系 专 业机械设计及其自动化年 级 2007 学生姓名 学 号 6007201043 指导教师 职 称 副教授 一、原始依据（一）数控铣床纵向进给传动：1工作台尺寸（宽长）： 3201250 mm2 2纵向行程： 660 mm3工作台及夹具重力： 2800 n4工作台快速速度： 2 m/min5最大进给速度： 0.8 m/min6主电动机功率： 7.5 kw7启动加速时间： 30ms8机床定位精度： 0.015 mm9脉冲当量： 0.01 mm（二）数控编程：1fanuc数控系统2典型零件图一张二、参考文献1 文怀兴，数控机床设计实践指南，北京：化学工业出版社，2008.12 夏田.数控加工中心设计, 北京：化学工业出版社，2006.43 杜君文，数控技术，天津：天津大学出版社，2002.24 于杰，数控加工工艺与编程，北京：国防工业出版社，2009.15 陈宏钧，简明机械加工工艺手册，北京：机械工业出版社，2008，1第1版 三、设计（研究）内容和要求1数控铣床纵向进给机构装配图（用autocad绘制） a0（1张）2数控铣床典型零件编程图（用autocad绘制） a1（1张）3铣床数控系统伺服驱动电气原理图 a2（1张）4数控铣床的总体布局图 a2（1张）5设计说明书（不少于15000字） 1份6. 翻译有关外文资料，“中文译文”内容4000汉字。 指导教师 2010年 11月25日审题小组组长（签字）年 月 日天津大学仁爱学院本科生毕业设计（论文）开题报告课题名称数控铣床纵向进给机构设计及编程 系名称机械工程系专业名称机械设计制造及其自动化学生姓名李浩然指导教师邓广敏一、课题的来源及意义：科学技术的发展以及世界先进技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求：超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的数控系统、伺服性能、主轴驱动、机床结构等提出更高的性能指标：fms的迅速发展和cims的不断成熟，又将对数控机床的可靠性、通信性能、人工智能和自适应控制等技术提出更高的要求，随着微电子和计算机技术的发展，数控系统的性能日趋完善，数控技术的应用领域日益扩大。数控铣床是在数控加工中心领域中最具代表性的一种典型机床，在数控机床中所占的比率最大，数控加工中心、柔性制造单元等都是数控铣床基础上派生或发展出来的。它具有功能性强、加工范围广、工艺较复杂等特点，主要用于各种复杂的平面、轮廓、曲面等零件的铣削加工，同时还可以进行钻、扩、镗、攻螺丝等加工，在航天航空、汽车制造、机械加工和模具制造业中应用非常广泛。二、国内外发展状况当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高质量、高精、高效、自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。各方面用户提出更多需求，早已成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。数控机床发展至今的50年随科技，特别是微电子、计算机技术的进步而不断发展。美、德、日三国是当今世上在数控机床研究、设计、制造和使用上，技术最先进、经验最多的国家。十五”以来，尤其是最近二、三年，随着国民经济的持续发展和国家对国产数控机床的大力支持，我国许多重要行业对加工中心和数控铣床的需求愈来愈大。有需求有市场，就有生产，这是市场经济规律。所以国内不少从未涉及制造数控铣床的厂家，都纷纷上阵，通过引进技术、合作生产等形式，开发研制各种数控铣床，满足广大用户的需求。我国机床工业已经取得了很大的成就，但与世界先进水平相比，还有较大的差距。主要表现在：大部分高精度和超精密机床的性能还不能满足要求，精度保持性也较差，特别是高效自动化和数控化机床的产量、技术水平和质量等方面都明显落后。 三、本课题的研究内容：1、研究目标：数控铣床纵向进给机构设计 纵向铣床进给系统必须保证由数控装置发出的控制指令转换成速度符合要求的相应位移或直线位移，带动运动部件运动。根据工件加工的需要，在机床上个运动坐标的数字控制可以是相互独立的，也可以是联动的。总之，数控机对进给系统的要求集中在精度，稳定性和快速响应三个方面。为满足这些要求。首先需要高性能的伺服电机，同时也需要高质量的机械结构与之匹配。2.设计（研究）内容和要求：1）.数控铣床纵向进给机构装配图（用autocad绘制） a0（1张）2）.数控铣床典型零件编程图（用autocad绘制） a1（1张）3)铣床数控系统伺服驱动电气原理图 a2（1张）4)数控铣床的总体布局图 a2（1张）5)设计说明书（不少于15000字） 1份6). 翻译有关外文资料，“中文译文”内容40006000汉字。3、研究方法和手段：1). 通过大量查阅文献资料，了解工业机械手的整体构成，传动的组成和工作原理，在整体上把握设计内容；2).通过查阅技术手册及行业技术标准，确定机械手相关参数的选取；3).应用机械原理及材料力学中的计算方法和相关经验公式，进行传动受力分析和效率分析计算；4、总体方案设计数控铣床是我们常见的几种机床之一，数控立式铣床总体布局大体分有两种布局。第一种：数控主轴能上下可以靠丝杠螺母副带动实现上下移动。数控工作台布十字形工作台。第二种：数控主轴不能够上下移动，工件与刀具之间的上下的相对运动靠十字形工作台的上下移动来实现。十字形工作台是靠z轴方向的滚珠丝杆副带动实现的上下运动。由 于一下几种原因，我们选择的是第二种结构。第一：加工精度的要求。第一种方案中刀具移动，有导轨、丝杠和刀具组成的开式链存在着累积误差。而第二种方案就不存在这种误差。这对于数控机床来说提高了精度。第二；避免了导轨因为热变形引起的机床误差。:四、进度安排：第1-6周 准备开题第6-7周 调研、收集资料、熟悉课题内容，完成开题报告第7-8周 进行主运动的强度和动力计算。第8-10周 进行进给系统和控制系统设计计算，绘制进给机构装配图和伺服驱动原理图。第10-12周 完成典型零件编程图和总体布局图第12-14周 编写毕业论文第14-16周 制作答辩幻灯片五.参考文献： 1 文怀兴，数控机床设计实践指南，北京：化学工业出版社，2008.1 2 夏田.数控加工中心设计, 北京：化学工业出版社，2006.4 3 杜君文，数控技术，天津：天津大学出版社，2002.2 4 于杰，数控加工工艺与编程，北京：国防工业出版社，2009.1 5 陈宏钧，简明机械加工工艺手册，北京：机械工业出版社，2008，1第1版选题是否合适： 是 否课题能否实现： 能 不能指导教师（签字） 年 月 日选题是否合适： 是 否课题能否实现： 能 不能审题小组组长（签字） 年 月 日摘 要数字控制是近代发展起来的一种自动化控制技术,是用数字化信号对机床运动极其加工过程进行控制的一种方法,随着科学技术的迅猛发展，数控机床已经是一个国家机械工业水平的重要标准。数控机床是装有程序控制系统的机床。该系统能够逻辑地处理具有使用号码，或其他符号编码指令规定的程序。数控机床是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业的渗透形成的机电一体化产品，其技术范围覆盖很多领域：（1）机械制造技术（2）信息处理、加工、传输技术；（3）自动控制技术；（4）伺服驱动技术；（5）传感技术；(6软件技术等。计算机对传统机械业的渗透，完全改变了制造业。数控机床就是将加工过程所需的各种步骤以及刀具与工件之间的相对位移量都是用数字化的代码来表示。通过控制介质数字信息送入专用区域通用的计算机。计算机对输入的信息进行处理，发出各种指令来控制机床的伺服系统或其他执行元件，使机床自动加工出所需要的工件。关键词：数控铣床；纵向进给系统；滚珠丝杠；步进电机abstractcnc technology is a kind of developed automatic control technology in modern time, it is an application of digital signal on the control of machine tool motion processing, with the rapid development of science and technology in modern time, cnc machine tools can respect level of the national mechanical industry. cnc tools are the machine tools equipped with programming control system. the system can deal with the program of usable numbers, or other given program. cnc tools are the applications of new technologies such as numerical control system in the field of machinery industry. and this technology can be included by fields such as: (1) machinery manufacturing (2) information processing, processing and transmission technologies (3) automatic control technology (4) servo drive technology (5) sensing technology (6 )software technology. the application of computer in machinery has changed the manufacturing industry completely. cnc machine tool is required for processing various steps and the relative displacement between tool and work piece, and all the factors are represented by digital code. in cnc machinery tool, the common media digital information is sent to the special computer for controlling. after that, the media digital information will be translated into special codes which will be used to control servo system of machine tools, and some other parts, in that case, work piece can be made by the cnc tools.keywords: cnc milling machine; longitudinal feed system; screw; stepping motor.目 录第一章 绪论31.1 数控机床概述31.2 数控系统的组成41.3 数控机床的分类51.4 数控技术的发展趋势7第二章 总体方案设计92.1 对进给传动系统的性能要求92.2电机与丝杠之间的联接102.2 滚珠丝杠螺母副102.2.1 滚珠丝杠螺母副的工作原理112.2.2 滚珠丝征螺母副的结构112.2.3 滚珠的循环方式122.2.4 滚珠丝杠螺母副轴向间隙的调整122.2.5 滚珠丝杠的支承方式132.3 传动齿轮副齿侧间隙消除142.3.1 刚性调整法152.3.2 柔性调整法152.4 对导轨的基本要求16第三章 纵向进给系统设计计算183.1 伺服进给系统组成193.2 伺服进给系统的基本要求193.3 伺服进给系统系统设计的基本要求193.4 控铣床纵向进给传动设计计算213.4.1 切削力的计算213.4.2进给工作台工作载荷计算223.4.3齿轮及转矩有关计算243.4.4步进电机的选择26第四章 电气控制部分的设计274.1 数控系统概述274.2 数控部分设计274.2.1 基本电路设计274.2.2 控制原理30参考文献34外文资料中文资料致 谢2天津大学仁爱学院2011届本科生毕业论文设计（论文）第一章 绪论1.1 数控机床概述数控机床是采用数字化代码程序控制、能完成自动化加工的通用机床。数控机床是一种典型的光机电一体化的加工设备，它集现代机械制造技术、自动控制技术及计算机信息技术于一体，采用数控装置或计算机来全部或部分地取代了一般通用机床在加工零件时的各种人工控制动作启动、加工顺序、改变切削用量、主轴变速、刀具选择、冷却液开停以及停车等，是高效率，高精度、高柔性和高自动化的光机电一体化的加工设备。数控机床的特点与应用数控机床综合了微电子技术、计算机应用技1术、自动控制技术以及精密机床设计与制造技术，具有专用机床的高效率、精密机床的高精度和通用机床的高柔性等显著待点，适合多变、复杂、精密零件的高效、自动化加工。具体说来，可以概括为以下几个方面。(1)柔性自动化，具有广泛的适应性由于采用数控程序控制，加工中多采用通用型工装，只要改变数控程序，便可以实现对新零件的自动化加工因此能适应当前市场竞争中对产品不断更新换代的要求，解决了多品种相中、小批量生产自动化问题。(2)加工精度高，质量稳定数控机床集中采用了提高加工精度和保证质量稳定性的多种技术措施：第一，数控机床由数控程序自动控制进行加工，在工作过程中一般不需要人工干预，这就消除了操作者人为产生的失误或误差；第二，数控机床的机械结构是按照精密机床的要求进行设计和制造的，采用了滚珠丝杠、波动导轨等高精度传动部件，而且刚度大、热稳定性和抗振性能好；第三，伺服传动系统的脉冲当量或最小设定单位可以达到10p”一o5p“，同时，工作中还大多采用具有检测反馈的闭环或半闭环控制具有误差修正或补偿功能，可以进一步提高精皮和稳定性；第四，数控加工中心具有刀库和自动换刀装置，可以在一次装夹后，完成工件的多面和多工序加工，最大限度地减少了装夹误差的影响。(3)生产效率局数控机床能最大限度地减少零件加工所需的机动时间与辅助时间，显著提高生产效率。(4)能实现复杂零件的加工由于数控机床采用计算机插补和多坐标联动控制技术，所以可以实现任意的轨迹运动和加工出任何复杂形状的空间曲面，可以方便地完成如螺旋桨、汽轮机叶片、汽车外形冲压用模具等具有各种复杂曲面类零件的加工。(5)减轻劳动强度，改善劳动条件由于数控机床的操作者主要利用操作面板对机床的自动加工进行操作，因此，大大减轻了操作者的劳动强度，改善了生产条件，并且可以一个人轻松地管理多台机。 (6)有利于现代化生产与管理采用数控机床进行加工，能够方便、精确地计算出零件的加工工时或进行自动加工统计，能够精确地计算生产和加工费用，有利于生产过程的科学管理。数控机床是计算机辅助设计与制造、群控或分布式控制、秉性制造系统、计算机集成制造系统等先进制造系统的基础。1.2 数控系统的组成数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统、测量反馈系统和机床主机等部分组成，如图1-1所示。 (1)控制介质控制介质是存储数控加工信息的载体，它可以是穿孔带、磁带和磁盘等。数控加工信息包括零件的加工程序，加工零件时，刀具相对工件的位置和机床的全部动作控制指令等，它们按照规定的格式和代码记录在信息载体，也即控制介质上。(2)数控装置数控装置是数控机床的核心，现代数控机床都采用计算机数控（）装置。数控装置一般由输入、信息处理和输出三大部分构成。控制介质通过输入单元（如穿孔带阅读机、磁带机、磁盘机等）输入，转换成可以识别的信息，由信息处理单元按照程序的规定将接收的信息加以处理（如插补计算、刀具补偿等）后，通过输出单元发出位置、速度等指令给伺服系统，从而实现各种控制功能。(3)伺服系统伺服系统是把来自数控装置的各种指令，转换成机床执行机构运动的驱动部件。它包括主轴驱动单元、进给驱动单元、主轴电机和进给电机等。伺服系统直接决定刀具和工件的相对位置，其性能是决定数控机床加工精度和生产率的主要因素。一般要求数控机床的伺服系统应具有较好的快速响应性能，以及具有能灵敏而准确地跟踪指令功能。(4)测量反馈系统测量反馈系统由检测元件和相应的电路组成，其作用是检测机床的实际位置、速度等信息，并将其反馈给数控装置与指令信息进行比较和校正，构成系统的闭环控制。(5)适应控制适应控制是指针对机床当前的工作环境，如温度、振动、摩擦和切削力等因素和变化加以检测，将相关信息输入数控装置，使系统能对环境因素变化引起的误差做出补偿，以期提高加工精度和生产率。适应控制仅用于高效率和加工精度高的数控机床，一般数控机床很少采用。(6)机床主机机床主机包括床身、主轴、进给机构等机械部件。由于数控机床是高精度和高生产率的自动化机床，其主机要有更好的刚性和抗震性，相对运动面摩擦系数小， 传动部件之间的间隙小，还要有良好的动态性能、刚性、阻尼精度和耐磨性以及抗热变形等，因此，数控机床的结构必须根据其性能要求进行专门设计，才能充分发挥数控机床的性能。图1-2 立式数控铣床1.3 数控机床的分类按照其加工工艺及基本用途，可以分为四大类。按运动轨迹分类：(1)点位控制系统点位控制的特点是只须控制机床实现由一个坐标点到另一个坐标点的精确定位，移动和定位过程中不进行任何加工，其运动轨迹误差不影响加工精度，可不做严格控制。因此，几个坐标轴之间无联动功能也能实现点位控制。采用点位控制的数控机床主要有数控钻床、数控冲床和数控测量机等。(2)直线控制系统直线控制除要保证点到点的精确定位外，还要求点到点的运动过程是直线切削加工过程，其运动轨迹一般是平行于坐标轴的直线或与各坐标轴成45的斜线，运动时的速度可以控制。(3)轮廓控制系统轮廓控制系统能同时控制两个或两个以上坐标轴联动，具有插补功能，能对运动轨迹和速度进行精确的不间断的控制，可加工轮廓复杂的工件。采用轮廓控制的数控机床有数控铣床、数控车床、数控磨床和加工中心等。现代数控机床一般均具有多坐标联动轮廓控制功能。按伺服系统的控制方式分类：(1)开环控制系统开环控制系统是指没有检测反馈装置的控制系统。数控装置每发出一个指令（脉冲）放大后驱动步进电机转动一个步距，再经过减速齿轮带动丝杠旋转，通过丝杠螺母副传动工作台移动。其精度依赖于步进电机及齿轮、丝杠的传动精度，工作台的移动量与进给脉冲数量成正比。采用这类控制方式的机床比较稳定、调试方便、控制精度较低，适用于经济型、中小型数控机床。(2)闭环控制系统闭环控制系统是在机床移动部件位置上装有直线位置检测装置，可将测量到的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的指令位移值进行比较，用差值进行运动控制和误差修正，最终实现移动部件的精确定位。(3)半闭环系统半闭环系统的检测元件装在电机或丝杠的端头，采用角位移测量元件测量电机或丝杠的转动量，间接地测量工作台的移动量。按功能和用途分类按数控系统的功能强弱可分为全功能数控系统和简易数控系统。全功能数控系统控制功能俱全，可键盘输入、穿孔带输入或磁盘等输入零件加工程序，可代码编程也可自动编程，可监控操作还可显示图形。简易数控大多只具有键盘输入、代码编程、数码管显示功能。按数控系统的用途可分为通用型数控系统、车床数控系统、铣床数控系统等。按数控系统所使用的计算机还可分为专用计算机控制（又称硬件数控）系统和通用计算机控制（又称软件数控）系统。1.4 数控技术的发展趋势随着科学技术的发展,世界先进制造技术的兴起和不断成熟,对数控机床提出了更高的要求。超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控各个组成部分提出了更高的性能指标。当今的数控机床正在不断采用最新技术成果，朝着高速化、高精密化、多功能化、智能化、系统化与高可靠性等方向发展。具体表现在以下几个方面：(1)高可靠性数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。数控机床能否发挥其高性能、高精度、高效率，并获得良好的效益，关键取决于可靠性。近些年来，已在数控机床产品中应用了可靠性技术，并取得了明显的进展。(2)高速切削受高生产率的驱使，高速化已是现代机床技术发展的重要方向之一。高速切削可通过高速运算技术、快速插补运算技术、超高速通信技术和高速主轴等技术来实现。提高主轴转速可减少切削力，减小切削深度，有利于克服机床振动，传入零件中的热量大大减少，排屑加快，热变形减小，加工精度和表面质量得到显著改善。因此，经高速加工的工件一般不需要再加工。(3)高精度控制高精度化一直是数控机床技术发展追求的目标，机床的加工精度控制两方面。它包括机床制造的几何精度和机床使用提高机床的加工精度，一般是通过减少数控系统误差、提高数控机床基础大件结构特性和热稳定性、采用补偿技术和辅助措施来达到的。(4)高柔性化柔性是指机床适应加工对象变化的能力。目前，在进一步提高单机柔性自动化加工的同时，正努力向单元柔性化和系统柔性化发展，如体现系统柔性化的mc(柔性制造单元)、刚性(柔性制造系统)和cms(计算机集成制造系统)发展迅速。 (5)高复合化复合化包含工序复合化和功能复合化。工件在一台设备上一次装夹后，通过自动换刀等各种措施，来完成多种工序和表面的加工。在一台数控设备上能完成多工序切削加工(如车铣、铣、钻等)的加工中心，可以替代多台机床和多次装夹的加工，既能减少装卸时间，省去工件搬运时间，提高每台机床的加工能力，减少半成品库存量，又能保证和提高形位精度，从而打破了传统的工序界限和分散加工的工艺规程。第二章 总体方案设计数控机床的进给系统是指将驱动源旋转运动变为工作台直线运动的整个传动链，包括减速装置、转动变移动的丝杠螺母副及导向元件等。减速装置常采用齿轮机构和带轮机构，导向元件常采用导轨。进给系统的精度、灵敏度和稳定性，将直接影响工件的加工精度。2.1 对进给传动系统的性能要求数控机床的进给运动是数字控制的直接对象，被加工工件的最终坐标位置精度和轮廓精度都与其传动结构的几何精度、传动精度、灵敏度和稳定性密切相关。为此，对数控机床的进给传动系统提出如下要求：(2)摩擦阻力小为了提高数控机床进给系统的快速响应性能和运动精度，必须减小运动件的摩擦阻力和动、静摩擦阻力之差。机械传动结构的摩擦阻力，主要来自丝杠螺母副和导轨等。为了减小摩擦阻力，普遍采用滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副、滚动导轨、静压导轨和塑料导轨。在减小摩擦阻力的同时，还必须考虑传动部件有足够的阻尼，以保证它们抗干扰能力。(3)提高传动精度和刚度，消除传动间隙进给传动系统的传动精度和刚度，主要取决于丝杠螺母、蜗杆蜗轮副及其支承结构的刚度。在传动链中设置减速齿轮，可以减小脉冲当量，从系统设计的角度来分析，可以提高传动精度。加大丝杠直径，以及对丝杠螺母副、支承部件、丝杠本身加预紧力，是提高刚度的有效措施。刚度不足还会导致工作台产生爬行和振动，传动间隙主要来自传动齿轮副、蜗杆副、联轴节、丝杠螺母副及其支承部件之间，应施加预紧力或采取消除间隙的结构措施。(4)减小运动惯量传动元件的惯量对伺服机构的起动和制动特性都有影响，尤其是处于高速运转的零件，其惯性的影响更大。因此，在满足部件强度和刚度的前提下，尽可能减小执行部件的重量，减小旋转零件的直径和重量以减小运动部件的惯量。2.2电机与丝杠之间的联接 电机与丝杠间的联接主要有三种形式，如图2-1所示。图2-1 电机与丝杠的联接形式(1)带有齿轮传动的进给运动数控机床在机械进给装置中一般采用齿轮传动副来达到一定的降速比要求，如图2-1(a)所示。由于齿轮在制造中不可能达到理想的齿面要求，总存在着一定的齿侧间隙才能正常工作，但齿侧间隙会造成进给系统的反向失动量。对闭环系统来说，齿侧间综合影响系统的稳定性。因此，齿轮传动副常采用消除措施来尽量减小齿轮侧隙。但这种联接形式的机械结构比较复杂。(2)经同步带轮传动的进给运动如图2-1(b)所示，这种联接形式的机械结构比较简单。同步带传动综合了带传动和链传动的优点，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但只能用于低扭矩特性要求的场所。安装时中心距要求严格，且同步带与带轮的制造工艺复杂。(3)电机通过联轴器直接与丝杠联接如图2-1(c)所示，此结构通常是电机轴与丝杠之间采用锥环无键联接或高精度十字联轴器联接，从而使进给传动系统具有较高的传动精度和传动刚度，并大大简化了机械结构。在加工中心和精度较高的数控机床的进给运动中普遍采用这种联接形式。由于考虑到数控铣床的加工精度要求较高，因此，不适宜采用带传动的进给传动，同时，由于需要减小系统的运动惯量以提高进给系统的运动精度，因此，综合上述原因，本设计采用齿轮副传动（即方案1）作为进给传动。2.2 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副是作用是将电机的回转运动转换成工作台的直线运动，它的结构持点是在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动元件，以减少摩擦。2.2.1 滚珠丝杠螺母副的工作原理滚珠丝杠螺母副的工作原理，如图2-2所示。图中，丝杠和螺母上都加工有圆弧形的螺旋槽，当它们对合起来就形成了螺旋滚道。在滚道内装有滚珠，当丝杠与螺母相对运动时，滚珠沿螺旋槽向前滚动，在丝杠上滚过数圈以后通过回程引导装置，逐个地又该回到丝杠与螺母之间，构成一个闭合的回路。2.2.2 滚珠丝征螺母副的结构滚珠丝杠的螺纹滚道法向截面有单圆弧和双圆弧两种不同的形状。其中单圆弧工艺简单，双圆弧性能较好。图2-3 内循环滚珠丝杠图2-4 外循环滚珠丝杠(a)插管式 (b)螺旋槽式2.2.3 滚珠的循环方式滚珠循环分为外循环和内循环两种方式。(1)外循环。如图2-3所示，滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面上的螺旋槽或插管返回丝杠间重新进入循环。插管式用弯管作为返回管道。这种形式结构工艺性好，但由于管道突出于螺母体外，径向尺寸较大。螺旋槽式是在螺母外因上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔并与螺纹滚道相切，形成返回通道。这种形式的结构比插管式结构径向尺寸小但制造较复杂。(2)内循环。如图2-4所示。这种循环靠螺母上安装的反向器接通相邻滚道，使滚珠成单圈环，滚珠从螺纹滚道进入反向器，借助反向器迫使滚珠越过丝杠牙顶进入相邻滚道，实现循环。一般，一个螺母上装有24个反向器，反向器沿螺母圆周等分分布。其优点是径向尺寸紧凑，刚性好；因为其返回滚道较短，故摩擦损失小。缺点是反向器加工困难。2.2.4 滚珠丝杠螺母副轴向间隙的调整滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙。为了保证反向传动精度和丝杠的刚度必须消除轴向间隙。消除间隙的方法常采用双螺母结构，利用两个螺母的相对轴向位移，使两个滚珠螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上。用这种方法预紧消除轴向间隙时，应注意预紧力不宜过大预紧力过大会使空载力矩增加，从而降低传动效串，缩短使用寿命。此外，还要消除丝杠安装部分和驱动部分的间隙。常用的消除螺母丝杠间隙的方法有以下几种。(1)垫片调隙式。调整垫片厚度使左右两螺母不能相对旋转，只产生轴向位移，即可消除间隙和产生预紧力。这种方式结构简单，刚性好，调整时需卸下调整垫圈修磨，滚道有磨损时不能随时消除间隙和进行预紧。(2)螺纹调隙式。按珠丝杠左右两螺母副以平键与外套相连，用平键限制螺母在螺母座内的转动。调整时，只要拧动圆螺母1即可消除间隙井产生预紧力，然后用螺母2锁紧。这种调整方法具有结构简单、工作可靠、调整方便的优点，但预紧量不很准确。(3)齿差调隙式。在两个螺母的凸缘上各制有圆柱形齿轮分别与固紧在套简两端的内齿圈相啮合，其齿数相差一个齿。调整时，先取下内齿圈，让两个螺母相对于套简同方向都转动一个齿，然后再插入内齿圈，则两个螺母便产生相对角位移。这种调整方法能精确调整预紧量，调整方便、可靠，但结构尺寸较大，多用于高招度的传动。(4)单螺母变位螺距预加负荷。它是在滚珠螺母体内的两列循环滚轴向错位实现预紧。这种调除方法结构简单，但负荷量需预先设定且不能改变。2.2.5 滚珠丝杠的支承方式数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母本身的刚度外，滚珠丝杠的正确安装及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素。螺母座、丝杠端部的轴承及其支承加工的不精确性和它们在受力后的过量变形，都会给进给系统的传动刚度带来影响。因此，螺母座的孔与螺母之间必须保持良好的配合，并应保证孔对端面的垂直度。螺母座应增加适量的加适当的助板，并加大螺母座和机床结合部件的面积，以提高螺母座的局部刚度和接触刚度。滚珠丝杠的不正确及支承结构的刚度不足，会使滚珠丝杠的寿命大大下降。因此要注意轴承的选用和组合，尤其是轴向刚度要求较高。为了提高支承的轴向刚度，选择适当的滚动轴承及其文承方式是十分重要的。常用的支承方式有下列几种(如图2-所示)。图2-5 滚珠丝杠的支承方式(1)一端装止推轴承(固定自由式)。这种安装方式如图2-5(a)所示。其承载能力小，轴向刚度低，仅适用于短丝杠，如用于数控机床的调整环节或升降台式数控机床的垂直坐标中。 (2) 两端装止推轴承。这种安装方式如图2-5(b)所示。将止推轴承装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧拉力，有助于提高传动刚度。但这种安装方式对热伸长较为敏感。(3)一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承(固定支承式)。这种安装方式如图2-5(c)所示。当滚珠丝杠较长时一端装止推轴承固定另一端由深沟球轴承支承。为了减小丝杠热变形的影响，止推轴承的安装位置应远离热源(如液压马达)。(4)两端装双重止推轴承及深沟球轴承(固定固定式)。这种安装方式如图2-5(d)所示。为了提高刚度丝杠两端采用双重支承，如止推轴承和探沟球轴承，并施加预紧拉力。这种结构形式，可使丝杠的热变形能转化为止推铀承的预紧力。由于考虑到数控铣床的加工精度要求较高，因此，不适宜采用带传动的进给传动，同时，由于需要减小系统的运动惯量以提高进给系统的运动精度，因此，综合上述原因，本设计采用齿轮副传动（即方案3）作为进给传动。2.3 传动齿轮副齿侧间隙消除 进给系统采用齿轮传动装置，可以降低丝杠、工作台的惯性在系统中占的比重；同时可使高速低转矩的伺服驱动装置的输出变为低速转速大扭矩，从而适应驱动执行元件的需要；另外，在开环系统中还可以计算所需的脉冲当量。但由于数控机床进给系统的传动齿轮副存在间隙，在开环系统中会造成进给运动的位移值滞后于指令值；反向时，会出现反向死区，影响加工精度。为了提高数控机床伺服系统的性能，可采用下列方法减少或消除齿轮传动间隙。2.3.1 刚性调整法它是一种调整后齿侧间隙不能自动补偿的调整方法。因此，齿轮的周节公差及齿厚要严格控制。这种调整方法结构比较简单，且有较好的传动刚度。图2-6 偏心轴套调整法 图2-7 锥度齿轮调整法 (1)偏心轴套调整法图2-6所示为偏心轴套式调整结构，电机2通过偏心套1安装在壳体上，小齿轮装在偏心套1上，可以通过偏心套1调整主动齿轮和从动齿轮之间的中心距来消除齿轮传动副的齿侧间隙。(2)锥度齿轮调整法图2-7所示为用一个带有锥度的齿轮来消除间隙的结构，一对啮合着的圆柱齿轮，若它们节圆直径沿着齿厚方向制成一个较小的锥度，只要改变垫片3的厚度就能改变齿轮2和齿轮1的轴向相对位置，从而消除齿侧间隙。2.3.2 柔性调整法它是一种调整之后齿侧仍可自动补偿的调整方法。这种方法一般都采用调整压力弹簧的压力来消除齿侧间隙，并在齿轮的齿厚和周节有变化的情况下，也能保持无间隙啮合；但这种结构较复杂，轴向尺寸大，传动刚度低，同时，传动平衡性也差。图2-8 轴向压簧调整法 图2-9 周向压簧调整法 (1)轴向压簧调整法如图2-8所示为轴向压簧调整法的基本结构，两个薄片斜齿轮1和2用键滑套在轴5上，用螺母4来调节压力弹簧3的轴向压力，使齿轮1和2的左、右齿面分别与宽斜齿轮6齿槽的左台侧面贴紧。(2)周向弹簧调整法如图2-9所示为周向弹簧调整法的基本结构，两个齿数相同的薄片齿轮1和2与另一个宽齿轮相啮合，齿轮1空套在齿轮2上，可以相对回转。每个齿轮端面分别装有凸耳3和8，旋转螺母5和6可以调整弹簧4的拉力，弹簧的拉力可以使薄片齿轮错位，即两片薄齿轮的左、右齿面分别与宽齿轮齿槽的右、左贴紧，从而消除齿侧间隙。综合以上几种调整方法的优缺点，本方案拟选择柔性调整法中的周向弹簧调整法对数控铣床进行齿轮侧向间隙的调整。2.4 对导轨的基本要求机床导轨的功用就是支承和导向，也就是文承运动部件并保证运动在外力的作用下，能准确地沿着一定的方向运动。导轨性能的好坏，直接影响机床的加工精度、承载能力和使用性能。因此，导轨应满足以下基本要求：(1)高导向精度导向精度是指机床的运动部件沿导轨移动时的宣线性和它与有关基础之间相互位置的准确性。无论在空载或切削加工时，导轨都应有足够的刚度和导向精度。(2)良好的精度保持性精度保持性是指导轨在长期使用中保持导向精度的能力。导轨的耐磨性是保持精度的决定性的因素，它与导轨的摩擦性质、导轨的材料等有关。导轨面除了力求减少磨损量外，还应使导轨面在磨损后能自动补偿和便于调整。(3)低速运动平稳性运动部件在导轨上低速运动或微量位移时，运动应平稳，无爬行现象，这一要求对数控机床尤为重要。低速运动平稳性与导轨的结构类型、润滑条件等有关，其要求导轨的摩擦系数要小，以减少摩控阻力，而且动摩擦、静摩擦系数应尽量接近并有良好的阻尼特性。(4)结构简单、工艺性好机床导轨应力求结构简单，要便于加工、调整和维修：数控机床上常用的导轨，按其接触面积间的摩擦性质的不同，可分为滑动导轨、滚动导轨和静压导轨三大类。(1)滑动导轨滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性强等特点因此在数控机床上应用最为广泛。滑动导轨常用的导轨截面形状有三角形、矩形、燕尾形及圆柱形等四种，常用的导轨副有铸铁铸铁、铸铁一淬火钢，其缺点是静摩擦力较大。如果启动力不足以克服静摩擦力时，被传动的工作台就不能立即运动，起动力使一系列传动元件(驱动电动机、齿轮、丝杠及螺母等)产生变形。当起动力超过静摩擦力时，工作台突然向前运动，静摩擦力变成动摩擦力后数值明显减小，工作台产生很大的加速度，于是惯性会使工作台冲过预定位置。此外，动摩擦系数随速度变化而变化，摩擦损失大，低速时易出现爬行现象，影响运动平稳性定位精度。因此，为了提高数控机床酌定位精度和运动平稳性，可在床身导执相配的滑座导轨上粘接上静动摩擦系数相差不大、耐磨、吸振的塑料软带构成贴塑导轨，或者在定动导轨之间采用注塑或涂塑的方法制成塑料导轨。塑料导轨具有良好的摩擦特性、耐磨性和吸振性，因此得到了广泛使用。(2)滚动导轨滚动导轨是在导轨面间故人滚珠、滚校或滚钧等滚动体，使导轨面间成为该动摩擦。波动导轨可以大大降低摩擦系数提高运动灵敏度。滚动导轨由于摩擦系数小，动摩擦、静摩擦系数相接近且几乎不受运动速度变化的影响，因而运动轻便灵活，所需驱动功率小；摩擦发热少；磨损小，精度保持性好；低速运动时，不易出现爬行现象，因而定位精度高。很适合于要求移动部件运动均匀、灵敏及实现精密定位的场合，在数控机床上也得到了广泛应用。滚动导轨的缺点是结构较复杂、抗振性差、制造较困难，因而制造成本较高。此外策动导轨对赃物较敏感，必须有良好的防护装置。(3)静压导轨静压导轨的导轨工作面问有一定的润滑油，使运动件浮起，导轨面充满润滑泊形成油膜，因而始终处于纯液体摩擦状态。静压导轨的基本形式有两类；开式静压导轨和闭式静压导轨。开式静压导轨依靠运动件自身重量及外载荷保持运动件不脱离床身，因而只能承受垂直方向的负载，只能用于颠覆力矩较小的机床上。闭式静压导轨由于导轨面处于纯液体摩擦状态，摩擦系数极低，因而 驱动功率大大降低，低速运动时无爬行现象导轨面不易磨损，精度保持性好，运动乎稳。但是闭式静压导轨结构复杂，且需要一套过滤效果良好的供油系统，制造和调整都较困难，成本高。闭式静压导轨主要用于大型、重型数控机床上。在本设计中，由于要求用于普通数控铣床，因此，选择常规滑动导轨即能满足工作要求，且能保证较高的机床刚度和加工精度。导轨形式选择普通的燕尾槽即可。同时，可对其进行贴塑，以增强其摩擦性、提高其耐磨性能和吸振性。第三章 纵向进给系统设计计算3.1 伺服进给系统组成数控铣床进给伺服系统由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件组成。图 所示为一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。速度环中用作速度反馈的检测装置是测速电机、脉冲发生器等。速度控制单元是一个独立的单元部件，它由速度调节器、电流调节器及功率驱动放大器等部分组成。位置环是由cnc装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。位置控制主要是对机床运动坐标进行控制，轴控制是要求最高的位置控制。3.2 伺服进给系统的基本要求如何选用伺服驱动系统，在实际中必须根据机床的要求来确定。大致可概括为以下几个方面。(1)精度要求伺服系统必须保证机床的定位精度和加工精度。对于低档型数控系统，驱动控制精度一般为0.01mm，而对于高性能的数控系统，驱动控制精度为1微米,甚至为0.1微米。(2)响应速度为了保证轮廊切削形状精度和低的加工表面粗糙度，除了要求有较高的定位精度外，还要有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。(3)调速范围调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。在各种数控机床中，由于加工用刀具、被加工工件材质及零件加工要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求进给驱动系统必须具有足够宽的调速范围。(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，好在低速下进给驱动系统必须有大的转矩输出。3.3 伺服进给系统系统设计的基本要求数控铣床进给系统必须保证由数控装置发出的控制指令转换成速度符合要求的相应角位移或直线位移，带动运动部件运动。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。总之，数控机床对进给系统的要求集中在精度、稳定性和快速响应三个方面。为满足这些要求，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。为提高进给系统机械结构性能的主要措施有如下要求：(1)提高系统机械结构的传动刚度传动刚度对开环数控进给系统的重要性在于开环进给系统需将计算机控制指令忠实可靠地转换成要求的机械位移。由于开环系统不再有检测元件检查运动部件的实际位移，这种转换精度决定了加工的精度。对于闭环数控进给系统，传动刚度有利于减少进给运动的超调和振荡，有助于改善系统的动态品质。为提高进给系统机械结构传动刚度的措施主要有以下几项。1)提高传动元件的刚度 传动元件的变形会导致指令脉冲的千余丢失或传动系统的不稳定，影响加工精度和质量。2)