机械系统课程设计-数控机床进给部件设计.doc

19沈阳理工大学课程设计专用纸前言我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的数控化率仅为6。这些机床中,役龄10年以上的占60以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品国内、外市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。 而相对于传统机床，数控机床有以下明显的优越性：1、可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 2、可以实现加工的柔性自动化，从而效率比传统机床提高37倍。 3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。 4、可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 5、拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，可实现长时间无人看管加工。 因此，采用数控机床，可以降低工人的劳动强度，节省劳动力（一个人可以看管多台机床），减少工装，缩短新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应。 此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。目录机械系统课程设计任务书前言11. 设计题目32. 设计任务与要求33. 数控机床的加工原理34. 进给伺服系统概述45. 纵向进给系统的设计计算75.1丝杠螺母静态设计85.2丝杠螺母动态设计105.3变速机构设计125.4电动机的静态设计136.电动机的选取与减速结构的设计15 6.1电动机的选取15 6.2减速机构的选取设计157.进给系统的结构设计16 7.1滚珠丝杠螺母副的设计17总结18参考文献191.设计题目数控机床进给部件设计2.设计任务与要求 2.1原动电机与传动方式的选择 （1）根据选题内容和机构的功能要求合理选择原动电机。 （2）合理选择传动方式、确定传动效率，计算机构输入功率与转速。 （3）绘制系统传动结构图。2.2执行机构设计 （1）分析实现系统功能的机构设计方案。 （2）拟定执行机构方案，画出总体机构方案示意图。（3）进行执行机构详细设计，画出总体机构工程图。（4）对关键零部件进行设计绘制工程图。2.3编写综合课程设计说明书 （1）执行机构总成工程图与关键零部件工程图（合计A0）。 （2）课程设计说明书一份(按毕业设计格式编写1520页)。3.数控机床的加工原理金属切削机床加工零件，是操作者依据工程图样的要求，不断改变刀具与工件之间相对运动的参数（位置，速度等），使刀具对工件进行切削加工，最终得到所需要的合格零件。数控机床的加工，是把道具与工件的运动坐标分割成一些最小的单位量，即最小位移量，由数控系统按照零件程序的要求，使坐标移动若干个最小位移量（即控制刀具运动轨迹），从而实现刀具与工件的相对运动，完成对零件的加工。刀具沿各坐标轴的相对运动，是以脉冲当量为单位的（mm/脉冲）。当走刀轨道为直线或圆弧时，数控装置则在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值，然后按中间的坐标值，向坐标输出脉冲数，保证加工出需要的直线或圆弧轮廓。数控装置进行的这种“数据点的密化”称做插补，一般数控装置都具有对基本函数（如直线函数和圆函数）进行插补的功能。对任意曲面零件的加工，必须使刀具运动的轨迹与该曲面完全吻合，才能加工出所需要的零件。数控机床是由信息载体,数控装置,伺服系统和机床主体各机械部件组成,如图1所示。4.进给伺服系统概述数控机床伺服系统的一般结构如图2所示：由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面：可逆运行；速度范围宽；具有足够的传动刚度和高的速度稳定性；快速响应并无超调；高精度；低速大转矩。伺服系统对伺服电机的要求：（1）从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r /min或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。（2）电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。（3）为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。电机应具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保证电机可在0.2s以内从静止启动到额定转速。（4）电机应能随频繁启动、制动和反转。随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。机械传动部件和执行元件组成机械传动系统。检测元件与反馈电路组成检测系统。进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。闭环控制方式通常是具有位置反馈的伺服系统。根据位置检测装置所在位置的不同，闭环系统又分为半闭环系统和全闭环系统。半闭环系统具有将位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴端两种类型。前者把丝杠包括在位置环内，后者则完全置机械传动部件于位置环之外。全闭环系统的位置检测装置安装在工作台上，机械传动部件整个被包括在位置环之内。开环系统的定位精度比闭环系统低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉。由于影响定位精度的机械传动装置的磨损、惯性及间隙的存在，故开环系统的精度和快速性较差。 全闭环系统控制精度高、快速性能好，但由于机械传动部件在控制环内，所以系统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数，而且还与机械传动部件的刚度、阻尼特性、惯性、间隙和磨损等因素有很大关系，故必须对机电部件的结构参数进行综合考虑才能满足系统的要求。因此全闭环系统对机床的要求比较高，且造价也较昂贵。闭环系统中采用的位置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。 数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。交流伺服电机由于具有可靠性高、基本上不需要维护和造价低等特点而被广泛采用。直流伺服电动机引入了机械换向装置。其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差。为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。5.纵向进给系统的设计 如图3所示是一种典型的机械传动部件设计方案，采用电动机，减速机构和丝杠螺母传动装置。对于这种机械传动部件，设计的步骤应该是：先根据静态设计和动态设计的观点来设计丝杠螺母传动装置和减速机构，然后再根据设计要求选择电动机。用于计算的下列数据是已知的。工作台 工作台质量 =500kg 最大加工受力 =1000N 快进速度 =0.17m/s 工进速度 =0.1m/s最大加速度 =1.3m/工作台导轨摩擦力 =2.5N工作行程 =0.35m丝杠螺母机构数据轴承轴向刚度 =800N/丝杠螺母刚度 =800N/螺母支座刚度 丝杠传动效率 丝杠长度 图4 丝杠螺母机构丝杠轴承，丝杠 螺母摩擦力矩 轴承平均间距 导程 确定最大转速的常数 电动机转子惯量 JM=0.0510-3kgm2 钢的密度 =7.85103kg/m35.1丝杠螺母静态设计 （1）确定动载荷Ca 工作循环周期T由加速时间ta和加工时间tw组成，计算如下: ta=vvamax=0.10.3=0.077(s) tw=Swvv=0.350.1=3.5(s) T=2tw+4ta=7.308(s) 在减速期间的平均速度na为 na=vv2hsp=(600.1)(20.01)=300(rmin) 工作进给时转速nw为 nw=vvhsp=(600.1)0.01=600(rmin) 可得当量转速 nm=30040.077+(60023.5)7.309587(rmin) 载荷系数fw取 fw=1.1 当量载荷为 Fm=FR+2twFW+4taFaT 算出Fa Fa=mTamax=5001.3=650(N) 代入上式 Fm=988N 取滚珠丝杠寿命为20000h，算出该滚珠丝杠的动载荷 Ca=fwFM60nmLn10-613=9670(N) (2)确定静载荷 最大轴向力可近似取最大加工受力，即 FmaxFw=1000N 取静态安全系数fd=1,得静载荷C0a C0a=fdFmax=1000N (3)根据轴向压力选取丝杠直径 可得 dsp=4FaL2m104 由 Fa=Fw=1000N L=0.5m=500mm 查表 m=20.3 代入上式得 dsp=5.924mm 故取 dsp6mm (4)转速限制 最大转矩限制： nmaxAd0 由 nmax=60vfasthsp=600.170.01=1020(r/min) 和A=60000得 dsp58.8mm 临界转速限制： dsp=ncL2f107 由nmax=1020(r/min)(23)0A 但是，根据本例选择的丝杠直径dsp=20mm，只能得到 0mech0A=588350=1.68 因此，丝杠的直径应该更大一些。 若取0mech=20A=700rad/s得 Kgen=245N/m 所以 1.210-3dsp4-0.758dsp2-1.62102=0 解上式可得 dsp=28mm 最后根据厂家产品样本选取丝杠直径dsp=32mm 5.3变速机构设计 已知，电气驱动部件具有二阶振荡环节的性能，其谐振频率 0A=1Te1Tmech 阻尼比 A=12TmechTe1 电气时间常数 Te1=LARA 机械时间常数 Tmech=JgenRAKMCE 式中 LA驱动线路总电感 RA驱动线路总电阻 KM电动机扭矩常数 CE电动机反电动势系数 机械时间常数里的Jgen是电动机轴上总的转动惯量 Jgen=JM+Jext 为了电气驱动部件获得最大的谐振频率，必须使计算到电动机轴上的机械部件转动惯量Jext最小。这一点可以借助减速机构达到。 如图1所示电动机轴上的小齿轮，其直径及齿宽，根据传递的动力由最小齿轮及模数的要求决定。当小齿轮设计完毕，它的转动惯量J1就是已知的。 大齿轮转动惯量J2可由J1和i降速比近似确定，即 J2=J1i4 机械部件折算到电动机轴上恩多总转动惯量为 Jgen=JM+J1+i2J2+Jsp+JT=JM+J1+J1i2+i2(Jsp+JT) 式中 JM电动机转动惯量 J1小齿轮转动惯量 J2丝杠转动惯量 JT工作台折算到丝杠上的转动惯量，JT=mT(hsp2)2。 令dJgendi=0，得满足最小惯量要求的相对额定降速比iopt iopt=4J1Jsp+JT 根据所设计系统的已知条件，得， JT=mT(hsp2)2=1.2710-3(kgm2) 丝杠的转动惯量Jsp为 Jsp=18(mspdsp2) Msp=14dsp2Lsp,gen 式中 msp丝杠质量； Lsp,gen包括轴颈的丝杠总长 钢的密度，=7.85103kg/m3。 将已知条件代入，得 iopt=12.95 5.4电动机的静态设计 （1）计算Jgen 得 Jgen=JM+J1+J1i2+i2(Jsp+JT) 根据上面求得的最佳传动比iopt和其他参数，得 Jgen=4.1710-4(kgm2) (2)确定电动机额定转矩 工作台加速和加工力所引起的当量力矩 MmT=1spFmhsp2式中 sp丝杠传动效率（0.80.9） Fm当量载荷，算出为988N故得 MmT=9880.9)(0.012=1.75(Nm) 丝杠加速度 =2hspamax 丝杠加速所需的转矩 Td,sp=Jspsp 由丝杠加速所引起的当量力矩 Mmsp=4Ma,sptaT可得 Mmsp=8.1610-3Nm 丝杠螺母传动机构的总当量力矩为 Mms=MmT+Mmsp可得 Mms=1.75Nm 电动机轴的加速度 M=spiopt=2amaxiopthsp可得 M=2409.6rad/s 电动机轴的加速转矩 Ta,M=JMM=1.210-1Nm 由电动机轴加速所引起的当量力矩 Mm,a,M=4Ma,MtaT所以 Mm,a,M=5.0810-3Nm 作用在电动机轴上的当量力矩为 Mm=iGMms+Mm,a,M可得 Mm=0.664Nm电动机的额定转矩应为 MOM=(1.52)Mm故 MOM=(11.33)Nm (3)确定电动机额定功率 电动机的额定转速 nOM=60hspivv可得 nOM=1770r/min电动机的额定功率 POM=MOMOM OM=260nOM最后得电动机额定功率POM=(0.190.25)kW。6.电动机与减速机构的设计6.1电动机的选取 电动机额定功率POM=(0.190.25)kW 选取型号为JZS2G-51-2，额定功率为（50.05）kW，额定转速为260026r/min。6.2减速机构的设计 由于iopt=12.95。 可取i=3。 Z1=24 ， Z2=72 ，m=2.5 (1)分度圆直径 d1=z1m=60mm d2=z2m=180mm (2)中心距 a=d1+d22=120mm (3)齿宽 b=dd1=60mm B2=60mm B1=65mm da1=d1+2ha*m=65mm da2=d2+2ha*m=185mm df1=d1-2ha*+c*m=53.75mm df2=d2-2ha*+c*m=173.75mm7.进给系统的结构设计 7.1滚珠丝杠螺母副的设计滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置，在丝杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽，当他们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠的回路管道，将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母轴向移动。滚珠丝杠螺母副具有以下特点：（1）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠螺母副的传动效率为0.92-0.96，比普通丝杠高3-4倍。因此，功率消耗只相当于普通丝杠的1/4-/3.（2）若给于适当预紧，可以消除丝杠和螺母之间的螺纹间隙，反向时还可以消除空载死区，从而使丝杠的定位精度高，刚度好。（3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。（4）具有可逆性，既可以从螺旋运动转换成直线运动，也可以从直线运动转换成旋转运动。也就是说，丝杠和螺母可以作为主动件。（5）磨损小，使用寿命长。（6）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。（7）不能自锁。特别是垂直安装的丝杠，由于其自重和惯性力的不同，下降时当传动切断后，不能立即停止运动，故还需要增加制动装置。本次设计采用的是内循环的丝杠螺母副，精度为3级，两端采用了小圆螺母为轴向定位丝杠螺母副采用的预紧方式为单螺母消除间隙方法。它是在滚珠螺母体内的两列循环滚珠链之间，使内螺纹滚道在轴向产生一个的导程突变量，从而使两列滚珠在轴向错位而实现预紧。这种调隙方法结