数控龙门镗铣床_定梁导轨——毕业设计说明书(含CAD图).doc

【摘要】 数控龙门镗铣床是能源、航空、航天、船舶、舰船推进器、机车车辆、军工、汽车、机械工程、重型机床行业不可缺少的重要工艺加工设备。本文内容关于定梁数控龙门镗铣床溜板箱进给系统的设计，包括机床的整体方案、传动系统结构、导轨、液压系统等方面的研究。通过对定梁数控龙门镗铣床溜板箱进给系统的设计，使我们初步熟悉数控机床主运动系统的设计方法、步骤，提高对数控机床结构的分析能力及设计计算能力，培养我们熟悉查阅资料、手册和运用资料、手册的能力以提高我们专业素养、敬业精神、团队合作精神，增强参与竞争的能力。【关键词】 数控龙门镗铣床；溜板箱进给系统；导轨液压【 abstract】 cnc boring and milling machine gantry energy aviationaerospace ship ship propulsion rolling stock military automotive mechanicalengineering heavy machine tool industry an important and indispensable processingequipment. in this paper the content on the fixed beam gantry cnc boring andmilling machine crate slipped into the design of the system including the machinesoverall program transmission structures rail hydraulic systems research. beams ofcnc boring and milling machine gantry crate slipped into the design of the system sothat we are familiar with numerical control machine tool main preliminary designmethods movement steps to improve the structure of the cnc machine tool designand calculation of analytical capacity and ability to nurture our familiar with availableinformation manuals and the use of information the ability of the manual in order toimprove our professionalism dedication team spirit and enhance the ability tocompete.【key words】cnc boring and milling machine gantry crate slipped into the system guidehydraulic 目录第1章 总体方案比较、论证 1.1 课题技术要求 .4 1.2 控制型式的选择和分析 1.2.1 开环进给伺服系统. .4 1.2.2 闭环与半闭环进给伺服系统. .4 1.3 伺服驱动装置的选择和分析 .5 1.4 传动部件的选择和分析 1.4.1 齿轮传动.6 1.4.1 带传动.6 1.4.3 链传动.6 1.4.4 蜗杆传动.6 1.4.5 滚珠丝杠螺母副.6 1.5 导轨 1.5.1 导轨的基本类型.7 1.5.2 导轨的基本要求.7 1.5.3 常用的导轨及其特点.7 1.5.4 导轨间隙的调整、润滑、防护.13 1.5.5 选择导轨的种类确定阻尼比.14 1.6 总体方案的试选.14第 2 章 设计计算 2.1 伺服系统传动系统的设计.15 2.1.1 降速比的计算.15 2.1.2 惯量计算.16 2.1.3 电动机力矩计算.18 2.1.4 机械传动系统的动态分析.21 2.1.5 系统增益 k 的确定.22 2.1.6 验算移动部件能达到的最大加速度22 致谢.22 主要参考文献.23 2 设计说明书 数控龙门镗铣床是能源、航空、航天、船舶、舰船推进器、机车车辆、军工、 汽车、机械工程、重型机床行业不可缺少的重要工艺加工设备。本文内容关于定 梁数控龙门镗铣床溜板箱进给系统的设计，包括机床的整体方案、传动系统结构、 导轨、液压系统等方面的研究。通过对定梁数控龙门镗铣床溜板箱进给系统的设 计，使我们初步熟悉数控机床主运动系统的设计方法、步骤，提高对数控机床结 构的分析能力及设计计算能力，培养我们熟悉查阅资料、手册和运用资料、手册 的能力以提高我们专业素养、敬业精神、团队合作精神，增强参与竞争的能力。 第1章 总体方案比较、论证 1.1 课题技术要求 1.通过毕业设计培养学生综合运用过去所学知识来独立分析问题、解决问题 的能力。 2.初步熟悉数控机床主运动系统的设计方法、步骤；提高对数控机床结构的 分析能力及设计计算能力。 3.培养学生熟悉查阅资料、手册和运用资料、手册的能力。 4.本课题内容较多，参加课题学生每人负责一部分；在毕业设计过程中要求 既有独立性又有合作精神，以提高学生专业素养、敬业精神 、团队合作精神， 增强参与竞争的能力。 1.2 控制型式的选择和分析 1.2.1 开环进给伺服系统： 开环伺服系统由步进电动机和步进电动机驱动线路组成。数控装置根据输入 指令，经过运算发出脉冲指令给步进电动机驱动线路，从而驱动工作台移动一定 距离。这种伺服系统比较简单，工作稳定，容易掌握使用，但精度和速度的提高 受到限制。只用于经济型数控机床。 开环控制系统的数控机床结构简单，成本较低。但是，系统对移动部件的实 际位移量不进行监测，也不能进行误差校正。因此，步进电动机的失步、步距角 误差、齿轮与丝杠等传动误差都将影响被加工零件的精度。开环控制系统仅适用 于加工精度要求不很高的中小型数控机床，特别是简易经济型数控机床。 1.2.2 闭环与半闭环进给伺服系统： 闭环： 闭环伺服机构的工作原理和组成与半闭环伺服机构相同，只是位置检测器安 装在工作台上，可直接测出工作台的实际位置，故反馈精度高于半闭环控制，但 掌握调试的难度较大，常用于高精度和大型数控机床。闭环伺服机构所用伺服马 达与半闭环相同，位置检测器则用长光栅、长感应同步器或长磁栅。 3 闭环控制数控机床是在机床移动部件上直接安装直线位移检测装置， 直接对工作台的实际位移进行检测，将测量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，用差值对机床进行控制，使移动部件按照实际需要的位移量运动，最终实现移动部件的精确运动和定位。从理论上讲，闭环系统的运动精度主要取决于检测装置的检测精度，也与传动链的误差无关，因此其控制精度高。闭环控制数控机床的定位精度高，但调试和维修都较困难，系统复杂，成本高。半闭环： 半闭环伺服机构是由比较线路、伺服放大线路、伺服马达、速度检测器和位置检测器组成。位置检测器装在丝杠或伺服马达的端部，利用丝杠的回转角度间接测出工作台的位置。常用的伺服马达有宽调速直流电动机、宽调速交流电动机和电液伺服马达。位置检测器有旋转变压器、光电式脉冲发生器和圆光栅等。这种伺服机构所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服机构，为大多数中小型数控机床所采用。 半闭环控制数控系统的调试比较方便，并且具有很好的稳定性。目前大多将角度检测装置和伺服电动机设计成一体，这样，使结构更加紧凑。所以选择半闭环控制形式。 图 11 伺服系统结构图 1.3 伺服驱动装置的选择和分析进给伺服以数控机床的各坐标为控制对象，产生机床的切削进给运动。为此，要求进给伺服能快速调节坐标轴的运动速度，并能精确地进行位置控制。具体要求其调速范围宽、位移精度高、稳定性好、动态响应快。根据系统使用的电动机，进给伺服可细分为步进伺服、直流伺服、交流伺服和直线伺服。所选驱动元件为：fanuc30 交流伺服电动机交流伺服系统特点： 针对直流电动机的缺陷，如果将其做“里翻外”的处理，即把电驱绕组装在定子、转子为永磁部分，由转子轴上的编码器测出磁极位置，就构成了永磁无刷电动机，同时随着矢量控制方法的实用化，使交流伺服系统具有良好的伺服特性。其宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，使 4其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美。同时可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。 目前，在机床进给伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系统，有三种类型：模拟形式、数字形式和软件形式。模拟伺服用途单一，只接收模拟信号，位置控制通常由上位机实现。数字伺服可实现一机多用，如做速度、力矩、位置控制。可接收模拟指令和脉冲指令，各种参数均以数字方式设定，稳定性好。具有较丰富的自诊断、报警功能。软件伺服是基于微处理器的全数字伺服系统。其将各种控制方式和不同规格、功率的伺服电机的监控程序以软件实现。使用时可由用户设定代码与相关的数据即自动进入工作状态。配有数字接口，改变工作方式、更换电动机规格时，只需重设代码即可，故也称万能伺服。 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。 步进伺服电机伺服进给系统-经济型数控机床 直流伺服电机伺服进给系统-中档数控机床 交流伺服电机伺服进给系统-中高档数控机床 直线电动机伺服进给系统-高速机床 1.4 传动部件的选择和分析 1.4.1 齿轮传动装置 齿轮传动是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。一是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。 1.4.2 带传动 带传动时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，它时利用传?魑屑涞娜判约揽看氪种涞哪亮创菰硕摹?1.4.3 链传动 链传动是由闭合的挠性环形两条和主，从动轮说组成，链 轮时特殊齿形的齿，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传动。 1.4.4 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， 5一般两轴交角为 90。 所选传动方式为齿轮传动（根据总体方案选定）。 1.4.5 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 2-4 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、动摩擦系数实际上几乎没有什么差别。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。 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常用有?街郑和庋酚肽谘贰匝窆鲋樗扛艽考?1.5 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，不动的配合面称为支承导轨，运动的配合面称为运动导轨。 1.5.1 导轨的基本类型 导轨按运动轨迹可以分为直线运动导轨和圆周运动导轨；按摩擦性质可以分为滑动导轨和滚动导轨。其中滚动导轨又有普通滑动导轨、液体动压导轨、液体静压导轨之分。滚动导轨按滚动体的形状又可以分为滚珠导轨和滚柱导轨。滚动导轨在进给运动导轨中使用较多。 1.5.2 导轨的基本要求（1）导向精度。导向精度主要是指运动部件沿导轨运动轨迹的直线度（对直线运动导轨）或圆度（对圆周运动导轨）导轨的几何精度直接影响导向精度，因此在导轨检验标准中对纵向直线度及两导轨面平行度都有规定。 影响导向精度的主要因素除制造误差外，还与导轨的结构形式、装配质量、导轨及其支承件的刚度和热变形等有关。（2）耐磨性。耐磨性直接影响机床的精度寿命，是导轨设计、制造的关键，也是衡量机床质量好坏的重要标志。 提高导轨的耐磨性是提高导轨使用寿命的重要途径。影响导轨耐磨性的主要因素有导轨的摩擦性质、材料、热处理及其加工方法、受力情况、润滑和保护等。 （3）刚度。导轨受力后变形会影响部件之间的相对位置和导向精度，因此要求 6导轨有足够高的刚度。导轨变形包括导轨受力后的接触变形、扭转变形、弯曲变形，以及由于导轨支承件的变形而引起的导轨变形。导轨变形主要取决于导轨的形式、尺寸及与支承件的连接方式与受力情况等。 （4）低速运动平稳性。运动部件低速移动时易产生爬行现象。进给运动时出现爬行， 会使工艺系统产生振动，增大被加工表面的粗糙度；定位运动时出现爬行，会降低定位精度， 故要求导轨低速运动平稳。影响导轨低速运动平稳性的因素有：静、动摩擦系数的差值，传动系统的刚度，运动部件的质量及导轨的结构和润滑情况。 1.5.3 常用的导轨及其特点 1滑动导轨 （1滑动导轨的结构 滑动导轨常见的截面形状如图 11 所示。其各个平面所起的作用各不相同。在矩形和三角形导轨中，m 面主要起支撑作用，n 面是保证直线移动精度的导向面，j 面是防止运动部件抬起的压板面；而在燕尾形导轨中，m 面起导向和压 板 作 用 ， j 面 起 支 撑 作 用 。图 12 滑动导轨常见的截面形状a矩形导轨； b三角形导轨； c燕尾槽导轨； d圆柱形导轨 矩形导轨。图 11 所示的矩形导轨制造简单，刚度和承载力大，水平方向和竖直方向上的位移互不影响，因此安装、调整都较方便。m 面既是保证垂直面内直线移动精度的导向面，又是承受载荷的主要支承面；n 面是保证水平面内直线移动精度的导向面。因 n 面磨损后不能自动补偿间隙，所以需要有间隙调整装置。 三角形导轨。图 11 所示的山形导轨及 v 形导轨均称为三角形导轨，当其水平布置时，在竖直载荷的作用下，导轨磨损后能自动补偿，不会产生间隙，因此导向性好。 但压板面仍需要有间隙调整装置。导向性能与顶角有关， 顶角越小，导向性越好；顶角加大，承载能力增加。支承导轨为凸三角形时，不易积存较大切削，也不易积存润滑油。 燕尾槽导轨。图 11 所示的燕尾导轨可视为三角形导轨的变形，磨损后不能自动补偿间隙，需用镶条调整。两燕尾面起压板面作用，用一根镶条就可以调整水平、竖直方向的间隙。这种导轨制造、检验和修理均较复杂，摩擦阻力大。当承受竖直作用力时，它以支承面为主要工作面，其刚度与矩形导轨的相近；当承受颠覆力矩时，其斜面为主要工作面，其刚度较低。燕尾形导轨一般用于高度小的多层移动部件。两个导轨面间的夹角为 55。 7 圆柱形导轨。图 11 所示的圆柱形导轨制造简单，内孔可珩磨，外圆经过磨削可达到精密配合，但磨损后调整间隙困难。为防止转动，可在圆柱表面上开键槽或加工出平面，但不能承受大的转矩。圆柱形导轨主要用于承受轴向载荷的场合，适用于同时作直线运动和转动的场合，如拉床、珩磨机及机械手等。 （2）滑动导轨的组合形式与应用 滑动导轨一般由两条导轨组成，不同的组合形式是为了满足不同机床的工作要求。在数控机床上，滑动导轨的组合形式主要是三角形配矩形式和矩形配矩形式。只有少部分结构采用燕尾式。 双三角形组合。这种导轨同时起支承、导向作用，磨损后相对位置不 变，能自行补偿竖直方向及其水平方向的磨损，导向精度高，但要求 四个表面刮削或磨削后接触，工艺性较差。床身与运动部件热变形不 一样时，不易保证四