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五轴联动毕业论文

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关键词：: 五轴联动丝杠传动陀螺仪

资源描述：

摘要

五轴联动加工中心有高效率、高精度的特点。若配以五轴联动的高档数控系统，还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工，更能够适应像汽车零部件、飞机结构件等现代模具的加工。

本文设计了一台五轴联动机床主轴模型，在XY工作台的基础上叠加两层托板，步进电动机带动轴使其做旋转运动，构成类似陀螺仪的结构。分别实现工作台绕XY轴的转动和移动，再沿Z轴装配一根丝杠完成工作台沿Z轴的上下运动最终实现刀具向各个面进行加工。

主要完成了：模型整体结构设计，各个轴的结构设计及计算、滚珠丝杠、轴承和直线滚动导轨的选择及其强度分析；步进电机的选择及分析。

关键词

Abstract

Five-axis machining center with high efficiency and precision characteristics. If accompanied by high-end CNC five-axis system, can also carry out complex curved surface precision machining, more able to adapt as automotive components, aircraft structural parts and other modern mold processing.

This paper designed a five-axis machine tool spindle model, based on the XY table overlay two pallets, stepper motor drive shaft rotation to do so constitutes a similar gyro structure. Were achieved around the XY axis rotating table and move along the Z axis and then complete the table assembly of a screw up and down movement along the Z axis to the ultimate realization of the various surface processing tool.

Main completed: overall structural design model, each shaft structure design and calculation, ball screws, bearings and linear motion guide the choice and strength analysis; stepper motor selection and analysis.

Keywords five-axis gyro screw drive

摘要1

Abstract2

第一章绪论5

第二章总体方案的设计6

2.1设计任务6

2.2设计方案的论证6

2.2.1传动方式的确定6

2.2.2 陀螺仪机构的设计6

2.3 总体方案的设计及结构组成6

第三章 XY工作台及绕XY旋转工作台的设计8

3.1 XY工作台的设计8

3.1.1主要设计参数及依据8

3.1.2 XY工作台部件进给系统受力分析8

3.1.3初步确定XY工作台尺寸及估算重8

3.2绕XY旋转工作台的设计8

3.2.1主要设计参数及依据8

3.2.2绕XY旋转工作台受力分析9

3.2.3初步选定绕XY旋转工作台的尺寸及重量估计9

3.3 沿Z向移动工作部分设计9

第四章滚珠丝杠副的选型与计算10

4.1滚珠丝杠的选型10

4.2 滚珠丝杠副导程的确定13

4.3 滚珠丝杠副的传动效率14

第五章直线滚动导轨的选型15

5.1定位精度高15

5.2降低机床造价并大幅度节约电力15

5.3可提高机床的运动速度15

5.4可长期维持机床的高精度15

5.5直线滚动导轨副的计算与选型16

5.5.1滑块承受工作载荷F 的计算及导轨型号的选取16

5.5.2距离额定寿命L的计算16

第六章步进电机的参数与选型17

6.1步进电动机的特点17

6.2 步进电动机的分类17

6.2.1反应式步进电动机17

6.2.2永磁式步进电动机17

6.2.3混合式步进电动机17

6.3步进电动机的参数及其选择18

6.3.1步距角的选择18

6.4电动机的转速与功率19

6.5各参素的确定19

6.6初选步进电动机型号20

6.6.1脉冲当量的选择20

6.6.2等效负载转矩的计算20

6.6.3等效转动惯量计算20

6.6.4步进电动机型号选择的计算21

第七章轴、轴承及联轴器的选用26

7.1轴的材料26

7.1.1轴的分类26

7.1.2轴的材料及选择26

7.2 轴的结构设计26

7.2.1轴头、轴颈和轴身26

7.2.2轴上零件的轴向固定和定位27

7.2.3轴的周向固定：27

7.2.4减少应力集中的措施27

7.3轴承的选用28

7.4联轴器的选用28

第八章连接部分32

8.1 螺纹紧固件的联接画法32

致谢34

参考文献35

第一章绪论

五轴联动数控是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术。它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。五轴联动数控机床是发电、船舶、航天航空、模具、高精密仪器等民用工业和军工部门迫切需要的关键加工设备。国际上把五轴联动数控技术作为一个国家工业化水平的标志。

国外五轴联动数控机床是为适应多面体和曲零件加工而出现的。随着机床复合化技术的新发展，在数控车床的基础上，又很快生产出了能进行铣削加工的车铣中心。五轴联动数控机床的应用，其加工效率相当于两台三轴机床，甚至可以完全省去某些大型自动化生产线的投资，大大节约了占地空间和工作在不同制造单元之间的周转运输时间及费用。市场的需求推动了我国五轴联动数控机床的发展，CIMT99展会上，国产五轴联动数控机床登上机床市场的舞台。自江苏多棱数控机床股份有限公司展出第一台五轴联动龙门加工中心以后，北京机电研究院、北京第一机床厂、桂林机床股份有限公司、济南二机床集团有限公司等企业，相继开发了五轴联动数控机床。

当前，国产五轴联动数控机床在品种上，已经拥有立式、卧式、龙门式和落地式的加工中心，适应大小不同尺寸的复杂零件加工，还有五轴联动铣床和大型镗铣床以及车铣中心等，基本涵盖了国内市场的需求。精度上，北京机床研究所的高精度加工中心、宁江机械集团股份有限公司的NJ-5HMC40卧式加工中心和交大昆机科技股份有限公司的TH61160卧式镗铣加工中心都具有较高的精度，可与发达国家的产品相媲美。在产品市场销售上，江苏多棱、济南二机床、北京机电研究院、宁江机床、桂林机床、北京一机床等企业的产品，已获得国内市场的认同。

五轴联动机床通常价格很高，在学校利用毕业设计的机会制作一个五轴联动机构的模型不但对我们所学知识起到很好的巩固作用，同时如果将其完善可以做成实物作为教学之用，具有很好的现实意义。

内容简介：: 1 摘要五轴联动加工中心有高效率、高精度的特点。若配以五轴联动的高档数控系统，还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工，更能够适应像汽车零部件、飞机结构件等现代模具的加工。本文设计了一台五轴联动机床主轴模型，在 XY 工作台的基础上叠加两层托板，步进电动机带动轴使其做旋转运动，构成类似陀螺仪的结构。分别实现工作台绕 XY 轴的转动和移动，再沿 Z 轴装配一根丝杠完成工作台沿 Z 轴的上下运动最终实现刀具向各个面进行加工。主要完成了：模型整体结构设计，各个轴的结构设计及计算、滚珠丝杠、轴承和直线滚动导轨的选择及其强度分析；步进电机的选择及分析。关键词五轴联动丝杠传动陀螺仪 nts 2 Abstract Five-axis machining center with high efficiency and precision characteristics. If accompanied by high-end CNC five-axis system, can also carry out complex curved surface precision machining, more able to adapt as automotive components, aircraft structural parts and other modern mold processing. This paper designed a five-axis machine tool spindle model, based on the XY table overlay two pallets, stepper motor drive shaft rotation to do so constitutes a similar gyro structure. Were achieved around the XY axis rotating table and move along the Z axis and then complete the table assembly of a screw up and down movement along the Z axis to the ultimate realization of the various surface processing tool. Main completed: overall structural design model, each shaft structure design and calculation, ball screws, bearings and linear motion guide the choice and strength analysis; stepper motor selection and analysis. Keywords five-axis gyro screw drive nts 3 目录摘要 1 Abstract 2 第一章绪论 5 第二章总体方案的设计 6 2.1 设计任务 6 2.2 设计方案的论证 6 2.2.1传动方式的确定 6 2.2.2 陀螺仪机构的设计 6 2.3 总体方案的设计及结构组成 6 第三章 XY 工作台及绕 XY 旋转工作台的设计 8 3.1 XY 工作台的设计 8 3.1.1主要设计参数及依据 8 3.1.2 XY工作台部件进给系统受力分析 8 3.1.3 初步确定 XY 工作台尺寸及估算重 8 3.2 绕 XY 旋转工作台的设计 8 3.2.1 主要设计参数及依据 8 3.2.2 绕 XY 旋转工作台受力分析 9 3.2.3 初步选定绕 XY 旋转工作台的尺寸及重量估计 9 3.3 沿 Z 向移动工作部分设计 9 第四章滚珠丝杠副的选型与计算 10 4.1 滚珠丝杠的选型 10 4.2 滚珠丝杠副导程的确定 13 4.3 滚珠丝杠副的传动效率 14 第五章直线滚动导轨的选型 15 5.1 定位精度高 15 5.2 降低机床造价并大幅度节约电力 15 5.3 可提高机床的运动速度 15 5.4 可长期维持机床的高精度 15 5.5 直线滚动导轨副的计算与选型 16 5.5.1 滑块承受工作载荷 Fmax 的计算及导轨型号的选取 16 5.5.2 距离额定寿命 L 的计算 16 第六章步进电机的参数与选型 17 6.1 步进电动机的特点 17 6.2 步进电动机的分类 17 6.2.1 反应式步进电动机 17 6.2.2 永磁式步进电动机 17 6.2.3 混合式步进电动机 17 6.3 步进电动机的参数及其选择 18 6.3.1 步距角的选择 18 6.4 电动机的转速与功率 19 6.5 各参素的确定 19 nts 4 6.6 初选步进电动机型号 20 6.6.1 脉冲当量的选择 20 6.6.2 等效负载转矩的计算 20 6.6.3 等效转动惯量计算 20 6.6.4 步进电动机型号选择的计算 21 第七章轴、轴承及联轴器的选用 26 7.1 轴的材料 26 7.1.1 轴的分类 26 7.1.2 轴的材料及选择 26 7.2 轴的结构设计 26 7.2.1 轴头、轴颈和轴身 26 7.2.2 轴上零件的轴向固定和定位 27 7.2.3 轴的周向固定： 27 7.2.4 减少应力集中的措施 27 7.3 轴承的选用 28 7.4 联轴器的选用 28 第八章连接部分 31 8.1 螺纹紧固件的联接画法 31 致谢 33 参考文献 34 nts 5 第一章绪论五轴联动数控是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术。它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。五轴联动数控机床是发电、船舶、航天航空、模具、高精密仪器等民用工业和军工部门迫切需要的关键加工设备。国际上把五轴联动数控技术作为一个国家工业化水平的标志。国外五轴联动数控机床是为适应多面体和曲零件加工而出现的。随着机床复合化技术的新发展，在数控车床的基础上，又很快生产出了能进行铣削加工的车铣中心。五轴联动数控机床的应用，其加工效率相当于两台三轴机床，甚至可以完全省去某些大型自动化生产线的投资，大大节约了占地空间和工作在不同制造单元之间的周转运输时间及费用。市场的需求推动了我国五轴联动数控机床的发展， CIMT99 展会上，国产五轴联动数控机床登上机床市场的舞台。自江苏多棱数控机床股份有限公司展出第一台五轴联动龙门加工中心以后，北京机电研究院、北京第一机床厂、桂林机床股份有限公司、济南二机床集团有限公司等企业，相继开发了五轴联动数控机床。当前，国产五轴联动数控机床在品种上，已经拥有立式、卧式、龙门式和落地式的加工中心，适应大小不同尺寸的复杂零件加工，还有五轴联动铣床和大型镗铣床以及车铣中心等，基本涵盖了国内市场的需求。精度上，北京机床研究所的高精度加工中心、宁江机械集团股份有限公司的 NJ-5HMC40卧式加工中心和交大昆机科技股份有限公司的 TH61160卧式镗铣加工中心都具有较高的精度，可与发达国家的产品相媲美。在产品市场销售上，江苏多棱、济南二机床、北京机电研究院、宁江机床、桂林机床、北京一机床等企业的产品，已获得国内市场的认同。五轴联动机床通常价格很高，在学校利用毕业设计的机会制作一个五轴联动机构的模型不但对我们所学知识起到很好的巩固作用，同时如果将其完善可以做成实物作为教学之用，具有很好的现实意义。 nts 6 第二章总体方案的设计 2.1 设计任务本次设计任务是设计一台用于实验室教学用的五轴联动机床主轴模型，机构组要部件为步进电动机、滚珠丝杠副、滚珠直线导轨副、滚动轴承、工作台等。要求能够用所设计的模型清晰的反映出五轴联动机床一次完成加工各个工作面的工作过程，能够模拟出其控制刀架实现工件各个面加工的过程，设计时应兼顾各层次的安装尺寸和装配工艺。 2.2 设计方案的论证以学校数控实验室 XY 工作台为原型，在 XY 工作台上安装一支撑架用步进电机带动一平板使其绕 X轴旋转，用同样的方法在绕 X轴的平板上安装一支撑轴用电机带动另一平台使其绕 Y轴旋转，做成一个类似陀螺仪的机构。最后，在绕 Y轴旋转的平台上安装一支撑架用电机带动滚珠丝杠副使其完成沿 Z 轴移动的过程，与自动换刀系统共同使用可以模拟出五轴联动机床的工作过程，不过在我的设计中不要求画出工作台沿 Z轴移动的部分。 2.2.1 传动方式的确定在整个系统中，第一部分 XY 工作台采用电机带动滚珠丝杠副控制工作台沿XY方向的移动，第二部分采用电机带动轴用平键与托板的连接控制托板 3、 4分别做绕 XY轴的旋转运动。 2.2.2 陀螺仪机构的设计由于设计要求工作绕 XY轴的旋转角度应达到 30 60，所以在设计第三、四块托板高度的时候应注意要能让电机带动托板使其达到合理的旋转范围而不至于让其碰到底板；同时不至于将支撑板的结构设计的过高，造成布局不合理的情况。并在支撑板的合理位置安装传感器用于检测和控制托板使其在合理的工作范围内运动。 2.3 总体方案的设计及结构组成根据设计要求，最终用如下图 2-3-1 五轴联动机床主轴设计示意图的结构来实现 nts 7 图 2-3-1 五轴联动机床主轴设计示意图 nts 8 第三章 XY 工作台及绕 XY旋转工作台的设计 3.1 XY工作台的设计 3.1.1 主要设计参数及依据本设计的 XY工作台的参数定为： 1）工作台行程：横向 800mm，纵向 400mm 2）工作台最大尺寸（长宽高）： 1050 650 430mm 3）工作台最大承载重量： 20Kg 4）脉冲当量： 0.001mm/pluse 5）进给速度： 60平方毫米 /min 6）表面粗糙度： 0.8 1.6 7）设计寿命： 10年 3.1.2 XY 工作台部件进给系统受力分析在 XY 工作台中，异步电动机 1 所受的作用力最大，应根据托板 2、 3、 4 的重量选用正确的电机型号。 XY工作台部件由工作台、中间滑台、底座等零部件组成 ,各自之间均以滚动直线导轨副相联 ,以保证相对运动精度。设下底座的传动系统为横向传动系统，即 X向，上导轨为纵向传动系统，即Y向。一般来说 ,机床的滚动直线导轨的摩擦力可忽略不计 ,但滚珠丝杠副 ,以及齿轮之间的滑动摩擦不能忽略 ,这些摩擦力矩会影响电机的步距精度。另外由于采取了一系列的消隙、预紧措施 ,其产生的负载波动应控制在很小的范围。 3.1.3 初步确定 XY 工作台尺寸及估算重初定工作台 1 尺寸 (长宽高度 )为 : 900 240 60mm，材料为 HT200，查资料得到 HT200的密度为： 7.9千克 /立方分米所以，估算工作台 1的重量 W1=125N 工作台 2的尺寸 (长宽高度 )为： 450 240 60mm，材料为 HT200。所以估算的工作台 2的重量 W2=80N 3.2 绕 XY 旋转工作台的设计 3.2.1 主要设计参数及依据本设计的绕 XY 轴旋转工作台的参数定为： nts 9 工作台绕 X轴的旋转角度 0 30 60）绕 Y轴的旋转角度 0 30 60）初定：绕 Y 旋转工作台的托板最大尺寸（长宽高）： 310 240 150mm 绕 X 旋转工作台的托板最大尺寸（长宽高）： 270 200 135mm 绕 X 轴旋转工作台的尺寸 160 160 10mm 工作台最大承载重量： 10Kg 脉冲当量： 0.001mm/pluse 表面粗糙度： 0.8 1.6 设计寿命： 10年 3.2.2 绕 XY 旋转工作台受力分析异步电机带动轴 3旋转，轴 3与绕 X轴旋转的托板通过平键的连接传递动力，电机 3 需要承受的力包括使托板 4、 5 转动所需的力以及板 4 中电机的重力，要求能通过电机的控制使其在合理的范围内正常的运转。 3.2.3 初步选定绕 XY 旋转工作台的尺寸及重量估计设绕 Y旋转工作台的托板最大尺寸（长宽高）： 310 240 150mm 材料为 HT200，查资料的 HT200的密度为 7.9千克 /立方分米所以，估算工作台 3的重量 W3=58N 绕 X旋转工作台的托板最大尺寸（长宽高）： 270 200 135mm 材料为 HT200，查资料的 HT200的密度为 7.9千克 /立方分米所以，估算工作台 4的重量 W4=45N 绕 X轴旋转工作台的尺寸 160 160 10mm 材料为 HT200，查资料的 HT200的密度为 7.9千克 /立方分米所以，估算工作台 5的重量 W5=120N 另外估计其它零件的重量约为 G=80N 则下托座导轨副所承受的最大负载 W为 : W=W1+W2+W3+W4+W5+G=125+80+58+45+35+120=463N 3.3 沿 Z 向移动工作部分设计在我设计的五轴联动主轴的基础上，再次利用滚珠丝杠能够将电机的 2旋转运动转换为直线运动，在绕 X轴旋转的工作台上用肋板支撑电机，滚珠丝杠将电机的动力转化成直线运动，使丝杠顶端的工作台沿 Z轴做直线运动。因我的设计中不要求画出其结构，所以仅在此写出其设计思路。 nts 10 第四章滚珠丝杠副的选型与计算 4.1 滚珠丝杠的选型滚珠丝杠副是在丝杠和螺母的滚道之间放入适当的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。其作用是将螺旋运动转变为直线运动或将直线运动转变为螺旋运动。丝杠或螺母转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置，滚珠通过此装置自动返回其入口，形成循环回路。滚珠丝杠副具有传动效率高，运动平稳，使用寿命长的特性，广泛应用于各种工业设备，精密仪器和数控机床等。滚珠丝杠副由专门工厂制造，当型号计算选定后，可以外购或定制。滚珠丝杠副按照滚珠的循环方式可分为内循环滚珠丝杠和外循环滚珠丝杠，下面通过比较其各自的特点对系统中需要使用的滚珠丝杠进行选择。内循环滚珠丝杠副如图 4-1 所示，滚珠在循环回路中始终和螺杆接触，螺母上开有侧孔，孔内有反向器将相邻两螺纹滚道联通，滚珠越过螺纹顶部进入相邻滚道，行成一个循环回路。内循环的每一封闭循环滚道只有一圈滚珠，滚珠的数量较少，因此流动性好、摩擦损失小、径向尺寸小。但反向器及螺母上的定位孔的加工要求较高。图 4-1内循环滚珠丝杠外循环滚珠丝杠的特点，如下图所示为螺旋槽式外循环滚珠丝杠。它是在螺母的外表面上铣出一个供滚珠返回的螺旋槽，其两端钻有圆孔，与螺母上的内滚nts 11 道相联通。在螺母的滚道上装有挡珠器，引导滚珠从螺母外表面上的螺旋槽返回滚道，循环到工作滚道的另一端。这种结构的加工工艺比内循环滚珠丝杠好，故应用较方便，但缺点是挡珠器的形状复杂且容易磨损。图 4-2 螺旋槽式外循环滚动螺旋传动根据两种螺旋传动的特点我选用螺旋槽式外循环螺旋传动作为作为系统 XY工作台的传动机构。滚珠丝杆副的支撑形式采用双推减支的支撑形式其特点是： 1.临界转速、压杆稳定性较高 2. 丝杠有热膨胀的余地 3.以用于较长的卧式安装的丝杠在五轴联动系统中，其第一层和第二层的工作台都是在步进电动机的控制下，运用滚珠丝杠副将步进电动机的旋转运动转变为直线运动，在滚珠丝杠带动下是工作台沿 XY方向做直线运动。设计要求：工作台沿 X向的有效行程 800mm 工作台沿 Y向的有效行程 400mm 滚珠丝杠副的传动关系如下图 4-3所示： nts 12 图 4-3 滚珠丝杠副的传动关系图根据机床的受力情况及结构尺寸，其安装尺寸启东润泽机床附件有限公司生产的 FL、 LL系列滚珠丝杠副，其中 FL为浮动反向器内循环式滚珠丝杠副。两种丝杠副均为双螺母结构，采用螺纹调整预紧，安装连接尺寸完全相同，具体型号如下： X 向： FL 3206 900 800 Y 向： FL2506 450 400 其尺寸参数如下： X向：规格 L e 3206 900 800 Dw 3.9688 d 1 38.8 L1 35 d 3 25 D 60 D3 80 B 10 L2 122 L3 82 平键尺寸 GB/T1096 2003 6 6 55 小圆螺母 GB/T812 1988 M45 2 额定载荷动载荷 Ca 13.2 静载荷 Coa 37.4 Y向：规格 L e 2506 450 400 Dw 3.5 d 1 24 L1 25 d 3 17 D 45 D3 62 B 8 L2 95 L3 66 平键尺寸 GB/T1096 2003 6 6 50 小圆螺母 GB/T812 1988 M45 1.5 nts 13 额定载荷动载荷 Ca 10.4 静载荷 Coa 22.2 图 4-4 滚珠丝杠的结构示意图因 Y向的滚珠丝杆比 X向的滚珠丝杆所受的负载大，现只计算 Y 向丝杆的相关数据， X向根据 Y向的结果相同选用即可满足要求。具体计算如下： 4.2 滚珠丝杠副导程的确定轴向负荷计算公式： aF =F+UW（ 3-1）式中 F 切削力， F=0 W 工件重量加工作台重量 W=455N U 滚动导轨上的滚动动摩擦系数约为 U=0.005 则根据式（ 3.1）： aF= 0.005 463=2.315N XY工作台滚珠丝杠是在低速条件下工作的。故本处的 Go=（ 0.2-0.3），a F=2.315N。对照样本参数 ,这里的 Go非常小，nts 14 选定导程为 6的滚珠丝杠副。 4.3 滚珠丝杠副的传动效率滚珠丝杠副的传动效率为 : / ( )tg tg （ 3-2）式中滚珠丝杠的螺纹升角当量摩擦角根据当量摩擦系数和当量摩擦角关系（见表 3-1），前面已经定 v=1m/s，材料选择灰铸铁 HRC45 。所以： =400 ， tg =0.0025 ；因为 =arctg（ Ph/ d）（ 3-3）则根据式（ 3-2）得： 0.953。表 4-1 当量摩擦系数 f 和当量摩擦角齿圈材料锡青铜无锡青铜灰铸铁齿面硬度 HRC45 其它 HRC45 HRC45 其它相对速度 s m/s f f f f f 0.01 0.05 0.10 0.25 0.50 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 4 5 8 10 15 24 0.110 0.090 0.080 0.065 0.055 0.045 0.040 0.035 0.030 0.028 0.024 0.022 0.018 0.016 0.014 0.013 617 509 434 343 309 235 217 200 143 136 122 116 102 055 048 045 0.120 0.100 0.90 0.075 0.065 0.055 0.05 0.045 0.040 0.035 0.031 0.029 0.026 0.024 0.020 651 543 509 417 343 309 252 235 217 200 147 140 129 122 109 0.180 0.140 0.130 0.100 0.090 0.070 0.065 0.055 0.05 0.045 0.040 0.035 0.03 1012 758 724 543 509 400 343 309 252 235 217 200 143 0.180 0.140 0.130 0.100 0.090 0.070 0.065 0.055 10 2 758 724 543 509 400 343 309 0.190 0.160 0.140 0.120 0.100 0.090 0.080 0.070 1045 905 758 651 549 509 434 400 nts 15 第五章直线滚动导轨的选型导轨主要分为滚动导轨和滑动导轨两种，直线滚动导轨在数控机床中有广泛的应用。相对普通机床所用的滑动导轨而言，它有以下几方面的优点： 5.1 定位精度高直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的 1/50。由于动摩擦与静摩擦系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少 90%，因此，可将机床定位精度设定到超微米级。 5.2 降低机床造价并大幅度节约电力采用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小，特别适用于反复进行起动、停止的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，减轻了重量，使机床所需电力降低 90%，具有大幅度节能的效果。 5.3 可提高机床的运动速度直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率 20 30%。 5.4 可长期维持机床的高精度对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度的误差是无法避免的。在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。同时，由于使用润滑油也很少，大多数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易了。所以在结构上选用：开式直线滚动导轨。 nts 16 5.5 直线滚动导轨副的计算与选型 5.5.1 滑块承受工作载荷 Fmax 的计算及导轨型号的选取工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。在我的设计中处于工作台底层的 X-Y 工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支撑形式。由于考虑到最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： Fmax= FG4（ 5-1）其中，移动部件重量估算为 600N，由于可能会有外加载荷设为 F=240N，得到最大工作载荷 Fmax=390N=0.39 kN 查表可得，根据工作载荷 Fmax=0.39Kn，初选直线滚动导轨副的型号为 KL系列的 JSA LG15 型，其额定载荷 Ca=7.94kN,额定静载荷 Ca0=9.5 kN 任务书规定工作台台面尺寸为 160 160， X 向的导程为 800 mm,Y 向的导程为 400mm,查表可得，考虑到工作行程应留有一定的余量，查表可得，按标准系列，导轨的长度 820 400mm。 5.5.2 距离额定寿命 L 的计算上述选取的 KL系列 JSA LG15型导轨副的滚道硬度为 60HRC,工作温度不超过 100 ，每根导轨上配有两只滑块，精度为 4级，工作速度较低，载荷不大。查表分别取硬度系数 fH =1.0、温度系数 fT =100、接触系数 fC=0.81、精度系数fR =0.9、载荷系数 fW=1.5,带入式（ 5-2）中。得距离寿命： L=(maxFCf ffff awRCTH)3 50 6649km 远大于期望值 50 km，故距离满足额定寿命满足要求 nts 17 第六章步进电机的参数与选型 6.1 步进电动机的特点步进电动机也叫脉冲电动机，它是一种将电脉冲信号转换为机械角位移的执行原件。步进电动机输出的角位移与输入的脉冲个数成正比，在时间上与脉冲同步。因此，只要控制输入脉冲的数量、频率和电动机的绕组的通电顺序，便可以获得所需要的转角、转速以及转动的方向。当无脉冲输入时，在绕组电流的激励下，步进电动机可以锁相。步进电动机结构简单、制造容易、价格低廉。它的转子转动惯量小、动态响应快、易于起停正反转和无级变速也容易实现。其缺点主要表现在：低频时有震荡、速度不够均匀、在高速时输出转矩减小。 6.2 步进电动机的分类步进电动机的种类很多，按其运动的方式可分为旋转式步进电动机和直线式步进电动机；按其输出转矩的大小可以分为快速步进电动机和功率步进电动机；按其励磁绕组的相数可以分为两相、三相、四相、五相和六相步进电动机；按其工作原理可分反应式、永磁式和混合式步进电动机。 6.2.1 反应式步进电动机反应式步进电动机的定子和转子不含永久磁铁，定子上绕有一定数量的绕组线圈，线圈轮流通电时，便产生一个旋转的磁场，吸引转子一步一步地转动。绕组线圈一旦断电，磁场即消失，所以反应式步进电动机掉电后不自锁。此类电动机结构简单、材料成本低、驱动容易，定子和转子加工方便，步距角可以做的较小，但动态性能差一些，容易出现低频振荡现象，电动机温升较高。 6.2.2 永磁式步进电动机永磁式步进电动机的转子由永久磁钢制成，定子上的绕组线圈在换相通电时，不需要太大的电流，绕组断电时具有自锁能力。这种电动机的特点是动态性能好、输出转矩大、驱动电流小、电动机不易发热，但制造成本高。由于转子受磁钢加工的限制，因而步距角较大，与之配套的驱动电源一般要求具有细分功能。 6.2.3 混合式步进电动机混合式步进电动机的转子上嵌有永久磁钢，可以说是永磁型，但从钉子和转子的导磁体来看，又和反应式相似，所以是永磁式和反应式相结合的一种形式，故称为混合式。该类电动机的特点是输出转矩大、动态性能好、步距角小、驱动电源电流小、功耗低，但结构稍复杂，成本相对较高。因为混合式步进电动机的nts 18 性价比较高，所以目前得到了广泛的应用。 6.3 步进电动机的参数及其选择如何正确选用步进电动机是一项重要的工作，它需要与系统总体设计相协调。首先要合理选择电动机的功率。通常根据生产机械负载的需要来选择电动机的功率，同时，还要考虑负载的工作制问题，也就是说，所选的电动机应适应机械负载的连续、短时或间断周期工作性质。功率选用时不能太大，也不能太小。选小了，保证不了电动机和生产机械的正常工作；选大了，虽然能保证正常运行，但是不经济，电动机容量不能被充分利用，而且电动机经常不能满载运行，使得效率和功率因数不高。其次，根据电源电压条件，要求所选用的电动机的额定电压与频率同供电电源电压与频率相符合。电动机的转速一定要按生产机械铭牌上的要求选择，否则可能改变生产机械的性能。此外，电动机的结构、防护、冷却和安装形式，应适应使用环境条件的要求，并且要力求安装、调试、检修方便，以保证电机能安全可靠的运行 6.3.1 步距角的选择步距角是在一个电脉冲信号的作用下，步进电动机转过的机械角位移。它与步进电动机的相数 m、转子齿数 z以及绕组的通电方式有关。步进电动机的步距角计算公式为： =360 / (z m K) （ 6-1）（ 1）最大静转矩（保持转矩） T jmax 最大静转矩是指步进电动机在通电状态下，使转子离开平衡位置是的极限转矩值，它反映了步进电动机承受外加转矩的特性。最大静转矩也叫保持转矩，它是步进电动机最重要的参数之一。当我们说一台步进电动机的转矩是 12Nm时，在没有特殊说明的情况下，通常就是指该电动机的最大静转矩。在步进电动机的产品样本中，均可查到最大静转矩或保持转矩（在额定电流和规定的通电方式下）。（ 2）起动转矩 Tq 步进电动机的起动转距是指步进电动机单相绕组励磁时所能带动的极限负载转矩。它可以通过最大静转矩 Tjmax进行折算，如下表所示步进电动机的起动转矩与最大静转矩的关系（ T q/Tjmax）电动机相数 3 4 5 运行拍数 3 6 4 8 5 10 起动转矩 / 最大静转矩 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 nts 19 (3) 距频特性步进电动机的输出转矩与运行频率有关。一般来说，随着运行频率的升高，输出转矩逐渐下降。输出转矩与频率的关系称作矩频特性。步进电动机的矩频特性有两种，一种是起动距频特性，另一种是运行矩频特性。对于给定的负载转矩 Tl，电动机在小于 fs的频率范围内可以不失步地直接起动；在 fsfe 之间可以连续运行，但不能直接起动；当频率超过 fe 时，步进电动机就会失步或堵转。（ 4）定位转矩系统如果断电，允许被控对象处于自由位置，则可选用反应式步进电动机；如果不允许被控对象处于自由状态，则应选永磁式或混合式步进电动机，这两种电动机在断电的状态下均有一定的定位转矩。 6.4 电动机的转速与功率同一功率的异步电机有几种转速。一般来说，电动机的同步转速愈高，磁数极对数愈少，外廓尺寸愈小，价格愈低；反之，转速愈小，外廓尺寸愈大，价格愈高。在一般机械中，用得最多的是同步转速为 1500 或 30000转每分钟的电机。电机的功率选择是否合适，对电动机的正常工作和经济性都有影响。功率选的过大，则电动机价格高，且经常不在满载下运行，电动机功率和功率因数都较低，造成很大的浪费；功率选小，不能保证正常的工作或使电动机长期过载而过早损坏。故电动机的功率略大于生产机械要求就可以了。 PN=PN / c F （ 6-2） PN-生产机械的负载功率； c-电动机与生产机械间传动装置的效率。带传动时， c=0.980.99 F-生产本身的效率 6.5 各参素的确定 1. 各拖板重量 W 455N 2. 拖板与导轨贴塑板间摩擦系数 U=0.12 3. 最大走刀抗力 FZ（与运动方向相反） =200N 4. 最大主切削力 FY（与导轨垂直） =250N 5. 拖板进给速 V1 =10500毫米 /分 6. 车刀空行程速度 V2 =200毫米 /分 7. 滚珠丝杆导程 L=6毫米 nts 20 8. 滚珠丝杆节圆直径 d0 =32毫米 9. 丝杆总长 L=1000 毫米 10.定位精度 0.01 毫米 6.6 初选步进电动机型号 6.6.1 脉冲当量的选择脉冲当量：一个指令脉冲使步进电动机驱动拖动的移动距离 =0.01mm/p （输入一个指令脉冲工作台移动 0.01毫米）初选之相步进电动机的步距角 0.75 /1.5 ，当三相六拍运行时，步距角 =0.75 其每转的脉冲数 S=360 /0.75=480p/r 步进电动机与滚珠丝杆间的传动比 i i=L/ s=6/0.01 480=1.25 （ 6-3） 6.6.2 等效负载转矩的计算空载时的摩擦转矩 T LF T LF =uwl/2 I （ 6-4） =0.06 455 0.2/2 3.14 0.8 1.25 =0.81N.m 6.6.3 等效转动惯量计算 1)滚珠丝杆的转动惯量 Js= d04lp/32 (6-5） nts 21 =3.14 )032.0( 4 1 7.85 10 =8.1 104 m 2 2）拖板的运动惯量 Jw= )(lgw (6-6) = 2)2.0(8.9455 =0.188 m 2 6.6.4 步进电动机型号选择的计算 1）根据步进电机的计算与选型，求得加在步进电机转轴上的总转动惯量 Jeq ；2)计算不同工况下加在步进电机转轴上的等效负载转 Teq； 3）取其中最大的等效负载转矩，作为确定步进电动机最大静转矩的依据； 4）根据运行距频特性、起动惯频特性等，对粗选的步进电机进行校核。 1.加在步进电机转轴上的总转动惯量 Jep是进给系统伺服系统的主要参数之一，它对选择电动机具有重要意义。 Jep主要包括电动机转子的转动惯量、减速装置与滚珠丝杠以及移动部件等折算到电动机转轴上的转动惯量等。 Jep的具体算法如下 : 丝杠的转动惯量：设丝杠的质量 mj 20N Jep=82Dmj (6-7) =8 )1032(2023 =2.5 103 N/m3 nts 22 1. 步进电机转轴上的等效负载转矩 Tep步进电动机转轴所受的负载转矩在不同工况下是不同的。通常考虑两种情况 :一种情况是快速空载启动（工作负载为 0），另一种情况是承受最大工作负载。下面分别进行讨论：（ 1）快速空载起动时电机转轴所受的负载转轴 T1eqT1eq=Tmax+Tf+T0(6-8) =0.654+6.52=7.17 N.m Tmax快速空载起动时折算到电机转轴上的最大加速转矩，单位 N.m Tf 移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩，单位 N.m T0滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，单位 N.m Tmaxa=Jeq =ameqt n60J2 (6-9) =5.060 1250105.214.323 =0.654 N.m nm=360max v= 01.0360 75.060001250r/min vmax纵向空载最快移动速度，在系统中为 6000mm/min；步进电机的步距角，为 0.75；脉冲当量，为 0.01mm/min Jeq步进电动机转轴上的总转动惯量，单位为 Kg.m2 nts 23 电动机转轴的角加速度，单位为 rad/s2 nm电动机的转速，单位为 r/min; ta电动机加速所用时间，单位为 s,一般在 0.31 之间选取。取ta=0.5s 2)移动部件运动时间折算到电机转轴上的摩擦转矩 : 五轴联动毕业论文摘要五轴联动加工中心有高效率、高精度的特点。若配以五轴联动的高档数控系统，还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工，更能够适应像汽车零部件、飞机结构件等现代模具的加工。本文设计了一台五轴联动机床主轴模型，在XY工作台的基础上叠加两层托板，步进电动机带动轴使其做旋转运动，构成类似陀螺仪的结构。分别实现工作台绕XY轴的转动和移动，再沿Z轴装配一根丝杠完成工作台沿Z轴的上下运动最终实现刀具向各个面进行加工。主要完成了：模型整体结构设计，各个轴的结构设计及计算、滚珠丝杠、轴承和滚动的及其度分步进电机的及分。五轴联动丝杠动陀螺仪AbstractFive-axis machining center with high efficiency and precision characteristics. If accompanied by high-end CNC five-axis system, can also carry out complex curved surface precision machining, m

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