【JD023】三坐标数控磨床设计[3A0]【机电一体化毕业设计论文】【优秀】【通过答辩】
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山东大学 毕业设计（论文） 题 目 ： 三坐标数控磨床 专 业： 机电一体化 工程 学 生： 准考证号： 指导老师： 毕业设计（论文）时间： 年 月 日 年 月 日 摘 要 现代制造技术，如柔性制造系统、计算机集成制造系统、并行工程、精益生产、敏捷制造等正在我国兴起并逐步实施。作为以上各项现代化生产哲理和生产模式的最低层设备 控机床不仅能提高产品的质量、生产效率、降低生产成本，还能大大改善工人的劳动条件。本次设计的就是数控机床的一种，即三坐标数控磨床 三坐标数控磨床的工作原理是：用数控磨床加工曲面零件时，首先应编制该曲面零件的加工程序，这是数控曲面磨床的工作指令。将加工程序输入数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变速、启动、 停止、进给运动的方向、速度和位移量，以及工件装夹和冷却润滑的开关等动作，使刀具与被加工零件以及其它辅助装置 三坐标数控磨床主要有控制介质、数控装置、伺服系统、机床主机和测量反馈装置等五部分组成。 关键字 ：三坐标 数控磨床 工作原理 组成 as is As of is of of is a NC NC NC be of NC to by NC NC of NC 录 第一章 概论 . 1 控机床的产生与发展 . 1 谓数控机床 . 1 控机床的应用范围 . 2 控机床的基本组成 . 2 控机床的分类 . 2 控机床的工作过程 . 2 控机床的特点 . 3 削概论 . 3 坐标数控磨床 . 3 第二章 总体结构设计 . 7 高机床的结构刚度的设计 . 7 高机床的抗振性的措施 . 高机床灵敏度 . 三章 进给 伺服系统结构设计 . 给伺服系统的作用 . 给伺服系统的设计要求 . 给伺服系统的组成 . 给伺服系统的分类 . 伺服 系统的数学模型 . 给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析 . 动元件的设计 . 错误 !未定义书签。 械传动部件的设计 . 20 第四章 床身与导轨 . 错误 !未定义书签。 身设计 . 错误 !未定义书签。 轨设计 . 错误 !未定义书签。 第 五 章 控制系统设计 . 错误 !未定义书签。 定硬件电路的总体方案 . 错误 !未定义书签。 控制器 选择 . 错误 !未定义书签。 储器扩展电路设计 . 错误 !未定义书签。 !未定义书签。 流伺服电机驱动电路 . 错误 !未定义书签。 轴电机驱动电路 . 错误 !未定义书签。 界报警 . 错误 !未定义书签。 程序 . 错误 !未定义书签。 设计小结 . 错误 !未定义书签。 致谢 .考文献 .山东大学本科毕业设计（论文） 第 1 页 第一章 概论 1952 年，美国麻省理工学院成功的研制出一套三坐标联动，利用脉动乘法器原理的实验性数控系统，并把它装在一台立式铣床上。当时用的电子元件是电子管，这就是世界上的第一台数控机床。 1959年，数控装置中广泛采用电子管和印刷电路板，从而跨入数控的第二代。 1965年，出现了小规模集成电路，由于它体积小、功耗低，使数控系统的可靠性得以进一步提高，从此数控发展到第三代。 1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上首次展出的数控系统采用计算机数控系统的机床，这便是数控的第四代。 1974年，出现了第五代数控系统（ 我国是从 1958年开始研制数控技术的，一直到 60年代中期处于研制、开发时期。当时，一些高等院校、科研单位研制出实验样机，开发也是从电子管开始的。 1965 年国内开始研制晶体管数控技术。从 70年代开始，数控技术在车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工等领域全面展开，数控加工中心在上海、北京研制成功。在这一时期，数控线切割机床由于结果简单、使用方便、价格低廉，在模具加工中得到了推广。 80 年代我国数控机床有了新的发展。 90年代以及接下来主要是向高档数控机床发展。 谓数控机床 数控机床是一种综合应用了微电子技术、计算机技术、自动控制、精密测量和机床结构等方面的最新成就而发展起来的高效自动化精密机床，是一种典型的机电一体化产品。它是机械加工自动化的核心设备。 山东大学本科毕业设计（论文） 第 2 页 控机床的应用范围 数控机床在加工下面这些零件中更能显示出它的优越性： 批量小（ 200 件以下）而又多次生产的零件；在加工过程中必须进行多种加工的零；几何形状复杂的零件；切削余量大的零件；必须控制公差（即公差范围小）的零件；工艺设计经常变化的零件；加工过程中的错误会造成严重浪费的贵重零件；需要全部检 测的零件。 控机床的基本组成 如图所示： 控机床的分类 控磨床、数控铣床、数控折弯机等 位控制数控机床（如：数控钻床、数控坐标铣床）；直线控制数控机床（如：数控车床、加工中心）；轮廓控制数控机床（如：数控磨床） 3. 伺服系统的类型分类：开环数控机床、闭环数控机床、半闭环数控机床 次设计的三坐标数控磨床属于金属切削类，半闭环轮廓控制的数控机床。 控机床的工作过程 在上述工作过程中，要求数控机床使用者完成的 工作主要是工艺分析和数控编程（有手工编程、自动编程、计算机辅助编程三种方法），并将程序存到存储介质上，其它步骤都是由山东大学本科毕业设计（论文） 第 3 页 数控系统和机床自动进行的。 数控机床作为一种高自动化、高柔性的加工设备，具有以下特点： （ 1）适应范围广 （ 2）生产准备周期短 （ 3）生产效率和加工精度高 （ 4）工序高度集中（ 5）能完成复杂型面的加工 （ 6）技术含量 高 削概论 磨削是指用砂轮等固结的磨具进行加工的过程，是机械加工的重要方法。从当前掌握的先进技术的情况来看，美国、俄罗斯、德国、英国和日本 等国家居于前列。我国的磨削技术在建国后得到了很大的发展，现在已门类比较齐全。同其它加工方法相比，磨削加工具有以下特点： （ 1）能获得很高的加工精度 （ 2）能适应各种不同性质的材料加工 （ 3）能获得较高的生产率 （ 4）适应性广 三坐标数控磨床 本次设计的三坐标数控磨床主要是对总体结构、工作台、主轴箱等的机械部分的设计，以及整机电气控制部分的设计。 机械部分如下： 1)主要用途和适用范围 三坐标数控磨床是三轴联动的经济型数控机床 . 利用三轴联动来形成砂轮与工件的相对运动，通过更换不同的砂轮来达到各 种不同的形状尺寸的要求。可以精确高效的完成平面内各种复杂曲线的零件的自动加工。更能完成复杂曲面的加工，且获得高的精度。因为通过数控，加工时不通过模具就能保证零件的加工精度，提高了劳动生产率，具有较高的性能价格比。本磨床属中型磨床，适用于企业的模具、异型零件的加工。 山东大学本科毕业设计（论文） 第 4 页 2）机床的基本参数 名称 参数 工作台面宽度 长度 420300作台 300作台 300作台 350、 Y、 都为 10r/、 Y、 70主轴转速级数 无级调速 主轴转速范围 （ 3980 14920） r/电机功率 轴交流电机 1床外形尺寸 17923080183） 机床的主要结构 机床主要有工作台、主轴箱、立柱、电气柜、 工作台 工作台的 X、 Y 向进给是由交流伺服电机通过十字滑块联轴器传动，结构简单，调整维修方便。 主轴箱 山东大学本科毕业设计（论文） 第 5 页 主轴部件有主轴、刀具的自动夹紧松开机构、前后轴承等组成。 动力由电机轴经一级带传动给主轴 ，通过调整电压调整伺服电机的转速，从而实现无级变速。 主轴为中空外圆柱零件，前端装定向键，与刀柄配合部位采用 7： 24 的锥度。为了保证主轴部件刚度，前支承由三个 C 级向心推力角接触球轴承 3 组成，前两个大口朝上，承受切削力，提高主轴刚度，后一个大口朝下，后支承采用两个 ，小口相对，后支承仅承受径向载荷，故外圈轴向不需要定位。轴承采用油脂润滑。 刀具自动拉紧与松开机构及切削清除装置装在主轴内孔中，刀夹自动拉紧松开机构由拉杆 7和头部的两瓣弹力卡爪 2、碟形弹簧 7、活塞 9和螺旋弹簧 8组成。夹紧时 ，活塞 9的上端无油压，弹簧 8 使活塞 9 向上移到图示位置。碟形弹簧 7 使拉杆 6 上移至图示位置，卡爪上移，将刀具拉紧。当需要松开刀柄时，液压缸的上腔进油，活塞 9 向下移动压缩弹簧 8，并推动拉杆 6 向下移动。与此同时，碟形弹簧 8 被压缩。卡爪随拉杆 6 一起向下移动。移到主轴孔较大处时，便松开了刀柄，刀具连同刀柄一起被拔出。 刀柄夹紧机构用弹簧夹紧，液压放松，以保证在工作中如果突然停电，刀柄不会自行松脱。 活塞杆孔的上端接有压缩空气。刀具从主轴中拔出后，压缩空气通过活塞杆和拉杆中孔，把主轴锥孔吹净。 弹性卡爪的外周是锥面 ，与主轴的锥孔相配合使爪收紧，从而卡紧刀柄。这种卡爪与刀柄的接合面与拉杆垂直，故拉紧力大。卡爪与刀柄为面接触，接触应力较小，不易压溃。 立柱 山东大学本科毕业设计（论文） 第 6 页 立柱用于实现主轴箱的垂直移动和支撑。固定在立柱上端的电机直接传动丝杠，可使主轴箱垂直移动。 4）机床的传动系统 进给传动图参看传动系统图。 X、 Y、 Z 三个轴各有一套基本相同的进给伺服系统。电压调速交流伺服电机直接带动滚珠丝杠，功率都为 级调速。三个轴的进给速度均为 1400mm/移速度都为 10m/个伺服电机分 别由数控指令通过计算机控制，任意两个轴都可联动。 传动系统图 山东大学本科毕业设计（论文） 第 7 页 第二章 总体结构设计 该磨床的总体设计包括 :系统设计 (包含数控装置的功能设计、元件和部件设计 ,程序段格式设计及系统的总体设计 );逻辑设计 (包含运算器设计、控制器设计及电路设计 );机床主机的结构设计 数控机床的功能设计和普通机床有着很大的差别 （ 1）具有很大的饿切削功率、高的静、动态刚度和良好的抗振性能； （ 2）具有较高大的几何精度 、传动精度、定位精度和热稳定性； （ 3）具有实现辅助操作自动化的结构部件。 机床的刚度是指切削力和其它力作用下 ,抵抗变形的能力 机床在切削过程当中，承受的静态力有运动部件和被加工零件的自重；承受的动态力有砌学力、驱动力、加减速器时引起的惯性力、摩擦阻力等。组成机床的结构部件在这些力作用下将产生变形，从而导致工件的加工误差。为了使机床达到高大结构刚度，获得符合要求的工件，进行如下结构设计： 1、 构件的结构形式的选择 （ 1）选择截面的 形状和尺寸 由于形状相同的截面，当保持相同的截面积时，应减小臂厚，加大截面的轮廓尺寸，所以该机床的立柱、床身等支撑件做成型腔。圆形截面的抗扭刚度比方形截面的大，抗弯刚度山东大学本科毕业设计（论文） 第 8 页 比方形截面小，所以立柱、床身等承受弯曲载荷的部件做成方形，而象主轴等承受扭转载荷的零件做成圆形。 由于封闭式截面的刚度比不封闭式截面的刚度大很多，因此该磨床采用封闭式床身。 由于臂上开孔将使刚度下降，所开孔部部件对刚度要求又很高，就在孔的周边加上凸缘，以使抗弯刚度得到恢复。 （ 2）隔板和筋条的布置 合理布置支承件的隔板和筋条，可 提高构件的静、动刚度，磨床采用叉筋板的支承件，立柱内部就是布置了交叉的筋条。 1）构件的局部刚度 磨床的导轨和支承件的连接部件，往往是局部刚度最弱的部分，但是联接方式对局部刚度影响很大。在本次设计中，由于 采用双臂联接形式； X、 用单臂联接，但在单臂上增加垂直筋条以提高局部刚度。 2）采用焊接结构的构件 机床的床身、立柱等支承件，采用钢板和型钢焊接而成，具有减小质量，提高刚度的显著特点。 采用钢板和型钢而不采用铸件的原因： 钢的弹性模量约为铸铁的两倍，在形状和轮廓 尺寸相同的前提下，如要求焊接件与铸件的刚度相同，则焊接件的臂厚只需铸件的一半。 如果要求局部刚度相同，因局部刚度与臂厚的三次方成正比，所以焊接件的臂厚只需铸件的 80%左右。 山东大学本科毕业设计（论文） 第 9 页 钢可以提高构件的谐振频率使共振不易发生。 钢板焊接能将构件做成全封闭的箱形结构，提高刚度。 2、结构布局的设计 三坐标数控磨床设计的主轴中心位于立柱的对称面内，主轴箱的自重不再引起立柱的变形，相同的切削力所引起的立柱的弯曲变形和扭转变形均大为减小，这相当于提高了机床的刚度。另在立柱上方安装两组定滑轮来平衡重力，以减小立柱的 变形。 高机床的抗振性的措施 机床在加工时可能产生两种形态的振动：强迫振动和自激振动。机床的抗振性就是抵抗这两种振动的能力。 改善和提高抗振性应从以下几个方面着手： （ 1）减少机床的内部振源 机床高速旋转主轴、带轮均应进行平衡；装配在一起的旋转部件，应该保证同轴，并且消除传动间隙，采用平衡装置和降低往复运动件的重量，以减小可能的激振力，装在机床上的电机需隔振安装。 （ 2）提高静态刚度 提高静态刚度可以提高构件或系统的谐振 频率，从而避免发生共振。但为了提高情态刚度而引起的构件质量的增加，会使共振频率发生骗移，这是不利的。因此，在结构设计时应强调提高单位质量的个刚度。 （ 3）增加构件和结构的阻尼 该磨床对滚动轴承适当预紧以增大阻尼，将型砂或混凝土等阻尼 材料充在支承件山东大学本科毕业设计（论文） 第 10 页 的零部件臂中，可以提高阻尼性。以减少振动。 高机床灵敏度 该三坐标数控磨床通过数字信息来控制刀具与工件的相对运动，它要求在相当大的进给速度范围内都能达到较高的精度，因而运动部件应具有较高的灵敏度。导轨部分采用贴塑滑动导轨，以减少摩擦力使其 在低速时无爬行现象。工作台、刀架等部件的移动采用支流伺服电机驱动，经滚珠丝杠传动，减少了进给系统所需要的驱动扭矩，提高了运动精度和运动平稳性。 山东大学本科毕业设计（论文） 第 11 页 第三章 进给伺服系统结构设计 给伺服系统的作用 伺服系统接受数控装置发出的进给脉冲或进给位移量，并把它变换成模拟量 (如转角、电压、相位等 )，经功率放大后去驱动工作台，使工作台进行精确的定位或按照规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合于精度要求的零件。因此，伺服系统的性能也是决定数控机床的加工精度、加工表面质量、生产率和机床的可靠 性的关键之一。 给伺服系统的设计要求 进给伺服系统的基本要求 带有数字调节的进给驱动系统都属于伺服系统。进给伺服系统不仅是数控机床的一个重要组成部分，也是数控机床区别与一般机床的一个特殊部分。数控机床对进给系统的性能指标可归纳为：定位精度要高；跟踪指令信号的响应要快；系统的稳定性要好。 所谓的稳定的系统，即系统在输入量的改变、启动状态或外界干扰作用下，其输出量经过几次衰减振荡后，能迅速地稳定在新的或原有的平衡状态下。它是伺服系统能够进行正常工作的基本条件。它包含绝对稳 定性和相对稳定性。 进给伺服系统的稳定性和系统的惯性、刚度、阻尼以及系统增益都有关系。适当选择系统的机械参数（主要有阻尼、刚度、谐振频率和失动量等）和电气参数，并使它们达到最佳区配，是进给伺服系统的设计的目标之一。 所谓进给伺服系统的精度是指系统的输出量复线输入量的精确程度，即准确性。它包含山东大学本科毕业设计（论文） 第 12 页 动态误差，即瞬态过程出现的偏差；稳态误差，即瞬态过程结束后，系统存在的偏差；静态误差，即元件误差及干扰误差。 常用的精度指标有定位精度、重复定位精度和轮廓跟随精度。精度用误差来表示，定位误差是工作台由一 点到另一点时，指令值与实际移动距离的最大差值。重复定位误差是指工作台进行一次循环动作之后，回到初始位置的偏差值。轮廓跟随误差是指多坐标连动时，实际运动轨迹与给定运动轨迹之间的最大偏差值。影响精度的参数很多，关系也很复杂，采用数字调节技术可以提高伺服驱动系统的精度。 所谓的快速响应特性是指系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度。它包含系统的响应时间，传动装置的加速能力。它直接影响机床的加工精度和生产率。系统的响应速度越快，则加工效率越高，轨迹跟随精度越高。但响应速度过快会造成 系统的超调，甚至会引起系统的不稳定。因此，应适当选择快速响应特性。 该三坐标数控磨床是轮廓控制的机床，除了要求高的定位精度外，还要求良的快速性及形成轮廓的各运动坐标伺服系统动态性能的一致性。该三坐标数控磨床采用的是是闭环控制型式，对于闭环系统主要是稳定性问题。 给伺服系统的设计要求 机床的位置调节对进给伺服系统提出很高的要求。其中在静态设计方面有： 1. 能够克服摩擦力和负载： （ 1）很小的进给位移量； 山东大学本科毕业设计（论文） 第 13 页 （ 2）高的静态扭转刚度； （ 3）足够的调速范围； 2. 进给速度均匀，在速度很低时无爬 行现象； 3. 在动态设计方面的要求有： （ 1）具有足够的加速和制动转矩，以便完成启动制动过程； （ 2）具有良好的动态传递性能以保证在获得高的轨迹精度和满意的量； （ 3）负载引起的轨迹误差尽可能的小； 4. 机械传动部件的设计要求有： （ 1） 被加速的运动部件具有小的惯量； （ 2） 高的刚度； （ 3） 良好的阻尼； （ 4） 传动部件在拉压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙方面尽可能小的非线性； 给伺服系统的组成 进给伺服系统的分类 按控制方式不同分为开环系统、半闭环系 统和闭环系统 a) 采用闭环系统的原因： 山东大学本科毕业设计（论文） 第 14 页 于闭环系统能对整个系统误差进行自动补偿，故控制精度高 (速性好 ,只是成本较高 ,了满足设计要求，采用闭环系统。 作可靠、造价低廉，但是没有位置反馈环节这样的机械传动装置的摩擦、惯量、间隙所引起的定位误差不能调整，且其控制精度（ 快速性较差。不能满足该数控磨床的设计要求 ,故 不采用开环系统 闭环系统的检测装置安装在滚珠丝杠轴端或电机轴端。由于检测元件检测的反馈信号不包含从丝杠轴到工作台间传动链的误差，因此这部分误差得不到自动补偿，精度比闭环系统的要低，也不满足该数控磨床的要求，故不采用半闭环系统。 b) 闭环系统的组成原理 机床数控装置中发生的指令信号与工作台末端测得的实际位置反馈信号进行比较，根据其差值不断控制运动，进行误差修正，直至差值在误差允许的范围之内为止。采用闭环系统控制可以消除由于运动部件制造中存在的精度误差给工件带来的影响，从而得到很高的加工精度。个部分的关系如 下图所示： 伺服系统的数学模型 控机床的位置调节系统 输入参数的产生和位置调节器的功能可用计算机完成 ,从而构成一个数字位置调节系统。山东大学本科毕业设计（论文） 第 15 页 进给驱动部件可以是电气的或是液压的 ,分别称为电气驱动部件和液压驱动部件。该三坐标数控磨床采用电气驱动，它包括从给定值的输入到电机的输出。从电机的输出经过机械传动到执行件（工作台）称为机械传动部件。 给伺服系统的数字模型 在位置环的调节上有模拟式和数字式，或者说有连续控制方式和离散控制方式。机床的数字调节系统是由计算机作为 调节器，按采样方式工作的，因而属于离散控制方式。这类系统精度高，动态性能好，可充分利用计算机的快速运算功能和存储功能，使进给伺服系统始终处于最佳工作状态。另外，由于计算机作为调节器，因而调节系统具有很大柔性。 给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析 间响应性 进给伺服系统的动态特性，按其描述方法的不同，分为时间响应特性和频率响应特性。 时间响应特性是用来描述系统对迅速变化的指令能否迅速跟踪的特性，它由瞬态响应和稳态响应两部分组成。由于系统包含一些储能元件，所以当输入量作用于系统时 ，系统输出不能立刻跟随输入量变化，而是在系统达到稳定之前表现为瞬态响应过程（或叫过度过程）。稳定响应是指当时间 t 趋向无穷大时系统的输出状态。若在稳态时，输出与输入不能完全吻合，就认为系统有稳态误差。 系统的时间响应特性不仅决定于系统结构、性能（如一阶系统和二阶系统就不同），而且也决定于输入信号的类型，且随加工对象的不同以及切削用量的不同而改变。尤其考虑到启动、停车、正反方向等控制情况，各坐标轴速度信号的变化极为复杂。 率响应特性 山东大学本科毕业设计（论文） 第 16 页 时间响应特性是从微分方程出发，研究系统响应随时间的变化规律， 即在已知传递函数的情况下，从系统在节跃输入及斜坡输入时间响应速度及振荡过程的状态中来获得动态特性参数。然而在很多情况下，传递函数不清楚，所以只能由实验方法求取动态特性的。因此出现频率响应特性法。所谓频率响应特性，就是系统对正弦输入信号的响应，即它是通过研究系统对正弦输入信号的响应规律来获得其动态特性。由于频率特性与传递函数密切相关，因此在工程中的应用越来越多。可由频率响应数据拟合成传递函数而建立系统的数学模型。 定性分析 对控制系统的基本要求是工作的稳定性。只有工作稳定才能进一步讨论其他性能 指标。系统的稳定受多种因素的影响，其中包括机械传动部件的惯性、阻尼、刚性和传动比。为考察机械传动部件的参数对系统稳定性的影响，根据稳定判断式编制计算程序。 速性分析 所谓快速性分析是指分析系统的快速响应性能，快速性反映了系统的瞬态质量。 分析系统快速性的方法很多，有直接求解法、间接评价法和计算机模拟法等。直接求解法比较麻烦，且不易得到系统结构和参数对瞬态质量影响的一般规律；计算机模拟法十分简便，而且还用于复杂系统结构、多变量系统、非线性系统以及某些难于得出数学模型的系统，单它需要一套软件和 上机条件。间接评价法，方法简单，又能明显地看出系统结构和参数对瞬态质量的影响，故在系统分析和设计中被广泛地采用。 对于线性进给伺服系统，由于它包括各种电路、机电转换装置和机械传动机构，系统各环节都有时间常数，对高频信号来不及反应，只是一个低通滤波器。这种系统的通频带宽，对高频信号响应速度快，所以从开环频率特性图看，提高闭环回路的响应速度。 山东大学本科毕业设计（论文） 第 17 页 为使进给伺服系统获得良好的伺服性能（稳定性、快速性），国外文献对机械传动部件提出很高的谐振频率，但对这些数据并没有进行理论分析。有的文献认为：在电气伺服系统中，可控硅 电源以及支流马达特性引起的谐振是对伺服系统性能起限制作用的因素。但实际上机械传动部件不是刚性，往往达不到很高的谐振频率，且阻尼又低，可能成为提高伺服性能的限制因素。 服精度 伺服精度的高低用误差的大小来平衡，所谓伺服误差就是伺服系统在稳态时指令位置和实际位置之差，它反映了系统的稳态质量。 理想的伺服系统是在任意时刻输出和输入都同步，没有误差，但这是不可能的。造成不同步的原因很多，系统本身动态特性，外加负载和内部扰动等都会造成实际位置偏离指令位置。 欲求出伺服误差，必须先分别求出系统 在输入信号和外加负载等信号的作用下产生的输出响应，然后根据线性系统的叠加原理将这些响应叠加起来求出实际位置，再用指令位置减去实际位置便得到伺服误差。 要求出进给驱动系统伺服误差的解析表达式。应讨论以下几个重要概念： （ 1）速度误差 由斜坡信号输入产生的伺服误差成为速度误差。它实际上表示在一定的进给速度下，系统指令位置与实际位置的偏差。 （ 2）伺服静刚度 伺服静刚度是指在恒定外负载作用下，进给驱动系统抵抗位置偏差的能力，也就是伺服山东大学本科毕业设计（论文） 第 18 页 马达为消除位置偏差而产生的转矩（或力）与位置偏差之比。 动元件的设计 X、 Y、 选用伺服电动机 伺服电机最大的特点是可控。在有控制信号输入时，伺服电机就转动；没有信号输入时，则停止转动；改变控制电压的大小和相位，就可以改变伺服电机的转速和转向。 服电机与普通的电机相比具有以下特点： （ 1）调速范围广。服电机的转速随着控制电压改变，能在宽广的范围内连续调节。 （ 2）转子的惯性小。即能实现迅速启动、停转。 （ 3）控制功率小，过载能力强，可靠性好。 传动生产用的传动电机主要用来完成能量的变换 ,具 有较高的力能指标 (如效率和功率因数率 ),而控制电机则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。这这是该数控磨床的要求，因此，选用伺服电机。 用交流伺服电机 交流伺服电机可靠性很高 ,基本上不用维护 ,造价低 ,且机电时间常数小。而该次设计的数控磨床的进给伺服系统是随动系统，要求电动机的时间常数小，启动和反转频率高。交流伺服电机满足要求。直流伺服电机结构复杂，电刷和换向器需经常维护；由于电刷与换向器间的接触产生火花，造成无线电干扰；由于磁滞回 线的影响增加了系统的不稳定性。因此选用交流伺服电机。 山东大学本科毕业设计（论文） 第 19 页 2 =10000/10=1000r/电机转速为 1500r/（ 1）摩擦力矩 导轨摩擦 )( =200+400) 476 =摩擦系数 工件质量 ; 工作台质量 ; g 重力加速度 ; 垂直于导轨的切削力。 折算到滚珠丝杠上的摩擦力矩 丝杠螺母传动摩擦 丝杠螺母传动的摩擦耗损可通过传动效率表示， = 滚珠丝杠直径 32mm 滚珠丝杠导程 10以上各种摩擦力矩综合起来，得到折算到电机轴上的摩擦力矩 于丝杠螺母传动： 山东大学本科毕业设计（论文） 第 20 页 2 )( 2 01500 = （ 2）切削力矩 对于丝杠螺母传动 （ 3）重力矩 因为工作台水平，不会引起转矩，故不需要计算 通过以上计算可知 =500.=转速和计算出的静力矩，可以利用伺服电机的转速图来选择电机。结果如下： 型号： 70磁电压： 220v 控制电压： 220v 额定转速： 1500r/小启动转炬： 1800g 载转速： 2700r/间常数： 量： 2000g 械传动部件的设计 一台机床所具有的加工精度、工件表面粗糙度和生产率取决于电气驱动部件和机械传动部件的优良设计。机械传动部件的设计好坏对进给伺服系统的伺服性能影响很大。此外，还山东大学本科毕业设计（论文） 第 21 页 要求伺服电 机速度环的动特性与机械部分动特性相协调。借助于调节技术可以帮助这两部分实现良好的匹配。 对于闭环系统的设计主要是稳定性的问题。 滚珠丝杠主要承受轴向载荷 ,除丝杠自重外 ,一般无径向载荷 ,因此 ,滚珠丝杠副要求轴向精度和刚度较高。进给系统要求运动灵活，对微小位移响应要灵敏，因此，轴承的摩擦力矩尽量小。滚珠丝杠转速不高，且高速运转时间短，因而，发热不是主要问题。 轴承采用 60O 接触角推力角接触球轴承 ,其特点如下： 接触角大，保持架用增强尼龙注塑成型。臂薄， 可容下较多的钢球，因此轴向承载能力大，刚度大。 能承受轴向和径向载荷，可以简化轴承支座结构。 根据载荷情况可以进行组合。 启动摩擦力矩小，可以降低滚珠丝杠副的驱动功率，提高进给系统的灵敏度。 该数控磨床的机械传动部件设计方案，采用交流伺服电机与滚珠丝杠直接相联的装置。如下图所示 : 1 交流伺服电机 3 滚珠丝杠 4 螺母及螺母座 山东大学本科毕业设计（论文） 第 22 页 滚珠丝杠的设计计算 : 已知 数据 : 工作台重量 : 00 工件最大重量 : 00作台最大行程 : L=300 工作台滑动导轨摩擦系数 : =丝杠副寿命 :0a 工作可靠性 : 96% 切削方式及定位精度 : 磨削 (轮廓控制 ),定位精度 00杠两端为固定支承 ,每个支座安装两个 60O 接 触角推力角接触球轴承 ,背靠背安装 ,进行预拉伸。 设计计算步骤 : 1. 丝杠载荷 : 导轨摩擦力 (m1+m2)g=00+200)00+200)53N 磨削方式 纵向切削力 速度V/ 时间比例 q% 强力磨削 2000 5 一般磨削 1000 0 精密磨削 500 1 50 快速移动 0 10 5 山东大学本科毕业设计（论文） 第 23 页 强力磨削时载荷 000+353=2353N 一般磨削是载荷 000+353=1353N 精密磨削时载荷 00+353=853N 快速移动时载荷 +353=353N 2. 电机转速 (最大 ) 500N 丝杠最大转速 000 r/力磨削 0 r/般磨削 0 r/密磨削 00 r/. 丝杠导程 作台最大速度 : 0m/0 1000=10000mm/h= 1000/10000 =10 . 当量转速 m = 00+ 00+ =183 r/3 1 6 5 3 6 4 5 82 3 3 3 2 7 2 4 74 4 6 9 4 3 8 7 58 8 1 5 6 9 6 9 =706N (1)计算动负荷 =706/2770N (2)要求寿命 命 00(日 ) 16(h) 机率 ) 10（年） =28800h 3 21321131 100100 文） 第 24 页 2 由寿命系数 转速系数 (3)综合系数 影响滚珠丝杠副寿命的综合系数 : (4)滚珠丝杠副的型号 定动负荷 5909N2770N 预紧力 477N1/3353/3=784N 可见初选的滚珠丝杠符合设计要求。 7. 丝杠螺纹部分长度 u=工作台最大行程 (300)+螺母长度 (129)+两端余程 (25)=300+129+25 2=479 支承距离 L79 因此取 L=700(1)丝杠底径 d2= 252)支承方式系数 查表 两端固定 ) (3)临界转速计算长度 29/2+300+40+(7002=500临界转速 900 9900 =21617r/1 1f 文） 第 25 页 5 0 4 6 nc 所以 符合要求 10. 压杆稳定校核 两端固定支承 ,丝杠不受压缩 ,因而不必校核稳定性。 11. 预拉伸计算 设温升为 (1)温升引起的伸长量t=11 106 22)丝杠全长伸长量 =11 106 73)预紧力 1011 =459N 12. 轴承选择 (1)轴端结构 采用 型 (并排 )轴端 (2)轴承型号主要尺寸和参数 轴承型号为 7602020 查表 得 :d=20 D=47 B=14 Z=15 9600N (3)预紧力确定 预紧力 300N 轴承的最大轴向载荷为 F t+=459+2353/2=1636N 由于 =1636/3=545N 所以 ,符合要求 . (4)疲劳寿命计算 由轴承动负荷计算公式校核 C= 2549N 进给方向是可变的，负荷可能是（ m/2）或（ ），两者机会相等，取平均值F=459N 取 500h 则 东大学本科毕业设计（论文） 第 26 页 112 7602020 参数如下： d=20D=47 B=14w= 9600N 300N 可见 额定动负荷 9600计算动负荷 C=2549 所以，轴承满足寿命要求。 (1)丝杠在拉压载荷下的最大弹性位移 610 =速移动时 F=353N , 力 ,磨削时 F=2353N , 密磨削时 F=853N , 2)丝杠与螺母间的接触变形cc= 查表得 55N/所以得 : 快速移动时c= 353/955=力 ,磨削时c=2353/955=密磨削时c=853/955=3)轴承的接触变形 B 角接触轴承的轴向刚度 2 31 246N/速移动时 B =353/246=东大学本科毕业设计（论文） 第 27 页 强力磨削时 B =2353/246=密磨削时 B =853/246=4)丝杠系统的总位移 =c+ B 快速移动时 =力 ,磨削时 =密磨削时 =5)定位精度 生在螺母处于丝杠中部处 , c和 B 与螺母的位置无关。所以以上求得的位移均为 /650表得丝杠精度等级为 1 级，任意 300行程公 差为 6上快移时的总位移 以满足轮廓控制定位精度 00要求。同理分析，能满足精密磨削的定位精度 00力磨削时，可以满足粗加工要求。 计算结果 : 60 479 90 479 公称直径 32本导程 10环圈数 (圈数 列数 )1 X、 Y 两端支承均为 E、 轴承型号均为 760202060度接触角推力角接触球轴 山东大学本科毕业设计（论文） 第 28 页 第四章 床身与导轨 身设计 身结构的基本要求 机床的床身是整个机床的基础支承件 ,一般用来放置导轨等重要部件。为了满足数控机床高速度、高精度、高生产率、高可靠性和高自动化的要求，与普通机床相比，数控机床应有更高的静、动刚度，更好的抗振性。数控机床床身主要在下面四个方面提出了更高的要求。 在床身上有很多安装部件的加工面和运动部件的导轨面 ,这些面本身的精度和相互位置精度要求都很高 ,而且要能长时间保持 机床 在切削加工时 ,所有动、静载荷最后往往都传到床身上，所以，床身上的受力很复杂。为此，为保证零部件之间的相互位置或相对运动精度，处满足几何尺寸位置等精度要求外，还要满足静、动刚度、抗振性、热稳定性和工艺等方面的技术要求。 2. 应具有足够的静、动刚度 静刚度包括：床身的自身结构刚度、局部刚度和接触刚度，都应该采取相应的措施，最后达到有较高的刚度 质量比。 动刚度直接反映机床的运动特性，为了保证机床在交变载荷作用下具有较高的抵抗变形的能力和抵抗受迫振动及自激振动的能力，可以通过适当增加阻尼，提高固有频率等措施 避免共振及因薄臂振动而产身的噪声。 3. 较好的热稳定性 控机床来说，尤其是高精度数控机床，热稳定性已成为一个突出的问题，必须在设计上山东大学本科毕业设计（论文） 第 29 页 要作到使整机的热变形较小，或使热变形对加工精度的影响较小。 通常床身在抵抗外负载荷而不超过允许的变形情况下，都具有足够的强度。但是，对于外负载荷比较大而变形要求不大的部位，仍有注意其强度的情况。至于床身与运动部件相接触的部位，即导轨处，要求有良好的耐磨性。 身的结构 该次设计的数控磨床的 这种结构的床身 有固定立柱和移动立柱两种方式由于后者加工制造不方便 ,加上本次设计的数控磨床属于中型机床 ,故采用固定立柱式。 身的截面形状 为了在较小质量下获得高的静刚度和适当的固有频率，该机床的床身采用带有对角筋的箱体结构。对角筋截面可明显床身的扭转刚度，并且便于设计成全封闭的箱形结构。 板焊接结构 该机床的床身采用钢板直接焊接而成。焊接结构床身的突出优点是制造周期短。一般比铸铁快 去了制作木摸和铸造工序，不易出废品。焊接结构设计灵活，便于产品更新、改进结构。焊接件能达到 与铸件相同，甚至更好的结构特性，可提高抗弯截面惯性矩，减小质量。采用钢板焊接结构能够按刚度要求布置筋板的形式，充分发挥臂板和筋板的承载和抗变形作用。另外，焊接床身采用钢板，其弹性摸量 102 铸铁的弹性摸量 者几乎相差一倍。因此采用钢板焊接结构床身有利于提高固有频率。 山东大学本科毕业设计（论文） 第 30 页 体封沙结构 床身封沙结构是利用筋板隔成封闭箱体结构。对于焊接结构的床身，在床身内腔填充泥芯和混凝土等阻尼 材料，当振动时，利用相当摩擦来耗散振动能量。利用沙粒良好的吸振性能，可以提高机构件的阻尼比。提高床身结构的静刚度，有刚度和质量关系式 K= 2o为系统无阻尼振动时的固有频率 )可以看出增加质 m 可以提高静刚度 有利于床身机构的稳定性 ,可提高床身的抗弯和抗扭刚度。 轨设计 导轨的要求 对导轨的要求 ,纳起来有下列几点 : 良好的耐磨性 滑动导轨 导轨按照接触面的摩擦情况而言 滑动导轨、滚动导轨、静压导轨等三大类型。该次设计的数控磨床采用滑动导轨。 滑动导轨结构简单制造方便，承载面积大，接触刚度好，抗振性能好等一系列优点。滑动导轨一般用于定位精度要求不高的开环系统中，本次设计的伺服系统是闭环系统，因为有了反馈系统，导轨的定位精度，由于误差进行补偿而不受影响，故 采用滑动导轨。 塑滑动导轨 山东大学本科毕业设计（论文） 第 31 页 滑动导轨具有结构简单，制造方便，接触刚度大的优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。因此，采用带有耐磨粘贴带覆盖层的新型塑料滑动导轨。 本次设计采用的塑料导轨是聚四氟乙烯导轨软带。 1. 聚四氟乙烯导轨软带的特点 摩擦性好 :铸铁淬火导轨副的静摩擦系数与动摩擦系数相差较大 ,几乎是相差一倍 摩擦系数基本不变。这种良好的摩擦性能可防止低速爬行，是运动平稳并获得较高的定位精度。 耐磨性好：处摩擦 系数低外，聚四氟乙烯导轨软带材质中含有青二硫化钼和石墨，因此，本身即具有润滑作用，对润滑油的供油量要求不高，采用间歇式供油即可。此外，塑料质地较软，即便是嵌入金属碎屑、灰尘等，也不至损伤金属导轨面和软带本身，可延长导轨副的使用寿命。 减振性好：塑料有很好的阻尼性，其减振消声的性能对提高摩擦副的相对运动速度有很大的意义。 工艺性好：可降
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