【JC020】半闭环数控车床进给部件设计【3A0】【机械专业毕业设计论文】【优秀】【通过答辩】
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无锡太湖学院 信 机 系 数 控 专业 毕 业 设 计论 文 任 务 书 一、题目及专题： 1、题目 半闭环数控车床进给部件设计 . 2、专题 . 二、课题来源及选题依据 校企合作开发课题 三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 在数控车总体布局的基础上，完成 X 向、 Z 向两个方向进给部件的设计。绘制两个方向的伺服进给装置部件图。 完成部分非标零件设计，绘出 1 2 张零件图。 完成设计说明书一份，有必要的分析、比较、计算、阐述。 四、接受任务学生： 机械 92 班 姓名 孙亚明 五、开始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师 签名 签名 签名 教研室主任 学科组组长研究所所长 签名 系主任 签名 2012 年 11 月 12 日 编号 无锡 太湖学院 毕业设计（论文） 相关资料 题目： 半闭环数控 车 床进给部件设计 信机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专业 学 号： 0923061 学生姓名： 孙亚明 指导教师： 许菊若 （职称： 副教授 ） （职称： ） 2013年 5月 25日 目 录 一、毕业设计（论文）开题报告 二、毕业设计（论文）外文资料翻译及原文 三、学生 “毕业论文（论文）计划、进度、检查及落实表 ” 四、实习鉴定表 无锡 太湖学院 毕业设计（论文） 开题报告 题目： 半闭环数控 车 床进给部件设计 信机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专业 学 号： 00923061 学生姓名： 孙亚明 指导教师： 许菊若 （职称： 副教授 ） （职称： ） 2012年 11月 25日 课题来源 校企合作开发课题 科学依据 （包括课题的科学意义；国内外研究概况、水平和发展趋势；应用前景等） 1 课题的科学意义 当今的世界，制造业在经济发展中占有十分重要的地位，机械制造业更加是制造业中的支柱与核心。 2 国内外研究概况、水平和发展趋势 当今世界，工业国家数控机床的拥有量可 以反映这个国家的经济能力和国防实力。机电一体化在国外迅猛发张。西方工业国家的数控机床占有率一般能达到 20%左右。 当前数控车床主要呈现以下发展趋势：高速、高精密化 ，高可靠性。数控车床设计电子化、结构设计模块化，功能复合整合化。数控车床技术中高速、精密是机床发展永恒的目标。 3 应用现状及其前景 数控车床技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业 (车、轻工、医疗等 )的发展起着越来越重要的作用，因为这些 行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。 研究内容 数控机床的进给部件的 X、 拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析 1 任务内容及参数 任务内容：通过对数控车床应用现状和发展趋势综述，对数控车床进给部件及其相关零件设计方案进行论证。根据相关参数，对数控车床进给部件结构及其零件结构进行设计，了解数控车床的数控系统，对数控车床进给部件的强度和刚度进行校核，根据校核结果，修正进给部件的有关部件。 原始条件及数据： 1)X 轴行程 7502） 3003） X、 ）最大加工径： 200）最大加工长： 750 整体结构设计布局 传动方式的选择 滚珠丝杠的设计 导轨 研究计划及预期成果 研究计划： 2012 年 11 月 12 日 12 月 2 日： 教师下达毕业设计任务，学生初步阅读资料，完成毕业设计开题报告。 2013 年 1 月 21 日 3 月 1 日： 指导毕业实习 。 2013 年 3 月 4 日 3 月 15 日： 确定总设计方案 。 2013 年 3 月 18 日 3 月 22 日： 总体设计（包括参数计算及结构分析计算 ） 。 2013 年 3 月 25 日 4 月 5 日： 总体设计（完成参数计算及结构分析计算后绘制草图：装配图） 。 2013 年 4 月 8 日 4 月 26 日： 零件设计 。 2013 年 4 月 29 日 5 月 20 日：毕业论文 说明书 撰写和修改工作。 预期成果： 跟紧老师的脚步，认真的完成每一步设计，在学业将要完成之时，我将大幅提高我在数控区域研究能力，将会成为一名优秀的数控技术工作者。 特色或创新之处 对 X、 已具备的条件和尚需解决的问题 我已学习数控专业三年之久，掌握了一些这专业的部分知识， 老师也给了一些参照资料，可以进行这方面的研究。 尚需解决的问题：（ 1）进给部件结构及零件结构的设计 对各部件之间连接方法和传动方式的选择。数控车床进给部件对于定位精度、快速响应性、稳定性等方面有较高要求。 （ 2）进给部件的强度刚度校核 需要对进给部件的强度和刚度有保证，满足工作时的受力要求，需要进行校核计算。 指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日 教研室（学科组、研究所）意见 教研室主任签名： 年 月 日 系意见 主管领导签名： 年 月 日 英文 原文 On C NC is a of or NC by be by of in it is NC to of as a to of of 35 as is a of to NC of of of on of of in by 4 C NC is to NC C in NC is of is of NC he is NC He or to of 1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) as NC is in NC in in in 1 to NC of is is a is by of is of a in C of of of of of of of of 4 NC in up to M. of NC m, M. by m). By of of of of to of at a A C of of NC NC of NC be by n to C is of , C 2, DC is of in to NC 3, AC he is in NC 4, o no , C so of NC on as it be a of to of no is is in NC 2, n to of C in to , Y, Z a NC in by to an of NC in C (1) it is in in C of is 0, 60 5 (2) NC C to is of C is on it be 3, is an of is of of of C to a At C (1) of NC of as as in On of is (2) is in or of of is so is in is to is up m; is in of on of NC in an on of is is , ts is to to of be or of C to 2, of he in to is to of is a of TC 3, of he in of to by of to he or to is he is of in on C 1, of of on of is an of a is is 2, of is be of or an of 3, of is to of in to is a be A is be in do in is is is C C NC of NC in In NC to of in a as as to or of to of or to C of on of n of of to on to C 1 of of n of to in to in of of is a to of or is so t is in to NC or 2 of of to to In as In C of of as of 3 of of is to to to to NC in to 4 of is an of of C on 5 materia摘要 本文对数控车床进给部件系统的设计进行了重点论述，对该机构的主要组成部件：滚珠丝杠副、步进电机、传动齿轮等进行了设计计算与选型。其中对滚珠丝杠副、伺服电机的设计计算及选型作了详细论述。进行这一设计主要是为了进一步地提高数控车床进给机构的定位精度，重复定位精度，以使其能够可靠地运行，且能满足各项性能指标的要求，达到预期的结果，即满足设计任务书的要求。最后，本文还对典型零件进行了数控编程，并绘制了数控车床典型零件编程图、数控车床传动示意图、数控车床液压原理图以及该数控车床进给机构的装配图。此结构简单可靠，可 应用于相似的各类数控车床上。当今的世界，制造业在经济发展中占有十分重要的地位，机械制造业更加是制造业中的支柱与核心。数控车床技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业 (车、轻工、医疗等 )的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。 关键字：伺服进给、滚珠丝杠、数控。 he a on of C s so is of of So it of of C NC of NC is it to s a in is in of to a of of it to s of a in is a of 目录 摘要 1 2 目录 3 1 绪论 错误 !未定义书签。 2 双轴半闭环数控车床总体布局 错误 !未定义书签。 3 伺服进给部件的方案比较和确定 错误 !未定义书签。 控系统的比较 . 错误 !未定义书签。 位控制 系统 . 错误 !未定义书签。 线控制系统 . 错误 !未定义书签。 系轨迹控制系统 . 错误 !未定义 书签。 制方式的选择 . 错误 !未定义书签。 环系统 . 错误 !未定义书签。 闭环系统 . 错误 !未定义书签。 环系统 . 错误 !未定义书签。 量系统和绝对系统的比较 . 错误 !未定义书签。 量系统 . 错误 !未定义书签。 对系统 . 错误 !未定义书签。 4 X 向伺服进给部件的设 计 错误 !未定义书签。 服驱动装置的设计 . 错误 !未定义书签。 服驱动装置的特点 . 错误 !未定义书签。 服驱动 装置 . 错误 !未定义书签。 流伺服电机的设计 . 错误 !未定义书签。 流伺服电机的类型的确定 . 错误 !未定义书签。 定伺服电机的型号 . 错误 !未定义书签。 动结构的设计 . 错误 !未定义书签。 服电机与进给丝杠的联接确定方案 . 错误 !未定义书签。 轴器的比较选用 . 错误 !未定义书签。 珠丝杠副的特点 . 错误 !未定义书签。 珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法 错误 !未定义书签。 珠丝杠副支撑形式的确定 . 错误 !未定义书签。 珠丝杠副的设计选用 . 错误 !未定义书签。 杠轴承的选用 . 错误 !未定义书签。 向机构的设计 . 错误 !未定义书签。 轨概述 . 错误 !未定义书签。 轨的设计任务 . 错误 !未定义书签。 案比较确定 . 错误 !未定义书签。 轨材料的选择 . 错误 !未定义书签。 线滚动导轨副的精度选择 . 错误 !未定义书签。 线滚动导轨副型号的确定 . 错 误 !未定义书签。 5 刀架的设计 错误 !未定义书签。 控车床刀架系统简介 . 错误 !未定义书签。 种刀架的方案比较及选择 . 错误 !未定义书签。 式刀架 . 错误 !未定义书签。 转刀架 . 错误 !未定义书签。 刀库的自动换刀装置 . 错误 !未定义书签。 种典型回转刀架的选择与比较 . 错误 !未定义书签。 机传动的回转刀架 . 错误 !未定义书签。 压回转刀架 . 错误 !未定义书签。 于车削中心的可安置动力刀具的转档刀架 . 错误 !未定义书签。 6 Z 向伺服进给部件的设计 错误 !未定义书签。 案选择与确定 . 错误 !未定义书签。 械传动系统方案的选择 . 错误 !未定义书签。 杠的选择 . 错误 !未定义书签。 轨的选择 . 错误 !未定义书签。 轴器的选择 . 错误 !未定义书签。 服电机的选择 . 错误 !未定义书签。 定方案 . 错误 !未定义书签。 服进给装置的设计 . 错误 !未定义书签。 臂处的滚珠丝杠副 . 错误 !未定义书签。 动直线导轨 . 错误 !未定义书签。 构与特征 . 错误 !未定义书签。 动直线导轨的 优点 . 错误 !未定义书签。 轨镶装结构 . 错误 !未定义书签。 械系统设计分析 . 错误 !未定义书签。 算传动比 i. 错误 !未定义书签。 统刚度计算 . 错误 !未定义书签。 有频率计算 . 错误 !未定 义书签。 环无键联轴器 . 错误 !未定义书签。 动轴承的选择 . 错误 !未定义书签。 用滚动轴承的类型、特性和应用 . 错误 !未定义书签。 动轴承类型选择 . 错误 !未定义书签。 析对比 . 错误 !未定义书签。 7 小结 错误 !未定义书签。 致谢 错误 !未定义书签。 参考文献 错误 !未定义书签。 编号 无锡太湖学院 毕业设计（论文） 题目： 半闭环数控 车 床进给部件设计 信机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专业 学 号： 0 9 2 3 0 6 1 . 学生姓名： 孙亚明 . 指导教师： 许菊若 （职称： 副教授 ） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚 信 承 诺 书 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 半闭环数控 车床进给部件设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 92 学 号： 0923061 作者姓名： 孙亚明 2013 年 5 月 25 日 I 无锡太湖学院 信 机 系 数 控 专业 毕 业 设 计论 文 任 务 书 一、题目及专题： 1、题目 半闭环数控 车 床进给部件设计 . 2、专题 . 二、课题来 源及选题依据 校企合作开发课题 三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 在数控车总体布局的基础上，完成 X 向、 Z 向两个方向进给部件的设计。绘制两个方向的伺服进给装置部件图。 完成部分非标零件设计， 绘出 1 2 张零件图。 完成设计说明书一份，有必要的分析、比较、计算、阐述。 四、接受任务学生： 机械 92 班 姓名 孙亚明 五、开始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 、设计（ 论文）指导（或顾问）： 指导教师 签名 签名 签名 教 研 室 主 任 学科组组长研究所所长 签名 系主任 签名 2012 年 11 月 12 日 要 本文对数控车床进给部件系统的设计进行了重点论述，对该机构的主要组成部件：滚珠丝杠副、步进电机、传动齿轮等进行了设计计算 与选型。其中对滚珠丝杠副、 伺服 电机的设计计算及选型作了详细论述。进行这一设计主要是为了进一步地提高数控车床进给机构的定位精度，重复定位精度，以使其能够可靠地运行，且能满足各项性能指标的要求，达到预期的结果，即满足设计任务书的要求。最后，本文还对典型零件进行了数控编程，并绘制了数控车床典型零件编程图、数控车床传动示意图、数控车床液压原理图以及该数控车床进给机构的装配图。此结构简单可靠，可应用于相似的各类数控车床上。当今的世界，制造业在经济发展中占有十分重要的地位，机械制造业更加是制造业中的支柱与核心。数控车床 技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业 (车、轻工、医疗等 )的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。 关键字：伺服进给、滚珠丝杠、数控。 he a on of C s so is of of So it of of C NC of NC is it to s a in is in of to a of of it to s of a in is a of V 目录 摘要 录 V 1 绪论 1 2 双轴半闭环数控车床总体布局 3 3 伺服进给部件的方案比较和确定 5 控系统的比较 . 5 位控制系统 . 5 线控制系统 . 5 系轨迹控制系统 . 5 制方式的选择 . 5 环系统 . 5 闭环系统 . 6 环系统 . 6 量系统和绝对系统的比较 . 6 量系统 . 7 对系统 . 7 4 9 服驱动装置的设计 . 9 服驱动装置的特点 . 9 服驱动装置 . 9 流伺服电机的设计 . 10 流伺服电机的类型的确定 . 10 定伺服电机的型号 . 10 动结构的设计 . 10 服电机与进给丝杠的联接确定方案 . 10 轴 器的比较选用 . 10 珠丝杠副的特点 . 11 珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法 . 11 . 12 珠丝杠副的设计选用 . 13 杠轴承的选用 . 13 向机构的设计 . 17 . 17 轨的设计任务 . 17 . 17 轨材料的选择 . 18 线滚动导轨副的精度选择 . 18 直线滚动导轨副型号的确定 . 18 5 刀架的设计 19 控车床刀架系统简介 . 19 种刀架的方案比较及选择 . 20 式刀架 . 20 转刀架 . 20 刀库的自动换刀装置 . 20 种典型回转刀架的选择与比较 . 21 机传动的回转刀架 . 21 压回转刀架 . 21 于车削中心的可安置动力刀具的转档刀架 . 21 6 27 案选择与确定 . 27 械传动系统方案的选择 . 27 杠的选择 . 28 轨的选择 . 29 轴器的选择 . 29 服电机的选择 . 30 定方案 . 31 服进给装置的设计 . 31 臂处的滚珠丝杠副 . 31 动直线导轨 . 32 . 32 . 33 . 33 械系统设 计分析 . 34 i . 34 . 35 . 35 环无键联轴器 . 35 动轴承的选择 . 36 用滚动轴承的类型、特性和应用 . 36 . 36 . 36 7 小结 39 致谢 41 参考文献 43 半闭环数控车床进给部件设计 1 1 绪论 目前的数控车床大多采用交流伺服电机，控制系统半闭环形式，进给方向的精度一般为： 米， 动机构主要为滚珠丝杠副，导向机构多为滚动导轨、少数为滑动导轨（小型数控机床）。刀架形式一般为回转或液压式。电机一般为通常通过联轴器（多为弹性联轴器）直接与丝杠相连接，排屑装置多为平板履带式。 为提高设计产品的质量，要重视所有的资料，深入探索研究；要重视考察实际现有产品与理论的结合；要重视采用有效的设计方法和现代化的设计工具，要积极推广应用价值工程，优化设计，可靠性设计等方面。 数控机床是新型的自动化机床，它对解决复杂型面和高精度零件的加工，对单件小批量的自 动化等，都具有重要意义。 数控车床利用数字化的信息对车床运动及加工过程进行控制，是一种可编程的通用加工设备，能自动完成内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面、螺纹等工序的切削加工，所以特别适合加工形状复杂的轴类和盘套类零件。 与通用机床和专用机床相比，数控车床具有加工灵活、通用性强、能适应产品的品种和规格频繁变化的特点，能够满足新产品的开发和多品种、小批量、生产自动化的要求，是一种柔性的、高性能的自动化车床，代表了现代控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品，因此被广泛应用于机械制造业。 数控车床的主传动系统包括主轴电机、传动系统与主轴组件，与普通机床相比，变速功能绝大部分由主轴电机的无级调速来承担，省去了繁杂的齿轮变速机构，结构简单，有些只有两极或三级齿轮变速机构系统用以扩大电机无级调速的范 数控机床作为高自动化的机电一体化设备，其主传动系统的设计一般应满足以下基本要求。 使用性能要求高 首先应满足机床的运动特性。如机床主轴有足够的转速范围和转速级数，不仅有低速大转矩功能而且还要有较高的转速。传动系统设计合理，操作方便灵活、迅速、安全可靠。 传递动力要求 主电动机和传动机构能提供和传递足够的功率和转速，具有 较高的传递效率。 工作性能要求 主传动中所有零部件要有足够的刚度、精度、和抗振性、热变形特性稳定，才能保证加工零件有较高的质量。电动机、主轴及传动部件都是热源，低温升、小变形是对主轴传动系统的重要指标；主轴要较高的旋转精度与运动精度；主轴轴颈尺寸、轴承类型及装配方式，轴承预紧量大小、主轴组件的质量分布是否均匀及主轴组件的阻尼对主轴组件的静刚度和抗振性都会产生影响；主轴组件必须有足够的耐磨性，使之保持良好的精度；轴承处还要有良好的润滑。 此外，还要求主创动系统结构简单，便于调整与维修；工艺性好，便于加工与装配 ；防护性好；使用寿命长。 数控机床以其高效率、高精度和高柔性而占据大部分市场，数控机床的进给伺服系统是数控机床技术水平的标志，因此进给伺服系统的速度控制、位置控制、伺服电机控制都必须具有很高的质量控制要求，基于数控机床的各式加工任务，其对进给伺服系统的要求有以下几点： 随时可实现反转。实际加工工件的时候，要求机床执行部件要灵活地正反转运行，这些工作指令是随机的，而且是根据加工轨迹要求来完成的。 精度相对较高。数控机床的定位精度和进给跟踪精度是保证数控机床加工精度的重要内容，也是保证精度的关键。 传动 刚无锡太湖学院学士学位论文 2 性高且速度稳定性好。数控机床的伺服系统在负载发生变化或者切削条件产生波动时应保证进给速度恒定，这样就能使负载力矩变化对进给速度不影响或者影响很小。 可实现低转速大转矩。在低速大进给量加工零件时要求伺服系统进给驱动输出较大的转矩。 伺服系统（ 物体的位置、方位 、 状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠 脉冲 来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到 1个脉冲，就会旋转 1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的 控制电机 的转动，从而实现精确的定位，可以达到 流伺服 电机 分为有刷和无刷电机。 有刷电机 成本低，结构简单，启动 转矩 大，调速范围宽，控制容易，需要维 护，但维护不方便（换碳刷），产生 电磁 干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用 场合 。 无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相 方式 灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。 半闭环数控车床进给部件设计 3 2 双轴半闭环数控车床总体布局 车床为机、电、液三位一体，按照人体工程学宜人化进行布局设计，全封闭防护，操作简便，使用方便。 （ 1） 机床采用卧式车身， 45倾斜道轨布局形式，以利于排屑。床身为整体高刚性结构。 （ 2） 矩形导轨，采用宽支撑窄导向的设计以增加运 动的平稳性。 （ 3） 床身左端为主轴箱，其结构简单，无齿轮传动。主轴由交流调速主轴电机驱动，机床在低速下也具有高功率输出，恒功率区宽。 （ 4） 主轴轴承为超精密角接触球轴承和双列圆柱滚子轴承以保证主轴的刚度和精度。主轴轴承采用高润滑，温度低，热变形小。 （ 5） 机床纵向和横向运动均采用交流伺服电机，它们两者均直接采用消隙联轴器把电机与滚珠丝杠连接起来。纵向驱动直接安装在纵向床身道轨之间。 （ 6） 机床卡盘采用液压控制。液压夹紧油缸为高速卡盘液压缸。卡盘的松紧由控制面板上的按钮来控制。 （ 7） 机床尾座亦采用液压控制。通过液压油来控制尾座套筒的进退 ，它也是由控制面板上的按钮来控制的。 （ 8） 机床的床鞍溜板道轨上装有 8 位的电动轨塔刀架，具有分度转位快、平稳可靠、无渗漏等优点。 （ 9） 机床配有自动对刀仪，通过接触式传感器，可以快而准确的测出刀具安装时的偏差值，传输给计算机系统，在加工时可以进行刀具的自动补偿。 （ 10） 机床具有良好的扩展性，机床配有排屑器，实现自动排屑。机床配有防护外壳。 （ 11） 机床数控系统配有日本 无锡太湖学院学士学位论文 4 半闭环数控车床进给部件设计 5 3 伺服进给部件的方案 比较和确定 控系统的比较 位控制系统 这种控制系统只要求控制每次移动行程终点的坐标位置，即每个程序段的行程，终点都能准确定位，坐标移动过程中，刀具脱离工件，不进行切削加工，通常各坐标意最快速度独立运动，为避免到达终点时产生超调，实现精确定位，多采用分级降速的方法控制进给运动。 线控制系统 运动轨迹是直线。通常是单坐标运动，即每个程序段只移动一个坐标轴，运动中要进行切削加工，这种系统多用于简易车床和铣床。 系轨迹控制系统 这种控制系统用 于平面曲线的空间曲线的加工，应用广泛。选择连续轨迹控制系统 . 制方式的选择 环系统 开环控制系统结构简单，易于控制，但精度差。没一步有起制动的微观变化，故运动不平稳，影响加工光洁度。 无锡太湖学院学士学位论文 6 闭环系统 这种系统它的位移测量元件不是直接测量移动部件的位移量，而是用测量丝杠的转动来间接测量移动部件的移动量，由丝杠的转动变换为移动部件的移动量。虽然半闭环精度低于闭环伺服系统，但是由于角位移测量元件比直线位移测量元件结构简单，价格便宜，所以半闭环伺服系统的应用很普遍。 环系统 该系统为误差调节系统，该系统中包括位置检测元件，在该系统中的执行部件的位移、转角、速度等通过测量元件变换成电信号，反馈到系统的输入器，与控制系统给定的标准信号进行比较，得出误差信号的大小和极性，控制伺服系统的运行，知道误差为零。从理论上讲，闭环伺服系统的精度取决于测量元件的精度，但是机械传动误差也是影响伺服系统精度的重要因素。该系统主要用于大型数控机床、超精车床和超精磨床等。 结论：选择半闭环系统。 量系统和绝对系统的比较 半闭环数控车床进给部件设计 7 量系统 若系统中使用增量方式测量元件，即为增量 系统。增量尺随工作台移动时只发出逐个脉冲，在没有辅助电路的情况下，停电后要重新开机不能得知工作台当前所停的实际位置。因此每次启动机床后操作者的首要任务就是将各坐标轴回零，然后才可以使用机床。 对系统 该系统工作台的位置永远对应着检尺的某一确定值。通常使用的检尺为绝对式编码盘或是多级旋变感应同步器，机床的零点与检尺的某一确定值，通常使用检尺时候的移动位置都是以该零点计算的，并可直接从检尺上读出来。 结论：选择绝对系统。 无锡太湖学院学士学位论文 8 半闭环数控车床进给部件设计 9 4 X 向伺服进给部件的设计 服驱动装置的设计 服驱动装置的特点 驱动装置是使机械结构运动的装置。 伺服驱动都是动力源，要设计好伺服驱动装置，首先应了解机电一体化系统对驱动装置的要求，要求一般为： 对高精度要求主要在两方面：一是要求驱动装置满足定位准确的要求，定位误差，特别是重复定位误差要小。二是要求跟随精度要求高，即在运动过程中，位置实际值与给定值的差值要小，也就是说，跟随误差要小，这是机电一体化伺服驱动装 置的动态性能指标之一。 超调 也是对伺服驱动装置动态性能的要求，它也包括两个方面：一是在机电一体化系统的运动过程中，伺服系统可能会频繁的起动、制动、加速和减速。一般是要求伺服驱动装置从速度为零升到最高速，或从最高速度降到零，时间在 200至有时要求在几十毫秒。同时，速度变化时，不应有超调。另一方面，当负载突变时，要求速度的恢复时间短，且无振荡。 调速范围是指伺服驱动着装置所能提供的最高速度与最低速度（常常是最高转速与最低转速）之比： R N 中 指额定负载的最高速度（或转速）和最低速度（或转速）。 （ 1） R 大，并在该调速范围内，要求速度均匀、稳定、无爬行。 （ 2）无论是在高速还是低速驱动时，输出的力或转矩稳定。当速度变化时，驱动装置能平滑运行，力矩波动要小。在很低速驱动时，速度平稳，并能输出额定的力或力矩。 （ 3）在零速时，一般希望驱动装置能够处于伺服“锁定”状态。 D快速的应变能力和较长时间的过载能力 应能受频繁的起动、制动、反向运动、加速、减速的冲击。为满足低速大力矩的要求，应能承受较长时间的过载。 服驱动装置 课根据功率的大小来分类伺服驱动装置，也可以按精度要求的高低来分类，但最常用的分类方法是根据采用动力源的类型，把伺服驱动装置分为液压伺服驱动装置，气压伺服驱动装置和电气伺服驱动装置等三大类型。 由于交流电机性能最可靠，基本用不着维护，造价低，结构简单，输出功率大，动态响应好，不需配置直流电源，且控制技术得到了解决，因此国外交流电无锡太湖学院学士学位论文 10 机正在取代直流电机，国内交流电机已经占一半以上，有了明显的优势。 结论：选用交流伺服电机。 流伺服电机的设计 流伺服电机的类型的确定 交流伺服电 机主要分为交流鼠笼式伺服电机和永磁式交流同步电机。其中永磁式交流同步电机的转速与近接电源的频率之间存在着一种严格的关系，即在电源电压和频率固定不变时，它的转速是稳定不变的。随着新型永磁材料的应用及永磁电动机构的不断改进，永磁交流同步电动机将会越来越多的用语数控系统中。 结论：选择永磁交流同步电动机。 定伺服电机的型号 由于设计要求规定 X 向伺服电机的功率为 速为量大不超过4000r/过转速功率的类比，最终选择 类的大惯量带制动永磁式交流同步伺服电机，其规格： 额定功 率： 定转矩： 大转矩： 机惯量： 定转速： 2000r/大转速： 3000 r/动器： 4v 电源无极性 编码器： 2500p/r 增量式 17 位增量式 /绝对式公用 防护等级：温度 0保存时 20 重量： 10动结构的设计 服电机与进给丝杠的联接确定方案 在进给驱动系统中，伺服电机与滚珠丝杠联接要保证传动无间隙，所以，数控机床采用一种联接方式：直接连接、齿轮减速式。 轴器的比较选用 A) 联 轴器的分类及特点 联轴器的性能可分为刚性联轴器和扰性联轴器，刚性联轴器或称固式联轴半闭环数控车床进给部件设计 11 器，这种联轴器虽然不具有补偿性能，但结构简单、制造容易、不须维护、成本低特点而乃有其应用范围。 a) 扰性联轴器中又分为无弹性元件扰性联轴器和带弹性元件扰性联轴器，千一类具有补偿两轴相对位移的能力，后一类由于含有产生较大弹性变形的元件，除有补偿性能外还具有缓冲作用和减震作用。 b) 弹性联轴器除了能补偿两轴相对位移，降低对联轴器安装的精度对中要求外，更重要的是能够缓和冲击，改变轴系的自身频率，避免发生严重危险性振动。 结论：选 用弹性联轴器 B）选用要求 a） 强度高，承载能力强，在有可能发生扭振或存在瞬间尖峰载荷的场合，要求联轴器的许用瞬时最大扭矩为许用长期扭矩的三倍以上。 b） 弹性高，阻力大，具有足够的减震能力，把冲击和振动长生的振幅降低到允许的范围以内。 c） 具有足够的补偿性能，满足安装和工作时两轴相对位移时的需要。 d） 工作可靠，性能稳定，对橡胶性弹性原件还应具有耐热性，不易老化等优点。 e） 结构简单，体积小，重量轻。拆装方便，维护容易。 结论：选用柱销式 珠丝杠副的特点 a）传动效率高 效率可达 90%95%,耗费的能量仅为丝杠的三分之一。 b） 运动具有可逆性 既可将回转运动变为直线运动，又可将直线运动变为回转运动，且逆转动效率几乎与正转动效率相同。 c） 系统刚度好 通过螺母组件内施加预压获得较高的系统刚度，可满足各种机械传动要求，无爬行现象，始终保持运动的平稳性和灵敏性。 d） 传动精度高 经过淬硬并经磨纹滚道后的滚珠丝杠副本身就具有很高的制造精度，又由于摩擦小，丝杠副工作时温升和热变形小，容易获得较高的传动精度。 e） 使用寿命长 滚珠是在淬硬的滚道上作滚动运动，磨损极小，长期使用后仍能保持其 精度，因而寿命长，具有很高的可靠性。其寿命一般比滑动丝杠高56倍。 f） 不能自锁 特别是垂直安装的丝杠。当运动停止后，螺母将在重力的作用下下滑，顾需设置制动装置。 g） 制造工艺复杂 滚珠丝杠和螺母等零件的加工精度、表面粗糙度要求高，制造成本较高。 结论：由于滚珠丝杠副独特的性能而受到极高的评价，因而已成为数控机床、精密机械设备及各种机电一体化产品中不可缺少的传动机构。 珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法 滚珠丝杠副除本身单一方向的传动精度有要求外，对其轴向间隙也有严格的要求，以保证 其反向传动精度。滚珠丝杠副低轴向间隙是承载时在与滚道型面接无锡太湖学院学士学位论文 12 触点的弹性形变所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。通常采用双螺母预紧的方法，把弹性形变控制在最小的限度内。以减小或消除轴向间隙，并可以提高滚珠丝杠副的精度。 消除滚珠丝杠副的轴向间隙应注意以下两点： A 预紧力大小必须合适，过小不能保证无间隙传动，过大将使驱动力矩增大，效率降低，寿命缩短。预紧力应不超过最大轴向负载的三分之一。 B 要特别注意减小丝杠安装部分的驱动部分的间隙。这些间隙用预紧力的方法是无法消除的。而它对传动精度有直接影响。 常用的双 螺母消除轴向间隙的结构形式有三种： a 垫片调隙式 采用螺钉链接滚珠丝杠两个螺母的凸缘加垫片，并在凸缘加垫片。调整垫片的厚度使螺母产生微量的轴向位移，以达到消除轴向间隙和产生预紧力的目的。该形式结构紧凑，工作可靠，调整方便，应用广，但很不准确，并且当滚道损坏时不能随意调整，除非更换垫圈。故适合于一般精度的传动机构。 b 螺纹调隙式 双螺母中的一个外端有凸缘；一个外端无凸缘，它伸出套筒外，用两个螺母固定锁紧，并用键防止两螺母相对传动。旋转圆周可调整消除间隙并产生预紧力，之后再用锁紧螺母锁紧。该型结构紧凑，工作 可靠，调整方便。目前使用很广。 c 齿差调隙式 在两个螺母的凸缘上各位置有圆柱外齿轮 (齿数为 )分别与内齿轮啮合，内齿圈用螺钉或定位销固定在套筒上。调整时，先取下两端的内齿圈，使两螺母产生相对位移，相应地产生轴向的相对位移，从而亮螺母中的滚珠分别紧贴在螺母滚道的两个相反的侧面上，然后将内齿圈复位固定，故而消除间隙，产生预紧力的目的。可见，该形式的调整精度很高，工作可靠。但结构复杂，加工和装配工艺性能较差。 结论：选用螺纹调隙式 珠丝杠副支撑形式的确定 A 一端固定一端自由（ F O） 该支撑方式结构简单，丝杠的轴向刚度比两端固定低，且压杆稳定性和临界转速都比较低，设计时尽量使丝杠拉伸，该支撑方式适用于较短的竖直的丝杠。 B 一端固定一端游动（ F S） 该支撑方式需要保持螺母与两端支撑同轴，故结构比较复杂，工艺困难，丝杠的轴向和 F 杆稳定性和临界转速都比同长度的 F 丝杠内有热膨胀的余地，该支撑方式适用于较长的卧式安装丝杠。 A 两端固定（ F F） 该形式的长度同 F S 的长度，只要轴承间隙，丝杠的轴向刚度为一端固定的四倍，丝杠一般不会受压，无压 杆稳定性问题，固有频率比一端固定要高；可以拉伸，预拉伸后可减少丝杠自重的下垂和热补偿膨胀。但需一套预拉伸机构，结构及工艺都比较困难，要进行欲拉伸的丝杠起目标行程应略微小于公称行程，减少量等于预拉伸量。该支撑方式适用于对刚度和唯一精度要求高的场合。 结论：选择两端固定方式。 半闭环数控车床进给部件设计 13 珠丝杠副的设计选用 已知：工作台重量 500N 刀架及电动机重量 200N 工作台最大行程 100摩擦系数 摩擦系数 速进给速度 100m/位精度 20m/行程 25复定位精度 10求寿命 20000h（两班制工作十年） 杠轴承的选用 A 滑动轴承与滚动轴承的比较 a滑动轴承的特点及分类 普通滑动轴承，结构简单、制造方便，成本低廉，并可以做成开式以适应安装要求；而液体滑动轴承可在很高的转速下工作。运转平稳，旋转精度高，寿命长，抗振动性能好，可在强冲击和重载下工作。由于其工作平稳，噪声低，吸振性好，因此他在高速重载场合得到广泛应用。但它不是标准件，设计、维护都比较复杂，因此在很多场合已被滚动轴承所取代。 B 滚动轴承的特点 滚动轴承摩擦阻力小，启动轻快、效率高、不易磨损 。典型的滚动轴承有内圈、外圈、滚动体和保持架等部分组成。内圈用来与颈轴配合，外圈一般与轴承座装配。常用的滚动轴承有球、圆柱滚子、圆锥滚子、球面滚子及非球面滚子等。滚动轴承的内、外圈及滚动体是用铬轴承钢制成的，工作表面经过磨削和抛光，硬度一般不低于 60持架使用较软的材料（如低碳钢、钢合金、铝合金、夹布胶木和尼龙塑料等）。 滚动轴承已经标准化，由于工厂大量生产。所以在设计时，一般需要： 力情况、结构要素等因素，选择合适的滚动轴承类型、精度、尺寸。并由滚动轴承目录中查出滚动轴承代号； 考虑滚动轴承如何装拆、固定、调整、润滑和密封等问题。 结论：选用滚动轴承 B滚动轴承的选择和比较 a滚动轴承类型选择注意点 1 轴承负荷 (1) 轴承负荷是选用轴承类型的主要要素，通常应根据负荷的大小、方向和性质选用轴承。 负荷的大小与性质 通常球轴承适用于承受轻、中及较小波动的负荷；滚子轴承使用于承受重的及较大波动的负荷。 (2) 负荷的方向 纯径向的负荷可选用深沟球轴承及滚针轴承。纯轴向负荷可选用推力轴承。当径向负荷和轴向负荷联合作用时，一般选用角接触球轴承和圆无锡太湖学院学士学位论文 14 锥轴承 和圆锥滚子轴承；若径向负荷较大和轴向负荷较小时，也可选用深沟球轴承；若轴向负荷很大时，径向负荷很小时，可选用推力角接触球轴承、推力圆滚子轴承，也可选用圆柱滚子轴承（或深沟球轴承）和推力轴承联合使用。 2 轴承的转速 球轴承比滚子轴承有较大的极限转速，故而高速时应选用球轴承。在内径相同的条件下，外径愈小，滚动体愈小、轻；其离心力小、摩擦阻力小、发热量小；所以在一定条件下，工作转速较高时宜选用超轻、特轻系列的轴承。 高速重要的轴承要验算其转速。一些提高轴承极限转速的措施，都对高速运转有利，如实体保持架、青铜或夹 布胶木架，提高精度等级，适量加大球轴承的游隙，用喷油或油雾润滑改善冷却条件等。 (1) 调心性能 当轴或壳体变形大，以及安装对中性差时，应选用具有调心性能的轴承及补偿上述变形及误差引起的偏斜，从而保证轴承是正常工作的。这时宜选用调心球轴承或调心滚子轴承。 (2)安装与拆卸 对于安装与拆卸较为频繁的机械，可选用分离型角接触轴承、圆锥滚子轴承，圆周滚子轴承和推力轴承。当轴承在长轴安装时，为方便拆卸可选用一些内圈为圆锥孔的、带紧定套或退套的调心滚子轴承、调心球轴承。 (3)滚动轴承方案的比较 深沟球轴承 与尺 寸相同的的其它类型轴承相比较，此种轴承摩擦损失最小。在轴承内外圈相对倾斜 8 16时 (根据游隙确定 )仍可正常工作（但寿命有一定影响）。当加大轴承的径向游隙时，具有向心推力球轴承的性质，在转速较高不宜采用此类轴承的情况下，可采用此类轴承承受轴向力。圆圈有止动槽的深沟，放入止动环后可简化轴承在外壳孔（可做成通孔）轴向紧固，也可缩小轴向尺寸，此类轴承所受径向负荷能力与基本类型轴承相同，但允许的轴向负荷应适当降低。它主要能够承受径向负荷，也可同时承受少量双向轴向的负荷极限转速高，它可将轴的双向移动限制在轴承的游隙 范围内。 调心球轴承 具有自动调心性能允许内圈（轴）对外圈（外壳）的倾斜不超过 3度。此类轴承主要用 负荷作用下弯曲较大的传动轴以及支撑座孔不易保证严格的部件中。主要承受径向负荷。也 同时承受少量的双向轴向负载，额定负荷比为 限转速高，也可将轴的双向移动限制在轴承的轴向游隙范围内。 它不宜承受纯的轴向负荷，此种情况将使负荷有一系列仅有一列钢球承受。 其中圆锥孔调心球轴承安装在轴颈上，通过轴向移动内圈可微量调整轴承的径向游隙。 圆柱滚子轴承 仅能承受径向负荷，额定负荷比为 ，极限转速高，不能限制轴的轴向移动。 带挡边的引导套圈与保持架和滚子组成一组合件可与另一无挡边的套圈分离，安装拆卸比较方便，与同尺寸向心轴承相比，径向负荷能力较大，但允许外圈与内圈轴线偏移斜度较小，故只能由于刚性较大的轴上，并要求支撑座孔能够很好的半闭环数控车床进给部件设计 15 队中。内圈无挡边的圆柱滚子轴承常用于受外力弯曲较小的固定短轴上；也常用于因发热而使长轴伸长的机件上。此时，于一个支点上安装无挡边的滚子轴承，另一个支点上则安装使轴与轴箱能固定起来的轴承。 调心滚子轴承 它主要受径向负荷，也可同时承受少量的双
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