【JC012】数控铲磨床纵向进给系统的设计【2A0】【机械专业毕业设计论文】【优秀】【通过答辩】
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, : of , : a by:, : , 2010 by , 784a , 0 009 2 9544054An of on is in A is to is s on in of is to in is of of HT of is a is of of is in in an a of as by in to of 1is in 300, o. 300, is 2of is of of as in of on a to or 3of to is to of of T is of as a of it to is to 3,4, of it to 224 : J. , a 785in 5,6. of of 6. 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(b)连接局部最小值和最大值使用 样条 ; (c)找到 (上部和底部信封识别的意思。 这个的意思是指定 (1) 在第二个筛选过程中 ,然后 (2) 这个筛选过程可以重复 直到 是 h1(k1) 后它被指定为 一个 检查如果 下条件必须满足 (5、6): (a)数量的极值和零交叉是小于等于 1的 ; (b)平均值上 (和极大值联系在一起 )和 较低 (和 最小值 联系在一起 )是在每一点上的零。 第一个 s种差异被称为残 余 现在视为新的信号和接受同样的筛选过程。分解过程最后停止当残 余 有任何更多的 解 原始信号到 余 (3) 另一个步骤是将希尔伯特变换进行分解。每个组件都有其希尔伯特 变换 (4) 图 1通过使用各种方法分析切削力信号 :(a)原始数据集 ;(b)傅里叶变换的信号 ;(c)小波变换 ;(d)用希尔伯特变换 ,分析信号定义为 (5) 其中 (6) 并且 (7) 在这里 ,a(t)是瞬时振幅和 (t)相函数和瞬时频率 (8) 在表面上的希尔伯特变换每个元素 ,原始数据可以表示为真正的部分 (9) 希尔伯特谱定义后 ,边际光谱可以被定义为： (10) 边际谱提供了一个每个频率值衡量的总振幅 (或能量 )的。这个光谱代表累积 振幅在整个数据跨度在 概率上的意义。 所有细节参考文献 5和 6 傅里叶变换、小波和 号对应的切削力 (a)。切割条件对应于测试 1表 1给 出 ; 测试 1在 表 1中给出 ； 一个低碳的钢是考虑切削力仿真 。 常量的切削力仿真采用参考 8。 陈述的比较 (图 1(b)、 (c),(d)是给定的时频域 ,对比结果真实信号 (图 1(a)在频率域 比较 。 图 1(b)显示了 在 时频表示使用傅里叶变换 (图 1(b)为一个非线性但弱平稳信号。图 1(b)显示了基本频率约 132赫兹和三个谐波作为多个的基本频率。谐波的存在是典型的非对称信号。这种情况下 ， 它没有任何物理意义。傅里叶变换的频率值是与常数在整个时间跨度覆盖范围的集 和 。作为傅里叶定义的频率不是一个时间的函数 ,它可以很容易地看到 ,频率内容 自身 有意义的只有数据线性和平稳。这就是为什么一个刀具 的 故障利用傅里叶变换 通过增加功率密度 3,而不是频率变化 进行研究了 。 连续 的小 波变换 (图 1(c)和 (图 1(a)应用到相同的数据集。 小 波是非常有用的对于数据 的 比较和形象处理。 该表示方法通 常 是转向规模。规模的频率和位移时间成正比。小波变换的局部性质 是 允许在一个频率的变化被检测到，因此它是有用的非平稳数据。小波分析的最严重的缺点又是由不确定性原理的限制（产品的频率分辨率， ，和时间跨 度的频率值的定义， T，不得低于 1 / 2）是局部的和一个小波 不能包含太多的波；然而有良好的频率分辨率， 小 基波也将包含许多波的 7 。 图 1（ c）具有非常明显的峰，频率对应的理论频率 为 132 赫兹。图 1（ d）显示的 计算结果使用 时间线的连续频率明显。计算时频域是基于方程的过程（ 1）至（ 10）；然而瞬时频率可以 利用 希尔伯特变换 计算，过零点，或正交参考 7 。瞬时频率计算的概念允许的频率是在距离不 是 计算两峰之间， 而是 在一个高峰，如果数据密度足够高。振荡（图 1（ d） 是 描述的频率在一个峰的变化。 用于在测试工件材料为 045 碳钢的 C = 的名义材料组成， ， P = 最大， S = 最大（重量 %）。刀具选择铣刀类型 是 高速钢（ 含钴高速钢）， 制造一个直径 为 12 四个 出屑槽 。在连续的 一个 五轴铣床中心进行试验，通过 穿梁 制造，具有 20000 r/大主轴转速，以 代号为 760控制系统。数控编程是在 行干切削。 实验是在表 1中给出的两个不同的切削条件下进行的。每个试验重复至少四次。 对 切割装置冲击试验的 固有频率进行 自然频率 振动 。通过对工件在各个方向的冲击锤测定自然频率（ X， Y， Z）和工具的固有频率也进行了测量。在所有情况下的频率高于 轴压电测力计 基斯特勒 9257 振动是由数据采集单元（ ）。 数据采集单元被连接到 线控制卡的 用 验切削装置如图 2所示。 所有信号被记录 加载。一些信号 从不同的位置上 采集 。刀具齿频率 应该 使 用以下公式计算 (11) 是主轴转速以 r/ 图 2实验切割设置 图 3段切削力数据集 损 坏刀具工具、时间域 图 4段切削力数据集 未 损坏的 刀工具 ,时间域 图 5(a)希尔伯特谱的 未损坏的刀具工具。 (b)希尔伯特谱的损坏刀具工具。 图 6分解信号受损刀工具 ,最高能源组件 图 3显示了 一个部分 损坏的刀 具 与图 4 在时间域的对比 的数据 集 ,刀 具没有什么损坏。这个 结果对应于切削条件测试 1,表 1中给出。振幅的变化在每一个第四峰对应于刀 具 破损 (图 3)。速度的轴是 =1985 r / 因此每个牙齿的频率是 :f= 33程 (11)。这个循环 被 标记为图 3。标记的时期 (大致对应到循环的一个 周期 计算 (方程 (11)， 但是 ,并不代表所有数据集 ;大部分时间信号不是很稳定 ,工具破坏估计可能因此不可能的。 傅里叶变换的缺点的提交 的数据集 (见 是明显的。时间域表示不显示所有的数据 集 的内容 。因此更好的给出了频域和时频域 的数据 。 图 5(a)显示了 损伤刀具 的希尔伯特谱 。这部 论文 的方法 (示在基本频率的振荡强迫振动 ,这是 132赫兹。这个瞬时频率可以通过使用 希尔伯特 黄变换 计算 。这个轻微的振荡 更好的 描述切削过程。切割过程中通过使用 希尔伯特 黄变换不是像对待理论的过程。 结果的径向力 Fr(的介绍。 图 5(b)显示了希尔伯特 谱的受损刀工具。 用 刀具的损坏来模拟磨牙齿的三角形状。瞬时频率的变化是很明显的。低频率的漂移 显示 高的瞬时波动频率 刀具 损坏。 最明显的指示器 的刀具 破裂处是外观大约 32赫兹的新频率 。在图 3中 这个频率实际上对应着差距 (由于刀具工具故障 )在被损坏的刀具 的时间域中。 差距被标记在图 3中是一个灰色的长方形。 这个 程 (1)(3)允许频率分离 ,就像一个带通滤波器。 优势是滤波器不需要使用。 这两个重要的组件的分解信号的损坏刀具如图 6所示。这些频率对应于在希尔伯特光谱中的最高的能量 (图 5(b)。 这 时频域数据表示的优势 是非常明确地。 傅里叶变换 和 希尔伯特 黄变换（ 之间的差别是显而易见的： 结果可以 看 出在时间 频率域 或 在高频率分辨率 ,是不可能使用傅里叶变换 的。 图 7边际谱 :比较新的和 图 8边际谱 :比较新的和 损坏的刀具工具 ,测试 损 坏的刀具工具 ,测试 2 图 9韦尔奇功率谱和边际谱的未损坏 的刀具工具 (估计的动态力 ),测试 图 7显示了希尔伯特边际谱 ,它类似于功率谱的傅里叶变换 对应于 图 5(a)和 5(b),但是图中所示是频率功率谱 该工具故障表示更高的能量在希尔伯特边际谱 32也是是刀具磨损造成的 变化的刀齿成不同的几何形状 使信号转向低频率。 新方法被用于不同的切割条件 ,测试 2(表 1),以确认的可重复性。结果 (图 8)对应上面的结果 :一个转变成低的峰值跟踪频率和新频率出现刀具故障的结果。 图 9显示了希尔伯特边际谱和傅里叶变换的比较。这个优点是显而易见的 :希尔伯特边际谱没有任何谐波 和轻微的振荡在基本频率呈现切割过程中更可靠。 4. 结论 1. 证明 用本文方法来检测刀具故障 的正确性 . 他的频率在希尔伯特谱 (频域 )以及在希尔伯特边际谱 (频域 ) ,它允许其他现象在切削过程中被分析。 5. 通过使用傅里叶变换 过程 更好的描述切割性质 ， 也提出了一个比较的传统方法 作者要感谢来自国立中央大学电火花加工实验室的燕教授的帮助， 感谢 对来自捷克技术大学布拉格 ,马丁的感谢以及他对小波变换的评论 参考文献 1 M. S. Y. of in J. 1986, 108(3),191198. 2 P. T., J. C., C. Y. A in in J. 1999, 15(3). 3 T., T. A of on a of J. 2005, 170(12), 374380. 4 K., Y. S., G. S. of A J. f, 2009, 49, 537553. 5 N. E., Z., S. R., M. C,H. H., Q., N. C., C. C., H. H. A, 1998, 454A, 903995. 6 N. E. S. S. P. (. 2005,311. 7 N. E., Z., S. R., K. C.,X., K. On 2009, 1(2),177229. 8 G. 000 ( com 毕业设计（论文）中期报告 题目： 数控铲磨床纵向进给系统的设计 系 别 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2013 年 3 月 16 日 文）进展状况 经过这段时间 先后通过网上搜索相关资料 、认真学习了机电一体化系统设计，机械设计等相关书籍后，我对机械设计中相关标准件的选取以及校核有了更多的了解。经过几周的努力，确定了毕业设计的具体完成过程。 通过对铲磨床加工对象以及纵向进给过程中的受力情况的了解，在参考了他人的机床设计步骤后，在设计过程中我选择了从滚珠丝杠入手经过对老师给定参数进行的初步计算后，查阅了汉江机床厂生产的滚珠丝杠，初步选定了滚珠丝杠的型号，在此基础上分别计算了导轨，电机，联轴器的相关参数并进行了初步的校核，选出了导轨以及联轴器的型号，并且阅读了国内一些其他 的生产厂家的相关产品。 通过对他人设计的机床装配图的分析，绘制出了自己设计的机床装配草图，现在我正在计算机床中相关零部件的尺寸，为机床的装配图的绘制做好准备。 查找与毕业设计论文相关的外文文献，通过使用相关的英语单词翻译软件，翻译了一篇外文题目为 a 外文文献，题目主要讲解了检测刀具具到的一种新的分析方法。 据收集资料已完成总体方案的设计，并细化了 方案，对导轨，电机，滚珠丝杠等进行了选型以及相关参数的校核。 步绘制了机床的零件图。 制了机床的装配草图。 成了外文翻译。 3、存在的问题及 及解决措施 题： 对论文所涉及的知识认识得不够深刻，对命题的探讨不够深入。 解决措施：在接下来的这段时间里继续学习相关零件的有关知识，并尽可能的在实际中去接触铲磨床。 题：对机床中链接部分以及具体的装配了解的不够深入 . 解决措施：参考前人设计的数控机床中的设计方法，对已完成的内容进行多次审阅，从内容、结构及用语等方面给予调整，通过与老师和同学不断探讨与交流来加强自己对这部分知识的理解。 题：对于毕业设计论文的编写以及论文的表达还没有确定。 解决措施：在编写说明书的时候，要多参照一些前人的优秀论文，同时多和辅导老师请教，来完成说明书的编写。 5、 后期工作安排 在以后的毕业设计工作中还需对已经设计的方案进行不断地完善，绘制机械的注： 1） 正文：宋体小四号字，行距 20 磅 ，单面打印；其他格式要求与毕业论文相同。 2） 中期报告由各系集中归档保存，不装订入册。 零件图，装配图，并撰写毕业论文具体的安排如下： 7 9 周：设计数 控机床纵向进给系统的机械零件 图； 10 12 周：设计数控机床纵向进给系统的机械装配图； 13：整理前期资料 并撰写毕业论文； 15 周：提交论文并答辩； 指导教师签字： 年 月 日 1毕业设计 (论文 )开题报告 题 目：数控铲磨床纵向进给系统的设计 系 别 机电信息系 专 业 机械制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2012 年 12 月 24 日 文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况 ） 究背景和意义 铲磨床是滚刀、成型铣刀等复杂刀具的精加工机床， 滚刀的 铲磨是由工件主轴回转运动，砂轮纵向移动，砂轮横向进给运动，砂轮的回转运动这四部分所形成的空间运动合成获得的。工件的回转和砂轮的纵向移动构成螺旋运动，砂轮的横向进给和砂轮的回转构成铲背运动，两种运动合成完成滚刀的铲磨加工。 纵向 进给系统是实现螺旋运 动的重要部分，也是保证产品达到高的加工精度和稳定的加工质量的关键部件。 目前，我国大多数企业的生产形式还是以传统机床生产加工为主，而且大部分的机床都是工作在十年以上，用这些机床加工出来的零件 普遍存在质量较差，生产的品种较少，生产花费的成本较高，生产的效率较低，产品的供货期较长。 拥有这样机床的企业，在国外和国内的市场上的竞争力都非常的弱，直接影响了企业的竞争和长远的发展。 数控机床的出现，实现了对加工过程的高效能自动或半自动控制，与普通机床相比，加工精度高，加工稳定可靠，生产率高，劳动条件好，有利于管理现代化 ，因而受到生产企业的更多重视，是制造业现代化的必然趋势 3 。 旧机床 由于长期的使用，机械部件有或多或少的磨损，电器部件随之老化，导致一些机床的故障率在上升，同时由于国内外机电产品的不断更新，世界上的一些知名数控系统公司大部分三到五年 就更新一次数控系统，所以当某一数控系统在服役了五到七年后，如果数控系统出现了问题，即使想修理也找不到相关的零部件，给整个设备的维护和修理带来了相当的麻烦， 甚至造成整台机床的停产。 对机床 的整个 机械部件来说，大部分机械部件都很完好，即使有的机 械部件受到了部分的磨损和损伤，只要对其机械部件进 行更换还 是可以继续使用多年，甚至对 一些 从国外进口进来的机床，整个机床的机械部件的精度还能够保证，如果将这些机床进行淘汰，必定造成经济上很大的浪费。通过数控化改造能用更少的资金提高和增强机床的功能和档次，一般来说，改造一台数控机床相对于买一台新的数控机床可以极大地节省费用，就是将整台的机床进行彻底的改造，所需要的资金也相对较少，而且无论从投资上来说还是从风险上来说都是降低了很多。 究方法或措施 选取，数控机床加工过程中要求工作台能够实现往复运动，并且能够精确控制整个过程的速度，伺服驱动装置是带有力或力矩或速度或位置反馈并可自动调节的驱动装置，它比一般无伺服驱动的装置性能要好的多，要求定位分辨率为 31于步进电机一般只用于开环系统，开环系统的精度远不如闭环系统高。步进电机驱动装置的速度也远不如直流伺服驱动或交流伺服驱动高，而且功率越大速度越低。 伺服 电机 主要靠脉冲来定位，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 收 的脉冲形成了呼应，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，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 因此初步选用伺服电机。 伺服电机定位精度高，定位误差小，快速响应，无超调，抗干扰能力强。 采用减速齿轮以作匹配 。采用减速齿轮后当速度过高时不仅能够实现减速而且能够增大电机折算到工作台上的扭矩。 电机的旋转运动转换为直线运动，此部分的设计可选用蜗轮蜗杆或滚珠丝杠传动均能实现要求 ，由于涡轮蜗杆啮合轮齿间的相对滑动速度较大，摩擦磨损大，传动效率低易出现发热现象，常用较贵的减摩耐磨材料来制造涡轮，故成本较高 4 。而滚动磨损比滑动磨损小得多，且滚动摩擦的启动摩擦阻力很小，滚珠丝杠副的摩擦损失小，因而工作时本身温度变化很小，丝杠尺寸稳定。滚动摩擦几乎与速度无关，这样就可以保证运动的平稳性，即使在低速时仍能获得均匀的速度 14 ，保证了较高的精度。经过比较分析，此部分选用滚珠丝杠副。 磨削状态下，支撑电主轴的磨头座刚性对高速旋转的砂轮运转平稳影响很大，直接关系到加工工件的最终加工精度。 总体方案如图 1所示，伺服电机通过减速齿轮为工作台提供进给时的动力，并通过滚珠丝杠副将旋转运动转变为直线运动。 图 1 纵向进给系统总体结构图 期已开展工作 4此课题主要 难点 是数控机床零件图与装配图的绘制。重点是电机的和滚珠丝杠的选取以及减速器的设计。前期先进行专业知识的学习，查阅相关资料， 分析机床加 工对象和加工要求，初步提出系统总体设计方案，阅读此方面的论文，复习 数控技术、电气伺服驱动、机电一体化系统设计、机械设计基础等课程 中的相关知识，并阅读与此相关的书刊。 周次填写） 1 3 周：查阅相关资料并分析机床加工对象和加工要求，初步提出系统总体设计方案，并撰写开题报告； 4 6 周：分析给定参数，提出 各部分的设计方案，计算并选择伺服电机、滚珠丝杠副、导轨副、轴承等零部件； 7 9 周：设计数 控机床纵向进给系统的机械零件图； 10 12 周：设计数控机床纵向进给系统的机械装配图； 13：整理前期资料 并撰写毕业论文； 15 周：提交论文并答辩； 5、 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见） 指导教师： 年 月 日 6、 所在系审查意见： 系主管领导： 年 月 日 5参考 文献 1数控机床 2 机电一体化系统设计手册 M. 北京 : 国防工业出版社 , 1997. 3磨机床的调整和改装 4陈作模 机械原理 5机械原理 高等教育出版社 6数控机床 电子工业出版社 7机床数控改造与设计实例 机械工业出版社 8数控车床设计 化学工业出版社 9 秦现生 西北工业大学出版社 10 朱启逑 11纪名刚 北京 :高等教育出版社 12王良申 上海 :上海交通大学出版社 13数控技术 . 中国轻工业出版社 14机电一体化系统设计 15名刚 4 版 . 北京：高等教育出版社， 2001. 16. 1987. 17. G. 018 T. on 2003 数控铲磨床纵向进给系统的设计 摘 要 铲磨床是滚刀、成型铣刀等复杂刀具的精加工机床。由于传统铲磨床加工精度下降、生产效率低，工人劳动强度大，本设计对传统铲磨床的纵向进给机构进行数控化改造来改善其上述不足之处。 通过对目前工厂中传统的铲磨床进行研究，参考数控机床的相关文献，了解铲磨床纵向进给部分的工作原理，并深入分析铲磨床在加工的过程中各个零部件的受力情况，按寿命计算选择了丝杠的尺寸规格，并校核了额定动载荷 、传动效率、刚度， 最终选择了汉江机床厂生产的滚珠丝杠。通过对主轴受力的分析选择了用推力球轴承承受轴向力 ，用深沟球轴承承受径向力的形式。导轨的选取参考了汉江机床厂生产的滚动导轨，对导轨的寿命以及额定载荷进行了校核，均能满足要求。电机根据滚珠丝杠的导程计算出的最高转速，和传动过程中的最大转矩选取了富士公司的伺服电机并对转动惯量进行了校核。由于采用了闭环系统，在查阅了光栅尺的相关参数后，选择 司的光栅尺能使在规定的行程内定位分辨率达到要求。 通过上述设计实现了铲磨床纵向进给系统的数控化改造，满足了加工精度的要求，具有加工稳定可靠，效率高等优点。 关键词 : 数控铲磨床 ;纵向进给系统 ;精加工 ;闭环系统 NC is a s is is of of is to in at NC of of of in of of to of of of on A a to of of to of is to of of of is to of of in of C of It s of is NC 录 1 绪论 . 1 述 . 1 控机床的优点 . 错误 !未定义书签。 控机床的组成 . 错误 !未定义书签。 2 总体方案设计 . 错误 !未定义书签。 床的运动关系 . 错误 !未定义书签。 动方案的设计 . 错误 !未定义书签。 杠的选型及支撑方式的设计 . 错误 !未定义书签。 系统的选取 . 错误 !未定义书签。 轨的选定 . 错误 !未定义书签。 杠和电机连接零件的选取 . 错误 !未定义书签。 承类型的选取 . 错误 !未定义书签。 3 进给伺服系统机械部分计算与校核 . 错误 !未定义书签。 珠丝杠螺母副的计算和选型 . 错误 !未定义书签。 定动载荷 . 错误 !未定义书签。 动效率校核 . 错误 !未定义书签。 承的计算和选型 . 错误 !未定义书签。 力球轴承的选型 . 错误 !未定义书签。 沟球轴承的选型 . 错误 !未定义书签。 杠的刚度和稳定性校核 . 错误 !未定义书签。 杠的刚度校核 . 错误 !未定义书签。 定性校核 . 错误 !未定义书签。 轨的计算和选型 . 错误 !未定义书签。 动直线导轨副行程长度的寿命 . 错误 !未定义书签。 服电机的计算和选型 . 错误 !未定义书签。 机转速的选取 . 错误 !未定义书签。 机转矩的计算 . 错误 !未定义书签。 动惯量的校核 . 错误 !未定义书签。 码器的选型 . 18 4 进给系统机械部分结构设计 . 19 给伺服系统装配图的设计 . 19 装过程中应注意的问题 . 19 5 总结 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 致 谢 . 错误 !未定义书签。 毕业设计（论文）知识产权声明 . 24 毕业设计 （论文）独创性声明 . 25 数控铲磨床纵向进给系统的设计 摘 要 铲磨床是滚刀、成型铣刀等复杂刀具的精加工机床。由于传统铲磨床加工精度下降、生产效率低，工人劳动强度大，本设计对传统铲磨床的纵向进给机构进行数控化改造来改善其上述不足之处。 通过对目前工厂中传统的铲磨床进行研究，参考数控机床的相关文献，了解铲磨床纵向进给部分的工作原理，并深入分析铲磨床在加工的过程中各个零部件的受力情况，按寿命计算选择了丝杠的尺寸规格，并校核了额定动载荷 、传动效率、刚度， 最终选择了汉江机床厂生产的滚珠丝杠。通过对主轴受力的分析选择了用推力球轴承承受轴 向力，用深沟球轴承承受径向力的形式。导轨的选取参考了汉江机床厂生产的滚动导轨，对导轨的寿命以及额定载荷进行了校核，均能满足要求。电机根据滚珠丝杠的导程计算出的最高转速，和传动过程中的最大转矩选取了富士公司的伺服电机并对转动惯量进行了校核。由于采用了闭环系统，在查阅了光栅尺的相关参数后，选择 司的光栅尺能使在规定的行程内定位分辨率达到要求。 通过上述设计实现了铲磨床纵向进给系统的数控化改造，满足了加工精度的要求，具有加工稳定可靠，效率高等优点。 关键词 : 数控铲磨床 ;纵向进给系统 ;精加工 ;闭环系统 I NC is a s is is of of is to in at NC of of of in of of to of of of on A a to of of to of is to of of of is to of of in of C of It s of is NC 录 1 绪论 . 1 述 . 1 控机床的优点 . 2 控机床的组成 . 2 2 总体方案设计 . 6 床的运动关系 . 6 动方案的设计 . 6 杠的选型及支撑方式的设计 . 6 系统的选取 . 7 轨的选定 . 7 杠和电机连接零件的选取 . 8 承类型的选取 . 8 3 进给伺服系统机械部分计算与校核 . 9 珠丝杠螺母副的计算和选型 . 9 定动载荷 . 9 动效率校核 . 11 承的计算和选型 . 11 力球轴承的选型 . 11 沟球轴承的选型 . 12 杠的刚度和稳定性校核 . 13 杠的刚度校核 . 13 定性校核 . 14 轨的计算和选型 . 14 动直线导轨副行程长度的寿命 . 14 服电机的计算和 选型 . 15 机转速的选取 . 16 机转矩的计算 . 16 动惯量的校核 . 17 码器的选型 . 18 进给系统机械部分结构设计 . 19 给伺服系统装配图的设计 . 19 装过程中应注意的问题 . 19 5 总结 . 21 参考文献 . 22 致 谢 . 23 毕业设计（论文）知识产权声明 . 24 毕业 设计（论文）独创性声明 . 25 1 绪论 1 1 绪论 述 我国目前机床总量为 380 万余台，而其中数控机床总数只有 台，这说明我国机床数控化率不到 3%。我们大多数制造业和企业的生产、加工设备大多数是传统机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、成本高等缺点，因此这些产品在国际、国内市场上缺乏竞争了，这直接影响了企业的生存和发展。所以必须提高机床的数控化率。 在过去的几十年，虽然金属切削的基本原理变化不大 ，但随着社会生产力的发展，要求制造业向自动化和精密化方向发展，而刀具材料和电子技术的进步，特别是微电子技术、电子计算机的技术进步，运用到控制系统中，既能帮助机床的自动化，又能提高加工精度。这些都要求对旧机床进行改造。另外，在经济方面，用机床的数控改造比更新设备节约 50%的资金。再加上市场的原因，由于目前机床市场供给无法满足大量的机床设备的更新需要，因此更显示出机床数控改造的必要性。 数控改造相对于购置数控机床来说，能充分发挥设备的潜力，改造后的机床比传统机床有很多突出优点，由于数控机床的计算机有很高的运算能 力，可以准确的计算出每个坐标轴的运动量，加工出较复杂的曲线和曲面 1 。其计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记忆和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可以实现另一工件的加工，从而实现“柔性自动化”。改造后的机床不像购买新机那样，要重新了解机床操作和维修，也不了解能否满足加工要求。改造可以精确计算出机床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，操作和维修方面培训时间短，见效快。另外，数控改造可以充 分利用现有地基，不必像购入新机那样需要重新构筑地基，还可以根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和档次，将机床改造成当今水平的机床。 由于铲磨床已经停止生产，因此将传统的铲磨床进行数控化改造很有必要。数控机床不但技术上具有先进性，同时在应用上比其他传统的自动化改造方案有较大的通用性和可用性，且投入费用低，用户承担得起。由于自投入使用以来取得了显著的技术经济效益，已成为我国设备技术改造中主要方向之一，也为我国传统机械制造技术朝机电一体化技术方向过渡的主要内容之一。毕业设计（论文） 2 控机床的优点 相对于 传统机床，数控机床有以下明显的优越性： (1) 提高生产率。数控机床能缩短生产准备时间，增加切削加工时间的比率。采用最佳参数和最佳走刀路线，缩短加工时间，从而提高生产率。 (2) 数控机床可以提高零件的加工精度，稳定产品质量。由于它是按照程序自动加工不需要人工干预，其加工精度还可以利用软件进行校正及补偿，故可以获得比机床本身精度还要高的精度和重复精度。 (3) 有广泛的适应性和较大的灵活性。通过改变程序，就可以加工新产品的零件，能够完成很多普通机床难以完成或者根本不能加工的复杂型面零件的加工。 (4) 可以 实现一机多用。一些数控机床，可以自动换刀，一次装卡后，几乎能完成零件的全部加工部位的加工，节省了设备和厂房面积。 (5) 可以进行精确的成本计算和生产进度安排，减少在制品，加速资金周转，提高经济效益。 (6) 不需要专用夹具。采用普通的通用夹具就能满足数控加工的要求。节省了专用夹具设计制造和存放的费用。 (7) 大大减轻了工人的劳动强度 2 。 因此，采用数控机床，可以降低工人的劳动强度，节省劳动力（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 性制造单元）、 柔性制造系统 ） 以及 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。 控机床的组成 机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 3 。 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。 机床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是数控机床区别于普通机床的一个特殊部分。 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。闭环控制方式毕业设计（论文） 3 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。 机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。 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 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 4000上的角加速度的能力，才能保证电机可在 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、软件处毕业设计（论文） 4 理数字 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。 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 。 铲磨床是滚刀、成型铣刀等复杂刀具的精加工机床， 纵向 进给系统是实现螺旋运动的重要部分，也是保证产品达到高的加工精度和稳定的加工质量的关键部件 , 以伺服电机、减速装置、滚珠丝杠副、滑动导轨等组成的闭环传动系统能保证系统获得较高的精度、刚度 和稳定性 , 使之满足数控系统的要求。数控机床与普通机床相比 ,增加了功能 ,提高了性能 ,简化了结构 密、小批量及形状多变零件的加工问题。能获得稳定的加工质量和提高生产率，其应用越来越广泛，但是数控的应用也受到其他条件限制： (1)数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，中小企业常是心有余而力不足； (2)目前，各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床替换根本不可能，而且替代下的机床闲置起来又会造成浪费； (3)在国内，订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产急需；(4)通用数控机床对某一类具 体生产项目有多余功能。 数控机床具有一定的自动化能力，以实现额定的加工工艺目标。这一工作早在 20 世纪 60 年代已经在开始迅速发展，并有专门企业经营这门业务。目前，国外已发展成为一个新兴产业部门，从美国、日本等工业化国家的经验看，机床的数控化改造也必不可少，如日本的大企业中有 26%的机床经过数控化改造，中小企业则达 74%。在美国有许多数控专业化公司为世界各地提供数控化改造业务。中国是拥有 300 多万台机床的国家，其中大部分是多年积累生产的普通机床，自动化程度低。要想在近几年用自动和精密设备更新现有机床，不论是资金 还是中国机床制造厂的能力都是办不到的，因此，普通机床的数控化改造大有可为，它适合中国的经济水平、生产水平和教育水平，已成为中国设备技术改造的主要方向之一。 机床数控化的优点： (1)改造闲置设备，能发挥机床原有的功能和改造后的新增功能，提高了机床的使用价值，可以提高固定资产的使用效率； (2)适应多品种、小批量零件生产； (3)自动化程度提高、专业性强、加工精度高、生产效率高； (4)降低对工人的操作水平的要求； (5)数控改造费用低、经济性好； (6)数控改造的周期短，可满足生产急需。 普通机床 (如 是金属切削加工最常用的一类机床。毕业设计（论文） 5 普通机床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜箱、横溜板移动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作。刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。 对普通机床进行数控化改造，利用数控装置，机床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于加工过程中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的机床就可以加工 出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适应小批量多品种复杂零件的加工 4 。 十几年来，随着科学技术的发展，机床也在不断进步，数控系统产品不断改进完善，并且有了阶段性的突破，使新的经济型数控系统功能更强，可靠性更稳定，功率增大，结构简单，维修方便。由于这项技术的发展增强了经济型数控的活力，根据我国国情，该技术在今后一段时间内还将是我国机械行业老设备改造的很好途径。对于原有老的经济型数控机床，特别是 80 年代末期改造的设备，由 于种种原因闲置的很多，浪费很大；在用的设备使用至今也十几年了，同样面临进一步改造的问题通过改造可以提高原有装备的技术水平，大大提高生产效率，创造更大的经济效益。 2 总体方案设计 6 2 总体方案设计 床的运动关系 数控铲磨床主要通过砂轮的磨削来实现对刀具的加工，加工的过程中的运动主要包括工件主轴回转运动，砂轮纵向移动，砂轮横向进给运动，砂轮的回转运动这四部分所形成的空间运动。工件的回转和砂轮的纵向移动构成螺旋运动，砂轮的横向进给和砂轮的回转构成铲背运动，两种运动合成完成滚刀的铲磨加 工。 动方案的设计 纵向进给系统中初步设计利用交流伺服电机驱动整个传动系统运动，并且通过丝杠将电机的旋转转换为直线运动，通过联轴器使丝杠与电机直接连接，丝杠两端采用一端固定一端简直的支撑方式，丝杠螺母通过连接部分与工作台连接，从而实现铲磨床的纵向进给运动。初步设计如图 示。 图 案简图 杠的选型及支撑方式的设计 丝杠是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，是数控机床伺服进给系统中使用最为广泛的传动装置。滚珠丝杠具有传动效率高、摩擦损失小，传动精度高，磨损小、使用寿 命长等优点。相对于滑动丝杠来说，滚珠丝杠仅用较小的扭矩就能获得较大的轴向推力而且功耗损失只有滑动丝杠的 1 4 1 3。滚动摩擦的启动摩擦阻力很小，所以滚珠丝杠螺母副的动作灵敏，并且滚动摩擦阻力几乎与运动速度无关，这样就可以保证运动的平稳性，即使在低速下仍可获得均匀的运动，保证了较高的传动精度。因此，本次设计采用滚珠丝杠，由于丝杠有专业毕业设计（论文） 7 的生产厂家生产，并且有相应的国家标准，因此在选择时我参考了汉江机床厂生产的相关产品，并对丝杠两端固定部分做了必要的设计。 丝杠的安装形式有四种： (1)一端固定，一端自由： (2)两端游动： (3)一端固定，一端游动： (4)两端固定。 选择两端固定的安装形式，其特点是 (1)刚度最高，只要轴承无间隙，丝杠的轴向刚度为一端固定的 4 倍； (2)丝杠一般不会受压，无压杆稳定问题，固有频率比一端固定的高； (3)可以预拉伸，预紧拉伸后可见小丝杠自重的下垂和热补偿膨胀 5 。 系统的选取 伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制和闭环控制系统。 开环控制系统中，没有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向送的。指令发出后，不再反馈回来，故称开环控制。 开环系统主要由步进电机驱动。 闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件，用来检测实际位移量，能补偿系统的误差，因而伺服控制精度高。闭环系统多采用直流伺服电机或交流伺服电机驱动。 半闭环控制系统与闭环系统不同，不直接检测工作台的位移量，而是用检测元件出驱动轴的转角，再间接推算出工作台实际的位移量，也有反馈回路，其性能介于开环系统和闭环系统之间 6 。 由于本次设计中，要求定位分辨率 1m，故采取全闭环系统来保证定位分辨率，提高加工工件的加工精度。 轨的选定 导轨是数控机床的重要部件之一，它在很大程度上决定数控机床的刚度，精度和精度保持性。其中直线滚动导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，在很大程度上降低了二者之间的运动摩擦阻力与滑动导轨相比较滚动导轨具有以下优点 :(1) 运动灵敏度高，滚动导轨的摩擦系数远小于滑动导轨，并且滚动导轨动静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。无论实在高速还是低速运动，滚动导轨的摩擦系数基本上不变，一般滚动导轨 运动时没有爬行现象。 (2) 定位精度高，一般滚动导轨的重复定位误差为 0 (3) 牵引力小，移动灵活。 (4) 钢制淬硬导轨具有极高的耐磨性修理周期可达到 10 15 年。故导轨的磨毕业设计（论文） 8 损小，保持性好。 (5) 润滑系统简单，维护方便。 (6) 驱动功率大幅度下降只相当于普通机械的十分之一。适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约 10 倍。能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度 7 。 因此采用滚动导轨。 杠和电机连接零件的选取 由于要求工作台的最大直线速度为 500s，折算到电机上的转速可能很高，因此电机与丝杠的链接用联轴器。这样也大大简化了主轴的结构，缩短传动链，提高了传动精度同时有效的提高了主轴部件的刚度。 承类型的选取 轴承按承受的外部载荷的不同来分类时可以分为向心轴承、推力轴承和向心推力轴承。其中向心轴承主要承受径向载荷，也承受一定的轴向载荷。推力轴承则只能承受轴向载荷 8 。由于本次设计中要求快速进给时的 极限转速较高，故采用能够达到较高转速的球轴承。由于丝杠主要承受轴向力的作用，为了保证机床的高速度，高精度，左端选取两个深沟球轴承承受向心力，两个推力球轴承，承受轴向载荷，右端采取两个深沟球轴承和一个推力球轴承的形式，这样在机床工作的过程中既保证了受力方面的要求，有保证了机床在快速进给的过程中有较高的速度的要求。并且保证了机床的高精度和可靠性，而且提高了传动系统的刚度。 3 进给伺服系统机械 部分计算与校核 9 3 进给伺服系统机械部分计算与校核 珠丝杠螺 母副的计算和选型 由于滚珠丝杠的承载能力用额定负荷表示，故在选取丝杠时根据额定载荷选取。在参考了传统铲磨床的切削力后，对于机床，轴上的切削分力分别取 500N， 500N， 600N。 由公式a x ）（ 得 额定动载荷 由于要求机床最大工作速度为 500mm/s,工作时最大速度为 200mm/s 考虑到丝杠及电机的转速及 实际中铲磨床中丝杠的导程，初选丝杠的导程为 10此滚珠丝杠工作时的最高转速 n=1200r 所以丝杠的工作速度较高。 由公式 3 （ 其中 k 工况系数； 额定动载荷； 轴向载荷； k 的取值参见表 况系数 使用条件 k 无冲击的平稳运动 般情况 击和振动情况 过查表可知 k 一般情况下取 机床工作台重 1500N，且滚动导轨的摩擦系数为 里取 切削力为 600N，此次设计对丝杠螺母施加预紧力，预紧力为轴向载荷的三分之一， 最大轴向载荷。 解得 512毕业设计（论文） 10 数控机床的使用寿命 15000h 由公式 10 （ 得 L=2700 百万转 5 9 3 由于数控机床对滚珠丝杠副的刚度有较高要求，故选择螺母时要注重其刚度的保证。此处选择插管式外循环的端法兰双螺母形式，且螺母取 2 列以保 证丝杠的刚度要求。 汉江机床厂 列丝杠的具体参数以及相关尺寸如下图 示： 图 珠丝杠尺寸图 毕业设计（论文） 11 图 江机床厂滚珠丝杠 根据动载荷和公称导程值得核对最后选取的滚 珠丝杠的型号 4010 动效率校核 式中螺旋升角 =4 33 摩擦角 一般为 8 12 取 10，滚动摩擦系数 算得 )01334t a n ( 334t a nt a n t a n =传动效率合格。 承的计算和选型 轴承部分丝杠的直径为 25 力球轴承的选型 推力轴承的选取时轴向载荷按最大轴向载荷选取，来保证轴承达到相应的强度。 由轴承的计算公式 61060 毕业设计（论文） 12 式中： P
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