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CK6150数控车床X向驱动装置设计【10张CAD图纸+毕业论文】

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零件1图A4.dwg

零件图10螺钉A4.dwg

零件图2A2.dwg

零件图3A1.dwg

零件图4A0.dwg

零件图5A1.dwg

零件图6 定位法兰A4.dwg

零件图7法兰盖A4.dwg

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关键词：: ck6150 数控车床 X向驱动装置设计 CK6150数控车床X向驱动装置 cad图纸毕业论文车床X向 X向驱动装置

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CK6150数控车床X向驱动装置设计

32页 14000字数+论文说明书+任务书+开题报告+10张CAD图纸【详情如下】

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1 引言（或绪论）…………………………………………………………………………1

2 数控机床的伺服系统的发展现状及分析 ………………………………………2

3 CK6150车床的驱动装置及CK6150车床的参数 …………………………………4

3.1 CK6150数控车床的驱动 …………………………………………………………4

3.1.1 CK6150数控车床的技术参数 …………………………………………5

4 CK6150中的进给传动机构 ………………………………………………7

4.1 联轴器 ……………………………………………………………………7

4.2 减速机构 …………………………………………………………………………8

4.2.1 齿轮传动装置的设计 …………………………………………………………8

5 CK6150机床的直线运动机构 …………………………………………13

5.1 CK6150中滚珠丝杠机构的工作原理及其特点 ………………………………13

5.1.1 滚珠丝杠的结构类型 ………………………………………………………13

5.2 滚珠丝杠的安装 …………………………………………………………14

5.3 滚珠丝杠螺母的计算和选用 …………………………………………………15

5.4 滚珠丝杠螺母的校核 …………………………………………………………24

6 CK6150机床大拖板导轨与润滑的介绍 …………………………………………27

6.1 塑料导轨 …………………………………………………………27

6.2 塑料导轨的润滑 …………………………………………………………27

7 数控机床伺服进给系统的常见故障及检测方法 ………………………………28

结束语 ………………………………………………………………………30

致谢 …………………………………………………………………………………31

参考文献 ………………………………………………………………………………32

摘要本论文介绍了数控车床又称数字控制（Numbercal Control，简称NC）机床。它是基于数字控制的，采用了数控技术，是一个装有程序编辑控制系统的机床。它是由主机，CNC，驱动装置，数控机床的辅助装置，编程机及其他一些附属设备所组成。此篇论文包括机床CK6150的基本介绍、主轴、伺服系统，交流电机，驱动装置，控制系统部分的介绍与分析，CK6150中的进给传动机构和直线运动机构的研究，还介绍了滚珠丝杠机构的工作原理及其特点，以及包括电机的选用和伺服进给系统的常见故障及检测方法，还涉及了大拖板导轨与润滑。

关键词伺服系统、驱动装置、滚珠丝杠机构、大拖板导轨]

Title Design of the Drive of CNC's X Axis

Abstract

This paper introduces a CNC lathe,known as Digital Control(Numbercal Control, referred to NC) machine tools.It is based on the figures control ,the use of CNC technology,it has a program editor with a machine tools control system. It has the host, CNC, drives, numerical control machine tools and ancillary equipment, programming and other composed of a number of ancillary equipment. This paper includes the basic machine, the spindle, servo systems, AC motor, drive unit, the control system part of the introduction and analysis, also includes CK6150 's feed in the linear motion drive mechanism and research institutions, it also introduces the ball screw and the working principle and its characteristics, as well as the selection and servo motor feeding system of the common faults and detection methods, but also a great guide for extension units, and lubrication.

Keywords Servo systems drives ball screw body rail extension units

1 引言

数控技术是先进制造技术的关键技术之一，随着制造自动化水平和加工精度的提高，数控技术必将在未来的现代制造中起着非常重要的作用。伺服系统（Servo System）是自动控制系统的一个分支，通常应用闭环控制结构来控制被控制对象的某种状态，使其能自动、连续、精确的复现输入信号的变化规律。伺服控制技术伴随着电力电子技术、计算机技术和控制理论的发展而发展。在主流的电机伺服系统中，电机控制技术是伺服控制的核心。交流电机的控制方法一直是研究的热点。20世纪70年代产生的矢量控制技术，对交流电机的控制产生了划时代的影响。矢量控制在理论上解决了交流电机的转矩控制问题，实现了交流电机模型的解耦，使其控制性能发生了质的飞越。随着多年的发展，交流伺服系统正逐步取代直流系统成为运动控制系统的主流。目前，矢量控制是交流电机应用最广泛、最有效的控制方法。数控机床的伺服系统是数控机床关键功能部件，是机床运动的最终执行件。伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标，其性能对加工精度与加工效率都起着重要的作用，在整个数控机床的成本构成中伺服系统也占有相当大的比例。所以，一个高精度，高性能的数控机床必须配置与之相适应的高性能的伺服驱动系统，才能充分发挥整个数控机床的性能与优势[1]。随着交流伺服技术的发展，交流伺服已逐步占据数控机床伺服系统的主导地位。由于通过采用矢量控制等先进的控制方法，交流伺服性能迅速提高，目前无论是数控系统的进给伺服驱动，还是主轴驱动，交流伺服系统都处于主流地位，正逐步淘汰直流伺服系统。现在国内外的数控产品的伺服系统绝大多数采用交流系统。因此，从数控加工特点出发，以矢量控制为着眼点，研究交流伺服系统的控制技术，紧跟其它学科先进技术的发展，消化吸收前沿技术，进一步推进数控技术，制造技术的完善和发展，有着十分重要的意义。同时，作为现代伺服系统主流的交流伺服技术，是研制开发各种先进的机电一体化设备，如数控机床、加工中心、工业机器人等的关键性技术。目前，高性能数控机床和工业机器人所采用的电机伺服系统仍然主要依靠进口，这种现状限制了我国相关产业的发展[2]。同时，矢量控制技术是目前交流伺服系统运用最多，最适宜实用化的交流伺服系统控制技术。因此，通过借鉴国外研究工作的先进经验，以交流电机控制为研究对象，从矢量控制技术着眼，以数控加工技术为结合点，对交流伺服系统的控制进行研究和仿真，开发高性能的交流伺服系统，对于促进我国数控机床工业，有着非常重要的意义。

2 数控机床伺服系统的发展现状及分

数控机床的伺服系统在经历了开环的步进电机系统、直流伺服系统两个阶段之后，目前已进入交流伺服系统阶段。随着电力电子技术、计算机技术及控制理论的迅速发展，目前交流伺服系统已经处于主导地位。交流伺服系统控制可分为感应电机（IM）控制和永磁同步电机（PMSM）控制两大类[3]。目前，由这两类电机组成的高性能交流伺服驱动装置已占据了主导地位。永磁同步交流电机体积小，力矩惯量比大，过载能力强，通过运用矢量控制，控制精度高，性能好，但造价相对较贵，容量相对较小。因此，采用矢量控制永磁同步电机主要应用在高精度，高性能，但功率不大的场合。目前，采用矢量控制的永磁同步电机在高精度、高性能的中小功率伺服领域（如数控机床进给伺服，机器人等）占有不可动摇的地位，永磁交流同步电机已经成为数控机床进给伺服系统的主流。异步电机结构简单，成本低廉，可靠性高，且容易实现大容量，但其参数易受温度影响，控制精度不稳定。所以，采用矢量控制的异步电机多用在功率较大、精度要求不太高的场合[4]。而数控机床的主轴驱动要求提供很大的功率，若使用永磁同步电机，则容量受到限制，不易做到大容量。而采用矢量控制的异步电机作为主轴驱动，可提高主轴定位控制的刚性和精度，完全能满足高性能的数控装备主轴驱动的要求。目前，异步电机在主轴驱动系统中处于主导地位，国内外的数控产品中，主轴的驱动大多是采用矢量控制的交流异步电机。作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标。围绕伺服系统动态特性与静态特性的提高，近年来发展了多种伺服驱动技术。可以预见随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发展，具有网络接口的全数字伺服系统、直线电机及高速电主轴等将成为数控机床行业的关注的热点[5]，并成为伺服系统的发展方向。总的来说其发展趋势主要有以下几个方面：

(1) 交流系统将完全取代直流系统伺服技术将迅速的由DC伺服系统转向AC伺服系统。从目前国际市场的情况来看，几乎所有的新产品都是AC伺服系统。在工业发达国家，AC伺服电机在运动控制市场占主导地位，国内的AC伺服电机产量也是迅速上升，技术进步很快，性能也日益提高[6]。

(2) 全数字化采用新型高速微处理器和专用数字信号处理器（DSP）的伺服控制单元将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的交流伺服系统。全数字化的实现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在交参考文献

[1] 林奕鸿等编著 .机床数控技术及其应用[M].北京:机械工业出版社,1994.

[2] 毕承恩等编著 .现代数控机床[M].北京:机械工业出版社,1991.

[3] 王润孝等编著 .机床数控原理与系统[M].西安:西北工业大学出版社,1997.

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[7] 徐灏. 新编机械设计师手册[M]. 北京:机械工业出版社,1995.

[8] 叶伟昌. 机械工程及自动化简明设计手册(下册) [M]. 北京:机械工业出版社,2001.

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[10] 成大先编. 机械设计手册［M］. 北京：化学工业出版社出版，2002.

[11] 王伯平. 互换性与测量技术基础[M]. 北京：机械工业出版社，2001.

[12] 袁国定朱洪海. 机械制造技术基础[M]. 南京：东南大学出版社，2000.

[13] 全国数控培训网络天津分中心．数控机床[M]．机械工业出版社，2002.

[14] 林宋. 现代数控机床[M]. 北京：化学工业出版社出版，2002.

[15] 张俊生．金属切削机床与数控机床[M]．北京：机械工业出版社，2005.

[16] 彭晓南．数控技术[M]．北京：机械工业出版社，2003.

[17] 余仲裕．数控机床维修[M]．机械工业出版社，2005.

内容简介：: 本科毕业设计说明书（论文）第 1 页共 32 页 1 引言数控技术是先进制造技术的关键技术之一，随着制造自动化水平和加工精度的提高，数控技术必将在未来的现代制造中起着非常重要的作用。伺服系统（自动控制系统的一个分支，通常应用闭环控制结构来控制被控制对象的某种状态，使其能自动、连续、精确的复现输入信号的变化规律。伺服控制技术伴随着电力电子技术、计算机技术和控制理论的发展而发展。在主流的电机伺服系统中，电机控制技术是伺服控制的核心。交流电机的控制方法一直是研究的热点。 20 世纪 70 年代产生的矢量控制技术，对交流电机的控制产生了划时代的影响。矢量控制在理论上解决了交流电机的转矩控制问题，实现了交流电机模型的解耦，使其控制性能发生了质的飞越。随着多年的发展，交流伺服系统正逐步取代直流系统成为运动控制系统的主流。目前，矢量控制是交流电机应用最广泛、最有效的控制方法。数控机床的伺服系统是数控机床关键功能部件，是机床运动的最终执行件。伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标，其性能对加工精度与加工效率都起着重要的作用，在整个数控机床的成本构成中伺服系统也占有相当大的比例。所以，一个高精度，高性能的数控机床必须配置与之相适应的高性能的伺服驱动系统，才能充分发挥整个数控机床的性能与优势 1。随着交流伺服技术的发展，交流伺服已逐步占据数控机床伺服系统的主导地位。由于通过采用矢量控制等先进的控制方法，交流伺服性能迅速提高，目前无论是数控系统的进给伺服驱动，还是主轴驱动，交流伺服系统都处于主流地位，正逐步淘汰直流伺服系统。现在国内外的数控产品的伺服系统绝大多数采用交流系统。因此，从数控加工特点出发，以矢量控制为着眼点，研究交流伺服系统的控制技术，紧跟其它学科先进技术的发展，消化吸收前沿技术，进一步推进数控技术，制造技术的完善和发展，有着十分重要的意义。同时，作为现代伺服系统主流的交流伺服技术，是研制开发各种先进的机电一体化设备，如数控机床、加工中心、工业机器人等的关键性技术。目前，高性能数控机床和工业机器人所采用的电机伺服系统仍然主要依靠进口，这种现状限制了我国相关产业的发展 2。同时，矢量控制技术是目前交流伺服系统运用最多，最适宜实用化的交流伺服系统控制技术。因此，通过借鉴国外研究工作的先进经验，以交流电机控制为研究对象，从矢量控制技术着眼，以数控加工技术为结合点，对交流伺服系统的控制进行研究和仿真，开发高性能的交流伺服系统，对于促进我国数控机床工业，有着非常重要的意义。本科毕业设计说明书（论文）第 2 页共 32 页 2 数控机床伺服系统的发展现状及分数控机床的伺服系统在经历了开环的步进电机系统、直流伺服系统两个阶段之后，目前已进入交流伺服系统阶段。随着电力电子技术、计算机技术及控制理论的迅速发展，目前交流伺服系统已经处于主导地位。交流伺服系统控制可分为感应电机（制和永磁同步电机（制两大类 3。目前，由这两类电机组成的高性能交流伺服驱动装置已占据了主导地位。永磁同步交流电机体积小，力矩惯量比大，过载能力强，通过运用矢量控制，控制精度高，性能好，但造价相对较贵，容量相对较小。因此，采用矢量控制永磁同步电机主要应用在高精度，高性能，但功率不大的场合。目前，采用矢量控制的永磁同步电机在高精度、高性能的中小功率伺服领域（如数控机床进给伺服，机器人等）占有不可动摇的地位，永磁交流同步电机已经成为数控机床进给伺服系统的主流。异步电机结构简单，成本低廉，可靠性高，且容易实现大容量，但其参数易受温度影响，控制精度不稳定。所以，采用矢量控制的异步电机多用在功率较大、精度要求不太高的场合 4。而数控机床的主轴驱动要求提供很大的功率，若使用永磁同步电机，则容量受到限制，不易做到大容量。而采用矢量控制的异步电机作为主轴驱动，可提高主轴定位控制的刚性和精度，完全能满足高性能的数控装备主轴驱动的要求。目前，异步电机在主轴驱动系统中处于主导地位，国内外的数控产品中，主轴的驱动大多是采用矢量控制的交流异步电机。作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标。围绕伺服系统动态特性与静态特性的提高，近年来发展了多种伺服驱动技术。可以预见随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发展，具有网络接口的全数字伺服系统、直线电机及高速电主轴等将成为数控机床行业的关注的热点 5，并成为伺服系统的发展方向。总的来说其发展趋势主要有以下几个方面： (1) 交流系统将完全取代直流系统伺服技术将迅速的由目前国际市场的情况来看，几乎所有的新产品都是服系统。在工业发达国家，服电机在运动控制市场占主导地位，国内的服电机产量也是迅速上升，技术进步很快，性能也日益提高 6。 (2) 全数字化采用新型高速微处理器和专用数字信号处理器（伺服控制单元将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的交流伺服系统。全数字化的实现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在交本科毕业设计说明书（论文）第 3 页共 32 页流伺服系统中应用现代控制理论的先进算法如最优控制，人工智能，模糊控制，神经网络等）成为可能。 (3) 高度集成化新的交流伺服系统改变了划分为速度伺服单元与位置伺服单元两个模块的做法，而是用单一的，高度集成化，多功能的控制单元 7。 (4) 智能化最新数字化的伺服控制单元的智能化主要是应用专家系统、模糊逻辑及神经网络理论来实现自学习或自组织控制，具有故障自诊断与分析功能；具有参数自整定等。 (5) 模块化和网络化目前，在工厂自动化技术迅速发展的基础上，伺服系统都配置了标准的通信接口和专用的总线接口（如西门子的这些接口显著的增强了伺服系统与间的互联，而且若干台伺服单元与上位机，以及而大大提高了自动化水平。本科毕业设计说明书（论文）第 4 页共 32 页 3 床的驱动装置及床的参数数控的驱动控制线路与普通机床电路有所不同，除了常用的电器控制线路外，它还有数控装置。普通机床与数控机床的主要区别是数控机床的主轴调速和刀架的进给全部自动完成，即根据编程指令按要求执行。数控装置是整个数控机床的核心，机床的操作均由此发出。驱动装置位于数控装置和机床之间，包括进给驱动和主轴驱动装置。驱动装置根据控制电机不同，其控制电路形式也不同。步进电机有步进驱动装置，直流伺服电机有直流伺服驱动装置，交流伺服电机有交流伺服驱动装置 8。机床电器控制装置位于数控装置与机床本体之间，它主要接收数控装置发出的开关命令。数控机床的组成结构图，见图 1所示：图 1 数控机床的组成结构图床主轴的旋转运动由频主轴电动机经皮带传动至 I 轴 ,经三联齿轮变速将运动传至主轴 ,并得到低速、中速和高速三段范围内的无级变速。机床进给为两轴联动 ,配有四工位电动刀架 ,可满足不同需要的加工。 Z 坐标为大拖板左右运动方向 ,其运动由流永磁伺服电动机与滚珠丝杠直联实现； X 坐标方向为中拖板前后运动方向 ,其运动由流永磁伺服电动机通过一对齿轮带动滚珠丝杠旋转得以实现。为保证车削加工螺纹时主轴转一圈 ,刀架移动一个导程 (即被加工螺纹导程 )。主轴箱的左侧安装了一光电编码器配合纵向进给交流伺服电动机 ,主轴至光电编码器的齿轮传动比为 1:1。机床的运动及控制要求。正如前述 ,控车床主轴的旋转运动由频主轴电动机实现 ,与机械变速配合得到低速、中速和高速三段范围的无级变速。输出装置数控装置驱动控制装置机床电器控制装置机床本体本科毕业设计说明书（论文）第 5 页共 32 页轴、两轴的联动由数控系统控制。加工螺纹由光电编码器与交流伺服电动机配合实现。除上述运动外 ,还有电动刀架的转位 ,冷却电动机的启、停等。表 1 控车床的部分技术参数项目单位技术规格加工范围床身上最大回转直径 500 床鞍上最大回转直径 256 拖板上最大车削直径 250 最大工件长度 000 最大车削长度 00 主轴主轴通孔直径 2 主轴头形式轴转速 r/02000 高速 r/7002000 中速 r/501200 低速 r/0420 主轴电动机功率频尾座套筒直径 55 套筒行程 (手动 20 尾座套筒锥孔架快速移动速度 X/Z m/ 20 X 向行程 00 Z 向行程 00 主要精度机床定位精度 X 床重复定位精度 X 他机床尺寸 L W H 140 1200 1600 机床毛重 000 机床净重 800 本科毕业设计说明书（论文）第 6 页共 32 页表 2 控车床电气控制设备主要器件序号名称规格主要用途备注 1 数控装置制系统软驱单元据交换控制变压器 20V 300W /110V 2524V 100W 伺服控制电源、开关电源供电流接触器电源照明灯电源 4 伺服变压器 3P 20 服电源开关电源中间继电器电源明玮 6 伺服驱动器 16、 Z 轴电动机伺服驱动器伺服电动机 m) X 轴进给电动机伺服电动机 5(11N m Z 轴进给电动机本科毕业设计说明书（论文）第 7 页共 32 页 4 的进给传动机构联轴器联轴器是用来连接寄给机构的两根轴使之一起回转移传递扭矩和运动的一种装置。机器运转时，被连接的两轴不能分离，只有停车后，将联轴器拆开，两轴才能脱开。有弹性元件的挠性联轴器不仅可补偿两轴的相对位移而且还具有缓冲减振的能力。可分为： a）弹性套柱销联轴器，其制造简单，装拆方便，成本较低，但寿命较短，适用于联接载荷平稳、需正反转或起动频繁的传递中小转矩的轴。 b）弹性柱销联轴器，其结构简单，安装、制造方便，耐久性好，有一定的缓冲和吸振能力，能传递很大的转距，适用于轴向窜动较大、正反转变化较多和起动频繁的场合。 (1) 弹性套柱销联轴器构造与凸缘联轴器相似，只是用套有弹性套的柱销代替了联接螺纹。这种联轴器重量轻、结构简单、但弹性套易磨损、寿命较短，用于冲击载荷小、启动频繁的中、小功率传动中。弹性套柱销联轴器已标准化（见图 2：图 2 弹性套柱销联轴器 (2) 弹性柱销联轴器图图 3 弹性柱销联轴器本科毕业设计说明书（论文）第 8 页共 32 页减速机构齿轮传动装置的设计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。 (1) 速比的确定 (a) 开环系统在步进电机驱动的开环系统中，步进电机至丝杠间没有齿轮传动装置，其速比决定于系统的脉冲当量（即伺服系统接受一个指令脉冲驱动的工作台移动的距离）、步进电机步距角及滚珠丝杠导程，其运动平衡方程式为： m 所以其速比可计算如下： i= L=360 式中：因为开环系统执行件的运动位移决定于脉冲的数目，故算出的速比不能随便的改变。 (b) 闭环系统对于闭环系统，执行件的位置决定于反馈检测装置，与运动速比无直接关系，其速比主要是由驱动电机的额定速度或转矩与机床要求的进给速度和负载转矩决定的，所以可对它进行适当的调整。电机至丝杠间的速比运动平衡方程式如下： i= 本科毕业设计说明书（论文）第 9 页共 32 页 0 式中：时的移动速度 =60 f 其余符号同前。当负载和丝杠转动惯量在总转动惯量中所占比重不大时，齿轮速比可取决于上面的数值，即降速不必过多，这样不仅可以简化伺服传动链，且可降低伺服放大器的增益。当主要考虑静态精度或低平滑跟踪时，可选降速多一些，这样，可以减少电机轴上的负载转动惯量，并且减少负载惯量对稳态差异的影响。 (2) 啮合对数即及各级速比的确定在驱动电动机至丝杠的总降速比已定的情况下，若啮合对数及各级速比不当，将会增加折算到电机轴上的总惯量，从而增大电机的时间常数，并增大要求的驱动扭矩。因而按最小惯量的要求来选择齿轮的啮合对数及各级降速比，使其具有良好的动态性能。第一对齿轮的降速比为第二对齿轮的降速比为其中大于假定小齿轮 A、 C 直径相同，大齿轮 B 、 D 为实心齿轮。这两对折算到电动机轴的总惯量为： J=b = = +1 = + 1 式中： i=i1 不同啮合对数时，也可以相应地得到各级满足最小惯量要求的降速比关系，如若为三级传动，则可以按上述方法求得三级传动比为： 2 2 本科毕业设计说明书（论文）第 10 页共 32 页继而可做出不同啮合对数下每对速比由已知的总降速比，可利用上图确定必须的啮合对数 P，在上图中，纵坐标表示不同啮合对数时齿轮降速传动的总惯量的惯量比 K=横坐则表示总降速比图中曲线表示出不同啮合齿数 P 时总降速比 i 与 K 值的关系。例如i=5 时，若 P=1,则 K=26；若 P=2,则 K= P=3,则 K=此可见，取 P=3 时齿轮传动的总惯量 J 降速不多，且由于啮合对数使传动效率降低，扭转刚度降低，齿隙增加以及结构复杂。因此 i=5 时，取 P=2较合适。在选择齿轮啮合对数时，尚应该作综合考虑，但要求总惯量 J 接近于最小值为佳。我们设计冲当量为冲，电机步距角为，滚珠丝杠的螺距为 6丝杠导程为 6计算传动比为：由公式得： i= L=360 i（ 360 （ 6 =1 我们只需要选用一级传动即可，不需要降速，在这种情况下如果空间允许可用联轴器连接驱动电机和滚珠丝杠。如果机床精度要求不高可以使用刚性联轴器，机床精度要求高则应采用弹性联轴器。一般果采用直连，机床横向宽度会加大，导致机床尺寸加大，而机床的加工能力并没有加大，这是机床设计中的大忌。 Z 向可以采用直连方式，床身右前方、床头箱的下方的空间位置比较大，完全可以安装电机和联轴器。根据大拖板后面的空间位置及齿轮的结构我们选择的一对传动齿轮齿数为 44，模数为 2 计算出各级齿轮降速比后，还应进行机械进给装置的惯量验算。对于开环系统，机械传动装置折算到电动机轴上的负载转动惯量应小于电动机加速要求的允许值 9。对比换系统，除满足加速要求外，机械传动装置折算到电动机轴上的转动惯量应与伺服电机转子惯量合理匹配，如果电机转子转动惯量远小于机械进给装置的转动惯量，则机床进给系统的动态特性主要决定于负载特性，此时运动部件不同质量的各坐标的动态特性将有所不同，使系统不易调整。根据实践经验推荐伺服电机转子转动惯量 1 4 1 设电机经一对齿轮齿轮传动时，若小齿轮的转动惯量，大齿轮的转动本科毕业设计说明书（论文）第 11 页共 32 页惯量， W 为工作台的重力，齿轮副降速比为 i(i1),L 为丝杠螺距，则 w L 2 ) 2 即 22 )2( 由查表可以得出，材料密度 33 / ，齿轮的计算直径按分度圆直径计算，丝杠的计算直径取中径。工作台折算到丝杠上的转动惯量为折算到电机轴上的转动惯量由于 1 4 1，因为 008 2，而足 1 4 1。机械伺服进给系统选用的伺服电机，当工作台最大进给速度时，其最大转矩值满足机床工作台的加速要求。若伺服电机能达到的最大加速度，常取： 2 当伺服电机主要用于惯量加速，忽略切削力及摩擦力作用，则： 2 z 23432 z 2443 108.7 s 2422 44325221 本科毕业设计说明书（论文）第 12 页共 32 页式中 J 一对降速齿轮传动时，则有： J=JL JL 2g(L 2 ) 本科毕业设计说明书（论文）第 13 页共 32 页 5 床的直线运动机构滚珠丝杠机构的工作原理及其特点滚珠丝杠螺母机构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。在丝杠和螺母上分别加工出圆弧形螺旋槽，这两个圆弧形槽合起来便形成了螺旋滚道，在滚道内装入滚珠。当丝杠相对螺母旋转时，滚珠在螺旋滚道内滚动，迫使二者发生轴向相对位移。为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能返回丝杠螺母之间构成一个闭合回路。由于滚珠的存，丝杠与螺母之间是滚动摩擦，仅在滚珠之间存在滑动摩擦。滚珠丝杠螺母机构具有下列特点 : (1) 摩擦损失小、传动效率高滚珠丝杠螺母机构的传动效率可达普通滑动丝杠螺母结构的四分之一。 (2) 运动平稳，摩擦力小、灵敏度高、低速时无爬行由于主要存在的是滚动摩擦，不仅动、静摩擦因素都很小，且其差值较小，因而启动转矩小，动作灵敏，即使在是、低速情况下也不会出现爬行现象。 (3) 轴向刚度高、反向定位精度高由于可以完全消除丝杠与螺母之间的间隙并可实现滚珠的预紧，因而轴向刚度高，反向时无空行程，定位精度高。 (4) 磨损小、寿命长、维护简单使用寿命是普通滑动丝杠的 4 10倍。 (5) 传动具有可逆性、不能自锁由于摩擦因素小、不能自锁，因而使该机构的传动具有可逆性，即不仅可以把旋转运动转化为直线运动，而且还可以把直线运动转化为旋转运动。由于不能自锁，在某些场合，如传动垂直运动时必须附加制动装置或防止逆转的装置，以免工作台等因自重下降。 (6) 同步性好用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的部件或装置时，可获得较好的同步性。 (7) 有专业厂生产，选用配套方便目前滚珠丝杠不仅广泛运用于数控机床，而且越来越多地代替普通滑动丝杠螺母机构，用于各种精密机床和精密装置 10。滚珠丝杠的结构类型滚珠丝杠螺母机构的类型很多，主要表现在滚珠循环方式和轴向间隙的调整预紧方式两个方面：滚珠的循环方式可分为内循环和外循环两大类型，我们采用的是内循环的滚珠循本科毕业设计说明书（论文）第 14 页共 32 页环方式，滚珠在循环过程中与丝杠始终保持接触的称为内循环。在螺母上装有回珠器，迫使滚珠在完成接近一圈的滚动后，越过丝杠外径返回前一个相邻的滚道，形成滚珠的单圈循环。为了保证承载能力，一个螺母中要保证有 3 4 圈滚珠工作。内循环滚珠的回路短，滚珠数目少，流畅性好，摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸紧凑，轴向刚度高。但此种循方式不能用于多头罗纹传动，回珠器槽形复杂，需用三坐标数控铣床加工。在订购滚珠丝杠副时，可根据丝杠受力情况通知厂家所需豫紧力的大小，以便厂家按照给定的预紧力预紧。若预紧力选择得当，滚珠丝杠就可以处于最佳工作状态。如果预紧力增加，钢珠与滚道之间的接触刚度增加，传动精度也会提高，但是，过大的预紧力将导致钢珠与滚道之间接触应力增加，从而降低工作寿命和传动效率。滚珠丝杠预紧力的大小应使得滚珠丝杠副在承受最大轴向工作载荷时，丝杠螺母副不出现轴向间隙为最好，要求预紧力的数值应大于最大轴向工作载荷的三分之一 11。由于双螺母机构加预载后会引起附加摩擦力矩，因此还要考效率与寿命问题。所以一般取预紧力为： (1/3)：预紧力 N 最大轴向载荷 N 这时滚珠丝杠与螺母的接触变形量比无预紧力时减少一半。滚珠丝杠的安装数控机床的进给系统要求获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母机构本身的刚度外，滚珠丝杠的正确安装及其支撑的机构刚度也是不可忽视的因素。滚珠丝杠螺母机构安装不正确以及支撑刚度不足，还会使滚珠丝杠的使用寿命大大下降。常见的丝杠安装有以下几种形式： (1) 一端固定一端自由。 (2) 两端游动两端支持的安装方法属于一般的的安装方法，适合于中等转速的场合。 (3) 一端固定，一端摇动对于高精度、中等转速的较长的卧式安装丝杠，为了防止热变形造成丝杠伸长，常采用一端轴向固定的支承方式。 (4) 两端固定对于高精度、高速旋转的滚珠丝杠应该采用两端固定的支承方式，为了给丝杠施加预紧拉力，可采用两端固定方式，并可在丝杠一端安装蝶形弹簧和调本科毕业设计说明书（论文）第 15 页共 32 页整螺母，既能对丝杠施加预紧力，又能让弹簧来补偿丝杠的热变形，保持预紧力几乎不变。这种支承形式的特点是：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。安装时需保持螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难；丝杠一般不会受压，无压杆稳定问题，固有频率比一端固定较高；可以预拉伸，预拉伸后可减少丝杠自重的下垂和补偿热膨胀，但需一套预拉伸机构，结构及工艺都比较复杂；要进行预拉伸的丝杠，其目标行程应略小于公称行程，减少量等于拉伸量。因此这种形式适用于对刚度和位移精度要求高的场合。对于行程小、转速低的短丝杠和竖直的丝杠可采用悬臂支撑结构。丝杠的支承轴承应采用滚珠丝杠专用轴承，这是一种特殊的向心推力球轴承，其接触角增加到 60 度，增加了滚珠数目并相应减少了滚珠直径，使轴向刚度增大到普通向心推力球轴承的两倍。该轴承一般是成套出售，出厂时已调好预紧力，使用极为方便。单需定制，价格昂贵，生产周期长。我们采用的滚珠丝杠支承是一端固定，一端摇动，这种支撑形式结构简单，丝杠的轴向刚度比两端固定的低，丝杠的压杆稳定性和临界转速都较低，设计时尽量使丝杠受拉伸。我们选用的轴承的型号，前支承采用的是一个型号是 103 的向心滚珠轴承和两个型号是心推力球轴承的组合，后支承采用的是一个滚针轴承。这种结构选轴承方便，但一般会增加轴承支座的结构尺寸、增加轴承的摩擦力和发热。我们的拖板上轴承支座的结构尺寸足够安排，另外我们设有自动润滑装置，轴承的发热情况不用担心。故选用方便经济的通用轴承 12。丝杠的两端轴承座孔与滚珠螺母座孔应保持严格的同轴度，同时要保证滚珠螺母与座孔的配合良好以及对两端面的垂直度，保证轴承支座和螺母支座的整体刚度、局部刚度和接触刚度等。滚珠丝杠螺母的计算和选用滚珠丝杠螺母的承载能力用额定负荷表示，其动、静载强度计算原则与滚动轴承相类似。一般根据额定动负荷选用滚珠丝杠副，只有当 n 10r/，按额定静负荷选用。对于承受压缩细长的滚珠丝杠副做压杆稳定性计算；对于高速、支承距大的滚珠丝杠副需要做临界转速的校核；对于精度要求高的传动要进行刚度验算，转动惯量校核，对闭环控制系统还要进行谐震频率的验算。在选择数控机床滚珠丝杠螺母的过程中，一般首先根据动载强度计算或静再强本科毕业设计说明书（论文）第 16 页共 32 页度计算来确定其尺寸规格，然后对其刚度和稳定性进行校核验算。 (1) 滚珠丝杠的选用表 3 杠工作状况切削方式纵向力) 垂向力 ) 进给速度 Vi(m/工作时间百分比 % 丝杠轴向载荷 (N) 丝杠转速 r/力切削 1000 600 0 2920 60 一般切削 500 100 0 1850 80 精切削 250 100 1 50 1320 100 快速进给 0 0 0 800 1500 (a) 确定当量转速与当量载荷各种切削方式下，丝杠转速 : ni= 已知mm 由表 3查得： 1V 0.6 m/2V 0.8 m/3V 1 m/4V 7.5 m/代入得 1n =100 r/2n =133 r/3n =167 r/4n =1250 r/各种切削方式下，丝杠轴向载荷 1 +N N 本科毕业设计说明书（论文）第 17 页共 32 页 N 由表 3查得 1000N，200N，350N，4N 1600N， 2100N， 3100N， 40N 已知： 000N， 500N 代入得 1F =6100N， 2F =4100N， 3F =4850N， 4F =4500N 当量转速 nm= 0r/由表 1查得 1t =10 2t =30 3t =50 4t =10 入得 58.4 当量载荷： 322321131 100100100 当量载荷 N 代入得 360 N (b) 预期额定动载荷按预期工作时间估算 00603预期额定动载荷 N 本科毕业设计说明书（论文）第 18 页共 32 页轻微冲击取查得： 1 3取靠性 97%取知： 0000 小时代入得 6636N 拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载预载取 3050N 取以上两种结果的最大值 6636N (c) 确定允许的最小螺纹底径估算丝杠允许的最大轴向变形量 m （ 1/3 1/4）重复定位精度 m （ 1/4 1/5）定位精度 m：最大轴向变形量 m 已知：重复定位精度 10m, 定位精度 10m 1m=3m,2m=两种结果的最小值 m=算最小螺纹底径丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式 021010 最小螺纹底径 (程 +（ 10 14）螺距本科毕业设计说明书（论文）第 19 页共 32 页静摩擦 0程 3001 =400N,入得 L 400 0N，d) 确定滚珠丝杠副的规格代号选内循环浮动式法兰，直筒双螺母型垫片预形式由计算出的 am,d=36000N 6636N 1d =25e) 确定滚珠丝杠副预紧力其中 920N 得 f) 行程补偿值与与拉伸力行程补偿值 C=10 L=n+200 53样本 ) , 2 4） ,0350mm t 温差取 o , C 10 预拉伸力 2 代入得 3046N (g) 确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格本科毕业设计说明书（论文）第 20 页共 32 页轴承所承受的最大轴向载荷 966N 轴承类型 : 后轴承为一个滚针轴承，前轴承为一个向心球轴承 1203和 2个推力球轴承 8103。轴承内径 :171988N 预加负荷按样本选轴承型号规格当 25加负荷大于 602030预加负荷为 2900N 988N (h) 滚珠丝杠副设计丝杠螺纹长度 u+2得余程 0 固定支承距离按样本查出螺母安装联接尺寸 L:丝杠全长程起点离固定支承距离 24 76 L=478 0j) 传动系统刚度丝杠抗压刚度丝杠最小抗压刚度 102 本科毕业设计说明书（论文）第 21 页共 32 页最小抗压刚度 N/杠底径 ,定支承距离 ,495N/杠最大抗压刚度 4 010 123 d 102 大抗压刚度 N/076 N/承轴承组合刚度一对预紧轴承的组合刚度 5m a 对预紧轴承的组合刚度 N/um 珠直径 Z：滚珠数 , 最大轴向工作载荷 N, ：轴承接触角由样本查出 7602030承倍 Z=17 =60 920N/算得 939N/ 本科毕业设计说明书（论文）第 22 页共 32 页表 4支承轴承组合刚度支承方式简图 f 一端固定一端自由端固定一端游动 2 端支承 1 端固定 4 们采用一端支承，一端游动的支承形式。算得 5878 N/b：支承轴承组合刚度 N/珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度 c（ 31 滚珠和滚道的接触刚度 N/查样本上的刚度 N/滚珠丝杠副预紧力 N ,额定动载荷 N 由样本查得： 1410 N/600N； 000 N 计算得 982 N/k) 刚度验算及精度选择 561 N/ 本科毕业设计说明书（论文）第 23 页共 32 页 a xm a x =6251 N/0=已知 000N ，算得 00 N 静摩擦力 N ,摩擦系数 ,：正压力 N 验算传动系统刚度传动系统刚度 N U：反向差值已知反向差值或重复定位精度为 1022N 160N 传动系统刚度变化引起的定位误差 m a xm 1 计算得k=定精度任意 300 定位精度k定位精度为 2000，杠精度取为 3级， 2定滚珠丝杠副的规格代号已确定的型号：称直径： 25程： 6纹长度： 324杠全长： 478 类 3级精度 78 324 (m) 验算临界压缩载荷丝杠所受最大轴向载荷不用验算。本科毕业设计说明书（论文）第 24 页共 32 页 (n) 验算临界转速 nc=10 临界转速 n/f ：与支承形式有关的系数 ,丝杠底径 =2c：临界转速计算长度 f=0 验算： 3562r/500r/n= 滚珠丝杠副的节圆直径 mm 滚珠丝杠副最高转速 n/500r/n=5634070000合要求。滚珠丝杠螺母的校核选择步进电机型号为 110主要技术参数为最大静力矩距角a=动惯量 =快速空载启动时电动机转速 n=500r/珠丝杠直径 0。螺距 mm,2060支撑距 L =450作台及刀架重 W =3000N，导轨静摩擦力 =3000 00N ,最大轴向负载 =2920N。设计与校验如下 : (1) 计算降速比 360 1 式中 mm/螺距 ,齿轮 44 , 44 ,模数 m =2,齿宽 b =20 (2) 转动惯量计算计算小齿轮的转动惯量 884 20 1012 90 105 式中轮分度圆直径， =m =2 44=88 本科毕业设计说明书（论文）第 25 页共 32 页计算大齿轮的转动惯量 b 1012 =884 20 1012 9 104 式中轮度圆直径 2 44=88 ；计算丝杠的转动惯量 l 1012 =404 450 1012 104 式中计算工作台的转动惯量 (2 106 =(26)2 300 106 104 式中作台（包括工件）的质量，负载折算到电机轴上的转动惯量为 = +21i ( =90 105 211 (9 104 104 104 ) (3) 电动机力矩计算计算加速力矩 =算摩擦力矩 Mf=h20 103 =600 103 中动链总效率，取 =计算附加摩擦力矩 M0=h2 02 ) 103 =2920 (1 103 中：传动链总效率，取 = 滚珠丝杠未预紧时的效率，取 0 = 计算快速空载启动时电动机所需力矩本科毕业设计说明书（论文）第 26 页共 32 页 M=f+m 因此，选用的步进电机满足要求。 (4) 刚度计算滚珠丝杠一端轴向支承，丝杠的最小拉压刚度 K 和最大拉压刚度分别为 K = 3604 2 105 N/ = 204 2 106 N/中：性模量。按照近似估算，将丝杠本身的拉压刚度乘以，作为传动的综合拉压刚度，即 =106 /3=4300N/=105 /3 239N/5) 计算反向死区误差 =002396002 10 所以能满足单脉冲进给的要求。 (6) 计算由于传动刚度的变化引起的定位误差，应使 k=F0(=600(2391 43001 )=以 k 51 30=6 ，可满足由于传动刚度变化引起的定位误差小于（3151）机床定位精度的要求。本科毕业设计说明书（论文）第 27 页共 32 页 6 床大拖板导轨与润滑的介绍塑料导轨导轨材料主要由铸铁、钢、塑料以及有色金属，应根据机床性能、成本等要求，合理选择导轨材料及热处理来降低摩擦系数，提高导轨的耐磨性 13。在床中，我们采用的是塑料导轨，这种塑料导轨的优点是：摩擦系数低；抗咬合磨损能力强；加入填充剂后，低速时不易爬行；加工性好，工艺简单；化学稳定性好（耐水、耐油）以及成本低等。但与铸铁比，则刚度低，易蠕变且承载能力低，导热性差。目前只在一般精度机床上应用。青铜间隙中压入聚四氟己烯及其它填料，形成金属塑料复合替。擦系数为（同时具有较好的摩擦阻尼特性。塑料导轨的润滑塑料导轨的润滑可以采用润滑油或润滑脂，塑料导轨最简单的润滑方式是人工定期加油或用油杯供油，这种方法简单，成本低但不可靠，一般用于调节的辅助

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