【JX476】MK1332数控外圆磨床工作台结构设计[FY+RW]【3A0】
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【JX476】MK1332数控外圆磨床工作台结构设计[FY+RW]【3A0】,jx476,mk1332,数控,磨床,工作台,结构设计,fy,rw,a0
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黑龙江科技学院 毕业设计任务书 学生姓名： 芮程波 任务下达日期： 2007 年 1 月 5 日 设计开题日期： 2007 年 4 月 13 日 设计开始日期： 2007 年 4 月 16 日 中期检查日期： 2007 年 5 月 18 日 设计完成日期： 2007 年 6 月 29 日 一、设计题目： 控外圆磨床工作台 结 构设计 二 、设计的主要内容： 说明书 （一般加外文翻译）：总计 2 万字以上 。 1、中英文摘要（四要素：目的、方法、结果、结论） 2、外圆磨床工作台组成、工作原理、种类、作用 3、 滚珠丝杠、带轮的 设计计算 4、 滚珠丝杠的 强度校核 、定位精度的验算 5、外文翻译 图纸 （内容、幅面及其数量）：合计零号 3 张左右。 1、 工作台总装 图 1 张 2、 上 作台 零件图 1 张 3、滚珠丝杠组合件 1 张 4、 滚珠丝杠零件图 1 张 5、丝母座零件图 （手工绘制） 1 张 6、电机板零件图 1 张 7、带轮零件图 1 张 三、设计目标： 在 工作台最大速度为 10m/现加工零件的表面粗糙度 圆度为 位精度为 00件下，进行 数控外圆磨床工作台机构 设计 ，并且在结构中考虑减阻、减 振等措施 ，尽可能提高系统刚度 。 指 导 教 师： 院（系）主管领导： 年 月 日 1 附录 1 润滑和轴颈轴承 在液体中 轴颈轴承 支承垂直于轴线的压力。轴颈轴承是一个在它的轴承座上承载滑动构件的典型的滑动轴承。 套筒轴承支 承轴线方向上的负载。我们由润滑的论述和轴颈轴承开始。薄膜速度率、粘性、摩擦系数和负载之间的一般的关系现在发展起来。在学习液压润滑理论、轴承的设计和热平衡后研究。轴承所用油和材料的技术也会被考虑。 滑液 首先，润滑剂的作用是降低滑动面的磨擦系数。除此之外，润滑剂覆盖在金属表面一层黏着性分子的薄膜防止污染物腐蚀金属的表面。通常来说，液体、固体和气体都可以当作润滑剂使用。对润 滑剂特性分类的简短描述如下。润滑剂生产者应该学习了解润滑剂特殊的应用。 液体润滑 剂 液体润滑剂主要以石油和综合性油为基础。黏性是它们的主要特点，但是其它的特点也是重要的。例如酸度、氧化安定性、腐蚀试验、凝点、滴点和灰分对 润滑 剂使用者来说是需要特别了解的质量指标。大多数油根据其使用对象而命名 ,例如压缩机油和轮机油。工作在不同状态下的车辆引擎油根据其粘度和添加剂的成分分类。 合成物润滑剂主要来源是聚硅酮。它们有很高的使用温度 ,很低的倾点和很高的自燃温度。因为它们的成本较高，只有当必要时，合成物润滑剂才被使用；举 例来说，在航空器的水力控制系统中。水和空气污染油从而禁止在润滑剂中使用。除此之外，机器润滑剂通常工作在空气或者水中。气体润滑剂在高速低污染时是必需的。 2 润滑脂是被加厚 (和肥皂混合在一起 )且不能单独处于水中的液体润滑剂。矿物油是符合这一条件最普遍的来源。通常润滑脂就被添放到使用其润滑的地方。不像油，润滑脂不能够流通从而且可以起到冷却和清洗的作用；然而，它们工作在旋转条件下；传动机构和轴承在轻负载和断续的工作情况下 ,用手或者润滑脂枪的添充少量润滑。 固体润滑剂 固体润滑剂有两种类型：石墨和粉末金属。应用在轴承高 温工况下。其它类型包括聚四氟乙烯和一些化学涂料。固体润滑剂可以直接涂抹或者喷在表面。为了粘合在一起，要混合粘着剂。选择混合轴承材料来降低磨损率和磨擦力系数是现代设计和研究的一个热点。 颈轴承和润滑的类型 轴颈轴承或者套筒轴承受径向的负载。它们有两个基本配件 :一个称为轴瓦另一个空心鼓筒或套筒把住轴的 ,称为轴承座。当实际装载中不需要一个轴承分为两块的时候，可以生产一层圆筒形壳体嵌入体壳内，这种被嵌入的叫做轴承衬。 一个全轴颈轴承或所谓的 360度轴颈轴承 ,与整个圆周上的完全的轴承厚度一起加工 ,如图 别地 ,周向的或任何的 (通 图 （ a）完全滑动轴承 （ b）部分滑动轴承 常是轴线或对角线 )槽向的可能被插入上下两片或一片轴承。基本上，油由轴承的中心引进来，以便它将会流动到两端 ,以此增加流量和起到冷却作用。在大多数的应用中，轴瓦在一个不动的轴承里面旋转 (以一个速度 n)，而且摩擦是滑动的。然而，轴瓦一般保持不动，而是轴3 承使其旋转，不是轴瓦使轴承旋转。所有的情况下都需要在灵敏的零配件之间保持一个油膜使摩擦最小 ,由轴承支持的负载。 在大多数工作情况 下，使用套筒轴承。轴承运行的两个典型的工作状态如下。汽车在数以千里的行驶中发动机引擎的曲柄轴和连杆轴承必须可在高温和变化的压力下运行。应用于汽涡轮机和发电机组的轴颈轴承必须有高可靠性。气体动压、静压轴承添充空气做润滑剂 ,承受轻负载的高速轴。例如在气体循环机械，陀螺罗盘和高速的合金钻头中。同样 ,当负载比较轻或者工作相对不重要时 ,不能润滑的地方必然要用塑料轴承。 当轴承所承受的负载总是在放射状上的一个方向的时候，处理的方法是圆周向上只这一部分被加固。通常，油帽放置在圆周的结合处。用角度来描述一部分轴承的角长度。 轨道货车车轴轴承是一个实例。余隙为零的的轴承即是一个适合的轴承。零余隙意味轴颈的半径和轴承是相等的。我们只考虑更通常的完全润滑轴承。 润滑原理 根据摩擦面间油膜形成的原理，可把润滑分为流体动力润滑及流体静力润滑。轴承通常依照其润滑的形式而使用。 为了尽可能准的对润滑轴认识 ,需要考虑轴速度 明显地，图形中曲线的数值依赖于轴承的设计特征。注意，轴承启始或者停工操作在接口条件之下。慢速条件下，磨擦系数在接口润滑的区域中保持一致。合润滑状态开始 ，而且 高速的情况下， 于极端大的速度 (超过点 C)，不安定性和扰动性可能在润滑剂中建立。注意对左边和点 混合润滑 分别地。现在我们简短地讨论诱使前面润滑轴的状态。 流体动力润滑意思就是轴承的负载表面由流体膜 (相对的厚度 )4 产 图 轴转速与轴颈轴承摩擦系数实验曲线 生的压力平衡外载荷 ,称为流体薄膜润滑。对于这种状态的产生 ,在两个表面之间一定有一个相对运动，其中一个一定是剪切力。当两平板相互倾斜使其间形成楔形收敛间隙， 流体间有粘性且有相对运动速度，在内部将产生压力。这部分知识不包括在润滑剂的介绍之中。它确实需要，然而，适当的流体供给一直存在。 轴颈轴承工作间歇时 ,轴会接触到轴承的底座。一旦轴旋转起来 ,轴颈的中心线脱离开轴心。这时，一定量的油被带入轴承间隙中。当轴颈达到稳定运转时，轴颈便稳定在一定的偏心位置上，而且轴承完全与油膜接触，形成流体动力润滑。在流体动力润滑过程中，套筒轴承表面不产生磨损。磨损只发生在油膜润滑的开始阶段。典型的最小油膜厚度在 擦系数 流体动力润滑也即是流体薄膜润滑或流体润滑。轴颈轴承的设计就是以润滑的常见类型为基础的。 混合润滑就是在两表面之间边界润滑和油膜润滑相结合的情形。在这种状态下，表面之间的磨损主要是边界摩擦和流体摩擦。摩擦系数一般是 边界润滑就是一部分是边界膜润滑另有摩擦的一部分是金属与5 金属接触，这主要由表面的光滑程度和边界膜的摩擦系数决定。边界润滑是在低速或高负载时发生，也就是机器开始旋转或停止时。相对滑动金属表面和油膜的摩擦系数是磨损的重要因数。界润滑是不想其发生的，因为此种 情况两表面之间有大的磨损。对于这种类型润滑的设计需靠经验。 开启时的边界摩擦可以通过增加油压以此增加油对轴的承载而避免。藉此机器在开启和关闭时也是流体润滑。在大多数机器上这是一种常见的做法 ,使套筒和轴之间长期无磨损的运转。前面提到的，被称为流体静力润滑的 ,稍后将被讨论。 弹性流体动力润滑是研究弹性物体和流体动力润滑膜之间的关系。在滚动轴承、齿轮传动等接触中，两摩擦表面相互滚动或滑动条件下发生。在负载的齿轮传动、滚动轴承、凸轮机构中，摩擦表面出现局部弹性变形。润滑的主要办法是增加相对速度，油的粘度还有就是增加 曲率半径。数学上的解释需要赫兹接触应力分布曲线分析 ,见第 流体静力润滑依靠连续供给流体的静压力。它的承载能力不依赖于两表面或其它。这种机械装置完全是油膜膜润滑。一些特殊的应用包括流体静力升程 ,止推轴承 ,和油升在轴承重载时开启期间流体的形成。显然地，在流体静力润滑中，由液压泵将润滑剂加压，而且流体 (典型的油 )进入负载轴承的压力。这种润滑方法的优点是在低速运转时，磨擦也很小并且可以承受很高的负载。缺点是成本高和应用在低速难于形成油膜的地方。图 止推滑动轴承 的流体静力润滑的概要表现。转轴支承一个垂直的负载负载 W。 放射状地向外流动深度 最后在轴的外围流出 ,而后在大气压力下透过一个管路的系统流回油槽。油膜形成与否取决于轴的旋转 7。可以由下面的承载能力公式给出 )/2 0202 （ 6 图 液压轴承示意图 即使凹槽被除去，前面提到的也可适用。在这种情况下， 供给管的半径。 流体静 压轴承应用于各种不同的特别条件。一些例子例如望远镜和雷达追踪单元在高速轻负载或者切削机床、陀螺仪在低速高负载。更为详细的描述可以在 6,7中找到。 7 8 附录 2 9 10 11 12 I 摘 要 随着制造业的迅速发展，传统的加工设备已无法承担加工高精度、复杂型面零件的要求，数控机床良好的加工精度和数控系统可满 足 此 要 求 。 而 国 外 的 数 控 机 床 比 较 昂 贵 ， 其 价 格 要 比 国 内 高50%60%，结合市场调研和毕业设计的实际，进行磨床工作台结构设计。针对数控磨床工作台存在的爬行、颤振现象，进给滚珠丝杠刚性低问题，确定了采用滚珠丝杠带动工作台，滚珠丝杠和电动机之间采用同步齿形带联接，工作台导轨贴塑，从而改善了润滑条件，同时也起到减振作用， 控外圆磨床的爬行、颤振现象得到有效解决，提高了零件加工质量；丝 杠采用两端固定支承，滚动轴承背靠背组配，刚性可提高一倍。位置检测装置采用高分辨率的脉冲编码器，通过半闭环控制测量工作台的直线位移。工作台型面采用平面形式，减少工作台的质量、转动惯量，使系统有更快的响应特性。本机床对提高加工质量和效率、缩短产品开发周期有积极的意义。 关键词 数控磨床 工作台 滚珠丝杠 贴塑导轨 of to of NC NC 0% 60%. of of a in to be an to of be of of of to a to a 目 录 摘 要 . I . 1 章 绪论 . 错误 !未定义书签。 控加工技术 . 错误 !未定义书签。 控机床的产生和发展 . 错误 !未定义书签。 控机床的发展趋势 . 错误 !未定义书签。 控机床的优点 . 错误 !未定义书签。 数控机床的优点 . 错误 !未定义书签。 数控机床加工零件的特点 . 错误 !未定义书签。 计参数和方案确定 . 错误 !未定义书签。 床主要技术参数 . 错误 !未定义书签。 控外圆磨床设计参数 . 6 控外圆磨床加工产品的主要精度 错误 !未定义书签。 设计方案的确定 . 错误 !未定义书签。 第 2 章 数控机床的组成和分类 . 错误 !未定义书签。 数控机床的组成 . 错误 !未定义书签。 数控机床的分类 . 9 按工艺用途分类 . 错误 !未定义书签。 按控制运动方式分类 . 错误 !未定义书签。 按伺服系统的类型分类 . 错误 !未定义书签。 按照功能水平分类 . 11 第 3 章 进给系统设计 . 错误 !未定义书签。 工作台机构传动设计 . 错误 !未定义书签。 滚珠丝杠螺母副 . 错误 !未定义书签。 工作原理与特点 . 错误 !未定义书签。 滚珠丝杠螺母副的循环方式 . 错误 !未定义书签。 滚珠丝杠副的轴向间隙消除和预加载荷 错误 !未定义书签。 滚珠丝杠副的精度 . 错误 !未定义书签。 滚珠丝杠当量动载荷的计算 . 错误 !未定义书签。 滚珠丝杠的选取和极限转速的计算 . 错误 !未定义书签。 滚珠丝杠副效率计算 . 错误 !未定义书签。 滚珠丝杠副刚度验算 . 错误 !未定义书签。 第 4 章 滚珠丝杠的支承 . 错误 !未定义书签。 端支承形式的选择 . 错误 !未定义书签。 珠丝杠轴端支承形式的选择 . 24 珠丝杠对轴承的要求 . 错误 !未定义书签。 承的组配方式 . 25 承预紧力 . 26 承应适当的预紧 ， 适当的预紧有助于提高轴承的工作能力 . 错误 !未定义书签。 紧与发热 . 错误 !未定义书签。 滚珠丝杠的联接 . 错误 !未定义书签。 步齿形带的计算 . 错误 !未定义书签。 第 5 章 电动机的选择和惯量匹配计算 . 错误 !未定义书签。 大静态切削负载转矩的计算 . 错误 !未定义书签。 量匹配计算 . 错误 !未定义书签。 大空载加速转矩的计算 . 错误 !未定义书签。 统增益设计 . 43 第 6 章 导轨的选择与工作台型面的确定 . 45 导轨的选择 . 45 轨的分类 . 45 轨的间隙调整机构 . 48 塑导轨设计 . 49 作台型面的确定 . 51 第 7 章 机床定位精度验算 . 53 结论 . 错误 !未定义书签。 6 致谢 . 57 参考文献 . 58 附录 1 . 60 附录 2 . 66 I 摘 要 随着制造业的迅速发展，传统的加工设备已无法承担加工高精度、复杂型面零件的要求，数控机床良好的加工精度和数控系统可满足此要求。而国外的数控机床比较昂贵，其价格要比国内高50%60%，结合市场调研和毕业设计的实际，进行磨床工作台结构设计。针对数控磨床工作台存在的爬行、颤振现象，进给滚珠丝杠刚性低问题，确定了采用滚珠丝杠带动工作台，滚珠丝杠和电动机之间采用同步齿形带联接，工作台导轨贴塑，从而改善了润滑条件，同时也起到减振作用， 控外圆磨床的爬行、颤振现象得到有效解决，提高了零件加工质量；丝 杠采用两端固定支承，滚动轴承背靠背组配，刚性可提高一倍。位置检测装置采用高分辨率的脉冲编码器，通过半闭环控制测量工作台的直线位移。工作台型面采用平面形式，减少工作台的质量、转动惯量，使系统有更快的响应特性。本机床对提高加工质量和效率、缩短产品开发周期有积极的意义。 关键词 数控磨床 工作台 滚珠丝杠 贴塑导轨 of to of NC NC 0% 60%. of of a in to be an to of be of of of to a to a 目 录 摘 要 . I . 1 章 绪论 . 1 控加工技术 . 1 控机床的产生和发展 . 2 控机床的发展趋势 . 2 控机床的优点 . 4 数控机床的优点 . 4 数控机床加工零件的特点 . 5 计参数和方案确定 . 6 床主要技术参数 . 6 控外圆磨床设计参数 . 6 控外圆磨床加工产品的主要精度 . 7 设计方案的确定 . 7 第 2 章 数控机床的组成和分类 . 9 数控机床的组成 . 9 数控机床的分类 . 9 按工艺用途分类 . 10 按控制运动方式分类 . 10 按伺服系统的类型分类 . 11 按照功能水平分类 . 11 第 3 章 进给系统设计 . 13 工作台机构传动设计 . 13 滚珠丝杠螺母副 . 14 工作原理与特点 . 15 滚珠丝杠螺母副的循环方式 . 16 滚珠丝杠副的轴向间隙消除和预加载荷 . 16 滚珠丝杠副的精度 . 16 滚珠丝杠当量动载荷的计算 . 16 滚珠丝杠的选取和极限转速的计算 . 19 滚珠丝杠副效率计算 . 22 滚珠丝杠副刚度验算 . 22 第 4 章 滚珠丝杠的支承 . 24 端支承形式的选择 . 24 珠丝杠轴端支承形式的选择 . 24 珠丝杠对轴承的要求 . 25 承的组配方式 . 25 承预紧力 . 26 承应适当的预紧 ， 适当的预紧有助于提高轴承的工作能力 . 26 紧与发热 . 27 滚珠丝杠的联接 . 30 步齿形带的计算 . 31 第 5 章 电动机的选择和惯量匹配计算 . 37 大静态切削负载转矩的计算 . 37 量匹配计算 . 38 大空载加速转矩的计算 . 41 统增益设计 . 43 第 6 章 导轨的选择与工作台型面的确定 . 45 导轨的选择 . 45 轨的分类 . 45 轨的间隙调整机构 . 48 塑导轨设计 . 49 作台型面的确定 . 51 第 7 章 机床定位精度验算 . 53 结论 . 错误 !未定义书签。 6 致谢 . 57 参考文献 . 58 附录 1 . 60 附录 2 . 66 1 第 1 章 绪论 随着科学技术的飞速发展和经济竞争的日趋激烈，产品更新速度越来越快，复杂形式的零件越来越多，精度要求越来越高，多品种、中小批量生 产的比重明显增加。激烈的市场竞争使产品研制生产周期越来越短。传统的加工设备和制造方法已难于适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件的高效高质量加工要求。汽车、拖拉机与家用电器等行业的产品零件，为了解决高产优质的问题，多采用专用的工艺装备、专用自动化机床或专用的自动生产线和自动化车间进行生产。但是应用这些专用生产设备，生产准备周期长，产品改型不易，因而使新产品的开发周期增长。在机械产品中，单件与小批量产品占到 70%80%1，这类产品一般都采用通用机床加工，当产品改变时，机床与工艺装备均需作相应的变换和调整。 通用机床的自动化程度不高，基本上由人工操作，难于提高生产效率和保证产品质量，特别是一些由曲线、曲面轮廓组成的复杂零件，只能借助靠模和仿形机床，或者借助划线和样板用手工操作的方法来加工，加工精度和生产效率受到很大的限制。数控机床就是为了解决单件、小批量、特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而产生的，它为单件、小批生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段。 控加工技术 科学技术的发展以及世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求；超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机 床的数控系统、伺服性能、主轴驱动、机床结构等提出了更高的性能指标； 迅速发展和 不断成熟，将对数控机床的可靠性、通信功能、人工智能和自适应控制等技术提出更高的要求。随着微电子和计算机技术的发展，数控系统的性能日臻完善，数控技术的应用领域日益扩大。当今数控机床正在不断采用最新技术成就，朝着高速化、高精度化、多功能化、智能化、 2 模块化、系统化和高可靠性等方向发展 2。 控机床的产生和发展 数控机床是在机械制造技术和控制技术的基础上发展起来的。1948 年，美国帕森斯公司在研制加工直升机 叶片轮廓检验样板的机床时，首先提出了应用电子计算机控制机床来加工样板曲线的设想。后来受美国空军委托，帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构研究所合作进行研制工作。 1952 年试制成功世界上第一台三坐标立式铣床。后来，又经过改进并开展自动编程技术的研究，数控机床于 1955 年进入实用阶段，这对于加工复杂曲面的发展起了重要作用 3。 我国从 1958 年开始研制数控机床，在研制与推广使用数控机床方面取得了一定成绩。近年来，由于引进了国外的数控系统与伺服系统的制造技术，使我国数控机床在品种、数量和质量方面得到了迅速的发展。目 前，我国已有几十家机床厂能够生产不同类型的数控机床和加工中心。目前，在数控技术领域中，我国和先进的工业国家之间还存在着不小的差距，但这种差距正在缩小。随着工厂、企业技术改造的深入开展，各行各业对数控机床的需求量将会有大幅度的增长，这将有力促进我国数控机床的发展。 数控机床的发展趋势 11. 高精度化 现代科学技术的发展、新材料及新零件的出现，对精密加工技术不断提出新的要求，提高加工精度，发展新型超精密加工机床，完善精密加工技术，适应现代科技的发展，已经成为数控机床的发展方向之一。其精度 已从微米级到亚微米级，乃至纳米级。 提高生产率是数控机床追求的基本目标之一。数控机床高速化可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率，降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度，对制造业实现高效、优质、低成本生产具有广泛的实用性。 3 采用柔性自动化设备或系统，是提高加工精度和效率，缩短生产周期，适应市场变化需求和提高竞争力的有效手段。 高自动化是指全部加工过程中尽量减少人的介入而自动完成规定的任务，它包括物料流和信息流的自动化。 随着人工 智能在计算机领域的不断渗透与发展，为适应制造业生产柔性化、自动化发展需要，智能化正成为数控机床及发展的热点，它不仅贯穿在生产加工的全过程，还贯穿在产品的售后服务和维修中。 复合化包含工序复合化和功能复合化。数控机床的发展已模糊了粗、精加工工序的概念。加工中心的出现，又把车、铣、镗等工序集中到一台机床来完成，打破了传统的工序界限和分开加工的工艺规程，可最大限度地提高设备利用率。 数控机床的可靠性一直是用户最关心的。数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式 集成电路，以减少元器件的数量，提高可靠性。 为了适应 及进一步联网组成 要求，先进的统为用户提供了强大的联网功能，除有 行接口、 带有远程缓冲功能的 口，可实现几台数控机床之间的数据通信和直接对几台数控机床进行控制。 20 世纪 90 年代以后，计算机技术的飞速发展推动数控机床技术更快地更新换代，世界上许多数控系统生产厂家利用 丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。 4 数控机床的优点 数控机床的优点 利用数控机床加工改型零件，只需要重新编制程序就能实现对零件的加工。它不同于传统的机床，不需要制造、更换许多工具、夹具和检具，更不需要重新调整机床。 数控机床是以数字形式给出指令进行加工的，由于目前数控装置的脉冲当量一般达到了 且进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿，因此，数控机床能达到比较高的加工精度和质量稳定性。 零件加工所需要的时间包括机动时间与辅助时间两部分。数控机床能有效的减少这 两部分时间，因而加工生产率比一般机床高的多。数控机床主轴转速和进给量的范围比普通机床的范围大，每一道工序都能选用最有利的切削用量，良好的结构刚性允许数控机床进行大切削用量的强力切削，有效地节省了机动时间。数控机床移动部件的快速移动和定位均采用了加速与减速措施，由于选用了很高的空行程运动速度，因而消耗在快进、快退和定位的时间要比一般机床少的多。 数控机床对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作面板、装拆零件、关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，其他的机床动作直至加工完毕 ，都是自动连续完成，劳动强度与紧张程度均大为减轻，劳动条件也得到相应的改善。 使用数控机床加工零件时，分摊在每个零件上的设备费用是较昂贵的。但在单件、小批量生产情况下，可以节省工艺装备费用、减少辅助生产工时、生产管理费用及降低废品率，因此能够获得良 5 好的经济效益。 用数控机床加工零件，能准确地计算零件的加工工时，并有效简化了检验和工夹具、半成品的管理工作。这些特点都有利于使生产管理现代化。 数控机床在应用中也有不利的一面，如提高了起始阶段的投资，对设备维护的要求 高，对操作人员的技术水平要求高等。 数控机床加工零件的特点 2 数控机床确实存在一般机床所不具备的许多优点，但是这些优点都是以一定条件为前提的。数控机床的应用范围正在不断扩大，但它并不能完全代替其他类型的机床，也还不能以最经济的方式解决机械加工中的所有问题。数控机床通常最适合加工有以下特点的零件。 数控机床设备费用高昂，与大批量生产采用的专用机床相比其效率还不够高。通常，采用数控机床加工的合理生产批量在 10200件之间。目前有向中批量发展的趋势。 的零件 通常数控机床适宜于加工结构比较复杂、在普通机床上加工需要有昂贵的工艺装备的零件。 数控机床节省了大量的工艺装备费用，使综合费用下降。 允许报废的关键零件。 推广数控机床的最大障碍是设备的初始投资大。由于系统本身的复杂性，又增加了维修费用。如果缺少完善的售后服务，往往不能及时排除设备故障，将会在一定程度上影响机床的利用率，这些因素都会增加综合生产费用。 考虑到以上所述的种种原因，在决定选用数控机床加工时，需要进行反复对比和仔细的 经济分析，以发挥数控机床的经济效益。 6 计参数和方案确定 床主要技术参数 机床的主要技术参数包括机床的主参数和基本参数，基本参数包括尺寸参数、运动参数及动力参数。 机床主参数反映机床规格大小和工作范围，有些机床还规定有第二主参数。 机床的尺寸参数是指机床的主要结构的尺寸参数，通常包括以下尺寸。 1）与被加工零件有关的尺寸，如磨床头架上最大加工直径。 2）标准化工具或夹具的安装尺寸。 运动参数是指机床执行件，如主轴、工作台和刀架的运动速度。 动力参数包括电动机的功率、液压缸的牵引力、液压 马达或步进电机的额定转矩等。 控外圆磨床设计参数 工作台最大纵向移动量 1100作台最大回转角度 +3、 工作台最大移动速度 10m/件最大回转直径 320件最大重量 150作台重量 850架重量 200大切削受力 1000N 最大磨削 长度 1000心高 180大砂轮线速度 60m/s 7 控外圆磨床 加工产品的主要精度 外圆的粗糙度 截面内直径的一致性 度 设计方案的确定 由于工作台最大移动速度 10m/由此数据确定是由开环伺服系统还是由半闭环伺服系统进行控制。如采用开环伺服系统进行控制、机床结构简单、成本低、工作比较稳定、调试方便，但精度不高；如采用半闭环伺服系统进行控制，可获得稳定的控制特性，还可以获得比较满意的精度和速度。通过市场调研和本次设计的实际情况，数控磨床工作台结构设计对加工精度的影响至关重要，而磨床加工精度一般都比较高，故本次设计采用半闭环伺服系统进行控制。 工作台有两种驱动形式：液压驱动和滚珠丝杠驱动。液压驱动形式由于使用工作压力高的油性介质，因此机构输出力大，机械结构更紧凑，动作平稳可靠 ，易于调节和噪声较小，但要配置液压泵和油箱，当油液渗漏时会污染环境，易产生爬行现象；而滚珠丝杠驱动可提高系统的灵敏度、定位精度和防止爬行，降低数控机床进给系统的摩擦并减少静、动摩擦系数之差。因此，行程不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠螺母副 2 。它是直线运动与回转运动相互转化的新型传动装置。它可以消除反向间隙并施加预紧，有助于提高定位精度和刚度。结合已知条件则选用滚珠丝杠驱动。而上工作台还应能够进行回转，以实现磨锥的需要。上工作台 1 上置有头架 2和尾架 4 长度为 L 且被磨削面为圆柱面的工件 3 装夹在头尾架之间。在点 A 上以 R 为半径对该工件施以力 P 时，工作台则能相对轴心 4 8 。如图 3 1 所示。 8 1- 上工作台 2 3 4图 3 1 工作台回转机理 控外圆磨床主要用于圆柱类零件、圆锥面和凸轮轴颈的磨削。工作台导轨采用“ V 平”导轨，“ V 平”导轨导向精度高，加工装配也较方便。“ V 平”导轨贴塑，可降低摩擦系数也可提高使用寿命。通过同步齿形带将伺服电动机和滚珠丝杠联接，传动精度高，作用在轴和轴承上的载荷小。滚珠丝杠的支承采用两端固定，可使丝杠具有最大的刚度。该数控外圆磨床采用 两轴数控系统，即砂轮进给、工作台移动两轴数控，尾架采用液压系统控制，砂轮自动修整和砂轮修整后的自动补偿，本机床具有足够的刚性和抗震性。 9 第 2 章 数控机床的组成和分类 数控机床的组成 数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床主机组成（如图 2 1 所示）。机床主机是数控机床的主体，包括床身、箱体、导轨、主轴、工作台、进给机构等机械部件。 图 2 1 数控机床的组成 数控机床主机的结构有下面几个特点： 1）由于采用了高性能的主轴及进给伺服驱动装置，简化了数控机床 的机械传动结构，传动链较短； 2）数控机床的机械结构具有较高的动态特性，动态刚度、阻尼精度、耐磨性以及抗热变形性能，适应连续自动化加工； 3）较多地采用高效传动件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨、静压导轨等。 此外，为保证数控机床功能的充分发挥，还有一些配套部件（如冷却、派屑、防护、润滑、照明、储运等一系列装置）和附属设备（程编机和对刀仪等等）。 数控机床的分类 3 目前，数控机床品种齐全，规格繁多，可从不同角度和按照多种原则进行分类。 10 按工艺用途分类 机床 这类机床和传统的通用机床品种一样，有数控车床、数控铣床、数控磨床、数控镗床以及加工中心等。加工中心是带有自动换刀装置，在一次装卡后可以进行多种工序加工的数控机床。 如数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机等。 如数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床、数控火焰切割机床等。 按控制运动方式分类 点位控制又称点到点控制 个坐标点的定位精度 ,而不管从一点到另一点是按照什么轨迹运动 这类数控机床主要有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲剪床和数控测量机等。 直线切削控制又称平行切控制。这类数控机床不仅要求具有准确的定位功能，而且还要保证从一点到另一点之间移动的轨迹是一条直线。其路线和移动速度是可以控制的。这类数控机床包括：数控车床、数控镗铣床、加工中心等。 轮廓控制又称为连续轨迹控制。这类数控机床的数控装置能同时控制两个或两个以上坐标轴，并且具有插 补功能。对位移和速度进行严格的不间断控制，即可以加工曲线或者曲面零件，如凸轮及叶片等。轮廓控制数控机床有两坐标及两坐标以上的数控铣床，可加工曲面的数控车床、加工中心等。 11 按伺服系统的类型分类 根据有无检测反馈元件及其检测装置，机床的伺服系统可分为开环伺服、闭环伺服和半闭环伺服。 这类数控机床没有检测反馈装置，数控装置发出的指令信号的流程是单向的，其精度主要取决于驱动器件和电机（如步进电机）的性能。工作台的移动速度和位移量是由输入脉冲的频率和脉冲数决定的。它适用于精度 、速度要求不高的场合。 这类机床数控装置中插补器发出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 的范围内为止。采用闭环控制的数控机床可以消除由于传动部件制造中存在的精度误差给工件加工带来的影响，从而得到很高的加工精度。但是，由于很多机械传动环节（尤其是惯量较大的工作台）包括在闭环控制的环路内，各部件的摩擦特性、刚性及间隙等都是非线性量，直接影响伺服系统的调节参数，故闭环系统的设计和调整都有较大的难度，设计和调整的不好，很容易造成系统的不稳定。 所以，闭环控制数控机床主要用于一些精度要求高和速度高的精密大型数控机床，如镗铣床、超精车床、超精磨床等。 大多数数控机床采用半闭环控制系统，它的检测元件装在电机或丝杠的端头。这种系统的闭环环路内不包括机械传动环节，因此，可获得稳定的控制特性。由于采用高分辨率的测量元件（如脉冲编码器），又可以获得比较满意的精度和速度。半闭环系统的控制精度介于开环与闭环之间。 按照功能水平分类 按照功能水平分类，可将数控机床分为高、中、低档三类。 12 分辨率为 10m，进给速度为 8m/5m/低档；分辨率为 1m，进给速度为 15m/4m/中档；分辨率为 给速度为 15m/00m/高档。 低档数控机床最多联动轴数为 2 轴 3 轴，中、高档则为 3 轴 5轴以上。 低档数控机床一般只有简单的数码管显示或简单的 符显示。而中档的有较齐全的 示，不仅有字符，而且还有图形、人机对话、自诊断等功能。高档的还有三维动态图形显示。 低档数控机床无通信功能。中档数控机床有 口。 低档数控机床一般采用 8 位 、高档的已经由 16 位 2 位、 64 位 具有精简指令集的 央处理单元。 此外，进给伺服水平以及 能也是衡量数控档次的标准。 13 第 3 章 进给系统设计 数控机床的进给系统与普通机床不同。数控机床的进给指令，来自数控系统，经进给电动机和驱动机构，使执行部件如刀架、工作台、主轴箱等按程序的规定运动。 半闭环控制系统原理（如图 3 1 所示）为数控装置 1 发出的指令脉冲经伺服系统 2、伺服电动机 3 带动执行部件（工作台） 4，按程序运动。反馈信号发生器 5 发出反馈信号并 送至 伺服系统与数控装置发来的指令相比较，检查指令是否被正确的执行。半闭环系统的反馈装置装在伺服电动机或丝杠上不能纠正丝杠的误差以及受载后丝杠、轴承等的变形，因而精度比全闭环要低一些。 1 2 3 4 5图 3 1 半闭环控制系统原理图 工作台机构传动设计 工作台机构传动系统采用半闭环控制系统，伺服电动 机通过同步齿形带与丝杠联接。丝杠的最高转速与使用要求，如机床工作台的工作进给速度和快进速度相关。工作台要求的最高速度10m/服电动机通过带轮与丝杠联接，转速可由下式计算： 14 m a xm a x 1000r/式中 工作台快进速度（ m/ 丝杠导程（ 丝杠的导程通常是标准值，从经济上考虑，应根据厂家提供的产品样本中选取 20。由文献 20选取丝杠的导程为 5由 m a xm a x 1000 1 0 0 0 1 0 20005 （ r/ 丝杠的最高转速000r/求定位精度为 00杠的“任意 300程内的行程变动量300v”取为定位精度的 1/31/2，即 1 级精度 的滚珠丝杠300v=应取一级精度。根据精度要求，脉冲当量可定为 a=冲，电动机每转发出的脉冲数 b 应为 5 1 5 0 0 00 . 0 0 1 式中 i 传动比。 脉冲编码器有每转 2000、 2500、 5000 脉冲等数种。选取每转 5000脉冲的编码器。 滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠螺母副是直线运动与回 转运动能相互转换的新型传动装置。 15 工作原理与特点 滚珠丝杠螺母副在丝杠和螺母上都有半圆弧行的螺旋槽，当将它们套状在一起时便构成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道，在螺母上的进出口将几圈螺旋滚道的两端连接起来，构成了封闭的循环滚道，并在滚道内装满滚珠。当丝杠旋转时，滚珠在滚道内部既自转有沿滚道循环转动。因此迫使螺母（或丝杠）轴向移动。由于滚珠丝杠螺母副中是滚动摩擦，它有以下特点： 擦损失小 由文献 21中知道滚珠丝杠螺母副的传动效率为： ta n ( ) 式中 螺旋线升角（ ）； 摩擦角（非常小，滚珠丝杠约为 10 左右）。 消除丝杠和螺母螺纹间隙 适当预紧后的滚珠丝杠副，可消除螺纹间隙，这样反向时就可以没有空程死区，反向定位精度高。 爬行现象，传动精度高 滚珠 丝杠副基本是滚动摩擦，摩擦阻力小， 摩擦阻力的大小几乎与运动速度完全无关。 即丝杠和螺母都可作为从动件。 用寿命长。 其加工精度要求高，表面粗糙度值要求低，一般都要求磨削成型，故制造成本高。 特别是垂直安装的丝杠，由于自身质量的惯性力的作用，下降时当传动切断后，不能立即停止运动，故常需要添加制动装置。 16 滚珠丝杠螺母副的循环方式 滚珠丝杠螺母副常用的循环方式有两种：一种是滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离的称 为外循环；另一种是滚珠始终与丝杠保持接触的称为内循环。 外循环的回珠器有插管式和螺旋槽式两种。外循环结构制造工艺简单，使用较广泛。其缺点是滚道接缝处很难做得平滑，影响滚珠滚动的平稳性，甚至发生卡珠现象，噪声也较大。 内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种形式。有圆柱凸键反向器和腰形嵌块式反向器（亦称扁圆镶块反向器）。这种反向器的外廓和螺母上的切槽尺寸精度要求都较高。 滚珠丝杠副的轴向间隙消除和预加载荷 滚珠丝杠螺母副的轴向间隙消除主要有 以下几种： 1）垫片消隙式 2）螺纹消隙式 3）齿差消隙式三种。第一种调整结构简单、刚性好、精度适中，故目前在数控机床上应用较广。预加载荷可以提高定位精度和轴向刚度。 滚珠丝杠副的精度 滚珠丝杠当量动载荷的计算 数控机床进给机构用的是定位（ p）类滚珠丝杠副 7。精度主要采用 1 级或 2 级。丝杠精度可按“任意 300程内行程变动量300v”选择，这项公差 1 级为 6m； 2 级为 8m。滚珠丝杠的长度是受到精度的限制的 20。 17 半闭环系统滚珠丝杠副 的精度，主要根据要求的机床定位精度选择。定位精度由下列几部分误差组成：滚珠丝杠副制造的误差和由于载荷和温度的作用，丝杠、轴承、联轴节和伺服系统的误差。在初步设计时，可假定丝杠的累积误差约占机床定位误差的 1/31/2，据此初选丝杠的精度，以后再进行验算并修改。 滚珠丝杠应根据其额定动载荷选用。一批相同的滚珠丝杠副，在轴向载荷 作用下，运转 610 转后 90%不产生疲劳点蚀，则 为这种规格丝杠副的额定动载荷。各种规格的滚珠丝杠，其额定动载荷 从样本或手册中查得，计算的原理与计算滚动轴承相同。 滚珠丝杠的当量动载荷 5 1 4 3 N） （ 3 1） 所选的滚珠丝杠副，其额定动载荷 得小于此值，即 m 式中 轴向平均载荷 (N)； 在“载荷 时间”变化规律不明时， m a x m i m （ N） 丝杠的最大、最小工作载荷（ N）； L 工作寿命（ 610r ）； 6460 ( 1 0 )10 平均转速（ r/ m a x m 丝杠的最高、最低转速（ r/ h 工作寿命。 h 一般机 床可取 h =10000h、数控机床可取h =15000h。 18 精度系数。 1、 2、 3 级精度丝杠，； 4、 5 级精度丝杠， 运转状态系数。无冲击时取 1 般情况取 冲击振动时取 丝杠的最大载荷为最大进给
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