中小企业集群竞争优势的研究

1、3 CNC齿轮测量中心Z轴传动系统设计 CCZ40A型齿轮测量中心机械本体由底座、大理石平台、直线导轨、滑架、主轴测微仪及上顶尖柱等部分组成。它的工作台采用大理石工作台，大理石平台安装在底座上, T轴、Z轴、R轴分布于工作台之上。切向T、轴向Z和径向R导轨自下而上布局，将对测量精度影响最大的切向导轨放在最底层，有利于保证机械精度。通过计算机控制,三个直线运动轴(R向、T向、Z向 )和一个旋转运动轴()在各自的伺服系统驱动下实现联动。根据被测工件的参数,使三个直线运动轴上的测微仪相对随旋转坐标轴转动的工件产生所需要的测量运动。在整个测量过程中,计算机采集存贮测微仪的偏移量和同一时刻各运动轴实际坐

2、标值,经过数据处理,与被测项目的理论值比较,得出测量结果。整个测量过程由计算机自动完成。导轨采用了封闭式密珠结构，消除了换向时滑台的扭摆。径向传动采用了密珠导轨加测杆移动锁紧结构，既满足了基圆长度变化的要求，又不需要传统导轨的力度，提高了定位和测量精度。传动系统采用滚珠丝杠副。滚珠丝杠副传动系统采用交流伺服电机驱动，相对于采用步进电机带动滚珠丝杠的进给方案，交流伺服电机有着其独到的优点：1）闭环控制。驱动器实时监测电机位置，能有效保证系统的安全，不存在象步进电机的丢步问题；2）无震动。震动是步进电机的固有缺陷，无法克服；而伺服电机不存在震动的问题；3）发热量小，效率高。步进电机无论有无负载，均

3、按照设定电流运行，而伺服电机根据负载大小，实时调整电流大小。所以，步进电机发热量大，而伺服电机发热量比较小；4）转速范围大。步进电机一般工作在1000RPM以下，而伺服电机可以达到10000RPM；3.2 CNC齿轮测量中心Z轴机械结构总体方案的确定 Z轴是测量中心T轴之上的一个传动结构，它的运动带动其上R轴运动。总体方案如图3.1所示。图3.1 Z轴布局图1.配重 2.支柱 3.Z轴导轨 4.R轴底板配重的计算为了保证Z轴在测量的过程中平稳运动，须给Z轴加配重，配重和Z轴部分的相对位置如图3.7所示。根据力的平衡公式,（式中为配重的重力，为Z轴部分的重力），可知，即。本系统设计中。Z轴的重量

4、为丝杠副中螺母的重量、Z轴基板的重量和基板上R轴的重量。相对于R轴和Z轴基板的重量，丝杠副中螺母的重量可忽略。有45刚制作的Z轴底板的尺寸为：L=420，H40，D370，7.85.，知=48.7956。估算用45钢制作的R轴重量也为48.7956，故配重的质量约为97.5922。图3.7 Z轴与配重布局3.2.2传动系统的选定及计算在数控机床的进给传动系统中,经常采用滚珠丝杠作为传动元件,其作用是将伺服电机的旋转运动转变为运动执行件(刀架或工作台)的直线运动,以较小的转矩可以获得较大的推力。螺旋传动中最常见的是滑动螺旋传动，但是，由于滑动螺旋传动的接触面间存在着较大的摩擦阻力，故其传动效率低

5、，磨损快，精度不高，使用寿命短，故不能适用于高速度，高效率尤其是高精度的CNC齿轮测量中心。由于滚珠丝杠副具有摩擦阻力小,传动效率高(92%98%)的优点,因此在机电一体化系统中得到广泛应用,尤其是在将旋转运动变为直线运动的各种机构中。所以在本设计中选用滚珠丝杠运动。 a.滚珠丝杠的安装方法 滚珠丝杠副的支承方式根据滚珠丝杠副的工作情况及轴向固定方式,丝杠支承常以止推轴承和向心球轴承组合,其支承方式有以下几种：（1）双推自由式如图3.2()所示,在一端装止推轴承,另一端悬空。因其一端是自由状态,故承载能力小,轴向刚度低,因此这种安装方式只适用于短丝杠,多用于轻载、低速垂直安装传动系统,如数控机

6、床的调节环节或升降台式数控铣床的垂直进给方向。图3.2（a）滚珠丝杠的支撑方式（2）双推简支式如图4.2()所示,一端装止推轴承,另一端装向心球轴承,轴向刚度不太高。使用时注意减少丝杠热变形的影响,安装时应注意使热源和丝杠工作时的常用段远离装止推轴承的一端,以避免推力轴承因丝杠热伸长而产生间隙。双推端可预拉伸安装,预紧力小,轴承寿命较高,适用于中速、精度较高的长丝杠传动系统。图3.2 (b)（3）单推单推式如图3.2()所示,止推轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧。可以提高滚珠丝杠的轴向刚度;预拉伸安装时,预紧力较大,因此丝杠工作时只承受拉力。但这种安装方式对丝杠的热变形较为敏感,同时轴承寿

7、命比双推双推式低。图3.2 (c)（4）双推双推式如图3.2()所示,两端装止推轴承及向心球轴承的组合,为使丝杠具有最大的刚度,它的两端可用双重支承,即止推轴承和向心球轴承,并施加预紧力。该方式适合于高刚度、高速度、高精度的精密丝杠传动系统。但这种结构方式可使丝杠的热变形转化为止推轴承的预紧力,因此设计时要求提高止推轴承的承载能力和支架刚度。图3.2 (d)根据以上各种支撑方式的特点，本设计选用第二种，双推简支式。此方法必须注意止推轴承要远离热源及丝杠常用端，其目的是为了减少丝杠热变形的影响。 b滚珠丝杠的主要参数 （1）导程 根据机床传动要求,负载大小和传动效率等因素综合考虑确定。一般选择时

8、,先按机床传动要求确定,其公式为:/(10)式中: 机床工作台最快进给速度,/;驱动电机最高转速,/。在满足控制系统分辨率要求的前提下,应取较大的数值，因为它越大承载能力也大。本设计中滚珠丝杠的基本导程（螺距）按承载能力选择3 mm。（2）滚珠丝杠的公称直径 公称直径即是滚珠丝杠的名义直径，它越大承载能力和刚度越大，而螺纹长度在允许的情况下要尽量短，一般取为好。在此选择R轴滚珠丝杠的传动距离是300，取螺纹长度是350，那么公称直径选10 mm。本设计中选取的滚珠丝杠副的主要参数如表3.1所示。表3.1 滚珠丝杠副的主要参数滚珠丝杠系列代号滚珠丝杠直径/公称导程/mm滚珠丝杠外径/螺旋角循环圈

9、数额定载荷/N 接触刚度列数圈数动载静载N1039.812.5120021001093（3）滚珠丝杠的精度等级 精度等级影响定位精度，承载能力和接触刚度，因此它是滚珠丝杠副的重要质量指标，1级精度最高，其余依次降低，因为CNC齿轮测量中心对精度的要求较高，在此选择2级。（4）螺母选择 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。推荐按高刚度要求选择预载的螺母型式。其中插管式外循环的端法兰双螺母应用最为广泛。它适用重载荷传动、高速驱动及精密定位系统。并在大导程、小导程和多头螺纹中具有独特优点,且较为经济。（5）预紧方式的选择 由于制造和装配的误差，滚珠丝杠总是存在间

10、隙的，同时，滚珠丝杠在轴向载荷作用下，滚珠和螺纹滚道接触部位会产生弹性变形。所以，当滚珠丝杠反向转动时，就会产生空程误差，从而降低了滚珠丝杠副的轴向刚度，影响滚珠丝杠的传动精度。通常采用施加预紧力的方法提高滚珠丝杠的轴向刚度和传动精度。按结构特点和工作性能不同，常用的预紧方式可分为双螺母螺纹式、双螺母垫片式、双螺母齿差式和单螺母变位自预紧式四种。1） 双螺母螺纹式结构可精密微调、预紧可靠。但预紧须用户自调且螺母轴向尺寸长。2） 双螺母垫片式结构简单，刚性好，预紧可靠，调整方便且不易松弛。是使用最普遍的一种方式。3） 双螺母齿差式结构紧凑，可精密调整。但是制造复杂，成本高，与主机装配后调整不方便

11、。4） 单螺母变位自预紧式结构简单，尺寸紧凑避免了双螺母形位误差对预紧力矩的影响。这种结构适用于对预紧力要求布告的中等载荷，有勿需经常调整的最佳选择。但是其制造困难，使用时不易调整。由以上选出双螺母垫片式结构图如图3.4所示。图3.4 垫片调整式示意图1.螺母 2. 垫片 3. 螺母 调整方法是改变垫片的厚度尺寸，使双螺母重新获得所需的预紧力。（6）滚珠丝杠的刚度计算 滚珠丝杠副和支撑丝杠的轴承在内的传动系统的综合拉压刚度称为滚珠丝杠副的传动刚度。主要有丝杠的拉压刚度，还有丝杠与螺母之间的接触刚度。由于丝杠的扭转刚度一般为这两部分之和的0.05以下，所以通常情况下忽略不计。1）拉压刚度计算 图

12、3.5是一端固定，一端简支丝杠安装方式的力学模型，图3.5丝杠螺母副的力学模型其丝杠拉压刚度为当工作台移到行程行最远点时，刚度最低为（N/m）当工作台位于两端推力支撑的正中间时刚度最低为（N/m）2）载能力计算 计算作用于丝杠轴向最大载荷Q。 （N）式中 L滚珠丝杠寿命系数（单位是1106转）L=60NT/106=675 f W载荷系数为1.2； f H 硬度系数为1.0 Q=3.51105（N）3）稳定性核算：式中 P k实际承受载荷的能力为3000；f k压杆稳定的支撑系数，一端固定，一端简支式的为2； E钢的弹性模量； I 丝杠螺纹底径的截面惯性距（I=dl 4/32=1.0310-4）

13、； K压杆稳定安全系数，取3。经计算得P k=4753.23000。因为P k 时，会使丝杠失去稳定性易发生翘曲。所以这个丝杠不会发生失稳现象。电机的选定及计算与步进电机相比，交流伺服电机有着其独到的优点：1）闭环控制。驱动器实时监测电机位置，能有效保证系统的安全，不存在象步进电机的丢步问题；2）无震动。震动是步进电机的固有缺陷，无法克服；而伺服电机不存在震动的问题；3）发热量小，效率高。步进电机无论有无负载，均按照设定电流运行，而伺服电机根据负载大小，实时调整电流大小。所以，步进电机发热量大，而伺服电机发热量比较小；4）转速范围大。步进电机一般工作在1000RPM以下，而伺服电机可以达到10

14、000RPM；故选择交流伺服电机作为轴的驱动。选择伺服电机时，主要考虑转矩和惯量两个方面的问题。一是其稳态转矩和动态转矩应满足要求，二是折合到电机轴上的负载总转动惯量最好小于或等于电机的转动惯量。a.选择伺服电机类型根据本课题任务要求，工作台最高运行速度为20mm/s，脉冲当量0.0008mm/p，根据工作台所需要的最高运行速度，可以选定电机的最高运行频率式中最高运行频率（脉冲/秒）；工作台所需的最高速度（m/min）；脉冲当量（毫米/脉冲）。 据系统的精度要求，选定电机型号是EDC系列的EMS-04AH-Z013型交流伺服电机，其技术数据为：额定功率，额定转矩，额定转速，额定电流2.497A

15、，惯量 。b. 选择导轨类型、确定阻尼比 伺服机械传动系统中摩擦阻力的大小主要决定于导轨类型。本系统采用BG系列直线导轨，它以其高精度、低摩擦、低噪音、低磨损与模块化设计、标准化模块设计等显著特点应用于各种精密仪器。其等价阻尼比为0.020.05。c. 确定系统增益和要求机械传动链的固有频率 根据控制精度及系统稳定性的要求一般取计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的转动惯量JGM滚珠丝杠的转动惯量=850/s。由系统增益和导轨的阻尼比，初步确定满足系统稳定要求，所需的机械传动链固有频率，应有d.设计伺服电机传动方案，并校验。（1）选择机械传动方案 电机轴与丝杠直接连接，带动工作台移动。（2）初

16、选丝杠直径 所选滚珠丝杠副为DGC-WCM1002.5-2.5，其丝杠直径为10mm。（3）计算总传动比 闭环伺服机械传动系统，总传动比i按下试计算（传动链末端为螺旋传动副）式中 伺服电机额定转速，单位r/min；工作台最大移动速度，单位mm/min；螺距，单位mm:=3000r/min;=1200mm/min;=3mm。所以总传动比（4）计算折算到电机上的转动惯量,并要求满足惯量匹配关系;丝杠的转动惯量丝杠折算到电机上的转动惯量 ()=0.005/7.52=丝杠传动时，传动系统折算到电机轴上的总传动惯量是=+ =1.39 (kg.m2)（5）计算传动系统的综合拉压刚度，计算固有频率，并校验其

17、是否满足系统对固有频率的要求。1）系统的综合拉压刚度为：推力轴承未预紧时的轴向刚度；轴承支座刚度；螺母支座刚度；滚珠丝杠副的轴向接触刚度；丝杠最低拉压刚度；忽略该系统支承刚度、，=2159.5()=1.02* N/m。式中 R螺纹滚道半径，单位mm; 、滚珠直径、半径，单位mm;滚珠螺母上的有效工作圈数;F轴向载荷，单位N 。=4.17*=1.96* N/m。式中F轴向载荷，单位N；Z滚动体数；=2.2* N/m。 =4.03* N/m。故=2.41* N/m2）系统固有频率= = =2450 rad/s= =1250 rad/s故所选的EMS-04AH-Z013型交流伺服电机可以满足传动系统

18、的需要。导轨的选定导轨是精密机械运动中用来保证各运动部件相对精度的一个重要部件。它有滚动摩擦导轨，还有滑动导轨。对于CNC齿轮测量中心来说，它的精度要求很高，而导轨误差是系统总误差的主要部分。因此，提高系统中运动部件的运动精度，一般提高导轨的制造精度。滚动导轨运动与滑动导轨相比：它的润滑方便；定位精度高；运动灵敏度高；牵引力小，移动灵活；磨损小，精度保持性好。由上述，本设计选择滚动导轨里摩擦系数很小精度高的直线导轨。滚动直线导轨副是由导轨、滑块、钢球、反向器、保持架、密封端盖、及挡板等组成。如图3.6所示。当导轨与滑块做相对运动时，钢球就沿着导轨上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道滚动，在

19、滑块端部钢球又通过反向器装置进去反向器后孔在进入滚道，钢球就这样周而复始的运动。反向器两端装有防尘密封端盖，可有效地防止灰尘、屑末进入滑块。图3.6 直线导轨结构图1.保持架 2.钢球 3.导轨 4.侧密封垫 5.密封端盖 6.反向器 7.滑块 8.油杯滚动直线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，大大降低二者之间的运动摩擦阻力，从而获得：1）. 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。2). 驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一。与V型十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下

20、降约40倍。 3). 适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约10倍。4). 能实现高定位精度和重复定位精度。 5). 能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。6). 成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”，从而降低基础件（导轨安装面）的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度。7). 导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承接能力及刚度比平面与钢球点接触时大大提高，滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低。 8). 导轨采用表面硬化处理，使导轨具有良好的可校性；心部保持良好的机械性能。 9). 简化了机械结构的设计和制造。基于以上优点，本系统选用了BG系列S-F型H20FN滚动

21、直线导轨副。3.3 Z轴机械结构图在配重块的作用下，交流伺服电机通过联轴器与丝杠连接，并且带动丝杠来旋转，与丝杠的螺母相连的R轴基板随着丝杠的旋转而上下移动，通过R轴基板下面的光栅尺来度量轴向的位移。Z轴结构图见附录3。 4 结 论本文针对在CNC齿轮测量中心上使用三维模拟测头而设计了相应的数据采集通道。本文从任务书的技术指标（测头量程1，分辨率0.1um，输出电压5v）入手，经过分析和计算得知应选择16位的AD转换器来完成转换任务。依据具体方案将整个数据采集电路化整为零，分别从A/D转换电路的设计、时钟电路的设计、ISA总线接口电路的设计等方向进行设计。其中在ISA接口电路的设计中应用了译码

22、电路，依据AD676转换时序设计了ISA总线命令的逻辑电路，得到了期望的控制逻辑。本文的最终目的是完成应用电路的设计，为此，本文根据设计的原理图，在确定了各器件的封装之后，利用Protel99se软件，从布线和布局两方面考虑，完成了PCB图的设计。本文根据CNC齿轮测量中心R轴、Z轴、T轴自上而下的总体方案，确定了Z轴的结构方案，参照CNC齿轮测量中心Z轴技术参数（行程300mm,最大速度20mm/s,脉冲当量0.008mm/p）选择了MINAS系列的MSM型交流伺服电机作为驱动、选择DGC-WCM1002.5-2.5作为Z轴传动的滚珠丝杠、选择DGCLBZ25FS自润滑型滚动直线导轨副作为Z

23、轴传动的导轨。通过对所选机械部件的转矩、刚度等技术指标的校核和验证，所设计的Z向传动轴满足CNC齿轮测量中心的性能要求。 致 谢行文结束之际，作者衷心地感谢指导老师李平教授在作者攻读学士学位期间给予的关心和指导。在学校良好的硬件和软件环境下，作者能够充分地发挥自身的能力，顺利地完成了课题的研究设计工作。而李老师工作中优秀的学术风范和极高的敬业精神时刻督促作者在今后的学习工作中努力拼搏、精益求精。在此谨向恩师致以最诚挚的感谢！作者衷心感谢何超奇，王佳，贺花娟，李娜等诸位同窗在作者的设计研究过程中给予的无私帮助与支持。感谢所有关心和帮助过我的亲人、老师、同学和朋友们！参考文献1 栗霄峰，高山，佟新

24、鑫.数据采集模板设计.传感器与微系统，2006年， 25：49542牛强军.基于ISA总线的ADC板卡设计.国外电子器件，2005年， 7： 21233贺小亮，李艾华，王帆胜.基于ISA总线的数据采集卡的设计及应用.电子测量技术 ，2008年， 31：1291324杨俊贤，张喜验.基于单总线通信技术A_D芯片的数据采集卡.山东科学，2006年， 5：20235 石照耀.CNC齿轮测量中心的发展与展望.工具展望，1992年，1:41-43.6王建华，劳奇成，刘波等.CNC齿轮测量中心的原理.特点及关键技术,工具技术,1996年，30:41437 魏华亮.我国CNC齿轮测量中心的发展现状.计量技术,2004，10: 33348王建华，刘波，劳奇成.CNC齿轮测量中心的需求与发展.工具技术，1996年，04:429谢华琨，近年来齿轮测量仪器的发展.机械工人冷加工，2004，4: 434610黄强，李平，来跃深等.CNC齿轮测量中心的三维测头信号采集系统.科技信息（学术研究）,2007年，3711高光天.模数转换器