毕业设计（论文）-某型立式数控铣床X向伺服轴机械传动部件设计

PAGE\*ROMANPAGE\*ROMANIV某型立式数控铣床X向伺服轴机械传动部件设计摘要化、自动化。经济型数控铣床系统就是结合现实的的生产实际，结合我国国情属性，提高设备自身对产品更新换代的应变能力，增强企业的竞争能力。进行数控机床的改造是非常有必要的。数控机床可以很好地解决形状复杂、精密床的运用也受到其他条件的限制。如：数控机床价格昂贵，一次性投资巨大等平，已成为我国设备技术改造主要方向之一。关键词：设计、数控化、自动化；AbstractThistopicisaroundaverticalmillingmachineintoeconomicalNCmillingmachinedesign,economicalNCmillingmachineisalowprice,convenientoperation,suitableforChinawithasimplenumericalcontrolsystem,automaticmachine.Smallandmedium-sizedenterprisestodevelopproduction,oftenhopetotransformtheoldmachinetool,realizesthenumericalcontrol,automation.EconomictypeCNCmillingmachinesystemiscombinedwiththerealityofactualproduction,combinedwithChina'snationalconditions,inordertomeetthebasicfunctionsofthesystem,reducesthepriceasfaraspossible.Thepriceischeap,mediumperformancepriceratioarethemostimportantcharacteristics,especiallysuitableforordinarymillingmachinetransformationofalargeproportionoftheequipmentintheproductionline,suitableforlargeareapromotion.Theenterpriseapplicationeconomynumericalcontrolsystemforthetransformationoftheequipment,willenhancetheproductprecisionandmassproductioncapacity,whilemaintainingthe"universalprocessing"and"special,"thesetwoattributes,theirequipmenttoimprovethestraincapacityoftheproductupgrading,enhancingthecompetitionabilityoftheenterprise.ThetransformationofCNCmachinetoolsisverynecessary.TheNCmachinetoolcansolvecomplexshape,precision,smallbatchandchangeablepartsprocessing.Tostabilizetheprocessingqualityandimproveproductionefficiency,buttheuseofNCmachinetoolsisalsorestrictedbyotherconditions.Suchas:CNCmachinetoolsisexpensive,hugeone-timeinvestment,therefore,thedigitalmodificationoftheordinarymillingmachine,haveabrilliantfuture.Itissuitableforourcountry'seconomiclevelofeducationlevelandthelevelofproduction,hasbecomeoneofthemaindirectionofChina'stransformationofequipmenttechnology.Keywords:design,numericalcontrol,automation;目录摘要 IAbstract II目录 III第一章绪论 1压力机简介 1气动压力机 2曲柄压力机 2多工位压力机 3压力机的发展现状 3高速压力机 3多工位压力机 4冷挤压技术 5冷挤压的优点： 5国内外的发展状况 6压力机的未来发展方向 6第二章数控机床的加工原理 8数控铣床的总体方案确定 8、系统运动方式的确定 8、控制方式的选择 8、机械传动方式 9、立式数控铣床的常见形式和工作方式 9进给伺服系统概述 11第三章纵向进给系统的设计 14丝杠螺母静态设计 15丝杠螺母动态设计 18变速机构设计 20电动机的静态设计 22第四章电动机与减速机构的设计 25电动机的选取 25减速机构的设计 25第五章进给系统的结构设计 27滚珠丝杠螺母副的设计 27滚珠丝杠螺母副的特点 27总结 29致谢 30参考文献： 31第第1页共31页第一章绪论压力机简介（如冷击架封闭，故工作平稳，振动比锻锤小得多，不需要很大的基础。图一压力机结构简单，制造容易，所以应用广泛。气动压力机\h气动压力机是由\h气液增压缸动和液压进行出力，3KG——7KG1100\h螺母\h\h件\h电动机置。螺旋压力机的规格用公称工作力来表示。曲柄压力机\h曲柄压力机构简单，使用方便。按床身结构形式的不同，曲柄压力机可分为开式曲柄压力机或闭式曲柄压力机；按驱动连杆数的不同可分为\h单点压力机滑块数是一个还是两个可分为单动压力机或\h双动压力机。多工位压力机\h多工位压力机40/\h皮带线尾部分一般由输送皮带构成。压力机的发展现状高速压力机近年来，电子、通讯、计算机、家电及汽车工业的迅猛发展，对冲压零件的需求量迅猛增长。冲压零件可分为功能性和外观性零件。尺寸与形状均趋于标准化和系列化的功能性冲压件，生产批量越来越大(如中小型电机的定转子硅钢片、高压器硅钢片、刮脸刀、IT芯片等)，为降低成本和提高劳动生产率，这类零件很适合在高速压力机进行大批量生产；而外观性冲压零件，它的品种、外形与产量多变，为了适应市场，如果组织投资大批量生产，经济效益极不合算，因此，它们适宜于在行程次数较低的一般通用机械压力机上进行冲压。高速压力机是带有自动送料装置，可完成板料高效率、精密加工的机械压力机1，它具备自动、高速、精密三个基本要素。若简单从高速概念来讲，从JBl395-74可知，通用机械压力机的滑块每分钟的行程次数n一般不超200s.P.mp1，因此，可简单地将n>200s.P.m称为高速压力机。国内外有一些公司通常将高速压力机分为下述3个速度等级：超高速>1000s.P.m，高速>400-l000s.P.m，次高速n>250～400s.P.m。但根据现代技术及发展趋势，考虑到高速压力机的行程次数目前最高已达4000s.P.m，我们认为：按超高速rL>l500s.P.m，真高速n>800～l500s.P.m，准高速n>250～800s.P.m来分更科学。但考虑到机械压力机电动机功率P除与n有关外，还和公称力及滑块行程长度S有关，划分是否为高速压力机不能简单用n来测量，因此，还有待于提出更科学的定义.图三、上下传动的1250KN高速压力机往复运动比较，（a)上传动 （b）下传动多工位压力机是一种高效先进的冲压设备,落料、冲孔、冲槽、拉延、成形以及许多其他加工均可在一台多工位压力机上完成。与由多台压力机组成的生产线相比,多工位压力机能够提高生产率和产品质量,减少占地面积并降低成本。多工位模与级进模相似,它们之间的主要区别是工件在工位之间的传送方式上。在级进模中,工件与送进带料始终相连,到最后一个工序才与带料分离;在多工位模上,工件与带料从第一工序起就分离开,工件是由机械手(夹钳)从一个工位移送到另一个工位。与多台单机工作方式相比,多工位压力机可以省去辅助操作及工序间的检查、搬运、堆放。中小型多工位压力机主要用于中小型金属板材拉延件的落料、冲孔、成形等,例如汽车电子行业的金属壳体,化妆品及医药行业的包装罐,制笔行业的笔杆笔帽,灯具行业的灯头、灯座,轴承行业的保持架和滚针轴承外圈,碱锰和镍氢镍镉电池的钢壳,微型电机外壳,制锁行业的门把手等等。这些零件一般形状复杂、长径比大,需多种工序加工。按传统的单工序加工方法,需由多台压力机组成的生产线才能完成。在多工位压力机上加工,一般只需一台设备即可完成多工序加工,这些工序包括落料、拉延、冲孔、压平、胀形、弯曲、缩口、翻边、滚丝、压花和修边等。冷挤压技术冷挤压技术是一种高精、高效、优质低耗的先进生产工艺技术,较多应用于中小型锻件规模化生产中。与常规模锻工艺相比,可以节材30%~50%,节能40%~80%,而且能够提高锻件质量,改善作业环境。二战后,冷挤压技术在国外工业发达国家的汽车、摩托车、家用电器等行业得到了广泛的发展应用,而新型挤压材料、模具新钢种和大吨位压力机的出现,更拓展了其发展空间。日本80年代自称,其轿车生产中以锻造工艺方法生产的零件,有30%~40%是采用冷锻工艺生产的,近年来生产的新型轿车则每车平均使用42kg的冷锻件。美国等国家的轿车生产中,每车平均使用40kg的冷锻件。随着科技的进步和汽车、摩托车、家用电器等行业对产品技术要求的不断提高,冷锻生产工艺技术已逐渐成为中小锻件精化生产的发展方向。冷挤压的优点：(1)节约原材料。冷挤压加工是利用金属的塑性变形制成所需形状的零件,因而能大量减少切削加工,提高材料的利用率。冷挤压材料的利用率一般可达到80%以上。(2)提高劳动生产率。用冷挤压工艺代替切削加工制造机械零件,能使生产率提高几倍，几十倍、甚至上百倍。(3)制件可获得理想的表面粗糙度和尺寸精度。冷挤压零件的精度可达IT7~IT8级,表面粗糙度可达Ra0.2~1.6。因此,用冷挤压加工的零件一般很少再切削加工,只需在要求特别高之处进行精磨。(4)提高零件的力学性能。冷挤压后金属的冷加工硬化,以及在零件内部形成合理的纤维流线分布,使零件的强度远高于原材料的强度。此外,合理的冷挤压工艺可使零件表面形成压应力而提高疲劳。国内外的发展状况中小型多工位压力机在欧美及日本等工业发达国家发展迅速,使用范围日益扩大。一般来说,当一种工件需要3道以上工序加工、日产量超过4000件、在一个换模周期内能生产3~5万件时,使用多工位压力机是经济的。中小型多工位压力机可占整个多工位压力机产量的80%以上。目前,中小型多工位压力机主要生产国为美国、日本、德国、意大利、英国等工业发达国家。其中,美国Baird公司至今已有150余年的历史,生产的凸轮驱动多工位压力机,最大吨位可达1050kN,最高行程次数可达300min-1;日本旭精机工业株式会社自1964年引进美国Baird公司的多工位压力机技术,至今已开发出TP、ATP、HTP、STP四个系列的凸轮驱动多工位压力机,最小吨位为150kN,最大吨位为1500kN,最高行程次数可达300min-1;德国舒勒公司自1900年就开始生产小型多工位压力机,目前的系列参数起始吨400kN;英国百特工程公司至今已有40余年的历史,生产凸轮驱动和曲轴驱动两大系列的多工位压力机,吨位200kN至2200kN,滑块行程次数最高可达200min-1;意大利BMV公司自1972年成立至今,已生产了T1~T4四个系列的多工位压力机,吨位从200kN到15000kN,工位数从4个到24个。国内的发展状况:我国中小型多工位压力机发展比较迟缓。70~80年代仅有400kN、1250kN、1600kN和2500kN四个规格,而且,这些产品结构陈旧、性能差,仅相当于国外40~50年代的水平。目前,这类产品在市场上基本上已销声匿迹。90年代初期,济南铸造锻压机械研究所为满足电器、电子、轻工等部门生产发展的需要,研制成功J72系列中小型多工位压力机。该产品为凸轮驱动式,吨位150kN至750kN,最高行程次数可达200min-1,接近国外90年代中期水平。压力机的未来发展方向在传统的成形制造技术中，机械式压力机得到大量应用，其传动方式是电机的转动经过飞轮、曲轴连杆机构转变成滑块的直线运动。近年来，市场对高精度、高质量、低价格产品的需求越来越大，难成形材料成形、复杂形状零件成形、复合成形以及高精度成形技术对冲压设备的工作性能提出了更严格的要求，需要开发新一代柔性压力机。与传统机械压力机相比，大型伺服压力机不需要飞轮、能满足更复杂的运动特性要求，具有更高的精度和效率。伺服压力机采用交流伺服电机直接作为压力机的动力源，通过螺旋、曲柄连杆、肘杆等执行机构将电机的旋转运动转化为滑块的直线运动，实现滑块运动特性可控，以满足冲压加工柔性化、智能化需求。上世纪末，在日、欧洲等工业发达国家兴起了交流伺服电动机直接驱动压力机的研究与开发，这种伺服压力机与传统机械压力机相比，具有结构简单、生产效率高、产品质量好、滑块运动柔性好、降噪节能显著等优点。这类压力机在日本进入了普及期，随着其在汽车零件、电子零件等高精度、难成形零件加工领域中的应用和其优良的节能性，已经显示出了其他压力机所无可比拟的优越性，成为世界冲压技术及装备发展的主要潮流之一。国内外伺服压力机发展趋势：随着制造业国际竞争日益激烈，高效率制造高精度、高品质产品的伺服压力机的需求越来越强烈。伺服压力机的发展具有以下特点：柔性化、智能化生产。随着伺服技术的发展，伺服压力机采用可任意调节的伺服电动机，其自动化、智能化程度提高，可以获得任意的滑块性能，设备工艺适应性提高。节能环保。在普通压力机中，飞轮空转耗能占总能耗的6%～30%，离合器耗能占总能耗的20，节约能耗。与液压机相比，伺服压力机消除了油液污染，传动系统简化，传动噪音减少，改善了生产环境。精度高，生产效率提高，模具寿命高。伺服技术、滑块位移检测技术、滑块行程调节技术等在伺服压力机的应用，使得滑块在任意位置可以准确控制，提高加工精度。伺服压力机可以根据不同的工艺采用相应的优化曲线，压力机在必要的最小行程工作，提高生产效率，此外振动减少，模具的寿命大大提高。第二章数控机床的加工原理数控技术是现代制造技术的基础。它综合了计算机技术、自动控制技术、自动检测技术和精密机械等高新技术，因此广泛应用于机械制造业。数控铣床替代普通铣床，从而使得制造业发生了根本性的变化，并带来了巨大的经济效益。数控铣床的总体方案确定、系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统和连续控制系统。本次设计的铣床要求具有定位、直线插补、顺、逆圆弧插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。、控制方式的选择伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统中，没有检测反馈装置，数控装置发出的信号的流向是单向的，也正是由于信号的单向流程，它对机床移动部件的实际位置不作检测，所以机床的加工精度要求不太高，其精度主要取决于伺服系统的性能，开环伺服系统主要由步进电机驱动。这类机床工作比较稳定，反应迅速，调试和维修比较简单。目前经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。半闭环控制系统中，对工作台的实际位置不进行检查测量，而是通过与伺服电机有联系的的测量元件，如测速发电机或光电编码盘等间接检测伺服电机的转角，推算出工作台的实际位置，有此值与指令值进行比较，用差值来实现控制。这种控制方式介于开环与闭环之间，精度没有闭环高，调式却比闭环方便。闭环控制系统有机床移动部件上的检测反馈装置，在加工时刻检测机床移动部件的位置，使之和数控装置所要求的位置相符合，以期达到很高的加工精度。闭环系统多采用直流伺服电动机或交流电机驱动。这类机床的优点是精度最高的，速度快，但是调试和维修比较复杂，其关键是系统的稳定性，所以在设计时应对其稳定性给予足够重视。本次设计的机床精度要求高，但考虑到经济及调试等问题，选用半闭环型的控制系统。、机械传动方式目前数控铣床的纵向和横向多采用伺服电机，进给系统的机械传动链采用滚珠丝杠、静压丝杠和无间隙齿轮副等，以尽量减小反向间隙。我们这里拟采用的是滚珠丝杠副传动，以减少摩擦系数，提高进给机构的整体刚度。滚珠丝杠与电机间用联轴器直接连接，以消除间隙。图、11、底座 2、强电柜3、变压器箱4、步进电机5、主轴变速手柄和按钮板6、床身7、数控柜 8、11、保护开关9、挡铁 10、操纵台12、横向滑板13向进给步进电机14、横向进给步进电机15、升降台16、纵向工作台、立式数控铣床的常见形式和工作方式ZXY铣削、外形轮廓铣削、三维及三维以上复杂型面铣削等。件之间相对运动的参数（位置，速度等，使刀具对工件进行切削加工，最终得到所需要的合格零件。数控机床的加工，是把刀具与工件的运动坐标分割成一些最小的单位量，即第第10页共31页（控制刀具运动轨迹，从而实现刀具与工件的相对运动，完成对零件的加工。刀具沿各坐标轴的相对运动，是以脉冲当量δ为单位的（mm/脉冲。当走刀轨道为直线或圆弧时，数控装置则在线段的起点和终点坐标值之间进行图、2 铣销加工零件的零件图（如直线函数和圆函数使刀具运动的轨迹与该曲面完全吻合，才能加工出所需要的零件。数控机床是由信息载体,数控装置,伺服系统和机床主体各机械部件组成,如图3所示。图、3数控机床的组成进给伺服系统概述数控机床伺服系统的一般结构如图4所示：图、4数控机床进给伺服系统基本组成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。伺服系统对伺服电机的要求：0.1r/min4-64000rad/s20.2s电机应能随频繁启动、制动和反转。伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。车床的一个特殊部分。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。图、5数控车床伺服电路图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护和造价低等特点而被广泛采用。统的动态性能。技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。第三章纵向进给系统的设计6丝杠螺母传动装置。图6、机械传动部件设计方案观点来设计丝杠螺母传动装置和减速机构，然后再根据设计要求选择电动机。用于计算的下列数据是已知的。工作台工作台质量T=500kg最大加工受力Fw=1000N快进速度

vfast=0.17m/s工进速度

vv=0.1m/s最大加速度

amax

=1.3m/工作台导轨摩擦力

FR=2.5N工作行程

W=0.35m丝杠螺母机构数据轴承轴向刚度丝杠螺母刚度

丝杠长度

KTM=1000N/µmηsp=0.9Lsp=0.5m`丝杠螺母静态设计确定动载荷 工作循环周期T由加速时间 和加工时间 组成，计算如下:

ta=vv/amax

=0.1/1.3≈0.077s在减速期间的平均速度为工作进给时转速 为可得当量转速载荷系数取当量载荷为wwW+aam R T算出Fa=mT•amax

=700×1.3=910n代入上式

Fm=999N取滚珠丝杠寿命为20000h，算出该滚珠丝杠的动载荷确定静载荷 最大轴向力可近似取最大加工受力，即取静态安全系数,得静载荷根据轴向压力选取丝杠直径 可得4 a4 a m×104F2由 L=450mm查表代入上式得故取转速限制①最大转矩限制：由和 得②临界转速限制：

dsp

n2= c f×107由, L=450mm, 得选择丝杠直径：由上面计算结果得aC′≥9670NC0a≥1000Nadsp≥6mm≤≥根据以上数据，从厂家产品样本中可选取丝杠直径，如表5-15所示。表5-15丝杠直径的选取dsp/mmCa/NC0a/N201107522172251597534170322590956930402942773409可得 ≥丝杠螺母动态设计

图7、丝杠螺母设计简化图（1）确定丝杠螺母传动的总刚度①扭矩刚度：KTsp

4d=7.84×10−3dL式中 ；。将丝杠扭转刚度折算成工作台（执行件）直线刚度公式K=K

⎛⎞2⎜ ⎟

d4L×7.84×10−3sp(N/µm)L⎝h⎝hsp⎠得 。②拉压刚度：

d2dsK≈1.65×10−1spsL

(N/µm)根据已知条件可得。③总刚度：对于“双推-双推”式支承的丝杠螺母传动装置，其刚度的等效图如图7所示。图7、 双推-双推式丝杠刚度等效图设螺母位于丝杠中间，于是系统的总刚度为1Kgen

= 1 2KL

1+1

+1

+ 1将已知条件代入，得系统的总刚度KgenmTKgenmTω0mech=故h

500= 500确定具有满意动态性能的丝杠直径 电气驱动部件的谐振频率取列值，则其动态性能较好，即取采用常规的比列位置调节，为了使机械传动部件的动态性能不影响系统总的动态性能，应当使但是，根据本例选择的丝杠直径 ，只能得到T因此，丝杠的直径应该更大一些。Tω =若取带入 得将此总刚度代入式 1 = 1

1+1+1+

K、K和KK 2K 4K K K K

L M L s M 为已知常数，再由式KK

⎛⎞2⎝h⎜ ⎝h

d4L×7.84×10−3sp(N/µm)L和

≈1.65×10−1

sp⎠d2dsp(N/µm)L得解上式可得最后根据上面表格选取丝杠直径变速机构设计已知，电气驱动部件具有二阶振荡环节的性能，其谐振频率阻尼比

A=h1h12hl1电气时间常数机械时间常数

lT

==JgenRAmech

KMCE式中机械时间常数里的是电动机轴上总的转动惯量械部件转动惯量最小。这一点可以借助减速机构达到。如任务书上所示电动机轴上的小齿轮，其直径及齿宽，根据传递的动力由最小齿轮及模数的要求决定。当小齿轮设计完毕，它的转动惯量就是已知的。大齿轮转动惯量可由和降速比近似确定，即机械部件折算到电动机轴上恩多总转动惯量为式中 ⎛h⎞2⎟J——工作台折算到丝杠上的转动惯量，J⎟

=m⎜spT T T⎝⎠机械时间常数里的Jgen是电机轴上总的转动惯量Jgen=JM+Jext。令dJgen=0，得满足最小惯量要求的相对额定降速比diJ14Jsp+JTJ14Jsp+JT根据所设计系统的已知条件，得，⎛h⎞2⎟J=m⎜sp⎟

=1.27×10−3(kgim2)T T⎝⎠丝杠的转动惯量 为J=1md28m=1L ρ4 式中 ；J=1m和m

=1L ρ8

spsp

4 得 =

12.95电动机的静态设计（1）计算 由J =J+J+(J+J+J)M 1 2 T=J+J+J/i2+i2(J+J)M 1 1 T得根据上面求得的最佳传动比和其他参数，得)确定电动机额定转矩 工作台加速和加工力所引起的当量力矩MmT

=1p

Fm2π式中故得MmT

=988×0.01=1.75(Nim)0.9 丝杠加速度

̇=πahsp

max丝杠加速所需的转矩由丝杠加速所引起的当量力矩4Ma,spta4Ma,spta代入上式可得丝杠螺母传动机构的总当量力矩为可得 电动机轴的角加速度̇M

=̇p=xopt opp可得电动机轴的加速转矩由电动机轴加速所引起的当量力矩4Ma,Mta4Ma,Mta代入上式作用在电动机轴上的当量力矩为mηM=iM +MmηG可得电动机的额定转矩应为故 确定电动机额定功率 电动机的额定转速υ=60υ=hiυhisp可得电动机的额定功率ω =n60最后得电动机额定功率 。第四章电动机与减速机构的设计电动机的选取电动机额定功率选取型号为JZS2G-51-2，额定功率为，额定转速为。图8、交流伺服电动机减速机构的设计由于。 可取 。分度圆直径=60mm=180mm中心距齿宽第五章