数控铲磨床纵向进给系统的设计

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Know-how feedback based on manufacturing features(STEP-NC Server),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FAGOR公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 Design of Longitudinal Feed System of CNC Relief Grinding Machine Abstract CNC relief grinding machine is a complex tool finishing machine for hobbing cutter, formed mill cutter. Because traditional relief grinding machine’s accuracy and production efficiency is low, the workers labor intensity is too big .The purpose of the numerical control reformation for the longitudinal feed system of traditional relief grinding machine is to improve the performance. After the traditional relief grinding machine had been researched in the factory at present, and reference related literature of CNC machine tools, The longitudinal feed part of relief grinding machine of working principle, and in-depth analysis of relief grinding machine in the process of machining force situation of every parts and components. According to the life of screw，chosed the size of screw. And checked the dynamic load rating, transmission efficiency, stiffness. Ultimately chose the ball screw produced by Hanjiang Machine Tool Factory . Through the analysis of the force acting on the spindle. A thrust ball bearing under axial force had been chosed, and a deep groove ball bearings bear radial force. With reference to the rolling guide produced by Hanjiang Machine Tool Factory, and calculating the life of rail and rated load, All parameters of guide can satisfied the requirements. According to the highest speed of the motor which is calculated according to the lead of ball screw and maximum torque of transmission process, The servo motor Fuji Corp had been chosed. And the moment of inertia is checked. Due to the adoption of the closed-loop system, the related parameters of grating ruler lookup, The grating ruler produced by FAGOR company had been chosed, which can satisfied that Positioning resolution meet the requirements stipulated in the distance. Through the design , Implementation of the NC transformation of relief grinding machine longitudinal feed system, It meet’s the requirement of processing precision , and the processing is stable and reliable, high efficiency. Key words:CNC relief grinding machine; Longitudinal feed system; Finish machining;Closed loop system 目 录 1 绪论 1 1.1概述 1 1.2数控机床的优点 2 1.3数控机床的组成 3 2 总体方案设计 7 2.1机床的运动关系 7 2.2传动方案的设计 7 2.2.1丝杠的选型及支撑方式的设计 7 2.2.2检系统的选取 8 2.2.3导轨的选定 8 2.2.4丝杠和电机连接零件的选取 9 2.2.5轴承类型的选取 9 3 进给伺服系统机械部分计算与校核 10 3.1 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 10 3.1.1额定动载荷 10 3.1.2传动效率校核 12 3.2轴承的计算和选型 12 3.2.1推力球轴承的选型 12 3.2.2深沟球轴承的选型 13 3.3丝杠的刚度和稳定性校核 14 3.3.1 丝杠的刚度校核 14 3.3.2稳定性校核 15 3.4导轨的计算和选型 15 3.4.1滚动直线导轨副行程长度的寿命 15 3.5 伺服电机的计算和选型 16 3.5.1电机转速的选取 17 3.5.2电机转矩的计算 17 3.5.3转动惯量的校核 18 3.6 编码器的选型 18 4 进给系统机械部分结构设计 19 4.1进给伺服系统装配图的设计 19 4.2安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 IV 1 绪论 1 绪论 1.1概述 我国目前机床总量为380万余台，而其中数控机床总数只有11.34万台，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。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。 5 毕业设计（论文） 1.2数控机床的优点 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。 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FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）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。 1.3数控机床的组成 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。 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0.1r /min或更低速时，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4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保证电机可在0.2s以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、软件处理数字PID，使用灵活，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.较好地解决形状复杂、精密、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C616，C618，CA6140)等是金属切削加工最常用的一类机床。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。 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 2 总体方案设计 2.1机床的运动关系 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。 2.2传动方案的设计 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2.1所示。 图2.1 方案简图 2.2.1丝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 19 毕业设计（论文） 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。 2.2.2检系统的选取 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。 由于本次设计中，要求定位分辨率1μm，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。 2.2.3导轨的选定 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: 毕业设计（论文） (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0.1～0.2μm.滑动导轨一般为10～20μm.因此滚动导轨能实现高定位精度和重复定位精度。 (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。 因此采用滚动导轨。 2.2.4丝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500mm／s，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。 2.2.5轴承类型的选取 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。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 3 进给伺服系统机械部分计算与校核 3.1 滚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Ｘ，Ｙ，Ｚ轴上的切削分力分别取500N，500N，600N。 由公式 （3.1）可得 ＝1008.4N 3.1.1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10mm 因此滚珠丝杠工作时的最高转速n=1200r／min。 所以丝杠的工作速度较高。 由公式 （3.2） 其中k—工况系数； Ca—额定动载荷； Fa—轴向载荷； k的取值参见表3.1 表3.1工况系数 使用条件 k 无冲击的平稳运动 1.0～1.2 一般情况 1.2～1.5 冲击和振动情况 1.5～2.0 通过查表可知k一般情况下取1.5。 机床工作台重1500N，且滚动导轨的摩擦系数为0.0025～0.005，这里取0.005。 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，Fa为最大轴向载荷。 解得Fa=1512 毕业设计（论文） 数控机床的使用寿命L=15000h 由公式 （3.3） 得L=2700百万转 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2.52列以保证丝杠的刚度要求。 汉江机床厂HJG-S系列丝杠的具体参数以及相关尺寸如下图3.1，图3.2所示： 图3.1滚珠丝杠尺寸图 图3.2汉江机床厂滚珠丝杠 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FYCD4010-5。 3.1.2传动效率校核 （3.4） 式中螺旋升角=4°33′ 摩擦角一般为8′～12′ 取10′，滚动摩擦系数0.003～0.005 取0.005 计算得=0.9773﹥0.9 故传动效率合格。 3.2轴承的计算和选型 轴承部分丝杠的直径为25mm。 3.2.1推力球轴承的选型 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 （3.5） 式中： P—轴承所受载荷; C—基本额定动载荷; —预期计算寿命; n—轴承的转速; 已知：P=1512.6N =15000h n=3000r／min 代入后可得C=21KN 查阅机械零件手册和选取代号为51205的推力球轴承，具体参数见表3.2所示： 表3.2 轴承51205参数 轴承代号 其它尺寸 安装尺寸 基本额定负荷 极限转速 重量 mm mm KN r／min Kg 51205 d D da Da Cr Coa 脂 油 m min min max 27 47 38 34 0.6 21.2 40.2 3400 4800 0.12 3.2.2深沟球轴承的选型 因为丝杠、联轴器、推力球轴承等的总重量为35kg所以作用在轴承上的径向力的大小为343N。 由公式（3.5）可得，轴承应具有的基本额定动载荷为： =4776.2N 查阅机械零件手册后选取代号为6205的深沟球轴承具体参数如下表3.3所示： 表3.3 轴承6205参数 轴承代号 基本尺寸 安装尺寸 基本额定负荷 极限转速 重量 mm mm KN r／min Kg 6205 d D t da Da Cr Cor 脂 油 m min min max 25 52 15 31 46 1 10.8 6.95 12000 16000 0.121 3.3丝杠的刚度和稳定性校核 3.3.1 丝杠的刚度校核 最大切削力600N,支撑间距1206mm，丝杠及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向载荷的三分之一。 (1) 滚珠丝杠的轴向刚度 （3.6） 式中：—丝杠螺纹底径； l—受力点到推力支撑端的距离； E—弹性模量，E=2.1×MPa； 当工作台位于两端推力支撑的正中间时刚度为最低。 （3.7） L—安装间距mm； 已知：=0.033m L=1.23m 代入得 =718 N／ (2) 螺母的轴向刚度K 因对螺母施加预紧力故： （3.8） 式中：K—尺寸样本中的刚度值； Fa—轴向载荷； Ca—额定动载荷； 已知： K=2250 N／ Fa=1512.6N Ca=55017N 代入得=1170.4 N／ (3) 支撑轴承的轴向刚度K （3.9） 式中：—滚珠直径，单位mm； Z —滚动体数； F —轴向载荷，单位N； 轴承为6205带入相关参数得 K=619.3 N／ (4) 螺母座、轴承座的轴向刚度K 在设计中应使安装部位有高刚度，一般可忽略不计。 由公式 （3.10） 可得=0.0038618 代入公式 （3.11） 可得=5.84 对于全长为1230mm，精度为2级的丝杠300mm单一导程变动量为14﹥。 3.3.2稳定性校核 滚珠丝杠两端采用推力球轴承，不会产生失稳现象，不需作稳定性校核。故所选取丝杠合格。 3.4导轨的计算和选型 3.4.1滚动直线导轨副行程长度的寿命 （3.12） 式中 —寿命时间，单位为h; L—行程的长度，单位为m； —每分钟往返的次数（1／min）： 由于=15000h L=600mm =10 1／min 所以L=10800km 考虑到使用环境的影响，对寿命的计算采用如下公式： 额定寿命 （3.13） 式中: —计算载荷（N）; —接触系数取; —硬度系数取; —载荷系数取; —温度系数取； 已知 =1500N =0.81 =0.9 =2.0 =0.9 解得额定动载荷=27434.8N=27.4KN 查阅汉江机床厂相关滚动导轨的参数后取DA30AAL型号导轨具体参数如下图3.4所示： 图3.3汉江机床厂导轨尺寸 图3.4 汉江机床厂滚动导轨 额定静载荷的计算 =14.5﹥f f取1.3 故选取导轨合适。 3.5 伺服电机的计算和选型 进给系统的伺服电机一般都采用高速、中小惯量的电机，以满足运动部件的高速、高精度加工要求。伺服电机的选择包括确定电机类型、安装形式、转速、输出转矩与加减速能力等。其中电机类型、安装形式决定于机械部件的结构，一般由机械设计人员确定，转速、输出转矩与加减速能力，通过计算确定。 3.5.1电机转速的选取 一般而言，伺服电机的调速范围与调速性能都已经能够满足绝大多数进给传动系统的控制要求。因此伺服电机的选择通常只需要确定最高转速，前面已经确定了滚珠丝杠的具体型号以及与电机的连接方式，因此电机的最高转速也就是丝杠的最高转速，由前面的计算可知丝杠的最高转速为3000r／min。 3.5.2电机转矩的计算 伺服电机连续额定输出转矩需要通过计算负载转矩后确定，连续输出转矩可以通过负载转矩确定电机的静态转矩，对于输出特性很硬的电机，电机的连续输出转矩几乎与静态输出转矩相等，因此可以通过计算负载转矩来确定静态输出转矩。电机负载转矩但是对于理想的进给系统，摩擦转矩与电机的静态转矩之间应满足如下关系： （3.14） —摩擦阻力折算到电机上的转矩； 摩擦转矩 （3.15） —导轨摩擦转矩; —防护罩摩擦转矩; —丝杠支撑轴承转矩; (1) （3.16） 式中：—滚动导轨的预载荷（N）； —切削力在垂直方向的分力（N）； —工件质量（kg）； —工作台质量（kg）； —丝杠导程（m）； —丝杠传动效率； —与导轨形式有关的导轨摩擦系数； —倾斜角度； 已知:=0.005 故=1.405×10 N·m (2) （3.17） 式中： —多级伸缩防护罩产生的阻力； 防护罩所产生的摩擦阻力如下表3.4所示： 表3.4多级伸缩防护罩产生的阻力 宽度范围 摩擦阻力 0—1m 180 N／m 1—2m 220N／m 2—3m 250N／m =180N／m =0.01m =0.85 故=0.3372 N·m (3)丝杠支撑轴承摩擦转矩可以直接从轴承生产厂家提供的参数中查到 =0.5 N·m ∴=0.01405+0.03372+0.5×4=2.05 N·m 查阅富士电机的相关参数后选取GYG202CC2-T2型号电机，即可满足以上要求。 电机的具体参数如下表3.5所示: 表3.5 电机GYG202CC2-T2参数 电机型号 GYG202CC2-T2 额定输出（KW） 2.0 额定转矩（N·m） 9.55 最大扭矩（N·m） 28.6 额定转速（r/min） 2000 最大转速（r/min） 3000 惯性矩（Kg·m） 29.51×10 额定电流（A） 12.3 最大电流（A） 36.9 3.5.3转动惯量的校核 联轴器的转动惯量查阅相关手册后可知J=0.5×10Kg·m 滚珠丝杆的惯量 （3.18） 已知: d=36.6mm L=1206mm 代入数据可得 ∴=1.6×10Kg·m 直线运动部件的惯量 （3.19） 式中: m—运动部件质量； 已知: 工作台质量m=153kg ∴J=0.387×10Kg·m 负载总惯量J=2.487×10Kg·m﹤2.951×10Kg·m 故所选电机合适。 3.6 编码器的选型 定位分辨率是指测量系统能检测显示的最小计量单位。精度是指测量的精确度。FAGOR公司直线光栅尺的精度是指在测量长度范围内，任选一米长度中出现的最大误差。不同型号的直线光栅尺将决定机床的不同的分辨率。由于机床工作时最大进给速度为12m／min，并且要求定位分辨率达1μm,经过计算后丝杠的直径为40mm，丝杠的行程为600mm，在查阅相关直线光栅尺册相关资料后，选择小横截面积S系列的光栅尺，型号为SY相关参数如下图3.5所示： 图3.7 S系列光栅尺参数 4 进给系统机械部分结构设计 4 进给系统机械部分结构设计 4.1进给伺服系统装配图的设计 机械部分结构设计的任务是画出进给伺服系统的机械装配图，用以表达设计者构思，设计特点及计算结果的重要部分。 在绘制机械装配图时，除了从总体上考虑机床布局情况与原机床的联系外，还应认真的考虑与具体结构设计有关的一些问题。 (1) 了解原机床的详细结构。 (2) 根据载荷特点和支承形式确定丝杠两端支承轴承的型号。 (3) 考虑各部位间的定位、联接和调整方法。例如，应保证丝杠两端支承与滚珠丝杠螺母同轴，保证丝杠与机床导轨平行，考虑螺母座。轴承座在安装面上的联接与定位、伺服电机在箱体上的联接与定位等。 (4) 考虑密封、防护、润滑以及安全机构等问题。例如，丝杠螺母的润滑、防尘、防铁屑保护、轴承的润滑及密封、齿轮的润滑及密封等。 (5) 在进行各零部件结构设计时，应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。 此外，注意绘制装配图时的一些基本要求。例如，制图标准、视图布置及图形画法要求、重要的中心距、中心高、联系尺寸和轮廓尺寸的标准、重要配合的标注、装配技术要求、标题栏要求等。 在进行纵向进给伺服系统结构设计之前，必须对整个机床的布局有所了解。纵向进给机构，伺服电机通过法兰和箱体相连，并在箱体内通过联轴器和滚珠丝杠相连接，轴承左侧的深沟球轴承和推力轴承均通过与箱体设计在一起的轴承座进行安装，安装时要注意安装的顺序，滚珠丝杆右端通过轴承座安装在机床床身上。工作台部分则通过自己设计的两个链接零件与丝杠螺母相连。 毕业设计（论文） 4.2安装过程中应注意的问题 经过计算，已知此纵向进给系统采用GYG202CC2-T2型伺服电机，经过联轴器直接连接滚珠丝杠，滚珠丝杆公称直径为=40mm。滚珠丝杠螺母副选用的是外循环双螺母内包式。 安装的过程中注意考虑以下问题： (1) 应保证左侧箱体以及轴承座，导轨等均准确的安装在机床床身上。 (2) 为保证滚珠丝杠与导轨平行，设计时，应注意使丝杠中心，与床尾轴承座中心线距安装基面尺寸一致以保证水平面的丝杠与导轨平行。左侧箱体在床身上的安装螺钉的位置与车尾轴承座螺钉在床身上的安装位置必须根据床身具体情况确定，以保证在垂直面内丝杆与导轨平行。水平面内的平行度达不到要求可刮研箱体或床尾轴承座的安装基面，如垂直面内平行度达不到要求，可安装螺钉的过孔进行调整，调好后，插入定位销。 (3) 保证滚珠丝杠转动平稳，轻快，必须使滚珠丝杆螺母座与丝杠两端支承同轴，两面端支承同轴。 (4) 在水平面内应使丝杠中心线距导轨的距离尽量小，否则将层产生颠覆力矩，增大磨擦力，使运动不平稳，利用床身的凹面，使左侧箱体的孔的中心线与右侧轴承座的中心线和丝杠螺母的中心保持在同一条线上。 (5) 伺服电机装在箱体左侧，利用短圆柱面中，在箱体上定位。 滚珠丝杠螺母副的选择： 滚珠丝杠螺母副的制造精度要求高，加工工艺比较复杂。都是由专业工厂按系列化进行生产。因此在进行设备改造时，要按厂家生产标准进行选择。选择合适以后再决定被改造设备的 其他相关部分的结构和尺寸。 联轴器的安装： 传动丝杠轴线上各联轴套上的锥销孔座按十字分布方式进行配做。这是因为同一联轴套上分布的锥孔都由同一方向加工时，往往会引起轴线的直线度误差增大，从而使安装在丝杠上各零件间的同轴度误差增大，产生传动附加载荷，影响丝杠副的传动性能。 20 5 总结 本次设计对数控铲磨床纵向进给系统进行了设计。主要对其中各部分零件的选取进行了讨论，通过采用一般数控机床的设计方法，对铲磨床纵向进给系统中的驱动系统、传动系统和反馈系统进行了分析，选出了各部分零件的型号，并对选择出的主要零件进行了计算、设计与校核。计算表明通过选取相应的产品能够使数控铲磨床的纵向进给系统满足相应的进给要求，并且能够达到相应的加工精度，与改造前的传统手动换挡变速、滑动丝杠导轨传动系统相比，在自动化程度上得到了很大的提高，满足了设计要求。 参考文献 参考文献 [1] 杨贺来主编.《数控机床》[M] .北京交通大学出版社：4-5 [2] 明兴祖主编.数控加工技术[J].化学工业出版社2001：78. 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Know-how feedback based on manufacturing features(STEP-NC Server),2003. 22 致 谢 致 谢 真挚的感谢这学期来我的导师高老师，是他们严谨的治学，对工作一丝不苟的态度感染并教导着我。使我不仅接受了全新的思想观念，树立了坚定的目标，领会了基本的思考方式，对于我经后的学习和工作奠定了一定的基础。在老师的循序教导下，我学会了如何查阅机械零件型号以及如何通过网络来找出自己设计过程中所需要的零件和生产厂家，并且对铲磨床有了深刻的认识。此外，平时在高老师的讲解中，我还学到了大量的专业知识。 在本次论文设计过程中，从论文选题，构思到最后定稿的各个环节都是在老师的精心指导下完成的，他们一直给予我们细心指引与教导,使我得以最终完成毕业论文设计。是高红红老师在学习中以严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范成为我终生学习的楷模。另外，感谢这四年中众多老师的关心支持和帮助。在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！ 最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与本人论文答辩的各位老师表示感谢。 24 毕业设计（论文）独创性声明 毕业设计（论文）独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的毕业设计（论文）是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含他人已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 毕业设计（论文）与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 毕业设计（论文）作者签名： 指导教师签名： 日期：