毕业论文-立式磨床进给系统的设计及分析

目录摘要（中文）.I （英文）.II第一章 概述11.1 立式磨床的简介11.2 立式磨床的特点11.3 立式磨床横向进给系统的深入研究21.3.2 研究方向和内容61.4 设计方法实现及预期目标61.5 交流伺服电机的选择91.6 进给精度的保证101.7 直线滚动导轨副的选择10第二章 立式磨床横向进给系统的整体设计112.1 计算进给牵引力（N）112.2 导轨摩擦力的计算112.3 计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力132.4 确定进给传动链的传动比132.5、滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算132.6 最大动载荷的计算142.7 规格型号的选择142.8、伺服电机的选择152.9 滚珠丝杠螺母副承载能力校核16第三章 床身材料的选择及壁厚的设计183.1 对立式磨床总体研究；进行立磨总体布局机构设计183.2 立式磨床的材料及床身分析19图3.423第四章 三维造型24结束语27摘 要立式磨床由工作台、动力及传动装置、导轨基座、横向导轨和导板台、纵向导轨及导板、磨具及抛光轮组成。工作台是立式的，与动力及传动装置相连；导板基座与工作台相对而立，横向导轨装配在导轨基座上，横向导板台套装在横向导轨上，两个纵向导轨则固定在横向导板台上，磨具与抛光轮装置均安装在纵向导板上。通过操作台控制可使磨具及抛光轮沿横向与纵向任意移动,消除了卧式磨床工作台水平放置所造成周边下垂，并降低了运动阻力，节约能耗。由于适用范围更广、加工精度更高、功能更全面、可靠性更好等。突出的进步就是均能一次装夹在一个工位上完成零件的外圆、内圆、端面等多个磨削表面的多工序加工，克服了重复装夹带来的累积误差及辅助时间的浪费，从而达到高效率、高精度、高可靠性。随着现代科技的发展, 机械制造业面临着高速度、高精度等新的挑战, 高速进给系统成为高速高精度数控车床的关键环节之一。由于进给系统刚度低、惯量大, 难以获得高进给速度和高加速度,为了提高高速高精度数控车床的定位精度和传动精度, 除了正确设计、选择进给系统部件, 精确计算其强度、稳定性和驱动力矩外, 还要对进给系统的刚度进行合理设计, 减少因刚度引起的失动量, 以确保加工定位精度。横向进给系统是数控装置和机床机械传动部件间的联系环节，是数控机床的重要组成部分。它包含机械、电子、电机(早期产品还包含液压)等各种部件，并涉及到强电与弱电控制，是一个比较复杂的控制系统。横向进给的确是一个相当复杂的任务。提高伺服系统的技术性能和可靠性，对于数控机床具有重大意义，研究与开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。床身，作为主要支承件的床身至关重要，其结构性能的好坏直接影响着机床的各项性能指标。其结构的合理性和性能的好坏直接影响着数控车床的制造成本；影响着车床各部件之间的相对位置精度和在工作中各运动部件的相对运动轨迹的准确性。 关键词：立式磨床 横向进给 数控 传动系统 床身 Abstract Vertical grinder from the bench, power and transmission equipment, rail base, horizontal rails and the guide plate units, the vertical rails and guide, composed of abrasive and polishing wheel. Table is vertical, and connected with the power and transmission device; guide base and the table relative standing, horizontal guide rails mounted on the base, horizontal guide rail station set in the horizontal, two vertical rails are A fixed platform in the horizontal guides, grinding and polishing wheel devices are installed in the vertical guide plate. By grinding and polishing wheels can console control along an arbitrary horizontal and vertical movement, eliminating horizontal horizontal grinding table caused by peripheral sag, and reduce the movement resistance, saving energy consumption. As for the broader, higher precision, more comprehensive, better reliability and so on. Highlight the progress that is a fixture can be completed at a station part of the cylindrical, inner circle, face and other multi-process grinding surface processing, to overcome the accumulated errors caused by repeated clamping and supporting a waste of time, So as to achieve high efficiency, high precision and high reliability. With the development of modern technology, machinery manufacturing industry is facing a high-speed, high precision and other new challenges, high-speed high precision feed system as the key to one of the CNC lathe. Stiffness of the feed system is low, large inertia, it is difficult to obtain high feed speed and high acceleration, high speed precision CNC lathe to improve positioning accuracy and driving accuracy, in addition to the design, select the feed system components, accurate calculation of its strength, stability And driving torque, but also the stiffness of the feed system reasonably designed to reduce the loss of momentum caused by stiffness in order to ensure processing accuracy. Horizontal feed system is the machine tool numerical control devices and mechanical transmission connecting link between parts, is an important part of CNC machine tools. It includes machinery, electronics, motor (early product also contains hydraulic), and other components, and relate to the strong electric and electronic control, is a more complex control systems. Traverse is indeed a very complex task. Servo system to improve the technical performance and reliability, of great significance for CNC machine tools, high-performance servo systems research and development of modern CNC machine tools has been one of the key. Machinebed, as the main supporting pieces of the bed is essential, and its structure will affect the performance of the machine performance. The rationality of its structure and performance of a direct impact on manufacturing cost CNC lathe; influence lathe parts and precision of the relative position between the work of all moving parts in relative motion trajectory accuracy.Key words : Vertical Grinder Cross feed CNC Transmission Machine bed第一章 概述1.1 立式磨床的简介 立式磨床由工作台、动力及传动装置、导轨基座、横向导轨和导板台、纵向导轨及导板、磨具组成(如下图1.1)。工作台是立式的，与动力及传动装置相连；导板基座与工作台相对而立，横向导轨装配在导轨基座上，横向导板台套装在横向导轨上，两个纵向导轨则固定在横向导板台上，磨具与抛光轮装置均安装在纵向导板上。通过操作台控制可使磨具及抛光轮沿横向与纵向任意移动。本发明消除了卧式磨床工作台水平放置所造成周边下垂，并降低了运动阻力，节约能耗。对被加工的工件研磨和抛光可在同一设备上进行，方便操作人员随时观察或检验研磨或抛光状态。在立式磨床上，工件直立安装在卡盘中。在卧式磨床上，夹紧力必须保证工件不会落在卡盘的外面。竖直夹紧的工件只要求有足够的夹紧力来抵抗磨削力。重力有利于磨削过程，而不是阻碍磨削。由于固定在立式磨床上只需要较小的夹紧力，所以工件变形可能较少。这减小了圆度误差的几率。根据试验工件得到的结果来看，立式磨床可以达到小于0. 39m的圆度误差。 图1.11.2 立式磨床的特点立式磨床可以从事外径、内径和表面磨削。根据工件的形状，这三项工作全都可以在一次装卡内实施。当这种情况可能时，就避免了由于多次装卡而引起的误差。可以更精确地保持内径和外径之间的圆度，以及内径、外径与表面的垂直度。因为工件和磨削主轴是竖直的，所以实际上没有下弯的问题要解决。机床结构本来就是刚性的。 立式磨床更易装载和卸载。手工装载和卸载无需在起动卡盘的同时支撑工件。操作者只需简单地将工件向下安装到卡盘中即可。使工件对中也发生得更加自然，因为当卡爪闭合时没有不均匀的重力。用起重机或机械手装载和卸载也可能变得更加简单，因为卡盘内的工件在回转车或传输盘上具有相同的稳定定位。例如，像齿轮这样的碟形零件可以水平向下传送，以便拾取安装。同样地将它水平向下放置在磨床的卡盘内。立式磨床通常还比与其相当的卧式磨床更加小巧。立式磨床占用更多高度空间，而占地面积较少。这就在机床旁边为自动装载机或机械手留出了空间，使自动化成为一项更具吸引力的选择。 用于对各种外形的金属、非金属薄形精密零件（轴承、阀片、密封件、油泵叶片、活塞环等）上下两平行端面的同时磨削。机床采用立式龙门结构，上，下磨头垂直安置于同一中心线上，刚性和热稳定性可靠。 上，下磨头的进给机构采用伺服控制系统。磨头主轴采用交流变频无级调速，适应各种磨削工艺要求。 在卧式磨床上，X和Z轴的滑动面比磨削作用的点低。立式磨床将这些轴的导轨置于磨削作用点之上。磨削粉尘不会落入这些运动表面上。这减小了磨损，延长了机床的使用寿命，而保持了它的精度。 对立式磨床进行全方面的了解，并要熟悉其结构原理和工作原理。由于适用范围更广、加工精度更高、功能更全面、可靠性更好等。突出的进步就是均能一次装夹在一个工位上完成零件的外圆、内圆、端面等多个磨削表面的多工序加工，克服了重复装夹带来的累积误差及辅助时间的浪费，从而达到高效率、高精度、高可靠性。另外，更高功能数控系统的应用，各个厂家分别开发了四轴或五轴的数控立式磨床，并都能实现联动，配合金刚滚轮的应用，可以实现圆弧面、沟道、偏心孔（轴）以及其他多种复杂曲面的磨削。还有对静压主轴回转工作台以及动静压砂轮主轴轴系的应用，使机床的加工精度、承载力、刚性以及使用寿命都有大幅度的提高，配合变频电机无级调速的使用，使加工过程更灵活、效率更高。1.3 立式磨床横向进给系统的深入研究横向进给系统是数控装置和机床机械传动部件间的联系环节，是数控磨床的重要组成部分。它包含机械、电子、电机(早期产品还包含液压)等各种部件，并涉及到强电与弱电控制，是一个比较复杂的控制系统。横向进给的确是一个相当复杂的任务。提高伺服系统的技术性能和可靠性，对于数控磨床具有重大意义，研究与开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。进给传动系统承担了数控机床各直线坐标轴和回转坐标轴的定位，以及切削进给系统的传动精度、灵敏度和稳定性，它直接影响被加工件的最后轮廓精度和加工精度。进给单元包括伺服驱动部件、滚动单元、位置监测单元等。要求进给单元运转灵活，分辨率高，定位精度高，没有爬行，既要适合空行程时的快进给，又要适应加工时的小进给或者微进给，既要有较大的加速度，又要有足够大的推力 ，刚性高，动态响应快，定位精度好。数控机床普遍采用旋转电机(交直流伺服电机)与滚动丝杠组合的轴向进给方案。1.3.1 传动系统的选择 数控机床的伺服系统是连接数控系统和机床主体的重要部分，在设计中，在伺服方式上选择最广泛应用的半闭环方式。采用螺旋传动，计算滚珠丝杠副尺寸规格，接着进行丝杠的校核并进行精度等验算，根据计算的扭矩选择伺服电机.机床进给系统采用直线电动机直接驱动与原旋转电动机传动方式的最大区别是取消了从电动机到工作台（拖板）之间的一切机械中间传动环节。即把机床进给传动链的长度缩短为零。故这种传动方式即称“直接驱动”。带来了原旋转电动机驱动方式无法达到的性能指标和一定优点。但也带来了新的矛盾和问题。它有响应速度快、 精度高 、传动刚度高、推力平稳 速度快、加减速过程短等优点。但也存在着 滑台要保持高刚度的同时还要轻、 环境要求、 冷却问题、 隔磁及防护问题等。所以要综合考虑价格方面直线电机的价格要高出很多，这也是限制直线电机被更广泛应用的原因。并且直线电机在提供同样转矩时的能耗是“旋转伺服电机+滚珠丝杠”一倍以上，旋转伺服电机+滚珠丝杠”属于节能、增力型传动部件，直线电机可靠性受控制系统稳定性影响，对周边的影响很大必须采取有效隔磁与防护措施，隔断强磁场对滚动导轨的影响和对铁屑磁尘的吸附。 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。 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 伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。 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。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。 所以根据对比直线电机传动系统和滚珠丝杠传动系统，并依据于要加工的元件和要求和设计要求，我们最终选择伺服电机+滚珠丝杠的结构（如图1.2）。运动进给系统主要构成：大规格预负载直线滚柱导轨支撑运动部件、大扭矩伺服电机直连大直径预负荷滚珠丝杠驱动运动部件、高精度直线光栅尺实现全闭环位置控制。传动方式的选择：图1.2 滚珠丝杠传动系统是一个以滚珠作为滚动媒介的滚动螺旋传动的体系。以传动形式分为两种： （1）将回转运动转化成直线运动 （2）将直线运动转化成回转运动。 传动效率高：滚珠丝杠传动系统的传动效率高达90%98%，为传统的滑动丝杠系统的24倍，所以能以较小的扭矩得到较大的推力，亦可由直线运动转为旋转运动（运动可逆）。 运动平稳：滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵敏度高、启动时无颤动、低速时无爬行现象，因此可精密地控制微量进给。 高精度：滚珠丝杠传动系统运动中温升较小，并可预紧消除轴向间隙和对丝杠进行预拉伸以补偿热伸长，因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度。 高耐用性：钢球滚动接触处均经硬化（HRC5863）处理，并经精密磨削，循环体系过程纯属滚动，相对对磨损甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性。 同步性好：由于运动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移，用几套相同的滚珠丝杠传动系统同时传动几个相同的部件或装置，可以获得很好的同步效果。 高可靠性：与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很低，维修保养也较简单，只需进行一般的润滑和防尘。在特殊场合可在无润滑状态下工作。 无背隙与高刚性：滚珠丝杠传动系统采用歌德式沟槽形状，使钢珠与沟槽达到最佳接触以便轻易运转。若加入适当的预紧力，消除轴向间隙，可使滚珠有更佳的刚性，减少滚珠和螺母、丝杠间的弹性变形，达到更高的精度。交流伺服电机：交流伺服电机通常都是单相异步电动机，有鼠笼形转子和杯形转子两种结构形式。与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成。定子上有两个绕组，即励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间相差90电角度。固定和保护定子的机座一般用硬铝或不锈钢制成。笼型转子交流伺服电机的转子和普通三相笼式电机相同。杯形转子交流伺服电机的结构如图3-12由外定子4，杯形转子3和内定子5三部分组成。它的外定子和笼型转子交流伺服电机相同，转子则由非磁性导电材料（如铜或铝）制成空心杯形状，杯子底部固定在转轴7上。空心杯的壁很薄（小于0.5mm），因此转动惯量很小。内定子由硅钢片叠压而成，固定在一个端盖1、8上，内定子上没有绕组，仅作磁路用。电机工作时，内外定子都不动，只有杯形转子在内、外定子之间的气隙中转动。对于输出功率较小的交流伺服电机，常将励磁绕组和控制绕组分别安放在内、外定子铁心的槽内。 交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。当电机原来处于静止状态时，如控制绕组不加控制电压，此时只有励磁绕组通电产生脉动磁场。可以把脉动磁场看成两个圆形旋转磁场。这两个圆形旋转磁场以同样的大小和转速，向相反方向旋转，所建立的正、反转旋转磁场分别切割笼型绕组（或杯形壁）并感应出大小相同，相位相反的电动势和电流（或涡流），这些电流分别与各自的磁场作用产生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩为零，伺服电机转子转不起来。一旦控制系统有偏差信号，控制绕组就要接受与之相对应的控制电压。在一般情况下，电机内部产生的磁场是椭圆形旋转磁场。一个椭圆形旋转磁场可以看成是由两个圆形旋转磁场合成起来的。这两个圆形旋转磁场幅值不等（与原椭圆旋转磁场转向相同的正转磁场大，与原转向相反的反转磁场小），但以相同的速度，向相反的方向旋转。它们切割转子绕组感应的电势和电流以及产生的电磁力矩也方向相反、大小不等（正转者大，反转者小）合成力矩不为零，所以伺服电机就朝着正转磁场的方向转动起来，随着信号的增强，磁场接近圆形，此时正转磁场及其力矩增大，反转磁场及其力矩减小，合成力矩变大，如负载力矩不变，转子的速度就增加。如果改变控制电压的相位，即移相180o，旋转磁场的转向相反，因而产生的合成力矩方向也相反，伺服电机将反转。若控制信号消失，只有励磁绕组通入电流，伺服电机产生的磁场将是脉动磁场，转子很快地停下来。为使交流伺服电机具有控制信号消失，立即停止转动的功能，把它的转子电阻做得特别大，使它的临界转差率Sk大于1。在电机运行过程中，如果控制信号降为“零”，励磁电流仍然存在，气隙中产生一个脉动磁场，此脉动磁场可视为正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成。图3-13画出正向及反向旋转磁场切割转子导体后产生的力矩一转速特性曲线1、2，以及它们的合成特性曲线3。图3-13b中，假设电动机原来在单一正向旋转磁场的带动下运行于A点，此时负载力矩是。一旦控制信号消失，气隙磁场转化为脉动磁场，它可视为正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成，电机即按合成特性曲线3运行。由于转子的惯性，运行点由A点移到B点，此时电动机产生了一个与转子原来转动方向相反的制动力矩。在负载力矩和制动力矩的作用下使转子迅速停止。必须指出，普通的两相和三相异步电动机正常情况下都是在对称状态下工作，不对称运行属于故障状态。而交流伺服电机则可以靠不同程度的不对称运行来达到控制目的。这是交流伺服电机在运行上与普通异步电动机的根本区别。 可见，为了适应高密度、高速度的磨床发展，在以下几个方面应重点研究： （1）减少运动部件的摩擦阻力小； （2）提高传动精度和刚度； （3）运动部件惯量小； a根据所给参数，和一些相关资料，对立式磨床进行整体设计，在经过运动分析、受力分析、和强度校核的前提下，设计出立式磨床的主要结构和布局特点。b用cad与pro-e设计出进给系统的结构，作出二维图与三维图。根据零件图和产品装配图，对零件进行分析。c掌握进给系统的传动情况，了解该系统的主要机电部件，并设计出各部件之间联系的总体构想。d分析选用零件的特点，以各部件的尺寸精度、形状精度、位置精度、等方面的技术要求；对全部技术要求应进行归纳整理。e确定零件的选用和配合方法。f如何保证滚珠丝杠螺母副的防护与润滑。g分析伺服电机+滚珠丝杠与直线电机的优缺点， 并选取最优化的设计。1.3.2 研究方向和内容 对立式磨床的进给系统进行了解研究和设计。伺服电机+滚珠丝杠的结构的进给传动系统的主要机电部件有： (1)运动部件；(如工作台、导轨、横梁、立柱等)(2)伺服电动机；(3)检测元件；(4)联轴节； （5)丝杠轴承； (6)滚珠丝杠螺母副(或齿轮齿条副)；(7) 减速机构(齿轮副和带轮)；如图1.3 图1.31.4 设计方法实现及预期目标为了实现本次课程设计的目标，首先要对立式磨床的进给系统的基本原理进行研究，提出问题。其次，提出针对问题的研究方案，并对依据立式磨床进给系统的工作原理和加工要求进行合理分析，细化设计方案。 用CAD，PRO/ENGINEE软件绘制出装配图，保证设计要求：1、 设计横向进给行程为1200mm，进给速度为12m/min,； 2、检测进给部分设计的合理性，是否能够满足高速加工环境以及进给精度。在此基础上，对进给系统构造三维模型。 下图为进给系统结构图 (图1.4)：图1.4方案简介：为了实现此次课题研究的设计要求，在本论文中将对立式磨床进给系统的几个部件进行研究设计。1.4.1 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，在丝杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽，当他们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠的回路管道，将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母轴向移动。滚珠丝杠螺母副具有以下特点： （1）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠螺母副的传动效率为0.92-0.96，比普通丝杠高3-4倍。因此，功率消耗只相当于普通丝杠的1/4-/3.（2）若给于适当预紧，可以消除丝杠和螺母之间的螺纹间隙，反向时还可以消除空载死区，从而使丝杠的定位精度高，刚度好。（3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。（4）具有可逆性，既可以从螺旋运动转换成直线运动，也可以从直线运动转换成旋转运动。也就是说，丝杠和螺母可以作为主动件。（5）磨损小，使用寿命长。（6）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。（7）不能自锁。特别是垂直安装的丝杠，由于其自重和惯性力的不同，下降时当传动切断后，不能立即停止运动，故还需要增加制动装置。本次设计采用的是内循环的丝杠螺母副，精度为2级，两端采用了小圆螺母为轴向定位丝杠螺母副采用的预紧方式为单螺母消除间隙方法。它是在滚珠螺母体内的两列循环滚珠链之间，使内螺纹滚道在轴向产生一个的导程突变量，从而使两列滚珠在轴向错位而实现预紧。这种调隙方法结构简单，但载荷量须预先设定而且不能改变。滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此对丝杠的轴向精度和轴向刚度应有较高要求，其两端支承的配置情况有：一端轴向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短丝杠和垂直进给丝杠；一端固定一端浮动的方式，常用于较长的卧式安装丝杠；以及两端固定的安装方式，常用于长丝杠或高转速、高刚度、高精度的丝杠，这种配置方式可对丝杆进行预拉伸。因此在此课题中采用两端固定的方式，以实现高刚度、高精度以及对丝杠进行拉伸。1.4.2 丝杠中常用的滚动轴承 有以下两种：滚针推力圆柱滚子组合轴承和接触角为60角接触轴承，在这两种轴承中，60角接触轴承的摩擦力矩小于后者，而且可以根据需要进行组合，但刚度较后者低，目前在一般中小型数控机床中被广泛应用。滚针圆柱滚子轴承多用于重载和要求高刚度的地方。60角接触轴承的组合配置形式有面对面的组合、背靠背组合、同向组合、一对同向与左边一个面对面组合。由于螺母与丝杠的同轴度在制造安装的过程中难免有误差，又由于面对面组合方式，两接触线与轴线交点间的距离比背对背时小，实现自动调整较易。因此在进给传动中面对面组合用得较多。滚珠丝杠螺母副的选择：螺母是分为单螺母和双螺母，一般单螺母的承载负荷是没有双螺母大，使用周期也没有双螺母寿命长，在以后的保养和维护也没有双螺母方便。所以选型要根据设备的要求，满足做设备的条件，才是最好的，不要盲目追求高精度，高负荷的丝杆，会对机器的成本增加很多，丝杆的一个级别价格就会相差好多。1.4.3 滚珠丝杠螺母副的支撑形式双推自由式，刚度、临界转速、压杆稳定性低。设计时尽量使丝杠受拉力。适用于较短及垂直安装的丝杠。（如下图1.5） 图1.5双推简支式，临界转速、压杆稳定性高。丝杠有热膨胀的余地。适用于较长的、卧式安装的丝杠。（如下图1.6） 图1.6 双推双推式，丝杠的轴向刚度高。丝杠一般不会受压，无压杆稳定性问题。可用预拉伸减小因丝杠自重引起的下垂。适用于对刚度和位移精度要求高的场合。（如图1.7） 图1.71.5 交流伺服电机的选择目前,交流伺服系统广泛应用于数控机床,机器人等领域,在这些要求高精度,高动态性能以及小体积的场合,应用交流伺服系统具有明显优势。 交流伺服电机具有较高的动态性能、高可靠性及非常低的维护要求,以其坚固耐用、经济性能好等优点越来越广泛地应用于数控龙门加工中心的进给系统。 交流伺服电机的动力学参数分析及选型,与进给机构正常、可靠运行及制造成本密切相关。 选择电机主要应考虑满足转速、转矩的要求,其中负载惯量的计算涉及因素比较复杂。交流伺服电机的优点，在这里将步进电机与交流伺服电机作比较: (1) 控制精度不同，两相混合式步进电机步距角一般为3.6、1.8，五相混合式步进电机步距角一般为0.72、0.36。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09；德国百格拉公司生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8、0.9、0.72、0.36、0.18、0.09、0.072、0.036，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360/10000=0.036。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360/131072=9.89秒。是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1/655。 (2) 低频特性不同，步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能，可检测出机械的共振点，便于系统调整。(3) 矩频特性不同，步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上就是为恒功率输出。 (4) 过载能力不同，步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。(5) 运行性能不同，步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。六、速度响应性能不同，步进电机从静止加速到工作转速需要200400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。1.6 进给精度的保证随着现代科技的发展, 机械制造业面临着高速度、高精度等新的挑战, 高速进给系统成为高速高精度数控车床的关键环节之一。由于进给系统刚度低、惯量大, 难以获得高进给速度和高加速度, 同时还产生较大的失动量, 使传动误差增大, 影响机床加工精度; 由于各传动部件之间存在间隙、摩擦、弹性变形, 以及电动机运行误差等因素引起的失动量, 导致执行部件滞后或引发振荡。为了提高高速高精度数控车床的定位精度和传动精度, 除了正确设计、选择进给系统部件, 精确计算其强度、稳定性和驱动力矩外, 还要对进给系统的刚度进行合理设计, 减少因刚度引起的失动量, 以确保加工定位精度。 1.7 直线滚动导轨副的选择 直线滚动导轨副具有摩擦因数小、不易爬行、便于安装和预紧、结构紧凑等优点，广泛应用于精密机床、数控机床和测量仪器等。其缺点是抗震性较差、成本较高。 直线滚动导轨副由导轨和滑块两部分组成，一般滑块中装有两组滚珠，当滚珠从工作轨道滚到滑块端部时，会经端面挡板和滑块中的返回轨道返回。在导轨和滑块之间的滚道内循环滚动。 装配时经常将两根导轨固定在支撑件上，每根导轨上一般有两个滑块，滑块固定在移动件上。若移动件较长，可在一根导轨上安装两个以上的滑块；若移动件较宽，可选可选用两根以上的导轨。两根导轨中，一根为基准导轨，另一根为从动导轨，基准导轨上有基准面A其上滑块有基准面B。安装时先固定基准导轨，之后以基准导轨校正从动导轨，达到装配要求时再紧固从动导轨。 产品选型，从产品样本中选定导轨型号后，可根据给定的额定动载荷计算出导轨副的距离额定寿命和小时额定寿命。常见的球导轨的距离期望寿命为50km，滚子导轨为100km。若所得结果大于导轨的预期寿命，则初选的型号满足设计要求。当然，也可先给出导轨副的期望寿命，再反推出额定动载荷，据此选择合适的型号。当滚动导轨的工作速度较低、静载荷较大时，选型时还应考虑相应的额定静载荷不小于工作静载荷的两倍。第二章 立式磨床横向进给系统的整体设计设计机床的第一步，是确定总体方案。总体方案是机床部件和零件的设计依据，对整个设计的影响较大。因此，在拟定总体方案的过程中，必须全面地、周密地考虑，使所定方案技术先进、经济合理。首先对立式磨床进给系统进行全方面的了解，并深入了解其横向进给系统的结构和原理，在图书馆、网上、期刊各种渠道获取相关知识，并实地参观机床总体布局，归纳总结出最优的方案，设计出立式磨床横向进给的相关数据和图形。2.1 计算进给牵引力（N）查表： 力的指数形式=3158N横向进给力 总切削力在横向进给方向上的分力。 垂直进给力 总切削力在垂直进给方向上的分力。根据要求查表 =0.85=0.85*3158=2684.3N =0.75=0.75*3158=2368.5N 2.2 导轨摩擦力的计算车床的导轨可分为滑动导轨和滚动导轨两种。滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大且磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。目前，数控车床已不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。在动导轨上镶装塑料具有摩擦系数低、耐磨性高、抗撕伤能力强、低速时不易爬行、加工性和化学稳定性好、工艺简单、成本低等优点，在各类机床上都有应用，特别是用在精密、数控和重型机床的动导轨上。塑料导轨可与淬硬的铸造铁支承导轨和镶钢支承导轨组成对偶摩擦副。机床导轨的质量在一定程度上决定了机床的加工精度、工作能力和使用寿命。导轨的功用是导向和承载。车床的床身导轨属于进给导轨，进给运动导轨的动导轨与支承的静导轨之间的相对运动速度较低。直线运动滑动导轨截面形状主要有三角形、矩形、燕尾形和圆形，并可互相组合。由于矩形导轨制造简单，刚度高，承载能力大，具有两个相垂直的导轨面。且两个导轨面的误差不会相互影响，便于安装。再将矩形整体倾斜45后，侧面磨损能自动补偿，克服了矩形导轨侧面磨损不能自动补偿的缺陷，使其导向性更好。（如图2.1）图2.1导轨受到垂向切削分力3158N，纵向切削分力2368.5N，移动部件的全部质量（包括机床夹具和工件的质量）m=1200kg(所受重力W=12000N)，查表得镶条紧固力，由于采用直线滚柱导轨支撑运动部件，=0.01 =0.01(12000+2000+3158+2368.5） =195.265N 在不切削状态下导轨的摩擦力=（+） =0.01(12000+2000) =140N2.3 计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力图2.2 计算最大轴向负载力 （2368.5+195.265）=2563.765N 计算最小轴向负载力 = 140N 2.4 确定进给传动链的传动比 由于是电机与滚珠丝杠直接连接固定，所以传动比为 12.5、滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算 （1）按预期工作时间估算滚珠丝杠预期的额定动载荷已知数控机床的预期工作时间滚珠丝杠的当量载荷=1447.2N，查表得载荷系数；初步选择滚珠丝杠的精度等级为2级精度，取精度系数；查表得可靠性系数。取滚珠丝杠的当量转速，已知，滚珠丝杠的基本导程L=8mm，则 = =3446.78N2.6 最大动载荷的计算 最大动载荷的计算公式如下： 其中： 滚珠丝杠副的寿命，单位为r。=60nT/(其中，T为使用寿命，普通机械取T=500010000h，数控机床一般机电设备取T=15000h；n为丝杠每分钟转数。) 在本次设计中，=1950 载荷系数，由下表（表1）查得：=1.5运转状态平稳或轻度冲击1.01.2中等冲击1.21.5较大冲击或震动1.52.5 表1 硬度系数，58HRC时，取1.0；等于55HRC时，取1.11；等于52.5HRC时，取1.35；等于50HRC时，取1.56；等于45HRC时，取2.40。） 在本次设计中=1.0 滚珠丝杆副的最大工作载荷，单位为N。 将所选参数带入式中，得： =33763.1N2.7 规格型号的选择 初选滚珠丝杠副的规格时，应使其额定动载荷。 当滚珠丝杠副在静态或低速状态下（n10r/min）长时间承受工作载荷时，还应使其额定静载荷。 通过上述计算以及对滚珠丝杠副规格型号选择的描述，在本次设计中，额定动载荷33763.1N，而额定静载荷18000N。 根据额定动载荷和额定静载荷，可从表中选择滚珠丝杆副的规格型号和有关参数。公称直径和导程应尽量选择优先组合，同时还要满足控制系统和伺服系统对导程的要求。通过上述计算中得出的结论，滚珠丝杠螺母副导程=8，查表选择CDM5008-5其滚珠丝杠参数为： 公称直径， =50mm 基本导程， =8mm 丝杠外径， =49.5mm 丝杠底径， =44.2mm 循环圈数， n =2 刚度，=2735如图2.3图2.32.8、伺服电机的选择 =24KW 选用的膜片联轴器 ， 系数为 =24/0.98 =24.5KW 所以，选取伺服电机的功率为25KW 8372 所以，我们选用的电机型号是西门子电机 1PM41012.9 滚珠丝杠螺母副承载能力校核已知滚珠丝杠螺母副的螺纹底径34.2，已知滚珠丝杠螺母副的最大受压长度，丝杠水平安装时，取，查表得，则有 =464479N 本机床横向进给系统滚珠丝杠螺母副的最大轴向压缩载荷为2563.765N，远小于其临界压缩载荷的值，故满足要求。 滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度，其弹性模量，密度，重力加速度 滚珠丝杠的最小惯性矩为 1751760.483 滚珠丝杠的最小截面积为 865064.2862 取，查表得，则有 =89834393r/min 本横向进给传动链的滚珠丝杠螺母副的最高转速为1500r/min，远小于其临界转速，故满足要求。 滚珠丝杠螺母副额定寿命的校核,滚珠丝杠的额定动载荷，已知其轴向载荷，滚珠丝杠的转速，运转条件系数，则有 = =2539h 滚珠丝杠母副的总工作寿命h，故满足要求。第三章 床身材料的选择及壁厚的设计3.1 对立式磨床总体研究；进行立磨总体布局机构设计对于机床来说，作为主要支承件的床身至关重要，其结构性能的好坏直接影响着机床的各项性能指标。其结构的合理性和性能的好坏直接影响着数控车床的制造成本；影响着车床各部件之间的相对位置精度和在工作中各运动部件的相对运动轨迹的准确性，从而影响着工件的加工质量；同时也影响着机床的工作效率和寿命等。因此，床身特别是数控机床的床身具有足够的静态刚度和较高的刚度/质量比；良好的动态性能；较小的热变形和内应力；并易于加工制造，装配等，才能满足数控车床对床身的要求。数控机床工作时，受磨削力的作用，床身发生弯曲，其中，影响最大的是床身水平面内的弯曲。因此，在床身不太长的情况下，主要应提高床身在水平面内的弯曲刚度。所以，在设计床身时，采用与水平面倾斜45的斜面床身。这种结构的特点是：(1) 在加工工件时，切屑和切削液可以从斜面的前方(即床身的一侧)落下，就无需在床身上开排屑孔，这样，床身斜面就可以做成一个完整的斜面。(2) 磨屑从工件上落到位于床身前面的排屑器中，再由排屑器将切屑排出。这样，机床在工作中，排屑性能和散热性能要好，可以减少床身在工作中吸收由于切削产生的热量，从而减少床身的热变形，使机床更好地保持加工精度。(3) 由于在床身上无需开排屑孔，就可以增加与底座连接的床身底面的整体性，从而可增加床身底面的刚性。基于以上特点使得床身抵抗来自切削力在水平和垂直面内的分力所产生的弯曲变形能力，以及它们的合力产生的扭转变形能力显著增强。从而大幅度提高了床身的抗弯和抗扭刚度。床身在弯曲、扭转载荷作用下，床身的变形与床身的截面的抗弯惯性矩和抗扭惯性矩有关。材料、截面相同，但形状不同的床身，截面的惯性矩相差很大。截面积相同时，采用空形截面，加大外轮廓尺寸，在工艺允许的情况下，尽可能减小壁厚，可以大大提高截面的抗弯和抗扭刚度；矩形截面的抗弯刚度高于圆形截面，但圆形截面的抗扭刚度较高；封闭截面的刚度显著高于不封闭截面的刚度。为此，在设计床身截面时，综合考虑以上因素，在满足使用、工艺情况下，采用空心截面，加大轮廓，减小壁厚，采用全封闭的类似矩形的床身截面形式，同时，为了提高床身的抗扭刚度和床身的刚度重量比，在大截面内设计一个较小的类似圆形截面。床身与导轨为一体，床身材料的选择应根据导轨的要求选择。铸铁具有良好的减震性和耐磨性，易于铸造和加工。床身材料采用机械性能优良的HT250，其硬度、强度较高，耐磨性较好，具有很好的减震性。立式磨床采用整体立式结构布局，高刚度床身，立柱上直接安装水平移动导轨，两个可垂直移动磨头左右布置。左侧可摆角立磨头加工工件的内外圆和锥面，右侧水平磨头加工端面，可保证工件一次装夹完成除底面外全部加工内容。测量装置采用单独滑枕带动测头伸缩并水平、垂直移动，在机测量工件尺寸。图3.1为机床整体图 图3.1 立式磨床根据其技术特点采用框架结构双立柱，主轴箱在其中移动，构成Y坐标轴；框架结构的双立柱由于结构对称，主轴箱在两立柱中间上下运动，与传动的主轴箱侧挂式结构相比，大大提高了整机的结构刚度。另外，主轴箱是从左右两导轨的内侧进行定位，热变形产生的主轴中心变位被限制在垂直方向上，因此，可以通过对Y轴的补偿，减小热变形的影响。并且型床身结构可以使工作台沿着床身作 向移动时，在全行程范围内，工作台和工件完全支撑在床身上，因此，机床刚性好，工作台承载能力强，加工精度容易得到保证。 立式磨床可利用重力固定工件， 主轴不会变形。此外，与卧式磨床相比，用于固定工件的夹紧力较小，工件本身几乎不会发生变形。通过利用工件本身的质量，可与固定侧端面紧密相贴，而使工件的落座位置保持稳定。复合磨床的主要是以圆工作台为中心，周围分布有不同的磨头。主要结构有可 360旋转的转塔式立柱，磨头安装在转塔不同的面上。这种结构比较紧凑，但制造难度较大。另外有采用整体铸造的和横梁连成一体的立柱，具有较好的刚性，有利于提高加工精度，适用于中型机床使用。 3.2 立式磨床的材料及床身分析因为立式磨床体积比较庞大，工作时的大部分力都作用在床身上，因此床身的材料选择非常重要，选择合理，不但能满足设计要求，而且能节约材料，降低成本，减轻自身重量。作为主要支承件的床身至关重要，其结