数控磨床Y轴结构设计 毕业设计

三江学院本科生毕业设计（论文）题 目 数控磨床Y轴结构设计_ _ 高等职业技术 院（系） 机械设计制造与自动化 专业学生姓名 钱明怀 学号 G105152025_ 指导老师 沈仙法 职称 讲师_ 指导老师工作单位 三江学院_ 起讫日期 2013 年 12月 16号2013 年 4月 7号_ 摘 要机械制造中最常用的加工方法之一。随着高速磨削和强力磨削工艺的发展，进一步提高了磨削的效率。磨床因为加工用途越来越广而且在日常加工中容易实现自动化，从而使得金属切削机床使用范围日益扩大，所占的比重不断上升，从而让金属切削机床在发达国家占了25%以上。本文介绍数控磨床Y轴结构的系统进行设计，它包括了进给伺服系统以及导轨和底座的设计。在目前的生产生活中它不仅能有效地增加生产效率而且还能减少劳动时间，通过这种方式就能减少生产成本，所以在生产生活中大量的使用这种设备，是一种很好的减少成本的方式，因此磨床的研究从来都是很重要的任务，因为磨床的规模化，在加工和设计者的面前，将会出现很多的难题，为了赶上先进的生产水平，我们只能不断的优化加工设备。关键词：磨削：机床：进给伺服系统ABSTRACTOne of the most commonly usedmethod of processingmachinery manufacturing. With the development ofhigh speed grindingandgrindingprocess,to further improve thegrindingefficiency.Grindingin machiningand easy to realizeautomation,thusgrindingapplicationsmore widely,the increasing scope of the use,in themetal cutting machine toolsaccounted forthe proportion rising,in the industrialdeveloped countriesaccounted for more than25% ofmetalcutting machine tools.This paperintroduces thesystem of NCgrinder Yweekstructuredesign,it includes thefeed servosystem anddesignguideand base.To present in the industrialproduction more than he can not onlyreduce the machining process can effectively reduce the processingtime,socan greatlyreduceprocessing cost,so it has goodreference value in theextensive use ofsuchequipment,and grinderresearch has beena veryimportant task,withthemore commongrinding machine,more and more difficult problemswill facein front ofthe designersand processors,wemust constantlyimprove theprocessing facilitiesto catch up with theinternational industrylevel.Keywords：grinding;machine tool; servo system目录第一章 概论1.1数控机床的产生与发展11.2 何谓数控机床11.3 数控机床的应用范围11.4 数控机床的基本组成21.5 数控机床的分类21.6 数控机床的工作过程21.7 数控机床的特点21.8 磨削概论31.9 数控磨床32.1提高Y轴的结构刚度的设计52.3提高灵敏度63.1 进给伺服系统的作用73.2 进给伺服系统的设计要求73.2.2 进给伺服系统的设计要求83.5给伺服系统的数学模型93.5.1 数控机床的位置调节系统93.5.2 进给伺服系统的数字模型103.6 进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析103.6.1 时间响应性103.6.2 频率响应特性103.6.3 稳定性分析113.6.4 快速性分析113.6.5 伺服精度113.7.1. 选用伺服电动机123.7.2选用交流伺服电机133.8 机械传动部件的设计144.1 Y轴底座设计204.1.1 Y轴底座结构的基本要求204.2 导轨设计214.2.1对导轨的要求214.2.2 滑动导轨214.2.3 贴塑滑动导轨224.2.4 导轨结构224.2.5 导轨设计224.2.6导轨的材料235.1 交流伺服电机驱动电路245.2 越界报警24 三江学院2014届本科生毕业设计（论文）第一章 概论1.1数控机床的产生与发展 随着科学技术和社会生产的发展，机械产品的形状和结构不断改进，对零件加工质量的要求越来越高。为了保证产品的质量，提高生产率和降低成本，要求机床不仅具有较好的通用性和灵活性，因此产生了数控机床。1952年，美国麻省理工学院胜利制出一套三坐标联动，使用脉动乘法器的实验性数控体系，并把它装在一台立式铣床上。那时用的电子元件是电子管，这就是世界上的第一台数控机床。1959年，数控装配中广泛选用电子管和印刷电路板，从而跨入数控的第二代。1965年，涌现了小规模集成电路，因为它体积小、功耗低，使数控系统的可靠性可以进一步提升，之后数控发展到第三代。1970年，在美国芝加哥国际机床博览会上首次展出的数控系统选用计算机数控系统的机床，这就是数控的第四代。1974年，涌现了第五代数控系统（MNC微处理机控制系统）。 我国是从1958年入手研制数控技能的，60年代针对壁锥、非圆齿轮等复杂形状的工件研制出了数控机床。70年代针对航空工业等加工复杂形状零件的需求，生产了40多种数控机床。目前我国除具有设计与生产常规的数控机床还生产出了柔性制造系统。我国的机床数控技术已经进入了一个心的发展时期。预计在不远的就爱你过来，我国将会赶上和超过世界先进国家的水平。 1.2 何谓数控机床 数控机床是一种微电子技术，归纳利用计算机科技、自动控制技术、精密测量技术以及机床结构制造方面的最新成果和发展高效的自动化机床精度，是一种典型的机电一体化产品。它是机械加工自动化的核心设备。 1.3 数控机床的应用范围 应用范围：小批量（200 件以下）而又生产多次的零件在加工过程中必须进行多种加工的零件几何形状复杂的零件切削余量大的零件必须控制公差（即公差范围小）的零件工艺设计经常变化的零件加工过程中的错误会造成严重浪费的贵重零件需要全部检测的零件 1.4 数控机床的基本组成 如图所示： 1.5 数控机床的分类 1.按工艺用途分类：数控磨床、数控铣床、数控折弯机等 2.按控制类型的方式分类： 点对点控制数控机床（如：数控坐标数控铣床、数控钻床）；直线控制的数控机床（如：加工中心、数控车床）；轮廓控制的数控机床（如：数控磨床） 3. 伺服系统类型分为三类：开环、闭环、半闭环三类数控机床 次设计数控磨床属于金属切削，半闭环轮廓控制数控机床。 1.6 数控机床的工作过程 在上述工作过程中，数控机床用户实现的主要工作是过程分析和数控编程的需求（手工编程，自动编程，计算机辅助编程三种方法），并存储在存储介质上的程序。 1.7 数控机床的特点 数控机床是一种高自动化、高柔性的数控加工设备，所以有以下特点： （1）适应范围广 （2）生产准备周期短（3）生产效率和加工精度高 （4）工序高度集中（5）能完成复杂型面的加工 （6）技术含量高 1.8 磨削概论 砂轮等凝结的磨具进行加工的过程就是磨削，是机械加工的重要方法。从而今掌握的先进技术的情形来看，美国、俄罗斯、德国、英国和日本等国度居于前沿。我国的磨削技术在开国后得到了很大的成长，如今已门类比较完全。和其它加工方法相比，磨削具有以下特点：（1）获得高精度（2）处理可以适用于各种材料的不同特性（3）可获得较高的生产率（4）适应性广1.9 数控磨床 本次设计的数控磨床主要是对Y轴的床身结构、工作台、丝杠等机械部分的设计。机械部分如下：1 、可以三轴联动的经济型的数控机床是数控磨床。 使用三轴联动来控制动作砂轮与工件之间相对运动，通过改换不同的类型的砂轮来满足各种不同的类型的外形尺寸的需求。能够精确高效的完成平面内各种繁杂弧线的零件的自动加工。更能实现繁杂曲面的加工，且得到高的精度。数控加工无模具，可以保证加工精度，提高劳动生产率，具有很高的性能价格比。磨床是一个中型的磨具，适用于加工企业的模具，成型零件。 2、Y轴的基本参数 表1-1 Y轴参数名称参数工作台宽度长度420mm300mm工作台Y轴行程300mmY轴快速移动速度都为10m/minY轴电机70SL5A2交流伺服电机3、机床的传动系统 进给传动图及说明 进给传动图参看传动系统图。Y轴的进给伺服系统如图所示。滚珠丝杠由电压调速交流伺服电动机带动，无级调速，功率为1.4kw。Y轴的进给速度均为1400mm/min。快移速度都为10m/min。由数控指令经由计算机调动伺服电机，任意两个轴都可联动。 图1-2 传动系统图第二章 Y轴结构设计我设计的磨床的Y轴结构包括:系统设计(程序段格式设计、系统的整体设计、数控装置的功能设计、元件和部件设计);逻辑设计(控制器设计、电路设计和运算器设计)。普通机床和数控机床的功能设计之间有很大的区别.数控机床的结构设计能够总结为以下几个方面: (1)具备很大的切削功率、高的静态和动态刚度以及良好的抗振性能； (2)具备几何精度高、定位精度高、传动精度高和良好的热稳定性； (3)具有自动化辅助操作的结构组件的实现。 2.1提高Y轴的结构刚度的设计 机床的刚度是指切削力和其余力作用下,抵挡变形的能力.我设计的磨床需要静刚度较高和动刚度较高。 磨床在磨削过程当中，在磨削过程中的磨削，运动部件和零件加工质量的静承载力；动态轴承的摩擦阻力，在切削力，惯性力。机床结构件会变形，在这些力的作用下，使工件的加工误差。为了使机床实现结构刚度高，获得合格的工件，为后续的结构设计的需要：1.构件的结构形式的选择 (1)选择截面的形状和尺寸相同的截面形状，同时保持相同的横截面面积，应减少臂粗，增加剖面，使机床床身支承构件制成的腔。方形截面的抗扭刚度比圆形的要小，圆形截面的抗弯刚度要比方形的要小，因此轴等承受扭转载荷的零件必要做成圆形，床身等承受的弯曲载荷的部件必要做成方形。不封闭式截面的刚度比封闭式截面的刚度小的多，于是采用封闭式床身。 (2)构件的局部刚度 引导和支持磨床连接构件的刚度，是最弱的部分，于是联接方式对局部刚度有很大的影响。在我的设计中， X轴导轨较，所以用双臂联接，用于改善局部刚度。 (3)采用焊接结构的构件机床的所有支承件用钢板和型钢焊接而成，减小了质量和提升刚度等明显特点。 使用钢板和型钢而不使用铸件： 钢的弹性模量两倍于是铸铁，如果外形和轮廓尺寸相同情况下，需要焊接件刚度和铸件的刚度也必须相同，钢板和型刚的焊接件壁厚需求铸件的一半就可以满足要求。 只要局部地方的刚度相同，只需局部刚度和臂厚的三次方成正比，钢板和型刚的焊接件的臂厚只要铸件的百分之80左右。 钢能够增加构件的谐振频率，不易发生共振。 钢板焊接能将其做成全封闭箱，提高刚度。2.2提高Y轴底座的抗振性的措施 机床的抗振性是为了抵抗强迫振动和自激振动这两种振动。 改善和提高抗振性能应该有以下几点： 1、缩小底座里面的振源 装配在一起的旋转部件，应当确保同轴，并且去除传动间隙，使用平衡装置和降低往复运动件的重量，以消减可能的激振力，装在底座上的电机需隔振安装。 2、提高静态刚度 提高静态刚度从而提高零件或系统的谐振频率，可以避免发生共振。但如果提高静态刚度而引起了构件质量的加多，会使共振频率发生骗移，这是不利于设计的。因此，重点应放在提高单位质量的个刚度。 2.3提高灵敏度 该数控磨床Y轴经过数字信息来控制刀具与工件的相对运动，它需要在相当大的进给速度范围内都能够达到比较高的精度，是以运动部件应当具备较高的灵敏度。导轨部分使用贴塑滑动导轨，以减少摩擦力让其在低速时无爬行现象。工作台的移动使用支流伺服电机驱动，经滚珠丝杠传动，消减了进给系统所需要的驱动扭矩，使得运动精度和运动平稳性提高了。 第三章 进给伺服系统结构设计3.1 进给伺服系统的作用 伺服系统接收数控装置发出的进给脉冲或者进给位移量，并把它变更成模拟量 ( 如电压、转角、相位等)，经功率放大后从而驱动工作台，使工作台依照精确的定位或根据规定的轨迹作相对运动，从而能加工出合适于精度要求的零件。因此，伺服系统的性能也是决定数控机床的加工精度、加工表面质量、生产率和机床的可靠性的关键之一。 3.2 进给伺服系统的设计要求 3.2.1 对进给伺服系统的要求 带有数字显示的进给驱动系统都属于伺服系统。进给伺服系统不光是数控机床的一个主要组成部分，同样也是数控机床与一般机床不同的一个特殊机构。数控机床对于进给系统的性能指标可分为：定位精度高；跟踪指令信号的响应要快速；系统的稳定性要好。 1、稳定性 稳定的系统，即系统在输入量的变化、启动状态或外界不稳定作用下，其输出量经由几次衰减振荡后，能快速地稳定在新的或原有的稳定状态下。它是伺服系统可以举行正常工作的基本条件。它蕴含绝对稳定性和相对稳定性。 进给伺服系统的稳定性以及系统的惯性、刚度、阻尼和系统增益都有相关。得当采取系统的机械参数（主要的有阻尼、刚度、谐振频率以及失动量等）和电气数据，从而使它们拥有最佳互配，是进给伺服系统的设计的目的之一。 2、精度 所谓进给伺服系统的精确度就是指系统的输出量复线输入量的切确程度，也就是准确性。它包含动态误差，即瞬态过程中呈现出的偏差；稳态误差，即瞬态过程结束后所存在的偏差；静态误差，也就是元件误差和干扰误差。 3、快速响应特性 所谓的快速响应系统是指系统对指令输入信号的反应速度及瞬态过程停止的迅速程度。它包括系统的响应时间，加速传动装置的能力。该系统直接影响机床的加工精度和生产率。使该系统的响应速度更快，从而让加工效率越高，轨迹和精度更高。但响应速度过快会使系统出现超调，严重的会引起系统的不稳定。因此，应该选择合适的快速响应特性。 该数控磨床Y轴使用轮廓控制，因此要求高的定位精度外，还要求很好的快速性同时还有形成轮廓的各运动坐标伺服系统动态能力的一致性。该数控磨床使用的是闭环控制型式，对于闭环系统主要是稳定性问题。 3.2.2 进给伺服系统的设计要求 机床的位置调节会对进给伺服系统提出很高的要求。其中在静态设计应该： 1. 能够克服摩擦力和负载： （1）很小的进给位移量； （2）高的静态扭转刚度； （3）足够的调速范围。 2. 进给速度均匀，在速度很低时没有爬行现象。 3. 在动态设计方面的要求有： (1) 具有良好的加速和制动转矩，从而完成启动制动过程； (2) 具有良好的动态特性来保证高精度和良好的表面质量的轨迹(3) 负载引起的轨迹误差尽可能的小； 4. 机械传动部件的设计要求有： (1) 被加速的运动部件具有小的惯量；(2) 高的刚度；(3) 良好的阻尼；(4) 传动部件在拉压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙方面尽可能小的非线性。3.3进给伺服系统的组成图3-1 伺服系统的组成3.4进给伺服系统的分类按控制方式不同分为开环系统、半闭环系统和闭环系统.该次设计的数控磨床Y轴采用闭环系统。 a) 采用闭环系统的原因： 1 . 安装在桌子上的闭环系统检测装置，由于闭环系统可以自动补偿系统误差，控制精度高（0.0010.003mm）快速的性能，但成本高，而该数控磨床要求进给精度为 0.001 mm，为了满足设计要求，采用闭环系统。2.开环系统虽然具有结构简单、工作可靠、造价低，但是没有位置反馈环节，会使得定位误差不能调节，其控制精度（0.01mm 0.02 mm）和快速性不好。无法满足该数控磨床的要求,所以不采用开环系统. 3. 半闭环系统检测装置安装在滚珠丝杠轴和电机轴其中一端。因为检测元件检测的反馈信号不包括从丝杠轴到工作台间传动链的误差，是以这部分误差无法到自动补偿，精度比闭环系统的精度要低，同时也不满足该数控磨床的要求，所以不采用半闭环系统。 b) 闭环系统的组成原理 机床数控装置中产生的指令信号和工作台末端测量得到的实际位置反馈信号进行对比，按照其差值持续控制运动，进行误差修正，直到差值在误差容许的范畴之内为止。采用闭环系统控制可以消除因为运动部件制造中存在的精度误差从而给工件带来的影响，因此得到很高的加工精度。个部分的关系如下图所示： 图3-2 闭环系统的组成原理3.5给伺服系统的数学模型 3.5.1 数控机床的位置调节系统 数控机床的位置调节技术保证被零件加工的尺寸精度和形状精度。其位置调节系统如图所示： 输入参数的产生和位置调节器的功能可用计算机完成,从而构成一个数字位置调节系统。进给驱动部件可以是电气的或是液压的,分别称为电气驱动部件和液压驱动部件。该数控磨床Y轴使用电气驱动，包括了从定值的输入到电机的输出。从电机的输出通过机械传动到工作台，这称之为机械传动部件。 3.5.2 进给伺服系统的数字模型 在位置环的调节上有模拟式和数字式，或者说有连续控制方式和离散控制方式。机床的数控系统是由一台计算机作为调节器，根据采样模式工作的，属于离散控制方式。这种系统精度高，动态性能高，可充分使用计算机的快速运算功能和保存功能，使得进给伺服系统永远处于最好工作状态。另外，因为计算机作为调节器，是以调节系统拥有很大柔性。 3.6 进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析 3.6.1 时间响应性 进给伺服系统的动态特性，根据不同的描述方法，分为时间和频率响应特性时间响应特性是反映系统对迅速变化的指令是否可以迅速跟踪的特性，它由瞬态响应和稳态响应两个部分组成。该系统包含多个储能元件，所以当输入量传输到系统时，系统输出不能立刻按照输入量的变化，要在系统达到稳定之前体现为瞬态响应过程（或叫过度过程）。稳定响应是指加入时间t趋向无穷大时系统的输出状况。如果在稳态时，输出与输入无法完全一致，那么就认为系统有稳态误差。 系统的时间响应特性不但决定于系统结构、性能（如一阶系统和二阶系统就不同），并且也决定于输入信号的种类，且随加工目标的不同和切削用量的不同而转变。尤其考虑到启动、停车、正反方向等控制情况，各坐标轴速度信号的变化极为复杂。 3.6.2 频率响应特性 时间响应特性是从微分方程出发，研究系统响应随时间的变化规律，即在已知传递函数的情况下，从系统在节跃输入及斜坡输入期间响应速度及振荡过程的状况中来获得动态特性参数。但是在许多情况下，传递函数模糊，所以只能通过实验方法获得动态特性的。所谓频率响应特性，便是系统对正弦输入信号的反映，即它是通过考虑系统对正弦输入信号响应的规律来获得它的动态特性。由于频率特性和传递函数有着密切的关系，所以在工程中的应用越来越多。可以从频率响应数据拟合成传递函数从而建立数学模型。 3.6.3 稳定性分析 对控制系统的基本要求是工作的稳定性。只有稳定的工作才能进一步探讨性能指标。系统的稳定受多种因素的影响，其中包括机械传动部件的惯性、阻尼、刚性和传动比。为考察机械传动部件的参数对系统稳定性的影响，根据稳定判断式编制计算程序。 3.6.4 快速性分析 所谓快速性分析是指分析系统的快速响应性能，快速性反映了系统的瞬态质量。 解释系统快速性的方法不少，有直接求解法、间接评价法以及计算机模拟法等。直接求解法较为麻烦，且难以得到系统结构和参数对于瞬态质量的影响规律；计算机仿真十分简便，而且还能适用于复杂系统结构、多变量系统以及非线性系统等某些难以得到数学模型的系统，但是它需要一套软件以及上机条件。间接评价法，方法比较简单，而且能明显地看到系统结构以及参数对于瞬态质量的影响，所以广泛地运用在系统分析和设计。 关于线性进给伺服系统，因为它包含各种电路、机电转换装置以及机械传动机构，系统各个环节都有时间常数，对于高频信号不能及时反应，仅仅是一个低通滤波器。这类系统的通频带宽，对高频信息响应速度快，是以从开环频率特性图看，应该要提高闭环回路的响应速度。 为了使得进给伺服系统拥有良好的伺服性能（稳定、快速），外国文献对于机械传动部件要求很高的谐振频率，但是对于这些数据没有进行理论分析。有的作者认为：在电气伺服系统中，可控硅电源和支流马达特性引发的谐振是使得伺服系统性能限制的因素。但是实际上由于机械传动部件不是刚性，常常达不到很高的谐振频率，而且阻尼又低，很可能因此成为提高伺服性能的限制因素。 3.6.5 伺服精度 伺服精度的大小用误差的大小来平衡，常讲的伺服误差是伺服系统稳态时的指令位置和实际位置的差，它反映系统的稳态质量。 理想的伺服系统是在任何时刻输出和输入都是同步的，没有误差，然而这是不可能的。形成不同步的原因有很多，系统因为本身动态特性，外加负载以及内部扰动等等都可能造成实际位置与指令位置的偏移。 想要求出伺服误差，一定要分别求出系统在输入信号以及外加负载等等信号的共同作用下发生的输出响应，而后按照线性系统的叠加原理将所有的响应叠加起来从而知道实际位置，然后用指令位置减去实际位置就能得到伺服误差。 要算出进给驱动系统伺服误差的计算表达式。要讨论以下几个重要概念： (1) 速度误差 由斜坡信号输入产生的伺服误差成为速度误差。它实际上表示在一定的进速度下，系统指令位置与实际位置的偏差。 (2) 伺服静刚度伺服静刚度是指在外负载恒定的时候，进给驱动系统阻止位置误差的能力，也就是说伺服马达为了消除位置偏差从而产生的转矩（或力）和位置偏差之比。 3.7 驱动元件的设计 驱动装置选用交流伺服电动机。 3.7.1. 选用伺服电动机 伺服电机最大的特点是可控。在有控制信号输入时，伺服电机就转动；没有信号输入时，则停止转动；转变控制电压的大小和相位，就可以靠此转变伺服电机的速度和方向。 服电机与普通的电机相比具有以下特点： （1）调速范围大。服电机的转动速度随着控制电压改变，从而能够在宽广的范围内不断调节。 （2）转子的惯性小。从而能够实现迅速启动、停转。 （3）控制功率小，过载能力大，可靠性高。 传动生产所使用的传动电机一般用来完成能量的转换,要有较高的力能指标(比如效率以及功率因数率),然而控制电机则是主要为了完成控制信号的传递与变换,所以要求它们性能稳定可靠、动作灵敏、体积小、精度高、耗电少、重量轻。所以这是该数控磨床的电动机要求，因此，选用伺服电机。 3.7.2选用交流伺服电机 交流伺服电机可靠性较好,基本上用不着维护,价格低,而且机电时间常数小。因为该次设计的数控磨床的进给伺服系统是随动系统，要求电动机的时间常数小，启动和反转频率高。所以交流伺服电机满足要求。由于直流伺服电机结构复杂，电刷以及换向器要经常维护；由于电刷与换向器间的接触产生火花，造成无线电干扰；由于磁滞回线的影响增加了系统的不稳定性。因此选用交流伺服电机。 1.电机转速 nM v/h sp =10000/10=1000r/min 取电机转速为nM=1500r/min 2.静态转矩M st M st = MR +MMC +MZ （1）摩擦力矩 导轨摩擦 FR =fvmw+mTg+FVT=0.06(200+400)9.8+1476 =441.4N fv 摩擦系数0.06; mw 工件质量; mT 工作台质量; g重力加速度; FVT 垂直于导轨的切削力。 折算到滚珠丝杠上的摩擦力矩M RSP 为： MRSP=FRhsp2=702.8N丝杠螺母传动摩擦 丝杠螺母传动的摩擦耗损可通过传动效率sp 来表示 SP=11+0.02dsphsp=0.94dsp滚珠丝杠直径32mm hsp滚珠丝杠导程10mm将以上各种摩擦力矩综合起来，得到折算到电机轴上的摩擦力矩MR ，对于丝杠螺母传动：MR=fvmw+mTg+FVThsp2sp=702.8/0.94=747.7N（2）切削力矩MMC=FMChsp2sp=15001023.140.94=2500（3）重力矩 由于工作台水平，不会引起转矩，所以不需要计算MZ 通过以上计算可知 Mst=MR+MMC+MZ=747.7+2500.=3247.7Nmm 有转速和计算出的静力矩，可以利用伺服电机的转速图来选择电机。结果如下： 型号：70SL5A2励磁电压：220v控制电压：220v额定转速：1500r/min最小启动转炬：1800gcm空载转速：2700r/min时间常数：0.015S重量：2000g 3.8 机械传动部件的设计 一台机床所具备的加工精度、工件表面粗糙度以及生产率是有电气驱动部件和机械传动部件的好坏来决定的。机械传动部件的设计好坏对于进给伺服系统的性能影响非常大。另外，要求伺服电机速度环的动特性与机械部分动特性互相协调。通过调节技术可以使得这两部分实现很好的匹配。 对于闭环系统的设计主要是稳定性的问题。 滚珠丝杠主要是要承受轴向载荷,所以除丝杠自重外,一般没有径向载荷,所此,滚珠丝杠副的轴向精度以及刚度要高。而且进给系统的运动要灵活，对于细小的位移响应要快速，所以，轴承的摩擦力矩尽量的要小。滚珠丝杠转速不高，而且高速运转时间短，所以，发热不是问题。 轴承采用60 O 接触角推力角接触球轴承,其特点如下： 接触角大，保持架是用增强尼龙注塑成型的。臂薄，所以可容下较多的钢球，因此轴向承载能力较大，刚度大。 能承受轴向和径向载荷，可以简化轴承支座结构。 根据载荷情况可以进行组合。 启动摩擦力矩小，从而降低滚珠丝杠副的驱动功率，进而提高进给系统的灵敏度。 该数控磨床的机械传动部件设计方案，采用交流伺服电机与滚珠丝杠直接相联的装置图3-3 传动部分设计图1 交流伺服电机 2.十字滑块联轴器 3.滚珠丝杠 4.螺母和螺母座 滚珠丝杠的设计计算:已知数据:工作台重量: m1=400Kg工件最大重量: m2=200Kg工作台最大行程: L=300mm工作台滑动导轨摩擦系数: =0.06丝杠副的寿命:Lh=10a 工作的可靠性: 96%切削方式和定位精度: 磨削(轮廓控制),定位精度0.01/300mm丝杠两端是固定支承,每个支座要安装两个60 O 接触角推力角接触球轴承,要背靠背安装,并且进行预拉伸。表3-1 磨削参数磨削方式纵向切削力Fa/N速度V/m.min1时间比例q%强力磨削2000 0.6 15 一般磨削10000.830 精密磨削500 1 50 快速移动0 10 5 设计计算步骤: 1. 丝杠载荷: 导轨摩擦力Fu=(m1+m2)g=0.06(400+200)X9.8 =0.06(400+200)X9.8=353N 强力磨削时载荷Famax=2000+353=2353N 一般磨削是载荷Fa=1000+353=1353N 精密磨削时载荷Fa=500+353=853N 快速移动时载荷Fa=0+353=353N 2. 电机转速(最大) nmax=1500N 丝杠最大转速nm=1000 r/min 强力磨削n1=60 r/min 一般磨削n2=80 r/min 精密磨削n3=100 r/min 3. 丝杠导程 Ph 4. 工作台最大速度: Vmax=10m/min=101000=10000mm/min Ph=Vmaxn=10000/1000=10 mm 5. 当量转速 nm nm= n1q1/100+ n2q2/100+= 6015/100+8030/100+10050/100+20 3F13n1nmq1100+F23n1nmq2100+ =183r/min5.当量负荷Fm=388156969+446943875+233327247+16536458=706N 6.初选滚珠丝杠 (1)计算动负荷Caj=KhFm/Knf=3.9706/0.560.385=12770N (2)要求寿命Lh 寿命Lh=300(日)0.6(开机率)16(h)10（年）=28800h 由寿命系数 Kh=Lh50013=3.9 转速系数 kn=33.3nm13=0.56(3)综合系数 影响滚珠丝杠副寿命的综合系数: ftfhfafkfu=0.8110.531.1=0.385(4)滚珠丝杠副 CMD3210-2.5 额定动负荷Ca=25909NCaj=12770N 预紧力Fo=0.25Ca=6477N1/3Fmax=2353/3=784N 可见初选的滚珠丝杠符合设计要求。 7. 丝杠螺纹部分长度 Lu Lu=工作台最大行程(300)+螺母长度(129)+两端余程Lu=300+129+252=479mm8.支承距离 L 支承距离LLu=479mm 因此取L=700m9.临界转速校核 (1)丝杠底径d2=d0-1.2Dw=32-1.26.35=24.4mm=0.0244m取25mm (2)支承方式系数 查表 f2=4.73 (两端固定) (3)临界转速计算长度Lc=129/2+300+(700-479)/2+40=500mm=0.5m 临界转速nc=9900f22d2Le2=99004.7320.02440.52=21617r/min 可见ncnma 所以符合要求10.压杆稳定校核 两端固定支承,所以丝杠不受压缩,不必校核稳定性。11.预拉伸计算 设温升为 3.5 0 C (1)温升引起的伸长量t =tlu =11106 3.50.59=22um (2)丝杠全长伸长量tz =11106 3.50.7=27um (3)预紧力 Ft=510-640.024420.5092.11011=459N12.轴承选择 (1)轴端结构 采用E型和F型 (并排)轴端 (2)轴承型号主要尺寸和参数 轴承型号为7602020TVP 查表 得:d=20mm D=47mm B=14mm Z=15 Dw=5.953 Ca=19600N (3)预紧力确定 预紧力Fo=2300N 轴承的最大轴向载F max=Ft+Fmax/2=459+2353/2=1636N 由于FoF max/3=1636/3=545N 所以,符合要求. (1) 疲劳寿命计算 KhKnF=3.110.56459由轴承动负荷计算公式来校核得 C=2549N 因为进给方向是可变的，负荷可能是（Ft+Fm/2）与（Ft-Fm/2），两者机会相等，取平均值F=459NKn=0.56 取 Lh=1500h 则 Kh=3.11初选 7602020TVP 参数如下：d=20mm D=47mm B=14mmDw=5.953 Ca=19600N Fo=2300N可见 额定动负荷Ca=19600计算动负荷C=2549所以，轴承满足寿命要求。13.定位精度校核 (1)丝杠在拉压载荷下所产生的最大弹性位移s max=FL4AE=1.3F440.024422.11011106=0.0033F 快速移动时F=353N , s max =1.2um 强力,磨削时F=2353N , s max =7.8um 精密磨削时F=853N , s max =2.8um (2)丝杠与螺母间的接触变形c 查表得CMD3210-2.5滚珠丝杠到螺母的接触刚度 Kc=955N/um 所以得: 快速移动时c = 353/955=0.37um 强力磨削时c =2353/955=2.5um 精密磨削时c =853/955=0.89um (3)轴承的接触变形B 角接触轴承的轴向刚度为246N，所以 快速移动时B=353/246=1.4um； 强力磨削时B=2353/246=9.1um； 精密磨削时B=853/246=3.5um (4)丝杠系统的总位移 =s max+c+B 快速移动时=1.2+0.37+1.4=2.97um 强力,磨削时=7.8+2.5+9.6=19.9um 精密磨削时=2.8+0.89+3.5=7.19um (5)定位精度 s max 发生在螺母在丝杠中间时, c 和B与螺母的位置没有关。因此以上求得的位移都是/650mm。查表得到丝杠精度等级是1级，任意300mm 的行程公差是 6 um。再加上快移时候的总位移2.97um。满足轮廓控制定位精度0.01/300mm的条件。同理分析，可以满足精密磨削的定位精度0.02/300mm的要求。强力磨削时，可以满足粗加工要求。 通过上面的分析计算，可以知到该滚珠丝杠符合定位精度要求。 计算结果: Y向滚珠丝杠副型号：CMD3210-2.5-1/760479 CMD型外插管埋入式双螺母垫片预紧滚珠丝杠副: 公称直径32mm,基本导程10mm,循环圈数(列数圈数) 12.5 Y轴 两端支承均为E、F型 轴承型号均为 7602020TVP 60度接触角推力角接触球轴承 图3-4 丝杠三维模型第四章 底座与导轨4.1 Y轴底座设计 4.1.1 Y轴底座结构的基本要求 底座是整个Y轴的基础支承件,一般都是用来放置导轨等重要部件。为了满足数控机床高速度、高生产率、高可靠性、高精度和高自动化的要求，同时与普通机床相比，数控机床要有更高的静、动刚度，以及好的抗振性。底座主要在五个方面提出了要求。1.很高的精度和精度持久性 在底座上有不少安装部件的加工面和活动部件的导轨面,这些面自身的精度以及相互位置精度要求都非常高,并且要能长时间保持.此外,机床在切削加工时,全部动、静载荷最终往往都传到底座上，是以，底座上的受力非常复杂。为此，为确保零部件之间的相互位置或者相对运动精度，除了满足几何尺寸位置精度以外，还要满足静、动刚度、抗振性、热稳定性等等方面的技术要求。2.应具备足够的静、动刚度 静刚度 包含：底座的自身结构刚度、局部刚度以及接触刚度，都是要采取相应的措施，最终达到有较高的刚度质量比。 3.动刚度直接反映底座的运动特性，为了确保底座在交变载荷作用下拥有较高的抵御变形的能力和抵挡受迫振动和自激振动的能力，同时可以通过适当增加阻尼，提高固有频率等等措施减少共振和因薄臂振动而产身的噪声。4.较好的热稳定性 对机床来讲，高精度数控机床的热稳定性已成为一个突出的问题，一定要在设计上要使整机的热变形减小，或者使热变形对于加工精度的影响减小。 5.高的强度和耐磨性 每每底座在抵御外负载荷而没有超过允许的变形情况下，都是拥有足够的强度。可是，关于外负载荷比较大而且变形要求不大的部位，仍然要注意其强度的情况。至于底座与活动部件相触的部位，即导轨处，要求有优秀的耐磨性。 图4-1 Y轴底座三维图4.2 导轨设计 4.2.1对导轨的要求 对导轨的要求,纳起来有下列几点: 1.要有一定的导向精度 2.要有良好的耐磨性 3.要有足够的刚度 4.要减少热变形影响 5.要使运动轻便平稳 6.要有一定的工艺性 4.2.2 滑动导轨 导轨按照接触面的摩擦情况而言.可分为:滑动导轨、滚动导轨、静压导轨等三大类型。该次设计的数控磨床Y轴采用滑动导轨。 滑动导轨结构简单制造方便，承载面积大，接触刚度好，抗振性能好等一系列优点。滑动导轨通常用于定位精度不高的开环系统中，因为本次设计的伺服系统是闭环系统，所以有了反馈系统，导轨的定位精度，因为误差进行补偿从而不受影响，所以采用滑动导轨。 4.2.3 贴塑滑动导轨 滑动导轨拥有结构简单，制造方便，接触刚度大的好处。但是传统的滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动态摩擦系数差别大，低速时会发生爬行现象。所此，使用新型塑料滑动导轨。 本次设计采用的塑料导轨是聚四氟乙烯导轨软带。 1. 聚四氟乙烯导轨软带的特点 摩擦性好:铸铁淬火导轨副的静摩擦系数与动摩擦系数相差较大,几乎是相差一倍.但是金属聚四氟乙烯导轨软带的静与动摩擦系数一般不变。所以这种良好的摩擦性能可以减少低速爬行，从而使得运动平稳并且得到较高的定位精度。 耐磨性好：摩擦系数低外，聚四氟乙烯导轨软带材质中拥有有青二硫化钼和石墨，因此，本身即拥有润滑作用，对于润滑油的供油量要求低，所以使用间歇式供油即可。另外，塑料质地较软，即使是嵌入金属碎屑、灰尘等，也不会损伤金属导轨面以及软带本身，同时可以延长导轨副的使用寿命。 减振性好：塑料的阻尼性较高，其减振消声的机能对提高磨擦副的相对运动速度有较高的意义。 工艺性好：可降低对粘贴塑料的金属导轨基体的硬度和表面质量要求，而且由于塑料容易加工，从而使得导轨副接触面获得优良的表面质量。 同时，还有化学稳定性高，维修方便，经济性好等好处。 2. 导轨软带使用工艺 最初将导轨粘贴表面加工到表面粗糙度Ra3.21.6，有时为了达到定位作用，导轨粘贴面要加工成0.5mm到1mm深的凹槽.使用汽油和金属清洗或者丙酮清洗导轨粘贴面,然后用胶粘剂粘合导轨软带,加压初固化12h后再合拢到配对的固定导轨上施加一定的压力,并在室温固化 24 h,取下去除余胶,即可开油槽以及进行精加工,因为这类导轨使用了粘贴方法,一般称为“贴塑导轨”。 4.2.4 导轨结构 Y方向使用V形导轨，这种导轨导向精度较高，导轨磨损后可以靠自重下沉自动补偿。同时下导轨采用凹型的，也能便于存油，顶角采用90 o 。 4.2.5 导轨设计 该磨床作用在活动件上的推力与运动件的轴线平行。为了运动件不会被卡死，而且为了保证运动灵活，V形导轨需h/L1. 其中h是推力F到轴线的距离而L是导轨的宽度。这次设计中， V 形导轨，h=115mm，L=440mm，h/L=0.261，所以满足要求。 4.2.6导轨的材料 塑料导轨用在导轨副的动导轨上,与其相配的导轨选用铸铁,组成铸铁塑料导轨副.铸铁使用耐磨铸铁,牌号是HT3054,表面的淬火硬度是HRC4555,淬火层深度经摩削后要保留1.01.5mm. 图4-2 导轨三维图 第五章 控制系统设计 5.1 交流伺服电机驱动电路 单片机发出的启动信号经过8255A 转向定时器 8253，用来转换其输出的脉冲宽度。8253 发出的信号经过电平转换电路转换为双级性脉宽调制信号，然后由有源滤波电路平滑成连续的电压信号，这个环节的功用类似于 D/A 转换，将这种电压信号传输到速度调节器，然后经由电流调节器输出电流指令值到内含 PWM 调制电路的 PWM 功率接口。其中电流的反馈和速度反馈都是采用模拟电路。 5.2 越界报警为了制止工作台越界，可以分别在极限位置放置限位开关。一旦某个方向越界，要立刻停止工作台移动。 要是要报警的话，可以安装发光二级管。工作时是绿灯亮；假如有某个方向越界，红灯亮，代表工作台越过极限位置。结束语漫长而又倍感充实的毕业设计即将结束，我觉得自己的专业知识和独立思考问题的能力有了很大的提高，对我走向社会从事专业工作有着深远的影响。现在谈谈对本次毕业设计的认识和体会。首先，我感触最深的就是：实践的重要性。这次设计中我做了许多重复性的工作，耽误了很多的时间，但是这些重复性的工作却增强了我的实践能力和动手能力，积累了设计经验。同时也得到一条经验，搞设计不能只在脑子里想它的结构，必须动手，即使你想的很完美，但是到实际的设计过程时，会遇到许多意不到的问题。其次，我学会了查阅资料和独立思考。当开始想课程题目时，心里真的是一点头绪也没有，根本不知道从那里下手。在沈仙法老师的指导下，我开始查阅相关书籍，借鉴他人的经验，结合自己的构想，再利用自己所学过的专业知识技能。把设计意图从构想阶段变为可付诸生产实践的实现阶段。我发现每一个设计都是一个创新、修改、完善的过程，在设计的过程中，运用自己所掌握的知识，发挥自己的想象力来搞好自己的设计，这个过程也是一个学习的过程。设计的完成，给了我很大的信心，我明白了独立自主是关键，相互协作更重要致 谢在这里，在这本设计即将完成之际，我要感谢一直帮助我的沈仙法老师，她在我的设计中给了我很多的指导，在一些对我来说比较艰深，比较把握不了方向的地方，给予了我指明，帮我除去了许多不必要的麻烦；在此我还要感谢我的同学们，是他们不遗余力的帮助，才使我有充足的时间来完成本设计，谢谢，谢谢你们，因为有你们才有本设计的实现，谢谢！ 参考文献1杨培元、朱福元. 液压系统设计简明手册M.机械工业出版社，1999年10月2叶伟昌. 机械工程及自动化简明设计手册M. 机械工业出版社， 2001年2月3金属机械加工工艺人员手册修订组. 金属机械加工工艺人员手册M. 上海科技技术出版社，1979年1月4周军、海心. 电气控制及PLCM. 机械工业出版社，2004年1月5韩鸿鸾、荣维芝.数控机床的结构与维修M.机械工业出版社.2004.86袁任光. 可编程控制器选用手册M. 机械工业出版社，2002年3月7张利平. 现代液压技术应用220例M. 化学工业出版社，2004年8月8苏翼林. 材料力学M. 天津大学，2001年3月9Peter R. 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