纵向伺服进给系统的设计毕业论文.doc

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1、纵向伺服进给系统的设计目 录一、概述 (一) 数控机床的产生和发展(二) 数控机床伺服进给系统特点二、纵向伺服进给系统的设计（一）主要参数设定（二）滚珠丝杠副的设计计算 (三) 选伺服系统和检测装置（四）伺服电机计算（五）滚动直线导轨选择计算 (六) 传动精度计算（七） 丝杠拉压振动和扭转振动的固有频率验算（八）防护与润滑三、回转工作台的设计计算（一）回转工作台的简介（二）双蜗杆传动的结构设计（三）锥齿轮设计计算（四）夹紧机构的计算四、参考文献一、 概 述(一)数控机床的产生和发展随着科学技术的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最重

2、要的措施之一。它不仅能提高产品的质量，提高生产率，降低生产成本，还能够大大改善工人的劳动条件。在机械制造业中，尤其是在宇航、造船、以及国防工业中，单件小批量生产的零件灼占机械加工总产量的80以上，其特点是：加工批量小、改型频繁、零件精密度高而且形状复杂。采用专用机床和生产线来加工这类零件就显得不合理，因此，制造业产生了对于通用、高精度、具有“柔性”的自动化机床的迫切需求，要求机床设备不仅要精度高而且要生产率高、自动化程度高、工人操作简单、劳动强度低。在此背景下，于1952年在美国诞生了世界上第一台数控机床样机，用于直升飞机叶片加工。其控制器全部采用电子管。它的诞生标志着世界制造业进入数控时代。

3、从此，数控机床的发展引起世界范围的重视，并极大地促讲了制造业的发展。在近十年中，特别是随着计算机技术的飞速发展，数控技术的发展也日新月异。数控技术是综合应用了电于计算机、自动控制、伺服驱动和精密测量等多学科的技术成果的一门综合性技术，因此它的发达程度在某种程度上体现了一个国家的综合工业实力。1958年我国开始研制数控机床。近年来，由于引进了国外的数控系统与伺服系统的制造技术，使我国数控机床在品种、数量和质量方面得到了迅速发展。虽然我国与先进的工业国家之间还存在着较大差距，但这种差距正随着工厂、企业技术改造的深入开展不断缩小，发展数控机床的生产已成为目前机床行业的目标。数控机床必将成为我国机械工

4、业生产中的主要设备，为我国的四个现代化做出巨大的贡献。 (二)数控机床进给伺服系统特点从第一台数控机床产生到现在的年间，数控技术发展非常迅速，并在机械行业中得到曰益广泛的应用，它具有以下特点：(1)能适应不同零件的加工；(2)生产效率和加工精度高，加工盾量稳定；(3)能完成复杂型面的加工；(4)工序集中，一机多用，有着良好的经济效益；(5)减轻了操作者的疲劳强度，有利于生产管理的现代化。数控机床的进给伺服系统由伺服电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件组成，它的作用是：接受数控系统发出的迸给速度和位移指令信号，由伺服电路做一定的转换和放大后，经伺服驱动装置（直流交流伺服电机、电液脉冲马达、

5、功率步进电机、电液伺服阀液压马达等）和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴等执行部件实现工作进给和快速运动。数控机床的进给伺服系统与一般机床的控制系统有本质的区别，它能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定的规律运动所合成的运动轨迹。发展高性能的数控进给伺服系统，在很大程度上可以决定机床的加工精度、表面质量和生产效率。数控进给伺服系统的性能取决于伺服驱动系统与机械传动结构中各环节的特性，也取决于系统中各环节参数的合理分配。以伺服驱动装置和控制调节器为中心的伺服驱动系统已有较成熟的理论分析、实验研究和设计方法。机械传动结构以及整个进给系统的研究，近几年也逐渐受到重

6、视，并做了不少工作。数控进给伺服系统是一个位置控制系统，按其控制方式，可分为开环、闭环和半闭环三类。开环较，但如果负荷突然加大，或者脉冲频率变化较大，则执行机构的运动可能发生误差，这就是常说的“失步”现象。在数控机床发展的初期（50年代至80年代），开环曾被广泛应用，后因“失步”现象未能解决而逐步让位于闭环和半闭环，近年来步进电机技术有了很大的发展，今后开环系统仍有可能占有一席之地。闭环系统有反馈，可检查执行的情况，所以精度很高。半闭环系统的反馈信号来源于伺服电机轴和滚动丝杠，不能纠正丝杠的导程误差和丝杠轴承的轴向跳动以及受力丝杠轴承的变形，因而精度比闭环要低一些但是半闭环系统的执行机构和机械

7、传动机构构成一个振荡环节，一般不易引起振荡。因此，设计闭环系统和半闭环系统的出发点不同，设计半闭环系统主要考虑保证系统的定位精度，而设计闭环系统一般应以计算稳定性为主，在保证有足够稳定性的条件下决定系统的参数。为确保数控机床进给系统的传动进度和工作平稳性，对设计机械传动装置提出如下要求：1）高传动精度和定位精度；2）宽的进给调速范围；3）响应速度要快；4）无间隙传动；5）稳定性好、寿命长；6）校正维护方便。二、纵向伺服进给系统的设计（一） 主要参数设定 纵向工作台面尺寸（长宽高）：90050050 回转工作台面尺寸（直径高）320220 则得： 工作内台重量：G1=Vg=7.851039005

8、00509.8110-9=1733N 回转工作台重量：G2=Vg=7.8510316022209.8110-9=1363N 工作台承重初估为：G3=2500N 根据以上估算得总的重量为：G=G1+G2+G3=1733+1363+2500=5600N 设定工作进给速度为1-1500mm/min，快速进给速度15m/min，工作台综向工作行程为750mm，横向工作行程为500mm，铣削最大直径为100mm。 根据最大切削条件为：端铣刀直径为100mm,Z=10齿，S齿=0.13毫米/齿，B=80mm,t=3.5mm,加工b=80公斤毫米的高碳钢。查铣工工艺学中级本18表得：=4230牛毫米2。则得

9、F切 = =4230=4900N 查铣工工艺学中级本19表1-2得： 纵向切削力 FX=F纵=0.35F切=0.354900=1715N横向切削力FY=F横=0.9 F切=0.94900=4410N垂直切削力FZ=F垂=0.5 F切=0.5254900=2573N选择宽调速直流电机驱动，半闭环控制。根据机床设计手册选用FANUC-BESK宽调速直流电机驱动，型号为FB-15，它属于永磁型多极电机，其特点是：定子磁极是高性能铁氧体，能承受高的峰值电流，加速性能好；转子惯量大，热容量大，过载能力强；低速高转矩，可与进给机构直接相联接；调速范围可达110000，在0.1r/min低速下仍能平滑运转；

10、电刷换向性能好，可靠性高；绝缘性好（185），寿命长；可配装各种反馈元件。（二）滚珠丝杠副的设计计算 (1)滚珠丝杠的导程的确定 在本设计中，电机和丝杠直接相连，传动比i=1,选择电机FB-15的最高工作转速nm=1500r/min，则丝杠的导程 Ph=Vmax/nm=15000/1500=10mm导轨采用滚动直线导轨。(2)确定丝杠的工作负载工作负载是指机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力，它的数值可用进给牵引力的试验公式计算。选定导轨为滚动导轨，而一般情况下，滚动导轨的摩擦系数为0.0025-0.005，取摩擦系数为0.005，则丝杠所受的最大牵引力： Fmax=KFX+f(FY+F

11、Z+G) 其中为颠覆力矩影响系数，一般取为1.1-1.15，现取为1.12。则得最大工作负载： Fmax=1.121715+0.005(4410+2573+5600)=1984N而丝杠的最小工作负载荷为摩擦力： Fmin=fG=0.0055600=28N故其平均负载可按下式计算: Fm=(2Fmax+Fmin)/3=(21984+28)/3=1332N（）确定丝杠的平均转速最大进给时，丝杠的转速为： nmax=Vmax/Ph=15000/10=1500r/min最慢进给时，丝杠的转速为： nmin=Vmin/Ph=1/10=0.1r/min则得到丝杠的平均转速为： nm=(2nmax+nmin

12、)/3=(21500+0.1)=1000r/min（）确定丝杠所受的最大动载荷查数控机床P121表6-13，取丝杠的工作寿命为15000h同时取精度系数fa=1,负荷性质系数w=1.5,，温度系数ft=0.95，硬度系数fh=1，可靠性系数fk=0.53（可靠性为）。 而丝杠的旋转圈数L=60 nm h60100015000900(106r)从而算得最大的动载荷Cm为：CM=查数控机床表6-14选用插管埋入式双螺母垫片预紧滚珠丝杠副，型号为CMD5010-3，丝杠公称直径为50mm，基本导程Ph10mm,其额定动载荷Ca=38547(CaCm)，额定静载荷COA=112798N，圈数列数=1.

13、52，丝杠螺母副的接触刚度Kc为1692N/um,螺旋升角=3o38，丝杠底径43.5mm，螺母长度为170mm，取丝杠的精度为1级。 （5）滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法采用双螺母预紧的方法，可把弹性变形量控制在最小限度内，双螺母经加预紧力调整后基本上能消除轴向间隙。常用的双螺母消除轴向间隙的结构型式有三种：垫片式预紧、螺纹式预紧和齿差式预紧。考虑到双螺母垫片式结构简单，可靠性好，刚度高、装卸方便，故在本设计中采用双螺母垫片式预紧，预加载荷为Ca/4=38.5/4=9.63KN,而最大载荷的1/3为1984/3=661N，可见预加载荷远大于最大载荷的1/3，故满足要求。（）丝杠的

14、长度确定丝杠螺纹部分的长度LU，LU等于工作台的最大行程（750mm）加上螺母长度（170mm）加两端余程（40mm）。LU=750+170+80=1000mm确定丝杠的支承跨距，支承跨距应略大于LU取为： 1=12OOmm丝杠全长： L=1300mm（7）临界压缩负荷 临界压缩负荷：Fcr=Fmax其中为材料的弹性模量=2.11011N/m2 I为丝杠最小截面惯性矩 I=L0为最大受压长度，按照结构设计取L0=1140mm. 1为安全系数，一般取1=1/3max一为最大轴向工作载荷max=1984f1为丝杠支承方式系数,查数控机床P119表6-12得f1=4,则： Fcr=NFmax=198

15、4N 可见Fcr远大于max,满足要求。(8)临界转速验算长丝杠在高速下工作时，为防止弯曲共振，应验算其临界转速 ncr= 其中A为丝杠最小横截面 A= LC为临界转速计算长度： LC=+750+40+ K2为安全系数，一般取0.8为材料的密度, =7.85103Kg/m3f2 为丝杠支承方式系数，查数控机床表6-12得f2=3.927， 则：ncr=nmax=1500 r/min可见ncr远大于nmax,满足要求。（9）确定滚珠丝杠的支承结构形式及支承轴承 滚珠丝杠的支承方式有以下几种：A）单支承方式：这种安装方式只适用于短丝杠，它的承载能力小，轴向刚度低。一般用于数控机床的调节环节或升降台

16、式数控铣床的垂直坐标系中。B）两端固定方式：这种安装方式刚度高，进行预拉伸后可减少丝杠自重变形，并能补偿热变形。使刚度更高。主要用于高精度的工作条件，这种形式结构复杂，工艺困难，成本最高。C）一端固定，一端游动：当滚珠丝杠较长时，一端装推力轴承固定，另一自由端装深沟球轴承。这种方式下，丝杠有热膨胀的余地。滚珠丝杠的支承，主要是约束丝杠的轴向窜动，其次才是径向约束。考虑到本设计的系统精度一般，丝杠较长，故采用一端固定，另一端游动的支承方式，固定端选用成对丝杠专用轴承组合，型号为30TAC62A，其额定动载Ca=33320n，额定静载Coa=58800N，预紧力为3040N。 计算轴承动负荷: f

17、h为寿命系数:fn为转速系数： 故能满足要求。 游动端的支承查机械设计手册（2），选深沟球轴承,型号为206。(三)选伺服系统和检测装置1 选伺服系统 伺服系统一般由驱动控制单元、比较元件、调节放大单元、驱动元件、控制对象及检测反馈环节组成。 伺服系统按控制方式分为开环伺服系统，半闭环伺服系统和闭环伺服系统。半闭环方式是从电机轴上进行位置检测，因此它能有效地控制电机的转速和电机轴的位移，然后在通过滚珠丝杠之类的传动机构，把它转换成工作台或其它移动部件的直线运动。半闭环伺服系统虽然精度不如闭环伺服系统，但其结构简单、造价较低、环路短、刚度好、间隙少，系统不易受到机械传动装置的干扰，工作稳定性较好

18、,调试相对容易。缺点是如果机械传动部分误差过大或者其误差值又不稳定，那么就难易补偿。所以中等精度以上的数控机床多选用半闭环伺服系统。在本设计中，由于机床精度要求不高，故选定伺服系统为半闭环伺服系统，并选取丝杠的精度为1级精度。2 检测元件选取 数控机床对直线位移进行检测的装置一般有直线型和旋转型两种，本设计采用旋转型测量装置脉冲编码器（根据数控机床滚珠丝杠的螺距来选用不同型号的编码器）。它是通过和工作台直线运动相关联的回转运动，间接的测量工作台的直线位移。其测量精度取决于测量元件和机床传动链两者的精度。速度检测 ，其目的是精确控制转速，转速检测元件常用测速发电机。（四）伺服电机计算XX向进给传

19、动系统如图所示： 设系统增益Ks=18(1/s)， 速度环开环增益Kvo=（24）Ks，取Kvo3Ks31854(1/s)（1）惯量计算与加速度计算根据结构图计算各部分折算至丝杠轴的转动惯量，联轴节及锁紧螺母等零件：Jc0。016（kgfcms2）由机床设计手册表6.6-28得：滚珠丝杠：Js0。035761.30.046（kgfcms2）由机床设计手册表6.6-28得：工作台：Jw0.0147（kgfcms2）负载及机械传动装置总的转动惯量为：JL= Jc+ Js+ Jw=0.016+0.046+0.0147=0.077（kgfcms2）电机FB-15的转动惯量为：JM=0.194（kgfc

20、ms2）全部转动惯量为：Jr= JM+ JL=0.194+0.077=0.271（kgfcms2） 满足惯量匹配原则，即： 加速能力验算： 工作台能达到的最大加速度： 系统要求的最大加速度： aamax 加速能力符合设计要求。（2）转矩匹配对数控机床，由于动态响应特性要求较高，所以马达力矩主要是用来产生加速度的。满足转矩匹配要求。（五）滚动直线导轨选择计算 采用两根滚动直线导轨副，每根导轨上有两个滑块，其总负荷为： P560025738137N 单向行程长度为0.75m，每分钟往返次数n=4，每日平均开机6小时，使用5年以上，每年300个工作日。 Lh630059000h每个滑块上的计算载荷：

21、Pc1/4P1/481732043N由机械设计手册式732得：额定寿命： 每根导轨使用两个滑块，由机械设计手册式735得：fc=0.81工作温度低于100，由机械设计手册表734得fT=1速度60m/min，由机械设计手册表736得：fW=1.75导轨副元件硬度在HRC58以上取fH1代入式731得：选四方向等载荷型，型号为HJG-D35AA2H321300D额定动载：C29.4KN额定静载：C046KN (六) 传动精度计算 (1) 滚珠丝杠的拉压刚度： 当导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中L值分别为750mm和100mm则： (2) 滚珠丝杠螺母的接触刚度为：KC=1692N

22、/m（3）滚珠丝杠用轴承的轴向接触刚度：KT=1080 N/m 算得最小机械传动刚度 算得最大机械传动刚度 因此得到由于机械传动装置所引起的定位误差为 其中FO为摩擦力。因为本设计选用的是级滚珠丝杠，其任意300mm的导程公差为6um，机床定位精度0.012mm/300mm。所以k1/512=2.4um，可以满足由于传动刚度变化所引起的定位误差小于（1/31/5）机床定位精度的要求。再加上半闭环反馈系统的补偿，定位精度能进一步提高。由于采用了滚动导轨，其动、静摩擦系数基本相等，并且摩擦系数很小，因此由静摩擦力引起的重复定位精度也很小，一般能满足重复定位精度0.006mm的要求.（七） 丝杠拉压

23、振动和扭转振动的固有频率验算由以上计算可知：轴承的接触刚度KT=1080N/um，丝杠螺母的接触刚度KC=1692N/um,丝杠的最小拉压刚度kkmin=523.6N/um,螺母座刚度KM=1000 N/m。(1) 轴向拉压总刚度 则固定-简支方式的轴向拉压总刚度Ke由下式计算： 得到Ke =252.3N/um(2) 丝杠拉压振动的固有频率s 由计算可知丝杠拉压振动的固有频率远远大于1500r/min.所以能满足要求。(3) 丝杠的扭转刚度 Kniu= 平移物体的转动惯量Jw= 丝杠转动惯量s=4.510-3Kgm2 丝杠扭转振动的固有赖率T 显然丝杠的扭转振动的固有频率远远大于1500r/m

24、in，所以，能满足要求。（八）防护与润滑滚珠丝杠副防护可以用可拉长缩短的螺旋弹簧钢套管、伸缩套管波纹管以及其它密封罩，在本次设计中使用波纹管防护。在加工中心进行切削时，铁屑、冷却液很多，极容易讲入导轨，增大导轨磨损，铁屑大时，容易把工作台抬起影响导轨精度。一般的保护已满足不了要求，本设计采用全封闭式铁皮防护罩。滚珠丝杠副的润滑一般都采用润滑脂，填充在螺母内部及涂在丝杠螺纹滚道上，或滴油润滑。在高温或温升要求严格时，用汽轮机油或采用循环润滑以及其他的润滑方式，在本次设计中使用锂基润滑脂润滑。滚动轴承采用脂润滑。三、回转工作台的设计计算（一） 回转工作台的简介 为了扩大工艺范围，提高生产率，数控机

25、床除了沿X、Y和Z三个坐标轴的直线进给运动外，往往还带有绕X、Y和Z轴的圆周进给运动。通常，数控机床的圆周进给运动由回转工作台来实现，数控铣床的回转工作台除了用来进行各种圆弧加工或与直线进给联动进行曲面加工外，还可以实现精确的自动分度，即当工件的一个平面上各工序都加工完毕后，工件就回转一定角度，再进行另一个平面上各工序的加工。这种使工作台回转一定角度的运动称为分度运动，它是一种不进行切削的辅助运动，有了这种辅助运动，对箱体类零件的加工带来很大的方便。对于自动换刀的多工序数控机床，回转工作台已成为一个不可缺少的部件。数控回转工作台可分为开环控制，闭环控制和半闭环控制等形式，本次设计的回转工作台采

26、用开环控制，其运动精度和定位精度主要取决于转动链（主要是蜗轮副）的精度。为了保证精度，数控回转工作台的蜗杆传动，可采用双蜗杆传动，也可采用单头双导程蜗杆传动或者采用平面齿圆柱齿轮包络蜗杆传动。本设计采用双蜗杆传动的形式，即用两个蜗杆分别实现对蜗轮的正反向传动，其中一个蜗杆可轴向调整，使两个蜗杆分别与蜗轮的左右齿面接触，尽量消除正反传动间隙，并用调整垫片调整一对锥齿轮的啮合和间隙。双蜗杆传动虽然较双导程蜗杆及平面齿圆柱齿轮包络蜗杆传动结构复杂，但普通蜗轮蜗杆制造简单，承载能力也比双导程蜗杆大。（二）双蜗杆传动的结构设计1.初始条件确定设定蜗杆转速为2000r/min，传动比为=50。蜗杆选用40

27、Cr钢，芯部调质、表面淬火，硬度为HRC 4555，加工精度6级并磨削；蜗轮材料选用ZCuSn10Pb1，金属模制造。所承受的负载转矩为100Nm。选用FANUC交流伺服电动机，型号5S，输出功率为0.9KW，最高转速nm=2000 r/min。2.初选几何参数 根据机械设计手册表14-4-3，取Z1=1，则Z2=Z1=501=50。3.计算蜗轮输出转矩T2 粗算传动效率： 4.确定许用接触应力HP 根据机械设计手册表14-4-14，当蜗轮材料为锡青铜时， HP=HbPZsZN 由表14-4-15，HbP=220N/mm2 由图14-4-10，得滑动速度vs=3.5m/s 采用喷油润滑，查图1

28、4-4-2得滑动速度影响系数Zs=0.97 按使用10年，每年300个工作日，每天16小时，每小时负荷时间20min：由图14-4-4，得寿命系数ZN=0.84 HP=2200.970.84=179.26 N/mm25.确定载荷系数K 由表14-4-14，设v23m/s，取K1.16.计算m和q值 由表14-4-14， 由表14-4-2，取 m=5，q=107.主要几何尺寸计算 a=0.5m(q+Z2)=0.55(10+50)=150mm d1=qm=105=50mm d2=mZ2=550=250mm8.蜗轮齿面接触强度校核验算 公式： K=K1K2K3K4K5K6 K1-动载系数 v2=0.

29、62m/s100Nm能满足夹紧要求。）活塞杆的验算 由于活塞杆为拉杆（只受拉力），所以可以按强度来检验 其中为许用应力，b为抗拉强度，活塞杆的材料为45钢，查新编机械设计手册P138表4-8得b=560Mpa,S为安全系数，一般大于1.4,取S=1.5. 得 而d=8mm所以满足要求。四、参考文献1、机床设计手册 机械工业出版社2、机械设计手册 化学工业出版社3、机械工程手册机械零部件设计 机电工业部4、数控设计手册 机电工业出版社5、数控机床 同济大学 谢红编 工作台6、数控机床 主轴系统 设计指导 同济大学 谢红编 刀库及机械手7、新编机械设计手册 机电工业部8、铣工工艺 机械工业出版社9、金属切削机床设计简明手册 机械工业出版社 10、机械设计 西北工大 纪名刚主编