【文章內容簡介】 出位移有足夠的精度，即實際位移與指令位移之差要小。 （ 2）應該具有較長時間的大過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。一般直流伺服電動機要求數分鐘內過載 46 倍而不損壞。 （ 3）調速范圍寬，而且從最低速到最高速時，電動機均能平滑運轉，轉矩波動小，特別是在低速（如 ）時，速度平穩(wěn)而無爬行現象。 （ 4）能承受頻繁振動、制動和反轉。 在加工中心的閉環(huán)或半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)中，伺服驅動裝置主要采用交、直流伺服電動機。 第二章 加工中心工作臺的主要部件 9 直流伺服電動機具有良好 的啟動、制動和調速特性，可以方便地在寬調速范圍內實現平滑無極調速，故多用在對伺服電機的調速性能要求較高的加工中心上。 交流伺服電動機，轉子慣量比直流電動機小，動態(tài)響應好，輸出的功率可比直流電動機提高 10%70%，可達到更高的電壓和轉速。 滾珠絲杠螺母副結構 滾珠絲杠副特點 圖 22 滾珠絲桿副的結構 滾珠絲杠螺母結構是回轉運動與直線運動相互轉換的傳動裝置，它具有下列特點。 （ 1）摩擦損失小、傳動效率高 滾珠絲杠螺母機構的傳動效率可達 ，使普通滑動絲杠螺母 機構的 34 倍，而驅動轉矩僅為滑動絲杠螺母機構的四分之一。 （ 2）運動平穩(wěn)、摩擦力小、靈敏度高、低速時無爬行 由于存在的是滾動摩擦，不僅動、靜摩擦系數都很小，且其差值很小，因而啟動轉矩小，動作靈敏 ，即使在低速情況時也不會出現爬行現象。 （ 3）軸向剛度高、反向定位精度高 由于可以完全消除絲杠與螺母之間的間隙并第二章 加工中心工作臺的主要部件 10 可實現滾珠的預緊，因而軸向剛度高，反向時無空行程。 （ 4）磨損小、壽命長、維護簡單 使用壽命是普通滑動絲杠的 410 倍。 （ 5）傳動具有可逆性、不能自鎖。 （ 6）同步性好。 （ 7）有專業(yè)廠生產，選 用配套方便。 滾珠循環(huán)方式 滾珠循環(huán)方式可分為內循環(huán)和外循環(huán)兩大類型。 （ 1）內循環(huán) 滾珠在循環(huán)過程中與絲杠始終保持接觸的稱為內循環(huán)。內循環(huán)滾珠的回路短，滾珠數目少，流暢性好，摩擦損失小，傳動效率高，且徑向尺寸緊湊，軸向剛度高。 （ 2）外循環(huán) 滾珠在循環(huán)回路中與絲杠脫離接觸的稱為外循環(huán)，根據滾珠回路結構形式的不同可分為螺旋槽式、插管式、蓋板式。 表 21 滾珠絲杠副結構特點比較 種類 特 點 循環(huán)圈數 螺母尺寸 圈數 列數 內循環(huán)結構 通過反向器組成滾珠循環(huán)回路，每一個反向器 組成 1圈滾珠鏈。因此承載小。適應于微型滾珠絲杠副與普通滾珠絲杠副。 1 2 列以上 小 外循環(huán)結構 通過插管組成滾珠循環(huán)回路，每一個插管至少 圈滾珠鏈，因此，承載大。適應于小導程、一般導程、大導程與重型滾珠絲杠副。 以上 1 列以上 大 端蓋結構 通過螺母兩端的端蓋組成滾珠循環(huán)回路，每個回路至少 1 圈滾珠鏈，承載大。適應于多頭大導程、超大導程滾珠絲杠副。 1 以上 2 列以上 小 蓋板結構 通過蓋板組成滾珠循環(huán)回路，每個螺母一個蓋板，每個蓋板組成至少 圈滾珠鏈。適應于 微型滾珠絲杠副。 以上 1 中 第二章 加工中心工作臺的主要部件 11 圖 23 內循環(huán)滾珠絲杠及滾珠回流方式 圖 24 外循環(huán)滾珠絲杠及滾珠回流方式 軸向間隙的調整和預緊方法 加工中心通常采用施加預緊力來消除間隙、提高傳動剛度。滾珠絲杠螺母軸向間隙和預緊方法的原理與普通絲杠螺母相同，即通過調整雙滾珠螺母的軸向相對位置，使兩個螺母的滾珠分別壓向螺旋滾道的兩側面。但滾珠絲杠螺母機構間隙調整的精度要求高，要求能做微調以獲得準確的間隙或預緊量。常用的方法有下列幾種。 （ 1）墊片調隙式 通常用螺釘來連接滾珠絲杠兩個螺母的 凸緣，并在凸緣間加墊片。調整墊片的厚度使螺母產生軸向位移，已達到消除間隙和產生預緊力的目的。這種結構的特點是構造簡單、可靠性好、剛度第二章 加工中心工作臺的主要部件 12 高以及裝卸方便。但調整費時，并且在工作中不能隨意調整，除非更換厚度不同的墊片。 （ 2）螺紋調隙式 其中一個螺母的外端有凸緣而另一螺母的外端沒有凸緣而制有螺紋，它伸出套筒外，并用兩個圓螺母固定。旋轉圓螺母時，即可消除間隙，并產生預緊力，調整好后再用另一個圓螺母把它鎖緊。 （ 3）齒差調隙式 在兩個螺母的凸緣上各制有圓柱齒輪。這種調整方法精確可靠，但結構復雜，多用于對調整準確度要 求較高的場合。 滾珠絲杠的安裝 加工中心的進給系統(tǒng)要求獲得較高的傳動剛度，除了加強滾珠絲杠螺母機構本身的剛度外，滾珠絲杠的正確安裝及其支承的結構剛度也是不可忽視的因素。加工中心由于要求具有高精度、高進給速度，因此常采用一端固定，一端游動以及兩端固定的絲杠安裝形式。 （ 1）一端固定一端游動 對于高精度、中等轉速較長的臥式安裝絲杠，為了防止熱變形造成絲杠伸長的影響，常采用一端軸向固定的支承方式。 這種支承形式的特點安裝時需保持螺母與兩端支承同軸，故結構較復雜，工藝較困難，絲杠的軸向剛度比兩端固定低； 絲杠有熱膨脹的余地。 （ 2）兩端固定 對于高精度、高速旋轉的滾珠絲杠應該采用兩端固定的安裝方式，為了給絲杠施加預緊拉力，可采用兩端固定方式，并可在絲杠一端安裝碟型彈簧和調整螺母，既能對絲杠施加預緊力，又能讓彈簧來補償絲杠的熱變形，保持預緊力幾乎不變。 這種支承形式的剛度最高，只要軸承無間隙，絲杠的軸向剛度為一端固定的 4 倍。安裝時需保持螺母與兩端支承同軸，故結構較復雜，工藝較困難；絲杠一般不會受壓，無壓桿穩(wěn)定問題，固有頻率比一端固定要高；可以預拉伸，預拉伸后可減少絲杠自重的下垂和補償熱膨脹，但第二章 加工中心工作臺的主要部件 13 需一套預拉伸機 構，結構及工藝都比較復雜；要進行預拉伸的絲杠，其目標行程應略小于公稱行程，減少量等于拉伸量。因此這種形式適用于對剛度和位移精度要求高的場合， 絲杠的支承軸承應采用滾珠絲杠專用軸承，這是一種特殊的向心推力球軸承。絲杠兩端軸承座孔與滾珠螺母座孔保證嚴格的同軸度，同時保證滾珠絲杠螺母與座孔的配合良好以及孔對端面的垂直度，保證軸承支座和螺母支座的整體剛度、局部剛度、接觸剛度等。 圖 25 滾珠絲桿的安裝 滾珠絲杠螺母的計算和選用 滾珠絲杠螺母副的承載能力用額定負 載表示，其動、靜載強度計算原則與滾動軸承相類似。一般根據額定負載表示，其動、靜載強度計算原則與滾動軸承相類似。一般根據額定動載荷選用滾珠絲杠副，只有當n≤ 10r/min 時，按額定動載荷選用。對于細長承受壓縮的滾珠絲杠副需做壓桿穩(wěn)定性計算；對于高速、支承距大的滾珠絲杠副需要做臨界轉速的校核；對于精度要求高的傳動要進行剛度驗算，轉動慣量校核，對閉環(huán)控制系統(tǒng)還要進行諧振頻率的驗算。 在選擇滾珠絲杠螺母的過程中，一般首先根據動載強度計算或靜載強度計算來確定其尺寸規(guī)格，然后對其剛度和穩(wěn)定性進行校核計算。 第二章 加工中心工作臺的主要部件 14 伺服電動機與 絲杠的連接 采用鍵連接，鍵用于連接軸和軸上的傳動件 ,使軸和傳動件不發(fā)生相對轉動，以傳遞扭矩或旋轉運動。 常用鍵的型式有：普通平鍵、半圓鍵和鉤頭楔鍵。 圖 26 常用普通平鍵 普通平鍵分 A 型、 B 型、 C 型，本設計中所用到的鍵有普通 A 型平鍵、 C 型平鍵、半圓鍵。 回轉工作臺 加工中心是一種高頻率的加工設備，當零件被裝夾在工作臺上以后，為了盡可能完成較多工藝內容，除了要求機床有沿 X、 Y、 Z 三個坐標軸的直線運動之外，還要求工作臺在圓周方向有進給運動和分度運動。這些運動通常用回轉工作臺實現。 數控回轉工作臺的主要功 能有兩個：一是實現工作臺的進給分度運動，即在非切削時，裝有工件的工作臺在整個圓周（ 360176。范圍內）進行分度旋轉；二是實現工作臺圓周方向的進給運動，即在進行切削時，與X、 Y、 Z 三個坐標軸進行聯(lián)動，加工復雜的空間曲面。 所設計的加工中心回轉工作臺是由傳動系統(tǒng)、間隙消除裝置及蝸輪A 型 B 型 C 型 半圓鍵 鉤頭楔鍵 第二章 加工中心工作臺的主要部件 15 蝸桿等傳動裝置組成的。 加工中心本體設計 支承件的基本要求 支承件受力受熱后的變形和振動將直接影響機床的加工精度和表面質量。因此，正確設計支承件結構、尺寸及布局具有十分重要的意義。它們應滿足下列要求： （ 1）剛度要求 支承件的剛度是指支 承件在恒定載荷和交變載荷作用下抵抗變形的能力。前者稱為靜剛度，后者為動剛度。靜剛度取決于支承件本身的結構剛度和接觸剛度。動剛度不僅與靜剛度有關，而且與支承系統(tǒng)的阻尼和固有頻率有關。 （ 2）抗振性要求 支承件的抗振性是指其抵抗受迫振動和自激振動的能力。影響支承件的抗振性的主要因素是：支承件的剛度、支承件的固有頻率、支承件的阻尼、支承件的支承情況、支承件的材料等。抵抗受迫振動的能力是指受迫振動的振幅不超過許用值，即要求有足夠的靜剛度。抵抗自激振動的能力是指在給定的切削條件下，能保證切削的穩(wěn)定性。實際中常常通過 選擇高阻尼的材料、采用高阻尼部件、增加消振墊改善支承件的支撐情況等措施來增加支承件的抗振性。 （ 3）熱變形要求 機床工作時，電動機、傳動系統(tǒng)的機械摩擦及切削過程等都會發(fā)熱，機床周圍環(huán)境溫度的變化也會引起支承件溫度變化產生熱變形，從而影響機床的工作精度和幾何精度。因此應對支承件的熱變形及熱應力加以控制。影響支承件熱變形的主要因素是：支承件的結構，運動部件的發(fā)熱及外部熱源。通過采用熱對稱結構、隔離熱源、強制冷卻、快速排屑等措施減少熱變形。 （ 4）內應力要求 支承件在鑄造、焊接及粗加工的過程中，材料內部會產生 內應力，導致變形。在使用中，由于內應力的重新分布和逐漸消失會使變形增大，超出許用的誤差范圍。支承件的設計應從結構上和材料上保證其內應力要小，并應在焊、鑄等工序后進行時效處理。 第二章 加工中心工作臺的主要部件 16 （ 5）其他 支承件還應使排屑通暢，操作方便，吊運安全，切削液及潤滑油的回收方便，加工及裝配工藝性好等。 支承件的性能對整臺機床的性能影響很大，其重量約為機床總重的80%以上，因此，應正確地對支承件進行結構設計，并對主要支承件進行必要的驗證和試驗，使其能夠滿足對它的基本要求，并在此前提下減輕重量，節(jié)省材料。 導軌的設計 由于加工中心的進 給運動都是通過其執(zhí)行部件沿著它的床身、立柱、橫梁等支承大件的導軌運動實現的。導軌的作用是用來支撐和引導機床執(zhí)行部件的運動，導軌的剛度以及摩擦特性又對執(zhí)行部件的定位精度有重要影響，因此，導軌是加工中心進給傳動系統(tǒng)的重要組成部分。 對導軌設計的基本要求是： a. 導向精度要高 導向精度是指機床執(zhí)行部件的動導軌沿支承導軌的直線度（對于直線運動導軌）或圓度。影響導向精度的主要因素有導軌的幾何精度，導軌的接觸剛度，導軌的結構形式，動導軌及導軌的剛度和熱變形，還有裝配質量。導軌的幾何精度一般用低速下的導向精度來衡量。 對直線運動導軌而言，檢驗的內容主要是導軌在水平平面內和垂直平面內的直線度。在水平面內，兩條導軌的還有平行度的要求。 b. 精度保持性要好 精度保持性是指導軌保持其原始精度的時間是否足夠長。導軌的耐磨性決定了導軌的精度保持性。動導軌沿支承導軌長期運行會引起導軌的不均勻磨損，破壞導軌的導向精度，從而影響機床的加工精度。此外，導軌的結構形式和導軌材料也與精度保持性有關。 c. 有足夠的剛度 因為機床執(zhí)行部件在工作過程中所承受的各種阻力，最后都轉化到第二章 加工中心工作臺的主要部件 17 導軌面來承受。如果導軌在載荷的作用下產生過大的變形，不僅破壞 了導向精度，惡化了導軌的工作條件，而且使機床各部件間的相對位置發(fā)生變化。導軌的剛性主要取決于導軌類型、結構形式和尺寸大小、導軌與床身的連接方式，還取決于導軌材料和表面加工質量。 d. 有良好的摩擦特性 機床在低速運動時，動導軌易產生爬行，將影響低速運動的平穩(wěn)性。爬行與導軌的摩擦特性有關，導軌的摩擦因數越小，并且動、靜摩擦因數越接近，則導軌低速運動越平穩(wěn)，將不會產生爬行，這對于精度要求較高的加工中心來說尤其重要。 e. 加工工藝性要好 設計導軌時，要注意到制造、調整和維護的方便；力求結構簡單、工藝性好和經 濟性好，而且要有合理的導軌防護和潤滑措施等等。 本設計采用的是直線滾動導軌副，它包括導軌條和滑塊兩部分。導軌通常有兩根，裝在支承件上，每根導軌條上有兩個滑塊，固定在移動件上。在兩條導軌條中，一條為基準導軌，上有基準面，另一條為從動導軌。第三章 加工中心的工作臺和伺服進給系統(tǒng)的設計 18 第三章 加工中心的工作臺和伺服進給的設計 加工中心工作臺的進給運動是通過伺服驅動裝置實現的。伺服驅動裝置的性能 ,在很大程度上決定了機床的性能。因此 , 研究和開發(fā)高性能伺服進給系統(tǒng) ,始終是研究現代數控機床的關鍵之一。本文所介紹的加工中心為立式 ,其工作臺可進行 X 和 Y 向直線 運動 , 另外工作臺上面可固定夾具式回轉工作臺 ( Z 向轉動 ) 。使用時 ,回轉工作臺如夾具固定在直線進給工作臺的 T 形槽內 , 不用時即可拆下。文中除作了工作臺、滾珠絲杠副、伺服電機、滾動直線導軌的設計計算外 ,還作了傳動精度計算、絲杠拉壓振動和扭轉振動的固有頻率驗算。 工作臺的主要參數及結構 主要參數的確定 工作臺面尺寸（長179。寬179。高）： 900 179。 500 179。 50 ，回轉工作臺面尺寸 (直徑179。高 ) ： ? 320 179。 222 ,材料為 HT200。設定工作臺進給速度為 1～ 1500mm/ min ,快速進給速度 15m/ min ,工作臺 X向工作行程為 750mm , Y向工作行程為 500mm ,銑削最大直徑為 ? 100mm。 工作臺質量及工作臺承重初估 直線工作臺質量 G1 = ρVg = 103 9005005010 9 = 1733N 回轉工作臺質量