【導(dǎo)讀】得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計（論文）中特別加以標(biāo)注引用，集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。具工業(yè)、零件精密加工等行業(yè)。數(shù)控銑雕中心，需求更為旺盛。本課題擬通過對數(shù)控機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)。①了解數(shù)控雕刻機(jī)的工作原理，國內(nèi)外的研究發(fā)展現(xiàn)狀；②完成數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的總體方案設(shè)計；③完成零部件的選型計算、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核；⑤完成設(shè)計說明書的撰寫，并翻譯外文資料1篇；當(dāng)今世界，現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)飛速發(fā)展，日新月異。件加工的質(zhì)量、精度和效率等的要求也越來越高。新?lián)Q代也與日俱增。在此趨勢的推動下，數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造設(shè)計變得非常重大。批的數(shù)控機(jī)床正如雨后春筍般進(jìn)軍機(jī)械制造業(yè)。比如數(shù)控雕刻機(jī)在模具加工、PCB電路板。以及廣告招牌等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。后利用CAD繪圖軟件繪制了機(jī)床的總裝配圖、部分零件圖及相關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。

　　

【正文】 一般來講，機(jī)床的進(jìn)給傳動系統(tǒng)的 靈敏度、精度、穩(wěn)定性是數(shù)控機(jī)床的輪廓 加工精度以及定位精度的直接影響因素。如果就控制系統(tǒng)的角度來進(jìn)行分析，其中能夠起到?jīng)Q定性作用的主要因素有： （ 1）機(jī)床傳動系統(tǒng)的傳動慣量和剛度，它們將直接影響到機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的靈敏度以及穩(wěn)定性。 （ 2）機(jī)床傳動系統(tǒng)的非線性以及傳動部件精度，它們將直接影響機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的加工輪廓精度和位置定位精度。 通常機(jī)床傳動系統(tǒng)的慣性以及剛度主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計來決定。然而，造成傳動系統(tǒng)非線性的主要原因是傳動系統(tǒng)的摩擦死區(qū)、傳動間隙。所以，就數(shù)控機(jī)床而言，其對機(jī)械傳動系統(tǒng)的基本要求可以總結(jié)如下： 1） 盡量降低傳動部件的慣量； 2）盡量提高傳動部件的剛度； 3）盡量將傳動部件的間隙減小； 4) 盡量減少傳動系統(tǒng)的 摩擦阻力 。 進(jìn)給傳動系統(tǒng)的基本形式 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動一般可以分為直線運(yùn)動以及圓周運(yùn)動這兩大類。直線進(jìn)給運(yùn)動又包括了機(jī)床的基本坐標(biāo) X/Y/Z 軸以及與基本坐標(biāo)軸相互平行的坐標(biāo)軸 U/V/W 軸的直線運(yùn)動；而圓周進(jìn)給運(yùn)動指的是環(huán)繞基本坐標(biāo)軸 X、 Y、 Z 回轉(zhuǎn)的坐標(biāo)軸的運(yùn)動。本次設(shè)計的進(jìn)給機(jī)構(gòu)系統(tǒng)采取的是直線進(jìn)給運(yùn)動。在數(shù)控機(jī)床上，能夠?qū)崿F(xiàn)直線進(jìn)給運(yùn)動的主要有以下三 種形式： （ 1）通過絲杠（一般為靜壓絲杠或滾珠絲杠）螺母副，把電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動。 （ 2）通過齒輪、齒條副的過渡，將電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變成直線進(jìn)給運(yùn)動。 （ 3）采用直線電動機(jī)直接進(jìn)行進(jìn)給驅(qū)動。 以上幾種傳動方案的簡介和比較 （ 1）滾珠絲杠螺母副 滾珠絲杠螺母副擁有如下的特點(diǎn)： 1）系統(tǒng)傳動過程中的效率高，摩擦損失較小； 2）在絲杠螺母之間加以預(yù)緊后，能夠有效地消除間隙，大大提高了進(jìn)給系統(tǒng)的傳動剛度； 3）系統(tǒng)傳動過程中的摩擦阻力較小，而且?guī)缀鹾瓦M(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動 速度無關(guān)，動和靜摩擦力的變化也較小，較難出現(xiàn)低速爬行情況； 4）系統(tǒng)長期工作不會產(chǎn)生較大的磨損，其使用壽命較長，保持精度特性良好。因此，這種結(jié)構(gòu)在數(shù)控機(jī)床上運(yùn)用相當(dāng)廣泛，是當(dāng)前中、小型數(shù)控機(jī)床中最為普遍的傳動形式。全套設(shè)計（圖紙）請聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 但是因?yàn)樗嬖谶\(yùn)動的可逆性，即一方面它能將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動，相應(yīng)的反過來它也可以把直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，它不能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖。因此當(dāng)它用于水平放置或者垂直傳動的高速度、大慣量的傳動中一定要配有制動裝置。其中，采用具有制動裝置的伺服電動機(jī)來進(jìn)行驅(qū)動是最簡單有效的解決方法。另外，在安裝和使用中為了 防止螺母會脫離絲杠滾道，一般在機(jī)床上還要安裝超程保護(hù)裝置。就高速加工數(shù)控機(jī)床而言，這點(diǎn)至關(guān)重要。 （ 2）靜壓絲杠螺母副 靜壓絲杠螺母副的工作原理： 在絲杠和螺母接觸面之間 ，通過油壓產(chǎn)生一層保持一定厚度，以及擁有 一定剛度的壓力油膜， 從而使得 絲杠和螺母 之間的摩擦 由 原來的 邊界摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w摩擦，大大降低了摩擦阻力。絲杠轉(zhuǎn)動時， 通過油膜 的 推動螺母 將作 直線運(yùn)動，反之，螺母轉(zhuǎn)動 時，可 使絲杠 作 直線移動。靜壓絲杠螺母的特點(diǎn)是： 1）摩擦系數(shù)很小，僅為 ，比滾珠絲杠的摩擦損失更小，因此，其起動力矩很小，傳動靈敏 ，避免了爬行。 2）油膜可以吸振，提高了運(yùn)動的平穩(wěn)性。 3）由于油液的不斷流動，有利于散熱和減少熱變形，提高了機(jī)床的加工精度和光潔度。 4）油膜層具有一定剛度，減少了反向間隙。 5）油膜層介于螺母與絲杠之間，對絲杠的誤差有“均化”作用，即可以使絲杠的傳動誤差小于絲杠本身的制造誤差。 6）承載能力與供油壓力成正比，與轉(zhuǎn)速無關(guān)。但靜壓絲杠螺母副應(yīng)有一套供油系統(tǒng)，而且對油的清潔度要求高，如果在運(yùn)動中供油忽然中斷，將造成不良后果。 （ 3）齒輪齒條副 大型數(shù)控機(jī)床不宜采用絲杠傳動，因長絲杠制造困難，且容易彎曲下 垂，影響傳動精度；同時軸向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度也難提高。如果加大絲杠直徑，則轉(zhuǎn)動慣量增大，伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性不易保證，故常用齒輪齒條副。齒輪齒條副傳動用于行程較長的大型機(jī)床上，可以得到較大的傳動比，進(jìn)行高速直線運(yùn)動，剛度及機(jī)械效率也高。但其傳動不夠平穩(wěn)，傳動精度不高，而且還不能自鎖。采用齒輪齒條副傳動時，必須采取措施消除齒側(cè)間隙，當(dāng)傳動負(fù)載小時，也可采用雙片薄齒輪調(diào)整法，分別與齒條齒槽的左、右兩側(cè)貼緊，從而消除齒側(cè)間隙。當(dāng)傳動負(fù)載大時，可采用雙厚齒輪傳動結(jié)構(gòu)。 （ 4）直線電動機(jī)驅(qū)動 采用直線電動機(jī)驅(qū)動與旋轉(zhuǎn) 電動機(jī)驅(qū)動相比，它具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1）采用直線電動機(jī)驅(qū)動，不需要絲杠、齒輪齒條等轉(zhuǎn)換裝置即能直接實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，因此，它大大簡化了進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了傳動效率。 2）旋轉(zhuǎn)電動機(jī)本身機(jī)械結(jié)構(gòu)由于受到離心力的作用，其旋轉(zhuǎn)速度受到限制；滾珠絲杠又受轉(zhuǎn)速特征值的約束，轉(zhuǎn)速不能太高。對于高速加工機(jī)床來說，雖然可以通過加大螺距提高進(jìn)給速度，但是難以提高加速度。采用直線電動機(jī)驅(qū)動時，則可以不受此限制。 3）旋轉(zhuǎn)電動機(jī)必須通過絲杠、齒條等轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，傳動環(huán)節(jié)對精度、剛度、快速性和穩(wěn)定性的影響無法避免；并且，這些轉(zhuǎn) 換機(jī)構(gòu)在運(yùn)動中必然會帶來噪聲。全套設(shè)計（圖紙）請聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 直線電動機(jī)從根本上消除傳動環(huán)節(jié)，故進(jìn)給系統(tǒng)的精度高、剛度、快速性和穩(wěn)定性好，噪聲很小或無噪聲。 直線電動機(jī)的不足之處，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： （ 1）與同容量旋轉(zhuǎn)電動機(jī)相比，直線電動機(jī)的效率和功率因數(shù)要低，特別在低速時更明顯。 （ 2）直線電動機(jī)，特別是直線感應(yīng)電動機(jī)的起動推力受電源電壓的影響較大，故對驅(qū)動器的要求較高，應(yīng)采用措施保證或改變電動機(jī)的有關(guān)特性來減少或消除這種影響。 （ 3）在金屬加工機(jī)床上，由于電動機(jī)直接和導(dǎo)軌、工作臺做成一體，必須采取措施以防止磁力和熱變形對加工的影響。綜上所述，本次 數(shù)控雕刻機(jī)進(jìn)給系統(tǒng) X/Y/Z 三向均采用滾珠絲杠副作為傳動系統(tǒng)，機(jī)床 X/Y 軸均采用高精度直線導(dǎo)軌。 Z 軸采用圓柱導(dǎo)軌 [12]。 滾珠絲杠系統(tǒng) 滾珠絲杠副的選擇 選 定進(jìn)給傳動用滾珠絲杠副時，主要考慮的內(nèi)容是：與機(jī)床定位精度要求相適應(yīng)的絲杠精度、絲杠的剛性與轉(zhuǎn)動慣量。在開環(huán)和半閉環(huán)數(shù)控機(jī)床中，滾珠絲杠的精度將直接影響機(jī)床的定位精度和隨動精度。為了獲得高精度、高剛度的進(jìn)給 系統(tǒng)，應(yīng)選用精度高的滾珠絲杠傳動副。但是，隨著絲杠精度的提高，其價格也將大大上升。因此，在滿足機(jī)床精度要求的前提下，選擇相應(yīng)精度的絲杠是 設(shè)計者的一項重要工作。本機(jī)床所選 3個方向滾珠絲杠副的精度等級均為 3級。 3級精度的絲杠經(jīng)采用一些如消隙、螺距誤差補(bǔ)償?shù)却胧?，完全能滿足機(jī)床的定位精度要求。 本設(shè)計中工作臺的絲桿選用的是滾珠絲桿副。滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機(jī)械元件，其作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動或?qū)⒅本€運(yùn)動變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動，它是傳統(tǒng)滑動絲杠的進(jìn)一步延伸發(fā)展。滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小，傳動效率高。 絲 杠的剛度與直徑的大小直接相關(guān)，直徑大、剛度就好。要想使進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)有足夠的剛性，就要選用直徑粗大的絲杠。但是，隨著直徑的增大，其轉(zhuǎn)動慣量也 大大增大。因此一般是在兼顧二者的情況下 ， 選取最佳直徑。本機(jī)床 經(jīng)設(shè)計計算后選定 X、 Z軸的公稱直徑為 20mm。 Y軸滾珠絲杠的公稱直徑為 32mm。 滾珠絲杠支承結(jié)構(gòu) 一般來說， 加強(qiáng)滾珠絲杠螺母本身的剛度可以提高數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)的傳動剛度。此外，要想提高進(jìn)給系統(tǒng)的傳動剛度， 滾珠絲杠 的支承的結(jié)構(gòu)剛度和它正確的安裝方式也是重要 的因素。 絲杠螺母座和絲杠 支承座都 應(yīng)該有可靠 的 剛度和精度。 提高絲杠螺母座的局部剛度和接觸強(qiáng)度一般可以通過 適當(dāng)加大 其與 機(jī)床結(jié)合部件的 有關(guān)接觸面積來實(shí)現(xiàn)。目前，一般在工藝條件允許時， 新設(shè)計的機(jī)床 通常都 把 絲杠 螺母座或 者絲杠支承座和 機(jī)床本體 做為一體式結(jié)構(gòu)，從而 增大 了 剛度。為了提高支承的軸向剛度， 應(yīng) 選擇適當(dāng)?shù)臐L動軸承。 目前 ，就軸承的安裝方式而言，國內(nèi)主要采用兩種組合方式：其一是把向心軸承和圓錐軸承組合使用，它的結(jié)構(gòu)雖然 簡單，但 它的軸向剛度不夠。其二 是把推力軸承或 者向心推力軸承和向心軸承組合使用，它的軸向剛度有所 提高，但 是 軸承的摩擦阻力和發(fā)熱 增大了 而且 還 增加了 軸承支架的結(jié)構(gòu)尺寸。 由此， 近年來國內(nèi)外的軸承生產(chǎn)廠家已生產(chǎn)出一種滾珠絲杠專用 的軸承，這是一種能夠承受很大軸向力的特殊向心推力球軸承，和 一般的向全套設(shè)計（圖紙）請聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 心推力球軸承相比 而言 ， 它的 接觸角增大到 了 60186。， 從而 增加了滾珠的數(shù)目并相應(yīng)減小滾珠的直徑。 與 一般軸承 相比，這種新型結(jié)構(gòu)的軸承的軸向剛度提高了兩倍以上。 而且 它的產(chǎn)品成對出售， 使用極為方便，而且在 它 出廠時 ， 內(nèi)外環(huán)的厚度 都已經(jīng)選配好，裝配時只要用螺母和端蓋將內(nèi)環(huán)和外環(huán)壓緊，就可以 得 到 出廠時已經(jīng)調(diào)整好的預(yù)緊力。 滾珠絲杠副支承方式通常有以下幾種： （ 1） 雙推一自由方式 即絲杠一端固定，另一端自由。固定端軸承同時承受軸向力和徑向力。這種支承方式用于行程小的短絲杠。 （ 2） 雙推一支承方式 即絲杠一端固定，另一端支承。固定端軸承同時承受軸向力和徑向力；支承端軸承只承受徑向力，而且能作微量的軸向浮動，可以避免或減少絲杠因自重而出現(xiàn)的彎曲。同時絲杠熱變形可以自由地向一端伸長。 （ 3） 雙推一雙推方式 即絲杠兩端均固定。固定端軸承都可以同時承受軸向力和徑向力，這種支承方式，可以對絲杠施加適當(dāng)?shù)念A(yù)拉力，提高絲杠支承剛度，可以部分補(bǔ)償絲杠的熱變形。 （ 4） 采用絲杠固定、螺 母旋轉(zhuǎn)的傳動方式 即螺母一邊轉(zhuǎn)動、一邊沿固定的絲杠作軸向移動。由于絲杠不動，可避免受臨界轉(zhuǎn)速的限制，避免了細(xì)長滾珠絲杠高速運(yùn)轉(zhuǎn)時出現(xiàn)的種種問題。螺母慣性小、運(yùn)動靈活，可實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)速高。此種方式可以對絲杠施加較大的預(yù)拉力，提高絲杠支承剛度，補(bǔ)償絲杠的熱變形 本次數(shù)控雕刻機(jī)床 X、 Y向絲杠均采用一端固定，另一端簡支承的方式。 Z向采用一端固定，另一端自由的方式。 數(shù)控雕刻機(jī) X、 Y向的滾珠絲杠副的支承結(jié)構(gòu)見圖 。 圖 X、 Y向的滾珠絲 杠副的 支承結(jié)構(gòu) 全套設(shè)計（圖紙）請聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 支承軸承的選擇 一般來說，在機(jī)床運(yùn)動系統(tǒng)的設(shè)計過程中，要想得到高剛度、高精度的進(jìn)給傳動系統(tǒng)，選用高剛度、高精度的滾珠絲杠副以及十分重視滾珠絲杠副的支承的設(shè)計至關(guān)重要。由于軸向載荷是滾珠絲杠的主要載荷，徑向載荷通常是臥式絲杠自身重量。所以，對于滾珠絲杠的軸向剛度以及精度的要求比較高。 由于要求數(shù)控雕刻機(jī)擁有運(yùn)動靈活的進(jìn)給系統(tǒng)，對于微小位移 (絲杠微小轉(zhuǎn)角 )的響應(yīng)要靈敏，所以要選用摩擦力矩小、軸向剛度強(qiáng)、運(yùn)轉(zhuǎn)精度高的滾動軸承。 當(dāng)前，推力角接觸球軸承是各大類軸承中 間用得最多最廣的一種。數(shù)控機(jī)床在選用此類角接觸球軸承時，一般都要把 2個以上的軸承配對組合起來，再加以預(yù)緊力才能使用。其組合的形式有三類：面對面組配 (即 DF方式 )、背靠背組配 (即 DB方式 )、串聯(lián)組 配 (即 DT方式 )。當(dāng)在數(shù)控機(jī)床上選取這類軸承時，為了便于對軸承和滾珠螺母之間不同軸度的吸收，一般都選取 DF組配的方式。 滾珠絲杠副的制動裝置 因?yàn)闈L珠絲杠副的逆?zhèn)鲃有时容^高 ,而它的 逆向傳動又不可以自鎖 , 所以 當(dāng)滾珠絲杠 處于垂直安置狀態(tài)時必須另外配有制動裝置， 這樣就可以 防止伺服電機(jī)停止了轉(zhuǎn)動 , 運(yùn)動部件 由于自身重量而產(chǎn)生了逆向傳動 , 也能夠防止由于偶然因素而造成的事故。 步進(jìn) 電機(jī)經(jīng)彈性聯(lián)軸器帶動絲杠 , 實(shí)現(xiàn)工作臺的移動。防止工作臺及其主軸組件由于自重而產(chǎn)生逆?zhèn)鲃拥年P(guān)鍵部件是單向逆止軸承和摩擦阻尼裝置 (由聯(lián)結(jié)套、摩擦環(huán)、碟簧、調(diào)整螺母等組成 )。單向逆止軸承僅允許一方向旋轉(zhuǎn) , 而另一方向止動。單向逆止軸承的內(nèi)環(huán)與絲杠上端固定聯(lián)結(jié) , 其外環(huán)通過鍵與聯(lián)結(jié)套裝配在一起。 當(dāng) 機(jī)床 工作臺上升時 , 單向逆止軸承像普通軸承一樣 , 沒有 逆止 的 作用 , 伺服電機(jī)帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動并用螺母帶動工作臺向上運(yùn)動。當(dāng)伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動時 (電 機(jī)帶制動 )，機(jī)床 工作臺由于自重將 要 向 下滑 懂動 , 螺母有推動絲杠轉(zhuǎn)動的逆 向 傳動 , 這時 ,單向逆止軸承的內(nèi)環(huán)和滾珠將帶動軸承 的 外環(huán)反向轉(zhuǎn)動。因 為 單向逆止軸承的外環(huán) 是 通過鍵與摩擦阻尼裝置 相互 連 結(jié) 在一起 的 ， 軸承的 外環(huán)被摩擦阻尼裝置 所 產(chǎn)生的摩擦扭矩剎住 , 從而防止了逆 向 傳動。 通過調(diào)整螺母可以調(diào)整 阻止逆 向 傳動的摩擦扭矩的大小。 這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，作用可靠，運(yùn)動穩(wěn)定。 這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是在工作臺垂直向下傳動時 , 傳動力 必須先克服這個額外加上去的摩擦扭矩，增加了一定的能耗 [13]。 步進(jìn)電機(jī)與進(jìn)給絲杠的 聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu) 在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)中， 要保證 步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠的聯(lián)結(jié)傳動 結(jié)構(gòu)沒有間隙，這樣才可以 準(zhǔn)確地執(zhí)行脈沖的指令， 使得脈沖 不會丟 掉，從 而 避免造成的“失步”，最終使得 機(jī)床的傳動精度與加工精度 不會被影響 。在雕刻機(jī)床中， X、 Y 軸采用直聯(lián)式，即通過非金屬彈性元件聯(lián)軸器 （ 屬于帶彈性元件擾性聯(lián)軸器） 把步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠聯(lián)結(jié)起來