【導(dǎo)讀】本論文主要研究數(shù)控銑床的Z軸進給系統(tǒng)。數(shù)控銑床是數(shù)控機床中的典型機床，它對。進給部件首選滾珠絲杠螺母。副，它擁有摩擦損失小、傳動效率高、運動平穩(wěn)、摩擦力小、靈敏度高、低速時無爬行，可逆性等特點，對于數(shù)控銑床的精確傳動提供了保障，使其加工精度精度越來越高。

　　

【正文】 等傳動部件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。因此，對傳動部件和制造精度要求高，運動副之間摩擦力要小，要實行無間隙傳動。這種系統(tǒng)的最高速度受步進電動機的頻率響應(yīng)限制，容易失步，低速時易發(fā)生共振和噪聲，影響表面加工質(zhì)量。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試維修方便，工作可靠，成本低。 2)異步電動機或直流電動機拖動 ，光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)：該系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別是：由光柵、感應(yīng)同步器等位置檢測裝置測得的實際位置反饋信號，隨時與給定值進行比較，將兩者的差值放大和變換，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，以給定的速度向著消除偏差的方向運動，直到位置與反饋的實際位置的差值等于零為止。閉環(huán)進給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比開環(huán)進給系統(tǒng)復(fù)雜，成本也高，對環(huán)境室溫要求嚴格，設(shè)計和調(diào)試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲得比開環(huán)進給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，驅(qū)動功率更大的特性指標。但是閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 16 計和調(diào)整都有較大技術(shù)難度，設(shè)計調(diào)整不當(dāng)，易出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。改造時可根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求，決定是否有必要采用這種系統(tǒng)。 3)交／直流伺服電動機拖動，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)：半閉環(huán)系統(tǒng)檢測元件安裝在中間傳動件上，間接測量執(zhí)行部件的位置。只能補償系統(tǒng)環(huán)路內(nèi)部部分元件的誤差，因此，它的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，但是它結(jié)構(gòu)與調(diào)試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡單。在將角位移檢測元件與速度檢測元件和伺服電動機做成一個整體時則無需考慮位置檢測裝置的安裝問題。 (2)數(shù)控系統(tǒng)方案的確定 根據(jù)本設(shè)計所給的題目要求分析可知，本設(shè)計所采用的數(shù)控系統(tǒng)為開環(huán)系統(tǒng)控制。 傳動機構(gòu)的選擇 本課題設(shè)計選用的是滾珠絲杠螺母副 。因為滾珠絲杠螺母副是一種低摩擦、高精度、高效率的機構(gòu)，在數(shù)控機床上得到廣泛應(yīng)用。它的傳動特點是在具有螺旋槽的絲杠螺母之間裝有滾珠作為中間傳動元件。當(dāng)絲杠和螺母相對運動時，滾珠沿絲杠螺旋槽滾道滾動，因此絲杠和螺母之間基本上為滾動摩擦。并且滾珠絲杠螺母副的動（靜）摩擦系數(shù)相差極小，配以滾動導(dǎo)軌，起動力矩很小，運動靈敏，低速時不會出現(xiàn)爬行。滾珠絲杠螺母機構(gòu)是回轉(zhuǎn)運動與直線運動相互轉(zhuǎn)動的傳動裝置。它具有以下優(yōu)點： (1)摩擦損失小、傳動效率高 傳動效率可達 92%96%，是普通絲杠傳動的 3— 4 倍，而驅(qū)動轉(zhuǎn)矩僅 為滑動絲杠螺母機構(gòu)的 25%。 (2)運動平穩(wěn)，摩擦力小、靈敏度高、低速時無爬行 由于主要存在的是滾動摩擦，不僅動、靜摩擦因數(shù)都很小，且其差值小，因而啟動轉(zhuǎn)矩小，動作靈敏。 (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可實現(xiàn)滾珠的預(yù)緊，因而軸向剛度高，反向時無空行程，定位精度高。 (4)滾珠絲杠螺母副主要零件均經(jīng)過熱處理，其滾道表面的硬度值可達 6062HRC，因而耐磨性好，壽命長，精度穩(wěn)定性好。 (5)磨損小、壽命長、維護簡單 使用壽命是普通滑動絲杠的 4～ 10倍。 (6)傳 動具有可逆性、不能自鎖 由于摩擦因數(shù)小、不能自鎖，因而使該機構(gòu)的傳動具有可逆性，可以把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，還可以把直線運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動。由于不能自鎖，在作垂直運動時應(yīng)附加防止逆轉(zhuǎn)的裝置，防止工作臺因自重而下降。 聯(lián)軸器選擇 聯(lián)軸器是聯(lián)結(jié)兩軸使之一同回轉(zhuǎn)并傳遞轉(zhuǎn)矩的一種部件，聯(lián)軸器分為剛性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器兩種。剛性聯(lián)軸器適用于兩軸能嚴格對中并在工作中不發(fā)生相對位移的地方；撓性聯(lián)軸器適用于兩軸有偏移（可分為同軸線、平行軸線、相交軸線）或在工作中有相對位移（可分為軸向位移、徑向位移、角 位移、綜合位移）的地方。撓性聯(lián)軸器又有無彈性元徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 17 件的、金屬彈性元件和非金屬元件之分。 在本設(shè)計中，電機主軸與滾珠絲杠軸是同軸的，所以選擇剛性聯(lián)軸器。剛性聯(lián)軸器可以分為凸緣聯(lián)軸器、套筒聯(lián)軸器、夾殼聯(lián)軸器。凸緣聯(lián)軸器具有對中精度高，傳遞轉(zhuǎn)矩大的特點，采用鉸制孔和受剪螺栓對中的凸緣聯(lián)軸器具有拆裝方便的優(yōu)點，這符合本設(shè)計簡化操作的原則，所以選擇了采用鉸制孔和受剪螺栓對中的凸緣聯(lián)軸器來聯(lián)結(jié)電機軸和滾珠絲杠軸。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 18 4 主要零部件的計算與選用 軸工作載荷分析 滾珠絲杠上的工作載荷是指滾 珠絲杠副在驅(qū)動工作臺是滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫作進給牽引力。它包括滾珠絲杠的走刀抗力及與移動體重力和作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩檫力。據(jù)機床加工的特點，當(dāng)銑削槽時，工作載荷最大，由于銑削時，工作載荷既包括銑削時沿著絲杠軸的方向的力（即軸向力），也包括工作臺及工件的重量（即垂直絲杠軸方向的力）。 Z 軸工作載荷計算 在以工作壽命為基礎(chǔ)進行計算時，應(yīng)按實際加工過程平均銑削條件為準，因此取 ea =， fa =， pa =10mm， z=4， 0d =50mm，對圓柱銑刀， fzC =，則主切削力的計算見公式（ ）。 zF = zdaaaC pfefz 式（ ） 式中 zF —— 主切削力， N； fzC —— 加工不同工件材料時的銑削力系數(shù)； ea —— 銑削寬度， mm； fa —— 進給量， mm； 0d —— 銑刀直徑， mm； z—— 銑刀齒數(shù)； 對于圓柱銑刀加工時，各切削分力有進給抗力 HF ,垂直銑削分力 VF 和軸向銑削分力CF 。根據(jù)查表可知，各個銑削分力的經(jīng)驗比值如下 : HF =1～ zF ， CF =～ zF ， VF =～ zF ，取值 HF = zF ， CF = ，VF = zF 則 HF =651N, CF =163N， VF =217N 則在燕尾槽導(dǎo)軌上滾珠絲杠的工作載荷 Fm 見公式（ ） )2( GFFfKFF CVHm ????? 式（ ） 其中 ? ， f? =， G=1400N 則 Fm=1300N 滾珠絲杠螺母副的計算與選用 絲杠導(dǎo)程的確定 絲杠導(dǎo)程的選擇一般根據(jù)設(shè)計目標快速進給的最高速度為 Vmax，伺服電機的最高轉(zhuǎn)速徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 19 nmax 及電機與絲杠的傳動比ｉ來確定，基本絲杠導(dǎo)程應(yīng)滿足公式（ ）： maxmaxinVp? 式（ ） 式中 maxV —— 工作臺的最高轉(zhuǎn)速， r／ min； maxn —— 伺服電動機的最高轉(zhuǎn)速， r／ min； i—— 傳動比； 因為本設(shè)計采用絲杠與電動機直接相連，所以 i=1。 根據(jù)查閱機械手冊可知步進電動機的最高轉(zhuǎn)速 maxn ＝ 1000r／ min，由本題的參數(shù)可知maxV =1000mm/min。 因此， P≥ 1mm。 動載荷 C 計算 在選擇滾珠絲杠螺母過程中，一般首先根據(jù)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。 額定動載荷 Fr 是指當(dāng)一批規(guī)格相同的滾珠絲杠螺母副，在一負荷力的測試運轉(zhuǎn)下，能通過 106 轉(zhuǎn)運動，而有 90%步產(chǎn)生疲勞損傷時所能承受的最大軸向載荷。 當(dāng)轉(zhuǎn)速 n＞ 10r/min 時，滾珠絲杠螺母副的主要破壞形式是工作表面的疲勞點蝕，因此要進行動載強度計算，其計算動載荷 C 應(yīng)小于或等于滾珠絲杠螺母副的額定動負荷，見公式（ ） rmm FFfLC ?? 3 式（ ） 式中 mf —— 動載荷系數(shù)， 一般 ? ～ ； mF —— 當(dāng)量動負荷， N； rF —— 滾珠絲杠螺母副的額定動載荷， N； L—— 壽命，以 106 轉(zhuǎn)為 1單位 ,見式（ ） L=61060neqT 式（ ） 式中 T—— 使用壽命， h，一般機床可取 T=10000h，數(shù)控機床可取T=15000h； eqn —— 滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速見式（ ）， r/min； 2 m inm ax nnneq ?? 式（ ） 由題目給的參數(shù)可知，絲杠的最高轉(zhuǎn)速為 1000r/min，絲杠的最小進給速度為 1mm/min，故最小轉(zhuǎn)速可取 。 則平均轉(zhuǎn)速 eqn =500r/min，故絲杠的工作壽命見式（ ） 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 20 L=610 500150060 式（ ） =450h 本題取 fd=， 因此，計算動載荷 Ce=? m 根據(jù)附錄 1 可以選擇的滾珠絲杠螺母副的型號與參數(shù)，使得 C≤ Fr，初 選擇滾珠絲杠的直徑為 32mm，基本導(dǎo)程 Lo=10mm，型號為 CDM32055P2,其額定動載荷是 19249N，強度足夠用。 效率計算 根據(jù)《機械原理》的公式，絲杠螺母副的傳動效率 η 見公式（ ） ? ＝ ? ????＋tgtg 式（ ） 式中 ? —— 螺紋的螺旋升角，該絲杠為 5176。 41′； ? —— 摩擦角 ? 約等于 10′。 則 ? ?0139。415 39。415 ?? ＋??tg tg?＝ 故滿足滾珠絲杠螺母副傳動效率大于 的要求。 滾珠絲杠的精度選擇 滾珠絲杠的精度直接影響數(shù)控機床的定位精度，在滾珠絲杠的精度參數(shù)中，其導(dǎo)程誤差對機床定位精度最明顯。一般的初步設(shè)計時，設(shè)定絲杠的任意 300mm 行程變動量 V 300應(yīng)小于目標設(shè)定定位精度值的 1/3～ 1/2. 所以 V300=～ ，查表可知，滾珠絲杠的精度等級為 2級。 滾珠絲杠的制動 由于滾珠絲杠的傳動效率高，無自鎖功能（特別是本次設(shè)計中的 Z向傳動），為了防止自重下降，必須裝有制動裝置。目前常用的制動方式有機械式和電氣式兩種。 電氣方式是采用電磁制動器，而且這種制動器就做在電動機內(nèi)部。加工中心工作時，在制動器線圈電磁力的作用下，使兩齒輪脫開，彈簧受壓縮，當(dāng)停機或停電時，電磁鐵失電，在彈簧恢復(fù)力的作用下，兩齒輪嚙合，故與電機軸的聯(lián)接的絲杠得到制動。 機械制動是采用摩擦離合器。加工中心工作時 ，電磁鐵通電，使摩擦離合器脫開，運動由伺服電機經(jīng)聯(lián)軸器傳給絲杠，帶動工作臺移動。當(dāng)加工完畢，伺服電機和電磁鐵同時斷電，借壓力彈簧作用合上摩擦離合器，使絲杠不能轉(zhuǎn)動，工作臺便停止。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 21 本次設(shè)計采用電氣方式。 滾珠絲杠螺母副支承的選擇 滾珠絲杠兩端的支承的配置情況有 3 種情況如圖所示的軸向固定方式。其中，圖 41為一端軸向固定一端自由的支承配置方式，這種支承形式結(jié)構(gòu)簡單，絲杠的軸向剛度比兩端固定低，絲杠的壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速都較低，設(shè)計師時盡量使絲杠受拉伸。對于行程小轉(zhuǎn)速較低的短絲杠和豎直絲杠可采用懸臂支成機 構(gòu)。圖 42為一端軸向固定一端游動的支承配置方式，對于高精度、中等轉(zhuǎn)速的較長的臥式安裝絲杠，為了防止熱變形造成絲杠變長的影響，常采用一端軸向固定的支承固定方式。圖 43為兩端固定方式，對于高精度、高旋轉(zhuǎn)的滾珠絲杠應(yīng)該采用兩端固定的安裝方式，為了給絲杠施加預(yù)緊拉力，可采用兩端固定方式，并在絲杠一端安裝碟形彈簧和調(diào)整螺母，既能對絲杠施加預(yù)緊力，又能讓彈簧補償絲杠熱變形，保持預(yù)緊力近乎不變。 圖 41一端固定一端自由 圖 42 一端固定一端游動 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 22 圖 43兩端固定 由于本設(shè)計的行程較短，轉(zhuǎn)速較低，故采用一 端固定，一段自由的支承形式。 滾珠絲杠螺母副的間隙消除與預(yù)緊 為了消除間隙和提高滾珠絲桿副的剛度，可以預(yù)加載荷，使它在過盈的條件下工作，常用的預(yù)緊方法有：雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊等。預(yù)緊后的剛度可提高到為無預(yù)緊時的 2倍。但是，預(yù)緊載荷過大，將使壽命下降和摩擦力矩加大。通常，滾珠絲桿在出廠時，就已經(jīng)由制造廠調(diào)好預(yù)加載荷，并且預(yù)加載荷往往與絲桿副的額定動載荷有一定的比例關(guān)系。 雙螺母墊片式預(yù)緊：①調(diào)整方法：調(diào)整墊片厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移。②特點：結(jié)構(gòu)見到，裝卸方便，剛度高；調(diào) 整不便，滾道有磨損時，不能隨時消除間隙和預(yù)緊，適用于高剛度重載傳動。 雙螺母螺紋式預(yù)緊：①調(diào)整方法：調(diào)整端部的圓螺母，使螺母產(chǎn)生軸向位移。②結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，調(diào)整方便，丹準確性差，且易于松動，適用于剛度要求不高或隨時調(diào)節(jié)預(yù)緊的傳動。 雙螺母齒差式預(yù)緊：①調(diào)整方法：兩邊的下螺母的凸緣上有外齒，分別與緊固的螺母