【導(dǎo)讀】本論文主要研究數(shù)控銑床的Z軸進(jìn)給系統(tǒng)。數(shù)控銑床是數(shù)控機(jī)床中的典型機(jī)床，它對(duì)。進(jìn)給部件首選滾珠絲杠螺母。副，它擁有摩擦損失小、傳動(dòng)效率高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、摩擦力小、靈敏度高、低速時(shí)無(wú)爬行，可逆性等特點(diǎn)，對(duì)于數(shù)控銑床的精確傳動(dòng)提供了保障，使其加工精度精度越來(lái)越高。

　　

【正文】 等傳動(dòng)部件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。因此，對(duì)傳動(dòng)部件和制造精度要求高，運(yùn)動(dòng)副之間摩擦力要小，要實(shí)行無(wú)間隙傳動(dòng)。這種系統(tǒng)的最高速度受步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的頻率響應(yīng)限制，容易失步，低速時(shí)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(jiǎn)單，調(diào)試維修方便，工作可靠，成本低。 2)異步電動(dòng)機(jī)或直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng) ，光柵測(cè)量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)：該系統(tǒng)與開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別是：由光柵、感應(yīng)同步器等位置檢測(cè)裝置測(cè)得的實(shí)際位置反饋信號(hào)，隨時(shí)與給定值進(jìn)行比較，將兩者的差值放大和變換，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以給定的速度向著消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)，直到位置與反饋的實(shí)際位置的差值等于零為止。閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比開(kāi)環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)復(fù)雜，成本也高，對(duì)環(huán)境室溫要求嚴(yán)格，設(shè)計(jì)和調(diào)試都比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲得比開(kāi)環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，驅(qū)動(dòng)功率更大的特性指標(biāo)。但是閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 16 計(jì)和調(diào)整都有較大技術(shù)難度，設(shè)計(jì)調(diào)整不當(dāng)，易出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。改造時(shí)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(dòng)機(jī)拖動(dòng)，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(cè)元件安裝在中間傳動(dòng)件上，間接測(cè)量執(zhí)行部件的位置。只能補(bǔ)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(jiǎn)單。在將角位移檢測(cè)元件與速度檢測(cè)元件和伺服電動(dòng)機(jī)做成一個(gè)整體時(shí)則無(wú)需考慮位置檢測(cè)裝置的安裝問(wèn)題。 (2)數(shù)控系統(tǒng)方案的確定 根據(jù)本設(shè)計(jì)所給的題目要求分析可知，本設(shè)計(jì)所采用的數(shù)控系統(tǒng)為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)控制。 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 本課題設(shè)計(jì)選用的是滾珠絲杠螺母副 。因?yàn)闈L珠絲杠螺母副是一種低摩擦、高精度、高效率的機(jī)構(gòu)，在數(shù)控機(jī)床上得到廣泛應(yīng)用。它的傳動(dòng)特點(diǎn)是在具有螺旋槽的絲杠螺母之間裝有滾珠作為中間傳動(dòng)元件。當(dāng)絲杠和螺母相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾珠沿絲杠螺旋槽滾道滾動(dòng)，因此絲杠和螺母之間基本上為滾動(dòng)摩擦。并且滾珠絲杠螺母副的動(dòng)（靜）摩擦系數(shù)相差極小，配以滾動(dòng)導(dǎo)軌，起動(dòng)力矩很小，運(yùn)動(dòng)靈敏，低速時(shí)不會(huì)出現(xiàn)爬行。滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置。它具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)摩擦損失小、傳動(dòng)效率高 傳動(dòng)效率可達(dá) 92%96%，是普通絲杠傳動(dòng)的 3— 4 倍，而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩僅 為滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)的 25%。 (2)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，摩擦力小、靈敏度高、低速時(shí)無(wú)爬行 由于主要存在的是滾動(dòng)摩擦，不僅動(dòng)、靜摩擦因數(shù)都很小，且其差值小，因而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，動(dòng)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(shí)現(xiàn)滾珠的預(yù)緊，因而軸向剛度高，反向時(shí)無(wú)空行程，定位精度高。 (4)滾珠絲杠螺母副主要零件均經(jīng)過(guò)熱處理，其滾道表面的硬度值可達(dá) 6062HRC，因而耐磨性好，壽命長(zhǎng)，精度穩(wěn)定性好。 (5)磨損小、壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單 使用壽命是普通滑動(dòng)絲杠的 4～ 10倍。 (6)傳 動(dòng)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(jī)構(gòu)的傳動(dòng)具有可逆性，可以把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，還可以把直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于不能自鎖，在作垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)附加防止逆轉(zhuǎn)的裝置，防止工作臺(tái)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(yán)格對(duì)中并在工作中不發(fā)生相對(duì)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(duì)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(wú)彈性元徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 17 件的、金屬?gòu)椥栽头墙饘僭帧? 在本設(shè)計(jì)中，電機(jī)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(duì)中精度高，傳遞轉(zhuǎn)矩大的特點(diǎn)，采用鉸制孔和受剪螺栓對(duì)中的凸緣聯(lián)軸器具有拆裝方便的優(yōu)點(diǎn)，這符合本設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化操作的原則，所以選擇了采用鉸制孔和受剪螺栓對(duì)中的凸緣聯(lián)軸器來(lái)聯(lián)結(jié)電機(jī)軸和滾珠絲杠軸。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 18 4 主要零部件的計(jì)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(dòng)工作臺(tái)是滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫作進(jìn)給牽引力。它包括滾珠絲杠的走刀抗力及與移動(dòng)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(jī)床加工的特點(diǎn)，當(dāng)銑削槽時(shí)，工作載荷最大，由于銑削時(shí)，工作載荷既包括銑削時(shí)沿著絲杠軸的方向的力（即軸向力），也包括工作臺(tái)及工件的重量（即垂直絲杠軸方向的力）。 Z 軸工作載荷計(jì)算 在以工作壽命為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，應(yīng)按實(shí)際加工過(guò)程平均銑削條件為準(zhǔn)，因此取 ea =， fa =， pa =10mm， z=4， 0d =50mm，對(duì)圓柱銑刀， fzC =，則主切削力的計(jì)算見(jiàn)公式（ ）。 zF = zdaaaC pfefz 式（ ） 式中 zF —— 主切削力， N； fzC —— 加工不同工件材料時(shí)的銑削力系數(shù)； ea —— 銑削寬度， mm； fa —— 進(jìn)給量， mm； 0d —— 銑刀直徑， mm； z—— 銑刀齒數(shù)； 對(duì)于圓柱銑刀加工時(shí)，各切削分力有進(jìn)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(gè)銑削分力的經(jīng)驗(yàn)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(jiàn)公式（ ） )2( GFFfKFF CVHm ????? 式（ ） 其中 ? ， f? =， G=1400N 則 Fm=1300N 滾珠絲杠螺母副的計(jì)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(jì)目標(biāo)快速進(jìn)給的最高速度為 Vmax，伺服電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 19 nmax 及電機(jī)與絲杠的傳動(dòng)比ｉ來(lái)確定，基本絲杠導(dǎo)程應(yīng)滿足公式（ ）： maxmaxinVp? 式（ ） 式中 maxV —— 工作臺(tái)的最高轉(zhuǎn)速， r／ min； maxn —— 伺服電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速， r／ min； i—— 傳動(dòng)比； 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)采用絲杠與電動(dòng)機(jī)直接相連，所以 i=1。 根據(jù)查閱機(jī)械手冊(cè)可知步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(dòng)載荷 C 計(jì)算 在選擇滾珠絲杠螺母過(guò)程中，一般首先根據(jù)動(dòng)載強(qiáng)度計(jì)算或靜載強(qiáng)度計(jì)算來(lái)確定其尺寸規(guī)格，然后對(duì)其剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行校核計(jì)算。 額定動(dòng)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(fù)荷力的測(cè)試運(yùn)轉(zhuǎn)下，能通過(guò) 106 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而有 90%步產(chǎn)生疲勞損傷時(shí)所能承受的最大軸向載荷。 當(dāng)轉(zhuǎn)速 n＞ 10r/min 時(shí)，滾珠絲杠螺母副的主要破壞形式是工作表面的疲勞點(diǎn)蝕，因此要進(jìn)行動(dòng)載強(qiáng)度計(jì)算，其計(jì)算動(dòng)載荷 C 應(yīng)小于或等于滾珠絲杠螺母副的額定動(dòng)負(fù)荷，見(jiàn)公式（ ） rmm FFfLC ?? 3 式（ ） 式中 mf —— 動(dòng)載荷系數(shù)， 一般 ? ～ ； mF —— 當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷， N； rF —— 滾珠絲杠螺母副的額定動(dòng)載荷， N； L—— 壽命，以 106 轉(zhuǎn)為 1單位 ,見(jiàn)式（ ） L=61060neqT 式（ ） 式中 T—— 使用壽命， h，一般機(jī)床可取 T=10000h，數(shù)控機(jī)床可取T=15000h； eqn —— 滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速見(jiàn)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(jìn)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(jiàn)式（ ） 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 20 L=610 500150060 式（ ） =450h 本題取 fd=， 因此，計(jì)算動(dòng)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(hào)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(hào)為 CDM32055P2,其額定動(dòng)載荷是 19249N，強(qiáng)度足夠用。 效率計(jì)算 根據(jù)《機(jī)械原理》的公式，絲杠螺母副的傳動(dòng)效率 η 見(jiàn)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(dòng)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(jī)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(duì)機(jī)床定位精度最明顯。一般的初步設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)定絲杠的任意 300mm 行程變動(dòng)量 V 300應(yīng)小于目標(biāo)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(jí)為 2級(jí)。 滾珠絲杠的制動(dòng) 由于滾珠絲杠的傳動(dòng)效率高，無(wú)自鎖功能（特別是本次設(shè)計(jì)中的 Z向傳動(dòng)），為了防止自重下降，必須裝有制動(dòng)裝置。目前常用的制動(dòng)方式有機(jī)械式和電氣式兩種。 電氣方式是采用電磁制動(dòng)器，而且這種制動(dòng)器就做在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部。加工中心工作時(shí)，在制動(dòng)器線圈電磁力的作用下，使兩齒輪脫開(kāi)，彈簧受壓縮，當(dāng)停機(jī)或停電時(shí)，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(jī)軸的聯(lián)接的絲杠得到制動(dòng)。 機(jī)械制動(dòng)是采用摩擦離合器。加工中心工作時(shí) ，電磁鐵通電，使摩擦離合器脫開(kāi)，運(yùn)動(dòng)由伺服電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器傳給絲杠，帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。當(dāng)加工完畢，伺服電機(jī)和電磁鐵同時(shí)斷電，借壓力彈簧作用合上摩擦離合器，使絲杠不能轉(zhuǎn)動(dòng)，工作臺(tái)便停止。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 21 本次設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(jì)師時(shí)盡量使絲杠受拉伸。對(duì)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(jī) 構(gòu)。圖 42為一端軸向固定一端游動(dòng)的支承配置方式，對(duì)于高精度、中等轉(zhuǎn)速的較長(zhǎng)的臥式安裝絲杠，為了防止熱變形造成絲杠變長(zhǎng)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(duì)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(duì)絲杠施加預(yù)緊力，又能讓彈簧補(bǔ)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(dòng) 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 22 圖 43兩端固定 由于本設(shè)計(jì)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(guò)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(wú)預(yù)緊時(shí)的 2倍。但是，預(yù)緊載荷過(guò)大，將使壽命下降和摩擦力矩加大。通常，滾珠絲桿在出廠時(shí)，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(dòng)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(diǎn)：結(jié)構(gòu)見(jiàn)到，裝卸方便，剛度高；調(diào) 整不便，滾道有磨損時(shí)，不能隨時(shí)消除間隙和預(yù)緊，適用于高剛度重載傳動(dòng)。 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(zhǔn)確性差，且易于松動(dòng)，適用于剛度要求不高或隨時(shí)調(diào)節(jié)預(yù)緊的傳動(dòng)。 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