【正文】 提升我國在這類產(chǎn)品設(shè)計中的設(shè)計水平。 2）研究方法 文獻(xiàn)查閱研究、實體操作、功能分析、調(diào)差法 2 總體方案設(shè)計 在數(shù)控機(jī)床發(fā)展的初級階段，人們通常認(rèn)為任何設(shè)計優(yōu)良的傳統(tǒng)機(jī)床只要裝機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） viii 備了數(shù)控裝置就能成為一臺完善的數(shù)控機(jī)床。但隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，考慮到它 的控制方式和使用特點，對機(jī)床的生產(chǎn)率、加工精度和壽命提出了更高的要求?，F(xiàn)以機(jī)床的精度為例，數(shù)控機(jī)床通過數(shù)字信息來控制刀具與工件的相對運動，它要求在相當(dāng)大的進(jìn)給速度范圍內(nèi)能達(dá)到較高的精度。 ～ ；進(jìn)行輪廓加工時，在 520xxmm/min 的進(jìn)給范圍內(nèi)，精度為 ～ 。 用數(shù)控機(jī)床加工中、小批量工件時，要求在保證質(zhì)量的前提下比傳統(tǒng)加工方法有更好的經(jīng)濟(jì)性。如果不采取措施大幅度地壓縮單件加工工時，就不可能獲得較好的經(jīng)濟(jì)效果。然而這些要求將會明顯地增加機(jī)床的負(fù)載和負(fù)載狀 態(tài)下的運轉(zhuǎn)時間，因而對機(jī)床的剛度及壽命都提出了新的要求。除了排除操作者的技術(shù)熟練程度對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，以避免人為造成的廢品和返修品，數(shù)控系統(tǒng)不但要對刀具的位置或軌跡進(jìn)行控制，而且還要具備自動換刀和補償?shù)绕渌δ?，因而機(jī)床的結(jié)構(gòu)必須有很高的可靠性，以保證這些功 能的正確執(zhí)行。通用型數(shù)控機(jī)床雖然能夠很好地滿足各類用戶的需求，但由于機(jī)床的功能過于齊全，使售價提高，用戶不得不為多余的功能承擔(dān)額外的費用，成本的上升必然會削弱產(chǎn)品在市場上的競爭力；而專用機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） ix 型數(shù)控機(jī)床對某具體的零件雖然具有良好的經(jīng)濟(jì)性，但它限制了加工對象的品種變化，使生產(chǎn)柔性下降。 數(shù)控機(jī)床通常由床身、立柱、主軸箱、工作臺、刀架系統(tǒng)及電氣總成等部件組成。這不僅能降低數(shù)控機(jī)床的設(shè)計和制造成本，而且能縮短設(shè)計和制造周期，最終贏得市場。 數(shù)控機(jī)床的機(jī)電一體化是對總體設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計提出的重要要求。新型數(shù)控機(jī)床的各系統(tǒng)已不再是各自不相關(guān)聯(lián)的獨立系統(tǒng)。電氣總成也已不再是單純游離于機(jī)床之外的獨立部件，而是在布局上和機(jī)床結(jié)構(gòu)有機(jī)地融為一體。 主要技術(shù)參數(shù)： 此處省略 NNNNNNNNNNNN 字。根據(jù)工件加工的需要，在機(jī)床上各運動坐標(biāo)的數(shù)字控制可以是相互獨立的，也可以是聯(lián)動的。為滿足這種要求，首先需要高性能的伺服驅(qū)動電機(jī)，同時也需要高質(zhì)量的機(jī)械結(jié)構(gòu)與之匹配。由于開環(huán)系統(tǒng)不再有檢測元件檢查運動部件的實際位移，這種轉(zhuǎn)換精度決定了加工的精度。為提高進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)傳動剛度的措施主要有以下幾項。 2．消除傳動元件之間的間 隙 傳動元件之間的間隙會導(dǎo)致運動反向時指令脈沖的 丟失或系統(tǒng)運動不穩(wěn)定。 3．盡可能縮短進(jìn)給傳動運動鏈的長度 縮短進(jìn)給傳動運動鏈的長度有助于提高數(shù)控機(jī)床的傳動剛度，然而，進(jìn)給傳動運動鏈的縮短首先要求伺服電機(jī)調(diào)速范圍和輸出轉(zhuǎn)矩能滿足加工精度、生產(chǎn)率和快速運動的需要。已經(jīng)實現(xiàn)了驅(qū)動電機(jī)不通過減 速環(huán)節(jié)直接連接絲杠帶動運動部件進(jìn)行運動的方案。直接驅(qū)動取消了包括絲杠在內(nèi)的所有機(jī)械傳動元件，實現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床的“零傳動”。 采用預(yù)緊措施 預(yù)加載荷可以消除滾動摩擦傳動副的間隙和提高其傳動剛度，也可以提高傳動元件的剛度。 機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） xi （ 2）采用低而穩(wěn)定摩擦的傳動副 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng) 多采用剛度高摩擦系數(shù)小而穩(wěn)定的滾動摩擦副，如滾珠絲杠螺母副、直線滾動導(dǎo)軌等，聚四氟乙烯導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌由于其摩擦系數(shù)小，阻尼大，也為數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動所采用。 ～ ／300mm，精密級的定位精度已從 ／全行程提高到177。 由于在提高傳動精度和剛度、消除間隙等方面的努力，使數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力，即伺服系統(tǒng)的響應(yīng)能力和機(jī)械傳動裝置的加速能力方面已有了大幅度提高，過渡過程時間已能控制在 200ms 之內(nèi)，正在向提高到幾十毫秒之內(nèi)發(fā)展。 （ 4）進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵元件 為保證伺服進(jìn)給系統(tǒng)工作的精度、剛度和穩(wěn)定性，系統(tǒng)對機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要要求是 高精度、 高剛度、低摩擦和低慣量。驅(qū)動電機(jī)和反饋元件的選用也很重要，將在其它章節(jié)介紹。決定采用步進(jìn)電動機(jī)通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動滾珠絲杠運動的形式，采用這種傳動機(jī)構(gòu)具有以下幾個好處： （ 1）減少傳動鏈容易能夠達(dá)設(shè)計要求 （ 2）結(jié)構(gòu)緊湊。 在 YAG 激光器數(shù)控系統(tǒng)中存在三個方向的進(jìn)給運動 X、 Y、 Z，因此存在三個進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計。 X 向滾珠絲杠的設(shè)計計算 滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)原理圖。 滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)原理圖 1— 內(nèi)滾道 2— 外滾道 當(dāng)絲杠螺母相對運動時，滾珠在內(nèi)外弧形螺紋形的滾道內(nèi)滾動，為保持絲杠螺母連續(xù)工作，滾珠通過螺母上的返回裝置完成循環(huán)。內(nèi)循環(huán)方式指在循環(huán)過程中滾珠始終保持和絲杠接觸。外循環(huán)方式則在循環(huán)過程中滾 珠與絲杠脫離接觸，制造相對容易些。 表 31 通過預(yù)緊可以消除間隙保證換向精度是滾珠絲杠螺母副的特點。雙螺母消除間隙的結(jié)構(gòu)主要有三種形式： 1． 墊片調(diào)隙式 如圖 32 所示，調(diào)整墊片厚度可通過改變兩個螺母間位移消除傳動副的軸向間隙。 機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） xiv 圖 32 2． 螺紋調(diào)隙式 如圖 33 所示，通過轉(zhuǎn)動螺母改變兩個螺母間位移來消除傳動副的軸向間隙。缺點是軸向尺寸較長，會增加絲杠螺紋部分的長度。內(nèi)齒圈通過螺釘固定在螺母外的套筒 3 端面。當(dāng)調(diào)整間隙時，將兩個外齒輪從內(nèi)齒圈中抽出并相對內(nèi)齒圈分別同向轉(zhuǎn)動一個齒，然后插回原內(nèi)齒圈中。當(dāng) P=10mm 時，間隙的調(diào)整量為 。雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但仍然得到廣泛應(yīng)用。如工作臺重量引起的摩擦力。 當(dāng)負(fù)荷與轉(zhuǎn)速接近正比變化時，各種轉(zhuǎn)速使用機(jī)會均等時，可采用下列公 式計算： 機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） xvii 所以 max minm nn 30 00 0 150022? ?? ? ?r/min ? ??? ? ?max minm 2 F F 2F （ 3） 預(yù)期額定 動載荷 1） 按預(yù)期工作時間估算 輕微沖擊取 w wf = 精度等級取 af ＝ 1 可靠性系數(shù) cf ＝ 1 預(yù)期工作時間 hL ＝15000H 帶入得 mC ＝ （ 4） 確定允許的最小螺紋底徑 （ 1） 估算絲杠允許的最大軸向變形量 ① ≤ （ 1/3～ 1/4）重復(fù)定位精度 ② ≤ （ 1/4～ 1/5）定位精度 : 最大軸向變形量 （ 181。m, 定位精度 25181。m (2）估算最小螺紋底徑 絲杠要求預(yù)拉伸，取兩端固定的支承形式 md2 ：最小螺紋底徑（ mm） (～ )行程 +（ 10～ 14） hP 已知：行程為 300mm, ? ? ?10W 30 gN ,μ 代入得 2md （ 5） 確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號 （ 1） FF 型 內(nèi)循環(huán)單螺母式滾珠絲杠 組成得墊片預(yù)緊的雙螺母滾珠絲桿付 （ 2） 由計算出的 在樣本中取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副 FF16053 機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） xix ?hP5 （ 6） 確定滾珠絲杠副預(yù)緊 力 p max1FF3? p 1F ? ? ?N （ 7）行程補償值與與拉伸力 （ 1） 行程補償值 ?? ? ? 6uC tL 10 式中： ?uL 350mm ?C m (2) 預(yù)拉伸力 代入得 ?tF （ 8） 確定滾珠絲杠副支承用的軸承代號、規(guī)格 （ 1） 軸承所承受的最大軸向載荷 機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） xx 代入得 ? ? ?B m a xF 8 1 1 . 2 3 . 9 2 8 1 5 . 1 2 （ 2）軸承類型 兩端固定的支承形式，選背對背 60176。 外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩 T() 式中 hP —— 滾珠絲杠副導(dǎo)程 η —— 未預(yù)緊的滾珠絲杠副效率 3 級 精度的絲杠 η ＝ 4 級精度的絲杠 η ＝ F—— 作用在滾珠絲杠副上的外加軸向載荷，不同情況下取值不一樣。 33 . 9 2 5 1 0＝ m2π η?? ?? f p o t oT T T 0 . 1 6 N m? ? ?＝ T 2).負(fù)荷轉(zhuǎn)動慣量 JL()及傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量 J()的計算。 mt —— 電機(jī)時間常數(shù)。 40CB 系列交流伺服電機(jī) 絕緣電阻 —— 500VDC 100MW Min 絕緣強度 —— 1500VAC 1Minute 環(huán)境溫度 —— 20℃ ～ +50℃ 絕緣等級 —— B 級 機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） xxiv 技術(shù)參數(shù) 單位 伺服電機(jī)型號 40CB005C2DE6E 貨物編碼 031601 額定輸出功率 W 50 額定轉(zhuǎn)矩 瞬間最大轉(zhuǎn)矩 額定轉(zhuǎn)速 rpm 3000 最高轉(zhuǎn)速 rpm 3600 電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量 轉(zhuǎn)矩系數(shù) 額定相電流 A 瞬間最大相電流 A 電樞繞阻相電阻 Ω 電樞繞阻相電感 mH 機(jī)械時間常數(shù) ms 電氣時間常數(shù) ms 重量 kg 編碼器 P/R 2500 負(fù)載慣量 負(fù)載慣量 ≤ 電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量 179。 定位精度 定位精度為 16um/300 機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） xxviii V300p＜ 絲杠精度取為 3 級 V300p=12um＜ (5) 確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號 已確定的型號： FF 公稱直徑： 16 導(dǎo)程： 5 螺紋長 度： 380 絲杠全長： 470 P 類 1級精度 FF16051P3/380179。 （ 14)驗算臨界轉(zhuǎn)速 72c 2c2dn f 10L?? :臨界轉(zhuǎn)速 （ n/min） f：與支承形式有關(guān)的系數(shù) ：絲杠底徑 機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） xxix ：臨界轉(zhuǎn)速計算長度 (mm) 由表得 f= 由樣本得 d2= 由工作圖及表 14 得： Lc2= L1 L0 2097＞ maxn =1500 (15)驗算： maxnDD wn ? wD —— 滾珠絲杠副的節(jié)圓直徑 （ mm） maxn —— 滾珠絲杠副最高轉(zhuǎn)速 （ n/min） wD ≈ maxn =1200r/min 19680＜ 70000 （ 16)滾珠絲杠副形位公差的標(biāo)注（略） 表 1 支承方式 簡 圖 K2 λ f 一端固定 一端自由 機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） xxx 一端固定 一端游動 2 二端支承 1 二端固定 4 內(nèi)循環(huán)單螺母式滾珠絲杠副尺寸系列 X 向?qū)к壴O(shè)計計算 導(dǎo)軌副約束執(zhí)行部件運動，保證其正確運動軌跡，對伺服進(jìn)給系統(tǒng)的工作性能有重要影響?；剞D(zhuǎn)型導(dǎo)軌在加工中心的回轉(zhuǎn)工作臺上也有應(yīng)用，其工作原理和特點與直線型導(dǎo)軌是相同的。因而運動靈活，定位精度高，通過預(yù)緊可以提高剛度和抗振性，承受較大的沖擊和振動，壽命長。 1．滾動直線導(dǎo)軌 圖 3— 5 是這種結(jié)構(gòu)的示意圖。導(dǎo)軌溝槽機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） xxxi 圓弧的曲率為滾動體的 52％ — 53％ ，因而滾珠在負(fù)荷方向為兩點接觸，即使制造有誤差仍能保持滾珠靈活轉(zhuǎn)動，而且由于兩者直徑相差不大，接觸應(yīng)力小，運動約束好。滾動直線導(dǎo)軌在裝配平面上采用整體安裝的方法，因而即使安裝平面有些偏差，也能因自身變形的矯正而保證滾珠仍然能順暢地滾動。圖 3— 6 是這種結(jié)構(gòu)的示意圖。滾動導(dǎo)軌塊剛度高、承載能力強、便于拆卸，它的行程取決于支承件導(dǎo)軌平面的長度。 圖 36 機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） xxxii 導(dǎo)軌的選擇 : 根據(jù)滾珠絲桿得選擇計算上得數(shù)據(jù)對于 XY 方向選用 GZV4 型滾柱交叉導(dǎo)軌副 滾柱交叉導(dǎo)軌副是由兩根具有 V