三自由度工作臺(tái)設(shè)計(jì)
三自由度工作臺(tái)設(shè)計(jì),三自由度工作臺(tái)設(shè)計(jì),自由度,工作臺(tái),設(shè)計(jì)
桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
題 目： 三自由度工作臺(tái)設(shè)計(jì)
院 （系）： 機(jī)電工程系
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué)生姓名：
學(xué) 號(hào)：
指導(dǎo)教師單位： 桂林電子科技大學(xué)
姓 名： 唐 良 寶
職 稱： 教 授
題目類型：¨理論研究 ¨實(shí)驗(yàn)研究 t工程設(shè)計(jì) ¨工程技術(shù)研究 ¨軟件開發(fā)
2014年4月 日
摘 要
本文全面闡述了三自由度工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計(jì)特點(diǎn)，論述了采用伺服電機(jī)和滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點(diǎn)。詳細(xì)介紹了三自由度工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核，并進(jìn)行了分析。另外匯總了有關(guān)技術(shù)參數(shù)。
高速度、高精度、高效率和高剛度已成為當(dāng)今數(shù)控機(jī)床發(fā)展的主要方向，普通龍門機(jī)床一般只能進(jìn)行單面，當(dāng)零件的另一個(gè)表面時(shí)，需要加裝一個(gè)直角轉(zhuǎn)換頭或者調(diào)轉(zhuǎn)零件的面后重新裝夾，這不但增加了機(jī)床操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，影響效率，并且重新定位裝夾也降低了零件的精度，為了彌補(bǔ)這些不足，龍門三自由度工作臺(tái)便應(yīng)運(yùn)而生。五面體三自由度工作臺(tái)一次裝夾就能實(shí)現(xiàn)工件五個(gè)表面的，這大大提高了零件的精度和效率，降低生產(chǎn)成本，因此五面體三自由度工作臺(tái)成為當(dāng)前數(shù)控機(jī)床行業(yè)重點(diǎn)研究的對(duì)象之一。
其中著重介紹了滾珠絲杠的原理及選用原則，系統(tǒng)地對(duì)滾珠絲杠生產(chǎn)、應(yīng)用等環(huán)節(jié)進(jìn)行了介紹。包括種類選擇、參數(shù)選擇、精度選擇、循環(huán)方式選擇、與主機(jī)匹配的原則以及廠家的選擇等。
關(guān)鍵詞：三自由度工作臺(tái)，數(shù)控，伺服電機(jī)，滾珠絲杠
Abstract
This paper describes the structure and principle, five axis surface induction hardening machine design features, discusses the advantages of using servo motor and ball screw nut pair. This paper introduces in detail the structure design and calculation of five axis surface induction hardening machine, and analyses the. In addition a summary of the relevant technical parameters.
High speed, high precision, high efficiency and high stiffness has become the main direction of the development of CNC machine tools, general Longmen machine tool generally only one side quenching, when another surface hardening of parts, need to install a right angle conversion or transfer quenching surface after the heavy clothes clip, which not only increase the labor intensity the effect of quenching machine tool operators, efficiency, and re positioning and clamping also decreases the quenching accuracy of parts, in order to make up for these deficiencies, Longmen five axis surface induction hardening machine will emerge as the times require. Five sides of five axis surface induction hardening machine once clamping workpieces can be realized five surface quenching, which greatly improves the accuracy of quenching and the quenching efficiency, reduce the production cost, so the five sides of five axis surface induction hardening machine has become one of the key research object number controlled machine tool industry.
The paper introduces the principle and selection of ball screw, ball screw system of production, application and other aspects were introduced. Including the principle and type selection, parameter selection, manufacturer of precision, circulation mode selection, selection and matching host selection.
Key Words: five axis surface induction hardening machine, CNC system, servo motor, ball screw
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 緒 論 1
1.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及趨勢 1
1.2 三自由度工作臺(tái)的基本原理 2
1.3工作臺(tái)伺服進(jìn)給系統(tǒng) 3
1.4 伺服驅(qū)動(dòng)裝置 5
1.5 課題研究的目的和意義 5
第2章 設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求 7
2.1課題的主要內(nèi)容和基本要求 7
2.2進(jìn)度計(jì)劃與應(yīng)完成的工作 7
2.3 設(shè)計(jì)的內(nèi)容 8
2.3.1 數(shù)控裝置總體方案的確定 8
2.3.2 機(jī)械部分的設(shè)計(jì) 8
2.3.3 編寫設(shè)計(jì)說明書 8
2.4 機(jī)床主要部件及運(yùn)動(dòng)方式的選定 8
第3章 絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 10
3.1 滾珠絲杠螺母副的選用設(shè)計(jì) 10
3.1.1 滾珠絲杠副的傳動(dòng)原理 11
3.1.2 滾珠絲杠副的傳動(dòng)特點(diǎn) 11
3.1.3 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)與調(diào)整 12
3.1.4 軸向間隙的調(diào)整和加預(yù)緊力的方法 13
3.2滾珠絲杠的選擇 15
3.2.1滾珠絲杠的精度 15
3.2.2 滾珠絲杠參數(shù)的計(jì)算 15
3.3伺服電機(jī)的選擇 19
3.3.1最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 19
3.3.2負(fù)載慣量的計(jì)算 19
3.3.3空載加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算 21
3.4滑動(dòng)導(dǎo)軌的選擇計(jì)算 21
3.3.1工作載荷的計(jì)算 21
3.3.2小時(shí)額定工作壽命的計(jì)算 22
3.3.3距離額定工作壽命的計(jì)算 22
3.3.4額定動(dòng)載荷計(jì)算及選型 22
3.5聯(lián)軸器的選擇 23
3.6軸承的選擇 23
3.7 滾珠絲杠副的安全使用 24
3.7.1 潤滑 24
3.7.2 防塵 25
3.7.3使用 25
3.7.4 安裝 25
第4章 硬件電路圖的設(shè)計(jì) 26
4.1微機(jī)控制系統(tǒng)組成及特點(diǎn) 26
4.1.1微機(jī)控制系統(tǒng)的組成 26
4.1.2微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn) 26
4.2微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)備介紹 27
4.2.1主控制器CPU的選擇 27
4.2.2存儲(chǔ)器電路的擴(kuò)展 28
4.2.3 I/O口電路的擴(kuò)展 29
4.2.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 29
4.2.5其它輔助電路設(shè)計(jì) 30
4.3程序部分 31
總結(jié) 35
參考文獻(xiàn) 36
致 謝 37
37
第1章 緒 論
1.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及趨勢
1946年誕生了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，這表明人類創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分代替腦力勞動(dòng)的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會(huì)中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動(dòng)的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進(jìn)入信息社會(huì)奠定了基礎(chǔ)。6年后，即在1952年，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上，在美國誕生了第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個(gè)世紀(jì)以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段和六代的發(fā)展。
數(shù)控NC階段（1952年-1970年）
早期計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度低，對(duì)當(dāng)時(shí)的科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理影響還不大，但不能適應(yīng)機(jī)床實(shí)時(shí)控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路"搭"成一臺(tái)機(jī)床專用計(jì)算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控（HARD-WIRED NC），簡稱為數(shù)控（NC）。隨著元器件的發(fā)展，這個(gè)階段經(jīng)歷了三代，即1952年的第一代—電子管；1959年的第二代—晶體管；1965年的第三代—小規(guī)模集成電路。
計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）階段（1970年-現(xiàn)在）
到1970年，通用小型計(jì)算機(jī)業(yè)已出現(xiàn)并成批生產(chǎn)。于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進(jìn)入了計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）階段（把計(jì)算機(jī)前面應(yīng)有的“通用”兩個(gè)字省略了）。到1971年，美國INTEL公司在世界上第一次將計(jì)算機(jī)的兩個(gè)最核心的部件—運(yùn)算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術(shù)集成在一塊芯片上，稱之為微處理器（MICROPROCESSOR），又可稱為中央處理單元（簡稱CPU）。
到1974年微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因?yàn)樾⌒陀?jì)算機(jī)功能太強(qiáng)，控制一臺(tái)機(jī)床能力有富裕（故當(dāng)時(shí)曾用于控制多臺(tái)機(jī)床，稱之為群控），不如采用微處理器經(jīng)濟(jì)合理。而且當(dāng)時(shí)的小型機(jī)可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高，但可以通過多處理器結(jié)構(gòu)來解決。由于微處理器是通用計(jì)算機(jī)的核心部件，故仍稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控。
到了1990年，PC機(jī)（個(gè)人計(jì)算機(jī)，國內(nèi)習(xí)慣稱微機(jī)）的性能已發(fā)展到很高的階段，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。數(shù)控系統(tǒng)從此進(jìn)入了基于PC的階段。
總之，計(jì)算機(jī)數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。即1970年的第四代—小型計(jì)算機(jī)；1974年的第五代—微處理器和1990年的第六代—基于PC（國外稱為PC-BASED）。
還要指出的是，雖然國外早已改稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控（即CNC）了，而我國仍習(xí)慣稱數(shù)控（NC）。所以我們?nèi)粘Ｖv的"數(shù)控"，實(shí)質(zhì)上已是指"計(jì)算機(jī)數(shù)控"了。
3.數(shù)控未來發(fā)展的趨勢
(1) 繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展
基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點(diǎn)，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會(huì)走上這條道路。至少采用PC機(jī)作為它的前端機(jī)，來處理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。PC機(jī)所具有的友好的人機(jī)界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程通訊，遠(yuǎn)程診斷和維修將更加普遍。
(2) 向高速化和高精度化發(fā)展
這是適應(yīng)機(jī)床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。
(3) 向智能化方向發(fā)展
隨著人工智能在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。
1.2 三自由度工作臺(tái)的基本原理
數(shù)控控制（Numerical Control）是用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)及其過程進(jìn)行控制的一種控制方法。
數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù)，是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的一門新型的，發(fā)展十分迅速的高新技術(shù)。數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術(shù)范圍所覆蓋的領(lǐng)域又：機(jī)械制造技術(shù)；微電子技術(shù)；信息處理傳輸技術(shù)；自動(dòng)控制技術(shù)；伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)；檢驗(yàn)監(jiān)控技術(shù)；傳感技術(shù)；軟件技術(shù)等。數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的是能技術(shù)和最基本的裝備。在提高生產(chǎn)率，降低成本，保證質(zhì)量及改善工人勞動(dòng)強(qiáng)度等方面，都有突出的優(yōu)點(diǎn)；特別是在適應(yīng)機(jī)械產(chǎn)品迅速更新?lián)Q代，小批量，多品種生產(chǎn)方面，各類數(shù)控裝備是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造技術(shù)的關(guān)鍵。
數(shù)控機(jī)床是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。國際信息處聯(lián)盟（International Federation of Information Processing, IEIP）第五技術(shù)委員會(huì)，對(duì)數(shù)控機(jī)床作了如下的定義：數(shù)控機(jī)床是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機(jī)床。該系統(tǒng)能邏輯的處理具有使用碼或其他符號(hào)編碼指令規(guī)定的程序。
龍門加工中心經(jīng)過長期的技術(shù)發(fā)展和推動(dòng)，已從傳統(tǒng)的單軸式發(fā)展到多軸
式，從傳統(tǒng)龍門加工中心發(fā)展到現(xiàn)代化智能的加工中心，從單面的加工發(fā)展到多
面的加工，發(fā)展速度快，技術(shù)比較成熟。但是對(duì)于龍門五面體加工中心，由于我
國基礎(chǔ)技術(shù)薄弱，研究方法落后，資金投入不足等原因，以及國外對(duì)核心技術(shù)的
封鎖，導(dǎo)致我國五面體加工中心發(fā)展緩慢[4]。從龍門加工中心主要部件的發(fā)展情況來看，國內(nèi)外龍門加工中心的龍門和滑枕的機(jī)構(gòu)基本都具有以下特點(diǎn)：
1. 龍門 主要是由一個(gè)橫梁和兩個(gè)立柱構(gòu)成。分為橫梁固定、橫梁靠定位塊
鎖定分段升降和橫梁任意升降三種類型。橫梁固定式結(jié)構(gòu)機(jī)床剛性好，但不適合
加工大型工件，因?yàn)樵诩庸た拷ぷ髋_(tái)面的工件部位時(shí)，滑枕伸出長度過大，加
工剛性較差，影響加工尺寸精度；橫梁靠定位塊鎖定分段升降型結(jié)構(gòu)機(jī)床剛性較
好，但橫梁升降運(yùn)動(dòng)不能與滑枕上下移動(dòng)聯(lián)動(dòng)，且操作較復(fù)雜；橫梁任意升降型
結(jié)構(gòu)橫梁升降運(yùn)動(dòng)可以與滑枕上下移動(dòng)聯(lián)動(dòng)，加工范圍較廣，適合新產(chǎn)品開發(fā)。
立柱和橫梁的橫截面為矩形，剛性好，可耐重切削并長期保持高精度。主軸箱在
橫梁上的導(dǎo)軌有自重平衡裝置，其動(dòng)作靈活、迅速且準(zhǔn)確。由于主軸箱左右移動(dòng)
時(shí)，橫梁升降用滾珠絲杠所受負(fù)載有變動(dòng)，使精度降低，所以采用配置在橫梁左
右兩側(cè)的油缸來平衡主軸箱左右移動(dòng)造成的變動(dòng)負(fù)載和橫梁本身的自重，以提高
機(jī)床的精度。
2. 滑枕 從結(jié)構(gòu)上可分為開式和閉式兩種型式。開式結(jié)構(gòu)的滑枕通過壓板夾
緊在主軸箱上，滑枕的截面積大；閉式結(jié)構(gòu)的滑枕被夾緊在主軸箱內(nèi)，滑枕的截
面積小。主軸箱內(nèi)有液壓平衡裝置，使滑枕上下移動(dòng)靈活，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力重切削。
主軸滑枕內(nèi)部采用強(qiáng)制內(nèi)冷卻，即使作長時(shí)間連續(xù)重切削，也可保持高精度。滑
枕的行程以滿足工件側(cè)面下部的加工要求為宜，不宜太長，以免影響加工時(shí)的機(jī)
床剛度。滑枕采用一體型的結(jié)構(gòu)，以提高機(jī)床的整體剛性。
1.3工作臺(tái)伺服進(jìn)給系統(tǒng)
工作臺(tái)伺服進(jìn)給系統(tǒng)是一機(jī)床移動(dòng)位置為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它根據(jù)數(shù)控裝置輸出的電脈沖信號(hào)，是機(jī)床工作臺(tái)、主軸等移動(dòng)部件按照規(guī)定的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向和位置要求做相應(yīng)的移動(dòng)，并對(duì)其定位精度加以控制。工作臺(tái)性能在很大程度上取決于進(jìn)給伺服系統(tǒng)的性能。
進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是機(jī)床成型運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要部分，其傳動(dòng)質(zhì)量直接關(guān)系到機(jī)床的加工性能。工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是數(shù)字控制的直接對(duì)象被加工工件最終坐標(biāo)位置精度和輪廓精度都會(huì)受到進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。工作臺(tái)對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的要求集中在精度、穩(wěn)定和快速響應(yīng)等方面。為滿足這種要求，首先需要高性能的伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)也需要高質(zhì)量的機(jī)械結(jié)構(gòu)與之匹配。因此工作臺(tái)的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)需滿足如下要求。
（1）高的傳動(dòng)精度與定位精度 工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和定位精度，是機(jī)床最重要的性能指標(biāo)。傳動(dòng)精度直接影響機(jī)床加工輪廓面的精度，定位精度直接關(guān)系到加工的尺寸精度。
（2）寬的進(jìn)給調(diào)速范圍 為保證工作臺(tái)在不同工況下對(duì)進(jìn)給速度的選擇，進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)該有較大的調(diào)速范圍。工作臺(tái)的伺服進(jìn)給系統(tǒng)一般為3-10000mm/min。
（3）快的響應(yīng)速度 所謂快速響應(yīng)，是指進(jìn)給系統(tǒng)對(duì)指令信號(hào)的變化跟蹤要快，并能迅速趨于穩(wěn)定。目前，工作臺(tái)已較普遍的采用了伺服電動(dòng)機(jī)不通過減速環(huán)節(jié)直接連接絲杠帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的方案。本次設(shè)計(jì)就是采用了這個(gè)方案來獲取快的響應(yīng)速度。
（4）低速、大轉(zhuǎn)矩 根據(jù)機(jī)床的加工特點(diǎn)，經(jīng)常在低速下進(jìn)行重切削，即在低速下進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須有大的轉(zhuǎn)矩輸出。
此次設(shè)計(jì)采用的是半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)的精度雖然比閉環(huán)系統(tǒng)的精度要低一些，但是它的結(jié)構(gòu)與調(diào)整比較簡單。而且，在半閉環(huán)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)角測量表較容易實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用非常廣泛。
圖2-1 半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)原理圖
1.4 伺服驅(qū)動(dòng)裝置
伺服驅(qū)動(dòng)裝置接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給指令信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為角位移或直線位移，從而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)要求的運(yùn)動(dòng)。伺服驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)該滿足如下要求。
（1）精度高。輸出位移有足夠的精度，即實(shí)際位移與指令位移之差要小。
（2）應(yīng)該具有較長時(shí)間的大過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電動(dòng)機(jī)要求數(shù)分鐘內(nèi)過載4-6倍而不損壞。
（3）調(diào)速范圍寬，而且從最低速到最高速時(shí)，電動(dòng)機(jī)均能平滑運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，特別是在低速（如0.1r/min或更低）時(shí)，速度平穩(wěn)而無爬行現(xiàn)象。
（4）能承受頻繁振動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。
在工作臺(tái)的閉環(huán)或半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)中，伺服驅(qū)動(dòng)裝置主要采用交、直流伺服電動(dòng)機(jī)。
直流伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速特性，可以方便地在寬調(diào)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑無極調(diào)速，故多用在對(duì)伺服電機(jī)的調(diào)速性能要求較高的工作臺(tái)上。
交流伺服電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子慣量比直流電動(dòng)機(jī)小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，輸出的功率可比直流電動(dòng)機(jī)提高10%-70%，可達(dá)到更高的電壓和轉(zhuǎn)速。
1.5 課題研究的目的和意義
工作臺(tái)是一種在計(jì)算機(jī)控制下帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)的能完成多工序復(fù)合加工的自動(dòng)化機(jī)床，并正向高速高效、高精度、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和復(fù)合化方向發(fā)展。由于工作臺(tái)是典型的集高新技術(shù)于一體的機(jī)械加工設(shè)備，其生產(chǎn)效率高、柔性好、一機(jī)多用和易于加工復(fù)雜的曲線、曲面零件等特點(diǎn)，早已成為工業(yè)發(fā)達(dá)國家軍民機(jī)械工業(yè)的主力加工設(shè)備。
一個(gè)國家的工作臺(tái)擁有量、消費(fèi)量及總體技術(shù)水平與這個(gè)國家機(jī)械工業(yè)的加工制造技術(shù)水平息息相關(guān)。我國的工作臺(tái)從70年代開始，已有很大發(fā)展，但技術(shù)、品種和數(shù)量上都還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)我國的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)發(fā)展的需要。進(jìn)入21世紀(jì)以后，中國工作臺(tái)的消費(fèi)量隨著軍民機(jī)械工業(yè)的大規(guī)模技術(shù)改造而迅速增長，如2001年中國工作臺(tái)的消費(fèi)量僅為2662臺(tái)（其中進(jìn)口2290臺(tái)），而同年美國、日本和德國的工作臺(tái)消費(fèi)量分別為11505、6090和5291臺(tái)。到了2005年，中國工作臺(tái)的消費(fèi)量猛增至約13200臺(tái)（估計(jì)值，工作臺(tái)的產(chǎn)量數(shù)據(jù)未公布），其中進(jìn)口10343臺(tái)。2005年工作臺(tái)的消費(fèi)量是2001年的4.96倍，年均增幅達(dá)49.2%，一舉超過美、日、德諸國，成為世界上消費(fèi)工作臺(tái)最多的國家。
根據(jù)《機(jī)械工人》雜志社等單位的調(diào)查，從近600份重點(diǎn)用戶的有效問卷中得出的結(jié)果是，工作臺(tái)機(jī)床的應(yīng)用已遍及全國26個(gè)行業(yè)，其中汽車、摩托車及其零部件制造業(yè)占24%，航空航天和軍工行業(yè)占18%，機(jī)床工具業(yè)占11%，模具行業(yè)占8%，輕工機(jī)械行業(yè)占4%。在這些企業(yè)擁有的工作臺(tái)中，雖然普及型的立式和臥式工作臺(tái)仍占多數(shù)，但多軸聯(lián)動(dòng)、高速、大型精密等高檔工作臺(tái)也占有一定比重，如在所調(diào)查的近600戶用戶中，擁有5軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)的占24%。說明中國市場消費(fèi)的工作臺(tái)雖然以普及型的中檔機(jī)為主，但高檔機(jī)在消費(fèi)量中所占比重估計(jì)已達(dá)15%至20%。
中國消費(fèi)的工作臺(tái)大部分依靠進(jìn)口（2005年進(jìn)口量占消費(fèi)量的七成多），進(jìn)口金額12.97億美元，居各類機(jī)床進(jìn)口額之首，主要從日本、中國臺(tái)灣、德國和韓國等地進(jìn)口。2006年上半年，中國進(jìn)口工作臺(tái)5511臺(tái)，金額6.88億美元，同比分別增長20%和11%，仍保持兩位數(shù)增長，說明中國工作臺(tái)市場的規(guī)模還有增長空間。
工作臺(tái)用于安裝工件，并帶動(dòng)工件進(jìn)給，以完成各種切削加工，是任何切削機(jī)床必不可少的重要部件。與普通切削機(jī)床不同的是，工作臺(tái)的工作臺(tái)是在數(shù)控系統(tǒng)的控制下自動(dòng)完成進(jìn)給的，能夠自動(dòng)完成各種輪廓和曲面的加工。工作臺(tái)直線工作臺(tái)主要在數(shù)控系統(tǒng)控制下完成縱向（X方向）和橫向（Y方向）進(jìn)給。為了實(shí)現(xiàn)任意角度和在切削過程中轉(zhuǎn)臺(tái)能夠回轉(zhuǎn)，工作臺(tái)還要設(shè)置數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，這樣工作臺(tái)就多了一個(gè)NC坐標(biāo)，能夠完成更加復(fù)雜的見曲面的加工。工作臺(tái)常用的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)有分度工作臺(tái)和數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，它們的功用各不相同。分度工作臺(tái)的功用只是將工件轉(zhuǎn)位換面，和自動(dòng)換刀裝置配合使用，實(shí)現(xiàn)工件一次安裝能完成幾個(gè)面的加工。而數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)除了分度和轉(zhuǎn)位的功能外，還能實(shí)現(xiàn)圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
我國近幾年三自由度工作臺(tái)進(jìn)給機(jī)構(gòu)雖然發(fā)展較快，但與國際先進(jìn)水平還存在一定的差距，主要表現(xiàn)在：可靠性差，外觀質(zhì)量差，產(chǎn)品開發(fā)周期長，應(yīng)變能力差。
針對(duì)傳統(tǒng)三自由度工作臺(tái)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的不足之處及生產(chǎn)中存在的問題，有必要在傳統(tǒng)機(jī)床的基礎(chǔ)上研究出新型三自由度工作臺(tái)進(jìn)給機(jī)構(gòu)。通過對(duì)傳統(tǒng)銑床手動(dòng)的進(jìn)給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，加入新技術(shù)，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，降低勞動(dòng)強(qiáng)度及工作量。
三自由度工作臺(tái)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢是：在規(guī)格上將向兩頭延伸，即開發(fā)小型和大型進(jìn)給機(jī)構(gòu)；在性能上將研制以鋼為材料的進(jìn)給機(jī)構(gòu)，大幅度提高進(jìn)給機(jī)構(gòu)的承載能力；在形式上繼續(xù)研制多軸并聯(lián)，甚至于五軸并聯(lián)的進(jìn)給機(jī)構(gòu)。
綜上所訴，三自由度工作臺(tái)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的開發(fā)和設(shè)計(jì)具有很高研究的意義.本課題采用類似的機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果的方法，進(jìn)行三自由度工作臺(tái)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)更好的工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化。
本課題對(duì)三自由度工作臺(tái)進(jìn)給機(jī)構(gòu)部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，研究三自由度工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)，主要部件及典型零件的設(shè)計(jì)方法，其意義如下：
1、通過對(duì)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究掌握機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般步驟和方法；
2、通過對(duì)課題的研究，了解國內(nèi)外有關(guān)數(shù)控機(jī)床的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢；
3、通過畢業(yè)設(shè)計(jì)培養(yǎng)自己的創(chuàng)新精神，提供分析問題和解決問題的能力。
第2章 設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求
2.1課題的主要內(nèi)容和基本要求
本課題要求設(shè)計(jì)一臺(tái)三自由度工作臺(tái)，X、Y軸采用滾珠絲杠螺母副傳動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)變換，機(jī)床主要設(shè)計(jì)參數(shù)下表所示：
X軸有效行程
5000 mm
Y軸有效行程
3000 mm
Z軸有效行程
1000 mm
工作臺(tái)尺寸
2500 mm×5000 mm
加工進(jìn)給速度
0.5 m/min
快速進(jìn)給速度
10 m/min
驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速
2000 r/min
2.2進(jìn)度計(jì)劃與應(yīng)完成的工作
應(yīng)完成的工作：
1、完成二萬字左右的畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書，其中包括400字左右的中文摘要，英文摘要應(yīng)與中文摘要內(nèi)容完全相同；
2、完成與課題相關(guān)，不少于3000漢字的英文資料翻譯（附英文原文）；
3、完成總體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì)；
4、繪制裝配圖及所有非標(biāo)件零件圖。
進(jìn)度計(jì)劃：
1、第1-2周，查閱相關(guān)資料，了解表面感應(yīng)加熱機(jī)床技術(shù)技術(shù)要求，完成開題報(bào)告；
2、第3周，翻譯一篇與設(shè)計(jì)相關(guān)的英文論文；
3、第4-5周，根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定總體方案及計(jì)算；
4、第6周，根據(jù)設(shè)計(jì)要求完成AC軸選型，查找其技術(shù)參數(shù)；
5、第7-11周，完成機(jī)床總體結(jié)構(gòu)、Z軸結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì)；
6、第12-14周，繪制圖紙；
7、第15周，編寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書，準(zhǔn)備答辯。
2.3 設(shè)計(jì)的內(nèi)容
2.3.1 數(shù)控裝置總體方案的確定
(1).數(shù)控裝置設(shè)計(jì)參數(shù)的確定；
(2).方案的分析，比較，論證。
2.3.2 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)
(1).確定脈沖當(dāng)量；
(2).機(jī)械部件的總體尺寸及重量的初步估算；
(3).傳動(dòng)元件及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)，計(jì)算和選用；
(4).確定伺服電機(jī)；
(5).繪制機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖；
(6).系統(tǒng)等效慣量計(jì)算；
(7).系統(tǒng)精度分析。
2.3.3 編寫設(shè)計(jì)說明書
(1) 說明書是設(shè)計(jì)的總結(jié)性技術(shù)文件，應(yīng)敘述整個(gè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，包括提方案的確定，系統(tǒng)框圖的分析，機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算，選用元器件參數(shù)的說明；
(2)論文正文不少于10000字。
2.4 機(jī)床主要部件及運(yùn)動(dòng)方式的選定
（1）伺服電機(jī)的選擇
本次設(shè)計(jì)選用交流伺服電機(jī)，根據(jù)本進(jìn)給系統(tǒng)定位精度的要求，初步選用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。如果經(jīng)計(jì)算后半閉環(huán)系統(tǒng)不能滿足定位精度要求，可改用全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。交流伺服電機(jī)有交流同步電機(jī)和交流感應(yīng)電機(jī)。交流感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，與同容量的直流伺服電動(dòng)機(jī)相比較，質(zhì)量輕、價(jià)格便宜。缺點(diǎn)是不能經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)范圍較大的平滑調(diào)速。所以數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)中一般不采用這種電動(dòng)機(jī)。
交流同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與所用電源的頻率之間存在一種嚴(yán)格的關(guān)系，即在電源電壓和頻率固定不變時(shí)，它的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定不變得。由變頻電源供電給同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，便可方便地獲得與頻率成正比的可變速度。并可得到非常硬的機(jī)械特性及寬的調(diào)速范圍。其結(jié)構(gòu)雖然比感應(yīng)電動(dòng)機(jī)復(fù)雜，但比直流電動(dòng)機(jī)簡單。同步電動(dòng)機(jī)又分為電磁式和非電磁式兩大類。在后一類中又有磁滯式、永磁式和反應(yīng)式多種。在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，多采用永磁式同步電動(dòng)機(jī)。在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中，采用具有大轉(zhuǎn)矩、寬調(diào)速并裝有反饋元件的機(jī)電一體化的永磁式交流同步電動(dòng)機(jī)已十分普及。
（2）滾珠絲杠螺母副的選擇
滾珠絲杠具有高精度、高剛度、高效率及無間隙等優(yōu)點(diǎn)。特別是在半閉環(huán)加工系統(tǒng)中，滾珠絲杠自身的精度對(duì)機(jī)床加工精度有很大的影響，定位精度在很大程度上受到滾珠絲杠精度的影響。
滾珠螺母副[4]的滾珠循環(huán)方式一般會(huì)分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種。對(duì)于內(nèi)循環(huán)方式，滾珠在循環(huán)過程中始終保持與滾珠絲杠接觸。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠螺母副工作滾珠數(shù)目少，徑向尺寸緊湊，摩擦損失少，流暢性好，傳動(dòng)效率高，軸向剛度好，但回珠器槽行比較復(fù)雜，需三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床才能進(jìn)行加工。外循環(huán)過程中滾珠與絲杠脫離接觸，目前使用插管完成滾珠循環(huán)的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，但滾道管子突出于螺母外面，所以外循環(huán)滾珠絲杠螺母徑向尺寸較大。滾珠和滾珠絲杠螺母副接觸處有過盈配合，即兩者達(dá)到預(yù)緊；滾珠絲杠螺母副事先通過調(diào)節(jié)左右螺母的相互離開和靠近消除間隙。常用的消除間隙或預(yù)緊的辦法有墊片是調(diào)隙結(jié)構(gòu)、螺紋式調(diào)隙結(jié)構(gòu)和齒差式調(diào)隙結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)采用墊片式調(diào)隙結(jié)構(gòu)。
（3）導(dǎo)軌副的選用
要設(shè)計(jì)的進(jìn)給機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌選用貼塑導(dǎo)軌，它屬于滑動(dòng)導(dǎo)軌，是在機(jī)床的動(dòng)導(dǎo)軌面上貼上一層抗磨軟帶，導(dǎo)軌副的另一個(gè)固定導(dǎo)軌面為磨削面。這樣就會(huì)使導(dǎo)軌摩擦系數(shù)變?yōu)?.03—0.05，導(dǎo)軌速度可達(dá)30m/min，剛度比較高，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差值小，沒有爬行。耐磨性與鑄鐵對(duì)鑄鐵導(dǎo)軌副相比可提高1—3倍。
第3章 絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 滾珠絲杠螺母副的選用設(shè)計(jì)
進(jìn)給機(jī)構(gòu)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，由進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，然后帶動(dòng)工作臺(tái)絲杠傳動(dòng)。在數(shù)控工作臺(tái)上的絲杠傳動(dòng)，可以用普通的絲杠傳動(dòng)，也還有應(yīng)用滾珠絲杠來轉(zhuǎn)動(dòng)。原因是普通絲杠傳動(dòng)摩，但總是不太穩(wěn)定。
所以，在三自由度工作臺(tái)上要擦系數(shù)大，效率低，傳動(dòng)中有間隙。雖然傳動(dòng)中的間隙可以用一些辦法來補(bǔ)償，修正采用滾珠絲杠傳動(dòng)。滾珠絲杠傳動(dòng)有一系列的優(yōu)點(diǎn)，但制造工藝較為復(fù)雜，成本高，在某些應(yīng)用上受到一定的限制，但隨著數(shù)控工作臺(tái)的發(fā)展，它的使用將會(huì)更加廣泛。
滾珠絲杠傳動(dòng)都使用防護(hù)罩，以防止空氣中的塵土和其它雜物等進(jìn)入。
滾珠絲杠和滾珠螺母組成滾珠絲杠螺母副，它是把步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)－角位移，變換成數(shù)控工作臺(tái)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的的直線位移。
滾珠絲杠螺母副，也簡稱為滾珠絲杠副，是一種新的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它是在絲杠和螺母的螺旋槽之間裝有滾珠，以此作為中間元件的一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
3.1.1 滾珠絲杠副的傳動(dòng)原理
絲杠和螺母上都有圓弧形的螺旋槽,這兩個(gè)圓弧形的螺旋槽對(duì)合起來就形成螺旋線的滾道,在滾道內(nèi)裝有許多滾珠.當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí),滾珠相對(duì)于螺母上的滾道滾動(dòng),因此絲杠與螺母之間滾道的摩擦為滾動(dòng)摩擦.為防止?jié)L珠從螺母中吊出來,在螺母的螺旋槽兩端應(yīng)用擋住器擋住,并設(shè)有回路滾道是他的兩端連接起來.使?jié)L珠從滾道的一端滾出后,沿著這個(gè)回路滾道從新返回到滾道的另一端,可以循環(huán)進(jìn)行不斷地滾動(dòng)。
3.1.2 滾珠絲杠副的傳動(dòng)特點(diǎn)
滾珠絲杠副的優(yōu)點(diǎn)是:傳動(dòng)效率高,因?yàn)樗菨L動(dòng)摩擦,傳動(dòng)效率可達(dá)0.92~0.96,比普通的絲杠傳動(dòng)提高3~4倍.由此帶來了一系列的優(yōu)點(diǎn),如功率損耗小,傳動(dòng)平穩(wěn),磨損小,無爬行現(xiàn)象等等.除此而外還有兩個(gè)特點(diǎn),一是:一般的絲杠傳動(dòng)總是有間隙,而滾珠絲杠可以消除間隙,所以當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)反向時(shí),可以沒有空程,提高了反向的定位精度,,也增強(qiáng)了傳動(dòng)剛度.二是:一般的絲杠傳動(dòng)只能使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng),而滾珠絲杠副由于傳動(dòng)的摩擦系數(shù)小,所以既能把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng),也可以從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪\(yùn)動(dòng),具有傳動(dòng)的可逆性,因此可以作為主動(dòng)件,也可以作為從動(dòng)件.
它也有缺點(diǎn),主要是元件的精度要求高,光潔度要求也高,所以制造工藝很復(fù)雜,成本也高.對(duì)于絲杠和螺母上的螺旋槽,一般要求磨削成型,因而制造困難,也限制了使用.
又由于傳動(dòng)的可逆性,所以不能自鎖,當(dāng)應(yīng)用在垂直傳動(dòng)裝置時(shí),由于自重和慣性的關(guān)系,在下降過程中不能立刻停止,因此還需要備有制動(dòng)裝置.
3.1.3 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)與調(diào)整
滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)盡管在形式上有很多類型，但其主要區(qū)別是在螺紋滾到的型面形狀，滾珠循環(huán)的方式，軸向間隙的調(diào)整和加預(yù)緊力的方法等三個(gè)方面。
（1）螺紋滾道型面的形狀
螺紋滾道型面的形狀有很多種，目前國內(nèi)正式投產(chǎn)的，僅有單圓弧型面和雙圓弧型面兩種，如圖所示。滾珠與滾道型面接觸點(diǎn)法線與絲杠軸線的垂線之間的夾角，稱為接觸角（）。
（a）單圓弧 (b) 雙圓弧
圖4-1 滾珠絲杠副螺紋滾道型面的截形
（2）單圓弧型面
一般滾道的圓弧半徑要比滾柱的半徑稍大一些。對(duì)于單圓弧型面的螺紋滾道，接觸角是隨著軸向負(fù)載大小而變化的，當(dāng)軸向負(fù)載為零時(shí)，接觸角也為零；當(dāng)負(fù)載逐漸增大，接觸角也逐漸增大。實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)接觸角增大時(shí)，傳動(dòng)效率，軸向剛度，承載能力都隨之增大。
（3）雙圓弧型面
雙圓弧型面螺紋滾道的接觸角是不變的。在偏心距（e）決定后，滾珠與滾道的圓弧角接處，會(huì)有很小的空隙。這些空隙雖然能容納一些臟物，但不至于堵塞，反而對(duì)滾柱的滾動(dòng)有利。從傳動(dòng)效率，軸向剛度，承載能力等要求出發(fā)，接觸角大一些好，但接觸角過大制造就會(huì)困難。一般接觸角為，滾道的圓弧半徑也同樣比滾柱的半徑稍大一些。
滾珠的循環(huán)方式
目前國內(nèi)常用的滾珠循環(huán)方式由外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種。
（1）外循環(huán)方式
如圖所示為外循環(huán)方式，滾柱在循環(huán)過程中與絲杠脫離接觸，通過外面的循環(huán)回路稱為外循環(huán)（W系列）。這種外循環(huán)是直接在螺母的外圓上銑出螺旋槽，用擋珠器從螺母內(nèi)部切斷螺紋滾道，擋珠滾珠的去路，迫使?jié)L珠導(dǎo)入通向外圓螺旋槽中，構(gòu)成了外面的旋環(huán)回路。外循環(huán)的結(jié)構(gòu)和制造較為簡單容易，因此應(yīng)用較廣，他可以制成單列或式雙列兩種的結(jié)構(gòu)形式。
（2）內(nèi)循環(huán)方式
滾柱在循環(huán)過程中與絲杠始終保持接觸的稱為內(nèi)循環(huán)（N系列），如圖所示。這種內(nèi)循環(huán)是在螺母外側(cè)孔中裝了一個(gè)接通相鄰滾道的反向器，借助這個(gè)反向器迫使?jié)L珠翻過絲杠的牙頂，而進(jìn)入相鄰的滾道。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副回路短，工作滾珠數(shù)目少，結(jié)構(gòu)尺寸緊湊，流暢性好，摩擦磨損小，傳動(dòng)效率高，軸向剛度和承載能力都較高，具有一系列優(yōu)點(diǎn)，但制造困難，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以不及外循環(huán)方式應(yīng)用的廣泛。
圖4-2 外循環(huán)的滾珠絲杠 圖4-3 內(nèi)循環(huán)的滾珠絲杠
3.1.4 軸向間隙的調(diào)整和加預(yù)緊力的方法
對(duì)于滾珠絲杠副，除了單一方向的進(jìn)給傳動(dòng)精度有一定的要求外，對(duì)它的軸向間隙也有嚴(yán)格的要求，以保證反向傳動(dòng)的精度。要把軸向間隙完全消除，也是相當(dāng)困難的。通常采用雙螺母，并加預(yù)緊力的方法來消除其軸向間隙。雙螺母經(jīng)加預(yù)緊力調(diào)整后，能基本上消除軸向間隙。單螺母的滾珠絲杠副是不能調(diào)整軸向間隙和預(yù)緊力的，其軸向間隙只能依靠滾珠絲杠副本的精度和安裝時(shí)絲杠和螺母的連接精度來保證。
雙螺母加預(yù)緊力消除軸向間隙必須注意兩點(diǎn)，一是：通過預(yù)緊后產(chǎn)生的力，可促使預(yù)拉變形，以減少彈性變形所引起的位移。但預(yù)緊力不能太大，否則會(huì)使驅(qū)動(dòng)力矩增大，傳動(dòng)效率反而降低，使用壽命也隨之縮短。二是：軸向間隙的消除，不能忽視絲杠的安裝部分和驅(qū)動(dòng)部分的軸向間隙，應(yīng)同時(shí)調(diào)整是它減少到最小。目前常用的雙螺母預(yù)緊力調(diào)整方法有下面三種。
（1）墊片調(diào)隙式
如圖所示為墊片調(diào)隙式，一般用螺釘來連接滾珠絲杠上的兩個(gè)螺母的凸緣處，在中間加墊片。墊片的厚度是螺母間產(chǎn)生軸向位移，以達(dá)到消除間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力的目的。
這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，可靠，裝拆方便。但缺點(diǎn)是調(diào)整很費(fèi)時(shí)，在工作狀態(tài)下不能隨意調(diào)整，因?yàn)橐鼡Q不同厚度的墊片才能消除間隙，所以是用于一般精度的機(jī)構(gòu)中使用。
（2）螺紋調(diào)隙式
如圖所示為螺紋調(diào)隙式。它是一個(gè)螺母的外端有凸緣，而另一個(gè)螺母的外端沒有凸緣，車有螺紋，它伸出在套筒外，并用兩個(gè)圓螺母調(diào)整好間隙后，再用一圓螺母鎖緊螺母鎖緊就可以了。
這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)整方便，所以應(yīng)用廣泛，但調(diào)整的位移量不太精確。
圖4-4 墊片調(diào)隙式 圖4-5螺紋調(diào)隙式
齒差調(diào)隙式
如圖所示為齒差調(diào)隙式。它是在兩個(gè)螺母的凸緣上各有圓齒輪2，兩者的齒數(shù)值相差一個(gè)齒，裝入內(nèi)齒圓3中，內(nèi)齒圓3是用螺釘1和定位銷4固定在套筒5上的。調(diào)整是先取下內(nèi)齒圓3，轉(zhuǎn)動(dòng)圓柱齒輪2，在兩個(gè)滾柱螺母相對(duì)于滾筒5轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以使兩個(gè)螺母相互產(chǎn)生角位移，這樣滾柱螺母對(duì)于滾珠絲杠的螺旋滾道也相對(duì)移動(dòng)是兩個(gè)螺母中的滾柱分別貼近在螺旋滾到的兩個(gè)相反的側(cè)面上。消除間隙并產(chǎn)生預(yù)緊力后，把內(nèi)齒圓3套上用定位銷4固定。
這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是調(diào)整精確可靠，定位精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，僅在高精度的數(shù)控機(jī)床有所應(yīng)用。
1——螺釘； 2——圓柱齒輪； 3——內(nèi)齒圓；
4——定位銷； 5——套筒。
圖4-6 齒差調(diào)隙式
3.2滾珠絲杠的選擇
3.2.1滾珠絲杠的精度
查閱滾珠絲杠的樣本選擇絲杠精度為5級(jí)精度等級(jí)，有效行程1000 mm，初步設(shè)計(jì)現(xiàn)設(shè)絲杠在有效行程1180mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到30μm。
3.2.2 滾珠絲杠參數(shù)的計(jì)算
（1）最大工作載荷的計(jì)算
絲杠的最大載荷為工作時(shí)的最大進(jìn)給力加摩擦力，最小載荷即為摩擦力。設(shè)此臺(tái)Z向的最大進(jìn)給力=5000N，導(dǎo)軌上面移動(dòng)部件的重量約為500㎏，貼塑導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為0.04，故絲杠的最小載荷（即摩擦力）
（N） (3.3)
絲杠最大載荷是：
5000＋196＝5196（N） (3.4)
平均載荷是：
=×=≈3529（N） (3.5)
（2）當(dāng)量動(dòng)載荷的計(jì)算
滾珠絲杠副類型的選擇主要是根據(jù)導(dǎo)程和動(dòng)載荷兩個(gè)參數(shù),其選擇的原則為:①滾珠絲杠的靜載荷Coa不能大于額定靜載荷Coam,即Coa≤Coam;②滾珠絲杠的動(dòng)載荷Ca不能大于額定動(dòng)載荷Cam,即Ca≤Cam。
驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速2000 r/min
絲杠最高轉(zhuǎn)速為2000r/min，工作臺(tái)最小進(jìn)給速度為0.5m/min，故絲杠的最低轉(zhuǎn)速為0.1r/min，可取為0，則平均轉(zhuǎn)速n=1000r/min。絲杠使用壽命T=15000h，故絲杠的工作壽命
==675（r） (3.6)
當(dāng)量動(dòng)載荷值： (3.7)
式中： ——載荷性質(zhì)系數(shù)，無沖擊取1-1.2，一般情況取1.2-1.5，有較大沖擊振動(dòng)時(shí)取1.5-2.5；
——精度影響系數(shù)，對(duì)1、2、3級(jí)精度的滾珠絲杠取=1.0，對(duì)4、5級(jí)精度的絲杠取=0.9。
根據(jù)要求去=1.5，=0.9，代入數(shù)據(jù)得
≈51.59（KN） (3.8)
根據(jù)計(jì)算所得最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查滾珠絲杠樣本，選擇FF6310-5型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返回器雙螺母對(duì)旋預(yù)緊滾珠絲杠副，其公稱直徑為63mm，導(dǎo)程為10mm，循環(huán)滾珠為5圈×2列，精度等級(jí)取5級(jí)，額定動(dòng)載荷為55600N，大于最大計(jì)算動(dòng)載荷=51590N，符合設(shè)計(jì)要求。
表3.1 滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)
名 稱
符 號(hào)
計(jì)算公式和結(jié)果
公稱直徑（mm）
63
螺距(mm)
P
10
接觸角
鋼球直徑(mm)
7.144
螺紋滾道法面半徑(mm)
偏心距(mm)
0.009
螺紋升角(mm)
=
絲杠外徑(mm)
62.5
絲杠底徑(mm)
57.3
螺桿接觸直徑(mm)
55.87
螺母螺紋外徑(mm)
螺母內(nèi)徑(mm)（內(nèi)循環(huán)）
62.64
（3）傳動(dòng)效率的計(jì)算
將公稱直徑=63mm，導(dǎo)程=10mm，代入λ=arctan[]，的絲杠螺旋升角λ=。將摩擦角，代入=，得傳動(dòng)效率=93.7%。
（4）剛度的驗(yàn)算
本傳動(dòng)系統(tǒng)的絲杠采用一端軸向固定，一端浮動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式。固定端采用一對(duì)面對(duì)面角接觸球軸承和一個(gè)角接觸球軸承，另一端也采用角接觸球軸承，這種安裝適應(yīng)于較高精度、中等載荷的絲杠。
滾珠絲杠螺母的剛度的驗(yàn)算可以用接觸量來校核。
a、滾珠絲杠滾道間的接觸變
根據(jù)公式Z=，求得單圈滾珠數(shù)Z=22，改型號(hào)絲杠為雙螺母，滾珠的圈數(shù)×列數(shù)為5×2，代入公式圈數(shù)×列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=220。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力=1732（N）。查相關(guān)公式得滾珠絲杠與螺紋滾道間接觸變形
(3.9)
式中=51590N。代入數(shù)據(jù)得；
==0.013(mm)
因?yàn)榻z杠有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載，所以實(shí)際變形量可以減少一半，取=0.0065mm。
b、絲杠在工作載荷作用下的抗壓變形
絲杠采用的是兩端都為角接觸球軸承，軸承的中心距a=1100mm，鋼的彈性模量E=,由表2.1中可知，滾珠直徑=7.144mm，絲杠底徑=43.3mm，則絲杠的截面積： =1540.6()
根據(jù)公式代入數(shù)據(jù)得：
=0.018(mm)
C、總的變形
==0.0065+0.018=0.0245mm,絲杠的有效行程為600， 絲杠在有效行程500—630mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到30μm,，可見絲杠剛度足夠。
（5）穩(wěn)定性的驗(yàn)算
(3.10)
公式中取支撐系數(shù)=2，
由絲杠底徑=43.3mm求的截面慣性矩=188957.7()，壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥式水平安裝），滾珠螺母至軸向固定處的距離取最大值1200mm，代入公式得：
=181129.6(㎏)
則f=181129.6N大于=51590N，故不會(huì)失穩(wěn)，滿足使用要求。
（6）臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算
對(duì)于滾珠絲杠還有可能發(fā)生共振，需要驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速，設(shè)不會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速。
查資料得公式 ：
(3.11)
其中： (mm)；
為臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度=1200(mm)；
為絲杠支承方式系數(shù)（一端固定，一端游動(dòng)）
代入數(shù)據(jù)得：4397(r/min),臨界速度遠(yuǎn)大于絲杠所需轉(zhuǎn)速，故不會(huì)發(fā)生共振。
（7）滾珠絲杠選型和安裝尺寸的確定
由以上驗(yàn)算可以知道，絲杠型號(hào)為FF6310—5，完全符合所需要求，故確定選用該型號(hào)，安裝尺寸查表可知。
（8）絲杠支承的選擇
滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷，徑向載荷主要是臥式絲杠的自重。因此對(duì)絲杠的軸向精度和軸向剛度應(yīng)有較高要求。其兩端支承的配置情況為軸向固定方式。本次設(shè)計(jì)絲杠支承選用一端固定，另一端浮動(dòng)。
3.3伺服電機(jī)的選擇
3.3.1最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
所選伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩。最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩T可根據(jù)以下公式計(jì)算，即
(3.12)
從前面的計(jì)算可以知道，最大載荷N，絲杠導(dǎo)程=10mm=0.01m，預(yù)緊力=N，根據(jù)計(jì)算的滾珠螺母絲杠的機(jī)械效率=0.947，因?yàn)闈L珠絲杠預(yù)加載荷引起的附加摩擦力矩：
（N·m） (3.13)
查手冊(cè)得單個(gè)軸承的摩擦力矩為0.32N·m，故一對(duì)軸承的摩擦力矩=0.64N·m。簡支端軸承步預(yù)緊，其摩擦力矩可忽略不計(jì)。伺服電動(dòng)機(jī)與絲杠直接相連，其傳動(dòng)比=1，則最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩：
(N·m)
所選的伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)該大于此值。
3.3.2負(fù)載慣量的計(jì)算
伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)與負(fù)載慣量相匹配。
負(fù)載慣量可以按一下次序計(jì)算。立柱與主軸箱的質(zhì)量為500㎏，折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量可按下式計(jì)算，
(kg·㎡) (3.14)
絲杠名義直徑=50mm=0.05m，長度L=1.2m絲杠材料（鋼）的密度ρ=7.8㎏·。根據(jù)公式計(jì)算絲杠加在電動(dòng)機(jī)軸上的慣量
(㎏·㎡) (3.15)
聯(lián)軸器加上鎖緊螺母等的慣量可直接查手冊(cè)得到，即(㎏·㎡)
故負(fù)載總的慣量為
(㎏·㎡)
電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)與負(fù)載慣量相匹配。通常要求不小于，但也不是越大越好。因越大，總的慣量就越大，加速度性能受影響。為了保證足夠的角加速度，以滿足系統(tǒng)反應(yīng)的靈敏的，將采用轉(zhuǎn)矩較大的伺服電動(dòng)機(jī)和它的伺服控制系統(tǒng)。根據(jù)有關(guān)資料的推薦，匹配條件為：
(3.16)
則所選交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)在0.0092—0.036㎏·㎡范圍之內(nèi)。
根據(jù)上述計(jì)算可選用表3.2中的交流伺服電機(jī)α22/3000i型，其額定轉(zhuǎn)矩為22N·m，最高，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.012㎏·㎡。
表3.2 FANUCα(HV)i系列交流伺服電機(jī)
型號(hào)
α1/ 5000i
α2/ 5000i
α4/ 4000i
α8/ 3000i
α12/ 3000i
α22/3000i
輸出功率/kw
0.5
0.75
1.4
1.6
3
4
額定轉(zhuǎn)矩(N·m)
1
2
4
8
12
22
最高轉(zhuǎn)速
5000
5000
4000
3000
3000
3000
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(㎏·㎡)
0.00031
0.00053
0.0014
0.0026
0.0026
0.012
質(zhì)量㎏
3
4
8
12
18
29
伺服放大器規(guī)格
20i
20i
20i
40i
80i
80i
3.3.3空載加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算
當(dāng)執(zhí)行件從靜止以階躍指令加速到最大移動(dòng)（快速）速度時(shí)，所需要的空載加速轉(zhuǎn)矩按下式求，
(3.17)
空載加速時(shí)，主要克服的是慣性，選用的α22/3000i型交流伺服電動(dòng)機(jī),總慣量
0.0120+0.0092=0.0212(㎏·㎡)
加速度時(shí)間通常取的3~4倍，故=(3~4)=(3~4)×6=18~24(ms)，則
(N·m)
3.4滑動(dòng)導(dǎo)軌的選擇計(jì)算
常用的導(dǎo)軌截面有矩形、三角形、燕尾形和圓形的。如圖3.2所示。根據(jù)支承導(dǎo)軌的凸凹狀[4]態(tài)，又可分為凸形和凹形兩類導(dǎo)軌。凹形容易存油，但也容易積存切屑和塵粒，因此適用于具有良好的防護(hù)環(huán)境。凸形需要有良好的潤滑條件。目前數(shù)控機(jī)床使用的導(dǎo)軌主要有三種：塑料導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌。
圖3.4
3.3.1工作載荷的計(jì)算
影響導(dǎo)軌副壽命的重要因素是工作載荷，假設(shè)立柱所有重量加在貼塑滑動(dòng)導(dǎo)軌的一根導(dǎo)軌上，則導(dǎo)軌所承受的最大垂直方向上的載荷是：
(3.18)
上式中G是立柱和主軸箱的重量，即G=500×10=5000(N)，代入上式得：
=2500(N)
3.3.2小時(shí)額定工作壽命的計(jì)算
預(yù)計(jì)機(jī)床的工作壽命是10年，一年是365天，工作時(shí)間是350天，每天工作8小時(shí)，因此得到小時(shí)額定工作壽命28000(h)。
3.3.3距離額定工作壽命的計(jì)算
根據(jù)公式得：
(3.19)
公式中：為小時(shí)額定工作壽命；
n為移動(dòng)部件每分鐘往返次數(shù)(4-6)取5：
S為移動(dòng)部件的行程，即S=600mm。
代入數(shù)據(jù)得：L=10080km 。
3.3.4額定動(dòng)載荷計(jì)算及選型
由公式得：
(3.20)
公式中：為額定動(dòng)載荷；
L為距離工作壽命，由上面的計(jì)算可以知道為10080km；
F為導(dǎo)軌的工作載荷，即F=2500N。
代入數(shù)據(jù)得：=29318N。
由計(jì)算的動(dòng)載荷值本次設(shè)計(jì)選用的是貼塑滑動(dòng)導(dǎo)軌，它是在數(shù)控機(jī)床的動(dòng)導(dǎo)軌[4]面，是塑料導(dǎo)軌的一種。導(dǎo)軌副的另一固定導(dǎo)軌面為磨削面。軟帶是以聚四氟乙烯為基材，添加合金粉（青銅粉、二硫化鉬）、玻璃纖維和氧化物的高分子復(fù)合材料。其厚度有0.8、1.1、1.4、1.7、2mm，寬150mm、300mm等幾種。塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌與其他導(dǎo)軌相比，具有以下特點(diǎn)：
（1）動(dòng)靜摩擦系數(shù)相近：運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和爬行性能較鑄鐵導(dǎo)軌副好。
（2）吸收振動(dòng)：具有良好的阻尼性，優(yōu)于接觸剛度較低的滾動(dòng)導(dǎo)軌和易漂浮的靜壓導(dǎo)軌。
（3）摩擦系數(shù)低而穩(wěn)定：比鑄鐵導(dǎo)軌副低一個(gè)數(shù)量級(jí)。
（4）化學(xué)穩(wěn)定性好：耐磨、耐低溫、耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)氧
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