数控滑台结构设计和设计方案

1 数控滑台结构设计和设计方案 1 1 数控滑台的结构设计 本章主要对数控滑台的机械结构进行设计，其机械结构主要包括： 交流伺服电机 、 联轴器 、 滚珠丝杠 、轴承、导轨、滑鞍等零部件的设计。所采用的机械结构具有如下特点： 进给系统采用进给伺服电机直接带动滚珠丝杠，取消了齿轮减速机构，使机械传动结构简单，提高位移精度，减少传动误差；轴承采用深沟球轴承，它主要承受径向载荷，亦能承受一定的双向轴向载荷，高转速时，可用来承受纯轴向载荷，并且价格便宜。机床整体结构的刚度较高，运动控制精确及传动平稳。 1 2 数控滑台的总体设计方案 对数控滑台而言，主要是纵横方向两个坐标的传动，根据设计任务要求，决定采用点位控制，用伺服电机驱动的开环控制系统，这样可以使控制系统简单，成本低，调试维修容易，为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，此工作台采用滚珠丝杠螺母副和滚珠滚动导轨，为尽量消除齿侧间隙。 1. 交流伺服电机 直流伺服电机相比， 交流电动机输出功率可比直流电动机提高 10 70，此外，交流电动机的容量可比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。现代数控机床都倾向采用交流伺服驱动，交流伺服驱动已有取代直流伺服驱动之势。 2. 联轴器 采用 机械式结构的联轴器，这种联轴器的特点是 大扭矩承载、高扭矩刚性和卓越灵敏度；免维护、超强抗油和耐腐蚀性；零回转间隙；体积小巧的联轴器，总长度短 ，结构简单。 3. 滚珠丝杠 选用的滚珠丝杠精度高，并通过使用高纯净度的合金钢并采取特殊的表面热处理方式，使产品具有优异的耐久性。 2 4. 丝杠螺母座 采用 径向安装尺寸小，安装简便 的丝杠螺母座。 5. 滑鞍 采用田字格结构，彻底减轻滑鞍的重量， 数控滑台的总体结构如图 1 如图 13 1 = d ? = ? 3 537 4 第二章 数控滑台结构件的设计 导轨的设计 一， 机床导轨的功用 导轨 在机器中十分重要，在机床中尤其重要。 机床导轨的功用是起导向及支承作用，即保证运动部件在外力的作用下 (运动部件本身的重量、工件重量、切削力及牵引力等 )能准确地沿着一定方向的运动。在导轨副中，与运动部件联成一体的运动一方叫做动导轨，与文承件联成一体固定不动的一方为支承导轨，动导轨对于支承导轨通常是只有一个自由度的直线运动或回转运动。 二、导轨应满足的基本要求 1导向精度 导向精度是指运动导轨沿支承导轨运动时直线运动导轨的直线性及圆周运动导轨的真圆性，以及导轨同其它运动件之间相互位置的准确性，影响导向精度的主要 因素有：导轨的几何精度，导轨的接触精度及导轨的结构形式，导轨和基础件结构刚度和热变形，动压导软和静压导轨之间油膜的刚度，以及导轨的装配质量等等。 2刚度 导轨的刚度是机床工作质量的重要指标，它表示导轨在承受动静载荷下抵抗变形的能力，若刚度不足，则直接影响部件之间的相对位置精度和导向精度，另外还使得导轨面上的比压分布不均，加重导轨的磨损，因此导轨必须具有足够的刚度 o 3耐磨性 导轨的不均匀磨损，破坏导轨的导向精度从而影响机床的加工精度的材料、导轨面的摩掠性质，导轨受力情况及两导轨相对运动精 度有关。 4低速平稳性 5 当运动导轨作低速运动或微量移动时，应保证导轨运动平稳，不产生爬行现象，机床的爬行现象将影响被加工零件粗糙度和加工精度，特别是对高精度机床来说，必须引起足够的重视。 5结构工艺性 在可能的情况下，设计时应尽量使导轨结构简单，便于制造、调整和维护。应尽量减少刮研量，对于镣装导轨，应做到更换容易，力求工艺性及经济性好。 三，导轨的选择 导 轨 的 截 面 与 组 合 如 下 图 所 示 ： 矩形 三角形 燕尾形 圆形 四，导轨基本类型及特点 1导轨按工作性质可分为主运动导轨、进给运动导轨。 2校运动轨迹可分为直线运动和圆周运动导轨 o 3按受力情况可分为开式导轨和闭式导轨。如图 7 38 所示。 4按摩掠性质可分为滑动导轨和滚动导轨。 矩形 三角形 燕尾形 圆形矩形 三角形 燕尾形 圆形 6 滑动导轨按其表面摩掠形式又可分为： 液体静压导轨，两导轨面间有一层静压泊膜， 其摩掠性质属于纯液体摩掠，多用于进给运动导轨。液体动压导轨，当导轨面之间相对滑动速度达到一定值时，液体的动压效应使导轨面问形成压力泊膜，把导轨面隔开。这种导轨属于纯液体摩擦，多用于主运动导轨。混合摩掠导轨，这种导轨在导向面间有一定的动压效应，但相对滑动速度还不足以形成完全的压力油楔，导轨面大部分仍处于直接触介于液体摩掠和干摩掠 (边界摩擦 )之间的状态，大部分进给运动导轨属于此类型。 滚动导轨是两导轨面之间为滚动摩擦，导轨间采用该珠、滚柱或该针等为滚动体，目前它在进给运动中用得较多。 五，数控机床常用的滑 动导轨 数控机床常用直线运动滑动导轨的截面形状的组合形式主要有：三角形一矩形 (图 7 38)矩形一矩形 (图 7 39)。这两种导轨的刚度高，承载能力强，加工、检验和维修方便。为提高低速性能，减少爬行，提高导轨寿命，在动导轨上都贴有塑料带。数控机床少用不贴塑的摩擦滑动导轨。图 7 38a 为开式，没有压板，不能承受较大的翻转力矩，图 7 38压板可以承受翻转力矩，图 7 39作台由一条导轨的两侧导向；图 7 39b 为宽式导向，由两条导轨的内侧导向，两个导向面的距离较大，热膨胀时变形量大，须留较大 的侧向间隙，因而导向性不如窄式好。 7 贴塑导轨是一种金属对塑料的摩擦形式，届滑动摩擦导轨它是在动导轨的摩擦表面上贴上一层由塑料等其它化学材料组成的塑料薄膜软带，以提高导轨的耐磨性，降低摩擦系数，而支承导轨则是淬火钢导轨。贴塑导轨的优点是：摩擦系数低，在 围内，动静摩擦系数接近，不易产生爬行现象；接合面抗咬合磨损能力强，减振性好；耐磨性高，与铸铁一铸铁摩擦付比可提高 12 倍；化学稳定性好 (耐水，泊 )；可加工性能好、工艺简单、成本低；当 有硬粒落入导轨面上也可挤入塑料内部，避免了磨损和撕伤导轨。 塑料藤膜是以聚四氖乙烯为基体，并与青饲料、铅粉等境料经混合、模压、烧结等工艺，最终形成根据实际需要尺寸的软带。如图 7 40 所示。 8 六，滑动导轨的设计验算 导轨的变形主要是接触变形，有时也应考虑导轨部分局部变形的影响。 导轨上所受的外力一般包括切削力、工件和夹具的重量、动导轨所在部件的重量和牵引力。 首先建立外力矩方程式，然后依次求牵引力 ，支反力和支反力矩。具体受力分析可参看有关机床参考书。 根据支反力可求出导轨的平均压强。加入支反力矩的影响，就可以求出导轨的最大压强。 设计导轨时应合理选择许用压强，如许用压强取得过大，则会加剧导轨的磨损；若取得过小，又会增加导轨的尺寸。具体可参看有关机床标准。 五、提高导轨耐磨性措施 保证完全的液体润滑，使润滑剂把摩擦面完全分隔开。 1）正确选择摩擦副的材料和热处理 2）降低压强 3）改变摩擦性质 4）加强防护 磨损不均匀的原因主要有两个： 1）在摩擦面上压强分布不均； 2）各个部分的使用机会不同。 争取均匀磨损有如下措施： (1) 力求使摩擦面上压强均匀分布，例如导轨的形状和尺寸要尽可能使集中载荷对称； (2) 尽量减少扭转力矩和倾覆力矩； (3) 保证工作台、溜板等支承件有足够的刚度； (4) 摩擦副中全长上使用机会不均的那一件硬度应 高些 。 9 磨损后间隙变大了，设计时应考虑在构造上能补偿这个间隙。补偿方法可以是自动的连续补偿，也可以是定期的人工补偿。 七，爬行现象和防止爬行措施 在低速运动及间歇微量位移机构中，运动不平稳的现象称为爬行。 产生爬行的原因 ： 1) 摩擦副存在着静动摩擦系数之差。 2) 运动件的质量较大，因而具有较大的惯性； 3) 传动机构的刚度不足。 当移动件的质量、摩擦副摩擦面 间的摩擦性质和传动机构的刚度一定时，在移动速度低到一定值后就会产生爬行。这个值就称为爬行的临界速度。 降低临界速度的措施有： 1) 减少静、动摩擦系数之差和改变动摩擦系数随速度变化的特性； 2) 提高传动机构的刚度； 3) 采用几种办法联合使用。 根据以上导轨的类型选出本设计适合的导轨，其结构如图 2 10 如图 2鞍的设计 述 滑鞍在数控机床中的作用是连接丝杠和工作台，它在数控机床中的作用是不可或缺的部件。他把丝杠的旋转变为滑台的直线运动。 鞍的结构与尺寸要求 滑鞍的结构如图 2示 ： 滑鞍连接座的设计 滑鞍连接座是把滚珠丝杠和滑鞍连接在一起的一个重要部件，其材料为铸件。如图 2图 211 第三章 数控滑台传动件的选择 动机类型的选择 流 伺服电动机的运行特点： 1) 调速范围宽，伺服电动机的转速随着控制电 压改变，能在宽的范围内连续调节； (2) 转子的惯性小，即能实现迅速启动、停转； (3) 控制功率小，过载能力强，可靠性好； (4) 可控。 电动机的选择原则： 基本依据： 满足生 产机械对拖动系统静态和动态特性要求前提下、力求结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉。 1 对不要求调速、对启动性能无过高要求的生产机械，应优先考虑使用一般鼠笼式异步电动机；若要求启动转矩较大，可用高启动转矩的鼠笼式异步电动机。 2 对于要求经常启、制动，负载转矩较大、又有一定调速要求生产机械，应考虑选用线绕式异步电动机。 3 对于只需要几种速度，不要求无级调速的生产机械，可选用多速异步电动机。 4 对于要求恒速稳定运行的生产机械，且需要补偿电网功率因数的场合，应优先考虑选用同步电动机 (如 等 )。 5 对于需要大的启动转矩，又要求恒功率调速的生产机械，常选用直流串励或复励电动机。 6 对于要求大范围无级调速，且要求经常启动、制动、正反转的生产机械，则可选用带调速装置的直流电动机或鼠笼式异步电动机。 定电动机的型号 统计法是对大量的拖动系数统用电动机容量的统计为基础，进行分析，找出电动机功率与生产机械主要参数之间的关系而得出的实用公式，已知本机床工件的最大直径为 150统计法计算拖动电动机功率为： P= 12 =际选用 动机，与计算结果相近 表 3动机主要性能 工作时间：连续 安装方式：法兰式 励磁方式：永磁式 振动等级： 耐热级别： 连结方式：直接连接 绝缘电阻： 0 绝缘耐压： 200分钟 环境温度： 0 +40 400分钟 环境湿度： 20 80%（不结露） 保护方式：全封闭，自冷、 压 200选用安川伺服电机 列电动机，电机轴的直径为 35图 3安川 电动机 联轴器的设计与选择 联轴器的作用 联轴器属于机械通用零部件范畴，用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些 13 联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。常用联轴器有膜片联轴器 ，鼓形齿式联轴器，万向联轴器，安全联轴器，弹性联轴器及蛇形弹簧联轴器。 联轴器的结构原理及型号选择 一般机械都是由原动机、传 动机和工作机构组成，这三部分必须联接起来才能工作，而联轴器就是把它们联接起来的一种重要装置。联轴器主要用于两轴之间的联接，它也可用于轴和其它零件（卷筒、齿轮、带轮等）之间的联接。它的主要任务是传递扭矩。 根据被联接两轴的相对位置关系，联轴器可分为刚性、弹性和液力三种。刚性联轴器用在两轴能严格对中，并在工作时不发生相对位移的地方；弹性联轴器用在两轴有偏斜或工作中有相对位移的地方；液力联轴器是用液体动能来传递功率，用在需要保护原动机不遭过载损坏而又可空载起动的地方。 几种常用的联轴器： 一、刚性联轴器 刚性联轴 器不具有补偿被联接两轴轴线的相对偏移的能力，也不具备缓冲减震性能；但刚性联轴器的结构简单、价格便宜。适用于载荷平稳、转速稳定、轴的刚性较大、且能保证被联接两轴轴线相对偏移极小的情况下。 凸缘式联轴器 套筒联轴器 14 夹壳式联轴器 二、挠性联轴器 挠性联轴器具有对被联接两轴轴线 相对偏移的补偿能力，最大补偿量随型号的不同而异。凡被联接两轴的同轴度不易保证的场合，都应选用挠性联轴器 十字滑块联轴器 十字滑块联轴器是无弹性元件的挠性联轴器，具有较好的补偿两轴相对偏移的能力、承载能力大；但不具备缓冲减震性能。适用于轴的刚度较大、中载、低速且无剧烈冲击的场合。 15 滚子链联轴器 滚子链联轴器也是一种无弹性元件的挠性联轴器。具有结构简单、装拆方便、效率高，并具有一定的补偿两轴相对偏移能力；但在高速、转速不稳定或正反转时有冲击噪声，不 具备缓冲减震能力，不能承受轴向力等。适用于高温、多尘、油污、及潮湿等恶劣环境下工作。 万向联轴器 万向联轴器用于两轴有很大角向位移的场合，最大角向补偿两可达 35 45。常用在汽车、拖拉机和机床等行业。 16 联轴器型号的选择及其计算 （ N m） T=9550P/n =9550 000 =m 矩 虑机器启动时的弹性力和过载等影响，应将名义转矩修正为计算转矩。联轴器的计算转矩 N m）可按下式计算： T 式中 C=m 所以联轴器选择的型号为： 凸缘式联轴器 ，其中 d1=35： 电机轴的直径， 滚珠丝杠的直径 计算转矩 工作情况系数，查表 15轴器传递的标称转矩 所选联轴器的许用转矩 17 图 联轴器 滚珠丝杠的选择 滚珠丝杠的设计 滚珠丝杠 由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项 发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广于各种工业设备和精密仪器。 滚珠丝杠 是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋 18 转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼 具 高精度、可逆性和高效率的特点 。 1、与滑动丝杠副相比驱动力矩为 1/3 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动 ,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到 1/3以下 ,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的 1/3。在省电方面很有帮助。 2、高精度的保证 滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面 ,对温度、湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。 3、微进给可能 滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动 ,所以启动力矩极小 ,不会出现滑动运动那样的爬行现象 ,能保证实现精确的微进给。 4、无侧隙、刚性高 滚珠丝杠副可以加予压 ,由于予压力可使轴向间隙达到负值 ,进而得到较高的刚性 (滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力 ,在实际用于机械装置等时 ,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强 )。 5、高速进给可能 滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给 (运动 )。 精度公差 : 19 珠丝杠螺母副的设计 1、 滚珠丝杠副的种类与结构 滚珠丝杠螺母副：是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，在数控机床进给系统中一般采用滚珠丝杠副来改善摩擦特性。 工作原理是：当丝杠相对于螺母旋转时，两者发生轴向位移，而滚珠则可沿着滚道流动，如图 1 返向器 2 螺 3 丝杠 4 滚珠 （ a）单圆弧 （ b）双圆弧 图 滚珠丝杠副 图 螺纹滚道型面 按滚珠返回的方式不同可以分为内循环式和外循环式两种。 1）内循环式 内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触。如图。在螺母的 20 侧面孔内，装有接通相邻滚道的反向器，利用反向器引导滚珠越过丝杠的螺纹顶部进入相邻滚道，形成一个循环回路。 一般在同一螺母上装有 2 4 个反向器，并沿螺母圆周均匀分布。 优缺点：滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小，但制造精度要求高。 图 内循环示意图 1 凸键 2、 3 反向键 2）外循环式 外循环方式的滚珠在循环反向时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外做循环运动。如图，（ a）为螺旋槽式外循环（ b）为插管式外循环。 优缺点：结构简单、制造容易、但径向尺寸大，且弯管两端耐磨性和抗冲击性差。 图 外循环示意图 （ a）螺旋槽式： 1 套筒； 2 螺母； 3 滚珠； 4 挡珠器； 5 丝杠 （ b）插管式： 1 弯管； 2 压板； 3 丝杠； 4 滚珠； 5 滚道 2、滚珠丝杠副的结构参数 滚珠丝杠副的主要参数有：公称直径 D、导程 L 和接触角。 1）公称直径 D：是指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径。它与承载能力直接有关，常用范围为 30 80般大于丝杠长度 21 的 1/35 /30。 2）导程 L：导程的大小要根据机床 加工精度的要求确定，精度高时，导程小一些；精度低时，导程大些。但导程取小后，滚珠直径将取小，使滚珠丝杠副的承载能力下降；若滚珠直径不变，导程取小后，螺旋升角也小，传动效率将下降。因此，一般地，导程数值的确定原则是：在满足加工精度的条件下尽可能取得大一些。 3、滚珠丝杠副的结构特点 1）摩擦因素小，传动效率高。滚珠丝杠副的传动效率可达 常规的丝杠螺母副提高 3 4 倍。因此，功率消耗只相当于常规丝杠的 1/4 1/3。 2）可预紧消隙。给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的间隙，反向运动时 无死区，定位精度高，刚度好。 3）运动平稳，低速时不易出现爬行现象，传动精度高。 4）运动具有可逆性。可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母均可以作为主动件。 5）磨损小，使用寿命长。 6）所需传动转矩小。 7）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度要求也高，故制造成本高。 8）不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于处于重惯性力的作用，常需添加辅助制动装置。 4、滚珠丝杠副的的精度 滚珠丝杠副的精度等级分为 1、 2、 3、 4、 5、 7、 10 七个等级（按 1991 的规定）， 1 级精度最高，依次递减，数控机床主要采用 1 4 级。 轴承的选择 概述 究其作用来讲应该是支撑，即字面解释用来承轴的，但这只是其作用的一部分，支撑其实质就是能够承担径向载荷。也可以理解为它是用来固定轴的。就是固定轴使其只能实现转动，而控制其轴向和径向的移动。 电机 没有轴承的后果就是根本不能工作。因为轴可能向任何方向运动，而电机工作时要求轴只能作转动。 从理论上来讲不可能实现传动的作用，不仅如此，轴承还会影响传动，为了降 低这个影响在高速轴的轴承上必须实现良好的润滑，有的轴承本身已经有润滑，叫做预润滑轴承，而大多数的轴承必须有 润滑油 ，负载在高速运转时，由于摩擦不仅会增加能耗，更可怕 22 的是很容易损坏轴承。把滑动摩擦转变为滚动摩擦的说法是片面的，因为有种叫滑动轴承的东西。 滚动轴承在一般机器中应用非常广泛。但在高速 、高精度、重载，或在结构上要求剖分的场合，或在低速而带有冲击的机器上，滑动轴承则突显出其较优异的性能。因此，在高速离心机、燃气轮机、精密磨床的主轴上高速运转的轴承；承受冲击载荷或变载荷的内燃机、活塞式压缩机和锻压机的轴承；曲轴的轴承都采用滑动轴承。 滚动轴承的结构 轴承的组成： 轴承套圈 轴承垫圈 平挡圈 斜挡圈（可分离的） 中挡圈 止动环 锁圈 隔圈 密封圈 防尘盖 护圈 滚动体 保持架 滚动轴承的典型结构如图所示 , 通常由外圈 1、 内圈 2、 滚动体 3 和保持架 4组成。 内圈装在轴颈上 , 外圈装在轴承座孔内 , 多数情况下内圈与轴一起转动 , 外圈保持不动。 工作时 , 滚动体在内外圈间滚动 , 保持架将滚动体均匀地隔开 , 以减少滚动体之间的摩擦和磨损 23 滚动轴承的选择 在设计滚动轴承时 , 首先遇到的问题是选择适当的轴承类型。 , 选择轴承类型时 , 除根据经验选型并参照类似机器中的轴承外 ,应参考以下主要因素。 1. 载荷条件 轴承所承受载荷的大小、 方向和性质是选择轴承类型的主要依据 。 1. 载荷条件 轴承所承受载荷的大小、 方向和性质是选择轴承类型的主要依据。 (1) 载荷的方向 : 当轴承承受纯轴向载荷时 , 选用推力轴承； 主要受径向载荷时 , 选用向心球轴承； 同时承受径向载荷和轴向载荷时 , 可选用角接触球轴承。 (2) 载荷大小： 在其他条件相同的情况下 , 滚子轴承一般比球轴承的承载能力大。 因此承受较大载荷时 , 应选用滚子轴承。 (3) 载荷性质 : 当载荷平稳时 , 可选用球轴承； 有冲击和振动时 , 应选 用 滚子轴承。 2. 转速条件 滚动轴承在一定的载荷和润滑条件下允许的最高转速称为极限转速。 球轴承比滚子轴承有更高的极限转速。 高速或要求旋转精度高时 , 应优先选用球轴承。 24 3. 调心性质 轴承内外圈轴线间的角偏差应控制在极限值内 , 否则会增加轴承的附加载荷而使其寿命降低。 当角偏差值较大时 , 应选用调心轴承。 4. 安装和调整性能 安装和调整也是选择轴承主要考虑的因素。 例如 , 当安装尺寸受到限制 , 必须要减小轴承径向尺寸时 , 宜选用轻系列和特轻系列的轴承或滚针轴承； 当轴向尺寸受到限制时 , 宜选用窄系列的轴承； 当轴承座没有剖分面而必须沿轴向安装和拆卸轴承部件时 , 应优先选用内外圈可分离的轴承。 5. 经济性 在满足使用要求的情况下 , 尽量选用价格低廉的轴承 , 以降低成本。 一般普通结构的轴承比特殊结构的轴承便宜 , 球轴承比滚子轴承便宜 , 精度低的轴承比精度高的轴承便宜 滚动轴承尺寸的选择 1. 确定轴承的公称尺寸 轴承的公称尺寸即内径尺寸，其内径尺寸是由轴径尺寸确定的。但轴径尺寸必须圆整为轴承的标准值。 2. 尺寸系列的选择 （ 1）宽度系列 若对宽度无特殊要求，一 般多取为 0（窄）系列，可以省略标注。 （ 2）直径系列 直径系