[CAD图纸全套]大口径非球面铣磨机Z轴精密进给结构设计

买文档就送全套 纸 询 414951605 最新最全的优秀毕设 资料完整 答辩通过 1. 绪论 课题的背景和来源 “大口径光学非球面超精密数控铣磨机”的开发研制隶属于“国家 863 计划”攻关项目，这个项目由北京微纳精密机械有限公司承接。该公司是进行精密制造技术方面产品制造和技术研究开发的制造实体， 由一批国内知名专家领队和年富力强的中青年 技术人员 组成，具有很强的科学研究和技术攻关能力 。 为了响应教育部的号召，实施大学本科教改计划，北京微纳精密机械有限公司与中原工学院联合实施“卓越工程师”的培养计划。具体施行方法就是由该公司接收中原工学院大四学生来公司实习并完成毕业设计，为学生走上工 作岗位提供一个锻炼自己的平台。 买文档送全套图纸 扣扣 414951605 研究的目的和意义 非球面光学 元件 是一种非常重要的光学零件， 因其 在光学系统中能够很好的矫正多种像差，改善成像质量，提高系统鉴别能力， 且 能以一个或几个非球面零件代替多个球面零件，从而简化仪器结构，降低成本并有效的减轻仪器重量 而得到重要应用。其加工质量的好坏与非球面加工机床的制造水平息息相关，因此，进一步提高我国非球面超精密机床的制造水平势在必行。 为了提高非球面超精密机床的整体性能，其主要构件 Z 轴的结构特性也至关重要。为此 开展了对于大口径非球面超精密光学铣磨机 Z 轴结构特性的分析和优化。以期通过对该梁的结构静力学分析和结构动力学分析，对横梁的结构做出优化设计，改善其静力学和动力学特性，从而保证机床的 Z 轴的精密进给，最终实现该铣磨机整体使用性能。 研制出加工口径达 900光学非球曲面加工机床及成套应用工艺，可以满足国家国民经济主要领域和国防工业的重大需求，部分解决禁运和替代进口问题，提升我国相关领域的核心竞争力和创新能力。 打破国外的技术封锁，使我国的非球面曲面光学零件的超精密加工水平 提升 一个大的台阶，从整体上缩短与世界最先进 水平的差距 。 国内外研究现状 随着国防工业、航空、民用光学技术的发展，各种高精度的非球面光学元件越来越多地应用于高性能要求的光学系统中。光学元件因其具有 矫正多种像差，改善成像买文档就送全套 纸 询 414951605 最新最全的优秀毕设 资料完整 答辩通过 质量，提高系统鉴别能力 等优点而得到广泛应用。目前，高精度非球面光学元件的使用受到其加工精度、表面质量和制造成本的限制，但是市场上对光学元件的需求促使各个国家致力于高精度非球面光学元件加工的技术研究。 国外非 球面零件超精密加工技术的现状 80 年代以来， 国外 出现了许多种新的非球面超精密加工技术，主要有： （ 1） 计算 机 数控单 点金刚石车削技术 计算机数控单点金刚石车削技术是由美国国防科研机构于 60 年代率先开发、 80年代得以推广应用的非球面光学零件加工技术。它是在超精密数控车床上，采用天然单晶金刚石刀具，在对机床和加工环境进行精确控制条件下，直接利用金刚石刀具单点车削加工出符合光学质量要求的非球面光学零件。该技术主要用于加工中小尺寸、中等批量的红外晶体和金属材料的光学零件，其特点是生产效率高、加工精度高、重复性好、适合批量生产、加工成本比传统的加工技术明显降低。采用该项金刚石车削技术加工出来的直径 120下的光学零件，面形精度 达 l/2 1l，表面粗糙度的均方根值为 前采用金刚石车削技术可以加工的材料有：有色金属、锗、塑料、红外光学晶体（碲镉汞、锑化镉、多晶硅、硫化锌、硒化锌、氯化纳、氯化钾、氯化锶、氟化镁、氟化钙、铌酸锂、 体）无电镍、铍铜、锗基硫族化合物玻璃等。 （ 2） 计算机数控研磨和抛光技术 计 算机数控研磨和抛光技术是一种由计算机控制的精密机床将工件表面磨削成所需要的面形，然后用柔性抛光模抛光，使工件在不改变精磨面形精度的条件下达到镜面光洁度的光学零件制造技术。该技术主要用来加工中、大尺寸的非球 面光学零件。工件加工精度主要取决于测量精度和所采用的误差校正方法。非球面光学零件的精密研磨抛光比较普遍采用的一种技术是：小型磨床修正研磨抛光法。 小型磨床最早是由美国研究开发的，其磨头直径不超过工件的 1/3，由计算机计算去除量，加工精度比较高。可以高精度地加工直径 1500 1800大口径非球面。目前，美国亚里桑那大学的光学中心，已基本上用计算机数控研磨抛光加工技术取代了传统的手工研磨抛光加工非球面光学零件。 80 年代末，日本研制出了的超精密数控范成法研磨机，使用该研磨机加工出的光学零件，其面形精度达到 了 表面粗糙度的均方根值为 用沥青抛光模进行加工，表面粗糙度的均方 根值能达到 近，日本采用门型机械加工中心，使用 4000# 8000#铸铁丝结合金刚石砂轮，利用 线电解修正法）磨削法，磨削 学玻璃，所获得的非球面的面形精度为 1m ，表面粗糙度为 43 德国的计算机数控研磨抛光技术 也 很快。 司生产的 120 研磨抛买文档就送全套 纸 询 414951605 最新最全的优秀毕设 资料完整 答辩通过 光机，不仅可以粗、精磨球面光学零件，而且还可以粗、精磨非球面光学零件。施耐德（ 学机械公司 90 年代末制造的 计算机数控非球面磨床和计算机数控非球面抛光机，可以高效率地进行非球面光学零件的生产。 （ 3） 计算机数控离子束成形技术 日本大阪大学工学部森勇正教授提出了一种用化学气体加工的新的加工工艺方法，称为等离子 ，这是一种利用原子化学反应，获得超精密表面的一种技术，其加工原理和等离子体刻蚀一样，在等离子体中，被激活的游离基和工件表面原子起反应，将之变成挥发性分子，并通过气体蒸发实现加工的，在高压力下所产生的等离子体，能够生成密度非常高的游离基，所以这种加工方法能达到与 机械加工方法相匹敌的加工速度。在高压力下，由于气体分子的平均自由行程极小，等离子体局限在电极附近。所以可以通过电极扫描，加工出 度的任意形状的零件，另外可以以 50m 速度加工 单晶硅 平面，加工工件的表面粗糙度可达 （ 4） 非球面 零件 复 制 技术 用控制除去厚度的抛光 (研磨 )方法能够制造出高精度的非球面零件，但和一般的光学零件加工方法相比，这种方法的加工效率很低，解决这个问题的方法之一有复制技术，即塑料注射成形和玻璃的模压成形技术，这种技术能够制造一部分非球面透镜。 近年来， 国 外许多公司己将超精密车削、磨削、研磨以及抛光加工集成为一体，并且研制出超精密复合加工系统，如 司生产的 制的 本的 D 、 100A(H)都具有复合加工功能，这样可以 使 非球面零件的加工更加灵活。 国内非球面零件超精密加工技术的现状 我国从 80 年代初才开始超精密加工技术的研究，比国外整整落后了 20 年。 80 年代中期，我国出现了具有世界水平的超精密机床和部件。如 北京机床研究所、 中国航空精密机械研究所、 中国科技大学、 哈尔滨工业大学、中科院长春光机所应用光学重点实验室等 单位都在该领域取得了阶段性的成果。 北京高华精密机械有限公司生产的 液体静压超精密数控非球面磨床，通过 轴联动，实现对非球面透镜的高效率、高精度磨削； 上海第三机床厂生产的 用西班牙 司的 中二轴为插补控制轴，分别控制机床工作台的纵、横向进给，另二轴控制磨头滑座的纵、横向进给，可以加工任意曲面； 我国九五期间 在中国航空精密机械研究所首先 建立 的 国内第一个从事超精密加工技术研究的重点实验室 成功地研制出了 球面超精密复合加工系统； 长春光机所于 1992 年成功研制出国内首台实用型非球面数控光学加工中心买文档就送全套 纸 询 414951605 最新最全的优秀毕设 资料完整 答辩通过 2002 年，国防科技大学研制了一台集铣磨成形、研磨、抛光于一体的光学非球面复合加工机床。 由我国数控光学非球面加工第一人 苏州大学研究员余景池与其创办的苏州大学明世光学有限公司，生产国际一流水平的非球面眼镜模具，并广泛应用于数码相机、可视电话、计算机光驱、非球面透镜等领域。它是国内第一家从产品的设计、加工到生产 都由自己完成的公司，用完全自主知识产权的产品代替了国外产品，填补了国内空白。 最近，中国科学院南京天文光学技术研究所率先研制成功 520产碳化硅非球面镜光学系统，并通过了专家组的验收，这标志着我国在该领域迈上了新的台阶。但是对于大口径高精度非球面光学零件的加工，如果再加上数字化控制的要求，在国内就是一个挑战性的课题了。因此，国内生产水平与国际生产水平仍有差距。 为此，国家该 863 项目提出，在经典高精度光学经典加工工艺研究基础上，吸收国际上先进的加工工艺研究成果，研究优化的高精度数字化光学非球面元件加工工 艺。 本文研究的主要内容 本论文的主要研究内容如下： （ 1） 了解大口径光学非 球曲面零件的加工方法及应用背景。 （ 2） 了解国内外超精密加工机床发展水平及特点。 （ 3） 学习超精密加工技术的基本理论知识。 （ 4） 大口径非球面磨床 Z 轴部件结构设计。 （ 5） 大口径非球面磨床 Z 轴部件驱动传动元件设计计算。 （ 6） Z 轴部件主要零件有限元仿真分析。 买文档就送全套 纸 询 414951605 最新最全的优秀毕设 资料完整 答辩通过 2. Z 轴部件设计 Z 轴部件技术方案设计 大口径光学非球曲面磨床的 Z 轴部件是机床的关键部件，其性能的高低直接影响到被加工零件的质量。 Z 轴部件的技术方案设计主要包括进给系统设计、 导轨系统设计、测量反馈系统设计以及 Z 轴部件平衡系统设计。 Z 轴部件的技术指标如表 2示： 表 2Z 轴部件技术指标 项 目 数 值 Z 轴行程 400位精度 1m 重复定位精度 线度 00轨刚度 1000N/m 最小进给量 削进给速度 3m/速移动速度 6m/ 进给系统设计 精密超精密机床的进给系统主要有滚珠丝杠副、静压丝杠副、摩擦驱动机构、直线电机等。 1）精密滚珠丝 杠副 精密滚珠丝杠副是精密超精密机床目前采用的主要进给方式。精密滚珠丝杠副具有较高的分辨率和动、静态刚度，目前被广泛应用于数控加工和精密测量等领域。随着加工工艺的发展，滚珠丝杠副各项性能也在进一步提高，它仍是超精密加工设备中主要的驱动方式之一。超精密加工机床的滚珠丝杠副一般的精度等级为 ，在高精度闭环控制和高等级滚珠丝杠副的配合下，可以获得 定位精度 13。 2）静压丝杠副 静压丝杠副包括两种方式：空气静压丝杠副和液体静压丝杠副。静压丝杠利用高压介质使丝杠和螺母不直接接触，由于介质膜的均化 作用，螺纹的积累误差可以大幅买文档就送全套 纸 询 414951605 最新最全的优秀毕设 资料完整 答辩通过 度地减小，可以获得很高的进给精度。目前这两种静压丝杠副的最小分辨率都可以达到 空气静压丝杠副的刚度较小，只适用于轻载荷的场合。 液体静压丝杠副需要辅助设备，调试和维修较复杂且价格较贵，一般精密和超精密机床应用较少。 3）摩擦驱动机构 摩擦驱动机构是利用摩擦力把伺服电机的回转运动转换成为直线运动的机构。在摩擦驱动实现直线运动时，驱动系统的等效导程等于主动摩擦轮的周长，进给分辨率则取决于驱动电机回转一周的步进数。摩擦驱动机构具有运动平稳、无反向间隙等特点。由于结构上比较简 单，因而弹性变形因素大为减少，所以一直被认为是一种非常适合超精密机床的传动系统。一般应用于轻载、超低速和高分辨率的超精密机床和测量机构中。 4）直线电机 直线电机可以直接输出直线运动，无需中间转换环节，从而减少了因传动链而引入的误差。直线电机适合于高速和高精度驱动场合。因为进给和定位精度高，在超精密测量装置及高精度的特种加工装置中被广泛地使用。但直线电机具有强磁板磁场、装配和拆卸不方便，易吸引铁屑和其他金属碎屑，线圈发热现象严重，直接驱动易引入振动而使系统的稳定性和动态性能变差等不足。平板直线电机具有齿槽效 应，直接影响加工质量的高低。 Z 轴部件的特点是竖直轴，承受较大载荷，要求具有高的定位精度 和刚度 。综上各种进 给方式的特 点， 而目前直线电机在竖直轴上的应用还不够成熟，摩擦驱动主要用于轻载的场合，空气静压丝杠刚度较小，液体静压丝杠较复杂。 Z 轴伺服进给系统采用全闭环反馈控制，系统运动分辨率可以做得很高，从而降低对滚珠丝杠的轴向综合精度的要求。而且滚珠丝杠由专业厂家进行生产和系列化，其标准化程度高，性能稳定，价格相对低廉。综合上述情况，选用精密滚珠丝杠副进给系统。这样，既能满足设计精度要求，又使设计简化，并且大大降 低了成木。 导轨设计 （ 1）导轨的功用 导轨主要用来支承和引导运动部件沿一定的轨迹运动。机床上两相对运动部件的配合面组成一对导轨副，在导轨副（如工作台和床身导轨）中，运动的一方（如工作台导轨）叫做动导轨，不动的一方（如床身导轨）叫做支承导轨 14251。动导轨相对于支承导轨只能做一个自由度的运动，以保证单一方向的导向性。通常动导轨相对于支承导轨只能作直线运动或者回转运动。 机床导轨的基本要求 1）导轨精度 买文档就送全套 纸 询 414951605 最新最全的优秀毕设 资料完整 答辩通过 导向精度是指动导轨运动轨迹的准确度，它是保证导轨工作质量的前提。主要影响因素有：导轨的 结构类型；导轨的几何精度和接触精度。导轨和基础件的刚度；导轨的油膜厚度和油膜刚度；导轨和基础件的热变形等。 2）精度保持性 精度保持性主要是由导轨耐磨性决定的，它与导轨的摩擦性质、导轨材料、工艺方法以及受力情况有关。另外，导轨和基础件上的残余应力，也会使导轨变形而影响导轨的精度保持性。 3）低速运动的平衡性 导轨低速运动的平稳性，就是要保证导轨在低速运动或微量位移时不出现 爬行现象。低速运动的平稳性与导轨的结构和润滑，动、静摩擦因数的差值，以及导轨的刚度等有关。 4）刚度 导轨的刚度指导轨在外载荷的作用下，抵 抗受力变形的能力。导轨受力后变形会影响部件之间的相对位置和导向精度。因此要求导轨具有足够的刚度。导轨的变形主要有导轨受力后的接触变形、扭转弯曲变形以及由于导轨支承件的变形引起的导轨变形。导轨变形主要取决于导轨的形状、尺寸及与支承的连接方式、受力情况等。 5）结构简单、工艺性好 设计时要注意使得制造、维修方便，刮研劳动量少，如果是镶装导轨则应尽量做到容易更换。 （ 2）导轨的分类及特点 （ 1）滑动导轨 滑动导轨主要包括普通滑动导轨、塑料滑动导轨和静压导轨三类。 普通滑动导轨 普通 滑动导轨是基本导轨，两导轨面间 的摩擦性质是滑动摩擦，大多处于边界摩擦或混合摩擦的状态。其它类型的导轨都是以它为基础而发展起来，普通滑动导轨结构简单，工艺性好，便于保证精度、刚度，滑动导轨的缺点是摩擦因数大、磨损快、使用寿命短、低速易产生爬行等缺点，故应用于对低速均匀性和定位精度要求不高的机床中。 塑料滑动导轨 塑料滑动导轨是一种新型的滑动导轨。塑料滑动导轨分为注塑导轨和贴塑导轨两种，导轨上的塑料常用环氧树脂耐磨涂料和聚四氟乙烯导轨软带。塑料滑动导轨常用在导轨副的运动导轨上，与之相配的金属导轨采用铸铁或钢质材料。塑料滑动导轨具有耐磨性好 ，自润滑功能；动、静摩擦因数小；减振性好，具有良好的阻尼性；加工性好，工艺简单，化学性能好，维修方便，成本低等优点 15202。塑料滑动导轨的缺点买文档就送全套 纸 询 414951605 最新最全的优秀毕设 资料完整 答辩通过 是耐热性差、导热率低、热膨胀系数比金属大、在外力作用下易产生变形、刚性差、吸湿性大、影响尺寸稳定性。 静压导轨 静压导轨分为气体静压导轨和液体静压导轨两种，由于静压导轨的优越性，广泛应用于精密超精密及重型加工机床。 a) 气体静压导轨 气体静压导轨是将具有一定压力的空气经过节流孔射入导轨间隙，在导轨间隙内形成厚度为微米量级且基本保持恒定的润滑气膜，导轨运动单元 在润滑气膜的支撑下悬浮在固定单元上方，是一种纯空气摩擦 的滑动导轨 17。 由于气体具有误差均化效应，可以实现很高的运动精度。气体静压导轨摩擦力极小，又可以带走部分热量，适用于高速运动的场合 。气体静压导轨工作平稳，结构简单，清洁环保。气体静压导轨的主要缺点是刚度和阻尼较小，还还产生气振，不适合在重载荷和大冲击负载的场合使用。 b) 液体静压导轨 液体静压导轨是在两相对运动的导轨面之间通入压力油，使运动件浮起，工作过程中油膜压力随外载荷变化而变化，在不同速度下都能保证导轨面间在液体摩擦状态下工作 18243。 液体静压导轨的主要优点如下： 摩擦系数小，一般为 5203，减小拖动功率 低速运动平稳，无爬行 特优的抗振效果 油膜具有误差均化作用，可提高运动精度 速度变化和载荷变化对油膜刚度影响小，工作稳定 油膜承载能力大，刚度高 几乎不造成磨损，运动副寿命长，能长期保持制造精度 液体静压导轨的主要缺点如下： 液体静压导轨使用油作为介质，需要一套液压供油系统 温度对介质油的性能影响较大，需要高精度的冷却装置 液压系统成本较高 液压油膜厚度控制难度较大 液体静压导轨须满足导轨精度、耐磨性、 刚度和运动均匀性的要求，即： 导轨精度是运动件沿导轨运动时的直线性以及与其他机件或基面之间相 对位置的准确性；要求导轨的平直度、扭曲度和平行度的总和应小于导轨间隙 买文档就送全套 纸 询 414951605 最新最全的优秀毕设 资料完整 答辩通过 耐磨性决定导轨的磨损寿命，耐磨性是保持导轨工作质量的关键 刚度是导轨工作质量的主要指标；导轨间隙不能过大，否则影响油膜刚度，对开式导轨还容易产生漂移 运动的均匀性要求能准确定位，即在低速或重载时，不发生不均运的跳跃式运动（爬行） 液体静压导轨按所承受的载荷不同，可以分为开式液体静压导轨和闭式液体静压导轨 18243。 开式液体静压导轨如图 2-1(a)所示，依靠运动件自重及外载荷来保持运动件不从床身上分离，开式液体静压导轨只能承受单向载荷 18244。开式液体静压导轨往往只在导轨的一个方向上开有油腔，只能水平或倾斜一个较小的角度放置。 开式液体静压导轨，承受正向载荷能力大；承受偏载荷及颠覆力矩的能力较差，不能承受反向力；结构简单制造调整容易。开式液体静压导轨主要用在载荷分布均匀、偏载小、颠覆力矩小的水平放置或仅有较小倾角的场合。 闭式液体静压导轨如图 2-1(b)所示，够防止工作台与床身分离的导轨。这种导轨不仅能够承受各个方向的载荷，而且具有承受很 大倾覆力矩的能力。在上、下或左、右各个方向上，闭式液体静压导轨都开有对置油腔。闭式液体静压导轨能够承受正、反方向的载荷，油膜刚度高，承受偏载及颠覆力矩的能力较高。但闭式液体静压导轨加工制造及油膜调整较为复杂，对导轨本身的结构刚度要求较高，尤其副导轨的结构刚度要求较高。闭式液体导轨主要应用于载荷分布不均匀、偏载大及有正、反方向载荷或立式导轨等场合。 图 2液体静压导轨 （ 2）滚动导轨 (b) 闭式液体静压导轨 (a) 开式液体静压导轨 买文档就送全套 纸 询 414951605 最新最全的优秀毕设 资料完整 答辩通过 滚动导轨是指在两导轨面之间放置滚珠、滚柱或滚针等滚动体，使导轨面之间的摩擦具有滚动摩擦性质 。滚动导轨 的最大优点是摩擦系数小（ 动、静摩擦系数很接近 16243。滚动导轨的主要优点，是运动灵敏度高，磨损小，精度保持性好，低速运动平稳性好，无爬行现象，润滑系统简单，维修方便。但其抗振性较差，防护要求高。滚动体直径的不一致或导轨面不平，都会使运动部件倾斜或高度发生变化，导向精度低。滚动导轨与普通滑动导轨相比，结构复杂，制造困难，成本高。目前，滚动导轨主要用于实现微量进给、精密定位和对运动灵敏度要求高的机床。 综上各种导轨的特点，由于 Z 轴部件对导轨要求具有高的运动精度和刚度， Z 轴部件导 轨采用闭式液体静压导轨副，在保证导轨副本身结构强度和刚度的条件下，通过调节闭式液体静压导轨副的油膜厚度，使 Z 轴导轨副具有高精度、低速平稳和高刚度的性能。同时，由于液体静压导轨副具有优越的性能，可以有效地减小大口径光学非球面零件磨削加工的亚表面损伤层深度，提高零件的加工质量和效率。 测量反馈系统设计 数控机床测量系统是对数控机床执行件的实际位置进行测量，不断地将工作台的位置量检测出来并反馈给数控系统。数控系统进行插补计算，将计算理论值与实际反馈的位置进行比较，以判断进给定位的正确与否，同时辅助伺 服系统达到更精确的进给定位，实现高精度控制。实际反馈位置的采集是由位置检测装置来实现的。常用的位置检测装置有感应同步器、光栅位置检测装置、光电脉冲编码器、旋转编码器、磁尺位置检测装置等。 对机床的直线位移采用直线型检测装置测量，即为直接测量。 Z 轴部件行程400用高精度直线光栅尺进行位置测量，实现闭环控制。 光栅是利用光的投射、衍射现象形成的莫尔条纹而制成的光电检测装置，它将机械位移量或模拟量转变为数字脉冲 15153， 具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。 光栅主要有标尺光栅和光栅读数头两部分 组 成。 光栅检测装置结构 主要有 由光源、聚透镜、指示光栅、光电元件及调整机构等组成 ，如图 2示 。 买文档就送全套 纸 询 414951605 最新最全的优秀毕设 资料完整 答辩通过 图 2光栅检测装置结构示意图 光栅的工作原理 15153 都是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度来放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光的累积作用使得这个区域出现亮带。相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越来 越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，使得挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个区域出现暗带 。这些与光栅线纹几乎垂直，相间出现的亮、暗带就是莫尔条纹。 当两块光栅以微小倾角重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，随着光栅的移动，莫尔条纹也随之上下移动。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量。 经过后续电路和数据处理，就可以进行位移大小、位移方向和速度的检测。 Z 轴部件进给系统设计 Z 轴部件的技术方案是采用伺服电机通过高负荷精密滚珠丝杠进行驱动， 导轨采用闭式液体静压导轨副，并通过高精度直线光栅尺的进行闭环控制，最终实现 Z 轴部件高精度、高刚度和高的动态响应性能。 滚珠丝杠副选型计算 Z 轴滚珠丝杠副驱动 Z 轴运动部件移动，运动质量估计大约 550保证进给系统具有高精度和足够的刚性，初步选择日本 司的带球保持器的 负荷精密滚珠丝杠。 带球保持器的 负荷精密滚珠丝杠结构如图 2示，主要由丝杠、螺母、滚珠、球保持器和回球器组成。当丝杠旋转时，滚珠沿螺纹滚道滚动，在此运动过程中，滚珠不但绕丝杠公转，其自身还在自转。所以滚 珠不但与丝杠、螺母间产生摩擦，而且相互间也产生摩擦。为了减小钢球之间的摩擦，带球保持器型滚珠丝杠使用球保持器，消除钢球之间的碰撞和相互摩擦并提高润滑脂的保持性，因而实现了低噪音、低扭矩变动以及长期运行而免维护的优越性能 20 买文档就送全套 纸 询 414951605 最新最全的优秀毕设 资料完整 答辩通过 图 2司带球保持器的 负荷精密滚珠丝杠 滚珠丝杠的转动使得滚珠沿螺旋滚道滚动，带动螺母轴向移动，具有较小的摩擦力，相近的动、静摩擦系数，削弱了局部爬行现象，经过预紧可以消除轴向移 动产生的间隙，从而提高 了传动精度和传动机械效率。经过一个多世纪的实践应用，“旋转电机 +滚珠丝杠”驱动机构已经成为传统的精密驱动方式，性价比高，动、静刚度高，传动精度好，控制技术成熟 21。 珠丝杠副选型计算 20程如下： 1）选择条件 运 动部件质量 （运动部件 总 质量 550衡系统 平衡 Z 轴运动质量 500 行程长度 400l 最大速度 m V m s 50m 文档就送全套 纸 询 414951605 最新最全的优秀毕设 资料完整 答辩通过 加速时间 1 减速时间 3 每分钟往返次数 110 定位精度 1 m 重复定位精度 0.5 m 最小进给量 0 脉 冲 工作寿命时间 20000h 服电机额定转速 3000体静压导轨面上的摩擦系数 22向面的阻力 20（无负荷，液体静压摩擦系数 ，阻力较小） 2）选择项目 丝杠轴直径 导程 螺母型号 轴向间隙 丝杠轴支撑方式 驱动电机 3) 导程精度与轴向间隙（予压）的选择 （ 1） 导程精度的选择 为实现定位精度 1 m ，行程为 400有 ，参照 文献 20 上表 1， 只能选择 度等级 。 （ 2） 轴向间隙 由于丝杠垂直使用，轴向负荷常作用与一个方向，不论轴向间隙多 大，使用时都不会有间隙，因此选用轴向无予压丝杠。 4）丝杠轴的选择 超精密磨床 Z 轴选择带球保持器的 负荷 精密滚珠丝杠，其额定负荷是传统丝杠的 2 倍以上。 （ 1） 假定丝杠轴长度 假定螺母全长为 100杠轴末端长度为 100 所以根据行程长度 400定全长： 400+200=600丝杠轴长度假定为 600 2） 导程的选择 因伺服电机的额定转速是 3000高进给速度是 m a x 0 V m s ，滚珠丝杠的导程如下： 1 00买文档就送全套 纸 询 414951605 最新最全的优秀毕设 资料完整 答辩通过 0 0 1 0 0 因此，必须选择 2 2上的导程。 为满足最小进给量 0 脉 冲 ，伺服电机分辨率应符合如下： 导程 2 20000p/ 60000p/ 80000p/0 100000p/虑到丝杠 2 误差的影响，选用较大导程，以减小 2 ，但会增加伺服电机驱动器指令的脉冲数至 100000p/ （ 3） 丝杠轴直径的选择 考虑到 Z 轴较高的定位精 度和重复定位精度，选择精密滚珠丝杠，参照 文献 20693页 上表 16，满足导程 10滚珠丝杠轴外径如下： 8， 10， 15， 18， 20， 25， 32， 36，40， 50超精密机床的特点是保证每个环节具有足够高的刚性，每个元件处于性能最好的状态，从而保证机床的高精度。 根据上述条件选择滚珠丝杠直径为 40程为 10 (1) 丝杠轴支撑方法的选择 滚珠丝杠垂直使用，行程长度 400短，并设计采用高精度光栅尺作为测量反馈装置，为减小丝杠在工作过程中的热伸长， 以及丝杠螺母的安装调节方便， 支撑方法选择固定 自由方式。 (2) 容许轴向负荷的探讨 a）最大轴向负荷的计算 导向面的阻力 2 0 ( )无 负 荷 时 运动部件质量 50m 最大速度 m V m s 加速时间 1 则有：加速度21m a x /.0 上升加速时 1 5 0 9 . 8 2 0 5 0 0 . 5 5 3 5F a m g f m a N 上升等速时 2 5 0 9 . 8 2 0 5 1 0F a m g f N 上升 减速时 3 5 0 9 . 8 2 0 5 0 0 . 5 4 8 5F a m g f m a N 下降加速时 4 5 0 9 . 8 2 0 5 0 0 . 5 4 4 5F a m g f m a N 下降等速时 5 5 0 9 . 8 2 0 4 7 0F a m g f N 下降减速时 6 5 0 9 . 8 2 0 5 0 0 . 5 4 9 5F a m g f m a N 作用在滚珠丝杠上的最大轴向负荷： m a x 1 535F a F a N 买文档就送全套 纸 询 414951605 最新最全的优秀毕设 资料完整 答辩通过 b）丝杠轴的挫曲栽荷的计算 参照 文献 20 ，为考虑挫曲因素，螺母和轴承之间的安装方法按固定 固定方式。 与安装方法相关的系数 2 20 安装距离 600al （估算） 丝杠轴沟槽谷径 1 34d 4 444112 22341 0 2 0 1 0 7 4 2 . 4600 c）丝杠轴的容许拉伸压缩负荷 22211 1 6 1 1 6 3 4 1 3 4 0 9 6 1 3 4 . 1P d K N 由此可见，1 2 m a F a， 丝杠轴的挫曲载荷和容许拉伸压缩负荷大于最大轴向负荷，满足滚珠丝杠的使用要求。 (1) 容许转速的计算 a）最高转速 丝杠轴直径： 40程： 10大速 度 m V m s 导程 10Ph 3 3m a xm a 1 0 0 . 1 6 0 1 0 60010VN r p b）由丝杠轴的危险速度所决定的容许转速 参照 文献 20 ，为考虑危险速度，螺母和轴承间的安装方法按固定 支撑。 与安装方法相关的系数 2 安装间距 600bl （估算） 危险速度77112 22 341 0 1 5 . 1 1 0 1 4 2 6 1 . 1600r p c）由 所 决定的容许转速 钢球中心直径： D 42考 文献 20 ， 容许转速 r p 95421 3 00 0 02 由上述可见，丝杠最大转速都小于丝杠轴的危险速度和 ，满足使用要求 （ 2）螺母的选择 a）螺母型号的选择 选择丝杠轴直径为 40程为 10高负荷 精密滚珠丝杠： 36, 。 b）容许轴向负荷计算 参考 文献 20 上表 18，因加速、减速时有冲击负荷的作用，故静态安全系买文档就送全套 纸 询 414951605 最新最全的优秀毕设 资料完整 答辩通过 数 2 与最大轴向负荷 35相比，得到的容许轴向负荷较大，因而该丝杠型号可以使用。 （ 3）工作寿命计算 a）运行距离的计算 最大速度 加速时间 减速时间 加速时的运行距离 0102 31m a 减速时的运行距离 0102 31m a 等速时的运行距离 8 010104 0 0312 等速时间 sV 根据以上条件，轴向负荷与运行距离的关系如表 2示： 表 3向负荷与运行距离的关系 动 作 轴向负荷 () 运行距离 ()Nl 升加速时 535 10 升等速时 510 380 升减速时 485 10 降加速时 445 10 降等速时 470 380 降减速时 495 10 b) 轴向平均负荷 赛 c) 额定寿命 682336m a x 0495380470104451048538051010535(40021)(213 3333333336235134333232131买文档就送全套 纸 询 414951605 最新最全的优秀毕设 资料完整 答辩通过 动额定负荷 a K N 参照 文献 20的表 19， 负荷系数 平均负荷 m N 额定寿命 L（ 3 6 3 6 1 31 6 2 . 6 1 0 0 0( ) 1 0 ( ) 1 0 2 . 1 1 01 . 2 4 9 0 . 8 8r e m c ) 每分钟平均转数 每分钟往返次数 110 行程 400l 导程 10Ph d )根据额定寿命计算工作寿命时间 额定寿命 132 0L r e v 每分钟平均转数 18 0 0 m 13 82 . 1 1 0 4 . 3 8 1 06 0 6 0 8 0 0LL h e ) 根据额定寿命计算运行距离寿命 额定寿命 132 0L r e v 导程 10Ph 6 1 3 6 71 0 2 . 1 1 0 1 0 1 0 2 . 1 1 0L s L P h k m 由上述计算可知， 能满足希望寿命时间 20000 小时。 （ 6）定位精度分析 1）导程精度 选择丝杠导程精度等级为 ，代表运行距离误差 6m，变动 /300 值为 4m 2）轴向间隙 因为滚珠丝杠是垂直使用，轴向负荷总是朝一个方向，没有轴向间隙。 3）轴向刚性 a）丝杠的轴向刚性 安装方式：固定 自由 考 文献 20 刚性探讨，丝杠的轴向刚性为 ： 1000 （ 2 式中： A：丝杠轴的断面面积 1m 001022 纸 询 414951605 最新最全的优秀毕设 资料完整 答辩通过 E： 杨氏模量（ 522 1 0 /N m m ） L：安装间距（ 10000 2 2 21 3 4 9 0 7 . 9 244A d m m 当 100L 时， 519 0 7 . 9 2 2 . 0 6 1 0 1 8 7 0 . 3 2 /1 0 0 0 1 0 0K s N m 当 500L 时， 529 0 7 . 9 2 2 . 0 6 1 0 3 7 4 . 0 5 /1 0 0 0 5 0 0K s N m b) 丝杠轴的轴向刚性引起的轴向变位量 当 100L 时，1 1535 0 . 2 91 8 7 0 . 3 2Fa 当 500L 时，2 2535 1 . 4 33 7 4 . 0 5Fa c) 进给丝杠轴向刚性引起的定位误差 定位精度 m 因此由进给丝杠轴向刚性而产生的定位误差是 m。 选择高负荷 密滚珠丝杠，轴向刚性为 1910 m，具有足够大的刚性，通过高精度直线光栅尺进行闭环反馈控制， Z 轴部件可以实现 Z 轴部件 定位精度 的要求 。 4） 因发热而引起的热变形计算 如果在运转中丝杠轴的温度上升，丝杠轴因热 而伸长，会影响定位精度。因发热而引起的丝杠轴伸缩量： l t l （ 2 式中： l ：丝杠轴的轴向伸缩量 ：热膨胀系数 t ：丝杠轴的温度改变 l ：螺纹部分有效长度（ 620 当温度上升 1 时，丝杠轴伸长 61 2 1 0 1 6 2 0 7 . 4 4l t l m 因此滚珠丝杠的使用时，一方面采取相应措施控制丝杠温升，另一方面通过高精度光栅尺进行测量反馈，保证精度要求。 （ 7 ) 旋转扭矩计算 1）由外部 负荷引起的摩擦扭矩 上升等速时21 5 1 0 1 0 8 5 4 . 4 42 2 0 . 9 5F a P m m 买文档就送全套 纸 询 414951605 最新最全的优秀毕设 资料完整 答辩通过 下降等速时52 4 7 0 1 0 7 8 7 . 8 02 2 0 . 9 5F a P m m 2）有滚珠丝杠予压引起的扭矩 对丝杠没有施加予压 3）加速时所需的扭矩 惯性力矩 (转动惯量 )： 查文献 20的 尺寸表 ，每 单位长度的丝杠轴惯性力矩为 ： 221 . 9 7 1 0 /k g c m m m，则丝杠轴全长 732惯性力矩如下： 2 2 3 21 . 9 7 1 0 7 3 2 1 4 . 4 2 1 . 4 4 1 0J s k g c m k g m 丝杠负载惯性力矩 2 2 6 2( ) 1 02m i J s i （ 3 式中： 1i ， 2 2 6 2 2 2 6 3 2 3 210( ) 1 0 5 0 ( ) 1 1 0 1 . 4 4 1 0 1 1 . 5 7 1 022m i J s i k g m 角加速度：2112 m a x 2 6 0 0 3 1 4 . 1 5 /6 0 6 0 0 . 2N r a d 根据上述计算，加速所需要的扭矩如下： 33 1 . 5 7 1 0 3 1 4 . 1 5 0 . 4 9 4 9 0T J N m N m m 因此，所需扭矩如下 ： 上升加速时：1 1 3 8 5 4 . 4 4 4 9 0 1 3 4 4 . 4 4 T N m m 上升等速时：21 8 5 4 . 4 4 N m m 上升减速时：3 1 3 8 5 4 . 4 4 4 9 0 3 6 4 . 4 4 T N m m 下降加速时：4 2 3 7 8 7 . 8 0 4 9 0 2 9 7 . 8 0 T N m m 下降等速时：52 7 8 7 . 8 0 N m m 下降减速时：6 2 3 7 8 7 . 8 0 4 9 0 1 2 7 7 . 8 0 T N m m （ 8）驱动电机的初步计算 1）旋转速度 滚珠丝杠的导程根据电机的额定转速进行选择，丝杠最高使用转速 600电机额定转速 3000 2）最小进给量 最小进给量与电机角度测试仪的分辨率有关，计算得电机角度分辨率为：100000p/ 3）电机扭矩 计算加速时所产生的扭矩为所需的最大扭矩 ： 买文档就送全套 纸 询 414951605 最新最全的优秀毕设 资料完整 答辩通过 1m a x 1 3 4 4 . 4 4 1 . 3 4 4 N m m N m 4）电机扭矩有效值 电机扭矩的有效值为： 2 2 2 2 2 2 21 1 2 2 3 3 4 1 5 2 6 31 2 3 1 2 3t t t t t tr m s T t T t T t T t T t T tT t t t t t t 8 3 5 N m m 即电机的额定扭矩必须大于 m m 5）惯性力矩 作用在电机上的惯性力矩 为： 321 . 5 7 1 0J k g m ，通常电机有必要具有作用在电机上惯性力矩的 1/10