XD-40A立式数控铣床Z向进给系统改进设计.doc

XD-40A立式数控铣床Z向进给系统改进设计 221前言1.1概述科学技术的发展以及世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求；超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的数控系统、伺服性能、主轴驱动、机床结构等提出了更高的性能指标；FMS的迅速发展和CIMS的不断成熟，又将对数控机床的可靠性、通信功能、人工智能和自适应控制等技术提出更高的要求。随着微电子和计算机技术的发展，数控系统的性能日益完盖，数控技术的应用颔域日益扩大。数控铣床是在数控加工中心领域中最具代表性的一种典型机床，在数控机床中所占的比率最大，数控加工中心、柔性制造单元等都是数控铣床基础上派生或发展起来的。它具有功能性强、加工范围广、工艺较复杂等点，主要用于各种复习的平面、轮廓、曲面等零件的铣削加工，同时还可以进行钻、扩、镗、攻螺纹等加工（见图1-1），在航空航天、汽车制造、机械加工和模具制造业中应用非常广泛1。 图1-1铣床的用途1.2数控机床的发展概况1.2.1数控技术的重要地位数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是二十世纪后半叶最重要、发展最快的工业技术之一，它以制造过程为对象，以信息技术为手段，以数字坐标方式对运动部件进行位置控制为主要特征，为单件小批量生产的自动化开辟了可行的技术途径，也为现代柔性制造技术奠定了重要的技术基础。数控机床是以数控技术为代表的新技术对传统制造业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化的产品，其技术覆盖很多领域。现在世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。因此，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径2。1.2.2我国数控机床的发展我国数控机床的发展经历了30年的跌宕起伏，已经由成长期进入成熟期。2008年年产已达125000台。我国可供市场的1500种数控机床，覆盖超重型机床、高精度机床、特种加工机床、锻压设备、前沿高技术机床等领域。五轴（坐标）联动数控机床是数控机床技术制高点标志之一。用于大型螺旋桨空间曲面加工的五轴联动铣床，曾引发轰动一时的美、日制裁原苏联的“东芝事件”。 这些至今仍受到禁运的数控五轴联动产品技术，我国都已陆续掌握，如数控五轴联动的重型落地镗铣床、龙门式铣镗床、加工中心等，十年来已一一推向市场，2001年的第七届国际机中国金属加工在线版权所有床展览会（CIMT2001）上我国就展出了五种此类商品，并陆续供应市场投入生产使用。而2009年4月的第十一届CIMT2009展会上，我国则更进一步推出40种以上，包括航空航天、造船、冶矿工业用的重型龙门移动式及各种类型数控五轴联动镗铣床和加工中心3。我国已有50家以上企业生产，沈阳机床集团、大连机床集团、济南第一机床厂、宝鸡机床厂、云机、长城、通力等企业都已批量生产，品种齐全，质量稳定可靠，有的已跨过月产几百台的门槛。数控系统装置是数控机床的神经中枢，是曾长期阻碍我国数控领域发展的关键环节。现今已形成由日本发那科公司独占世界市场50%、德国西门子占据25%的垄断局面(在我国几年前更是据绝对垄断地位)。我国从20世纪90年代末开始，掌握当时新出现的基于通用32位工业控制机开放式体系结构技术，一举登上当代技术同一起跑线，开发出能与加工中心、复合车削机床及齿轮机床配套的数控系统低档的可以全部满足国内需求，中档的可以满足50%以上，高档产品由于世界王牌已长期垄断中国市场，因而争夺用户信任成为竞争焦点，但国际强手在中国市场上奇货可居、任意中国金属加工在线版权所有封锁的垄断局面已被突破4。2总体结构设计与原理2.1技术要求数控铣床进给系统必须保证由数控装置发出的控制指令转换成速度符合要求的相应位移或直线位移，带动运动部件运动。根据工件加工的需要，在机床上各运动坐标的数字控制可以是相互独立的，也可以是联动的。总之，数控机床对进给系统的要求集中在精度、稳定性和快速响应三个方面。为满足这些要求，首先需要高性能的伺服驱动电机，同时也需要高质量的机械结构与之匹配。为提高进给系统机械结构性能主要采取以下措施：（1）提高系统机械结构的传动刚度：主要是从传动元件的刚度、消除传动元件之间的间隙、尽可能缩短进给传动链的长度、采用预紧措施这几方面为出发点考虑。（2）采用低而稳定的摩擦传动副：因为数控铣床进给系统多采用刚度高、摩擦因数小而稳定的滚动摩擦副，如滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨等。（3）惯量匹配：最佳惯量匹配目的是为保证伺服驱动电机的工作性能和满足传动系统对控制指令的快速响应的要求。（4）提高传动件精度：高质量的机械传动配合与高性能的伺服电动机使现代数控机床进给系统性能有了大幅度提高。2.2纵向进给系统总体结构设计2.2.1课题设计任务立式数控铣床Z向进给系统设计。立式数控铣床主要技术参数5如表2.1。表2.1 技术参数项目参数立铣刀最大直径32mm立铣刀齿数4最大铣削宽度22mm最大背吃刀量8mmZ坐标行程520mmZ快速进给速度20m/minZ切削速度010000r/min主轴转速范围808000 r/minZ伺服电机功率1.8或2.5或3KW定位精度X、Z：0.020 Y：0.016 mm重复定位精度X、Z：0.008 Y：0.006 mm主要内容：（1）数控铣床Z轴进给系统组成与工作原理。（2）总体结构设计。（3）丝杠等的设计计算与校核。（4）主要零件结构设计。五、撰写设计说明书。2.2.2方案设计(1) 主运动的实现采用主轴箱与变速箱分离的传动布局。主传动由变频电机经四级变速箱、三角带窄V带传至主轴。 (2) 进给运动的实现进给运动采用滚珠丝杠螺母副，其动力由伺服电机通过联轴器传递。(3) 数字控制的实现控制系统采用FANUC-0i系统。(4) 电机的选择选用直流伺服电机。因为直流伺服电动机具有良好的启动、制动和调速特性，可以方便地在宽范内实现平滑无级调速，因此在对伺服电动机的调速性能和启动性能要求较高的设备中，大都采用直流伺服电动机驱动。（5）数控系统的选择选择交/直流伺服电动机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统。因为半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。赛马场只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺机服电动机做成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题6。(6) 机床其它零部件的选择考虑到生产效率以及生产的经济性，机床附件如油管、行程开关等，以及标准件如滚珠丝杠、轴承等均选择外购形式（7）Z向进给系统简图2-1 a）为AUTOCAD平面装配图，2-1 b）为SOLIDWORKS三唯装配图。 a) b)1-丝杠螺母 2-连接板 3-滚珠丝杠 4-挡油盘 5-轴套 6-轴承座 7-双向推力角接触球轴承 8-端盖（带通孔） 9-直线滚动导轨副 10-键 11-电机安装垫块 12-电机 13-立柱 14-端盖图2-1 Z向进给系统简图3机械结构设计及详细尺寸3.1Z向进给传动的设计计算3.1.1主切削力及其切削分力计算（1）导轨上移动部件的重量估算按照垂直导轨上面移动的重量来进行估算。包括主轴、主轴电机、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量3430N。（2）计算主切削力零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢。由文献7表2-2查得立铣时的铣削力计算公式为： 今设定立铣刀最大直径，齿数,为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度，背吃刀量，每齿进给量，铣刀最快转速。则由式(3-1)求得最大铣削力：采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由文献7表3-5查得，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：现考虑立铣，则工作台受到的垂直方向的铣削力，受到水平方向的铣削力分别为和。，。由作用力与反作用力得：Z轴滚珠丝杠受力如下：纵向铣削力：径向铣削力：垂向铣削力：3.1.2直线滚动导轨副的计算与选型（1）滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本向进给系统中，直线导轨副竖直放置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于导轨的工作载荷全部由一个滑块来承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷：。查文献8表3-41，初选直线滚动导轨副的型号为系列的型，其额定动载荷，额定静载荷。立式数控铣床的向行程是，考虑工作行程应留有一定的余量，查表3-35，按标准系列，选取导轨的长度为。（2）距离额定寿命的计算上述选取的系列的型导轨副的滚道硬度为,工作温度不超过，每根导轨上配有两只滑块，精度为级，工作速度较快，载荷较大。查表，分别取硬度系数、温度系数、接触系数、精度系数、载荷系数,得距离寿命： （3-2）远大于期望值，故距离额定寿命满足要求。3.1.3滚珠丝杠副的计算与选型（1）最大工作载荷的计算已知升降（轴）部分运动件重约最大工作载荷: 取配重主轴箱向移动配有中央引导设计的平衡锤装置，即使在高速移动时，配重也不产生晃动。配重与主轴箱重量比例精确可以获得最佳的加工特性，且使轴驱动电机具有良好的负载特性。1）无负荷快速移动时，以上升等加速运动的工况为工作载荷最大 （3-4）为无负荷时的阻力，取2）匀速切削时 （3-5） 为颠覆力矩影响系数，取；为导轨的摩擦因数，直线滚动导轨副取。 （2）最大动载荷的计算最大动载荷的计算公式如下： （3-6）工作台在承受最大铣削力时的向最快切削速度，初选丝杠导程，则此时丝杠转速。取滚珠丝杠的使用寿命，代入 （3-7）得丝杠的寿命系数，（单位为）。平稳或轻度冲击下，取载荷系数，滚道硬度时，取硬度系数,代入公式（3-6），求得最大动载荷：（3）初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查文献8表3-32，选择系列型滚珠丝杠副，其公称直径为，导程为，循环滚珠为，精度等级取为级，额定动载荷为大于，满足要求。图3-1 丝杠螺母简图（4）传动效率的计算丝杠的螺旋升角，摩擦角 （3-8）3.2伺服电机的选择伺服电机的选用，应考虑三个要求：最大切削负载转矩，不得超过电机的额定转矩；电机的转子惯量应与负载惯量相匹配；快速移动时，转矩不得超过伺服电机的最大转矩。（1）负载惯量计算伺服电机的转子惯量应与负载惯量相匹配。直线运动件向丝杠折算的惯量 （3-9）其中为质量（主要包括溜板、刀架、刀盘等），取为丝杠螺距，求得:丝杠在电机轴上的惯量 （3-10）丝杠外径，丝杠长度，钢的密度由上式可以得出：联轴器加上锁紧螺母等的转动惯量可查手册得到折算到电机轴上的总惯量（2）电机扭矩计算1）快速空载启动时所需最大扭矩折算到电机轴上的最大加速力矩： （3-11）向快速移动速度为，丝杠螺距为，则为折算到电机轴上的总惯量为加速时间，为系统增益，取，则故求得：折算至电机轴上的摩擦力矩： （3-12）为导轨摩擦力：所以：折算至电机轴上的由丝杠预紧引起的附加摩擦力矩： （3-13）为滚珠丝杠副未预紧时的传动效率，求得：快速空载启动时所需的最大扭矩：2）重切时所需扭矩的计算所选伺服电机的额定转矩应该大于最大切削负载转矩。最大切削负载转矩： （3-14）重切时的切削负载转矩： （3-15） 其中，丝杠导程，机械效率。因滚珠丝杠预加载荷引起的附加摩擦力矩： （3-16）查哈尔滨轴承总厂角接触推力轴承组配技术条件，得单个轴承的摩擦力矩为，故一对轴承的摩擦力矩。伺服电机与丝杠直连，。综上，最大切削负载转矩：综上所述，比较快速空载启动时所需最大扭矩和重切时的切削负载转矩，所选电机的扭矩应大于上述两者的较大者，故选择电机扭矩应大于。（3）电机选择根据机床设计要求，选择的电机扭矩，应该大于机床最大扭矩，其次等效等效电机轴的转动惯量与电机轴的转动惯量应满足小型数控机床惯量匹配条件：，故所选伺服电机，电机扭矩应大于，转动惯量应在范围之内，过大则会造成电机性能浪费，过小则会出现工作台停止不稳、振荡等转动惯量不匹配现象。查文献9，选择直流伺服电机，它的额定转速，最大转速，额定转矩，转动惯量，效率，额定输出功率，完全能够胜任向伺服驱动工作。3.3滚珠丝杠副支承及轴承的选择滚珠丝杠的支承主要用来约束丝杠的轴向窜动，其结构形式可分为四种类型：双推-自由、双推-简支、单推-单推、双推-双推8。其中双推-自由和双推-双推适合于Z向的丝杠支承。但是双推-自由的形式刚度、临界转速、压杆稳定性底；而双推-双推的形式具有1.丝杠的轴向刚度高，2.丝杠一般不会受压、无压杆稳定性问题，3.可用预拉伸减小因丝杠自重引起的下垂，4.适用于对刚度和位移精度要求高的场合，四大优点。综上所述，选用双推-自由的支承方式双推-双推的支承（见图3-2）。滚珠丝杠中经常使用的滚动轴承有以下2类。（1）接触角为的角接触球轴承图3-2 丝杠支承方式这是目前国内外广泛采用的滚珠丝杠轴承，这种轴承可组配置。图33b）为1对背靠背组合方式，图3-3c)为一对面对面方式。这两种方式可承受双向轴向推力。图33d)为一同向组合方式，其承受能力较高，但只承受1个方向的轴向力，同向组合时的额定动载荷等于单个轴承的乘下列数：2个为1.63；3 个为2.16；4个为2.64.图33e)为1对同向与左边1个面对面组合方式9 用上述方法还能派生出三联、四联等多种组合方式。由于螺母与丝杠的同轴度在制造安装的过程中难免有误差，而且采用面对面组合方式时两接触与轴线交点间的距离比背对背的小，故容易实现自动调整。因此在进给传动中面对面组合用得较多。（2）滚珠推力圆柱滚子组合轴承（图33f）外圈3与箱体固定不转，只圈1、5和隔套内圈6随轴转动，滚针7承受径向载荷，圆柱滚子（或球）2和4分别承受两个方向的轴向载荷，修磨隔套内圈6的宽度可调整轴承的轴向预紧量。图33 滚珠丝杠用轴承上述2类轴承中，角接触轴承的摩擦力矩小于后者，而且可以根据需要进行组合，但刚度较后者低，目前在一般中，小型数控机床中被广泛应用。滚针圆柱滚子轴承多用于重载和要求高刚度的地方。今选用选用德国双向推力角接触球轴承，它具有良好的性能。内径，外径，厚度图34 双向推力角接触球轴承简图3.4联轴器的选择传动轴上的公称扭矩: （3-17）式中 传递的功率，轴的转速，由Infranor瑞诺盘式直流伺服电机MSS样本得到伸出轴端的直径是。选择型弹性套柱销联轴器，公称扭矩，材质：钢，许用转速，转动惯量综上型弹性套柱销联轴器，满足向进给的要求。4强度设计与校核4.1滚珠丝杠螺母副的承载能力效验4.1.1滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷的效验（1）轴滚珠丝杠副的支承采用“双推-双推”的方式。丝杠的两端各采用一对推力角接触轴承，面对面组配。上下支承的中心距约为；钢的弹性模量；滚珠直径，丝杠底径，丝杠横截面积。求得丝杠在工作载荷作用下产生的拉/压变形量： （4-1）（2）根据公式 （4-2）求得单圈滚珠数;该型号丝杠为单螺母，滚珠的，代入公式：，得滚珠总数量。丝杠预紧时，取轴向预紧力。求得滚珠与螺纹滚道间的接触变性量： （4-3）（3）将以上算出的 （4-4） 求得丝杠总变形量。有效行程为，级精度滚珠丝杠有效行程在时，行程偏差允许达到，可见丝杠刚度足够。4.1.2滚珠丝杠螺母副压杆稳定性的校验丝杠失稳时的临界载荷 （4-5）双推-双推支承下，丝杠支承系数；垂直安装时，压杆稳定安全系数；滚珠丝杠两端轴承的中心距约为。丝杠底径，求得截面惯性矩。代入（4-5）求得临界载荷，远大于工作载荷,故丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。4.1.2滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧滚珠丝杠螺母机构是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，是数控机床伺服进给系统中使用最为广泛的传动装置。滚珠丝杠在轴向载荷作用下，滚珠和螺纹滚道接触区会产生严重接触变形，接触刚度与接触表面预紧力成正比。如果滚珠丝杠螺母副间存在间隙，接触刚度较小；当滚珠丝杠反向旋转时，螺母不会立即反向，存在死区，影响丝杠的传动精度。因此，滚珠丝杠螺母副必须消除间隙，并施加预紧力，以保证丝杠、滚珠和螺母之间没有间隙，提高滚珠丝杠螺母副的接触刚度11。滚珠丝杠螺母副通常采用双螺母结构，如图41所示1滚珠螺母；2紧定螺钉；3支座；4滚珠丝杠；5调整垫片图41 双螺母滚珠丝杠图中1代表滚珠螺母，3代表支座，螺母与支座之间有调整垫片，通过调整垫片来调节滚珠螺母与滚珠丝杠螺纹之间的间隙。通过调整两个螺母之间的轴向位置，使两个螺母的滚珠在承受载荷之前，分别与丝杠的两个不同的侧面接触，产生一定的预紧力，以达到提高轴向刚度的目的。调整预紧有多种方式，上图所示的为垫片调整式，通过改变垫片的厚薄来改变两个螺母之间的轴向距离，实现轴向间隙消除和预紧 12。这种方式的优点是结构简单、刚度高、可靠性好。4.2双向推力角接触球轴承的承载能力效验4.2.1确定因数基本额定动负载18000N，基本额定静负载31500N,参考转速9500r/min，极限转速14000r/min。动强度计算，已知所选双向推力角接触球轴承的各项参数：，由于双向推力角接触球轴承可认为是两个单独的轴承背靠背组合而成，派生轴向力互相抵消13，该轴承所受轴向力即滚珠丝杠所受轴向力，纵向铣削力：，径向铣削力：，垂向铣削力：由相对轴向力由文献11机械设计表14.9得 4.2.1计算当量动载荷 （4-6）4.2.1计算轴承寿命 （4-7）综上所述，该轴承寿命能满足要求。5结论本课题的主要任务是完成对立式数控铣床Z向进给传动系统设计，完成了进给传动系统轴向负载计算、滚珠丝杠螺母副的选型与计算、强度与刚度校