数控机械类毕业设计双坐标数控精密工作台的结构设计

1、双坐标数控精密工作台的结构设计33摘要：本课题针对数控进给伺服工作台，通过控制器和合适的误差补偿措施,使该系统达到了高速高精度的要求。主要工作有以下几个方面： 1)机械传动方案的确定2）滚珠丝杠的设计与选择3）滚动导轨的计算设计与选择4）轴承的选用5）伺服电机的选用6）联轴器的选择 运用autocad等软件进行设计，绘出工作台的装配图及零件图,对进给系统进行分析与传统的设计方法相比充分体现我们现代化的设计风格。 本项目的研究，为其它数控机床产品定位精度改善和误差源分析提供了借鉴，并为数控机床企业解决生产技术难题。因此针对此课题的研究对整个数控机床和设备业具有普遍的意义，项目的实施将会为大大促进

2、机床加工精度水平和生产效率的提高，对我国的国民经济发展无疑会起到很大的推动作用。关键词：工作台；滚珠丝杠副；滚动直线导轨副;1 绪论1.1本项目研究的重要意义随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基

3、础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，cad/cam与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。随着计算机技术和控制理论的应用和发展，机械加工工艺设备技术水平有了迅猛的发展。数控技术是机械加工技术、计算机技术、自动控制技术及精密检测技术等多学科紧密结合的新技术。它可以保证产品达到极高的加工精度和稳定的加工质量，操作过程易于实现自动化，生产效率高，生产准备周期短，可以节省大量专用工艺

4、设备，特别是在适应机械产品迅速更新换代、小批量、多品种生产方面，各类数控设备、加工中心、柔性制造单元（fmc）、柔性制造系统（fms），以及计算机集成制造系统（cims）是数控技术发展的必然趋势数控机床是50年代发展起来的新型自动化机床，较好解决了形状复杂、精密、小批量零件的加工问题，具有适应性强、加工精度和生产效率高的优点。由于数控机床综合了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等诸方面的先进技术，使得数控机床的发展日新月异，数控机床的功能越来越强大。数控机床的发展趋势体现在数控功能、数控伺服系统、编程方法、数控机床的检测和监控功能、自动调整和控制技术等方面的发展。 运动部件

5、的定位误差和进给速度直接影响到机床的加工精度和切削效率，因此它们是评定数控机床性能最重要的两个指标。研制高速高精度化数控机床是机械制造业发展的必然要求。机床运动部件（工作台、刀具等）的运动是由数控伺服系统来控制，其运行速度和位置精度的提高依赖于数控系统性能的提升。本项目的研究同时为其它数控机床产品定位精度改善和误差源分析提供了借鉴，并为数控机床企业解决生产技术难题。因此针对此课题的研究对整个数控机床和设备业具有普遍的意义，项目的实施将会为大大促进机床加工精度水平和生产效率的提高，对我国的国民经济发展无疑会起到很大的推动作用。 1.2高速精密数控进给系统装置的发展概况 一个数控系统的速度和位移精

6、度等技术指标，主要是由控制机械装置运动的伺服系统所决定。伺服系统是以机械位置或角度、速度或角速度作为控制对象的闭环控制系统，又称伺服机构。它由伺服元件（交直流伺服伺服电机、步进电机、电液马达以及各种电磁阀、电液阀等）、驱动装置以及机械传动机构组成。伺服系统接受来自微机发送出的进给脉冲，经放大和变换后产生了运动部件(工作台、刀具)的位移，从而实现各种加工轨迹的控制，并保证动作的快速、准确和稳定性 数控机床对数控进给伺服系统的要求 （1）输出位置精度要高 静态上要求定位精度和重复定位精度要高，即定位误差和重复定位误差要小 (以保证尺寸精度) 。动态上要求跟随精度高，即跟随误差要小，这是动态性能指标

7、 (以保证轮廓精度) 。另外，要求灵敏度高，有足够高的分辩率。 （2）响应速度快且无超调 这是对伺服系统动态性能的要求，即在无超调的前提下，执行部件的运动 速度的建立时间tp 应尽可能短。通常要求从0fmax（fmax0 ) 其时间应小200ms，且不能有超调，否则对机械部件不利，有害于加工质量。 （3）调速范围要宽且要有良好的稳定性(在调速范围内) 调速范围： 一般要求： 稳定性是指输出速度的波动要少，尤其是在低速时的平稳性显得特别重要。 (4)负载特性要硬 在系统负载范围内，当负载变化时，输出速度应基本不变。即f尽可能小；当负载突变时，要求速度的恢复时间短且无振荡。即t尽可能短；另外应有足

8、够的过载能力。这是要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。 (5) 能可逆运行和频繁灵活启停。 (6) 系统的可靠性高，维护使用方便，成本低。 综上所述：对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面；对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更严。在采用闭环控制消除丝杠导程、间隙及导轨直线度等误差之后，产生于各轴运动反向时的摩擦误差就成为机床加工工件轮廓误差的主要原因，如何有效地消除摩擦的影响。虽然说可以通过仔细调整控制器参数来对其进行一定的抑制，但大多数研究人员认为应该通过给位置指令增加额外的指令脉冲来抵消爬行。补偿方法的关键是如何得到能够抵消爬行的额外指令脉冲。采用重复控制的方法，即把预先测量得到的摩

9、擦误差作为补偿指令，然后加入到同样工况下的位置指令中去，从而达到完全消除摩擦误差的目的。尽管摩擦误差补偿后机床定位运动位置精度得到很大的改善，但这种方法不适合在进给速度和加工半径变化的数控机床中使用，可以说到目前为止，对于数控进给伺服系统的摩擦补偿问题还没有取得有效的成果.1.3本试验台的控制方式采用闭环控制驱动系统，其基本结构框图如图所示，它由以下几部分组成：ipc光栅尺速度控制制制位置控制编码器工作台pmac电机 机机机 图1-1 数控进给伺服试验装置的基本结构图1.3.1人机交互装置：它运行在装有pmac的工业控制计算机上，操作者通过它输入参数，进行控制工作台运动的各种位移、速度等参数。

10、另外，该微机完成与其它数控装置的通讯。1.3.2 运动控制器：主要由pmac运动控制器和接口电路组成。pmac可处理运动控制、逻辑控制、资源管理及主机的交互工作，接口电路是实现pmac与伺服系统之间的连接，实现信号转换、数据传送及实时控制等。1.3.3 驱动系统： 由交流伺服电机、驱动器、联轴器、滚珠丝杠等组成。伺服电机通过接口电路接受来自运动控制卡pmac的控制指令，并驱动工作台沿单坐标方向移动，实现位置控制。1.3.4 检测装置及控制对象： 被测对象为工作台，检测装置为线位移光栅传感器，将机械工作台位移量通过接口反馈到微机内，从而形成闭环控制。1.4本项目所做的主要工作本课题针对数控进给伺

11、服工作台，通过控制器和合适的误差补偿措施，使该系统达到了高速高精度的要求，在理论上已经基本解决了所研究的数控进给伺服高速高精度工作过程中所存在的问题。主要工作有以下几个方面：1）机械传动方案的确定2）滚珠丝杠的设计与选择3）滚动导轨的计算设计与选择4）轴承的选用5）伺服电机的选用6）联轴器的选择 运用autocad等软件进行设计，绘出工作台的装配图及零件图,机械传动系统和伺服系统的设计。要了解数控机床的传动系统以及特点以及电机与丝杆之间的连接以及滚珠丝杆螺母副的意义与作用以及导轨的一些情况。 2 传动方案与导轨的确定2.1传动方案的制定数控机床以其精度高、效率高、能适应小批量多品种复杂零件的加

12、工等有点，在机械加工中得到日益广泛的应用，概括起来数控机床的加工有以下及方面的优点：1)适应性强2)精度高，质量稳定3)生产效率高4)能实现复杂的运动5)能有良好的经济效益6)有利于生产管理的现代化。数控机床进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性直接影响到工作台的坐标精度和工件的轮廓精度。为此，数控机床的进给系统应充分注意减少摩擦力，提高传动精度和刚度，消除间隙以及减少运动件的惯量等。对于高速高精度数控机床尤其如此。超精密滚动导轨和超精密滚珠丝杠螺母副能较好的满足这些要求。因此本工作台的设计采用了滚动导轨加滚珠丝杠螺母副的组合。电气驱动部件包括伺服电机和驱动放大器，需根据进给驱动系统的要求进行设计

13、。实现高速进给的机械机构方法有：1、在提高进给伺服电机转速的同时，采用中空甚至带有冷却的大导程滚珠丝杠副，从而使进给速度达到一般进给速度的十倍左右，进给加（减）速度可达到12g左右。2、采用直线电动机直接驱动方式将机床进给传动链的长度为零，省去了机械结构，这种方式也称为“直线驱动”或“零传动”方式。其优点是可得到瞬时的高加（减）速度，即过渡过程极短响应快。但在设计、制造和应用等方面还存成本也较高。 由于工作台运动速度高，机床工作时将承受很大的动静载荷，并受到多方面的颠覆力矩，导轨的摩擦特性还会影响到进给系统的加速度和发热，因此必须采用高精度、高刚度和承载能力大的高速导轨。滚珠丝杠系统组成元件多

14、，传动链长，滚珠丝杠又是一种细而长的非刚性传动元件，当速度要求较高时，转动惯性大，扭转刚度低、传动误差大，摩擦磨损严重、弹性变形引起爬行、反向死区引起非线形误差等一系列缺陷，就会影响机床的动态性能。 本工作台为x-y两轴数控进给试验台，有效行程为350350，工作台重量约5000n，搭载重量3000n，台面尺寸300320。为减少成本，简化工艺，数控工作台的上下两层x、y向传动机构结构相同。图2 -1数控进给系统试验台实体造型图工作台的导向支承机构是导轨，导轨的作用是支承和限制运动部件（如刀架、工作台等）按给定的运动要求和规定的运动方向运动。因此，导轨的精度及其性能对其机床加工精度，承载能力等

15、有重要的影响。2.1.1、数控机床的进给运动系统数控机床进给驱动对位置精度、快速响应特性、调速范围等有较高的要求。实现进给驱动的电机只要有三种：步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。目前步进电机只适应用于经济型数控机床，直流伺服电机在我国正广使用，交流伺服电机作为比较理想驱动元件已经成为发展趋势，电机于丝杆间的连接主要有三种形式1）电机通过联轴器直接与丝杆连接此结构通常是电机轴与丝杆之间采用锥环无键连接或高精度十字联轴器连接，从而使进给传动系统具有较高的传动精度和传动刚度，并大大简化了机械结构在数控机床上或高精度的数控机床上常采用此种连接形式2）带有齿轮传动的进给运动数控机床在机械进给装置中一

16、般采用齿轮传动副来达到一定的降速比，如上图所示。由于齿轮在制造中不可能达到理想齿轮要求，总是存在着一定的齿侧间隙才能正常工作，但齿侧间隙会造成进给系统的反向失动量，对闭环系统来说，齿侧间隙会影响系统的稳定性。因此，齿轮传动副常采用消除措施来尽量减少齿轮侧隙。但这种连接形式的机械结构比较复杂3）经同步带轮传动的进给运动这种连接形式的机械结构比较简单，同步带轮传动综合了带传动和链传动的优点，可以避免齿轮传动引起的振动和噪音，但只能适用于低扭矩特性要求的场所，安装时中心距要求严格，且同步带与带轮的制造工艺复杂.综合上述对各种传动方案比较电机通过联轴器直接与丝杆连接的优点比较明显，此结构具有结构简单传

17、动精度与刚度较高等优点所以我们此次设计选择这种传动方案。2.2工作台导轨的确定导轨分为滑动导轨和滚动导轨两大类。2.2.1、滑动导轨:包括普通的滑动导轨和新型的贴塑导轨。普通：普通的滑动导轨摩擦阻力大容易引起爬行现象，而且受制于材料的影响很大，一般现代先进设备都不怎么采用这种导轨。贴塑导轨：为了进一步减少导轨的磨损和提高运动性能，近来出现了新型的塑料滑动导轨。在与床身导轨相配的滑动导轨上粘接上静、动摩擦系数基本相同，耐磨、吸振塑料软带，或者在定、动导轨之间采用注塑的方法制成塑料导轨。塑料软带材料是以四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂混合烧结并做成软带状，国内已有的牌号为tsf的

18、导轨软带生产，以及配套用的dj胶黏剂。导轨软带使用的工艺较为简单，只要将导轨粘贴面作半精加工至粗糙度ra3.21.6微米，清洗黏贴面后，用胶黏剂粘合，加压固化，再经精加工即可。 缺点：滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。因此在高速精密数控机床一般不采用此类导轨。2.2.2、滚动导轨:滚动导轨是在导轨工作面之间安排滚动件，使两导轨面之间形成滚动摩擦优点：滚动导轨的优点是摩擦系数小，一般在0.00250.005，动、静摩擦系数很接近，低速运动一般不会产生爬行现象，并可实现高速运动；在正确安装和合理预紧的条件下，可以得到很高的刚性和传动精度，并能实现超微米级的进给

19、精度。同时滚动接触由于摩擦能量小，滚动面的摩擦损耗也少，故能长时间地保持高精度。但滚动导轨结构复杂，几何精度要求高，抗震性较差，防护要求高，制造困难，成本高。它适用于工作部件要求移动均匀、动作灵敏以及定位精度高的场合。滚动导轨因其特有的优点在数控机床上的应用十分广泛，滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力。能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”，从而降低基础件（导轨安装面）的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度。导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承接

20、能力及刚度比平面与钢球点接触时大大提高，滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低。导轨采用表面硬化处理，使导轨具有良好的可校性；心部保持良好的机械性能。现在常用的有直线导轨副和滚动导轨块。直线导轨副一般用滚珠作滚动体，滚动导轨块用滚子作滚动体。滚动导轨块由于是线接触，其承载能力和刚度大，但摩擦力也较高，加工装配较复杂。直线滚动导轨是近年出现的一种滚动导轨，其突出的优点为无间隙，并且能够施加预紧力。其主要由导轨体、滑块、钢球、保持器、返向器、密封端盖等组成。导轨体固定在不运动部件上，滑块固定在运动部件上，通过钢球的运动把导轨体和滑块之间的移动变成了滚动。结合此次设计要求综合考虑定位精度及运动平稳性等技术

21、要求，我们决定采用直线滚动导轨副。由于上下层结构相同，而下层工作台要承受上层工作台的重量和搭载重量，因此只要满足下层工作台的要求即可。3 机械部件设计、计算及选择 本文根据工作台对滚动直线导轨副和滚珠丝杠副载荷大小和使用寿命要求进行计算选择合适的对象在配以相应的联轴器、轴承以及电机等设备由于篇幅有限，本文仅对滚动直线导轨副、滚珠丝杠副进行设计等工作3.1滚动直线导轨副的载荷计算与选择由于滚动直线导轨副的特殊结构，使其具有垂直向上、向下、左右和水平四个方向额定载荷相等，且额定载荷大，刚性好，三个方向抗颠覆力矩能力大的特点，滚动导轨受力分析见图3。下层工作台的承重约为3000n3.1.1、 l0=

22、190mm，l1=230mm，l2=50mm，l3=70mmw1234pc2 pc3pc1 pc4l3l1 1l22333333lllhhhghgfhlllll0 图3-1 滚动导轨受力分析图（1）（2）（3）（4）将已知数据代入上式，得 载荷呈分段变化,其计算载荷pc (5)式中：pn对应行程内的载荷；ln分段行程；l全行程，等于3.1.2、滚动直线导轨副的额定寿命额定寿命的计算公式为： (6) 式（6）中：l额定寿命c额定动载荷 pc计算载荷ft温度系数，取1.0fc接触系数，取0.81fa精度系数，取1.0fw载荷系数，取1.5fh硬度系数，取1.0寿命时间的计算当行程的长度一定，以小时

23、为单位的额定寿命： (7)式中：l行程长度 l额定寿命 n每分钟往复次数 一般，滚动直线导轨副预期寿命取为20000小时，则(8) 取ft 1.0 ，fc0.81，fa1.0，fw1.5，fh1.0，则 查南京工艺准备厂样本，其ggb25bal型滚动直线导轨c=20.7kn，满足要求3.1.3、滚动直线导轨副的精度及选用由于滚动直线导轨副具有“误差均化效应”，在同一平面内使用二套或二套以上时，可选用较低的安装精度达到较高的运动精度。滚动直线导轨副分四个精度等级，即2、3、4、5级，2级精度最高，依次递减。据南京工艺厂样本，选择精度等级为2级。 3.1.4、滚动直线导轨副预加载荷据南京工艺厂样本

24、，对于要求较高定位精度，用于精密定位运动机构和测量机构的导轨副，其预加载荷选p1级。 3.1.5、确定滚动直线导轨副型号根据以上步骤，综合其它尺寸，查南京工艺装备厂产品样本，选取滚动直线滚动直线导轨副ggb系列.导轨副为ggb25bal2p12600-2。3.2滚珠丝杠副的选择与计算滚珠丝杠副作为当代数控机床进给的主要传动机构，与滑动丝杠副相比，滚珠丝杠副具有摩擦小、刚度大，灵敏度高及寿命长等优点，但尚存在结构较复杂，工艺难度大，制造成本高等缺点。为了消除间隙和调整预紧，通常采用双螺母结构，以获得无间隙和具有预紧力的滚珠丝杠副。综上所述，确定本滚珠丝杠螺母副采用单圆弧、内循环、双螺母螺纹调整方

25、式的结构形式。滚珠丝杠的支承方式主要有四种，作者选择了双推双推式支承结构，即两端装止推轴承及向心轴承的组合，并施加预紧力，使其刚度最高。该方式非常适合于高刚度、高速度、高精度的精密丝杠传动系统。但由于随温度升高会使丝杠的预紧力增大，故易造成两端支承的预紧力不对称。为了满足数控机床高进给速度、高定位精度、高平稳性和快速响应的要求，必须合理选择滚珠丝杠副,并进行必要的校核计算。工作台重量 w1=5000n工作台承重 w2=3000n工作台最大行程 lk=350mm工作台快速进给速度 v15/min定位精度 0.025mm/300mm重复定位精度 0.003mm 表1-1切削参数介绍 切削方式纵向切

26、削力pxi(n)垂向切削力pzi(n)进给速度vi(m/min)工作时间百分比%丝杠轴向载荷(n)丝杠转速r/min强力切削200012000.610292060一般切削10002000.830185080精切削5002001501320100快速进给00151080015003.2.1、确定滚珠丝杠副的导程ph根据机床传动要求,负载大小和传动效率等因素综合考虑确定导程ph。先按机床传动要求确定,其公式为: (9) 式中: v机床工作台最快进给速度,/； i传动比，因电机与滚珠丝杠副直接联接，i取1；驱动电机最高转速,/。在满足控制系统分辨率要求的前提下，导程ph应取较大的数值，按南京工艺装备

27、制造厂样本,选ph为10mm。3.2.2、确定当量转速与当量载荷1）各种切削方式下，丝杠转速 由表1查得 代入得 2）各种切削方式下，丝杠轴向载荷 由表1查得 代入得 3）当量转速 由表1-1查得 代入得 3.2.2.4、当量载荷 （10） 代入得 3.2.3、 预期额定动载荷 3.2.3.1、 按预期工作时间估算 （11） 轻微冲击取 fw=1.3 精度系数 fa=1 可靠性97%取fc=0.44 已知：lh=20000小时 代入得 3.2.3.2、拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载fmax计算： 中预载取 fe=4.5 代入得 取以上两种结果的最大值 3.2.4、确定允许的最小螺纹底径1）估

28、算滚珠丝杠的最大允许轴向变形量mm（1/31/4）a=0.001mmm（1/41/5）c=0.015 mm a重复定位精度，0.003 mm； c定位精度，0.025 mm。取以上两种结果中的最小值m为0.001 mm。2）估算滚珠丝杠副的底径d2m （12）式中：e杨氏弹性模量2.1105n/mm2 m估算的滚珠丝杠最大允许轴向变形量；导轨静摩擦力。 w1=5000n 取0.15 =750n 已知：l滚珠螺母至滚珠丝杠固定端支承的最大距离； l 行程+安全行程+余程+螺母长度一半+支承长度的一半 行程+（24）ph+4 ph +(46) ph +(1/201/10) 行程 (1.11.2)行

29、程+（1014）行程为350mm, 代入得： l=520mm d2m=24.3mm3.2.5、确定滚珠丝杠副的规格代号 1）选内循环浮动式法兰，直筒双螺母型垫片预形式2）由计算出的在样本中取相应规格的滚珠丝杠副 选滚珠丝杠副的代号为:ffzd3210-3 pn=10mm，ca=25.7kn24.8kn，d2=27.3mmd2m=24.3mm。3.2.6、确定滚珠丝杠副预紧力fp最大载荷fmax为机床承受最大切削力时作用于滚珠丝杠的轴向载荷。 3.2.7、确定滚珠丝杠副支承所用轴承规格型号滚珠丝杠支承用轴承通常要选专用轴承，本设计选用丝杠支承专用角接触轴承。1）轴承所受的最大轴向载荷fbmaxf

30、bmaxfmax2920n2）使用一端两端固定的支承形式。用背对背60o接触角推力球轴承。 d小于d227.3mm，取d28mm支承端选52207轴承，固定端选51206型轴承，查轴承样本知其预紧力为450n，大于fbmax的1/3。3.2.8、确定滚珠丝杠副其它尺寸1）滚珠丝杠副的螺纹长度lslslu+2le （13） lu有效行程+螺母长度 le余程，查样本取40mm ls35089+80519mm2）丝杠全长l l= ls +两端支承长度连接长度起始距离综合考虑各项几何尺寸要求，取l 为600 mm 3.2.9、确定滚珠丝杠副型号 (1) 丝杠螺纹长度ls： ls=lu+2le 取le=

31、40 （2）两固定支承距离l1 按样本查出螺母安装联接尺寸 丝杠全长l（3）行程起点离固定支承距离l0 ls=519mm l1=550mm l=590mm l0=20mm(4）传动系统刚度计算a传动系统的刚度k计算 （14）式中：ks滚珠丝杠幅的拉压刚度kb滚珠丝杠幅的轴向刚度kc滚珠丝杠副滚珠与滚道的接触刚度kr折合到滚珠丝杠副上的伺服刚度，可忽略不计kd滚珠丝杠副中螺母体刚度，按kd4 kc计算kt折合到滚珠丝杠副上的联轴节刚度，可忽略不计kh螺母座、轴承座刚度，可忽略不计kj滚珠丝杠副的扭刚度，可忽略不计b计算ks 当丝杠支承形式为两端为双推式时滚珠丝杠副的拉压刚度ks： （15）式中：

32、ks拉压刚度(n/mm)e杨氏弹性模量a丝杠横截面积（按内径计算）(mm2)p工作载荷（n） 当a=l0（靠固定端的行程起点处）时刚度最大 （16）c.支承轴承组合刚度 (1)一对预紧轴承的组合刚度 kbo=22.34 （17） kbo：一对预紧轴承的组合刚度 n/m dq ：滚珠直径 mm z ：滚珠数 famax ：最大轴向工作载荷 n ：轴承接触角 由样本查出52207轴承是预加载荷的3倍 dq=7.144 z=17 =60 kamax=8700 n/m kbo=375 n/m(2）支承轴承组合刚度 kb=2 kbo kb=750 n/m kb ：支承轴承组合刚度 n/md计算kc1）对

33、预紧的滚珠丝杠副 （18）式中：kc1查样本上的刚度ca额定动载荷2）传动系统刚度验算及滚珠丝杠副的精度选择(19) (20) 在空载下， 称摩擦死区误差，fo是机床空载时导轨上的静摩擦力。 称为传动系统刚度变化引起的定位误差。数控机床反向差值主要取决于死区误差，而定位误差主要取决于滚珠丝杠副的精度，其次是k。3) 传动系统刚度验算传动系统刚度变化引起的定位误差：3mb滚珠丝杠副的精度选择南京工艺装备厂的滚珠丝杠副精度分为七个等级，即1、2、3、4、5、7、10级，1级精度最高，依次逐渐降低。对闭环控制系统，确定350mm内行程变动量为：根据上述计算结果，查滚珠丝杠副样本，选取滚珠丝杠副精度等

34、级为1级，已确定的型号为ffzd；公称直径：30导程:10;螺纹长度:519;丝杠全长:600;t类1级精度 最后，确定滚珠丝杠副型号为ffzd3210-3-p1/600519内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠副ffzd型 ffzd型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠副特点：径向安装尺寸小，安装简便，双螺母预紧。适用于各类负荷、各种精度定位,应用范围最为广泛。 滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各

35、种工业设备、精密仪器、精密数控机床。尤其是近年来，滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业得到广泛运用，极大的推动了机床行业的数控化发展。这些都取决于其具有以下几个方面的优良特性：传动效率高、定位精度高、传动可逆性、 使用寿命长、同步性能好。 4）滚珠丝杠副临界压缩载荷fc的校验(验算压杆稳定性)(21)式中：d2滚珠丝杠螺纹底径(mm)lc1滚珠丝杠的最大受压长度(mm)f1max滚珠丝杠副承受最大轴向压缩载荷(n)k1安全系数，取1/3k2支承系数，取k225）滚珠丝杠幅的极限转速nc的校验为防止丝杠转速接近其固定振动频率时发生共振,需对丝杠极限转速进行校验。(22)式中： nc

36、极限转速(r/min)lc2临界转速计算长度（mm）e杨氏弹性模量材料密度i丝杠的最小惯性矩a丝杠的最小横截面积k1安全系数，取0.8f 支承系数，取21.9支承系数，取3.9276）dn值校验（23）式中：dpw滚珠丝杠副的节圆直径nmax滚珠丝杠副的最高转速7）基本轴向额定静载荷c0a验算（24）式中：fmax滚珠丝杠副的基本轴向额定静载荷fs静态安全系数，一般载荷fs12，有冲击或振动的载荷fs23经校核，该滚珠丝杠副符合要求3.3伺服电机的选择电动机是专门工厂批量生产的标准部件，设计时要选出具体型号以便购置。选择电动机包括确定类型、结构、容量（功率）、额定制动力矩和转速，并确定其型号和

37、尺寸。3.3.1、选择电动机类型和结构形式1）机械的负载性质和生产工艺对电动机的起动、制动、反转、调速等要求，选择电动机类型2) 根据负载转矩、速度变化范围和起动频繁程度等要求，考虑电动机的温度限制，过载能力和起动转矩，选择电动机容量，并确定冷却通风方式。所选电动机容量应留有余量。3) 根据使用场所的环境条件。如温度、湿度、灰尘、雨水以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的外壳防护形式，选择电动机的结构形式。4) 根据企业的电网电压标准和对功率因数的要求，确定电动机的电压等级和类型。5) 根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过度过程性能的要求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机。电动机分

38、交流伺服电动机和直流伺服电动机两种。由于直流伺服电动机需要直流电源，结构较复杂，价格较高，维护比较不便，因此无特殊要求时不宜采用。 生产单位一般用三相交流电源，因此，无特殊要求都应选用交流伺服电动机。3.3.2、外加载荷产生的摩擦力矩tf(n.m)： tf=fmph/210-3 （25） 式中：-未预紧的滚珠丝杠副效率，取0.95; tf=(292010)/(20.95) 10-3=4.894(n.m) 3.3.3、滚珠丝杠副预加载荷fp产生的预紧力矩tp（n.m） tp=(fp.ph)/2 *(1-2)/ 210-3 =(75010)/ 2 *(1-0.952)/ 0.95210-3 =0.

39、27(n.m) 3.3.4、负荷转动惯量j（kgm2）及传动系统转动惯量j（kgm2） jl=ji(ni/nm)2+mj(vj/2nm) =jm+jl 式中：ji, ni-各旋转件转动惯量（kgm2）和转速（r/min）; mj, vj-各直线运动件的质量（kg）和转速（r/min）; jm,nm-电机的转动惯量（kgm2）和转达速（r/min）; ji=1/8md2m2 =(1/32) d2m4l.p （26） =(1/32) 34.3410-120.857.85103 =9.0610-4（kgm2） jl=9.0610-4+(1/4) d2m2l.p(10/2200)2 =9.6810-4

40、（kgm2） jmjl/3=3.228 10-4（kgm2） 3.3.5、最大加速转矩tam tam=j*(2nmax/60ta) （27） 式中：nmax-电机最高转速，r/min; ta-加速时间，ta取0.15s; tam=2210-4(23000)/(600.15)=4.6(n.m) 3.3.6、电机的最大启动转矩 tr=tam+(tf+tp) （28） tr=4.6+4.897+0.27=9.767(n.m) tr=9.767n.m14.72n.m(电机额定转矩)，符合要求。确定电机型号为yej90-4，其输出功率为0.55kw，额定转矩为14.72n.m3.4联轴器的选择联轴器用来

41、联结两轴并传递运动和转矩有时也可作为一种过载装置用来防护被联结机件承受过大的载荷。选择联轴器类型应该考虑以下几点：1）传递扭矩的大小和载荷的性质。联轴器主要作用是传递转矩，因此，再选用和设计联轴器时，转矩间符合如下关系：ttctnttmaxtmaxt-理论转矩； tc-计算转矩； tn-公称转矩； t-许用转矩tmax-许用最大转矩 tmax-最大转矩2）转速高时验算外缘的离心应力和弹性元件的变形，并需要进行平衡检验。3）由制造和装配误差轴受载和热膨胀变形，以及部件之间相对运动等引起两轴轴线的相对位移程度。4）许用的外形尺寸和安装方法，使装配调整和维修能适应给相对的操作空间。能再轴不需作轴向移

42、动的条件下，装拆大型联轴器。此外，还应考虑工作环境使用寿命以及润滑和密封等条件。使用时，先选用合适的类型，再按轴直径、扭矩和转速确定联轴器的型号和结构尺寸。联轴器可以分为刚性联轴器和挠性联轴器刚性联轴器不具有补偿被联两轴轴线相对偏移的能力，也不具有缓冲减震性能；但结构简单，价格便宜。只有在载荷平稳，转速稳定，能保证被联两轴轴线相对偏移极小的情况下，才可选用刚性联轴器。属于刚性联轴器的有套筒联轴器、夹壳联轴器和凸缘联轴器等。 挠性联轴器具有一定的补偿被联两轴轴线相对偏移的能力，最大量随型号不同而异。凡被联两轴的同轴度不易保证的场合，都应选用挠性联轴器。齿式联轴器承载能力大适用与速度范围广有较大的

43、补偿能力适用于高速的水平轴联接，。 此次进给系统的传动方式要求精度比较高，电机通过联轴器直接与丝杆连接所以所选用的联轴器最大扭矩为点击的最大扭矩再按照轴的直径选择合适的联轴器，所以我们此次选用的联轴器为凸缘联轴器型号为yl54 数控机床机械传动系统伺服系统4.1数控机床的进给运动系统 4.1.1、电机与丝杆之间的连接电机与丝杆间的连接主要有三种形式我们此次采用电机轴与丝杆之间采用锥环无键连接或高精度十字联轴器连接，从而使进给传动系统具有较高的传动精度和传动刚度，并大大简化了机械结构在数控机床上或高精度的数控机床上常采用此种连接形式。4.1.2、滚珠丝杆螺母副是回转运动与直线运动相互转换的一种新

44、型传动装置，在数控机床上得到了广泛应用。它的结构特点是在具有螺旋槽的丝杆螺母间装有滚珠作为中间传动元件，以减少摩擦。1）滚珠丝杆螺母副的工作理：中丝杆和螺母上都加工有圆弧形的螺旋槽，它们对合起来就形成了螺旋滚道。在滚道内装有滚珠，当丝杆与螺母相对运动时，滚珠沿螺旋槽向前滚动，在丝杆上滚过数圈以后通过回程引导装置，逐个的又滚回导丝杆与螺母之间，构成一个闭合回路。2）滚珠丝杆螺母副结构滚珠丝杆的螺纹滚道法向截面有单圆弧和双圆弧两种不同的形状，其中单圆弧工艺简单，双圆弧性能较好。3）滚珠丝杆的保护滚珠丝杆副可用润滑来提高耐磨性及传动效率。润滑剂分为润滑油及润滑脂两大类。润滑油用机油、90-180号透

45、平油或140号主轴油。润滑脂可采用锂基油脂。润滑脂加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内，而润滑油通过壳体上的油孔注入螺母空间内。滚珠丝杆和其他滚动摩擦传动元件，只要能避免磨料微粒及化学活性物质进入，就可以认为这些元件几乎是在不产生磨损的情况下工作的。但如果在滚道上落入赃物，或使用肮脏的润滑油，则不仅会妨碍滚珠的正常运转，而且会使磨损急剧增加。通常采用毛毡圈对螺母副进行密封，毛毡圈的厚度为螺距2-3倍，而且内孔做成螺纹的形状，使之紧密的包住丝杆并装入螺母和套筒的两端的槽孔内。对于暴露在外面的丝杆，一般采用螺旋钢带、伸缩套筒、锥形套筒以及折叠式塑料或人造革等形式的防护罩，以防止尘埃和磨粒附在丝杆表面

46、。除与导轨的防护罩相似外，这几种防护罩一端连接在滚珠螺母的断面，另一端固定在滚珠丝杆的支承座上。4.2数控进给伺服系统4.2.1、进给伺服系统有开环、半闭环和闭环三类。开环最简单，但精度不高。半闭环由于反馈检测装置装在伺服电机或丝杠上，不能纠正丝杠的误差以及受载后丝杠和轴承的变形，因而精度比全闭环要低一些。全闭环可以消除间隙、丝杠导程等机械系统的误差，可以获得很高的精度。在理论上，其控制精度仅取决于检测元件的分辨率。但是由于环内包含了机械部分，它的参数，如刚度、摩擦、惯量等非线形特性会对伺服系统的动态特性和静态特性产生影响，造成不稳定的因素。因此在设计和调整等都有一定的难度，系统成本较高。全闭

47、环系统如参数选择不当，则有可能产生进给振荡。结合我们这个课题，我们选择了全闭环控制回路。进给伺服系统有开环、半闭环和闭环三类。开环最简单，但精度不高。半闭环由于反馈检测装置装在伺服电机或丝杠上，不能纠正丝杠的误差以及受载后丝杠和轴承的变形，因而精度比全闭环要低一些。全闭环可以消除间隙、丝杠导程等机械系统的误差，可以获得很高的精度。在理论上，其控制精度仅取决于检测元件的分辨率。但是由于环内包含了机械部分，它的参数，如刚度、摩擦、惯量等非线形特性会对伺服系统的动态特性和静态特性产生影响，造成不稳定的因素。因此在设计和调整等都有一定的难度，系统成本较高。全闭环系统如参数选择不当，则有可能产生进给振荡

48、。结合我们这个课题，我们选择了全闭环控制回路。本文研究对象如图1所示。图2是该数控进给伺服系统单轴的闭环系统工作原理。从图中可以看出，轴的驱动是通过与滚珠丝杠直接连接的三相交流伺服电机和放大器来实现的。滚珠丝杠的导程是10mm，以实现进给轴的高速运动。移动物体是由滚动导轨支撑的。为保持高精度和无间隙连接，一个合适的预载荷被施加在滚珠丝杠和滚珠导轨上。与伺服电机直接连接的增量式编码盘被用于速度的反馈。位置反馈信号则来自于安装在工作台上的分辨率为0.5m的直线光栅，位置反馈值同时被计算机上的数据采集卡所记录，用于分析x-y工作台的运动精度。位置控制软件是利用dsp制造的基于pc机的运动控制卡pma

49、c来实现。图4-1 工作台整体图 图4-2 数控进给伺服系统单轴原理图5 数控工作台的安装、调试和日常维护 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，数控设备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴机械加工制造业的渗透形成的机电一体化产品，其技术范围覆盖制造业很多领域，是现代制造业的关键设备，是企业提高效率和竞争力的关键设备。数控设备的正确操作和维护保养是正确使用数控设备的关键因素之一。正确的操作使用能够防止机床非正常磨损，避免突发故障；做好日常维护保养，可使设备保持良好的技术状态，延缓劣化进程，及时发现和消灭故障隐患，从而保证安全运行。 5.1数控精密工作台安装1）首先手

50、动试运转，安装好移动部件，如有需要，请安装限位缓冲器，并初步确整其位置2）安装x-y工作台，安装工作台时，必须对机械水平位置进行找准，使工作台处于一个水平的位置进行工作 3）如有必要请选择安装限位检测开关与原点检测开关,并初步手动调运转，初步确定开关的位置 4）安装驱动电机与联轴器，也必须进行机械找准，此项安装会直接影响到电机的使用寿命与定位精度5.2数控精密工作台调试1）给丝杆与轴承加上油脂进行润滑2) 进一步调节缓冲器与限位开关的位置3) 电机先以低速运转，后以高速成运转，看有无振动与噪声4) 调整电机的参数，使工作台处于平稳的运行状态5)上述工作结束并确认一切正常后，调试完毕5.3数控精

51、密工作台维护1) 定期给丝杆加油脂2) 检查工作台与联轴器的螺丝是否有松动3) 看工作台运行时是否的异常的噪声与振动4) 保持工作台面的清洁。5.4 工作台使用中应注意的问题 1) 工作台的使用环境为提高数控设备的使用寿命，一般要求要避免阳光的直接照射和其他热辐射，要避免太潮湿、粉尘过多或有腐蚀气体的场所。精密数控设备要远离振动大的设备，如冲床、锻压设备等。2) 良好的电源保证为了避免电源波动幅度大（大于10%）和可能的瞬间干扰信号等影响，数控设备一般采用专线供电（如从低压配电室分一路单独供数控机床使用）或增设稳压装置等，都可减少供电质量的影响和电气干扰。3)制定有效操作规程在数控机床的使用与管理方面，应制定一系列切合实际、行之有效的操作规程。例如润滑、保养、合理使用及规范的交接班制度等，是数控设备使用及管理的主要内容。制定和遵守操作规程是保证数控机床安全运行的重要措施之一。实践证明，众多故障都可由遵守操作规程而减少。4)数控设备不宜长期封存 购买数控机床以后要充分利用，尤其是投入使用的第一年，使其容易出故障的薄弱环节尽早暴露，得以在保修期内得以排除。加工中，尽量减少数控机床主轴的启闭，以降低对离合器、齿轮等器件的磨损。没有加工任务时，数控机床也要定期