毕业设计（论文）立式加工中心进给传动系统的结构设计

1、学 科 类： 学 号：学校代码： 密 级：本科毕业设计立式加工中心进给传动系统的结构设计 学 院： 机械与车辆工程学院姓 名： 学 号： 专 业： 机械设计制造及其自动化班 级： 机械A1213指导老师： 职 称： 助教二一六年 月毕业论文诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文 立式加工中心进给传动系统的结构设计 是本人在指导老师的指导下，独立研究、写作的成果。论文中所引用是他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均在论文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人独自承担。 作 者 签 名： 指导教师签名： 年 月 日摘要由于机械行业的兴起，我们的社会才有了今天的发展，数控机床更是机械行业中冉

2、冉升起的新星。为了能更进一步的了解数控机床，这次我选择对立式加工中心的进给系统进行研究，所以我写的这篇论文的主要内容就是我对VMC850型立式加工中心进行的研究、分析、设计、计算、误差分析以及我对整个过程的记录。为了能够更好的提高机床的柔性，我决定主要对机床的滚珠丝杆进行设计计算，通过对它进行反复的校验，数据表明，其已达到预期的设想。进给系统在加工中心中有着至关重要的作用，它可以保证各坐标轴准确的定位，还可以对切削进给给予指示。因次它的好坏会影响机床的正常工作，为了让整个进给系统在工作时的动态特性可以更好的相互匹配，对控制系统以及驱动元件和机械传动装置的参数的合理选择就显得尤为重要了。经过不懈

3、的努力，我完成了对滚珠丝杆的计算以及进给系统的设计，对于进给系统的结构和设计思路也有了一定的了解。关键词：数控技术；立式数控机床；进给系统；滚珠丝杠AbstractDue to the rise of the machinery industry, our society has the development of the machine, CNC machine tool is a rising star. In order to further understand CNC machine tools, this time I chose to study the vertical ma

4、chining center, the main content of this paper is my research, design, calculation, error analysis and the whole process. Imagine.Feed system plays a very important role in machining center, it can ensure the accurate positioning of the coordinate axis, can also give instructions for cutting feed. I

5、t will affect the dimensional normal operation of the machine tool, in order to make the whole matching feed system dynamic characteristics at work can be better, a reasonable choice of control system and the parameters of driving element and mechanical transmission device is particularly important.

6、Through unremitting efforts, I have completed the calculation of the ball screw and the design of the feed system, the structure and design of the feed system has a certain understanding.Key words: Numerical control technology; Vertical numerical control machine tool; Feed system; Ball screw目录摘要IAbs

7、tractII第一章 绪论1 1.1 课题的选择1 1.2 选取课题的目的和意义1 1.2.1 选取课题的目的1 1.2.2 选取课题的意义1 1.3 国内数控机床的现状及分析1 1.4 我的看法及研究的方向2第二章 VMC850的简介3 2.1 VMC850立式加工中心详细介绍3 2.2 机床的技术参数3 2.3 机床坐标与进给传动机构4第三章 进给系统的介绍和设计计算5 3.1 介绍机械结构5 3.1.1 进给传动系统的机械结构5 3.1.2 设计过程存在的误差因素5 3.1.3 传动过程中的关键元件7 3.2 计算并选择滚珠丝杆8 3.3 计算电机的参数8 3.3.1 惯量J的计算8 3

8、.3.2 计算电机的力矩9 3.4 提升刚度的方法以及计算11第四章 检验以及误差分析13 4.1 精度的计算13 4.2 疲劳强度的计算13 4.3 死区误差的分析14 4.4 刚度的误差15结论16致谢17参考文献18第一章 绪论1.1 课题的选择机械行业正在渐渐的复苏，随着时间慢慢推移，机械将会成为一个社会发展中十分重要的一环，我相信选择机械行业是明智的，机床是我们机械生产中的主力军，我们要加快产业的发展就离不开机床的帮助，数控机床比普通机床的效率高很多，立式数控机床更是当中的佼佼者，所以我选择的课题是立式加工中心进给系统的结构设计VCM850型立式加工中心进给系统的结构设计。1.2 选

9、取课题的目的和意义1.2.1 选取课题的目的通过对立式数控铣床进给系统进行设计和计算，来找出一个能够更好的提高VMC850型立式数控铣床柔性的设计方案，进一步提高机床的生产率。1.2.2 选取课题的意义VMC850型立式加工中心的功能十分广泛，可以涉及很多行业的加工制造，例如军工和汽车零件制造等行业。该立式机床的总体结构也十分的简单，由工作台和立柱组成，此立式加工中心可以对零件进行铣、镗、钻、攻丝等多道工序，是一种很实用的，很方便的设备，适合很多种类的产品的生产。该机床可以单机或者组合使用，组装和拆卸十分简单方便。因此，对其进行研究设计的作用显而易见，增强其柔性可以提高它的生产率，对机械行业的

10、发展作用较大。1.3 国内数控机床的现状及分析国内近几年来机床产业的发展十分迅速，但是这种发展趋势的势头是保持在大量开发低档机床来维持的，这就导致我国高档机床的研发精力的不足，没有多余的精力去研究高档机床，使得我国的机床的数量和种类虽多，却没有十分高端的机床；这就好比一个公司虽然横跨多个行业，但是却没有一个行业是自己主打的，到最后也无法逃脱走下坡路的结果。由于这两年全球经济不景气，调高生产量是企业最担心的问题，它们在工作时必不能高效率的制造所需的工件，所以我国生产这种低档机床在市场上也不能热销。我国想要提高国内自产的机床的销量和应用量，那么如何提高高档数控机床的大规模生产这个问题就可以提到日程

11、上来讨论了，但这个问题并不是一朝一夕能解决的，我国机床企业想要发展这发面的研究，目前，存在的问题还是很多的，根据收集的资料，整理如下：（1） 国产高档数控机床的性能不高就目前的情况而言，国产的高档数控机床虽然机床本身是国产的，但是一些关键性的配件和系统程序还得依靠进口，它们混搭使用在工作时没用什么差别，由于并不是为这个设备专门设计的配件，对机床的磨损就会加大，增大机床的负担，使机床的寿命缩短。此外，国内在这方面的技术水平也略显不足，在组装和设计上的欠缺，使得机床的加工精度也不是太高，既需要多次修改，又不能达到客户的要求。（2） 国产高档数控辅助软件功能不强在最近几年，国内研发数控系统的工厂参照

12、国外高档数控系统的标准，对国内的机床的功能进行研发，虽然国内的技术在不断地进步，但是和国外的相比，差距还是有的，主要体现在机床的加工的精度不足。在铣头研发方面，也没有实质性的进展，只能小批量生产，不能大规模的生产。（3） 只能满足少数消费者的要求国外数控机床企业比国内领先一步，他们一早就针对机床的机身、程序、加工零件的方法以及机床设计的方案进行研究，并且他们有了自己的设计，研究出适合机床的配套方案。有很多用户在选购高档机床很看重这一点，毕竟谁都不想再去浪费时间去自己做这些，买了机床回去就投入生产，可以节约很多时间。这点是国内机床目前无法企及的。介于这些原因，国内高档数控机床的销售情况不尽如人意

13、。1.4 我的看法及研究的方向对于我选的课题深入研究后，我发现我所学的知识对于这么大的一个课题来说，是远远不够的，数控机床就像一个婴儿，虽然潜力无限，但是还需要我们的帮助，才能茁壮成长。最后我选择对于滚珠丝杆这一块就行研究设计，它可以提高机床的生产的精度，可逆性以及生产率，它虽然小，但是作用却很大；我想通过对它的计算设计，最后可以提高机床的柔性，提高生产。第二章 VMC850的简介2.1 VMC850立式加工中心详细介绍该机床和普通的机床不同，它引用线性滑轨，这种滑轨的优点有很多，比如它的刚性、精度和速度都很高。为工作人员的健康考虑，它的噪声也很小。该机床的进给系统能做非常快速的位移，还能自动

14、规划最佳的进给路径。它的滚珠丝杆是从台湾引进的，它的系统还有有限元法，做起工件来更是得心应手，机床还添加油水分离的结构，便于切削液和润滑油的分离，既能保证加工的质量，又便于清洗。该机床的主轴也是由台湾制造的，这种主轴的精度、刚度以及它的精密性都很高，从另一发面也可以看出它具有很高的可靠性。2.2 机床的技术参数下面的数据是VMC850立式数控铣床的主要技术参数，由表1所示。表1 技术参数项目单位技术参数X轴行程mm800Y轴行程mm500Z轴行程mm500主轴起始端面到工作台面距离mm160-650主轴中心点到立柱导轨面距离mm520X/Y轴快速进给mm/min24000Z轴快进给mm/min

15、15000切削进给mm/min1-10000定位精度mm0.005/300重复定位精度mm0.003/300工作台面积mm1000X500工作台载重能力kg600T型槽数/宽度/间距mm3/18/150主轴最高转速rpm8000主轴电机功率kw7.5主轴鼻端锥度BT40刀库容量把24外形尺寸mm270023002700机床净重kg55002.3 机床坐标与进给传动机构 英格利.机械工程设计M.北京：人民教育出版社，1981:3134.该立式加工中心的进给系统采用伺服系统，其进给方式是半闭环方式，它的脉冲编码器和电机在同一条轴线上工作，电机和丝杠直接连接在一起，机床运动关系如图1所示，进给装置如

16、图2所示。它的特点是结构非常简单，由于结构简单，它在工作时做的复杂动作也就减少了，误差也随之减少；与此同时这样的机构也让转动惯量减少，从而伺服系统的特性也得到了极大的改善。除了图中标注2-滚珠丝杆、3-弹性联轴器、4-伺服电机等部件在进给系统中有着至关重要的作用，导轨的性能更是我们不能轻易忽视的因素。图1 机床运动关系图图2进给装置示意图1-螺栓 2-滚珠丝杆 3-弹性联轴器 4-伺服电机第三章 进给系统的介绍和设计计算首先我对立式加工中心进给系统的功能进行了研究，发现它是负责加工中心的XYZ三轴的定位以及进给的切削，它的作用十分重要，可以影响机床的加工精度以及工作的状态，所以我又对它的定义、

17、结构、组成和各部分原件的计算选择进行研究。3.1 介绍机械结构3.1.1 进给传动系统的机械结构 刘又午.数字控制机床M.北京：机械工业出版社，1983:2025.VMC850型立式数控机床在进给传动时是靠无级调速驱动伺服系统的，进给传动系统在此过程中负责传递工作，将电机发出的动力传送到各个部件上。一般的话进给传动系统是齿轮副和滚珠丝杆所组成。齿轮副依靠降速的功能来匹配系统，让它可以发挥自己的机械特性。在最近几年中由于伺服电机不断升级换代，很多进给系统将降速齿轮副去掉了，让伺服电机和滚珠丝杆不通过第三方，直接连接在一起 郭庆鼎.现代永磁电动机交流伺服系统M.北京：中国电力出版社，2006:33

18、35.，它的结构图如图3所示，图中所画的是进给系统的机械结构。5-伺服电机与3-滚珠丝杠通过4-联轴节直接驱动1-工作台。考虑到精度和灵敏度的问题，在直线运动方面选择滚动导轨。图3 伺服电机进给系统机械结构图1-工作台；2-限位开关；3-滚珠丝杆；4-联轴节；5-伺服电机3.1.2 设计过程存在的误差因素由于选取的机床是数控机床，那么传动系统也是由数字信号控制的，加工出来的零件各方面的属性还是由传动系统的各方面的参数决定的。为了能减少一些不必要的误差，更加精确的进行设计，在选择传动零件时，以下这六个因素是我们需要注意的：(1) 摩擦阻力我们的生活中离不开摩擦力，我们的机械传动结构也是一样，它在

19、运动是也有摩擦阻力，因为这些阻力主要来自于丝杠以及导轨。因此可以从这两个因素分别去考虑，一是选取摩擦力相对小一点的滚珠丝杆，二是选择不同的导轨来测试，选择合适的。(2) 精度与刚度在进给系统中精度与刚度息息相关，二者缺一不可。若想要提高两者，得在保证加工精度的前提下，特别是滚珠丝杆的传动精度，然后在考虑去提高各部分的精度和刚度，可以考虑调整一下丝杆和轴承。(3) 惯量在生活中，我们经常可以接触到惯性，在学习物理时也对其有了一些了解，在很多时候我们可以感受到高速的物体它的惯性还是不小的，就类似急刹车这个例子，我们都能切身感受到。物体的惯性在进给系统里有有其作用。在传动系统中，传动元件的惯量的影响

20、还是挺大的，不管是对系统的启动还是控制，影响都是显而易见的，当零件高速旋转时，惯性对于系统的影响更是明显。物体的惯性和物理的质量有关，我们可以在保证传动系统刚度和强度的条件下，去找一些质量和直径小一些且不影响加工的部件。(4) 阻尼阻尼在进给系统中的作用也十分重要。它既可以控制伺服系统的基本特性，又可以保持系统原本需要的稳定性，在遇到突发情况时，例如刚度不足的时候，它可以保证系统的稳定，让系统可以安全稳定的工作，所以在研究时还要考虑到阻尼的问题，如果减少了摩擦阻力，阻尼就很有可能为了保持系统的稳定性而出来干扰系统的正常运行，对研究造成了不便。(5) 性能以及耐用性具有良好的稳定性是每个机床应该

21、具有的基本条件，如果一个机床连自己的基本性能都保证不了，这样的机床是没有任何实际价值的，所以系统应该保证在低速进给时不发生爬行的前提下，并且能够在系统发生变化的时候，不发生共振现象，稳定性与系统的基本属性密不可分。惯性、刚性、阻尼这三个因素也不能忽略。进给系统和人相同，也有其寿命的长短，它的寿命指的是机床计算精度的时间，在保证它原有的寿命的前提下，可以通过相应的方法来增加它的寿命，例如在选择材料时选择合适的材料，在保护的设施上也多加注意。(6) 维修方便在企业中，效率的高低才是我们最关注的，一个机床能很快速的进行保养和维修，可以省很多时间，能从侧面减少机床在维修过程中浪费的时间，将这一部分时间

22、应用在加工方面，既可以节约维修的人力，也可以让机床发挥它最大的工作效率；所以需要在设计时应注意结构的简单性。3.1.3 传动过程中的关键元件 孔志礼.机械设计M.北京：人民出版社，1980:2226.进给系统就想的人身体一样，人体运动需要各个器官协调合作，进给系统也是这样，人体有十分重要的器官，它有间隔十分关键的元件，它们分别以下几大元件：联轴节。它的作用是将伺服电机和滚珠丝杠连接在一起，同时把伺服电机在工作过程中所产生的动力传递给滚珠丝杠。联轴节按照用途的不同可以分成很多种，在数控机床方面一般常用的有两种，一种是弹性环联轴节，另一种是套筒式联轴节，弹性环联轴节因为其本身性能好，优点也比较多，

23、而受到各大厂家的追捧，其优势主要体现在它的定心集中、拆装简易、具有良好的保护性。滚珠丝杠螺母副。它的在进给系统中的作用还是十分大的，它可以让进给系统在回转运动和直线运动之间来回切换。由于它的优点很多，所以它可以应用的地方很多，它主要的优点有工作高效率化，平稳的进行工作，相对于其他部件，使用寿命比较高，可以自动预紧。导轨副。机床构造比较复杂，在机床中，导轨是构成它的基本元件之一。在企业生产中，机床加工精度是比较重要，它决定着企业生产的高效性和信誉，如果企业可以快速精确的做出客服需要的产品，那会引来更多的客源，增大企业的发展，机床使用寿命也是很重要的，它的价值可以体现在为企业减少多少开支，利益可以

24、最大化；而二者的好坏在很大的程度上取决于导轨的质量，对于数控机床来说，它的导轨更加重要，因此对于它的要求更高。在进给系统中，高速工作时发生共振是很危险的，所以目前的导轨在高速时不发生共振，考虑到低速时容易发生爬行现象，低速时也保证了不发生爬行，它的灵敏度很高，使其可以在承受重物时还可以长时间的工作，并且不需要休息。它的优点还有很多。目前，在国内数控机床领域使用的导轨还是以前的“老三样”，静压、滑动和滚动三种导轨，由于在材料和结构上有了改进和替换，和以前的普通机床已经有了很多的不同了。伺服电机。作为机床进给系统中的执行者，它在接到数控系统发出的指令后，通过直线或角位置两者方式中的一种开始对部件进

25、行驱动来完成系统加工需要所满足的条件。作为进给系统中一个强有力的指挥者，伺服电机应该具备以下的条件：第一，它需要维持高精度，输出时，在其位移方向上应该有足够的精度，就是实际与指令之间的数值尽量小一点，这样误差就会减少，它的精度也就会随之提高；第二，它的可调解速速的范围应该宽一点，在从低速到高速换挡时，电机能够保持平滑的运转，转矩的波动不要太大，在低速是更应该保持平稳，而且不能出现爬行现象。第三，它需要有承受突发事件的能力。综上，在进给系统中，其控制系统的合理性尤其的重要，为了让进给系统各部分的动态特性可以匹配，合理的选择参数也是很重要的，在选择时需要慎重考虑。3.2 计算并选择滚珠丝杆滚珠丝杠

26、是我所做课题中的关键，我主要研究和设计滚珠丝杆，它的作用十分重要，它是确定机床坐标的一个重要的元件，从这可以看出，它的质量是很重要的，如果的质量有什么偏差，对于机床来说，是很致命的，刀具的是否可靠也是关键，它们俩决定着主轴的性能，甚至是整个机床的加工。在直线坐标轴中，其中朝向X轴的丝杠，它在运动时所受到的拖动力比其余两轴的大，这是因为它拖动的部件比较多，大多部件的重量都比较大，它受到的力也就相对的较大，介于这个原因，我在选择丝杆的时候，我优先选择直径为的丝杆，伺服电动机的最高转速： 机械设计实用手册编委会.机床设计实用手册M.北京：机械工业出版社，1986:178182.,然后我们可以根据公式

27、和转速求出螺距的大小：螺距。由于计算结果不是整数，虽有我在X向的丝杆选择螺距是S=25mm的。3.3 计算电机的参数3.3.1 惯量J的计算这一小节计算所用的到公式来自文献4计算公式如下 （31）式中： ：折算到丝杠上的转动惯量：丝杠自身的转动惯量下面开始分别对和计算，我们首先对进行计算，用到的公式如下：= （32）公式中各个量如下： ：丝杠导程 ：丝杠上所有可以移动部件的重量之和，约为 ：重力加速度，选择通用值(g=）将上面的数值带入公式中，解得：= （33）在得到的之后，我再对另一个未知量进行计算， = 式中： ：丝杠直径 ：丝杠长度 将已知的数值带入，可以求出的值，解得： =将和数值带入

28、，解得： 3.3.2 计算电机的力矩首先我先对应选电机的力矩进行计算选择电机它需要的力矩是其中的计算，参见文献4 P514.表6.6-30根据找到的公式， :加速力矩 （34）可以计算出的值，公式的量分别表示的是： ：转动惯量 ：电机转速 ：加速时间常数 再根据公式， ：摩擦力矩 （35）计算出的值，公式中各个量分别表示的是： ：摩擦力 ：导程(测得其数值为) ：效率(通常选取0.9) 再根据公式， （36）式中： ：丝杠预紧力根据参考文献 毕承恩.现代数控机床M.北京：机械工业出版社，1993:7983.推荐：转动惯量值不能比电机转动惯量值的4倍还大，所以选取 通过以上的多步计算，我们得到了

29、、以及的数值，将三者代入公式中，可以算出力矩是： 3.4 提升刚度的方法以及计算 刘水养.对滚珠丝杆的预拉伸及轴向刚度问题的探讨D.广西：广西机械出版社，1990.为了确保机床的定位精度和工作稳定性，在机械传动装置上，要求是无间隙低摩擦、低惯量、高精度、高谐振以及适宜的阻尼比，其中提高刚度，降低惯量尤为重要 赵如福.金属机械加工工艺人员手册M.上海：上海科学技术出版社，1990:179181.在现如今的国内数控机床中，可以提高刚度常见的方法有以下三种，对第一和第二种进行简单介绍，着重考虑和研究第三种方法。（1） 让电机和丝杆直接连接在一起，但是这种方法会产生很多噪声，因此可以用安装消隙联轴器，

30、这样就可以在减小噪音的情况下将复杂的结构简化，同时也以提高传动刚度。（2） 提高丝杆本身的刚度，以单一的点来提高整体的刚度，也可以将它的支承刚度增大，效果也很明显。这种方法可以在它的上面安装弹性联轴器。（3） 对于有预紧或者预拉伸的部件，系统的刚度由丝杆的拉压刚度决定的计算公式如下： （37）式中： ：丝杠中径； ：模量弹性()； ：行程比：； ：总行程长； ：受力点到支承端距离；轴承刚度： （38）式中：轴向载荷(N)； ：滚动体数； ：滚动体直径； :滚动轴承接触角；丝杠螺母座刚度与轴承座刚度： （39）式中： I:支承座抗弯断面惯性矩； L:支承座中心到支承表面的高度； E:支承座材料的

31、弹性模量；根据公式来计算在两轴上的最大和最小值 (310) X轴：， ； Y轴：， ；第四章 检验以及误差分析4.1 精度的计算丝杠精度决定着进给系统各个轴的定位精度 郭仁生.机械设计基础M.北京：清华大学出版社，2006：132134.。因此选取合适的丝杠十分重要，在满足机床要求的同时，我决定选择1级精度的丝杠。丝杠虽然影响着定位的精度，但是还有误差因素在影响着它的精度。其中，导成对它的影响最明显。丝杠在运转的过程中会产生高温，由于温度的上升，使得丝杠的长度变长，它也会影响机床的定位精度。丝杠由于温度升高而引起的变形量为 黄如林.切削加工简明实用手册M.北京：化学工业出版社，2004:313

32、2.： （41） 式中： ：丝杠膨胀系数 ：丝杠长度， ：丝杠与床身之间的温差， 4.2 疲劳强度的计算 机械设计手册编委会. 机械设计手册(单行本)M.北京：机械工业出版社, 2007：3536.丝杠的最大载荷是最大进给力与摩擦力之和；最小载荷是摩擦力。根据分析解雇，最大进给力选取5000N。该机床各个组成的部件的重量大约是，摩擦系数选取0.01。摩擦力： 最大载荷：平均载荷： （42）丝杠的最高转速为1500r/min.丝杠平均转速 丝杠的工作寿命取h=15000h, , 代入式 从文献 靳龙.数控加工中心进给系统设计分析D.西安：西安大学，2005.P688，选择FFZ4010型内循环浮

33、动返向器双螺母对旋预紧滚珠丝杠副。直径，导程，5列，额定动载荷为,大于计算结果 。轴向刚度查表可知，预紧力。在轴向外载荷不超过的3倍时，就不用考虑预紧力的问题。我的求出的小于，所以不用再去求预紧力。4.3 死区误差的分析 刘跃南.机床计算机数控及其应用M.北京：机械工业出版社，1988:5860.在系统启动或反向的时候就会出现死区误差，它是输入和输出运动之间存在的差值。由于死区的存在，它的出现可能会影响刀具的定位的位置，从而使工件在加工时产生一些偏差，它是影响定位精度的主要因素，能够产生死区的主要原因有以下几点：第一点是系统中不是环环相扣的，而是存在间隙的；第二点是导轨表面不光滑，为了克服摩擦力的影响，会产生摩擦死区；第三点是系统中其他部件的死区。机床在实际工作时，它的死区误差一般由间隙和摩擦死区这两块组成，间隙的比较好解决，可以部分消除或者全部消除。摩擦间隙就麻烦一些，只能依靠减少摩擦这一种方法。通过第一种方法进行减少死区误差，死区误差变为 王爱玲.现代数控机床及其应用M.天津：兵器工业出版社，1987:5962. （43）式中： ：进给导轨摩