[精品]数控双主轴内孔磨床磨头及进给机构设计

1、设计题目 数控双主轴内孔磨床磨头及进给机构设计一、选题背景与意义从本质上说，数控机床和普通机床一样，也是一种经过切削将金属材料加工成各种不 同形状零件的设备。早期的数控机床，包括目前部分改造、改装的数控机床，人都是在普 通机床的基础上，通过以进给系统的革新、改造而成的。因此，在许多场合，普通机床的 构成模式、零部件的设计计算方法仍然适用于数控机床。但是，随着数控技术（包扌舌伺服 驱动、主轴驱动）的迅速发展，为了适应现代制造业对生产效率、加工精度、安全环保等 方面要求，现代数控机床的机械结构已经从初期对普通机床的局部改造，逐步发展形成了 口己独特的结构。其中，进给机构系统对加工精度的影响是最大的

2、，因此，提高进给系统 的质量就显得尤为重要。现在rti于各种先进制造技术的发展，特别是对精密部件的加工， 对于机床的进给系统的要求也越来越高。由于磨削加工的某些固有特点，磨床的数控化比起其它各类加工机床约晚了十年，直 至20世纪70年代末才姗姗来迟。但数控幣床一出现就以其准确性、灵活性、口动化等优 点而受到关注。当今世界机床技术正朝着柔性化与集成化，实现复合加工的方向发展。复 合加工，即在同一台机床上，通过工序复合或丄种复合，在一次装夹下，完成各种复杂零 件的全部加工，突破了原有的机床类别概念，从而出现了形式多样的多功能化的加工单元 或加工中心。内圆磨床的牛产率和加工质量，在很人程度上决定于内

3、圆磨头的结构和制造质量。在 大量生产条件下尤如此。现代內圆辭床带有滚动支承和空气轴承的电辭头和气动辭头，以 及皮带传动的静压轴承和滚动支承磨头，具小皮带传动的滚动支承磨头用得最广。因为这 种辭头能加工不同长度（达500mm或更长）零件上的孔，而门所加工的孔的直径范围也最 大（从70nun到250mm或更大）最常用，也是现在普遍研究的重点。与国外相比，我国数控机床的发展明显落后于西方发达国家，因此，技术创新和产品 改良亟待加强，机构设计和改良也显得尤为重耍。二、设计内容本次设计主要是对数控双主轴内孔磨床关键功能部件的设计，目标是能够实现盘齿类零 件内孔的粗加工与精加工；控制系统的总体目标是使内圆

4、像具稳定运转，内圆像具进给系 统进给精确、平稳。进给系统的传动机构是指将电动机的旋转运动传递给工作台或刀架以实现进给运动 的整个机械传动链，包括齿轮传动副（或同步带传动副）、丝杠螺母副（或蜗杆蜗轮副） 及其支承部件等。传动机构的精度、灵敏度、稳定性直接影响了数控机床的定位精度和轮 廓加工精度。从系统控制的角度分析，其小起决定作用的因索主要有两个：一是传动机构 的刚度和惯量，它是直接彫响进给系统的稳定性和灵嫩度；二是传动部件的精度与传动系 统的非线性，它直接影响系统的位迸精度和轮廓加工精度，在闭坏系统屮还影响系统的稳 定性。数控机床进给传动系统承担了数控机床各直线坐标轴、回转坐标轴的定位和切削进

5、给，进给 系统的传动精度、灵敏度和稳定性直接影响被加丄丄件的最后伦廓精度和加丄精度。为了保证数 控机床进给传动系统的定位精度和动态性能，对数控机床进给传动系统的耍求主要有如卜儿个方 而。（1）低惯量进给传动系统由于经常需启动、停止、变速或反向运动，若机械传动装置惯量大，就会增大 负载并使系统动态性能变差。（2）低摩擦阻力进给传动系统要求运动平稳、定位准确、快速响应特性好，必须减小运动件的摩擦阻力和动 摩擦系数与静摩擦系数z差。（3）高刚度数控机床进给传动系统的高刚度取决于滚珠丝杠副或蜗伦蜗杆副及其支承部件的刚度。刚度 不足和摩擦阻力会导致工作台产牛爬行现象及造成反向死区，彩响传动准确性。（4）

6、高谐振为了提高进给的抗振性，应使机械构件具有较高的固有频率和合适的阻尼，一般要求进给系 统的固有频率应肓于伺服驱动系统的固有频率23倍。（5）无传动间隙为了提高位移精度，减小传动误差，对采用的各种机械部件首先要保证它们的加工精度，其 次要尽量消除各种间隙，因为机械间隙是造成进给传动系统反向死区的另一主要原因。三、设计方案为了确保伺服系统的定位精度和工作稳定性，在机构传动结构设计上都要求无间隙、低摩擦、 低惯虽、高刚度、高谐振以及适宜的阻尼比。为了达到这些要求，机械传动结构的设计中应尽虽 采用低摩擦传动副，如滚动导轨、静压导轨、滚珠丝杠等，以减小摩擦力；通过选用最住降速比 来降低惯虽；采用预紧的

7、办法提高传动刚度；用消隙的办法减小反向死区误差等，其中最匝要的 是提高传动刚度和降低惯量。采用预紧消除间隙提高传动刚度，不仅不需要增人尺寸和惯量，而 也使传动刚度接近常数，这是伺服进给系统机构设计中的突出特点。具体设计方案如下：1. 执行机构传动方式的确定为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装宜时，通常提出低摩、低惯量、 高刚度、无间隙、高谐振以及冇适宜尼比的要求。在设计中应考虑以下儿点：（1）尽量采用低磨擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨等。（2）尽量消除传动间隙。例如采用隙齿轮等。（3）提鬲系统刚度。缩短传动链对以提高系统的传动刚度，减小传动链

8、误差。可采用预紧的方 法捉高系统刚度。例如采川预加负载导轨和滚珠丝杠副等。2. 进给伺服系统机械部分结构设计（1）消除齿侧间隙机构和挠性联轴节开环系统设计时，一般在步进电动机和滚珠丝杠间设置一对齿轮传动，以增大扭矩和改变运 动方向。为消除反向运动的间隙，齿轮多采用双片齿轮消隙。闭环和半闭环系统一般由直流（交流）伺服电动机，经同步齿形带或挠性联轴节与滚珠丝杠 相连接。图3为挠性联轴节示意图。这种连接不用键，反向无间隙，轴和联轴套z间的位置可任意调节，且较好地消除了丝杠和 电动机轴之间的不同轴度和垂直度谋差。如果需要传递较人的力矩，则町川2套以至3套锥坏。 但每经过1套锥坏，轴向压紧力便降低一些，

9、所能传递的力矩不与锥环的套数成正比。7图3.1消隙联轴器1轴2螺钉3法兰4锥环5丝杠6联轴套7球面垫圈（2）滚珠丝杠螺母副的选用与计算滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装證，在丝杠和螺母上都有半 圆弧形的螺旋槽，当他们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上冇滚珠的回路管道，将 儿圈螺旋滚道的两端连接起來构成封闭的螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠，当丝杠旋转时，滚珠 在滚道内既自转乂沿滚道循环转动，因而迫使螺母轴向移动。在选用滚珠丝杠副时，必须知道实际的工作条件，应知道最大的工作载荷、最大载荷作用下 的使用寿命、丝杠的工作长度、丝杠的转速、滚道的硬度及线杠的工况，然后按下列步

10、骤进行选 择。图3.2所示为滚珠丝杠副的结构图23图3.2滚珠丝杠螺母副的结构1密封环2, 3回珠器4丝杠5螺母6滚珠(3) 滚珠丝杠螺母副的支承选择滚珠丝杠常用推力轴承支朋，以提高轴向刚度，滚珠丝杠在数控机床上的安装支承方式有以 下儿种。a) 一端装推力轴承这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低，只适用于短丝杠b) 一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承 这种方式可用于丝杠较长的情况。应将推力轴承远离 液压马达等热源及丝杠上的常用段，以减少丝杠热变形有影响。c) 两端装推力轴承把推力轴承装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧拉力，这样有助于提高刚度, 但这种安装方式对丝杠的热变形较为敏感，轴承的寿命较两端

11、装推力轴承及向心球轴承方式低。d) 两端装推力轴承及深沟球轴承 为使丝杠具有最大的刚度，它的两端可用双重支承，即推力轴 承加深沟球轴承，并施加预紧拉力。这种结构方式不能精确地预先测定预紧力，预紧力的人小是 山丝杠的温度变形转化而产牛的。但设计时要求提高推力轴承的承载能力和支架刚度。数控机床的进给系统要获得鮫高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母副本身的刚度外，滚珠 丝杠的正确安装及支承结构的刚度也是不可忽视的因素。3. 伺服电机的选择随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、 高精度的全数字伺服系统。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使

12、控 制粹度和品质大大提咼。伺服电机选择的要求：(1) 从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如o.lr/min或更低速吋, 仍有平稳的速度而无爬行现象。(2) 电机应具有大的较长吋间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求 在数分钟内过载4-6倍而不损坏。(3) 为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并貝有尽可能小的 时间常数和启动电压。电机应具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保证电机可在().2s 以内从静止启动到额定转速。(4) 电机应能随频繁启动、制动和反转。四、参考文献1 王爱玲.现代机床结构与设计m.北京

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