定梁数控龙门镗铣床溜板进给系统设计.docx

届学生毕业论文（设计） 存档编号：__________

毕业论文开题报告

论文题目 定梁数控龙门镗铣床溜板进给系统设计
（传动系统结构设计；导轨、液压系统方案制定）
(英 文)
部 （系） 机械与建筑工程学部___
专 业 机械设计制造及其自动化
姓 名
学 号
指导教师

年 月 日
开题报告主要内容：

本文第一部分分析了数控龙门镗铣床的课题研究现状及其发展趋势包括数控龙门镗铣床的基本生产概括，产品的结构形式，产品的技术水平以及需要创新和提高的方法；第二部分写了毕业设计研究的主要目的及主要内容；第三部分写了毕业设计的研究方法及研究手段；第四部分写了预期目标及课题研究进度计划；第五部分写了研究时所用到的文献资料。

指导教师签字 : 年 月 日

教研室主任签字 年 月 日

主管领导签字 年 月 日
注：本页为毕业论文(设计)开题报告的封面,请将开题报告正文装订于后。

1、课题研究现状及发展趋向1.1基本生产概况
“十一五”以来，尤其是最近二、三年，随着国民经济的持续发展和国家对国产数控机床的大力支持，我国许多重要行业对龙门加工中心和数控龙门镗铣床的需求愈来愈大。有需求有市场，就有生产，这是市场经济规律。所以国内不少从未涉及制造龙门镗铣床的厂家，都纷纷上阵，通过引进技术、合作生产等形式，开发研制各种龙门加工中心和数控龙门镗铣床，满足广大用户的需求。根据中国机床工具工业协会对重点骨干企业的统计资料和其他有关资料表明，2005年我国已有11个企业批量生产各种龙门加工中心422台，生产特种数控龙门镗铣床75台。其中年产超过80台的企业有3家：沈阳机床（集团）有限责任公司、宁波海天精工机械有限公司、威海华东数控股份有限公司。而沈阳机床集团在2005年生产包括五轴联动龙门加工中心等各种产品135台，占龙门加工中心总产量的32%。
　1.2产品结构形式
　　配置自动换刀结构的数控龙门镗铣床即为龙门加工中心。目前，我国生产的龙门加工中心和数控龙门镗铣床产品的主要品种，根据机床结构布局形式划分为：按龙门架是否移动，分为龙门固定工作台移动式和龙门移动式；按横梁是否在立柱上运动，分为动梁式和定梁式两种；横梁在高架床身上移动称为高架式；按机床净重和工作台承载能力，分为轻型、中型和重型（超重型）等。目前生产的主要规格范围是工作台宽度为800-5000毫米，长度为2000-28000毫米等各种规格尺寸段。应该指出，在2005年国内生产的龙门加工中心和数控龙门镗铣床中，90%左右的规格都集中在1000-2000毫米尺寸段，而95%的品种几乎都是横梁固定工作台移动式。相比之下，工作台宽度在3米以上，尤其是宽度为4000-5000毫米的动梁式超重型龙门加工中心和数控龙门镗铣床，技术难度较大，技术含量较高，目前国内只有一两家能生产。
　　1.3产品技术水平
　　“十五”期间，是我国机床工具行业发展最快的五年，通过引进技术合作生产等形式，在新产品研发方面取得较大进展。在高速、高精、多轴、复合等方面都有较大突破，尤其是龙门加工中心和数控龙门镗铣床更为突出。从1999年江苏多棱（原常州机床总厂）带头打破西方封锁，试制成功具有自主知识产权的我国第一台五轴联动数控龙门镗铣床以来，已有济南二机、桂林机床、北京一机等多家公司推出五轴联动龙门加工中心和数控龙门镗铣床。尤其是今年2月份在上海举办的中国数控机床展览会（CCMT2006）上，实力雄厚的沈阳机床集团，一次推出6台大型龙门加工中心，其中3台具有五轴联动功能，1台具有五面加工功能，1台为车铣加工中心，这也突出体现了我国龙门加工中心和数控龙门镗铣床在五轴联动功能上，开始走向成熟。近年来，有的厂产品在主轴转速、快速进给、机床精度等主要技术参数已接近或达到国际先进水平。尤其是北京一机截止到今年6月底，仅一年半的时间就签约生产工作台宽度4米、5米的超重型动梁龙门加工中心和数控龙门镗铣床10台，说明我国生产中、高档重型和超重型龙门加工中心和数控龙门镗铣床的厂家在产量和技术水平上有的已迈进国际机床大厂的行列。
　　1.4努力创新不断提高
　　在近几届国内机床展览会上，看到我国龙门加工中心和数控龙门镗铣床在结构性能、技术水平、产品质量等方面，都有很大提高。但是，与发达国家同类产品相比，还有较大差距，首先是自主创新能力不够，当前多以仿制为主，或引进技术合作生产，缺乏自主知识品牌的高档产品，往往关键的核心技术，关键的功能部件，还是从国外购买。例如，在今年CCMT2006上海机床展会上，共展出了8台五轴联动龙门加工中心，采用的关键部件——双摆角铣头，除了济南二机和桂林机床是自己开发的以外，其余6台都是购买意大利意萨、菲迪亚等国外公司产品。其次是产品质量，尤其是整机可靠性，还有较大差距，这也是用户最关注的问题之一。应该看到，目前除少数企业外，龙门类产品技术含量普遍较低，数控机床产业化程度不高。这些都是国内主机厂需要下大力气认真改进、努力提高的地方。
2、主要研究的目的及内容
2.1目的和要求
1.通过毕业设计培养学生综合运用过去所学的知识来独立分析问题解决问题的能力。
2.初步熟悉数控机床主运动系统的设计方法、步骤；提高对数控机床结构的分析能力及设计计算能力。
3.培养学生熟悉查阅资料、手册和运用资料、手册的能力。
4.本课题内容较多，参加课题学生每人负责一个部分；在毕业设计的过程中要求既有独立性又有合作精神，以提高学生专业素养、敬业精神、团队合作精神，增强参与竞争的能力。
2.2主要内容及应完成的工作
主要内容：完成一个数控机床进给系统的设计任务，参与传动系统结构设计；负责导轨、液压系统方案制定。
应完成的工作：
1.选课题
2.根据课题收集设计资料、完成文献综述、写开题报告。
3.参与方案拟定、设计计算（需经老师批准后方可往后进行）
4.绘制草图（经讨论及批准后方可往后进行）
5.参与传动系统结构设计；负责导轨、液压系统方案制定并编写设计说明书。
6.完成1~2个主要零件的工作图设计。
7.整理说明书；完成译文、周记、设计小结；准备答辩。
8.毕业答辩。

3、研究方法及研究手段
1：文献资料法：根据已掌握的文献，查找相关书籍，利用校园网查询各类期刊，学术报告，学术会议论文，学位论文，科技档案等

2：对比法：根据当前数控机床的发展状况，将数控龙门镗铣床与其他数控机床的结构比较，得出比较的设计方案。

3：专家访谈法: 根据本研究内容，对我校机电系部分副教授、教授进行了当面访谈。

4、预期目标及课题研究进度计划

5.参考文献

毕业论文(设计)

论文题目 定梁数控龙门镗铣床溜板进给系统设计
（传动系统结构设计；导轨、液压系统方案制定）
(英 文)
部 （系） 机械与建筑工程学部___
专 业 机械设计制造及其自动化
姓 名
学 号
指导教师

年 月 日

【摘要】
初步熟悉数控机床主运动系统的设计方法、步骤，提高对数控机床结构的分析能力及设计计算能力，培养我们熟悉查阅资料、手册和运用资料、手册的能力以

【关键词】 数控龙门镗铣床；溜板箱进给系统；导轨液压

【Abstract】
【Key Words】
CNC boring and milling machine gantry; crate slipped into the system; Guide hydraulic

目录
第1章 总体方案比较、论证
1.1 课题技术要求……………………………………………… …………….4
1.2 控制型式的选择和分析
1.2.1 开环进给伺服系统……………………..…………… …………..4
1.2.2 闭环与半闭环进给伺服系统……………………….. …………..4
1.3 伺服驱动装置的选择和分析……………………………… .………….5
1.4 传动部件的选择和分析
1.4.1齿轮传动…………………………………………………....…...…..6
1.4.1带传动…………………………………………………....…...…..6
1.4.3链传动…………………………………………………....…...…..6
1.4.4蜗杆传动…………………………………………………....…...…..6
1.4.5滚珠丝杠螺母副……………………...……...…….………….6
1.5 导轨
1.5.1导轨的基本类型……………………...……...…….………….7
1.5.2导轨的基本要求……………………...……...…….………….7
1.5.3常用的导轨及其特点……………………...……...…….…………7
1.5.4导轨间隙的调整、润滑、防护……………………...……...…….…………13
1.5.5选择导轨的种类确定阻尼比……………………...……...…….…………14
1.6 总体方案的试选………………………………………………………….14
第2章 设计计算
2.1 伺服系统传动系统的设计………………………………….15
2.1.1 降速比的计算…………………………………..……………..……15
2.1.2 惯量计算………………………………………….…………..….…16
2.1.3 电动机力矩计算………………………………….……...…………18
2.1.4 机械传动系统的动态分析……………………......………………..21
2.1.5系统增益的确定…………………….……..….…………………22
2.1.6 验算移动部件能达到的最大加速度………………………………22
致谢……………………………..…………………………………………22
主要参考文献…………………………….……………………………….23
设计说明书
初步熟悉数控机床主运动系统的设计方法、步骤，提高对数控机床结构的分析能力及设计计算能力，培养我们熟悉查阅资料、手册和运用资料、手册的能力以

第1章 总体方案比较、论证
1.1 课题技术要求
1.通过毕业设计培养学生综合运用过去所学知识来独立分析问题、解决问题的能力。
2.初步熟悉数控机床主运动系统的设计方法、步骤；提高对数控机床结构的分析能
力及设计计算能力。
3.培养学生熟悉查阅资料、手册和运用资料、手册的能力。
4.本课题内容较多，参加课题学生每人负责一部分；在毕业设计过程中要求既有独立性又有合作精神，以提高学生专业素养、敬业精神 、团队合作精神，增强参与竞争的能力。

1.2 控制型式的选择和分析

1.2.1 开环进给伺服系统：
开环伺服系统由步进电动机和步进电动机驱动线路组成。数控装置根据输入指令，经过运算发出脉冲指令给步进电动机驱动线路，从而驱动工作台移动一定距离。这种伺服系统比较简单，工作稳定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。只用于经济型数控机床。
开环控制系统的数控机床结构简单，成本较低。但是，系统对移动部件的实际位移量不进行监测，也不能进行误差校正。因此，步进电动机的失步、步距角误差、齿轮与丝杠等传动误差都将影响被加工零件的精度。开环控制系统仅适用于加工精度要求不很高的中小型数控机床，特别是简易经济型数控机床。

1.2.2 闭环与半闭环进给伺服系统：
闭环：
闭环伺服机构的工作原理和组成与半闭环伺服机构相同，只是位置检测器安装在工作台上，可直接测出工作台的实际位置，故反馈精度高于半闭环控制，但掌握调试的难度较大，常用于高精度和大型数控机床。闭环伺服机构所用伺服马达与半闭环相同，位置检测器则用长光栅、长感应同步器或长磁栅。
闭环控制数控机床是在机床移动部件上直接安装直线位移检测装置，直接对工作台的实际位移进行检测，将测量的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的指令位移值进行比较，用差值对机床进行控制，使移动部件按照实际需要的位移量运动，最终实现移动部件的精确运动和定位。从理论上讲，闭环系统的运动精度主要取决于检测装置的检测精度，也与传动链的误差无关，因此其控制精度高。
闭环控制数控机床的定位精度高，但调试和维修都较困难，系统复杂，成本高。

半闭环：
半闭环伺服机构是由比较线路、伺服放大线路、伺服马达、速度检测器和位置检测器组成。位置检测器装在丝杠或伺服马达的端部，利用丝杠的回转角度间接测出工作台的位置。常用的伺服马达有宽调速直流电动机、宽调速交流电动机和电液伺服马达。位置检测器有旋转变压器、光电式脉冲发生器和圆光栅等。这种伺服机构所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服机构，为大多数中小型数控机床所采用。
半闭环控制数控系统的调试比较方便，并且具有很好的稳定性。目前大多将角度检测装置和伺服电动机设计成一体，这样，使结构更加紧凑。
所以选择半闭环控制形式。

1.3伺服驱动装置的选择和分析
进给伺服以数控机床的各坐标为控制对象，产生机床的切削进给运动。为此，要求进给伺服能快速调节坐标轴的运动速度，并能精确地进行位置控制。具体要求其调速范围宽、位移精度高、稳定性好、动态响应快。根据系统使用的电动机，进给伺服可细分为步进伺服、直流伺服、交流伺服和直线伺服。所选驱动元件为： FANUC30交流伺服电动机
交流伺服系统特点：
针对直流电动机的缺陷，如果将其做“里翻外”的处理，即把电驱绕组装在定子、转子为永磁部分，由转子轴上的编码器测出磁极位置，就构成了永磁无刷电动机，同时随着矢量控制方法的实用化，使交流伺服系统具有良好的伺服特性。其宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，使其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美。同时可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。
目前，在机床进给伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系统，有三种类型：模拟形式、数字形式和软件形式。模拟伺服用途单一，只接收模拟信号，位置控制通常由上位机实现。数字伺服可实现一机多用，如做速度、力矩、位置控制。可接收模拟指令和脉冲指令，各种参数均以数字方式设定，稳定性好。具有较丰富的自诊断、报警功能。软件伺服是基于微处理器的全数字伺服系统
。其将各种控制方式和不同规格、功率的伺服电机的监控程序以软件实现。使用时可由用户设定代码与相关的数据即自动进入工作状态。配有数字接口，改变工作方式、更换电动机规格时，只需重设代码即可，故也称万能伺服。
交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。

步进伺服电机伺服进给系统---经济型数控机床
直流伺服电机伺服进给系统---中档数控机床
交流伺服电机伺服进给系统---中高档数控机床
直线电动机伺服进给系统---高速机床
1.4传动部件的选择和分析

1.4.1齿轮传动装置 
齿轮传动是应用非常广泛的一种机械传动，各种机床的传动装置中几乎都有齿轮传动。在数控机床伺服进给系统中采用齿轮传动装置的目的有两个。一是将高转速的转矩的伺服电机（如步进电机、直流和交流伺服电机等）的输出改变为低转速大转矩的执行件的输入；另一是使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中专有较小的比重。此外，对于开环系统还可以保证所要求的运动精度。 
为了尽量减小齿侧间隙对数控机床加工精度的影响，经常在结构上采取措施，以减小或消除齿轮副的空程误差。如采用双片齿轮错齿法、利用偏心套调整齿轮副中心距或采用轴向垫片调整法消除齿轮侧隙。 
与采用同步齿形带相比，在数控机床进给传动链中采用齿轮减速装置，更易产生低频振荡，因此减速机构中常配置阻尼器来改善动态性能。 
1.4.2带传动
带传动时一种应用很广泛的机械传动。带传动又主动轮，从动轮和适度张紧在两轮上的封闭环传动带组成，它时利用传动带作为中间的扰性件，依靠传动带与带轮之间的摩擦力来传递运动的。

1.4.3链传动 链传动是由闭合的挠性环形两条和主，从动轮说组成，链轮时特殊齿形的齿，依靠链轮轮齿的链节的啮合来传递运动和动力，链传动时属于带有中间挠性的啮合传动。

1.4.4蜗杆传动 蜗杆传动是用来传递空间年交错轴之间的运动与动力，一般两轴交角为90°。

所选传动方式为齿轮传动（根据总体方案选定）。

1.4.5滚珠丝杠螺母副 
为了提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行，必须降低数控机床进给系统的摩擦并减少静、动摩擦系数之差。因此，形成不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠副。 
滚珠丝杠副的传动效率高达85%-98%，是普通滑动丝杠副的2-4倍。滚珠丝杠副的摩擦角小于1°，因此不自锁。如果滚珠丝杠副驱动升降运动（如主轴箱或升降台的升降），则必须有制动装置。 
滚珠丝杠的静、动摩擦系数实际上几乎没有什么差别。它可以消除反向间隙并施加预载，有助于提高定位精度和刚度。滚珠丝杠由专门工厂制造。 
数控加工时，需将旋转运动转变成直线运动，故采用丝杠螺母传动机构。数控机床上一般采用滚珠丝杠，它可将滑动摩擦变为滚动摩擦，满足进给系统减少摩擦的基本要求。该传动副传动效率高，摩擦力小，并可消除间隙，无反向空行程；但制造成本高，不能自锁，尺寸亦不能太大，一般用于中小型数控机床的直线进给。
滑动丝杠螺母副用于旧机床的数控改造、经济型数控机床等；滚珠丝杠螺母副用于中、高档数控机床；静压丝杠螺母副用于高精度数控机床、重型机床。
滚珠丝杠螺母副滚珠循环方式常用有两种：外循环与内循环。
所以选择滚珠丝杠传动部件。

1.5导轨的选择与设计
导轨的主要功能是导向和承载。导轨使运动部件沿一定的轨迹运动，从而保证各部件之间的相对位置精度。导轨主要由机床上两个相对运动部件的配合而组成一对导轨副，其中，不动的配合面称为支承导轨，运动的配合面称为运动导轨。
1.5.1导轨的基本类型
导轨按运动轨迹可以分为直线运动导轨和圆周运动导轨；按摩擦性质可以分
为滑动导轨和滚动导轨。其中滚动导轨又有普通滑动导轨、液体动压导轨、液体静压导轨之分。滚动导轨按滚动体的形状又可以分为滚珠导轨和滚柱导轨。滚动导轨在进给运动导轨中使用较多。
1.5.2导轨的基本要求
（1）导向精度。导向精度主要是指运动部件沿导轨运动轨迹的直线度（对直线运动导轨）或圆度（对圆周运动导轨）导轨的几何精度直接影响导向精度，因此在导轨检验标准中对纵向直线度及两导轨面平行度都有规定。影响导向精度的主要因素除制造误差外，还与导轨的结构形式、装配质量、导轨及其支承件的刚度和热变形等有关。
（2）耐磨性。耐磨性直接影响机床的精度寿命，是导轨设计、制造的关键，也是衡量机床质量好坏的重要标志。提高导轨的耐磨性是提高导轨使用寿命的重要途径。影响导轨耐磨性的主要因素有导轨的摩擦性质、材料、热处理及其加工方法、受力情况、润滑和保护等。
（3）刚度。导轨受力后变形会影响部件之间的相对位置和导向精度，因此要求导轨有足够高的刚度。导轨变形包括导轨受力后的接触变形、扭转变形、弯曲变形，以及由于导轨支承件的变形而引起的导轨变形。导轨变形主要取决于导轨的形式、尺寸及与支承件的连接方式与受力情况等。
（4）低速运动平稳性。运动部件低速移动时易产生爬行现象。进给运动时出现爬行，会使工艺系统产生振动，增大被加工表面的粗糙度；定位运动时出现爬行，会降低定位精度，故要求导轨低速运动平稳。影响导轨低速运动平稳性的因素有：静、动摩擦系数的差值，传动系统的刚度，运动部件的质量及导轨的结构和润滑情况。
1.5.3常用的导轨及其特点
　1．滑动导轨
　　（1)滑动导轨的结构
　　滑动导轨常见的截面形状如图1－1所示。其各个平面所起的作用各不相同。在矩形和三角形导轨中，M面主要起支撑作用，N面是保证直线移动精度的导向面，J面是防止运动部件抬起的压板面；而在燕尾形导轨中，M面起导向和压板作用，J面起支撑作用。
图1－1　滑动导轨常见的截面形状(a)矩形导轨； (b)三角形导轨； (c)燕尾槽导轨； (d)圆柱形导轨

① 矩形导轨。图1－1所示的矩形导轨制造简单，刚度和承载力大，水平方向和竖直方向上的位移互不影响，因此安装、调整都较方便。M面既是保证垂直面内直线移动精度的导向面，又是承受载荷的主要支承面；N面是保证水平面内直线移动精度的导向面。因N面磨损后不能自动补偿间隙，所以需要有间隙调整装置。
② 三角形导轨。图1－1所示的山形导轨及V形导轨均称为三角形导轨，当其水平布置时，在竖直载荷的作用下，导轨磨损后能自动补偿，不会产生间隙，因此导向性好。但压板面仍需要有间隙调整装置。导向性能与顶角有关，顶角越小，导向性越好；顶角加大，承载能力增加。支承导轨为凸三角形时，不易积存较大切削，也不易积存润滑油。
③ 燕尾槽导轨。图1－1所示的燕尾导轨可视为三角形导轨的变形，磨损后不能自动补偿间隙，需用镶条调整。两燕尾面起压板面作用，用一根镶条就可以调整水平、竖直方向的间隙。这种导轨制造、检验和修理均较复杂，摩擦阻力大。当承受竖直作用力时，它以支承面为主要工作面，其刚度与矩形导轨的相近；当承受颠覆力矩时，其斜面为主要工作面，其刚度较低。燕尾形导轨一般用于高度小的多层移动部件。两个导轨面间的夹角为55°。
④ 圆柱形导轨。图1－1所示的圆柱形导轨制造简单，内孔可珩磨，外圆经过磨削可达到精密配合，但磨损后调整间隙困难。为防止转动，可在圆柱表面上开键槽或加工出平面，但不能承受大的转矩。圆柱形导轨主要用于承受轴向载荷的场合，适用于同时作直线运动和转动的场合，如拉床、珩磨机及机械手等。

（2）滑动导轨的组合形式与应用
　　滑动导轨一般由两条导轨组成，不同的组合形式是为了满足不同机床的工作要求。在数控机床上，滑动导轨的组合形式主要是三角形配矩形式和矩形配矩形式。只有少部分结构采用燕尾式。
① 双三角形组合。这种导轨同时起支承、导向作用，磨损后相对位置不变，能自行补偿竖直方向及其水平方向的磨损，导向精度高，但要求四个表面刮削或磨削后接触，工艺性较差。床身与运动部件热变形不一样时，不易保证四个表面同时接触。这种导轨常用于龙门刨床与高精度车床。
② V形-平导轨组合。V形-平导轨组合，不需要用镶条调整间隙，导向精度高，加工装配也较方便，温度变化不会改变导轨面的接触情况，但热变形会使移动部件水平偏移，常用于磨床、精密镗床上。
③ 双矩形导轨是用侧边导向，当采用一条导轨的两侧边导向时称为窄式导向（图1－2（a）），若分别采用两条导轨的两个侧面边导向则称为宽式导向（图1－2（b））。窄式导向制造容易，受热变形影响小。

图1－2　窄式导向与宽式导向
(a)窄式导向； (b)宽式导向
④ 三角形-矩形组合。三角形-矩形组合导轨兼有导向性好、制造方便等优点，应用最为广泛，常用于车床、磨床、精密镗床、滚齿机等机床上。三角形导轨作主要导向面，其导向性比双矩形组合导轨要好。三角形导轨磨损后不能调整，对位置精度有影响。
⑤ 平-平-三角形组合。当龙门铣床工作台宽度大于3000mm、龙门刨床工作台宽度大于5000mm时，为了不使工作台中间挠度过大，可用三根导轨的组合导轨。该导轨是重型龙门刨床工作台导轨的一种形式，三角形导轨主要起导向作用，平导轨主要起承载作用，不需要镶条调整间隙。
（3）圆周运动导轨。这种导轨主要用于圆形工作台、转台和转塔等旋转运动部件，常用的圆周运动导轨有平面圆环导轨、锥形圆环导轨、V形圆环导轨。
① 平面圆环导轨。这种导轨容易制造，热变形后仍能接触，适用于大直径的工作台和转盘，便于镶装耐磨材料及采用动压、静压导轨，减少摩擦。当它只能承受轴向力，不能单独承受径向力，需与带径向滚动轴承的主轴相配合来承受径向力。此种导轨摩擦损失小，精度高，目前使用较多，如用于滚齿机、立式车床等。
② 锥形圆环导轨。这种导轨能承受轴向力与较大的径向力，但不能承受较大的颠覆力，热变形也不影响导轨接触，其导向性比平面圆环导轨的好，但要保持锥面和主轴的同轴度较困难，母线倾斜角一般为30°，常用于径向力较大的机床。
③ V形圆环导轨。这种导轨能承受较大的轴向力、径向力和颠覆力矩，能保持很好的润滑，当制造较复杂，需保证两个V形锥面和主轴同心。V形一般用非对称形状。当床身热变形量和工作台的热变形量不同时，两导轨面将不同时接触。
（4）塑料滑动导轨。
传统的铸铁—铸铁和铸铁—淬火钢的导轨副，静摩擦系数大，且动摩擦系数随速度变化而变化，摩擦损失大，低速时易出现“爬行”现象，影响运动平稳性和定位精度，因此在数控机床上已很少采用，取而代之的是铸铁—塑料滑动导轨或镶钢—塑料滑动导轨。目前，塑料导轨的材料可分为两种：贴塑材料和涂塑材料。
目前在国内生产使用的贴塑材料主要有塑料导轨板和塑料导轨软带两种，它们是由聚四氟乙烯和多种金属材料制成的复合材料。例如，ＦＱ－１塑料导轨板采用的是在渡铜钢板上烧结一层多孔青铜，在青铜层间隙中扎入聚四氟乙烯及其他填料，再经适当处理形成金属-氟塑料的复合体导轨板。这种材料的导轨板的摩擦系数小（约为0.04～0.08），并具有良好的自润滑作用，特别适用于垂直导轨。
塑料导轨软带是以聚四氟乙烯PTFE为基体，添加青铜粉二硫化钼和石墨等多种填料所构成的复合材料。在油润滑状态下，其摩擦系数约为0.06，使用寿命为普通铸铁导轨的8～10倍。塑料导轨软带有各种厚度规格，长与宽由用户自行裁剪，采用粘贴的方法固定。由于塑料导轨软带较软，容易被硬物刮伤，因此要有良好的密封防护措施。概括起来，塑料导轨软带与其他导轨相比，有以下特点：
（1）摩擦系数低而稳定，比铸铁导轨副低一个数量级。 　
（2）动、静摩擦系数相近，运动平稳性和爬行性能较铸铁导轨副好。
（3）吸收振动，具有良好的阻尼特性，优于接触刚度较低的滚动导轨和易漂浮的静压导轨。
（4）耐磨性好，有自身润滑作用，无润滑剂也能工作，灰尘磨粒的嵌入性好。
（5）化学稳定性好，耐低温，耐强酸、强碱、强氧化剂及各种有机溶剂。
（6）维护修理方便，软带耐磨，损坏后更换容易。
（7）经济性好，结构简单，成本低，约为滚动导轨成本的1／20。

图1－3　镶粘塑料—金属导轨结构
塑料滑动导轨可分为两种：
① 注塑导轨。导轨注塑的材料或耐磨涂料的材料是以环氧树脂和二硫化钼为基体，加入增塑剂，混合成膏状为一组分，固化剂为另一组分的双组分塑料。这种塑料附着力强，具有良好的可加工性，可经车削、铣削、刨削、钻削、磨削和刮削加工，也有良好的摩擦特性和耐磨性，而且其抗压强度比聚四氟乙烯导轨软带的要高，固化时体积不收缩，尺寸稳定。这种导轨的另一特性是可在调整好固定导轨和运动导轨间的相关位置精度后注入涂料，因此可节省许多加工工时，特别适用于重型机床和不能用导轨软带的复杂配合型面。
② 贴塑导轨。这种导轨是在导轨滑动面上贴一层耐磨的塑料导轨软带，对与之相配的导轨滑动面进行淬火和磨削加工。塑料导轨软带以聚四氟乙烯为基材，添加合金粉和氧化物制成。塑料导轨软带可切成任意大小和形状，用胶黏剂黏接在导轨基面上。由于这类导轨软带用黏接方法加工，故称为贴塑导轨。
软带的粘贴工艺工程是：先将导轨粘贴面加工至表面粗糙度Ra 为3.2~1.6μm(为了对软带起定位作用，导轨粘贴面应加工成0.5~1.0mm深的凹槽)，再以丙酮清洗粘贴面，用胶黏剂把软带粘贴在凹槽上，加压初固化1~2小时后，合拢到配对的固定导轨（或专用夹具）上，施加一定的压力，并在室温下固化24h，然后取下配对的导轨，清除余胶，在软带上面开出油槽，进行精加工。
2．滚动导轨
1）滚动导轨的结构形式
　（1）滚动导轨块。这是一种以滚动体作循环的滚动体。移动部件移动时，滚动体沿封闭轨道作循环运动。滚动体为滚珠或滚柱。数控机床上采用的滚柱式滚动导轨块如图1－4所示，它多用于中等负荷导轨。滚动导轨块由专业厂家生产，有多种规格、形式供用户选用。使用时，导轨块装在运动部件上，每一导轨应至少用两块或更多块，导轨块的数目取决于导轨的长度和负载的大小。与之相对的导轨多用镶钢淬火导轨。

图1－4　滚柱式滚动导轨块
(a)单元滚动块; (b)在加工中心上的应用
　 (2)直线滚动导轨。直线滚动导轨又称单元直线滚动导轨。它除导向外还能承受颠覆力矩，其制造精度高，可高速运行，并能长时间保持精度，通过预加负载可提高刚性，具有自调的能力，安装基面允许误差大。直线滚动导轨的外形和结构如图1－5所示。导轨体固定在不动部件上，滑块固定在运动部件上。当滑块沿导轨体移动时，滚珠在导轨体和滑块之间的圆弧直槽内滚动，并通过端盖内的滚道，从工作负荷到非工作负荷区，然后再滚动回到工作负载区，不断循环，从而把滚动体和滑块之间的移动变成了滚珠的滚动。为防止灰尘和脏物进入导轨滚道，滑块两端及下部均有塑料密封垫。滑块上还有润滑油注油杯，只要定期将锂基润滑脂放入润滑油注油杯即可实现润滑。



图1－5　直线滚动导轨的外形和结构
2）滚动导轨的类型
滚动导轨根据滚动体的形式不同，可以分为滚珠导轨、滚柱（或滚针）导轨等。
（1）滚珠导轨。这种导轨的结构特点为滚珠与导轨之间点接触，摩擦阻力小，承载能力较差，刚度低，其结构紧凑、制造容易、成本较低。通过合理设计滚道圆弧可大幅度降低接触应力，提高承载能力。滚珠导轨一般适用于运动部件质量小于200kg，切削力矩和颠覆力矩都较小的机床。
（2）滚柱导轨。这种导轨的结构特点为滚动体与导轨之间是线接触，承载能力较同规格滚珠导轨高一个数量级，刚度高。滚柱导轨对导轨面的平面度敏感，制造精度要求比滚珠导轨高，适用于载荷较大的机床。
　3)滚动导轨的预紧
　　为了提高滚动导轨的刚度，应对滚动导轨进行预紧。预紧可提高接触刚度，消除间隙；在立式滚动导轨上，预紧可防止滚动体脱落和歪斜。常见的预紧方法有以下两种：
　　（1）采用过盈配合。预加载荷大于外载荷，预紧力产生过盈量2～3μm，过大会使牵引力增加。若运动部件较重，其重力可起预加载荷作用，若刚度满足要求，可不施预加载荷。
　　（2）调整法。调整螺钉、斜块或偏心轮来进行预紧。
图1－6为滚动导轨的预紧方法。

图1－6　滚动导轨的预紧方法
(a)滚柱或滚针导轨自由支撑;(b)滚柱或滚针导轨预加载荷；(c)交叉式滚柱导轨; (d)循环式滚动导轨块

　 3.液压导轨
液压导轨在机床上的使用主要是静压导轨。在静压导轨两个相对运动的导轨面间通入压力油，可使运动件浮起。在工作过程中，导轨面上油腔中的油压能随外加负载的变化自动调节，以平衡外加负载，保证导轨面间始终处于纯液体摩擦状态。所以静压导轨的摩擦系数极小（约0.0005）、功率消耗小、导轨不会磨损，因而导轨的精度保持性好，寿命长。油膜厚度几乎不受速度的影响，油膜承载能力大、刚性高、吸振性良好，导轨运行平稳，既无爬行，也不会产生振动。但静压导轨结构复杂，并需要一套有良好过滤效果的液压装置，因此制造成本较高。目前，静压导轨较多应用在大型、重型数控机床上。
静压导轨按导轨形式可分为开式和闭式两种，数控机床用闭式的静压导轨。闭式静压导轨按供油方式可分为恒压（即定压）供油和恒流（即定量）供油两种。恒压供油方式中以毛细管节流和单面薄膜反馈节流用得较多，其原理如图1－7所示。

图1－7　闭式静压导轨恒压供油原理
1.5.4导轨间隙的调整、润滑与防护
　　1．导轨的润滑
　　1)润滑方法
导轨最简单的润滑方式是人工定期加油或用油杯供油。这种方法简单、成本低，但不可靠，一般用于调节辅助导轨及运动速度低、工作不频繁的滚动导轨。对运动速度较高的导轨大都采用润滑泵，以压力油强制润滑。这样不但可连续或间歇供油给导轨进行润滑，而且可利用油的流动冲洗和冷却导轨表面。为实现强制润滑，机床必须备有专门的供油系统。图1－8为某加工中心导轨的润滑系统。
图1－8　加工中心导轨的润滑系统

2)对润滑油的要求
在工作温度变化时，润滑油粘度变化要小，要有良好的润滑性能和足够的油膜刚度，油中杂质尽量少且不浸蚀机件。常用的全损耗系统用油有L—AN10、15、32、42、68，精密机床导轨油L—HG68，汽轮机油L—TSA32、46等。
2．导轨的防护
为了防止切屑、磨粒或冷却液散落在导轨面上而引起磨损、擦伤和锈蚀，导轨面上应有可靠的防护装置。常用的刮板式、卷帘式和叠层式防护罩，大多用于长导轨机床上，如龙门刨床、导轨磨床等。另外，还有手风琴式的伸缩式防护罩等。在机床使用过程中应防止损坏防护罩，对叠层式防护罩应经常用刷子蘸机油清理移动接缝，以避免发生碰壳现象。
3. 间隙调整方法：（1）采用压板来调整间隙并承受颠覆力矩。
（2）采用镶条来调整矩形和燕尾形导轨的间隙
（3）采用压条镶条来调整间隙。（这种方法已标准化）

1.5.5选择导轨的种类确定阻尼比
进给系统中摩擦阻力的大小主要决定于导轨类型。为了尽可能减少摩擦力，广泛采用各种类型的减摩导轨。其中考虑到进给系统的稳定性，并为适当增加导轨阻尼比，常常采用滚动导轨加预载的结构以及采用滚动、滑动复合导轨和静压卸荷导轨等等。其中滚动、滑动复合导轨同时具有滚动和滑动导轨的优点，也就是具有较小的摩擦系数，很好的刚性和阻力特性，因此近几年来应用日益增多。

导轨阻尼比
导轨种类
等价阻尼比
滑动导轨
0.02～0.3（一般0.15）
静压导轨
0.02
滚动导轨
0.02～0.05

由于我们设计是数控龙门镗铣床的溜板箱进给系统，数控龙门镗铣床属于重型机床，承载能力大，导向精度要求较好，所以可以选用截面是双矩形的组合导轨，同时塑料滚动导轨具有良好的定位精度和运动平稳性，维护维修方便，经济性好，可以采用贴塑导轨。数控龙门镗铣床承受的颠覆力矩较大，故采用闭式导轨形式。
所以选择贴塑导轨。

1.6总体方案的选择
采用半闭环控制型式；导轨为贴塑导轨；滚珠丝杠螺距：10mm；驱动元件为FANUC30交流伺服电动机。
（注：初选滚珠丝杠螺距：12mm驱动元件为FANUC30R交流伺服电动机。经校核不满足要求，计算过程省略，最后选择方案计算过程如下）

第2章 设计计算

2.1 伺服系统传动系统的设计
驱动元件为FANUC30交流伺服电动机，这种型号的驱动电机参数如下：
输出功率：3.