立式加工中心z轴进给传动设计与仿真学士学位论文.doc

摘要装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度,数控技术及装备是发展高新技术产业和尖端工业（如：信息技术及其产业，生物技术及其产业，航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。制造技术和装备是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术则是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今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。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。数控机床技术的发展自1953年美国研制出第一台三坐标方式升降台数控铣床算起，至今已有53年历史了。20世纪90年开始，计算机技术及相关的微电子基础工业的高速发展，给数控机床的发展提供了一个良好的平台，使数控机床产业得到了高速的发展。我国数控技术研究从1958年起步，国产的第一台数控机床是北京第一机床厂生产的三坐标数控铣床。虽然从时间上看只比国外晚了几年，但由于种种原因，数控机床技术在我国的发展却一直落后于国际水平，到1980年我国的数控机床产量还不到700台。到90年代，我国的数控机床技术发展才得到了一个较大的提速。目前，与国外先进水平相比仍存在着较大的差距。 总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各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。加工中心：是带有刀库和自动换刀装置的一种高度自动化的多功能数控机床。在中国香港，台湾及广东一代也有很多人叫它电脑锣。工件在加工中心上经一次装夹后，数字控制系统能控制机床按不同工序，自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助机能，依次完成工件几个面上多工序的加工。并且有多种换刀或选刀功能，从而使生产效率大大提高。加工中心由于备有刀库并能自动更换刀具，使得工件在一次装夹中可以完成多工序的加工。加工中心一般不需要人为干预，当机床开始程序后，它将一直运行到程序结束。关键词： 数控机床； 进给传动系统； 滚珠丝杠； 仿真 abstractIndustrial equipment technical level and the modernized degree determines the level and degree of modernization in the whole national economy, numerical control technology and equipment is the development of high-tech industries and high-tech industries (such as: Information Industry and information technology, biological technology and industry, aeronautics and Astronautics, national defense industry and trade industry) enabling technology and the most basic equipment, manufacturing technology and equipment is the most basic means of production of human production and activity, and numerical control technology is todays advanced manufacturing technology and equipment, the core technology. CNC technology widely used for manufacturing countries in the world today, in order to improve the high manufacturing capacity and level, improve the ability to adapt to the dynamic changeable market and competition ability. In addition, all industrial countries in the world will also list and CNC numerical control technology and equipment for the strategic materials of the country, not only to take significant measures to develop their own numerical control technology and industry, and in sophisticated key technology and equipment of numerical control of our country to implement policy of closures and restrictions.The development of CNC machine tool technology since 1953 the United States developed the first three coordinate lifting mode of CNC milling machine, so far has 53 years history of 20 century 90 years, the rapid development of computer technology and the microelectronic industrial base, to the development of CNC machine tool provides a good platform, the CNC machine tool industry has been rapid development. CNC technology research in our country started in 1958, domestic the first CNC machine tools is Beijing first machine tool plant production of three axis NC milling machine. Although from time to time to see only later than abroad for a few years, but due to various reasons, CNC machine tool technology in the development of our country is a Straight after on the international level, in 1980, Chinas output of CNC machine tools is not to 700 sets. In the 1990s, Chinas CNC machine tool technology development got a larger speed. At present, with foreign advanced level compared to still exist large gap.In short, vigorously develop the CNC technology as the core of advanced manufacturing technology has become the worlds developed countries to accelerate economic development, improve the comprehensive national strength and the national status of an important way.Machining center: with a knife library and automatically change the knife device is a highly automated multi function CNC machine tools. In Hong Kong, China, Taiwan and Guangdong generation also many people call it the computer gongs. Workpiece in machining center by a clamping, the digital control system can control the machine tool according to not the same process, automatic selection and replacement of cutting tools, automatically change spindle speed, feed rate and tool relative workpiece trajectory and other auxiliary functions, in order to complete the process of the workpiece surface processing. And there are a variety of change knife or knife selection function, so that the production efficiency is greatly improved.Machining center equipped with because of the knife and can automatically replace the tool and the workpiece in a fixture can complete the processing of multi process. Processing centers do not require human intervention, when the machine tool to start the program, it will have to run to the end of the process.Key words: CNC machine tool; feed drive system; ball screw；simulation目 录第1章概述 11.1课题的背景112国内外相关产品及研发现状 413主要研究内容及技术路线6第2章滚珠丝杠螺母副72.1滚珠丝杆副及其支承的选取72.2计算 7第3 章伺服电机193.1伺服电机的选型 193.1.1电机负载扭矩计算 193.1.2 惯量匹配计算203.2伺服定位精度的验证 213.2.1 机械传动装置刚度计算 213.2.2 伺服刚度计算22第4章仿真分析 234.1机电进给系统综合结构图 234.2仿真分析234.2.1理想线性状态的仿真分析 234. 2. 2具有摩擦非线性因素的仿真分析 24参考文献 26致谢29沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第1章 概述第1章 概述1.1课题的背景制造业直接体现了一个国家的生产力水平，是区别发展中国家和发达国家的重要因素。制造业是我国国民经济的支柱产业，是我国经济增长的主导部门和经济转型的基础，是我国城镇就业的主要渠道和国际竞争力的集中体现：作为过去20多年我国综合国力提高的主要标志。我国已经成为装备制造业大国，但产业大而不强、自主创新能力薄弱、自主创新产品推广应用困难等问题依然突出。应该看到，我国目前正处于扩大内需、加快基础设施建设和产业转型升级的关键时期，对先进装备有着巨大的市场需求。因此，提高中高档数控机床的市场竞争力是机床行业转型升级的首要任务。必须采取有效措施加快产业结构调整，推动产业优化升级，加强技术创新，促进装备制造业持续稳定发展，为我国经济平稳较快发展做出贡献。数控机床作为现代装备制造业的关键装备，其产量和技术水平在某种程度上代表了国家的工业现代化水平和竞争力。我国数控机床的技术水平、性能和质量与装备制造业发达国家还有很大差距，高档数控机床及功能部件大多依靠进口，同时，数控机床作为国防军工的战略装各，是各种武器装备最重要的制造母机，是国防军工装备现代化的重要保证口。因此，一些发达国家把高性能数控机床作为战略物资严加控制，限制我国进口。根据中国机床工具工业协会市场部提供的国际招标信息，中国机床工具工业协会分会对2012年13月份通过国际招标采购的加工中心总量、产品分类占比、产品水平和价格方面、用户及制造商情况进行了统计分析。进一步了解了市场需求，为企业有针对性地开发新产品并积极参与国际招标竞争起到引导作用。根据国际招标采购加工中心汇总表，2012年13月，加工中心中标项目共有153项，中标数量为314台，产品金额总计469624万美元。各类加工中心中标情况见表11。表11 各类加工中心中标情况产品分类中标数量产品数额（万美元）金额占比%卧式加工中心-生产线617857.7538.0%卧式加工中心16611945.9825.4%龙门加工中心277255.6815.5%其它加工中心504467.609.5%立式加工中心-生产线22544.215.4%立式加工中心612435.385.2%其它加工中心-生产线2455.81.0%总计31446962.4100%2012年13月份通过国际招标采购的314台加工中心，分布在13个国家和地区。以金额计算，德国中标额最大，达到24387万美元，占中标总额的5193；日本中标额排第2，为1385606万美元，占中标总额的295；法国排名第3，中标额为206544万美元，占中标总额的44；美国中标额最少，为1117万美元，占中标总额的002。以数量计算，日本中标台数最多，为119台；德国中标97台名列第2；法国中标23台排在第3；中国中标17台位列第4。详细情况见表12。表12 中标产品国别分布及占比制造商国别或地区台数金额（万美元）金额占比德国9724387.0051.93%日本11913856.0629.50%法国232065.444.40%意大利121788.783.81%瑞士7854.311.82%韩国12803.011.71%奥地利1695.351.48%中国17657.791.40%捷克5597.521.27%西班牙2548.521.17%中国台湾14424.450.90%新加坡2273.000.58%美国111.170.02%总计31446962.40100.00%由以上数据可以看出，2012年，世界28个主要机床生产国机床产值932亿美元，中国机床产值2736亿美元，约占30，中国金属加工机床消耗约占全球市场的45。2012年，机床进口额1366亿美元，其中加工中心进口5万台，进口额565亿美元，占进口机床总额的414。2012年军工企业进口五轴联动机床进口数量约占总进口机床70。而德国哈默公司C系列立式五轴加工中心属于高精度、高性能机床，是我国进口主要机种之一。爱好军事的朋友大多都知道著名的“东芝事件”：上世纪末，日本东芝公司卖给前苏联几台五轴联动的数控铣床，结果让前苏联用于制造潜艇的推进螺旋桨，上了几个档次，使美国间蝶船的声纳监听不到潜艇的声音了，所以美国以东芝公司违反了战略物资禁运政策，要惩处东芝公司。由此可见，五轴联动数控机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设各等等行业，有着举足轻重的影响力。现在大家普遍认为，五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转予、大型柴油机曲轴等加工的唯一手段。是衡量我国数控装备制造水平的重要依据之一。与装备制造发达国家相比，我国在五轴加工中心系列化程度、加工功能、加工效率、加工精度和市场占有率上尚有差距。尤其是五轴加工中心国产制造能力明显不足，这已经成为制约我国制造业快速发展，尤其是制约国家重大国防、航空和航天装备制造能力的瓶颈。12国内外相关产品及研发现状根据近三年来，中国国际机床展览会展出机床产品来看，展会展品的特点是：突出智能功能，倡导低碳和绿色制造方式，柔性、复合、五轴联动、高精、高速化仍然是数控机床的发展主流，自动化水平高，机床向安全、宜人化深度发展。1 1届展会具有五轴联动功能的机床展品有80余台套，众多国际知名厂家都带来展品。如HERMLE、DMG、米克朗、森精机等，台湾的崴立、簏驰和友佳公司都带来五轴联动机床展出，国内的沈阳集团、大连机床集团、北京机电院等也都展出了五轴联动加工中心。展会展出的五轴联动加工中心结构形式多种多样，从功能上讲除了叶片式、叶轮式及龙门式加工中心外，五轴机床不再仅展示曲面加工，还有不少是展示一次装夹，多面高效加工的功能。这是展会五轴机床最突出的亮点，也是五轴机床的发展趋势，更是全面解决方案服务理念的具体体现。瑞士GF阿奇夏米尔集团展出的HPM 800U五轴加工中心属于高效铣削领域中的最新一代产品。机床结构设计紧凑、稳定性好且动力出众。尤为突出的是：它对第四轴和第五轴的直接驱动使其在加工500kg的工件时回转轴和摆动轴有充足的动能。它具有四种不同类型的工作台，可使小型工件在完全联动的回转摆动工作台上手动轻松装载，并可以从后面进行托盘交换。机床主要参数：行程(XYXZ)：850800X 550mlll，摆动轴：+91。121。，回转轴：360。，工作主轴：20000 min1，快速移动：45mmin，工作台面：500630 mm，最大承重：800kg，HSKA63刀库容量：60把。DMG的新机床DMU 60也是一次装夹多面加工的典范。该机将万能铣床和立式加工中心的性能完美地结合，满足一次装夹五轴联动轮廓加工的要求。该机采用了动梁式龙门结构，直线轴(XYXZ)的行程为600500500mm。B轴和C轴采用转速高达60rpm、摆动范围为+5。1 10。的快速数控摆动分度工作台。工作台的直径为630mm，负载能力为400kg。旋转轴的力矩电机驱动提高了机床的稳定性和动态性能。DMU 60标准机床采用滚珠丝杠传动，快移速度为50 mmin。该机左侧刀库和链式托架的设计也非常巧妙，机械手结构简单，稳定可靠。标配30把刀库。标配14，000 rpm主轴，用户也可以选配18，000 rpm或24，000 rpm主轴。所有主轴可以配置SK40(BT40)或HSKA63刀柄。还有HERMLE的C30U及北京机电院的XKH800、南通科技的5DLl 100等五轴加工中心，先进的驱动技术及控制系统在五轴联动7J口32中,t上得到了广泛的应用，如直驱技术、直线电机、力矩电机、内装式电主轴、热变形控制技术以及结构优化技术等被广泛利用。力矩电机在五轴联动机床的结构创新设计中起到了特别重要的作用。从五轴联动加工中心产品上看，国内五轴机床已走过从无到有，特别引人关注的时段。五轴机床的市场与立、卧式加工中心相比相对还比较小，如果机床做不成精品和实用，不能全面为用户解决加工问题，用户是不会轻易采购的。国外众多知名厂商大多在其原有的机床上做了很大的改进，五轴机床的结构设计巧妙，制造精良，全面解决问题的能力非常强，这正是国内厂家需要好好学习的，也是我国五轴机床的发展方向。13主要研究内容及技术路线目前，我国数控机床的技术水平、性能和质量与装备制造业发达国家还有很大差距，高档数控机床及功能部件大多依靠进口。数控机床作为国防军工的战略装备，是各种武器装备最重要的制造母机，是国防军工装备现代化的重要保证。因此，一些发达国家把高性能数控机床作为战略物资严加控制，限制我国进口。大连机床集团有限责任公司在综合比较分析国内外五轴联动设计技术，综合借鉴国内外先进机床设计结构和设计分析手段的基础上，采用设计计算和试验相结合的方法，系统的对墙式五轴加工中心总体布局、主要功能部件的设计、机床精度保持和机床高速运动的动态性能分析等关键项技术进行深入研究。论文作者为本产品主要研发人之。本文将针对墙式五轴加工中心开发过程中机床结构方面的问题展开研究，并着重进行以下几方面的分析和论述：(1)机床总体布局的确定依据国内外高档五轴加工中心的机床参数，综合分析市场需求、投入市场的竞争力、企业生产能力及产品结构等因素，确定合理的机床参数；分析各种五轴加工中心结构布局，综合考虑机床的整体刚性、性能、制造成本、操作方便等因素，确定切合实际可行的布局方案。(2)机床各传动系统的理论分析及计算选型对机床三向进给传动系统进行理论分析，计算、校核三向丝杠及驱动电机的规格和型号；选定主传动功率，分析主轴形式并确定主传动系统动力参数；进行直取式快速换刀系统理论分析计算，确定刀库驱动电机及减速机的规格和型号。(3)机床各部件原理分析及结构模型设计简要介绍产品研发设计软件平台ProE软件以及墙式五轴加工中心主体结构：重点分析三向进给传动结构原理、分析提高传动系统性能的措施，完成结构设计：进行直取式快速换刀系统结构原理分析及设计，简要分析床身、横梁、滑板、双轴摇篮转台等功能机构的结构原理及设计，完成机床的外观造型设计。(4)主要结构模型有限元分析简要介绍ProE软件、ANSYS软件和优化设计流程；运用ANSYS软件对主要结构模型进行有限元分析。6沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第2章 滚珠丝杠螺母副第2章 滚珠丝杠螺母副2.1滚珠丝杆副及其支承的选取在半闭环控制方式中, 机床定位精度很大程度上取决于滚珠丝杆的精度, 其中丝杆的导程误差对机床定位精度的影响最明显。因此根据机床定位精度要求, 首先确定丝杆导程精度, 再根据机床行程、快速移动速度、承载要求, 确定丝杆轴长、导程、直径。最终选定滚珠丝杆型号为5010C3- 2FDI( 长度分别为1.8m、1.4m、1.2m) , 轴承型号为35TAC72B。2.2计算(1)滚珠丝杠选型的初始设计条件如表2.1，机床各移动部件的重量如表2.2。表2.1 滚珠丝杠初始设计条件进给方向驱动数量行程（mm）快进速度（m/min）定位精度（mm）X向单驱1100600.02Y向双驱1100600.02Z向单驱750600.016表2.2 机床移动部件重量移动部件横梁结构滑板结构主轴箱结构工作台最大载量重量（kg）23005009002000考虑到在没有平衡器的情况下，只靠伺服电机对主轴单元进行升降及位置保持，电 机负荷过大，电力耗损量增加，另外，电机也会发热使得丝杠受热变长，影响机床精度，因此，利用氮气平衡器平衡其重量，来减轻伺服电机负荷，降低电力消耗和发热，提高时的加工度，减轻丝杠及主轴单元导向部的负荷。 初选Pascal氮气平衡器DNG32C，填充气压在70MPa时，初始负荷为56kN，最 大负荷为67kN。平衡力取初始值的90：5kN。(2)运转条件如表2.3。表2.3 运转条件运动类型X向轴向负载（N）Y向轴向负载（N）Z向轴向负载（N）传动速度m/min使用时间比例（%）切削阻力滑动阻力Fa切削阻力滑动阻力Fa切削阻力滑动阻力Fa+自重-平衡力快进0550145038556000030轻中切削40005540001454000385580050重切削80005580001458000385520020注：1)滑动阻力F=u mg，其中导轨面摩擦系数：u=0004(3)各基本参数的选定 丝杠直径：d=45(mm) 丝杠轴底槽径：dr=394(mm)丝杠螺纹总长：Lo=最大行程+螺母长+余量轴承安装距离：La=最大行程+螺母长2+轴端余量最大行程：Lb 及丝杠总长度：L 如表2.4表2.4 基本参数的选定进给方向X向Y向Z向丝杠螺纹总长Lo (mm)13301330957轴承安装距离La (mm)141714171043最大行程Lb（mm）11201120770丝杠总长度L（mm）167216721300丝杠选择精度等级：C3由驱动电机的最高转速Nmax、机床预备达到的最高进给速度V。来计算丝杠导程Ph(mm)常规伺服电机Nmax=3900(rmin)，机床快速移动速度Vmax=6000(mmmin)。 计算公式为 (2-1)故初选择丝杠导程为20mm丝杠快进转速N：6000020=3000(rpm) (4)直径、导程、螺母的选定 定动载荷的确认，如表2.5。表2.5 额定动载荷的选定运转类型X向轴向负载（N）Y向轴向负载（N）Z向轴向负载（N）丝杠转速（rmp）使用时间比例（%）快进55803855300030轻中切削405522801454050强力切削8055448041451020因为Y向为双驱动装置，故Y向负载取值总负载的O55倍。平均负载 (2-2) 平均转数 (2-3) 根据公式22、23求各方向的平均负载和平均转数，计算结果见表f。表26 平均负载和平均转数进给方向X向Y向Z向Fm（N）13727683828Nm(rpm)922922922负载系数L如表2.7。表2.7 负载系数值没有冲击的平滑运转时1.01.2普通运转时1.21.5有振动冲击的运转时1.53.0机床疲劳寿命的一般目标值：Lt=20000h(注：16小时250天10年05移动率)。机床运转平滑，基本没有冲击，因此，取fw=1.2 基本额定动负载 (2-4) 根据公式24求得各进给方向需求最小基本额定动负载，如表28。表2.8 各进给方向需求最小基本额定动负载进给方向X向Y向Z向(N)17028953247511初选丝杠基本额定动载荷为69100N，所以满足使用条件。容许转速的确认a危险速度 取f=219，丝杠快进转速为n=3000 rpm (2-5)计算最小轴底槽径 根据公式E求得各进给方向需求最小轴底直径，如表2.10。2.10 各进给方向最小轴底直径值表进给方向X向Y向Z向（mm）27.527.514.9 由于初定参数中，丝杠直径：d=45(mm)，轴底槽径：d。=3942275(mm)，所以满足使用条件。b求dn值 滚珠丝杠系统刚度的确认a 螺杆刚性：Ks(弹性位移量Ls，)在产生最大轴向位移的螺杆中央位置上进行计算： (2-6) (2-7)(纵向弹性系数E=2.06 x105MPa)b螺母刚性KN(弹性位移量LN)1/3左右的最大轴向负载设为预压负载： (2-8) (其中刚性值K=1470 Nm，基本额定动负载Ca=69100N，刚性计算基准系数=0.1) (2-9)c支撑轴承刚KB(弹性位移量LB)支撑轴承为滚珠丝杠用推力角接触球轴承(2ABST型)，轴承组合型号为：2ABST3572-113DTBT(见NTN轴承样本)轴承刚性值：KB=2260 Nm (2-10)计算结果： (2-11)将a、b、C三项计算结果列于表1.11中。表2.11 各进给方向滚珠丝杠刚度计算值进给方向螺杆螺母（公称型号：EM45206E）轴承合计LmKSLSKNLNKBLBX向708.630.0774858.150.064122600.01220.1537Y向708.630.1126705.720.205522600.03210.3501Z向962.730.0366687.670.050922600.00770.0953各进给方向丝杠刚度计算结果满足要求。(5) 基本的安全性确认 可轴向负载确认 表2.12 压屈负载系数值安装方式mN固定自由1.20.25简单支撑简单支撑5.01固定简单支撑10.02固定固定19.94 (2-12) 将公式l计算结果列于表m中。 表2.13 各进给方向最小轴底直径值进给方向X向Y向Z向mm16.8914.5912.27因为初选丝杠dr=3941689，所以满足要求。允许转速确认a 危险速度 (2-13)表2.14 各进给方向最大容许转速值进给方向X向Y向Z向rmp4297.354297.357981.80因为初选丝杠n=300020000 h，所以满足要求。(6) 对适合要求性能的项目进行确认精度的确认a定位精度：选用定精度等级：C3，根据丝杠样本查得：表216 xYZ进给方向定位用代表性移动量误差ep和变动值vN的许可值进给方向X向Y向Z向ep0.029/16000.029/16000.024/1250vN0.0180.0180.016满足机床定位精度：002mmX、Y，0016mmz的要求。b热位移量根据公式 (2-15)其中热膨胀系数 ,得出： 表217 各进给方向热位移量进给方向X向Y向Z向L0.0510120.510120.037548c预张力为了吸收丝杠受热延伸量，通常在安装丝杠时对其施加一定的张力，它相当于杆温度升高23时的张力。根据公式 （2-16）得出对滚珠丝杠进行预拉伸合理的拉伸量时的预紧力： d支撑轴承校核将轴承基本额定动载荷C与预张力F的比设为。可以 为标准，校核轴承。 表2.18 轴承校核值轴承型号C(N)2A-BST3572-1BDTBTP4505000.17895计算结果满足要求。驱动扭矩的确认表219 驱动电机型号表项目X向Y向Z向驱动电机型号QSY 190 F EcoDynQSY 190 F EcoDynQSY 190 F EcoDyn转子惯量JM0.01900.01900.0199a负载丝杆惯性力矩： （2-17）其中：Y一材料密度：78 x 10(kgm)，D一丝杠直径：0045(cm)表220 各进给方向JB值进给方向X向Y向Z向JB (kgm)0.005250.005250.00408移动部分惯性矩： （2-18） 其中：l一