数控车床进给系统设计说明书-毕业设计.doc

毕业设计(论文)开题报告题目：数控车床纵向进给伺服传动系统的设计院（系） 机电工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 080209 姓 名 景祥 学 号 080209108 导 师 高红红 2012年 2月 29 日一.毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况） 1.数控机床出现的意义过去，在我国大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品国内、外市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。数控机床比传统机床有以下突出的优越性，由于计算机可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面；可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍；由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行；加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要修配；可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运；拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。2.数控产业发展的现状以及所面临的问题当前,我国数控机床产业面临的挑战是国内市场占有率偏低。据有关资料表明,1999年国产数控机床的市场占有率仅为38.88%。造成这种严峻的形势,除客观原因外,主要是产品的质量、可靠性不过硬。“十五”期间,我国机械制造工业正朝着精密化、柔性化、集成化、自动化、智能化方面迅速发展,国内数控机床需求强劲,我国数控机床产业适逢极好的发展机遇。然而,我国加入后,国外生产的数控机床将会更多的进入我国市场,市场竞争更为激烈。提高国产数控机床市场占有率,关键在于提高质量和可靠性。几年来,经过对国内外数控机床的机械结构剖析和使用性能的调研,探索和总结了数控机床机械结构设计和制造的新技术。现时主要存在有以下几个问题： 1缺乏产业规模 2缺乏发展数控产业的政策和技术配套体系 3缺乏技术创新，产品更新和产业调整的内在动力4面临国外强手竞争的巨大压力3.数控机床简介数控机床是一种高科技的机电一体化产品,是综合应用计算机技术、精密测量及现在机械制造技术等各种先进技术相结合的产物。数控机床作为实现柔性制造系统、计算机集成制造系统和未来工厂自动化的基础已成为现在制造技术中不可缺少的生产手段,是机电一体化技术的重要组成部分。随着科学技术的迅速发展,数控技术的应用范围日益扩大。数控机床已成为现在机械制造业中的主要技术装备。经济型数控车床，对于保证和提高被加工零件的精度，主要依靠两方面来实现：一是系统的控制精度；二是机床本身的机械传动精度。数控车床的进给传动系统，由于必须对进给位移的位置和速度同时实现自动控制。所以，数控车床与普通卧式车床相比应具有有更好的精度以确保机械传动系统的传动精度和工作平稳性。数控改造对机械传动系统的要求为：（1)尽量采用低摩擦的传动副。如滚动导轨和滚珠丝杠螺母副，以减小摩擦力。（2)选用最佳的降速比，为达到数控机床所要求的脉冲当量，使运动位移尽可能加速达到跟踪指今。（3)尽量缩短传动链以及用预紧的办法提高传动系统的刚度。（4)尽量消除传动间隙，以减小反向行程误差。如采用消除间隙的联轴节和消除传动齿轮间隙的机构等。（5)尽景满足低振动和高可靠性方面的要求。为此应选择间隙小、传动精度高高、运动平稳、效率高以及传递扭矩大的传动元件。 从应用的方面考虑，结合目前国内大多数的情况，可采用更换滚珠丝杠，尽量减小其间隙，提高配合精度。般说来如原车床的工作性能良好精度尚未降低，则应尽量保留机床的传动系统。使改造后的数控车床同时具有微机控制和原机床操作的双重功能。如原车床使用时间较长运动部件磨损严重除了对导轨精度进行修复外还应将传动部件拆除或更换，以确保改造后车床的传动精度。4.纵向进给系统设计的原因及意义数控车床改造设计在国外已发展成一个新兴的工业部门。早在20世纪60代已经开始迅速发展，并又专门的企业经营这门业务。其发展的原因是多方面的:首先是技术原因。随着社会生产力的巨大发展，要求制造技术向自动化及精密化前进。并且刀具材料和电子技术也有了很大进步，反映到控制系统中，它即能帮助机床自动化又能提高加工准确度。这些技术进步和高生产率要求，精密加工和型面加工的增多等，突出了旧机床技术改造的必要性及迫切性。其次是经济原因。经统计采用改造设计技术加以现代化比之更新设备可节约50的资金。这不仅为资金不充沛的小企业技术改造开创了新路，而且对实力雄厚的大型企业也极具吸引力。第三是市场原因。因为许多国家目前还无能力更新所需的数控机床数量。因此改造就成为满足机床市场需求的主要补助手段。第四是生产上的原因。在工业生产中，多品种、中批量及小批量生产是现代机械制造业的基本特征。不难看出，完成这些生产任务数控机床是最佳选择。基于以上原因,要实现我国的生产现代化，将我国现有一部分普通机床实现自动化和精密化，改造是必由之路。 改造后的数控机床应有以下发展方向：单一的数字控制应向数控中心发展，数控机床总体布局更加合理，机床控制系统的控制和运算功能更进一步加强，机床的伺服系统采用交流数字伺服系统代替直流伺服系统，编程更趋合理化，加工工艺更趋简单化90%机床的检测和监控系统要能实现自动化。 二.本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施1.数控机床的基本组成数控机床的种类繁多，但从组成一台完整的机床上讲，它由控制介质、数控装置、伺服系统、检测反馈装置和机床本体五大部分及辅助设备组成。如图所示： 图1-1 数控机床组成 与普通机床相比,数控机床进给系统的设计要求除了具有较高的定位精度外,还具有良好的动态响应特性。为了确保数控机床的传动精度和工作平稳性,在设计机械了机构时,通常还应提出无间隙、低摩擦、高刚度以及有适宜的阻尼比要求等。为了达到这些要求,在机械传动设计中,主要采取如下措施:1、尽量采用低摩擦的传动副;2、选用最佳的降速比;3、尽量缩短传动链以及用预紧的方法提高传动系统的刚度;4、尽量消除传动间隙,减少反向行程误差。2. 本设计的主要内容和方法2.1给定参数及要求：纵向最大行程（Z轴）：650mm；进给速度：025m/min；加工中最大切削力：2500 N；材料：HT200；床鞍及附件的估计尺寸：600*300*10；控制定位精度为0.001mm；根据要求计算并选择伺服电机、滚珠丝杠副、导轨副、轴承等 。2.2 本设计为纵向进给运动的设计，设计内容主要包括：确定系统的负载，确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩机计算，确定伺服电机等。设计时要求电机与丝杠采用柔性连接，电机选用伺服电机对电机的大小选择进行验证，对滚珠丝杠直径及支承形式选择进行强度较核。设计与生产实际相结合，既要满足理论要求，又要满足生产现实实际。设计应遵循先易后难、先局部后全局的规律，确定设计步骤时，应把整个数控车床Z向进给传动系统分成若干个子系统进行，待各系统基本合理后再互联完成全系统工作。设计的产品应高效经济。3.纵向进给传动系统总体方案的初步确定3.1 进给传动系统的组成及其原理数控机床进给伺服系统是数控机床的关键组成部分。一般由控制电路、电器驱动部件和执行部件组成。进给传动部件一般认为是从电机到工作台之间的传动链。进给传动部件的动态特性的好坏直接影响到一台机床的工作性能和加工精度。进给传动部件的振动会影响进给系统的定位精度。另外，机械传动部件的设计好坏对进给伺服系统的伺服性能的影响也很大。现代数控机床日益向着高速、高效率、高精度方向发展。对机床进给传动部件的设计要求也越来越高。数控机床的进给系统，与普通机床不同。数控机床的进给指令，来自数控系统，经进给电动机和驱动机构，使执行部件如刀架、工作台、主轴箱等按程序的规定运动。进给传动系统的性能在一定程度上决定了数控系统的性能，决定了数控机床的档次，因此，在数控技术发展的历程中，进给驱动系统的研制和发展总是放在首要的位置。数控系统所发出的控制指令，是通过进给驱动系统来驱动机械执行部件，最终实现机床精确的进给运动的。数控机床的进给传动系统是一种位置随动与定位系统，它的作用是快速、准确地执行由数控系统发出的运动命令，精确地控制机床进给传动链的坐标运动。它的性能决定了数控机床的许多性能，如最高移动速度、轮廓跟随精度、定位精度等。3.2进给传动控制伺服系统的选择3.2.1.开环伺服系统开环伺服系统是数控机床中最简单的伺服系统，执行元件一般为步进电机。开环进给伺服系统的精度较低，速度也受到步进电动机性能的限制。但由于其结构简单，易于调整，在精度要求不太高的场合中得到较广泛的应用。 图1 开环控制系统3.2.2.闭环控制系统 因为开环系统的精度不能很好地满足数控机床的要求，所以为了保证精度，最根本的办法是采用闭环控制方式。闭环控制系统是采用直线型位置检测装置对数控机床工作台位移进行直接测量并进行反馈控制的位置伺服系统。图2 闭环控制系统3.2.3半闭环控制系统 采用旋转型角度测量元件（脉冲编码器、旋转变压器、圆感应同步器等）和伺服电动机按照反馈控制原理构成的位置伺服系统，称作半闭环控制系统。半闭环控制系统的检测装置有两种安装方式：一种是把角位移检测装置安装在丝杠末端；另一种是把角位移检测装置安装在电动机轴端。图 3半闭环控制系统根据需求，并且考虑到经济的效益，故选择半闭环控制系统。 3.3进给驱动电动机类型的确定数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。 3.3.1.直流伺服电机直流伺服电动机引入了机械换向装置。其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差。为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。3.3.2.交流伺服电机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。交流伺服电机由于具有可靠性高、基本上不需要维护和造价低等特点而被广泛采用。 数控机床伺服系统的一般结构如下图所示：由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面：可逆运行；速度范围宽；具有足够的传动刚度和高的速度稳定性；快速响应并无超调；高精度；低速大转矩。 3.4确定脉冲当量脉冲增量插补是行程标量插补，每次插补结束产生一个行程增量，以脉冲的方式输出。一个脉冲所产生的坐标轴移动量叫做脉冲当量。脉冲当量是脉冲分配的基本单位，它是衡量数控机床加工精度的一个技术参数。3.5进给系统的传动要求及传动类型的选择3.5.1进给系统的传动要求数控机床进给传动装置的精度、灵敏度和稳定性，将直接影响工件的加工精度。为此，数控机床的进给传动系统必须满足:（1）传动精度高；（2）摩擦阻力小；（3）运动部件惯量小。 3.5.2传动类型的选择数控机床进给传动系统的基本传动方式常用的有两种：滚珠丝杠螺母副和静压丝杠螺母副。1.滚珠丝杠螺母副在数控机床上，将回转运动与直线运动相互转换的传动装置一般采用滚珠丝杠螺母副。其特点是：传动效率高，一般为=0.920.98；传动灵敏，摩擦力小，不易产生爬行；使用寿命长；具有可逆性，不仅可以将旋转运动转变为直线运动，亦可将直线运动变成旋转运动；轴向运动精度高，施加预紧力后，可消除轴向间隙，反向时无空行程；因此，在数控机床上得到了广泛的应用，是目前中、小型数控机床的常见的传动方式。2.静压丝杠螺母副其特点是：摩擦系数小，仅为0.0005，；平稳性高；反向间隙小；但是，静压丝杠螺母副应有一套供油系统，而且对有的清洁度要求高，如果在运动中供油忽然中断，将造成不良后果。由以上比较，根据要求，纵向进给传动系统采用滚珠丝杠螺母副的传动方式。3.6电机与丝杠联接方式的选择滚珠丝杠螺母副与电动机的联接的型式主要有三种：3.6.1.联轴器直联接这是一种最简单的连接型式.这种结构型式的优点是:具有最大的扭转刚度；传动机构本身无间隙,传动精度高,而且结构简单,安装、调整方便，适用于像中小型号的数控车床。联轴器采用挠性联轴器，它能补偿因同轴度及垂直度误差引起的“干涉”现象.采用这种挠性联轴器把电动机与丝杠直接联接，不仅可以简化结构，减少噪声，而且可以消除传动间隙，能减少中间环节带来的传动误差,提高传动刚度。3.6.2.通过齿轮联接 这种调整方法的优点是可以在齿轮的齿厚和周节变化的情况下,保持齿轮的无间隙啮合；但是结构比较复杂,轴向尺寸大、传动刚度低、传动平稳性较差，一般用于精度要求低的机床中。3.6.3.通过同步齿形带联接 同步齿轮带传动具有带传动和链传动的共同优点,与齿轮传动相比它结构更简单,制造成本更低,安装调整更方便。并且传动不打滑、不需要大的张紧力； 但是在同步齿形传动设计时对材料的要求很高。在满足机床要求的前提下，通过对比本课题采用通过联轴器联接电机与丝杠副，这是一种简单的联接形式具有大的扭转刚度，制造成本低，传动精度高，而且结构简单，安装调整方便。3.7 进给系统的一些其它要求滚珠丝杠副和其他滚动摩擦的传动器件一样，应避免硬质灰尘或切屑污物进入，因此必须装有防护装置。如果滚珠丝杠副在机床上外露，则应采用封闭的防护罩，如采用螺旋弹簧钢带套管、伸缩套管以及折叠式套管等。安装时将防护罩的一端连接在滚珠螺母的侧面，另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。如果滚珠丝杆副处于隐蔽的位置，则可采用密封圈防护，密封圈装在螺母的两端。接触式的弹性密封圈采用耐油橡胶或尼龙制成，其内孔做成与丝杠螺纹滚道相配的形状；接触式密封圈的防尘效果好，但由于存在接触压力，使摩擦力矩略有增加。非接触式密封圈又称迷宫式密封圈，它采用硬质塑料制成，其内孔与丝杠螺纹滚道的形状相反，并稍有间隙，这样可避免摩擦力矩，但防尘效果差。工作中应避免碰击防护装置，防护装置一有损坏应及时更换。另外对滚珠丝杠安装处应进行削边。 三.本课题研究的重点及难点，前期已开展工作1.主要解决问题（1）滚珠丝杠本身是一种细长低刚度元件,在外力作用下极易产生变形、振动、噪声。因此,深入研究滚珠丝杠进给系统的动、静态特性对数控机床保持良好的运行状态具有决定性影响；（2）传动间隙：螺纹于齿轮副存在间隙，采用双螺母轴向消隙机构。纵向丝杠采用了原普通车床的单副轴向消隙机构，这样处理就可以得到较满意的效果，而且还解决了采用开合螺母间隙过大的矛盾；（3）采用理论与实际相结合，用理论指导实践，实践反过来修正理论；根据查阅的相关资料，进行方案设计，根据类比方法进行结构设计；在误差分析方面，综合考虑实际可能有的各种误差，从整体上减小误差，使机器满足高精度的要求。能按时独立完成毕业设计规定的全部内容，方案选择正确，论据充分，对设计中的主要问题分析深入，解决合理，有独立见解，能很好运用所学理论和提供的资料解决设计中的问题，能独立查阅和正确引用中外文参考资料，说明书文字通顺、清楚、选用数据论证合理、计算准确，图面整洁。2.研究方向（1）纵向伺服进给传动系统设计；（2）伺服电机的选择及参数设计；（3）进给系统传动部件结构设计；（4）滚珠丝杠的设计；（5）系统刚度、丝杠刚度进行刚度分析；（6）系统进给误差进行误差分析；（7）进给系统的说明书。 四.完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）第1-3周：查阅相关资料并分析车床加工对象和加工要求，初步提出系统总体设计方案，并撰写开题报告；第4-6周：分析给定参数，确定总体设计方案，并提出各部分的设计方案；第7-9周：计算并选择伺服电机、滚珠丝杠副、导轨副、轴承等零部件；第10-12周：设计数控车床纵向进给传动系统的机械零件图 第13-15周：设计数控车床纵向进给传动系统的机械装配图第16-17周：整理前期资料并撰写毕业论文；第18周：提交论文并答辩。参 考 文 献文献资料及主编：1 陈婵娟.数控车床设计.北京:化学工业出版社.2006.2 2 文怀兴. 夏田.数控机床系统设计.北京:化学工业出版社.2005.5 3 白恩远.现代数控机床伺服及检测技术M.北京:北京工业出版社,2002.1.4 廖效果. 朱启逑.数控控制机床 .华中科技大学出版社 5X. 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