數(shù)控立車進(jìn)給系統(tǒng)及其平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計【說明書+CAD】

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畢業(yè)設(shè)計(論文)外文資料翻譯 原 文 題 目： Microthreading in Whirling 原 文 來 源： ASME美國機械工程師學(xué)會期刊 學(xué) 生 姓 名： 馬鑫 學(xué) 號： 231120522 所在院(系)部： 工業(yè)中心 專 業(yè) 名 稱： 機械設(shè)計制造及其自動化 微螺紋的旋風(fēng)式加工 旋風(fēng)式切削用于細(xì)軸微螺紋的加工，為此，開發(fā)了微型旋風(fēng)式切削設(shè)備。為了抑制工件的振動，細(xì)絲軸被插在在金屬桿上的聚氨酯管中。通過向線軸中心施加脈沖載荷對系統(tǒng)進(jìn)行了頻率分析。由于開封的夾持系統(tǒng)減小夾持力的振動，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)得到改進(jìn)。應(yīng)用開發(fā)的機床，在0.3mm直徑的不銹鋼絲軸上加工出表面質(zhì)量較好的三十微米寬的微槽。 簡介 微螺釘用于機械接頭和運動控制在微器件。不銹鋼和鈦合金難切材料，用于醫(yī)療和牙科設(shè)備。 由于其生物相容性。雖然，到現(xiàn)在為止，大多數(shù)微元件已通過化學(xué)腐蝕和能源束過程，一些生產(chǎn)成本和生產(chǎn)利率問題依然存在。更有效和靈活的流程是對于微細(xì)的大規(guī)模生產(chǎn)要求。微機械處理，一個替代的過程，有顯著的進(jìn)展隨著微型工具和運動控制。微尺度切割、成型和注塑成型的研究最近被應(yīng)用于微細(xì)[1,2]制造。螺紋旋轉(zhuǎn)，這是一個用工具的材料去除過程和工件旋轉(zhuǎn)，已應(yīng)用于螺桿制造在許多機械行業(yè)，因為它是由是用硬材料制成的，是用旋轉(zhuǎn)機械加工的。刀具磨損和切屑控制方面有許多優(yōu)點，旋轉(zhuǎn)已被廣泛應(yīng)用于軸承和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)。莫漢和孫姆緹提出數(shù)學(xué)控制切削過程的模型和確定的工具在旋轉(zhuǎn)[ 4 ]的配置文件。提出了一個完整無缺的模型芯片形狀來估計最大芯片的切削力厚度和刀具工作接觸長度。他們分開了切削形成的材料去除前切邊和邊切割邊，并估計切割力由有限元（有限元）分析[ 5 ]。歌與作一種基于等效切削體積的新模型在鐵的商業(yè)工具的切屑形成，[ 6 ]等。測量切削力分量與非接觸旋轉(zhuǎn)工具測功機與測量使用有限元分析工具，變形和模擬力亞當(dāng)斯[ 7 ]。郭等。還分析了刀具的加工角在旋轉(zhuǎn)[ 8 ]。雖然旋轉(zhuǎn)是有效的線程，在大直徑軸上的螺絲是一般的加工。這項研究適用于旋轉(zhuǎn)的細(xì)線切割細(xì)線微機械裝置。本文首先提出了一個概述旋轉(zhuǎn)過程及其加工優(yōu)勢?；谛L(fēng)機構(gòu)，微旋轉(zhuǎn)機床一直開發(fā)的細(xì)線上加工微螺釘。因為薄絲的剛度和阻尼較低，夾緊設(shè)備也被開發(fā)，以支持電線。振動試驗已經(jīng)進(jìn)行了驗證改進(jìn)的動態(tài)工件與夾持裝置的響應(yīng)。微螺釘已在0.3mm直徑鈦加工合金和不銹鋼絲，表面精細(xì)，使用發(fā)達(dá)機床。一種機械模型描述獲得。 刀具 圖：1螺紋旋轉(zhuǎn) 空心電動機 Y軸 空心電動機 旋轉(zhuǎn)軸 工件 圖2：microwhirling機床 在切削參數(shù)切削厚度。這個切削厚度進(jìn)行驗證其效果的螺紋薄絲旋風(fēng)。 旋轉(zhuǎn) 旋轉(zhuǎn)是應(yīng)用于機械螺絲的組合工具和工件的旋轉(zhuǎn)，如圖1所示。切割工具固定在旋轉(zhuǎn)環(huán)上的半徑，以及環(huán)的旋轉(zhuǎn)在角速度XT。隨著工件半徑RW在與在旋轉(zhuǎn)環(huán)旋轉(zhuǎn)角速度XW偏心電子控制著切割的深度。在旋轉(zhuǎn)的在低轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)工件被切割切割邊旋轉(zhuǎn)的高轉(zhuǎn)速。螺絲的鉛由旋轉(zhuǎn)環(huán)的傾斜和進(jìn)給速度控制關(guān)于工件軸。在車削一個小直徑的工件時，切削速度受到限制要低的最大限度的主軸轉(zhuǎn)速，作為結(jié)果，表面光潔度變差。在旋轉(zhuǎn)，切割速度是由旋轉(zhuǎn)半徑和旋轉(zhuǎn)控制在旋轉(zhuǎn)環(huán)的切削工具率XT。因此，表面可以在一個細(xì)的電線上完成，即使是高的切削速度雖然最大主軸速度是有限的。因為工具和工件旋轉(zhuǎn)偏心中心，切削和非切削的交替旋轉(zhuǎn)。因此，由于冷卻過程中的溫度上升空，工具邊緣不那么高。材料的去除量也被控制要小，如切削厚度后來描述計算模型。切削力，因此，變得很小，在中斷切割。因為刀具磨損取決于應(yīng)力和溫度[ 9 ]，刀具磨損被抑制。因此，很難把材料是用長工具加工的，生活在旋轉(zhuǎn)的。因為在旋轉(zhuǎn)，芯片上執(zhí)行中斷的切割形成是間歇的，形成的芯片是短。 刀具 圖3：安裝在旋轉(zhuǎn)環(huán)上的工具 因此，一個精細(xì)的表面沒有刮傷的芯片完成工件上。 微旋轉(zhuǎn)機床 機床結(jié)構(gòu)。圖2顯示了microwhirling用于線徑較低的薄絲機1mm。工件裝夾在夾頭兩空心電機。一個電機安裝在兩個線性階段（x0和y0軸）對工件的直線度進(jìn)行調(diào)整，對工件夾緊 到旋轉(zhuǎn)環(huán)的進(jìn)給。電機旋轉(zhuǎn)的工具旋轉(zhuǎn)環(huán)。旋轉(zhuǎn)電機（軸）控制的傾向旋轉(zhuǎn)環(huán)；三線性階段（X，Y，和Z軸）控制切削位置和旋轉(zhuǎn)環(huán)的進(jìn)給。旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)環(huán)和工件同時控制，與電機的最大主軸轉(zhuǎn)速4000轉(zhuǎn)。切割工具被夾緊在旋轉(zhuǎn)環(huán)上，如圖所示圖3。因為工具邊緣對齊對 加工精度，刀具的懸進(jìn)行一設(shè)備如圖4所示。工件夾在相對的夾頭，如圖5所示（一）。工件振動發(fā)生薄絲的剛度很低，切割被中斷了旋轉(zhuǎn)過程。為了支持工件，緊密貼合聚氨酯管被滑到它，一個到每邊的切割區(qū)域。這些都是在一個支持的金屬槽鉗位酒吧，并通過旋轉(zhuǎn)的環(huán)，如圖5（b）。這為工件提供了很高的剛度和阻尼。 夾緊工件的動態(tài)響應(yīng)。動力響應(yīng)進(jìn)行了測試，以驗證該支持系統(tǒng)的有效性，如圖6所示。薄絲的位移不被測量，因為測量面積是小的和圓形。因此，振幅和頻率夾頭的夾緊力的振動進(jìn)行比較三當(dāng)產(chǎn)生沖擊力時，不同的夾緊條件在電線的中心。一個0.49n自重掛從線的線。脈沖產(chǎn)生的切割燃燒火焰的線。由此產(chǎn)生的振動在夾緊用壓電測功儀測量。圖7比較了（軸向）和垂直（垂直）組件夾緊力振動，如圖6所示。圖7（一） 圖4：邊對齊調(diào)整 配套設(shè)備 空心電動機 工件 彈簧夾頭 彈簧夾頭 空心電動機 聚氨酯管 刀具 配套設(shè)備 圖5：工件夾緊系統(tǒng)：（一）工作區(qū)域和（二）工件支承裝置 彈簧夾頭 壓電測力計 工件 支撐桿 砝碼 工件 支撐桿 圖6：脈沖響應(yīng)測試 零件 圖7：夾緊力振動：（一）不配套的電線，（二）鋼絲固定在配套設(shè)備，（三）鋼絲固支與聚氨酯管配套設(shè)備 圖8：頻率分析：（一）無支撐線的電線，（二）線夾持在支護(hù)裝置，和（三）鋼絲固定在支撐裝置上，用聚氨酯管 沒有支撐裝置的自然振動。大振幅在γ和x分量的測量和振動繼續(xù)很長一段時間。圖7（乙）顯示振動沒有聚氨酯管支撐的金屬桿限制了工件。的幅度被限制接觸的槽在支撐桿上。該振動持續(xù)1秒左右，可能在圖7（三），支持與聚氨酯管是有效的控制細(xì)導(dǎo)線的振動。小幅度測量的振動和高阻尼。圖8比較的頻率分量的振動。一個大組件在730赫茲出現(xiàn)在自然振動的薄電線，如圖8所示（一）。支撐桿降低了這一條轉(zhuǎn)移到更高的頻率為982赫茲，如圖8（乙）。圖8（碳）顯示，支持與聚氨酯管安裝在支撐桿消除任何突出組分。根據(jù)模型試驗，所開發(fā)的支持系統(tǒng)工作很好。 切削厚度分析 工件 刀具 切除區(qū)域 刀具 工件 刀具軌跡 切削試驗，在旋轉(zhuǎn)過程中切削厚度這里考慮。宋與左提出了一個模型來獲得切削厚度一般在旋轉(zhuǎn)的過程[ 6 ]。在線在這項研究中，在這項研究中的切割，一個模型是沒有傾斜角旋轉(zhuǎn)的描述戒指在這里。在模型中，只有軌跡的切割點在切削刃的中心進(jìn)行了討論。忽略工具幾何。工具邊緣運動。工件以角速度旋轉(zhuǎn)XW在實際切削，如圖9所示（一）。在模 圖9：旋風(fēng)加工：（一）實際切削過程中旋轉(zhuǎn)和（二）分析模型的旋轉(zhuǎn) 型中，同時，工件不旋轉(zhuǎn)。相反，中心在半徑為半徑的工件上繞工件旋轉(zhuǎn)的工具角速度XW在相反方向旋轉(zhuǎn)的工具方向，如圖9所示（乙）。“y”是參考坐標(biāo)工件的系統(tǒng)，在那里的起源，哎喲，y是工件中心。x0 y0 z0是––工具坐標(biāo)系繞流和沿工件軸線，Z.然后，該工具在坐標(biāo)系的角速度下旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)–y0 z0–x0。坐標(biāo)（x0，y0，和Z0）一點P在邊緣的變化隨著切削時間t 在你的角度位置的切削刃。例如，當(dāng)四個邊被安裝在旋轉(zhuǎn)環(huán)上時，角是0，P 2，P，和3P / 2，分別。旋轉(zhuǎn)方向是順時針方向圖9。因為起源的x0 y0 z0––繞流在工件的中心半徑在逆時針角速度XW和移動沿Z軸的進(jìn)給速度F，P點的邊上是 當(dāng)磷的旋轉(zhuǎn)半徑在X Y Z––小于工件半徑RW 因此，切削面積是通過公式確定。（2）及（3）。 切削厚度 圖10顯示的切割區(qū)域劃分為區(qū)域的一個，乙和B–C區(qū)–B，切削厚度由切割了位置P和工件表面的點Q1。在地區(qū)B–C，切削厚度由P和A點Q2前角的軌跡的前角的c是差異之間的角位置的美國為例 工件 刀具 圖10：切削區(qū) 被安裝在旋轉(zhuǎn)環(huán)上，角為2。因為Q1或Q2位于OTP的延長線，切割厚度由1或2給出。Q1或Q2的 其中n是參數(shù)決定Q1或Q2。當(dāng)材料去掉，n是大區(qū)的–B比RT，N在Q1的確定 由下面的工件表面方程和方程（4）： 其中H是在工件坐標(biāo)系中的Q1的角X Y Z––在區(qū)域中，在前角的前角的邊緣一個T C = xttdt時間 在DT是這樣確定的，Q2是OTP的延伸線。n在Q2確定滿足方程。（4）及（6）。因為進(jìn)料沿Z軸是一個非常小的，它忽視了n在X-Y平面。切削厚度由下式給出與確定的氮： 圖11顯示了在X–Y在切削厚度的變化飛機在螺絲在0.3mm直徑鋼絲加工。 時間 未經(jīng)切割切削厚度 圖：11 切削厚度 以前的邊緣軌跡 邊座 去除區(qū) 工件表面 以前扦插去除區(qū) 邊緣軌跡 以前的邊緣軌跡 工件表面 圖12：工件表面的刀具運動軌跡：（一）在四分之一的工件和（二）放大 圖13：機械加工實例：（一）例1，（二）例2，和（三）例3 工件轉(zhuǎn)速為0.5轉(zhuǎn)四刀具，安裝在旋轉(zhuǎn)環(huán)上，在旋轉(zhuǎn)半徑3000轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)14毫米。進(jìn)給速度為0.2毫米/分鐘的切削深度是30流明與偏心6.88毫米。圖12（一）顯示一個季度工件。在這個規(guī)模，切割面積小。圖12（乙）顯示放大的數(shù)字。切削刃滲透到工件在；通過B在最大切削厚度；從工件到乙，被拆除的區(qū)域工件表面與刀具軌跡之間的關(guān)系。這個切削厚度的增加在高變化率在時間（圖11）從 0.04128毫秒 0.04125毫秒。然后，從B到了，刪除的區(qū)域是工具和以前的兩個位點之間的關(guān)系工具。切削厚度逐漸減小后 0.04125毫秒，如圖11所示。這里的分析是為了削減除了第一個削減。切削厚度是30流明在第一次接觸到工件的邊緣，因為切削厚度只取決于地區(qū)之間工件表面和刀具軌跡。后二的邊緣接觸，最大切削厚度不超過0.02376流明。這比那小得多30流明的螺紋深度。據(jù)研究在微切削[ 10 ]，切屑形成切削厚度時比“最小切屑厚度”，因為分析切削厚度，0.02376流明，比最小的芯片體積更小厚度，預(yù)計將發(fā)生材料去除一些切邊。分析支持切割的選擇切削力與切削力有關(guān)的參數(shù)厚度。 表1切削參數(shù) TiAin涂層 硬質(zhì)合金刀具 不銹鋼 不銹鋼 潤滑 部分深度 進(jìn)給速度 刀具主軸轉(zhuǎn)速 刀具旋轉(zhuǎn)直徑 刀具數(shù) 刀具前角 刀具的楔角 刀具 工件去除 工件直徑 工件 掃描線 工件 掃描長度 圖14：表面輪廓：（一）三維圖像 切削試驗 圖13顯示了在鈦無旋轉(zhuǎn)的例子合金（ti-6al-4 V）和不銹鋼絲的直徑，是0.3毫米。用單點工具加工的螺紋以60°為TiAlN涂層刀具材料楔角碳化物。表1顯示了使用的切削參數(shù)。圖13（a），1例顯示在表面的鋸齒在一個螺絲削減四個邊。雖然對齊的四個邊緣被控制在徑向方向，如圖4所示，軸向方向上有對準(zhǔn)誤差。這導(dǎo)致鋸齒。圖13（乙），例如2顯示一個不銹鋼螺絲切割鋼絲由一邊。圖14（一）顯示了表面輪廓沿著圖14（圖2）所指定的線路。表面輪廓是用激光共聚焦顯微鏡測量。毛刺的形成在一個高度為10的LM在槽的左側(cè)觀察，槽的深度是按規(guī)定的。它演示了有效性工件支承系統(tǒng)的高剛度。這個提出了旋轉(zhuǎn)還使一個高鉛螺桿加工在一個進(jìn)給速度為2毫米/轉(zhuǎn)（1毫米/分鐘），如圖3圖13（丙）。因為切削速度取決于旋轉(zhuǎn)的直徑在旋轉(zhuǎn)環(huán)上的工具，在高切削加工表面完成速度。這些例子中的切削速度，132米/分鐘在刀具旋轉(zhuǎn)直徑14mm和主軸轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)。在車削時，主軸轉(zhuǎn)速為140056轉(zhuǎn)需要為0.3mm直徑相同的切削速度工件。在旋轉(zhuǎn)的槽形狀是一致的芯片粘連。這些例子證明，旋轉(zhuǎn)是在微線程的支持裝置有效工件的。 結(jié)論 旋轉(zhuǎn)已應(yīng)用于薄的微螺釘加工電線。在旋轉(zhuǎn)的切割，工件和工具旋轉(zhuǎn)他們中心的偏心。因為材料被移除在一個小批量的高速切削速度，旋轉(zhuǎn)的優(yōu)勢在表面光潔度，刀具磨損，和芯片控制相比車削。一個microwhirling機床已開發(fā)加工上的溝槽直徑小的細(xì)導(dǎo)線超過1毫米。為了提高剛度和阻尼工件的線，它夾在夾頭，也在金屬桿上，將其插入一個緊密裝配的聚氨酯管。已經(jīng)進(jìn)行了動態(tài)響應(yīng)測試驗證支撐系統(tǒng)的效果。振幅和夾頭的夾緊力的振動頻率測量時，脈沖力被加載在中心的電線。他們展示了支持系統(tǒng)的有效性抑制振動。一個機械模型應(yīng)用于考慮小毛邊切屑厚度。微槽群已加工0.3mm直徑鈦合金和不銹鋼絲。因為一個高切削速度可以保持刀具的旋轉(zhuǎn)半徑，無粘連的芯片表面光潔度提高。在提出的加工實例，切削厚度遠(yuǎn)小于槽深。因為沒有切屑厚度與切削力、規(guī)定溝槽的深度是產(chǎn)生一個小的切削力，與工件保持系統(tǒng)的高剛度。 工具書類 [1] Cheng, K., and Huo, D., 2013, Micro-Cutting: Fundamentals and Applications, Wiley, Hoboken, NJ. 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Tools Manuf., 46(3–4), pp. 313–332. 南京工程學(xué)院 工 業(yè) 中 心 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 題目：數(shù)控立車Z軸進(jìn)給系統(tǒng)及平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級： D機加工123 學(xué) 號： 231120522 學(xué)生姓名 馬鑫 指導(dǎo)教師 劉桂芝 2016年 3月 日 本科畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告 學(xué)生姓名 馬鑫 學(xué) 號 231120511 專 業(yè) 機械設(shè)計制造 及其自動化 指導(dǎo)教師姓名 劉桂芝 職 稱 研究院級高工 所在院系 工業(yè)中心 課題來源 D.自擬課題 課題性質(zhì) A.工程設(shè)計 課題名稱 數(shù)控立車Z軸進(jìn)給系統(tǒng)及平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計 內(nèi)容和意義? 采用比較法、文本細(xì)讀法、綜合分析法進(jìn)行數(shù)控立車進(jìn)給系統(tǒng)及其平衡結(jié)構(gòu)的設(shè)計。使其達(dá)到對進(jìn)給運動的速度及刀具相對位置實現(xiàn)自動控制，并且使平衡機構(gòu)能促進(jìn)改善立式機床Z軸的運動性能。 畢業(yè)設(shè)計的具體內(nèi)容： 1、機械制圖 a)CAD繪制立式加工中心Z軸驅(qū)動裝配圖1號圖 1張 b)繪制其它零件CAD圖紙） c)繪制立式加工中心Z軸運動簡圖,CAD圖紙折合0號2.5張 （約15個零件） 2、設(shè)計計算 Z軸（慣量匹配、轉(zhuǎn)矩匹配）計算，Z向（進(jìn)給力、滾珠絲杠預(yù)拉伸量）計算，Z向傳動機構(gòu)的平衡量的計算 3、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 a)各零件成本分析 b) 課題成本計算 4、翻譯有關(guān)外文資料 5、撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 本課題研究的意義： 本課題對數(shù)控立車Z軸進(jìn)給系統(tǒng)及其平衡結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，其意義如下： 1、了解了立式車床的發(fā)展方向與作用 2、提升了我們獨立思考、創(chuàng)新與動手的能力 3、對自己四年所學(xué)知識進(jìn)行了綜合的運用與總結(jié)歸納 4、讓自己更加靈活的運用自己學(xué)習(xí)的知識 5、提高了了自己的實際運用能力 文獻(xiàn)綜述 從20世紀(jì)中葉數(shù)控技術(shù)出現(xiàn)以來，數(shù)控機床給機械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數(shù)控加工具有如下特點：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟(jì)效益的提高[1]數(shù)控機床的特點及其應(yīng)用范圍使其成為國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)發(fā)展的重要裝備。 進(jìn)入21世紀(jì)，我國機床制造業(yè)既面臨著提升機械制造業(yè)水平的需求而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機，也遭遇到加入WTO后激烈的市場競爭的壓力。從技術(shù)層面上來講，加速推進(jìn)數(shù)控技術(shù)將是解決機床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個關(guān)鍵。而從國際上來說，代表機床制造業(yè)最高境界的是五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)[2]，從某種意義上來說，反映了一個國家的工業(yè)發(fā)展水平狀況。 2003年我國機床消費額達(dá)到67．3億美元，居世界第一位，其中數(shù)控機床占57％(37．5億美元)。國內(nèi)生產(chǎn)數(shù)控機床3681 3臺(產(chǎn)值約10．4億美元)．創(chuàng)歷史新高。 但是，我國數(shù)控機床的技術(shù)水平、性能和質(zhì)量與國外還有很大差距．技術(shù)含量較低的簡易數(shù)控車床仍占主導(dǎo)地位，高檔數(shù)控機床及功能部件大多數(shù)依靠進(jìn)口。特別應(yīng)該引起注意的是．國產(chǎn)數(shù)控機床市場占有率逐年下降，1 999年是33．6％，2003 年僅占27．7％，而進(jìn)口額逐年上升，1999年為8．7 8億美元(7624臺)，2003年達(dá)27．1億美元(23320臺)，相當(dāng)于同年國內(nèi)數(shù)控機床產(chǎn)值的2．7倍。因此，盡管當(dāng)前市場活躍、需求旺盛．如果只顧眼前生產(chǎn)，不了解國外數(shù)控機床的發(fā)展趨勢，提高自主開發(fā)能力，積極培育新產(chǎn)品．那么在高潮過去以后，我國的機床工業(yè)將更加缺乏競爭力，有可能在家門口就被人家打得一敗涂地。[3] 隨著新材料和新工藝的出現(xiàn)，對數(shù)控機床的要求越來越高，例如，鋁合金的廣泛應(yīng)用，高速加工數(shù)控機床就成為當(dāng)前的熱點。數(shù)控機床的發(fā)展趨勢是什么它有那些主要特征我認(rèn)為，應(yīng)首先滿足用戶以下要求：1、精度和可靠性高，機床的性能是穩(wěn)定的，能夠在不同運行條件下完成多種加工任務(wù)、并能夠”保證“零件的加工質(zhì)量．而不是依靠加工后的檢驗工序。2、工序集約化，在一臺機床上盡可能加工完畢一個零件的所有工序，同時又保持機床的通用性，能夠迅速適應(yīng)加工對象的改變。3、機床的信息化和智能化．加工設(shè)備不僅提供”體力”，也有“頭腦”．能夠獨立自主地管理自己，并與企業(yè)的管理系統(tǒng)和人通信．從而使企業(yè)管理人員和操作者、供應(yīng)商和用戶能夠隨時知道機床的狀態(tài)和加工能力。4、機床的效率高、運行成本低，環(huán)境污染少，人機界面友好。[3] 數(shù)控車床幾何精度主要包括主軸回轉(zhuǎn)運動精度、線性軸直線運動精度。主軸軸承精度等級、主軸支承軸頸的圓度誤差、主軸前后支承的同軸度誤差、主軸箱體與主軸軸承系統(tǒng)的剛性、主軸及隨其回轉(zhuǎn)的零件的不平衡、主軸箱裝配質(zhì)量及主軸回 英文期刊文章引用：作者. 題名. 期刊名, 出版年份，期號：起止頁碼 文獻(xiàn)綜述 轉(zhuǎn)過程中熱變形等因素影響了主軸的幾何精度。機床床身底座剛性和動態(tài)特性一負(fù)荷切削下機床抗變形能力，導(dǎo)軌布置形式、導(dǎo)軌自身的幾何精度、導(dǎo)軌潤滑條件等因素影響了線性軸直線運動精度。GB／T 16462．4—2007之線性軸定位精度是指在該軸行程內(nèi)任意1個點定位時的誤差范圍，它綜合反映了機床存在的幾何誤差、運動誤差、熱變形誤差等，它與機床的幾何精度共同對機床切削精度產(chǎn)生重要的影響，是數(shù)控車床最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)。線性軸重復(fù)定位精度，反映了該軸在行程內(nèi)任意定位點的定位穩(wěn)定性，這是衡量該軸能否穩(wěn)定可靠工作的基本指標(biāo)。影響數(shù)控車床位置精度主要有絲杠的導(dǎo)程誤差、傳動鏈的反向間隙誤差、導(dǎo)軌的摩擦阻尼、滾珠絲杠軸系的裝配精度、伺服電機的慣量匹配等因素。數(shù)控車床的電機、液壓泵、卡盤油缸等連續(xù)運轉(zhuǎn)的部件在運動過程中摩擦產(chǎn)生的熱量會引起機床結(jié)構(gòu)件的溫度產(chǎn)生波動。一方面，這些結(jié)構(gòu)件會因溫度變化產(chǎn)生線性尺寸的膨脹或收縮；另一方面，由于零件結(jié)構(gòu)的不對稱性，在內(nèi)部熱應(yīng)力的作用下，必然出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的扭曲變形。結(jié)構(gòu)件熱變形也是影響數(shù)控車床位置精度的一個重要因素。只有提高數(shù)控車床的幾何精度和位置精度，其工作精度才有可能得到保證。數(shù)控車床工作精度不僅與機床自身靜態(tài)精度有關(guān)，還與伺服系統(tǒng)跟蹤誤差、位置檢測誤差、刀具系統(tǒng)的位置誤差、工件裝夾誤差有關(guān)。另外，加工工藝的合理性，操作者的編程水平也影響到零件加工的穩(wěn)定性。因此，數(shù)控車床工作精度是一個綜合影響的結(jié)果[4]。 數(shù)控機床的進(jìn)給運動是數(shù)字控制的直接對象，機床的定位精度和輪廓加工精度都會受到進(jìn)給運動的傳動精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。為此，數(shù)控機床對進(jìn)給系統(tǒng)中的傳動裝置和元件要求具有高的壽命、高的剛度、無傳動間隙、高的靈敏度和低摩擦阻力的特點。[5] 數(shù)控車床的進(jìn)給運動方式和結(jié)構(gòu)特點與普通車床、自動和半自動車床截然不同。它只用于伺服電動機（直流或交流）驅(qū)動，通過滾珠絲杠帶動刀架完成縱向（Z軸）和橫向（X軸）的進(jìn)給運動[6]。 車床的進(jìn)給系統(tǒng)經(jīng)實際使用、檢驗，效果良好，滿足國家對普通車床的精度要求；能夠方便的控制進(jìn)給，實現(xiàn)數(shù)控，達(dá)到控制加工零件的形狀。通過必要的方法，包括上述的抗干擾方法，能有效的消除干擾，得到穩(wěn)定的進(jìn)給系統(tǒng)[7]。 伺服電機便于控制、工作可靠、使用方便，將伺服電機用于車床的進(jìn)給系統(tǒng)，達(dá)到方便地對橫向、縱向進(jìn)給進(jìn)行控制，對于現(xiàn)實普通車床的自動化，提高其加工的精度和生產(chǎn)加工效率，減輕工人的勞動強度，有著非常重要的意義[8]。滾珠絲杠是數(shù)控機床的一個主要部件，因其具有精密、高效的傳動特點而被廣泛使用。滾珠絲杠作為傳動元件，其軸向剛度直接影響了數(shù)控機床的定位精度及機床的整體性能。滾珠絲杠系統(tǒng)的傳動部分通常由伺服電動機與滾珠絲杠直連，或者由伺服電動機經(jīng) 英文期刊文章引用：作者. 題名. 期刊名, 出版年份，期號：起止頁碼 文獻(xiàn)綜述 齒輪或同步帶減速后再滾珠絲杠相連。滾珠絲杠的軸向剛度對數(shù)控機床進(jìn)給系統(tǒng)的軸向定位精度有很大的影響，絲杠剛性不足會影響到加工工件的尺寸精度甚至導(dǎo)致加工缺陷。設(shè)計時需要考慮在不同的應(yīng)用情況下選擇合理的滾珠絲杠安裝方式[9]。 隨著數(shù)控車床進(jìn)給運動方式的不同，控制形式的不同，數(shù)控機床對伺服系統(tǒng)設(shè)計要求也有所不同。對于點位控制的機床，主要應(yīng)滿足定位精度，盡量減少定位所需時間。而對于輪廓控制的機床，除了要求具有較高的定位精度外，尤其重要的應(yīng)保證具有良好的動態(tài)響應(yīng)特征[10]。 通常，數(shù)控車床對伺服系統(tǒng)的設(shè)計基本要求為：定位精度要高，跟蹤指令信號的響應(yīng)要快；系統(tǒng)的穩(wěn)定性要好。反映在伺服系統(tǒng)性能指標(biāo)上，即穩(wěn)定性、精度和快速響應(yīng)特征[10]。 影響整個伺服系統(tǒng)精度的因素除了伺服驅(qū)動單元和電動機外，也在很大程度上機械傳動機構(gòu)。因此，為保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，以達(dá)到較高的定位精度指標(biāo)，特別要求機械機構(gòu)的傳動間隙小、摩擦阻尼小。為此，對進(jìn)給系統(tǒng)的機械傳動要求提出以下要求。1）減少摩擦阻尼2）提高傳動精度和剛度3）消除傳動間隙4）減小運動慣量5）寬的進(jìn)給調(diào)速范圍6）響應(yīng)速度要快7）穩(wěn)定性好、壽命長8）使用維護(hù)方便[11]。 立式機床的主軸部件與垂直運動部件通常設(shè)計為一體。向下運動時的驅(qū)動力與重力方向一致，向上運動時的驅(qū)動力與重力方向相反，如果不消除重力的影響，不僅影響部件的運動平穩(wěn)性，而且影響機床加工精度的保持性，同時可能會導(dǎo)致在一定工況條件下，對運動部件、刀具，工件、產(chǎn)生破壞性的危害。雖然現(xiàn)代立式數(shù)控機床的傳動部件及驅(qū)動部件的性能有了極大的提高，運動部件的重力對驅(qū)動部件及傳動部件的影響越來越小，但是目前的立式數(shù)控機床大多采用滾珠絲杠傳動，而滾珠絲杠基本無自鎖，當(dāng)控制系統(tǒng)失電時，運動部件會因重力而下滑，這是不容許的。因此，在分析現(xiàn)有平衡機構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出的平衡機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方案是一種新的獨特的垂直運動部件平衡即時同步機構(gòu)[12]。 參考文獻(xiàn)： 1、易紅.數(shù)控技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，2005 2、吳祖育.數(shù)控機床.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1989：20-25 3、張曙.數(shù)控機床發(fā)展的新趨勢.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2005，5：7-9 4、 喻湘存,熊曙初.系統(tǒng)工程教程，北京：清華大學(xué)出版社，2006 5、全國數(shù)控培訓(xùn)網(wǎng)絡(luò)天津分中心組編，數(shù)控機床（第二版）.北京：機械工業(yè)出版社，2006.7 6、王愛玲等主編.現(xiàn)代數(shù)控機床.北京：國防工業(yè)出版社（第二版），2014.2 文獻(xiàn)綜述 7、陶曉杰.車床進(jìn)給系統(tǒng).制造業(yè)自動化，2000，22（9），2 8、孫宏成，易廣建，靜毅.用于伺服電機改造車床的進(jìn)給系統(tǒng).MACHINERY DESIGN＆MANUFACTURE,2004，3：1-1 9、宋威.滾珠絲杠系統(tǒng)軸向剛度分析與研究.Modern Manufacturing Engineering,2014,10:1-5 10、文懷興，夏田.數(shù)控機床設(shè)計實踐指南.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.1 11、熊軍.數(shù)控機床原理與結(jié)構(gòu).北京：人民郵電出版社，2007.9 12、彭云平，李莉敏.立式機床垂直運動部件重力平衡創(chuàng)新設(shè)計.MACHINERY DESIGN & MANUFACTURE，2009（3） 研究內(nèi)容 數(shù)控立車Z軸進(jìn)給系統(tǒng)是機床在加工時直接帶動刀具做直接運動的進(jìn)給機構(gòu)。本論文先從國內(nèi)外數(shù)控機床的發(fā)展現(xiàn)狀以及新趨勢開始闡述，引到我國數(shù)控機床面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展機遇，并提出發(fā)展方向。進(jìn)而對數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行研究。主要從它的設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)部件，影響剛度，精度和動態(tài)性能的因素，伺服系統(tǒng)的分析，材料的選擇，進(jìn)給的特點以設(shè)計方面的注意點等方面進(jìn)行分析研究。 研究計劃 第1周 (2.22-2.26)?搜集資料，學(xué)習(xí)文獻(xiàn)，參觀工場，學(xué)習(xí)國家標(biāo)準(zhǔn) 第2周 (2.29-3.04)?提出思路和方法，完成技術(shù)路線、方案、要完成的任務(wù) 第3周 (3.07-3.11）完成開題報告及外文材料翻譯 第4周 (3.14-3.18)?完成裝配圖草圖設(shè)計，繪制進(jìn)給系統(tǒng)運動簡圖 第5周 (3.21-3.25)?完成Z軸的各項計算 第6周 (3.28-4.01)?滾珠絲杠預(yù)拉伸計算、平衡系統(tǒng)的配重確定、裝配圖設(shè)計 第7周 (4.04-4.08）畢業(yè)設(shè)計中期檢查 第8周 (4.11-4.15）進(jìn)行零件圖計算機繪圖 第9周 (4.18-4.22)?完成零件圖計算機繪圖 第10周(4.25-4.29）各零件及課題成本分析，件成本及課題成本計算 第11周(5.02-5.06)?修改論文并定稿 第12周(5.09-5.13)?修改論文并定稿 第13周(5.16-5.20)?論文評審及答辯資格確定 第15周(5.23-5.27)?畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯 第16周(5.30-6.03) 整理資料存檔 特色與創(chuàng)新 本論文特色與創(chuàng)新如下： 數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用是機械制造業(yè)的一次技術(shù)革命，使機械制造的的發(fā)展進(jìn)入了一個嶄新的階段。數(shù)控機床發(fā)展的新趨勢，效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。 本文從數(shù)控機床的歷史說起延生至數(shù)控車床的創(chuàng)新與發(fā)展，分析了立式數(shù)控車床Z軸進(jìn)給系統(tǒng)的材料、剛度、伺服機構(gòu)以及其他構(gòu)成部件以解決數(shù)控機床Z軸的精度、平衡和生產(chǎn)效率問題。 指導(dǎo)教師 意 見 指導(dǎo)教師簽名： 2016年 月 日 分中心意見 中心意見 分中心主任簽名： 年 月 日 教學(xué)主任簽名： 年 月 日 南京工程學(xué)院 工 業(yè) 中 心 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 題 目： 數(shù)控立車Z軸進(jìn)給及其平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級： D機加工123 學(xué) 號： 231120522 學(xué)生姓名： 馬鑫 指導(dǎo)教師： 劉桂芝（教授級高工） 起迄日期： 2016.2.22～2016.6.3 設(shè)計地點： 工程中心5號樓 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中文摘要 摘要： 本課題的研究內(nèi)容是數(shù)控車車床進(jìn)給系統(tǒng)及其平衡結(jié)構(gòu)的設(shè)計,本文通過類比法和文獻(xiàn)綜述法來分析和完成本課題的研究哈設(shè)計創(chuàng)新。本課題車床進(jìn)給系統(tǒng)是通過交流伺服電機通過聯(lián)軸器與絲杠進(jìn)行剛性直聯(lián)通過聯(lián)軸脹套來消除間隙和傳遞動力，帶動絲杠螺母做進(jìn)給直線運動。本課題是用背對背和串聯(lián)的角接觸球軸承來固定滾珠絲杠，使用雙螺母來調(diào)節(jié)消除滾珠絲杠的間隙，雙螺母連接法蘭通過直線滾動導(dǎo)軌來完成刀架的進(jìn)給運動。因研究內(nèi)容為縱向進(jìn)給系統(tǒng)所以為了保證數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)的精度與延長保證滾珠絲杠的使用本課題采用重錘平衡的方式來達(dá)到平衡進(jìn)給系統(tǒng)重量的目的。本課題研究解決數(shù)控機床Z軸的精度、平衡和生產(chǎn)效率問題。 關(guān)鍵詞：數(shù)控機床 伺服電機 滾珠絲杠 配重 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）英文摘要 Title CNC vertical lathe z-axis feed structure design and its balance Abstract This topic research content is the numerical control lathe into the back of the bus for the structural design of the system and its balance, based on the analogy method and the literature review method to analyze and finish this topic research, design innovation. This topic lathe feed system is by screw with ac servo motor through the coupling of rigid straight through coupling locking to eliminate the gap and transfer the power, drive the feed screw nut do linear motion. This topic is to use back to back and series of angular contact ball bearings to fixed ball screw, use double nut to adjust the clearance of the elimination of ball screw, double nut connecting flange by linear rolling guide to complete the rest of the feed movement. So for the research content is the longitudinal feed system in order to guarantee the precision of the nc lathe feed system and extend the promise that the using of ball screw this subject adopts counterweight balance to achieve the goal of balance weight feed system. This topic on the Z axis CNC machine tool accuracy, balance, and production efficiency. Keywords Nc machine tool；Servo motor；Ball screw；weight I 南京工程學(xué)院工業(yè)中心畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 目 錄 第一章 緒論 1 1.1 數(shù)控機床的產(chǎn)生和發(fā)展 1 1.2 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 2 1.3 數(shù)控機床的加工原理 2 1.4 數(shù)控機床的組成 3 1.5 本課題設(shè)計的內(nèi)容及意義 3 第二章 總體設(shè)計方案 4 2.1 進(jìn)給系統(tǒng)的傳動要求及傳動類型的選擇 4 2.1.1 進(jìn)給系統(tǒng)的傳動要求 4 2.1.2 進(jìn)給系統(tǒng)傳動類型的選擇 4 2.2 伺服電機與絲杠連接方式的確定 5 2.3 Z向傳動導(dǎo)軌的確定 6 第三章 伺服電機的計算與選擇 9 3.1 Z向電機型號的選擇及要求 9 3.2 Z向慣量匹配計算 10 3.3 Z向轉(zhuǎn)矩匹配計算 10 第四章 滾珠絲杠螺母副的選擇與計算 12 4.1 滾珠絲杠螺母副的種類 12 4.2 計算Z向進(jìn)給牽引力Fm(N) 13 4.3 Z向滾珠絲杠預(yù)拉伸量的計算 13 4.4 滾珠絲杠支承軸承的確定 13 4.5 軸承間隙的調(diào)整和預(yù)緊 15 4.6 滾珠絲杠的預(yù)緊 20 第五章 立式數(shù)車Z向平衡機構(gòu)選擇及計算 22 5.1 平衡的目的 22 5.2 Z向平衡機構(gòu)的確定 22 5.3 Z向傳動機構(gòu)平衡量的計算 23 第六章 潤滑和密封 24 6.1 Z軸滾動軸承的潤滑 24 6.1.1潤滑的作用 24 6.1.2潤滑劑的選擇 24 6.2 潤滑劑的種類 25 6.2.1潤滑脂 25 6.2.2 潤滑油 25 6.3 Z軸部件的密封 26 6.3.1 非接觸式密封 26 6.3.2 接觸式密封 27 第七章 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 30 7.1 技術(shù)成本分析的目的與意義 30 7.2 成本計算依據(jù) 30 7.3 成本材料構(gòu)成 31 7.3.1 非標(biāo)準(zhǔn)件 31 7.3.2 標(biāo)準(zhǔn)件外購費用 32 第八章 結(jié) 論 33 致 謝 34 參考文獻(xiàn) 35 I 第1章 緒論 1.1 數(shù)控機床的產(chǎn)生和發(fā)展 微電子技術(shù)、自動信息處理、數(shù)據(jù)處理以及電子計算機的發(fā)展，給自動化帶來了新的概念，推動了機械制造自動化的發(fā)展。 20實際40年代，美國一家小型的飛機代工公司運用數(shù)據(jù)處理技術(shù)對飛機輪廓及直升機葉片進(jìn)行加工。這是數(shù)據(jù)處理技術(shù)第一次應(yīng)用于機械加工中。這種加工的方式有效的提高了機械加工的精度。此后于1949年麻省理工學(xué)院與這家飛機公司聯(lián)合開展數(shù)控機床的研發(fā)。3年后，世界上第一臺數(shù)控機床面世。 1953年，美國空軍與麻省理工學(xué)院合作研究自動編程技術(shù)。 1955年，美國空軍購進(jìn)100臺數(shù)控機床，在此后的兩年，數(shù)控機床技術(shù)得到長足的發(fā)展。 1958年，克耐.杜列克公司成功研制“加工中心”這種機床可以自己換刀，自帶換刀裝置。 1959年，世界計算機進(jìn)入晶體管時代，隨之?dāng)?shù)控機床大量采用晶體管和印制板電路，從此迎來第二代數(shù)控時代。 1960以后開始，數(shù)控技術(shù)不僅僅在機床上去取得發(fā)展與突破，并且逐步推進(jìn)到切割機、包裝機等方面。與此同時除了APT編程外也出現(xiàn)了其他許多編程語言。 1960年開始，德國、日本等其他工業(yè)國家也開始陸續(xù)使用數(shù)控機床技術(shù)。 1965年隨著小規(guī)模集成電路的面試，同時數(shù)控機床進(jìn)入第三代，小規(guī)模集成電路被廣泛大量應(yīng)用于數(shù)控機床。 1967年柔性加工系統(tǒng)開始應(yīng)用與數(shù)控機床，這就是最初的柔性制造系統(tǒng)。之后美、日、德等其他國家也開始研究。 第四代數(shù)控時代的到來是伴隨著小型計算機代替專用計算機的，當(dāng)時小型計算價格下降，小型計算機的應(yīng)用性價比更高，而計算機對機床進(jìn)行直接控制的系統(tǒng)稱為直接控制數(shù)控系統(tǒng)。 1970年及之后20年間微處理器的發(fā)展以及在數(shù)控機床上取得的應(yīng)用，從此數(shù)控機床進(jìn)入第五代數(shù)控系統(tǒng)。[1] 1.2 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 當(dāng)今社會科技蓬勃發(fā)展，新材料不斷涌現(xiàn)，比如鋁合金在工業(yè)以及其他各方面的應(yīng)用，從而對數(shù)控機床的要求就越高，在這種大環(huán)境下高速數(shù)控機床就成為了香餑餑和發(fā)展熱點。數(shù)控機床在當(dāng)今社會下的發(fā)展趨勢，我認(rèn)為有以下幾點： （1） 高速、高精密化：數(shù)控機床只有高速并與此同時保持高的精度，生產(chǎn)效率才會提高。 （2） 高可靠性：數(shù)控系統(tǒng)和被控設(shè)備的可靠性前者要高一個數(shù)量級以上，但受價格的約束也不是越高越好。 （3） 數(shù)控機床設(shè)計CAD化：CAD的應(yīng)用能使數(shù)控機床的設(shè)計更簡便，工作量更小，所以CAD的應(yīng)用就更加迫切。 （4） 智能、網(wǎng)絡(luò)、柔性、集成化：數(shù)控機床的發(fā)展應(yīng)該向這方面發(fā)展。 （5） 開放性：數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)統(tǒng)一在一個平臺上，形成一個具有鮮明個性的明星品牌產(chǎn)品。 （6） 復(fù)合化：開發(fā)更多復(fù)合程度更高的數(shù)控產(chǎn)品。 （7） 重視技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立[2] 1.3 數(shù)控機床的加工原理 金屬切削運動，是加工人員根據(jù)客戶提供的工件形狀及各項參數(shù)要求，通過不斷改變刀具相對于工件的位置、速度等，來達(dá)到被加工工件所需求的尺寸、形狀、精度的一種加工運動。 數(shù)控機床的加工運動，就是把整個工件看成無數(shù)個坐標(biāo)點，通過程序來使刀具不斷的通過這些坐標(biāo)點，從而使刀具與工件之間形成相對的運動關(guān)系，來完成圖紙的加工要求，從而對零件完成加工。 刀具沿各坐標(biāo)軸的相對運動，是以脈沖當(dāng)量ζ為單位的（mm/秒沖） 當(dāng)?shù)毒哌M(jìn)行直線或者圓弧運動時，把工件輪廓表示成無數(shù)個坐標(biāo)點，區(qū)相連兩個坐標(biāo)點所構(gòu)成線段的中間點進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，求出一系列中間坐標(biāo)點的坐標(biāo)值，然后按中間的坐標(biāo)值，通過數(shù)控裝置發(fā)出脈沖信號，從而加工出客戶所需求的直線或者圓弧輪廓。 數(shù)控裝置進(jìn)行這種“數(shù)據(jù)點密化”稱作插補，一般數(shù)控裝置都具有對基本函數(shù)（如直線函數(shù)和圓函數(shù)）進(jìn)行插補的功能。[3] 1.4 數(shù)控機床的組成 數(shù)控機床一般有信息載體、計算機控制裝置、伺服系統(tǒng)和機床四部分組成。 （1） 信息載體 信息載體又叫控制介質(zhì)，由它來記錄加工一個零件所需要的各種參數(shù)，控制機床對零件進(jìn)行加工。 （2） 計算機數(shù)控系統(tǒng) 它是數(shù)控機床的核心，負(fù)責(zé)接收載體發(fā)送信息，并經(jīng)過計算處理控制機床運動。 （3） 伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)是機床執(zhí)行運動的部分，它接收各種命令，控制受控設(shè)備運動。 （4） 測量反饋裝置 檢測速度及位移，同時將信息反饋給數(shù)控裝置。 （5） 機床本體 包括床身、箱體、導(dǎo)軌、主軸等機械部件。 1.5 本課題設(shè)計的內(nèi)容及意義 數(shù)控車床的進(jìn)給系統(tǒng)是保證刀具與工件相對關(guān)系的重要單元，比加工工件的各項數(shù)據(jù)指標(biāo)（精度、尺寸等）都受到進(jìn)給系統(tǒng)靈敏度和穩(wěn)定性以及傳動精度的影響。本課題是采用比較法、文本細(xì)讀法、綜合分析法進(jìn)行數(shù)控立車進(jìn)給系統(tǒng)及其平衡結(jié)構(gòu)的方案的設(shè)計。使其達(dá)到對進(jìn)給運動的速度及刀具相對位置實現(xiàn)自動控制，并且使平衡機構(gòu)能促進(jìn)改善立式機床Z軸的運動性能。 本課題設(shè)計有如下意義：1、了解了立式車床的發(fā)展方向與作用2、提升了我們獨立思考、創(chuàng)新與動手的能力3、對自己四年所學(xué)知識進(jìn)行了綜合的運用與總結(jié)歸納4、讓自己更加靈活的運用自己學(xué)習(xí)的知識5、提高了了自己的實際運用能力。 第2章 總體設(shè)計方案 2.1 進(jìn)給系統(tǒng)的傳動要求及傳動類型的選擇 2.1.1 進(jìn)給系統(tǒng)的傳動要求 1. 靜態(tài)設(shè)計方面的要求 （1） 能夠克服摩擦力和負(fù)載。電機的轉(zhuǎn)矩和切削力的大小是有比例關(guān)系的。 （2） 為了達(dá)到目前最小辨別力（0.1μm）的要求所以機床的進(jìn)給運動的位移量一定要足夠小。 （3） 靜態(tài)扭矩的剛度一定要保持足夠高。 （4） 速度的調(diào)節(jié)范圍一定要足夠。 （5） 對速度的要求是無爬行，所以就要求速度一定要均勻。 2. 動態(tài)設(shè)計方面的要求 （1） 為了能夠開啟啟動制動過程，必須具備足夠的加速和制動轉(zhuǎn)矩。市場上目前的伺服電機在帶有調(diào)速功能的前提下其響應(yīng)的時間為（20-100）N.m；換向時對進(jìn)給系統(tǒng)的速度要求特別高，最低要求是要在最短的時間內(nèi)達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的4倍及以上。 （2） 傳動性能一定要夠好，這直接關(guān)系到被加工工件的形狀和加工表面精度要求。 （3） 由于負(fù)載作用而引起的一些非必要誤差應(yīng)盡可能的減小或完全消除。 3. 對機械傳動部件的要求 （1） 被加速的運動部件具有較小的慣量。 （2） 部件的各種剛度一定要高。 （3） 部件的阻尼的性能起碼要良好。 （4） 抗拉、抗壓剛度和阻尼等因具有很小的非線性要求。[4] 2.1.2 進(jìn)給系統(tǒng)傳動類型的選擇 直線運動和旋轉(zhuǎn)運動是伺服驅(qū)動系統(tǒng)能夠主要得到的兩種運動方式，其中直線運動方式可以通過以下方法來獲取： （1） 油缸、氣缸 在具備液壓泵、空氣壓縮機的前提條件下，使用液壓或者氣壓來推動缸體來實現(xiàn)直線的運動方式。其特點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運動過程中精度不夠高，震動大不夠平穩(wěn)，故運用在伺服驅(qū)動的場合不多。 （2） 旋轉(zhuǎn)電機和絲杠 通過旋轉(zhuǎn)電機連接絲杠，電機旋轉(zhuǎn)帶動絲杠使得絲桿上的螺母達(dá)到直線運動，這種傳動是把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動的方法。其特點是有高的傳動精度和高的平穩(wěn)度，是當(dāng)前最常用的直線運動方式。這種傳動方式絲杠與電機的連接有很多方法比如：聯(lián)軸器直聯(lián)、通過同步帶聯(lián)接等。 （3） 直線電動機 這種傳動方式是通過直線電動機直接帶動運動部件完成直線運動的一種傳動方式。因為是直接連接，所以沒有中間傳動單元，因而傳動精度高。這種傳動方式具有廣闊的發(fā)展前景。 旋轉(zhuǎn)伺服運動如分度盤、數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺等伺服驅(qū)動主要由伺服電動機經(jīng)減速機構(gòu)來產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運動。[5] 本課題設(shè)計選擇旋轉(zhuǎn)電機和絲杠傳動，采用聯(lián)軸器直聯(lián)的方式來連接電機與絲杠，這樣機構(gòu)機構(gòu)緊湊，占用體積小，傳動精度高。 2.2 伺服電機與絲杠連接方式的確定 （1）通過同步齒形帶聯(lián)接 同步帶是靠嚙合齒輪傳動的新型帶，它兼有帶傳動和鏈傳動的優(yōu)點。同步齒形帶是以鋼絲繩為強力層，外面用氯丁橡膠或聚氨酯包裹。由于強力層中的鋼絲繩在承載后變形小，能保持齒形帶的周節(jié)不變。因此帶與帶輪之間無相對滑動，能保持準(zhǔn)確的傳動比，亦即主、從動輪能做無滑差同步傳動。這種帶薄而輕，慣性效應(yīng)小，因而可用于高速傳動，其圓周速度v可達(dá)40m/s。由于它不是靠摩擦傳動，因此小帶輪包角可減小，傳動比i可達(dá)10，傳動效率也高達(dá)98%~99%。這種帶的主要缺點是齒形帶輪的制造復(fù)雜、成本高。 同步齒形帶傳動綜合了帶傳動和鏈傳動的優(yōu)點，運動平穩(wěn)，吸振好，噪聲小。缺點是對中心距要求高，帶和帶輪制造工藝復(fù)雜，安裝要求高 （2）通過齒輪聯(lián)接? 齒輪傳動在伺服進(jìn)給系統(tǒng)中的作用改變運動方向，降速、增大扭矩，適應(yīng)不同絲杠螺距和不同脈沖當(dāng)量的配比等。當(dāng)在伺服電機和絲杠之間安裝齒輪（直齒、斜齒、錐齒等）時，必然產(chǎn)生齒側(cè)間隙，造成反向運動的死區(qū)，必須設(shè)法消除。 （3）聯(lián)軸器直接聯(lián)接 聯(lián)軸器直接聯(lián)接由于伺服電機性能的提高，目前許多場合都采用伺服電機與絲杠直接相連。以增量式光電編碼器為例，當(dāng)光電編碼器與伺服電機及滾珠絲杠直聯(lián)時，隨著伺服電動機的轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生序列脈沖輸出，脈沖的頻率將隨著轉(zhuǎn)速的快慢而升降。 本課題選用聯(lián)軸器來聯(lián)接絲杠與伺服電機，是直聯(lián)的方式，通過直聯(lián)可以減少機床的體積，使的機床的結(jié)構(gòu)更加的緊湊。 2.3 Z向傳動導(dǎo)軌的確定 導(dǎo)軌的類型選擇直接影響到伺服系統(tǒng)摩擦阻力的大小，所以為了減少摩擦力現(xiàn)今大多使用減摩導(dǎo)軌應(yīng)用于數(shù)控機床。通常我們給滾動導(dǎo)軌施加預(yù)載或復(fù)合、靜壓導(dǎo)軌等來增加導(dǎo)軌的阻尼比，因為往往得考慮到進(jìn)給系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其中復(fù)合導(dǎo)軌因為其良好的阻尼比和較小的摩擦系數(shù)因其優(yōu)秀的性能，所以近些年以來得到了廣泛的應(yīng)用。 導(dǎo)軌是機床實行進(jìn)給運動不可缺少的一部分，機床運動部件在導(dǎo)軌上進(jìn)行運動，導(dǎo)軌給予其支承和引導(dǎo)的作用。導(dǎo)軌一般由動軌和定軌組成，前者在定軌上移動后者固定于機架上。 導(dǎo)軌多用于機床來回的直線運動。導(dǎo)軌的承載和壽命大小直接影響著機床的承載、精度及壽命。 機床工作臺或者床身上常常采用滑動導(dǎo)軌。為了能在重型機械中滑動導(dǎo)軌得以運用，往往會把幾種不同截面形狀的導(dǎo)軌組合起來一起使用?；瑒訉?dǎo)軌在低速運行時有可能會產(chǎn)生爬行的現(xiàn)象把各種滾動體例如鋼珠等置于導(dǎo)軌之間就形成了滾動導(dǎo)軌。滾動導(dǎo)軌相對與互動導(dǎo)軌有其優(yōu)點例如：摩擦系數(shù)小、在低速時不易爬行、精度高、壽命較長等。 當(dāng)然滾動導(dǎo)軌也有其缺點，剛度較低、加工困難，對誤差敏感等這些都是它的缺點。液體靜壓導(dǎo)軌等因其導(dǎo)軌之間存在的是流體等，所以其精度較高，阻尼比較小，幾乎不會產(chǎn)生爬行的現(xiàn)象，但其因其特點所以加工特別復(fù)雜困難。液體靜壓導(dǎo)軌可分為開式和閉式導(dǎo)軌兩種。 THK公司于1996年率先開發(fā)出了帶有保持器的直線滾動導(dǎo)軌，因保持架的作用，球體與球體之間沒有直接接觸所以避免了相互摩擦的發(fā)生。如果軸承沒有保持架，在軸承工作時因接觸點作用力方向相反所以以2倍的速度互相接觸，所所以會造成劇烈的摩擦，直接影響了軸承的壽命。軸承球體油膜在應(yīng)力較大時大概在30MPa時會產(chǎn)生破裂，這樣因其沒有油膜阻隔潤滑，球體與球體之間接觸完全成點接觸，就會有無限大的應(yīng)力產(chǎn)生；于此同時兩球體之間呈滑動運動，直接成為滑動接觸。相比之下帶保持架的軸承因為保持架的作用兩球體之間不會有直接的接觸，且因為保持架與球體之間不是點接觸，接觸面積大，油膜在這樣的情況下就不會產(chǎn)生破裂。所以所以帶保持架的滾動導(dǎo)軌不僅具有平滑穩(wěn)定的特點，還具備以下特點： （1） 長壽命 球保持架的作用是使球體時不再互相接觸抑制其發(fā)熱，同時增加了潤滑脂的使用壽命。潤滑脂在保持架內(nèi)循環(huán)運動，球體在保持架能自轉(zhuǎn)的時候因為保持架內(nèi)充滿潤滑脂所以會形成油膜。這種油膜可以使作用于球體上的應(yīng)力減小，從而軸承的壽命能提高至少2.4倍。 （2） 高速性 當(dāng)需高速使用時（300m/min）帶保持架的軸承能夠滿足需求。 （3） 等速性 因球體在保持架內(nèi)均勻分布，故球體不會做不規(guī)則運動，也不會產(chǎn)生劇烈的摩擦，使?jié)L動阻力變化降到1/10，滾動狀態(tài)趨于穩(wěn)定。 （4） 低噪聲 噪聲比舊型號降低916dB。 （5） 低發(fā)生性 由由于球體之間不再直接接觸相互之間摩擦減少，所以造成的金屬粉塵也相應(yīng)的較少降低，相比原來減少了10倍。 （6） 長期免維護(hù)保養(yǎng) 因保持架的存在每一個鋼球存放空間中都充滿了潤滑液，鋼球不斷的在得到潤滑，達(dá)到了長期不用保養(yǎng)的要求。僅僅依靠初次安裝時裝入的潤滑脂，其行程就可達(dá)到4萬km，10年內(nèi)可實現(xiàn)免維護(hù)、免保養(yǎng)、自潤滑。[6] 直線滾動導(dǎo)軌的精度分為6個等級，其中1級最高，6級最低。直線滾動導(dǎo)軌的技術(shù)要求有： 兩個平行度與兩個極限偏差之間的要求，分別是頂面與基準(zhǔn)面的平行度看圖2-1（a)，兩側(cè)面之間的平行度見圖2-1（a），以及頂面與基準(zhǔn)面之間的偏差要求見圖2-1（b），最后是滑塊需要多個安裝時，側(cè)面之間的極限偏差，并測量W1的值見圖2-1（c）。 圖2-1 直線滾動導(dǎo)軌的技術(shù)要求 上述精度已有部頒標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了導(dǎo)軌長度從（500-4000）mm共8個分段的（1-6）級的公差值。 整體型的直線滾動導(dǎo)軌，由于廠家直接生產(chǎn)滿足用戶使用條件的成型導(dǎo)軌，所以用戶可以根據(jù)自己對預(yù)緊力的要求來選擇自己所需導(dǎo)軌，無需再自己調(diào)整。[7] 本課題選用滾動導(dǎo)軌，選用MR45-B2-1312-26-26-G2-V3/施耐博格導(dǎo)軌。 第3章 伺服電機的計算與選擇 3.1 Z向電機型號的選擇及要求 選擇電機應(yīng)綜合考慮的問題 （1） 選擇電機一般應(yīng)該根據(jù)負(fù)載大小和工藝性質(zhì)來考慮從而進(jìn)一步選擇電機的啟動轉(zhuǎn)矩、調(diào)速范圍、制動以及反轉(zhuǎn)要求等。 （2） 在負(fù)載所需轉(zhuǎn)矩、速度變化范圍、啟動頻繁程度等基本要求下，進(jìn)而考慮電機溫度變化所能承受的最大值、電機的過載能力以及啟動時所需轉(zhuǎn)矩，從而選擇電動機功率，并且同時確定電機的冷卻通風(fēng)方式。選擇的電機功率必須留有相應(yīng)的余量，以應(yīng)對突發(fā)打狀況，負(fù)荷率一般取0.8-0.9。 （3） 選擇電機時必須考慮到電機的使用場所，比如：潮濕、粉塵、輻射、腐蝕物等場合，并應(yīng)采取相應(yīng)的防護(hù)保護(hù)措施，從而選擇電機的結(jié)構(gòu)形式。 （4） 電機的電壓等級和類型的確定必須根據(jù)企業(yè)的電壓標(biāo)準(zhǔn)和功率要求來選擇確定。 （5） 電動機額定轉(zhuǎn)速的選擇對滿需電力傳動系統(tǒng)的過渡性要求的條件下機械的最高轉(zhuǎn)速，以及減速機構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜程度都是有要求的。 除了上述所需條件之外，電機的選擇還必須考慮節(jié)能要求、產(chǎn)品可靠性、價格、性價比、售后服務(wù)、后續(xù)技術(shù)處理、后期使用費用、安裝費用等。[8] 直流電動機的定子本身就是一個磁場，轉(zhuǎn)子通過直流電形成的電場在定子內(nèi)轉(zhuǎn)動。由于直流電相對于交流電有可靠的優(yōu)點，所以在企業(yè)工廠中直流電一般用于要求穩(wěn)定或安保的機械；而同時直流電機的轉(zhuǎn)速隨著直流電電壓和電流的變化而變化，調(diào)速比較方便，所以比如電動車等調(diào)速頻繁的場合也使用直流電機。 交流電機是電子產(chǎn)生磁場被轉(zhuǎn)子感應(yīng)到其電勢后轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。交流電機的轉(zhuǎn)速一般是不可調(diào)節(jié)的。但由于其簡單的結(jié)構(gòu)和便于供電所以在家庭電源中一般都使用交流發(fā)電。一般家用電器如洗衣機等及一些工業(yè)機械如機床等都使用交流發(fā)電。 由于交流發(fā)電獲得和輸送較便捷簡單，因而現(xiàn)今我們使用的大部分機械設(shè)備都是交流電機發(fā)出的。 交流伺服電機目前主要使用于閉環(huán)和半閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)驅(qū)動元件的場合。選擇時可參閱有關(guān)手冊中介紹的電動機性能參數(shù)或廠家提供的產(chǎn)品說明書，所選擇的伺服電機，應(yīng)滿足（1）在進(jìn)給時所能達(dá)到打所有速度的范圍之內(nèi)其中包括快進(jìn)的速度，空載時的進(jìn)給力矩應(yīng)該小于電機的額度轉(zhuǎn)矩；（2）在進(jìn)行進(jìn)給運動時切削力矩最大時也應(yīng)該小于電機額度轉(zhuǎn)矩；（3)加速運動和減速的時間應(yīng)滿足所需時間常數(shù)的要求；(4)在希望值內(nèi)進(jìn)行快速進(jìn)給運動。 本課題選用的是施耐德 BCH1802M21C交流伺服電機。 3.2 Z向慣量匹配計算 慣量的大小和負(fù)載的變化有著最直接的關(guān)系，我們通過對慣量的計算來檢查慣量對于系統(tǒng)的靈敏度和加速度變化，負(fù)載的大小和加速度所需時間的大小有著密切的聯(lián)系。因此慣量匹配計算就在整個設(shè)計環(huán)節(jié)中起到了至關(guān)重要的作用。一般負(fù)載慣量與電機慣量Jm之比應(yīng)滿足如下條件： （3-1） 移動部件的慣量轉(zhuǎn)化到絲桿的慣量(JI)kg×m：2 JI= =0.000152 （3-2） 滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動慣量(Js)kg×m2： Js= = =0.00541025 （3-3） 其它零件的轉(zhuǎn)動慣量(Jj)kg×m2：.其他經(jīng)過計算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量可忽略不計。 折算到電機軸上的負(fù)載慣量(JL)kg×m： JL=JI+Js+Jj=0.00555 （3-4） = =0.972 （3-5） 因為，所以負(fù)載慣量匹配合格。 3.3 Z向轉(zhuǎn)矩匹配計算 M=Mamax+Mf+Mo （3-6） Mamax=kgf×m （3-7） Mf=kgf×m （3-8） Mo=kgf×m （3-9） KS表示為系統(tǒng)的開環(huán)增益，一般機床的靈敏度越高增益的數(shù)值也就越大，但增益值也不能夠過大，如果增益值過大直接導(dǎo)致靈敏度過高，系的運動慣量也就越大，直接影響到了機床額定位精度。一般數(shù)控機床增益+取KS=8~25。本機床取KS=10。根據(jù)以上公式計算X、Z向的加速力矩，忽略Mo、Mf的影響。 =18N.m （3-10） 公式（3-1）至（3-9）來源自機械設(shè)計手冊——第三版。 第4章 滾珠絲杠螺母副的選擇與計算 4.1 滾珠絲杠螺母副的種類 滾珠絲杠螺母副具有如下特點： （1）傳動效率高。滾珠絲杠螺母副傳動效率ζ=0.92~0.94，是普通絲杠傳動效率的3~4倍。 （2）摩擦力小。滾珠絲杠螺母副動靜摩擦系數(shù)小，傳動靈敏，運行平穩(wěn)，低速不易爬行，定位精度高。 （3）可預(yù)緊。滾珠絲杠螺母副經(jīng)預(yù)緊可消除軸向間隙，剛度高。 （4）有可逆性。滾珠絲杠和螺母的運動是可逆的，即可作為主動件或從動件。 （5）使用壽命長。 （6）制造工藝復(fù)雜，成本高，不能實現(xiàn)自鎖。 循環(huán)方式、循環(huán)列數(shù)與圈數(shù)、預(yù)緊方式是選擇滾珠絲杠副類別時應(yīng)主要考慮的三個方面。 在絲杠與螺母之間滾動的鋼珠所形成的回路是一個循環(huán)的閉路。根據(jù)回珠方式，可分為兩類：回珠器位于螺母之內(nèi)的內(nèi)循環(huán)式，圖4-1(a)；插管式回珠器位于螺母之外的外循環(huán)式，圖4-1(b)。 圖4-1 滾珠絲杠螺母副的傳動原理 因為螺母與絲杠之間安裝總會產(chǎn)生不可避免的間隙，所以就可以通過人為的施加預(yù)緊來達(dá)到消除間隙的目的，使它一直在高壓過盈的條件下工作。常用的滾珠絲杠副預(yù)緊方法有：雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊等。有過預(yù)緊的滾珠絲杠和預(yù)緊前剛度相比可以達(dá)到其兩倍。但是，在施加預(yù)緊的同時應(yīng)該注意預(yù)緊施加的載荷不能過大，過大就有可能直接使其壽命下降。通常，滾珠絲杠制造成成品銷售的過程中廠家已經(jīng)施加好預(yù)緊，并且施加的預(yù)緊載荷通常和絲杠本身額定的載荷有一定的聯(lián)系，所以不用擔(dān)心載荷過大而直接造成壽命的下降。 4.2 計算Z向進(jìn)給牽引力Fm(N) 為了確定電機能夠驅(qū)動所有負(fù)載的的重量所以得計算牽引力。 Z向電機能夠提供的最大靜扭矩9N×m，機械效率h為0.9，則 Fz==11994.8N （4-1） 4.3 Z向滾珠絲杠預(yù)拉伸量的計算 本機床通過對機床絲桿進(jìn)行預(yù)拉伸來消除加工過程中由于絲桿的熱變形對加工精度的影響，并進(jìn)一步提高絲桿的剛度。 Z軸絲桿方向目標(biāo)值的確定： 絲桿的熱膨脹變形： DL=a×L×Dt==0.029mm （4-2） 公式（4-1）、（4-2）來源自機械設(shè)計手冊——第三版 4.4 滾珠絲杠支承軸承的確定 我們設(shè)計軸承的同時應(yīng)該注意滿足數(shù)控機床進(jìn)給運動的各項要求例如數(shù)控機床的精度、剛度要求都比較高。所以我們選用軸承時應(yīng)該選用精度高、摩擦力矩小的軸承。 （1） 滾動絲杠螺母副支承方式的選擇 為了限制兩端固定軸軸向竄動，我們往往使用軸承支承軸的方式來限制其運動。當(dāng)滾珠絲杠較短或者豎直安裝時，一端固定一端自由的的軸承支承方式就比較合適。當(dāng)滾珠絲杠水平安裝并且絲杠長度較長時，一端固定一端游動的軸承支承方式就可以被采用。如果是應(yīng)用于精密度較高的場合的滾珠絲杠，為了提高滾珠絲杠的剛度，可以采用兩端都固定的支承方式。因滾珠絲杠自重下垂以及工作時發(fā)熱產(chǎn)生的熱膨脹，往往為了減少這種情況的發(fā)生，可以對滾珠絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸，進(jìn)而提高滾珠絲杠傳動精度。 （2）所用軸承的選擇 因為滾珠絲杠所受的載荷都是外來的軸向載荷，除卻絲杠自重外絲杠受到的徑向載荷幾乎不存在，所以對滾珠絲杠而言絲杠的選用軸承時要注意選用軸向精度和剛度都高的軸承。另外，因為絲杠不太高速運轉(zhuǎn)或者轉(zhuǎn)速不高的原因，所以發(fā)熱不是絲杠應(yīng)該考慮的主要問題。數(shù)控機床進(jìn)給一定要反應(yīng)靈敏。因此要盡量選用摩擦力矩低的軸承。 軸承的選擇源自滾珠絲杠螺母副的支承方式，支承的不同，軸承的選用也不盡相同。而深溝球軸承一般被用于帶游動支承的場合。 表4.1 軸承使用場合及條件 目前，在以上各類軸承中用的最多的是60°接觸角推力角接觸球軸承，其次是滾針和推力滾子組合軸承。后者多用于大牽引力、要求高剛度的大型、重型機床。 （3）60°接觸球推力角接觸球軸承 通常把接觸角較大的軸承用于滾珠絲杠，因為滾珠絲杠對軸承有要求。如此因為60°角接觸球軸承的接觸角較大其就成為了與滾珠絲杠有較好配合的配套軸承。軸承的特點如下：（1）接觸角大，保持架的材料是增強尼龍，因而可塑性較強，軸承之間容納的球體數(shù)量增多，因此相應(yīng)的軸承的剛度和承載性能都會有所增加；（2）徑向與軸向載荷能夠同時作用在軸承上，如此支承結(jié)構(gòu)就可以有所簡化；（3）較高的組合性能，可在不同場合進(jìn)行不同方式的組配；（4）軸承是根據(jù)預(yù)緊力組配好成組提供的，所以用戶自己不再需要調(diào)整，節(jié)省了人的勞動力；（5）當(dāng)機床工作時軸承的摩擦力矩小，滾珠絲杠運動所需要的驅(qū)動力有所減小，機床的靈敏度就有了相應(yīng)的提高。 推力角接觸球軸承有許多組配方式。基本的組配方式有三種：背靠背，面對面和串聯(lián)（同向）。 （1）背靠背組配（DB方式）這種組配方式在軸承受力時，其力作用在軸承上是向外發(fā)散的，所以這種組配的方式在承受軸向載荷的同時能夠承受徑向的載荷，說以這種方式組配的軸承能夠承受較大的傾斜力矩。 （2）面對面組配（DF方式）這種組配方式在軸承受到外部載荷時，其作用力額度方向是向內(nèi)部收斂的，這種組配和背對背一樣能夠同時承受軸向和徑向的載荷，但其對傾斜力矩的抵抗力較差，對軸承在極限運動時的影響較大，會降低其轉(zhuǎn)速，這種組配方案一般用于精密調(diào)心的場合。 （3)串聯(lián)組配（DT方式）這種方式的組配在軸承承受外來載荷時其作用力的方向是相互平行的，所以在有雙向載荷的同時，必須使用兩個方向相反的軸承來使用[9] 本課題根據(jù)課題性質(zhì)選用的是角接觸球軸承背對背串聯(lián)組配的形式，如圖4-3所示。 圖4-2 軸承組配方式 4.5 軸承間隙的調(diào)整和預(yù)緊 為了改變或者說減小軸承在工作載荷下的實際變形量我們通常在軸承初始安裝時給軸承滾動體和套筒之間施加一個壓力，這樣軸承就保持了一定的彈性變形有效的減小了實際的變形量，提高其剛度和旋轉(zhuǎn)精度。 軸承的預(yù)緊分軸向預(yù)緊和徑向預(yù)緊，軸向預(yù)緊又分為定位預(yù)緊和定壓預(yù)緊。 為了提高滾動軸承的運轉(zhuǎn)精度和可靠性，通常在裝入軸承后對其進(jìn)行預(yù)緊，以獲得適當(dāng)?shù)挠蜗丁? 1.滾動軸承游隙的調(diào)整 將軸承的一個套圈固定，而另一個套圈沿徑向或軸向的最大活動量叫做滾動軸承游隙。軸向游隙和徑向游隙是軸承游隙的主要區(qū)分方式，兩者之間的大小成正比關(guān)系。 (1)游隙的大小要求：如表4.2，游隙選用時，一般高速運轉(zhuǎn)的軸承采用較大的工作游隙，低速、重載荷的軸承采用較小的工作游隙。 表4.2 滾動軸承的軸向間隙要求 （2）滾動軸承游隙的調(diào)整方法：調(diào)整滾動軸承游隙的方法常有墊片調(diào)整和螺釘調(diào)整等方法。 （1）墊片調(diào)整游隙，如圖4-3，通過配磨墊片的厚度δ值，以獲得適當(dāng)?shù)挠蜗丁? （a） （b） 圖4-3用墊片調(diào)整軸承游隙 （2）調(diào)節(jié)螺釘調(diào)整軸承游隙方法，如圖4-4。調(diào)節(jié)時，先旋松螺母2，然后旋緊調(diào)節(jié)螺釘3，使軸承外圈左移，從而使軸承游隙變小。調(diào)節(jié)至規(guī)定值后，必須重新鎖緊螺母2。 （3)推力球軸承游隙調(diào)整，可用圓螺母進(jìn)行調(diào)整，見圖4-4所示。 圖4-3 調(diào)節(jié)螺釘調(diào)整軸承游隙 圖4-4 推力球軸承的裝配和調(diào)整 2. 滾動軸承的預(yù)緊 軸承預(yù)緊是安裝軸承時預(yù)先給軸承的外圈或內(nèi)圈一定的軸向載荷，使內(nèi)、外圈和滾動體的接觸處產(chǎn)生一定的初變形。預(yù)緊的目的使軸承獲得準(zhǔn)確的游隙，從而提高主軸的旋轉(zhuǎn)精度。滾動軸承預(yù)緊時有徑向預(yù)緊和軸向預(yù)緊兩種方式。 ?(1)徑向預(yù)緊：徑向預(yù)緊是利用錐孔軸承在其配合的錐面上做軸向位移，使軸承內(nèi)圈被脹大，從而實現(xiàn)預(yù)緊，如圖4-5。 圖4-5 調(diào)整軸承錐孔軸向 ?位置的預(yù)緊方法 (2) 軸向預(yù)緊：軸承的軸向預(yù)緊常用在角接觸的球軸承中，其預(yù)緊的方法如表4.3。 表4.3軸向預(yù)緊的常用方法 表4.3軸向預(yù)緊的常用方法(續(xù)）[10] 本課題采用墊片加螺母預(yù)緊的方法來預(yù)緊角接觸球軸承。 4.6 滾珠絲杠的預(yù)緊 由于制造和裝配時總會產(chǎn)生誤差，因而滾珠絲杠副總是存在間隙的，同時，因為軸向載荷的作用滾珠與滾道接觸部位肯定會產(chǎn)生彈性變形。所以，當(dāng)滾珠絲杠反轉(zhuǎn)時，滾珠與滾道不在接觸，這樣就產(chǎn)生了空程誤差，這樣滾珠絲杠的軸向剛度就會降低，最后影響滾珠絲杠的傳動精度。往往人們在滾珠絲杠外施加一個力來提高各種精度。因為預(yù)緊力的存在絲桿、滾珠、螺母之間將不存在間隙，同時，因為預(yù)緊力的存在整個滾珠絲杠螺母副的彈性變形減到最小，從而滾珠絲杠螺母副的剛度有所提高。 對于不同的螺母結(jié)構(gòu)，有如下幾種預(yù)緊方式： （1） 單螺母滾珠絲杠副的預(yù)緊方式：這種方式的預(yù)緊是通過采用使?jié)L珠絲杠突變的方式來實現(xiàn)預(yù)緊的，其原理是在滾珠絲杠的滾動鏈之間變化，使其有一個軸向的突變，使其錯位從而實現(xiàn)預(yù)緊。在以這種預(yù)緊方式預(yù)緊軸承的同時，其接觸角對絲杠的各項參數(shù)都有影響。接觸角大和接觸角小時對絲杠產(chǎn)生的影響完全不同，前者絲杠的剛度和承載能力都有所增加而后者隨著作用在絲杠上的載荷，絲杠所能承受的軸向力增大，徑向力減小，而這一系列因素直接導(dǎo)致絲杠壽命的減小。 （2） 雙螺母結(jié)構(gòu)的預(yù)緊方式：這種預(yù)緊方式是通過施加壓力的方法來實現(xiàn)預(yù)緊的，其具體是通過改變兩個螺母的位置使其與絲杠不同的面直接接觸，這樣圓弧面和滾珠之間就產(chǎn)生了一些初始額壓力，產(chǎn)生了一些變形，這樣過盈的組合直接消除了絲杠的間隙，提升了絲杠的剛度。利用墊片額度薄厚來調(diào)整間隙的方法是目前使用最廣泛的雙螺母預(yù)緊方式。 （3） 連續(xù)可調(diào)預(yù)緊裝置：預(yù)緊力在工作時不能直接測量是雙螺母預(yù)緊形式最大的缺點，它的預(yù)緊力是通過拉力力矩間接測量得出的，這個缺點導(dǎo)致不能隨時補償磨損造成的間隙會直接影響到傳動精度。因此研發(fā)了一種了連續(xù)可調(diào)預(yù)緊裝置對雙螺母實行預(yù)緊。 本課題數(shù)控立車的進(jìn)給系統(tǒng)綜合考慮各個方式的預(yù)緊選擇了雙螺母的預(yù)緊形式，其可靠，結(jié)構(gòu)簡單，剛度夠高是其最大優(yōu)點。 第五章 立式數(shù)車Z向平衡機構(gòu)選擇及計算 5.1 平衡的目的 設(shè)計立式機床時主軸部件通常和垂直運動部件成一體化。工作臺向上運動的時候，電機驅(qū)動方向和重力方向為相反，同理如果工作臺向下運動電機驅(qū)動絲杠的方向和重力的方向相同。如果我們不想方法消除重力的影響，在一些特定環(huán)境下可能對機床、工件及刀具造成破壞性的影響，同時因為重力的作用機床加工精度及其運動穩(wěn)定性等都會受到影響。雖然隨著現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，重力對機床運動性能的影響越來越小，但是現(xiàn)今數(shù)控立車多采用滾珠絲杠進(jìn)行傳動，而滾珠絲杠不帶自鎖，在突然斷電的情況下電機失去驅(qū)動力如果沒有平衡機構(gòu)，工作臺突然失力下滑就可能對部件或工件造成破壞性的影響。因此，給數(shù)控立車施加平衡力就顯得至關(guān)尤其重要了。 5.2 Z向平衡機構(gòu)的確定 現(xiàn)今我們常用的平衡機構(gòu)有重錘平衡，液壓、氣壓平衡以及制動器鎖緊平衡。 （1）重錘平衡 重錘平衡總的來說就是給機床施加一個和其工作臺重量相平衡的重物，總體來說重錘平衡相對簡單，但是重錘平衡占用機床空間大，會增加機床的重量與體積，在空間利用率方面較差。同時在工作臺向下運動時，運動慣量為工作臺慣量和平衡塊慣量之和，而向上運動時，運動慣量就只有工作臺慣量，這樣工作臺的加速度就必須小于重物的自由落體速度，這樣機床的額速度就受到了明顯的限制。所以在高速、高精度運動的數(shù)控機床上就不適合使用重物平衡的方式 （2）液壓、氣壓平衡 液壓平衡的方法就是在工作臺重物重力相反的方向施加一個與其重力相等的液壓力，用來抵消該重力的作用力。大體上液壓平衡和氣壓平衡的方法是一樣的，不同點在于用于施加平衡的介質(zhì)不一樣。液壓平衡在理論上來說，是可以在加速度和速度方面獲得較大的值的，前提是選擇的元件適當(dāng)。但是，如果在部件的速度和加速度較大的情況下，就有可能產(chǎn)生液壓沖擊和驅(qū)動過載等情況。于液壓平衡不同的是氣壓平衡就能獲得理想的速度和加速度，但是氣壓平衡占用空間較大，而且氣壓平衡的噪聲過大，這個也是不忽略的一個問題。 （3）制動器鎖緊 制動器鎖緊方法中工作臺的重力是通過摩擦力來實現(xiàn)平衡的。這種平衡方式只有在部件不工作時摩擦才起平衡作用，在部件工作時，制動器是不起作用的。國外的高速加工中心一般都使用這種制動方式。但是如果制動器反應(yīng)時間靈敏度不高的話，對移動部件的精度等都會受到很大的影響，這是這種平衡方法最大的缺陷。于此同時，必須增加一個制動器來預(yù)防突然失電的等突發(fā)情況發(fā)生。 垂直部件運動的平衡問題是現(xiàn)在最需要解決的問題之一。目前采用的幾種平衡機構(gòu)都是各有各的優(yōu)缺點，隨著數(shù)控機床向著高精度、高速度、高穩(wěn)定性等方面發(fā)展，各種平機構(gòu)會被用來用于平衡機構(gòu)額創(chuàng)新。[11] 5.3 Z向傳動機構(gòu)平衡量的計算 Z向平衡機構(gòu)的平衡量的計算因其采用的重錘平衡方式，所以需要施加地平衡值是進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上包括刀架的所有部件的重量和。 第六章 潤滑和密封 6.1 Z軸滾動軸承的潤滑 由于軸承在運動時軸承內(nèi)部滾動體不斷在運動，這樣就不可避免的會造成各種摩擦磨損。因此必須對軸承進(jìn)行必要的潤滑與維護(hù)。 6.1.1潤滑的作用 （1） 摩擦?xí)r產(chǎn)生的熱量相對減少，改善了軸承的工作條件； （2） 降低運動時滾動體的磨損； （3） 能夠有效的防止軸承生銹； （4） 運動時潤滑油隨之蒸發(fā)有利于軸承的熱量散發(fā)； （5） 在使用潤滑脂潤滑時由于潤滑脂是固體有利于軸承的密封。 6.1.2潤滑劑的選擇 在選擇潤滑劑時應(yīng)該考慮到的因素如下： （1） 軸承的工作溫度 所有的潤滑劑對溫度都有相應(yīng)要求，過高的溫度會導(dǎo)致潤滑劑的粘度直接降低，甚至?xí)耆バЧ^低的溫度會導(dǎo)致潤滑劑直接冷凍。所以得按照所需溫度的要求選擇相應(yīng)的潤滑劑種類。 （2） 軸承的工作載荷 壓力也是會導(dǎo)致潤滑劑粘度降低的關(guān)鍵性因素之一。過高的壓力會直接導(dǎo)致潤滑劑使用效果變差，甚至?xí)驗檎衬ぷ儽?，在大載荷下直接破裂。因此選擇潤滑劑時應(yīng)該根據(jù)壓力的大小來選擇種類，其粘度和壓力大小成正比的。 （3） 軸承的工作轉(zhuǎn)速 工作時，隨著軸承轉(zhuǎn)速的增大，內(nèi)部的溫度隨著摩擦的加劇也在增加，潤滑劑的粘度就會相應(yīng)降低，所以我們就得控制軸承的dn值。各類軸承，在不同潤滑劑和潤滑方式下所允許的dn值見表6-1. 表6.1 各種潤滑方式下軸承允許的dn值 6.2 潤滑劑的種類 潤滑脂和潤滑油是目前使用的潤滑劑的兩種種類。 6.2.1潤滑脂 潤滑油、稠化劑和添加劑三者在高溫下混合而成的物質(zhì)就是潤滑脂，通常添加劑的不同就會有不同的潤滑脂。 針入度、滴點、機械安定性、氧化安定性和防腐性是常用來評價潤滑脂的好壞程度的標(biāo)準(zhǔn)。選擇潤滑脂時同樣要從三個方面來選擇要求與標(biāo)準(zhǔn)在上述潤滑劑選擇時已有相應(yīng)陳述。 滴點就是用來評價潤滑脂工作溫度的主要指標(biāo)，通常來說滴點就是所有部件工作時所能達(dá)到的最高溫度，所以軸承工作時其產(chǎn)生的溫度應(yīng)該低于滴點，同時在潤滑劑合成時其溫度也應(yīng)該低于滴點，具體低于多少前者低于10-20攝氏度，后者低于20-30攝氏度。潤滑脂在載荷下工作的能力用針入度來表示，同時潤滑脂越軟針入度越小，載荷的大小和針入度的大小是成反比的。添加劑的不同潤滑脂的使用環(huán)境也不同，鈣基潤滑脂就適用于潮濕的環(huán)境，相反鈉基就比較適用于干燥的環(huán)境中。 潤滑脂因其油膜強度高呈半固體狀態(tài)所以密封簡單，同時不易流失等優(yōu)點，所以在軸承中多用潤滑脂潤滑。 但同時由于潤滑脂呈半固體狀態(tài)所以工作時溫度上升過快，摸索會加劇，所以潤滑脂一定要適量安放。潤滑脂的多少一般以軸承與外殼之間空間的一半為宜。 6.2.2 潤滑油 潤滑油的種類有很多都呈現(xiàn)液體狀態(tài)其中包括特制的礦物油、植物油和合成潤滑油。 粘度是評價潤滑油的主要指標(biāo)之一。 粘度是指潤滑油運動時其之間分子之間相互的摩擦作用力。潤滑油形成油膜的能力和粘度有重要的關(guān)聯(lián)性，一般來說粘度越高形成油膜的能力越強，所以粘度是評價潤滑油好壞的重要指標(biāo)。 軸承如需在高溫或者高壓下工作，因潤滑油具有冷卻的功能以及易清洗的優(yōu)點所以一般選擇潤滑油潤滑。但潤滑油是液體，就必須考慮到其密封的能力，所以密封性差，密封機構(gòu)復(fù)雜是其主要的缺點。 6.3 Z軸部件的密封 為了使軸承的壽命有所提高，必須對軸承進(jìn)行必要的額密封，為了防止?jié)櫥瑒┑囊绯龌蛘咂渌s物的進(jìn)入干擾軸承的工作環(huán)境同時也是為了保證讓軸承有一個好的潤滑條件的工作場所。在決定軸承進(jìn)行何種密封時，必須得考慮到如下的因素： （1） 軸承所工作場所的外部條件； （2） 軸承的最高轉(zhuǎn)速及其造成的最高溫度； （3） 軸的用何種支承形式及其支承特點； （4） 使用的是何種潤滑劑及潤滑劑的各項指標(biāo)和性能； 軸承密封沒有太多的分類，一般只分為接觸式和非接觸式兩種形式。 6.3.1 非接觸式密封 非接觸式密封包括間隙式、迷宮式和墊圈式等不同結(jié)構(gòu)。此類密封裝置最大的特點是密封件是獨立的不會與其他部件產(chǎn)生直接接觸，因此項特點，非接觸密封一般被應(yīng)用于高速運動的場合。表6-2是各種非接觸式密封的特征點。 表6.2 非接觸式密封 6.3.2 接觸式密封 接觸式密封包括毛氈密封、橡膠密封等。此類密封的特點就是密封件會與部件有直接的接觸，所以在部件工作時產(chǎn)生的摩擦力會使溫度直線升高，因此特點，接觸式密封一般只被應(yīng)用于低速運轉(zhuǎn)的場合中，其各個密 封形式特征點見表6-3。[12] 表6.3 接觸式密封 根據(jù)工作環(huán)境和對密封的不同要求，工程中往往綜合運用幾種不同的密封形式，以期達(dá)到更好的密封效果，見表6.4。 表6.4 綜合密封效果 本課題選用的是接觸式密封圈密封。  第7章 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 7.1 技術(shù)成本分析的目的與意義 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析是一門學(xué)科，有和兩個不同領(lǐng)域的學(xué)科。它們之間的關(guān)系非常密切，是推動技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要手段。 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析就是分析所設(shè)計的機構(gòu)需要的成本。在成本和零件之間存在的關(guān)系，考慮在成本高或者低的情況下所使用的結(jié)構(gòu)設(shè)計。找出能夠降低成本的方法，使得設(shè)計完成的更合理。技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析是成本管理不可或缺的重要組成部分，是評定一個機構(gòu)合理經(jīng)營計劃成本的實施，發(fā)揮著不可忽視的作用。如在本次數(shù)控立車進(jìn)給系統(tǒng)及其平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計過程中，就是通過研究各種因素及其變動原因，進(jìn)行計算、比較、論證，優(yōu)選最佳方案。因此，合理的成本分析是商業(yè)計劃適當(dāng)?shù)卦u估成本的必然結(jié)果，也是導(dǎo)致成本變化的原因之一，為企業(yè)提供了一個非常發(fā)展業(yè)務(wù)決策的。 作為成本管理的重要組成部分，技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析有著不可或缺的作用。設(shè)計過程中可能會遇到一些這方面的困難，想成為一個合格的設(shè)計師，不可畏難。要對設(shè)計結(jié)構(gòu)很了解，并考慮成本分析。這也是節(jié)約成本，創(chuàng)新產(chǎn)品的合理體現(xiàn)，公司的經(jīng)濟(jì)效益在經(jīng)過技術(shù)分析之后往往能夠得到顯著的提升，這個就是技術(shù)分析的意義所在。 7.2 成本計算依據(jù) 按照零件的總量，求出所需的加工費用，就可以求得本課題設(shè)計的總成本。依據(jù)計算公式： 重量 工時費：主要件（主軸、法蘭盤、電機安裝板等）=材料費×8；一般件=材料費×（4~5） （1）材料費的計算 由計算公式可得：45鋼毛坯重量=85.252Kg （2）工時費的計算 主要的零件：主要的工時費用=289.52×8=2316.16元 一般的零件：一般的工時費用=4.79×4.5=21.56元 （3） 表 5.1 序號 名稱 材料 熱處理要求 凈重（Kg） 1 墊圈 45 表面鍍鋅 0.93 2 塊 45 發(fā)藍(lán) 3.72 3 套 45 表面鍍鋅 3.3 4 主軸 20CrMnTi 滲碳淬火 2.55 5 套 45 發(fā)藍(lán) 0.03 表 5.2 序號 名稱 單價（元/Kg） 1 鍍鋅 1.1 2 發(fā)藍(lán) 1 3 淬火 1.5 因此熱處理加工費用為12.23元。 7.3 成本材料構(gòu)成 7.3.1 非標(biāo)準(zhǔn)件 裝配圖中非標(biāo)準(zhǔn)件的統(tǒng)計，如表5.3所示； 表 5.3 序號 名稱 材料 數(shù)量 凈重（Kg） 1 墊圈 45 1 0.933 2 軸 20CrMnTi 1 2.181 3 套 45 4 0.181 4 塊 45 1 0.513 表5.3（續(xù)） 5 法蘭盤 45 2 10.53 6 端蓋 45 1 8.152 7 電機安裝板 45 1 53.81 目前，45鋼的價格為3400元/噸，45鋼總凈重：G=85.252Kg，非標(biāo)準(zhǔn)件購費：289.56元。 7.3.2 標(biāo)準(zhǔn)件外購費用 裝配圖中標(biāo)準(zhǔn)件的統(tǒng)計，如表5.4所示。 表 5.4 序號 名稱 規(guī)格 數(shù)量 單價（元/件） 1 螺釘 M6X20 M8X20 M10*30 M12X50 9 1 5 4 0.01 0.01 0.01 0.01 2 雙頭螺釘 M12*12 1 0.1 3 圓柱銷 M6X16 1 0.5 4 螺母 M3 M10 2 2 1 1 標(biāo)準(zhǔn)件的外購件費用為4.79元。 綜上所述，總成本為294.35元。 設(shè)計中，考慮到經(jīng)濟(jì)成本分析，再通過計算，有很大的好處?？梢愿鶕?jù)不同零件材料，它的加工工藝等合理的選型，降低零件的成本，提高性價比。這樣可以給企業(yè)的經(jīng)營模式產(chǎn)生正確性的引導(dǎo)作用，減少不必要的開支，提升整體經(jīng)濟(jì)水平，是至關(guān)重要的一個因素。在為企業(yè)發(fā)展的打下基礎(chǔ)的同時，企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益在這項分析下也得到了長足的進(jìn)步。 第八章 結(jié) 論 數(shù)控立式車床進(jìn)給系統(tǒng)及其平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計： 一、 主要工作及結(jié)論 (1) 熟悉數(shù)控立車進(jìn)給系統(tǒng)的工作原理和工作過程，并了解垂直運動部件的平衡參數(shù)問題。 (2)通過查閱各種資料了解設(shè)計進(jìn)給系統(tǒng)各部件及其組成結(jié)構(gòu)。 (3)完成各項參數(shù)的計算 (4)完成整體裝配的設(shè)計及各個零件圖的設(shè)計繪圖 二、 存在的問題 (1) 目前進(jìn)給系統(tǒng)的平衡方面還有待創(chuàng)新與完善。 (2) 在機構(gòu)的各種構(gòu)造、精度方面還得加大研究。 (3) 在機床體積與加工零件尺寸方面得加大。 在本次畢業(yè)設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)了自己學(xué)習(xí)生活中的許多缺點，這些在以后的生活工作中自己希望能夠逐步改善。 致