数控车床进给系统机械传动结构的设计毕业设计论文(编辑修改稿)

数控车床进给系统机械传动结构的设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

杠副 的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动 ,所以能得到较高的运动效率。 与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到 1/3 以下 ,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的 1/3。 在省电方面很有帮助。 采用滚珠丝杠副，滚珠丝杠直接与联轴器连接。 （ 2）导向机构采用滚动直线导轨。 直线导轨一般为二种，一种是滚动式，一种是滑动式，滚动直线滑轨是一种滚动导引，它由钢珠在滑 块与滑轨之间作无限滚动循环，使得负载平台能沿着滑轨轻易的以高精度作线性运动，其摩擦系数可降至传统滑动导引的 1/50，使之能轻易地达到 1μm级的定位精度。 现在滑块与滑轨间的末制单元设计，使得线形滑轨可同时承受上下左右等各方向的负荷，专利的回流系统及精简化的结构设计使线性滑轨有更平顺且低噪音的运动。 滚动直线导轨副动静摩擦力之差很小，摩擦阻力小，随动性极好。 导轨的导向精度要求高。 图 21 工作台草图 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 5 （ 3）执行机构采用交流伺服电动机。 交流伺服电动机，是将电能转变为机械能的一种机器。 交流伺服电动机主要由 一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子组成。 电动机利用通电线圈在磁场中受力转动的现象而制成的。 交流伺服电动机主要由定子部分和转子部分组成，其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相同，在定子铁心中也安放着空间互成 90 度电角度的两相绕组（其中一组为激磁绕组，另一组为控制绕组）。 交流伺服电动机控制精度高，矩频特性好，具有过载能力，多应用于物料计量，横封装置和定长裁切机上。 工作台草图如 上 图 21。 伺服电机设计 伺服电机概述 交流伺服电动机 的结构主要可分为两部分，即定子部分和转子部分。 其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相同，在定子铁心中也安放着空间互成 90 度电角度的两相绕组。 其中一组为激磁绕组，另一组为控制绕组，交流伺服电动机一种两相的交流电动机。 交流伺服电动机使用时，激磁绕组两端施加恒定的激磁电压 Uf，控制绕组两端施加控制电压Uk。 当定子绕组加上电压后，伺服电动机很快就会转动起来。 通入励磁绕组及控制绕组的电流在电机内产生一个旋转磁场 ，旋转磁场的转向决定了电机的转向，当任意一个绕组上所加的电压反相时，旋转磁场的方向就发生改变，电机的方向也发生改变。 表 21 交流伺服电动机的分类、特点及使用范围 类型 代号 结构特点 性能特点 使用范围 笼型交流伺服电动机 SL 转子与定子结构与一般笼型异步电动机相似 ,但转子一般为两相 ,且细而长 ,笼可用铝、紫铜、黄铜制成 励磁电流较小，体积较小，机械强度较高，低速运转时不够平滑，有抖动现象 广泛运用于小功率自动控制系统、随动系统和计算装置中 非磁性杯型交流伺服电动机 SK ADP 用 非磁性金属铝、黄铜等制成杯形转子，杯的内外由内外定子构成磁路 转动惯量小，运转平滑、无抖动现象，励磁电流和体积较大 用于要求运行平滑的系统，如自动装置和计算装置等 FANUC 交流伺服电动机 FANUC 转矩大 ,转速低 ,机械特性线性度好 ,低速性能良好，可直接与丝杠连接 用于数控机床驱动或其他驱动系统 低速交流伺服电动机 SD SA ND 转子、定子结构与笼型交流伺服电动机相同 ,另外机壳中装有齿轮减速装置 体积小 ,重量轻 ,力能指标高 ,性能好，输出转速低 ,转矩大 广泛应用于自动装置和计算技术装置中作驱动、执 行或控制元件 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 6 步进电机是一种离散运动的装置，它和现代 数字控制技术 有着本质的联系。 在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。 随着全数字式 交流伺服系统 的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。 为了适应数字控制的发展趋势， 运动控制系统 中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。 虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。 现就二者的使用性能作一比较。 1)在整个调速范围内，其负载转矩应该在电动机连续额定转矩的范围以内； 2)工作负载与过载时间应该在规定的范围以内； 3)应使加速度与希望的时间常数一样； 下表 22 为交流伺服电动机的特性实例： 表 22 交流伺服电动机特性举例 电动机 特性 SM 型伺服电机 IM 型伺服电机 输出功率 /W 1100 1100 峰值电流（ A/相 ) 峰值电压（ V/相） 功率因素 /% 功率 /% 电阻 / 感应电压常数/ )]min([ 1 rmV 100 100 转动惯量 / ）（ 2mkg   功率变化率 / )sk 1W（ 12 16 伺服电机选择 伺服电机选择原则 步进电机是一种离散运动的装置，它和现代 数字控制技术 有着本质的联系。 在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。 随着全数字式 交流伺服系统 的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。 为了适应数字控制的发展趋势， 运动控制系统 中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。 虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。 现就二者的使用性能作一比较。 一般电机要承受两种形式的力矩：恒定的负载力矩和切削力矩（包徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 7 括摩擦力矩）；加 /减速力矩。 步进电机在低速时易出现低频振动现象。 振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。 这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常 运转非常不利。 当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。 交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（ FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。 步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。 交流 伺服驱动系统 为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。 下面是选择电机时应满足的条件： （ 1）机床无负载时，加在电动机上的力矩应小于电动机的连续额定力矩的 50%一下。 否则，在切削或加速 /减速时电动机就可能过热。 （ 2）加 /减速时间要短，须在电动机的允许范围内。 通常，负载力矩帮助电动机的减速，因此如果加速在允许时间内完成的话，减速 也可在相同时间内完成。 这样我们只需计算加速力矩，并在允许时间内核算力矩在电动机的机械特性的断续区内。 （ 3）频繁地定位和加 /减速会使电动机发热，此时需要计算出电动机承受的力矩的均方根值 Trms，使其小于电动机的额定力矩 Tc。 （ 4）电动机以最大切削力矩运行的时间应在允许范围内。 （ 5）负载的惯量要小于电动机本身惯量的 3 倍。 这里我们依据负载来选择电动机。 伺服电机设计计算 步进电机一般不具有过载能力。 交流伺服电机具有较强的过载能力。 以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。 其最大 转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。 步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 加到电机轴上的负载力矩通常由下式算出 见式 (): f2m TLFT   式（ ） 其中： mT —— 加到电机轴上的负载力矩（ Nm） F —— 沿坐标轴移动一个部件所需的力（ kgf） 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 8 L —— 电机转一转机床的移动距离 =  21 /ZZP fT —— 滚珠丝杠螺母或轴承加到电机轴上的摩擦力矩 步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要 200～ 400 毫秒。 交流伺服系统的加速性能较好，以松下 MSMA 400W 交流伺服 电机为例，从静止加速到其额定转速 3000RPM 仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。 无论是否在切削，是垂直轴还是水平轴， F 值取决于工作台的重量，摩擦系数， F 值还与平衡锤有关。 对于水平工作台， F 值可按下式计算 : W—— 工作台与工件重量 =60kg  —— 滑动表面摩擦系数 =  —— 驱动系统的效率 = Fg—— 镶条锁紧力 =5kgf CF —— 反切削力 =50kgf cfF —— 由切削力矩引起的滑动表面上工作台上收到的力 =30kgf （设 fT =2kgf cm= m） 不切削时 见式 ()： ）fg(  WF  式（ ） )5060( F kgf ）（（ )  T m0 . 1 Ncmk g  切削时 见式 ()： ）（ cfC fg FWFF   式（ ） )305060( F kgf57 2)(  ）（T m1mk g f10  N 为满足运行条件，应根据数据选择电动机，其负载力矩在不切削时应大于  m，最高转速应小于 20xxr 1min。 交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。 但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。 所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 9 伺服电机选择 综上所述，选择 FANUC 系列交流伺服电动机，电动机的型号为 FANUC40 该类型伺服电动机是由日本法纳克公司为满足 CNC 机床和工业机器人的需要开发的，这种伺服交流电动机都是永磁式同步型伺服电动机，其特点都是定子为三相绕组，转子为永久磁铁。 其结构、性能特点是转矩大、转速低，机械特性线性度好低速性能良好，可直接与丝杠连接。 我们选用的 FANUC40，其数据见表 23。 其特点如下： 1）具有独特的磁极形状，使转矩波动最小； 2）外面没有机壳，定于铁心直接在空气中冷却，这种结构使电动机温升能减到最低； 3）具有高的转矩 /惯量比，能承受高的加减速； 4）由于采用了集中磁力线机构，在保证高输出转矩的情况下，电动机体积小而且重量轻； 5）由于采用高频脉宽调制控制，电动机只有很低的噪声和振动。 表 23FANUC40 的技术数据 型号） 输出功率（ KW） 额定转矩（ Nm） 最大转矩(Nm) 最高转速(r/min) 转动惯量(kg/ 2m ) 机械时间常数 (ms) 热时间常数(min) 质量(kg) 40 3000  11 15 滚珠丝杠副介绍 滚珠丝杠副概述 滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。 滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。 它的功能是 将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将 轴承 从滚动动作变成滑动动作。 由于具有很小的 摩擦阻力 ，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。 滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动 转换成线性运动，或将 扭矩 转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点 常用的循环方式有两种：外循环和内循环。 滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称为内循环。 滚珠每一个循环闭路称为列，每个滚珠循环闭路内所含导程数称为圈数。 内循环滚珠丝杠副的每个螺母有 2 列、 3 列、 4 列、 5 列等几种，每列只有一圈；外循环每列有 圈、 圈和 圈等 几种。 （ 1） 外循环外循环是滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环。 外循环滚珠丝杠螺母副按滚珠循环时的返回方式主要有端盖式、插管式和螺旋槽式。 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 10 （ 2） 内循环内循环滚珠丝杠。 内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种类型。 丝杠螺母机构有滑动摩擦和滚动摩擦之分。 滑动丝杠螺母机构结构简单，加工方便，制造成本低，具有自锁功能。 但其摩擦阻力大，传动效率低。 滚动丝杠。