刀具刃磨中心z轴进给系统设计与建模毕业设计论文(编辑修改稿)

刀具刃磨中心z轴进给系统设计与建模毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

和方法 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，应把整个数控工具磨床 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。 本课题所设计的进给系统是针对经济型中档数控车床的，该系统设计成功一旦应用到生产实践中，将给中小规模的加工厂输入新的血液。 显著提高生产力水平，减轻劳动强度，提高经济效益。 陕西理工学院毕业设计论文 第 6 页 共 47 页 2. Z 向 进给传动系统 总体方案的确定 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。 进给传动控制伺服系统的选择 : 这类数控系统驱动不带检测装置，也无反馈电路，以步进电动机为驱动元件 .CNC装置输出的指 令进给脉冲经驱动电路进行功率放大，转换为控制步进电动机各定子绕组依此通电／断电的电流脉冲信号，驱动步进电动机转动，再经机床传动机构 (齿轮箱，丝杠等 )带动工作台移动。 这种方式控制简单，价格比较低廉，被广泛应用于经济型数控系统中。 陕西理工学院毕业设计论文 第 7 页 共 47 页 图 开环控制系统 控制系统 : 位置检测元件被安装在电动机轴端或丝杠轴端，通过角位移的测量间接计算出机床工作台的实际运行位置 (直线位移 )，并将其与 CNC 装置计算出的指令位置 (或位移 )相比较，用差值进行控制，其控制框图如图 4 所示。 由于闭环的环路内不包括丝杠、螺 母副及机床工作台这些大惯性环节，由这些环节造成的误差不能由环路所矫正，其控制精度不如闭环控制数控系统，但其调试方便，可以获得比较稳定的控制特性，因此在实际应用中，这种方式被广泛采用。 用的最多。 图 半开环控制系统 控制系统 : 位置检测装置安装在机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置 (直线位移 )，并将其与 CNC 装置计算出的指令位置 (或位移 )相比较，用差值进行控制。 这类控制方式的位置控制精度很高，但由于它将丝杠、螺母副及机床工作台这些大惯性环节放在闭环内，调试时，其系统稳定状态调试 比较麻烦。 高档精密机床使用。 数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床组成机床本体的各机械部件组成。 图 闭环控制系统 消除传动系统中的传动间隙，提高传动刚度，减少运动件的摩擦阻力，减小运动陕西理工学院毕业设计论文 第 8 页 共 47 页 惯量，系统要有适当阻尼，提高系统传动件传动精度。 根据需求，并且考虑到经济的效益，故选择半闭环控制系统。 进给驱动电动机类型的确定 早期的数控机床采用电液伺服驱动的较多，而现代数控机床基本上都采用全电气伺服驱动系统。 它可分为步进电机 ， 直流伺服电 动机和交流伺服电动机伺服驱动系统三类。 步进电动机 ： 步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移 (或线位移 )的电磁装置，是一种特殊的电动机。 一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入肘步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号 ，它就转过一定的角度。 步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。 在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位 置处于定位状态。 在电动机定子上有 A、 B、 C 三对磁极，磁极上绕有线圈，分别称之为 A相、 B 相和 C 相，而转子则是一个带齿的铁心，这种步进电动机称之为三相步进电动机。 如果在线圈中通以直流电，就会产生磁场，当 A、 B、 C三个磁极的线圈依次轮流通电，则 A、 B、 C 三对磁极就依次轮流产生磁场吸引转子转动。 直流伺服电动机 具有：①稳定性好；②转向取决于控制电压的极性，控制电压为零时，转子惯性很小，能立即停止； ③响应迅速，机械特性和调节特性都是线性的，而且不存在“自转”现象；④控制功率低 ， 损耗小；⑤转矩大；⑥机械特性和调节特性 都是线性的，而且不存在“自转”现象等特点。 交流伺服电动机 ： 输出或输入为交流电能的旋转电机 ， 称为交流电机 ， 它实际上就是两相异步电动机 ， 所以有时也叫两相伺服电动机。 交流伺服电动机的机械特性是非 线性的 ， 电容移相控制时非线性更为严重 ， 而且斜率随控制电压的变化而变化 ， 这会给系统的稳定和校正带来困难。 机械特性很软，低速段更软，负载转矩变化对转速影响很大 ，而且机械特性软会使阻尼系数减小 ， 时间常数增大。 从而降低了系统品质。 若交流伺服电动机设计参数选择不当，或制造工艺不良 ， 在单相状态下会产生 “ 自转 ” 而失控 ，而且其 电动机的转 子电阻相当大 ， 所以损耗大，效率低，电动机的利用程度差。 除此之外交流伺服电动机结构简单 ， 维护方便，运行可靠，适宜于不易检修的场合使用。 伺服电机是根据负载条件来选取的。 加在电机轴上的负载主要有两种 :负载扭矩和负载惯量 ， 其中负载扭矩包括切削扭矩和摩擦扭矩。 负载扭矩应小于所选择电机的额定陕西理工学院毕业设计论文 第 9 页 共 47 页 扭矩 ， 负载扭矩与加速扭矩之和应等于所选择电机的最大扭矩。 加速扭矩应考虑负载惯量和电机惯量的匹配 ， 同时还应考虑连续过载时间在所选电机的允许范围内 ， 负载快速运动时所需的电机转速应在电机的最高转速之内。 这样可使电机在机床的伺服系统中工 作性能得以充分发挥。 从上述三种电动机的比较可知 ，步进 电动机是自动控制系统中具有很高的优越性。 所以在 刀具刃磨中心 Z轴 的进给系统中使用 步进 电动机。 进给系统的 传动 要求及传动类型 的选择 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。 数控机床 进给 传动 系统的基本 传动方式常用的有三种：滚珠丝杠螺母副和静压丝杠螺母副和滑 动丝杠螺母副。 其特点是：摩擦系数小，仅为 ，；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。 结构简单，加工方便，在一定条件下能自锁，广泛用于一般的机床进给，调整和定位机构。 一．概述 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 η =～ ；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，亦可将直线运陕西理工学院毕业设计论文 第 10 页 共 47 页 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；珠丝杆由螺杆、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。 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。 二．滚珠丝杠副的工作原理： 滚珠丝杠螺母副工作原理，如图所示。 图中 丝杠和螺母上都加工有圆弧形的螺旋槽，当它们对合起来就形成了螺旋滚道。 在滚道内装有滚珠，当丝杠与螺母相对运动时，滚珠沿螺旋槽向前滚动，在丝杠上滚过数圈以后通过回程引导装置，逐个地又滚回到丝杠与螺母之间，构成一个闭合的回路。 内滚道外滚道( ) ( ) 图 滚珠丝杠螺母副工作原理图 图 螺纹滚道法向截面形式 三．常用的循环方式有两种： （ 1） 外循环 滚珠在循环过程结束后，通过螺母外表面上的螺旋槽或插管返回丝杠间重新进入循环。 如图 ） 所示为插管式，它用弯管作为返回管道，这种形式结构工艺性好，但由于管道突出于螺母体外，径向尺寸较大。 如图 ） 所示为螺旋槽式，它是在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔并与螺纹滚道相切，形成返回通道，这种形式的结构比插管式结构径向尺寸小，但制造较复杂。 （ 2）内循环 这种循环靠螺母上安装的反向器接通相邻滚道 ,使滚珠成单圈环 , 如图 ,滚珠从螺纹滚道进入反向器 ,借助反向器迫使滚珠越过丝杠牙顶进入相邻滚道 ,实现循环。 一般一个螺母上装有 2～ 4 个反向器，反向器沿螺母圆周等分分布。 其优点是径向尺 寸紧凑，刚性好，因其返回滚道较短，摩擦损失小。 缺点是反向器加工困难。 陕西理工学院毕业设计论文 第 11 页 共 47 页 ( )( ) 图 外循环滚珠丝杠 反向器反向器 图 内循环滚珠丝杠 四．滚珠丝杠螺母副轴向间隙的调整 滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙。 为了保证反向传动精度和丝杠的刚度，必须消除轴向间隙。 消除间隙的方法常采用双螺母结构，利用两个螺母的相对轴向位移，使两个滚珠螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上。 用这种方法预紧 消除轴向间隙时，应注意预紧力不宜过大，预紧力过大会使空载力矩增加，从而降低传动效率，缩短使用寿命。 此外还要消除丝杠安装部分和驱动部分的间隙。 常用的螺母丝杠消除间隙方法有： 垫片调隙式。 如图 所示，调整垫片厚度使左右两螺母不能相对旋转，只产生轴向位移，即可消除间隙和产生预紧力。 这种方式结构简单，刚性好，调整时需要卸下调整垫圈修磨，滚道有磨损时不能随时消除间隙和进行预紧。 陕西理工学院毕业设计论文 第 12 页 共 47 页 左螺母垫片右螺母丝杠ⅠⅠ放大圆螺母锁紧螺母 左螺母 右螺母 平键 图 垫片调隙式 图 螺纹调隙式 螺纹调隙式。 如图 所示，滚珠丝杠左右两螺母副以平键与外套相联，用平键限制螺母在螺母座内的转动。 调整时，只要拧动圆螺母 1即可消除间隙并产生预紧力，然后用螺母 2 锁紧。 这种调整方法具有结构简单、工作可靠、调整方便的优点，但预紧量不很准确。 齿差调隙式。 如图 所示，在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮，分别与固紧在套筒两端的内齿圈相啮合，其齿数分别为 z1和 z2，并相差一个齿。 调整时，先取下内齿圈，让两个螺母相对于套筒同方向都转动一个齿，然后再插入内齿圈，则两个螺母便产生相对角位移，其轴 向位移量  tzzs 21 /11 。 例如， z1=81， z2=80，滚珠丝杠的导程为 t=6mm 时， s=6/6480≈。 这种调整方法能精确调整预紧量，调整方便、可靠，但结构尺寸较大，多用于高精度的传动。 Z 1内齿圈Z 2L 0L 0 + Δ L 0L 0 图 齿差调隙式 图 单螺母变位螺距式。 如图 所示，它是在滚珠螺母体内的两列循环滚珠链之间使用螺纹滚道在轴向产生一个△ L0 的导程突变量，从而使两列滚珠在轴向错位实现预紧。 这种调隙方法结构简单，但负荷量须预先设定且不能改变。 陕西理工学院毕业设计论文 第 13 页 共 47 页 4 特点： 与滑动 丝杠 副相比驱动力矩为 1/3 由于 滚珠丝杠副 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。 高精度的保证 滚珠丝杠副是用 日本 制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面 ,对温度、湿度进行了严格的。