立式加工中心Z軸進(jìn)給傳動(dòng)設(shè)計(jì)

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Sells two prosperous good tendencies, up to September, 2002, an Modular machine tool profession enterprise only Modular machine tool product item, the output has reached 800 according to incomplete statistics, the output value reaches 3 above the hundreds million, in 2001 the same ratio grew above 10%, moreover Modular machine tool profession industry increase in value! Product sales rate! Whole staff total wages! The exportation delivery value and so on the economic indicator has the varying degree growth, new product! The new technology goes to the yearly average to have the large scale enhancement, the obvious profession enterprise operation condition is good” 1 Modular machine-tool technical equip present situation and trend of development The Modular machine tool and from the generation is the collection mechanical and electrical in a body synthesis automatic high technique of manufacture and the complete craft equipment, Its characteristic is highly effective! High-grade! The economy is practical, thus is widely applied in the project machinery! Transportation! Energy! War industry! Light industry! Professions and so on electrical appliances. Our country tradition Modular machine tool and the Modular machine tool mainly use from the generation machine! Electricity! Gas! The hydraulic control, its processing object mainly produces the Modular machine tool processing connecting rod which the batch quite big major and medium flask body class and the axis class components (the recent years developed! The board and so on also occupies certain share), completes the drill hole! Broaching! Reams, processes each kind of thread! Bore! Surfacing and lug boss, in hole boring each kind of shape trough, as well as milling plane and formed surface and so on. he Modular machine tool classification is many, has the large-scale Modular machine tool and the small Modular machine tool, has one-sided! Two-sided! Three! Horizontal type! Vertical! Inclined type! Compound expression, but also has the multi-location rotation table model Modular machine tool and so on; Along with the technical unceasing progress, one kind of new Modular machine tool, the flexibility Modular machine tool more and more receives peoples favor, it applies the multi-position headstock! May trade the headstock! The code retinue jig and the cutting tool automatic replacement, matches by programmable controller (PLC)!Numerical control (NC) and so on, Along with market competition aggravating and to product demand, high accuracy! High productivity! Flexibility! Multi-varieties! Short period! The numerical control engine bed and is attacking the traditional Modular machine tool profession from the generation, therefore the Modular machine tool equips the development mentality must be by increases the group bed processing precision! Modular machine tool flexibility! The Modular machine tool operational reliability gathers the engine bed technology the complete set for the main attack direction. At the same time, the enhancement technology application, enhances the Modular machine tool product numerical control rate; On the other hand further develops the new part, the multi-coordinates part, causes its modulation in particular! Flexibility, adaptation adjustable invariable! Multi-variety processing market demand. Super velocity and super elevation precision processing technical equip and compound! Multi-purpose! The multiple spindle control device and so on is welcome deeply. However more essential is the Modern Communication Technology in the engine bed equipment application, the information communication introduction causes the modern engine bed the automatic further to enhance, also has the quite big disparity in these aspect our country Modular machine tool equipment, therefore our country Modular machine tool technical equip high velocity! High accuracy! Flexibility! Modulation! Adjustable invariable! Random workable as well as the communication application will be the next development direction” 2 Modular machine tool profession development ponders in the recent two years although the Modular machine tool profession production and marketing presents the trend of escalation, but in the profession some enterprise similar existence debt management situation, the primary cause is the traditional Modular machine tool product can satisfy the user flexibility! High accuracy! The short period market demand, simultaneously Modular machine tool profession some enterprises have the modern management level to be low! The brain drain is serious! The achievements in scientific research cannot transform rapidly as flaws and so on productive forces. For this proposed suggested as follows: (1) enhancement modern management level, after China joins WTO, the urgent need enterprise raises the modern management level, further deepens the enterprise interior reform, establishes the perfect adaptation market economy the operational mechanism,/The establishment enterprises science management system, achieves the centralization to be correct! Decentralization order! The authorization has the chapter! With the power having responsibility right intrinsic unification organic synthesis, is enhances the enterprise controlling force to have “must completely change the backward system, must set up the globalization management idea, sharpens the international market competitive ability, establishes the market rapid reaction mechanism, adapts the market demand which develops day by day” (2) urgently awaited to sharpen the enterprise innovation ability “enterprises survival, the key lies in the product the vitality” to march into Electronic Age today, the traditional Modular machine tool already cannot meet the high speed development domestic and foreign market requirement, this request enterprise had to adapt the science and technology rapid development, established the technological innovation system, the advancement enterprises technology advancement, accelerated to the flexibility! Numerical control! High accuracy! The short period direction develops, enhances the Modular machine tool applicable scope and the market coverage; Simultaneously implements the name brand strategy, the struggle creates the world brand, accelerates our country Modular machine tool development advancement, causes Our country Modular machine tool Profession Enterprise to be in an impregnable position in the world manufacture domain. In summary, the Modular machine tool profession must develop the technical attack attacking and capturing current profession enterprise technological development difficult problem; Two must strengthen and the overseas joint capital cooperation, the use and the study overseas vanguard technology, enhances the enterprise the modern management level and the technical level; Three must through to introduce technical the digestion absorption to carry on innovates again, develops own product “through ours endeavor, causes our country truly by to make the great nation to turn makes the powerful nation” 組合機(jī)床行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展思考 摘要： 我國組合機(jī)床技術(shù)裝備的現(xiàn)狀和行業(yè)的發(fā)展，并提出了本人的一些觀點(diǎn) 關(guān)鍵詞：組合機(jī)床 發(fā)展思路 技術(shù)創(chuàng)新 我國加入WTO以后，制造業(yè)所面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。組合機(jī)床行業(yè)企業(yè)適時(shí)調(diào)整戰(zhàn)略，采取了積極的應(yīng)對(duì)策略，出現(xiàn)了產(chǎn)、銷兩旺的良好勢頭，截至2002年9月份，組合機(jī)床行業(yè)企業(yè)僅組合機(jī)床產(chǎn)品一項(xiàng)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量已達(dá)800余臺(tái)，產(chǎn)值達(dá)3個(gè)億以上，較2001年同比增長了10%以上，另外組合機(jī)床行業(yè)工業(yè)增加值、產(chǎn)品銷售率、全員工資總額、出口交貨值等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均有不同程度的增長，新產(chǎn)品、新技術(shù)較去年均有大幅度提高，可見行業(yè)企業(yè)運(yùn)營狀況良好” 1 組合機(jī)床技術(shù)裝備現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 組合機(jī)床及其自動(dòng)線是集機(jī)電于一體的綜合自動(dòng)化程度較高的制造技術(shù)和成套工藝裝備,它的特征是高效、高質(zhì)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，因而被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、交通、能源、軍工、輕工、家電等行業(yè).我國傳統(tǒng)的組合機(jī)床及組合機(jī)床自動(dòng)線主要采用機(jī)、電、氣、液壓控制，它的加工對(duì)象主要是生產(chǎn)批量比較大的大中型箱體類和軸類零件(近年研制的組合機(jī)床加工連桿、板件等也占一定份額)，完成鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔，加工各種螺紋、鏜孔、車端面和凸臺(tái)，在孔內(nèi)鏜各種形狀槽，以及銑削平面和成形面等.組合機(jī)床的分類繁多，有大型組合機(jī)床和小型組合機(jī)床，有單面、雙面、三面、臥式、立式、傾斜式、復(fù)合式，還有多工位回轉(zhuǎn)臺(tái)式組合機(jī)床等;隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，一種新型的組合機(jī)床，柔性組合機(jī)床越來越受到人們的青睞，它應(yīng)用多位主軸箱!可換主軸箱!編碼隨行夾具和刀具的自動(dòng)更換，配以可編程序控制器(PLC) 、數(shù)字控制(NC)等，隨著市場競爭的加劇和對(duì)產(chǎn)品需求的，高精度、高生產(chǎn)率、柔性化、多品種、短周期、數(shù)控機(jī)床及其自動(dòng)線正在沖擊著傳統(tǒng)的組合機(jī)床行業(yè)，因此組合機(jī)床裝備的發(fā)展思路必須是以提高組床加工精度、組合機(jī)床柔性、組合機(jī)床工作可靠性合機(jī)床技術(shù)的成套性為主攻方向。一方面，加強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用，提高組合機(jī)床產(chǎn)品數(shù)控化率;另一方面進(jìn)一步發(fā)展新型部件，尤其是多坐標(biāo)部件，使其模塊化、柔性化，適應(yīng)可調(diào)可變、多品種加工的市場需求。超高速和超高精度加工技術(shù)裝備與復(fù)合、多功能、多軸化控制設(shè)備等深受歡迎。然而更關(guān)鍵的是現(xiàn)代通信技術(shù)在機(jī)床裝備中的應(yīng)用，信息通信技術(shù)的引進(jìn)使得現(xiàn)代機(jī)床的自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高，在這些方面我國組合機(jī)床裝備還有相當(dāng)大的差距，因此我國組合機(jī)床技術(shù)裝備高速度、高精度、柔性化、模塊化、可調(diào)可變、任意加工性以及通信技術(shù)的應(yīng)用將是今后的發(fā)展方向” 2 組合機(jī)床行業(yè)的發(fā)展思考 近兩年雖然組合機(jī)床行業(yè)產(chǎn)銷呈現(xiàn)上升趨勢，但行業(yè)內(nèi)一些企業(yè)同樣存在負(fù)債經(jīng)營的情況，主要原因是傳統(tǒng)的組合機(jī)床產(chǎn)品不能滿足用戶柔性化、高精度、短周期的市場需求，同時(shí)組合機(jī)床行業(yè)一些企業(yè)存在現(xiàn)代化管理水平低、人才流失嚴(yán)重、科研成果不能迅速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力等缺陷。為此提出如下建議： (1) 提高現(xiàn)代化管理水平，中國加入WTO后，迫切要求企業(yè)提高現(xiàn)代化管理水平，進(jìn)一步深化企業(yè)內(nèi)部改革，建立健全適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行機(jī)制，建立企業(yè)的科學(xué)的管理體制，做到集權(quán)有道、分權(quán)有序、授權(quán)有章、用權(quán)有度的責(zé)權(quán)利內(nèi)在統(tǒng)一的有機(jī)結(jié)合，是提高企業(yè)控制力所必須的“要徹底改變落后的體制，必須樹立全球化經(jīng)營理念，提高國際市場競爭能力，建立市場快速反應(yīng)機(jī)制，以適應(yīng)日趨發(fā)展的市場需求” (2) 亟待提高企業(yè)創(chuàng)新能力“企業(yè)的生存，關(guān)鍵在于產(chǎn)品的生命力”已步入電子時(shí)代的今天，傳統(tǒng)的組合機(jī)床已經(jīng)不能適應(yīng)高速發(fā)展的國內(nèi)外市場需要，這就要求企業(yè)必須適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，建立技術(shù)創(chuàng)新體系，推進(jìn)企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，加速向柔性化、數(shù)控化、高精度、短周期方向發(fā)展，提高組合機(jī)床適用范圍和市場覆蓋面;同時(shí)實(shí)施名牌戰(zhàn)略，爭創(chuàng)世界品牌，加速我國組合機(jī)床的發(fā)展進(jìn)程，使我國組合機(jī)床行業(yè)企業(yè)在世界制造領(lǐng)域里立于不敗之地。 綜上所述，組合機(jī)床行業(yè)要開展科技攻關(guān)攻克當(dāng)前行業(yè)企業(yè)技術(shù)發(fā)展上的難題;二要加強(qiáng)與國外的合資合作，利用和學(xué)習(xí)國外的先進(jìn)技術(shù)，提高企業(yè)的現(xiàn)代化管理水平和技術(shù)水平;三要通過對(duì)引進(jìn)技術(shù)的消化吸收進(jìn)行再創(chuàng)新，發(fā)展自己的產(chǎn)品“通過我們的努力，使我國真 正由制造大國變成制造強(qiáng)國”。 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 字號(hào)為1號(hào)，隸書 字號(hào)為三號(hào)，宋體 字號(hào)為1號(hào)，黑體 “設(shè)計(jì)或論文”處 只保留其中兩個(gè)字，按實(shí)填寫 題 目：立式加工中心Z軸進(jìn)給傳動(dòng)設(shè)計(jì)與仿真 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 字號(hào)為小三號(hào)，宋體 班 級(jí)： 機(jī)制1204 學(xué)生姓名： 李崎崎 指導(dǎo)教師： 王志成 論文提交日期： 2016 年 5 月 25 日 論文答辯日期： 2016 年 6 月 6 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè) 機(jī)制1204班 學(xué)生：李崎崎 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 立式加工中心Z軸進(jìn)給傳動(dòng)設(shè)計(jì)與仿真 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容： 本設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括滾珠絲杠螺母副的選擇和計(jì)算；機(jī)床導(dǎo)軌副的選擇和計(jì)算；聯(lián)軸器選擇計(jì)算；坐標(biāo)軸定位精度校核；平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。數(shù)控系統(tǒng)選型、伺服電機(jī)選型；運(yùn)用自動(dòng)控制理論和MATLAB仿真軟件，對(duì)所設(shè)計(jì)的半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。主要技術(shù)參數(shù)：Z軸（主軸箱）行程 500mm，定位精度0.018mm，重復(fù)定位精度0.012mm，最大移動(dòng)速度24m/min。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專題部分： （1）切削力和切削功率的分析與計(jì)算 （2）滾珠絲杠副的選型與計(jì)算，確定滾珠絲杠的尺寸參數(shù)和型號(hào)、支撐方式、間隙調(diào)整和預(yù)緊、潤滑和密封 （3）直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的選型與計(jì)算，壽命估算 （4）X、Y、Z軸定位精度的驗(yàn)算等 （5）裝配圖與零件圖設(shè)計(jì) （6）伺服電機(jī)選型，基于NATLAB動(dòng)態(tài)特性的仿真 起止時(shí)間：2016.2.29~2016.6.17 指導(dǎo)教師： 王志成 簽字 2015年12月4日  摘要 裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度,數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如：信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，航空、航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術(shù)和最基本的裝備。制造技術(shù)和裝備是人類生產(chǎn)活動(dòng)的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)則是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。當(dāng)今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對(duì)動(dòng)態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競爭能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對(duì)我國實(shí)行封鎖和限制政策。 數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展自1953年美國研制出第一臺(tái)三坐標(biāo)方式升降臺(tái)數(shù)控銑床算起，至今已有53年歷史了。20世紀(jì)90年開始，計(jì)算機(jī)技術(shù)及相關(guān)的微電子基礎(chǔ)工業(yè)的高速發(fā)展，給數(shù)控機(jī)床的發(fā)展提供了一個(gè)良好的平臺(tái)，使數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)得到了高速的發(fā)展。我國數(shù)控技術(shù)研究從1958年起步，國產(chǎn)的第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床是北京第一機(jī)床廠生產(chǎn)的三坐標(biāo)數(shù)控銑床。雖然從時(shí)間上看只比國外晚了幾年，但由于種種原因，數(shù)控機(jī)床技術(shù)在我國的發(fā)展卻一直落后于國際水平，到1980年我國的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量還不到700臺(tái)。到90年代，我國的數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展才得到了一個(gè)較大的提速。目前，與國外先進(jìn)水平相比仍存在著較大的差距。 總之，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。 加工中心：是帶有刀庫和自動(dòng)換刀裝置的一種高度自動(dòng)化的多功能數(shù)控機(jī)床。在中國香港，臺(tái)灣及廣東一代也有很多人叫它電腦鑼。工件在加工中心上經(jīng)一次裝夾后，數(shù)字控制系統(tǒng)能控制機(jī)床按不同工序，自動(dòng)選擇和更換刀具，自動(dòng)改變機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和刀具相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)軌跡及其他輔助機(jī)能，依次完成工件幾個(gè)面上多工序的加工。并且有多種換刀或選刀功能，從而使生產(chǎn)效率大大提高。 加工中心由于備有刀庫并能自動(dòng)更換刀具，使得工件在一次裝夾中可以完成多工序的加工。加工中心一般不需要人為干預(yù)，當(dāng)機(jī)床開始程序后，它將一直運(yùn)行到程序結(jié)束。 關(guān)鍵詞： 數(shù)控機(jī)床； 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)； 滾珠絲杠； 仿真 ? abstract Industrial 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 today's 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, China's output of CNC machine tools is not to 700 sets. In the 1990s, China's 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 world's 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 錄 第1章概述 1 1.1課題的背景 1 1．2國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品及研發(fā)現(xiàn)狀 4 1．3主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線 6 第2章滾珠絲杠螺母副 7 2.1滾珠絲桿副及其支承的選取 7 2.2計(jì)算 7 第3 章伺服電機(jī) 19 3.1伺服電機(jī)的選型 19 3.1.1電機(jī)負(fù)載扭矩計(jì)算 19 3.1.2 慣量匹配計(jì)算 20 3.2伺服定位精度的驗(yàn)證 21 3.2.1 機(jī)械傳動(dòng)裝置剛度計(jì)算 21 3.2.2 伺服剛度計(jì)算 22 第4章仿真分析 23 4.1　機(jī)電進(jìn)給系統(tǒng)綜合結(jié)構(gòu)圖 23 4.2仿真分析 23 4.2.1　理想線性狀態(tài)的仿真分析 23 4. 2. 2　具有摩擦非線性因素的仿真分析 24 參考文獻(xiàn) 26 致謝 29 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第1章 概述 第1章 概述 1.1課題的背景 制造業(yè)直接體現(xiàn)了一個(gè)國家的生產(chǎn)力水平，是區(qū)別發(fā)展中國家和發(fā)達(dá)國家的重要因素。制造業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，是我國經(jīng)濟(jì)增長的主導(dǎo)部門和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)，是我國城鎮(zhèn)就業(yè)的主要渠道和國際競爭力的集中體現(xiàn)：作為過去20多年我國綜合國力提高的主要標(biāo)志。我國已經(jīng)成為裝備制造業(yè)大國，但產(chǎn)業(yè)大而不強(qiáng)、自主創(chuàng)新能力薄弱、自主創(chuàng)新產(chǎn)品推廣應(yīng)用困難等問題依然突出。應(yīng)該看到，我國目前正處于擴(kuò)大內(nèi)需、加快基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期，對(duì)先進(jìn)裝備有著巨大的市場需求。因此，提高中高檔數(shù)控機(jī)床的市場競爭力是機(jī)床行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的首要任務(wù)。必須采取有效措施加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)，加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，促進(jìn)裝備制造業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，為我國經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)較快發(fā)展做出貢獻(xiàn)。 數(shù)控機(jī)床作為現(xiàn)代裝備制造業(yè)的關(guān)鍵裝備，其產(chǎn)量和技術(shù)水平在某種程度上代表了國家的工業(yè)現(xiàn)代化水平和競爭力。我國數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平、性能和質(zhì)量與裝備制造業(yè)發(fā)達(dá)國家還有很大差距，高檔數(shù)控機(jī)床及功能部件大多依靠進(jìn)口，同時(shí)，數(shù)控機(jī)床作為國防軍工的戰(zhàn)略裝各，是各種武器裝備最重要的制造母機(jī)，是國防軍工裝備現(xiàn)代化的重要保證口。因此，一些發(fā)達(dá)國家把高性能數(shù)控機(jī)床作為戰(zhàn)略物資嚴(yán)加控制，限制我國進(jìn)口。 根據(jù)中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)市場部提供的國際招標(biāo)信息，中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)分會(huì)對(duì)2012年1～3月份通過國際招標(biāo)采購的加工中心總量、產(chǎn)品分類占比、產(chǎn)品水平和價(jià)格方面、用戶及制造商情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。進(jìn)一步了解了市場需求，為企業(yè)有針對(duì)性地開發(fā)新產(chǎn)品并積極參與國際招標(biāo)競爭起到引導(dǎo)作用。根據(jù)國際招標(biāo)采購加工中心匯總表，2012年1～3月，加工中心中標(biāo)項(xiàng)目共有153項(xiàng)，中標(biāo)數(shù)量為314臺(tái)，產(chǎn)品金額總計(jì)46962．4萬美元。各類加工中心中標(biāo)情況見表1．1。 表1．1 各類加工中心中標(biāo)情況 產(chǎn)品分類 中標(biāo)數(shù)量 產(chǎn)品數(shù)額（萬美元） 金額占比% 臥式加工中心-生產(chǎn)線 6 17857.75 38.0% 臥式加工中心 166 11945.98 25.4% 龍門加工中心 27 7255.68 15.5% 其它加工中心 50 4467.60 9.5% 立式加工中心-生產(chǎn)線 2 2544.21 5.4% 立式加工中心 61 2435.38 5.2% 其它加工中心-生產(chǎn)線 2 455.8 1.0% 總計(jì) 314 46962.4 100% 2012年1～3月份通過國際招標(biāo)采購的314臺(tái)加工中心，分布在13個(gè)國家和地區(qū)。以金額計(jì)算，德國中標(biāo)額最大，達(dá)到24387萬美元，占中標(biāo)總額的51．93％；日本中標(biāo)額排第2，為13856．06萬美元，占中標(biāo)總額的29．5％；法國排名第3，中標(biāo)額為2065．44萬美元，占中標(biāo)總額的4．4％；美國中標(biāo)額最少，為11．17萬美元，占中標(biāo)總額的0．02％。以數(shù)量計(jì)算，日本中標(biāo)臺(tái)數(shù)最多，為119臺(tái)；德國中標(biāo)97臺(tái)名列第2；法國中標(biāo)23臺(tái)排在第3；中國中標(biāo)17臺(tái)位列第4。詳細(xì)情況見表1．2。 表1．2 中標(biāo)產(chǎn)品國別分布及占比 制造商國別或地區(qū) 臺(tái)數(shù) 金額（萬美元） 金額占比 德國 97 24387.00 51.93% 日本 119 13856.06 29.50% 法國 23 2065.44 4.40% 意大利 12 1788.78 3.81% 瑞士 7 854.31 1.82% 韓國 12 803.01 1.71% 奧地利 1 695.35 1.48% 中國 17 657.79 1.40% 捷克 5 597.52 1.27% 西班牙 2 548.52 1.17% 中國臺(tái)灣 14 424.45 0.90% 新加坡 2 273.00 0.58% 美國 1 11.17 0.02% 總計(jì) 314 46962.40 100.00% 由以上數(shù)據(jù)可以看出，2012年，世界28個(gè)主要機(jī)床生產(chǎn)國機(jī)床產(chǎn)值932億美元，中國機(jī)床產(chǎn)值273．6億美元，約占30％，中國金屬加工機(jī)床消耗約占全球市場的45％。2012年，機(jī)床進(jìn)口額136．6億美元，其中加工中心進(jìn)口5萬臺(tái)，進(jìn)口額56．5億美元，占進(jìn)口機(jī)床總額的41．4％。2012年軍工企業(yè)進(jìn)口五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床進(jìn)口數(shù)量約占總進(jìn)口機(jī)床70％。而德國哈默公司C系列立式五軸加工中心屬于高精度、高性能機(jī)床，是我國進(jìn)口主要機(jī)種之一。 愛好軍事的朋友大多都知道著名的“東芝事件”：上世紀(jì)末，日本東芝公司賣給前蘇聯(lián)幾臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床，結(jié)果讓前蘇聯(lián)用于制造潛艇的推進(jìn)螺旋槳，上了幾個(gè)檔次，使美國間蝶船的聲納監(jiān)聽不到潛艇的聲音了，所以美國以東芝公司違反了戰(zhàn)略物資禁運(yùn)政策，要懲處東芝公司。由此可見，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)對(duì)一個(gè)國家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設(shè)各等等行業(yè)，有著舉足輕重的影響力?，F(xiàn)在大家普遍認(rèn)為，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)是解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)予、大型柴油機(jī)曲軸等加工的唯一手段。是衡量我國數(shù)控裝備制造水平的重要依據(jù)之一。與裝備制造發(fā)達(dá)國家相比，我國在五軸加工中心系列化程度、加工功能、加工效率、加工精度和市場占有率上尚有差距。尤其是五軸加工中心國產(chǎn)制造能力明顯不足，這已經(jīng)成為制約我國制造業(yè)快速發(fā)展，尤其是制約國家重大國防、航空和航天裝備制造能力的瓶頸。 1．2國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品及研發(fā)現(xiàn)狀 根據(jù)近三年來，中國國際機(jī)床展覽會(huì)展出機(jī)床產(chǎn)品來看，展會(huì)展品的特點(diǎn)是：突出智能功能，倡導(dǎo)低碳和綠色制造方式，柔性、復(fù)合、五軸聯(lián)動(dòng)、高精、高速化仍然是數(shù)控機(jī)床的發(fā)展主流，自動(dòng)化水平高，機(jī)床向安全、宜人化深度發(fā)展。1 1屆展會(huì)具有五軸聯(lián)動(dòng)功能的機(jī)床展品有80余臺(tái)套，眾多國際知名廠家都帶來展品。如HERMLE、DMG、米克朗、森精機(jī)等，臺(tái)灣的崴立、簏馳和友佳公司都帶來五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床展出，國內(nèi)的沈陽集團(tuán)、大連機(jī)床集團(tuán)、北京機(jī)電院等也都展出了五軸聯(lián)動(dòng)加工中心。展會(huì)展出的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心結(jié)構(gòu)形式多種多樣，從功能上講除了葉片式、葉輪式及龍門式加工中心外，五軸機(jī)床不再僅展示曲面加工，還有不少是展示一次裝夾，多面高效加工的功能。這是展會(huì)五軸機(jī)床最突出的亮點(diǎn)，也是五軸機(jī)床的發(fā)展趨勢，更是全面解決方案服務(wù)理念的具體體現(xiàn)。 瑞士GF阿奇夏米爾集團(tuán)展出的HPM 800U五軸加工中心屬于高效銑削領(lǐng)域中的最新一代產(chǎn)品。機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊、穩(wěn)定性好且動(dòng)力出眾。尤為突出的是：它對(duì)第四軸和第五軸的直接驅(qū)動(dòng)使其在加工500kg的工件時(shí)回轉(zhuǎn)軸和擺動(dòng)軸有充足的動(dòng)能。它具有四種不同類型的工作臺(tái)，可使小型工件在完全聯(lián)動(dòng)的回轉(zhuǎn)擺動(dòng)工作臺(tái)上手動(dòng)輕松裝載，并可以從后面進(jìn)行托盤交換。機(jī)床主要參數(shù)：行程(X×YXZ)：850×800X 550mlll，擺動(dòng)軸：+91。／．121。，回轉(zhuǎn)軸：360。，工作主軸：20000 min．1，快速移動(dòng)：45m／min，工作臺(tái)面：500×630 mm，最大承重：800kg，HSK．A63刀庫容量：60把。 DMG的新機(jī)床DMU 60也是一次裝夾多面加工的典范。該機(jī)將萬能銑床和立式加工中心的性能完美地結(jié)合，滿足一次裝夾五軸聯(lián)動(dòng)輪廓加工的要求。該機(jī)采用了動(dòng)梁式龍門結(jié)構(gòu)，直線軸(X×YXZ)的行程為600×500×500mm。B軸和C軸采用轉(zhuǎn)速 高達(dá)60rpm、擺動(dòng)范圍為+5。／．1 10。的快速數(shù)控?cái)[動(dòng)分度工作臺(tái)。工作臺(tái)的直徑為630mm，負(fù)載能力為400kg。旋轉(zhuǎn)軸的力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)提高了機(jī)床的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能。DMU 60標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床采用滾珠絲杠傳動(dòng)，快移速度為50 m／min。該機(jī)左側(cè)刀庫和鏈?zhǔn)酵屑艿脑O(shè)計(jì)也非常巧妙，機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠。標(biāo)配30把刀庫。標(biāo)配14，000 rpm主軸，用戶也可以選配18，000 rpm或24，000 rpm主軸。所有主軸可以配置SK40(BT40)或HSKA63刀柄。 還有HERMLE的C30U及北京機(jī)電院的XKH800、南通科技的5DLl 100等五軸加工中心，先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)及控制系統(tǒng)在五軸聯(lián)動(dòng)7J口32中,t>上得到了廣泛的應(yīng)用，如直驅(qū)技術(shù)、直線電機(jī)、力矩電機(jī)、內(nèi)裝式電主軸、熱變形控制技術(shù)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)等被廣泛利用。力矩電機(jī)在五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中起到了特別重要的作用。 從五軸聯(lián)動(dòng)加工中心產(chǎn)品上看，國內(nèi)五軸機(jī)床已走過從無到有，特別引人關(guān)注的時(shí)段。五軸機(jī)床的市場與立、臥式加工中心相比相對(duì)還比較小，如果機(jī)床做不成精品和實(shí)用，不能全面為用戶解決加工問題，用戶是不會(huì)輕易采購的。國外眾多知名廠商大多在其原有的機(jī)床上做了很大的改進(jìn)，五軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，制造精良，全面解決問題的能力非常強(qiáng)，這正是國內(nèi)廠家需要好好學(xué)習(xí)的，也是我國五軸機(jī)床的發(fā)展方向。 1．3主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線 目前，我國數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平、性能和質(zhì)量與裝備制造業(yè)發(fā)達(dá)國家還有很大差距，高檔數(shù)控機(jī)床及功能部件大多依靠進(jìn)口。數(shù)控機(jī)床作為國防軍工的戰(zhàn)略裝備，是各種武器裝備最重要的制造母機(jī)，是國防軍工裝備現(xiàn)代化的重要保證。因此，一些發(fā)達(dá)國家把高性能數(shù)控機(jī)床作為戰(zhàn)略物資嚴(yán)加控制，限制我國進(jìn)口。大連機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司在綜合比較分析國內(nèi)外五軸聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)，綜合借鑒國內(nèi)外先進(jìn)機(jī)床設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)分析手段的基礎(chǔ)上，采用設(shè)計(jì)計(jì)算和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，系統(tǒng)的對(duì)墻式五軸加工中心總體布局、主要功能部件的設(shè)計(jì)、機(jī)床精度保持和機(jī)床高速運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)性能分析等關(guān)鍵項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行深入研究。 論文作者為本產(chǎn)品主要研發(fā)人之～。本文將針對(duì)墻式五軸加工中心開發(fā)過程中機(jī)床結(jié)構(gòu)方面的問題展開研究，并著重進(jìn)行以下幾方面的分析和論述： (1)機(jī)床總體布局的確定 依據(jù)國內(nèi)外高檔五軸加工中心的機(jī)床參數(shù)，綜合分析市場需求、投入市場的競爭力、企業(yè)生產(chǎn)能力及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等因素，確定合理的機(jī)床參數(shù)；分析各種五軸加工中心結(jié)構(gòu)布局，綜合考慮機(jī)床的整體剛性、性能、制造成本、操作方便等因素，確定切合實(shí)際可行的布局方案。 (2)機(jī)床各傳動(dòng)系統(tǒng)的理論分析及計(jì)算選型 對(duì)機(jī)床三向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行理論分析，計(jì)算、校核三向絲杠及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的規(guī)格和型號(hào)；選定主傳動(dòng)功率，分析主軸形式并確定主傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力參數(shù)；進(jìn)行直取式快速換刀系統(tǒng)理論分析計(jì)算，確定刀庫驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速機(jī)的規(guī)格和型號(hào)。 (3)機(jī)床各部件原理分析及結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì) 簡要介紹產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)Pro／E軟件以及墻式五軸加工中心主體結(jié)構(gòu)：重點(diǎn)分析三向進(jìn)給傳動(dòng)結(jié)構(gòu)原理、分析提高傳動(dòng)系統(tǒng)性能的措施，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：進(jìn)行直取式快速換刀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理分析及設(shè)計(jì)，簡要分析床身、橫梁、滑板、雙軸搖籃轉(zhuǎn)臺(tái)等功能機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理及設(shè)計(jì)，完成機(jī)床的外觀造型設(shè)計(jì)。 (4)主要結(jié)構(gòu)模型有限元分析 簡要介紹Pro／E軟件、ANSYS軟件和優(yōu)化設(shè)計(jì)流程；運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)主要結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有限元分析。 7 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第2章 滾珠絲杠螺母副 第2章 滾珠絲杠螺母副 2.1滾珠絲桿副及其支承的選取 在半閉環(huán)控制方式中, 機(jī)床定位精度很大程度上取決于滾珠絲桿的精度, 其中絲桿的導(dǎo)程誤差對(duì)機(jī)床定位精度的影響最明顯。因此根據(jù)機(jī)床定位精度要求, 首先確定絲桿導(dǎo)程精度, 再根據(jù)機(jī)床行程、快速移動(dòng)速度、承載要求, 確定絲桿軸長、導(dǎo)程、直徑。最終選定滾珠絲桿型號(hào)為50×10C3- 2FDI( 長度分別為1.8m、1.4m、1.2m) , 軸承型號(hào)為35TAC72B。 2.2計(jì)算 (1)滾珠絲杠選型的初始設(shè)計(jì)條件如表2.1，機(jī)床各移動(dòng)部件的重量如表2.2。 表2.1 滾珠絲杠初始設(shè)計(jì)條件 進(jìn)給方向 驅(qū)動(dòng)數(shù)量 行程（mm） 快進(jìn)速度（m/min） 定位精度（mm） X向 單驅(qū) 1100 60 0.02 Y向 雙驅(qū) 1100 60 0.02 Z向 單驅(qū) 750 60 0.016 表2.2 機(jī)床移動(dòng)部件重量 移動(dòng)部件 橫梁結(jié)構(gòu) 滑板結(jié)構(gòu) 主軸箱結(jié)構(gòu) 工作臺(tái)最大載量 重量（kg） 2300 500 900 2000 考慮到在沒有平衡器的情況下，只靠伺服電機(jī)對(duì)主軸單元進(jìn)行升降及位置保持，電 機(jī)負(fù)荷過大，電力耗損量增加，另外，電機(jī)也會(huì)發(fā)熱使得絲杠受熱變長，影響機(jī)床精度，因此，利用氮?dú)馄胶馄髌胶馄渲亓?，來減輕伺服電機(jī)負(fù)荷，降低電力消耗和發(fā)熱，提高時(shí)的加工度，減輕絲杠及主軸單元導(dǎo)向部的負(fù)荷。 初選Pascal氮?dú)馄胶馄鱀NG32C，填充氣壓在7．0MPa時(shí)，初始負(fù)荷為5．6kN，最 大負(fù)荷為6．7kN。平衡力取初始值的90％：5kN。 (2)運(yùn)轉(zhuǎn)條件如表2.3。 表2.3 運(yùn)轉(zhuǎn)條件 運(yùn)動(dòng)類型 X向軸向負(fù)載（N） Y向軸向負(fù)載（N） Z向軸向負(fù)載（N） 傳動(dòng)速度m/min 使用時(shí)間比例（%） 切削阻力 滑動(dòng)阻力Fa 切削阻力 滑動(dòng)阻力Fa 切削阻力 滑動(dòng)阻力Fa+自重-平衡力 快進(jìn) 0 55 0 145 0 3855 60000 30 輕中切削 4000 55 4000 145 4000 3855 800 50 重切削 8000 55 8000 145 8000 3855 200 20 注：1)滑動(dòng)阻力F=u mg，其中導(dǎo)軌面摩擦系數(shù)：u=0．004 (3)各基本參數(shù)的選定 絲杠直徑：d=45(mm) 絲杠軸底槽徑：dr=39．4(mm) 絲杠螺紋總長：Lo=最大行程+螺母長+余量 軸承安裝距離：La=最大行程+螺母長／2+軸端余量 最大行程：Lb 及絲杠總長度：L 如表2.4 表2.4 基本參數(shù)的選定 進(jìn)給方向 X向 Y向 Z向 絲杠螺紋總長Lo (mm) 1330 1330 957 軸承安裝距離La (mm) 1417 1417 1043 最大行程Lb（mm） 1120 1120 770 絲杠總長度L（mm） 1672 1672 1300 絲杠選擇精度等級(jí)：C3 由驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速Nmax、機(jī)床預(yù)備達(dá)到的最高進(jìn)給速度V。來計(jì)算絲杠導(dǎo)程Ph(mm)常規(guī)伺服電機(jī)Nmax=3900(r／min)，機(jī)床快速移動(dòng)速度Vmax=6000(mm／min)。 計(jì)算公式為 (2-1) 故初選擇絲杠導(dǎo)程為20mm 絲杠快進(jìn)轉(zhuǎn)速N：60000／20=3000(rpm) (4)直徑、導(dǎo)程、螺母的選定 ① 定動(dòng)載荷的確認(rèn)，如表2.5。 表2.5 額定動(dòng)載荷的選定 運(yùn)轉(zhuǎn)類型 X向軸向負(fù)載（N） Y向軸向負(fù)載（N） Z向軸向負(fù)載（N） 絲杠轉(zhuǎn)速（rmp） 使用時(shí)間比例（%） 快進(jìn) 55 80 3855 3000 30 輕中切削 4055 2280 145 40 50 強(qiáng)力切削 8055 4480 4145 10 20 因?yàn)閅向?yàn)殡p驅(qū)動(dòng)裝置，故Y向負(fù)載取值總負(fù)載的O．55倍。 平均負(fù)載 (2-2) 平均轉(zhuǎn)數(shù) (2-3) 根據(jù)公式2．2、2．3求各方向的平均負(fù)載和平均轉(zhuǎn)數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表f。 表2．6 平均負(fù)載和平均轉(zhuǎn)數(shù) 進(jìn)給方向 X向 Y向 Z向 Fm（N） 1372 768 3828 Nm(rpm) 922 922 922 負(fù)載系數(shù)L如表2.7。 表2.7 負(fù)載系數(shù)值 沒有沖擊的平滑運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 1.0~1.2 普通運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 1.2~1.5 有振動(dòng)沖擊的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 1.5~3.0 機(jī)床疲勞壽命的一般目標(biāo)值：Lt=20000h(注：16小時(shí)×250天×10年×0．5移動(dòng)率)。機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)平滑，基本沒有沖擊，因此，取fw=1.2 基本額定動(dòng)負(fù)載 (2-4) 根據(jù)公式2．4求得各進(jìn)給方向需求最小基本額定動(dòng)負(fù)載，如表2．8。 表2.8 各進(jìn)給方向需求最小基本額定動(dòng)負(fù)載 進(jìn)給方向 X向 Y向 Z向 (N) 17028 9532 47511 初選絲杠基本額定動(dòng)載荷為69100N，所以滿足使用條件。 ②容許轉(zhuǎn)速的確認(rèn) a．危險(xiǎn)速度 取f=21．9，絲杠快進(jìn)轉(zhuǎn)速為n=3000 rpm (2-5) 計(jì)算最小軸底槽徑 根據(jù)公式E求得各進(jìn)給方向需求最小軸底直徑，如表2.10。 2.10 各進(jìn)給方向最小軸底直徑值表 進(jìn)給方向 X向 Y向 Z向 （mm） 27.5 27.5 14.9 由于初定參數(shù)中，絲杠直徑：d=45(mm)，軸底槽徑：d。=39．42>27．5(mm)，所以滿足使用條件。 b．求d·n值 ③滾珠絲杠系統(tǒng)剛度的確認(rèn) a． 螺桿剛性：Ks(彈性位移量ΔLs，) 在產(chǎn)生最大軸向位移的螺桿中央位置上進(jìn)行計(jì)算： (2-6) (2-7) (縱向彈性系數(shù)E=2.06 x105MPa) b．螺母剛性KN(彈性位移量△LN) 1/3左右的最大軸向負(fù)載設(shè)為預(yù)壓負(fù)載： (2-8) (其中剛性值K==1470 N／μm，基本額定動(dòng)負(fù)載Ca=69100N，剛性計(jì)算基準(zhǔn)系數(shù) ε=0.1) (2-9) c．支撐軸承剛KB(彈性位移量ΔLB) 支撐軸承為滾珠絲杠用推力角接觸球軸承(2A—BST型)，軸承組合型號(hào)為： 2A—BST35×72-113DTBT(見NTN軸承樣本) 軸承剛性值：KB=2260 N／μm (2-10) 計(jì)算結(jié)果： (2-11) 將a、b、C三項(xiàng)計(jì)算結(jié)果列于表1.11中。 表2.11 各進(jìn)給方向滾珠絲杠剛度計(jì)算值 進(jìn)給方向 螺桿 螺母（公稱型號(hào)：EM4520—6E） 軸承 合計(jì)ΔLμm KS ΔLS KN ΔLN KB ΔLB X向 708.63 0.0774 858.15 0.0641 2260 0.0122 0.1537 Y向 708.63 0.1126 705.72 0.2055 2260 0.0321 0.3501 Z向 962.73 0.0366 687.67 0.0509 2260 0.0077 0.0953 各進(jìn)給方向絲杠剛度計(jì)算結(jié)果滿足要求。 (5) ．基本的安全性確認(rèn) ① 可軸向負(fù)載確認(rèn) 表2.12 壓屈負(fù)載系數(shù)值 安裝方式 m N 固定—自由 1.2 0.25 簡單支撐—簡單支撐 5.0 1 固定—簡單支撐 10.0 2 固定—固定 19.9 4 (2-12) 將公式l計(jì)算結(jié)果列于表m中。 表2.13 各進(jìn)給方向最小軸底直徑值 進(jìn)給方向 X向 Y向 Z向 mm 16.89 14.59 12.27 因?yàn)槌踹x絲杠dr=39．4>16．89，所以滿足要求。 ②允許轉(zhuǎn)速確認(rèn) a． 危險(xiǎn)速度 (2-13) 表2.14 各進(jìn)給方向最大容許轉(zhuǎn)速值 進(jìn)給方向 X向 Y向 Z向 rmp 4297.35 4297.35 7981.80 因?yàn)槌踹x絲杠n=3000<4297．35，所以滿足要求。 b．d·n值 ，滿足要求。 ③壽命的確認(rèn) 額定動(dòng)載荷Ca=69100 N，fw=1．2 (2-14) 表2.15 各進(jìn)給方向最小計(jì)算壽命值 進(jìn)給方向 X向 Y向 Z向 (h) 1336429 7619467 61531 因?yàn)樽钚勖礚t=61531 h>20000 h，所以滿足要求。 (6) 對(duì)適合要求性能的項(xiàng)目進(jìn)行確認(rèn) ①精度的確認(rèn) a．定位精度： 選用定精度等級(jí)：C3，根據(jù)絲杠樣本查得： 表2．16 x／Y／Z進(jìn)給方向定位用代表性移動(dòng)量誤差ep和變動(dòng)值vN的許可值 進(jìn)給方向 X向 Y向 Z向 ep ±0.029/1600 ±0.029/1600 ±0.024/1250 vN 0.018 0.018 0.016 滿足機(jī)床定位精度：0．02mm／X、Y，0．016mm／z的要求。 b．熱位移量 根據(jù)公式 (2-15) 其中熱膨脹系數(shù) ,得出： 表2．17 各進(jìn)給方向熱位移量 進(jìn)給方向 X向 Y向 Z向 ΔLθ 0.051012 0.51012 0.037548 c．預(yù)張力 為了吸收絲杠受熱延伸量，通常在安裝絲杠時(shí)對(duì)其施加一定的張力，它相當(dāng)于桿溫度升高2~3℃時(shí)的張力。 根據(jù)公式 （2-16） 得出對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸合理的拉伸量時(shí)的預(yù)緊力： d．支撐軸承校核 將軸承基本額定動(dòng)載荷Cα與預(yù)張力Fθ的比設(shè)為ε。 可以 為標(biāo)準(zhǔn)，校核軸承。 表2.18 軸承校核值 軸承型號(hào) Cα(N) ε 2A-BST35×72-1BDTBTP4 50500 0.17895 計(jì)算結(jié)果滿足要求。 ②驅(qū)動(dòng)扭矩的確認(rèn) 表2．19 驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)表 項(xiàng)目 X向 Y向 Z向 驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào) QSY 190 F EcoDyn QSY 190 F EcoDyn QSY 190 F EcoDyn 轉(zhuǎn)子慣量JM 0.0190㎏·㎡ 0.0190㎏·㎡ 0.0199㎏·㎡ a．負(fù)載 絲桿慣性力矩： （2-17） 其中：Y一材料密度：7．8 x 103(kg／m3)，D一絲杠直徑：0．045(cm) 表2．20 各進(jìn)給方向JB值 進(jìn)給方向 X向 Y向 Z向 JB (kg·m3) 0.00525 0.00525 0.00408 移動(dòng)部分慣性矩： （2-18） 其中：l一導(dǎo)程：0．02(m) 表2．21 各進(jìn)給方向Jw值 進(jìn)給方向 X向 Y向 Z向 Jw(kg·m2) 0.01420 0.03753 0.00913 聯(lián)軸器慣性矩： 根據(jù)聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)設(shè)定：JC=O.0015(kg·m2)。 合計(jì)： 表2．22 各進(jìn)給方向慣性力矩及其與驅(qū)動(dòng)電機(jī)比值 進(jìn)給方向 X向(JB+JW+JC) Y向(JB+0.55JW+JC) Z向(JB+JW+JC) JL（kg.m2） 0.02045 0.02689 0.01421 JL/JM 1.0763 1.4153 0.1741 b．驅(qū)動(dòng)扭 (2-19) 其中 (2-20) (2-21) 按軸承組合的起動(dòng)扭矩值求得: 取η1=0.9 表2．23 各進(jìn)給方向扭矩值表 T(N·m) X向 Y向 Z向 快進(jìn)時(shí)T1 2.422 2.010 15.321 輕切時(shí)T2 16.577 9.795 2.193 重切時(shí)T3 30.731 17.580 16.348 電機(jī)額定扭矩大于 30.73 17.58 16.35 C.電機(jī)選擇 表2．24 電機(jī)規(guī)格參數(shù)表 項(xiàng)目 X向 Y向 Z向 電機(jī)型號(hào) QSY 190 F EcoDyn QSY 190 F EcoDyn QSY 190 F EcoDyn 額定轉(zhuǎn)速(rpm) 3000 3000 3000 額定扭矩(N·m) 31.5 31.5 31.5 靜扭矩(N·m) 47.6 47.6 47.6 最高轉(zhuǎn)速(rpm) 3900 3900 3900 最大扭矩(N·m) 150 150 150 電機(jī)慣量(kg·m2) 0.0190 0.0190 0.0199 額定輸出攻略（kW） 9.9 9.9 9.9 d.加速時(shí)間確認(rèn)： (2-22) 表3．25 各進(jìn)給方向加速時(shí)間值 進(jìn)給方向 X向 Y向 Z向 Ta (s) 0.150 0.174 0.146 其中Vmax=60(m/min) 表2．26 各進(jìn)給方向加速度值 進(jìn)給方向 X向 Y向 Z向 a (m/s2) 6.665 5.749 6.848 a (g) 0.680 0.587 0.699 初定三向進(jìn)給加速度5 m/s 2，根據(jù)以上計(jì)算確定達(dá)到要求的目標(biāo)值。 通過以上的計(jì)算和校核，我們選定本機(jī)床的絲杠型號(hào)為：EM4520—6E—XXXX；三向電機(jī)型號(hào)分別為HEIDENHAIN：QSY 190 F EcoDyn(無制動(dòng))，QSY 190 F EcoDyn(無制動(dòng))，QSY 190FEcoDyn(有制動(dòng))。 35 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第3章 伺服電機(jī) 第3 章 伺服電機(jī) 3.1伺服電機(jī)的選型 數(shù)控系統(tǒng)所發(fā)出的控制指令, 是通過伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)床執(zhí)行部件的。所選電機(jī)應(yīng)滿足下列條件: 在所有進(jìn)給速度范圍內(nèi), 空載進(jìn)給扭矩小于電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩; 最大負(fù)載扭矩小于電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩; 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與進(jìn)給負(fù)載慣量合理匹配; 定位加速時(shí)的最大扭矩小于電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩。因此, 必須進(jìn)行最大負(fù)載扭矩計(jì)算、慣量匹配計(jì)算和加減速扭矩計(jì)算, 據(jù)此確定合適的電機(jī)型號(hào)。 3.1.1電機(jī)負(fù)載扭矩計(jì)算 電機(jī)負(fù)載扭矩即滾珠絲桿克服外部載荷作等速運(yùn)動(dòng)所需的力矩, 可按下式計(jì)算 （3-1） 式中:P- 加在絲桿上的軸向外部載荷( N) , 其值與軸向進(jìn)給力大小相等方向相反; S- 絲桿導(dǎo)程0.01m; η1- 滾珠絲桿的正效率0.9～0.95; TF- 雙螺母滾珠絲桿的預(yù)緊力矩, 查樣本得TFX=1.25N·M,TFY=1.07N·M,TFZ=1.01N·M; TB- 支承軸承的摩擦力矩, 雙支承軸承為2 TB, 查樣本得 TB=0.28N·M。 由式(3.1) 計(jì)算得X、Y、Z 向的力矩分別為: 11.75N·m、12.30N·m、26.77N·m。 根據(jù)FANUC 交流伺服電機(jī)樣本, 在考慮20%保險(xiǎn)富裕量的情況下, X、Y 向選用α22/3000i 電機(jī), 其額定轉(zhuǎn)矩22N·m, 最大轉(zhuǎn)矩64N·m; Z 向選用α30/3000i 電機(jī), 其額定轉(zhuǎn)矩30N·m,最大轉(zhuǎn)矩83N·m。至此可預(yù)選聯(lián)軸器型號(hào)為ROTEX GS35-38。 3.1.2 慣量匹配計(jì)算 為使伺服進(jìn)給系統(tǒng)的執(zhí)行部件具有快速響應(yīng)能力, 必須選用加速能力大的電機(jī), 即大慣量電機(jī), 但又不能盲目追求大慣量, 應(yīng)綜合考慮其性價(jià)比, 使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與進(jìn)給負(fù)載慣量之間合理匹配。即應(yīng)滿足下列匹配關(guān)系: （3-2） （3-3） 式中: Jr- 電機(jī)軸上的驅(qū)動(dòng)系總慣量( kgf·cm·S2) ; Jm- 電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量, 查樣本得α22、α30 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別 為0.12、0.17; JC - 聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量, 查樣本得9.6×10- 3; JS - 絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量, JS=0.03576L( L- 絲桿長度) J W - 直線運(yùn)動(dòng)物體的慣量, JW=0.0258W( Wx=0.90t,Wy=1.95t,Wz=1.00t) 由公式( 3.3) 計(jì)算, 得X、Y、Z 電機(jī)軸上的驅(qū)動(dòng)系總慣量分別為0.22、0.23、0.25, 則, Jm /Jr 分別為0.55、0.52、0.68?？梢? X、Y、Z向電機(jī)符合慣量匹配要求。 4.1.3 定位加速時(shí)的最大扭矩計(jì)算 定位加速時(shí)的最大扭矩計(jì)算公式: （3-4） 式中:nm- 快速移動(dòng)時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速, 1500r/min; ta- 加減速時(shí)間常數(shù)( s) ,( ks 加工中心系統(tǒng)的開環(huán)增益，ks=20) 由公式(3. 4) 計(jì)算, 得X、Y、Z 軸定位加速時(shí)所需的最大扭矩分別為35N·m、36N·m、53N·m, 均小于各自電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩, 表明X、Y、Z 軸電機(jī)能按規(guī)定的時(shí)間常數(shù)進(jìn)行加速和減速, 即加速能力大, 既能保證工件表面的加工質(zhì)量, 又能提高生產(chǎn)效率。 上述計(jì)算結(jié)果表明所選電機(jī)符合伺服進(jìn)給系統(tǒng)要求。 3.2伺服定位精度的驗(yàn)證 加工中心的精度指標(biāo)包括幾何精度、位置精度、加工精度,其中位置精度是由機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)形成的, 因此必須進(jìn)行位置精度誤差校驗(yàn)。半閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)中, 由機(jī)械傳動(dòng)裝置剛度的變化、磨擦阻尼等非線性因素引起的定位誤差, 以及由伺服系統(tǒng)剛度引起的死區(qū)誤差, 不包括在位置控制環(huán)內(nèi), 故應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)算, 以滿足機(jī)床的設(shè)計(jì)要求。X、Y、Z 三個(gè)進(jìn)給軸中, X 軸的行程最大, 工作狀況最差, 所以設(shè)計(jì)時(shí)主要驗(yàn)證X 軸進(jìn)給系統(tǒng)的定位誤差。 3.2.1 機(jī)械傳動(dòng)裝置剛度計(jì)算 機(jī)械傳動(dòng)部件的最小、最大傳動(dòng)剛度( kgf/μm) 計(jì)算公式為: （3-5） （3-6） 式中:KC - 聯(lián)軸器的剛度, 查樣本得5×105; KN - 絲桿螺母副的軸向接觸剛度, 查樣本得124; K△min - 絲桿最小拉壓剛度。螺母處于行程中間位置時(shí), 剛度最K△min - 絲桿最小拉壓剛度。螺母處于行程中間位置時(shí), 剛度最低，由公式計(jì)算得99;( E- 彈性模量:2.1×106kg/cm2)K△min - 絲桿最大拉壓剛度, 螺母處于離支承端距離l=0.1L時(shí)剛度最高。由公式計(jì)算得275;( n-行程比: 0.1)可見機(jī)械傳動(dòng)部件的剛性足夠大, 能滿足系統(tǒng)定位精度要求。 3.2.2 伺服剛度計(jì)算 折算至絲桿- 工作臺(tái)上的拉壓剛度： （3-7） 彈性系統(tǒng)的最低剛度: （3-8） 機(jī)床啟動(dòng)或反向時(shí)的最大死區(qū)誤差: （3-9） 高精度機(jī)床的最大死區(qū)誤差應(yīng)控制在5μm 以下?？梢奦MC1300機(jī)床的伺服系統(tǒng)剛性足夠大, 能滿足要求的定位精度。( 最大死區(qū)誤差為3μm 左右) 。 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第4章 仿真分析 第4章仿真分析 4.1　機(jī)電進(jìn)給系統(tǒng)綜合結(jié)構(gòu)圖 如圖1所示包括間隙和摩擦非線性因素的機(jī)電進(jìn)給系統(tǒng)綜合結(jié)構(gòu)圖.圖1　X軸進(jìn)給系統(tǒng)綜合結(jié)構(gòu)圖。 為了便于分析,給出其相應(yīng)的系統(tǒng)仿真模型圖,如圖2所示. 圖中Tf為加到電機(jī)軸上的包括靜摩擦扭矩、切削力和慣性力等阻力矩(或負(fù)載轉(zhuǎn)矩) ; Ki為電流環(huán)反饋系數(shù);Kv為速度環(huán)反饋系數(shù); Ku為功率放大倍數(shù); Kd為速度環(huán)放大倍數(shù) .圖2 圖1 X軸進(jìn)給系統(tǒng)綜合結(jié)構(gòu)圖 圖2　進(jìn)給系統(tǒng)的仿真模型 4.2仿真分