机械机床毕业设计65数控车床纵向进给及导轨润滑机构设计说明书.docx
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机械机床毕业设计65数控车床纵向进给及导轨润滑机构设计说明书
0前言
一．我国数控产业的现状
当前，我国的数控系统正处在由研究开发阶段向推广应用阶段过渡的关键时期。
也是由封闭型系统向开放型系统过渡的时期。
我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术上（包括核心技术），已达到国外先进水平。
目前，已新开发出数控系统80种。
自“七五”以来，国家一直把数控系统的发展作为重中之重来支持，现已开发出具有中国版权的数控系统，掌握了国外一直对我国封锁的一些关键技术。
二．数控产业发展面临的问题
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ＷＴＯ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
三．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。
四．经济型数控车床的改造
纵横向进给系统原机床挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠,光杠等全部拆除,纵、横向以伺服电机作为驱动元件,经一级齿轮减速转矩增大后,由滚珠丝杠传动。
纵向进给机构：
纵向伺服电机为P20B200DxS，2.0的交流伺服电机,滚珠丝杠仍利用原丝杠位置,其螺母副通过托架安装在床鞍底部,滚珠丝杠两端加装接套、接杆及支承,与床身尾部步进电机相联接。
伺服电机经减速后,减速器输出轴用套筒联轴器与丝杠直接联接,这种结构简单,径向尺寸小,可防止被联接轴的位移和偏斜所带来装配困难和附加应力。
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。
随着科学技术水平和人类生活水平的提高，对机械产品的质量要求越来越高，产品品种越来越多，中大批量的产品需求越来越少，而单件小批量生产模式迅速增加。
作为实现单件小批量加工自动化的数控机床，由于其突出的优点而得到广泛应用。
目前,国外数控机床的性能正朝着高精度、高效率、高柔性、高自动化方向迅速发展,这将对数控机床机械结构设计和制造的质量和可靠性提出更高的要求。
“十五”期间,我国机械制造行业必须瞄准国际数控机床发展的科学前沿,开拓创新,消化吸收国外先进技术,开创我国数控机床设计和制造技术的新局面。
1总体设计方案
1．1总体设计方案论证
数控车床的进给系统包括横向进给系统（X轴）和纵向进给系统（Z轴）,它们是由伺服电机经同步齿形带传动,驱动滚珠丝杠螺母副机构,来实现刀架的运动。
根据GB/T16462-1996《数控卧式车床精度检验》,机床的位置精度包括重复定位精度、反向偏差和定位精度。
当机床的中心距DC=3000mm时,其重复定位精度X轴0.0075mm,Z轴0.010mm;反向偏差X轴为0.006mm,Z轴为0.012mm;定位精度X轴为0.035mm,Z轴为0.040mm。
可以看出,进给轴设计与主轴设计相比,具有相同的重要性。
因而,进给轴的设计应从动、静两方面充分考虑,位置精度才能达到该标准的要求。
在数控车床进给系统的设计中,根据横向、纵向的不同精度要求,不同移动质量及转动惯量等特点,分别解决设计中的主要矛盾。
以期望设计结果能满足各项性能指标的要求,达到预期的结果,即满足设计任务书的要求。
1．1．1驱动元件：
各种数控机床加工的对象不同，工艺要求不同，所以对进给驱动的要求不尽相同，但基本要求是一样的，大致有四个方面。
（1）高精度使用数控机床主要是解决零件加工质量的稳定性，一致性，减少废品率；解决复杂空间曲面零件的加工；解决复杂零件的加工精度，缩短制造周期等。
为了满足这些要求，必须保证数控机床的定位精度和加工精度。
要求定位精度和轮廓切削精度能达到机床要求的指标。
在位置控制中要求有高的定位精度，而在速度控制中，要求有高的调速精度，强的抗负载扰动的能力，即静态和动态速度降尽可能小。
（2）快速响应为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度，除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。
（3）调速范围宽在各种数控机床中，由于加工用刀具，被加工零件的材质及加工要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求进给驱动必须具有足够宽的调速范围。
（4）低速大转矩根据机床的加工特点，大都是在低速进行重切削，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。
（一）元件选择
（1）步进电动机，直流伺服电动机，交流伺服电动机是目前常用的驱动元件。
步进电机是一种将电的脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电执行元件，它能快速的启动，制动和反转；在一定频率范围内各种运动方式都能任意的改变且不会失步，具有自整步的能力；没有一周累计误差，所以定位精度很高；价格便宜。
但由于步进电机的动态特性远不如交，直流伺服电机，尤其是运行的可靠性得不到保证，目前已使用的较少。
（2）直流伺服电动机具有良好的调速特性，因此在对伺服电动机的调速性能和启动性能要求较高的设备中，大都采用直流伺服电动机驱动。
但由于直流伺服电动机存在着一些固有的缺点，如它的电刷和换向器易磨损，需要经常维护；换向器换向时会产生火花，使电动机的最高转速受到限制，也使应用环境受到限制；此外，它结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造成本高，因此，现在已很少选用直流伺服电动机。
（3）交流伺服电动机则没有直流伺服电动机的上述缺点，且转子惯量较直流伺服电动机小，使得动态上响应更好。
一般来说，在同样的体积下，交流伺服电动机的输出功率可比直流伺服电动机提高10%—70%，另外，交流伺服电动机的容量也比直流伺服电动机大，达到更高的电压和转速。
因此，本课题选用的是交流伺服电动机。
1．1．2传动机构
本课题选用的是滚珠丝杠螺母副。
滚珠丝杠螺母副是一种新的传动机构，它的传动特点是在具有螺旋槽的丝杠螺母之间装有滚珠作为中间传动元件。
当丝杠和螺母相对运动时，滚珠沿丝杠螺旋槽滚道滚动，因此丝杠和螺母之间基本上为滚动摩擦。
由于滚珠丝杠螺母副属于滚动摩擦，故与普通滑动螺母副相比有以下优点:
（1）传动效率高。
可达90%--95%，是普通丝杠传动的2—4倍。
（2）因摩擦系数小，无自锁现象，即运动有可逆性，一般需要制动装置。
（3）摩擦力小。
因静动摩擦系数相差较小，因而传动平稳，不易产生爬行，随动精度和定位精度高。
（4）滚珠丝杠螺母副主要零件均经过热处理，其滚道表面的硬度值可达60—62HRC，因而耐磨性好，寿命长，精度稳定性好。
（5）可消除轴向间隙和预紧，提高轴的刚度。
因为滚珠丝杠螺母副与普通丝杠螺母副相比有这么多的优点，因此，作者选用滚珠丝杠螺母副。
1．1．3联轴器
联轴器有刚性联轴器与弹性联轴器之分，本课题选用的是ML-02型弹性膜片式联轴器。
刚性联轴器虽然结构简单，成本低，但它无补偿性能，不能缓冲减振，且对两轴安装精度要求较高，用于振动很小的工况条件，联接中，高速和刚性不大的且要求对中性较高的两轴。
弹性膜片式联轴器不但结构简单，尺寸小，重量轻，且承载能力大，强度高，传动效率高，精度高，可用于高，低温，高，中速，大转矩和有油，水的场合，且可部分代替齿式联轴器，工作温度-20--250℃。
ML-02型弹性膜片式联轴器主要性能特点有:
（1）定位方便可靠,相位可调；
（2）无反向间隙,传动精度高,可不用键和锥销,不须止推机构,传递扭矩大,能承受冲击载荷和振动；
（3）可以反复装卸,重复使用,不影响精度,拆装方便；
（4）可补偿轴的角度偏差,偏心,轴向窜动.无噪音,无磨损,能量损失小。
1．1．4润滑方式：
常用的润滑方式大致有以下几种：
1.手工加润滑油或手工加润滑脂进行润滑
手工润滑是人工的分散润滑方式，大多用于各种轴承，开式齿轮和链条等处。
其特点是结构简单，易于执行，加油次数和油量靠人工掌握。
2.油池飞溅润滑
油池飞溅润滑常用在闭式齿轮箱内，它依靠箱内旋转的齿轮或附加在轴上的甩油机件，将箱体内底部的存油溅散到应该润滑的机件轴承，或其他应该润滑的位置上。
有些轴承和润滑点隐蔽在箱体内部时，则通过油槽油路或油管油路进行润滑。
3.自动送油润滑
自动送油润滑主要是自动送油装置。
它的形式较多，有简单也有复杂，常常用在机床或其他设备的齿轮箱内。
自动送油也可以采用润滑油泵送油，但大多应用于集中润滑的系统内，例如大量的润滑点话润滑部位，甚至整个车间的润滑系统。
本课题选用的是TM型电动润滑器。
TM型电动润滑器采用弹簧活塞式往复泵，由微型同步电机和集成减速机构驱动，结构紧凑，注油量可在0.2—5毫升范围内调节，注油周期时间可在6—145分钟内选择，可实现对油罐液化的自动监测和报警，适用于中小型机床周期润滑系统。
该润滑器配套安装联接件，计量件，配油管等附件后，可润滑1-50个润滑点，组成周期集中润滑系统。
TM型电动润滑器由微型伺服电机经蜗轮传动系统减速，与蜗轮同轴转动的凸轮，带动摆杆上下运动。
当活塞升起时，大气将油罐内的油液通过单向阀压入油缸；压缩弹簧使活塞复位，润滑液通过出口后进入输油管路中并到达各润滑点。
注油频率由定时机确定。
润滑器配有液位报警传感器（低油位开关），在油罐润滑液低于规定液位时，可自动发出信号，以确定及时向油罐添加润滑液。
TM型电动润滑器具有下列特点：
（1）结构紧凑，安装方便。
（2）清洁安全，润滑液经精细过滤后输出至各润滑点。
（3）能按事先确定的注油周期输供润滑液。
（4）润滑液的流量可调，并能精确的控制。
（5）润滑时，无须中断生产过程。
（6）维护容易，经济耐用。
（7）可以延长机器的寿命，对中小型机器更为理想。
1.2总体设计方案的确定
经总体设计方案的论证后，确定的CA6140经济型中档精度数控车床纵向进给机构及导轨润滑系统设计的总体方案图如图1-2所示。
该系统由MCS-51系列单片机组成微机作为数控装置的核心，由I/O接口，软件环形分配器与放大控制功率伺服电机转动，经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现车床的纵，横向进给运动。
刀架改成由微机控制的经伺服电机驱动的自动控制的自动转位刀架。
为保持切削螺纹的功能，必须安装主轴脉冲发生器，为此采用主轴靠同步齿形带使脉冲发生器同步旋转，发出两路信号：
每转发出的脉冲个数和一个同步信号，经隔离电路以及I/O接口送给微机。
同时选用TM型电动润滑器，实现润滑功能。
图1-2CA6140车床数控改造的总体方案示意图
1．2．1纵向进给系统的改造:
（1）撤除原机床的进给箱，溜板箱,光杠与丝杠以及安装座，配上滚珠丝杠及其相应的安装装置，纵向驱动的伺服电机及减速箱安装在车床的床尾，并不占据丝杠空间。
利用原机床进给箱的安装孔和重新配作销钉安装新设计的齿轮箱体;
（2）滚珠丝杆仍安置在原丝杆的位置,两端仍采用原固定方式,为便于安装滚珠丝杆螺母副,丝杆不是整体的,而是采用分体式,即用连接套筒刚性连接。
由于采用了滚珠丝杠可提高系统的精度和纵向进给整体刚度。
（3）纵向进给机构和横向进给机构均由伺服电动机、滚珠丝杆螺母副和中间传动齿轮副（一级传动）组成。
2纵向进给机构的设计与计算
纵向伺服进给机构设计的主要内容有：
滚珠丝杠副的设计计算与选择，伺服电机的选择，绘制纵向进给机构的装配图，导轨润滑机构装配图以及各零件图等。
2.1已知条件
（1）、床身上最大回转直径:
400mm;
（2）、加工最大工件长度:
1000mm
（3）、快移速度:
X轴4m/min,Z轴8m/min
（4）、定位精度:
X轴0.035mm,Z轴0.04mm
（5）、重复定位精度:
X轴0.0075mm,Z轴0.01mm
（6）、数控车床工作台质量W:
根据图形尺寸粗略计算W=120Kg;
2．2滚珠丝杠副主要参数的确定
在数控机床的设计中,滚珠丝杠副的作用是将伺服电机的旋转运动转变为直线运动,用较小的转矩可以获得很大的推力。
滚珠丝杠副的传动是一种应用较广的机构,尤其是将旋转运动变为直线运动的各种机构中,滚珠丝杠副的传动是最简单、经济而又可靠的。
所以滚珠丝杠副的选择对整个机床的制造起着不可忽视的作用。
滚珠丝杠副的精度是影响机床的定位精度及重复定位精度的最主要的因素。
为了在机床的设计中更合理的选用滚珠丝杠副,使其充分发挥效能,必须进行一系列的计算。
滚珠丝杠副已经标准化,因此滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。
一般情况下,设计滚珠丝杠时,已知条件为:
最大工作负载Fd（或平均工作负载Fm）作用下的使用寿命,丝杠的工作长度（或螺母的有效行程）,丝杠的转速（或平均转速）,滚道的硬度及丝杠的运转情况。
2.2.1设计步骤
通常的设计步骤为:
A、计算作用在滚珠丝杠上的最大动载荷;
B、从滚珠丝杠列表指出相应最大动负载的近似值,并初选几个型号;
C、根据具体工作要求，对于结构尺寸、循环方式、调隙方法及传动效率等方面的要求，从初选的几个型号中再挑出比较合适的直径、导程、滚珠列数等，确定某一型号。
D、根据所选的型号,列出或计算出其主要参数的数值,计算传动效率,并验算刚度及稳定系数是否满足要求。
如不满足要求,则另选其他型号,再作上述计算和验算,直至满足要求为止。
2.2.2设计计算简况
（1）选用CPG系列滚珠丝杠副。
A、CPG系列滚珠丝杠副主要参数的确定:
按预期寿命Ln及轴向载荷Fa进行选择:
Ln=（Ca/Fa）×106（转）[2—1]
式中:
Ca—额定动载荷;
一般情况下Fa可以用平均轴向载荷Fm予以代替:
Fm=（2Fmax+Fmin）/3[2—2]
式中:
Fmax—最大轴向载荷;
Fmin—最小轴向载荷。
Fmax=mg+F=120×9.8+3860=5036[2—3]
Fmin=mg=120×9.8=1176[2—4]
所以：
Fm=（2Fmax+Fmin）/3=3749N[2—5]
对于机车和精密机械通常取Ln=20×106（转）
则:
：
Ca=（20）1/3Fm=2.71Fm=10161N [2—6]
计算出Ca,可通过查表得到对应的滚珠丝杠副的尺寸,选取4006-6型号滚珠丝杠副,基本直径为40mm,大径位39.5mm,丝杠导程L0为6mm,滚珠直径为3.969mm,滚珠列数为四列。
B、对选用的滚珠丝杠副的参数进行核算
a、最大轴向压缩载荷F:
对各种支承条件下所支承的最大轴向载荷,是否会超过临界载荷而失去稳定性,造成稳定失效,因此对保持丝杠不失去稳定性的轴向压缩载荷进行验算。
滚珠丝杠受压力作用后在弹性范围内的临界稳定载荷Fc由下式计算:
Fc=m（d0-db）4/Ls2[2—7]
式中:
m为支承系数;G-J形式:
m=20×104（N/mm2）;
d0为公称直径（mm）;
db为滚珠直径（mm）;
Ls为丝杠轴的支承距离（mm）。
所以:
Fc=20×104×（40-3.969）4/15772=1.36×105N[2—8]
则:
Fc/F＞［n］F〈（1/4Fc）=3.4×104N＞Fmax
式中:
［n］为许用稳定安全系数,当丝杠垂直安置时［n］=2.5,水平安置时［n］=4;
F为最大轴向压缩载荷。
由以上计算可知条件满足。
b、极限转速的计算:
为使丝杠副在高速运转时不发生共振现象,应对其极限转速进行核算。
当丝杠发生共振时的转速称为临界转速,以Nc表示:
Nc=121×106（d0-db）·K1/2/L2=2.80×103［2-9］
式中:
d0为公称直径（mm）;
db为滚珠直径（mm）;
K为支承结构系数,G-J形式:
K=2.5。
极限转速n应满足:
n＜0.8Nc=0.8×2.80×103=2.24×103r/min［2-10］
n0=v/（2π）=8000/（2π）=1.27×103r/min[2-11］
因为n0＜n,所以条件满足。
c、滚珠丝杠副的预加负载:
为了消除螺母与丝杠间的轴向间隙,提高滚珠丝杠副的刚度与定位精度,在丝杠螺母间施加负载Fp,其预加负载的大小为:
Fp=Ca/10=1016N
d、临界转速的核算:
丝杠的名义直径d0=40mm,nmax=vmax/L0=200r/min［2-12］
查参考文献［5］支承为“固定-自由”支承长度L=1577mm,查参考文献［5］5.7-91,的交线点在d0=40mm左侧,所以安全。
e、效率计算:
查参考文献［5］201页上:
η=tanβ/tan（β+φ）［2-13］
式中:
β—螺纹的螺旋升角,可参考文献［5］5.7-41表,取β=3o3’;
φ—摩擦角,tanφ=0.003～0.004。
所以:
φ=13’45’’
则:
η=tan3o3’/tan（3o3’+13’45’’）=93%［2-14］
f、刚度检验:
查参考文献［5］202页上:
△=100F/（EA）+50T/（Πgjc）,μm/m［2-15］
式中:
E—弹性摸量,E=2.1×102GPa;
F—工作负载,F=5036N;
A—滚珠丝杠横截面积,A=π/4·（d0-db）2=0.785×（40-3.969）2=10.19cm2;
db—滚珠直径（mm）;
G—切变模量，G=8.4×104GPa;
Jc—滚珠丝杠截面惯性矩，Jc=2.27×10-7m4;
代入公式［21］得：
△=8.03μm/m
查参考文献［5］表5-10和表5-17，B级精度为40μm/300mm，七级精度△=15μm，八级精度△=30μm，所以FYND4006-6型丝杠的刚度是足够的。
由于选用滚珠丝杠的直径为40mm,支承方式为G-J型，所以稳定性不成问题。
运动部重量W120Kg
摩擦系数μ0.15
外界施加的力F3860N/9.8
螺杆螺距P6mm
螺杆直径D40mm
螺杆长度L1350mm
传递效率η0.85
驱动部件比重
7.2×10-3
传动装置减速比1/G3/5
2．3伺服电机的选择
2．3．1选用螺杆驱动方式的伺服电机
2．3．2求换算到电机轴上的负荷力矩
TL=（F+μW）/η·D/2·1/G·9.8/100[3-1]
=（3860/9.8+0.15×120）/0.85·（P/2π）×（3/5）×（9.8/100）
=（3860/9.8+0.15×120）/0.85×（6/2π）×（3/5）×（9.8/100）
=2.72N·m
要求TL
TR
2．3．3求换算到电机轴上的负荷惯性
（JL不大于电机转子惯量的5倍）
·运动部的惯性
JB=（1/G）2·（π
D4A）/32×104[3-2]
=（3/5）2·（3.14×7.2×10-3×404×1.35）/32×104
=0.88×10-4Kg·m2
·工作惯性
JW=（1/G）2·W/104·（D/2π）2[3-3]
=（3/5）2·120/104·（6/2π）2
=0.39×10-4Kg·m2
JL=JB+JW=9.17×10-4Kg·m2[3-4]
2．3．4电机的假拟选定
从产品目录中选出满足上述（TL,JL,NP）条件的电机,假拟选用P20B10200D×S，2.0的交流伺服电动机。
2．3．5加减速力矩（Ta,Tb）的计算：
·加速力矩
Ta=2π（N1—N2）·（JL+JM）/60·ta+TL[3-5]
=2×3.14（4500-3000）（9.17+2.04）×10-4/（60·1/6）+2.72
=3.78
Tb=2π（N1—N2）·（JL+JM）/60·ta-TL[3-6]
=-1.66
2．3．6实际力矩的计算
Trms=
[3-7]
=
=2.65
假拟选用的P20B10200D×S，2.0的交流伺服电动机满足上述条件。
备注：
标注公式[2-1]--[2-15]出自参考文献[5]
备注：
标注公式[3-1]--[3-7]出自参考文献[6]
小结
通过对CA6140经济型中档精度数控车床纵向进给机构及导轨润滑系统的设计与改造，使其尤其适合我国机床拥有量大,生产规模小的具体国情。
数控机床以伺服电机直接驱动滚珠丝杠进行位置控制,减少了中间传动环节,改善了传动系统的动态特性,避免了多级传动带来的累积误差。
经改造后的机床完全能实加工外圆、锥度、螺纹、端面等的自动控制,加工的零件精度高,尺寸一致性好,自动化程度高,提高了原机床的生产效率,降低了劳动强度.而且使用方便,改造费用低，采用数控技术对企业原有机床进行改造,即发展经济型的数控机床是当前工矿企业机床技术改造的有效途径。
当然，由于本人经验有限，在设计与改造过程中难免有缺陷和欠虑的地方，有待今后不断的提高与完善。
致谢
通过本次的毕业设计，我们受到了很大的启发，学到了很多东西。
在此要特别感谢我们的指导老师沙爱民工程师，她在整个毕业设计的指导过程中为我们尽心尽力，排忧解难。
让我们进一步学会了如何查阅文献，如何分析处理设计过程中出现的问题，如何写好论文、做好答辩等。
当然取得这样的成绩是多方面的：
有学校图书馆为我们准备的充足完备的专业资料；有计算机房通宵达旦的辛勤工作；有系领导给予的多方面的大力支持等等。
在本次毕业设计结束之际，请允许我向他们表示衷心的感谢！
参考文献
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高等教育出版社，1995
9王辰宝.机械加工工艺基础.南京：
东南大学出版社，1996
10庞怀玉。
机械制造工程学.北京：
机械工业出版社，1998
附件清单
1.毕业设计任务书1份
2.毕业设计说明书1份
3.总装图CK000A31份
4.进给系统装配图CK
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