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1、摘 要球头立铣刀是数控机床上加工复杂曲面的一种高效刀具，在模具制造、汽车制造等领域有着广泛的应用。高性能伺服进给系统的开发是数控机床的关键技术之一，本文详细描述了刃磨床X-Y进给系统的一种新的综合设计方法,包括滚珠丝杆副及其支承的选取、伺服电动机的选取、联轴器的选取并着重对电动机的转矩、转动惯量及加速能力进行了匹配校核，对机械传动装置刚度变化及弹性系统刚度变化引起的定位误差进行了验算。机床本身的精度，尤其是伺服传动链的和伺服传动机构的精度，是影响工作精度的主要因素。关键词：球头立铣刀；数控刃磨机床；伺服进给系统目 录1 绪论11.1 设计的背景11.2 数控工具磨床的现状及发展趋势11.3 设
2、计的内容、方法22 伺服系统的方案设计42.1 伺服系统的选型42.2 伺服系统传动方案设计43 电机的选择63.1 概述63.2 伺服电动机的选择73.3 电动机的选择计算114 滚珠丝杠的选择154.1 概述154.2 滚珠丝杠副的选定154.3 滚珠丝杠螺母的计算与应用204.4 导轨的选择264.5 滚珠丝杠的刚度验算及精度选择274.6 滚珠丝杠副的防护润滑和密封295 轴承的选择325.1 轴承的载荷325.2 轴承尺寸的选择326 联轴器的选择366.1 概述366.2 联轴器的选择原则及计算36结 论39致 谢40参考文献41421 绪论BEMC数控刃磨床X-Y进给系统设计是一
3、种新的综合设计方法,包括滚珠丝杆副及其支承的选取、伺服电动机的选取、联轴器的选取并着重对电动机的转矩、转动惯量及加速能力进行了匹配校核,对机械传动装置刚度变化及弹性系统刚度变化引起的定位误差进行了验算.随着数控技术的发展，现代数控机床对主传动提出了越来越高的要求。如要求很宽的范围内转速连续可调，恒功率的范围要宽，要有四象限的驱动能力。为满足加工中心自动换刀以及某些加工工艺的需要，要求主轴具有高精度的准停控制等。高速化、精密化和模块化是现代制造技术的发展方向。新的切削理论认为：当切削速度达到一定程度(约500m/min)后，切削区温度不再上升，并且切削力反而会减小，刀具磨损也减少。这样在提高生产
4、率的同时还能提高零件的表面质量和加工精度。1.1 设计的背景球头立铣刀是数控机床上加工复杂型面的主要刀具，在模具制造、航空航天等领域具有广泛的应用。目前国内加工球头立铣刀的设备主要依靠进口国外昂贵的五轴联动数控工具磨床，自行设计廉价的专用刃磨机床，对国内的球头立铣刀的制造具有重大的意义。本课题根据球头立铣刀的加工工艺，设计一种结果简单，操作方便的球头立铣刀数控刃磨机床。1.2 数控工具磨床的现状及发展趋势球头立铣刀是数控机床上加工复杂型面的主要刀具，在模具制造、汽车制造、航空航天、电子通讯产品制造等领域具有广泛的应用。目前国内加工球头立铣刀的设备主要依靠进口国外昂贵的五轴联动数控工具磨床，自行
5、设计廉价的专用刃磨机床，对国内的球头立铣刀的制造具有重大的意义。本课题根据球头立铣刀的加工工艺，设计一种结果简单，操作方面的球头立铣刀数控刃磨机床。平磨是磨床类机床中发展潜力最大的机床，在完成传统的平面磨削功能外，以平磨的床身、拖板、台面、磨头等大件为基础，可以演变成外圆、曲线、工具、无心等磨床，如k. o.lee公司的C1020N2外圆磨床和B6062PC2工具磨的基础就是平磨。世界机床工业的发展，根本一点是设计创新理念的发展，传统的金属切削原理，用一种全新的现代设计理念，结合先进的控制技术，正在推动机床技术发生重大变化。随着现代制造技术的发展，对高精度特型刀具的品种和数量的需求越来越大，刀
6、具的刃形也越来越复杂。由于这类刀具刃形复杂，采用普通工具磨床和传统工艺方法来制造很难实现。为了适应这些生产的要求，工具磨床从机械机构的传动配合控制到当今的CNC技术的应用，从烦琐的刃形手工修磨到当今的五轴联动数控磨削。工具磨床自1889年辛辛那提公司开始制造以来，发展一直比较缓慢。直至上世纪7080年代，为了适应刀具、磨具及切削加工的要求，以及全球制造业的发展，刀具刃磨才受到极大的重视，工具磨床进入一个快速发展阶段。进入21世纪后，刀具的要求不仅在需求量上急剧上升，而且刃形复杂、精密度高的刃具要求也日益增多。高精度合金刀具的出现和广泛应用，将数控工具磨床推到刀具制造的最前沿，也改变了传统的磨削
7、工艺过程。五轴联动的数控系统是美国等发达国家一直限制对中国出口的产品，加快研发国产数控系统也就成了我国发展数控机床行业的技术难关。数控机床功能部件是另外一个薄弱环节，某种意义上说，功能部件将构筑21世纪现代数控机床，它的性能和价格决定数控机床的性能和价格。需形成适应市场经济需求的以企业为主体、产学研相结合的技术创新体系，创造吸引高层次、高素质人才创新创业的环境，有效整合相关技术、产业和资源优势，形成合力开展联合攻关，共同打造技术创新平台。数控机床本身的水平关键要看创新能力、人员素质和企业素质的提高。应在消化吸收国内外先进技术的同时，根据国内外市场需求，寻找企业自身定位，研究开发适合中国国情的数
8、控工具磨床，首先满足国内刀具行业的生产需振兴我国的装备制造业。1.3 设计的内容、方法1.3.1 内容（1） 分析球头立铣刀数控加工工艺，设计书店刃磨机床得整体布局，绘制机床整体布局图；（2） 球头立铣刀数控加工磨床X-Y进给系统结构设计包括导轨、传动方案、驱动方式；1.3.2 方法本课题属于机械制造装备设计问题,内容涉及机械制造、机电传动方面得知识，具有较强得综合性，有利于培养我们综合运用所学理论知识解决生产工程实际得能力，涉及过程中可以很好得培养我们总体设计能力、机械创新设计能力。除此之外，还能让我们掌握伺服进给系统类型选择、传动方式以及电机的选择方法，具备机电一体化系统设计的能力；掌握伺
9、服进给系统机械本体结构设计的知识，具备结构创新设计的能力；具备解决工程技术问题的能力。本设计是四轴联动的球头立铣刀数控刃磨机床总体结构以及X-Y进给系统的结构。在结构设计方面，可参考实验室已有的数控磨床，将其结构借鉴并改进，使之紧凑优化并能快速达到目标，这部分需根据要求的最大砂轮直径和最大铣刀直径来设计;伺服电机的选择，这部分需阅读大量的书籍，在老师得指导下完成。2 伺服系统的方案设计2.1 伺服系统的选型磨床伺服系统按控制系统形式有开环、半闭环及闭环三种形式。一般选择原则为：精度要求高时（定位误差0.01），应采用半闭环或闭环控制方式。而对半闭环及闭环的选择，则应考虑到稳定性，成本及机床规格
10、大小等其他因素。例如大型龙门铣床，由于很难提高传动链的刚度和固有频率，所以为了保证系统稳定工作，有时就不得不牺牲精度而采用半闭环甚至开环形式。对于闭环的伺服进给系统，其设计计算主要是稳定性问题，对于开环、半闭环伺服进给系统其设计计算主要是定位精度问题。由于系统精度要求较高，负载较大，开环伺服系统满足不了要求，这时应采用闭环或半闭环控制的伺服系统。闭环和半闭环控制方案的选择主要取决机床精度要求。当系统精度要求很高时，应采用闭环控制方案。它将全部机械传动及执行机构都封闭在反馈控制环内，其误差都可以通过控制系统得到补偿因而达到很高的精度，但是闭环伺服系统结构复杂，设计难度大，成本高，尤其是机械系统的
11、动态性能难于提高，系统稳定性难于保证。因而除非精度要求很高时，一般采用半闭环控制方案，且目前大多数数控车床中的伺服系统都采用半闭环控制。由于该机床的定位误差+0.005mm0.01所以本设计采用半闭环伺服进给系统。2.2 伺服系统传动方案设计2.2.1 传动方式的选择由于磨床在机构传动结果设计上都要求无间隙、高刚度、低惯量，所以本设计采用伺服电动机与滚珠丝杠直接连接方式进行传动。2.2.2 电机的选择交流伺服电动机和直流伺服电动机相比，交流伺服电动机没有机械换向器和电刷，避免了换向火花的产生；转子的转动惯量可以做的很小，动态响应好；在同体积下，输出功率可比直流伺服电动机提高1070；同时又可以
12、获得和直流伺服电动机相同的调速性能。所以本设计选择交流伺服电动机。2.2.3 传动机构的选择磨床将回转运动转变为直线运动，一般采用滚珠丝杠螺母机构，传动效率一般为0.920.96，传动灵敏，不易产生爬行。使用寿命长不易产生磨损。具有可逆性，可以将旋转运动转化成直线运动。施加预紧力后可以消除轴向间隙。反向时无空行程，不能自锁，垂直安装时需有平衡装置和制动装置。2.2.4 传动方案图四轴联动BEMC数控刃磨床X-Y轴进给伺服设计中选用半闭环控制。由于磨床在机构传动结构设计上都要求无间隙、高刚度、低惯量，所以本设计采用伺服电动机与滚珠丝杠直接连接方式进行传动。图1-1中3为伺服电动机，4为联轴器，5
13、为滚珠丝杠，6为工作台。图1-2为伺服进给系统的传动方案示意图。 图1-1 伺服进给系统的传动系统方案功能图图1-2 伺服进给系统的传动方案示意图3 电机的选择3.1 概述3.1.1 电动机的应用电动机（Motors）是把电能转换成机械能的设备，分布于各个用户处，电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机（电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速）。3.1.2 交流伺服电动机的工作原理交流伺服电机的工作原理与交流感应电机相同。在定子上有两个相空间位移90电角度的励磁绕组Wf和控制绕组Wc接一恒定交流电压，利用施加到Wc上的
14、交流电压或相位的变化，达到控制电动机运行的目的。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。3.1.3 交流伺服电动机的优缺点交流伺服电动机不需要电刷和换向器,因而结构简单,维护容易,惯量小,无滑动接触,输出特性稳定,精度高,摩擦转矩小,不产生无线电干扰,工作可靠.正反转转向时输出特性对称，交流伺服电动机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格（要求分别小于1015和小于
15、1525）等特点；缺点是存在剩余电压和相位误差,切负载的大小和性质会影响输出电压的幅值和相位。3.2 伺服电动机的选择3.2.1 负载扭矩计算 负载扭矩是由于驱动系统的摩擦力和切削力反作用力所引起的，可用下式表示： 式中T-电动机轴转矩 图3-1伺服进给驱动系统图在实际机床上，由于存在传动效率和摩擦系数因数，滚珠丝杠克服外部载荷P作等速运动所需力矩，应按下式计算：F把机械部件沿直线方向移动所需力L电动机转一圈时，机械移动的距离。是电动机以扭矩T转一圈时电动机所作的功，而FL是也力F力机械移动L距离时机械所作的功。难于计算时，可采用（）滚珠丝杠副的额定动载荷，在产品样品中可查到丝杠导程式中等速运动时的驱动力矩（）双螺母滚珠丝杠的预紧力矩（）预紧力（N），通常预紧力取最大轴向工作载荷的1/3，即，当K滚珠丝杠预紧力矩系数P加在丝杠轴向的外部载荷（）， F作用于丝杠的轴向的切削力（） W法向载荷， 移动部件重量，
