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1、沈阳理工大学学士学位论文摘 要 本文完成了对数控铣床伺服进给系统的设计。首先确定了总体设计方案，和X、Y、Z三个方向的运动参数，之后根据运动参数确定了数控机床的传动方案，由导程、当量动载荷、最小螺纹底径确定了X、Y、Z三个方向的滚珠丝杠以及由最大切削负载转矩、负载转动惯量等确定了X、Y、Z三个方向的伺服电机，并且校验了X、Y、Z三个方向的伺服进给系统。 确定了结构方案后，用CAXA 实体设计软件对结构中丝杠、导轨、伺服电机等零件进行了3D建模，之后装配出X、Y、Z三个方向的伺服进给系统，并生成出数控铣床伺服进给系统的二维工程图，最后对其进行了运动仿真。关键词：进给系统；滚珠丝杠；伺服电机；CA
2、XA实体设计 Abstract In this paper, the machine servo systems of the CNC milling are designed. First,overall design scheme is determined，and the motion parameters of the X,Y,Z three directions are determined，then according to the motion parameters，the transmission scheme of the CNC machine is determined，
3、and by the lead, equivalent dynamic load, and bottom diameter of the smallest screw，the ball screws of the X, Y, Z three directions are determined and by the maximum cutting load torque, moment of inertia of the load ，the servo motors of the X, Y, Z three directions are determined，and the servo feed
4、 systems of the X, Y, Z three directions are checked. After determining the program of the structure，three-dimensional modeling of the screws 、rails 、servo motors and other parts in the structure are set up by using CAXA physical design software，then the servo systems of the X, Y, Z three directions
5、 are assembled，and two-dimensional engineering drawings of the servo systems of the CNC milling machine are generated，finally the motion simulation is set up.Keywords : Feed system;Ball Screw;Servo motor;CAXA physical design 目 录摘 要错误!未定义书签。Abstract错误!未定义书签。目 录错误!未定义书签。1 绪论错误!未定义书签。1.1 课题背景和意义错误!未定义书
6、签。1.2 国内外研究现状11.3 数控机床的发展趋势11.4 本课题的研究内容和方法31.5 本章小结42 总体方案设计52.1 伺服进给系统的基本要求52.2 铣床的技术要求52.3 传动方案设计52.4 主切削力及切削分力及切削分力计算62.4.1 计算主切削力62.4.2 计算各切削分力62.5 本章小结63 滚珠丝杠及伺服电动机的选择83.1X轴方向进给系统的计算83.1.1 X轴滚珠丝杠的选择83.1.2 X轴伺服电机的选择113.1.3 X轴系统校验133.2 Y轴方向进给系统的计算163.2.1 Y轴滚珠丝杠的选择163.2.2 Y轴伺服电机的选择203.2.3 Y轴系统校验2
7、13.3 Z轴方向进给系统的计算243.3.1 Z轴滚珠丝杠的选择243.3.2 Z轴伺服电机的选择273.3.3 Z轴系统校验293.4 本章小结324 3D建模334.1 CAXA实体设计的介绍334.2 丝杠设计334.2.1 设计思路334.2.2 设计步骤334.3 标准件及高级图素应用364.3.1 设计方法364.3.2 内六角圆柱头螺钉设计374.4 装配设计错误!未定义书签。4.4.1 设计方法384.4.2 轴承座装配384.5 二维工程图输出404.5.1 设计方法404.5.2 生成步骤404.6 本章小结错误!未定义书签。5 运动仿真错误!未定义书签。5.1 设计方法
8、错误!未定义书签。5.2 丝杠的仿真错误!未定义书签。5.3 本章小结错误!未定义书签。6 结论错误!未定义书签。参考文献错误!未定义书签。致 谢错误!未定义书签。附录A 英文原文48附录B 中文译文53IV1 绪论1.1 课题背景和意义机床是国民经济中具有战略意义的基础工业，所以机床工业的发展和机床技术水平的提高，必然对国民经济的发展起着重大的推动作用。随着改革开放以及中国加入世贸组织后，我国的机床工业已取得了巨大的发展。特别是在加入世贸组织后，中国正在逐步变成世界制造中心，机械行业为了增强竞争力已开始广泛的使用先进的数控技术及数控机床，虽然目前我国的数控技术正处在方兴未艾的发展时期，但只要
9、经过技术工人艰苦不懈的共同努力，我国的数控机床及数控技术一定能逐步缩小与世界先进水平的差距，取得很好的发展。1.2 国内外研究现状从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。 数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和
10、国防建设发展的重要装备。 进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。1.3 数控机床的发展趋势 （1）高速化。随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对数控机床加工的高速化要求越来越高。目前铣削速度已达到50008000m/min以
11、上，主轴转速达到30000100000r/min；工作台的移动速度，当分辨率为1m时，在100200m/min以上。自动换刀速度在1秒以内，小线段插补进给速度达到12m/s。 （2）高精度化。数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度，机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。提高CNC系统控制精度：采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化，并采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度，位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法；采用误差补偿技术：采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术，对设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿；
12、采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度，并通过仿真预测机床的加工精度，以保证机床的定位精度和重复定位精度，使其性能长期稳定，能够在不同运行条件下完成多种加工任务，并保证零件的加工质量。 （3）高可靠性。数控机床与传统机床相比，增加了数控系统和相应的监控装置等，应用了大量的电气、液压和机电装置，易于导致出现失效的概率增大；工业电网电压的波动和干扰对数控机床的可靠性极为不利，而数控机床加工的零件型面较为复杂，加工周期长，要求平均无故障时间在2万小时以上。为了保证数控机床有高的可靠性，就要精心设计系统、严格制造和明确可靠性目标以及通过维修分析故障模式并找出薄弱环节。国外数控系统平均无故障时间
13、在710万小时以上，国产数控系统平均无故障时间仅为10000小时左右，国外整机平均无故障工作时间达800小时以上，而国内最高只有300小时。 （4）功能复合化。复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工。根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类。采用复合机床进行加工，减少了工件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产生的误差，提高了零件加工精度，缩短了产品制造周期，提高了生产效率和制造商的市场反应能力，相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势。 （5）控制智能化。随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，数控机床的智能
14、化程度在不断提高。加工过程自适应控制技术：通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损、破损状态及机床加工的稳定性状态，并根据这些状态实时调整加工参数和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高设备运行的安全性；加工参数的智能优化与选择：将工艺专家或技师的经验、零件加工的一般与特殊规律，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择器”，利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平、缩短生产准备时间的目的；智能故障自诊断与自修复技术：根据已有的
15、故障信息，应用现代智能方法实现故障的快速准确定位；智能故障回放和故障仿真技术：能够完整记录系统的各种信息，对数控机床发生的各种错误和事故进行回放和仿真，用以确定错误引起的原因，找出解决问题的办法，积累生产经验；智能化交流伺服驱动装置：能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行。 （6）体系开放化。 向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期；向用户特殊要求开放：更新产品、扩充功能、提供硬软
