车刀刃磨机床进给系统设计与建模 说明书

陕西理工学院毕业设计

题 目 车刀刃磨机床进给系统设计与建模

学生姓名 梁永祥 学号 1115014142

所在学院 机械工程学院

专业班级 机械设计制造及其自动化（机自1105班）

指导教师 张军峰

完成地点 校内

2015年05月 30 日

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陕西理工学院本科毕业设计任务书

院(系) 机械工程学院 专业班级 机械设计制造及其自动化(机自1105) 学生姓名 梁永祥

一、毕业设计题目 车刀刃磨机床进给系统设计与建模 二、毕业设计工作自 2014 年 12 月 9 日 起至 2015 年 6 月 20 日止

三、毕业设计进行地点: 四、毕业设计应完成内容及相关要求：

分析车刀刃磨时的位姿及机床所需的运动，根据机床的运动形式，设计其进给系统，能实现X、Y、Z轴三个方向的直线运动和A、B轴的旋转运动。具体要求：①熟悉三维设计软件的使用；②根据工艺工艺范围，确定数控系统类型（开环，闭环，半闭环），并选择相应电机。③设计车刀刃磨机床进给系统的传动系统及传动方式。④确定相应执行机构方案。⑤在三维软件中建立进给系统三维

模型并进行仿真。 五、毕业设计应收集资料及参考文献：

学生应较好的掌握机械设计、机械制造技术基础、金属切削原理、计算机图形学等课程相关知识。

熟悉常用机械设计与仿真软件工具并具有较强的动手能力。

毕业设计说明书、图纸、论文。 六、毕业设计的进度安排：

待定 指导教师签名 张军峰 专业负责人签名 刘春荣张昌明 学院领导签名 批准日期 2015-04-03

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车刀刃磨机床进给系统设计与建模

作者：梁永祥

所在单位：（陕西理工学院机械工程学院机械设计制造及其自动化1105班，陕西 汉中 723000）

指导老师：张军峰

【摘要】

本文主要根据机床的加工工艺范围，针对车刀刃磨机床进给系统进行设计研究，能实现X、Y、Z轴三个方向的直线运动和A、B轴的旋转运动，将要完成一下几个方面的工作：根据刀具刃磨中心工艺范围，确定数控系统类型（开环，闭环，半闭环），并选择相应电机、设计车刀刃磨机床进给系统的传动系统及传动方式、确定相应执行机构方案、对刀具刃磨中心纵向进给系统进行精度验算、在proe中建立纵向进给系统三维模型以及绘制cad零件图和装配图。

【关键词】

车刀刃磨机床 进给系统 传动系统 建模

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Design and modeling tool grinding machine tool feed

system

Yong xiang Liang

（Grade11,Class05,Major Mechanical Design，Manufacturing and Automation Dept.，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723003Shaanxi）

Tutor: Jun feng Zhang

Abstract:This paper, according to the scope of the processing technology of machine tool for cutting tool grinding machine tool feed system design research, can realize the X, Y, Z axis and the linear motion of the three directions of A and B axis of rotation, will be done on several aspects work: according to the scope of tool grinding center technology, CNC system type (open loop and closed loop, half closed loop), and select the corresponding motor, design tool grinding machine tool feed system of transmission system and methods, to determine the corresponding actuator solutions, for cutting tool grinding center precision and checking calculation of longitudinal feed system, the building up of longitudinal feed system in proe 3 d model and drawing cad detail drawing and assembly drawing.

Key words:Transmission system modeling tool grinding machine tool feed system

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1.绪论 ................................................. 1

1.1 选题的目的及意义 ........................................ 1 1.2 趋势及现状 .............................................. 1 1.3 国内外形式 .............................................. 1

2.总体方案设计 ......................................... 3

2.1工具磨床工作台设计的基本要求 ............................ 3 2.2机械结构方案 ............................................ 3 2.3控制方案 ................................................ 4

3.进给传动系统总体方案的确定 ........................... 4

3.1 进给传动系统的组成及其原理 .............................. 4 3.2进给传动控制伺服系统的选择 .............................. 4 3.2.1.开环控制系统: ......................................... 4 3.2.2.半闭环控制系统: ....................................... 4 3.2.3闭环控制系统: ......................................... 5 3.2.4数控机床对进给伺服系统机械传动部件的要求: .............. 5 3.3进给驱动电动机类型的确定 ................................ 5 3.4进给系统的传动要求及传动类型的选择 ...................... 6 3.4.1进给系统的传动要求 .................................... 6 3.4.2进给系统的传动类型的选择 .............................. 6 3.5电机与丝杠联接方式的选择 ................................ 6 3.6进给系统的一些其它要求 .................................. 7

4.进给系统的设计计算 ................................... 8

4.1 已知技术参数： .......................................... 8 4.2滚珠丝杠的计算与选择 .................................... 8 4.2.1滚珠丝杠导程的确定 .................................... 8 4.2.2确定丝杠的等效转速 .................................... 8 4.3导轨摩擦力的计算 ........................................ 9 4.4计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 .......................... 9 4.4.1计算最大轴向负载力Famax ................................ 9 4.4.2确定丝杠所受的最大载荷 ................................ 9 4.4.3珠丝杠螺母副承载能力校核 ............................. 11

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4.5计算器械传动的刚度 ..................................... 12 4.6传动精度计算 ........................................... 12 4.7确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格 ................... 13

5.伺服驱动系统的设计计算 .............................. 13

5.1电动机的选择 ........................................... 13 5.2伺服驱动系统的设计计算 ................................. 13 5.2.1脉冲当量的计算 ....................................... 14 5.2.2步进电机的选型与计算 ................................. 14 5.3电动机参数验证： ....................................... 17 5.4联轴器的选择 ........................................... 18 5.4.1选择联轴器的类型 ..................................... 18 5.4.2.计算联轴器的计算转矩 ................................. 19 5.4.3.确定联轴器的型号 ..................................... 19 5.4.4校核最大转速 ......................................... 19 5.4.5协调轴孔直径 ......................................... 19 5.4.6规定部件相应的安装精度 ............................... 19 5.4.7 进行必要的校核 ....................................... 19 5.5失效形式 ............................................... 20

6.进给系统其他部件的确定 .............................. 21

6.1导轨 ................................................... 21 6.2 导轨的确定 ............................................. 22

7.刃磨机床进给系统装夹及装配 .......................... 22

7.1丝杠的选择 ............................................. 22 7.2轴上轴承的选择 ......................................... 23 7.3三爪自定心卡盘的选择 ................................... 23

设计总结 .............................................. 25 致谢 .................................................. 26 参考文献 .............................................. 27

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1.绪论

1.1 选题的目的及意义

刀具成本在综合加工成本中占有重要的位置，如何利用刀具刃磨机床修磨好磨损到用钝标准

的刀具，延长刀具的寿命，提高刀具的利用率，降低刀具成本，是企业降低生产成本的有效途径之一。高质量、高耐用度刀具的生产需求，高效的、高精度的刀具修磨要求，促使刀具刃磨机床的功能结构由简单到复杂，自动化程度由低到高不断发展。因此我选择车刀刃磨机床进给系统设计与建模，这也正符合当前的热点和市场的需求，在实际生产中有着深刻的现实意义。 1.2 趋势及现状

在机械加工中，金属切削刀具是切削加工必不可少的重要工具之一，在机械制造、汽车、模具、医疗器械、

国防工业和航空航天等行业中占有十分重要的地位。其质量好坏直接影响到加工对象的表面质量、精度及加工效率。采用先进的刀具刃磨机床和有效经济的工艺方法，刃磨出高效率、高精度、高可靠性的刀具，是切削加工技术水平提高的一个重要保证。

在国内，数控工具磨床的发展基本上还停留在对普通工具磨床或原有的数控机床进行数控改造来满足特定刀具的制造刃磨的水平上。最近几年国内也有一些厂家研制开发了数控工具磨床，但由于采用的是主机自行制造、数控系统靠引进，这种数控工具磨床产品不但成本很高，而且由于通用的CNC系统没有集成刀具磨削加工技术和编程软件，难以实现刀具的磨削加工。来提高刀具刃磨效率和精度，减少废品率，降低刀具生产和修磨成本，是未来很值得研究的方向。 刀具在整个加工制造成本中，看似只占很小的比例。但在整个加工效率方面，恰恰是刀具起举足轻重的作用。随着对加工精度的提高，对刀具的要求也更高，相对刀具的成本也在增加，所以刀具的重新修磨就显得尤为重要！以往的刀具刃磨仅仅只限于人工在砂轮上修磨，或者由刀具厂家回收修磨，这些方式就谈不上效率可言了。现在，加工中心的技术工人们，不可能在工作初期，用大量的时间来修磨刀具。刀具的精度、使用寿命和刀具结构越来越成为影响加工能力和生产效率的关键因素，昂贵的刀具成为生产成本的重要组成部分。因此，用于刀具修磨的刃磨机行业就越来越受到加工制造业的认可。在实际中，提高机床的传动精度，高效率，稳定的进给系统来实现刀具刃磨的精度，减低成本。 1.3 国内外形式

在国外，手动工具磨床已经只是作为数控工具磨床的辅助。从目前国内市场来看，相对价格昂贵的数控工具磨床，手动工具磨床在我国相对占主导地位，它适合目前我国的国内市场需求和实际情况。主要应用于专业刀具生产企业作为数控工具磨床的辅助，和大中型企业车间中小批量刀具修磨，及结构较简单的标准和非标准刀具的生产制造。数控工具磨床已经经历了几代的产品发展过程。初期是对普通工具磨床进行数控改造，用CNC软件来简化结构，提高精度。第二代产品是数控万能刀具“磨削中心”，它适用于刀具的连续加工，使刀具制造工艺高度集成，工件一次装夹，通过几组独立砂轮的转塔磨头来完成多道工序复合加工，加工过程中自动更换砂轮，因而刀具制造精度高，适用于复杂形状型面刀具的精密磨削。Michael Deekel公司研发的S20E-turbo磨削中心自带砂轮库，并且砂轮库由独立的伺服轴控制，完全实现砂轮的自动更换，可以实现高效率的自动化生产；采用生产、修磨一体化设计磨削软件，实现对程序的编辑、修改、编译、检查等；还集成了砂轮的

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自动测量、修整和刀具测量系统的全自动校准等辅助功能。适用于各种标准刀具、复杂刀具(非标准)的生产和修磨。S20E磨削中心，还可以集成全自动拾取式上料系统，容纳多达16支自由尺寸的各种刀具。

第三代产品是生产刀具的自动化工厂、自动化生产线和柔性制造单元，它代表刀具刃磨机床的最专业、最前沿的制造生产技术。它由一组只需完成单一加工工序的2-4轴简易型CNC工具磨床组成，机床问由传输线和机械手连接，用于磨削刀具的外圆、沟槽、刃背和端面，适用于刀具的大批量生产。

采用数控工具磨床对刀具进行磨削加工必须依靠刀具磨削加工技术和编程技术，而各种复杂形状刀具的磨削加工技术和编程软件，目前在国外也属于专利技术或保密技术。正因为如此，目前世界上也只有少数厂商能够生产高性能的数控工具磨床。

在国内，数控工具磨床的发展基本上还停留在对普通工具磨床或原有的数控机床进行数控改造来满足特定刀具的制造刃磨的水平上。国内的数控工具磨床基本上靠进口，价格昂贵，并且这些数控机床经过相当长时间的使用后，其主机性能基本完好，仍可使用，而其数控系统则已经远远落后于现代数控系统技术，属于已淘汰产品。最近几年国内也有一些厂家研制开发了数控工具磨床，但由于采用的是主机自行制造、数控系统靠引进，这种数控工具磨床产品不但成本很高，而且由于通用的CNC系统没有集成刀具磨削加工技术和编程软件，难以实现刀具(特别是复杂刀具)的磨削加工。但总的来说我国在近几年来，在数控工具磨床上不断地努力，也取得了一定的发展，逐步缩小与世界先进水平的差距。如在第九届中国国际机床展览会(CIMT2005)上，中国武汉机床厂还展出了MK6030五轴数控工具磨床，可用于生产和修磨各种金属切削刀具，以上所述的刀具刃磨机床均是万能型的，其实刀具刃磨机床发展过程中还有另一重要分支，那就是专用刀具刃磨机床。专用刀具刃磨机床是为特定刀具批量化生产而设计制造，如，滚刀刃磨床、拉刀刃磨床、钻头刃磨床、锯片刃磨床等。这些机床通用性虽然没有万能型刀具刃磨机床好，但它具有效率高、适用于大批量生产、能有效降低刀具制造生产成本等特点，适用于专业刀具生产厂特定刀具的大批量生产，也是刀具刃磨机床的重要组成部分和发展方向。未来数控工具磨床的主要研究发展方向还有如下几个方向：

1)高速磨削是世界上正大力研究并逐渐推广的一种先进的机械加工方法，与普通磨削相比，其效率可提高1～3倍，工件表面光洁度可提高1～3小级，砂轮耐用度可提高1倍左右。随着电主轴技术、直线电机技术、大导程高速精密滚珠丝杠副和新型高精度导轨的发展，高速和超高速数控工具磨床也是未来发展的一个重要方向。

2)产品的小型化和加工过程的微细化是全球加工制造业发展的必然趋势，微细切削加工在模具、汽车、电子、生物、医疗、航空航天等行业的应用越来越广泛，是切削加工技术的一个发展方向。高精密微细刀具的生产制造是微细切削加工技术得以发展的重要保证。因此，研发刃磨微细刀具的数控工具磨床也是未来数控工具磨床的发展方向。

3)砂轮是工具磨床制造生产和修磨刀具的“刀具”，是工具磨床的关键部分。砂轮的设计，其截面形状的优化、粘结剂的结合强度及其适用性、砂轮基体的材料、砂轮的制造技术，以及全自动的砂轮修整、检测控制技术也是未来工具磨床发展的一个重要方向。

4)利用计算机技术及模拟技术，开发能对刀具刃磨过程、排屑过程、磨削力变化、磨削区温度、磨削精度和磨削表面质量进行仿真的数控工具磨床软件，也是未来数控工具磨床很好的一个发展方向。

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2.总体方案设计

2.1工具磨床工作台设计的基本要求

工具磨床作为一种高精度的数控装备，结构复杂，精度要求高。一般由机床的主运动部件（砂轮），进给运动部件，辅助部件和机座等组成。结构形式各不相同，布局形式有转台式，立式，卧式，带刀库等，机座形式也分为有底座式，立柱式，龙门式等。为了实现刀具和工件的相对运动，工具磨床可以有多种结构布局形式，对应的工作台形式也是多种多样。

工作台的结构设计通常要满足以下几点要求：（1）刀具磨削往往要求一次装夹完成工件所有切削面的粗精加工，工作台应能满足进行多片砂轮加工以及自动换刀机构的工作要求；（2）刀具主要由各种复杂曲面构成，因此工作台结构应满足多轴联动加工的要求，保证各个运动轴在工作的范围内部产生运动干涉；（3）工作台既要能够承受粗磨所产生的大磨削力，又要能够保证精加工时的高精度，因此要求刚度大，稳定性好，运动精度高，同时热变形小。 2.2机械结构方案

机械结构如图所示，运动有主运动（砂轮转动），主运动采用电主轴，一边装平砂轮，一边装

碗型砂轮；X、Y、Z移动和B、A转动。用平砂轮端磨法分别刃磨车刀的三个面，即主后刀面、副后刀面和前刀面。主后刀面：A实现主偏角，B实现后角，X、Y联动进给；副后刀面同主后刀面；前刀面：车刀水平安装后，B转动90°（即把前刀面转到相当于车刀水平安装时的主后刀面位置），然

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后再由A实现刃倾角，B实现前角，X、Y联动进给。 2.3控制方案

整个伺服系统采用交流伺服系统半闭环控制。

1）主运动采用电主轴，根据砂轮直径，确定电主轴转速，估计要达到20000rpm。 2）X、Y、Z移动采用滚动导轨、滚珠丝杠直连交流伺服电机，伺服电机带有编码器。 3）B、C转动采用蜗轮蜗杆副+交流伺服电机，伺服电机带有编码器。

3.进给传动系统总体方案的确定

3.1 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。 3.2进给传动控制伺服系统的选择 3.2.1.开环控制系统:

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。

脉冲指令 图3.2.1 开环控制系统

比较环节 环形分配器 功率放大器 步进电机 3.2.2.半闭环控制系统:

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

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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。 脉冲指令

信息反馈 图3.2.2半闭环控制系统

比较环节 伺服放大器 伺服电机 机床工作台 3.2.3闭环控制系统:

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。 脉冲指令

信息反馈 图3.2.3 闭环控制系统

比较环节 伺服放大器 伺服电机 机床工作台 3.2.4数控机床对进给伺服系统机械传动部件的要求:

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。

3.3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；

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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。 3.4进给系统的传动要求及传动类型的选择 3.4.1进给系统的传动要求

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。 3.4.2进给系统的传动类型的选择

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。 静压丝杠螺母副

其特点是：摩擦系数小，仅为0.0005，；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。 滑动丝杠螺母副

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。 滚珠丝杠螺母副

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=0.92～0.98；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。 3.5电机与丝杠联接方式的选择

滚珠丝杠螺母副与电动机的联接的型式主要有三种： 联轴器直联接：

这是一种最简单的连接型式.这种结构型式的优点是:具有最大的扭转刚度；传动机构本身无间

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隙,传动精度高,而且结构简单,安装、调整方便，适用于像中小型号的数控车床。联轴器采用挠性联轴器，它能补偿因同轴度及垂直度误差引起的“干涉”现象.采用这种挠性联轴器把电动机与丝杠直接联接，不仅可以简化结构，减少噪声，而且可以消除传动间隙，能减少中间环节带来的传动误差,提高传动刚度。 通过齿轮联接：

这种调整方法的优点是可以在齿轮的齿厚和周节变化的情况下,保持齿轮的无间隙啮合；但是结构比较复杂,轴向尺寸大、传动刚度低、传动平稳性较差，一般用于精度要求低的机床中。 通过同步齿形带联接：

同步齿轮带传动具有带传动和链传动的共同优点,与齿轮传动相比它结构更简单,制造成本更低,安装调整更方便。并且传动不打滑、不需要大的张紧力； 但是在同步齿形传动设计时对材料的要求很高。

机床主要用机械联轴器连接，机械联轴器分刚性与弹性，刚性又分固定式刚性联轴器与可移式联轴器，如套筒联轴器，滑块联轴器等。弹性又分金属弹性联轴器与非金属弹性联轴器，如簧片联轴器，轮胎联轴器等。

在满足机床要求的前提下，通过对比本课题采用通过联轴器联接电机与丝杠副，这是一种简单的联接形式具有大的扭转刚度，制造成本低，传动精度高，而且结构简单，安装调整方便。 3.6进给系统的一些其它要求

滚珠丝杠副和其他滚动摩擦的传动器件一样，应避免硬质灰尘或切屑污物进入，因此必须装有防护装置。如果滚珠丝杠副在机床上外露，则应采用封闭的防护罩，如采用螺旋弹簧钢带套管、伸缩套管以及折叠式套管等。安装时将防护罩的一端连接在滚珠螺母的侧面，另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。如果滚珠丝杆副处于隐蔽的位置，则可采用密封圈防护，密封圈装在螺母的两端。接触式的弹性密封圈采用耐油橡胶或尼龙制成，其内孔做成与丝杠螺纹滚道相配的形状；接触式密封圈的防尘效果好，但由于存在接触压力，使摩擦力矩略有增加。非接触式密封圈又称迷宫式密封圈，它采用硬质塑料制成，其内孔与丝杠螺纹滚道的形状相反，并稍有间隙，这样可避免摩擦力矩，但防尘效果差。工作中应避免碰击防护装置，防护装置一有损坏应及时更换。另外对滚珠丝杠安装处应进行削边。

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4.进给系统的设计计算

4.1 已知技术参数：

纵向最大行程（Z轴）450/mm; 工作给速度为1--8000mm/min; 纵向快速进给速度：1.0m/min; 估计质量：50kg; 磨削深度2mm； 进给量0.4mm; 磨削系数300；

?p?0.004mm/P 材料选为：HT200； 4.2滚珠丝杠的计算与选择 4.2.1滚珠丝杠导程的确定

r/min， 在本设计中，电机和丝杠直接相连，传动比为i=1，设电机最高工作转速为nmax?1500则丝杠导程为： Ph?8000vmax?5.33 取Ph?6 Ph?1500nmax 4.2.2确定丝杠的等效转速

n?vr/min phv1000r/min??166.67r/min ph6可知最大进给速度时丝杠的转速：n? 最小进给速度时丝杠的转速：n?丝杠等效转速：（取t1?2t2）

v1r/min??0.167r/min ph6nm?n1t1?n2t22n1?n22*166.67?0.167???111.17r/mint1?t233假设一般磨削力的公式为：

??N?F?CtvaXaPYfn??? ?? 式中; F为磨削力(N)

Ct为切削系数

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Va为工件圆周进给速度m/min

ap为磨削深度mm

f轴向进给量mm/r

F?300?8?2?0.4?1920N

在一般磨削中；Fx=(0.1~0.6)Fc Fy=(0.15~0.7)Fc Fx?0.5F?0.5?1920?960N

Fy?0.6F?0.6?1920?1152N

4.3导轨摩擦力的计算

导轨受到移动部件的全部质量（包括机床夹具和工件的质量）m=50kg所受重力W=500N)，查表知紧固件的重力为f=1000N,取导轨动摩擦系数??0.15，则

F????W?f?Fx?Fy??0.15??500?1000?960?1152??542N 计算在不磨削削状态下的导轨摩擦力F?0和F0

??225N F?0???W?f??0.15??500?1000F 0??0?W?f??0.2??500?1000??300N4.4计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 4.4.1计算最大轴向负载力Famax

(1)Famax?Fy?F??1152?542?1694N

计算最小轴向负载力Famin Famin?F?0?225N 丝杠的平均载荷Fm

Fm?(2F1?F2)?1204N

3 4.4.2确定丝杠所受的最大载荷

fmfw?60Thnm?3N ? Ca??6?ftfhfafk?10?fw——负荷性质系数；（查表：当一般运转时，）fw为1.2 1.5，取fw=1.5） ft——温度系数；（查表：）

fh——硬度系数；（查表：辊道实际硬度?HRC58时，fh=1。） fa——精度系数；（查表：当精度等级为3时，fa=1.0。） fk——可靠性系数；（查表：可靠性为90%时，fk=1.00。） Fm——等效负荷（N）； nm——等效转速（r/min）；

Tn——工作寿命（h）。（查表得：数控机床：Tn=15000。）

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（2）根据定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形。

已知本机床进给系统的定位精度为40 ?m,重复定位精度为16 ?m，则有 ?max1?(11~)?16?m?5.33~8?m 3211~)?40?m?8~10?m 54 ?max2?(取上述计算结果的较小值，即?max?5.33?m。 （3）估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m

滚珠丝杠螺母的安装方式拟采用两端固定支承方式，滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离为

L=行程+安全行程+23余程+螺母长度+支承 ≈（1.2～1.4）行程+（25～30）Ph

取L=(1.43200+3036)mm=460mm dm?0.078F0Ph??0.078max300*460?12.6mm

5.33 （4）初步确定滚珠丝杠螺母副的型号

根据以上计算所得的Ph、Cat、dm和结构的需要，初步选择型号为FF3206-5，其公称直径d0、基本导程P0、额定动载荷Ca和螺纹底径d2如下

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d0?32mm P0?6mm 偏心距

Ca?20200N?Ca??7825N d2?27.9?dm?12.6mm 4.4.3珠丝杠螺母副承载能力校核

`R/r=1.14

已知滚珠丝杠螺母副的螺纹底径d2?27.9mm，已知滚珠丝杠螺母副的最大受压长度

L1?300mm，丝杠竖直安装时，取K1?1/3，查表得K2?2，则有

4d2127.9455 Fc?K1K22?10??2??10N?448831.21N 2L13300本车床横向进给系统滚珠丝杠螺母副的最大轴向压缩载荷为Fmax=1694N，远小于其临界压缩载荷Fc的值，故满足要求。

5滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度L2?300mm，其弹性模量E?2.1?10MPa，密度，

1?7.8?10?5N/mm3 g32 重力加速度g?9.8?10mm/s

?? 滚珠丝杠的最小惯性矩为 I??644d2?3.14?27.94?29728.05mm4 64 滚珠丝杠的最小截面积为 A??644d2?3.14?27.94?29728.05mm4 64 取K1?0.8，查表得??3.927，则有

60?2 nc?K12?L22EI ?A60?3.9272 ?0.8?2?3.14?3002 ?4692249r/min

2.1?105?29728.05?9.8?103 ?57.8?10?611.05进给传动链的滚珠丝杠螺母副的最高转速为166.67r/m，远小于其临界转速，故满足要求。 滚珠丝杠螺母副额定寿命的校核,滚珠丝杠的额定动载荷Ca?20200N，已知其轴向载荷Fmax=1694N，滚珠丝杠的转速nmax=166.67r/min，运转条件系数fw=1.4，则有

?Ca?66 L???Fafw???10?614.125?10r

??

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L614.125?106 Lh??h?61411h

60n60?166.67 本车床数控化改造后，滚珠丝杠螺母副的总工作寿命Lh=61411h>15000，故满足要求。 4.5计算器械传动的刚度

5 已知滚珠丝杠的弹性模量E?2.1?10MPa，滚珠丝杠的底径d2?27.9mm。当滚珠丝杠的螺

母中心至固定端支承中心的距离a?LY?300mm时，滚珠丝杠螺母副具有最小拉压刚度Ksmin Ksmin3.14?27.92?2.1?105??10??427.73N/?m 4LY4?300?32?d2E当a?LJ?100mm时，滚珠丝杠螺母副具有最大拉压刚度Ksmax Ksmax3.14?27.92?2.1?105??10??1283.21N/?m 4LJ4?100?32?d2E 已知滚动体直径dq=6.75mm，滚动体个数Z=15.轴承接触角??60?。轴承最大轴向工作载荷

Fbmax?Famax?1694N。则滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度Kb为：

Kb?2?2.34?3dQZFamaxsin? ?2?2.34?36.75?225?0.75?654.49N/?m

查表得滚珠与滚道的接触刚度K?683N/?m，滚珠丝杠的额定动载Ca?20200N。已知滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷Fbmax?Famax?1694N则 Kc?K?22?Famax???642N/?m

?0.1Ca?13 进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为

1111111???????0.003689 KmaxKsmaxKbKc1283.21654.49723.51故Kmax?723.51N/?m。 4.6传动精度计算

有机械传动装置引起的定位误差为：

1??1???mKsminKsmax??

1??1?k?225????m?0.35?m.21??427.731283??F??k0对于3级滚珠丝杠。其任意300mm导程公差为正负12?m，机床定位精度为40 ?m,重复定位精度为16 ?m，则有?k?40?1?8?m，可以满足由于传动刚度变化所引起的误差小于（1/3~1/5)5机床的定位进度要求。再加闭环反馈系统的补偿，定位进度能进一步提高。

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4.7确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格

由丝杠的设计可知，丝杠两端的轴承主要承受轴向力，径向力，根据《机械设计手册》，可知用角接触球轴承。丝杠两端的尺寸Ф27.9mm, 可知轴承内径d=25mm.

轴承采用成对安装方式，轴承不宜过厚，选择厚度较小的，查《机械设计手册》选60度角接触球轴承厚度为12mm.丝杠高速运转会产生大量的热，为了具有更好的润化性和散热性应选用外径/内径较大的轴承。这种轴承承载能力强，变形系数小，横向空间大，有利于润滑油的流动带走产生的热量，减少热变形和磨损，查《机械设计手册》，选角接触球轴承外径为52mm。轴承承受的轴向载荷Fmax=1694N.预紧力Fp=1050N,滚珠丝杠支撑形式采用两端固定式，所选用的轴承型号为：(GB/T292-1994)7205C 其额定动载荷为16.5KN。 轴承的寿命：

参考《机械设计》公式（13-5）可知，

?36106?C?16500??10 Lh?.56h ??????2717.33?2744?60n?P?60?1333 故所选轴承符合要求。

5.伺服驱动系统的设计计算

5.1电动机的选择

伺服电动机的选择是根据负载条件来进行的，加在电动机轴上的负载有负载转距和负载惯量两种，负载转距包括切削转距和摩擦转距。选择伺服电动机应能满足下述条件：

1）根据负载转距选择电机，负载转距应小于或等于电动机额定转距。最大切削负载转距不得超过电动机的额定转距折算到电动机轴上的最大切削负载转距。

2）电动机的转子惯量应与负载惯量相匹配，通常要求转子惯量不小于负载惯量。但也不是转子惯量越大越好，因转子惯量越大，总的惯量就越大，加速性能受影响。为了保证足够的角加速度，以满足系统反应的灵敏度，将不得不采用转距过大的电动机和它的控制系统。

3）快速移动时，转距不得超过电动机的最大转距，当执行部件从静止状态加速到最大移动速度时，所需要的转距最大。但选择电机时，是按照负载转距小于额定转距，电动机转子惯量与负载惯量的合理匹配，执行部件的快速转距小于电动机的最大转距三个要素来考虑的。根据负载转距的计算，切削转距加上摩擦转距，应小于或等于电动机的额定转距。

4）加速转距应等于最大转距减去负载转距。在空载时，加速转距应等于最大转距减去摩擦转距，其差值等于全部惯量（电动机+负载惯量）乘于加速度斜率。 5.2伺服驱动系统的设计计算

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车刀刃磨装置的机械系统设计包括伺服驱动系统的设计计算。伺服驱动系统的设计计算包括脉冲当量的计算，步进电机的选型和轴的结构设计和联轴器的选择。下面详细阐述一下设计计算的内容。

5.2.1脉冲当量的计算

参照普通工具磨床的参数，其定位精度一般在±0.01mm～±0.005mm，根据设计结构的要求，刃磨装置对定位精度要求不高，故可选脉冲当量?f=0.01mm/step。

初选步进电机的步距角为?b=0.9°,步进电机每发一个脉冲（0.9°），因此，步进电机和轴之间无需减速装置，脉冲当量?p可以满足所需精度。 5.2.2步进电机的选型与计算

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差的特点，广泛应用于各种开环控制。

步进电机的性能指标

步进电机的常用术语及主要性能指标是： 步距角?b

指每给一个电脉冲信号，电动机转子所应转过的角度的理论值，可有下列公式来计算：

?b =

360 (式4.1) mkz式中，m为电动机相数；z为转子齿数；k为通电方式系数，当采用单三拍或双通电方式，k=1；而采用三相六拍通电方式时，k=2。

(2)精度

通常步进电机的精度有两种表示方法：一种用步距误差的最大值来表示；一种用步距累积误差最大值表示。前者是指电动机旋转一圈内相邻两步之间最大步距和理想步距的差值，用理想步距的百分数表示；后者是指任意位置开始经过任意步之后，角位移误差的最大值。

(3)转矩

保持转矩(或定位转矩)，是指绕组不通电时电磁转矩的最大值，或转角不超过一定值时的转矩值。通常反应式步进电机的保持转矩为零，而若干类型的永磁式步进电机具有一定的保持转矩。

静转矩是指不改变控制绕组通电状态，即转子不转情况下的电磁转矩。它是绕组内的电流及失调角(转子偏离空载时的初始稳定平衡位置的电度角度)的函数。当绕组内的电流值不变时，静转矩与失调角的关系称为矩角特性。对应于某一失调角时，静转矩的值为最大，称之为最大静转矩Tk，它的值取决于通电状态及绕组内电流的值。动转矩是指转子转动情况下的最大输出转矩值，它与运行频率有关。

(4)响应频率

在某一个频率范围内，步进电机可以任意运行而不丢步，则这一最大频率称为响应频率。通常用启动频率fs后作为衡量指标。它是指在一定负载下直接起动而不丢步的极限频率。

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设计总结

过此次课程设计，让我能将自己这四年来所学的专业知识重新拾起整理，并且在心中有了一个知识体系，知道如何去调用所学的知识，对于自己不了解的、不曾接触过的专业知识，知道可以通过查阅资料区学习并掌握它。

毕业设计是对我们大学期间所学知识的一次总结与运用，是对以前每门课程设计的综合，是对所学知识的彻底检验。刚开始选择课题的时候，我因为对机床比较感兴趣，所以选择了关于机床方面的课题。开始设计之前，我首先上网搜索了有关方面的知识，对机床的发展现状和发展趋势有了进一步的了解，也让我学习到了很多新的知识。设计的时候，我们对学校的一些数控车床进行了观察，我主要观察了机床的进给系统结构，同时并结合自己的课题对机床的总体布局做了进一步的研究，并通过查阅资料和相关图册，设计出了满足机床需要的进给系统。

毕业设计是我们走向工作岗位的最后一次练兵，是一次理论和实践完美结合的过程。在近三个月的毕业设计当中，使我更加认识到理论联系实际的重要性，只有理论而不去进行实践是不行的。通过这次设计，自己在查阅数据、运用数据、中英文翻译、运用专业知识及CAD，PROE绘图等方面的能力有了较大地提高，对如何将机、电互相结合起来有了较深刻的认识，弥补了原来学习中的很多不足之处，为以后从事机械方面的工作打下了一定的基础，积累了一定的经验，对设计工作有了一定的认识。

总之，这次设计顺利完成使我受益匪浅，不但巩固了我以前学习的东西，而且学到了很多新东西，为我走向社会打下了深厚的基础。同时也使我懂得了一个真正设计的步骤以及方法。

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致谢

经过3个月的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 在这里首先要感谢我的导师张军峰老师。张老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从查阅数据到设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计等整个过程中都给予了我悉心的指导。 其次要感谢我的同学对我无私的帮助，特别是在软件的使用方面，正因为如此我才能顺利的完成设计；另外，我还要感谢那些曾给我授过课的每一位老师，是你们教会我专业知识。在此，我再说一次谢谢！谢谢大家！！！。

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参考文献

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