三坐标数控磨床设计-毕业设计.doc

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1、中文摘要 本次设计为三坐标数控磨床，该机床能通过三轴联动，实现曲线直线等不同的加工路线，同时可以通过更换砂轮来加工不同的型腔和轮廓提高其表面质量。另外该机床也能够对其它一些工具零件进行表面加工。 所设计的三坐标数控磨床，磨头与立柱之间用鼠齿器相连，可以改变主轴与工作台的角度。三个坐标方向的移动均由交流伺服电机带动丝杠驱动，所选用的联轴器为十字滑块联轴器，工作台选用双推与双推轴承组成两端固定支承，达到所要求的高精度。三个方向通过速度反馈和位置反馈实现闭环系统。主轴电机采用交流电机，由变频器对其进行无级调速。所有电机均有单片机进行控制。此设计主要对数控磨床的机构进行设计，了解单片机的工作原理，主要

2、有以下几个方面：X、Y工作台的传动机构设计，主要是滚珠丝杠的运用；伺服系统应用开环控制，了解它的工作原理；机床整体结构的设计，了解优缺点，充分考虑主要矛盾，择优选取；数控装置的设计，了解其控制原理。设计中充分考虑经济性、工艺性、适用性等要求，选择最好的方案，以达到最佳的效果。关键词：数控 三坐标 铣床 英文摘要This design is for tri-coordinate numerical control grinding machine .This machine tool can work along the curve and straight line through co-op

3、eration of three axles .By changing the abrasive wheel it can also process different type and outline .And thus improve the quality of its surface .Furthermore, this machine tool can handle the face-improving process of other tools and components . The tri-coordinate NC curved surface grinding machi

4、ne work head is connected with stand post by means of a mouse-tooth device .It can change the angle between the main axle and work desk. The motion of tri-coordinate direction is urged by DC. The work desk is fixed at both ends, thus it can reach the high accuracy .Three coordinate direction move an

5、d urge by direct current serve electrical machinery and realize half close ring system through speed feedback and position feedback. Main shaft adopt and exchange electrical machinery by electrical machinery ,go on step speed regulation to their by converter. All electrical machineries are controlle

6、d by the one-chip computer. In this way the product produced are with high quality we mainly design the structure of the numerically controlled milling machine, and find out control prnciple of single tool machine: The design of the transmission structure of X、Y worktable .Mainly the application of

7、boll beany; Assiting system with the control of open-loop system and its working prinples; The design of the whole machine structure and it advantages and disadvantages; The design of the numerically controlled device ,and its control principles. In this design ,we fully consider the practical order

8、s of economy , technology and applicability and choose the least plan to get the least effect.Key Words: Numerical Control Tri-coordinate Milling Machine目录中文摘要1英文摘要2目录3第一章 概论11.1数控机床的产生与发展11.2 何谓数控机床11.3 数控机床的应用范围11.4 数控机床的基本组成21.5 数控机床的分类21.6 数控机床的工作过程21.7数控机床的特点21.8 磨削概论21.9 三坐标数控磨床3第二章 总体结构设计62.1

9、提高机床的结构刚度的设计62.2提高机床的抗振性的措施72.3提高机床灵敏度7第三章 进给伺服系统结构设计83.1 进给伺服系统的作用83.2 进给伺服系统的设计要求83.2.1对进给伺服系统的基本要求83.2.2 进给伺服系统的设计要求93.3进给伺服系统的组成93.4 进给伺服系统的分类93.5给伺服系统的数学模型。103.5.1 数控机床的位置调节系统103.5.2 进给伺服系统的数字模型103.6 进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析103.6.1 时间响应性103.6.2 频率响应特性113.6.3 稳定性分析113.6.4 快速性分析113.6.5 伺服精度113.7 驱动元件

10、的设计123.7.1. 选用伺服电动机123.7.2选用交流伺服电机123.8 机械传动部件的设计14第四章 床身与导轨204.1 床身设计204.1.1 床身结构的基本要求204.1.2 床身的结构204.1.3 床身的截面形状204.1.4钢板焊接结构214.1.5箱体封沙结构214.2导轨设计214.2.1对导轨的要求214.2.2 滑动导轨214.2.3 贴塑滑动导轨214.2.4 导轨结构224.2.5 导轨设计224.2.6导轨的材料22第五章 主传动系统结构设计235.1主传动系统的设计要求235.2主传动变速系统的设计235.3主轴组件设计235.3.1 对主轴组件的性能要求2

11、35.3.2 主轴组件的组成和轴承选型245.3.3 主轴组件的技术要求255.3.4主轴组件的动态特性265.3.5 主轴轴承的润滑265.4选择主轴电机275.5 高速带的设计计算29第六章 控制系统设计316.6 主轴电机驱动电路326.7 越界报警32程 序33设 计 小 结36参考文献37第一章 概论设计任务书1、三坐标数控磨床的主要技术要求（1）X、Y、Z行程分别为300mm、300mm 、300mm。（2）进给精度为0.001mm（3）X、Y、Z轴快速移动速度分别为10m/min、10m/min、10m/min (4 )工作台面尺寸420300mm2、课题内容及工作量（1） 三坐

12、标数控磨床总体布置图Ao 1张（2） X-Y工作台装配图（机构图）Ao1张（3） 磨头机构装配图Ao1张（4） 单片机控制原理图Ao1张（5） 设计说明书15000字、开题报告2000字（6） 外文翻译5000汉字（7） 编制源程序100句以上注：所有的尺寸均由计算机绘制1.1数控机床的产生与发展 1952年，美国麻省理工学院成功的研制出一套三坐标联动，利用脉动乘法器原理的实验性数控系统，并把它装在一台立式铣床上。当时用的电子元件是电子管，这就是世界上的第一台数控机床。1959年，数控装置中广泛采用电子管和印刷电路板，从而跨入数控的第二代。1965年，出现了小规模集成电路，由于它体积小、功耗低

13、，使数控系统的可靠性得以进一步提高，从此数控发展到第三代。1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上首次展出的数控系统采用计算机数控系统的机床，这便是数控的第四代。1974年，出现了第五代数控系统（MNC微处理机控制系统）。 我国是从1958年开始研制数控技术的，一直到60年代中期处于研制、开发时期。当时，一些高等院校、科研单位研制出实验样机，开发也是从电子管开始的。1965年国内开始研制晶体管数控技术。从70年代开始，数控技术在车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工等领域全面展开，数控加工中心在上海、北京研制成功。在这一时期，数控线切割机床由于结果简单、使用方便、价格低廉，在模具加工中得到了推广。80年

14、代我国数控机床有了新的发展。90年代以及接下来主要是向高档数控机床发展。1.2 何谓数控机床数控机床是一种综合应用了微电子技术、计算机技术、自动控制、精密测量和机床结构等方面的最新成就而发展起来的高效自动化精密机床，是一种典型的机电一体化产品。它是机械加工自动化的核心设备。1.3 数控机床的应用范围数控机床在加工下面这些零件中更能显示出它的优越性：批量小（200件以下）而又多次生产的零件；在加工过程中必须进行多种加工的零；几何形状复杂的零件；切削余量大的零件；必须控制公差（即公差范围小）的零件；工艺设计经常变化的零件；加工过程中的错误会造成严重浪费的贵重零件；需要全部检测的零件。1.4 数控机

15、床的基本组成 如图所示： 1.5 数控机床的分类1. 按工艺用途分类：数控磨床、数控铣床、数控折弯机等2. 按控制类型的方式分类：点位控制数控机床（如：数控钻床、数控坐标铣床）；直线控制数控机床（如：数控车床、加工中心）；轮廓控制数控机床（如： 数控磨床）3. 伺服系统的类型分类：开环数控机床、闭环数控机床、半闭环数控机床次设计的三坐标数控磨床属于金属切削类，半闭环轮廓控制的数控机床。1.6 数控机床的工作过程 在上述工作过程中，要求数控机床使用者完成的工作主要是工艺分析和数控编程（有手工编程、自动编程、计算机辅助编程三种方法），并将程序存到存储介质上，其它步骤都是由数控系统和机床自动进行的。

16、 1.7 数控机床的特点数控机床作为一种高自动化、高柔性的加工设备，具有以下特点： （1）适应范围广 （2）生产准备周期短（3）生产效率和加工精度高 （4）工序高度集中（5）能完成复杂型面的加工 （6）技术含量高1.8 磨削概论 磨削是指用砂轮等固结的磨具进行加工的过程，是机械加工的重要方法。从当前掌握的先进技术的情况来看，美国、俄罗斯、德国、英国和日本等国家居于前列。我国的磨削技术在建国后得到了很大的发展，现在已门类比较齐全。同其它加工方法相比，磨削加工具有以下特点：（1）能获得很高的加工精度 （2）能适应各种不同性质的材料加工 （3）能获得较高的生产率 （4）适应性广1.9 三坐标数控磨床

17、 本次设计的三坐标数控磨床主要是对总体结构、工作台、主轴箱等的机械部分的设计，以及整机电气控制部分的设计。机械部分如下：1 主要用途和适用范围三坐标数控磨床是三轴联动的经济型数控机床. 利用三轴联动来形成砂轮与工件的相对运动，通过更换不同的砂轮来达到各种不同的形状尺寸的要求。可以精确高效的完成平面内各种复杂曲线的零件的自动加工。更能完成复杂曲面的加工，且获得高的精度。因为通过数控，加工时不通过模具就能保证零件的加工精度，提高了劳动生产率，具有较高的性能价格比。本磨床属中型磨床，适用于企业的模具、异型零件的加工。2机床的基本参数名称参数工作台面宽度长度420mm300mm工作台X轴行程300mm

18、工作台Y轴行程300mm工作台Z轴行程350mmX、Y、Z轴快速移动速度都为10r/minX、Y、Z电机70SL5A2交流伺服电机主轴转速级数无级调速主轴转速范围（398014920）r/min主电机功率7.0kw主轴交流电机1HP6103-4CG4机床外形尺寸1792mm1308mm2018mm 3 机床的主要结构 机床主要有工作台、主轴箱、立柱、电气柜、CNC系统等组成。 工作台工作台的X、Y向进给是由交流伺服电机通过十字滑块联轴器传动，结构简单，调整维修方便。工作台面有三个梯形槽（见下图），供夹具定位和安装固定工件使用。中间一个梯形槽是定位梯形槽。主轴箱(参看下图)主轴部件有主轴、刀具的

19、自动夹紧松开机构、前后轴承等组成。 动力由电机轴经一级带传动给主轴，通过调整电压调整伺服电机的转速，从而实现无级变速。 主轴为中空外圆柱零件，前端装定向键，与刀柄配合部位采用7：24的锥度。为了保证主轴部件刚度，前支承由三个C级向心推力角接触球轴承3组成，前两个大口朝上，承受切削力，提高主轴刚度，后一个大口朝下，后支承采用两个D级向心推力球轴承5，小口相对，后支承仅承受径向载荷，故外圈轴向不需要定位。轴承采用油脂润滑。刀具自动拉紧与松开机构及切削清除装置装在主轴内孔中，刀夹自动拉紧松开机构由拉杆7和头部的两瓣弹力卡爪2、碟形弹簧7、活塞9和螺旋弹簧8组成。夹紧时，活塞9的上端无油压，弹簧8使活

20、塞9向上移到图示位置。碟形弹簧7使拉杆6上移至图示位置，卡爪上移，将刀具拉紧。当需要松开刀柄时，液压缸的上腔进油，活塞9向下移动压缩弹簧8，并推动拉杆6向下移动。与此同时，碟形弹簧8被压缩。卡爪随拉杆6一起向下移动。移到主轴孔较大处时，便松开了刀柄，刀具连同刀柄一起被拔出。刀柄夹紧机构用弹簧夹紧，液压放松，以保证在工作中如果突然停电，刀柄不会自行松脱。活塞杆孔的上端接有压缩空气。刀具从主轴中拔出后，压缩空气通过活塞杆和拉杆中孔，把主轴锥孔吹净。弹性卡爪的外周是锥面，与主轴的锥孔相配合使爪收紧，从而卡紧刀柄。这种卡爪与刀柄的接合面与拉杆垂直，故拉紧力大。卡爪与刀柄为面接触，接触应力较小，不易压溃

21、。立柱立柱用于实现主轴箱的垂直移动和支撑。固定在立柱上端的电机直接传动丝杠，可使主轴箱垂直移动。4机床的传动系统1.主传动图及说明主传动图参看传动系统图。主运动由主运动电机，经一级高速带传到主轴，并通过调节电机的控制电压获得各级转速，主轴转速为（398014920）r/min。实现无级调速。2.进给传动图及说明进给传动图参看传动系统图。X、Y、Z三个轴各有一套基本相同的进给伺服系统。电压调速交流伺服电机直接带动滚珠丝杠，功率都为1.4kw，无级调速。三个轴的进给速度均为1400mm/min。快移速度都为10m/min。三个伺服电机分别由数控指令通过计算机控制，任意两个轴都可联动。传动系统图第二

22、章 总体结构设计 该磨床的总体设计包括:系统设计(包含数控装置的功能设计、元件和部件设计,程序段格式设计及系统的总体设计);逻辑设计(包含运算器设计、控制器设计及电路设计);机床主机的结构设计.本次设计主要对总体结构进行设计. 数控机床的功能设计和普通机床有着很大的差别.对数控机床的结构设计要求可归纳为如下几个方面:(1) 具有很大的饿切削功率、高的静、动态刚度和良好的抗振性能；(2) 具有较高大的几何精度、传动精度、定位精度和热稳定性；(3) 具有实现辅助操作自动化的结构部件。2.1提高机床的结构刚度的设计机床的刚度是指切削力和其它力作用下,抵抗变形的能力.该磨床要求具有高的静刚度和动刚度。

23、机床在切削过程当中，承受的静态力有运动部件和被加工零件的自重；承受的动态力有砌学力、驱动力、加减速器时引起的惯性力、摩擦阻力等。组成机床的结构部件在这些力作用下将产生变形，从而导致工件的加工误差。为了使机床达到高大结构刚度，获得符合要求的工件，进行如下结构设计：1、 构件的结构形式的选择（1） 选择截面的形状和尺寸由于形状相同的截面，当保持相同的截面积时，应减小臂厚，加大截面的轮廓尺寸，所以该机床的立柱、床身等支撑件做成型腔。圆形截面的抗扭刚度比方形截面的大，抗弯刚度比方形截面小，所以立柱、床身等承受弯曲载荷的部件做成方形，而象主轴等承受扭转载荷的零件做成圆形。 由于封闭式截面的刚度比不封闭式

24、截面的刚度大很多，因此该磨床采用封闭式床身。 由于臂上开孔将使刚度下降，所开孔部部件对刚度要求又很高，就在孔的周边加上凸缘，以使抗弯刚度得到恢复。（2） 隔板和筋条的布置合理布置支承件的隔板和筋条，可提高构件的静、动刚度，磨床采用叉筋板的支承件，立柱内部就是布置了交叉的筋条。（3） 构件的局部刚度 磨床的导轨和支承件的连接部件，往往是局部刚度最弱的部分，但是联接方式对局部刚度影响很大。在本次设计中，由于Z轴导轨较宽，故采用双臂联接形式；X、Y轴导轨较窄，采用单臂联接，但在单臂上增加垂直筋条以提高局部刚度。（4） 采用焊接结构的构件 机床的床身、立柱等支承件，采用钢板和型钢焊接而成，具有减小质量

25、，提高刚度的显著特点。 采用钢板和型钢而不采用铸件的原因：钢的弹性模量约为铸铁的两倍，在形状和轮廓尺寸相同的前提下，如要求焊接件与铸件的刚度相同，则焊接件的臂厚只需铸件的一半。如果要求局部刚度相同，因局部刚度与臂厚的三次方成正比，所以焊接件的臂厚只需铸件的80%左右。钢可以提高构件的谐振频率使共振不易发生。钢板焊接能将构件做成全封闭的箱形结构，提高刚度。2、结构布局的设计 三坐标数控磨床设计的主轴中心位于立柱的对称面内，主轴箱的自重不再引起立柱的变形，相同的切削力所引起的立柱的弯曲变形和扭转变形均大为减小，这相当于提高了机床的刚度。另在立柱上方安装两组定滑轮来平衡重力，以减小立柱的变形。2.2

26、提高机床的抗振性的措施 机床在加工时可能产生两种形态的振动：强迫振动和自激振动。机床的抗振性就是抵抗这两种振动的能力。改善和提高抗振性应从以下几个方面着手：（1） 减少机床的内部振源 机床高速旋转主轴、带轮均应进行平衡；装配在一起的旋转部件，应该保证同轴，并且消除传动间隙，采用平衡装置和降低往复运动件的重量，以减小可能的激振力，装在机床上的电机需隔振安装。（2） 提高静态刚度提高静态刚度可以提高构件或系统的谐振频率，从而避免发生共振。但为了提高情态刚度而引起的构件质量的增加，会使共振频率发生骗移，这是不利的。因此，在结构设计时应强调提高单位质量的个刚度。（3）增加构件和结构的阻尼该磨床对滚动轴

27、承适当预紧以增大阻尼，将型砂或混凝土等阻尼材料填充在支承件的零部件臂中，可以提高阻尼性。以减少振动。2.3提高机床灵敏度该三坐标数控磨床通过数字信息来控制刀具与工件的相对运动，它要求在相当大的进给速度范围内都能达到较高的精度，因而运动部件应具有较高的灵敏度。导轨部分采用贴塑滑动导轨，以减少摩擦力使其在低速时无爬行现象。工作台、刀架等部件的移动采用支流伺服电机驱动，经滚珠丝杠传动，减少了进给系统所需要的驱动扭矩，提高了运动精度和运动平稳性。第三章 进给伺服系统结构设计3.1 进给伺服系统的作用伺服系统接受数控装置发出的进给脉冲或进给位移量，并把它变换成模拟量(如转角、电压、相位等)，经功率放大后

28、去驱动工作台，使工作台进行精确的定位或按照规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合于精度要求的零件。因此，伺服系统的性能也是决定数控机床的加工精度、加工表面质量、生产率和机床的可靠性的关键之一。3.2 进给伺服系统的设计要求3.2.1对进给伺服系统的基本要求带有数字调节的进给驱动系统都属于伺服系统。进给伺服系统不仅是数控机床的一个重要组成部分，也是数控机床区别与一般机床的一个特殊部分。数控机床对进给系统的性能指标可归纳为：定位精度要高；跟踪指令信号的响应要快；系统的稳定性要好。1. 稳定性所谓的稳定的系统，即系统在输入量的改变、启动状态或外界干扰作用下，其输出量经过几次衰减振荡后，能迅速地稳

29、定在新的或原有的平衡状态下。它是伺服系统能够进行正常工作的基本条件。它包含绝对稳定性和相对稳定性。进给伺服系统的稳定性和系统的惯性、刚度、阻尼以及系统增益都有关系。适当选择系统的机械参数（主要有阻尼、刚度、谐振频率和失动量等）和电气参数，并使它们达到最佳区配，是进给伺服系统的设计的目标之一。2. 精度所谓进给伺服系统的精度是指系统的输出量复线输入量的精确程度，即准确性。它包含动态误差，即瞬态过程出现的偏差；稳态误差，即瞬态过程结束后，系统存在的偏差；静态误差，即元件误差及干扰误差。常用的精度指标有定位精度、重复定位精度和轮廓跟随精度。精度用误差来表示，定位误差是工作台由一点到另一点时，指令值与

30、实际移动距离的最大差值。重复定位误差是指工作台进行一次循环动作之后，回到初始位置的偏差值。轮廓跟随误差是指多坐标连动时，实际运动轨迹与给定运动轨迹之间的最大偏差值。影响精度的参数很多，关系也很复杂，采用数字调节技术可以提高伺服驱动系统的精度。3. 快速响应特性所谓的快速响应特性是指系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度。它包含系统的响应时间，传动装置的加速能力。它直接影响机床的加工精度和生产率。系统的响应速度越快，则加工效率越高，轨迹跟随精度越高。但响应速度过快会造成系统的超调，甚至会引起系统的不稳定。因此，应适当选择快速响应特性。该三坐标数控磨床是轮廓控制的机床，除了要求高的定

31、位精度外，还要求良好的快速性及形成轮廓的各运动坐标伺服系统动态性能的一致性。该三坐标数控磨床采用的是是闭环控制型式，对于闭环系统主要是稳定性问题。3.2.2 进给伺服系统的设计要求机床的位置调节对进给伺服系统提出很高的要求。其中在静态设计方面有：1. 能够克服摩擦力和负载：（1）很小的进给位移量；（2）高的静态扭转刚度；（3）足够的调速范围；2. 进给速度均匀，在速度很低时无爬行现象；3. 在动态设计方面的要求有：（1） 具有足够的加速和制动转矩，以便完成启动制动过程；（2） 具有良好的动态传递性能以保证在获得高的轨迹精度和满意的表面质量；（3） 负载引起的轨迹误差尽可能的小；4. 机械传动部

32、件的设计要求有：(1) 被加速的运动部件具有小的惯量；(2) 高的刚度；(3) 良好的阻尼；(4) 传动部件在拉压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙方面尽可能小的非线性；3.3进给伺服系统的组成 3.9检测元件 该磨床的闭环系统中选用的检测元件是光栅传感器。光栅传感器在精密直线位移和转角位移测量中应用甚广，直线测量精度可达0.5um，转角位移测量精度可达1（1/3600度）第四章 床身与导轨4.1 床身设计4.1.1 床身结构的基本要求 机床的床身是整个机床的基础支承件,一般用来放置导轨等重要部件。为了满足数控机床高速度、高精度、高生产率、高可靠性和高自动化的要求，与普通机床相比，数控机床应有

33、更高的静、动刚度，更好的抗振性。数控机床床身主要在下面四个方面提出了更高的要求。1.很高的精度和精度保持性在床身上有很多安装部件的加工面和运动部件的导轨面,这些面本身的精度和相互位置精度要求都很高,而且要能长时间保持.另外,机床在切削加工时,所有动、静载荷最后往往都传到床身上，所以，床身上的受力很复杂。为此，为保证零部件之间的相互位置或相对运动精度，处满足几何尺寸位置等精度要求外，还要满足静、动刚度、抗振性、热稳定性和工艺等方面的技术要求。2. 应具有足够的静、动刚度静刚度包括：床身的自身结构刚度、局部刚度和接触刚度，都应该采取相应的措施，最后达到有较高的刚度质量比。动刚度直接反映机床的运动特

34、性，为了保证机床在交变载荷作用下具有较高的抵抗变形的能力和抵抗受迫振动及自激振动的能力，可以通过适当增加阻尼，提高固有频率等措施避免共振及因薄臂振动而产身的噪声。3. 较好的热稳定性 控机床来说，尤其是高精度数控机床，热稳定性已成为一个突出的问题，必须在设计上要作到使整机的热变形较小，或使热变形对加工精度的影响较小。4.高的强度和耐磨性 通常床身在抵抗外负载荷而不超过允许的变形情况下，都具有足够的强度。但是，对于外负载荷比较大而变形要求不大的部位，仍有注意其强度的情况。至于床身与运动部件相接触的部位，即导轨处，要求有良好的耐磨性。4.1.2 床身的结构 该次设计的数控磨床的Z向运动是垂直与工作

35、台的上下运动.这种结构的床身有固定立柱和移动立柱两种方式由于后者加工制造不方便,加上本次设计的数控磨床属于中型机床,故采用固定立柱式。4.1.3 床身的截面形状 为了在较小质量下获得高的静刚度和适当的固有频率，该机床的床身采用带有对角筋的箱体结构。对角筋截面可明显床身的扭转刚度，并且便于设计成全封闭的箱形结构。4.1.4钢板焊接结构 该机床的床身采用钢板直接焊接而成。焊接结构床身的突出优点是制造周期短。一般比铸铁快1.73.5倍。省去了制作木摸和铸造工序，不易出废品。焊接结构设计灵活，便于产品更新、改进结构。焊接件能达到与铸件相同，甚至更好的结构特性，可提高抗弯截面惯性矩，减小质量。采用钢板焊

36、接结构能够按刚度要求布置筋板的形式，充分发挥臂板和筋板的承载和抗变形作用。另外，焊接床身采用钢板，其弹性摸量E为MPa，而铸铁的弹性摸量E为MPa，两者几乎相差一倍。因此采用钢板焊接结构床身有利于提高固有频率。4.1.5箱体封沙结构 床身封沙结构是利用筋板隔成封闭箱体结构。对于焊接结构的床身，在床身内腔填充泥芯和混凝土等阻尼材料，当振动时，利用相当摩擦来耗散振动能量。利用沙粒良好的吸振性能，可以提高机构件的阻尼比。提高床身结构的静刚度，有刚度和质量关系式K=(为系统无阻尼振动时的固有频率)可以看出增加质m可以提高静刚度.封沙结构降低了床身的重心,有利于床身机构的稳定性,可提高床身的抗弯和抗扭刚

37、度。4.2导轨设计4.2.1对导轨的要求 对导轨的要求,纳起来有下列几点:1. 要有一定的导向精度 2.要有良好的耐磨性3.要有足够的刚度 4.要减少热变形影响5.要使运动轻便平稳 6.要有一定的工艺性4.2.2 滑动导轨导轨按照接触面的摩擦情况而言.可分为:滑动导轨、滚动导轨、静压导轨等三大类型。该次设计的数控磨床采用滑动导轨。滑动导轨结构简单制造方便，承载面积大，接触刚度好，抗振性能好等一系列优点。滑动导轨一般用于定位精度要求不高的开环系统中，本次设计的伺服系统是闭环系统，因为有了反馈系统，导轨的定位精度，由于误差进行补偿而不受影响，故采用滑动导轨。4.2.3 贴塑滑动导轨 滑动导轨具有结

38、构简单，制造方便，接触刚度大的优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。因此，采用带有耐磨粘贴带覆盖层的新型塑料滑动导轨。 本次设计采用的塑料导轨是聚四氟乙烯导轨软带。1. 聚四氟乙烯导轨软带的特点 摩擦性好:铸铁淬火导轨副的静摩擦系数与动摩擦系数相差较大,几乎是相差一倍.而金属聚四氟乙烯导轨软带的静、动摩擦系数基本不变。这种良好的摩擦性能可防止低速爬行，是运动平稳并获得较高的定位精度。 耐磨性好：处摩擦系数低外，聚四氟乙烯导轨软带材质中含有青二硫化钼和石墨，因此，本身即具有润滑作用，对润滑油的供油量要求不高，采用间歇式供油即可。此外，塑料质地较软，即便

39、是嵌入金属碎屑、灰尘等，也不至损伤金属导轨面和软带本身，可延长导轨副的使用寿命。 减振性好：塑料有很好的阻尼性，其减振消声的性能对提高摩擦副的相对运动速度有很大的意义。 工艺性好：可降低对粘贴塑料的金属导轨基体的硬度和表面质量要求，而且塑料易于加工，使导轨副接触面获得优良的表面质量。 此外，还有化学稳定性好，维修方便，经济性好等优点。2. 导轨软带使用工艺 首先将导轨粘贴面加工至表面粗糙度Ra3.21.6，有时为了起定位作用，导轨粘贴面加工成0.5mm到1mm深的凹槽.用汽油或金属清洗或丙酮清洗导轨粘贴面后,用胶粘剂粘合导轨软带,加压初固化12h后再合拢到配对的固定导轨上施加一定的压力,并在室

40、温固化24h,取下清除余胶,即可开油槽和进行精加工,由于这类导轨用粘贴方法,习惯上称为“贴塑导轨”。4.2.4 导轨结构 该机床的X方向和Z方向导轨均采用矩形导轨，以为这种导轨制造维修方便，承载能力大，新导轨导向精度高，使用一段时间后可通过镶条调节，以满足导向精度。Y方向采用V形导轨，这种导轨导向精度高，导轨磨损后靠自重下沉自动补偿。下导轨采用凹型的，可以便于存油，顶角采用90。4.2.5 导轨设计 该磨床作用在运动件上的推力平行与运动件的轴线。为了运动件不被卡死，且保证运动灵活，矩形导轨需h/L2,V形导轨需h/L1. 其中h和L分别为推力F到轴线的距离和导轨的宽度。该次设计中，矩形导轨，h

41、=75mm，L=470mm，h/L=0.162 满足要求。V 形导轨，h=115mm，L=440mm，h/L=0.261，满足要求。4.2.6导轨的材料 塑料导轨用在导轨副的动导轨上,与其相配的导轨采用铸铁,组成铸铁塑料导轨副.铸铁采用耐磨铸铁,牌号是HT3054,表面淬火硬度为HRC4555,淬火层深度规定经摩削后保留1.01.5mm.第五章 主传动系统结构设计5.1主传动系统的设计要求 数控机床的主传动系统除应满足普通机床的主传动要求外,还提出如下要求:1.具有更大的调速范围,并实现无级调速。数控机床就要为了保证加工时能选用合理的切削用量，充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产率、加工

42、精度和表面质量，必须具有更高的转速和更大的调速范围。对于自动换刀的数控机床，工序集中工件一次装夹，可完成许多工序，所以，为了适应各种工序和各种加工材质的要求，主运动的调速范围还应进一步扩大。2.具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低。数控机床加工精度的提高与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的精度与刚度，采用高精度轴承及合理的支撑跨距等，以提高主轴组件的刚性。3.良好的抗震性和热稳定性。数控机床一般即要进行粗加工，又要精加工；加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平稳以及切削过程中的自振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚

43、至破坏刀具或零件，使加工无法进行。因此主传动系统中的各主要零部件不但要具有一定的刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力抗震性。抗震性用动刚度或动柔度来衡量。例如主轴组件的动刚度取决于主轴的当量静刚度，阻尼比及固有频率等参数。 机床在切削加工中主传动系统的发热使其中所有零部件产生变形，破坏了零部件之间的相对位置精度和运动精度造成的加工误差，且热变形限制了切削用量的提高，降低传动效率，影响到生产率。为此，要求主轴部件有较高的热稳定性，通过保持合适的配合精度，并进行循环润滑保持热平衡等措施来实现。5.2主传动变速系统的设计该三坐标数控磨床需要自动变速，且在切削阶梯轴的不同直径，切削曲线

44、旋转面和端面时，需随切削直径的变化而自动变速，以维持切削速度基本恒定。这些自动变速又是无级变速，以利于在一定的调速范围内选择到理想的切削速度，这样既有利于提高加工精度，又利于提高切削效率。无级调速有机械、液压和电气等多种形式，该次设计的数控磨床采用交流调速电机作为驱动源的电气无级调速。电机通过一级高速带带动主轴旋转，完成切削运动。动。5.3主轴组件设计5.3.1 对主轴组件的性能要求 主轴组件是机床主要部件之一。它的性能对整机的性能有很大的影响。主轴直接承受切削力，转速范围又很大，所以对主轴组件的主要性能特提出如下要求： 1、旋转精度 主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷低速转动的条件下，主轴安

45、装工件或刀具部件的定心表面（如该次设计的数控磨床主轴轴端的定心短锥采用7：24锥孔）的径向和轴向跳动。旋转精度取决于的主要件如主轴、轴承、壳体、孔等的制造，装配和调整精度。工件转速下的旋转精度还取决于主轴的转速、轴承的性能，润滑剂和主轴组件的平衡。 2、刚度 主要反映机床或部件抵抗外载荷的能力。影响刚度的因素很多，如主轴的尺寸和形状，滚动轴承的型号、数量、预紧和配置形式，前后支撑的跨距和主轴的前悬伸，传动件的布置方式等。数控机床即要完成粗加工，又要完成精加工，因此对其主轴组件的刚度应提出更高的要求。 3、温升 将引起热变形使主轴伸长，轴承间隙的变化，降低了加工的精度；温升也会降低润滑剂的粘度，

46、恶化润滑条件。因此，对高精度机床应研究如何减少主轴组件的发热，如何控温等。 4、可靠性 数控机床是高度自动化的机床，所以必须保证工作可靠性，可喜的地方是这方面的研究正在发展。 5、精度保持性 对数控机床的主轴组件必须有足够的耐磨性，以便长期保持精度。 以上这些要求，有的还是矛盾的。例如高刚度与高速，高速与低升温，高速与高精度等。这就要具体问题具体分析，例如设计高效数控机床的主轴组件时，主轴应满足高速和高刚度的要求；设计高精度机床时，主轴应满足高刚度低温升的要求。5.3.2 主轴组件的组成和轴承选型 1、主轴组件，包括主轴、轴承、传动件和相应的紧固件。主轴组件的构造，主要是支撑部分的构造。主轴端部是标准的；传动件如齿轮、带轮等与一般机械零件相同。因此，研究主轴组件，主要是研究主轴的支撑部分。 2、主轴的传动件，可以位于前后支撑之间，也可位于后支撑之