数控铣床上X轴驱动部件设计

论文总字数：13404字

摘 要

本次的数控铣床x轴进给系统结构设计，主要设计到滚珠丝杠、电机传动以及电机负载等设计。在本文中讨论了如何滚珠丝杠的内外循环、滚珠丝杠的支撑方式，如何通过惯量匹配的计算来选择相应的电机，滚珠丝杠的支撑轴承该如何选择以及其安装方式和润滑密封问题等，如何通过计算滚珠丝杠的预紧力保证安装精度，以及一些数控机床的发展历史和前景，在x轴进给系统中经典的搭配以及近几年新兴的搭配设计，如何进行产品设计中的成本分析问题。

关键词：数控铣床；滚珠丝杠；匹配惯量；丝杠支撑

X axis drive on CNC milling machine parts design

Abstract

The CNC milling machine x axial feed system structure design, mainly designed to ball screw, motor drive and motor load design. In this paper, we discuss the internal and external circulation of ball screws, how to support the ball screw, how to choose the corresponding motor by the calculation of the inertia matching, how to choose the bearing of the ball screw and how to install and lubricate the seal, how to ensure the installation precision by calculating the preload of the ball screw And some CNC machine tool development history and prospects, in the x axis feed system Classic collocation and in recent years the new collocation design, how to carry out the cost analysis of product design.

Keywords: CNC milling machine; ball screw; matching inertia; lead screw support

目录

摘要 I

Abstract II

引言 1

第一章 绪论 2

1.1选题背景及意义 2

1.2我国数控机床的现状与发展 2

1.3、数控系统的发展 3

1.4、数控铣床构成部件 4

1.5、数控铣床加工特点 4

第二章 数控铣床进给传动部件设计 6

2.1进给传动特点 6

2.2滚珠丝杠的使用 6

2.3电机与丝杠连接方式的选择 7

2.4支承方法的选用 7

第三章x轴进给驱动部件相关计算 9

3.1已知条件 9

3.2惯量匹配计算 9

3.3 x向滚珠丝杠预紧力计算 10

3.4轴承的寿命计算 11

第四章 数控铣床X轴进给传动结构设计经济分析 12

4.1技术成本分析的目的与意义 12

4.2 成本计算依据 12

4.3零件成本分析 12

4.3.1非标准件成本分析 12

4.3.2标准件购买花费 13

第六章 总结 15

致谢 16

参考文献 17

引言

在20世纪40年代初最早出现了采用数字技术进行机械加工的行为，1952年在麻省理工学院诞生了世界上第一台数控机床，是一台三轴联动的数控铣床。在科技飞速发展的今天，制造业作为国民经济的基础在精度的要求上已经是越来越高，三轴联动，三轴半联动，五轴联动以及直线电机等技术呼之即出。数控机床精度高的原因在于用数字电脑控制代替人为控制，这就大大减小了在人为操作中的误差，而在普通机床的人为操作中，进给和操作中的反馈占了绝大多数，因此机床的实时反馈反馈也成了数控中的重点，而进给系统的反馈更是重要。

伺服驱动系统主要由以下几部分组成：位置控制单元、速度控制单元、驱动元件、检测与反馈单元和机械执行部件。伺服进给驱动大致可以分为两类：旋转运动和直线运动两类。其中旋转运动是在数控机床上如今运用最为广泛的伺服电机和丝杠组合的结构。直线运动则是运用极为先进的直线电机，在国际上直线电机的运用也是极为广泛，直线电机因为具有“直接传动”、“无间隙传动”等优点，在数控机床上也开始慢慢普及。在本文中采用较熟练的技术伺服电机和丝杠的结构作为驱动。

第一章 绪论

1.1选题背景及意义

数控铣床上X轴驱动部件是数控铣床在加工时直接带动工件作进给方向的运动。数控铣床中进给运动是十分重要的一个环节，以往的普通铣床上的手动进给不能达到一个很高的精度，因此需要准确的位置控制以及位置检测单元。数控铣床的性能指标往往主要取决于伺服系统的动态和静态性能，但是同样的数控铣床的故障也主要出现在伺服系统上，伺服系统主要由位置控制模块、速度控制单元、伺服电机、测量与反馈模块、位置检测模块组成，其主要零件包括：上拖板、X轴滚珠丝杠、轴承座,轴承、隔套、锁紧螺帽、联轴器、联接涨套、法兰、直线滚动导轨副、限位挡块、丝杠座等。该部件的性能直接影响工件的加工质量和切削生产率,是决定机床性能和技术经济指标的重要因素。

随着国民经济与各国综合国力的不断提高，各行各业对物质的需求也在逐步增加，这就提高了对制造业的要求。从普通机床到五轴联动加工中心，加工速度更快、精度更高、人工越来越少越来越趋于数字化自动化。如今国际上依旧还是以伺服电机配合丝杠的模式为大多数，该模式结构稳定可靠、传动精度高并且技术较为成熟。在一些走在科技前沿的企业已经开始使用直线电机，直线电机因其不需要经过丝杠来转换运动方向，所以其传动环节少。因为没有了丝杠连接所以也就没有了传动间隙，从而提高了传动精度。本文使用的依旧是伺服电机配合丝杠的这种较为成熟的模式。

1.2我国数控机床的现状与发展

在20世纪40年代初世界上第一次出现了采用数字技术进行机械加工的例子。世界第一台三轴联动的数控铣床1952年在麻省理工学院诞生。1954年11月美国迪克斯公司正式生产出了第一台工业用数控机床，最初出现的数控机床是数控铣床。当时的数控机床体积庞大功耗极高，一般用于军事加工而在普通企业中并没有的到推广。1974年后随着微电子技术的发展数控机床开始更加普及，加工质量更加高。

机床实力是一个国家制造业水平高低的象征，我国在六十年代开发出了第一代的数控机床，但是到了九十年代再将我国数控机与国外相比较已经相差30年水平。国内在机床上的一些高精零部件还是使用的进口零件，在数控系统的选择上的选择更是高达80%以上是进口。国内的机床生产情况只能满足中低档产品的要求，一些高档订货以及军工产品采购清单上还依旧是以进口为绝大多数。虽然现状不容乐观，但是中国的数控机床发展速度还是很快的，未来的数控机床以高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、并联驱动化、网络化、极端化、绿色化这几个方向发展。

1. 高速化

高速化指（1）机床的主轴转速高速化、（2）进给率、（3）机床微处理器的运算速度高速化、（4）换到速度快耗时短

1. 高精度化
   　　（1）系统控制精度：通过位置检测单元以及位置控制单元的高进度控制，可以使数控铣床的加工精度高出许多精度等级；
   　　（2）误差补偿：误差补偿主要包括像齿轮、丝杠的间隙误差，以及一些热变形等的误差。研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60%～80%；
2. 功能复合化

功能复合指在尽可能多地不同加工方式完成一块毛坯的加工，比如：镗铣钻复合。功能复合后可以减少工件的拆卸，从而避免了安装定位，对刀等产生的误差。机床功能的复合化最终会把现在的机床向模块化发展，多轴化的发展德国Index公司最新推出的车削加工中心是模块化结构，该加工中心能够完成车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等多种工序。模块化也是功能复合化的一个重要结果，模块化就代表着机床可以更快地更有效率地工作以及维修。

1. 控制智能化

智能4M数控系统：4M指测量、建模、加工、机器操作，智能4M数控系统也就是说要将上述的操作通过机器数控整合的方式提高机电一体化程度从而提高加工的效率，缩短加工时间降低加工成本。近几年国际上自动化智能化智造的声音越来越大从德国的全自动化杀猪杀鸡厂到德国工业5.0机床的曝出，这些无不展示着智能化自动化的魅力。通过用各种机器人（机械手臂）代替人工进一步提高加工生产效率，加工过程的整洁，加工精度以及减少加工成本。技术人员在生产车间的综合控制平台上输入各种参数甚至是导入CAD等设计图让机器智能地设置相应参数，整个加工过程完全不需要人力加入，这些现今已经做到了，但是自动化还未普及的问题在于，如何使机器人自我排除故障自我诊断，以及一些机械手臂损坏以后的更换维修问题仍然阻碍着自动化工厂的进程

1. 信息交互网络化

随着企业间竞争越来越激烈，对于机床生产效率的要求越来越高，如何在企业间各个部门与机床生产上设置畅通无阻的信息交流非常重要，例如通过手机或者电脑上网连通机床就能安排生产，诊断清除故障以及监视生产等。

1. 新型功能部件

通过更高科技高效率的部件替换已有数控机床部件来提高生产精度，生产效率等，例如通过使用直线电机来替换伺服电机和丝攻组合甚至是液压等组件来提高生产效率与精度。

1. 加工过程绿色化

随着环境问题日益突出，生产过程的绿色化越来越受到政府以及企业的重视，机床的绿色制造能提高公司对于整个市场的占有率。

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