摘 要

随着我国制造业的蓬勃发展，对零部件的加工要求也日益增加。由于龙门结构机床具有刚性好、加工范围大等特点，成为了制造业重要的工业母机。作为龙门机床关键结构的进给系统在精度保持性和性能可靠性等方面的发挥着越来越重要的作用^[1]。因此，本次设计的龙门进给系统具有很大工程意义。

进给系统的传统驱动方式是采用单电机驱动，其结构刚度较差，对机械装备的寿命和精度产生较大影响。因此本文采用双驱进给系统，双驱进给系统采用双电机配合双丝杠共同驱动构件，提高了机床的的载承载能力，增加了机床的传动刚性。本次设计主要内容是双驱龙门机床的进给系统，具体研究内容如下：

首先，阐述了龙门进给系统的研究背景，结合国内外研究现状分析了龙门进给系统的关键技术。

其次，介绍龙门机床整体结构并阐述进给系统的基本原理，明确龙门进给系统总体设计选型的流程。对龙门进给系统关键结构进行选型设计，包括滚珠丝杠副的选型和校核、导轨的选型、电机的选型和校核、支承的选型。

再次，利用三维建模软件solidworks绘制和零件和整体装配图，在保证设计要求的基础上构造出各零件模型和最后的装配体模型。

最后，利用UG模拟仿真软件对龙门机床进行静力学与动力学仿真分析，通过对关键零部件的仿真分析对本文的龙门进给系统的进行评估。

关键词：龙门机床，进给系统，三维模型，有限元分析。

Abstract

With the vigorous development of China's manufacturing industry, the processing requirements for parts and components are also increasing. Because the gantry machine tool has characteristics such as good rigidity and large processing range, it has become an important form of machine tools. As a key structure of a gantry machine, the feed system plays an increasingly important role in terms of accuracy maintenance and performance reliability. Therefore, the gantry feed system designed this time has great engineering significance.

The traditional driving method of the feed system is to use single-motor drive, which has poor structural rigidity, and has a great influence on the life and accuracy of the mechanical equipment. This article takes this into consideration with a dual drive feed system. The dual drive feed system uses dual motors and double screw common drive components to improve the stability of the table, improve the load carrying capacity of the machine, and increase the rigidity of the machine. Therefore, the main content of this design is the feed system of the double-drive gantry machine tool. The specific research content is as follows:

Firstly, the research background of the Longmen feeding system was expounded, and the key technologies of the Longmen feeding system were analyzed based on the research status at home and abroad.

Secondly, the overall structure of the gantry machine is introduced and the basic principles of the feed system are explained, and the flow of the overall design and selection of the gantry feed system is clearly defined. The selection of the key structure of the gantry feed system includes the design of the ball screw, the design of the guide rail, the design of the motor, the design of the support, and the design of the coupling.

Thirdly, using 3D modeling software solidworks drawing and parts and overall assembly drawings, to ensure the design requirements based on the construction of the parts model and the final assembly model.

Finally, the UG simulation software is used to simulate the statics and dynamics of the Gantry machine and the performance of the designed system is analyzed and evaluated.

Key words: Gantry machine, feed system, model, simulation analy

目录

摘要 III

Abstract IV

1 绪论 1

1.1本文研究的背景及意义 1

1.2国内外相关领域研究概况 1

1.3研究内容 3

第二章 龙门进给系统总体设计 3

2.1 龙门进给系统整体结构 3

2.2龙门进给系统传动要求及传动类型的选择 5

2.2.1龙门进给系统传动要求 5

2.2.2龙门进给系统传动类型 5

2.3滚珠丝杠副的设计选型 6

2.3.1 滚珠丝杠副整体设计流程。 7

2.3.2 精度等级的选定 8

2.3.3 滚珠丝杠副导程 Ph 和公称直径 d 的确定 8

2.3.4 额定动载荷的确定 8

2.3.5 临界转速校核 10

2.3.6 稳定性计算 11

2.4丝杠支撑的选型设计 12

2.4.1 整体支承形式 12

2.4.2,滚动轴承形式 13

2.5导轨的设计 13

2.6电机的选型 13

2.6.1最大切削负载转矩计算 14

2.6.2负载惯量计算 14

2.7本章小结 15

第三章 龙门进给系统平台建模 15

3.1solidworks软件介绍 15

3.2进给系统主要零件设计 15

3.2.1滚珠丝杠副的建模 15

3.2.2导轨和滑块的建模 18

3.2.3其他零件的建模。 19

3.3整体装配图建模设计 20

3.4 本章小结 22

第四章 龙门进给系统仿真分析 22

4.1有限元分析法 22

4.2 龙门进给系统仿真分析 23

4.2.1分析流程 23

4.2.2丝杠模型的静力学分析 23

4.2.3 联轴器和滑块的静力学分析 28

4.2.4丝杠的模态分析 30

4.3 本章小结 34

5 总结与展望 34

5.1 全文总结 34

5.2 展望 35

参考文献 36

致谢 38

1 绪论

1.1本文研究的背景及意义

整体来看，我国制造工业的发展尤以航空航天、船舶、车辆等行业突出，因此对大型复杂零部件的加工需求和加工精度的要求更加迫切。而龙门结构机床具有刚性好、加工范围大等特点^[3]，因此成为了这些行业里常用的机床形式。

作为龙门机床重要的系统之一，进给系统的设计参数将直接影响数控机床的加工精度和稳定性，是机床设计重点和难点。传统的龙门进给系统在一个自由度上采用单电机驱动，其结构刚度较差，不利于龙门机床的精度和稳定性。而本文采用的双驱进给系统在一个自由度方向上采用双电机配合双丝杠共同驱动构件，可以在一定程度克服以上缺点，提高机床的的精度和稳定性^[4]。因此，本次设计的双驱龙门进给系统具有很大的工程意义。

1.2国内外相关领域研究概况

一般来说，国内外的进给驱动技术可分为两种，即传统的滚珠丝杠驱动方式和新兴的直线电机驱动方式。其中，传统的滚珠丝杠驱动方式采用“伺服电机 滚珠丝杠”方式进行驱动，如图1-1。目前这一传动方式仍是机床进给驱动技术的主流。美国企业WARNER- BEAVER，英国企业 ROTAX以及日本的企业NSK是滚珠丝杠生产行业的个中翘楚，代表着目前世界上滚珠丝杠副生产制造技术的最高水平。

图1-1 滚珠丝杠驱动系统

也有质疑声音认为，在高速运动下，滚珠丝杠副这种传动方式存在发热严重、磨损严重、扭转刚度差等问题，因此提出了直线电机驱动方式，如图1-2。英国公司 Hebert morris的交通物流设备和日本公司sanyo的家用电器曾尝试采用了直线电机进行驱动，但事实证明，直线电机成本过大，同时产热较大、机械效率较低、对机械部件自身形变与外界干扰敏感。因此，直线电机驱动方式并没有在国内外相关领域占领主导地位^[1]。

图1-2 现代直线电机进给驱动

目前国内外大多伺服进给系统都是由单电机和单滚珠丝杠副带动平台做直线运动，这种进给系统精度容易陷入瓶颈。为了克服单电机单丝杠生产中的一系列问题，在国内外的一些先进的龙门机床上应用了双电机双丝杠驱动。例如我国国产的 XK2130型号龙门机床和日本NSK公司研制的“TM”系列。这种双电机双丝杠驱动方式能够显著的减少运动时产生的共振和形变。因此在提高机床精度，稳定性，有效抑制振动，提高机械效率方面都体现出很大的优势^[4]。

图1-3横梁双驱同步技术 图1-4 重心驱动技术

近年来，我国数控机床与基础制造装备行业技术水平显著提升，在制造和研发方面都取得相当的成绩，和国际上差距正不断缩小。例如在数控机床方面相关发明专利数量节节攀升，部分机床质量接近甚至达到国际先进水平，比如大连科德数控有限公司的 VGW400-U型机床，总体达到世界一流水平，已经出口到一些发达国家。

1.3研究内容

基于对龙门进给系统设计的研究，本文研究的内容如下：

第一章为绪论部分，主要介绍了龙门进给系统的研究目的及研究意义，对龙门进给系统的国内外研究现状进行介绍，包括传统的传统单电机单丝杠驱动和新兴的双电机双驱动，并确定研究内容。

第二章在查阅龙门机床的相关资料的基础上，叙述龙门机床的整体结构和进给系统的基本原理，确定龙门进给系统总体设计流程。然后对龙门进给系统的关键零件如伺服电机、联轴器、滚珠丝杠螺母副、导轨等进行选型，包括理论依据、公式计算和校核。

第三章设计龙门进给系统总体方案，利用三维建模软件solidworks绘制零件的零件图，最终设计装配方案，构造出最终的装配体模型。

第四章用UG模拟仿真软件对龙门机床进行静力学与动力学仿真分析，对所设计系统的性能进行分析评估。

第五章为结论与展望，对已完成的工作进行自我评价，并对未来的工作进行展望。

第二章 龙门进给系统总体设计

本章先叙述龙门机床的整体结构和进给系统的基本原理，其次确定龙门进给系统总体设计流程，再次对龙门进给系统的关键零件如伺服电机，联轴器、滚珠丝杠螺母副、导轨等进行设计选型，包括理论依据、公式计算和校核。

2.1 龙门进给系统整体结构

由两侧立柱和顶梁组成的门式框架称为龙门，主轴箱安装于龙门的顶梁或者横梁的机床称为龙门机床^[5]。龙门机床的机床由床身、工作台、立柱、顶梁、横梁、主轴箱等部件组成，其基本结构如图2-1所示，其主要用途是加工大型复杂零件，特点是加工范围大、加工效率高、工件装卸方便。

图2-1动梁式龙门机床示意图

龙门进给系统是龙门机床的重要组成部分，直接影响着机床的传动精度、机床稳定性和可靠性，最终将影响机床加工的质量。进给系统的作用是将伺服电机输出轴的旋转运动通过联轴器和丝杠等结构转化为导轨上的直线进给运动。其机械结构组成的示意图如图2-2所示。

图2-2进给系统结构示意图

龙门双驱进给系统的工作原理如下：由机床数控系统发出的脉冲指令，指令被传送到进给方向上的两个伺服驱动器，同步控制两个伺服电机的正转、反转和停机。电机通过联轴器直接和滚珠丝杠连接，丝杠上的螺母在连接进给工作台的同时以螺纹副的接触方式和丝杠接触。当电机通过联轴器将扭矩传递到滚珠丝杠副后，丝杠可带动螺母直线运动。操作者可提前设定好数控程序，从而控制电机带动工作台运动，完成刀具的走刀路径。当工作台工作时，位于工作台侧面的光栅尺可以将进给的位移反馈至控制系统中，通过闭环控制系统的反馈环节实现高精度控制。龙门进给系统X轴的控制原理图如图2-3所示。

图2-3 龙门进给系统X轴的控制原理图

2.2龙门进给系统传动要求及传动类型的选择

2.2.1龙门进给系统传动要求

龙门进给系统是龙门机床的重要结构，进给系统的精度和刚度等性能指标直接影响到工件的加工质量。为了确保工作时的精度和稳定性，龙门进给系统需要具备摩擦系数低、惯量小、阻尼比适当、刚度好、间隙小的特点。

具体说来：首先应该使用如线性导轨或滚珠丝杠副等摩擦系数很小的传动副，以减小摩擦损耗；其次应该对滚珠丝杠支承的轴承部分施加预紧力，以提高传动精度；还应该合理的选择丝杠型号，以提高丝杠及其支承的刚度。

2.2.2龙门进给系统传动类型

进给系统常用的传动方式有以下两种：滚珠丝杠螺母副和静压丝杠螺母副。

1，滚珠丝杠螺母副

滚珠丝杠副可以较好的丝杠和旋转运动转换为螺母的直线运动，它具有传动效率高（一般为η=0.92-0.98），摩擦力小，使用寿命长，施加预紧力后可消除轴向间隙，反向时无空行程等优点，是目前市场上使用普遍的传动装置。

2，静压丝杠螺母副

静压丝杠螺母副相比前者的摩擦力更小、传动更平稳，但这些优点的前提是静压丝杠螺母副必须有一套复杂的供油系统，这种供油系统给维修使用带来很大麻烦，成本不好控制。而且本身容错率太低，如果在实际运转中供油中断，后果会很严重。如果不是特别精度要求，一般不采用静压丝杠螺母副。

综上所述，考虑到性价比和一般情况，本文的龙门进给系统选择滚珠丝杠螺母副的传动方式。

2.3滚珠丝杠副的设计选型

在进行龙门进给系统的关键零件设计选型时，必须明确其基本技术参数，如下表 2-1所示。

表 2-1 龙门进给系统的基本技术参数

滚珠丝杠按螺纹轨道的截面形状可分为单圆弧和双圆弧两种，本文采用轴向刚度更好的双圆弧截面的形式。采用双圆弧截面的滚珠丝杠副的丝杠和螺母都有半圆形的螺纹，当丝杠和螺母两个半圆形的螺纹组合在一起时就形成了圆形的螺旋轨道。此外螺母上还加工有滚珠返回的回滚滚道，以便滚珠形成循环。螺旋滚道内安装上滚珠，丝杠旋转时能够带动滚珠在滚道内自转，滚珠的自转的同时也沿着螺旋滚道内发生螺旋式转动，这种螺旋式转动对螺母产生轴向力作用，最终带动螺母产生轴向位移。

上面提到滚珠丝杠副上的回滚滚道，它的形式可分为内循环和外循环两种，如图2-4和2-5所示。

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