数控双主轴内孔磨床磨头及进给机构设计

设计题目数控双主轴内孔磨床磨头及进给机构设计

一、选题背景与意义

从本质上说，数控机床和普通机床一样，也是一种经过切削将金属材料加工成各种不同形状零件的设备。早期的数控机床，包括目前部分改造、改装的数控机床，大都是在普通机床的基础上，通过以进给系统的革新、改造而成的。因此，在许多场合，普通机床的构成模式、零部件的设计计算方法仍然适用于数控机床。但是，随着数控技术（包括伺服驱动、主轴驱动）的迅速发展，为了适应现代制造业对生产效率、加工精度、安全环保等方面要求，现代数控机床的机械结构已经从初期对普通机床的局部改造，逐步发展形成了自己独特的结构。其中，进给机构系统对加工精度的影响是最大的，因此，提高进给系统的质量就显得尤为重要。现在由于各种先进制造技术的发展，特别是对精密部件的加工，对于机床的进给系统的要求也越来越高。

由于磨削加工的某些固有特点，磨床的数控化比起其它各类加工机床约晚了十年，直至20世纪70 年代末才姗姗来迟。但数控磨床一出现就以其准确性、灵活性、自动化等优点而受到关注。当今世界机床技术正朝着柔性化与集成化，实现复合加工的方向发展。复合加工，即在同一台机床上，通过工序复合或工种复合，在一次装夹下，完成各种复杂零件的全部加工，突破了原有的机床类别概念，从而出现了形式多样的多功能化的加工单元或加工中心。

内圆磨床的生产率和加工质量，在很大程度上决定于内圆磨头的结构和制造质量。在大量生产条件下尤如此。现代内圆磨床带有滚动支承和空气轴承的电磨头和气动磨头，以及皮带传动的静压轴承和滚动支承磨头，其中皮带传动的滚动支承磨头用得最广。因为这种磨头能加工不同长度（达500mm或更长）零件上的孔，而且所加工的孔的直径范围也最大（从70mm到250mm或更大）最常用，也是现在普遍研究的重点。

与国外相比，我国数控机床的发展明显落后于西方发达国家，因此，技术创新和产品改良亟待加强，机构设计和改良也显得尤为重要。

二、设计内容

本次设计主要是对数控双主轴内孔磨床关键功能部件的设计，目标是能够实现盘齿类零件内孔的粗加工与精加工；控制系统的总体目标是使内圆磨具稳定运转，内圆磨具进给系统进给精确、平稳。

进给系统的传动机构是指将电动机的旋转运动传递给工作台或刀架以实现进给运动的整个机械传动链，包括齿轮传动副（或同步带传动副）、丝杠螺母副（或蜗杆蜗轮副）及其支承部件等。传动机构的精度、灵敏度、稳定性直接影响了数控机床的定位精度和轮廓加工精度。从系统控制的角度分析，其中起决定作用的因素主要有两个：一是传动机构

的刚度和惯量，它是直接影响进给系统的稳定性和灵敏度；二是传动部件的精度与传动系统的非线性，它直接影响系统的位置精度和轮廓加工精度，在闭环系统中还影响系统的稳定性。

数控机床进给传动系统承担了数控机床各直线坐标轴、回转坐标轴的定位和切削进给，进给系统的传动精度、灵敏度和稳定性直接影响被加工工件的最后轮廓精度和加工精度。为了保证数控机床进给传动系统的定位精度和动态性能，对数控机床进给传动系统的要求主要有如下几个方面。

（1）低惯量

进给传动系统由于经常需启动、停止、变速或反向运动，若机械传动装置惯量大，就会增大负载并使系统动态性能变差。

（2）低摩擦阻力

进给传动系统要求运动平稳、定位准确、快速响应特性好，必须减小运动件的摩擦阻力和动摩擦系数与静摩擦系数之差。

（3）高刚度

数控机床进给传动系统的高刚度取决于滚珠丝杠副或蜗轮蜗杆副及其支承部件的刚度。刚度不足和摩擦阻力会导致工作台产生爬行现象及造成反向死区，影响传动准确性。

（4）高谐振

为了提高进给的抗振性，应使机械构件具有较高的固有频率和合适的阻尼，一般要求进给系统的固有频率应高于伺服驱动系统的固有频率2~3倍。

（5）无传动间隙

为了提高位移精度，减小传动误差，对采用的各种机械部件首先要保证它们的加工精度，其次要尽量消除各种间隙，因为机械间隙是造成进给传动系统反向死区的另一主要原因。

三、设计方案

为了确保伺服系统的定位精度和工作稳定性，在机构传动结构设计上都要求无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振以及适宜的阻尼比。为了达到这些要求，机械传动结构的设计中应尽量采用低摩擦传动副，如滚动导轨、静压导轨、滚珠丝杠等，以减小摩擦力；通过选用最佳降速比来降低惯量；采用预紧的办法提高传动刚度；用消隙的办法减小反向死区误差等，其中最重要的是提高传动刚度和降低惯量。采用预紧消除间隙提高传动刚度，不仅不需要增大尺寸和惯量，而且也使传动刚度接近常数，这是伺服进给系统机构设计中的突出特点。

具体设计方案如下：

1．执行机构传动方式的确定

为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜尼比的要求。在设计中应考虑以下几点：

- 1 -

济南大学

（1）尽量采用低磨擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨等。（2）尽量消除传动间隙。例如采用隙齿轮等。

（3）提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采用预紧的方法提高系统刚度。例如采用预加负载导轨和滚珠丝杠副等。

2．进给伺服系统机械部分结构设计

（1）消除齿侧间隙机构和挠性联轴节

开环系统设计时，一般在步进电动机和滚珠丝杠间设置一对齿轮传动，以增大扭矩和改变运动方向。为消除反向运动的间隙，齿轮多采用双片齿轮消隙。

闭环和半闭环系统一般由直流（交流）伺服电动机，经同步齿形带或挠性联轴节与滚珠丝杠相连接。图3.1为挠性联轴节示意图。

这种连接不用键，反向无间隙，轴和联轴套之间的位置可任意调节，且较好地消除了丝杠和电动机轴之间的不同轴度和垂直度误差。如果需要传递较大的力矩，则可用2套以至3套锥环。但每经过1套锥环，轴向压紧力便降低一些，所能传递的力矩不与锥环的套数成正比。

图3.1 消隙联轴器

1—轴2—螺钉3—法兰4—锥环5—丝杠6—联轴套7—球面垫圈

（2）滚珠丝杠螺母副的选用与计算

滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置，在丝杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽，当他们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠的回路管道，将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母轴向移动。

在选用滚珠丝杠副时，必须知道实际的工作条件，应知道最大的工作载荷、最大载荷作用下的使用寿命、丝杠的工作长度、丝杠的转速、滚道的硬度及线杠的工况，然后按下列步骤进行选择。图3.2所示为滚珠丝杠副的结构图

- 2 -

济南大学

济南大学

- 3 -

图3.2 滚珠丝杠螺母副的结构

1—密封环 2, 3—回珠器 4—丝杠 5—螺母 6—滚珠

（3）滚珠丝杠螺母副的支承选择

滚珠丝杠常用推力轴承支座，以提高轴向刚度，滚珠丝杠在数控机床上的安装支承方式有以

下几种。

a) 一端装推力轴承 这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低，只适用于短丝杠

b) 一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承 这种方式可用于丝杠较长的情况。应将推力轴承远离液压马达等热源及丝杠上的常用段，以减少丝杠热变形有影响。

c) 两端装推力轴承 把推力轴承装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧拉力，这样有助于提高刚度，但这种安装方式对丝杠的热变形较为敏感，轴承的寿命较两端装推力轴承及向心球轴承方式低。 d) 两端装推力轴承及深沟球轴承 为使丝杠具有最大的刚度，它的两端可用双重支承，即推力轴承加深沟球轴承，并施加预紧拉力。这种结构方式不能精确地预先测定预紧力，预紧力的大小是由丝杠的温度变形转化而产生的。但设计时要求提高推力轴承的承载能力和支架刚度。

数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母副本身的刚度外，滚珠

丝杠的正确安装及支承结构的刚度也是不可忽视的因素。

3．伺服电机的选择

随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。

伺服电机选择的要求：

（1）从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r /min 或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。

（2）电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。

（3

）为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的

时间常数和启动电压。电机应具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保证电机可在0.2s 以内从静止启动到额定转速。

（4）电机应能随频繁启动、制动和反转。

四、参考文献

[1]王爱玲．现代机床结构与设计[M]．北京：兵器工业出版，1999

[2]李福生．实用数控机床技术手册[M]．北京：北京出版社，1999

[3]Arunachalam N, Ramamoorthy B (2007) Texture Analysis for Grinding Wheel Wear Assessment

using Machine Vision. Proceedings of IMechE Part B Journal of Engineering Manufacture 221:419–430

[4]林祥霖．国内外内圆磨床技术水平及发展动态[J]，木工机床，2005,3:30-31

[5]王均杰，数控轴承内圆磨床进给伺服系统特性分析，[硕士学位论文]，河南，河南科技大学，

2005，26-27

[6]屈里强．数控轴承内圆磨床进给系统的设计与研究，[硕士学位论文]，合肥，合肥工业大学，

2004，28-29

[7]Blum T, Dornfeld DA (1993) Grinding Process Feedback using Acoustic Emission. 4th

International Grinding Conference And Exposition, Dearborn, Michigan, Society of Manufacturing Engineering, 1–42

[8]袁哲俊，王先逵．精密和超精密加工技术[M]．北京：机械工业出版社，1999.1

[9]徐灏．新编机械设计手册(上、下册)[M]．北京：机械工业出版社，1995

[10]黄鹤汀，吴善元．机械制造技术[M]．北京：机械工业出版社，2008

[11]严建红．数控机床及其应用[M]．北京：机械工业出版社，2007

[12]王守忠．一种提高普通机床横向进给精度机构的设计[J] . 现代制造工程, 2006( 4): 132- 134

[13]孙先锋，阎开印，等．滚珠丝杠综合误差对机床定位精度的分析［J］．机床制造技术，2008，

35（11）：45-47

[14]文怀兴，夏田．数控机床设计实践指南[M]．北京：化学工业出版社，2008.1

[15]王启义．机械制造装备设计[M]．北京：冶金工业出版社，2002

[16]杜君文．机械制造技术装备及设计[M]．天津：天津大学出版社，2007.10

[17]濮良贵．机械设计[M]．北京：高等教育出版社，2001

[18]刘朝儒．机械制图[M]．北京：高等教育出版社，2001

[19]林俊．机床数控系统课程设计指导书[M]．北京：中国科学技术出版社，1991.9

[20]胡秋．数控机床进给系统的设计[J]．机床与液压，2004（6）：55-56

五、指导教师评语

- 4 -

济南大学

六、审核意见

- 5 -

济南大学