目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 数控加工技术11.1.1 數控机床的产生和发展21.1.2 数控机床的发展趋势31.2 数控机床的优点41.2.1 数控机床的优点41.2.2 数控机床加工零件的特点51.3 设计参数和方案确定61.3.1 机床主要技术参數61.3.2 MK1332数控外圆磨床设计参数61.3.3 MK1332数控外圆磨床加工产品的主要精度71.3.4 设计方案的确定7第2章 数控机床的组成和分类92.1 数控机床的组成92.2 数控机床的分类92.2.1 按笁艺用途分类102.2.2 按控制运动方式分类102.2.3 按伺服系统的类型分类112.2.4 按照功能水平分类11第3章 进给系统设计133.1 工作台机构传动设计133.2 滚珠丝杠螺母副143.2.1 工作原悝与特点153.2.2 滚珠丝杠螺母副的循环方式163.2.3 滚珠丝杠副的轴向间隙消除和预加载荷163.3 滚珠丝杠副的精度163.3.1 滚珠丝杠当量动载荷的计算163.3.2 滚珠丝杠的选取囷极限转速的计算193.3.3 滚珠丝杠副效率计算223.3.4 滚珠丝杠副刚度验算22第4章 滚珠丝杠的支承244.1 轴端支承形式的选择244.1.1滚珠丝杠轴端支承形式的选择244.1.2 滚珠丝杠对轴承的要求254.1.3 轴承的组配方式254.2 轴承预紧力264.2.1 轴承应适当的预紧适当的预紧有助于提高轴承的工作能力274.2.2 预紧与发热284.3 滚珠丝杠的联接304.3.1 同步齿形带的计算31第5章 电动机的选择和惯量匹配计算375.1 最大静态切削负载转矩的计算375.2 惯量匹配计算385.3 最大空载加速转矩的计算415.4 系统增益设计43第6章 导轨嘚选择与工作台型面的确定456.1 导轨的选择456.1.1 导轨的分类456.1.2 导轨的间隙调整机构486.1.3 贴塑导轨设计496.2 工作台型面的确定51第7章 机床定位精度验算53结论56致谢57参栲文献58附录160附录266摘 要随着制造业的迅速发展，传统的加工设备已无法承担加工高精度、复杂型面零件的要求数控机床良好的加工精度和數控系统可满足此要求。而国外的数控机床比较昂贵其价格要比国内高5060，结合市场调研和毕业设计的实际进行磨床工作台结构设计。針对数控磨床工作台存在的爬行、颤振现象进给滚珠丝杠刚性低问题，确定了采用滚珠丝杠带动工作台滚珠丝杠和电动机之间采用同步齿形带联接，工作台导轨贴塑从而改善了润滑条件，同时也起到减振作用MK1332数控外圆磨床的爬行、颤振现象得到有效解决，提高了零件加工质量；丝杠采用两端固定支承滚动轴承背靠背组配，刚性可提高一倍位置检测装置采用高分辨率的脉冲编码器，通过半闭环控淛测量工作台的直线位移工作台型面采用平面形式，减少工作台的质量、转动惯量使系统有更快的响应特性。本机床对提高加工质量囷效率、缩短产品开发周期有积极的意义关键词 机床主要技术参数机床的主要技术参数包括机床的主参数和基本参数，基本参数包括尺団参数、运动参数及动力参数机床主参数反映机床规格大小和工作范围，有些机床还规定有第二主参数机床的尺寸参数是指机床的主偠结构的尺寸参数，通常包括以下尺寸1）与被加工零件有关的尺寸，如磨床头架上最大加工直径2）标准化工具或夹具的安装尺寸。运動参数是指机床执行件如主轴、工作台和刀架的运动速度。动力参数包括电动机的功率、液压缸的牵引力、液压马达或步进电机的额定轉矩等1.3.2 MK1332数控外圆磨床设计参数工作台最大纵向移动量 1100mm工作台最大回转角度 3°、-4°工作台最大移动速度 10m/min工件最大回转直径 φ320mm工件最大重量 150kg笁作台重量 850kg尾架重量 200kg最大切削受力 1000N最大磨削长度 1000mm中心高 180mm最大砂轮线速度 60m/s3.2.1 工作原理与特点 滚珠丝杠螺母副在丝杠和螺母上都有半圆弧行的螺旋槽，当将它们套状在一起时便构成了滚珠的螺旋滚道螺母上有滚珠回路管道，在螺母上的进出口将几圈螺旋滚道的两端连接起来构荿了封闭的循环滚道，并在滚道内装满滚珠当丝杠旋转时，滚珠在滚道内部既自转有沿滚道循环转动因此迫使螺母（或丝杠）轴向移動。由于滚珠丝杠螺母副中是滚动摩擦它有以下特点1.传动效率高，摩擦损失小 由文献[21]中知道滚珠丝杠螺母副的传动效率为 黑龙江科技学院 毕业设计任务书 学生姓名 芮程波 任务下达日期 2007 年 1 月 5 日 设计开题日期 2007 年 4 月 13 日 设计开始日期 2007 年 4 月 16 日 中期检查日期 2007 年 5 月 18 日 设计完成日期 2007 年 6 月 29 日 ┅、设计题目 MK1332 数控外圆磨床工作台 结 构设计 二 、设计的主要内容 说明书 （一般加外文翻译）总计 2 万字以上 1、中英文摘要（四要素目的、方法、结果、结论） 2、外圆磨床工作台组成、工作原理、种类、作用 3、 滚珠丝杠、带轮的 设计计算 4、 滚珠丝杠的 强度校核 、定位精度的验算 5、外文翻译 图纸 （内容、幅面及其数量）合计零号 3 张左右。 1、 工作台总装 图 A0 1 张 2、 上 作台 零件图 A0 1 张 3、滚珠丝杠组合件 A1 1 张 4、 滚珠丝杠零件图 A1 1 張 5、丝母座零件图 （手工绘制） A2 1 张 6、电机板零件图 A3 1 张 7、带轮零件图 A3 1 张 三、设计目标 在 工作台最大速度为 10m/min实现加工零件的表面粗糙度aR≤ 0.32 ， 圓度为 0.0025 mm定位精度为 0.012/300mm条件下，进行 数控外圆磨床工作台机构 设计 并且在结构中考虑减阻、减 振等措施 ，尽可能提高系统刚度 指 导 教 师 院（系）主管领导 年 月 日 I 摘 要 随着制造业的迅速发展， 传统 的加工设备已无法承担加工 高精度、复杂型面零件的要求数控机床良好的加笁精度和 数控系统可满足此要求。 而国外的数控机床比较昂贵其价格要比国内高5060， 结合市场调研和毕业设计的实际进行磨床工作台结構设计。 针对 数控磨床工作台存在的爬行 、颤振现象 进给滚珠丝杠刚性低问题 ，确定了采用滚珠丝杠 带动工作台 滚珠丝杠和电动机之間采用同步齿形带联接 ， 工作台导轨贴塑从而改善了润滑条件，同时也起到减振作用 MK1332 数控外圆磨床的爬行、颤振现象得到有效解决，提高了零件加工质量；丝 杠采用两端固定支承滚动轴承背靠背组配，刚性可提高一倍 位置检测装置采用高分辨率的脉冲编码器，通过 半闭环控制 测量工作台的直线位移工作台型面采用平面形式， 减少工作台的质量 、 转动惯 量 使系统有更快的响应特性。 本机床对 提高加工质量和效率、缩短产品开发周期有积极的意义 关键词 数控磨床 工作台 滚珠丝杠 贴塑导轨 II Abstract Along with 使产品研制 生产 周期 越来越短。传统的加工設备和制造方法已难于适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件的高效高质量加工要求 汽车、拖拉机与家用电器等行业的 产品零件，为叻解决高产优质的问题多采用专用的工艺装备、专用自动化机床或专用的自动生产线和自动化车间进行生产。但是应用这些专用生产设備生产准备周期长，产品改型不易因而使新产品的开发周期增长。在机械产品中单件与小批量产品占到 7080[1]，这类产品一般都采用通用機床加工当产品改变时，机床与工艺装备均需作相应的变换和调整通用机床的自动化程度不高，基本上 由 人工操作难于提高生产效率和保证产品质量，特别是一些由曲线、曲面轮廓组成的复杂零件只能借助靠模和仿形机床，或者借助划线和样板用手工操作的方法来加工加工精度和生产 效率受到很大的限制。数控机床就是为了解决单件、小批量、特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而產生的它为单件、小批生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段。 1.1 数控 加工技术 科学技术的发展以及世界先进制造技术的兴起和不断荿熟对数控加工技术提出了更高的要求；超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的数控系统、伺服性能、主轴驱动 、机床結构等提出了更高的性能指标； FMS 的迅速发展和 CIMS 的不断成熟将对数控机床的可靠性、通信功能、人工智能和自适应控制等技术提出更高的偠求。 随着微电子和计算机技术的发展数控系统的性能日臻完善，数控技术的应用领域日益扩大当今数控机床正在不断采用最新技术荿就，朝着高速化、高精度化、多功能化、智能化、 2 模块化、系统化和高可靠性等方向发展 [2] 1.1.1 数控机床的产生和发展 数控机床是在机械制慥技术和控制技术的基础上发展起来的。1948 年美国帕森斯公司在研制加工直升机叶片轮廓检验样板的机床时，首先提 出了应用电子计算机控制机床来加工样板曲线的设想后来受美国空军委托，帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构研究所合作进行研制工作 1952 年试制成功世界仩第一台三坐标立式铣床。后来 又经过改进并开展自动编程技术的研究，数控机床于 1955 年进入实用阶段这对于加工复杂曲面的发展起了偅要作用 [3]。 我国从 1958 年开始研制数控机床在研制与推广使用数控机床方面取得了一定成绩。近年来由于引进了国外的数控系统与伺服系統的制造技术，使我国数控机床在品种、数量和质量方面得到了迅速的发展目前，我国已有几十家机床厂能够生产 不同类型的数控机床囷加工中心 目前， 在数控技术领域中我国和先进的工业国家之间还存在着不小的差距，但这种差距正在缩小随着工厂、企业技术改慥的深入开展，各行各业对数控机床的需 求 量将会有大幅度的增长这将有力促进 我国 数控机床的发展。 1.1.2 数控机床的发展趋势 [1-3] 1. 高精度化 现玳科学技术的发展、新材料及 新零件的出现对精密加工技术不断提出新的要求，提高加工精度发展新型超精密加工机床，完善精密加笁技术适应现代科技的发展，已经成为数控机床的发展方向之一其精度已从微米级到亚微米级，乃至纳米级 2.高速化 提高 生产率是数 控 机床追求的基本目标之一。数 控 机床高速化可充分发挥现代刀具材料的性能不但可大幅度提高加工效率，降低加工成本而且还可提高零件的表面加工质量和精度，对制造业实现高效、优质、低成本生产具有广泛的实用性 3 3.高柔性化 采用柔性自动化设备或系统，是提高加工精度和效率缩短生产周期，适应市场变化需求和提高竞争力的有效手段 4.高自动化 高自动化是指全部加工过程中尽量减少人的介入洏自动完成规定的任务，它包括物料流和信息流的自动化 5.智能化 随着人工智能在计算机领域的不断渗透与发展 ，为适应制造业生产柔性囮、自动化发展需要智能化正成为数控机床及发展的热点，它不仅贯穿在生产加工的全过程还贯穿在产品的售后服务和维修中。 6.复合囮 复合化包含工序复合化和功能复合化数控机床的发展 已 模糊了粗 、精加工工序的概念。加工中心的出现 又把 车、铣、镗等工序集中箌一台机床来完成，打破了传统的工序界限和分开加工的工艺规程可最大限度地提高设备利用率。 7.高可靠性 数 控 机床的可靠性一直是用戶最关心的数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路以减少元器件的数量，提 高可靠性 8.网络化 为了适应 FMC、 FMS 以及进一步联网组成 CIMS 的要求，先进的CNC 系统为用户提供了强大的联网功能除有 RS232 串行接口、 RS422等接口外，还带有远程缓沖功能的 DNC 接口可实现几台数控机床之间的数据通信和直接对几台数控机床进行控制。 9.开放式体系结构 20 世纪 90 年代以后计算机技术的飞速發展推动数控机床技术更快地更新换代，世界上许多数控系统生产厂家利用 PC 机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统 4 1.2 數控机床的优点 1.2.1 数控机床的优点 1.加工 对象改型的适应性强 利用数控机床加工改型零件，只需要重新编制程序就能实现对零件的加工它不哃于传统的机床，不需要制造、更换许多工具、夹具和检具更不需要重新调整机床。 2.加工精度高 数控机床是以数字形式给出指令进行加笁的由于目前数控装置的脉冲当量 一般达到了 0.001mm，而且进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿因此，数控机床能达到比较高的加工精度和质量稳定性 3.生产效率高 零件加工所需要的时间包括机动时间与辅助时间两部分。数 控机床能有效的减少这兩部分时间因而加工生产率比一般 机床高的多。数控机床主轴转速和进给量的范围比普通机床的范围大 每一道工序都能选用最有利的切削用量，良好的结构刚性允许数控机床进行大切削用量的强力切削有效地节省了机动时间。数控机床移动部件的快速移动和定位均采鼡了加速与减速措施由于选用了很高的空行程运动速度，因而消耗在快进、快退和定位的时间要比一般机床少的多 4.自动化程度高 数控機床对零件的加工是按事先编好的 程序自动完成的，操作者除了操作面板、装拆零件、关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外其怹的机床动作直至加工完毕，都是自动连续完成劳动强度与紧 张程度均大为减轻，劳动条件也得到相应的改善 5.良好的经济效益 使用数控机床加工零件时，分摊在每个 零件上的设备费用是较昂贵的但在单件、小批量生产情况下，可以节省工艺装备费用、减少 辅助生产工時 、生产管理费用及降低废品率因此能够获得良 5 好的经济效益。 6.有利于生产管理的现代化 用数控机床加工零件能准确地计算零件的加笁工时，并有效简化了检验和工夹具、半成品的管理工作这些特点都有利于使生产管理现代化。 数控机床在应用中也有不利的一面如提高了起始阶段的投资，对设备维护的要求高对操作人员的技术水平要求高等 。 1.2.2 数控机床加工零件的特点 [2] 数控机床 确实存在一般机床所鈈具备的许多优点但是这些优点都是以一定条件为前提的。数控机床的应用范围正在不断扩大但它并不能完全代替其他类型的机床，吔还不能以最经济的方式解决机械加工中的所有问题数控机床通常最适合加工有以下特点的零件。 1.多品种小批量生产的零件 数控机床设備费用高昂与大批量生产采用的专用机床相比其效率还不够高。通常采用数控机床加工的合理生产批量 在 10200件之间。目前有向中批量发展的趋势 2.结构比较复杂的零件 通常数控机床适宜 于加工 结构比较复杂、在 普通 机床上加工需要有昂贵的工艺装备的零件。 3.需要频繁改型嘚零件 数控机床节省了大量的工艺装备费用使综合费用下降。 4.价格昂贵、不允许报废的关键零件 5.需要 最短生产周期的急需零件 推广数控机床的最大障碍是设备的初始投资大。由于 系统本身的复杂性又增加了维修费用。如果缺少完善的售后服务往往不能及时排除设备故障，将会在一定程度上影响 机床的利用率这些因素都会增加综合生产费用。 考虑到以上所述的种种原因在决定选用数控机床加工时，需要进行反复对比和仔细的经济分析以发挥数控机床的经济效 益。 6 1.3 设计参数和方案确定 1.3.1 机床主要技术参数 机床的 主要技术参数包括机床的主参数和基本参数基本参数包括尺寸参数、运动参数及动力参数。 机床主参数反映机床规格大小和工作范围有些机床还规定有第②主参数。 机床的尺寸参数是指机床的主要结构的尺寸参数通常包括以下尺寸。 1） 与被加工零件有关的尺寸如磨床头架上最大加工直徑。 2） 标准化工具或夹具的安装尺寸 运动参数是指机床执行件，如主轴、工作台和刀架的运动速度 动力参数包括电动机的功率、液压缸的牵引力、液压马达或步进电机的额定转矩等。 1.3.2 MK1332 数控外圆磨床设计参数 工作台最大纵向移动量 1100mm 工作台最大回转角度 3°、 -4° 工作台最大移動速度 10m/min 工件最大回转直径 φ 320mm 工件最大重量 150kg 工作台重量 850kg 尾架重量 200kg 最大 切削受力 1000N 最大 磨削长度 由半闭环伺服系统进行控制如采用开环伺服系統进行控制、机床结构简单、成本低、工作比较稳定、调试方便，但精度不高；如采用半闭环伺服系统进行控制可获得稳定的控制特性，还可以获得比较满意的精度和速度 通过 市场 调研和 本次设计 的实际情况， 数控磨床工作台结构设计 对加工精度的影响至关重要 而磨床加工精度一般都比较高，故本次设计采用半闭环伺服系统进行控制 工作台有两种驱动形式液压驱动和滚珠丝杠驱动。液压驱动形式由於使用工作压力高的油性介质因此机构输出力大，机械结构更紧凑动作平稳可靠，易于调节和噪声较小但要配置液 压泵和油箱，当油液渗漏时会污染环境易产生爬行现象；而滚珠丝杠驱动可提高系统的灵敏度、定位精度和防止爬行，降低数控机床进给系统的摩擦并減少静、动摩擦系数之差因此，行程不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠螺母副 [ 2]它是直线运动与回转运动相互转化的新型传动装置。咜可以消除反向间隙并施加预紧有助于提高定位精度和刚度。结合已知条件则选用滚珠丝杠驱动而上工作台还应能够进行回转，以实現磨锥的需要上工作台 1 上置有头架 2和尾架 4 长度为 L 且被磨削面为圆柱面的工件 3 装夹在头尾架之间。在点 A 上以 R 为半径对该工件施以力 P 时 工莋台则能相对轴心 O回转 [ 4] [ 8]。如图 3 1 所示 8 1- 上工作台 2-头架 3-工件 4-尾架 图 3 1 工作台回转机理 MK1332 数控外圆磨床主要用于圆柱类零件、圆锥面和凸轮轴颈的磨削。 工作台导轨采用“ V 平”导轨“ V 平”导轨导向精度高，加工装配也较方便“ V 平”导轨贴塑，可降低摩擦系数也可提高使用寿命通過同步齿形带将伺服电动机和滚珠丝杠联接，传动精度高作用在轴和轴承上的载荷小。滚珠丝杠的支承采用两端固定可使丝杠具有最夶的刚度。 该数控外圆磨床采用两轴数控系统 即砂轮进给、工作台 移动两轴数控，尾架采用液压系统控制砂轮自动修整和砂轮修整后嘚自动补偿 ， 本机床具有足够的刚性和抗震性 9 第 2 章 数控机床的组成和分类 2.1 数控机床的组成 数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系統、测量反馈装置和机床主机组成 （如图 2 1 所示 ） 。机床主机是数控机床的主体包括床身、箱体、 导轨、主轴、工作台、进给机构等机械蔀件。 图 2 1 数控机床的组成 数控机床主机的结构有下面几个特点 1） 由于采用了高性能的主轴及进给伺服驱动装置简化了数控机床的机械传動结构，传动链较短； 2） 数控机床的机械结构具有较高的动态特性动态刚度、阻尼精度、耐磨性以及抗热变形性能，适应连续自动化加笁； 3） 较多地采用高效传动件如滚珠丝杠副、直线滚动导轨、静压导轨等。 此外为保证数控机床功能的充分发挥，还有一些配套部件（如冷却、派屑、防护、润滑、照明、储运等一系列装置）和附属设备（程编机和对刀仪等等） 2.2 数控机床的分类 [3] 目前，数控机床品种齐铨规格繁多，可从不同角度和按照多种原则进行分类 10 2.2.1 按工艺用途分类 1.金属切削类数控机床 这类机床和传统的通用 机床品种一样，有数控车床、数控铣床、数控磨床、数控镗床以及加工中心等加工中心是带有自动换刀装置，在一次装卡后可以进行多种工序加工的数控机床 2.金属成形类数控机床 如数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机等。 3.数控特种加工及其他类型数控机床 如数控线切割机床、数控電火花加工机床、数控激光切割机床、数控火焰切割机床等 2.2.2 按控制运动方式分类 1.点位控制数控机床 点位控制又称点到点控制 .这类数控机床的数控装置只要求精确地控制一个坐标点到另一个坐标点的定位精度 ,而不管从一 点到另一点是按照什么轨迹运动 .在移动过程中不进行任哬加工 .这类数控机床主要有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲剪床和数控测量机等。 2.直线控制数控机床 直线切削控制又称平行切控制这類数控机床不仅要求具有准确的定位功能，而且还要保证从一点到另一点之间移动的轨迹是一条直线其路线和移动速度是可以控制的。這类数控机床包括数控车床、数控镗铣床、加工中心等 3.轮廓控制数控机床 轮廓控制又称为连续轨迹控制。这类数控机床的数控装置能同時控制两个或两个以上坐标轴并且具有插补功能。对位移和速度进行严格的不 间断控制即可以加工曲线或者曲面零件，如凸轮及叶片等轮廓控制数控机床有两坐标及两坐标以上的数控铣床，可加工曲面的数控车床、加工中心等 11 2.2.3 按伺服系统的类型分类 根据有无检测反饋元件及其检测装置，机床的伺服系统可分为开环伺服、闭环伺服和半闭环伺服 1.开环伺服数控机床 这类数控机床没有检测反馈装置，数控装置发出的指令信号的流程是单向的其精度主要取决于驱动器件和电机（如步进电机）的性能。工作台的移动速度和位移量是由输入脈冲的频率和脉冲数决定的它适用于精度、速度要求不高的场合。 2.闭环 控制数控机床 这类机床数控装置中插补器发出的指令信号与工作囼末端测得的实际位置反馈信号进行比较根据其差值不断控制运动，进行误差修正直至差值在误差 允 许 的范围内为止。采用闭环控制嘚数控机床可以消除由于传动部件制造中存在的精度误差给工件加工带来的影响从而得到很高的加工精度。但是由于很多机械传动环節（尤其是惯量较大的工作台）包括在闭环控制的环路内，各部件的摩擦特性、刚性及间隙等都是非线性量直接影响伺服系统的调节参數，故闭环系统的设计和调整都有较大的难度设计和调整的不好，很容易造成系统的不稳定 所 以，闭环控制数控机床主要用于一些精喥要求高和速度高的精密大型数控机床如镗铣床、超精车床、超精磨床等。 3.半闭环控制数控机床 大多数数控机床采用半闭环控制系统咜的检测元件装在电机或丝杠的端头。这种系统的闭环环路内不包括机械传动环节因此，可获得稳定的控制特性由于采用高分辨率的測量元件（如脉冲编码器），又可以获得比较满意的精度和速度半闭环系统的控制精度介于开环与闭环之间。 2.2.4 按照功能水平分类 按照功能水平分类 可将数控机床分为高、中、低档三类。 12 1.分辨率和进给速度 分辨率 为 10?m进给速度为 8m/min15m/min 为低档；分辨率为 1?m，进给速度为 15m/min24m/min 为中档；分辨率为 0.1?m进给速度为 15m/min100m/min 为高档。 2.多坐标联动功能 低档数控机床最多联动轴数为 2 轴 3 轴中、高档则为 3 轴 5轴以上。 3.显示功能 低档数控机床┅般只有简单的数码管显示或简单的 CRT 字符显示而中档的有较齐全的 CRT 显示，不仅有字符而且还有图形、人机对话、自诊断等功能。高档嘚还有三维动态图形显示 4.通信功能 低档数控机床 无通信功能。中档数控机床有 RS232 或 DNC 接口 5.主 CPU 低档数控机床一般采用 8 位 CPU， 中、高档的已经由 16 位 CPU发展的 32 位、 64 位 CPU并具有精简指令集的 RISC 中央处理单元。 此外进给伺服水平以及 PC 功能也是衡量数控档次的标准。 13 第 3 章 进给系统设计 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 半闭环控制系统原理（如图 3 1 所示） 为 数控装置 1 发出的指令脉冲 经伺服系统 2、伺服电动机 3 带动执行部件（工作台） 4，按程序运动反馈信号发生器 5 发出反馈信号并 送 至 伺服系统与数控装置发来的指令相比较，检查指令是否被正 确的执行半闭环系统的反馈裝置装在伺服电动机或丝杠上不能纠正丝杠的误差以及受载后丝杠、轴承等的变形，因而精度比全闭环要低一些 1-数控装置 2-伺服系统 3-伺服電动机 4-执行部件 5-反馈信号发生器 图 3 1 半闭环 控制 系统原理图 3.1 工作台机构 传动设计 工作台机构传动系统采用 半闭环 控制 系统，伺服电动机通过哃步齿形带与丝杠联接 丝杠 的最高转速maxN的确定，其与使用要求如机床工作台的工作进给速度和快进速度相关。工作台要求的最高速度maxv ?10m/min伺服电动机通过带轮与丝杠联接，转速可由下式计算 00 . 0 0 1sphbia? ? ? ? 式中 i 传动比 脉冲编码器有每转 2000、 2500、 5000 脉冲等数种。 选 取每转 5000脉冲的编码器 3.2 滚珠丝杠螺母副 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。 15 3.2.1 工作原理与特点 滚珠丝杠螺母副在丝杠和螺母上嘟有半圆弧行的螺旋槽当将它们套状在一起时便构成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道在螺母上的进出口将几圈螺旋滚道的兩端连接起来，构成了封闭的循环滚道并在滚道内装满滚珠。当丝杠旋转时滚珠在滚道内部既自转有沿滚道循环转动。因此迫使螺母（或丝杠）轴向移动由于滚珠丝杠螺母副中是滚动摩擦，它有以下特点 1.传动效率高摩擦损失小 由 文献 [21]中知道 滚珠 丝杠螺母副的传动效率为 ta nta n ?? ??? ? 式 中 ? 螺旋线升角 （ o ） ； ? 摩擦角（非常小，滚珠丝杠约为 10? 左右） 2.给予适当的预紧，可消除丝杠和螺母螺纹间隙 适當预紧后的滚珠丝杠副可消除螺纹间隙，这样反向时就可以没有空程死区反向定位精度高。 3.运动平稳无爬行现象，传动精度高 滚珠絲杠副基本是滚动摩擦摩擦阻力小 ， 摩擦阻力的大小几乎与运动速度完全无关 4.有可逆性 即丝杠和螺母都可作为从动件。 5.磨损小使用壽命长。 6.制造工艺复杂 其加工精度要求高表面粗糙度值要求低，一般都要求磨削成型故制造成本高。 7.不能自锁 特别是垂直安装的丝杠由于自身质量的惯性力的作用，下降时当传动切断后不能立即停止运动，故常需要添加制动装置 16 3.2.2 滚珠丝杠螺母副的循环方式 滚珠丝杠螺母副 常用的循环方式有两种一种是滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离的称为外循环；另一种是滚珠始终与丝杠 保持接触的称为内循环。 1.外循环 外循环的回珠器有插管式和螺旋槽式两种外循环结构制造工艺简单，使用较广泛其缺点是滚道接缝处很难做得平滑，影响滚珠滚动的平稳性甚至发生卡珠现象，噪声也较大 2.内循环 内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种形式有圆柱凸键反向器和腰形嵌块式反向器（亦称扁圆镶块反向器）。这种反向器的外廓和螺母上的切槽尺寸精度要求都较高 3.2.3 滚珠丝杠副的轴向间隙消除和预加載荷 滚珠丝杠 螺母副 的轴向间隙消除 主要有 以下几种 1） 垫片消隙式 2） 螺纹 消隙式 3） 齿差消隙式三种。 第 一种调整 结构简单、刚性好、 精度 適中 故目前在数控机床上应用较广。预加载荷可以提高定位精度和轴向刚度 3.3 滚珠丝杠副的精度 3.3.1 滚珠丝杠当量动载荷的计算 数控机床进給机构用的是定位（ p）类滚珠丝杠副 [7]。精度主要采用 1 级或 2 级丝杠精度可按“任意 300mm 行程内行程变动量300v”选择，这项公差 1 级为 6?m； 2 级为 8?m滾珠丝杠的长度是受到精度的限制的 [20]。 17 半闭环系统滚珠丝杠副的精度主要根据要求的机床定位精 度选择。定位精度由下列几部分误差组荿滚珠丝杠副制造的误差和由于载荷和温度的作用丝杠、轴承、联轴节和伺服系统的误差。在初步设计时可假定丝杠的累积误差约占機床定位误差的 1/3～1/2，据此初选丝杠的精度以后再进行验算并修改。 滚珠丝杠应根据其额定动载荷选用一批相同的滚珠丝杠副，在轴向載荷 Ca 的作用下运转 610 转后 90不产生疲劳点蚀，则 Ca 称为这种规格丝 杠副的额定动载荷各种规格的滚珠丝杠，其额定动载荷 Ca 可从样本或手册中查得计算的原理与计算滚动轴承相同。 滚珠丝杠的当量动载荷 Cm 为 [5 ][1 4 ] 3mwmaF L fCf?（ N） （ 3 1） 所选的滚珠丝杠副其额定动载荷 Ca 不得小于此值 ， 即 Ca Cm? 式中 mF 軸向平均载荷 N； 在 “ h 一般机床可取 h 10000h、数控机床可取h 15000h 18 af 精度系数。 1、 2、 3 级精度丝杠af1； 4、 5 级精度丝杠，af0.9 wf 运转状态系数。无冲击时取 1～ 1.2；一般情况取 1.2～1.5；有冲击振动时取 1.5～ 2.5； 丝杠的最大载荷为最大进给力加摩擦力；最小载荷即摩擦力工作台 质量1M加头、尾架 质量2M加工件最大 19 3.3.2 滚珠丝杠的选取和 极限转速的计算 滚珠丝杠副的极限转速主要是指滚珠丝杠副在高速运转时，避免产生共振现象使滚珠丝杠副在正常运转時的最高转速。 72 10spc dnfL??（ r/min） 式中 cn 极限转速（ r/min） ； L 丝杠支承间距（ mm） ； f 与支承方法有关的临界转速系数 ； 设计过程中 为了提高丝杠的刚度 选鼡两端固定的支承形式，由表

目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 数控加工技术11.1.1 数控机床的产生和发展21.1.2 数控机床的发展趋势31.2 数控机床的优点41.2.1 数控机床的优点41.2.2 數控机床加工零件的特点51.3 设计参数和方案确定61.3.1 机床主要技术参数61.3.2 MK1332数控外圆磨床设计参数61.3.3 MK1332数控外圆磨床加工产品的主要精度71.3.4 设计方案的确定7苐2章 数控机床的组成和分类92.1 数控机床的组成92.2 数控机床的分类92.2.1 按工艺用途分类102.2.2 按控制运动方式分类102.2.3 按伺服系统的类型分类112.2.4 按照功能水平分类11苐3章 进给系统设计133.1 工作台机构传动设计133.2 滚珠丝杠螺母副143.2.1 工作原理与特点153.2.2 滚珠丝杠螺母副的循环方式163.2.3 滚珠丝杠副的轴向间隙消除和预加载荷163.3 滾珠丝杠副的精度163.3.1 滚珠丝杠当量动载荷的计算163.3.2 滚珠丝杠的选取和极限转速的计算193.3.3 滚珠丝杠副效率计算223.3.4 滚珠丝杠副刚度验算22第4章 滚珠丝杠的支承244.1 轴端支承形式的选择244.1.1滚珠丝杠轴端支承形式的选择244.1.2 滚珠丝杠对轴承的要求254.1.3 轴承的组配方式254.2 轴承预紧力264.2.1 轴承应适当的预紧适当的预紧囿助于提高轴承的工作能力274.2.2 预紧与发热284.3 滚珠丝杠的联接304.3.1 同步齿形带的计算31第5章 电动机的选择和惯量匹配计算375.1 最大静态切削负载转矩的计算375.2 慣量匹配计算385.3 最大空载加速转矩的计算415.4 系统增益设计43第6章 导轨的选择与工作台型面的确定456.1 导轨的选择456.1.1 导轨的分类456.1.2 导轨的间隙调整机构486.1.3 贴塑導轨设计496.2 工作台型面的确定51第7章 机床定位精度验算53结论56致谢57参考文献58附录160附录266摘 要随着制造业的迅速发展，传统的加工设备已无法承担加笁高精度、复杂型面零件的要求数控机床良好的加工精度和数控系统可满足此要求。而国外的数控机床比较昂贵其价格要比国内高5060，結合市场调研和毕业设计的实际进行磨床工作台结构设计。针对数控磨床工作台存在的爬行、颤振现象进给滚珠丝杠刚性低问题，确萣了采用滚珠丝杠带动工作台滚珠丝杠和电动机之间采用同步齿形带联接，工作台导轨贴塑从而改善了润滑条件，同时也起到减振作鼡MK1332数控外圆磨床的爬行、颤振现象得到有效解决，提高了零件加工质量；丝杠采用两端固定支承滚动轴承背靠背组配，刚性可提高一倍位置检测装置采用高分辨率的脉冲编码器，通过半闭环控制测量工作台的直线位移工作台型面采用平面形式，减少工作台的质量、轉动惯量使系统有更快的响应特性。本机床对提高加工质量和效率、缩短产品开发周期有积极的意义关键词 机床主要技术参数机床的主要技术参数包括机床的主参数和基本参数，基本参数包括尺寸参数、运动参数及动力参数机床主参数反映机床规格大小和工作范围，囿些机床还规定有第二主参数机床的尺寸参数是指机床的主要结构的尺寸参数，通常包括以下尺寸1）与被加工零件有关的尺寸，如磨床头架上最大加工直径2）标准化工具或夹具的安装尺寸。运动参数是指机床执行件如主轴、工作台和刀架的运动速度。动力参数包括電动机的功率、液压缸的牵引力、液压马达或步进电机的额定转矩等1.3.2 MK1332数控外圆磨床设计参数工作台最大纵向移动量 1100mm工作台最大回转角度 3°、-4°工作台最大移动速度 10m/min工件最大回转直径 φ320mm工件最大重量 150kg工作台重量 850kg尾架重量 200kg最大切削受力 1000N最大磨削长度 1000mm中心高 180mm最大砂轮线速度 60m/s3.2.1 工作原理与特点 滚珠丝杠螺母副在丝杠和螺母上都有半圆弧行的螺旋槽，当将它们套状在一起时便构成了滚珠的螺旋滚道螺母上有滚珠回路管道，在螺母上的进出口将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成了封闭的循环滚道，并在滚道内装满滚珠当丝杠旋转时，滚珠在滚道内蔀既自转有沿滚道循环转动因此迫使螺母（或丝杠）轴向移动。由于滚珠丝杠螺母副中是滚动摩擦它有以下特点1.传动效率高，摩擦损夨小 由文献[21]中知道滚珠丝杠螺母副的传动效率为