数控刀具磨削机的数控十字滑台的设计说明书

1引言研磨机是利用砂轮对刀具表面进行磨削加工的机床，主要是对钻头进行加工，一般的数控研磨机是三坐标轴的，即主轴运动、X轴进给运动和Z轴进给运动，本课题要设计的部分就是控制X轴进给运动和Z轴进给运动的数控十字滑台。

这些年来，国内外机床工业迅猛发展，其产值仅次于模具工业的产值。

随着工业技术的迅速发展，对精密十字滑台的设计和制造要求也越来越高。

我国机床工业作为一个独立、新型的工业，正处于飞速发展阶段，已经成为国民经济的基础工业之一，其发展前景是十分广阔的。

目前，国内生产的精密滑台已达到了比较高的水平，但由于数控研磨机的发展还不够成熟，因而应用于数控研磨机的精密滑台还处在萌芽状态，大多数的工作台产品无法满足研磨机的传动要求。

由于本设计中的十字滑台是用于数控研磨机，而数控研磨机是用于刀具的生产，生产批量小、制造精度高，所以对十字滑台的传动精度要求是较高的。

一般的精密十字滑台是滚珠丝杠与伺服电机直接联接，这种联接方式适用于一般的机床，对于本课题的数控研磨机来说，这种传动是不够平稳、不够精确的。

本设计的不同之处是伺服电机要经过减速装置减速之后再将转速传到滚珠丝杠上，从而带动工作台运动，因为减速装置可以使到达滚珠丝杠的速度更加符合其要求的速度，再者，加入减速装置以后，整个十字滑台的传动系统会更加平稳，而且传动精度也会得到提高。

在十字滑台的X轴方向，伺服电机先与同步带轮联接，同步带轮再与滚珠丝杠联接，这样，伺服电机较高的转速降低为滚珠丝杠要求的转速，再将滚珠丝杠的转速转换为X轴工作台的进给运动，从而实现工作台的低速平稳运动。

类似地，在十字滑台的Z轴方向，伺服电机先与齿轮副联接，再与Z轴工作台的滚珠丝杠联接，和X轴方向一样，将高转速转换为低转速，低转速再转换为Z轴工作台的直线进给运动，实现工作台的低速平稳运动,并且与Z轴联动，产生钻心锥度。

本课题的研磨机是在需要润滑油和切削液的环境下工作的，因此，除了要设计出合格的数控十字滑台之外，本设计还要求对设计的产品进行了防护设计，本人根据滑台的特点，分别用钢板和铝合金作为材料对滑台进行防护。

2 数控机床进给系统2.1数控机床进给系统的原理数控机床进给系统的原理如图一图一进给系统原理图数控系统1内的脉冲发生器A发生频率恒定的脉冲或矩形波，经控制装置B调制后，成为进给指令。

然后再经放大一伺服系统2，伺服电动机3，机械传动机构4，拖动进给执行器官5（如工作台）。

数控系统的控制装置根据预先编好的程序，不断改变进给指令，使工作台实现快进、进给、快退、停止，并可在进给过程中不断地改变进给速度。

进给为外联系传动链，以每分钟执行器官的移动量计。

这种系统用于数控铣床、钻床、磨床、镗铣加工中心等。

2.2 半闭环、闭环工作原理闭环系统与半闭环系统的区别:数控系统发出的指令经伺服系统、伺服电动机带动执行器官。

反馈信号发生器发出反馈信号，输至伺服系统，与数控系统发来的指令相比较。

检查指令是否正确地被执行。

这两个系统的差别在于：半闭环系统的反馈信号是从伺服电动机轴或传动机构（滚珠丝杆）处发出；闭环系统则从执行器官（刀架或工作台）处发出。

因此，从整个系统有否反馈成分来分，实际上只有两种：开环和闭环。

闭环则包括半闭环和全闭环。

半闭环工作原理图闭环工作原理图闭环系统有反馈，可以检查指令的执行情况，所以精度较高。

其中半闭环系统的反馈信号来自伺服电动机轴或滚珠丝杆，不能纠正丝杆的导程误差和丝杆的轴承的轴向跳动以及受力后丝杆、轴承的变形，因而精度比全闭环的要低一些。

但是执行器官和传动机构构成一个振荡环节，一般不易引起振荡。

所以设计半闭环系统主要考虑的是保证系统的定位精度。

2.3 运动设计数控机床半闭环进给系统如下图图a图b图c在图a 中，伺服电动机2经齿轮副3（或同步齿形带副），滚珠丝杆4拖动工作台5。

反馈装置1与电动机轴相联，发出反馈信号。

图b 与图a 基本相同，但反馈装置在丝杆的端部。

在图c 中，伺服电动机直接与丝杆联接。

图a 和图c 的优点是可以把反馈装置（如旋转变压器、测速发电机、脉冲编码器）等装在伺服电动机内，成为一个部件。

图b 的优点是齿轮等传动副3处于半闭环之内，其传动误差可由反馈校正。

反馈装置有两种：（1）用旋转变压器作为位置反馈，用测速发电机作为速度反馈；（2）用脉冲编码器兼作位置和速度反馈。

本设计采用脉冲编码器作为位置和速度反馈。

脉冲编码器或旋转变压器每转发出一定数量的脉冲。

因此，每个脉冲代表一定的转角。

这个转角经滚珠丝杆使执行件移动一定的距离。

伺服电动机每转，反馈装置应发出2500个脉冲,且编码器后有一个倍频器,倍数为4。

3 滚珠丝杆副的尺寸计算与参数选用3.1滚珠丝杆副简介数控机床为了提高进给系统的灵敏度,定位精度和防止爬行,必须降低摩擦并减少静、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杆副。

滚珠丝杆副的传动效率高达85%～98%,是普通滑动丝杆副的2～4倍。

滚珠丝杆副的摩擦角小于1°,因此本能自锁。

如果滚珠丝杆副驱动升降运动(如主轴箱或升降台的升降),则必须有制动装置。

滚珠丝杆可以消除反向间隙并施加预载，有助于提高定位精度和刚度。

滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。

这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。

滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。

尤其是近年来，滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业得到广泛运用，极大的推动了机床行业的数控化发展。

滚珠丝杆的特点主要有：（1）传动效率高在滚珠丝杆副中，自由滚动的滚珠将力与运动在丝杆与螺母之间传递。

这一传动方式取代了传统螺纹丝杆副的丝杆与螺母间直接作用方式，因而以极小滚动摩擦代替了传统丝杆的滑动摩擦。

使滚珠丝杆副传动效率达到90%以上，为滑动丝杆副的2～4倍，整个传动副的驱动力矩减少至滑动丝杆的1/3左右，发热率也因此得以大幅降低。

（2）运动平稳滚珠丝杆副在工作中摩擦阻力小，灵敏度高，而且摩擦系数几乎与运动速度无关，启动摩擦力矩与运动时的摩擦力矩的差别很小。

所以滚珠丝杆副运动平稳，启动时务颤动，低速时无爬行。

（3）可以预紧通过对螺母施加预紧力能消除丝杆副的间隙，提高轴向接触刚度，而摩擦力矩的增量却不大。

（4）定位精度和重复定位精度高由于前述的三个特点，滚珠丝杆副发热率低,温升以及在加工过程中对丝杆采取预紧拉伸并预紧消除轴向间隙等措施,因此采用精密滚珠丝杆副时可以获得较高的定位精度和重复定位精度。

（5）使用寿命长滚珠丝杆和螺母均用合金钢制造，螺纹滚道经热处理（硬度HRC58～62）后磨至所需的精度和表面粗糙度，具有较高抗疲劳的能力。

滚动摩擦磨损极微，因此具有较高的使用寿命和精度保持性。

实践证明，使用寿命约为普通滑动丝杆副的4～10倍，甚至更高。

（6）同步性好由于滚珠丝杆副运转顺滑、消除轴向间隙以及制造的一致性，采用多套相同的滚珠丝杆副同时传动几个相同的部件或装置时，由于反应灵敏，无阻滞，无滑移，可以获得较好的同步运动。

（7）使用可靠，润滑简单，维修方便与液压传动相比，滚珠丝杆副在正常使用条件下故障率低。

维修保养也极为简单，通常只需进行一般的润滑和防尘。

（8）不自锁由于滚珠丝杆副的摩擦角小，所以不能自锁。

当用于竖直传动或需急停时，必须在传动系统中附加自锁机构或制动装置。

（9）传动可逆性滚珠丝杆副没有滑动丝杆粘滞摩擦，消除了在传动过程中可能出现的爬行现象，滚珠丝杆副能够实现两种传动方式——将旋转运动转化为直线运动或将直线运动转化为旋转运动并传递动力。

3.2滚珠丝杆副的消除间隙和预加载荷滚珠丝杆可以消除反向间隙。

为了提高刚度，还可使它在过盈的条件下工作，即可以预加载荷，或称预紧。

消除间隙和预加载荷有很多方法。

在机床上常用的是双螺母法。

把左、右螺母往两头撑开，左、右螺母接触方向相反。

左、右螺母装在一个共同的螺母体内。

这就可使螺母作为一个整体，与丝杆间处于无间隙或过盈状态以提高接触刚度。

常见的消除间隙和预加载荷的方式有双螺母式和齿差式。

本设计采用的是双螺母垫片预紧的方式。

滚珠丝杆的预紧是根据下述原则确定的：如在预紧后的滚珠螺母体上受一个外载荷F，方向为向右，则右螺母4的接触变形（指螺母滚道-钢珠-丝杆滚道沿接触线的变形）加大，左螺母则减小。

F大到某种程度，可使左螺母的接触变形减小到零。

如果F再加大，则左螺母与丝杆间将出现间隙，影响定位精度。

可以证明，使不受力侧的螺母接触变形降至零的外载荷F ，约等于预加载荷0F 的3倍，（准确值为2.83倍），F=30F 。

因此，滚珠丝杆的预加载荷的0F ，应不低于丝杆最大轴向载荷的1/3。

预紧后的刚度，可提高到为无预紧时的2倍。

但是，预加载荷过大，将使寿命下降和摩擦力矩加大。

通常，滚珠丝杆在出厂时，就已由制造厂调好预加载荷。

预加载荷往往与丝杆副的额定动载荷a C 有一定的比例关系。

3.3滚珠丝杆副的结构滚珠丝杆副的结构主要有内循环和外循环两种方式。

本设计采用内循环（浮动反向器）方式。

其主要特性有：（1） 滚珠返回通道短，不受负荷的滚珠最少，滚珠间摩擦损失小，提高了传动的灵敏度；（2） 螺母径向和轴向尺寸较小；（3） 返回器刚性高，滚珠循环装置有较高的可靠性；（4） 返回器在螺母返回孔内自由浮动，返回器回路与螺母螺纹滚道的对接可以自动调整，滚珠在返回循环过程中摩擦阻力小，传动平稳，定位精确；（5） 返回器如用工程塑料制作，则吸振性能好，耐磨，噪声小，一次成型，工艺简单，成本低。

本设计采用双螺母垫片预紧的方式。

双螺母预紧的特点有：（1） 修磨垫片来改变两个螺母间的轴向距离。

分为拉伸预紧和压缩预紧两种。

本设计采用拉伸预紧的方式。

（2） 结构简单，调整片做成两半，修磨时不需拧下螺母。

调整后不易松动，刚度高。

3.4滚珠丝杆副的尺寸计算3.4.1丝杠副的导程伺服电机的最高转速为 max n n =3000 r/min ，因电机与丝杆之间通过一传动比 i= 1/5的齿轮连接，则丝杆的最高转速为max max n n n i =⨯ = =600 r/min 所以丝杆导程 h p ≥ = 3.33 mm 查丝杆导程表，得h p = 5 mm (优先组合)130005⨯max max2000600v n =3.4.2滚珠丝杆副的载荷及转速计算工作台重150 kg ，工件及夹具的最大重量为150 kg 。

丝杆的最大载荷f F ，为切削时最大进给力加摩擦力。

最大进给力已知，为f F = 3000N 。

作为粗略的估计，最大切削力取为c F =2f F =6000N ；最大背向力 = =1500N 。