论文总字数：29862字

摘 要

本文介绍了数控齿条铣齿机及铣齿机的进给伺服系统，基于数控机床进给伺服系统技术要求,阐述了数控机床进给伺服系统的现状与发展,揭示了数控机床进给伺服系统为适应超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的需要,必将朝着高科技和网络化等现代全数字控制伺服系统及由直线电动机驱动的直线伺服系统方向发展。

探讨了齿条铣齿机的垂直进给系统设计。包括丝杠的选型与校核、减速器的选型、导轨的选型，伺服电机的选型与校核等。绘制了进给系统Z轴装配图和零件图。

以有限元分析为基础，对立柱的静刚度和动态性能进行分析计算，观察立柱的静、动态特性。掌握在实际生产过程中立柱受到负载作用时的变形、固有频率和振型特点、变形的薄弱环节等；并提出修改方案，最终优化出性能较高的立柱。解决现代复杂动态特性设计的一个必要手段就是实验模态分析方法和计算模态分析方法。

关键词：齿条铣齿机 进给系统 有限元分析

Abstract

This paper introduces the CNC gear milling machine and milling tooth machine rack, servo system based on technical requirements of nc machine tool feed servo system, this paper expounds the present situation and the development of nc machine tool feed servo system, reveals the nc machine tool feed servo system to adapt to ultra high speed cutting, the ultra precision processing, the need of network manufacturing, and other advanced manufacturing technology, will be toward the high-tech and network and other modern numerical control servo system and the linear servo system driven by linear motor direction.

Discusses the rack gear milling machine the vertical feed system design.Including selection and checking of a ball screw, type selection, guide the selection of gear reducer, servo motor selection and checking, etc.Draw the feed system Z shaft assembly drawing and part drawing.

Based on the finite element analysis, static stiffness and dynamic performance of column analysis and calculation, the static and dynamic characteristics of the observation post.Lies in the actual production process of column under load when the characteristics of deformation and natural frequency and vibration mode, the deformation of weak links, etc.;And put forward revision plans and eventually optimize the performance of high column.Solve the modern complex dynamic characteristics design is a necessary means of experimental modal analysis method and modal analysis method.

Key Words:Rack and gear milling machine; Feed system; The finite element analysis

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2数控机床的进给伺服系统的发展现状及趋势展望 1

1.3数控机床对进给伺服系统的要求^[14] 4

第二章 铣齿机总体设计 6

2.1齿条铣齿机垂直进给系统设计的项目概括 6

2.2齿条铣齿机垂直进给系统设计的技术要求 6

2.3齿条铣齿机垂直进给系统设计的总体方案 9

2.3.1铣齿机的运动模型 9

2.3.2铣齿机机床坐标系 10

2.3.2数控系统连续控制系统确定 11

2.3.3采用半闭环伺服系统设计 11

2.3.4采用交流伺服驱动系统 12

2.3.5选择重型进给系统及导轨承载系统 12

2.3.6传动方案分析与确定 13

2.4 Z方向进给滑台设计 13

2.4.1 滑台结构设计 14

2.5本章小结 14

第三章 铣齿机垂直进给系统设计 15

3.1导轨上移动部件的重量估算 15

3.2直线滚动导轨副的计算与选型 16

3.2.1块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 16

3.2.2距离额定寿命L的计算 16

3.3滚珠丝杠的计算与选型 16

3.3.1最大工作载荷Fm的计算 16

3.3.2最大动工作载荷FQ的计算 17

3.3.3传动效率η的计算 17

3.3.4初选型号 17

3.3.5刚度的校核 19

3.3.6由系统刚度变化引起的定位误差 19

3.3.7失动量计算 20

3.3.8固有频率计算 21

3.3.9压杆稳定性校核 22

3.4交流伺服电机减速器的选用 22

3.5交流伺服电动机的计算与选型 23

3.5.1计算加在交流伺服电动机转轴上的总转动惯量Jeq 24

3.5.2计算加在交流伺服电动机转轴上的等效负载转矩Teq 24

3.5.3交流伺服电动机最大静转矩的选定 26

3.5.4 电动机轴上总当量负载转动惯量计算 26

3.5.5惯量匹配验算 27

3.6本章小结 27

第四章 齿条铣齿机立柱的静/动力学分析 28

4.1有限元方法的概述 28

4.1.1有限元方法的发展 28

4.1.2 CREO软件介绍 29

4.2建立立柱的有限元模型 30

4.2.1成形铣齿机立柱有限元模型的假设 30

4.2.2利用CREO 创建立柱几何模型 30

4.3立柱结构的有限元静力分析 31

4.3.1立柱的受力分析 31

4.3.2设定立柱的边界条件 32

4.3.3施加载荷 33

4.3.4立柱静力分析结果 33

4.4立柱结构的模态分析 34

4.4.1模态分析的意义 34

4.4.2模态分析的实现方法 35

4.4.3立柱模态分析的结果 36

4.5本章小结 37

第五章 结论 38

5.1论文主要工作总结 38

5.2展望 38

参考文献 39

致谢 41

第一章 绪论

1.1引言

数控机床是机电一体化的高技术产品。它的出现是20 世纪中期自动化技术、计算机技术和微电子技术发展的结果，其对于机械制造业来说是一 场深刻的革命^[1]。它使得高效、高精度和复杂曲面的加工成为了可能。数控机床功能的执行部分是伺服进给系统，其加工精度主要取决于伺服进给系统。从北京每年举办的国际机床展览会上可以看出，国外机床的伺服进给系统无论从加工工件的精度和加工效率，还是可靠性上，均高于国内机床。由此导致国内机床市场中附加值比较高的高档机床基本上都被国外机床厂家给垄断了。所以，研究伺服进给系统对于数控机床的进一步发展，特别是对实现精度较高的数控机床国产化来说具有重要的意义^[2] 。

1.2数控机床的进给伺服系统的发展现状及趋势展望

国内在设计数控机床进给系统时，以经验法和类比法作为主要设计手段，在决定选择单滚珠丝杠驱动还是双滚珠丝杠驱动时，多数参照国外同类型机床，缺乏理论依据。在齿条铣齿机进给系统的静、动态特性有限元分析方面，许多国内外的学者都做出了比较深入的研究，为之后的探讨提供了很好的参照^[3]。通过有限元法建立齿条铣齿机立柱的有限元模型，并且讨论了滚珠和丝杠之间滚动结合面的三维建模方法。文献^[4]分别对某些型号数控机床的进给系统进行动态特性分析，讨论了其建立有限元模型的关键技术和结合面三维建模的方法，通过谐响应分析和模态分析为系统的动态性能的提高和结构优化提供了十分可靠的依据。但是，这些分析结果仅仅是局限于单丝杠的进给系统，对于双丝杠进给系统的静、动态特性的研究^[5]和两者在静、动态特性方面的对比却少之又少。因此，深入研究双丝杠驱动进给系统的静、动态特性以及其相对于单丝杠进给系统所存在的优势，具有十分重要的意义。以齿条铣齿机进给系统为研究对象，建立其立柱等有限元模型，采用有限元法对其进行静、动态特性分析^[6]。

数控机床的进给伺服是以数控机床的各坐标为控制对象,形成机床的切削进给运动^[7]。要求进给伺服能迅速实现各坐标轴的关联运动速度,并能精确地进行位置控制。具体要求其稳定性好、位移精度高、动态响应快、调速范围宽。根据系统使用的电动机,进给伺服可细分为步进伺服、直流伺服、交流伺服和直线伺服四大类伺服系统。

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