车床主轴精度测试实验台的设计【独家课程毕业设计含7张CAD图纸带任务书】
车床主轴精度测试实验台的设计【需要咨询购买全套设计请加QQ1459919609】图纸预览详情如下:
充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸1车床主轴精度测试实验台的设计摘 要车床主轴精度包含有三个:径向跳动,轴向窜动,回转精度。而主轴回转误差是影响机床加工精度的主要因素,主轴回转精度是评定机床动态性能的一项主要指标。通过测量主轴回转误差,可以监视主轴运行状态,及时发现和诊断故障,也可以通过误差补偿来提高主轴的回转精度。本次设计了以滚珠丝杠和激光位移传感器为核心元件的车床主轴回转精度测试机构。车床主轴回转精度测试机构传动系统主要由电动机、滚珠丝杠、工作台、联轴器、导轨、激光位移传感器组成。通过对回转精度测试机构的设计理论,首先进行了伺服进给传动系统的总体方案设计以及机器精度的选择;其次是车床主轴回转精度测量机构设计的滚珠丝杠的计算与选择、滚珠丝杠支承轴承的选择、通过计算选择进给传动系统的其他相关元器件、对传动系统的刚度、惯量匹配等进行了校核验算;再次通过计算来选择进给传动系统的伺服电动机以及联轴器,最后进行导轨的选择。证明计算得出的结果较好得满足了提出的设计要求,利用 Auto CAD 软件绘制了相关的装配图。关键词:回转精度测试, 伺服系统, 激光位移传感器,滚珠丝杠充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸2AbstractPrecision spindle lathe includes three: axial, radial runout, rotary accuracy. Spindle rotary error is the main factor that influences the machining accuracy of the machine tool and spindle rotation accuracy is one of the main indicators of the machine tools dynamic performance evaluation. Through the measurement of spindle rotation error can monitor running state of main spindle, timely detection and fault diagnosis, can also through error compensation to improve the rotation accuracy of the spindle.The design of the lathe spindle rotary precision ball screw mechanism to test and laser displacement sensor as the core element. Lathe spindles gyration accuracy test transmission system mainly consists of a motor, ball screw, table, coupling, a guide rail, a laser displacement sensor. Through the design theory of rotation accuracy testing mechanism. Firstly, the servo feed drive system of the overall design scheme and the precision of the machine selection; second is the choice of ball screw lathe spindles gyration accuracy measuring mechanism design calculation and selection, the ball bearing guide screw bearing, by calculating the selection of feed drive system and other relevant components, the transmission system stiffness, inertia matching is carried out to calculate the school verification; again by calculating to choose the feed drive system of the servo motor and a coupling and finally to guide the choice. The calculated results prove that better meet the design requirements, assembly drawings of the related use of Auto CAD software.Keywords: rotating precision, servo system, laser displacement sensor, ball screw充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸3目 录摘 要 .1Abstract.21 绪论 .41.1 课题的意义 .41.2 国内外主轴回转精度测量技术国内外的发展 .41.3 课题设计思路 .71.4 课题设计结构 .72 车床主轴回转精度测试方法及方案的确认 .82.1 回转精度的测试方法的选择 .82.1.1 打表法测试 .82.1.2 单向测量法 .82.1.3 双向测量法 .92.1.4 CCD 测量法 .102.1.5 测量方法的选择 .112.2 车床主轴回转精度测试试验台结构方案的确认 .112.2.1 进给传动系统的要求 .112.2.2 进给传动系统类型的选择 .112.2.3 电机与丝杠联接方式的选择 .122.2.4 支撑形式方案的选择 .132.2.5 整机方案的确认 .143 试验台进给系统系统设计 .153.1 拟定技术参数 .153.2 滚珠丝杠的计算及选择 .153.3 滚珠丝杠支承轴承的选择 .183.4 滚珠丝杠的校核 .193.4.1 临界压缩负荷 .193.4.2 临界转速 .203.4.3 滚珠丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率 .203.4.4 滚珠丝杠扭转刚度 .223.4.5 滚珠丝杠传动精度计算 .233.5 滚珠丝杠进给传动系统变形计算 .243.5.1 滚珠丝杠精度计算 .243.6 伺服电机的选择与计算 .273.6.1 进给伺服电机的校核 .293.7 联轴器的选择 .30结 论 .31充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸44.1 本论文所取得的结果 .314.2 技术展望 .32致 谢 .33参考文献 .34充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸51 绪论1.1 课题的意义车床主轴精度包含有三个:径向跳动,轴向窜动,回转精度。而主轴回转误差是影响机床加工精度的主要因素,主轴回转精度是评定机床动态性能的一项主要指标。通过测量主轴回转误差,可以监视主轴运行状态,及时发现和诊断故障,也可以通过误差补偿来提高主轴的回转精度。车床主轴回转精度是衡量机械系统性能的重要指标,是影响机床工作精度的主要因素。车床主轴回转误差的测量技术对精密机械设备的发展有着重要作用。车床主轴的回转误差包括径向误差和轴向误差。轴向回转误差的测量相对比较简单,只需在车床主轴端面安装微位移传感器,进行一维位移量的测量即可。因此车床主轴回转误差测量技术的研究焦点一直集中在径向误差的精确测量上。在课题设计的过程中我们能学到较多课堂上学不到的东西,在设计进行阶段指导老师提供了很多相关机械机构设计的基本要求和设计思路,整个设计过程中使受益匪浅。是我在即将离开学校踏入社会一次重要的设计体验。也是为以后的工作生活打下了基础,在此过程中我学到机械产品的设计方法和步骤。这次设计是我在指导老师的指导下一点点亲自完成,无论是在市场调研考察还是设计资料的查阅,都使得我们学到了很多东西。在设计过程中用到很多机械设计的基础课程知识,由于长期没有得以应用,很多的基础知识也都忘记了。使得我又从新把大一、大二、大三学习的基础知识重新温习。真正实现了学以致用的目的。1.2 国内外主轴回转精度测量技术国内外的发展在加工中心和数控机床的科研、设计制造和应用方面,国际公认的技术和应用大国当属美、德、日三国。例如著名的美国辛辛那提(Cincinnati)公司的数控机床、哈斯(Haas)公司和 FADAL 公司的加工中心;德国巨浪(CH 瓜 ON)公司立式加工中心、德马吉(DMG)公司的加工中心、西门子(SIMENS)公司的数控系统;日本的马扎克、大隈、充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸6森精机三大机床公司、东芝(Toshiba) 公司的五轴联动数控机床、法拉克 (GE FAM 7C)公司的数控系统,此外还有瑞士的超高精度加工中心和数控机床。1998 年美国为振兴其制造业制订了“集成制造技术计划及其路线图计划(MTI 及 MTR),提出了包括信息、制造和产品创新三个方面的六项策略,其中柔性化、可重构与分布式生产,智能化的工艺与装备成为两个重要策略。至今美国在数控机床领域已经进入全面集成和完全的数字化制造阶段。目前国内加工中心数控机床的主轴精度与国外相比有较大的差距,制造精度一般在 0.01rmm0.005mm 之间,而国外已经达到 2 u m 以下。这里既有设计上的原因,又有制造和装配上的问题。国外机床行业的主要厂家都有严格的精密主轴装配质量检验标准和技术手段,在轴系装配过程中的质量控制体系非常细化,检测手段先进,包括非接触的光电磁电测量、激光测量,主轴刚性和热位移的有限元分析、振动模态分析等。近几十年来国内外学者对主轴回转误差的测量技术做了大量的研究,取得了许多成果。比较传统的测量方法就是标准棒法,其方法是在主轴的端面安装圆度误差较小的标准棒,当主轴旋转时,用千分表对标准棒进行测量。对于主轴回转精度较低的机床而言,其回转误差远大于标准棒的圆度误差和安装偏心误差,此时可以将千分表的测量值作为主轴的回转误差值。但对于主轴回转精度较高的机床而言,其回转误差值与标准棒的圆度误差和安装偏心处于同一个数量级甚至更低,便不能将测量值作为回转误差值来处理。为了提高测量精度,使用圆度更好的标准球作为被测基准,此时的测量结果包括主轴的回转误差、标准球的圆度误差和安装偏心误差,运用误差分离技术将三种误差分离开来。标准球的安装偏心误差最有效的是运用滤一次谐波的方式将其去除,它最早是由韦恩州立大学的 Kim Kt 提出的,因为偏心误差信号是正弦或者余弦信号,所以该方法运用傅立叶分析法将一次谐波性质的偏心误差去除。将标准球的安装偏心误差去除后,就剩下标准球的圆度误差与主轴的回转误差组合信号,可以用相应的误差分离方法将二者分离,比较常用的是反向法、多点法、多步法等。反向法误差分离技术是 Donaldson 在 1 972 年首先提出的,它使用一个测头对标准球分两步进行测量,当测头采集完一组数据后,将标准球和测头同时旋转 180安装,充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸7再进行一次测量,对两次测量的数据进行处理就可以将主轴的回转误差和标准球的圆度误差分离出来,该方法是一种完全的误差分离方法,能较彻底的将两种误差分离开来,但由于测量的过程中要旋转测头和标准球,会带来一定的安装误差,此方法目前已经较普遍的运用在主轴静态回转误差的测量中。多点法同时使用多个测头对标准球测量,最常用的是三点法,将三个测头按一定角度布置,主轴旋转过程中,测头同时采集数据,对三组进行处理就可以得出主轴的回转误差。这种方法适用于主轴回转误差的动态测量,但难以保证三个传感器的安装位置精度。多步法使用一个传感器对标准球测量,标准球相对主轴上某点做多次转位,每转位一次采集一次数据,最后对多次采集的数据进行处理就可以分离出主轴的回转误差和标准球的圆度误差,这种测量系统的结构比较简单,但测量时需要多次转位标准球比较繁琐。在精确的空气轴承主轴测试装置上分别用反向法、多步法、多点法进行纳米级回转精度重复测量和比较,证明了这三种方法都能达到纳米级的分离精度。以上三种是最基本的误差分离方法,国内许多学者提出的误差分离方法都是建立在这三种方法之上的。国防科技大学的黄长征、李圣怡采用两点法测量超精密车床主轴的动态回转误差,该方法用两个电容传感器呈 180对称安装同时进行测量,该法能测量主轴的动态回转误差,但系统将测试轴装到车床锥孔内,安装困难,有较大的局限性。中国船舶工业总公司第 6354 所的阐光萍提出了运用单测头双向转位法来测量空气主轴的回转误差,该方法能区分测量结果中不同性质的一次谐波分量。广东工业大学的王少衡、马平瞄提出运用数理统计的方法来分离主轴的径向回转误差和圆度误差,该方法能实现实时、在线测量。综上所述,国内外对机床主轴回转误差测量技术的研究现状主要包括以下几点:(1)用标准棒法对主轴回转精度较低的机床进行测量已经成为一种成熟技术,目前这种方法在低精度机床的测试中得到广泛应用。(2)国内外学者提出了很多种误差的分离方法。标准球和主轴的偏心量比较小时,可以用滤一次谐波的方式将其消除。剩余的标准球圆度误差与主轴回转误差可用相应的误差分离方法实现纳米级的分离精度。(3)对机床主轴静态回转误差测量研究的较多,测量方法已经很成熟。目前主轴的静态回转误差值已经成为衡量机床技术水平的重要指标之一。(4)对高精度主轴的动态回转误差测量研究的还比较少。目前的大多数测量方法只充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸8是针对静态回转误差测量,而动态测量对测量系统有特殊要求,如要求测量仪器有很高的频响特性、分辨率,主轴驱动机构要求有平稳的转速等,因此具有一定的难度。(5)调整标准球和主轴偏心的商品化机构还比较少。运用诸如消除一次谐波的数学方法消偏心误差能将大部分偏心误差消除,但总会在结果中残留一部分偏心量,这对高精度回转误差分离的结果有很大的影响,因此在运用数学方法消偏心之前,最好能用调偏心机构将偏心尽量调小,因为较大的偏心量很可能会掩盖微小的回转误差信号。目前的调偏心机构结构都比较复杂,不适于偏心量的微调。因此对高精度回转误差的测量需要设计更精密的调偏心机构。1.3 课题设计思路1)参考所有与主轴回转精度检测产品相关数据,了解整个主轴回转精度检测试验台的整机系统的组成。2)主轴回转精度检测试验台整机方案的确认。3)主轴回转精度检测试验台机械臂的设计计算,并对主要零部件进行设计校核。4)主轴回转精度检测试验台整机工作装置的设计计算。1.4 课题设计结构本文以主轴回转精度检测试验台项目作为应用背景,对其机械结构进行了研究。全文共分为四章,各章的主要内容如下:第一章前言部分,主要介绍主轴回转精度检测试验台的研究现状和课题研究的目的及意义;第二章了解目前常用的测方法,然后对对整个主轴回转精度检测试验台的整机方案进行确认,包括传动系统,驱动系统等确认。第三章完成整个主轴回转精度检测试验台机械结构的设计计算;第四章总结了全文的研究工作,给出了存在的问题和进一步研究的方向。充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸92 车床主轴回转精度测试方法及方案的确认2.1 回转精度的测试方法的选择随着科学技术的进步,机床的回转精度在逐步提高,因此对机床主轴回转误差的测量方法也在不断地向更高精度演变,机床主轴回转误差的测试方法主要有打表测量法、美国 LRL 单向测量法、捷克 VUOSO 双向测量法和 CCD 测量法。2.1.1 打表法测试早期机床主轴回转精度不是很高时,测量机床主轴回转误差的常用方法是将一精密芯棒插入机床主轴锥孔,通过在芯棒的表面及端面放置千分表来进行测量,如图 2-1 所示。这种测量方法简单易行,但却会引入锥孔的偏心误差,而且不能反映主轴在工转状态下的回转误差,更不能用于高速高精密回转精度测量。除此之外也有采用测量试件来评定主轴回转误差。图 2-1 主轴回转误差打表测量法2.1.2 单向测量法单向测量法只在主轴回转面的一个方向上安装传感器连续拾取数据。然后以主轴回转角作为自变量,将采集的数据转化为位移量,按主轴回转角度展开叠加的基圆上,形成圆图像,如图 2-2 所示。由于只在一个方向上拾取数据,所以通常将传感器安装在误差的敏感方向。敏感方向是通过加工或测试的瞬间接触点并平行于工件理想加工充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸10的法线方向,非敏感方向在垂直于敏感方向的直线上。单向测量法测量的主轴回转误差运动实质上只是实际二维主轴回转误差运动在敏感方向的分量。因此单向测量法,只适用于具有敏感方向的主轴回转精度的测量,例如工件回转型机床。车床就是工件回转型机床的一个典型代表。这种测量方法同样不可避免地会混入主轴或者标准球的形状误差,在机床主轴回转精度不高,混入的形状误差可以忽略时,用单向测量法得到的车床主轴圆图像的外缘轮廓与工件的外缘很相似,所以这样得到的圆图像能很好地用来评价车床主轴的加工精度及加工质量。图 2-2 主轴回转误差图像及圆图像2.1.3 双向测量法主轴的回转误差运动是一个二维平面运动,因此对其精确测量,需要至少两个传感器在主轴横截面内相互垂直的两个方向同时采集数据,再将这两组位移数据合成才能复现主轴的实际回转误差轨迹。双向测量法就是这样一种方法,如图 2-3 所示。传统的双向测量法同样忽略了主轴或者标准球的形状误差,而且还会混入偏心误差,从而影响测量结果的精确性。充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸11图 2-3 双向测量法示意图2.1.4 CCD 测量法对机床主轴回转误差的测量,除了采用电容或电感涡流传感器对安装在主轴上的标准球进行单点或多点测量外,随着科学与技术的不断发展,产生了一种光电测量主轴回转误差的方法CCD 测量法。电荷耦合器件 CCD(Charge Coupled Device)是近年来发展很快的一种图像信息传感器,具有光电灵敏度高、敏感单元尺寸小、测量装置简单及易于电脑处理等优点。由CCD 传感器、光学系统、信号采集与处理构成的 CCD 光电非接触式测量系统的使用范围不断扩展,其优越性也得到更多的体现,并随着 CCD 生产工艺和分辨率的提高以及对 CCD 输出信号新型处理方法的运用还能实现更精密的、亚像素级的测量。这种测量系统不需要借助标准球,可以对主轴回转误差进行直接的测量,因此无须进行误差分离,对数据的处理也更加快速、准确。CCD 测量法的实验系统是一个光电检测系统,它由机床、被测光源、光电转换部分及数据处理部分组成,光电转换部分将光强信号转化为模拟的电压信号,最后通过数据处理部分将模拟信号转化为数字信号并最终计算出光斑的位置,进而计算出主轴的回转误差。整个实验装置如图 2-4 所示。充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸12图 2-4 CCD 测量法示意图2.1.5 测量方法的选择通过比较上诉四种测量方法,考虑的精度和便利性要求,本文选择双向测量方法。2.2 车床主轴回转精度测试试验台结构方案的确认2.2.1 进给传动系统的要求回转精度测试机构进给传动装置的精度、灵敏度和稳定性,将直接影响工件的加工精度。为此,回转精度测试机构的进给传动系统必须满足:1、低惯量;2、低摩擦阻力;3、高刚度;4、高谐震;5、消除传动间隙。 2.2.2 进给传动系统类型的选择回转精度测试机构的基本传动方式常用的有两种:滚珠丝杠螺母副和静压丝杠螺母副。1、滚珠丝杠螺母副充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸13在回转精度测试机构上将回转运动与直线运动相互转换的传动装置一般采用滚珠丝杠螺母副。其特点是:传动效率高,一般为 =0.920.98;传动灵敏,摩擦力小,不易产生爬行;使用寿命长;具有可逆性,不仅可以将旋转运动转变为直线运动,亦可将直线运动变成旋转运动;轴向运动精度高,施加预紧力后,可消除轴向间隙,反向时无空行程;是目前中、小型回转精度测试机构的常见的传动方式。2、静压丝杠螺母副其特点是:摩擦系数小;仅为 0.0005;平稳性高;反向间隙小。但是,静压丝杠螺母副应有一套供油系统,而且对有的清洁度要求高,如果在运动中供油忽然中断,将造成不良后果。由以上两种形式进行比较,根据根据设计要求,系统采用滚珠丝杠螺母副的传动方式。2.2.3 电机与丝杠联接方式的选择滚珠丝杠与电动机的联接的型式主要有三种:1、与联轴器直接联接这是一种最简单的连接型式。这种结构型式的优点是:具有最大的扭转刚度;传动机构本身无间隙;传动精度高;而且结构简单、安装、调整方便;适用于像中小型号的回转精度测试机构。联轴器采用弹性柱销联轴器,它能补偿因同轴度及垂直度误差引起的“干涉 ”现象.采用这种弹性柱销联轴器把电动机与丝杠直接联接,不仅可以简化结构,减少噪声,而且可以消除传动间隙,能减少中间环节带来的传动误差,提高传动刚度。2、通过齿轮联接 这种调整方法的优点是可以在齿轮的齿厚和周节变化的情况下,保持齿轮的无间隙啮合。但是结构比较复杂,轴向尺寸大、传动刚度低、传动平稳性较差,一般用于精度要求低的机器中。3、通过同步齿形带联接 充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸14同步齿轮带传动具有带传动和链传动的共同优点,与齿轮传动相比它结构更简单,制造成本更低,安装调整更方便,并且传动不打滑,不需要大的张紧力。 但是在同步齿形传动设计时对材料的要求很高。在满足机器要求的前提下,通过对比,本设计采用通过电动机与滚珠丝杠直接与联轴器联接,这是一种简单的联接形式,具有大的扭转刚度,制造成本低,传动精度高,而且结构简单,安装调整方便。2.2.4 支撑形式方案的选择滚珠丝杠螺母副是一种将旋转运动转化为直线运动的理想传动件,因其具有螺纹丝杠无法比拟的优点,被广泛应用于各行业,更是普通回转精度测试机构、精密机器不可或缺的零部件,兼具高效率、高精度、可逆性等特点。滚珠丝杠的支撑形式有四种:如图 2-5 所示:(a)此种形式适用于中小载荷,低速,短丝杠垂直安装;(b)此种形式适用于中等转速,高速度,高精度;(c)此种形式适用于中等载荷,中等转速;(d)此种形式适用于承载能力大,高速,高刚度,高精度的机器。(a)一端固定、一端自由 (b)两端游动(c)一端固定、一端游动 (d)两端固定图 2-5 滚珠丝杠的支撑形式充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸15从刚度计算可以看出,丝杠的支撑方式对丝杠的刚度影响很大。采用两端固定的支承方式压杆稳定性和临界转速高,丝杠的轴向刚度为一端固定的 4 倍,丝杠可以预拉伸,预拉伸后可减小丝杠自重下垂和补偿热膨胀以及丝杠高速回转时自由端的晃动。因此本设计采用两端固定的支撑方式。采用两端固定的支撑方式适用于对刚度和位移精度要求高的场合,符合本设计的设计要求。对于伺服电机,由于系统要求精度高,压缩/拉伸和总行程调节两轴应该分别采用独立电机驱动,不宜采用步进电机驱动,因此选用交流伺服电机。2.2.5 整机方案的确认本次设计的测量核心为激光位移传感器,整机结构如图 2-6 所示:图 2-6 试验台结构图如图 2-6 所示,为了实现试验台的自动化程度,同时可以保证试验台的通用性,本次试验台由 X,Y 两个驱动轴组成,通过控制 X、 Y 轴的运动位置,可实现不同型号车床主轴回转精度的检测。本试验台可实现在线检测,主轴回转时,两个激光位移传感器同时采集数据,通过数据处理系统讲采集的数据反映到电脑中,通过电脑可以清楚的得知主轴的回转精度。充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸163 试验台进给系统系统设计3.1 拟定技术参数最大行程 730mm;慢速进给速度:0.1m/min快速进给速度:1 m/min;Y 轴和传感器工装估计质量:60kg;滑板的估计尺寸(长 宽 高):140mm 140mm 22mm;材料选为 6031。3.2 滚珠丝杠的计算及选择1、滚珠丝杠导程的确定在本设计中,电机和丝杠直接相连,传动比为 ,设电机的最高工作转速为1i,则丝杠导程为:min50maxrn(3.1)maxnvPh,取 67.0153hp6hP2、确定丝杠的等效转速(3.2)/minhvrP由公式(3.2),最大进给速度时丝杠的转速: min67.103maxrPvh最小进给速度时丝杠的转速: in167.0mini rvh丝杠等效转速:(取 )12t充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸17(3.3)min21inmaxrtn, 转速 , 作用下的时间(s)。1t2axin in17.21minaxrtm3、估计工作台质量及工作台承重由已知参数可知总质量: NG6014、确定丝杠的等效负载工作负载是指机器工作时,实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力。选定导轨为滑动导轨,取摩擦系数为 0.3。(3.4) max0.36 18NFG5、确定丝杠所受的最大动载荷 (3.5)/3601FfTnmwhCatkfw负荷性质系数;(查表:当一般运转时,f w 为 1.2 1.5,取 fw=1.5。):ft温度系数;fh硬度系数;(查表:滚道实际硬度HRC58 时,f h=1。)fa精度系数;(查表:当精度等级为 3 时,f a=1.0。)fk可靠性系数;( 查表:可靠性为 90%时,f k =1.00。)Fm等效负荷(N) ;nm等效转速(r/min);Tn工作寿命(h)。(查表得: SLC-M 激光切割机工作台:T h=15000。)由公式(3.5) 6601508.9401hmTnN327n6fFCmhwarcr 充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸186、由丝杠轴向压力选取丝杠底径44310mLFdaxsp(3.6)式中,X 轴滚珠丝杠底径,mm;xspd.丝杠支承距离, mm;L压弯临界载荷,N;aF与丝杆支承方式有关的临界载荷系数,见表 3.1m表 3.1 系数 和mf支承方式 f双推-双推 21.9 20.3双推-支承 15.1 10.2单推-单推 9.7 5.1双推-自由 3.4 1.3计算 为保证强度和精度,估取 进行计算。将各项数值代入式(3.6),Lm10L得: 。mdxsp4.7.7、最大转速限制滚珠丝杠的最大转速应满足下式的要求:Andxspma.(3.7)式中, 丝杠底径,mm;xspd.丝杠最大转速, r/min;man常取 =5000070000.A已知丝杠最大转速为 ,取 =70000 计算,得: 。min150maxrnAm19dx.sp8、选择丝杠直径由上述计算结果,可以得知选取的滚珠丝杠须满足如下的式子的限制: oaaCmx.min. spxspdd充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸199、选择滚珠丝杠型号由文献 7,8可知,查表选定为上银精密丝杠制造有限公司生产的外循环插管式垫片预紧导珠管埋入型丝杠,型号: BSBR1606。丝杠公称直径为 16mm,基本导程。mph63.3 滚珠丝杠支承轴承的选择计算动态等效载荷:表 3.2 径向载荷系数( )和轴向载荷系数 ( )XY组合列数2 列 3 列 4 列组合形式代号DF DT DFD DTD DFT DFF DFT DTT2.17e承受轴向载荷的列数1 列 2 列 1 列 2 列 3 列 1 列 2 列 3 列 4 列X1.9 1.43 2.33 1.17 2.33 2.53 /arFeY0.54 0.77 0.35 0.89 0.35 0.26 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92/r 动态等效载荷 :aParaXFY(3.8)式中, 径向载荷, N;rF轴向载荷, N;a径向载荷系数;X轴向载荷系数。Y计算动载荷 :aC3ahPL(3.9)代入数值,查阅机械设计手册,可得底径为 12.9mm 的滚珠丝杠的右端轴承内充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸20径应略小于丝杠外径,取 ,型号规格为 12TAC47A。满足设计要求。12在本设计中采用固定固定安装的双螺母垫片预紧的成对滚珠丝杠专用轴承组合。 滚珠丝杠支承用专用轴承的特点:1、刚性大。采用特殊设计的尼龙成形保持架,增加了钢球数,且接触角为 60轴向刚性大。2、不需要预调整。对每种组合形式,生产厂家已作好了能得到最佳预紧力的间隙,故用户在装配时不需要再调整,只要按厂家作出的装置序列符号排列后,装紧即可。3、起动力矩小。与圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承相比,起动力矩小。为了易于吸收滚珠螺母与轴承之间的不同轴度,推荐采用正面组合形式。3.4 滚珠丝杠的校核 滚珠丝杠副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压振动固有频率,其扭转刚度影响扭转固有频率。承受轴向负荷的滚珠丝杠副的拉压系统刚度 Ke 由丝杠本身的拉压刚度 Ks,丝杠副内滚道的接触刚度 Kc,轴承的接触刚度 KB,螺母座的刚度KH,按不同支承组合方式的计算而定。扭转刚度按丝杠的参数计算。 3.4.1 临界压缩负荷丝杠的支承方式对丝杠的刚度影响很大,采用两端固定的支承方式并对丝杠进行预拉伸,可以最大限度地发挥丝杠的潜能。临界压缩负荷按下式计算:(3.10)211max0crfEIFKFNL式中 E材料的弹性模量 E 钢 =2.11011(N/m2);L0最大受压长度(m);充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸21K1安全系数,取 K1=1/3;Fmax最大轴向工作负荷 (N);f1丝杠支承方式系数;(支承方式为双固双固时,f 1=4,f 2=4.730)I丝杠最小截面惯性矩(m 4):(3.11)4420(1.26wIdd式中 d0丝杠公称直径(mm);dw滚珠直径 (mm)。 412843.14(6.239)0.7I m丝杠螺纹部分长度 ,取 mLu580930uL经过设计论证丝杠全长为 由公式(3.6) 218max643.02.71254.32095NFcr F可见 远大于 ,临界压缩负荷满足要求。crmax3.4.2 临界转速(3.12)222max30910crccffdEInknLAL式中 A丝杠最小横截面: 2642.7.8104d临界转速计算长度:cL取 ,10.m安全系数,一般取 ;2k20.8k材料的密度: ;37.51/gm丝杠支承方式系数,查表得 ,2f 24.70f充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸22min150in2365019.073.491max2 rrncr 满足要求。3.4.3 滚珠丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率滚珠丝杠系统的轴向拉压系统刚度 Ke 的计算公式:两端固定:111(/)4eBcHSNm(3.13)式中 Ke 滚珠丝杠副的拉压系统刚度(N/m);KH螺母座的刚度(N/m);Kc丝杠副内滚道的接触刚度(N/m) ;KS丝杠本身的拉压刚度(N/m);KB轴承的接触刚度(N/m)。(1)丝杠副内滚道的接触刚度可查滚珠丝杠副型号样本;(2)轴承的接触刚度可查轴承型号样本;(3)螺母座的刚度可近似估算为 1000;(4)丝杠本身的拉压刚度。对丝杠支承组合方式为两端固定的方式:(3.14)610/sAElKNma式中 A丝杠最小横截面, ;2()4AdE材料的弹性模量,E=2.1 1011(N/m2);l两支承间距(m);a螺母至轴向固定处的距离(m) 。已知:轴承的接触刚度 ,丝杠螺母的接触刚度 ,mNKB108 mNKC7.16丝杠的最小拉压刚度 ,螺母座刚度 。s2.54min H10充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸2311140876.045.2eK32/Nm丝杠系统轴向拉压振动的固有频率:(3.15)/eBKrads式中 m丝杠末端的运动部件与工件的质量和 (N/m);Ke丝杠系统的轴向拉压系统刚度(N/m) 。 minr150inr12038srad6301248.9wB 显然,丝杠的扭转振动的固有频率远大于 1500r/min,能满足要求。3.4.4 滚珠丝杠扭转刚度滚珠丝杠的扭转刚度按下式计算:(3.16)47.8mTdKL式中 丝杠平均直径:mdL丝杠长度 rmNKT97361450.287扭转振动的固有频率:(3.17)()3TTswzJ式中 JW运动部件质量换算到丝杠轴上的转动惯量(kgm 2);JZ丝杠上传动件的转动惯量(kgm 2);JS丝杠的转动惯量(kgm 2)。由文献 7,8 得:24平移物体的转动惯量为: 2420.1()5.098Jkgm:丝杠转动惯量: 421.60zJkgm:in/r297s/rad.4271036.42.597T 显然,丝杠的扭转振动的固有频率远大于 1500r/min,可以满足设计要求。3.4.5 滚珠丝杠传动精度计算滚珠丝杠的拉压刚度 : 24sdEKL(3.18)导轨运动到两极位置时,有最大和最小拉压刚度,其中,L 值分别为 9mm和 100mm。最大与最小传动刚度: 25max0.16.0163.7/4sAEKNmL25in.9.9.2/s 最大和最小机械传动刚度: m/N65.24018/7.6/2.195/K/1/KBCminsino 24 43222106. 0.5.1085.73)(kgmLddJssss25maxax11341/1/635.7/./08osCBK NmK由于机械传动装置引起的定位误差为0min0ax()kF(3.19) 1456.()1.782.34k m对于 3 级滚珠丝杠,其任意 300mm 导程公差为 ,机器定位精度2,所以, ,可以满足由于传动刚度变化m0/24. Vp8.530所引起的定位误差小于(1/3 1/5)机器定位精度的要求。再加上闭环反馈系统:的补偿,定位精度能进一步提高 10。3.5 滚珠丝杠进给传动系统变形计算本精密 SLC-M 激光切割机工作台的进给传动系统采用闭环控制,系统的精度取决于组成进给系统各环节的精度,由下列几部分误差组成:滚珠丝杠副制造的误差和由于载荷与温度变化的作用产生的丝杠、螺母、轴承、联轴器及伺服系统的误差 。滚珠丝杠副制造误差由所选丝杠副的精度决定,可按任意300mm 行程内行程变动量 而定。3.5.1 滚珠丝杠精度计算1、滚珠丝杠的轴向变形量计算丝杠的拉伸或压缩变形量在轴向载荷作用下,丝杠在轴线方向上被拉伸或压缩,变形量的大小与支承方式和螺母工作位置有关。由于丝杠采用两端固定的形式,根据材料力学求解超静定计算式,求得变形量:EALbaF/1(3.20)1车床主轴精度测试实验台的设计摘 要车床主轴精度包含有三个:径向跳动,轴向窜动,回转精度。而主轴回转误差是影响机床加工精度的主要因素,主轴回转精度是评定机床动态性能的一项主要指标。通过测量主轴回转误差,可以监视主轴运行状态,及时发现和诊断故障,也可以通过误差补偿来提高主轴的回转精度。本次设计了以滚珠丝杠和激光位移传感器为核心元件的车床主轴回转精度测试机构。车床主轴回转精度测试机构传动系统主要由电动机、滚珠丝杠、工作台、联轴器、导轨、激光位移传感器组成。通过对回转精度测试机构的设计理论,首先进行了伺服进给传动系统的总体方案设计以及机器精度的选择;其次是车床主轴回转精度测量机构设计的滚珠丝杠的计算与选择、滚珠丝杠支承轴承的选择、通过计算选择进给传动系统的其他相关元器件、对传动系统的刚度、惯量匹配等进行了校核验算;再次通过计算来选择进给传动系统的伺服电动机以及联轴器,最后进行导轨的选择。证明计算得出的结果较好得满足了提出的设计要求,利用 Auto CAD 软件绘制了相关的装配图。关键词:回转精度测试, 伺服系统, 激光位移传感器,滚珠丝杠2AbstractPrecision spindle lathe includes three: axial, radial runout, rotary accuracy. Spindle rotary error is the main factor that influences the machining accuracy of the machine tool and spindle rotation accuracy is one of the main indicators of the machine tools dynamic performance evaluation. Through the measurement of spindle rotation error can monitor running state of main spindle, timely detection and fault diagnosis, can also through error compensation to improve the rotation accuracy of the spindle.The design of the lathe spindle rotary precision ball screw mechanism to test and laser displacement sensor as the core element. Lathe spindles gyration accuracy test transmission system mainly consists of a motor, ball screw, table, coupling, a guide rail, a laser displacement sensor. Through the design theory of rotation accuracy testing mechanism. Firstly, the servo feed drive system of the overall design scheme and the precision of the machine selection; second is the choice of ball screw lathe spindles gyration accuracy measuring mechanism design calculation and selection, the ball bearing guide screw bearing, by calculating the selection of feed drive system and other relevant components, the transmission system stiffness, inertia matching is carried out to calculate the school verification; again by calculating to choose the feed drive system of the servo motor and a coupling and finally to guide the choice. The calculated results prove that better meet the design requirements, assembly drawings of the related use of Auto CAD software.Keywords: rotating precision, servo system, laser displacement sensor, ball screw3目 录摘 要 .1Abstract.21 绪论 .41.1 课题的意义 .41.2 国内外主轴回转精度测量技术国内外的发展 .41.3 课题设计思路 .71.4 课题设计结构 .72 车床主轴回转精度测试方法及方案的确认 .82.1 回转精度的测试方法的选择 .82.1.1 打表法测试 .82.1.2 单向测量法 .82.1.3 双向测量法 .92.1.4 CCD 测量法 .102.1.5 测量方法的选择 .112.2 车床主轴回转精度测试试验台结构方案的确认 .112.2.1 进给传动系统的要求 .112.2.2 进给传动系统类型的选择 .112.2.3 电机与丝杠联接方式的选择 .122.2.4 支撑形式方案的选择 .132.2.5 整机方案的确认 .143 试验台进给系统系统设计 .153.1 拟定技术参数 .153.2 滚珠丝杠的计算及选择 .153.3 滚珠丝杠支承轴承的选择 .183.4 滚珠丝杠的校核 .193.4.1 临界压缩负荷 .193.4.2 临界转速 .203.4.3 滚珠丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率 .203.4.4 滚珠丝杠扭转刚度 .223.4.5 滚珠丝杠传动精度计算 .233.5 滚珠丝杠进给传动系统变形计算 .243.5.1 滚珠丝杠精度计算 .243.6 伺服电机的选择与计算 .273.6.1 进给伺服电机的校核 .293.7 联轴器的选择 .30结 论 .3144.1 本论文所取得的结果 .314.2 技术展望 .32致 谢 .33参考文献 .3451 绪论1.1 课题的意义车床主轴精度包含有三个:径向跳动,轴向窜动,回转精度。而主轴回转误差是影响机床加工精度的主要因素,主轴回转精度是评定机床动态性能的一项主要指标。通过测量主轴回转误差,可以监视主轴运行状态,及时发现和诊断故障,也可以通过误差补偿来提高主轴的回转精度。车床主轴回转精度是衡量机械系统性能的重要指标,是影响机床工作精度的主要因素。车床主轴回转误差的测量技术对精密机械设备的发展有着重要作用。车床主轴的回转误差包括径向误差和轴向误差。轴向回转误差的测量相对比较简单,只需在车床主轴端面安装微位移传感器,进行一维位移量的测量即可。因此车床主轴回转误差测量技术的研究焦点一直集中在径向误差的精确测量上。在课题设计的过程中我们能学到较多课堂上学不到的东西,在设计进行阶段指导老师提供了很多相关机械机构设计的基本要求和设计思路,整个设计过程中使受益匪浅。是我在即将离开学校踏入社会一次重要的设计体验。也是为以后的工作生活打下了基础,在此过程中我学到机械产品的设计方法和步骤。这次设计是我在指导老师的指导下一点点亲自完成,无论是在市场调研考察还是设计资料的查阅,都使得我们学到了很多东西。在设计过程中用到很多机械设计的基础课程知识,由于长期没有得以应用,很多的基础知识也都忘记了。使得我又从新把大一、大二、大三学习的基础知识重新温习。真正实现了学以致用的目的。1.2 国内外主轴回转精度测量技术国内外的发展在加工中心和数控机床的科研、设计制造和应用方面,国际公认的技术和应用大国当属美、德、日三国。例如著名的美国辛辛那提(Cincinnati)公司的数控机床、哈斯(Haas)公司和 FADAL 公司的加工中心;德国巨浪(CH 瓜 ON)公司立式加工中心、德马吉(DMG)公司的加工中心、西门子(SIMENS)公司的数控系统;日本的马扎克、大隈、6森精机三大机床公司、东芝(Toshiba) 公司的五轴联动数控机床、法拉克 (GE FAM 7C)公司的数控系统,此外还有瑞士的超高精度加工中心和数控机床。1998 年美国为振兴其制造业制订了“集成制造技术计划及其路线图计划(MTI 及 MTR),提出了包括信息、制造和产品创新三个方面的六项策略,其中柔性化、可重构与分布式生产,智能化的工艺与装备成为两个重要策略。至今美国在数控机床领域已经进入全面集成和完全的数字化制造阶段。目前国内加工中心数控机床的主轴精度与国外相比有较大的差距,制造精度一般在 0.01rmm0.005mm 之间,而国外已经达到 2 u m 以下。这里既有设计上的原因,又有制造和装配上的问题。国外机床行业的主要厂家都有严格的精密主轴装配质量检验标准和技术手段,在轴系装配过程中的质量控制体系非常细化,检测手段先进,包括非接触的光电磁电测量、激光测量,主轴刚性和热位移的有限元分析、振动模态分析等。近几十年来国内外学者对主轴回转误差的测量技术做了大量的研究,取得了许多成果。比较传统的测量方法就是标准棒法,其方法是在主轴的端面安装圆度误差较小的标准棒,当主轴旋转时,用千分表对标准棒进行测量。对于主轴回转精度较低的机床而言,其回转误差远大于标准棒的圆度误差和安装偏心误差,此时可以将千分表的测量值作为主轴的回转误差值。但对于主轴回转精度较高的机床而言,其回转误差值与标准棒的圆度误差和安装偏心处于同一个数量级甚至更低,便不能将测量值作为回转误差值来处理。为了提高测量精度,使用圆度更好的标准球作为被测基准,此时的测量结果包括主轴的回转误差、标准球的圆度误差和安装偏心误差,运用误差分离技术将三种误差分离开来。标准球的安装偏心误差最有效的是运用滤一次谐波的方式将其去除,它最早是由韦恩州立大学的 Kim Kt 提出的,因为偏心误差信号是正弦或者余弦信号,所以该方法运用傅立叶分析法将一次谐波性质的偏心误差去除。将标准球的安装偏心误差去除后,就剩下标准球的圆度误差与主轴的回转误差组合信号,可以用相应的误差分离方法将二者分离,比较常用的是反向法、多点法、多步法等。反向法误差分离技术是 Donaldson 在 1 972 年首先提出的,它使用一个测头对标准球分两步进行测量,当测头采集完一组数据后,将标准球和测头同时旋转 180安装,7再进行一次测量,对两次测量的数据进行处理就可以将主轴的回转误差和标准球的圆度误差分离出来,该方法是一种完全的误差分离方法,能较彻底的将两种误差分离开来,但由于测量的过程中要旋转测头和标准球,会带来一定的安装误差,此方法目前已经较普遍的运用在主轴静态回转误差的测量中。多点法同时使用多个测头对标准球测量,最常用的是三点法,将三个测头按一定角度布置,主轴旋转过程中,测头同时采集数据,对三组进行处理就可以得出主轴的回转误差。这种方法适用于主轴回转误差的动态测量,但难以保证三个传感器的安装位置精度。多步法使用一个传感器对标准球测量,标准球相对主轴上某点做多次转位,每转位一次采集一次数据,最后对多次采集的数据进行处理就可以分离出主轴的回转误差和标准球的圆度误差,这种测量系统的结构比较简单,但测量时需要多次转位标准球比较繁琐。在精确的空气轴承主轴测试装置上分别用反向法、多步法、多点法进行纳米级回转精度重复测量和比较,证明了这三种方法都能达到纳米级的分离精度。以上三种是最基本的误差分离方法,国内许多学者提出的误差分离方法都是建立在这三种方法之上的。国防科技大学的黄长征、李圣怡采用两点法测量超精密车床主轴的动态回转误差,该方法用两个电容传感器呈 180对称安装同时进行测量,该法能测量主轴的动态回转误差,但系统将测试轴装到车床锥孔内,安装困难,有较大的局限性。中国船舶工业总公司第 6354 所的阐光萍提出了运用单测头双向转位法来测量空气主轴的回转误差,该方法能区分测量结果中不同性质的一次谐波分量。广东工业大学的王少衡、马平瞄提出运用数理统计的方法来分离主轴的径向回转误差和圆度误差,该方法能实现实时、在线测量。综上所述,国内外对机床主轴回转误差测量技术的研究现状主要包括以下几点:(1)用标准棒法对主轴回转精度较低的机床进行测量已经成为一种成熟技术,目前这种方法在低精度机床的测试中得到广泛应用。(2)国内外学者提出了很多种误差的分离方法。标准球和主轴的偏心量比较小时,可以用滤一次谐波的方式将其消除。剩余的标准球圆度误差与主轴回转误差可用相应的误差分离方法实现纳米级的分离精度。(3)对机床主轴静态回转误差测量研究的较多,测量方法已经很成熟。目前主轴的静态回转误差值已经成为衡量机床技术水平的重要指标之一。(4)对高精度主轴的动态回转误差测量研究的还比较少。目前的大多数测量方法只8是针对静态回转误差测量,而动态测量对测量系统有特殊要求,如要求测量仪器有很高的频响特性、分辨率,主轴驱动机构要求有平稳的转速等,因此具有一定的难度。(5)调整标准球和主轴偏心的商品化机构还比较少。运用诸如消除一次谐波的数学方法消偏心误差能将大部分偏心误差消除,但总会在结果中残留一部分偏心量,这对高精度回转误差分离的结果有很大的影响,因此在运用数学方法消偏心之前,最好能用调偏心机构将偏心尽量调小,因为较大的偏心量很可能会掩盖微小的回转误差信号。目前的调偏心机构结构都比较复杂,不适于偏心量的微调。因此对高精度回转误差的测量需要设计更精密的调偏心机构。1.3 课题设计思路1)参考所有与主轴回转精度检测产品相关数据,了解整个主轴回转精度检测试验台的整机系统的组成。2)主轴回转精度检测试验台整机方案的确认。3)主轴回转精度检测试验台机械臂的设计计算,并对主要零部件进行设计校核。4)主轴回转精度检测试验台整机工作装置的设计计算。1.4 课题设计结构本文以主轴回转精度检测试验台项目作为应用背景,对其机械结构进行了研究。全文共分为四章,各章的主要内容如下:第一章前言部分,主要介绍主轴回转精度检测试验台的研究现状和课题研究的目的及意义;第二章了解目前常用的测方法,然后对对整个主轴回转精度检测试验台的整机方案进行确认,包括传动系统,驱动系统等确认。第三章完成整个主轴回转精度检测试验台机械结构的设计计算;第四章总结了全文的研究工作,给出了存在的问题和进一步研究的方向。92 车床主轴回转精度测试方法及方案的确认2.1 回转精度的测试方法的选择随着科学技术的进步,机床的回转精度在逐步提高,因此对机床主轴回转误差的测量方法也在不断地向更高精度演变,机床主轴回转误差的测试方法主要有打表测量法、美国 LRL 单向测量法、捷克 VUOSO 双向测量法和 CCD 测量法。2.1.1 打表法测试早期机床主轴回转精度不是很高时,测量机床主轴回转误差的常用方法是将一精密芯棒插入机床主轴锥孔,通过在芯棒的表面及端面放置千分表来进行测量,如图 2-1 所示。这种测量方法简单易行,但却会引入锥孔的偏心误差,而且不能反映主轴在工转状态下的回转误差,更不能用于高速高精密回转精度测量。除此之外也有采用测量试件来评定主轴回转误差。图 2-1 主轴回转误差打表测量法2.1.2 单向测量法单向测量法只在主轴回转面的一个方向上安装传感器连续拾取数据。然后以主轴回转角作为自变量,将采集的数据转化为位移量,按主轴回转角度展开叠加的基圆上,形成圆图像,如图 2-2 所示。由于只在一个方向上拾取数据,所以通常将传感器安装在误差的敏感方向。敏感方向是通过加工或测试的瞬间接触点并平行于工件理想加工10的法线方向,非敏感方向在垂直于敏感方向的直线上。单向测量法测量的主轴回转误差运动实质上只是实际二维主轴回转误差运动在敏感方向的分量。因此单向测量法,只适用于具有敏感方向的主轴回转精度的测量,例如工件回转型机床。车床就是工件回转型机床的一个典型代表。这种测量方法同样不可避免地会混入主轴或者标准球的形状误差,在机床主轴回转精度不高,混入的形状误差可以忽略时,用单向测量法得到的车床主轴圆图像的外缘轮廓与工件的外缘很相似,所以这样得到的圆图像能很好地用来评价车床主轴的加工精度及加工质量。图 2-2 主轴回转误差图像及圆图像2.1.3 双向测量法主轴的回转误差运动是一个二维平面运动,因此对其精确测量,需要至少两个传感器在主轴横截面内相互垂直的两个方向同时采集数据,再将这两组位移数据合成才能复现主轴的实际回转误差轨迹。双向测量法就是这样一种方法,如图 2-3 所示。传统的双向测量法同样忽略了主轴或者标准球的形状误差,而且还会混入偏心误差,从而影响测量结果的精确性。11图 2-3 双向测量法示意图2.1.4 CCD 测量法对机床主轴回转误差的测量,除了采用电容或电感涡流传感器对安装在主轴上的标准球进行单点或多点测量外,随着科学与技术的不断发展,产生了一种光电测量主轴回转误差的方法CCD 测量法。电荷耦合器件 CCD(Charge Coupled Device)是近年来发展很快的一种图像信息传感器,具有光电灵敏度高、敏感单元尺寸小、测量装置简单及易于电脑处理等优点。由CCD 传感器、光学系统、信号采集与处理构成的 CCD 光电非接触式测量系统的使用范围不断扩展,其优越性也得到更多的体现,并随着 CCD 生产工艺和分辨率的提高以及对 CCD 输出信号新型处理方法的运用还能实现更精密的、亚像素级的测量。这种测量系统不需要借助标准球,可以对主轴回转误差进行直接的测量,因此无须进行误差分离,对数据的处理也更加快速、准确。CCD 测量法的实验系统是一个光电检测系统,它由机床、被测光源、光电转换部分及数据处理部分组成,光电转换部分将光强信号转化为模拟的电压信号,最后通过数据处理部分将模拟信号转化为数字信号并最终计算出光斑的位置,进而计算出主轴的回转误差。整个实验装置如图 2-4 所示。12图 2-4 CCD 测量法示意图2.1.5 测量方法的选择通过比较上诉四种测量方法,考虑的精度和便利性要求,本文选择双向测量方法。2.2 车床主轴回转精度测试试验台结构方案的确认2.2.1 进给传动系统的要求回转精度测试机构进给传动装置的精度、灵敏度和稳定性,将直接影响工件的加工精度。为此,回转精度测试机构的进给传动系统必须满足:1、低惯量;2、低摩擦阻力;3、高刚度;4、高谐震;5、消除传动间隙。 2.2.2 进给传动系统类型的选择回转精度测试机构的基本传动方式常用的有两种:滚珠丝杠螺母副和静压丝杠螺母副。1、滚珠丝杠螺母副13在回转精度测试机构上将回转运动与直线运动相互转换的传动装置一般采用滚珠丝杠螺母副。其特点是:传动效率高,一般为 =0.920.98;传动灵敏,摩擦力小,不易产生爬行;使用寿命长;具有可逆性,不仅可以将旋转运动转变为直线运动,亦可将直线运动变成旋转运动;轴向运动精度高,施加预紧力后,可消除轴向间隙,反向时无空行程;是目前中、小型回转精度测试机构的常见的传动方式。2、静压丝杠螺母副其特点是:摩擦系数小;仅为 0.0005;平稳性高;反向间隙小。但是,静压丝杠螺母副应有一套供油系统,而且对有的清洁度要求高,如果在运动中供油忽然中断,将造成不良后果。由以上两种形式进行比较,根据根据设计要求,系统采用滚珠丝杠螺母副的传动方式。2.2.3 电机与丝杠联接方式的选择滚珠丝杠与电动机的联接的型式主要有三种:1、与联轴器直接联接这是一种最简单的连接型式。这种结构型式的优点是:具有最大的扭转刚度;传动机构本身无间隙;传动精度高;而且结构简单、安装、调整方便;适用于像中小型号的回转精度测试机构。联轴器采用弹性柱销联轴器,它能补偿因同轴度及垂直度误差引起的“干涉 ”现象.采用这种弹性柱销联轴器把电动机与丝杠直接联接,不仅可以简化结构,减少噪声,而且可以消除传动间隙,能减少中间环节带来的传动误差,提高传动刚度。2、通过齿轮联接 这种调整方法的优点是可以在齿轮的齿厚和周节变化的情况下,保持齿轮的无间隙啮合。但是结构比较复杂,轴向尺寸大、传动刚度低、传动平稳性较差,一般用于精度要求低的机器中。3、通过同步齿形带联接 14同步齿轮带传动具有带传动和链传动的共同优点,与齿轮传动相比它结构更简单,制造成本更低,安装调整更方便,并且传动不打滑,不需要大的张紧力。 但是在同步齿形传动设计时对材料的要求很高。在满足机器要求的前提下,通过对比,本设计采用通过电动机与滚珠丝杠直接与联轴器联接,这是一种简单的联接形式,具有大的扭转刚度,制造成本低,传动精度高,而且结构简单,安装调整方便。2.2.4 支撑形式方案的选择滚珠丝杠螺母副是一种将旋转运动转化为直线运动的理想传动件,因其具有螺纹丝杠无法比拟的优点,被广泛应用于各行业,更是普通回转精度测试机构、精密机器不可或缺的零部件,兼具高效率、高精度、可逆性等特点。滚珠丝杠的支撑形式有四种:如图 2-5 所示:(a)此种形式适用于中小载荷,低速,短丝杠垂直安装;(b)此种形式适用于中等转速,高速度,高精度;(c)此种形式适用于中等载荷,中等转速;(d)此种形式适用于承载能力大,高速,高刚度,高精度的机器。(a)一端固定、一端自由 (b)两端游动(c)一端固定、一端游动 (d)两端固定图 2-5 滚珠丝杠的支撑形式15从刚度计算可以看出,丝杠的支撑方式对丝杠的刚度影响很大。采用两端固定的支承方式压杆稳定性和临界转速高,丝杠的轴向刚度为一端固定的 4 倍,丝杠可以预拉伸,预拉伸后可减小丝杠自重下垂和补偿热膨胀以及丝杠高速回转时自由端的晃动。因此本设计采用两端固定的支撑方式。采用两端固定的支撑方式适用于对刚度和位移精度要求高的场合,符合本设计的设计要求。对于伺服电机,由于系统要求精度高,压缩/拉伸和总行程调节两轴应该分别采用独立电机驱动,不宜采用步进电机驱动,因此选用交流伺服电机。2.2.5 整机方案的确认本次设计的测量核心为激光位移传感器,整机结构如图 2-6 所示:图 2-6 试验台结构图如图 2-6 所示,为了实现试验台的自动化程度,同时可以保证试验台的通用性,本次试验台由 X,Y 两个驱动轴组成,通过控制 X、 Y 轴的运动位置,可实现不同型号车床主轴回转精度的检测。本试验台可实现在线检测,主轴回转时,两个激光位移传感器同时采集数据,通过数据处理系统讲采集的数据反映到电脑中,通过电脑可以清楚的得知主轴的回转精度。163 试验台进给系统系统设计3.1 拟定技术参数最大行程 730mm;慢速进给速度:0.1m/min快速进给速度:1 m/min;Y 轴和传感器工装估计质量:60kg;滑板的估计尺寸(长 宽 高):140mm 140mm 22mm;材料选为 6031。3.2 滚珠丝杠的计算及选择1、滚珠丝杠导程的确定在本设计中,电机和丝杠直接相连,传动比为 ,设电机的最高工作转速为1i,则丝杠导程为:min50maxrn(3.1)maxnvPh,取 67.0153hp6hP2、确定丝杠的等效转速(3.2)/minhvrP由公式(3.2),最大进给速度时丝杠的转速: min67.103maxrPvh最小进给速度时丝杠的转速: in167.0mini rvh丝杠等效转速:(取 )12t17(3.3)min21inmaxrtn, 转速 , 作用下的时间(s)。1t2axin in17.21minaxrtm3、估计工作台质量及工作台承重由已知参数可知总质量: NG6014、确定丝杠的等效负载工作负载是指机器工作时,实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力。选定导轨为滑动导轨,取摩擦系数为 0.3。(3.4) max0.36 18NFG5、确定丝杠所受的最大动载荷 (3.5)/3601FfTnmwhCatkfw负荷性质系数;(查表:当一般运转时,f w 为 1.2 1.5,取 fw=1.5。):ft温度系数;fh硬度系数;(查表:滚道实际硬度HRC58 时,f h=1。)fa精度系数;(查表:当精度等级为 3 时,f a=1.0。)fk可靠性系数;( 查表:可靠性为 90%时,f k =1.00。)Fm等效负荷(N) ;nm等效转速(r/min);Tn工作寿命(h)。(查表得: SLC-M 激光切割机工作台:T h=15000。)由公式(3.5) 6601508.9401hmTnN327n6fFCmhwarcr 186、由丝杠轴向压力选取丝杠底径44310mLFdaxsp(3.6)式中,X 轴滚珠丝杠底径,mm;xspd.丝杠支承距离, mm;L压弯临界载荷,N;aF与丝杆支承方式有关的临界载荷系数,见表 3.1m表 3.1 系数 和mf支承方式 f双推-双推 21.9 20.3双推-支承 15.1 10.2单推-单推 9.7 5.1双推-自由 3.4 1.3计算 为保证强度和精度,估取 进行计算。将各项数值代入式(3.6),Lm10L得: 。mdxsp4.7.7、最大转速限制滚珠丝杠的最大转速应满足下式的要求:Andxspma.(3.7)式中, 丝杠底径,mm;xspd.丝杠最大转速, r/min;man常取 =5000070000.A已知丝杠最大转速为 ,取 =70000 计算,得: 。min150maxrnAm19dx.sp8、选择丝杠直径由上述计算结果,可以得知选取的滚珠丝杠须满足如下的式子的限制: oaaCmx.min. spxspdd199、选择滚珠丝杠型号由文献 7,8可知,查表选定为上银精密丝杠制造有限公司生产的外循环插管式垫片预紧导珠管埋入型丝杠,型号: BSBR1606。丝杠公称直径为 16mm,基本导程。mph63.3 滚珠丝杠支承轴承的选择计算动态等效载荷:表 3.2 径向载荷系数( )和轴向载荷系数 ( )XY组合列数2 列 3 列 4 列组合形式代号DF DT DFD DTD DFT DFF DFT DTT2.17e承受轴向载荷的列数1 列 2 列 1 列 2 列 3 列 1 列 2 列 3 列 4 列X1.9 1.43 2.33 1.17 2.33 2.53 /arFeY0.54 0.77 0.35 0.89 0.35 0.26 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92/r 动态等效载荷 :aParaXFY(3.8)式中, 径向载荷, N;rF轴向载荷, N;a径向载荷系数;X轴向载荷系数。Y计算动载荷 :aC3ahPL(3.9)代入数值,查阅机械设计手册,可得底径为 12.9mm 的滚珠丝杠的右端轴承内20径应略小于丝杠外径,取 ,型号规格为 12TAC47A。满足设计要求。12在本设计中采用固定固定安装的双螺母垫片预紧的成对滚珠丝杠专用轴承组合。 滚珠丝杠支承用专用轴承的特点:1、刚性大。采用特殊设计的尼龙成形保持架,增加了钢球数,且接触角为 60轴向刚性大。2、不需要预调整。对每种组合形式,生产厂家已作好了能得到最佳预紧力的间隙,故用户在装配时不需要再调整,只要按厂家作出的装置序列符号排列后,装紧即可。3、起动力矩小。与圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承相比,起动力矩小。为了易于吸收滚珠螺母与轴承之间的不同轴度,推荐采用正面组合形式。3.4 滚珠丝杠的校核 滚珠丝杠副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压振动固有频率,其扭转刚度影响扭转固有频率。承受轴向负荷的滚珠丝杠副的拉压系统刚度 Ke 由丝杠本身的拉压刚度 Ks,丝杠副内滚道的接触刚度 Kc,轴承的接触刚度 KB,螺母座的刚度KH,按不同支承组合方式的计算而定。扭转刚度按丝杠的参数计算。 3.4.1 临界压缩负荷丝杠的支承方式对丝杠的刚度影响很大,采用两端固定的支承方式并对丝杠进行预拉伸,可以最大限度地发挥丝杠的潜能。临界压缩负荷按下式计算:(3.10)211max0crfEIFKFNL式中 E材料的弹性模量 E 钢 =2.11011(N/m2);L0最大受压长度(m);21K1安全系数,取 K1=1/3;Fmax最大轴向工作负荷 (N);f1丝杠支承方式系数;(支承方式为双固双固时,f 1=4,f 2=4.730)I丝杠最小截面惯性矩(m 4):(3.11)4420(1.26wIdd式中 d0丝杠公称直径(mm);dw滚珠直径 (mm)。 412843.14(6.239)0.7I m丝杠螺纹部分长度 ,取 mLu580930uL经过设计论证丝杠全长为 由公式(3.6) 218max643.02.71254.32095NFcr F可见 远大于 ,临界压缩负荷满足要求。crmax3.4.2 临界转速(3.12)222max30910crccffdEInknLAL式中 A丝杠最小横截面: 2642.7.8104d临界转速计算长度:cL取 ,10.m安全系数,一般取 ;2k20.8k材料的密度: ;37.51/gm丝杠支承方式系数,查表得 ,2f 24.70f22min150in2365019.073.491max2 rrncr 满足要求。3.4.3 滚珠丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率滚珠丝杠系统的轴向拉压系统刚度 Ke 的计算公式:两端固定:111(/)4eBcHSNm(3.13)式中 Ke 滚珠丝杠副的拉压系统刚度(N/m);KH螺母座的刚度(N/m);Kc丝杠副内滚道的接触刚度(N/m) ;KS丝杠本身的拉压刚度(N/m);KB轴承的接触刚度(N/m)。(1)丝杠副内滚道的接触刚度可查滚珠丝杠副型号样本;(2)轴承的接触刚度可查轴承型号样本;(3)螺母座的刚度可近似估算为 1000;(4)丝杠本身的拉压刚度。对丝杠支承组合方式为两端固定的方式:(3.14)610/sAElKNma式中 A丝杠最小横截面, ;2()4AdE材料的弹性模量,E=2.1 1011(N/m2);l两支承间距(m);a螺母至轴向固定处的距离(m) 。已知:轴承的接触刚度 ,丝杠螺母的接触刚度 ,mNKB108 mNKC7.16丝杠的最小拉压刚度 ,螺母座刚度 。s2.54min H102311140876.045.2eK32/Nm丝杠系统轴向拉压振动的固有频率:(3.15)/eBKrads式中 m丝杠末端的运动部件与工件的质量和 (N/m);Ke丝杠系统的轴向拉压系统刚度(N/m) 。 minr150inr12038srad6301248.9wB 显然,丝杠的扭转振动的固有频率远大于 1500r/min,能满足要求。3.4.4 滚珠丝杠扭转刚度滚珠丝杠的扭转刚度按下式计算:(3.16)47.8mTdKL式中 丝杠平均直径:mdL丝杠长度 rmNKT97361450.287扭转振动的固有频率:(3.17)()3TTswzJ式中 JW运动部件质量换算到丝杠轴上的转动惯量(kgm 2);JZ丝杠上传动件的转动惯量(kgm 2);JS丝杠的转动惯量(kgm 2)。由文献 7,8 得:24平移物体的转动惯量为: 2420.1()5.098Jkgm:丝杠转动惯量: 421.60zJkgm:in/r297s/rad.4271036.42.597T 显然,丝杠的扭转振动的固有频率远大于 1500r/min,可以满足设计要求。3.4.5 滚珠丝杠传动精度计算滚珠丝杠的拉压刚度 : 24sdEKL(3.18)导轨运动到两极位置时,有最大和最小拉压刚度,其中,L 值分别为 9mm和 100mm。最大与最小传动刚度: 25max0.16.0163.7/4sAEKNmL25in.9.9.2/s 最大和最小机械传动刚度: m/N65.24018/7.6/2.195/K/1/KBCminsino 24 43222106. 0.5.1085.73)(kgmLddJssss25maxax11341/1/635.7/./08osCBK NmK由于机械传动装置引起的定位误差为0min0ax()kF(3.19) 1456.()1.782.34k m对于 3 级滚珠丝杠,其任意 300mm 导程公差为 ,机器定位精度2,所以, ,可以满足由于传动刚度变化m0/24. Vp8.530所引起的定位误差小于(1/3 1/5)机器定位精度的要求。再加上闭环反馈系统:的补偿,定位精度能进一步提高 10。3.5 滚珠丝杠进给传动系统变形计算本精密 SLC-M 激光切割机工作台的进给传动系统采用闭环控制,系统的精度取决于组成进给系统各环节的精度,由下列几部分误差组成:滚珠丝杠副制造的误差和由于载荷与温度变化的作用产生的丝杠、螺母、轴承、联轴器及伺服系统的误差 。滚珠丝杠副制造误差由所选丝杠副的精度决定,可按任意300mm 行程内行程变动量 而定。3.5.1 滚珠丝杠精度计算1、滚珠丝杠的轴向变形量计算丝杠的拉伸或压缩变形量在轴向载荷作用下,丝杠在轴线方向上被拉伸或压缩,变形量的大小与支承方式和螺母工作位置有关。由于丝杠采用两端固定的形式,根据材料力学求解超静定计算式,求得变形量:EALbaF/1(3.20) 式中,F轴向工作载荷,N;26E弹性模量,对于钢,E=20.6 N/ ;A丝杠截面积(按底径定), ;L丝杠在支承间的受力长度, ;a,b螺母至两支承端的距离,当螺母运动到两支承端中点时,变形最大,其最大变形量:EAFL4/max1(3.21)丝杠底径为 12.9 ,F=180N,根据前面计算结果,取 L=930 ,代入数值,得, 419.50丝杠扭转变形所产生的轴向变形量丝杠工作过程中受到扭矩作用,扭转变形将引起丝杠导程发生变化。一个导程的变化量:002L(3.22) 式中, 丝杠导程,mm;0L扭矩作用下丝杠每一导程长度两截面上的相对扭转角,rad。则丝杠受扭矩作用在支承长度L上产生的轴向变形量:0122L(3.23)根据材料力学公式,计算扭转角:0MLGJ(3.24)式中, 丝杠的驱动扭矩, ;MNgm剪切弹性模量,对钢,G=8.24 N/ ;G丝杠截面惯性矩, 。L根据进给系统设计过程中驱动电机的选择计算,已算出M=2700 N mm,因27此,得: radGJML6440 105.9.1232.80m4612 .59. 由于丝杠较短,丝杠自重弯曲所引起的轴向变形量可以忽略不计。 故可以求得在载荷作用下,丝杠的轴向变形量: 9851085.94121 2、滚珠与滚道面弹性接触变形引起的轴向变形量 2螺母体变形量包括螺母和螺母座的变形量、螺母的固定螺栓所产生的轴向变形量与滚道面弹性接触变形引起的轴向变形量,由于螺母和螺母座的刚性好,可以不考虑其变形。因采用预紧螺母,对固定螺栓的变形也可以略去不计。对螺母体的变形只需考虑滚珠与滚道面弹性接触变形量。取 =1.04,故有
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