微型三坐标数控铣床的设计

SHANDONG 毕业设计说明书 微型三坐标数控铣床的设计 学 院： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生 姓名： 学 号： 指导教师： 2011 年 6 月 目 录 - I - 目 录 摘要 . I ABSTRACT . II 目 录 . IIII 第一章 引言 . 1 1.1 数控机床的现状与发展趋势 . 1 1.2 数控铣床 . 4 1.3 课题的背景和意义 . 8 第二章 微型数控铣床总体设计 . 9 2. 1 微型数控铣床总体方案 . 9 第三章 微型数控铣床主轴驱动及其机械结构的设计 . 12 3.1 主轴驱动及其控制 . 12 3.2 主传动的机械结构 . 错误 !未定义书签。 3.3 主传动系统的设计与计算 . 错误 !未定义书签。 第四章 进给系统的设计 . 18 4.1 进给系统的机械结构特点 . 18 4.2 滚珠丝杠简介 . 19 4.3 X 方向 进给系统的设计 . 18 4.4 Y、 Z 方向进给系统的设计 . 19 4.5 导轨的分类与选型 . 27 4.6 步进电机的种类、结构、工作原理及选型计算 . 29 4.7 联轴器选型 . 35 参考文献 . 40 致谢 . 41 摘要 - I - 摘要 随着科学技术的迅速发展，数控技术已是衡量一个国家机床制造业水平的重要标志。因此有必要使学生初步掌握数控机床的结构和相关操作，但一般数控机床由于体积大、 价格高 ,很难适应教学的需要。为进一步提高 教学质量 ,更好地实施素质教育 ,培养学生的创造性思维能力、 实际动手能力和科研创新能力 ,便于实验教学 ,应有一套简易的微型数控铣床。它具有体积小、价格低、功能完善、安全系数高、性能优越等系列优点。 论文详细介绍了微型三坐标数控铣床的设计过程，主要 进行了 数控铣床的机械部分设计 ， 论证了各种方案的优缺点，从而在 总体布局上有所 把握 。 我们通过分析比较各种设计方案， 根据 合理性 和 经济性的指导思想， 决定采用立式结构，十字工作台式，床身导轨水平放置。在机械部分设计过程中，尽量考虑节约成本和互换性，保证 X、 Y 进给选用相同的 步进电机、滚珠丝杠等零部件。 本文对微型数控铣床的设计基于需加工零件的工艺范围、机床的精度和实验需求等因素而提出了较合理的设计方案，并且详细论述了机械系统部分的设计与计算，包括部件的选择，各零件的选择、设计、计算等。此铣床配上数控系统可为学生提供大量的教学实验 ,满足学生的教学要求。 关键词 ： 教学型，数控铣床，两坐标，机械系统 Abstract（英文摘要） - II - Abstract With the rapid development of science and technology, numerical control technology has being an important indicator of the level of a national machine manufacturing industry. Therefore it is necessary for students to master the initial structure of CNC machines and related operations, but CNC machines in general are large, high prices, so it is difficult to adapt to the needs of teaching. In order to improve the quality of teaching, and better implementation of quality education and training of creative thinking ability of students, the actual practical ability and scientific innovation, facilitate the experimental teaching, the teaching should have a simple CNC milling machine. It has the advantages such as small size, low cost, fully functional, high safety factor, superior performance and so on. This article on teaching the design of CNC milling machine gives a more reasonable design based on same factors such as the need to process the scope of the processing components, precision machine tools, and the demand of experimental, and detail some of the mechanical system design and calculation, including parts choice, the choice of the components, design, calculation and so on. CNC milling machine with this system can provide students with a large number of teaching experiments, and can meet the demands of teaching students. Key words: teaching, CNC milling machines, mechanical systems 第一章 引言 - 1 - 第一章 引言 1.1 数控机床的现状与发展趋势 数控机床以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，它开创了机械产品向机电一体化发展的先河，成为先进制造技术中的一项核心技术。数控系统技术的突飞猛进为数控机床的技术进步提供了条件。当前，数控机床的发展主要体现为以下几方面： 1.高速、高效 机床向高速化方向发展，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。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。 20 世纪 90 年代以来，欧 、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元（电主轴，转速 15000 100000r/min）、高速且高加 /减速度的进给运动部件（快移速度 60 120m/min，切削进给速度高达60m/min）、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具，大功率高速电主轴、高加 /减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统（含监控系统）和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，为开发应用新一代高速数 控机床提供了技术基础。目前，在超高速加工中，车削和铣削的切削速度已达到 5000 8000m/min 以上；主轴转数在 30000 转 /分（有的高达 10 万 r/min）以上；工作台的移动速度（进给速度）：在分辨率为 1 微米时，在 100m/min（有的到 200m/min） 以上，在分辨率为 0.1 m 时，在 24m/min 以上；自动换刀速度在 1 秒以内；小线段插补进给速度达到 12m/min。 2.高精度 从精密加工发展到超精密加工，是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（ #lt；10nm），其应用范围日趋广泛。当前，在机械加工高精度的要求下，普通级数控机床的加工精度已由 10 m 提高到 5 m；精密级加工中心的加工精度则从 3 5 m，提高到 1 1.5 m，甚至更高；超精密加工精度进入纳米级（ 0.001m），主轴回转精度要求达到 0.01 0.05 m，加工圆度为 0.1m，加工表面粗糙度第一章 引言 - 2 - Ra=0.003 微米等。这些机床一般都采用矢量控制的变频驱动电主轴（电机与主轴一体化），主轴径向跳动小于 2 m，轴向窜动小于 1 m，轴系不平衡度达到 G0.4 级。高速高精加工机床的进给驱动，主要有 #quot；回转伺服电机加精密高速滚珠丝杠 #quot；和 #quot；直线电机直接驱动 #quot；两种类型。此外，新兴的并联机床也易于实现高速进给。滚珠丝杠由于工艺成熟，应用广泛，不仅精度能达到较高（ ISO34081 级），而且实现高速化的成本也相对较低，所以迄今仍为许多高速加工机床所采用。当前使用滚珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度 90m/min，加速度 1.5g。滚珠丝杠属机械传动，在传动过程中不可避免存在弹性变形、摩擦和反向间隙，相应地造成运动滞后和其它非线性误差，为了排除这些误差对加工精度的影响， 1993 年开始在机床上应用直线电机直接驱动，由于是没有中间环节的 #quot；零传动 #quot；，不仅运动惯量小、系统刚度大、响应快，可以达到很高的速度和加速度，而且其行程长度理论上不受限制，定位精度在高精度位置反馈系统的作用下也易达到较高水平，是高速高精加工机床特别是中、大型机床较理想的驱动方式。目前使用直线电机的高速高精加工机床最大快移速度已达 208 m/min，加速度 2g，并且还有发展余地。 3.高可靠性 随着数控机床网络化应用的发展，数控机床的高可靠性已经成为数控系统制造商和数控机床制造商追求的目标。对于每 天工作两班的无人工厂而言，如果要求在 16 小时内连续正常工作，无故障率在 P（ t） 99%以上，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF 就必须大于 3000 小时。我们只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为 10:1（数控的可靠比主机高一个数量级）。此时数控系统的 MTBF 就要大于33333.3 小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的 MTBF 就必须大于 10 万小时。当前国外数控装置的 MTBF 值已达 6000 小时以上，驱动装置达 30000 小时以上，但是，可以看到距理想的目标还有差距。 4.复合 化 在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们希望将不同的加工功能整合在同一台机床上，因此，复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。柔性制造范畴的机床复合加工概念是指将工件一次装夹后，机床便能按照数控加工程序，自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工，以完成一个复杂形状零件的主要乃至全部车、铣、钻、镗、磨、攻丝、铰孔和扩孔等多种加工工序。就棱体类零件而言，加工中第一章 引言 - 3 - 心便是最典型的进行同一类工艺方法多工序复合加工的机床。事实 证明，机床复合加工能提高加工精度和加工效率，节省占地面积特别是能缩短零件的加工周期。 5.多轴化 随着 5 轴联动数控系统和编程软件的普及， 5 轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点，由于在加工自由曲面时， 5 轴联动控制对球头铣刀的数控编程比较简单，并且能使球头铣刀在铣削 3 维曲面的过程中始终保持合理的切速，从而显着改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，而在 3 轴联动控制的机床无法避免切速接近于零的球头铣刀端部参予切削，因此， 5 轴联动机床以其无可替代的性能优势已经成为各大机床厂家积极开 发和竞争的焦点。最近，国外还在研究 6 轴联动控制使用非旋转刀具的加工中心，虽然其加工形状不受限制且切深可以很薄，但加工效率太低一时尚难实用化。 6.智能化 智能化是 21 世纪制造技术发展的一个大方向。智能加工是一种基于神经网络控制、模糊控制、数字化网络技术和理论的加工，它是要在加工过程中模拟人类专家的智能活动，以解决加工过程许多不确定性的、要由人工干预才能解决的问题。智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量的智能化，如自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化 ，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界面等；智能诊断、智能监控，方便系统的诊断及维修等。世界上正在进行研究的智能化切削加工系统很多，其中日本智能化数控装置研究会针对钻削的智能加工方案具有代表性。 7.网络化 数控机床的网络化，主要指机床通过所配装的数控系统与外部的其它控制系统或上位计算机进行网络连接和网络控制。数控机床一般首先面向生产现场和企业内部的局域网，然后再经由因特网通向企业外部，这就是所谓 Internet/Intranet 技术。随着网络技术的成熟和发展，最近业界又提出了数字制造的概念。数字制造，是机械制造企业现代化的标志之一，也是国际先进机床制造商当今标准配置的供货方式。随着信息化技术的大量采用，越来越多的国内用户在进口数控机床时要求具有远程通讯服务等功能。机械制造企业在普遍采用 CAD/CAM 的基础上，越加广泛地使用数控加工设备。数控应用软件日趋丰富和具有 ；人性化。虚拟设计、虚拟制造等高端技术也越来越多地为工程技术人第一章 引言 - 4 - 员所追求。通过软件智能替代复杂的硬件，正在成为当代机床发展的重要趋势。在数字制造的目标下 ，通过流程再造和信息化改造， ERP 等一批先进企业管理软件已经脱颖而出，为企业创造出更高的经济效益。 8.柔性化 数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床）、线（ FMC、 FMS、 FTL、 FML）向面（工段车间独立制造岛、 FA）、体（ CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为提 ，以易于联网和集成为目标；注重加强单元技术的开拓、完善； CNC 单机向高精度、高速度和高柔性方向发展；数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与 CAD、 CAM、CAPP、 MTS 联结，向信息集成方向发展；网络系统向开放、集成和智能化方向发展。 9.绿色化 21 世纪的金切机床必须把环保和节能放在重要位置，即要实现切削加工工艺的绿色化。目前这一绿色加工工艺主要集中在不使用切削液上，这主要是因为切削液既污染环境和危害工人健康，又增加资源和能源的消耗。干切削一般是在大气氛围中进行，但也包括在特殊气体氛围中（氮气中、冷 风中或采用干式静电冷却技术）不使用切削液进行的切削。不过，对于某些加工方式和工件组合，完全不使用切削液的干切削目前尚难与实际应用，故又出现了使用极微量润滑（ MQL） 的准干切削。目前在欧洲的大批量机械加工中，已有 10 15%的加工使用了干和准干切削。对于面向多种加工方法 /工件组合的加工中心之类的机床来说，主要是采用准干切削，通常是让极微量的切削油与压缩空气的混合物经由机床主轴与工具内的中空通道喷向切削区。在各类金切机床中，采用干切削最多的是滚齿机。总之，数控机床技术的进步和发展为现代制造业的发展提供了良好的 条件，促使制造业向着高效、优质以及人性化的方向发展。可以预见，随着数控机床技术的发展和数控机床的广泛应用，制造业将迎来一次足以撼动传统制造业模式的深刻革命。 1.2 数控铣床 1.2.1 数控铣床主要功能 第一章 引言 - 5 - 各种类型数控铣床所配置的数控系统虽然各有不同，但各种数控系统的功能，除了一些特殊功能不尽相同外，其主要功能基本相同。 （ 1） 点位控制功能 。 此功能可以实现对相互位置精度要求很高的孔系加工。 （ 2） 连续轮廓控制功能 。 此功能可以实现直线、圆弧的插补功能及非圆曲线的加工。 （ 3） 刀具半径补偿功能 。 此功能可以根据零件图 样的标注尺寸来编程，而不必考虑所用刀具的实际半径尺寸，从而减少编程时的复杂数值计算 （ 4） 刀具长度补偿功能 。 此功能可以自动补偿刀具的长短，以适应加工中对刀具长度尺寸调整的要求。 （ 5） 比例及镜像加工功能 。 比例功能可将编好的加工程序按指定比例改变坐标值来执行。镜像加工又称轴对称加工，如果一个零件的形状关于坐标轴对称，那么只要编出一个或两个象限的程序，而其余象限的轮廓就可以通过镜像加工来实现。 （ 6） 旋转功能 。 该功能可将编好的加工程序在加工平面内旋转任意角度来执行。 （ 7） 子程序调用功能 。 有些零件需要在不同的位 置上重复加工同样的轮廓形状，将这一轮廓形状的加工程序作为子程序，在需要的位置上重复调用，就可以完成对该零件的加工 （ 8） 宏程序功能该功能可用一个总指令代表实现某一功能的一系列指令，并能对变量进行运算，使程序更具灵活性和方便性。 1.2.2 数控铣床的加工工艺范围 铣削加工是机械加工中最常用的加工方法之一，它主要包括平面铣削和轮廓铣削，也可以对零件进行钻、扩、铰、镗、锪加工及螺纹加工等。数控铣削主要适合于下列几类零件的加工。 1.平面类零件 平面类零件是指加工面平行或垂直于水平面，以及加工面与水平面的 夹角为一定值的零件，这类加工面可展开为平面。如曲线轮廓面垂直于水平面，可采用圆柱立铣刀加工。若凸台侧面与水平面成一定角度，这类加工面可以采用专用的角度成型铣刀来加工。对于斜面，当工件尺寸不大时，可用斜板垫平后加工；当工件尺寸很大，斜面坡度又较小时，也常用行切加工法加工，这时会在加工面上留下进刀时的刀锋残留良迹，要用钳修方法加以清除。 2.直纹曲面类零件 第一章 引言 - 6 - 直纹曲面类零件是指由直线依某种规律移动产生的曲面类零件。直纹曲面类零件的加工面不能展开为平面。当采用四坐标或五坐标数控铣床加工直纹曲面类零件时，加工面与铣刀 圆周接触的瞬间为一条直线。这类零件刀可在三坐标数控铣床上采用行切加工法实现近加工。 3.立体曲面类零件 加工面为空间曲面的零件称为立体曲面类零件。这类零件的加工面不能展成平面，一般使用球头铣刀切削，加工面与铣刀始终为点接触，若采用其它刀具加工，易于产生干涉而铣伤邻近表面。加工立体曲面类零件一般使用三坐标数控铣床，采用以下两种加工方法。 （ 1） 行切加工法 采用三坐标数控铣床进行二轴半坐标控制加工，即行切加工法。球头铣刀沿平面的曲线进行直线插补加工，当一段曲线加工完后，再加工相邻的另一曲线，如此依次用平面曲线来 逼近整个曲面。相邻两曲线间的距离应根据表面粗糙的要求及球头铣刀的半径选取。球头铣刀的球半径应尽可能选得大一些，以啬刀具刚度，提高散热性，降低表面粗糙度值。加工凹圆弧时的铣刀球头半径必须小于被加工曲面的最小曲率半径。 （ 2） 三坐标联动加工 采用三坐标数控铣床三轴联动加工，即进行空间直线插补。如半球形，可用行切加工法加工，也可用三坐标联动的方法加工。这时，数控铣床用 X、 Y、 Z 三坐标联动的空间直线插补，实现球面加工。 1.2.3 数控铣床加工的特点 数控铣削加工除了具有普通铣床加工的特点外，还有如下特点： (1) 零件加工的适应性强、灵活性好，能加工轮廓形状特别复杂或难以控制尺寸的零件，如模具类零件、壳体类零件等。 (2) 能加工普通机床无法加工或很难加工的零件，如用数学模型描述的复杂曲线零件以及三维空间曲面类零件。 (3) 能加工一次装夹定位后，需进行多道工序加工的零件。 (4)加工精度高、加工质量稳定可靠。 (5)生产自动化程序高，可以减轻操作者的劳动强度。有利于生产管理自动化。 (6)生产效率高。 第一章 引言 - 7 - (7)从切削原理上讲，无论是端铣或是周铣都属于断续切削方式，而不像车削那样连续切削，因此对刀具的要求较高，具有良好 的抗冲击性、韧性和耐磨性。在干性切削状况下，还要求有良好的红硬性。 1.2.4 数控铣床的分类 数控铣床种类很多，按其体积大小可分为小型、中型和大型数控铣床，其中规格较大的，其功能已向加工中心靠近，进而演变成柔性加工单元。 1.2.4.1 按数控系统的功能分类 1.经济型数控铣床 。 经济型数控铣床一般是在普通立式铣床或卧式铣床的基础上改造而来的，采用经济型数控系统，成本低，机床功能较少，主轴转速和进给速度不高，主要用于精度要求不高的简单平面或曲面零件加工。 2.高速铣削数控铣床 我们一般把 主轴转速 8000 40000 r/min 的数控铣床称为高速铣削数控铣床，其进给速度可达 10 30 m/min。这种数控铣床采用全新的机床结构（主体结构及材料变化）、功能部件（电主轴、直线电机驱动进给）和功能强大的数控系统，并配以加工性能优越的刀具系统，可对大面积的曲面进行高效率、高质量的加工。 3.全功能数控铣床 全功能数控铣床一般采用半闭环或闭环控制，控制系统功能较强，数控系统功能丰富，一般可实现四坐标或以上的联动，加工适应性强，应用最为广泛 。 1.2.4.2 按主轴布置形式分类 1.立式数控铣床 立式数控铣床的主轴轴线与工作台面垂直，是数控铣床中最常见的一种形式。立式数控铣床一般为三坐标 （ X 、 Y 、 Z ）联动 , 其各坐标的控制方式主要有以下两种： （ 1） 工作台纵、横向移动并升降，主轴只完成主运动。目前小型数控铣床一般采用这种方式 。 （ 2） 工作台纵、横向移动，主轴升降。这种方式一般运用在中型数控铣床中 。 立式数控铣床结构简单，工件安装方便，加工时便于观察，但不便于排屑。 2.立卧两用数控铣床 立卧两用数控铣床的主轴轴线可以变换，使 一台铣床具备立式数控铣床和卧式数控第一章 引言 - 8 - 铣床的功能。这类机床适应性更强，应用范围更广，尤其适合于多品种、小批量又需立卧两种方式加工的的情况，但其主轴部分结构较为复杂。 3.卧式数控铣床 卧式数控铣床的主轴轴线与工作台面平行，主要用来加工箱体类零件。一般配有数控回转工作台以实现四轴或五轴加工，从而扩大功能和加工范围。 卧式数控铣床相比立式数控铣床，结构复杂，在加工时不便观 查。 1.3 课题的背景和意义 数控技术是机床实现自动化控制的核心技术，是机械制造业的关键技术，其水平的高低和应用程度关系到国家的战略地位 和综合国力。数控技术是一门理论性和实践性都非常强的课程，其教学必须理论联系实际。长期以来，数控技术教学遇到几大难题：（ 1）课堂教学难 教师在课堂上对着书本讲，学生看不见摸不着，如听天书。（ 2）实验教学难 由于市场没有适用教学的机床，教学中使用的都是生产型机床，这些机床体积大、造价高、使用和维护成本高，很多学校用不起，并且有的话，大多是老师演示、学生观看，很少有学生自己直接操作。 教学设备问题是制约数控技术教学质量提高的瓶颈问题，为解决数控技术教学设备问题，特进行了微型三坐标数控铣床的设计，完成了微型数控铣床 的总体方案设计，确立了机床的整机结构、总体布局以及关键部件 (主轴系统、进给系统等 )的选型与设计，机床的本体尺寸为 563mmx415mmx549mm，机床的工作空间尺寸为 110mx120mmx80mm。 该机床体积小、重量轻、功能强、成本低，非常适合课堂教学、实验教学和实训教学，节省设备购置费用和使用费用的同时，将大幅度提高教学效率和教学效果，对于改变我国数控技术人才培养模式，降低培养成本、缩短培养周期，具有重大意义。 第二章 微型数控铣床总体设计 - 9 - 第二章 微型数控铣床总体设计 2. 1 微型数控铣床总体方案 2.1.1 微型数控铣床的总体 布局 2.1.1.1 铣床的常用布局形式 1.卧式铣床的常用布局形式 卧式数控铣床的布局形式种类较多，其主要区别在于立柱的结构形式和 x, z 坐 标轴的移动方式。常用的立柱有单立柱和框架结构双立柱两种形式，如图 2.1 (b)所示 ；Z 坐标轴的移动方式有两种 :工作台移动式，如图 2.1 (a)、 (b)所示 ；立柱移动式，如图2.1(a)所示。以上基本形式通过不同组合，还可以派生其他多种变形，如 X, Z 两轴都采用立柱移动，工作台完全固定的结构形式 :或 X 轴为立柱移动、 Z 轴为工作台移动的结构形式等。在图 2.1 所示的三种中、小 规格卧式数控铣床常见的布局形式中，图 2.1 (a)结构形式和传统的卧式锉床相同，多见于早期的数控机床或数控化改造的机床 ；图 2.1 (b)采用了框架结构双立柱、 Z 轴工作台移动式布局，是中、小规格卧式数控机床常用的结构形式 ；图 2.1 (c)采用 T 形床身、框架结构双立柱、立柱移动式 (Z 轴 )布局，是卧式数控铣床的典型结构。 2.立式铣床的常用布局形式 立式数控铣床是数控铣床中数量最多的一种，应用范围也最为广泛。小型数控铣床一般都采用工作台移动、升降及主轴转动方式，与普通立式升降台铣床结构相似 :中型立第二章 微型数控铣床总体设计 - 10 - 式数控铣床一 般采用纵向和横向工作台移动方式，且主轴沿垂直溜板上下运动 ；大型立式数控铣床，因要考虑到扩大行程、缩小占地面积及刚性等技术问题，往往采用龙门架移动式，其主轴可以在龙门架的横向与垂直溜板上运动，而龙门架则沿床身作纵向运动。从机床数控系统控制的坐标数量来看，目前 3 坐标立式数控铣床仍占大多数。一般可进行 3 坐标联动加工，但也有部分机床只能进行 3 坐标中的任意 2 个坐标联动加工。此外，还有机床主轴可以绕 X, Y, Z 坐标轴中其中一个或两个轴作数控摆角运动的 4 坐标和 5坐标立式数控铣床。一般来说，机床控制的坐标轴越多，特别是要 求联动的坐标轴越多，机床的功能、加工范围及可选择的加工对象也越多。但随之而来的是机床的结构更复杂，对数控系统的要求更高，编程的难度更大，设备的价格也更高。图 2.2 所示是立式数控铣床常见的三种布局形式。由溜板和工作台实现平面上 X, Y 两个坐标轴的移动，主轴箱沿立柱导轨上下实现 Z 坐标移动。 2.1.1.2 本设计铣床的布局形式 综上所述，为了减少微型铣床占用空间，减少机床整体尺寸，并考虑应用的广泛性以及所做项目的实际情况，本设计铣床采用的布局形式为立式铣床形式，工作台 X、 Y轴相互叠加移动，主轴在 Z 轴方向上移动 。 2.1.2 微型数控铣床总体传动方案的设计 本机床可以实现 X 轴、 Y 轴和 Z 轴三坐标联动 ， X 轴、 Y 轴的进给是通过 步进 电机带动 滚珠 丝杠 ,滚珠 丝杠又与螺母传动来实现 。步进 电机与丝杠的连接可以通过 联轴器 来实现 。 在传动过程中 ,电动机带动丝杠做旋转运动 ,螺母沿导轨做水平移动 ,从而带动工作台运动 。 Z 轴的进给也是通过电动机带动丝杠 ,丝杠又与 Z 轴螺母传动来实现 。主轴套与 Z 轴螺母相连 ,在传动过程中 ,电动机带动丝杠做旋转运动 ,螺母沿导轨做上下移动 ,从而带动主轴做上下运动 。 第二章 微型数控铣床总体设计 - 11 - 1电机 2箱 体 3联轴器 4滚珠丝杠 螺母 副 5工作台 （ Y 向进给传动示意图） 第三章 微型 数控 铣 床主轴驱动及其机械结构 的设计 - 12 - 第三章 微型 数控 铣 床主轴驱动及其机械结构 的设计 3.1 主轴驱动及其控制 3.1.1 对主轴驱动的要求 1.数控机床主传动要有宽的调速范围及尽可能实现无级变速 。 数控加工时切削用量的选择，特别是切削速度的选择，关系到表面加工质量和机床生产率。对于自动换刀数控机床，为适应各种工序和不同材料加工的要求，更需要主传动有宽的自动变速范围。 2.功率大 。 要求主轴有足够的驱动功率或输出扭矩，能在整个速度范围内均能提供切削所需的功率或扭矩，特别是在 强力切削时。 3.动态响应性要好 。 要求主轴升降速时间短，调速时运转平稳。对有的数控机床需同时能实现正、反转切削，则要求换向时均可进行自动加减速控制，即要求主轴有四象限驱动能力。 4.精度高 。 这里主要指主轴回转精度。要求主轴部件具有足够的刚度和抗振性，具有较好的热稳定性，即主轴的轴向和径向尺寸随温度变化较小。另外，要求主传动的传动链要短。 5.旋转轴联动功能 。 要求主轴与其他直线坐标轴能同时实现插补联动控制，如在车削中心上，为了使之具有螺纹车削功能，要求主轴能与进给驱动实行联动控制，即主轴具有旋转进给轴（ C 轴） 的控制功能。 6.恒线速切削功能 。 为了提高工件表面质量和加工效率，有时要求数控机床能实现表面恒线速度切削。如数控车床对大直径工件端面切削时，要求主轴转速随切削端面的直径变小而变快，并以切削表面为恒线速度的规律变化。 7.加工中心上，要求主轴具有高精度的准停控制 。 在加工中心上自动换刀时，主轴须停在一个固定不变的方位上，以保证换刀位置的准确；以及某些加工工艺的需要，要求主轴具有高精度的准停控制。此外，有的数控机床还要求具有角度分度控制功能。为了达到上述有关要求，对主轴调速系统还需加位置控制，比较多的采用光电编码 器作为主轴的转角检测。 3.1.2 主轴驱动及其控制方式 第三章 微型 数控 铣 床主轴驱动及其机械结构 的设计 - 13 - 主要有四种配置方式（ 1）带有变速齿轮的主传动 通过少数几对齿轮降速，增大输出扭矩，以满足主轴低速时对输出扭矩特性的要求。滑移齿轮的移动大都采用液压缸加拨叉，或直接由液压缸带动齿轮来实现。（ 2）通过带传动的主传动 电动机与主轴通过形带或同步齿形带传动，不用齿轮传动，可以避免齿轮传动引起的振动和噪声。它适用于高速、低转矩特性要求的主轴。（ 3）用两个电动机分别驱动主轴，高速时通过皮带直接驱动主轴旋转；低速时，另一个电动机通过齿轮传动驱动主轴旋转，齿轮起降速和 扩大变速范围的作用，这样使恒功率区增大，克服了低速时转矩不够且电动机功率不能充分利用的缺陷。（ 4）内装电动机主轴传动结构 这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电动机发热对主轴影响较大。 3.1.3 主轴调速方法 电动机调速 用于主轴驱动的调速电动机主要有直流电动机和交流电动机两大类。 1.直流电动机主轴调速 由于主轴电动机要求输出较大的功率，所以主轴直流电动机在结构上不适用永磁式，一般是他激式。为缩小体积，改善冷却效果，以免电动机过热，常采用轴向强迫风冷或采用 热管冷却技术。从电机拖动理论知，该直流电动机的转速公式 n 为： n=(U-RIa)/(KIf)式中： U 为电枢电压（ V）， R 为电枢电阻（ ）， Ia 为电枢电流（ A）， K 为常数， If 为励磁电流（ A）。从式中可知，要改变电动机转速 n，可通过改变电枢电压 U（降压调速），或改变励磁电流 If（弱磁调速）。当采用降压调速时，从电动机转矩公式 T=CekIfIa 中可得，它是属于恒转矩调速。而当采用弱磁调速时，根据功率公式 P=nT，并把上述 n 公式与 T 公式代入得，电动机的功率 P=(U-RIa)CeIa，可知它是属于恒功率调速。 通常在 数控机床中，为扩大调速范围，对直流主轴电动机的调速，同时采用调压和调磁两种方法。其典型的直流主轴电动机特性曲线如图 2-26 所示。在基本转速 nj 以下时属于恒转矩调速范围，用改变电枢电压来调速；在基本转速以上属于恒功率调速范围，采用控制激磁电流来实现。一般来说，恒转矩速度范围与恒功率速度范围之比为 1： 2。另外，直流主轴电机一般都有过载能力，且大都以能过载 150%（即连续额定电流的 1.5倍）为指标。至于过载时间 ,则根据生产厂的不同有较大差别，从 1min 到 30min 不等。 2.交流电动机主轴调速 大多数交流进给伺 服电动机采用永磁式同步电动机，但主轴交流电动机则多采用鼠笼式感应电动机，这是因为受永磁体的限制，永磁同步电动机的容量不允许做得太大，而且其成本也很高。另外，数控机床主轴驱动系统不必象进给第三章 微型 数控 铣 床主轴驱动及其机械结构 的设计 - 14 - 系统那样，需要如此高的动态性能和调速范围。鼠笼式感应电动机其结构简单、便宜、可靠，配上矢量变换控制的主轴驱动装置则完全可以满足数控机床主轴的要求 交流主轴电机的性能可由图 2-27 所示的功率 /速度关系曲线反应出来。从图中曲线可见，交流主轴电机的特性曲线与直流电机类似，即在基本速度以下为恒转矩区域，而在基本速度以上为恒功率区域。 但有些电机，如图中所示那样，当电机速度超过某一定值之后，其功率 /速度曲线又往下倾斜，不能保持恒功率。对于一般主轴电机，这个恒功率的速度范围只有 1： 3 的速度比。另外交流主轴电机也有一定的过载能力 ,一般为额定值的 1.21.5 倍，过载时间则从几分钟到半个小时不等。 3.1.4 主传动系统的设计与计算 3.1.4.1铣削力的计算 铣削加工过程中铣削力的计算己经得到了广泛的研究。但是在这些研究中，主要针对特定的刀具或工件材料，而不是能够广泛应用于各种加工条件下的理论。对于通用数控机床的设计来说，设计目标就是设计出 适应性比较强的，能应付大多数加工要求的机床，所以，在切削力计算问题上，不能单独使用一些纯理论推导所得到的理论。然而，切削力经验计算公式可以满足本次设计的要求，因为这些公式都是经过人们长期的经验积累而总结出来，具有普遍的适用性，并且能够保证各种加工条件下的安全性。因此，本设计中的切削力计算主要采用经验计算公式。切削力可分解为三个分力： Z向的主插削力 zF 以及 X、 Y向的铣削分力 xF 、 yF 。 现假设刀具材料为高速钢，工作材料为碳钢 ( ab MP650 )。 Z轴铣削工作时铣削力的计算： 最大铣削直径 mmd 10max ，最小直径 mmd 4min 。 由实用机床手册得： 铣削功率4106VFP zm 铣削力 FZowfpz ZKdaaaF 86.086.072.06 4 2 铣削力修正系数 k F ZFZm F ZFZ KKKK 其中工件材料系数 0 06.16 38.03.0 bm F ZK 高速钢铣刀 15or ,前角系数 92.0FZK 主偏角 k = 75 kFZK =1.0 因此 0.192.00 0 6.1 FZK 第三章 微型 数控 铣 床主轴驱动及其机械结构 的设计 - 15 - b 工件材料的抗拉强度； pa 铣削深度； fa 毎齿进给量； wa 铣削宽度； od 铣削直径； Z 铣刀齿数， 现取 fa =0.05mm/Z pa =4mm Z=4 od =10mm wa =8mm n=400r/min ， ZF =642 4 0.050.72 80.86 10 0.86 4 0.9255=907.8N 1000/ndV o =3.14 10 400/1000=12.56mm/s 4106VFP zm =907.8 12.56/60000=0.19kW 3,1,4,2主电机的选择 选主轴电机时按铣削计算。 因为铣削 时最大的铣削力为： ZF =642 4 0.050.72 80.86 4 0.86 4 0.9255=1996.3N 1000/ndV o =3.14 4 1600/1000=20.1m/s 4106VFP zm =1996.3 20.1/60000=0.68kW 主轴功率 P= 88.0/mP =0.68/0.88=0.77kW 所以选电动机为 mP =1.1kW ，型号： Y90S 4 型 3.1.4.3主轴设计 主轴组件是机床的一个重要组成部分。主轴组件由主轴、轴承、传动件（如齿轮、带轮）和固定件（如螺母）等组成。机床工作时，由主轴夹持着工件（车床）或刀具（钻床、镗床、铣床、磨床等）直接参加表面成型运 动。所以，主轴组件的性能对加工性能和机床生产率由重要影响。对机床主轴的要求，有与一般传动轴共同之处：都要在一定的转速下传递一定的转矩，保证轴上的传动件和轴承正常的工作条件。但是，主轴又是直接带着工件或刀具进行切削的，机床的加工质量在很大程度上要靠主轴组件保证。主轴直接承受切削力，通过机床（包括数控机床）的转速变化范围又往往很大。因此，对于主轴组件，又有许多要求。 第三章 微型 数控 铣 床主轴驱动及其机械结构 的设计 - 16 - 为了提高刚度，主轴的直径应该略大些。前轴承至主轴前端的距离称为悬伸。悬伸量尽可能小些。为了便于装配，主轴常制成阶梯形的。 材料的热处理。轴的载荷相 对来说不大，引起的应力通常远小于杠的强度极限。因此，强度一般不是选材的依据。当几何形状和尺寸已确定，主轴的刚度主要取决于材料的弹性模量。各种钢材的弹性模量几乎没有什么差别。因此，刚度也不是选材的依据。主轴的材料，主要应根据耐磨性、热处理后的变形选择。普通铣床的主轴，可用 45号获 60号优质中碳钢，调质到 220-252HBS左右。对于教学型数控铣床，不要求有太高的精度和加工难加工材料的刚度，因此主轴做成实阶梯心轴，材料 45#，表面淬火处理。 按许用应力计算轴的最小直径 d C3 nP P-轴传递功率 KW n-轴的转速 r/min C与轴的材料有关的系数 对于 45钢， C取 102 d 102 4.5116717.03 mm 主轴各轴颈的直径须大于 5.4mm 轴端用键和联轴器连接，另一端用一莫氏锥度，用于安装钻夹头。具体尺寸见零件图。 3.1.4.4 主轴轴承的选择 机床主轴用的轴承，有滑动和滚动两大类。从旋转精度看，两大类轴承都能满足要求。和其他指标相比，滚动轴承比滑动轴承的优点是： 1.滚动轴承能在转速和载荷变化幅度很大的条件下稳定工作。 2.滚动轴承能在无间隙，甚至在预紧有一定过盈的条件下工作。 3.滚动轴承的摩擦系数小，有利于减少发热。 4.滚动轴承润滑容易，可以用脂，一次装填一直用到修理时才换脂。滚动轴承是由轴承厂生产的，可以外购。 滚动轴承的缺点是： 1.滚动体的数量有限，所以滚动轴承在旋转中的径向刚度是变化的。这是引起震动的原因之一。 2.滚动轴承的阻尼小 3.滚动轴承的径向尺寸比滑动轴承大。 第三章 微型 数控 铣 床主轴驱动及其机械结构 的设计 - 17 - 根据上述分析可知，在一般情况下应采用滚动轴承。特别是大多数立式主轴，用滚动轴承可以采用脂润滑以避免漏油。 对于轴承，选用滚动轴承就可满足要求，因主轴垂直放置，轴承将受到轴向力，另外由于铣削力的存在，会给主轴一径向力，但力都不大，所以轴承选用两个 60角接触球轴承。 第 四 章 进给系统的设计 - 18 - 第四章 进给系统的设计 4.1 进给系统的机械结构特点 数控机床从构造上可以分为数控系统（ CNC）和机床两大块。数控系统主要根据输入程序完成对工作台的位置、主轴启停、 换向、变速、刀具的选择、更换、液压系统、冷却系统、润滑系统等的控制工作。而机床为了完成零件的加工须进行两大运动：主运动和进给运动。数控机床的主运动和进给运动在动作上除了接受 CNC的控制外，在机械结构上应具有响应快、高精度、高稳定性的特点。 下面 着重讨论进给系统的机械结构特点 ： （ 1） 高传动刚度 进给传动系统的高传动刚度主要取决于丝杆螺母副 (直线运动 )或蜗轮蜗杆副 (回转运动 )及其支承部件的刚度。刚度不足与摩擦阻力一起会导致工作台产生爬行现象以及造成反向死区，影响传动准确性。缩短传 动链，合理选择丝杆尺寸以及对丝杆螺母副及支承部件等预紧是提高传动刚度的有效途径。 （ 2） 高谐振 为提高进给系统的抗振性，应使机械构件具有高的固有频率和合适的阻尼，一般要求机械传动系统的固有频率应高于伺服驱动系统固有频率的 2 3倍。 （ 3） 低摩擦 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、静摩擦系数之差，在进给传动系统中现普遍采用滚珠丝杆螺母副。 （ 4） 低惯量 进给系统由于经常需进行起动、停止、变速或反向，若机械 传动装置惯量大，会增大负载并使系统动态性能变差。因此在满足强度与刚度的前提下，应尽可能减小运动部件的重量以及各传动元件的尺寸，以提高传动部件对指令的快速响应能力。 （ 5） 无间隙 机械间隙是造成进给系统反向死区的另一主要原因，因此对传动链的各个环节，包括：齿轮副、丝杆螺母副、联轴器及其支承部件等等均应采用消除间隙的结构措施。 第 四 章 进给系统的设计 - 19 - 4.2 滚珠丝杠简介 4.2.1 滚珠丝杠特点 在数控机床上，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。滚珠丝杠螺母副的特点是：传动效率高，一般为 =0.92 0.98；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；但制造成本高，不能自锁，垂直安装时需有平衡装置 。 4.2.2 滚珠丝杠结构与工作原理 滚珠丝杠螺母副的结构和工作原理 ： 滚珠丝杠螺母副的结构有内循环与外循环两种方式。图 2-13 为外循环式，它由丝杠 1、滚珠 2、回珠管 3 和螺母 4 组成。在丝杠 1 和螺母 4 上各加工有圆弧形螺旋槽，将它们套装起来便形成螺旋形滚道，在滚道内 装满滚珠 2。当丝杠相对于螺母旋转时，丝杠的旋转面经滚珠推动螺母轴向移动，同时滚珠沿螺旋形滚道滚动，使丝杠和螺母之间的滑动摩擦转变为滚珠与丝杠、螺母之间的滚动摩擦。螺母螺旋槽的两端用回珠管 3 连接起来，使滚珠能够从一端重新回到另一端，构成一个闭合的循环回路。 图 2-14 为内循环式。在螺母的侧孔中装有圆柱凸轮式反向器，反向器上铣有 S 形回珠槽，将相邻两螺纹滚道联结起来。滚珠从螺纹滚道进入反向器，借助反向器迫使滚珠越过丝杠牙顶进入相邻滚道，实现循环。 4.2.3 滚珠丝杠螺母副间隙的调整方法 第 四 章 进给系统的设计 - 20 - 为了保证滚珠丝杠螺母 副的反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。常采用双螺母预紧办法，其结构形式有三种，基本原理都是使两个螺母产生轴向位移，以消除它们之间的间隙和施加预紧力 。 (1)垫片调整间隙法 如图所示，调整垫片 4 的厚度使左右两螺母产生轴向位移，从而消除间隙和产生预紧力。这种方法简单、可靠，但调整费时，适用于一般精度的机床。 (2)齿差调整间隙法 如图所示，两个螺母的凸缘为圆柱外齿轮，而且齿数差为 1，即 z2-z1=1。两只内齿轮用螺钉、定位销紧固在螺母座上。调整时先将内齿轮取出，根据间隙大小使两个螺母分别向相同方向转 过 1 个或几个齿，然后再插入内齿轮，使螺母在轴向彼此移动近了相应的距离，从而消除两个螺母的轴向间隙。这种方法的结构复杂，尺寸较大，适应于高精度传动。 (3)螺纹调整间隙法 如图所示，右螺母 2 外圆上有普通螺纹，再用两圆螺母 4、 5固定。当转动圆螺母 4 时，即可调整轴向间隙，然后用螺母 5 锁紧。这种结构的特点是结构紧凑、工作可靠，滚道磨损后可随时调整，但预紧量不准确。 第 四 章 进给系统的设计 - 21 - 4.2.4 支撑轴承选型 滚珠丝杠副作为关键的滚动传动元件，被广泛应用于各种需要定位或传动的机构中，对机构的性能举足轻重。在实际应用中，滚珠丝杠 副的安装方式 的选择，同样会影响整个机构的工作效果，根据具体应用情况的不同，滚珠丝杠副的安装可以有多种不同的方式。 滚珠丝杆螺母副所承受的主要是轴向载荷。它的径向载荷主要是卧式丝杆的自重。安装时，要保证螺母座的孔与工作螺母之间的良好配合，并保证孔与端面的垂直度等。这时主要是根据载荷的大小和方向选择轴承。另外安装和配置的形式还与丝杆的长短有关，当丝杆较长时，采用两支撑结构；当丝杆较短时，采用单支撑结构。 不同的安装方式（即支承形式）都有其各自的特点，选取时，既 要考虑实际工作要求（定位精度、传动速度、扭 矩和推力情况等），又要结合滚珠丝杠副型号规格的选择，只有两者综合考虑合理搭配，才能实现最佳效果，发挥滚珠丝杠副的最大价值。 滚珠丝杠副的安装方式一般叫做滚珠丝杠副的支承形式，通常有两大类（丝杠旋转类和螺母旋转类）共五种典型的支承形式，支承形式不同，所容许 的轴向载荷和容许的回转转速也有所不同，应根据工况适当选择。具体如下，为便于评估，丝杠旋转类每种支承形式后面给出表征其稳定性的 “稳定性系数 K2”， K2 越大表示该形 式越稳定，螺母旋转类因受力模型不同，校验体系也不同，不能模型化比较。 4.2.4.1 丝 杠旋转类 （ 1） “固定 固定 ”型： K2=4 适用于高转速、高精度的场合。该形式两端分别分别由一对轴承约束轴向和径向自由度，负荷由两组轴承共同承担。也可以使两端的轴承副承受反 向预拉伸力，从而提高传动刚度。在定位要求很高的场合，甚至可以根据受力情况和丝杠热变形趋势精确第 四 章 进给系统的设计 - 22 - 设定目标行程补偿量，进一步提高定位精度。 “固定 固定 ”型有时也被 片面地叫做 “双推双推 ”，实际上由于径向力的存在几乎很少能用两个推力轴承作为固定端。由于此形式结构较复杂，调整较难，因此一般仅在定位要求很高时采用。 （ 2） “固定 游动 ”型： K2=2 适用于中转速、高精度的场合。该形式一端由一对轴承约束轴向和径向自由度，另一端由单个轴承约束径向自由度，负荷由一对轴承副承担，游动的 单个轴承能防止悬臂挠度，并消化由热变形产生的应力。 “固定 游动 ”型有时也被片面地叫做 “双推支承 ”。此形式结构较简单，效果良好，应用广泛。 （ 3） “支承 支承 ”型： K2=1 适用于中转速，中精度的场合。该形式两端分别设一个轴承，分别承受径向力和单方向的轴向力，随负荷方向的变化，分别由两个轴承单独承担某一 方向的力。由于支承点随受力方向变化，定位可控性较低。此形式结构简单，受力情况较差，应用较少。 第 四 章 进给系统的设计 - 23 - （ 4） “固定 自由 ”型： K2=0.25 适用于低转速，中精度，轴向长度短的场合。该形式一端由一对轴承约束轴向和径向自由度，另一端悬空呈自由状态，负荷均由同一对轴承副承担， 并且需克服丝杠回转离心力（及水平安装时的重力）造成的弯矩。 “固定 自由 ”型有时也被错误地叫做“双推自由 ”。此形式结构简单，受力情况差，但在行程小、转速低时 也经常用 到。 4.3 X方向进给系统设计 1.初定参数：系统为开环，电机与丝杠直接由联轴器连接，传动比 i=1，工作台快进速度要求达到 Vmax=2m/min。取电机最高转速 nmax=500r/min,则丝杠最高转速为 500 r/min，丝杠基本导程。 L0= mmnV 4500 210001000 m a x 第 四 章 进给系统的设计 - 24 - 对于电 机，脉冲当量 p 小可提高加工精度，但是脉冲当量越小系统越复杂。一般加工精度在 0.002-0.1mm 的数控铣钻床，脉冲当量 p可取 0.01mm/step。 2.滚珠丝杠的选择计算 （ 1）动载荷 C 的计算 m ax3 FffLC hn 其中 nf 载荷系数取为 1.0， hf 硬度系数取为 1.2， maxF 最大的工作负载 L 使用寿命 工作负载 F 是指数控机床工作时，实际作用在滚 珠丝杠上的轴向压力，他的数据可用进给牵引力的实验公式计算： 对于类似燕尾型寻轨的机床 maxF = )2( GFFfkF yzx xF X 方向的切削力 yF Y 方向的切削力 zF Z 方向的切削力 G 移动部件的重量 f 导轨上的摩擦系数 k 考虑颠复力矩影响的实验系数 选用滚动导轨，在正常 润滑情况下，对于类似燕尾型寻轨 k=1.4 ， f =0.03 在铣削过程中， zF =841.5N ， xF =0， yF =1051.9N ， G=300N maxF =1.4 0+0.03 (841.5+2 1051.9+300)=97.4N 而 L=60nT/106 式中 n 滚珠丝杠的转速（ r/min） 第 四 章 进给系统的设计 - 25 - T 使用寿命（小时） 对于数控机床， n 一般取 1250 r/min， T 一般取 15000h， 因为 L=60 1250 15000/106 =1125 C=3 1125 1.0 1.2 94.7=1181.9N 查表初步选用的型号为 N 系列 1604-3， 3 列 Q=4612N 较为合适，这是一种内循环垫片调隙单螺母的滚珠丝杠副，其主要参数如下： 名义直径： oD =20mm，基本导程 t=5mm，钢球直径： nD =3.725 mm ，丝杠内径2d =17.96mm，丝杠外径 1d =19.4mm ，循环列数 3，额定动负载 oC =6367 N ，螺母外径D=72 mm，螺母内径 1D =32 mm，螺母长度 L=40 mm。 （ 2）预紧力计算 在滚珠丝杠副上施加力后，可提 高轴向刚度和传动精度，但预紧力不可过大，过大影响丝杠副的使用寿命。因此要在满足所需寿命和精度要求的条件下合理决定预紧力的大小。 由经验可知，在丝杠螺母预紧的滚珠丝杠副中，为便于螺母和丝杠之间不出现间隙，应使预紧力近似等于最大轴向载荷的 1/3。过小，不能保证无间隙传动；过大，会降低传动效率和承载能力。 预紧力： P0= NF 2.607.1803131 m a x （ 3）校核 效率计算： 从机械原理中得知，滚珠丝杠螺母副的传动效率 )(/ tgtg 式中： 螺纹的螺旋升角； 16 4ar c t gDtar c t g o = 55.4 摩擦角； 滚珠丝杠副的滚动摩擦系数 f =0.0030.004， 其摩擦角 约等于 01 ( ftg =0.0030.004)。 )0155.4( 55.4tg tg 0.965 第 四 章 进给系统的设计 - 26 - 刚度的验算 数控机床的滚珠丝杠是一种精密的传动元件，它在工作负载 P 的作用下，将伸长或缩短，在扭矩 M 的作用下，将向一方或另一方扭转，这样，滚珠丝杠的螺距就要产生变化，从而影响其传动精度和定位精度，因此，滚珠丝杠应验算其满载时的变形量。 从材料力学中得知，滚珠丝杠受工作负载（轴向力） P 的作用而引起一个螺距t 的变化量 1t ,可按下式计算： EFPtt 1(cm) 其中： P 工作负载； t 滚珠丝杠 螺距； E 弹性模数，对钢而言（ E=20.1 610 ） ； F 滚珠丝杠的横截面积（按内径而定）； 261 5.614.3101.204.04.97 t =1.4 810 cm 滚珠丝杠受扭矩 M 作用而引起一个螺距 t 的变化量 2t ，可以按下式计算： 22 tt (cm) 其中 在扭矩 M 的作用下，滚珠丝杠每一螺 距长度两截面上的相对扭转角； cGJMt 其中， M 扭矩（ cmN ） , 9 6 5.014.32 4.04.972 PtM=6.43 cmN G 扭转弹性；对钢而言， G= 25 /10841 cmN cJ 滚珠丝杠载面积的极惯性矩 )(32/ 44 cmdJ c （其中 d 滚珠丝杠的内径， cm） 32/1.13 4cJ =2889.8 4cm cGJMt=8.28 891084 1 4.043.6 5 =1.06 1110 cmN 22 tt = 4.32 1006.14.011=6.75 1310 cm(可忽略不计 ) 如果 Y 方向的滚珠 丝杠的长度为 100cm,则整个工作长度上的螺距变形总误差： =100/0.4 1t =3.5 610 cm/m 第 四 章 进给系统的设计 - 27 - 查表得对 E 级丝杠，允许误差 =15 mm/ ，故该滚珠丝杠满足要求。 稳定性验算 机床的进给丝杠通常是一种受轴向力的压杆，如果轴向力过大，可使丝杠失去稳定性而产生翘曲。机床上的进给丝杠一般均为长柱。长柱压杆失稳时的临界负载 kP ，可用材料力 学中的欧拉公式计算 22)(ulEJPk （ N） E 丝杠材料的弹性模数，对钢而言 E=2.1 710 2/cmN ； J 截面惯性矩，对实心圆杆而言，6442dJ 641.134 =1445 4cm ； l 丝杠的工作长度， l=20cm； u 丝杠的轴端系数，由支撑条件决定，本设计是两端向心轴承， u=1 272)201(1 4 4 5101.2 kP =7.5 810 N 临界负载 kP 与工作负载 P 之比成为稳定性安全系数 kn 。如果稳定性安全系数 kn 大于许用稳定性安全系数 kn ，则该压杆安全不致失稳。 4.97 105.7 8PPn kk7.7 610 kn =4 故此滚珠丝杠不致失稳。 由于钻、铣工作时，滚珠丝杠的转速比较低，滚珠丝杠传动时的振动就会非常小，所以临界转速就不用校核了。 4.4 Y、 Z 方向进给系统设计 对于 Y、 Z 方向的进给，因移动部件的重量和所受的力都比 X 方向的小，为了减少设计部件的数量和加工的要求，此方向的可选用与 X方向相同的丝杠、电机和轴承及其他零件，但对于有装配调整的零件还需另行设计以满足要求。 4.5 导轨的分类与选型 导轨是数控机床的重要部件之一，它在很大程度上决定数控机床的刚度、精度与精度保持性 。目前，数控机床上的导轨型式主要有滑动导轨、直线滚动导轨和液体静压导轨等。 第 四 章 进给系统的设计 - 28 - （ 1） 滑动导轨 滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性高等优点，在数控机床上应用广泛。 （ 2） 直线滚动导轨 是直线滚动导轨副的外形图，直线滚动导轨由一根长导轨（导轨条）和一个或几个滑块组成。当滑块相对于导轨条移动时，每一组滚珠（滚柱）都在各自的滚道内循环运动 （ 3） 液体静压导轨 液体静压导轨由于其导轨的工作面完全处于纯液体摩擦下，因而工作时摩擦系数极低（ f=0.0005）；导轨的运动不受负载和速度的限制，且低速时移动均匀 ，无爬行现象；由于液体具有吸振作用，因而导轨的抗振性好；承载能力大、刚性好；摩擦发热小，导轨温升小。但液体静压导轨的结构复杂，多了一套液压系统；成本高；油膜厚度难以保持恒定不变。故液体静压导轨主要用于大型、重型数控机床上。 滑动摩擦导轨的类型 （ 1） 圆柱截 面：导向精度高，导轨磨损后会自动下降补偿，不会产生间隙，但是该导轨在水平、垂直两方向上的误差相互影响，故给制造、检验和维修带来一定的困难，一般顶角取 90 度，也可根据载荷和导向精度来定。 （ 2）矩形截面：结构简单、制造和检修方便、精度高、承载能力大优点，但是 ，该导轨不可避免的 存在侧向间隙，因而，导向精度差，磨损后用镶条来补偿间隙。 （ 3）燕尾形截面：具有尺寸紧凑、能承受颠覆力矩的优点，但是刚度差，制造维修不方面，摩擦力也较大，适用于精度要求不高及移动速度较慢的场合。 （ 4）圆形截面：制造简单，可以做到精密配合，但是，它是封闭结构，对温度变化比较敏感，磨损后很难进行调整和补偿，故这种导轨多用于承受垂直载荷很小的场合。 常用导轨的类型、特点及应用表 第 四 章 进给系统的设计 - 29 - 根据本结构和设计的要求，我们选用燕尾形截面导轨。 4.6 步进电机的种类、结构 、 工作原理 及选型计算 步进式伺服驱动系统是典型的开环控制系统。在此系统中，执行元件是步进电机。它受驱动控制线路的控制，将代表进给脉冲的电平信号直接变换为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。由于该系统没有反馈检测环节，它的精度较差，速度也受到步进电机性能的限制。但它的结构和控制简单、容易调整，故在速度和精度要求不太高的场合具 有一定的使用价值。 4.6.1 步进电机的种类 第 四 章 进给系统的设计 - 30 - 步进电机的分类方式很多，常见的分类方式有按产生力矩的原理、按输出力矩的大小以及按定子和转子的数量进行分类等。根据不同的分类方式，可将步进电机分为多种类型，如表 4-1 所示。 表 步进电机的分类 分 类 方 式 具 体 类 型 按力矩产生的原理 （ 1）反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行 （ 2）激磁式：定、转子均有激磁绕组（或转子用永久磁钢），由电磁力矩实现步进运行 按输出力矩大小 （ 1） 伺服式：输出力矩在百分之几之几至十分之几（ Nm）只能驱动较小的负载，要与液压扭矩放大器配用，才能驱动机床工作台等较大的负载 （ 2）功率式：输出力矩在 5-50 Nm 以上，可以直接驱动机床工作台等较大的负载 按定子数 （ 1）单定子式（ 2）双定子式（ 3）三定子式（ 4）多定子式 按各相绕组分布 （ 1）径向分布式：电机各相按圆周依次排列 （ 2）轴向分布式：电机各相按轴向依次排列 4.6.2 步进电机的结构 目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机。在反应式步进电机中，有轴向分相和径向分相两种，如表所述。 图 4-2 是一典型的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。它与普通电机一样，分为定子和转子两部分，其中定子又分为定子铁心和定子绕组。定子铁心由电工钢片叠压而成，其形状如图中所示。定子绕组是绕置在定子铁心 6 个均匀分布的齿上的线圈，在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。图4-2 所示的步进电机可构成三相控制绕组，故也称三相步进电机。若任一相绕组通电，便形成一组定子磁极，其方向即图中所示的 NS 极。在定子的每个磁极上，即定子铁心上的每个齿上又开了 5 个小齿，齿槽等宽，齿间夹角为 9，转 子上没有绕组，只有均匀分布的 40 个小齿，齿槽也是等宽的，齿间夹角也是 9，与磁极上的小齿一致。此外，三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开 1/3 齿距，如图 4-3 所示。当 A 相磁极上第 四 章 进给系统的设计 - 31 - 的小齿与转子上的小齿对齐时， B 相磁极上的齿刚好超前 (或滞后 )转子齿 1/3 齿距角， C相磁极齿超前 (或滞后 )转子齿 2/3 齿距角。 图 4-2 单定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图 图 4-3 步进电机的齿距 图 4-4 是一个五定子、轴向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。从图中可以看出，步进电机的定子和转子在轴向分为五段，每一段都形成独立的一相定子铁心、定子绕组和转子，图 4-4 所示的是其中的一段。各段定子铁心形如内齿轮，由硅钢片叠成。转子形如外 齿轮，也由硅钢片制成。各段定子上的齿在圆周方向均匀分布，彼此之间错开 1/5 齿距，其转子齿彼此不错位。当设置在定子铁心环形槽内的定子绕组通电时，形成一相环形绕组，构成图中所示的磁力线。 除上面介绍的两种形式的反应式步进电机之外，常见的步进电机还有永磁式步进电机和永磁反应式步进电机，它们的结构虽不相同，但工作原理相同。 4.6.3 步进电机的工作原理 第 四 章 进给系统的设计 - 32 - 步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。图 4-6 是一种最简单的反应式步进电机 ， 下面以它为例来说明步进电机的工作原理。 图 4-6(a)中，当 A 相绕组通以直流电 流时，根据电磁学原理，便会在 AA 方向上产生磁场，在磁场电磁力的作用下，吸引转子，使转子的齿与定子 AA 磁极上的齿对齐。若 A 相断电， B 相通电，这时新的磁场其电磁力又吸引转子的两极与 BB 磁极齿对齐，转子沿顺时针转过 60。通常，步进电机绕组的通断电状态每改变一次，其转子转过的角度 称为步距角。因此，图 4-6(a)所示步进电机的步距角 等于 60。如果控制线路不停地按 ABCA 的顺序控制步进电机绕组的通断电，步进电机的转子便不停地顺时针转动。若通电顺序改为 ACBA ，同理，步进电机的转子将逆时针不停地转动。 图 4-4 五定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图 第 四 章 进给系统的设计 - 33 - 图 4-5 一段定子、转子及磁回路 上面所述的这种通电方式称为 三相三拍。还有一种三相六拍的通电方式，它的通电顺序是：顺时针为 A AB B BC C CA A ；逆时针为 A AC C CB B BA A 。 若以三相六拍通电方式工作，当 A 相通电转为 A 和 B 同时通电时，转子的磁极将同时受到 A 相绕组产生的磁场和 B 相绕组产生的磁场的共同吸引，转子的磁极只好停在 A 和 B 两相磁极之间，这时它的步距角 等于 30。当由 A 和 B 两相同时通电转为 B相通电时，转若以三相六拍通电方式工作，当 A 相通电转为 A 和 B 同时通电时，转子的磁极将同时受到 A 相绕组 产生的磁场和 B 相绕组产生的磁场的共同吸引，转子的磁极只好停在 A 和 B 两相磁极之间，这时它的步距角 等于 30。当由 A 和 B 两相同时通电转为 B 相通电时，转子磁极再沿顺时针旋转 30，与 B 相磁极对齐。其余依此类推。采用三相六拍通电方式，可使步距角 缩小一半。 第 四 章 进给系统的设计 - 34 - 图 4-6 步进电机工作原理图 图 4-6(b)中的步进电机，定子仍 是 A ， B ， C 三相，每相两极，但转子不是两个磁极而是四个。当 A 相通电时，是 1 和 3 极与 A 相的两极对齐，很明显，当 A 相断电、B 相通电时， 2 和 4 极将与 B 相两极对齐。这样，在三相三拍的通电方式中，步距角 等于 30，在三相六拍通电方式中，步距角 则为 15。 综上所述，可以得到如下结论： (1) 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步进电机的步距角 ； (2) 改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变； (3) 步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速 度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高； (4) 步进电机步距角 与定子绕组的相数 m、转子的齿数 z、通电方式 k 有关，可用下式表示： 03 6 0 / m z k 式中 m 相 m 拍时， k=1； m 相 2m 拍时， k=2；依此类推。 对于图 4-2 所示的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机，当它以三相三拍通电方式工作时，其步距角为 000 / 3 0 4 1 33 6 0 / m z k 3 6 0 若按三相六拍通电方式工作，则步距角为 000 / 3 0 4 2 1 . 53 6 0 / m z k 3 6 0 4.6.4 步进电机的主要特性 (1) 步距角。步进电机的步距角 是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为 。步距角越小，数控机床的控制精度越高。 (2) 矩角特性、最大静态转矩 Mjmax 和启动转矩 Mq。矩角特性是步进电机的一个重要特性，它是指步进电机产生的静态转矩 与失调角 的变化规律。 (3) 启动频率 fq。空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。若启动 时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。 第 四 章 进给系统的设计 - 35 - (4) 连续运行的最高工作频率 fmax。步进电机连续运行时，它所能接受的，即保证不丢步运行的极限频率，称为最高工作频率。它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，它决定了步进电 (5)加减速特性。步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。当要求步进电机启动到大于突跳频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升；同样，从最高 工作频率或高于突跳频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐