小型数控钻床及其控制系统设计（含CAD图纸和说明书）
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第三章 机械部分设计 - 16 - 第 三 章 机械 部分 设计 加工 小型数控钻床机械部分是机床的主体部分 ，其机械部分的设计计算主要包括：传动方案的确定 、 进给系统的设计计算 和各个组件的选择 等。 削 参数 的计算 削力的计算 切削力 与工作材料的硬度以及进行力量和孔径有关，可按机械加工工艺手册中的计算公式进行计算。 Z 方向的切削力为 ： F (N) 公式（ 3 考虑 到钻床不仅加工印刷电路板上的孔，也能钻削铜板或铝板上的孔，所以工件材料以铜来设计， 其中 d 的最大孔径为 4算。查手册中有关数据得310， 给量 f 查得 f= 310 4 1=342N （其中 按 ea 计算）。 削功率的计算 1. 切削扭矩： N M） 公式（ 3 查表，可知： 以， M （ N M） 2. 切削速度： 公式（ 3 第三章 机械部分设计 - 17 - 式中： T 刀具耐用度（ 查表， 取 20 查表，知：25.0055.0m=此， 2 2 v （ m 3. 切削功率： 2 8 5 2 6 m （ 公式（ 3 进电 机的选用 进电机的 特点 步进电机又称脉冲电动机，它是将电脉冲信号转换成机械角位移 或线位移的执行元件。其特点是输入一个电脉冲就转动一步，即每当电机绕组接受一个电脉冲转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及其额率成正比，并在时间 上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序，即可获得所需的转角、转速和转向，很容易用微机实现数字控制。步进电机具有以下持点： (1) 输出转角大小与输入脉冲数严格成比例，即每输入一个脉冲，电机转子相应转动一步，且在时间上与输入脉冲同步。 (2) 电机转子转速随输入信号的脉冲频率而变化。改变输入脉冲频率，即可实现平滑的无级调速，且调速范围相当宽。 (3) 借助控制线路，易于获得正反转、间歇运动等特殊功能。 (4) 转子的转动惯量小，启动、停止时间短。一般在信号输入几毫秒或几十 毫秒后，即能使电机转动或达到同步转速。信号切断后，电机立即停止转动。 (5) 输出转角精度高， 一般步进电机的精度为步进角的 3无累积误差。 (6) 步进电机的工作状态对各种干扰因素不敏感。 第三章 机械部分设计 - 18 - 因此，步进电机被广泛应用于开环结构 的 机电 一 体化系统，使系统简化 ，并 可 靠地获得较高的位置精度。 进电机的种类 步进电机的种类很多，有旋转式步进电机，也有直线步进电机 。 从 励磁 相数 来分有三相、 四 相、五 相 、六相等步进电机。就常用的旋转式步进电机的转子结构来说，可将其分为 以 下三种 ： 1. 可变磁阻（ 型 该 类电机 由 定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁 钢 制的齿形转子作步进驱动 ， 故又称作反应式步进电机。其结构原理如图 3示。其定 子 1 与转子 2 由 铁 心构成。没有永久磁铁，定子上嵌有线圈。转子在定子与转子磁阻最小位置上转动，并由此而得名可变磁阻型。这类电机转子结构简单、转子直径小，有利于高速响应。由于 步进电机的铁心无极性，常有吸引力，故不需收变电流极性。为此，多为单极性励磁 。 该类电机的定子与转子均不含永久磁铁。故无励磁时没有保持力。另外，需要将气隙作得尽可能小，例如 几个微米。这种电机具有制造成本高、效率低、转子的阻尼差、噪声大等缺点。但是，由于其制造材料费用底、结构简单、步距角小，随着加 工 技术的进步 ，有 望成为多用途的机种。 图 3变磁阻型（反应式）三相步进电机断面图 2. 永磁（ 步进电机的转子采用永久磁铁、定子采用软磁钢制成。绕组轮流通电 ， 建立的磁场与 永久 磁铁的 恒定磁场 相互吸引 与 排斥产生 转矩 。这种电机由于采用了永久磁铁，即使定子绕组断电 也能保持 一 定转矩，故具力记忆能力。可用作定位驱动。 电机的特点是励磁功 第三章 机械部分设计 - 19 - 率小、效率高、造价便宜，因此需要量也大。由于转子磁铁的磁化间距受到限制，难于制造，故步距角较大。与 相比转矩大，但转子惯量也较大。 3. 混合（ 这种电机转子上嵌有永久磁铁，故可以说是永磁型步进电机。但从定子和转子的导磁体来看，又和可变磁阻型相似。所以是永磁型和可变磁阻型相结合的一种形式，故称为混合型步近电机。它不仅具有步进电机步距角小、响应频率高的优点，而且还具有 步进电机励磁功率小、效率高的优点 ， 是 一 种很有 发展前途的步进电机。 从经济成本与实际需求 等方面 综合考虑， 此 处选用 反应式步进电动机 。 进电机的工作原理 图 3反应式步进 电机 的工作 原理 图 。 其 定 子有 6 个均匀分布的磁极、 每两 个相对 磁极 组成 一 相 ， 即 A A、 B B、 C C三相 。 磁极上绕有励磁绕组。假定转 子 具有 均匀 分布的 N 个齿 ， 当 A、 B、 C 三个 磁极 的绕组依次通电时 ， 则A、 B、 C 三对磁极依次产生磁场吸引转子转动 。 图 3相反应式步进电机 如图 a 所示，如果先 将电脉冲加到 A 相 励磁 绕组 ， 定 子 A 相 磁极 就产生磁通，并 对 转 子产生磁拉力， 使转子的 1、 3 两 个 齿与 定子的 A 相 磁极对齐。而后 第三章 机械部分设计 - 20 - 再将电脉冲通 入 B 相励磁绕组 ， B 相磁 极便产生磁通，由 图 b 可看出 ， 这时转子 2、 4 两个齿与 B 相磁极靠得最近 。 于是转 子 便沿着反时钟方向转过 30 角 ，使转 子 2、 4 两个齿 与 定子 B 相磁极对齐。如果 按 照 A B C A 的顺序 通 电，转子则沿反时针方向 一 步步地转 动。 每步转过 30 ，这个角度就叫步距角。显然 ， 单位时间内 输入 的电脉冲 数 越多，即电脉冲频 率 越高 ， 电机转速 就 越高。如果核 A C B A 的顺序通电，步进电机将沿顺 时 针方 向一 步步地转 动。 从一相通电换接 到 另一 相通电称 为 一拍，每一拍 转 子 转动一个步距角。像 上 述 的步进电机，三相励磁绕组依次单独通电运行。换接三 次完 成一个通 电 循环 ， 称为 三相单三拍通电方式。 如果使两 相励磁 绕组同时通电，即按 序通电 ， 这种通电方式称为三相双 三拍 ，其步距角仍 为 30 。 图 3相六拍反应式步进电机工作原理 还有一种按三相六拍通电方式工作的步进电机，即按照 A B A 顺序通电，换接六次完成一个通电循环。这种通电方式的步距角为15。其工作过程如图 3示。若将电脉冲首先通入 A 相励磁绕组，转子齿 l、3 与 A 相磁极对齐，如图中 a 所示。然后再将电脉冲同时通入 A、 B 相励磁绕组。这时 A 相磁极拉着 l、 3 两个 齿， B 相磁极拉着 2、 4 两个齿，使转子沿着反时针 第三章 机械部分设计 - 21 - 方向旋转。转过 15角时， A、 B 两相的磁拉力正好平衡，转子静止于图中 果继续按 B C A 的顺序通电，步进电机就沿着反时针方向一步步转动。 进电机的选择计算 工作台尺寸长宽高为 45025040 3重量约为 223N，最大行程为200作台总重量（包括夹具和工件）不超过 350N。 1. 步进电机转轴上启动力矩的计算 钻削时 ： 36 （ N 公式（ 3 其中： P 脉冲当量（ mm/，这里取 mm/ 运动方向的切削抗力 ； 摩擦系数 ； 垂直方向的切削力 ； G 工作台的重量 ； 总机械效率 。 钻削时工作台不进行切削，故0， 0， G =350N， =滚动摩擦轨）， = 5 000 =N由手册可知 ：T=进电机最大静转矩 N 公式（ 3 2. 确定步进电机最高工作频率 第三章 机械部分设计 - 22 - m a xm a ， v （ m/s） 公式（ 3 所以， a x f（ 根据以上参数，初选 反应式 步进电机 55采用三相六拍的通电方式。相数， 3；步距角， 相 电流， 3A； 最大 静 转 矩 ， 50 N 压， 27V；电阻， 配方式，三相六拍；外形尺寸， 55 60； 重量， 转子转动惯量， 310 2m 。 三个方向进给系选用同一型号步进电机。 进电机的控制 步进电机的运行特性跟配套使用的驱动电路有关。驱动电源由脉冲分配器，功率放大器 等 组成。驱动电源是将变频信号源送来的脉冲信号及方向信号按要求的配电方式自动的循环更给电动机各相绕组，以驱动电动机的转子正反向旋转。变频信号源是可提更从几赫兹到几十万赫兹的频率信号连续可调的脉冲信号发生器。因此，只要控制输入电脉冲的数量和频率就可以精确控制步进电机的转角和速度。 1. 控制元件 下面简单介绍一下它的控制元件： (1) 环形脉冲分配器 步进电机的各项绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作，这种使电机的通电 顺序按一定规律变化的部分称为环形脉冲分配器。 (2) 功率放大器 从计算机输出口或从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几毫安，不能直接驱动步进电动，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，使其增达到几至十几倍，从而驱动步进电机运转。 2. 步进电机的细分驱 动技术 本设计步进电机与丝杠直接通过联轴器连接，其速度控制要用到细分控制。在这，对细分控制简单介绍如下。 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过一个步距角。步距角的大小只有两种，即整步工作或半步工作。但在三相步进电机的双三拍通电的 第三章 机械部分设计 - 23 - 方式下两相同时 通电，转子的齿和定子的齿不对齐而是停在两相定子齿的中间位置。若两相通以不同大小的电流，那么转子的齿就会在两齿的中间的任何位置，且偏向电流较大的那个齿。若将通向定子的额定电流分成 n 等分，转子以 原来每个脉冲走一个步距角，变成了每次通电走 1/n 个步距角，即将原来一个步距角细分为 n 等份，从而提高了步进电机的精度，这种控制方法称为步进电机的细分控制，或称为细分驱动。 如果步进电机每一步转动的角度太大，那么在实际操作中将会产生很大的偏差，不利于操作的准确性，如能够减少每一步转动的角度，那 么准确性和稳定性将会有所改善。原设计中的步进电机的规格是每一步转动 若经过 16细分后每一步转动 准确性有了很大改善，实现了细分控制的目的。 使用细分控制的意义在于： (1) 在不改变电机内部参数的情况下，使步距角减小，步进误差减小，即提高分辨率和步距精度。 (2) 改善低频振荡问题。经过细分后，驱动电流的变化幅度大大减小，故转子到达平衡位置时的过剩能量也大为减少；另一方面，控制信号的频率提高了 细分数 )，故可远离转子的低频谐振频率。因此，运用细分驱动不仅能使电机运行平稳，而且还能减弱或 消除振荡。 除了上述特点之外，细分还增加了运行拍数，可以获得较大的起动转矩。 珠丝杠 螺母副 的选用 大多 数 机床的进给运动是直线运动，其动力源又多为旋转运动，因此，在进给传动系统中，常用直线运动机抵如凸轮杠杆机构、齿轮齿条机构 和丝杠螺母机构等将旋转运动变为直线运动。本机床选用丝杠螺母机构。 丝杠螺母机构又称螺旋传动机构，它主要用来将旋转运动变为直线运动或将直线运动变为旋转运动。 丝杠螺母机构 有滑动摩擦和 滚动 摩擦之分。滑 动 丝杆螺母机构结构简单、加工方便、制造成本低、具有自锁功能。但其摩擦阻力大、传动效率低 （ 30% 40%） 。滚动丝杠螺母机构虽然结构复杂、制造成本高 ， 第三章 机械部分设计 - 24 - 但其最大优点是摩擦组力小、传动效率高 （ 92% 98%） 。因此在机电一体化系统中得到 广 泛 应 用。 滚动丝杠螺母机构主要应用在精密机床和数控机床的进给传动中 。此处选用滚珠丝杠螺母 机构 。 珠丝 杠 螺母机构工作原理和特点 滚珠丝杠螺母机构是指在丝杠和螺母之间装有一定数量的等直径滚珠的机构。这样，丝杠和螺母之间的摩擦具有滚动摩擦性质。当丝杠或螺母转动时，滚珠沿着丝杠 螺旋 滚 道滚动。为了防止滚珠从螺母中滚出来 ， 在螺母的螺旋槽两端设 有 回程引导装置，使滚 珠逐个地又回到丝杠和螺母之间，构成了一个闭合的循环回路。 滚珠丝杠螺母机构有如下特点 ： 1. 摩擦损失小，传动效率高 。 一般情况 下， 传动效 率 可达 90%以上，比普通滑动丝 杠 螺母效率提高 3 4 倍 。 因此，在同样载荷下，驱动扭矩较滑动丝征大为减少。 2. 动作灵敏，低速时无爬行现象 。 由 于 是滚动摩擦， 动、静摩擦系数相差很小，所以启动力矩小，动作灵敏，而且在速度很低的 情况下，不易出现爬行现象 。 3. 磨 损小，精度保持性 好， 滚动摩擦比滑动摩擦的磨损小很多，而且滚珠丝 杠 和螺母的螺旋槽都是淬硬的，故 使 用寿命长，精度保持性好 。 4. 可消除 轴 向间隙，轴向刚度高 。 滚珠丝杠通过预紧，可完全消除轴向间隙，使反向无空行程，反向定位精度高 。 5. 摩 擦 系数小，无自锁现象 。这种机构不仅 能把旋转运动变为直线运动，还可将直线运动变为旋转运动，即有运动的可逆性 。 因此当用于垂直传动时须有制动装置或自锁机构 。 6. 工艺 复杂 ， 成本高 ， 滚珠丝杯 、螺母等零件形状复杂，加工精度和表面质量要求高。 所以制造工艺复杂 ， 成本高 。 第三章 机械部分设计 - 25 - 珠 丝杠螺 母 副 的结构 根据该珠的循环方式，可分为两大类： 1. 内循环 滚珠在循环回路中始终与丝杠接触的称为内循环 。图 3单圈 内循环的结构形式 。 在 螺母 的侧孔 中 装一个接通相邻两滚道的 返 向器，利 用平键和外 圆 柱定位，借助 返 向器 迫使 滚珠越过丝杠牙顶进入相邻该道 ，实现 循环 。 通 常 在一个螺母 上采用三个返向器，沿螺母圆周相互错开 120，间隔3734 这种结构由于一个循环只有一 圈 滚珠， 因而回路短，工作滚珠数目少， 流畅性好，摩擦擦损失小，效率高，径向尺寸紧凑，承载能力较大，刚度也高。缺点是返向器的加工较难，需有专门机床才能加工。 图 3圈内循环式滚珠螺母 的结构形式 2. 外循环 滚珠在循环回路中 与丝杠脱离接触的称为外循环。外循环式滚珠螺母可分为盖板式、螺旋槽式、插管式三种机床上常用的螺旋式槽结构。在螺母体上 相隔一定圈 数 （ ） 的螺旋槽上钻两孔与螺旋槽相切，作为滚珠的进口和出口 。 在 螺母体的外圆 表面上，铣出螺旋槽 (螺旋方向与螺母的螺旋线方向相反 )沟通两孔，构成外循环的回路 。 在螺 母 的进出口处各装上一个挡珠器 (返 向器 )。 它是用一段直径 同 滚珠直径相 同的钢丝弯成螺旋形状，再焊上一段螺栓用螺帽固定在螺母的螺旋槽 内，挡珠器的一端修磨成圆弧 形， 与螺 母上的切向孔相 衔接 。 滚珠滚到出口处 时， 被挡珠器的爪端挡住 ，引入回程 道； 滚珠由回程道 滚 到进口处时，被一个挡珠器的爪端顺利地引入螺旋槽 。 两个相切孔在加工时必须 准确 地同螺旋 槽衔接，螺母体上的螺旋回程道也必须同两个切向孔衔接好， 否则运行时滚珠将发生冲击、卡珠或伴随产生滑动摩擦而降低传动 第三章 机械部分设计 - 26 - 效率等不良现象 。 这种结构由于回程道的制造简单、转折比较平缓、便于滚珠返回， 因此 ，外 循环螺旋槽式滚珠螺母结构在各种机床中得到广泛应用 。 珠丝杠 螺母 副 的支撑 方式 滚珠丝杠副支撑 方式通常有以下几种： 1） 双推 自由方式，丝杠一端固定， 一 端自由。固定端轴承同时承受轴向力和径向力。这 种支承方式用于行程小的短丝杠。 2） 双推 支承方式，丝杠一端固定，另一端支承。固定端轴承同时承受轴向力和径向力；支承端轴承只承受径向力，而且能作微量的轴向浮动，可以避免或减少丝杠因自重而出现的弯曲。同时丝杠热变形可以自由地向一端伸长。 3） 双推 双推方式，丝杠两端均固定。 固定端轴承都可以同时承受轴向力和径向力，这种支承方式，可以对丝杠施加适当的预拉力，提高丝杠支承刚度，可以部分补偿丝杠的热变形。 4） 采用丝杠固定、螺母旋转的传动方式，此时，螺母一边转动、一边沿固定的丝杠作轴向移动：由于丝杠不动，可避免受 临界转速的限制，避免了细长滚珠丝杠高速运转时出现的种种问题。螺母惯性小、运动灵活，可实现的转速高。此种方式可以对丝杠施加较大的预拉力，提高丝杠支承刚度，补偿丝杠的热变形。 珠丝杠的选择计算 1. 最大动 载荷 Q 的计算 丝杠最大动载荷可按下式计算： m 式（ 3 其中 ： 载荷系数取为 硬度系数取为 最大的工作负载 ； 第三章 机械部分设计 - 27 - 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 载荷 ， 它的数据可用进给牵引力的实验公式计算： 对于类似矩形导轨的机床 ： m a 3 式中： X 方向的切削力 ； Y 方向的切削力 ； z 方向的切削力 ； G 移动部件的重量 ，这里 对 Y 向丝杠 进行计算 ，即为工作台总重 ； 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，对于类似矩型导轨 k= f =0， 在传动过程中 切削， 所以 0， G=350N， 50= 610 公式（ 3 式中 ： n 滚珠丝杠的转速（ r/ T 使用寿命（ h） 。 对于数控机床， n 一般取 1800 r/T 一般取 15000h, 所以 ， L=60180015000/106 =1620， Q= 3 1620 5N， 查表选用的型号为 内循环 浮动式 双螺母 垫片 预紧 的滚珠丝 第三章 机械部分设计 - 28 - 杠 螺母 副，其主要参数如下： 公称直径：0d=20本导程： t =5球直径：丝杠内径 1d =丝杠外径 d=循环列数 3，额定动负载0000N。 Q合设计要求。 三个方向进给系选用同一型号滚珠丝杠，因为 Y 向负载最大，所以只需对 Y 向丝杠进行校核。 2. 效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 公式（ 3 式中： 螺纹的螺旋升角 ， =0 = 433； 摩擦角；滚珠丝杠副的滚动摩擦系数 f=摩擦角 约等于 10 (f= 9 6 03 3 4 3 3 4 tg 即滚珠丝杠传动效率为 3. 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） F 的作用而引起一个螺距 t 的变化量 1t ,可按下式计算： 1公式（ 3 其中： 第三章 机械部分设计 - 29 - F 轴向 工作负载； t 滚珠丝杠螺距 ； E 弹性模数，对 铜 而言（ E=106 2 ； A 滚珠丝杠的横截面积（按内径而定） 。 6261 t 滚珠丝杠受扭矩 M 作用 而引起一个螺距 t 的变化量 因扭矩很小，可忽略不计。 导程变化总误差 0 2 00 1 0 6 （ m） 查表得 4 级丝杠 允许误差 =16m m， 故该滚珠丝杠满足要求。 4. 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 ，应验算压杆稳定性 。长柱压杆失稳时的临界负载用欧拉公式计算 ： 22L （ N） 公式（ 3 E 丝杠材料的弹性模数，对 钢 而言 E 2 J 截面惯性矩，对实心圆杆而言， 7 （ 4 ； L 丝杠的工作长度 ,对 Y 向丝杠 校核 ， L = 丝杠的轴端系数，由支撑条件决定，本设计是两端 固定 ， = 263 72 N） 第三章 机械部分设计 - 30 - 临界负载 比 称为 为稳定性安全系数果稳定性安全系数 该压杆安全不致失稳 。 4 1 1 1 6 公式（ 3 故此滚珠丝杠不致失稳。 高速 长 丝杠有可能发生共振，需验算其临界转速，不会发生共振的最高转速为临界转速 。而由于本传动系统 ，滚珠丝杠 转速不高且长度短 ， 因此， 临界转速就不 需 校核。 本机床用步进电机直接驱动滚珠丝杠，因为步进电机 有自锁的能力， 所以 需要机械制动装置 。 轨的选用 导轨的作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。 它承受其支承的运动部件和工件 (或刀具 )的质量及切削力。 导轨副主要由承导件和运动件两大部分组成。常用的导轨副的种类很多。按其接触面的摩擦性质 可 分为滑动导 轨、滚动导 轨 、流体介质摩擦 导轨等。 轨应满足的要求 导轨具有承载和导向功能，且多数导轨的摩擦状态为混合摩擦。所以，导轨应满足如下要求： 1. 导向 精度 导向精度主要是指导轨副相对运动时的直线度（直线运动导轨）或圆度（圆周运动导轨）。影响导向精度的因素很多，如导轨的几何精度和接触精度，导轨的结构形式和装配精度，导轨和支承件的刚度和热变形等；对于动压导轨和静压导轨，还与油膜刚度有关。导轨的几何精度直接影响导向精度，因此在国家标准中对导轨纵向直线度及横向直线度的检验都有明确规定。接触精度是指导轨副摩擦面实际接触面积占理论面积的百分比。 2. 精度保持性 精度保持性是导轨保持设计制造的关键，也是衡量机床优劣的重要指标之一。影响精度保持性的主要因素是磨损， 即导轨的耐磨性。常 第三章 机械部分设计 - 31 - 见的磨损形式有：磨料（磨粒）磨损、粘着磨损（或咬焊）和疲劳磨损。磨料磨损通常发生在边界摩擦和混合摩擦状态，磨粒夹在导轨面间随之相对运动，形成对导轨表面的 “ 切削 ”， 使导轨面划伤。磨粒的来源是润滑油中的杂质和切屑微粒。磨料的硬度越高，相对运动速度越高，压强越大，对导轨副的危害就越大。磨料磨损是不可避免的，因而减少磨料磨损是导轨保护的重点。粘着磨损又称为分子机械磨损。在载荷作用下，实际接触点上的接触应力很大，以致产生塑性变形，形成小平面磨损。在没有油膜的情况下，裸露的金属材料分子之间的相互吸引和 渗透，将使接触面形成粘结发生咬焊。当存在薄而不匀的油膜时，导轨副相对运动，油膜就会被压碎破裂，造成新生表面直接接触，产生咬焊粘着。导轨副的相对运动是摩擦面形成粘结咬焊、撕脱、再粘着的循环过程。由此可知，粘着磨损与润滑状态有关，干摩擦和半干摩擦状态时，极易产生粘着磨损。机床导轨应避免粘着磨损疲劳，产生点蚀。同样接触疲劳磨损也是不可避免的，它是滚动导轨、滚珠丝杠的主要失效形式。 3. 刚度 导轨承载后的变形，影响部件之间的相对位置和导向精度。因此要求导轨应具有足够的刚度。导轨的变形包括接触变形、扭转变形以及由 于导轨支承件变形引起的导轨变形。导轨的变形主要取决于导轨的形状、尺寸及与支承件的连接方式、受载情况等。 4. 低速运动平稳性 当进给传动系统低速传动或间歇微量进给时，应保证导轨运行平稳、进给量准确，不产生爬行（时快时慢或时走时停）现象。低速运动平稳性与导轨的材料及结构尺寸、润滑状况、动静摩擦系数之差、导轨运动传动系统刚度有关。低速运动平稳性对高精度机床尤为重要。 5. 简单、工艺性好 此数控钻床采取滚动导轨取代传统的滑动导轨。采用滚动导轨后，使导轨面之间为滚动摩擦而不是滑动摩擦。因此，滚动导轨的摩擦系数 很小，通常 =动、静摩擦系数很接近；运动轻便灵活，滚动导轨起动功率小，运动平稳，不易出现爬行；磨损小，精度保持性好，移动精度和定位精度都较高，重复定位精度可达 滚珠导轨有预加载荷时，导轨的刚度将会增加，但是牵引力也会增加。所以，只要在安装导轨的时候，合理地选择预紧力就可以在一定牵引力的作用下增加导轨的刚度。 第三章 机械部分设计 - 32 - 动直线导轨副的结构 滚动直线导轨副是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及挡板等组成（见图 3当导轨与滑块作相对运动时，钢 球就沿着导轨上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道滚动，在滑块端部钢球又通过返向装置（返向器）进入返向孔后再进入滚道，钢球就这样周而复始地进行滚动运动。返向器两端装有防尘密封端盖，可有效地防止灰尘、屑末进入滑块内部。 图 3动直线导轨副 线运动滚动导轨 副 的特点 滚动导轨作为滚动摩擦轨的一类，具有许多特点： （ 1）摩擦系数小 (运动灵活。 适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约 10 倍 。 （ 2）动、静摩擦系数基本相同，因而启动阻力小，而不易发生爬行。 （ 3） 可以预紧，刚度高。 （ 4）寿命长 。 （ 5）精度高。 （ 6）润滑方便，可以采用脂润滑。 次装填，长期使用 （ 7）由专业厂家生产，可外外购选用。 因此滚动导轨副广泛地被应用于精密机床、数控机床、测量机和测量仪器等。 第三章 机械部分设计 - 33 - 滚动导轨 的缺点是：导 轨面 与滚动体是点接触或线接触。所 以 抗振性 差，接触应力大 ； 对导轨的 表面 硬度、表 面 形状精度和滚动体 的尺寸 精度要求高 。若滚动体的直径 不一 致 ，导轨 表面有高低，会使运动部件倾 斜，产生振动， 影刚运动精度 ；结构复杂、制造困难，成本 较高 ； 对脏物较敏感，必须有良好的防护装 置 。 动直线 导轨副 型号 的选择 本设计采用 四方向等载荷滚动直线导轨副 ， 采用 4 列圆弧接触式及45接触角的钢珠系列设计，提供角的钢珠列设计，提供径向、反径向及横方向四方向的相同额定负荷能力，无论 X、 Y、 Z 等轴的各种安装方式都可以使用，并且 可在维持低摩擦阻力情况下均匀的施以预压，增强四个受力方向的刚性 ，特别适合高精度与高负荷的运动方式。高刚性，四方向等负荷设计，能够均匀的将润滑油脂注入每个循环回路，无论各种安装方式都可以获得最佳的润滑效果，并且提升整体的行走顺畅度与使用寿命，实现高精度、高可靠度及平滑稳定的直线运动需 求 。 滑块的高刚性断面设计与 4 列钢珠 45圆弧接触角的设计，除了提供径向、反径向及横方向四方向的相同额定负荷能力，并且能够施加足够的预压增强其刚性，适合各种安装方式的应用。正面组合（ 合）的圆弧满槽设计，使其具有自动调整的能力，即使给于预压也能够吸收安装误差，并维持平滑稳定、高精度的直线运动。简单圆滑的钢珠回流路径设计，并采用耐衡击的强化合成树脂之钢珠循环配件，运转顺畅度佳，噪音度低 。 所选导轨副型号为 定动载 C=定静载 4.5 定力矩 m， m， 54N m。 三个方向进给系选用同一型号导轨副， X 向导轨长 490Y 向导轨长 290Z 向导轨长 200 杠 轴承 及联轴器 的选用 动轴承的选用 轴承型号的确定取决于丝杠副的安装形式及受力情况等 。 数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母本身的刚度之外，滚珠丝杠正确的安装及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素。 第三章 机械部分设计 - 34 - 螺母座及支承座都应具有足够的刚度和精度。通常都适当加大和机床结合部件的接触面积，以提高螺母座的局部刚度和接触强度，新设计的 机床在工艺条件允许时常常把螺母座或支承座与机床本体做成整体来增大刚度。 机床传动轴的滚动轴承的失效形式，主要是在循环接触应力下的作用，滚动体和滚道表面上出现疲劳破环。即通常所说的疲劳剥落。而丝杠轴承的载荷主要是轴向载荷，径向除丝杠和工作台的 重量 外，一般无外载荷，对丝杠轴承的要求主要是轴向精度和刚度较高，摩擦力矩要小。 为了提高支承的轴向刚度，选择适当的滚动轴承也是十分重要的。国内目前主要采用两种组合方式。一种是把向心轴承和圆锥轴承组合使用，其结构虽简单，但轴向刚度不足。另一种是把推力轴承或向心推力轴 承和向心轴承组合使用，其轴向刚度有了提高，但增大了轴承的摩擦阻力和发热而且增加了轴承支架的结构尺寸。近年来国内外的轴承生产厂家已生产出一种滚珠丝杠专用轴承，这是一种能够承受很大轴向力的特殊向心推力球轴承，与一般的向心推力球轴承相比，接触角增大到 60，增加了滚珠的数目并相应减小滚珠的直径。这种新结构的轴承比一般轴承的轴向刚度提高了两倍以上，而且使用极为方便，产品成对出售，而且在出厂时已经选配好内外环的厚度，装配时只要用螺母和端盖将内环和外环压紧，就能获得出出厂时的预紧力。 为提高支撑刚度，滚珠丝杠副安装为两 端固定，两端均选用接触角为 60接触 推力角接触球轴承 ，其主要特点如下： 1. 接触角大，钢球数多，承载能力高，刚度高。 2. 既能承受轴向载荷，也能承受径向载荷，支撑结构可以简化。 3. 轴承启动摩擦力矩小，降低丝杠副的驱动功率，提高进给系统的灵敏度。 所选轴承型号为 7602015本尺寸：内径 d=15径 D=32度 B=9基本额定动负荷 本额定静载荷 限转速（脂润滑）为 3600 下面对轴承的疲劳寿命进行校核：由机械设计可知 ,轴承的基本额定寿命为： 第三章 机械部分设计 - 35 - ）（）（ h 1 6 6 7 06010 610 公式（ 3 式中： 基本额定寿命； 寿命指数，球轴承 =3；滚动轴承 =10 3 n 轴承工作转速， n=1250 C 基本额定动载荷， C=19600N； 其中： 公式（ 3 冲击载荷系数，取 径向载荷； 轴向载荷； X、 Y 径向动载荷系数和轴向动载荷系数。 X=
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