微型数控三轴联动数控铣床得设计—毕业设计论文.doc

毕业设计论文题目：微型数控三轴联动数控铣床得设计摘 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、便于教学、应有一套微型数控铣床。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精密三轴联动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。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，决定采用固定龙门式结构，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、z进给选用相同的步进电机、滚珠丝杠等零部件。本文详细的论述了微型精密三轴联动数控铣床的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：数控铣床；机械系统；精密；微型abstractwith 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: cnc milling machines; mechanical systems; accurate; minisize目 录摘 要iabstractii第1章 绪论11.1 数控机床的发展与现状11.1.1 国际微型数控机床的发展与现状11.1.2 我国微型数控机床的发展与现状21.2 选题的背景和意义21.3 研究的目的和任务3第2章 微型数控铣床总体设计方案42. 1 常见微型数控铣床设计方案分析42.1.1 微型数控铣床的分类42.1.2 立式铣床的常用布局形式52.2 微型数控铣床的布局形式82.3 微型数控铣床总体传动方案的设计8第3章 主轴驱动的设计93.1 主轴驱动及其控制93.1.1 对主轴驱动的要求93.1.2 主轴驱动及其控制方式103.2 主传动系统的设计与计算103.2.1 铣削力的计算103.2.2 主轴电机的选择12第4章 进给系统的设计134.1 进给系统的机械结构特点134.2 滚珠丝杠的选择与安装方式的选择144.2.1 滚珠丝杠特点144.2.2 安装方式分类144.2.3 丝杠旋转类安装形式154.2.4 支撑轴承选型174.3 y方向进给系统设计174.3.1 基本导程174.3.2 滚珠丝杠的选择计算184.3.3 刚度的验算204.3.4 稳定性验算214.4 x、z方向进给系统设计224.5 导轨的选型计算224.5.1 导轨的形式及选择224.5.2 载荷计算234.5.3 安装注意事项284.6 步进电机选型计算29第5章基于catia的设计与装配325.1 catia设计325.2 catia装配33结 论35致 谢36参考文献37contentsabstracticontentsvchapter 1 introduction11.1 cnc machine status and development trend11.1.1 international trends mini cnc machine tools11.1.2 micro cnc machine tools of development and industrialization11.2 background and significance topics21.3 research objectives and tasks3chapter 2 micro cnc milling overall design scheme42.1 common mini cnc milling machine design analysis42.1.1 classification of micro-milling machine42.1.2 the layout of the form commonly used vertical milling machine52.2 micro cnc milling machine layout of the form82.3 overall drive mini cnc milling program design8chapter 3 mini cnc milling spindle drive and mechanical design93.1 spindle drive and control93.1.1 the requirement for spindle drive93.1.2 spindle drive and control103.2 design and calculation of main transmission system103.2.1 calculation of milling force103.2.2 spindle motor selection12chapter 4 the feed system design134.1 the mechanical feed system structural characteristics134.2 ball selection and installation choices144.2.1 ball features144.2.2 installation category144.2.3 mounting screw rotating class154.2.4 support bearing selection174.3 y direction feed system design174.3.1 basic lead174.3.2 calculation ball choice184.3.3 checking stiffness204.3.4 stability checking214.4 x, z direction feed system design224.5 sizing guide224.5.1 form and selection guide224.5.2 load calculation234.5.3 installation precautions284.6 stepper motor sizing29chapter 5 design and assembly based on catia325.1 catia design325.2 catia assembly33conclusions35acknowledgements36references3740第1章 绪论1.1 数控机床的发展与现状1.1.1 国际微型数控机床的发展与现状自1970年首次提出为小型化机床的概念以来，日本、美国、德国等发达国家在微型机床研制领域取得了丰硕的成果，然而国内在微型机械研制领域内，对微型机床的研究才刚刚起步。微小型机械制造系统被誉为20世纪10大关键技术之首。日本、美国和欧洲等发达国家都投入了大量的人力、物力和财力进行研制与开发。日本是最早开发为小型加工单元的国家。2000年“科学技术周”期间日本又展示了手提式为小型加工系统，该系统是集车削、钻削、磨削、冲压及搬运机械手于一体的微小零件制造系统，验证了“微小机床加工微小零件”的可行性。美国佐治亚理工学院、麻省理工学院、加州大学伯克利分密西根大学、威斯康辛大学等都针对微小型制造系统展开了广泛的研究，一些研究成果已经成功应用于航天航空、生物医疗等领域。德国啊哼工业大学、卡尔斯鲁厄大学今年也开展了淬火钢和硬铝材料微型零件的微铣削技术研究，卡尔斯鲁厄大学与奔驰合作研制了世界上首台转速为160000rpm的精密微小铣床，用以加工微小磨具，实现了用微小设备高速加工微小零件。由此可以看出国际上的一些研究已经很先进了。由文献2,3,4可知，总的发展趋势向高精化、运动高速化、高柔性化、高自动化、高可靠性、智能化、复合化、网络化、开放式体结构等方向发展。其最新发展向高速度高精度化、多功能化、引进自适应控制技术、数控系统将采用更高集成度的电路芯片以提高可靠性、计算机辅助设计/计算机辅助制造图形交互式自动编程、工序集约化等方向发展。1.1.2 我国微型数控机床的发展与现状微型立式数控铣床不是传统数控铣床直接微型化，它远超出了传统铣床的概念和范畴。微型数控铣床在尺度效应、结构、材料、制造方法和工作原理等方面，都与传统铣床截然不同。我国对微型数控机床的研究才刚刚起步，目前仅哈尔滨工业大学、南京航空航天大学和上海交通大学和一些机构的科研院开展了相关方面的研究，哈尔滨工业大学精密工程研究所研制的微型精密三轴联动立式铣床被用户满意接受，该铣床建立了nc嵌入pc型开放式数控系统，开发了界面友好的控制软件并集成了视频采集模块。但与国外的技术相比还存在很大差距，我国研制的微型数控机床在稳定性、精度、灵敏度的特性与国外还相差很远。在这一方面还需要我们后来人的不断努力，来赶超外国的先进技术。1.2 选题的背景和意义随着民用和国防等众多领域对微小型化产品需求的不断增加，人们开始越来越关注微小零件的设计与加工问题。微细铣削加工技术在制造复杂三维几何形状微小零件中具有重要的作用。然而，目前许多由金属材料制成的三维微小零件都是在常规尺寸的超精密机床上加工而成的，这些机床成本高、效率低、能耗大、主轴转速相对较低，微小型机床的诞生就是为了解决这些问题。微小型机床不仅有助于提高空间利用率和降低成本，而且由于惯性减小，从而容易达到高速加工和高精度运动控制6。由文献7,8,9可知，传统的加工系统中，有很多最终产品的尺寸很小，但是机床却很大的情况。比如手表、照相机，手机等零件一般长几毫米、重几毫克，而使用的机床却达几米。机床的动力和材料消耗近似地与其体积成正比，因此配置与其所加工零件尺寸不相称的大机床，浪费了能源和空间。再者，由于航空航天、电子、医疗等行业和部门，有许多微小零件是采用传统机床无法加工或加工困难的，因此微型机床的研发是有需求的也是有市场的。微型机床具有体积小、成本低、效率高、占地面小、加工精度高、容易普及、等优点。而大型机床占地面积大，价格昂贵，浪费能源，使得一些高校没有能力为学生提供较好的实际加工和上机操作的机会。学生就无法获得更多的加工经验，只掌握枯燥的理论知识，过不久就会忘记，也就无法适应现在的企业要求，造成就业难就业率低等现象。而且大型机床价格昂贵，学生大多数是新接触机床，在操作时容易紧张，一个不小心就会把机床碰坏，造成较大的经济损失，严重时还会出现事故。而微型机床恰恰能弥补大型机床在这些方面的不足，由此看来研制微型机床也是必须的。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，特进行了微型三轴联动数控铣床的设计，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，机床的主体尺寸为566mm387mm511mm，机床的工作空间尺寸为200mm155mm126mm。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。1.3 研究的目的和任务本设计的研究目的是利用catia软件对微型精密三轴联动立式铣床进行结构设计，使其达到结构最优化，工艺最简化，成本最低化，精度最高化。充分体现catia软件数字化设计的优越性，以及三维设计的直观，装配设计的仿真性能。本设计的任务是设计并制造出一台微型机床，其零部件除标准件以外全部由学生加工制造，并完成机械部分装配以及电控系统的调试、完成图纸量、编写说明书、完成虚拟样机的仿真。第2章 微型数控铣床总体设计方案2. 1 常见微型数控铣床设计方案分析2.1.1 微型数控铣床的分类首先数控铣床的布局必须满足如加工范围、工作精度、生产效率和经济性等各种要求；确保铣床具有与所要求的加工精度相适应的刚度、抗振性、热变形及噪音水平；应便于观察加工过程，便于操作、调整和维修，便于输送、装卸工件和清理；结构简单，合理可靠，便于加工和装配10。其分类形式主要有两种。1. 按主轴的位置分类(1) 微型数控立式铣床数控立式铣床在数量上，一直占据数控铣床的大多数，应用范围也最广泛。从机床数控系统控制的坐标系来看。目前三坐标数控立铣仍占大多数；一般可进行三坐标联动加工，但是也有部分机床只能进行三个坐标中的任意两个坐标联动加工(常称为2.5坐标加工)。此外，还有机床主轴可以绕x、y、z坐标轴中的其中一个后两个轴，作数控摆角运动的四坐标和五坐标数控立铣。(2) 微型数控卧式铣床与通用卧式铣床相同，其主轴轴线平行与水平面。为了扩大加工范围和扩充功能，卧式数控铣床通常采用增加数控转盘或万能数控转盘来实现四、五坐标加工。这样，不但工件侧面上的连续回转轮廓可以加工出来，而且可以实现再一次安装中，通过转盘来改变工位，进行四面加工。(3) 微型数控立卧两用铣床目前，这类数控铣床已不多见，由于这类铣床的主轴方向可以更换，能达到一台机床上，既可以进行立式加工，又可以进行卧式加工，而同时具备上诉两类机床的功能，其使用范围更广阔，功能更全面，选择加工对象的余地更大，切给用户带来不少方便。特别是生产批量小，品种较多，又需要立、卧两种加工方式时，用户只需要买一台这样的机床就行了。2. 按构造上分类(1) 工作台升降式数控铣床。这类数控铣床采用工作台移动、升降、而主轴不动的方式。小型数控铣床一般采用此方式。(2) 主轴头升降式数控铣床。这类数控铣床采用工作台纵向和横向移动，且主轴垂直向溜板上下运动；主轴头升降式数控铣床在精度保持、承载重量、系统构成等方面据有很多优点，已成为数控机床的主流。(3) 龙门式数控铣床。这类数控铣床可以在龙门架的横向与垂向溜板上运动而龙门架则沿床身作纵向运动。大型数控铣床，因要考虑扩大行程，缩小占地面积及刚性等技术上的问题，往往采用龙门架移动式。2.1.2 立式铣床的常用布局形式由文献11,12,13可知，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应用全面:中型立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。 考虑立式铣床的性能要求的影响，如振动、噪声、热变形、刚度和抗振性，操纵方便的影响，模块化设计法的影响等。通过查阅相关的文献资料，了解到立式铣床基本结构形式通常有如图2-1所示的三种方案。以下是三种立式铣床常见结构：(1) 图2-1所示十字形工作台不易保证大件的结构刚性，当工作台在横向和纵向做大距离滑动时，导轨要承受很大偏载。另外，主轴箱装在立柱上，在加工过程中立柱要承受一个扭转力矩和一个弯曲力矩，因而受力变形大，不利于提高加工精度。立柱带着主轴箱做z向进给运动的优点是能使三个方向的移动分步进行，互不干扰。但当铣床尺寸规格较大时，立柱较高较重，再加上主轴箱部件，将使z轴进给的驱动功率增大，而且立柱过高，部件移动的稳定性将变差。图2-1 单立柱十字滑台结构图2-2 移动龙门式(2) 图2-2工作台固定，能有较好的结构刚性，能加工较大质量的工件，但三个方向的进给属于串联式，累计误差较大，当机床要求规格较高时，不能采取快速进给，不能提高工作率。但这种结构机床的占地面积小，相同尺寸的机床，这种结构可加工的工件可以稍微大些。龙门框架移动式机床在制造技术和成本上都难于和高于工作台移动机床，制造成本大约高出25%。特别是在制造龙门架立柱运行时要做到同步，联接梁固定和稳定整机有着一定的难度。y轴走行时要承受整机重量，驱动力矩大、动作迟缓有惯量，如果重量过轻会造成整机刚性质量下降而不稳定，有飘移震荡的现象。图2-3 固定龙门式(3) 图2-3采用t形床身布局，前床身横置，与主轴轴线垂直，这样的优点是：工作台沿床身方向做y向进给运动，在全部行程范围内工作台均可支撑在床身上，故刚性较好，提高了工作台的承载能力，易于保证加工精度，而且可用较长的工作行程，但是其占地面积也较大。主轴箱装在框式立柱中间，设计成对称结构受力后变形小，也有利于提高加工精度。框式立柱布局要比单立柱式布局少承受一个扭转力矩和一个弯曲力矩，因而受力变形小，有利于提高加工精度；框式立柱布局的热变形是对称的，因此热变形对加工精度的影响小。2.2 微型数控铣床的布局形式为了减少微型铣床占用空间，减少机床整体尺寸，达到精密的要求和满足教学的需要和应尽量节约成本降低加工装配调试难度,并考虑应用的广泛性以及所做项目的实际情况，本设计采用的布局形式为固定龙门式。底座不动，龙门架固定在底座上，工作台在底座上沿y轴运动，z轴溜板在龙门架的支撑下，沿x轴运动。点击与丝杠直接相连，为了减少空间和降低加工难度，主轴采用电主轴的形式。2.3 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与螺母传动来实现。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。1-步进电机；2-电机座；3-保护板；4-电机夹具(2)；5主轴电机；6-工作台；7-滑块；8-导轨；9-底座；10-丝杠；11-侧板；12-电机夹具(1)；13-下连接板；14-挡片；15-直线轴承；16-螺母连接板；17丝杠螺母；18-轴承座；19-长滑块；20上连接板。图2-4 微型数控机床结构图第3章 主轴驱动的设计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较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，更需要主传动有较宽的自动变速范围。(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(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。3.2 主传动系统的设计与计算3.2.1 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向的主插削力以及x、y向的铣削分力、。设零件的加工方式为立式铣削，采用高速钢立铣刀，工件的材料为铝合金。则立铣时的铣削力计算公式为： (3-1)式中 d铣刀直径，mm； z铣刀齿数；n铣刀转速，r/s； ae铣削宽度，mm； ap背吃刀量，mm； fz 每齿进给量，mm。其中，齿数,为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度为，背吃刀量，每齿进给量，铣刀转速。则由式(3-1)求得最大铣削力：采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表查得，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：, ，。则垂直方向的铣削力，受到水平方向的铣削力分别为和。今将水平方向较大的铣削力分配为纵向铣削力和径向铣削力，径向铣削力为。铣削功率 (3-2)式中 则由式(3-2)求得铣削功率：=220.49.42/60000=0.0353.2.2 主轴电机的选择选主轴电机时按铣削计算。铣削时最大的铣削力为：主轴功率所以选电动机为，型号：y90s4型第4章 进给系统的设计4.1 进给系统的机械结构特点微型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。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14,15。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23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。4.2 滚珠丝杠的选择与安装方式的选择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=0.920.98；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；但制造成本高，不能自锁，垂直安装时需有平衡装置16,17。4.2.2 安装方式分类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18。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。由文献19,20可知”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。本设计选用丝杠旋转类。4.2.3 丝杠旋转类安装形式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“双推双推型”，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。 图4-1 “固定固定”型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“双推支承型”。此形式结构较简单，效果良好，应用广泛。图4-2 “固定游动”型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。图4-3 “支承支承”型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”型有时也被错误地叫做“双推自由型”。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。图4-4 “固定自由”型考虑调试安装的方便和对精度的影响，本设计选择常用的安装方式：固定游动形式安装。其转速和精度完全能满足需要。4.2.4 支撑轴承选型 为了承受滚珠丝杠的轴向推力，所以必须选用角接触球轴承，本设计选用7201c，接触角为60o，为市场上最常见的角接触球轴承。购买方便，成本较低。4.3 y方向进给系统设计4.3.1 基本导程系统为开环，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。取电机最高转速，则丝杠最高转速为500 r/min，丝杠基本导程为：4.3.2 滚珠丝杠的选择计算1. 动载荷c的计算 (4-1)式中 载荷系数，取；硬度系数，取；最大的工作负载，n；使用寿命，h。工作负载是指数控机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力，其值可用进给牵引力的经验公式计算，即 (4-2)式中 x方向的切削力，n；y方向的切削力，n；z方向的切削力，n；移动部件的重量，n；导轨上的摩擦系数；考虑颠复力矩影响的实验系数。选用圆形导轨，在正常润滑情况下，在铣削过程中，。则由公式(4-2)求得最大铣削力=1.4145+0.03(220.4+2638+200)=253.9 (4-3)式中 滚珠丝杠的转速，；t使用寿命，h。取，一般取则由公式(4-3)求得使用寿命h则由公式(4-1)求得额定动载荷初步选用系列型号为1605-3滚珠丝杠的，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：基本导程，钢球直径：，丝杠内径，丝杠外径，循环列3，额定动负载，螺母外径，螺母长度。2. 预紧力计算由文献21,22可知，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。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3. 效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率 (4-4)式中：螺纹的螺旋升角，度；摩擦角，度；滚珠丝杠副的滚动摩擦=0.0030.004, 其摩擦角 (=0.0030.004); 螺纹的螺旋升角。 则由公式(4-4)求得效率：0.9654.3.3 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。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,可按下式计算 (4-5)式中 p工作负载，n；t滚珠丝杠螺距，mm；e弹性模数，对钢而言e=20.1；f滚珠丝杠的横截面积(按内径而定)，cm2。则由公式(4-5)求得一个螺距的变化量=0.047cm滚珠丝杠受扭矩m作用而引起一个螺距t的变化量，可以按下式计算 (4-6)式中 在扭矩m的作用下，丝杠每一螺距长度两截面上的相对扭转角；g扭转弹性；对钢而言，g=；滚珠丝杠载面积的极惯性矩。(其中d滚珠丝杠的内径，cm)，m扭矩，；=20.95；=2889.8；=4.31。则由公式(4-6)求得： =3.43如果y方向的滚珠丝杠的长度为40cm，则整个工作长度上的螺距变形总误差=40/0.5=1.7允许误差=15，故该滚珠丝杠满足要求。4.3.4 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。长柱压杆失稳时的临界负载，可用欧拉公式计算 (4-7)式中 e丝杠材料的弹性模数，对钢而言e=2.1；j截面惯性矩，对实心圆杆而言，=1445；l丝杠的工作长度，；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，=1则由公式(4-7)求得临界负载：=1.8n临界负载与工作负载p之比为稳定性安全系数。如果稳定性安全系数大于许用稳定性安全系数，则该压杆安全不失稳。7.08=4所以滚珠丝杠不失稳。4.4 x、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 导轨的选型计算4.5.1 导轨的形式及选择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。1. 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2. 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()；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。3. 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。滑动摩擦导轨的类型主要包括：(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，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。根据本结构和设计的要求，选用圆形截面导轨。4.5.2 载荷计算1. 计算载荷滚珠直线导轨副除具有抗上下、左右四方向的力以外，还能承受左右扭转、前后翻转和平面扭转三个方向的扭矩。在选用时，除了需对受力状态(水平、竖直，侧卧等)，受力结构(受力点与支撑间产生的扭矩)以及起停时的惯性力等进行受力分析外，还需对运动过程的受力变化对导向系统产生的影响进行评估。由文献23可知载荷的选取围绕单个滑座所受的合力进行(静态受力分析按照理论力学常规计算)，通常根据载荷在行程内的变化分段核算，若某个滑座在总行程l内的段内所受的载荷分别为kn则计算载荷为对于载荷呈线性变化的情况，可简化成 对于荷呈全波正弦曲线变化的情况，可简化成对于载荷呈半波正弦曲线变化的情况，可简化成pc=0.75pmax对于同时承受扭矩m(nm)负载的情况，式中 载荷合力，n；滑座的额定静载荷，n；对应方向的额定扭矩，。由于机床工作时导轨会承受铣削力，所以导轨同时承受扭矩，选用公式 (4-8)其中，等于最大铣削力乘以导轨长度的一半，由两根导轨共同承担。所以则由公式(4-8)求得载荷=2.1675+2.6+0.058/0.75=2.197kn选择sbr16型承载式导轨，=2350,长度400mm，直径，安装尺寸，=40，=30，=18.5，=5，=11.7，=18.07，h。2. 计算额定寿命滚珠直线导轨副寿命的衡量标准为：在允许的环境条件中，在承受负载等于额定动载荷c(kn)的情况下，连续导向行程达到50km(基准行程寿命)时有95%(基准可靠度)不产生材料疲劳破坏。由此可得滚珠直线导轨副的额定行程寿命l为：km (4-9)式中 滑座的额定动载荷, kn； 计算载荷, kn；硬度系数。hrc58为基准硬度，低于hrc58时额定动载荷锐减。通常滚珠直线导轨副的硬度为hrc58，故取。温度系数，见表4-1：表4-1