数控加工中心进给系统设计 毕业设计.doc

1 福 州 职 业 技 术 学 院 毕业论文 论文题目 数控加工中心进给系统设计 系 别 机械工程系 年级专业 10 级数控（1）班 学 号 201002053111 姓 名 指导教师 职 称 年 月 日 2 目 录 一、数控加工中心发展前景 2 二 总体设计 .4 （一）总体设计方案的确定 4 （二）床身设计 4 （三）导轨设计 5 三.进给系统设计 .6 (一) y 轴（纵向）传动部分的设计 7 1、切削力的计算7 2、滚珠丝杆的选择计算8 3、传动齿轮选择.12 4、滚动轴承的选择.13 5、伺服系统选择计算.13 （二）x 轴（横向）传动部分的设计 18 1、切削力的计算.18 2、滚珠丝杆的选择计算.18 3、传动齿轮选择.20 4、滚动轴承的选择.21 5、伺服系统选择计算.22 致 谢 .27 参考文献 .28 福州职业技术学院毕业设计 3 数控加工中心进给系统设计 内容摘要 机械设计是现代制造业中常遇到的问题，随着机械工业的不断发展，对机械加工 设备的要求也越来越高，特别是对高精密度加工机械的要求更加凸显。数控加工中心是现代加工设 备中主要设备之一。数控加工中心是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控 机床。工件经一次装夹后，数控系统能控制机床按不同的工序自动选择和更换刀具，自动改变机床 主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他的辅助功能，依次完成工件几个面上多工序的 加工。而其高精度、高效率的是由其进给系统来保证的，所以加工中心进给系统的好坏直接影响着 机械制造业的发展。 关键词 加工 中心 进给 系统 福州职业技术学院毕业设计 4 一、数控加工中心发展前景 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的 象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行 业（it、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装 备的数字化已是现代化发展的大趋势。 随着科学技术的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越的要求，产 品的更新换代也不断加快，数控机床在机械加工行业中应用越来越广泛。数控机床的 发展，除要满足多功能、高性能的要求外，还要具有自动加工的基本功能，操作，维 修方便。 在数控加工中心发展的本个多世纪的历程中，世界先进制造技术的兴起和不断成 熟，电子的迅速发展，以及各种性能良好的传感器的出现和运用，使加工中心功能日 益完善，自动化、智能化程度越来越高，加工中心正朝着高速化、高精度化、多功能 化、智能化、系统化及高可靠性方向发展。 数控加工中心和数控机床一样，是目前世界上产量最高、应用最广泛的数控机床。 加工箱体类零件的加工中心是在镗床、铣床的基础上发展起来的，称为自动换刀数控 镗铣床，习惯上称加工中心。 数控加工中心是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机 床。工件经一次装夹后，数控系统能控制机床按不同的工序自动选择和更换刀具，自 动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他的辅助功能，依次完 成工件几个面上多工序的加工。由于加工中心能集中完成多种工序，因而可以减少工 件的装夹、测量和机床调整时间，减少了工件的周转、搬运和存放时间，使机床的切 削率达到 80以上，比普通机床高 34 倍。尤其在加工形状比较复杂、精度要求较高、 品种更换频繁的零件时，更具有良好的经济效果。 从 20 世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。 数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、 改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度 机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零 福州职业技术学院毕业设计 5 件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、 需要缩短生产周期的急需零件以及要求 100%检验的零件。数控机床的特点及其应用范 围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。 进入 21 世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制 造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入 世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制 造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代 设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生 产加工的需要。 机械设计是现代制造业中常遇到的问题，随着机械工业的不断发展，对机械加工 设备的要求也越来越高，特别是对高精密度加工机械的要求更加凸显。数控加工中心 是现代加工设备中主要设备之一，加工中心(computerized numerical control machine )简称 cnc，是由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状工件的高效 率自动化机床。加工中心又叫电脑锣。加工中心备有刀库，具有自动换刀功能，是对 工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。加工中心是高度机电一体化的产品，工 件装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具、自动对刀、自动改 变主轴转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序，因而大大减 少了工件装夹时间、测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要 求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效果。 福州职业技术学院毕业设计 6 二 总体设计 （一）总体设计方案的确定 初步确定设计的任务后（初步拟定三种传动方案 即 1 电机直接与丝杠相连；2 电机通过同步带的传动带动丝杠转动；3 电机通过齿轮传动带动丝杠转动）数控机床按 控制方式分为开环、闭环、半闭环，由于采用直流式交流伺服电机的闭环控制方案， 结构复杂，技术难度大，调试和维修困难，造价也高。闭环控制可以达到很好的机床 精度，能补偿机械传动系统中各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响，一般 应用于要求高的数控设备中，由于所改造的数控钻床加工精度不十分高，采用闭环系 统的必要性不大。若采用直流或交流伺服电机的半闭环控制，精度较闭环控制的查， 但是稳定性好，成本较低，调试维修较容易；但是对于经济型数控机床来说必要性不 大。故在本次设计中，采用开环控制步进电机驱动即保证改造后的性能不低于原钻床， 又保证较高的性价比。 在本次设计中采用它带动 x,y 向工作台移动。传动方案 1 的结构简单，三是消除 由步进电动机引起的振动等现象能力较差，故在本次设计中不采用方案 2，同步带传动 保持恒定传动比，传动精度高工作平稳，结构紧凑，无噪声，有良好减振性能，但制 造工艺比较复杂，传递功率较小，寿命较低，故在本次设计中不易采用，所以本次设 计中采用齿轮传动，其主要特点是效率高，结构紧凑，工作可靠，寿命长，传动比稳 定，传动过程中采用消隙齿轮，消除正反转齿轮间隙提高传动精度，性价比高。 在本次毕业设计的工作过程中，技术方面应用滚珠丝杠（工作方式为滚珠丝杠转 动，滚珠丝杠副螺母移动）可以提高加工精度。在可拆卸方面考虑了许多因素由于设 计经验不足，在快卸方便性上考虑有时略有纰漏；在经济性方面采用反应式步进电动 机其性价比高；在满足精度的前提下减少了生产成本。材料的使用上采用了较为广泛 应用的 45 号钢加工成本低且避免使用有毒害的材料污染环境，还可以回收应用；在环 境方面应用消隙齿轮可以有效的降低噪音减少对人体的危害。 福州职业技术学院毕业设计 7 （二）床身设计 机床的床身是整个机床的基础支承件，是机床的主体，一般用来放置导轨、等重 要部件。床身的结构对机床的布局有很大的影响。按照床身导轨面与水平面的相对位 置，立式加工中心通常采用固定立柱式，主轴箱吊在立柱一侧，其平衡重锤放置在立 柱中，工作台为十字滑台，可以实现 x、y 两个坐标轴的移动，主轴箱沿立柱导轨运动 实现 z 坐标移动。本设计中采用加工中心床身取 t 字型结构，立柱固定在其上面，工 作台用十字滑台，在床身导轨上做 x、y 两向移动，主轴箱沿立柱导轨做 z 向移动。 （三）导轨设计 导轨一般可分为滑动导轨和滚动导轨两种。 滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。但传统滑动导轨摩擦阻 力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。目前数控机床已几 乎不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动 导轨。它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。滚动导轨的优点是摩擦系数小， 动、静摩擦系数很接近，不会产生爬行现象，可以使用油脂润滑。 这次设计中采用的是滚动直线导轨。 福州职业技术学院毕业设计 8 三.进给系统设计 数控机床的进给系统必须保证由数控装置发出的控制指令转换成速度符合要求的 相应角位移或直线位移，带动运动部件运动。根据工件加工的需要，在机床上各运动 坐标的数字控制可以是相互独立的，也可以是联动的。总之，数控机床对进给系统的 要求集中在精度、稳定、和快速响应三个方面。为满足这种要求，首先需要高性能的 伺服驱动电动机，同时也需要高质量的机械结构与之匹配。为提高进给系统机械结构 性能主要采取措施有：1.提高系统机械结构的传动刚度 2.采用低而稳定的摩擦传动副 数控机床进给系统多采用刚度高摩擦因数小而稳定的滚动摩擦副，如滚珠丝杠螺母副、 直线滚动导轨等。3.惯量匹配 最佳惯量匹配目的是为保证伺服驱动电机的工作性能 和满足传动系统对控制指令的快速响应的要求。4.提高传动件精度 高质量的机械传 动配合与高性能的伺服电动机使现代数控机床进给系统性能有了大幅度提高。 立式加工中心的进给伺服系统特别是进给系统的传动精度及效率是性能的重要组 成部分。为了保证加工中心进给伺服系统工作的精度、刚度和稳定性，对进给系统结 构的要求是高精度、高刚度、低摩擦和低惯量，设计过程中要尽可能的增大驱动力矩， 提高传动效率，消除反向间隙，增强自动平衡等。 拟定的主要参数如下: 工作台尺寸（长 x 宽）: 509m 工作台行程（x 向）: 6 工作台行程（y 向）: 主轴头垂直行程（z 向） : 50 主轴端面距工作台面距离: 681m 主电机功率: .kw 主轴转速范围（无级调速）: 30in/r 主轴最大输出扭距: 15nm 主轴最大轴向抗力: 快速移动速度（x、y 、z 方 向）: x、y: z: 2min/6in/ 福州职业技术学院毕业设计 9 进给速度范围: 2501min/ 工作台承重: 4kg 刀柄: bt40 坐标定位精度: x: ，y/z:025.02. 重复定位精度: x: ，y/z:11 坐标控制: 三轴控制 数控系统: siemens 802d (一) y 轴（纵向）传动部分的设计 设计过程中，采用步进电动机和滚珠丝杆副。步进电动机与丝杆之间的传动采用 齿轮一级传动式，在设计步进电动机与丝杆的连接时，尽量减少传动间隙。轴承采用 能达到精度要求的。 1、切削力的计算 采用的进给机械简图如图所示： 切削功率 ：cp 由机床设计手册可知切削功率： = （ 3cpk 1） 式中 主轴电动机功率， = ；p5.kw 主传动系数总功率，一般为 ，取 = ；85.078.0 进给系统功率系数，取 =kk96. 则 电动机 消隙齿轮 滚珠丝杆螺母副 工作台 福州职业技术学院毕业设计 10 = =cp96.085.kw2.4 切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大铣削力（或转矩）和最大切削转 速（或转速）来计算。若按最大切削速度来计算，取切削速度 = ，根据公10min/ 式： = （3cp60zf13 2）式中 主切削力（ ） ；zfn 切削速度（ ） ；min/ 则主切削力为： = = =zfcp6031012.46 3n25 根据机床设计手册可得： 纵向切削分力： = xf)9.6(zf 横向切削分力： =y5.0 取 = = =xf6.0zn253.2.19 = = =y56 2、滚珠丝杆的选择计算 滚珠丝杆螺母副，是在丝杆和螺母间，以滚珠为滚动体的螺旋传动机构。是回转 运动和直线运动相互转换的一种新型传动装置，其结构的主要特点是普通丝杆螺母间 的滑动摩擦转变为滚动摩擦，因而摩擦系数小，且它的传动负载比梯形的滑动丝杆要 大得多，精度又高，平稳性好。 在设计过程中，滚珠丝杆的选择要根据机床的实际情况及工作负载情况，计算出 丝杆工作时的最大载荷及丝杆的工作寿命等参数进行选择，最大动载荷必须小于丝杆 的额定动载荷。滚珠丝杆螺母副是标准化生产，其规格型号都按国家标准。其选择的 福州职业技术学院毕业设计 11 详细计算如下： (1) 工作负载计算 计算进给牵引力 。可根据机床设计手册中进给牵引力的实验公式计算mf)(n 则 = + + （3mkxff(zg) 3） 式中 切削分力xf)(n 颠覆力矩影响的实验系数， = ；kk15. 滑动导轨摩擦因数， = ，取 = ；f f8.0.f16.0 工作台承重， =ggn4 则 = =mfn)40253(16.0.591. 2.79 （2）滚珠丝杆寿命计算 根据进给速度和滚珠丝杆螺距计算出丝杆的转速，再根据丝杆转速计算出丝杆的 寿命。 滚珠丝杆转速 ：n = （3nofp 4） 式中 进给速度，取fmin/60 滚珠丝杆的螺距，取op 则 福州职业技术学院毕业设计 12 = = =nofpmin/60ri/1r 寿命计算公式： = （3t610t 5）其中数控机床 可取15000h ，则t = = 万 =t610n65r万9 （3）对大动载荷计算及丝杆型号选择 根据切削力和运动部件的质量引起的进给阻力，计算出丝杆的轴向载荷，再计算 出丝杆副应能承受的最大动载荷 c 最大动载荷计算公式： = （3mhwfft3 6） 式中 寿命，以 为 单位；t610 运转系数，按一般运转 = ，取 = ；wf wf5.12wf2. 硬度系数，为 时， = ，小于 时， ，这里取hhrc60hrc60hf1 = ；hf1 进给牵引力mf 则 = = =cmhwfft3 2.791.938.6 根据 的原则，使选取的滚珠丝杆的额定动载荷大于计算的最大工作动载荷，ac 查现代实用机床设计手册可知，可选择滚珠丝杆的型号为 cdm32065p4，其 公称直径为 ，其额定动载荷为 ，强度满足要求。m32 n82.697250 cdm32065p4滚珠丝杆的参数数值如下表： 福州职业技术学院毕业设计 13 公称 直径/m 基本 导程/ 钢球 直径/ 丝杆 外径/m 螺纹 底径/ 额定动 载荷/n 额定静 载荷/ 接触刚度/ )(mn 滚珠丝 杆型号 0dpwd1d2 循环 圈数 aca0r cdm32065p4 3269.3575267316 （4）效率计算 根据机械原理 ，丝杠螺母副的传动效率的计算公式为： = （3)tan( 7） 式中： 为丝杆螺旋升角，根据 计算得， = 0)14.3arctn(dp253o 为摩擦角，取 =10 则 = =)10253tan(o93. （5）刚度验算 滚珠丝杆工作时受轴向力和转矩的作用，将引起导程 的变化，因滚珠丝杆受转0p 矩时引起的导程变化很小，可以忽略不记，所以工作负载引起的导程变化量为： = （30peafm0 8） 式中 滚珠丝杆导程，取 = ；0p6c. 福州职业技术学院毕业设计 14 材料弹性模量，对于钢，取 （ ） ；empa4106.226/10.2cmn 滚珠丝杠截面积，按丝杆螺纹底径确定，即 = ，则a d7 = = =a2)(d14.3)7.(2265c 所以 = =0p765.1.209cm50. 滚珠丝杆受转矩引起的导程变化量 很小，可以忽略不计，即 = ,所以导 1p 程变形总误差 为：总 = （3总p0总 9） 式中 y 轴（纵向）最大行程，由拟定参数总 中可知， = =总 m50c 则 = = =总p0总 514.6m/7. 由现代实用机床设计手册可知，4 级精度丝杆允许的螺距误差为 ，故此丝杆精度足够。m/75.1/3 3、传动齿轮选择 齿轮传动比的计算。传动比计算公式为： = （3 i036pbp o 10） 式中 步进电动机的步距角b 福州职业技术学院毕业设计 15 丝杆螺距 0p 脉冲当量p 根据系统的脉冲当量，一般情况下普通数控机床取 = 步，选步进电动机p/01.m 的步距角 = ， = ，则bo75.00pm6 = = =i03bp o675.18.0 可选定齿轮齿数为： = =i21z403 由于进给运动齿轮受力不大，且根据优先选用第一系列的原则，可取模数 =m ，齿轮传动效率 = ，由经验公式可知，齿宽 = ，则分度圆直径分别m2i98.0bm20 为： = = =1dzm3264 = = =208 中心距为： = = =a2)(1zm2)43(m7 4、滚动轴承的选择 传动系统的平稳性事检测数控机床性能的一项重要指标。设计过程中要保证加工 的可靠性。轴承的刚度太高，则会造成物不尽其用，增加设计成本，太低会影响到丝 杆的传动精度和寿命。 滚珠丝杆螺母副传递驱动力矩，驱动其来回移动，因此丝杆必须采用三点式支撑 福州职业技术学院毕业设计 16 方式。各方向传动系统的丝杆采用一端轴向固定，另一端浮动的结构形式，使丝杆轴 向留有移动的空间，这种安装方式可以减少机床的振动和传动的误差，避免轴承卡死 的情况发生，适用于较长的卧式安装丝杆。根据额定载荷承载能力在固定端采用一对 角接触球轴承76020225tvp 面对面组配，成对使用能限制两个方向的轴向位移。浮 动端支撑采用6205/p5型深沟球轴承，只承受丝杆的重力。 根据查得的具体的轴承参数可知，76020225tvp 轴承的额定载荷 = ,cn260 而牵引进给力 = 。 ，因此76020225tvp 轴承的承载能力满足要求。mfn2.79cmf 6205/p5轴承的额定载荷 = ， ，所以 6205/p5轴承的承载能力也满足108m 要求。 76020225tvp 轴承的具体参数如下表： 尺寸/ m额定载荷/ n极限转速 /（ minr ） 安装尺寸/ m轴承型号 ddbc0预紧 载荷 / 脂 质量 /kg 1d2gr 7602030tvp 25 62 17 28500 58500 3300 2200 0.144 38 52 1 6205/p5型深沟球轴承的具体参数如下表： 尺寸/ m额定载荷/ n极限转速/（ ）minr 安装尺寸/ m轴承型号 ddbc0预紧 载荷 / 脂 油 质量 /kg 1d2gr 6205/p5 25 52 15 10800 6950 3300 12000 15000 0.13 30 47 1 5、伺服系统选择计算 伺服电动机的种类有很多，在经济型的数控化设计中常选用步进电动机。步进电 动机是将电脉冲控制信号转化成机械角位移的执行元件，通过控制输入点脉冲的数量、 福州职业技术学院毕业设计 17 频率以及电动机绕组通电相序等实现单位时间内通过点脉冲越多，电动机的转速越高。 选择私服电动机应考虑三个要求： 1） 最大切削负载转矩不得超过电动机的额定转矩； 2） 电动机的转子惯量应与负载惯量相匹配； 3） 快速移动时，转矩步得超过伺服电动机的最大转矩。 （1）负载转动惯量计算 负载转动惯量计算可以通过折算到步进电动机轴上的转动惯量计算，计算公式为： = + + （3fj123ijgigb2)180( 11） 式中 折算到电动机上的转动惯量 ；fj )(2cmk 齿轮 的转动惯量 ；11z)(2g 齿轮 的转动惯量 ；2j2ck 滚珠丝杆的转动惯量 ；3 )(2mg 计算参数 工作台 = ， = ， = ，将其折算为电动机轴上的转动惯量为：gn4001.bo75. = =gib2)18(22108.4)75.0138( 265.3cmkg 在本设计中，齿轮可看做材料为钢的圆柱形零件。对于材料为钢的圆柱形零件， 其转动惯量计算公式为： = （3j4108.7bd 福州职业技术学院毕业设计 18 12） 式中 齿宽或者零件轴向长度；b 齿轮直径或者圆形零件的直径d 由前面的计算可知，齿轮的直径 = ， = ，齿轮宽度为 = =1dm642d801b2 ，则cm2 齿轮 转动惯量： = =1z1j44.08.726.cmkg 齿轮 转动惯量： = =2282. 39. 计算丝杆转动惯量时，丝杆直径要采用其螺纹底径进行计算，由前面知道的丝杆 直径可查得其螺纹底径 = ，长度 = ，则丝杆加在电动机轴上的转3dm1.73bm10 动惯量 = =3j447.208. 2.5ckg 则负载总转动惯量为: = + +fj123ijgigb2)18( = 6504796.2 = 8.24cmkg (2) 最大切削负载转矩计算 根据能量守恒原理，电动机等效负载转矩可按下式计算： = mtipf02 取 ，代入前面计算所得的数据，则096. = =mt8.096.014327 3mn52 福州职业技术学院毕业设计 19 如果不考虑起动时运动部件惯性的影响，则起动转矩的计算公式为： =qt5.03m 取安全系数为 ，则5.0 = =q5.0247n 查实用微电机手册 ，当步进电动机为五相十拍时，选步进电动机的起动转矩和 最大静转矩的关系为： = =maxjqt951.0 = = =axjq.47n. 因数控机床对动态性能要求较高，确定电动机以最大静转矩运动时，应满足快速 空载起动所需转矩 的要求：t = （3t0maxtf 14） 式中 快速空载起动时所需的转矩；maxt 克服摩擦所需的转矩；f 丝杆预紧所引起的折算到电动机轴上的附加转矩0 当工作台快速移动时，电动机的转速计算公式为： = （3n0maxpi 15） 式中 快速移动速度，由立式加工中心拟定参数可知为max min/120 代入之前所得的 、 的数据，则i0p 福州职业技术学院毕业设计 20 = =n68.012min/r 由动力学可知： =maxtfj 其中， = ， 为加速时间常数， = ，则tn30t025.s = = =maxfj.31648.24mn. 的计算公式为：ft = （3 ftigp02 16）代入数据，则 = =ft8.096.014321 3mn1 的计算公式为：0t = （30tipf02 17）式中 预加载荷，一般为最大轴向载荷的 ，即0f3/1 = = =0mf312.79. 则 = = =0tip028.096.0143 3mn2 所以 = = =0maxtf2.1.3. （3）步进电动机的最高工作频率计算 步进电动机的最高工作频率计算公式为： 福州职业技术学院毕业设计 21 = maxfax10 代入数据，则 = = =maxf601ax01.2hz 即，步进电动机的最高工作频率为 hz2 在步进电动机的选择过程中，其输出转矩、起动频率和空载运行频率等参数都要 比理论计算值大。由实用微电机手册查得，130bf001反应式步进电动机的空载 运行频率为 ，足够提供此处所需的运行频率，所以可选用 130bf001反应式hz30 步进电动机。 130bf001反应式步进电动机的具体参数如下表： 型 号 相数 保持 转矩 /mn 步距 角() 静态 相电 流/a 空载 运行 频率/hz 空载 起动 频率/ 转动惯量 / 2cmkg 使用 电压 范围/v 质量 /kg 130bf001 5 9.31 0.75 10 30000 3000 40 12-80 10 （二）x 轴（横向）传动部分的设计 立式加工中心的横向进给系统设计的方法与纵向的设计方法类似，也采用步进电 动机和滚珠丝杆副。轴承要能够达到精度要求。 1、切削力的计算 由前面的计算已知： = =zfcp603125n = = =x.z.2.19 福州职业技术学院毕业设计 22 = = =yf5.0zn253.16 2、滚珠丝杆的选择计算 滚珠丝杆传动是数控机床伺服系统驱动的主要部件之一。它的优点是摩擦因数小， 传动精度高，传动效率高达85%98%，是普通滑动丝杆传动的24倍。它的动静摩 擦因数很小，有利于防止爬行和提高进给系统的灵敏度；采用消除反向间隙并预紧措 施，有助于提高定位精度和刚度。采用滚珠丝杆传动，一方面提高了传动精度；另一 方面发挥了滚珠丝杆的优势，提高了其传动的效率及减小损耗。 在设计过程中，滚珠丝杆的选择要根据机床的实际情况及工作负载情况，计算出 丝杆工作时的最大载荷及丝杆的工作寿命等参数进行选择，最大动载荷必须小于丝杆 的额定动载荷。滚珠丝杆螺母副是标准化生产，其规格型号都按国家标准。 横向滚珠丝杆的设计选型方案可参照纵向机械传动部分的设计算的选型方案及选 择原因选择横向滚珠丝杆。 （1）工作负载计算 工作负载的计算可根据机床设计手册进给牵引力的实验公式计算，公式为： = + +mfkyf(zfx2g) 代入前面的 = ； = ； = ，则gn4015.f6.0 = =mf )402.15923(.26.1 n16.987 （2）滚珠丝杆寿命计算 根据进给速度和滚珠丝杆副距计算出丝杆的转速，再根据丝杆转速计算出丝杆寿 命。可参照纵向滚珠丝杆计算出的丝杆寿命，即 = = 万 =t610nt6105r万9 （3）最大动载荷计算和型号选择 根据切削力和运动部件的质量引起的进给阻力，计算出丝杆的轴向载荷，再根据 要求的寿命值计算出滚珠丝杆副应能承受的最大动载荷，其计算公式和纵向最大动载 福州职业技术学院毕业设计 23 荷计算公式一样，即 =cmhwfft3 其中，取 = ； = ；代入其他数据，则wf2.1hf = = =cmwft3 16.2987.13n95.4 根据 的原则，使选取的滚珠丝杆的额定动载荷大于计算的最大工作动载荷，a 查现代实用机床设计手册可知，这里可选择型号为 cdm40065p4的滚珠丝 杆，其公称直径为 ，额定动载荷为 ，强度可满足要求。40 n9.745281 cdm40065p4滚珠丝杆的具体参数如下表： 公称 直径/m 基本 导程/ 钢球 直径/ 丝杆 外径/m 螺纹 底径/ 额定动 载荷/n 额定静 载荷/ 接触刚度/ )(mn 滚珠丝 杆型号 0dpwd1d2 循环 圈数 aca0r cdm32065p4 469.3535287195219 （4）效率计算 根据机械原理 ，丝杠螺母副的传动效率可有式（37）计算，其中取 = ，10 = = ，则0)14.arctn(dp )401.6arctn(2o = =)1ta(no942.0 福州职业技术学院毕业设计 24 （5）刚度验算 滚珠丝杆工作时受轴向力和转矩的作用，将引起导程 的变化，因滚珠丝杆受转0p 矩时引起的导程变化很小，可以忽略不记，工作负载引起的导程变化量可用式（3 8）计算，其中钢的弹性模量取 = （ ） ；丝杆螺纹底径ema4106.226/1.2cmn 确定为 = ，则滚珠丝杠截面积2dcm51. = = =a2)(d14.3)5.(22679c 所以 = =0p67.91.208cm6 滚珠丝杆受转矩引起的导程变化量 很小，可以忽略不计，即 = ,导程变 1p 形总误差 可用式（39）计算，最大行程由拟定参数中可知，总p = = ，则总 m50c = = =总p0总 619.5m/5.7 由现代实用机床设计手册可知，4 级精度丝杆允许的螺距误差为 ，故此丝杆精度足够。m/5.7/3 3、传动齿轮选择 横向电动机与滚珠丝杆的连接也是通过一对齿轮单级传动构成。这样配置的目的 是减少传动链，进而减少传动误差。在纵向的齿轮计算中，选择的脉冲当量为 =p ，这里也可以使用一样的脉冲当量，步距角则可以选择比纵向的步距角小步/01.m 一点，这里可以取 = ， = 则传动比为：bo6.00pm = = =i03bp6.1 齿轮的安装方式一般有两种：一种是齿轮完全暴露的外边，称为开式齿轮传动； 福州职业技术学院毕业设计 25 一种是在经过精确加工而且封闭的箱体内的，称为闭式齿轮传动。闭式齿轮传动一般 转速较高，为了提高传动的平稳性，减小冲击振动，以齿数多些为好，根据机械设 计中齿数的选择，小齿轮齿数可取为 = ,取 = ，则1z4021z2 = = =2i 由于进给运动齿轮受力不大，且根据优先选用第一系列的原则，可取模数 =m ，齿轮传动效率 = ，由经验公式可知，齿宽 = ，则分度圆直径分别m2i98.0bm20 为： = = =1dzm248 = = =2m 中心距为： = = =a2)(1zm2)4(8 4、滚动轴承的选择 轴承的选择，对最终的设计结果会产生影响，所以轴承选择要合适。和纵向的选 择计算一样，丝杆必须采用三点式支撑方式。各方向传动系统的丝杆采用一端轴向固 定，另一端浮动的结构形式，使丝杆轴向留有移动的空间，这样可以减少机床的振动 和传动引起的误差，防止轴承卡死的情况。 由于横向的最大动载荷相对纵向的较大，所以横向的轴承在固定端可采用一对角 接触球轴承7602035tvp 面对面组配，成对使用能限制两个方向的轴向位移。其额定载 荷 = ，远远大于丝杆的最大动载荷 = ，其承载力能满足要求。cn3650mfn2987316 7602035tvp 轴承的具体参数如下表： 轴承型号 尺寸/ m额定载荷/ n预紧 载荷 / 极限转速 /（ inr ） 质量 /kg 安装尺寸/ m 福州职业技术学院毕业设计 26 ddbc0脂 1d2gr 7602035tvp 35 80 21 36500 86500 4800 1700 0.324 51 67 1.5 浮动端支撑可和纵向的选择一样，采用6207/p5型深沟球轴承，只承受丝杆的重力。 6205/p5轴承的额定载荷 = ， ， 其承载能力也满足要求。cn108mf 6205/p5轴承的具体参数如表33所示。 5、伺服系统选择计算 横向传动部分与纵向传动部分的传动方式是一样的，因此也选用步进电动机。 （1）负载转动惯量计算 和纵向负载转动惯量计算一样，横向负载转动惯量计算也可以通过折算到步进电 动机轴上的转动惯量计算。 首先计算折算到电动机轴上的转动惯量，用和之前一样的公式， = ， = ， = ，则gn4001.bo6. = =gigb2)8(22104).0138(28.3cmkg 横向齿轮也可看做材料为钢的圆柱形零件。对于材料为钢的圆柱形零件，其转动 惯量计算可用式（312 ）计算齿轮 、 的转动惯量 、 ，齿轮的直径 =1z21j2d ，齿轮宽度 = ，则m48bcm2 = =1j448.08.723.0cmkg = =223.ckg 查 cdm40065p4滚珠丝杆的具体参数可知，螺纹底径可知 = ，长dm1.35 度 = ，则丝杆加在电动机轴上的转动惯量为：bm20 = =3j4451.32018.7 27.ckg 福州职业技术学院毕业设计 27 所以，负载总动惯量由式（31）计算可得： = + +fj123ijgigb2)180( = .78.02 = 1.cmkg （2）最大切削负载转矩计算 根据能量守恒原理，电动机等效负载转矩可按式（313）计算， 取 ，代0942. 入前面计算所得的数据得： = = =mtipf02198.042.136987 3mn. 如果不考虑起动时运动部件惯性的影响，取安全系数为 ，则3.0 = =qt3.0. 查实用微电机手册 ，当步进电动机为三相六拍时，选步进电动机的起动转矩和 最大静转矩的关系为： = =maxjqt86.0 则 = = =maxjq86.031mn9. 因数控机床对动态性能要求较高，确定电动机以最大静转矩运动时，应满足快速 空载起动所需转矩 如式（ 314）的要求。t 当工作台快速移动时，电动机的转速计算可用式（315）计算。 式中 快速移动速度，由拟定参数可知为max min/120 代入之前所得的 、 的数据，则i0p 福州职业技术学院毕业设计 28 = =n6120min/r 由动力学可知： =maxtfj 其中， = ， 为加速时间常数， = ，则tn30t025.s = = =maxtfj.314.8mn69. 可有式（316）计算，代入数据，得f = = =ftigp02198.042.136 36. 预加载荷，一般为最大轴向载荷的 ，即0f/ = = =0fm36.7n2.95 可根据式（3 17）计算，代入数据，得0t = = =0tip02198.042.136795 3m. 综合以上各式，得 = = =0maxtf.6n34. （3）步进电动机的最高工作频率计算 步进电动机的最高工作频率用式（318）计算，代入数据，得 = = =maxf601ax01.2hz 即，步进电动机的最高工作频率为 z2 在步进电动机的选择过程中，其输出转矩、起动频率和空载运行频率等参数都 要比理论计算值大。为了避免步进电动机选型太过复杂和麻烦，在符合要求和条件 的情况，横向可以选用与纵向同样的步进电动机，由实用微电机手册查得，纵 福州职业技术学院毕业设计 29 向使用的110byg350b 三相混合式步进电动机的空在运行频率为 ，足够hz30 提供此处所需的运行频率，所以可选用110byg350b 三相混合式步进电动机作为 横向的伺服电动机。 110byg350b 三相混合式步进电动机的具体参数如下表所示： 型 号 相数 保持 转矩 /mn 步距 角 () 静态 相电 流/a 空载 运行 频率/hz 空载 起动 频率/ 相电 感/m 转动惯量 / 2ckg 使用电 压范围 /v 质量 /kg 110byg350b 3 12 0.75 2.8 30000 1600 30 12.6 80-325 10 福州职业技术学院毕业设计 30 结论 毕业设计是对我们大学期间所学知识的一次总结与运用，是对以前每门课程设计 的提炼和综合，是对所学知识的一次彻底检验，也是对我们学生设计和创新思维的启 发和开拓。在开始选择课题的时候，我因为对数控机床比较感兴趣，所以就选择了关 于数控机床方面的课题。我所在的组设计的是一台加工中心机床，我主要对其中的 x 轴方向即横向进给系统和 y 轴方向即纵向进给系统进行设计。设计之初，我首先上网 搜索了有关加工中心方面的知识，对数控机床特别是加工中心的发展现状和发展趋势 有了进一步的了解，以及加工中心整体结构、性能、原理等方面的了解，这让我学习 到了很多新的知识。设计的时候，我们对学校工程训练中心的数控机床及一些数控车 床特别是数控加工中心进行了观察了