数控技术毕业设计（论文）-DX4050雕铣机X向进给机构设计.doc

1 引 言 从基本结构的工作原理而言，雕铣机是数控钻铣组合机床，但由于其应用目标是“雕 刻” ，因而其机床结构、雕刻加工工艺及雕刻 cad/cam 软件的功能与面向传统工业制造行 业的数控铣床都有很大的差异， “cnc 雕铣”是一项独特的新型数控加工技术。 （1）使用小刀具进行精细雕刻 cnc 雕刻对象的特点是图案复杂、细节丰富、造型奇特、成品精细，如果要实现这样 的加工要求，则必须使用小尺寸的刀具作为基本加工刀具，在很多情况下，雕刻刀具的 刀尖直径不足 0.5 毫米甚至 0.1 毫米以下。使用小刀具进行精细雕刻是 cnc 雕铣的一个 最基本的特征，cnc 雕铣系统的所有其他特点都围绕这个基本的特点的要求而产生。 （2）使用高速精密电主轴 由于 cnc 雕铣使用小尺寸的刀具进行加工，加工中为保证刀具的切削线速度和切削 能力，势必要提高刀具的旋转速度，使用具有高转速能力的电主轴，除高速特性外，还 要求电主轴非常精密，经保持较高的旋转精度和较强的轴系刚性，减少震动和跳动，降 低小刀具雕刻的断刀概率，提高加工精度。 （3）轻型精密的机床结构 cnc 雕铣适合于小工件、小加工量并能满足一定加工精度要求的轻型加工，所以雕铣 机的整体结构较为精巧，具有较强的刚性和齐全的配置：在导轨、防护、冷却等多个部 件和结构上均进行了特殊设计和处理。 （4）高效平稳的控制系统 cnc 雕铣机采用了先进的 hnac 数控系统，机床运动高速平稳，分辩率高，性能稳定。 该系统为 cad/cam 提供接口，可支持多种 cad/cam 软件。根据小刀具雕刻的基本特点， 并结合当前制造业先进的高速铣削（hsm）概念，提出了小刀具高速雕刻思想，主要目标 是提高雕刻效率和雕刻精度，减少小刀具的磨损率，在实际加工中的表现为“高转速、 快进给、小进给、匀切削、稳切削、高效率” 。此项技术是一项整体的系统技术，其实现 除了要求雕铣机具有高性能的硬件支持外，更需要 cnc 雕铣系统的其他组成部分的协同 配合。 cnc 雕铣机从加工原理上讲是一种钻铣加工，同其它机加工手段一样存在着特有的长 处和天生的短处！若 cnc 雕铣对象选择正确，工艺使用合理，cnc 雕铣可以成为赚钱的职 业！若 cnc 雕铣入错了行，陷入弱势， cnc 雕铣就会“勉为其难” ，投资者的回报将会很 2 低。 cnc 雕铣特有的专业优势为：“小刀具的快速铣削” ，擅长做“常规大刀具无法加工 的业务” 。目前，在下述行业中 cnc 雕铣方式用得较为得心应手：模具雕刻业和广告雕刻 业。 （1）模具行业-小刀具独领风骚 cnc 雕铣在工业领域中应用最广泛的是模具业，在模具生产过程中 cnc 雕铣不是主要 加工方式和生产手段，但其作用却非同一般，可谓是“画龙点睛” ，这是由雕刻对象的 “图案、文字和复杂的曲面”特点所决定，当前 cnc 雕铣在模具雕刻领域主要的业务为： 1)紫铜和石墨电极加工 2)五金冲模和精密冲头加工 3)鞋材模具和鞋底模型加工 5)钟表零件加工和轻型 cnc 加工 6)压花（皮纹、花纹）辊轮和圆柱体工件雕刻 7)首板（手板、样板）模型加工 （2）广告雕刻-精雕细刻、力求创意 cnc 雕刻在广告主要应用于沙盘模型、广告标牌和文字标志的制作，这些业务在雕刻 工艺上相对简单，关键是在效果表现上，而且主要突出的是“精雕细刻和求新创异” 。 由于本次设计任务是设计 x 向进给机构，所以，其主要的研究方向便是如何进给， 即丝杠的计算与选型、丝杠支撑方式和轴承的选型以及电动机的计算与选型。影响运动 稳定和定位精度的关键部件就是丝杠和电动机，因此，本次毕业设计针对丝杠与电动机 的选型与计算部分较为详细。 第一章主要介绍了 cnc 雕铣机的组成。第二章阐述了 dx 雕铣机控制方式的选择和 x 向进给机构方案确定，这部分是对本次设计的总体控制方式和传动方式的方案说明。经 过对几种方案的比较，最后决定采用开环控制方式和滚珠丝杠螺母副传动方式。本章还 给出了本次设计的主要技术参数，这些数据都来自设计任务书，由于本人只需设计 x 向 进给机构，故并没有完全使用以上数据。有些数据后面的设计计算用到了，但是任务书 未给，本人就结合文献、资料以及指导老师和工程师的指导做了假定。这一点，我在此 先做说明。第三章是本论文的一个重点部分，内容是滚珠丝杠螺母副的计算与选型。在 3.1 和 3.2 中分别介绍了滚珠丝杠副的特点及工作原理。之后，在 3.3 中分别从丝杠最大动 3 载荷、滚珠丝杠螺母副的选型、传动效率、刚度、稳定性五个方面来计算、选择和校核 滚珠丝杠副，使其保证达到预定要求。第四章内容是丝杠轴承的计算与选型。通过查阅 一些资料和网页，了解到滚珠丝杠副的支承方式主要有四种，便一一列出并作了简要说 明。最后选择了一端固定一端简支的方式。根据丝杠被支承部分的直径选取了轴承型号， 并做了简单计算。第五章内容是电动机的计算与选型，这又是一个重点部分。本次设计 动力采用步进电动机。在 5.1 中，我先说明了步进电动机的性能特点，这也就是选用步 进电动机的原因。在 5.2 中，根据资料，对电动机型号进行了初选。之后又在 5.3 中进 行了校核计算。第六章对联轴器进行了计算与选型。 第一章 cnc 雕铣机介绍 1.1 cnc 雕铣机的组成 雕刻用户最终能够高效地完成实际产品雕刻制作，必须有一个完整的实用 cnc 雕铣 系统作为支持。cnc 雕铣系统从功能上主要由两个相对独立的部分组成。 （1）雕铣 cad/cam 软件-用于雕刻产品的图文设计、形体造型以及计算雕铣产品 的加工刀具路径数据，输出可由 cnc 雕铣机识别、解释并最终完成产品雕刻加工的 nc 代 码。cnc 雕铣机数控系统可被 ug、proe、mastercam、caxa 等多种 cad/cam 软件支持，用 户可根据自己熟悉的 cad/cam 软件选用。 （2）cnc 雕铣设备-即通常据说的 cnc 雕铣机，是 cnc 雕铣机的具体实现部分， 可以解释由雕铣 cad/cam 软件输出的 nc 加工代码，执行加工代码所描述的各种复杂加工 动作，完成雕铣产品的加工。 cnc 雕铣机主要由雕铣机床、电控柜、数控系统三个基本部分组成，如下图 1-1 所 示。 4 图 1-1 dx4050 雕铣机的基本组成部分 数控系统 - 处理解释雕铣 cad/cam 软件生成的 nc 代码，发出加工控制指令， 指挥雕铣机进行各种复杂的加工动作，完成雕铣产品的加工。 电控柜 - 雕铣机的驱动和信号检测部分，根据数控系统发送的控制的控制 指令连接驱动雕铣机本体产生机械运动，并对雕铣机的各种状态进行检测、反馈给数控 系统进行识别和处理。 雕铣机床 - 雕铣机的机械设备部分，通过它完成雕刻、铣削、切割和钻孔 等各种加工方式的机械加工。 1.2 dx4050 雕铣机的床体结构 dx4050 雕铣机床体正面外观部件图如图 1-2 所示。 图 1-21-2 dx4050 雕铣机床体正面外观部件图 各部件的说明如下: （1）地脚：机床底座下面有四个地脚，在安装调试机床时，必须调整地脚把机床床 5 体调平，使工作台处在水平面上。 （2）工作台：其由 x 轴滚珠丝杠及直线导轨驱动，其上有 t 型槽，可以安装台钳进 行装卡、定位。 （3）电主轴：电主轴可高速旋转，带动刀具进行雕刻。 （4）y 轴防护罩：防止灰尘或雕刻碎末进入横梁内。 （5）照明开关：使用照明灯时，按下此开关即可。 （6）冷却液管：冷却液管下端是可变方向油嘴，使用冷却液时要把油嘴对准刀具， 使冷却液沿刀柄流下。 dx4050 雕铣机床体内部结构简图见图 1-3。 图 1-3 雕铣机床体内部结构简图 各部件的说明如下： (1)直线导轨：机床的三个方向运动全部采用直线导轨，充分保证了机床的刚性和机 床的运动速度。 （2）联轴器：步进电机与滚珠丝杠的联接部件，保证了步进电机与滚珠丝杠的同步 运转。 (3)机床电机：机床的三个方向运动均采用步进电动机，与数控系统配套采购，是机 床的动力保证。 (4)x 轴接近开关：即限位开关，遇到撞块后，电路断开，正常运动时为通路。 (5)x 轴开关撞块：撞块有两个，限制 x 轴方向的最大行程。 (6)滚珠丝杠：机床三个方向的运动均采用滚珠丝杠进行带动，是影响机床精度的重 要部件。 6 (7)立柱：横梁的下面，左右各一。 (8)横梁：在立柱上面，其上有 y 轴的直线导轨和驱动部分，电主轴沿横梁左右运动。 (9)y 轴接近开关：作用同 x 轴接近开关。 (10)y 轴开关撞块：作用同 x 轴开关撞块。 (11)z 轴接近开关：作用同 x 轴接近开关。 (12)z 轴开关撞块：作用同 x 轴开关撞块。 (13)刀具夹头：装卡刀具的地方，不同的电主轴卡头不同，但是上刀具时，一定要 按规范进行上刀和卸刀，要检查刀具是否被卡紧。 第二章 dx 雕铣机控制方式的选择和 x 向进给机构方案确定 2.1 dx 雕铣机控制方式的选择 由数控装置发出脉冲或电压信号，通过伺服系统控制机床各运动部件运动。数控机 床按进给伺服系统控制方式分类有三种形式：开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控 制系统。 1）开环控制系统：这种控制系统采用步进电机，无位置测量元件，输入数据经过数控系 统运算，输出指令脉冲控制步进电机工作，如图 2-1 所示，这种控制方式对执行机构不 检测，无反馈控制信号，因此称之为开环控制系统（又称为步进式伺服驱动系统） 。开环 控制系统的设备成本低，调试方便，操作简单，但控制精度低，工作速度受到步进电机 的限制。 图 2-1 开环控制系统示意图 2）闭环控制系统：这种控制系统绝大多数采用伺服电机，有位置测量元件和位置比较电 路。如图 2-2 所示，测量元件安装在工作台上，测出工作台的实际位移值反馈给数控装 置。位置比较电路将测量元件反馈的工作台实际位移值与指令的位移值相比较，用比较 的误差值控制伺服电机工作，直至到达实际位置，误差值消除，此称之为闭环控制。闭 环控制系统的控制精度高，但要求机床的刚性好，对机床的加工、装配要求高，调试较 复杂，而且设备的成本高。 7 图 2-2 闭环控制系统示意图 3）半闭环控制系统：比较电路,与指令中的位移值相比较，用比较的误差值控制伺服电 机工作。这种用推算方法间接测量工作台位移，不能补偿数控机床传动链零件的误差， 因此称之为半闭环控制系统。半闭环控制系统的控制精度高于开环控制系统，调试比闭 环控制系统容易，设备的成本介于开环与闭环控制系统之间。 图 2-3 半闭环控制系统 综上所述，由于 dx4050 雕铣机 x 向进给机构需要较为精确的定位和平稳的运动，而 且该机床是一种小型钻铣加工设备，不需要太复杂的控制装置，同时要尽量降低成本， 并减少设备调试的工作量，所以本次设计采用开环控制系统。 步进式伺服驱动系统是一个开环系统，在此系统中，步进电机的质量、机械传动部分 的结构和质量以及控制电路的完善与否，均 会影响到系统的工作精度。要提高系统的工作 精度，应从这几个方面考虑：如改善步进电机的性能，减少步距角；采用精密传动副，减 少传动链中传动间隙等。但这些因素往往由于结构和工艺的关系而受到一定的限制。为此， 需要从控制方法上采取一些措施，弥补其不足。 （1）细分线路 所谓细分线路，是把步进电机的一步再分得细一些。如十细分线路，将原来输入一个 进给脉冲步进电机走一步变为输入10 个脉冲才走一步。换句话说，采用十细分线路后，在 进给速度不变的情况下，可使脉冲当量缩小到原来的。1/10 若无细分，定子绕组的电流是由零跃升到额定值的，相应的角位移如图 2-4（a）所示。 采用细分后，定子绕组的电流要经过若干小步的变化，才能达到额定值，相应的角位移如图 2-4 (b)所示。 8 o t 图5-15 细分前后一步角位移波形图 o t (a) 无细分 (b) 细分后 (a) (b) 图 2-4 细分前后一步角位移波形图 （a） 无细分 （b） 细分后 （2）齿隙补偿 齿隙补偿又称反向间隙补偿。机械传动链在改变转向时，由于齿隙的存在，会引起步 进电机的空走，而无工作台的实际移动。在开环伺服系统中，这种齿隙误差对于机床加工 精度具有很大的影响，必须加以补偿。齿隙补偿的原理是：先测出齿隙的大小，设为 ； d n 在加工过程中，每当检测到工作台的进给方向改变时，在改变后的方向增加个进给脉冲 d n 指令，用以克服因步进电机的空走而造成的齿隙误差。 （3）螺距误差补偿 在步进式开环伺服驱动系统中，丝杠的螺距积累误差直接影响着工作台的位移精度， 若想提高开环伺服驱动系统的精度，就必须予以补偿。补偿原理如图 2-5 所示。通过对丝杠 的螺距进行实测，得到丝杠全程的误差分布曲线。误差有正有负，当误差为正时，表明实 际的移动距离大于理论的移动距离，应该采用扣除进给脉冲指令的方式进行误差的补偿， 使步进电机少走一步；当误差为负时，表明实际的移动距离小于理论的移动距离，应该采 取增加进给脉冲指令的方式进行误差的补偿，使步进电机多走一步。具体的做法是： 1) 安置两个补偿杆分别负责正误差和负误差的补偿； 2) 在两个补偿杆上，根据丝杠全程的误差分布情况及如上所述螺距误差的补偿原理， 设置补偿开关或挡块； 3) 当机床工作台移动时，安装在机床上的微动开关每与挡块接触一次，就发出一个误 差补偿信号，对螺距误差进行补偿，以消除螺距的积累误差。 9 图 2-5 螺距误差补偿原理 曲线1理想的移动（没有螺距误差） 曲线2实际的移动（有螺距的误差） 曲线3补偿前的误差曲线 曲线4补偿后的误差曲线 2.2 数控机床对进给传动系统的基本要求 进给传动系统的精度、灵敏度、稳定性直接影响数控机床的定位精度和轮廓加工精 度。从系统控制的角度分析，其中起决定性作用的因素主要有：（1）传动系统的刚度和 惯量，它直接影响进给系统的稳定性和灵敏度。 （2）传动部件的精度与传动系统的非线 性，它直接影响系统的位置精度和轮廓加工精度。 传动系统的刚度和惯性主要取决于机械结构设计，而传动系统的间隙、摩擦死区则 是造成传动系统非线性的主要原因。因此，数控机床对机械传动系统的要求可以概括如 下： （1） 提高传动部件的刚度； （2） 减小传动部件的惯量； （3） 减小传动部件的间隙； （4） 减小系统的摩擦阻力。 2.3 x 向进给传动方案的选择 2.3.1 数控机床进给传动系统的基本形式 10 数控机床的进给运动可以分为直线运动和圆周运动两大类。直线进给运动包括机床 的基本坐标（x、y、z 轴）以及和基本坐标轴平行的坐标轴（u、v、w 轴）的运动；圆周 进给运动是指绕基本坐标轴 x、y、z 回转的坐标轴运动。本次设计的 x 向进给机构采取 直线进给运动。 在数控机床上，实现直线进给运动主要有三种形式：（1）通过丝杠（通常为滚珠丝 杠或静压丝杠）螺母副，将电动机的旋转运动变为直线运动。 （2）通过齿轮、齿条副， 将电动机的旋转运动变为直线运动。 （3）直接采用直线电动机进行驱动。 2.3.2 以上几种传动方案的简介和比较 （1）滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠螺母副具有以下特点：1）摩擦损失小，传动效率高；2）丝杠螺母之间预 紧后，可以消除间隙，提高了传动刚度；3）摩擦阻力小，而且几乎与运动速度无关，动、 静摩擦力的变化也很小，不易产生低速爬行现象；4）长期工作磨损小，使用寿命长，精 度保持性好。因此，在数控机床上得到了广泛应用，是目前中、小型数控机床最为常见 的传动形式。 但由于它有运动的可逆性，即一方面能将旋转运动转换为直线运动，反过来也能将 直线运动转换为旋转运动，不能实现自锁。当用在垂直传动或水平放置的高速大惯量传 动中必须装有制动装置，使用具有制动装置的伺服驱动电动机是最简单的方法。另外， 为了防止安装、使用时螺母脱离丝杠滚道，在机床上还必须配置超程保护装置，这一点 对于高速加工数控机床来说尤为重要。 （2）静压丝杠螺母副 静压丝杠螺母副是通过油压在丝杠和螺母接触面之间，产生一层保持一定厚度，且 具有一定刚度的压力油膜，使丝杠和螺母由边界摩擦变为液体摩擦。当丝杠转动时通过 油膜推动螺母直线运动，反之，螺母转动也可以使丝杠直线移动。静压丝杠螺母的特点 是：1）摩擦系数很小，仅为 0.0005，比滚珠丝杠的摩擦损失更小，因此，其起动力矩很 小，传动灵敏，避免了爬行。2）油膜可以吸振，提高了运动的平稳性。3）由于油液的 不断流动，有利于散热和减少热变形，提高了机床的加工精度和光洁度。4）油膜层具有 一定刚度，减少了反向间隙。5）油膜层介于螺母与丝杠之间，对丝杠的误差有“均化” 作用，即可以使丝杠的传动误差小于丝杠本身的制造误差。6）承载能力与供油压力成正 比，与转速无关。但静压丝杠螺母副应有一套供油系统，而且对油的清洁度要求高，如 11 果在运动中供油忽然中断，将造成不良后果。 （3）齿轮齿条副 大型数控机床不宜采用丝杠传动，因长丝杠制造困难，且容易弯曲下垂，影响传动 精度；同时轴向刚度与扭转刚度也难提高。如果加大丝杠直径，则转动惯量增大，伺服 系统的动态特性不易保证，故常用齿轮齿条副。 齿轮齿条副传动用于行程较长的大型机床上，可以得到较大的传动比，进行高速直 线运动，刚度及机械效率也高。但其传动不够平稳，传动精度不高，而且还不能自锁。 采用齿轮齿条副传动时，必须采取措施消除齿侧间隙，当传动负载小时，也可采用双片 薄齿轮调整法，分别与齿条齿槽的左、右两侧贴紧，从而消除齿侧间隙。当传动负载大 时，可采用双厚齿轮传动结构。 (4) 直线电动机驱动 采用直线电动机驱动与旋转电动机驱动相比，它具有以下优点： 1）采用直线电动机驱动，不需要丝杠、齿轮齿条等转换装置即能直接实现直线运动， 因此，它大大简化了进给系统结构，提高了传动效率。 2）旋转电动机本身机械结构由于受到离心力的作用，其旋转速度受到限制；滚珠丝 杠又受转速特征值的约束，转速不能太高。对于高速加工机床来说，虽然可以通过加大 螺距提高进给速度，但是难以提高加速度。采用直线电动机驱动时，则可以不受此限制。 3）旋转电动机必须通过丝杠、齿条等转换机构转换成直线运动，传动环节对精度、 刚度、快速性和稳定性的影响无法避免；并且，这些转换机构在运动中必然会带来噪声。 直线电动机从根本上消除传动环节，故进给系统的精度高、刚度、快速性和稳定性好， 噪声很小或无噪声。 直线电动机的不足之处，主要表现在以下几个方面： 1）与同容量旋转电动机相比，直线电动机的效率和功率因数要低，特别在低速时更 明显。 2）直线电动机，特别是直线感应电动机的起动推力受电源电压的影响较大，故对驱 动器的要求较高，应采用措施保证或改变电动机的有关特性来减少或消除这种影响。 3）在金属加工机床上，由于电动机直接和导轨、工作台做成一体，必须采取措施以 防止磁力和热变形对加工的影响。 综上所述，本次 x 向进给机构采用滚珠丝杠副作为传动系统。 12 2.4 本次设计主要技术参数 （1）主要规格：x 轴最大行程：400mm （2）工作台： 工作台尺寸：475 mm575 mm 工作台平面度：，符合要求。丝杠=20mm，d=19.6mm，导程 4 mm，钢球直径 2.381mm，每个 a c m c 0 d 螺母滚珠有 3 列。预加载荷 /4，即1525n，远大于最大载荷的 1/3。丝杠副精度为 p1 a c 级。 3.3.3 传动效率计算 =0.96 （3- , , tantan3 39 tantan(3 3910 ) 9） 3.3.4 刚度计算 画出此 x 向进给丝杠支承方式草图如下所示。 图 3-1 x 向进给丝杠支承方式草图 最大牵引力为 718 n，支承间距 l=530mm，丝杠螺母及左端（实际是右端）两个轴承 均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的 1/3。 (1)丝杠的拉伸或压缩变形量 1 根据=718 n，=20mm，得 /l=1，可算出 m f 0 d l 5 10 = （3- 1 53 530(1 10530)5.3 10 l mmmm l 10） 由于两端均采用角接触球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高 4 倍， 其实际变形量 （mm）为： =1.325mm （3- 1 1 4 1 3 10 11） （2）滚珠与螺纹滚道间接触变形 2 w 系列 1 列 2.5 圈滚珠，螺旋滚道接触变形 =3.8 ， q m 15 因进行了预紧，所以 =3.8=1.9 （3- 2 1 2 q 1 2 mm 12） (3)滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 3 采用 3346302 型推力角接触球轴承，=15mm，滚动体直径=7.68mm，滚动体数量 1 d q d z=12， （3- 22 3 3 22 718 0.000520.000520.0040 7.68 12 m c q f mm d z 13） 因施加预紧力，故 =0.0040mm=0.0020mm （3- 3 1 2 c 1 2 14） 根据以上计算： =0.001325+0.0019+0.0020=0.005225mm （3- 123 15） 可见总变形量小于定位精度。 3.3.5 稳定性校核 产生失稳的临界负载可用下式计算： k f =25613.07 n （3- 2 27 2 22 22.06 101.9 64 53 z k fei f l 16） 此时稳定性安全系数 （3- 25613.07 36.67 718 k kk m f nn f 17） 可见该丝杠稳定性满足要求。 16 第四章 丝杠轴承的计算与选型 4.1 滚珠丝杠的支承方式简介 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。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。 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，就能获得出厂时已经调整好的预紧力。 滚珠丝杠副支承方式通常有以下几种： (1)双推一自由方式 即丝杠一端固定，另一端自由。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)双推一支承方式 即丝杠一端固定，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)双推一双推方式 即丝杠两端均固定。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 即螺母一边转动、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 17 较大的预拉力，提高丝杠支承刚度，补偿丝杠的热变形。 4.2 丝杠轴承的选择与计算 本次设计中的滚珠丝杠采取一端固定，另一端简支的方式，如图 3-1 所示。 固定端 采用一对推力角接触球轴承，面对面组配。型号为 3346302 。内径 外径 宽为 154213。额定动载荷 c=6100 n。预加载荷=400 n。平均载荷=518n。 0 f m f 轴承寿命： l=4539.4 （4- 0 p p m cc fff 3 6100 400518 6 10 h 1） （4- 66 104539.4 10 21954 60 26760 267 l hhhh 2） 能满足要求。简支端轴承只承受丝杠的部分重量，不需计算，也选择 3346302 型推力角 接触球轴承。 第五章 电动机的计算与选型 5.1 步进电动机的性能特点 步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应角位移的机 电元件。每输出一个脉冲，步进电动机转轴就转过一定角度。这种控制电动机的运动方 式与普通匀速旋转的电动机不同，它是步进式运动的，所以称为步进电动机。步进电动 机角位移量与电脉冲数成正比，电动机的转速与脉冲频率成比。改变脉冲频率的高低就 可以在很大范围内调速，并能迅速起动、制动、反转。若用同一频率的脉冲源控制几台 步进电动机，它们可以同步运行。 步进电动机用作驱动元件具有以下优点：角位移输出与输入的脉冲数相对应，每转 一周都有固定的步数，在不丢步的情况下运行，步矩误差不会长期积累，同时在负载能 力范围内，步矩角和转速仅与脉冲频率高低有关，不受电源电压波动或负载变化的影响， 也不受环境条件的影响，因而可以组成结构简单而精度高的开环控制系统。 5.2 初选步进电动机 （1）计算步进电动机负载转矩 m t 18 （5- 36 36 0.01 718 58.97 220.75 0.99 0.94 pm m b f tn cm 1） （2）估计步进电动机起动转矩 q t （5- 58.97 196.6 0.3 0.50.3 m q t tn cm 2） （3）计算最大静转矩 maxj t 如取五相十拍，则 （5- max 206.7 0.951 q j t tn cm 3） （4）计算步进电动机运行频率和最高起动频率 e f k f （5- 10001000 0.4 666.7 6060 0.01 s e p v fhz 4） （5- max 10001000 1.6 2666.7 6060 0.01 k p v fhz 5） （5）初选步进电动机型号 根据估算出的最大静转矩查得 90bf004 最大静转矩为 245，可以满足要 maxj tn cm maxj t 求。 5.3 校核步进电动机转矩 前面所述为初选步进电动机的转矩计算，均为估算。初选之后，应该进行校核计算。 （1） 等效转矩惯量计算 传动系统折算到电动机轴上的总的转动惯量可由下式计算： j （5- 2 0 2 ms lg jjj g 19 6） 参考同类型机床，初选步进电动机 90bf004，其转子转动惯量 =1.764 ， m j 2 kg cm （5- 3422 0.78 102490.61152 s jkg cmkg cm 7） 代入上式，得 2 0 2 ms lg jjj g 2 3000.4 1.7640.61152 9.82 =2.4497 （5- 2 kg cm 8） 考虑步进电动机与传动系统惯量匹配问题。 /=1.764/2.4997=0.706 （5- m jj 9） 基本满足惯量匹配的要求。 (2)电动机转矩计算 机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算。 1）快速空载起动转矩m 在快速空载起动阶段，加速转矩占的比例较大，具体计算公式如下， （5- max0af mmmm 10） （5- 2 2 maxmax max 210 10 60 60 2 a s s nn mjjj t t 11） （5- max max 360 b p v n 12） 20 将前面数据代入，式中各符号意义同前。 r/min （5- max max 40000.75 833.3 3600.01360 b p v n 13） 起动加速时间=30ms， a t =72.67 （5- maxa m 2 max 210 60 s n j t 2 2833.3 10 2.4997 60 0.03 n cm 14） 折算到电动机轴上的摩擦转矩 f m 0 00 22 f f ffgl f l m ii （5- 0.16 5003000.4 10.19 20.8 n cm 15） 附加摩擦转矩 0 m 002 00 1 2 p fl m i （5- 2 400 0.4 1 0.96.05 20.8 n cm 16） 上述三项合计， =72.67+10.19+6.05=88.91 （5- max0af mmmmn cm 17） 2）快速移动时所需转矩 m （5- 0 10.196.0516.24 f mmmn cm 18） 3）最大切削负载时所需转矩 m max0 00 2 ftf fl mmmmmm i 21 （5- 718 0.4 10.196.0573.71 20.8 n cm 19） 从上面计算可以看出，、和三种工况下，以快速空载起动所需转矩最大，m m m 即以此项作为校核步进电动机的依据。 当步进电动机为五相十拍时， （5- max /0.951 qj mm 20） 则最大静转矩为 （5- max 88.91/0.95193.49 j mn cm 21） 90bf004 型步进电动机最大转矩为 245，大于所需最大静转矩，可以满足此项n cm 要求。 5.4 校核电动机的起动矩频特性和运行矩频特性 前面已经计算出此机床 x 向进给最大快移时需步进电机的最高起动频率为 k f ，切削进给时所需步进电动机运行频率为。2666.7hz e f666.7hz 90bf004 型步进电动机允许的最高空载起动频率为 4000，运行频率为 16000，hzhz 该电动机起动矩频特性曲线和运行矩频特性曲线如图 5-1 所示。 图 5-1 90bf004 型步进电动机的起动矩频特性曲线和运行矩频特性曲线 由上图可以看出，当步进电动机起动，快速运动和切削进给运行时都可以满足工作 需要，所以，90bf004 型步进电动机符合要求。 第六章 联轴器的计算与选型 22 6.1 联轴器的类型和选择时的考虑因素 联轴器是机械传动中常用的部件，其主要用来连接轴与轴（或连接轴与其他回转零 件），以传递运动和转矩。根据联轴器对各种相对位移有无补偿能力，联轴器可分为刚 性联轴器（无补偿能力）和挠性联轴器（有补偿能力）两大类。挠性联轴器又可按是否 有弹性元件分为无弹性元件的挠性联轴器和有弹性元件的挠性联轴器。 选择一种合用的联轴器类型可以考虑以下几点： 1）所需传递的转矩大小和性质以及对缓冲减振的要求； 2）联轴器的工作转速高低和引起的离心力大小； 3）两轴相对位移的大小和方向； 4）联轴器的可靠性和工作环境； 5）联轴器的制造、安装、维护和成本。 6.2联轴器的计算与选型 （1） 类型选择 为