机械毕业设计（论文）-Φ125专用仪表数控车床进给系统设计【全套图纸】

I I 摘 要 目前，我国数控系统和数控车床正处于由研究开发阶段向推广应用阶段过 渡的关键时刻，而125 专用仪表数控车床是常用的数控车床之一。而125 专用仪表数控车床的进给传动机构是该型车床的关键部件之一。本设计即根据 125 专用仪表数控车床技术规格和主要机构对横向和纵向进给机构进行设计。 在设计的时候具体进行了详细的各部件的选型和计算,比如：机床功率和电动 机选用，滚珠丝杠副选用与计算校核，方案设计即提出纵向和横向进给机构的 设计方案，进行有关轴和齿轮强度、刚度校核，进行相关参数选择以及必要的 参数校核计算等。 关键词：仪表车床、数控、传动系统 全套图纸，加全套图纸，加 153893706153893706 II II Abstract At present, our country CNC system and CNC lathe is in by the research development phase to the popularization and application of key transitional stage moments, but125 special instrument used CNC lathe is one of the CNC lathe. And125 special instrument CNC lathes in transmission mechanism of this type of lathe is one of the key components. This design is125 special instrument according to technical specifications and CNC lathe of major institutions horizontal and vertical lathe to carry on the design. In the design of the detailed specific selection and calculation of various components, such as: machine tool power and motor selection, ball screw vice selection and calculation checking, plan design will give longitudinal and transverse lathe, the design of gear on axis and the strength, stiffness checking related parameters selection, and the necessary parameters such as check calculation. Keywords: Instrument lathe、CNC、drive system IIIIII 目 录 摘 要I AbstractII 第 1 章 绪论 .1 1.1 本课题研究的目的与意义 .1 1.2 专用仪表数控机床简介 .1 1.3 国内外仪表数控车床的发展状况 .3 第 2 章 总体设计方案 .4 2.1 专用仪表数控车床的工作原理 .4 2.2 专用仪表数控车床进给运动的设计方案 .5 第 3 章 进给系统的设计与计算 .7 3.1 纵向进给系统的设计与计算 .7 3.1.1 纵向进给系统设计 .7 3.1.2 切削力计算 .8 3.1.3 滚珠丝杠设计计算 .10 3.1.4 选择步进电机的有关计算 .13 3.2 横向进给系统设计与计算 .15 3.2.1 横向进给系统的设计 .15 3.2.2 切削力计算 .16 3.2.3 滚珠丝杠设计计算 .17 3.2.4 选择伺服电机的有关计算 .20 第 4 章 进给系统的结构设计 .23 4.1 床身和导轨 .23 4.2 滚珠丝杠螺母副的设计 .26 4.2.1 滚珠丝杠螺母副的形式 .26 4.2.2 滚珠丝杠螺母副的计算 .28 结 论 .33 致 谢 .34 参考文献 .35 IVIV CONTENTS Abstract.I Abstract.II Chapter 1 Introduction1 1.1 This subject is the purpose of the research and meaning.1 1.2 Special instruments nc machine tools profile.1 1.3 Instruments both at home and abroad the development conditions of the CNC lathe.3 Chapter 2 The overall design scheme.4 2.1 Special instruments numerical control lathe principle of work4 2.2 Special instruments numerical control lathe feed movement design scheme5 ChapterChapter 3 3 In the design of the system and calculated7 3.1 The longitudinal into to the design of the system and calculated 7 3.1.1 In system design longitudinal7 3.1.2 Cutting force calculation.8 3.1.3 Cutting force calculation.10 3.1.4 Choose the step motor relevant calculation.13 3.2 Traverse system design and calculation.15 3.2.1 Traverse the design of the system.15 3.2.2 Cutting force calculation.16 3.2.3 Ball screw design calculation17 3.2.4 Choose the step motor relevant calculation.20 Chapter 4 The design of the structure of the system 23 4.1 Lathe bed and guide rail.23 4.2 Ball screw nut pair of design26 4.2.1 Ball screw nut pair of form .26 4.2.2 Ball screw nut pair of computation.28 Conclusion33 Thanks34 References35 1 1 第 1 章 绪论 1.1 本课题研究的目的与意义 125 专用仪表数控车床进给系统设计，是设计人员根据使用部门的要求 和制造部门的可能，运用有关的科学技术知识，所进行的创造性的劳动。随着 生产的发展，使用部门对专用仪表数控车床的要求也在不断地提高，而科学技 术的发展和工艺水平的提高，又为制造部门创造了实现使用要求的条件，从而 使专用仪表数控车床的设计与制造获得了迅速的发展。这样，既可以加快设计 进程，又可以得到比较理想的设计方案。 当今世界工业国家数控技术的拥有量反映了这个国家的经济能力和国家实 力。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 ,他对国计民生 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。 目前我国是全世界机床拥有量最多的国家，但是我们的机床数控化率仅达 到 1.9%左右，这是与西方工业国家一般能达到 20%的差距太大。数控化率低， 已有数控机床利用率，开动率低，是发展我国 21 世纪制造业的必须首先解决 的最紧要的任务。与发达国家相比，我国数控机床行业在信息化技术应用上仍 然存在很多不足。我国数控技术研究起步晚，质量、技术含量等与国际技术水 平相差甚远，进口划片机价格昂贵，进行自主研发、提高国内数控机床的生产 质量是极其必要且有意义的。因此提高国产数控技术的总体水平，将使我国的 工业水平提高到一个新的档次。 1.2 专用仪表数控机床简介 我国目前仪表机床总量 180 余万台，而其中专用仪表数控机床总数只有 1.34 万台，即我国仪表机床数控化率不到 3。近 10 年来，我国专用仪表数 控机床年产量约为 0.20.4 万台，年产值约为 6 亿元。仪表机床的数控化率 仅为 6。这些仪表机床中,役龄 10 年以上的占 60以上；10 年以下的机床 2 2 中，自动/半自动机床不到 20，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国 和日本自动和半自动机床占 60以上） 。可见我们的大多数制造行业和企业的 生产、加工装备绝大数是传统的仪表机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上 的旧机床。用这种装备加工出来的产品国内、外市场上缺乏竞争力，直接影响 一个企业的的生存和发展。所以必须大力提高仪表机床的数控化率。 而相对于传统仪表车床，数控仪表机床有以下明显的优越性： 1)可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 2)可以实现加工的柔性自动化，从而效率比传统机床提高 37 倍。 3)加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。 4)可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 5)拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，可实现长时间无 人看管加工。 因此，采用专用仪表数控机床，可以降低工人的劳动强度，节省劳动力 （一个人可以看管多台机床），减少工装，缩短新产品试制周期和生产周期， 可对市场需求作出快速反应。此外，专用仪表机床数控化还是推行 FMC（柔 性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及 CIMS（计算机集成制造系统）等 企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技 术。而125 专用仪表数控车床是常用的数控车床之一。而该专用仪表数控车 床的进给传动机构是该型车床的关键部件之一。本设计即根据125 专用仪表 数控车床技术规格和主要机构对横向和纵向进给机构进行设计。在设计的时候 具体进行了详细的各部件的选型和计算,比如：机床功率和电动机选用，滚珠 丝杠副选用与计算校核，方案设计即提出纵向和横向进给机构的设计方案，进 行有关轴的强度、刚度校核，进行相关参数选择以及必要的参数校核计算及绘 制装配图和典型零件图等。设计的目的是培养综合运用基础知识和专业知识， 解决工程实际问题的能力，提高综合素质和创新能力，受到本专业工程技术和 科学研究工作的基本训练，使工程绘图、数据处理、外文文献阅读、程序编制、 使用手册等基本技能得到训练和提高，培养正确的设计思想、严肃认真的科学 态度，加强团队合作精神。 在设计中，先通过参观及查阅等了解有关系统的工作原理，作用及结构特 点。选择合适的算法，根据计算结果查阅手册，得出相关的结构或零件。1,6 3 3 1.3 国内外仪表数控车床的发展状况 数控车床集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的 机电一体化产品。是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性 化等优点的工作母机。数控车床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量 和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要 标志之一。专用仪表数控车床是数控车床的主要品种之一，它在数控机床中占 有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发 展。 仪表数控车床就是指采用了数控技术，用数字指令控制的机床。刀具移动 轨迹的信息用代码化的数字指令穿孔在纸带或卡片上，或者记录在磁带等控制 媒体上，该信息送入数控装置，经过处理与计算，发出各种控制信号，控制机 床的刀具与工件的相对运动，按工件图纸要求的形状与尺寸精度，自动地把零 件加工出来。而经济型数控机床就是指价格低廉，操作使用方便，适合我国国 情的装有数控系统的高效自动化机床。 目前，国产数控仪表车床的品种、规格较为齐全，质量基本稳定可靠，已 进入实用和全面发展阶段。 专用仪表数控车床与国外广泛采用的普及的仪表 数控车床相比，技术含量较低，由于是大多数采用立式 4 工位刀架，定位精度 低，刀具数少，加工范围较窄，加工精度较低，有一定的使用局限性。 在产品设计方面，采用计算机辅助设计（CAD）技术，在加工制造方面， 采用计算机辅助制造（CAM）技术；从在一台设备上如何提高自动化程度来 考虑，出现了多轴数控系统；从一台设备上实现多工序自动控制来考虑，出现 了加工中心；从计算机运算速度高来考虑，出现了群控系统或直接控制系统； 从程序编制来考虑，出现了自动编程语言系统；从切削过程是否达到最佳状态 来考虑，出现了自适应控制数控车床；从机械加工高度自动化的方面来考虑， 出现了柔性制造系统（FMS） ；从高性能的电子器件方面来考虑，用于一般的 计算机工业中的各种处理器、存储器、通信链路以及高分辨率的彩色阴极射线 管显示器、平面彩色液晶显示器等，正在结合到数控产品中；数控运动控制导 致的另一发展趋势是伺服控制电路与数控相结合。 4 4 第 2 章 总体设计方案 本章提出设计的总体方案主要是针对这台仪表车床的进给运动设计，分析 典型的专用仪表数控车床的工作原理，解释如何使滑鞍机构和工作台实现轴向 和横向移动。最终确定具体重要零件的选取方案。 2.1 专用仪表数控车床的工作原理 专用仪表数控车床的工作原理简单，首先要将被加工零件图上的几何信息 和工艺信息数字化，也就是根据零件形状、尺寸、精度和表面粗糙度等技术要 求制定加工工艺，选择加工参数，将刀具与工件的相对运动轨迹、加工过程中 主轴速度和进给速度的变换、冷却液的开关、工件和刀具的交换等控制和操作， 按规定的代码和格式编写成加工程序吗，然后送入数控系统，数控系统则按照 程序的要求，先进行相应的运算、处理，然后发出控制命令，使各坐标轴、主 轴及相关的辅助动作相互协调，实现刀具与工件的相对运动，自动完成零件的 加工，如图 2-1 所示。 图 2-1 专用仪表数控车床系统原理图 5 5 2.2 专用仪表数控车床进给运动的设计方案 专用仪表数控机床具有很好的柔性，当加工对象变换时，只需重新编制加 工程序即可，原来的程序可存储备用，不必像组合机床那样需要针对新加工零 件重新设计机床，致使生产准备时间过长。 专用仪表数控车床，对于保证和提高被加工零件的精度，主要依靠两方面 来实现：一是系统的控制精度；二是机床本身的机械传动精度。专用仪表数控 车床的进给传动系统，由于必须对进给位移的位置和速度同时实现自动控制。 所以，专用仪表数控车床与普通的仪表车床相比应具有更好的精度。以确保机 械传动系统的传动精度和工作平稳性。数控机械传动系统的要求为： 1)尽量采用低摩擦的传动副。如滚动导轨和滚珠丝杠螺母副，以减小摩擦 力。 2)选用最佳的降速比，为达到数控机床所要求的脉冲当量，使运动位移尽 可能加速达到跟踪指令。 3)尽量缩短传动链以及用预紧的办法提高传动系统的刚度。 4)尽量消除传动间隙，以减小反向行程误差。如采用消除间隙的联轴节和 消除传动齿轮间隙的机构等。 5)尽量满足低振动和高可靠性方面的要求。为此应选择间隙小、传动精度 高、运动平稳、效率高以及传递扭矩大的传动元件。 本设计主要是针对这台仪表车床的进给运动设计，此进给运动系统的总体 设计方案如图 2-2 所示： 6 6 图 2-2 进给运动设计方案 对于数控车床一般采用功率步进电机驱动，一般纵向快移速度6m/min, 横向快移速度不大于 3m/min 步进电机的驱动脉冲当量值通常为：纵向 0.01mm,横向 0.005mm，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副。 2,5,7 7 7 第 3 章 进给系统的设计与计算 3.1 纵向进给系统的设计与计算 3.1.1 纵向进给系统设计 125 专用仪表数控车床一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜 板箱上，带动刀架左右移动。步进电机的布置可放在丝杠的任意一端。如图 3-1 所示。9,10 纵向进给步进电机 变速箱 车床主轴箱 横向进给伺服电机 变速箱 工件 纵向丝杠 横向丝杠 图 3-1 125 专用仪表数控车床进给传动系统总体设计方案图 纵向进给系统的设计计算： 由文献6可知，取125 专用仪表车床的参数如下： 工作台重量： 800WN 时间常数： 25Tms 滚珠丝杠基本导程： 0 5Lmm 8 8 行程： 870Smm 脉冲当量：=0.005mm/step p 步距角： = 1 4 =0.8 0.750.85 =0.96 =4 0.8 0.96=3.072 100/ min =0.4/ =125 =15000 =45968 =1130/ =0.0 030.004 C i a C NkW K NkW vm fmm r Dmm Th CN KNm f E : : 快速进给速度： =2m/min max v 3.1.2 切削力计算 由文献10可知，切削功率KNNC 式中电机功率，查机床说明书，N4NkW 主传动系统总效率，一般为，取0.750.85:=0.8 进给系统功率系数，取为K=0.96K 则 =4 0.8 0.96=3.072 C NkW 9 9 又因为 所以 6120 vF N Z C v N F C Z 6120 式中 v切削线速度，取100/ minvm 主切削力 6120 3.072 =1880 100 Z FN 由文献11可知，主切削力 zz z z F Y X pFZ KfaCF F F 查表得 zzzz 1,0.75,1,1880 FFFF XYKCMPa 则可计算如下表所示 Z F 表 3-1 (mm) p 111 f (mm)0.2 0.30.4 （N） Z F 112515231891 当时，切削深度,走刀量,以此参数作为下=1880 Z FN=2 p amm=0.4/fmm r 面计算的依据。 由文献10可得知，在一般外圆车削时： , ZX FF)6 . 01 . 0( ZY FF)7 . 015 . 0 ( 取 0.50.5*1880940 XZ FF 0.60.6*18801128 YZ FF 1010 3.1.3 滚珠丝杠设计计算 由文献6可知，综合导轨车床丝杠的轴向力： )( WFfKFP ZX 式中 K=1.4,=0.2 f 则 =1.4940+0.2(940+800)=1664NP 1. 强度计算 寿命值 6 10 60 ii i Tn L 00 1000 DL vf L fn ni 主 取工件直径 ，查表得=125Dmm=15000 i Th 则r/min 4 . 20 512514 . 3 4 . 01001000 i n 5 . 22 10 15000 4 . 2060 6 i L 最大动负载 Hwi fPfLQ 3 查表得 运转系数1, 2 . 1 Hw ff硬度系数 则 3 22.5 1.2 1 16645637.18Q 根据最大动负载 Q 的值，可选择滚珠丝杠的型号。由文献7,8可知，型 号：CDM3205-E。丝杠公称直径为32mm，基本导程PK=10mm，其额定动载 荷，额定静载荷，圈数 列数=1.5 2，丝杠螺母副的=16917 a CN 1=45968a CN 接触刚度为，丝杠底=1130/ C KNm 1111 径 27. 9mm，螺母长度为 112mm，取丝杠的精度为 E 级。在本设计中采用双 螺母垫片预紧。两边轴承分别为20mm 的深沟球轴承，型号 6204。25mm 的角接触球轴承，型号 7305C。 2. 效率计算 由文献12可知，丝杠螺母副的传动效率为 )( tg tg 滚珠丝杠副的滚动摩擦系数,其摩擦角=，螺=0.0030.004f:arctgf 10 旋升角 192 则9328 . 0 )10192( 192 tg tg 3. 刚度验算 滚珠丝杠工作时受轴向力和扭矩的作用，它将引起导程发生变化，因 0 L 滚珠丝杠受扭时引起的导程变化量较小，可忽略不计，故工作负载 P 引起 的导程的变化量 EF PL L 0 1 式中cm，E=20.65 . 0mm5 0 L 26 cm/10 滚珠丝杠截面积 222 cm74 . 7 14 . 3 ) 2 14 . 3 () 2 ( d F “+”用于拉伸时， “-”用于压缩时。 则 6 1 6 1664 0.5 5.22 10 cm 20.6 107.74 L 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略，即 =， 2 LL 1 L 所以，导程变形总误差为 6 0 100100 5.22 1010.44/ 0.5 Lm m L 查表知 E 级精度丝杠允许的螺距误差（1m 长）为 15m/m,故刚度足够。 1212 4. 稳定性验算 滚珠丝杠的支承方式对丝杠的刚度影响很大，采用两端固定的支承方式并 对丝杠进行预拉伸，可以最大限度地发挥丝杠的潜能。所以设计中采用两端 固定的支承方式。 长压杠失稳时的临界负荷可依据材料力学中的欧拉公式计算： 2 2 () () K EI PN uL 式中 E材料的弹性模量 钢=21106( )；E 2 /Ncm L丝杠工作长度(cm)； u丝杠轴端系数，u=1/2 I丝杠最小截面惯性矩()： 4 cm 44 20 (1.2) 6464 w Iddd 式中 d0丝杠公称直径(cm)； dw滚珠直径(cm)。 44 2.843.19 64 Icm 则)( 8 . 264197 )1005 . 0( 19 . 3 1021 2 62 NPK 临界负载与工作负载P之比称为稳定性安全系数 k n 45.20640 16 . 0 80 8 . 264197 k KK k n Wf P P P n 一般，对于水平丝杠，考虑自重影响可取2.54 k n max1a FFF 则该压杠安全，不致失稳。 1313 3.1.4 选择步进电机的有关计算 1. 计算降速比 根据系统的脉冲当量，选步进电动机的步距角 = 0 75 . 0 04 . 1 01 . 0 360 575 . 0 360 h p i 式中步进电动机的步距角，（0）/step 脉冲当量，mm/step 丝杠螺距，mm h p 2. 转动惯量计算 (1) 计算丝杠的转动惯量 s J 44442 0 7.8 107.8 103.2150122.68Jsd lcm (2) 计算工作台的转动惯量 w J 222 180 180 0.005 ()()800.46 3.14 0.75 p w JWcm (3) 负载折算到电机轴上的转动惯量为： 2 2 22 11 ()0.58(4.9 122.68)122.52 1.04 rWS JJJJcm i 3. 电动机力矩计算 (1) 计算加速力矩 a M 4 10 9.6 r a J n MN m T 当， aa MMnn maxmax时， max max 0 5000 1.04 1040 / min 5 vi nr L 1414 4 max 12.252 1040 105 3 9.6 0.025 a MN m = . 当 aatt MMnn时， 0 1000 1000 100 0.3 1.04 21.20 / min 53.14 125 5 i i t v f n f D nr L 主 4 12.252 21.20 100.11 9.6 0.025 at Mm i WLf i LF M f 22 0 00 当时2 . 0, 8 . 0 f 0.2 80 0.5 0.152 2 3.14 0.8 1.04 f Mm )1 ( 2 2 0 00 0 i LP M 当时预加载荷，9 . 0 0 x FP 3 1 0 则 i LF i LP M X 6 )1 ( )1 ( 2 2 00 2 0 00 0 = =0.0569Nm69 . 5 569 . 0 04 . 1 8 . 014 . 3 6 )9 . 01 (5 . 094 2 =0.8995Nm95.89 04 . 1 8 . 014 . 3 2 5 . 094 2 0 i LF M X t 所以，快速空载启动所需力矩 =5.3+0.152+0.0569=5.5089Nm 0max MMMM fa 切削时所需力矩 1515 =1.26+0.152+0.0569+0.8995=2.3684NmM tfat MMMM 0 快速进给时所需力矩=0.153+0.0569=0.2099Nm 0 MMM f 由以上分析可知，所需最大力矩发生在快速启动时=5.5089Nm max M Nm77.13 4 . 0 5089 . 5 4 . 0 max M Mq (2) 选取电动机 为满足最小步距要求,电动机选用五相十拍工作方式,查表知, 866 . 0 / jmq MM 所以,步进电动机最大静转矩Nm，90.19 866 . 0 77.13 866 . 0 q jm M M 步进电机最高工作频率HZ。 7 . 6666 005 . 0 60 2000 60 1000 max max p v f 根据以上计算，综合考虑,查表选用 130BF003 型电机。其安装尺寸及相关参数 可由手册中直接查处，此处不再一一列出。 在仪表数控车床进给传动系统中，驱动电动机与滚珠丝杠的连接是仪表数 控车床稳定工作的重要环节之一。目前，在直线进给传动系统中，驱动电动机 与滚珠丝杠的连接方式主要有联轴器、套筒、齿轮和同步带。根据本设计的初 始结构与要求，纵向进给选择采用同步带将伺服电动机与滚珠丝杠相连。 3.2 横向进给系统设计与计算 3.2.1 横向进给系统的设计 125 专用仪表数控车床的横向进给系统的设计比较简单，一般是步进电 机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法 兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。 1616 横向进给系统的设计计算 由于横向进给系统的设计计算与纵向类似，所用到的公式不再详细说明，只计 算结果。 由文献6可知，取125 专用仪表数控车床的参数如下： 工作台重量： 300WN 时间常数： T=25ms 滚珠丝杠基本导程： =5mm 0 L 行程： 230Smm 脉冲当量：=0.005mm/step p 步距角： = 75 . 0 快速进给速度： =1m/min max v 3.2.2 切削力计算 横向进给量为纵向的，则切削力约为纵向的 1/3。3/1, 3/12/1取 1880=627N 3 1 z F 由文献11可知，主切削力 zz z z F YX pFZ KfaCF F F 查表得 MPa1880, 1,75 . 0 , 1 zzzzFFFF CKYX 则可计算如下表所示 Z F 1717 表 3-2 (mm) p 111 f (mm)0.2 0.30.4 （N） Z F 562761945 当=627N 时，切削深度=1mm,走刀量f=0.3mm/r,以此参数作为下面计算 Z F p a 的依据。 切断工件时：=0.5 627=313.5N Zy FF5 . 0 3.2.3 滚珠丝杠设计计算 1. 强度计算 对于综合型导轨： )( WFfKFP Zy 式中 K=1.4,=0.180.22,取为 0.2 f 则 P=1.4 313.5+0.2 (627+400)=644N 寿命值 6 10 60 ii i Tn L 1818 00 1000 DL vf L fn ni 主 取工件直径 D=125mm，查表得=15000h i T 则 min/ r38.20 512514 . 3 4 . 01001000 i n 3 . 18 10 1500038.2060 6 i L 最大动负载 Hwi fPfLQ 3 查表得 运转系数1, 2 . 1 Hw ff硬度系数 则 N 5 . 203664412 . 1 3 . 18 3 Q 根据最大动负载Q的值，可选择滚珠丝杠的型号。由文献7,8可知，型 号： CDM3205-E。丝杠公称直径为20mm，基本导程PK=10mm，其额定动 载荷 Ca =16917N，额定静载荷 Cal=45968N，圈数 列数=1.5 2，丝杠螺母副 的接触刚度为 Kc=1130N/m，丝杠底径 15.9mm，螺母长度为 112mm，取丝杠 的精度为 E 级。在本设计中采用双螺母垫片预紧。轴承为17mm 的深沟球轴 承，型号 6203。 2. 效率计算 由文献12可知，丝杠螺母副的传动效率为 )( tg tg 滚珠丝杠副的滚动摩擦系数,其摩擦角=，螺0 0030 004f:= arctgf 10 旋升角 192 则9328 . 0 )10192( 192 tg tg 3. 刚度验算 1919 滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程的变化量 EF PL L 0 1 式中E=20.6N/cm2，cm5 . 0 0 L 6 10 滚珠丝杠截面积 222 1.925 ( )()3.142.91 22 d Fcm “+”用于拉伸时， “-”用于压缩时。 则 6 1 6 644 0.5 5.4 10 20.6 102.91 Lcm 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略，即 =，所 2 LL 1 L 以， 导程变形总误差为 6 0 100100 5.4 1010.8 0.5 Lm m L / 查表知 E 级精度丝杠允许的螺距误差（1m 长）为 15m/m,故刚度足够。 4. 稳定性验算 丝杠的支承方式对丝杠的刚度影响很大，采用两端固定的支承方式并对丝 杠进行预拉伸，可以最大限度地发挥丝杠的潜能。所以设计中采用两端固定 的支承方式。 长压杠失稳时的临界负荷可依据材料力学中的欧拉公式计算： （N） 2 2 )(uL EI PK 式中 E材料的弹性模量 E钢=21106(N/cm2)； L丝杠工作长度(cm)； u丝杠轴端系数，u=1/2 I丝杠最小截面惯性矩()： 4 cm 44 20 (1.2) 6464 w Iddd 2020 式中 d0丝杠公称直径(cm)； dw滚珠直径(cm)。 44 cm35 . 0 64 . 1 64 I 则（N）29394 )1005 . 0( 35 . 0 1021 2 62 K P 临界负载与工作负载P之比称为稳定性安全系数 k n 5 . 4592 16 . 0 40 29394 k KK k n Wf P P P n 一般，对于水平丝杠，考虑自重影响可取2.44 k n4 k n 则该压杠安全，不致失稳。 3.2.4 选择伺服电机的有关计算 1. 计算降速比 根据系统的脉冲当量，选步进电动机的步距角 = 0 75 . 0 08 . 2 005 . 0 360 575 . 0 360 h p i 式中步进电动机的步距角，（0）/step 脉冲当量，mm/step 丝杠螺距，mm h p 2. 转动惯量计算 (1) 计算丝杠的转动惯量 s J 2121 44442 0 7.8 107.8 10215018.72Jsd lcm (2) 计算工作台的转动惯量 w J 222 180 180 0.005 ()()400.584 3.14 0.75 p w JWcm (3) 负载折算到电机轴上的转动惯量为 )( 1 2 2 SWr JJ i JJ 2 2 1 30.584(77.7 18.72)26.86 2.08 cm 3. 电动机力矩计算 (1) 计算加速力矩 a M 4 10 9.6 r a J n Mm T 当， aa MMnn maxmax时， max max 0 1000 2.08 416 / min 5 vi nr L =0.465Nm 4 max 10 025 . 0 6 . 9 416686 . 2 a M 当 aatt MMnn时， 0 1000 1000 100 0.3 2.08 31.80 / min 53.14 125 5 i i t v f n f D nr L 主 4 2.686 31.80 100.036 9.6 0.025 at Mm i WLf i LF M f 22 0 00 当时2 . 0, 8 . 0 f 2222 0.2 40 0.5 0.038 2 3.14 0.8 2.08 f Mm )1 ( 2 2 0 00 0 i LP M 则 i LF i LP M y 6 )1 ( )1 ( 2 2 002 0 00 0 = =0.0095Nm95 . 0 095 . 0 08 . 2 8 . 014 . 3 6 )9 . 01 (5 . 035.31 2 =0.015Nm5 . 1 08 . 2 8 . 014 . 3 2 5 . 035.31 2 0 i LF M y t 所以，快速空载启动所需力矩 =0.465+0.038+0.0095=0.5125Nm 0max MMMM fa 切削时所需力矩 M=0.036+0.038+0.0095+0.015=0.0985Nm tfat MMMM 0 快速进给时所需力矩=0.038+0.0095=0.0475Nm 0 MMM f 由以上分析可知，所需最大力矩发生在快速启动时=0.5125Nm max M Nm281 . 1 4 . 0 5125 . 0 4 . 0 max M Mq (2) 选取电动机 为满足最小步距要求,电动机选用五相十拍工作方式，查表知 866 . 0 / jmq MM 所以,步进电动机最大静转矩Nm479 . 1 866 . 0 281 . 1 866 . 0 q jm M M 2323 步进电机最高工作频率HZ 3 . 33333 005 . 0 60 1000 60 1000 max max p v f 根据以上计算，综合考虑,查表选用 110BF003 型电机。其安装尺寸及相关 参数可由手册中直接查处，此处不再一一列出。 在仪表数控车床进给传动系统中，驱动电动机与滚珠丝杠的连接是仪表数 控车床稳定工作的重要环节之一。目前，在直线进给传动系统中，驱动电动机 与滚珠丝杠的连接方式主要有联轴器、套筒、齿轮和同步带。根据本设计的初 始结构与要求，横向进给选择采用套筒将伺服电动机与滚珠丝杠直连。 第 4 章 进给系统的结构设计 4.1 床身和导轨 1. 床身 对于数控机床来说，作为主要支承件的床身至关重要，其结构性能的好坏 直接影响着机床的各项性能指标。它支撑着数控车床的床头箱，床鞍，刀架， 尾座等部件，承受着切削力、重力、摩擦力等静态力和动态力的作用。其结构 的合理性和性能的好坏直接影响着数控车床的制造成本；影响着车床各部件之 间的相对位置精度和车床在工作中各运动部件的相对运动轨迹的准确性，从而 影响着工件的加工质量；还影响着车床所用刀具的耐用度，同时也影响着机床 2424 的工作效率和寿命等。因此，床身特别是数控车床的床身具有足够的静态刚度 和较高的刚度/质量比；良好的动态性能；较小的热变形和内应力；并易于加 工制造，装配等，才能满足数控车床对床身的要求。 数控车床工作时，受切削力的作用，床身发生弯曲，其中，影响最大的是 床身水平面内的弯曲。因此，在床身不太长的情况下，主要应提高床身在水平 面内的弯曲刚度。所以，在设计床身时，采用与水平面倾斜45的斜面床身。 这种结构的特点是：(1)在加工工件时，切屑和切削液可以从斜面的前方(即床 身的一侧)落下，就无需在床身上开排屑孔，这样，床身斜面就可以做成一个 完整的斜面。(2)切屑从工件上落到位于床身前面的排屑器中，再由排屑器将 切屑排出。这样，机床在工作中，排屑性能和散热性能要好，可以减少床身在 工作中吸收由于切削产生的热量，从而减少床身的热变形，使机床更好地保持 加工精度。(3)由于在床身上无需开排屑孔，就可以增加与底座连接的床身底 面的整体性，从而可增加床身底面的刚性。基于以上特点使得床身抵抗来自切 削力在水平和垂直面内的分力所产生的弯曲变形能力，以及它们的合力产生的 扭转变形能力显著增强。从而大幅度提高了床身的抗弯和抗扭刚度。床身在弯 曲、扭转载荷作用下，床身的变形与床身的截面的抗弯惯性矩及抗扭惯性矩有 关。材料、截面相同，但形状不同的床身，截面的惯性矩相差很大。截面积相 同时，采用空形截面，加大外轮廓尺寸，在工艺允许的情况下，尽可能减小壁 厚，可以大大提高截面的抗弯和抗扭刚度；矩形截面的抗弯刚度高于圆形截面， 但圆形截面的抗扭刚度较高；封闭截面的刚度显著高于不封闭截面的刚度。为 此，在设计床身截面时，综合考虑以上因素，在满足使用、工艺情况下，采用 空心截面，加大轮廓，减小壁厚，采用全封闭的类似矩形的床身截面形式，同 时，为了提高床身的抗扭刚度和床身的刚度/重量比，在大截面内设计一个较 小的类似圆形截面如图4-1。 2525 图4-1 床身结构 床身与导轨为一体，床身材料的选择应根据导轨的要求选择。铸铁具有良 好的减震性和耐磨性，易于铸造和加工。床身材料采用机械性能优良的 HT250，其硬度、强度较高，耐磨性较好，具有很好的减震性。3,4 2. 导轨 车床的导轨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且磨损快，动、静摩 擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。目前，数控车床已不采用传统滑动导 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。在动导轨上镶装塑料具有摩擦系数低、 耐磨性高、抗撕伤能力强、低速时不易爬行、加工性和化学稳定性好、工艺简 单、成本低等优点，在各类机床上都有应用，特别是用在精密、数控和重型机 床的动导轨上。塑料导轨可与淬硬的铸造铁支承导轨和镶钢支承导轨组成对偶 摩擦副。 机床导轨的质量在一定程度上决定了机床的加工精度、工作能力和使用寿 命。导轨的功用是导向和承载。车床的床身导轨属于进给导轨，进给运动导轨 的动导轨与支承的静导轨之间的相对运动速度较低。 直线运动滑动导轨截面形状主要有三角形、矩形、燕尾形和圆形，并可互 相组合。由于矩形导轨制造简单，刚度高，承载能力大，具有两个相垂直的导 轨面。且两个导轨面的误差不会相互影响，便于安装。再将矩形整体倾斜 2626 45后，侧面磨损能自动补偿，克服了矩形导轨侧面磨损不能自动补偿的缺陷， 使其导向性更好。 综上，本数控铣床对导轨的确定方案为：工作台的导轨采用三角形导轨， 在与之相配的动导轨滑动面上贴聚四氟乙烯（PT-FE）导轨板。同时采用斜镶 条消除导轨导向面的间隙，在背板上通过设计偏心轮结构来消除导轨背面与背 板的间隙，并在与工作台导轨相接触的斜镶条接触面上和背板接触面上贴塑。 图 4-2 为三角形导轨。这种导轨的刚度高，当量摩擦系数比其他导轨低， 承载能力高，加工、检验和维修都方便，而被广泛地采用。特别是数控机床， 三角形导轨存在侧向间隙，必须用镶条进行调整。 滚珠丝杠 螺栓 镶条 图 4-2 三角形导轨 镶条是用来调整三角形形导轨和燕尾导轨的侧隙，以保证导轨面的正常接 触。镶条应放在导轨受力较小的一侧。8 2727 4.2 滚珠丝杠螺母副的设计 4.2.1 滚珠丝杠螺母副的形式 滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置，在丝 杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽，当他们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋 滚道。螺母上有滚珠的回路管道，将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的 螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚 道循环转动，因而迫使螺母轴向移动。 滚珠丝杠螺母副具有以下特点： 1）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠螺母副的传动效率为 0.92- 0.96，比普通丝杠高 3-4 倍。因此，功率消耗只相当于普通丝杠的 1/4-/3. 2）若给于适当预紧，可以消除丝杠和螺母之间的螺纹间隙，反向时还可 以消除空载死区，从而使丝杠的定位精度高，刚度好。 3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。 4）具有可逆性，既可以从螺旋运动转换成直线运动，也可以从直线运动 转换成旋转运动。也就是说，丝杠和螺母可以作为主动件。 5）磨损小