PDC钻头检测装置机械部分设计本科毕业设计.doc

pdc钻头检测装置机械部分机构的结构长 江 大 学工 程 技 术 学 院本科毕业设计（论 文）题 目 名 称：pdc 钻头检测装置机械部分设计题 目 类 别： 毕业论文 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 目 录长江大学工程技术学院毕业设计（论文）任务书5毕 业 设 计（论文）开 题 报 告7指导老师审查意见13评阅老师评语14答辩会议记录15中外问摘要16前言17pdc检测装置机械部分设计 18一、pdc钻头检测装置机械部分的结构19二、z轴进给驱动方案的设计20三、pdc钻头检测装置机械部分的设计要求20四、pdc钻头检测装置机械部分进给机构设计204.1纵向导轨设计20 4.1.1导轨类型的选择 20 4.1.2滑动导轨类型的选择 20 4.1.3直线滑动导轨类型的选择 20 4.1.4选择导轨的补偿及调整装置 21 4.1.5润滑的选择 21 4.1.6材料的选择 214.2纵向滚珠丝杠的设计21 4.2.1基本传动方式的选择 224.2.2结构形式的选择 234.2.3滚珠丝杠副主要技术参数的确定 23 4.3步进电机的匹配选择28 4.4滚珠丝杠的校核29 4.4.1承载能力的校核 29 4.4.2压杆稳定性验算 29 4.4.3刚度检验 30 4.4.4预拉伸计算 30 4.5轴承的选择31 4.6联轴器的设计32 4.7定位销的设计32五、伺服系统的选择33 5.1步进电动机的介绍335.1.1结构和转矩 335.1.2转子转动方向 335.1.3工作方式 34 5.2伺服驱动系统的选择34 5.3步进电动机控制系统的选择35 5.4步进电动机与8253的接口电路 36 5.5步进电动机控制系统37 5.6步进电机步数和转速的确定38 5.6.1步进电机步数的确定 38 5.6.2步进电机转数的确定 39六、工作台设计要求 39七、结束语 40参考文献41致谢42附录43长江大学工程技术学院毕业设计（论文）任务书系 （部） 机械系 专业 机械设计、制造及自动化 班级 学生姓名 王 磊 指导教师/职称 杨雄 教授 1. 毕业设计(论文)题目：pdc钻头检测装置机械部分设计2. 毕业设计（论文）起止时间：2007年10月 日2008年6月 日3毕业设计(论文)所需资料及原始数据（指导教师选定部分）1）pdc钻头直径mm、高度mm；2）测量精度.1mm；3）应用单片机控制；3）张君安、机电一体化系统设计、兵器工业出版社；4）张建民、机电一体化系统设计、北京理工大学出版社；5）李洪、实用机床设计手册、辽宁科学技术出版社；6）机械设计手册。4毕业设计(论文)应完成的主要内容1）在分析pdc钻头检测要求和现场操作，确定工作台进给驱动方案；2）导轨结构设计；3）滚珠丝杠的设计：基本传动方式的选择；结构形式的选择；滚珠丝杠副主要技术参数的确定； 滚珠丝杠的校核；4）轴承的选择、联轴器、定位销设计；5）步进电机的选择：步进电机结构、工作原理和选型；步进电机驱动电路设计；步进电机与单片机接口电路设计。5毕业设计(论文)的目标及具体要求1）pdc钻头检测装置系统示意图；2）工作台传动部分装配图；3）主要零件图；4）步进电机型号的确定与产品的选择。6、完成毕业设计(论文)所需的条件及上机时数要求1）图书馆资源、网上资源；2）机械设计手册、机电传动手册；3）计算机，50学时。任务书批准日期 年 月 日 教研室(系)主任(签字) 任务书下达日期 年 月 日 指导教师(签字) 完成任务日期 年 月 日 学生（签名） 长 江 大 学工程技术学院毕 业 设 计（论文）开 题 报 告 题 目 名 称pdc钻头检测装置机械部分设计题 目 类 别 毕业论文 学 院（系） 工程技术学院机械系 专 业 班 级 机械0403班 学 生 姓 名 王 磊 指 导 教 师 杨 雄 开题报告日期 2007 年1月2日 一、题目来源及题目类别题目名称: pdc钻头检测装置机械部分设计题目来源: 生产实际题目类别: 毕业论文二、研究目的和意义意义： pdc钻头检测装置可大大提高布齿的效率和精度，减轻劳动强度，提高钻井速度.目的： 了解pdc钻头检测装置机械部分的构造,尽可能将做学的知识用到生产实际中去.三、阅读的主要参考文献及资料名称钻头与钻具设计制造新工艺新技术与质量验收标准规范实务全书pdc钻头脱扣和钻具折端事故解决办法， 机电一体化系统设计实用机床设计手册， 轴承手册， 互换性与技术测量机械制造工艺及设计指导手册， 数控电火花线切割加工技术现代加工技术， 机械工程测试技术基础， 力平衡复合片钻头force balanced pdc drill bit，机电一体化原理与应用四、国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向4.1国内外发展现状金刚石工具广泛应用于地质勘探、石材、机械、汽车及国防工业等各个领域，机械加工用的磨具、地质钻头及石材锯切工具的制造工艺水平已有很大提高。 产品已形成系列化、标准化，品种规格齐全，产品质量稳定，部分产品在国际市场上具有一定的竞争力。金刚石单晶绝大多数是用来制作各种金刚石工具，其种类很多。我国生产的金刚石锯切工具品种规格齐全，质量稳定。据统计，近几年来金刚石钻探工具的市场需求量约为1215万支，基本上可满足市场需求；随着建筑业的发展和家用空调的普及，用于管线安装和空调整机安装及旧楼改造，施工用金刚石薄壁工程钻头需求量也在日益增加，用于石油、煤田勘探的pdc钻头的需求量也相应增加，我国所生产的金刚石复合片在质量上还不过关，有待于进一步研究改进，不断提高产品质量，改变目前pdc钻头依赖进口的局面。在机械加工中，金刚石砂轮、pdc工具刀具、珩磨油石、修整滚轮、拉丝模等都得到广泛应用：树脂结合剂金刚石砂轮用量很大，年产量约为100万片以上；金刚石聚晶拉丝模的性能优于天然金刚石模和硬质合金模，因此在拉丝行业中应用很多，尤其是cvd金刚石拉丝模的出现，为控制15mm以下的线材提供了可靠的拉丝工具。pcd刀具是主要用于有色金属与非金属材料的加工，据报道，pcd刀具在汽车、摩托车、家用电器、木材加工及通用机械等行业中的需求量逐年增加，据统计，至1997年的需求量已达26000把，尤其是在木材加工，pcd刀具的潜在市场很大，有待我们进一步开发。金刚石修整滚轮是一种技术含量很高的高科技产品，1997年我国金刚石滚轮的用量为3000支，预计今年的需求量可望达到4500支。尽管我国生产的各种金刚石工具在各行业得到广泛应用，并取得显著的经济效益，但其技术水平与国外同类产品相比还有一定的差距，主要表现在：整个金刚石工具产业缺乏统一管理和宏观调控。由于盲目发展，整个金刚石工具生产布局出现散而乱、遍地开花的局面，工具销售市场产品质量不稳定，竞争无序，价格混乱。由于金刚石单晶生产与金刚石工具生产的发展不协调，使得我国金刚石工具的发展滞后于金刚石单晶的生产增长速度，造成金刚石积压和滞销，影响和制约了我国金刚石工业的持续发展，使金刚石生产企业经济效益严重滑坡。金刚石工具应用领域较窄，产品品种单一，质量不稳定，有的产品技术质量标准较混乱，没有统一的产品质量检测、监督的管理规范和标准。金刚石工具生产装备和整体技术水平比较落后，一些较先进的新技术、新工艺推广应用较慢。生产企业规模普遍偏小，生产不集中，工艺技术差，缺乏市场竞争力，经济效益不高。金刚石工具生产以及新产品开发、工艺技术研究等方面的资金投入不足。在金刚石工具使用过程中，基体材料使用率低，钢材浪费严重；使用过程中非正常磨损、脱落、残留的金刚石较多，使金刚石实际利用率较低，金刚石材料浪费较多。确保我国金刚石产业稳定持续发展的措施大力发展金刚石工具产业，狠抓新产品、新工艺的开发，拓宽金刚石应用领域，加快我国金刚石产业的发展，提高经济效益和整体技术水平。具体做法是：加大金刚石工具产业投资力度，扩大金刚石工具的生产规模，适当引进国外较先进的生产设备和检测仪器，加强我国金刚石工具产业的整体实力。金刚石产业的发展应坚持金刚石单晶与金刚石工具同步协调发展的原则，不要只顾单晶的发展而忽略金刚石工具的发展，只有金刚石工具的发展，才能带动和促进金刚石单晶的生产及整个金刚石工业的发展和进步。从国内金刚石工具生产企业来看，年销售收入超过1000万元的金刚石工具生产企业很少，这表明在金刚石工具方面的投入不足，从而阻碍和影响我国金刚石工业集团化生产的进程以至整个金刚石工业的发展，为提高我国金刚石工具生产的整体技术水平，必须加强现有设备的改造，扩大金刚石工具生产企业的规模，适当引进国外自动化程度较高的生产线和专利技术。狠抓新产品的开发和新技术、新工艺的推广，不断拓宽金刚石应用领域，提高金刚石工具产业整体技术水平和市场竞争力，以品种、质量求生存，以科技进步求发展。为满足国内外金刚石工具市场的需要，必须加快新产品的开发，提高产品质量，增加品种，提高产量。近几年来，机械、宝石、医疗器械、木材、玻璃钢、石材工艺品、陶瓷和复合非金属硬脆材料的加工领域对金刚石工具的需求量逐年增加，目前，这些产品国内还是依赖进口，因此必须尽快开发出高质量的各种系列的金刚石工具，以替代进口。目前，亟待开发的产品有：石油钻探用pdc钻头、石材抛磨用金刚石磨块、工程薄壁钻头、金刚石珩磨油石、金刚石薄膜涂层工具、金刚石滚轮、橡胶结合剂金刚石塑性工具、pcd金刚石刀具、金刚石唱针、喷咀、金刚石散热片及三极管等产品。为保证其产品质量，必须加快新技术、新工艺的推广，如真空焊接技术、电火花烧结技术、金刚石均布技术、金刚石镀铱技术及金属化粘结技术、激光焊接工艺等。加强企业内部管理，不断完善生产工艺，降低生产成本，提高经济效益。加强金刚石工具产业的经营管理，规范国内市场，拓宽国际市场，推动国内金刚石工具的发展，加速我国金刚石工具的品种系列及标准与国际接轨，做到有序地进入国际市场，不断扩大出口创汇。制定全国统一的金刚石工业标准，建立权威性的金刚石工具监测机构，实行产品标准化管理，并对产品质量实行严格的检查、监测。金刚石工具生产企业应走科、工、贸一体化道路，加快产业集团化进程，参与大市场，不断增加自身的竞争能力，以促进金刚石工具产业的发展和经济效益的提高。建立健全的金刚石行业管理机构和金刚石及其制品生产、技术、管理等标准和规范，加强企业生产布局的宏观调控和经营管理。搞好金刚石合成用大型超高压装置和自动化程度较高的金刚石工具生产设备的研究和制造，可适当引进国外的一些先进生产线，提高检测技术，以便提高产品质量。抓紧粉末触媒的研究与应用，不断完善和改进金刚石合成工艺，开发出与市场需求接轨的各种金刚石新品种，提高粗颗粒高强度金刚石的比例和产量，以降低低品级金刚石的积压，提高经济效益。我国金刚石产业应走集团化或联合企业的道路，组建几个大的企业集团，引导行业发展，创造自己的品牌，积极参与国际竞争。依靠科技进步，增加科技投入，更新设备，狠抓新技术、新工艺、新产品的研究与推广，提高我国金刚石工业的技术水平。4.2 发展趋势（1)设计理论和设计手段的发展,包括传统设计理论等切削原理、非常规设计理论、计算机辅助设计、钻头实体仿真、工作状态仿真和地层适应性研究;(2)切削元件超硬材料的发展,包括提高聚晶金刚石复合片的自身性能、改变复合片的结构和发展异型复合片;(3)钻头制造工艺技术的发展,包括数控加工技术的应用、软模成型技术、胎体性能研究以及固齿技术的研究.4.3 主攻方向 自动化智能化加工，检测更加精确更快捷。五、主要研究内容需重点研究的关键问题及解决思路5.1主要研究内容（1）析原装置加压过程的基础上，确定液压系统节能改造方案；（2）压节能系统，选择节能元件，确定具体型号、结构和尺寸；（3）能系统进行理论分析；（4）际测量数据比较，并提出改进方案。5.2关键问题z轴进给驱动方案的确定；导轨结构设计；丝杠的选择: 滚珠丝杠滚珠丝杠的设计：基本传动方式的选择；结构形式的选择；滚珠丝杠副主要技术参数的确定；滚珠丝杠的校核丝杠的选择.5.3解决思路 通过计算出的数据选择最合适的一种或几种丝杠结构,然后根据实际情况选择合适的方案.六、完成毕业设计所必须的工作条件软件要求: office2000,autocad2006上机时间: 50-100小时七、工作的主要进度与时间安排2007-10.22-11.04 外文翻译2007-11.05-11.11 开题报告资料检索，调研2007-11.12-11.30 毕业设计及期中检查2008-06.13-06.20 论文审查评阅，答辩及资料装订八、指导教师审查意见 预留（插入审查意见）预留（插入老师评语）预留（插入答辩记录）pdc钻头检测装置机械部分设计 学生：王磊 工程技术学院机械系 指导老师： 杨雄 长江大学摘要 在pdc检测装置主要结构中，主轴头是成形机的关键部分，它的设计对机床的性能有重要的影响。该设计中，先确定了总体方案，运用步进电机和滚珠丝杠来实现总体的设计。并选择了感应同步器作为机床的检测装置，相应地确定了它的放大电路和接口电路。然后通过计算设计了成形机床的进给部分，包括导轨、滚珠丝杠、轴承和联轴器等等。最后通过计算选择了步进电机的型号。 关键词 主轴头，步进电机，滚珠丝杠，放大电路，接口电路，导轨，轴承，联轴器。summary in pdc in the detector set primary structure, the main axle neck is shapers essential part, its design has the important influence to engine beds performance. in this design, had determined the first overall concept, the utilization step-by-steps the electrical machinery and the ball bearing guide screw realizes the overall design. and chose the induction synchromesh to take engine beds detector set, has determined its amplifying circuit and the interface circuit correspondingly. then designed through the computation has formed engine beds to feed part, including guide rail, ball bearing guide screw, bearing and shaft coupling and so on. finally chose through the computation has step-by-stepped electrical machinerys modelkeyword spindle top, electric motor, stall ball lead screw, magnifying circuit, interface circuit, bearing前 言：尽管我国生产的各种金刚石工具在各行业得到广泛应用，并取得显著的经济效益，但其技术水平与国外同类产品相比还有一定的差距，主要表现在：整个金刚石工具产业缺乏统一管理和宏观调控。由于盲目发展，整个金刚石工具生产布局出现散而乱、遍地开花的局面，工具销售市场产品质量不稳定，竞争无序，价格混乱。由于金刚石单晶生产与金刚石工具生产的发展不协调，使得我国金刚石工具的发展滞后于金刚石单晶的生产增长速度，造成金刚石积压和滞销，影响和制约了我国金刚石工业的持续发展，使金刚石生产企业经济效益严重滑坡。金刚石工具应用领域较窄，产品品种单一，质量不稳定，有的产品技术质量标准较混乱，没有统一的产品质量检测、监督的管理规范和标准。金刚石工具生产装备和整体技术水平比较落后，一些较先进的新技术、新工艺推广应用较慢。生产企业规模普遍偏小，生产不集中，工艺技术差，缺乏市场竞争力，经济效益不高。金刚石工具生产以及新产品开发、工艺技术研究等方面的资金投入不足。在金刚石工具使用过程中，基体材料使用率低，钢材浪费严重；使用过程中非正常磨损、脱落、残留的金刚石较多，使金刚石实际利用率较低，金刚石材料浪费较多。为确保我国金刚石产业稳定持续发展的措施大力发展金刚石工具产业，应狠抓新产品、新工艺的开发，拓宽金刚石应用领域，加快我国金刚石产业的发展，提高经济效益和整体技术水平。pdc钻头检测装置机械部分设计：一、 pdc钻头检测装置机械部分的结构pdc机械部分检测装置由床身和立柱、工作台、主轴头、脉冲电源、伺服进给系统、工作台附件等部分组成。结构图如图1-1所示。检测方式采用三坐标检测。床身和立柱是基础结构，由它确保检测仪与工作台、工件之间的相互位置。位置精度的高低对加工有直接的影响，如果机床的精度不高，检测精度也难以保证。因此，不但床身和立柱的结构应该合理，有较高的刚度，能承受主轴负重和运动部件突然加速运动的惯性力，还应该减小温度变化引起的变形。工作台主要用来支承和装夹工件。在实际加工中，通过转动纵横向丝杠来改变检测仪与工件的相对位置。主轴头是pdc机械部分检测装置的一个关键部件，在结构上由伺服进给系统、导向和防扭机构三部分组成。用以控制检测仪与钻头之间的距离。主轴头的好坏直接影响检测数据的精度，如质量、内部应力、几何精度以及表面粗糙度，因此对主轴头有如下要求：1) 有一定的轴向和侧向刚度及精度。2) 有足够的进给和回升速度。3) 主轴运动的直线和防扭转性能好。4) 灵敏度要高，无爬行现象。二、z轴进给驱动方案的设计：目前检测装置的自动进给调节系统的种类很多，按执行元件，大致可分为：步进电机；宽调速力矩电机；直流伺服电机；交流伺服电机。在本次设计中选用电-机械式自动调节系统。电-机械式自动调节系统在20世纪60年代是采用普通直流伺服电机的形式，由于其机械减速系统传动链、惯性大、刚性差，因而灵敏度低，20世纪70年代为电液自动调节系统所替代。20世纪80年代以来，采用步进电机和力矩电机的电-机械式自动调节系统得到迅速发展。由于它们的低速性能好，可直接带动丝杠进退，因而传动链短、灵敏度高、体积小、结构简单，而且惯性小，有利于实现加工过程的自动控制和数字程序控制，因而在中、小型电火花机床中得到越来越广泛的应用。又考虑到经济因素及尺寸的大小，本设计采用步进电机自动调节系统。总体设计原理框图如图2-2所示.负载滚珠丝杠cpu步进电机驱动电路步进电机感应同步器图2-1 总体设计原理三、 pdc钻头机械部分检测装置的设计要求感应同步器是一种电磁感应式的位移检测装置，它具有以下优点：1) 精度高。感应同步器直接对机床的位移进行测量，测量结果只受本身精度的限制，定尺上感应电压信号为多周期的平均效应，降低了绕组局部尺寸误差的影响，达到了较高的测量精度，其直线精度一般为0.002mm/250mm。2) 对环境的适应性强。它是利用电磁感应原理产生信号，所以不怕油污和灰尘污染，测量信号与绝对位置一一对应，不易受到干扰。3) 使用寿命长，安装维修简单。4) 可用于长距离位移测量，适合于大中型机床使用。5) 工艺性好，成本低。定尺与滑尺绕组便于复制和成批生产。直线型感应同步器的定尺安装在机床的不动部件上，既可直接安装在机床某个面上，也可以和尺座构成组件后在安装在机床上。所以综合各种检测装置，应使用感应同步器更为好。四、 pdc钻头机械部分检测装置进给机构设计4.1纵向导轨设计导轨是机床的关键部件之一，其性能好坏，将直接影响机床的加工精度、承载能力和使用寿命。导轨设计应满足：导向精度、耐磨性、低速运动平稳性、刚度、结构简单、工艺性好、便于间隙调整，具有良好的润滑和防护等要求。 4.1.1导轨类型的选择导轨类型很多，分类不一。常用的导轨类型有普通滑动导轨（滑动导轨）、塑料导轨（贴塑导轨）、镶金属导轨、滚动导轨、静压导轨、支压导轨。在pdc钻头检测装置中，选用滚动导轨，这是因为滚动导轨可以减少导轨间的摩擦阻力，便于工作台实现精确和微量移动，且润滑方法简单。4.1.2 滑动导轨类型的选择导轨类型很多，分类不一。常用的导轨类型有普通滑动导轨（滑动导轨）、塑料导轨（贴塑导轨）、镶金属导轨、滚动导轨、静压导轨、支压导轨。在电火花成形加工机床中，选用滑动导轨。4.1.3直线滑动导轨类型的选择 常见的滑动导轨截面形状，有三角形（分对称、不对称两类）、矩形、燕尾形及圆形等四种，每种又分为凸形和凹形两类。如图所示。凸形导轨不易积存切屑等脏物，也不易储存润滑油。宜在低速下工作；凹形导轨则相反，可用于高速，但必须有良好的防护装置，以防切屑等脏物落入导轨。该电火花成形机床应选择凹形三角形导轨：该导轨在垂直载荷的作用下，磨损后能自动补偿，不会产生间隙，故导向精度较高。但压板面仍需有间隙调整装置。它的截面角度由载荷大小及导向要求而定，一般为900。为增加承载面积，减小比压，在导轨高度不变的条件下，应采用较大的顶角（1100-1200）；为提高导向性，可采用较小的顶角（600）。如果导轨上所受的力，在两个方向上的分力相差很大，应采用不对称三角形，以使力的作用尽可能垂直于导轨面。 图 4-1 导轨的截面形状4.1.4 选择导轨的补偿及调整装置选用塞块调整间隙，其精度和刚度均较高。 4.1.5 润滑的选择直线滑动导轨副常用钠基润滑脂润滑，为防止异物侵入和润滑剂的泄出，滑座两端装上耐油橡胶密封圈。4.1.6材料的选择选用crwmn，进行冷处理和低温时效，并采用镶件式，最大限度地消除导轨在使用中的变形。4.2 纵向滚珠丝杠的设计为了提高数控机床的传动精度和灵敏度，在需要将回转运动转换为直径运动的场合，常采用滚珠丝螺母副。它是将丝杠螺母的螺旋槽加工成弧形，并放入适当的滚珠，当丝杠相对于螺母旋转时，滚珠便在由丝杠和螺母的两个弧形槽所形成的滚道中滚动，使螺旋传动由滑动摩擦变为滚动摩擦。滚珠丝杠螺母副具有以下优点：1) 传动效率高。2) 灵敏度高，随动性好。3) 使用寿命长。4) 无反向死区，并能提高轴的刚度和反向精度。5) 运动具有可逆性。因此，选用滚珠丝杠螺母副来将步进电机的旋转运动转变为直线运动。104.2.1 基本传动方式的选择根据丝杠和螺母相对运动组合情况，其基本传动形式有四种：（1）螺母固定，丝杠转动并移动如图（a）所示,该传动形式因螺母本身起着支承作用，消除了丝杠轴承可能产生的附加轴向窜动，结构叫简单，可获得较高的传动精度。但其轴向尺寸不宜太长，刚性太差。因此只适用于行程较小的场合。所以不适合使用于该场合。（2）丝杠转动，螺母移动如图（b）所示，该传动形式需要限制螺母的转动，故需导向装置。其特点是结构紧凑、丝杠刚性较好。适用于工作行程较大的场合。（3）螺母转动，丝杠移动如图（c）所示，该传动形式需要限制螺母移动和丝杠的转动，由于结构复杂且占用轴向空间较大，故应用较少。（4）丝杠固定，螺母转动并移动如图（d）所示，该传动方式结构简单、紧凑，但在多数情况下，使用极不方便，故很少使用。如图4所示。选择丝杠转动、螺母移动的传动形式。图4-2 基本传动形式4.2.2 结构形式的选择（1）螺纹滚道型面（法向）的形状选择我国生产的滚珠丝杠有单圆弧型和双圆弧型，因为双圆弧型的螺纹滚道的接触角在工作过程中基本保持不变。两圆弧相交处有一小空隙，可使滚道底部与滚珠不接触，并能存一定的润滑油以减少摩擦和磨损，应用广泛，因此选用双圆弧型的螺纹滚道。（2）滚珠循环方式的选择滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环二种。选用内循环方式，其优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小，选用浮动式反向器，这种反向器的优点是：在高频浮动中达到回珠圆弧槽进出口的自动对接，通道流畅、摩擦特性较好，适用于高速、高灵敏度、高刚性的精密进给系统。4.2.3 滚珠丝杠副主要技术参数的确定（1）基本导程的选择基本导程的大小应根据机电一体化系统的精度要求确定，因此设计精度要求较高，要选取较小的基本导程。由国际标准化组织（iso/dis3408-2-1991）知尺寸系列：基本导程：1，2，2.5，3，4，5，6，8，10，12，16，20，25，32，40因此选用 （2）螺母选择由于数控机床对滚珠丝杠副的刚度有较高的要求，故选择螺母时应注重其刚度的保证，按高刚度要求选择预载的螺母形式。其中内循环浮动反向器法兰直筒组合具有较好的磨擦特性，适用于各种高灵敏度、高刚度的精密进给定位系统，材料选用45钢。滚珠的工作圈数i和列数j的确定滚珠总数n一般不超过150个。选用为，滚珠总数取120个。法兰形状的选择 按安装由标准形状选择。选择平顶法兰盘。（3）导程精度选择根据机床定位精度10m，确定滚珠丝杠副导程的精度等级。按下式估算式中：e累计代表导程偏差，m 机床有效行程的定位精度由实用机床设计手册（以后简称手册）查得选择精度等级（4）丝杠长度的计算丝杠螺纹长度按下式计算式中：机床工作台有效行程，mm余程（按表选取），mm螺母长度，mm表1 余程导程（mm）456810121620余程（mm）1620243240455060 = 340 = 16 =11丝杠螺纹长度：l = 383mm。支撑跨距应略大于，取为。13（5）滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧的选择滚珠丝杠副在负载时，其滚珠与滚道接触点处将产生弹性变形。换向时，其轴向间隙会引起空回，这种空回是非连续的，既影响传动精度，又影响系统的动态性能。单螺母丝杠副的间隙消除相当困难，实际应用中，有多种调整预紧方法，其中，双螺母垫片调整预紧式的结构简单刚度高，预紧可靠。（6）滚珠丝杠副支承方式的选择（a）单推单推式(b)双推双推式(c)双推简支式 (d) 双推自由式图4-3 滚珠丝杠副的支承方式实践证明，丝杠的轴承组合及轴承座以及其它零件的连接刚性不足，将严重影响滚珠丝杠副的传动精度和刚度，为了提高轴向刚度，常用止推轴承为主的 轴承组合来支承丝杠，当轴向载荷较小时，也可用向心推力球轴承来支承丝杠。轴承的组合方式有以下几种：（）单推单推式如图（a）所示，止推轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧力。其特点是轴向刚度较高；预拉伸安装时，预紧力较大，轴承寿命一般比双推双推式低。（）双推双推式如图（b）所示，两端装止推轴承及向心轴承的组合，并施加预紧力，使其刚度最高。该方式适合于高刚度、高速度、高精度的精密丝杠传动系统，由于随温度的升高会使丝杠的预紧力增大，故易造成两端支承的预紧力不对称。（）双推简支式如图（c）所示，一端装止推轴承，另一端装向心球轴承，轴向刚度不太高，使用时应注意减少丝杠热变形的影响。双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速、精度较高的长丝杠传动系统。（）双推自由式如图（d）所示，一端装止推轴承，另一端是自由状态，故轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装丝杠传动系统，故选用双推 自由式。（7）横向进给系统滚珠丝杠基本导程p0=4mm，脉冲当量取为0.01mm/step，步进电机的步距角选为0.750/step。横向进给运动负载分析：步进电机的负载有外力负载、摩擦负载和惯性负载，所选电机必须克服这些负载才能作正常的进给驱动。初选滚珠丝杠副型号为ffzdd2004,其参数如下:公称直径: d0=20mm基本导程: p0=4mm钢球直径: dw=3mm丝杠外径: d=19.0mm循环圈数: 2.53额定动载荷: ca=7500n额定静载荷: c0a=14500n长度: l=0.72刚度: ke=519n/m 根据理论力学公式计算进给系统中各回转零件的转动惯量。该系统转动惯量为由手册查得式中：jm步进电机转子惯量js滚珠丝杠的转动惯量滚珠丝杠的转动惯量jm1m长丝杠转动惯量，kg.cm.s2w工件和工作台的重量kgg重力加速度其中设电机转子的转动惯量为由手册查得预选电机型号为110bf004装夹头及其余重物的折算转动惯量由手册查得可知：该系统转动惯量为速度v采用最不利于机床启动时的速度，这里选用v=5mm/min，则（8）丝杠摩擦阻力矩的计算由于丝杠受轴向载荷，又由于采取了一定的预紧措施，故滚珠丝杠副产生摩擦力，但由于其效率高其摩擦阻力矩相对于其它负载力矩小的多，因此忽略不计。（9）等效负载转矩（10）启动惯性阻力矩（t惯）的计算以最不利于快进速度计算时，设启动加速时间为t=0.3s，由于电机转速取加速曲线为等加速梯形曲线，故角加速度为则步进电机输出轴上总负载转矩的计算如下： 4.3 步进电机的匹配选择上述计算未考虑机械系统的传动效率，当选择机械总效率为0.7时，则选择安全系数为1.5，则步进电机可按以下总负载转矩选取为保证带负载能正常加速启动，应使查负载系数为0.87选用110bf004反应式步进电机合适。110bf004反应式步进电机技术性能参数如下：相数 3 步距角 0.750电压 30v 相电流 4a最大静转矩 4.9n.m空载启动频率 1500步/s电感 56.5mh电阻 0.72分配方式 3相6拍外形尺寸 110110质量 5.5kg 4.4 滚珠丝杠的校核4.4.1 承载能力的校核计算作用于丝杠轴向最大动载荷q，然后根据q值校核公称直径由公式coa （1）滚珠丝杠副寿命系数l，单位为转，式中t为使用寿命时间（h），数控机床为15000h转载荷系数，平稳或轻度冲击时为1.01.2，取硬度系数，因为滚道的硬度一般，所以取为丝杠的轴向所受的最大载荷，而此载荷即为丝杠在轴向所受的摩擦阻力和装夹头的重量。pmax=g+f因为gf，所以 f可以忽略不计。因此为丝杠的当量转速,对于移动部件重量较切削力为大的大型机床和高精度精密机床的进给系统，传动件的计算转速是取在最大快速运动时的速度vmax=5mm/s,即nm=1.04r/min将所有数据代入公式（1）得 查手册表,型号fd2004-3,额定载荷,大于算出的q值，所以这种丝杠是可用的。4.4.2 压杆稳定性验算根据公式pk=fk2ei/klpmax其中fk=2（双推简支）取k=4，l=ls=0.72cm4.4.3 刚度检验式中：l0=0.72ms=3.142.192=15.21cm2i=2.3cm4p=pmax=191.34n将所有数据代入公式得：4.4.4 预拉伸计算a. 温升引起的伸长量。设温升为，则螺纹部分伸长量为： 式中：为热膨胀系数，取=可得：丝杠全长的伸长量为：为此，丝杠的目标行程可定为比公称行程小，丝杠在安装时，进行预拉伸，拉伸量为b. 预拉伸力。根据材料力学欧拉公式得 164.5 轴承的选择纵向滚珠丝杠主要受轴向力，使用滚动轴承。为承受其轴向负载，设计使用双推力轴承。欲选双推力轴承52205。 双向推力轴承5204的基本参数如下：内径 20mm外径 47mm厚度 28mm（1）预负荷轴承的预负荷不应小于轴承最大载荷的1/3。丝杠两端固定，故轴承的最大载荷等于预拉伸力加最大外载荷的一半。故符合要求（2）疲劳寿命计算轴承要求的动载荷可按下式（3）计算：考虑到数控机床本身的特点，上式中使用系数、转速变化系数、齿轮轮换工作系数均取1。速度系数，其中为寿命指数，对球轴承取=3，故有若额定寿命取，又寿命系数，故进给力的方向是可变的，轴承载荷可能是，也可能是，两者几乎相等，故取其平均值将所有数据代入式中得可以看出，轴承额定动负荷6600足够，选用此轴承合适。4.6 联轴器的设计联轴器的类型很多、且已标准化。机床常用的联轴器类型有刚性联轴器、挠性联轴器和安全联轴器。由于刚性联轴器制造容易、径向尺寸小、装拆时需移动轴，用于要求两轴对中性好、工作平衡无冲击、经常正反转的场合，适用于本设计，选用此联轴器，并由手册查得其材料为45钢，其大小尺寸如图4-4所示。图4-4 联轴器的结构4.7 定位销设计定位销主要是用来固定零件之间的相对位置，一般不受载荷或只受很小的载荷，故不作强度计算。销装入每一个被联接件的长度约为销的1-2倍。在本设计中使用圆锥销固定联轴器和轴。圆锥销的大头直径dmax=4mm,小头直径dmin=3.95mm,锥度1：50，材料q235钢五、机床伺服驱动系统的选择5.1 步进电动机的简介5.1.1 结构和转距图5-1所示为一种反应式步进电动机的结构示意图。图5-1 步进电动机的结构示意图图中电动机定子上有6个磁极：u1、u2、v1、v2、w1、w2，每个磁极上有5个均匀分布的矩形小齿。相信两个磁极之间相隔。相对的两个磁极组成一相，磁极上绕有一相线圈。此图所示的为三相步进电动机（u1-u2相，v1-v2相，w1-w2相）。当某一相绕组有电流通过时，该绕组所在的两个磁极形成n极和s极。转子上没有绕组，有40逐步形成矩形小齿均匀分布在圆周上，相邻两个小齿之间的夹角为9o与定子上小齿的齿距相等。当某相绕组通电时，所在的磁极产生磁场，与转子形成磁路。若此时该定子磁极的小齿与转子的小齿没有对齐，相互之间就会产生圆周方向的力矩，使转子齿转过一个角度，直到与定子齿对齐为止。可见在步进电动机中，定转子错齿是使转子得到步进转矩的基本因素。5.1.2 转子转动方向按照次序给绕组轮流通电，转子就顺时针方向转动。按照次序给绕组轮流通电，转子就逆时针方向转动。所以，步进电机的转动方向取决于定子绕组通电的顺序。5.1.3 工作方式三相步进电动机有三种工作方式：1）单三拍，通电方式为2）双三拍，通电方式3）六拍，通电方式为5.2 伺服驱动系统的选择伺服驱动系统在数控机床的作用：接受控制机发出的进给脉冲信号，并把它变换成模拟角，径功率放大后去驱动工作台，使工作台进行精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合精度并要求的零件。因此，伺服机构的性能变是决定数控机床的加工表面质量，生产率和机床的可靠性的关键之一。目前在数控机床改造中常用的驱动器件是步进电机、电脉冲马达、直流伺服电机，交流伺服电机。这些驱动器件，配以适当的功放装置组成伺服驱动系统。对本设计电火花成形机床的设计来说，机床的纵横向均采用步进电机驱动。步进电机将计算机输出的每一个脉冲信号变成一定量的机械角位移，实际上它就是利用电磁铁的作用原理。定子的三相绕组依次通电，转子被吸引着一步步前进，转子便旋转起来。步进电机的特点如下：1步进电机的功率小，输出力矩小，使用于中小机电一体化系统。2无论从电机还是驱动电源，体积都比较小，伺服系统可以不需反馈元件，因而驱动装置整体体积小。3 进电机的控制性能好，可以精确地控制转子的转角和转速，有良好的缓冲定位能力。步进电机本身是一种脉冲或数字控制的装置，极易与计算机和微处理器联接，构成智能化系统。4 制系统比较简单，特别是在微机控制的情况下，硬件电路更加简单。步进电机既是驱动元件又是脉冲角位移变换元件。不需反馈元件，因而控制方法比较简单。5. 脉冲当量很小，或细分数较大时，很难获得很高的速度由于步进电机的调速性、灵活性和准确性好，体积又小，也不需要反馈传感器，因而是一种较好的驱动系统，使用于运动轨迹较复杂的、动作要求高的中小型设备。体积小、自定位、价格低是步进电机驱动的三大优势。由于它性能好，价格便宜，所以步进电机广泛用于经济型数控的开环系统中。电液脉冲马达是利用小功率的步进电机带动一个随动滑阀，通过随动滑阀来控制油马达工作。油马达容易获得较大的输出扭矩，故可用于大功率数控机床，但该系统必须有液压站，占地面积大，且易产生漏油。直流伺服电机在闭环控制系统中具有较好的转矩连速特性。国内的直流或交流伺服系统，价格较高，技术难度大，正努力改进。相比之下，步进电机是适合开环系统中的电机。185.3 步进电动机控制系统的选择旧式的步进