立式加工中心X、Y方向进给系统以及床身的设计毕业设计正文1.docVIP

本 科 毕 业 设 计 第 36 页 共 36 页立式加工中心x、y方向进给系统以及床身的设计1 引言1.1 快速成型技术的产生和发展1.11快速成型（rp）技术简介快速原型制造技术，又叫快速成型技术，英文：rapid prototyping（简称rp技术），rapid prototyping manufacturing，简称rpm。快速成型（rp）技术是在90年代发展起来的一项先进制造技术，是为制造业企业新产品开发服务的一项关键共性技术, 对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极的推动作用。它于20世纪80年代后期产生于美国，很快扩展到日本及欧洲，比喻20世纪90年代初期引进我国，是近20年来制造技术领域的一项重大突破，并由此产生一个新兴的技术领域。它借助计算机、激光、精密传动、数控技术等现代手段，将cad和cam技术、数控技术、材料科学、机械工程、电子技术及激光技术的技术集成以实现从零件到三维实体原型制造一体化的系统技术。它是一种基于离散堆积成型思想的新型成型技术，是又cad模型直接驱动的快速完成任意复杂形状三维实体零件制造的技术的总称。快速成形 （rapid prototyping， rp） 技术基于离散/堆积原理， 采用多种直写 （direct writing）技术控制单元材料状态，将传统上相互独立的材料制备和材料成形过程合，建立了零件成形信息及材料功能信息数字化到物理实现数字化之间的直接映射，实现了从材料和零件的设计思想到物理时间的一体化1。进入 21 世纪以来，间接快速制模技术成为 rp 最重要的应用领域；生物活性材料快速成形成为 rp 研究中一个新的热点，快速成形的生物材料进入细胞和大分子层次；rp 技术的研究重点逐步转移到快速制造（rapid manufacturing） ，主要是直接金属件的制造，快速成形技术的概念也由快速原型向快速制造转化2。而基于喷射技术的熔融沉积成型（fused deposition modeling，fdm）正是当前最活跃使用最广泛的 rp技术之一。1.1.2快速成型技术的基本原理传统的零件加工过程是先制造毛坯，然后经切削加工，从毛坯上去除多余的材料，从而达到设计所要求的形状、尺寸和公差，这种方法统称为材料去除制造。快速原型制造技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法，而基于“材料逐层堆积”的制造理念，将复杂的三维加工分解为简单的材料二维添加的组合，它能在cad模型的直接驱动下，快速制造任意复杂形状的三维实体，是一种全新的制造技术。1.1.3 快速成型（rp）技术的特点rp技术将一个实体的复杂的三维加工离散成一系列层片的加工，大大降低了加工难度，具有如下特点：（1）成型全过程的快速性，适合现代激烈的产品市场；（2）可以制造任意复杂形状的三维实体；（3）用cad模型直接驱动，实现设计与制造高度一体化，其直观性和易改性为产品的完美设计提供了优良的设计环境；（4）成型过程无需专用夹具、模具、刀具，既节省了费用，又缩短了制作周期。（5）技术的高度集成性，既是现代科学技术发展的必然产物，也是对它们的综合应用，带有鲜明的高新技术 特征。以上特点决定了rp技术主要适合于新产品开发，快速单件及小批量零件制造，复杂形状零件的制造，模具与模型设计与制造，也适合于难加工材料的制造，外形设计检查，装配检验和快速反求工程等。1.1.4 快速成型（rp）技术的研究背景自美国3d公司1988年推出第一台商品sla快速成形机以来，已经有十几种不同的成形系统，其中比较成熟的有uv、sla、sls、lom和fdm等方法。本次毕设的任务就是基于各种快速成型技术中的fdm技术提出来的2.快速成型的分类及其应用1.4 快速成型技术的分类目前快速成型技术在“分层制造”思想的基础上，已出现了数十种工艺方法，并且新的工艺还在不断涌现。根据所使用的材料和建造技术的不同，目前应用比较广泛的方法有选择性激光烧结法（sls）、光固化成型法（sla）、熔融沉积制造法（fdm）、叠层实体制造法（lom）等。1) 选择性激光烧结法(selective laser sintering, sls)工艺 sls工艺是采用粉末状材料成型的。用激光束在计算机的控制下有选择地进行烧结，被烧结部分固化在一起构成了零件的实心部分。一层完成后再进行下一层，新的一层则与上一层牢固地结合在一起。所有层完成后，去除多余未烧结的粉末，再经过打磨、烘干等后处理，便得到烧结后的零件。如下图所示：图1 选择性激光烧结原理图2） 光固化成型法(stereo lithography apparatus, sla)工艺sla工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。激光束在控制系统的控制下按零件的各分层截面信息在光敏树脂表面进行逐点扫描，使被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。一层固化完毕后，工作台下移一个层厚的距离，以使在原先固化好的树脂表面再铺上一层新的液态树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后进行下一层的扫描加工，新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复直至整个零件制造完毕，得到一个三维实体原型。如下图所示:图2 立体光固化成型工艺原理图3) 熔融沉积制造法(fused deposition manufacturing, fdm)工艺fdm工艺一般采用热塑性材料。材料在喷头内被加热融化。喷头在计算机的控制下沿零件截面进行填充轨迹运动，同时将融化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结。材料挤压后堆积出一个层面，然后将第二个层面用同样的方法制造出来，并与前一个层面熔接在一起，如此层层堆积而获得一个三维实体。如下图所示：图3 熔融沉积制造原理图4) 叠层实体制造法(laminated object manufacturing, lom)工艺lom工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。lom工艺将单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起，位于上方的激光器按照cad分层模型所获数据，用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓然后新的一层纸再叠加在上面，通过热压装置和下面已切割层粘合在一起。激光束再次切割这样反复逐层切割一粘合一切割，直至整个零件模型。如下图所示：图4 helisys公司的lom系统装置原理图5） 其他工艺：还有许多快速成型工艺已经投入商品化，如三维喷涂粘结（three dimensional printing and gluing, 3dpg）、焊接成型（welding forming, wf）、光屏蔽工艺（photomasking, sgc）、直接壳法（direct shell production casting, dspc）、直接烧结技术、数码累积成型、热致聚合、全息干涉制造、模型熔、弹道微粒制造光束干涉固化等。1.5 快速成型技术的应用1） 在产品设计上的应用一直以来，在cad和cam之间都存在着一个缝隙，即产品的cad总不能在cam之前尽善尽美。快速成型技术的出现恰到好处地弥补了产品cad与cam之间的这个缝隙。正因为如此，rp模型的早期应用主要集中在产品设计阶段的外观评估、装配与功能检验方面，而且这几方面的应用至今仍然占据着较大的需求。2) 在快速模具上的应用由于现代社会产品竞争十分激烈,产品快速响应市场往往是竞争制胜的关键,所以模具快速制造显得尤为重要。传统模具制造的方法工艺复杂、时间长、费用高、精度低、寿命短,很难完全满足用户的要求。即使是传统的快速模具,也常常因为模具的设计与制造中出现的问题无法改正,而不能做到真正的“快速”。因此,应用rp 技术制造快速模具,在最终生产模具开模之前进行产品的试制与小批量生产,可以大大提高产品开发的一次成功率,有效地节约开发时间和费用。在rp 原型制造出来之后,以此原型作为基础,采用一次转换或多次转换工艺,制造出实际的大批量生产中或产品试制中零件使用的模具,称为间接模技术,目前是rp 技术最重要的应用领域。3) 在医学领域上的应用rp技术已经运用于种植体原型、监视系统和很多其他医疗设备原型的制作，运用生理数据采用sla、lom、sls、fdm等技术快速制作物理模型，对想不通过开刀就可观看病人骨结构的研究人员、种植体设计师和外科医生等能够提供非常有益的帮助。这些技术在很多专科如颅外科、神经外科、口腔外科、整形外科和头颈外科等得到了广泛的应用。1.2熔融沉积技术12.1 fdm熔融沉积造型概述熔融沉积造型（fused deposition modeling ,fdm）又称为融化堆积法，熔融挤出成模（melted extrusion manufacturing ,mem）等 .fdm工艺由美国学者dr.scott crump于1988年研制成功，并由美国stratasys 公司推出商品化的设备3。fdm工艺不使用激光器，其关键技术在于喷头，其基本工作原理是：喷头在计算机控制下作x-y联动扫描以及z向运动，制作材料在喷头中被加热并略高于熔点；喷头在扫描运动中喷出熔融的材料，快速冷却形成一个加工层，并与上一层连接在一起；这样层层扫描叠加便形成一个空间实体。类似的工艺还有mjs（multiple jet solidification）、mem（melted extrusion manufacturing）等。研究fdm工艺的主要有stratasys公司和med modeler公司。stratasys公司于1993年开发出第一台ddm1650机型后，又先后推出了fdm-2000、fdm-3000和fdm-8000机型。近年来，美国3d systems公司在fdm技术的基础上开发出了多喷头（multi-jet manufacture,mjm）技术，即使用多个喷头同时造型，从而提高了造型速度。1.2.2 fdm 国内外发展现状目前研究fdm最主要的是美国stratasys公司。该公司成立于1990年，总部位于美国明尼苏达州，拥有fdm专利技术。该公司于1993年开发出第一台fdm-1650机型后，先后推出了fdm-2000、fdm-3000和fdm-8000机型；1998年又推出了采用挤出头磁浮定位（magna drive）系统，可同时控制两个喷出头的fdm-quantum机型；1999年推出可使用使用聚脂热塑性塑料的genisys型改进机型genisysxs1；目前该公司最新的机型有dimension三维打印机、fdm prodigy plus、fdm vantage、fdm titan、fdm maxum快速成形机。该公司自2002年起在年rp设备销售台数上超过美国3d system公司，成为世界上最大的rp设备销售商，目前stratasys公司每年销售的rp设备占到全球销售总量的一半左右。国内，华中科技大学、北京殷华公司等单位也从事fdm方面的研究。北京殷华公司对熔融挤压喷头进行了改进，提高了喷头可靠性。并在此基础上新推出了面向办公应用的mem200型小型设备，面向工业应用的mem350型设备以及基于光固化工艺的auro-350型设备。此外，殷华公司近几年推出了专门用于人体组织工程支架的快速成形设备medtiss。该型设备以清华大学激光快速成形中心发明的低温冷冻成形（ldm）工艺为基础，最多可同时装备4个喷头。该设备成形材料广泛，可成形plla、plga、pu等多种人体组织工程用高分子材料。成形的支架孔隙率高，贯通性好，在组织工程中有良好的应用前景2。在fdm材料方面，熔丝线材料主要是abs、人造橡胶、铸蜡和聚脂热塑性塑料。1998年澳大利亚的swinburne工业大学研究了一种金属-塑料复合材料丝。1999年stratasys公司开发出水溶性支撑材料，有效地解决了复杂、小型孔中的支撑材料难除或无法去除的难题3。从2003年至今，stratasys公司为扩大fdm工艺在rm领域的应用，先后推出pc、pc/abs、ppsf等三种材料，使成形的零件可直接用作汽车仪表盘、电子产品外壳甚至塑料注塑模具等。根据stratasys技术报告提供的数据，采用ppsf材料制造的注塑模具可生产150件pom零件或者201件pa零件4。此外，目前stratasys公司推出的工程塑料abs有六种标准颜色，包括：白、蓝、黄、黑、红、绿色，允许客户定制。1.2.3 新工艺、新材料和新方法的研究丹麦科技大学（technical university of denmark）的bellini anna开发了一种用于fdm设备的新型挤出系统5。该装备将一个微型挤出器安装在一个精确定位系统上，它能使直接使用颗粒状原料，而代替传统fdm工艺中的丝状材料，从而使得fdm工艺可以使用更广泛的特殊材料（如陶瓷等） ，提高fdm制件的性能，达到使用fdm工艺制造特殊原型和快速制造的目的。目前，该系统和使用该系统的制件已经制作出来，但是一些工艺参数（如颗粒度等）还需要进一步优化。西安交通大学将传统fdm工艺中材料挤出过程作了改进，将被加热到一定温度的低粘性材料(该材料可由不同相组成,如粉末粘结剂的混合物) ,通过空气压缩机提供的压力由喷头挤出,其他均与传统fdm工艺相同，他们将这种工艺称之为气压式熔融沉积快速成形(ajs)6。他们的研究结论是：以气压作为挤压动力有效可行,系统工艺简单,成形材料选择范围广泛,可完成传统fdm的快速设计任务,还可完成制造人工生物活性骨的模型加工。澳大利亚swinburne科技大学（swinburne university of technology）继续了他们在金属/塑料复合材料上面的研究。2005年他们开发一种新的铁/尼龙的复合材料，该材料比其他用于快速制模的金属/塑料复合材料拥有更好的性能7。在fdm工艺的基础上，苏格兰glagow caledonian大学（glagow caledonianuniversity）提出了一种新的成形方法salm（shell assisted layer manufacturing） 。该方法的每一层制作分为两步：首先用fdm工艺做作制件外壳，然后用uv光固化树脂填充外壳，重复制作直至完成。该方法有潜力来提高制件质量、生产效率和工艺速度8。1.2.4 工艺实验方面的研究马来西亚科学大学（university sains malaysia）的lee b.h.等人提出一种taguchi method来获得使用fdm工艺制作compliant abs原型时的最优加工参数。最后通过实验得到的结论是：layer thickness，raster angle和air gap对compliant abs原型的弹性性能有很重要的影响9。丹麦科技大学（technical university of denmark）的bellini anna等人针对fdm的最新发展使得fdm工艺已经用于直接快速制造零件，对挤出过程提出更高的要求的形式下，通过分析材料挤出阶段的液化器动力学（liquefier dynamics） ，提出了挤出过程的控制策略10。大连理工大学的郭东明教授、贾振元教授等人也进行了fdm工艺参数优化设计。他们使用一个包含22个尺寸、几何精度及表面粗糙度特征的测试件，采用一个具有最少试验次数的正交试验得到27个fdm原型；通过使用三坐标测量仪和表面粗糙度轮廓仪来测量原型件的各种特征，并使用matlab软件进行试验数据处理，据此结果来评估fdm原型件的质量；取并进行了工艺参数的优化。研究结果表明，工艺参数的优化设置能大幅度改善原型件的质量11。1.2.5 各应用领域的研究 澳大利亚swinburne大学的masood s. h.教授等人使用fdm工艺直接喷射金属制作注塑模嵌件。它首先用fdm工艺制作一个尼龙模型，然后在尼龙的外表面喷射一层锌合金保护膜。目前，他们正在对这种新工艺，以及使用这种注塑模制作出来的塑料件进行研究12。荷兰tno国家应用科学研究组织在fdm技术的基础上，使用一直semi-solidmetals（edssm）来直接制作金属件。他们还对这中合金材料的微观组织及其在挤出和沉积过程中的流变力学性质等进行了研究13。得出了加工工艺参数与原型件质量之间的关系，清华大学的颜永年教授等人利用喷射/挤出沉积成形方法制作了骨模型和耳状软骨，并在狗和兔子上进行了实验14。颜永年教授还于2005年正式提出生物制造工程的概念15，目前他们的研究工在国际上处于领先水平。srezelec rebecca a.和varreck andrew n.在美国工程教育协会2005年年会报告中，就fdm技术在机电工程技术教育中的应用、fdm的操作、优点和局限性及fdm教学应用项目进行了讨论18。在他们的教学应用项目中，在penn state altoona机电工程系的学生开设senior capstone course，此外还专门开设了一门“cad for artists”课程。值得注意的是，在他的报告中指出，美国宾州中南部的几十名11到13岁的女中学生也使用fdm系统进行她们的研究。她们在设计了用户产品之后，使用fdm去制作原型，然后进行讨论。1.2.6 fdm系统组成fdm系统主要包括喷头、送丝机构、运动机构、加热成型室、工作台五个部分。（1）喷头。喷头是最复杂的部分。材料在喷头中被加热融化，喷头底部有一喷嘴供熔融的材料以一定的压力挤出，喷头沿零件界面轮廓和填充轨迹运动是挤出材料，与前一层粘结并在大气中迅速固化。如此反复进行即可得到实体零件。（2）送丝机构。送丝机构为喷头输送原料，进丝要求平稳可靠。一般和喷头采用推拉相结合的方式，以保证进丝稳定可靠，避免断丝或积瘤。（3）运动机构。运动机构包括x，y,z三个轴的运动。x-y轴的联动完成喷头对截面的平面扫描，z轴则带动工作台实现高度方向上的进给。（4）加热成型室。加热成型室用来给成型过程提供一个恒温的环境。熔融状态的丝挤出成型后如果骤然冷却，容易造成翘曲和开裂，适当的环境温度可最大限度的减小这种缺陷，以提高成型质量和精度。（5）工作台。工作台主要由台面和泡沫垫板组成，每完成一层成型，工作台便下降一层高度。1.27 fdm成型特点： 1)标准的工程热塑性塑料。如abs可以用来生成带有结构功能的模型。 2)可以使用两种材料，可选栅格结构充当填空。 3)加热后的热塑性塑料细丝像挤牙膏一样从喷嘴中挤出。 4)热塑性塑料到达较低温度的工作环境平面后迅速冷却固化。 5)近年来发展迅速，广受用户青睐。 1.28 fdm的优、缺点及应用范围： fdm快速原型技术的优点是： 1、 制造系统可用于办公环境，没有毒气或化学物质的危险。 2、 工艺干净、简单、易于材作且不产生垃圾。 3、 可快速构建瓶状或中空零件。 4、 原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换。 5、 原材料费用低，一般零件均低于20美元。 6、 可选用多种材料，如可染色的abs和医用abs、pc、ppsf等。 缺点是： 1、 成型精度相对国外先进的sla工艺较低，最高精度0.127mm 2、成型表面光洁度不如国外先进的sla工艺； 3、成型速度相对较慢 适用范围：这种工艺方法适合于产品设计的概念建模以及产品的功能测试。由于甲基丙烯酸abs（mobs）材料具有很好的化学稳定性，可采用伽玛射线消毒，特别适用于医用。但成形精度相对较低，不适合于制作结构过分复杂的零件。2.2 fdm快速成型机的总体设计图5 fdm快速成型系统原理图2.2.1 fdm快速成型机的系统设计fdm控制系统主要由计算机控制系统硬件、运动控制系统、送丝控制系统、温度控制系统及其机床开关量控制系统5部分组成。1) 计算机控制系统硬件主要有单台工业pc机、运动控制卡、数模/模数转换卡、数字量输入卡和数字量输出卡组成。它使用单台工业pc机完成上层数据处理和下层设备驱动功能，使用接口板卡作为计算机控制系统与其他子执行系统的接口。2) 运动控制系统采用步进式开环运动控制系统，运动机构以x-y步进电机与钢丝绳传动机构、z轴步进电机和丝杠传动机构构成，控制模块控制步进电机的运动来完成x-y的平面扫描和z轴的高度进给。z轴方向采用较小的运动速度，保证z轴的精确进给，x-y轴空运行时使用较高速，喷丝工作时使用较低速，保证工作时间的降低和运动的精度。fdm系统采用的是一种三轴步进电机运动控制卡。该卡能实现精确的x-yz位置控制、精确的旋转控制，主要用于机器人设备、装配设备，以及其他使用步进电机的地方。3) 送丝控制系统送丝控制系统包括送丝机构驱动电路。它控制送丝机构的运动，从而将实体材料和支撑材料分别送入实体喷头和支撑喷头进行加热熔化，并通过挤压力将材料从喷头中挤出。计算机控制系统通过数字量输出卡和模数/数模转换卡，经过送丝机构驱动电路实现对送丝机构的启停、正反转和调速控制。4) 温度控制系统温度控制系统是采用独立的闭环控制系统，由三组温控器、可控硅及热电耦组成。它实现在系统工作时，分别将实体喷头、支撑喷头和加热工作室的温度控制在设置的范围内。计算机控制系统通过数字量输出卡来控制温控器的启停。5) 机床开关量控制系统机床开关量控制系统是对机床一些必要的开关量，如强电开关量、加热器开关量、调试开关量、上门开关量等，进行的控制，以达到机床特定的辅助功能。计算机控制系统通过带光电隔离功能的数字量输入卡和数字量输出卡来完成他们的控制。2.2.2 fdm快速成型机的结构设计fdm快速成型机主要有挤压喷头、工作平台、送丝机构、运动机构、加热工作室5个部分组成，如下图所示。图6 fdm快速成型机结构图（字体重标）1) 挤压喷头现在一般都用双喷头独立工作，一个主喷头用来喷模型材料制作零件，另一个副喷头用来喷支撑材料制作支撑，两种材料特性不同，制作完毕后去除支撑相当容易。在计算机控制下，喷头可在xy平面内任意移动，两个喷头可以独立开启关闭。主喷头工作时，副喷头远离工作台;副喷头工作时，主喷头上下位置不动，副喷头接近工作台。工作台可以任意升降。2) 工作平台工作台主要有台面和泡沫垫片组成，每完成一层成型，工作台便下降一个高度。3) 运动机构xy轴的联动扫描完成fdm工艺喷头对截面轮廓的平面扫描，z轴带动工作台实现高度发行的进给。4) 送丝机构送丝机构为喷头输送原料。原料丝直径一般为1-2mm,而喷嘴直径只有0.2-0.3左右，这个差别保证了喷头内一定的压力和熔融后的原料能以一定的速度被挤出成型。送丝机构和喷头采用推拉相结合的方式，以保证送丝可靠，避免断丝或积瘤。5) 加热工作室加热工作室用来给成型过程提供一个恒温环境。熔融状态的丝挤出成型后如果骤然受到冷却, 容易造成翘曲和开裂, 适当的环境温度可最大限度地减小这种造型缺陷, 提高成型质量和精度。3 fdm快速成型机x、y进给系统设计本次毕业设计题目是立式加工中心设计（x、z方向进给系统设计、床身设计），它是一种数控加工设备，随着工业产品的快速发展，该设备在机械行业中的使用越来越广泛，是典型的机电一体化产品。立式加工中心主要用于各种中小尺寸，各种基础件、板件、壳体、模具等多品种零件的加工，工件一次装夹后可自动高效、高精度的连续完成铣、钻、镗、铰等多种工序的加工，适用于航空、机床、印刷、轻纺、模具等制造行业。3.1 x、y向进给系统丝杠的选取与计算滚珠丝杠副按循环方式分为内循环和外循环两种，本设计选用了内循环浮动式滚珠丝杠副，其结构特点为：滚珠循环链最短，反向灵活，结构紧凑，刚性好，使用可靠，工作寿命长，螺母配合外径较小。摩擦力矩小，适用于高灵敏.高精度.高刚度的进给定位系统。如图3-1所示：图3-1 浮动式内循环示意图 初算导程(mm)/=mm 要符合标准值, 初选=20mm 丝杠副最大移动速度，mm/min丝杠副最大相对转速，r/min 当量载荷(n)当载荷在和之间周期性变化时，载荷按下式计算f=（2+） 丝杠的最大载荷为切削时的最大进给力，最小载荷为摩擦力。 =+=3000+0=3000n，=0n f=（2+）=（23000+0）=2000n 当量转速当转速在和之间变化时，=(+)=(2000+0)=1000 r/min 额定动载荷计算(n)=(/)/=1.52000=1.520003.71=11100 n=4.53000=13500 n精度系数， =1可靠性系数， =1载荷性系数， =1.5预期工作距离，=1020km 预加载荷系数， =4.5-最大轴向载荷，=3000n 估算滚珠丝杠允许最大轴向变形=（1/31/4）重复定位精度=0.010=0.003mm （1/41/5）定位精度=0.017=0.004mm取与中较小值为值=0.003mm 估算滚珠丝杠底径(mm)=a=0.039=37.16mm=f=3000 na支承方式系数，一端固定时一端游动时取0.039导轨静摩擦力,n导轨静摩擦因数l滚珠丝杠两轴承支点间的距离 确定滚珠丝杠副规格代号选定滚珠螺母型式,按上述估算的.及值中选出合适的规格代号及有关安装.连接尺寸,并使,但不宜过大,以免增大转动惯量及结构尺寸。取=40mm。型号4010-3，其参数l=84 d=108 d1=63。b1 丝杠螺纹左端到左轴承的距离b1，取60mmb2 丝杠螺纹右端到右轴承的距离b2，取40mmle 余程 le=40mmla 安全行程 la（12）ph=20mmlx 机械最大行程lx=1020mmln 螺母长度ln=84mm l1 丝杠螺纹长度l12le+2la+lx+ln=1300mmlu 有效行程lul12le=1220mml 左右端轴承之间的距离lzl1+b1+b2=1440mmx轴丝杠最少大于1440mm,y轴最少大于980mm注：b1、b2按经验选取，在满足结构设计需要的情况下，越短越好。 计算预紧力当最大轴向工作载荷能确定时, =/3=3000/3=1000n 行程补偿值c（m）c=11.8t=11.821300=30.68m =行程+（814）=1020+1420=1300mmt温度变化值，23c滚珠丝杠副有效行程，mm 预拉伸力(n)=1.95t=1.95240=9867.8n丝杠螺纹底径，mm 系统刚度k计算(n/m)+=0.0055则k=357 n/m滚珠丝杠副的拉压刚度，n/m当一端固定一端游动时，=165l/a(l-a)=786 n/m轴承刚度， n/m=22.34=22.34=261 n/mr轴向接触刚度，得r=1138a滚珠螺母中点至轴承支点距离， 滚珠丝杠副精度选择选择精度，并校合系统刚度k值，进行必要的验算。精度等级； 滚珠丝杠压杆稳定性验算=/=4/=10.1n临界压缩载荷，n安全系数，丝杠垂直安装为1/2支承系数，丝杠最大受压长度，滚珠丝杠副所受的最大轴向压缩载荷 滚珠丝杠副极限转速计算(r/min)=f/=21.940/=13687.5 r/minf支承系数， f=21.9临界转速计算长度， =800 mm dn值校验（rmm/min）=402000=80000100000 rmm/min滚珠丝杠副的公称直径，mm滚珠丝杠副最大转速,r/min 额定静载荷验算（n）=2.23000=6600 n，滚珠丝杠副基本轴向额定静载荷，=37.7n静态安全系数，一般取12，有冲击振动时取23滚珠丝杠副最大轴向载荷，=3000n 丝杠轴拉压强度验算/4=2003.14/4=9.8知丝杠的拉压强度足够。丝杠轴许用拉压应力，n/mm3.2 滚珠丝杠支撑的选择在丝杠的安装方式中有 支撑游动式 固定游动式 固定固定式。由于一端固定，一端游动的安装方式适用于水平安装的较长丝杠，但装配复杂。为了保证机床再加工中能够保证足够的刚性以及补偿热膨胀，所以在这次的设计中传动系统的丝杠采用一端轴向固定，一端游动的结构形式,见图3-2：图3-2滚珠丝杠轴端固定方式固定端采用60度角接触球轴承组背对背安装，以承受两个方向的轴向力，游动端采用深沟球轴承，安装还要考虑轴承的预紧，通过丝杠两端的六角锁紧螺母来实现滚珠丝杠的预紧，防止丝杠发生轴向窜动。其特点为： 丝杠的静态稳定性和动态稳定性最高，适用于高速回转； 结构复杂，两端轴承均调整预紧，丝杠压杆稳定性比较高； 轴向刚度较大，丝杠有热膨胀的余地； 适用于对刚度和位移精度要求较高的滚珠丝杠的安装； 适用于较长的丝杠安装。3.3 滚珠丝杠副预紧机构的设计一般滚珠丝杠副调整轴向间隙的预紧方式有以下六种，如图3-3所示：图3-3 滚珠丝杠副预紧方式（a）双螺母差齿预紧（b）双螺母垫片预紧（c）双螺母螺纹预紧（d）单螺母变位导程预紧（e）单螺母增大刚球预紧（f）六角锁紧螺母预紧 图3-3（a）在双滚珠螺母1和2的凸缘上切制出外齿轮,其齿数差为1,分别与内齿3和4啮合,3与4用螺钉锁紧与螺母座5中,通过1与2的相对转动达到预紧的目的。图3-3（b）是采用不同厚度的垫片2来预紧。图3-3（c）的滚珠丝杠3外伸端处切有外螺纹，螺母2可使3产生轴向位移来预紧。图3-3（d）为单螺母变位导程自预紧，为内预紧方式。图3-3（e）是一种类似过盈配合的预紧方式，采用安装直径比正常大几个m的钢球进行预紧装配。图3-3（f）靠两个六角锁紧螺母轴向拉紧丝杠达到预紧的目的。对比几种预紧形式的工作原理和使用场合我采用了六角锁紧螺母预紧方式，这种方式的结构特点为：结构简单，轴向刚性好，预紧可靠，轴向尺寸适中，工艺性好。适用于高刚度、重载荷的传动，目前应用最广泛。3.4 导轨的选择与计算机床导轨按接触面的摩擦性质可以分为滑动导轨、滚动导轨和静压导轨三种。滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好抗、振性高等优点，是机床上使用最广泛的导轨形式。但其缺点是静摩擦因数大，动摩擦因数随速度变化而变化，摩擦损失大，低速易出现爬行现象，定位精度不高。滚动导轨是在导轨面之间放置滚珠、滚柱、滚针滚动体，使导轨面间的滑动摩擦变为滚动摩擦。优点是：灵敏度高，动摩擦因数和静摩擦因数相差甚微，因而运动平稳，低速移动不易出现爬行现象；定位精度高，重复定位精度可达0.2m，摩擦阻力小，运动轻便，精度保持好，寿命长。适用于运动灵敏及定位精度高的场合。静压导轨因为结构复杂，需要供油系统，造价高，维修困难，影响了其广泛使用。根据滚动体的类型，滚动导轨有下列三种形式： 滚珠导轨这种导轨的承载能力小，刚度低。为了避免在导轨面上压出凹坑而丧失精度，一般常采用淬火钢制造导轨面。滚珠导轨适用于运动的工作部件质量不大和切削力不大的机床上。如工具磨床工作台导轨、磨床的砂轮休整器导轨及仪器的导轨等。 滚柱导轨 这导轨的承载能力及刚度都比滚珠导轨大。但对于安装的偏斜反应大，支承的轴线与导轨的平行度偏差不大时也会引起偏移和侧向滑动，这样会使导轨磨损加快或降低精度。小滚柱（小于10mm）比大滚柱（大于25mm）对导轨面不平行敏感些，但小滚柱的抗振性高。 滚针导轨滚针导轨的滚针比滚柱的长径比大，滚针导轨的特点是尺寸小、结构紧凑。为了提高工作台的移动精度，滚针的尺寸应按直径分组。滚针导轨适用于导轨尺寸受限制的机床上。根据导轨是否预加负载，滚动导轨可分为预加负载和不预加负载两类。预加负载的优点是提高导轨刚度。但这种导轨制造比较复杂，成本较高。预加负载的滚动导轨适用于颠覆力矩较大和垂直方向的导轨中，数控铣床常采用这种导轨。无预加负载的滚动导轨常用于数控镗铣床或加工中心的机械手、刀库等传送机构。综合比较，我采用了滚珠导轨形式。安装形式如图3-4所示：图3-4 滚动导轨固定方式1固定螺钉 2导轨3滑块 4固定螺栓导轨长度：x向导轨：1450mmy向导轨：1050mm导轨负荷的计算：在实际应用中，导轨负荷由于受许多因素影响而发生变化，如：工作台重心位置、切削力的变化等，在选择时应充分考虑上述条件，从而确定系统负荷。y向受力较大，按y向导轨计算，作用于导轨上的负荷计算如下：其中，：所受负荷；f：丝杠推力；r：外力；p：所受负荷（径向）；p：所受负荷（水平方向）；l：力臂长度；v：速度 外力的计算铣削圆周力式中：圆周切削力，n 铣削条件改变时铣削力修正系数对一般的加工条件：工件材料为碳素结构钢=650mpa，高速钢立铣刀，=637，=0.1，=0.72，=0.86，=0，=0.86，=1，z=3，d=20，=10，=0.3，=2=1110n查表得,则走刀抗力=1110n 水平导轨匀速或静止时的受力，如图3-5所示：2500n2500n2500n2500n式中，w=10000n，r=0加工工件时，每一个滑块所受的水平负荷可按下式计算：图3-5 水平导轨均匀或静止时的受力图水平导轨承受外力时的受力图，如图3-6所示：图3-6 水平导轨承受外力时的受力图作用时=1059.8n=0作用时=1867.3n=263.5n=1867.30.75=1400.5n 所以导轨的总受力为=2500+1400.5=3900.5n 额定动负荷可按下式计算：寿命时间，单位hr，取58400：行程长度m，取0.2：每分钟往返次数，取1 由公式l：额定长度，单位0.13kmc：基本额定动负荷10000n：计算负荷24000n：温度系数，取1：接触系数，取0.81：负荷系数，取2.0得c=8.043900.5=31360.2n查博特产品系列，选择jsa-lg45c即可，并且、均满足要求。4 电机的选择与确定步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步距角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。 步进电机分三种：永磁式（pm），反应式（vr）和混合式（hb）永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。 保持转矩（holdingtorque）是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2nm的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2n.m的步进电机。 一般步进电机的精度为步进角的35%，且不累积。 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点，一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130以上，有的甚至高达摄氏200 以上，所以步进电机外表温度在摄氏8090 完全正常。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势，频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服： 如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区； 采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法； 换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机； 换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高； 在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。电动机的选择计算如下：电动机所承受的扭矩t为：t=9550=9550=9.55nmpx、y方向电机功率，本加工中心p=2 kwn丝杠转速，n=1750rad/min本设计选择bf系列150bf002磁阻式步进电动机，电机输出功率2kw，最高转速4000r/min，最大转矩13.72nm,完全符合进给的要求。安装方式如图4-1所示： 图4-1 步进电机的安装方式该步进电机的主要技术参数如下：最高转速nmax：4000r/min。最大转矩tmax：13.72n/m。电机步距角b：0.750/step。表4-1 步进电机选取表型号步距角a/()相数电压(v)相电流(a)最大静转矩(nm)空载起动频率(步/秒)空载运行频率(步 /秒)分配方式相电感(mh)重量(kg)90b0010.948073.9220008000四项八拍17.44.590bf0060.3652432.1562400五项十拍2.2110bf0030.7538067.8415007000三项六拍35.56110bf0040.7533044.9500三项六拍56.55.5130bf0010.75580/12109.31300016000五项十拍9.2150bf0020.75580/121313.7228008000五项十拍14150bf0030.75580/121315.6826008000五项十拍16.5200bf0010.16524414.713008000五项十拍165 床身的设计床身的设计对于整个机床十分重要，因为它要支撑机床的所有重量和受力。在这次的设计中为了减少机床零件个数，遵照越简单越可靠的设计原则将机床床身底座直接设计成可以与y向导轨相连的基座。床身的主要作用是承受重力。为机床工作提供足够的空间。主要包括机床底座，机床外罩（可以防止加工时铁屑的飞出对人造成伤害）。 底座的设计主要是一个箱体的设计。它作为机床的安装基础要为其他系统准备好安装孔系。主要有立柱的安装孔，机床外罩的安装位置，还有进给系统的安装位置。 为了能使机床在加工的时候尽量减少自身的影响，所以要为机床提供一个稳定的加工平面。减少机床加工时的震动，所以在机床底座上要准备一系列的地脚螺栓。地脚螺栓的选取在这次设计中没有经过详细的计算，是通过经验和现场测量，从标准件中选取的。地脚螺栓直径取m16。 为了减轻床身底座的重量应将底座中间掏空，但机床又要求有一定的刚度和减振的性能所以在机床底座外应加加强肋板。6 机床的润滑与防尘6.1 润滑方式机床中润滑是必不可少的，在此次的设计中润滑主要是丝杠螺母副之间的润滑和直线导轨副之间的润滑。与滑动导轨相比，滚动直线导轨副润滑需要油量小且给油周期长。但是如果在没有润滑油的状态下使用，滚动接触部分的磨损将增加，寿命将减少，因此必须有适当的润滑方式。当滚动直线导轨副运行速度为高速时（v15m/min），推荐使用20号机械油，在这里由于设计要求快速运动为35m/min，所以选用20号机械油润滑，通过油管与自动润滑油供给系统相连，按照一定的时间间隔强制润滑。jsa型滚动直线导轨副是通过返向器端部的注油杯口注入润滑油脂，油脂经过返向器内的油道而流到钢球返回沟槽中，然后由于钢球的无限循环而实现整体润滑。润滑后排除的油脂流到机床冷却液回油槽中作为冷却液继续循环使用。6.2 防尘措施当滑块运动时，在滑块运动方向的后方将形成负压区域，这样将吸入尘埃。吸入的尘埃积聚在导轨的固定螺钉内以及导轨面上，使滚动直线导轨的寿命急剧下降。为了保证其使用寿命，必须采用适当的