机械毕业设计（论文）-SK-125立式数控铣床传动系统关键部件设计【全套图纸】 .pdf

i 毕业设计（论文） 设计（论文）题目：sk125 立式数控铣床传动系统关键部 件设计 学 院 名 称： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 学号： 指 导 教 师： 2012 年 4 月 22 日 ii sk125 数控铣床的主要部件设计数控铣床的主要部件设计 摘要：摘要： 数字控制是近代发展起来的一种自动化控制技术是用数字化信号对机床运 动及其加工过程进行控制的一种方法，随着科学技术的迅猛发展，数控机床已经 是一个国家机械工业水平的重要标准。 数控机床是装有程序控制系统的机床。该系统能够逻辑地处理具有使用号 码，或其他符号编辑指令规定的程序。 数控机床是以数控技术为代表的新技术对传统执照产业的渗透形成的机电 一体化产品，起技术规范覆盖很多领域：(1)机械制造技术 （2）信息处理，加 工，传输技术;(3）自动控制技术： （4）伺服驱动技术； （5）传感技术;(6)软件 技术等。计算机对传统机械业的渗透，完全改变了制造业。制造业不但成为工业 化的象征，而且由于信息技术的渗透，使制造业犹如朝阳产业，具有广阔的发展 天地。 数控机床就是将加工过工程所需要的各种步骤以及刀具与弓箭之间的相对 位移量都是用数字化的代码来显示。 通过控制介质数字信息传入专用区域通用的 计算机。计算机对输入的信息处理，发出各种指令来控制机床的伺服系统或者其 他执行元件，使机床自动加工出所需要的工件。 关键词：关键词：机械设计，数控三坐标铣床，主轴，数控系统。 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 英文摘要 i abstract summary： digital control the modern development of automation control of digital technology is a signal for machine tools are processes to control movement, as a method of science and technology has developed rapidly and numerical control machine is a national machinery industry standards of important standard, the machine is a program numerical control control system of machine tools, the system to be logical to use a number or other symbols specified procedure.the instruction encoding. numerical control machine tools in numerical control technology of new technology industries through the traditional manufacturing a product of the electromechanical integration technology.covering many areas:（one）machinery manufacturing technology (two)information processing,processing and transmission technology:(three)automatic technology； （four）servo driving technological;(five)sensing technology;(six) software technology,etc.the computer to traditional service trade the manufacturing industry,has changed completely.and has become industrialized,and because of the information technology,manufacturing into a rising industry,have broad development of the world. numerical control machine tools are the processes of the various steps and the tool relative to the workpiece between the amount of displacement is the use of digital code to represent information media .by controlling figures into a special area of the computer .computer for the processing of information and instructions to control the machine tools or other enforcement servo system components and tools automatically processed out the work. key words:mechanical design,numerical control three coordinates of milling 目录 i 目录 1 绪论 . 1 1.1 数控铣床的现状和发展 . 1 1.2 毕业设计的目的和意义 . 1 2 设计方案的确定 2 2.1 整体方案的确定 . 2 2.2 主轴传动方案的类型和选择 2 3 轴类零件的设计和计算 4 3.1 主轴的材料选择 4 3.2 主轴主要结构参数的确定 . 4 3.2.1 主轴最小直径的估算 . 4 3.2.2 主轴内孔直径 d 及拉杆直径的确定 4 3.3.3 主轴支承跨距 l 的确定 . 5 3.3.4 初选轴承 5 3.3 主轴的结构设计 5 3.3.1 拟定轴上零件的装配方案 . 5 3.3.2 确定轴各段的直径 6 3.3.3 确定各轴段的长度 . 6 3.3.4 主轴刚度的计算 7 4 轴承的设计与计算 9 4.1 轴承当量动载荷的计算 9 4.1.1 切削力的计算 9 4.1.2 径向力的确定. 9 4.1.3. 计算两轴承的派生轴向力 s . 10 4.1.4 计算两轴承的轴向载荷 . 10 4.1.5 计算两轴承的当量动载荷 p . 10 4.2 验算轴承的寿命 11 5 碟形弹簧的设计和计算 12 5.1 碟形弹簧的设计与计算 12 5.2 碟形弹簧的校核 . 13 6 进给机构的设计 . 15 6.1 滚珠丝杆副设计步骤. 15 6.2 滚珠丝杠的计算 15 6.2.1 丝杠导程的计算 15 6.2.2 滚珠丝杠精度 17 6.2.3 滚珠丝杠选择 17 6.3 滚珠丝杠支承选择. 18 6.4 滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧 . 21 7 伺服电机的选择 . 23 7.1 最大的切削负载转矩计算 . 23 7.2 负载惯量计算 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 7.3 空载加速转矩计算 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 8 气体缸的选择 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 目录 ii 致谢 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 宁波工程学院毕业设计(论文) 1 1 绪论 1.1 数控铣床的现状和发展 计算机技术的飞速发展推动了数控技术的更新换代， 而这也日益完善了数控 铣床的高精、高速、高效功能。代表世界先进水平的欧洲、美国、日本的数控系 统生产商利用工控机丰富的软硬件资源开发的新一代数控系统具有开放式体系 结构，即数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向最终用户，通过改变、 增加或剪裁结构对象（数控功能） ，形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用 和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次产品的开发。 开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向 智能化、网络化方向发展。 近几年来，由于对切割质量、劳动环境等的要求越来越高，其相应产品在我 国的市场需求量也逐年上升。在我国的数控铣床设备生产行业中，由于缺乏切割 理论研究与生产实践相转换的机制， 因此新技术运用不广、 新产品开发速度不快， 制约了数控铣床技术的进一步发展和运用。 1.2 毕业设计的目的和意义 装备工业的技术水平和现代程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度， 数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生 物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马 克思曾经说过“各种经济时代的区别，在于生产什么，而在于怎样生产，用什么 劳动资料生产” 。制造技术和装备就是人类生活的最基本的生产资料，而数控又 是当今先进制造技术和装备最核心和技术。 当今世界各国制造业广泛采用数控技 术，以提高制造业能力和水平，提高对动态多变市场和适应能力和竞争能力。 此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家战略物资， 不 仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技 术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的 先进制造业技术已成为世界各发达国家加速经济发展、 提高综合国力和国家地位 的重要途径。 宁波工程学院毕业设计(论文) 2 2 设计方案的确定 2.1 整体方案的确定 本次立式数控铣床要达到的技术要求：电机功 1.5w，进给速度为 4m/s，换 刀的时间靠打刀缸的性能来保证。工作台面积为 840x300 的行程 480x250x250， 工作台所加工零件的类型为铝件和一些钢件。主轴采用 bt50、的刀柄和拉抓。 本次立式数控铣床具有加工中心的特点，能够实现自动换刀，自动变速，变 速方法采用无级变速。由中空电机连接主轴直接转动，本次设计选择采用的是有 欧非机械有限公司型号为o口- fk的中空电机， 它的额定扭矩为179n.m,额定转速 为400rpm 本次立式数控铣床主轴部件的设计主要有轴以及轴上零件、拉杆的设计；气 缸的选择，首先根据换刀所要达到的时间，其次，根据碟形弹簧拉紧刀柄的力， 气缸动作是所产生的力应稍大于弹簧的拉紧力。 2.2 主轴传动方案的类型和选择 数控机床的调速是按照控制指令自动执行的，因此变速机构必须适应自动操 作的要求。在主传动系统中，目前多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机无级 凋速系统。为扩大调速。 为了适应不同的加工要求，目前主传动系统主要有三种变速方式 1 具有变速齿轮的主传动 如上图a所示 这种配置方式大中型数控铣床中比较普遍。它通过少数几对齿轮进行降速，使 宁波工程学院毕业设计(论文) 3 之能够够分段变速，确保低速时拥有足够的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性。但 也有一小部分数控铣床也采用这种传动方式，以获得强有力切削时所需要的扭 矩。 2 通过带传动的主传动 如上图b所示 主要应用字中小数控铣床上，可以避免齿轮传动引起的振动和噪声，但它只 能适用于地扭矩特性要求的主轴。同步带有多楔带，齿形带，圆弧带等，是一种 综合了带传动和链传动有点的新型传动。带的工作面及带轮外圆上均制成齿形， 通过带轮和轮齿相嵌合，做吴华东的齿合运动。带内采用了承载后无弹性伸长的 材料做强力层，以保持带的节距不变，使主动和从动带轮可做无相对滑动的同步 传动。与一般带传动相比，同步带传动具有以下优点; 1).无滑动，传动比准确。 2),传动效率高，可达 98%以上 3).出动平稳可靠，噪音小。 4).使用范围广泛，速度可叨叨 50m/s，速比可达 10 左右，传动功率由几瓦 到数千瓦。 5).维修保养方便，不需要润滑。 但是同步带也有不足之处， 其安装时中心距要求严格， 带与带轮制造工艺较复杂， 成本高。 3 由调速电机直接驱动的主传动 如上图c所示 这种主传动方式打打简化了主轴箱和主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚 度。但主轴输出扭矩小，电动机转动时发出的热量对主轴的精度影响比较大。在 低于额定转速时为恒转输出，高于额定转矩时为恒功率输出。使用这种电动机可 以实现电气定向。我们把机床主轴驱动与一般工业的驱动相比较，便可以知道机 床要求其驱动系统有较高的速度精度和动态刚度， 而且要求具有能连续输出的高 转矩能力和非常矿的恒功率运动范围。随着功率电子，计算机技术，控制理论， 新材料和电动机设计的进一步发展和完善， 矢量控制交流主轴电动机驱动系统的 性能已经达到了甚至超过了直流电动机驱动系统， 交流主轴驱动系统正逐步取代 直流系统。 总的来说，第一第二两种类型对减速配置要求很高，第三种类型要考虑它的 转动惯量。本次设计是有中空电机通过键连接主轴，直接带动主轴转动，这样既 简化了主轴箱体与主轴的结构，也有效地提高了主轴部件的刚度。此设计方案利 用电机控制转速，因此对减速配置要求不高，又由于电机在主轴外部连接，也不 需考虑转动惯量，而且成本更低。 综上讨论，所以，本次设计选择这种主转动方案。 宁波工程学院毕业设计(论文) 4 3 轴类零件的设计和计算 3.1 主轴的材料选择 从多方面考虑选用40cr为本次数控铣床主轴材料。 3.2 主轴主要结构参数的确定 主轴的主要结构参数有：主轴前、后轴颈 d1 和 d2，主轴内孔直径 d， 主轴主要支撑间的跨距 l。这些参数直接影响主轴旋转精度和主轴的刚度。 3.2.1 主轴最小直径的估算 估算最小轴径: 3 4 0 )1 ( n p ad 式中：d主轴的最小直径（cm） p主轴传递的功率(kw)，p=1.5kw0.8=1.2kw n主轴的转速(r/min)，前面已给出 n=400rpm 查机械设计取 0 a为 112，取=0.5 代人数值得：d56mm 取主轴的最小直径d1=60mm，最小直径本应该是后轴颈，但是考虑到轴承的轴 向固定采用锁紧螺母，应留锁紧螺母的位置。考虑到轴上装轴承，有配合要求， 应将后轴颈的直径圆整到标准直径，同时要考虑到选择轴承的类型，还有一个键 槽的关系， 还有主轴是中空电机直接带动主轴转动的， 考虑到主轴的刚度和强度， 因此选择后轴颈的直径d2=120， 3.2.2 主轴内孔直径 d 及拉杆直径的确定 一般铣床主轴孔径 d 可比刀具拉杆直径大 510mm。由于机床使用场合多种 多样，为了适应加工工艺及刀具特点，机床工具行业已经开发了多种轴端结构， 并已形成专业标准，铣床常用的主轴端部结构前端带有 7:24 的锥孔.供插入铣刀 尾部锥柄定位,，拉杆从主轴后端拉紧刀具，常用的是 bt50 刀柄，因此我采用 宁波工程学院毕业设计(论文) 5 bt50 的外螺纹拉杆，为了满足拉杆的刚性要求，取拉杆的直径为 40mm，根 据拉杆的直径确定主轴内孔的最小直径为 50 即可 3.3.3 主轴支承跨距 l 的确定 合理确定主轴主要支承间的跨距 l，是获得主轴部件最大静刚度的重要条件 之一。支 0 l 承跨距过小，主轴的弯曲变形固然较小，但因支承变形引起主轴前 轴端的位移量增大；反之，支承跨距过大，支承变形引起主轴前轴端的位移量尽 管减小了，但主轴的弯曲变形增大，也会引起主轴前端较大的位移。因此存在一 个最佳跨距l0，在该跨距时，因主轴弯曲变形和支承变形引起主轴前轴端的总 位移量为最小。一般取l0=（23.5）a，本文所设计的主轴暂取 l=475mm，但 是实际结构设计时，由于结构上的原因，以及支承刚度因磨损会不断降低，主轴 主要支承间的实际跨距 l 往往大于最佳跨距l0。 3.3.4 初选轴承 本文所设计的铣床主要用于铣削平面和打孔，轴承承受径向载荷，故选择角 接触球轴承背对背的组合。根据工作要求，由轴承产品目录中选取型号为 7320c 的角接触球轴承 3.3 主轴的结构设计 3.3.1 拟定轴上零件的装配方案 本文所设计的主轴要用原有的主轴箱，根据主轴箱的结构、轴上零件定位、 加工要求以及不同的零件装配方案，参考轴的结构设计的基本要求，得出如图所 示的轴结构。 宁波工程学院毕业设计(论文) 6 3.3.2 确定轴各段的直径确定轴各段的直径 轴段 1 由于选用的是 bt50，查机床设计mmd57.128 min =简明手册，考虑主 轴前端部收到的径向力较大，所以轴段 1 的直径 d=140mm 轴段 2 要轴承配合，因为要承受很大的径向力，故选的角接触球轴承是重型 的，故取轴段 2 的直径 2 d =130mm。 轴段 3 由于轴段 2 安装螺母的关系，轴段 3 的直径比轴段 2 小 23mm，故 3 d =126mm 轴段 4 有个轴肩，又由于又轴承配合和键的关系，故直径d4=120mm。 3.3.3 确定各轴段的长度确定各轴段的长度 轴段 1 由于主轴内孔要装拉杆、拉刀抓及 bt50 刀柄，整体装配起来应该让 拉杆不要伸出主轴内孔太长，否则铣床的整体动刚度不好，根据主轴和主动轴的 整体装配关系，故 1 l =66mm。 宁波工程学院毕业设计(论文) 7 轴段 2 由于有轴承，套筒和螺母安装的缘故根据轴承和螺母的选择标准查出 它们的宽度，故mml164 2 = 轴段 3 主要考虑的是碟形弹簧导程的关系，根据计算取 3 l =80mm 轴段 4 主要是轴承和键的配合，并且要连接中空电机，故长度取mml165 4 = 3.3.4 主轴刚度的计算主轴刚度的计算 (1)、当量直径 d： l ldldld d nn + = 2211 式中：是各段的直径, 21n ddd； n lll, 21 是各段的长度 n llll+= 21 mmd 2 . 127 475 1651208012616413066140 = + = (2)、主轴切削力 切 f 的计算 根据公式vfp 切 =得： v p f= 切 ，则当线速度v最小时,切削力最大 601000 min min = dn v d = 601000 14510014 . 3 =0.76m/s v p f= 切 = 76 . 0 5 . 1 =2.1kn (3)、挠度的计算 主轴的前悬伸部分较粗，刚度较高，其变形可以忽略不计。后悬伸部分不影响刚 度。当主轴前端作用一外载 切 f ，则挠度 y= ei laf 3 2 切 （mm）= ei laf 3 2 切 10 3（m） 式中 切 f 典型切削工艺的切削力 a前悬伸，等于载荷作用点至前支承点间的距离（mm） l跨距，等于前后支承之间的距离（mm） 宁波工程学院毕业设计(论文) 8 弹性模量，钢取210 5 （mpa） i截面惯性矩，i=0.05（ 44 i dd）（mm 4 ） d， i d 主轴的外径和孔径（mm） 将 e 和 i 的值待人，可得 y= )(30 44 2 i dd laf 切 = )58126(30 47520101 . 2 44 23 =7.5m0.0002l=0.0950mm (4)、偏转角 主轴切削工件时承受很大的切削力，主轴前端产生弯曲变形，查机床设计手册得 )32( 6 al ei af d += 切 式中 d 主轴前端偏转角(rad) 切 f 、a、l、与前面相同 代入数据得 = d )58126(05 . 0 1026 20101 . 2 445 3 (2475+320)=0.0028 rad 所以 d =0.005 rad 综上所述 主轴的刚度满足条件，不必重新设计。 宁波工程学院毕业设计(论文) 9 4 轴承的设计与计算 本文所设计的数控铣床主要用于铣削平面和打孔， 轴承承受径向载荷 的同时，还承受不大的轴向载荷，根据轴承承受载荷的特性，选择角 接触球轴承的背对背的组合方式。 4.1 轴承当量动载荷的计算 轴承寿命可由式 6 10 () 60 t h f c l np = 进行校核，轴承只承受径向载荷的作用， 由于工作温度不高且冲击不大，故查表 13- 4 和 13- 6 可取 1,1.1, tp ff= 取 3 = 基本额定动负荷为 3 23 10cn= 4.1.1 切削力的计算 根据公式 p=vf切得： v p f= 切 ，根据典型切削工艺取 n=1200r/min sm dn v/28 . 6 601000 120010014 . 3 601000 = = = d v p f= 切 = 28 . 6 5 . 1 =0.23kn 4.1.2 径向力的确定 角接触球轴承背对背组合，可知： 宁波工程学院毕业设计(论文) 10 切 f = 373 96 0.86=0.22kn 2r f = 切 ffr+ 1 =0.22+0.23=0.45kn 4.1.3. 计算两轴承的派生轴向力 s 查 机 械 设 计 手 册 得 ， 角 接 触 球 轴 承 的 派 生 轴 向 力 为 s= fr /(2y) ， 则 = = 4 . 12 22 . 0 2 1 1 y f s r 0.08kn kn y f s r 16. 0 4 . 12 45. 0 2 2 2 = = 4.1.4 计算两轴承的轴向载荷 轴承外加的轴向力 a f =2kn 2 s + a f =0.16+2=2.16kn 1 s 所以轴承被“压紧”，轴承被“放松”，故 knfsf aa 39 . 2 21 =+= knsfa16. 0 22 = 4.1.5 计算两轴承的当量动载荷 p 查机械设计基础得：载荷系数 p f =1.5 轴承的当量动载荷 p1： 22 . 0 39 . 2 1 1 = r a f f =10.8e=0.42 查机械设计手册得： 1 x =0.4， 1 y =1.4 )( 1111arp yffxfp+=1.5(0.40.22+1.42.39)=5.2kn 轴承的当量动载荷 p1： 宁波工程学院毕业设计(论文) 11 45. 0 16. 0 2 2 = r a f f =0.32e=0.44 查机械设计手册得： 2 x =1， 2 y =0 22rpf fp =1.50.45=0.68kn 4.2 验算轴承的寿命 由于轴承是在正常温度下工作，t 120，查表机械设计手册得 t f =1 角接触球轴承 =10/3，则轴承 i 的寿命 3 10 6 1 6 110 )2 . 5( 611 120060 10 )(60 10 = p cf n l rt k =46500 h 轴承的寿命 3 10 6 2 6 110 )62. 1 ( 1751 120060 10 )(60 10 = p cf n l rt k =9.910 5 h 综上所述，轴承满足 5 年，一年工作 300 天、每天 24 小时的寿命，不必重新选 择 宁波工程学院毕业设计(论文) 12 5 碟形弹簧的设计和计算 5.1 碟形弹簧的设计与计算 碟形弹簧的组合方式有叠合组合、对合组合和复合组合，本文设计的铣床采 用对合组合方式，这种方式结构简单，对合片数少。 主轴采用的是 bt50 的刀柄，通常 bt50 的刀柄需要用 3.5 吨的力才能拉紧， 既工作载荷 2 f =35009.8=34300n，在装配时用锁紧螺母固定弹簧，预紧力为 1 f =2000n，使用过程中要求弹簧的最大变形量为 8.5mm，根据要求设计合适的 弹簧组合。 (1)、根据要求查机械设计手册，从、b、c 系列中选取一个规格. (2)、由 51 100 = d d c=1.96 查机械设计手册得 1 k 0.686，碟簧有支承面时,取 4 k =1.6 当碟簧压平时碟簧载荷 2 4 2 1 0 3 4 1 4 k dk hte fc = 其中： 弹性模量（pa），弹簧钢取 e=mpa 5 1006 . 2 泊松比，弹簧钢取 =0.3 带入数据解得 2 2 3 4 5 6 . 1 100686 . 0 2 . 26 3 . 01 1006 . 2 4 = c f= 5 1047 . 1 n (3)、根据 6 2 . 2 0 = t h =0.4 和= = 5 2 1047 . 1 34300 c f f 0.23，由查得 0 1 h f =0.22 由此变形量 1 f =0.22， 1 h =0.48mm 满足总变形量 z f =8.5，所需的碟簧片数为i= 48 . 0 5 . 8 1 f fz 17.7，取i=18 片 宁波工程学院毕业设计(论文) 13 对合碟簧组的总自由高度为 z h =i 0 h =188.2=147.6mm 承受载荷 3.5 吨时的高度 1 h = 1zz fh=147.6180.48=138.96mm 5.2 碟形弹簧的校核 (1)、由 21 ff、 求 21 ff 、 根据上面的计算知：nfc 5 1047 . 1 = 因此 = = 5 1 1047 . 1 2000 / c ff0.03 = = 5 2 1047 . 1 34300 / c ff0.23 按照 t h0 =0.4，查图 5- 1 得到 0 1 h f = 0.03 0 2 h f =0.22 由此 01 03 . 0 hf =0.032.2=0.066mm 02 22 . 0 hf =0.222.2=0.48mm (2)、疲劳破坏的关键部位 由 t h k 0 4 =0.64 和 c=1.96，查图 8- 3 得，疲劳强度破坏的关键部位在二点 t h0 或 t h k 0 4 (3)、计算应力 并检验碟簧寿命 当 1 f =0.066mm 时，由下式得： = 3 0 244 2 1 2 2 21 4 k t f t h kk t f k dk te =55.34mpa 当 2 f =0.22 时，由下式得： 宁波工程学院毕业设计(论文) 14 = 3 0 244 2 1 2 2 21 4 k t f t h kk t f k dk te =200.7mpa 碟簧的计算应力幅为 minmax = a =200.655.34=145.26 mpa 由图 52b 查得：当 max =55.34 mpa，寿命 210 6 时的 maxr =720 mpa 即疲劳强度应力幅为 minmaxrrra =72055.34=664.66mpa 即 raa ，能够满足无限寿命的要求。 至此碟型弹簧的设计与校核已全部完成，选用 a 型支承面、共 18 片对合组合的 碟型弹簧。 宁波工程学院毕业设计(论文) 15 6 进给机构的设计 6.1 滚珠丝杆副设计步骤 通常的滚珠丝杆副设计步骤为: a、计算作用在滚珠丝杠上的最大动载荷; b、从滚珠丝杠列表指出相应最大动负载的近似值,并初选几个型号; c、根据具体工作要求，对于结构尺寸、循环方式、调隙方法及传动效率等方面 的要求，从初选的几个型号中再挑出比较合适的直径、导程、滚珠列数等，确定 某一型号。 d、 根据所选的型号,列出或计算出其主要参数的数值,计算传动效率,并验算刚度 及稳定系数是否满足要求。 如不满足要求,则另选其他型号,再作上述计算和验算, 直至满足要求为止。 6.2 滚珠丝杠的计算 6.2.1 丝杠导程的计算 根据进给系统定位精度的要求，初步选用半闭环伺服系统。如果经计算后半 闭环系统不能满足定位精度要求，改用全闭环伺服系统。 从产品目录中查得伺服电动的最高转速为min/3000 max rn=伺服电机通过联 轴器与丝杠直接，即1=i。工作台快速进给的最高速度要求达到min/2 max mv=。 取电动机的最高转速min/3000 max rn=，则丝杠的最高转速 max n也为min/3000r。 基本丝杠导程公式如下： 10 3000 3010001000 max max mm n v ph= = 根据精度要求，数控机床的脉冲当量可定为005 . 0 =amm/脉冲。伺服电机每 转应发出的脉冲数由以下公式可知： 宁波工程学院毕业设计(论文) 16 20001 005. 0 10 =i a p b h 伺服系统中常用的位置反馈器有旋转变压器和脉冲编码器。 如果采用旋转变 压器方案，因旋转变压器的分解精度为每转 2000 个脉冲，则在伺服电动机和旋 转变压器轴之间安装 1：1 的升速齿轮。当采用脉冲编码器方案时，因脉冲编曲 码器有每转 2000、2500、5000 脉冲等数种产品，故编码器后应加倍频器。如选 用每转 2500 脉冲的编码器，则位频器的倍数为 0.8。 在速度反馈装置中，与旋转变压器配套的，可采用测速发电机的转速为 1000r/min 时，输出一定的电压量 g u（例如，1000r/mm 输出 6v） 。如采用脉冲 编码器方案，则可在倍频器后加频率/电压转换器（f/v） ，其转换比例为每 min/107p输出电压为 g u（例如 6v） 。即相当于测速发电机转速达到 1000r/min 时，才能输出 6v 的电压，而此时脉冲编码应实现min/107p。 图 41 为上述 2 种方案的传动系统图。这 2 种方案目前都有使用，各配不 同的数控系统。本设计采用图 b 方案。 位置反馈 每分10000脉冲 速度反馈 ， a 宁波工程学院毕业设计(论文) 17 位置反馈 每分10000脉冲 速度反馈 ， b 图 61 伺服系统的传动系统图 6.2.2 滚珠丝杠精度 由于本系统要求达到0.015 mm 的定位精度， 根据此要求查阅滚珠丝杠样本， 对于 1 级（p1）精度丝杠，任意 300mm 内导程允差为 0.006mm，2 级（p2）精度 丝杠的导程允差为 0.008mm。初步设计时先设计丝杠的任意 300mm 行程内的行程 变动量 300 v为定位精度的 1/31/2，即 0.0050.0075，因此，取滚珠丝杠精度 为 p1 级，即为 1 级精度丝杠。 6.2.3 滚珠丝杠选择 滚珠丝杠的名义直径、滚珠的列数和工作圈数应按当量动载荷 m c选择。 丝杠的最大载荷为切削力的最大进给力加摩擦力；最小载荷即摩擦力。已知 最大进给力nff5000=，工作台加工件与夹具的重力为 4000n，贴塑导轨的摩擦 系数为 0.04，故丝杠的最小载荷（即摩擦力） nff g 160400004. 0 min = 丝杠最大载荷 nf51601605000 max =+= 平均载荷 3493 3 16051602 3 2 minmax n ff fm + = + = 宁波工程学院毕业设计(论文) 18 丝杠最高转速 3000r/min，工作台最小进给速度为 1mm/min，故丝杠的最低转 速为 0.1r/min,可取为 0，则平均转速()min/15002/03000rn=+=。丝杠使用命 取ht15000=，1= a k，5 . 1= p k，故丝杠工作寿命由公式可知： 1350 1010 60 66 = = nt l 式中 l工作寿命，以r 6 10为一个单位； n丝杠转速，min/r； t丝杠的使用寿命， 对数控机床可取ht15000=， 本题选取ht15000=。 代入公式可得丝杠的当量动载荷 m c为 49 1 5 . 113503493 3 3 kn k klf c a pm m = 式中 a k精度响影系数，对于 1、2、3 级精度的滚珠丝杠取1= a k，对于 4、 5 级精度滚珠丝杠取9 . 0= a k，本题取1= a k； p k载荷性质系数，无冲击取 11.2 一般情况取 1.21.5，有较大冲振 动时取 1.52.5，本题取5 . 1= p k。 查滚珠丝杠样本中与 m c相近的额定动载荷 a c，使得选择 m c a c，然后由此 确定滚珠丝杠副的型号和尺寸。查滚珠丝杠产品中样本，选择 ffz4010 型内循环 浮动返回器双螺母对旋预紧滚珠丝杠副。其名义直径为 40mm，导程为 10mm，每 个螺母滚珠有 5 列。额定动载荷knca56=， m c a c，符合设计要求。轴向刚 度mnkc/2300=。预紧力kncf ap 144/564/=。只要轴向载荷值不达到或 超过预紧力 p f的 3 倍，就不必对预紧力提出额外的要求。本题中丝杠最大载荷 max f为 5.16kn，远小于 p f3。 6.3 滚珠丝杠支承选择 滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此对 丝杠的轴向精度和轴向刚度应有较高要求。其两端支承的配置情况如图 62 所 示的轴向固定方式。其中图 a）为一端轴向固定一端自由的支承配置方式，通常 用于短杠和垂直进给丝杠杠；图 b)为一端轴向固定一端自由的支承配置方式， 常用于较长的卧式安装丝杠；图 c)为两端固定方式，常用于长丝杠或高转速、 高刚度的丝杠，这种配置方式可对丝杠进行预拉伸。 宁波工程学院毕业设计(论文) 19 支承间距离 工 作 台 轴向载荷 a) 支承间距离 工 作 台 轴向载荷 b) 支承间距离 工 作 台 轴向载荷 c) 图 62 滚珠丝杠的支承配置 滚珠丝杠中经常使用的滚动轴承有以下 2 类。 宁波工程学院毕业设计(论文) 20 1）接触角为60的角接触球轴承 这是目前国内外广泛采用的滚珠丝杠轴承，这种轴承可组配置。图书 63b） 为 1 对背靠背组合方式，图 6-3c)为一对面对面方式。这两种方式可承受双向轴 向推力。图 63d)为一同向组合方式，其承受能力较高，但只承受 1 个方向的 轴向力， 同向组合时的额定动载荷 a c等于单个轴承的 a c乘下列数： 2 个为 1.63； 3 个为 2.16；4 个为 2.64.图 63e)为 1 对同向与左边 1 个面对面组合方式。用 上述方法还能派生出三联、四联等多种组合方式。由于螺母与丝杠的同轴度在制 造安装的过程中难免有误差， 而且采用面对面组合方式时两接触与轴线交点间的 距离a比背对背