机械毕业设计（论文）-立式加工中心工作台设计（全套图纸） .pdf

华北科技学院毕业设计 1 目录 摘要 5 abstract . 6 1 绪论 . 1 1.1 课题研究背景及意义 . 1 1.2 加工中心的基本组成、分类及结构特点 . 2 2 设计方案及结构特点 . 5 3 加工中心工作台的基本参数 . 7 3.1 进行工作台条件选定 . 7 3.2 铣削分析 7 3.2.1 铣削抗力分析 8 3.2.2 坐标轴导轨摩擦力计算 9 3.2.3 滚珠丝杠螺母副轴向负载力的计算 10 4 横向进给系统 . 13 4.1 横向进给系统工作原理 13 4.2 导轨设计与选型 . 13 4.2.1 导轨概述 13 4.2.2 对导轨要求 14 4.2.3 对导轨的技术要求 14 4.2.4 滚动直线导轨的选型与计算 15 4.3 轴承的选择与计算 . 17 4.3.1 滚珠丝杠螺母副支承方式选择 17 4.3.2 轴承所受的最大轴向载荷 18 4.3.3 根据滚珠丝杠副支承要求选择轴承型号 18 4.4 联轴器及传感器的选择 . 19 4.5 滚珠丝杠螺母副的选型与计算 . 20 4.5.1 滚珠丝杠螺母副循环方式选择 20 4.5.2 滚珠丝杠螺母副的计算 20 4.5.3 滚珠丝杠螺母副预紧方式的选择以及预紧力的确定 24 加工中心工作台设计 2 4.6 滚珠丝杠的确定 . 25 5 纵向进给系统设计 27 5.1 纵向进给系统工作原理 27 5.2 导轨设计与选型 27 5.3 轴承的选择与计算 28 5.3.1 滚珠丝杠螺母副支承方式选择 . 28 5.3.2 轴承所受的最大轴向载荷 . 28 5.3.3 根据滚珠丝杠副支承要求选择轴承型号 . 29 5.4 滚珠丝杠螺母副的选型与计算 30 5.4.1 滚珠丝杠螺母副循环方式选择 . 30 5.4.2 滚珠丝杠螺母副的计算 . 31 5.4.3 滚珠丝杠螺母副预紧方式的选择以及预紧力的确定 . 34 5.5 滚珠丝杠的确定 35 5.5.1 确定滚珠丝杠螺母副的螺纹长度 ls 35 5.5.2 滚珠丝杠参数确定 . 36 6 回转工作台的设计 37 6.1 回转工作台工作原理及蜗杆材料选择 37 6.2 对蜗轮蜗杆力学分析及电机选择 37 6.2.1 对蜗轮蜗杆力学分析 . 37 6.2.2 电机选择 . 38 6.3 蜗轮的计算与校核。 39 6.3.1 按齿面接触强度确定主要参数 . 39 6.3.2 验算蜗轮圆周速度2 和相对滑动速度s 及总效率 . 40 6.3.3 验算蜗轮齿根弯曲强度 . 41 6.3.4 确定蜗轮的主要几何参数 . 42 6.4 蜗杆的计算与校核 43 6.4.1 蜗干的基本参数确定 . 43 6.4.2 验算蜗干的刚度计算 . 43 6.5 蜗轮蜗杆的参数确定 45 华北科技学院毕业设计 3 6.6 圆周运动导轨的选择 . 46 6.7 回转工作台传感器的选择 . 46 结论 47 参考文献： 48 致谢 49 外文文献及译稿 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 英文文献 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 中文翻译 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 加工中心工作台设计 4 华北科技学院毕业设计 5 立式加工中心工作台设计 摘 要 本文设计的主要内容为立式加工中心直线、 回转工作台， 该工作台承担运动功能 为纵向（x）轴和横向（y）两个方向的直线移动及一个绕（z）轴的转动。主要设 计内容包括：本设计首先做总体结构方案的拟定。确定工作台组成结构，方案拟定为纵 向、横向两个方向移动的直线工作台，在纵向直线移动工作台的导轨上安装一个绕（z） 轴转动的回转工作台。其次主要部件概述。这一部分主要描述在工作台设计过程中主要 设计的几个典型部件，如伺服进给系统、工作台、导轨，陈述选用这几个部件的原因和 对它们的基本要求。第三部分是结构力学的设计计算也是本设计的主要部分。 结合给 定的主要参数对伺服进给系统和回转工作台进行选择计算并校核，得到必需的几何参 数，基本确定工作台的结构尺寸。第四部分为工作台装配图与零件图的绘制。图纸可以 清楚地表示工作台及其组成部分的连接、装配关系和主要零件结构、大小及技术要求。 关 键 词 ：加工中心；工作台；回转工作台；滚珠丝杠 加工中心工作台设计 6 abstract in this paper, mainly is the design of linear moving working table, vertical machining center cnc rotary worktable.cnc machine main motor function is the two longitudinal（x） and transverse （y） directions of the linear movement and rotation of a circling.the main design content includes:the first ,the formulation of the overall structure scheme.determine the structure of machining center,scheme for linear table two longitudinal, transverse direction.,guide in the longitudinal linear moving working table is provided with a rotation of the rotary table.secondly,descripe the typical components of vertical machining center.in this part, the components used in the design, such as servo feed system tables and guide rails,are descriped respectively why choose them,and the require- ments for them. third,design and calculation of structural mechanics.the main parameters in combination with the given were selected to calculate and check on the servo feed system and the rotary table, geometric parameters required, determine the basic structure size table.fourth,working table assembly and parts drawing.drawings can clearly express the platform and its component connection, assembly relations and major parts of the structure, size and technical requirements. key words：machining center;working table;rotary working table ;ball screw 华北科技学院毕业设计 第 1 页 共 61 页 1 绪 论 1.1 课题研究背景及意义 加工中心,简称 cnc，是由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状工件的 高效率自动化机床。加工中心又叫电脑锣。加工中心备有刀库，具有自动换刀功能，是 对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。加工中心是高度机电一体化的产品，工 件装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具、自动对刀、自动改变 主轴转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰，攻丝等多种工序，因而大大减少了 工件装夹时间、 测量和机床调整等辅助工序时间， 对加工形状比较复杂， 精度要求较高， 品种更换频繁的零件具有良好的经济效果，目前加工中心正在向着高速高效、高精度、 模块化、网络化和复合化方向发展。由于加工中心是典型的集高新技术于一体的机械加 工设备，其生产效率高、柔性好、一机多用和易于加工复杂的曲线、曲面零件等特点， 早已成为工业发达国家军民机械工业的主力加工设备。 一个国家的加工中心拥有量、 消费量及总体技术水平与这个国家机械工业的加工制造技术水平息息相关。我国的加工 中心从二十世纪 70 年代开始，加工中心得到迅速的发展并逐渐出现了可换主轴箱加工 中心， 它备有多个可以自动更换的装有刀具的多轴主轴箱， 能对工件同时进行多孔加工， 但技术、品种和数量上都还远远不能适应我国的经济、技术发展的需要。进入 21 世纪 以后， 中国加工中心的消费量随着军民机械工业的大规模技术改造而迅速增长， 如 2001 年中国加工中心的消费量仅为 2662 台（其中进口 2290 台） ，而同年美国、日本和德国 的加工中心消费量分别为 11505 台、6090 台和 5291 台。到了 2005 年，中国加工中心的 消费量猛增至约 13200 台（估计值，加工中心的产量数据未公布） ，其中进口 10343 台。 2005 年加工中心的消费量是 2001 年的 4.96 倍，年均增幅达 49.2%，一举超过美、日、 德诸国，成为世界上消费加工中心最多的国家。 根据机械工人杂志社等单位的调查，从近 600 份重点用户的有效问卷中得出的 结果是，加工中心机床的应用已遍及全国 26 个行业，其中汽车、摩托车及其零部件制 造业占 24%，航空航天和军工行业占 18%，机床工具业占 11%，模具行业占 8%，轻工 机械行业占 4%。在这些企业拥有的加工中心中，虽然普及型的立式和卧式加工中心仍 占多数，但多轴联动、高速、大型精密等高档加工中心也占有一定比重，如在所调查的 近 600 户用户中，拥有 5 轴联动加工中心的占 24%。说明中国市场消费的加工中心虽然 加工中心工作台设计 第 2 页 共 61 页 以普及型的中档机为主，但高档机在消费量中所占比重估计已达 15%至 20%。 中国消 费的加工中心大部分依靠进口（2005 年进口量占消费量的七成多） ，进口金额 12.97 亿 美元，居各类机床进口额之首，主要从日本、中国台湾、德国和韩国等地进口。2006 年上半年，中国进口加工中心 5511 台，金额 6.88 亿美元，同比分别增长 20%和 11%， 仍保持两位数增长，说明中国加工中心市场的规模还有增长空间。 1.2 加工中心的基本组成、分类及结构特点 加工中心是一种功能较全的自动化加工机床。它把切削、铣削、镗削和钻削等功能 集中在一台设备上，使其具有多种工艺功能。加工中心自 1958 年由美国卡尼-特雷克公 司首先研制成功问世至今世界各国出现了各种类型的加工中心，虽然外形各异，但从总 体结构来看主要由以下几大部分组成。 基础部件 由床身、立柱、工作台等组成。它们是加工中心的基础结构，它们不仅 要承受加工中心的静载荷，还要承受切削加工时产生的切削负载，所以要求加工中心的 基础部件必须有足够的刚度。这些大件可以是铸铁件也可以是焊接而成的钢结构件，它 们是加工中心中体积和重量最大，同时也是主要的减震部件。 （2）主轴部件 由主轴伺服电源、主轴电动机、主轴箱、主轴、主轴轴承和传动轴 等零件组成。主轴的启动、停止、变速等均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具 参与切削运动，是进行切削加工的功率输出部件。主轴是加工中心的关键部件，其结构 的好坏对加工中心的性能有很大的影响，它决定着加工中心的切削性能、动态刚度、加 工精度等。 数控系统 单台加工中心的数控部分由 cnc 装置、可编程序控制器、伺服驱动装置 以及电动机等部分组成。cnc 装置是一种位置控制系统，其控制过程根据输入的信息进 行数据处理、差补运算，获得理想的运动轨迹信息，然后输出到执行部件，加工出所需 要的工件。可编程序控制器（plc）替代一般机床中机床电器柜，执行数控系统指令， 控制机床执行动作。数控系统主要功能有：控制功能、进给功能、主轴功能、辅助功能、 刀具功能和第二辅助功能、补偿功能、字符图形显示功能、自动诊断功能、通信功能、 人机对话程序编制功能等。数控系统是加工中心执行顺序控制功能和完成加工过程的控 制中心。 （4）自动换刀系统 该系统是加工中心区别于其他数控机床的典型装置，它解决工 华北科技学院毕业设计 第 3 页 共 61 页 件一次装夹后多工序连续加工中，工序与工序间的刀具具有自动储存、选择、搬运和交 换任务。它由刀库、机械手、驱动机构等部件组成。 （5）自动托盘交换系统 如今有的加工中心为了实现进一步的无人化运行或进一 步缩短非切削时间，采用多个自动交换工作台方式储备工件。一个工件安装在工作台上 加工的同时，另外一个或几个可交换的工作台面上装夹上一些等待加工的工件。当完成 一个托盘上工件的加工后，便自动交换托盘，进行新零件的加工，这样可以减少装夹的 等待时间，提高加工效率。 （6）辅助装置 包括润滑、冷却、排泄、防护、液压、气动检测系统等部分。这些 装置虽然不直接参与切削运动，但对加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起着保障 作用，因此也是加工中心不可缺少的部分。 加工中心工作台设计 第 4 页 共 61 页 华北科技学院毕业设计 第 5 页 共 61 页 2 设 计 方 案 及 结 构 特 点 （1）设计方案的预期目标 设计任务定为立式加工中心工作台， 工作台承担运动功能为纵向 （x） 轴和横向 （y） 轴两个直线方向的移动及一个绕（z）轴的转动。 （2）设计方案的可行性及结构特点 立式加工中心是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机 床。它是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的，它综合了机械技术、电 子技术、计算机软件技术、气动技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及 通讯诊断、刀具和编程技术的高科技产品，将数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能并 聚集在一台加工设备上，且增设有自动换刀装置和刀库，可在一次安装工件后，数控系 统控制机床按不同工序自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相 对工件的运动轨迹及其它辅助功能； 依次完成多面和多工序的端平面、 孔系、 内外倒角、 环形槽及攻螺纹等加工。由于加工中心能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测 量和调整时间，减少工件周转、搬运存放时间，使机床的切削利用率高于通用机床 34 倍，达 80%以上。所以说，加工中心不仅提高了工件的加工精度，而且是目前数控机床 中生产率和自动化程度最高的综合性机床。 本设计中，主要设计立式加工中心的工作台，工作台作为加工中心的重要部分，其 设计的优劣性对于加工中心的加工性能有很大的影响。加工中心工作台实现的目标是纵 向（x）轴和横向（y）轴两个直线方向的移动及一个绕（z）轴的转动，所以在设计过 程中，必须要把该功能实现。直线进给系统如图 2- 1，横向进给系统的工作原理和纵向 进给系统的工作原理一样，其中横向与纵向进给系统只是在工作台行程和导轨承担的额 总重不一样之外，其他的都相同，所以在滚珠丝杠副、轴承、联轴器、电机等选择都以 导轨承载最重的方案来选择。通过计算其中一组，另外一组则可以采用相同的零件，但 由于行程不一样，所以丝杠的长度不一样。本设计为了实现一个绕（z）轴的转动，在 直线进给系统中增加一个回转工作台，该工作台主要通过电机、联轴器、蜗轮蜗杆传动 来实现工作台的转动，其工作原理如图 2- 2 所示。该系统主要确定蜗轮蜗杆的几何尺寸 以及电机的选择，该内容都在第六章进行计算确定。因此就可以实现预期的设计目标。 加工中心工作台设计 第 6 页 共 61 页 图 2- 1 横向及纵向进给系统工作简图 图 2- 2 回转工作台工作简图 华北科技学院毕业设计 第 7 页 共 61 页 3 加 工 中 心 工 作 台 的 基 本 参 数 3.1 进行工作台条件选定 工作台重量计算：材料：ht200 密度：=7200kg/m3 x,y 直线工作台：kg160720005 . 0 5 . 09 . 0= 回转工作台：kg33.12772022 . 0 2 32 . 0 2 = 总质量预算：总重=工作台+工件+滚珠丝杠螺母副+夹具+导轨=1000kg 重量=10000n 纵向（x）工作台行程=750mm 横向（y）工作台行程=500mm 工作进给速度为 11500mm/min 快速进给速度为 15m/min 工作台导轨选择滚动导轨，动摩擦因数取=0.01，静摩擦因数0=0.01，工作快速 进给 max=15m/min,寿命设定为 20000h（约工作十年） ，主轴伺服电机暂取 7.5kw，强 力切削时铣刀选择直径为 125mm，主轴转速设定为 300r/min 表 3- 1 数控机床进给速度与时间比例经验值 切削方式 进给速度 m/min 时间比例% 备注 强力切削 0.6 10 主电动机满功率工作 一般切削 0.8 30 粗加工 精加工切削 1 50 精加工 快速进给 15 10 空载 3.2 铣削分析 采用端铣刀在主轴上进行强力切削下计算，主轴此时具有最大的扭矩，并能传递主 电机的全部功率，此时铣刀的切削速度为： 96 . 1 100060 300125 100060 = = = dn m/s （3-1） 加工中心工作台设计 第 8 页 共 61 页 式中：铣刀切削速度，单位为 m/min； n强力切削下主轴转速，单位为 r/min； d刀具直径，单位为 mm； 3.2.1 铣削抗力分析 机床主传动机械效率一般取=0.8，在传动轴系工作转速的各阶段临界转速范围 之外，当取 n（0.750.8）nc1。 铣削运动运动特征：主运动为铣刀绕自身轴线高速旋转，进给运动为工作台带动工 件在垂直铣刀轴线方向缓慢进给（铣键槽时，可使键槽铣刀沿轴线进给） 。铣刀的类型 很多，多以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式。在本设计中主要以端铣刀铣削方式来进行计 算。 切向铣削力可按照主电动机功率 pe（kw）计算，主切削力为 22.306110 96 . 1 5 . 78 . 0 10 33 = = em z p f n （3-2） 式中：fz切向切削力，单位为 n； m 机床主传动系统的传动效率，一般取m =0.8； 机床主轴的计算转速（主轴传递全部功率时的最低切削速度） ，单位 为 m/s； pe主电动机满载功率，单位为 kw。 各切削分力的计算：纵向切削分力 f1，横向切削分力 fc，垂向切削分力 fv，单位 皆为 n 表 32 工作台工作载荷与切削力的经验比值 铣削条件 比值 对称端铣 端铣 （ae=(0.40.8)d0, af=0.10.2) fl/fz 0.30.4 fc/fz 0.850.95 fv/fz 0.50.55 式中：d0端铣刀直径，单位为 mm； ae每齿进给量，单位为 mm/齿； af铣削宽度，单位为 mm。 则： 华北科技学院毕业设计 第 9 页 共 61 页 fl=（0.30.4）fz fc=（0.850.95）fz fv=（0.500.55）fz 所以 fl=0.43061.22n=1224.49 n fc=0.953061.22n=2908.16 n fv=0.553061.22n=1683.67 n 3.2.2 坐标轴导轨摩擦力计算 （1）在切削状态下坐标轴导轨摩擦力 f的计算 ? 坐标轴导轨水平时，有 ）（ cvg fffwf+= 1 （3-3） 式中：fv,fc主切削力的垂向切力分力和横向切削分力，单位为 n； w坐标轴上移动部件的全部重量（包括机床夹具和工件的重量） ，单位 为 n； 摩擦因数，对于滚动直线导轨，=0.01； fg镶条紧固力，单位为 n，查表 32； 表 33 镶条紧固力推荐值 导轨 形式 主电动机功率/kw 2.2 3.7 5.5 7.5 11 15 18 滚动 直线导轨 25 40 75 100 125 150 175 由公式（3- 3）得 f1=0.01（10000+100+1683.67+2908.16）=146.9 n ? 坐标轴导轨垂直时，有 ）（ cvg fffwf+= 2 1 2 （3- 4） 式中：w坐标上移动部件和平衡重量的总重量，单位为 n。 则由公式（3- 4）得 加工中心工作台设计 第 10 页 共 61 页 f2=0.01（0.510000+100+1683.67+2908.16）=96.9 n （2）在不切削状态下坐标轴导轨摩擦力 f0的计算 ?坐标轴导轨水平时，有 ）（ g fwf+= 01 （3- 5） 则由公式（3- 5）得 f01=0.01（10000+100）n=101 n ?坐标轴导轨垂直时，有 ）（ g fwf+= 2 1 01 （3- 6） 则由公式（3- 6）得 f02=0.01（0.510000+100）n=51 n 3.2.3 滚珠丝杠螺母副轴向负载力的计算 滚珠丝杠螺母副轴向负载力是指滚珠丝杠螺母副在驱动工作台时滚珠丝杠所受的 轴向力，也称进给牵引力。 （1）最大轴向负载力 famax的计算 滚珠丝杠螺母副的最大轴向负载力 famax发生在机床主电机满功率运行的切削状态 时。此时，最大的轴向负载力 famax为 ? 坐标轴导轨水平时 11max1 f ff += （3-7） 则由公式（3-7）得 famax=1224.49+146.9=1371.39 n ? 坐标轴导轨水平时 21max2 f ff += （3-8） 则由公式（3-8）得 famax=1224.49+96.9=1321.39 n （2）最小轴向负载力 famin的计算 滚珠丝杠螺母副的最小轴向负载力 famin发生在机床空载运行时，此时，最小的轴向 负载力 famin为 华北科技学院毕业设计 第 11 页 共 61 页 ? 坐标轴导轨水平时 )f(f 01amin1g wf+= （3-9） 则由公式（3-9）得 famin1=101 n ? 坐标轴导轨水平时 )f 2 1 (f 01amin2g wf+= （3-10） 则由公式（3-10）得 famin2=51 n 加工中心工作台设计 第 12 页 共 61 页 华北科技学院毕业设计 第 13 页 共 61 页 4 横 向 进 给 系 统 4.1 横向进给系统工作原理 横向进给系统主要由电动机，联轴器，轴承，滚珠丝杠螺母副，导轨组成。运动顺 序为，电动机带动联轴器旋转，联轴器与滚珠丝杠刚性连接，滚珠丝杠随联轴器旋转， 滚珠丝杠螺母随着滚珠的运动带动工作台移动，实现工作台的进给运动。该进给系统推 动横向导轨以上的纵向工作台和回转工作台在 y 轴方向进行移动，为工件在 y 轴方向加 工进行位置移动。进给系统的进给精度对于工件 y 轴方向的加工精度有很重要的影响。 其中滚珠丝杠在精度控制上影响最大，所以在设计中应注意滚珠丝杠螺母副的移动精度 以及刚度等要求。 图4- 1 横向进给系统图 4.2 导轨设计与选型 4.2.1 导轨概述 导轨主要用来支撑和引导运动部件沿一定的轨道运动。在导轨副中，运动的一方称 为动导轨，不动的一方称为支撑导轨。动导轨相对于支撑导轨运动，通常作直线运动和 回转运动。 加工中心工作台设计 第 14 页 共 61 页 4.2.2 对导轨要求 （1） 导向精度:导向精度主要指导轨沿支撑导轨运动的直线度和圆度。 （2） 耐磨性好及寿命长 （3） 足够刚度 （4） 低速运动的平稳性 （5） 工艺性好 4.2.3 对导轨的技术要求 （1）导轨的精度要求 滑动导轨，不管是 v- 平型还是平- 平型，导轨面的平面度通常取 0.010.015mm，长 度方向的直线度通常取 0.0050.01mm；侧导向面的直线度取 0.010.015mm，侧导向面 之间的平行度去 0.010.015mm，侧导向面对导轨地面的垂直度去 0.0050.01mm。镶刚 导轨的平面度必须控制在 0.0050.01mm 以下， 其平行度和垂直度控制在 0.01mm 以下。 （2）导轨的热处理 由于数控机床开动率普遍很高，所以要求导轨具有较高的耐磨性，以提高其精度保 持性。为此，导轨大多需要淬火处理。 （3）导轨的类型选择及其特点 导轨的分类方法很多，在本次设计中用到的导轨有直线导轨和圆导轨。直线到导轨 的截面形状选取为三角形，且采用小于 90 0的夹角，以此提高导向精度。直线滑动导轨 的组合形式，也称双三角形导轨导轨面同时起支承和导向作用。磨损后可以自动补偿， 导向精度高。但装配时要对四个导轨面进行刮研，难度很大。由于过定位，所以制造、 检验和维修都困难，它适用于精度要求高的机床，所以该导轨适合丝杠车床。 （4）直线滑动导轨的选择原则 当要求导轨具有较大的刚度和承载能力时，用矩形导轨。一般中小型机床导轨 常采用三角形-矩形导轨组合。 当要求导轨的导向精度高时，机床常采用三角形导轨。 矩形导轨、圆形导轨工艺性好，制造、检验都方便；三角形导轨、燕尾形导轨 工艺性差。 当用要求结构紧凑、高度小及调整方便的机床时，用燕尾形导轨。 华北科技学院毕业设计 第 15 页 共 61 页 4.2.4 滚动直线导轨的选型与计算 在本设计中，机床的精度等级选择可根据表 4- 1 取 表 4-1 各类机床和通用机械推荐的精度等级 精 度 等级 数控机床 普 通 机床 通 用 机 床 车床 铣床 镗床 磨床 电加工机床 精密充剪机 绘图机 2 3 4 5 - 从表 4-1 的中可以得到，在本设计中，滚动直线导轨的精度等级选择为 2 等精度。 （1） 结构与优点 结构：滚动直线导轨副是由导轨、滑块、钢球、反相器、保持架、密封端盖及挡板 组成。 优点： 导轨的动、静摩擦系数差别小，随动性极好； 驱动功率大大降低，只相当于普通机械的 1/10； 与滑动导轨和滚子导轨相比，摩擦力可下降约 40 倍； 适用于高速直线运动运动速度比滑动速度提高约 10 倍； 可以实现较高的定位精度和重复定位精度。 （2） 选型与计算 滚动直线导轨选型 一般依照导轨的承载量，根据经验确定导轨规格，然后计算寿命 表 4-2 导轨承载量与导轨规格对应的经验关系 承载量/n 3000 以下 30005000 50001000 0 10000250 00 2500050000 导轨规格 30 35 45 55 65 （2） 滚动直线导轨计算 滚动直线导轨的计算就是计算其距离额定寿命或时间额定寿命。 加工中心工作台设计 第 16 页 共 61 页 距离额定寿命 l 和时间额定寿命 lh km 6 . 3882km 67.116833 . 1 4000021181 . 0 11 5050 3 3 = = =km ff cffff l w aacth （4-1） 式中：fh硬度系数，一般要求滚道的硬度不得低于 58hrc，常取 fh=1； ft温度系数，取表 4-3 得 ft=1.00； fc接触系数，取表 4-4 得 fc=0.81； fa精度系数，取表 4-5 得 fa=1.0； fw载荷系数，取表 4-6 得 fw=1.3； ca额定动载荷，单位为 n； f 计算载荷，单位为 n。 表 4-3 温度系数 表 4-4 接触系数 每根导轨上的滑 块数 1 2 3 4 5 fc 1.00 0.81 0.72 0.66 0.61 表 4-5 精度系数 精度等级 2 3 4 5 fa 1.0 1.0 0.9 0.9 工作温度 / ， 故满足要 求。轴承的额定动载荷 cr=14500n9055.9n，故满足要求，则轴承为：7204c/bd。 4.4 联轴器及传感器的选择 （1） 联轴器的选择 m 1 . 19 1500 39550 n 9550 ed = =n p t 刚性联轴器，查机械设计课程设计指导书表 13.4 取联轴器为 gy1，公称转矩 m19.1m25 n =nnt，许用转速 min/1500min/12000nrnr=，符合设计要求， 该选择符合横向进给系统，纵向进给系统以及回转工作台的选择要求。 （2）传感器选择 加工中心工作台设计 第 20 页 共 61 页 现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测 量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后， 与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取 决于传感器的选用是否合理。 在本设计中选用的是机械式传感器，该传感器的输入量可以是力压力温度等物 理量，而输出则为弹性元件本身的弹性形变（或应变） 。在自动检测自动控制技术中 广泛应用的微型探测开关也被看做是机械式传感器。这种开关能把物体的运动位置或 尺寸变化，转换为接通断开信号。在该 y 进给系统和 x 进给系统中选用这类的微型 开关正合适选择要求。 4.5 滚珠丝杠螺母副的选型与计算 4.5.1 滚珠丝杠螺母副循环方式选择 滚珠丝杠螺母副常用的循环方式有外循环和内循环两种。外循环结构制造简单，使 用较广泛。其缺点是滚到接缝处很难做得平滑，影响滚珠滚动的平稳性，甚至发生卡珠 现象，噪音也较大。内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器分为两种形式：圆柱凸 键反向器和扁圆镶块反向器。后一种尺寸较小，从而减小了螺母的径向尺寸并缩短了轴 向尺寸，两种反向器的外廓和螺母的切槽尺寸精度要求高。在本次设计中采用的是内循 环方式。 4.5.2 滚珠丝杠螺母副的计算 （1）滚珠丝杠精度选择 国家标准 gb/t 17587.3-1998 将滚珠丝杠分为定位滚珠丝杠副（p 型）和转动滚珠 丝杠螺母副（t 型）两大类。滚珠丝杠的精度等级为 7 级，即 1、2、3、4、5、7、10 级，在本次设计中，选用的精度为 2 级精度。由于选用半闭环系统使用的滚珠丝杠则 8 . 0 300 p v （定位精度-k） 8 . 0e p （定位精度-k） （2）滚珠丝杠的动载荷计算与直线估计 华北科技学院毕业设计 第 21 页 共 61 页 确定滚珠丝杠的导程 mm10 15001 15000 max max 0 = = in v l （4-10） 式中：vmax移动部件的最高移动速度，单位为 mm/min； i传动比，当滚珠丝杠与电动机直接连接时，i=1； nmax电动机的最高转速，单位为 r/min。 滚珠丝杠的当量载荷 fm与当量转速 nm计算 n n m n q n q n q 100 . 100100 n 2 2 1 1 += r/min （4-11） 3 3 22 3 211 3 1 m 100 . 100100 m nnn mm n qnf n qnf n qnf f+= n （4-12） 当载荷与转速接近正比变化，各种转速使用机会均等时，可采用下列公式计算： 2 minmax nn nm + = r/min （4-13） 3 2 min m ff f aman+ = n （4-14） 式中：famin机床空载时滚珠丝杠所受的轴向力，单位为 n； famax机床切削时滚珠丝杠所受的切向力，单位为 n； nmax滚珠丝杠的最高转速； nmin滚珠丝杠的最低转速。 则由公式（4-11） ， （4-12）可得 () = =+= k 1 min/23010015001010050%8030%6010n i iim rqn n f 412 100230 1015001011010051.169108029.375106039.1371 3 3333 m = + = 当切削力的轴向载荷定为力最大轴向载荷 fmax，快速移动和钻镗定位时的轴向载荷 定为最小轴向载荷 fmin。一般切削和精加工切削时，滚珠丝杠螺母副的轴向载荷分为 f2=famin+20%famax=101+1371.390.2=375.29 n f3=famin+5%famax=101+1371.390.05=169.57 n 各种切削方式下，丝杠转速 加工中心工作台设计 第 22 页 共 61 页 0 n l vi i = （4-15） 当 1=0.6m/min,2=0.8m/min,3=1m/min,4=15m/min 时 n1=60r/min,n2=80r/min,n3=100r/min,n4=1500r/min。 表 4-7 滚珠丝杠在各种切削方式下轴向载荷，进给速度，及时间比例的数值 切削方式 轴向载荷/n 进给速度/ （m/min） 时间比例 （%） 备注 强力切削 f1=famax=1371.39 0.6 10 主电机满功率 一般切削 f2=375.29 0.8 30 粗加工 精细切削 f3=169.57 1 50 精加工 快速移动 f4=fmin=101 15 10 快速移动 确定预期额定动载荷 cam 根据滚动丝杠螺母副的预期工作时间 lh（h）计算 ca w 3 am ff100 f n60 m hm f lc= （4-16） 式中：nm滚珠丝杠的当量转速，单位为 r/min； lh数控机床预期工作时间 h,lh=20000h； fm滚珠丝杠的当量载荷，单位为 n； fw载荷性质系数，fw=1.3； fa精度系数，fa=1； f可靠性系数，fc=1。 则由公式（4-16）可得 nc 2 . 3487 11100 3 . 1412 2000023060 3 am = = 根据滚珠丝杠螺母副预期运行距离 ls（km）计算 华北科技学院毕业设计 第 23 页 共 61 页 3 0ca w am ff f l lf c sm = （4-17） 式中：ls数控机床的预期运行距离（km 计算） 则由公式（4-17）可得 nc1566 10 250 11 3 . 1412 3 am = = 对于有预加载荷的滚珠丝杠螺母副，需要根据最大轴向载荷 fmax maxam f fc e = （4-18） 式中：fe预加载荷系数，fe=4.5； 则由公式（4-18）可得 cam=4.51371.39=6171.26n 根据以上三种预算中最大值，则 cam=6171.26n 根据位置精度要求确定滚珠丝杠螺母副允许的最小螺纹底经 d2m 估算滚珠丝杠螺母副允许的最大轴向变形量max， 暂定工作时的定位精度为 30m， 重复定位精度 10m max=（1/31/2）重复定位精度m max=（1/51/4）定位精度m 则 max=（1/31/2）10=（3.335）m max=（1/31/2）30=（67.5）m 在计算结果取最小值3.3m，最大轴向变形量max（m） 估算滚珠丝杠螺母副螺纹的底经 d2m l=行程+安全行程+余程+螺母长度+支撑长度（1.21.4）行程+ （2030）l0=1.3500+3010=950mm 当滚珠丝杠螺母副的安装方式为两端固定时 mm039 . 0 max 0 2 lf d m （4-19） 式中：e弹性模量，单位 mpa,一般取2.1105mpa； max最大轴向变形量，单位为m； 加工中心工作台设计 第 24 页 共 61 页 l滚珠丝杠螺母副两个固定支承之间的距离，单位为 mm； f0导轨静摩擦力，单位为 n。 则由公式（4- 19）可得 mmd m 6 . 6 3 . 3 950100 039. 0 2 = 据基本导程 l0，预期额定动载荷和滚珠丝杠的螺纹底径 d2m,d2d2m,cacam,且 d2适 当大。 得，d2=27.3mm,ca=40kn,型号 ff3210- 5，符合要求。 4.5.3 滚珠丝杠螺母副预紧方式的选择以及预紧力的确定 （1） 滚珠丝杠螺母副的预紧方式选择 在本次设计中， 选用的是垫片调隙式， 调整垫片的厚度使左右两螺母产生轴向位移， 即可以消除间隙和产生预紧力。这种方法结构简单，刚度好，但调整不便，当滚道有磨 损时不能随时消除间隙和进行预紧。 （2） 滚珠丝杠螺母副的预紧以及预紧力的确定 为了保证滚珠丝杠螺母副的传动精度和刚度，必须对滚珠丝杠螺母副实施预紧措 施。预紧目的有两个：一是消除轴向间隙，二是为了提高轴向刚度。 根据最大轴向工作载荷 fmax来确定 nff13.45739.1371 3 1 3 1 maxp = （4-20） 根据额定动载荷来确定 ap cf= （4-21） 式中：额定动载荷系数，=0.075； ca额定动载荷； 则由公式（4-21）可得 fp=0.0756171.26=432n （3） 滚动丝杠螺母副的预紧方式及其特点 双螺母垫片预紧，采用 jb/t 3162.1-1991，行业标准代号为 d，结构特点：结构简 华北科技学院毕业设计 第 25 页 共 61 页 单，刚度高，预紧可靠及不易松弛。使用中不方便随时调整预紧力。 （4） 滚珠丝杠的预拉伸 目标行程补偿值t计算 mllu 6 ut 10t11t = （4-22） 式中：t目标行程补偿值，单位为 m ； t温度变化值，单位为，一般情况下23； 丝杠的线膨胀系数（1/） ，一般情况下为1110 -6； lu滚珠丝杠副的有效行程， 单位为 mm， lu=工作台行程+安全行程+2余 程+螺母长度=500+100+220+146=786mm 则由公式（4-22）可得 m026 . 0 m10857311 - 6 t = 滚珠丝杠预拉伸力 ft的计算 ntd d te l iae f 9 . 2697 3 . 27281 . 1 81 . 1 4 2 2 2 2 2 t = = （4-23） 式中：ft-预拉伸力，单位为 n； d2-滚珠丝杠螺纹底经，单位为 mm； e-弹性模量，单位为 mpa，一般取 e=2.110 5mp a； t-滚珠丝杠的温升变化值，单位为，一般情况下23； （5）确定滚珠丝杠副支承所用的轴承规格与型号 根据4.2.3的轴承计算选7204c，gb/t292,cr=16500n， d=25mm,d=52mm,b=15,r=1,a=12.7。 4.6 滚珠丝杠的确定 确定滚珠丝杠螺母副的螺纹长度 ls和螺旋升角 mm10721022105214678622 s =+=+= ceu llll （4-24） 式中：lu-有效行程，单位为 mm，lu=行程+螺母长度； le-安全行程，单位为 mm，le=5l0； 加工中心工作台设计 第 26 页 共 61 页 lc-余程，单位为 mm，lc=2l0； = 0 0 d arctan l （4-25） 则由公式（4-25）可得 48 40568 . 5 32 10 arctan= = 表4- 8 滚珠丝杠几何尺寸 名称 符号 值 单位 名称 符号 值 单位 公称直径 d0 32 mm 基本导程 l0 10 mm 丝杠外径 d1 32.5 mm 丝杠底径 d2 27.3 mm 循环圈数 5 有效行程 lu 786 mm 螺纹长度 ls 1072 mm 表4- 9 滚珠丝杠螺母安装尺寸 符号 值 单位 符号 值 单位 d1 53 mm d4 71 mm d2 53 mm d5 9 mm l2 15 mm d6 15 mm d3 90 mm d7 70 mm b 15 mm h 9 mm m m6 mm d8 44 mm l1 99 mm 华北科技学院毕业设计 第 27 页 共 61 页 5 纵 向 进 给 系 统 设 计 5.1 纵向进给系统工作原理 纵向进给系统主要由电动机，联轴器，轴承，滚珠丝杠螺母副，导轨组成。运动顺 序为，电动机带动联轴器旋转，联轴器与滚珠丝杠刚性连接，滚珠丝杠随联轴器旋转， 滚珠丝杠螺母随着滚珠的运动带动工作台移动，实现工作台的进给运动。该进给系统推 动导轨上的回转工作台在 x 轴方向进行移动，为工件在 x 轴方向加工进行位置变换，进 给系统的进给精度对于工件 x 轴方向的加工精度有很重要的影响。其中滚珠丝杠在精度 控制上影响最大，所以在设计中应注意滚珠丝杠螺母副的移动精度以及刚度等要求。 图5- 1 纵向进给系统图 5.2 导轨设计与选型 （1）距离额定寿命 l 和时间额定寿命 lh 由公式（4-1）可得 km 6 . 3882km 67.116833 . 1 4000021181 . 0 11 5050 3 3 = = =km ff cffff l w aacth 式中：fh硬度系数，一般要求滚道的硬度不得低于 58hrc，常取 fh=1； ft温度系数，取表 4-3 得 ft=1.00； 加工中心工作台设计 第 28 页 共 61 页 fc接触系数，取表 4-4 得 fc=0.81； fa精度系数，取表 4-5 得 fa=1.0； fw载荷系数，取表 4-6 得 fw=1.3； ca额定动载荷，单位为 n； f 计算载荷，单位为 n。 （2）时间额定寿命 lh 由公式（4-2）可得 h 3 . 2