带磨削功能的旋风铣装置

带磨削功能的旋风铣装置32摘要 本次毕业设计的题目是带磨削功能的旋风铣装置。设计的铣刀主要用于螺杆外螺纹的铣削。 目前对螺杆常用的加工方法主要采用车削和磨削。车削加工精度差，磨削加工虽然加工精度较高，但对于大导程或长度较长的螺杆来说，由于磨削被加工面是砂轮旋转轴线相对螺杆轴线偏转相应的螺旋角，螺杆达到一定的长度，砂轮接杆就会碰到被加工工件。因此，螺杆的可加工长度受螺杆螺旋升角的限制，同样即使螺旋升角不大，当螺杆长度达到一定值时，对其的磨削加工也无法完成。 显然，用传统的加工方法显然会比较困难。所以我们采用旋风铣削的加工方法，并且带有磨削功能。旋风铣削的加工方法则很好地解决了用传统加工方法难以加工的螺杆问题，它可以消除刀具切削对螺槽外形的影响，大大提高被加工螺杆的精度，加工效率高。本装置包括旋风铣及用于安装旋风铣的旋风铣主轴，旋风铣主轴上设置砂轮连接固定盘，砂轮连接固定盘上安装砂轮，砂轮上方设置有防护罩。在旋风切削完成后，将旋风铣的刀盘卸下，在旋风铣主轴上安装砂轮连接固定盘，在砂轮连接固定盘上安装砂轮，通过与旋风铣主轴连接的电机带动旋风铣主轴旋转，从而带动砂轮旋转。关键词 ：旋风铣；切削；磨削 Abstract The Graduation is outside the cam tornado the shaping lathe design. This topic main processing object for plastic transportation screw rod. At present mainly uses the turning and the grinding to the screw rod commonly used processing method, And its with a grinding function. The lathe work precision is bad, although the abrasive machining the working accuracy is high, but regarding led greatly or the length long screw rod, because the grinding by the machined surface was the grinding wheel centerline relative screw rod spool thread deflection corresponding angle of spiral, the screw rod will achieve certain length, the grinding wheel link will bump into is processed the work piece. Therefore, the screw rod may process the length the screw rod lead angle limit, even if similarly the lead angle is not big, when the screw rod length achieves certain value, is also unable to its abrasive machining to complete. Obviously, will be quite obviously difficult with the traditional processing method. Therefore we use the tornado milling the processing method. Outside the tornado the milling processing method well has solved the screw rod problem which processes with difficulty with the tradition processing method, it may eliminate the cutting tool cutting to the spiral flute contour influence, enhances greatly is processed screw rods precision, and the processing efficiency is high. This device including a whirlwind milling and used to install a whirlwind milling whirlwind milling spindle, whirlwind milling spindle set on grinding wheel fixed plate connection, grinding wheel fixed connection plate is installed on the grinding wheel, grinding wheel set above the shield. In a whirlwind, after the completion of cutting down a whirlwind milling cutter, grinding wheel installed in the whirlwind milling spindle fixed plate connection, install grinding wheel in the grinding wheel fixed plate connection, by connecting with the whirlwind milling spindle motor to drive the whirlwind milling spindle rotation, thus turns the wheel.Keywords: whirlwind milling ; Cutting ; grinding 1绪论1.1 铣削数控车床可进行复杂回转体外形的加工。铣削是将毛坯固定，用高速旋转的铣刀在毛坯上走刀，切出需要的形状和特征。传统铣削较多地用于铣轮廓和槽等简单外形/特征。数控铣床可以进行复杂外形和特征的加工。铣镗加工中心可进行三轴或多轴铣镗加工，用于加工，模具，检具，胎具，薄壁复杂曲面，人工假体，叶片等。 在选择数控铣削加工内容时，应充分发挥数控铣床的优势和关键作用。铣削一种常见的金属冷加工方式，和车削不同之处在于铣削加工中刀具在主轴驱动下高速旋转，而被加工工件处于相对静止。铣床有卧式铣床，立式铣床，龙门铣床，仿形铣床，万能铣床，杠铣床。1.2 选题背景及意义传统螺纹加工主要在车床上进行，利用车床拖板和小拖板，采用双轴联动方法或靠模法,调整具的运动轨迹才能加工出成型面。刀具与工件的成运动轨迹决定了被加工零件的表面形状，在车螺纹中易出现啃刀、乱扣、螺距不正确、中径不正确螺纹表面粗糙等问题，这种传统加工螺纹方法的产质量和效率都很低。由于螺杆加工精度的不足，许多装备会存在机械效率低下的问题。【需要旋风铣配套三维模型图可以联系QQ380615448】利用高精度的机床来加工成本较高。和传统铣削方法相比，高速切削加工中切削速度、进给速度要大得多，但是比传统的切削加工温升低、热变形小，可获得较高的金属切除率，很高的加工精度和良好的加工表面质量。旋风铣削螺纹实质上是用质合金刀齿对螺纹进行高速铣削,是一种较先进的工螺纹方法，具有刀具冷却好、生产效率高的优点但其精度不高,批量较大的生产采用此法一次完成牙深切削，可提高螺纹粗加工生产率。对于精度要不高的螺纹，可用此法一次完成切削加工。在旋风铣削过程中,每齿的切削厚度都是由小变大，再由大变小。切出时切削厚度由大变小,切削最终表面时切削厚度很小，所以加工表面质量比普通车削和铣削质量高。此外，外旋风铣削的加工方法则很好地解决了用传统加工方法难以加工的螺杆问题，它可以消除刀具切削对螺槽外形的影响，大大提高被加工螺杆的精度，并且加工效率高。 由于旋风铣出螺杆的不符合高要求的应用，需要对研磨过程中的处理。因此需要用于研磨的螺钉，将会产生很高的成本，为了解决这个问题，设计了一个旋流装置具有研磨功能特定碾磨装置。通过在同一机器更换不同的工具在工件上为研磨和磨削过程中，一个高精度的螺纹加工，显著降低成本。1.3旋风铣的原理随着高档数控机床与基础装备制造业的快速发展，对为之配套的滚珠丝杠提出了越来越高的要求，比如产品的高质量、短而快的交货期以及高品质的服务及优惠的价格等。高速旋风铣加工技术正是以它优质、高效、低耗、清洁、无污染的优势，成为切削加工的主流，具有强大的生命力和广阔的应用前景。其优点为：随着切削速度的提高，单位时间内材料切除率增加，切削加工时间减少，大幅度提高了加工效率，降低加工成本。在高速切削加工时，随着切削速度提高，切削力随之减少，有助于对刚性差的零件的切削加工。高速硬切削加工时，切屑以很高速度排出，带走大量的切削热，切削速度愈大，带走的热量愈多，通常在90%以上，传给工件的热量大幅度减少，有助于减少加工零件的内应力和热变形。旋风铣削加工原理如下图（1）所示，加工运动有：刀盘的高速旋转运动R；工件的进给旋转运动C；刀盘相对工件的轴向进给运动W；刀盘相对工件的径向切深运动X。调整参数有刀盘轴线工件轴线的夹角，偏心量H。加工螺纹时，刀盘高速旋转，转速高达8000r/min，切削速度高达400m/min，工件缓慢转动。根据螺纹螺旋参数，调整刀盘转角，同时使刀盘沿工件轴线移动。刀盘偏转角等于螺纹的螺旋角。工件转动速度与刀盘的移动速度有下列关系：v = ndcot （1-1） 式中 v为刀盘的移动速度，mm/min; n为工件的转动速度，r/min; d为螺纹中经，mm； 为螺纹的螺纹角，rad。 （1） （2） 图1-1 旋风铣削的铣削如图（2）所示，当铣削深度为p时，每齿切削量如图中阴影部分所示。切削沿工件外径尺寸为： （1-2） 式中d1为未切工件直径，mm； z 为刀盘上布置的刀齿数。 由图不难看出，在旋风铣削过程中，每齿的切削厚度都是由小变大，再由大变小。切出是切削厚度由大变小，切削最终表面时切削厚度很小，所以加工表面质量比普通铣削质量高。切入时切削厚度由小变大，因此这种铣削可重力切削。 图1-2为旋风铣加工原理简图： 图1-2 1.3 旋风铣削的国外内状况1.3.1国内状况 国内目前对于旋风铣削的应用与研究基本停留在半精加工水平。东方汽轮厂申请了一项专利技术,借助于刀具结构几何参数上的调整,即螺旋升角与刀具夹角在螺纹切削过程中的相互关系,来补偿形状误差,实现切削后螺纹牙形几何形状的准确性。依托此技术制造的旋风铣床可应用于较大型内螺纹加工,表面粗糙度值在一声,但综合精度不稳定,且必须先加工好螺纹底孔才能定位,工效不高,底孔精度直接制约和影响加工精度。山西闻喜县风源机械厂生产普通旋风铣削头。济南第三机床有限公司采用多齿刀盘旋风铣削加工各种螺纹,加工精度和刀具耐用度都有较大提高。多齿刀盘结构及齿等创新处申请了专利。机组同一铣头既能加工内螺纹,又能加工外螺纹,成套技术含量高。加工梯形丝杠和蜗杆分别可达级与级精度。近年开发的系列数控旋风铣削机组适于特殊螺纹、蜗杆、转子的加工。江汉石油学院正尝试在三轴数控铣床基础上改制五轴联动旋风铣床用于螺杆钻具转定子加工。1.3.2国外研究状况 国外有德、美、英等国己将此技术成功应用于精密加工,其中德国居先。德产数控旋风铣床其旋风头转速达一书,最小可精确加工外螺纹,直径以上内螺纹及以上管孔,表面粗糙度值可达,但综合精度未见报道。其同步开发的热感应处理技术可以在轴类螺纹件本体及支承部分保持软质情况下实现螺旋表面的耐磨硬化,取消了磨削,也不需要校直。并在研究意义部分介绍的各个围与领域取得不断成功与进步。 国外理论研究可能处于知识产权保护报道很少,仅有日本等对旋风铣削时的干涉问题进行了论述,现在这一问题已可以由数控加工前处理系统成功解决困前东德的提出了旋风铣削螺旋包络面的以以设计方法德国的进行了包括旋风加工在内的螺旋面包络线曲率的计算方法及数学模型的推导。这些少量的基础理论都未涉及关键技术。因此,要使此项技术实现在国内成功应用于精密加工,大部分工作要从零开始,也不能不拥有自主知识产权。 2旋风铣装置的总体设计2.1带磨削功能旋风铣的原理随着高档数控机床与基础装备制造业的快速发展，对为之配套的滚珠丝杠提出了越来越高的要求，比如产品的高质量、短而快的交货期以及高品质的服务及优惠的价格等。高速旋风铣加工技术正是以它优质、高效、低耗、清洁、无污染的优势，成为切削加工的主流，具有强大的生命力和广阔的应用前景。其优点为：随着切削速度的提高，单位时间内材料切除率增加，切削加工时间减少，大幅度提高了加工效率，降低加工成本。在高速切削加工时，随着切削速度提高，切削力随之减少，有助于对刚性差的零件的切削加工。高速硬切削加工时，切屑以很高速度排出，带走大量的切削热，切削速度愈大，带走的热量愈多，通常在90%以上，传给工件的热量大幅度减少，有助于减少加工零件的内应力和热变形。旋风铣削加工原理如下图（1）所示，加工运动有：刀盘的高速旋转运动R；工件的进给旋转运动C；刀盘相对工件的轴向进给运动W；刀盘相对工件的径向切深运动X。调整参数有刀盘轴线工件轴线的夹角，偏心量H。 加工螺纹时，刀盘高速旋转，转速高达8000r/min，切削速度高达400m/min，工件缓慢转动。根据螺纹螺旋参数，调整刀盘转角，同时使刀盘沿工件轴线移动。刀盘偏转角等于螺纹的螺旋角。工件转动速度与刀盘的移动速度有下列关系：v = ndcot 式中 v为刀盘的移动速度，mm/min; n为工件的转动速度，r/min; d为螺纹中经，mm； 为螺纹的螺纹角，rad。 （1） （2）图2-1 旋风铣削的铣削如图2-1所示，当铣削深度为p时，每齿切削量如图中阴影部分所示。切削沿工件外径尺寸为： （1-2）式中d1为未切工件直径，mm； z 为刀盘上布置的刀齿数。 由图不难看出，在旋风铣削过程中，每齿的切削厚度都是由小变大，再由大变小。切出是切削厚度由大变小，切削最终表面时切削厚度很小，所以加工表面质量比普通铣削质量高。切入时切削厚度由小变大，因此这种铣削可重力切削。 图2-2为旋风铣加工原理简图：图2-22.2刀盘设计 外旋风铣削的刀盘在结构与内旋风铣削有一定的相似性，最大的区别在于，前者的刀尖是指向刀盘的外经方向 。 图2-3分别是外旋风铣削刀盘的平面图和三维图：图2-3 从图上可以看出，刀盘是由四个较大的螺钉固定在转动主轴上的，该刀盘可装载六把刀具，每把刀是由两个小螺钉固定在刀架的刀槽内的。三、主轴以及主轴座的设计 从上面油马达的三维图可以看出，1QJM21型马达的主轴端上有个花键孔，可见马达需要通过花键轴来传递扭矩，然而花键轴又如何与刀盘连接到一起呢？ 有两种方案可考虑，一个是花键轴直接与刀盘连接，只需要刀盘中心有可与花键轴配合的花键孔即可，另外一种方案是通过一个中间件将花键轴和刀盘连接在一起。如果要加个连接件，就必须合理地设计它的尺寸和结构。首先，花键轴不宜过长，这样是为了保证有一定的传动精度。那么该零件就要适当长一些，很自然，这个长的零件两端必须要装上轴承，以便保证刀盘的稳定运动。其次，由于外旋风铣的刀盘比较大以及与马达链接的花键轴也比较大，故该零件适合设计为空心结构，一方面节约了材料，减轻了装置的重量，另一方面也减小了主轴转动惯量。最后，为了使该零件能够承受一定的轴向力，故要选用角接触球轴承，而且在该零件的尾部再车上螺纹，用螺母来限制其轴向位移。 综上所述，方案二可行，根据以上分析可设计如下图的主轴零件： 图2-4 图2-4为主轴零件的平面图，图3-4为两个不同视角下的主轴三维图。 图2-5 下面的两个图分别是紧定螺母和花键轴的三维图：图2-6 其次，要设计与主轴相装配的主轴箱：为了主轴箱内有适当的空间来容纳两个球轴承，箱体内部的中间部分设计成一个突台，其两边用来对两个轴承经行轴向定位。另外，在主轴箱装马达的一侧需要均匀的打出一圈内螺纹孔，用来安装法兰盘，然后再在法兰盘上打一圈螺纹孔，就可将马达安装在法兰盘上，马达与主轴健加上花键轴就可以完成对刀盘的驱动了。 如图2-7分别是主轴箱的三维图、主轴箱的装配图：图 2-73. 机械部分设计3.1 电机的选取3.1.1 主电机的选取1.铣削力的计算长期以来人们已经对铣削加工时的铣削力有了广泛深入的研究。但人们对铣削力的研究只是针对特定特定加工条件下的特定工件，没有一套应用于各种场合的铣削力计算公式。现实生活中人们设计的数控的通用机床希望应用性强，能满足各种加工要求，能应用于大多数场合。因此，在对切削力的计算上，不能不考虑实际情况而用一些依靠纯理论推倒的公式和理论。但是，此次设计我们可以用切削力的经验计算公式，因为切削力的经验计算公式是人们在现实生活中积累的，可以满足现实生活中大多数铣床的切削力计算，具有很强的实用性。因此，对于本次设计切削力的计算可采用经验公式，铣削力可分解为三个分力：Z向的主铣削力以及X、Y向的铣削分力、。现假设刀具材料为高速钢，工作材料为铝()。Z轴铣削工作时铣削力的计算：最大铣削直径，最小直径。由实用机床手册得：铣削功率铣削力铣削力修正系数 高速钢铣刀,前角系数主偏角= =1.0 因此工件材料的抗拉强度；铣削深度；毎齿进给量；铣削宽度；铣削直径；Z铣刀齿数，现取=0.05mm/Z =4mm Z=2 =10mm =5mm n=400r/min ，=64240.0551020.9255=302.9N=3.1410400/1000=12.56m/min=302.912.56/60000=85.323.1.1.2主电机的选择选主轴电机时按铣削计算。因为铣削时最大的铣削力为：=64240.055520.9255=549.86N=3.1451500/1000=23.55m/min=549.8623.55/60000=0.215主轴功率P= =0.25/0.88=0.244所以选电动机为=300，型号：57BL-3030H1-LS-B3.1.2步进电机的种类、结构、工作原理及选型计算步进式伺服驱动系统是典型的开环控制系统。在此伺服驱动系统中，步进电机作为执行元件。而步进电机受驱动控制系统控制，驱动控制系统通过控制步进电机电极的通电顺序和脉冲频率，将电信号转化为具有一定速度、大小和方向的机械转角位移量，后通过传动机构实现工作台的运动。但由于此驱动系统没不存在反馈检测环节，因此精度较差，速度也受到步进电机性能的限制。但它的结构和控制简单、比较容易调整，故在速度和精度要求不太高的场合具有一定的使用价值。 3.1.2.1步进电机的种类步进电机的分类方式很多，常见的分类方式有按产生力矩的原理、按输出力矩的大小以及按定子和转子的数量进行分类等。由于分类方式的不同，步进电机可以分为多种类型，如表所示。 表 步进电机的分类分 类 方 式 具 体 类 型按力矩产生的原理（1）反应式步进电机：转子上没有绕组，而是由定子被励磁所激产生反应力实现电机运动。（2）激磁式步进电机：在电机的定子和转子上都有励磁绕组，由磁场产生的电磁力实现电机的运动。按输出力矩大小（1）伺服式步进电机：电机工作时产生的力矩在几百分之一到几十分之一之间，只能带动较小负载的部件运动，在带动较大负载的部件运动时需要液压扭矩放大器。（2）功率式步进电机：输出的力矩一般在50 Nm以上，可以带动较大负载的部件运动。按定子数（1）单定子式（2）双定子式（3）三定子式（4）多定子式按各相绕组分布（1）径向分布式步进电机：电机的每一项按照圆周顺序排列（2）轴向分布式步进电机：电机的每一项按照轴向顺序排列2.步进电机的结构目前，我国使用的步进电机大多为反应式步进电机。反应式步进电机可分为轴向和径向分相两种形式，见表所述。图4-2为一个典型的径向分相、单定子式、反应式的步进电机的结构原理图。此步进电机和普通的电机一样，由定子和转子两部分组成，定子由定子铁心和定子绕组组成。其中由电工钢片堆叠挤压形成定子铁心，详细形状见图示。由绕值在定子铁心上的分布均匀的线圈组成定子绕组，控制绕组由直径的方向上的相对的两齿上的线圈串联构成的，图1的步进电机可为三相控制绕组，也称为三相步进电机。其中给任一项绕组通电，就能形成一组定子磁极，磁极方向为图示的NS极。定子磁极上开了5个齿槽等宽，齿间夹角为9的小齿，在转子上没有绕组，只有分布均匀的40个齿槽等宽、齿间夹角为9的小齿，结构上和磁极上的小齿类似。不同的是定子磁极上的小齿错开了三分之一齿距的空间位置，见图2。当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐的时是，B相磁极上的小齿刚好超前(或滞后)转子齿1/3齿距角，C相磁极上的小齿超前(或滞后)转子齿三分之二齿距角。图1 单定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图 图2 步进电机的齿距图3是一个五定子、轴向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。图示，在轴向步进电机的转子和定子分成五段，其中每段都由一相独立的定子绕组、定子铁心和转子，具体见图3。其中每段定子铁心用硅钢片叠压形成其形状像内齿轮。转子也是有硅钢片叠压形成的其形状像外齿轮。每段钉子上的齿均匀分布在圆周方向，各齿间搓开五分之一的齿距，但在转子上的齿彼此间不错位。当对为位于定子铁心环形槽内的定子绕组通电时就会形成环行绕组，构成如图所示的磁力线。除上面介绍的两种形式的反应式步进电机之外，常见的步进电机还有永磁式步进电机和永磁反应式步进电机，它们的结构虽不相同，但工作原理相同。3.步进电机的工作原理步进电机的工作原理实际上就是电磁铁的工作原理。图5为一种最简单的反应式步进电机，下面我们就以此为例来说明步进电机的工作原理。图5中，当直流电通入A相绕组时，由电磁学的原理，在AA的方向上便会产生磁场，在磁场力的作用下，便会吸引转子，便会使转子上的齿和定子AA极上的齿相对齐。但若B相通电，A相断电，于是便会形成新的磁场，新的磁场力便会使转子上的齿定子BB极上的齿相对齐，于是转子便会以顺时针的方向转过60度的角。所谓的步距角为步进电机的绕组每改变一次通断电的状态其转子转过的角度。因此在图5中步进电机的步距角为60度。如果控制线路无限的按ABCA的顺序控制步进电机绕组的通断电状态，步进电机的转子便会一直按顺时针的方向转动。若通电顺序为ACBA，步进电机的转子将会按逆时针得方向不停地转动。图3五定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图图4 一段定子、转子及磁回路以上所述通电方式为三相三拍的。除此之外还有三相六拍的通电方式，它的通电顺序是：顺时针为A AB B BC C CA A无限循环；逆时针为A AC C CB B BA A无限循环。当电机以三相六拍的通电方式工作时，当由单一的A相通电变为A、B相同时通电时，转子上的磁极将同时受到A相和B相绕组产生的磁场共同作用，在两力的相互作用下转子磁极便会位于A相和B相磁极之间，此时步距角为30度。当A相和B相同时通电变为B相单独通电时，电机如果以三相六拍的方式工作，当A相单独通电变为A、B两相同时通电时，转子上的磁极便会同时受到A相和V相绕组产生的磁场的同时作用，在两力的相互作用下转子的磁极便会停留在A、B两相之间，此时步距角为30度。当A相和B相同时通电变为B相单独通电时，转子上的磁极将再以顺时针的方向旋转30度与B相磁极对齐。这样依此类推重复。因此当采用三相六拍得通电方式工作时，可使步距角减小一半。图5步进电机工作原理图图5(b)所示的步进电机，定子仍然为A ，B ，C三相，每相为两极，但是转子由原来的两级变为四级。当A相绕组通电时，1、3两极和A相的两极相对齐，以此类推，当B相通电、A相断电时，2、4两极和B相的两极对齐。因此，在三相三拍的通电方式中，步距角为30度，在三相六拍通电方式中，步距角为15度。综上所述，我们可以得到如下的结论：(1) 当步进电机定子绕组改变一次通电状态，转子便会转过一个步距角；(2) 步进电机定子绕组的通电顺序改变，转子的旋转方向也会改变；(3) 步进电机的定子绕组通电状态改变的越快，转子转速越快，即通电状态的频率越高，转子的转速越快；(4) 步进电机步距角与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关，可用下式表示：式中m相m拍时，k=1；m相2m拍时，k=2；依此类推。对于图1所示的径向分相、单定子式、反应式的步进电机，当在三相三拍通电方式下工作时，其步距角为若在三相六拍通电方式下工作，则步距角为4.步进电机的主要特性(1) 步距角。所谓的步进电机的步距角为电机定子每改变一次通电状态转子转过的角度。它决定着步进伺服驱动系统的脉冲当量。在数控机床上常见的反应式步进电机的步距角为30度。步距角越小，机床的控制精度会越高。(2) 矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq。电机的一个重要特性为矩角特性，矩角特性反映电机失调角和静态转矩之间的变化关系。(3) 启动频率fq。启动频率为步进电机又静止到瞬间启动时，在保证不丢步的情况下步进电机所能承受的最高频率。如果启动的时候启动频率不小于瞬跳频率，电机就无法保证正常的工作。在电机空载状态启动时电机定子通断状态的频率要小于该瞬跳频率。(4) 无间断运行时的最高频率fmax。最高频率fmax是指步进电机在持续工作时在不发生丢步时所能接受的最高频率，电机的速度的调整由最高频率fmax决定。电机速度调整的特性是指在电机由静止状态到启动状态和电机由启动状态到静止状态的过程中定子绕组的通断电状态的频率和实践之间的关系。如果步进电机的瞬跳频率小于启动频率时，频率的变化速度逐渐上升；当大于启动频率的工作频率时，频率的变化速度逐渐下降。但逐渐上升和逐渐下降的加速时间和减速时间不太小，否则便会出现失步和超步现象。这里我们用加速时间的常数Ta和减速的时间常数Td来描述步进电机的升速和降速特性，如图6所示。 图6 加减速特性曲线机的最高转速。5.步进电机的选型计算交流伺服的控制系统在许多性能方面都好于步进电机。然而在部分要求不高的场合比如机床进给运动通常用步进电机来完成进给运动。因此在机床控制系统使用设计过程中需要对控制系统的要求、控制系统的成本等各方面的因素进行综合的考虑从而选出性价比较高的控制电机。(1)电机与丝杠是通过套筒联轴器直接相连，传动比i=1，则步距角(2)移动部件的转动惯量计算铣床移动部件的质量等效到电机轴上转动的惯量铣床丝杠对轴线转动惯量计算公式如下代入数据得， 所以 因此总的转动惯量为(3)电机所需的转动力矩的计算电机空载快速启动时所需力矩计算公式如下： 机床最大的切削负载所需力矩的计算公式如下：机床快速进给工作时所需的力矩计算公式如下：式中Mamax-步进电机空载启动等效到电机轴上加速度力矩 Mf- 步进电机等效到电机轴上的摩擦力的矩 M0-由电机丝杠的预紧引起的折算到电机轴的附加的摩擦力矩 Mat-机床工作时等效到步进电机轴上的加速度的力矩 Mt-机床正常工作时等效到电机轴上得到的切削力矩电机最高转速nmax=500r/min等效摩擦力的矩计算公式如下所示当=0.85，f=0.15时， 因此机床空载情况下快速启动需要的力矩计算如下： 代入数据得 机床最大的切削负载所需力矩代入数据如下：=3.37+0.56+6.37=10.3机床快速进给工作时所需的力矩代入数据计算如下=3.37+0.56=3.93显然由上述计算得知：电机所需最大的力矩取在切削工作进行时即为满足工作要求，电机选用的工作方式为两相四拍，查表得-电动机的启动所需力矩 -电动机的静载荷力矩步进电机运行时的最大频率为另外，为了防止在机床加工的过程中在某些地方需要停止时而产生的少量滑动从而影响零件的使用寿命和加工精度，电机需要具备在停机时自锁功能，所以所选电机为混合式步进电机。另外，步进电机的步距角在理论上说是固定的，但实际上生产上还是有误差的。另外，负载转矩也将会引起步进电机的定位误差。应将步进电动机的步距误差、负载引起的定位误差和传动机构的误差都考虑在内，使总的误差小于数控机床允许的定位误差。初选步进电动机的型号为42BYG250B-SASSML，由表查得该型号电动机的最大静转矩=0.43Nm。可见，满足要求。3.2主轴设计3.2.1主轴设计分析主轴的相关的组件构成了机床的重要组成部分。主轴的重要组件一般由轴承、主轴、固定件（如螺母）和传动件（齿轮、带轮）等组成。机床在工作的时候，由主轴带动着工件（车床）或者刀具直接参加工件表面的成型运动。所以，主轴组件的好坏对机床生产率和加工性能有着重要的影响。生产中对机床主轴的要求，有着与一般传动轴要求的相似之处：都要保证在要求的转速的情况下下传递要求的转矩，保证轴承和轴上的传动件在正常工作条件工作。但是在工作中主轴直接带动着刀具或工件进行切削的，主轴组件很大程度上决定着机床的加工精度。主轴受到刀具切削时所受到的切削力，在机床（含数控机床）上转速变化范围又很大。因此，我们对主轴组件又有许多特殊要求。为了提高刚度，主轴的直径应该略微大一些。前轴承到主轴前端的距离我们称为悬伸。悬伸量应尽量小一些。为了利于装配，主轴应该制成阶梯形。材料的热处理。轴的载荷相对来说不大，引起的应力通常要求远远小于杆强度极限。因此，强度一般不是我们选材的依据。当主轴的尺寸和几何形状已经确定，材料的弹性模量决定着主轴的刚度。但各种各样钢材的弹性模量几乎一样。因此，刚度也不是我们选材的依据。主轴的材料，主要应该根据材料的热处理后的变形、耐磨性选择。普通铣床的主轴，可用45号获60号优质中碳钢，调质到220-252HBS左右。对于教学型数控铣床，不要求有太高的精度和加工难加工材料的刚度，因此主轴做成实阶梯心轴，材料45#，表面调质处理。 轴结构图3.2.2 主轴校核 主轴材料选用45钢，调质处理,=650MPa，=360MPa3.3.1轴受力： 转矩T=铣削力所以需用应力值 用插入法查表得： 应力校正系数 当量转矩 0.6923.17=553.9Nmm当量弯矩 =553.9N.mm轴径 5.35mm 此铣削力满足工件加工要求。3.3主轴轴承的选择 对于教学实验型数控铣床的主轴，主轴构造相对简单，主轴所受的力相对较小，精度和刚度也不是太高。因此，对于主轴轴承的要求也相对比较宽松，又由于数控铣床主要载荷为轴向力，所受的径向力可以忽略。又因为深沟球轴承主要承受径向载荷，也可同时承受少量双向轴向载荷，工作的时候内外圈轴线允许偏斜816。 摩擦阻力小，极限转速高，结构简单，价格便宜，应用最广泛。又此种轴承一般不能调整，常用于精度要求和刚度要求不太高的地方。根据以上分析，主轴轴承可选用深沟球轴承就可以满足设计的要求。由于实验型数控铣床的主轴比较细，所选的轴承的型号也相对较小，所选深沟球轴承型号为16002，其基本尺寸参数如下d=15mm,D=32mm,B=8mm, 基本额定载荷Cr=5.9kN，基本额定载荷C0r=2.85kN，极限转速脂润滑:20000r/min，极限转速油润滑: 30000 r/min。其结构简图及承载方向如下图所示： 实验型数控铣床所受载荷较小，采用上述型号的轴承完全能够满足设计要求。3.4滚珠丝杠的选择3.4.1滚珠丝杠传动的特点滚珠丝杠螺母副（以下简称滚珠丝杠副）是一种能让直线运动和回转运动相互转化的传动机构，它在数控铣床中已经得到了非常高的应用。结构特点为在有螺旋槽的丝杠螺母间装着滚珠，使螺母和丝杠之间的运动变为滚动，因而能减小摩擦力。在数控机床的传动中，经常用于代替滑动丝杠，以提高传动过程的精度。丝杠螺母副的特点：1）在用很小的扭转力矩转动滚珠丝杠（或丝杠螺母），可使丝杠螺母（或滚珠丝杠）获得很大的轴向力。2）可以得到很大的降速比，使的降速机构大大的简化，传动链能够缩短。3）能够得到很大的传动精度。在作为进给机构的时候,还可以作为测量元件来使用，能够在刻度盘上得到直线位移尺寸，精确值能够达到0.0001mm。4）传递的效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠的传动效率为0.920.94,而一般常规丝杠螺母副传动效率为0.200.40。因此滚珠丝杠的传动效率比常规丝杠传动效率提升了34倍。因此功率损耗只相当于常规丝杠螺母副的1/31/4。5）给予适当的预紧，可消除螺母螺纹和丝杠之间的间隙，这样反向时就可以没有空程死区，反向定位精度高。与常规丝杠螺母副比较有较高的轴向精度。6）没有爬行现象，运动平稳，传动的精度很高。滚珠丝杠上受到的大多是滚动摩擦力，摩擦阻力较小，这样受到的摩擦阻力几乎和运动件的运动速度完全没有关系，这样我们就能够保证物运动件运动平稳性运动。滚珠丝杠受到的基本上为滚动摩擦，这样和一般丝杠螺母副相比不容易有爬行现象，故其传动的精度高。7）有可逆性强，因为滚珠丝杠的摩擦系数较小，可以从直线运动变为旋转运动，也可以从旋转运动变为直线运动。滚珠丝杠和丝杠螺母都可以作为主动件和从动件。8）制造的工艺复杂性很高，丝杠螺母和滚珠丝杠等的元件要求加工精度高，光洁度也要很高，因此它的制作制成本会很高。比如滚珠丝杠和丝杠螺母上的螺旋槽之间滚道，其表面一般都要磨削成型。9）不能够自锁，尤其垂直方向的丝杠，由于存在自重惯性力的，当下降时候传动被切断以后，不能够立刻停止其运动，故需要常常添加制动的装置。为了保证滚珠丝杠螺母副的轴向刚度和反向旋转精度，我们必须消除其间隙，通常我们采用双螺母预紧的方法消除轴向间隙。其原理是通过使两螺母产生轴向位移的方法来消除他们之间间隙并且施加预紧力。常用的方法有垫片调整间隙法、齿差调整间隙法和螺纹调整间隙法。在设计滚珠丝杠的时候，首先我们要确定它的螺距、名义直径及滚珠直径等。在确定丝杠的上述参数的时候，我们经常采用的方法是，在防止其疲劳点蚀的情况下，也就是说滚性丝杠在工作过程中受到轴向负载的时候，在滚道型面和滚珠间使产生接触应力。在这种交变接触应力下，经过一定的应力循环次数后，就会要使滚珠或滚道型面产生疲劳剥伤，从而使滚珠副丧失其工作的性能，这是滚球丝杠副的主要破坏形式。3.4.2竖直方向进给系统的设计计算1.初定参数：系统为开环，电机与丝杠直接由联轴器连接，传动比i=1，工作台快进速度要求达到Vmax=2m/min。取电机最高转速nmax=500r/min,则丝杠最高转速为500 r/min，丝杠基本导程。1. 丝杠的基本导程计算如下: 对于进给运动电机，直线脉冲当量小意味着加工精度相对较高，但是直线脉冲当量选的越小数控系统就越复杂。一般机床的加工精度在0.002-0.1mm之间，直线脉冲当量取0.01mm/step。3.滚珠丝杠设计的计算动载荷C的计算公式如下所示： 其中丝杠的载荷稳定性的系数，取为1.0， 丝杠精度的系数， 取为1.2，丝杠正常工作时的最大等效负载 L额定使用的寿命，工作负载F指的是数控机床正常运行时，作用在丝杠上带动工作台实现进给运动轴向压力，它可通过进给牵引力的实验公式进行计算：=轴向切削力背向切削力切削力G移动的部件的重力导轨之间接触的动摩擦系数k颠复力矩对运动影响实验系数选用燕尾型导轨查表得k=1.4 ，=0.03在铣削过程中，=302.9N ， ，G=300N 将以上数据带入到公式中得而额定使用的寿命计算公式如下所示 式中n滚珠丝杠的转速（r/min）T使用寿命（小时）对于数控机床，通常取n=1250 r/min，T=20000h，代入以上数据得 因此将以上数据代入公式得查表初步选用的型号为N系列1404-3，3列即额定动载荷Q=4212N较为合适，这种丝杠内循环单螺母的滚珠丝杠副。4预紧力计算在丝杠副上施加上轴向压力之后，轴向刚度与传动精度可以的到一定程度的改善，然而丝杠副预紧力不应该太大，太大影响到丝杠副使用寿命。因此在设计时要在满足丝杠副正常工作所需的寿命和精度的要求下合理选择预紧力的数值。由经验可知，在丝杠螺母正常情况下预紧滚珠丝杠副，为了保证螺母和丝杠配合紧密，不会出现间隙，应该令预紧力近似的等于最大轴向力的1/3左右。载荷过小，难以保证无间隙的传动；载荷过大，降低传动副的效率和传动副的承载能力。预紧力：（3）校核效率计算： 从机械原理中得知，滚珠丝杠螺母副的传动效率式中：螺纹升角； 螺纹与螺母间摩擦角；丝杠副滚动摩擦的系数=0.0040.005，所以摩擦角，进而求得代入上述数据得滚珠丝杠效率为滚珠丝杠螺母副刚度验算滚珠丝杠在数控机床中属于精密传动的元件，它在外加载荷的作用下，会发生长度的变化比如长度伸长或长度缩短，在外加扭矩T作用下，丝杠副会发生扭转变形，因此滚珠丝杠副的螺距会发生变化，进而影响它的传动与定位精度，所以滚珠丝杠应校核最大载荷时变形量。从材料力学课本中查得，设滚珠丝杠副在轴向载荷P作用下引起的一个螺距t变化量为,它的计算公式如下所示： 其中：P轴向工作载荷； t滚珠丝杠的螺距； E弹性模量，对碳钢而言（E=196）； A滚珠丝杠横截面的面积（由内径确定）； mm滚珠丝杠副在扭矩T作用下产生的一个螺距变化量，计算公式如下所示： (m) 其中为在扭矩T作用下，滚珠丝杠副上每一螺距两截面上的相对的扭转角度得大小； 其中，T扭矩（Nmm）,G材料的切变的模量，对钢而言，G=80 GPa滚珠丝杠的横截面对轴极惯性矩（其中d滚珠丝杠副的内径) =1.71mm(显然变形量忽略不计)如果滚珠丝杠副的长度为1040mm,则在整体工作的长度上螺距的变形总的误差为： =cm/m查表得丝杠副允许误差=15，因此滚珠丝杠副满足刚度要求。滚珠丝杆受压稳定性验算该丝杠是一种受轴向载荷的压杆，一旦轴向载荷过大，丝杠就会失去稳定性而产生压弯。机床上常用的进给丝杠为长柱形。设长柱杆受压失稳时临界载荷为，由材料力学课本中欧拉公式如下所示： （N）E丝杠副材料的弹性模量，对钢而言E=2.1；I丝杠横截面的惯性矩，；l丝杠工作的长度，l=150mm；u丝杠副轴端的系数，此设计运用两端的向心轴承，u=1临界压力F与工作压力P之比成为稳定安全因数 ，如果稳定安全因数大于许用稳定安全系数，则该压杆满足稳定性要求。7.7=4, 显然滚珠丝杠满足稳定性要求。对于水平方向进给，由于移动的部件重量及其所受力都比竖直方向小，为了简化设计部件的数量，使机床更加方便拆换，这些方向可选用与竖直方向相同型号丝杠、电机和轴承及其他零件。3.4.3滚珠丝杠螺母副与步进电机的连接形式滚珠丝杠螺母副与步进电机的连接有以下几种形式：1）与电动机直接连接2）通过齿轮连接3）通过同步齿形带连接无论通过何种连接形式，都应消除连接间隙，减小连接件间的同轴度误差，以提高传动精度和传动刚度。实验型数控铣床由于体积小、结构相对简单，对传动精度和传动刚度的要求相对较低。在本次设计中滚珠丝杠螺母副与步进电机的连接采用滚珠丝杠与电动机直接连接的形式。这种形式相对简单，即直接通过套筒联轴器将滚珠丝杠和步进电动机连接起来。电机输出轴和滚珠丝杠端部的直径都相对较小，考虑到实验型数控铣床的传动载荷不是太大。因此，采用将电机输出轴和滚珠丝杠通过打销锥连接在一起。3.5联轴器的选择 联轴器是连接不同部件的两根轴使其共同转动的机械部件。联轴器可分为刚性联轴器和挠性联轴器。刚性联轴器在工作和装配时要求严格对中；挠性