数控机床毕业设计说明书.doc

目录前 言1绪论2第一章 加工中心41.1 加工中心发展史41.2 加工中心的结构及分类41.3 立式加工中心5第二章 机床基础部件72.1 加工中心布局方案72.2 数控机床对机械结构的基本要求72.2.1具有较高的静、动刚度和良好抗震性72.2.2具有较好的热稳定性82.2.3 具有较高的运动精度和良好的低速稳定性82.2.4 具有良好的操作、安全防护性能82.3 床身82.3.1 床身的结构与支承82.3.2 床身的材料92.4 立柱92.4.1 立柱的结构92.4.2 立柱与床身的联接10第三章 进给系统113.1 进给传动系统的要求113.2 伺服电机123.2.1 伺服电机的选定123.2.2 伺服电机与进给丝杠的联接153.3滚珠丝杠的选择计算153.3.1 滚珠丝杠螺母副的工作原理与特点153.3.2滚珠丝杠螺母副的结构类型163.3.3滚珠丝杠的支承173.3.4 滚珠丝杠螺母副预紧183.3.5 滚珠丝杠的设计计算193.3.6滚珠丝杠螺母副的维护213.4 机床导轨22第四章 结 论25致 谢26参 考 文 献27- 28 -前 言数控机床综合了当今世界上许多领域最新的技术成果，数控机床的制造业是体现国家综合国力的基础产业。其技术水平的高低和拥有量的多少是衡量一个国家工业化的重要标志。2003年开始，中国就成了全球最大的机床消费国，也是世界上最大的数控机床进口国。我国数控机床的开发与日本、德国、前苏联等国基本同步，但由于相关工业基础较差，尤其是作为数控系统的支持领域电子工业的薄弱，致使数控机床发展速度缓慢。中国在数控机床上的发展还有相当大的空间。加工中心是数控机床的代表，通俗点说给机床装上数控系统后，机床就成了数控机床。当然，普通机床发展到数控机床不只是加装系统这么简单，例如：从铣床发展到加工中心，机床结构发生变化，最主要的是加了刀库，大幅度提高了精度。加工中心最主要的功能是铣、镗、钻的功能。 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。减少了工件装夹、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。加工中心的发展趋势：1、加工中心高效、高精、告诉的发v展趋势。2、立式加工中心五轴联动的趋势。3、机床复合化，与机器人的有效结合以提高生产效率。 加工中心工作台的进给运动是通过伺服驱动装置实现的。伺服驱动装置的性能，在很大程度上决定了机床的性能，因此研究和开发高性能的伺服进给系统，始终是研究现代数控机床的关键之一。进给系统不仅要求有合理的控制系统，而且要求对驱动元件和机械传动装置的参数进行合理选择，以使整个进给系统工作时的动态特性相匹配。进给系统的设计应该在3个方面满足整机的要求（1）稳定性（2）精度要 求（3）快速响应特性。在此将介绍一种适用于教学实践研究的MCV200经济型加工中心的x、y、z轴进给系统部分。在设计过程中得到指导老师周明虎的大力支持，在此对周明虎老师表示衷心的感谢。由于本人水平有限，设计中错漏及不及之处在所难免，敬请各位老师批评指正。 绪论 一 概述 科学技术的发展以及世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求；超高速切削、超精密加工技术的应用，对数控机床的数控系统、伺服性能、主轴驱动、机床结构等提出了更高的性能指标；FMS的迅速发展和CIMS的不断成熟，又将对机床的可靠性、通信性能、人工智能和自适应控制等技术提出了更高的要求。随着微电子和计算机技术的发展，数控系统的性能将日益完善，数控技术的应用领域将日益扩大。 自从20世纪60年代世界上第一台数控机床问世以来，随着计算机技术、微电子技术、现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通信技术和机械制造技术等各相关领域的发展，数控技术已成为现代先进制造系统(FMS，CIMS等)中不可缺少的基础技术。由于机床数控系统技术复杂，种类繁多。现在数控机床的“使用难、维修难”问题，已经是影响数控机床有效利用的首要问题。随着科学技术的发展，制造技术的进步，以及社会对产品质量和品种多样化的要求越来越强烈。中、小批量生产的比例明显增加，要求现代数控机床成为一种精密、高效、复合、集成功能和低成本的自动化加工设备。同时，为满足制造业向更高层次发展，为柔性制造单元、柔性制造系统，以及计算机集成制造系统提供基础设备，也要求数控机床向更高水平发展。 二 我国数控工业的发展概况中国是从1958年才开始研究数控技术，到20世纪60年代中期处于研制、开发阶段。1965年进入晶体管数控装置的研制。从20世纪70年代开始，数控技术在车、铣、磨、齿轮加工、电加工等领域全面展开。但由于电子元器件的质量和制造工艺水平低，致使数控系统的可靠性、稳定性问题没有得到解决，因此未能广泛推广。20世纪80年代，中国先后从日本、美国等国家引进了部分数控装置和伺服单元技术，并于1981年开始批量生产数控系统，包括数控装置和伺服单元。在此期间，中国在引进、消化吸收的基础上跟踪国外先进技术的发展，开发出一些高档的数控系统，如多轴联动数控系统、数字仿形系统、为柔性单元配套的数控系统等。为了适应机械工业生产不同层次的需要，还开发出多种经济型数控系统，并得到广泛的应用。现在，中国已经建立了以中、低档数控机床为主的产业体系。 1985年，我国数控机床的品种有了新的发展。数控机床品种不断增多，规格齐全。许多技术复杂的大型数控机床，重型数控机床都相继研制出来。为了跟踪国外现代制造技术的发展，北京机床研究所研制出了JCS-FMS-1型和2型的柔性制造单元和柔性制造系统。这个时期，我国在引进，消化国外技术的基础上，进行了大量开发工作。一些较高档次的数控系统(5轴联动)，分辨率为0.02的高精度数控系统，数字仿型数控系统为柔性单元配套的数控系统都开发出来了，并造出样机。我国的数控技术经过“六五”，“七五”，“八五”，到“九五”的近20年的发展，基本上掌握了关键技术，建立了数控开发，生产基地，培养了一批数控人才，初步形成了自己的数控产业。“十五”攻关开发的成果：华中号、中华号、航天号和蓝天号4种基本系统建立了具有中国自主版机的数控技术平台。具有中国特色济型数控系统经过这些年来的发展，有了较大的提高。它们逐渐被用户认可，在市场上站住了脚。目前我国数控机床生产厂有100多家，生产数控机床配套产品的企业有300余家，产品品种包括八大类2000种以上。目前已新开发出数控系统80余种，分为3种型级，即经济型，普及型和高级型。“九五”期间数控机床发展已进入实现产业化阶段，数控机床新开发品种300余种，已有一定的覆盖面。新开发的国产数控机床产品大部分达到期际上20世纪80年代中期水平，部分达到90年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床。 目前，我国的机床工业正从生产大国逐渐变为机床强国，主要体现在数控机床产品的技术水平和质量不断发展及提高。其中，特别是数控系统和数控机床的可靠性不断提高。由于对产品结构进行了调整，新的数控产品不断涌现，如多坐标联动、高速、高精等数控机床的研制成功。第一章 加工中心1.1 加工中心发展史1952年世界上出现了第一台数控机床，使多品种、中小批量的机械加工设备在柔性、自动化和效率上产生了巨大变革。1958年第一台加工中心在美国卡尼.特雷克公司问世。加工中心（CNC MACHINING CENTER)又称多工序自动换刀数控机床，工件在加工中心上经一次装夹后，数字控制系统能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他辅助机能，依次完成工件几个面上多工序的加工。并且有多种换刀或选刀功能，从而使生产效率大大提高。是当今世界上产量最大，在现代机械制造业使用最广泛的一种功能较全的金属切削加工设备。首先，加工中心它是在数控铣床的基础上增加自动换刀装置，可使工件在一次装夹中能够自动更换刀具，自动完成工件上的铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等工序的数控机床。第二，加工中心上如果带有自动分度回转工作台或自动转角度的主轴箱，可使工件在一次装夹中自动完成多个平面和多个角度位置的多工序加工。第三，加工中心上如果带有交换工作台，工件在工作位置的工作台上进行加工的同时，另外的工件在装卸位置的工作台上进行装卸。综上所述，加工中心在加工的柔性、自动化程度和加工效率上，在一般数控机床的基础上又上了一个新的台阶。加工中心在机械制造领域承担精密、复杂的多任务加工。它既可以单机使用，也能在计算机辅助控制下多台同时使用，构成柔性生产线，还可以与工业机器人、立体仓库等组合成无人化工厂。随着21世纪现代制造业的技术发展，机械加工的工艺与装备在数字化基础上正向智能化、信息化网络化方向迈进，而作为前沿装备的先进数控设备大量取代传统机加工设备将是必然趋势，加工中心当属是重要的成员。1.2 加工中心的结构及分类 机床本体是数控机床的主体部分。来自于数控装置的各种运动和动作指令，都必须由机床本体转换成真实的、准确的机械运动和动作，才能实现数控机床的功能，并保证数控机床的性能要求。数控机床的机床本体由下列各部分组成：(1) 主传动系统，其功用是实现主运动。(2) 进给系统，其功用是实现进给运动。(3) 机床基础件，通常指床身、底座、立柱、滑座、工作台等。其功用是支承机床本体的零、部件，并保证这些零、部件在切削加工过程中占有的准确位置。(4) 实现某些部件动作和某些辅助功能的装置，如液压、气动、润滑、冷却以及防护、排屑等装置。(5) 实现工件回转、分度定位的装置和附件，如回转工作台。(6) 刀库、刀架和自动换刀装置 (ATC) 。(7) 自动托盘交换装置 (APC) 。(8) 特殊功能装置，如刀具破损检测、精度检测和监控装置等。加工中心按主轴的布置方式分为立式和卧式两类。卧式加工中心一般具有分度转台或数控转台，可加工工件的各个侧面；也可作多个坐标的联合运动，以便加工复杂的空间曲面。立式加工中心一般不带转台，仅作顶面加工。此外，还有带立、卧两个主轴的复合式加工中心，和主轴能调整成卧轴或立轴的立卧可调式加工中心，它们能对工件进行五个面的加工。1.3 立式加工中心立式加工中心指主轴轴心线为垂直状态的加工中心。工作台成长方形，且无分度功能。主要适用于加工板类、盘类、模具及小型壳体类复杂零件。统计结果表明,立式加工中心占加工中心总量的75,其余为卧式加工中心和主轴头转角(立/卧两用)式加工中心。立式加工中心占有如此大的比例,其原因是它的结构比卧式的有很多优势,甚至在很多方面比卧式的还要强。立式加工中心能完成铣、镗削、钻削、攻螺纹和用切削螺纹等工序。立式加工中心最少是三轴二联动，一般可实现三轴三联动。有的可进行五轴、六轴控制。立式加工中心立柱高度是有限的，对箱体类工件加工范围要减少，这是立式加工中心的缺点。但立式加工中心工件装夹、定位方便；刃具运动轨迹易观察，调试程序检查测量方便，可及时发现问题，进行停机处理或修改；冷却条件易建立，切削液能直接到达刀具和加工表面；三个坐标轴与笛卡儿坐标系吻合，感觉直观与图样视角一致，切屑易排除和掉落，避免划伤加工过的表面。与相应的卧式加工中心相比，结构简单，占地面积较小，价格较低。如图1-1所示为典型立式加工中心的结构。图1-1 1X轴伺服电机 2换刀机械手 3数控柜 4刀库 5主轴箱 6操纵台 7 驱动电源柜 8纵向工作台 9滑台 10床身从图1-1可以看出X轴伺服电动机可以完成左、右运动，Z轴与Y轴伺服电机分别可完成上、下进给运动和前、后进给运动，主轴电动机完成主轴运动。X轴、Y轴、Z轴伺服电动机都由数控系统控制，可单独或联动。机床主轴无齿轮传动，使主轴转动时噪声低，振动小，热变形小。机床床身上固定有各种器件，其中运动部件有滑座，它可由Y轴伺服电机带动，滑座上有工作台可由X轴伺服电机带动，主轴箱在立柱上可由Z轴伺服电机带动上、下移动。第二章 机床基础部件2.1 加工中心布局方案如图2-1所示，立式加工中心通常采用固定立柱式，主轴箱吊挂在立柱一侧，主轴箱沿立柱导轨上下移动实现Z坐标移动。工作台为十字滑台，可以实现X、Y两个坐标轴的移动。图2-1 立式加工中心布局2.2 数控机床对机械结构的基本要求2.2.1具有较高的静、动刚度和良好抗震性 机床的刚度反映了机床机构抵抗变形的能力，。机床变形产生的误差，通常很难通过调整和补偿的方法予以彻底的解决。 机床结构的静刚度是指在切削力和其他力的作用下，机床抵抗变形的能力。机床在加工过程中，受多种外力的作用，包括运动部件和工件的自重、切削力、驱动力、加减速时的惯性力、摩擦阻力等。机床的各部件在这些力的作用下将产生变形，如 各基础 件的弯曲和扭转变形，支承构件的局部变形，固定 连接面 和运动啮合面的接触变形等。这些变形都会直接或间接地引起刀具与工件之间产生相对位移，破坏刀具和工件原来所占有的正确位置，从而影响机床的加工精度和切削过程的特性，所以，提高机床的静刚度是机床结构设计的普遍要求。为了保证数控机床在自动化、高效率的切削条件下获得稳定的高精度，其机械结构应具有更高的静刚度，有标准规定数控机床的刚度系数应比类似的普通机床高 50 。此外，为了充分发挥机床的效率，加大切削用量，还必须提高机床的抗震性，避免切削时产生的共振和颤振。而提高机构的动刚度是提高机床抗震性的基本途径。2.2.2具有较好的热稳定性机床的热变性是影响机床加工精度的主要因素之一。由于数控机床的主轴转速、快速进给都远远超过普通机床，机床又长时间处于连续工作状态，电动机、丝杠、轴承、导轨的发热都比较严重，加上高速切削产生的切屑的影响，使得数控机床的热变性影响比普通机床要严重得多。虽然在先进的数控系统具有热变性补偿功能，但是它并不能完全消除热变性对于加工精度的影响，在数控机床上还应采取必要的措施，尽可能减小机床的热变性。减少热变形的措施： 减少发热将热源从主机中分离出去：内部热源的发热是造成热变形的主要原因，因此，在机床布局设计中应尽量考虑将热源从主机中分离出去，如将电动机、变速箱、液压泵站等置于机床主机以外；进给系统采用低摩擦系数的滚动导轨和滚动轴承。 通过散热和冷却方法控制温升 改善机床结构：采用对称原则设计数控机床结构；使机床主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上；采用排屑系统。 热变形补偿：预测热变形规律，建立数学模型并存人计算机中进行实时补偿。2.2.3 具有较高的运动精度和良好的低速稳定性利用伺服系统代替普通机床的进给系统是数控机床的主要特点。伺服系统最小的移动量（脉冲当量），一般只有0.001mm，甚至更小；最低进给速度，一般只有1mm/min，甚至更低。这就要求进给系统具有较高的运动精度，良好的跟踪性能和低速稳定性，才能对数控系统的位置指令做出准确的响应，所以进给系统采用滚珠丝杠螺母副+滚动导轨副的组合从而得到要求的定位精度。2.2.4 具有良好的操作、安全防护性能数控机床大都采用机、电、液、气一体化布局，全封闭或半封闭防护，机械结构大大简化，易于操作及实现自动化。2.3 床身2.3.1 床身的结构与支承 中、小型立式加工中心一般都采用固定立柱式，由滑台和工作台实现平面上的两个坐标移动，故床身结构比较简单。如图2-2所示为立式加工中心的床身。图2-2立式加工中心床身机床在外力的作用下， 各基础件将 承受弯曲和扭转载荷，其弯曲和扭转变形的大小则取决于基础件的截面抗弯 和抗扭惯性矩 ，抗弯、 抗扭惯性矩 大，变形则小，刚度就高。在形状和截面 积相同 时，减小壁厚，加大截面轮廓尺寸，可大大增加刚度。矩形截面在尺寸大的方向具有很高的抗弯刚度。因此，通过合理设计截面形状和尺寸，可大大提高基础件的结构静刚度。床身内部的肋板布置形式很多，但归纳起来可以分为纵向、横向和斜向三大类。纵向肋板可加强纵向抗弯刚度；横向肋板对提高抗扭刚度有显著效果；斜向肋板对提高抗弯、抗扭刚度都有较好的效果。合理布置筋板还可提高基础件的局部刚度。床身的支承在沿床身底周边放置的水平调整垫铁上，通过它们调整机床水平，使之达到水平度 0.020.04/1000mm 垂直度 0.0050.01/1000mm，然后拧紧地脚螺钉。另外，考虑到地基的变化可能性，一般要求机床安装使用半年后必须重新校验一次机床的水平。2.3.2 床身的材料随着机械加工自动化水平的提高，机床开动率愈来愈高，甚至24h连续运转。这就要求床身要有足够的刚度。普通精度级加工中心，床身导轨需淬火、磨削。这种床身的材料宜采用HT300铸铁。直线滚动导轨的床身，虽然导轨面不必淬火，但从机床刚度要求考虑，亦宜采用HT300铸铁。2.4 立柱2.4.1 立柱的结构加工中心的立柱，随卧式加工中心和立式加工中心的不同，其结构形式亦不相同。但它们既然是加工中心的立柱，就要支承主轴箱，使之沿垂直方向上下移动。这就使它在承受切削力、振动、温度变化等恶劣条件下进行工作。因此，立柱亦和床身一样是加工中心的关键大件之一，要求具有足够的构件刚度和良好的抗振性以及抗热变形性。加工中心的布局使主轴箱的主轴中心位于立柱的对称面内，立柱则不再承受由主轴箱自重产生的弯矩和由切削力产生的扭矩，从而改善了立柱的受力状况，减小了立柱的弯曲、扭转变形，提高了刚度 。 合理布置基础件的筋板可以提高静刚度，表2-1 给出了立柱的几种不同筋板布置时的相对静刚度。从表中可知：纵向筋板能提高立柱的抗弯和抗扭刚度，提高抗扭刚度效果更为显著；对角线斜置筋板和对角线交叉筋板对提高立柱的刚度更为有效。表2-1 不同筋板布置时立柱的静刚度对比右图为立式加工中心立柱的横截面图。由于该立柱承受弯扭组合载荷，故截面采用接近正方形的封闭外形，为了进一步提高抗弯、抗扭刚度，内部采用了对角线交叉筋板。所以，这立柱有很高的抗弯、抗扭刚度。框式立柱布局的优点是热变形对加工精度的影响小2.4.2 立柱与床身的联接立柱与床身的联接，一般都采用螺栓紧固。为了提高立柱与床身的接触刚度，通常采用如下措施： 采用预紧力。螺栓联接时应使结合面保持在不小于2MPa的预紧压力。 提高有效接触面平面度，减小接触面的粗糙度值，以提高结合刚度。通常采用刮研或磨削手段来实现。 增加局部刚度。在紧固螺栓位置处，加大加厚凸缘或增添加强肋。第三章 进给系统 3.1 进给传动系统的要求 数控机床进给传动系统常用伺服进给系统来工作。伺服进给系统的作用是根据数控系统传来的指令信息，进行放大以后控制执行部件的运动，不仅控制进给运动的速度，同时还要精确控制刀具相对于工件的移动位置和轨迹。与普通机床相比，数控机床进给传动系统的设计要求除了具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特性，系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性要好。一个典型的数控机床闭环控制的进给传动系统通常由位置比较、放大元件、驱动元件、机械传动装置和检测反馈元件等几个部分组成。而机械传动装置是位置控制环中的一个重要环节，是指将驱动源旋转运动变为工作台直线运动的整个机械传动链。如图3-1为本次设计的进给系统。图3-2 立式加工中心伺服进给机构传统进给传动系统与数控伺服进给系统的区别： 传统进给传动系统：多采用一个电机，执行件之间采用大量的齿轮传动，以实现内外传动链的各种传动比要求。故传动链很长，结构相当复杂。数控伺服进给系统：每一个运动都由单独的伺服电机驱动，传动链大大缩短，传动件大大减少，有利于减少传动误差，提高传动精度。为了确保数控机床进给传动系统的传动精度和工作的平稳性，对进给传动系统提出如下的要求。 减少摩擦阻力为了提高数控机床的进给传动系统的快速响应性能和运动精度，必须减少运动部件的摩擦阻力和动、静摩擦力之差。为了满足上述要求，在本次设计中采用滚珠丝杠螺母副+滚动导轨副的组合如 图3-2 所示。 图3-2珠丝杠螺母副+滚动导轨副 减小各运动零部件的惯量高的传动精度和定位精度宽的进给调速范围无间隙传动（反向间隙）稳定性好、寿命长、使用维护方便。3.2 伺服电机3.2.1 伺服电机的选定主要技术指标工作台尺寸(mm) 160250 左右行程(X) 200前后行程(Y) 160上下行程(Z) 200 工作台最大承重(kg)50工作台T型槽 3-18 主轴锥孔 BT30 快速进给(m/min) 10 切削进给(m/min)5定位精度(mm)0.005重复定位精度(mm) 0.003数控系统所发出的控制指令，是通过伺服驱动器和伺服电机驱动机床执行部件的。所选电机应满足下列条件：在所有进给速度范围内，空载进给扭矩小于电机额定转矩；最大负载扭矩小于电机额定转矩；电机转动惯量与进给负载转动惯量合理匹配；定位加速度时的最大扭矩小于电机最大转矩。因此必须进行最大负载扭矩计算、惯量匹配计算和加速度扭矩计算，据此确定合理电机型号。 （一）电机负载转矩的计算负载轴转速：=5/0.005=1000(min-1)电机轴的转速：减速比为1,因此 1000(min-1)X、Y轴切削力以不对称逆铣时的铣削力为最大，加速度 负载转矩 式中 TL负载转矩（N.m） 摩擦系数 滚珠丝杆的导程 机械效率 滚珠丝杠螺母和轴承加到电机轴上的摩擦力矩=2Nm 最后按满足的条件选择伺服电机式中 TS伺服电动机的额定转矩根据某品牌交流伺服电机样本，在考虑保险富裕量的情况下，选择电机。电机技术数据：额定功率(kw)额定转矩（N.m）最大转矩（N.m）额定转速（r/min）最大转速（r/min）0.424.012.010002000额定电流(A)最大电流（A）转子转动惯量（kg.m2）电机重量（kg）速度/位置检测器1.735.196.55.0光电编码器:2500p/rev (二)惯量匹配计算为了使伺服进给系统的执行部件具有快速响应能力，必须选用加速能力大的电机，即大惯量电机，但又不能盲目追求大惯量，应综合考虑其性价比，使电机转动惯量与进给负载惯量之间合理匹配。通常在电机惯量与负载惯量(折算至电动机轴)或总惯量之间，推荐下列匹配关系： 图3-31 电机 2 联轴器 3、 圆螺母 4、 滚动丝杠固定端 5 滚珠丝杠 6、滚珠丝杠支承端 1、滚珠丝杠的惯量计算 滚珠丝杠的长度 d丝杠直径 2、工作台等直线运动部件的惯量计算 m负载质量m=200kg 滚珠丝杠导程=5mm 3、联轴节的转动惯量 由于连轴器已标准化，查表知联轴节的转动惯量 型电动机的转动惯量为 因为所以电动机惯量与负载惯量匹配。3.2.2 伺服电机与进给丝杠的联接在加工中心进给驱动系统中，伺服电机与滚珠丝杠联接，要保证传动无间隙。只有这样才能准确执行脉冲指令，而不丢掉脉冲。为此在加工中心上，主要采用三种联接方式：直联式、齿轮减速方式、齿形皮带方式。用得最普遍的是联轴器。而弹性联轴器又是首选的产品。弹性联轴器结构简单，惯性力矩小，换向较平稳，无金属撞击声，可减小对储丝筒轴的冲击。弹性材料采用橡胶、塑料或皮革。这种联轴器的优点是，允许电动机轴与储丝筒轴稍有不同心和不平行，一般最大同心度允差为0.20.5mm，最大平行度允差为1。一体成型的设计使弹性联轴器实现了零间隙地传递扭矩和无须维护的优势。如图所示为本次设计采用的弹性联轴器。 3.3滚珠丝杠的选择计算3.3.1 滚珠丝杠螺母副的工作原理与特点图3-4中丝杠和螺母都磨有圆弧形螺旋槽，这两个圆弧形螺旋槽对合起来就形成螺旋线滚道，在滚道内装有滚珠。当丝杠回转时，滚珠相对于螺母上的滚道滚动，因此丝杠和螺母之间基本上为滚动摩擦。为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能循环流动。图 3-41 内滚道 2 丝杠 3 丝杠螺母 4 滚珠 5外滚道 在传动时，滚珠与丝杆、螺母之间基本上是滚动摩擦，所具有的特点有： 1）传动效率高，摩擦损失小。 2）给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区，定位精度高，刚度好。 3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。 4）有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。 5）磨损小，精度保持性好使用寿命长。 6）制造工艺复杂。 7）不能自锁。滚珠丝杠副的缺点是： 1）由于结构复杂，丝杠和螺母等元件的加工精度和表面质量要求高，因此制造成本高。 2）由于不能自锁，特别是垂直安装的滚珠丝杠传动，会因部件的自重而自动下降，当部件向下运动且切断动力源时，由于部件的自重和惯性，滚珠丝杠不能立即停止运动，因此必须增加制动装置。3.3.2滚珠丝杠螺母副的结构类型 滚珠丝杠螺母副按其中的滚珠循环方式可分为以下两种：(1) 外循环。滚珠在循环过程结束后，通过螺母外表面上的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环。图3-5所示为常见的外循环式滚珠丝杠结构。在螺母外圆上装有螺旋形的插管口，管子的两端插入滚珠螺母工作始末两端孔中，以引导滚珠通过插管形成滚珠的多圈循环链。这种类型的结构简单，工艺性好，承载能力较高，但径向尺寸较大。目前，这种类型滚珠丝杠螺母副的应用最为广泛，也可用于重载传动系统。本次设计使用内循环的滚珠丝杠。 图3-5外循环式滚珠丝杠结构(2) 内循环。内循环式滚珠丝杠结构如图3-6所示，它靠螺母上安装的反向器接通相邻滚道，使滚珠成单圈循环。反向器2的数目与滚珠圈数相等。这种类型的结构紧凑，刚度好，滚珠流通性好，摩擦损失小，但制造较困难，适用于高灵敏、高精度的进给系统，不宜用于重载传动。图3-6 内循环式滚珠丝杠结构3.3.3滚珠丝杠的支承 螺母座、丝杆的轴承及其支架等刚度不足，将严重地影响滚珠丝杆副的传动刚度。因此，螺母座应有足够的强度和刚度，以减少受力后的变形，螺母座与床身的接触面积宜大，其连接螺钉的刚度也应高，定位销要紧密配合，不能松动。 滚珠丝杆的支承方式有以下几种：1）一端装推力轴承，（固定自由式）。特点：其承载能力小，轴向刚度低，仅适用于短丝杠2）一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承，当滚珠丝杆较长时，一端装推力轴承轴承固定外，另一自由端装深沟球轴承，（固定支承式）。特点：轴向刚度较小，丝杠有伸缩余地，结构复杂，仅适用于长丝杠 3）两端装推力轴承，把推力轴承装在滚珠丝杆的两端，并施加预紧拉力，这样有助于提高刚度，但这种安装方式对丝杆的热变形较为敏感。4）两端装推力轴承及深沟球轴承，为使丝杆具有最大刚度，它的两端可用双重支承，即推力轴承加深沟球轴承，并施加预紧拉力，（固定固定式）。特点：传动刚度高，结构和安装工艺复杂，适用于长丝杠或高转速、高刚度、高精度的丝杠因为传递行程短，在本设计中我们采用一端固定，一端悬浮的支承方式。3.3.4 滚珠丝杠螺母副预紧 滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙，其数值是指丝杠和螺母无相对转动时，二者之间的最大轴向窜动量，除了结构本身的游隙之外，还包括施加轴向载荷后产生的弹性变形所造成的轴向窜动量。由于存在轴向间隙，当丝杠反向转动时，将产生空回误差，从而影响传动精度和轴向刚度。通常采用预加载荷（预紧）的方法来减小弹性变形所带来的轴向间隙，以保证反向传动精度和轴向刚度。调整时，除螺母预紧外还应特别注意使丝杠安装部分的间隙尽可能小，并且具有足够刚度，同时应注意预紧力不宜过大，预紧力过大会使空载力矩增加，从而降低传动效率，缩短使用寿命。预紧力计算公式为 ： 式中，Fmax轴向最大工作载荷 FV预紧力3.3.5 滚珠丝杠的设计计算动载荷 静载荷 螺纹滚道曲率半径偏心距螺杆大径 螺杆小径 螺杆接触点直径 螺杆牙顶圆角半径 螺母螺纹大径 螺母螺纹小径驱动转矩轴向弹性变形量螺杆临界载荷螺杆临界转速效率滚珠丝杠传动属于滚动螺旋传动，根据机械设计手册得出以下结果：(一) 初始条件 螺杆材料为：45号钢 热处理为：高、中频加热,表面淬火螺母材料为：ZCuSn10Zn2 热处理为：渗氮、淬火返向器材料为：60Mn 热处理为：高、中频加热,表面淬火螺纹滚道法面截形为：矩形平均载荷为：100N平均转速为：80(r/min)工作长度为310mm两支承间最大距离为：300mm使用寿命为：10000h （二） 载荷计算 载荷系数KF为：1.2 短行程系数KL为：1.3 硬度影响系数KH为：1.0 动载荷Ca(计算值) ： 567.131N 静载荷Coa(计算值)： 120N （三） 寿命计算 额定动载荷为：9650N 额定静载荷为：23100N 公称直径d0为：20mm 导程Ph为：5mm 螺纹升角为：339 钢球直径Dw为：3.175mm 圈数列数为：12 （四） 螺旋副几何尺寸 螺纹滚道曲率半径为： 偏心距为： 螺杆大径为： 螺杆小径为： 螺杆接触点直径为： 螺杆牙顶圆角半径为： 螺母螺纹大径为： 螺母螺纹小径为： （五） 计算驱动转矩 驱动转矩为： （六） 轴向弹性变形量 载荷分布不均系数Kz为：1.25 轴向弹性变形量为：0.00126mm （七） 螺杆系统的刚性 螺杆材料弹性模量E为：207000 螺杆材料切变模量G为：83000 两端铰支的长度系数为：0.6 螺杆系统的刚性为：79788.362(N/mm) （八） 螺杆的强度 螺杆当量应力为：1.468Mpa （九） 螺杆的稳定性 螺杆临界载荷为：3683902.012N （十） 横向振动 两端铰支的系数1为：4.730 螺杆临界转速为：51330.842(r/min) （十一） 计算效率 效率为：0.7313.3.6滚珠丝杠螺母副的维护(1)支撑轴承的定期检查。应定期检查丝杠与床身的连接是否有松动以及支撑轴承是否损坏等。如有以上问题，要及时紧固松动部位并更换支撑轴承。 (2)滚珠丝杠副的润滑和密封。滚珠丝杠副也可用润滑剂来提高耐磨性及传动效率。润滑剂可分润滑油及润滑脂两大类。润滑油为一般机油、90180号透平油或140号主轴油。润滑脂可采用锂基油脂。润滑油经过壳体上的油孔注入螺母的空间内，而润滑脂则加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内。 (3)滚珠丝杠副常用防尘密封圈和防护罩。密封圈。密封圈装在滚珠螺母的两端。接触式的弹性密封圈是用耐油橡皮或尼龙等材料制成的，其内孔制成与丝杠螺纹滚道相配合的形状。接触式密封圈的防尘效果好，但因有接触压力，所以会使摩擦力矩略有增加。非接触式的密封圈是用聚氯乙烯等材料制成的，其内孔形状与丝杠螺纹滚道相反，并略有间隙。非接触式密封圈又称为迷宫式密封圈。 防护罩。对于暴露在外面的丝杠，一般采用螺旋钢带、伸缩套筒以及折叠式塑料或人造革等形式的防护罩，以防止尘埃和磨粒粘附到丝杠表面。这几种防护罩与导轨的防护罩有相似之处，其一端连接在滚珠螺母的端面上，另一端固定在滚珠丝杠的支撑座上。 3.4 机床导轨机床上的直线运动部件都是沿着它的床身、立柱、横梁等上的导轨进行运动的,导轨的作用概括地说是对运动部件起导向和支承作用,导轨的制造精度及精度保持性对机床加工精变有着重要作用的影响。数控机床对导轨的要求主要有:导向精度高、精度保持性好、足够的刚度、良好的摩擦特性、此外,导轨结构工艺性要好,便于制造和装配,便于检验、调整和维修,而且有合理的 导轨防护和润滑措施等。 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,其中,数控机床最常用的是滑动导轨和滚动导轨。但滑动导轨静摩擦系数大,而且动摩擦因数随速度变化而变化,摩擦损失大,低速(1 60mm/min)时易出现爬行现象,降低了运动部件的定位精度。相比之下滚动导轨灵敏度高,且其动摩擦与静摩擦系数相差甚微,因而运动平稳,低速移动时,不易出现爬行现象。且定位精度高,重复定位精度可达0.2m。所以此次设计时使用滚动导轨。1.滚动导轨的结构原理滚珠的滚动直线导轨副的结构原理,是由导轨、滑块、钢球、反向器、密封端盖及挡板等部分组成。当导轨与滑块作相对运动时,钢球就沿着导轨上经过淬硬并精密磨削加工而成的四条滚道滚动；在滑块端部,钢球通过反向器反向,进入回珠孔后再返回到滚道,钢球就这样周而复始地进行滚动运动。反向器两端装有防尘密封端盖,可有效地防止灰尘、屑末进入滑块内部。2.滚动导轨的特点滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球,使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦,滚动导轨摩擦因素小（=0.00250.005)。因此,在大大降低两者间的运动摩擦阻力的同时,使得它还具有以下特点: 1) 动、静摩擦力之差很小,灵敏性极好,驱动信号与机械动作间的滞后时间极短。 2) 可以使驱动电动机的功率大幅度下降 3) 适合于高速、高精度加工的机床 4) 可以实现无间隙运动,提高进给系统的运动精度。 5) 滚动导轨成对使用时,具有“误差均化效应” 6) 导轨副的滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽,接触应力小 7) 导轨采用表面硬化处理工艺 8) 滚动导轨对安装面的要求较低, 3.滚动导轨的选择滚动导轨有各种各样的型号,各种尺寸已标准化,可根据用途选择相应的最佳产品。滚动导轨是一种单元构造,只需通过简单的作业在平面部用螺栓将导轨安装好就可获得无间隙的高行走精度,。 滚动导轨的精度等级分四个等级,即2、3, 4、5级,其中2级精度最高,依次递减。各类机床推荐采用的精度为:数控车床、数控铣床、加工中心(坐标镗床、坐标磨床)的 X、Y轴可以采用2、3, 4级精度, Z轴通常可以使用与X、Y轴相同或低一级的精度。 4.滚动导轨的安装滚动直线导轨副的安装、固定方式主要有使用螺栓固定、使用斜模块固定、使用压板固 定和使用定位销固定等,在数控机床上,通常是两根导轨成对使用,这时其中的一根为基准导轨,通过对基准导轨的正确安装,可以保证运动部件相对于支承件的正确导向。首先在安装前务必清除所要安装机械安装面上的毛刺、打击伤痕及污物。然后将 轨道轻轻地放置于底座上后, 然后使用干净的装配螺栓来固定LM滚动导轨。同时,在将装配螺栓插入LM轨道的安装孔时,要事先确认螺栓孔是否吻合。 如果孔不吻合而强行拧入螺栓,则会降低精度。5.滚动直线导轨副的防护与润滑 使用滚动直线导轨副时,应注意工作环境与装配过程中的清洁,不能有铁屑、杂质、灰尘等粘附在导轨副上。为了防止切屑、磨粒或冷却液散落在导轨面上而引起磨损、擦伤和锈蚀，导轨面上应有可靠的防护装置。常用的刮板式、卷帘式和叠层式防护罩，大多用于长导轨机床上，如龙门刨床、导轨磨床等。另外，还有手风琴式的伸缩式防护罩等。在机床使用过程中应防止损坏防护罩，对叠层式防护罩应经常用刷子蘸机油清理移动接缝，以避免发生碰壳现象。 良好的润滑可以降低各运动部件之间的摩擦,从而可防止焦化及减少磨损。 在滚动面上形成油膜以减少作用于表面的应力，并延长滚动疲劳寿命。将油膜覆盖于金属表面以防止生锈。当滚动直线导轨副的运动速度为高速时( v151m/min) 。通常使用N32润滑油润滑,低速时(v15m/min)通常推荐使用钮基润滑脂润滑。第四章 结 论本项目设计了一种适用于平常教学环节演示的小型MCV200加工中心的三轴进给系统部分。经过三个月的设计，对加工中心系统有了简单的了解，熟悉了其发展演变及发展前景。熟悉了立式加工中心的总体布局及进给系统部分的设计。 主要任务：1、熟悉CAXA绘图软件的基本操作，了解界面上的各种工具栏的用途及功能，并能熟练完成二维图形的绘制。2、学会使用电子图书及机械设计手册查阅各种标准件的选用及画法。3、了解加工中心的结构组成、工作原理及其特点。4、在本次设计中采用滚珠丝杠螺母副+滚动导轨副的组合。重点掌握进给系统的工作原理及其个组成部分。滚珠丝杠的组成、选用及其各种计算公式。滚珠丝杠的支承方式选用一端固定一端支承方式以保证丝杠在受热变形后可在游动端自由伸缩。相滑动导轨滚动导轨灵敏度高,且其动摩擦与静摩擦系数相差甚微,因而运动平稳,低速移动时,不易出现爬行现象。且定位精度高,重复定位精度可达0.2m。所以此次设计时使用滚动导轨。伺服电机的选用方法及步骤。毕业设计是对我们大学四年来学习情况的一个检验，也是对自己四年来努力的一个肯定。 通过这次毕业设计可以培养综合运用专业基础知识和专业技能来解