毕业设计（论文）-龙门数控火焰切割机设计（全套图纸）.doc

（输入章及标题）理工类毕业设计（论文）模版 （此行字体打印时删除）毕业设计（论文） 龙门数控火焰切割机设计学院（系）燕山大学里仁学院年级专业 05机制2班 学生姓名 指导教师 答辩日期 全套cad图纸，加153893706ii 燕山大学本科生毕业设计（论文） 摘 要本课题所设计的数控火焰切割机是一种中型切割设备，它可以很方便的对金属材料进行直线或曲线切割，可广泛应用于机械、建筑、化工、航天等行业。首先，本文通过对火焰切割技术及数控火焰切割机的国内外研究现状的分析，对火焰切割机的总体结构进行了设计，整体采用龙门式结构，纵向、横向和垂直三个方向进给运动均选用电动机带动滚珠丝杠传动的开环控制系统。其次，由于火焰切割机切割工件时无切削力，所以纵向进给运动采用电机直接驱动来完成。最后，为了加工制造的方便还绘制了切割机的所有零部件和装配体的工程图。关键词数控火焰切割机，龙门式，结构设计ivabstractthe cnc flame cutter designed in this topic is intermediate cutting equipment. it can easily cut metal materials with linear or curvilinear drawings and can be widely used in machining, architecture, chemical industry, spaceflight and other industry.firstly, through the analysis of research actuality about the flame cutting technology and the cnc flame cutting machine at home and abroad the whole structure of the flame cutter is designed in this article. the whole structure uses the gantry structure, the open-loop control systems, using stepping motor to drive ball screws, were chosen at longitudinal, horizontal and vertical directions. secondly, since there is no cutting power when the flame cutter cuts work-piece, therefore, the vertical movement is provided by the movement of worktable driven directly by stepping motor. in the end, all the drawings of parts and assembly are protracted in order to facilitate the manufacture.keywords numerical control flame cutter, gantry type,structural design目 录摘 要iabstractii第1章 绪论111切割技术的种类及发展112数控火焰切割简介2121 火焰切割及数控火焰切割技术2122 国内外数控火焰切割技术的发展3123 数控火焰切割机的市场及发展4第二章 机床总体设计721总体方案的确定722控制及传动系统选用8第三章 火焰切割机传动装置设计1031螺旋传动10311 滚珠丝杠副的工作原理及特点113.1.1.1纵向传动滚珠丝杠、支撑件的设计计算及电机的选择.143.1.1.2横向、垂直向滚珠丝杠、支撑件的设计计算及电机的选择.21 第四章 导轨3241导轨设计32 第五章 机床的维护.47结论50参考文献51致谢53附录154附录261 附录3.69燕山大学本科生毕业设计（论文） 第1章 绪论1.1 切割技术的种类及发展切割是焊接生产备料工序的重要加工方法，包括冷、热两类切割，而热切割又有气体火焰切割、电弧切割、等离子切割和激光切割等各种工艺方法。目前各种金属和非金属切割已经成为现代工业生产（特别是焊接生产）中的一个重要工序，被焊工件所需要的几何形状和尺寸，绝大多数是通过切割来实现的。切割技术被广泛的应用在国民经济建设的各个领域里。近年来，由于机械工业飞速发展的需求和国外先进技术的引进，我国切割技术无论在新工艺的开发方面，还是在新能源的利用方面都有了长足的发展。自动化、半自动化切割技术的发展，使得切割技术可以代替部分机械加工，大大提高了工作效率，还可以提高金属材料的利用率。气体火焰切割是热切割中最早被采用和最常用的工艺方法，这种切割方法设备简单、操作方便灵活、投资费用少、切割质量好等特点。尤其是能够切割各种含曲线形状的零件和大厚度工件等一系列特点使得它自进入工业领域以来一直作为工业生产中切割碳钢和低合金钢的基本方法而被广泛采用。而本文介绍的数控火焰切割机就是在早期切割机的基础上结合近年来高速发展的微型计算机技术被广泛应用于工业领域的实际情况设计出的一种新型切割设备 。1.2 数控火焰切割简介 1.2.1火焰切割及数控火焰切割技术火焰切割就是利用气体火焰的热能将工件切割处金属预热到一定温度后，喷出高速切割氧气流使预热处的金属燃烧并放出热量实现切割的方法。最常见的气体切割是氧-乙炔火焰切割。钢材的气割是利用气体火焰（称预热火焰）将钢材表面加热到能够在氧气流中燃烧的温度（即燃点），然后送进高纯度，高流速切割氧，使钢材中的铁在氧氛围中燃烧生成氧化铁熔渣，同时放出大量热，借助这些燃烧热和熔渣不断加热钢材的下层和切口边缘，使之也达到燃点，直至工件的底部。与此同时，切割氧流把氧化铁熔渣吹掉，从而形成切口将钢材切割开。数控火焰切割机是应用计算机数字程序控制（computer numerical program control）的全自动化切割设备，人们借助计算机辅助设计程序，把所要切割零件的形状、尺寸、切割顺序及切割过程中的各项辅助功能按一定的语言程序规则进行编程，然后输入控制机，经运算后发出运动控制及辅助功能指令，再有伺服行走系统和切割执行机构协调动作，从而完成所需零件的切割。数控火焰切割机的特点：功能齐全，自动化程度高具有割炬自动升降和自动调高、自动点火、自动穿孔、自动切割、喷粉画线、喷印字码、喷水冷却、割缝自动补偿、熄火返回重割、动态图形跟踪显示等功能，实现了切割全过程的自动控制。可配置多个割炬工作，省去了制作样板和划线的工时，生产效率高采用套料程序，提高钢板利用率。能合理选定切割工艺参数及切割路径，可减小热变形，加工精度高，切割质量好，能够减少后续打磨和装焊工时。切割信息易于准备、修改和保存。机器运行稳定可靠，操作方便1.2.2国内外数控火焰切割技术的发展随着科学技术的发展，数控技术和微型计算机技术也迅猛发展，数控机床、数控切割机等已被人熟悉和利用。1 9 5 2年之后，数字控制技术已经作为生产自动化的强有力手段得到了迅速推广，并且也引入到庞大而繁杂的造船工业之中了。1 9 5 8 年，英国氧气公司首先试制成功了世界上第一台数控切割机，并于1 9 6 1 年正式投入挪威斯托德造船厂的造船生产使用中，随后不少造船工业发达国家相继开展了数控切割机的研制热潮。到了六十年代中、后期，己有相当数量的数控切割机投产使用。它们编程简单、操作方便、加工质量稳定，大大减轻了劳动强度，降低加工周期，增加经济效益和社会效益，发展前景广阔。进一步开展微机控制机床的研究和生产工作，将是我国机械工业改造旧设备， 研制新机型的一个经济有效的途径。数控切割机在造船工业中的应用是造船工艺的一项重大改革，是实现船厂现代化改造的一个重要内容。数控火焰切割机属于对金属结构件进行切割下料的气割设备。在机械、船舶、压力容器、冶金行业中，各种形状的厚钢板的切割下料工作量非常大。随着国民经济的发展，数控技术已应用于国民经济的各个部门，切割设备也不例外。目前，国内许多大型结构件企业为减轻工人的劳动强度，提高产品质量和劳动效率，不惜耗资以每台五六十万元的价格从国外购进数控切割设备。国内生产的该类设备一般每台也在三四十万元以上，这样的价位对于中小金属结构件企业来说望尘莫及。因此，面向中小企业，开发一种经济型数控火焰切割机床，有很大的市场潜力，必将取得明显的社会效益和经济效益。目前国外的数控火焰切割机已经发展到了一个相当成熟的阶段，各种型号，适用于各种场合的切割机应有尽有，且性能比国产的要好很多，国内的技术要落后很多，国内有些行业所需的高档数控火焰切割机还得进口，由于国外对核心技术的封锁，再加上国内对高档机床的消化吸收能力有限，一直没有较好的数控火焰切割机。1.2.3数控火焰切割机的市场及发展目前,我国机械加工行业中钢板下料普遍采用手工氧乙炔切割,这种现象不仅存在于小规模单件生产的小型企业,也存在于大批量生产的大型企业中。而国外企业的下料工序大部分采用了数控氧乙炔或数控等离子切割方法,这不仅可提高材料利用率,还大大改善了产品质量,优化了工作环境,使工作效率得到了提高。近来,随着我国制造业的日益发展,数控火焰/等离子切割机床已经成为市场需求热点。为此,我们自行设计生产了一种面向大部分用户、适合我国国情的大型经济型数控切割机龙门式数控火焰切割机。它广泛应用于机械、船舶、压力容器、冶金行业等生产厂家。数控技术的发展趋势：随着社会和科学技术的发展，特别是微机和网络技术的发展，要求工业生产必须满足高精度、高效率、高灵活性、高速、自动化、节能、环保、少或无切削的要求。这些需求要求数控系统在未来的生产应用中，必然向着开放化、集成化、网络化的方向发展。1开放化传统的专用控制系统是控制器制造商针对特定的机床开发的，它是封闭、不兼容和不可扩展的，很难二次开发和更新换代。而开放数控系统要求整个系统向用户开放，向数控技术再开发人员开放，以便对系统进行维护和功能扩展。这就要求系统有一个开放的软、硬件平台、开放的系统接口，最重要是有统一的标准，这样才能实现系统的兼容和互换。开放式控制系统的基本特征是以通用的个人计算机(pc)的硬件和软件为基础构建的。由于个人计算机的软、硬件上均有标准的规范和接口，因此计算机系统便具有了可扩展性、可移植性、互换性、互操作性和可配置性等特征。控制器制造商可以对系统功能任意剪裁和组配以满足不同用户的需求，也可以就一些功能模块赋予用户再开发的权利和方便，这样就便于系统的维修和升级。2集成化集成化的最佳体现是一种全新的制造系统-一计算机集成制造系统(cims)计算机集成制造系统(cims)的基本思想是用计算机技术将制造企业中的市场分析、经营决策、产品设计、工艺设计、质量控制、生产计划调度、乃至销售与售后服务等各个环节集合成的一个综合优化的整体。由上述定义可以明了数控系统是计算机集成制造系统的一个组成部分，是实现产品加工的必要环节;但由于系统集成化的需要，数控系统还需要建立和完善相应的集成技术和标准。集成制造系统是当前先进制造技术的重要组成部分，且系统的研究己进入了相对成熟的阶段。但目前的系统的集成度还不是很高，各模块的信息获取和转换仍不是很理想，目前各国学者正研究各种使系统集成度更高的技术。随着工业生产要求的不断提升，目前的集成系统将向着更加高度集成方向的方向发展。3网络化随着近两年来internet技术的发展，美国一些企业通过网络传播自己的先进管理经验和信息集成技术，为美国及其它国家的企业实现这些技术提供了非常好的示范和参考作用。由于90年代信息技术的发展，如网络技术、万维网技术和分布计算技术的发展，为创造新一代的制造思想和模式提供了空间。在数控系统中的应用敏捷制造的信息基础结构和建筑于信息基础结构之上的网上设计制造技术是实现网络开发的不可缺少的因素。网上设计技术的研究主要是在工internet网络环境下发展先进的制造技术，使得在技术层次上能实现企业间的实时合作。网络技术的发展使得远程控制技术迅速崛起，诸多研究机构和厂商纷纷对此投入了巨大的精力，希望向企业数控全球联盟方向靠拢。由于目前的网络技术的局限使得这一目标在短期内难以实现;但数控系统的网络化已是数控技术发展不可逆转的趋势。开放式热切割机数控软件系统的研究本课题研究一种基于pc和windows平台的，用于火焰切割、开放式热切割数控系统。它具有全中文的人性化操作界面，可以进行任意形状的二维零件加工。本系统还有动态加工过程仿真、加工条件自动选定及优化等功能。另外还具有丰富的图库，可以进入相应的控制界面调用相应的功能，实现常用图形零件的便捷加工。该部分实现是通过相应图形的调用，进行参数的输入，并将该参数转化为相应的g代码，传送给主控制程序实现各图形的加工开放式切割机数控系统硬件平台采用pc十运动驱动卡，软件平台采用windows98/nt，开发平台采用vc+十，替代原dos系统下的数控系统。这种方式下pc机只负责常规的系统管理和维护，而具体的数控系统的核心功能，则由运动控制卡实现直接实现。由控制卡硬件直接控制电机的动作，从而解决了windows平台下计算机控制中经常碰到的实时控制问题所带来的困扰。本系统研制成功提高了该类产品在市场上的竞争地位，本系统研制成功必然取代现有封闭的、或dos平台下的数控系统，全面提升切割机的整机性能，提高切割机的性能价格比，增强其在市场上的竞争实力，是较为先进的热切割机数控系统。 第2章 机床总体设计2.1总体方案的确定数控火焰切割机是一个复杂的系统工程,它综合了计算机技术、精密机械制造、电机拖动、数字控制、焊接等多门学科,所以在设计、生产、调试、安装、维护等各环节都会遇到许多问题1.1 适用方向要求该设备适用面广,既可用于大型企业的下料车间,进行大型零件的批量切割,又可用于小型机械厂,进行小型零件的小批量生产。1.2 技术水平该设备的综合技术水平要求超过国内同类产品,接近世界先进水平。1.3 加工精度该设备的运行精度应超过目前的国家相关标准。1.4 适用材料该设备可用来切割碳钢、不锈钢、有色金属等板材。1.5 工作方式工作方式为连续工作。1.6 运行速度定位速度要求0.012/300 mm;切割速度为1 mm60 mm/s。 拟解决的主要问题：中型火焰切割机设计最困难,使用时可靠性最差的要害在于轴的驱动， 可有以下几种方案以供选择： 方案一： 大型加工中心、 数控机床上常用的设计是采用长滚 动导轨与长滚珠丝杠 主要问题在长滚珠丝杠的制造成本极高， 安装上难度很大。方案二： 采用精密齿轮齿条传动满足长行程的需要， 中捷友 谊厂为上海磁悬浮项目提供的大型加工中心就采用该方案。齿 条固定、 齿轮安装在龙门架上， 由伺服电机通过同步带减速驱动 齿轮。该方案也是目前大型火焰切割机的常用方案。当支撑龙 门架的两根导轨问距很大时， 一般采用双驱动， 可靠性不高。 由上面两种方案的对比，加上滚珠丝杠副的特长：1、动力更省驱动力矩仅为滑动丝杠副的1/3，具有较高的运动效率，可以更加省电。2、高精度的保证滚珠丝杠副都是由高水平的机械设备连贯生产出来的，制作精度更高。3、微进给可能滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动，所以启动力矩极小，不会出现滑动运动那样的爬行现象，能保证实现精确的微进给。4、无侧隙、刚性高滚珠丝杠副可以加预压，由于预压力可使轴向间隙达到负值，进而得到较高的刚性。5、高速进给滚珠丝杠副由于运动效率高、发热小，所以可实现高速进给(运动)。可得出：在追求设计出一台高精度，高性能数控机床，方案一比较好。2.2控制及传动系统选用数控火焰切割机的主要技术参数 纵向导轨长度m 6 跨距m 2 有效切割宽度m 1.6 有效切割长度m 5 切割厚度mm 6160 切割精度mm 05 最高行动速度，mmin 15 割炬组数 单割炬 割炬升降范围mm 800 定位精度/mm 0.012/300根据本紧急系统定位精度的要求,应选用全闭伺服系统。从产品目录中查得伺服电机的最高转速为或2000r/min。如果伺服电机通过联轴节与丝杠接，即i=1。工作台快速进给的最高速度要求达到。取电机的最高转速,则丝杠的最高转速也为1500r/min。基本丝杠导程 综上所述，采用螺母丝杠副作为传动，全闭环伺服系统进行控制。 第3章 火焰切割机传动装置设计 3.1 螺旋传动 利用螺杆和螺母的啮合来传递动力和运动的机械传动。主要用于将旋转运动转换成直线运动，将转矩转换成推力。按工作特点，螺旋传动用的螺旋分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋。传力螺旋:以传递动力为主,它用较小的转矩产生较大的轴向推力,一般为间歇工作,工作速度不高，而且通常要求自锁，例如螺旋压力机和螺旋千斤顶上的螺旋。传导螺旋：以传递运动为主，常要求具有高的运动精度，一般在较长时间内连续工作，工作速度也较高，如机床的进给螺旋（丝杠）。调整螺旋：用于调整并固定零件或部件之间的相对位置，一般不经常转动，要求自锁，有时也要求很高精度，如机器和精密仪表微调机构的螺旋。按螺纹间摩擦性质，螺旋传动可分为滑动螺旋传动和滚动螺旋传动。滑动螺旋传动又可分为普通滑动螺旋传动和静压螺旋传动。滑动螺旋传动 通常所说的滑动螺旋传动就是普通滑动螺旋传动。滑动螺旋通常采用梯形螺纹和锯齿形螺纹，其中梯形螺纹应用最广，锯齿形螺纹用于单面受力。矩形螺纹由于工艺性较差强度较低等原因应用很少;对于受力不大和精密机构的调整螺旋，有时也采用三角螺纹。一般螺纹升程和摩擦系数都不大，因此虽然轴向力f相当大，而转矩t则相当小。传力螺旋就是利用这种工作原理获得机械增益的。升程越小则机械增益的效果越显著。滑动螺旋传动的效率低，一般为3040，能够自锁。而且磨损大、寿命短，还可能出现爬行等现象。静压螺旋传动 螺纹工作面间形成液体静压油膜润滑的螺旋传动。静压螺旋传动摩擦系数小，传动效率可达99,无磨损和爬行现象,无反向空程,轴向刚度很高,不自锁,具有传动的可逆性,但螺母结构复杂,而且需要有一套压力稳定、温度恒定和过滤要求高的供油系统。静压螺旋常被用作精密机床进给和分度机构的传导螺旋。这种螺旋采用牙较高的梯形螺纹。在螺母每圈螺纹中径处开有36个间隔均匀的油腔。同一母线上同一侧的油腔连通，用一个节流阀控制。油泵将精滤后的高压油注入油腔，油经过摩擦面间缝隙后再由牙根处回油孔流回油箱。当螺杆未受载荷时，牙两侧的间隙和油压相同。当螺杆受向左的轴向力作用时，螺杆略向左移，当螺杆受径向力作用时，螺杆略向下移。当螺杆受弯矩作用时，螺杆略偏转。由于节流阀的作用，在微量移动后各油腔中油压发生变化，螺杆平衡于某一位置，保持某一油膜厚度。滚动螺旋传动 用滚动体在螺纹工作面间实现滚动摩擦的螺旋传动，又称滚珠丝杠传动.滚动体通常为滚珠，也有用滚子的。滚动螺旋传动的摩擦系数、效率、磨损、寿命、抗爬行性能、传动精度和轴向刚度等虽比静压螺旋传动稍差，但远比滑动螺旋传动为好。滚动螺旋传动的效率一般在90以上。它不自锁，具有传动的可逆性；但结构复杂，制造精度要求高，抗冲击性能差。它已广泛地应用于机床、飞机、船舶和汽车等要求高精度或高效率的场合。滚动螺旋传动的结构型式，按滚珠循环方式分外循环和内循环。外循环的导路为一导管,将螺母中几圈滚珠联成一个封闭循环。内循环用反向器，一个螺母上通常有24个反向器，将螺母中滚珠分别联成24个封闭循环，每圈滚珠只在本圈内运动。外循环的螺母加工方便，但径向尺寸较大。为提高传动精度和轴向刚度，除采用滚珠与螺纹选配外，常用各种调整方法以实现预紧。在jb/t3162-1991中，将滚动螺旋传动称为滚珠丝杆副。该标准规定，滚珠丝杆副分为定位滚珠丝杆副（称p类）和传动滚珠丝杆副（称t类）。前者是通过旋转角度和导程控制轴向位移量的滚珠丝杆副，后者是与旋转角度无关用于传递动力的滚珠丝杆副。3.1.1 滚珠丝杠副的工作原理及特点滚珠丝杠螺母副是数控机床中回转运动转换为直线运动常用的传动装置。它以代替丝杆螺母副中的滑动，摩擦力小，具有良好的性能。组成及工作滚珠的滚动原理：滚珠丝杠螺母副的结构原理图组成：主要由丝杆、螺母、滚珠和滚道（回珠器）、螺母座等组成。 工作原理：在丝杆和螺母上加工有弧行螺旋槽，当它们套装在一起时便形成螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠。而滚珠则沿滚道滚动，并经回珠管作周而复始的循环运动。回珠管两端还起挡珠的作用，以防滚珠沿滚道掉出。 特点：传动效率高：机械效率可高达92%98%。 摩擦力小：主要是用滚珠的滚动代替了普通丝杆螺母副的滑动。 轴向间隙可消除：也是由于滚珠的作用，提高了系统的刚性。经预紧后可消除间隙。 使用寿命长、制造成本高：主要采用优质合金材料，表面经热处理后获得高的硬度。滚珠丝杆螺母副的消隙双螺母垫片调隙：修磨垫片厚度消隙 滚珠丝杆螺母副采用双螺母结构（类似于齿轮副中的双薄片齿轮结构）。通过改变垫片的厚度使螺母产生轴向位移，从而使两个螺母分别与丝杆的两侧面贴合。当工作台反向时，由于消除了侧隙，工作台会跟随cnc的运动指令反向而不会出现滞后。 双螺母螺纹调隙：用锁紧螺母消隙差齿式调整法 图示为利用两个锁紧螺母调整预紧力的结构。两个工作螺母以平键与外套相联，其中右边的一个螺母外伸部分有螺纹。当两个锁紧螺母转动时，正是由于平键限制了工作螺母的转动，才使得带外螺纹的工作螺母能相对于锁紧螺母轴向移动。间隙调整好后，对拧两锁紧螺母即可。结构紧凑，工作可靠，应用较广。 双螺母齿差调隙： 两个工作螺母的凸缘上分别切出齿数为z1、z2的齿轮，且z1、z2相差一个齿，即： z2-z1=1，两个齿轮分别与两端相应的内齿圈相啮合，内齿圈紧固在螺母座上。 设其中的一个螺母z1转过一个齿时，丝杆的轴向移动量为s1，则有： z1:1=t:s1 则s1=t/z1如果两个齿轮同方向各转过一个齿，则丝杆的轴向位移为：s=s1-s2=t/z1-t/z2=t/z1z2例：当z1=99，z2=100时，s1。可以达到很高的调整精度。滚珠丝杆螺母副的安装 滚珠丝杆螺母副所承受的主要是轴向载荷。它的径向载荷主要是卧式丝杆的自重。安装时，要保证螺母座的孔与工作螺母之间的良好配合，并保证孔与端面的垂直度等。这时主要是根据载荷的大小和方向选择轴承。另外安装和配置的形式还与丝杆的长短有关，当丝杆较长时，采用两支撑结构；当丝杆较短时，采用单支撑结构。滚珠丝杠两端支撑形式图a：一端固定，一端自由：适用于短丝杆及垂直丝杆。 图b：一端固定，一端浮动：一端同时承受轴向力和径向力，另一端径向力，当丝杆受热伸长时，可以通过一端做微量的轴向浮动。 图c：两端固定的支撑形式：通常在它的一端装有碟形弹簧和调整螺母，这样既能对滚珠丝杆施加预紧力，又能在丝杆热变形后保持不变的预紧力.311.1 纵向滚珠丝杠副的设计及电机的选择1. 滚珠丝杠精度 由于本系统要求达到的定位精度,根据此要求查阅滚珠丝杠样本,对于1级精度丝杠,任意300内导程允许误差为0.006mm,2级精度丝杠的导程允差为0.008mm。初步设计时先设丝杠的任意300mm行程内的行程变动量为定位精度的1/31/2,即0.004mm0.006mm,因此,取滚珠丝杠精度为级,即1级精度丝杠。2. 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，应按当量动载荷选择。丝杠的最大载荷，为切削时的最大进给力加摩擦力；最小载荷即摩擦力。由于此机床采用火焰切割所以切屑力忽略不计。本参数可估计工作台及能加工工件的最大重量为m则钢的密度查表可得为。工作台的质量为500kg则 m=m+500加工工件的质量 带入数据可得m=18074.8kg导轨材料选塑料-铸铁摩擦系数为。故丝杠的最小载荷为 丝杠的最大载荷为 平均载荷为 丝杠的最高转速为1500r/min，工作台的最小进给速度为1mm/min，故丝杠的最低转速为0.1r/min，可取为0。则平均转速为n=(1500+0)/2=750r/min。丝杠使用寿命取t=15000h， ，故丝杠工作寿命 得丝杠的当量动载荷为 查滚珠丝杠样本，选择ffz4010型内循环浮动返回器双螺母对旋预紧滚珠丝杠副。名义直径40mm，导程10mm。额定动载荷为，符合设计要求。轴向刚度。预紧力 只要轴向载荷值不达到或超过预紧力的3倍，就不必对预紧力提出额外的要求。此设计中丝杠最大载荷为5.314kn，远小于。故合理使用。3. 丝杠支承选择本传动系统的丝杠采用一端轴向固定，一端浮动的结构形式如图(b)f-s固定端采用一对接触的7602030tvp型角接触球轴承面对面组配，简支端支承采用6206/p5型深沟球轴承，只承受丝杠的重力。4. 选择电机最大切削负载转矩的计算所选伺服电机的额定转矩应大于最大切削负载转矩。最大切削负载转矩t可根据公式计算 从前面的计算，已知最大进给力，丝杠导程，预紧力，查丝杠样本，滚珠丝杠螺母副的机械效率。因滚珠丝杠预加载荷引起的附加摩擦力矩 查角接触推力球轴承组配技术条件，得7602030tvp单个轴承的摩擦力矩为，故一对轴承的摩擦力矩。简支端轴承部预紧，其摩擦力矩可忽略不计。伺服电机于丝杠直联，其传动比i=1。则最大切削负载转矩 1.负载惯量的计算伺服电机的转子惯量应与负载惯量相匹配。负载惯量可按以下次序计算。工件和工作台的最大质量为18074.8kg折算到电机轴上的惯量 丝杠的名义直径，长度l=5.2m，丝杠材料钢的密度为。丝杠加在电机轴上的惯量 联轴节加上锁紧螺母等的惯量，查表可得 故负载总惯量 代入数据可得 按照中小型数控机床的惯量匹配条件，所选电机的转子惯量应该在范围之内。根据上述计算可初步选定伺服电机。可选besk-20型，其额定转矩为22.5；转子惯量为0.139。其最大转矩为154。3 空载加速转矩计算当执行件从静止以阶跃指令加速到最大移动时，所需的空载加速转矩为 空在加速时，主要克服惯性。总惯量 加速时间通常取的34倍，故带入数据可得为6384 空载加速转矩不允许超过伺服电机的最大输出转矩由此可见所选电机满足设计要求。5 精度的验算机床的定位精度要求为0.012/300mm，其丝杠的导程误差为0.006mm。其余误差为伺服系统误差、丝杠轴承的轴向跳动和在载荷作用下个机械环节弹性形变引起的位移误差等。1 伺服刚度伺服刚度为 是伺服电机的增益，而则带入数据可得折合到工作台部件的直线刚度2 滚珠丝杠的拉压刚度丝杠为一端轴向定位结构。其最小拉压刚度发生在工作台螺母离定位点最远的位置。一直丝杠的行程则根据公式 可计算得3 丝杠轴承的轴向刚度7602030tvp型轴承的钢球直径，钢球数z=17，接触角，预加载荷为，轴向外载荷为导轨摩擦力故轴向载荷为预加载荷与轴向外载荷之和。丝杠轴承轴向载荷刚度 4 滚珠丝杠螺母副的接触刚度查样本手册得 5挠性联轴节扭转刚度查文献得 折合到工作台部件的直线刚度为6 综合刚度k计算出伺服刚度折算到工作台部件的直线刚度、滚珠丝杠最小拉压刚度、丝杠轴承轴向刚度、滚珠丝杠螺母接触刚度、折算到工作台部件直线刚度和联轴节刚度后，按弹簧串联原则合成求得综合刚度k。 故 7 弹性变形加工中心的定位精度是在不切削空载条件下检验的，故轴向载荷仅为导轨的摩擦力。则 8定位误差验证滚珠丝杠在任意300mm内的导程误差为6，加弹性形变量，即为9。再加上某些次要因素，将不会超过要求的定位误差，能满足定位精度0.012/300mm的设计要求。 311.2 横向滚珠丝杠副的设计及电机的选择横向与垂直方向的滚珠丝杠的计算与电机的选择的计算过程与纵向的设计与计算过程相似，所以就简单叙述下过程。 1 额定动载荷和额定静载荷滚珠丝杠螺母副的承载能力是以额定动载荷和静载荷来表示的。是设计选用螺母丝杠的主要依据。2 滚珠丝杠的计算滚珠丝杠应根据额定动载荷选用。滚珠丝杠的当量动载荷 式中轴向工作载荷，当量载荷按单调式变化规律变化，各种转速使用机会相同时， l为工作寿命，以转为1单位， n为丝杠转速t为使用寿命，队数控机床可取15000h如果轴向工作载荷和丝杠转速时变化的，应按当量轴向载荷和当量转速计算，器计算公式为 如果考虑到实际运动中载荷的冲击和丝杠精度队寿命的影响，当量动载荷应为 按上式求出当量动载荷后，查产品目录与 相近的额定动载荷 并使，然后由值确定滚珠丝杠副的型号和尺寸规格。3 滚珠丝杠的静载荷强度的计算低速运转是的滚珠丝杠副，应按最大轴向工作载荷，即按计算静载荷为选择依据。其计算公式为 按上式求出静载荷后，查产品目录中与其相近的额定动载荷 并使 再由确定丝杠的型号和结构参数。3电机的选用一般考虑3个问题最大切削负载转矩，不得超过电机的额定转矩折算到电机轴上的最大切削负载转矩t。 式中 丝杠上的最大轴向载荷，等于最大轴向进给力加导轨摩擦力 丝杠导程 滚珠丝杠的机械效率 因丝杠螺母预加载荷引起的附加摩擦力矩 滚珠丝杠承受的摩擦力矩 伺服电机至丝杠的传动比。 电动机的转子惯量应与负载惯量相匹配。匹配条件为 重型机床的负载惯量很大，如果电机与丝杠直联很难满足此条件。常用的办法是电机通过一对齿轮降速后传动丝杠。负载惯量可按以下公式计算 式中 各旋动件的转动惯量 各旋动件的角速度 各直线运动件的质量 各直线运动件的速度 伺服电机的角速度实心圆柱体的转动惯量 空心圆柱体的转动惯量 式中 m 质量d，d 外径和孔径l 长度 密度快速移动时，转矩不得超过伺服电机的最大转矩。当执行部件从静止状态的阶跃指令加速到最大移动速度时，所需要的转矩最大。其转矩为 式中 电机在执行部件快移时的转速 加速时间 加速时间通常为电动机机械时间常数的34倍。可见伺服电机主参数是输出功率，这是区分其大小的公称值。但选择伺服电机时，却是按照负载转矩小于额定转矩、电机转子惯量与负载惯量的合理匹配、执行部件的快移转矩小于电机的最大转矩3个要求来考虑的。综上所诉，横向的滚珠丝杠选用ffzd2510-4型参数为公称直径 25mm公称导程 10mm丝杠外径 29.5mm螺纹底径 24.5mm额定动载荷 18687n额定静载荷 41004n接触刚度r 913电机选用fb-15型直流伺服电机主要参数为:最高转速 1500r/min额定转矩 17.6最大转矩 154转子惯量 0.019垂直方向的丝杠和电机的型号为:丝杠选用cbm2204-3主要参数为公称直径 22mm公称导程 4mm丝杠外径 28.7mm螺纹底径 23.7mm额定动载荷 4628n额定静载荷 14175n接触刚度r 552电机选用110sz56直流伺服电机参数为:最高转速 1000r/min额定转矩 6.5 最大转矩 85.6 转子惯量 0.012支承选用:固定端选用7602030tvp型角接触球轴承面对面组配，简支端支承采用6206/p5型深沟球轴承，只承受径向力。计算和验算步骤均与纵向相仿。经检验均能合理使用。联轴器的选用:得出电机的传动力矩后，结合下图的工作系数表，确定矫正系数k所选联轴器的型号为:zq4384-86型滑块联轴器。 第四章 导轨 机床上两相对运动部件的配合面组成一对导轨副，不动的配合面为支撑导轨，运动的配合面为动导轨。导轨的主要功能是导和承载，为此，导轨副只允许具有一个自由度。1 导轨的作用和设计要求 当运动件沿着承导件作直线运动时，承导件上的导轨起支承和导向的作用，即支承运动件和保证运动件在外力（载荷及运动件本身的重量）的作用下，沿给定的方向进行直线运动。对导轨的要求如下： 1.一定的导向精度。导向精度是指运动件沿导轨移动的直线性，以及它与有关基面间的相互位置的准确性。 2.运动轻便平稳。工作时，应轻便省力，速度均匀，低速时应无爬行现象。 3.良好的耐磨性。导轨的耐磨性是指导轨长期使用后，能保持一定的使用精度。导轨在使用过程中要磨损，但应使磨损量小，且磨损后能自动补偿或便于调整。 4.足够的刚度。运动件所受的外力，是由导轨面承受的，故导轨应有足够的接触刚度。为此，常用加大导轨面宽度，以降低导轨面比压；设置辅助导轨，以承受外载。 5.温度变化影响小。应保证导轨在工作温度变化的条件下，仍能正常工作。 6.结构工艺性好。在保证导轨其它要求的前提下，应使导轨结构简单，便于加工、测量、装配和调整，降低成本。 不同设备的导轨，必须作具体分析，对其提出相应的设计要求。必须指出，上述六点要求是相互影响的。 2 导轨设计的主要内容 设计导轨应包括下列几方面内容： 1.根据工作条件，选择合适的导轨类型。 2.选择导轨的截面形状，以保证导向精度。 3.选择适当的导轨结构及尺寸，使其在给定的载荷及工作温度范围内，有足够的刚度，良好的耐磨性，以及运动轻便和平稳。 4.选择导轨的补偿及调整装置，经长期使用后，通过调整能保持需要的导向精度。 5.选择合理的润滑方法和防护装置，使导轨有良好的工作条件，以减少摩擦和磨损。 6.制订保证导轨所必须的技术条件，如选择适当的材料，以及热处理、精加工和测量方法等。 3 导轨的结构设计 1. 滑动导轨 (1) 基本形式（见图）三角形导轨：该导轨磨损后能自动补偿，故导向精度高。它的截面角度由载荷大小及导向要求而定，一般为90。为增加承载面积，减小比压，在导轨高度不变的条件下，采用较大的顶角（110120）；为提高导向性，采用较小的顶角（60）。如果导轨上所受的力，在两个方向上的分力相差很大，应采用不对称三角形，以使力的作用方向尽可能垂直于导轨面。 矩形导轨：优点是结构简单，制造、检验和修理方便；导轨面较宽，承载力较大，刚度高，故应用广泛。但它的导向精度没有三角形导轨高；导轨间隙需用压板或镶条调整，且磨损后需重新调整。 燕尾形导轨：燕尾形导轨的调整及夹紧较简便，用一根镶条可调节各面的间隙，且高度小，结构紧凑；但制造检验不方便，摩擦力较大，刚度较差。用于运动速度不高，受力不大，高度尺寸受限制的场合。 圆形导轨：制造方便，外圆采用磨削，内孔珩磨可达精密的配合，但磨损后不能调整间隙。为防止转动，可在圆柱表面开键槽或加工出平面，但不能承受大的扭矩。宜用于承受轴向载荷的场合。 (2)常用导轨组合形式 三角形和矩形组合：这种组合形式以三角导轨为导向面，导向精度较高，而平导轨的工艺性好，因此应用最广。 这种组合有v-平组合、棱-平组合两种形式。v-平组合导轨易储存润滑油，低、高速都能采用；棱-平组合导轨不能储存润滑油，只用于低速移动。见图。 双三角形导轨：由于采用对称结构，两条导轨磨损均匀，磨损后对称位置位置不变，故加工精度影响小。接触刚度好，导向精度高，但工艺性差，四个表面刮削或磨削也难以完全接触，如果运动部件热变形不同，也不能保证四个面同时接触，故不宜用在温度变化大的场合。 (3）间隙调整 为保证导轨正常工作，导轨滑动表面之间应保持适当的间隙。间隙过小，会增加摩擦阻力；间隙过大，会降低导向精度。导轨的间隙如依靠刮研来保证，要废很大的劳动量，而且导轨经过长期使用后，会因磨损而增大间隙，需要及时调整，故导轨应有间隙调整装置。 矩形导轨需要在垂直和水平两个方向上调整间隙。在垂直方向上，一般采用下压板调整它的低面间隙，其方法有：a）刮研或配磨下压板的结合面；b）用螺钉调整镶条位置；c）改变垫片的片数或厚度；见下图。在水平方向上，常用平镶条或斜镶条调整它的侧面间隙。见下图。夹紧装置 有些导轨（如非水平放置的导轨）在移动之后要求将它的位置固定，因而要用专用的锁（夹）紧装置。常用的锁紧方式有机械锁紧和液压锁紧。见下图(4） 提高耐磨性措施 导轨的使用寿命取决于导轨的结构、材料、制造质量、热处理方法，以及使用与维护。提高导轨的耐磨性，使其在较长的时间内保持一定的导向精度，就能延长设备的使用寿命。提高导轨耐磨性的措施有： 1)选择合理的比压 单位面积上的压力成为比压，即 p=p/s（公斤/厘米2） 式中 p-作用在导轨上的力（公斤） s-导轨的支承面积（厘米2） 由上式可知，要