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机电-数控机床进给传动装置的设计,机电,数控机床,进给,传动,装置,设计
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I目目 录录中文摘要中文摘要.英文摘要英文摘要.第一章第一章 绪论绪论11.1 引言引言11.2 数控机床进给传动系统简要叙述数控机床进给传动系统简要叙述21.2.1 升降台传动系统21.2.2 床鞍传动系统31.2.3 工作台传动系统31.3 FXK5045 机床的用途及性能机床的用途及性能31.4 数控机床对进给传动系统的要求数控机床对进给传动系统的要求51.5 数控机床进给系统总体设计方案数控机床进给系统总体设计方案71.6 本章小结本章小结8第二章第二章伺服电动机伺服电动机92.1 伺服系统伺服系统92.1.1 对伺服系统的基本要求92.1.2 伺服系统的分类102.2 伺服电动机的分类伺服电动机的分类112.2.1 直流伺服电机112.2.2 交流伺服电机112.2.3 直线电机122.2.4 步进电机122.3 电动机的选择与计算电动机的选择与计算142.3.1 脉冲当量的选择152.3.2 电机的最高转速152.3.3 等效负载转矩的计算152.3.4 初选步进电动机型号162.3.5 电动机选型验算172.4 本章小结本章小结18第三章第三章 同步齿形皮带轮传动同步齿形皮带轮传动19II3.1 同步齿形带的特点应用和优缺点同步齿形带的特点应用和优缺点193.1.1 同步齿形带的特点和应用193.1.2 同步齿形带传动的优缺点203.2 同步齿形带的主要参数和规格同步齿形带的主要参数和规格203.3 同步齿形带传动设计计算同步齿形带传动设计计算213.3.1 失效形式和计算准则213.3.2 同步齿形带传动注意事项213.3.3 同步齿形带传动计算步骤223.4 皮带轮几何尺寸的计算皮带轮几何尺寸的计算283.5 齿轮传动间隙的调整方法齿轮传动间隙的调整方法293.6 同步齿形皮带轮材料的选择同步齿形皮带轮材料的选择303.7 本章小结本章小结31第四章第四章 滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠的设计计算324.1 滚珠丝杠传动滚珠丝杠传动324.1.1 滚珠丝杠的特点324.1.2 滚珠丝杠的一些主要参数334.1.3 滚珠丝杠的预拉伸344.2 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副354.2.1 滚珠丝杠螺母副的循环方式354.2.2 滚珠丝杠螺母副间隙的调整364.2.3 滚珠丝杠螺母副的维护374.2.4 滚珠丝杠螺母副的常见故障374.3 滚珠丝杠的设计滚珠丝杠的设计384.3.1 滚珠丝杠的设计计算434.3.2 滚珠丝杠的校核454.4 本章小结本章小结47第五章第五章 联轴器和导轨联轴器和导轨485.1 联轴器联轴器485.1.1 联轴器的总体分类485.1.2 安全联轴器的作用505.2 机床导轨机床导轨51III5.2.1 对导轨的总体要求515.2.2 导轨副的种类以及组合形式525.2.3 导轨的技术要求565.2.4 导轨副的材料选择575.2.5 导轨副的维护和故障诊断585.3 本章小结本章小结59总总 结结60参考文献参考文献62致致 谢谢63四川理工学院毕业设计（论文）说明书1第一章第一章 绪论绪论1.1 引言数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：(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).传感器技术；(6).软件技术等。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面：(1).高速、高精度加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为 5 大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为 21 世纪的中心研究方向之一。(2).智能化、开放化、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。(3).重视新技术标准、规范的建立.数控系统设计开发规范如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界 3 个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在2000 年也开始进行中国的 ONC 数控系统的规范框架的研究和制定。.数控标准第一章 绪论2数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的 50 年间的信息交换都是基于 ISO6983 标准，即采用 G，M 代码描述如何加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的 CNC 系统标准 ISO14649（STEPNC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。(4).对数控机床无污染提出要求21 世纪的数控机床必须把环保和节能放在重要位置，即要实现切削加工工艺的绿色化。目前这一绿色加工工艺主要集中在不使用切削液上，这主要是因为切削液既污染环境和危害工人健康，又增加资源和能源的消耗。干切削一般是在大气氛围中进行，但也包括在特殊气体氛围中(氮气中、冷风中或采用干式静电冷却技术)不使用切削液进行的切削。不过，对于某些加工方式和工件组合，完全不使用切削液的干切削目前尚难与实际应用，故又出现了使用极微量润滑(MQL)的准干切削。目前在欧洲的大批量机械加工中，已有 1015%的加工使用了干和准干切削。对于面向多种加工方法/工件组合的加工中心之类的机床来说，主要是采用准干切削，通常是让极微量的切削油与压缩空气的混合物经由机床主轴与工具内的中空通道喷向切削区。在各类数控机床中，采用干切削最多的是滚齿机。总之，数控机床技术的进步和发展为现代制造业的发展提供了良好的条件，促使制造业向着高效、优质以及人性化的方向发展。可以预见，随着数控机床技术的发展和数控机床的广泛应用，制造业将迎来一次足以撼动传统制造业模式的深刻革命。1.2 数控机床进给传动系统简要叙述数控机床进给传动系统是数控机床的重要的组成部分，它是将电动机的旋转运动传递给工作台或刀架以实现进给运动的整个机械传动链，包括齿轮传动副、丝杠螺母副及其支承部件等。数控机床进给传动系统主要由升降台传动系统、床鞍传动系统、工作台传动系统组成。1.2.1 升降台升降台传动传动系系统统升降台可沿 Z 轴运动，由床身导轨导向并由升降立丝杠驱动,升降台顶部有矩形导轨与工作台底座床鞍相连。升降台内装有：Z、Y 轴进给伺服电机；Z、Y 轴齿形皮带及皮带轮；四川理工学院毕业设计（论文）说明书3升降台运动由伺服电机驱动，电机置于升降台内，电机通过一对圆弧齿形皮带轮及皮带、一对螺旋伞齿轮和滚珠丝杠副以 1：4 降速转动，两带轮与电机轴和滚珠丝杠均以涨紧环实现无间隙连接，滚珠丝杠螺母固定于底座上，丝杠固定于升降台上。1.2.2 床鞍床鞍传动传动系系统统床鞍沿升降台顶部导轨在 Y 轴上移动，床鞍上表面有供工作台沿 X 轴横向移动的燕尾导轨，床鞍上下两面的导轨互相垂直，从而保证了 X 轴运动和 Y 运动的垂直。在床鞍内装有纵向、横向丝杠及两端托架。横向床鞍运动由伺服电机通过一对圆弧齿形皮带轮、皮带、一对消隙齿轮和滚珠丝杠副以 3：4 降速传动。两带轮与电机轴和传动轴均以涨紧环实现无间隙连结，滚珠丝杠固定于床鞍上，丝杠螺母固定于升降台上。1.2.3 工作台工作台传动传动系系统统工作台可沿床鞍纵向导轨在 X 轴方向移动，导轨由来自床身的集中润滑装置自动润滑，X 向滚珠丝杠由手动油枪通过工作台侧的油杯进行润滑，工作台表面有便于安装工卡夹具、工件及附近的 T 形槽，还有回收冷却液的回水槽。工作台运动由伺服电机通过两个圆弧齿形皮带轮，和圆弧齿形皮带以 2：3 降速传动。两带轮与电机轴和滚珠丝杠均以涨紧环实现无间隙联接，滚珠丝杠螺母固定于工作台底端，两端托架固定于床鞍上。1.3 FXK5045 机床的用途及性能 图 1-1 XK5045 型普通铣床的布局图Fig.1-1 Milling machine layout plans 第一章 绪论41-底座2-强电柜3-变压器箱4-垂直升降进给伺服电动机5-主轴变速手柄和按钮板6-床身7-数控柜8-保护开关9-挡铁10-操纵台11-保护开关12-横向溜板13-纵向进给伺服电动机14-横向进给伺服电动机15-升降台16-纵向工作台在本次设计中，以 FXK5045 数控立式升降台铣床为例来说明数控机床的进给传动系统。FXK5045 为数控立式升降台铣床，与上图 XK5045 普通铣床相比，在外观结构上相同，只是多一个数控装置，FXK5045 可配备国外或国内数控系统，具有计算机数字控制（CNC），可进行纵向、横向、垂向三个坐标的直线、圆弧、抛物线插补运动（由配置的系统功能确定），每个坐标装有编码器作为检测元件。FXK5045 适用于加工形状复杂的平面和立体零件，如冲模、压模、锻模、塑料模等各种模具及样板，凸轮、飞机零件、内燃机的连杆等形状复杂的零件，对于加工形状复杂而品种又经常变换的生产部门大为适用。FXK5045 数控立式升降台铣床的基本参数如下：工作台面积（宽长）：5001800 mm 工作台 T 形槽（槽数-宽度 间距）： 6-1863 mm 工作台承载工件最大重量： 1000 Kg 工作台行程（纵向/横向/垂向）： 11000/330/600 mm 垂向行程（手动）： 套筒 90 mm 主轴锥孔： 7：24 ISO50 刀柄形式： XT50主轴转速： 18 级 35.5-1800 r/min 主轴电机功率： 15 Kw 立铣头最大回转角度： 45 主轴端面到工作台面距离： 110-710 mm 床身导轨至主轴中心线的距离： 450 mm 进给速度范围（X、Y/Z）： 5-4000/5-1000 mm/min 快速进给（X、Y/Z）： 8000/2000 mm/min 定位精度(国际) ： 0.035 mm 重复定位精度(国际) ： 0.020 mm 机床重量(约) ： 5000 Kg 机床外型尺寸(长宽高) ： 253024432560 mm 四川理工学院毕业设计（论文）说明书5本机床具有如下特点：(1).机床具有很高的结构刚性，能承受中负荷切削工作；(2).机床具有足够的功率和宽广的变速范围，能使用硬质合金刀进行高速切削，充分发挥刀具效能；(3).主轴变速有冲动装置，便于变速，机床能迅速有效的进行制动；(4).机床的重要传动零件均用合金钢制成，容易磨损零件均用耐磨材料制成，导轨贴塑，保证了机床有足够的使用寿命；(5).操纵台与电柜采用分体式，操纵台集中操纵，安装于机床吊挂上，能转动一定角度，操作方便宜人；(6).机床三向运动均有限位装置，保证机床和操作工人的安全，还可用作多机床管理；(7).机床具有完整的润滑系统，重要的传动零件和轴承均有完整的润滑装置，同时设有指示器进行经常检查；(8).各重要传动轴和主轴的安装在滚动轴承上，提高传动效率；(9).工作台三个方向均能进行快速移动，减少辅助时间，提高生产效率。1.4 数控机床对进给传动系统的要求(1).减少摩擦阻力为了提高数控机床进给系统的快速响应性能和运动精度，必须减小运动件的摩擦阻力和动，静摩擦力之差。为满足上述要求，在数控机床进给传动系统中，普通采用滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副，滚动导轨、静压导轨和塑料导轨。在减小摩擦阻力的同时，还必须考虑传动部件要有适当的阻尼，以保证系统的稳定性。(2).减少运动惯量运动部件的惯量对伺服机构的启动和制动特性都有影响，尤其是处于高速运转的零、部件，其惯量的影响更大。因此，在满足部件强度和刚度的前提下，尽可能减小运动部件的质量，减小旋转零件的直径和质量，以减小运动部件的惯量。(3).高的传动精度与定位精度数控机床的进给传动装置的传动精度和定位精度对零件的加工精度起着关键性的作用，对采用进步电动机驱动的开环控制系统尤其如此。因此，传动精度和定位精度是数控机床最重要也是最具有该类机床特征的指标，无论对点位，直线控制系统，还是轮廓控制，该项精度都很重要。设计中，通过在进给传动链中加入减速齿轮，以减小脉冲当量（即伺服系统接收一个指令脉冲驱动工作台移动的距离），预紧传动滚珠丝杠，消除齿轮，蜗轮等传动的间隙等办法，可达到提高传动精度的定位精度的目的。第一章 绪论6由此可见，机床本身的精度，尤其是伺服传动链和伺服执行机构的精度，是影响工作精度的主要因素。(4).宽的进给调速范围伺服进给系统在承担全部工作负载的条件下，应具有很宽的调速范围，以适应各种工件材料，尺寸和刀具等变化的需要，工作进给速度范围可达 36000 mm/min（调速范围 1：2000）。为了完成精密定位，伺服系统的低速趋进速度达 0.1mm/min；为了缩短辅助时间，提高加工效率，快速移动速度应高达 15m/min。如此宽的调速范围是伺服系统设计的一个难题。在多坐标联动的数控机床上，合成速度维持常数，是保证表面粗糙度要求的重要条件；为保证较高的轮廓精度，各坐标方面的运动速度也要配合适当，这是对数控机床和伺服进给系统提出的共同要求。(5).响应速度要快快响应特性是指进给系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度，即跟踪指令信号的响应要快；定位速度和轮廓切削进给速度要满足要求；工作台应能在规定的速度范围内灵敏而精确地跟踪指令，进行单步或连续移动，在运行时不出现丢步或多步现象。进给系统响应速度的大小不仅影响机床的加工效率，而且影响加工精度。设计中应使机床工作台及其传动机构的刚度、间隙、摩擦以及转动惯量尽可能达到最佳值，以提高伺服进给系统的快速响应性。(6).无间隙传动进给系统的传动间隙一般指反向间隙，即反向死区误差，它存在于整个传动链的各传动副中，直接影响数控机床的加工精度。因此，应尽量消除传动间隙，减小反向死区误差。设计中可采用消除间隙的联轴节及有消除间隙措施的传动副等方法。(7).稳定性好、寿命长稳定性是伺服进给系统能够正常工作的最基本的条件，特别是在低速进给情况下不产生爬行，并能适应外加负载的变化而不发生共振。稳定性与系统的惯性、刚性、阻尼及增益等都有关系，适当选择各项参数，并能达到最佳的工作性能，是伺服系统设计的目标。所谓进给系统的寿命，主要是指其保持数控机床传动精度和定位精度的时间长短，即各传动部件应选择合适的材料及合理的加工工艺与热处理方法，对于滚珠丝杠及传动齿轮，必须具有一定的耐磨性和适宜的润滑方式，以延长其寿命。(8).使用维护方便数控机床属于精度自动控制机床，主要用于单件、中小批量、高精度及复杂的生产加工，机床的开机效率相应就高，因而进给系统的结构设计应便于维护和保养、最大限度地减小维修工作量，以提高机床的利用率。四川理工学院毕业设计（论文）说明书71.5 数控机床进给系统总体设计方案图 1-2 进给系统的结构简图Fig.1-2 Feed system structure diagram 上图为此次设计 FXK5045 数控立式铣床进给系统的机械结构简图。伺服电机通过同步齿形带和滚珠丝杠相联，编码器固定在滚珠丝杠的右端将工作台的实际位移信号传递给控制系统，属于开环控制。同步带连接方式隔离了电机的振动和发热，使电动机安装位置更加机动，但机械结构环节增加了。方案具体的设计过程如下：图 1-3 数控机床进给传动系统工作原理图Fig.1-3 CNC machine tool drive system to work diagram(1).指令脉冲驱动步进电动机；(2).步进电机驱动电路带动功率步进电动机运转；(3).功率步进电动机作为动力源，带动齿形皮带轮动力的输送；(4).齿形皮带轮带动滚珠丝杠降速转动；(5).滚珠丝杠的转动使数控机床工作台横向移动。第一章 绪论81.6 本章小结在本章的设计中，让我明白了数控机床进给传动的三大部分：升降台传动系统，床鞍传动系统以及工作台传动系统，并对三者各自的基本情况和运动规律作了一个简要的叙述。对所设计的数控铣床 FXK5045 也有了一定的认识，其中包括 FXK5045 的基本性能参数，还有此机床进给传动部分所各自具备的用途，以及擅长加工哪些图形的情况都做了一一的描述。还有数控机床对进给传动方面的要求也进行了一定的说明。对进给传动总体设计方案的构想也有了一定的思路，并且进行设计的初步实践中。四川理工学院毕业设计（论文）说明书9第二章第二章伺服电动机伺服电动机伺服电动机(简称伺服电机)为数控伺服系统的重要组成部分，是速度和轨迹控制的执行元件。伺服系统的设计、调试与选用的电机及其特性有密切关系、直接影响伺服系统的静、动态品质。2.1 伺服系统 在自动控制系统中，输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为伺服系统。数控机床的伺服系统是指以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。伺服系统由伺服驱动装置和驱动元件（或称执行元件伺服电机）组成，高性能的伺服系统还有检测装置，反馈实际的输出状态。 数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确，这就要求高质量的速度和位置伺服。以上指的主要是进给伺服控制，另外还有对主运动的伺服控制，不过控制要求不如前者高。数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统。2.1.1 对对伺服系伺服系统统的基本要求的基本要求数控机床集中了传统的自动机床、精密机床和万能机床的优点，将高效率、高精度与高柔性集中于一体。而数控机床技术水平的提高首先依赖于进给驱动特性的改善及功能的扩大，一般对进给伺服系统有如下要求：(1).正反向运行机床在工作过程中，工作台根据加工轨迹的形状随时都可能要求正向或反向运行。同时应考虑正反向运行时起动与制动之间存在的电能与机械能的转换，以实现可靠的快速制动。(2).调速范围宽为适应不同的加工条件，如加工零件的材料、类型、大小及刀具的种类、冷却方式等，要求伺服有很宽的调速范围和优异的调速特性。(3).高刚性与高的速度稳定性伺服在不同的负载情况下或切削条件发生变化时，应使进给速度保持恒定，要求伺服具有优良的静态与动态负载特性。(4).快速响应及无超调为了保证轮廓切削形状精度与低的加工面表面粗糙度，要求伺服具有良好的快速响应特性，同时无超调。(5).高精度第二章 伺服电动机10为了满足加工精度，要保证机床的定位精度及进给精度，亦即要求伺服具有高的静态分辨率，动态特性至少应是一阶无差系统。(6).低速大扭矩机床加工的特点多是低速时进行切削加工，要求在低速时进给驱动应保证额定扭矩输出，亦即要求伺服具有恒扭矩输出。2.1.2 伺服系伺服系统统的分的分类类(1).开环系统图 2-1 开环系统构成图Fig.2-1 Open-loop systems pose a map 图(2-1)是开环系统构成图，它主要由驱动电路，执行元件和机床三大部分组成。常用的执行元件是步进电机，通常称以步进电机作为执行元件的开环系统为步进式伺服系统，在这种系统中，如果是大功率驱动时，用电液脉冲马达作为执行元件。驱动电路的主要任务是将指令脉冲转化为驱动执行元件所需的信号。 (2).闭环系统图 2-2 闭环系统构成图Fig.2-2 Closed-loop systems pose a map 闭环系统主要由比较环节、驱动电路、执行元件、机床和检测单元五部分组成。其构成框图如图(2-2)所示。在闭环系统中，检测元件将机床移动部件的实际位置检测出来并转换成电信号反馈给比较环节。常见的检测元件有旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅和编码盘等。通常把安装在丝杠上的检测元件组成的伺服系统称为半闭环系统；把安装在工作台上的检测元件组成的伺服系统称为闭环系统。由于丝杠和工作台之间传动误差的存在，半闭环伺服系统的精度要比闭环伺服系统的精度低一些。比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动电路，控制执行元件带动工作台继续移动，直到跟随误差为零。根据进入比较环节信号的形式以及反馈检测方式，闭环（半闭环）系统可分为脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统三种。 由于比较环节输出的信号比较微弱，不足以驱动执行元件，故需对其进行放大，四川理工学院毕业设计（论文）说明书11驱动电路正是为此而设置的。执行元件的作用是根据控制信号，即来自比较环节的跟随误差信号，将表示位移量的电信号转化为机械位移。常用的执行元件有直流宽调速电动机、交流电动机等。执行元件是伺服系统中必不可少的一部分，驱动电路是随执行元件的不同而不同的。2.1.3 伺服系伺服系统统的的发发展方向展方向 随着生产力的不断发展，要求伺服系统向高精度、高速度、大功率方向发展。 (1).充分利用迅速发展的电子和计算机技术，采用数字式伺服系统，利用微机实现调节控制，增强软件控制功能，排除模拟电路的非线性误差和调整误差以及温度漂移等因素的影响，可大大提高伺服系统的性能，并为实现最优控制、自适应控制创造条件。 (2).开发高精度、快速检测元件。 (3).开发高性能的伺服电机（执行元件）。目前交流伺服电机的变速比已达1：10000，使用日益增多。无刷电机因无电刷和换向片零部件，加速性能要比直流伺服电机高两倍，维护也较方便，常用于高速数控机床。2.2 伺服电动机的分类 在数控机床中常用的伺服电机有:直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电机和直线电机等直流伺服电机具有良好的调速性能，在 70 年代、80 年代的数控系统中得到了广泛的应用；交流伺服电动机由于结构和控制原理的发展，性能大大提高，从 80年代末开始逐渐取代直流伺服电机，是目前主要使用的电动机；步进电机应用在轻载、负荷变动不大以及经济型数控系统中。直线电机是一种很有发展前途的特种电机，主要应用在高速、高精度的进给伺服系统中。2.2.1 直流伺服直流伺服电电机机常用的直流电动机有:永磁式直流电机、混合式直流电机、无刷直流电机和直流力矩电机等。直流进给伺服系统使用永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁直流电动机(普通型)；直流主轴伺服系统使用励磁式直流电机类型中的他激直流电机。此外，永磁式直流电机还包括无槽电枢永磁直流电机、杯型电枢永磁直流电机和印刷绕组电枢永磁直流电机等。这些均为小惯量电机，适用于要求快速响应和频繁起动的伺服系统，但其过载能力低，电枢惯量与机械系统匹配较差普通型永磁式直流电机产量大，应用广泛。2.2.2 交流伺服交流伺服电电机机在交流伺服系统中，电动机的类型有永磁同步交流伺服电机(PMSM)和感应异步交流伺服电机(IM)，其中，永磁同步电机具备十分优良的低速性能、可以实现弱磁高速第二章 伺服电动机12控制，调速范围宽广、动态特性和效率都很高，已经成为伺服系统的主流之选。而异步伺服电机虽然结构坚固、制造简单、价格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率场合得到重视。2.2.3 直直线电线电机机直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种变形，它可以看作是一台旋转电机沿其径向剖开，然后拉平演变而成。近年来，随着自动控制技术和微型计算机的高速发展，对各类自动控制系统的定位精度提出了更高的要求，在这种情况下，传统的旋转电机再加上一套变换机构组成的直线运动驱动装置，已经远不能满足现代控制系统的要求。为此，近年来世界许多国家都在研究、发展和应用直线电机，使得直线电机的应用领域越来越广。 直线电机与旋转电机相比，主要有如下几个特点：一是结构简单，由于直线电机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置，因而使得系统本身的结构大为简化，重量和体积大大地下降；二是定位精度高，在需要直线运动的地方，直线电机可以实现直接传动，因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差，故定位精度高，如采用微机控制，则还可以大大地提高整个系统的定位精度；三是反应速度快、灵敏度高，随动性好。直线电机容易做到其动子用磁悬浮支撑，因而使得动子和定子之间始终保持一定的空气隙而不接触，这就消除了定、动子间的接触摩擦阻力，因而大大地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性；四是工作安全可靠、寿命长。直线电机可以实现无接触传递力，机械摩擦损耗几乎为零，所以故障少，免维修，因而工作安全可靠、寿命长。 2.2.4 步步进电进电机机步进电机是一种把脉冲信号转换成角位移的电气机械。电脉冲的数量代表了转子的角位移量，转子的转速与电脉冲的频率成正比，旋转的方向取决于脉冲的顺序，转矩是由于磁阻作用所产生。步进电机一定要与控制脉冲联系起来才能运行，否则无法工作。其运行形式是步进的，故称为步进电机。对定子绕组所加电源形式既不是正弦波交流也不是恒定直流，而是电脉冲电压、电流、所以也称为脉冲电机或脉冲马达。步进电机用于与控制脉冲组成的开环系统中。 2.2.4.1 步进电机的分类及结构 步进电机的分类方式很多，按作用原理分，步进电机有磁阻式(反应式)、感应子式和永磁式三大类。按输出功率和使用场合分类，分为功率步进电机和控制步进电机；按结构分类，分为径向式(单段式)、轴向式(多段)和印刷绕组式步进电机；按相数分类，分为三相、四相、五相、六相等。四川理工学院毕业设计（论文）说明书13各种步进电机都是由定子和转子组成，但因类型不同，结构也不完全一样。磁阻式步进电机(以三相径向式为例)，定子铁心上有六个均匀分布 5 个齿，齿槽距相等，齿间夹角为 9。在直径方向相对的两个极上的线圈串联，构成了一相励磁绕组，共有三相(A，B，C)按径向排列的励磁绕组。转子为铁心(硅钢)，其上无绕组，只有均布的 40个齿，齿槽等宽，齿间夹角也是 9。三相定子磁极和转子上相应的齿依次错开了 1/3齿距，即 3。磁阻式步进电机还有一种轴向分相的多段式结构，定子和转子铁心都分成多段(三、四、五、六段等)，每段为一相，依次错开排列为 A、B、C、D、E 等相，每相都是独立的。感应子式步进电机分为励磁式和永磁式两种。感应子式步进电机的结构与磁阻式步进电机的结构相似，其定子转子铁心的磁场和齿槽均一样，两者的差别是感应子式步进电机存在轴向恒定磁场。励磁感应子式步进电机是靠转子上的励磁绕组产生轴向磁场。永磁感应子式步进电机的转子由一段环形磁钢(在转子中部)和二段铁心(在环形磁钢的两端)，轴向充磁，建立轴向磁场。轴向磁场可以改善步进电机的动态特性，发展趋势将取代磁阻式步进电机。永磁式步进电机的转子为永久磁铁，定子为软磁材料。该种电机有多种结构形式，常用形式有爪极式和隐极式。爪极式步进电机结构一般采用二相或者四相绕组，隐极式步进电机结构与磁阻式步进电机一样有二、三、四、五、相等多种绕组。 2.2.4.2 步进电机的工作原理以磁阻式(反应式)步进电机为例，其工作原理是按电磁吸引的原理工作的。以下图所示的反应式三相步进电机为例加以说明。当某一相定子绕组加上电脉冲，即通电时，该相磁极产生磁场，并对转子产生电磁转矩，将靠近定子通电绕组磁极的转子上一对齿吸引过来，当转子一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零，停止转动。如果定子绕组按顺序轮流通电，A、B、C 三相的三对磁极就依次产生磁场，使转子一步步按一定方向转动起来。第二章 伺服电动机14图 2-3步进电机工作原理Fig.2-3 Stepper Motor Principle具体为，假设每个定子磁极有一个齿，转子有四个齿，首先 A 相通电，B、C 二相断电，转子 1、3 齿按磁阻最小路径被 A 相磁极产生的电磁转矩吸引过去，当 1、3 齿与 A 相对齐时，转动停止；此时，B 相通电，A、C 二相断电，磁极 B 又把距它最近的一对齿 2、4 吸引过来，使转子按逆时针方向转过 30。接着 C 相通电，A、B 二相断电，转子又逆时针旋转 30，依次类推，定子按 ABCA顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动，每步 30。若改变通电顺序，按 ACBA使定子绕组通电，步进电机就按顺时针方向转动，同样每步转 30，这种控制方式叫单三拍方式。由于每次只有一相绕组通电，在切换瞬间失去自锁转矩，容易失步，此外，只有一相绕组通电吸引转子，易在平衡位置附近产生振荡，故实际上均不采用单三拍方式，而采用双三拍控制方式。双三拍通电顺序按 ABBCCAAB(逆时针方向)或按ACCBBAAC(顺时针方向)进行由于双三拍控制每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以工作稳定。如果按AABBBCCCAA顺序通电，就是三相六拍工作方式，每切换一次，步进电机每步按逆时针方向转过 15。同样，若按 AACCCBBBAA顺序通电，步进电机每步按顺时针方向转过 15。对应一个指令电脉冲，转子转动一个固定角度，称为步矩角。实际上，转子有 40 个齿，三相单三拍工作方式，步距角为3。三相六拍控制方式比三相三拍控制方式步矩角小一半，为 1.5。控制步进电机的转动是由加到绕组的电脉冲决定的，即由指令脉冲决定的。指令脉冲数决定它的转动步数，即角位移的大小；指令脉冲频率决定它的转动速度，只要改变指令脉冲频率，就可以使步进电机的旋转速度在很宽的范围内连续调节；改变绕组的通电顺序，可以改变它的旋转方向。可见，对步进电机控制十分方便，一转中没有累计误差，动态响应快，自起动能力强，角位移变化范围宽。步进电机的缺点是效率低，带惯性负载能力差，低频振荡、失步，高频失步，自身噪声和振动较大。2.3 电动机的选择与计算进给系统是与控制脉冲组成的是开环系统，数控机床的进给传动系统又需要电机的旋转速度在很宽的范围内连续调节，通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。基于这几个方面，选用步进电动机作为进给传动系统的动力源。四川理工学院毕业设计（论文）说明书152.3.1 脉冲当量的脉冲当量的选择选择脉冲当量：一个指令脉冲使步进电动机驱动工作台的移动距离。脉冲当量是数控机床精度的一个重要参数，系统根据需要选择=0.01mm/p（输入一个指令脉冲工作台移动 0.01 毫米）。初选之相步进电动机的步距角，当三相三拍运行时，步距角= 0.75 /1.5，当三相六拍运行时，步距角= 。1.50.75选步进电动机为三相六拍运行，其每转的脉冲数为：360480/0.75sp r (2-1)2.3.2 电电机的最高机的最高转转速速 按照步进电动机的性能要求，快速行程的步进电机转速应严格控制在电机的额定转速之内 (2-2)3max10nomnVinnP38 1.51015002000()8rpm式中：n快速行程时电机的转速（rpm）；Vmax直线运行速度（m/min）；i系统传动比；Pn丝杠导程（mm）；nnom电机的额定转速（rpm）2.3.3 等效等效负载转负载转矩的矩的计计算算2.3.3.1 在机床位加任何负载的情况下，空载时的摩擦转矩 TLF0.06 4250 0.0080.27220.8 1.5nLFuwPTN mi (2-3)式中：u摩擦系数；w工作台的总重量；Pn丝杠导程；i传动比（工作台运动由私服电机通过两个圆弧齿形皮带轮，和圆弧齿形皮带以 2：3 降速传动）； 滚珠丝杆传动效率 2.3.3.2 在机床加工过程中所产生的负载转矩 TL为：第二章 伺服电动机16 ()2yxnLFu wFPTi (2-4)75000.06(4250 15000)0.00820.8 1.5 9.183N m式中：Fx最大切削力（N）；FyX 方向产生的切削分力,也就是 Y 方向产生的切削力 2.3.3.3 等效转动惯量计算 (1).滚珠丝杆的转动惯量 Js44332(0.032)1.328 7.85 101.07 103232do lpJsKg m (2-5)式中：do滚珠丝杆节圆直径；l滚珠丝杆的工作长度，也就是滚珠丝杠螺纹的长度(2).大齿轮的转动惯量 Jg2（大齿接圆直径 135 毫米 宽 60 毫米）443322(0.135)0.06 101.96 103232gD bpJkg m (2-6) (3).小齿轮的转动惯量 Jg1（小齿接圆直径 90 毫米 宽 60 毫米）443421(0.09)0.06 103.86 103232gD bpJkg m (2-7) 换算到电动机轴上总转动惯量 JL由滚珠丝杆的转动惯量，大齿轮的转动惯量，小齿轮的转动惯量三者共同决定。因此，总转动惯量 JL为： 212sgLgJJJJL (2-8) 33421.07 101.96 103.86 101.328 322.10 10 Kg m2.3.4 初初选选步步进电动进电动机型号机型号根据铣削时负载转距9.183LTN m和电动机总转动惯量322.10 10LJKg m,初步选定电动型号为 FANUC ac12 步进电动机。该电动机的最大静扭距，max22.1TN m转子转动惯量 JM=1.1 10-3kg.m2为了使步进电动机具有良好的起动能力及较快的响应速度应为：四川理工学院毕业设计（论文）说明书172maxTLT 及4MLJJmax22.12.429.183LTT332.10 101.941.1 10LMJJ2.3.4.1 带惯性负载的最大起动频率的计算Lf15008811 1.91mLLMffHZJJ (2-9)电动机空载起动频率mf2.3.4.2 带惯性负载的最大转速 (2-10)600.75881 60110(/)360360Lmfn转分2.3.4.3 带惯性负载起动力矩 Tm电动机起动矩的情况下，根据频率特性曲线可以查得：2.6mTN M2.3.4.4 电机带惯性负载时的起动时间at (2-11)0.1047LMmamLFJJntTT332.10 101.1 100.10472.60.27=0.0014sFANUC ac12 步进电动机的最小加、减速度时间为 1 秒所以该电机带惯性负载时能够起动。2.3.5 电动电动机机选选型型验验算算(1).空行程快速移动速度的验算从电动机的运行矩频率特性曲线查得 fmax=6000HZ 时，电动机转矩 0.9N.m TLF=0.27N.m（空载时的摩擦转矩）max0.75 6000 84518/min300/min66 1.328nfPvmmmml (2-12)(2).工作行程速度验算第二章 伺服电动机18当 TL=9.183N.m 时，电动机对应频率 f=2000Hz0.75 2000 81506/min500/min66 1.328nfPvmmmml (2-13)以上计算，选该型号 FANUC ac12 步进电动机，无论是起动性能，还是空行程快速进给，还是工作行程进给速度都能满足该机床的设计要求。2.4 本章小结在本章的设计中，首先是对伺服系统的一个基本了解，其中包括对伺服系统的基本要求和分类。在数控机床中常用的伺服电机有：直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电机和直线电机等，这几类是主要的伺服电动机，对它们的基本原理作一个简要的叙述，比较其特点，并选取步进电机作为本进给传动系统的动力源。然后从机床性能要求，选取符合本设计铣床的步进电动机，其主要过程为：脉冲当量的选择确定电机的最高转速等效负载转矩的计算根据以上三个计算结果，初步确定选择合适的步进电动机对所选择步进点动机进行验算，看是否满足性能要求。四川理工学院毕业设计（论文）说明书19第三章第三章 同步齿形皮带轮传动同步齿形皮带轮传动同步齿形带传动是FXK5045数控机床进给传动系统的重要部件之一。同步齿形带传动是一种特殊的新型带传动。带的工作面做成齿形，带轮的轮缘表面也做成相应的齿形，带与带轮主要靠啮合进行传动。同步齿形带一般采用细钢丝绳作强力层，外面包覆聚氯脂或氯丁橡胶。强力层中线定为带的节线，带线周长为公称长度。带的基本参数是周节p和模数m 。周节p等于相邻两齿对应点间沿节线量得的尺寸，模数mp/，中国的同步齿形带采用模数制，即：模数 宽度 齿数。 靠摩擦传动的带传动在工作前必须有一定的预拉力F0 紧套在两轮上，使带与轮面之间产生一定的正压力。当主动轮开始转动时，带与轮面之间便产生摩擦力，将动力和运动由主动轮传到从动轮。这时，带的一边拉力增大为 F1，称为紧边；另一边拉力减小为F2，称为松边。紧边与松边拉力的差(F1-F2)称为有效拉力Ft，它等于沿带轮的接触弧上摩擦力的总和，即所能传递的圆周力，表示带传动的承载能力。一般来说，增大预拉力可以增大摩擦力，使紧边和松边的拉力差增大，提高带所能传递的圆周力。但在一定的预拉力条件下，紧边和松边的拉力差有一极限值，超过此值时带就在轮上打滑，传动失效。 图3-1 同步齿形带Fig.3-1 Synchronous belt3.1 同步齿形带的特点应用和优缺点3.1.1 同步同步齿齿形形带带的特点和的特点和应应用用与普通带传动相比，同步齿形带传动的特点是：(1).钢丝绳制成的强力层受载后变形极小，齿形带的周节基本不变,带与带轮间无相对滑动,传动比恒定、准确；(2).齿形带薄且轻，可用于速度较高的场合，传动时线速度可达40米秒，传动比可达10，传动效率可达98；第三章 同步齿形皮带轮传动20(3).结构紧凑，耐磨性好；(4).由于预拉力小，承载能力也较小；(5).制造和安装精度要求甚高，要求有严格的中心距，故成本较高。这种带薄而且轻,惯性效应较小，因而可用于高速传动，其圆周速度 v 可以达到40m/s.由于不是摩擦传动，因此小带轮的包角可以适当减小，传动比也可达 10，传动效率也高达 98%99%。同步齿形带传动主要用于要求传动比准确的中、小功率的传动中,如电影放映机、录音机、医疗机械、电子计算机、仪器设备等.这种带传动的主要缺点是齿形带制造复杂,安装要求复杂且成本较高。3.1.2 同步同步齿齿形形带传动带传动的的优优缺点缺点 (1).工作时无滑动，有准确的传动比同步带传动是一种啮合传动，虽然同步带是弹性体，但由于其中承受负载的承载绳具有在拉力作用下不伸长的特性，故能保持带节距不变，使带与轮齿槽能正确啮合，实现无滑差的同步传动，获得精确的传动比。 (2).传动效率高，节能效果好 由于同步带作无滑动的同步传动，故有较高的传动效率，一般可达 0.98。它与三角带传动相比，有明显的节能效果。 (3).传动比范围大，结构紧凑 同步带传动的传动比一般可达到 10 左右，而且在大传动比情况下，其结构比三角带传动紧凑。因为同步带传动是啮合传动，其带轮直径比依靠摩擦力来传递动力的三角带带轮要小得多，此外由于同步带不需要大的张紧力，使带轮轴和轴承的尺寸都可减小。所以与三角带传动相比，在同样的传动比下，同步带传动具有较紧凑的结构。 (4).维护保养方便，运转费用低 由于同步带中承载绳采用伸长率很小的玻璃纤维、钢丝等材料制成，故在运转过程中带伸长很小，不需要像三角带、链传动等需经常调整张紧力。此外，同步带在运转中也不需要任何润滑，所以维护保养很方便，运转费用比三角带、链、齿轮要低得多。 (5).恶劣环境条件下仍能正常工作尽管同步带传动与其它传动相比有以上优点，但它对安装时的中心距要求等方面极其严格，同时制造工艺复杂、制造成本高。3.2 同步齿形带的主要参数和规格 (1).齿距 齿距p为相邻两齿在节线上的距离。由于强力层在工作时长度不变，所以强力层的四川理工学院毕业设计（论文）说明书21中心线被规定为齿形带的节线（中性层），并以节线的周长L作为齿形带的公称长度。 (2).模数 m 模数定义为m=p/,使齿形带尺寸计算的一个主要依据，根据不同的模数数值来确定带的型号及结构参数。在60年代该种规格制度曾应用于日、意、苏等国，后随国际交流的需要，各国同步带规格制度逐渐统一到节距制。目前仅前苏联及东欧各国仍采用模数制。 (3).节距制 同步带的主要参数是带齿节距，按节距大小不同，相应带、轮有不同的结构尺寸。该种规格制度目前被列为国际标准。 (4).其它参数 齿形带的其它参数和尺寸与渐开线齿条基本相同。齿形带齿形的计算公式与渐开线齿条不同，因为齿形带的节线在强力层上，而不在齿高中部。齿形带的标注方法是：模数 宽度 齿数，即m b z。 3.3 同步齿形带传动设计计算3.3.1 失效形式和失效形式和计计算准算准则则 同步带传动主要失效形式有：(1).承载绳断裂 原因是带型号过小和小带轮直径过小等。(2).爬齿和跳齿 原因是同步带传递的圆周力过大、带与带轮间的节距差值过大、带的初拉力过小等。(3).带齿的磨损 原因是带齿与轮齿的啮合干涉、带的张紧力过大等。(4).其他失效方式 带和带轮的制造安装误差引起的带轮棱边磨损、带与带轮的节距差值太大和啮合齿数过少引起的带齿剪切破坏、同步带背的龟裂、承载绳抽出和包布层脱落等。在正常的工作条件下，同步带传动的设计准则是在不打滑的条件下，保证同步带的抗拉强度。在灰尘杂质较多的条件下，则应保证带齿的一定耐磨性。3.3.2 同步同步齿齿形形带传动带传动注意事注意事项项(1).为了减小惯量，同步带轮材料宜采用密度较小的铝合金或塑料制造；(2).同步带轮应直接安装在电动机及丝杠轴上，以避免中间环节给系统带来附加惯量；第三章 同步齿形皮带轮传动22(3).必须对同步带轮的平行性进行调节，以防止不平行产生的传动带边缘张力，引起传动带磨损；(4).为了消除间隙，同步带必须通过张力调整进行预紧。3.3.3 同步同步齿齿形形带传动计带传动计算步算步骤骤设计同步带传动的已知条件为：(1).需要传递的名义功率；(2).n1、n2 主从动轮的转速或传动比。具体计算步骤为： . 计算功率 Pc； . 计算模数 m； . 小带轮齿数 Z1，小带轮节圆直径 d1；大带轮齿数 Z2，大带轮节圆直径 d2； . 带速 v； . 初定胶带节线长度 L0p 及其齿数 Z； . 计算中心距 a(毫米)； . 小齿轮啮合齿数； . 单位带宽的离心拉力 Fc； . 带宽 b； . 有效圆周力 Ft； 同步带传动具体计算步骤: 附表(供设计计算时选用)表 3-1 几何参数选用表 Table3-1 Use geometric parameters 模数(m)节距(p)齿形角(a)齿高 (h)带总高 (H)节线到齿根距离()齿顶厚 (Sa)齿根厚 (Sf)圆角半径（r）1.54.710.91.650.3751.52.160.1526.281.22.200.502.02.870.202.57.851.52.750.6252.53.590.2539.421.83.300.753.04.310.30412.572.44.401.004.05.750.40515.71403.05.501.255.07.180.50四川理工学院毕业设计（论文）说明书23721.994.27.701.757.010.060.701031.426.011.02.5010.014.371.00 表 3-2同步齿形带的齿数、长度和宽度Table3-2 Synchronous belt teeth, length and width模数 m1.522.5345710齿数Z节线长度 Lp32150.8201.135164.9219.9274.9329.940188.5251.3314.2377.0502.7628.345212.1282.7353.4424.1265.5706.9989.650235.6314.2392.7471.2628.3785.41099.61570.855259.2345.6432.0518.4691.2863.91209.51727.060282.7377.0471.2565.5754.0942.51319.51885.065306.3408.4510.5612.6816.81021.01429.42042.070329.9439.8549.8659.7879.71099.61539.42199.175353.4471.2589.1706.9942.51178.11649.22356.380377.0502.7628.3754.01005.31256.61759.32513.385400.6534.1667.6801.11068.11335.21869.22670.490424.1565.5706.9848.21131.01413.71979.22827.495447.7596.9746.1895.41193.81492.32089.22984.5100471.2628.3785.4942.51256.61570.82199.13141.6110518.4691.2863.91036.71382.31727.92419.03455.8120565.5754.0942.51131.01508.01885.02638.93769.9140659.7879.71099.61319.51759.32199.13078.84398.2160754.01005.31256.61508.02010.62513.33518.65026.5180848.21131.01413.71696.52261.92827.43958.45654.9200942.51256.61570.81885.02513.33141.64398.26283.2第三章 同步齿形皮带轮传动24宽度 b83210501260168020802510040120宽度系列8,10,12,16,20,25,32,40,50,60,80,100,120表 3-3 工作情况系数Table3-3 Coefficient of work原动机启动载荷不超过正常载荷的 150%：鼠笼型电动机，直流电动机（并激），内燃机（8 缸）启动载荷是正常载荷的150250% ：鼠笼型电动机，直流电动机（复激），同步电动机，内燃机（8 缸）启动载荷是正常载荷的250%以上：单相交流电动机，直流电动机（串激），内燃机（4 缸）一天运转时间（小时）工作机358101624358101624358101624机床1.21.41.61.41.61.81.61.82.0表 3-4 增速比系数Table3-4 The growth rate coefficient增速比1.001.241.241.741.742.492.493.493.49Ks00.10.20.30.4表 3-5 小带轮最少齿数Table3-5 Small pulley at least teeth模数 m（毫米）小带轮转速n1(转分)1.522.5;34571030001618202224表 3-6 同步齿形带(强力层为钢丝绳)的重量和许用应力Table3-6 Synchronous Belt (strong layer of wire) and the weight allowable stress模数 m（毫米）1.522.53457四川理工学院毕业设计（论文）说明书25单位宽度、单位长度的重量 q（公斤毫米米）418 10424 10430 10435 10448 10460 10482 10单位宽度的许用拉力(公斤毫米)0.40.60.81.01.52.53.0表 3-7 同步齿形带传动的齿侧间隙和径向间隙的名义值Table3-7 Synchronous belt drive tooth backlash radial clearance and the name value模数 m(毫米)1.522.5345710齿侧间隙j00.40.50.550.60.81.00径向间隙C00.550.690.750.821.101.37表 3-8 啮合齿数系数Table3-8 Meshing teeth coefficientZn65432Kz10.80.60.40.2表 3-9 最大速度选取Table3-9 Maximum speed selectionm1.5345710Vmax405035402530(1).计算功率 (千瓦)cP由表(3-3)选取工作情况系数，机床每天工作 8 小时，启动载荷不超过正常载荷aK的 150%，=1.4aK由表(3-4)选取增速比系数，减速时=0sK进给伺服电机的传递功率 P 为 2.1 千瓦第三章 同步齿形皮带轮传动26 (3-1)()2.9casPKKP千瓦(2).选取模数 m(毫米)根据计算功率和齿轮转速=2000r/mincP1n和由图(3-2)交点选取模数cP1n得：m=2.5 毫米图3-2 模数选用图Fig.3-2 Module selection plans (3).小带轮齿数，小带轮节圆直径1Z1d小带轮转速在 1000-3000(转/分)之间，由表(3-5)得知，小带轮最少齿数=22，m i nZZ1在带速和安装尺寸允许的情况下，尽量选用较大值，取=361Z (3-2)190d1=m Z毫米(4).大带轮齿数，大带轮节圆直径2Z2d已知传动比 i=1.5四川理工学院毕业设计（论文）说明书27大带轮齿数=2Z154iZ 毫米大带轮节圆直径 (3-3)22135()dmZ毫米(5).带速 v(米/秒)1 1max9.425(/ )60 1000d nvm sv (3-4)由表(3-9)知符合条件(6).初定胶带节线长度opL(毫米)及其齿数 Z根据结构要求初定中心距0280amm2210120()224opddLadda (3-5) 2(13590)2 280(90 135)24 280 915.3mm按表(3-2)选取标准的=942.5 毫米，齿数 120pL(7).计算中心距 a(毫米)002ppLLaa (3-6) 942.5915.32802 293.6mm(8).小齿轮啮合齿数2111()26nddZZa (3-7) 113590() 3626 293.6 18(9).单位带宽的离心拉力 (公斤/毫米)cF由表(6)查得430 10 (/)q公斤毫米米=0.027（公斤/毫米) (3-8)2cqvFg(10).带宽 b(毫米)由表(3-6)查得F=0.8 公斤/毫米第三章 同步齿形皮带轮传动28由表(3-8)查得=1zKc102(F-F )czPbK v (3-9) 102 2.941 9.425(0.80.027) 41.2mm按照表(3-2)将带宽 b 圆整：b=50(毫米)(11).有效圆周力tF10232()ctPFv公斤 (3-10)因此选用的同步齿形带的标准是：2.5120503.4 皮带轮几何尺寸的计算首先对小带轮的几何尺寸进行分析计算(1).齿形角采用的标准八号渐开线盘形齿轮铣刀，因此=40(2).节距 p7.854()pm毫米 (3-11)(3).节圆直径 d190()dmz毫米 (3-12)(4).顶圆直径1ad11288.75()add毫米 (3-13)(5).顶圆齿距1aP (3-14)(6).齿侧间隙0j 查表(3-7)得齿侧间隙=0.55，j=0.55(毫米)0j0j (7).径向间隙0c 查表(3-7)得径向间隙=0.75，c=0.75(毫米)0c0c (8).顶圆齿槽宽ae 查表(3-1)得齿根厚3.59fS 4.14()afeSj毫米； (3-15) (9).齿槽深 h1117.75()aadPZ毫米四川理工学院毕业设计（论文）说明书29 查表(3-1)得齿高1.5h 2.25()hhc毫米 (3-16)(10).根圆直径1fd11284.25()faddh毫米 (3-17)(11).根圆齿槽宽fe 查表(3-1)得齿顶厚2.5aS 2.5()faeS毫米 (3-18)(12).齿根圆角半径fr0.10.25()frm毫米 (3-19)(13).齿顶圆角半径ar0.150.375()arm毫米 (3-20)(14).带轮齿宽 B(310)60()Bb毫米 (3-21)由以上公式得出大齿轮的的几何尺寸分别为：=40；7.854(毫米)；22135();dmZ毫米222133.75()add毫米；2227.79();aadPZ毫米00.55()jj毫米；00.75()cc毫米；4.14()afeSj毫米；2.25()hhc毫米；222129.25()faddh毫米；2.5()faeS毫米；0.10.25()frm毫米；0.150.375()arm毫米；(310)60()Bb毫米3.5 齿轮传动间隙的调整方法常用的调整齿侧间隙的方法有以下几种， 圆柱齿轮传动时，调整齿侧间隙的方法有偏心套(轴)调整法，轴向垫片调整法，双片薄齿轮错齿调整法；斜齿轮传动时，调整齿侧间隙的方法有薄片错齿调整间隙，轴向压簧错齿调整间隙；锥齿轮传动时，调整齿侧间隙的方法有轴向压簧调整法，周向弹簧调整法。在升降台沿 Z 轴方向的运动是通过锥齿轮进行传动的，调整齿侧间隙是运用的周向弹簧调整法，此间隙调整方法的具体步骤如下：第三章 同步齿形皮带轮传动30图3-3 周向弹簧调整法Fig.3-3 Week to spring adjustment method周向弹簧调整法原理如图 6-16，将与锥齿轮 3 啮合的齿轮做成大小两片(1、2)，在大片锥齿轮 1 上制有三个周向圆弧槽 8，小片锥齿轮 2 的端面制有三个可伸入槽 8 的凸爪 7。弹簧 5 装在槽 8 中，一端顶在凸爪 7 上，另一端顶在镶在槽 8 中的镶块 4 上。止动螺钉 6 装配时用，安装完毕将其卸下，则大小片锥齿轮 1、2 在弹簧力作用下错齿，从而达到消除间隙的目的。3.6 同步齿形皮带轮材料的选择选择同步齿形皮带轮材料和热处理的时候，要综合考虑齿形皮带轮的工作条件(如载荷大小，有无冲击等)、加工工艺性、经济性、以及材料的来源等因素进行选择。在本次设计中，选择渗碳钢作为同步齿形皮带轮的材料，因为渗碳钢广泛应用于要求承载能力高、耐冲击性能好、精度高、体积小的中型以下的齿轮，符合选择要求。渗碳钢作为带轮的材料，具有以下几个特点：(1).齿面硬度高，具有较强的抗点蚀和耐磨性能；心部具有较好的韧性，表面经硬化后产生残余压缩应力，大大提高了齿根强度；一般齿面硬度范围是 HRC5662；(2).传递性能好；(3).热处理变形较大，热处理后应磨齿，增加了加工时间和成本，但是可以获得较高精度的齿轮；热处理方式为：渗碳淬火。表 3-10 渗碳深度的选择Table3-10 Carburizing depth of choice模数(毫米)11.51.5222.752.7544669渗碳深度（毫米）0.20.50.40.70.61.00.81.21.01.41.21.7根据上表选择渗碳深度为 0.75 毫米。3.7 本章小结本章主要对同步齿形带传动进行设计计算，首先是对同步齿形带传动的特点、应用以及和普通带传动相比，同步齿形带传动自身所具有的优势。了解了同步齿形带的主要参数有齿距、模数、节距等。设计计算是通过需要传递的名义功率和主从动轮的传动比为已知条件进行的。基本设计过程为：计算功率，模数初步计算大小带轮的四川理工学院毕业设计（论文）说明书31齿数和节圆直径计算出带的传递速度，并且初定胶带节线长度及其齿数.计算中心距和啮合齿数单位带宽的离心拉力计算，并查表得出带宽计算出有效圆周力选出同步齿形带的标准。通过以上计算结果，直接代用现成公式计算出相应的皮带轮几何尺寸。在升降台沿 Z 轴方向的运动是通过锥齿轮进行传动的，调整齿侧间隙是运用的周向弹簧调整法，并对此调整间隙的方法作简要的介绍。最后选择出同步齿形带轮相应的材料。第四章 滚珠丝杠的设计计算32第四章第四章 滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠的设计计算 图 4-1 滚珠丝杠实物图 图 4-2 滚珠丝杠原理图(端盖循环)Fig.4-1 Ball Screw physical map Fig.4-2 Ball screw diagram (Cover cycle)丝杠和螺母的螺纹滚道间装有承载滚珠，当丝杠或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，则丝杠与螺母之间相对运动时产生滚动摩擦，为防止滚珠从滚道中滚出，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，它们与螺纹滚道形成循环回路，使滚珠在螺母滚道内循环。滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，它的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。滚珠丝杠传动是数控机床伺服驱动的重要部件之一。它的优点是摩擦系数小，传动精度高，传动效率高达 85%98%，是普通滑动丝杠传动的 24 倍。滚珠丝杠副摩擦角小于 1，因此不能自锁，用于立式升降运动则必须有制动装置。其动、静摩擦系数之差甚小，有利于防止爬行和提高进给系统的灵敏度；采用消除反向间隙并预紧措施，有助于提高定位精度和刚度。4.1 滚珠丝杠传动4.1.1 滚滚珠珠丝丝杠的特点杠的特点(1).传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠副的传动效率为 0.920.96，比常规的丝杠螺母副提高 34 倍。因此，功率消耗只相当于常规丝杠螺母副的 1/41/3。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。(2).工作寿命长 滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度(HRC58-62)、高精度，具有较长的工作寿命四川理工学院毕业设计（论文）说明书33和精度保持性。寿命约为滑动丝杆副的 410 倍以上。(3).运动平稳，无爬行现象,传动精度高。滚动摩擦系数接近常数，启动与工作摩擦力矩差别很小。启动时无冲击，预紧后可消除间隙产生过盈，提高接触刚度和传动精度。(4).有可逆性可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动装换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。(5).同步性好 用几套相同的滚珠丝杆副同时传动几个相同的运动部件，可得到较好的同步运动。(6).制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，因此制造成本高。(7).不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于自重惯力的作用，下降时当传动切断后，不能立即停止运动，故需要添加制动装置。4.1.2 滚滚珠珠丝丝杠的一些主要参数杠的一些主要参数(1).公称直径0d滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包括滚珠球心的圆柱直径，它是滚珠丝杠副的特征尺寸。公称直径越大，承载能力和刚度直径越大，推荐滚珠丝杠副的公称直0d径应大于丝杠工作长度的 1/30。数控机床常用的进给丝杠，公称直径为0d0d3080mm。(2).导程nP丝杠相对螺母旋转任意弧度时，螺母上基准点的轴向位移。(3).基准导程0P丝杠相对于螺母旋转 360时，螺母上的基准点轴向位移。基准导程按承载能0P力选取，选取后应验算步距，以满足单位进给脉冲的步距要求，还要验算螺旋升角，以满足效率要求。(4).接触角 在螺纹滚道法向剖面内滚珠球心与滚道接触点的连线和螺纹轴线的垂直线间的夹角，理想接触角 等于 45。(5).滚珠直径bd第四章 滚珠丝杠的设计计算34滚珠直径大，则承载能力也大，但在导程已确定的情况下，滚珠直径受到丝bdbd杠相邻两螺纹间过渡部分最小宽度的限制。(6).滚珠的工作圈数 Q在每一个循环回路中，各圈滚道所受的轴向负载是不均匀的，第一圈滚珠承受总负载的 50%左右，第二圈约承受 30%，第三圈约为 20%。因此滚珠丝杠副中的每个循环回路的滚珠工作圈数取为 Q=2.53.5 圈，工作圈数大于 3.5 就无实际意义。(7).滚珠的总数 N一般 N 不大于 150 个，若实际情况超过规定的最大值，则因流通不畅容易产生堵塞现象。若出现此种情况可从单回路改为双回路或者加大滚珠丝杠的名义直径或加0d大滚珠直径来解决。反之，若工作滚珠的总数 N 太少，将使得每个滚珠的负载加大，bd引起过大的弹性变形。4.1.3 滚滚珠珠丝丝杠的杠的预预拉伸拉伸滚珠丝杠在工作的时候会发热，其温度高于床身。丝杠的热膨胀系数将导程加大，影响定位精度。为了补偿热膨胀，可将丝杠预拉伸。预拉伸量应略大于热膨胀量。发热后，热膨胀量抵消了部分预拉伸量，使丝杠内的拉应力下降，但长度却没有变化。需进行预拉伸的丝杠在制造时应使其目标行程(螺纹部分在常温下的长度)等于公称行程(螺纹部分的理论长度，等于公称导程乘以丝杠上的螺纹圈数)减去预拉伸量。拉伸后恢复公称行程值。在本设计中，滚珠丝杠安装时也应进行预拉伸，配磨调整垫时，保证预拉伸力为5990N，预拉伸量为 0.058um。计算过程为：预拉伸力: 22221.954tLAEdFtEtdL =5990N目标行程补偿值 C 的计算：311.810uuCtLtL=1327.999942(mm) 螺纹部分的理论长度：L0=1328mm 预拉伸量：C0=1328-1327.999942=0.000058mm,即 0.058um预拉伸力，单位为 NtF 目标行程补偿值C 滚珠丝杠的线膨胀系数，通常取6111.8 10C四川理工学院毕业设计（论文）说明书35滚珠丝杠的温升，一般可以取t 2 3 C滚珠丝杠副的有效行程uL 滚珠丝杠的外径，单位为 mm2d 弹性模量，取E 522.1 10/N mm4.2 滚珠丝杠螺母副4.2.1 滚滚珠珠丝丝杠螺母副的循杠螺母副的循环环方式方式常用的循环方式有外循环和内循环两种。滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称为内循环。(1).外循环图 4-3 滚珠丝杠的外循环Fig.4-3 Ball Screw outside the circle如上图所示为常用的一种外循环方式，这种结构是在螺母体上轴向相隔数个半导程处钻两个孔与螺旋槽相切，作为滚珠的进口与出口。再在螺母的外表面上铣出回珠槽并沟通两孔。另外，在螺母内进口处各安装一挡珠器，并在螺母外表面装一套筒，这样构成封闭的循环滚道。外循环结构制造工艺简单，使用较广泛。其缺点是滚道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，噪声也较大。(2).内循环 (a) (b)图 4-4 滚珠丝杠的内循环Fig.4-4 Ball Screw the inner loop内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种形式：如图(a)所示为圆柱凸键反向器，反向器的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的凸键定位，以保证对准螺纹滚道方向。图(b)为扁圆镶块反向器，反向器为一半第四章 滚珠丝杠的设计计算36圆头平键形镶块，镶块嵌入螺母的切槽中，其端部开有反向槽,用镶块的外廓定位。两种反向器比较，后者尺寸较小，从而减小了螺母的径向尺寸及缩短了轴向尺寸，但这种反向器的外廓和螺母上的切槽尺寸精度要求较高。4.2.2 滚滚珠珠丝丝杠螺母副杠螺母副间间隙的隙的调调整整 滚珠丝杠副除了对本身单一方向的传动精度有要求外，对其轴向间隙也有严格要求，以保证其反向传动精度。滚珠丝杠副的轴向间隙是承载时在滚珠与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。通常采用双螺母预紧或单螺母预紧调整间隙的方法，把弹性变形控制在最小限度内，以减小或消除轴向间隙，并可以提高滚珠丝杠副的刚度。在本设计中,滚珠丝杠螺母副间隙的调整采用的是双螺母预紧原理，因此仅仅对双螺母预紧介绍三种调整方式：图 4-5 双螺母预紧Fig4-5 Preload-Nut(1).垫片调整式图 4-6 垫片调整Fig.4-6 Gasket adjustment way1-螺钉2-垫片3-丝杠如上图所示，可通过调整垫片厚度改变两个螺母间的位移以消除传动副的轴向间隙。它的结构简单、可靠性好、刚度高、装卸方便、但调整比较困难。(2) .螺纹调隙式四川理工学院毕业设计（论文）说明书37图 4-7 螺纹调隙Fig.4-7 Thread gap adjustment way1-锁紧螺母2-圆螺母3-滚珠螺母4-滚珠5-丝杠如上图所示，通过转动螺母改变两个螺母间位移来消除传动副的轴向间隙。它的优点是调整方便，在出现磨损后还可以随时进行补充调整，缺点是轴向尺寸较长，会增加丝杠螺纹部分的长度。(3) .齿差调隙式图 4-8 齿差调隙Fig.4-8 Tooth poor gap adjustment way1,5-螺母2-滚珠3-套筒4-丝杠6-内齿圈如上图所示，在两个螺母 1,5 的端面法兰上分别加工出外齿 Z1和 Z2，并各自装入对应的内齿圈 6 中。内齿圈通过螺钉固定在螺母外的套筒 3 端面，通常两个外齿轮相差 1 齿（如 Z1=50，Z2=49）。当调整间隙时，将两个外齿轮从内齿圈中抽出并相对内齿圈分别同向转动一个齿，然后插回愿内齿圈中。此时，两个螺母间产生的相对位移很少，当 P=10mm 时，间隙调整量为 0.001mm。由此可见，此方法可实现精密微调，预紧可靠，不会发生松动。虽然结构复杂，但仍然得到广泛应用。4.2.3 滚滚珠珠丝丝杠螺母副的杠螺母副的维护维护 (1).轴向间隙的调整 保证反向传动精度和轴向刚度（垫片调隙式、螺纹调隙式、齿差调隙式）。 (2).支承轴承的定期检查 定期检查丝杠支承与床身的连接是否有松动以及轴承是否损坏。 (3).滚珠丝杠副的润滑 润滑剂（油/脂）可提高耐磨性和传动效率（工作前/半年）。 (4).滚珠丝杠的防护 防止硬质灰尘或切屑污物的进入，可采用防护罩或防护套管等。4.2.4 滚滚珠珠丝丝杠螺母副的常杠螺母副的常见见故障故障 (1).噪声大 第四章 滚珠丝杠的设计计算38丝杠支承轴承损坏或压盖压合不好、联轴器松动、润滑不良或丝杠副滚珠有破损。 (2).丝杠运动不灵活轴向预紧太大、丝杠或螺母轴线与导轨不平行、丝杠弯曲。4.3 滚珠丝杠的设计以下是滚珠丝杠设计计算参数表，供计算时选用表4-1 循环方式Table4-1 Cycle way循环方式标记代号浮动式F内循环固定式C外循环插管式C表4-2 预紧方式Table4-2 Preload way预紧方式标记代号单螺母变位导程预紧B双螺母垫片预紧D双螺母齿差预紧C双螺母螺纹预紧L单螺母无预紧W表4-3 结构特征Table4-3 Structure Features结构特征代号导珠管埋入式M导珠管凸出式T表4-4 精度等级标号Table4-4 Precision grade labeling精度等级分1,2,3,4,5,7和10级，1级精度最高，依次递减四川理工学院毕业设计（论文）说明书39精度等级标号应用范围5普通机床4，3数控钻床、数控车床、数控铣床、机床改造2，1数控磨床、数控线切割机床、数控镗床、MC、仪表机床表 4-5 滚珠丝杠螺母副的精度等级及应用范围Table4-5 Ball screw pair of grading accuracy and scope of application 精度等级代号名称应用范围P普通级普通机床B标准级一般数控机床J精密级精密机床、精密数控机床、加工中心、仪表机床C超精级精密机床、超精密机床、仪表机床、高精度加工中心表 4-6 各类机床所用滚珠丝杠螺母副推荐精度等级Table4-6 All types of machine tools used in ball screw pair recommend grading accuracy坐标方向XYZW机床种类(纵向)(升降)(横向)(刀杆、镗杆)数控车床B、JB数控磨床JJ数控线切割机JJ数控钻床BPB数控铣床BBB数控镗床JJJ数控坐标镗床J、CJ、CJ、CJ加工中心J、CJ、CJ、CB普通机床，通用机床J、CJ、CJ、C第四章 滚珠丝杠的设计计算40表4-7 载荷系数Table4-7 Load factor载 荷 性 质无冲击平稳运转一 般 运 转有冲击和振动运转wf11.21.21.51.52.5表4-8 可靠性系数Table4-8 Reliability coefficient滚道实际硬度HRC5855504540cf1.01.111.562.43.85表4-9 精度系数Table4-9 Accuracy coefficient 精度系数C、DE、FGHaf1.01.11.251.43 表4-10 滚珠丝杠副尺寸系列Table4-10 Ball Screws Dimensions series滚珠直径规格型号中径0D外径fd导程0L英制公制螺旋角额定动载(N)额定静载(N)接触刚度(N/um)3204-3195584562513093204-443/322.381217197794689513223205-3200014709513353205-4205914805713663231.551/83.1752 5121076498251369四川理工学院毕业设计（论文）说明书413205-63206-3218975099814123206-461/83.1753 25224785381514293208-3230115487514493208-483/164.7634 33235365580114653210-3240035603314783210-4311015/645.9535 4124777569741485表4-11 滚珠丝杠副精度等级导程公差Table4-11 Precision ball screw lead levels Tolerance精 度 等 级项 目符号CDEFGH基本导程极限偏差/m0L456任意300mm内导程公差/m300L5101525501001L1030013002KLLLL螺纹全长内导程公差/m1K0.80.80.80.80.81.0bL203003002KbLLLL导程误差曲线的带宽公差/m2K0.60.60.60.60.6注：测量螺纹全长内导程误差时，应在螺纹两端分别扣除长度 L0，L0(24)p(p 为基本导程)。表4-12 导程精度检验项目Table4-12 Precision-guided testing第四章 滚珠丝杠的设计计算42检验项目选择标号序号项目符号123451任意300mm螺纹长度内导程误差300L2螺纹全长内导程误差1L3导程误差曲线的带宽bL4基本导程偏差0L52弧度内导程误差2L表4-13 滚珠丝杠副支承形式Table4-13 Supporting forms Ball Screws 支承系数序号支承方式简图特点压杆稳定fk临界转速fc1单推单推JJ1轴向刚度较高；2预拉伸安装时，须加载荷较大，轴承寿命比方案2低；3适宜中速、精度高，并可用双推单推组合。13.1422双推双推FF1轴向刚度最高；2预拉伸安装时，须加载荷较小，轴承寿命较高；3适宜高速、高刚度、高精度。44.7303双推简支FS1轴向刚度不高，与螺母位置有关；2双推端可预拉伸安装；3适宜中速、精度较高的长丝杠。23.927四川理工学院毕业设计（论文）说明书434双推自由FO1轴向刚度低，与螺母位置有关；2双推端可预拉伸安装；3适宜中小载荷与低速，更适宜垂直安装，短丝杠。0.25 1.875表4-14 稳定性系数Table4-14 Stability factor 支承方式双推自由双推简支双推双推有关系数FOFSFFS342.5422/3cf1.8753.9274.730注：长度系数；临界转速系数。cf4.3.1 滚滚珠珠丝丝杠的杠的设计计设计计算算 4.3.1.1 确定滚珠丝杠的导程nP 1.5 0.01 4807.2nPi smm (4-1)国际标准化ISO中规定，导程系列选用值为：1mm、2mm、2.5mm、3mm、4mm、5mm、6mm、8mm、10mm、12mm、16mm、20mm、25mm、32mm、40mm、50mm、63mm、80mm、100mm计算出来为小数，应该向较大的标准公称导程圆整,因此=8mmnPnP 式中：=0.01mm/p（输入一个指令脉冲工作台移动0.01毫米）S=480 p/r（三相六拍运行时，其每转的脉冲数）75. 036004.3.1.2 滚珠丝杠副的载荷以及转速计算(1).滚珠丝杠当量转速的计算：minmax113( /min)100ninl (4-2)max15001000( /min)nil (4-3)minn由于很小，可以忽略不计第四章 滚珠丝杠的设计计算44max1100( /min)10mnnl (4-4)minn为电动机最低工作转速；maxn为电动机最高工作转速；mn为当量转速；i为电机与滚珠丝杠的传动比；(2).滚珠丝杠当量载荷的计算：当负荷与转速接近正比变化，且各种转速使用的机会均相等时：minmax23833()3mFFFN (4-5)mF为当量载荷；为最小载荷，取机床空载时滚珠丝杠副的传动力，可以忽略不计；minF为最大载荷，取机床承受最大负荷时滚珠丝杠副的传动力。应该是由工maxFmaxF作台重量以及切削力在垂直导轨方向的分量共同产生。工作台重量为425kg，所以工作台重量所产生的力为4250N，垂直导轨方向的分量所产生的力为1500N，=4250+1500=5750(N)。maxF4.3.1.3 求计算载荷Fc cwcamFfffF (4-6) =1.21.01.03833 =4600(N) 式中：wf为载荷系数，查表(4-7)得1.2wf cf为可靠性系数，查表(4-8)得1.0cf af为精度系数，查表(4-9)得1.0af 4.3.1.4 根据寿命条件计算额定动载荷aC 360100mwamhacF fCn Lf f (4-7) 33833 1.260 100 15000100 1.0 1.0 20612()N式中：hL为预期工作时间，数控机床可以取15000hLh 即：250() 12() 10() 0.5()15000hLh天时年开机率 (4-8)4.3.1.5 根据必须的额定动载荷选择丝杠副尺寸，由查表(4-10)aCaaCC 四川理工学院毕业设计（论文）说明书45考虑各种因素，选FDM32084B4，其中： 丝杠中径：D0=32mm 导程：Pn=8mm 螺旋角：=4 33 滚珠直径：d0=4.763mm 滚道半径：R =0.52d0=0.524.763=2.48mm 偏心距：00.707()0.707 (2.482)0.342deRmm丝杠外径：d1=31mm4.3.2 滚滚珠珠丝丝杠的校核杠的校核 4.3.2.1 稳定性验算：(1).滚珠丝杠副支承形式为双推简支（FS），因为丝杠较长，所以用压杆稳定性来求临界载荷：crF (4-9)式中：丝杠的弹性模量，对于钢EGPaE206 丝杠危险截面的轴惯性矩44840.0314.5 106464fadIm aI 长度系数，两端用铰接时，3/2 ml328. 1带入式中系数和已知条件所以 2298522206 104.5 101.17 102()(1.328)3acrEIFNul故 (4-10) 51.17 1030.532.53.33833crmFsF:(参考表4-14),丝杠是安全的，不会失稳。(2).临界转速验证crn高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速，要求滚珠丝杠的最高转速。crnnmax第四章 滚珠丝杠的设计计算46临界转速可按公式计算： 229910()cfcrf dnul（式中参数见表4-14） (4-11) 22223.9270.031991099106044 /min2()(1.328)3cfcrf dnrul max1500 /mincrnnr，所以不会发生共振。4.3.2.2 刚度验算：滚珠丝杠在工作负载F（N）和转矩T（Nm）共同作用下引起每个导程的变形量（m）为：0L (4-12)CGJTpEApFL220 式中：A丝杠的截面积， (m2)； (4-13)214dA 丝杠的极惯性矩， (m4)； (4-14)cJ4132dJC G钢的切变模量，对于钢G=83.3GPa； T转矩（Nm），() (4-tan20DFTm15) 式中为摩擦角，这里取，即0025. 0tan048 3032tan()383310tan(4 338 40 )3.722mDTFNm按最不利的情况，即取F=，则mF 2202244162cffpFp TpFp TLEAGJEdGd (4-16)332922944 8 10383316 (8 10 )3.8206 100.031206 100.031 26.88 10 um 丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为四川理工学院毕业设计（论文）说明书472036.88 101.32811.58 10LLlump (4-17) 通常要求丝杠的导程误差应小于其传动精度的1/2，即Lmmm1503. 02121L 该丝杠的导程误差满足上式，所以其刚度可满足要求。L4.3.2.3 效率验算 滚珠丝杠副的传动效率为tantan4 330.942tan()tan(4 338 40 ) (4-18)要求在92%96%之间，所以该丝杠副能满足使用要求。经上述计算验证，FDM3208-4-B4各项性能指标均符合题目要求，可选用。4.4 本章小结本章主要是对数控机床伺服驱动的重要部件之一滚珠丝杠进行设计计算。首先了解到滚珠丝杠的定义和特点以及滚珠丝杠的一些主要参数，其次知道了滚珠丝杠在工作的时候会发热，其温度高于床身，丝杠的热膨胀系数将导程加大，影响定位精度，为了补偿热膨胀，在安装之前都要将滚珠丝杠进行预拉伸，并对预拉伸力和预拉伸量进行计算。同时，并对滚珠丝杠螺母副的循环方式、间隙的调整、维护、故障诊断方面也进行了分类叙述。最后就是对滚珠丝杠进行设计计算，基本过程为：确定滚珠丝杠的导程滚珠丝杠副的载荷以及转速求计算载荷和额定动载荷选择合适的滚珠丝杠副尺寸通过所选滚珠丝杠进行校核。第五章 联轴器和导轨48第五章第五章 联轴器和导轨联轴器和导轨5.1 联轴器图 5-1 联轴器Fig.5-1 Coupling联轴器是用来连接进给机构的两根轴使之一起回转，以传递转矩和运动的一种机械装置。机器运转时，被连接的两根轴不能分离，只有停车时，将联轴器拆开，两根才能脱开。5.1.1 联轴联轴器的器的总总体分体分类类目前联轴器的类型繁多，有液压式、电磁式和机械式；而机械式联轴器是应用最广泛的一种，也是我们所研究的一种类型，它是借助于机械作用力来传递转矩，大致可以作以下分类：从数控机床的实际应用方面来看，在刚性联轴器里面最主要的为固定式的套筒联轴器，在弹性联轴器里面则为无键金属弹性联轴器，现在就对这两个主要的联轴器分别作个介绍： (1).套筒式联轴器套筒式联轴器的结构如下图所示，它通过套筒将主、从动轴直接刚性连接，结构简单，尺寸小，转动惯量小。但要求主、从动轴之间同轴度高，一般当轴端直径 d 不大于 80mm 时，套筒用 35 或 45 钢制造；如果直径 d 大于了 80mm，可用强度较高的铸铁制造。套筒联轴器各部分尺寸之间有如下关系：套筒长 L3d；四川理工学院毕业设计（论文）说明书49 套筒外径 D1.5d；销钉直径 d0(0.30.25)d(对小联轴器取 0.3；对大联轴器取 0.25)； 销钉中心到套筒端部的距离 e0.75d此种联轴器构造简单，径向尺寸小，但其装拆困难(轴需作轴向移动)，且要求两轴严格对中，不允许有径向及角度偏差，因此使用上受到一定限制。图 5-2 套筒式联轴器Fig.5-2 Coupling sleeve1-销2,5,8-套筒3,6-传动轴4-螺钉7-主动轴9-十字滑块10-防松螺丝11-键图(c)使用十字滑块，接口槽口通过配研消除间隙。这种结构可以消除主、从轴间的同轴度误差的影响，在精密传动中应用较多。如果负载比较小的情况则可以采用(a)和(b)图中所示的结构。 优点：结构简单，制造容易，径向尺寸小，但两轴线要求严格对中，装拆时必须做轴向移动。适用于工作平稳、启动频繁的传动中。可根据不同轴径自行设计制造，在仪器中应用较广。(2).无键金属弹性联轴器无键金属弹性联轴器的结构如下图所示，主动轴 1 和从动轴 3，分别插入套 6 的两端轴套和主、从动轴之间装有成对(一对或数对)布置的弹性环 5，弹性环的内外锥面互相贴合，通过压盖 4 轴向压紧，使内、外锥形环互相压紧，使内环内径变小箍紧轴，外环外径变大撑紧轴套，消除间隙并将主、从动轴与轴套连成一体，依靠摩擦传递转矩。图 5-3 无键金属弹性联轴器Fig.5-3 Keyless metal elastic coupling1-主动轴2-螺钉3-从动轴4-压盖5-弹性环6-轴套第五章 联轴器和导轨50此联轴器的优点为定心好，承载能力高，没有应力集中源，装拆方便，又有密封和保护作用，是目前在数控机床进给系统中常用的联轴器。无键金属弹性联轴器是根据传递功率和轴径选定。5.1.2 安全安全联轴联轴器的作用器的作用安全联轴器的作用是在进给过程中当进给力过大或滑板移动过载时，为了避免整个运动传动机构的零件损坏，安全联轴器动作，终止运动的传递。其原理如右下图所示： 图 5-4 安全联轴器的原理图Fig.5-4 Safety coupling diagram在正常情况下，运动由联轴器传递到滚珠丝杠上，当出现过载时，滚珠丝杠上的转矩增大，这时通过安全联轴器端面上的三角齿传递的转矩也随之增加，以致使端面三角齿处的轴向力超过弹簧的压力，于是便将联轴器的右半部分推开，这时联接的左半部分和中间环节继续旋转，而右半部分却不能被带动，所以在两者之间产生打滑现象。将传动链断开，因此使传动机构不致因过载而损坏。机床许用的最大进给力取决于弹簧的弹力。拧动弹簧的调整螺母可以调整弹簧的弹力。在机床上采用了无触点磁传感器监测安全联轴器的右半部分的工作状况。当右半部分产生滑移时，传感器产生过载报警信号，通过机床可编程序控制器使进给系统制动，并将此状态信号送到控制装置，由数控装置发出报警指标。安全联轴器与电机轴、滚珠丝杠相联时，采用了无键锥环联接。无键锥环是相互配合的锥环，如拧紧螺钉，紧压环就压紧锥环，使内环的内孔收缩，外环的外圆胀大，靠摩擦力联接轴和孔，锥环环的对数可根据所传递的转矩进行选择。这种结构不需要开键槽，避免了传动间隙。安全联轴器的结构由半联轴器、滑块、钢片、碟形弹簧、滚珠丝杠组成。半联轴器与滑块之间由矩形齿相联，另外一边的半联轴器与滑块之间由三角形齿相联。半联轴器上用螺栓装有一组钢片，钢片的形状像摩擦离合器的内片，中心部分是花键孔。钢片与套的外圆上的花键部分相配合，半联轴器的转动能通过钢四川理工学院毕业设计（论文）说明书51片传递至套，并且半联轴器和钢片一起能沿碟形弹簧做轴向相对移动。套通过无键锥环与滚珠丝杠相联。蝶形弹簧使半联轴器紧紧地靠在滑块上。如果进给力过大，则滑块、联轴器之间的三角形齿产生的轴向力超过了蝶形弹簧的弹力，使半联轴器右移，无触点磁开关发出监控信号给数控装置，使机床停机，直到消除过载因素后才能继续运动，就这样起到了安全保护的作用。 5.2 机床导轨 导轨主要用来支承和引导运动部件沿一定的轨道运动。在导轨副中，运动的一方叫做动导轨，不动的一方叫做支承导轨，动导轨相对于支承导轨的运动，通常是直线运动或回转运动。5.2.1 对导轨对导轨的的总总体要求体要求(1).导向精度高导向精度主要是指导轨沿支承导轨运动的直线度或圆度。影响导向精度的主要因素有导轨的几何精度、导轨的接触精度、导轨的结构形式、动导轨及支承导轨的刚度和热变形、装配质量以及动压导轨和静压导轨之间油膜的刚度。导轨的几何精度综合反映在静止或低速下的导向精度。直线运动导轨的检验内容为导轨在垂直平面内的直线度、导轨在水平面内的直线度以及两导轨平行度。如导轨全长为 20m 的龙门刨床，其直线度误差为 002/1000，导轨全长允差为 0.08mm。圆动导轨几何精度检验内容与主轴回转精度的检验方法相类似，用导轨回转时端面跳动及径向跳动表示。如最大切削半径为 4m 的立车，其允差规定为 0.05mm。(2).耐磨性好及寿命长导轨的耐磨性决定了导轨的精度保持性。动导轨沿支承导轨面长期运行会引起导轨的不均匀磨损，破坏导轨的导向精度，从而影响机床的加工精度。例如，卧式车床的铸铁导轨，若结构欠佳、润滑不良及维修不及时，则靠近床头箱一段的前导轨，每年磨损量达 0.20.3mm，这样就降低了刀架移动的直线度和对主轴的平行度，加工精度也就下降。与此同时也增加了溜板箱中开合螺母与丝杠的同轴度误差，加剧了螺母和丝杠的磨损。导轨的磨损形式可综合为以下三种： . 硬粒磨损导轨面存在着的坚硬微粒、由外界或润滑油带入的切屑或磨粒以及微观不平的摩擦面上的高峰，在运动过程中均会在导轨面产生机械的相互切割和锉削作用面，而使导轨面上产生沟痕和划伤，进而使导轨面受到破坏。磨粒的硬度越高，相对速度越大，压强越大，对导轨摩擦副表面的危害也越大。第五章 联轴器和导轨52 . 咬合和热焊导轨面覆盖着氧化膜(约 0.025um)及气体、蒸汽或液体的吸附膜(约 0.025um)，这些薄膜由于导轨面上局部比压或剪切力过高而排除时，裸露的金属表面因摩擦热而使分子运动加快，在分子力作用下就会产生分子间的相互吸引力和渗透而吸附在一起，导致冷焊。如果导轨面摩擦热使金属表面温度达到熔点而引起局部焊接，这种现象称为热焊。接触面的相对运动又要将焊点拉开，会造成撕裂性破坏。 . 疲劳和压溃导轨面由于过载或接触应力不均匀而使导轨表面产生弹性变形，反复进行过次，就会形成疲劳点，呈塑性变形，表面形成龟裂和剥落而出现凹坑，这种现象叫压溃。(3).足够的刚度导轨要有足够的刚度，保证在载荷作用下不产生过大的变形，从而保证各部件间的相对位置和导向精度。导轨受力变形会影响导轨的导向精度及部件之间的相对位置，因此要求导轨应有足够的刚度。为减轻或平衡外力的影响，可采用加大导轨尺寸或添加辅助导轨的方法提高刚度。(4).低速运动的平稳性在低速运动时，作为运动部件的动导轨易产生爬行。进给运动的爬行将提高被加工表面粗糙度值，故要求导轨低速运动平稳，不产生爬行，这对于高精度机床尤其重要。低速运动的平稳性与导轨的结构和润滑，动、静摩擦系数的差值，以及导轨的刚度等有关。(5).工艺性好设计导轨时，要注意到制造、调整和维修方便，力求结构简单、工艺性好及经济性好。5.2.2 导轨导轨副的种副的种类类以及以及组组合形式合形式5.2.2.1 导轨的几种分类方法 (1).按导轨副运动导轨的轨迹分类 . 直线运动导轨副 支承导轨约束了运动导轨的五个自由度，仅保留沿给定方向的直线移动自由度。 . 旋转运动导轨副 支承导轨约束了运动导轨的五个自由度，仅保留绕给定轴线的旋转运动自由度。 (2).按导轨副导轨面间的摩擦性质分类 . 滑动摩擦导轨副； . 滚动摩擦导轨副；四川理工学院毕业设计（论文）说明书53. 流体摩擦导轨副。(3).按导轨副结构分类. 开式导轨 必须借助运动件的自重或外载荷，才能保证在一定的空间位置和受力状态下，运动导轨和支承导轨的工作面保持可靠的接触，从而保证运动导轨的规定运动。开式导轨一般受温度变化的影响较小。 . 闭式导轨 借助导轨副本身的封闭式结构，保证在变化的空间位置和受力状态下，运动导轨和支承导轨的工作面都能保持可靠的接触，从而保证运动导轨的规定运动。闭式导轨一般受温度变化的影响较小。 (4).按直线运动导轨副的基本截面形状分类 . 矩形导轨 图 5-5 矩形导轨Fig.5-5 Rectangular Guide 承载能力大，制造方便。但磨损后不能自动补偿间隙。必须设置间隙调整装置。导轨面上的支反力与外载荷相等，承裁能力较大。承载面(项面)和导向面(侧面)分开，精度保持性较好。加工维修较方便。矩形导轨分为凸矩形和凹矩形。凹矩形易存润滑油，但也易积灰尘污物，必须进行防护。 . 三角形导轨 图 5-6 三角形导轨Fig.5-6 Triangle rail 具有自动补偿磨损的能力，故其导向性好，但制造较麻烦。顶角一般为 90 度，小于 90 度可提高导向精度，110120 度时可提高承载能力。设计时两斜面的比压要基本第五章 联轴器和导轨54相等。 导轨面上的支反力大于载荷，使摩擦力增大，承载面与导向面重合，磨损量能自动补偿，导向精度较高。顶角在 9030范围内变化。顶角越小，导向精度越高，但摩擦力也越大。故小顶角用于轻载精密机械，大顶角用于大型机械。凹形与凸形的作用同前，凹形也称 V 形导轨。 . 燕尾型导轨 图 5-7 燕尾型导轨Fig.5-7 Dovetail - guideway 结构紧凑，高度较小，常用于多层次移动部件中但制造较麻烦。不能自动补偿间隙。必须有消除间隙装置。在承受颠覆力矩的条件下高度较小，用于多坐标多层工作台，使总高度减小，加工维修较困难。凹形与凸形的作用同前。以上三种导轨形状均由直线组成，称为棱柱面导轨。 . 圆形导轨 图 5-8 圆形导轨Fig.5-8 Round Guide 制造方便。但磨损后间隙调整困难，故常用于受轴向力为主的场合，如拉床、钻床的主轴和导向套组成的导轨副。制造方便，外圆采用磨削，内孔经过珩磨，可达到精密配合，但磨损后很难调整和补偿间隙，圆柱形导轨有两个自由度，适用于同时作直线运动和转动的地方。若要限制转动，可在圆柱表面开键槽或加工出平面，但不能承受大的扭矩，亦可采用双圆柱导轨。圆柱导轨用于承受轴向载荷的场合。矩形对称三角形不对称三角形燕尾槽圆形四川理工学院毕业设计（论文）说明书55凸形凹形图 5-9 导轨的截面形状Fig.5-9 The rail profile 5.2.2.2 导轨副的组合形式(1).双矩形组合 各种机械执行件的导轨一般由两条导轨组合，高精度或重载下才考虑两条以上的导轨组合。两条矩形导轨的组合突出了矩形导轨的优缺点。侧面导向有以下两种组合：宽式组合，两导向侧面间的距离大，承受力矩时产生的摩擦力矩较小，为考虑热变形，导向面间隙较大，影响导向精度；窄式组合，两导向侧面间的距离小，导向面间隙较小。承受力矩时产生的摩擦力矩较大，可能产生自锁。(2).双三角形组合 两条三角形导轨的组合突出了三角形导轨的优缺点，但工艺性差。用于高精度机械。(3).矩形三角形组合 导向性优于双矩形组合，承载能力优于双三角组合，工艺性介于二者之间，应用广泛。但要注意：若两条导轨上的载荷相等，则摩擦力不等使磨损量不同，破坏了两导轨的等高性。结构设计时应注意，一方面要在二导轨面上摩擦力相等的前提下使载荷非对称布置，一方面要使牵引力通过二导轨面上摩擦力合力的作用线。若因结构布置等原因不能做到，则应使牵引力与摩擦合力形成的力偶尽量减小。(4).三角形平面导轨组合这种组合形式的导轨具有三角形和矩形组合导轨的基本特点，但由于没有闭合导轨装置，因此只能用于受力向下的场合。对于三角形和矩形、三角形和平面组合导轨，由于三角形和矩形(或平面)导轨的摩擦阻力不相等，因此在布置牵引力的位置时，应使导轨的摩擦阻力的合力与牵引力在同一直线上，否则就会产生力矩，使三角形导轨对角接触，影响运动件的导向精度和运动的灵活性。(5).燕尾形导轨及其组合 第五章 联轴器和导轨56图 5-10 导轨的结构与组合Fig.5-10 Guide the structure and compositiona) 双矩形 b) 双矩形 c) 双三角形 d) 矩形三角形e) 燕尾形 f) 燕尾形 g) 三角形燕尾形h) 圆形 i) 圆形 j) 双圆形燕尾形组合导轨的特点是制造、调试方便。在本次设计机床中采用的是燕尾形组合矩形导轨的形式，本机床结构紧凑但是承载能力较大，属于中等承载能力的机床，它兼有调整方便和能承受较大力矩的优点，多用于横梁、立柱和摇臂等导轨。5.2.3 导轨导轨的技的技术术要求要求 5.2.3.1 导轨的总体精度要求对研究的滑动导轨而言，形状为平平型，导轨面的平面度通常取0.010.015mm，长度方向直线度通常取为 0.0050.01mm；侧导向面的直线度为0.010.015mm，侧导向面的之间的平行度为 0.010.015mm，侧导向面对导轨底面的垂直度为 0.0050.01mm。镶钢导轨的平面度须控制在 0.0050.01mm 以下，平行度和垂直度在 0.01mm 以下。 5.2.3.2 导轨的热处理数控机床的开动率普遍都很高，这就要求导轨具有较高的耐磨性，为此导轨大多需淬火处理。导轨淬火方式有中频淬火、超音频淬火、火焰淬火等方式，其中用得最多的是前两种方式。接触电阻淬火，淬硬层为 0.150.2mm。硬度可达 HRC55。中高频感应淬火， 淬硬层为 23mm，硬度可达 HRC4855，耐磨性可提高二倍，但在导轨全四川理工学院毕业设计（论文）说明书57长上依次淬火易产生变形，全长上同时淬火需要相应的设备。铸铁导轨的淬火硬度，一般为 5055HRC，个别要求 57HRC；淬火层深度规定经磨削后应保留 1.01.5mm。镶钢导轨，一般采用中频淬火或渗氮淬火方式，淬火硬度为 5862HRC，渗氮层厚为 0.5mm。 5.2.3.3 导轨的寿命及耐磨性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，使其在较长时期内保持一定的导向精度，就能延长设备的使用寿命。常用的提高导轨耐磨性的方法有：采用镶装导轨、提高导轨的精度与改善表面粗糙度、采用卸荷装置减小导轨单位面积上的压力(即比压)等。 5.2.3.4 导轨副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，要费很大的劳动量，而且导轨经长期使用后，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。图 5-11 燕尾导轨及其组合的间隙调整Fig.5-11 Dovetail guideway and portfolio gap adjustment1斜镶条 2压板 3直镶条常用的调整方法有压板和镶条法两种方法。对本设计所研究的数控机床而言，采用了燕尾形导轨组合的方式，因此可采用镶条(垫片)方法同时调整垂直和水平两个方向的间隙。5.2.4 导轨导轨副的材料副的材料选择选择滑动导轨常用材料有铸铁、钢、有色金属和塑料等。(1).铸铁 铸铁有良好的耐磨性、抗振性和工艺性。常用铸铁的种类有：. 灰口铸铁 一般选择 HT200，用于手工刮研、中等精度和运动速度较低的导轨，硬度在HB180 以上；第五章 联轴器和导轨58 . 孕育铸铁 把硅铝孕育剂加入铁水而得，耐磨性高于灰铸铁； . 合金铸铁 包括：含磷量高于 0.3的高磷铸铁，耐磨性高于孕育铸铁一倍以上；磷铜钛铸铁和钒钛铸铁，耐磨性高于孕育铸铁二倍以上；各种稀土合金铸铁，有很高的耐磨性和机械性能；铸铁导轨的热处理方法，通常有接触电阻淬火和中高频感应淬火。接触电阻淬火，淬硬层为 0.150.2mm，硬度可达 HRC55。中高频感应淬火， 淬硬层为 23mm，硬度可达 HRC4855，耐
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