毕业设计（论文）-XH714型立式加工中心X-Y轴进给系统的研究与设计.doc

XH714型立式加工中心X-Y轴进给系统的研究与设计学 生：XXX，机电与建筑工程学院指导教师：XXX，机电与建筑工程学院摘要进给系统是数控机床重要的组成部分，本文主要围绕着进给系统的设计展开论述。首先对数控机床的概念和国内外发展状况做了简单的介绍，并指出了数控技术的发展方向，接着对本课题基体XH714型立式加工中心进给系统的机械结构做了拆分介绍，对其中的关键元件，包含有滚动直线导轨、伺服电动机、滚珠丝杠螺母副等的一些详细论述，并且结合了课题给出的参数，分别对轴方向和轴方向两个方向作了设计计算和校核计算，选出了应用于本课题的各个传动元件的型号，最后，通过建立进给系统有关的动力学模型和数学模型，对进给系统进行了动态特性的分析，并且得出了增大系统的刚度可以减小误差的结论，进而论述了提高综合刚度的一些措施，在最后归纳了本文的内容做了总结。关键词进给伺服系统；滚珠丝杠；交流伺服电机；进给系统计算；动态分析；滚珠丝杠刚度Abstract Feed system is an important part of CNC machine tool, this paper revolves around the feeding system design. First, have given a brief introduction of the concept and development of CNC machine tools at home and abroad, and pointed out the direction of development of CNC technology, and then on the topic matrix, XH714 Vertical machining center feed system, made a mechanical structure introduction in split, on which the key components including rolling linear guide, servo motor, ball screw pair and also did a detailed discussion, the binding parameters given by the research topic, gave the two directions of the axis a design calculation and checking calculations, elected a model of each transmission components, and finally analyzed the dynamic characteristics of the feeding system through establishing dynamics and mathematical models of feeding system, and gave the conclusion as follows: increased stiffness of the system can reduce the error in the system, and then discusses a number of measures to improve the overall stiffness, in the final summarized the this paper contents and gave a final summarization.KeywordsServo system；Ball screw；AC servo motor；Feeding system calculation；Dynamic analysis；Ball screw stiffness目 录摘要1Abstract21绪论51.1数控机床概述51.2国内外数控机床发展概况51.3进给伺服系统概述61.4课题来源61.5本文的主要任务62 XH714型立式加工中心的组成72.1概述72.2床身与床身部件72.3工作台及工作台部件83进给系统机械结构的关键元件93.1概述93.2导轨103.3电动机与丝杠的联接123.4传动原件133.5轴承的选用173.6伺服电动机194数控机床的进给传动系统设计计算（X轴）224.1轴方向设计参数224.2进给传动系统的轴向负载计算234.3工作台装配图设计284.4滚珠丝杠螺母副承载能力校核284.5机械传动系统刚度计算294.6驱动电机的计算与选型314.7机械传动系统的动态分析344.8机械传动系统的误差计算与分析344.9确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号355数控机床的进给传动系统设计计算（Y轴）365.1轴方向设计参数365.2进给传动系统的轴向负载计算365.3工作台装配图设计415.4滚珠丝杠螺母副承载能力校核425.5机械传动系统刚度计算435.6驱动电机的计算与选型455.7机械传动系统的动态分析485.8机械传动系统的误差计算与分析495.9确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号506进给伺服系统的分析506.1概述506.2机械传动机构的动力学模型506.3机械传动机构传递函数516.4进给系统数学模型526.5进给系统动、静态性能分析536.6进给系统特性分析557传动部件的刚度587.1概述587.2滚珠丝杠螺母副的拉压刚度587.3滚珠丝杠螺母副支撑轴承的刚度597.4滚珠和滚道的接触刚度607.5提高滚珠丝杠螺母副刚度措施618设计结论619毕业设计总结639.1毕业设计的心路历程639.2毕业设计体会649.3毕业设计心得和收获66致谢68参考文献701绪论1.1数控机床概述数控技术能被说成是一种以数字信息为主，对机械运动和工作进程进行有效的控制的科学技术，它可以称得上是20世纪非常重要的、发展也是最为快速的工业技术，它的主要对象为制造的过程，以信息技术为主要的手段，同时以数字坐标的方式对运动的部件进行位置控制作为主要特征，为单件或者小批量生产的自动化创建了可行的技术路径，并且为现代柔性制造先进技术奠定了非常重要的基础。数控技术覆盖了很多领域，数控机床仍然是运用高新技术对传统产业进行改善和提高的重要媒介和载体。数控机床直接控制的是进给运动，进给传动精度、灵敏度和稳定性对被加工工件的位置精度和轮廓精度都有影响。为此，进给系统一般都具有摩擦阻力小，系统稳定，动精度高和刚度高，运动部件惯量小等诸多特点。数控机床的传动系统大多采用的是无级的调速，通过伺服电机实现，伺服电机的动力或运动经过齿轮或带轮降低速度，然后传动到滚珠丝杠螺母副，旋转运动带动工作台等部件做直线运动。齿轮副或带轮副的主要作用是把高速的低转矩的伺服电机输出转变成低速大转矩的执行件输出，除此之外，还可以降低滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中占有的比例。此外，对于开环系统，还可以匹配所需脉冲当量，保证达到系统的运动精度。滚珠丝杠螺母副的作用是将旋转运动转换成直线运动。最近些年来，伺服电机和其控制单元的性能有了很大的改善，就可以将电机和滚珠丝杠进行直接的连接，同样也能满足要求。随着高加、减速度直线电机的发展，由直线电机直接驱动进给部件的数控机床也在不断出现。1.2国内外数控机床发展概况20世纪最伟大的科技成就是发明和普及了计算机，制造业的发展同样由计算机在机械制造设备中的应用带来了重大的进步。美国第一台数控铣床问世于1952年，到现在为止已有50余年。数控的设备包含有：车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工和各类的专用机床，全球的产量每年大约有10万20万台，产值上百亿美元。1958年，我们国家的数控机床和数控技术才刚刚起步，到20世纪60年代还处于研发的状态，20世纪70年代初，我国开始打破国外对我国的技术封锁，伴随着我国技术基础条件的不断完善，数控技术在许多加工领域展开，数控加工中心也随即研发成功。但在当时采用的数控系统没有过关，工作可靠性难以保证，稳定性差，故障经常发生。在80年代，我国从日本、美国、欧洲等一些发达国家引入一些技术，推动我国数控技术的稳定发展，让我们国家的数控机床不论在质量上还是性能上都有了本质的飞跃。95年后，我们国家自己生产的数控机床的产业化取得了实质的进步，不论是在种类上还是在规格上都有了较大的突破，在这一时期高精度数控系统、数控仿形系统接踵出现，推进了数控机床的专业化生产以及使用。目前我国已发展成了中档和低档数控机床占市场大多数的产业体系。90年代才开始了高档数控机床的研制。1.3进给伺服系统概述进给伺服系统，数控机床的重要组成部分之一。它由伺服驱动电路、伺服驱动装置（电机）、位置检测装置、机械传动机构和执行部件等部分组成。它的作用是：数控系统发出进给位移和速度指令信号给它，经过伺服驱动电路后，经过转换和放大后，再由伺服驱动装置（直流、交流伺服电机、直线电机、功率步进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴头架等执行部件进行工作进给和快速进给。数控机床的进给伺服系统和一般机床的进给系统有本质上的差异，它可以据指令信号自动精确地控制执行部件运动的位移、方向和速度，和数个执行部件按一定的规律运动合成一定的运动轨迹。数控机床对进给系统的要求主要有：（1） 要求运动部件有很高的灵敏度（2） 要求伺服系统有很高的精度（3） 要求有较大的调速范围（4） 要求快速影响特性好（5） 要求稳定性高1.4课题来源本文课题为XH714型立式加工中心X-Y轴进给系统的设研究与设计，来自指导老师XXX教授的研究课题。1.5本文的主要任务本文主要从XH714型立式加工中心的结构，主要围绕包括工作台、滑座、滚珠丝杠螺母副、床身、导轨等；关键机械元件的比较和选型，包括导轨、电动机、滚珠丝杠螺母副、轴承等；进给系统的设计计算；对进给伺服系统进行动态分析和静态分析；分析如何提高滚珠丝杠螺母副的刚度；归纳本文结论；撰写毕业设计心得等几个方面展开。2 XH714型立式加工中心的组成2.1概述XH714型立式加工中心通常是由床身部件、立柱部件、工作台部件等三大基础部件和主轴部件、刀具存储自动交换系统以及其他辅助功能部件组成。基础部件构成加工中心的主体，而这些部件又分别以相应的大型铸件（比如床身、工作台、滑座、立柱等）为基础，与相关的和配套的零件所组成。基础部件是数控机床的承受载荷和支撑的基体，它支撑各个构件并且为各个运动部件导向，这些大件和部件需要承受一定的重力、切削力、摩擦力、夹紧力以及相应的弯矩和扭矩。本课题为X-Y方向的进给系统设计，下面将介绍其主要组成。2.2床身与床身部件2.2.1床身结构床身是机床的关键的基础部件之一，要求床身要有足够的静刚度、动刚度和精度保持性等特点。为了减少连接的环节，增大支承件的重量，提高床身的整体刚度，一般我们将其设计成整体件，并选择稳定性较好的横截面形状，以保证满足工作要求。其结构如图2.1所示图2.1床身2.2.2床身部件床身部件通常含有床身、导轨、滚珠丝杠螺母副、轴承座、伺服电机、电机支架、联轴器以及支撑滚珠丝杠的滚动轴承等。去除滚珠丝杠后如图2.2所示图2.2床身部件2.3工作台及工作台部件2.3.1工作台工作台是加工中心很重要的零部件，它是工件和夹具安装的基准，工作台的精度和刚度都会直接影响工件的加工质量。工作台要承受加工工件的夹紧力和加工过程中的切削力、弯矩力和转矩力。那么就要求工作台和工作台部件保证有较高的精度和刚度。工作台零件如图2.3所示图2.3工作台2.3.2工作台部件加工中心工作台部件包含工作台、支撑工作台的滑鞍部件、滚珠丝杠螺母副、伺服电机，滑鞍导轨、电机支架、轴承座、联轴器等。去除工作台后如下图2.4所示图2.4工作台3进给系统机械结构的关键元件3.1概述XH714型立式加工中心进给运动系统的设计，包括X轴向和Y轴向两个方向的设计，两个方向的传动原理一样，都是由伺服电机通过联轴器与滚珠丝杠直联，使滚珠丝杠做旋转运动，螺母座与滚珠丝杠旋合，滚珠丝杠的旋转运动就转变成螺母座的直线运动，而工作台和滑座是通过螺钉连接在螺母座上的，继而实现XH714型立式加工中心的进给传动。图3.13.2导轨3.2.1导轨的作用和特点导轨在进给系统中有很重要的地位，它是机床基本结构，导轨的好坏在一定程度上决定机床的刚度、精度和精度保持性。同时也在很大程度上决定了机床的加工精度和使用寿命，导轨对导向精度、精度保持性、摩擦特性、运动平稳性和灵敏性都提出了更高的要求。现代数控机床多采用滚动导轨、静压导轨和塑料滑动导轨。3.2.2滚动直线导轨结构和工作原理滚动直线导轨的组成如图3.2所示。导轨与滑块有相对运动时，钢球在导轨上的滚道内滚动，在滑块端部，钢球经过反向器进入反向孔后进入导轨滚道。钢球按上述方式不停进行滚动运动。反向器两端装有密封端盖，能够很好的阻挡灰尘和屑末等进入滑块的内部。图3.23.2.3滚动直线导轨特点滚动导轨是在导轨工作面之间安装有滚动体，这就使得两导轨面间成了滚动摩擦，因而摩擦系数很小，约0.003左右，运动轻巧灵活，所需功率小，精度好，无爬行。滚动直线导轨要求的驱动功率大大减小，能够满足高速直线运动的要求，运动速度比滑动导轨提高了10倍左右。能够无间隙的运动，提高刚度，能够达到较高的定位精度和重复定位精度。预紧能够增大刚度和增强抗振性，能承受冲击和振动，寿命较长，与静压导轨相比，其结构简单，保养方便。滚动直线导轨又分为四方向等载荷型、轻载荷（双边单列）、分离型（单边双列）、径向型。其中本课题采用的四方向等载荷型导轨，垂直向上、下和左、右、水平额定载荷相同，额定载荷大、刚性好，对冲击和重载都具有一定的承受能力。3.2.4滚动直线导轨与其他导轨的比较表1运动形式滑动导轨滚动直线导轨静压导轨摩擦因素0.040.060.0030.0050.00050.001运行速度低速低速较高中速高速刚度高较高较低寿命三者相近可靠性高较高较差3.3电动机与丝杠的联接3.3.1齿轮传动齿轮传动不仅能改变运动方向，降低运转速度，还能增大扭矩，能够满足各种丝杠螺距以及能够满足各种脉冲当量的匹配等。但在伺服电动机和滚珠丝杠间装有齿轮时，不论是直齿，斜齿还是锥齿轮，一定会存在齿侧间隙，会导致反向运动的死区，一定要设法将它消除。3.3.2联轴节由于伺服电机性能有所提高，现在许多地方都采用伺服电机与滚珠丝杠直联的形式，本课题也是采用这种形式。这种联接方式的机械结构最为简单，能够降低噪声，缩小传动链的间隙，增大传动刚度，并且采用这种结构时，编码器通常安装在伺服电机电机轴上，安装和调试都比较方便。数控机床上常用联轴器有套筒联轴器、凸缘联轴器、锥环无键联轴器和弹性膜片联轴器。（1） 套筒式联轴器：它是通过套筒把电机轴与滚珠丝杠直接刚性连接，这种联轴器的构造结构简单，径向的尺寸较小，转动惯量小，其装拆困难，要求两轴要严格对中，不允许有径向和角度的偏差，在使用上有一定的限制。（2） 凸缘联轴器：它是将一对带有凸缘的半联轴器均与两轴连接，通过螺栓将一对半联轴器连成一个整体，来传给动力和扭矩。这种连接要求两个连接的轴有较高的对中性，存在位移与倾斜时，会产生附加载荷，造成工作情况恶化。但它的结构比较简单，成本较低，可传给较大扭矩，在低转速、没有冲击、大的轴刚度和对中性好时采用。（3） 锥环无键联轴器：压盖产生轴向压紧力，导致内外锥形环互相楔紧，消除间隙，并且将主、从动轴与轴套联成一体，而且能随意调整一对连接件间的角度的位置。弹性环联接的优势在于其定心特性好，承载能力好，无应力集中，拆装便捷，且有密封和保护的作用。（4） 膜片弹性联轴器：半联轴器分别套装在电机轴和滚珠丝杠上，拧紧螺钉后，法兰盘和半联轴器间隙减小，将胀紧环压紧，压紧电机轴和滚珠丝杠，实现无键联接。其通过膜片组对角联接而传递扭矩，两个轴的位置误差（同轴度误差）由膜片的弹性变形抵消。本课题选用膜片弹性联轴器，它的联接性能很好，可以补偿轴的角位移、偏心、轴向窜动等误差，使用也很方便。带弹性锥形夹紧环的膜片弹性联轴器，属于无间隙直接连接关键元件，这种联轴器已经成为数控机床的进给系统中不可缺少的关键零件。膜片弹性联轴器除了上述优点外，还具有如下诸多方面的优点：（1）结构简单，承受力矩大，传递转矩条件相同时，其结构较其他联结的结构要小。（2）用弹性锥形夹紧环的膜片弹性联轴器，省去键联接，传动精度高。（3）可以补偿两传动轴的偏斜、不同轴度和轴向误差。（4）安装迅速、准确，拆卸方便，维修、保养简单。（5）无滑动元件，没有磨损，噪声小，能量损耗小。（6）可靠性高，寿命长。图3.3 膜片弹性联轴器3.3.3皮带轮同步皮带有两种工作面：梯形齿和圆弧齿，而梯形齿较应用较为普遍。同步皮带轮传动兼有带传动和链传动的优点，具有运动平稳，吸振性好，噪声较小的特点。不足在于其对中心距有较高要求，带以及带轮的制造加工工艺繁杂，对安装的要求也较高。3.4传动原件3.4.1滚珠丝杠副的结构和工作原理滚珠丝杠螺母副的传动效率非常高，可达，为一般滑动丝杠的倍，并且其静摩擦系数和动摩擦系数没有什么太明显的差别，它能提高进给系统灵敏度、定位精度和避免爬行，因而被数控机床广泛采用。滚珠丝杠螺母副是在加工有螺旋槽的丝杠螺母中安装一定数量滚球，滚动体作为中间的传动元件可以在一定程度上减小摩擦。滚珠丝杠副主要是由丝杠、螺母、滚珠、滚道（回珠器）组成。传动原理如图3.4所示。丝杠、螺母上均加工有弧形的螺旋槽，并且把其进行装配就组成了螺旋滚道，滚球装在滚道里，丝杠和螺母发生相对转动时，两者产生轴向移动，滚球沿着滚道向前滚动，螺旋槽的两端通过回珠管联通，滚球就能不断循环滚动前进，管道还可以避免滚球沿滚道掉到外面去。按滚球的循环方式滚珠丝杠螺母副有外循环和内循环之分。内循环，循环过程中的滚球和丝杠总是保持接触，螺母螺旋槽两相邻滚道间由滚球反向器使滚球不断滚动，还避免滚珠在管道内作循环滚动。外循环螺旋槽两端用回珠管连起来，滚球在管道里面做循环不断的滚动。图3.4滚珠丝杠螺母副3.4.2滚珠丝杠副的特点(1)传动效率高由于滚珠丝杠螺母副的摩擦损失非常小，其传动效率高达，是滑动丝杠的倍，能以较小的扭矩得到较大的推力。(2)磨损小，寿命长，精度保持性好滚珠丝杠螺母副重要的各个零件都会进行加工处理，一般是淬硬处理，可以达到较低的表面粗糙度，由于滚球的存在，摩擦造成的磨损非常的小，因而提高了它的耐磨性，从而它的精度保持性很好，工作寿命长。(3)轴向刚度高滚珠丝杠螺母副能够将传动间隙完全消除，且丝杠运动的灵活性不受影响，因此可以保证较好的轴向刚度，通过预紧也能提高轴向刚度。(4)运动平稳，不易产生爬行滚珠丝杠传动中滚球循环的滚动使得动、静摩擦系数的差别非常的小，摩擦产生的阻力和运动的速度快慢没有很大的关系，而且产生的摩擦阻力是非常小的，所以在工作时候它具有高灵敏度、启动时没有颤动、速度较低时没有爬行现象等优点。(5)高可靠性滚珠丝杠传动系统产生故障的几率是非常低的，它的维护也非常的简便，与此同时，对其有一般的润滑、防尘等处理就可以了，在特殊的场合下，即时没有润滑也能正常的工作。(6)不能自锁，具有传动的可逆性滚珠丝杠螺母副传动的效率很高，传动的滚道升角特别的小，因而不能自锁，传动具有可逆性，当其使用在垂直升降时，要增加自锁的装置或者制动的装置，避免产生逆传动造成安全事故。(7) 结构复杂，工艺难度大，制造成本高。3.4.3滚珠丝杠螺母副的预紧滚珠丝杠螺母副的轴向间隙一般指的是丝杠和螺母没有相对运动时，丝杠与螺母间的最大轴向窜动。：双螺母齿差预紧、双螺母垫片预紧、双螺母螺纹预紧、单螺母变位导程预紧、单螺母增大钢球预紧。(1)双螺母齿差预紧：滚珠丝杠螺母一般受拉伸力，能够达到 2um以下的精密微调，能可靠预紧，调整便捷，但结构繁杂，轴向尺寸偏大，工艺复杂，多用于要求准确预加载荷的精密定位系统。(2)双螺母垫片预紧：滚珠丝杠螺母受力一般为拉伸和压缩，它的结构简单，轴向刚性好，预紧可靠，不可调整，轴向尺寸适中，工艺性较好，多用于高刚度，重载荷的传动场合。(3)双螺母螺纹预紧：滚珠丝杠螺母受力一般为拉伸和压缩，使用中可随时调整预紧力，但不能实现定量调整，螺母轴向尺寸较大，一般用在不用准确预加载荷且用户自调的场合。(4)单螺母变位导程预紧：滚珠丝杠螺母一般受拉伸力和压缩力，结构紧凑简单，不会有双螺母结构中的形位误差的干扰，技术性强，但不可调整，一般用在中等载荷以下，和对预加载荷有要求的精密定位、传动系统中。(5)单螺母增大钢球预紧：结构简单紧凑，不适合预紧力过大的场合，并且不可调整，轴向尺寸小，多用于中等载荷以下轴向尺寸受限制的场合。消除轴向的间隙常采用双螺母垫片消隙结构，两个螺母的相对轴向位移，把两个滚珠螺母中的滚珠分别在螺旋滚道的两个相反的侧面上贴紧。本课题选用的是双螺母螺纹预紧。3.4.4滚珠丝杠螺母副的支撑滚珠丝杠副主要有四种支承形式：一端固定、一端自由支承方式；一端固定、一端游动支承方式；两端游动支承方式和两端固定支承方式。(1)一端固定、一端自由的支承方式：丝杠的静态和动态稳定性都很低，结构简单，轴向刚度较小，适用于较短的滚珠丝杠安装和垂直的滚珠丝杠安装。(2)一端固定、一端游动的支承方式：较一端固定、一端自由支承方式提高了临界转速和抗弯能力，其静态和动态稳定性都较高，结构稍复杂，轴向刚度大，适用于中等回转速度，对刚度和位移精度要求较高的滚珠丝杠安装。(3)两端游动支承方式：结构简单，轴向刚度小，适用于对刚度和位移精度要求不高的滚珠丝杠安装，对丝杠的热伸长较敏感，适用于中等回转速度。(4)两端固定：丝杠的静态和动态稳定性最高，适用于高速回转，结构复杂，两端轴承均调整预紧，丝杠的温度变化可转化为推力轴承的预紧力，轴向刚度最大，适用于对刚度和位移精度要求高的滚珠丝杠安装，适用于较长的丝杠安装。本课题选用第二种，一端固定一端游动的支撑方式较为合适。3.4.5传动系统刚度滚珠丝杠螺母副传动系统的作用是将伺服电机的旋转运动转变为工作台和滑座的直线运动，滚珠丝杠副传动系统主要包括联轴器、丝杠螺母副、丝杠以及支撑轴承等。其中每一部分的刚度都会影响到滚珠丝杠螺母副的传动刚度。一般所说材料的刚度是指材料抵抗产生弹性变形的能力，这里滚珠丝杠螺母副的传动刚度不仅包括各部分产生的弹性变形，还包括轴向间隙以及接触变形。滚珠丝杠螺母副传动系统的刚度又可以分为三个部分：滚珠丝杠螺母副的轴向刚度、滚珠丝杠螺母副的扭转刚度和滚珠丝杠螺母副的综合传动刚度。滚珠丝杠螺母副的轴向刚度 可以表示为丝杠本身的拉压刚度，丝杠与螺母的接触刚度，丝杠与支承轴承的接触刚度，螺母座刚度，轴承座刚度的串联之和。滚珠丝杠螺母副的拉压刚度与丝杠的支撑方式有关，不同的支撑方式拉压刚度是不同的。滚珠丝杠螺母副支撑轴承的刚度与选用轴承的类型、轴承是否预紧有关，也与滚珠丝杠螺母副的支撑方式有关。滚珠丝杠副的扭转刚度是指丝杠抵抗扭转变形的能力。滚珠丝杠螺母副的扭转刚度对定位精度的影响较拉压刚度对定位精度的影响要小得多，一般可以忽略。但是，对于细长的滚珠丝杠螺母副来说，扭转刚度是不可忽略的，因为扭转引起的扭转变形会使轴向移动量产生滞后。具体刚度的计算将在以后的章节中详细计算得出。3.4.6滚珠丝杠的发展趋向（1）滚珠丝杠副的种类由于滚珠丝杠副越来越广泛的使用，渗透的领域越来越大，滚珠丝杠副的要求也逐渐增多，普通规格的滚珠丝杠副日益无法满足使用的要求。高速、高效、自动化是机械产品的发展方向，加工中心和一些机电一体化自动机械的进给驱动速度逐渐提升，大导程滚珠丝杠副的问世，满足了高速化的要求。航空领域、小型精密测试装置、电子仪器和半导体装置等基本上都需要小导程的微型的滚珠丝杠副。（2）滚珠丝杠副性能 科学技术的逐渐进步，为让机械产品能达到高的定位精度和能平稳的运作，就要求滚珠丝杠副要有较高的精度，并且还要运转平稳，不能有阻滞的现象。滚珠丝杠副在高速工作时主要有如下一些问题：噪声、温度、精度。滚珠丝杠副产生噪声的主要原因有：循环回路中的滚珠流畅性、滚珠和滚珠的摩擦、滚道的表面质量、丝杠的变形等。滚珠丝杠副温度升高是由滚珠与丝杠、螺母、反向器间的摩擦和滚珠间的摩擦造成的。解决上面的问题需要从滚珠丝杠副的结构设计展开，采取一定的措施；另一方面，工艺上可以解决，合理的工艺流程，提升产品的质量；选取适当的滚珠丝杠副预紧转矩；减少滚珠丝杠副的预紧转矩变动量，使滚珠丝杠副满足高速驱动的需求。总之，社会的逐步发展，客户对滚珠丝杠副的要求逐渐提高，提出的要求也是多种多样，滚珠丝杠生产厂只有逐步提升产品质量、研发新品种，去满足客户的要求。3.5轴承的选用3.5.1轴承分类为了提高支撑轴承的轴向刚度，选择合适的轴承至关重要。用于支撑滚珠丝杠的轴承主要是滚动轴承。滚动轴承主要分为向心轴承和推力轴承。向心轴承分为径向接触轴承，其包括深沟球轴承、圆柱滚子轴承、滚针轴承；和角接触向心轴承，其包括调心球轴承、角接触球轴承、圆锥滚子轴承、调心滚子轴承。推力轴承分为轴向接触轴承，其包括推力球轴承、推力圆柱滚子轴承、推力滚针轴承；和角接触推力轴承，其包括推力圆锥滚子轴承、推力调心滚子轴承。3.5.2滚动轴承特性比较深沟球轴承：主要承受径向载荷，也可同时承受少量的双向轴向载荷。在转速较高、不宜用推力轴承时，可承受较轻纯轴向载荷。能限制轴的双向轴向移动在轴承的游隙范围内。角接触球轴承：分为单列，双列和组合。单列角接触球轴承承受径向和单向轴向的联合载荷或者承受径向和双向轴向的联合载荷，不易承受纯轴向载荷。双列角接触球轴承承受径向为主和双向轴向载荷的联合载荷，不易承受纯轴向载荷。组合角接触球轴承主要承受径向载荷也可同时承受少量的双向轴向载荷。均能限制轴的双向轴向移动在轴承的游隙范围内。调心球轴承：主要承受径向载荷，也可同时承受少量的双向轴向载荷。能限制轴的双向轴向移动在轴承的游隙范围内。圆柱滚子轴承：仅能承受径向载荷，内、外圈的带挡边的单列轴承可承受较小轴向载荷。滚针轴承：仅能承受径向载荷。圆锥滚子轴承：主要承受以径向载荷为主的径、轴向联合载荷，而大锥角可承受以轴向载荷为主的径、轴向联合载荷。调心滚子轴承：主要承受径向载荷，也可同时承受少量的双向轴向载荷。推力球轴承：51000型只能承受单向轴向载荷；52000型可承受双向轴向载荷；230000型主要承受单向轴向载荷，也可同时承受一定量的径向载荷。推力圆柱、圆锥轴承：均只能承受单向的轴向载荷。推力调心滚子轴承：承受轴向载荷为主的轴、径向联合载荷，但径向载荷不得超过轴向载荷的55%。3.5.3轴承的选用原则滚珠丝杠螺母副的主要载荷是轴向载荷，径向载荷来自于卧式丝杠的自重。所选则的轴承必须能够承受很大的轴向力，目前采用的是一种滚珠丝杠的专用轴承，这是一种能够承受很大轴向力的特殊角接触滚珠轴承，它与一般的角接触轴承相比，接触角增大到60度，并且增加了滚珠的数目和相应减少了滚珠的直径。这种结构的轴承比一般轴承的轴向刚度提高两倍以上，而且使用极为方便。本课题即选的是这种丝杠专用的轴承，60接触角的角接触轴承。3.6伺服电动机3.6.1概述伺服电机亦称执行电机，自动控制的系统中是执行元件。拥有根据控制信号的指令而产生相应动作的特性，即在控制信号发出之前，转子不转动，一接受到控制信号，转子立即转动，当没有控制信号时，转子能够即时自行停止转动。由于这种“伺服”的功能，因此而得名。伺服电动机的转动惯量较小，表明其时间常数小，响应速度快。按使用电源性质的不同，伺服电动机可以分为直流伺服电机和交流伺服电机两大类。3.6.2交流伺服电机交流伺服电机又分为两相伺服电机和永磁同步伺服电机。两相伺服电机其中的励磁绕组和控制绕组均装于定子上，它们在空间相差90电度角。励磁绕组由定值的交流电压励磁，控制绕组由输入信号供电。两相伺服电机的工作原理和有辅助绕组的单相异步电机相似，在系统中运行时，励磁绕组接到单相交流电源上，当控制电压为零时，气隙内磁场只存在励磁电流产生的脉振磁场，电机没有启动转矩，转子无法转动；若控制绕组有控制信号输入时，那么控制绕组里有控制电流通过，若励磁电流和控制电流不一样，那么在气隙内产生了一定大小的旋转磁场，电动机就可以自行启动；然而当受控启动后，就算消除控制信号，电机依然能保持运行，电机就没有了控制作用。伺服电机的这种失去控制，自行转动的现象，称为自转。自转现象是不满足可控性要求的。通过加大电机转子电阻，可以让伺服电机在消除控制信号后工作在单相励磁状态，电磁转矩为负值，来制动转子旋转，消除自转现象。当然，过大的转子电阻将会降低电机的启动转矩，以致影响其快速响应性。为了使电动机在输入信号值改变时，其转子转速能迅速地跟着改变而达到与输入信号值所对应的转速值，必须减少转子惯量和增大启动转矩。因此，采取在结构上采用空心杯形转子，在转子电路上适当增大转子电阻的措施。杯形转子交流伺服电机的好处在于它的转子惯量、摩擦转矩小，能快速响应性，运行平稳，无抖动，缺点在于有内定子，气隙大，励磁电流大，体积也大。两相伺服电机不仅要求具有启动和停止的伺服性，而且还必须具有转速的大小和方向的可控性。两相伺服电动机的控制方式有三种：幅值控制、相位控制、幅值相位控制。3.6.3电动机选型伺服电动机主要技术参数包括额定功率、额定电压、额定电流、额定转速、额定扭矩、最大扭矩等。一般在选择电动机时，为能让进给伺服系统正常工作，伺服电动机最大力矩和额定力矩、应该满足如下关系：在空载加速启动时 在切削进给时 另外还需对转动惯量进行匹配验算，要使机械传动系统的惯量有较合理的匹配，系统的负载惯量与伺服电机的转动惯量之比一般应该满足下式如果比值过大，那么进给伺服系统动态特性就主要决定于负载特性，这时工作条件的改变将造成负载质量、刚度、阻尼等的改变，会造成整个系统的综合性能变差。要是比值过小，那么表明电机的选择或者进给传动系统的设计不太合理，经济性较差。具体的计算将在以后的章节进行计算。3.6.4用于机床直驱传动中的几种伺服电机性能比较从表2可以看出各种电机各有其优点和缺点，直流伺服电动机由于其电刷的采用从而造成其可靠性较差，所以现在在数控机床中的应用已经较少了，另外，永磁同步交流伺服电动机和直线电动机通常一般应用于高速和功率较小的工作场合，另外，开关磁阻电动机一般应用于速度较低和相应功率较大的工作场合，最后，横向磁场电动机是一种新型电机，它可以应用于低速的大转矩的工作场合。而本课题采用的是交流伺服电机，具体的型号见计算的章节。表2 各种电动机基本性能比较项目直流伺服电动机交流伺服电动机（永磁同步）直线电机（永磁同步）开关磁阻电动机横向磁场电机功率密度低中中较高最高转矩，转速特性好好好（力/速度特性）好最好效率（%）75799092617576869193调速范围最大一般一般中中可靠性差好一般好一般电机重量重中中一般轻电机成本（美元/KW）1010159126101217控制操作性能最好好好好好控制器成本低高高高一般3.6.5伺服系统的优势伺服系统可称作随动控制系统，可当作是速度随动控制，也可当作是位置随动控制。从广义上来看，电动机的调速系统也可当作为一种伺服控制，只不过在调速系统中，尤其是功率较大的设备，强调的被调量为电动机的转动速率，看重的是更为高效率的实现功率转换。在一般情况下，速度给定量是不变的，启动的速度稳定，追求小的静态误差是其主要的目标。但是，一般伺服系统的功率较小，需要输出准确的跟踪控制器发出的指令，并能产生足够地力或力矩，使被驱动地运动机械获得希望的加速度、速度和位置（位姿）。在伺服控制中，也有对系统功率进行放大、转换和调控等的处理，虽然在这一方面和调速系统相同，但它控制的落脚点却是要追踪任意改变的控制指令，并且要求实现精确位置的跟踪控制。伺服系统的核心是伺服电机，其控制性能具有明显的优越性：（1）低频特性好。伺服电机运转非常平稳，伺服系统拥有共振抑制性能，可弥补机械的刚度的不足，而且系统内部拥有频率解析功能，能检测机械的共振点，便于调整系统。（2）控制精度高。电机轴后端的旋转编码器能够保证伺服电机地控制精度。（3）过载能力强。（4）响应速度快。（5）矩频特性佳。3.6.6发展趋势直驱传动方式可以很好的提高机床的运行性能，并节约成本，是机床驱动方式的一个很好的发展方向。直接驱动中电机是核心部件，并直接决定着驱动系统的整体性能。（1）随着永磁技术和高磁能积、成本低的永磁材料的发展，各种永磁式伺服电机将是发展的一个重要方向，如永磁同步式交流伺服电机、永磁同步直线电机等相对于相应的感应电机具有明显的优势。（2）结构优良、能够提供高的功率密度、转矩密度和控制性能好的新型电机是用于大功率机床应用场合的最好选择。这类电机还有相当的发展空间，比如开关磁阻电机和横向磁场电机，需要在电机结构和控制器等方面进一步发展，以适合机床的应用。（3）机床是一个很大的概念，其上面应用的电机需求面较广，比如高速、高定位精度的要求；比如低速、大转矩的要求等，这些就要求对电机的研究和应用从不同的方面进行。4数控机床的进给传动系统设计计算（X轴）4.1轴方向设计参数设计数控机床的进给系统的时侯，通常应该已知下列参数：移动部件也即机床的执行部件的总质量（包括有移动部件自身质量、夹具质量和工件质量），移动部件的最大移动速度，电机的最高转速，移动部件定位精度和重复定位精度，移动部件的行程等。进给系统的设计在于设计满足上述条件的移动部件的结构，这就需要解决如下问题：导轨的选型及其设计，滚珠丝杠螺母副的选型及其计算，滚珠丝杠螺母副确定支撑方式，计算进给系统的刚度，计算动态特性分析还有固有频率，误差分析和验算，驱动电机的选型以及它的计算，选择并确定丝杠与电机的联接方式等等。本课题XH714型立式加工中心X-Y轴进给系统所给定的参数如下：主电机的功率：5.5 KW，主轴转速的范围为204000r/min；主轴计算转速为1125r/min行程：X轴600mm；快速移动的速度（X轴）：15000mm/min；进给速度的范围（X轴）：16000mm/min；工作台承载重量：X轴4000N；定位精度：X轴0.03mm；X轴的重复定位精度：0.016mm；下面将根据已经给定的设计参数进行有关计算进而确定关键元件的选型。4.2进给传动系统的轴向负载计算4.2.1主切削力及其切削分力计算不同的切削方式，主切削力计算的方法不尽相同。而对于不同的切削方式，主切削力的计算方法又不会相同。本文主要讨论根据主电机切削功率计算主切削力 ,以简化所讨论问题。由已知的条件可以知道，用端面铣刀在主轴计算的转速下进行强力切削（铣刀直径D=125mm），主轴有最大的扭矩并可以传递主电机的所有功率，那么可以计算铣刀的切削速度为：若机械效率，则主切削力:工作台的纵向切削力、横向切削力、垂向切削力为：4.2.2导轨摩擦力计算导轨的摩擦系数为,据电机功率5.5kw查表得导轨紧固力，则在切削状态下的导轨摩擦力:没有切削的时候导轨摩擦力和导轨静摩擦力为： 4.2.3滚珠丝杠螺母副的轴向负载力计算滚珠丝杠轴向的负载力指的是滚珠丝杠当驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也可以叫做进给牵引力。滚珠丝杠螺母副最大的进给牵引力出现在电机在满功率下工作的切削状态。最大的轴向负载力计算由下式给出：滚珠丝杠的最小进给牵引力出现于机床空载的工作状态，它最小轴向负载力计算由下式给出：4.2.4滚珠丝杠动载荷计算与直径估算（1） 确定滚珠丝杠导程由条件可得，电机的最高转速，那么可以计算导程：(2) 滚珠丝杠平均转速、平均载荷的计算当强力切削的时候，时间比例给定为10%，进给速度则： 轴向载荷，转速当一般切削的时候，时间比例给定为30%，进给速度则：轴向载荷转速当精细切削的时候，时间比例给定为50%，进给速度则： 轴向载荷转速当快移和钻镗定位工作的时候，时间比例给定为10%，进给速度则： 轴向载荷转速由以上数据可得滚珠丝杠螺母副的平均转速： 滚珠丝杠螺母副的平均载荷： （3） 计算滚珠丝杠预期的额定动载荷判断载荷的性质，有较小的冲击，可查得载荷系数，先选择滚珠丝杠的精度为2级精度，查得精度系数，另外，在一般情况下可靠性要达到97%，那么取可靠性系数为。则滚珠丝杠额定动载荷为：因为要对滚珠丝杠螺母副实施预紧，可按式计算最大轴向载荷，查表选取预加载荷系数，则有比较选取两种结果的最大值作为额定动载荷大小，则（4） 按精度的要求计算滚珠丝杠最小的螺纹底径设计参数如下，工作台的定位精度是0.03mm，重复定位的精度是0.016mm，据数据可以计算如下：取上述结果较小值，即X轴方向工作台的滚珠丝杠的支撑方式拟采用一端固定一端游动，滚珠丝杠螺母副的固定支撑的间距长度为：取L=1.4x行程+25=（1.4x600+10x25）mm=1090mm据,可得（5） 初步确定滚珠丝杠螺母副的型号根据计算得出的数据和考虑到结构的需要,查表初步选定FFZD型内循环垫片预紧式滚珠丝杠螺母副，型号FFZD4010-3,其各参数如下：公称直径基本导程；额定动载荷；丝杠底径；故满足设计要求。（6） 计算滚珠丝杠螺母副预紧力要保证滚珠丝杠的传动精度以及其刚度，就需要对它采取一定的预紧措施。预紧有两个目的：一是消除轴向存在的间隙，二是提高轴的综合刚度。常采用两种方法来确定预紧力大小，分别为根据最大轴向工作载荷来确定和根据额定动载荷来确定。本文采取第一种方法来计算预紧力。（7） 初步确定滚珠丝杠螺母副支承用轴承的规格型号轴承承受最大轴向载荷轴承样本规定的预紧力应大于轴承所受最大轴向载荷的1/3，故有轴承预紧力为： 轴承的当量轴向载荷已经知道轴承工作的转速和滚珠丝杠当量的转速是一样的，即；轴承的额定寿命L=20000h，轴承所受到的轴向载荷是。径向载荷；轴向载荷；因为查表可以知径向系数X、轴向系数Y为X=1.9，Y=0.54故有： 因为滚珠丝杠螺母副使用一端游动一端固定支撑方式，结构采取四加二结构，为承受两个方向的轴向力，两端均采取背对背安装。滚珠丝杠的螺纹底径为34.3mm，轴承选择内径为30mm的，即可达到要求。选择600的角接触球轴承，型号为7206C，其尺寸为30mm62mm16mm，选用脂润滑。轴承承受预载荷的能力是1450N比计算得到的轴承的预紧力96.28N要大，而且在脂润滑状态下的极限的转速是2200r/min要高于滚珠丝杠的最高转速，故达到要求；其次，该轴承的额定动载荷为26000N比在20000h工作寿命下的基本额定动载荷1606.20N要大，故其也满足要求。4.3工作台装配图设计图4.1立式加工中心工作台（X轴向）计算简图4.4滚珠丝杠螺母副承载能力校核4.4.1滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷校验根据图4.1可知道滚珠丝杠螺母副最大受压长度，丝杠水平安装时，安全系数，根据支承方式查表选取安全系数，则计算可得临界压缩载荷如下：而本工作台滚珠丝杠螺母副的最大轴向载荷为288.85N，其值远小于临界压缩载荷的值，故满足要求。4.4.2滚珠丝杠螺母副临界转速校验根据图4.1可知计算滚珠丝杠螺母副临界转速的长度为768mm，取弹性模量为,材料密度，重力加速度，安全系数，查得和支撑有关的参数。则滚珠丝杠螺母副的最小惯性矩为滚珠丝杠的最小截面积为由以上数据可得临界转速 本工作台滚珠丝杠螺母副的最高转速远小于其临界转速，故满足要求。4.4.3滚珠丝杠螺母副额定寿命校验查表可知滚珠丝杠额定动载荷为30000N，轴向载荷为288.85N，运转条件系数为1.2，滚珠丝杠转速为1500r/min，由这些数据可以计算工其作寿命：，故满足设计要求。4.5机械传动系统刚度计算4.5.1滚珠丝杠螺母副拉压刚度计算滚珠丝杠的支撑方式为一端固定一端游动。由图4.1可知滚珠丝杠的螺母中心距离固定端中心最远距离的地方即为滚珠丝杠最小拉压刚度的地方，由图知距离为。当滚珠丝杠的螺母中心在距离固定端中心最近的距离的地方即为滚珠丝杠存在最大拉压刚度的位置，由图知距离。4.5.2滚珠丝杠螺母副支撑轴承的刚度选取的轴承接触角大小=600，滚动体直径，滚动体个数由数据可计算轴承的刚度为4.5.3滚珠与滚道的接触刚度由表可查出滚珠丝杠刚度为,它的额定动载荷为30000N，滚珠丝杠上所受最大轴向力为，则可算得