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数控平旋盘结构设计,数控,盘结,设计
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诚信声明本人郑重声明：本设计及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名：年月日毕业设计任务书毕业设计任务书设计题目：数控平旋盘结构设计系部：机械工程系专业：机械设计制造及其自动化学号： 112011106学生：刘志鹏指导教师（含职称） ：郭永生（工程师）1课题意义及目标学生应通过本次毕业设计，综合运用所学过的基础理论知识。深入了解机械设计的各个过程。及设计规范、计算方法、设计思想等内容。为学生在毕业后从事产品设计、制造等技术工作打好基础。2主要任务（1）根据题目要求，查阅相关资料。（2）进行详细的结构设计、计算、控制内容设计。（3）按照毕业设计说明书撰写要求，完成毕业论文的撰写。（4）绘制结构设计相关的零件图及工艺设计卡片或控制部分设计。（5）设计过程要按标准要求执行。3主要参考资料1 张世昌.机械制造技术基础M.高等教育出版社,2006 年.2潘新民.王燕芳.微型计算机控制技术M.人民邮电出版社.3濮良贵.机械设计(第八版)M.高等教育出版社.2010.64进度安排设计各阶段名称起止日期1根据题目要求，确定设计方案。3 月 3 日 3 月 23 日2结构设计，计算。3 月 24 日4 月 13 日3完成 50%以上的工作任务，准备中期检查。4 月 14 日- 5 月 4 日4完成图纸的绘制，程序调整。5 月 5 日 6 月 1 日5撰写毕业论文，准备答辨。6 月 2 日 6 月 22 日审核人审核人：田静2014 年 12 月 30 日数控平旋盘的设计摘要：随着新一代的产品开发，复杂轮廓形状及相应较高精度的零件越来越多，零件的工艺要求越来越高，并且大尺寸大重量零件不能自转，这就需要 B 轴、U 轴联动来解决上述问题。平旋盘也叫 U 轴刀具，数控平旋盘可以在数控机床加工的过程中控制滑板的滑动位置实现控制刀具的径向进给，从而扩大加工工件的直径范围。与其它数控轴联动插补后，还能实现各种复杂零件表面的加工。但是现有的数控平旋盘大部分成本高、结构复杂。 针对这些问题，本文设计一种结构简单、应用广泛的数控平旋盘。本文包含以下几个方面的研究:一、介绍了数控平旋盘的国内外研究现状。二、了解数控平旋盘的工作原理，并设计平旋盘的结构。三、对数控平旋盘的机械系统和传动系统进行了设计和计算。关键词：数控平旋盘关键词：数控平旋盘;传动系统传动系统Design of NC facing headAbstract：With the development of a new generation of products, There is more and morecomplex profile shapes and the corresponding high-precision parts, technologicalrequirements of part is higher and higher, and the large size and heavy weight parts cannotautorotate, which requires B-axis, U-axis to solve the above problems. Facing head is alsocalled U axis tool, in CNC machining process ,NC facing head can control slide position tocontrol radial feed of tool, thereby expand the diameter range of the work-piece. After theinterpolation with other numerical control axes, the surface of superficies complex parts canbe realized. But most of the existing NC facing head is of high cost and complex structure.To solve these problems, this paper designs a simple structure and wide application NCfacing head. This paper includes the following aspects:1.This paper introduced current research of NC facing head at home and abroad fistly.2. This paper introduced the working principle of NC facing head, and design the structureof facing head.3. Designed and calculated the mechanical system and the transmission system of NCfacing head.Key words: NC facing head; Drive systemI目录1前言.11.1课题研究的意义.11.2国内研究现状.21.3国外研究现状.51.4课题研究的主要内容.72数控平旋盘的结构与工作原理.82.1引言.82.2现有数控平旋盘的工作原理.102.3数控平旋盘的结构.122.3.1总体布局.122.3.2滑板进给电机的确定.132.3.3导轨的设计与选型.142.3.4丝杠和选型.162.3.5滚珠丝杠副的支承形式.172.3.6轴承的选择.192.3.7滚珠丝杠轴端形式.203数控平旋盘的径向进给传动系统设计.223.1进给传动系统的轴向负载计算.223.2驱动电机的选型与计算.263.2.1计算电动机轴上的负载力矩.263.2.2计算各坐标轴折算到电机轴上的负载惯量.273.2.3计算折算到电机轴上的假设力矩.284.结论.31参考文献.32致谢.33太原工业学院毕业设计11前言1前言1.1课题研究的意义课题研究的意义数控技术与传统的设备自动控制技术的一个显著区别在于，数控技术不仅具有顺序逻辑控制功能，而且更重要的是具有关于运动部件位置的坐标控制功能，即采用数字指令信号对设备的坐标运动进行控制的功能。数控机床是数控技术在机床上的应用，与传统机床相比，数控机床具有自动化程度高、加工精度高、生产率高、对工件的适应性强、有利于生产管理信息化。数控机床是数控技术在机床上的应用，是比传统机床更为先进的设备。没有好的机床就制造不出好的机器，没有好的机器就生产不出好的产品，生产不出好的产品就谈不上水平和实力，因此，一个国家秘生产机床水平，也代表一个国家的制造业水平和现代化程度、综合实力。因此，世界各国都重视数控技术及其产业的发展和技术研发1。随着新一代的产品开发，复杂轮廓形状及相应较高精度的零件越来越多，零件的工艺要求越来越高，并且大尺寸大重量零件不能自转，这就需要 B 轴、U 轴联动来解决上述问题。在各种高精行业中，以在牙掌的加工、大直径石油油管管螺纹的加工、转向节球销和销孔加工、行星轮架轴和孔加工为例，其加工要求高，需要更大加工范围的刀具，普通机床难以满足这样的要求，需要多轴联动功能的机床来加工制造2。平旋盘也叫 U 轴刀具， 数控平旋盘可以在加工零件的过程中控制滑板的滑动位置实现控制刀具的径向进给， 从而扩大加工工件的直径范围。 与其它数控轴联动插补后，还能实现各种复杂零件表面的加工如镗内孔、内球面，车外圆、车外球面，车端面、车背面，切槽（各种弧形或异型密封槽） ，镗锥孔、镗凹凸面，锥管螺纹及圆柱螺纹加工等。采用数控平旋盘加工零件，零件固定不动，数控平旋盘绕零件回转面旋转的同时，刀具进行径向进给，实现轴、孔、锥面、曲面的粗、精变径加工。数控平旋盘应用广泛，常安装在各类镗床、铣镗床、镗铣床。安装了数控平旋盘的数控机床能扩大加工制造范围，提升加工制造精度，增加加工制造功能。广泛应用于以下行业：航空航天；阀门制造、液压流体控制；造船及重工设备；能源、石油化工等重大设备制造领域；与一般镗刀相比，数控平旋盘和可变径镗头有在加工过程中改变切削直径的优点5。数控平旋盘在加工时可以完全数控，可加工过程中实时变径，能加工复杂轮毂孔，如两头小中间大的瓶状腔。由于数控平旋盘在加工时具有车、铣、镗等多功能，太原工业学院毕业设计2而且只需一次刀具设置，这大大减少了换刀和辅助操作的时间，提高了加工精度和生产效率。1.2国内研究现状国内研究现状平旋盘分为两种：固定式平旋盘和可拆式平旋盘。固定式平旋盘分为三层主轴带固定式平旋盘和二层主轴带固定式平旋盘。可拆式平旋盘分为三层主轴带可拆式平旋盘和二层主轴带可拆式平旋盘。国内采用三层主轴带固定式平旋盘结构的有 T68（结构示意图见图 1.1） ，武汉第二机床厂，芜湖重型机床厂的 T617 等。以上数控平旋盘一种由进给系统通过一套外行星式圆柱齿轮行星机构驱动，外行星式传动机构的体积较大。另一种由进给系统通过伞齿轮行星机构驱动。图 1.1沈阳航动科技开发有限公司的 200U20C4，200U20 系列，齐齐哈尔二机床有限公司生产的 XPK600/13 数控平旋盘。以上数控平旋盘均有行星轮差动机构，如图 1.2 所示：太原工业学院毕业设计3专利号为 200820060827.1（结构见图 1.3）和专利号为 201120571189.1（结构见图 1.4）的数控平旋盘包括伺服电机、滚珠丝杠、主轴、副轴、平旋盘导板、行星轮机构。专利号为 201210017226.3（结构见图 1.5）的数控平旋盘在箱体内设有一平旋盘运动机构，大大简化平旋盘结构，缩短传送链长度，减少传动过程积累误差，提高加工精度。太原工业学院毕业设计4图 1.3图 1.4太原工业学院毕业设计5图 1.51.3国外研究现状1.3国外研究现状英国斯特夫利的 SE 系列在平旋盘上另装较小的传动齿轮，当平旋盘转动时，带动小齿轮及蜗轮蜗杆，使径向刀架获得进给运动。中捷人民友谊厂的 T618由外行星机构通过大套在平旋盘上的大齿轮带动小齿轮及伞齿轮使蜗轮蜗杆带动径向刀架进行进给运动。意大利丹得瑞公司(DANDREA)是世界上著名的机械制造厂商，其产品精确、可靠以及丰富，并在多个领域被广泛采用。意大利丹得瑞公司 U 一 TRONIC 系列数控平旋盘如图1.6。太原工业学院毕业设计6图1.6法国克拉芬士达登公司的 APS 系列采用三层主轴带可拆式结构， 平旋盘可由进给机构借空套于平旋盘主轴上的齿轮带动平旋盘上的小齿轮与伞齿轮蜗轮蜗杆带动径向刀架进行进给运动。必要时可脱开机动进给进手动进给。波兰的 HWC 系列，WFB 系列，法国科纳克公司的 C100等由时给系统通过伞齿轮行星机构驱动，伞齿轮行星机构的体积较小，但其制造精度及传动平衡性较差，噪音变较大。以上平旋盘主轴处于高速时可把平旋盘脱开，因此不需装拆平旋盘，使用方便，可用平旋盘端面初步找正工件。但轴承用的较多，零件层次重叠，误差积累就大，回转精度因此较低。工艺范围比较狭小，不能或不易安装如立铣头、铣刀盘等切削附件。当主轴必须有很长的悬伸而需要在平旋盘上安装支承套时，效果有限。需要一套回转及进给变速机构，机构复杂，制造困难，调整麻烦，维护也比较困难。正因其缺点多于优点，所以这种结构用得越来越少。U 轴刀具是日本池贝株式会社的一项专利技术3。安装有 U 轴的机床特别适合加工复杂的、偏心或不规则的零件，一般用于小直径工件的加工。采用 U 轴刀具的数控机床加工精度和生产效率会显著提高。使用 U 轴刀具的数控机床能进行复合加工, 如牙掌的加工、大直径石油油管管螺纹的加工、转向节球销和销孔加工、行星轮架轴和孔加工。这种 U 轴刀具可以看作一种数控锉头，如图1.7所示。太原工业学院毕业设计7图1.7从上述几例可以看出，国外厂商的数控平旋盘结构设计中都以行星轮差动机构为传动机构，但都没解决传动链过长所带来的一系列问题。1.4课题研究的主要内容课题研究的主要内容本文的主要内容如下:(l) 了解国内外数控平旋盘的发展水平，研究国内外数控平旋盘的的结构及工作原理，分析其优缺点，对出现的问题进行深入的研究分析，以确保在接下来的设计当中避免这些问题，甚至解决大部分问题。(2) 了解数控落地铣镗床的用途，研究数控平旋盘的工作原理，确定数控平旋盘的结构设计，了解各组成零件的选择范围，分析各种选择的优缺点，确定各零件的选型。(3) 通过进给传动系统的轴向负载计算估算滚珠丝杠的动载荷，根据位置精度要求估算滚珠丝杠螺母副螺纹的底径，最后确定滚珠丝杠螺母副的规格型号。通过计算电动机的负载力矩负载惯量，最终来确定驱动电机的型号。太原工业学院毕业设计82数控平旋盘的结构与工作原理数控平旋盘的结构与工作原理2.1引言引言在数控技术越来越普及的今天，由于机械平旋盘没有应用数控技术，精度低、操作复杂、加工范围小等大量缺点日益突出，不能满足零件越来越高的加工要求，渐渐被数控平旋盘所代替。现在市场上的数控平旋盘大多数采用行星轮差动机构的径向进给传动设计，这种设计结构复杂，使得数控平旋盘存在传动链长、传递动力小、成本高、不易维护等问题。因此，为了解决上述数控平旋盘所出现的问题，本文设计出一种新型数控平旋盘。本课题设计的数控平旋盘主要用于数控落地铣镗床。数控落地铣镗床是加工大型工件常用的机械设备之一，因为它的主轴箱上常配备数控平旋盘， 所以本设计所设计的数控平旋盘主要用于数控落地铣镗床。 它具有镗孔、钻孔、铣削、切槽等加工功能，能够加工批量小而多次生产的零件，其应用广泛，加工精度高，能加工大尺寸零件，加工复杂表面的零件。落地式铣镗床如图2.1所示，工作台固定，机床的工作台和床身完全分离，工作台直接安装在地基上为便于大型、重型工件的装卸，工作台面一般与地面平齐，故称为落地镗床。落地铣镗床是用于特大型零件加工的重型机床，其工件重量可不受机床刚性的限制，机床的床身长、立柱高、体积庞大，最大行程可达数十米，镗轴直径通常在125mm 以上5。太原工业学院毕业设计9图2.1为了使本设计更贴合实际，本文参考 TK6916B 型数控落地铣镗床的基本数据来设计数控平旋盘，其技术参数如表2.1所示：太原工业学院毕业设计102.2现有数控平旋盘的工作原理现有数控平旋盘的工作原理现在大多数的数控平旋盘传动原理:如图2.2 所示，蜗杆9 由伺服电机带动，提供滑块进给动力；齿轮13 由镗铣轴带动，提供旋转体旋转动力；行星轮差动机构（WW型）排除旋转运动对滑块进给的影响，实现滑块的正常进给。下面对三种不同工况作详细分析：太原工业学院毕业设计11图2.2（1）当蜗杆9 不动时，蜗轮8 为太阳轮。齿轮13 旋转，带动旋转体旋转的同时，带动齿轮3 旋转，齿轮13到齿轮3 之间的传动比为：i1=(z12/z13)ia(z2/z5)=(24/96)(21/21)(24/18)(90/30)=1其中：ia=(z10/z11)(z6/z7)=(21/21)(24/18)齿轮13 与齿轮3 相对于中间套同步旋转，由于齿轮4 固定在旋转体上，所以它相对于中间套的旋转与齿轮13 同步，可知齿轮4 和齿轮3同步旋转，亦即齿轮4 和齿轮3 相对不动，此时齿轮4不动，因此丝杠无进给，旋转体旋转。完成镗削大直径的孔，车削外圆等。（2）当齿轮13 不动时， 齿轮11 为太阳轮。蜗杆9旋转，通过行星机构（齿轮2，3 空套在旋转轴上） ，带动齿轮4 转动，齿轮4 绕轴旋转，实现滑块的进给，其传动比为：i1=(z9/z8)ib(z2/z5) (z4/z3)=(4/32) (3/7) (90/30) (50/85)=45/476其中：ib=1/1+(z10/z11) (z6/z7)=1/1+(21/21) (24/18)=3/7此时， 旋转体不动。仅作径向进给使用。（3）当蜗杆9 和齿轮13 同时运动时，传递到齿轮4的运动为以上两种运动的叠太原工业学院毕业设计12加，齿轮13 传递的运动用来抵消旋转体旋转对进给的影响，蜗杆9 实现滑块的进给。完成平面，切槽等功能。通过上面的计算，我们可以知道采用差动机构可以使旋转运动不会对滑板进给产生影响，也解决了前文提到的大多数数控平旋盘所存在的问题。所以本设计数控平旋盘的传动系统采用差动机构。2.3数控平旋盘的结构数控平旋盘的结构2.3.1总体布局总体布局本设计所采用的数控平旋盘在结构上采用了分离式设计（如图2.3） ，即定盘与转盘布局分开，如图1 所示。在结构上，定盘(3) 采用直接固定连接方式固定在主轴箱前端或滑枕上，转盘(1) 的旋转动作通过端面键由主轴驱动，电机(11) 的控制通过滑环(2)和碳刷(9) 转化并引出。旋转运动为该机构的主运动，这样，电线在动作过程中就不会产生不便，电机(11) 的供电问题就解决了。而电机(11) 输出轴连接着丝杠(7)端头与联轴器(8)，螺母座(10) 套在丝杠(7) 上并且与滑板(6) 固定连接，以上机构都在转盘(1) 中固定并安装，转盘(1) 安装在轴承(4) 上并固定在定盘(3) 的内孔。太原工业学院毕业设计132.3.2滑板进给电机的确定滑板进给电机的确定直流伺服电动机反应迅速、精度和效率高、调整范围大、负载能力大、控制特性好，但其电刷和换向器易磨损、换向时会产生火花，使其最高转速、应用环境均受到限制。交流伺服电动机中没有机械接触部分，可实现免维护，但启动困难。如图2.3所示的布局结构，电机的接线线路有自身的特点，用直流或交流伺服电机驱动，技术难度较大6。步进电机又称脉冲电机。它将数控机输出每一个电脉冲信号，变成一定量的机械角位移，通过滚珠丝杠付使工作台或溜板作精确的位移。步进电机借助控制线路，可获得正反转动及间歇运动等特殊功能。步进电动机控制简单、运动可靠、价格较低，但精度低且切削力小，在大负载和速度较高的情况下容易失步、能耗大、速度低、精度较差，主要用于速度和精度要求不太高的型数控机床和普通机床改造。步进电动机的分类：旋转式步进电动机就其转子结构又可分为以下三种7。太原工业学院毕业设计141. 反应式：转子无绕组，由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制成的齿形转子作步进驱动。2. 激磁式：步进能电动机的转子采用永磁磁铁、定子采用软磁钢制成，绕组轮流通电，建立的磁场与磁铁的恒定磁场相互吸引与排斥产生转矩。3. 混合式：转子嵌有永久磁铁，导磁铁与反应式相像，具有反应式与激磁式的一些特点。由于伺服电机要求安装在数控平旋盘内部，所以其尺寸不能太大，根据上述各电机的特点，本设计选用混合式步进电机。2.3.3导轨的设计与选型导轨的设计与选型在数控平旋盘中导轨的作用是支承刀具运动，使其沿导轨径向运动。导轨的性能对机床的运动速度和定位精度有着重要的影响。1. 导轨的要求：（1）要有一定的导向精度导向精度是指运动部件移动时与基准面间的直线性，导轨的导向性越好，所加工的零件精度就越高，运动也就越平稳、阻力就越小。各种机床对于导轨本身的不平直度、两条导轨的不平行度、不垂直度、扭曲度及等高度等都有具体的规定或标准，如果都不超过允差，则该导轨就具有一定的导向精度。（2）要有良好的耐磨性摩擦不仅会加剧导轨磨损，影响导轨的精度保持性，而且还将导致运动阻力的增加、产生摩擦死区误差、引起发热，从而影响机床的快速性和定位精度。但滑动导轨在使用过程中，由于滑动摩擦的关系总免不了有磨损。因此，希望导轨的磨损量尽可能减少，并且磨损后能自动补偿或便于调整。（3）要有足够的刚度机床运动部件的重力、切削加工力等都需要由导轨面来承受，导轨受力后引起的变形不仅会影响导向精度，且还可能恶化导轨的工件条件，直接引起精度的下降。导轨的刚度与导轨的种类、截面尺寸、支承方式、受力情况等有关。为提高导轨刚度，数控可见度的导轨截面通常比较大，大型机床有时还需要增加辅助支承导轨，来提高刚度。太原工业学院毕业设计15（4）要减少热变形影响应采用减少机床发热、容易散热及热平衡等措施来减少导轨热变形的影响。（5）要有一定的工艺性导轨制造时要便于加工，便于测量以及使用时便于调整和维护。2. 导轨的类型和特点如下图2.4所示，滑动导轨的截面形状主要有4种：矩形、三角形、燕尾形、圆形：图2.4（1）矩形导轨矩形导轨是目前数控机床中用得广泛的一种形式。一般做得较宽，可以有较大的承载能力和良好的刚度。（2）三角形导轨三角形导轨有两个导向面，其导向效果较好，且能够依靠策略自动补偿导向面磨损所产生的间隙，但导轨安装较高、加工制造相对复杂。（3）燕尾形轨燕尾形导轨的安装高度小、接触面积最大，且能够随颠覆力矩，导轨磨损间隙同样可通过镶条进行调整。（4）圆形导轨太原工业学院毕业设计16圆形导轨的加工制造容易、导向精度高。3. 直线滑动导轨的选择原则（1）矩形导轨制造精度高，是目前数控机床中用得很广的一种形式。（2）三角形导轨的导向性好，多用于普及型数控车床的纵向进给系统。（3）燕尾形导轨是过定位，刚度差，因此适用于受力较小、移动速度较慢的场合和机床的导轨层次较多的部件上，多用于升降台数控铣床的十字进给系统（4）圆形导轨通常用于仅受承受载荷的压力机、注塑机等，在金属数控机床上，则多用于机械手、传送装置等辅助部件。本设计所设计的数控平旋盘主要应用在数控落地铣镗床上，而数控落地铣镗床属于大型数控机械装备，导轨应该有较大的刚度和承载能力，根据上述各种导轨的特点本设计选用矩形导轨。2.3.4丝杠和选型丝杠和选型普通滑动丝杠传动精度高，并且运动平稳，能自锁，牵引力大，但在工作过程中，有磨损大，反向定位精度低，易出现爬行现象，传动效率低许多缺点。滚珠丝杠螺母副的制造工艺成熟、生产成本低、安装维修方便，它是进给行程6m 以下的中小型数控机床使用最为广泛的传动形式。滚珠丝杠螺母副具有摩擦损耗低、传动效率高、动/静摩擦变化小、不易低速及使用寿命长、精度保持性好等一系列优点，并可通过丝杠螺母的预紧消除间隙、提高传动刚度，因此，它的用途越来越广泛，并公认为是一种精密面又省力的运动转换装置8。滚珠丝杠副的特点是：1. 传动效率高，滚珠丝杠副的传动效率比普通丝杠螺母副提高34倍,所需传动转矩小。所需传动转矩小。2. 适当的预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就能消除空行程死区，并且定位精度和刚度都较好。3. 运动平稳，无爬行现象，传动精度高。4. 具有有可逆性，可在旋转运动和直线运动之间转换。5. 磨损小，使用寿命长。6. 制造工艺复杂。滚珠丝杠是精密零件，它的加工要求高，所以成本高。太原工业学院毕业设计177. 不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于自重惯力的作用，运动部件在传动停止后不能自锁，需增加制动装置。2.3.5滚珠丝杠副的支承形式滚珠丝杠副的支承形式不同的丝杠，根据其长度、刚度的不同，要选择适合的轴承的支承方式来支承滚珠丝杠。合适的支承形式能使丝杠的更好地工作9。数控机床常用的滚珠丝杠支承形式主要有4种：1. 如图2.5所示为一端固定、一端自由的支承方式，简称 G-Z 方式。支承端需要安装可承受双向推力和径向载荷的轴承， 并需要进行预紧。 G-Z 支承方式的结构简单、安装调整容易，但承载能力较小、刚度较低；当丝杠校长时还容易引起旋转时的甩动和弯曲，螺母运动到靠近非支承端时的刚度将大幅度下降。适用于丝杠直径较大、转速较低、长度较短的普通数控机床进给系统。图2.52. 如图2.6所示为一端固定、一端游动的支承方式，简称 G-Y 方式。丝杠的一端安装有可承受双向推力和径向载荷的组合推力角接触球轴承或滚针/推力圆柱滚子轴承等；另一端安装向心球轴承作径向支撑，轴向可游动。与 G-Z 支承方式相比，它可提高系统临界转速和抗弯强度，较好地防止丝杠高速旋转时的甩动和弯曲，可用于丝杠长度较长、转速较高的数控机床。太原工业学院毕业设计18图2.63. 如图2.7所示为双端单向支承方式，简称 J-J 方式。这种支承方式需要在滚珠丝杠的两端安装承受单向推力和径向载荷的轴承，并可通过轴向预紧提高传动刚度，但它在丝杠热变形伸长时，会导致轴承去载、产生轴向间隙，因此，实际使用少。图2.74. 如图2.8所示为两端固定支承方式，简称 G-G 方式。采用这种支承方式，需要在丝杠两端同时安装可承受双向推力和径向载荷的轴承；丝杠为两端双重支承，并可通过预拉伸提高刚度。两端固定支承的结构还可将丝杠的热变形转化为轴承的预紧力，因此，其动静态刚度、精度均提高，故多用于高速、高精度加工机床。图2.8根据上面几种丝杠支承的优缺点，分析其利弊，同时参考其它同类设计，本设计采用一端固定，一端游动形式20。太原工业学院毕业设计192.3.6轴承的选择轴承的选择各种设备的使用、 工作环境不同， 选择轴承时应该考虑到机械设备支轴承的需求，包括工作载荷、转速、寿命、旋转性能等方面。深沟球轴承，可承受中等程度的径向载荷和轴向载荷，运转摩擦力小，具有高精密和低噪声性能，适用于小型或中型电动机等机械选用。球面滚子轴承，可承受很大的载荷，又能自动调心，这些特点使它能用在重型机械设备等各种载荷极重、外载荷影响轴承不对中心的工作场合。推力角接触球轴承的接触角大于45，如机床用的双向推力角接触球轴承的接触角为60，因而离心力影响减轻。球径小，球数较多。此轴承的图册刚性好，适宜于调整旋转。在结构上沟道承受的力在一定的压力角下由一个沟道传递至另一沟道。通常随着接触角的增大而加高轴圈和座圈挡边。推力角接触球轴承采用铜保持架。双向轴承，有两个轴圈和一个带油槽、油孔的座圈。 两个轴圈之间有一个隔圈， 其宽度尺寸应以轴承安装时要求达到的预紧力为准，它可以两个方向的轴向载荷。单向轴承由一个座圈、一个轴圈与球和保持架组成。只能承受一个方向的轴向载荷。根据上述内容，分析各种轴承的优缺点和本设计的需要，最后选择与滚珠丝杠配套的60接触角推力角接触球轴承作为固定端的轴承。再依据下一章计算的结果，最终选用7603020TVP 轴承，其具体参数如表2.2所示。太原工业学院毕业设计202.3.7滚珠丝杠轴端形式滚珠丝杠轴端形式按照 B/T3162.4一1993滚珠丝杠副丝杠轴端形式选择合适的轴端形式。滚珠丝杠固定轴端形式，如图2.9所示。图2.9由标准查表可以得知:螺纹代号为M20X1.5，d=20mm，d1= 16mm，L1=72mm，L2=26mm，L=139，b=5mm，t=3mm，e=4mm。滚珠丝杠铰接式轴端形式，如图2.10所示太原工业学院毕业设计21图2.10查标准可以得知:d=20,d2=19,L1=17.1mm,m=1.1mm,轴承型号为80304。太原工业学院毕业设计223数控平旋盘的径向进给传动系统设计数控平旋盘的径向进给传动系统设计3.1进给传动系统的轴向负载计算进给传动系统的轴向负载计算进给传动系统的的轴向负载实际上就是滚珠丝杠螺母副所受的轴向力。它主要由主切削力及其切削分力和导轨摩擦力组成。不同的切削方式，其主切削力的计算方法不尽相同。1. 主切削力及其切削分力的计算(1) 计算主切削力 Fz3102dMnFz（3.1）式中：Mn传递的扭矩（Nm） ；d工件直径（mm） 。已知该种型号的数控平旋盘能承受的最大扭矩为2500Nm，最大加工工件直径为12O0mm。由公式(3.1)得:NFz67.4166101200250023(2) 计算各切削分力切削抗力 Fx和 Fy可以按下列比例分别求出:4 . 0:25. 0:1:zyxFFF（3.2）由公式（3.2）得走刀方向的切削分力 Fx和垂直走刀方向的切削分力 Fy如下:Fx=0.25Fz=0.254166.671041.67NFy=0.4Fz=0.44166.671666.67N切削时作用在滑板上的载荷 F1、Fv、Fc与刀具所受的抗力 Fx、Fy和 Fz有如下关系:F1=Fx太原工业学院毕业设计23Fv=FzFc=Fy2. 导轨摩擦力的计算(l) 在切削状态下坐标轴导轨摩擦力 Fu的计算)21(cvguFFfGuF(3.4)式中:u摩擦系数，随着导轨形式不同而不同，对于贴塑导轨，u=0.15；G坐标轴上移动部件的总重量(N);当导轨垂直时取0.5G；fg镶条紧固力(N);Fv、Fc一垂向分力和横向分力(N)。由公式(3.3)得 Fv=4166.67N，Fc=1666.67N已知 G1541.03N，fg=2000N，由公式(3.4)得 Fu1196.83N(2) 在不切削状态下坐标轴导轨摩擦力 Fu0的计算Fu0=u(G+fg)=0.15 (1541.03+2000)531.15N3. 计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力(1) 最大轴向负载力 Famax的计算Famax=Fy+Fu+G+F1x(3.5)已知NrvmFx01.10924 . 060/10025.157221（v=100m/minr=0.4m)由公式(3.5)Famax5496.54N(2) 最小轴向负载力 Famin的计算Famin=Fu0=531.15N4. 滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算(l) 按预期工作时间估算滚珠丝杠预期的额定动载荷 CamcawmhmamfffFLnC100603(3.6)式中:nm滚珠丝杠的当量转速(r/min);Lh预期工作时间(h);太原工业学院毕业设计24Fm一滚珠丝杠的动载荷(N);fw载荷性质系数;fa一精度系数;fc一可靠系数。0maxmax1000Lvn（3.7）式中:Vmax最大切削进给速度;L0基本导程。己知预期工作时间 Lh=15000h，滚珠丝杠的动载荷5496.54NFamax.Fm，查表 3.1 载荷系数 fw=1.3;查表 3.2，初步选择滚珠丝杠的精度等级为 3 级精度，取精度系数 fa=l;查表 3.3 得，可靠系数 fc=l。已知心 Vmax=0.15m/min，滚珠丝杠的基本导程取 L0=6mm，由公式(3.7)和(3.6)得:Cam18620.74N5. 根据位置精度要求确定滚珠丝杠螺母副允许的最小螺纹底径(l) 估算滚珠丝杠螺母副允许的最大轴向变形量max太原工业学院毕业设计25min0max/22KFum(3.8)2/13/1 (max重复定位精度um（3.9）max=（1/51/4)定位精度um（3.10）已知 U 轴上滑板的重复定位精度为0.0lmm，定位精度为0.02mm，由公式(3.9)得max=(1/3l/2)0.010.00330.005mm。根据公式(3.10)得max=(l/51/4)0.020.0040.005mm 取两者中较小值，即max=0.0033mm=3.33um。(2)估算滚珠丝杠螺母副螺纹的底径 d2m当滚珠丝杠螺母副的安装方式为一端固定，一端自由或游动时，有max0max02078. 010102LFELFdmmm(3.11)式中：E弹性模量(MPa)，一般滚珠丝杠取 E=2.1105Mpa;max一估算的滚珠丝杠螺母副允许的最大轴向变形量(um);F0一导轨的静摩擦力(N)，F0=u0G(其中 u0为静摩擦系数);L 一滚珠丝杠螺母至丝杠固定端支承的最大距离(mm)，L=行程+安全行程+余程+螺母长度+支承长度 (l.21.4)行程+(2530)L0。由己知条件得:F0=u0(G+fg)=0.2(1541.03+2000)708.21NL=行程+安全行程+余程+螺母长度十支承长度 (1.21.4)行程+(2530)L0=(1.21.4)200+(2530)6=390460mm，取 L=450mm。将上述数据代入公式(3.11)得:mmLFdm13.2433. 345021.708078. 0078. 0max02(3)初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号根据以上计算得出的 L0、Cam、d2m和结构的需要，初步选择中国工艺装备公司生产的型号为 FF3206一5的滚丝杠螺母副，其公称直径 d0、基本导程 L0、额定动载荷太原工业学院毕业设计26Ca和螺纹底径 d2如下:do=32mm，L0=6mm，Ca=20200NCam=18620.74Nd2=27.9mmd2m=24.13mm故满足要求。3.2驱动电机的选型与计算驱动电机的选型与计算3.2.1计算电动机轴上的负载力矩计算电动机轴上的负载力矩轴上的负载力矩是由切削分力产生的切削负载力矩、导轨摩擦力产生的摩擦负载力矩、滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩组成。每种负载力矩的计算方法不同。(l) 切削负载力矩 Tc的计算mNiLFTac2(3.12)式中:Fa一在切削状态下的轴向负载力(N);L 一电机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离(m);一进给传动系统的总效率，丝杠与电机轴直连时，取 =0.90;丝杠与电机轴不直连时取=0.85;i 一传动比。(2) 摩擦负载力矩 Tu的计算mNiLFTuu20(3.13)式中:Fu0不切削状态下轴向负载力(N)。(3)由滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩 Tr的计算mNiLFTpf)1 (2200（3.14）太原工业学院毕业设计27式中:Fp一滚珠丝杠螺母副的预紧力(N)Fp=Famax/3;L0滚珠丝杠螺母副的基本导程(m);0滚珠丝杠螺母副的效率，一般取0=0.98。(4)折算到电机轴上的负载力矩的计算空载时(快速力矩)，有TKJ=Tu+TfNm(3.15)(2)切削时(工进力矩)，有TGJ=Tc+TfNm(3.16)由于本设计采用电机与滚珠丝杠直连的形式，所以 i=1。由公式(3.12)得:Tc5.03Nm由公式(3.13)得:Tu0.56NmFp=Famax/3=1832.18N由公式(3.14)得:mNiLFTpf077. 0)98. 01 (9 . 014. 32006. 018.1832)1 (22200由公式(3.15)和(3.16)得:TKJ=0.637NmTGJ=5.107N.m3.2.2计算各坐标轴折算到电机轴上的负载惯量计算各坐标轴折算到电机轴上的负载惯量(l) 齿轮、轴、丝杠等圆柱体惯量计算圆柱体转动惯量:82MDJ kgcm2对于钢材:34341078. 01032LDgLDJkgcm2(3.17)太原工业学院毕业设计28式中:M 一圆柱体质量(kg);D 一圆柱体直径(cm);L 一圆柱体长度(cm);一材料比重(N/cm3)，=g;一材料密度(kg/ cm3)，钢材的密度 p=7.8x10-3kg/ cm3;g 一重力加速度 g=980cm/s2。(2) 丝杠折算到电机轴上的转动惯量2iJJsrkgcm2（3.18）式中:Js一丝杠转动惯量(kgcm2);i 一传动比。(3) 折算到电机轴上的移动部件的转动惯量 JL计算2)2(LmJLkgcm2(3.19)式中:m机床执行部件的总质量(kg);L 一电机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离(cm)。(4) 加在电机上总的负载转动惯量 Jd的计算Jd=JR+JLkgcm2(3.20)由公式(3.17)和(3.18)得:Js=0.78D4L10-33.68kgcm2JR=JS=3.68kgcm2由公式(3.19)得:44. 1)14. 326 . 0(248.157)2(22LmJLkgcm2联轴器的转动惯量为3.9kgcm2，由公式(3.20)得:Jd=3.68+1.44+3.9=9.02 kgcm2，3.2.3计算折算到电机轴上的假设力矩计算折算到电机轴上的假设力矩太原工业学院毕业设计291.阶跃加速力矩 Tap的计算)(980602maxdmaapJJtnTkgfcm(3.21)式中:nmax机床执行部件以最快速度运动时电机的转速(r/min);Jm电机的转动惯量(kgcm，);Jd一坐标轴的负载惯量(kgcm2） ；ta一加速时间(s)。由公式(3.21)得:Tap16.08kgfcm1.58Nm2.在切削状态下，进给速度突然变至最大进给速度时的加速力矩 Tat:的计算)(980602dmatat
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