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目录中文摘要，中文关键字-2英文摘要，英文关键字-3第一章 卧式车铣复合加工中心发展概述-4第二章 总体方案设计-14第三章 后立柱进给系统的设计计算-17第四章 后立柱主轴的设计与计算-45第五章 电气原理图的-67第六章 其他-72参考文献-74外文原文-76外文翻译-81致谢摘要本次设计的题目是“卧式车铣复合加工中心后立柱及其进给系统设计”，包括总体方案的比较与制定、后立柱及其进给系统设计、控制电路设计（包括辅助电路及操作系统），后立柱及其进给系统关键零件设计，相关机械部件的校核设计。其中后立柱副动力头传动系统和后立柱纵向进给的设计是核心内容，主要包括：方案比较与制定、变频调速电动机的选择、轴承的选择及轴承寿命的校核、伺服电机的选型，滚珠丝杠的选型等。关键词：卧式车铣复合加工机床 后立柱及进给系统 伺服电机 滚珠丝杠 Abstract Key words: Horizontal turning and milling compound center After pillar and feed system servo motor ball screw 第一章 卧式车铣复合加工中心发展概述一、复合机床的发展概况 复合机床是当前世界机床技术发展的潮流。复合加工在保持工序集中和消除（或减少）工件重新安装定位的总的发展趋势中，使更多的不同加工过程复合在一台机床上，从而达到减少机床和夹具，免去工序间的搬运和储存，提高工件加工精度，缩短加工周期和节约作业面积的目的。这不仅能够满足用户在减少占地面积，减少零件传送和库存，保证加工精度等方面的需求，而且也适应了现代社会的节能减排要求。目前越来越多的复杂零件采用复合机床进行综合加工，复合机床成为各国机床制造商开发的热门产品。 复合机床大体可分为三类：第一类是以车削为主体的复合加工机床，如车铣复合中心、小型五轴车铣复合中心、车铣复合加工单元等；第二类是以铣削为主体的复合加工机床，如五轴棒料加工中心；第三类为车磨复合加工机和倒置式车磨复合中心。先进的复合加工机床用双主轴、双刀架、九轴控制，可实现四至五轴联动，机床可以在一次安装下完成所有车、铣、钻工序加工。 车铣复合加工(后面简称车铣加工)不是单纯的将车和铣两种工艺合并到一台机床上。车铣复合加工运动复杂，影响表面加工质量的因素多(如刀具转速、工件转速、轴向进给量、切削深度、工件直径、刀具直径、刀齿数、工件与刀具的夹角和偏心量、刀具角度等)，而且这些因素的影响又相互耦合，使得车铣复合加工工艺参数选择变得尤为复杂，目前尚未完全揭示出车铣复合加工参数对加工表面质量的影响规律，这在一定程度上影响了车铣复合加工技术的推广和应用。众所周知，一方面车铣复合加工机床售价仍然很高，同时也缺乏相应的工艺技术支持，尽管车铣复合加工具有非常好的加工优势，许多企业还是望而兴叹；另一方面，我国的军工企业进口的高档车铣复合加工中心，由于缺乏丰富的车铣工艺技术支持，未能充分发挥出车铣复合加工装备的优势。因此研究车铣复合加工工艺技术不仅意义重大，而且具有广阔的应用前景。 与其它科学技术一样，车铣技术的产生和发展与生产实践是分不开的。高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势，近几年来，在实用化和产业化等方面取得可喜成绩。主要表现在： 1. 机床复合技术进一步扩展随着数控机床技术进步，复合加工技术日趋成熟。包括铣-车复合、车铣复合、车-镗-钻-齿轮加工等复合，车磨复合，成形复合加工、特种复合加工等，复合加工的精度和效率大大提高。“一台机床就是一个加工厂”、“一次装卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。 2.智能化技术有新突破数控机床的智能化技术有新的突破，在数控系统的性能上得到了较多体现。如：自动调整干涉防碰撞功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测和自动补偿学习功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。 3.机器人使柔性化组合效率更高机器人与主机的柔性化组合得到广泛应用，使得柔性线更加灵活、功能进一步扩展、柔性线进一步缩短、效率更高。机器人与加工中心、车铣复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激光加工机床、水切割机床等组成多种形式的柔性单元和柔性生产线已经开始应用。二、车铣复合加工中心的发展车铣复合加工中心是将车削中心和加工中心的加工特点集于一台机床之上， 一次装夹进行多工序完全加工（DONE IN ONE），能为用户带来提高加工效率、降低零件加工成本和提高加工精度等好处。所以，这种机床一经问世，就很受用户欢迎，发展迅速。我们从近几届展览会上可以看出，复合加工中心展品是越来越多，技术和工艺水平也越来越高，形式也呈多样化。车铣复合加工机床上有立、卧两种形式；加工特点分为：1）以车削为主，如：台湾崴立的VTC1600、杭州友佳的HT30sy；2）以铣削为主，如：沈阳一机的HTM40100h、齐重数控的HDVTM160和大连机床的VHT800。以铣削为主的铣车复合加工中心均为多轴五联动机床。产品各具特点：根据不同的用户群和零件加工需要，机床的结构形式和加工性能也有所不同。沈阳一机的HTM40100h和大连机床的VHT800是在五轴联动加工中心的基础上增加了车削功能；江苏新瑞LWV600、齐重数控的HDVTM160和中传重机的DVMT40则是在立式车削中心的基础上增加了铣削功能。由于用户多为航天航空、军工、船舶等领域，对于零件的加工精度要求很高，因此这些设备在加工精度和精度保持性方面下了很大的功夫，如：大连科德的CXK50和CXK65的定位精度达到了0.006mm，重复定位精度0.003mm，为以上同类产品中精度最高的。三、车铣复合加工中心的发展趋势车铣复合加工技术的先进理念就是提高产品质量和缩短产品制造周期，是一种集成了现代先进控制技术、精密测量技术和CAD/CAM应用技术的先进机械加工技术。该技术提供了一种完善的加工解决方法：一次装夹可实现零件多个表面或复杂形面的加工，大大简化了工件装夹和刀具系统的复杂性，减少了夹具和非生产时间。它不仅能够满足用户在提高生产效率，保证加工精度，减少零件传送和库存，减少占地面积等方面的需求，也符合现代社会的节能减排要求，其工艺范围之广和能力之强，已成为当今复合加工机床的佼佼者，是当前世界范围内最先进的机械加工设备之一。航空航天、军工、船舶产品的制造领域一直是先进制造技术发挥作用的重要舞台，车铣复合加工技术在这些领域的应用具有很大的优势，特别是对一些形状复杂的异形零件的加工优势更为凸显。随着航空航天、军工、船舶领域产品的更新换代速度日益加快，工序分散的加工设备将会被工序集中的柔性、自动化设备所取代，这为车铣复合加工中心提供了更为广阔的发展和应用空间。由此可见，车铣复合加工中心技术的应用会越来越广泛，并朝着更高的精度、更高的效率、更广的工艺范围和模块化方向发展。四、车铣复合加工特点 车铣复合加工是利用铣刀旋转和工件旋转的合成运动来实现对工件的切削加工，使工件在形状精度、位置精度、表面粗糙度及残余应力等多方面达到使用要求一种先进切削加工方法。它不是车削与铣削的简单结合，而是在当今数控技术得到较大发展的条件下产生的一种高新切削技术。 车铣复合加工包括铣刀旋转、工件旋转、铣刀轴向进给和径向进给四个运动。铣刀的旋转运动是主切削运动。切削速度由铣刀旋转速度和工件旋转速度共同决定，其中铣刀旋转速度是决定切削速度的主要因素，特别是在高速车削加工中，工件旋转速度对切削速度的影响可以被忽略。切削的进给速度由工件旋转速度、铣刀轴向进给速度和径向进给速度三个基本速度共同决定，其中工件旋转速度对进给速度的影响远大于其它两个速度。工件旋转产生的切向线速度即为铣刀的周向速度，它的大小等于工件的转速与工件周长的乘积；铣刀的轴向进给速度等于工件的转速与铣刀在工件每转时沿上件轴向移动的距离的乘积。铣刀的直线进给运动根据不同加工的需要可采用轴向进给或径向进给运动。 车铣复合加工不是单纯的将车和铣两种加工手段合并到一台机床上，而是利用车铣台成运动来完成各类表面的加工。依据工件旋转轴线与刀具旋转轴线相对位置的不同，车铣加工主要可分为轴向车铣、正交车铣以及一般车铣。依据工件和刀具旋转相对方向不同，它们又都分为顺铣和逆铣曲种不同的形式。其中轴向车铣和正交车铣是应用范围最广泛的两类车铣加工方法(图a)，它们分别有各自的特点和局限性。轴向车铣由于铣刀与工件的旋转轴线相互平行，因此它不但可以加工外圆表面，也可以加工内孔表面。但由于它们的旋转轴线相互平行，如铣刀直径小于其主轴箱体径向尺寸时，就限制了铣刀的纵向行程，这种情况下不适宜用轴向车铣加工轴向行程较长的外圆表面或较深的内孔表面。与此相反，如铣刀直径大于其主轴箱体径向尺寸时，轴向车铣也可进行外圆和深孔内表面的车铣加工。正交车铣由于铣刀与工件的旋转轴线相互垂直，它不与其它传统切削方法一样，并不是所有零件的切削加工都适用于车铣复合加工，它只是在一些特定条件下能够充分发挥它的加工优势。 (a)轴向车铣示意图 (b)正交车铣示意图 图1 车铣加工不同加工方式示意图作为一种先进的金属切削方法，其主要优点为：(1)车铣复合加工属于间断切削，间断切削使刀具有充足的冷却时间，因此无论加工何种材料，刀具切削温度相对较低。(2)与传统车削相比，车铣复合加工极易实现高速切削，因此高速切削的一切优点可在车铣复合加工中得以体现。如切削力比传统切削可下降30，切削力的下降就意味着引起工件变形的径向力的明显下降，这有利于提高薄壁件和细长件加工的形状精度。同时由于切削力较小，机床和刀具承受的负荷小，也有利于机床精度的保持。(3)由于车铣复合加工的切削速度是由工件和刀具的回转运动共 同合成的，因此不需要使工件高速旋转也能实现高速切削，有利于对大型工件进行高速切削。尤其对于大型锻件毛坯，工件的超低速旋转将消除因工件偏心而引起的振动，这些特点使得此类工件的切削过程十分平稳，有利于减少被加工件的形状误差。(4)工件转速相对较低，加工薄壁件时几乎没有由于离心力产生的变形。(5)当采用高速车铣时，切削变形过程主要是绝热剪切，故切屑和刀具带走热量较多，因此工件温度相对较低，热变形小。(6)使用较大的纵向进给也能得到较小的表面粗糙度。 (7)车铣复合加工机床可以使所加工的工件在一次装夹中完成几乎所有的车、铣、钻、镗等工序，不需更换机床，大大缩短生产周期，防止了重复装夹误差。(8)当车削长而细且中间无支撑的零件时，采用车铣加工可以大大减少零件发生的弯曲变形。(9)车铣复合加工使用多刃刀具进行切削，其易断屑和排屑，刀具磨损小，这对新型难加工材料、大型回转体毛坯(如大型轧辊)的加工十分有益，省去了多次换刀的麻烦。(10)对于微小零件采用车铣加工，很好的解决了微细轴加工时切削速度低的问题，也为基于微小型回转体零件的完整加工提供了可行方案。 虽然车铣复合加工有诸多优点，但目前还存在一些缺点：(1)车铣复合加工工艺在国内还不成熟，影响加工效果。在车铣加工中，影响加工表面粗糙度的因素比较多，如刀具的轴向进给量、刀具于工件的转速比、刀具半径与齿数、刀具的偏心量、吃刀深度等，要全面掌握这些参数的影响规律难度大。(2)由于对车铣复合加工工艺没有完全掌握，为了保证加工质量，实际加工中往往使工件转速较低，刀具进给速度慢，导致加工效率低、生产成本增加，从而严重影响了车铣复合加工技术的应用推广。第二章 总体方案设计2.1车铣复合机床运动形式分析：对于车削功能：切削运动辅助运动立柱的快速移动，工件的夹紧和松开，冷却、润滑液的开关等。此外，在车六方刀架上安装动力头及钻头和镗刀，再配合刀架的适当转位，即可实现钻孔和镗削功能。对于铣削功能：铣削运动辅助运动立柱的快速移动，工件的夹紧和松开，冷却、润滑液的开关、以及自动换刀装置的取刀和换刀等。2.2整体方案的比较该机床具有双车削动力头和双铣削动力头，其中主车削动力头主要进行毛胚件的初步粗加工，副动力头主要完成零件的精密加工，主刀架刀具具有自动换刀功能，可实现车铣一体化，副刀架可进行工件端面或圆周面的辅助加工。下图是满足该机床功能的方案图：1、主动力头变频电机；2、皮带轮；3、主轴箱；4、主卡盘；5、主动力刀架；6、前立柱；7、刀库；8、副卡盘；9、操控面板；10、多刀位回转刀架；11、副动力头变频电机；12、副主轴箱；13、床身；14、电控柜；15、前立柱纵向进给系统；16、副动力头纵向进给系统；17、多刀位刀架纵向进给系统。 该方案整体加工能力强，操控方便，并且采用两个主轴，增强了机床的性能。主卡盘采用四抓单动卡盘，夹紧力大，夹紧可靠，可进行毛胚件的初步粗加工；副卡盘为三抓卡盘，可实现自定心加工，加工精度高。由各方面的考虑，故将此方案作为此次设计的原型。第三章 后立柱进给系统的设计计算3.1数控机床进给系统的结构与组成 进给伺服系统由伺服驱动装置、位置检测元件及位置调节器等组成,如下图3.1所示.伺服驱动装置包括伺服电机及控制单元.位置检测元件起着测量和反馈两个作用,它发出的信号已传送给位置调节器从而构成闭环控制.机械传动装置的作用是传递和转换进给伺服电动机的运动,并带动工作台移动包括减速器、滚珠丝杠副机构等 。 图3.1 数控机床进给伺服系统3.2进给伺服系统的控制方式 根据进给伺服系统实现自动调节方式的不同,可以分为开环控制与闭环控制.闭环控制方式通常是具有位置反馈的伺服系统。根据位置检测装置所在位置的不同，闭环系统又分为半闭环系统和全闭环系统。 半闭环系统具有将位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴端两种类型。前者把丝杠包括在位置环内，后者则完全置机械传动部件于位置环之外。 全闭环系统的位置检测装置安装在工作台上，机械传动部件整个被包括在位置环之内。开环系统的定位精度比闭环系统低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉。由于影响定位精度的机械传动装置的磨损、惯性及间隙的存在，故开环系统的精度和快速性较差。 全闭环系统控制精度高、快速性能好，但由于机械传动部件在控制环内，所以系统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数，而且还与机械传动部件的刚度、阻尼特性、惯性、间隙和磨损等因素有很大关系，故必须对机电部件的结构参数进行综合考虑才能满足系统的要求。因此全闭环系统对机床的要求比较高，且造价也较昂贵。闭环系统中采用的位置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。数控机床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。交流伺服电机由于具有可靠性高、基本上不需要维护和造价低等特点而被广泛采用。33伺服进给系统机械传动机构设计的一般要求 伺服进给系统机械传动机构是指将电动机的旋转运动，变为工作台或刀架的运动的整个机械传动链，包括引导和支撑执行部件的导轨、丝杠螺母副、齿轮齿条副、蜗杆副、齿轮或齿链副及其支撑部件等。由于进给传动系统的精度、灵敏度、稳定性直接影响了数控机床的定位精度和轮廓加工精度，因此，在机械传动机构的设计中应满足下列要求：(1)提高传动部件的刚度 一般来说，数控机床的直线运动的定位精度和分辨率都要达到微米级，回转的定位精度和分辨率都要达到角秒级，如果传动部件的刚度不足，必然会导致传动部件产生弹性变形，工作台产生爬行、振动和反向死区，影响系统的定位精度、动态稳定性和响应的快速性。关于机械传动机构的传动刚度，主要取决于丝杠螺母副、蜗杆副及其支撑结构的刚度。缩短传动链、合理选择丝杠以及丝杠螺母副的支撑部件等，施加预紧力是提高传动刚度的有效途径。(2) 高谐振为了提高系统的抗振性，应使机械传动部件具有高的固有频率和合适的阻尼，一般要求机械传动系统的固有频率应高于伺服驱动系统固有频率的23倍。(3)摩擦阻力小 为了提高伺服进给系统的快速响应特性，保证其运动平稳、定位准确，除对伺服元件提出要求外，还必须减小运动件的摩擦阻力和动、静摩擦系数之差。机械传动机构的摩擦阻力主要来自丝杠螺母副和导轨。为了减小摩擦阻力，普遍采用滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副、滚动导轨和塑料导轨。(4)减小传动部件的惯量 传动部件的惯量对伺服机构的起动和制动特性都有影响，尤其是处于高速运转的零件，由于对进给系统的加速度要求较高。在驱动电机一定时，传动部件的惯量直接决定了进给系统的加速度，它是影响进给系统快速性的主要因素。因此，在满足系统强度和刚度的前提下，应尽可能减小零部件的重量、直径，以降低惯量，提高快速特性。(5)无间隙 机械传动部件之间的间隙是造成伺服进给系统反向死区的一个主要原因，因此，对传动链的各个环节，如联轴器、齿轮副、蜗杆副、丝杠螺母副及其支撑部件等，均采用消除间隙的结构措施或施加预紧力。34滚珠丝杠螺母副的原理及支撑方式滚珠丝杠螺母传动属于滚动螺旋传动。滚动螺旋传动的滚动体有滚珠和滚子两大类，其应用最广泛的是以滚珠为滚动体的滚珠丝杠螺母传动。滚珠丝杠螺母副作为精密、高效的传动元件在数控机床得到广泛应用，在机械工业、交通运输、航天航空、军工产品等领域应用也很普遍，可作精密定位自动控制、动力传递和运动转换。一 、滚珠丝杠螺母副的原理及特点 滚珠丝杠螺母副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，基结构原理如图31所示：在丝杠和螺母上都有半圆形的螺旋槽，当他们套装在一起时便成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回珠滚道，将数圈螺旋滚道的两端连接成封闭的循环滚道，滚道装满滚珠，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内自转，同时又在封闭滚道内循环，使丝杠和螺母相对产生轴向运动。当丝杠(或螺母)固定时，螺母(或丝杠)即可产生相对直线运动，从而带动工作台或其他移动件作直线运动。滚珠丝杠副具有如下特点：(1)传动效率高滚动摩擦的摩擦损失小，传动效率n=092,-094，是普通滑动丝杠的3-4倍。(2)摩擦力小因其动、静摩擦系数小，故传动灵敏、运动平稳、低速不易爬行，随动精度和定位精度高。(3)可预紧滚珠丝杠副经预紧后可消除轴向间隙，有助于定位精度和刚度的提高，即使反向也没有空行程，反向定位精度高，且传动平稳。(4)定位精度和重复定位精度 (5)有可逆性因滚珠丝杠副摩擦系数小，所以不仅将旋转运动转换为直线运动，也可以将直线运动转换为旋转运动，丝杠和螺母既可作主动件，也可作从动件。(6)使用寿命长滚珠丝杠副采用优质合金钢制成，其滚道表面淬火硬度达6062HRC，表面粗糙度小，而且是滚动摩擦。故磨损很小，使用寿命长。(7)同步性好用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的部件或装置时，可获得较好的同步性。二、滚珠丝杠螺母副的支撑方式 数控机床的进给系统要获得高的传动精度，除了滚珠丝杠副本身的刚度外，滚珠丝杠的正确安装及支撑结构也不容忽视。滚珠丝杠副作为数控机床关键功能部件之一，它的安装形式的优劣很大程度上决定了机床的运动精度和加工精度。在现有机床中，滚珠丝杠的安装方式一般有五种：a、一端固定，一端自由；b、一端固定，一端游动；c、两端游动；d、两端固定；e、丝杠固定，螺母旋转；常见的四种主要支承形式见图32。其各安装方式所适用的加工状况如下：方式a适用于低速回转、丝杠较短的情况；方式b适用于中速回转、高精度的情况；方式c适用于中速回转的情况。方式d适用于高速回转、高精度的情况。 图3-2滚珠丝杠螺母副的支承形式35滚珠丝杠螺母副的预紧和滚珠丝杠的预拉伸 现代数控机床伺服进给系统的机械传动机构设计的一个突出特点是：广泛采用施加预紧力来消除间隙、提高传动刚度从而避免增大传动零件的尺寸，并使传动刚度接近于常数，这给伺服进给系统的调试带来了方便。一、滚珠丝杠螺母副的预紧滚珠丝杠螺母副的预紧是提高滚珠丝杆副的反向传动精度和传动刚度，减小传动系统间隙的重要措施。滚珠丝杠螺母副的预紧常采用各种形式的双螺母机构。为使预紧后的双螺母机构在正向传动链受力运行时，其反向传动链仍保证无间隙出现，则一般要求施加一个合理的预紧力。预紧力过大会造成传动效率的降低、摩擦力增加、磨损增大、使用寿命降低等缺陷。因此，预紧力的大小可通过理论计算求取，计算公式如下：（1） (1)当最大轴向工作载荷不能确定时：式中施加的预紧力预加负荷系数额定动载荷，（LS;预期运行距离（km）；Ph :滚珠丝杆副导程（mm）；Fm：当量载荷（N）;fw：负荷系数；fa：精度系数；fc：可靠性系数）（2） 当最大轴向工作载荷能确定时：式中最大轴向工作载荷二、滚珠丝杠的预拉伸 滚珠丝杠安装时，一定要确保其轴线同与之配套导轨的轴线平行，另一方面要考虑滚珠丝杠温升对滚珠丝杠造成的影响。因为滚珠丝杠运转时，其温度的升高会影响到丝杠的传动精度，因随着滚珠丝杠温度的升高，热应力效应会使滚珠丝杠轴向伸长，这点在高速高精度的机床中影响比较显著。为避免滚珠丝杠因温度的升高而产生的轴向伸长变形造成的影响，我们在安装时采用预拉力来补偿此变形。但过大的预拉力会烧坏支撑轴承，因此，需对预拉力与变形量进行理论计算，其计算公式如下：(假设滚珠丝杠材料为$55C或SCM450、感应热处理硬度为HRC58-62。)滚珠丝杠热变形量式中K-滚珠丝杠线膨胀系数（11.6）-滚珠丝杠温度变化值（C）滚珠丝杠副的有效行程（mm）滚珠丝杠副的预紧力Ft（N）式中E-弹性模量（2.1）d2-滚珠丝杠螺纹底径（mm） 由于过大预拉力会烧坏支撑轴承，在取值上采用温度变化值小于5的预拉值。根据丝杠生产商提供的丝杆温升一工作时间曲线中，发现在滚珠丝杠温度升高5后，温度趋于平稳。滚珠丝杠预拉的结构实现 通过公式(3-3)与(3-4)，我们能把握好滚珠丝杠的变形趋势，针对此情况来设计滚珠丝杠的安装支撑结构，使其结构具有预拉的功能，来消除因温度升高而产生的热变形。与伺服电机直接联接的一端，则采用固定安装结构，使滚珠丝杆的轴向游隙几乎为零。另一端则有三种结构，均能很好的达到其预拉目的，如图3-3所示： 图3-3丝杆预拉伸安装方式 上述三种结构中，图a与图b原理一致，都是采用调整垫片来补偿，不同之处在于采用的润滑方式，图a采用油润滑，而图b采用脂润滑。其工作原理：将各零件均按图装配好后，其丝杠处于自由无拉伸状态，此时将轴承套与床身联接的螺钉松开，用另一垫片替换原有的垫片，要求此垫片比原有的厚，具体尺寸由滚珠丝杠热变形量越尺寸决定，通过锁紧螺母使丝杠达到预拉状态。3.6 总体方案设计为了满足以上参数要求，采取以下技术方案。（1） 床身采用燕尾型导轨。（2） 对滚珠丝杠螺母副进行预紧。（3） 采用伺服电动机驱动。（4） 采用凸缘联轴器将伺服电动机与滚珠丝杠直连。3.7 设计计算一、滚珠丝杠的动载荷计算与直径的估算（1）滚珠丝杠基本导程计算伺服电机一般最高转速为1000r/min或1500r/min。如果伺服电机通过联轴器与丝杠直接连接，即i=1.假设工要求达到V=10m/min，取电机转速1000r/min。,则丝杠的最高转速=1000r/min.L=10mm丝杠基本导程为： 2）计算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力在导轨上的摩擦力。因而其数值的大小与导轨的型式有关，在设计中采用的是加有导轨块的燕尾型导轨，滚珠丝杠的最大载荷为切削时的最大进给力加上摩擦力；而最小载荷为摩擦力。已知最大纵向进给力=4550N，工作台质量m=200kg，采用燕尾型导轨，则：因燕尾型导轨的摩擦因数取0.2，由于采用60倾斜床身，故=60。 丝杠的最小载荷： 丝杠的最大载荷： 当载荷按照单调或周期性单调连续变化时，则可用下式求得轴向工作载荷（平均载荷）和平均转速: 滚珠丝杠最高转速定为1000r/min,假定工作台最小进给速度为1mm/min，则滚珠丝杠的最低转速为：可取为0，则滚珠丝杆的平均转速为：二、计算最大动载荷（1） 选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向载荷作用下，丝杠在回转100万转（106转）后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载，用下式计算选择： 式中 -额定寿命，15000h -丝杠转速，用下式计算 -温度系数，查表3-23，工作温度小于100，取=1 -硬度系数，查表3-24，=1；-精度系数，查表3-25，取=1； -负载性质系数，查表326， =1.0-可靠性系数，查表327，取=0.62，可靠度为95% . （2）滚珠丝杠螺纹小径的计算式中 丝杠公称直径，； 螺纹滚道曲率半径； 偏心距 式中 钢球直径，P为螺距P=10mm，则 式中 ,接触角按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径（3） 根据定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形已知纵向的重复定位精度为5，则取上述计算结果的最小值，即=1（2）估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径 滚珠丝杠螺母的安装方式拟采用两端固定支撑方式，滚珠丝杠螺母副的两个固定支撑之间的距离为: 取 则，其中a 为支撑方式系数，丝杠要求预拉升，取两端固定的支撑形式，a=0.039；所以，d2m33.33mm三、滚珠丝杠螺母副的选型根据以上算得的最大动负载，初步选定型号为FFZD5010-5的滚珠丝杠，其名义直径为,滚珠的排列为5圈2列，额定动载荷为，满足Z轴进给方向的要求。精度等级按机电装备设计课程设计指导书表4-15选为3级。 四、传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率： 式中 -丝杠螺旋升角； -摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数，其摩擦角约等于。由选用的 FFZD5010-5的滚珠丝杠的相关数据可知丝杠螺旋升角=33840代入公式计算得 五、确定滚珠丝杠螺母副支承用轴承的规格型号计算滚珠丝杠的预拉伸力已知滚珠丝杠的螺纹底经为44.3mm，滚珠丝杠的温升变化值，则 （1） 计算轴承所承受的最大轴向载荷（2） 计算轴承的预紧力(3)计算轴承的当量载荷 （4）计算轴承的基本额定动载荷C 已知轴承的工作转速与滚珠丝杠的当量转速相同，为500r/min,轴承的额定寿命L=20000h,轴承所承受的轴向载荷 ，轴承的径向载荷和轴向载荷分别为 因为，所以查表2-25得，径向系数X=1.9，Y=0.54，故 （5）验算轴承的寿命由于轴承是在正常温度下工作，t 37781.9N,故满足要求。 六、滚珠丝杠螺母副的承载能力的校验最大牵引力为 = 3579.87N, 滚珠丝杠的导程=10mm，滚珠丝杠的余程=40mm,丝杠螺纹长度取= 200+202+1380=1640mm,支撑跨度= 1700mm,丝杠的全长 L=1900mm。 （1）滚珠丝杠螺母副的稳定性验算 对已选定尺寸的丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负载时，应验算其有没有产生纵向弯曲（失稳）的危险，产生失稳的临界负载用下式计算： 式中 -丝杠材料弹性模量，对钢; -截面惯性矩,丝杠截面惯性矩 (为丝杠螺纹的底径)；-丝杠两支承端距离；-丝杠的支承方式系数。根据前面的相关数据可知上式中的截面惯性矩： 丝杠两支承端距离，我所选用滚珠丝杠的支承方式是两端固定,则查指导书中的表4-13可知则代入数据算得 =临界负载与最大工作负载之比称为稳定性安全系数 式中 -为许用稳定性安全系数; ，如果则丝杠不致失稳,在我所设计的方案中最大的，则 满足设计要求.(2)滚珠丝杠螺母副额定寿命的校核查附录A得，滚珠丝杠的额定动载荷,轴向载荷=5096.46N，运转条件系数，滚珠丝杠的转速n=1000r./min,根据上式可得 故满足设计要求。 下表为滚珠丝杠副的几何参数表2-1滚珠丝杠的几何参数名称符号公式FFZD5010-5螺纹滚道公称直径50导程10接触角60钢球直径7.144滚道法面半径3.715偏心距0.31螺纹升角33840螺杆螺杆外径49.5螺杆内径43.9螺杆接触直径42.9螺母螺纹直径55.5螺母内径50.83.8计算机械传动系统的刚度一、滚珠丝杠抗压刚度计算 抗压刚度为：式中 滚珠丝杠螺纹小径，； 滚珠丝杠的弹性模量，； 滚珠丝杠的螺母中心之固定端支撑中心之间的距离。当滚珠丝杠的螺母中心至固定支撑中心之间的距离时，丝杠具有最小抗压刚度： 当滚珠丝杠的螺母中心至固定支撑中心之间的距离为160mm时，丝杠具有最大抗压刚度： 二、滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度计算已知滚动体直径，滚动体个数,轴承接触角。轴承最大轴向工作载荷。则滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度为： 三、滚珠丝杠螺母副滚珠和滚道的接触刚度计算查表得,样本滚珠与滚道的接触刚度，滚珠丝杠的额定动载荷。已知滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷 四、进给传动系统综合拉压刚度计算进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为：故。 进给传动系统的综合拉压刚度的最小值为：故 3.9 燕尾型导轨的计算与选择 (1)导轨形式选择机床导轨的功用是起导向及支承作用，它的精度、刚度及结构形式等对机床的加工精度和承载能力有直接影响。为了保证数控机床具有较高的加工精度和较大的承载能力，要求其导轨具有较高的导向精度、足够的刚度、良好的耐磨性、良好的低速运动平稳性，同时应尽量使导轨结构简单，便于制造、调整和维护。数控机床常用的导轨按其接触面间摩擦性质的不同可分为滑动导轨和滚动导轨。在数控机床上常用的滑动导轨有液体静压导轨、气体静压导轨和贴塑导轨。液体静压导轨：在两导轨工作面间通入具有一定压力的润滑油，形成静压油膜，使导轨工作面间处于纯液态摩擦状态，摩擦系数极低，多用于进给运动导轨。气体静压导轨：在两导轨工作面间通入具有恒定压力的气体，使两导轨面形成均匀分离，以得到高精度的运动。这种导轨摩擦系数小，不易引起发热变形，但会随空气压力波动而使空气膜发生变化，且承载能力小，故常用于负荷不大的场合。贴塑导轨：在动导轨的摩擦表面上贴上一层由塑料等其它化学材料组成的塑料薄膜软带，其优点是导轨面的摩擦系数低，且动静摩擦系数接近，不易产生爬行现象；塑料的阻尼性能好，具有吸收振动能力，可减小振动和噪声；耐磨性、化学稳定性、可加工性能好；工艺简单、成本低。而滚动导轨的最大优点是摩擦系数很小，一般为0.00250.005，比贴塑料导轨还小很多，且动、静摩擦系数很接近，因而运动轻便灵活，在很低的运动速度下都不出现爬行，低速运动平稳性好，位移精度和定位精度高。滚动导轨的缺点是抗振性差，结构比较复杂，制造成本较高。;(2)导轨截面选择三角形导轨导向精度高,不会产生间隙能自动补偿磨损,水平力大于垂直力,两侧压力健在不均时采用不对称导轨.矩形导轨承载能力大,制造简便但必须留有侧面间隙,磨损后不能自动补偿需用镶条调整各面间隙.燕尾形导轨尺寸紧凑,适用于高度小层次多的部件,刚度不如矩形导轨,不适于 承受大的力矩.根据以上分析结合机床要求选择导轨截面为燕尾型。一、燕尾型导轨副的额定寿命(1)导轨的额定动载荷的计算：由于要计算额定动载荷首先需要计算出作用在燕尾导轨副上的载荷,由资料文献，以及设计任务中指出了，。则根据设计任务要求，床身有四个滑块，故运动导轨的当量载荷 Fmax=F1=F2=F3=F4=额定寿命计算其计算公式如下： 式中 -额定寿命； -额定动载荷； -计算载荷；-温度系数；运行时的温度小于100查相关资料可的；-接触系数；导轨上的滑块数为2查相关资料-精度系数；精度等级为4级查相关资料-载荷系数；-硬度系数；滚道硬度不得低于HRC58故通常取使用寿命按每年工作300天，每天两班，每班8小时，开工率0.8计算 代入公式计算得：= =18432h(2)寿命时间的计算 故满足设计要求。一、转动惯量的计算(1）丝杠的转动惯量计算 由于用交流伺服电机则省去了齿轮的传动比，以及齿轮的转动惯量的计算所以只要计算丝杠本身的转动惯量即可，虽然丝杠上有阶梯但为了计算方便按一个圆柱体来计算它的转动惯量，而且丝杠与交流伺服电机直接相连则传动比可近似为一，下面首先计算丝杠的转动惯量，公式如下： 式中 -圆柱体直径； -圆柱体长度或原度； -钢材的密度在我以上所设计的零件中可知丝杠的公称直径5cm，把丝杠近似的看成一个圆柱体则，考虑到我的任务书中的尺寸比较大，对与丝杠支撑端以外的丝杠对总体的影响较小所以忽略不记，则取。根据以上的数据代入公式算得= (2)工作台折算到丝杠上的转动惯量其公式为：式中 -工作台重量；， -重力加速度（9.8m/s2）； -丝杠导程 ;cm代入公式 （3）计算联轴器折算到电动机轴上的移动部件计算联轴器加载锁紧螺母等的转动惯量 查阅手册可知，(4)丝杠传动时传动系同折算到电机上的总的转动惯量其求解公式： 式中 -丝杠的转动惯量； -工作台折算到丝杠上的转动惯量代入公式 =82.875+0.0012+0.0001 =82.90考虑到电机传动系统匹配问题：选型号FANUC 22/3000i交流伺服电动机额定力矩22Nm最大转速3000r/min。 即选型号FANUC 22/3000i交流伺服电动机额定力矩22Nm最大转速3000r/min。二、电机的力矩的计算 电机的负载力矩在各种工况下是不同的，下面分别对快速空载起时所需要的力矩、快速进给时所需要的力矩、最大切削负载时所需要的力矩等几部分进行计算。(1)快速空载起动时所需力矩 式中 -快速空载起动力矩； -空载起动时折算到电机上的加速力矩； -折算到电机轴上的摩擦力矩； -由于丝杠欲紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩其中 式中 -传动系统折算到电机轴上的总的等校转动惯量； -电机的最大转速； -运动部件动停止起动加速到最快进给速度所需时间 ;代入上式 切削状态下坐标轴的轴向负载力,电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动距离L=10mm，进给传动系统的总效率为n=0.90，则 折算到电机轴上的摩擦力矩： 计算滚珠丝杠的预紧力而产生的负载力矩 滚珠丝杠螺母副的预紧力附加摩擦力：式中 -滚珠丝杠预加负荷，一般取，为进给牵引力；-滚珠丝杠导程；-滚珠丝杠未预紧时的传动效率；=0.956代入算得 根据上面的计算结果可得 比初选的电机的最大转矩小,符合设计要求。 (2)快速进给时所需力矩： 比初选电机的额定转矩小，符合要求。 (3)最大切削时所需力矩： 其与电机的额定转矩比较，小于额定转矩，故电动机合乎设计要求。通过以上的演算可知，初选的电机合乎设计要求，故选用以上电动机。第四章 后立柱主轴的设计与计算 该复合加工中心后立柱装置属于大型数控加工装置，主轴通孔直径100mm，主传动系统的主要参数有动力参数和运动参数。动力参数是指主运动驱动电动机的功率；运动参数是指主运动变速范围。根据数控装置的加工工艺、加工对象、所要求的精度、成本及生产周期并结合国内外机床发展现状确定主要技术指标。4.1动力参数确定传动中个传动件的尺寸要根据传动功率来确定。传动功率过大，使传动件尺寸粗大，电动机常在低负载下工作，功率因数小而浪费能源；功率过小将限制车床切削加工能力而降低生产效率。因此需合理确定主传动功率。但由于实际加工过程切削用量变化范围大、传动件之间的摩擦等不确定因素，用理论计算方法来确定主传动功率尚有困难，可通过类比、统计方法相互比较来确定。一、最高转速的确定已知条件：。二、主切削力的确定查阅金属切削手册知，以硬质合金刀具车削合金结构钢为例，数控车床有代表性的主切削力的切向分力大约在2500左右，切削速度取30-80r/min，故取 三、主电机功率的确定及，其中主传动链的功率效率=0.70.85， 数控装置多采用调速电动机和较短的机械传动链，效率较大，因此取=0.75计算得 四、主轴计算转速的确定由切削原理知主运动为直线运动的机床，主运动为恒转矩运动；主运动为旋转运动的机床，主运动为恒功率运动。低速主轴转速小，不需传动电动机的全部功率。我们把机床能传递全部功率的最低转速称为