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示教型雕铣机的设计【优秀机械设备全套课程毕业设计含9张CAD图纸】

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关键词：: 示教型雕铣机机械设计机械设备毕业设计雕铣机

资源描述：

数控模具雕铣机的设计

小型示教型雕铣机设计

示教型雕铣机的设计【优秀机械设备全套课程毕业设计含9张CAD图纸】

【35页@正文12200字】【详情如下】【需要咨询购买全套设计请加QQ1459919609】

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摘要

本文调查研究了示教型雕铣机的发展和国内雕铣机的发展现状。介绍数控雕铣机床的设计过程，包括机床总体方案设计、主传动系统设计和Z向进给传动系统的机械结构设计。在主传动系统设计中，主要分析了主轴安装座的机械机构。进给传动系统中主要分析了丝杠、导轨的安装，以及相关固定和支承。计算主要有两个方面：对滚珠丝杠和步进电机的选择计算和校核。

关键词雕铣机床；滚珠丝杠；直线滚动导轨

Abstract

This study investigated the development of type teach engraving and milling machine engraving and milling machine and the development of the domestic status quo. CNC engraving and milling machine introduced the design process, including the overall machine design, the main transmission system design, and Z to the feed drive system of the mechanical structure design. In the main drive system design, the main analysis of the mechanical mounting spindle organization. Feed drive system in the main analysis of the screw, guide rail installation, and related fixed and supported. There are two main aspects of computing: the choice of ball screw and stepper motor calculation and verification.

Keywords engraving and milling machine ball screw linear motion guide

摘要I

AbstractII

1绪论2

1.1示教型雕铣机课题介绍2

1.2小型示教型雕铣机的特点及现状2

1.2.1 国内数控雕铣机的发展和现状2

1.2.2 典型数控雕铣机的介绍3

1.3示教型雕铣机的主要技术参数5

2示教型雕铣机总体布局设计方案6

2.1机床总体布局设计6

2.2 设计方案分析6

3各轴系统的设计方案8

3.1 Z向主传动系统的方案设计8

3.2 进给系统方案设计8

3.2.1 滚珠丝杠副的选择8

3.2.2 滚珠丝杠的支承结构9

3.2.3 支承轴承的选择10

3.2.4 滚珠丝杠的制动装置10

3.2.5 步进电机与进给丝杠的联结结构10

3.2.6 导轨11

4主轴系统零部件的计算与校核12

4.1 主轴系统的重力计算12

4.2 主轴铣削力计算12

4.3 滚珠丝杠副的选择计算13

4.4 进给伺服电机功率的计算及选择20

5电气部分设计25

5.1 硬件部分电路设计25

5.2 80C51外部电路扩展25

5.3控制系统总体设计26

结论28

致谢29

参考文献30

1绪论

1.1示教型雕铣机课题介绍

随着微电子技术的突飞猛进，直接推动微型计算机的急剧发展。微电子技术和微型计算机技术带动整个高科技群体飞速发展，从而使雕铣机的发展有了质的飞跃。使其完成了从二维到三维加工技术的变革。随着生活水平的不断提高，人们对产品的性价比也越来越高，这就对雕铣机的研制提出了更苛刻的要求。因此，功能完善，性能稳定，造型美观并且价格合理的产品是我们不懈的追求。

雕铣机引入教学领域，使教与学更生动、有趣，学生更容易接受那些抽象的东西，便于提高数控技术课程的教学效果。因此，本课题拟设计一款价格低廉，功能完善的雕铣机用于教学演示。

1.2小型示教型雕铣机的特点及现状

示教技术是随着数控技术发展起来的，目前，对示教系统的性能及精度等方面都提出了较高要求。现在市面上的雕铣机主要有以下几特点：

1.应用PC机的强大计算功能，将刀补、译码、插补、加减速控制等放在PC上解决。最后PC上形成的是各种步进电机的控制脉冲。

2.应用PC机的并口直接输出各向步进电机的控制脉冲，以控制工作台的移动。

3.步进电机的驱动采用集成的驱动芯片。

4.通过限位开关以及各运动方向的开关来保证雕铣机的安全工作。

示教型雕铣机是一款模拟经济实用的高精密数控雕铣设备，该款设备主要模拟雕铣机的运动，实现简单的示教雕铣功能。

1.2.1 国内数控雕铣机的发展和现状

随着家具制造业、广告招牌业、模具业的发展，尤其是模具业对表面加工要求的提高，以及传统电火花加工的不足，最近的一两年综合铣削与高速雕刻优点的CNC雕铣机在国内有了较大的发展。

2007年我国的雕铣机产业产能已经超过11000台/年,产值超过15亿RMB。目前雕铣机的生产主要以广东、北京、浙江三大板块主导。国内几家著名的数控机床厂在这个领域里面都有较好的成绩。比如北京精雕、广东佳铁、南京四开、上海洛克等都是国内著名的数控雕铣机厂家。在雕刻CAD/CAM技术、CNC数控技术、精密雕刻机设计技术工艺等领域取得了重大的突破，并真正实现了先进技术向产业化的转化。

参考文献

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内容简介：: 图书分类号：密级：毕业设计 (论文 ) 示教型雕铣机设计 The design of teaching-based carving and milling machine 学生姓名陈珅学院名称机电学院专业名称机械设计制造及其自动化指导教师张佐营 2011 年 5 月 27 日 nts徐州工程学院毕业设计 (论文 ) I 徐州工程学院学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名：日期：年月日徐州工程学院学位论文版权协议书本人完全了解徐州工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归徐州工程学院所拥有。徐州工程学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。徐州工程学院可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名：导师签名：日期：年月日日期：年月日 nts徐州工程学院毕业设计 (论文 ) I 摘要本文调查研究了示教型雕铣机的发展和国内雕铣机的发展现状。介绍数控雕铣机床的设计过程，包括机床总体方案设计、主传动系统设计和 Z 向进给传动系统的机械结构设计。在主传动系统设计中，主要分析了主轴安装座的机械机构。进给传动系统中主要分析了丝杠、导轨的安装，以及相关固定和支承。计算主要有两个方面：对滚珠丝杠和步进电机的选择计算和校核。关键词雕铣机床；滚珠丝杠；直线滚动导轨 nts徐州工程学院毕业设计 (论文 ) II Abstract This study investigated the development of type teach engraving and milling machine engraving and milling machine and the development of the domestic status quo. CNC engraving and milling machine introduced the design process, including the overall machine design, the main transmission system design, and Z to the feed drive system of the mechanica l structure design. In the main drive system design, the main analysis of the mechanical mounting spindle organization. Feed drive system in the main analysis of the screw, guide rail installation, and related fixed and supported. There are two main aspects of computing: the choice of ball screw and stepper motor calculation and verification. Keywords engraving and milling machine ball screw linear motion guide nts徐州工程学院毕业设计 (论文 ) I 目录摘要 . I Abstract .II 1 绪论 . 2 1.1 示教型雕铣机课题介绍 . 2 1.2 小型示教型雕铣机的特点及现状 . 2 1.2.1 国内数控雕铣机的发展和现状 . 2 1.2.2 典型数控雕铣机的介绍 . 3 1.3 示教型雕铣机的主要技术参数 . 5 2 示教型雕铣机总体布局设计方案 . 6 2.1 机床总体布局设计 . 6 2.2 设计方案分析 . 6 3 各轴系统的设计方案 . 8 3.1 Z 向主传动系统的方案设计 . 8 3.2 进给系统方案设计 . 8 3.2.1 滚珠丝杠副的选择 . 8 3.2.2 滚珠丝杠的支承结构 . 9 3.2.3 支承轴承的选择 . 10 3.2.4 滚珠丝杠的制动装置 . 10 3.2.5 步进电机与进给丝杠的联结结构 . 10 3.2.6 导轨 . 11 4 主轴系统零部件的计算与校核 . 12 4.1 主轴系统的重力计算 . 12 4.2 主轴铣削力计算 . 12 4.3 滚珠丝杠副的选择计算 . 13 4.4 进给伺服电机功率的计算及选择 . 20 5 电气部分设计 . 25 5.1 硬件部分电路设计 . 25 5.2 80C51 外部电路扩展 . 25 5.3 控制系统总体设计 . 26 结论 . 28 致谢 . 29 参考文献 . 30 nts徐州工程学院毕业设计 (论文 ) - 2 - 1 绪论 1.1 示教型雕铣机课题介绍随着微电子技术的突飞猛进，直接推动微型计算机的急剧发展。微电子技术和微型计算机技术带动整个高科技群体飞速发展，从而使雕铣机的发展有了质的飞跃。使其完成了从二维到三维加工技术的变革。随着生活水平的不断提高，人们对产品的性价比也越来越高，这就对雕铣机的研制提出了更苛刻的要求。因此，功能完善，性能稳定，造型美观并且价格合理的产品是我们不懈的追求。雕铣机引入教学领域，使教与学更生动、有趣，学生更容易接受那些抽象的东西，便于提高数控技术课程的教学效果。因此，本课题拟设计一款价格低廉，功能完善的雕铣机用于教学演示。 1.2 小型示教型雕铣机的特点及现状示教技术是随着数控技术发展起来的，目前，对示教系统的性能及精度等方面都提出了较高要求。现在市面上的雕铣机主要有以下几特点： 1.应用 PC 机的强大计算功能，将刀补、译码、插补、加减速控制等放在 PC上解决。最后 PC 上形成的是各种步进电机的控制脉冲。 2.应用 PC 机的并口直接输出各向步进电机的控制脉冲，以控制工作台的移动。 3.步进电机的驱动采用集成的驱动芯片。 4.通过限位开关以及各运动方向的开关来保证雕铣机的安全工作。示教型雕铣机是一款模拟经济实用的高精密数控雕铣设备，该款设备主要模拟雕铣机的运动，实现简单的示教雕铣功能。 1.2.1 国内数控雕铣机的发展和现状随着家具制造业、广告招牌业、模具业的发展，尤其是模具业对表面加工要求的提高，以及传统电火花加工的不足，最近的一两年综合铣削与高速雕刻优点的 CNC 雕铣机在国内有了较大的发展。 2007 年我国的雕铣机产业产能已经超过 11000 台 /年 ,产值超过 15 亿RMB。目前雕铣机的生产主要以广东、北京、浙江三大板块主导。国内几家著名的数控机床厂在这个领域里面都有较好的成绩。比如北京精雕、广东佳铁、南京四开、上海洛克等都是国内著名的数控雕铣机厂家。在雕刻 CAD/CAM 技术、CNC 数控技术、精密雕刻机设计技术工艺等领域取得了重大的突破，并真正实现nts徐州工程学院毕业设计 (论文 ) - 3 - 了先进技术向产业化的转化。 1.2.2 典型数控雕铣机的介绍北京精雕 -睿雕系列 Carver600G_U 北京精雕生产的睿雕 Carver600G_U 机械性能参数指标见表 1-1。模型见图1-1。表 1-1 Carver600G_U 机械性能参数指标主要性能指标项标准值工作台尺寸 700 650mm X、 Y、 Z 轴工作行程 600 500 300mm 快速移动速度 10m/min 主轴转速 2100-24000rpm 最高切削进给速度 6m/min X/Y/Z 轴运动定位精度 0.008/300mm X/Y/Z 轴重复定位精度 0.005mm 机床外形尺寸 2042 1890 2144mm 图 1-1 Carver600G_U 模具雕刻机特点及应用： Carver600G_U 在合理的工艺方法下，最大可以使用 16 的刀具进行加工。 Carver600G_U使用精雕最新的 JD45数控系统，各轴快速移动速度达 10m/min,进给速度达 6m/min；配备手轮，操作方便、控制平稳。 nts徐州工程学院毕业设计 (论文 ) - 4 - Carver600G_U 适合中小型注塑模具、紫铜电极、铝合金产品以及非金属材料等产品的加工。上海洛克 MEII-4540 模具雕刻机上海洛克生产的 MEII-4540 模具雕刻机技术参数见表 1-2。模型见图 1-2。表 1-2 MEII-4540 模具雕刻机技术参数表主要性能指标项标准值工作台尺寸 510x500mm 最大雕刻尺寸 (X、 Y、 Z) 450x400x145mm 高雕刻速度 4.0 m/min 主轴电机 2200 W 主轴电机最高转速 24000 r/min 刀柄直径 4、 6、 3.175 mm 外型尺寸 1310x1330x1700 mm 图 1-2 MEII-4540 模具雕刻机特点及应用： 2003 年最新推出的新型模具雕刻机 ,机身采用双立柱龙门式结构 ,装夹进料都十分方便 .采用德国原装滚珠丝杆 ,进口矩形直线导轨副 ,精密细分驱动系统 ,满足模具加工所需要的刚性和精度要求 ,2.2kw 意大利变频电主轴使此款模具雕刻机拥有更大的切削率。 nts徐州工程学院毕业设计 (论文 ) - 5 - 特别适用于注塑模 ,冷冲模等各种钢模以及滴塑模、烫金模、紫铜电极等铜模的制作加工。通过上述两台同类型数控雕铣机性能的综合比较。目前，国内雕铣机的最大主轴转速一般都在 24000r/min、主轴电机功率在 2.2KW左右、最高切削速度在 46m/min 之间。 1.3 示教型雕铣机的主要技术参数示教型雕铣机的主要技术参数见表 1-3 表 1-3 示教型雕铣机的主要技术参数名称参数工作台尺寸（ X/Y） 278 270mm 最大行程 (X/Y/Z) 150 200 50mm 最大工件尺寸（ X/Y/Z） 160 200 120mm 最大刀具直径（ Er20） 6mm 最大进给速度 5m/min 主轴电机功率 400KW 主轴转速范围 0 3000r/min 分辨率 0.001mm/脉冲定位精度 0.1mm 重复定位精度 0.05mm 外型尺寸（长 /宽 /高） 600 400 500 机器总功率 1 KW 机器轴联动数 3 nts徐州工程学院毕业设计 (论文 ) - 6 - 2 示教型雕铣机总体布局设计方案 2.1 机床总体布局设计数控模具雕铣机是一种高效率、多功能的中小型经济型数控加工设备。它集雕刻与铣削功能为一体，既保证了铣削小型工件所需要的低转速、大功率输出、又具备了雕刻所需要高转速的双重要求。数控雕铣机主要用于较小铣削量或软金属材料的工件的加工。不但要求加工精度较高，而且要求实现高速切削，其主轴转速高达 3000r min 左右。其移动部件不但要刚性好，而且要尽可能轻巧，以保证其灵活性。对数控系统，要求其具有高的速度和极好的伺服电机特性。对于数控雕铣机，从机械的角度分析，其结构应满足：非移动部件刚性要好，移动部件在保证其具有良好刚性的前提下，尽可能轻巧，灵活性要好。要从机械上满足既轻巧又刚性好的要求，关键在于机械结构的合理设计上。理论设计上，示教型雕铣机的总体结构布局见图 2-1 所示。图 2-1 示教型雕铣机的总体结构布局 2.2 设计方案分析本设计中，数控雕铣机选用立式结构。立式结构工作台在水平面内，工件的安装调整比较方便。工作台由导轨支撑，刚性好，切削平稳。立式机床床的加工精度高。一直是高速切削设备的首选结构。本机床总体布局采用立式铣床结构，nts徐州工程学院毕业设计 (论文 ) - 7 - 为克服不良力矩的问题，尽量加宽了 X、 Y、 Z 三向的两根直线滚动导轨之间的跨距，从整体布置上有效保证了机床的刚性。因铸铁具有良好的稳定性、吸振性和耐冲击性，可使床身的结构强度和刚性有显著提高，故本机床整体式床身底座采用铸铁铸造而成。它为箱形结构，内部筋板采用米字型筋配合的网状结构，确保了对 Y轴工作台和立柱的刚性支承，使机床动态加工的稳定性可达最好。因机床的刚性主要用于克服移动部分在高速移动时对非移动部分的强大冲击，所以导轨和丝杆在设计时应尽量要求粗一些，以加强刚性。由于采取了这些措施，所设计的数控雕铣机的最大优点是能进行比较细小的加工，加工精度比较高，对软金属可进行高速切削。 nts徐州工程学院毕业设计 (论文 ) - 8 - 3 各轴系统的设计方案 3.1 Z 向主传动系统的方案设计主运动方案通常有两种 :一是直接采用专用的雕铣刀头 ,二是采用直流电机带动的主轴机构。专用的雕铣头的优点虽很多，但是必须配以与之配套的变频调速装置，价格相对昂贵。因此，从经济性的角度出发，采用直流电机带动主轴机构。直流电机具有以下特点 : 1.调速范围宽其转子转速可在宽广的范围内连续调节并稳定运行。 2.特性呈线性不论机械特性还是调节特性都呈现良好的线性度。即在整个调节范围内，转速随转矩的变化关系或是转速随控制电压的变化关系都是线性的。 3.快速反应在输入控制信号的作用下，转子能迅速地反应动作，时间常数小。故选用直流电机带动主轴机构的方案。直流电机通过弹性夹头直接与刀具连接。 3.2 进给系统方案设计在数控机床中，为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常需满足低摩擦、低惯量、高精度、无间隙，高谐振以及有适宜阻尼比的要求。机床的精度很大程度取决于进给丝杠的精度和机床导轨的精度，因此，雕铣机进给系统采用内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠副，采用高精度直线导轨。 3.2.1 滚珠丝杠副的选择本设计中工作台的丝杆选用的是滚珠丝杆副。滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。滚珠丝杠的摩擦系数小，传动效率高。滚珠丝杠主要承受轴向载荷，因此对丝杠轴承的轴向精度和刚度要求较高。选定进给传动用滚珠丝杠副时，主要考虑的内容是：与机床定位精度要求相适应的丝杠精度、丝杠的刚性与转动惯量。在开环和半闭环数控机床中，滚珠丝杠的精度将直接影响机床的定位精度和随动精度。为了获得高精度、高刚度的进给系统，应选用精度高的滚珠丝杠传动副。但是，随着丝杠精度的提高，其价格也将大大上升。本机床进给方向的滚珠丝杠副的精度等级为 4级。 4级精度的丝杠经采nts徐州工程学院毕业设计 (论文 ) - 9 - 用一些如消隙、螺距误差补偿等措施，完全能满足机床的定位精度要求。丝杠的刚度与直径的大小直接相关，直径大、刚度就好。要想使进给驱动系统有足够的刚性，就要选用直径粗大的丝杠。但是，随着直径的增大，其转动惯量也大大增大。本机床经设计计算后选定 Z轴滚珠丝杠的公称直径为 25mm，导程为 4mm。 3.2.2 滚珠丝杠的支承结构滚珠丝杠的支承方式有三种，一种为一端固定，另一端自由放置，常用于短丝杠和竖直丝杠；一种为一端固定，一端简支承方式，常用于较长的卧式安装丝杠；第三种为两端固定，用于长丝杠或高转速，要求高拉压刚度的场合。因为机床在加工工件时会产生热量，引起丝杠发热产生热变形。如果丝杠两端都进行固定预紧，虽然提高了丝杠的轴向刚度，但丝杠就没有了热变形的伸缩余量，会导致丝杠的扭曲变形，失去原本的直线度，影响机床的精度。雕铣机的滚珠丝杠副的支承结构见图 3-1所示。 1. 步进电机 2. 联轴器 3. 角接触球轴承 4. 滚珠丝杠图 3-1滚珠丝杠支承和联结结构 nts徐州工程学院毕业设计 (论文 ) - 10 - 3.2.3 支承轴承的选择为了获得高精度、高刚度的进给系统，不仅应选用高精度高刚度的滚珠丝杠副，而且必须十分重视滚珠丝杠支承的设计。因滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷来自于卧式丝杠的自重，因此，滚珠丝杠的轴向精度和刚度要求很高。因数控雕铣机的进给系统要求运动灵活，对微小位移 (丝杠微小转角 )响应要灵敏，因此应选用运转精度高、轴向刚度高、摩擦力矩小的滚动轴承。目前，各类轴承中用得最多的是推力角接触球轴承。数控机床选用这种角接触球轴承，通常需要把 2个以上的轴承组合起来，且施加预紧力来使用。其组合形式有背靠背组配 (DB方式 )、面对面组配 (DF方式 )、串联组配 (DT方式 )。在数控机床上选用此种轴承时，为了易于吸收滚珠螺母与轴承之间的不同轴度，一般采用 DF组配方式。 3.2.4 滚珠丝杠的制动装置由于滚珠丝杠副的逆传动效率很高，逆向传动不能自锁，因此当它处于垂直安置时必须另外设有制动装置，以防止伺服电机在停止转动时，运动部件由于自重而产生的逆传动，也可以防止因偶然因素造成的事故。雕铣机采用拉伸弹簧和步进电机的制动来作为滚珠丝杠副的制动装置。步进电机经连轴器带动丝杠，实现工作台的移动。防止工作台及其主轴组件由于自重而产生逆传动的关键部件是 Z向弹簧拉板装置 (由弹簧拉板、拉伸弹簧、M8内六角圆柱头螺钉等组成 )和步进电机的制动器。当工作台上升时，拉伸弹簧无逆止作用，步进电机带动滚珠丝杠转动从而带动工作台向上运动。当步进电机停止转动时 (电机带制动 )，工作台及其主轴组件由于自重而要下滑，这时， Z向弹簧拉板装置对工作台及其主轴组件自重的反作用力和伺服电机的制动作用，阻碍其下滑的运动，从而防止了逆传动。这种结构的特点结构简单。 3.2.5 步进电机与进给丝杠的联结结构在数控机床进给系统中，步进电机与滚珠丝杠联结要保证传动无间隙，这样才能准确执行脉冲指令，而不会丢掉脉冲造成“失步”，影响机床的加工精度和传动精度。在雕铣机床中， Z轴采用直联式，即通过非金属弹性元件联轴器（属于带弹性元件扰性联轴器）把步进电机和滚珠丝杠联结起来。带弹性元件扰性联轴器除有补偿性能外，还具有缓冲和减震作用，此外非金属弹性元件联轴器能保证步进电机与丝杠的同轴度，即使步进电机与丝杠安装时的同轴度不是很精确，也可通过非金属弹性元件连轴器来调节。非金属弹性元件联轴器制造方便，易获得各种结构形状，更重要的是，它具有较高的阻尼性能，而高的阻尼性能，又可nts徐州工程学院毕业设计 (论文 ) - 11 - 以提高机床的抗震性。弹性联轴器的装卸也非常方便。 3.2.6 导轨导轨应满足如下要求：精度高、承载能力大、刚度好、摩擦阻力小、运动平稳、精度保持性好、寿命长、结构简单、工艺性好、便于加工、装配、调整和维修、成本低等。因数控雕铣机床要求有良好的灵活性以满足机床的高速雕刻要求，本机床 Z轴方向上采用高精度直线导轨。直线滚动导轨通常两条成对使用，可以水平安装，也可以垂直或倾斜安装。为保证两条导轨平行，通常把一条导轨作为基准导轨。其安装形式有单导轨定位和双导轨定位，数控雕铣机床 X、 Y轴方向上均采用双导轨定位， Z轴方向上采用导杆定位。 nts徐州工程学院毕业设计 (论文 ) - 12 - 4 主轴系统零部件的计算与校核 4.1 主轴系统的重力计算主轴系统主要由两部分组成：主轴安装座、活动支架。根据图纸分别计算主轴安装座、活动支架体积 V 及其重力 G。取灰铸铁的密度 HT250=7.0 103(kg/m3)。主轴安装座的体积 V1及重力 G1计算： V1=（ 402 110- 302 110+70 60 80） 10-9 5.78 10-4m3 G1=m1g= HT250V1g=7.0 103 5.78 10-4 9.8 40N 活动支架的体积 V2及重力 G2计算： V2=（ 60 180 70- 222 60- 172 60- 202 60） 10-9 6.0610-4m3 G2=m2g= HT250V2g=7.0 103 6.06 10-4 9.8 42N 主轴系统的重力计算值见表 4-1。表 4-1 主轴系统的重力计算值主轴安装座 40N 活动支架 42N 4.2 主轴铣削力计算雕铣机加工方式与数控铣床相似，因此按计算铣床的铣削公式计算其铣削力。主铣削力 Fc 计算：见式（ 4.1）雕铣机属于立铣加工，刀具选用材料为硬质合金钢，加工材料为钢材。 Fc=CFKFae0.86af0.72d0-0.86Zap 式（ 4.1）式（ 4.1）中， CF 表示切削系数。取 CF=669； KF 表示修正系数。取 CF=1.08； ae 表示铣削宽度。取 ae=1.5mm； af 表示每齿进给量。取 af =0.1mm； d0 表示铣刀直径。取 d0 =6mm； Z 表示铣刀齿数。取 Z =6； ap 表示铣削深度。取 ap=0.5mm。代入式（ 4.1）得： nts徐州工程学院毕业设计 (论文 ) - 13 - Fc=669 1.08 1.50.86 0.10.72 6-0.86 6 0.5 125N 垂直分力 Fz 、横向分力 Fx ，纵向分力 Fy 计算：各铣削分力的比值可得： 0.38FzFc ； 0.85FxFc ； 0.77FyFc 计算可得： Fz =47.5N; Fx =106.25N; Fy =96.25N 主轴铣削力相关计算值见表 4-2。表 4-2 主轴铣削力相关计算值主铣削力 Fc 125N 垂直分力 Fz 47.5N 横向分力 Fx 106.25N 纵向分力 Fy 96.25N 4.3 滚珠丝杠副的选择计算 1)确定滚珠丝杠副的导程 Ph 滚珠丝杠副导程 Ph 的计算见式（ 4.2）。 Ph =maxmaxniV式（ 4.2）式中 Ph 表示滚珠丝杠副的导程 mm； Vmax 表示工作台最高移动速度 m/min； nmax 表示电机最高转速 r/min； i 表示传动比。因雕铣机伺服电机与滚珠丝杠副通过联轴器直接传递力矩，因此传动比i=1。根据表 1-3的技术参数可知， Vmax =5m/min 。根据电动机功率为 200W, 查得 nmax =3000r/min。代入式（ 4.2）得 Ph = 30001 5=1.67mm 选择导程为 4mm 的滚珠丝杠副。 2）确定当量转速与当量载荷当负荷与转速接近正比变化时，各种转速使用机会均等时，可采用下列公式计算。当量转速的计算见式（ 4.3）。 nts徐州工程学院毕业设计 (论文 ) - 14 - nm = m ax m in2nn 式（ 4.3）式中 nm 表示当量转速 r/min； nmax 表示滚珠丝杠副的最高转速； nmin 表示滚珠丝杠副的最低转速。 nmin =0。因雕铣机伺服电机与滚珠丝杠副采用直联方式连接，传动比 i=1。电动机所能达到的最高转速即为滚珠丝杠副的最高转速，所以 nmax =3000r/min 代入式（ 4.3）得 nm =3000 02=1500r/min 当量载荷的计算见式（ 4.4）。 Fm = max min23FF 式（ 4.4）式中 Fm 表示当量载荷 N； Fmax 表示机器承受最大负荷时滚珠丝杠副的传动力； Fmin 表示机器空载时滚珠丝杠副的传动力。 Fmax= G1+G2+G 电主轴 + Fy =122+0.1 96.25=131.625N。因所计算的丝杠带动 Z 轴方向的运动。所以 Fmin=G1+G2+G 电主轴 =（ 42 +40+40）N=122N 代入式（ 4.4）得 Fm =3 122625.1312 128.42N 3）确定预期额定动载荷按滚珠丝杠副的预期工作时间 Lh（小时）计算，确定预期额定动载荷见式（ 4.5）。 Cam =3 60hmLncawm fffF100（ N）式（ 4.5）式中 Cam 表示确定预期额定动载荷 N； Lh 表示预期工作时间（小时）。取 Lh=20000h； fa 表示精度系数。根据初定的精度等级 P4。取 fa=0.9； fc 表示可靠性系数。一般情况下为 fc=1； fw 表示负荷系数。根据负荷性质选择，取 fw=1。 nts徐州工程学院毕业设计 (论文 ) - 15 - 代入式（ 4.5）得 Cam= 3 20000150060 19.0100 142.128 1736N 拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大载荷 Fmax计算，见式（ 4.6） Cam =fe Fmax 式（ 4.6）式中 fe 表示预加负荷系数。取 fe=4.5。代入式（ 4.6）得 Cam =4.5 131.65=592N 取以上 2种结果的最大值， Cam =1736N。 4）按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径 d2m 估算滚珠丝杠的最大允许轴向变形量 m m （3141）重复定位精度； m （4151）定位精度； m：最大轴向变形量 m。由表 1-3可知，重复定位精度为 0.05mm，定位精度为 0.1mm m=12.5 m； m=20 m；取两种结果的小值 m=12.5 m。估算滚珠丝杠副的底径 d2m。丝杠无预拉伸要求，取一端固定，一端游动的支承形式，计算滚珠丝杠的最小螺纹底径见式（ 4.7）。 d2m 2 10ELFm010 =0.0780mFL 式（ 4.7）式中 d2m 表示最小螺纹底径 mm； E 表示杨氏弹性模量。 E=2.1 105N/mm2； m 表示估算的滚珠丝杠最大允许轴向变形量（ m）已求得为m=12.5 m； F0 表示导轨静摩擦力（ N）。 F0 = 0 W（ 0为静摩擦系数）。取 0=0.2 W =G1+G2+G 电主轴 =122N F0 = 0 W =0.2 122=24.4N L为滚珠螺母至滚珠丝杠固定端支撑的最大距离（ mm）， L 行程 + 安全行程 + 两个余程 + 螺母长度 + 一个支承长度 nts徐州工程学院毕业设计 (论文 ) - 16 - （ 1.1 1.2）行程 + (10 14) Ph 由表 1-3： Z 向最大行程为 50mm L 1.2 50 + 14 5 =130mm 代入式（ 4.7）得 d2m 0.0785.121304.24 =1.24mm 5）确定滚珠丝杠副的规格代号根据传动方式以及使用情况，选择法兰式双螺母内循环形式；由计算出的 Ph、 Cam、 d2m，可选择相应规格的滚珠丝杠副： FFZD1604 Ph =4 Ca =2000N Cam =1736N d2 =16mm d2m =1.24mm 6）确定滚珠丝杠副预紧力滚珠丝杠副的预紧力计算见式（ 4.8）。 Fp =13Fmax 式（ 4.8）其中 Fmax=131.65N Fp 44N 7）行程补偿值与预拉伸力行程补偿值的计算见式（ 4.9） C =1.24 tLu 10-6 式（ 4.9）式中， C 表示行程补偿值 m； t 表示温度变化值 2 -3 ,取 t=2.5 ； Lu 表示滚珠丝杠副的有效行程 (mm)。 Lu工作台行程 + 螺母长度 + 两个安全行程行程 + (8 14)Ph = 50 + 14 5 = 120mm 代入式（ 4.9）得 C =1.24 2.5 120 103 10-6 0.4 m 预拉伸力的计算见式（ 4.10） nts徐州工程学院毕业设计 (论文 ) - 17 - Ft =LIAE=1.95 td22 式（ 4.10） =1.95 2.5 162 1248N 8）确定滚珠丝杠副支撑用的轴承型号规格轴承所承受的最大轴向载荷的计算见式（ 4.11）。 FBmax = Ft + Fmax 式（ 4.11） = 1248 + 131.65 =1279.65N 轴承类型：一端固定，一端游动的支承形式，选面对面（ DF）角接触球轴承。轴承内径： d略小于 d2=16 ， FBP =31FBmax，取 d =10mm，得 FBP =31 1279.65 =426.55N 轴承预紧力：预加负荷 FBP =426.55N。选择轴承型号规格：当 d =10mm,预加负荷 FBP =426.55N。所以选择 7000AC 型轴承。 9）滚珠丝杠副工作图丝杠螺纹长度的计算见式（ 4.12）。 Ls= Lu + 2Le 式（ 4.12）取余程 Le=10mm。代入式（ 4.12）得 Ls= 120+2 10=140mm 10）传动系统刚度丝杠最小抗压刚度的计算见式（ 4.13）。 Ksmin =1.65122Ld 102 式（ 4.13）式中 Ksmin 表示最小抗压刚度； 2d 表示丝杠底径； 1L 表示固定支承距离。1L=2SLL=2 260140 =200。代入式（ 4.13）得 Ksmin =1.65200162 102=211.2N/ m nts徐州工程学院毕业设计 (论文 ) - 18 - 丝杠最大抗压刚度的计算见式（ 4.14） Ksmax=1.65)(4 010 122LLLLd 102 式（ 4.14）式中 Ksmax 表示最大抗压刚度； L0 表示行程起点离固定支承距离，取 L0 75mm。得： Ksmax=1.65)75200(75420016 2 102 =225.28N/ m 11）滚珠丝杠副临界压缩载荷 Fc的校验（验算压杆稳定性）丝杠所受最大轴向载荷 Fmax小于丝杠预拉伸力 Ft 滚珠丝杠副临界压缩载荷 Fc不用验算 12）滚珠丝杠副的极限转速 nc的校验滚珠丝杠副的极限转速 nc的校验公式见式（ 4.15） nc =f222cLd 107 式（ 4.15）式中 nc 表示临界转速； f 表示与支撑形式有关的系数，取 f=16。 Lc2 表示临界转速计算长度（ mm）， Lc2= L1- L0=55mm。代入式（ 4.15）得 nc =1625516 107 =846280 nmax =3000 合格。 13） Dn值校验 Dn值校验的公式见式（ 4.16）。 Dn =DPW nm 70000 式（ 4.16）式中 DPW 表示滚珠丝杠副的节圆直径（ mm）， DPW d2 + DW； DW 表示刚球直径，取 DW=2.3mm。 DPW 16+2.3=18.3 代入式（ 4.16）得 Dn =DPW nm =18.3 1500=27450 70000 合格。 nts徐州工程学院毕业设计 (论文 ) - 19 - 14）基本轴向额定静载荷 Coa验算基本轴向额定静载荷 Coa验算的公式见式（ 4.17） fsFamax Coa 式（ 4.17）式中 Coa 表示滚珠丝杠副的基本轴向额定静载荷（ N）。取 Coa =2450N； fs 表示静态安全系数。一般载荷 fs=1 2，有冲击或振动 fs=2 3； Famax 表示轴向最大载荷（ N）。得 fsFamax=1.5 131.65=197.475 2450 校验合格。 15）强度验算强度验算公式见式（ 4.18）。 22 m a x14adF 式（ 4.18）式中表示许用应力（ N/mm2）。根据滚珠丝杠材料，取 =390 MPa。代入式（ 4.18）得 2214 d = 21041390 =30615N； Fmax =131.65N 显然 2214 d Famax 强度满足。滚珠丝杠副选择的主要计算值见表 4-3。表 4-3 滚珠丝杠副选择的主要计算值滚珠丝杠副的导程 Ph=4

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