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机械毕业设计全套
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JC01-048@专用数控铣床自动进出料,机械毕业设计全套
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编号： 毕业设计 (论文 )开题报告 题 目： 专用数控铣床自动进出料系统设计 院 （系）： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 黄光领 学 号： 1000110119 指导教师单位： 机电工程学院 姓 名： 黄 伟 职 称： 讲 师 题目类型 ： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2013 年 12 月 27 日 nts- 1 - 1毕业设计的主要内容、重点和难点等 一、主要内容： 本次毕业设计拟设计一个适合与加工中心工作台匹配的自动进出料装置，该装置主要能够实现以下功能： 1.具有与主机联控的独立 动力，能够自动将指定工件输送至加工正确位置； 2.设计一套专用夹具实施定位、夹紧动作，以确保加工过程的位置稳定； 3.加工完毕后，工件能够自动退出到指定位置。 本次设计所需完成的任务有以下： 1.了解数控技术的发展史，数控机床的应用，国内数控机床的特点，进出料系统的现状、数控机床的发展趋势、设计专用数控铣床的目的及意义所在。 2.进行专用数控机床的总体方案、适合与加工中心工作台匹配的自动进出料装置和控制系统总体方案的设计。 3.根据设计要 求，确定工件质量，送至加工位置的输送机构直线移动速度。 4.完成一套专用夹具保证工件自动定位、夹紧的设计，分析其结构工艺性和工艺参数特征，绘制零件图，写出技术要求。 5.完成加工完毕后机构将成品送出到指定位的要求，确定工艺参数。 6.设计一个液压系统实现工件的输送和夹紧，分析其结构工艺性，确定其工艺参数。 7.完成自动进出料运动装置的机械结构设计，并对相关机械部分进行计算、校核。用 Auto CAD 画出其装置的总装配图，要求其装置结构紧凑合理，方便装配与拆装。并表述装置的工作原理过程。 8.完成控制系 统设计。 二、本毕业设计重点和难点 重点： 1.完成适合与加工中心工作台匹配的自动进出料装置和控制系统总体方案的设计； 2.完成一套专用夹具保证工件自动定位、夹紧的设计； 3.设计一个液压系统实现工件的输送和夹紧； 4.完成自动进出料运动装置的机械结构设计； 难点： 1.适合与加工中心工作台匹配的自动进出料装置和控制系统总体方案的设计； 2.专用夹具保证工件自动定位、夹紧的设计； 3.液压系统实现工件的输送和夹紧的设计； 4.自动进出料运动装置的机械结构设计。 nts- 2 - 5.自动进出料装置主运动计算、机械部分 的计算、控制方案硬件设计。 2准备情况（查阅过的文献资料及调研情况、现有设备、实验条件等） （ 1）调研情况： 经查阅相关书籍资料并结合所学过的机械等相关知识，了解了专用数控铣床生产、制造、加工以及相关自动送出料情况，为设计作好准备。 装备制造业是国民经济的基础支柱产业，而机械装备制造业又是其中的基础，其为制造工具提供了来源，因此改善生产效率，提高产品的质量就要从基础根源抓起，其中铣刀在其中就扮演重要的角色，因此研究铣刀就是一个重要环节。国内产品的质量 与可靠性也不够稳定，特别是先进数控系统的开发和研制还需要作进一步的努力。机床基础理论和应用技术的研究明显落后。人员技术素质还跟不上现代机床技术飞速发展的需要。因此，我国机床工业面临着光荣而艰巨的任务，必须奋发图强，努力工作，不断扩大技术队伍和提高人员的技术素质，学习和引进国外的先进技术，大力开展科学研究，以便早日赶上世界先进水平。 （ 2）国内数控铣床 进出料系统的现状 近年来，我国经济飞速发展，既促进和带动了制造业的发展，也使其遇到了严峻的挑战，迫切地需要改造传统的加工制造模式。这其中很重要的一条就是使用更高速、更精确、更可靠的数控机床来代替普通的人工机床。随着科学技术的发展，制造技术的进步，以及社会对产品质量和品种多样化的要求越来越强烈。中、小批量生产的比例明星增加，要求现代数控机床成为一种精密、高效、复合、集成功能和低成本的自动化加工设备。 （ 3）数控技术的现状与发展 计算机技术的飞速发展推动了数控技术的更新换代，而这也日益完善了数控铣床的高精、高速、高效功能。代表世界先进水平的欧洲、美国、日本的数控系统生产商利用工控机丰富的软硬件资源开发的新一代数控系统具有开放式体系结构，即数控系统的开发可以在统 一的运行平台上，面向最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次产品的开发。 开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向发展。 近几年来，由于对切割质量、劳动环境等的要求越来越高，其相应产品在我国的市场需求量也逐年上升。在我国的数控铣床设备生产行业中，由于缺乏切割理论研究与生产实践相转换的机制，因此新技术运用不广、新产品开发速度不快，制约nts- 3 - 了数控铣床技术 的进一步发展和运用。 （ 4）通过研究概况和发展分析研究意义及创新： 在机械加工中，金属铣削刀具的几何参数的合理选择及搞质量的刃磨，直接影响到机械加工的质量，数控铣床通常对进出料系统的要求有三点，即传动精度，系统的稳定性和动态响应特性 (灵敏度 )。传动精度包括动态误差，稳态误差和静态误差，即伺服系统的输入量与驱动装置实际位移量的精确程度。系统的稳定性是指系统在启动状态或外界干扰作用下，经过几次衰减震荡后，能迅速地在新的或原来的平衡状态的能力。动态响应特性是指系统的响应及驱动装置的加速能力。为确保数控铣床进给系 统的传动精度，系统的稳定性和动态响应性，对进给驱动装置机械结构的总要求是消除间隙，减少摩擦，减少运动惯量，提高部件精度和刚度，为了达到上述要求，本次毕业设计就是为改善上述性能，对数控铣床的进出料系统的传动结构设计，为了提高生产效率，掌握数控铣床进出料系统和传动控制系统。 （ 5）参考文献 1 王文娟 . 振 动 控 制 阀 性 能 试 验 台 的 设 计 J . 流 体 传 动 与 控制 ,2012,(4):38-40. 2王剑，黄明亚，黄健等 . 阀门寿命试验台研制 J .流体机械， 2012,(40)4:：45-48 3曹小忠 , 孟 海忠 . 液压泵站设计与使用中一些问题的分析 J . 液压与气动，2006,(8):71-73 4雷天觉 . 新编液压工程手册（上册） M .北京：北京理工大学出版社， 1998. 5洪钟德 . 简明机械设计手册 M. 上海：同济大学出版社， 2002. 6姜继海，液压与气压传动 M .北京：高等教育出版社， 2009. 7吴宗泽 . 机械零件设计手册 M. 北京：机械工业出版社， 2004. 8濮良贵，纪名刚 .机械设计（第七版） M.北京：高等教育出版社， 2001. 9孙靖民 .现代机 械设计方法 M.黑龙江：哈尔滨工业大学出版社， 2003. 10Mischke,Charles R., Shigley,Joseph Edward. Mechanical engineering designM. Boston,Mass:McGraw Hill,2001 （ 6）试验、测试、试制加工所需主要仪器设备及条件 计算机一台、 CAD 软件以及相关三维绘图软件 PRO/E3.0 等。 3、实施方案、进度实施计划及预期提交的毕业设计资料 进度计划： 1） 2013-12-13 2013-12-26 所选择的课题进行调研、查阅资料、方案设计。 2） 2013-12-27 2014-01-12 查阅资料，明确设计目的，完成开题报告，收集与nts- 4 - 课题相关的资料及参考文献，确定毕业设计的设计大致方案。 3） 2014-3-01 2014-03-30 完善并确定最终方案，确定适合与加工中心工作台匹配的自动进出料装置和控制系统总体方案的设计。设计软件流程图，初步设计控制系统的单片机控制电路原理图。 4） 2014-4-01 2014-04-28 根据设计要求，确定工件质量、送至加工位置的输送机构直线移动速度。完成一套专用夹具保证工 件自动定位、夹紧的设计，分析其结构工艺性和工艺参数特征，绘制零件图。完成加工完毕后机构将成品送出到指定位的要求，确定工艺参数。完成自动进出料运动装置的机械结构设计，并对相关机械部分进行计算、校核。用 Auto CAD 画出其装置的总装配图，要求其装置结构紧凑合理，方便装配与拆装，并表述装置的工作原理过程。进行毕业论文（设计）初稿。 5） 2014-04-29 2014-05-15 根据指导教师意见进行修改，并最后定稿，并且完成计算机绘制图和外文翻译。 6） 2014-05-16 2014-05-24 核查 CAD 绘制系统的二维装配图及零件图、单片机控制电 路原理图、毕业设计论文格式。 7） 2014-05-25 2014-05-26 完成毕业设计，提交论文。 预期提交： 1、 专用数控铣床自动进出料系统设计 设计说明书； 2、英文资料翻译（附英文原文）； 3、 CAD绘制系统的二维装配图 、 零件图 及单片机控制电路原理图 。 nts- 5 - 指导教师意见 该生已完成毕业设计有关文献资料搜集工作，并对所涉及内容进行的调研，对课题所涉及的理论基础及实际资料进行了了解，目前规划的方案可行，进度计划安排比较合理。 同意开题。 指导教师（签字）： 2013 年 12 月 日 开题小组意见 开题小组组长（签字）： 2014 年 1 月 日 院（系、部）意见 主管院长（系、部主任）签字： 2014 年 1 月 日 nts 编号： 毕业设计说明书 题 目： 专用数控铣床自动进出料系统设计 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 姓 名： 职 称： 讲 师 题目类型 ： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2014 年 5 月 26 日nts I 摘 要 本次毕业设计名为专用数控铣床自动进出料系统设计，从研究数控铣床加工中心工作台入手，借鉴国内外先进经验，设计了一个适合与加工中心工作台匹配的自动进出料装置，完成具有动作快速、定位准确以及可以长时间连续作业等优点的自动进出料装置设计，满 足了生产和设计的需要，主要设计包括一套专用夹具、输送机构等主要部件。 认真了考虑“实用、安全、经济”等各项因素，进行必要的方案计较后，最终确定最佳方案为专用夹具选用了电动装置作为夹紧装置，设计了压杆及内外压板进行工件的夹紧、定位。输送机构选用了机电装置，采用了步进电机、滚动直线导轨、滚珠丝杠螺母副和联轴器等进行工件的自动进出料。 设计主要进行了与加工中心工作台匹配的输送机构自动进出料装置以及专用夹具的结构设计，并进行了分析。论述了采用步进电机、滚动直线导轨、滚珠丝杠螺母副以及电动夹紧装置的优点。详细介绍了主 要部件的结构设计过程及相关的计算校核。另外汇总了有关技术参数。 关键字： 自动进出料；夹具；步进电机；滚珠丝杠副 nts II Abstract The graduation project dedicated CNC milling machine automatic feeding system design called out, starting from the research bench CNC milling machining centers, advanced experience at home and abroad, has designed a device suitable for automatic access to material processing center table with matching finish with action automatic feeding device designed out fast, accurate positioning and long-time continuous operation, etc., to meet the needs of production and design, the main components of the major design includes a dedicated fixture, transportation agencies. Seriously considering practical, safe and economical and other factors, make the necessary care program after finalization.Choose the best solution for special fixtures electric device as a clamping device, designed inside and outside the bar and clamping plate workpiece positioning. Delivery mechanism chosen electromechanical device, using a stepper motor, linear guides, ball screw pair and couplings for automatic access to material of the workpiece. The graduation project dedicated CNC milling machine automatic feeding system design called out, starting from the research bench CNC milling machining centers, advanced experience at home and abroad, has designed a device suitable for automatic access to material processing center table with matching finish with action automatic feeding device designed out fast, accurate positioning and long-time continuous operation, etc., to meet the needs of production and design, the main components of the major design includes a dedicated fixture, transportation agencies. Keywords: automatic access to materials;fixture;stepper motor;ball screw nts III 目 录 引言 . 1 1 绪论 . 2 1.1 国外数控机床业自动进出料的发展状况及趋势 . 2 1.2 国内数控机床 业 自动进出料的发展状况及存在 问题 . 2 1.3 课题研究的目的及意义 . 3 1.4 课题主要任务 . 3 2 总体方案设计 . 3 2.1 方案拟定 . 3 2.1.1 输送机构的设计方案 . 3 2.1.2 专用夹具的设计方案 . 5 3 专用数控铣床自动进出料装置机械结构设计 . 7 3.1 滚珠丝杠副的设计 . 7 3.1.1 滚珠丝杠副主要尺寸参数 . 7 3.1.2 滚珠丝杠副的支承形式 . 8 3.1.3 滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧 . 8 3.1.4 滚珠丝杠副的计算与选型 . 8 3.1.5 滚珠丝杠副的安装联接尺寸 . 11 3.2 导轨的选型 . 12 3.2.1 直线滚动导轨副的工作原理与装配方式 . 13 3.2.2 直线滚动导轨副的计算与选型 . 14 3.2.3 直线滚动导轨副的安装联接尺寸 . 15 3.2.4 导轨间隙的调整 . 15 3.2.5 导轨材料的热处理 . 15 3.2.6 导轨的润滑和防护 . 16 3.3 联轴器的选型 . 16 3.4 电机的选型 . 18 4 专用夹具设计 . 20 4.1 定位方案 . 20 4.1.1 定位方案的选择 . 21 4.2 夹紧方案 . 21 4.3 夹具装配图 . 25 nts IV 4.4 夹具装配图上的尺寸、公差和技术要求 . 25 4.5 夹具经济性分析 . 26 5 主机支架设计 . 27 6 自动进出料装置控制系统简介 . 29 7 总结 . 30 谢 辞 . 31 参考文献 . 32 nts桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 32 页 引言 随着机械制造产业的发展，自动控制系统在工业上的应用越来越广泛，如工业自动化机床控制，计算机控制，机器人等。随着我国数控铣床业的发展，工件的加工质量趋于准确，加工速度更加快，但对工件的自动进出料也提出了更高的要求。移动工件功能的自动化装置能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。自动化装置越来越广泛的得到了应用，在机械行业里它可用于加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更加普遍。它适用于大批量生产，结构紧凑，而且适应性很强。目前我国的自 动化装置技术及其工程应用的水平和国外相比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，为提高我国的自动化技术水平，进行铣床的自动进出料装置设计是十分必要的。 目前，在国内很多工厂的生产线上，数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大，生产效率低。为了提高生产加工的工作效率，降低成本，并使生产线发展成为柔性制造系统，适应现代自动化大生产，针对具体生产工艺，利用现在自动化技术，设计一套与数控铣床加工中心相匹配的自动进出料装置代替人工工作，以提高劳动生产率，改善现代工人劳动条件。 nts桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 32 页 1 绪论 1.1 国外数控机床业自动 进出料的发展状况及趋势 （ 1）国外数控机床 自动进出料 技术现状 高速高精与多轴加工成为数控机床的主流，纳米控制已经成为高速高精加工的潮流。多任务和多轴加工数控机床越来越多地应用到能源、航空航天等行业。 机床与机器人的集成应用日趋普及，且结构形式多样化，应用范围扩大化，运动速度高速化，多传感器融合技术实用化，控制功能智能化，多机器人协同普及化。 智能化加工与监测功能不断扩充，车间的加工监测与管理可实时获取机床本身的状态信息，分析相关数据，预测机床的状态。 最新的机床误差检测与补偿技术能够在较短的时间内完成对 机床的补偿测量，与传统的激光干涉仪相比，对机床误差的补偿精度能够提高 3 4 倍。 最新的 CAD/CAM 技术为多轴多任务数控机床的加工提供了强有力的支持，可以大幅度提高加工效率。 刀具技术发展迅速，众多刀具的设计涵盖了整个加工过程，并且新型刀具能够满足平稳加工以及抗振性能的要求。 （ 2）国外数控系统自动进出料的发展趋势 平台数字化。 运行高速化。 加工高精化。 功能复合化。 控制智能化。伺服驱动高性能控制。 1.2 国内数控机床业自动进出料的发展状况及存在问题 数控机床是当代机械制造业的主流装备，国产数控机床的发展经历了 30 年跌宕起伏，已经由成长期进入了成熟期，可提供市场 1,500 种数 控机床，覆盖超重型机床、高精度机床、特种加工机床、锻压设备、前沿高技术机床等领域，产品种类可与日、德、意、美等国并驾齐驱。特别是在五轴联动数控机床、数控超重型机床、立式卧式加工中心、数控车床、数控齿轮加工机床领域部分技术已经达到世界先进水平。其中，五轴 (坐标 )联动数控机床是数控机床技术的制高点标志之一。 由于中国技术水平和工业基础还比较落后，数控机床自动进出料的性能、水平和可靠性与工业发达国家相比，差距还是很大，尤其是数控自动进出料系统的控制可靠性还较差，数控产业尚未真正形成。因此加速进行数控自动进 出料系统的工程化、商品化，尽快建成与完善数控机床自动进出料和数控产业成为当前的主要任务。目前存在着：核nts桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 32 页 心技术严重缺乏 、民族品牌与国际品牌差距明显 、技术创新和成果转化与市场脱节、缺乏先进的管理机制等问题。 1.3 课题研究的目的及意义 在机械加工的过程中，人工上下料不仅劳动强度大，而且效率低，工作环境也差。相对于人工上下料而言，自动上下料装置具有动作快速、定位 准确 以及可以长时间连续作业等优点。 设计自动进出料装置能够改善工人工作条件，提高产品生产效率，提高数控铣床的零件加工质量。 1.4 课题主要任务 本次 毕业设计拟设计一个适合与加工中心工作台匹配的自动进出料装置，该装置主要能够实现以下功能： （ 1）具有与主机联控的独立动力，能够自动将指定工件输送至加工正确位置； （ 2）设计一套专用夹具实施定位、夹紧动作，以确保加工过程的位置稳定； （ 3）加工完毕后，工件能够自动退出到指定位置。 2 总体方案设计 2.1 方案拟定 总体方案主要包括输送机构设计和专用夹具设计两个方案。根据设计要求，结合实际生产经验，每个部分的设计至少初定两个方案，并加以比较，从而选择有利于设计的最优方案。 2.1.1 输 送机构的设计方案 输送机构主要是能实现待加工工件的自动进出料。进料系统与出料系统分开工作，进料完成后，工件在数控铣床加工中心进行加工，加工完毕，由出料系统完成工件输送至指定位置的工作。对于输送机构，初步设计两种方案加以比较进行选择，方案如下： 方案一是采用液压系统进行自动进出料。液压系统用油液作为工作介质，在一定功率条件下，可大大减小工件的尺寸。液压系统的加速能力较好，易实现无极调速。初步采用液压泵、液压阀、推杆、轴等来输送工件。但是液压系统装置容易漏油，因nts桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 32 页 而会影响运动的平稳性，并使效率降低；液体粘度受 温度影响，使供油量和执行机构的运动速度不稳定；需要一套专门的供油系统，成本高。 液压系统实现自动进出料的示意图如下图 2-1 所示： 1-电动机； 2-液压泵； 3-过滤器； 4-块式集成液压阀组； 5-冷却器； 6-液压缸； 7-排屑油过滤器； 8-电机齿轮泵组； 9-随动油箱； 10-推进装置； 11-推杆； 12-油封头进油软管；13-油封头； 14-对开式轴承座； 15-工件； 16-三爪卡盘； 17-液压马达座； 18-液压马达；19-液压马达油管； 20-床身 图 2-1 液压系统实现自动进出料结构示意图 方案二是采用机 电装置实现自动进出料。机电装置机械结构紧凑，灵活，准确，调整和维修方便。初步采用步进电机提供动力，设计一控制系统控制电机的正反运转与停止，实现工件到达加工位置及出料指定位置。利用滚珠丝杠副使工件移动。示意图如下图 2-2 所示： nts桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 32 页 图 2-2 机电装置实现自动进出料结构示意图 两种方案的分析比较： 液压系统主要用于系统的动力部分比较合适，不宜在控制系统中采用，而机电装置能很好地满足本设计的要求，因此采用方案二。 机电装置 进料系统动力采用步进电机提供，利用滚珠丝杠副来移动工件。工件设计一托 板加以支承，并在进料机构处增加导向板。托板固定在丝杠上，设计一导轨以完成移动部件的要求。 步进电机与丝杠之间采用联轴器联接，传动效率较高。丝杠与联轴器联接时，支撑部件之间采用向心轴承支承以保证转动平稳可靠。出料系统装置与进料系统装置相同，但出料装置不加导向板，并且只要控制电机的正反转即可实现进出料。设计一控制系统实现电机的正反转与停止。采用光电传感器确保工件中心移动至加工中心位置。 2.1.2 专用夹具的设计方案 设计一套专用夹具用于工件的定位与夹紧。采用内外压杆作为夹紧元件，台面板与底板用 于工件的定位。其中夹具的动力装置初步设计两种方案加以比较供选择。方案如下： 一是采用液动夹紧，二是采用电动夹紧。 方案一液动夹紧采用的是油缸结构，用压力油作为动力源，通过管道、液压阀、液压缸等元件夹紧工件。需要单独为液压装置专门配备专门泵站，成本高，对密封性能要求高，需要一套压力油供应系统，为单一夹具设计不经济。如下图 2-3 所示： nts桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 32 页 1-气缸； 2-油缸 图 2-3 液动夹紧装置 方案二是采用电动夹紧，设计的是凸轮机构，用低速大扭矩步进电机提供动力。凸轮只要适当地设计出其轮廓曲线，就可以使推杆得到预期 的运动规律，而且响应快速，机构简单紧凑。如下图 2-4 所示： 1.推杆； 2.滚子轴承； 3.凸轮； 4.键槽 图 2-4 电动夹紧凸轮机构 nts桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 32 页 本设计使用夹具是从工件两边进行夹紧，需要动力夹紧装置从两边同时夹紧，同步性要好，而液压系统同步性差，而且成本高，不能满足此要求。电动夹紧可满足本设计的要求。故选择电动夹紧凸轮机构。 3 专用数控铣床自动进出料装置机械结构设计 专用数控铣床自动进出料装置的机械结构设计主要包括以下部分：输送机构动力的设计，如电机；输送机构传动部件的设计，如滚珠丝杠副；传动部件的支承部 件设计，如导轨；各部件之间的联接设计，如联轴器等。 3.1 滚珠丝杠副的设计 滚珠丝杠副是在丝杠和螺母的滚道之间放入适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动。丝杠或螺母转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置，滚珠通过此装置自动返回其入口，形成循环回路 6。滚珠丝杠副外形如图 3-1、 3-2 所示： 图 3-1 滚珠丝杠副外形 图 3-2 滚珠丝杠副外形 滚珠丝杠副具有传动效率高、运动平稳、使用寿命 高等特性，广泛运用于数控机床等。滚珠丝杠副由专门工厂制造，当型号计算选定后，可以外购或定制。 3.1.1滚珠丝杠副主要尺寸参数 滚珠丝杠副的主要尺寸参数： （ 1）公称直径0d（ 2）节圆直径pwD(通常与公称直径相等 ) （ 3）导程hPnts桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 8 页 共 32 页 （ 4）公称导程0Ph（ 5）行程 l （ 6）有效行程ul此外还有丝杠螺纹外径 1d 、丝杠螺纹底径 2d 、螺母体外径 1D 、螺母体螺纹底径 2D 、螺母体螺纹内径3D、滚珠直径wD、丝杠螺纹全长 1l 等。 3.1.2滚珠丝杠副的支承形式 滚珠丝杠副的支承主要用来约束丝杠的轴向窜动，其结构形式可分为四种类型，根据轴向刚度要求高、无压杆稳定性问题，本次设计选择了 双推 -双推支承形式。 3.1.3 滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧 为了提高滚珠丝杠副的传动精度和轴向刚度，安装时需要消除丝杠与螺母之间的传动间隙，并对丝杠 -螺母进行预紧。单螺母的丝杠副在出厂前通常采用过盈滚珠预紧或变导程自预紧，丝杠与螺母之间几乎没有间隙，所以用户使用时不必考虑。对于双螺母丝杠副，常采用垫片调整预紧和螺纹调整预紧两种方式 6 。 本设计选择了单螺母丝杠副，采用过盈滚珠预紧，在出厂前已经过预紧。 3.1.4滚珠丝杠副的计算与选型 (1)最大工作载荷mF的计算 表 3-1 mF实验计算公式及参考系数 导轨类型 实验公式 K 矩形导轨 GFFKFyZxm F1.1 0.15 燕尾导轨 GFFKFyzxm 2F 1.4 0.2 三角形导轨 GFKFzxm F1.15 0.15 0.18 式中 xF为进给方向载荷，yF横向载荷， zF 为垂直载荷，单位均为 N； G 为移动部件总重力，单位为 N； K 为颠覆力矩影响系数； 为导轨的摩擦系数。 (2)最大动载荷qF的计算 最大动载荷的计算公式如下： qF mHwq FffL3 0F (3-1) nts桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 9 页 共 32 页 式中 0L为滚珠丝杠的寿命，单位为 r610 . 60 10/60L nT（ 3-2） 其中 T 为使用寿命，数控机床的为 h15000T ,n 为丝杠每分钟转数 )； wf为载荷系数， (平稳或轻度冲击为 2.11.0 ，中等冲击 1.51.2 ，较大冲击或振动为2.51.5 )； Hf 为硬度系数，（等于 50HRC 时，取 1.56）； mF为滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为 N。 根据设计参数，工件质量 kg3020 ,输送机构直线移动速度取 min/2m . 滚动副承受的负载为输送机构部分重量以及其负载重量（工件重量），估算为 500N ，即 Nm 500F 。 由转数 x导程 =丝杠转速 min/2m ，导程取 rmmh /5P ,算得丝杠转数 n为 min/400 r ，则算得 60 10/60L nT= 3601 5 0 0 0 / 1 040060 6 ， 则mHwq FffL3 0F = 5 5 4 8 N5 0 01 .5 61 .03 6 03 (3)规格型号的初选 选择滚珠丝杠副的规格时，应使其额定动载荷qa FC 。当滚珠丝杠副在静态或低速状态下 min/10 rn 长时间承受工作载荷时，还应使其额定静载荷 moa F32C ，查表初选型号参数如下表： 表 3-2 GD 系列滚珠丝杠副尺寸参数 单位（ mm） 规格代 号 公称直径 导程 滚珠直径 丝杠外径 额定载荷 /N 螺母安装尺寸 d0 Ph Dw d1 Ca Coa D1 D D4 L B h 1 2 4005-3 405 3.17 39.2 11952 37700 60 94 75 85 15 9 9 15 滚珠丝杠副的传动效率可用下式计算： tantan（ 3-3） 式中 为丝杠的螺旋升角，由 0/arctan dPh 算得； nts桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 10 页 共 32 页 为摩擦角，取 01 。则 9.0t ant an （ 3-4） (4)刚度的验算 滚珠丝杠副的的轴向变形将引起丝杠导程发生变化，从而影响定位精度和运动的平稳性。轴向变形主要包括丝杠的拉伸或压缩变形、丝杠与螺母之间滚道的接触变形等。 丝杠的拉伸或压缩变形量 1 1 在总变形量中占的比重比较大，可按下式计算： 2F21MaESam （ 3-5） 式中 mF为丝杠的最大工作载荷，单位为 N ； a 为丝杠两端支承间的距离，单位为 mm ； 为丝杠材料的弹性模量，钢的 paM102.1 5 ； S 为丝杠按底径 2d 确定的截面积，单位为 2mm ； 为转矩，单位为 mmN ； 为丝杠按底径 2d 确定的截面惯性矩（ 64/42d ） ,单位为 2mm ； 其中，“ +”号用于拉伸，“ -”号用于压缩。由于转矩 一般较小，式中第 2 项在计算时可酌情忽略。经设计，取 mma 1000 ， S= 222 d 2206mm （ 3-6） 则 mm-21 101.2 . 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2 2 可由产品型号中查出。查机械设计手册得出， GD 系列 4005-3 的 mm-2Q 101.1 ，因进行了预紧，且预紧力达到轴向工作载荷的 1/3 时， 2 值减少一半左右，所以 2 =21 Q = mm-3105.5 （ 3-7） 刚度验算 丝杠的总变形量 mm-221 101 .7 5 。一般总变形量 不应大于机床规定的定位精度的一半。计算结果符合设计要求。 稳定性的验算 nts桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 11 页 共 32 页 滚珠丝杠属于受轴向力的细长杆，如果轴向负载过大，则可能产生失稳现象。失稳时的临界载荷kF应满足： Fk=mk Faf 22 （ 3-8） 式中 kF为临界载荷，单位为 N ； kf 为丝杠支承系数，（双推 -自由取 0.25，双推 -简支取 2，双推 -双推取 4，单推 -单推取 1）； K 为压杆稳定安全系数，一般取 2.5 4； a 为滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为 mm 。 因为滚珠丝杠两端采用向心轴承并施加了预紧，不会产生失稳现象，因此不用进行稳定性验算及校核。 3.1.5滚珠丝杠副的安装联接尺寸 本设计采用 GD 系列滚珠丝杠副，其安装尺寸如图 3-3 所示： 图 3-3 GD 系列 4005-3 滚珠丝杠副 nts桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 12 页 共 32 页 3.2 导轨的选型 导轨装置，在机械中是使用频率最高的零部件之一。没有不使用导轨的金属切削机床；在测量机、绘图机上，导轨是它们的工作基准；在其他机械中，例如轧机、压力机、纺织机等也都离不开导轨的导向。由此可见，导轨的精度、承载能力 和使用寿命等都将直接影响机械的工作质量 6。 导轨的功用是承载和导向。它承受安装在导轨上的运动部件及工件的质量和切削力。运动的导轨称为动导轨，不动的导轨成为静导轨或支撑导轨。动导轨相对于静导轨可以作直线运动或者回转运动。有用于保证主运动轨迹的，也有用于调整部件之间的相对位置的，后者在加工时没有相对运动。实现直线运动的成为直线运动导轨；实现圆周运动的称为圆周导轨。 导轨的设计要求如下： （ 1）几何精度就是通常所说的导向精度，即运动的直线度或回转精度，影响导向精度的主要因素有导轨承导面的 几何精度、导轨的结构类型、导轨副的接触精度、导轨副的油膜厚度以及导轨和支撑件的热变形； （ 2）运动精度包括两方面的内容：一是运动的平稳性（例如低速不爬行），二是定位精确（线定位和角定位）； （ 3）精度保持性。导轨精度的保持性主要取决于导轨的耐磨性和导轨材料的尺寸稳定性。耐磨性与导轨副的材料匹配情况、受力情况、加工精度、润滑方式及防护装置的性能等因素有关，导轨及其支撑件的剩余盈利等会影响导轨的精度保持。 （ 4）具有足够的承载能力和刚度，使用寿命长。导轨受力后的变形将影响部件之间的相对位置和 导轨精度，这对于高精度机械和仪表尤为重要； （ 5）对温度变化的适应性。环境温度变化和机械局部热源产生的不均匀性的温度场，都会引起导轨变形，导轨应有良好的适应能力； （ 6）结构简单、工艺性好、便于调整和维修； （ 7）具有良好的润滑和防护装置。 导轨的设计程序和内容： （ 1）根据工作条件、载荷特点，确定导轨的类型、截面形状和结构尺寸。 （ 2）进行导轨的力学计算，选择导轨材料、表面经加工和热处理方法以及摩擦面硬度匹配。 （ 3）设计导轨的配合间隙和预加载荷调整机构。 （ 4）设计导轨的润滑系统及防护装置。 （ 5）制定导轨的精度和技术条件。 有些导轨（如非水平放置的导轨）在移动之后，要求将它的位置固定，因而要用专nts桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 13 页 共 32 页 用的锁紧装置。常用的锁紧方式有机械锁紧和液压锁紧。 本设计选用的是直线滚动导轨。 在相配的两导轨面之间放置滚动体或滚动支承，是导轨面间的摩擦性质成为滚动摩擦，这种导轨就叫滚动导轨。滚动导轨的最大优点就是摩擦因素小，动、静摩擦因数差小，因此运动轻便灵活，运动所需功率小，摩擦发热少，磨损少，精度保持性好，低速运动平稳性好，移动精度和定位精度高。滚动导轨还 具有润滑简单（有时可用油脂润滑），高速运动时不会像滑动导轨那样因为动压效应而使导轨浮起等优点。但滚动导轨结构复杂、制造比较困难，成本比较高、抗震性较差。对赃物比较敏感，因此必须有良好的保护。 滚动直线导轨副是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及挡板组成，当导轨与滑块做相对运动时，钢球沿着导轨上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道滚动，在滑块端部钢球又通过返向器进入反向孔后在进入滚道，钢球就这样周而复始的进行运动，返向器两端装有防尘密封端盖，可有效地防止灰尘、屑末进入滑块内部。钢球承载的形式与角接 触球轴承相似，一个滑块就像是 4 个直线运动的角接触球轴承，导轨轴的安装形式可以水平，也可以竖直或者倾斜。可以两条或多条导轨轴平行安装，也可以一条导轨安装，也可以将导轨接长成为长导轨，一条导轨上可以安装一个滑块和两 个 滑 块 ， 以 适 应 各 种 行 程 的 需 要 。 滚动直线导轨的特点是： （ 1）动、静摩擦力之差很小，摩擦阻力小，随动性极好。有利于提高数控系统的响应速度和灵敏度。驱动功率小，只相当于普通机械的十分之一。 （ 2）承载能力大，刚度高。导轨副滚道截面采用合理比值（沟槽曲率半径 Dr 54.052.0 ， 为钢球直径）的圆弧沟槽，因而承载能力及刚度比平面与钢球接触大大提高。 （ 3）能是实现高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高 10倍。 （ 4） 采用滚动直线导轨副可简化设计、制造、装配工作、保证质量、缩短时间、降低成本。导轨副具有“误差均化效应”从而降低基础件的加工精度，精铣或精刨即可满足要求。 3.2.1直线滚动导轨副的工作原理与装配方式 由上述可知直线滚动导轨副具有摩擦系数小、不易爬行、 便于安装和预紧、结构紧凑等优点。考虑到工件质量较大，所需运动需要平稳可靠，导向精度要高，由上述导轨类型可知，矩形和燕尾形导轨组合有调整方便承受力巨大的特点，这两种导轨的刚度高，承载能力强，加工、检验和维修方便。为提高低速性能，减少爬行，提高导轨寿命，初选直线滚动导轨副。 nts 第 14 页 共 32 页 直线滚动导轨副由导轨和滑块两部分组成，滑块中装有两组滚珠，当滚珠从工作轨道滚到滑块端部时，会经端面挡板和滑块中的返回轨道返回，在导轨和滑块之间的滚道内循环滚动。装配时常将两根导轨固定在支承件上，每根导轨上一般有两个滑块，滑块固定在移 动件上。 3.2.2直线滚动导轨副的计算与选型 初选直线滚动导轨副的型号为 JSA-LG25，其尺寸参数如下： 表 3-3 JSA-LG25直线滚动导轨副 型号 装配后组合尺寸 导轨尺寸 滑块尺寸 H W B H1 I F Lomax d*D*h1 B1 K T T1 JSA-LG25 36 23.5 23 22 20 60 3000 7*11*9 70 29 12 16 (1)导轨面的尺寸 其中 b 为斜镶条小端厚度，滑座及镶条斜度 K 为 1:50； 1:100。导轨面尺寸包括宽度 b 和厚度 H。 导轨的尺寸： (燕尾导轨 ) 选取 H=40，则 H1=41mm, d=32mm； 斜镶条小端厚度 b=6mm； 导轨跨度 A=160mm， B2 65mm 取 80mm； （矩形导轨 ) 当 H=40m,则 B=32mm， A=360mm； 压板厚度 h=25mm,B=140mm； (2)额定寿命的计算 当滚动体为球时： 50CL3W Ff ffff aRCTH （ 3-9） 式中 L 为距离额定寿命，单位为 mK ； aC为额定动载荷，单位为 KN ； F 为滑块上的工作载荷，单位为 KN ； WRTH fffff 、 C 分别为硬度系数（取 0.53）、温度系数（ 1.00）、接触系数（ 1.00）、精度系数（ 1.0）、载荷系数（ 1.5）； 计算得到额定寿命为 Kmm 50125KL ，即大于球导轨的距离期望寿命（ m50K ），初选的导 轨型号符合设计要求。 nts 第 15 页 共 32 页 3.2.3直线滚动导轨副的安装联接尺寸 JSA-LG25 型直线滚动导轨副的尺寸参数如图 3-4 所示： 图 3-4 JSA-LG25 导轨副 3.2.4导轨间隙的调整 导轨间隙常用压板、镶条来调整，结构型式很多，设计时一般要求如下： （ 1）调整方便，保证刚度，接触良好。 （ 2）镶条应放在受力小的一侧，如要求调整后中心位置不变，可在导轨两侧各方一根镶条。 （ 3）导轨长度较长（ mm1200 ）时，可以一端各装一块支承板和一 块导向调整板。 （ 4）选择燕尾导轨的镶条时，应考虑部件装配的方式，要便于装配。 矩形导轨压板尺寸参考设计。压板螺钉直径 d ，当压板厚度 mmh 16 时 , hd 8.07.0 ，mmh 16 时， hd 。 压板长度，当压板受力较大或导轨工作长度较短时，压板长度等于导轨长度。当压板受力不大时或导轨工作长度较长时，只需在运动部件的两端或中间装短压板，其长度可取为导轨工作长度的 1/3 或 1/4。装压板后，导轨可以承受倾覆力矩。 3.2.5 导轨材料的热处理 在液压滑台中存在导轨，而在导轨副摩擦中，为了提高耐磨性动导轨和支撑导轨应nts 第 16 页 共 32 页 有不同的硬度，因此尽量采用不同的材料，如果采用同样材料，也要进行不同热处理。 由于滑台体属于动导轨，因此可以根据表材料的特点及应用，选择铸铁 HT150 而滑座与导轨是铸为一体的，属 于支撑导轨，铸铁具有良好的减震性和耐磨性，易于铸造和切削加工的金属材料，故铸铁材料符合要求。由于导轨的材料要
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