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机械数控机床毕业设计72数控车床纵向进给系统及尾架的设计
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机械数控机床毕业设计72数控车床纵向进给系统及尾架的设计,机械毕业设计论文
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湖南大学毕业设计（论文） 第 1 页 1 绪论 1.1 课题背景和目的 在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步。特别是在通用微机数控领域，以 PC 平台为基础的国产数控系统，已经走在了世界前列。但是，我国在数控技术研究和产业发展方面亦存在不少问题，特别是在技术创新能力、商品化进程、市场占有率等方面情况尤为突出。 我们的大多 数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品国内、外市场上缺乏竞争力，直接 影响一个企业的的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控 化率。 在新世纪到来时，如何有效解决这些问题，使我国数控领域沿着可持续发展的道路，从整体上全面迈入世界先进行列，使我们在国际竞争中有举足轻重的地位，将是数控研究开发部门和生产厂家所面临的重要任务 1。 而相对于传统机床，数控机床有以下明显的优越性： （ 1） 提高生产率。数控机床能缩短生产准备时间，增加切削加工时间的比率。采用最佳参数和最佳走刀路线，缩短加工时间，从而提高生产率。 （ 2） 数控机床可以提高零件的加工精度，稳定产品质量。由于它是按照程序自动加工不需要人工干预，其加工精度还可以利用软件进行校正及补偿，故可以获得比 机床本身精度还要高的精度和重复精度。 （ 3） 有广泛的适应性和较大的灵活性。通过改变程序，就可以加工新产品的零件，能够完成很多普通机床难以完成或者根本不能加工的复杂型面零件的加工。 （ 4） 可以实现一机多用。一些数控机床，可以自动换刀，一次装卡后，几乎能完成零件的全部加工部位的加工，节省了设备和厂房面积。 （ 5） 可以进行精确的成本计算和生产进度安排，减少在制品，加速资金周转，提高经济效益。 （ 6） 不需要专用夹具。采用普通的通用夹具就能满足数控加工的要求。节省了专用夹具设计制造和存放的费用。 （ 7） 大大减轻了工人的劳动强度 2。 nts 湖南大学毕业设计（论文） 第 2 页 因此，采用 数控机床，可以降低工人的劳动强度，节省劳动力（一个人可以看管多台机床），减少工装，缩短新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应。 此外，机床数控化还是推行 FMC（柔性制造单元）、 FMS（柔性制造系统）以及 CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 由于以上优越性，数控机床所占的比例逐渐增大。从 2004年的市场消费内容也可可看出 ,普通机床的市场份额在下降 ,数控机床则强烈增长，尤其是中高档数控机床供不应求。可以预见，未来几年普通机 床的市场份额将不断下滑 , 数控机床的消费会逐渐扩大。 1 在这样一种背景下，我的课题选择为设计一台数控车床 CK20，用于对转体零件的圆柱面、圆弧面、圆锥面、端面、切槽、及各种公、英制螺纹等进行批量、高效、高精度的自动加工，以提高生产效率和产品质量和降低工人劳动强度。此外，力求完成课题之余，熟悉国内外数控技术及数控机床的现状及发展趋势 ,增强对如何发展民族数控机床产业的感性认识。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 1.2.1 我国数控车床的研究现状 我国从 1958 年开始研究数控机床，一直到 20 世纪 60 年代中期还处于研制 、 开发时期。当时，一些高等院校 、 科研单位研制出试验性样机，是从电子管起步的。 目前我国数控机床生产厂家有 100 多家，生产数控机床配套产品的企业有 300 余家，产品品种包括八大类 2000 种以上。目前以新开发出数控系统 80 余种。分为 3 种型级，即经济型 、普及型和高级型。“九五”期间数控机床发展已进入实现产业化阶段，数控机床新开发品种 300 余种，已有一定的覆盖面。新开发的国产数控机床产品大部分达到国际上 20 世纪 80 年代中期水平，部分达到 90 年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床 2。 进入 20世纪 90 年代以来，我国数控机床生产企业都经历了结构调整、转变机制的艰苦磨砺过程。近期，国家为扩大内需，通过加大技改投资和基础设施建设投资的措施来拉动国内市场消费。 目前，中国机床工业厂多人众。 2000 年，金切机床制造厂约 358 家 (20.6 万人 )，成nts 湖南大学毕业设计（论文） 第 3 页 形机床制造厂 191 家 (约 6.5 万人 )，共计 549 家 (27.1 万人 )。其中生产数控金切机床的约150 家，生产数控成形机床的约 30 家，共计约 180 家，占厂家总数的 1/3。 2001 年金切机床产量 19.2 万台，内数控金切机床 17,521 台，约占 9%。 总的来说：数控机床产量不断增长， 2001 年为 1991 年的 3.6 倍；进口量增长较快，达 29 倍，出口量有所增加，但数目较小，为 4.8 倍；数控机床消费量增加较快，达 7.9倍。产量满足不了社会发展的需求。 在 20 余年间，数控机床的设计和制造技术有较大提高，主要表现在三大方面：培训一批设计、制造、使用和维护的人才；通过合作生产先进数控机床，使设计、制造、使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术的差距；通过利用国外先进元部件、数控系统配套，开始能自行设计及制造高速、高 性能、五面或五轴联动加工的数控机床，供应国内市场的需求，但对关键技术的试验、消化、掌握及创新却较差。至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑，不能独立发展，基本上处于从仿制走向自行开发阶段，与日本数控机床的水平差距很大。存在的主要问题包括：缺乏象日本“机电法 ”、 “机信法 ”那样的指引；严重缺乏各方面专家人才和熟练技术工人；缺少深入系统的科研工作；元部件和数控系统不配套；企业和专业间缺乏合作，基本上孤军作战，虽然厂多人众，但形成不了合力 3。 1.2.2 进给系统的发展现状 数控车床的 进给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。 数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。机械传动部件和执行元件组成机械传动系统。检测元件与反馈电路组成检测系统。 进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。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nts 湖南大学毕业设计（论文） 第 4 页 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。 数控车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。 直流伺服电动机引入了机械换向装置。其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生 电磁干扰。同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差。为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。 交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能 4。 1.2.3 数控机床的发展趋势 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业（ IT、汽车、轻工、医疗等 ）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代化发展的大趋势。当前世界上数控技术及其装备的发展呈现以下发展趋势： （ 1）高精度化 现代科学技术的发展 、新材料及新零件的出现，对精密加工技术不断提出新的要求，提高加工精度，发展新型超精密加工机床，完善精密加工技术，适应现代科技的发展，已 经成为数控机床的发展之一。其精度已从微米级到亚微米级，乃至纳米级。提高数控系统的加工精度，一般可通过减少数控系统的误差和采用机床误差nts 湖南大学毕业设计（论文） 第 5 页 补偿技术来实现提高数控机床的加工精度。 （ 2）高速化 提高生产率是数控机床追求的基本目标之一。数控机床高速化可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率，降低成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度，对制造野实现高效 、优质、低成本生产具有广泛的适用性。 （ 3）高柔性化 采用柔性自动化设备或系统，是提高加工精度和效率，缩短生产周期，适应市场变化需求和提高竞争力的有 效手段。数控机床在提高单机柔性化的同时，朝着单元柔性化和系统柔性化方向发展。 （ 4）高自动化 高自动化是指在全部加工过程中尽量减少人的介入而自动完成规定的任务，它包括物料流和信息流的自动化。 （ 5）智能化 随着人工智能在计算机领域的不断渗透与发展，为适应制造业生产柔型化、自动化发展需要，智能化正成为数控机床研究和发展的热点，它不仅贯穿在生产加工的全过程（如智能编程、智能数据库、智能监控），还贯穿在长品的售后服务和维修中。 （ 6）复合化 复合化包含工序复合化和功能复合化。数控机床的发展已模糊了粗、精加工 工序的概念。 （ 7）高可靠性 数控机床的可靠性一直是用户最关心的。数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数量，提高可靠性。 （ 8）网络化 为了适应 FMC、 FMS以及进一步联网组成 CIMS的要求，先进的 CNC系统为用户提供了强大的联网能力，除有 RS232 串行接口、 RS422 等接口外，还带有远程缓冲功能的 DNC接口，可以实现几台数控机床之间的数据通信和直接对几台数控机床进行控制。 （ 9）开放式体系结构 20 世纪 90 年代以后，计算机技术的飞速发展推动数 控机床技术更快地更新换代，世界上许多数控系统生产厂家利用 PC 机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统 4。 1.3 课题研究内容和方法 1.3.1 课题研究内容 1. 机床总体设计方案及总体布局图绘制 2. 纵向伺服进给机构理论计算 、结构设计及绘制装配图 nts 湖南大学毕业设计（论文） 第 6 页 3. 纵向伺服进给机构中典型零件的 CAD绘图 4. 机床尾架及其液压控制系统的设计及 CAD 绘图 5. CK20数控系统设计（硬件连接图） 6. 典型零件的数控车削加工程序编制 7. 外文资料文献翻译 8. 撰写毕业设计论文（说明书） 1.3.2 课题研究方法 此次设计任务主要是数控机床 CK20 横向进给系统的设计，以及床尾架和床鞍的设计绘图，还有机床数控系统的选者和连接以及典型零件的数控编程。通过查阅文献资料和到常德烟草机械厂的参观实习，咨询老师和工人师傅，以及和同学的商量讨论，初步拟定如下设计方案： 1. 机床整体方案采用 45斜床身，矩形滑动导轨。 2. 对于纵向进给系统的设计，主要要考虑滚珠丝杆副的计算选择，对此拟采用参看公司的滚珠丝杆的计算资料进行计算选择。滚珠丝杠的安装方式，拟采用固定 固定方式，滚珠丝杠是通过垫片预紧的。伺服电机和丝杠的连接采用通过联轴器的直接连接传动的方案。电机的选择也是 采用西门子公司的伺服电机，电机自带脉冲编码器和制动器。 3. 数控系统将会选用在当今比较广泛采用的系统，争取实现低价、高效，拟选用西门子公司的 802D 数控系统。 1.4 论文构成 第一章 绪论 第二章 总体设计 第三章 纵向伺服进给机构设计 第四章 尾架的设计 第五章 液压系统的设计 第六章 数控系统的设计 第七章 结论典型零件的数控车削加工程序的编制 第八章 结论 nts 湖南大学毕业设计（论文） 第 7 页 致谢 参考文献 nts 湖南大学毕业设计（论文） 第 8 页 2 总体设计 2.1 床身和导轨设计 (1)床身 机床的床身是整个机床的基础支承件，是机床的主体，一般用来放置导轨、主轴箱等重要部件。床身的结构对机床的布局有很大的影响。按照床身导轨面与水平面的相对位置，床身有图 1 所示的 5 种布局形式。一般来说，中、小规格的数控车床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型数控车床或小型精密数控车床才采用平床身，立床身采用的较少。平床身工艺性好，易于加工制造。由于刀架水平放置，对提高刀架的运动精度有好处，但床身下部空间小，排屑困难；刀架横滑板较长，加大了机床的宽度尺寸，影响外观。平 床身斜滑板结构，再配置上倾斜的导轨防护罩，这样既保持了平床身工艺性好的优点，床身宽度也不会太大。斜床身和平床身斜滑板结构在现代数控车床中被广泛应用，是因为这种布局形式具有以下特点： 容易实现机电一体化； 机床外形整齐、美观，占地面积小； 容易设置封闭式防护装置； 容易排屑和安装自动排屑器； 从工件上切下的炽热切屑不至于堆积在导轨上影响导轨精度； 宜人性好，便于操作； 便于安装机械手，实现单机自动化。 这次设计中，我们采用的是 45 度斜床身。 (2)导轨 车床的导轨可分为滑动导轨和滚动导轨两种。 滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。目前，数控车床已不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。滚动导轨的优点是摩擦系数小，动、静摩擦系数很接近，不会产生爬行现象，可以使用油脂润滑。 这次设计中采用的是新型塑料滑动导轨。 nts 湖南大学毕业设计（论文） 第 9 页 2.2 主轴系统设计 经济型 数控车床大多数是不能自动变速的，需要变速时，只能把机床停止，然后手动变速。而全功能数控车床的主传动系统大多采用无级变速。目前，无级变速系统主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴电机，通过带传动带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮 (以获得更大的转矩 )带动主轴旋转。由于主轴电机调速范围广，又可无级调速，使得主轴箱的结构大为简化。主轴电机在额定转速时可输出全部功率和最大转矩。 这次设计中 采用二级机械变速机构。 2.3 刀架系统设计 数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切 削用的刀具，因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平。 按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。 (1) 排式刀架 排式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。这种刀架在刀具布置和机床调整等方面都较为方便，可以根据具体工件的车削工艺要求，任意组合各种不同用途的刀具，一把刀具完成车削任务后，横向滑板只要按程序沿 X 轴移动预先设定的距离后，第二把刀就到达加工位置，这样就完成 了机床的换刀动作。这种换刀方式迅速省时，有利于提高机床的生产效率。 (2) 回转刀架 回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，通过刀架的旋转分度定位来实现机床的自动换刀动作，根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架，并相应地安装 4 把、 6 把或更多的刀架。 (3) 带刀库的自动换刀装置 上述排刀式刀架和回转刀架所安装的刀具都不可能太多，即使是装备两个刀架，对刀具的数目也有一定限制。 基于以上原因，本次设计中采用 六工位卧式回转刀架。 2.4 进给系统设计 nts 湖南大学毕业设计（论文） 第 10 页 数控车床的进给传动系统一般均 采用进给伺服系统。这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。 进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统 。 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。 数控车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。 基于以上原因，在此次设计中，拟采用半闭环系统，选用西门子的交流伺服电机，此交流伺服电机自带脉冲编码器和制动器。 nts 湖南大学毕业设计（论文） 第 11 页 3 纵向伺服进给机构设计 3.1 纵向伺服进给系统设计的基本要求 数控机床的进给系统必须保证由数控装置发出的控制指令转换成速度符合要求的相应角位移或直线位移，带动运动部件运动。根据工件加工的需要，在机床上各运动坐标的数字控制可以是相互独立的，也可以是联动的。总之，数控机床对进给系统的要求集中在精度 、 稳定 、和快速响应三个方面。为满足这种要求，首先需要高性能的伺服驱动电动机，同时也需要高质量的机械结构与之匹配。为提高进给系统机械结构性能主 要采取以下措施： （ 1） 提高系统机械结构的传动刚度 （ 2） 采用低而稳定的摩擦传动副 数控机床进给系统多采用刚度高摩擦因数小而稳定的滚动摩擦副，如滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨等。 （ 3） 惯量匹配 最佳惯量匹配目的是为保证伺服驱动电机的工作性能和满足传动系统对控制指令的快速响应的要求。 （ 4） 提高传动件精度 高质量的机械传动配合与高性能的伺服电动机使现代数控机床进给系统性能有了大幅度提高 4。 3.2 纵向进给机构设计 3.2.1 方案设计 目前数控车床的纵向和横向多采用交流伺服电机， 进给系统的机械传动链采用滚珠丝杠、静压丝杠 和无间隙齿轮副等，以尽量减小反向间隙。 我们这里拟采用的是滚珠丝杠副传动，以减少摩擦系数，提高进给机构的整体刚度。滚珠丝杠与电机间用联轴器直接连接，以消除间隙。 滚珠丝杠的支撑形式有四种：（ 1）一端固定，一端自由，此种形式适用于中小载荷，低速，短丝杠垂直安装；（ 2）一端固定，一端游动，此种形式适用于中等载荷，中等转速；（ 3）两端支撑，此种形式适用于中等转速，高速度，高精度；（ 4）两端固定适用于承载能力大，高速，高刚度，高精度的车床。滚珠丝杠螺母副也有两种循环方式，一种是外循环式，还有一种是内循环式。 从刚度计算 可以看出，丝杆的支撑方式对丝杆的刚度影响很大。而采用两端固定的支承方式压杆稳定性和临界转速高，丝杠的轴向刚度为一端固定的 4倍，丝杠可以预拉伸，预拉伸后可减小nts 湖南大学毕业设计（论文） 第 12 页 丝杠自重下垂和补偿热膨胀且轴承组合的刚度高。因此我拟采用两端固定的支撑方式。这种支承方式的特点是：刚度最高，只要轴承无间隙。丝杠的轴向刚度为一端固定的四倍。安装时需保持螺母与 4支承同轴，故结构复杂，工艺较困难；丝杠一般不会受压，无压杆稳定问题，固有频率比一端固定要高；可以预拉伸，预拉伸后可以减少丝杠自重的下垂和补偿热膨胀，但需一套预拉伸机构，结构及工艺都 比较复杂；要进行预拉伸的丝杠，其目的行程应略小于公称行程，减少量等于拉伸量。因此这种形式适用于对刚度和位移精度要求高的场合。 3.2.2 滚珠丝杠副的研究设计 1.主切削力计算及主电机选择、 1.1 主切削力的计算 由文献 5， 6可知 ppzzz z z z zzxyz p v p p v p n ppp c t s k k k k k 料3-1 取zpc=167 zpx=1.0 zpy=0.75 zpk料=1.09 zpk=1.08 znpk=1.05 切削速度 取 zvpk=1.0 查车工工艺学中级本： #45 钢淬硬 (淬火及低温回火 ),硬度 44HRC，单位切削力为 270公斤 / 2m ( 0.3 /s mm r ),其切削用量范围为 切削速度 9 0 1 0 5 / m i nvm 切削深度 1 5t mm 进给量 0 . 1 0 . 5 /s m m r 切深 t取 5mm，进给量取 0.3mm/n,代入 3-1 得： 0 . 7 51 6 7 5 0 . 3 1 . 0 9 0 . 9 1 . 0 8 1 . 3 1 . 0 54 8 9 . 5 4 7 9 7zpN 公 斤 力取zF=4800 由数控机床 机器人 机械系统设计指导所示，进给抗力xF和切深抗力yF，可以按以下比例分别求出： 2 8 0 4 0 0 0 3 5 1 6 . 8 / m i n1 0 0 0 1 0 0 0dnvm nts 湖南大学毕业设计（论文） 第 13 页 : : 1 : 0 . 2 5 : 0 . 4 4 8 0 0 : 1 2 0 0 : 1 9 2 0z x yF F F 1.2 切削功率计算： 由上所示，切削速度 v 取为 105 / minm ，根据公式 4 8 9 . 5 1 0 5 8 . 3 9 8 8 . 41 0 2 6 0 6 1 2 0zPvN k w 切 削 根据公式 N N K 切 削 过电 机查表取 0.75 ， 1.25K 过选电机功率为 11kw 2.工作台质量及工作台承重初估 刀架：参考 31Ak 系列数控转塔刀架主要规格及参数，初估刀架 (带刀盘 )毛重为 150kg ，1 9 . 8 1 5 0 1 4 7 0GN 刀架座：长 宽 高即 4 2 0 2 0 0 8 0 ( )mm 392 7 . 8 5 1 0 9 . 8 1 0 4 0 0 2 0 0 8 0G V g 517.5N 圆整后 2 520GN床鞍： 6 0 0 3 0 0 1 0 0 mm 长 宽 高 3 3 97 . 8 5 1 0 9 . 8 1 1 0 3 0 0 6 0 0 1 0 0 1 3 8 6G g V N 根据以上估算得总的重量为 G=2000+1386=3386N 3.初选滚珠丝杠 已知条件： 最大行程： 650mm 纵向定位精度： 0 . 0 1 2 / 3 0 0m m m m 失动量： 0.01s mm 工作台最高速度：m a x 1 5 / m invm查表选择丝杆预期寿命： 15000hL 小时 电机直联丝杠，最高转速：m a x 2 0 0 0 / m i nnr初步考虑用滑动导轨，摩擦系数 0.1 丝杠用固定 固定的安装方式 nts 湖南大学毕业设计（论文） 第 14 页 设计计算过程： 由文献 7-13可知 步骤 1： 在本设计中，电机与丝杆直接相连，传动比为 1i ，丝杆的最高工作转速为 m a x 2 0 0 0 / m i njn n r，则丝杆的导程为： 取 ph=10（ mm） 步骤 2：确定丝杠等效转速 最大进给时，丝杠的转速为： / 1 5 0 0 0 / 1 0 1 5 0 0 / m i nm a x m a xn v p rh 最小进给时，丝杠的转速：m i n m i n / 1 / 1 0 0 . 1 / m i nhn v p r 则丝杠的等效转速为（122tt） m a x 1 m i n 2121 0 0 0 / m i nm n t n tnrtt 步骤 3：确定丝杠的等效负载 丝杠所受的最大牵引力： m a x2222221 2 0 0 0 . 0 2 5 3 3 8 6 1 9 2 0 4 8 0 0 1 3 3 5 . 6x y zF F f G F FN 最小工作负载荷为摩擦力： m i n 0 . 0 2 5 3 3 8 6 8 4 . 6 5F f G N 故等效载荷为： 2 1 2 1( , 2 )t t n n133 3m a x 1 1 m i n 2 21 1 2 2133 31111 3 3 5 . 6 2 8 4 . 6 59 2 6 . 23F n t F n tFmn t n tn t n tNnt 步骤 4： 根据机床的定位精度要求，预选精度等级 3 级，查表得精度系数 1.0af ，载荷系数1.3wf ， aC 按滚珠丝杆副的预期工作时间 hL 计算， 查表得： 1.3wf 1af nts 湖南大学毕业设计（论文） 第 15 页 则其动载荷为： 336 0 / 1 0 06 0 1 0 0 0 1 5 0 0 0 9 2 6 . 3 1 . 3 / 1 0 0 1 1 1 6 2 5m h m w aC o n L F f fN 步骤 5：用固定 固定安装方式 1 2 2 8 2 8 1 43 2 6 5 0 3 2 1 0 9 7 0z x a e n x h h h hxhL L b L L L L P P P PLP 最大弹性变形量： 111 0 1 . 6 766ms 空载时 ,丝杠的轴向载荷： 0 3 3 8 6 0 . 0 2 5 8 4 . 6 5F f G N 2 0 01 0 1 0 / 0 . 0 3 9 /m z m z md F L E F L 3-2 代入数据得： 22 0 . 0 3 9 8 4 . 6 5 9 7 0 / 1 . 6 7 8 . 6 5md d m m 上式中 m 允许的最大弹性变形量 )( m E 弹性模量 25 /101.2 mmN zL 两端固定支承的距离 )(mm 0F 为检测位置精度空运转时，作用在滚珠丝杆副上的 轴向载荷 )(N 步骤 6：根据已经计算出的hP,aC以及2d的下限值选择滚珠死杠副 选择内循环反向器双螺母垫片预紧 GD3210-3-P3 =10 2 24.9d aC=22329 。如下图所示： nts 湖南大学毕业设计（论文） 第 16 页 图 3.1 可以看出满足步骤 1.4.5 的要求 4.滚珠丝杠校核 : 步骤 1:滚珠丝杠副nD值的校核 0 m a x 3 2 6 5 0 0 4 8 0 0 0 7 0 0 0 0nD d n (满足要求 ) 0d 滚珠丝杆的节圆直径 ()mm maxn 滚珠丝杆副的最高转速 ( / min)r 步骤 2:预紧力pF的校核 m a x / 3 1 3 3 5 . 6 / 3 4 4 5 . 2 0 . 10 . 1 2 2 3 2 9 2 2 3 3paF F CN (满足要求 ) 步骤 3:取 2tC 有效行程： 2 6 5 0 2 1 4 6 5 0 1 6 1 0 8 1 0u x a n h hL L L L P P m m 预拉伸力： 6 5 2/1 2 1 0 2 2 . 1 1 0 3 . 1 4 2 4 . 9 / 4 2 4 5 3tuF t A E L T EN 上两公式中： 丝杆的热膨胀系数为 612 10 nts 湖南大学毕业设计（论文） 第 17 页 t 丝杆的温升，一般取 2 4 Co ，取为 2Co E 弹性模量 52.1 10 Mpa 2d 丝杆底径 ()mm 步骤 4：选轴承型号 （ 1） 因滚 珠丝杠安装方式为：固定 固定 故选背对背 60 接触轴承。 （ 2） 确定轴承内径，确定轴承型号规格 右端轴承内径应略小于丝杠外径，取 25 ，型号规格为 25TAC62A。内循环滚珠丝杠必须有一端轴承内径小于螺纹底径 2d 。选左断轴承内径 20 。型号规格为20TAC47A。 步骤 5：绘制工作图 最 大行程： mmLx 650余程： mmPLhe 401044 安全行程： mmPLha 10所选丝杠的螺母长度为： mmPLhn 1 4 0101414 由结构设计得到： mmbmmb 55,25 21 螺纹长度： mmLLLLLneax 8901408020650221 两支承轴承间距： mmbbLL z 9705525890211 步骤 6：最高转速校核： 51 /22 5 1 0 4 0 6 5 0 7 0 7 9 5c a e x nL L b L L L L mm 滚珠丝杠副转速过高，会产生共振，影响正常运转，损坏机器，为确保不发生共振，所容许的最高转速为 ：取 9.21f 7 2 7 22m a x1 0 / 2 1 . 9 2 4 . 9 1 0 / 7 9 58 6 3 0 / m i nccn f d Lrn （符合要求） f 安装系数 2d 丝杆螺纹底径 mm nts 湖南大学毕业设计（论文） 第 18 页 cL 计算许用转速cn用的安装距离 mm 步骤 7：滚珠丝杠的临界压缩载荷校核： 丝杠水平安装 40,31 21 kk查表得5LLy 4 4 2 4 41 2 2m a x11 0 / 4 0 2 4 . 9 1 0 / 7 9 538110cyP k k d LNF （符合要求） maxF 作用在滚珠丝杆副上的最大轴向压缩载荷 N 1K 安全系数。丝杆垂直安装 1 1/ 2K ，丝杆水平安装 1 1/3K cK 与丝杆支承型式有关的系数，查表为 40cK yL 计算临界压缩载荷用的安装距离 mm ，当采用固定 固定安装方式时，有 5 319yL L m m步骤 8： （ 1） 取 558K 由上可知： NFFp 7.11283/33863/3 则 mNCFKKapa /5.4442 2 3 2 91.0/7.1 1 2 85581.0/ 3/13/1 pF 滚珠丝杆副的预紧力 N aC 样本上的额定动载荷 N mNKK an /6.3555.4448.08.0 （ 2）计算maxsKminsKmmLz 970 ， mmL 7955 则 mNLdKzs /422970/109.246.6/106.6 22222m i n mNLLLLdK zzs/7137959707954/109709.246.64/106.62255222m a x （ 3） 查轴承可得 25TAC62A的刚性 mNKb /10001 nts 湖南大学毕业设计（论文） 第 19 页 20TAC47A的刚性 mNKb /7502 由公式得 mNKKKbbB /1750750100021 （ 4）丝杠系统轴向拉压系统刚度 eK 的计算 丝杠采用固定 固定支承方式，则有： sHcBe KKKKK 41114 11 CK 丝杠副内滚道的接触刚度（ mN / ） BK 轴承的接触刚度（ mN / ） HK 螺母座刚度（ mN / SK 丝杠本身的拉压刚度 mN / 5.5674 16.355 1558118604 11 Ke计算可得： mNKe /193 （ 5） 固有频率的验算 丝杠拉压振动的固有频率为 61 9 3 1 0 9 . 8 7 4 7 /33867 1 3 7 / m i n 2 0 0 0 / m i nBKeW r a d smrr （符合要求） 3.2.3 伺服电机的选择 1 电机的预选 理论动态预紧转矩：三级丝杠 9.0 则 mNPFT hpp38.09.0/9.012/107.1 1 2 810/)1(2/1023230 （ 1） 最大动态摩擦力矩： 查 GB/T17587.3-1998验收标准 E12 得 3P 级 mNT p 3.00 %40p 则 mNTTpp 53.038.04.1%401 0m a x（ 2） 驱动最大负载所耗的转矩： nts 湖南大学毕业设计（论文） 第 20 页 NF 6.1335max 则 331 0 / 21 0 1 3 3 5 . 6 1 0 / 2 0 . 9 2 . 3 6a a hT F PNm （ 3） 支承轴承所需的启动扭矩： 轴承 25TAC62A mNTb 23.01轴 承 20TAC47A mNTb 14.02则 mNT B 37.014.023.0 （ 4） 驱动滚珠丝杠副所消耗的扭矩： mNTTTT Bapg 26.337.036.253.0m a x （ 5） 电机额定扭矩： Jg TT 5.035.0 （ 6） 电机额定扭矩： Jg TT 5.035.0 则 mNTJ 3.952.6通过翻阅资料，预选用西门子的电机，具体型号为 51FT 711066 AC 交流伺服电机，电机的具体参数为： 额定转速 min/2000 r 额定转矩 mN7.6 重量 kg5.10 转子转动惯量 24108.11 kgm 计算功率 kw7.1 制动转矩 Nm3 同时此电机购进时，已安装脉冲编码器和制动器 2 伺服电机的校核 步骤一 电机惯量的验算 各部分折算到丝杆轴的转动惯量如下所求： 工作台折算到丝杆上的转动惯量为： 22spTThJm 23 322 0 0 0 6 1 0 0 . 1 8 6 1 09 . 8 1 2 k g m 丝杆的转动惯量为： 218sp sp spJ m d 23232 10294.0109.248.381 mkg nts 湖南大学毕业设计（论文） 第 21 页 其中spm求解为： 214sp sp spm d L kg8.31085.71025970109.2441 3323 螺母的转动惯量估算为： 320 . 1 1 0zpJ k g m 负载及机械传动装置总的转动惯量为： 2300058.0101.0294.0186.0mkgJJJJ WscL 而西门子电动机的转动惯量 为： 20 . 0 0 1 1 8MJ k g m全部的转动惯量为： 2444106.17108.5108.11mkgJJJ Lmr 根据惯性匹配原则， 67.0106.17 108.11 44 rMJJ 满足 0 .2 5 1MrJJ 1. 电机加速度的验算 5.530/111530m a x60 m a x2m a x SKVtVa 式中SK为系统增益，一般去 9.717.5 刀架能达到的最大加速度为： 2max PhJrMa 24 /08.62 01.0106.17 7.6 sm 显然，maxaa，加速能力符合设计要求。 综上，电机选者符合要求。 3.2.4 导轨设计 数控机床上都有导轨。机床上的运动部件必须沿着床身或立柱或横梁上的导轨运行。导轨的主要功能是导向和承载作用。导轨使运动部件沿一定的轨迹运动，从而保证各部件的相对位置和相对位置精度。导轨承受运动部件及工件的重量以及切削力（承nts 湖南大学毕业设计（论文） 第 22 页 载作用）。导轨在很大程度上决定数控机床的刚度 .精度和精度保持性。 导轨主要由机床上两个相对运 动部件的配合面组成一对导轨副，其中不动的配合面成为支承（固定）导轨，运动的配合面成为运动导轨。 1.导轨的功用和应满足的基本要求 导轨的功用是承受载荷和导向。它承受安装在导轨上的运动部件及工件的质量和切削力，运动导轨可以沿导轨运动。运动的导轨称为动导轨，不动的导轨称为静导轨或支承导轨。动导轨相对于静导轨可以作直线运动或者回转运动。 导轨设计要满足以下要求：导向精度高；承载能力大，刚度好；精度保持性好；低速运动平稳；结构简单、工艺性好 4。 2.导轨的选择 滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。 但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。目前，数控车床已不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。 结合沈阳数控产的 SSCK20A 数控车床，通过测绘，确定为双矩形导轨，并在动导轨上粘贴聚四氟乙烯塑料软带。 这种截面导轨制造维修方便，承载能力大，新导轨导向精度高 。它是以聚四氟乙烯为基体，添加耐磨材料构成的高分子复合材料，它与铸铁导轨够成摩擦副时，摩擦系数仅为 0.020.03，是铸铁和铸铁副的 1/3 左右，且动静摩擦系数相近，所以具有良好的防爬性能，耐磨性可以提高 12 倍，。 导轨间隙的调整是通过压板来实现的，压板用螺钉固定在动导轨上，通过刮研和修磨压板与动导轨和静导轨的接触面来调整间隙的。而用导向调整板来调整侧向间隙，导向调整板是一种新型的镶条，它被置于导轨受力较小的一侧。采用导向调整板调整间隙，调整方便，接触良好，磨损小。 3.2.5 滚珠丝杠的支承 滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此对丝杠的轴向精度和轴向刚度应有较高要求，其两端支承的配置情况有：一端轴向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短丝杠和垂直进给丝杠；一端固定一端浮动的方式，常用于较长的卧式安装丝杠；以及两端固定的安装方式，常用于长丝杠或高转速、高刚度、高nts 湖南大学毕业设计（论文） 第 23 页 精度的丝杠，这种配置方式可对丝杆进行预拉伸。因此在此课题中采用两端固定的方式，以实现高刚度、高精度以及对丝杠进行拉伸。 丝杠中常用的滚动轴承有以下两种：滚针 推力圆柱滚子组合轴承和接触角为 60角接触轴承，在这两种轴承中， 60角接触轴承的摩擦力矩小于后者，而且可以根据需要进行组合，但刚度较后者低，目前在一般中小型数控机床中被广泛应用。滚针 圆柱滚子轴承多用 于重载和要求高刚度的地方。 60角接触轴承的组合配置形式有面对面的组合、背靠背组合、同向组合、一对同向与左边一个面对面组合。由于螺母与丝杠的同轴度在制造安装的过程中难免有误差，又由于面对面组合方式，两接触线与轴线交点间的距离比背对背时小，实现自动调整较易。因此在进给传动中面对面组合用得较多。 在此课题中采用了以面对面配对组合的 60角接触轴承，以容易实现自动调整。滚珠丝杠工作时要发热，其温度高于床身。为了补偿因丝杠热膨胀而引起的定位精度误差，可采用丝杠预拉伸的结构，使预拉伸量略大于热膨胀量。 3.2.6 滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧 滚珠丝杠螺母机构是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，是
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