XK2125水平进给系统设计（总体方案设计）

摘要在国际贸易中，很多发达国家把数控机床视为具有高技术附加值、高利润主要电机出口产品。世界贸易强国在进行国内机电产品贸易的同时，把高技术的机电产品出口打入国际市场，作为发展出口经济的重要战略措施，数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控铣床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置。本文介绍了铣床的一些基本概况，简述了机床主传动系统方面的原理和类型，分析了各种传动方案的机理。立式数控铣床主传动系统包括了主轴电动机、主轴传动系统和主轴组件三部分组成。本文详细介绍了立式数控铣床主传动系统的设计过程，该立式数控铣床主轴变速是靠带轮进行的，这种传动方式多见于数控车床，它可避免齿轮传动时引起的振动和噪声，是啮合传动中唯一一种不需要润滑的传动方式。在啮合传动中，它的结构最简单，制造最容易，最经济，弹性缓冲的能力最强，重量轻，两轴可以任意布置，噪声低。它的带由专业厂商生产，带轮自行设计制造，它在远距离、多轴传动时比较经济。文中介绍了立式数控铣床主传动系统各种传动方案优缺点的比较、主传动方案的选择和确定、主传动变速系统的设计计算、主轴组件的设计、轴承的选用及其润滑、关键零件的校核、以及主轴电动机的控制等设计过程。关键词：机床；进给系统,滚珠丝杠；AbstractIn international trade,many centuries view digital lathesare as hi-techvalue-adds and profitable exports.Digital lathesare expensive mechanical and electrical products.The powerful trade nations export hi-texh mechanical snd electrical products to the world market whiledoing such business at home ,Which is now an important strategy of develop-ing their export economy.this text introduces the vertical CNC milling machine of some of the basic situation, this paper describes the main drive system of machine tool of principle and type, analyzes the mechanism of all kinds of transmission scheme. Vertical CNC milling machine main transmission system including the spindle motor, main shaft transmission system and spindle component of three parts. This paper introduces the vertical CNC milling machine main transmission system design process, the vertical axis CNC milling machine speed is to rely on the pulleys, the transmission way in numerical control lathe, it can avoid caused gear transmission of the vibration and noise, meshing transmission in the only need not lubrication transmission mode. In the meshing transmission, its structure is the most simple, make the most easy, the most economical, the most powerful of the elastic cushion, light weight, two axis can be arbitrary decorate, low noise. It brought from specialized manufacturer production, pulleys to design manufacturing, it in the distance, much shaft driving when more economic. This paper introduces the main transmission system vertical CNC milling machine all kinds of transmission scheme comparison, the advantages and disadvantages of the main transmission scheme selection and sure, main transmission variable speed drive system design calculation, spindle component design, the choice of bearing the lubrication, key parts of checking, and spindle motor control, such as design process.Keyword：Machine tools; feed system, ball screw目录第一章 绪论 .41.1 概述 .41.2 龙门镗铣床组成特点 .61.3 国内外的发展状况 .81.3.1 我国数控车床的研究现状 .81.3.2 进给系统的发展现状 .101.3.3 数控机床的发展趋势 .111.4 课题研究的内容 .12第二章 整体结构的设计 .132.1 主轴系统的设计 .132.2 进给系统的设计 .142.2.1 进给系统的基本参数 .142.2.2 丝杠设计计算 .14第三章 关键部件强度校核 .243.1 轴承校核 .243.2 齿轮校核 .273.3 键的校核 .27第四章 总结 .29致谢 .31参考文献 .331第一章 绪论1.1 概述机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度提高生产效率。1970 年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了一台由通用小型计算机作为数控系统的主控装置，这样的数控系统最大特征就是许多功能由软件完成实现，系统变得灵活，通用性好，被称为第四代数控系统，第四代数控系统开创了计算机数控系统的新时代。1974 年，开始出现的以微处理器为核心的的数控系统使计算机数控技术的发展突飞猛进，获得了广泛的应用，被称为第五代数控系统。这主要是微处理器实现了计算机的核心部件的高度集成，不但可靠性高，功能强，速度快，而且价格便宜，满足了数控系统的特殊要求，30多年来装备了微处理器的数控系统获得了广泛的发展和应用。20 世纪 80 年代，微处理器完成了由 16 位到 32 位的过度，通用化的个人计算机发展迅速，开始造全国普及和应用，PC 进入数控技术领域，产生了基于 PC 的数控系统，被称为第六代数控系统，它与第五代数控系统不同之处在于，PC 数控系统的硬件和软件的平台式完全通用的，他可以毫无障碍的借鉴 PC 的全部资源和最新发展成果是计算机数控技术的发展走上了更加坚实宽广快速的道路。伴随着世界的数控技术的进步，我国的数控技术及数控产品也取得了令人鼓舞的成就，十五期间，国家投入 5 亿多，先后开展了 20 多项的技术难度大，进口价格高以及对我国限制进口的高精尖大型数控设备的研制，通过市场竞争择优支持了一批中档数控机床和数控系统生产基地的产业化支撑技术研究，开展了数控系统和伺服系统高速主轴等关键部件的研究和可靠性增长技术，工业造型等一批国家基础性共性技术的研究和发展。龙门镗铣床是集机、电、液等先进技术于一体的机械加工设备，适用于航空、重机、机车、造船、发电、机床、汽车、印刷、模具等行业半精加工和精2加工，也可以用于粗加工。龙门镗铣床总体结构由一个龙门架组成，龙门架由双立柱、活动横梁、连接梁、横向溜板及铣头滑枕组成刚性框架，横梁沿立柱导轨上下运动（W 轴） ，横梁上配置一台立式大功率多功能滑枕式镗铣头，镗铣头溜板沿横梁导轨左右运动（Y 轴）及其上下运动（Z 轴） ，龙门框架沿床身纵向运动（X 轴） 。连接龙门镗铣床的电源，应该是保持相对稳定的电压，电压波动必须在允许范围内，并保持相对的稳定，否则会对龙门镗铣床的电机造成损伤，导致加工失败和其他故障的产生。龙门镗铣床周围环境的温度低于 30 摄示度，相对温度小于 80%。而且电源箱内有排风扇，保持各种电子元件的温度的恒定，过高的温梯度和湿度会导致控制系统元件的使用寿命的缩短，湿度的增大会导致电路板上的灰尘聚集产生粘接，可能会导致短路。龙门镗铣床具有镗孔、钻孔、铣削、切槽等加工功能；配上高精度回转工作台、直角铣头等功能附件，可以实现五面加工，是冶金、能源、电力等行业用于汽轮机、发电机和重型机械等大型零件加工的理想设备。主要适用：1、形状复杂加工精度高，通用机床无法加工或很难保证加工质量的零件；2、在加工过程中，必须进行多工序加工，如必须在一次装夹中完成铣、镗、锪铰或攻丝等工序；3、具有难测量、难控制进给、难控制型腔尺寸的壳体或箱型零件1.1 龙门镗铣床31.2 龙门镗铣床组成特点数控机床的机械结构主要由传动系统、支承部件、分度台等部分组成。传动系统的作用是把运动和力由动力源传递给机床执行件，而且要保证传递过程中有良好的动态特性。传动系统在工作过程中，经常受到激振力和激振力矩的作用，使传动系统的轴组件产生弯曲和扭转振动，从而影响机床的工作性能。随着机床切削速度的提高和自动化方向的发展，传动系统的结构组成越来越简单，但对其机械结构性能的要求却越来越高，从而使传统的设计方法远远达不到要求，这样，各种设计理论的研究和使用就得到了迅猛的发展。数控机床是一种高效能自动加工机床，是一种典型的机电一体化产品。与普通机床相比，数控机床具有如下一些优点：易于加工异型复杂零件；提高生产率；可以实现一机多用，多机看管；可以大大减少专用工装卡具，并有利于提高刀具使用寿命；提高零件的加工精度，易于保证加工质量，一致性好；工件加工周期短，效率高；可以大大减少在制品的数量；可以大大减轻工人劳动强度，减少所需工人数量等。数控机床是高精度和高生产率的自动化机床，其加工过程中的动作顺序、运动部件的坐标位置及辅助功能，都是通过数字信息自动控制的，操作者在加工过程中无法干预，不能像在普通机床上加工零件那样，对机床本身的结构和装配的薄弱环节进行人为补偿，所以数控机床几乎在任何方面均要求比普通机床设计得更为完善，制造得更为精密。为满足高精度、高效率、高自动化程度的要求，数控机床的结构设计已形成自己的独立体系，在这一结构的完善过程中，数控机床出现了不少完全新颖的结构及元件。与普通机床相比，数控机床机械结构有许多特点。(1)龙 门 镗 铣 床 的 组 成 ：龙 门 镗 铣 床 总 体 结 构 由 一 个 龙 门 架 组 成 ， 龙 门 架 由 双 立 柱 、 活 动 横 梁 、连 接 梁 、 横 向 溜 板 及 铣 头 滑 枕 组 成 刚 性 框 架 ， 横 梁 沿 立 柱 导 轨 上 下 运 动 ， 横梁 上 配 置 一 台 立 式 大 功 率 多 功 能 滑 枕 式 镗 铣 头 ， 镗 铣 头 溜 板 沿 横 梁 导 轨 左 右运 动 及 其 上 下 运 动 ， 龙 门 框 架 沿 床 身 纵 向 运 动 。 龙 门 镗 铣 床 是 集 机 、 电 、 液等 先 进 技 术 于 一 体 的 机 械 加 工 设 备 ， 适 用 于 航 空 、 重 机 、 机 车 、 造 船 、 发 电 、4机 床 、 汽 车 、 印 刷 、 模 具 等 行 业 半 精 加 工 和 精 加 工 ， 也 可 以 用 于 粗 加 工 。其 中 ， 存 储 介 质 用 于 记 载 机 床 加 工 零 件 的 全 部 信 息 。 如 零 件 加 工 的 工 艺过 程 、 工 艺 参 数 、 位 移 数 据 、 切 削 速 度 等 。 常 用 的 存 储 介 质 有 磁 带 、 磁 盘 等 。也 有 一 些 数 控 机 床 采 用 操 作 面 板 上 的 按 钮 和 键 盘 将 加 工 程 序 直 接 输 入 或 通 过串 行 接 口 将 计 算 机 上 编 写 的 加 工 程 序 输 入 到 数 控 系 统 。 在 计 算 机 辅 助 设 计 与计 算 机 辅 助 制 造 (CAD/CAM)集 成 系 统 中 ， 加 工 程 序 可 不 需 要 任 何 载 体 而 直 接输 入 到 数 控 系 统 。图 1.2 龙 门 镗 铣 床 的 组 成数 控 装 置 是 控 制 机 床 运 动 的 中 枢 系 统 ， 它 的 基 本 任 务 是 接 收 程 序 介 质 带来 的 信 息 ， 按 照 规 定 的 控 制 算 法 进 行 插 补 运 算 ， 把 它 们 转 换 为 伺 服 系 统 能 够接 收 的 指 令 信 号 ， 然 后 将 结 果 由 输 出 装 置 送 到 各 坐 标 控 制 的 伺 服 系 统 。伺 服 系 统 由 伺 服 驱 动 电 动 机 和 伺 服 驱 动 装 置 组 成 ， 是 数 控 系 统 的 执 行 部件 。 它 的 基 本 作 用 是 接 收 数 控 装 置 发 来 的 指 令 脉 冲 信 号 ， 控 制 机 床 执 行 部 件的 进 给 速 度 、 方 向 和 位 移 量 ， 以 完 成 零 件 的 自 动 加 工 。通 常 数 控 系 统 由 数 控 装 置 和 伺 服 系 统 两 部 分 组 成 ， 各 公 司 的 数 控 产 品 也是 将 两 者 作 为 一 体 的 。机床主体也称主机，包括机床的主运动部件、进给运动部件、执行部件和基础部件，如底座、立柱、滑鞍、工作台(刀架)、导轨等。数控机床与普通机床不同，它的主运动和各个坐标轴的进给运动都是由单独的伺服电动机驱动，所以它的传动链短、结构比较简单。为了保证数控机床的快速响应特性，在数控机床上还普遍采用精密滚珠丝杠副和直线滚动导轨副。在加工中心上还配备有刀库和自动换刀装置。同时还有一些良好的配套设施，如冷却、自动排屑、5自动润滑、防护和对刀仪等，以利于充分发挥数控机床的功能。此外为了保证数控机床的高精度、高效率和高自动化加工，数控机床的其他机械结构也产生了很大的变化。本次设计即主要完成机床主体部分的设计。(2)龙门镗铣床的特点数 控 机 床 与 普 通 机 床 加 工 零 件 的 区 别 ， 在 于 数 控 机 床 是 按 照 程 序 自 动 加工 零 件 ， 而 普 通 机 床 由 工 人 手 工 操 作 来 加 工 零 件 。 在 数 控 机 床 上 只 要 改 变 控制 机 床 动 作 的 程 序 ， 就 可 以 达 到 加 工 不 同 零 件 的 目 的 。 由 于 是 一 种 程 序 控 制过 程 ， 数 控 机 床 相 应 形 成 了 以 下 几 个 特 点 。a 采 用 数 控 机 床 可 以 提 高 零 件 的 加 工 精 度 、 稳 定 产 品 的 质 量 。 因 为 数 控机 床 按 照 预 定 的 加 工 程 序 进 行 加 工 ， 加 工 过 程 中 消 除 了 操 作 者 人 为 的 操 作 误差 ， 所 以 零 件 加 工 的 一 致 性 好 ， 而 且 加 工 精 度 还 可 以 利 用 软 件 来 进 行 校 正 补偿 ， 因 此 可 以 获 得 比 机 床 本 身 所 能 达 到 的 精 度 还 要 高 的 加 工 精 度 及 重 复 定 位精 度 。b 数 控 机 床 可 以 完 成 普 通 机 床 难 以 完 成 或 根 本 不 能 加 工 的 具 有 复 杂 曲 面的 零 件 的 加 工 。 因 此 它 在 航 空 航 天 、 造 船 、 模 具 等 加 工 业 中 得 到 广 泛 应 用 。c 采 用 数 控 机 床 比 普 通 机 床 可 以 提 高 生 产 效 率 2 3 倍 ， 尤 其 是 对 某些 复 杂 零 件 的 加 工 ， 生 产 效 率 可 以 提 高 十 几 倍 甚 至 几 十 倍 。d 可 以 实 现 一 机 多 用 。 一 些 数 控 机 床 将 几 种 普 通 机 床 功 能 合 一 ， 加 上 刀库 与 自 动 换 刀 装 置 构 成 加 工 中 心 ， 如 果 能 配 置 数 控 转 台 或 分 度 转 台 ， 则 可 以实 现 一 次 安 装 、 多 面 加 工 。e 采 用 数 控 机 床 有 利 于 向 计 算 机 控 制 与 管 理 生 产 方 面 发 展 ， 为 实 现 生 产过 程 自 动 化 创 造 了 条 件 。1.3 国内外的发展状况1.3.1 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6300 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。71 展开尺寸的计算1.3.2 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。8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。1.3.3 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。9（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。1.4 课题研究的内容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、撰写毕业设计论文。10第二章 整体结构的设计2.1 主轴系统的设计主轴组件是由主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和密封件等组成的。主轴的启动、停止和变速等均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。主轴是加工中心的关键部件，其结构的好坏对加工中心的性能有很大的影响，它决定着加工中心的切削性能、动态刚度、加工精度等。主轴内部刀具自动夹紧机构是自动刀具交换装置的组成部分。主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，他应具有一定的转速和一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料、不同尺寸、不同要求的工作、并能方便的实现运动的开停、变速、换向和制动等。数控机床主传动系统主要包括电动机、传动系统和主轴部件，它与普通机床的主传动系统相比在结构上简单，这是因为变速功能全部或大部分主轴电动机的无极调速来承担，省去了复杂的齿轮变速机构，有些只有二级或三极齿轮变速系统用以扩大电动机无级调速的范围。在主传动系统方面，具有下列特点：(1)目前数控机床的主传动电机已不再采用普通的交流异步电机或传统的直流调速电机，它们已逐步被新型的交流调速电机和直流调速电机所代替。(2)转速高，功率大。它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。(3)变速范围大。数控机床的主传动系统要求有较大的调速范围，一般Rn100，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。(4)主轴速度的变换迅速可靠。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。由于直流和交流主轴电机的调速系统11日趋完善，不仅能够方便地实现宽范围的无级变速，而且减少了中间传递环节，提高了变速控制的可靠性。主轴具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数，能够实现运动的开停、变速、换向和制动，以满足机床的运动要求。主电动机具有足够的功率，全部机构和元件具有是够的强度和刚度，以满足机床的动力要求。主传动的有关结构，特别是主轴组件要有足够高的精度、抗振性，热变形和噪声要小，传动效率要高，以满足机床的工作性能要求。操纵灵活可靠，调整维修方便，润滑密封良好，以满足机床的使用要求。结构简单紧凑，工艺性好，成本低，以满足经济性要求。数控机床的调速是按照控制指令自动执行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。在主传动系统中，目前多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机无级凋速系统。为扩大调速。为了适应不同的加工要求，目前主传动系统主要有三种变速方式。2.2 进给系统的设计2.2.1 进给系统的基本参数表2.1 进给系统参数Y 向最大切削力（N）进给速度(mm/min)进给行程(mm)部件重量(kg)最小设定单位（mm/脉冲）定位精度(mm)参数 30000 3 4 0 0 0 3500 50000 0.001 0.022.2.2 丝杠设计计算（1）滚珠丝杠副的载荷计算(a) 工作载荷 F工作载荷 F 是机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向作用力，其数值可用下列进给作用力的实验公式计算：对于燕尾形导轨机床 12(2.1)GFfkFyzx2对于矩形导轨机床 (2.2)( WFfkFyzz对于三角形或组合导轨机床 (2.2)(Ffkzz对于钻镗主轴圆导轨机床 (2.3)zxdMfF2对于滚动导轨机床 (2.4)yzxFWfF)(式中：Fx、Fy、Fzx、y、z 方向上的切削分力，N；Fr密封阻力，N；W移动部件的重量，N；M主轴上的扭矩，Nm；dz主轴直径，mm；f导轨摩擦系数；f轴套和轴架以及主轴的键的摩擦系数；k考虑颠覆力矩影响的实验系数。正常情况下，k、f与 f 可取表 1 数值。本次设计采用三角形或组合导轨机床由公式 计算工作)(WFfkzz载荷。(b) 最小载荷 Fmin 最小载荷 Fmin 为数控机床空载时作用于滚珠丝杠的轴向载荷。此时，Fx=Fy=Fz=0。根据丝杠运转方式可取 Fmin2000N(c) 最大工作载荷 Fmax最大载荷 Fmax 为机床承受最大切削力时作用于滚珠丝杠的轴向载荷。根据丝杠运转方式可取 Fmax111000N(d) 平均工作载荷 Fm 与平均转速 Nm13当机床工作载荷随时间变化且此间转速不同时，(2.5)32133nmttnFtF式中：t 1,t2,，t n分别为滚珠丝杠在转速 n1,n2,，n n下，所受轴向载荷分别是 F1,F2,，F n时的工作时间(min) (2.6) nmttn 21则根据参考数据，代入数值，计算平均工作载荷 Fm 与平均转速 Nm 如下N qnFqnFqnFqnFqnF mmmmmm3902 102610526701352640156 3333 4343323211 （2.7） 31241525014016201026minqqnr（2.8）当工作载荷与转速接近正比变化且各种转速使用机会均等时可用下式求得Fm 和 nm。Fm=(2Fmax+Fmin)3 (2.9)nm=(nmax+nmin)2 (2.10)（e）计算主切削力求工作载荷 F由金属切削原理等有关资料可知， 切削功率NC =NK （2.11）N电机功率，查有关资料得 7.5KW（N C切削功率）主传动系统总效率，一般取 0.60.7，这里取 0.65K进给系统功率系数，这里取 0.96NC =7.50.650.96=4.68KW 14由机械制造技术基础切削功率公式（2.12）310ccVFN *Vc切削速度,取 100m/min 则主切削力 NFc280168.43由切削力经验公式（2.13）cZYXpfckVCffcf查阅机床设计手册中可得知， .1,75.0,1,90fcfcfcfc ZYXC表 2.2 切削参数Ap(mm) 3 3F(mm) 0.3 0.4Fz(N) 2287 2837由表可知：当 F=2808N，时，切削深度 ap=3，走刀量 f=0.4mm,从金属切削原理中可得知在一般外圆车削时， Fx=(0.10.6)Fc Fy=(0.150.7)Fc取 Fx=0.5Fc=0.52808=1404NFy=0.6Fc=0.62808=1684.8N其中(Fc 为主切削力，Fx 为走刀抗力，Fy 为吃刀抗力)则工作载荷由上公式（3-3） ，取(WFfkzzK=1.15，f=0.18，W=800N,得F=1.151404+0.18（2808+800 ）=1614.6+649.44=2264.04N横向进给量为纵向的 1/21/3，取 1/2，则切削力约为纵向的 1/2。Fc=0.52808=1404N在切断工件时， Fy=0.5 Fc =0.51404=702N Fx=0.4Fc=0.41404=561.6N (2)滚珠丝杠副主要技术参数的确定(a) 导程 Ph15根据机床传动要求，负载大小和传动效率等因素综合考虑确定。一般选择时，先按机床传动要求确定，其公式为：Phvmax/nmax (2.14)式中：v max机床工作台最快进给速度， mm/min； nmax驱动电机最高转速，r/min 。在满足控制系统分辨率要求的前提下， P h 应取较大的数值。72.9140max0 InVPh在此为了安全性考虑：Ph =10(mm) (b) 螺母选择由于数控机床对滚珠丝杠副的刚度有较高要求，故选择螺母时要注重其刚度的保证。推荐按高刚度要求选择预载的螺母型式，其中插管式外循环的端法兰双螺母应用最为广泛，它适用重载荷传动、高速驱动及精密定位系统，并在大导程、小导程和多头螺纹中具有独特优点，且较为经济。滚珠的工作圈数 i 和列数 j。根据所要求性能、工作寿命、推荐按表 3-2选取。表 2.3 滚珠圈数 i 和列数要求特性 插管式(ij)滚珠循环流畅 1.51 2.51 3.51刚性 2.522.53法兰形状。按安装空间由标准形状选择，亦可根据需要制成特殊法兰形状。本次设计采用插管式外循环的端法兰双螺母，取滚珠圈列为 3.51，刚性 2.52.即 CTC 系列。(c) 导程精度选择根据机床定位精度，确定滚珠丝杠副导程的精度等级。一般情况下，推荐按下式（2.15）DTE5341式中：E累计代表导程偏差，m;TD机床有效行程的定位精度，m。典型机床进给滚珠丝杠的精度等级选择见表 2.4 16表 2.4 滚珠丝杠的精度等级NC 机床应用 车床 铣床镗床 加工中心 坐标镗床 钻床 磨床 电火花机 床(EDM) 线切割 (EDM) 冲床激光切割机床木材加工机床轴 X Z XY Z XY Z XY Z XY Z X Z XY (Z) XY UV XY XY ZC0 C1 C2 C3 C5 C7 精度等级C10 根据表 2.4 选择，对于车床一般选择三级或五级，精度偏高，导程应取小点，考虑公称直径不变，导程小，则螺旋升角小，传动效率相对变小，所以在导程数值满足机床加工精度的条件下，应尽可能取大。初步选择三级精度。（d）滚珠丝杠的支承与连接滚珠丝杠副的支承 为了获得高精度、高刚度的进给系统，不仅应选用 1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。滚珠丝杠主要承受轴向载荷，除自重外，一般无径向外载荷。因此，滚珠丝杠的轴向精度和刚度要求较高，为此应选用运转精度高、轴向刚度高、摩擦力矩小的滚动轴承。滚珠丝杠副的支承，主要是约束丝杠的轴向窜动，其次才是径向约束。较短的丝杠或者垂直安装的丝杠，可采用单支承形式；水平安装丝杠较长时，可以一端固定一段游动；对于精密或高精度机床的滚珠丝杠副，为了提高拉压刚度，可以两端固定；为了补偿热膨胀和减少丝杠因自重下垂，两端固定丝杠还可以进行预拉伸。常用支承形式如下表 3-9。连接形式 滚珠丝杠副与电机的连接形式可分为三种形式：与电机直接连接、通过齿轮连接和通过同步齿形带连接。第一种形式虽然减少了零件的数目与中间环节的影响，精度度高、效率高，但此种连接对安装、加工的要求较高，最好选用挠性联轴器。这种结构减速比 i=1，电机的额定转矩较大，等效转动惯量较大，对系统的稳定性与快速性影响不利；电机通过减速装置联结丝17杠，采用此轮副减速，要采取减速齿轮间的措施，否则就会产生噪声，影响传动精度；采用同步齿形带减速，可以自由调节传动比，没有传动间隙，工作中没有冲击，这种结构减速比大于一，减速后的传动件，其转动惯量对电机的影响随减速比的平方减少，而使等效转动关闭两降低。另外电机的额定转矩减小，尺寸缩小。本次设计采用两端固定的支承方式，采用同步齿形带减速的连接形式。(e) 累积基准导程目标值 T 为补偿由于温度升高或在外部载荷下滚珠丝杠延伸，需规定累积导程的目标值 T。以避免温度上升对导程精度的影响。T=-L (2.16)式中：热膨胀系数(=1210-6)；丝杠温升，(一般取=23)，取 3；L丝杠长度 mm；典型数控机床累积导程的目标值为：X轴：Tx=(-0.02-0.05)mmm，取-0.05； Z 轴： Tz(-0.02-0.03)mmm，取-0.03 。(f) 丝杠螺纹长度 l按下式计算：(2.17)euLL21表 2.5 丝杠导程与余程导程Ph(mm)4 5 6 8 10 12 16 20余程le(mm)16 20 24 32 40 45 50 60由 Ph=10mm 从表中查得 Lu=40mm,又有机床的有效行程 Lv=Lu-2Le,Lu=1000+80=1080mm,丝杠罗文长度不得小于 1080 加上螺母总长一半84mm，即大于等于 1164mm,取 1200mm.(g) 滚珠丝杠名义直径 Do确定直径 Do 有两种方法，即计算图法和计算法。 计算图法。按计算图法选择滚珠丝杠直径的步骤为：首先按最大轴向压缩载荷 Fmax、丝杠支承方式和安装间距(选择前均已确定)，由图 2.1 确定丝杠直径 Do1，再由容许轴向拉压载荷(Fmax)，选择丝杠直径 Do2，取 Do与 Do218中较大的直径作为滚珠丝杠的初选直径，然后再按图 2.2 校核临界转速和 Dn 值，最后按图 2.3 寿命曲线进行确认。图 2.1 中的斜线表示丝杠压曲时的极限载荷；折线中与横坐标垂直的直线为相应丝杠直径的容许拉压载荷；与横坐