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压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 11970985 毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）中中文文摘摘要要摘要：本课题设计的研究内容是数控车床 X 轴进给系统的设计。X 轴的性能直接影响工件的加工质量和切削生产率,是决定机床性能和技术经济指标的重要因素。本文采用文献分析法，类比法进行研究设计。滚珠丝杠的精度会影响机床的运动精度和定位精度，所以选用带有双螺母的滚珠丝杠进行调隙。以交流伺服电机为动力源，通过刚性联轴器使电机和预紧滚珠丝杠连接在一起，使用涨套消除间隙，通过涨套的轴向移动和径向膨胀来传递运动和动力。使用背对背和串联的角接触球轴承来固定滚珠丝杠，滚珠丝杠的支撑方式两端采用双推的方式，并且使用垫板防止两端轴承的中心高不一致。采用直线滚动导轨。本设计结构紧凑，传动效率高。最后进行了成本分析。关键词：进给系统 滚珠丝杠 结构设计压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 11970985毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）英英文文摘摘要要Title CNC lathe X axis feed system architecture designAbstractAbstractThe subject of the research design is the design of CNC lathe X axis feed system. Directly affect the performance of the X-axis machining quality and productivity of cutting the workpiece, the machine is an important factor in determining the performance and technical and economic indicators. In this paper, literature analysis, research design analogy. Since the accuracy of the ball screw will affect the movement of the machine and positioning accuracy, use a ball screw nut be adjusted with double slot. In AC servo motor as the power source, the motor through rigid coupling and preload ball screw connected together to eliminate the gap using a set up to transmit motion and power rose by axial movement and radial expansion of the sleeve. Use back to back and a series of angular contact ball bearings to fix the ball screw, ball screw support dual-mode push both ends of the way, and using the pad to prevent the bearings at both ends of the center high-inconsistent. Using linear rolling guide. The compact design structure, high transmission efficiency. Finally, a cost analysis.KeywordsKeywords Feeding System； ball screw； Structural Design压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 11970985目 录前 言.1第一章 绪论.21.1 数控机床简介 .21.2 数控机床的发展趋势.31.3 数控机床的国内外发展状况.41.3.1 国内发展状况 .41.3.2 国外发展状况 .51.4 数控机床发展中存在的问题.5第二章 总体方案设计.72.1 进给系统的传动要求及传动类型的选择.72.1.1 传动要求 .72.1.2 传动类型的选择.72.2 X 向伺服电机类型的选择与确定 .92.3 电机与丝杠连接方式的确定.102.4 X 向进给系统的设计方案确定 .12第三章 X 向进给系统的结构要求 .143.1 电机型号的选择及要求 .143.2 滚珠丝杠型号的确定 .143.3 滚珠丝杠轴承的确定及支撑方式 .153.3.1 确定轴承型号.153.3.2 轴承支撑方式的确定 .163.4 轴承的安装与预紧.183.4.1 轴承的安装 .183.4.2 轴承的预紧 .183.5 导轨的确定.19第四章 X 向系统结构计算 .214.1 X 轴向惯量匹配的计算 .21压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 119709854.2 X 轴向转矩匹配的计算 .224.3 X 向进给力的计算 .234.4 X 向滚珠丝杠预拉伸量的计算 .23第五章 润滑、密封与防护.255.1 X 轴部件的润滑.255.1.1 滚动轴承的润滑 .255.1.2 滚珠丝杆的润滑 .255.1.3 导轨的润滑 .265.2 轴承的密封 .265.2.1 滚珠丝杠的防护.265.2.2 滚动轴承的密封 .265.3 X 轴传动的防护 .27第六章 技术经济分析.286.1 技术成本分析的目的与意义.286.2 成本材料构成.286.2.1 非标准件.286.2.2 标准件外购费用.296.3 成本计算依据.30第七章 总结.32致 谢.33参 考 文 献.34压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 11970985压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 11970985前 言制造现代工业化的基础是建立在数控技术以及数控装备上的，无论哪一个国家，它的经济发展和综合国力和这个基础的牢固程度息息相关，对于一些行业的重要发展也是起着愈来愈重要的作用，甚至这个技术的发展会关系到一个国家的战略地位。正是因为如此，以数控技术为核心的先进制造技术要大力发展，这是加强一个国家经济、提高综合国力以及提高一个国家地位的重要途径。现代工业和科学技术现在都是发展比较迅速的了，同时相关的机床产品都向着“高”的方面发展，通常的说法的就是速度要高、效率要高、并且容易实现自动化，所以对于一台机床的结构性能必须要求很高。X 轴 Z 轴两轴驱动机构和数控车床部件构成了数控车床的进给系统，是数控车床在加工时带动刀具作两个方向联动的运动执行机构。由两轴驱动的伺服进给系统不仅可以对进给运动的速度快慢实现自动控制，而且刀具相对于工件的位置移动可以实现自动控制。X 轴部件的性能是否合格直接影响加工工件的加工质量和切削生产率，X 轴的性能是决定机床性能以及经济技术指标的重要因素。压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 11970985第 1 章 绪论1.1 数控机床简介数字控制就是通过数字化信号来控制机床的运动方向和加工过程的一种技术方法。数控技术就是通过数字化信息对机器的运动和工作进行控制的技术1。数控技术是现代化工业生产中的一个十分新颖的发展、也是一项发展十分迅速、快捷的高新技术。数控技术在各行各业都有很多的应用。通过数控技术加工零件，生产率有明显的提高，成本也会下降、加工质量还有保障、工人的劳动强度也会降低。正是因为一台机床具控备了数技术，才有了数控机床这个说法，也可以说是一台装备了数控系统的普通机床。由于数控机床的快速发展，国际信息联盟第五技术委员会对数控机床的定义重新定义了一下：一台机床，若是装备了数控技术和程序控制，就可以称它是数控机床。使用号码或者其他的编码指令数控机床都能逻辑的处理这些程序。一它数控机床能完成一项操作或者监控，都是要在数控单元中完成，并且它还是数控机床的大脑，是一个不可缺少的部分。数控机床与普通机床相做比较的话，数控机床的特点有如下几个：1、无论加工对象的材料如何，数控机床都能很好地适应，在模具加工的生产中，可以适应单件生产，促进了模具行业的发展制造。2、数控机床的加工精度高，加工质量可以得到很好地保障；3、普通机床一般只有 XZ 两个坐标联动，但是数控车床能进行三轴联动甚至更多联动，对于一些形状复杂的零件，只要程序准确也可以加工出来；4、数控加工零件，若是零件形状需要改变，一般是在数控加工工件前更改数控程序，就能完成程序要求的形状，大大减少了生产的准备时间；5、数控机床本身的精度和刚度和普通车床相比的话都有很大的提高，这样就可以选择有利的加工用量，提高了生产的加工效率（一般为普通机床的 35倍）；6、由于数控机床的自动化程度很高，在加工时只需要做好安全工作就好，方便了劳动工人，而且效率还高，大大提高了生产率；压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 119709857、数控机床的生产管理要利于现代化发展，由于数控机床是通过数字信息和标准代码来出传递信息，程序又是由计算机控制的，为计算机辅助设计和机械制造以及管理一体化做出了很好的铺垫；8、数控机床对操作工人的劳动素质要求较高，这样才可以正确的操作数控机床，并且要求对数控维修人员的维修技术要求过硬；9、数控机床的可靠性比普通车床的可靠性高。1.2 数控机床的发展趋势在传统制造业这一领域当中，随着数控技术的不断和创新，也发生了天翻地覆的变化传统制造业也因此一跃而上成了现代工业化的典型代表。近年来，数控技术的发展越来越快速，而且应用领域越来越广泛，现代生活中，一些行业离开数控技术的话生产技术就会后退很多，数控技术在这些行业中起着至关重要的作用，因为这些行业的现代化发展离不开数字化发展，这是一种新的发展趋势。（1）高速度化、高精度化、高可靠性高速度化:不仅提升数控机床的进给速度、还要提高数控机床主轴的转速。 高精度化:数控机床的加工精度等级很高。精度不仅可以达到微米级或者亚微米级，甚至连纳米级都可以达到。高可靠性:由于数控机床具备了成熟的数控技术，所以数控机床的可靠性很高，比普通机床的可靠性高出许多许多，大约有一个数量级的比较。由于一台高可靠性的数控机床要投入很多的人力物力，所以一台数控机床的可靠性不一定是越高越好，只要能满足加工要求就好。（2）复合化数控机床方面的复合化的核心内容就是要在一台数控机床上可以完成多种操作，比如车削、铣削、钻孔、攻丝、铰孔等。这样能大大节省加工时间、提高加工效率、提高生产柔性。（3）智能化、网络化数控机床对于智能化的要求有以下几个方面：对于加工要求的智能化、加工质量方面的智能化、提高驱动性能方面的智能化、简化编程方面的智能化、操作加工的方面智能化、界面的智能化、监控方面的智能化。（4）柔性化、集成化压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 11970985由点到线到面最后到体这种类型的方向发展是当今数控柔性自动化发展的新趋势特点之一，还有一方面是数控机床的应用性和经济性也是要发展的。适应制造业的动态市场要求和产品的更新是柔性自动化技术的手段之一。柔性自动化发展是先进制造领域的基础也是世界各国的发展新趋势。（5）复合化 随着机床复合化程度的不断提升，目前一台复合式机床就已经相当于一条生产线。（6）重视新技术的创新发展、技术规范的建立1.3 数控机床的国内外发展状况1.3.1 国内发展状况尽管我国在机床方面起步额比较缓慢，但是我国数控机床在产品种类方面、技术水平方面、产品质量这些方面上，都取得了灵大家都满意的成绩，在一些关键性技术方面，我国的人才也取得了突破性的成绩3。据统计，大约有 1500种不同种类数控机床，这些机床可以满足国内市场的需要了，在金属切削机床的品种类别和一些锻压机制方面，都有数控机床出现的身影。这些迹象表明，我国国内关于数控机床的发展，已经进入快速发展的时期。我国可以供应的机床种类很多，比如网络化的数控机床、集成化的数控机床、柔性化的数控机床都已经投入国内市场了。同时，与世界各地相比，在高速度和高精度方面的机床的生产行列中，我国也有一席之地。目前，国内的数控人才已经成功研制了一种新型的数控机床，该机床的主轴转速可高达 800010000r/min 以上。最近几年，对于 CAD 等技术的发展应用我国已经开始大力推广，让大家都深刻了解，很多企业已开始并且计划实施应用 ERP、MRPII 以及电子商务。长期以来，国产数控机床对于低档的数控机床应用很多，发展中档数控机床的进展比较慢，对于一些高档机床的生产仍然不好独立完成，需要依靠进口技术才好完成，尤其在国家重点工程中，由于一些不可缺少的关键设备没有制成，需要依靠进口的设备才好完成，技术严重受制于人。究其根本，是因为国内本土数控机床企业大多数还处于一种“粗放型”的阶段，不敢勇于创新，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面比较落后，和一些发达国家相比较，压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 11970985国内的这种状况将近落后了 5-10 年；中低档的落后已经如此，发达国家在高精、高速、尖端的技术方面已经超出我国水平大约有 5-10 年，可以说，在高精度方面我们做的还远远不够。在应用技术能力和技术集成方面来说，发达国家也超越我国很多，相关的技术规范和标准的研究制定相对来说已经滞后发达国家很多了，完整的品牌效应在我国还没体现出来。同时，完善的技术培训机构、服务网络等支撑体系在我国的数控机床产业仍然不足，市场的营销能力和经营管理水平也比较落后。归根结底，是因为缺少自主创新的能力，一台全部依靠国内技术的高精高速数控机床更是少之又少，这些种种出现的问题，严重制约了我国整个数控机床产业的发展。1.3.2 国外发展状况（1）高速度、高精度已经成了国外数控机床的主流，都已经是纳米控制了。（2）多任务和多轴加工的数控机床在航空航天和能源等行业都有涉猎。（3）随着数控技术的发展，机器人的集成应用也是越来越普及化，它的结构形式还多样化，范围广泛、运转的高速化，多机器人协同的普及化。（4）随着智能化加工与监测功能的不断发展，机床的各类性能可通过监测获得，能过准确的获得相关书库，预测机床的状态，提前做好相关的维护工作，事故的发生次数能减少很多，甚至没有事故，大大降低了机床的故障率，提高了机床的安全性和稳定性。（5）新型的机床误差检测以及补偿技术能够在比较短的时间内完成对数控机床的补偿测量，而且准确性还好，数控机床与传统的激光干涉仪相比，对数控机床误差的补偿精度和加工精度都有一个质的飞越。（6）由于 CAD/CAM 这方面技术的支持，可以大幅度的提高数控机床的加工效率。（7）由于刀具技术的发展越来越快，整个加工过程有了更多的刀具设计，数控机床的平稳加工以及抗振性能的要求这些新的刀具都能满足这个条件。1.4 数控机床发展中存在的问题（1）相关政府在引导和指引数控机床方面做得还不够好。发达国家在产业化方面领先我国不少技术。压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 11970985（2）先进技术引进却未消化。对于国外新型技术着重引进，但是却不好好吸收人家的长处。对于国外的先进技术，我们要取其精华，去其糟粕，然后学习、消化人家的技术，还要提高自己的创新能力，两个方面想结合，取得更好的进步。（3）我国缺乏高素质专家人才。在专家人才和熟练技术工人这一方面人才中，我国很紧缺这方面人才；对于深入系统的科研工作也很缺乏；没有一个为高层次、高素质的人才提供一个创业创新的环境，最后导致了关键性技术的缺失，在持续创新能力方面也是捉襟见底。在先进技术和制造经验比较丰富和完善的国家主要是美国、日本、德国三个国家。美国的特点是收纳世界各地的人才，在“效率”、“创新”两个方面更是非常重视，而基础的科研方面也是检测人才的一个标准。（4）我国的产学研相结合体系未形成以企业为主体、产学研相结合的技术创新为导体，这种新型的体系尚未形成，而这个恰恰是市场的经济的需求。对于一些专业技术、产业、和资源上面无法有效的融合，打造新的创新技术平台。我国数控机床的在机械结构设计方面、制造的配套环节方面、集成技术和制造工艺等方面与发达国家相比，仍然比较落后不少。据统计，我国在超精之类上的机床生产每年都不足千台，严重落后其他国家。压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 11970985第二章 总体方案设计2.1 进给系统的传动要求及传动类型的选择2.1.1 传动要求进给系统在数控加工过程中是一个很重要的部分，由数字控制来控制，主要包括机械传动部件、产生动力矩以及控制器运动的各种驱动设备。进给系统的传动要求不仅准确还要无间隙。因此要求进给传动链的各环节，都必须做消除间隙的措施，尤其在连接方面，比如丝杠和螺母之间的配合要消隙，电机和滚珠丝杠的连接也要做消隙处理，支撑丝杠两端的轴承也要消隙。另外，进给系统的传动要求包括高灵敏度和高传动效率两个方面。最后还要做到如下要求：在数控机床传动部件的刚性方面要提高、传动部件的惯量问题也是越小越好、传动部件的间隙也是要通适当的消隙方法是间隙减小、在数控机床系统的摩擦阻力方面要减少4。通过提高数控机床传动部件的刚性，如加大滚珠丝杠的直径，对滚珠丝杠螺母副、支承部件进行预紧以及进行预拉伸等，这些办法都是提高系统的传动刚度的稳妥办法，再通过滚珠丝杠预拉伸的计算得出更加精确数值，保证刚性。通过减小传动部件的惯量，影响进给系统快速性的主要原因是因为传动部件的惯量直接决定进给系统的加速度，再通过惯量匹配的计算，得到符合要求的惯量匹配数值，对于大多数机床来说，惯量是越小越好。通过减小传动部件的间隙增加阻力，降低机械部件的寿命。通过减小系统的摩擦阻力，摩擦力会影响系统的定位精度和闭环的动态稳定性，通过转矩匹配的计算，提高机床性能。2.1.2 传动类型的选择在数控机床进给驱动系统中有许多传动使工作台运动，常用的有如下几个：使用滚珠丝杠螺母副传动配置、静压蜗杆-蜗母条传动配置、预加载荷双齿轮-齿条和导程蜗杆传动配置等。数控机床进给系统的快速响应性能和运动精度可以通过滚珠丝杠螺母传动来实现，但是运动件的摩擦阻力和动静摩擦力之差要减小，以此来保证数控机床进给系统的快速响应性能和运动精度。因此，在中小型数控机床中是应用的压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 11970985比较普遍的是滚珠丝杠螺母副。滚珠丝杠的特点传动效率高，滚珠丝杠副的传动效率可以提供高至 95%98%，是普通梯形丝杠的 34 倍 ；由于该摩擦方式采用的是滚动摩擦，所以动摩擦系数和静摩擦系数之间的差值就会极小极小，也，滚珠丝杠螺母副的灵敏度就会这个差值的减小而提高很多，就算数控机床的运行速度比较缓慢，也不会产生爬向现象，在高速传动的时候，运动又比较平稳；滚珠丝杠副在定位精度和传动刚度方面都是比较好的，还可以用特定的方法来消除滚珠丝杠螺母的轴向间隙，反向不会有空行程现象，定位精度高。还可以通过适当的预紧，提高滚珠丝杠的轴向刚度。滚珠丝杠如图 2.1 所示。图 2.1 滚珠丝杠滚珠丝杠副常用的循环有内循环和外循环。外循环的滚珠在循环反向过程中，滚珠与丝杠导轨间都会保持一定的距离，不会有接触；而在循环过程中，丝杠中的滚珠始终与丝杠各表面保持稳定的接触循环方式则称之为内循环。静压蜗杆-蜗母条传动，蜗杆-蜗母条机构是丝杠螺母机构中一种比较例外的方式，蜗杆在这个传动中担任的是一个短丝杠的角色。液体静压蜗杆-蜗母条机构是在蜗杆-蜗母条的啮合齿面间注入一定的压力油，压力油会形成一层油膜，两个啮合齿面在这个压力油的作用下，形成液体摩擦，在重型数控机床的进给传动系统很常用。丝杠经常通过联轴器与伺服电机连接在一起，这个传动中，蜗杆也是应用的同样原理，经电机的回转带动蜗杆产生回转运动。运动部件（工作台）则通过螺母条相联，通过这种传动形式来使工作台获得往复直线运动。这种形式在龙门式铣床的工作台进给驱动中很常见。双齿轮-齿条传动。通过齿轮-齿条传动，可以获得较长的行程，在一些大型数控机床上通常采用这种传动方式。齿轮齿条传动通常用于一些传动刚性要压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 11970985求比较高，而传动精度低的场合。如果采用齿轮-齿条传动，齿侧间隙的必须要采取消隙的措施。通常采用两个齿轮与一个齿条啮合的方法，施加一定的压力，两个齿轮延相反的方向转过微小的角度，这样齿轮的齿面会与齿条紧紧贴合，达到消隙的目的。双导程蜗杆传动。数控机床不仅有直线进给运动还有圆周进给运动，以此来扩大工艺范围，生产效率也会提高。圆周进给运动可由回转工作台的回转来实现，蜗轮-蜗杆传动就是进给传动。对于这种传动，蜗轮蜗杆的制造精度和装配精度要求都比较高，通常通过双导程蜗杆传动来消除蜗轮-蜗杆副的传动间隙。通过对机床结构的分析，这里采用半闭环的伺服机构，选用大导程内循环滚珠丝杠、，从而保证机床的加工精度和加工效率。通过以上三种传动比较，在本次设计中采用滚珠丝杠传动。滚珠丝杠传动简图如图 2.2 所示。图 2.2 滚珠丝杠传动2.2 X 向伺服电机类型的选择与确定速度精度和位置精度两个精度伺服电机都可以很好地控制，通过将输入电压信号转变成运动所需要的输出，比如转矩和转速，这样伺服电机就能很好的控制这些驱动对象。由于伺服电机中的转子转速是通过输入信号的控制来控制快慢的，所以转子能快速的做出反应。在自动控制系统中，执行元件通常用转子，因为它具有的机电时间常数小、而且线性度高等特性，转子可以把它接收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。伺服电机一般分为直流伺服电机和交流伺服电动机两大类电机，伺服电机的主要有点如下；当信号电压输入为零时，转子的转速不会立即停止，而是转子的转速会随着转矩的增加压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 11970985而匀速下降5。直流伺服电机:直流伺服电机有电刷装置，成本高，尽管电机的启动转矩大，调节速度的范围也很广泛，控制也很方便，但是对于电机的维护不方便，而且对环境要求比较高。交流伺服电机:交流电机中没有电刷装置，因次电机在工作的时候稳定性可靠、定子绕组散热方便、电机的惯量小，所以易于提高系统的快速性、在速度比较高和力矩大的地方应用广泛。通过以上比较选用交流伺服电机符合本课题要求。交流伺服电机如图 2.3 所示。图 2.3 交流伺服电机2.3 电机与丝杠连接方式的确定电机与丝杠连接方式有很多，主要通过联轴器连接、同步齿形带连接、齿轮连接三种连接方式6。（1）通过同步齿形带联接同步带通过两个齿轮间的啮合来传动，它不仅有带传动的优点，而且链传动的优点也能满足，合二为一。同步齿形带的强力层是钢丝绳，外表用氯丁橡胶或聚氨酯包裹起来。当强力层中的钢丝绳受到外界的负载后，它的变形量比较小，钢丝绳能保持齿形带的周节不变。正是因为如此，带和带轮之间在运转的过程中就不会产生相对位移，传动比也能保证精确，也就是主、从动轮能够做无滑差的同步传动。这种带薄而轻，惯性效应小，因而在高速传动中应用普遍，圆周速度 v 可达 40 米每秒。由于他是靠啮合传动的，因此小带轮包角可以适当减小，传动比 i 不仅达到 10，而且传动效率也高达 98%99%。这种带的主压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 11970985要缺点主要是成本比较高、而且制造复杂。（2）通过齿轮联接齿轮传动在伺服进给系统中齿轮的运动方向容易改变，通过齿轮齿数的改变可以降低齿轮的转速，扭矩也可以增大，不管丝杠螺距的不同还是脉冲当量的不同都可以胜任。但是这种齿轮连接的结构相对来说比较复杂，并且没有足够的传动刚度，齿轮连接的轴向体积占用体积比较大，这样就使传动时的平稳性大打折扣。（3）联轴器直接联接联轴器连接本身具有很大的扭转刚度，传动时传动精度高，本身也不会产生间隙。组成结构简单，并且方便安装，较之齿轮连接和同步带连接占用体积比较小。通常使用联轴器连接使伺服电机和丝杠连接在一起，传动效率高，可以节省空间，这种连接只对直向空间有一定的要求，一般来说是首选连接方式。如果直向空间不够的话，就要考虑其他的连接方式，齿轮连接相对来说比较紧凑，传动效率比联轴器连接高，但是它的结构复杂，成本也就会相对增高，需要有加、减速比的装备才可以使用。链条和皮带一般用于传动效率和精度要求都不高的的场合，但是此类传动的横向空间必须较大，而直向空间可以不大也可以忽略不计。通过上述比较，结合本课题的空间，选用联轴器来连接电机和滚珠丝杠。常用的联轴器连接可以分为刚性联轴器与 挠性联轴器 。刚性联轴器：没有减震和缓冲的功能，在结构方面，制做简单；在制造面，制造比较方便；成本方面，投入的资金比较少，装拆方面很方便、在维护方面也很简单，大转矩也可以传递。对两轴的对中精度要求高。通常适用于载荷比较平稳，高速运转或者传动精度要求高的传动轴系当中。挠性联轴器 ：挠性联轴器 在两轴相对偏移和减震的这方面做得比较好、缓冲性能好、结构简单，制造简单、在维修方面比较方便、不过在径向方面的尺寸比较大一点。适用于安装底座的刚性好，而且联轴器的对中精度要求比较高，并且承受的载荷不宜过大，对减震要求不高的轴系传动中，适用于低速轻载的场合。经过对比比较，选用刚性联轴器，适合本课题要求。压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 119709852.4 X 向进给系统的设计方案确定传动系统的总体上采用伺服电机作为原动机，从伺服电机输出的动力经过联轴器后传到滚珠丝杠副，在经过滚珠丝杠上的螺母传递给刀架进行切削，整个传动系统结构紧凑、轻巧、传动准确、易于控制、能够达到设计要求7。传动简图如图 2.3 所示。图2.3 进给运动简图压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 11970985第三章 X 向进给系统的结构要求3.1 电机型号的选择及要求根据已知条件，伺服电机采用：siemens 1FK7080，该电机功率密度高，节省安装空间、极低的转子惯量，极高的动态响应。电机型号如图 3.1 所示。图 3.1 电机型号由图得知，该电机的转速是每分钟 3000 转，额定转矩是 6.8NM，额定功率是 2.14KW。3.2 滚珠丝杠型号的确定滚珠丝杠螺母副传动作为传动部分，主要就是为了提高系统的反应性能和运动精度。并且滚珠丝杠传动的效率和灵敏度都有一定的要求。根据已知条件，压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 11970985滚珠丝杠选用台湾上银 R25X6T3XFDIX266.5X459X0.012。滚珠丝杠型号如图 3.2 所示。图 3.2 滚珠丝杠型号由图 3.2 可知该该滚珠丝杠的公称直径是 25mm，导程是 6mm，丝杠螺纹长度是 266.5mm，丝杠总长是 459mm，动载荷为是 1272kgf，静载荷是2762kgf。3.3 滚珠丝杠轴承的确定及支撑方式3.3.1 确定轴承型号根据已知条件，支撑轴承选用角接触球轴承，配和是 20X42X12(3 件 2 组)B7004E.T.P4S数控机床滚珠丝杠支撑轴承主要有深沟球轴承支承、圆锥滚子轴承支承、角接触球轴承支承、推力球轴承支承、圆柱滚子轴承支承、调心球轴承支承不同的等轴承支撑。深沟球轴承：应用比较多的滚动轴承之一，深沟球轴承的用途非常广泛，无论是径向载荷还是双向的轴向载荷深沟球轴承都可以承受，在高速旋转，噪声低、震动低的场合通常应用的就是深沟球轴承。在轴承的密封圈中放入适量的润滑脂来润滑，轴承的外圈通常带有止动环或者凸缘机构，通过这个设计，轴承在轴向的定位更加方便稳定，外壳的安装也更加容易。角接触球轴承：角接触球轴承中套圈和球之间有一个有一定斜度的接触角，通常这个斜度的角度为 15、30和 40，轴承的轴向负载随着角度的增大而增大，轴承的旋转速度则是随着角度的降低而加速旋转。在高速和高精度的场压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 11970985合中，一般选用角接触球轴承。圆锥滚子轴承：圆锥管子轴承的内圈和外圈是可以分开的，分离型轴承这个名称也是由此而来，而且在内圈和外圈中都具有锥形管道。根据轴承安装滚子的列数可以分为很多结构形式，比如单列、双列、四列。单列圆锥滚子轴承只好承受某个方向单方向的轴向载荷或者径向载荷。当轴承承受径向负荷的时候，轴承就会需要一个轴向力来保证力的平衡，使其不易损坏，这个时候就需要一个可以承受反向轴向力的轴承，保证平衡性。圆柱滚子轴承：向心滚动轴承是该轴承的滚动体，由于该轴承的滚子和滚道的接触是线接触的，因此负载能力大，一般承受径向载荷。摩擦小，适用于高速的场合。调心球轴承：该轴承的外圈滚道面是球面的形状，因此该轴承具有调心性能，这样对于轴心不正的问题就可以自我调整，该类轴承需要通过一些固定件就好方便的安装在轴上了。推力球轴承：在高速旋转的时候，该轴承还可以承受推力，这是这个轴承一个亮点。球滚动的滚道沟的垫圈装套圈组成了推力球轴承，由于套圈的形状是坐垫形的，因此根绝套圈的形状可以分为平底型和调心球面型。紧紧只有轴向载荷的应用场合推力球轴承才可以使用，而有径向载荷的应用场合就不能使用了。考虑到轴承在机床传动的过程中要承受径向力和轴向力，所以决定采用成对的角接触球轴承来支撑固定。3.3.2 轴承支撑方式的确定在数控机床进给系统中，为了保证进给系统的传动刚度，滚珠丝杠本身的刚度需要保证，而滚珠丝杠的正确安装和支撑结构的刚度也是至关重要：滚珠丝杠用角接触球轴承支座，以提高轴向刚度，滚珠丝杠在数控机床上的安装支承方式有以下几种:A、双推一自由方式:对于这种形式的支撑，一端丝杠是要被固定的而另一端的丝杠则是活动端。在传动的过程中，那个固定端需要承受的力有两个，分别是轴向力和径向力。由于这种支撑是单向固定，所以承载能力相对比较弱，轴的轴向刚度也比较弱，所以只好用于小行程的短丝杠。B、单推一单推方式：丝杠两端不用承受压力，这也表明这种支撑方式的稳定性没有问题。压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 11970985C、双推一支承方式：对于这种支撑方式，丝杠的一端是固定端，另一端则是采用支承的方式。固定端的轴承可以同时承受两个力分别是轴向力和径向力；而支撑端的轴承只要承受单个力，径向力。不过，支撑端的轴承可以在轴向做一些微小的浮动，这样就可以很好地防止或者减少滚珠丝杠的自重原因而引起的弯曲现象。这种支撑形式的丝杠的收缩性变好，比如受热时，丝杠可以自由的向一端拉长。这种支撑方式在长丝杠、中速、精度高的场合比较实用。D、双推一双推方式：对于这种形式的支承，丝杠的两端都是固定端。固定端的轴承可以同时承受两个力，分别是轴向力和径向力。若是采用这种支撑方式，对于丝杠也有好处，丝杠的韧性会有所提高，只要对丝杠施加一定的预压力，丝杠的支承刚度就会有所提高，也可以补偿微量的热变形。这种支撑方式在高速、高精、高刚度的传动系统中应用很广泛。轴承的支撑方式如图 3.3 所示。图 3.3 轴承的支撑方式通过以上不同的方式。每个支撑方式都有特色，其中双推双推的特点是两端轴承都可以承受轴向力和径向力，支承强度还高，还有预拉伸，可以修正热膨胀。综合以上考虑，选用双推双推的支承方式。装配图中选用的支撑方式如图 3.4 所示。图 3.4 双推-双推支承方式压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 119709853.4 轴承的安装与预紧3.4.1 轴承的安装轴承的安装分为背对背排列、面对面排列和串联排列三种。（1）背对背：背对背排列的特点是承受载荷的中心处在轴承中心线的外面。采用这种排列方式，轴承两个支点的跨距就会增大，悬臂长度也会因此而减小，但是悬臂端的刚性会因为悬臂长度的减小而增加。一般情况下，当轴受热时，轴就会会伸长，采用这种排列方式，轴承的游隙不会一下增大，而是徐徐的增大，这样会防止轴承被卡死损坏。（2）面对面：载荷中心线在轴承的中心线之内时，这种轴承配置方式就被称为面对面排列。采用这种排列方式，排列起来比较简单，而且也方便装拆。不过这种排列方式游隙会随着轴的受热伸长而减小，轴承很容易被卡死。（3）串联排列：载荷中心线与轴承的中心线处于同一侧的配置方式成为串联排列。若是采用这种排列，需要多个轴承联合承载，这样能承受更大的载荷。轴承的安装方式如图 3.5 所示。图 3.5 轴承的安装方式对于本次设计，采用背对背排列+串联的形式获得更加稳定的轴向固定和径向固定。3.4.2 轴承的预紧在安装滚动轴承的时候，使轴承内部的滚动体和套圈之间的初始压力和弹性变形保持在一定的范围之内就是轴的预紧，这样就可以减小轴承在负载的情压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 11970985况下的变形量，对于轴承的支撑刚度和旋转精度有了很大的改善和提高。轴承的预紧分为轴向预紧、径向预紧8。轴向预紧：将一对轴承的外圈或内圈在其中装入垫片，以使轴承在一定的轴向载荷下产生预变性。轴承的轴向预紧如图 3.6 所示。图 3.6 轴承的轴向预紧径向预紧：通用轴承和轴颈之间产生的过盈配合，来使滚动轴承的内圈膨胀，这是一种通过产生的膨胀来消除径向游隙的方法。3.5 导轨的确定工作台导轨的精度直接会影响加工工件的质量和数控机床的稳定性。导轨精度的好坏对于工作台的几何精度有着决定性的作用，导轨的精度越好，工作台的几何精度就越好。工作台的定位精度和低速进给时的均匀性会随着导轨摩擦特性的改变而影响。制做导轨的材料以及加工导轨的热处理会影响工作精度的均匀性。按照机床的加工技术要求和调节性能，都是希望工作台导轨刚度越大越好、摩擦越小越好和阻尼性好。不管哪种机床的工作部件，都是要控制轴在指定的导轨上上能做出准确的运动。导轨是一个用来支撑、引导部件沿着特定的轨迹准确的运动或者起着夹紧定位的工作部件。轨道的准确度和移动精度会直接影响机床的加工精度。目前应用广泛的导轨有这三种，滚动导轨、滑动导轨和静压导轨等。导轨性能比较如表 3.1 所示。表 3.1 导轨性能比较性能滑动导轨滚动导轨静压导轨磨损与磨损性能不好良好很好爬行的可能性存在不存在不存在压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 11970985对材料及表面质量的要求很贵高低 （续）达到高精度的措施很贵不太贵不能用刚度通常很好好可变阻尼很高，但不是常数小大，通过设计容易改变通过以上比较，选用滚动导轨。滚动导轨的摩擦系数小于 0.005，而且静摩擦系数和动摩擦系数之间的数值很接近，正是因为这种摩擦系数的数值接近，所以不会轻易产生爬行现象，可以使用油脂润润。由于数控机床导轨的行程一般比较长，所以要采用循环的滚动体保证循环。在数控机床中，通常采用的导轨是直线导轨副和滚动导轨导轨副。根据本课题的已知条件，选用直线滚动导轨副作为导轨。直线滚动导轨副由导轨条和滑块两个部分组成。导轨条一般会有两根，并且都安装在支撑件上，如图所示。每根导轨上有 2 个滑块，固定在移动件动导轨之上。滚动导轨如图 3.7 所示。图 3.7 滚动导轨1-导轨条；2-动导轨体；3-滑块压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 11970985第四章 X 向系统结构计算4.1 X 轴向惯量匹配的计算负载惯量对于系统的灵敏度和加速度有很大的影响，所以一般都是事先进行惯量匹配的计算来验算负载惯量的影响大不大，如果负载惯量较大的话，电机的加速度就会因为惯量过大而导致加速度的时间变长。一般负载惯量与电机惯量 Jm 之比应满足计算如下。141 J工作台折算到电机轴上的惯量： （4-其他JJsJiJl1） Js丝杆的转动惯量 JI移动部件转化到丝杆上的惯量滚珠丝杆的转动惯量(Js)kgm 324LdJs 3249. 010025. 0108 . 714. 34-3 （4-2000861. 0mkg2）移动部件到滚珠丝杠上转动惯量(Js)kgm：工作台： 212gw1）（SJi =98. 0108 . 7103535026026 . 03-9-2）（ = （4-3）2mg0.000175k其余： 222221)2(rrh2SgwJi）（ =98. 0233. 026 . 0105 .19-5 .28108 . 75 .5214. 312-223-）（）（压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 11970985 =0.0002116 （4-4）2mkg折算到电机轴上的负载惯量(JL)kgm： （4-2m0.001248kgJj+Js+JI=JL 5）校核 （4-2ml83. 00015. 0001248. 0mkgJJ6）在之间。符合条件1J414.2 X 轴向转矩匹配的计算由于数控机床对动态响应特性要求较高，所以电机的转矩主要用来产生加速度。 （4-0maxMMMMfa7） 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩maxMa 折算到电机轴上的摩擦力矩fM 由丝杆预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩0M （4-8）mkgfTNJnMa6 . 9maxmax (4-9)mkgfSFoMf2102 (4-10)mkgfSPoMoo2210)1 (2 系统响应时间常数T 电机最大转速（r/min）maxN 导转摩擦力（kgf）Fo 丝杆导程（mm）S 传动链效率，一般85. 08 . 0压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 11970985 滚轴丝杆的预加载荷Po 滚珠丝杆预紧时的效率，o9 . 0 Jr=JL+JM T 为，KS 为系统开环增益，数控机床的灵敏度随着 KS 的变化而KSL/变化，KS 越高，那么机床的灵敏度就越高，但是也不是说越大越好，当 KS 大到一定值时，系统的灵敏度就会很高，由于灵敏度太高，运动元件就会因为惯量太大，定位精度就不能得到保障。一般数控机床中 KS 的取值介于 8 到 25 之间。本机床取 KS=10。根据以上公式计算 X、Z 向的加速力矩，忽略 Mo、Mf 的影响，则： （4-MNJ69. 41 . 06 . 9300010159.6TnMamax4maxnx11）电MMamax符合条件4.3 X 向进给力的计算X 向进给力的计算：X 向电机能够提供的最大静扭矩 8Nm，机械效率为 0.9，则 （4-NSMFx7536610009 . 014. 321000212）Fx 的最大值主要在机床进行粗切端面时出现，假设下列切削条件： 刀具材料：YT5 车刀，90Kr 切削用量：，mt23 . 0f141Cpy 工件材料：结构钢，b=65kg/mm （4-NSCpyFgx10503 . 021417 . 067. 073. 067. 0313），电机满足要求。FgxFx 压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 119709854.4 X 向滚珠丝杠预拉伸量的计算本机床通过对机床丝杠进行预拉伸来消除加工过程中由于丝杠的热变形对加工精度的影响，并进一步提高丝杆的刚度。 X 轴丝杆方向目标值的确定： 丝杆的热膨胀变形： （4-mmLL0139. 03853101.2t-514） 丝杆的热膨胀系数，C/105 . 15- 丝杆与床身之间的温升，tCt3 丝杆两锁紧螺母之间的距离L根据以往经验，考虑到丝杆除环境温度的变化而引起丝杆变形外，还有其它因素的影响，取丝杆的预拉伸量为 0.0139mm。因丝杆螺纹整个丝杆部分全长为 58.1%，则丝杆的方向目标值为0.008mm。以上公式均引用于机床设计手册压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 11970985第五章 润滑、密封与防护5.1 X 轴部件的润滑5.1.1 滚动轴承的润滑机械传动中的许多应用都离不开滚动轴承，通过滚动体、内外圈、保持架之间的配合连接制成滚动轴承。当滚动轴承工作的时候，一般都是一个套圈做固定件另一个套圈做活动件，这样，滚动体在滚道内既可以做主动件也可以做从动件。保持架会随着滚动体的公转而做圆周运动，他的运动特征就是既要滚动还要滑动。为了保证轴的回转运动平稳、可靠，就会要求轴承进行必要的润滑，摩擦和磨损就会相应的减少。滚动轴承润滑方式主要分为油液体润滑和油脂润滑两类。油液润滑：油润滑的特点是降温、冷却效果好，在工作温度高的滚动轴承中应用比较广泛。一般滚动轴承选择的润滑油粘度大约在 0.12-0.2cm/s 之间，在工作温度比较高而且轴承的载荷比较大的场合中就要选用粘度高得润滑油，防止润滑油受热后蒸发太快，如果滚动轴承要求转速快的时候，就要选择粘度低的润滑油了。如果滚动轴承采用油润滑需要注意以下几点：对于轴承的密封性必须要保持良好，这样才可以防止润滑油的泄露，造成损失。维护比较麻烦，无论在操作和使用上都不及脂润滑。油脂润滑：脂润滑的特点是流动性小、不容易产生泄露现象、形成的油膜强度好，对滚动轴承的轴承起着加强作用。而且，脂润滑的润滑时间长，使滚动轴承的维护更加简单、方便。尽管脂润滑的优点很多但是也有以下缺点：摩擦力矩较大，在高速旋转的滚动轴承当中，就不会适用。此外，由于油膜的强度较好，导致脂润滑的散热性比较差，有时还会因为搅拌润滑剂而导致滚动轴承过热。通过比较，选用脂润滑。5.1.2 滚珠丝杆的润滑为提高滚珠丝杆的耐磨性和传动效率，滚珠丝杆副应使用润滑油或润滑脂进行润滑必要的润滑。一般采用润滑油润滑。压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 119709855.1.3 导轨的润滑导轨润滑的作用：导轨在液体摩擦状态下工作的话会减小摩擦阻力、降低驱动、提高效率、节省燃料；在润滑有的状态下，导轨不会轻易磨损，流动的液体还起着冲刷的作用，防止铁屑积攒；就算是在低速重载的情形下，也会减小产生爬行次数的现象。根据滑动速度和平均压力两个方面来正确的选择粘度的润滑油。5.2 轴承的密封5.2.1 滚珠丝杠的防护滚珠丝杠副常采用防尘密封圈和防护罩来防护滚珠丝杠9。（1）密封圈一般采用密封圈密封使滚珠螺母的两端密封。由尼龙制成的接触式密封圈，他的内控形状和滚珠丝杠螺母额滚道形状相吻合。接触式密封圈因为有着接触压力，回事摩擦力矩有所增加，但是这种密封的防尘效果好。非接触式的密封圈系用聚氯乙烯等塑料制成，滚珠丝杠的螺纹滚道形状与该密封圈的内孔形状截然相反，而且有细小的间隙，迷宫式密封圈也是非接触式密封圈的另一种说法。（2）防护罩滚珠丝杠在运转的时候会有一些尘土和杂质进入，加入防护罩能够防止这些问题。一般在滚珠丝杠的支撑座和滚珠螺母的端部装上防护罩。因为防护罩的工作环境差，所以制做防护罩的材料必须有防腐蚀和耐油的性能。5.2.2 滚动轴承的密封在滚动轴承的运作中，润滑剂会有泄露、一些灰尘、切削微粒或者一起其他杂物会进入到轴承之中，所以轴承必须进行密封防止这些情况的发生，有了良好的密封，才可以保证良好的润滑条件和工作环境下运转，使轴承达到预期的工作寿命。在选择轴承的密封形式前要考虑一些情况：轴承的工作环境、轴承的转速和工作温度、轴承采用的哪种支撑方式、采用的哪个方式的润滑，这些问题都要考虑到。才可以选到合适的密封方式。轴承的密封装置有接触式密封和非接触式密封两种。压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 11970985非接触式密封一般有间隙式、迷宫式、垫圈式等不同的接触结构。由于非接触式的密封件和轴或者配合件有接触，所以一般常用在高速轴承中的密封。接触式密封包括毛毯密封、唇型密封、密封环等。在此类密封装置中，密封件会与其他配合件直接接触，所以在运转的过程中会产生磨损，温度会提高，一般适用于中低速的轴承密封。通过以上比较，选用轴承的密封方式是接触式密封。5.3 X 轴传动的防护为了减少导轨副的磨损、从而增长导轨的使用寿命，所以导轨必须进行防护。导轨的防护方法有很多，常见的几种形式见下图。铁屑和冷却液在数控机床进行加工的时候会有很多飞溅出来，而且极易进入导轨，增大导轨的磨损，工作台会影响导轨精度，所以常采用钢板伸缩式防护罩，保护导轨不受那么多的影响10。导轨防护图如图 5.3 所示。图 5.3 导轨常用防护罩压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 11970985第六章 技术经济分析6.1 技术成本分析的目的与意义技术分析的目的是提高加工的经济效益、推动技术两个方面，尽管科学技术和技术科学看上去一样，但是这是完全两方面的领域，不过两者之间又有着千丝万缕的关系。一个国家的经济若是想要快速的发展，技术的进步是不可缺少的，但是经济基础决定上层建筑，所以说，经济的发展会成为技术发展的一个重要环节。通过一系列的成本验算和查阅相关资料，对成本（人力、物力、财力）的水平要有一定的概念，还有一些状况的变化考虑进去就是技术经济的目的。由于市场一些价格的浮动变化，成本就会产生一些升降问题，这些就需要长远的目光去研究了，如在本次设计 X 轴进给结构设计当中，通过对零部件材料的选择和选用哪种热处理和加工工艺都是最合适的，这也是一种提高经济效益的办法。评价一个企业成本计划的执行结构往往通过成本分析来决策，因为成本分析是成本管理的一个重要部分，利用合理的经济分析了解到要投入多少，也能洞察这个产品是否可以对企业带来经济效益，合理的成本分析也是给企业做出决策时要考虑的重要依据。往往要成为一名合格的设计人员，不仅能够准确的设计出要求的零件，对于成本的分析也是了如指掌，这样才可以为企业带来最大化的经济效益。 6.2 成本材料构成6.2.1 非标准件装配图中非标准件的统计，如表 6.1 所示；表 6.1 非标准件统计序号名称材料数量净重（Kg）1法兰LY1260.8882隔圈4510.9333轴套4550.187压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 197216396 或 11970985（续）4 紧定螺钉4510.00065限位块4542.2046密封环尼龙 101010.00145 刚总净重：G1=10.69kg，尼龙 1010 件的总净重：G2=0.001kg，LY12 铝棒总净重 G3=5.328kg目前，45 钢的价格为 3400 元/吨，尼龙 1010 的价格 75000 元/吨，LY12 铝棒的价格 28000 元/吨。另外需要购置角接触球轴承 6 个，市场价一元一个，需要购置 6 个。非标准件购费：191.61 元。6.2.2 标准件外购费用装配图中标准件的统计，如表 6.2 所示。表 6.2 标准件外购费用统计序号名称规格数量单价（元/件）1螺钉M6X20M4X20M5*30M8X50M12X20942220.010.010.010.010.012圆柱销M6X3510.53圆锥销M6X3510.54密封圈453.542.16标准件的外购件费用为 9.83 元。6.3 成本计算依据本次设计的总成本就是购置零件所花费的费用和加工费用。依据计算公式：压缩包内含有 CAD 图纸和说明书,Q 1972163