半闭环数控车床进给部件设计【说明书+CAD】
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半闭环数控车床进给部件设计【说明书+CAD】,说明书+CAD,闭环,数控车床,进给,部件,设计,说明书,CAD
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存档编码：无无锡锡太太湖湖学学院院 2013 届届毕毕业业作作业业周周次次进进度度计计划划、检检查查落落实实表表 系别：信机系 班级：机械92 学生姓名：孙亚明 课题（设计）名称：半闭环数控机床进给部件设计 开始日期：周次起止日期工作计划、进度每周主要完成内容存在问题、改进方法指导教师意见并签字备 注1-32012年11月12日-2012年12月2日教师下达毕业设计任务，学生初步阅读资料，完成毕业设计开题报告。按照任务书要求查阅论文相关参考资料，填写毕业设计开题报告书有些生疏4-102012年12月3日-2013年1月20日指导专业实训数控编程实训有时编程会出现一些小错误，能及时改正11-122013年1月21日-3月1日指导毕业实习在无锡市宏业机电配件厂实习不太熟悉数控机床的操作132013年3月4日-3月8日继续整理资料、分析、比较各种设计方案选择了几种设计方案进行计算选择142013年3月11日-3月15日确定最合适的总设计方案确定了总设计方案计算方面的问题152013年3月18日-3月22日总体设计（包括参数计算及结构分析计算）进行参数计算及结构分析选择最适合的结构162013年3月25日-3月29日总体设计（完成参数计算及结构分析计算后绘制草图：总装配图）绘制了总装配图有些方面的图不是很清楚地画出来172013年4月1日-4月5日总体设计（最后完成部件装配图）绘制了部件装配图有些图的部位不是很清楚182013年4月8日-4月12日零件设计进行零件设计上网查阅资料进行改进周次起止日期工作计划、进度每周主要完成内容存在问题、改进方法指导教师意见并签字备 注192013年4月15日-4月19日零件设计进行零件设计上网查阅资料进行改进202013年4月22日-4月26日零件设计进行零件设计上网查阅资料进行改进212013年4月29日-5月3日整理设计说明书整理了设计说明书排版先后问题222013年5月6日-5月10日完成设计说明书完成说明书的设计排版及格式的整理232012年5月13日-5月17日对图和说明书完善、定稿完善图和说明书排版及格式问题242013年5月20日-5月25日排版、打印、装订、答辩准备做最后的准备认真回看自己的设计，准备答辩更顺利编号无锡太湖学院毕业设计（论文）题目： 半闭环数控车床进给部件设计 信机 系机械工程及自动化专业学 号： 0 9 2 3 0 6 1 . 学生姓名： 孙亚明 .指导教师： 许菊若 （职称：副教授 ） （职称： ）2013年5月25日43无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚 信 承 诺 书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 半闭环数控车床进给部件设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械92 学 号： 0923061 作者姓名： 孙亚明 2013 年 5 月 25 日无锡太湖学院信 机系 数 控 专业毕 业 设 计论 文 任 务 书一、题目及专题：1、题目 半闭环数控车床进给部件设计 . 2、专题 . 二、课题来源及选题依据校企合作开发课题三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 在数控车总体布局的基础上，完成X向、Z向两个方向进给部件的设计。绘制两个方向的伺服进给装置部件图。 完成部分非标零件设计，绘出12张零件图。 完成设计说明书一份，有必要的分析、比较、计算、阐述。 四、接受任务学生： 机械92 班 姓名 孙亚明 五、开始及完成日期：自2012年11月12日 至2013年5月25日六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师签名 签名 签名教研室主任学科组组长研究所所长签名 系主任 签名2012年11月12日摘要本文对数控车床进给部件系统的设计进行了重点论述，对该机构的主要组成部件：滚珠丝杠副、步进电机、传动齿轮等进行了设计计算与选型。其中对滚珠丝杠副、伺服电机的设计计算及选型作了详细论述。进行这一设计主要是为了进一步地提高数控车床进给机构的定位精度，重复定位精度，以使其能够可靠地运行，且能满足各项性能指标的要求，达到预期的结果，即满足设计任务书的要求。最后，本文还对典型零件进行了数控编程，并绘制了数控车床典型零件编程图、数控车床传动示意图、数控车床液压原理图以及该数控车床进给机构的装配图。此结构简单可靠，可应用于相似的各类数控车床上。当今的世界，制造业在经济发展中占有十分重要的地位，机械制造业更加是制造业中的支柱与核心。数控车床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发展的大趋势。关键字：伺服进给、滚珠丝杠、数控。Abstract The article made a brilliant exposition on the designing and transformation scheme of the system of NC machine. The article also exposed brilliantly the mechanisms mail parts: the ball-screw pairs, Stepper motor, Transmission gear and so on. Doing the design is for the sake of improving the site precision and duplicate site precision of the system. So it can work credibility, meet the require of design assignment list. Besides, the author has writed typical parts of the NC programming, designed and drawed CNC lathe programming diagram of typical components, CNC lathe drive diagram, CNC hydraulic schematic diagram and the CNC lathe feed mechanism assembly drawing. This mechanism is simple and reliable, it can apply to every similar NCmachine.In todays world, the manufacturing industry occupies a very important position in the economic development, machinery manufacturing industryy is the pillar and more core in the manufacturing industry. Application of numerical control lathe technology has brought the revolutionary change for the traditional manufacturing industry, causes the manufacturing industry to become a symbol of industrialization, but also expands unceasingly along with the development of numerical control technology and applications, it beneficial to the peoples livelihood of some important industries (IT, automobile, light industry, medical etc) plays a more and more important role in the development of, digital equipment required for these industries is a major trend of modern development. Keywords: servo feed, ball screw, nc.目录摘要IIIABSTRACT IV目录V1 绪论12 双轴半闭环数控车床总体布局33 伺服进给部件的方案比较和确定53.1 数控系统的比较53.1.1 点位控制系统53.1.2 直线控制系统53.1.3 联系轨迹控制系统53.2 控制方式的选择53.2.1 开环系统53.2.2 半闭环系统63.2.3 闭环系统63.3 增量系统和绝对系统的比较63.3.1 增量系统73.3.2 绝对系统74 X向伺服进给部件的设计 94.1 伺服驱动装置的设计94.1.1 伺服驱动装置的特点94.1.2 伺服驱动装置94.2 交流伺服电机的设计104.2.1 交流伺服电机的类型的确定104.2.2 确定伺服电机的型号104.3 传动结构的设计104.3.1 伺服电机与进给丝杠的联接确定方案104.3.2 联轴器的比较选用104.3.3 滚珠丝杠副的特点114.3.4 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法114.3.5滚珠丝杠副支撑形式的确定124.3.6 滚珠丝杠副的设计选用134.3.7 丝杠轴承的选用134.4 导向机构的设计174.4.1导轨概述174.4.2 导轨的设计任务174.4.3方案比较确定174.4.4 导轨材料的选择184.4.5 直线滚动导轨副的精度选择184.4.6直线滚动导轨副型号的确定185 刀架的设计 195.1 数控车床刀架系统简介195.2 各种刀架的方案比较及选择205.2.1 排式刀架205.2.2 回转刀架205.2.3 带刀库的自动换刀装置205.3 几种典型回转刀架的选择与比较215.3.1 电机传动的回转刀架215.3.2 液压回转刀架215.3.3 用于车削中心的可安置动力刀具的转档刀架216 Z向伺服进给部件的设计276.1 方案选择与确定276.1.1 机械传动系统方案的选择276.1.2 丝杠的选择286.1.3 导轨的选择296.1.4 联轴器的选择296.1.5 伺服电机的选择306.1.6 确定方案316.2 伺服进给装置的设计316.2.1 悬臂处的滚珠丝杠副316.3 滚动直线导轨326.3.1结构与特征326.3.2滚动直线导轨的优点336.3.3导轨镶装结构336.4 机械系统设计分析346.4.1计算传动比i346.4.2系统刚度计算356.4.3固有频率计算356.5 锥环无键联轴器356.6 滚动轴承的选择366.6.1 常用滚动轴承的类型、特性和应用366.6.2滚动轴承类型选择366.6.3分析对比367 小结 39致谢 41参考文献 43半闭环数控车床进给部件设计1 绪论目前的数控车床大多采用交流伺服电机，控制系统半闭环形式，进给方向的精度一般为：X向0.005毫米，Z向0.01毫米。传动机构主要为滚珠丝杠副，导向机构多为滚动导轨、少数为滑动导轨（小型数控机床）。刀架形式一般为回转或液压式。电机一般为通常通过联轴器（多为弹性联轴器）直接与丝杠相连接，排屑装置多为平板履带式。为提高设计产品的质量，要重视所有的资料，深入探索研究；要重视考察实际现有产品与理论的结合；要重视采用有效的设计方法和现代化的设计工具，要积极推广应用价值工程，优化设计，可靠性设计等方面。数控机床是新型的自动化机床，它对解决复杂型面和高精度零件的加工，对单件小批量的自动化等，都具有重要意义。数控车床利用数字化的信息对车床运动及加工过程进行控制，是一种可编程的通用加工设备，能自动完成内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面、螺纹等工序的切削加工，所以特别适合加工形状复杂的轴类和盘套类零件。 与通用机床和专用机床相比，数控车床具有加工灵活、通用性强、能适应产品的品种和规格频繁变化的特点，能够满足新产品的开发和多品种、小批量、生产自动化的要求，是一种柔性的、高性能的自动化车床，代表了现代控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品，因此被广泛应用于机械制造业。 数控车床的主传动系统包括主轴电机、传动系统与主轴组件，与普通机床相比，变速功能绝大部分由主轴电机的无级调速来承担，省去了繁杂的齿轮变速机构，结构简单，有些只有两极或三级齿轮变速机构系统用以扩大电机无级调速的范数控机床作为高自动化的机电一体化设备，其主传动系统的设计一般应满足以下基本要求。 使用性能要求高 首先应满足机床的运动特性。如机床主轴有足够的转速范围和转速级数，不仅有低速大转矩功能而且还要有较高的转速。传动系统设计合理，操作方便灵活、迅速、安全可靠。 传递动力要求 主电动机和传动机构能提供和传递足够的功率和转速，具有较高的传递效率。 工作性能要求 主传动中所有零部件要有足够的刚度、精度、和抗振性、热变形特性稳定，才能保证加工零件有较高的质量。电动机、主轴及传动部件都是热源，低温升、小变形是对主轴传动系统的重要指标；主轴要较高的旋转精度与运动精度；主轴轴颈尺寸、轴承类型及装配方式，轴承预紧量大小、主轴组件的质量分布是否均匀及主轴组件的阻尼对主轴组件的静刚度和抗振性都会产生影响；主轴组件必须有足够的耐磨性，使之保持良好的精度；轴承处还要有良好的润滑。 此外，还要求主创动系统结构简单，便于调整与维修；工艺性好，便于加工与装配；防护性好；使用寿命长。数控机床以其高效率、高精度和高柔性而占据大部分市场，数控机床的进给伺服系统是数控机床技术水平的标志，因此进给伺服系统的速度控制、位置控制、伺服电机控制都必须具有很高的质量控制要求，基于数控机床的各式加工任务，其对进给伺服系统的要求有以下几点：随时可实现反转。实际加工工件的时候，要求机床执行部件要灵活地正反转运行，这些工作指令是随机的，而且是根据加工轨迹要求来完成的。精度相对较高。数控机床的定位精度和进给跟踪精度是保证数控机床加工精度的重要内容，也是保证精度的关键。传动刚性高且速度稳定性好。数控机床的伺服系统在负载发生变化或者切削条件产生波动时应保证进给速度恒定，这样就能使负载力矩变化对进给速度不影响或者影响很小。可实现低转速大转矩。在低速大进给量加工零件时要求伺服系统进给驱动输出较大的转矩。 伺服系统（servomechanism）使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。2 双轴半闭环数控车床总体布局车床为机、电、液三位一体，按照人体工程学宜人化进行布局设计，全封闭防护，操作简便，使用方便。（1） 机床采用卧式车身，45倾斜道轨布局形式，以利于排屑。床身为整体高刚性结构。（2） 矩形导轨，采用宽支撑窄导向的设计以增加运动的平稳性。（3） 床身左端为主轴箱，其结构简单，无齿轮传动。主轴由交流调速主轴电机驱动，机床在低速下也具有高功率输出，恒功率区宽。（4） 主轴轴承为超精密角接触球轴承和双列圆柱滚子轴承以保证主轴的刚度和精度。主轴轴承采用高润滑，温度低，热变形小。（5） 机床纵向和横向运动均采用交流伺服电机，它们两者均直接采用消隙联轴器把电机与滚珠丝杠连接起来。纵向驱动直接安装在纵向床身道轨之间。（6） 机床卡盘采用液压控制。液压夹紧油缸为高速卡盘液压缸。卡盘的松紧由控制面板上的按钮来控制。（7） 机床尾座亦采用液压控制。通过液压油来控制尾座套筒的进退，它也是由控制面板上的按钮来控制的。（8） 机床的床鞍溜板道轨上装有8位的电动轨塔刀架，具有分度转位快、平稳可靠、无渗漏等优点。（9） 机床配有自动对刀仪，通过接触式传感器，可以快而准确的测出刀具安装时的偏差值，传输给计算机系统，在加工时可以进行刀具的自动补偿。（10） 机床具有良好的扩展性，机床配有排屑器，实现自动排屑。机床配有防护外壳。（11） 机床数控系统配有日本FANUC-6T CNC系统。3 伺服进给部件的方案比较和确定3.1 数控系统的比较 3.1.1 点位控制系统这种控制系统只要求控制每次移动行程终点的坐标位置，即每个程序段的行程，终点都能准确定位，坐标移动过程中，刀具脱离工件，不进行切削加工，通常各坐标意最快速度独立运动，为避免到达终点时产生超调，实现精确定位，多采用分级降速的方法控制进给运动。 3.1.2 直线控制系统运动轨迹是直线。通常是单坐标运动，即每个程序段只移动一个坐标轴，运动中要进行切削加工，这种系统多用于简易车床和铣床。 3.1.3 联系轨迹控制系统 这种控制系统用于平面曲线的空间曲线的加工，应用广泛。选择连续轨迹控制系统.3.2 控制方式的选择3.2.1 开环系统开环控制系统结构简单，易于控制，但精度差。没一步有起制动的微观变化，故运动不平稳，影响加工光洁度。3.2.2 半闭环系统这种系统它的位移测量元件不是直接测量移动部件的位移量，而是用测量丝杠的转动来间接测量移动部件的移动量，由丝杠的转动变换为移动部件的移动量。虽然半闭环精度低于闭环伺服系统，但是由于角位移测量元件比直线位移测量元件结构简单，价格便宜，所以半闭环伺服系统的应用很普遍。3.2.3 闭环系统该系统为误差调节系统，该系统中包括位置检测元件，在该系统中的执行部件的位移、转角、速度等通过测量元件变换成电信号，反馈到系统的输入器，与控制系统给定的标准信号进行比较，得出误差信号的大小和极性，控制伺服系统的运行，知道误差为零。从理论上讲，闭环伺服系统的精度取决于测量元件的精度，但是机械传动误差也是影响伺服系统精度的重要因素。该系统主要用于大型数控机床、超精车床和超精磨床等。结论：选择半闭环系统。3.3 增量系统和绝对系统的比较3.3.1 增量系统若系统中使用增量方式测量元件，即为增量系统。增量尺随工作台移动时只发出逐个脉冲，在没有辅助电路的情况下，停电后要重新开机不能得知工作台当前所停的实际位置。因此每次启动机床后操作者的首要任务就是将各坐标轴回零，然后才可以使用机床。 3.3.2 绝对系统该系统工作台的位置永远对应着检尺的某一确定值。通常使用的检尺为绝对式编码盘或是多级旋变感应同步器，机床的零点与检尺的某一确定值，通常使用检尺时候的移动位置都是以该零点计算的，并可直接从检尺上读出来。结论：选择绝对系统。4 X向伺服进给部件的设计4.1 伺服驱动装置的设计4.1.1 伺服驱动装置的特点驱动装置是使机械结构运动的装置。伺服驱动都是动力源，要设计好伺服驱动装置，首先应了解机电一体化系统对驱动装置的要求，要求一般为：A.高精度对高精度要求主要在两方面：一是要求驱动装置满足定位准确的要求，定位误差，特别是重复定位误差要小。二是要求跟随精度要求高，即在运动过程中，位置实际值与给定值的差值要小，也就是说，跟随误差要小，这是机电一体化伺服驱动装置的动态性能指标之一。 B.快速响应，无超调也是对伺服驱动装置动态性能的要求，它也包括两个方面：一是在机电一体化系统的运动过程中，伺服系统可能会频繁的起动、制动、加速和减速。一般是要求伺服驱动装置从速度为零升到最高速，或从最高速度降到零，时间在200s以内，甚至有时要求在几十毫秒。同时，速度变化时，不应有超调。另一方面，当负载突变时，要求速度的恢复时间短，且无振荡。C.调速范围宽调速范围是指伺服驱动着装置所能提供的最高速度与最低速度（常常是最高转速与最低转速）之比：RN max/Nmin式中指额定负载的最高速度（或转速）和最低速度（或转速）。R-调速范围的含义如下：（1）R大，并在该调速范围内，要求速度均匀、稳定、无爬行。（2）无论是在高速还是低速驱动时，输出的力或转矩稳定。当速度变化时，驱动装置能平滑运行，力矩波动要小。在很低速驱动时，速度平稳，并能输出额定的力或力矩。（3）在零速时，一般希望驱动装置能够处于伺服“锁定”状态。D快速的应变能力和较长时间的过载能力应能受频繁的起动、制动、反向运动、加速、减速的冲击。为满足低速大力矩的要求，应能承受较长时间的过载。4.1.2 伺服驱动装置课根据功率的大小来分类伺服驱动装置，也可以按精度要求的高低来分类，但最常用的分类方法是根据采用动力源的类型，把伺服驱动装置分为液压伺服驱动装置，气压伺服驱动装置和电气伺服驱动装置等三大类型。由于交流电机性能最可靠，基本用不着维护，造价低，结构简单，输出功率大，动态响应好，不需配置直流电源，且控制技术得到了解决，因此国外交流电机正在取代直流电机，国内交流电机已经占一半以上，有了明显的优势。结论：选用交流伺服电机。4.2 交流伺服电机的设计4.2.1 交流伺服电机的类型的确定交流伺服电机主要分为交流鼠笼式伺服电机和永磁式交流同步电机。其中永磁式交流同步电机的转速与近接电源的频率之间存在着一种严格的关系，即在电源电压和频率固定不变时，它的转速是稳定不变的。随着新型永磁材料的应用及永磁电动机构的不断改进，永磁交流同步电动机将会越来越多的用语数控系统中。结论：选择永磁交流同步电动机。4.2.2 确定伺服电机的型号由于设计要求规定X向伺服电机的功率为0.9kw，转速为量大不超过4000r/min。通过转速功率的类比，最终选择mdma系类的大惯量带制动永磁式交流同步伺服电机，其规格：额定功率：0.9kw额定转矩：4.8nm最大转矩：21.5电机惯量：42.9额定转速：2000r/min最大转速：3000 r/min制动器：dc 24v 电源无极性编码器：2500p/r增量式17位增量式/绝对式公用防护等级：温度0-40，保存时20-8。重量：10kg4.3 传动结构的设计4.3.1 伺服电机与进给丝杠的联接确定方案在进给驱动系统中，伺服电机与滚珠丝杠联接要保证传动无间隙，所以，数控机床采用一种联接方式：直接连接、齿轮减速式。4.3.2 联轴器的比较选用A) 联轴器的分类及特点联轴器的性能可分为刚性联轴器和扰性联轴器，刚性联轴器或称固式联轴器，这种联轴器虽然不具有补偿性能，但结构简单、制造容易、不须维护、成本低特点而乃有其应用范围。a) 扰性联轴器中又分为无弹性元件扰性联轴器和带弹性元件扰性联轴器，千一类具有补偿两轴相对位移的能力，后一类由于含有产生较大弹性变形的元件，除有补偿性能外还具有缓冲作用和减震作用。b) 弹性联轴器除了能补偿两轴相对位移，降低对联轴器安装的精度对中要求外，更重要的是能够缓和冲击，改变轴系的自身频率，避免发生严重危险性振动。结论：选用弹性联轴器B）选用要求a） 强度高，承载能力强，在有可能发生扭振或存在瞬间尖峰载荷的场合，要求联轴器的许用瞬时最大扭矩为许用长期扭矩的三倍以上。b） 弹性高，阻力大，具有足够的减震能力，把冲击和振动长生的振幅降低到允许的范围以内。c） 具有足够的补偿性能，满足安装和工作时两轴相对位移时的需要。d） 工作可靠，性能稳定，对橡胶性弹性原件还应具有耐热性，不易老化等优点。e） 结构简单，体积小，重量轻。拆装方便，维护容易。结论：选用柱销式4.3.3 滚珠丝杠副的特点a）传动效率高 效率可达90%95%,耗费的能量仅为丝杠的三分之一。b） 运动具有可逆性 既可将回转运动变为直线运动，又可将直线运动变为回转运动，且逆转动效率几乎与正转动效率相同。c） 系统刚度好 通过螺母组件内施加预压获得较高的系统刚度，可满足各种机械传动要求，无爬行现象，始终保持运动的平稳性和灵敏性。d） 传动精度高 经过淬硬并经磨纹滚道后的滚珠丝杠副本身就具有很高的制造精度，又由于摩擦小，丝杠副工作时温升和热变形小，容易获得较高的传动精度。e） 使用寿命长 滚珠是在淬硬的滚道上作滚动运动，磨损极小，长期使用后仍能保持其精度，因而寿命长，具有很高的可靠性。其寿命一般比滑动丝杠高56倍。f） 不能自锁 特别是垂直安装的丝杠。当运动停止后，螺母将在重力的作用下下滑，顾需设置制动装置。g） 制造工艺复杂 滚珠丝杠和螺母等零件的加工精度、表面粗糙度要求高，制造成本较高。结论：由于滚珠丝杠副独特的性能而受到极高的评价，因而已成为数控机床、精密机械设备及各种机电一体化产品中不可缺少的传动机构。4.3.4 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法滚珠丝杠副除本身单一方向的传动精度有要求外，对其轴向间隙也有严格的要求，以保证其反向传动精度。滚珠丝杠副低轴向间隙是承载时在与滚道型面接触点的弹性形变所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。通常采用双螺母预紧的方法，把弹性形变控制在最小的限度内。以减小或消除轴向间隙，并可以提高滚珠丝杠副的精度。消除滚珠丝杠副的轴向间隙应注意以下两点：A 预紧力大小必须合适，过小不能保证无间隙传动，过大将使驱动力矩增大，效率降低，寿命缩短。预紧力应不超过最大轴向负载的三分之一。B 要特别注意减小丝杠安装部分的驱动部分的间隙。这些间隙用预紧力的方法是无法消除的。而它对传动精度有直接影响。常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有三种：a 垫片调隙式采用螺钉链接滚珠丝杠两个螺母的凸缘加垫片，并在凸缘加垫片。调整垫片的厚度使螺母产生微量的轴向位移，以达到消除轴向间隙和产生预紧力的目的。该形式结构紧凑，工作可靠，调整方便，应用广，但很不准确，并且当滚道损坏时不能随意调整，除非更换垫圈。故适合于一般精度的传动机构。b 螺纹调隙式双螺母中的一个外端有凸缘；一个外端无凸缘，它伸出套筒外，用两个螺母固定锁紧，并用键防止两螺母相对传动。旋转圆周可调整消除间隙并产生预紧力，之后再用锁紧螺母锁紧。该型结构紧凑，工作可靠，调整方便。目前使用很广。 c 齿差调隙式在两个螺母的凸缘上各位置有圆柱外齿轮(齿数为Z1和Z2，且Z1-Z2=1)分别与内齿轮啮合，内齿圈用螺钉或定位销固定在套筒上。调整时，先取下两端的内齿圈，使两螺母产生相对位移，相应地产生轴向的相对位移，从而亮螺母中的滚珠分别紧贴在螺母滚道的两个相反的侧面上，然后将内齿圈复位固定，故而消除间隙，产生预紧力的目的。可见，该形式的调整精度很高，工作可靠。但结构复杂，加工和装配工艺性能较差。结论：选用螺纹调隙式4.3.5滚珠丝杠副支撑形式的确定A 一端固定一端自由（FO）该支撑方式结构简单，丝杠的轴向刚度比两端固定低，且压杆稳定性和临界转速都比较低，设计时尽量使丝杠拉伸，该支撑方式适用于较短的竖直的丝杠。B 一端固定一端游动（FS）该支撑方式需要保持螺母与两端支撑同轴，故结构比较复杂，工艺困难，丝杠的轴向和FO相同，压杆稳定性和临界转速都比同长度的FO型高，且丝杠内有热膨胀的余地，该支撑方式适用于较长的卧式安装丝杠。A 两端固定（FF）该形式的长度同FS的长度，只要轴承间隙，丝杠的轴向刚度为一端固定的四倍，丝杠一般不会受压，无压杆稳定性问题，固有频率比一端固定要高；可以拉伸，预拉伸后可减少丝杠自重的下垂和热补偿膨胀。但需一套预拉伸机构，结构及工艺都比较困难，要进行欲拉伸的丝杠起目标行程应略微小于公称行程，减少量等于预拉伸量。该支撑方式适用于对刚度和唯一精度要求高的场合。结论：选择两端固定方式。4.3.6 滚珠丝杠副的设计选用已知：工作台重量500N刀架及电动机重量200N 工作台最大行程100mm动摩擦系数0.1静摩擦系数1.2快速进给速度100m/min定位精度20m/mm全行程25um重复定位精度10um要求寿命20000h（两班制工作十年）4.3.7 丝杠轴承的选用A 滑动轴承与滚动轴承的比较a滑动轴承的特点及分类普通滑动轴承，结构简单、制造方便，成本低廉，并可以做成开式以适应安装要求；而液体滑动轴承可在很高的转速下工作。运转平稳，旋转精度高，寿命长，抗振动性能好，可在强冲击和重载下工作。由于其工作平稳，噪声低，吸振性好，因此他在高速重载场合得到广泛应用。但它不是标准件，设计、维护都比较复杂，因此在很多场合已被滚动轴承所取代。B 滚动轴承的特点滚动轴承摩擦阻力小，启动轻快、效率高、不易磨损。典型的滚动轴承有内圈、外圈、滚动体和保持架等部分组成。内圈用来与颈轴配合，外圈一般与轴承座装配。常用的滚动轴承有球、圆柱滚子、圆锥滚子、球面滚子及非球面滚子等。滚动轴承的内、外圈及滚动体是用铬轴承钢制成的，工作表面经过磨削和抛光，硬度一般不低于60HRC，保持架使用较软的材料（如低碳钢、钢合金、铝合金、夹布胶木和尼龙塑料等）。滚动轴承已经标准化，由于工厂大量生产。所以在设计时，一般需要：a.根据工作条件、受力情况、结构要素等因素，选择合适的滚动轴承类型、精度、尺寸。并由滚动轴承目录中查出滚动轴承代号；b.确定滚动轴承的组合结构设计，即考虑滚动轴承如何装拆、固定、调整、润滑和密封等问题。结论：选用滚动轴承B滚动轴承的选择和比较a滚动轴承类型选择注意点1 轴承负荷(1) 轴承负荷是选用轴承类型的主要要素，通常应根据负荷的大小、方向和性质选用轴承。负荷的大小与性质 通常球轴承适用于承受轻、中及较小波动的负荷；滚子轴承使用于承受重的及较大波动的负荷。(2) 负荷的方向 纯径向的负荷可选用深沟球轴承及滚针轴承。纯轴向负荷可选用推力轴承。当径向负荷和轴向负荷联合作用时，一般选用角接触球轴承和圆锥轴承和圆锥滚子轴承；若径向负荷较大和轴向负荷较小时，也可选用深沟球轴承；若轴向负荷很大时，径向负荷很小时，可选用推力角接触球轴承、推力圆滚子轴承，也可选用圆柱滚子轴承（或深沟球轴承）和推力轴承联合使用。2 轴承的转速球轴承比滚子轴承有较大的极限转速，故而高速时应选用球轴承。在内径相同的条件下，外径愈小，滚动体愈小、轻；其离心力小、摩擦阻力小、发热量小；所以在一定条件下，工作转速较高时宜选用超轻、特轻系列的轴承。高速重要的轴承要验算其转速。一些提高轴承极限转速的措施，都对高速运转有利，如实体保持架、青铜或夹布胶木架，提高精度等级，适量加大球轴承的游隙，用喷油或油雾润滑改善冷却条件等。(1) 调心性能当轴或壳体变形大，以及安装对中性差时，应选用具有调心性能的轴承及补偿上述变形及误差引起的偏斜，从而保证轴承是正常工作的。这时宜选用调心球轴承或调心滚子轴承。(2)安装与拆卸对于安装与拆卸较为频繁的机械，可选用分离型角接触轴承、圆锥滚子轴承，圆周滚子轴承和推力轴承。当轴承在长轴安装时，为方便拆卸可选用一些内圈为圆锥孔的、带紧定套或退套的调心滚子轴承、调心球轴承。(3)滚动轴承方案的比较 深沟球轴承与尺寸相同的的其它类型轴承相比较，此种轴承摩擦损失最小。在轴承内外圈相对倾斜816时(根据游隙确定)仍可正常工作（但寿命有一定影响）。当加大轴承的径向游隙时，具有向心推力球轴承的性质，在转速较高不宜采用此类轴承的情况下，可采用此类轴承承受轴向力。圆圈有止动槽的深沟，放入止动环后可简化轴承在外壳孔（可做成通孔）轴向紧固，也可缩小轴向尺寸，此类轴承所受径向负荷能力与基本类型轴承相同，但允许的轴向负荷应适当降低。它主要能够承受径向负荷，也可同时承受少量双向轴向的负荷极限转速高，它可将轴的双向移动限制在轴承的游隙范围内。 调心球轴承具有自动调心性能允许内圈（轴）对外圈（外壳）的倾斜不超过3度。此类轴承主要用负荷作用下弯曲较大的传动轴以及支撑座孔不易保证严格的部件中。主要承受径向负荷。也同时承受少量的双向轴向负载，额定负荷比为0.60.9，极限转速高，也可将轴的双向移动限制在轴承的轴向游隙范围内。它不宜承受纯的轴向负荷，此种情况将使负荷有一系列仅有一列钢球承受。其中圆锥孔调心球轴承安装在轴颈上，通过轴向移动内圈可微量调整轴承的径向游隙。 圆柱滚子轴承仅能承受径向负荷，额定负荷比为1.53，极限转速高，不能限制轴的轴向移动。带挡边的引导套圈与保持架和滚子组成一组合件可与另一无挡边的套圈分离，安装拆卸比较方便，与同尺寸向心轴承相比，径向负荷能力较大，但允许外圈与内圈轴线偏移斜度较小，故只能由于刚性较大的轴上，并要求支撑座孔能够很好的队中。内圈无挡边的圆柱滚子轴承常用于受外力弯曲较小的固定短轴上；也常用于因发热而使长轴伸长的机件上。此时，于一个支点上安装无挡边的滚子轴承，另一个支点上则安装使轴与轴箱能固定起来的轴承。 调心滚子轴承它主要受径向负荷，也可同时承受少量的双向轴向负荷，额度比为1.84，极限转速低。能限制轴的双向移动。它具有自动调心功能，允许内圈（轴）对外圈（外壳）的倾斜度不超过0.52度。此类轴承多用于长轴和负载后弯曲的多支撑轴上。 滚针轴承仅能承受径向力，极限转速低。不能限制轴的双向移动。在径向负荷相同的情况下与其他类型轴承相比较，外径最小，故适合径向尺寸受限制的部件（特别是轴的周围有摆动性运动的部件；如活塞销、轴摆杆等）。它安装时轴承外轴线与内圈线不允许有偏斜。 螺旋滚子轴承仅能承受径向力，极限转速低。不能限制轴的双轴向移动。适用于旋转精度要求不高并承受冲击负荷的机件中，每一套和带保持架的滚子都可以分别安装。 圆锥滚子轴承承受以径向负荷为主的径向和轴向（单向）负荷的联合负荷。额定负荷比为1.12.5，极限转速中等。限制轴的单向轴向移动。它可分别安装内圈和外圈，在安装使用中可调整径向和轴向游隙，允许偏差2分。 推力球轴承承受单向轴向负荷，额定负荷比为1，极限转速低，限制轴的单向轴向移动，工作中必须加以最小的轴向力。为消除可能不同心会轴线与外壳支撑面不垂直的不良影响，安装时应使活圈外径与外壳孔之间保留0.51mm的间隙，有时还可以在支撑面上垫以弹性材料如皮革、耐油橡胶等。 推力滚子轴承承受单向轴向负荷，额定负荷比为1.71.9，极限转速低，限制轴的双轴向移动，工作中必须加以最小的轴向力，此类轴承用于承受大的轴向负荷，用于重型机械。 角接触球轴承该轴承受轴向（单向）和径向负荷的联合负荷，额定负荷比为11.4，极限转速高，能限制轴的双向轴向移动。该轴承接触角大，承受轴向负荷的能力就大。当轴承受径向负荷时引起附加轴向力，固定此类轴承一般均成对使用(安装时同名端面相对安装)。结论：选用角接触球轴承型号为7005C GB/T 292-94d.轴承的校核已知：丝杠轴的上的圆周力为800N，径向力Fr为350N，轴向力Fa为150N，丝杠最大转速为3000r/min,丝杠有螺纹直径为32mm，轴承预期寿命为20000h。丝杠轴承间距离为338mm。表4-1 轴承的校核设计计算项目计算公式或说明结果 续表4-11.求轴承的径向力设RV1和RV2分别为轴承说承受的两个垂直分力，RH1和RH2分别为两个轴承所受的水平分力。RV1=（208*Fr+Fa*16）/338=222NRV2=Fr-RV1=127.5N RH1=208*Ft/(208+150)=492.31NRH2=Ft-RH1=800-492.31=307.69NR1=540.25NR2=333.06NR1=54.25N R2=333.06N2.求轴承的实际轴向力A1和A2根据表（10-6）（机械设计）S1=0.68R1=367.37NS2=0.68R2=226.48N根据式（10-4）A1=Fa+S2=150+226.48=376.48NA2=S2=226.48N A1=376.48NA2= 226.48N3.求两轴的当量动载荷P1和P2根据表（10-4），e=0.68A1/R1=376.48/540.25=0.7eA2/R2=226.48/333.06=0.68由表（10-5），查的X1=0.41,Y1=0.87X2=1，Y2=0由表（10-5），查的fp=1.2-1.8,去fp=1.5P1=fp(X1R1+Y1A1)=1.5(0.41*540.25+0.87*376.48)=823.55NP2=fp（X2R2+Y2A2）=499.59NP1=823.55NP2=499.59N4.验算轴承寿命因为P1P2,所以只验算轴承1，又有轴承样本可知：7005C的额定动载荷为12500N=/60n(C/P1=/60*3000(12500/823.55=22012.1h=22012.1h5.验算结果因为90761.6420000h选用7005C4.4 导向机构的设计4.4.1导轨概述 导轨有金属其它材料制成的槽或脊，可承受、固定、引导移动装置或设备并减少其摩擦的一种装置。导轨表面上的纵向槽或脊，用于导引、固定机器部件、专用设备、仪器等。导轨又称滑轨、线性导轨、线性滑轨，用于直线往复运动场合，拥有比直线轴承更高的额定负载， 同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。4.4.2 导轨的设计任务根据导轨的特点对导轨的基本要求，可得出设计导轨应包括以下几个方面：1 根据工作条件选择合适的导轨类型；2 选择适当的截面形状，保证必要的导向精度；3 选择适当的导轨结构尺寸，保证导轨有足够的刚度，并使单位面积上的比压不宜过大，以免磨损过快；4 选择导轨磨损补偿装置，通过调查方式，使导轨经常获得需要的导向精度；5 选择合适的导轨材料，热处理方法，精加工方法以及摩擦表面恰当的硬度匹配，以提高导轨的使用寿命；6 选择合理的润滑系统，使导轨在良好的条件下工作，以减少摩擦和磨损；7 设计良好的防护装置，以防止切削、赃物等掉入导轨面上；4.4.3方案比较确定1 滑动导轨它具有结构较简单，制造较容易，承载能力大，刚性好，抗震性强，对几何形状误差不敏感等优点；其缺点是磨损快，精度保持性差，摩擦阻力大，运动灵活性较差，动、静摩擦系数差值大，重载或低速移动时易产生“爬行”，高速运动时容易发热等。 2 滚动导轨 滚动直线滑轨是一种滚动导引，它由钢珠在滑块与滑轨之间作无限滚动循环，使得负载平台能沿着滑轨轻易的以高精度作线性运动，其摩擦系数可降至传统滑动导引的1/50，使之能轻易地达到m级的定位精度。现在滑块与滑轨间的末制单元设计，使得线形滑轨可同时承受上下左右等各方向的负荷，专利的回流系统及精简化的结构设计使线性滑轨有更平顺且低噪音的运动。与滑动导轨相比：优点： 灵敏度高，且其动摩擦与静摩擦系数相差甚微，因而运动平稳，低速移动时不易出现爬行现象。 定位精度高，重复定位精度可达0.2m。 摩擦阻力小，移动轻便，磨损小、精度保持性好。缺点：滚动导轨的抗震性较差，对防护要求较高。3 滚珠导轨导轨以滚珠作为滚动体，运动灵敏度好，定位度高；但其承载能力和刚度较小，一般都需要通过预紧提高承载能力和刚度。为了避免在导轨上压出凹坑而丧失精度，一般采用淬火钢制造导轨面。滚珠导轨适用于运动部件质量不大，切削力较小的数控机床。4 滚柱导轨导轨的承载力及刚度都比滚珠导轨要大，但对于安装的要求也高。安装不良，会引起偏移和侧向滑动，使导轨磨损加快、降低精度。目前数控机床、特别是载荷较大的机床，通常都采用滚柱导轨。5 滚针导轨滚针导轨的滚针比同直径的滚柱长度更长。滚针导轨的特点是尺寸小，结构紧凑。为了提高工作台的移动精度，滚针的尺寸应按直径分组。滚针导轨适用于导轨尺寸受限制的机床上。结论：选择滚珠导轨4.4.4 导轨材料的选择 选择直线导轨材料时，应注意它们的耐磨性能、摩擦系数、温度膨胀系数、加工后可能达到的粗粕度及热处理性能等。导轨的品质往往决定了直线导轨价格，圆柱面直线导轨一般采用钢40、50、T8A、TloA(均需经淬火)与非淬火钢或青铜相配；棱柱面直线导轨可用钢与青铜、钢与非淬火钢、钢与铸铁等相配。结论：选择淬硬钢4.4.5 直线滚动导轨副的精度选择 由于直线滚动导轨副具有误差均化效应，在同一平面内使用两套活两套以上时，可选用较低的安装精度达到较高的运动精度。直线滚动导轨副分四个精度等级，即2、3、4、5级，其中2级精度最高。期中2、3、4级精度主要适用于数控床的X方向进给系统。由于本设计要求较高，故选用3级精度。结论：选用3级精度。4.4.6直线滚动导轨副型号的确定各项要求选择 GGB 16 AA 2 P1 2*375-3其中 GG为直线滚动导轨副代号B为导轨结构类型为四个方向等载荷型16为公称尺寸AA分别为滑块宽度和滑块上连接孔形式，其中第1个指款型，第2个指螺孔2为每根导轨上使用滑块数为2P1为直线导轨副预加为中载荷2为同一平面内使用导轨数为2375为导轨长度3为等级精度5 刀架的设计5.1 数控车床刀架系统简介数控刀架是数控车床最普遍的一种辅助装置，它可使数控车床在工件一次装夹中完成多种甚至所有的加工工序，以缩短加工的辅助时间，减少加工过程中由于多次安装工件而引起的误差，从而提高机床的加工效率和加工精度。数控刀架的发展趋势是：随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。10工位刀塔目前国内数控刀架以电动为主，分为立式和卧式两种。立式刀架有四、六工位两种形式，主要用于简易数控车床；卧式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋转，就近选刀，用于全功能数控车床。另外卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。数控刀架的市场分析：国产数控车床今后将向中高档发展，中档采用普及型数控刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种，近年来需要量可达1000050000台数控刀架的发展趋势是：随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。目前国内数控刀架以电动为主，分为立式和卧式两种。立式刀架有四、六工位两种形式，主要用于简易数控车床；卧式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋转，就近选刀，用于全功能数控车床。另外卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。数控刀架的市场分析：国产数控车床今后将向中高档发展，中档采用普及型数控刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种，近年来需要量可达1000050000台发展方向：一是高速、可靠，追求的目标是换刀时间尽量的短，以换取加工中心和车削中心的高效性；二是简单实用、造价低、使用可靠，但换刀速度不快。数控刀架的功能：数控机床上的刀架是安放刀具的重要部件，许多刀架还直接参与切削工作，如卧式车床上的四方刀架，转塔车床的转塔刀架，回轮式转塔车床的回轮刀架，自动车床的转塔刀架和天平刀架等。这些刀架既安放刀具，而且还直接参与切削，承受极大的切削力作用，所以它往往成为工艺系统中的较薄弱环节。随着自动化技术的发展，机床的刀架也有了许多变化，特别是数控车床上采用电(液)换位的自动刀架，有的还使用两个回转刀盘。加工中心则进一步采用了刀库和换刀机械手，定现了大容量存储刀具和自动交换刀具的功能，这种刀库安放刀具的数量从几十把到上百把，自动交换刀具的时间从十几秒减少到几秒甚至零点几秒。因此，刀架的性能和结构往往直接影响到机床的切削性能、切削效率和体现了机床的设计和制造技术水平。基本要求：1）换刀时间短，以减少非加工时间。2）减少换刀动作对加工范围的干扰。3）刀具重复定位精度高。4）识刀、选刀可靠，换刀动作简单可靠。5）刀库刀具存储量合理。6）刀库占地面积小，并能与主机配合，使机床外观协调美观。7）刀具装卸、调整、维修方便，并能得到清洁的维护。5.2 各种刀架的方案比较及选择5.2.1 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。其结构形式为：夹持着各种不同用途刀具的刀夹沿着机床的X坐标轴方向排列在横向滑板上。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。5.2.2 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，一般通过液压系统或电气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把或更多的刀具。回转刀架的换刀动作可分为刀架抬起、刀架转位和刀架锁紧等几个步骤。它的动作是由数控系统发出指令完成的。回转刀架根据刀架回转轴与安装底面的相对位置，分为立式刀架和卧式刀架两种。5.2.3 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。当由于某种原因需要数量较多的刀具时，应采用带刀库的自动换刀装置。带刀库的自动换刀装置由刀库和刀具交换机构组成。5.3 几种典型回转刀架的选择与比较5.3.1 电机传动的回转刀架刀架出于加紧位置时，当它接到转位指令后，电动机就开始旋转，运动传动装置带动型星轮系杆旋转，在通过键带动中央支承轴旋转，从而又带动装有沿圆周方向均布的加紧轮的套转动，从而使上下定位尺盘上的凸轮槽移动，当加紧轮进入槽中凹部时将使下齿盘向右移动，从而使上下定位齿盘脱离啮合，完成转塔头松开动作。这种刀架的特点是松开转塔头时，转塔头无抬起动作，而是靠移动下端齿盘年来完成动作。精定位用的端面齿盘副中的上齿盘是由两个同心齿盘圈合成的，外圈固定在刀架体上，而内圈固定在转塔头上。5.3.2 液压回转刀架该种刀架的特点是采用了步进式凸轮传动机构来执行转塔的分度运动。数控车床的自动回装刀架其转位换刀过程为：当接受到控制系统的换刀指令后刀盘松开-刀盘旋转指令要求的刀位，然后刀盘加紧并发出转位结束信号。该回转刀架的加紧与松开，刀盘的转位均由液压系统驱动PC控制来实现。安装刀具的刀盘与轴固定连接。当刀架主轴带动刀盘旋转时，其上的鼠牙盘和固定在刀架上的鼠牙盘脱开，旋转到指定到位后，刀盘的定位由鼠牙盘的啮合来完成。活塞支在一堆球轴承及双列滚针轴承上，它可以通过推理轴承带动刀架主轴移动。当接到换刀指令是，活塞及轴在压力油推动下向左移动，使两个鼠牙盘脱开，液压马达启动带动平板共轭分度凸轮转动，经齿轮带动刀架主轴及刀盘旋转。刀盘旋转的准确位置，通过行程开关的通断组合来检测确认。当刀盘旋转到指定的转位后，接近开关通电，向数控系统发出信号，指令被定位夹紧。接近开关确认就夹紧并向数控系统发出信号，于是刀架的转位换刀循环完成。5.3.3 用于车削中心的可安置动力刀具的转档刀架为了提高数控车床的加工效率，根据工序集中的原则，出现了能安置动力刀具的动力刀架，它通过与主轴的自动分度或进给动作相配合，可使工件在一次装夹中完成车削加工之外，还可在工件轴向或径向等部位进行钻削、铣削、统攻螺纹和曲面加工。结论：选择电气回转工位刀架表5-1 主要计算公式步骤项目公式、参数选择结果名称代号单位 续表5-11确定滚珠丝杠副的导程Phmm因丝杠与电机直联Ph=Vmax/Nmax*1000由表15查得Vmax=15m/min Nmax=3000r/minPh=5按第三页表取Ph=52确定当量转速与当量载荷（1）各种切削方式下丝杠转速nir/minniNi=Vi/Ph*1000由表15查得V1=0,6 V2=0.8 V3=1 V4=1.5n1=120n2=160n3=200n4=3000(2)各种切削方式下丝杠轴向载荷FiNFi=Pxi+u（w1+w2+pzi）由表15查得Px1=2000 Px2=1000Px3=500 Px4=0Pz1=1200 Pz2=500Pz3=200 Pz4=0已知：w1=500 w2=200F1=2190F2=1120F3=590F4=70 (3)当量转速nmr/minnm=n1t1/100+n2t2/100+nntn/100由表15查得t1=10t2=30t3=50t4=10nm=460 (4)当量载荷FmN(F1 F1 F1n1t1/100nm+ F2 F2 F2n1t1/100nm+Fn Fn Fnn1t1/100nm)1/3 Fm=7753预期额定动载荷CamN1） 按预期工作时间估算：Cam=（60nmIh）1/3Fmfw/100fafc 按表9查得：轻微冲击取fw=1.3按表7查得：1至3级取fa=1按表8查得：可靠性97%取fc+0.44 已知：Ih=2002) 拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负荷Fmax计算：Cam=Fmaxfe按表10查得：中预载取fe=4.51）Cam=40652） Cam=9855取以上两种结果中的大值Cam=9855步骤项目公式、参数选择结果名称代号单位 续表5-14确定允许的最小螺纹底径mmm(1/3-1/4)重复定位精度m(1/4-1/5)定位精度（1）丝杠允许的最大轴向变形量d2mmm（2）估算最小螺纹底径1） m =32） m =6取以上两种结果中的小值I=210F0=100d2m=3.35确定滚珠丝杠副的规格代号1） 选内循环浮动反向器法蓝，直筒双螺母螺纹预紧形式2） 由计算出的Ph，Cam，d2m在样本中取相应规格的滚珠丝杠副FFZDFFZD3205-3Ph=5Ca=12.49.8d2=28.43.36确定滚珠丝杠副预紧力FpNFp=1/3Fmax=F1=2190Fp=7307行程补偿值CmC=11.8tLu*1000Lu=Lk+Ln+2LaLk=85Ln=100La=15t温差取2.5ct=2.5c ,Ft=1.95td2d2Lu=215C=6Ft=3932（1）预拉伸力FtN8确定滚珠丝杠副支承用的轴承型号、规格（1）轴承所受的最大轴向载荷FbmaxNFbmax=F1+Fmax两端固定支承形式。选用角接触轴承d略小于d2=28.4Fbp+1/3Fbmaxd=25mm 预加负荷FbpFbmax=6122d=25Fbp=2041预加负荷为29002041（2）轴承类型（3）轴承内径dmm（4）轴承预紧力Fbp步骤项目公式、参数选择结果名称代号单位9滚珠丝杠副结构的设计（1）丝杠螺纹的长度LsmmLs=L1+2L0由表2查得Le=40Ls=240（2）两端支承距离及丝杠全长L1mm由工作图查得L1=388L=470（3）行程起点离固定支承距离L0mm由工作图查得L0=3010电机选择11传动系统刚度（1）丝杠抗压刚度Ks1）最小抗压刚度KsminN/ mKsmin=6.6d2d2*100/L1Ksmin=4202)最大抗压刚度KsmaxN/ m Ksmax=6.6d2d2*L1*100/4（L1-L0）Ksmax=5010(2)支承轴组合刚度1）一对预紧轴承的组合刚度KboN/ m由样本查得轴承的Fsmax是预加载荷的3倍Kbo=2*2.3dQ=7.144,Z=17, =60Kbo=2552）支撑轴承的组合刚度KbN/ m由表13得两端固定支承Kb=2KboKb=5103）滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度KcN/ mKc=Kc 样本查得Kc=1440 N/ mCa=3600N;Fp=1000NKc=72012刚度验算及精度选择（1）计算1/Kmin计算1/Kmax静摩擦力1/Kmin1/KmaxF0m/Nm/N N/1/Kmin=1/Ksmin+1/Fb+Fc1/Kmax=1/Ksmax+1/Fb+FcF0=0W1W1=5000=0.21/Kmin=1/2201/Kmax=1/376F0=100(2)验算传动系数刚度Kminm/NKmin=1.6F0/反向差值已知重复定位精度10Kmin=210160（3）传动系统刚度变化mk=F0（1/Kmin-1/Kmax）k =1.5（4）确定精度行程变动量m对半闭环系统而言V3000.8*定位精度-k定位精度为20m/300V30013.2丝杠精度取为3级V30013.2（5）确定滚珠丝杠副的规格代号已确定的型号：FFZD工称直径：32导程：5螺纹长度：240丝杠全长：470P类3级精度FFZD3205-3-P3/470*24013验算临界压缩载荷FcN因丝杠所受轴向载荷Fmax小于丝杠预拉伸力F不用验算14验算临界转速neV/mne =fd2/ Lc2 Lc2*10000000由表14查得：f=21.9由样本得：d2=28.4Lc2=L1-L04110nmax=3000 续表5-115验算DnDn=DpwnmaxDpw=20mmNmax=300r/min600007000016滚珠丝杠副形位公差的标注略6 Z向伺服进给部件的设计6.1 方案选择与确定6.1.1 机械传动系统方案的选择图a闭环系统工作原理及控制特点：输出队控制作用有直接影响，具有反馈装置的影响，系统利用误差进行控制，控制的倾向是使误差为零。定位精度：由于可以补偿机械传动装置中各种误差、间隙及干扰，因此定位精度高。位置检测元件：置于工作台上或其他工作部件。稳定性：由于进给丝杠的拉压、扭转刚度以及摩擦阻尼特性和间隙等非线性因素，都包括在位置控制环内，所以若参数匹配不当，将引起系统震荡，造成不稳定现象，从而影响定位精度。图b 半闭环系统工作原理及控制特点：输出对控制作用有直接影响，具有反馈装置的影响，系统利用误差进行控制，控制的倾向是使误差为零。定位精度：可以部分补偿机械传动装置的误差、间隙干扰的影响，但丝杠与螺母之间的滞后得不到补偿，所以定位精度比闭环低。稳定性：位置控制环内仅包含丝杠的扭转刚度及部分间隙，所以稳定性不是主要问题。图c 开环系统工作原理及控制特点：利用脉冲马达的伺服性能，即对应一定的脉冲，必定有一定的转角，从而通过丝杠螺母机构使工作台转动一定的距离。定位精度：很难保证较高的位置控制精度。若要保证一定的定位精度，则对于影响定位精度的机械传动装置的刚度、摩擦惯量、间隙等的要求必须很高。稳定性：结构简单，调试方便，工作可靠，稳定性好。6.1.2 丝杠的选择(1) 滑动螺母丝杠传动：优点： 结构简单，加工方便，成本低廉 在一定条件下可以自锁 缺点： 滑动摩擦阻力大，易磨损 传动效率低 采用单螺母时，丝杠螺母间有间隙(2) 滚珠丝杠螺母运动：优点： 滚动摩擦系数小，传动效率高 动作灵敏，能进行你传动，磨损小，精度保持性好，运动平稳 缺点： 加工复杂，成本较高 结构比较复杂，安装调整较困难应用：用于精密机床，数控机床等的进给机构表6-1预紧方式齿差预紧垫片预紧螺帽预紧 续表6-1滚珠螺母受力方式拉伸式拉伸式、压缩式拉伸式（外）压缩式（内）结构特点可实现2m以下的精密微调，预紧可靠，调整方便，结构复杂，轴向尺寸大，工艺复杂结构简单，轴向刚性好，预紧可靠，不可调整，工艺性好使用中可随时调整预紧力，但不能实现定量调整，螺母轴向尺寸大使用场合用于要求准确预加载荷的精密定位系统用于高刚度、重载荷的传动，目前运用最广泛用于不需要准确预加载荷，且用户可调的场合 (3) 液体静压丝杠螺母传动应用：传动进度高，定位精度准确及传动效率要求高的机床6.1.3 导轨的选择 导轨设计的基本要求：导向精度和定位精度高，移动灵敏度好；寿命长；刚度及承载能力大；摩擦阻力小；运动平稳；结构简单，便于加工、装配、调整、维修；成本低。塑料导轨：其特点：摩擦系数低而稳定：动静摩擦系数相近；吸收震动；耐磨性好；化学稳定性好；维护维修方便；经济性好。滚动直线导轨：其特点：载荷能力大；刚性强；四方向等载荷；寿命长；适用于高速、高灵敏度的机械或仪器，低速时无爬行，抗振性和稳定性较好，制造复杂，导轨尺寸越大成本越高，使用维护简单，对赃物比较敏感，因此必须有良好的防护装置。结论：选择滚动直线导轨6.1.4 联轴器的选择联轴器主要用来连接两轴或轴与其他回转零件使其一旋转，起着传递转矩和运动的作用。锥环无键联轴器：利用键环对之间的摩擦实现轴与之间的无间隙联接传递转矩，且可任意调节联接件之间的角度位置。通过选择锥环的对数可传递不同大小的转矩。优点：定心性好，承载能力高，传递功率大，转速高，适用寿命长，具有过载保护能力，能在受振动和冲击载荷等恶劣条件下连续工作，安装、使用、维护方便，作用于系统的载荷小，噪音低。凸缘联轴器：是一种固定式刚性联轴器，结构简单，工作可靠，传递转矩大，装拆方便，可以连接不同轴径的两端。对中方式：铰制控螺栓对中，依靠螺栓与螺栓孔壁之间挤压来传递转矩的，不但减轻螺栓的预紧力，而且能提高传递转矩的能力，同时装拆时不须沿轴向移动结论：选用锥环无键联轴器6.1.5 伺服电机的选择伺服电动机应根据负载条件（含负载转矩和惯性转矩）和电动机的工作特曲线、通过动力学计算来选择和确定，还需要满足电动机的用途及伺服特性的要求。(1) 步进电动机的选择方法 转矩与惯量匹配条件 为了使步进电动机具有良好的起动能力和较快的响应速度，通常推荐： Tel/Tmax0.5 及 JeL/Jm4式中Tmax-步进电动机的最大静转矩。根据上述条件，初步选择步进电动机的型号，然后，根据动力学公式检查其起动能力和运动参数。由于步进电动机的起动转矩频特性曲线是在空载下作出的，根据起动惯频特性曲线找出带惯性负载的起动频率，然后在检查其起动转矩和计算起动时间，当在起动惯性特性曲线查不到带惯性负载时的最大起动频率特性，可近似计算为：fl=fm/式中 fl-带惯性负载的最大自起动频率（Hz或p/s）； fm-电动机本身的最大空载起动频率（Hz或p/s）； Jm-电动机转子转动惯量（kg.m）； JeL-换算到电动机轴上的转动惯量（kg.m）；当JeL/Jm=3，fl=0.5fm。不同JeL/Jm的比值增大，自起动最大频率越小，其加减速时间会延长，这就失去快速性，甚至难以起动。 步距角的选择和精度步距角的选择是由脉冲当量等因素决定。步进电动机的步距角精度将会影响开环系统的精度。电动机的转角m=asfs，其中，s为步距角精度，它是在空载条件下，于360范围内，转子从任意位置步进运行时，每隔指定的布数，测定其实际角位移与理论角位移之差，称为静止角度误差，并用正负峰值之间的1/2来表示。其误差越小，电动机精度越高。直流伺服电动机按定子磁场产生方式可分为永磁式和他励式两类。直流伺服电动机按电枢的结构与形状可分成平滑电枢型、空心电枢型、有槽电枢型等。直流伺服电动机还可按转子转动惯量的大小而分成大惯量、中惯量和小惯量直流伺服电动机。近几十年来，交流伺服电动机及其控制技术发展很快，有逐步替代直流伺服电动机其控制技术的趋势，且交流数控技术已达直流数控技术水平。交流伺服电动机具有没有换向部件、过载能力强、体积小、重量轻等特点，适宜于高速、高精度、频繁的起动与停止、快速定位等场合，且电动机不需维护，能在恶劣条件下使用。 结论：交流伺服电动机。6.1.6 确定方案根据设计要求，采用如下方案(1)半闭环传动系统(2)滚珠丝杠及双螺母结构（垫片预紧）(3)滚动直线导轨(4)锥环无键联轴器(5)交流伺服电动机6.2 伺服进给装置的设计6.2.1 悬臂处的滚珠丝杠副须知条件： 工作载荷Fm=3800N 使用寿命Lh=88300=19200h 丝杠的工作长度L=1000mm 丝杠的平均转速nm=30r/min 丝杠的最大转速nmax=3000r/min 滚道硬度HRC=5862HRC，丝杠材料为CrWMn钢 传动精度要求=0.001mm。6.2.1.1 计算载荷Fc Fc=KFKHKHFm由条件，查表2-6取KF=1.2，查表2-7取KH=1.0，查表2-4取D级精度，查表2-8取KA=1.0Fc=1.21.01.03800N=4560N6.2.1.2计算额定动载荷计算值CaCa=Fc=4560=14843N根据Ca选择滚珠丝杠副，选Fc1型号，按滚珠丝杠副等于或稍大于Ca的原则，查表选以下规格Fc1 4006-2.5 Ca=16083N 查表2-9得丝杠副数据 D0=40mm p=5mm =244 d0=3.969mm 按表2-1中尺寸公式计算：滚道半径 R=0,.5d0=0.523.969mm=2.064mm偏心距 e=0.07（R-d0/2）=0.07（2.064-3.969/2）mm=0.056mm丝杠内径 d1=D0+2e-2R=（40+20.056-22.064）mm=35.8mm6.2.1.3 稳定性验算(1)由于一端轴向固定的长丝杠在工作时间时可能发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数S，其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数【S】丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷Fcr（N）按下式计算：Fcr=EI/(l)式中，E为丝杠材料的弹性模量，对于钢，E等于206Gp，l为丝杠工作长度（m）；I为丝杠危险截面的轴惯性矩（mm）；为长度系数，见表2-6；依题意I=（d）/64=3.14（0.0358）/64=0.00000008（m）取=2/3，Fcr=366000N 安全系数S=Fcr/Fm=96.3查表2-10 【S】=2.53.3. S【S】丝杠是安全的，不会失稳。(2) 高速长丝杠工作时可能发生共振的最高转速-临界转速ncr。要求丝杠的最大转速nmaxncr。临界转速ncr可按下式计算： ncr=9110fcd1/（l）式中，fc为临界转速系数，见表2-10.取fc=3.927，=2/3，则 ncr =11316r/minncrnmax=10000r/min。所以丝杠工作不会发生共振。(3) 此外滚珠丝杠副还受D0n70000mm.r/minD0n=4030mm.r/min=120070000 mm.r/min (4) 刚度验算 滚珠丝杠在工作负载F（N）和转矩（N.m）共同作用下引起每个导程的变形量L0（m）为：L0（m）=pF/EApT/2GJc式中，A丝杠截面积，A=d1/4（m）；Jc为丝杠的极惯性矩，Jc=（d1）；G为丝杠切变模量，对钢G=83.3GP；T（N.m）为转矩。 T=FmD0tan(+)/2式中，为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；Fm为平均工作负载。取摩擦系数为tan=0.0025，则得=840”。 T=3.8N.m 按最不利的情况取（其中F=Fm） L0= pF/EA+ pT/2GJc=0.06794m则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为L=lL0/p=13.59m通常要求丝杠的导程误差L应小于其传动精度的1/2，即 L1/2=15m该丝杠的L满足上式，所以其刚度可满足要求。(5) 效率验算 滚珠丝杠副的传动效率为 =tan/tan(+)=0.939 要求在90%95%之间，所以该丝杠副合格。经上述计算验证，Fc14006-2.5各项性能均符合要求，可选用。6.3 滚动直线导轨6.3.1结构与特征(1) 结构直线滚动导轨副是在滑块和导轨之间放入适当的钢球，使滑块和导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦。它是由导轨和滑块、钢球、返向器及密封端盖等组成。(2)特征 它为四方向等载荷结构，垂直向上、向下和左右水平额定载荷相等。 额定载荷大，刚性好、刚度高，三个方向抗颠覆力矩能力大，适用于各种载荷机床。6.3.2滚动直线导轨的优点(1) 摩擦阻力小，从而获得： a 动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后得时间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。 b 驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一。 c 与v型十交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约40倍。 d 能实现高定位精度和从复定位精度。(2) 能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。(3) 导轨副滚道采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承载能力及刚度比平面钢球点接触大大提高，滚动摩擦力比圆弧滚道有明显降低。(4) 简化了机械结构的设计和制造。导轨的选择及其计算如下：作用在滑座上的载荷F=3800+1009.8=4780N滑座个数M=4单向行程长度ls=0.75m每分钟往复次数n=4/（0.752）=3工作时间寿命Th=83008=19200hTs=2Thlsn/1000=3456Km因滑座数M=4，所以每根导轨上使用两个滑座，由表2-15取fh=1.0，由表2-16取ft=1.0，由表2-17取fc=1.0.由表2-18取fw=2。则由式Ts=K（fhftfc/fwF）fhftfc/fwF得 F= F/M=1195N其中 C=7091.6N所以，根据Ca选用GGB20AB型号的导轨Ca=8900N，能满足8年6.3.3导轨镶装结构淬火钢导轨采用镶装结构，便于热处理，节约材料，磨损后容易更换。采用合金铸铁时，为了节约材料，便于加工，也采用镶装结构。滚动导轨镶装的结构型式：(1) 采用螺钉固定，导轨板底面与安装基面全面接触。特点：加工简单，装螺钉的界面上压力及变形大，易引起导轨弯曲，螺钉间距不应过大，研磨劳动量大。(2) 采用螺钉固定，导轨底面的凹凸与安装基面接触。特点：夹紧力对导轨变形影响不大，压力分布较均匀，修刮工作量较小，在预加载荷及外载荷作用下也有变形。(3) 采用压板夹紧导轨板。特点：夹紧力分布均匀，压板长度一般要求与导轨板等长。(4) 用钢丝或钢棒作钢球的滚道。特点：磨损后将钢丝或钢棒转一角度，导轨精度即可恢复。根据设计要求，选择第一种方式6.4 机械系统设计分析Z轴：滚动丝杠直径d=40mm滚珠丝杠最小拉压长度lmin=110mm滚珠丝杠最大拉压长度lmax=510mm滚珠丝杠长度L=1000mm滚珠丝杠支撑轴向刚度KB=27200000N/m滚珠丝杠螺母间的接触刚度KN=14140000000N/m工作台质量m=131kg，导轨摩擦系数=0.05，最大轴向载荷Fwmax=3800N空载启动时间t=20ms，最大进给速度Vmax=4m/min，定位精度0.01mm 选用MHMA（大惯量）交流伺服电动机表6-1 电动机参数额定功率（kw）额定转矩（N.m）最大转矩（N.m）转动惯量（N.m）额定转速（rpm）最高转速（rpm）1.57.1521.544.1200030006.4.1计算传动比i i=nmaxp/Vmax=30006/4000=3.75电动机轴上总当量负载转动惯量计算丝杠的等效直径s=40mmJs=l（d）/32=0.00159kg.mJd=Js/i+（p/2i）m=0.00012kg.m惯量匹配验算 Jm=0.00013N.m Jd/Jm=0.00012/0.00013=0.9满足1/4Jd/Jm1 惯量匹配较合理。电动机负载能力校验电动机轴上的总惯量J=Jm+Jd=0.00025kg.m空载启动时，电动机轴上的惯性转矩 TJ=J=Jmax/=J2iVmax/（60pt）=3.14N.m电动机轴上的当量摩擦转矩 T=pF/(2i)0.015N.m其中，伺服进给系统传动链的总效率取为=0.9 T0=pF0（1-）/（2i）=0.22 N.m工作台上的最大轴向载荷折算到电动机轴上的负载转矩 Tw=pFwmax/（2i）=0.318 N.m空载启动时电动机轴上的负载转矩为Tq= TJ+ T+T0=3.177 N.m在最大外载荷下工作时，电动机轴上的总负载转矩为 T1= T+T0+ Tw=0.355 N.m空载启动时所需电动机最大转矩 Tmax=Tr=81.23=9.84 N.m其中，由表5-12，取伺服电动机的瞬时过载系数=8 TqTmax 电动机正常启动6.4.2系统刚度计算 Klmax=dE1/lmin+1/(L-lmin)/4=2700000000N/m Klmin=dE1/lmax+1/(L-lmin)/4=1300000000N/m丝杠螺母机构的综合拉压刚度 1/Komin=1/(4KB)+1/KN+1/(4Klmin)=0.00000000945 Komin=106000000 N/m 1/Komax=1/(4KB)+1/KN+1/(4Klmax)=0.00000000935 Komax=10
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