数控铣床Z轴进给系统结构设计(机械CAD图纸)

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： 数字控制机床就是人们常说的数控机床，是一种由计算机程序来进行控制 系统从而实现自动化加工的机床。数控机床是一种典型的机电一体化产品，是 一种高效能、柔性的的自动化机床，它能够较为容易地解决哪些精密、复杂、多 品种、小批量的零件的加工问题。 本次毕业设计的意义在于通过类比的方式进行了对数控铣床Z轴进给系统 结构的设计，研究其Z轴向的惯量匹配，转矩匹配以及滚珠丝杠预拉伸量的相关 计算，进而提高数控铣床的整体性能、加工精度等，以达到提升工厂自动化效 率，为其创造更大价值以及提高自身能力的目的。 关键词：数控铣床；Z轴；进给系统；滚珠丝杠 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 milling machine spindle feed system architecture design Abstract： ： Digital control machine tool CNC machine tools is often said, is a program performed by a computer control system to achieve automatic processing machine. CNC machine tools is a typical mechatronics products, is a high-performance, flexible automation tools, it can be more easily solved what sophisticated, complex, multi-species, small batch processing problem parts. This graduation project meaning that by analogy was designed for CNC milling Z-axis feed system architecture, study Z-axis inertia matching, matching torque and associated pre-calculate the amount of stretch of the ball screw, and then CNC milling machine to improve overall performance, precision machining, factory automation to enhance efficiency in order to achieve, for the creation of greater value and improve their ability purposes. Key words: CNC milling machine; Z axis; feed system; ball screw 目目 录录 前言 .1 第一章绪论.2 1.1数控铣床概述 .2 1.2机床的国内外发展现状 .2 1.3数控机床的发展及存在问题 .4 1.3.1数控机床的发展 .4 1.3.2数控机床的存在问题 .4 1.4 数控铣床的应用分类及特点 .5 1.4.1 数控铣床的分类： .5 1.4.2 数控铣床的应用 .5 1.4.3 数控铣床的主要功能及特点.6 第二章 进给系统机械结构的设计 .7 2.1设计要求.7 2.2数控铣床对于进给系统设计的基本要求.7 2.3数控铣床的进给传动机构的选择.8 2.3.1 滚珠丝杠螺母副 .8 2.3.2静压丝杠螺母副 .8 2.3.3静压蜗杆蜗条副和齿轮齿条副.9 2.3.4由带自锁的电动机直接驱动.9 第三章 传动部件的设计与计算 .10 3.1 Z轴的工作载荷分析 .10 3.2 Z轴的工作载荷计算 .10 3.3滚珠丝杠螺母副的计算及其选型.10 3.4滚珠丝杠螺母副的支撑选择 .14 3.5滚珠丝杠螺母副的间隙消除与预紧.16 第四章 主要部件的设计计算 .17 4.1轴承的选择及校核 .17 4.2电机的选择与计算 .19 4.3惯量匹配的计算 .20 4.4转矩匹配的计算 .21 4.4导轨的选择.22 4.4.1导轨的选择 .22 4.4.2导轨的间隙调整 .24 第五章 技术经济分析 .25 5.1技术经济分析的目的与意义 .25 5.2成本材料分析 .25 5.2.1 非标准件 .25 5.2.2标准件.26 5.3课题技术经济成本计算依据 .27 5.3.1成本计算依据 .27 5.4课题技术经济成本计算 .28 第六章 总结.30 致 谢 .31 参考文献 .33 前言 制造业是经济建设与发展的基础，一个国家制造业的发展水平决定了该国的经 济水平，生活水准，科技发展等等。因此，一个国家发达与否，其国内的制造业的发展 水平是重中之重，首要之首。 自从工业革命之后，世纪工业格局发生了重大改变，使之生产能力得到了巨大提 升，往后几十年里科学技术得到了飞速发展。现今的机械制造产品无论是性能还是其 质量都是当初不可想象的，新旧产品之间的更新换代也是日新月异。如今的机床早已 完成了从最初的实际加工需求到后来的追求其在生产加工时拥有较高的加工精度和 生产率的过程，而为了大大提高机床生产时的加工精度以及生产率，世界上第一台数 控机床于1952年在美国诞生了。为了进一步解决那些形状十分复杂且生产批量又不 大的特殊零件的实际加工问题；也为了不断的提升其加工的精度，提高其加工后零件 的质量以及其生产的能力，不断研发新型的数控机床都是必要的。但是因为在实际研 发设计过程中有着种种的条件制约，像：研究经费、技术支持等等的问题。所以从总 体上来说，其数控机床的整体技术是很难在短时间内得到大步度的提升。 因此，本论文只对数控机床的Z轴进给系统的结构做出了设计，因为该部件的性 能对于整台数控机床来说尤为重要，其进给系统的优劣将直接影响到零件加工完成 后的质量和生产加工时的效率,是评价一台机床的整体性能和其技术经济指标的重 要因素。其中包括了数控机床对进给系统的基本要求，数控铣床的进给传动机构的选 择，Z轴的工作载荷的分析与计算，滚珠丝杆螺母副的计算与选型，轴承的计算与选 择，电机的计算与选用，负载转动惯量的计算，负载力的计算，导轨的计算与选型以 及技术经济分析等等。 第一章绪论 1.1数控铣床概述 面对如今多样化的加工环境以及复杂化的加工零件，其传统数控铣床已经逐渐 无法满足其加工需求，于是为了应对这种问题，人们在传统数控铣床的基础之上加以 改进发展，最终研究出了加工中心，但是说到底也离不开数控机床的影子。由于数控 铣床在实际加工过程中所需要用到的工艺过程最是复杂，因此，在人们研发新型的数 控机床的时候其铣床的基本功能的突破一直是研究的重点以及研究的基础。 铣床可以应用于多种加工环境，可以用于加工各种面、沟槽、多齿零件上齿槽、 螺旋形表面及各种曲面。不仅如此，在加工回转体零件的表面和内孔的时候也可以用 铣床来完成加工，甚至在一些零件需要切断的时候也能用铣床来完成。 随着时代的不断前行，由计算机技术所衍生出来的数控技术也得到了越来越多 的普及式应用，而由于数控铣床可以说就是一种装备了数控系统的铣床，所以导致数 控铣床也变得越来越普遍了。在数控行业中人们通常将数控铣床分为卧式数控铣床 和立式数控铣床两种。而其他没包含在这两类里的数控铣床都是指那种规格比较小 的升降台数控铣床，判断其规格大小的标准则是看其工作台的宽度大小，如果其宽度 没有超过400mm，就可判定为规格较小；而如果数控铣床的工作台的宽度超过了500 mm，则可判定其规格较大，而这种数控铣床所能实现的功能就已经向加工中心靠拢 了，继而改进成了柔性制造单元。在大多数的时候，数控铣床的坐标轴一共有三个， 分别是X、Y、Z三个坐标轴，并且可以实现两坐标轴之间的联动功能。这样的数控铣 床只可以加工出平面零件或者零件上的曲线，而如果需要其去加工像叶片、旋转槽那 样的有立体曲面的特殊零件的话，就需要加进一个回转的A坐标或C坐标，使三坐标 数控铣床变为四坐标数控铣床。 1.2机床的国内外发展现状 在20世纪的众多科技成果之中，最为伟大的应当要数计算机的发明与应用以了， 自从 1952年世界上的第一台数控机床诞生于美国，距今也已经有50个年头了。随着现今科 技的不断发展，在本世纪内制造业得到了巨大的发展，其中最重大的技术进步应该要 算是计算机及控制技术在机械制造设备中的应用了。 数控设备包括有：车床、铣床、磨床、镗床、冲压、电加工、加工中心等各类的专 用型机床，全世界的机床制造业一年的产量就达到了10万台20万台。在20世纪末的 那十几年当中世界制造业经历了好几次的兴衰，甚至曾经一度成为了夕阳工业，而这 种情况下由美国最先提出了要振兴现代制造业的想法。因此各个国家的数控机床制 造企业都在90年代的时候经历了重大的改革变迁。像德国和美国等几大制造国都在 这一时期经历了较大的变动，正是由于这些变动引发全世界范围内制造业的新技术 更新浪潮。 从上个世纪80年代开始我国的数控机床制造业进入到了快速发展的时期，大多 数的机床厂都开始尝试从传统机床产品开始向着数控化机床产品转型。可是因为我 国制造业的总体技术水平并不高，而且生产出来的产品品质也不高，所以导致了我国 在1990年国家经济由计划性经济开始向着市场经济变化，在经济转型的过程中我国 的机床制造业经历了几年最为萧条的困难时期，那时候的生产能力最低时只能达到 上个世纪80年代时期的一半，库存时间也超过了4个月。幸好从1995年开始国家新立 了许多相关政策来对大力扶持机床市场，如：加强了进口数控设备时一系列的审批， 严格控制了设备的进口；对于关键性数控设备系统、技术攻关项目进行重点投资支持 。这些举措对于国内数控设备的制造和发展所起到的促进作用十分巨大，21世纪开始 其效果更为显著，能够看到各项产品之间相互竞争、技术突破的繁荣景象。但也反映 了下列问题： 1技术水平不高的产品之间相互通过压低价格的方式来进行恶性促销，导致竞 争激烈，并且扰乱了正常市场； 2技术水平高、功能齐全的产品以及一些功能部件和配套系统则过于依赖国外 进口，导致国内技术难以突破，对于国内制造业长远发展极为不利； 3实际应用技术水平不高，各技术研发单位之间没有良好的合作以及信息共享 机制； 4自行开发新产品的能力较差，技术突破较为困难。 1.3数控机床的发展及存在问题 1.3.1数控机床的发展 1952年，世界上第一台数控机床诞生在美国的帕森斯公司与麻省理工学院的联 合研究室内，这是一台三坐标的数控铣床。美国最早提出研制数控机床的设想是在19 48年研制直升机叶片的加工任务的时候。但是直到1949年，帕森斯公司才在在美国空 军部门的大力支持之下正式的接受了此项委托任务，并和麻省理工学院的伺服机构 实验室确立了联合研究关系，开始致力于研制工作。之后在克服了诸多技术难关和实 践困难后，终于在1952 年成功制作出了世界上第一台数控机床的试验性样机，这台耗时3年研制的样机采用 了当时最为先进的直线插补三坐标连续控制系统来控制铣床。但是其体积过于庞大， 光是其控制装置就需要由2000多个电子管来组成，所占用的面积就要整整一个实验 室那么大。但是随着这台样机的诞生，标志着机械制造业由原先的人工控制时代进入 到了数字控制的时代。 数控系统的发展史和计算机技术的发展史相似，基本都是由电子管、分立式晶体 管、小规模集成电路、大规模集成电路、小型计算机、超大规模集成电路、微机式的数 控系统等几个发展阶段组成的。 从1990年以后，由于技术上的改革创新以及实际的加工需求数控系统的发展方 向发生了改变，开始朝着以高速度高精密化、高可靠性和智能化的方向发展。以前的 数控系统皆是计算机硬件和软件所构成的，然后再通过其存储器内部的软件进行控 制来完成工作，称之为CNC系统。这种系统于实际应用中有诸多优点，比如：能够扩大 机床功能，加工时的整体精度高，柔性好。 1.3.2数控机床的存在问题 目前，数控机床经过这么多年的发展，技术已经成熟，开始向着高速度高密度化 、高可靠性、工艺复合、多轴控制、智能化、集成网络化和环保化的方向发展。我国的 数控技术与世界上先进技术相比仍然存在着较为显著的差距，其主要表现在下面几 个方面： 1就技术的水平而言，现如今我国的加工中心的总体技术水平相对于国外的先 进技术要落后10到15年左右，尤其在关于“高速度高密度化、高可靠性精、智能化”方 面的水平相差的则更为巨大。 2就产品的结构而言，其高端市场基本上已经被日本、美国和其他欧洲发达工 业国家所垄断而我国却难以发展其市场，主要是因为由国内所开发的复合式加工中 心、五轴联动数控机床等产品，虽然数年前就已研制成功并且投入量产，但是大部分 的产品其技术水平距离国际上的顶尖水平任然相去甚远。而其低端市场则因为与周 边国家之间的竞争过于激烈，导致其市场十分混乱。所以一直以来，我国自产机床的 产量一直不大，而进口产品的量却一直过大。 3就新产品的开发能力而言，国内的制造业没有将新技术的开发当做是研究数 控技术的重点，更不用说是在加工中心的应用领域了。具体来说表现在：相较于生产 已有产品，对于新型产品的开发热情普遍不高，其研发的水平也普遍不高，对于产品 的各项规范的制定以及各项新标准的研究相对滞后。最终导致了生产出来的产品在 市场上竞争力不强。 4就产业化的水平而言，在市场所占的份额不大，各品种的包含率小。具体来说 ：加工中心和一些特殊的功能型部件及其配套件的生产水平任然未能达到量产的水 平；产品的生产质量不高，可靠性不高；数控系统的推广应用还不够等等。 1.4 数控铣床的应用分类及特点 1.4.1 数控铣床的分类： 按照其运动方式的不同可以分为： （1）直线控制式 ； (2）点位控制式 （3）轮廓控制式。 按照其控制方式的不同可以分为： (1）闭环控制式 ； (2）开环控制式 (3）半闭环控制式。 按照其主轴的布局形式的不同可以分为： （1）卧式 ； （2）立式 （3）立卧两用式。 1.4.2 数控铣床的应用 数控铣床可以用于多种零件的加工，一般用于加工曲面和平面轮廓以及拥有一 些复杂型面的零件，如模具、样板等。在有需要的时候也可以用于铰孔、钻孔、锪孔、 扩孔以及镗孔的加工，但是因为数控铣床没有自动换刀的装置，因此不能实现其自动 换刀，导致在加工一些构造十分复杂的孔时会十分的难以进行加工。如今数控铣床主 要应用于制造模具、生产汽车零部件、机床制造业、制造军工设备等。 1.4.3 数控铣床的主要功能及特点 数控铣床由其主轴的安装位置及形式的不同可以分为立式数控铣床、卧式数控 铣床和立卧两用式数控铣床3种类型，不同类型的数控铣床之间其所采用的数控系统 也各不相同，因而所能实现的功能也各有不同。但就一般通常而言应该都具有下列几 种主要功能： 点位控制功能； 连续轮廓控制功能； 刀具半径自动补偿功能； 刀具长度补偿功能； 镜像加工功能； 固定循环功能； 特殊功能 。 数控铣床之所以能够大规模的普及应用，主要是由于其拥有高柔性以及工序复 合化，生产批量大且耗时短，而且加工出来的零件具有很高的精度，同时又能够大幅 度的减轻操作者的劳动强度。 第二章 进给系统机械结构的设计 2.1设计要求 1 . Z向快速移动速度为： 10m/min 2 .Z向工进速度为： 4000mm/min 最小进给单位为：Z：0.001mm 3 .Z向的行程为：300mm. 4 .进给系统Z向传动齿形皮带降速比30/60 2.2数控铣床对于进给系统设计的基本要求 传动系统机械结构的设计最终影响着其惯量以及刚度，而传动系统的摩擦死区 和间隙则是造成传动系统非线性的主要原因。所以数控铣床对于机械传动系统有如 下要求： 1. 提高传动部件的刚度 一般来说，回转运动的分辨率以及定位精度都需要达到角秒级，数控铣床直线运 动的分辨率以及定位精度则需要达到微米级。因此，如果其传动部件的刚度达不到传 动要求，必然会因为其刚度不够从而导致传动部件发生弹性变形进而影响系统的动 态稳定性、定位精度和响应快速性。而如果想要提高传动系统的刚度有最为有效便捷 的措施就是加大传动系统中滚珠丝杠的直径，对滚珠丝杠进行预拉伸以及对滚珠丝 杠螺母副进行预紧。 2. 减小传动部件的惯量 在驱动电动机不变的前提下，其传动部件的惯量大小将会影响进给系统快速性。 尤其是在那些需要快速进行加工的数控机床上，因为在进给时所要求的加速度特别 高，所以在能够满足其系统运行时的刚度和强度的前提下，为了能够降低其惯量，从 而提高快速性，应当要尽可能的减小其零部件的直径以及减轻其重量。 3. 减小系统的摩擦阻力 进给系统由于摩擦所产生的阻力不但会减小其传动效率使其产生发热情况，还 会对系统的快速性产生致命的影响。因此需采用静压丝杠螺母副、滚珠丝杠螺母副、 静压导轨、直线滚动导轨和塑型导轨等一些高效执行部件，以减少系统由于摩擦所产 生的阻力，从而提高了其在运动时的精度，以此来避免发生低速爬行的情况出现。 2.3数控铣床的进给传动机构的选择 2.3.1 滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠螺母副具有以下几个主要特点： （1）传动的效率较高，由摩擦所导致的损失较小； （2）丝杠螺母在进过预紧之后，可以消除之间的间隙，从而在传动时的刚度得 到了提升； （3）摩擦阻力小，而且它基本与运动速度没有关系，静、动摩擦力的变化也很小 ，因此难以发生低速爬行的现象； （4）长期工作时产生的磨损较小，能够较好的保持精度，使用年限久。 但是因为它在运动时一方面能将旋转运动转换为直线运动，反过来也能将直线运动 转换为旋转运动，不能实现自锁的功能存在着可逆性，因此当在水平放置或者垂直传 动的高速大惯量传动中心中就必须要有制动装置的存在，而直接使用自身就带有制 动装置的伺服驱动电动机是最为方便和简单的。此外，为了不让在安装或者使用时螺 母发生脱离丝杠的情况，一般还会在机床上安装超程保护装置，这一点对于需要高速 加工的数控机床来说尤为重要。 2.3.2静压丝杠螺母副 静压丝杠螺母副是通过一层油膜使得丝杠和螺母之间由原本的边界摩擦转变为 液体摩擦。当丝杠转动时便可以通过油膜来推动螺母实现直线移动，反之螺母转动也 可以使丝杠实现直线移动。 静压丝杠螺母具有：传动灵敏，起动力矩小，不会出现爬行现象；在加工运动时十 分平稳；机床的光洁度和精度高；对丝杠的误差可以起到“均化”的作用（即可以使丝 杠的传动误差小于丝杠本身的制造误差）；承载能力与供油压力成正比，与其转速无 关等优点。但是静压丝杠螺母副应有一套供油系统，并且对于油的清洁度要求很高， 因而如果在运动中突然停止供油，将会造成不良后果。 2.3.3静压蜗杆蜗条副和齿轮齿条副 在行程较长的大型机床上大多使用齿轮齿条副传动，可以得到较大的传动比，刚 度及机械效率也高，并能进行高速直线运动。但是也有显著的缺点：其传动精度不高 ，传动不够平稳，而且还不能自锁。齿轮齿条副运动必须采取措施消除其齿侧间隙。 方法如下：当传动负载大时，可以采用双厚齿轮传动结构，从而消除齿侧间隙；当传动 负载小是也可采用双片薄齿轮调整法，分别与齿条齿槽的左、右两侧贴紧，从而消除 齿侧间隙 2.3.4由带自锁的电动机直接驱动 近几年来直流电动机是发展起来的高精度、高速数控机床中最具有代表性的先 进技术之一。利用直流电动机直接驱动，可以通过省去传动系统中将旋转运动变为直 线运动的部分，从而大大简化机械传动系统的结构组成，进而实现所谓的“零传动”。 它可以从根本上消除传动环节对于刚度、精度、稳定性和快速性的影响，因此可以获 得比以往传统进给驱动系统更高的快进速度、加速度以及定位精度。 本次毕业设计根据各传动机构的特点，最后选择滚珠丝杠的传动方式。 第三章 传动部件的设计与计算 3.1 Z轴的工作载荷分析 滚珠丝杠上的工作载荷即为滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向 力（也称作进给牵引力）。它包括作用在导轨上的其他切削分力相关的摩檫力和滚珠 丝杠的走刀抗力及与移动体重力 3.2 Z轴的工作载荷计算 根据主轴切削力的计算，可以得出以下几点： 3.3滚珠丝杠螺母副的计算及其选型 (1) 滚珠丝杠的导程的确定: 在次毕业设计中，电机与丝杠之间的连接是通过同步齿轮带连接的间接性连接， 因此传动比在经过其同步齿形带的降速之后为1/ 2i ，选择电机的最高工作转速 max 4000minnr，最大转矩mNM 1 . 44 max ，则丝杠的导程为： max max 10000 5 2000 h V Pmmmm n （3.3.1） (2) 丝杠的等效转速的确定: （3.3.2） （3.3.3） max1min222 1222 2000 20.2 min1977.8min 2 m ntnttt nrr tttt (3.3.4) 21,t t (3) 确定丝杠的等效负载: 滚珠丝杆的工作负载只是指在机床正常工作的时候，实际上作用与滚珠丝杠轴 向方向的压力，它的具体数值可以根据进给牵引力的试验公式计算得出。机床所用的 导轨选定为滚动导轨，就一般而言，滚动导轨的摩擦系数在0025 . 0 到之间，此 处取摩擦系数f为0026 . 0 ，则丝杠所受的最大工作负载为： GFFfFKF YXZ max (3.3.5) 1386 4 . 1841 1 . 7160026 . 0 15.10741 . 1)(82.1191N )(6 . 313860026 . 0 min NGfF (3.3.6) 31 2211 22 3 min11 3 max tntn tnFtnF Fm (3.3.7) 31 11 11 3 11 3 3 26 . 382.1191 tn tntn )(36.826N (4) 确定丝杠所受的最大动载荷: 假设取丝杠的工作寿命 h T为h15000，同时取精度系数1 a f，负荷性质系数 2 . 1 w f，硬度系数1 h f，温度系数1 t f，可靠性系数53 . 0 k f；平均转速为 min1333r。 rrnT mh 6 10 7 . 11991333150006060 (3.3.8) 31 6 10 60 mh kaht wm a nT ffff fF C (3.3.9) N 3 7 . 1199 53 . 0 2 . 136.826 N19881 根据动载荷的要求，选用双螺母垫片预紧滚珠丝杠副，其型号为32063FFZD。 丝杠的公称直径为32mm，基本导程6 h Pmm，其额定动载荷11300 a CN（ aa CC ），额定静载荷21700 oa CN，圈数列数=5 . 12，丝杠螺母副的接触刚度 c K为mN2141，螺母长度为mm46，取丝杠的精度为1级。在本次毕业设计中采用 双螺母垫片式预紧。 (5) 临界压缩负荷: 确定丝杠螺纹部分的长度 U L。 U L等于工作台的最大行程（300mm）加上螺母长 度（mm100）加两端余程（25mm）。 U L为450mm。 支承跨距 1 L应略大于 U L，取为 1 600Lmm。丝杠全长650Lmm。临界压缩负荷 cr F为： max1 2 0 2 1 FK L IEf Fcr (3.3.10) 式中： 1 f ； E ， 211 101 . 2mNE； I ，单位为 4 m； 0 L m； 1 K 3 1 1 K； max F N 惯性矩 )(1042 . 8 10175 . 3 2 . 140 64 2 . 1 6464 4812 44 0 4 2 mDddI W (3.3.11) 式中： 2 d ，单位为mm； 0 d ，单位为mm； W D ，单位为mm。 由于滚珠丝杠副支承方式采用双推 简支形式，查表得支承系数2 1 f。将上述参数代入公式（3.1）得 )(82.1191)(1099 . 1 3 1 10765 1042 . 8 101 . 22 max 5 6 8112 NFNFcr (3.3.12) 可见 cr F远大于 max F，故能满足要求。 (6) 临界转速验算: 2 2 2 2 2 2 2 2 9910 30 cc cr L df K A IE L f n (3.3.13) 式中：A ，单位为 2 m； c L ，单位为m； 2 K 0.8； 33 1085 . 7 mkg； 2 f 。 由于滚珠丝杠副支承方式采用双推简支形式，查表得支承系数927. 3 2 f。 )(1003 . 1 1019.36 44 23622 2 mdA (3.3.14) 临界转速计算长度： 100650420 30020535()0.54( ) 22 c Lmmm (3.3.15) 2 max 2 3.9270.03619 991014323(min)4000(min) 0.54 cr nrnr (3.3.16) 可见 cr n远大于 max n，故能满足要求。 (7) 精度计算 数控机床的定位精度取决于滚珠丝杠的精度，在滚珠丝杠的精度参数中，其导程 误差对机床定位精度的影响最明显。一般在初步设计时，设定丝杠的任意300mm行 程内的变动量V 300应该要比目标设定定位精度值的1/31/2小。 因此根据V300=0.006mm0.01mm，查表可得，滚珠丝杠的精度等级为2级。 本小节中所用到的所有公式（3.3.1）到（3.3.16）皆是出自：吴宗泽，罗圣国.机械设 计课程设计手册M. 第五版.北京：高等教育出版社，2006. 3.4滚珠丝杠螺母副的支撑选择 滚珠丝杠两端的支承的轴向固定方式有以下三种3种情况（如图所示）。 （1）图3- 1为一端轴向固定另一端自由的支承固定方式，丝杠的轴向刚度比两端固定低，丝杠 的临界转速以及压杆稳定性都较低，因此在设计时应尽量使丝杠受拉伸。 （2）图3- 2为一端轴向固定一端游动的支承固定方式，在一些加工速度相对不高但是对于加工 的零部件精度要求较高的机床，为了避免其滚珠丝杠发生热变形经常采用一端轴向 固定的支承固定方式。 （3）图3- 3为两端固定方式，在一个高的精确度以及高旋转的环境中，它是不适合于上述的滚 珠丝杠的安装方式，为了使丝杆的预加载荷，可以以一致的方式在两端固定，并且在 丝杆的一端安装弹簧和调整螺母，这样既可补偿丝杆的热变形误差，又能施加载荷使 其保持预紧力近乎不变。 图3-1一端固定一端自由 图3-2一端固定一端游动 图3-3两端固定 根据本次毕业设计的行程要求为300mm以及其他要求，因此综合考虑采用两端固 定的支撑方式作为本次毕业设计的滚珠丝杠螺母副的支持方式。 3.5滚珠丝杠螺母副的间隙消除与预紧 为了提高滚珠丝杆副的刚度以及消除间隙，可以通过预加载荷，使它在过盈的状 态下工作。预紧后的刚度可以提升至原来的2倍。但是由于预紧载荷过大，将会导致 其摩擦力矩加大以及使用寿命下降。一般有如下几种预紧方式： 双螺母螺纹式预紧：具体操作为通过调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移 。优缺点：其结构紧凑，操作简单，工作可靠，但是其预紧方式并不能够保证准确性 且易失效，因此只适用于可随时调节预紧或刚度要求低的传动。 双螺母垫片式预紧：具体操作为通过调整垫片的厚度，以达到其螺母进行轴向 位移的目的。优缺点：结构简单，刚度高，便于装拆，但是操作不易，在其滚道出现 磨损的情况下，将无法发挥其功能，因此只有在一些高刚度以及重载荷的传动中较为 适用。 双螺母齿差式预紧：具体操作为两边的下螺母的凸缘上有外齿，分别与紧固的 螺母座两端的内齿圈相啮合，两个螺母向同一方向旋转，每转过一个齿，调整轴向位 移。优缺点：对预紧力的调整能够精确控制，但是由于实际操作过于繁杂，因此只 宜用于高度精度的传动机构。 在本次毕业设计中滚珠丝杆的运动是垂直进行的，因此需要随时能够调节其丝 杠的预紧力，综合考虑最终选用双螺母螺纹式预紧。 第四章 主要部件的设计计算 4.1轴承的选择及校核 本课题中丝杠既受轴向力又受径向力，因此其两固定端选用的是成对的角接触 轴承，型号为D46205。 (1) 轴承D46205的动负荷验算过程如下: 图3- 4为丝杠的受力图。已知：切向负荷NFt 1 . 716，径向负荷NFr 4 . 1841，轴向负荷 NFa15.1074，丝杠承重NG1386。 0380765 2 GFF rVr （4.1.1） 得NF Vr 39.1091 2 0380765 2 tHr FF 得NF Hr 71.355 2 (a) (b) (c) 图3-4 丝杠受力图 轴承的径向合力为： )(89.114771.35539.1091 222 2 2 22 NFFF HrVrr （4.1.2） 已知轴承D46205所受的轴向负荷NFa15.1074，径向负荷NFr89.1147，基 本额定径向静载荷kNC r 2 . 15 0 。则相对轴向载荷为： 039 . 1 15200 15.10747 .14 0 0 r a C Ff （4.1.3） 式中： 0 f 。 查表得分界判断系数28. 0e。 28 . 0 94. 0 89.1147 15.1074 e F F r a （4.1.4） 查表得径向动载荷系数X=0.56，轴向动载荷系数Y=1.55。查表得查得载荷系数 一般为2 . 10 . 1，取0 . 1 P f。则轴承的当量动载荷为： )(76.230715.107455 . 1 89.114756. 00 . 1NFYFXfP arP （4.1.5） 查表得，轴承预期计算寿命hL h 10000 10 。 该轴承应具有的基本额定动载荷 )(52.2410 10 10000200060 76.2307 10 60 3 3 66 10 kN Ln PC h （4.1.6） 式中： h L10 n ； C ； P ； 。 查表得基本额定动载荷kNCr5 .25。 由于 r CC ，所以能够满足要求。 本小节中所用到的所有公式（4.1.1）到（4.1.6）皆是出自：中国机械工程协会中国 机械设计大典编委会，中国机械设计大典.南昌；江西科学技术出版社，2001 4.2电机的选择与计算 (1) 传动效率 根据本课题的结构设计，其进给部分中的主要机械传动效率由同步齿形带、滚珠 轴承及滚动丝杠传动组成。其中，同步齿形带效率为0.99，滚珠轴承效率为0.99，滚动 丝杠传动效率为0.95。 总传动效率：95 . 0 99 . 0 99 . 0 3 （4.2.1） (2) 电动机功率估算 2046 10 0.57 6000060000 0.91 ff f Fv PkWkW （4.2.2） 式中： f P 进给传动电动机功率，kW； f F 进给牵引力，N； f v 进给速度，minm； 进给传动链的总机械效率。 (3) 进给电动机选择 根据估算得出的电动机功率0.57 f PkW，选用西门子的1FK7060- 5型型电动机，其主要性能指标如下： 型号：1FK7060-5AF71-1FH5-Z 功能：计量伺服驱动 元件类型：机电 控制方式：开环 功率：0.75kw 额定电压：480V 速度响应频率：50/60KHz 加工定制：否 外形尺寸：180mm 重量：3kg 本小节中所用到的所有公式（4.2.1）到（4.2.2）皆是出自：付丰礼，唐孝稿.电动机 设计手册M. 第二版.北京：机械工业出版社，2007. 4.3惯量匹配的计算 由于负载转矩情况不同，负载惯量只能由精确的计算得到。由电动机驱动的所有 运动部件，无论是旋转运动还是直线运动部件，都成为电机的负载惯量。总的惯量可 以通过计算各个被驱动部件的惯量，并以一定的规律将其加起来即可。 1丝杠折算到电动机的转动惯量sJ 滚珠丝杠螺母副的转动惯量见公式： sJ= 34 1078 . 0 LD 124 10583278 . 0 0006908. 0 （4.3.1） 2 工作台折算到丝杠上的转动惯量t J 主轴箱折算到丝杠上的转动惯量，可由下述公式得到： g w ) 2 s (t 2 J （4.3.2） 式中 w工作台的质量；kg； s丝杠的螺距，mm； g重力加速度； 由题目参数可知，选用丝杠的参数可知P=6mm； 因此，可以得出Jt=0.000146 3小齿轮的转动惯量 可由下述公式得到： （4.3.3） 4传动系统折算到电机轴上的总转动惯量 r J 丝杠传动，传动系统折算到电动机轴上的总转动惯量的计算公式， ）（sti 2 2 1L JJJJJ （4.3.4） 由前面的计算可知， L J=0.0011992。 5匹配计算 可由下述公式得到： （4.3.5） 因为 ，所以符合要求。 4.4转矩匹配的计算 1计算折算到电动机主轴上切削负载力矩 C T 已知在切削状态下的轴向负载力Fm=1300N，每当丝杠转一圈，机床的执行部件 轴向移动5 mm的距离即L=5mm，进给传动比i=1，总效率=0.9，则有公式： i LF T m C 2 =13000.005（20.91）=1.15Nm （4.4.1） 2计算折算到电动机上的摩擦负载力矩 T 可由以下公式计算： T= i FS 2 （4.4.2） =14000.005（20.851）=0.13 Nm 取0.85，F为导轨摩擦力140N,S为丝杠螺距5mm，i=1 3计算附加负载力矩 f T 已知滚珠丝杠螺母副的效率0=0.98，最大轴向载荷F=2191N，S丝杠导程，0丝 杠未预紧时的效率则有公式 f T= i FS 2 )1 ( 2 0 =0.114 Nm （4.4.3） 4加速力矩 a T 加速力矩可由以下公式计算： T nJ T r a 6 . 9 （4.4.4） Jr折算到电动机轴上的总惯量， n1000r/min， T系统时间常数0.03s a T=2.8 Nm 5计算空载时的快进力矩 Kj T 快进力矩可由以下公式计算： fKj TTT （4.4.5） =0.244 Nm 6计算切削时的工进力矩 gj T 工进力矩可由以下公式计算： fCgj TTT （4.4.6） =1.264 Nm 7计算空载启动力矩 q T 空载启动力矩可由以下公式计算： faq TTTT （4.4.7） =3.044Nm 8确定步进电动机的最大静转矩 s T 电动机的最大静转矩可由以下公式计算： 机械传动系统空载启动力矩Tq与所需的步进电动机的最大静转矩的关系为： s q T T =0.951 （4.4.8） 所以 s T=3.2Nm9.31 Nm 因此，所选的步进电动机满足系统的加速要求。 本小节中所用到的所有公式（4.3.1）到（4.4.8）皆是出自：编写组，机床设计手册第 三册.北京，机械工业出版社：1986. 4.4导轨的选择 4.4.1导轨的选择 导轨是一种用来支撑和引导运动部件沿其一定的轨道进行往复运动的零件。机 床的导轨一般可以分成滑动与滚动两种。 滑动导轨的结构组成较为简单，其制造过程也极为便捷，有较大的接触刚度；但 是其传统的滑动导轨摩擦力大，因而阻力与磨损也大，动态摩擦系数与静态摩擦系数 之间的差别较大，很容易在速度较低时发生爬行现象。而新型的塑料滑动导轨主要运 用于那些精密度高的重型机床上。 滚动导轨具有较小的摩擦因数，其动态摩擦系数与静态摩擦系数之间的差别也 较小，启动时的阻力也不大，能够做到微能量的准确移动，栽低速运动时也不会发生 爬行现象，运动平稳，但是由于其制造成本以及加工费用过于昂贵，所以常用于那些 要求定位精度高且运动灵活的场合。 本次设计根据各部件传动要求以及经济要求，综合考虑最后选择使用滑动导轨。 导轨的种类选定为滑动导轨之后，还要确定其截面形状，而常用的滑动导轨截面 形状有如下几种： （1（山形和V形形状截面 如下图4- 3（a），这类截面形状导轨的导向性能非常好，拥有自磨损修复的能力，但是其制造非 常复杂。下导轨假如采用凸形虽然排污很容易，但使保存油液困难，而采用用凹形则 恰恰相反。 （2（矩形形状截面 如下图4- 3（b），这类截面形状导轨承载能力非常大，制造容易，维修起来比较方便，新导轨导 向精度非常高，由于没有自动补偿间隙的功能，因此一定要设置间隙调整装置，例如 镶条的导轨精度就会受到一定的影响。 （3（圆柱形形状截面