MJ—50型数控车床进给传动系统设计【说明书+CAD】
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单位代码 0 2 学 号 080105630 分 类 号 TH6 密 级 毕业设计说明书MJ50 型数控车床进给传动系统设计型数控车床进给传动系统设计 院（系）名称 工学院机械系 专业名称机械设计制造及其自动化 学生姓名董 杰 指导教师闫存富2012 年 5 月 15 日黄河科技学院毕业设计说明书 第 I 页MJ50 型数控车床进给传动系统设计摘 要伺服进给系统是数控机床的重要组成部分，对机床整体性能有着决定性的影响。越来越多的研究人员在进给伺服系统的研究中投入大量精力。研究设计进给系统的结构，并进行误差计算和精度分析，有利于深入了解进给系统的原理和设计方法，进而探求可能的优化设计。本次设计了以滚珠丝杠为核心元件的 MJ-50 数控车床工作台进给传动系统。MJ-50 数控车床进给传动系统主要由电动机、滚珠丝杠、工作台、联轴器、导轨组成。通过对数控车床进给传动系统的设计理论，首先进行了伺服进给传动系统的总体方案设计以及机床精度的选择；其次是沿 Z 轴（纵向）进给和沿 X 轴（横向）进给传动系统设计的滚珠丝杠的计算与选择、滚珠丝杠支承轴承的选择、通过计算选择进给传动系统的其他相关元器件、对传动系统的刚度、惯量匹配等进行了校核验算；再次通过计算来选择进给传动系统的伺服电动机以及联轴器，最后进行导轨的选择。证明计算得出的结果较好得满足了提出的设计要求，利用 Auto CAD 软件绘制了相关的装配图。关键词：数控车床, 进给伺服系统, 滚珠丝杠黄河科技学院毕业设计（论文） 第 II 页The Design drives System of CNC Lathes Author: Dong Jie Tutor: Yan Cunfu AbstractServo system is an important part of NC machine tools, having adecisive influence on the overall performance of machine tool. More and more researchers devote a great deal of energy in the study of servo system. Studying on design of feeding system structure, error calculation and precision analysis are helpful for understanding the feed system principle and design method, then exploring possible optimization design.This design of a ball screw pair for the MJ-50 CNC lathe cross slide table of the core components of the feed drive system. MJ-50 CNC lathe feed drive system motors, ball screws, cross table, couplings, rail. CNC lathe feed drive system design theory, the overall program design and the choice of machine precision servo feed drive system; followed along the Z axis (vertical) to feed along the X axis (horizontal) feed drive calculation and selection of the system design of the ball screw nut, ball screw support bearings choice, selected by calculating the other components of the feed drive system, the stiffness of the drive system inertia matching checking checking; again calculation to select the feed drive system, servo motor coupling, the final choice of rail. Better prove that the calculated results must meet the requirements of the proposed design. Using the Auto CAD software rendering the related parts graph and assembly drawing. paper .Key words: CNC lathes, Servo System, Ball screw pair黄河科技学院毕业设计（论文） 第 III 页目录1 绪论.11.1 数控机床的概念.11.2 数控机床的组成分类及特点.11.2.1 数控机床的组成.11.2.2 数控机床的分类.11.2.3 数控机床的特点.21.3 数控系统的发展简史及国外发展现状.21.4 我国数控系统的发展现状及趋势.31.4.1 我国数控技术状况.31.4.2 数控系统的发展趋势.41.5 伺服系统对伺服电机的要求.41.6 设计的内容和目的.52 进给传动系统的总体设计.62.1 机床的主要性能参数.62.2 进给传动系统的精度要求.72.3 进给传动伺服系统的选择.72.4 进给传动系统的传动要求及传动类型的选择.82.4.1 进给传动系统的传动要求.82.4.2 进给传动类型的选择.82.5 电机与丝杠联接方式的选择.92.6 支撑形式方案选择.103 总体方案设计.123.1 方案设计及总体布局.123.2 主切削力的计算.124 横向进给传动系统设计.15黄河科技学院毕业设计（论文） 第 IV 页4.1 已知技术参数.154.2 X 轴滚珠丝杠的计算及选择.154.3 滚珠丝杠支承轴承的选择.194.4 X 轴滚珠丝杠的校核.204.4.1 临界压缩负荷.204.4.2 临界转速.214.4.3 滚珠丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率.224.4.4 滚珠丝杠扭转刚度.234.4.5 滚珠丝杠传动精度计算.244.5 X 轴滚珠丝杠进给传动系统变形计算.254.5.1 滚珠丝杠精度计算.254.6 X 轴进给伺服电机的选择计算.284.6.1 X 轴进给伺服电机的校核.304.7 联轴器的选择.315 纵向进给传动系统设计.325.1 已知技术参数.325.2 Z 轴滚珠丝杠的计算及选择.325.3 Z 轴滚珠丝杠支承轴承的选择.345.4 Z 轴滚珠丝杠的校核.355.4.1 临界压缩负荷.355.4.2 临界转速.355.4.3 滚珠丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率.355.4.4 滚珠丝杠扭转刚度.365.4.5 滚珠丝杠传动精度计算.375.5 Z 轴滚珠丝杠进给传动系统变形计算.375.5.1 Z 轴精度计算.385.6 Z 轴进给伺服电机的选择与计算.385.6.1 伺服电机的校核.40黄河科技学院毕业设计（论文） 第 V 页5.7 联轴器的选择.416 床身及导轨的选择.426.1 床身的选择.426.2 导轨的选择.43结 论.46致 谢.47参考文献.48、黄河科技学院毕业设计说明书 第 1 页1 绪论1.1 数控机床的概念数控机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物，是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。 1.2 数控机床的组成分类及特点1.2.1 数控机床的组成数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体组成。1、控制介质：以指令的形式记载各种加工信息；2、数控装置：接受输入的加工信息，经数控装置运算处理，向伺服系统发出相应的脉冲；3、伺服系统：把数控装置的脉冲信号转换成机床运动部件的机械位移；用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。4、机床本体：包括，主轴部分、进给系统、刀库和自动换刀装置(ATC)、自动托盘交换装置(APC)等。1.2.2 数控机床的分类数控机床的品种和规格繁多，分类方法不一。根据不完全统计，目前已有近500 种数控机床。根据数控机床的功能和组成，一般分为以下几类： 按坐标轴数分类：一般数控机床，数控加工中心机床，多坐标轴数控机床；按特点分类：点位控制数控机床，直线控制数控机床，轮廓控制数控机床；黄河科技学院毕业设计说明书 第 2 页按有无测量装置分类：开环数控系统，半闭环数控系统，闭环数控系统；按功能水平分类：经济型，普及型，高级型。1.2.3 数控机床的特点数控机床较好地解决了复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，是一种灵活的、高效能的自动化机床，尤其对于约占机械加工总量 80%的单件、小批量零件的加工，更显示出其特有的灵活性。概括起来，数控机床有以下几方面的特点：1、提高加工精度，尤其提高了同批零件加工的一致性，使产品质量稳定；2、提高生产效率，一般约提高效率 3-5 倍，使用数控加工中心机床则可提高生率 5-10倍；3、可加工形状复杂的零件；4、减轻了劳动强度，改善了劳动条件；5、有利于生产管理和机械加工综合自动化的发展。1.3 数控系统的发展简史及国外发展现状1949 年美国帕森公司首先提出了机床数字控制的概念。1952 年第一代数控系统电子管数控系统的诞生。20 世纪 50 年代末，完全由固定布线的晶休管元器件电路所组成的第二代数控系统晶体管数控系统被研制成功，取代了昂贵的、易坏的、难以推广的电子管控制装置。随着集成电路技术的发展，1965 年出现了第三代数控系统集成电路数控系统。1970 年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了第四代数控系统小型计算机数控系统，然后，随着微型计算机以其无法比拟的性能价格比渗透各个行业，1974 年，第五代数控系统微型计算机数控系统也出现了。应用一个或多个计算机作为数控系统的核心组件的数控系统统称为计算机数控系统(CNC)。综上所述，由于微电子技术和计算机技术的不断发展，数控机床的数控系统也随着不断更新，发展非常迅速，几乎 5 年左右时间就更新换代一次1。数控机床是先进制造业的基础机械，是最典型的多品种、小批量、高科技含量的机电一体化产品。欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产品进程，1990 年日本机床产值数控化率达 75，美国达 701，德国达 57。目前世界数控机床年黄河科技学院毕业设计说明书 第 3 页产量超过 15 万台，品种超过 1500 多种2。1.4 我国数控系统的发展现状及趋势1.4.1 我国数控技术发展状况目前，我国数控系统正处在由研究开发阶段向推广应用阶段过渡的关键时期，也是由封闭型向开放型过渡的时期。我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术(包括核心技术)，已达到国际先进水平。自“七五”以来，国家一直把数控系统的发展作为重中之重来支持，现已开发出具有中国版权的数控系统，掌握了国外一直对我国封锁的一些关键技术。例如，曾长期困扰我国、并受到西方国家封锁的多坐标联动技术对我们已不再是难题，当量的超精密数控系统、数控仿型系统、非圆齿轮加工系统、高速进给数控系m1 . 0统、实时多任务操作系统都已研制成功。尤其是基于 PC 机的开放式智能化数控系统，可实施多轴控制，具备联网进线等功能既可作为独立产品，又是一代开放式的开发平台，为机床厂及软件开发商二次开发创造了条件。特别重要的是，我国数控系统的可靠性已有很大提高，MPBF 值可以在 15000h 以上。同时大部分数控机床配套产品已能国内生产，自我配套率超过 60%。这些成功为中国数控系统的自行开发和生产奠定了基础1。我国进行改革开放后，由于政策的开放，使得金属切削行业得以和世界上先进的机床制造国家进行技术交流，并通过引进技术，到 80 年代初，国产数控机床进入实用化阶段，1991 年数控机床的产值数控化率为 143，到 1997 年数控机床产值数控化率为 245。目前，我国数控机床(包括经济型机床)品种约有 500 个。 但是，与国外数控车床相比，在性能、质量、 设计、制造等各方面存在较大差异，并存在许多不足：机械件的材质、加工精度、加工工艺存在较大差距，装配工艺也存在一定差距；主轴及卡盘刚性差，主轴定位准停不好；安全性较差，软硬件保护功能不够；刀片磨损快，生产成本高，效率低；硬件设计方面不规范，不符合国标，有的机床厂家甚至仍然停留在十年二十年前的设计思想；程序设计方面缺乏标准，不规范，逻辑性不强，故障率高，在使用过程中需不断对程序进行修改；外围元件布置及走线黄河科技学院毕业设计说明书 第 4 页不规范，标牌线号不清，图纸与实物不符，维修困难；使用的元器件本身质量差，使用寿命短，故障率高，有的机床厂家为了降成本却忘记了质量、忘记了可靠性，选用一些国产的轴承、接触器、继电器、接近开关等元件，在生产过程中小故障连绵不断；柔性化不强，多品种生产困难。而国外数控车床无论是设计水平，还是制造水平，都要高出国内数控车床。机械件材质、加工精度、加工工艺、装配工艺比较好；软硬件设计有专门的标准，设计规范合理，配套件齐全，标牌标示清楚齐全；使用的元器件质量好，故障率低；新技术的应用及时领先；概括来说，精度及可靠性高、性能稳定故障率低3 。1.4.2 数控系统的发展趋势随着微电子技术和计算机技术的发展，数控系统性能日臻完善，数控系统应用领域日益扩大。为了满足社会经济发展和科技发展的需要，数控系统正朝着高精度、高速度、高可靠性、多功能、智能化及开放性等方向发展。1.5 数控系统对伺服电机的要求1 、从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如 0.1r /min 或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。2、电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。3、为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。电机应具有耐受 4000rad/s2 以上的角加速度的能力，才能保证电机可在 0.2s 以内从静止启动到额定转速。4、电机应能随频繁启动、制动和反转。随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控车床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字 PID，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高4。 黄河科技学院毕业设计说明书 第 5 页1.6 设计的内容和目的本次设计的内容是机床总体方案设计纵向及横向伺服进给机构的理论计算、结构设计及绘制装配图、数控系统设计及外文资料文献翻译，并撰写毕业设计论文。设计的目的是培养综合运用基础知识和专业知识，解决工程实际问题的能力，提高综合素质和创新能力，受到本专业工程技术和科学研究工作的基本训练，使工程绘图、数据处理、外文文献阅读、使用手册等基本技能得到训练和提高，培养正确的设计思想、严肃认真的科学态度，加强团队合作精神。黄河科技学院毕业设计说明书 第 6 页2 进给传动系统的总体设计2.1 机床的主要性能参数本设计对数控车床的进给系统进行了设计，该数控车床具有刚度高、排屑功能流畅、运转噪音低、传动效率高、精度保持性好、有效寿命长等优点。车床的进给伺服系统采用交流伺服电机驱动，选用精密数控系统，并合理选用高精度元器件，保证了伺服系统达到要求的精度、重复定位精度，并使其具有高刚度和良好的稳定性。车床的主要技术参数如表 2.1 所示。表 2.1 车床主要技术参数序 号项 目子 项 目单 位参 数 值工件最大回转直径mm500最大车削长度mm650(顶尖距)1加工范围最大车削直径mm310主轴通孔直径mm80主轴转速范围r.p.m353500主轴恒功率范围r.p.m4373500主轴恒扭矩范围r.p.m354372主轴主轴电机功率kw11/15(连续、30min)倾斜角度度 45 X 轴行程mm675Z 轴行程mm182X 轴快速移动速度m/min153床鞍Z 轴快速移动速度m/min10黄河科技学院毕业设计说明书 第 7 页2.2 进给传动系统的精度要求良好的电气部件设计和机械结构设计，能保证进给伺服系统的精度和稳定性。本设计着重进行进给伺服系统的机械结构设计、传动设计。本次设计的进给系统采用滚珠丝杠螺母副传动，Z、X 两轴联动，单轴具有较高的定位精度和重复定位精度。2.3 进给传动伺服系统的选择1、开环伺服系统开环伺服系统是数控机床中最简单的伺服系统，开环进给伺服系统的精度较低，速度也受到步进电动机性能的限制。但由于其结构简单，易于调整，在精度要求不太高的场合中得到较广泛的应用。 2、闭环控制系统 因为开环系统的精度不能很好地满足数控机床的要求，所以为了保证精度，最根本的办法是采用闭环控制方式。闭环控制系统是采用直线型位置检测装置对数控机床工作台位移进行直接测量并进行反馈控制的位置伺服系统。3、半闭环控制系统 采用旋转型角度测量元件（脉冲编码器、旋转变压器、圆感应同步器等）和伺服电动机按照反馈控制原理构成的位置伺服系统，称作半闭环控制系统。半闭环控制系统的检测装置有两种安装方式：一种是把角位移检测装置安装在丝杠末端；另一种是把角位移检测装置安装在电动机轴端。数控机床要求达到预定的精度要求以外，根据需求，并且考虑到经济的效益，还要求具有良好的稳定性和快速响应能力。基于这些要求，本设计采用闭环控制方式，包含位置反馈环合速度反馈环闭环控制能够较好地减小误差，有利于提高机床性能。伺服系统控制原理图如图 2.1 所示。黄河科技学院毕业设计说明书 第 8 页图 2.1 进给伺服系统原理图2.4 进给传动系统的要求及传动类型的选择2.4.1 进给传动系统的要求数控车床进给传动装置的精度、灵敏度和稳定性，将直接影响工件的加工精度。为此，数控车床的进给传动系统必须满足:1、低惯量；2、低摩擦阻力；3、高刚度；4、高谐震；5、消除传动间隙。 2.4.2 进给传动系统类型的选择数控车床进给传动系统的基本传动方式常用的有两种：滚珠丝杠螺母副和静压丝杠螺母副。1、滚珠丝杠螺母副在数控车床上将回转运动与直线运动相互转换的传动装置一般采用滚珠丝杠螺母副。其特点是：传动效率高，一般为 =0.920.98；传动灵敏，摩擦力小，不易产生爬行；使用寿命长；具有可逆性，不仅可以将旋转运动转变为直线运动，亦可将直线运动变成旋转运动；轴向运动精度高，施加预紧力后，可消除轴向间隙，反向时无空黄河科技学院毕业设计说明书 第 9 页行程；是目前中、小型数控机床的常见的传动方式。2、静压丝杠螺母副其特点是：摩擦系数小；仅为 0.0005；平稳性高；反向间隙小。但是，静压丝杠螺母副应有一套供油系统，而且对有的清洁度要求高，如果在运动中供油忽然中断，将造成不良后果。由以上两种形式进行比较，根据根据设计要求，纵向进给传动系统和横向进给传动系统都应该采用滚珠丝杠螺母副的传动方式。2.5 电机与丝杠联接方式的选择滚珠丝杠与电动机的联接的型式主要有三种：1、与联轴器直接联接这是一种最简单的连接型式。这种结构型式的优点是：具有最大的扭转刚度；传动机构本身无间隙；传动精度高；而且结构简单、安装、调整方便；适用于像中小型号的数控车床。联轴器采用弹性柱销联轴器，它能补偿因同轴度及垂直度误差引起的“干涉”现象.采用这种弹性柱销联轴器把电动机与丝杠直接联接，不仅可以简化结构，减少噪声，而且可以消除传动间隙，能减少中间环节带来的传动误差,提高传动刚度。2、通过齿轮联接 这种调整方法的优点是可以在齿轮的齿厚和周节变化的情况下,保持齿轮的无间隙啮合。但是结构比较复杂，轴向尺寸大、传动刚度低、传动平稳性较差，一般用于精度要求低的车床中。3、通过同步齿形带联接 同步齿轮带传动具有带传动和链传动的共同优点,与齿轮传动相比它结构更简单,制造成本更低,安装调整更方便，并且传动不打滑，不需要大的张紧力。 但是在同步齿形传动设计时对材料的要求很高。在满足车床要求的前提下，通过对比，本设计采用通过电动机与滚珠丝杠直接与黄河科技学院毕业设计说明书 第 10 页联轴器联接，这是一种简单的联接形式，具有大的扭转刚度，制造成本低，传动精度高，而且结构简单，安装调整方便。2.6 支撑形式方案的选择滚珠丝杠螺母副是一种将旋转运动转化为直线运动的理想传动件，因其具有螺纹丝杠无法比拟的优点，被广泛应用于各行业，更是普通数控车床、精密车床不可或缺的零部件，兼具高效率、高精度、可逆性等特点。滚珠丝杠的支撑形式有四种：如图 2.2 所示：（a）此种形式适用于中小载荷，低速，短丝杠垂直安装；（b）此种形式适用于中等转速，高速度，高精度；（c）此种形式适用于中等载荷，中等转速；（d）此种形式适用于承载能力大，高速，高刚度，高精度的车床。（a）一端固定、一端自由 （b）两端游动（c）一端固定、一端游动 （d）两端固定图 2.2 滚珠丝杠的支撑形式从刚度计算可以看出，丝杠的支撑方式对丝杠的刚度影响很大。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，预拉伸后可减小丝杠自重下垂和补偿热膨胀以及丝杠高速回转时自由端的晃动。因此本设计采用两端固定的支撑方式。黄河科技学院毕业设计说明书 第 11 页采用两端固定的支撑方式适用于对刚度和位移精度要求高的场合，符合本设计的设计要求。对于伺服电机，由于系统要求精度高，X、Z 两轴应该分别采用独立电机驱动，不宜采用步进电机驱动，因此选用交流伺服电机。黄河科技学院毕业设计说明书 第 12 页3 总体方案设计3.1 方案设计及总体布局机床结构可以布置成卧式、立式、倒立式及斜置式等，根据设计任务加工轴类和直径不太大的盘、套类零件，采用卧式斜床身形式。主轴水平安装，横向成 45布置。数控车床的伺服系统是连接数控系统和车床主体的重要部分。在设计中，采用螺旋传动，计算滚珠丝杠副尺寸规格，接着进行丝杠的校核并进行精度等验算，根据计算的扭矩选择伺服电机。3.2 主切削力的计算切削力的大小可用各种测力仪测得，也可用实验得出的近似公式计算： (3.1)PZPZXYZPZPC tsk (3.2)vPZPZPZhPZPZkkkkkk料 (3.3)NkgkkkkkstCPPZhPZyPZvPZpzYXPZZPZzPZz. 式中 系数。决定于工件材料和加工方法，在一定的切削条件（v、s、t 固pzC定）下，为一常数。大表示工件材料的加工性差；小表示工件材料的加工pzCPZCpzC性好。 k总的修正系数。决定于工件材料、切削用量和刀具几何形状等。分别为工件材料、切削速度、主偏角、前角、刀具磨损限vPZPZPZhPZPZkkkkk料度对 P 的修正系数。、指数。一般情况下。这说明吃刀深度对切削力的影响要比pzXpzYpzpzYX走刀量对切削力的影响大。下表所列为的系数、指数和修正系数。这些系数在下列条件下制定：刀片材料为黄河科技学院毕业设计说明书 第 13 页硬质合金，工件材料为碳素结构钢，2bmmkg.N75minm5045，后刀面磨损限度，切削时不用冷却液，车削外圆。10 0mm2 . 1:9 . 0h 它们的系数、指数和修正系数之值也不同，可从有关手册中查得，如表 3.1。表 3.1系 数 及 指 数工件材料PZCPZXPZY结构钢16710075修 正 系 数b4050:5060:6070:7080:8090:90100:工 件材 料=PZk料08409009510104109v=50100200300400500切 削速 度=vPZk10090082077074071=3045607090主 偏角=PZk10810094094089=+20+100-10-20前 角=PZk09010111213h=091.2:1.52.0:后刀面磨损限度=hPZk1.01.05切削功率是切削时在切削区内消耗的功率。在切削速度为已知时，切削功率可用下式计算： (3.4)102 606120ZZP vP vNkw切削在校验机床选用的电动机功率时应使 (3.5)NNk切削过电机式中 机床电动机名义功率（千瓦） ；N电机黄河科技学院毕业设计说明书 第 14 页 机床效率（一般齿轮机床=0.70.8） ；: 电动机超载时容许的系数（一般=1.25） 57。k过k过如表 3.1，取其中各参数的最大值进行估算取 =167， =1.0， ，PZCPZX0.75PZY=1.09， =1.08， =1.3， =1.05， =0.9PZk料PZkPZkhPZkvPZk取 切深 t=5mm，进给量 s=0.3mm/r则由公式(3.3)：NNNkgPZ48004979.5 .48905. 13 . 108. 19 . 009. 13 . 0516775. 0 (3.6):1:0.25:0.4:4800:1200:1920XYXYFFFFZZ而 F F切削功率：取切削速度为 105m/min，由公式(3.4)(3.5)得： 489.5 1058.46120Nk切削 8.40.75 1.258.96NNkk切削电机过取 11Nk切削黄河科技学院毕业设计说明书 第 15 页4 横向进给传动系统设计4.1 已知技术参数横向最大行程（X 轴）182mm；横向快速进给速度：10 m/min；刀架估计质量：150kg；滑板的估计尺寸（长 宽 高）：400mm 200mm 80mm；材料选为 HT200。4.2 X 轴滚珠丝杠的计算及选择1、滚珠丝杠导程的确定在本设计中，电机和丝杠直接相连，传动比为，设电机的最高工作转速为1i，则丝杠导程为：min1500maxrn (4.1)maxmaxnvPh，取 33. 5150010103hp6hP2、确定丝杠的等效转速 (4.2)/minhvnrP由公式(4.2),最大进给速度时丝杠的转速： min67.1666610103maxmaxrPvnh最小进给速度时丝杠的转速：min167. 061minminrPvnh丝杠等效转速：（取 ）122tt黄河科技学院毕业设计说明书 第 16 页 (4.3)min212min1maxrtttntnnm，转速，作用下的时间(s)。1t2tmaxnminnmin17.1111212min1maxrtttntnnm3、估计工作台质量及工作台承重刀架质量：1150 9.81470GN滑板：392400 200 80 7.85 109.81 10520GN总质量：NGGG2000520147021 4、确定丝杠的等效负载工作负载是指机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力，它的数值可用进给牵引力的试验公式计算。选定导轨为滑动导轨，取摩擦系数为 0.03，K 为颠覆力矩影响系数，一般取 1.1 1.5，现取为 1.1，则丝杠所受的力为（如图 4.1 所示）：:图 4.1 受力分析 (4.4)max22()22221.1 12000.03 (20004800) 1920200022XZYFKFfGFFG =2013Nmin0FN黄河科技学院毕业设计说明书 第 17 页 maxminFFF其等效负载可按下式估算（取 ， ）：21tt212nnt1，t2轴向载荷，作用下的时间(s)。maxFminFn1，n2轴向载荷，作用下的转速(r/min)。maxFminF (4.5)NtntntnFtnFFm1396312211223min113max5、确定丝杠所受的最大动载荷 (4.6)1/360610FfT nm wh mCNaf f f ft h a kfw负荷性质系数；（查表：当一般运转时，fw 为 1.2 1.5，取 fw=1.5。 ）:ft温度系数；fh硬度系数；（查表：滚道实际硬度HRC58 时，fh=1。 ）fa精度系数；（查表：当精度等级为 3 时，fa=1.0。 ）fk可靠性系数；(查表：可靠性为 90%时，fk =1.00。)Fm等效负荷(N)；nm等效转速(r/min)；Tn工作寿命(h)。 （查表得：数控车床：Th=15000。 ）由公式(4.6) 66060 15000 888.94800 10hmT n NnTfFCnmhwmarcr1634710603166、由丝杠轴向压力选取丝杠底径 44310mLFdaxsp（4.7）式中， X 轴滚珠丝杠底径，mm；丝杠支承距离， mm；xspd.L黄河科技学院毕业设计说明书 第 18 页压弯临界载荷，N；与丝杆支承方式有关的临界载荷系数，见表 4.1aFm黄河科技学院毕业设计说明书 第 19 页表 4.1 系数和mf支承方式fm双推-双推21.920.3双推-支承15.110.2单推-单推9.75.1双推-自由3.41.3计算为保证强度和精度，估取进行计算。将各项数值代入式（4.7） ，LmmL400得：。mmdxsp4 . 7.7、最大转速限制滚珠丝杠的最大转速应满足下式的要求： Andxspmax.（4.8）式中， 丝杠底径，mm；xspd.丝杠最大转速，r/min；maxn常取=5000070000.AA已知丝杠最大转速为，取=70000 计算，得：。min1500maxrnAmmdxsp28.8、选择丝杠直径由上述计算结果，可以得知选取的滚珠丝杠须满足如下的式子的限制：oaaCCCmax.min.xspspxspddd9、选择滚珠丝杠型号由文献7,8可知，查表选定为山东济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的外循环插管式垫片预紧导珠管埋入型丝杠，型号： CDM3206-3。丝杠公称直径为 32mm，基本导程，其额定动载荷，额定静载荷，圈数 列数mmph6NCa16917NCa45968=3 2，丝杠螺母副的接触刚度为，丝杠底径 27.9mm，螺母长度为umNKc1130108mm，取丝杠的精度为 3 级。黄河科技学院毕业设计说明书 第 20 页4.3 滚珠丝杠支承轴承的选择计算动态等效载荷：表 4.2 径向载荷系数（）和轴向载荷系数 （）XY组合列数2 列3 列4 列组合形式代号DFDTDFDDTDDFTDFFDFTDTT2.17e 承受轴向载荷的列数1 列2 列1 列2 列3 列1 列2 列3 列4 列X1.91.432.331.172.332.53/arFFeY0.540.770.350.890.350.26X0.920.920.920.920.920.920.920.920.92/arFFeY动态等效载荷：aP araPXFYF（4.9）式中，径向载荷, N；rF轴向载荷, N；aF径向载荷系数；X轴向载荷系数。Y计算动载荷：aC 3aahCPL（4.10）代入数值，查阅机械设计手册 ，可得底径为 27.9mm 的滚珠丝杠的右端轴承内径应略小于丝杠外径，取，型号规格为 25TAC62A。内循环滚珠丝杠必须有一端25轴承内径小于螺纹底径。选择左端轴承内径，型号规格为 20TAC47A，满足设2d20计要求。在本设计中采用固定固定安装的双螺母垫片预紧的成对滚珠丝杠专用轴承组黄河科技学院毕业设计说明书 第 21 页合。 滚珠丝杠支承用专用轴承的特点：1、刚性大。采用特殊设计的尼龙成形保持架，增加了钢球数，且接触角为 60轴向刚性大。2、不需要预调整。对每种组合形式，生产厂家已作好了能得到最佳预紧力的间隙，故用户在装配时不需要再调整，只要按厂家作出的装置序列符号排列后，装紧即可。3、起动力矩小。与圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承相比，起动力矩小。为了易于吸收滚珠螺母与轴承之间的不同轴度，推荐采用正面组合形式。4.4 X 轴滚珠丝杠的校核 滚珠丝杠副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压振动固有频率，其扭转刚度影响扭转固有频率。承受轴向负荷的滚珠丝杠副的拉压系统刚度 Ke 由丝杠本身的拉压刚度 Ks，丝杠副内滚道的接触刚度 Kc，轴承的接触刚度 KB，螺母座的刚度KH，按不同支承组合方式的计算而定。扭转刚度按丝杠的参数计算。 4.4.1 临界压缩负荷丝杠的支承方式对丝杠的刚度影响很大，采用两端固定的支承方式并对丝杠进行预拉伸，可以最大限度地发挥丝杠的潜能。临界压缩负荷按下式计算： (4.11)211max20crfEIFKFNL式中 E材料的弹性模量 E钢=2.11011(N/m2)； L0最大受压长度(m)； K1安全系数，取 K1=1/3； Fmax最大轴向工作负荷(N)； f1丝杠支承方式系数；(支承方式为双固双固时，f1=4，f2=4.730)黄河科技学院毕业设计说明书 第 22 页 I丝杠最小截面惯性矩(m4)： (4.12)4420(1.2)6464wIddd式中 d0丝杠公称直径(mm)； dw滚珠直径(mm)。412843.14(32 1.2 3.969)102.7 1064Im丝杠螺纹部分长度，取 mmLu33040108182350uLmm支承跨距 ， 1400Lmm经过设计论证丝杠全长为 mmL580由公式(4.7)2118max264 3.142.1 102.7 101422554.32013420103NFNcr F可见远大于，临界压缩负荷满足要求。crFmaxF4.4.2 临界转速 (4.13)222222max22309910crccff dEInknLAL式中 A丝杠最小横截面：2642231.5 107.8 1044Adm 临界转速计算长度：cLmmmLc4 . 03912350580401822108取 ，10.4cLLm安全系数，一般取 ；2k20.8k 材料的密度：；337.85 10/kg m丝杠支承方式系数，查表得，2f24.730f 黄河科技学院毕业设计说明书 第 23 页min1500min436504 . 00315. 0730. 49910max22rnrncr满足要求。4.4.3 滚珠丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率滚珠丝杠系统的轴向拉压系统刚度 Ke的计算公式：两端固定： 111111(/)4eBcHSNmKKKKK（4.14）式中 Ke 滚珠丝杠副的拉压系统刚度(N/m)； KH螺母座的刚度(N/m)；Kc丝杠副内滚道的接触刚度(N/m)；KS丝杠本身的拉压刚度(N/m)；KB轴承的接触刚度(N/m)。（1）丝杠副内滚道的接触刚度可查滚珠丝杠副型号样本；（2）轴承的接触刚度可查轴承型号样本；（3）螺母座的刚度可近似估算为 1000；（4）丝杠本身的拉压刚度。对丝杠支承组合方式为两端固定的方式： (4.15)610/sAElKNmala式中 A丝杠最小横截面，；222()4AdmmE材料的弹性模量，E=2.1 1011(N/m2)；l两支承间距(m)；a螺母至轴向固定处的距离(m)。已知：轴承的接触刚度，丝杠螺母的接触刚度，mNKB1080mNKC7 .716丝杠的最小拉压刚度，螺母座刚度。mNKs2 .545minmNKH1000黄河科技学院毕业设计说明书 第 24 页111114 1080716.710004 545.2eK324/eKNm丝杠系统轴向拉压振动的固有频率： (4.16)/eBKrad sm式中 m丝杠末端的运动部件与工件的质量和(N/m)；Ke丝杠系统的轴向拉压系统刚度(N/m)。min1500min1203812602000103248 . 96rrsradmKweB显然，丝杠的扭转振动的固有频率远大于 1500r/min，能满足要求。4.4.4 滚珠丝杠扭转刚度滚珠丝杠的扭转刚度按下式计算： (4.17)47.84mTdKL式中 丝杠平均直径：mdL丝杠长度rmNKT1373658075.3184. 74扭转振动的固有频率: (4.18)()3TTswzKJJJ式中 JW运动部件质量换算到丝杠轴上的转动惯量(kgm2)； JZ丝杠上传动件的转动惯量(kgm2)； JS丝杠的转动惯量(kgm2)。由文献7，8得：黄河科技学院毕业设计说明书 第 25 页平移物体的转动惯量为：2422000 0.01()5.2 109.812Jkg m:丝杠转动惯量：421.6 10zJkg m:min/42297/1 .442710364. 46 . 12 . 5137364rsradT显然，丝杠的扭转振动的固有频率远大于 1500r/min，可以满足设计要求。4.4.5 滚珠丝杠传动精度计算滚珠丝杠的拉压刚度 ： (4.19)24sd EKL导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中，L 值分别为 300mm 和100mm。最大与最小传动刚度：25max0.03152.1 101635.7/4 0.1sAEKNmL25min0.03052.1 10102.5/4 0.3sAEKNmL最大和最小机械传动刚度：mNKKKKBCso/65.2401080/17 .716/12 .545/11/1/1/11minminmaxmax11341/1/1/1/1/1635.7 1/716.7 1/1080osCBKNmKKK24432221064.4032.058.01085.714.3321)41(8181kggmLdddmJsssss黄河科技学院毕业设计说明书 第 26 页由于机械传动装置引起的定位误差为 (4.20)00min0max11()kFmKK111456.6 ()1.78240.65341km对于 3 级滚珠丝杠，其任意 300mm 导程公差为 ，车床定位精度m12，所以，可以满足由于传动刚度变化所引起mmmm 300/024. 0mVp8 . 45124300的定位误差小于（1/3 1/5）机床定位精度的要求。再加上闭环反馈系统的补偿，定位:精度能进一步提高10。4.5 X 轴滚珠丝杠进给传动系统变形计算 本精密数控车床的进给传动系统采用闭环控制，系统的精度取决于组成进给系统各环节的精度，由下列几部分误差组成：滚珠丝杠副制造的误差和由于载荷与温度变化的作用产生的丝杠、螺母、轴承、联轴器及伺服系统的误差 。滚珠丝杠副制造误差由所选丝杠副的精度决定，可按任意 300mm 行程内行程变动量而定。3004.5.1 滚珠丝杠精度计算1、滚珠丝杠的轴向变形量计算丝杠的拉伸或压缩变形量在轴向载荷作用下，丝杠在轴线方向上被拉伸或压缩，变形量的大小与支承方式和螺母工作位置有关。由于丝杠采用两端固定的形式，根据材料力学求解超静定计算式，求得变形量： EALbaF/11（4.21） 式中，F轴向工作载荷，N；E弹性模量，对于钢，E=20.6N/；1042 A丝杠截面积（按底径定） ，；2L丝杠在支承间的受力长度，；黄河科技学院毕业设计说明书 第 27 页a,b螺母至两支承端的距离，。当螺母运动到两支承端中点时，变形最大，其最大变形量： EAFL4/max11（4.22）丝杠底径为 27.9，F=1200N，根据前面计算结果，取 L=400， ，代入数值，得， 4119.5 10 丝杠扭转变形所产生的轴向变形量丝杠工作过程中受到扭矩作用，扭转变形将引起丝杠导程发生变化。一个导程的变化量： 00022LLL（4.23） 式中，丝杠导程，mm；0L 扭矩作用下丝杠每一导程长度两截面上的相对扭转角，rad。则丝杠受扭矩作用在支承长度L上产生的轴向变形量： 012022LLLL（4.24）根据材料力学公式，计算扭转角： 0MLGJ（4.25）式中，丝杠的驱动扭矩，；MNgmm剪切弹性模量，对钢，G=8.24N/；G1042丝杠截面惯性矩，。L4根据进给系统设计过程中驱动电机的选择计算，已算出M=2700 N mm，因此，得：radGJML64401055. 09 .27321024. 8102700黄河科技学院毕业设计说明书 第 28 页mmL46121035. 014. 321055. 04002.由于丝杠较短，丝杠自重弯曲所引起的轴向变形量可以忽略不计。 故可以求得在载荷作用下，丝杠的轴向变形量：mmm9851085. 94121112、滚珠与滚道面弹性接触变形引起的轴向变形量2螺母体变形量包括螺母和螺母座的变形量、螺母的固定螺栓所产生的轴向变形量与滚道面弹性接触变形引起的轴向变形量，由于螺母和螺母座的刚性好，可以不考虑其变形。因采用预紧螺母，对固定螺栓的变形也可以略去不计。对螺母体的变形只需考虑滚珠与滚道面弹性接触变形量。取=1.04，故有：bRr 422231.504 10sinsinbpFdzF（4.26）式中：R滚道半径，mm；、分别为滚珠半径、直径，mm；brbd接触角，=；45o工作的滚珠数，；z03bDzd圈数列数轴向预紧力，N；F滚珠丝杠副公称直径，mm。0D将各参数带入上式，得：mm=0.462。421.54 10m3、支承滚珠丝杠的轴承的轴向变形量轴承刚度为1080，估算其最大轴向变形：/Nmm56. 02108012003滚珠丝杠选用3级精度，可查得其其任意300mm导程公差为 ,车床定位精度m12黄河科技学院毕业设计说明书 第 29 页，所以，综上所述，可得本车床X轴（横向）mmmm 300/024. 0mVp8 . 45124300进给系统定位误差为：mmpX12817. 68 . 456. 0462. 0995. 0300321满足定位精度要求。4.6 X 轴进给伺服电机的选择与计算选择的进给系统的伺服电机，应满足如下要求：1、在所有进给速度范围内（包括快速移动） ，空载进给力矩应小于电动机额定转矩；2、最大切削力矩小于电动机额定转矩；3、加、减速时间应符合所希望的时间常数；4、快速进给频繁度应在希望值之内。为选取满足上述要求的电动机，需要进行负载扭矩计算，功率计算，加减速扭矩计算，并进行惯量匹配验算。根据文献11，扭矩的计算为：1、理论动态预紧转矩查表知 3 级滚珠丝杠 ， 而 0.9max/32013/3671()PFFN m: (4.27)NgmPFThpp135. 0109 . 0/9 . 012/6671102/12/323202、最大动态摩擦力矩对于 3 级滚珠丝杠，40%P (4.28)NgmTTpp19. 0%4010max3、驱动最大负载所耗转矩 (4.29)NgmPFTha14. 22/10620132/1033max4、支承轴承所需启动扭矩查轴承表：黄河科技学院毕业设计说明书 第 30 页对于的轴承，其，20NgmTb14. 01对于的轴承，其，25NgmTb23. 02则 。NgmTTTbbB37. 023. 014. 0215 驱动滚珠丝杠副所需扭矩 NgmTTTTBapg70. 237. 014. 219. 0max6、电机的额定转矩 JgTT5 . 035. 0 NgmTJ71. 74 . 57、快进至最大速度时所需功率： -3a=10PFv快快（4.30）式中，快进最大需求功率，kw；P快快进速度，m/s，v快惯性力，N。aF由电动机的功率要满足下式的关系： /PPk进给过电机快（4.31）式中，进给传动系统机械效率，综合考虑丝杠预紧、导轨、联轴器效率的影响，进给取 0.85；电机超载时的容许系数，一般取 1.25。k过综上计算，选择的电机应满足转矩和功率两方面要求，满足转矩：，功率：。NgmTJ71. 74 . 5kw56. 0 P黄河科技学院毕业设计说明书 第 31 页通过翻阅资料和传统经验，预选用西门子的电机，具体选择电机型号为 SIEMENS的交流伺服电机，电机的具体参数为：7150661LACFT额定电压 电机轴直径 V220mm19额定转速 额定转矩 min1500rmN.7 . 6重量 转子转动惯量 kg5 .1024108 .11kgm计算功率 制动转矩 kw7 . 1Nm3同时此电机购进时，已安装脉冲编码器和制动器。4.6.1 X 轴进给伺服电机的校核 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：1、工作台折算到丝杆上的转动惯量为： 22spTThJm 232310140. 021068 . 91500mkg 2、丝杆的转动惯量为： 218spspspJm d 2323210294. 0109 .248 . 381mkg 其中求解为： spmkgLdmspspsp21. 21085. 710580109 .244141332323、螺母的转动惯量估算为：320.1 10zpJkg m负载及机械传动装置总的转动惯量为：2300043. 0101 . 0294. 0140. 0mkgJJJJWscL黄河科技学院毕业设计说明书 第 32 页4、而西门子电动机的转动惯量为：20.00118MJkg m5、全部的转动惯量为： 2444101 .16103 . 4108 .11mkgJJJLmr根据惯性匹配原则，73. 0101 .16108 .1144rMJJ满足 0.251MrJJ综上计算，选择的电机符合设计要求。4.7 联轴器的选择滚珠丝杠与电动机的联接的型式为与联轴器直接联接，依据机械设计手册 ，选取可用于高、低温，高、中速，大转矩和有油和水的场合的联轴器。在此，根据电机轴直径、长度和丝杠链接尺寸来选定型号，选择联轴器为：HL1 型弹性柱销联轴器符合条件。85501442194219GBYBJCHL1 型弹性柱销联轴器具有结构简单，更换尼龙柱销方便，不需移动两个半联轴器；尼龙柱销有较好的耐磨性和自润滑性，维护简易。黄河科技学院毕业设计说明书 第 33 页5 纵向进给传动系统设计5.1 已知技术参数 纵向最大行程（Z 轴）675 mm；纵向快速进给速度：15 m/min；床鞍及其他的估计尺寸（长 宽 高）：600mm 300mm 100mm。5.2 Z 轴滚珠丝杠的计算及选择1、滚珠丝杠导程的确定在本设计中，电机和丝杠直接相连，传动比为，设电机的最高工作转速为1i，则由公式(4.1)可得丝杠导程为：min1500maxrn3maxmax15 10101500hvPn2、确定丝杠的等效转速 由公式(4.2) ，最大进给速度时丝杠的转速：3maxmax15 101500 /min10hvnrP最小进给速度时丝杠的转速：minmin10.1 /min10hvnrP由公式(4.3) ，丝杠等效转速为： max 1min 2121000 /minmntntnrtt3、估计工作台质量及工作台承重横向工作台质量：12000GN床鞍及其他：392600 300 100 7.85 109.81 101386GN总质量：122000 13863386GGGN黄河科技学院毕业设计说明书 第 34 页4、确定丝杠的等效负载取滑动导轨摩擦系数为 0.025，则丝杠所受的力如上可以计算其受力： max22()22212000.025 3386(4800 1920)2XYZFFf GFF =1335. 6Nmin0.025 338684.65FfGNmaxminFFF其等效负载可按公式(4.5)估算：1333max1 1min2 21 12 2926.2mFntFn tFNntn t5、确定丝杠所受的最大动载荷 由公式(4.6)得： 66060 15000 1000900 10hmT n ncr1366013413.510hmamwT nCF fN6、根据滚珠丝杠轴向压力选取丝杠底径，由下式计算： 44310mLFdazsp（5.1）式中， Z 轴滚珠丝杠底径，mm；zspd.压弯临界载荷，N；aF丝杠支承距离； L与丝杆支承方式有关的临界载荷系数m计算为保证强度和精度，估取进行计算。 LmmL8807、最大转速限制滚珠丝杠的最大转速应满足下式的要求：黄河科技学院毕业设计说明书 第 35 页 Andzspmax.（5.2）式中， 丝杠底径，mm；zspd.丝杠最大转速，r/min；maxn常取=5000070000.AA已知丝杠最大转速为，取=70000 计算。 min1500maxrnA8、选择丝杠直径由上述计算结果，可以得知选取的滚珠丝杠螺母副须满足下述限制：oaaCCCmax.min.zspspzspddd查表选定丝杠为山东济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的外循环插管式垫片预紧导珠管埋入型丝杠，型号： CDM2510-2.5。丝杠公称直径为 25mm，基本导程，其额定动载荷，额定静载荷，圈数 列数=2.5mmPh10NCa15975NCoa341702，丝杠螺母副的接触刚度为，丝杠底径 24.5mm，螺母长度为mNKc767125mm。5.3 Z 轴滚珠丝杠支承轴承的选择1、计算动态等效载荷： araPXFYF（5.3）式中，径向载荷；rF轴向载荷；aF径向载荷系数；X轴向载荷系数。Y2、计算动载荷：aC 3aahCPL黄河科技学院毕业设计说明书 第 36 页（5.4）代入数值，查阅机械设计手册 ，可得底径为 20.1mm 的滚珠丝杠的右端轴承内径应略小于丝杠外径，取，型号规格为 20TAC47A。内循环滚珠丝杠必须有一端20轴承内径小于螺纹底径。选左端轴承内径，型号规格为 17TAC47A。 2d17在本设计中采用双螺母垫片预紧的角接触球轴承。5.4 Z 轴滚珠丝杆的校核 5.4.1 临界压缩负荷轴向固定的长丝杠在承受压缩负荷时，应验算其压杆稳定性。临界压缩负荷按公式(4.11)(4.12)计算：丝杠螺纹部分长度取 mmLu84040125675850uLmm支承跨距 ， mmL8801经过设计论证丝杠全长为 mmL10172118max264 3.142.1 100.68 10208011335.695010NFNcr F可见远大于，临界压缩负荷满足要求。crFmaxF5.4.2 临界转速 由公式(4.13)2642220.1 103.17 1044Admmm87928501017406752125cL取 ，mLLc88. 01min1500min8 .575488. 0021. 0730. 4991022rrncr满足设计要求。黄河科技学院毕业设计说明书 第 37 页5.4.3 滚珠丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率由公式 (4.14)(4.15)(4.16) ：已知：轴承的接触刚度，丝杠螺母的接触刚度，mNKB760MNKC25.556丝杠的最小拉压刚度（见后面计算） ，螺母座刚度。mNKs5 .102minmNKH1000111114 760556.2510004 102.5eK179.67/eKNm丝杠系统轴向拉压振动的固有频率：显然，69.8 179.67 10721.12/6889.7 /min1500 /min3386eBKrad srrm丝杠的扭转振动的固有频率远大于 1500r/min，能满足设计要求。5.4.4 滚珠丝杠扭转刚度丝杠的扭转刚度由公式(4.17)计算： rNmKT/1 .291610178 .2484. 74由文献7,8得：平移物体的转动惯量为2423386 0.01()8.75 109.812Jkg m:丝杠转动惯量：421.5 10zJkg m:24432221091.3025.0017.11085.714.3321)41(8181kggmLdddmJsssss黄河科技学院毕业设计说明书 第 38 页扭转振动的固有频率按公式(4.18)计算:min/9 .14692/86.153710391. 35 . 175. 8137364rsradT显然，丝杠的扭转振动的固有频率远大于 1500r/min，可以满足设计要求。5.4.5 滚珠丝杠传动的精度计算导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中，L 值分别为 780mm 和100mm。由公式(4.19) ，最大与最小传动刚度：25max0.02012.1 10666/4 0.1sAEKNmLmNLAEKs/42.8578. 04101 . 20201. 052min最大和最小机械传动刚度：mNKKKKBCso/05.321080/17 .716/142.85/11/1/1/11minminmaxmax11216.68/1/1/1/1/666 1/556.25 1/760osCBKNmKKK由于机械传动装置引起的定位误差，根据公式(3.16)mKKk72. 2)68.216105.321(65.84)11(max0min0对于 3 级滚珠丝杠，其任意 300mm 导程公差为 ，车床定位精度m12，所以，可以满足由于传动刚度变化所引起mmmm 300/024. 0mVp8 . 45124300的定位误差小于（1/3 1/5）车床定位精度的要求。再加上闭环反馈系统的补偿，定位:精度能进一步提高10。黄河科技学院毕业设计说明书 第 39 页5.5 Z 轴滚珠丝杠进给传动系统变形计算 本精密数控车床的进给系统采用闭环控制，系统的精度取决于组成进给系统各环节的精度，由下列几部分误差组成，滚珠丝杠副制造的误差和由于载荷与温度变化的作用产生的丝杠、螺母、轴承、联轴器及伺服系统的误差 。滚珠丝杠副制造误差由所选丝杠副的精度决定，可按任意 300mm 行程内行程变动量而定。3005.5.1 Z 轴精度计算如 X 轴精度计算方法，可同样计算出 Z 轴向的定位精度，结果如下：mpz12300321满足定位精度要求。5.6 Z 轴进给伺服电机的选择与计算扭矩的计算1、理论动态预紧转矩查表知 3 级滚珠丝杠 ， 而 0.9max/31335.6/3445.2()PFFN m:由公式(4.27) NgmPFThpp15. 0109 . 0/9 . 012/102 .445102/12/323202、最大动态摩擦力矩对于 3 级滚珠丝杠，由式(4.28)40%P NgmTTpp21. 0%4010max3、驱动最大负载所耗转矩由公式(4.29) NgmPFTha36. 22/10106 .13352/1033max4、支承轴承所需启动扭矩因滚珠丝杠安装方式为：固定固定的角接触球轴承。黄河科技学院毕业设计说明书 第 40 页右端轴承内径应略小于丝杠外径，取，型号规格为 20TAC47A。内循环滚20珠丝杠必须有一端轴承内径小于螺纹底径。选左端轴承内径，型号规格为2d1717TAC38A。查轴承表：对于的轴承，其，20NgmTb14. 01对于的轴承，其，17NgmTb10. 02则 。NgmTTTbbB24. 010. 014. 0215、驱动滚珠丝杠副所需扭矩 NgmTTTTBapg81. 224. 036. 221. 0max6、电机的额定扭矩 JgTT5 . 035. 0 NgmTJ02. 862. 57、快进至最大速度时所需功率： -3a=10PFv快快（5.5）式中，快进最大需求功率，kW；P快快进速度，m/s，v快惯性力，N。aF由电动机的功率要满足下式的关系： /PPk进给过电机快（5.6）式中，进给传动系统机械效率，综合考虑丝杠预紧、导轨、联轴器效率的影响，进给取 0.85；电机超载时的容许系数，一般取 1.25。k过黄河科技学院毕业设计说明书 第 41 页综上计算，选择的电机应满足转矩和功率两方面要求，满足转矩，功率。黄河科技学院毕业设计说明书 第 42 页 NgmTJ02. 862. 5kw2 . 1 P通过翻阅资料，预选用西门子的电机，具体选择电机型号为 SIEMENS 的交流伺服电机，电机的具体参数为：7150661LACFT额定电压 电机轴直径 V220mm20额定转速 额定转矩 min1500rmN.7 . 6重量 转子转动惯量 kg8 .1224106 .12kgm计算功率 制动转矩 kw4 . 2Nm5 . 3同时此电机购进时，已安装脉冲编码器和制动器5.6.1 伺服电机的校核1、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 232310387. 0210108 . 91500mkg 2、丝杆的转动惯量为： 218spspspJm d 2323210284. 0105 .248 . 381mkg 其中求解为：spmkgLdmspspsp73. 31085. 7101017105 .244141332323、螺母的转动惯量估算为：320.1 10zpJkg m负载及机械传动装置总的转动惯量为：黄河科技学院毕业设计说明书 第 43 页2300077. 0101 . 0284. 0387. 0mkgJJJJWstL而西门子电动机的转动惯量为：，满足要求。2.00135. 0mkgJM4、全部的转动惯量为： 2444102 .21107 . 7105 .13mkgJJJLmr根据惯性匹配原则，64. 0102 .21105 .1344rMJJ满足 0.251MrJJ综上，选择的电机符合设计要求。5.7 联轴器的选择滚珠丝杠与电动机的联接的型式为与联轴器直接联接，依据机械设计手册 ，选取可用于高、低温，高、中速，大转矩和有油和水的场合的联轴器。在此，根据电机轴直径、长度和丝杠链接尺寸来选定型号，选择联轴器为：HL1 型弹性柱销联轴器符合条件。85501442194219GBYBJCHL1 型弹性柱销联轴器具有结构简单，更换尼龙柱销方便，不需移动两个半联轴器；尼龙柱销有较好的耐磨性和自润滑性，维护简易。黄河科技学院毕业设计说明书 第 44 页6 床身及导轨的选择6.1 床身的选择对于数控车床来说，作为主要支承件的床身至关重要，其结构性能的好坏直接影响着车床的各项性能指标。它支承着数控车床的床头箱，床鞍，刀架，尾座等部件，承受着切削力、重力、摩擦力等静态力和动态力的作用。其结构的合理性和性能的好坏直接影响着数控车床的制造成本；影响着车床各部件之间的相对位置精度和车床在工作中各运动部件的相对运动轨迹的准确性，从而影响着工件的加工质量；还影响着车床所用刀具的耐用度，同时也影响着机床的工作效率和寿命等。因此，床身特别是数控车床的床身具有足够的静态刚度和较高的刚度/质量比；良好的动态性能；较小的热变形和内应力；并易于加工制造，装配等，才能满足数控车床对床身的要求。数控车床工作时，受切削力的作用，床身发生弯曲，其中，影响最大的是床身水平面内的弯曲。因此，在床身不太长的情况下，主要应提高床身在水平面内的弯曲刚度。所以，在设计床身时，采用与水平面倾斜 45的斜面床身。这种结构的特点是：1、在加工工件时，切屑和切削液可以从斜面的前方(即床身的一侧)落下，就无需在床身上开排屑孔，这样，床身斜面就可以做成一个完整的斜面。2、切屑从工件上落到位于床身前面的排屑器中，再由排屑器将切屑排出。这样，机床在工作中，排屑性能和散热性能要好，可以减少床身在工作中吸收由于切削产生的热量，从而减少床身的热变形，使机床更好地保持加工精度。3、由于在床身上无需开排屑孔，就可以增加与底座连接的床身底面的整体性，从而可增加床身底面的刚性。基于以上特点使得床身抵抗来自切削力在水平和垂直面内的分力所产生的弯曲变形能力，以及它们的合力产生的扭转变形能力显著增强。从而大幅度提高了床身的抗弯和抗扭刚度。床身在弯曲、扭转载荷作用下，床身的变形与床身的截面的抗弯惯性矩和抗扭惯性矩有关。材料、截面相同，但形状不同的床身，截面的惯性矩相差很大。截面积相同时，采用空形截面，加大外轮廓尺寸，在工艺允许的情况下，尽可能减小壁厚，可以大大提高截面的抗弯和抗扭刚度；矩形截面的抗黄河科技学院毕业设计说明书 第 45 页弯刚度高于圆形截面，但圆形截面的抗扭刚度较高；封闭截面的刚度显著高于不封闭截面的刚度。为此，在设计床身截面时，综合考虑以上因素，在满足使用、工艺情况下，采用空心截面，加大轮廓，减小壁厚，采用全封闭的类似矩形的床身截面形式，同时，为了提高床身的抗扭刚度和床身的刚度重量比，在大截面内设计一个较小的类似圆形截面(如图 6.1) 。床身与导轨为一体，床身材料的选择应根据导轨的要求选择。铸铁具有良好的减震性和耐磨性，易于铸造和加工。床身材料采用机械性能优良的 HT250，其硬度、强度较高，耐磨性较好，具有很好的减震性13。图 6.1 床身结构6.2 导轨的选择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且磨损快，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2。在动导轨上镶装塑料具有摩擦系数低、耐磨性高、抗撕伤能力强、低速时不易爬行、加工性和化学稳定性好、工艺简单、成本低等优点，在各类机床上
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