XK714D数控铣床的结构及传动机构设计

1、目 录摘要1Abstract2第1章 绪论3第2章 XK714D数控铣床总体结构设计52.1 XK714D数控铣床特点及其设计目标5 2.1.1 XK714D数控铣床的特点5 2.1.2 数控铣床的设计目标52.2 确定机床的总体布局6第3章 主轴部件设计83.1主轴组件设计83.2主轴的设计83.2.1主轴的选材83.2.2主轴机械工艺93.3主轴支承93.3.1主轴支承的设计准则93.3.2轴承的选取及设计93.4主轴组件的设计计算103.5主轴其他组件设计12第4章 XK714D数控铣床主传动系统设计134.1 主传统系统的设计134.2 主传动功率的选择134.3 带传动设计15第5章

2、 伺服进给传动系统设计175.1 伺服进给系统设计思路175.2 滚珠丝杠螺母传动装置的设计175.2.1滚珠丝杠总体设计175.2.2 滚珠丝杠螺母副的设计计算185.3 伺服电机的选择225.3.1 计算参数并选取电机225.3.2 齿轮设计235.4工作台导轨及传动间隙消除25总结26参考文献27致谢28摘 要XK714D数控铣床是一台可进行连续铣、钻、铰等多种工序的加工的小型立式数控铣床，其可进行板类件、盘类件外壳等多样化零件的加工。机床总体设计结合数字控制单元，数字控制系统与气动系统安装在床身，方便了搬运和安装，另外，它通过交流伺服电机经联轴节和滚珠丝杠付直联，使伺服进给系统在X、Y

3、、Z轴三向获得20米/分的高速移动，同时保证高速进给机床的震动幅度小，低速进给时无位置偏移，且有较高的稳定性和精度。机床的主要构件刚度高，以进行强力切削，它的设计满足了高精度、高速度、高柔性、自动化程度高、可靠性高、智能化高等现代开放式体系结构的机床的发展趋势。关键词：数控铣床；控制；机电一体化；总体设计；开放式体系ABSTRACTXK714Da kind of miniature vertical NC milling machine can process work-piece continuously by many working processes，such as：milling，b

4、oring，reaming，and it can manufacture transaction of panel，tray shell，molds and so onMechanical-electrical structure is the main part of design for milling machine，control cabinet，NC cabinet，and pneumatics device into milling machine for transit and installationFurthermore，it combines shaft couping a

5、nd ball-screw pairs by AC servo electrical machine so that the milling machine can slip along x-axis，y-axis or z-axis at speed of 20 meters an minute smoothly and accuratelyThe main components of the machine is high rigidity for heavy cutting, its designed to meet the development trend of high-preci

6、sion, high-speed, high flexibility, high degree of automation, high reliability, intelligent, modern open architecture machine tool.Key words: NC Milling Machine；Control；Mechatronics；Overall design；Opening System 1 绪论数控铣床是由传统铣床的结构上演变而来的，其制造工艺流程基本相同，结构方面也相似，由于数控铣床引入自动程序控制加工，所以其工作能力与普通铣床有较大的区别。在机械制造行业

7、高速发展的今天，数控铣床形式五花八门，尽管不同类型的数控铣床在结构组成上有所差异，然而仍有许多相似的地方。现代数控机床结合了高度的智能化对工件加工过程中的加工效率及其精度进行只能检测，对所需加工各个物理量做出检测、建模、特征获取进而自动进行反馈，再结合系统的综合工作环境迅速敏捷的进行智能操纵，使自动控制系统在现代数控铣床有很大的用武之地，提高了工作效率，降低了生产成本，并使机床在工作加工过程中保持最佳的工作状态。从数控技术方面看由于数控铣床采用了伺服电机，利用电子技术完成了对机床工作部件工作顺序及运动的直接操控，传统的机床的变速箱部件不再需要，从而也简化了机械结构。数控机床还还需要具有较高传动

8、刚度和微传动间隙的系统，从而使机床有更好的可控性和精确度。而且，由于日益发展的计算机处理系统和控制系统，在同一台机床上将能有更多功能部件用来执行多任务及其各项工作，所以数控铣床的集成度与机械精度比普通机床有更高的要求。但从制造业方面发展考虑，随着日益变化的机械制造业以及新材料和新工艺的出现，以及降低成本来应对激烈的市场竞争，金属的加工朝着高精度、高速度、高生产效率、高可靠度的方向发展。从而对现代数控机床的功率、机械动静刚度、热态时机械的稳定性及刚度、工作可靠性等多方面提出更加严格的要求，同时为了保证正常的生产效率，对机床长时间运转时的可靠性也有待提高。典型的数控铣床结构除了基础件、主传动系统、

9、进给传动系统等一般常见主件外，还需要一些附件来实现更多的功能和更好地操纵性，机床的由底座、立柱、主轴箱等主要部件组成，而且其中主要构件的有较高的要求，一般采用强度较高的优质铸件，使其组织稳定，从而保证了整个机床具有良好的机械性能和高度可靠性及其精度保持性。三轴导轨副均采用高频淬火及贴塑导轨组合，保证机床运行精度、降低磨擦阻力及损耗。为了了解目前国内外机床的现状，参考目前市场上一些机床成品，三轴传动系统是一种常见的传动方式，其有精密的滚珠丝杆和伺服电动机，结合数控系统的润滑装置。现代机床不仅实现总体功能的提升与多样化，在结合人机工程学的理论成果，创造出更适合工人操作，生产效率更高，工作环境更好，

10、且机床本身配备的操控箱可旋转，操作方便。能完成各种铣削、镗孔、刚性攻丝等，具有良好地经济型，成为机械制造行业比不可少的组成部分。回首过去，最早时出现的是数控铣床。经过了几十年的发展，点对位的控制机床发展迅速，并逐渐衍生出数控钻床、冲床、坐标镗床等一系列产品。这一系列类机床在传统加工中产生了不可磨灭的作用，其不需要复杂的控制过程就能完成加工过程。数控机床是现代制造行业的重要代表，从某种程度上来说，数控机床的技术水平即代表了一个国家制造行业在国际上的竞争力。 近年来，我国的数控机床的生产量逐渐增长，数控化率也显著提高，另一方面我国数控机床的技术水平和自主创新水平也有所提高。目前我国生产的普通数控机

11、床已能满足工业发展的需要，生产的标准化与技术也颇为成熟，并在国际市场经济上具有良好地影响力。目前我国数控机床拥有多轴联动等创新数控技术，且已有成型商品走入市场。从数控技术方面角度来看伺服电机是效控机床的重要部分，应用电子技术完成对机床工作部件和工作方式的操作， 近年来，自金融危机之后，绿色制造在国际机床行业的有着举足轻重的影响吗，现代的机床制造业不同以往，更高的集成度和更好地环境适应能力迫在眉睫，世界上各大机床制造厂商大力支持发展高新科技技术、增强自主开发能力，为更好地适应国际形势贡献自己的力量，为下一轮机械行业升级做好技术准备。同时，日本也提高了机械工业再制造的要求。数控机床关系着制造行业的

12、兴衰，因此，对数控机床技术的研究成为现代机械制造行业的重要课题。目前我国的机械制造行业和一些发达国家相比还有一定的差距，但是相比以前，近些年的发展还是喜人的，相信不远的将来，数控机床是一种加工效率更高，集成度更高，用途更广泛的机床，主导并广泛应用于制造业的更多领域，本次设计我选择对XK714D数控立式铣床进行了结构和传动方面的设计，对于XK714D数控立式铣床的主运动系统和进给系统的机械结构进行了设计和计算，并对其控制系统的硬件电路进行了设计。2 XK714D数控铣床的总体方案设计2.1 XK714D数控铣床总体结构设计2.1.1XK714D数控铣床的特点XK714D立式数控铣床可完成强力切削

13、，动力由主轴宽幅调速电机，经同步齿形带递传到主轴部件，低转速时扭矩比较大，机床的主要固定构件刚度高，并且由于主轴系统冷却系统的作用使机床在强力切削时震动小、噪声低、热变形小。交流伺服电机与滚珠丝杠副相连，使X、Y、Z轴获得20米/分的高速位移。机床为满足现代自动化加工要求，提高生产效率，缩短生产周期，机床设计采用了机电一体化的结构，结合控制柜、数控柜、气动装置于一体，使得机床更加精致实用，使占地面积减小，简化了搬运安装，并且方便操作。2.1.2 数控铣床的设计目标主要参数如下：工作台外形尺寸 (工作台) 400800 mm工作台梯型 槽宽槽数 18 mm3工作台左右行程 (X轴) 630 mm

14、工作台前后行程 (Y轴) 400 mm 主轴箱上下行程 (Z轴) 500 mm主轴端面与工作台面距离 127627 mm主轴锥孔 ISO 60主轴转速 608000 r/min 主轴驱动电机额定功率 5.5 kw快速移动速度 (X、Y轴) 20000 mm/min 快速移动速度(Z轴) 15000 mm/min进给速度 (X、Y、Z轴) 15000 mm/min刀具型式 MAS 403最大刀具尺寸 100250 mm工作台容许负载 600 滚珠丝杠尺寸 (X、Y、Z轴) 4010定位精度 0.012/300 mm重负定位精度 0.006 mm占地面积 21242580当选用链板式排屑装置时占地

15、面积 33862710 通过搜集有关资料，我了解一些机床设计时的基本要求如机床的工艺范围，对加工精度的要去，噪声，生产率和性能指标，人机工程学特性等，为了使设计的产品更好的适应生产，在设计过程中应考虑如上因素。本章确立了该铣床的总体设计要求，对铣床的总体设计定下了基调。机床总体方案的产生方法通过参考一些成型产品的结构，并根据有关资料和相关知识采用分析式设计或创新试式设计。通过类比分析，推理的方法产生方案，并且用创成解析的方法生成方案，我是采用类比分析的方法形成铣床总体设计方案的。 2.2 确定机床的总体布局根据以上所提到的数控机床应满足的基本要求，进行数控铣床的总体结构设计。在设计过程中，以遵

16、循工艺要求的原则，决定了机床的运动形态，从而通过运动方式对机床的运动部件形态以及相互位置关系对机床的各个部件进行总体设计，从而确定机床的布局。通过参考工业生产所用的成型数控铣床的结构，并通过主要设计参数的要求，而对铣床的结构布局特点进行设计。传统的数控铣床已经经过工业生产实践的检验，其拥有结构简单易于集中布置等特点，所以我所设计的铣床将以传统铣床作为参考便准，由于该铣床采用机电一起化，同时从机床内部考虑，要处理好工件与刀具位置与运动工件重量以及形状特点也是需要考虑的因素，另外还要考虑到机床外部结构因素，为了方便操作，数控柜控制台需满足人机工程学。综合考虑，我所采用的是立式布局，其基础支承件的结

17、构有一体式和分离式等。与普通机床类似，运动形式包含有主运动、进给运动和一些辅助运动。从机床的加工考虑入手，结合工件形状，尺寸及其位置等因素，确定各部件之间的相对关系。以传统铣床为参考，确定末端执行件的形状，以运动导轨结合部作为主要运动形式，确定执行件即滑台的尺寸，根据导轨结合部的结构运动方式，结合机床的刚度要求确定各个功能部件的大约形状，以逐推法进行余下部件的设计，并进行了机床总体的结构布局。底座经由床身固定，用于组装支撑机床各个部件。操纵台上装有液晶显示器、机床操纵按键及其开关、指示灯。工作台组装在在升降台，其分别通过纵向、横向、垂直升降进给伺服电机，从而完成X轴、Y轴、Z轴方向的进给。主轴

18、变速手柄用于手动调整主轴的正、反转、停止及切削液开停等。强电柜中安有机床电气部分的接触器、继电器等。变压器箱安装在床身立柱的后面。数控柜内装有机床数字控制系统。主轴变速手柄用于手动调整主轴的正、反转、停止及切削液开停等。如图3.1所示：图3.1 XK714D数控铣床结构3 主轴组件设计3.1主轴组件设计主轴的设计直接对机器整体性能有很大的影响，是机床重要的部件，也是机床的执行件。其功用是支承并带动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，完成表面成形运动。主轴组件由主轴和其支承并组装在主轴上的密封及动力传动件等组成。由于本次设计数控机床需要高转速、大功率，而且加工过程时不方便人工操作，

19、所以主轴旋转时的精度，其结构的刚度与振动抗性及维持精度的能力是必不可少的。在我设计过程中主要考虑的是旋转精度、主轴的刚度、主轴的温升，可靠性以及精度的保持性，其中，温度温升将引起热变形使主轴伸长，轴承间隙的变化，降低了加工的精度；温升也会降低润滑油的粘度，恶化润滑条件。精度保持性对数控机床的主轴部件要求有足够的耐磨性，从而使其长期保持精度。3.2主轴的设计3.2.1主轴选材我设计时考虑主轴安装的刀具、夹具、轴承等零件的类型以及位置关系和安装定位方法和主轴加工工艺性和装配工艺性。采用空心阶梯轴，在高温、高速工作条件下必须有良好的力学性能，所以主轴的材料选择用45钢，主前端形式考虑机床类型和安装夹

20、具或刀具的形式。通过查参考资料锥度号为60 的主轴端部。下图为我设计的XK714D数控铣床的主轴端部，铣刀或刀杆在前端7:26的锥孔内定位，并由拉杆从主轴后端拉紧，且由前端的端面键来传递转矩。图3-1 XK714D数控铣床主轴前端3.2.2主轴机械工艺在设计过程中考虑到主轴的技术要求，还有制造的经济成本机器可行性，检测维护的方便性等我尽量做到检验、设计、工艺基准的一致性。为保证主轴的旋转精度，轴颈表面的精度和粗糙度需严格要求。普通精度机床主轴轴颈尺寸取IT5，形状公差数值选择为1/3。主轴锥孔应保证与轴颈中心线同心，以轴颈为基准面最后精磨锥孔。分别在主轴端部和距主轴端部300mm处。主轴安装滚

21、动轴承处的轴颈表面粗糙度Ra为0.004mm，安装滑动轴承的轴径表面粗糙度为0.002mm。3.3主轴的支承设计3.3.1主轴支承的设计准则参考相关文献，主轴支撑的核心元件是轴承，其是主轴轴承和多种零件的组合体，我根据主轴组件的旋转精度、转动转速、载重能力等要求方面考虑，根据传统铣床作为参考，一般的中小型数控机床的主轴组件中采用滚动轴承较多；而重型数控铣床多采用液静压轴承件；精度搞得数控铣床则用气态静压轴件；滚动轴对承转速和负载适应性非常强，且变速幅度大；在微小空隙或过盈条件下运行稳定，转动精度是比较高的；轴承易于润滑，且人工护理、圣餐方便，摩擦阻力不大，但是滚动轴承中滚动体的数量相对较少，导

22、致刚度产生波动，克服阻力也较小，径向尺寸较大。3.3.2轴承的选取及设计主轴组件的滚动轴承需要径向轴承和推力轴承来承受径向和其他两个方向轴向载荷。我在选取轴承类型参考了有关书籍，保证轴承刚度和负载、还有转速、振动抗性等参数，且结构要求合理进行选定还要根据工作环境，中高速重载、高速轻载、轴向载荷为主等载荷条件，而且尺寸相同的轴承，线式接触比点式接触的球轴承的机械刚度要高，但极限转速要低。根据主轴轴承的的结构组成参考结合刚度与，转速和振动抵抗能力及其工作环境等要求来选择。查阅相关资料，有速度型(主轴前后轴承都采用角接触球轴承)、刚度型（前支承采用双列短圆柱滚子轴承承受径向载荷和小角度接触两列向心推

23、力球轴承承受轴向载荷，后支承采用双列短圆柱滚子轴承）、刚度速度型（前轴承用三联角接触球轴承，后支承采用双列短圆柱滚子轴承）、三支承主轴（有时由于结构上的原因，主轴箱长度较大，主轴支承跨距超过两支承合理跨距很多，则增加中间支承有利于提高刚度和抗振性）等几种典型的配置形式。 所以根据本次设计目的及其条件和轴承选取的要求，主轴前支承我采用成组三联向心球轴承，轴承型号为7019C，后支承采用成对双联向心球轴承，轴承型号为7012C。 主轴轴承中、前、后轴承的精度对主轴在工作过程精度的作用是不同的。后作用比前作用主轴部件的旋转精度的影响要更小一些。因此在选取主轴精度时，我采用前轴承的精度高一点，后轴承精

24、度低一级。此外，在安装主轴轴承时，我将前、后轴承的偏移方向放在一侧，以有效地减少主轴端部的偏移。由于机床主轴轴承的精度常常采用P2、P4、P5、P6级，我设计的前支承滚动轴承选择6级精度，后支承滚动轴承选择5级精度。 在机床组装时，轴承滚道需预先承受一些载荷，用以消除间隙，并使得滚动体与滚道之间发生一定的变形，增大接触面积，轴承受力时变形减小，抵抗变形的能力增大。通常的办法，通过使轴承内、外圈相对轴向移动来实现轴承预紧。我采用通过调整法兰盘的螺栓，使法兰盘轴向压紧轴承来实现滚动轴承的轴向预紧的。3.4主轴组件的设计计算 由于主轴直径对主轴部件的刚度有影响。在满足精度时直径不要太大，且与它组装的

25、轴承等零件的尺寸不大。在本次设计中，根据统相关资料综合考虑选择主轴直径。主轴直径采用自前往后逐步减小。前轴颈直径D1大于后轴颈直径D2。考虑传统铣床铣床，一般D2=(0.70.9) D1。查阅相关文献，根据所选电动机的功率可初选主轴的前轴径D1=80mm，后轴径D2=0.75D1=60mm。传统机床主轴常常有中心孔，用来通过棒料和工具的安装。一定程度内主轴内径的尺寸对主轴强度影响不大，但有些时候可能使主轴强度迅速下降。由材料力学相关原理知刚度K越大，截面惯性矩I越大，其相关关系如下： (3.1)式中，K0、I0空心主轴的刚度和截面惯性矩； K、I实心主轴的刚度和截面惯性矩。通常情况下，0.8对

26、刚度影响不大；若0.8将使刚度急剧下降。由此可知除主轴端部外，主轴内孔直径d应小于64mm。现确定主轴的前面与主轴前作用径向支反力的作用处间距即悬伸量a，即主。参考相关文献分析可知，为了提高主轴组件的刚度和抗振性使其满足刚度要求，我在设计时满足结构要求的同时，对悬伸量a进行了缩减。根据先前选择的主轴前端尺寸以及轴承长度可知a=244mm。确定主轴的跨距（即前后支承的距离），根据参考文献可知：) (3.2) (3.3)通常L/a=23.5，通过计算后得出L=2.5a=610mm，符合要求。 先验算主轴，因为主轴为传动轴，其承受的弯矩很小，按扭转强度条件计算其强度。根据参考文献查得：对于实心轴，其

27、强度条件为 (3.4)式中，T为轴传递的转矩(Nmm)；WT为轴的抗扭截面模量(mm)；P为轴传递的功率(Kw)；n为轴的转速(r/min)；为轴的许用扭转剪应力(MPa)； 由上式得轴径d(mm)的计算公式 (3.5) 式中， A为由材料与受载情况系数，由表18-2可查取。对于空心轴，则有 (3.6)式中， =/d，即空心轴内径与外径之比，通常取=0.50.6。上式中n为计算转速可由下式求得 (3.7)将所求得数值代入式(5-6)可得 mm初选的后支承轴径为最小轴径d=60mm，d35mm由上述计算可确定主轴直径的选取合理。3.5主轴其他组件设计为满足精加工时精度较高的要求，且具备粗加工时高

28、效切削的能力，旋转精度、刚度、抗振性和热变形等方面，都有很高的要求。局部结构上，参考传统数控机床的主轴部件与其他高效、精密自动化机床。本机床主轴部件除主轴、主轴轴承和传动件等一般组成部分外，还有刀具自动装卸、吹屑装置、主轴准停装置等。主轴前支承采用成组三联向心球轴承，轴承型号为7019C，后支承采用背对背成对双联向心球轴承，轴承型号为7012C。前后轴承均用油脂润滑。刀具的自动夹紧装置是为了实现刀具的自动装卸，其装在主轴内。本次设计机床是由拉紧机构拉紧锥柄刀夹尾端的轴径来实现刀夹的定位及夹紧的。夹紧刀夹时，汽缸上腔接通回气，活塞被向上推移，拉杆在弹簧的作用下向上往复运动。由于此时拉杆前端径向孔

29、中所装的钢球进入主轴孔较小处，压杆径向回收而卡进拉钉的圆环形槽内，从而使刀杆被拉杆拉紧，通过阻尼作用固定在主轴上。换刀前需将刀夹松开时，压力气体进入汽缸上腔，拉杆在活塞推动向下移动，使碟形弹簧压缩；当钢球随拉杆一起向下移至进入主轴孔中较大处时，拉钉的头部不再被约束，紧接着刀夹碰到拉钉，使其松动。自动控制系统发出信号，换刀装置随后取下刀夹。同时由压缩空气清理积屑，由管接头进入中心通孔处吹入主轴刀孔内，以实现机床的正常运转。 4 XK714D数控铣床主传动系统设计4.1主传动系统的设计本次设计的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，变速功能大部分通过主轴电动机的无级调速来承担，由于

30、变速功能大部分是通过主轴电动机的无级调速系统来承担，所以其结构也被大大简化了。通过查阅相关文献，我设计时主要参考如下准则:速范围更广，且能进行无级变速。在保证工作时的各项参数的同时取用合理的切削用量并能发挥刀具的切削能力，在工人生产工作时效率更好，生产零件获得更高的精度，所以速度调节范围需要更大。机床的刚度和机械性能更加优秀，传动系统在正常的工作环境下噪音较低，以满足加工所预期的工精度的提高，其传动过程中所需的各个零件都要达到一定的精度，需要一定工艺生产手段，如齿轮齿面进行高频的感应加热增加耐磨性。振动及高热下的工作稳定性。为了在机床高转速时主轴回转时正常工作，加工时会产生运动部件的失衡和切削

31、过程中的自动振动的情况尽量避免，否则可能产生振动影响加工精度及其表面加工的质量的影响，严重的时候可能破坏刀具或者零件等情况考虑在内，以防意外。4.2 主传动功率选择 机床主传动的功率为P，根据切削功率Pc与主运动传动链的总效率P=Pc/ (4.1)由于数控机床的加工范围一般都比较大，参考相关资料切削功率PC由其主切削抗力Fz按下式来确定(kW) (4.2)FZ主切削力的切向分力（N），FZ取170N；V切削速度（mm/min），V取25m/s；M切削扭矩（Ncm）；n主轴转速（r/min）。代如公式4.2中得： (kW)主传动的总效率一般可取为 =0.700.85，我在计算时取0.85。机床的

32、主传动功率 P=4.5/0.85=5.29(kW)为了避免造成浪费，由传动功率确定主传动中各传动件尺寸来避免浪费。电机常在低负荷下工作，功率因素很小而浪费资源。并且功率不能定得过小，否则将限制机床的切削能力而降低生产率。所以，根据所算得的数据，查阅电机手册，选取FANUC8的交流无级变速电机，电机的功率为5.5kW，电机的额定转速为1500r/min，最高转速为8000r/min。现计算主轴在最低转速达到最小功率，电机应输出的功率电机适用的最低转速(kW) 电机适用的最低转速计算如下 nDsmin=PDSinm/PDnd(r/min) (4.3)nd电机的基本转速（r/min），nd=1500

33、r/minPD电机额定功率（kW），PD=5.5(kW)所以电机适用的最低转速nDsmin=（0.22/5.5）1500=60r/min。4、计算额定转矩根据上述计算画出电机实用转速范围的功率转矩特性图，图中电机额定转矩TDd(Nm)按下式计算：TDd=9550PD/nd=95505.5/60=875(Nm) (4.4)电机的最小转矩TDmin(Nm)计算 TDmin=9550Pd/ndmax=95505.5/4500=35(Nm) (4.5) 式中 nkmax为电机的最高转速为4500（r/min）电机实用的恒转矩变速范围RDT为：RDT=nd/ndsmin=1500/60=25 (4.6)

34、电机实用的恒转矩区的变速范围RD既是主轴恒转矩区高精尖速范围的对应值RnT，RnT=RDT图4-1 功率特性曲线图4-2 转矩特性曲线4.3 带传动设计同步带是靠带与轮啮合传动，齿形的环形传动带是其工作面。它具有传轴压力、结构紧凑、小动比准确、等优点，而且带轮直径可可采用较小的值和较小的轴间距，以及可在低速下传递动力等优点。参考相关资料一般参数如下：功率P300kW，传动比i10，线速度v50m/s，效率=0.920.98，工作温度-2080，主要用于同步的或低速的运动。XK714D数控铣床主轴的动力来自装在主轴箱上的交流主轴电机，电机轴上装有带轮，通过同步齿形带传至主轴上的带轮，从而使主轴获

35、得动力。同步带传动最基本参数节距Pb，即相邻两齿沿节线的长度。其中在带中保持原长不变的周线为节线，节线周长Lp称为公称长度。同步带按节距大小共分为7种带，根据同步带选型图，本次设计选用XH(特重)型同步带，节距为22.225mm。查参考文献10P537P547可知同步带传动设计计算过程。 计算功率 Pc=KP=1.25.5=6.6(kW)式中 P传递功率； K工况系数。 选取带型 已选取XH型 小带轮齿数 Z1Zmin，查表3.2-29得 Zmin=18，取Z1=18。 查文献10表 3.2-33可知小带轮节圆直径D=127mm，外径d=125mm。 大带轮齿数 Z2=iZ1=(n1/n2)Z

36、1=72。 查文献10表 3.2-33可知大带轮节圆直径D=510mm，外径d=507mm。 初定中心距a0 根据机床布局而定，a00.7(d1+d2)446mm。 带节线长及其齿数 根据a0，L0的数值再通过查表3.2-26取带长Lp=2134，Z=96，带长代号840。 根据Lp的数值，查表3.2-27取带宽为76.24.8，带宽代号300。 根据同步带的型号查表3.2-31可知同步带轮的结构尺寸，查表3.2-36可知同步带轮公差和表面粗糙度。 综上所诉，该铣床采用交流主轴电机无级调速。通过同步带传动的主传动系统配置方式。电动机本身的调速就能满足要求，不用齿轮变速，可以避免齿轮传动引起的振

37、动与噪声，以适用于高速、低转矩特性的要求。165 伺服进给传动系统设计5.1 伺服进给系统的设计思路在机床的伺服进给系统设计过程中，在表态设计方面需要能够克服摩擦力和负载。目前快进速度通常为 60100m/min。进给时要速度平稳，无爬行现象。具有足够的加速和制动转矩，以便快速的完成启动制动过程。良好的动态传递性能非常重要，用来保证在加工过程中获得轨迹精度和满意的粗糙度。在设计数控机床机械传动部件时要使被加速的运动部件具有较波折惯量，部件高的刚度，且有良好的阻尼，传动部件在拉压强度与扭转时的力矩，磨擦阻尼与间隙等不成比例。5.2 滚珠丝杠螺母传动装置的设计机床所具有的加工精度、机械传动部件的设

38、计对加工工件表面精度及其生产率和进给伺服系统的伺服性能有较大的影响。除此此外还要求伺服电机速度环的动特性与机械部分动特性相协调。1、工作原理滚珠丝杠螺母将回转运动与直线运动相互转换，是传动数控机床伺进给系统中常用的的传动装置。其原理是：在丝杠和螺母上分别加工出弧状螺旋槽，这两个合起来的圆弧槽形成了螺旋滚道，滚珠在丝杠相对螺母旋转时在螺旋滚道内滚动从而使二者发生一定方向的相对位移。2、特点 摩擦损失小，传动效率高； 运动平稳,摩擦力小、灵敏度高、低速时无爬行； 轴向刚度高、反向定位精度高； 传动具有可逆性、不能自锁； 同步性好； 有专业厂生产，选用配套方便。5.2.1 滚珠丝杠总体设计 滚珠丝杠

39、螺母传动装置主要有两种：（1）外循环插管式（2）内循环反向器式。在设计时我采用了内循环反向器式滚珠丝杠螺母传动装置。这种内特环反向器式与外循环插管式相比，其结构紧凑，定位可靠，刚性好，且不易磨损，返回滚道短，不易发生滚珠堵塞，磨擦损失也小。滚珠丝杠螺母在安装时还要进行消除间隙和预加载荷，实现这些功能有很多方法，采有的是齿轮差消隙法。齿轮差消隙法是在两个螺母的凸缘上分别切出齿数为Z1和Z2的圆柱齿轮，且Z1和Z2仅相差一个齿，两个圆柱齿轮分别与两端相应的内齿轮相啮合。内齿轮用螺钉和定位销固定在套筒上。预紧时先脱开内齿轮，转动其中的一个螺母，然后再合上内齿轮。当两个滚珠丝杠螺母相对于套筒方向转动时

40、，则其铀向位移量S=hsp/z1。如果两齿轮沿同一方向各转过一个齿时，其轴向位移量S=()hsp。当z1=99，z2=100，hsp=10mm时，则S=10/99001m，即两个螺母在轴向上产生1m，的位移。这种调整方式的结构复杂，但调整精确可靠，精度较高。目前在数控机床上应用较广泛。本次设计采用了一端固定，一端浮动的安装方式，从而使刚度较高，轴承间隙很小时丝杠的轴向刚度为一端固定的4倍。丝杠的支承一端采用7306C/DF型角接触球轴承面对面组配，另一端采用6206/P5型深沟球轴承。5.2.2 滚珠丝杠螺母副的设计计算1、滚珠丝杠螺母副的参数 公称直径d0滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络

41、滚珠球心的圆柱直径，它是滚珠丝杠的特征尺寸。 导程L丝杠相对于螺母旋转任意弧度时，螺母上的基准点的轴向位移。 基本导程L0丝杠相对于螺母旋转2rad时，螺母上的基准点的轴向位移。 接触角在螺纹滚道法向剖面内滚珠球心与滚道接触点连线和螺纹轴线的垂直线间的夹角，理想的接触角等于45o。 滚珠直径db滚珠直径应根据轴承厂提供的尺寸选用。 滚珠总数N一般N不超过150个。2、计算过程基本参数的选取及计算丝杠的公称直径d0，导程L，滚珠直径db，基本导程L0都是按照文献10来选取的。接触角为45o。根据最大工作负载pmax作用下的使用寿命T，和丝杠的转速n及工作长度L，计算出作用在滚珠丝刚上的最大动载荷

42、Q，带入Q=fwfhP中，经过计算，我选择FFZ74010型内循环浮动返回器双螺母对旋预紧滚珠丝杠副。名义直径d0为40mm，基本导程为10mm，每个螺母滚珠有5列，根据X、Y轴最大行程可确定X、Y两个传动方向的丝杠工作长度。强度计算滚珠丝杠在工作过程中承受轴向负载，使得滚珠和滚道面之间产生接触应力，对滚道型面上某一点，是交变接触应力。在这种交变接触应力作用下，经过一定次数的应力循环后，滚珠或滚道产生疲劳损失，从而使滚珠丝杠丧失工作性能，这是滚珠丝杠失效的主要原因。在设计滚珠丝杠副时，必须保证它在一定的轴向负载的作用下，在回转了106转后，滚道上虽然受滚珠压力，但不应有点蚀现象发生。此时所能随

43、的轴向载荷称为这种丝杠能随的最大动载荷Q。最大动载荷Q通过实验的方法来确定，一般采用滚珠丝杠在转速n=33r/min条件下，运行500h为标准。工作负载P是指数控机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力。它的数值可以由下列进给牵引力的实验公式计算：(以下公式均由参考文献3P146179查得)对于矩形导轨的机床 P=KPx+f(Pz+Py+G)(N) (5.1)对于燕尾形导轨的机床 P=KPx+f(Pz+2Py+G)(N) (5.2)式中 Px，Py，Pz为各个方向的切削分力，大约各为300N，200N，500N左右； f导轨上的磨擦系数，对于矩形导轨取0.15，对于燕尾形导轨为0.2； K

44、考虑颠覆力矩影响的实验系数，对于矩形导轨取1.1，对于燕尾形导轨为1.4。所以 对于矩形导轨的机床 P=1.1300+0.15(300+200+400)=465N对于燕尾形导轨的机床 P=1.4300+0.2(300+200+400)=600N在设计滚珠丝杠副时，从工作负载P计算出最大动负载Q，设计时采用滚珠轴承的方法，由疲劳强度计算公式： s=（）3=（）3=3.79 (5.3)式中 Q最大动载荷（N），Q=78.29N P工作载荷，500N；L工作寿命 工作寿命L的值可以由下面的公式来计算：N滚珠丝杠的转数，800r/min；T使用寿命时间15000h。预紧力的计算在滚珠丝杠上施加预紧力后

45、，可提高轴向则度和传动精度。但预紧力不能太大，过大则影响使用寿命。因此，要在满足所需的使用寿命和精度的要求下，合理的决定预紧力的大小。滚珠和螺纹滚道间由于受轴向力的作用而产生轴向变形，在弹性变形范围内，变形量的大小可按赫兹公式计算： =KP (5.4) 式中 K与道的半径曲率，材料的弹性模量有关的系数，取21106N/cm2；对于确定的滚珠丝杠来说，K是常数。只是P的函数。设对螺母A，B施加了预紧力P，相应的变形量为P，当外加轴向载荷P时，螺母B在接触点处又产生了的弹性变形。而螺母A由于弹性恢复，其接触点上的变形量反而减少了，其结果螺母A，B在P和P的共同作用下，总变形量为： A=- (5.5

46、) B=+ (5.6)此时，若继续增大P，则螺母A中的滚珠和滚道刚好接触，如果再继续增大P，就会出现间隙。因此，要保证丝杠在最大轴向载荷Pmax作用下没有间隙，P就必须要满足一定的关系：当A=0-=0时。0=，此时螺母B的变形为：B=0+=20又 B=KP =KP KP=2KP于是得 P0=P预= (57)由此得到结论：在双螺母预紧的滚珠丝杠副中，为使螺母和丝杠之间不出现大的间隙，应使预紧力近似等于最大轴向载荷的1/3。P过小，不能保证无间隙传动；P0过大，会降低传动效率和承载能力。所以在这里，可以选择的预紧力是最大载荷的1/3。效率计算根据机械原理公式，丝杠螺母副的传动效率为： = (5.8

47、)式中 y螺纹的螺旋升角，大约为3.31o 磨擦角。滚珠丝杠副的滚动磨擦系数f=0.0030.004，其磨擦角可计算为=arctgf=0.1718。计算得： =0.862滚珠丝杠的传动效率较高（可在0.80.9之间）。这可使丝杠副的温度变化较小，对减少热变形，提高刚度，强度都起了很大的作用。刚度验算滚珠丝杠是数控机床中精密传动部件，轴向力可使其产生一定伸缩变化，扭矩的作用可使其产生扭转，从而丝杠的导程发生变化，影响其动力传动和位置精度，因此验算滚珠丝杠在高载荷情况下的形变。滚珠丝杠受工作负载P的作用而引起导程LO的变化量L1，其值可按下式计算： (5.9)式中 P工作负载500N； L滚珠丝杠

48、的基本导程，取1cm；E弹性模量，取2.1106N/cm2；F滚珠丝杠的截面积，取0.812cm2；“+” 号用于拉伸的时候，“-”号用于压缩的时候。滚珠丝杠因受扭矩作用而引起导程的变化量L2，可按下式计算：L2=(cm) (5.10)式中，在扭矩M的作用下，滚珠丝杠每一导程长度两截面上的相对扭转角，可取为0.0054dec/mm。综合上述结果，滚珠丝杠在工作负载P和扭矩M的作用下，每引起的每一导程变形量L为： (5.11)如果滚珠丝杠长度为1m，则其上共有100/LO个导程。它的导程变形总误差为：=L=1.6310-5(cm/m) (5.12)具体的误差值与精度等级可以通过查阅相关滚珠丝杠的

49、资料来确定。稳定性验算机床的进给丝杠通常是受轴向力的压杆，若轴向力太大，将使丝杠失去稳定而产生翘曲。长压杆失稳时的临界负载Pk可根据材料力学中的欧拉公式计算： Pk=(N) (5.13)式中 E丝杠材料弹性模量，取E=3.5106N/cm2l丝杠的工作长度，90cmJ截面惯性矩，取1.2108cm4丝杠轴端系数，这是有支承条件决定，这里可以取为1则计算上式： Pk=511N nk=临界负载Pk与工作载荷P之比称为稳定性安全系数nk。如果稳定性安全系数nk大于许用的稳定性安全系数nk。则该压杆安全，不致失稳。对于水平的丝杠，考虑到自重可取nk4。而1.02远远小于4，所以混珠丝杠是可以稳定的。经

50、过上述验算，取公称直径d为40mm的滚珠丝杠是足可以满足设计要求的。5.3 伺服电机的选择5.3.1 电机的选取为了选取满足上述条件的电机，需要进行负载扭矩计算，惯量匹配计算和加减速扭矩计算。1、负载扭矩计算 考虑到工作过程中机床传动效率和机床磨擦因素，滚珠丝杠所克服的外部载荷P保持运动所需力矩，应按下式计算： Ml= (5.14)式中M1等速运动时的驱动力矩（Nmm）； Fa预紧力，通常预紧力取最大轴向工作载荷Fmax的1/3，即Fa=Fmax/3，大约为300N；K双螺母滚珠丝杠的预紧力矩，500Nmm；Lsp丝杠导程，10mm；P滚珠丝杠轴向外部载荷，1000N；F作用于丝杠的轴向的切削力，大约为200N；W法向载荷； 导轨磨擦系数，取=0.0030.004；1滚珠丝杠的效率，取0.900.95；MB支承轴承的磨擦力矩，大约为2.5Nm；Z1齿轮一的齿数40；Z2齿轮二的齿数80。代入上面的公式得：M1=（500+2.5）=1134.6 Nmm最后按满足下式的条件选伺服电机：M1MS (5.15) 式中 Ms一伺服电机的额定转矩。2、惯量匹配的计算 为了增加伺服进给系统的进给部件响应速度，选用的电动机要有一定的加速能力，且有较快的响