五轴联动表面感应加热淬火机床设计（Z轴）【含14张CAD图纸】
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毕业设计（论文）广西工学院毕业设计(论文)课题名称 五轴联动表面感应加热淬火机床设计专题：机床总体结构、Z轴结构及传动设计XY轴滚珠丝杠螺母副传动方式系 别 专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 教研室主任 系 主 任 年 月 日摘 要本文全面阐述了五轴联动表面感应加热淬火机床的结构原理，设计特点，论述了采用伺服电机和滚珠丝杠螺母副的优点。详细介绍了五轴联动表面感应加热淬火机床的结构设计及校核，并进行了分析。另外汇总了有关技术参数。高速度、高精度、高效率和高刚度已成为当今数控机床发展的主要方向，普通龙门机床一般只能进行单面淬火，当淬火零件的另一个表面时，需要加装一个直角转换头或者调转零件的淬火面后重新装夹，这不但增加了机床操作者的劳动强度，影响淬火效率，并且重新定位装夹也降低了零件的淬火精度，为了弥补这些不足，龙门五轴联动表面感应加热淬火机床便应运而生。五面体五轴联动表面感应加热淬火机床一次装夹就能实现工件五个表面的淬火，这大大提高了零件的淬火精度和淬火效率，降低生产成本，因此五面体五轴联动表面感应加热淬火机床成为当前数控机床行业重点研究的对象之一。其中着重介绍了滚珠丝杠的原理及选用原则，系统地对滚珠丝杠生产、应用等环节进行了介绍。包括种类选择、参数选择、精度选择、循环方式选择、与主机匹配的原则以及厂家的选择等。关键词：五轴联动表面感应加热淬火机床，数控，伺服电机，滚珠丝杠AbstractThis paper describes the structure and principle, five axis surface induction hardening machine design features, discusses the advantages of using servo motor and ball screw nut pair. This paper introduces in detail the structure design and calculation of five axis surface induction hardening machine, and analyses the. In addition a summary of the relevant technical parameters.High speed, high precision, high efficiency and high stiffness has become the main direction of the development of CNC machine tools, general Longmen machine tool generally only one side quenching, when another surface hardening of parts, need to install a right angle conversion or transfer quenching surface after the heavy clothes clip, which not only increase the labor intensity the effect of quenching machine tool operators, efficiency, and re positioning and clamping also decreases the quenching accuracy of parts, in order to make up for these deficiencies, Longmen five axis surface induction hardening machine will emerge as the times require. Five sides of five axis surface induction hardening machine once clamping workpieces can be realized five surface quenching, which greatly improves the accuracy of quenching and the quenching efficiency, reduce the production cost, so the five sides of five axis surface induction hardening machine has become one of the key research object number controlled machine tool industry.The paper introduces the principle and selection of ball screw, ball screw system of production, application and other aspects were introduced. Including the principle and type selection, parameter selection, manufacturer of precision, circulation mode selection, selection and matching host selection.Key Words: five axis surface induction hardening machine, CNC system, servo motor, ball screw目 录摘 要IIAbstractIII目 录IV第1章 绪 论11.1 数控系统的发展及趋势11.2 五轴联动表面感应加热淬火机床淬火的基本原理21.3 课题研究的目的和意义3第2章 设计的内容及要求42.1课题的主要内容和基本要求42.2进度计划与应完成的工作42.3 设计的内容52.3.1 数控装置总体方案的确定52.3.2 机械部分的设计52.3.3 编写设计说明书52.4 机床主要部件及运动方式的选定6第3章 AC轴选型确定73.1 AC联动回转轴设计内部结构73.2 AC轴三种方案9第4章 Z轴进给系统的设计计算124.1 滚珠丝杠螺母副的选用设计124.1.1 滚珠丝杠副的传动原理124.1.2 滚珠丝杠副的传动特点134.1.3 滚珠丝杠副的结构与调整134.1.4 轴向间隙的调整和加预紧力的方法154.2滚珠丝杠的选择164.2.1滚珠丝杠的精度164.2.2 滚珠丝杠参数的计算164.3伺服电机的选择204.3.1最大切削负载转矩的计算204.3.2负载惯量的计算214.3.3空载加速转矩计算224.4滑动导轨的选择计算224.4.1工作载荷的计算234.4.2小时额定工作寿命的计算234.4.3距离额定工作寿命的计算234.4.4额定动载荷计算及选型244.5联轴器的选择244.6轴承的选择254.7 滚珠丝杠副的安全使用264.7.1 润滑264.7.2 防尘264.7.3使用264.7.4 安装27第5章 床身的设计27总结29参考文献30致 谢3131第1章 绪 论1.1 数控系统的发展及趋势1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。数控NC阶段（1952年-1970年）早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路搭成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIRED NC），简称为数控（NC）。随着元器件的发展，这个阶段经历了三代，即1952年的第一代电子管；1959年的第二代晶体管；1965年的第三代小规模集成电路。 计算机数控（CNC）阶段（1970年-现在）到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段（把计算机前面应有的“通用”两个字省略了）。到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR），又可称为中央处理单元（简称CPU）。到1974年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。到了1990年，PC机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于PC的阶段。总之，计算机数控阶段也经历了三代。即1970年的第四代小型计算机；1974年的第五代微处理器和1990年的第六代基于PC（国外称为PC-BASED）。还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即CNC）了，而我国仍习惯称数控（NC）。所以我们日常讲的数控，实质上已是指计算机数控了。3.数控未来发展的趋势 (1) 继续向开放式、基于PC的第六代方向发展基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。(2) 向高速化和高精度化发展这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。 (3) 向智能化方向发展随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。 1.2 五轴联动表面感应加热淬火机床淬火的基本原理数控控制（Numerical Control）是用数字化信号对机床的运动及其淬火过程进行控制的一种控制方法。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是现代化工业生产中的一门新型的，发展十分迅速的高新技术。数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围所覆盖的领域又：机械制造技术；微电子技术；信息处理淬火传输技术；自动控制技术；伺服驱动技术；检验监控技术；传感技术；软件技术等。数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的是能技术和最基本的装备。在提高生产率，降低成本，保证淬火质量及改善工人劳动强度等方面，都有突出的优点；特别是在适应机械产品迅速更新换代，小批量，多品种生产方面，各类数控装备是实现先进制造技术的关键。数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。国际信息处联盟（International Federation of Information Processing, IEIP）第五技术委员会，对数控机床作了如下的定义：数控机床是一种装了程序控制系统的机床。该系统能逻辑的处理具有使用码或其他符号编码指令规定的程序。龙门加工中心经过长期的技术发展和推动，已从传统的单轴式发展到多轴式，从传统龙门加工中心发展到现代化智能的加工中心，从单面的加工发展到多面的加工，发展速度快，技术比较成熟。但是对于龙门五面体加工中心，由于我国基础技术薄弱，研究方法落后，资金投入不足等原因，以及国外对核心技术的封锁，导致我国五面体加工中心发展缓慢4。从龙门加工中心主要部件的发展情况来看，国内外龙门加工中心的龙门和滑枕的机构基本都具有以下特点：1. 龙门 主要是由一个横梁和两个立柱构成。分为横梁固定、横梁靠定位块锁定分段升降和横梁任意升降三种类型。横梁固定式结构机床刚性好，但不适合加工大型工件，因为在加工靠近工作台面的工件部位时，滑枕伸出长度过大，加工刚性较差，影响加工尺寸精度；横梁靠定位块锁定分段升降型结构机床刚性较好，但横梁升降运动不能与滑枕上下移动联动，且操作较复杂；横梁任意升降型结构横梁升降运动可以与滑枕上下移动联动，加工范围较广，适合新产品开发。立柱和横梁的横截面为矩形，刚性好，可耐重切削并长期保持高精度。主轴箱在横梁上的导轨有自重平衡装置，其动作灵活、迅速且准确。由于主轴箱左右移动时，横梁升降用滚珠丝杠所受负载有变动，使精度降低，所以采用配置在横梁左右两侧的油缸来平衡主轴箱左右移动造成的变动负载和横梁本身的自重，以提高机床的精度。2. 滑枕 从结构上可分为开式和闭式两种型式。开式结构的滑枕通过压板夹紧在主轴箱上，滑枕的截面积大；闭式结构的滑枕被夹紧在主轴箱内，滑枕的截面积小。主轴箱内有液压平衡装置，使滑枕上下移动灵活，可实现强力重切削。主轴滑枕内部采用强制内冷却，即使作长时间连续重切削，也可保持高精度。滑枕的行程以满足工件侧面下部的加工要求为宜，不宜太长，以免影响加工时的机床刚度。滑枕采用一体型的结构，以提高机床的整体刚性。1.3 课题研究的目的和意义我国近几年五轴联动表面感应加热淬火机床进给机构虽然发展较快，但与国际先进水平还存在一定的差距，主要表现在：可靠性差，外观质量差，产品开发周期长，应变能力差。针对传统五轴联动表面感应加热淬火机床进给机构的不足之处及生产中存在的问题，有必要在传统机床的基础上研究出新型五轴联动表面感应加热淬火机床进给机构。通过对传统铣床手动的进给系统、夹紧系统及传动系统的创新设计，加入新技术，从而提高产品质量和生产效率，实现自动化，降低劳动强度及工作量。五轴联动表面感应加热淬火机床进给机构的发展现状和趋势是：在规格上将向两头延伸，即开发小型和大型进给机构；在性能上将研制以钢为材料的进给机构，大幅度提高进给机构的承载能力；在形式上继续研制多轴并联，甚至于五轴并联的进给机构。综上所诉，五轴联动表面感应加热淬火机床进给机构的开发和设计具有很高研究的意义.本课题采用类似的机床结构设计成果的方法，进行五轴联动表面感应加热淬火机床进给机构的设计，使其能够实现更好的工业生产自动化。本课题对五轴联动表面感应加热淬火机床进给机构部件进行了设计，研究五轴联动表面感应加热淬火机床的结构，主要部件及典型零件的设计方法，其意义如下：1、通过对数控机床的结构设计和研究掌握机构设计的一般步骤和方法；2、通过对课题的研究，了解国内外有关数控机床的技术现状和发展趋势；3、通过毕业设计培养自己的创新精神，提供分析问题和解决问题的能力。第2章 设计的内容及要求2.1课题的主要内容和基本要求本课题要求设计一台五轴联动表面感应加热淬火机床，X、Y轴采用滚珠丝杠螺母副传动方式实现运动变换，机床主要设计参数下表所示：X轴有效行程5000 mmY轴有效行程3000 mmZ轴有效行程1000 mm 工作台尺寸2500 mm5000 mm加工进给速度0.5 m/min快速进给速度10 m/min驱动电机最高转速2000 r/min2.2进度计划与应完成的工作应完成的工作：1、完成二万字左右的毕业设计说明书，其中包括400字左右的中文摘要，英文摘要应与中文摘要内容完全相同；2、完成与课题相关，不少于3000汉字的英文资料翻译（附英文原文）； 3、完成机床总体结构、Z轴结构及传动设计；4、绘制装配图及所有非标件零件图。进度计划：1、第1-2周，查阅相关资料，了解表面感应加热淬火机床技术技术要求，完成开题报告；2、第3周，翻译一篇与设计相关的英文论文；3、第4-5周，根据设计要求确定总体方案及计算；4、第6周，根据设计要求完成AC轴选型，查找其技术参数；5、第7-11周，完成机床总体结构、Z轴结构及传动设计；6、第12-14周，绘制图纸；7、第15周，编写毕业设计说明书，准备答辩。2.3 设计的内容2.3.1 数控装置总体方案的确定 (1).数控装置设计参数的确定； (2).方案的分析，比较，论证。2.3.2 机械部分的设计(1).确定脉冲当量；(2).机械部件的总体尺寸及重量的初步估算；(3).传动元件及导向元件的设计，计算和选用；(4).确定伺服电机；(5).绘制机械结构装配图；(6).系统等效惯量计算；(7).系统精度分析。2.3.3 编写设计说明书(1) 说明书是设计的总结性技术文件，应叙述整个设计的内容，包括提方案的确定，系统框图的分析，机械传动设计计算，选用元器件参数的说明；(2)论文正文不少于10000字。2.4 机床主要部件及运动方式的选定（1）伺服电机的选择 本次设计选用交流伺服电机，根据本进给系统定位精度的要求，初步选用半闭环伺服系统。如果经计算后半闭环系统不能满足定位精度要求，可改用全闭环伺服系统。交流伺服电机有交流同步电机和交流感应电机。交流感应电机结构简单，与同容量的直流伺服电动机相比较，质量轻、价格便宜。缺点是不能经济的实现范围较大的平滑调速。所以数控机床的进给系统中一般不采用这种电动机。 交流同步电动机的转速与所用电源的频率之间存在一种严格的关系，即在电源电压和频率固定不变时，它的转速是稳定不变得。由变频电源供电给同步电动机时，便可方便地获得与频率成正比的可变速度。并可得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。其结构虽然比感应电动机复杂，但比直流电动机简单。同步电动机又分为电磁式和非电磁式两大类。在后一类中又有磁滞式、永磁式和反应式多种。在数控机床的进给驱动系统中，多采用永磁式同步电动机。在数控机床进给驱动中，采用具有大转矩、宽调速并装有反馈元件的机电一体化的永磁式交流同步电动机已十分普及。（2）滚珠丝杠螺母副的选择 滚珠丝杠具有高精度、高刚度、高效率及无间隙等优点。特别是在半闭环加工系统中，滚珠丝杠自身的精度对机床加工精度有很大的影响，定位精度在很大程度上受到滚珠丝杠精度的影响。滚珠螺母副4的滚珠循环方式一般会分为外循环和内循环两种。对于内循环方式，滚珠在循环过程中始终保持与滚珠丝杠接触。内循环滚珠丝杠螺母副工作滚珠数目少，径向尺寸紧凑，摩擦损失少，流畅性好，传动效率高，轴向刚度好，但回珠器槽行比较复杂，需三坐标数控机床才能进行加工。外循环过程中滚珠与丝杠脱离接触，目前使用插管完成滚珠循环的结构，结构简单，工艺性好，但滚道管子突出于螺母外面，所以外循环滚珠丝杠螺母径向尺寸较大。滚珠和滚珠丝杠螺母副接触处有过盈配合，即两者达到预紧；滚珠丝杠螺母副事先通过调节左右螺母的相互离开和靠近消除间隙。常用的消除间隙或预紧的办法有垫片是调隙结构、螺纹式调隙结构和齿差式调隙结构。本次设计采用垫片式调隙结构。（3）导轨副的选用 要设计的进给机构的导轨选用贴塑导轨，它属于滑动导轨，是在机床的动导轨面上贴上一层抗磨软带，导轨副的另一个固定导轨面为淬火磨削面。这样就会使导轨摩擦系数变为0.030.05，导轨速度可达30m/min，刚度比较高，动、静摩擦系数差值小，没有爬行。耐磨性与铸铁对铸铁导轨副相比可提高13倍。第3章 AC轴选型确定由于五轴联动表面感应加热淬火机床其中的五轴联动工作原理，可以借鉴五轴联动数控加工中心/数控镗铣床的工作原理，本课题选型是借鉴五轴联动数控加工中心/数控镗铣床的思路进行设计。3.1 AC联动回转轴设计内部结构AC联动回转轴设计内部结构图五轴数控机床的3个直线运动轴和两个回转运动轴联动使淬火头始终垂直于工件曲面, 从而实现复杂曲面的高精度加工。五轴数控机床有立式与卧式两种类型。数控机床的5个运动轴为X、Y、Z 3个直线轴和A、C两个回转轴。卧式数控机床的5个运动轴为X、Y、Z 3个直线轴和A、B 两个回转轴。由于卧式机床的主轴在径向有自重力, 轴承高速运转时径向受力不均, 因而主轴转速不宜过高, 一般限制在2000 r /min 以下。而立式机床主轴不存在自身重力影响, 最高转速可达到40000 r /min。对于模具复杂曲面的加工常用小直径淬火头, 而小直径淬火头必须有很高的转速才能达到高精度要求。因而该机床采用立式结构。立式结构的两个回转轴是A、C轴。该机床将A、C 回转轴设置在主轴上。铣头绕Z 轴旋转360, 形成C轴, 绕X 轴旋转90形成A 轴。这样的结构形式工作台上无旋转轴, 因此工作台承受力大, 工作台的尺寸也可设计得大些, 更重要的是主轴加工非常灵活, 尤其是用球面淬火头加工曲面时, 可使球面淬火头避开顶点切削,保证有一定的线速度, 从而提高表面加工质量。具体结构如图2所示, C轴传动系统安装在基座上面, 通过一穿过基座的传动轴与A轴摆动头相连, A 轴传动系统安装在基座下面。整个装置各传动副和支承零部件安装空间大, A 轴与C轴传动轴的直径不受其限制, 因此铣头的整体刚度大,工作平稳, 抗冲击性强2 。另外, A、C轴联动铣头的传动环节少, 并且设计了蜗轮蜗杆消隙装置, 有效地消除了回转轴的轴向和径向间隙, 从而保证了回转精度和承载能力, 并可在传动零件出现磨损时调整间隙, 延长传动副使用寿命。A、C轴联动铣头的定位精度为0.003,重复定位精度为0.005。蜗轮蜗杆消隙装置结构如图3所示, 蜗杆由多段蜗杆套组成, 各段蜗杆套之间安装有弹性元件, 弹性元件迫使蜗杆套与蜗轮相互压紧, 使相互啮合的齿侧均无间隙, 从而保证了传动精度。图3蜗轮蜗杆消隙装置参考网址：桂林机床股份有限公司/Product.asp?BigClassName=%CF%B3%CD%B7%A3%AE%BB%FA%B4%B2%B8%BD%BC%FE3.2 AC轴三种方案摆动式铣头1.摆动式A轴铣头可绕A轴100旋转分度，配合数控回转工作台及三个直线轴可实现五轴联动和多种空间方向的加工。2.主轴锥孔型式：BT50。3.主轴转速：102500rpm 4.主电机功率：15kw 5.可配置于我公司的XK23WT系列龙门铣床，特别适合于加工中小型叶轮及模具加工行业。1.摆动式B轴铣头可绕B轴45旋转分度，配合数控回转工作台及三个直线轴可实现五轴联动和多种空间方向的加工。 2.主轴锥孔型式：BT50。 3.主轴转速：606000rpm 4.主电机功率：12kw 5.可配置于我公司的XK71系列床身铣床，特别适合于加工中小型叶片及凸轮加工行业。主传动驱动型AC轴自动分度铣头2.主传动驱动型AC轴自动分度铣头C轴可370旋转分度(分度单位2.5)，A轴可100旋转分度(分度单位2.5)，可实现自动五面加工和各种空间方向的加工，进一步提高了机床的柔性化水平，扩大了机床的加工范围。 3.获实用新型国家专利，专利号：200520034965.9。 4.主轴锥孔型式：BT50。 5.主轴转速：102500rpm 6.主电机功率：30(S1)/37(S6)kw 7.可配置于我公司的XK23、XK25、XK26、XK27、XK29系列龙门铣床，XK71、XK77、XK79系列床身铣床，实现五轴联动加工。摆动式AC轴联动铣头1.作为五轴五联动数控机床核心功能部件的摆动式AC轴联动铣头，我公司是国内最先研制的厂家，已有近十年连续不断的设计、制造、改进经验，并具有自主知识产权。 2.获实用新型国家专利，专利号：200520034312.0。 3.铣头C轴可370旋转，A轴可100回转。 4.A轴夹紧扭矩达2000Nm，C轴夹紧扭矩达4000Nm。 5.可选择配置国产或进口高速精密电主轴。 6.主轴锥孔型式可选择BT40或HSK63A。 7.电主轴电机功率、扭矩、转速： 28(S1)/39(S6)kw，89(S1)/124(S6)Nm，10010000rpm 27(S1)/32(S6)kw，130(S1)/150(S6)Nm，10010000rpm 34(S1)/43(S6)kw，72(S1)/91(S6)Nm，10024000rpm 8.可配置于我公司的XK23、XK25、XK26、XK27、XK29系列龙门铣床，XK71、XK77、XK79系列床身铣床，实现五轴联动加工。本课题要求设计一台五轴联动表面感应加热淬火机床，X、Y轴采用滚珠丝杠螺母副传动方式实现运动变换，机床主要设计参数下表所示：X轴有效行程5000 mmY轴有效行程3000 mmZ轴有效行程1000 mm 工作台尺寸2500 mm5000 mm加工进给速度0.5 m/min快速进给速度10 m/min驱动电机最高转速2000 r/min根据上述叙述，结合本课题参数要求选择摆动式AC轴联动铣头，结合同类型机床参数，选择参数为：28(S1)/39(S6)kw，89(S1)/124(S6)Nm，10010000rpm的摆动式AC轴联动铣头。第4章 Z轴进给系统的设计计算4.1 滚珠丝杠螺母副的选用设计铣床进给机构的进给运动，由进电机的转动，然后带动车床丝杠传动。在数控车床上的丝杠传动，可以用普通的丝杠传动，也还有应用滚珠丝杠来转动。原因是普通丝杠传动摩，但总是不太稳定。 所以，在五轴联动表面感应加热淬火机床上要擦系数大，效率低，传动中有间隙。虽然传动中的间隙可以用一些办法来补偿，修正采用滚珠丝杠传动。滚珠丝杠传动有一系列的优点，但制造工艺较为复杂，成本高，在某些应用上受到一定的限制，但随着数控车床的发展，它的使用将会更加广泛。 滚珠丝杠传动都使用防护罩，以防止空气中的尘土和其它杂物等进入。 滚珠丝杠和滚珠螺母组成滚珠丝杠螺母副，它是把步进电机的转动角位移，变换成数控车床进给机构的的直线位移。 滚珠丝杠螺母副，也简称为滚珠丝杠副，是一种新的传动机构，它是在丝杠和螺母的螺旋槽之间装有滚珠，以此作为中间元件的一种传动机构。4.1.1 滚珠丝杠副的传动原理丝杠和螺母上都有圆弧形的螺旋槽,这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成螺旋线的滚道,在滚道内装有许多滚珠.当丝杠旋转时,滚珠相对于螺母上的滚道滚动,因此丝杠与螺母之间滚道的摩擦为滚动摩擦.为防止滚珠从螺母中吊出来,在螺母的螺旋槽两端应用挡住器挡住,并设有回路滚道是他的两端连接起来.使滚珠从滚道的一端滚出后,沿着这个回路滚道从新返回到滚道的另一端,可以循环进行不断地滚动。4.1.2 滚珠丝杠副的传动特点滚珠丝杠副的优点是:传动效率高,因为它是滚动摩擦,传动效率可达0.920.96,比普通的丝杠传动提高34倍.由此带来了一系列的优点,如功率损耗小,传动平稳,磨损小,无爬行现象等等.除此而外还有两个特点,一是:一般的丝杠传动总是有间隙,而滚珠丝杠可以消除间隙,所以当丝杠转动反向时,可以没有空程,提高了反向的定位精度,也增强了传动刚度.二是:一般的丝杠传动只能使旋转运动转变为直线运动,而滚珠丝杠副由于传动的摩擦系数小,所以既能把旋转运动转变为直线运动,也可以从直线运动转变为螺旋运动,具有传动的可逆性,因此可以作为主动件,也可以作为从动件.它也有缺点,主要是元件的精度要求高,光洁度要求也高,所以制造工艺很复杂,成本也高.对于丝杠和螺母上的螺旋槽,一般要求磨削成型,因而制造困难,也限制了使用.又由于传动的可逆性,所以不能自锁,当应用在垂直传动装置时,由于自重和惯性的关系,在下降过程中不能立刻停止,因此还需要备有制动装置.4.1.3 滚珠丝杠副的结构与调整滚珠丝杠副的结构尽管在形式上有很多类型，但其主要区别是在螺纹滚到的型面形状，滚珠循环的方式，轴向间隙的调整和加预紧力的方法等三个方面。（1）螺纹滚道型面的形状螺纹滚道型面的形状有很多种，目前国内正式投产的，仅有单圆弧型面和双圆弧型面两种，如图所示。滚珠与滚道型面接触点法线与丝杠轴线的垂线之间的夹角，称为接触角（）。（a）单圆弧 (b) 双圆弧图4-1 滚珠丝杠副螺纹滚道型面的截形（2）单圆弧型面 一般滚道的圆弧半径要比滚柱的半径稍大一些。对于单圆弧型面的螺纹滚道，接触角是随着轴向负载大小而变化的，当轴向负载为零时，接触角也为零；当负载逐渐增大，接触角也逐渐增大。实验证明：当接触角增大时，传动效率，轴向刚度，承载能力都随之增大。（3）双圆弧型面 双圆弧型面螺纹滚道的接触角是不变的。在偏心距（e）决定后，滚珠与滚道的圆弧角接处，会有很小的空隙。这些空隙虽然能容纳一些脏物，但不至于堵塞，反而对滚柱的滚动有利。从传动效率，轴向刚度，承载能力等要求出发，接触角大一些好，但接触角过大制造就会困难。一般接触角为，滚道的圆弧半径也同样比滚柱的半径稍大一些。 滚珠的循环方式目前国内常用的滚珠循环方式由外循环和内循环两种。（1）外循环方式 如图所示为外循环方式，滚柱在循环过程中与丝杠脱离接触，通过外面的循环回路称为外循环（W系列）。这种外循环是直接在螺母的外圆上铣出螺旋槽，用挡珠器从螺母内部切断螺纹滚道，挡珠滚珠的去路，迫使滚珠导入通向外圆螺旋槽中，构成了外面的旋环回路。外循环的结构和制造较为简单容易，因此应用较广，他可以制成单列或式双列两种的结构形式。（2）内循环方式 滚柱在循环过程中与丝杠始终保持接触的称为内循环（N系列），如图所示。这种内循环是在螺母外侧孔中装了一个接通相邻滚道的反向器，借助这个反向器迫使滚珠翻过丝杠的牙顶，而进入相邻的滚道。内循环滚珠丝杠副回路短，工作滚珠数目少，结构尺寸紧凑，流畅性好，摩擦磨损小，传动效率高，轴向刚度和承载能力都较高，具有一系列优点，但制造困难，结构复杂，所以不及外循环方式应用的广泛。图4-2 外循环的滚珠丝杠 图4-3 内循环的滚珠丝杠4.1.4 轴向间隙的调整和加预紧力的方法对于滚珠丝杠副，除了单一方向的进给传动精度有一定的要求外，对它的轴向间隙也有严格的要求，以保证反向传动的精度。要把轴向间隙完全消除，也是相当困难的。通常采用双螺母，并加预紧力的方法来消除其轴向间隙。双螺母经加预紧力调整后，能基本上消除轴向间隙。单螺母的滚珠丝杠副是不能调整轴向间隙和预紧力的，其轴向间隙只能依靠滚珠丝杠副本的精度和安装时丝杠和螺母的连接精度来保证。双螺母加预紧力消除轴向间隙必须注意两点，一是：通过预紧后产生的力，可促使预拉变形，以减少弹性变形所引起的位移。但预紧力不能太大，否则会使驱动力矩增大，传动效率反而降低，使用寿命也随之缩短。二是：轴向间隙的消除，不能忽视丝杠的安装部分和驱动部分的轴向间隙，应同时调整是它减少到最小。目前常用的双螺母预紧力调整方法有下面三种。（1）垫片调隙式如图所示为垫片调隙式，一般用螺钉来连接滚珠丝杠上的两个螺母的凸缘处，在中间加垫片。垫片的厚度是螺母间产生轴向位移，以达到消除间隙和产生预紧力的目的。 这种结构特点是结构简单，可靠，装拆方便。但缺点是调整很费时，在工作状态下不能随意调整，因为要更换不同厚度的垫片才能消除间隙，所以是用于一般精度的机构中使用。（2）螺纹调隙式 如图所示为螺纹调隙式。它是一个螺母的外端有凸缘，而另一个螺母的外端没有凸缘，车有螺纹，它伸出在套筒外，并用两个圆螺母调整好间隙后，再用一圆螺母锁紧螺母锁紧就可以了。 这种结构的特点是结构紧凑，调整方便，所以应用广泛，但调整的位移量不太精确。图4-4 垫片调隙式 图4-5螺纹调隙式齿差调隙式 如图所示为齿差调隙式。它是在两个螺母的凸缘上各有圆齿轮2，两者的齿数值相差一个齿，装入内齿圆3中，内齿圆3是用螺钉1和定位销4固定在套筒5上的。调整是先取下内齿圆3，转动圆柱齿轮2，在两个滚柱螺母相对于滚筒5转动时，可以使两个螺母相互产生角位移，这样滚柱螺母对于滚珠丝杠的螺旋滚道也相对移动是两个螺母中的滚柱分别贴近在螺旋滚到的两个相反的侧面上。消除间隙并产生预紧力后，把内齿圆3套上用定位销4固定。 这种结构的特点是调整精确可靠，定位精度高，但结构复杂，仅在高精度的数控机床有所应用。1螺钉； 2圆柱齿轮； 3内齿圆；4定位销； 5套筒。图4-6 齿差调隙式4.2滚珠丝杠的选择4.2.1滚珠丝杠的精度查阅滚珠丝杠的样本选择丝杠精度为5级精度等级，Z轴有效行程1000 mm，初步设计现设丝杠在有效行程1180mm时，行程偏差允许达到30m。4.2.2 滚珠丝杠参数的计算 （1）最大工作载荷的计算丝杠的最大载荷为工作时的最大进给力加摩擦力，最小载荷即为摩擦力。设此台Z向的最大进给力=5000N，导轨上面移动部件的重量约为500，贴塑导轨的摩擦系数为0.04，故丝杠的最小载荷（即摩擦力） （N） (4.3)丝杠最大载荷是： 50001965196（N） (4.4)平均载荷是：=3529（N） (4.5)（2）当量动载荷的计算 滚珠丝杠副类型的选择主要是根据导程和动载荷两个参数,其选择的原则为:滚珠丝杠的静载荷Coa不能大于额定静载荷Coam,即CoaCoam;滚珠丝杠的动载荷Ca不能大于额定动载荷Cam,即CaCam。驱动电机最高转速2000 r/min丝杠最高转速为2000r/min，工作台最小进给速度为0.5m/min，故丝杠的最低转速为0.1r/min，可取为0，则平均转速n=1000r/min。丝杠使用寿命T=15000h，故丝杠的工作寿命=675（r） (4.6)当量动载荷值： (4.7)式中： 载荷性质系数，无冲击取1-1.2，一般情况取1.2-1.5，有较大冲击振动时取1.5-2.5； 精度影响系数，对1、2、3级精度的滚珠丝杠取=1.0，对4、5级精度的丝杠取=0.9。 根据要求去=1.5，=0.9，代入数据得 51.59（KN） (4.8)根据计算所得最大动载荷和初选的丝杠导程，查滚珠丝杠样本，选择FF6310-5型内循环浮动返回器双螺母对旋预紧滚珠丝杠副，其公称直径为63mm，导程为10mm，循环滚珠为5圈2列，精度等级取5级，额定动载荷为55600N，大于最大计算动载荷=51590N，符合设计要求。表4.1 滚珠丝杠螺母副的几何参数名 称符 号计算公式和结果公称直径（mm）63螺距(mm)P10接触角钢球直径(mm)7.144螺纹滚道法面半径(mm)偏心距(mm)0.009螺纹升角(mm)=丝杠外径(mm)62.5丝杠底径(mm)57.3螺杆接触直径(mm)55.87螺母螺纹外径(mm)螺母内径(mm)（内循环）62.64（3）传动效率的计算将公称直径=63mm，导程=10mm，代入=arctan，的丝杠螺旋升角=。将摩擦角，代入=，得传动效率=94.7%。（4）刚度的验算本传动系统的丝杠采用一端轴向固定，一端浮动的结构形式。固定端采用一对面对面角接触球轴承和一个角接触球轴承，另一端也采用角接触球轴承，这种安装适应于较高精度、中等载荷的丝杠。滚珠丝杠螺母的刚度的验算可以用接触量来校核。a、滚珠丝杠滚道间的接触变根据公式Z=，求得单圈滚珠数Z=22，改型号丝杠为双螺母，滚珠的圈数列数为52，代入公式圈数列数，得滚珠总数量=220。丝杠预紧时，取轴向预紧力=1732（N）。查相关公式得滚珠丝杠与螺纹滚道间接触变形 (4.9)式中=51590N。代入数据得；=0.013(mm)因为丝杠有预紧力，且为轴向负载，所以实际变形量可以减少一半，取=0.0065mm。 b、丝杠在工作载荷作用下的抗压变形 丝杠采用的是两端都为角接触球轴承，轴承的中心距a=1100mm，钢的弹性模量E=,由表2.1中可知，滚珠直径=7.144mm，丝杠底径=44.3mm，则丝杠的截面积： =1540.6()根据公式代入数据得：=0.018(mm)C、总的变形=0.0065+0.018=0.0245mm,丝杠的有效行程为600，丝杠在有效行程500630mm时，行程偏差允许达到30m,，可见丝杠刚度足够。（5）稳定性的验算 (4.10)公式中取支撑系数=2，由丝杠底径=44.3mm求的截面惯性矩=188957.7()，压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装），滚珠螺母至轴向固定处的距离取最大值1200mm，代入公式得：=181129.6()则f=181129.6N大于=51590N，故不会失稳，满足使用要求。 （6）临界转速的验算 对于滚珠丝杠还有可能发生共振，需要验算其临界转速，设不会发生共振的最高转速为临界转速。查资料得公式 ： (4.11)其中： (mm)； 为临界转速计算长度=1200(mm)； 为丝杠支承方式系数（一端固定，一端游动）代入数据得：4397(r/min),临界速度远大于丝杠所需转速，故不会发生共振。（7）滚珠丝杠选型和安装尺寸的确定由以上验算可以知道，丝杠型号为FF63105，完全符合所需要求，故确定选用该型号，安装尺寸查表可知。（8）丝杠支承的选择滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此对丝杠的轴向精度和轴向刚度应有较高要求。其两端支承的配置情况为轴向固定方式。本次设计丝杠支承选用一端固定，另一端浮动。 4.3伺服电机的选择4.3.1最大切削负载转矩的计算 所选伺服电机的额定转矩应大于最大切削负载转矩。最大切削负载转矩T可根据以下公式计算，即 (4.12)从前面的计算可以知道，最大载荷N，丝杠导程=10mm=0.01m，预紧力=N，根据计算的滚珠螺母丝杠的机械效率=0.947，因为滚珠丝杠预加载荷引起的附加摩擦力矩： （Nm） (4.13)查手册得单个轴承的摩擦力矩为0.32Nm，故一对轴承的摩擦力矩=0.64Nm。简支端轴承步预紧，其摩擦力矩可忽略不计。伺服电动机与丝杠直接相连，其传动比=1，则最大切削负载转矩：(Nm)所选的伺服电机额定转矩应该大于此值。4.3.2负载惯量的计算伺服电机的转动惯量应与负载惯量相匹配。负载惯量可以按一下次序计算。立柱与主轴箱的质量为500，折算到电动机轴上的惯量可按下式计算， (kg) (4.14)丝杠名义直径=50mm=0.05m，长度L=1.2m丝杠材料（钢）的密度=7.8。根据公式计算丝杠加在电动机轴上的惯量 () (4.15)联轴器加上锁紧螺母等的惯量可直接查手册得到，即()故负载总的惯量为()电动机的转子惯量应与负载惯量相匹配。通常要求不小于，但也不是越大越好。因越大，总的惯量就越大，加速度性能受影响。为了保证足够的角加速度，以满足系统反应的灵敏的，将采用转矩较大的伺服电动机和它的伺服控制系统。根据有关资料的推荐，匹配条件为： (4.16)则所选交流伺服电动机的转子惯量应在0.00920.036范围之内。根据上述计算可选用表4.2中的交流伺服电机22/3000i型，其额定转矩为22Nm，最高，转动惯量J=0.012。表4.2 FANUC(HV)i系列交流伺服电机型号1/ 5000i2/ 5000i4/ 4000i8/ 3000i12/ 3000i22/3000i输出功率/kw0.5 0.751.41.634额定转矩(Nm)1 2481222最高转速500050004000300030003000转动惯量()0.000310.000530.00140.00260.00260.012质量348121829伺服放大器规格20i20i20i40i80i80i4.3.3空载加速转矩计算当执行件从静止以阶跃指令加速到最大移动（快速）速度时，所需要的空载加速转矩按下式求， (4.17)空载加速时，主要克服的是惯性，选用的22/3000i型交流伺服电动机,总惯量0.0120+0.0092=0.0212() 加速度时间通常取的34倍，故=(34)=(34)6=1824(ms)，则(Nm)4.4滑动导轨的选择计算 常用的导轨截面有矩形、三角形、燕尾形和圆形的。如图4.2所示。根据支承导轨的凸凹状4态，又可分为凸形和凹形两类导轨。凹形容易存油，但也容易积存切屑和尘粒，因此适用于具有良好的防护环境。凸形需要有良好的润滑条件。目前数控机床使用的导轨主要有三种：塑料导轨、静压导轨和滚动导轨。图4.44.4.1工作载荷的计算 影响导轨副寿命的重要因素是工作载荷，假设立柱所有重量加在贴塑滑动导轨的一根导轨上，则导轨所承受的最大垂直方向上的载荷是： (4.18)上式中G是立柱和主轴箱的重量，即G=50010=5000(N)，代入上式得：=2500(N)4.4.2小时额定工作寿命的计算 预计机床的工作寿命是10年，一年是365天，工作时间是350天，每天工作8小时，因此得到小时额定工作寿命28000(h)。4.4.3距离额定工作寿命的计算根据公式得： (4.19) 公式中：为小时额定工作寿命； n为移动部件每分钟往返次数(4-6)取5： S为移动部件的行程，即S=600mm。 代入数据得：L=10080km 。4.4.4额定动载荷计算及选型由公式得： (4.20)公式中：为额定动载荷； L为距离工作寿命，由上面的计算可以知道为10080km； F为导轨的工作载荷，即F=2500N。代入数据得：=29318N。 由计算的动载荷值本次设计选用的是贴塑滑动导轨，它是在数控机床的动导轨4面，是塑料导轨的一种。导轨副的另一固定导轨面为淬火磨削面。软带是以聚四氟乙烯为基材，添加合金粉（青铜粉、二硫化钼）、玻璃纤维和氧化物的高分子复合材料。其厚度有0.8、1.1、1.4、1.7、2mm，宽150mm、300mm等几种。塑料滑动导轨与其他导轨相比，具有以下特点：（1）动静摩擦系数相近：运动平稳性和爬行性能较铸铁导轨副好。（2）吸收振动：具有良好的阻尼性，优于接触刚度较低的滚动导轨和易漂浮的静压导轨。（3）摩擦系数低而稳定：比铸铁导轨副低一个数量级。（4）化学稳定性好：耐磨、耐低温、耐强酸、强碱、强氧化性剂及各种有机溶剂。（5）耐磨性好：有自身润滑作用，无润滑油也能工作，灰尘磨粒的嵌入性好。（6）维护修理方便：软带耐磨，损坏后更换容易。（7）经济型好：结构简单，成本低，约为滚动导轨的1/20，为三层复合材料DU导轨成本的1/4。其中导轨贴塑板选用扬中市天一高分子新材料有限公司生产的TY导轨贴塑板。4.5联轴器的选择 金属弹性元件挠性联轴器是由各种片状、圆柱状、卷板状等形状的金属弹簧，利用金属弹簧的弱性变形以达到补偿两轴相对偏移 和减振、缓冲功能，构成不同结构、性能的挠性联轴器。金属弹性元件比非金属弹性元件强度高，使用寿命长，传递载荷能力大，,适用于高温工况，弹性模最大且稳定。如图4.5所示膜片联轴器是由几组膜片（不锈钢薄板）用螺栓交错地与两半联轴器联接，每组膜片由数片叠集而成，膜片分为连杆式和不同形状的整片式。膜片联轴吕靠膜片的弹性变形来补偿报联两轴的相对位移，是一种高性能的金属弱性元件挠性联轴器，结构较紧凑，强度高，不用润滑，使用寿命长，无旋转间隙，不受温度和油污影响，具有耐酸、耐碱、防腐蚀的特点，适用于高速、高温、有腐蚀介质工况环境的轴系传动，广泛用于各种机械装置的轴系传动 。图4.5 DJM5金属膜片挠性联轴器4.6轴承的选择 滚珠丝杠中经常使用的滚动轴承有以下两类。 （1）接触角为的角接触球轴承 这是目前国内外广泛采用的滚珠丝杠轴承，这种轴承可以组合配置。一种为面对面方式，另一种为背靠背组合方式。这两种方式都可承受双向轴向推力，还有一种是通向组合方式，其承受能力较高，但只承受一个方向的轴向力，同向组合时的额定动载荷等于单个轴承的乘下列系数：2个为1.63;3个为2.16；4个为2.64。由于螺母与丝杠的同轴度在制造安装的过程中难免有误差，而且采用面对面组合方式时两接触线与轴线交点间的距离a比背对背的小，故容易实现自动调整。因此在进给传动中面对面组合用的较多。（2）滚针推力圆柱滚子组合轴承 外圈与箱体固定不转，内圈和隔套内圈随轴转动，滚针承受径向载荷，圆柱滚子分别承受两个方向的轴向载荷，修磨隔套内圈的宽度可调整轴承的轴向预紧量。本次设计选用角接触球轴承，根据轴的直径选用型号为表4.3中的7009 GB/T 2921994。 表4.3 角接触球轴承4.7 滚珠丝杠副的安全使用4.7.1 润滑 为使滚珠丝杠副充分发挥机能，在其工作状态下，必须润滑，润滑的方式主要有以下两种： 1润滑脂 润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积的13，滚珠丝杠副出厂时在螺母内部已经加注GB7324942#锂基润滑脂。 2润滑油 运动粘度28574cst(400T)的润滑油，给油量随使用条件等的不同而有所变化。 4.7.2 防尘 滚珠丝杠与滚动轴承一样，如果污物及异物进入就很快使它磨损，成为破损的原因。因此，考虑有污物异物进入时，必须采用防尘装置，将丝杠轴完全保护起来。另外，如没有异物，但有浮沉时可以在滚珠螺母两端增加防尘圈。4.7.3使用 滚珠丝杠副在使用时应注意以下事项： 1滚珠螺母应在有效行程内运动，必要时在行程两端配置限位，以免螺母约程脱离丝杠轴而使滚珠脱落。 2滚珠丝杠副由于传动效率高，不能自锁，在用于垂直方向传动使，如部件重量未加平衡，必须防止传动停止或电机失电后，因部件自重而产生的逆传动。 3滚珠丝杠副正常工作环境温度为60C。 4.7.4 安装 滚珠丝杠副在安装时应注意以下事项： 1.滚珠丝杠副仅用于承受轴向载荷。径向载荷、弯矩会使滚珠丝杠副产生附加表面接触应力等负荷，从而造成丝杠的永久性破坏。因此，滚珠丝杠副安装到机床时，应注意： 1）丝杠的轴线必须和其配套导轨的轴线平行，机床的两端轴承座与螺母座必须三点成一线； 2）安装螺母时，应尽量靠近支撑轴承； 3）同时，安装支撑轴承时，应尽量靠近螺母安装部位。 2.滚珠丝杠安装到机床时，尽量不要把螺母从丝杠上卸下来，如 必须卸下来时要使用辅助套，否则装卸时滚珠有可能脱落。螺
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