轴直线滑台设计毕业论文

1、编号：毕业设计说明书题 目：X、Y轴直线滑台设计学 院： 机电工程学院 专 业： 机械电子工程 学生姓名：学 号：指导教师： 职 称：题目类型：¨理论研究¨实验研究þ工程设计¨工程技术研究¨软件开发2013年 5月 23日摘 要本设计主要是X、Y两个方向移动的滑台的设计，在生产和实践中具有很强的实用性。X、Y直线滑台当前已普遍运用于测量、激光焊接、激光切割、涂胶机、打孔机、点胶机、小型数控机床、雕铣机及适用教育等场所。本设计X、Y工作台用于高能电子束焊机。X、Y数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统，其结构简单。实现方便而且能够保证一定的精度

2、。降低成本，是微机控制技术的最简单的应用。它充分的利用了微机的软件硬件功能以实现对机床的控制;使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步得到提高。由于具有很小的摩擦阻力，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动,滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。本设计主要包括四个部分内容：第一部分为设计方案的提出与确定;第二部分为结构设计和零部件的选择；第三部分为检验校核；第四部分为绘图。全部设计过程都是参照国家相关标准和具体要求设计。本次设计先对工作台进行结构设计，提出不同方案并进行比较选择，然后对零部件进行选择和检验校核，最后利用Solidworks软件对XY工作台进行三维建模、装配，利用CAD绘制

3、零件图和装配图。关键词：工作台；X-方向；Y-方向；选择；校核；电机Abstract The major work of this design is to design two workbenchs, which can move along two directions X and Y, and this design is very practicality in production and practice. XY table has been widely used in the current measurement, laser welding, laser cutting,

4、gluing machine, drilling machine, dispenser, small CNC machine tools, engraving and milling machine and applicable education and other places. The design of XY table is used for the high-energy electron beam welding.Electrical system XY CNC table is an open loop control system, its structure is simp

5、le. Easy to achieve but also to guarantee the accuracy. Cost reduction is the easiest applications microcomputer control technology.It takes fulladvantage of thecomputer's software and hardwarefeatures toachievethe machine's control; makethe machiningexpand the scope, accuracy, and reliabili

6、ty is furtherimproved.With little friction at high load conditions to achieve high precision linear motion,ball screws are widely used in various industrial equipment and precision instruments.There are four major part of this design: first, put forward and conform the design; second, chose the fram

7、e and hardware; third, check up and test; forth, blueprint. During the design, all designs complied with the country standard and the requirement in detail.The design of the first on the bench for structural design, propose to compare different options and choose,thenselect andtestcheckedparts,final

8、ly,SolidworkssoftwareforXY tableforthree-dimensional modeling, assembly,use CAD drawing parts and assembly drawings.Key words:workbench;X direction;Y- direction;chose;check up;motor目 录引言11 绪论21.1滚动直线导轨21.1.2 国内外产品的现状21.1.3 滚动直线导轨的发展趋势21.2滚珠丝杠31.2.1国内外产品的现状31.2.2滚珠丝杠的发展趋势31.3设计软件简介42方案提出及论证42.1方案一52.

9、2方案二52.3方案三52.4方案论证53 结构设计和零件选择73.1工作台及导轨座的设计73.1.1 工作台的设计73.1.2导轨座的设计93.2导轨上移动部件的重量估算103.3导轨的设计计算103.3.1导轨简介103.3.2导轨的选择113.3.3导轨的计算112.4滚珠丝杠和轴承的选择142.4.1滑动丝杠简介142.4.2滚动丝杠简介152.4.3滚珠丝杠的设计计算183.4.4 滚珠丝杠的安装233.4.5滚珠丝杠螺母副的间隙消除253.4.6滚珠丝杠螺母副的防护263.5步进电机的选择273.5.1步进电机简介273.5.2 步进电机的计算选型283.6联轴器的选择334结论3

10、4谢 辞35参考文献37引言本次毕业设计的目的是综合应用所学知识来解决具体的实际问题。与以前的课程设计不同的是，本次设计不是单纯的从某一方面进行设计，而是对整个系统的各个环节进行综合设计。以培养较强的独立工作能力和创新意识，为今后的工作打下坚实的基础。本次毕业设计题目是X、Y轴直线滑台的设计，它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。本设计的X、Y工作台用于高能电子束焊机。本次毕业设计的要求：X、Y方向运动行程

11、分别为：2000mm，700mm，直线度0.2/1000；要求工作台上下层能拆卸单独使用；工作台载重量150kg；画出部分设计图。本设计主要包括四个部分内容：第一部分为设计方案的提出与确定;第二部分为结构设计和零部件的选择；第三部分为检验校核；第四部分为绘图。全部设计过程都是参照国家相关标准和具体要求设计。1 绪论随着我国国民经济的快速发展，数控机床的制造和使用越来越广泛，因而，与之配套的数控机床功能部件的性能、品种及规格也发展迅猛。X、Y直线滑台作为数控功能部件之一，我们队其提出了更高的要求。同时设计者和使用者也应该对其部件有更深刻的了解，以便在设计时方便选用。其中，X、Y工作台上的滚动部件

12、滚珠丝杠和滚动直线导轨，是确保工作台精度的关键。1.1 滚动直线导轨1.1.2 国内外产品的现状世界上生产滚动直线导轨的著名厂商有日本的THK公司、NSK、IKO轴承公司及德国的REXROTH公司、INA公司、瑞士的Schneerberger等公司。这些公司的产品代表了世界最高水平。国外的产品做工精细，结构灵巧，运动速度高，设计严谨，精度高，重载并有互换性。国内滚动直线导轨的发展已经走过26个年头，主要厂家有陕西汉江机床有限公司、南京工艺装备制造有限公司、济宁博特精工股份有限公司、广东高新凯特精密机械有限公司、大连高金数控集团有限公司等。国内产品具有以下特点和不足：(1)以钢球为滚动体的产品基

13、本成熟，日、德产品逐步淡出。(2)应用于大型数控机床的滚柱导轨发展迅速,各主要厂家投入大量资源进行研发,并陆续进入批量化生产阶段。(3）绿色、环保产品受到了重视。大连高金数控集团推出了自润滑导轨,减少了润滑液带来的污染。(4)高速静音导轨不断推出。大连高金数控集团、南京工艺装备制造有限公司等厂家推出了带隔离链及减振结构的滚柱导轨,降低了运动噪声,提高了润滑效果,运动速度达到100m/min。大连高金数控集团的产品在重型卧式加工中心及龙门加工中心机床中得到了应用。(5)与国外相比,产品研发能力比较单薄,实验装置几近空白,院校结合的研究机制起步较晚。产品验证机制的薄弱直接影响了中高端产品的发展进程

14、及推广速度。(6)与国外产品相比,在运动精度方面,尤其是关键精度,国内产品与国外产品不相上下,甚至高于国外。但受到原材料限制及系统的试验手段的不足,导致了产品性能指标难以提升,使得产品在噪声、稳定性等方面略显不足。(7)产品外观、倒角、粗加工面的处理水平较低,影响了国内产品的推广力度乃至经济效益,尤其是在出口方面。1.1.3 滚动直线导轨的发展趋势（1）规格不断延伸；（2）承载能力不断加大；（3）运动速度不断提高；（4）静音导轨；（5）环保产品层出不穷。1.2 滚珠丝杠1.2.1 国内外产品的现状 随着数控机床高速、精密、环保的发展需求，滚珠丝杠副得到了前所未有的发展，国内企业不断加大对滚珠丝

15、杠副的研究力度，并取得了显著的成果。主要表现在以下方面： （1）高速丝杠 从近几年机床展上可以看到，很多企业研制的高速丝杠的速度是十几年前的23倍，如日本NSK的BSS系列的DN值达到22万，HMD系列的DN值达到16万；而加速度已经能达到1.52g的水平。（2）重载丝杠 NSK、THK、SHUTON、REXROTH采用新的工艺方法，将基本额定动载荷在原来的基础上提高了25%。（3）大型丝杠 大型及超大型滚珠丝杠副近两年可谓屡见不鲜，西班牙KORTA公司生产的直径225mm的滚珠丝杠副长度达20m。（4）绿色环保丝杠 滚珠丝杠副的低噪声、长期免维护一直是业内人士追求的目标。在这方面有很多厂家推

16、出了球保持器和自润滑装置。在使用了球保持器后，噪声可在原来基础上降低810dB。自润滑装置可保证10000km直线行程的润滑。（5）双驱动丝杠 为了满足机床高刚性、高效率需求，NSK采用特殊的工艺方法，制造出了双驱动滚珠丝杠副，螺纹长度为1200mm的两根丝杠，相互累计导程偏差不超过0.005mm。（6）个性化产品 针对各行各业不同的需求，特别是针对一些特殊行业，如化工机械、木工机械、航空航天、包装机械、机器人、铁路等，滚珠丝杠生产厂有针对性地开发了许多新产品。国内大陆地区的制造企业生产滚珠丝杠副经过50多年的发展，也取得了较大的成就，尤其最近510年，设计和制造工艺都有了突飞猛进的发展。国产

17、高速滚珠丝杠副不断崭露头角。北京机床研究所开发的高速丝杠副DN值可达12万，加速度为1g。南京工艺装备制造有限公司开发的DK系列滚珠丝杠副DN值达到16万。大连高金数控集团生产的三维管系列和端面返向系列的DN值达到16万，高速重载滚珠丝杠副（型号：CW8016-10.5）DN值达到16万，额定动载荷Ca可达460kN，静载荷C0a可达1868kN。中国台湾地区的制造企业如HIWIN公司、ABBA公司等具有相当先进的制造水平，其中HIWIN公司的重载丝杠的承载能力是普通丝杠的23倍。1.2.2 滚珠丝杠的发展趋势纵观各国滚珠丝杠副现状，可以判断出今后滚珠丝杠发展趋势如下：(1)高速、重载、低噪声

18、、低温升、自润滑和可靠性是滚珠丝杠副发展的主要方向。(2)特殊行业用滚珠丝杠副，如在木工机械、医疗机械、食品机械、真空环境、核电、铁路、机器人等行业的应用是滚珠丝杠副发展的重要方面。(3)新工艺、新材料是滚珠丝杠副进一步发展的保障，如丝杠的冷轧技术、材料的稳定性及材料热处理等。1.3 设计软件简介SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，至此，SolidWorks所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。由于使用了Windows OLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid内

19、核（由剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术，SolidWorks成为全球装机量最大、最好用的软件。资料显示，目前全球发放的SolidWorks软件使用许可约28万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分布于全球100多个国家的约3万1千家企业。在教育市场上，每年来自全球4，300所教育机构的近145，000名学生通过SolidWorks的培训课程。Solidworks软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks 的三大特点，使得SolidWorks 成为领先的、主流

20、的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。对于熟悉微软的Windows系统的用户，基本上就可以用SolidWorks 来搞设计了。SolidWorks独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。SolidWorks资源管理器是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks ，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。在强大的设计功能和易

21、学易用的操作（包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SolidWorks ，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。本次设计我采用SolidWorks对零件进行三维建模并装配，最后转化为工程图。2方案提出及论证XY工作台的运动由两个电机分别带动工作台在X和Y方向上做直线运动，这就需要把电机的旋转运动变为直线运动。在整体设计中各种运动部件的选择很重要，设计任务中要求各个构件的运动具有精度高，运动平稳等特点。如图2-1所示，部件的选择包括动力源、传动机构、执行构件等。由此经过考虑列出一下方案。图2-1 X、Y工作台的工作系统框图2.1

22、方案一 如图2-2所示，动力源选择电机，传动机构选择同步带和齿轮齿条传动。电机通过同步带带动齿轮齿条传动，齿轮齿条带动工作台做直线运动。图2-2 方案一工作原理2.2 方案二如图2-3所示，动力源选择步进电机，传动机构选择滚珠丝杠副。步进电机与滚珠丝杠直联，带动在滚动直线导轨上的工作台做直线运动。图2-3 方案二工作原理2.3方案三动力源选择限压式变量叶片泵，传动机构选择换向阀和液压缸。2.4方案论证方案一中同步带，承载力较大，负载再大就要加宽皮带，传动精度较高，传动长度不可太大，否则需要考虑较大的弹性变形和振动，传动距离大尤其不适合精确定位、连续性运动控制。优点：短距离传动速度可以很高，噪音

23、低。典型用途:小型数控设备、某些打印机。齿轮齿条，承载力大，传动精度较高，可达0.1mm，可无限长度对接延续，传动速度可以很高，>2m/s，缺点：若加工安装精度差，传动噪音大，磨损大。典型用途：大版面钢板、玻璃数控切割机，建筑施工升降机可达30层楼高。所以，方案一可能会造成噪声污染，并且使用寿命短，精度也达不到微米级。与方案一相比较，方案二具有方案一中所有优点，并且滚珠丝杠副传动精度比齿轮齿条高很多，结构紧凑，传动效率高，定位精度高。缺点是制造工艺复杂，成本较高，但是使用寿命长，维护简单。直线滚动导轨在数控机床中有广泛的应用。相对普通机床所用的滑动导轨而言，它有以下几方面的优点：1）定位

24、精度高 直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的1/50。由于动摩擦与静摩擦系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少90%，因此，可将机床定位精度设定到超微米级。2）降低机床造价并大幅度节约电力 采用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小，特别适用于反复进行起动、停止的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，减轻了重量，使机床所需电力降低90%，具有大幅度节能的效果。3）可提高机床的运动速度 直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率2030%4）可长期维持机床的高精度 对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度的误差是无法避免的。在绝大多

25、数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。同时，由于使用润滑油也很少，大多数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易了。方案三中使用了液压系统。与机械传动和电力拖动系统相比，液压传动具有以下优点：(1)液压元件的布置不受严格的空间位置限制，系统中各部分用管道连接，布局安装有很大的灵活性。(2)可以在运行过程中实现大范围的无极调速，调速范围可达2000:1.(3)液压传动传递运动

26、均匀平稳，易于实现快速启动、制动和频繁的换向。(4)操作控制方便、省力，易于实现自动控制、中远程距离控制、过载保护。与电气控制、电子控制相结合，易于实现自动工作循环和自动过载保护。(5)液压元件属机械工业基础件，标准化、系列化和通用化程度高，有利于缩短机器的设计、制造周期和降低制造成本。液压传动的缺点：(1)在传动过程中，能量需经两次转换，传动效率偏低。(2)由于传动介质的可压缩性和泄漏等因素的影响，不能严格保证定比传动。(3)液压传动性能对温度比较敏感，不能在高温下工作，采用石油基液压油作传动介质时还需注意防火问题。(4)液压元件制造精度高，系统工作过程中发生故障不易诊断。以上三个方案，从原

27、理上来说，都能完成任务书提出的要求，但考虑使用条件，由于随着科技的发展，现代机床要求的精度越来越高，因为此机构以传递运动为主, 要求有较高的传动精度, 又要求结构紧凑。方案一中能会造成噪声污染，并且使用寿命短，精度也达不到微米级，所以不采用。方案三传动效率偏低，精度得不到保证，维护困难，所以不采用。方案二虽然成本比较高，但是传动精度和定位精度达到了要求，结构紧凑，使用寿命长，符合科技发展的要求。所以根据以上三种方案的论证，采用方案二比较合适。图2-4 方案二结构原理方案二如图2-4所示，步进电机作为动力源与滚珠丝杠直联，滚珠丝杠将步进电机的旋转运动转化为工作台的直线运动，工作台在滚动导轨上做直

28、线运动，X、Y方向分别用一个步进电机驱动。3 结构设计和零件选择3.1 工作台及导轨座的设计3.1.1 工作台的设计在工作台上设计T型槽，主要用来固定工件，是钳工用来调试、装配、维修设备的基础工作平台，T型槽平台（T型槽平板）也可用于动力机械设备的装配及调试；T型槽平台（T型槽平板）的工作面采用刮研工艺，对于3级以下的平板工作面也可以采用刨铣工艺；T型槽平（T型槽平板台）的材质为HT200-300，硬度为HB170-240；规格为200*200mm-3000*6000mm,大于此规格或特殊规格可以定做，也可以按图纸制造。T形槽的尺寸标准如表3-1和表3-2所示。表3-1 T形槽尺寸标准T形槽A

29、BCHEFG基本尺寸最小尺寸最大尺寸最小尺寸最大尺寸最小尺寸最大尺寸最大尺寸最大尺寸最大尺寸12192189202510.61表3-2 T型槽的尺寸标准T形槽宽度AT形槽间距 p12(40)506380按照上述标准，我们选择A=12，B=19，C=8，H=20，E=1，F=0.6，G=1，间距p=80。工作台的外型如图3-1所示：图3-1 工作台其中长宽高分别为1000mm，500mm，50mm。3.1.2导轨座的设计由于X、Y工作台沿X、Y两个方向做往复直线运动，所以有两个导轨座，用来支撑两个方向的导轨。设计Y向导轨座在上层，Y方向的行程为700mm，所以设计Y向导轨座参数为1000

30、5;1500×20mm，其外型如图3-2所示：图3-2X向导轨座X向导轨座设置在下层，工作台在X方向的行程为2000mm，所以设计X导轨座的参数为3000×800×20。3.2 导轨上移动部件的重量估算导轨上的移动部件包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等。为了计算滚动导轨和滚珠丝杠副的负载，必须把这些移动部件的重量一一计算出来。工作台材料为灰铸铁HT350 密度 7.4g/cm3，工作台尺寸：1000×500×50mm，则G1=1000×500×50×10-3×7.4

31、×10-2=1850N，由于工作台并不是实心体，而是设有T型槽的，所以取G1=1500N。Y向导轨座尺寸：1000×1500×20。则G2=1000×1500×20×10-3×7.4×10-2=2220N。工作台载重量：150KG，则G3=1500N。按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算，包括工件、夹具、工作台、上层电动机、滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨副、上层导轨座等，估计重量约为G=6000N。3.3导轨的设计计算3.3.1导轨简介导轨由承导件和运动件组成，其功用是导向和承载，即保证运动件按给定的方向获得精确的

32、直线位移或角位移。在导轨副中，运动的零(部)件叫动导轨，不动的叫支承导轨。常用的导轨，按其接触面的摩擦性质，分为滑动导轨、滚动导轨、静压导轨三大类；按其结构特点，分为力封式和自封式两类。力封式又称开式，必须借助外力(例如重力或弹簧力)才能保证运动件相承导面间的接触，从而保证运动件按给定的方向作直线运动。自封式又称闭式，无需借助外力，而靠导轨本身的结构形状便朗保证运动件部承导面间的接触。本设计中采用的便是直线运动导轨，导轨的作用是支承工作台并且引导工作台做直线运动，导轨要保证工作台运动的直线度。导轨副应满足的基本要求：（1） 导向精度高（2） 刚性好（3） 精度的保持性（4） 运动的灵活性和低速

33、运动的平稳性（5） 对温度的敏感性和结构工艺性表3-3是对不同种类性能的比较：表3-3导轨性能的比较XY工作台要求运动平稳，导向精度高，不能出现爬行现象。为防止爬行现象的出现，可同时采取以下几项措施：（1）采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨、贴塑导轨等；（2）在普通导轨上使用含有极性添加剂的导轨油；（3）用减小结合面、增大结构尺寸、缩短传动链、减少传动副等方法来提高传动系统的刚度。3.3.2 导轨的选择由于静压导轨成本比较高，滑动导轨精度不高而且容易出现爬行现象，而滚动导轨也能满足本设计的要求，所以决定选用直线滚动导轨副，滚动摩擦导轨式在运动件和承导件之间放置滚动体（滚珠、滚柱、滚动轴承等），使

34、导轨运动时处于滚动摩擦状态，与滑动导轨比较，它具有的特点是：（1）摩擦系数小，并且静、动摩擦系数之差很小，故运动方便，不易出现爬行现象，直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的1/50，由于动摩擦与静摩擦系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少90%，直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率2030%。（2）定位精度高，一般滚动导轨的重复定位误差约为0.10.2m，而滑动导轨定位误差一般为1020m。因此，当要求运动件产生精确微量的移动时，通常采用滚动导轨； （3）磨损较小，寿命长，润滑简便；（4）结构较为复杂，加工比较困难，成本较高；（5）对脏物及导轨

35、面的误差比较敏感。直线滚动导轨在数控机床中有广泛的应用。3.3.3导轨的计算 X、Y方向使用型号相同的导轨，其中X向导轨长度为1500mm，Y方向导轨为3000mm。初选汉江机床厂生产的HJG-DA系列滚动直线导轨副（矩型滑块），型号为DA65C。其外形如图3-3所示，参数如表3-4所示：图3-3 滚动导轨外形图表3-4DA65C导轨的参数型号组件尺寸滑块尺寸导轨尺寸HWABB1KCL1LNEM×1W1h1d×D×hFDA65C9031.5126762576701471981616M16×20635318×26×22150基本额定载荷

36、(kN)允许静力矩(N·m)重量动载C静载C0MAMBMC滑块(kg)导轨(kg/m)129.6197.13876387660907.321.7HJG-DA系列滚动直线导轨副采用四列圆弧接触型结构，具有差动滑移量小、自调整性高、承载大等特点。设计每个导轨座上采用两根导轨，四个滑块的安装方法，如图3-4所示：图3-4 导轨的安装形式下面对导轨进行校核（1）滑块承受工作载荷Fmax的计算工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。X-Y工作台采用水平布置，利用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： （3

37、-1）其中，移动部件重量G=4500N，外加载荷F=1500N，代入式2-1得最大工作载荷导轨的额定寿命的计算： （3-2） 式中，L为额定寿命（km）；Ca为基本额定动载荷（kN），从样本中查取；Fmax为最大工作载荷；fH为硬度系数；fT为温度系数；fC为接触系数；fR为精度系数；fW为载荷系数。表3-5 硬度系数fH滚道硬度（HRC）50555864fH0.530.81.0表3-6 温度系数fT工作温度/<100100150150200200250fT1.000.900.730.60表3-7 接触系数fC每根导轨滑块数12345fC1.000.810.720.660.61表3-8

38、精度系数fR精度等级2345fR1.01.00.90.9表3-9 载荷系数fW工况无外部冲击或震动的低速场合，速度小于15m/min无明显冲击或振动的中速场合，速度为1560m/min有外部冲击或振动的高速场合，速度大于60m/minfW11.51.5223.5取硬度系数fH=1.0；工作台工作温度<100，所以取温度系数fT=1.00；每根导轨上滑块数为2，所以取接触系数fC =0.81；精度等级为4，所以精度系数fR =0.9；导轨工作在无外部冲击或震动的低速场合，工作台最快进给速度速度小于15m/min，所以取载荷系数fW =1.5。将以上数据代入式3-2，解得L=690726km

39、，远大于预期的50km，所以设计满足要求。2.4 滚珠丝杠和轴承的选择丝杠螺母机构又称螺旋传动机构。它主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。有以传递能量为主的(如螺旋压力机、千斤顶等)；也有以传递运动为主的如机床工作台的进给丝杠)；还有调整零件之问相对位置的螺旋传动机构等。丝杠螺母机构有滑动摩擦机构和滚动摩擦机构之分。2.4.1 滑动丝杠简介滑动丝杠螺母机构结构简单，加工方便，制造成本低，具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大、传动效率低(3040)，磨损严重，寿命短。许多滑动丝杠的导程精度都可以达到磨制螺杆的品质，尤其是滚轧成型的精密滑动丝杠，比如Kerk Motion公司生产

40、的那种，再配上以工程塑料制作的螺母部件，已能够超越滚珠丝杠的使用寿命。在某些应用中，较低的传动效率反而成为滑动丝杠的一种优势，在立式应用或者设计人员不希望丝杠被逆向驱动的场合，滑动丝杠能够将负载保持在原位，而无需使用带抱闸的电机或者系统中附加的摩擦制动装置。从原则上讲，只要导程低于丝杠直径的三分之一，上述自锁条件就能够成立。滑动丝杠螺母材料的选用原则可以基于温度条件，运行PV（压力-速度）值，抗磨寿命要求，使用环境，以及成本等因素，例如，可供选用的材料特性包括：从-50到+150的温度允许范围，高达60,000psi-fpm的可用PV值，可提供5千万英寸累计工作行程的反向间隙消除能力，免维护运

41、行，以及可用于污染和恶劣环境等。2.4.2 滚动丝杠简介常用的螺旋机构中丝杠和螺母之间的相对运动是滑动, 磨损较严重, 影响传动精度, 寿命短, 效率低,不能满足高速度、高效率和高精度等传动要求。为了使运动灵敏又能满足精度要求, 选用滚珠螺旋机构。滚珠螺旋传动是在螺杆和螺母间放人适当数量的滚珠, 使螺杆和螺母之间的摩擦由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种传动装置。现采用了间隙可调的滚珠丝杠传动。为使传动稳定可靠, 采用丝杠转动, 螺母带着工作台作移动的传动形式。滚珠丝杆传动是由丝杆、螺母、滚珠和滚珠循环返回装置四部分组成。如图3-5所示，当丝杆转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动。为了防止滚珠沿滚道面掉出来，螺

42、母上设有滚珠循环返回装置，构成了一个滚珠循环通道，滚珠从滚道的一端滚出后，沿着循环通道返回另一端，重新进入滚道，从而构成一闭合回路。1返向器 2螺母 3丝杠 4滚珠图3-5 滚珠丝杠副滚珠丝杠的滚道按法向截面的不同，分为单圆弧和双圆弧两种不同的形状，如图3-7所示。其中，单圆弧工艺简单，双圆弧性能较好。图3-6 滚珠丝杠外观图（a）单圆弧 （b）双圆弧图3-7 螺纹滚道型面滚珠丝杆传动除具有螺旋传动的一般特点（降速传动比大及牵引力大）外，与滑动丝杆传动相比较，具有以下特点；（1）传动效率高，一般可达90%以上，约为滑动丝杆传动效率的三倍。在伺服控制系统中采用滚动丝杆传动，不仅提高传动效率，而且

43、可以减小启动力矩、颤动及滞后时间。（2）传动精度高。由于摩擦力小，工作时螺丝杆的热变形小，丝杆尺寸稳定，并且经调整预紧后，可得到无间隙传动，因而具有较高的传动精度，定位精度和轴向刚度。（3）具有传动的可逆性，但不能自锁，用于垂直升降传动时，需附加制动装置。（4）制造工艺复杂，成本较高，但使用寿命长，维护简单。钢球滚动接触处均经硬化（HRC5863）处理，并经精密磨削，循环体系过程纯属滚动，相对对磨损甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性。（5）运动平稳，滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵敏度高、启动时无颤动、低速时无爬行现象，因此可精密地控制微量进给。（6）同步性好，由于运

44、动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移，用几套相同的滚珠丝杠传动系统同时传动几个相同的部件或装置，可以获得很好的同步效果。（7）高可靠性，与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很低，维修保养也较简单，只需进行一般的润滑和防尘。在特殊场合可在无润滑状态下工作。（8）无背隙与高刚性滚珠丝杠传动系统采用歌德式（Gothic arch）沟槽形状、使钢珠与沟槽达到最佳接触以便轻易运转。若加入适当的预紧力，消除轴向间隙，可使滚珠有更佳的刚性，减少滚珠和螺母、丝杠间的弹性变形，达到更高的精度。滚珠丝杠螺母副的缺点是（1）制造工艺复杂，成本高。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度要求也高，

45、故制造成本高。（2）没有自锁能力，在垂直升降系统或高速大惯量系统中必须有制动机构。滚珠丝杠的循环方式分为外循环和内循环。外循环是在循环过程结束后通过螺母外表面的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环。其结构如图3-8所示。图3-8(a)所示为螺旋槽式，它在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔并与螺纹滚道相切，形成返回通道，这种结构比插管式结构径向尺寸小，但制造较复杂。图3-8(b)所示为插管式，它用弯管作为返回管道，这种结构的工艺性好，但由于管道突出于螺母体外，径向尺寸较大。外循环的结构和制造工艺简单，使用较广泛。其缺点是滚道接缝处很难做的平滑，影响滚珠滚道的平稳性，甚至发生卡珠现象，噪声也

46、较大。图3-8 外循环示意图（a）螺旋槽式：1套筒；2螺母；3滚珠；4挡珠器；5丝杠（b）插管式：1弯管；2压板；3丝杠；4滚珠；5滚道内循环：内循环均采用反向器实现滚珠循环，反相器有两种类型。圆柱凸槽反相器的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的圆键定位，以保证对准螺纹滚道方向；扁圆镶块反向器为一半圆头平键镶块，镶块嵌入螺母的切槽中，其端部开有方向槽，用镶块的外轮廓定位。两种反向器比较，后者尺寸较小，从而减小了螺母的径向尺寸及缩短了轴向尺寸，但这种反向器对外轮廓和螺母上的切槽尺寸精度要求较高。其结构如图3-9所示。内循环滚珠丝杠的优点是径向尺寸紧凑，刚性好，因其返回

47、滚道较短，故摩擦损失小。它适用于高灵敏度、高精度传动、不宜用于重载传动，其缺点是反向器加工困难。1凸键 2、3反向键图3-9 内循环示意图2.4.3滚珠丝杠的设计计算本设计选用滚珠丝杠传动，下面进行丝杠的选型计算。1. 确定滚珠丝杠的导程Ph （3-3）因为电动机与丝杠直联，i=1，vmax=10m/min，nmax=1000r/min代入式3-3得Ph=10mm。2. 最大工作载荷Fm的计算由于本设计的X、Y移动滑台用于高能电子束焊机，所以工作台只有垂直载荷，没有切屑力，所以丝杆最大轴向力Fm=G。表3-10 最大工作载荷Fm实验计算公式及参考系数导轨类型实验公式K矩形导轨1.10.15燕尾

48、导轨1.40.2三角形或综合导轨1.150.150.8其中是导轨摩擦因数，直线滚动导轨摩擦因数取=0.05，G为工作台移动部件和载荷的总重量，G=6000N。Fm=G=0.05×6000N=300N3. 最大动载荷FQ的计算取滚珠丝杠的使用寿命T=20000h，代入L0=60nT/106，得丝杠寿命系数L0=1200。 （3-4）式中：L0滚珠丝杠副的寿命，单位（106r）。L0=60nT/106，（其中T为使用寿命，普通机械取T=500010000h，数控机床及一般机电设备取T=15000h；n为丝杠每分钟转速）；fW载荷系数，由表3-11查得。fH硬度系数（58HRC时，取1.0

49、；等于55HRC时，取1.11；等于52.5HRC时，取1.35；等于50HRC时，取1.56；等于45HRC时，取2.40）；Fm滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为N。表3-11 滚珠丝杠载荷系数运转状态载荷系数fW平稳或轻度冲击1.01.2中等冲击1.21.5较大冲击或振动1.52.5载荷系数fw=1.2，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0，代入式3-4得4.估算丝杠变形量和最小螺纹底径估算丝杠允许的最大轴向变形量可根据以下公式 (3-5)已知本设计要求直线度0.2/1000，行程为2000mm，所以定位精度为，根据以上公式计算：。估算最小螺纹底径。取两端支承的支承形式 (3-6

50、)摩擦力F0=300N。将数据代入式3-6，得d0m=10.24mm。5. 确定滚珠丝杠的规格代号 选择内循环浮动式法兰，直通双螺母型垫片预紧形式。由计算出的Ph、Cam、d0m，查表选取相应规格的滚珠丝杠螺母副DGC-GD3210-3,其参数如图3-10和表3-12所示：图3-10滚珠丝杠螺母副表3-12滚珠丝杠螺母副DGC-GD3210-3参数滚珠丝杠型号滚珠丝杠尺寸/mm钢球直径/mm循环列数×圈数额定载荷/N公称直径公称导程外径Dw动载Ca静载C0ad0PhdDGC-GD3210-33210315.9533×32598852565螺母安装尺寸/mmD1DD4LEBM

51、D6D5h5390711405158M61599 此型号的滚珠丝杠Ph=10，Ca=25988NCam=3825.57N，d2=26.047mmd2m=10.24mm满足设计要求。6. 确定滚珠丝杠的预紧力 (3-7)其中，Fmax=300N，则FP=100N。7.预拉伸力滚珠丝杠在工作时会发热，其温度高于机床。丝杠的热膨胀将使导程加大，影响定位精度。为了补偿热膨胀，可将丝杠预拉伸。预拉伸量应略大于热膨胀量。发热后，热膨胀量抵消了部分预拉伸量，使丝杠内的拉应力下降，但长度却没有变化。需进行预拉伸的丝杠在制造时应使其目标行程（螺纹部分在常温下的长度）等于公称行程（螺纹部分的理论长度等于公称导程乘

52、以丝杠上的螺纹圈数）减去预拉伸量。拉伸后恢复公称行程值。减去的量称为“行程补偿值”。 (3-8)式中 预拉伸力(N); L安装间距(mm); d2滚珠丝杠螺纹底径(mm); E弹性模量为2.1×105N/mm2温度变化值 23，这里取2.5；将数据代入式3-8，算得Ft=4992N。8. 确定滚珠丝杠支承用的轴承规格型号（1）轴承所承受的最大轴向载荷FBmax=Ft+Fmax=4992+300N=5292N（2）选择轴承类型滚珠丝杠采用的是两端支承的支承方式，所以丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承反装。角接触球轴承具有极限转速高、刚性好、成本低、精度高等特点，是高速精密转轴的理想支

53、承。由于结构的特点，角接触球轴承的工作是通过滚珠与滚道间的滚动接触来完成的，属于点接触工作形式，接触疲劳是角接触球轴承失效的主要形式。角接触球轴承可同时承受径向负荷和轴向负荷。能在较高的转速下工作。接触角越大，轴向承载能力越高。高精度和高速轴承通常取15 度接触角。在轴向力作用下，接触角会增大。单列角接触球轴承：机床主轴、高频马达、燃汽轮机、离心分离机、小型汽车前轮、差速器小齿轮轴 双列角接触球轴承：油泵、罗茨鼓风机、空气压缩机、各类变速器、燃料喷射泵、印刷机械。（3）确定轴承内径dD略小于d2=26.47mm，取d=25mm（4）确定轴承预紧力FBP=1/3FBmax=1764N，则预加载荷

54、FBP。（5）选择轴承型号选择型号为7205B的角接触球轴承，9. 滚珠丝杠工作图设计（1）丝杠螺纹长度Ls=Lu+2Le，由表查得余程Le=40mm。则Ls=2206+2×40=2286mm；（2）两支承的距离L1=2310mm 全长L=2360mm（3）行程起点离固定支承的距离L0L0130mm。10. 传动系统刚度（1）丝杠抗压刚度丝杠最小抗压刚度Ksmin：丝杠最小抗压刚度Ksmax：（2）支承轴承的组合刚度一对预紧轴承的组合刚度： (3-9) Famax是预加载荷的3倍，dQ=6.85，z=13，=40°，Famax=5292N将数据代入式3-9，算得KB0=410N/m。支承轴承组合刚度滚珠丝杠为两端支承的支承方式，则Kb=KB0=410 N/m。滚珠丝杠滚珠和滚道的接触刚度： (3-10)由表查得滚珠丝杠的=973N/m，Ca=25988N，FP=100N，将数据代入式3-10，算