毕业设计（论文）-Xk714数控铣床床身及立柱部分设计

1、 Xk714数控铣床床身及立柱部分设计摘要 在现代工业中，数控机床的优劣直接影响着生产率的高低和产品质量的好坏，它在现代工业中的地位越来越高。本文主要是针对立式数控铣床床身、立柱、导轨及Z向进给系统的设计。床身和立柱是机床最重要的支撑件，它的好坏对数控机床有着决定性作用，设计中床身和立柱采用分离式结构；导轨为燕尾型导轨，主要是对运动部件起导向和支承作用；Z向进给采用半闭环系统进行控制，滚珠丝杠螺母机构进行传动。经过设计，最终使立式数控铣床床身和立柱部分性能得到了极大的改善。关键词 数控铣床 床身 立柱THE DESIGN OF VERTIAL CNC MILLING MACHINE BED A

2、ND THE COLUMN PARTAbstract: In modern industry, CNC machine directly influence the level of productivity and product quality . Status is improved and became important more and more. This article is mainly directed the bed, column, and Z Guide to the feed system design of vertical CNC milling machine

3、. The bed and column is the most important of support, it has a pair of CNC machine tools have a decisive role, Bed design and columns were used to structure; dovetail guideway for the type guide, the major components of the campaign with guidance and support; Z to feed semi-closed-loop control syst

4、em, the ball screw drive nut agencies for transmission. After design, and finally to the vertical bed CNC milling machine and columns of the great performance improvements.Key words : CNC milling Machine bed Column目 录1.绪论11.1 数控机床的基本组成及加工原理11.1.1 数控机床的产生11.1.2 计算机数控的概念与发展11.1.3 数控机床的基本结构及工作原理21.2数控技

5、术的发展趋势31.2.1数字控制和数控机床的发展31.2.2数控机床的发展趋势42.总体设计62.1立式数控铣床设计的基本要求和设计方法62.1.1 基本要求62.1.2设计方法62.2机床设计步骤62.3总体方案设计72.3.1几何运动设计82.3.2机床总体结构方案设计82.4机床主要参数设计93.床身、立柱及Z方向系统的设计113.1切削力计算113.2床身设计113.2.1床身材料的选择123.2.2.对床身结构的基本要求123.2.3床身的结构123.2.4床身的截面形状123.2.5床身的刚度133.2.6箱体封沙结构143.3导轨的设计143.3.1导轨材料选择153.3.2导轨

6、的类型153.3.3导轨间隙的调整.153.3.4导轨的计算163.3.5.导轨的润滑与防护183.4.滚珠丝杠副的计算及选用193.4.1.滚珠丝杠的介绍193.4.2滚珠丝杠螺母副的选择计算203.5 伺服电机的选择及计算233.6确定滚珠丝杠副型号253.7联轴器的选择293.7.1.联轴器的介绍293.7.2联轴器的选用304.检测元件与数控系统324.1位置检测装置的要求与分类324.2位置检测装置的选择334.3数控系统的选择34致谢36参考文献371. 绪论1.1 数控机床的基本组成及加工原理1.1.1 数控机床的产生1、产生原因机械产品日趋精密、复杂，改型也日益频繁，对机床的性

7、能、精度、自动化程度等提出了越来越高的要求。在机械制造工业中，单件、小批量生产的零件约占机械加工总量的 7080。为满足多品种、小批量，特别是结构复杂、精度要求高的零件的自动化生产，迫切需要一种灵活的、通用的、能够适于产品频繁变化的“柔性”自动化机床。2、产生过程1947年美国帕森斯公司（Parsons）首先提出利用脉冲信号控制机床运动的的概念1949年美国空军资助，帕森斯公司（Parsons）和麻省理工学院(MIT)合作开始研制。1952年研制成功了世界上第一台以数字计算机为基础的数字控制(numerical control，简称NC)3坐标直线插补铣床，从而使机械制造业进入了一个新阶段。1

8、.1.2 计算机数控的概念与发展1.计算机数控的概念（1）数控的概念GB81291997中对NC的定义为：用数值数据的控制装置，在运行过程中不断的引入数值数据，从而对某一生产过程实现自动控制。（2）数控机床（NC machine tools）若机床的操作命令以数值数据的地式描述，工作还在改照规定的程序自动地进行，则这种机床称为数控机床。（3）数控系统 数控系统是指计算机数字控制装置、可编程序控制器、进给驱动与主轴驱动装置等相关设备的总称。为区别起见将其中的计算机数字控制装置称为数控装置。2计算机数控的发展先后经历了电子管（1952年）晶体管（1959年）、小规模集成电路（1965年）、大规模集

9、成电路及小型计算机（1970年）和微处理机或微型计算机（1974年）等五代数控系统。 前三代属于采用专用控制计算机的硬接线（硬件）数控装置，一般称为NC数控装置。，第四代数控系统出现了采用小型计算机代替专用硬件控制计算机，这种数控系统称为计算机数控系统（omputerized numrical control，即 CNC）。自 1974年开始，以微处理机为核心的数控装置（microcomcuperized numerical control即MNC）得到迅速发展。 我国从1958年开始研制数控机床，20世纪60年代中期进入实用阶段。自20世纪80年代开始，引进日本、美国、德国等国外著名数控系统

10、和伺服系统制造商的技术，使我国数控系统在性能、可靠性等方面得到了迅速发展。经过“六五”、“七五”、“八五”及“九五”科技攻关，我国已掌握了现代数控技术的核心内容。目前我国已有数控系统（含主轴与进给驱动单元）生产企业五十多家，数控机床生产企业百余家。1.1.3 数控机床的基本结构及工作原理 数控机床加工零件的工作过程分以下几个步骤实现： （1）根据被加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式编写程序。（2）所编程序指令输入机床数控装置中。（3）数控装置对程序（代码）进行翻译、运算之后，向机床各个坐标的伺服驱动机构和辅助控制装置发出信号，驱动机床的各运动部件，并控制所需要的辅助运动。（4）在

11、机床上加工出合格的零件。数控机床的基本结构如图112所示，下面对其各组成部分加以介绍。1输入装置数控加工程序可通过键盘，用手工方式直接输入数控系统。还可由编程计算机用RS232C或采用网络通信方式传送到数控系统中。 零件加工程序输入过程有两种不同的方式：一种是边读入边加工，另一种是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器，加工时再从存储器中逐段调出进行加工。 2数控装置 数控装置是数控机床的中枢。数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置它的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有

12、序运动和动作。 零件的轮廓图形往往由直线、圆弧或其他非圆弧曲线组成，刀具在加工过程中必须按零件形状和尺寸的要求进行运动，即按图形轨迹移动。但输入的零件加工程序只能是各线段轨迹的起点和终点坐标值等数据，不能满足要求。因此要进行轨迹插补，也就是在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值，并向相应坐标输出脉冲信号，控制各坐标轴（即进给运动各执行部件）的进给速度、进给方向和进给位移量等。3驱动装置和检测装置驱动装置接受来自数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床的移动部件，以加“出符合图样要求的零件。驱动装置包括控制器（含功率放大器）和执行机构两

13、大部分。目前大都采用直流或交流伺服电动机作为执行机构。 检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反馈系统输入到机床的数控装置中。数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，控制驱动装置按指令设定值运动。 4辅助控制装置 辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运算，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启停，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作。现广泛采用可编程控制器（PLC）作

14、数控机床的辅助控制装置。5机床本体 数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。1.2数控技术的发展趋势1.2.1数字控制和数控机床的发展微电子技术，自动信息处理，数据处理以及电子计算机的发展，给自动化带来了新的概念，推动了机械制造自动化的发展。1952年试制成功世界第一台数控机床实验性样机，这是一台采用脉冲乘法原理的直线插补三坐标连续控制铣床，这便是数控机床的第一代。1953年自动编程系统开始。1958年带自动换刀装置的数控机床成功研制出来，称为加工中心。数控机床不断的发展，1965年，出现了小规模集成

15、电路，由于它的体积小、功耗低，使数控系统的可靠性得以进一步提高，数控机床发展到第三代。1967年，英国首先把几台数控机床联接成具有柔性的加工系统，这就是最初的FMS（柔性制造系统）。随着计算机技术的发展，小型计算机的价格急剧下降，小型计算机开始取代专用数控计算机，数控的许多功能由软件实现，这样组成的数控系统称为CNC。1970年在美国芝加哥国 际机床展览会上，首次出现了这种系统，称为第四代数控。1974年出现了第五代数控系统MNC。 20世纪80年代初，国际上又出现了柔性制造单元FMC。FMC和FMS被认为是实现CIMS的必经阶段和基础。1.2.2数控机床的发展趋势数控技术的应用不但给传动制造

16、业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的的不断发展和应用领域的扩大，体对国计民生的一些重要行业的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需要装备的数字化已是现代发展的大趋势。当前世界上 数控技术及其装备的发展呈现如下发展趋势:1高速、高精密化2高可靠性3数控机床设计CAD、功能多样化1)结构设计模块化 2)数控机床结构的创新 3)数控机床功能的多样化 4智能化、网络化、柔性化、集成化5开放性1) 为适应制造自动化的发展，向FMC、FMS和CIMS提供基础设备，要求数字控制制造系统不久能完成通常的加工功能，而且还要具备自动测量、自动上下料、自动换刀、自动更换主轴头、自动

17、误差补偿、自动诊断、进线和联网等功能，广泛应用机器人、物流系统。2) FMC,FMS Web-based制造及无图纸制造技术。3) 围绕数控技术、制造工程技术在 快速成型、并联机构机床、机器人化机床、多功能机床等整机方面和高速电主轴、直线电机、软件补偿精度等 单元技术方面先后有所突破。并联杆系结构的新型数控机床实用化。这种虚拟轴数控机床，用软件的 复杂性代替传统机床结构的复杂性，开拓了数控机床发展的新领域。4) 以计算机辅助管理和工程数据库、因特网等 为主体的制造信息支持技术和 智能化决策系统，对机械加工中海量信息进行存储和 实时处理。应用数字化网络技术，使机械加工整个系统趋于资源合理支配并高

18、效地应用。5) 由于采用了神经网络控制技术、模糊控制技术、数字化网络技术，机械加工向虚拟制造爱的方向发展。 6复合化7串行总线计算机数控系统8重视新技术标准、规范得的建立虽然近年来我们在机床上出现的流血事件在减少，但仍然是无法杜绝，在设计时应该考虑一下机床外形的布置，造作人员与机床的协作。所以对机床的发展趋势补充两条:1绿色设标准2在设计时考虑人机和谐化。我国机床的精度不怎么高，我们要从机床的零件精度着手 ，注重机床的装配精度，也要时刻注重新技术的应用来提高机床精度。所以对机床的发展趋势补充一项:高精度化。 近年来我国仿真技术的发展也是十分突出的，但我国的这项技术只是刚刚起步，有很大的发展空间

19、，这样可以减少设计时间，交货周期短，提高了设计质量，可在未完成物理实体前就解决装配中的问题，对零件中出现的问题加以解决，也不会造成浪费。这项技术主要集中在装配建模、计算机辅助装配工艺规化等，提高了装配效率和质量，减少了成本。所以想在补充一点:建模和仿真的可视化处理。2. 总体设计2.1立式数控铣床设计的基本要求和设计方法2.1.1 基本要求机床在设计时，首先要考虑对所设计机床的基本要求，机床所能加工的工件特性及机床自身应具有的特性。数控机床设计中应满足的基本要求包括机床工艺范围、加工精度、柔性、开放性、噪声、生产率和自动化、成本、生产周期、可靠性、机床宜人性等等。其中许多要求与加工对象有关。在

20、设计机床时，综合考虑以上众多要求，在机床满足上述要求的条件下，尽量将机床设计的结构简单、可靠、成本低、效率大。2.1.2设计方法 随着科学技术的进步，设计理论和技术的发展，数控机床的设计理论和方法由人工绘图向计算机绘图，由定性设计向定量设计、由静态和线性分析向动态和非线性分析、由可行性设计向最佳设计过度。数控机床的传动和结构也发生了巨大的变化，采用伺服驱动省去了复杂的机械传动，不但提高了传动效率和加工精度，同时使机床的结构与布局发生了很大变化，缩小了占地面积。 机床的设计方法是根据其设计类型而定。通用机床采用系列化设计方法。系列中基型产品属创新设计类型，其他属变形设计类型。有些机床，如组合机床

21、属组合设计类型。在创新设计类型中，机床总体方案的产生方法可采用分析式设计或创成式设计。前者是用类比分析、推理方法产生方案，是目前创新设计一般采用的方法。后者则用创成分析的方法生成方案，创新能力强，这种方法尚在研究发展之中。2.2机床设计步骤机床的设计内容及步骤大致可概括为：主要技术指标设计；总体方案设计；总体方案综合评价与选择；总体方案的设计修改或优化；详细设计（技术设计和施工设计）；机床整机综合评价。机床设计的系统框图如2.1所示： 上述步骤可反复进行，直到达到设计结果满意为止。在设计过程中，设计与评价反复进行，可以提高一次设计成功率。 图2.1 机床设计体统框图2.3总体方案设计根据前面提

22、到的数控机床应满足的基本要求，就可进行总体设计。所有要求中，工艺要求最为重要，它决定机床所需要的运动，完成每个运动又有相应的功能部件，这就可以确定各部件的相对运动和相对位置关系，机床的总体布局也就大体能确定下来。在进行机床总体设计时可以从两方面进行考虑。一方面从机床内部考虑，要处理好工件与刀具间的相对关系，如位置与运动、工件重量和形状特点等。另一方面还要考虑到机床外部的因素，也就是人机之间的关系，如外形、操作和维护等。总体方案设计是一项全局性的设计工作，直接影响机床产品的结构、性能、工艺和成本，关系到产品的技术水平和市场竞争能力。2.3.1几何运动设计机床是依靠刀具与工件之间的相对运动，加工出

23、一定几何形状和尺寸精度的工件表面。不同的工件几何表面，往往需要采用不同类型的刀具，作不同的表面形成运动，而成为不同类型的机床。因此，要进行机床的几何运动设计需要先了解工件几何表面的形成方法。（1）几何表面的形成方法 几何表面的形成 任何一个表面都可以看作是一条曲线（或直线）沿另一条曲线（或直线）运动的轨迹。这两条曲线称为该表面的发生线，前者称为母线，后者称为导线。发生线的形成 工件加工表面的发生线是通过刀具切削刃与工件接触并产生相对运动而形成的。有如下四种方法：轨迹法、成型法、相切法和范成法。加工表面的形成方法 加工表面的形成方法是母线形成方法和导线形成方法的组合。因此，加工表面形成所需要的刀

24、具与工件之间的相对运动也是形成母线和导线所需相对运动的组合。（2）运动功能方案设计对所设计的机床的工艺范围进行分析，选择确定加工方法；然后选择坐标系；写出机床几何运动功能关系式；最后绘制机床运动机构原理图。机床运动功能图只表示运动的个数、形式、功能及排列顺序，不表示运动之间的传动关系。若将动力源与执行件、不同执行件之间的运动及传动关系同时表示出来，就是传动原理图。2.3.2机床总体结构方案设计机床几何运动功能关系式只描述了刀具与工件之间的相对运动，但基础支承件设在何处尚未确定，哪些运动是由刀具一侧完成，哪些运动由工件一侧完成也还不清楚，所以首先是运动功能的分配问题。通过几何运动功能分配设计可确

25、定基础支承件。 （1）结构布局设计机床的结构布局形式有立式、卧式及斜置式等；其中基础支承件的形式又有底座式、立柱式、龙门式等；基础支承件的结构又有一体式和分离式等。因此同一种运动分配式又可以有多种结构布局形式，这样运动分配设计阶段评价后保留下来的运动分配式方案的全部结构布局方案就有多种，因此需要再次进行评价，去除不合理方案。该阶段评价的主要依据主要是定性分析机床的刚度、占地面积以及对物流系统的开放性等因素。该阶段设计结果得到的是机床总体结构布局形态图，本次设计的是立式数控铣床，支承件为立柱式，基础支承件的结构为分离式。（2）机床总体结构的概略形状与尺寸设计设计的主要依据是机床总体结构布局设计阶

26、段评价后所保留的机床总体结构布局形态图、驱动与传动设计结果、机床动力参数、加工空间尺寸参数以及机床整机的刚度及精度分配。其设计过程为：首先确定末端执行件的概略形状和尺寸。与末端执行件相临的下一个功能部件的结合部的形式、概略尺寸。考虑上述功能部件的刚度要求，确定下一个功能部件的概略形状与尺寸。重复上述过程，直到基础支承件（底座、立柱、床身等）设计完毕。若要进行机床结构模块设计，则可将功能部件细分成子部件，根据制造厂的产品规划，进行模块提取与设置。初步进行造型与色彩设计。机床总体结构方案的综合评价。上述设计完成后，得到的设计结果是机床总体结构方案图，如图2.4所示。然后对得到的各个总体结构方案进行

27、综合评价比较，评价的主要因素有：性能、制造成本、制造周期、生产率、物流系统的开放性、外观造型以及机床总体结构方案设计修改与确定。 图2.4 立式铣床总体结构方案图 2.4机床主要参数设计机床的主要技术参数包括机床的主参数和基本参数，基本参数可包括尺寸参数、运动参数及动力参数。（1）主参数和尺寸参数机床主参数是反映机床规格大小及机床最大工作能力的一种参数。为了更完整地表示机床的工作能力及工作范围，有些机床还规定有第二主参数。立式数控铣床的主参数为机床所能加工的最大工件，任务书中已明确说明工作台为900400mm，X行程为600mm，Y行程为500m，Z行程为600mm。（2）运动参数运动参数是指

28、机床执行件，如主轴、工作台和刀架的运动速度。 3. 床身、立柱及Z方向系统的设计3.1切削力计算 在以工作寿命为基础进行计算时，应按实际加工过程中最高铣削条件为准：刀具：硬质合金， 工件：碳钢、灰口铸铁，此时的铣削力最大，查表：金属切削与刀具实用技术取： ， ， z=10，。 则： = =3128N 切削功率为： 根据经验计算电动几空载功率为准，电动机的输出功率为： 3.2床身设计3.2.1床身材料的选择灰铸铁具有良好的铸造性能，便于铸造复杂的形状，有很好的抗振性能，价格也便宜，一般机床大件都用铸铁铸造而成。HT200适用于外形比较简单，抗压和抗弯应力都较大的大件。故这里选择HT200来制造床

29、身。3.2.2.对床身结构的基本要求机床的床身是整个机床的基础支撑件，一般用来放置导轨，主轴箱等重要部件。为了满足数控机床应有更高的静、动刚度，更好的抗振性，对数控机床在以下方面提出了要求。 （1）很高的精度保持性。 （2）应具有足够的精度。 （3）较好的热稳定性。3.2.3床身的结构床身的结构形式有各种各样的形式。例如数控铣床、加工中心等这一类数控机床的床身结构，有固定立柱式和移动立柱式两种。前者一般适用于中小型力式和卧式加工中心；而后者有分为整体T形床身和前后床身分开组合的T型床身。所谓T型床身是指床身是由横直的前置床身和它垂直的后床身组成。整体式床身，刚性和精度保持性都比较好，但是却给铸

30、造加工带来很大不便，尤其是大中型机床的整体床身，制造时需要有大型设备。而分离式T型床身，铸造工艺和加工工艺性都大大改善。前后床身联接处要刮研，联接时用定位键和专用定位销定位，然后沿截面四周，用大螺栓固紧。这样联接的床身，在刚度和精度保持性方面，基本能满足使用要求。3.2.4床身的截面形状数控机床的床身通常为箱体结构，合理设计床身的截面形状及尺寸，采用合理布置的筋板结构可以在较小质量下获得较高的静刚度和值当适当的固有频率。床身中常用的几种截面筋板布置有V形筋、对角筋、斜方筋。床身筋板一般根据床身结构和载荷分布情况进行设计，满足床身刚度和抗振性要求，V形筋有利于加强导轨支承部分的刚度，对角筋和斜方

31、筋结构可明显增强床身的扭转刚度并且便于设计成全封闭的箱形结构。此外，还有纵向筋板和横向筋板，分别对抗弯刚度和抗扭刚度有显著效果：米字形筋板和井字形筋板的抗弯刚度也较高，尤其是米字形筋板更高。3.2.5床身的刚度根据床身所受载荷性质的不同，床身刚度分为静刚度和动刚度。床身的静刚度直接影响机床的加工精度极其生产率。静刚度和固有频率，是影响动刚度的重要因素。合理设计床身的筋板结构，可提高床身的刚度。床身的筋板布置形式对闭式箱体结构刚度的影响如表3.1所示。表3.1 筋板布置对封闭式箱体结构刚度的影响序号模型弯曲刚度指数（X-X）扭转刚度指数11.01.02 1.161.4431.021.3341.1

32、11.6751.132.02 3.2.6箱体封沙结构 床身封砂结构是利用筋板隔成封闭箱体结构，将大件的泥芯留在铸件中不清除，利用砂粒良好的吸振性能，可以提高结构件的阻尼比，有明显的消振作用。提高床身结构的静刚度，由刚度和质量的关系式k=m(为系统无阻尼振动时的固有频率)可以看出，增加质量m可以提高静刚度。对于焊接结构的床身，在床身内腔填充泥芯和混凝土等阻尼材料，当振动时，利用相对摩擦来消散振动能量。封砂结构降低了床身的重心，有利于床身结构的稳定性，可提高床身的抗弯和抗扭刚度。 经过以上的分析在本次设计中，床身设计为上部为圆弧，以便于安装丝杠；在圆弧下面增加一条筋板，以增加床身的刚度和强度，进一

33、步提高床身的安全和可靠性。3.3导轨的设计 导轨的作用主要是对运动部件起导向和支承作用，也就是支承运动部件（如刀架、工作台等），并保证运动部件在外力作用下能准确沿着规定方向运动。因此，导轨的制造精度及性能对机床加工精度、承载能力等有着重要影响。数控机床对导轨主要有以下几方面要求。 导向精度高 导向精度是指机床的运动部件沿导轨移动时与有关基面之间的相互位置的准确性。无论是空载还是加工，导轨都应具有足够的导向精度。这是对导轨的基本要求。各种机床对于导轨本身的精度都有具体的规定或标准，以保证导轨的导向精度。精度保持性 精度保持性是指导轨能否长期保持原始精度。影响精度保持性的主要因素是导轨的磨损，此外

34、，还与导轨的结构形式及支承间（如床身）的材料有关。数控机床的精度保持性要求比普通机床高。足够的刚度 机床各运动部件所受的外力，最后都有道轨面来承受，若导轨受力后变形过大，不仅破坏了导向精度，而且恶化了导轨的工作条件。导轨的刚度主要决定与导轨类型、结构形状、尺寸大小、导轨与床身的联结形式、导轨材料、表面加工质量等。数控机床的导轨截面积通常较大，有时还需要在主道轨外添加辅助导轨来提高刚度。良好的摩擦特性 数控机床导轨的摩擦系数要小，而且动、静摩擦因数应尽量接近，以减小摩擦阻力和导轨热变形，是运动轻便平稳，低速无爬行。此外，导轨工艺性要好，便于制造和装配，便于检验、调整和维修，而且有合理的导轨防护、

35、润滑措施等。3.3.1导轨材料选择铸铁是一种成本底，有良好的减振性和耐磨性，易于铸造和切削加工的金属材料。常用的铸铁有灰铸铁、孕育铸铁和耐磨铸铁等几种。在硬粒磨损的条件下，铸铁导轨的耐磨性随硬度的增加而提高。淬硬后金相组织为马氏体的铸铁耐磨性最好，因为它的硬度已相当于或超过硬粒的硬度。 钢为了提高导轨的耐磨性，可以采用淬硬的刚导轨。铸铁-淬火钢摩擦副能够防止导轨面的撕伤，抗硬粒磨损的耐磨性可比未淬硬的铸铁-铸铁副提高5-10倍，并随合金的成分和硬度的增加而提高。淬火钢的导轨都是镶装或焊接上去的。有色金属用于镶装导轨的有色金属片的材料主要有：锡青铜、铝青铜和锌合金等。它们多用于重型机床的导轨上，

36、与铸铁的支承导轨相配合，用以防止撕伤、保证运动的平稳性和提高移动精度。塑料镶状塑料导轨具有摩擦系数底、耐磨性好、抗撕伤能力强、可降低低速运动的临界速度，在精密、数控和重型机床导轨上的应用也在逐渐增多。塑料导轨多与未淬硬的铸铁导轨搭配。综合上述：我们选择铸铁导轨，直接和立柱一起铸造的导轨 。3.3.2导轨的类型机床导轨的类型基本上有四种：三角形导轨、平导轨、燕尾形导轨和圆柱形导轨。三角形导轨常用于精度要求较高的机床上，但它制造比较麻烦。平导轨制造和维修都比较方便，刚度好，在不增加导轨高度的条件下，能不受限制的增加导轨的宽度，故承载能力大。但它也是有缺点的：侧表面磨损后不能自动补偿，而且调整间隙也

37、比较麻烦，同时它容易积存赃物，要求很好的防护。燕尾形导轨能承受颠覆力矩，结构紧凑，调整间隙方便，特别适用于层次较多的运动部件上。但它制造较困难，刚度差，摩擦力大，存油性差，所以只适用于受力不大，移动速度不高，精度要求不高的导轨圆柱形导轨它制造简单，容易保证精度，但磨损后间隙难于调整，所以仅适用于以受轴向载荷为主的机床上，如拉床、冲床等。 根据上述：选择燕尾形导轨。3.3.3导轨间隙的调整.燕尾导轨和平导轨磨损以后在水平方向和垂直方向都会产生间隙，如不及时调整，工作部件就不能平稳地运动，就会影响机床的加工精度和表面光洁度，因此必须设法消除。导轨间隙常用压板、镶条来调整。1）压板 压板用来调整辅助

38、导轨面的间隙和承受颠覆力矩。2）镶条 镶条用来调整矩形导轨和燕尾型导轨侧向间隙。镶条应放在导轨受力较小的一侧。在这里我选用镶条来调整间隙。3.3.4导轨的计算 表3.2铸铁导轨的许用压强（M）导轨种类平均压强最大压强直线运动导轨滑动速度低的进给运动导轨中型机床1.21.52.53.0重型机床0.51.01.5磨床0.0250.040.050.0.081)按线形分布的导轨压强每个导轨面所受的载荷都可以简化为一个集中力P和一个颠覆力矩M的作用。F导轨所受的集中力（N）M导轨所受的颠覆力矩（NM）P由集中力引起的压强（M）B导轨的宽度（mm）L动导轨的长度 (3-1)2）受力分析对于燕尾槽： (3-

39、2)当量摩擦系数，滑动摩擦系数，燕尾轮廓角或三角形底角=55图3.2 导轨受力分析图推力F平行与运动件轴线且与轴线相距h，如图3.2所示，图中为轴向阻力，和为反作用。为当量摩擦系数。根据静力平衡条件得 （+）+-F=0 -=0 -+=0 联立解得：F= 欲推运动件，必须保证运动件不被卡死的条件是：为了保证运动灵活，值可按下式取值：0.5对燕尾形和三角形导轨（=55）h 可取：L=300mm(两导轨的间距)3)滑动导轨：导轨宽度B，两导轨间距，运动件长度L。根据经验L=（1.21.8）=240360。动导轨为4段，每条静导轨各有2段，故计算中L应取1/4进行计算。导轨上所受到的力大约为：=312

40、8N P根据许用压强表可取为=1.2M 根据公式： ( M) 得： =60mm故这里我取B为60mm。3.3.5.导轨的润滑与防护1.润滑的目的：要求和方式对导轨进行润滑的目的是：减少磨擦，提高机械效率；减少磨损，延长寿命；降低温度，改善工作条件和防止生锈。对润滑的要求是：保证按规定提供清洁的融化油，油量可以调节，尽量采用自动和强制润滑；简化润滑装置，润滑元件要可靠；确保安全。润滑方式：选择压力油强制润滑。这种方式效果较好，润滑可靠，与运动速度无关，而且可以不断地冲洗和冷却导轨面。导轨润滑油的粘度根据导轨的工作条件和润滑方式选择。这里可采用30号机械油或40号机械油进行润滑。 2.导轨的防护导

41、轨的磨损有两种型式，即硬粒磨损和导轨面的咬焊，其中以硬粒磨损最为普遍，而且又不能完全避免。所以，必须有专门的供油系统，采用自动和强制润滑。3.提高导轨耐磨性要提高导轨的耐磨性应该控制接触压强，提高导轨面硬度和减小表面粗糙度的值；选择良好的耐磨材料，对导轨面进行热处理；使用塑料导轨，塑料导轨具有良好的耐磨性和自润滑功能，摩擦因数小，动、静摩擦因素差小，减振性好，具有良好的阻尼性，加工性好，工艺简单，化学性能好（耐水、耐油），维修方便，成本低等特点。数控机床采用的塑料滑动导轨有铸铁塑料滑动导轨和镶钢塑料导轨。塑料导轨常用在导轨副的运动导轨上，与之相配的金属导轨采用铸铁或钢质材料。塑料导轨分为注塑导

42、轨和贴塑导轨，导轨上的塑料常用环氧树脂耐磨涂料和聚四氟乙烯导轨软带。本次设计我选用贴塑导轨。 图3.3 导轨图3.4.滚珠丝杠副的计算及选用3.4.1.滚珠丝杠的介绍a.滚珠丝杠的原理及特点：滚珠丝杠螺母机构是回转运动与直线运动相互转换的传动装置,是数控机床伺服进给系统中使用最为广泛的传动装置.其工作原理是:在丝杠和螺母上分别加工出圆弧形螺旋槽,这两个圆弧槽合起来便行成了螺旋滚道,在滚道内装入滚珠.但丝杠相对螺母旋转时,滚珠在螺旋滚道内滚动,迫使两者发生轴向相对位移.为了防止滚珠从螺母中滚出来,在螺母的螺旋槽两端设有会程引导装置,使滚珠能返回丝杠螺母之间构成一个闭合回路.由于滚珠的存在,丝杠与

43、螺母之间是滚动摩擦,仅在滚珠之间存在滑动摩擦.滚珠丝杠落幕机构具有一下的特点:1）摩擦损失小，机械效率高。滚珠丝杠螺母机构的机械效率=0.920.96，而滑动丝杠=0.200.40；2）轴向刚度高，反向定位精度高。滚珠丝杠可以完全消除间隙并可预紧。因此与普通丝杠机构比较有较高的轴向刚度，反向时无空程死区，反向定位精度高。3）运动灵敏，低速时无爬行。因此，目前数控机床广泛地采用滚珠丝杠传动机构。4）具有传动的可逆性。因此，当用滚珠丝杠传动竖直运动时，必须用附加的自锁机构或制动装置。4）使用期限长。5）工艺复杂。b.滚珠丝杠机构的结构目前世界各国所设计和制造的滚珠丝杠螺旋机构，尽管在结构上各式各样

44、，但其主要区别不外乎螺旋滚道型面的形状，滚珠的循环方式，以及轴向间隙的调整和预紧力的方法等三方面。1螺旋滚道型面的形状及其主要尺寸它们的形状有单圆弧结构，即滚道型面是由一个圆弧组成。它的接触角随负载的大小而变化，因而轴向刚度及承载能力也都随之变化，目前应用较少。还有一种就是现在机床上大量采用的双圆弧型，即滚道型面是由半径为R的两个圆弧组成。其接触角是不变的。当偏心距确定后，两个接触点也就确定了，滚珠与滚道两圆弧相切的两点就是两个不变的接触点。2滚珠的循环方式滚珠有两种循环方式：外循环和内循环。（1）外循环 滚珠在循环过程中与丝杠脱离接触的成为外循环。（2）内循环 滚珠在循环过程中与丝杠始终保持

45、接触的叫内循环。在此，我们选择的是内循环。 3.轴向间隙的调整和加预紧力的方法常用方法有：用背帽调整间隙和齿差调整间隙。前一种方法的缺点是轴向位移量很难精确地控制，但由于结构简单，调整方便，因而应用仍较广泛。3.4.2滚珠丝杠螺母副的选择计算a.确定滚珠丝杠副的导程根据机床传动要求，负载大小和传动效率等因素综合考虑确定导程。先按机床传要求确定，其公式为： 式中：机床工作台最快进给速度; I传动比，因电机与滚珠丝杠副直接连接，i=1; 驱动电机最高转速，。 在满足控制系统分辨率要求下，导程应取较大的数值，选。b.滚珠丝杠副的载荷及转速计算工作载荷F是指数控机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向力

46、，其数值可用下列进给作用力的实验公式计算：(1)工作载荷在数控铣床工作时查金属切削与刀具实用技术，得顺铣时轴向力最大顺铣时的铣削力分垂直分力，走刀抗力和轴向分力。 按丝杠所受轴向力的最大值计算丝杠，所以取经验公式中较大系得： 对于滑动燕尾形导轨： =1751.68+1063.52+30=2845.2N K-考虑颠覆力矩影响的实验系数u摩擦系数，对燕尾形导轨取0.2（2）几种工况下丝杠载荷的计算1.由摩擦力引起的丝杠载荷： u摩擦系数2.强力铣削时： 3.一般铣削时： 4.精铣削时： 5.快速移动和定位时： （3）最大工作载荷最大载荷为机床承受最大切削力时作用于丝杠的轴向载荷。(4)当量载荷与当

47、量转速 式中： 强力切削时丝杠转速； 指一般切削时丝杠转速； 精密切削时丝杠转速； 快速移动和定位时丝杠转速； 强力切削所用时间占整个切削过程的百分比； 一般切削所用时间占整个切削过程的百分比； 精密切削所用时间占整个切削过程的百分比； 快速移动和定位所用时间占整个切削过程的百分比。当量负荷的计算公式为： c.确定预期额动载荷1）按预期寿命时间计算 式中：滚珠丝杠副当量载荷，N； 当量转速，； 预期工作时间，取15000小时； 精度系数，取1.0； 可靠性系数，取0.53； 负荷系数，取1.2； =N 2）按最大轴向载荷计算当滚珠丝杠有预加载荷时 式中： 与加负荷系数，取中预载 选取1）、2）

48、计算结果中的大数值为滚珠丝杠副的预期额定动载荷，即取为19323.18N。d.确定丝杠最小螺纹底径1）估算滚珠丝杠的最大允许轴向变形量 重复定位精度，0.004mm; c定位精度，0.01mm.取为0.001mm. 1)估算确定滚珠丝杠副的底径 滚珠丝杠副安装方式为一端固定，一端支撑时： 式中： 估算的滚珠丝杠最大允许轴向变形量； L滚珠螺母至滚珠丝杠固定端支承的最大距量； 行程+安全行程+余程+螺母长度一半+支承长度的一半 ）行程 e.确定滚珠丝杠的预紧力 f.确定滚珠丝杠副其他尺寸（1）滚珠丝杠的螺纹长度 =有效行程+螺母长度 余程， =600+150=750mm(2)丝杠全长L L=+两

49、端支承长度+连接长度+起始距离 综合考虑各项几何尺寸要求，取L为976mm.3.5 伺服电机的选择及计算随着交流伺服电机的快速发展，它以结构简单，坚固耐用，体积小，重量轻，没有机械换向，而无需多少维护而迅速代替直流伺服电机在现代数控设备中得到广泛应用，所以我选择了交流伺服电机。1） 作用在滚珠副杠服上各种转矩计算外加载荷产生的摩擦力矩（Nm） =4.04Nm滚珠丝杠副预加载荷产生的预紧力矩（Nm） Nm 式中：滚珠丝杠副导程 未预紧的滚珠丝杠副效率 取0.9 F作用在滚珠丝杠上的外加轴向载荷滚珠丝杠副预加载荷产生的预紧力矩 =0.149Nm 2)负载转动惯量（）及传动系数系统转矩惯量J（）的计算。