毕业设计（论文）-数控铣床Z轴进给系统结构设计

前言制造业是经济建设与发展的基础，一个国家制造业的发展水平决定了该国的经济水平，生活水准，科技发展等等。因此，一个国家发达与否，其国内的制造业的发展水平是重中之重，首要之首。自从工业革命之后，世纪工业格局发生了重大改变，使之生产能力得到了巨大提升，往后几十年里科学技术得到了飞速发展。现今的机械制造产品无论是性能还是其质量都是当初不可想象的，新旧产品之间的更新换代也是日新月异。如今的机床早已完成了从最初的实际加工需求到后来的追求其在生产加工时拥有较高的加工精度和生产率的过程，而为了大大提高机床生产时的加工精度以及生产率，世界上第一台数控机床于1952年在美国诞生了。为了进一步解决那些形状十分复杂且生产批量又不大的特殊零件的实际加工问题；也为了不断的提升其加工的精度，提高其加工后零件的质量以及其生产的能力，不断研发新型的数控机床都是必要的。但是因为在实际研发设计过程中有着种种的条件制约，像：研究经费、技术支持等等的问题。所以从总体上来说，其数控机床的整体技术是很难在短时间内得到大步度的提升。因此，本论文只对数控机床的Z轴进给系统的结构做出了设计，因为该部件的性能对于整台数控机床来说尤为重要，其进给系统的优劣将直接影响到零件加工完成后的质量和生产加工时的效率,是评价一台机床的整体性能和其技术经济指标的重要因素。其中包括了数控机床对进给系统的基本要求，数控铣床的进给传动机构的选择，Z轴的工作载荷的分析与计算，滚珠丝杆螺母副的计算与选型，轴承的计算与选择，电机的计算与选用，负载转动惯量的计算，负载力的计算，导轨的计算与选型以及技术经济分析等等。

绪论1.1数控铣床概述面对如今多样化的加工环境以及复杂化的加工零件，其传统数控铣床已经逐渐无法满足其加工需求，于是为了应对这种问题，人们在传统数控铣床的基础之上加以改进发展，最终研究出了加工中心，但是说到底也离不开数控机床的影子。由于数控铣床在实际加工过程中所需要用到的工艺过程最是复杂，因此，在人们研发新型的数控机床的时候其铣床的基本功能的突破一直是研究的重点以及研究的基础。铣床可以应用于多种加工环境，可以用于加工各种面、沟槽、多齿零件上齿槽、螺旋形表面及各种曲面。不仅如此，在加工回转体零件的表面和内孔的时候也可以用铣床来完成加工，甚至在一些零件需要切断的时候也能用铣床来完成。随着时代的不断前行，由计算机技术所衍生出来的数控技术也得到了越来越多的普及式应用，而由于数控铣床可以说就是一种装备了数控系统的铣床，所以导致数控铣床也变得越来越普遍了。在数控行业中人们通常将数控铣床分为卧式数控铣床和立式数控铣床两种。而其他没包含在这两类里的数控铣床都是指那种规格比较小的升降台数控铣床，判断其规格大小的标准则是看其工作台的宽度大小，如果其宽度没有超过400mm，就可判定为规格较小；而如果数控铣床的工作台的宽度超过了500mm，则可判定其规格较大，而这种数控铣床所能实现的功能就已经向加工中心靠拢了，继而改进成了柔性制造单元。在大多数的时候，数控铣床的坐标轴一共有三个，分别是X、Y、Z三个坐标轴，并且可以实现两坐标轴之间的联动功能。这样的数控铣床只可以加工出平面零件或者零件上的曲线，而如果需要其去加工像叶片、旋转槽那样的有立体曲面的特殊零件的话，就需要加进一个回转的A坐标或C坐标，使三坐标数控铣床变为四坐标数控铣床。1.2机床的国内外发展现状在20世纪的众多科技成果之中，最为伟大的应当要数计算机的发明与应用以了，自从1952年世界上的第一台数控机床诞生于美国，距今也已经有50个年头了。随着现今科技的不断发展，在本世纪内制造业得到了巨大的发展，其中最重大的技术进步应该要算是计算机及控制技术在机械制造设备中的应用了。数控设备包括有：车床、铣床、磨床、镗床、冲压、电加工、加工中心等各类的专用型机床，全世界的机床制造业一年的产量就达到了10万台～20万台。在20世纪末的那十几年当中世界制造业经历了好几次的兴衰，甚至曾经一度成为了夕阳工业，而这种情况下由美国最先提出了要振兴现代制造业的想法。因此各个国家的数控机床制造企业都在90年代的时候经历了重大的改革变迁。像德国和美国等几大制造国都在这一时期经历了较大的变动，正是由于这些变动引发全世界范围内制造业的新技术更新浪潮。从上个世纪80年代开始我国的数控机床制造业进入到了快速发展的时期，大多数的机床厂都开始尝试从传统机床产品开始向着数控化机床产品转型。可是因为我国制造业的总体技术水平并不高，而且生产出来的产品品质也不高，所以导致了我国在1990年国家经济由计划性经济开始向着市场经济变化，在经济转型的过程中我国的机床制造业经历了几年最为萧条的困难时期，那时候的生产能力最低时只能达到上个世纪80年代时期的一半，库存时间也超过了4个月。幸好从1995年开始国家新立了许多相关政策来对大力扶持机床市场，如：加强了进口数控设备时一系列的审批，严格控制了设备的进口；对于关键性数控设备系统、技术攻关项目进行重点投资支持。这些举措对于国内数控设备的制造和发展所起到的促进作用十分巨大，21世纪开始其效果更为显著，能够看到各项产品之间相互竞争、技术突破的繁荣景象。但也反映了下列问题：1．技术水平不高的产品之间相互通过压低价格的方式来进行恶性促销，导致竞争激烈，并且扰乱了正常市场；2．技术水平高、功能齐全的产品以及一些功能部件和配套系统则过于依赖国外进口，导致国内技术难以突破，对于国内制造业长远发展极为不利；3．实际应用技术水平不高，各技术研发单位之间没有良好的合作以及信息共享机制；4．自行开发新产品的能力较差，技术突破较为困难。1.3数控机床的发展及存在问题1.3.1数控机床的发展1952年，世界上第一台数控机床诞生在美国的帕森斯公司与麻省理工学院的联合研究室内，这是一台三坐标的数控铣床。美国最早提出研制数控机床的设想是在1948年研制直升机叶片的加工任务的时候。但是直到1949年，帕森斯公司才在在美国空军部门的大力支持之下正式的接受了此项委托任务，并和麻省理工学院的伺服机构实验室确立了联合研究关系，开始致力于研制工作。之后在克服了诸多技术难关和实践困难后，终于在1952年成功制作出了世界上第一台数控机床的试验性样机，这台耗时3年研制的样机采用了当时最为先进的直线插补三坐标连续控制系统来控制铣床。但是其体积过于庞大，光是其控制装置就需要由2000多个电子管来组成，所占用的面积就要整整一个实验室那么大。但是随着这台样机的诞生，标志着机械制造业由原先的人工控制时代进入到了数字控制的时代。数控系统的发展史和计算机技术的发展史相似，基本都是由电子管、分立式晶体管、小规模集成电路、大规模集成电路、小型计算机、超大规模集成电路、微机式的数控系统等几个发展阶段组成的。从1990年以后，由于技术上的改革创新以及实际的加工需求数控系统的发展方向发生了改变，开始朝着以高速度高精密化、高可靠性和智能化的方向发展。以前的数控系统皆是计算机硬件和软件所构成的，然后再通过其存储器内部的软件进行控制来完成工作，称之为CNC系统。这种系统于实际应用中有诸多优点，比如：能够扩大机床功能，加工时的整体精度高，柔性好。1.3.2数控机床的存在问题目前，数控机床经过这么多年的发展，技术已经成熟，开始向着高速度高密度化、高可靠性、工艺复合、多轴控制、智能化、集成网络化和环保化的方向发展。我国的数控技术与世界上先进技术相比仍然存在着较为显著的差距，其主要表现在下面几个方面：1．就技术的水平而言，现如今我国的加工中心的总体技术水平相对于国外的先进技术要落后10到15年左右，尤其在关于“高速度高密度化、高可靠性精、智能化”方面的水平相差的则更为巨大。2．就产品的结构而言，其高端市场基本上已经被日本、美国和其他欧洲发达工业国家所垄断而我国却难以发展其市场，主要是因为由国内所开发的复合式加工中心、五轴联动数控机床等产品，虽然数年前就已研制成功并且投入量产，但是大部分的产品其技术水平距离国际上的顶尖水平任然相去甚远。而其低端市场则因为与周边国家之间的竞争过于激烈，导致其市场十分混乱。所以一直以来，我国自产机床的产量一直不大，而进口产品的量却一直过大。3．就新产品的开发能力而言，国内的制造业没有将新技术的开发当做是研究数控技术的重点，更不用说是在加工中心的应用领域了。具体来说表现在：相较于生产已有产品，对于新型产品的开发热情普遍不高，其研发的水平也普遍不高，对于产品的各项规范的制定以及各项新标准的研究相对滞后。最终导致了生产出来的产品在市场上竞争力不强。4．就产业化的水平而言，在市场所占的份额不大，各品种的包含率小。具体来说：加工中心和一些特殊的功能型部件及其配套件的生产水平任然未能达到量产的水平；产品的生产质量不高，可靠性不高；数控系统的推广应用还不够等等。1.4数控铣床的应用分类及特点1.4.1数控铣床的分类：按照其运动方式的不同可以分为：（1）直线控制式；(2）点位控制式（3）轮廓控制式。按照其控制方式的不同可以分为：(1）闭环控制式；(2）开环控制式(3）半闭环控制式。按照其主轴的布局形式的不同可以分为：（1）卧式；（2）立式（3）立卧两用式。1.4.2数控铣床的应用数控铣床可以用于多种零件的加工，一般用于加工曲面和平面轮廓以及拥有一些复杂型面的零件，如模具、样板等。在有需要的时候也可以用于铰孔、钻孔、锪孔、扩孔以及镗孔的加工，但是因为数控铣床没有自动换刀的装置，因此不能实现其自动换刀，导致在加工一些构造十分复杂的孔时会十分的难以进行加工。如今数控铣床主要应用于制造模具、生产汽车零部件、机床制造业、制造军工设备等。1.4.3数控铣床的主要功能及特点数控铣床由其主轴的安装位置及形式的不同可以分为立式数控铣床、卧式数控铣床和立卧两用式数控铣床3种类型，不同类型的数控铣床之间其所采用的数控系统也各不相同，因而所能实现的功能也各有不同。但就一般通常而言应该都具有下列几种主要功能：①点位控制功能；②连续轮廓控制功能；③刀具半径自动补偿功能；④刀具长度补偿功能；⑤镜像加工功能；⑥固定循环功能；⑦特殊功能。数控铣床之所以能够大规模的普及应用，主要是由于其拥有高柔性以及工序复合化，生产批量大且耗时短，而且加工出来的零件具有很高的精度，同时又能够大幅度的减轻操作者的劳动强度。

第二章进给系统机械结构的设计2.1设计要求1.Z向快速移动速度为：10m/min2.Z向工进速度为：4000mm/min最小进给单位为：Z：0.001mm3.Z向的行程为：300mm.4.进给系统Z向传动齿形皮带降速比30/602.2数控铣床对于进给系统设计的基本要求传动系统机械结构的设计最终影响着其惯量以及刚度，而传动系统的摩擦死区和间隙则是造成传动系统非线性的主要原因。所以数控铣床对于机械传动系统有如下要求：1.提高传动部件的刚度一般来说，回转运动的分辨率以及定位精度都需要达到角秒级，数控铣床直线运动的分辨率以及定位精度则需要达到微米级。因此，如果其传动部件的刚度达不到传动要求，必然会因为其刚度不够从而导致传动部件发生弹性变形进而影响系统的动态稳定性、定位精度和响应快速性。而如果想要提高传动系统的刚度有最为有效便捷的措施就是加大传动系统中滚珠丝杠的直径，对滚珠丝杠进行预拉伸以及对滚珠丝杠螺母副进行预紧。2.减小传动部件的惯量在驱动电动机不变的前提下，其传动部件的惯量大小将会影响进给系统快速性。尤其是在那些需要快速进行加工的数控机床上，因为在进给时所要求的加速度特别高，所以在能够满足其系统运行时的刚度和强度的前提下，为了能够降低其惯量，从而提高快速性，应当要尽可能的减小其零部件的直径以及减轻其重量。3.减小系统的摩擦阻力进给系统由于摩擦所产生的阻力不但会减小其传动效率使其产生发热情况，还会对系统的快速性产生致命的影响。因此需采用静压丝杠螺母副、滚珠丝杠螺母副、静压导轨、直线滚动导轨和塑型导轨等一些高效执行部件，以减少系统由于摩擦所产生的阻力，从而提高了其在运动时的精度，以此来避免发生低速爬行的情况出现。2.3数控铣床的进给传动机构的选择2.3.1滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副具有以下几个主要特点：（1）．传动的效率较高，由摩擦所导致的损失较小；（2）．丝杠螺母在进过预紧之后，可以消除之间的间隙，从而在传动时的刚度得到了提升；（3）．摩擦阻力小，而且它基本与运动速度没有关系，静、动摩擦力的变化也很小，因此难以发生低速爬行的现象；（4）．长期工作时产生的磨损较小，能够较好的保持精度，使用年限久。但是因为它在运动时一方面能将旋转运动转换为直线运动，反过来也能将直线运动转换为旋转运动，不能实现自锁的功能存在着可逆性，因此当在水平放置或者垂直传动的高速大惯量传动中心中就必须要有制动装置的存在，而直接使用自身就带有制动装置的伺服驱动电动机是最为方便和简单的。此外，为了不让在安装或者使用时螺母发生脱离丝杠的情况，一般还会在机床上安装超程保护装置，这一点对于需要高速加工的数控机床来说尤为重要。2.3.2静压丝杠螺母副静压丝杠螺母副是通过一层油膜使得丝杠和螺母之间由原本的边界摩擦转变为液体摩擦。当丝杠转动时便可以通过油膜来推动螺母实现直线移动，反之螺母转动也可以使丝杠实现直线移动。静压丝杠螺母具有：传动灵敏，起动力矩小，不会出现爬行现象；在加工运动时十分平稳；机床的光洁度和精度高；对丝杠的误差可以起到“均化”的作用（即可以使丝杠的传动误差小于丝杠本身的制造误差）；承载能力与供油压力成正比，与其转速无关等优点。但是静压丝杠螺母副应有一套供油系统，并且对于油的清洁度要求很高，因而如果在运动中突然停止供油，将会造成不良后果。2.3.3静压蜗杆蜗条副和齿轮齿条副在行程较长的大型机床上大多使用齿轮齿条副传动，可以得到较大的传动比，刚度及机械效率也高，并能进行高速直线运动。但是也有显著的缺点：其传动精度不高，传动不够平稳，而且还不能自锁。齿轮齿条副运动必须采取措施消除其齿侧间隙。方法如下：当传动负载大时，可以采用双厚齿轮传动结构，从而消除齿侧间隙；当传动负载小是也可采用双片薄齿轮调整法，分别与齿条齿槽的左、右两侧贴紧，从而消除齿侧间隙2.3.4由带自锁的电动机直接驱动近几年来直流电动机是发展起来的高精度、高速数控机床中最具有代表性的先进技术之一。利用直流电动机直接驱动，可以通过省去传动系统中将旋转运动变为直线运动的部分，从而大大简化机械传动系统的结构组成，进而实现所谓的“零传动”。它可以从根本上消除传动环节对于刚度、精度、稳定性和快速性的影响，因此可以获得比以往传统进给驱动系统更高的快进速度、加速度以及定位精度。本次毕业设计根据各传动机构的特点，最后选择滚珠丝杠的传动方式。

第三章传动部件的设计与计算3.1Z轴的工作载荷分析滚珠丝杠上的工作载荷即为滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力（也称作进给牵引力）。它包括作用在导轨上的其他切削分力相关的摩檫力和滚珠丝杠的走刀抗力及与移动体重力3.2Z轴的工作载荷计算根据主轴切削力的计算，可以得出以下几点：切向铣削力纵向切削力横向切削力垂直切削力丝杠承重初估3.3滚珠丝杠螺母副的计算及其选型(1)滚珠丝杠的导程的确定:在次毕业设计中，电机与丝杠之间的连接是通过同步齿轮带连接的间接性连接，因此传动比在经过其同步齿形带的降速之后为，选择电机的最高工作转速，最大转矩，则丝杠的导程为：（3.3.1）(2)丝杠的等效转速的确定:在最大进给时，丝杠的转速为（3.3.2在最慢进给时，丝杠的转速为（3.3.3最后得到丝杠的等效转速（估算）为(3.3.4)式中：——(3)确定丝杠的等效负载:滚珠丝杆的工作负载只是指在机床正常工作的时候，实际上作用与滚珠丝杠轴向方向的压力，它的具体数值可以根据进给牵引力的试验公式计算得出。机床所用的导轨选定为滚动导轨，就一般而言，滚动导轨的摩擦系数在到0.0050之间，此处取摩擦系数为，则丝杠所受的最大工作负载为：(3.3.5)式中：而丝杠的最小工作负载为(3.3.6)故其等效负载可按下式计算（估算；(3.3.7)(4)确定丝杠所受的最大动载荷:假设取丝杠的工作寿命为，同时取精度系数，负荷性质系数，硬度系数，温度系数，可靠性系数；平均转速为。(3.3.8)则最大动载荷为：(3.3.9)根据动载荷的要求，选用双螺母垫片预紧滚珠丝杠副，其型号为。丝杠的公称直径为，基本导程，其额定动载荷（），额定静载荷，圈数×列数=×，丝杠螺母副的接触刚度为，螺母长度为，取丝杠的精度为级。在本次毕业设计中采用双螺母垫片式预紧。(5)临界压缩负荷:确定丝杠螺纹部分的长度。等于工作台的最大行程（）加上螺母长度（）加两端余程（）。为。支承跨距应略大于，取为。丝杠全长。临界压缩负荷为：(3.3.10)式中：——丝杠支承方式系数；——材料的弹性模量，；——丝杠最小截面惯性矩，单位为；——最大受压长度，单位为；——安全系数，一般取；——最大轴向工作载荷，单位为惯性矩(3.3.11)式中：——丝杠螺纹底径，单位为；——丝杠公称直径，单位为；——钢球直径，单位为。由于滚珠丝杠副支承方式采用双推—简支形式，查表得支承系数。将上述参数代入公式（3.1）得(3.3.12)可见远大于，故能满足要求。(6)临界转速验算:临界转速经验公式：(3.3.13)式中：——丝杠最小横截面，单位为；——临界转速计算长度，单位为；——安全系数，一般取0.8；——材料的密度，碳钢；——丝杠支承方式系数。由于滚珠丝杠副支承方式采用双推—简支形式，查表得支承系数。丝杠最小横截面为：(3.3.14)式中：临界转速计算长度：(3.3.15)将上述参数代入公式，则临界转速为：(3.3.16)可见远大于，故能满足要求。(7)精度计算数控机床的定位精度取决于滚珠丝杠的精度，在滚珠丝杠的精度参数中，其导程误差对机床定位精度的影响最明显。一般在初步设计时，设定丝杠的任意300mm行程内的变动量V300应该要比目标设定定位精度值的1/3～1/2小。因此根据V300=0.006mm～0.01mm，查表可得，滚珠丝杠的精度等级为2级。本小节中所用到的所有公式（3.3.1）到（3.3.16）皆是出自：吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册[M].第五版.北京：高等教育出版社，2006.3.4滚珠丝杠螺母副的支撑选择滚珠丝杠两端的支承的轴向固定方式有以下三种3种情况（如图所示）。（1）图3-1为一端轴向固定另一端自由的支承固定方式，丝杠的轴向刚度比两端固定低，丝杠的临界转速以及压杆稳定性都较低，因此在设计时应尽量使丝杠受拉伸。（2）图3-2为一端轴向固定一端游动的支承固定方式，在一些加工速度相对不高但是对于加工的零部件精度要求较高的机床，为了避免其滚珠丝杠发生热变形经常采用一端轴向固定的支承固定方式。（3）图3-3为两端固定方式，在一个高的精确度以及高旋转的环境中，它是不适合于上述的滚珠丝杠的安装方式，为了使丝杆的预加载荷，可以以一致的方式在两端固定，并且在丝杆的一端安装弹簧和调整螺母，这样既可补偿丝杆的热变形误差，又能施加载荷使其保持预紧力近乎不变。图3-1一端固定一端自由图3-2一端固定一端游动图3-3两端固定根据本次毕业设计的行程要求为300mm以及其他要求，因此综合考虑采用两端固定的支撑方式作为本次毕业设计的滚珠丝杠螺母副的支持方式。3.5滚珠丝杠螺母副的间隙消除与预紧为了提高滚珠丝杆副的刚度以及消除间隙，可以通过预加载荷，使它在过盈的状态下工作。预紧后的刚度可以提升至原来的2倍。但是由于预紧载荷过大，将会导致其摩擦力矩加大以及使用寿命下降。一般有如下几种预紧方式：双螺母螺纹式预紧：①具体操作为通过调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移。②优缺点：其结构紧凑，操作简单，工作可靠，但是其预紧方式并不能够保证准确性且易失效，因此只适用于可随时调节预紧或刚度要求低的传动。双螺母垫片式预紧：①具体操作为通过调整垫片的厚度，以达到其螺母进行轴向位移的目的。②优缺点：结构简单，刚度高，便于装拆，但是操作不易，在其滚道出现磨损的情况下，将无法发挥其功能，因此只有在一些高刚度以及重载荷的传动中较为适用。双螺母齿差式预紧：①具体操作为两边的下螺母的凸缘上有外齿，分别与紧固的螺母座两端的内齿圈相啮合，两个螺母向同一方向旋转，每转过一个齿，调整轴向位移。②优缺点：对预紧力的调整能够精确控制，但是由于实际操作过于繁杂，因此只宜用于高度精度的传动机构。在本次毕业设计中滚珠丝杆的运动是垂直进行的，因此需要随时能够调节其丝杠的预紧力，综合考虑最终选用双螺母螺纹式预紧。第四章主要部件的设计计算4.1轴承的选择及校核本课题中丝杠既受轴向力又受径向力，因此其两固定端选用的是成对的角接触轴承，型号为D46205。(1)．轴承D46205的动负荷验算过程如下:图3-4为丝杠的受力图。已知：切向负荷，径向负荷，轴向负荷，丝杠承重。（4.1.1）得得(a)(b)(c)图3-4丝杠受力图轴承的径向合力为：（4.1.2）已知轴承D46205所受的轴向负荷，径向负荷，基本额定径向静载荷。则相对轴向载荷为：（4.1.3）式中：——径向接触系数，一般取。查表得分界判断系数。（4.1.4）查表得径向动载荷系数X=0.56，轴向动载荷系数Y=1.55。查表得查得载荷系数一般为，取。则轴承的当量动载荷为：（4.1.5）查表得，轴承预期计算寿命。该轴承应具有的基本额定动载荷（4.1.6）式中：——失效率（可靠度——轴承的转速，单位为；——基本额定动载荷，单位为；——当量动载荷，单位为；——寿命指数，对球轴承，滚子轴承。查表得基本额定动载荷。由于，所以能够满足要求。本小节中所用到的所有公式（4.1.1）到（4.1.6）皆是出自：中国机械工程协会中国机械设计大典编委会，中国机械设计大典.南昌；江西科学技术出版社，20014.2电机的选择与计算(1)传动效率η根据本课题的结构设计，其进给部分中的主要机械传动效率由同步齿形带、滚珠轴承及滚动丝杠传动组成。其中，同步齿形带效率为0.99，滚珠轴承效率为0.99，滚动丝杠传动效率为0.95。总传动效率：（4.2.1）(2)电动机功率估算（4.2.2）式中：——进给传动电动机功率，；——进给牵引力，；——进给速度，；——进给传动链的总机械效率。(3)进给电动机选择根据估算得出的电动机功率，选用西门子的1FK7060-5型电动机，其主要性能指标如下：型号：1FK7060-5AF71-1FH5-Z功能：计量伺服驱动元件类型：机电控制方式：开环功率：0.75kw额定电压：480V速度响应频率：50/60KHz加工定制：否外形尺寸：180mm重量：3kg本小节中所用到的所有公式（4.2.1）到（4.2.2）皆是出自：付丰礼，唐孝稿.电动机设计手册[M].第二版.北京：机械工业出版社，2007.4.3惯量匹配的计算由于负载转矩情况不同，负载惯量只能由精确的计算得到。由电动机驱动的所有运动部件，无论是旋转运动还是直线运动部件，都成为电机的负载惯量。总的惯量可以通过计算各个被驱动部件的惯量，并以一定的规律将其加起来即可。1．丝杠折算到电动机的转动惯量滚珠丝杠螺母副的转动惯量见公式：=（4.3.1）2．工作台折算到丝杠上的转动惯量主轴箱折算到丝杠上的转动惯量，可由下述公式得到：（4.3.2）式中w——工作台的质量；kg；s——丝杠的螺距，mm；g——重力加速度；由题目参数可知wg因此，可以得出Jt=0.0001463．小齿轮的转动惯量可由下述公式得到：J1=MD284．传动系统折算到电机轴上的总转动惯量丝杠传动，传动系统折算到电动机轴上的总转动惯量的计算公式，（4.3.4）由前面的计算可知，=0.0011992。5．匹配计算可由下述公式得到：JLJm=0.00119920.00273因为14<J<14.4转矩匹配的计算1．计算折算到电动机主轴上切削负载力矩已知在切削状态下的轴向负载力Fm=1300N，每当丝杠转一圈，机床的执行部件轴向移动5mm的距离即L=5mm，进给传动比i=1，总效率η=0.9，则有公式：=1300×0.005÷（2×π×0.9×1）=1.15Nm（4.4.1）2．计算折算到电动机上的摩擦负载力矩可由以下公式计算：=（4.4.2）=1400×0.005÷（2×π×0.85×1）=0.13Nmη取0.85，F为导轨摩擦力140N,S为丝杠螺距5mm，i=13．计算附加负载力矩已知滚珠丝杠螺母副的效率η=0.98，最大轴向载荷F=2191N，S丝杠导程，η丝杠未预紧时的效率则有公式==0.114Nm（4.4.3）4．加速力矩加速力矩可由以下公式计算：（4.4.4）Jr——折算到电动机轴上的总惯量，n——1000r/min，T——系统时间常数0.03s=2.8Nm5．计算空载时的快进力矩快进力矩可由以下公式计算：（4.4.5）=0.244Nm6．计算切削时的工进力矩工进力矩可由以下公式计算：（4.4.6）=1.264Nm7．计算空载启动力矩空载启动力矩可由以下公式计算：（4.4.7）=3.044Nm8．确定步进电动机的最大静转矩电动机的最大静转矩可由以下公式计算：机械传动系统空载启动力矩Tq与所需的步进电动机的最大静转矩的关系为：=0.951（4.4.8）所以=3.2Nm＜9.31Nm因此，所选的步进电动机满足系统的加速要求。本小节中所用到的所有公式（4.3.1）到（4.4.8）皆是出自：编写组，机床设计手册第三册.北京，机械工业出版社：1986.4.4导轨的选择4.4.1导轨的选择导轨是一种用来支撑和引导运动部件沿其一定的轨道进行往复运动的零件。机床的导轨一般可以分成滑动与滚动两种。滑动导轨的结构组成较为简单，其制造过程也极为便捷，有较大的接触刚度；但是其传统的滑动导轨摩擦力大，因而阻力与磨损也大，动态摩擦系数与静态摩擦系数之间的差别较大，很容易在速度较低时发生爬行现象。而新型的塑料滑动导轨主要运用于那些精密度高的重型机床上。滚动导轨具有较小的摩擦因数，其动态摩擦系数与静态摩擦系数之间的差别也较小，启动时的阻力也不大，能够做到微能量的准确移动，栽低速运动时也不会发生爬行现象，运动平稳，但是由于其制造成本以及加工费用过于昂贵，所以常用于那些要求定位精度高且运动灵活的场合。本次设计根据各部件传动要求以及经济要求，综合考虑最后选择使用滑动导轨。导轨的种类选定为滑动导轨之后，还要确定其截面形状，而常用的滑动导轨截面形状有如下几种：山形和V形形状截面如下图4-3（a），这类截面形状导轨的导向性能非常好，拥有自磨损修复的能力，但是其制造非常复杂。下导轨假如采用凸形虽然排污很容易，但使保存油液困难，而采用用凹形则恰恰相反。矩形形状截面如下图4-3（b），这类截面形状导轨承载能力非常大，制造容易，维修起来比较方便，新导轨导向精度非常高，由于没有自动补偿间隙的功能，因此一定要设置间隙调整装置，例如镶条的导轨精度就会受到一定的影响。圆柱形形状截面如下图4-3（c），这类截面形状的导轨制造非常简单，可以精密配合，易对温度发生很大敏感力，在间隙小的时候容易卡住，间隙如果太大了则又会让导向精度降低，所以很少采用。平面环形状截面如下图4-3（d），这类截面形状导轨在旋转运动中常常采用，制造非常简单，可以承受很大的轴向力，但是不可以用在导向精度高的工作场合。假如可以换成圆锥形状环形截面（如下图4-3（e）），那么导向性能就会有一定的提高。燕尾形状截面如下图4-3（f），这类截面形状类型的导轨结构非常地紧凑，可以承受的倾侧力矩较大，但是其刚性非常差，不易进行维修，制造困难，不可以用在导向精度非常高的工作场合。通过以上特点，最后综合考虑使用矩形导轨。4.4.2导轨的间隙调整为确保导轨正常运动，矩形和燕尾形导轨都一定要设置间隙调整装置。间隙如果过小会导致摩擦力变大，运动会变得不灵活；而如果间隙过大则会导致导向精度减小。因此其导轨间隙的调整方式大致有以下两种：通过压板的方式消除其导轨间隙。（2）通过镶条的方式消除其导轨间隙，通常有直镶条与斜镶条两种方式。

第五章技术经济分析5.1技术经济分析的目的与意义进行技术经济分析的根本目的是为了在能够满足其各功能部件之间正常工作为前提下，有效的减少其经济成本，进而实现技术突破。是经济与技术这两种科学的有机结合，这二者之间看似关系不大却又有着必然的联系。就比如说一个国家的某一项科技在技术方面得到了重大突破，那么其经济发展亦会受到影响，从而加快其发展，反来说其科学技术想要得到重大突破就必然要以经济水平为基础，两者之间相辅相成。技术经济分析是通过所有零部件的成本来分析其合理程度，以及研究寻找节约其成本的方法。其成本的分析是技术经济分析的基础部分，也是一名合格的设计人员在完成结构设计乃至设计其结构之前首先要考虑的问题。而生产企业也正是依靠着技术经济分析来了解一样产品从研发制造到实际生产是否盈亏，以保证其生产企业的正常运作。因此，在生产企业制定出新的经营决策之前，一份合格的技术经济分析是其作出决定的重要的依据。综上所述，技术经济分析是设计人员在一样产品设计完成之后所必须做的一件事，否则很难体现出此产品的具体价值。5.2成本材料分析5.2.1非标准件装配图中非标准件的统计，如表6-1所示；非标准件外购费用统计，如表6-2所示。表6-1非标准件统计序号名称材料数量净重（Kg）1立柱导轨Q2351752轴端盖Q23520.9333轴套4520.694轴承座4521.455轴端挡圈4520.456轴套4520.2877吊环4540.468轴套4510.2739大带轮4511.510小带轮4510.7511大带轮端盖4510.5612支撑座4510.7813支撑柱4540.8914顶盖4520.34315轮4520.74816支撑架4525.245钢总净重：G1=75.933Kg，合金钢总净重：G2=14.381Kg。目前，45钢的价格为3400元/吨，合金钢的价格5850元/吨。表6-2非标准件外购费用序号名称数量单价（元/件）1电机125002轴承233轴承864丝杠13000非标准件外购总费用为5554元。5.2.2标准件装配图中标准件的统计，如表6-3所示。表6-3标准件外购费用统计序号名称规格数量单价（元1内六角圆柱螺钉M640.012内六角圆柱螺钉M880.013内六角圆柱螺钉M540.014内六圆柱头螺钉M840.015锁紧螺母M40.016螺母M1617螺母M618圆锥销M20.539弹簧垫圈16320.0210O5012.1611O4512.16标准件的外购件费用为54.3元。5.3课题技术经济成本计算依据5.3.1成本计算依据根据零件的总数量，再求出加工费用，就可以求得课题设计的总成本。依据计算公式：零件成本材料费用毛坯的重量材料的利用率：,45工时费：主要件=一般件=（1）材料费的计算由计算公式可得：45钢毛坯重量合金钢=0.385/0.65=22.12Kg(2)工时费的计算主要的零件：主要的工时费用=324.32一般的零件：一般的工时费用=（3）热处理工时的费用热处理零件统计如表6-4所示：表6-4热处理零件统计序号名称材料热处理要求净重（1立柱导轨Q235表面镀锌0.9332支撑柱LY12涂灰色油漆0.8883轴套45发蓝3.7154支撑架45表面镀锌3.35支撑座45调制0.2436轴45调制2.5547套45发蓝0.032热处理的价格如下表6-5所示。表6-5目前热处理的价格序号名称单价（元1镀锌1.12涂油漆1.53发蓝14调制1.5因此热处理加工费用为120.32元。5.4课题技术经济成本计算课题总的成本=材料费用（45钢+合金钢+）+工时费用（一般零件+主要零件）+热处理的费用+外购件的费用=1045.2+5554+2594.56+213.66+54.3=9461.72元通过对以上成本的计算，可以使我们很好地进行选型，根据材料、热处理、加工工艺等各方面去合理地选择能够在满足其各部件正常工作运转的前提下降低其个功能部件的实际生产成本，能够将其整体产品的性价比大幅提高。能否合理的计算成本是检验一家企业各方面水平的重要衡量标准，同时也能为企业减少不必要的支出，为自己以后进入企业能更好的工作打下基础，为企业带来更高的经济效益。

第六章总结本次毕业设计课题为数控铣床Z轴进给系统结构设计，一开始我对于这个课题只有一个模糊的概念，之后通过对数控铣床各部件结构及其功能的了解，对Z轴进给系统进行了一系列的设计和分析，并在老师的指导下完成了设计任务。而且用CAD绘图软件绘制出了1.张0号总装配图以及若干零件图，总共2.5张的0号图纸。本次毕业设计一共用时3个月，在这3个月里我通过查找大量的资料文献，了解到了数控机床在当下国内外的发展形势以及各自的先进技术。之后的各项设计计算，更是使我将这大学四年里所学习的的理论知识做了十分全面的温习与实践。本次所设计出来的Z轴进给机构是由西门子伺服电机来驱动的，再经由同步齿形带传动，之后驱动滚珠丝杆转动，从而实现了数控铣床的Z轴进给运动。在设计计算的时候，我通过对其进给系统进行惯量匹配和转矩匹配，起到了提高其数控铣床的整体性能；对滚珠丝杆的预拉伸量的计算，消除了轴向间隙，以求能够达到更高的精度；最后的技术经济分析则让我对各零部件的价值以及其各自的热处理方式有了更为直观的感受。这些实际计算及分析与我过去在书本上所学到的理论知识相结合，对其进给系统结构中所用到的各部件的型号尺寸做了全面的数据分析和强度校核，最终满足了任务书中的各项要求。

致谢首先十分的感谢刘桂芝老师和卞荣老师在我大学的最后一段学习时间里给予了我非常详尽并且耐心的指导。从一开始设计的定题，到收集各种相关文献资料，到设计计算各部件的型号尺寸，到绘制装配图零件图，到撰写论文，两位老师都给予了我悉心的指导和必要的帮助。为了指导我们的毕业设计，两位老师放弃了自己的休息时间，每天从早上8点钟开始一直到下午4点多钟，这期间8个小时左右的时间让我们能够在我们遇到设计困难的时候随时向他们请教询问，并能在回答我们的问题时十分的耐心讲解教导。而且由于我们用来做毕业设计的教室和两位老师的办公室并不在同一教学楼里，所以在这大夏天或者一些下雨天里当我们有问题时还有入两位老师在大太阳下或者冒雨过来我们教室，这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，在此我向他们表示我诚挚的感激之情。通过这3个月的不断努力，我终于完成了我的毕业设计，这份毕业设计所包含的绝不止我一个人的心血，虽然这个课题是由我设计出来的，但是在设计之初到完善设计的这个过程还有许多其他人的帮助在里面，比如两位指导老师，是他们解答了我在设计上所遇到的疑难；又比如和我在同一组的其他同学们，是他们将他们