0404049邱盧瑤臥式加工中Z向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1、1 前言1.1設(shè)計(jì)的目的本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是為了讓我們更清楚地綜合運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)，獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)，為我們即將走上工作崗位的畢業(yè)生打基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)的廣泛應(yīng)用給傳統(tǒng)的制造業(yè)的生產(chǎn)方式，給產(chǎn)品結(jié)構(gòu)帶來了深刻的變化，而且也給傳統(tǒng)的機(jī)械和機(jī)電專業(yè)的人才帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。數(shù)控機(jī)床是一種高科技的機(jī)電一體化產(chǎn)品,是精密測量、綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)及現(xiàn)在機(jī)械制造技術(shù)等各種先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。數(shù)控機(jī)床作為計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)柔性制造系統(tǒng)和未來工廠自動(dòng)化的基礎(chǔ)已成為現(xiàn)在制造技術(shù)中不可缺少的生產(chǎn)手段。隨著我國綜合國力的進(jìn)一步加強(qiáng)和加入世貿(mào)組織。我國經(jīng)濟(jì)全面與國際接軌，并逐步成為全球制造中心，我國企業(yè)廣泛應(yīng)用現(xiàn)代化數(shù)控

2、技術(shù)參與國際競爭。數(shù)控技術(shù)是制造實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，集成化的基礎(chǔ)，是提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率不可少的物資手段因此，將臥式數(shù)控加工中心的設(shè)計(jì)作為畢業(yè)設(shè)計(jì)題目，迎合了裝備制造業(yè)發(fā)展趨勢。目的主要有：(1)、通過對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)，掌握伺服電機(jī)的工作原理、控制驅(qū)動(dòng)和計(jì)算控制方法方式。(2)、掌握幾種典型傳動(dòng)元件與導(dǎo)向元件的工作原理、設(shè)計(jì)計(jì)算及選用的方法。(3)、通過設(shè)計(jì)，使學(xué)生全面地、系統(tǒng)地了解和掌握數(shù)控機(jī)床的基本組成及其相關(guān)知識(shí)，學(xué)習(xí)總體的方案擬定、分析與比較的方法。(4)、鍛煉提高學(xué)生應(yīng)用手冊、撰寫科技論文的能力及查閱文獻(xiàn)資料的能力。1.2設(shè)計(jì)任務(wù) 收集加工中心設(shè)計(jì)資料，了解數(shù)控加工中心的工作原理，對(duì)典型臥

3、式數(shù)控加工中心的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，提出本次設(shè)計(jì)的總體方案。了解加工中心進(jìn)給機(jī)構(gòu)的類型及工作原理，并對(duì)z向進(jìn)給機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)參數(shù)如下：加工中心的加工范圍為800500600，工作臺(tái)面尺寸12001000主軸輸出功率10kw，采用bt40標(biāo)準(zhǔn)刀柄。2緒論2.1加工中心的構(gòu)成加工中心是在數(shù)控銑床的功能于一身的一種由計(jì)算機(jī)來控制的自動(dòng)化程度、高效的機(jī)床。應(yīng)用加工中心這一概念，還派生了自動(dòng)交換砂輪的磨削中心；在沖壓加工中心自動(dòng)交換模具的板材加工中心；在電火花加工中自動(dòng)交換電極等。2.2加工中心的優(yōu)勢(1) 生產(chǎn)效率高 減少了工件的裝夾、測量和機(jī)床調(diào)整等時(shí)間，使機(jī)床的切削時(shí)間達(dá)到機(jī)床開動(dòng)時(shí)間的80%左

4、右（普通機(jī)床僅為15%20%）；縮短了生產(chǎn)周期，同時(shí)也減少了工序之間的工件周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)和存放時(shí)間，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。(2) 工序高度集中 工件在一次裝夾后，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)加工需要，自動(dòng)選擇并更換刀具，根據(jù)粗精加工的不同要求自動(dòng)改變進(jìn)給量、機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速和刀具相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡以及其他輔助功能，依次完成多工序的加工。因?yàn)闇p少了安裝次數(shù)，故減少了被加工件產(chǎn)生誤差的機(jī)會(huì)。而且這樣加工的一批零件，都是在同樣的安裝方式、安裝基準(zhǔn)和同一加工程序下加工的，所以加工中心批量加工的零件精度一致性好，保證了像汽車這樣大批生產(chǎn)產(chǎn)品精度的一致性和零配件的互換性。(3)操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度減輕 加工中心對(duì)零件的加工是按事先

5、編好的程序自動(dòng)完成的，操作者除了裝卸零件、操作鍵盤、進(jìn)行關(guān)鍵工序的中間測量以及觀察機(jī)床的運(yùn)行之外，不需要進(jìn)行繁重的重復(fù)性手工性操作，勞動(dòng)強(qiáng)度和緊張程度均可大為減輕，勞動(dòng)條件也得到很大的改善。(4)固定循環(huán)和宏程序功能 由于一般加工中心的數(shù)控系統(tǒng)都有固定循環(huán)和用戶宏程序功能，這不僅簡化了程序編制，而且也減少了零件的劃線工作，節(jié)約了輔助時(shí)間，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率。2.3加工中心的進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)切削刀具與工件間運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是數(shù)控機(jī)床的“四肢”。機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是伺服系統(tǒng)的主要組成部分，它將伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行部件的直線移動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由

6、于機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)數(shù)字控制的直接對(duì)象，被加工工件的最后輪廓精度、位置精度和表面粗糙度都受進(jìn)給系統(tǒng)定位精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。為了確保系統(tǒng)的定位精度、快速響應(yīng)特性和穩(wěn)定性要求，無論是開環(huán)、半閉環(huán)還是閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)，機(jī)械傳動(dòng)裝置必須具有低摩擦阻力、高靈敏度、高剛度、無傳動(dòng)間隙和較高的壽命等。2.4加工中心的分類（1）臥式加工中心17 臥式加工中心指主軸為水平狀態(tài)的加工中心，臥式加工中心通常都帶有自動(dòng)分度的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，它一般具有35個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，常見的有三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)加一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，工件在一次裝卡后，除完成安裝面和頂面以外的其余四個(gè)表面的加工，它最適合加上箱體類零件。與立式加工中心相比較，

7、臥式加工中心加工時(shí)排屑容易，對(duì)加工有利，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較高。（2）立式加工中心 立式加工中心是指主軸為垂直狀態(tài)的加工中心，其結(jié)構(gòu)形式多為固定立柱，工作臺(tái)為長方形，無分度回轉(zhuǎn)功能，適合加工盤、套、板類零件，它一般具有二個(gè)直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸，并可在工作臺(tái)上安裝一個(gè)沿水平軸旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)臺(tái)，用以加工螺旋線類零件。立式加工中心裝卡方便、便于操作、易于觀察加工情況，調(diào)試程序容易，而且應(yīng)用廣泛。但受立柱高度及換刀裝置的限制，不能加工太高的零件，在加工型腔或下凹的型面時(shí)，切屑不易排出，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞刀具，破壞已加工表面，影響加工的順利進(jìn)行。（3）五軸加工中心 五軸加工中心具有立式加工中心和臥式加工中心的功能，五軸加

8、工中心，工件一次安裝后能完成除安裝面以外的其余五個(gè)面的加工。常見的五軸加工中心有兩種形式：一種是主軸可以旋轉(zhuǎn) 900，對(duì)工件進(jìn)行立式和臥式加工；另一種是主軸不改變方向，而由工作臺(tái)帶著工件旋轉(zhuǎn)900。完成對(duì)工件五個(gè)表面的加工。 （4）龍門式加工中心 龍門式加工中心的形狀與數(shù)控龍門銑床相似，龍門式加工中心主軸多為垂直設(shè)置，除自動(dòng)換刀裝置以外，還帶有可更換的主軸頭附件，數(shù)控裝置的功能也較齊全，能夠一機(jī)多用，尤其適用于加工大型工件和形狀復(fù)雜的工件。（5）虛軸加工中心 虛軸加工中心改變了以往傳統(tǒng)機(jī)床的結(jié)構(gòu)，通過連桿的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)主軸多自由度的運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)工件復(fù)雜曲面的加工。3確定機(jī)床總的設(shè)計(jì)方案3.1機(jī)床

9、主要部件及運(yùn)動(dòng)方式的選定（1）伺服電機(jī)的選擇 本次設(shè)計(jì)選用交流伺服電機(jī)，根據(jù)本進(jìn)給系統(tǒng)定位精度的要求，初步選用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。如果經(jīng)計(jì)算后半閉環(huán)系統(tǒng)不能滿足定位精度要求，可改用全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。交流伺服電機(jī)有交流同步電機(jī)和交流感應(yīng)電機(jī)。交流感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，與同容量的直流伺服電動(dòng)機(jī)相比較，質(zhì)量輕、價(jià)格便宜。缺點(diǎn)是不能經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)范圍較大的平滑調(diào)速。所以數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)中一般不采用這種電動(dòng)機(jī)。 交流同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與所用電源的頻率之間存在一種嚴(yán)格的關(guān)系，即在電源電壓和頻率固定不變時(shí)，它的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定不變得。由變頻電源供電給同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，便可方便地獲得與頻率成正比的可變速度。并可得到非常硬的機(jī)械特性及

10、寬的調(diào)速范圍。其結(jié)構(gòu)雖然比感應(yīng)電動(dòng)機(jī)復(fù)雜，但比直流電動(dòng)機(jī)簡單。同步電動(dòng)機(jī)又分為電磁式和非電磁式兩大類。在后一類中又有磁滯式、永磁式和反應(yīng)式多種。在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，多采用永磁式同步電動(dòng)機(jī)。在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中，采用具有大轉(zhuǎn)矩、寬調(diào)速并裝有反饋元件的機(jī)電一體化的永磁式交流同步電動(dòng)機(jī)已十分普及。（2）滾珠絲杠螺母副的選擇 滾珠絲杠具有高精度、高剛度、高效率及無間隙等優(yōu)點(diǎn)。特別是在半閉環(huán)加工系統(tǒng)中，滾珠絲杠自身的精度對(duì)機(jī)床加工精度有很大的影響，定位精度在很大程度上受到滾珠絲杠精度的影響。滾珠螺母副4的滾珠循環(huán)方式一般會(huì)分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種。對(duì)于內(nèi)循環(huán)方式，滾珠在循環(huán)過程中始終保持與滾珠絲杠

11、接觸。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠螺母副工作滾珠數(shù)目少，徑向尺寸緊湊，摩擦損失少，流暢性好，傳動(dòng)效率高，軸向剛度好，但回珠器槽行比較復(fù)雜，需三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床才能進(jìn)行加工。外循環(huán)過程中滾珠與絲杠脫離接觸，目前使用插管完成滾珠循環(huán)的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，但滾道管子突出于螺母外面，所以外循環(huán)滾珠絲杠螺母徑向尺寸較大。滾珠和滾珠絲杠螺母副接觸處有過盈配合，即兩者達(dá)到預(yù)緊；滾珠絲杠螺母副事先通過調(diào)節(jié)左右螺母的相互離開和靠近消除間隙。常用的消除間隙或預(yù)緊的辦法有墊片是調(diào)隙結(jié)構(gòu)、螺紋式調(diào)隙結(jié)構(gòu)和齒差式調(diào)隙結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)采用墊片式調(diào)隙結(jié)構(gòu)。（3）導(dǎo)軌副的選用 要設(shè)計(jì)的進(jìn)給機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌選用貼塑導(dǎo)軌，它屬于滑動(dòng)導(dǎo)軌，是在機(jī)床的

12、動(dòng)導(dǎo)軌面上貼上一層抗磨軟帶，導(dǎo)軌副的另一個(gè)固定導(dǎo)軌面為淬火磨削面。這樣就會(huì)使導(dǎo)軌摩擦系數(shù)變?yōu)?.030.05，導(dǎo)軌速度可達(dá)30m/min，剛度比較高，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差值小，沒有爬行。耐磨性與鑄鐵對(duì)鑄鐵導(dǎo)軌副相比可提高13倍。3.2機(jī)床總體布局的確定臥式加工中心按立柱是否運(yùn)動(dòng)分為固定立柱型和移動(dòng)立柱型。本設(shè)計(jì)選用移動(dòng)立柱式，布局為t字型，工作臺(tái)左右移動(dòng)，立柱前后移動(dòng)，如下圖所示。圖3.1 機(jī)床布局4 z向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算4.1 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)從產(chǎn)品目錄中查得交流伺服電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為1500r/min，取交流伺服電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器與絲杠直接相連，即i=1。立柱最高進(jìn)給速度是15m/min ,取電機(jī)

13、的最高轉(zhuǎn)速是1500m/min，所以絲桿的最高轉(zhuǎn)速是1500m/min,基本絲杠的導(dǎo)程是： (mm） (4.1)根據(jù)精度要求，數(shù)控機(jī)床的脈沖當(dāng)量可定為=0.01mm/脈沖。伺服電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)應(yīng)發(fā)出的脈沖數(shù) =1000 (4.2)圖4.2 伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)傳動(dòng)圖伺服系統(tǒng)中常用的位置反饋器有旋轉(zhuǎn)變壓器和脈沖編碼器4。當(dāng)采用脈沖編碼器方案時(shí)，因脈沖編碼器有每轉(zhuǎn)2000、2500、5000脈沖等數(shù)種產(chǎn)品，故編碼器后應(yīng)加倍頻器。如果采用旋轉(zhuǎn)變壓器方案，因旋轉(zhuǎn)變壓器的分解精度為每轉(zhuǎn)2000個(gè)脈沖，則在伺服電機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器軸之間安裝5:1的升速輪。圖4.3 伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)傳動(dòng)圖 在速度反饋裝置中，與旋轉(zhuǎn)變壓器配套

14、的，可采用測速發(fā)電機(jī)。測速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)，輸出一定的電壓量（例如，1000r/min輸出6v）。如采用脈沖編碼器方案，則可在倍頻器后加頻率/電壓轉(zhuǎn)換比例為每p/min輸出電壓為。即相當(dāng)于測速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1000r/min時(shí)，才能輸出6v的電壓，而此時(shí)脈沖編碼器應(yīng)實(shí)現(xiàn)p/min。上述2種方案的傳動(dòng)系統(tǒng)圖。本次設(shè)計(jì)選用圖3.3的方案.4.2滾珠絲杠的選擇4.2.1滾珠絲杠的精度查閱滾珠絲杠的樣本選擇絲杠精度為5級(jí)精度等級(jí)，初步設(shè)計(jì)現(xiàn)設(shè)絲杠在有效行程500630mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到30m。4.2.2 滾珠絲杠參數(shù)的計(jì)算 （1）最大工作載荷的計(jì)算絲杠的最大載荷為切削時(shí)的最大進(jìn)

15、給力加摩擦力，最小載荷即為摩擦力。設(shè)此臺(tái)加工中心z向的最大進(jìn)給力=5000n，導(dǎo)軌上面移動(dòng)部件的重量約為500，貼塑導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為0.04，故絲杠的最小載荷（即摩擦力） （n） (4.3)絲杠最大載荷是： 50001965196（n） (4.4)平均載荷是：=3529（n） (4.5)（2）當(dāng)量動(dòng)載荷的計(jì)算 滾珠絲杠副類型的選擇主要是根據(jù)導(dǎo)程和動(dòng)載荷兩個(gè)參數(shù),其選擇的原則為:滾珠絲杠的靜載荷coa不能大于額定靜載荷coam,即coacoam;滾珠絲杠的動(dòng)載荷ca不能大于額定動(dòng)載荷cam,即cacam。絲杠最高轉(zhuǎn)速為1500r/min，工作臺(tái)最小進(jìn)給速度為1mm/min，故絲杠的最低轉(zhuǎn)速為0.

16、1r/min，可取為0，則平均轉(zhuǎn)速n=750r/min。絲杠使用壽命t=15000h，故絲杠的工作壽命=675（r） (4.6)當(dāng)量動(dòng)載荷值： (4.7)式中： 載荷性質(zhì)系數(shù)，無沖擊取1-1.2，一般情況取1.2-1.5，有較大沖擊振動(dòng)時(shí)取1.5-2.5； 精度影響系數(shù)，對(duì)1、2、3級(jí)精度的滾珠絲杠取=1.0，對(duì)4、5級(jí)精度的絲杠取=0.9。 根據(jù)要求去=1.5，=0.9，代入數(shù)據(jù)得 51.59（kn） (4.8)根據(jù)計(jì)算所得最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查滾珠絲杠樣本，選擇ff5010-5型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返回器雙螺母對(duì)旋預(yù)緊滾珠絲杠副，其公稱直徑為50mm，導(dǎo)程為10mm，循環(huán)滾珠為5圈2列，精度

17、等級(jí)取5級(jí)，額定動(dòng)載荷為55600n，大于最大計(jì)算動(dòng)載荷=51590n，符合設(shè)計(jì)要求。表4.1 滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)名 稱符 號(hào)計(jì)算公式和結(jié)果公稱直徑（mm）50螺距(mm)p10接觸角鋼球直徑(mm)7.144螺紋滾道法面半徑(mm)偏心距(mm)0.009螺紋升角(mm)=絲杠外徑(mm)49.5絲杠底徑(mm)44.3螺桿接觸直徑(mm)42.87螺母螺紋外徑(mm)螺母內(nèi)徑(mm)（內(nèi)循環(huán)）49.64（3）傳動(dòng)效率的計(jì)算將公稱直徑=50mm，導(dǎo)程=10mm，代入=arctan，的絲杠螺旋升角=。將摩擦角，代入=，得傳動(dòng)效率=94.7%。（4）剛度的驗(yàn)算本傳動(dòng)系統(tǒng)的絲杠采用一端軸向固

18、定，一端浮動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式。固定端采用一對(duì)面對(duì)面角接觸球軸承和一個(gè)角接觸球軸承，另一端也采用角接觸球軸承，這種安裝適應(yīng)于較高精度、中等載荷的絲杠。滾珠絲杠螺母的剛度的驗(yàn)算可以用接觸量來校核。a、滾珠絲杠滾道間的接觸變根據(jù)公式z=，求得單圈滾珠數(shù)z=22，改型號(hào)絲杠為雙螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為52，代入公式圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=220。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力=1732（n）。查相關(guān)公式得滾珠絲杠與螺紋滾道間接觸變形 (4.9)式中=51590n。代入數(shù)據(jù)得；=0.013(mm) 因?yàn)榻z杠有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載，所以實(shí)際變形量可以減少一半，取=0.0065mm。 b、絲杠在工作載荷作用下的抗壓變形

19、絲杠采用的是兩端都為角接觸球軸承，軸承的中心距a=1100mm，鋼的彈性模量e=,由表2.1中可知，滾珠直徑=7.144mm，絲杠底徑=44.3mm，則絲杠的截面積： =1540.6() 根據(jù)公式代入數(shù)據(jù)得：=0.018(mm)c、總的變形=0.0065+0.018=0.0245mm,絲杠的有效行程為600，絲杠在有效行程500630mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到30m,，可見絲杠剛度足夠。（5）穩(wěn)定性的驗(yàn)算 (4.10)公式中取支撐系數(shù)=2，由絲杠底徑=44.3mm求的截面慣性矩=188957.7()，壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)k取3（絲杠臥式水平安裝），滾珠螺母至軸向固定處的距離取最大值1200mm，代入

20、公式得：=181129.6()則f=181129.6n大于=51590n，故不會(huì)失穩(wěn)，滿足使用要求。 （6）臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算 對(duì)于滾珠絲杠還有可能發(fā)生共振，需要驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速，設(shè)不會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速。查資料得公式 ： (4.11)其中： (mm)； 為臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度=1200(mm)； 為絲杠支承方式系數(shù)（一端固定，一端游動(dòng)）代入數(shù)據(jù)得：4397(r/min),臨界速度遠(yuǎn)大于絲杠所需轉(zhuǎn)速，故不會(huì)發(fā)生共振。（7）滾珠絲杠選型和安裝尺寸的確定由以上驗(yàn)算可以知道，絲杠型號(hào)為ff50105，完全符合所需要求，故確定選用該型號(hào)，安裝尺寸查表可知。（8）絲杠支承的選擇滾珠絲杠的主要載荷是軸向載

21、荷，徑向載荷主要是臥式絲杠的自重。因此對(duì)絲杠的軸向精度和軸向剛度應(yīng)有較高要求。其兩端支承的配置情況為軸向固定方式。本次設(shè)計(jì)絲杠支承選用一端固定，另一端浮動(dòng)。 4.3伺服電機(jī)的選擇4.3.1最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 所選伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩。最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩t可根據(jù)以下公式計(jì)算，即 (4.12) 從前面的計(jì)算可以知道，最大載荷n，絲杠導(dǎo)程=10mm=0.01m，預(yù)緊力=n，根據(jù)計(jì)算的滾珠螺母絲杠的機(jī)械效率=0.947，因?yàn)闈L珠絲杠預(yù)加載荷引起的附加摩擦力矩： （nm） (4.13)查手冊得單個(gè)軸承的摩擦力矩為0.32nm，故一對(duì)軸承的摩擦力矩=0.64nm。簡支端軸承步預(yù)緊，其

22、摩擦力矩可忽略不計(jì)。伺服電動(dòng)機(jī)與絲杠直接相連，其傳動(dòng)比=1，則最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩：(nm)所選的伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)該大于此值。4.3.2負(fù)載慣量的計(jì)算伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)與負(fù)載慣量相匹配。負(fù)載慣量可以按一下次序計(jì)算。立柱與主軸箱的質(zhì)量為500，折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量可按下式計(jì)算， (kg) (4.14)絲杠名義直徑=50mm=0.05m，長度l=1.2m絲杠材料（鋼）的密度=7.8。根據(jù)公式計(jì)算絲杠加在電動(dòng)機(jī)軸上的慣量 () (4.15)聯(lián)軸器加上鎖緊螺母等的慣量可直接查手冊得到，即()故負(fù)載總的慣量為() 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)與負(fù)載慣量相匹配。通常要求不小于，但也不是越大越好。因越大，總的慣量就

23、越大，加速度性能受影響。為了保證足夠的角加速度，以滿足系統(tǒng)反應(yīng)的靈敏的，將采用轉(zhuǎn)矩較大的伺服電動(dòng)機(jī)和它的伺服控制系統(tǒng)。根據(jù)有關(guān)資料的推薦，匹配條件為： (4.16)則所選交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)在0.00920.036范圍之內(nèi)。根據(jù)上述計(jì)算可選用表4.2中的交流伺服電機(jī)22/3000i型，其額定轉(zhuǎn)矩為22nm，最高，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j=0.012。表4.2 fanuc(hv)i系列交流伺服電機(jī)型號(hào)1/ 5000i2/ 5000i4/ 4000i8/ 3000i12/ 3000i22/3000i輸出功率/kw0.5 0.751.41.634額定轉(zhuǎn)矩(nm)1 2481222最高轉(zhuǎn)速5000500040

24、00300030003000轉(zhuǎn)動(dòng)慣量()0.000310.000530.00140.00260.00260.012質(zhì)量348121829伺服放大器規(guī)格20i20i20i40i80i80i4.3.3空載加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算當(dāng)執(zhí)行件從靜止以階躍指令加速到最大移動(dòng)（快速）速度時(shí)，所需要的空載加速轉(zhuǎn)矩按下式求， (4.17)空載加速時(shí)，主要克服的是慣性，選用的22/3000i型交流伺服電動(dòng)機(jī),總慣量0.0120+0.0092=0.0212() 加速度時(shí)間通常取的34倍，故=(34)=(34)6=1824(ms)，則(nm)4.4滑動(dòng)導(dǎo)軌的選擇計(jì)算 常用的導(dǎo)軌截面有矩形、三角形、燕尾形和圓形的。如圖4.2所示。

25、根據(jù)支承導(dǎo)軌的凸凹狀4態(tài)，又可分為凸形和凹形兩類導(dǎo)軌。凹形容易存油，但也容易積存切屑和塵粒，因此適用于具有良好的防護(hù)環(huán)境。凸形需要有良好的潤滑條件。目前數(shù)控機(jī)床使用的導(dǎo)軌主要有三種：塑料導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌。圖4.44.4.1工作載荷的計(jì)算 影響導(dǎo)軌副壽命的重要因素是工作載荷，假設(shè)立柱所有重量加在貼塑滑動(dòng)導(dǎo)軌的一根導(dǎo)軌上，則導(dǎo)軌所承受的最大垂直方向上的載荷是： (4.18)上式中g(shù)是立柱和主軸箱的重量，即g=50010=5000(n)，代入上式得：=2500(n)4.4.2小時(shí)額定工作壽命的計(jì)算 預(yù)計(jì)機(jī)床的工作壽命是10年，一年是365天，工作時(shí)間是350天，每天工作8小時(shí)，因此得到小時(shí)額

26、定工作壽命28000(h)。4.4.3距離額定工作壽命的計(jì)算根據(jù)公式得： (4.19) 公式中：為小時(shí)額定工作壽命； n為移動(dòng)部件每分鐘往返次數(shù)(4-6)取5： s為移動(dòng)部件的行程，即s=600mm。 代入數(shù)據(jù)得：l=10080km 。4.4.4額定動(dòng)載荷計(jì)算及選型由公式得： (4.20)公式中：為額定動(dòng)載荷； l為距離工作壽命，由上面的計(jì)算可以知道為10080km； f為導(dǎo)軌的工作載荷，即f=2500n。代入數(shù)據(jù)得：=29318n。 由計(jì)算的動(dòng)載荷值本次設(shè)計(jì)選用的是貼塑滑動(dòng)導(dǎo)軌，它是在數(shù)控機(jī)床的動(dòng)導(dǎo)軌4面，是塑料導(dǎo)軌的一種。導(dǎo)軌副的另一固定導(dǎo)軌面為淬火磨削面。軟帶是以聚四氟乙烯為基材，添加合

27、金粉（青銅粉、二硫化鉬）、玻璃纖維和氧化物的高分子復(fù)合材料。其厚度有0.8、1.1、1.4、1.7、2mm，寬150mm、300mm等幾種。塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌與其他導(dǎo)軌相比，具有以下特點(diǎn)：（1）動(dòng)靜摩擦系數(shù)相近：運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和爬行性能較鑄鐵導(dǎo)軌副好。（2）吸收振動(dòng)：具有良好的阻尼性，優(yōu)于接觸剛度較低的滾動(dòng)導(dǎo)軌和易漂浮的靜壓導(dǎo)軌。（3）摩擦系數(shù)低而穩(wěn)定：比鑄鐵導(dǎo)軌副低一個(gè)數(shù)量級(jí)。（4）化學(xué)穩(wěn)定性好：耐磨、耐低溫、耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化性劑及各種有機(jī)溶劑。（5）耐磨性好：有自身潤滑作用，無潤滑油也能工作，灰塵磨粒的嵌入性好。（6）維護(hù)修理方便：軟帶耐磨，損壞后更換容易。（7）經(jīng)濟(jì)型好：結(jié)構(gòu)簡單，成本低，約為

28、滾動(dòng)導(dǎo)軌的1/20，為三層復(fù)合材料du導(dǎo)軌成本的1/4。其中導(dǎo)軌貼塑板選用揚(yáng)中市天一高分子新材料有限公司生產(chǎn)的ty導(dǎo)軌貼塑板。4.5聯(lián)軸器的選擇 金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器是由各種片狀、圓柱狀、卷板狀等形狀的金屬彈簧，利用金屬彈簧的弱性變形以達(dá)到補(bǔ)償兩軸相對(duì)偏移 和減振、緩沖功能，構(gòu)成不同結(jié)構(gòu)、性能的撓性聯(lián)軸器。金屬彈性元件比非金屬彈性元件強(qiáng)度高，使用壽命長，傳遞載荷能力大，,適用于高溫工況，彈性模最大且穩(wěn)定。如圖4.5所示膜片聯(lián)軸器是由幾組膜片（不銹鋼薄板）用螺栓交錯(cuò)地與兩半聯(lián)軸器聯(lián)接，每組膜片由數(shù)片疊集而成，膜片分為連桿式和不同形狀的整片式。膜片聯(lián)軸呂靠膜片的彈性變形來補(bǔ)償報(bào)聯(lián)兩軸的相對(duì)位移，

29、是一種高性能的金屬弱性元件撓性聯(lián)軸器，結(jié)構(gòu)較緊湊，強(qiáng)度高，不用潤滑，使用壽命長，無旋轉(zhuǎn)間隙，不受溫度和油污影響，具有耐酸、耐堿、防腐蝕的特點(diǎn)，適用于高速、高溫、有腐蝕介質(zhì)工況環(huán)境的軸系傳動(dòng)，廣泛用于各種機(jī)械裝置的軸系傳動(dòng) 。圖4.5 djm5金屬膜片撓性聯(lián)軸器4.6軸承的選擇 滾珠絲杠中經(jīng)常使用的滾動(dòng)軸承有以下兩類。 （1）接觸角為的角接觸球軸承 這是目前國內(nèi)外廣泛采用的滾珠絲杠軸承，這種軸承可以組合配置。一種為面對(duì)面方式，另一種為背靠背組合方式。這兩種方式都可承受雙向軸向推力，還有一種是通向組合方式，其承受能力較高，但只承受一個(gè)方向的軸向力，同向組合時(shí)的額定動(dòng)載荷等于單個(gè)軸承的乘下列系數(shù)：2

30、個(gè)為1.63;3個(gè)為2.16；4個(gè)為2.64。由于螺母與絲杠的同軸度在制造安裝的過程中難免有誤差，而且采用面對(duì)面組合方式時(shí)兩接觸線與軸線交點(diǎn)間的距離a比背對(duì)背的小，故容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整。因此在進(jìn)給傳動(dòng)中面對(duì)面組合用的較多。（2）滾針推力圓柱滾子組合軸承 外圈與箱體固定不轉(zhuǎn)，內(nèi)圈和隔套內(nèi)圈隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，滾針承受徑向載荷，圓柱滾子分別承受兩個(gè)方向的軸向載荷，修磨隔套內(nèi)圈的寬度可調(diào)整軸承的軸向預(yù)緊量。本次設(shè)計(jì)選用角接觸球軸承，根據(jù)軸的直徑選用型號(hào)為表4.3中的7009 gb/t 2921994。 表4.3 角接觸球軸承5床身的設(shè)計(jì)加工中心的床身是鑄造而成的，因此就與鑄造工藝有關(guān)，對(duì)于一些相關(guān)的數(shù)據(jù)可以從表

31、5.1，表5.2，表5.3中看出。比如根據(jù)床身的尺寸可以知道鑄件的最小壁厚、筋厚的選擇和加強(qiáng)筋的高度選擇。通過圖中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較厚，床身的設(shè)計(jì)如圖5.4所示，床身的最小壁厚為30mm。 表5.1 砂型鑄造鑄鐵件的最小厚壁 （mm） 表5.2 灰鑄鐵件的壁厚與筋厚 (mm) 表5.3 鑄鐵平板加強(qiáng)筋的高度 (mm)圖5.16結(jié) 論 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展必定是未來制造業(yè)的發(fā)展方向，數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)由各坐標(biāo)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制單元、機(jī)械傳動(dòng)部件、執(zhí)行件和控制反饋環(huán)節(jié)組成，顯然伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。所以數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本要求為：定位精度高，跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快；系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。反應(yīng)在伺服系統(tǒng)性能指標(biāo)上，即穩(wěn)定性、精度和快速響應(yīng)特性。為滿足這些要求，機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中用盡量采用低摩擦傳動(dòng)副，如滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌、貼塑導(dǎo)軌、滾珠絲杠等，以減少摩擦力；通過選用最佳降速比來降低慣量；采用預(yù)緊的辦法提高傳動(dòng)剛度；用消除的辦法減少反向死區(qū)誤差等，其中最重要的是提高傳動(dòng)剛度和降低慣量。采用預(yù)緊消除間隙提高傳動(dòng)剛度，不僅不需要增大尺寸和慣量，而且也是傳動(dòng)剛度接近常數(shù)，這是伺服進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的突出特點(diǎn)。參 考 文 獻(xiàn)1 蔡厚道. 數(shù)