CNC二維工作平臺(tái)設(shè)計(jì)說明書要點(diǎn)

1、目錄第一章 CNC二維工作平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)·························11.1 CNC工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)類型及設(shè)計(jì)··················&

2、#183;··········11.2 擬定合理的傳動(dòng)方案·····································

3、;31.3 控制電機(jī)的介紹·········································31.4 伺服系統(tǒng)·····&#

4、183;·········································4 1.5 聯(lián)軸器的選擇······&#

5、183;····································4第二章 螺旋傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及電機(jī)型號(hào)的具體選擇·········

6、83;·········62.1 滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)介紹···································62.2 絲杠螺母副設(shè)計(jì)及電機(jī)選擇&

7、#183;······························7第三章 軸承的類型及其支撐方式設(shè)計(jì)················&

8、#183;···········113.1 軸承的類型介紹和具體選擇······························113.2 確定軸承的尺寸···

9、·····································113.3 對于軸承進(jìn)行強(qiáng)度校核··········&#

10、183;·······················123.4 選擇軸承的潤滑方式························

11、;············13第四章 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)····································

12、········144.1 導(dǎo)軌的類型概述和選擇··································144.2 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)···

13、83;········································154.3 導(dǎo)軌的剛度校核·······&#

14、183;································15第五章 其他技術(shù)說明···············&#

15、183;··························165.1 裝配、拆裝、安裝的注意事項(xiàng)及工作環(huán)境要求··············16參考文獻(xiàn)····

16、··················································

17、17第一章 CNC二維工作平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)CNC二維工作平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)是對此機(jī)器的總體布局和全局的安排以及簡單零件設(shè)計(jì)?？傮w設(shè)計(jì)的合理與否對設(shè)計(jì)有重要意義，也將影響機(jī)器的尺寸大小、性能、功能以及設(shè)計(jì)質(zhì)量。1.1 CNC工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)類型及設(shè)計(jì)1.1.1 CNC二維工作平臺(tái)的組成、結(jié)構(gòu)、特性（一）CNC工作平臺(tái)的主要組成。CNC二維工作臺(tái)主要是由工作臺(tái)滑板（滑塊）、直線移動(dòng)導(dǎo)軌、螺旋傳動(dòng)（絲杠）機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制裝置、位移檢測器、和機(jī)體（機(jī)座）組成。（二）CNC工作平臺(tái)的結(jié)構(gòu)。CNC工作平臺(tái)的結(jié)構(gòu)有兩種分類方法：（1）按電機(jī)與機(jī)座、工作臺(tái)滑板的相對位置分為三種：1.驅(qū)動(dòng)電機(jī)與X方向（或Y方向）

18、工作臺(tái)滑板連成一體。這種形式簡單，但造成低層驅(qū)動(dòng)重量大，電機(jī)振動(dòng)會(huì)影響工作臺(tái)的精度，它適用于低速傳動(dòng)。2.下層電機(jī)不與工作臺(tái)連成一體，而是裝在機(jī)座上，上層電動(dòng)機(jī)則與工作臺(tái)滑板連在一起。這種形式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是減少了下層電機(jī)的驅(qū)動(dòng)重量，適用于中、高速傳動(dòng)，應(yīng)用較廣。3.將全部電機(jī)放在機(jī)座上，電機(jī)通過一套較長的傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，這樣的結(jié)構(gòu)雖然減輕了下層工作臺(tái)的承載重量和電機(jī)振動(dòng)的影響，但卻影響了傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度和運(yùn)動(dòng)速度的提高。（2）按執(zhí)行器（工作臺(tái)）在空間的位移方向分為兩種：臥式工作臺(tái)和立式工作臺(tái)。臥式工作臺(tái)：執(zhí)行器在XOY平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，即X，Y方向的絲杠均布置在水平面內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)能承受大的載荷

19、，而且結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、穩(wěn)定，定位精度高。立式工作臺(tái)：執(zhí)行器在XOZ平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，即一個(gè)方向的絲杠布置在水平面內(nèi)，而另一個(gè)絲杠布置在鉛垂面內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是Z方向的絲杠及導(dǎo)軌的支承的剛度低，所以承載能力小。（三）CNC工作臺(tái)的特性。（1）靜態(tài)性能。工作臺(tái)的幾何精度：它包括X-Y工作臺(tái)導(dǎo)軌在水平面的直線性、垂直平面直線性、X方向與Y（Z）方向的垂直度、X-Y（Z）方向的反向間隙和反向精度以及工作臺(tái)與運(yùn)動(dòng)平面間的不平行性。系統(tǒng)的靜剛度：工作臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)受重力、摩擦力和其他外力的作用而產(chǎn)生的相應(yīng)變形，其比值成為靜剛度。工作臺(tái)的定位精度和重復(fù)定位精度：指步進(jìn)電機(jī)每走一步（發(fā)一個(gè)脈沖）工作臺(tái)沿絲杠軸向方

20、向所能產(chǎn)生的位移大小，一般為幾微米至幾十微米。（2）動(dòng)態(tài)性能。包括工作臺(tái)系統(tǒng)的振動(dòng)特性和固有頻率，速度和加速度特性，負(fù)載特性，系統(tǒng)的穩(wěn)定性等。1.1.2 CNC二維工作平臺(tái)的結(jié)構(gòu)類型我們初步擬定了以下三個(gè)傳動(dòng)方案：1.電機(jī)與滑動(dòng)工作臺(tái)連成一體。2.下層電機(jī)固定在機(jī)座上，上層電機(jī)固定在工作臺(tái)滑板上。3.全部電機(jī)放在機(jī)座上。根據(jù)前面CNC的工作結(jié)構(gòu)三種形式的介紹，對于臥式工作平臺(tái)我們選擇下層電機(jī)固定在機(jī)座上，上層電機(jī)固定在工作臺(tái)滑板上的結(jié)構(gòu)（即選擇第二種類型）。此結(jié)構(gòu)適合低速運(yùn)動(dòng)。1.1.3 CNC二維工作平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其機(jī)體尺寸（一）機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。（1）正確選擇截面形狀及結(jié)構(gòu)。機(jī)體包括基座和支撐

21、件，基座和支撐件具有以下特點(diǎn)： 1、尺寸較大：是整臺(tái)儀器的基礎(chǔ)支撐件，不僅自身重量較大，而且承受主要外載荷。2、結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜：有很多加工面或孔，而且相互精度和本身精度較高。（2）合理布置加強(qiáng)筋和筋板。合理布置加強(qiáng)筋和筋板可較好地提高剛度，其效果交織增加壁厚更好。筋板按布置可分為縱向筋板、橫向筋板和斜置筋板?？v向筋板應(yīng)布置在彎曲平面內(nèi)，對提高抗彎剛度效果較好。當(dāng)構(gòu)件受扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)，橫向筋板對加強(qiáng)抗扭剛度有明顯的效果。斜置筋板兼有前兩種的優(yōu)點(diǎn)。（二）合理確定機(jī)體的各部分尺寸。（1）合理設(shè)計(jì)壁厚。根據(jù)受力大小決定壁的厚度，壁厚過薄容易引起澆注不足和冷隔。過厚容易產(chǎn)生縮孔和材料浪費(fèi)，合理的壁厚是根據(jù)鑄件

22、材料和尺寸大小來確定的。尺寸在200×200500×500mm，壁厚約為610mm,尺寸大于500×500mm的，壁厚取1015mm,加強(qiáng)筋的高度一般不超過壁厚的5倍。重點(diǎn)（N）外形最大尺寸（mm）外壁厚（mm）筋板厚（mm）加強(qiáng)筋厚（mm）601005008751106007501086610100012501210810105000170014128表1.機(jī)體的尺寸選擇估計(jì)重量在6101000N，故選擇表1中的第三欄（特殊顏色標(biāo)注），設(shè)計(jì)時(shí)在X（或Y）方向工作臺(tái)滑板上固定聯(lián)接件時(shí)用到加強(qiáng)筋，筋厚度應(yīng)該取8mm。（2）結(jié)合裝配圖確定機(jī)體的各部件尺寸。工作臺(tái)滑板和

23、機(jī)座基本尺寸見表2：類型長（mm）寬（mm）高（mm）工作臺(tái)滑板45432015機(jī)座77060030表2.機(jī)體部件基本尺寸1.2 擬定合理的傳動(dòng)方案1.2.1 按絲杠與螺母的相對運(yùn)動(dòng)分類按絲杠與螺母的相對運(yùn)動(dòng)來分，傳動(dòng)方案可分為四種。（1）絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母移動(dòng)。 （2）螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠移動(dòng)。（3）螺母固定，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)。（4）絲杠固定，螺母轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)。我們選擇第一種方案，即絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母移動(dòng)。1.2.2 按摩擦性質(zhì)不同分類按摩擦性質(zhì)不同，傳動(dòng)方案可分為滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)和滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)兩種。（一）滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)?；瑒?dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)精度高，螺紋導(dǎo)程小，降速比大，牽引力大等優(yōu)點(diǎn)。

24、其缺點(diǎn)是摩擦阻力大，傳動(dòng)效率低，螺紋中有側(cè)向間隙，故反向有空行程。由于動(dòng)靜摩擦差別大，低速時(shí)可能出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。（二）滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)。滾珠絲杠就具有螺旋滾道的絲杠和螺母間充滿滾珠。這些滾珠作為中間傳動(dòng)件，在螺母閉合的回路中循環(huán)滾動(dòng)，使絲杠螺母副的運(yùn)動(dòng)由滑動(dòng)變成滾動(dòng)，以減小摩擦。滾珠絲杠的傳動(dòng)效率很高，當(dāng)雙螺母預(yù)緊后，軸向剛度好，傳動(dòng)副爬行小，具有較高的定位精度，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，傳動(dòng)靈敏，同步性好。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造較困難，價(jià)格昂貴，以及不能自鎖。根據(jù)CNC二維工作平臺(tái)的要求，參看兩種傳動(dòng)的特點(diǎn)，對于臥式CNC工作平臺(tái)我們設(shè)計(jì)選擇滾珠絲杠螺母傳動(dòng)。由于滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)不具有自鎖性，故應(yīng)增加電磁制

25、動(dòng)裝置，以達(dá)到精確定位的目的。1.3 控制電機(jī)介紹控制電機(jī)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)矩、位移速度、理論定位精度、工作行程和載荷大小來確定，常用的控制電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)（又分為同步交流和異步交流）。下面具體介紹步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)，且是數(shù)字控制系統(tǒng)中一種執(zhí)行原件，其功用是將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移。步進(jìn)電機(jī)是關(guān)系到數(shù)控機(jī)床加工精度和加工速度等性能的關(guān)鍵性元件。步進(jìn)電機(jī)分為三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步距角一般為7.5°或15°。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步距角

26、一般為1.5°，但噪聲和振動(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國家80年代已被淘汰。混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相，兩相步進(jìn)角一般為1.8°而五相步進(jìn)角一般為0.72°。這種步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用最廣泛?？刂葡到y(tǒng)對步進(jìn)電機(jī)的基本要求：1.在一定的速度范圍內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)能穩(wěn)定的運(yùn)行，輸出軸轉(zhuǎn)過的步數(shù)必須等于輸入的脈沖數(shù)，不能“失步”。2.每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，輸出軸所轉(zhuǎn)過的角度或前進(jìn)的距離稱為步距角，該值小而高，能保證控制系統(tǒng)的精度。3.允許脈沖頻率高，這樣才能動(dòng)作迅速，減少輔助工時(shí)，提高生產(chǎn)效率，但脈沖頻率不宜過高，否則轉(zhuǎn)矩將變小。步進(jìn)電機(jī)的基本特點(diǎn)：1.步

27、進(jìn)電機(jī)不是恒定通電，而是按一定的方式輪流通電，是通過“環(huán)形分配器”來實(shí)現(xiàn)的。2.反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)可以按指令進(jìn)行角度控制，也可以進(jìn)行速度控制，這對本設(shè)計(jì)很重要，可以實(shí)現(xiàn)程序定位。3.反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)無自鎖能力，為保證步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子能停在最后一個(gè)脈沖信號(hào)的角位移終點(diǎn)位置上采用帶電定位方法（電磁制動(dòng)裝置）。4.步距角越小，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性越好，Ts（最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩）越接近Tmax（最大靜轉(zhuǎn)矩）。可選擇不同的步距角（改變通電方式即可）。1.4 伺服系統(tǒng)1.4.1 開環(huán)伺服系統(tǒng)這種系統(tǒng)主要是采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，步進(jìn)電機(jī)每接受一個(gè)脈沖指令，電機(jī)軸就轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。精度完全取決于電機(jī)、齒輪副、絲杠螺母

28、副和工作臺(tái)導(dǎo)軌等部件的精度，因此適用于精度要求不高的場合。1.4.2 閉環(huán)伺服系統(tǒng)這種系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是工作臺(tái)上裝有位置檢測裝置，如旋轉(zhuǎn)編碼器、光柵傳感器，可以隨時(shí)測量工作臺(tái)的實(shí)際位移，進(jìn)而將測定值反饋到數(shù)字控制裝置中的比較器中與指令信息進(jìn)行比較，并且根據(jù)比較后的差值進(jìn)行控制。因此，有可能校正傳動(dòng)鏈內(nèi)由于電器、剛度、間隙、慣性、摩擦及制造精度所形成的各種誤差，從而提高伺服的精度。這里我們采用閉環(huán)伺服系統(tǒng)。這要求應(yīng)用伺服電機(jī)，伺服電機(jī)一般是交流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)。1.5 聯(lián)軸器的選擇1.5.1 聯(lián)軸器類型介紹及選型聯(lián)軸器有剛性和撓性兩種，剛性聯(lián)軸器適用于兩軸嚴(yán)格對中不發(fā)生相對位移的地方。撓性聯(lián)軸器適用

29、于兩軸有偏斜（可分為同軸線、相交軸線）或在工作中有相對位移（可分為軸向位移、徑向位移、角位移、綜合位移）的地方。撓性聯(lián)軸器又有無彈性元件的、金屬彈性元件的和非金屬彈性元件的之分。后兩種稱為彈性聯(lián)軸器。CNC二維工作平臺(tái)是高精度機(jī)電系統(tǒng)，要求定位精度高，啟動(dòng)靈活、頻繁。這就要求聯(lián)軸器輸出地角位移、轉(zhuǎn)矩與電機(jī)輸出地角位移、轉(zhuǎn)矩同步性好，因此選擇剛性聯(lián)軸器。1.5.2 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)過程本設(shè)計(jì)是低速運(yùn)轉(zhuǎn)，采用夾殼聯(lián)軸器，力矩較小，可以用螺栓緊固，也可以用鍵。具體尺寸的設(shè)計(jì)，根據(jù)電機(jī)外伸軸和絲杠外伸軸直徑確定，參見裝配圖。在此介紹夾殼聯(lián)軸器的性能指標(biāo)和選擇原因：夾殼聯(lián)軸器是利用兩個(gè)沿軸向剖分的夾殼，用螺

30、栓夾緊以實(shí)現(xiàn)兩軸聯(lián)接，靠兩半聯(lián)軸器表面間的摩擦力傳遞轉(zhuǎn)矩，利用平鍵作輔助聯(lián)接。夾殼聯(lián)軸器裝配和拆卸時(shí)軸不需軸向移動(dòng)，所以裝拆很方便，夾殼聯(lián)軸器的缺點(diǎn)是兩軸軸線對中精度低，結(jié)構(gòu)和形狀比較復(fù)雜，制造及平衡精度較低，只適用于低速和載荷平穩(wěn)的場合，通常最大外緣的線速度不大于 5m/s。電機(jī)外伸軸和絲杠外伸軸直徑d=12mm，聯(lián)軸器基本尺寸見下圖。第二章 螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及電機(jī)的選擇2.1 滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)介紹滾動(dòng)絲杠，就是在具有螺旋滾道的絲杠和螺母間充滿滾珠，這些滾珠作為中間傳動(dòng)件，在螺母上閉合的回路中循環(huán)滾動(dòng)，使絲杠螺母副的運(yùn)動(dòng)由滑動(dòng)變成滾動(dòng)，以減小摩擦。滾珠絲杠具有很高的傳動(dòng)效率（=0.920.9

31、6）；當(dāng)雙螺母預(yù)緊后，軸向剛度高；傳動(dòng)副的爬行小，具有較高的定位精度和隨動(dòng)精度；起動(dòng)力矩小，傳動(dòng)靈敏，同步性好。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，價(jià)格較為昂貴以及沒有自鎖作用。國內(nèi)在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，廣泛的采用了滾珠絲杠副，在高精度自動(dòng)控制的電子工業(yè)專用機(jī)械設(shè)備工作臺(tái)的精密進(jìn)給傳動(dòng)中，也開始采用。滾珠絲杠副有多種結(jié)構(gòu)形式，其主要的差異是：螺紋滾道型面的形狀；滾珠的循環(huán)方式；消除軸向間隙和預(yù)緊的方法等三方面。2.1.1螺紋滾道型面螺紋滾道型面（或稱法向截型）是指通過滾珠中心的螺旋線的法向平面，與絲杠或螺母滾道的交線形狀。目前較常用的滾道型面有單圓弧和雙圓弧兩種。1、單圓弧滾道型面的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，制造容易

32、，特別是磨滾道型面時(shí)砂輪修正較方便，容易得到較高的精度。但是在單螺母傳動(dòng)中，接觸角隨初始間隙和軸向載荷的變化而變化，故傳動(dòng)效率、承載能力、軸向剛度不穩(wěn)定。在雙螺母傳動(dòng)中，為使預(yù)緊后接觸角保持45°，必須嚴(yán)格控制徑向間隙d。在無載荷時(shí)，d和之間的關(guān)系為：2、雙圓弧軌道型面的特點(diǎn)：接觸剛性好，摩擦小，有較大的承載能力，預(yù)緊或承載后的接觸角=45°基本不變，故傳動(dòng)效率、承載能力、軸向剛度都比較穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)無間隙傳動(dòng)，傳動(dòng)精度較高，但其制造工藝較復(fù)雜。2.1.2滾珠返回的循環(huán)方式按螺母上滾珠返回裝置的不同，滾珠絲杠副分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩大類。滾珠在循環(huán)過程中始終與絲杠接觸的叫內(nèi)循

33、環(huán)，脫離絲杠的叫外循環(huán)。這兩種循環(huán)形式，國內(nèi)均已形成系列化生產(chǎn)。（1）內(nèi)循環(huán)。內(nèi)循環(huán)采用單圈，即在一個(gè)循環(huán)回路中只有一圈滾珠，在螺母的側(cè)孔中，裝入接觸相鄰兩圈螺紋滾道的反向器，借助反向器上的回珠槽，迫使?jié)L珠越過絲杠螺紋牙頂，進(jìn)入相鄰滾道，以實(shí)現(xiàn)循環(huán)。反向器上回珠槽的引進(jìn)和引出兩部分，與螺母上相鄰兩圈螺紋滾道重合，其中央部分與螺母軸線成一傾角（等于或接近45°），而深度比螺紋滾道深度大一倍，即等于滾珠直徑。一般在同一螺母上采用三只反向器，沿軸向間隔（4/37/3）Lo（Lo為基本導(dǎo)程），在圓周上互相錯(cuò)開120°。反向器有兩種形式，一種是圓珠凸鍵形，另一種是偏圓嵌塊形。單圈內(nèi)循

34、環(huán)滾珠螺母結(jié)構(gòu)由于滾珠的循環(huán)回路短、個(gè)數(shù)少，故流暢性好、摩擦損失小、效率高、徑向尺寸緊湊、剛性好，承載能力大。缺點(diǎn)是反向器上回珠槽計(jì)算和加工較困難，軸向尺寸交大。此外，在工作時(shí)滾珠將不斷越過螺紋牙頂，所以對絲杠外圈及圓角r3的要求較高，而加工平滑過渡圓角r3較困難。（2）外循環(huán)。外循環(huán)采用多圈，其結(jié)構(gòu)有以下幾種：螺旋槽式：在螺母體的外圓柱面上直接銑出螺旋槽作為滾珠的回程道。其兩端與螺紋滾道用孔相連，利用擋珠器切斷內(nèi)滾道，擋住滾珠的去路，迫使?jié)L珠流入通向螺旋槽的孔中構(gòu)成的循環(huán)，擋珠器用一段鋼絲焊在螺釘上制成。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是工藝簡單，易于制造，故使用較廣。插管式：它是用彎曲成型的管子插入螺母工作

35、圈始、末端孔內(nèi)。導(dǎo)管稍突出于螺母內(nèi)孔，外面用螺釘和壓板緊固。管子本身是滾珠的回程通道，突出的部分又起擋珠器的作用。為了保證滾住在管子中流動(dòng)通暢，A、兩側(cè)的內(nèi)孔面必須和內(nèi)滾道相切，以免產(chǎn)生沖擊，管子與滾珠間還需留0.20.3mm的間隙。這種螺母的結(jié)構(gòu)簡單，流暢性好，便于大量生產(chǎn)。缺點(diǎn)是徑向外形尺寸大，擋住用的端部耐磨性差。端蓋式：在螺母上鉆出縱向孔作為滾珠的回程通道，螺母兩端裝有兩塊扇形端蓋或套筒，滾珠的回程道口就在蓋板上。滾道半徑R為滾珠直徑d0的1.41.6倍。這種結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好，但滾道吻接和彎曲處圓角不易做準(zhǔn)而影響其性能，故應(yīng)用較少。通常以單螺母形式用于升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。2.1.3軸向間隙

36、和預(yù)緊的調(diào)整方法滾珠絲杠副的軸向間隙，是指在無載荷情況下的原始軸向間隙，和在負(fù)載作用下，由于滾助于滾道型面的接觸點(diǎn)的彈性變形，而引起螺母位移量的總和。采用雙螺母機(jī)構(gòu)，對其施加一定的預(yù)緊力，可消除軸向間隙，以提高滾珠絲杠的軸向剛度和傳動(dòng)精度。（一）雙螺母預(yù)緊原理。在一根絲杠上裝有兩個(gè)螺母，通過墊片對其施加一定的預(yù)緊力F0，以調(diào)整兩個(gè)螺母的相對位置，使每個(gè)螺母中的滾珠在承受軸向力F以前，預(yù)先分別于絲杠滾道兩側(cè)中的一側(cè)接觸（兩個(gè)螺母的接觸方向相反），同時(shí)有一定的接觸力p0，這就不僅消除了軸向間隙，而且在力F0的作用下，還使?jié)L珠與滾道接觸處產(chǎn)生一定的預(yù)變性，這樣，滾珠絲杠副無論在哪個(gè)方向承受軸向力F，

37、只要在一定范圍內(nèi)，絲杠副都不會(huì)出現(xiàn)軸向間隙。采用雙螺母預(yù)緊的滾珠絲杠副，安裝兩個(gè)螺母的目的只能起到調(diào)整軸向間隙和施加預(yù)緊力的作用，而不能達(dá)到提高承載能力的目的。這是因?yàn)樵诮z杠副受載時(shí)，其中只有一個(gè)螺母受軸向工作載荷，即所謂的工資螺母，而另一只螺母只受預(yù)緊力，故稱預(yù)緊螺母。因此，在計(jì)算雙螺母滾珠絲杠副最大承載能力時(shí)，只能按一個(gè)螺母計(jì)算。（二）調(diào)隙與預(yù)緊的方法。采用雙螺母結(jié)構(gòu)來消除軸向間隙和施加預(yù)緊力，其方法是改變雙螺母的相對位置。有兩種基本的方法。1.只調(diào)整雙螺母的軸向的相對位置，而不改變它們的相對角度。2.只調(diào)整雙螺母的相對角度，而不改變他們的相對位置。2.2 絲杠螺母副設(shè)計(jì)及電機(jī)選擇（一）設(shè)

38、計(jì)X方向的絲杠螺母副及其步進(jìn)電機(jī)由CNC題目（W、五、）可知：（1）X方向的軸向工作載荷Fx=2000N。（2）理論定位精度=5mm。（3）絲杠轉(zhuǎn)速n1=50r/min。（4）X方向工作臺(tái)滑板及其組件重量Wx600N。（5）參考同類型的設(shè)備，選擇電機(jī)和絲杠通過聯(lián)軸器直接連接，則i=1（步進(jìn)電機(jī)到絲杠間的傳動(dòng)比）。這樣選取的好處是不要中間件，減少了傳動(dòng)件，有利于提高精度，安裝等較為方便。1.X方向絲杠受力分析。F=Fx+FnFn=式中 F-絲杠所受的總軸向力Fn-導(dǎo)軌與工作臺(tái)滑板之間的摩擦力Fx-X方向軸向工作載荷Fy-Y方向軸向工作載荷-導(dǎo)軌與工作臺(tái)滑板之間的摩擦系數(shù),可取0.050.2 Wx

39、-X方向工作臺(tái)滑板及其組件重量Wy-Y方向工作臺(tái)滑板及其組件重量將有關(guān)參數(shù)代入上述公式可得臥式CNC工作平臺(tái)X方向絲杠所受的總軸向力Fa=2175N。2.絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算及選擇。（1）額定靜載荷選擇：按CoaF的原則選擇絲杠，初選CDM型滾珠絲杠，型號(hào)3205-5。（2）按疲勞壽命選擇： L=60nT/1000000=45(百萬轉(zhuǎn)) Ca=9283N 式中fH(硬度系數(shù))取1.0，fw(運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù))取1.2，T(使用壽命)取15000h。 根據(jù)Ca>Ca的原則，可知CDM型滾珠絲杠3205-5符合設(shè)計(jì)要求，其相關(guān)參數(shù)如下。主要尺寸符號(hào)參數(shù)公稱直徑/mmdo32基本導(dǎo)程/mmPh5鋼球直徑/mm

40、Dw3.175絲杠底徑/mmD228.2絲杠外徑/mmD131.5循環(huán)列數(shù)CDM2X2.5X2額定動(dòng)載荷/NCo17998額定靜載荷/NCOA548963.電機(jī)的選擇。（1）計(jì)算電機(jī)所需要的最小轉(zhuǎn)矩Tmin。由X方向的總軸向力F和絲杠的公稱直徑d0以及計(jì)算電機(jī)所需要的最小轉(zhuǎn)矩：Tmin=tan(+)=2577.6N·mm式中 d1-絲杠螺紋大徑 d2-絲杠螺紋小徑 d-絲杠中徑 -當(dāng)量摩擦角，這里取=0（2）選擇控制電機(jī)。按照電機(jī)額定輸出轉(zhuǎn)矩T電機(jī)所需的最小轉(zhuǎn)矩Tmin的原則，選擇型號(hào)為90BYG550B的步進(jìn)電機(jī)，其相關(guān)參數(shù)、頻率特性曲線以及外形尺寸如下。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)為：n=60

41、 /(360/0.36)=50r/min，與題目要求相符合。4.計(jì)算絲杠的步距角以及理論定位精度。式中-理論定位精度，是指一個(gè)脈沖，螺母相對于絲杠的直線位移量-電機(jī)步距角-絲杠步距角-絲杠基本導(dǎo)程i-電機(jī)到絲杠之間的傳動(dòng)比，這里因?yàn)殡姍C(jī)與絲杠是直接連接的，故傳動(dòng)比是1。根據(jù)=5um得=0.36°(二)設(shè)計(jì)Y方向的絲杠螺母副及其步進(jìn)電機(jī)。由CNC題目（W、五、）可知：（1）X方向的軸向工作載荷Fy=1500N。（2）理論定位精度=5mm。 （3）絲杠轉(zhuǎn)速n2=50r/min。（4）X方向工作臺(tái)滑板及其組件重量Wy300N。（5）參考同類型的設(shè)備，選擇電機(jī)和絲杠通過聯(lián)軸器直接連接，則i=

42、1（步進(jìn)電機(jī)到絲杠間的傳動(dòng)比）。這樣選取的好處是不要中間件，減少了傳動(dòng)件，有利于提高精度，安裝等較為方便。1.Y方向絲杠受力分析。利用相同的方法，可得臥式CNC工作平臺(tái)Y方向絲杠所受的總軸向力Fa=1702N。2.絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算及選擇。利用相同的方法，選擇CM型滾珠絲杠，型號(hào)2505-5 。其具體尺寸如下。主要尺寸符號(hào)參數(shù)公稱直徑/mmdo25基本導(dǎo)程/mmPh5鋼球直徑/mmDw3.175絲杠底徑/mmD221.2絲杠外徑/mmD124.5循環(huán)列數(shù)CM2X2.5額定動(dòng)載荷/NCo16132額定靜載荷/NCOA424323.電機(jī)的選擇。利用相同的方法，選擇與X方向相同的電機(jī)，型號(hào)為90BYG55

43、0B的步進(jìn)電機(jī)。第三章 軸承的類型及其支撐方式設(shè)計(jì)3.1 軸承的類型介紹和具體選擇3.1.1 軸承類型介紹及初步選擇滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承各有其優(yōu)缺點(diǎn)?；瑒?dòng)軸承具有承載能力高、工作平穩(wěn)可靠、抗震性好、噪音低、壽命長、具有剖分式、安裝方便、運(yùn)轉(zhuǎn)精度較高等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是摩擦力大、起動(dòng)力矩大、成本高。滾動(dòng)軸承是標(biāo)件，具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1.滾動(dòng)軸承起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比滑動(dòng)軸承小得多（80%90%），有利于負(fù)載起動(dòng)。2.徑向游隙小，向心角接觸軸承可用預(yù)緊的方法消除游隙，運(yùn)轉(zhuǎn)精度高。3.對于同尺寸的軸頸，滾動(dòng)軸承的寬度比滑動(dòng)軸承小，可使機(jī)器的軸向結(jié)構(gòu)緊湊。4.大多數(shù)滾動(dòng)軸承可同時(shí)承受徑向和軸向載荷。故軸承組合結(jié)構(gòu)簡單。5

44、.互換性好，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，成批生產(chǎn)，成本較低。滾動(dòng)軸承的缺點(diǎn)是接觸應(yīng)力高、抗沖擊能力差，高速重載時(shí)壽命低、噪音大，減震能力低。由于CNC工作臺(tái)載荷不大，速度低，步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)頻繁，根據(jù)上述各自的優(yōu)缺點(diǎn)，這里設(shè)計(jì)選擇滾動(dòng)軸承。3.1.2 絲杠軸承的具體選擇根據(jù)題目要求，這里設(shè)計(jì)選擇：固定端用兩個(gè)角接觸球軸承，中間用墊片隔開；游動(dòng)端采用深溝球軸承。由于剛度特點(diǎn)和CNC的結(jié)構(gòu)，選擇兩單列角接觸軸承背對背成對安裝。兩個(gè)相同型號(hào)的角接觸軸承成對安裝時(shí)常采用定位預(yù)緊，軸承的軸向位置在使用過程中保持不變。一般通過金屬墊片、磨窄套圈或調(diào)整兩軸承之內(nèi)、外套筒的寬度來得到一定的預(yù)緊量，固定結(jié)構(gòu)中必須有可調(diào)結(jié)構(gòu)。由于

45、墊片結(jié)構(gòu)簡單，故采用墊片預(yù)緊。X方向和Y方向采用同樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。3.2 確定軸承的尺寸根據(jù)軸設(shè)計(jì)原則和方法，由絲杠的公稱直徑X方向32mm，Y方向25mm，查手冊選擇軸承型號(hào)如下：軸承型號(hào)基本尺寸/mm其他尺寸/mm安裝尺寸/mm額定動(dòng)載荷Cr/KN額定靜載荷Cor/KNdDBrsminrslmindaminDamaxrasmax7204C20471425°-15.59600420421225°-7.224.453.3 對于軸承進(jìn)行強(qiáng)度校核(一)X方向角接觸球軸承（型號(hào)7204C）的校核計(jì)算。X方向絲杠總軸向力為Fa=2175N。軸承組徑向力Fr的確定方法可采用條件性計(jì)算法

46、（假設(shè)法）。雖然理論上絲杠不受徑向力，但是假設(shè)導(dǎo)軌受力變形后，絲杠還是要受力的，其受力大小FR可由兩根導(dǎo)軌和絲杠三者分?jǐn)偂Ｗ詈笸恢c(diǎn)對安裝同型號(hào)角接觸球軸承進(jìn)行校核就算。由于X方向絲杠的轉(zhuǎn)速n=50r/min，屬于低速運(yùn)動(dòng)，故應(yīng)對軸承進(jìn)行壽命校核計(jì)算和靜強(qiáng)度校核計(jì)算。絲杠所受徑向力雙列角接觸球軸承所受的徑向力: （1）角接觸軸承組的壽命計(jì)算。近似計(jì)算時(shí)，將成對軸承組看作是雙列軸承，認(rèn)為徑向力作用點(diǎn)在軸承組中點(diǎn)處，軸向力由軸承組承受。派生軸向力相互抵消為零。取軸承預(yù)期使用壽命L=10000h。軸承組的基本額定動(dòng)載荷：Fa/Cor=0.24 查表得e=0.53。Fa/Fr=3.71>e 查

47、表得(按雙列軸承查表)X=0.88，Y=2.12。當(dāng)量動(dòng)載荷：P=fp(XFr+YFa)=1.2×(0.88×586+0.87×2175)=6153.6N軸承組壽命：故符合要求。（2）角接觸軸承組的靜強(qiáng)度校核計(jì)算。查表得，Xo=1，Yo=0.92（按雙列軸承查值）則Por=XoFr+YoFa=2587N IPor=Fr=586N II 在I、II中取較大值。Co=So×Por=2×2587=5174N式中So是軸承靜載荷安全系數(shù)，為了保證安全，選較大的安全系數(shù)，取So=2。軸承組基本額定靜載荷：故靜強(qiáng)度校核滿足要求。由上述校核計(jì)算可知7204C

48、軸承組合符合要求。軸承靜載荷安全系數(shù)軸承靜載荷安全系數(shù)使用要求或載荷性質(zhì)球軸承滾子軸承對旋轉(zhuǎn)精度及平穩(wěn)要求高，或承受沖擊載荷1.52.02.54.0正常使用0.52.013.5對旋轉(zhuǎn)精度及平穩(wěn)性要求較低，沒有沖擊過振動(dòng)0.52.0132X方向深溝球軸承（型號(hào)6004）。根據(jù)Fr=586N，F(xiàn)a=1171N，進(jìn)行深溝球軸承的壽命計(jì)算和靜強(qiáng)度計(jì)算。結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。3Y方向角接觸球軸承組（型號(hào)7204C）。校核計(jì)算方法同上，計(jì)算結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。4Y方向深溝球軸承（型號(hào)6004）。校核計(jì)算方法同上，計(jì)算結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。3.4 選擇軸承的潤滑方式滾動(dòng)軸承的潤滑只要是為了減低摩擦阻力和減輕磨損，也有

49、吸振、冷卻、防銹、和密封的作用。滾動(dòng)軸承的潤滑方式一般高速時(shí)采用油潤滑，低速時(shí)采用脂潤滑，某些特殊的場合也可以采用固體潤滑。滾動(dòng)軸承潤滑劑的選擇主要決定于速度、載荷、溫度等工作條件。CNC工作臺(tái)不是封閉的結(jié)構(gòu)，故宜選用脂潤滑。第四章 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)4.1 導(dǎo)軌的類型概述和選擇4.1.1 導(dǎo)軌類型常用導(dǎo)軌按其接觸面的摩擦性質(zhì)，可分為滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌三大類。若按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為力封式和自封式。力封式又稱為開式，必須借助外力才能保證運(yùn)動(dòng)件和承導(dǎo)面間的接觸，從而保證運(yùn)動(dòng)件按給定的方向作直線運(yùn)動(dòng)；自封式又稱閉式，無需借助外力，而靠導(dǎo)軌本身的結(jié)構(gòu)形狀便能保證運(yùn)動(dòng)件和承導(dǎo)面間的接觸。由于滾動(dòng)摩擦導(dǎo)軌接

50、觸應(yīng)力大、對精度要求高，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以，我們選擇滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌。4.1.2 普通滑動(dòng)導(dǎo)軌普通滑動(dòng)導(dǎo)軌是指動(dòng)、靜兩導(dǎo)軌面直接接觸的導(dǎo)軌，它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、承載能力大、接觸剛度高、抗振性好，對幾何的形狀誤差不敏感等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是摩擦阻力大，磨損快，動(dòng)靜摩擦系數(shù)差別大，重載或低速時(shí)容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。（一）滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌的類型。1三角形截面：導(dǎo)向精度高，導(dǎo)軌磨損后會(huì)自動(dòng)下降補(bǔ)償，不會(huì)產(chǎn)生間隙，但是該導(dǎo)軌在水平、垂直兩方向上的誤差相互影響，故給制造、檢驗(yàn)和維修帶來一定的困難，一般頂角取90度，也可根據(jù)載荷和導(dǎo)向精度來定。2.矩形截面：結(jié)構(gòu)簡單、制造和檢修方便、精度高、承載能力大優(yōu)點(diǎn)，但是，該導(dǎo)軌不

51、可避免的 存在側(cè)向間隙，因而，導(dǎo)向精度差，磨損后用鑲條來補(bǔ)償間隙。3.燕尾形截面：具有尺寸緊湊、能承受顛覆力矩的優(yōu)點(diǎn)，但是剛度差，制造維修不方面，摩擦力也較大，適用于精度要求不高及移動(dòng)速度較慢的場合。4.圓形截面：制造簡單，可以做到精密配合，但是，它是封閉結(jié)構(gòu)，對溫度變化比較敏感，磨損后很難進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)償，故這種導(dǎo)軌多用于承受垂直載荷很小的場合。根據(jù)本結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)的要求，我們選用圓形截面導(dǎo)軌。（二）滑塊導(dǎo)軌間隙調(diào)整。為保證導(dǎo)軌正常工作，導(dǎo)軌滑動(dòng)表面之間應(yīng)保持適當(dāng)?shù)拈g隙。間隙過小，會(huì)增加摩擦阻力；間隙過大，會(huì)降低導(dǎo)向精度。導(dǎo)軌的間隙如依靠刮研來保證，而且導(dǎo)軌經(jīng)長期使用后，會(huì)因磨損而增大間隙，需要及時(shí)調(diào)整，故導(dǎo)軌應(yīng)有間隙調(diào)整裝置。矩形導(dǎo)軌需要在垂直和水平兩個(gè)方向上調(diào)整間隙