數控銑床設計.docx

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1、第一章引言 1.1課題的來源 數控機床的教學由于比較抽象，需要借助實驗來加深對課堂知識的理解。但由于一般數控 機床體積大，價格高，軟硬件不是很開放，不適合學生的教學實驗。為此設計一種功能齊全、結 構簡單、軟硬件結構開放、成本低，且有代表性的教學實驗型鐵床系統(tǒng)。要求結構簡單，經濟適 用，易于推廣普及，且能完成教學目的的機床。通過本次畢業(yè)設計，得到全面的鍛煉，為將來機 電產品的設計和使用打下良好的基礎。 1.2課題的背景和意義 數控技術是機床實現自動化控制的核心技術，是機械制造業(yè)的關鍵技術，其水平的高低和應 用程度關系到國家的戰(zhàn)略地位和綜合國力。 數控技術是-門理論性和實踐性都 非常強的

2、課程，其教學必須理論聯系實際。長期以來，數控技術教學遇到幾大難題：（1）課堂 教學難教師在課堂上對著書本講，學生看不見摸不希，如聽天書。（ 2）實驗教學 難由于市場沒有適用教學的機床，教學中使用的都是生產型機床，這些機床體積大、造價高、使 用和維護成本高，很多學校用不起，并且有的話，大多是老師演示、學生觀看，很少有學生自己 直接操作。 教學設備問題是制約數控技術教學質量提高的瓶頸問題， 為解決數控技術教學設備 問題，特進行了微型三坐標數控飩床的設計，完成了微型數控銖床的總體方案設計，確立了機床 的整機結構、總體布局以及關鍵部件（主軸系統(tǒng)、進給系統(tǒng)等）的選型與設計，機床的本體尺寸 為320

3、mmx220mmx400mm,機床的工作空間尺寸為180mmx 180mm。該機床體積小、重量輕、功 能強、成本低，非常適合課堂教學、實驗教學和實訓教學，節(jié)省設備購置費用和使用費用的同時, 將大幅度提高教學效率和教學效果，對于改變我國數控技術人才培養(yǎng)模式，降低培養(yǎng)成本、縮短 培養(yǎng)周期，具有重大意義。 價值。 3. 121步進電機的種類 步進電機的分類方式很多，常見的分類方式有按產生力矩的原理、按輸出力矩的大小 以及按定子和轉子的數量進行分類等。由于分類方式的不同，步進 電機可以分為多種類型，如表所示 表步進電機的分類 分類方式 具體類型 按力矩產生的原理 (1) 反應式步進電

4、機：轉子上沒有繞組，而是由定子被勵磁所激 產生反應力實現電機運動。 (2) 激磁式步進電機：在電機的正子和轉子上都有勵磁繞組，由磁 場產生的電磁力實現電機的運動。 按輸出力矩大小 (1) 伺服式步進電機：電機工作時產生的力矩在幾百分之一到幾十 分之一之間，只能帶動較小負載的部件運動，在帶動較大負載的部 件運動時需要液壓扭矩放大器。 (2) 功率式步進電機：輸出的力矩一般在50 N m以上，可以帶 動較大負載的部件運動。 按定子數 (1)單定子式(2)雙定子式(3)三定子式(4)多定子式 按各相繞組分布 (1) 徑向分布式步進電機：電機的每一項按照圓周順序排列 (2) 軸向分布

5、式步進電機：電機的每一項按照軸向順序排列 3. 1.2.2步進電機的結構 目前，我國使用的步進電機大多為反應式步進電機。反應式步進電機可分為軸向和徑向 分相兩種形式，見表所述。 圖4-2為一個典型的徑向分相、單定子式、反應式的步進電機的結構原理圖。此步進 電機和普通的電機一?樣，由定子和轉子兩部分組成，定子由定子鐵心和定子繞組組成。其中 由電工鋼片堆疊擠壓形成定子鐵心，詳細形狀見圖示。由繞值在定子鐵心上的分布均勻的線 圈組成定子繞組，控制繞組由直徑的方向上的相對的兩齒上的線圈串聯構成的，圖1的步進 電機可為三相控制繞組，也稱 為三相步進電機。其中給任一項繞組通電，就能形成一組定子磁

6、極，磁極方向為圖示的NS極。定子磁極上開了 5個齒槽等寬，齒間夾角為9°勺小齒，在轉子上沒有繞 組，只有分布均勻的40個齒槽等寬、齒間夾角為9°勺小齒，結構上和 磁極上的小齒類似。不同的是定子磁極上的小齒錯開了三分之-?齒距的空間位置，見圖2。 當A相磁極上的小齒與轉子上的小齒對齊的時是， B相磁極上的小 齒剛好超前（或滯后）轉子齒1/3齒距角，C相磁極上的小齒超前（或滯后）轉子齒三分 之二齒距角。 圖1單定了徑向分相反應式伺服步進電機結構原理圖 圖2步進電機的齒距 圖3是?個五定子、軸向分相、反應式伺服步進電機的結構原理圖。圖示，在軸向步 進電機的轉子和定子分成五段，

7、其中每段都由一相獨立的定子繞組、定子鐵心和轉子，具體 見圖3。其中每段定子鐵心用硅鋼片疊壓形成其形狀像內 齒輪。轉子也是有硅鋼片疊壓形成的其形狀像外齒輪。每段釘子上的齒均勻分布在圓周方向, 各齒間搓開五分之?的齒距，但在轉子上的齒彼此間不錯位。當對為位于定子鐵心環(huán)形槽內 的定子繞組通電時就會形成環(huán)行繞組，構成如圖所示的磁力線。 除上面介紹的兩種形式的反應式步進電機之外，常見的步進電機還有永磁式步進電機和 永磁反應式步進電機，它們的結構雖不相同，但工作原理相同。 3.23 步進電機的工作原理 步進電機的工作原理實際上就是電磁鐵的工作原理。圖 5為一種最簡單的 反應式步進電機，卜.面我們

8、就以此為例來說明步進電機的工作原理。 圖5中，當直流電通入A相繞組時，由電磁學的原理，在AA的方向上便會產生磁 場，在磁場力的作用下，便會吸引轉子，便會使轉子上的齒和定子 AA 極上的齒相對齊。但若B相通電，A相斷電，于是便會形成新的磁場，新的磁場力便會使轉 子上的齒定子BB極上的齒相對齊，于是轉子便會以順時針的方向轉過60度的角。所謂的步 距角a為步進電機的繞組每改變一次通斷電的狀態(tài)其轉了轉過的角度。因此在圖5中步進電 機的步距角a為60度。如果控制線路無 限的按L4C* A的順序控制步進電機繞組的通斷電狀態(tài)，步進電機的轉子 便會一直按順時針的方向轉動。若通電順序為將 A“C“B_

9、A,步進電機的轉子 會按逆時針得方向不停地轉動。 圖3五定子徑向分相反應式伺服步進電機結構原理圖 圖4 一段定子、轉子及磁回路 以上所述通電方式為三相三拍的。除此之外還有三相六拍的通電方式，它的通電順序是： 順時針為A - AB - B - BC - C - CA - A無限循環(huán)；逆時針為A — AC 一 C 一 CB 一 B —BA f無限循環(huán)。 當電機以三相六拍的通電方式工作時，當由單一的 A相通電變?yōu)锳、B相 同時通電時，轉子上的磁極將同時受到A相和B相繞組產生的磁場共同作用，在兩力的相互作 用下轉子磁極便會位于A相和B相磁極之間，此時步距角a為30度。當A相和

10、B相同時通電 變?yōu)锽相單獨通電時，電機如果以三相六拍的方式工作，當A相單獨通電變?yōu)锳、B兩相同時通 電時，轉子上的磁極便會同時受到A相和V相繞組產生的磁場的同時作用，在兩力的相互作用 下轉子的磁極便會停留在A、B兩相之間，此時步距角a為30度。當A相和B相同時通電變?yōu)?B相單獨通電時，轉子上的磁極將再以順時針的方向旋轉30度與B相磁極對齊。這樣依此 類推重復。因此當采用三相六拍得通電方式工作時，可使步距角 圖5步進電機I：作原理圖 圖5（b）所示的步進電機，定了仍然為A , B , C三相，每相為兩極，但是轉了由原來的 兩級變?yōu)樗募?。當A相繞組通電時，1、3兩極和A相的兩極相對

11、齊，以此類推，當B相通電、 A相斷電時，2、4兩極和B相的兩極對齊。因此，在三相三拍的通電方式中，步距角a為30 度，在三相六拍通電方式中，步距角a為15度。 綜上所述，我們可以得到如下的結論： （1） 當步進電機定子繞組改變一次通電狀態(tài)，轉子便會轉過一個步距角 a； （2） 步進電機定子繞組的通電順序改變，轉子的旋轉方向也會改變； （3） 步進電機的定子繞組通電狀態(tài)改變的越快，轉子轉速越快，即通電狀態(tài)的頻率越高， 轉子的轉速越快： （4） 步進電機步距角a與定子繞組的相數m、轉子的齒數z、通電方式k有關，可用下式 表示： :=36Oo/ mzk 式中m相m拍時，k=l ； m相

12、2m拍時，k=2；依此類推。 對于圖1所示的徑向分相、單定子式、反應式的步進電機，當在三相三拍通電方式下工作 時，其步距角為 ?=360. / mzk ] =3600 / 30 4 1 [=3o 若在三相六拍通電方式下工作，則步距角為 :=36Oo/ mzk = 360? / 30 4 2 =1.5° 3. 1.2.4步進電機的主要特性 （1） 步距角。所謂的步進電機的步距角為電機定子每改變一次通電狀態(tài)轉子轉過的角度。 它決定著步進伺服驅動系統(tǒng)的脈沖當量。在數控機床上常見的反應式步進電機的步距角為30 度。步距角越小，機床的控制精度會越高。 （2） 矩角特性、最大靜態(tài)轉矩Mjma

13、x和啟動轉矩Mq。電機的一個重要特性為矩角特性， 矩角特性反映電機失調角和靜態(tài)轉矩之間的變化關系。 （3） 啟動頻率fq。啟動頻率為步進電機乂靜止到瞬間啟動時， 在保證不丟步 的情況下步進電機所能承受的最高頻率。如果啟動的時候啟動頻率不小于瞬跳頻率，電機就無 法保證正常的工作。在電機空載狀態(tài)啟動時電機定子通斷狀態(tài)的頻率要小于該瞬跳頻率。 （4） 無間斷運行時的最高頻率fmaxo最高頻率fmax是指步進電機在持續(xù)工 作時在不發(fā)生丟步時所能接受的最高頻率，電機的速度的調整由最高頻率 fmax 決定。電機速度調整的特性是指在電機由靜止狀態(tài)到啟動狀態(tài)和電機由啟動狀 態(tài)到靜止狀態(tài)的過程中定子

14、繞組的通斷電狀態(tài)的頻率和實踐之間的關系。如果步進電機的瞬跳 頻率小于啟動頻率時，頻率的變化速度逐漸上升；當大于啟動頻率的工作頻率時，頻率的變化 速度逐漸下降。但逐漸上升和逐漸下降的加速時間和減速時間不太小，否則便會出現失步和超 步現象。這里我們用加速時間的常數Ta和減速的時間常數Td來描述步進電機的升速和降速特 性，如圖 6所 示。 圖6加減速特性曲線機的最高轉 3.1.2.寫進電機的選型計算 5 交流伺服的控制系統(tǒng)在許多性能方面都好于步進電機。然而在部分要求不高的場合比如機 床進給運動通常用步進電機來完成進給運動。因此在機床控制系統(tǒng)使用設計過程中需要對控制 系統(tǒng)的要求、控制

15、系統(tǒng)的成本等各方面的因素進行綜合的考慮從而選出性價比較高的控制電 機。 （1） 電機與絲杠是通過套筒聯軸器直接相連，傳動比i=l,則步距角 360、i 360 0.01 i p 0. 9 / step T 6 （2） 移動部件的轉動慣量計算 機床移動部件的質量等效到電機軸上轉動的慣量 1806 180 匯 0.01 -2 2 2 J =（ p） W =（ ） 30 =12. 17kg cm not n x 0. 9 機床絲杠對軸線轉動慣量計算公式如下 J J m r2, S 2 代入數據得 m =0. 2367kg, d = 1. 6cm, 所以 J=1 6.

16、313 1.04 I.62 二o. 75N cm2 2 s 因此總的轉動慣量為 J - J J =121. 7 0. 75 =122. 45 N cm, X I （3） 電機所需的轉動力矩的計算 電機空載快速啟動時所需力矩計算公式如下: 機床最大的切削負載所需力矩的計算公式如下: M =M M Mt f 0 機床快速進給工作時所需的力矩計算公式如下： M =M M f 0 式-l-Ma^-步進電機空載啟動等效到電機軸上加速度力矩 廠步進電機等效到電機軸上的摩擦力的矩 o-由電機絲杠的預緊引起的折算到電機軸的附加的摩擦力矩 ,廣機床工作時等效到步進電機軸上的加速度的

17、力矩 廣機床正常工作時等效到電機軸上得到的切削力矩 電機最高轉速nm.,x=500r/min — J n rmx Mamax 10 9. 6T “JL 122. 45x500 , c/ c - 10 = 25. 5N cm 9. 69025 V i 2000 1 n 1 T =500r /min 等效摩擦力的矩計算公式如下所示 M f 當=0. 85, f=0. 15 時，M 0, 15 300 0,4 =3. 37N cm 2 3. 14 0. 85 1 M 堅 8. 5 0.4 （］ _o 957）=o. 56N cm 2 3. 14 0. 85

18、1  M 匕L。 & or 6.37N cm 1 2 二 2 3. 14 0.85 1 因此機床空載情況下快速啟動需要的力矩計算如下： M =M M虬代入數據得 nnax f M 二 25. 5 3. 37 0. 56 =29. 43N cm 機床最大的切削負載所需力矩代入數據如下： M 二 M M Mt =3. 37+0. 56+6. 37=10. 3 N cm f 0 機床快速進給工作時所需的力矩代入數據計算如下 M =M M =3. 37+0. 56=3. 93 N cm f 0 顯然由上述計算得知：電機所需最大的力矩取在切削工作進行時即 M “0.3Nc

19、m nax 為滿足工作要求，電機選用的工作方式為兩相四拍, 查表得M/m 0. 866 M -電動機的啟動所需力矩 q M -電動機的靜載荷力矩 jm 湖3 =73. 6N cm 0.4 0.4 M 73. 6 M 如 q " 84.99N cm 10. 866 0. 866 步進電機運行時的最大頻率為 V 2000 一 f JEU 60 0.01 3333. 3Hz 另外，為了防止在機床加工的過程中在某些地方需要停止時而產生的少量滑動從而 影響零件的使用壽命和加工精度，電機需要具備在停機時自鎖功能，所以所選電機為混 合式步進電機。另外，步進電機的步距角

20、在理論上說是固定的，但實際上生產上還是有 誤差的。另外，負載轉矩也將會引起步進電機的定位誤差。應將步進電動機的步距誤差、 負載引起的定位誤差和傳動機構的誤差都考慮在內，使總的誤差小于數控機床允許的定 位誤差。 初選步進電動機的型號為42BYG250B-SASS M由表查得該型號電動機的最大靜轉 矩T =0. 43N m可見，滿足要求。 jfiax 3.2主軸設計 3. 2.1主軸設計分析 主軸的相關的組件構成了機床的重要組成部分。主軸的重要組件一般由軸承、主軸、 固定件（如螺母）和傳動件（齒輪、帶輪）等組成。機床在工作的時候，由主軸帶動著 工件（車床）或者刀具直接參加工件表面的成型運

21、動。所以，主軸組件的好壞對機床生產 率和加工性能有著重要的影響。生產中對機床主軸的要求，有著與一般傳動軸要求的相似 之處：都要保證在要求的轉速的情況F卜.傳遞要求的轉矩，保證軸承和軸上的傳動件在正 常工作條件工作。但是在工作中主軸直接帶動著刀具或工件進行切削的，主軸組件很大程 度上決定著機床的加工精度。主軸受到刀具切削時所受到的切削力，在機床（含數控機 床）上轉速變化范圍又很大。因此，我們對主軸組件又有許多特殊要求。 為了提高剛度，主軸的直徑應該略微大一些。前軸承到主軸前端的距離我們稱為懸 伸。懸伸房應盡量小一些。為了利于裝配，主軸應該制成階 1.3近年來國內外研究現狀: 國內：教學型

22、數控銃床作為高校機械類教學數控機床操作的實驗與實訓，已 經在一些方面達到了一定水平。現在，教學實驗型數控銃床能夠實現三軸聯動控制，具有直線插 補、圓弧插補、點動運行、 MDI運行、自動運行、模擬運行、程序 的動態(tài)顯示、加工軌跡的動態(tài)顯示等基本功能，采用 ISO規(guī)定的數控加工代碼編 程，同一臺計算機既是編程系統(tǒng)又是數控系統(tǒng)，可以完成從復雜型面的造型、自動編程、加工模 擬仿真到數控實驗、數控機床使用操作培訓的全過程。教學實驗型數控欽床是科研院所、高校、 尤其是高職學院理想的實驗、實訓設備。該微型數控飩床的研制和推廣，對于改變我國數控技術 人才的培養(yǎng)模式，降低培養(yǎng)成本、縮短培養(yǎng)周期，具有重大的

23、意義。但是，近幾年來隨著國內外數 控技術的迅速發(fā)展，原來的數控統(tǒng)床在硬件和軟件方面都暴露出諸多缺點，該機床的重新設計、 改造也迫在眉睫。因此，為r更好的達到教學的目的，需要在原有機床的基礎上進行改造和升級。 國外：美、德、日三國是當今世界上在數控機床科研、設計、制造和使用等方面技術最先 進、經驗最多的國家。國外對于數控機床的研充要比較早，而且在各個方面都達到了先進的水 平。從數控機床出現至今的 60年，數控機床隨科技、 特別是微電子、計算機技術的進步而不斷發(fā)展。目前，國外對數控機床的研究正朝著高速化、高 精度化、功能復合化、控制智能化、微型化等方面發(fā)展，產品的技術創(chuàng)新與自主開發(fā)始終走在前

24、列。 當前數控機床正向著高速高效、高精度、高可靠性、復合化、多軸化、智能 化、網結化、柔性化、綠色化的方向發(fā)展。 1.4數控鐵床加工的特點： 數控切削加工除了包含普通飩床加工優(yōu)點以外，還具有如下的特點： （0零件加工的范圍廣，能加工各種形狀復雜的零件并且靈活性好。 （2）能夠加工普通機床難以加工的零件、加工速度快。 （3 ）在零件一次裝夾后能加工零件的多道工序。 （4） 加工的零件精度高質量穩(wěn)定性好。 （5） 自動化程度高，勞動者的生產強度得以減少。 梯形。 材料的熱處理。軸的載荷相對來說不大，引起的應力通常要求遠遠小于桿強度極 限。因此，強度一般不是我們選材的依據。當主

25、軸的尺寸和幾何形狀已經確定，材料的 彈性模量決定著主軸的剛度。但各種各樣鋼材的彈性模量幾乎一樣。因此，剛度也不是 我們選材的依據。主軸的材料，主要應該根據材料的熱處理后的變形、耐磨性選擇。普 通欽床的主軸，可用45號獲60號優(yōu)質中碳鋼，調質到220-252IIBS左右。對于教學型 數控銖床，不要求有太高的精度和加工難加工材料的剛度，因此主軸做成實階梯心軸， 材料45#,表面調質處理。 軸結構圖 3.2.2 主軸校核 主軸材料選用45鋼，調質處理，° b=650MPa 口 s=360MPa P=0. 30 0. 98 0. 98 = 0. 29kw 3. 3. 1 軸受力：轉矩

26、 T=R 9. 55 106 =923. 17K mm n pl 銃削力T =a F銖削二5 F銖削二923. 17 2 所以F銖削=184. 6N 需用應力值 用插入法查表得：t J = lOOMPa 0 t 60MPa 匕1 60 應力校正系數 ct= / =0.6 E l=10Q 當量轉矩 :T =0.6 923. 17=553. 9N mm 當量彎矩 M = , M 2 (: T) 2 i i m , 927. 17 軸徑 d I i =5.35mm 1 =2.0. 1J 0. 1 60 cl 10mm 此飩削力滿足工件加工要求

27、 3. 3主軸軸承的選擇 對于教學實驗型數控銖床的主軸，主軸構造相對簡單，主軸所受的力相對較小，精 度和剛度也不是太高。因此，對于主軸軸承的要求也相對比較寬松，乂由于數控銳床主 要載荷為軸向力，所受的徑向力可以忽略。 又因為深溝球軸承主要承受徑向載荷，也可同時承受少量雙向軸向載荷, 工作的時候內外圈軸線允許偏斜8， 16，。摩擦阻力小，極限轉速高，結構簡單，價格 便宜，應用最廣泛。又此種軸承一般不能調整，常用于精度要求和剛度要求不太高的地 方。 根據以上分析，主軸軸承可選用深溝球軸承就可以滿足設計的要求。由于實驗型數 控銖床的主軸比較細，所選的軸承的型號也相對較小，所選深溝球軸

28、承型號為16002, 其基本尺寸參數如下d=15mm, D=32mm, B=8m基本額定載 荷Cr=5. 9kN,基本額定載荷 C0r=2. 85kN,極限轉速脂潤滑：20000r/min,極限轉速油潤滑：30000 r/min °其 結構簡圖及承載方向如下圖所示： 實驗型數控銃床所受栽荷 采用上述型號的軸承完全能夠滿足設計要求 3. 4滾珠絲杠的選擇 341滾珠絲杠傳動的特點 滾珠絲杠螺母副（以下簡稱滾珠絲杠副）是一種能讓直線運動和回轉運動 相互轉化 的傳動機構，它在數控貌床中已經得到了非常高的應用。結構特點為在有螺旋槽的絲杠 螺母間裝著滾珠，使螺母和絲杠之間的運動變?yōu)闈L動，因

29、而能減小摩擦力。在數控機床 的傳動中，經常用于代替滑動絲杠，以提高傳動過程的精度。 絲杠螺母副的特點： 1） 在用很小的扭轉力矩轉動滾珠統(tǒng)杠（或幺幺杠螺母），可使絲杠螺母（或滾珠 絲杠）獲得很大的軸向力。 2） 可以得到很大的降速比，使的降速機構大大的簡化，傳動鏈能夠縮短。 3） 能夠得到很大的傳動精度。在作為進給機構的時候，還可以作為測量元件來使 用，能夠在刻度盤上得到直線位移尺寸，精確值能夠達到 0. 0001 mm 4） 傳遞的效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠的傳動效率為0.92~0.94,而一般常規(guī) 絲杠螺母副傳動效率為0.20'0.40。因此滾珠統(tǒng)杠的傳動效率比常規(guī)絲杠傳動

30、效率提升 了 3~4倍。因此功率損耗只相當于常規(guī)絲杠螺母副的 1/3~1/4 ? 5） 給予適當的預緊，可消除螺母螺紋和絲杠之間的間隙，這樣反向時就可以沒 有空程死區(qū)，反向定位精度高。與常規(guī)絲杠螺母副比較有較高的軸向精度。 6） 沒有爬行現象，運動平穩(wěn)，傳動的精度很高。滾珠絲杠上受到的大多是滾動 摩擦力，摩擦阻力較小，這樣受到的摩擦阻力幾乎和運動件的運動速度完全沒有關系， 這樣我們就能夠保證物運動件運動平穩(wěn)性運動。滾珠絲杠受到的基本上為滾動摩擦，這 樣和一般絲杠螺母副相比不容易有爬行現象，故其傳動的精度高。 7） 有可逆性強，因為滾珠絲杠的摩擦系數較小，可以從直線運動變?yōu)樾D運 動，也可

31、以從旋轉運動變?yōu)橹本€運動。滾珠絲杠和絲杠螺母都可以作為主動件和從動 件。 8）制造的工藝復雜性很高，絲杠螺母和滾珠絲杠等的元件要求加工精度高, 光潔度也要很高，因此它的制作制成本會很高。比如滾珠稅杠和絲杠螺母上的螺旋槽之 間滾道，其表面一般都要磨削成型。 9）不能夠自鎖，尤其垂直方向的稅杠，由于存在自重慣性力的，當下降時候傳動 被切斷以后，不能夠立刻停止其運動，故需要常常添加制動的裝置。 為了保證滾珠統(tǒng)杠螺母副的軸向剛度和反向旋轉精度，我們必須消除其間隙，通常 我們采用雙螺母預緊的方法消除軸向間隙。其原理是通過使兩螺母產生軸向位移的方法 來消除他們之間間隙并且施加預緊力。常用的方法有墊

32、片調整間隙法、齒差調整間隙法 和螺紋調整間隙法。 在設計滾珠稅杠的時候，首先我們要確定它的螺距、名義直徑及滾珠直徑等。在確 定絲杠的上述參數的時候，我們經常采用的方法是，在防止其疲勞點蝕的情況下，也就 是說滾性絲杠在工作過程中受到軸向負載的時候，在滾道型面和滾珠間使產生接觸應力。 在這種交變接觸應力下，經過一定的應力循環(huán)次數后，就會要使?jié)L珠或滾道型面產生疲 勞剝傷，從而使?jié)L珠副喪失其工作的性能，這是滾球絲杠副的主要破壞形式。 342豎直方向進給系統(tǒng)的設計計算 1.初定參數：系統(tǒng)為開環(huán)，電機與絲杠直接由聯軸器連接，傳動比 i=l，工 作臺快進速度要求達到Vmax=2m/min0取電機最高

33、轉速nraax=500r/min,則絲杠最高轉 速為500 r/min,絲杠基本導程。 1.絲杠的基本導程計算如下： 1°°° L 10002 =4mm/r T = 500 對于進給運動電機，直線脈沖當量r小意味著加工精度相對較高，但是直 線脈沖當量選的越小數控系統(tǒng)就越復雜。一般機床的加工精度在之 0. 002-0. 1mm 間，直線脈沖當量取0. Olmm/step. 3.滾珠絲杠設計的計算 動載荷C的計算公式如下所示： r ' Lh x fa P c —Fm 其中f2 一絲杠的載荷穩(wěn)定性的系數，取為1.0, fi 一絲杠精度的系數， 取為1.2, F 一絲杠正常工

34、作時的最大等效負載 n L—額定使用的壽命， 工作負載F指的是數控機床正常運行時，作用在絲杠上帶動工作臺實現進給運動軸 向壓力，它可通過進給牽引力的實驗公式進行計算： F 二 kF f (F 2F G) ni x z y F 一軸向切削力 X F，一背向切削力 F/—切削力 G-移動的部件的重力 「一導軌之間接觸的動摩擦系數 k一顛復力矩對運動影響實驗系數 選用燕尾型導軌 查表得 k=l. 4, f =0. 03 在銖削過程中，F =302. 9N, F 0, z x= F =0. 4 F =0.4 302.9 =121. 16N, G=300N X z

35、將以上數據帶入到公式中得 F =1.4 0 0. 03 (302. 9 2 121. 16 300)25. 36N n 而額定使用的壽命計算公式如下所示 60 n T 10 式中n一滾珠絲杠的轉速(r/min) T—使用壽命(小時) 對于數控機床，通常取n=1250 r/min, T=20000h, 60 1250 20000 代入以上數據得 L 150 0 h 6 10 因此將以上數據代入公式得C =3 1500 1.0 25. 36 -653. 28N V 1.3 查表初步選用的型號為N系列1404-3, 3列即額定動載荷Q=4212N較為合適，這 種絲杠內循環(huán)

36、單螺母的滾珠絲杠副。 4預緊力計算 在絲杠副上施加上軸向壓力之后，軸向剛度與傳動精度可以的到一定程度的改善， 然而絲杠副預緊力不應該太大，太大影響到絲杠副使用壽命。因此在設計時要在滿足絲 杠副正常工作所需的壽命和精度的要求下合理選擇預緊力的數值。 由經驗可知，在絲杠螺母正常情況下預緊滾珠絲杠副，為了保證螺母和絲 杠配合緊密，不會出現間隙，應該令預緊力近似的等于最大軸向力的 1/3左右。 載荷過小，難以保證無間隙的傳動；載荷過大，降低傳動副的效率和傳動副的承載能 力。 預緊力： I】，. F-li ma-r25, 3 8. （3）校核 ① 效率計算： 從《機械原理》中得知，滾珠

37、絲杠螺母副的傳動效率 =tg] /tgC ） 式中：-一螺紋升角： R I o 二 arctg arctg 4.67 兀D 14兀 螺紋與螺母間摩擦角; 絲杠副滾動摩擦的系數f =0. 00廠0. 005, 所以摩擦角tan, = 0. 004,進而求得，=0. 17 tg4. 67 代入上述數據得滾珠絲杠效率為 = 0. 956 tg(4. 67 ② 滾珠絲杠螺母副剛度驗算 滾珠稅杠在數控機床中屬于精密傳動的元件，它在外加載荷的作用下，會 發(fā)生長度的變化比如長度伸長或長度縮短，在外加扭矩 T作用下，絲杠副會發(fā) 生扭轉變形，因此滾珠絲杠副的螺距會發(fā)生變化，進而影

38、響它的傳動與定位精 度，所以滾珠絲.杠應校核最大載荷時變形量。 從《材料力學》課本中查得，設滾珠絲杠副在軸向載荷 P作用下引起的一 個螺距t變化量為強「它的計算公式如下所示： 其中：P一軸向工作載荷； t 一滾珠絲杠的螺距； E一彈性模量，對碳鋼而言(E=196X 10))； A一滾珠絲杠橫截面的面積(由內徑確定)； 302. 9 4 4 =1.96 lOjimm 196 10 314 16 " 滾珠稅杠副在扭矩T作用下產生的-個螺距變化量 ..: t/計算公式如下所示: .t* t2 (in) 2兀 其中'為在扭矩T作用下，滾珠絲杠副上每一螺距兩截面上的相對

39、的扭轉 角度得大?。? 1?其中，T一扭矩(Nmm), GJe Pt 302.9"4 M 201.81Nmm 2 刖 2 匯 3. 14，尺 0. 956 G—材料的切變的模量，對鋼而言， G=80 GPa I p一滾珠絲杠的橫截面對軸極慣性矩I己二山/32 （其中d一滾珠絲杠副的內徑） 二 >14 =3769. 57mm Mt 201.81 4 = 2. 68 10 6 g/ 80 1 0：<3 7 69. 57 =1.71 X 10 mm （顯然變形量忽略不計 :2 3. 14 如果滾珠絲杠副的長度為1040mm,則在整體工作的長度上螺距的變形總的 誤差為：

40、 △二皿? ￡ = 6. 4 10 ~9cm/m 6 查表得絲杠副允許誤差A=15 im/m,因此滾珠絲杠副滿足剛度要求。 ③ 滾珠稅桿受壓穩(wěn)定性驗算 該絲杠是一種受軸向載荷的壓桿，一旦軸向載荷過大，絲杠就會失去穩(wěn)定性 而產生壓彎。機床上常用的進給絲杠為長柱形。設長柱桿受壓失穩(wěn)時臨界載荷為 %由《材料力學》課本中歐拉公式如下所示： 2EI 兀 Fk 2(巧 (Ul) 2 E一絲杠副材料的彈性模量，對鋼而言E=2. 1 X 10.5 N / mm2； 4 4 一] 6 I一絲杠橫截面的慣性矩，I二主，6 一 2 ") 3215. 36 mm.； 64 64 1—絲杠工

41、作的長度，I=150mni； u一絲杠副軸端的系數，此設計運用兩端的向心軸承， u=l 口 一 么 1 10s 3215. 36 5 卜k 一 2 = 1.41 16 N (1 150) 臨界壓力F與工作壓力P之比成為穩(wěn)定安全因數n ,如果穩(wěn)定安全因數n大于許 St st 用穩(wěn)定安全系數nj,則該壓桿滿足穩(wěn)定性要求。 E 1 41 乂 10$ nst=「…' =465.5 7.7?[ n *】=4,顯然滾珠絲杠滿足穩(wěn)定性要求。 P 302. 9 對于水平方向進給，由于移動的部件重量及其所受力都比褒直方向小，為了簡化設 計部件的數量，使機床更加方便拆換，這些方向可選用與豎直方

42、向相同型號絲杠、電機 和軸承及其他零件。 343滾珠絲杠螺母副與步進電機的連接形式 滾珠絲杠螺母副與步進電機的連接有以下幾種形式： 1) 與電動機直接連接 2) 通過齒輪連接 （6）生產效率高。 1.5設計方案的可行性分析: 3）通過同步齒形帶連接 無論通過何種連接形式，都應消除連接間隙，減小連接件間的同軸度誤差，以提高 傳動精度和傳動剛度。 實驗型數控銖床由于體積小、結構相對簡單，對傳動精度和傳動剛度的要求相對較 低。在本次設計中滾珠絲杠螺母副與步進電機的連接采用滾珠絲杠與電動機直接連接的 形式。這種形式相對簡單，即直?接通過套筒聯軸器將滾珠絲杠和步進電動機連接起來。 電

43、機輸出軸和滾珠絲杠端部的直徑都相對較小，考慮到實驗型數控錠床的傳動載荷 不是太大。因此，采用將電機輸出軸和滾珠絲杠通過打銷錐連接在一起。 3. 5聯軸器的選擇 聯軸器是連接不同部件的兩根軸使其共同轉動的機械部件。聯軸器可分為剛性聯軸 器和撓性聯軸器。剛性聯軸器在工作和裝配時要求嚴格對中；撓性聯軸器能補償兩軸間 的軸向位移。 對于本機床主軸與電機的連接，由于電機伸出軸帶有鍵，因此聯軸器采用簡化的帶 鍵槽的套筒聯軸器，鍵的標準根據電機伸出軸的鍵來確定。需注意的是電機伸出軸與聯 軸器應是間隙配合或是預留間隙，以保證電機不受到主軸軸向力的作用。而主軸與聯軸 器為過盈配合，便于電機安裝。 因主軸

44、需傳遞轉矩，而電機伸出軸由鍵連接，所以采用普通平鍵來傳遞轉 矩。主軸與電機由聯軸器直接相連。 3.6導軌的設計和選擇 導軌是相對運動部件在運動的接觸而上構成的?對滑動副，主要是由機床的支撐部 件（床身，立柱，橫梁）和運動部件（主軸箱，刀架）匹配而成。導軌是機床的重要部 件之一，它在很大程度上決定機床的剛度，精度與精度的保持性。 3. 6. 1導軌的作用和設計要求 當沿著承導件作直線運動時，此時導軌起導向和支承的作用，也就是說保證運動件 在受到外力的時候仍能沿給定直線運動并且支撐執(zhí)行件。導軌應具備一下特性： 1） 具有一定的導向精度。所謂的導向精度指執(zhí)行件能否沿著導軌作直線運動和 與

45、相關基面間的準確的相互位置關系。 2） 運動的輕便平穩(wěn)性。在工作的時侯保證輕便省力和速度的均勻，低速運動時 應保證無爬行的現象。 3） 具備一定的耐磨性。所謂的導軌耐摩性指導軌在長期使用時，仍然能保證具 有適當的精度。在使用導軌過程中不可避免的磨損，但要保證使磨損量較小，并且在磨 損后要能自動的修補和調試。 4）要有一定的剛度。運動件所受到的外力施加于導軌上，因此導軌必須保證要有足夠剛 度。所以常用加大導軌面得寬度的方法降低導軌面的比壓；用添加輔助導軌的方法增加 外載的承受能力。 5） 對溫度變化的適應強。確保導軌在溫度變化的情況下仍能正常工作。 6） 結構的工藝性要好。在滿足其它要

46、求的情況下，保證導軌結構簡單，利于加 工、裝配和調試確保經濟合理。 不同設備的導軌，必須作具體分析，對其提出相應的設計要求。必須指出，上述六 點要求是相互影響的。 362導軌的設計的主要內容 在對導軌的設計應考慮以下幾方面內容： 1） 不同的工作條件選擇不同的導軌類型。 2） 根據實際情況在保證導向精度的前提下選擇不同導軌的形狀。 3） 確保在不同的溫度和載荷下有良好的耐磨性和足夠的剛度的前提下選擇 適合的導 軌結構和尺寸，以使運動平穩(wěn)和輕便。 4） 選擇導軌的調整和補償裝置，確保經過長期使用仍能保證需要的導向精度。 5） 選擇合理的潤滑和防護裝置，確保導軌有良好的工作環(huán)境以便

47、減少的導軌磨損。 6）制訂?些導軌的技術條件，如選擇熱處理方法、適當的材料、精加工方法和測量 的方法等。 3. 6. 3導軌的結構設計 導軌的基本形式如下表所示。 1）三角形導軌：此導軌的導向性好并且磨損后能自動補償，精度保持性也較好，但他的 當量摩擦系數較高，因而承載能力較低。 2） 矩形導軌：此導軌的當量摩擦系數較低，剛度高，結構簡單，工藝性較好， 便于加工。但此導軌的無法自動補償需設置間隙調整裝置。 3） 燕尾形導軌：此導軌結構緊湊但磨損后也無法自動補償需設置間隙補償裝 置，適合于結構緊湊受力小的地方。 4） 圓形導軌：此導軌結構簡單制造方便，磨損后不能間隙補償。

48、適合于承受軸 向力的場合。 銃床上的直線運動部件的運動都是沿著它的床身、立柱、橫梁等支承件上的導軌進 行的，導軌的作用概括地說是對運動部件起導向和支承作用。在導軌副（如工作臺和床 身導軌）中，運動的另一方（如工作臺導軌）叫作動導軌，不動的另一方（如床身導軌） 叫做支承導軌。 本次教學實驗型數控銃床的設計中由于銃床受力小導軌主要承受軸向 力，因而選用的導軌形式是圓柱形導軌。 圓柱形導軌產品的一個顯著優(yōu)點就是其圓形板可在端部支撐軸，實現橫跨相當于軸 直徑的12 24倍的間隙的圓形直線軸承設計，運動軸完全通過固定軸的兩端進行組建。 無論兩點之間的機器表面處于何種情況，無論是否只有一個點，該裝置

49、的精密性都不會 受到影響，僅僅取決于端部支撐裝置的準確度。此夕卜，如果要通過直線導軌對中一套絲 杠傳動系統(tǒng)，只需在一個板上打三個孔，即以兩個圓柱形導軌和絲杠軸承的支撐為基準， 這是最容易做到的方法。通過這一設計，在裝配過程中無需調節(jié)。鑒于微型數控銃床的 特點，初步選擇滑動導軌，主要是因為其結構簡單，工藝性好，便于保證精度剛度，在 低速均勻性及定位精度要求不高的機床中得到廣泛應用。我們采用圓柱形導軌，圓柱形 導軌制作簡單，內孔可研磨，與磨削后的外圓可以精密配合。導軌的材料選擇高 碳合金鋼GCrl5.導軌的軸徑選擇15mm 安裝圓柱形導軌時最后需要考慮的是安裝在軸上的非滾珠型聚合物襯套。可采用適

50、 用于鋁或其他基底的高性能軸承級材料，以提供良好的載荷能力（相當于滾珠襯套載荷 能力的20%）和一個在0. 05到0. 25范圍內的較低摩擦系數在實驗型數控銃床的設計中, 采用的襯套為銅套，襯套軸承可在具有能夠損傷密封嚴實的滾珠襯套的微粒的惡劣環(huán)境 中平穩(wěn)運行，也可在受到沖擊載荷損傷的滾珠軸承系統(tǒng)下正常工作。另一方面，滾 珠循環(huán)噪聲可能會成為滾珠襯套或方形導軌軸承中的一個問題，但對于上述襯套軸承卻 基本上不是問題。由于接觸面分布在一個較大的區(qū)域中，無需配有滾珠襯套的硬化鋼軸。 第四章總結與展望 通過對該教學實驗型數控銖床的方案的擬定、分析，到最后的相關計算和設計， 都達到了預期的效果。一方

51、面，其功能完善、結構開放，具有與一般生產實用型數控 飩床一樣的工作原理和工作性能：另一方面，要求其體積小、價格低，以利于此類實 驗型鐵床的普及推廣，來滿足高校和高職學院教學實驗的要求。 這次設計我首先論證了教學實驗型數控銖床在高校教學實驗中的重要地位及其應 用狀況。然后，我們進行了總體的設計，論證了各種方案的優(yōu)缺點，從而在大局上能 有一個把握。接著，我們通過比較分析各種設計方案，依據合理性、經濟性的設計指 導思想，設計了沿X軸、Y軸兩坐標聯動的型式結構。采用了在生產中已經非常專業(yè) 化的宜.線導軌、步進電機等部件，并且進行了初步的設計。設計過程中，我們能更加 清楚的了解到各個部分之間的相互關系

52、，并對一些機械部件進行了更深入的了解。 另外，這次設計任務較多，時間又比較短，而且也是初次涉及一項產品的嚴格、 系統(tǒng)化的設計。加上我們缺乏相關的經驗，有許多問題剛開始沒有考慮到?，F在我就 把設計中遇到的幾個問題作一個簡單的分析總結。 首先，是一個尺寸問題，我們從沒有做過產品設計，唯一對制造類產品的感性 認識只是在實習的時候看到的。因為沒有受過嚴格的訓練，對尺寸不太敏感。在設計 的時候，每一個零件的參數，尺寸如果要做到盡善盡美，只有-?個可能就是每一個零 件小到-?個螺稅釘都要進行嚴格的演算，查資料。而這個可能幾乎不可能的。其次， 我們設計的零件所取得經驗參數與指導老師的經驗參數相差甚遠，這

53、個方面是我們一 大欠缺。這說明我們在實踐環(huán)節(jié)上還是一個弱點，我們要加強這方面的訓練。 通過這次畢業(yè)設計，加深了我對數控銳床的認識，讓我認識到自己的理論基礎和 實踐經驗不足，因此本次設計有不少的不足之處，在以后的工作和學習中，我一定吸 取此次的經驗。 所設計的三坐標數控銖床，三個坐標方向的移動均由步進電機帶動，主軸電機采用交流電 機，所有電機均由電腦數控裝置進行控制。設計主要對數控洗床的機構進行設計，主要有以下 幾個方面：X、Y,Z工作臺的傳動機構設計，主要是滾珠絲杠的運用；機床整體結構的設計，主 軸傳動系統(tǒng)設計，多種方案比較了解優(yōu)缺點，擇優(yōu)選取 本課題原理 可靠，具體方案為用套筒式聯軸器

54、連接步進電機與滾珠絲杠，對滾珠絲杠進行一端（兩端）支 撐，采用圓形導軌，實現X、丫、Z軸的運動，，這種設計結構簡單，安裝方便，所需要的儀器 設備、材料都較常用，成本較低。有足以保證該項目完成的科研能力和充分的研發(fā)時間，和相 關軟硬件的配合支持。 3預期目標： 1. 運動功能的設計。確定X、丫、Z三坐標運動形式（直線運動，回轉運動）、功能（主 運動，進給運動和其他運動）和步進電機、主軸電機和滾珠絲杠、軸承、導軌的選 取。 2. 基本參數的設計。包括整體尺寸參數、零件尺寸參數（床身、底座、立柱、工作臺、主 軸、夾具），運動參數，動力參數的設計。 3. 傳動系統(tǒng)的設計。包括傳動方式、傳動原

55、理圖和傳動系統(tǒng)的設計。 4. 總體結構布局的設計。包括總體布局結構形式及總體結構布局方案圖的設計 第二章教學型數控銖床設計方案 2. 1數控鐵床組成和總體布局 2. 1. 1數控銃床的組成 數控機床的種類繁多， 但從組成一臺完整的數控機床上講， 它由控制 介質、數控裝置、伺服系統(tǒng)和機床本體以及輔助設備組成。 （1） 主軸箱包括主軸箱體和主軸傳動系統(tǒng)，用于裝夾刀具并帶動刀具旋轉，主 軸轉速范圍和輸出扭矩對加工有直接的影響。 （2） 進給伺服系統(tǒng)由進給電機和進給執(zhí)行機構組成，按照程序設定的進給速度 實現刀具和工件之間的相對運動，包括直線進給運動和旋轉運動。 （3） 控制系統(tǒng)數控靴

56、床運動控制的中心，執(zhí)行數控加工程序控制機床進行加 工。 （4） 輔助裝置 如液壓、氣動、潤滑、冷卻系統(tǒng)和排屑、防護等裝置。 （5） 機床基礎件通常是指底座、立柱、橫梁等，它是整個機床的基礎和框架。 2. 1.2數控銳床的常用布局 數控飩床的常用布局形式有臥式鐵床和立式飩床。為了減少微型銖床占用空間，減少 機床整體尺寸，并考慮應用的廣泛性以及所做項目的實際情況，本設計銖床采用的布局形式 為立式洗床形式，工作臺 X、丫軸相互 疊加的十字結構，主軸在 Z軸方向上移動，床身導軌水平放置，這樣布局 不僅有利于減少占地面積?？傮w機床外型尺寸長為 320mm,寬為220mm, 高為400mm,

57、工作臺寬180inm,長180mm。 2. 2教學型數控銖床總體傳動方案的設計 本機床可以實現X軸、丫軸和Z軸三坐標聯動， 采用套筒聯軸器連 接步進電機和滾珠絲杠，對滾珠絲杠采用一端支撐，采用圓形導軌，通過 步進電機帶動絲杠旋轉，后通過絲杠螺母將絲杠的旋轉運動轉化為軸 X和丫 的水平直線運動和z軸的上卜移動。 教學型數控銃床大致飛維圖 教學型數控銃床大致二維圖 由于所設計的實驗型數控銖床不同于一般實用加工型數控疑床，它主要用來教學實驗, 加工材料主要是石蠟或塑料，機床設計手冊中沒有針對此種材料列出欽削力的計算公式，即 使套用軟的材料來估算銖削力，也難免引起大的誤差。

58、因此，不能完全按照以前的設計計算 方法來進行設計，必須綜合考慮各個方面的因素和在教學中的實際情況，力爭做到最優(yōu)化的 設計。接下來一章就來介紹實驗型數控飩床機械部分的主要設計過程。 第三章機械部分設計 3. 1電機的選取 3. 1. 1主電機的選取 3. 1. 1. 1銖削力的計算 長期以來人們已經對欽削加工時的銖削力有了廣泛深入的研究。但人們對欽削力的研究 只是針對特定特定加工條件下的特定工件，沒有一套應用于各種場合的銖削力計算公式?，F 實生活中人們設計的數控的通用機床希望應用性強，能滿足各種加工要求，能應用于大多數場 合。因此，在對切削力的計算上，不能不考慮實際情況而用一些依靠純理

59、論推倒的公式和理 論。但是，此次設計我們可以用切削力的經驗計算公式，因為切削力的經驗計算公式是人們 在現實生活中積累的，可以滿足現實生活中大多數機床的切削力計算，具有很強的實用性。 因此，對于本次設計切削力的計算可采用經驗公式，切削力可分解為三個分力：Z向的主 戒削力F以及X、丫 Z 向的銖削分力F、F” X 現假設刀具材料為高速鋼，工作材料為鋁 （門FOOMP）。 Q Z軸銃削工作時銖削力的計算： 最大銳削直徑d.ax=10mm,最小直徑dmin = 5mm。 由《實用機床手冊》得： 說削功率P F V n 4- 6勺0 鐵削力 F 642a a 072a o.sed

60、 ?jZK p f v o"~ FZ 銳削力修正系數Mr 高速鋼銖刀ro=15,前角系數K|；z =0. 93 主偏角 k =75 Kkh. =1.0 因此匕 K1；z =1 0. 93 1.0 匚打一工件材料的抗拉強度； 氣一銃削深度; a,—每齒進給量； a —銖削寬度； d 一銖削直徑； O z一說刀齒數， 現取 ar =0.05mm/Z a =4mm Z=2 d。=10mm a =5mm p V n=400r/mi n , 0.72 0.86 0.86 F =642X 4X 0. 05 x 5 X 10 - X 2X 0. 9255=302. 9N

61、7. V =心 n/1000 =3. 14X 10X400/1000=12. 56m/min P =302. 9X 12.56/60000=85. 32W m 6漢10 3, 1, 1,2主電機的選擇 選主軸電機時按錠削計算。 因為銃削時最大的銃削力為： 0.72 0.86 0.86 F =642X 4X 0. 05 X 5 X 5 X 2X 0. 9255二549. 86N z V ?do n/1000 =3. 14X 5X 1500/1000=23. 55m/min P =549. 86X 23.55/60000=0. 215kW 6 漢 10i 主軸功率 P=

62、 P /O. 88 =0. 25/0. 88=0. 244kW m 所以選電動機為P=300W,型號：57BL-3030H1-LS-B n 3.1-2 步進電機的種類、結構、工作原理及選型計算 步進式伺服驅動系統(tǒng)是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)。在此伺服驅動系統(tǒng)中，步進電機作為執(zhí) 行元件。而步進電機受膽動控制系統(tǒng)控制，驅動控制系統(tǒng)通過控制 步進電機電極的通電順序 和脈沖頻率，將電信號轉化為具有一定速度、大小和方向的機械轉角位移量，后通過傳動機 構實現工作臺的運動。但由于此驅動系統(tǒng)沒不存在反饋檢測環(huán)節(jié)，因此精度較差，速度也受 到步進電機性能的限制。 但它的結構和控制簡單、比較容易調整，故在速度和精度要求不太高的場合具有一定的使用