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編號(hào)
無(wú)錫太湖學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題目： 半閉環(huán)數(shù)控車床進(jìn)給部件設(shè)計(jì)
信機(jī) 系機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)
學(xué) 號(hào)： 0 9 2 3 0 6 1 .
學(xué)生姓名： 孫亞明 .
指導(dǎo)教師： 許菊若 （職稱：副教授 ）
（職稱： ）
2013年5月25日
43
無(wú)錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
誠(chéng) 信 承 諾 書
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 半閉環(huán)數(shù)控車床進(jìn)給部件設(shè)計(jì) 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。
班 級(jí)： 機(jī)械92
學(xué) 號(hào)： 0923061
作者姓名： 孫亞明
2013 年 5 月 25 日
無(wú)錫太湖學(xué)院
信 機(jī) 系 數(shù) 控 專業(yè)
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)論 文 任 務(wù) 書
一、題目及專題：
1、題目 半閉環(huán)數(shù)控車床進(jìn)給部件設(shè)計(jì) .
2、專題 .
二、課題來(lái)源及選題依據(jù)
校企合作開發(fā)課題
三、本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求：
① 在數(shù)控車總體布局的基礎(chǔ)上，完成X向、Z向兩個(gè)方向進(jìn)給部件的設(shè)計(jì)。繪制兩個(gè)方向的伺服進(jìn)給裝置部件圖。
② 完成部分非標(biāo)零件設(shè)計(jì)，繪出1～2張零件圖。
③ 完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書一份，有必要的分析、比較、計(jì)算、闡述。
四、接受任務(wù)學(xué)生：
機(jī)械92 班 姓名 孫亞明
五、開始及完成日期：
自2012年11月12日 至2013年5月25日
六、設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問(wèn)）：
指導(dǎo)教師 簽名
簽名
簽名
教研室主任
〔學(xué)科組組長(zhǎng)研究所所長(zhǎng)〕 簽名
系主任 簽名
2012年11月12日
摘要
本文對(duì)數(shù)控車床進(jìn)給部件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了重點(diǎn)論述，對(duì)該機(jī)構(gòu)的主要組成部件：滾珠絲杠副、步進(jìn)電機(jī)、傳動(dòng)齒輪等進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算與選型。其中對(duì)滾珠絲杠副、伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算及選型作了詳細(xì)論述。進(jìn)行這一設(shè)計(jì)主要是為了進(jìn)一步地提高數(shù)控車床進(jìn)給機(jī)構(gòu)的定位精度，重復(fù)定位精度，以使其能夠可靠地運(yùn)行，且能滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求，達(dá)到預(yù)期的結(jié)果，即滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求。最后，本文還對(duì)典型零件進(jìn)行了數(shù)控編程，并繪制了數(shù)控車床典型零件編程圖、數(shù)控車床傳動(dòng)示意圖、數(shù)控車床液壓原理圖以及該數(shù)控車床進(jìn)給機(jī)構(gòu)的裝配圖。此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，可應(yīng)用于相似的各類數(shù)控車床上。當(dāng)今的世界，制造業(yè)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有十分重要的地位，機(jī)械制造業(yè)更加是制造業(yè)中的支柱與核心。數(shù)控車床技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，它對(duì)國(guó)計(jì)民生的一些重要行業(yè)(IT、汽車、輕工、醫(yī)療等)的發(fā)展起著越來(lái)越重要的作用，因?yàn)檫@些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢(shì)。
關(guān)鍵字：伺服進(jìn)給、滾珠絲杠、數(shù)控。
Abstract
The article made a brilliant exposition on the designing and transformation scheme of the system of NC machine. The article also exposed brilliantly the mechanism’s mail parts: the ball-screw pairs, Stepper motor, Transmission gear and so on. Doing the design is for the sake of improving the site precision and duplicate site precision of the system. So it can work credibility, meet the require of design assignment list. Besides, the author has writed typical parts of the NC programming, designed and drawed CNC lathe programming diagram of typical components, CNC lathe drive diagram, CNC hydraulic schematic diagram and the CNC lathe feed mechanism assembly drawing. This mechanism is simple and reliable, it can apply to every similar NCmachine.In today’s world, the manufacturing industry occupies a very important position in the economic development, machinery manufacturing industryy is the pillar and more core in the manufacturing industry. Application of numerical control lathe technology has brought the revolutionary change for the traditional manufacturing industry, causes the manufacturing industry to become a symbol of industrialization, but also expands unceasingly along with the development of numerical control technology and applications, it beneficial to the people's livelihood of some important industries (IT, automobile, light industry, medical etc) plays a more and more important role in the development of, digital equipment required for these industries is a major trend of modern development.
Keywords: servo feed, ball screw, nc.
目錄
摘要…………………………………………………………………………………III
ABSTRACT ……………………………………………………………………………IV
目錄……………………………………………………………………………………V
1 緒論…………………………………………………………………………………1
2 雙軸半閉環(huán)數(shù)控車床總體布局……………………………………………………3
3 伺服進(jìn)給部件的方案比較和確定…………………………………………………5
3.1 數(shù)控系統(tǒng)的比較 5
3.1.1 點(diǎn)位控制系統(tǒng) 5
3.1.2 直線控制系統(tǒng) 5
3.1.3 聯(lián)系軌跡控制系統(tǒng) 5
3.2 控制方式的選擇 5
3.2.1 開環(huán)系統(tǒng) 5
3.2.2 半閉環(huán)系統(tǒng) 6
3.2.3 閉環(huán)系統(tǒng) 6
3.3 增量系統(tǒng)和絕對(duì)系統(tǒng)的比較 6
3.3.1 增量系統(tǒng) 7
3.3.2 絕對(duì)系統(tǒng) 7
4 X向伺服進(jìn)給部件的設(shè)計(jì) …………………………………………………………9
4.1 伺服驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 9
4.1.1 伺服驅(qū)動(dòng)裝置的特點(diǎn) 9
4.1.2 伺服驅(qū)動(dòng)裝置 9
4.2 交流伺服電機(jī)的設(shè)計(jì) 10
4.2.1 交流伺服電機(jī)的類型的確定 10
4.2.2 確定伺服電機(jī)的型號(hào) 10
4.3 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 10
4.3.1 伺服電機(jī)與進(jìn)給絲杠的聯(lián)接確定方案 10
4.3.2 聯(lián)軸器的比較選用 10
4.3.3 滾珠絲杠副的特點(diǎn) 11
4.3.4 滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和施加預(yù)緊力的方法 11
4.3.5滾珠絲杠副支撐形式的確定 12
4.3.6 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)選用 13
4.3.7 絲杠軸承的選用 13
4.4 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 17
4.4.1導(dǎo)軌概述 17
4.4.2 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)任務(wù) 17
4.4.3方案比較確定 17
4.4.4 導(dǎo)軌材料的選擇 18
4.4.5 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的精度選擇 18
4.4.6直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副型號(hào)的確定 18
5 刀架的設(shè)計(jì) ………………………………………………………………………19
5.1 數(shù)控車床刀架系統(tǒng)簡(jiǎn)介 19
5.2 各種刀架的方案比較及選擇 20
5.2.1 排式刀架 20
5.2.2 回轉(zhuǎn)刀架 20
5.2.3 帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置 20
5.3 幾種典型回轉(zhuǎn)刀架的選擇與比較 21
5.3.1 電機(jī)傳動(dòng)的回轉(zhuǎn)刀架 21
5.3.2 液壓回轉(zhuǎn)刀架 21
5.3.3 用于車削中心的可安置動(dòng)力刀具的轉(zhuǎn)檔刀架 21
6 Z向伺服進(jìn)給部件的設(shè)計(jì)…………………………………………………………27
6.1 方案選擇與確定 27
6.1.1 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)方案的選擇 27
6.1.2 絲杠的選擇 28
6.1.3 導(dǎo)軌的選擇 29
6.1.4 聯(lián)軸器的選擇 29
6.1.5 伺服電機(jī)的選擇 30
6.1.6 確定方案 31
6.2 伺服進(jìn)給裝置的設(shè)計(jì) 31
6.2.1 懸臂處的滾珠絲杠副 31
6.3 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌 32
6.3.1結(jié)構(gòu)與特征 32
6.3.2滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn) 33
6.3.3導(dǎo)軌鑲裝結(jié)構(gòu) 33
6.4 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析 34
6.4.1計(jì)算傳動(dòng)比i 34
6.4.2系統(tǒng)剛度計(jì)算 35
6.4.3固有頻率計(jì)算 35
6.5 錐環(huán)無(wú)鍵聯(lián)軸器 35
6.6 滾動(dòng)軸承的選擇 36
6.6.1 常用滾動(dòng)軸承的類型、特性和應(yīng)用 36
6.6.2滾動(dòng)軸承類型選擇 36
6.6.3分析對(duì)比 36
7 小結(jié) ………………………………………………………………………………39
致謝 …………………………………………………………………………………41
參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………………43
半閉環(huán)數(shù)控車床進(jìn)給部件設(shè)計(jì)
1 緒論
目前的數(shù)控車床大多采用交流伺服電機(jī)，控制系統(tǒng)半閉環(huán)形式，進(jìn)給方向的精度一般為：X向0.005毫米，Z向0.01毫米。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要為滾珠絲杠副，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)多為滾動(dòng)導(dǎo)軌、少數(shù)為滑動(dòng)導(dǎo)軌（小型數(shù)控機(jī)床）。刀架形式一般為回轉(zhuǎn)或液壓式。電機(jī)一般為通常通過(guò)聯(lián)軸器（多為彈性聯(lián)軸器）直接與絲杠相連接，排屑裝置多為平板履帶式。
為提高設(shè)計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量，要重視所有的資料，深入探索研究；要重視考察實(shí)際現(xiàn)有產(chǎn)品與理論的結(jié)合；要重視采用有效的設(shè)計(jì)方法和現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)工具，要積極推廣應(yīng)用價(jià)值工程，優(yōu)化設(shè)計(jì)，可靠性設(shè)計(jì)等方面。
數(shù)控機(jī)床是新型的自動(dòng)化機(jī)床，它對(duì)解決復(fù)雜型面和高精度零件的加工，對(duì)單件小批量的自動(dòng)化等，都具有重要意義。
數(shù)控車床利用數(shù)字化的信息對(duì)車床運(yùn)動(dòng)及加工過(guò)程進(jìn)行控制，是一種可編程的通用加工設(shè)備，能自動(dòng)完成內(nèi)外圓柱面、圓錐面、圓弧面、端面、螺紋等工序的切削加工，所以特別適合加工形狀復(fù)雜的軸類和盤套類零件。 與通用機(jī)床和專用機(jī)床相比，數(shù)控車床具有加工靈活、通用性強(qiáng)、能適應(yīng)產(chǎn)品的品種和規(guī)格頻繁變化的特點(diǎn)，能夠滿足新產(chǎn)品的開發(fā)和多品種、小批量、生產(chǎn)自動(dòng)化的要求，是一種柔性的、高性能的自動(dòng)化車床，代表了現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展方向，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，因此被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)。 數(shù)控車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)包括主軸電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)與主軸組件，與普通機(jī)床相比，變速功能絕大部分由主軸電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速來(lái)承擔(dān)，省去了繁雜的齒輪變速機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有些只有兩極或三級(jí)齒輪變速機(jī)構(gòu)系統(tǒng)用以擴(kuò)大電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的范
數(shù)控機(jī)床作為高自動(dòng)化的機(jī)電一體化設(shè)備，其主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般應(yīng)滿足以下基本要求。 使用性能要求高 首先應(yīng)滿足機(jī)床的運(yùn)動(dòng)特性。如機(jī)床主軸有足夠的轉(zhuǎn)速范圍和轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)，不僅有低速大轉(zhuǎn)矩功能而且還要有較高的轉(zhuǎn)速。傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，操作方便靈活、迅速、安全可靠。 傳遞動(dòng)力要求 主電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能提供和傳遞足夠的功率和轉(zhuǎn)速，具有較高的傳遞效率。 工作性能要求 主傳動(dòng)中所有零部件要有足夠的剛度、精度、和抗振性、熱變形特性穩(wěn)定，才能保證加工零件有較高的質(zhì)量。電動(dòng)機(jī)、主軸及傳動(dòng)部件都是熱源，低溫升、小變形是對(duì)主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的重要指標(biāo)；主軸要較高的旋轉(zhuǎn)精度與運(yùn)動(dòng)精度；主軸軸頸尺寸、軸承類型及裝配方式，軸承預(yù)緊量大小、主軸組件的質(zhì)量分布是否均勻及主軸組件的阻尼對(duì)主軸組件的靜剛度和抗振性都會(huì)產(chǎn)生影響；主軸組件必須有足夠的耐磨性，使之保持良好的精度；軸承處還要有良好的潤(rùn)滑。 此外，還要求主創(chuàng)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于調(diào)整與維修；工藝性好，便于加工與裝配；防護(hù)性好；使用壽命長(zhǎng)。
數(shù)控機(jī)床以其高效率、高精度和高柔性而占據(jù)大部分市場(chǎng)，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平的標(biāo)志，因此進(jìn)給伺服系統(tǒng)的速度控制、位置控制、伺服電機(jī)控制都必須具有很高的質(zhì)量控制要求，基于數(shù)控機(jī)床的各式加工任務(wù)，其對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求有以下幾點(diǎn)：?①?隨時(shí)可實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)。實(shí)際加工工件的時(shí)候，要求機(jī)床執(zhí)行部件要靈活地正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，這些工作指令是隨機(jī)的，而且是根據(jù)加工軌跡要求來(lái)完成的。?②精度相對(duì)較高。數(shù)控機(jī)床的定位精度和進(jìn)給跟蹤精度是保證數(shù)控機(jī)床加工精度的重要內(nèi)容，也是保證精度的關(guān)鍵。?③傳動(dòng)剛性高且速度穩(wěn)定性好。數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)在負(fù)載發(fā)生變化或者切削條件產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)應(yīng)保證進(jìn)給速度恒定，這樣就能使負(fù)載力矩變化對(duì)進(jìn)給速度不影響或者影響很小。?④可實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩。在低速大進(jìn)給量加工零件時(shí)要求伺服系統(tǒng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)輸出較大的轉(zhuǎn)矩。
伺服系統(tǒng)（servomechanism）使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服主要靠脈沖來(lái)定位，基本上可以這樣理解，伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，因?yàn)椋欧姍C(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來(lái)，系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來(lái)，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到0.001mm。直流伺服電機(jī)分為有刷和無(wú)刷電機(jī)。有刷電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)不方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)環(huán)境有要求。因此它可以用于對(duì)成本敏感的普通工業(yè)和民用場(chǎng)合。
無(wú)刷電機(jī)體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝?fù)雜，容易實(shí)現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機(jī)免維護(hù)，效率很高，運(yùn)行溫度低，電磁輻射很小，長(zhǎng)壽命，可用于各種環(huán)境。
2 雙軸半閉環(huán)數(shù)控車床總體布局
車床為機(jī)、電、液三位一體，按照人體工程學(xué)宜人化進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，全封閉防護(hù)，操作簡(jiǎn)便，使用方便。
（1） 機(jī)床采用臥式車身，45°傾斜道軌布局形式，以利于排屑。床身為整體高剛性結(jié)構(gòu)。
（2） 矩形導(dǎo)軌，采用寬支撐窄導(dǎo)向的設(shè)計(jì)以增加運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。
（3） 床身左端為主軸箱，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)齒輪傳動(dòng)。主軸由交流調(diào)速主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)床在低速下也具有高功率輸出，恒功率區(qū)寬。
（4） 主軸軸承為超精密角接觸球軸承和雙列圓柱滾子軸承以保證主軸的剛度和精度。主軸軸承采用高潤(rùn)滑，溫度低，熱變形小。
（5） 機(jī)床縱向和橫向運(yùn)動(dòng)均采用交流伺服電機(jī)，它們兩者均直接采用消隙聯(lián)軸器把電機(jī)與滾珠絲杠連接起來(lái)?？v向驅(qū)動(dòng)直接安裝在縱向床身道軌之間。
（6） 機(jī)床卡盤采用液壓控制。液壓夾緊油缸為高速卡盤液壓缸。卡盤的松緊由控制面板上的按鈕來(lái)控制。
（7） 機(jī)床尾座亦采用液壓控制。通過(guò)液壓油來(lái)控制尾座套筒的進(jìn)退，它也是由控制面板上的按鈕來(lái)控制的。
（8） 機(jī)床的床鞍溜板道軌上裝有8位的電動(dòng)軌塔刀架，具有分度轉(zhuǎn)位快、平穩(wěn)可靠、無(wú)滲漏等優(yōu)點(diǎn)。
（9） 機(jī)床配有自動(dòng)對(duì)刀儀，通過(guò)接觸式傳感器，可以快而準(zhǔn)確的測(cè)出刀具安裝時(shí)的偏差值，傳輸給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在加工時(shí)可以進(jìn)行刀具的自動(dòng)補(bǔ)償。
（10） 機(jī)床具有良好的擴(kuò)展性，機(jī)床配有排屑器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排屑。機(jī)床配有防護(hù)外殼。
（11） 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)配有日本FANUC-6T CNC系統(tǒng)。
3 伺服進(jìn)給部件的方案比較和確定
3.1 數(shù)控系統(tǒng)的比較
3.1.1 點(diǎn)位控制系統(tǒng)
這種控制系統(tǒng)只要求控制每次移動(dòng)行程終點(diǎn)的坐標(biāo)位置，即每個(gè)程序段的行程，終點(diǎn)都能準(zhǔn)確定位，坐標(biāo)移動(dòng)過(guò)程中，刀具脫離工件，不進(jìn)行切削加工，通常各坐標(biāo)意最快速度獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，為避免到達(dá)終點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生超調(diào)，實(shí)現(xiàn)精確定位，多采用分級(jí)降速的方法控制進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
3.1.2 直線控制系統(tǒng)
運(yùn)動(dòng)軌跡是直線。通常是單坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)，即每個(gè)程序段只移動(dòng)一個(gè)坐標(biāo)軸，運(yùn)動(dòng)中要進(jìn)行切削加工，這種系統(tǒng)多用于簡(jiǎn)易車床和銑床。
3.1.3 聯(lián)系軌跡控制系統(tǒng)
這種控制系統(tǒng)用于平面曲線的空間曲線的加工，應(yīng)用廣泛。選擇連續(xù)軌跡控制系統(tǒng).
3.2 控制方式的選擇
3.2.1 開環(huán)系統(tǒng)
開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制，但精度差。沒一步有起制動(dòng)的微觀變化，故運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，影響加工光潔度。
3.2.2 半閉環(huán)系統(tǒng)
這種系統(tǒng)它的位移測(cè)量元件不是直接測(cè)量移動(dòng)部件的位移量，而是用測(cè)量絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)間接測(cè)量移動(dòng)部件的移動(dòng)量，由絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)變換為移動(dòng)部件的移動(dòng)量。雖然半閉環(huán)精度低于閉環(huán)伺服系統(tǒng)，但是由于角位移測(cè)量元件比直線位移測(cè)量元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，所以半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的應(yīng)用很普遍。
3.2.3 閉環(huán)系統(tǒng)
該系統(tǒng)為誤差調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中包括位置檢測(cè)元件，在該系統(tǒng)中的執(zhí)行部件的位移、轉(zhuǎn)角、速度等通過(guò)測(cè)量元件變換成電信號(hào)，反饋到系統(tǒng)的輸入器，與控制系統(tǒng)給定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較，得出誤差信號(hào)的大小和極性，控制伺服系統(tǒng)的運(yùn)行，知道誤差為零。從理論上講，閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度取決于測(cè)量元件的精度，但是機(jī)械傳動(dòng)誤差也是影響伺服系統(tǒng)精度的重要因素。該系統(tǒng)主要用于大型數(shù)控機(jī)床、超精車床和超精磨床等。
結(jié)論：選擇半閉環(huán)系統(tǒng)。
3.3 增量系統(tǒng)和絕對(duì)系統(tǒng)的比較
3.3.1 增量系統(tǒng)
若系統(tǒng)中使用增量方式測(cè)量元件，即為增量系統(tǒng)。增量尺隨工作臺(tái)移動(dòng)時(shí)只發(fā)出逐個(gè)脈沖，在沒有輔助電路的情況下，停電后要重新開機(jī)不能得知工作臺(tái)當(dāng)前所停的實(shí)際位置。因此每次啟動(dòng)機(jī)床后操作者的首要任務(wù)就是將各坐標(biāo)軸回零，然后才可以使用機(jī)床。
3.3.2 絕對(duì)系統(tǒng)
該系統(tǒng)工作臺(tái)的位置永遠(yuǎn)對(duì)應(yīng)著檢尺的某一確定值。通常使用的檢尺為絕對(duì)式編碼盤或是多級(jí)旋變感應(yīng)同步器，機(jī)床的零點(diǎn)與檢尺的某一確定值，通常使用檢尺時(shí)候的移動(dòng)位置都是以該零點(diǎn)計(jì)算的，并可直接從檢尺上讀出來(lái)。
結(jié)論：選擇絕對(duì)系統(tǒng)。
4 X向伺服進(jìn)給部件的設(shè)計(jì)
4.1 伺服驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)
4.1.1 伺服驅(qū)動(dòng)裝置的特點(diǎn)
驅(qū)動(dòng)裝置是使機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的裝置。
伺服驅(qū)動(dòng)都是動(dòng)力源，要設(shè)計(jì)好伺服驅(qū)動(dòng)裝置，首先應(yīng)了解機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的要求，要求一般為：
A.高精度
對(duì)高精度要求主要在兩方面：一是要求驅(qū)動(dòng)裝置滿足定位準(zhǔn)確的要求，定位誤差，特別是重復(fù)定位誤差要小。二是要求跟隨精度要求高，即在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，位置實(shí)際值與給定值的差值要小，也就是說(shuō)，跟隨誤差要小，這是機(jī)電一體化伺服驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)之一。
B.快速響應(yīng)，無(wú)超調(diào)
也是對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)裝置動(dòng)態(tài)性能的要求，它也包括兩個(gè)方面：一是在機(jī)電一體化系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，伺服系統(tǒng)可能會(huì)頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)、加速和減速。一般是要求伺服驅(qū)動(dòng)裝置從速度為零升到最高速，或從最高速度降到零，時(shí)間在200s以內(nèi)，甚至有時(shí)要求在幾十毫秒。同時(shí)，速度變化時(shí)，不應(yīng)有超調(diào)。另一方面，當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，要求速度的恢復(fù)時(shí)間短，且無(wú)振蕩。
C.調(diào)速范圍寬
調(diào)速范圍是指伺服驅(qū)動(dòng)著裝置所能提供的最高速度與最低速度（常常是最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速）之比：R＝N max/Nmin式中指額定負(fù)載的最高速度（或轉(zhuǎn)速）和最低速度（或轉(zhuǎn)速）。
R----調(diào)速范圍的含義如下：
（1）R大，并在該調(diào)速范圍內(nèi)，要求速度均勻、穩(wěn)定、無(wú)爬行。
（2）無(wú)論是在高速還是低速驅(qū)動(dòng)時(shí)，輸出的力或轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定。當(dāng)速度變化時(shí)，驅(qū)動(dòng)裝置能平滑運(yùn)行，力矩波動(dòng)要小。在很低速驅(qū)動(dòng)時(shí)，速度平穩(wěn)，并能輸出額定的力或力矩。
（3）在零速時(shí)，一般希望驅(qū)動(dòng)裝置能夠處于伺服“鎖定”狀態(tài)。
D．快速的應(yīng)變能力和較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載能力
應(yīng)能受頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)、反向運(yùn)動(dòng)、加速、減速的沖擊。為滿足低速大力矩的要求，應(yīng)能承受較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載。
4.1.2 伺服驅(qū)動(dòng)裝置
課根據(jù)功率的大小來(lái)分類伺服驅(qū)動(dòng)裝置，也可以按精度要求的高低來(lái)分類，但最常用的分類方法是根據(jù)采用動(dòng)力源的類型，把伺服驅(qū)動(dòng)裝置分為液壓伺服驅(qū)動(dòng)裝置，氣壓伺服驅(qū)動(dòng)裝置和電氣伺服驅(qū)動(dòng)裝置等三大類型。
由于交流電機(jī)性能最可靠，基本用不著維護(hù)，造價(jià)低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出功率大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，不需配置直流電源，且控制技術(shù)得到了解決，因此國(guó)外交流電機(jī)正在取代直流電機(jī)，國(guó)內(nèi)交流電機(jī)已經(jīng)占一半以上，有了明顯的優(yōu)勢(shì)。
結(jié)論：選用交流伺服電機(jī)。
4.2 交流伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)
4.2.1 交流伺服電機(jī)的類型的確定
交流伺服電機(jī)主要分為交流鼠籠式伺服電機(jī)和永磁式交流同步電機(jī)。其中永磁式交流同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速與近接電源的頻率之間存在著一種嚴(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)定不變的。隨著新型永磁材料的應(yīng)用及永磁電動(dòng)機(jī)構(gòu)的不斷改進(jìn)，永磁交流同步電動(dòng)機(jī)將會(huì)越來(lái)越多的用語(yǔ)數(shù)控系統(tǒng)中。
結(jié)論：選擇永磁交流同步電動(dòng)機(jī)。
4.2.2 確定伺服電機(jī)的型號(hào)
由于設(shè)計(jì)要求規(guī)定X向伺服電機(jī)的功率為0.9kw，轉(zhuǎn)速為量大不超過(guò)4000r/min。通過(guò)轉(zhuǎn)速功率的類比，最終選擇mdma系類的大慣量帶制動(dòng)永磁式交流同步伺服電機(jī)，其規(guī)格：
額定功率：0.9kw
額定轉(zhuǎn)矩：4.8nm
最大轉(zhuǎn)矩：21.5
電機(jī)慣量：42.9
額定轉(zhuǎn)速：2000r/min
最大轉(zhuǎn)速：3000 r/min
制動(dòng)器：dc 24v 電源無(wú)極性
編碼器：2500p/r增量式17位增量式/絕對(duì)式公用
防護(hù)等級(jí)：溫度0-40°，保存時(shí)20-8°。
重量：10kg
4.3 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
4.3.1 伺服電機(jī)與進(jìn)給絲杠的聯(lián)接確定方案
在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，伺服電機(jī)與滾珠絲杠聯(lián)接要保證傳動(dòng)無(wú)間隙，所以，數(shù)控機(jī)床采用一種聯(lián)接方式：直接連接、齒輪減速式。
4.3.2 聯(lián)軸器的比較選用
A) 聯(lián)軸器的分類及特點(diǎn)
聯(lián)軸器的性能可分為剛性聯(lián)軸器和擾性聯(lián)軸器，剛性聯(lián)軸器或稱固式聯(lián)軸器，這種聯(lián)軸器雖然不具有補(bǔ)償性能，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、不須維護(hù)、成本低特點(diǎn)而乃有其應(yīng)用范圍。
a) 擾性聯(lián)軸器中又分為無(wú)彈性元件擾性聯(lián)軸器和帶彈性元件擾性聯(lián)軸器，千一類具有補(bǔ)償兩軸相對(duì)位移的能力，后一類由于含有產(chǎn)生較大彈性變形的元件，除有補(bǔ)償性能外還具有緩沖作用和減震作用。
b) 彈性聯(lián)軸器除了能補(bǔ)償兩軸相對(duì)位移，降低對(duì)聯(lián)軸器安裝的精度對(duì)中要求外，更重要的是能夠緩和沖擊，改變軸系的自身頻率，避免發(fā)生嚴(yán)重危險(xiǎn)性振動(dòng)。
結(jié)論：選用彈性聯(lián)軸器
B）選用要求
a） 強(qiáng)度高，承載能力強(qiáng)，在有可能發(fā)生扭振或存在瞬間尖峰載荷的場(chǎng)合，要求聯(lián)軸器的許用瞬時(shí)最大扭矩為許用長(zhǎng)期扭矩的三倍以上。
b） 彈性高，阻力大，具有足夠的減震能力，把沖擊和振動(dòng)長(zhǎng)生的振幅降低到允許的范圍以內(nèi)。
c） 具有足夠的補(bǔ)償性能，滿足安裝和工作時(shí)兩軸相對(duì)位移時(shí)的需要。
d） 工作可靠，性能穩(wěn)定，對(duì)橡膠性彈性原件還應(yīng)具有耐熱性，不易老化等優(yōu)點(diǎn)。
e） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕。拆裝方便，維護(hù)容易。
結(jié)論：選用柱銷式
4.3.3 滾珠絲杠副的特點(diǎn)
a）傳動(dòng)效率高 效率可達(dá)90%~95%,耗費(fèi)的能量?jī)H為絲杠的三分之一。
b） 運(yùn)動(dòng)具有可逆性 既可將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，又可將直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且逆轉(zhuǎn)動(dòng)效率幾乎與正轉(zhuǎn)動(dòng)效率相同。
c） 系統(tǒng)剛度好 通過(guò)螺母組件內(nèi)施加預(yù)壓獲得較高的系統(tǒng)剛度，可滿足各種機(jī)械傳動(dòng)要求，無(wú)爬行現(xiàn)象，始終保持運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和靈敏性。
d） 傳動(dòng)精度高 經(jīng)過(guò)淬硬并經(jīng)磨紋滾道后的滾珠絲杠副本身就具有很高的制造精度，又由于摩擦小，絲杠副工作時(shí)溫升和熱變形小，容易獲得較高的傳動(dòng)精度。
e） 使用壽命長(zhǎng) 滾珠是在淬硬的滾道上作滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，磨損極小，長(zhǎng)期使用后仍能保持其精度，因而壽命長(zhǎng)，具有很高的可靠性。其壽命一般比滑動(dòng)絲杠高5~6倍。
f） 不能自鎖 特別是垂直安裝的絲杠。當(dāng)運(yùn)動(dòng)停止后，螺母將在重力的作用下下滑，顧需設(shè)置制動(dòng)裝置。
g） 制造工藝復(fù)雜 滾珠絲杠和螺母等零件的加工精度、表面粗糙度要求高，制造成本較高。
結(jié)論：由于滾珠絲杠副獨(dú)特的性能而受到極高的評(píng)價(jià)，因而已成為數(shù)控機(jī)床、精密機(jī)械設(shè)備及各種機(jī)電一體化產(chǎn)品中不可缺少的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
4.3.4 滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和施加預(yù)緊力的方法
滾珠絲杠副除本身單一方向的傳動(dòng)精度有要求外，對(duì)其軸向間隙也有嚴(yán)格的要求，以保證其反向傳動(dòng)精度。滾珠絲杠副低軸向間隙是承載時(shí)在與滾道型面接觸點(diǎn)的彈性形變所引起的螺母位移量和螺母原有間隙的總和。通常采用雙螺母預(yù)緊的方法，把彈性形變控制在最小的限度內(nèi)。以減小或消除軸向間隙，并可以提高滾珠絲杠副的精度。
消除滾珠絲杠副的軸向間隙應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：
A 預(yù)緊力大小必須合適，過(guò)小不能保證無(wú)間隙傳動(dòng)，過(guò)大將使驅(qū)動(dòng)力矩增大，效率降低，壽命縮短。預(yù)緊力應(yīng)不超過(guò)最大軸向負(fù)載的三分之一。
B 要特別注意減小絲杠安裝部分的驅(qū)動(dòng)部分的間隙。這些間隙用預(yù)緊力的方法是無(wú)法消除的。而它對(duì)傳動(dòng)精度有直接影響。
常用的雙螺母消除軸向間隙的結(jié)構(gòu)形式有三種：
a 墊片調(diào)隙式
采用螺釘鏈接滾珠絲杠兩個(gè)螺母的凸緣加墊片，并在凸緣加墊片。調(diào)整墊片的厚度使螺母產(chǎn)生微量的軸向位移，以達(dá)到消除軸向間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力的目的。該形式結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，調(diào)整方便，應(yīng)用廣，但很不準(zhǔn)確，并且當(dāng)滾道損壞時(shí)不能隨意調(diào)整，除非更換墊圈。故適合于一般精度的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
b 螺紋調(diào)隙式
雙螺母中的一個(gè)外端有凸緣；一個(gè)外端無(wú)凸緣，它伸出套筒外，用兩個(gè)螺母固定鎖緊，并用鍵防止兩螺母相對(duì)傳動(dòng)。旋轉(zhuǎn)圓周可調(diào)整消除間隙并產(chǎn)生預(yù)緊力，之后再用鎖緊螺母鎖緊。該型結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，調(diào)整方便。目前使用很廣。
c 齒差調(diào)隙式
在兩個(gè)螺母的凸緣上各位置有圓柱外齒輪(齒數(shù)為Z1和Z2，且Z1-Z2=1)分別與內(nèi)齒輪嚙合，內(nèi)齒圈用螺釘或定位銷固定在套筒上。調(diào)整時(shí)，先取下兩端的內(nèi)齒圈，使兩螺母產(chǎn)生相對(duì)位移，相應(yīng)地產(chǎn)生軸向的相對(duì)位移，從而亮螺母中的滾珠分別緊貼在螺母滾道的兩個(gè)相反的側(cè)面上，然后將內(nèi)齒圈復(fù)位固定，故而消除間隙，產(chǎn)生預(yù)緊力的目的。可見，該形式的調(diào)整精度很高，工作可靠。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工和裝配工藝性能較差。
結(jié)論：選用螺紋調(diào)隙式
4.3.5滾珠絲杠副支撐形式的確定
A 一端固定一端自由（F—O）
該支撐方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，絲杠的軸向剛度比兩端固定低，且壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速都比較低，設(shè)計(jì)時(shí)盡量使絲杠拉伸，該支撐方式適用于較短的豎直的絲杠。
B 一端固定一端游動(dòng)（F—S）
該支撐方式需要保持螺母與兩端支撐同軸，故結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，工藝?yán)щy，絲杠的軸向和F—O相同，壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速都比同長(zhǎng)度的F—O型高，且絲杠內(nèi)有熱膨脹的余地，該支撐方式適用于較長(zhǎng)的臥式安裝絲杠。
A 兩端固定（F—F）
該形式的長(zhǎng)度同F(xiàn)—S的長(zhǎng)度，只要軸承間隙，絲杠的軸向剛度為一端固定的四倍，絲杠一般不會(huì)受壓，無(wú)壓桿穩(wěn)定性問(wèn)題，固有頻率比一端固定要高；可以拉伸，預(yù)拉伸后可減少絲杠自重的下垂和熱補(bǔ)償膨脹。但需一套預(yù)拉伸機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)及工藝都比較困難，要進(jìn)行欲拉伸的絲杠起目標(biāo)行程應(yīng)略微小于公稱行程，減少量等于預(yù)拉伸量。該支撐方式適用于對(duì)剛度和唯一精度要求高的場(chǎng)合。
結(jié)論：選擇兩端固定方式。
4.3.6 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)選用
已知：工作臺(tái)重量500N
刀架及電動(dòng)機(jī)重量200N
工作臺(tái)最大行程100mm
動(dòng)摩擦系數(shù)0.1
靜摩擦系數(shù)1.2
快速進(jìn)給速度100m/min
定位精度20m/mm
全行程25um
重復(fù)定位精度10um
要求壽命20000h（兩班制工作十年）
4.3.7 絲杠軸承的選用
A 滑動(dòng)軸承與滾動(dòng)軸承的比較
a．滑動(dòng)軸承的特點(diǎn)及分類
普通滑動(dòng)軸承，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便，成本低廉，并可以做成開式以適應(yīng)安裝要求；而液體滑動(dòng)軸承可在很高的轉(zhuǎn)速下工作。運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，旋轉(zhuǎn)精度高，壽命長(zhǎng)，抗振動(dòng)性能好，可在強(qiáng)沖擊和重載下工作。由于其工作平穩(wěn)，噪聲低，吸振性好，因此他在高速重載場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。但它不是標(biāo)準(zhǔn)件，設(shè)計(jì)、維護(hù)都比較復(fù)雜，因此在很多場(chǎng)合已被滾動(dòng)軸承所取代。
B 滾動(dòng)軸承的特點(diǎn)
滾動(dòng)軸承摩擦阻力小，啟動(dòng)輕快、效率高、不易磨損。典型的滾動(dòng)軸承有內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架等部分組成。內(nèi)圈用來(lái)與頸軸配合，外圈一般與軸承座裝配。常用的滾動(dòng)軸承有球、圓柱滾子、圓錐滾子、球面滾子及非球面滾子等。滾動(dòng)軸承的內(nèi)、外圈及滾動(dòng)體是用鉻軸承鋼制成的，工作表面經(jīng)過(guò)磨削和拋光，硬度一般不低于60HRC，保持架使用較軟的材料（如低碳鋼、鋼合金、鋁合金、夾布膠木和尼龍塑料等）。
滾動(dòng)軸承已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，由于工廠大量生產(chǎn)。所以在設(shè)計(jì)時(shí)，一般需要：a.根據(jù)工作條件、受力情況、結(jié)構(gòu)要素等因素，選擇合適的滾動(dòng)軸承類型、精度、尺寸。并由滾動(dòng)軸承目錄中查出滾動(dòng)軸承代號(hào)；b.確定滾動(dòng)軸承的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即考慮滾動(dòng)軸承如何裝拆、固定、調(diào)整、潤(rùn)滑和密封等問(wèn)題。
結(jié)論：選用滾動(dòng)軸承
B．滾動(dòng)軸承的選擇和比較
a．滾動(dòng)軸承類型選擇注意點(diǎn)
1 軸承負(fù)荷
(1) 軸承負(fù)荷是選用軸承類型的主要要素，通常應(yīng)根據(jù)負(fù)荷的大小、方向和性質(zhì)選用軸承。
負(fù)荷的大小與性質(zhì) 通常球軸承適用于承受輕、中及較小波動(dòng)的負(fù)荷；滾子軸承使用于承受重的及較大波動(dòng)的負(fù)荷。
(2) 負(fù)荷的方向 純徑向的負(fù)荷可選用深溝球軸承及滾針軸承。純軸向負(fù)荷可選用推力軸承。當(dāng)徑向負(fù)荷和軸向負(fù)荷聯(lián)合作用時(shí)，一般選用角接觸球軸承和圓錐軸承和圓錐滾子軸承；若徑向負(fù)荷較大和軸向負(fù)荷較小時(shí)，也可選用深溝球軸承；若軸向負(fù)荷很大時(shí)，徑向負(fù)荷很小時(shí)，可選用推力角接觸球軸承、推力圓滾子軸承，也可選用圓柱滾子軸承（或深溝球軸承）和推力軸承聯(lián)合使用。
2 軸承的轉(zhuǎn)速
球軸承比滾子軸承有較大的極限轉(zhuǎn)速，故而高速時(shí)應(yīng)選用球軸承。在內(nèi)徑相同的條件下，外徑愈小，滾動(dòng)體愈小、輕；其離心力小、摩擦阻力小、發(fā)熱量?。凰栽谝欢l件下，工作轉(zhuǎn)速較高時(shí)宜選用超輕、特輕系列的軸承。
高速重要的軸承要驗(yàn)算其轉(zhuǎn)速。一些提高軸承極限轉(zhuǎn)速的措施，都對(duì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)有利，如實(shí)體保持架、青銅或夾布膠木架，提高精度等級(jí)，適量加大球軸承的游隙，用噴油或油霧潤(rùn)滑改善冷卻條件等。
(1) 調(diào)心性能
當(dāng)軸或殼體變形大，以及安裝對(duì)中性差時(shí)，應(yīng)選用具有調(diào)心性能的軸承及補(bǔ)償上述變形及誤差引起的偏斜，從而保證軸承是正常工作的。這時(shí)宜選用調(diào)心球軸承或調(diào)心滾子軸承。
(2)安裝與拆卸
對(duì)于安裝與拆卸較為頻繁的機(jī)械，可選用分離型角接觸軸承、圓錐滾子軸承，圓周滾子軸承和推力軸承。當(dāng)軸承在長(zhǎng)軸安裝時(shí)，為方便拆卸可選用一些內(nèi)圈為圓錐孔的、帶緊定套或退套的調(diào)心滾子軸承、調(diào)心球軸承。
(3)滾動(dòng)軸承方案的比較
① 深溝球軸承
與尺寸相同的的其它類型軸承相比較，此種軸承摩擦損失最小。在軸承內(nèi)外圈相對(duì)傾斜8°~16°時(shí)(根據(jù)游隙確定)仍可正常工作（但壽命有一定影響）。當(dāng)加大軸承的徑向游隙時(shí)，具有向心推力球軸承的性質(zhì)，在轉(zhuǎn)速較高不宜采用此類軸承的情況下，可采用此類軸承承受軸向力。圓圈有止動(dòng)槽的深溝，放入止動(dòng)環(huán)后可簡(jiǎn)化軸承在外殼孔（可做成通孔）軸向緊固，也可縮小軸向尺寸，此類軸承所受徑向負(fù)荷能力與基本類型軸承相同，但允許的軸向負(fù)荷應(yīng)適當(dāng)降低。它主要能夠承受徑向負(fù)荷，也可同時(shí)承受少量雙向軸向的負(fù)荷極限轉(zhuǎn)速高，它可將軸的雙向移動(dòng)限制在軸承的游隙范圍內(nèi)。
② 調(diào)心球軸承
具有自動(dòng)調(diào)心性能允許內(nèi)圈（軸）對(duì)外圈（外殼）的傾斜不超過(guò)3度。此類軸承主要用
負(fù)荷作用下彎曲較大的傳動(dòng)軸以及支撐座孔不易保證嚴(yán)格的部件中。主要承受徑向負(fù)荷。也
同時(shí)承受少量的雙向軸向負(fù)載，額定負(fù)荷比為0.6~0.9，極限轉(zhuǎn)速高，也可將軸的雙向移動(dòng)限制在軸承的軸向游隙范圍內(nèi)。
它不宜承受純的軸向負(fù)荷，此種情況將使負(fù)荷有一系列僅有一列鋼球承受。
其中圓錐孔調(diào)心球軸承安裝在軸頸上，通過(guò)軸向移動(dòng)內(nèi)圈可微量調(diào)整軸承的徑向游隙。
③ 圓柱滾子軸承
僅能承受徑向負(fù)荷，額定負(fù)荷比為1.5~3，極限轉(zhuǎn)速高，不能限制軸的軸向移動(dòng)。
帶擋邊的引導(dǎo)套圈與保持架和滾子組成一組合件可與另一無(wú)擋邊的套圈分離，安裝拆卸比較方便，與同尺寸向心軸承相比，徑向負(fù)荷能力較大，但允許外圈與內(nèi)圈軸線偏移斜度較小，故只能由于剛性較大的軸上，并要求支撐座孔能夠很好的隊(duì)中。內(nèi)圈無(wú)擋邊的圓柱滾子軸承常用于受外力彎曲較小的固定短軸上；也常用于因發(fā)熱而使長(zhǎng)軸伸長(zhǎng)的機(jī)件上。此時(shí)，于一個(gè)支點(diǎn)上安裝無(wú)擋邊的滾子軸承，另一個(gè)支點(diǎn)上則安裝使軸與軸箱能固定起來(lái)的軸承。
④ 調(diào)心滾子軸承
它主要受徑向負(fù)荷，也可同時(shí)承受少量的雙向軸向負(fù)荷，額度比為1.8~4，極限轉(zhuǎn)速低。能限制軸的雙向移動(dòng)。它具有自動(dòng)調(diào)心功能，允許內(nèi)圈（軸）對(duì)外圈（外殼）的傾斜度不超過(guò)0.5~2度。此類軸承多用于長(zhǎng)軸和負(fù)載后彎曲的多支撐軸上。
⑤ 滾針軸承
僅能承受徑向力，極限轉(zhuǎn)速低。不能限制軸的雙向移動(dòng)。
在徑向負(fù)荷相同的情況下與其他類型軸承相比較，外徑最小，故適合徑向尺寸受限制的部件（特別是軸的周圍有擺動(dòng)性運(yùn)動(dòng)的部件；如活塞銷、軸擺桿等）。它安裝時(shí)軸承外軸線與內(nèi)圈線不允許有偏斜。
⑥ 螺旋滾子軸承
僅能承受徑向力，極限轉(zhuǎn)速低。不能限制軸的雙軸向移動(dòng)。
適用于旋轉(zhuǎn)精度要求不高并承受沖擊負(fù)荷的機(jī)件中，每一套和帶保持架的滾子都可以分別安裝。
⑦ 圓錐滾子軸承
承受以徑向負(fù)荷為主的徑向和軸向（單向）負(fù)荷的聯(lián)合負(fù)荷。
額定負(fù)荷比為1.1~2.5，極限轉(zhuǎn)速中等。限制軸的單向軸向移動(dòng)。它可分別安裝內(nèi)圈和外圈，在安裝使用中可調(diào)整徑向和軸向游隙，允許偏差2分。
⑧ 推力球軸承
承受單向軸向負(fù)荷，額定負(fù)荷比為1，極限轉(zhuǎn)速低，限制軸的單向軸向移動(dòng)，工作中必須加以最小的軸向力。
為消除可能不同心會(huì)軸線與外殼支撐面不垂直的不良影響，安裝時(shí)應(yīng)使活圈外徑與外殼孔之間保留0.5~1mm的間隙，有時(shí)還可以在支撐面上墊以彈性材料如皮革、耐油橡膠等。
⑨ 推力滾子軸承
承受單向軸向負(fù)荷，額定負(fù)荷比為1.7~1.9，極限轉(zhuǎn)速低，限制軸的雙軸向移動(dòng)，工作中必須加以最小的軸向力，此類軸承用于承受大的軸向負(fù)荷，用于重型機(jī)械。
⑩ 角接觸球軸承
該軸承受軸向（單向）和徑向負(fù)荷的聯(lián)合負(fù)荷，額定負(fù)荷比為1~1.4，極限轉(zhuǎn)速高，能限制軸的雙向軸向移動(dòng)。該軸承接觸角大，承受軸向負(fù)荷的能力就大。當(dāng)軸承受徑向負(fù)荷時(shí)引起附加軸向力，固定此類軸承一般均成對(duì)使用(安裝時(shí)同名端面相對(duì)安裝)。
結(jié)論：選用角接觸球軸承型號(hào)為7005C GB/T 292-94
d.軸承的校核
已知：絲杠軸的上的圓周力為800N，徑向力Fr為350N，軸向力Fa為150N，絲杠最大轉(zhuǎn)速為3000r/min,絲杠有螺紋直徑為32mm，軸承預(yù)期壽命為20000h。絲杠軸承間距離為338mm。
表4-1 軸承的校核
設(shè)計(jì)計(jì)算項(xiàng)目
計(jì)算公式或說(shuō)明
結(jié)果
續(xù)表4-1
1.求軸承的徑向力
設(shè)RV1和RV2分別為軸承說(shuō)承受的兩個(gè)垂直分力，RH1和RH2分別為兩個(gè)軸承所受的水平分力。
RV1=（208*Fr+Fa*16）/338=222N
RV2=Fr-RV1=127.5N
RH1=208*Ft/(208+150)=492.31N
RH2=Ft-RH1=800-492.31=307.69N
R1==540.25N
R2==333.06N
R1=54.25N
R2=333.06N
2.求軸承的實(shí)際軸向力A1和A2
根據(jù)表（10-6）（機(jī)械設(shè)計(jì)）
S1=0.68R1=367.37N
S2=0.68R2=226.48N
根據(jù)式（10-4）
A1=Fa+S2=150+226.48=376.48N
A2=S2=226.48N
A1=376.48N
A2= 226.48N
3.求兩軸的當(dāng)量動(dòng)載荷P1和P2
根據(jù)表（10-4），e=0.68
A1/R1=376.48/540.25=0.7>e
A2/R2=226.48/333.06=0.68
由表（10-5），查的
X1=0.41,Y1=0.87
X2=1，Y2=0
由表（10-5），查的
fp=1.2-1.8,去fp=1.5
P1=fp(X1R1+Y1A1)
=1.5(0.41*540.25+0.87*376.48)
=823.55N
P2=fp（X2R2+Y2A2）
=499.59N
P1=823.55N
P2=499.59N
4.驗(yàn)算軸承壽命
因?yàn)镻1>P2,所以只驗(yàn)算軸承1，又有軸承樣本可知：7005C的額定動(dòng)載荷為12500N
=/60n(C/P1
=/60*3000(12500/823.55
=22012.1h
=22012.1h
5.驗(yàn)算結(jié)果
因?yàn)?0761.64>20000h
選用7005C
4.4 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
4.4.1導(dǎo)軌概述
導(dǎo)軌有金屬其它材料制成的槽或脊，可承受、固定、引導(dǎo)移動(dòng)裝置或設(shè)備并減少其摩擦的一種裝置。導(dǎo)軌表面上的縱向槽或脊，用于導(dǎo)引、固定機(jī)器部件、專用設(shè)備、儀器等。導(dǎo)軌又稱滑軌、線性導(dǎo)軌、線性滑軌，用于直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合，擁有比直線軸承更高的額定負(fù)載， 同時(shí)可以承擔(dān)一定的扭矩，可在高負(fù)載的情況下實(shí)現(xiàn)高精度的直線運(yùn)動(dòng)。
4.4.2 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)任務(wù)
根據(jù)導(dǎo)軌的特點(diǎn)對(duì)導(dǎo)軌的基本要求，可得出設(shè)計(jì)導(dǎo)軌應(yīng)包括以下幾個(gè)方面：
1 根據(jù)工作條件選擇合適的導(dǎo)軌類型；
2 選擇適當(dāng)?shù)慕孛嫘螤睿ＷC必要的導(dǎo)向精度；
3 選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)軌結(jié)構(gòu)尺寸，保證導(dǎo)軌有足夠的剛度，并使單位面積上的比壓不宜過(guò)大，以免磨損過(guò)快；
4 選擇導(dǎo)軌磨損補(bǔ)償裝置，通過(guò)調(diào)查方式，使導(dǎo)軌經(jīng)常獲得需要的導(dǎo)向精度；
5 選擇合適的導(dǎo)軌材料，熱處理方法，精加工方法以及摩擦表面恰當(dāng)?shù)挠捕绕ヅ?，以提高?dǎo)軌的使用壽命；
6 選擇合理的潤(rùn)滑系統(tǒng)，使導(dǎo)軌在良好的條件下工作，以減少摩擦和磨損；
7 設(shè)計(jì)良好的防護(hù)裝置，以防止切削、贓物等掉入導(dǎo)軌面上；
4.4.3方案比較確定
1 滑動(dòng)導(dǎo)軌
它具有結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，制造較容易，承載能力大，剛性好，抗震性強(qiáng)，對(duì)幾何形狀誤差不敏感等優(yōu)點(diǎn)；其缺點(diǎn)是磨損快，精度保持性差，摩擦阻力大，運(yùn)動(dòng)靈活性較差，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差值大，重載或低速移動(dòng)時(shí)易產(chǎn)生“爬行”，高速運(yùn)動(dòng)時(shí)容易發(fā)熱等。
2 滾動(dòng)導(dǎo)軌
滾動(dòng)直線滑軌是一種滾動(dòng)導(dǎo)引，它由鋼珠在滑塊與滑軌之間作無(wú)限滾動(dòng)循環(huán)，使得負(fù)載平臺(tái)能沿著滑軌輕易的以高精度作線性運(yùn)動(dòng)，其摩擦系數(shù)可降至傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)引的1/50，使之能輕易地達(dá)到μm級(jí)的定位精度。現(xiàn)在滑塊與滑軌間的末制單元設(shè)計(jì)，使得線形滑軌可同時(shí)承受上下左右等各方向的負(fù)荷，專利的回流系統(tǒng)及精簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使線性滑軌有更平順且低噪音的運(yùn)動(dòng)。
與滑動(dòng)導(dǎo)軌相比：
優(yōu)點(diǎn)：① 靈敏度高，且其動(dòng)摩擦與靜摩擦系數(shù)相差甚微，因而運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，低速移動(dòng)時(shí)不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。
② 定位精度高，重復(fù)定位精度可達(dá)0.2μm。
③ 摩擦阻力小，移動(dòng)輕便，磨損小、精度保持性好。
缺點(diǎn)：滾動(dòng)導(dǎo)軌的抗震性較差，對(duì)防護(hù)要求較高。
3 滾珠導(dǎo)軌
導(dǎo)軌以滾珠作為滾動(dòng)體，運(yùn)動(dòng)靈敏度好，定位度高；但其承載能力和剛度較小，一般都需要通過(guò)預(yù)緊提高承載能力和剛度。為了避免在導(dǎo)軌上壓出凹坑而喪失精度，一般采用淬火鋼制造導(dǎo)軌面。滾珠導(dǎo)軌適用于運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量不大，切削力較小的數(shù)控機(jī)床。
4 滾柱導(dǎo)軌
導(dǎo)軌的承載力及剛度都比滾珠導(dǎo)軌要大，但對(duì)于安裝的要求也高。安裝不良，會(huì)引起偏移和側(cè)向滑動(dòng)，使導(dǎo)軌磨損加快、降低精度。目前數(shù)控機(jī)床、特別是載荷較大的機(jī)床，通常都采用滾柱導(dǎo)軌。
5 滾針導(dǎo)軌
滾針導(dǎo)軌的滾針比同直徑的滾柱長(zhǎng)度更長(zhǎng)。滾針導(dǎo)軌的特點(diǎn)是尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊。為了提高工作臺(tái)的移動(dòng)精度，滾針的尺寸應(yīng)按直徑分組。滾針導(dǎo)軌適用于導(dǎo)軌尺寸受限制的機(jī)床上。
結(jié)論：選擇滾珠導(dǎo)軌
4.4.4 導(dǎo)軌材料的選擇
選擇直線導(dǎo)軌材料時(shí)，應(yīng)注意它們的耐磨性能、摩擦系數(shù)、溫度膨脹系數(shù)、加工后可能達(dá)到的粗粕度及熱處理性能等。導(dǎo)軌的品質(zhì)往往決定了直線導(dǎo)軌價(jià)格，圓柱面直線導(dǎo)軌一般采用鋼40、50、T8A、TloA(均需經(jīng)淬火)與非淬火鋼或青銅相配；棱柱面直線導(dǎo)軌可用鋼與青銅、鋼與非淬火鋼、鋼與鑄鐵等相配。
結(jié)論：選擇淬硬鋼
4.4.5 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的精度選擇
由于直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副具有誤差均化效應(yīng)，在同一平面內(nèi)使用兩套活兩套以上時(shí)，可選用較低的安裝精度達(dá)到較高的運(yùn)動(dòng)精度。直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副分四個(gè)精度等級(jí)，即2、3、4、5級(jí)，其中2級(jí)精度最高。期中2、3、4級(jí)精度主要適用于數(shù)控床的X方向進(jìn)給系統(tǒng)。由于本設(shè)計(jì)要求較高，故選用3級(jí)精度。
結(jié)論：選用3級(jí)精度。
4.4.6直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副型號(hào)的確定
各項(xiàng)要求選擇 GGB 16 AA 2 P1 2*375---3
其中 GG為直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副代號(hào)
B為導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)類型為四個(gè)方向等載荷型
16為公稱尺寸
AA分別為滑塊寬度和滑塊上連接孔形式，其中第1個(gè)指款型，第2個(gè)指螺孔
2為每根導(dǎo)軌上使用滑塊數(shù)為2
P1為直線導(dǎo)軌副預(yù)加為中載荷
2為同一平面內(nèi)使用導(dǎo)軌數(shù)為2
375為導(dǎo)軌長(zhǎng)度
3為等級(jí)精度
5 刀架的設(shè)計(jì)
5.1 數(shù)控車床刀架系統(tǒng)簡(jiǎn)介
數(shù)控刀架是數(shù)控車床最普遍的一種輔助裝置，它可使數(shù)控車床在工件一次裝夾中完成多種甚至所有的加工工序，以縮短加工的輔助時(shí)間，減少加工過(guò)程中由于多次安裝工件而引起的誤差，從而提高機(jī)床的加工效率和加工精度。
數(shù)控刀架的發(fā)展趨勢(shì)是：隨著數(shù)控車床的發(fā)展，數(shù)控刀架開始向快速換刀、電液組合驅(qū)動(dòng)和伺服驅(qū)動(dòng)方向發(fā)展。
??10工位刀塔
目前國(guó)內(nèi)數(shù)控刀架以電動(dòng)為主，分為立式和臥式兩種。立式刀架有四、六工位兩種形式，主要用于簡(jiǎn)易數(shù)控車床；臥式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋轉(zhuǎn)，就近選刀，用于全功能數(shù)控車床。另外臥式刀架還有液動(dòng)刀架和伺服驅(qū)動(dòng)刀架。
數(shù)控刀架的市場(chǎng)分析：國(guó)產(chǎn)數(shù)控車床今后將向中高檔發(fā)展，中檔采用普及型數(shù)控刀架配套，高檔采用動(dòng)力型刀架，兼有液壓刀架、伺服刀架、立式刀架等品種，近年來(lái)需要量可達(dá)10000～50000臺(tái)
數(shù)控刀架的發(fā)展趨勢(shì)是：隨著數(shù)控車床的發(fā)展，數(shù)控刀架開始向快速換刀、電液組合驅(qū)動(dòng)和伺服驅(qū)動(dòng)方向發(fā)展。
目前國(guó)內(nèi)數(shù)控刀架以電動(dòng)為主，分為立式和臥式兩種。立式刀架有四、六工位兩種形式，主要用于簡(jiǎn)易數(shù)控車床；臥式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋轉(zhuǎn)，就近選刀，用于全功能數(shù)控車床。另外臥式刀架還有液動(dòng)刀架和伺服驅(qū)動(dòng)刀架。
數(shù)控刀架的市場(chǎng)分析：國(guó)產(chǎn)數(shù)控車床今后將向中高檔發(fā)展，中檔采用普及型數(shù)控刀架配套，高檔采用動(dòng)力型刀架，兼有液壓刀架、伺服刀架、立式刀架等品種，近年來(lái)需要量可達(dá)10000～50000臺(tái)
發(fā)展方向：一是高速、可靠，追求的目標(biāo)是換刀時(shí)間盡量的短，以換取加工中心和車削中心的高效性；
二是簡(jiǎn)單實(shí)用、造價(jià)低、使用可靠，但換刀速度不快。
數(shù)控刀架的功能：數(shù)控機(jī)床上的刀架是安放刀具的重要部件，許多刀架還直接參與切削工作，如臥式車床上的四方刀架，轉(zhuǎn)塔車床的轉(zhuǎn)塔刀架，回輪式轉(zhuǎn)塔車床的回輪刀架，自動(dòng)車床的轉(zhuǎn)塔刀架和天平刀架等。這些刀架既安放刀具，而且還直接參與切削，承受極大的切削力作用，所以它往往成為工藝系統(tǒng)中的較薄弱環(huán)節(jié)。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，機(jī)床的刀架也有了許多變化，特別是數(shù)控車床上采用電(液)換位的自動(dòng)刀架，有的還使用兩個(gè)回轉(zhuǎn)刀盤。加工中心則進(jìn)一步采用了刀庫(kù)和換刀機(jī)械手，定現(xiàn)了大容量存儲(chǔ)刀具和自動(dòng)交換刀具的功能，這種刀庫(kù)安放刀具的數(shù)量從幾十把到上百把，自動(dòng)交換刀具的時(shí)間從十幾秒減少到幾秒甚至零點(diǎn)幾秒。因此，刀架的性能和結(jié)構(gòu)往往直接影響到機(jī)床的切削性能、切削效率和體現(xiàn)了機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)水平。
基本要求：
1）換刀時(shí)間短，以減少非加工時(shí)間。
2）減少換刀動(dòng)作對(duì)加工范圍的干擾。
3）刀具重復(fù)定位精度高。
4）識(shí)刀、選刀可靠，換刀動(dòng)作簡(jiǎn)單可靠。
5）刀庫(kù)刀具存儲(chǔ)量合理。
6）刀庫(kù)占地面積小，并能與主機(jī)配合，使機(jī)床外觀協(xié)調(diào)美觀。
7）刀具裝卸、調(diào)整、維修方便，并能得到清潔的維護(hù)。
5.2 各種刀架的方案比較及選擇
5.2.1 排式刀架
排式刀架一般用于小規(guī)格數(shù)控車床，以加工棒料或盤類零件為主。其結(jié)構(gòu)形式為：
夾持著各種不同用途刀具的刀夾沿著機(jī)床的X坐標(biāo)軸方向排列在橫向滑板上。這種刀架在刀具布置和機(jī)床調(diào)整等方面都較為方便，可以根據(jù)具體工件的車削工藝要求，任意組合各種不同用途的刀具，一把刀具完成車削任務(wù)后，橫向滑板只要按程序沿X軸移動(dòng)預(yù)先設(shè)定的距離后，第二把刀就到達(dá)加工位置，這樣就完成了機(jī)床的換刀動(dòng)作。這種換刀方式迅速省時(shí)，有利于提高機(jī)床的生產(chǎn)效率。
5.2.2 回轉(zhuǎn)刀架
回轉(zhuǎn)刀架是數(shù)控車床最常用的一種典型換刀刀架，一般通過(guò)液壓系統(tǒng)或電氣來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動(dòng)換刀動(dòng)作，根據(jù)