加工中心XY向進給機構設計【加工中心XY向進給系統(tǒng)結構設計】,加工中心XY向進給系統(tǒng)結構設計,加工,中心,xy,進給,機構,設計,系統(tǒng),結構設計 畢 業(yè) 設 計（ 論 文 ）任 務 書 （指導教師填表） 填表時間：年月 日 學生姓名 專業(yè)班級 指導教師 課題類型 工程設計 設計（論文）題目 加工中心X/Y向進給系統(tǒng)結構設計 主要研 究內(nèi)容 完成加工中心X/Y向進給系統(tǒng)結構設計并撰寫設計說明書 主要技 術指標(或研究目標) 設計基本要求 全部圖紙折合0號圖 不少于3張 設計說明書一份（要求撰寫字數(shù)12000字以上；翻譯10000印刷符的外文資料。計算機打?。? 主要設計內(nèi)容及計算項目 完成加工中心X/Y向進給系統(tǒng)結構設計及相關計算。 設計參數(shù)或原始數(shù)據(jù) X/Y= 850 mm /850 mm ；最大進給速度24000mm/min。 說明書內(nèi)容及要求 1、說明書的編寫應符合學校的格式要求； 2、說明書的主要內(nèi)容應包括設計方案的選擇比較，設計計算內(nèi)容等；說明書還應有中文摘要（及譯文）、前言、總結等。 進度計劃 5～8周：調(diào)研、資料收集、方案論證、英文翻譯、相關軟件學習等，并寫出開題報告； 9～15周：完成結構設計工作 16周：完成畢業(yè)設計說明書撰寫及其他工作，如：說明書審查，圖紙檢查，準備答辯 17周：答辯 主要參 考文獻 1、《機械設計手冊》，機工出版社，2004-9 2、《現(xiàn)代實用機床設計手冊》，機工出版社，2006-8 3、《機械工程師手冊》，機工出版社，趙明生，2000-06 4、《機械加工工藝手冊》，王先逵，機工出版社，2007-01 5、《數(shù)控機床結構及應用》，機工出版社，王愛玲，2006-3 6、《數(shù)控機床設計實踐指南》，化工出版社，文懷興/夏田，2008-1 7、《現(xiàn)代數(shù)控機床結構與設計》，兵器工業(yè)出版社，王愛玲，1999-5 8、《數(shù)控機床結構 原理與應用》，北理工出版社，陳子銀,陳為華，2006-8 9、《現(xiàn)代數(shù)控機床結構及設計叢書-數(shù)控銑床設計》，化工出版社，文懷興，2006-1 10、《現(xiàn)代數(shù)控機床結構及設計叢書-數(shù)控加工中心設計》，化工出版社，夏田，2006-07 11、《現(xiàn)代數(shù)控機床結構及設計叢書-數(shù)控機床系統(tǒng)設計》，化工出版社，文懷興，2005-06 教研室主任簽字： 2012年03月 1 寧XX大學 畢業(yè)設計(論文) 加工中心XY向進給機構設計 所在學院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 指導老師 年 月 日 33 畢業(yè)設計（論文） 摘 要 本全面闡述了加工中心的結構原理，設計特點，論述了采用伺服電機和滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點。詳細介紹了加工中心的結構設計及校核，并進行了分析。另外匯總了有關技術參數(shù)。 其中著重介紹了滾珠絲杠的原理及選用原則，系統(tǒng)地對滾珠絲杠生產(chǎn)、應用等環(huán)節(jié)進行了介紹。包括種類選擇、參數(shù)選擇、精度選擇、循環(huán)方式選擇、與主機匹配的原則以及廠家的選擇等。 關鍵詞：加工中心，數(shù)控，伺服電機，滾珠絲杠 Abstract Elaborated comprehensively the numerical control CNC planer type milling machine's structure principle, the design feature, elaborated has used step-by-steps the electrical machinery and the ball bearing guide screw nut vice-merit. Introduced in detail the numerical control CNC planer type milling machine's structural design and the examination, and have carried on the analysis. And has compiled the related technical parameter. In which introduced emphatically the ball bearing guide screw principle and selects the principle，To ball bearing links and so on guide screw production, application has systematically carried on the introduction. Including the type choice, the parameter choice, the precision choice, the round-robin mode choice, the principle as well as the factory choice which matches with the main engine and so on. Key Words: Processing center, Numerical control, Step-by-step, serve motor, Ball bearing guide screw nut 目 錄 摘 要 II Abstract III 目 錄 IV 第1章 緒 論 6 1.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及趨勢 6 1.2 加工中心加工的基本原理 7 1.3 課題研究的目的和意義 8 第2章 設計的內(nèi)容及要求 9 2.1 設計題目 9 2.2 設計的內(nèi)容 9 2.2.1 數(shù)控裝置總體方案的確定 9 2.2.2 機械部分的設計 9 2.2.3 編寫設計說明書 9 第3章 XY向進給機構總體方案的確定 10 3.1 機械傳動部件的選擇 10 3.1.1 導軌副的選用 10 3.1.2 絲杠螺母副的選用 10 3.1.3 減速裝置的選用 10 3.1.4 伺服電動機的選用 10 3.1.5 檢測裝置的選用 10 3.2 繪制總體方案圖 11 第4章 XY向進給系統(tǒng)的設計計算 11 4.1 滾珠絲杠螺母副的選用設計 11 4.1.1 滾珠絲杠副的傳動原理 12 4.1.2 滾珠絲杠副的傳動特點 12 4.1.3 滾珠絲杠副的結構與調(diào)整 12 4.1.4 軸向間隙的調(diào)整和加預緊力的方法 14 4.2滾珠絲杠螺母副的計算和選型 16 4.2.1 精度的選擇 16 4.2.2絲杠導程的確定 16 4.2.3 最大工作載荷的計算 16 4.2.4 最大動載荷的計算 17 4.2.5 滾珠絲杠螺母副的選型 17 4.2.6 滾珠絲杠副的支承方式 18 3.4.3 傳動效率的計算 18 4.2.8 剛度的驗算 18 4.2.9 穩(wěn)定性校核 19 4.2.10 臨界轉速的驗證 20 4.3 齒輪傳動的計算 21 4.4 步進電動機的選擇 21 4.5導軌的特點 24 4.6 導軌的設計 25 4.7 滾珠絲杠副的安全使用 27 4.7.1 潤滑 27 4.7.2 防塵 27 4.7.3使用 28 4.7.4 安裝 28 結 論 29 參考文獻 30 致 謝 31 第1章 緒 論 1.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及趨勢 1946年誕生了世界上第一臺電子計算機，這表明人類創(chuàng)造了可增強和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強體力勞動的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎。6年后，即在1952年，計算機技術應用到了機床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機床。從此，傳統(tǒng)機床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個世紀以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。 數(shù)控NC階段（1952年-1970年） 早期計算機的運算速度低，對當時的科學計算和數(shù)據(jù)處理影響還不大，但不能適應機床實時控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路"搭"成一臺機床專用計算機作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控（HARD-WIRED NC），簡稱為數(shù)控（NC）。隨著元器件的發(fā)展，這個階段經(jīng)歷了三代，即1952年的第一代—電子管；1959年的第二代—晶體管；1965年的第三代—小規(guī)模集成電路。 計算機數(shù)控（CNC）階段（1970年-現(xiàn)在） 到1970年，通用小型計算機業(yè)已出現(xiàn)并成批生產(chǎn)。于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進入了計算機數(shù)控（CNC）階段（把計算機前面應有的“通用”兩個字省略了）。到1971年，美國INTEL公司在世界上第一次將計算機的兩個最核心的部件—運算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術集成在一塊芯片上，稱之為微處理器（MICROPROCESSOR），又可稱為中央處理單元（簡稱CPU）。 　　到1974年微處理器被應用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因為小型計算機功能太強，控制一臺機床能力有富裕（故當時曾用于控制多臺機床，稱之為群控），不如采用微處理器經(jīng)濟合理。而且當時的小型機可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高，但可以通過多處理器結構來解決。由于微處理器是通用計算機的核心部件，故仍稱為計算機數(shù)控。 　　到了1990年，PC機（個人計算機，國內(nèi)習慣稱微機）的性能已發(fā)展到很高的階段，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。數(shù)控系統(tǒng)從此進入了基于PC的階段。 　　總之，計算機數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。即1970年的第四代—小型計算機；1974年的第五代—微處理器和1990年的第六代—基于PC（國外稱為PC-BASED）。 　　還要指出的是，雖然國外早已改稱為計算機數(shù)控（即CNC）了，而我國仍習慣稱數(shù)控（NC）。所以我們?nèi)粘Ｖv的"數(shù)控"，實質(zhì)上已是指"計算機數(shù)控"了。 3.數(shù)控未來發(fā)展的趨勢 (1) 繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展 　　基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路。至少采用PC機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔數(shù)控的任務。PC機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠程通訊，遠程診斷和維修將更加普遍。 (2) 向高速化和高精度化發(fā)展 　　這是適應機床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。 (3) 向智能化方向發(fā)展 　　隨著人工智能在計算機領域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。 1.2 加工中心加工的基本原理 數(shù)控控制（Numerical Control）是用數(shù)字化信號對機床的運動及其加工過程進行控制的一種控制方法。 數(shù)控技術是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的一門新型的，發(fā)展十分迅速的高新技術。數(shù)控裝備是以數(shù)控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術范圍所覆蓋的領域又：機械制造技術；微電子技術；信息處理加工傳輸技術；自動控制技術；伺服驅動技術；檢驗監(jiān)控技術；傳感技術；軟件技術等。數(shù)控技術及裝備是發(fā)展新興高新技術產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的是能技術和最基本的裝備。在提高生產(chǎn)率，降低成本，保證加工質(zhì)量及改善工人勞動強度等方面，都有突出的優(yōu)點；特別是在適應機械產(chǎn)品迅速更新?lián)Q代，小批量，多品種生產(chǎn)方面，各類數(shù)控裝備是實現(xiàn)先進制造技術的關鍵。 數(shù)控機床是采用了數(shù)控技術的機床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床。國際信息處聯(lián)盟（International Federation of Information Processing, IEIP）第五技術委員會，對數(shù)控機床作了如下的定義：數(shù)控機床是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機床。該系統(tǒng)能邏輯的處理具有使用碼或其他符號編碼指令規(guī)定的程序。 加工中心，簡稱cnc，是由機械設備與數(shù)控系統(tǒng)組成的使用于加工復雜形狀工件的高效率自動化機床。加工中心又叫電腦鑼。加工中心備有刀庫，具有自動換刀功能，是對工件一次裝夾后進行多工序加工的數(shù)控機床。加工中心是高度機電一體化的產(chǎn)品，工件裝夾后，數(shù)控系統(tǒng)能控制機床按不同工序自動選擇、更換刀具、自動對刀、自動改變主軸轉速、進給量等，可連續(xù)完成鉆、鏜、銑、鉸、攻絲等多種工序，因而大大減少了工件裝夾時間、測量和機床調(diào)整等輔助工序時間，對加工形狀比較復雜，精度要求較高，品種更換頻繁的零件具有良好的經(jīng)濟效果。 1.3 課題研究的目的和意義 我國近幾年加工中心XY向進給機構雖然發(fā)展較快，但與國際先進水平還存在一定的差距，主要表現(xiàn)在：可靠性差，外觀質(zhì)量差，產(chǎn)品開發(fā)周期長，應變能力差。 針對傳統(tǒng)加工中心XY向進給機構的不足之處及生產(chǎn)中存在的問題，有必要在傳統(tǒng)機床的基礎上研究出新型加工中心XY向進給機構。通過對傳統(tǒng)銑床手動的進給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)的創(chuàng)新設計，加入新技術，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，實現(xiàn)自動化，降低勞動強度及工作量。 加工中心XY向進給機構的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢是：在規(guī)格上將向兩頭延伸，即開發(fā)小型和大型XY向進給機構；在性能上將研制以鋼為材料的XY向進給機構，大幅度提高XY向進給機構的承載能力；在形式上繼續(xù)研制多軸并聯(lián)，甚至于五軸并聯(lián)的XY向進給機構。 綜上所訴，加工中心XY向進給機構的開發(fā)和設計具有很高研究的意義.本課題采用類似的機床結構設計成果的方法，進行加工中心XY向進給機構的設計，使其能夠實現(xiàn)更好的工業(yè)生產(chǎn)自動化。 本課題對加工中心XY向進給機構部件進行了設計，研究加工中心的結構，主要部件及典型零件的設計方法，其意義如下： 1、通過對數(shù)控機床的結構設計和研究掌握機構設計的一般步驟和方法； 2、通過對課題的研究，了解國內(nèi)外有關數(shù)控機床的技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢； 3、通過畢業(yè)設計培養(yǎng)自己的創(chuàng)新精神，提供分析問題和解決問題的能力。 第2章 設計的內(nèi)容及要求 2.1 設計題目 加工中心XY向進給系統(tǒng)結構設計 已知條件： X/Y= 850 mm /850 mm ；最大進給速度24000mm/min。 2.2 設計的內(nèi)容 2.2.1 數(shù)控裝置總體方案的確定 (1).數(shù)控裝置設計參數(shù)的確定； (2).方案的分析，比較，論證。 2.2.2 機械部分的設計 (1).確定脈沖當量； (2).機械部件的總體尺寸及重量的初步估算； (3).傳動元件及導向元件的設計，計算和選用； (4).確定伺服電機； (5).繪制機械結構裝配圖； (6).系統(tǒng)等效慣量計算； (7).系統(tǒng)精度分析。 2.2.3 編寫設計說明書 (1) 說明書是設計的總結性技術文件，應敘述整個設計的內(nèi)容，包括提方案的確定，系統(tǒng)框圖的分析，機械傳動設計計算，選用元器件參數(shù)的說明； (2)論文正文不少于10000字。 第3章 XY向進給機構總體方案的確定 3.1 機械傳動部件的選擇 3.1.1 導軌副的選用 要設計XY向進給機構，需要承受的載荷不大，而且脈沖當量小，定位精度高，因此選用直線滾動導軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動效率高，結構緊，安裝預緊方便等優(yōu)點。 3.1.2 絲杠螺母副的選用 伺服電動機的旋轉運動需要通過絲杠螺母副轉換成直線運動，需要滿足0.001mm沖當量和mm的定位精度，滑動絲杠副為能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達到要求，滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應快、運轉平穩(wěn)、壽命長、效率高、預緊后可消除反向間隙。 3.1.3 減速裝置的選用 選擇了步進電動機和滾珠絲桿副以后，考慮到傳動精度和緩和減速機工作時軸上的扭轉沖擊及減輕軸的扭轉振動，所以采用聯(lián)軸器。 3.1.4 伺服電動機的選用 任務書沒規(guī)定的脈沖當量，定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也有24000mm/min，故本設計不必采用高檔次的伺服電動機，因此可以選用混合式步進電動機。以降低成本，提高性價比。 3.1.5 檢測裝置的選用 選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務書所給的精度對于步進電動機來說還是偏高，為了確保電動機在運動過程中不受切削負載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用閉環(huán)控制，擬在電動機的尾部轉軸上安裝增量式旋轉編碼器，用以檢測電動機的轉角與轉速。增量式旋轉編碼器的分辨力應與步進電動機的步距角相匹配。 考慮到X、Y兩個方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設計工作量，X、Y兩個坐標的導軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動機以及檢測裝置擬采用相同的型號與規(guī)格。 3.2 繪制總體方案圖 總體方案圖如圖所示。 其中伺服電動機做執(zhí)行元件用來驅動滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動滑塊和工作平臺在導軌上運動，完成XY向進給機構在X、Y方向的直線移動。導軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機等均以標準化，由專門廠家生產(chǎn)，設計時只需根據(jù)工作載荷選取即可。 第4章 XY向進給系統(tǒng)的設計計算 4.1 滾珠絲杠螺母副的選用設計 銑床XY向進給機構的進給運動，由進電機的轉動，然后帶動車床絲杠傳動。在數(shù)控車床上的絲杠傳動，可以用普通的絲杠傳動，也還有應用滾珠絲杠來轉動。原因是普通絲杠傳動摩，但總是不太穩(wěn)定。 所以，在加工中心上要擦系數(shù)大，效率低，傳動中有間隙。雖然傳動中的間隙可以用一些辦法來補償，修正采用滾珠絲杠傳動。滾珠絲杠傳動有一系列的優(yōu)點，但制造工藝較為復雜，成本高，在某些應用上受到一定的限制，但隨著數(shù)控車床的發(fā)展，它的使用將會更加廣泛。 滾珠絲杠傳動都使用防護罩，以防止空氣中的塵土和其它雜物等進入。 滾珠絲杠和滾珠螺母組成滾珠絲杠螺母副，它是把步進電機的轉動－角位移，變換成數(shù)控車床XY向進給機構的的直線位移。 滾珠絲杠螺母副，也簡稱為滾珠絲杠副，是一種新的傳動機構，它是在絲杠和螺母的螺旋槽之間裝有滾珠，以此作為中間元件的一種傳動機構。 4.1.1 滾珠絲杠副的傳動原理 絲杠和螺母上都有圓弧形的螺旋槽,這兩個圓弧形的螺旋槽對合起來就形成螺旋線的滾道,在滾道內(nèi)裝有許多滾珠.當絲杠旋轉時,滾珠相對于螺母上的滾道滾動,因此絲杠與螺母之間滾道的摩擦為滾動摩擦.為防止?jié)L珠從螺母中吊出來,在螺母的螺旋槽兩端應用擋住器擋住,并設有回路滾道是他的兩端連接起來.使?jié)L珠從滾道的一端滾出后,沿著這個回路滾道從新返回到滾道的另一端,可以循環(huán)進行不斷地滾動。 4.1.2 滾珠絲杠副的傳動特點 滾珠絲杠副的優(yōu)點是:傳動效率高,因為它是滾動摩擦,傳動效率可達0.92~0.96,比普通的絲杠傳動提高3~4倍.由此帶來了一系列的優(yōu)點,如功率損耗小,傳動平穩(wěn),磨損小,無爬行現(xiàn)象等等.除此而外還有兩個特點,一是:一般的絲杠傳動總是有間隙,而滾珠絲杠可以消除間隙,所以當絲杠轉動反向時,可以沒有空程,提高了反向的定位精度,,也增強了傳動剛度.二是:一般的絲杠傳動只能使旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動,而滾珠絲杠副由于傳動的摩擦系數(shù)小,所以既能把旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動,也可以從直線運動轉變?yōu)槁菪\動,具有傳動的可逆性,因此可以作為主動件,也可以作為從動件. 它也有缺點,主要是元件的精度要求高,光潔度要求也高,所以制造工藝很復雜,成本也高.對于絲杠和螺母上的螺旋槽,一般要求磨削成型,因而制造困難,也限制了使用. 又由于傳動的可逆性,所以不能自鎖,當應用在垂直傳動裝置時,由于自重和慣性的關系,在下降過程中不能立刻停止,因此還需要備有制動裝置. 4.1.3 滾珠絲杠副的結構與調(diào)整 滾珠絲杠副的結構盡管在形式上有很多類型，但其主要區(qū)別是在螺紋滾到的型面形狀，滾珠循環(huán)的方式，軸向間隙的調(diào)整和加預緊力的方法等三個方面。 （1）螺紋滾道型面的形狀 螺紋滾道型面的形狀有很多種，目前國內(nèi)正式投產(chǎn)的，僅有單圓弧型面和雙圓弧型面兩種，如圖所示。滾珠與滾道型面接觸點法線與絲杠軸線的垂線之間的夾角，稱為接觸角（）。 （a）單圓弧 (b) 雙圓弧 圖4-1 滾珠絲杠副螺紋滾道型面的截形 （2）單圓弧型面 一般滾道的圓弧半徑要比滾柱的半徑稍大一些。對于單圓弧型面的螺紋滾道，接觸角是隨著軸向負載大小而變化的，當軸向負載為零時，接觸角也為零；當負載逐漸增大，接觸角也逐漸增大。實驗證明：當接觸角增大時，傳動效率，軸向剛度，承載能力都隨之增大。 （3）雙圓弧型面 雙圓弧型面螺紋滾道的接觸角是不變的。在偏心距（e）決定后，滾珠與滾道的圓弧角接處，會有很小的空隙。這些空隙雖然能容納一些臟物，但不至于堵塞，反而對滾柱的滾動有利。從傳動效率，軸向剛度，承載能力等要求出發(fā)，接觸角大一些好，但接觸角過大制造就會困難。一般接觸角為，滾道的圓弧半徑也同樣比滾柱的半徑稍大一些。 滾珠的循環(huán)方式 目前國內(nèi)常用的滾珠循環(huán)方式由外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種。 （1）外循環(huán)方式 如圖所示為外循環(huán)方式，滾柱在循環(huán)過程中與絲杠脫離接觸，通過外面的循環(huán)回路稱為外循環(huán)（W系列）。這種外循環(huán)是直接在螺母的外圓上銑出螺旋槽，用擋珠器從螺母內(nèi)部切斷螺紋滾道，擋珠滾珠的去路，迫使?jié)L珠導入通向外圓螺旋槽中，構成了外面的旋環(huán)回路。外循環(huán)的結構和制造較為簡單容易，因此應用較廣，他可以制成單列或式雙列兩種的結構形式。 （2）內(nèi)循環(huán)方式 滾柱在循環(huán)過程中與絲杠始終保持接觸的稱為內(nèi)循環(huán)（N系列），如圖所示。這種內(nèi)循環(huán)是在螺母外側孔中裝了一個接通相鄰滾道的反向器，借助這個反向器迫使?jié)L珠翻過絲杠的牙頂，而進入相鄰的滾道。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副回路短，工作滾珠數(shù)目少，結構尺寸緊湊，流暢性好，摩擦磨損小，傳動效率高，軸向剛度和承載能力都較高，具有一系列優(yōu)點，但制造困難，結構復雜，所以不及外循環(huán)方式應用的廣泛。 圖4-2 外循環(huán)的滾珠絲杠 圖4-3 內(nèi)循環(huán)的滾珠絲杠 4.1.4 軸向間隙的調(diào)整和加預緊力的方法 對于滾珠絲杠副，除了單一方向的進給傳動精度有一定的要求外，對它的軸向間隙也有嚴格的要求，以保證反向傳動的精度。要把軸向間隙完全消除，也是相當困難的。通常采用雙螺母，并加預緊力的方法來消除其軸向間隙。雙螺母經(jīng)加預緊力調(diào)整后，能基本上消除軸向間隙。單螺母的滾珠絲杠副是不能調(diào)整軸向間隙和預緊力的，其軸向間隙只能依靠滾珠絲杠副本的精度和安裝時絲杠和螺母的連接精度來保證。 雙螺母加預緊力消除軸向間隙必須注意兩點，一是：通過預緊后產(chǎn)生的力，可促使預拉變形，以減少彈性變形所引起的位移。但預緊力不能太大，否則會使驅動力矩增大，傳動效率反而降低，使用壽命也隨之縮短。二是：軸向間隙的消除，不能忽視絲杠的安裝部分和驅動部分的軸向間隙，應同時調(diào)整是它減少到最小。目前常用的雙螺母預緊力調(diào)整方法有下面三種。 （1）墊片調(diào)隙式 如圖所示為墊片調(diào)隙式，一般用螺釘來連接滾珠絲杠上的兩個螺母的凸緣處，在中間加墊片。墊片的厚度是螺母間產(chǎn)生軸向位移，以達到消除間隙和產(chǎn)生預緊力的目的。 這種結構特點是結構簡單，可靠，裝拆方便。但缺點是調(diào)整很費時，在工作狀態(tài)下不能隨意調(diào)整，因為要更換不同厚度的墊片才能消除間隙，所以是用于一般精度的機構中使用。 （2）螺紋調(diào)隙式 如圖所示為螺紋調(diào)隙式。它是一個螺母的外端有凸緣，而另一個螺母的外端沒有凸緣，車有螺紋，它伸出在套筒外，并用兩個圓螺母調(diào)整好間隙后，再用一圓螺母鎖緊螺母鎖緊就可以了。 這種結構的特點是結構緊湊，調(diào)整方便，所以應用廣泛，但調(diào)整的位移量不太精確。 圖4-4 墊片調(diào)隙式 圖4-5螺紋調(diào)隙式 齒差調(diào)隙式 如圖所示為齒差調(diào)隙式。它是在兩個螺母的凸緣上各有圓齒輪2，兩者的齒數(shù)值相差一個齒，裝入內(nèi)齒圓3中，內(nèi)齒圓3是用螺釘1和定位銷4固定在套筒5上的。調(diào)整是先取下內(nèi)齒圓3，轉動圓柱齒輪2，在兩個滾柱螺母相對于滾筒5轉動時，可以使兩個螺母相互產(chǎn)生角位移，這樣滾柱螺母對于滾珠絲杠的螺旋滾道也相對移動是兩個螺母中的滾柱分別貼近在螺旋滾到的兩個相反的側面上。消除間隙并產(chǎn)生預緊力后，把內(nèi)齒圓3套上用定位銷4固定。 這種結構的特點是調(diào)整精確可靠，定位精度高，但結構復雜，僅在高精度的數(shù)控機床有所應用。 1——螺釘； 2——圓柱齒輪； 3——內(nèi)齒圓； 4——定位銷； 5——套筒。 圖4-6 齒差調(diào)隙式 4.2滾珠絲杠螺母副的計算和選型 滾珠絲杠副的作用是將旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動，其螺旋傳動是在絲杠和螺母滾道之間放人適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動摩擦。絲杠轉動時，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動。螺母上設有返向器，與螺紋滾道構成滾珠的循環(huán)通道。為了在滾珠與滾道之間形成無間隙甚至有過盈配合，可設置預緊裝置。為延長工作壽命，可設置潤滑件和密封件。 4.2.1 精度的選擇 滾珠絲杠副的精度直接影響數(shù)控機床的定位精度，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，其導程誤差對機床定位精度最明顯。一般在初步設計時設定絲杠的任意300行程變動量應小于目標設定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗算中確定。對于車床，選用滾珠絲杠的精度等級X軸為1～3級（1級精度最高），Z軸為2～5級，考慮到本設計的定位精度要求和改造的經(jīng)濟性，選擇X軸精度等級為3級，Z軸為4級。 4.2.2絲杠導程的確定 選擇導程跟所需要的運動速度、系統(tǒng)等有關，通常在：4、5、6、8、10、12、20中選擇，規(guī)格較大，導程一般也可選擇較大（主要考慮承載牙厚）。在速度滿足的情況下，一般選擇較小導程（利于提高控制精度），本設計中初選縱向絲杠導程為8，橫向絲杠導程為8。 4.2.3 最大工作載荷的計算 最大工作載荷是指滾珠絲杠螺母副在驅動工作臺時所承受的最大軸向力，也叫進給牽引力,其實驗計算公式如表4-1所示。 表4-1 實驗計算公式及參考系數(shù) 導軌類型 實驗公式 矩形導軌 1.1 0.15 燕尾導軌 1.4 0.2 綜合或三角導軌 1.15 0.15-0.18 表中為考慮顛覆力矩影響時的實驗系數(shù)；為滑動導軌摩擦系數(shù)；為移動部件總重量。G=1000 N 查表3-1選擇綜合導軌，取1.15,取0.18,為1000； 算得=1.15×1197+0.18×（3420+1000） =2171.55 4.2.4 最大動載荷的計算 載荷隨時間急劇變化且使構件的速度有顯著變化（系統(tǒng)產(chǎn)生慣性力），此類載荷為動載荷。比如起重機以等速度吊起重物，重物對吊索的作用為靜載，起重機以加速度吊起重物，重物對吊索的作用為動載。 對于滾珠絲杠螺母副的最大動載荷計算公式如下： 式中：—滾珠絲杠副的壽命系數(shù)，單位為r，（T為使用壽命，普通機床T取5000-10000h，數(shù)控機床T取15000h；n為絲杠每分鐘轉速）； —載荷系數(shù)，一般取1.2～1.5，本設計取1.2； —硬度系數(shù)（HRC58時取1.0；等于55時取1.11；等于52.5時取1.35；等于50時取1.56；等于45時取2.40）； —滾珠絲杠副的最大工作載荷，單位為N。 本設計中XY向承受最大條件下最快的進給速度,初選絲杠基本導程，則絲杠轉速。取滾珠絲杠使用壽命，帶入得=90；取，代入，求得 ：=17390N。 4.2.5 滾珠絲杠螺母副的選型 初選滾珠絲桿副時應使其額定動載荷, 當滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速狀態(tài)下長時間承受工作載荷時，還應使額定靜載荷。 根據(jù)計算出的最大動載荷,選擇江蘇啟東潤澤機床附件有限公司生產(chǎn)的FL5008-3型內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副，采用雙螺母螺紋式預緊，精度等級為4級，其參數(shù)如表3-2所示。 表3-2 FL5008-3型滾珠絲杠相關參數(shù) 公稱直徑/ 導程/ 鋼球直徑/ 絲杠外徑/ 絲杠底徑/ 額定載荷/ 接觸剛度 / 1897 50 8 4.763 48.6 45.24 66 31 4.2.6 滾珠絲杠副的支承方式 滾珠絲杠副的支承主要用來約束絲杠的軸向竄動，為了提高軸向剛度，絲杠支承常用推力軸承為主的軸承組合?？紤]到縱向絲杠長度較大，本設計縱向絲杠采用雙推—簡支支承方式，該方式臨界轉速、壓桿穩(wěn)定性高，有熱膨脹的余地。 3.4.3 傳動效率的計算 滾珠絲杠的傳動效率一般在0.8～0.9之間，其計算公式如下： = 式中：—螺距升角，根據(jù),可得=2°91′； —摩擦角，一般取=10′。 算得： ==96.67% 4.2.8 剛度的驗算 滾珠絲杠副工作時受軸向力和轉矩的作用，引起導程的變化，從而影響定位精度和運動的平穩(wěn)性。軸向變形主要包括絲杠的拉伸或壓縮變形、絲杠與螺母間滾道的接觸變形、支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形。 因轉矩和絲杠-螺母滾道接觸對絲杠產(chǎn)生的導程變化很小，所以、可以忽略不計，所以絲杠的拉伸或壓縮變形量為： =（“+”號代表拉伸，“-”代表壓縮） 式中：—絲杠的最大工作載荷，單位為； —絲杠縱向最大有效行程，單位為； —絲杠材料的彈性模量，鋼； —絲杠的橫截面面積，單位按絲杠螺紋的底徑確定。 根據(jù)前面的設計，為3234.36，取1665，為45.24，算得： ==±0.01597=±15.97 查表3-3可知，,所以剛度足夠。 表3-3 有效行程內(nèi)的目標行程公差和行程變動量 有效行程 精度等級 1 2 3 4 5 大于 至 — 315 6 6 8 8 12 12 16 16 23 23 400 500 8 7 10 9 15 13 20 19 27 26 1600 2000 18 13 25 18 35 25 48 36 65 51 4.2.9 穩(wěn)定性校核 由于滾珠絲杠本身比較細長又受軸向力的作用，若軸向負載過大，則會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不失穩(wěn)時的臨界載荷Fk應該滿足： = 式中：—絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時，取2，其他方式如表3-4所示； —滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5～4，垂直安裝時取最小值，本設計取4； —滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為，本設計中該值為1500； （其中工件加工范圍為850，取1500，留650的兩端余量） —按絲杠底徑確定的截面慣性矩（，單位為）,本設 中將代入算出=205513.36。 由以上數(shù)據(jù)可以算出：== 臨界載荷遠大于工作載荷（3234.36N），故絲杠不會失穩(wěn)。 表3-4 絲杠支承系數(shù) 支承方式 雙推-雙推 雙推-簡支 單推-單推 雙推-自由 取值 4 2 1 0.25 4.2.10 臨界轉速的驗證 滾珠絲杠副高速運轉時，需驗算其是否會發(fā)生共振的最高轉速，要求絲杠的最高轉速： 式中：—絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時，取值如表3-5所示； —臨界轉速計算長度，單位為，本設計中該值為2300； —絲杠內(nèi)徑，單位； —安全系數(shù)，可取=0.8 表3-5 絲杠支承系數(shù) 支承方式 雙推-雙推 雙推-簡支 單推-單推 雙推-自由 取值 27.4 18.9 12.1 4.3 經(jīng)過計算，得出=1293，由已知，可以算出，該值小于絲杠臨界轉速，所以滿足要求。 4.3 齒輪傳動的計算 有關齒輪計算 傳動比 故取 ； ； ； ； ； 4.4 步進電動機的選擇 （1）工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉動慣量 絲杠的轉動慣量 式中 ——滾珠絲杠的公稱直徑； ——絲杠長度。 則 齒輪的轉動慣量 電機的轉動慣量很小可忽略。 因此，總轉動慣量 （2）所需轉動力矩計算 快速空載啟動時所需力矩 最大切削負載時所需力矩 快速進給時所需力矩 式中 ——空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩； ——折算到電機軸上的摩擦力矩； ——由于絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩； ——切削時折算到電機軸上的加速度力矩； ——折算到電機軸上的切削負載力矩。 當時 當時 當時， 時 當時預加載荷，則 所以，快速空載啟動所需力矩 切削時所需力矩 快速進給時所需力矩 由上分析計算可知，所需最大力矩發(fā)生在快速啟動時： （3）縱向進給系統(tǒng)步進電機的確定 為了滿足最小步距要求，電動機選用三相六拍工作方式，查表知 所以，步進電機最大靜轉距為 步進電機最高工作頻率 綜合考慮，查表選用110BF003型直流步進電動機，能滿足要求[7-12]。 4.5導軌的特點 滑動導軌的優(yōu)點是結構簡單、制造方便和抗振性良好；缺點是磨損快。 為了提高耐磨性，國內(nèi)外主要采用鑲鋼滑動導軌和塑料滑動導軌。 滑動導軌常用材料有鑄鐵、鋼、有色金屬和塑料等。 1．鑄鐵 鑄鐵有良好的耐磨性、抗振性和工藝性。常用鑄鐵的種類有： （1）灰鑄鐵 一般選擇HT200，用于手工刮研、中等精度和運動速度較低的導軌，硬度在HB180以上； （2）孕育鑄鐵 把硅鋁孕育劑加入鐵水而得，耐磨性高于灰鑄鐵； （3）合金鑄鐵 包括：含磷量高于0.3％的高磷鑄鐵，耐磨性高于孕育鑄鐵一倍以上；磷銅鈦鑄鐵和釩鈦鑄鐵，耐磨性高于孕育鑄鐵二倍以上；各種稀土合金鑄鐵，有很高的耐磨性和機械性能； 鑄鐵導軌的熱處理方法，通常有接觸電阻淬火和中高頻感應淬火。接觸電阻淬火，淬硬層為0.15~0.2mm。硬度可達HRC55。中高頻感應淬火， 淬硬層為2~3mm，硬度可達HRC48~55，耐磨性可提高二倍，但在導軌全長上依次淬火易產(chǎn)生變形，全長上同時淬火需要相應的設備。 2．鋼 鑲鋼導軌的耐磨性較鑄鐵可提高五倍以上。常用的鋼有：9Mn2V、CrWMn、GCr15、T8A、45、40Cr等采用表面淬火或整體淬硬處理，硬度為52~58HRC；20Cr、20CrMnTi、15等滲碳淬火，滲碳淬硬至56~62HRC；38C rMoAlA等采用氮化處理。 3．有色金屬 常用的有色金屬有黃銅HPb59-l，錫青銅ZCuSn6Pb3Zn6，鋁青銅ZQAl9-2和鋅合金ZZn-Al10-5，超硬鋁LC4、鑄鋁ZL106等，其中以鋁青銅較好。 4．塑料 鑲裝塑料導軌具有耐磨性好(但略低于鋁青銅)，抗振性能好，工作溫度適應范圍廣(-200~+260℃)，抗撕傷能力強，動、靜摩擦系數(shù)低、差別小，可降低低速運動的臨界速度，加工性和化學穩(wěn)定件好，工藝簡單，成本低等優(yōu)點。目前在各類機床的動導軌及圖形發(fā)生器工作臺的導軌上都有應用。塑料導軌多與不淬火的鑄鐵導軌搭配。 導軌的使用壽命取決于導軌的結構、材料、制造質(zhì)量、熱處理方法、以及使用與維護。提高導軌的耐磨性，使其在較長時期內(nèi)保持一定的導向精度，就能延長設備的使用壽命。常用的提高導軌耐磨性的方法有：采用鑲裝導軌、提高導軌的精度與改善表面粗糙度、采用卸荷裝置減小導軌單位面積上的壓力(即比壓)等。 4.6 導軌的設計 一．作用力合作用點位置，作用力方向和作用點的位置唏噓合理安置。一邊導軌傾斜的力矩盡量小。否則會使導軌中的摩擦力增大，磨加劇，從而降低導軌的靈活性和導向精度。嚴重時甚至還可能卡死，不能正常工作。 作用在運動件上的推力有三種情況： 1.推力通過運動件在軸線 2.推力作用點在運動件的軸線上。但推力的方向與軸線成一夾角 3.推力平行于運動件的軸線上 對于第一種情況，導軌鎮(zhèn)南關的摩擦力只受到載荷及運動件本身重量的影響，推力不會產(chǎn)生附加摩擦力。猶豫結構上的限制，實際的結構中往往出項第二第三中情況。為了保證導軌的靈活性，要對導軌進行驗算，在已知的條件先，確定各部分的集合尺寸。 推力F與運動件軸線組成夾角a,如圖所示 推力F的作用將使運動件產(chǎn)生傾斜，從而使運動件與承導體的倆點處壓緊， 設正壓力分別為 .，相應摩擦力，，作用間的距離為L，軸向阻力為 根據(jù)靜力平衡條件,運動件的直徑較小時，上式中含有d的各項可以略去?？? 解得： 欲推動運動件，則必須使 若要保證不卡死的條件是： 由此，可得到當推力F與運動件有一夾角a時，運動件正常工作的條件是 為當量摩擦系數(shù) 在燕尾形和三角形導軌中: --滑動摩擦系數(shù) --燕尾輪廓角與三角底角 二．選與運動件軸線與軸線相距h，圖中為軸向阻力和為反作用力，為當量摩擦系數(shù)，根據(jù)靜力平衡條件 解得： 推動運動件則必須： 保證運動件不卡死條件 即： 為了保證運動靈活，可取值 當取f=0.25時，則有： 對圓柱形導軌： 對矩形導軌： 對燕尾形或三角形導軌： 在本設計的導軌中：h=200mm L=360 因此： 符合相關要求. 4.7 滾珠絲杠副的安全使用 4.7.1 潤滑 為使?jié)L珠絲杠副充分發(fā)揮機能，在其工作狀態(tài)下，必須潤滑，潤滑的方式主要有以下兩種： 1．潤滑脂 潤滑脂的給脂量一般是螺母內(nèi)部空間容積的1／3，滾珠絲杠副出廠時在螺母內(nèi)部已經(jīng)加注GB7324—942#鋰基潤滑脂。 2．潤滑油 運動粘度28．5—74cst(400T)的潤滑油，給油量隨使用條件等的不同而有所變化。 4.7.2 防塵 滾珠絲杠與滾動軸承一樣，如果污物及異物進入就很快使它磨損，成為破損的原因。因此，考慮有污物異物進入時，必須采用防塵裝置，將絲杠軸完全保護起來。另外，如沒有異物，但有浮沉時可以在滾珠螺母兩端增加防塵圈。 4.7.3使用 滾珠絲杠副在使用時應注意以下事項： 1．滾珠螺母應在有效行程內(nèi)運動，必要時在行程兩端配置限位，以免螺母約程脫離絲杠軸而使?jié)L珠脫落。 2．滾珠絲杠副由于傳動效率高，不能自鎖，在用于垂直方向傳動使，如部件重量未加平衡，必須防止傳動停止或電機失電后，因部件自重而產(chǎn)生的逆?zhèn)鲃印? 3．滾珠絲杠副正常工作環(huán)境溫度為±60C。 4.7.4 安裝 滾珠絲杠副在安裝時應注意以下事項： 1.滾珠絲杠副僅用于承受軸向載荷。徑向載荷、彎矩會使?jié)L珠絲杠副產(chǎn)生附加表面接觸應力等負荷，從而造成絲杠的永久性破壞。因此，滾珠絲杠副安裝到機床時，應注意： 1）絲杠的軸線必須和其配套導軌的軸線平行，機床的兩端軸承座與螺母座必須三點成一線； 2）安裝螺母時，應盡量靠近支撐軸承； 3）同時，安裝支撐軸承時，應盡量靠近螺母安裝部位。 2.滾珠絲杠安裝到機床時，盡量不要把螺母從絲杠上卸下來，如 必須卸下來時要使用輔助套，否則裝卸時滾珠有可能脫落。螺母裝卸時應注意以下幾點： 1）輔助套外徑應小于絲杠底徑0.1-0.2 mm 2）輔助套早使用中必須靠緊絲杠螺紋軸肩； 3）裝卸時，不可使用過大力以免螺母損壞； 4）裝入安裝孔時要避免撞擊和偏心。 結 論 在這幾個月的畢業(yè)設計的過程中，我認真分析了指導老師提供的基本設計數(shù)據(jù)和要求，之后在查閱了大量工具書和期刊資料；對現(xiàn)在我國的加工中心XY向進給機構總體趨勢進行分析，在網(wǎng)上和圖書館搜集了大量的第一手的資料，首先初步確定了本次設計的基本方案，然后設計出了具體的方案。 伺服系統(tǒng)采用了步進電機通過彈性聯(lián)軸器直接與滾珠絲杠連接驅動絲杠傳動，而且其軸承采用的是角接觸軸承保證其主軸不竄動，采用一個深溝來保證其徑向的圓跳動。在設計中我們兼顧經(jīng)濟性，考慮滿足精度的要求，因此對于設備及元件的選擇都要求具有高精度，因此設計的成本較高。 參考文獻 [1]馮辛安主編.機械制造裝備設計.北京：機械工業(yè)出版社，19991.0 [2]盛伯浩主編.機床的現(xiàn)狀與發(fā)展.北京：機械工業(yè)出版社，2005.1. 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