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基于摩擦傳動的高分辨率和大沖程的微量進(jìn)給機(jī)械系統(tǒng) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院劉海濤，盧澤生 摘要 在摩擦傳動原理的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種通過壓電陶瓷結(jié)合螺桿軸和氣體靜壓引導(dǎo)的方式驅(qū)動的長沖程和高分辨率的微量進(jìn)給系統(tǒng)。設(shè)計(jì)用來使加載裝置可以靈活的起落。利用有限元方法對柔性連接裝置對它的靜態(tài)特性進(jìn)行分析。對這種微量進(jìn)給系統(tǒng)的傳輸特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析。 關(guān)鍵詞： 摩擦傳動 壓電傳動裝置 柔性鉸鏈 有限元 1.簡介 光學(xué)在航空、航天、國防等領(lǐng)域中已得到廣泛應(yīng)用的行業(yè)。然而,生產(chǎn)的大型光學(xué)鏡面面臨著巨大的困難,效率較低、成本較高、增加在工藝設(shè)備的要求等。為了獲得更高的精度，高微位移分辨率超-先進(jìn)精密機(jī)床有待進(jìn)一步深入,以補(bǔ)償加工誤差。因此,微量進(jìn)給機(jī)制的設(shè)計(jì)已成為其關(guān)鍵技術(shù)之一。壓電陶瓷是一種近年來發(fā)展起來的新型的微量進(jìn)給機(jī)制。它所擁有的優(yōu)勢,比如體積小、功率大、分辨率高和高頻率響應(yīng),恒溫,不反彈，無粘性。因此它廣泛使用在微量進(jìn)給機(jī)制。如今,摩擦傳動機(jī)制逐步被獲得和使用。 2．微量進(jìn)給機(jī)制的結(jié)構(gòu)和工作原理 微量進(jìn)給機(jī)制是由三個部分組成:摩擦傳動裝置、滾珠螺桿及靜態(tài)壓力空氣軸承引導(dǎo)的方式。采用壓電陶瓷微量進(jìn)給機(jī)制阻滯,這些摩擦傳動扭曲向上套筒和驅(qū)動器 滾珠絲杠,從而帶動空氣軸承引導(dǎo)地實(shí)現(xiàn)了微量進(jìn)給運(yùn)動。 結(jié)構(gòu)如圖1所示。 1， 軸承支架，2.活塞，3、活塞缸，4.精壓力空氣軸承導(dǎo)軌，5.滾珠絲杠，6. 壓電陶瓷底座，7.壓電陶瓷底座 圖一：進(jìn)給機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 按照圖2所示的進(jìn)給系統(tǒng)工作原理是,套筒連接著球摩擦傳動螺桿、四個模塊是放置的兩側(cè)對稱的軸套。每一塊由相應(yīng)的壓電陶瓷用于驅(qū)動,這種機(jī)制由于是由壓電陶瓷驅(qū)動，適用于夾持產(chǎn)生夾力。進(jìn)給機(jī)制的運(yùn)作,壓電陶瓷適用于夾持在同一陣營的摩擦傳動驅(qū)動都工作在特定塊整齊,從而使摩擦傳動套筒連續(xù)的傳動。 圖1:(b)進(jìn)給系統(tǒng)圖片 圖2:進(jìn)料機(jī)構(gòu)的運(yùn)行原理 3．結(jié)合設(shè)計(jì)的可調(diào)機(jī)制 擰緊調(diào)節(jié)機(jī)制是一個需要在摩擦傳動機(jī)構(gòu)，它必須有足夠的 預(yù)緊力。典型的方法是鋼板彈簧預(yù)緊預(yù)緊機(jī)制，螺旋預(yù)緊 機(jī)制，氣壓預(yù)緊機(jī)制等。該擰緊機(jī)制本文設(shè)計(jì)的 靈活的平行四桿機(jī)構(gòu)。這是由壓電陶瓷droved供應(yīng)預(yù)緊力。該 預(yù)緊力可以改變控制的壓電陶瓷輸入電壓。 如圖3所示，利用有限元軟件分析的靜態(tài)特性。當(dāng)驅(qū)動力的 壓電陶瓷是在最大500N的，靈活安排四桿機(jī)構(gòu)剛度，有限元分析 軟件，是K =24.15N/μm，以及最大應(yīng)力彈性鉸鏈?zhǔn)? 32.7Mpa。如果沒有靈活失真 四桿機(jī)構(gòu)（即當(dāng)摩擦傳動板塊跟硬性），輸出力的壓電 陶瓷將完全轉(zhuǎn)化為預(yù)緊通過靈活的四桿機(jī)構(gòu)的力量。 4．驅(qū)動特性分析的機(jī)制 學(xué)習(xí)和掌握輻射源驅(qū)動特性的機(jī)制以便采取適當(dāng)?shù)拇胧?，以改善整體性能，并提供了設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 4.1驅(qū)動力矩 當(dāng)系統(tǒng)啟動時(shí)，有一個初步的轉(zhuǎn)動慣量作為零件的質(zhì)量存在問題的結(jié)果。為了研究驅(qū)動力矩，選擇摩擦傳動套筒為主體的影響。根據(jù)該理論認(rèn)為，動力學(xué)傳動裝置的能量是一樣的火車前和轉(zhuǎn)換后，各部分的轉(zhuǎn)動慣量，轉(zhuǎn)化為摩擦套。正因?yàn)槿绱?，我們可以得到轉(zhuǎn)換后的轉(zhuǎn)動慣量。 圖三:計(jì)劃的靜態(tài)特性分析結(jié)合的機(jī)制 P:導(dǎo)程，m R：套筒半徑，m Ms：滾珠螺桿質(zhì)量，kg Mt：套筒質(zhì)量，kg 通過以上分析,我們得到的等效轉(zhuǎn)動慣量的摩擦的袖子。現(xiàn)在我們選擇摩擦的袖子一樣對象來討論這個驅(qū)動力矩(動力),是需要裝置時(shí)開始及其影響因素。下列方程裝置時(shí)開始工作： J：等效轉(zhuǎn)動慣量，kg。m2 R：摩擦套筒半徑，m ：套筒摩擦角加速度，rad/s2 M：驅(qū)動力矩，n。m F：驅(qū)動力（摩擦片與套筒之間的摩擦力），n 當(dāng)系統(tǒng)啟動時(shí)，一個適宜的驅(qū)動器偏轉(zhuǎn)組應(yīng)該被應(yīng)用于摩擦套，以使該套可以有一定的角加速度。該驅(qū)動器偏轉(zhuǎn)組所產(chǎn)生的壓電輸出力陶瓷。由式2我們可以得到的等效轉(zhuǎn)動慣量的系統(tǒng)，半徑套的摩擦和驅(qū)動器對壓電陶瓷（爆發(fā)摩擦塊之間的摩擦和摩擦套），是影響力機(jī)制啟動的因素，所以我們應(yīng)該考慮各因素，以確保機(jī)制正常啟動。 4.2驅(qū)動剛性 剛性的驅(qū)動是其中的重要驅(qū)動進(jìn)給機(jī)構(gòu)的特征之一?，F(xiàn)在我們將分析駕駛進(jìn)給機(jī)構(gòu)的剛度詳細(xì)的證明。不靈活的進(jìn)給機(jī)構(gòu)的級聯(lián)連接剛度的飼料的每一個片段的機(jī)制,這種機(jī)制有計(jì)算公式如下: K：進(jìn)刀機(jī)構(gòu)總體硬度 Ky：壓電陶瓷剛度 Kf：接觸剛度之間的接觸摩擦表面的摩擦剛性塊體和壓電陶瓷套筒 Ks：導(dǎo)螺桿軸向剛度 Ks'：從軸向剛度改變導(dǎo)螺桿的扭轉(zhuǎn)剛度 Kn：螺母剛度 Kb：軸向載荷 Kh：軸承座機(jī)軸承架螺母的剛度 Kd：螺母連接塊軸向剛度 這是部分的分析和計(jì)算的剛性。 4.2.1壓電陶瓷剛度 本文用壓電陶瓷微定位是打印的WTYD0808055陶瓷生產(chǎn)的中國電子科技集團(tuán)公司先研究所。通過它的剛度測量實(shí)驗(yàn)15.15N /μm,如圖4 4.2.2接觸表面的接觸剛度、摩擦塊之間的套筒 兩個物體互相接觸將在以前的某些行動切向相對滑移過渡切向外部力量，這被稱為預(yù)位移。力和位移之間的比例關(guān)系，實(shí)際上反映了一個剛性的特點(diǎn)。相應(yīng)的剛性現(xiàn)在是： K：常數(shù) N：正壓力 R：對摩擦半徑的理想化的球體表面 很明顯的,特殊摩擦方程出發(fā),得到了齒輪傳動系統(tǒng)、鉀是由實(shí)驗(yàn),r是常量,唯一的影響 動人的剛性因素常壓N .很明顯,更大的N、較大的接觸剛度K。 圖4:剛度曲線的壓電陶瓷 4.2.3 軸向剛度的改變,從扭轉(zhuǎn)剛度的導(dǎo)螺桿 傳動鏈方面的需要進(jìn)行改造時(shí)統(tǒng)一計(jì)算它的剛性。因此，扭轉(zhuǎn)剛性必須轉(zhuǎn)換成下面的公式軸向剛度： 是螺旋上升的鉛角，（°）; D是絲桿直徑，mm; F是絲桿軸向力,N; M是絲桿輸入時(shí)刻，N·mm; 是在絲桿和螺母之間的摩擦角，（°）; 是對絲杠扭轉(zhuǎn)剛度，Nmm/rad; 是絲杠扭轉(zhuǎn)，rad P是絲桿長度，mm; G是絲桿剪切彈性模量，Mpa; 是截面慣性矩，mm L是兩個推力軸承的距離，mm 螺母連接的剛性塊軸向可以得到的有限元分析。螺母支架的剛度和軸承塊是非常大的，可以予以辭退。其他部分可以得到剛性通過查找表和計(jì)算。總之，通過演繹著驅(qū)動進(jìn)給機(jī)構(gòu)的剛性方程，我們已經(jīng)找到了影響因素每一次駕駛駕駛部分，它提供了有關(guān)駕駛特性研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步造成剛性。 5.進(jìn)刀機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究 5.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ) 如圖5所示，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是由送料機(jī)構(gòu)，計(jì)算機(jī)，壓電陶瓷驅(qū)動器其電源供應(yīng)器及電感測微儀。 圖5:基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 本文采用一種基于平均控制曲線模型建立開環(huán)控制模型。首先,實(shí)驗(yàn)曲線測量壓電陶瓷控制電壓之間的關(guān)系和滑動運(yùn)輸距離。利用Matlab軟件以適應(yīng)線,以三次代數(shù)多項(xiàng)式擬合線,線擬合誤差,是一樣的顯示在圖6,由此我們得到相應(yīng)的關(guān)系表達(dá)式的控制電壓和距離和因此控制距離的進(jìn)給機(jī)制。 圖6:適合以三次代數(shù)多項(xiàng)式 控制電壓和距離的關(guān)系式公式7所示 x是輸出的距離,μm; u控制電壓,V。 5.2實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)分辨率 如圖7,壓電陶瓷具有一定的伸長。就在這個時(shí)候,距離工作表微0.15μm。 然后一步拉伸逐漸在此基礎(chǔ)上,保持1.5在每一時(shí)刻。采樣時(shí)間是控寄存器。這分辨率曲線可以獲得實(shí)踐的距離,通過測量微進(jìn)給機(jī)構(gòu)使用的電感測微儀。 圖7:距離分辨率曲線的進(jìn)給機(jī)制 6．結(jié)論 微進(jìn)給機(jī)構(gòu)一步用長征、高分辨率的設(shè)計(jì),并在此基礎(chǔ)上從以下結(jié)論分析得出: 1.結(jié)合機(jī)理的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了壓電陶瓷靈活的鐵鉸鏈和分析了它靜態(tài)特性,采用有限元分析軟件; 2.分析了起動轉(zhuǎn)矩的微進(jìn)給機(jī)構(gòu)的等效轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算;分析了駕駛剛度特性的微進(jìn)給機(jī)構(gòu),發(fā)現(xiàn)其影響因素; 3. 微進(jìn)給機(jī)構(gòu)可以達(dá)到300mm，分辨率小于0.05μm少。 參考文獻(xiàn) 1.Seugng-Bok Choi, Sang-Soo Han. Position Control System Using ER Clutch and Piezoactuator. Pro. of SPIE, 2003, 5056: 424~431 2．Suzuki H, Kodera S, Mabkawa S, et al. Study on Precision Grinding of Micro a Spherical Surface. JSPE, 1998, 64(4):619~623. 3.Arrasmith S. R, Kozhinova I A, Gregg L L et al. Details of The polishing Spot in Magnetorheological Finishing(MRF).Proceedings of SPIE-the International Society for OpticalEngineering,2001,Vol.3782:92~100. 4.Atherton P D, Xu Y, McConnell M. New X-Y Stage for Precision Positioning and Scanning. SPIE, 1996, 2865:15~20. 5.Liu Yung -Tien, Toshiro Higuchi, Fung Rong-Fong. A Novel Precision Positioning Table Utilizing Impact Force of Spring-Mounted Piezoelectric Actuator. Precision Engineering, 2003, 27:14221 6.Lobontiu N, Goldfarb M, Garcia E. A Piezoelectric Drive Inchworm Locomotion Device. Mechanism and Machine Theory, 2001, 36: 425~443. 7.A. A. Elmustafa, Max G. Lagally. Flexural-hinge Guided Motion Nanopositioner Stage for Precision Machining: Finite Element Simulations. Precision Engineering, 2001, 25: 77~81 8.Jaehwa Jeong, Young-Man Choi, Jun-Hee Lee. Design and Control of Dual Servo Actuator for Near Field Optical Recording System. Pro. of SPIE, 2005, 6048: 1~8 9.Kim Jeong-Du, Nam Soo-Ryong. Development of a Micro-depth Control System for an Ultra-precision Lathe Using a Piezoelectric Actuator. International Journal of Machine Tools and Manufacture. Volume:37,Issue:4, April, 1997, pp.495~509 10.Li Sheng-yi, Luo Bing, Dai Yi-fan, Peng Li. Design and Experiment of The Ultra Precision Twist-roller Friction Drive. ICAMT'99.1999. 附表4： 寧波大紅鷹學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 所在學(xué)院 機(jī)電學(xué)院 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 班級 08機(jī)自4（本） 學(xué)生姓名 任豪 學(xué)號 08141010418 指導(dǎo)教師 謝建平 題 目 端面磨床Z軸往復(fù)進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作內(nèi)容與基本要求：（目標(biāo)、任務(wù)、途徑、方法，應(yīng)掌握的原始資料（數(shù)據(jù)）、參考資料（文獻(xiàn)）以及設(shè)計(jì)技術(shù)要求、注意事項(xiàng)等）（紙張不夠可加頁） （一）設(shè)計(jì)基本參數(shù) 1、 砂輪主軸轉(zhuǎn)速1200r/min 2、 產(chǎn)品主軸轉(zhuǎn)速100r/min 3、 磨削進(jìn)給速度：0.002mm/min(精磨)；0.02mm/min(粗磨) 4、 加工材料：氧化鋯（ZrO2） 5、 產(chǎn)品磨削面積：3500平方毫米（吸盤直徑125毫米），產(chǎn)品規(guī)格：直徑2.5毫米，長度10.5毫米。 6、 砂輪：端面金剛石砂輪（精磨、粗磨兩種） 7、 磨削精度：產(chǎn)品長度10.5±0.005 8、 操作基本要求：產(chǎn)品經(jīng)人工裝上吸盤后，設(shè)備自動完成磨削并停機(jī)，等待下一次磨削。 （二）課題設(shè)計(jì)途徑與方法： 1、了解氧化鋯及其用途，常用的加工方法。（了解加工對象） 2、了解常用材料的性能特點(diǎn)及加工方法、熱處理方法（加工工藝方法）。 3、了解端面磨削基本結(jié)構(gòu)。（總體構(gòu)思與布局） 4、軸承種類與形式、特點(diǎn)及計(jì)算。 5、絲桿種類與形式、特點(diǎn)及計(jì)算。 6、受力分析、與計(jì)算。 7、設(shè)計(jì)繪圖。 8、設(shè)計(jì)研討會，改進(jìn)設(shè)計(jì)。（集思廣益） 9、編制設(shè)計(jì)計(jì)算書，加工工藝等。（計(jì)算） 10、綜述、參考索引、編制。 二、畢業(yè)論文進(jìn)度計(jì)劃 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間： 2011年6月25日至 2012年3 月 15 日 計(jì) 劃 答 辯 時(shí) 間： 2012 年 4 月15 日 三、專業(yè)（教研室）審批意見： 審批人（簽字）： 工作任務(wù)與工作量要求：原則上查閱文獻(xiàn)資料不少于12篇，其中外文資料不少于2篇；文獻(xiàn)綜述不少于3000字；文獻(xiàn)翻譯不少于2000字；畢業(yè)論文1篇不少于8000字，理工科類論文或設(shè)計(jì)說明書不少于6000字（同時(shí)提交有關(guān)圖紙和附件），外語類專業(yè)論文不少于相當(dāng)6000漢字。 提交相關(guān)圖紙、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、調(diào)研報(bào)告、譯文等其它形式的成果。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）撰寫規(guī)范及有關(guān)要求，請查閱《寧波大紅鷹學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)手冊》。 備注：學(xué)生一人一題，指導(dǎo)教師對每一名學(xué)生下達(dá)一份《畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書》。 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 端面磨床Z軸往復(fù)進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 所在學(xué)院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學(xué) 號 指導(dǎo)老師 年 月 日 誠 信 承 諾 我謹(jǐn)在此承諾：本人所寫的畢業(yè)論文《端面磨床Z軸往復(fù)進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)》均系本人獨(dú)立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點(diǎn)和材料，均作了注釋，若有不實(shí)，后果由本人承擔(dān)。 承諾人（簽名）： 年 月 日 摘 要 磨床作為機(jī)電液氣一體化的典型產(chǎn)品，能解決機(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量、零件多變的問題，加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較高。 本文的主要內(nèi)容有： 1．對普通磨床經(jīng)濟(jì)性評價(jià)詳細(xì)論證，確定普通磨床方案； 2．對進(jìn)給系統(tǒng)的滾珠絲杠型號選擇與裝配設(shè)計(jì)，支承方式的設(shè)計(jì)與軸承型號選擇，步進(jìn)電機(jī)選擇等進(jìn)行了詳細(xì)研究； 關(guān)鍵詞：普通磨床，進(jìn)給機(jī)構(gòu) Abstract As a representative production of mechanical, electronic, hydraulic and pneumatic integration, numerically controlled machines have a stabilization quality and high efficiency, and can solve problems such as complex structure, high precision, mass production, part variety in machining. The main contents is: 1. The economical efficiency of the reform is evaluated in detail and the reforming scheme is marked according to misty optimum’s synthesize adjudicate principle. 2. The ball screw’s type, assembling, supporting, bearing type, and stepping motorof feeding system is designed. Key Words: General purpose milling，F(xiàn)eed mechanism 目 錄 Abstract IV 目 錄 V 第1章 緒 論 8 1.1 磨床的類型與用途 8 1.1.1 磨床的類型及其特點(diǎn) 8 1.1.2 磨床的用途 9 1.1.3 端面磨床 10 1.2 磨床的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢 10 1.3 端面磨床的設(shè)計(jì)任務(wù)要求 11 第2章 端面磨床總體設(shè)計(jì)方案 12 2.1 端面磨床總體設(shè)計(jì) 12 2.2、總體設(shè)計(jì)注意事項(xiàng) 12 2.3 端面磨床總體布局設(shè)計(jì) 12 2.3.1 加工零件 12 2.3.2 初步估計(jì)組成部分 12 2.3.3 總體布局初步設(shè)計(jì) 12 2.3.4 縱向與橫向尺寸的確定 13 第3章 端面磨床Z軸往復(fù)進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 3.1 Z軸進(jìn)給傳動設(shè)計(jì) 15 3.1.1 計(jì)算步驟 15 3.1.2 確定滾珠絲杠導(dǎo)程Ph 16 3.1.3 滾珠絲杠副載荷及轉(zhuǎn)速計(jì)算 17 3.1.4 確定預(yù)期額定動載荷 17 3.1.5 按精度要求確定允許的滾珠絲杠最小螺紋底d2m 18 3.1.6 確定滾珠絲杠副規(guī)格代號 20 3.1.7 確定預(yù)緊滾珠絲杠副預(yù)緊力Fp 20 3.1.8 計(jì)算行程補(bǔ)償值C和預(yù)拉伸力F1 21 3.1.9確定滾珠絲杠副支承用軸承規(guī)格型號 21 3.1.10 滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(jì) 22 3.1.11 電機(jī)的選擇 22 3.1.12 傳動系統(tǒng)剛度計(jì)算 23 3.1.13 傳動系統(tǒng)剛度驗(yàn)算及滾珠絲杠副的精度選擇 24 3.1.14、滾珠絲杠副臨界壓縮載荷F的校驗(yàn)（驗(yàn)算壓桿穩(wěn)定性） 25 3.1.15 滾珠絲杠副極限轉(zhuǎn)速nc校驗(yàn)（避免高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生共振) 26 3.1.16 Dn值校驗(yàn) 26 3.1.17 滾珠絲杠副形位公差的標(biāo)注 26 3.1.18 基本軸向額定靜載荷Coa驗(yàn)算 27 3.2 Z軸傳動裝置設(shè)計(jì) 27 3.2.1電動機(jī)的選擇 28 3.2.2皮帶設(shè)計(jì) 28 3.2.3帶輪設(shè)計(jì) 30 結(jié) 論 33 致 謝 34 參考文獻(xiàn) 35 端面磨床Z軸往復(fù)進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第1章 緒 論 1.1 磨床的類型與用途 機(jī)械制造業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位，是國民經(jīng)濟(jì)各部門賴以發(fā)展的基礎(chǔ)，是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱，是生產(chǎn)力的重要組成部分。機(jī)械制造業(yè)不僅為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、科研和國防等部門提供各種生產(chǎn)設(shè)備、儀器儀表和工具，而且為制造業(yè)包括機(jī)械制造業(yè)本身提供機(jī)械制造裝備。機(jī)械制造業(yè)的生產(chǎn)能力和制造水平標(biāo)志著一個國家或地區(qū)的科學(xué)技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)實(shí)力。 機(jī)械制造業(yè)的生產(chǎn)能力和制造水平，主要取決于機(jī)械制造裝備的先進(jìn)程度。機(jī)械制造裝備的核心是金屬切削機(jī)床，精密零件的加工，主要依賴切削加工來達(dá)到所需要的精度。金屬切削機(jī)床所擔(dān)負(fù)的工作量約占機(jī)器制造總工作量的40%～60%，金屬切削機(jī)床的技術(shù)水平直接影響到機(jī)械制造業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率。換言之，一個國家的機(jī)床工業(yè)水平在很大程度上代表著這個國家的工業(yè)生產(chǎn)能力和科學(xué)技術(shù)水平。顯然，金屬切削機(jī)床在國民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化建設(shè)中起著不可替代的作用。 縱觀幾十年來的歷史，機(jī)械制造業(yè)從早期降低成本的競爭，經(jīng)過20世紀(jì)70年代、80年代發(fā)展到20世紀(jì)90年代乃至21世紀(jì)初的新的產(chǎn)品的競爭。目前，我國已加入世界貿(mào)易組織，經(jīng)濟(jì)全球化時(shí)代已經(jīng)到來，我國機(jī)械制造業(yè)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，也面臨著新的形勢：知識——技術(shù)——產(chǎn)品的更新周期越來越短，產(chǎn)品的批量越來越小，產(chǎn)品的性能和質(zhì)量的要求越來越高，環(huán)境保護(hù)意識和綠色制造的呼聲越來越強(qiáng)，因而以敏捷制造為代表的先進(jìn)制造技術(shù)將是制造業(yè)快速響應(yīng)市場需要、不斷推出新產(chǎn)品、贏得競爭、求得生存和發(fā)展的主要手段。 1.1.1 磨床的類型及其特點(diǎn) 用磨料磨具（砂輪、砂帶、油石和研磨料等）為工具進(jìn)行切削加工的機(jī)床，統(tǒng)稱為磨床（英文為Grinding machine），它們是因精加工和硬表面的需要而發(fā)展起來的[1]。 磨床種類很多，主要有：外圓磨床、內(nèi)圓磨床、平面磨床、工具磨床和用來磨削特定表面和工件的專門化磨床，如花鍵軸磨床、凸輪軸磨床、曲軸磨床等[2]。 對外圓磨床來說，又可分為普通外圓磨床、萬能外圓磨床、無心外圓磨床、 寬砂輪外圓磨床、端面外圓磨床等 以上均為使用砂輪作切削工具的磨床。此外，還有以柔性砂帶為切削工具的砂帶磨床，以油石和研磨劑為切削工具的精磨磨床等。 磨床與其他機(jī)床相比，具有以下幾個特點(diǎn)： 1、磨床的磨具（砂輪）相對于工件做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動（一般砂輪圓周線速度在35米/秒左右，目前已向200米/秒以上發(fā)展）； 2、它能加工表面硬度很高的金屬和非金屬材料的工件； 3、它能使工件表面獲得很高的精度和光潔度； 4、易于實(shí)現(xiàn)自動化和自動線，進(jìn)行高效率生產(chǎn)； 5、磨床通常是電動機(jī)---油泵---發(fā)動部件，通過機(jī)械，電氣，液壓傳動---傳動部件帶動工件和砂輪相對運(yùn)動---工件部分組成[1]。 1.1.2 磨床的用途 磨床可以加工各種表面，如內(nèi)、外圓柱面和圓錐面、平面、漸開線齒廓面、螺旋面以及各種成形表面。磨床可進(jìn)行荒加工、粗加工、精加工和超精加工，可以進(jìn)行各種高硬、超硬材料的加工，還可以刃磨刀具和進(jìn)行切斷等，工藝范圍十分廣泛。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對機(jī)械零件的精度和表面質(zhì)量要求越來越高，各種高硬度材料的應(yīng)用日益增多。精密鑄造和精密鍛造工藝的發(fā)展，使得有可能將毛坯直接磨成成品。高速磨削和強(qiáng)力磨削，進(jìn)一步提高了磨削效率。因此，磨床的使用范圍日益擴(kuò)大。它在金屬切削機(jī)床所占的比重不斷上升。目前在工業(yè)發(fā)達(dá)的國家中，磨床在機(jī)床總數(shù)中的比例已達(dá)30%----40%。據(jù)1997年歐洲機(jī)床展覽會(EMO)的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，25%的企業(yè)認(rèn)為磨削是他們應(yīng)用的最主要的加工技術(shù)，車削只占23%， 鉆削占22%，其它占8%；而磨床在企業(yè)中占機(jī)床的比例高達(dá)42%，車床占23%，銑床占22%，鉆床占14%[3]。由此可見，在精密加工當(dāng)中，有許多零部件是通過精密磨削來達(dá)到其要求的，而精密磨削加工會要在相應(yīng)的精密磨床上進(jìn)行，因此精密磨床在精密加工中占有舉足輕重的作用。但是要實(shí)現(xiàn)精密磨削加工，則所用的磨床就應(yīng)該滿足以下幾個基本要求： 高幾何精度。 精密磨床應(yīng)有高的幾何精度，主要有砂輪主軸的回轉(zhuǎn)精度和導(dǎo)軌的直線度以保證工件的幾何形狀精度。主軸軸承可采用液體靜壓軸承、短三塊瓦或長三塊瓦油膜軸承，整體度油楔式動壓軸承及動靜壓組合軸承等。當(dāng)前采用動壓軸承和動靜壓軸承較多。主軸的徑向圓跳動一般應(yīng)小于1um，軸向圓跳動應(yīng)限制在2—3um以內(nèi)。 2.低速進(jìn)給運(yùn)動的穩(wěn)定性。 由于砂輪的修整導(dǎo)程要求10—15mm/min，因此工作臺必須低速進(jìn)給運(yùn)動，要求無爬行和無沖擊現(xiàn)象并能平穩(wěn)工作。 3.減少振動。 精密磨削時(shí)如果產(chǎn)生振動，會對加工質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重不良影響。故對于精密磨床，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)考慮減少振動。 4.減少熱變形。 精密磨削中熱變形引起的加工誤差會達(dá)到總誤差的50％，故機(jī)床和工藝系統(tǒng)的熱變形已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)精密磨削的主要障礙。 1.1.3 端面磨床 端面磨床是高精度端面加工設(shè)備，有著高強(qiáng)度機(jī)械構(gòu)造和穩(wěn)定的精度。 應(yīng)用領(lǐng)域：液壓氣動元件、液壓馬達(dá)部件、汽車轉(zhuǎn)向泵零部件、制冷壓縮機(jī)零部件、油泵油嘴零部件、發(fā)動機(jī)零部件、高精密軸承、密封件、活塞環(huán)、量刃具、模具、儀表、硬質(zhì)合金刀片、陶瓷閥芯、磁性材料等產(chǎn)品的雙面研磨加工。 機(jī)床特點(diǎn)：高精度精密軸承，保證機(jī)床剛性及精度。 氣動控制，實(shí)現(xiàn)輕壓、重壓、輕壓三階段壓力任意調(diào)整和自動轉(zhuǎn)換?！び|摸屏控制界面，方便、快捷。高效率、高精度的金剛石磨盤研磨，備有修整環(huán)。 端面磨床及其特點(diǎn)： 端面磨床是外圓磨床的一種變形機(jī)床，它宜于大批量磨削軸類端面工件，有較高的生產(chǎn)率。它的特點(diǎn)如下 （1）這種磨床的布局形成和運(yùn)動聯(lián)系與外圓磨床相似，為避免砂輪架與工件或尾架相碰，砂輪安裝在砂輪架的右邊，從斜向切入，一次磨削工件外圓和端面。 （2）由于它適用于大批量生產(chǎn)，所以具有自動磨削循環(huán)，完成快速進(jìn)給（長切入）---粗磨---精磨—無花磨削。由定程裝置或自動測量控制工件尺寸。 （3）裝有砂輪成型修整器，按樣板修整出磨削工件外圓和端面的成型砂輪，為保證端面尺寸穩(wěn)定及操作安全，一般具有軸向?qū)Φ堆b置。 1.2 磨床的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢 隨著機(jī)械產(chǎn)品精度、可靠性和壽命的要求不斷提高以及新型材料的應(yīng)用增多，磨削加工技術(shù)正朝著超硬度磨料磨具、開發(fā)精密及超精密磨削（從微米、亞微米磨削向納米磨削發(fā)展）和研制高精度、高剛度、多軸的自動化磨床等方向發(fā)展[4]，如用于超精密磨削的樹脂結(jié)合劑砂輪的金剛石磨粒平均半徑可小至4μm、磨削精度高達(dá)0.025μm；使用電主軸單元可使砂輪線速度高達(dá)400m/s，但這樣的線速度一般僅用于實(shí)驗(yàn)室，實(shí)際生產(chǎn)中常用的砂輪線速度為40－60m/s；從精度上看，定位精度＜2μm，重復(fù)定位精度≤±1μm的機(jī)床已越來越多；從主軸轉(zhuǎn)速來看，8.2kw主軸達(dá)60000r/min，13kw達(dá)42000r/min，高速已不是小功率主軸的專有特征；從剛性上看，已出現(xiàn)可加工60HRC硬度材料的加工中心。 此外，對磨床的環(huán)保要求越來越高，絕大部分的機(jī)床產(chǎn)品都采用全封閉的罩殼，絕對沒有切屑或切削液外濺的現(xiàn)象。大量的工業(yè)清洗機(jī)和切削液處理機(jī)系統(tǒng)反映現(xiàn)代制造業(yè)對環(huán)保越來越高的要求。 1.3 端面磨床的設(shè)計(jì)任務(wù)要求 （一）設(shè)計(jì)基本參數(shù) 砂輪主軸轉(zhuǎn)速1200r/min 產(chǎn)品主軸轉(zhuǎn)速100r/min 磨削進(jìn)給速度：0.002mm/min(精磨)；0.02mm/min(粗磨) 加工材料：氧化鋯（ZrO2） 產(chǎn)品磨削面積：3500平方毫米（吸盤直徑125毫米），產(chǎn)品規(guī)格：直徑2.5毫米，長度10.5毫米。 砂輪：端面金剛石砂輪（精磨、粗磨兩種） 磨削精度：產(chǎn)品長度10.5±0.005 操作基本要求：產(chǎn)品經(jīng)人工裝上吸盤后，設(shè)備自動完成磨削并停機(jī)，等待下一次磨削。 （二）課題設(shè)計(jì)途徑與方法： 1、了解氧化鋯及其用途，常用的加工方法。（了解加工對象：陶瓷插芯） 2、了解常用主軸的性能特點(diǎn)、種類、及加工方法、熱處理方法（加工工藝方法）。 3、了解金剛石砂輪的特點(diǎn)與加工性能。 4、了解端面磨削基本結(jié)構(gòu)。（總體構(gòu)思與布局） 5、軸承種類與形式、選用、特點(diǎn)及計(jì)算。 6、受力分析、與計(jì)算。 7、設(shè)計(jì)繪圖。 8、設(shè)計(jì)研討會，改進(jìn)設(shè)計(jì)。 9、編號設(shè)計(jì)計(jì)算書，工藝文件等。（計(jì)算） 10、綜述、參考索引、編制。 第2章 端面磨床總體設(shè)計(jì)方案 2.1 端面磨床總體設(shè)計(jì) 1.加工零件的工藝分析（表面形狀，尺寸，材料，技術(shù)條件，批量，加工余量等）； 2.調(diào)查研究 比較國內(nèi)，外同類機(jī)床，經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，進(jìn)行改革創(chuàng)新； 3.圖紙?jiān)O(shè)計(jì)（總圖，部件裝配圖，零件圖，工藝卡，目錄，標(biāo)準(zhǔn)件，外購件目錄，鑄件，鍛件目錄，說明書，裝箱單，合格證）； 4.制造，裝配，調(diào)試； 5.小批量生產(chǎn)，設(shè)計(jì)改進(jìn)； 2.2、總體設(shè)計(jì)注意事項(xiàng) 1.保證機(jī)床滿足加工精度要求，剛性，穩(wěn)定性好； 2.傳動系統(tǒng)力求簡短； 3.操作調(diào)整方便； 4.安全保護(hù)，冷卻液供給，回收，廢渣的排除。 2.3 端面磨床總體布局設(shè)計(jì) 2.3.1 加工零件 氧化鋯（ZrO2）等； 2.3.2 初步估計(jì)組成部分 a.床身；b.工作臺面；c頭架；d尾架；e砂輪架；f 修整器；g 測量裝置；h 砂輪進(jìn)給電機(jī)；I 修整器進(jìn)給電機(jī)；j 電器框；k工作臺進(jìn)給電機(jī)；l 工件旋轉(zhuǎn)電機(jī)；m 潤滑冷卻裝置；n數(shù)控裝置； 2.3.3 總體布局初步設(shè)計(jì) 1.T型床身； 2.工作臺移動； 3.工作臺型面； 4.砂輪架主軸與床身導(dǎo)軌傾斜0°角； 5.頭尾架中心線平行； 6.采用成型砂輪修整器（金剛石滾輪） 7.數(shù)控系統(tǒng)的四坐標(biāo)軸 X軸：砂輪架進(jìn)給 Y軸：修整器進(jìn)給 Z軸：工作臺移動 W軸：工件旋轉(zhuǎn) 各軸采用交流伺服電機(jī)，通過精密無間隙彈性連軸器直接與滾珠絲桿相連； 8.液壓油箱單獨(dú)（減小熱變形，簡化機(jī)床結(jié)構(gòu)，易實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，通用化，便于維修）； 9.電器框與機(jī)床采用空中走線； 10.機(jī)床前防護(hù)罩采用全封閉結(jié)構(gòu)； 2.3.4 縱向與橫向尺寸的確定 1.縱向尺寸 ①工件最大長度 ； ②頭架長度 ； ③尾架長度 ； ④上臺面長度 ； ⑤下臺面長度 ； ⑥床身長度 ； ⑦后床身長度 （考慮砂輪架和修整器大小按經(jīng)驗(yàn)給定）； ⑧整個床身寬度 （視覺效果）； ⑨砂輪架中心與機(jī)床床身對稱線相距 2.橫向尺寸 1）畫出橫向尺寸床身的V型導(dǎo)軌作為橫向尺寸的基準(zhǔn)，畫出床身的平面導(dǎo)軌作為高度尺寸的基準(zhǔn)線，根據(jù)確定的工作臺參數(shù)，導(dǎo)軌參數(shù)B1’，B2’中心畫出左視圖 2）確定上，下工作臺厚度和寬度 （1）厚度：用類比法 上工作臺 中心　　　　　　　　　　　　　　　　　?。?－1）　 下工作臺 中心 （3－2） 為工作臺導(dǎo)軌的中心距，工作臺導(dǎo)軌選用8075250 取 =0.3250=75mm =0.38250=95mm （2）寬度 （3－3） ∵ ∴ ∵ 　 ∴ 3）確定頭，尾架頂尖中心位置 頂尖中心安排在V型導(dǎo)軌的中心線上，這樣有利于磨削最小直徑工件的，砂輪架趨近于工作臺不致相碰。缺點(diǎn)是使導(dǎo)軌的承載壓力較大，故常適當(dāng)加寬V型導(dǎo)軌的寬度。 4）確定頭尾架頂尖中心至床身底面的高度H1 左右[1] 根據(jù)工人身高，經(jīng)驗(yàn)。類比取 5）工作臺回轉(zhuǎn)中心位置B9 6）確定機(jī)床總高H 所以H取2000mm。 第3章 端面磨床Z軸往復(fù)進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 Z軸進(jìn)給傳動設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇滾珠絲杠機(jī)構(gòu)作為進(jìn)給傳動型式。 3.1.1 計(jì)算步驟 3.1.2 確定滾珠絲杠導(dǎo)程Ph 根據(jù)工作臺最高移動速度Vmax , 電機(jī)最高轉(zhuǎn)速nmax, 傳動比等確定Ph。按下式計(jì)算，取較大圓整值。 Ph= 3.1.3 滾珠絲杠副載荷及轉(zhuǎn)速計(jì)算 這里的載荷及轉(zhuǎn)速，是指滾珠絲杠的當(dāng)量載荷Fm與當(dāng)量轉(zhuǎn)速nm。滾珠絲杠副在n1、n2、n3······nn轉(zhuǎn)速下，各轉(zhuǎn)速工作時(shí)間占總時(shí)間的百分比t1%、t2%、t3%······tn%，所受載荷分別是F1、F2、F3······Fn。 當(dāng)負(fù)荷與轉(zhuǎn)速接近正比變化時(shí)，各種轉(zhuǎn)速使用機(jī)會均等，可按下列公式計(jì)算： (nmax: 最大轉(zhuǎn)速，nmin: 最小轉(zhuǎn)速，F(xiàn)max: 最大載荷（切削時(shí)），F(xiàn)min: 最小載荷（空載時(shí)） 3.1.4 確定預(yù)期額定動載荷 ①按滾珠絲杠副預(yù)期工作時(shí)間Ln（小時(shí)）計(jì)算： ②按滾珠絲杠副預(yù)期運(yùn)行距離Ls（千米）計(jì)算： ③有預(yù)加負(fù)荷的滾珠絲杠副還需按最大軸向負(fù)荷Fmax計(jì)算：Cam=feFmax(N) 式中： Ln-預(yù)期工作時(shí)間（小時(shí)，見表5) Ls-預(yù)期運(yùn)行距離(km),一般取250km。 fa-精度系數(shù)。根據(jù)初定的精度等級（見表6)選。 fc-可靠性系數(shù)。一般情況fc=1。在重要場合，要求一組同樣的滾珠絲杠副在同樣條件下使用壽命超過希望壽命的90％以上時(shí)fc見表7選 fw-負(fù)荷系數(shù)。根據(jù)負(fù)荷性質(zhì)（見表8）選。 fe-預(yù)加負(fù)荷系數(shù)。（見表9) 表－5 各類機(jī)械預(yù)期工作時(shí)間Ln 表－6 精度系數(shù)fa 機(jī)械類型 Ln(小時(shí)） 普通機(jī)械 5000～10000 普通機(jī)床 10000～20000 數(shù)控機(jī)床 20000 精密機(jī)床 20000 測示機(jī)械 15000 航空機(jī)械 1000 精度等級 1.2.3 4.5 7 10 fa 1.0 0.9 0.8 0.7 表－7 可靠性系數(shù)fc 可靠性% 90 95 96 97 98 99 fc 1 0.62 0.53 0.44 0.33 0.21 表－8 負(fù)荷性質(zhì)系數(shù)fw 負(fù)荷性質(zhì) 無沖擊(很平穩(wěn)） 輕微沖擊 伴有沖擊或振動 fw 1～1.2 1.2～1.5 1.5～2 表－9 預(yù)加負(fù)荷系數(shù)fe 預(yù)加負(fù)荷類型 輕預(yù)載 中預(yù)載 重預(yù)載 fe 6.7 4.5 3.4 以上三種計(jì)算結(jié)果中，取較大值為滾珠絲杠副的Camm。 3.1.5 按精度要求確定允許的滾珠絲杠最小螺紋底d2m a.滾珠絲杠副安裝方式為一端固定，一端自由或游動時(shí)（見圖-5） 式中：E-楊氏彈性模量21×105N/mm2 dm-估算的滾珠絲杠最大允許軸向變形量（mm） Fo-導(dǎo)軌靜摩擦力（N)。Fo＝mow(mo為靜摩擦系數(shù)） L-滾珠螺母至滾珠絲杠固定端支承的最大距離（mm) L≈行程＋安全行程＋余程＋螺母長度一半＋支承長度的一半 ≈行程＋(2～4)Ph+4Ph+(4～6)Ph+(1/20～1/10)行程 ≈(1.05～1.1)行程＋(10～14)Ph b.滾珠絲杠副安裝為兩端支承或兩端固定（見圖-5) 式中： L-兩個固定支承之間的距離（mm) L≈行程＋安全行程＋兩個余程＋螺母長度＋一支承長度≈(1.1～1.2)行程＋(10～14)Ph 其中重復(fù)定位精度或定位精度， 上述兩種方法估算出的小值為為系統(tǒng)剛性最小處剛度值，見下文12、13項(xiàng)計(jì)算) 滾珠絲杠副公稱中徑dom≈d2m+Dw（鋼球直徑） 圖－5 一端固定，一端自由G-Z 一端固定，一端游動G-Y 二端支承J-J 二端固定G-G 3.1.6 確定滾珠絲杠副規(guī)格代號 按照計(jì)算出的Ph,Cam及傳動方式，使用情況，可在樣本中先查出對應(yīng)的滾珠絲杠公稱直徑do，應(yīng)注意do≥dom, Ca≥Cam，但不宜過大，否則會使?jié)L珠絲杠副轉(zhuǎn)動慣量偏大，結(jié)構(gòu)尺寸也偏大。接著確定循環(huán)圈數(shù)，滾珠螺母規(guī)格代號及相關(guān)的安裝連接尺寸。 3.1.7 確定預(yù)緊滾珠絲杠副預(yù)緊力Fp 當(dāng)選擇預(yù)緊螺母型式的滾珠絲杠副時(shí)需確定預(yù)緊力Fp。 當(dāng)最大軸向工作載荷Fmax能確定時(shí) Fp=1/3 Fmax 當(dāng)最大軸向工作載荷不能確定時(shí) Fp=ξCa 其中ξ值按表10選擇，Ca是額定動載荷，可在樣本上查到。 表－10 預(yù)加負(fù)荷類型 輕載荷 中載荷 重載荷 ξ 0.05 0.075 0.1 3.1.8 計(jì)算行程補(bǔ)償值C和預(yù)拉伸力F1 考慮到絲杠運(yùn)轉(zhuǎn)過程中溫升對絲杠副導(dǎo)程精度的影響，在精級要求較高的場合，應(yīng)對滾珠絲杠副適當(dāng)?shù)念A(yù)拉伸。對預(yù)拉伸的滾珠絲杠副規(guī)定目標(biāo)行程值C,并計(jì)算預(yù)拉伸力。 式中： C-行程補(bǔ)償值（mm) Dt-溫度變化值2℃～3℃ a-絲桿的線膨脹系數(shù)11.8×10-6度 Lu-滾珠絲杠副的有效行程（mm) Lu≈工作臺行程＋螺母長度＋兩個安全行程≈行程＋(8～14)Ph 式中： F1-預(yù)位伸力（N) d2-滾珠絲杠螺紋底徑（mm) E-楊氏彈性模量2.1×105(N/mm2) Dt-滾珠絲杠溫升2℃～3℃ d2≈do-Dw (Dw：鋼球半徑） 3.1.9確定滾珠絲杠副支承用軸承規(guī)格型號 ●計(jì)算軸承所受的最大軸向載荷FBmax,有預(yù)拉伸的滾珠絲杠副應(yīng)考慮到預(yù)拉伸力Ft。 ●按滾珠絲杠副支承的要求選擇軸承的型號。 ●確定軸承內(nèi)徑：為便于絲杠加工，軸承內(nèi)徑最好不大于滾珠絲杠的大徑。在選用內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副時(shí)必須有一端軸承內(nèi)徑略小于絲杠底徑d2。其次軸承樣本上規(guī)定的預(yù)緊力應(yīng)大于軸承所承受最大載荷FBmax的1/3。 ●有關(guān)軸承的其它驗(yàn)算項(xiàng)目可查軸承樣本。 3.1.10 滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(jì) ●滾珠絲杠副的螺紋長度LS=Lu+2Le Le余程見表-2　　Lu=行程＋螺母長度 ●滾珠絲杠副螺母的安裝連接尺寸可查樣本。 ●滾珠螺母不應(yīng)該承受徑向載荷及顛覆力矩，應(yīng)使作用在螺母上的軸向合力通過絲杠軸心。 ●可以用螺母的外圓柱面及法蘭凸緣的內(nèi)側(cè)作安裝基準(zhǔn)，同時(shí)要求螺母座孔與絲杠軸承孔同心。螺母座孔端面與螺母座孔軸線垂直。當(dāng)所受載荷沖擊力不大時(shí)，可僅用螺母法蘭凸緣的內(nèi)側(cè)面作安裝基準(zhǔn)面，這時(shí)應(yīng)保證螺母座面與導(dǎo)軌垂直。裝配時(shí)應(yīng)找螺母外圓與絲杠支承軸承孔同心。 ●插管式滾珠絲杠副水平放置時(shí)，為使?jié)L珠的循環(huán)更加滾暢，應(yīng)將插管置于滾珠絲杠軸線的上方。 ●設(shè)計(jì)螺母座，軸承座及緊固螺釘時(shí)要注意保證足夠的剛性。在承載方向設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋。 ●由工作圖確定滾珠絲杠長度尺寸。 3.1.11 電機(jī)的選擇 ●作用在滾珠絲杠副上各種轉(zhuǎn)矩計(jì)算。外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩TF(N.m) 滾珠絲杠副預(yù)加載荷Fp產(chǎn)生的預(yù)緊力矩Tp(N.m) 式中 Ph-滾珠絲杠副導(dǎo)程 h - 未預(yù)緊的滾珠絲杠副效率 1、2、3級精度的絲杠h =0.9 4級精度以下的絲杠h =0.85 F-作用在滾珠絲杠副上的外加軸向載荷，不同情況下取值不一樣。若計(jì)算電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩時(shí)，機(jī)械是空載起動，F(xiàn)是導(dǎo)軌摩擦力（垂直運(yùn)動F還包括機(jī)構(gòu)重量）；若計(jì)算電機(jī)工作轉(zhuǎn)矩時(shí)，F(xiàn)包括導(dǎo)軌摩擦力和工作載荷（垂向運(yùn)動F還包括機(jī)構(gòu)重量）。 ●其他計(jì)算，請查找電機(jī)樣本及相關(guān)資料。 3.1.12 傳動系統(tǒng)剛度計(jì)算 ●一般校核計(jì)算按： 式中 KS - 滾珠絲杠副的拉壓剛度。計(jì)算見下面說明 Kb - 滾珠絲杠支承軸承的軸向剛度?？刹檩S承樣本及有關(guān)資料。 Kc - 滾珠絲杠副滾珠與滾道的接觸剛度可查樣本。 ●精確計(jì)算時(shí)，還需考慮伺服剛度，聯(lián)接軸剛度，扭轉(zhuǎn)剛度，螺母座、軸承座剛度等，詳請查閱相關(guān)資料。 ●KS的計(jì)算 a. 絲杠支承形式為一端固定，一端游動或自由。 Ks= ×10-3 =1.65 ×102 式中 E -楊氏彈性模量2.1×105 (N/mm2) d2 - 絲杠底徑(mm) 當(dāng)a=L1(滾珠螺母至固定支承的最大距離）時(shí)剛度最小 Ks min =1.65 ×102 當(dāng)a=Lo (靠固定端的行程起點(diǎn)處）時(shí)剛度最大 Ks max =1.65 ×102 b.支承形式為兩端支承或兩端固定。 Ks = = 6.6 ×102 當(dāng)a=L·1/2時(shí)（即處在兩支承的中點(diǎn)時(shí)）剛度最小 Ks min = 6.6 ×102 式中 L1-兩支承間的距離 當(dāng)a=Lo時(shí)(螺母在行程兩端處)剛度最大 Ks max =6.6 ×102 3.1.13 傳動系統(tǒng)剛度驗(yàn)算及滾珠絲杠副的精度選擇 將Ksmax, Kb, Kc及其它有關(guān)值代入 將Ksmin 替換Ksmax 代入得Kmin。 由于數(shù)控機(jī)床精度在機(jī)床空載下驗(yàn)收，△=2FO/Kmin, 稱摩擦死區(qū)誤差。FO是機(jī)床空載時(shí)導(dǎo)軌上的靜摩擦力。 ξK=Fo() 稱為傳動系數(shù)剛度變化引起的定位誤差。按JB/GQ1140-89規(guī)定，數(shù)控機(jī)床反向差值主要取決于△，而定位誤差主要取決于滾珠絲杠副的精度，其次是ξK。 ●傳動系數(shù)剛度驗(yàn)算 0.8△≤反向差值，即Kmin≥1.6Fo/反向差值 ●滾珠絲杠副的精度選擇 開環(huán)控制系統(tǒng)中使用的滾珠絲杠副 ep+Vup≤0.8x(定位精度-ξK) ep+V300p≤0.8x(300mm定位精度-ξK) 半閉環(huán)控制系統(tǒng)或可以行程補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)系統(tǒng): ep≤0.8x(定位精度-ξK) V300p≤0.8x(300mm定位精度-ξK) 先根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠副的類型（P類或T類），然后參照滾珠絲杠副的精度標(biāo)準(zhǔn)表（見表-1)，按上述兩式計(jì)算結(jié)果確定滾珠杠副的ep,Vup或V300p，從而確定滾珠絲杠副的精度等級。 3.1.14、滾珠絲杠副臨界壓縮載荷F的校驗(yàn)（驗(yàn)算壓桿穩(wěn)定性） 式中： d2-滾珠絲杠螺紋底徑，d2≈do-Dw, do-公稱中徑，取樣本數(shù)據(jù)。 Lc1-滾珠絲杠副的最大受壓長度(mm)(見表11) F′max- 滾珠絲杠副承受最大軸向壓縮載荷(N)。 若滾珠絲杠承受最大載荷不是壓縮載荷時(shí)，F(xiàn)′max不等于Fmax, 視工作情況進(jìn)行計(jì)算 K1- 安全系數(shù)。絲杠垂直安裝K1=1/2 絲杠水平安裝K1=1/3 K2- 支承系數(shù)。與支承方式有關(guān)（見表11) 表－11 支承方式 簡 圖 K2 λ f 一端固定 一端自由 0.25 1.875 3.4 一端固定 一端游動 2 3.927 15.1 二端支承 1 3.142 9.7 二端固定 4 4.730 21.9 3.1.15 滾珠絲杠副極限轉(zhuǎn)速nc校驗(yàn)（避免高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生共振) 式中： nc-極限轉(zhuǎn)速(r/min) Lc2-臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度(mm) (見表11) E-楊氏彈性模量2.1×105(N/mm2), r-材料密度，鋼密度 I-絲杠的最小慣性矩 I= A-絲杠的最小橫截面積 K1-安全系數(shù)。一般取0.8 f, λ-與支承形式有關(guān)的系數(shù)（見表-11) 3.1.16 Dn值校驗(yàn) dom·nmax≤70000 式中： dom-滾珠絲杠副的節(jié)圓直徑（mm)，dom≈d2+Dw(mm) nmax-滾珠絲杠副的最高轉(zhuǎn)速 3.1.17 滾珠絲杠副形位公差的標(biāo)注見表－3及下圖 某些傳動類（T類）滾珠絲杠副，對精度要求低，但傳遞的載荷較大，這時(shí)可不進(jìn)行有關(guān)傳動精度及傳動系統(tǒng)剛度的計(jì)算，但需進(jìn)行以下兩項(xiàng)計(jì)算： 3.1.18 基本軸向額定靜載荷Coa驗(yàn)算 fsFamax≤Coa 式中： Coa-滾珠絲杠副的基本軸向額定靜載荷（N)?？稍跇颖旧喜榈?。 fs-靜態(tài)安全系數(shù)。一般載荷fs= 1～2， 　　　　　　　　有沖擊或振動的載荷：fs= 2～3　 Famax- 最大軸向載荷（N) 3.2 Z軸傳動裝置設(shè)計(jì) 為了提高主軸的旋轉(zhuǎn)精度，皮帶輪不直接裝在主軸上，而是裝在單獨(dú)的支架上，并用花鍵套帶動主軸旋轉(zhuǎn)，即采用卸荷皮帶輪的方案，如圖4－2所示。這個方案的優(yōu)點(diǎn)是，減少了主軸的變形，同時(shí)還提高了承載能力。 圖3－2 卸荷皮帶輪 3.2.1電動機(jī)的選擇 = （2.35~~8.82）+3.8 = 12.62kw 通過以上計(jì)算，取=15kw，選擇Y100L—4型電動機(jī) 3.2.2皮帶設(shè)計(jì) 因?yàn)槎嘈◣Ъ嬗蠽帶和平帶的優(yōu)點(diǎn)，外輪廓尺寸小，比V型帶傳動平穩(wěn)，所以皮帶采用多楔帶[5]。多楔帶以平帶為基體，內(nèi)表面有等距離縱向楔型的環(huán)形帶傳動。工作面為楔側(cè)面，有橡膠和聚氨酯兩種[5]。 1）皮帶材料的選用 皮帶材料選用聚氨酯。 2）設(shè)計(jì)計(jì)算 已知小帶輪轉(zhuǎn)速，即 =1500r/min，傳動比i=2.5； （1）計(jì)算功率 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表8.7查得，工作情況系數(shù)為1.1，故 （4－5） （2）由和選擇帶型 由于=16.5kw，=1500r/min，查表后可知，取帶型為L型。 （3）確定帶輪基準(zhǔn)直徑 由《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡明手冊》表4—43，取主動輪基準(zhǔn)直徑=80mm。 ，由此得。 （4）驗(yàn)算帶速 （4－6） = 6.28 m/s < 30 m/s，所以帶速合格。 （5）初定軸向間距 由公式（4－5） 0.7（+）< < 2（+）， （4－7） 可知196< < 560，取=400。 （6）所需基準(zhǔn)帶長 （4－8） =1248.82mm 由《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡明手冊》表4—5，取相近的基準(zhǔn)帶長= 1250 mm[6]。 （7）實(shí)際軸向間距 （4－9） = 401.18mm 所以皮帶的實(shí)際軸向間距?。?01mm。 （8）多楔帶每楔的基本額定功率 由《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡明手冊》表4—40，可以查得＝0.34kw。 （9）小帶輪的包角 （4－10） ＝162.85° （10）多楔帶楔數(shù)的確定 （4－11） 其中 查表得， ，代入的計(jì)算公式中，得＝0.849kw。 又已知＝0.955，＝1.00，得： 由此可以確定，取Z＝15。 3.2.3帶輪設(shè)計(jì) 1）帶輪設(shè)計(jì)的要求： （1）質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)工藝性好，無過大的鑄造應(yīng)力； （2）質(zhì)量分布均勻，轉(zhuǎn)速高時(shí)要經(jīng)過動平衡校證； （3）槽輪工作面要經(jīng)過精細(xì)加工，以減少帶的磨損； （4）輪槽的尺寸和角度應(yīng)有一定的精度，以使載荷分布均勻。 2）帶輪的材料選用 帶輪的材料選用HT200。 3）帶輪的結(jié)構(gòu) （1）小帶輪直徑（d為軸的直徑），所以采用實(shí)心式。 （2）大帶輪< 300，所以采用腹板式結(jié)構(gòu)。 4）小帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸 圖4－3 小帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸 （4－12） 其中——帶輪的外徑， ——軸的直徑， ——基準(zhǔn)線上槽深。 （4－13） ，圓整后得＝165mm （4－14） ， （4－15） 其中——多楔帶的楔數(shù)， ——多楔帶的槽間距， ——第一槽對稱面到端面的距離。 5）大帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸 圖4－4 大帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸 結(jié) 論 本次設(shè)計(jì)的是Z向進(jìn)給機(jī)械部分改造，完成了尺寸計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對其進(jìn)行一系列的校核，各項(xiàng)性能指標(biāo)完全滿足要求，說明設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是合理的。然后選擇軸承和電機(jī)。。 數(shù)控機(jī)床是促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的巨大源動力，它給機(jī)械制造業(yè)帶來了高倍率的效益增長和現(xiàn)代化的生產(chǎn)方式。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，高品質(zhì)，高可靠性，高性價(jià)比的CNC系統(tǒng)具有豐富的功能，為數(shù)控技術(shù)的發(fā)展提供了充足的物質(zhì)技術(shù)條件。同時(shí)，也給數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。因此，研究一臺數(shù)控車床對現(xiàn)代加工具有重要的意義。 致 謝 眨眼間，四年的大學(xué)生活就在本論文的完成之際即將宣告結(jié)束。四年的不斷學(xué)習(xí)，不僅是為了今天的畢業(yè)設(shè)計(jì)，也是為今后走上工作崗位作了準(zhǔn)備。 在設(shè)計(jì)成過程中，感謝很多人的幫助和指點(diǎn)，首先我要感謝我的母校——廣西工學(xué)院的辛勤培育，感謝院系各位老師四年來的諄諄教誨，感謝他們四年來默默的栽培我。 本次設(shè)計(jì)是在我的導(dǎo)師李健教授的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項(xiàng)目的最終完成，李老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持，在此，謹(jǐn)向鄧朝暉教師表示衷心的感謝和崇高的敬意！。 此外，在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，也得到了其他老師和同學(xué)的幫助，設(shè)計(jì)任務(wù)一直在很好的氛圍中進(jìn)行，在這里，也向他們表示真誠的感謝！ 再次向設(shè)計(jì)中所有提供過幫助的人表示感謝！ 參考文獻(xiàn) [1] 蘭雄侯，王繼先，高航磨削溫度理論研究的現(xiàn)狀與進(jìn)展[A]，沈陽：東北大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院. 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