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1、華北科技學院畢業(yè)設計 目錄 摘要 5 Abstract 6 1緒論 1 1.1 課題研究背景及意義 1 1.2 加工中心的基本組成、分類及結構特點 2 2設計方案及結構特點 5 3加工中心工作臺的基本參數(shù) 7 3.1 進行工作臺條件選定 7 3.2銑削分析 7 3.2.1 銑削抗力分析 8 3.2.2 坐標軸導軌摩擦力計算 9 3.2.3 滾珠絲杠螺母副軸向負載力的計算 10 4橫向進給系統(tǒng) 13 4.1橫向進給系統(tǒng)工作原理 13 4.2 導軌設計與選型 13 4.2.1 導軌概述 13 4.2.2 對導軌要求 14 4.2.3 對導軌的技術要求

2、14 4.2.4 滾動直線導軌的選型與計算 15 4.3 軸承的選擇與計算 17 4.3.1 滾珠絲杠螺母副支承方式選擇 17 4.3.2 軸承所受的最大軸向載荷 18 4.3.3 根據滾珠絲杠副支承要求選擇軸承型號 18 4.4 聯(lián)軸器及傳感器的選擇 20 4.5 滾珠絲杠螺母副的選型與計算 20 4.5.1 滾珠絲杠螺母副循環(huán)方式選擇 20 4.5.2 滾珠絲杠螺母副的計算 21 4.5.3 滾珠絲杠螺母副預緊方式的選擇以及預緊力的確定 24 4.6 滾珠絲杠的確定 26 5縱向進給系統(tǒng)設計 28 5.1 縱向進給系統(tǒng)工作原理 28 5.2 導軌設計與選型 28

3、 5.3 軸承的選擇與計算 29 5.3.1 滾珠絲杠螺母副支承方式選擇 29 5.3.2 軸承所受的最大軸向載荷 29 5.3.3 根據滾珠絲杠副支承要求選擇軸承型號 30 5.4 滾珠絲杠螺母副的選型與計算 31 5.4.1 滾珠絲杠螺母副循環(huán)方式選擇 31 5.4.2 滾珠絲杠螺母副的計算 32 5.4.3 滾珠絲杠螺母副預緊方式的選擇以及預緊力的確定 35 5.5 滾珠絲杠的確定 36 5.5.1 確定滾珠絲杠螺母副的螺紋長度Ls 36 5.5.2 滾珠絲杠參數(shù)確定 37 6回轉工作臺的設計 38 6.1 回轉工作臺工作原理及蝸桿材料選擇 38 6.2 對蝸

4、輪蝸桿力學分析及電機選擇 38 6.2.1 對蝸輪蝸桿力學分析 38 6.2.2 電機選擇 39 6.3 蝸輪的計算與校核。 40 6.3.1 按齒面接觸強度確定主要參數(shù) 40 6.3.2 驗算蝸輪圓周速度ν2和相對滑動速度νs及總效率η 41 6.3.3 驗算蝸輪齒根彎曲強度 42 6.3.4 確定蝸輪的主要幾何參數(shù) 43 6.4 蝸桿的計算與校核 44 6.4.1 蝸干的基本參數(shù)確定 44 6.4.2 驗算蝸干的剛度計算 44 6.5 蝸輪蝸桿的參數(shù)確定 46 6.6 圓周運動導軌的選擇 47 6.7 回轉工作臺傳感器的選擇 47 結論 49 參考文獻： 50

5、 致謝 51 外文文獻及譯稿 52 英文文獻 52 中文翻譯 59 全套圖紙，加153893706  立式加工中心工作臺設計 摘要 本文設計的主要內容為立式加工中心直線、回轉工作臺，該工作臺承擔運動功能為縱向（X）軸和橫向（Y）兩個方向的直線移動及一個繞（Z）軸的轉動。主要設計內容包括：本設計首先做總體結構方案的擬定。確定工作臺組成結構，方案擬定為縱向、橫向兩個方向移動的直線工作臺，在縱向直線移動工作臺的導軌上安裝一個繞（Z）軸轉動的回轉工作臺。其次主要部件概述。這一部分主要描述在工作臺設

6、計過程中主要設計的幾個典型部件，如伺服進給系統(tǒng)、工作臺、導軌，陳述選用這幾個部件的原因和對它們的基本要求。第三部分是結構力學的設計計算也是本設計的主要部分。 結合給定的主要參數(shù)對伺服進給系統(tǒng)和回轉工作臺進行選擇計算并校核，得到必需的幾何參數(shù)，基本確定工作臺的結構尺寸。第四部分為工作臺裝配圖與零件圖的繪制。圖紙可以清楚地表示工作臺及其組成部分的連接、裝配關系和主要零件結構、大小及技術要求。 關鍵詞：加工中心；工作臺；回轉工作臺；滾珠絲杠 Abstract In this paper, mainly is the design of linear moving working table

7、, vertical machining center CNC rotary worktable.CNC machine main motor function is the two longitudinal（X） and transverse （Y） directions of the linear movement and rotation of a circling.The main design content includes:The first ,the formulation of the overall structure scheme.Determine the struct

8、ure of machining center,scheme for linear table two longitudinal, transverse direction.,guide in the longitudinal linear moving working table is provided with a rotation of the rotary table.Secondly,descripe the typical components of vertical machining center.In this part, the components used in the

9、 design, such as servo feed system tables and guide rails,are descriped respectively why choose them,and the require-ments for them. Third,design and calculation of structural mechanics.The main parameters in combination with the given were selected to calculate and check on the servo feed system an

10、d the rotary table, geometric parameters required, determine the basic structure size table.Fourth,working table assembly and parts drawing.Drawings can clearly express the platform and its component connection, assembly relations and major parts of the structure, size and technical requirements.

11、 Key words：Machining Center;Working Table;Rotary Working Table ;Ball Screw 5 1緒論 1.1 課題研究背景及意義 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

12、、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濟效果，目前加工中心正在向著高速高效、高精度、模塊化、網絡化和復合化方向發(fā)展。由于加工中心是典型的集高新技術于一體的機械加工設備，其生產效率高、柔性好、一機多用和易于加工復雜的曲線、曲面零件等特點，早已成為工業(yè)發(fā)達國家軍民機械工業(yè)的主力加工設備。 一個國家的加工中心擁有量、消費量及總體技術水平與這個國家機械工業(yè)的加工制造技術水平息息相關。我國的加工中心從二十世紀70年代開始，加工中心得到迅速的發(fā)展并逐漸出現(xiàn)了可換主軸箱加

13、工中心，它備有多個可以自動更換的裝有刀具的多軸主軸箱，能對工件同時進行多孔加工，但技術、品種和數(shù)量上都還遠遠不能適應我國的經濟、技術發(fā)展的需要。進入21世紀以后，中國加工中心的消費量隨著軍民機械工業(yè)的大規(guī)模技術改造而迅速增長，如2001年中國加工中心的消費量僅為2662臺（其中進口2290臺），而同年美國、日本和德國的加工中心消費量分別為11505臺、6090臺和5291臺。到了2005年，中國加工中心的消費量猛增至約13200臺（估計值，加工中心的產量數(shù)據未公布），其中進口10343臺。2005年加工中心的消費量是2001年的4.96倍，年均增幅達49.2%，一舉超過美、日、德諸國，成為世界

14、上消費加工中心最多的國家。 根據《機械工人》雜志社等單位的調查，從近600份重點用戶的有效問卷中得出的結果是，加工中心機床的應用已遍及全國26個行業(yè)，其中汽車、摩托車及其零部件制造業(yè)占24%，航空航天和軍工行業(yè)占18%，機床工具業(yè)占11%，模具行業(yè)占8%，輕工機械行業(yè)占4%。在這些企業(yè)擁有的加工中心中，雖然普及型的立式和臥式加工中心仍占多數(shù)，但多軸聯(lián)動、高速、大型精密等高檔加工中心也占有一定比重，如在所調查的近600戶用戶中，擁有5軸聯(lián)動加工中心的占24%。說明中國市場消費的加工中心雖然以普及型的中檔機為主，但高檔機在消費量中所占比重估計已達15%至20%。 中國消費的加工中心大部分依靠進

15、口（2005年進口量占消費量的七成多），進口金額12.97億美元，居各類機床進口額之首，主要從日本、中國臺灣、德國和韓國等地進口。2006年上半年，中國進口加工中心5511臺，金額6.88億美元，同比分別增長20%和11%，仍保持兩位數(shù)增長，說明中國加工中心市場的規(guī)模還有增長空間。 1.2 加工中心的基本組成、分類及結構特點 加工中心是一種功能較全的自動化加工機床。它把切削、銑削、鏜削和鉆削等功能集中在一臺設備上，使其具有多種工藝功能。加工中心自1958年由美國卡尼-特雷克公司首先研制成功問世至今世界各國出現(xiàn)了各種類型的加工中心，雖然外形各異，但從總體結構來看主要由以下幾大部分組成。

16、 基礎部件 由床身、立柱、工作臺等組成。它們是加工中心的基礎結構，它們不僅要承受加工中心的靜載荷，還要承受切削加工時產生的切削負載，所以要求加工中心的基礎部件必須有足夠的剛度。這些大件可以是鑄鐵件也可以是焊接而成的鋼結構件，它們是加工中心中體積和重量最大，同時也是主要的減震部件。 （2）主軸部件 由主軸伺服電源、主軸電動機、主軸箱、主軸、主軸軸承和傳動軸等零件組成。主軸的啟動、停止、變速等均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并通過裝在主軸上的刀具參與切削運動，是進行切削加工的功率輸出部件。主軸是加工中心的關鍵部件，其結構的好壞對加工中心的性能有很大的影響，它決定著加工中心的切削性能、動態(tài)剛度、加工精度等。

17、 數(shù)控系統(tǒng) 單臺加工中心的數(shù)控部分由CNC裝置、可編程序控制器、伺服驅動裝置以及電動機等部分組成。CNC裝置是一種位置控制系統(tǒng)，其控制過程根據輸入的信息進行數(shù)據處理、差補運算，獲得理想的運動軌跡信息，然后輸出到執(zhí)行部件，加工出所需要的工件?？删幊绦蚩刂破鳎≒LC）替代一般機床中機床電器柜，執(zhí)行數(shù)控系統(tǒng)指令，控制機床執(zhí)行動作。數(shù)控系統(tǒng)主要功能有：控制功能、進給功能、主軸功能、輔助功能、刀具功能和第二輔助功能、補償功能、字符圖形顯示功能、自動診斷功能、通信功能、人機對話程序編制功能等。數(shù)控系統(tǒng)是加工中心執(zhí)行順序控制功能和完成加工過程的控制中心。 （4）自動換刀系統(tǒng) 該系統(tǒng)是加工中心區(qū)別于其他

18、數(shù)控機床的典型裝置，它解決工件一次裝夾后多工序連續(xù)加工中，工序與工序間的刀具具有自動儲存、選擇、搬運和交換任務。它由刀庫、機械手、驅動機構等部件組成。 （5）自動托盤交換系統(tǒng) 如今有的加工中心為了實現(xiàn)進一步的無人化運行或進一步縮短非切削時間，采用多個自動交換工作臺方式儲備工件。一個工件安裝在工作臺上加工的同時，另外一個或幾個可交換的工作臺面上裝夾上一些等待加工的工件。當完成一個托盤上工件的加工后，便自動交換托盤，進行新零件的加工，這樣可以減少裝夾的等待時間，提高加工效率。 （6）輔助裝置 包括潤滑、冷卻、排泄、防護、液壓、氣動檢測系統(tǒng)等部分。這些裝置雖然不直接參與切削運動，但對加工中

19、心的加工效率、加工精度和可靠性起著保障作用，因此也是加工中心不可缺少的部分。 2設計方案及結構特點 （1）設計方案的預期目標 設計任務定為立式加工中心工作臺，工作臺承擔運動功能為縱向（X）軸和橫向（Y）軸兩個直線方向的移動及一個繞（Z）軸的轉動。 （2）設計方案的可行性及結構特點 立式加工中心是一種備有刀庫并能自動更換刀具對工件進行多工序加工的數(shù)控機床。它是適應省力、省時和節(jié)能的時代要求而迅速發(fā)展起來的，它綜合了機械技術、電子技術、計算機軟件技術、氣動技術、拖動技術、現(xiàn)代控制理論、測量及傳感技術以及通訊診斷、刀具和編程技術的高科技產品，將數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆床的功能

20、并聚集在一臺加工設備上，且增設有自動換刀裝置和刀庫，可在一次安裝工件后，數(shù)控系統(tǒng)控制機床按不同工序自動選擇和更換刀具，自動改變機床主軸轉速、進給量和刀具相對工件的運動軌跡及其它輔助功能；依次完成多面和多工序的端平面、孔系、內外倒角、環(huán)形槽及攻螺紋等加工。由于加工中心能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測量和調整時間，減少工件周轉、搬運存放時間，使機床的切削利用率高于通用機床3~4倍，達80%以上。所以說，加工中心不僅提高了工件的加工精度，而且是目前數(shù)控機床中生產率和自動化程度最高的綜合性機床。 本設計中，主要設計立式加工中心的工作臺，工作臺作為加工中心的重要部分，其設計的優(yōu)劣性對于加工中

21、心的加工性能有很大的影響。加工中心工作臺實現(xiàn)的目標是縱向（X）軸和橫向（Y）軸兩個直線方向的移動及一個繞（Z）軸的轉動，所以在設計過程中，必須要把該功能實現(xiàn)。直線進給系統(tǒng)如圖2-1，橫向進給系統(tǒng)的工作原理和縱向進給系統(tǒng)的工作原理一樣，其中橫向與縱向進給系統(tǒng)只是在工作臺行程和導軌承擔的額總重不一樣之外，其他的都相同，所以在滾珠絲杠副、軸承、聯(lián)軸器、電機等選擇都以導軌承載最重的方案來選擇。通過計算其中一組，另外一組則可以采用相同的零件，但由于行程不一樣，所以絲杠的長度不一樣。本設計為了實現(xiàn)一個繞（Z）軸的轉動，在直線進給系統(tǒng)中增加一個回轉工作臺，該工作臺主要通過電機、聯(lián)軸器、蝸輪蝸桿傳動來實現(xiàn)工作

22、臺的轉動，其工作原理如圖2-2所示。該系統(tǒng)主要確定蝸輪蝸桿的幾何尺寸以及電機的選擇，該內容都在第六章進行計算確定。因此就可以實現(xiàn)預期的設計目標。 圖2-1 橫向及縱向進給系統(tǒng)工作簡圖 圖2-2 回轉工作臺工作簡圖 3加工中心工作臺的基本參數(shù) 3.1 進行工作臺條件選定 工作臺重量計算：材料：HT200 密度：ρ=7200KG/m3 X,Y直線工作臺： 回轉工作臺： 總質量預算：總重=工作臺+工件+滾珠絲杠螺母副+夾具+導軌=1000kg 重量=10000N 縱向（X）工作臺行程=750mm 橫向（Y）工作臺行程=500mm 工作進給速度為1~15

23、00mm/min 快速進給速度為15m/min 工作臺導軌選擇滾動導軌，動摩擦因數(shù)取μ=0.01，靜摩擦因數(shù)μ0=0.01，工作快速進給 νmax=15m/min,壽命設定為20000h（約工作十年），主軸伺服電機暫取7.5KW，強力切削時銑刀選擇直徑為Φ125mm，主軸轉速設定為300r/min 表3-1 數(shù)控機床進給速度與時間比例經驗值 切削方式 進給速度m/min 時間比例% 備注 強力切削 0.6 10 主電動機滿功率工作 一般切削 0.8 30 粗加工 精加工切削 1 50 精加工 快速進給 15 10 空載 3.2銑削分析

24、采用端銑刀在主軸上進行強力切削下計算，主軸此時具有最大的扭矩，并能傳遞主電機的全部功率，此時銑刀的切削速度為： m/s （3-1） 式中：ν—銑刀切削速度，單位為m/min； n—強力切削下主軸轉速，單位為r/min； D—刀具直徑，單位為mm； 3.2.1 銑削抗力分析 機床主傳動機械效率η一般取η=0.8，在傳動軸系工作轉速的各階段臨界轉速范圍之外，當取n≤（0.75~0.8）nc1。 銑削運動運動特征：主運動為銑刀繞自身軸線高速旋轉，進給運動為工作臺帶動工件在垂直銑刀軸線方向緩慢

25、進給（銑鍵槽時，可使鍵槽銑刀沿軸線進給）。銑刀的類型很多，多以圓柱銑刀和端銑刀為基本形式。在本設計中主要以端銑刀銑削方式來進行計算。 切向銑削力可按照主電動機功率Pe（KW）計算，主切削力為 N （3-2） 式中：FZ——切向切削力，單位為N； ηm ——機床主傳動系統(tǒng)的傳動效率，一般取ηm =0.8； ν——機床主軸的計算轉速（主軸傳遞全部功率時的最低切削速度），單位為m/s； PE——主電動機滿載功率，單位為KW。 各切削分力的計算：縱向切削分力F1，橫向切削分力Fc，垂向切削分力Fv，

26、單位皆為N 表3—2 工作臺工作載荷與切削力的經驗比值 銑削條件 比值 對稱端銑 端銑（ae=(0.4~0.8)d0, af=0.1~0.2) Fl/FZ 0.3~0.4 Fc/FZ 0.85~0.95 Fv/FZ 0.5~0.55 式中：d0——端銑刀直徑，單位為mm； ae——每齒進給量，單位為mm/齒； af——銑削寬度，單位為mm。 則： Fl=（0.3~0.4）FZ Fc=（0.85~0.95）FZ Fv=（0.50~0.55）FZ 所以 Fl=0.4×30

27、61.22N=1224.49 N Fc=0.95×3061.22N=2908.16 N Fv=0.55×3061.22N=1683.67 N 3.2.2 坐標軸導軌摩擦力計算 （1） 在切削狀態(tài)下坐標軸導軌摩擦力Fμ的計算 ? 坐標軸導軌水平時，有 （3-3） 式中：Fv,Fc——主切削力的垂向切力分力和橫向切削分力，單位為N； W——坐標軸上移動部件的全部重量（包括機床夾具和工件的重量），單位為N； μ——摩擦因數(shù)，對于滾動直線導軌，μ=0.01； f

28、g——鑲條緊固力，單位為N，查表3—2； 表3—3 鑲條緊固力推薦值 導軌形式 主電動機功率/KW 2.2 3.7 5.5 7.5 11 15 18 滾動直線導軌 25 40 75 100 125 150 175 由公式（3-3）得 Fμ1=0.01×（10000+100+1683.67+2908.16）=146.9 N ? 坐標軸導軌垂直時，有 （3-4） 式中：W——坐標上移動部件和平衡重量的總重量，單位為N。 則由公式（3-4）得 Fμ

29、2=0.01×（0.5×10000+100+1683.67+2908.16）=96.9 N （2） 在不切削狀態(tài)下坐標軸導軌摩擦力Fμ0的計算 ?坐標軸導軌水平時，有 （3-5） 則由公式（3-5）得 Fμ01=0.01×（10000+100）N=101 N ?坐標軸導軌垂直時，有 （3-6） 則由公式（3-6）得 Fμ02=0.01×（0.5×10000+1

30、00）N=51 N 3.2.3 滾珠絲杠螺母副軸向負載力的計算 滾珠絲杠螺母副軸向負載力是指滾珠絲杠螺母副在驅動工作臺時滾珠絲杠所受的軸向力，也稱進給牽引力。 （1） 最大軸向負載力Famax的計算 滾珠絲杠螺母副的最大軸向負載力Famax發(fā)生在機床主電機滿功率運行的切削狀態(tài)時。此時，最大的軸向負載力Famax為 ? 坐標軸導軌水平時 （3-7） 則由公式（3-7）得 Famax=1224.49+146.9=1371.39 N ? 坐標軸導軌水平時

31、 （3-8） 則由公式（3-8）得 Famax=1224.49+96.9=1321.39 N （2）最小軸向負載力Famin的計算 滾珠絲杠螺母副的最小軸向負載力Famin發(fā)生在機床空載運行時，此時，最小的軸向負載力Famin為 ? 坐標軸導軌水平時 （3-9） 則由公式（3-9）得 Famin1=101 N ? 坐標軸導軌水平時

32、 （3-10） 則由公式（3-10）得 Famin2=51 N 4橫向進給系統(tǒng) 4.1橫向進給系統(tǒng)工作原理 橫向進給系統(tǒng)主要由電動機，聯(lián)軸器，軸承，滾珠絲杠螺母副，導軌組成。運動順序為，電動機帶動聯(lián)軸器旋轉，聯(lián)軸器與滾珠絲杠剛性連接，滾珠絲杠隨聯(lián)軸器旋轉，滾珠絲杠螺母隨著滾珠的運動帶動工作臺移動，實現(xiàn)工作臺的進給運動。該進給系統(tǒng)推動橫向導軌以上的縱向工作臺和回轉工作臺在Y軸方向進行移動，為工件在Y軸方向加工進行位置移動。進給系統(tǒng)的進給精度對于工件Y軸方向的加工精度有很重要的影響。其中滾珠絲杠在精度控制上影響最大，所以在設計中應注意滾珠絲杠螺母副的移

33、動精度以及剛度等要求。 圖4-1 橫向進給系統(tǒng)圖 4.2 導軌設計與選型 4.2.1 導軌概述 導軌主要用來支撐和引導運動部件沿一定的軌道運動。在導軌副中，運動的一方稱為動導軌，不動的一方稱為支撐導軌。動導軌相對于支撐導軌運動，通常作直線運動和回轉運動。 4.2.2 對導軌要求 （1） 導向精度:導向精度主要指導軌沿支撐導軌運動的直線度和圓度。 （2） 耐磨性好及壽命長 （3） 足夠剛度 （4） 低速運動的平穩(wěn)性 （5） 工藝性好 4.2.3 對導軌的技術要求 （1） 導軌的精度要求 滑動導軌，不管是V-平型還是平-平型，導軌面的平面度通常取0.01~0.

34、015mm，長度方向的直線度通常取0.005~0.01mm；側導向面的直線度取0.01~0.015mm，側導向面之間的平行度去0.01~0.015mm，側導向面對導軌地面的垂直度去0.005~0.01mm。鑲剛導軌的平面度必須控制在0.005~0.01mm以下，其平行度和垂直度控制在0.01mm以下。 （2） 導軌的熱處理 由于數(shù)控機床開動率普遍很高，所以要求導軌具有較高的耐磨性，以提高其精度保持性。為此，導軌大多需要淬火處理。 （3） 導軌的類型選擇及其特點 導軌的分類方法很多，在本次設計中用到的導軌有直線導軌和圓導軌。直線到導軌的截面形狀選取為三角形，且采用小于900的夾角，以此提

35、高導向精度。直線滑動導軌的組合形式，也稱雙三角形導軌導軌面同時起支承和導向作用。磨損后可以自動補償，導向精度高。但裝配時要對四個導軌面進行刮研，難度很大。由于過定位，所以制造、檢驗和維修都困難，它適用于精度要求高的機床，所以該導軌適合絲杠車床。 （4） 直線滑動導軌的選擇原則 ① 當要求導軌具有較大的剛度和承載能力時，用矩形導軌。一般中小型機床導軌常采用三角形-矩形導軌組合。 ②當要求導軌的導向精度高時，機床常采用三角形導軌。 ③矩形導軌、圓形導軌工藝性好，制造、檢驗都方便；三角形導軌、燕尾形導軌工藝性差。 ④ 當用要求結構緊湊、高度小及調整方便的機床時，用燕尾形導軌。

36、 4.2.4 滾動直線導軌的選型與計算 在本設計中，機床的精度等級選擇可根據表4-1取 表4-1 各類機床和通用機械推薦的精度等級 精度等級 數(shù)控機床 普通機床 通用機床 車床 銑床 鏜床 磨床 電加工機床 精密充剪機 繪圖機 2 √ √ √ √ — — — — — 3 √ √ √ √ — — √ √ — 4 √ √ — — √ √ √ √ √ 5 — — — — √ √ - — √ 從表4-1的中可以得到，在本設計中，滾動直線導軌的精度等級選擇為2等精度。 （1） 結構與優(yōu)點 結

37、構：滾動直線導軌副是由導軌、滑塊、鋼球、反相器、保持架、密封端蓋及擋板組成。 優(yōu)點：① 導軌的動、靜摩擦系數(shù)差別小，隨動性極好； ② 驅動功率大大降低，只相當于普通機械的1/10； ③ 與滑動導軌和滾子導軌相比，摩擦力可下降約40倍； ④ 適用于高速直線運動運動速度比滑動速度提高約10倍； ⑤ 可以實現(xiàn)較高的定位精度和重復定位精度。 （2） 選型與計算 ① 滾動直線導軌選型 一般依照導軌的承載量，根據經驗確定導軌規(guī)格，然后計算壽命 表4-2 導軌承載量與導軌規(guī)格對應的經驗關系 承載量/N 3000以下 3000~5000 5000~10000 10000~25000

38、 25000~50000 導軌規(guī)格 30 35 45 55 65 （2） 滾動直線導軌計算 滾動直線導軌的計算就是計算其距離額定壽命或時間額定壽命。 ① 距離額定壽命L和時間額定壽命Lh （4-1） 式中：fh——硬度系數(shù)，一般要求滾道的硬度不得低于58HRC，常取fh=1； ft——溫度系數(shù)，取表4-3得ft=1.00； fc——接觸系數(shù)，取表4-4得fc=0.81； fa——精度系數(shù)，取表4-5得fa=1.0； fw——載荷系數(shù)，取表4-6得fw=1.3； Ca——額定動載荷，

39、單位為N； F—— 計算載荷，單位為N。 表4-3 溫度系數(shù) 工作溫度/℃ <100 ≥100~150 ≥150~200 ≥200~250 ft 1.00 0.9 0.73 0.60 表4-4 接觸系數(shù) 每根導軌上的滑塊數(shù) 1 2 3 4 5 fc 1.00 0.81 0.72 0.66 0.61 表4-5 精度系數(shù) 精度等級 2 3 4 5 fa 1.0 1.0 0.9 0.9 表4-6 載荷系數(shù) 工作條件 無外部沖擊或振動的低速運動場合 無明顯沖擊或振動的中速運動場合

40、有外部沖擊或振動的高速運動場合 fw 1~1.5 1.5~2.0 2.0~3.5 ② 時間額定壽命Lh （4-2） 式中：l-工作單行程長度，單位為m； 　　　n-每分鐘往復次數(shù)， 　　　L-額定行程壽命，單位為km。 原設計加工中心的工作的時間20000h

41、控技術課程設計》表2-13可為GGB45。所以該滾動直線導軌標記為：GGB45AA2P12×1000-2。 4.3 軸承的選擇與計算 4.3.1 滾珠絲杠螺母副支承方式選擇 支承的作用是限制兩端固定軸的軸向竄動。較短的滾珠絲杠或豎直安裝的滾珠絲杠，可以一端固定一端自由。水平安裝的滾珠絲桿較長時，可以一端固定，一端游動。用于精密和高精度機床的滾珠絲杠副，為了提高滾珠絲杠的拉壓剛度，可以兩端固定。為了減少滾珠絲杠因自重下垂和補償熱膨脹，兩端固定的滾珠絲杠還可以進行預拉伸。滾珠絲杠的支承結構形式可以分為三類：“自由”（代號O）,指的是無支承；“游動”，指徑向有約束軸向無約束；“固定”，指的是徑

42、向和軸向都有約束。 在本設計中橫向進給系統(tǒng)采用的是兩端固定的支承方式，選用背對背的60°角接觸球軸承。 4.3.2 軸承所受的最大軸向載荷 計算軸承所受的最大軸向載荷FBmax，有預拉伸的滾珠絲杠應考慮到預拉伸力Ft的影響 （4-3） 式中：Famax——主電機滿功率切削時最大軸向負載力，單位為N； Ft——滾珠絲杠預拉伸力，單位為N。 計算軸承的預緊力 。 （4-4） 計算軸承的當量軸向載荷 。

43、 （4-5） 已知軸承的工作轉速與滾珠絲杠的當量轉速相同 ，軸承所承受的當量軸向載荷 ，軸承的基本額定壽命。軸承的徑向載荷和軸向載荷分別為 （4-6） （4-7） 4.3.3 根據滾珠絲杠副支承要求選擇軸承型號 選用軸承的重要依據是軸承的基本壽命，常用工作小時數(shù)表示軸承的基本額定壽命Lh

44、 （4-8） 式中：Lh——軸承的基本額定壽命（h），對于數(shù)控機床滾珠絲杠上采用的軸承，一般取Lh=20000h； n——軸承的工作轉速（r/min）,與滾珠絲杠的當量轉速相同； ε——軸承壽命系數(shù)，對于球軸承ε=3，對于滾子軸承ε=10/3； C——軸承的基本額定動載荷，單位為N； P——軸承的當量動載荷，單位為N； （4-9） 式中：X——徑向動載荷系數(shù)，，F(xiàn)a/Fr=1.73<2.17,根據

45、《數(shù)控技術課程設計》表2-25中選取，X=1.9； Y——軸向動載荷系數(shù)，根據《數(shù)控技術課程設計》表2-26中選取，Y=0.54； Fr——徑向載荷，單位為N； Fa——軸向載荷，單位為N。 則由公式（4-8），（4-9）得 因為滾珠絲杠采用兩端固定的支撐方式，所以選用60°角接觸球軸承組背對背安裝，以承受兩個方向的軸向力，由于滾珠絲杠螺紋底徑，所以選取軸承內徑，以滿足滾珠絲杠結構需要。查《機械設計課程設計指導書》表12.2得，選7204C，GB/T292,尺寸（內徑 ×外徑×寬度）為20mm×47mm×14mm的角接觸球軸承選用脂潤滑。在

46、油脂潤滑狀態(tài)下的相對轉速為，故滿足要求。軸承的額定動載荷Cr=14500N>9055.9N，故滿足要求，則軸承為：7204C/BD。 4.4 聯(lián)軸器及傳感器的選擇 （1） 聯(lián)軸器的選擇 剛性聯(lián)軸器，查《機械設計課程設計指導書》表13.4取聯(lián)軸器為GY1，公稱轉矩，許用轉速，符合設計要求，該選擇符合橫向進給系統(tǒng)，縱向進給系統(tǒng)以及回轉工作臺的選擇要求。 （2） 傳感器選擇 現(xiàn)代傳感器在原理與結構上千差萬別，如何根據具體的測量目的、測量對象以及測量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進行某個量的測量時首先要解決的問題。當傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設備也就可以確定了。測量結果的成敗

47、，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。 在本設計中選用的是機械式傳感器，該傳感器的輸入量可以是力﹑壓力﹑溫度等物理量，而輸出則為彈性元件本身的彈性形變（或應變）。在自動檢測﹑自動控制技術中廣泛應用的微型探測開關也被看做是機械式傳感器。這種開關能把物體的運動﹑位置或尺寸變化，轉換為接通﹑斷開信號。在該Y進給系統(tǒng)和X進給系統(tǒng)中選用這類的微型開關正合適選擇要求。 4.5 滾珠絲杠螺母副的選型與計算 4.5.1 滾珠絲杠螺母副循環(huán)方式選擇 滾珠絲杠螺母副常用的循環(huán)方式有外循環(huán)和內循環(huán)兩種。外循環(huán)結構制造簡單，使用較廣泛。其缺點是滾到接縫處很難做得平滑，影響滾珠滾動的平穩(wěn)性，甚至發(fā)生卡珠

48、現(xiàn)象，噪音也較大。內循環(huán)均采用反向器實現(xiàn)滾珠循環(huán)，反向器分為兩種形式：圓柱凸鍵反向器和扁圓鑲塊反向器。后一種尺寸較小，從而減小了螺母的徑向尺寸并縮短了軸向尺寸，兩種反向器的外廓和螺母的切槽尺寸精度要求高。在本次設計中采用的是內循環(huán)方式。 4.5.2 滾珠絲杠螺母副的計算 （1） 滾珠絲杠精度選擇 國家標準GB/T 17587.3-1998將滾珠絲杠分為定位滾珠絲杠副（P型）和轉動滾珠絲杠螺母副（T型）兩大類。滾珠絲杠的精度等級為7級，即1、2、3、4、5、7、10級，在本次設計中，選用的精度為2級精度。由于選用半閉環(huán)系統(tǒng)使用的滾珠絲杠則 （定位精度-δk） （定位精度-

49、δk） （2）滾珠絲杠的動載荷計算與直線估計 ① 確定滾珠絲杠的導程 （4-10） 式中：Vmax——移動部件的最高移動速度，單位為mm/min； i——傳動比，當滾珠絲杠與電動機直接連接時，i=1； nmax——電動機的最高轉速，單位為r/min。 ② 滾珠絲杠的當量載荷Fm與當量轉速nm計算 r/min （4-11） N （4-12） 當載荷與轉速接近正比變化，各

50、種轉速使用機會均等時，可采用下列公式計算： r/min （4-13） N （4-14） 式中：Famin——機床空載時滾珠絲杠所受的軸向力，單位為N； Famax——機床切削時滾珠絲杠所受的切向力，單位為N； nmax——滾珠絲杠的最高轉速； nmin——滾珠絲杠的最低轉速。 則由公式（4-11），（4-12）可得 當切削力的軸向載荷定為力最大軸向載荷Fmax，快速

51、移動和鉆鏜定位時的軸向載荷定為最小軸向載荷Fmin。一般切削和精加工切削時，滾珠絲杠螺母副的軸向載荷分為 F2=Famin+20%Famax=101+1371.39×0.2=375.29 N F3=Famin+5%Famax=101+1371.39×0.05=169.57 N 各種切削方式下，絲杠轉速 （4-15） 當ν1=0.6m/min,ν2=0.8m/min,ν3=1m/min,ν4=15m/min時 n1=60r/min,n2=80r/min,n3=100r

52、/min,n4=1500r/min。 表4-7 滾珠絲杠在各種切削方式下軸向載荷，進給速度，及時間比例的數(shù)值 切削方式 軸向載荷/N 進給速度/（m/min） 時間比例（%） 備注 強力切削 F1=Famax=1371.39 0.6 10 主電機滿功率 一般切削 F2=375.29 0.8 30 粗加工 精細切削 F3=169.57 1 50 精加工 快速移動 F4=Fmin=101 15 10 快速移動 ③ 確定預期額定動載荷Cam 根據滾動絲杠螺母副的預期工作時間Lh（h）計算

53、 （4-16） 式中：nm——滾珠絲杠的當量轉速，單位為r/min； Lh——數(shù)控機床預期工作時間h,Lh=20000h； Fm——滾珠絲杠的當量載荷，單位為N； fw——載荷性質系數(shù)，fw=1.3； fa——精度系數(shù)，fa=1； f——可靠性系數(shù)，fc=1。 則由公式（4-16）可得 根據滾珠絲杠螺母副預期運行距離Ls（KM）計算 （4-17） 式中：Ls——數(shù)控機床的預期

54、運行距離（KM計算） 則由公式（4-17）可得 對于有預加載荷的滾珠絲杠螺母副，需要根據最大軸向載荷Fmax （4-18） 式中：fe——預加載荷系數(shù)，fe=4.5； 則由公式（4-18）可得 Cam=4.5×1371.39=6171.26N 根據以上三種預算中最大值，則Cam=6171.26N ④ 根據位置精度要求確定滾珠絲杠螺母副允許的最小螺紋底經d2m 估算滾珠絲杠螺母副允許的最大軸向變形量δmax，暫定工作時的定位精度為30μm，重復定位精度10μm δmax

55、=（1/3~1/2）重復定位精度μm δmax=（1/5~1/4）定位精度μm 則 δmax=（1/3~1/2）×10=（3.33~5）μm δmax=（1/3~1/2）×30=（6~7.5）μm 在計算結果取最小值3.3μm，最大軸向變形量δmax（μm） ⑤估算滾珠絲杠螺母副螺紋的底經d2m L=行程+安全行程+余程+螺母長度+支撐長度≈（1.2~1.4）行程+ （20~30）L0=1.3×500+30×10=950mm 當滾珠絲杠螺母副的安裝方式為兩端固定時

56、 （4-19） 式中：E——彈性模量，單位MPa,一般取2.1×105MPa； δmax——最大軸向變形量，單位為μm； L——滾珠絲杠螺母副兩個固定支承之間的距離，單位為mm； F0——導軌靜摩擦力，單位為N。 則由公式（4-19）可得 據基本導程L0，預期額定動載荷和滾珠絲杠的螺紋底徑d2m,d2≥d2m,Ca≥Cam,且d2適當大。 得，d2=27.3mm,Ca=40kN,型號FF3210-5，符合要求。 4.5.3 滾珠絲杠螺母

57、副預緊方式的選擇以及預緊力的確定 （1） 滾珠絲杠螺母副的預緊方式選擇 在本次設計中，選用的是墊片調隙式，調整墊片的厚度使左右兩螺母產生軸向位移，即可以消除間隙和產生預緊力。這種方法結構簡單，剛度好，但調整不便，當滾道有磨損時不能隨時消除間隙和進行預緊。 （2） 滾珠絲杠螺母副的預緊以及預緊力的確定 為了保證滾珠絲杠螺母副的傳動精度和剛度，必須對滾珠絲杠螺母副實施預緊措施。預緊目的有兩個：一是消除軸向間隙，二是為了提高軸向剛度。 根據最大軸向工作載荷Fmax來確定 （4-20） 根據額定動載荷來確定

58、 （4-21） 式中：ξ——額定動載荷系數(shù)，ξ=0.075； Ca——額定動載荷； 則由公式（4-21）可得 Fp=0.075×6171.26=432N （3） 滾動絲杠螺母副的預緊方式及其特點 雙螺母墊片預緊，采用JB/T 3162.1-1991，行業(yè)標準代號為D，結構特點：結構簡單，剛度高，預緊可靠及不易松弛。使用中不方便隨時調整預緊力。 （4） 滾珠絲杠的預拉伸 ① 目標行程補償值δt計算

59、 （4-22） 式中：δt——目標行程補償值，單位為； Δt——溫度變化值，單位為℃，一般情況下2~3℃； α——絲杠的線膨脹系數(shù)（1/℃），一般情況下為11×10-6； Lu——滾珠絲杠副的有效行程，單位為mm，Lu=工作臺行程+安全行程+2×余程+螺母長度=500+100+2×20+146=786mm 則由公式（4-22）可得 ② 滾珠絲杠預拉伸力Ft的計算 （4-23） 式中：Ft-預拉伸力，單位為N； d2-滾珠絲杠螺紋底經，單位為mm； E-彈性模量，單位為MPa，一般取E=2.1×105M

60、Pa； Δt-滾珠絲杠的溫升變化值，單位為℃，一般情況下2~3℃； （5）確定滾珠絲杠副支承所用的軸承規(guī)格與型號 根據4.2.3的軸承計算選7204C，GB/T292,Cr=16500N，d=25mm,D=52mm,B=15,r=1,a=12.7。 4.6 滾珠絲杠的確定 確定滾珠絲杠螺母副的螺紋長度Ls和螺旋升角λ （4-24） 式中：Lu-有效行程，單位為mm，Lu=行程+螺母長度； Le-安全行程，單位為mm，Le=5L0； Lc-余程，單位為mm，Lc=2L0；

61、 （4-25） 則由公式（4-25）可得 表4-8 滾珠絲杠幾何尺寸 名稱 符號 值 單位 名稱 符號 值 單位 公稱直徑 d0 32 mm 基本導程 L0 10 mm 絲杠外徑 d1 32.5 mm 絲杠底徑 d2 27.3 mm 循環(huán)圈數(shù) 5 有效行程 Lu 786 mm 螺紋長度 Ls 1072 mm 表4-9 滾珠絲杠螺母安裝尺寸 符號 值 單位 符號 值 單位 D1 53 mm D4

62、 71 mm D2 53 mm D5 9 mm L2 15 mm D6 15 mm D3 90 mm D7 70 mm B 15 mm h 9 mm M M6 mm D8 44 mm L1 99 mm 5縱向進給系統(tǒng)設計 5.1 縱向進給系統(tǒng)工作原理 縱向進給系統(tǒng)主要由電動機，聯(lián)軸器，軸承，滾珠絲杠螺母副，導軌組成。運動順序為，電動機帶動聯(lián)軸器旋轉，聯(lián)軸器與滾珠絲杠剛性連接，滾珠絲杠隨聯(lián)軸器旋轉，滾珠絲杠螺母隨著滾珠的運動帶動工作臺移動，實現(xiàn)工作臺的進給運動。該進給系統(tǒng)推動導軌上的回轉工作臺在X軸方向進行移動，為工件在

63、X軸方向加工進行位置變換，進給系統(tǒng)的進給精度對于工件X軸方向的加工精度有很重要的影響。其中滾珠絲杠在精度控制上影響最大，所以在設計中應注意滾珠絲杠螺母副的移動精度以及剛度等要求。 圖5-1 縱向進給系統(tǒng)圖 5.2 導軌設計與選型 （1）距離額定壽命L和時間額定壽命Lh 由公式（4-1）可得 式中：fh——硬度系數(shù)，一般要求滾道的硬度不得低于58HRC，常取fh=1； ft——溫度系數(shù)，取表4-3得ft=1.00； fc——接觸系數(shù)，取表4-4得fc=0.81； fa——精度系數(shù)，取表4-5得fa=1.0；

64、 fw——載荷系數(shù)，取表4-6得fw=1.3； Ca——額定動載荷，單位為N； F—— 計算載荷，單位為N。 （2）時間額定壽命Lh 由公式（4-2）可得 式中：l-工作單行程長度，單位為m； 　　　n-每分鐘往復次數(shù)， 　　　L-額定行程壽命，單位為km。 原設計加工中心的工作的時間20000h

65、（P1），且P1=0.05Ca=0.05×40000=2000，所以導軌規(guī)格根據《數(shù)控技術課程設計》表2-13可為GGB45。所以該滾動直線導軌標記為：GGB45AA2P12×1000-2。 5.3 軸承的選擇與計算 5.3.1 滾珠絲杠螺母副支承方式選擇 在本設計中縱向進給系統(tǒng)采用的是一端固定一端游動的支承方式，固定端選用背對背的60°接觸球軸承組背對背安裝，以承受兩個方向的軸向力。 5.3.2 軸承所受的最大軸向載荷 計算軸承所受的最大軸向載荷FBmax，有預拉伸的滾珠絲杠應考慮到預拉伸力Ft的影響 由公式（4-3）可得 式中：Famax——

66、主電機滿功率切削時最大軸向負載力，單位為N； Ft——滾珠絲杠預拉伸力，單位為N。 計算軸承的預緊力 。 由公式（4-4）可得 計算軸承的當量軸向載荷 由公式（4-5） 已知軸承的工作轉速與滾珠絲杠的當量轉速相同 ，軸承所承受的當量軸向載荷 ，軸承的基本額定壽命。軸承的徑向載荷和軸向載荷分別由公式（4-6），（4-7）可得 5.3.3 根據滾珠絲杠副支承要求選擇軸承型號 選用軸承的重要依據是軸承的基本壽命，常用工作小時數(shù)表示軸承的基本額定壽命Lh 式中：Lh——軸承的基本額定壽命（h），對于數(shù)控機床滾珠絲杠上采用的軸承，一般取Lh=20000h； n——軸承的工作轉速（r/min）,與滾珠絲