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Abroad CNC machine tools more expensive than domestic prices high 50% 60%. combine market research and graduate of the actual design, structural design workstations Grinder. CNC Grinder against the crawling stage, flutter, feed rigid low-ball screw, determine the use of ball screw driven workstations, ball screw and motor uses synchronous belt link Guide laminating workstations, thereby improving the lubrication conditions, but also play a role in damping, MK1332 CNC Cylindrical Grinder crawl, flutter phenomenon to be an effective solution to improve the quality of the parts processing; Screw using both fixed supports, Rolling back-up, rigid be doubled. Position detection device using high-resolution pulse encoder, through half-closed loop control workstations measurement of linear displacement. Workstations using planar surface forms, reducing the quality of workstations, moment of inertia, allowing the system to have a faster response. The processing machine to improve quality and efficiency, shorten the product development cycle has a positive meaning. KeywordsKeywords CNC Grinder Worktable Ball Screws Laminating Guide目 錄摘摘 要要.IAbstractAbstract.II 第第 1 1 章章 緒論緒論 .11.1 數(shù)控加工技術(shù) .11.1.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展 .21.1.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì) .31.2 數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn) .41.2.1 數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn) .41.2.2 數(shù)控機(jī)床加工零件的特點(diǎn) .51.3 設(shè)計(jì)參數(shù)和方案確定 .61.3.1 機(jī)床主要技術(shù)參數(shù) .61.3.2 MK1332 數(shù)控外圓磨床設(shè)計(jì)參數(shù).61.3.3 MK1332 數(shù)控外圓磨床加工產(chǎn)品的主要精度 .71.3.4 設(shè)計(jì)方案的確定 .7第 2 章 數(shù)控機(jī)床的組成和分類 .92.1 數(shù)控機(jī)床的組成.92.2 數(shù)控機(jī)床的分類.92.2.1 按工藝用途分類 .102.2.2 按控制運(yùn)動(dòng)方式分類 .102.2.3 按伺服系統(tǒng)的類型分類 .112.2.4 按照功能水平分類 .11第 3 章 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) .133.1 工作臺(tái)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)設(shè)計(jì).133.2 滾珠絲杠螺母副.143.2.1 工作原理與特點(diǎn) .153.2.2 滾珠絲杠螺母副的循環(huán)方式 .163.2.3 滾珠絲杠副的軸向間隙消除和預(yù)加載荷 .163.3 滾珠絲杠副的精度.163.3.1 滾珠絲杠當(dāng)量動(dòng)載荷的計(jì)算 .163.3.2 滾珠絲杠的選取和極限轉(zhuǎn)速的計(jì)算 .193.3.3 滾珠絲杠副效率計(jì)算 .223.3.4 滾珠絲杠副剛度驗(yàn)算 .22第 4 章 滾珠絲杠的支承 .244.1 軸端支承形式的選擇 .244.1.1 滾珠絲杠軸端支承形式的選擇 .244.1.2 滾珠絲杠對(duì)軸承的要求 .254.1.3 軸承的組配方式 .254.2 軸承預(yù)緊力 .264.2.1 軸承應(yīng)適當(dāng)?shù)念A(yù)緊，適當(dāng)?shù)念A(yù)緊有助于提高軸承的工作能力 .274.2.2 預(yù)緊與發(fā)熱 .284.3 滾珠絲杠的聯(lián)接.304.3.1 同步齒形帶的計(jì)算 .31第 5 章 電動(dòng)機(jī)的選擇和慣量匹配計(jì)算 .375.1 最大靜態(tài)切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 .375.2 慣量匹配計(jì)算 .385.3 最大空載加速轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 .415.4 系統(tǒng)增益設(shè)計(jì) .43第 6 章 導(dǎo)軌的選擇與工作臺(tái)型面的確定 .456.1 導(dǎo)軌的選擇.456.1.1 導(dǎo)軌的分類 .456.1.2 導(dǎo)軌的間隙調(diào)整機(jī)構(gòu) .486.1.3 貼塑導(dǎo)軌設(shè)計(jì) .496.2 工作臺(tái)型面的確定 .51第 7 章 機(jī)床定位精度驗(yàn)算 .53結(jié)論 .56致謝 .57參考文獻(xiàn) .58附錄 1 .60附錄 2 .661第 1 章 緒論隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，產(chǎn)品更新速度越來(lái)越快，復(fù)雜形式的零件越來(lái)越多，精度要求越來(lái)越高，多品種、中小批量生產(chǎn)的比重明顯增加。激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)使產(chǎn)品研制生產(chǎn)周期越來(lái)越短。傳統(tǒng)的加工設(shè)備和制造方法已難于適應(yīng)這種多樣化、柔性化與復(fù)雜形狀零件的高效高質(zhì)量加工要求。汽車、拖拉機(jī)與家用電器等行業(yè)的產(chǎn)品零件，為了解決高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的問(wèn)題，多采用專用的工藝裝備、專用自動(dòng)化機(jī)床或?qū)Ｓ玫淖詣?dòng)生產(chǎn)線和自動(dòng)化車間進(jìn)行生產(chǎn)。但是應(yīng)用這些專用生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期長(zhǎng)，產(chǎn)品改型不易，因而使新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期增長(zhǎng)。在機(jī)械產(chǎn)品中，單件與小批量產(chǎn)品占到70%80%1，這類產(chǎn)品一般都采用通用機(jī)床加工，當(dāng)產(chǎn)品改變時(shí)，機(jī)床與工藝裝備均需作相應(yīng)的變換和調(diào)整。通用機(jī)床的自動(dòng)化程度不高，基本上由人工操作，難于提高生產(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量，特別是一些由曲線、曲面輪廓組成的復(fù)雜零件，只能借助靠模和仿形機(jī)床，或者借助劃線和樣板用手工操作的方法來(lái)加工，加工精度和生產(chǎn)效率受到很大的限制。數(shù)控機(jī)床就是為了解決單件、小批量、特別是復(fù)雜型面零件加工的自動(dòng)化并保證質(zhì)量要求而產(chǎn)生的，它為單件、小批生產(chǎn)的精密復(fù)雜零件提供了自動(dòng)化加工手段。1.1 數(shù)控加工技術(shù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及世界先進(jìn)制造技術(shù)的興起和不斷成熟，對(duì)數(shù)控加工技術(shù)提出了更高的要求；超高速切削、超精密加工等技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)、伺服性能、主軸驅(qū)動(dòng)、機(jī)床結(jié)構(gòu)等提出了更高的性能指標(biāo)；FMS的迅速發(fā)展和 CIMS 的不斷成熟，將對(duì)數(shù)控機(jī)床的可靠性、通信功能、人工智能和自適應(yīng)控制等技術(shù)提出更高的要求。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的性能日臻完善，數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。當(dāng)今數(shù)控機(jī)床正在不斷采用最新技術(shù)成就，朝著高速化、高精度化、多功能化、智能化、模塊化、系統(tǒng)化和高可靠性等方向發(fā)展2。21.1.11.1.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展數(shù)控機(jī)床是在機(jī)械制造技術(shù)和控制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。1948 年，美國(guó)帕森斯公司在研制加工直升機(jī)葉片輪廓檢驗(yàn)樣板的機(jī)床時(shí)，首先提出了應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)控制機(jī)床來(lái)加工樣板曲線的設(shè)想。后來(lái)受美國(guó)空軍委托，帕森斯公司與麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)研究所合作進(jìn)行研制工作。1952 年試制成功世界上第一臺(tái)三坐標(biāo)立式銑床。后來(lái)，又經(jīng)過(guò)改進(jìn)并開(kāi)展自動(dòng)編程技術(shù)的研究，數(shù)控機(jī)床于 1955 年進(jìn)入實(shí)用階段，這對(duì)于加工復(fù)雜曲面的發(fā)展起了重要作用3。我國(guó)從 1958 年開(kāi)始研制數(shù)控機(jī)床，在研制與推廣使用數(shù)控機(jī)床方面取得了一定成績(jī)。近年來(lái)，由于引進(jìn)了國(guó)外的數(shù)控系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)的制造技術(shù)，使我國(guó)數(shù)控機(jī)床在品種、數(shù)量和質(zhì)量方面得到了迅速的發(fā)展。目前，我國(guó)已有幾十家機(jī)床廠能夠生產(chǎn)不同類型的數(shù)控機(jī)床和加工中心。目前，在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域中，我國(guó)和先進(jìn)的工業(yè)國(guó)家之間還存在著不小的差距，但這種差距正在縮小。隨著工廠、企業(yè)技術(shù)改造的深入開(kāi)展，各行各業(yè)對(duì)數(shù)控機(jī)床的需求量將會(huì)有大幅度的增長(zhǎng)，這將有力促進(jìn)我國(guó)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。1.1.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)1-31. 高精度化現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、新材料及新零件的出現(xiàn)，對(duì)精密加工技術(shù)不斷提出新的要求，提高加工精度，發(fā)展新型超精密加工機(jī)床，完善精密加工技術(shù)，適應(yīng)現(xiàn)代科技的發(fā)展，已經(jīng)成為數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向之一。其精度已從微米級(jí)到亞微米級(jí)，乃至納米級(jí)。2.高速化提高生產(chǎn)率是數(shù)控機(jī)床追求的基本目標(biāo)之一。數(shù)控機(jī)床高速化可充分發(fā)揮現(xiàn)代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率，降低加工成本，而且還可提高零件的表面加工質(zhì)量和精度，對(duì)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、低成本生產(chǎn)具有廣泛的實(shí)用性。3.高柔性化采用柔性自動(dòng)化設(shè)備或系統(tǒng)，是提高加工精度和效率，縮短生產(chǎn)周期，3適應(yīng)市場(chǎng)變化需求和提高競(jìng)爭(zhēng)力的有效手段。4.高自動(dòng)化高自動(dòng)化是指全部加工過(guò)程中盡量減少人的介入而自動(dòng)完成規(guī)定的任務(wù)，它包括物料流和信息流的自動(dòng)化。5.智能化隨著人工智能在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的不斷滲透與發(fā)展，為適應(yīng)制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、自動(dòng)化發(fā)展需要，智能化正成為數(shù)控機(jī)床及發(fā)展的熱點(diǎn)，它不僅貫穿在生產(chǎn)加工的全過(guò)程，還貫穿在產(chǎn)品的售后服務(wù)和維修中。6.復(fù)合化復(fù)合化包含工序復(fù)合化和功能復(fù)合化。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展已模糊了粗、精加工工序的概念。加工中心的出現(xiàn)，又把車、銑、鏜等工序集中到一臺(tái)機(jī)床來(lái)完成，打破了傳統(tǒng)的工序界限和分開(kāi)加工的工藝規(guī)程，可最大限度地提高設(shè)備利用率。7.高可靠性數(shù)控機(jī)床的可靠性一直是用戶最關(guān)心的。數(shù)控系統(tǒng)將采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)?；虺笠?guī)模的專用及混合式集成電路，以減少元器件的數(shù)量，提高可靠性。8.網(wǎng)絡(luò)化為了適應(yīng) FMC、FMS 以及進(jìn)一步聯(lián)網(wǎng)組成 CIMS 的要求，先進(jìn)的 CNC 系統(tǒng)為用戶提供了強(qiáng)大的聯(lián)網(wǎng)功能，除有 RS232 串行接口、RS422 等接口外，還帶有遠(yuǎn)程緩沖功能的 DNC 接口，可實(shí)現(xiàn)幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床之間的數(shù)據(jù)通信和直接對(duì)幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制。9.開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)20 世紀(jì) 90 年代以后，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展推動(dòng)數(shù)控機(jī)床技術(shù)更快地更新?lián)Q代，世界上許多數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家利用 PC 機(jī)豐富的軟硬件資源開(kāi)發(fā)開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)。41.2 數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)1.2.1 數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)1.加工對(duì)象改型的適應(yīng)性強(qiáng)利用數(shù)控機(jī)床加工改型零件，只需要重新編制程序就能實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的加工。它不同于傳統(tǒng)的機(jī)床，不需要制造、更換許多工具、夾具和檢具，更不需要重新調(diào)整機(jī)床。2.加工精度高數(shù)控機(jī)床是以數(shù)字形式給出指令進(jìn)行加工的，由于目前數(shù)控裝置的脈沖當(dāng)量一般達(dá)到了 0.001mm，而且進(jìn)給傳動(dòng)鏈的反向間隙與絲杠螺距誤差等均可由數(shù)控裝置進(jìn)行補(bǔ)償，因此，數(shù)控機(jī)床能達(dá)到比較高的加工精度和質(zhì)量穩(wěn)定性。3.生產(chǎn)效率高零件加工所需要的時(shí)間包括機(jī)動(dòng)時(shí)間與輔助時(shí)間兩部分。數(shù)控機(jī)床能有效的減少這兩部分時(shí)間，因而加工生產(chǎn)率比一般機(jī)床高的多。數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的范圍比普通機(jī)床的范圍大，每一道工序都能選用最有利的切削用量，良好的結(jié)構(gòu)剛性允許數(shù)控機(jī)床進(jìn)行大切削用量的強(qiáng)力切削，有效地節(jié)省了機(jī)動(dòng)時(shí)間。數(shù)控機(jī)床移動(dòng)部件的快速移動(dòng)和定位均采用了加速與減速措施，由于選用了很高的空行程運(yùn)動(dòng)速度，因而消耗在快進(jìn)、快退和定位的時(shí)間要比一般機(jī)床少的多。4.自動(dòng)化程度高數(shù)控機(jī)床對(duì)零件的加工是按事先編好的程序自動(dòng)完成的，操作者除了操作面板、裝拆零件、關(guān)鍵工序的中間測(cè)量以及觀察機(jī)床的運(yùn)行之外，其他的機(jī)床動(dòng)作直至加工完畢，都是自動(dòng)連續(xù)完成，勞動(dòng)強(qiáng)度與緊張程度均大為減輕，勞動(dòng)條件也得到相應(yīng)的改善。5.良好的經(jīng)濟(jì)效益使用數(shù)控機(jī)床加工零件時(shí)，分?jǐn)傇诿總€(gè)零件上的設(shè)備費(fèi)用是較昂貴的。但在單件、小批量生產(chǎn)情況下，可以節(jié)省工藝裝備費(fèi)用、減少輔助生產(chǎn)工時(shí)、生產(chǎn)管理費(fèi)用及降低廢品率，因此能夠獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。6.有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化5用數(shù)控機(jī)床加工零件，能準(zhǔn)確地計(jì)算零件的加工工時(shí)，并有效簡(jiǎn)化了檢驗(yàn)和工夾具、半成品的管理工作。這些特點(diǎn)都有利于使生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。數(shù)控機(jī)床在應(yīng)用中也有不利的一面，如提高了起始階段的投資，對(duì)設(shè)備維護(hù)的要求高，對(duì)操作人員的技術(shù)水平要求高等。1.2.2 數(shù)控機(jī)床加工零件的特點(diǎn)2數(shù)控機(jī)床確實(shí)存在一般機(jī)床所不具備的許多優(yōu)點(diǎn)，但是這些優(yōu)點(diǎn)都是以一定條件為前提的。數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大，但它并不能完全代替其他類型的機(jī)床，也還不能以最經(jīng)濟(jì)的方式解決機(jī)械加工中的所有問(wèn)題。數(shù)控機(jī)床通常最適合加工有以下特點(diǎn)的零件。1.多品種小批量生產(chǎn)的零件數(shù)控機(jī)床設(shè)備費(fèi)用高昂，與大批量生產(chǎn)采用的專用機(jī)床相比其效率還不夠高。通常，采用數(shù)控機(jī)床加工的合理生產(chǎn)批量在 10200 件之間。目前有向中批量發(fā)展的趨勢(shì)。2.結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的零件通常數(shù)控機(jī)床適宜于加工結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、在普通機(jī)床上加工需要有昂貴的工藝裝備的零件。3.需要頻繁改型的零件數(shù)控機(jī)床節(jié)省了大量的工藝裝備費(fèi)用，使綜合費(fèi)用下降。4.價(jià)格昂貴、不允許報(bào)廢的關(guān)鍵零件。5.需要最短生產(chǎn)周期的急需零件推廣數(shù)控機(jī)床的最大障礙是設(shè)備的初始投資大。由于系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，又增加了維修費(fèi)用。如果缺少完善的售后服務(wù)，往往不能及時(shí)排除設(shè)備故障，將會(huì)在一定程度上影響機(jī)床的利用率，這些因素都會(huì)增加綜合生產(chǎn)費(fèi)用?？紤]到以上所述的種種原因，在決定選用數(shù)控機(jī)床加工時(shí)，需要進(jìn)行反復(fù)對(duì)比和仔細(xì)的經(jīng)濟(jì)分析，以發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的經(jīng)濟(jì)效益。61.3 設(shè)計(jì)參數(shù)和方案確定1.3.1 機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)包括機(jī)床的主參數(shù)和基本參數(shù)，基本參數(shù)包括尺寸參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)及動(dòng)力參數(shù)。機(jī)床主參數(shù)反映機(jī)床規(guī)格大小和工作范圍，有些機(jī)床還規(guī)定有第二主參數(shù)。機(jī)床的尺寸參數(shù)是指機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)，通常包括以下尺寸。1）與被加工零件有關(guān)的尺寸，如磨床頭架上最大加工直徑。2）標(biāo)準(zhǔn)化工具或夾具的安裝尺寸。運(yùn)動(dòng)參數(shù)是指機(jī)床執(zhí)行件，如主軸、工作臺(tái)和刀架的運(yùn)動(dòng)速度。動(dòng)力參數(shù)包括電動(dòng)機(jī)的功率、液壓缸的牽引力、液壓馬達(dá)或步進(jìn)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩等。1.3.2 MK1332 數(shù)控外圓磨床設(shè)計(jì)參數(shù)工作臺(tái)最大縱向移動(dòng)量 1100mm工作臺(tái)最大回轉(zhuǎn)角度 +3、-4工作臺(tái)最大移動(dòng)速度 10m/min工件最大回轉(zhuǎn)直徑 320mm工件最大重量 150kg工作臺(tái)重量 850kg尾架重量 200kg最大切削受力 1000N最大磨削長(zhǎng)度 1000mm中心高 180mm最大砂輪線速度 60m/s71.3.3 MK1332 數(shù)控外圓磨床加工產(chǎn)品的主要精度外圓的粗糙度 0.32aR縱截面內(nèi)直徑的一致性 0.008mm圓度 0.0025mm1.3.4 設(shè)計(jì)方案的確定由于工作臺(tái)最大移動(dòng)速度 10m/min，由此數(shù)據(jù)確定是由開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)還是由半閉環(huán)伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制。如采用開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制、機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、工作比較穩(wěn)定、調(diào)試方便，但精度不高；如采用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制，可獲得穩(wěn)定的控制特性，還可以獲得比較滿意的精度和速度。通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研和本次設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，數(shù)控磨床工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)加工精度的影響至關(guān)重要，而磨床加工精度一般都比較高，故本次設(shè)計(jì)采用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制。工作臺(tái)有兩種驅(qū)動(dòng)形式：液壓驅(qū)動(dòng)和滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)形式由于使用工作壓力高的油性介質(zhì)，因此機(jī)構(gòu)輸出力大，機(jī)械結(jié)構(gòu)更緊湊，動(dòng)作平穩(wěn)可靠，易于調(diào)節(jié)和噪聲較小，但要配置液壓泵和油箱，當(dāng)油液滲漏時(shí)會(huì)污染環(huán)境，易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象；而滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)可提高系統(tǒng)的靈敏度、定位精度和防止爬行，降低數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的摩擦并減少靜、動(dòng)摩擦系數(shù)之差。因此，行程不太長(zhǎng)的直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)常用滾珠絲杠螺母副2。它是直線運(yùn)動(dòng)與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)化的新型傳動(dòng)裝置。它可以消除反向間隙并施加預(yù)緊，有助于提高定位精度和剛度。結(jié)合已知條件則選用滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)。而上工作臺(tái)還應(yīng)能夠進(jìn)行回轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)磨錐的需要。上工作臺(tái) 1 上置有頭架 2 和尾架 4 長(zhǎng)度為 L 且被磨削面為圓柱面的工件 3 裝夾在頭尾架之間。在點(diǎn) A 上以 R 為半徑對(duì)該工件施以力P 時(shí)，工作臺(tái)則能相對(duì)軸心 O 回轉(zhuǎn)48。如圖 31 所示。81-上工作臺(tái) 2-頭架 3-工件 4-尾架圖 31 工作臺(tái)回轉(zhuǎn)機(jī)理MK1332 數(shù)控外圓磨床主要用于圓柱類零件、圓錐面和凸輪軸頸的磨削。工作臺(tái)導(dǎo)軌采用“V平”導(dǎo)軌， “V平”導(dǎo)軌導(dǎo)向精度高，加工裝配也較方便。 “V平”導(dǎo)軌貼塑，可降低摩擦系數(shù)也可提高使用壽命。通過(guò)同步齒形帶將伺服電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠聯(lián)接，傳動(dòng)精度高，作用在軸和軸承上的載荷小。滾珠絲杠的支承采用兩端固定，可使絲杠具有最大的剛度。該數(shù)控外圓磨床采用兩軸數(shù)控系統(tǒng)，即砂輪進(jìn)給、工作臺(tái)移動(dòng)兩軸數(shù)控，尾架采用液壓系統(tǒng)控制，砂輪自動(dòng)修整和砂輪修整后的自動(dòng)補(bǔ)償，本機(jī)床具有足夠的剛性和抗震性。9第 2 章 數(shù)控機(jī)床的組成和分類2.1 數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床一般由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、測(cè)量反饋裝置和機(jī)床主機(jī)組成（如圖 21 所示） 。機(jī)床主機(jī)是數(shù)控機(jī)床的主體，包括床身、箱體、導(dǎo)軌、主軸、工作臺(tái)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等機(jī)械部件。圖 21 數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床主機(jī)的結(jié)構(gòu)有下面幾個(gè)特點(diǎn)：1）由于采用了高性能的主軸及進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置，簡(jiǎn)化了數(shù)控機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)鏈較短；2）數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高的動(dòng)態(tài)特性，動(dòng)態(tài)剛度、阻尼精度、耐磨性以及抗熱變形性能，適應(yīng)連續(xù)自動(dòng)化加工；3）較多地采用高效傳動(dòng)件，如滾珠絲杠副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌等。 此外，為保證數(shù)控機(jī)床功能的充分發(fā)揮，還有一些配套部件（如冷卻、派屑、防護(hù)、潤(rùn)滑、照明、儲(chǔ)運(yùn)等一系列裝置）和附屬設(shè)備（程編機(jī)和對(duì)刀儀等等） 。2.2 數(shù)控機(jī)床的分類3 目前，數(shù)控機(jī)床品種齊全，規(guī)格繁多，可從不同角度和按照多種原則進(jìn)行分類。102.2.1 按工藝用途分類1.金屬切削類數(shù)控機(jī)床 這類機(jī)床和傳統(tǒng)的通用機(jī)床品種一樣，有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜床以及加工中心等。加工中心是帶有自動(dòng)換刀裝置，在一次裝卡后可以進(jìn)行多種工序加工的數(shù)控機(jī)床。2.金屬成形類數(shù)控機(jī)床 如數(shù)控折彎?rùn)C(jī)、數(shù)控彎管機(jī)、數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)等。3.數(shù)控特種加工及其他類型數(shù)控機(jī)床 如數(shù)控線切割機(jī)床、數(shù)控電火花加工機(jī)床、數(shù)控激光切割機(jī)床、數(shù)控火焰切割機(jī)床等。 2.2.2 按控制運(yùn)動(dòng)方式分類1.點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床 點(diǎn)位控制又稱點(diǎn)到點(diǎn)控制.這類數(shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置只要求精確地控制一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)到另一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的定位精度,而不管從一點(diǎn)到另一點(diǎn)是按照什么軌跡運(yùn)動(dòng).在移動(dòng)過(guò)程中不進(jìn)行任何加工.這類數(shù)控機(jī)床主要有數(shù)控鉆床、數(shù)控坐標(biāo)鏜床、數(shù)控沖剪床和數(shù)控測(cè)量機(jī)等。2.直線控制數(shù)控機(jī)床 直線切削控制又稱平行切控制。這類數(shù)控機(jī)床不僅要求具有準(zhǔn)確的定位功能，而且還要保證從一點(diǎn)到另一點(diǎn)之間移動(dòng)的軌跡是一條直線。其路線和移動(dòng)速度是可以控制的。這類數(shù)控機(jī)床包括：數(shù)控車床、數(shù)控鏜銑床、加工中心等。3.輪廓控制數(shù)控機(jī)床 輪廓控制又稱為連續(xù)軌跡控制。這類數(shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置能同時(shí)控制兩個(gè)或兩個(gè)以上坐標(biāo)軸，并且具有插補(bǔ)功能。對(duì)位移和速度進(jìn)行嚴(yán)格的不間斷控制，即可以加工曲線或者曲面零件，如凸輪及葉片等。輪廓控制數(shù)控機(jī)床有兩坐標(biāo)及兩坐標(biāo)以上的數(shù)控銑床，可加工曲面的數(shù)控車床、加工中心等。112.2.3 按伺服系統(tǒng)的類型分類根據(jù)有無(wú)檢測(cè)反饋元件及其檢測(cè)裝置，機(jī)床的伺服系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)伺服、閉環(huán)伺服和半閉環(huán)伺服。1.開(kāi)環(huán)伺服數(shù)控機(jī)床 這類數(shù)控機(jī)床沒(méi)有檢測(cè)反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號(hào)的流程是單向的，其精度主要取決于驅(qū)動(dòng)器件和電機(jī)（如步進(jìn)電機(jī)）的性能。工作臺(tái)的移動(dòng)速度和位移量是由輸入脈沖的頻率和脈沖數(shù)決定的。它適用于精度、速度要求不高的場(chǎng)合。2.閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 這類機(jī)床數(shù)控裝置中插補(bǔ)器發(fā)出的指令信號(hào)與工作臺(tái)末端測(cè)得的實(shí)際位置反饋信號(hào)進(jìn)行比較。根據(jù)其差值不斷控制運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行誤差修正，直至差值在誤差允許的范圍內(nèi)為止。采用閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床可以消除由于傳動(dòng)部件制造中存在的精度誤差給工件加工帶來(lái)的影響，從而得到很高的加工精度。但是，由于很多機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)（尤其是慣量較大的工作臺(tái)）包括在閉環(huán)控制的環(huán)路內(nèi)，各部件的摩擦特性、剛性及間隙等都是非線性量，直接影響伺服系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)，故閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)整都有較大的難度，設(shè)計(jì)和調(diào)整的不好，很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。所以，閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床主要用于一些精度要求高和速度高的精密大型數(shù)控機(jī)床，如鏜銑床、超精車床、超精磨床等。3.半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 大多數(shù)數(shù)控機(jī)床采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，它的檢測(cè)元件裝在電機(jī)或絲杠的端頭。這種系統(tǒng)的閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因此，可獲得穩(wěn)定的控制特性。由于采用高分辨率的測(cè)量元件（如脈沖編碼器） ，又可以獲得比較滿意的精度和速度。半閉環(huán)系統(tǒng)的控制精度介于開(kāi)環(huán)與閉環(huán)之間。2.2.4 按照功能水平分類按照功能水平分類，可將數(shù)控機(jī)床分為高、中、低檔三類。 1.分辨率和進(jìn)給速度 分辨率為 10m，進(jìn)給速度為 8m/min15m/min 為低檔；分辨率為 1m，12進(jìn)給速度為 15m/min24m/min 為中檔；分辨率為 0.1m，進(jìn)給速度為15m/min100m/min 為高檔。2.多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)功能 低檔數(shù)控機(jī)床最多聯(lián)動(dòng)軸數(shù)為 2 軸3 軸，中、高檔則為 3 軸5 軸以上。 3.顯示功能 低檔數(shù)控機(jī)床一般只有簡(jiǎn)單的數(shù)碼管顯示或簡(jiǎn)單的 CRT 字符顯示。而中檔的有較齊全的 CRT 顯示，不僅有字符，而且還有圖形、人機(jī)對(duì)話、自診斷等功能。高檔的還有三維動(dòng)態(tài)圖形顯示。4.通信功能 低檔數(shù)控機(jī)床無(wú)通信功能。中檔數(shù)控機(jī)床有 RS232 或 DNC 接口。5.主 CPU 低檔數(shù)控機(jī)床一般采用 8 位 CPU，中、高檔的已經(jīng)由 16 位 CPU 發(fā)展的 32位、64 位 CPU，并具有精簡(jiǎn)指令集的 RISC 中央處理單元。此外，進(jìn)給伺服水平以及 PC 功能也是衡量數(shù)控檔次的標(biāo)準(zhǔn)。第 3 章 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)與普通機(jī)床不同。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給指令，來(lái)自數(shù)控13系統(tǒng)，經(jīng)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使執(zhí)行部件如刀架、工作臺(tái)、主軸箱等按程序的規(guī)定運(yùn)動(dòng)。半閉環(huán)控制系統(tǒng)原理（如圖 31 所示）為數(shù)控裝置 1 發(fā)出的指令脈沖經(jīng)伺服系統(tǒng) 2、伺服電動(dòng)機(jī) 3 帶動(dòng)執(zhí)行部件（工作臺(tái)）4，按程序運(yùn)動(dòng)。反饋信號(hào)發(fā)生器 5 發(fā)出反饋信號(hào)并送至伺服系統(tǒng)與數(shù)控裝置發(fā)來(lái)的指令相比較，檢查指令是否被正確的執(zhí)行。半閉環(huán)系統(tǒng)的反饋裝置裝在伺服電動(dòng)機(jī)或絲杠上不能糾正絲杠的誤差以及受載后絲杠、軸承等的變形，因而精度比全閉環(huán)要低一些。1-數(shù)控裝置 2-伺服系統(tǒng) 3-伺服電動(dòng)機(jī) 4-執(zhí)行部件 5-反饋信號(hào)發(fā)生器圖 31 半閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖3.1 工作臺(tái)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)設(shè)計(jì)工作臺(tái)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)同步齒形帶與絲杠聯(lián)接。絲杠的最高轉(zhuǎn)速的確定，其與使用要求，如機(jī)床工作臺(tái)的工maxN作進(jìn)給速度和快進(jìn)速度相關(guān)。工作臺(tái)要求的最高速度10m/min。伺服電maxv動(dòng)機(jī)通過(guò)帶輪與絲杠聯(lián)接，轉(zhuǎn)速可由下式計(jì)算： (r/min)maxmax1000spvnh式中 工作臺(tái)快進(jìn)速度（m/min） ；maxv14 絲杠導(dǎo)程（mm） 。sph絲杠的導(dǎo)程通常是標(biāo)準(zhǔn)值，從經(jīng)濟(jì)上考慮，應(yīng)根據(jù)廠家提供的產(chǎn)品樣本中選取20。由文獻(xiàn)20選取絲杠的導(dǎo)程為 5mm，則由（r/min）maxmax10001000 1020005spvnh絲杠的最高轉(zhuǎn)速r/min。要求定位精度為 0.012/300mm，絲杠max2000dn的“任意 300mm 行程內(nèi)的行程變動(dòng)量”取為定位精度的 1/31/2，即300v0.0040.006mm。1 級(jí)精度的滾珠絲杠=0.006mm，故應(yīng)取一級(jí)精度。根據(jù)300v精度要求，脈沖當(dāng)量可定為 a=0.001mm/脈沖，電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù) b 應(yīng)為5150000.001sphbia 式中 傳動(dòng)比。i脈沖編碼器有每轉(zhuǎn) 2000、2500、5000 脈沖等數(shù)種。選取每轉(zhuǎn) 5000 脈沖的編碼器。3.2 滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠螺母副是直線運(yùn)動(dòng)與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能相互轉(zhuǎn)換的新型傳動(dòng)裝置。3.2.1 工作原理與特點(diǎn) 滾珠絲杠螺母副在絲杠和螺母上都有半圓弧行的螺旋槽，當(dāng)將它們套狀在一起時(shí)便構(gòu)成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有滾珠回路管道，在螺母上的進(jìn)出口將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來(lái)，構(gòu)成了封閉的循環(huán)滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠。當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠在滾道內(nèi)部既自轉(zhuǎn)有沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)。因此迫使螺母（或絲杠）軸向移動(dòng)。由于滾珠絲杠螺母副中是滾動(dòng)摩擦，它有以下特點(diǎn)：151.傳動(dòng)效率高，摩擦損失小 由文獻(xiàn)21中知道滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為：tantan()式中 螺旋線升角（ ） ； 摩擦角（非常小，滾珠絲杠約為左右） 。102.給予適當(dāng)?shù)念A(yù)緊，可消除絲杠和螺母螺紋間隙 適當(dāng)預(yù)緊后的滾珠絲杠副，可消除螺紋間隙，這樣反向時(shí)就可以沒(méi)有空程死區(qū)，反向定位精度高。3.運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高 滾珠絲杠副基本是滾動(dòng)摩擦，摩擦阻力小， 摩擦阻力的大小幾乎與運(yùn)動(dòng)速度完全無(wú)關(guān)。4.有可逆性 即絲杠和螺母都可作為從動(dòng)件。5.磨損小，使用壽命長(zhǎng)。6.制造工藝復(fù)雜 其加工精度要求高，表面粗糙度值要求低，一般都要求磨削成型，故制造成本高。7.不能自鎖 特別是垂直安裝的絲杠，由于自身質(zhì)量的慣性力的作用，下降時(shí)當(dāng)傳動(dòng)切斷后，不能立即停止運(yùn)動(dòng)，故常需要添加制動(dòng)裝置。3.2.2 滾珠絲杠螺母副的循環(huán)方式 滾珠絲杠螺母副常用的循環(huán)方式有兩種：一種是滾珠在循環(huán)過(guò)程中有時(shí)與絲杠脫離的稱為外循環(huán)；另一種是滾珠始終與絲杠保持接觸的稱為內(nèi)循環(huán)。1.外循環(huán) 外循環(huán)的回珠器有插管式和螺旋槽式兩種。外循環(huán)結(jié)構(gòu)制造工藝簡(jiǎn)單，使用較廣泛。其缺點(diǎn)是滾道接縫處很難做得平滑，影響滾珠滾動(dòng)的平穩(wěn)性，甚至發(fā)生卡珠現(xiàn)象，噪聲也較大。162.內(nèi)循環(huán) 內(nèi)循環(huán)均采用反向器實(shí)現(xiàn)滾珠循環(huán)，反向器有兩種形式。有圓柱凸鍵反向器和腰形嵌塊式反向器（亦稱扁圓鑲塊反向器） 。這種反向器的外廓和螺母上的切槽尺寸精度要求都較高。3.2.3 滾珠絲杠副的軸向間隙消除和預(yù)加載荷 滾珠絲杠螺母副的軸向間隙消除主要有以下幾種：1）墊片消隙式 2）螺紋消隙式 3）齒差消隙式三種。第一種調(diào)整結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛性好、精度適中，故目前在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用較廣。預(yù)加載荷可以提高定位精度和軸向剛度。3.3 滾珠絲杠副的精度3.3.1 滾珠絲杠當(dāng)量動(dòng)載荷的計(jì)算數(shù)控機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)用的是定位（p）類滾珠絲杠副7。精度主要采用 1 級(jí)或 2 級(jí)。絲杠精度可按“任意 300mm 行程內(nèi)行程變動(dòng)量”選擇，這項(xiàng)公差300v1 級(jí)為 6m；2 級(jí)為 8m。滾珠絲杠的長(zhǎng)度是受到精度的限制的20。半閉環(huán)系統(tǒng)滾珠絲杠副的精度，主要根據(jù)要求的機(jī)床定位精度選擇。定位精度由下列幾部分誤差組成：滾珠絲杠副制造的誤差和由于載荷和溫度的作用，絲杠、軸承、聯(lián)軸節(jié)和伺服系統(tǒng)的誤差。在初步設(shè)計(jì)時(shí)，可假定絲杠的累積誤差約占機(jī)床定位誤差的 1/31/2，據(jù)此初選絲杠的精度，以后再進(jìn)行驗(yàn)算并修改。滾珠絲杠應(yīng)根據(jù)其額定動(dòng)載荷選用。一批相同的滾珠絲杠副，在軸向載荷的作用下，運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)后 90%不產(chǎn)生疲勞點(diǎn)蝕，則稱為這種規(guī)格絲杠副Ca610Ca的額定動(dòng)載荷。各種規(guī)格的滾珠絲杠，其額定動(dòng)載荷可從樣本或手冊(cè)中查Ca得，計(jì)算的原理與計(jì)算滾動(dòng)軸承相同。滾珠絲杠的當(dāng)量動(dòng)載荷為514Cm17 3mwmaFL fCf（N） （31）所選的滾珠絲杠副，其額定動(dòng)載荷不得小于此值，即CaCaCm式中 軸向平均載荷(N)；mF在“載荷時(shí)間”變化規(guī)律不明時(shí)，（N）maxmin23mFFF、 絲杠的最大、最小工作載荷（N） ；maxFminF 工作壽命（） ；L610 r6460( 10)10mn hLr 平均轉(zhuǎn)速（r/min） ；mnmaxmin2mnnn、 絲杠的最高、最低轉(zhuǎn)速（r/min） ；maxnminn 工作壽命。一般機(jī)床可取=10000h、數(shù)控機(jī)床可取hhh=15000h。h 精度系數(shù)。1、2、3 級(jí)精度絲杠，=1；4、5 級(jí)精度絲杠，afaf=0.9。af 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)。無(wú)沖擊時(shí)取 11.2；一般情況取 1.21.5；有wf沖擊振動(dòng)時(shí)取 1.52.5；絲杠的最大載荷為最大進(jìn)給力加摩擦力；最小載荷即摩擦力。工作臺(tái)質(zhì)量加頭、尾架質(zhì)量加工件最大質(zhì)量為：1M2M3M18 (kg)max123850200 1501200MMMM由文獻(xiàn)20查得直線導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為 0.04；故摩擦力min1200 0.04 9.8470.4fFF（N）靜載荷最大軸向力可近似取最大加工受力：Nmax1000wFF最大載荷： (N) max1000470.41470.4wfFFF平均載荷： (N)maxmin21137.13mFFF因?yàn)楣ぷ髋_(tái)最大移動(dòng)速度為 10m/min，絲杠導(dǎo)程為 5mm，可知絲杠最高轉(zhuǎn)速為 2000r/min，絲杠最低轉(zhuǎn)速為電動(dòng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速近似為 0。平均轉(zhuǎn)速： (r/min)maxmin20000100022mnnn所以，666446060 1000 15000( 10)( 10)900( 10)1010mn hLrrr把上述參數(shù)代入式（31）得：331137.1900 111.21mwmaFL fCf(KN)3.3.2 滾珠絲杠的選取和極限轉(zhuǎn)速的計(jì)算滾珠絲杠副的極限轉(zhuǎn)速主要是指滾珠絲杠副在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，避免產(chǎn)生共振現(xiàn)象，使?jié)L珠絲杠副在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的最高轉(zhuǎn)速。（r/min）7210spcdnfL式中 極限轉(zhuǎn)速（r/min） ；cn 絲杠支承間距（mm） ；L 與支承方法有關(guān)的臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)；f19設(shè)計(jì)過(guò)程中為了提高絲杠的剛度，選用兩端固定的支承形式，由表 31可知=21.9；由工作臺(tái)最大縱向移動(dòng)量可初步確定絲杠支承間距約為f1400mm。表 31 臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)f1.根據(jù)軸向壓力選取絲杠直徑 （32）1244()10aspL FdmN；=1.4m,將、值代入式（32）中，得1000aFFwLfm=10.9156(mm)，故取11mm。spdspd2.最大轉(zhuǎn)矩限制max0And式中 A 確定最大轉(zhuǎn)速的常數(shù)，取 5000070000；d0 絲杠名義直徑（mm） 。又由 maxmaxspvnh式中 工作臺(tái)快進(jìn)速度（m/s） ；maxv 滾珠絲杠的導(dǎo)程（m） 。sph支承形式f雙推雙推21.9雙推支承15.1單推單推9.7雙推自由3.420 (r/min)maxmax1020000.005spvnh (mm)0max500007000025 352000Adn3.臨界轉(zhuǎn)速限制由式 （33）2710cspn Ldf 由r/min；max2000ncN 將=1400mm， =21.9（見(jiàn)表 31）代入（33）得：Lf(mm)17.9spd4.選擇絲杠直徑由上面計(jì)算結(jié)果得KN11.2mC N1470.4aC mm11spdmm(25 35)spdmm17.9spd根據(jù)以上數(shù)據(jù)，從文獻(xiàn)20中選擇滾珠絲杠型號(hào)為 BNFN3205-5 雙螺母預(yù)壓型滾珠絲杠副，其參數(shù)如下：公稱直徑： 32mm21滾珠直徑： 3.55mm導(dǎo) 程： 5mm循環(huán)列數(shù)： 2圈 數(shù)： 2.5絲杠內(nèi)徑： 29.2mm絲杠外徑： 32mm額定動(dòng)載荷： 18.5KN 額定靜載荷： 56.4KN 軸向剛度： 1110N/m額定動(dòng)載荷為 18.5KN 大于計(jì)算結(jié)果 11.2KN，預(yù)緊力為額定動(dòng)負(fù)荷的10，則KN，只要軸向外載荷不超過(guò)的三倍，0.10.1 18.51.85pmFCpF就不必對(duì)預(yù)緊力提出額外要求8，今最大外載荷為 1470.4N，小于此值，故不必對(duì)預(yù)緊力提出額外的要求。（r/min）772229.21021.91032631400spcdnfL因?yàn)楣ぷ髋_(tái)最大移動(dòng)速度為 10m/min，絲杠導(dǎo)程為 5mm，可知絲杠最高轉(zhuǎn)速為2000r/min=3263（r/min）,故符合要求。cn3.3.3 滾珠絲杠副效率計(jì)算由文獻(xiàn)21中知道絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為：tantan()螺旋升角 sparctanarctan52 513.14 32hd 傳動(dòng)效率 tan2 510.93tan(2 5110 )223.3.4 滾珠絲杠副剛度驗(yàn)算滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程的變化值 7sphsphmaxspspFhhEA 式中 絲趕導(dǎo)程（cm） ；sph 彈性模量（N/cm） ，；E72.1 10E 螺紋小徑處的截面積（），； A2cm2( )2dAd 由上述可知為 29.2mm；(cm2)2229.2( )3.14 ()6.6922dA (cm)max7sp71470.4 0.0552.4 102.1 106.69spFhhEA 滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小,可以忽略。所以sph(m)1000.2620.2sph 查文獻(xiàn)20可知 1 級(jí)精度滾珠絲杠的允差為 6m,故剛度足夠。在機(jī)床工作臺(tái)加速與磨削加工過(guò)程中，在軸向方向會(huì)產(chǎn)生力，必須保證這個(gè)力小于允許的壓彎臨界載荷，否則可能導(dǎo)致進(jìn)給絲杠彎曲。aF壓彎臨界載荷可用下式計(jì)算：aF (N)4410spamdFL式中 絲杠底徑（mm） ；spd 絲杠支承間距（mm） ；L23 與絲杠支承方法有關(guān)的臨界載荷系數(shù)，=20.3mm（見(jiàn)表 32） 。表 32 臨界載荷系數(shù)m(N)442420.3 29.27.53 10140010aF而 (N)，遠(yuǎn)小于此值。max1470.4F第 4 章 滾珠絲杠的支承為了滿足高精度、高剛度進(jìn)給系統(tǒng)的需要，除了應(yīng)采用高精度、高剛度的滾珠絲杠副外，還必須充分重視支承的設(shè)計(jì)。注意選用軸向剛度高，摩擦力矩小，運(yùn)轉(zhuǎn)精度高的軸承，選用合適的支承形式，并保證支承座有足夠的剛度15。支承形式m雙推雙推20.3雙推支承10.2單推單推5.1雙推自由1.3244.1 軸端支承形式的選擇4.1.1 滾珠絲杠軸端支承形式的選擇（a） “雙推自由”支承方式；（b） “雙推支承”支承方式；（c） “單推單推”支承方式；（d） “雙推雙推”支承方式；圖 41 滾珠絲杠支承的四種方式支承應(yīng)限制絲杠軸的軸向竄動(dòng)，較短的絲杠或豎直安裝的絲杠，可以一端固定一端自由（無(wú)支承） ，水平絲杠較長(zhǎng)時(shí)，可以一端固定，一端游動(dòng)，用于精密和高精密機(jī)床（包括數(shù)控機(jī)床）的絲杠副。為了提高絲杠的拉壓剛度，可以兩端固定。在本次設(shè)計(jì)工作臺(tái)進(jìn)給機(jī)構(gòu)中，絲杠的剛性是重要因素，所以選擇兩端固定支承形式5（如圖 41（d）所示） 。4.1.2 滾珠絲杠對(duì)軸承的要求 滾珠絲杠對(duì)軸承的要求，與主軸和傳動(dòng)軸對(duì)軸承的要求有相同的一面，但是也有不同的一面。相同的一面是應(yīng)該保證足夠的精度和疲勞壽命。不同的一面是絲杠軸承所承受的載荷主要是軸向的。徑向除絲杠的自重外，一般無(wú)外載荷。因此絲杠軸承的軸向精度和剛度要求較高。絲杠轉(zhuǎn)速一般不會(huì)很25高，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間很短，因此發(fā)熱不是主要問(wèn)題。進(jìn)給系統(tǒng)要求運(yùn)動(dòng)靈活，對(duì)微小的位移（絲杠微小的轉(zhuǎn)角）要響應(yīng)靈敏。因此，軸承的摩擦力矩要盡量低。目前，已有滾珠絲杠專用軸承，但其主要依靠進(jìn)口。而且價(jià)格昂貴。而在國(guó)內(nèi)各類軸承中應(yīng)用得最多的是 60 接觸角的推力角接觸球軸承，其次是滾針和推力滾子組合軸承。后者多用于大牽引力，要求高剛度的大型、重型機(jī)床。根據(jù)滾珠絲杠對(duì)軸承的要求，用于滾珠的角接觸球軸承應(yīng)具有較大的接觸角，60 接觸角的推力角接觸球軸承就是較好的與滾珠絲杠配套的專用軸承，它的特點(diǎn)是：1）接觸角大，保持架用增強(qiáng)尼龍注塑成型，壁薄，可容納較多的鋼球，因此軸向承載能力大、剛度好。2）即能承受軸向載荷，又能承受徑向載荷，故支承結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化。3）根據(jù)載荷的情況，軸承可以進(jìn)行各種組合。4）這種軸承是根據(jù)規(guī)定的預(yù)緊力組配好成組供應(yīng)的，使用時(shí)不需自己調(diào)整。5）啟動(dòng)摩擦力矩小，可以降低滾珠絲杠副的驅(qū)動(dòng)功率，提高進(jìn)給系統(tǒng)的靈敏度。4.1.3 軸承的組配方式 推力角接觸球軸承有許多種組配方式，基本的組配方式有三種：背靠背、面對(duì)面和同向組配。1.面對(duì)面組配 這種組配方式的受力作用線向內(nèi)收斂，所以軸承間的有效支點(diǎn)距離縮小，這種組配方式可承受雙向的軸向載荷和徑向載荷，但承受傾斜力矩的能力較差，并會(huì)較多地降低軸承的極限轉(zhuǎn)速，一般使適用于需要精度調(diào)心的場(chǎng)合。2.背靠背組配 這種組配方式，力的作用線向外側(cè)發(fā)散，所以軸承間的有效支點(diǎn)距離增大，這種組配方式可以承受雙向的軸向載荷和徑向載荷，并且有較多的承受傾斜力矩的能力。3.同向組配 這種組配方式能承受徑向載荷但只能承受單向的軸向載荷。26這三種組配方式兩個(gè)軸承都能共同承受徑向載荷，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸承外圈的散熱條件比內(nèi)圈好，因此，內(nèi)圈的溫度將高于外圈，徑向膨脹的結(jié)果將使軸承的過(guò)盈加大。軸向膨脹對(duì)背靠背組配將使過(guò)盈減小，于是，可以補(bǔ)償一部分徑向膨脹；而對(duì)于面對(duì)面組配，將使過(guò)盈進(jìn)一步增加。基于上述分析，絲杠高速運(yùn)轉(zhuǎn)，因此滾珠絲杠軸承采用背靠背組配。4.2 軸承預(yù)緊力4.2.1 軸承應(yīng)適當(dāng)?shù)念A(yù)緊，適當(dāng)?shù)念A(yù)緊有助于提高軸承的工作能力1.適當(dāng)?shù)仡A(yù)緊可以提高旋轉(zhuǎn)精度存在間隙的軸承在載荷的作用下，只有對(duì)著受力方向的幾個(gè)滾動(dòng)體才承受載荷。在相反方向滾動(dòng)體是脫離的。軸承經(jīng)預(yù)緊后，各個(gè)滾動(dòng)體都承受著一定的預(yù)負(fù)荷，從各個(gè)方向支承著內(nèi)圈。因此，預(yù)緊可以提高旋轉(zhuǎn)精度。每個(gè)滾動(dòng)體，截面都不可能是絕對(duì)的圓形，各個(gè)滾動(dòng)體的直徑不可能絕對(duì)相同，滾道也會(huì)有一定的波紋。如果軸承存在游隙，則由于滾動(dòng)體的自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)和滾道的波紋，絲杠軸心位置將產(chǎn)生變動(dòng)。預(yù)緊后，滾動(dòng)體和滾道都產(chǎn)生了一定的彈性變形，滾動(dòng)體直徑較大其變形較大，直徑較小其變形也較小，因此截面不同，直徑不一致的影響被彈性變形縮小了，滾道波紋的高點(diǎn)也在彈性變形下被壓下去了，這就是預(yù)緊能提高精度的另一個(gè)原因。2.適當(dāng)?shù)念A(yù)緊可以提高剛度滾動(dòng)體與滾道接觸處是有彈性的。預(yù)緊后的軸承各個(gè)方向都有一定的預(yù)壓量。因此預(yù)緊可以提高剛度。滾動(dòng)體與滾道在無(wú)載荷時(shí)是點(diǎn)接觸。在一定的范圍內(nèi)隨著載荷增加滾動(dòng)體的變形增大，接觸面積增加，滾動(dòng)體與滾道間已有預(yù)載荷和預(yù)變形，比不預(yù)緊的軸承剛度提高了。3.適當(dāng)預(yù)緊可以提高軸承壽命27預(yù)緊后參加工作的滾動(dòng)體數(shù)量增加，每個(gè)滾動(dòng)體承受的載荷降低了，因而可以把載荷比較均勻地分配給每個(gè)滾動(dòng)體。所以可以提高軸承壽命16。4.適當(dāng)預(yù)緊可以提高軸承的阻尼和降低噪聲適當(dāng)預(yù)緊后，滾動(dòng)體與滾道間可以建立起穩(wěn)定的油膜，油的粘滯阻尼、摩擦阻尼和滾動(dòng)體及滾道的材料內(nèi)摩擦阻尼都可以提高主軸組件的動(dòng)態(tài)特性和降低噪聲。但是預(yù)緊要適當(dāng)，當(dāng)預(yù)緊不大時(shí)，阻尼是增大的，當(dāng)預(yù)緊大到一定程度時(shí)，阻尼就不在增大了。4.2.2 預(yù)緊與發(fā)熱預(yù)緊后，滾動(dòng)體與滾道之間，滾動(dòng)體本身都有了彈性變形。彈性變形所消耗的能量轉(zhuǎn)化為熱。預(yù)緊力越大發(fā)熱量也越多，隨著預(yù)緊力的增加，溫升的增加將越來(lái)越快。預(yù)緊對(duì)精度、壽命、阻尼和噪聲的影響都是有極限的。開(kāi)始時(shí)，預(yù)緊力對(duì)提高旋轉(zhuǎn)精度、壽命、剛度和阻尼，對(duì)降低噪聲的影響是明顯的。但當(dāng)預(yù)緊力已相當(dāng)大時(shí)，再進(jìn)一步提高預(yù)緊，效果就不明顯了。這是由于滾動(dòng)體與滾道間的接觸應(yīng)力較大，反而會(huì)降低壽命。隨著預(yù)緊力的增加，溫升也增加，對(duì)于各種精度等級(jí)的機(jī)床軸承溫升是有限制的，預(yù)緊力也有最佳值。在這個(gè)最佳值下，溫升不超過(guò)規(guī)定，剛度也高。如前所述，預(yù)緊力越大，則剛度有所提高，但一定轉(zhuǎn)速下的溫升也越高。因此預(yù)緊力的選擇原則是：負(fù)荷重，要求剛度高，轉(zhuǎn)速較低或允許的溫升較高時(shí)，應(yīng)選較大的預(yù)緊力，反之，則應(yīng)選較小的預(yù)緊力。下面通過(guò)計(jì)算來(lái)確定最小預(yù)緊力。軸承 1 和 2 背靠背組配，如圖 52 所示。12FaoFaoFa28圖 42 背靠背組配形式預(yù)緊力為在軸向力的作用下，如果軸承 2 的滾道和滾動(dòng)體剛剛脫離0aFaF接觸，即=0，則就是最小預(yù)緊力.由前面計(jì)算可知：N，軸承 1 和 21aF0aF1000aF 在預(yù)緊力作用下變形為：,當(dāng)作用有軸向外載荷時(shí)，軸承 1 的載0aF1200aaaF荷從 Fa0增加到軸承 2 則從減小到，兩者之1aF0aF2aF差等于外載荷，即：aF12aaaaoFFFF2aaoaFFF這時(shí)兩個(gè)軸承的變形分別為：11aaoa22aaoa當(dāng)增大到使 時(shí)，則；即軸承 2 安全卸荷，這時(shí)aF1aa20a；11212aaoaoao點(diǎn)接觸的變形 與剛度及載荷之間的關(guān)系是；kF23kF；即；22332aaokFKF22332aaoFF3222.83aaoaoFFF（N） ；0.350.35 1000350aoaFF根據(jù)上述計(jì)算選擇由 FAG 公司生產(chǎn)制造的 60 接觸角的推力角接觸球軸承，兩端固定支承（這樣絲杠在工作過(guò)程中始終受到拉應(yīng)力） ，背靠背組配。29查文獻(xiàn)22選擇的軸承型號(hào)為 7602030TVP，具體參數(shù)如下：額定動(dòng)載荷： 26KN額定靜載荷： 39KN軸向最大動(dòng)負(fù)荷： 17KN摩擦力矩： 85N mm重 量： 0.23kg軸向剛性： 917N/m極限轉(zhuǎn)速： 9000r/mind=30mm；D=62mm；B=16mm又由文獻(xiàn)21得知此軸承的最大預(yù)緊力為 2918N，現(xiàn)算得軸承最小預(yù)緊力為 350N，所以取軸承預(yù)緊力為 1000N 即可。4.3 滾珠絲杠的聯(lián)接電動(dòng)機(jī)與絲杠之間通過(guò)帶輪采用同步齒形帶聯(lián)接（如圖 43 所示） ，因同步齒形帶兼有帶傳動(dòng)、齒傳動(dòng)及鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用1011。同步齒形帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有良好的動(dòng)態(tài)特性，完全可以滿足數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給的要求12。同時(shí)，它也是一種十分經(jīng)濟(jì)的傳動(dòng)裝置。301-脈沖編碼器；2-同步齒形帶輪；3-滾珠絲杠；4-同步齒形帶；5-伺服電動(dòng)機(jī)圖 43 進(jìn)給系統(tǒng)用同步齒形帶傳動(dòng)同步齒形帶傳動(dòng)時(shí)的線速度可達(dá) 50m/s10（有時(shí)允許達(dá) 100m/s） ，傳動(dòng)功率可達(dá) 300kW，傳動(dòng)比可達(dá) 10（有時(shí)允許達(dá) 20） ，傳動(dòng)效率可達(dá) 0.98。采用同步齒形帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：1）無(wú)滑動(dòng)，能保證固定的傳動(dòng)比；2）預(yù)緊力較小，軸和軸承上所受的載荷??；3）帶的厚度小，單位長(zhǎng)度的質(zhì)量小，故允許的線速度較高；4）帶的柔性好，故所用帶輪的直徑可以較小。其主要缺點(diǎn)是安裝時(shí)中心距的要求嚴(yán)格，卻價(jià)格比其他帶傳動(dòng)昂貴。同步齒形帶主要用于傳動(dòng)比準(zhǔn)確的中、小功率傳動(dòng)中，如電子計(jì)算機(jī)、放映機(jī)、錄音機(jī)、磨床、紡織機(jī)械等。同步齒形帶的基本參數(shù)是節(jié)距（帶上p相鄰兩齒中心線間沿節(jié)線度量的距離） 。由于同步齒形帶傳動(dòng)屬于嚙合傳動(dòng)，不存在相對(duì)滑動(dòng)，因此齒形帶傳動(dòng)31的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是：應(yīng)保證齒形帶有足夠的強(qiáng)度。由于強(qiáng)度不夠齒形帶在工作時(shí)可能產(chǎn)生的失效形式有：1）由于強(qiáng)力層的強(qiáng)度不夠而引起的強(qiáng)力層彎曲疲勞破壞；2）在沖擊載荷的作用下，強(qiáng)力層產(chǎn)生斷裂或從齒背中抽出；3）由于強(qiáng)力層伸長(zhǎng)，使齒帶齒距改變，引起爬齒；4）帶齒的磨損、彎曲、剪斷和老化龜裂等。綜上所述，齒形帶的強(qiáng)度計(jì)算主要應(yīng)該限制作用在齒形帶單位寬度上的拉力，以保證一定的使用壽命。實(shí)踐證明，按這一準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的齒形帶，上述可能產(chǎn)生的破壞基本上都可得到控制。4.3.1 同步齒形帶的計(jì)算計(jì)算齒形帶寬度的（mm）的公式為：b (41)1000 cpbssv式中 齒形帶所傳遞的功率（kW） ；p 齒形帶單位寬度上的離心許用拉力（N） ； s 齒形帶單位寬度上的離心拉力，(N)；cs2cq vsg 帶速（m/s） ；v 單位寬度、單位長(zhǎng)度帶的重力（N） ；q 重力加速度，取=9.8()。 gg2ms表 41 聚氨脂齒形帶（強(qiáng)力層為鋼絲繩）的許用拉力和值 sq32傳動(dòng)比；伺服電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速，已知主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速maxmax1dNiNmaxdN=2000(r/min)，傳動(dòng)比，功率kW，每天工作小于 10 小時(shí)。maxN1i 4.7p 220.034 100.35(N)9.8cq vsg 將上面給出的參數(shù)代入式（41）得10001000 4.749.7(mm)(9.80.35) 10( )cpbssv1.模數(shù)的選取模數(shù)主要是根據(jù)齒形帶所傳遞的計(jì)算功率和小帶輪的轉(zhuǎn)速，可按圖Cp1n44 選取，計(jì)算功率可按下式計(jì)算：Cpm/mm1.522.5345710/ s-1N mm3.95.97.89.815252939/(N)q0.0180.0240.0290.0340.0470.0590.0800.11633圖 44 齒形帶模數(shù)選用線圖CgpK p式中 齒形帶所傳遞的功率(kW)；p 工作情況系數(shù)（見(jiàn)表 42） 。gK表 42 工作情況系數(shù)Kg注:經(jīng)常反轉(zhuǎn)或使用張緊輪時(shí),表中值應(yīng)乘以 1.1。 則gK(kW)1.2 4.7 1.16.2cp 由圖 54 選取模數(shù)=3mm。m2.小帶輪的最小直徑 minD小帶輪的最小直徑不是直接選定，而是由其最少齒數(shù)控制，minDminZ見(jiàn)下表：minZ表 43 表minZ一天運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間/h10101616載荷性質(zhì)載荷平穩(wěn)1.01.11.2載荷變動(dòng)小1.21.41.6載荷變動(dòng)較大1.41.72.0/mmm小帶輪轉(zhuǎn)速11/minnr1.522.5、34571010001214161820222410003000141618202224263000161820222434設(shè)計(jì)的帶輪所選的齒數(shù)應(yīng)大于。由表可知,在此選取帶輪1ZminZmin18Z齒數(shù)=26。Z帶輪幾何參數(shù)的計(jì)算：齒形角 40節(jié) 距 (mm)3.14 39.42pm 節(jié)圓直徑 (mm)3 2678dmz 頂圓直徑 (mm)112782 1 384addh m 頂圓齒距 (mm)1119.24aadpz齒側(cè)間隙 (mm)00.60jj徑向間隙 (mm)00.82cc頂圓齒槽寬 (mm)4.31 0.604.91afesj齒槽深 (mm) 1.80.822.62hhc根圓直徑 (mm)11(22)76.5faddh mc m根圓齒槽寬 (mm)3.0faes齒根圓角半徑 (mm)0.10.1 3.00.3frm齒頂圓角半徑 (mm)0.150.15 3.00.45arm帶輪齒寬 (mm)(310)60Bb因，所以兩帶輪參數(shù)相同。1i 353.初選中心距0A120120.5()2()DDADD式中 初選中心距（mm） ； 0A 、 小輪和大輪分度圓直徑（mm） ；因兩帶輪相同，則1D2D078(mm)312(mm)A初選中心距。0300mmA 4.確定帶長(zhǎng)L 中心距初選后，按下式初選帶長(zhǎng)：22101200.25()20.5 ()DDLADDA2 3000.5 3.14 (7878)0844.92(mm)則帶的齒數(shù)為,將求得的齒數(shù)圓整到標(biāo)準(zhǔn)化的齒844.9289.693.14 3pLZm數(shù)值，并且=40250，最終確定帶的齒數(shù)為 90。最后確定與之相應(yīng)的帶長(zhǎng)pZL3.14 3 90847.8(mm)pLmZ 5.最終確定中心距A 中心距用下式確定：A221212210.250.5 ()0.5 ()2() ALDDLDDDD326.44(mm)366.小帶輪上與帶相嚙合的齒數(shù)nZ用下式計(jì)算：nZ 21118057126133602nDDAZZ當(dāng)時(shí)，不小于 4；當(dāng)時(shí)，不小于 6。經(jīng)過(guò)上面計(jì)算滿足2m nZ2m nZ要求。7.小帶輪最小包角1 用下式計(jì)算：121118060180DDA8.作用在軸上的載荷sF 即為齒形帶所傳遞的圓周力：sF3.5350(N)10spFFv第 5 章 電動(dòng)機(jī)