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南京工程學(xué)院
工 業(yè) 中 心
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）
題 目： 數(shù)控銑床Z軸進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級： D機(jī)加工121 學(xué) 號： 231120333
學(xué)生姓名： 謝 順
指導(dǎo)教師： 卞榮（講師）/ 劉桂芝（教授級高工）
起迄日期： 2016.2.22——2016.6.3
設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 工程中心5號樓206
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）中文摘要
摘要：
數(shù)字控制機(jī)床就是人們常說的數(shù)控機(jī)床，是一種由計(jì)算機(jī)程序來進(jìn)行控制系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工的機(jī)床。數(shù)控機(jī)床是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，是一種高效能、柔性的的自動(dòng)化機(jī)床，它能夠較為容易地解決哪些精密、復(fù)雜、多品種、小批量的零件的加工問題。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的意義在于通過類比的方式進(jìn)行了對數(shù)控銑床Z軸進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，研究其Z軸向的慣量匹配，轉(zhuǎn)矩匹配以及滾珠絲杠預(yù)拉伸量的相關(guān)計(jì)算，進(jìn)而提高數(shù)控銑床的整體性能、加工精度等，以達(dá)到提升工廠自動(dòng)化效率，為其創(chuàng)造更大價(jià)值以及提高自身能力的目的。
關(guān)鍵詞：數(shù)控銑床；Z軸；進(jìn)給系統(tǒng)；滾珠絲杠
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）英文摘要
Title CNC milling machine spindle feed system architecture design
Abstract：
Digital control machine tool CNC machine tools is often said, is a program performed by a computer control system to achieve automatic processing machine. CNC machine tools is a typical mechatronics products, is a high-performance, flexible automation tools, it can be more easily solved what sophisticated, complex, multi-species, small batch processing problem parts.
This graduation project meaning that by analogy was designed for CNC milling Z-axis feed system architecture, study Z-axis inertia matching, matching torque and associated pre-calculate the amount of stretch of the ball screw, and then CNC milling machine to improve overall performance, precision machining, factory automation to enhance efficiency in order to achieve, for the creation of greater value and improve their ability purposes.
Key words: CNC milling machine; Z axis; feed system; ball screw
II
南京工程學(xué)院工業(yè)中心畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）
目 錄
前言 1
第一章 緒論 2
1.1數(shù)控銑床概述 2
1.2機(jī)床的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.3數(shù)控機(jī)床的發(fā)展及存在問題 4
1.3.1數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 4
1.3.2數(shù)控機(jī)床的存在問題 4
1.4 數(shù)控銑床的應(yīng)用分類及特點(diǎn) 5
1.4.1 數(shù)控銑床的分類： 5
1.4.2 數(shù)控銑床的應(yīng)用 5
1.4.3 數(shù)控銑床的主要功能及特點(diǎn) 6
第二章 進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 7
2.1設(shè)計(jì)要求 7
2.2數(shù)控銑床對于進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求 7
2.3數(shù)控銑床的進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 8
2.3.1 滾珠絲杠螺母副 8
2.3.2靜壓絲杠螺母副 8
2.3.3靜壓蝸桿蝸條副和齒輪齒條副 9
2.3.4由帶自鎖的電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng) 9
第三章 傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算 10
3.1 Z軸的工作載荷分析 10
3.2 Z軸的工作載荷計(jì)算 10
3.3滾珠絲杠螺母副的計(jì)算及其選型 10
3.4滾珠絲杠螺母副的支撐選擇 14
3.5滾珠絲杠螺母副的間隙消除與預(yù)緊 16
第四章 主要部件的設(shè)計(jì)計(jì)算 17
4.1軸承的選擇及校核 17
4.2電機(jī)的選擇與計(jì)算 19
4.3慣量匹配的計(jì)算 20
4.4轉(zhuǎn)矩匹配的計(jì)算 21
4.4導(dǎo)軌的選擇 22
4.4.1導(dǎo)軌的選擇 22
4.4.2導(dǎo)軌的間隙調(diào)整 24
第五章 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 25
5.1技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的目的與意義 25
5.2成本材料分析 25
5.2.1 非標(biāo)準(zhǔn)件 25
5.2.2標(biāo)準(zhǔn)件 26
5.3課題技術(shù)經(jīng)濟(jì)成本計(jì)算依據(jù) 27
5.3.1成本計(jì)算依據(jù) 27
5.4課題技術(shù)經(jīng)濟(jì)成本計(jì)算 28
第六章 總結(jié) 30
致 謝 31
參考文獻(xiàn) 33
南京工程學(xué)院工業(yè)中心畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）
前言
制造業(yè)是經(jīng)濟(jì)建設(shè)與發(fā)展的基礎(chǔ)，一個(gè)國家制造業(yè)的發(fā)展水平?jīng)Q定了該國的經(jīng)濟(jì)水平，生活水準(zhǔn)，科技發(fā)展等等。因此，一個(gè)國家發(fā)達(dá)與否，其國內(nèi)的制造業(yè)的發(fā)展水平是重中之重，首要之首。
自從工業(yè)革命之后，世紀(jì)工業(yè)格局發(fā)生了重大改變，使之生產(chǎn)能力得到了巨大提升，往后幾十年里科學(xué)技術(shù)得到了飛速發(fā)展?，F(xiàn)今的機(jī)械制造產(chǎn)品無論是性能還是其質(zhì)量都是當(dāng)初不可想象的，新舊產(chǎn)品之間的更新?lián)Q代也是日新月異。如今的機(jī)床早已完成了從最初的實(shí)際加工需求到后來的追求其在生產(chǎn)加工時(shí)擁有較高的加工精度和生產(chǎn)率的過程，而為了大大提高機(jī)床生產(chǎn)時(shí)的加工精度以及生產(chǎn)率，世界上第一臺數(shù)控機(jī)床于1952年在美國誕生了。為了進(jìn)一步解決那些形狀十分復(fù)雜且生產(chǎn)批量又不大的特殊零件的實(shí)際加工問題；也為了不斷的提升其加工的精度，提高其加工后零件的質(zhì)量以及其生產(chǎn)的能力，不斷研發(fā)新型的數(shù)控機(jī)床都是必要的。但是因?yàn)樵趯?shí)際研發(fā)設(shè)計(jì)過程中有著種種的條件制約，像：研究經(jīng)費(fèi)、技術(shù)支持等等的問題。所以從總體上來說，其數(shù)控機(jī)床的整體技術(shù)是很難在短時(shí)間內(nèi)得到大步度的提升。
因此，本論文只對數(shù)控機(jī)床的Z軸進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)做出了設(shè)計(jì)，因?yàn)樵摬考男阅軐τ谡_數(shù)控機(jī)床來說尤為重要，其進(jìn)給系統(tǒng)的優(yōu)劣將直接影響到零件加工完成后的質(zhì)量和生產(chǎn)加工時(shí)的效率,是評價(jià)一臺機(jī)床的整體性能和其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的重要因素。其中包括了數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給系統(tǒng)的基本要求，數(shù)控銑床的進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇，Z軸的工作載荷的分析與計(jì)算，滾珠絲桿螺母副的計(jì)算與選型，軸承的計(jì)算與選擇，電機(jī)的計(jì)算與選用，負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算，負(fù)載力的計(jì)算，導(dǎo)軌的計(jì)算與選型以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析等等。?
第一章 緒論
1.1數(shù)控銑床概述
面對如今多樣化的加工環(huán)境以及復(fù)雜化的加工零件，其傳統(tǒng)數(shù)控銑床已經(jīng)逐漸無法滿足其加工需求，于是為了應(yīng)對這種問題，人們在傳統(tǒng)數(shù)控銑床的基礎(chǔ)之上加以改進(jìn)發(fā)展，最終研究出了加工中心，但是說到底也離不開數(shù)控機(jī)床的影子。由于數(shù)控銑床在實(shí)際加工過程中所需要用到的工藝過程最是復(fù)雜，因此，在人們研發(fā)新型的數(shù)控機(jī)床的時(shí)候其銑床的基本功能的突破一直是研究的重點(diǎn)以及研究的基礎(chǔ)。
銑床可以應(yīng)用于多種加工環(huán)境，可以用于加工各種面、溝槽、多齒零件上齒槽、螺旋形表面及各種曲面。不僅如此，在加工回轉(zhuǎn)體零件的表面和內(nèi)孔的時(shí)候也可以用銑床來完成加工，甚至在一些零件需要切斷的時(shí)候也能用銑床來完成。
隨著時(shí)代的不斷前行，由計(jì)算機(jī)技術(shù)所衍生出來的數(shù)控技術(shù)也得到了越來越多的普及式應(yīng)用，而由于數(shù)控銑床可以說就是一種裝備了數(shù)控系統(tǒng)的銑床，所以導(dǎo)致數(shù)控銑床也變得越來越普遍了。在數(shù)控行業(yè)中人們通常將數(shù)控銑床分為臥式數(shù)控銑床和立式數(shù)控銑床兩種。而其他沒包含在這兩類里的數(shù)控銑床都是指那種規(guī)格比較小的升降臺數(shù)控銑床，判斷其規(guī)格大小的標(biāo)準(zhǔn)則是看其工作臺的寬度大小，如果其寬度沒有超過400mm，就可判定為規(guī)格較小；而如果數(shù)控銑床的工作臺的寬度超過了500mm，則可判定其規(guī)格較大，而這種數(shù)控銑床所能實(shí)現(xiàn)的功能就已經(jīng)向加工中心靠攏了，繼而改進(jìn)成了柔性制造單元。在大多數(shù)的時(shí)候，數(shù)控銑床的坐標(biāo)軸一共有三個(gè)，分別是X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸，并且可以實(shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)軸之間的聯(lián)動(dòng)功能。這樣的數(shù)控銑床只可以加工出平面零件或者零件上的曲線，而如果需要其去加工像葉片、旋轉(zhuǎn)槽那樣的有立體曲面的特殊零件的話，就需要加進(jìn)一個(gè)回轉(zhuǎn)的A坐標(biāo)或C坐標(biāo)，使三坐標(biāo)數(shù)控銑床變?yōu)樗淖鴺?biāo)數(shù)控銑床。
1.2機(jī)床的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
在20世紀(jì)的眾多科技成果之中，最為偉大的應(yīng)當(dāng)要數(shù)計(jì)算機(jī)的發(fā)明與應(yīng)用以了，自從 1952年世界上的第一臺數(shù)控機(jī)床誕生于美國，距今也已經(jīng)有50個(gè)年頭了。隨著現(xiàn)今科技的不斷發(fā)展，在本世紀(jì)內(nèi)制造業(yè)得到了巨大的發(fā)展，其中最重大的技術(shù)進(jìn)步應(yīng)該要算是計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)在機(jī)械制造設(shè)備中的應(yīng)用了。
數(shù)控設(shè)備包括有：車床、銑床、磨床、鏜床、沖壓、電加工、加工中心等各類的專用型機(jī)床，全世界的機(jī)床制造業(yè)一年的產(chǎn)量就達(dá)到了10萬臺～20萬臺。在20世紀(jì)末的那十幾年當(dāng)中世界制造業(yè)經(jīng)歷了好幾次的興衰，甚至曾經(jīng)一度成為了夕陽工業(yè)，而這種情況下由美國最先提出了要振興現(xiàn)代制造業(yè)的想法。因此各個(gè)國家的數(shù)控機(jī)床制造企業(yè)都在90年代的時(shí)候經(jīng)歷了重大的改革變遷。像德國和美國等幾大制造國都在這一時(shí)期經(jīng)歷了較大的變動(dòng)，正是由于這些變動(dòng)引發(fā)全世界范圍內(nèi)制造業(yè)的新技術(shù)更新浪潮。
從上個(gè)世紀(jì)80年代開始我國的數(shù)控機(jī)床制造業(yè)進(jìn)入到了快速發(fā)展的時(shí)期，大多數(shù)的機(jī)床廠都開始嘗試從傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)品開始向著數(shù)控化機(jī)床產(chǎn)品轉(zhuǎn)型。可是因?yàn)槲覈圃鞓I(yè)的總體技術(shù)水平并不高，而且生產(chǎn)出來的產(chǎn)品品質(zhì)也不高，所以導(dǎo)致了我國在1990年國家經(jīng)濟(jì)由計(jì)劃性經(jīng)濟(jì)開始向著市場經(jīng)濟(jì)變化，在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的過程中我國的機(jī)床制造業(yè)經(jīng)歷了幾年最為蕭條的困難時(shí)期，那時(shí)候的生產(chǎn)能力最低時(shí)只能達(dá)到上個(gè)世紀(jì)80年代時(shí)期的一半，庫存時(shí)間也超過了4個(gè)月。幸好從1995年開始國家新立了許多相關(guān)政策來對大力扶持機(jī)床市場，如：加強(qiáng)了進(jìn)口數(shù)控設(shè)備時(shí)一系列的審批，嚴(yán)格控制了設(shè)備的進(jìn)口；對于關(guān)鍵性數(shù)控設(shè)備系統(tǒng)、技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目進(jìn)行重點(diǎn)投資支持。這些舉措對于國內(nèi)數(shù)控設(shè)備的制造和發(fā)展所起到的促進(jìn)作用十分巨大，21世紀(jì)開始其效果更為顯著，能夠看到各項(xiàng)產(chǎn)品之間相互競爭、技術(shù)突破的繁榮景象。但也反映了下列問題：
1．技術(shù)水平不高的產(chǎn)品之間相互通過壓低價(jià)格的方式來進(jìn)行惡性促銷，導(dǎo)致競爭激烈，并且擾亂了正常市場；
2．技術(shù)水平高、功能齊全的產(chǎn)品以及一些功能部件和配套系統(tǒng)則過于依賴國外進(jìn)口，導(dǎo)致國內(nèi)技術(shù)難以突破，對于國內(nèi)制造業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展極為不利；
3．實(shí)際應(yīng)用技術(shù)水平不高，各技術(shù)研發(fā)單位之間沒有良好的合作以及信息共享機(jī)制；
4．自行開發(fā)新產(chǎn)品的能力較差，技術(shù)突破較為困難。
1.3數(shù)控機(jī)床的發(fā)展及存在問題
1.3.1數(shù)控機(jī)床的發(fā)展
1952年，世界上第一臺數(shù)控機(jī)床誕生在美國的帕森斯公司與麻省理工學(xué)院的聯(lián)合研究室內(nèi)，這是一臺三坐標(biāo)的數(shù)控銑床。美國最早提出研制數(shù)控機(jī)床的設(shè)想是在1948年研制直升機(jī)葉片的加工任務(wù)的時(shí)候。但是直到1949年，帕森斯公司才在在美國空軍部門的大力支持之下正式的接受了此項(xiàng)委托任務(wù)，并和麻省理工學(xué)院的伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室確立了聯(lián)合研究關(guān)系，開始致力于研制工作。之后在克服了諸多技術(shù)難關(guān)和實(shí)踐困難后，終于在1952 年成功制作出了世界上第一臺數(shù)控機(jī)床的試驗(yàn)性樣機(jī)，這臺耗時(shí)3年研制的樣機(jī)采用了當(dāng)時(shí)最為先進(jìn)的直線插補(bǔ)三坐標(biāo)連續(xù)控制系統(tǒng)來控制銑床。但是其體積過于龐大，光是其控制裝置就需要由2000多個(gè)電子管來組成，所占用的面積就要整整一個(gè)實(shí)驗(yàn)室那么大。但是隨著這臺樣機(jī)的誕生，標(biāo)志著機(jī)械制造業(yè)由原先的人工控制時(shí)代進(jìn)入到了數(shù)字控制的時(shí)代。
數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展史和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展史相似，基本都是由電子管、分立式晶體管、小規(guī)模集成電路、大規(guī)模集成電路、小型計(jì)算機(jī)、超大規(guī)模集成電路、微機(jī)式的數(shù)控系統(tǒng)等幾個(gè)發(fā)展階段組成的。
從1990年以后，由于技術(shù)上的改革創(chuàng)新以及實(shí)際的加工需求數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向發(fā)生了改變，開始朝著以高速度高精密化、高可靠性和智能化的方向發(fā)展。以前的數(shù)控系統(tǒng)皆是計(jì)算機(jī)硬件和軟件所構(gòu)成的，然后再通過其存儲器內(nèi)部的軟件進(jìn)行控制來完成工作，稱之為CNC系統(tǒng)。這種系統(tǒng)于實(shí)際應(yīng)用中有諸多優(yōu)點(diǎn)，比如：能夠擴(kuò)大機(jī)床功能，加工時(shí)的整體精度高，柔性好。
1.3.2數(shù)控機(jī)床的存在問題
目前，數(shù)控機(jī)床經(jīng)過這么多年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)成熟，開始向著高速度高密度化、高可靠性、工藝復(fù)合、多軸控制、智能化、集成網(wǎng)絡(luò)化和環(huán)?；姆较虬l(fā)展。我國的數(shù)控技術(shù)與世界上先進(jìn)技術(shù)相比仍然存在著較為顯著的差距，其主要表現(xiàn)在下面幾個(gè)方面：
1．就技術(shù)的水平而言，現(xiàn)如今我國的加工中心的總體技術(shù)水平相對于國外的先進(jìn)技術(shù)要落后10到15年左右，尤其在關(guān)于“高速度高密度化、高可靠性精、智能化”方面的水平相差的則更為巨大。
2．就產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)而言，其高端市場基本上已經(jīng)被日本、美國和其他歐洲發(fā)達(dá)工業(yè)國家所壟斷而我國卻難以發(fā)展其市場，主要是因?yàn)橛蓢鴥?nèi)所開發(fā)的復(fù)合式加工中心、五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床等產(chǎn)品，雖然數(shù)年前就已研制成功并且投入量產(chǎn)，但是大部分的產(chǎn)品其技術(shù)水平距離國際上的頂尖水平任然相去甚遠(yuǎn)。而其低端市場則因?yàn)榕c周邊國家之間的競爭過于激烈，導(dǎo)致其市場十分混亂。所以一直以來，我國自產(chǎn)機(jī)床的產(chǎn)量一直不大，而進(jìn)口產(chǎn)品的量卻一直過大。
3．就新產(chǎn)品的開發(fā)能力而言，國內(nèi)的制造業(yè)沒有將新技術(shù)的開發(fā)當(dāng)做是研究數(shù)控技術(shù)的重點(diǎn)，更不用說是在加工中心的應(yīng)用領(lǐng)域了。具體來說表現(xiàn)在：相較于生產(chǎn)已有產(chǎn)品，對于新型產(chǎn)品的開發(fā)熱情普遍不高，其研發(fā)的水平也普遍不高，對于產(chǎn)品的各項(xiàng)規(guī)范的制定以及各項(xiàng)新標(biāo)準(zhǔn)的研究相對滯后。最終導(dǎo)致了生產(chǎn)出來的產(chǎn)品在市場上競爭力不強(qiáng)。
4．就產(chǎn)業(yè)化的水平而言，在市場所占的份額不大，各品種的包含率小。具體來說：加工中心和一些特殊的功能型部件及其配套件的生產(chǎn)水平任然未能達(dá)到量產(chǎn)的水平；產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量不高，可靠性不高；數(shù)控系統(tǒng)的推廣應(yīng)用還不夠等等。
1.4 數(shù)控銑床的應(yīng)用分類及特點(diǎn)
1.4.1 數(shù)控銑床的分類：
按照其運(yùn)動(dòng)方式的不同可以分為： （1）直線控制式 ； (2）點(diǎn)位控制式 （3）輪廓控制式。
按照其控制方式的不同可以分為： (1）閉環(huán)控制式 ； (2）開環(huán)控制式 (3）半閉環(huán)控制式。
按照其主軸的布局形式的不同可以分為： （1）臥式 ； （2）立式 （3）立臥兩用式。
1.4.2 數(shù)控銑床的應(yīng)用
數(shù)控銑床可以用于多種零件的加工，一般用于加工曲面和平面輪廓以及擁有一些復(fù)雜型面的零件，如模具、樣板等。在有需要的時(shí)候也可以用于鉸孔、鉆孔、锪孔、擴(kuò)孔以及鏜孔的加工，但是因?yàn)閿?shù)控銑床沒有自動(dòng)換刀的裝置，因此不能實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)換刀，導(dǎo)致在加工一些構(gòu)造十分復(fù)雜的孔時(shí)會(huì)十分的難以進(jìn)行加工。如今數(shù)控銑床主要應(yīng)用于制造模具、生產(chǎn)汽車零部件、機(jī)床制造業(yè)、制造軍工設(shè)備等。
1.4.3 數(shù)控銑床的主要功能及特點(diǎn)
數(shù)控銑床由其主軸的安裝位置及形式的不同可以分為立式數(shù)控銑床、臥式數(shù)控銑床和立臥兩用式數(shù)控銑床3種類型，不同類型的數(shù)控銑床之間其所采用的數(shù)控系統(tǒng)也各不相同，因而所能實(shí)現(xiàn)的功能也各有不同。但就一般通常而言應(yīng)該都具有下列幾種主要功能：
①點(diǎn)位控制功能；
②連續(xù)輪廓控制功能；
③刀具半徑自動(dòng)補(bǔ)償功能；
④刀具長度補(bǔ)償功能；
⑤鏡像加工功能；
⑥固定循環(huán)功能；
⑦特殊功能 。
數(shù)控銑床之所以能夠大規(guī)模的普及應(yīng)用，主要是由于其擁有高柔性以及工序復(fù)合化，生產(chǎn)批量大且耗時(shí)短，而且加工出來的零件具有很高的精度，同時(shí)又能夠大幅度的減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。
第二章 進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)要求
1 . Z向快速移動(dòng)速度為： 10m/min
2 .Z向工進(jìn)速度為： 4000mm/min
最小進(jìn)給單位為：Z：0.001mm
3 .Z向的行程為：300mm.
4 .進(jìn)給系統(tǒng)Z向傳動(dòng)齒形皮帶降速比30/60
2.2數(shù)控銑床對于進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求
傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)最終影響著其慣量以及剛度，而傳動(dòng)系統(tǒng)的摩擦死區(qū)和間隙則是造成傳動(dòng)系統(tǒng)非線性的主要原因。所以數(shù)控銑床對于機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)有如下要求：
1. 提高傳動(dòng)部件的剛度
一般來說，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的分辨率以及定位精度都需要達(dá)到角秒級，數(shù)控銑床直線運(yùn)動(dòng)的分辨率以及定位精度則需要達(dá)到微米級。因此，如果其傳動(dòng)部件的剛度達(dá)不到傳動(dòng)要求，必然會(huì)因?yàn)槠鋭偠炔粔驈亩鴮?dǎo)致傳動(dòng)部件發(fā)生彈性變形進(jìn)而影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、定位精度和響應(yīng)快速性。而如果想要提高傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度有最為有效便捷的措施就是加大傳動(dòng)系統(tǒng)中滾珠絲杠的直徑，對滾珠絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸以及對滾珠絲杠螺母副進(jìn)行預(yù)緊。
2. 減小傳動(dòng)部件的慣量
在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不變的前提下，其傳動(dòng)部件的慣量大小將會(huì)影響進(jìn)給系統(tǒng)快速性。尤其是在那些需要快速進(jìn)行加工的數(shù)控機(jī)床上，因?yàn)樵谶M(jìn)給時(shí)所要求的加速度特別高，所以在能夠滿足其系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的剛度和強(qiáng)度的前提下，為了能夠降低其慣量，從而提高快速性，應(yīng)當(dāng)要盡可能的減小其零部件的直徑以及減輕其重量。
3. 減小系統(tǒng)的摩擦阻力
進(jìn)給系統(tǒng)由于摩擦所產(chǎn)生的阻力不但會(huì)減小其傳動(dòng)效率使其產(chǎn)生發(fā)熱情況，還會(huì)對系統(tǒng)的快速性產(chǎn)生致命的影響。因此需采用靜壓絲杠螺母副、滾珠絲杠螺母副、靜壓導(dǎo)軌、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌和塑型導(dǎo)軌等一些高效執(zhí)行部件，以減少系統(tǒng)由于摩擦所產(chǎn)生的阻力，從而提高了其在運(yùn)動(dòng)時(shí)的精度，以此來避免發(fā)生低速爬行的情況出現(xiàn)。
2.3數(shù)控銑床的進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇
2.3.1 滾珠絲杠螺母副
滾珠絲杠螺母副具有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)：
（1）．傳動(dòng)的效率較高，由摩擦所導(dǎo)致的損失較小；
（2）．絲杠螺母在進(jìn)過預(yù)緊之后，可以消除之間的間隙，從而在傳動(dòng)時(shí)的剛度得到了提升；
（3）．摩擦阻力小，而且它基本與運(yùn)動(dòng)速度沒有關(guān)系，靜、動(dòng)摩擦力的變化也很小，因此難以發(fā)生低速爬行的現(xiàn)象；
（4）．長期工作時(shí)產(chǎn)生的磨損較小，能夠較好的保持精度，使用年限久。
但是因?yàn)樗谶\(yùn)動(dòng)時(shí)一方面能將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，反過來也能將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，不能實(shí)現(xiàn)自鎖的功能存在著可逆性，因此當(dāng)在水平放置或者垂直傳動(dòng)的高速大慣量傳動(dòng)中心中就必須要有制動(dòng)裝置的存在，而直接使用自身就帶有制動(dòng)裝置的伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)是最為方便和簡單的。此外，為了不讓在安裝或者使用時(shí)螺母發(fā)生脫離絲杠的情況，一般還會(huì)在機(jī)床上安裝超程保護(hù)裝置，這一點(diǎn)對于需要高速加工的數(shù)控機(jī)床來說尤為重要。
2.3.2靜壓絲杠螺母副
靜壓絲杠螺母副是通過一層油膜使得絲杠和螺母之間由原本的邊界摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w摩擦。當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)便可以通過油膜來推動(dòng)螺母實(shí)現(xiàn)直線移動(dòng)，反之螺母轉(zhuǎn)動(dòng)也可以使絲杠實(shí)現(xiàn)直線移動(dòng)。
靜壓絲杠螺母具有：傳動(dòng)靈敏，起動(dòng)力矩小，不會(huì)出現(xiàn)爬行現(xiàn)象；在加工運(yùn)動(dòng)時(shí)十分平穩(wěn)；機(jī)床的光潔度和精度高；對絲杠的誤差可以起到“均化”的作用（即可以使絲杠的傳動(dòng)誤差小于絲杠本身的制造誤差）；承載能力與供油壓力成正比，與其轉(zhuǎn)速無關(guān)等優(yōu)點(diǎn)。但是靜壓絲杠螺母副應(yīng)有一套供油系統(tǒng)，并且對于油的清潔度要求很高，因而如果在運(yùn)動(dòng)中突然停止供油，將會(huì)造成不良后果。
2.3.3靜壓蝸桿蝸條副和齒輪齒條副
在行程較長的大型機(jī)床上大多使用齒輪齒條副傳動(dòng)，可以得到較大的傳動(dòng)比，剛度及機(jī)械效率也高，并能進(jìn)行高速直線運(yùn)動(dòng)。但是也有顯著的缺點(diǎn)：其傳動(dòng)精度不高，傳動(dòng)不夠平穩(wěn)，而且還不能自鎖。齒輪齒條副運(yùn)動(dòng)必須采取措施消除其齒側(cè)間隙。方法如下：當(dāng)傳動(dòng)負(fù)載大時(shí)，可以采用雙厚齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，從而消除齒側(cè)間隙；當(dāng)傳動(dòng)負(fù)載小是也可采用雙片薄齒輪調(diào)整法，分別與齒條齒槽的左、右兩側(cè)貼緊，從而消除齒側(cè)間隙
2.3.4由帶自鎖的電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)
近幾年來直流電動(dòng)機(jī)是發(fā)展起來的高精度、高速數(shù)控機(jī)床中最具有代表性的先進(jìn)技術(shù)之一。利用直流電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，可以通過省去傳動(dòng)系統(tǒng)中將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的部分，從而大大簡化機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)所謂的“零傳動(dòng)”。它可以從根本上消除傳動(dòng)環(huán)節(jié)對于剛度、精度、穩(wěn)定性和快速性的影響，因此可以獲得比以往傳統(tǒng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更高的快進(jìn)速度、加速度以及定位精度。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)根據(jù)各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，最后選擇滾珠絲杠的傳動(dòng)方式。
第三章 傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算
3.1 Z軸的工作載荷分析
滾珠絲杠上的工作載荷即為滾珠絲杠副在驅(qū)動(dòng)工作臺時(shí)滾珠絲杠所承受的軸向力（也稱作進(jìn)給牽引力）。它包括作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩檫力和滾珠絲杠的走刀抗力及與移動(dòng)體重力
3.2 Z軸的工作載荷計(jì)算
根據(jù)主軸切削力的計(jì)算，可以得出以下幾點(diǎn)：
切向銑削力
縱向切削力
橫向切削力
垂直切削力
絲杠承重初估
3.3滾珠絲杠螺母副的計(jì)算及其選型
(1) 滾珠絲杠的導(dǎo)程的確定:
在次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，電機(jī)與絲杠之間的連接是通過同步齒輪帶連接的間接性連接，因此傳動(dòng)比在經(jīng)過其同步齒形帶的降速之后為，選擇電機(jī)的最高工作轉(zhuǎn)速，最大轉(zhuǎn)矩，則絲杠的導(dǎo)程為：
（3.3.1）
(2) 絲杠的等效轉(zhuǎn)速的確定:
在最大進(jìn)給時(shí)，絲杠的轉(zhuǎn)速為 （3.3.2）
在最慢進(jìn)給時(shí)，絲杠的轉(zhuǎn)速為 （3.3.3）
最后得到絲杠的等效轉(zhuǎn)速（估算）為
(3.3.4)
式中： —— 軸向載荷F1，F(xiàn)2作用下的轉(zhuǎn)速，單位為；
—— 軸向載荷F1，F(xiàn)2作用下的時(shí)間，單位為s。
(3) 確定絲杠的等效負(fù)載:
滾珠絲桿的工作負(fù)載只是指在機(jī)床正常工作的時(shí)候，實(shí)際上作用與滾珠絲杠軸向方向的壓力，它的具體數(shù)值可以根據(jù)進(jìn)給牽引力的試驗(yàn)公式計(jì)算得出。機(jī)床所用的導(dǎo)軌選定為滾動(dòng)導(dǎo)軌，就一般而言，滾動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)在到0.0050之間，此處取摩擦系數(shù)為，則絲杠所受的最大工作負(fù)載為：
(3.3.5)
式中： —— 顛覆力矩影響系數(shù)，一般取為。
而絲杠的最小工作負(fù)載為
(3.3.6)
故其等效負(fù)載可按下式計(jì)算（估算；）：
(3.3.7)
(4) 確定絲杠所受的最大動(dòng)載荷:
假設(shè)取絲杠的工作壽命為，同時(shí)取精度系數(shù)，負(fù)荷性質(zhì)系數(shù)，硬度系數(shù)，溫度系數(shù)，可靠性系數(shù)；平均轉(zhuǎn)速為。
(3.3.8)
則最大動(dòng)載荷為：
(3.3.9)
根據(jù)動(dòng)載荷的要求，選用雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲杠副，其型號為。絲杠的公稱直徑為，基本導(dǎo)程，其額定動(dòng)載荷（），額定靜載荷，圈數(shù)×列數(shù)=×，絲杠螺母副的接觸剛度為，螺母長度為，取絲杠的精度為級。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中采用雙螺母墊片式預(yù)緊。
(5) 臨界壓縮負(fù)荷:
確定絲杠螺紋部分的長度。等于工作臺的最大行程（）加上螺母長度（）加兩端余程（）。為。
支承跨距應(yīng)略大于，取為。絲杠全長。臨界壓縮負(fù)荷為：
(3.3.10)
式中： —— 絲杠支承方式系數(shù)；
—— 材料的彈性模量，；
—— 絲杠最小截面慣性矩，單位為；
—— 最大受壓長度，單位為；
—— 安全系數(shù)，一般??；
—— 最大軸向工作載荷，單位為
慣性矩
(3.3.11)
式中： —— 絲杠螺紋底徑，單位為；
—— 絲杠公稱直徑，單位為；
—— 鋼球直徑，單位為。
由于滾珠絲杠副支承方式采用雙推—簡支形式，查表得支承系數(shù)。將上述參數(shù)代入公式（3.1）得
(3.3.12)
可見遠(yuǎn)大于，故能滿足要求。
(6) 臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)算:
臨界轉(zhuǎn)速經(jīng)驗(yàn)公式：
(3.3.13)
式中： —— 絲杠最小橫截面，單位為；
—— 臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度，單位為；
—— 安全系數(shù)，一般取0.8；
—— 材料的密度，碳鋼；
—— 絲杠支承方式系數(shù)。
由于滾珠絲杠副支承方式采用雙推—簡支形式，查表得支承系數(shù)。
絲杠最小橫截面為：
(3.3.14)
式中： —— 絲杠螺紋底徑，單位為；
臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度：
(3.3.15)
將上述參數(shù)代入公式，則臨界轉(zhuǎn)速為：
(3.3.16)
可見遠(yuǎn)大于，故能滿足要求。
(7) 精度計(jì)算
數(shù)控機(jī)床的定位精度取決于滾珠絲杠的精度，在滾珠絲杠的精度參數(shù)中，其導(dǎo)程誤差對機(jī)床定位精度的影響最明顯。一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)定絲杠的任意300mm行程內(nèi)的變動(dòng)量V 300應(yīng)該要比目標(biāo)設(shè)定定位精度值的1/3～1/2小。
因此根據(jù)V300=0.006mm～0.01mm，查表可得，滾珠絲杠的精度等級為2級。
本小節(jié)中所用到的所有公式（3.3.1）到（3.3.16）皆是出自：吳宗澤，羅圣國.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊[M]. 第五版.北京：高等教育出版社，2006.
3.4滾珠絲杠螺母副的支撐選擇
滾珠絲杠兩端的支承的軸向固定方式有以下三種3種情況（如圖所示）。
（1）圖3-1為一端軸向固定另一端自由的支承固定方式，絲杠的軸向剛度比兩端固定低，絲杠的臨界轉(zhuǎn)速以及壓桿穩(wěn)定性都較低，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使絲杠受拉伸。
（2）圖3-2為一端軸向固定一端游動(dòng)的支承固定方式，在一些加工速度相對不高但是對于加工的零部件精度要求較高的機(jī)床，為了避免其滾珠絲杠發(fā)生熱變形經(jīng)常采用一端軸向固定的支承固定方式。
（3）圖3-3為兩端固定方式，在一個(gè)高的精確度以及高旋轉(zhuǎn)的環(huán)境中，它是不適合于上述的滾珠絲杠的安裝方式，為了使絲桿的預(yù)加載荷，可以以一致的方式在兩端固定，并且在絲桿的一端安裝彈簧和調(diào)整螺母，這樣既可補(bǔ)償絲桿的熱變形誤差，又能施加載荷使其保持預(yù)緊力近乎不變。
圖3-1一端固定一端自由
圖3-2一端固定一端游動(dòng)
圖3-3兩端固定
根據(jù)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的行程要求為300mm以及其他要求，因此綜合考慮采用兩端固定的支撐方式作為本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的滾珠絲杠螺母副的支持方式。
3.5滾珠絲杠螺母副的間隙消除與預(yù)緊
為了提高滾珠絲桿副的剛度以及消除間隙，可以通過預(yù)加載荷，使它在過盈的狀態(tài)下工作。預(yù)緊后的剛度可以提升至原來的2倍。但是由于預(yù)緊載荷過大，將會(huì)導(dǎo)致其摩擦力矩加大以及使用壽命下降。一般有如下幾種預(yù)緊方式：
雙螺母螺紋式預(yù)緊：①具體操作為通過調(diào)整端部的圓螺母，使螺母產(chǎn)生軸向位移。②優(yōu)缺點(diǎn)：其結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡單，工作可靠，但是其預(yù)緊方式并不能夠保證準(zhǔn)確性且易失效，因此只適用于可隨時(shí)調(diào)節(jié)預(yù)緊或剛度要求低的傳動(dòng)。
雙螺母墊片式預(yù)緊：①具體操作為通過調(diào)整墊片的厚度，以達(dá)到其螺母進(jìn)行軸向位移的目的。②優(yōu)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，剛度高，便于裝拆，但是操作不易，在其滾道出現(xiàn)磨損的情況下，將無法發(fā)揮其功能，因此只有在一些高剛度以及重載荷的傳動(dòng)中較為適用。
雙螺母齒差式預(yù)緊：①具體操作為兩邊的下螺母的凸緣上有外齒，分別與緊固的螺母座兩端的內(nèi)齒圈相嚙合，兩個(gè)螺母向同一方向旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒，調(diào)整軸向位移。②優(yōu)缺點(diǎn)：對預(yù)緊力的調(diào)整能夠精確控制，但是由于實(shí)際操作過于繁雜，因此只宜用于高度精度的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中滾珠絲桿的運(yùn)動(dòng)是垂直進(jìn)行的，因此需要隨時(shí)能夠調(diào)節(jié)其絲杠的預(yù)緊力，綜合考慮最終選用雙螺母螺紋式預(yù)緊。
第四章 主要部件的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.1軸承的選擇及校核
本課題中絲杠既受軸向力又受徑向力，因此其兩固定端選用的是成對的角接觸軸承，型號為D46205。
(1) ．軸承D46205的動(dòng)負(fù)荷驗(yàn)算過程如下:
圖3-4為絲杠的受力圖。已知：切向負(fù)荷，徑向負(fù)荷，軸向負(fù)荷，絲杠承重。
（4.1.1）
得
得
(a)
(b)
(c)
圖3-4 絲杠受力圖
軸承的徑向合力為：
（4.1.2）
已知軸承D46205所受的軸向負(fù)荷，徑向負(fù)荷，基本額定徑向靜載荷。則相對軸向載荷為：
（4.1.3）
式中： —— 徑向接觸系數(shù)，一般取。
查表得分界判斷系數(shù)。
（4.1.4）
查表得徑向動(dòng)載荷系數(shù)X=0.56，軸向動(dòng)載荷系數(shù)Y=1.55。查表得查得載荷系數(shù)一般為，取。則軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷為：
（4.1.5）
查表得，軸承預(yù)期計(jì)算壽命。
該軸承應(yīng)具有的基本額定動(dòng)載荷
（4.1.6）
式中： —— 失效率（可靠度）的基本額定壽命（）
—— 軸承的轉(zhuǎn)速，單位為；
—— 基本額定動(dòng)載荷，單位為；
—— 當(dāng)量動(dòng)載荷，單位為；
—— 壽命指數(shù)，對球軸承，滾子軸承。
查表得基本額定動(dòng)載荷。
由于，所以能夠滿足要求。
本小節(jié)中所用到的所有公式（4.1.1）到（4.1.6）皆是出自：中國機(jī)械工程協(xié)會(huì)中國機(jī)械設(shè)計(jì)大典編委會(huì)，中國機(jī)械設(shè)計(jì)大典.南昌；江西科學(xué)技術(shù)出版社，2001
4.2電機(jī)的選擇與計(jì)算
(1) 傳動(dòng)效率η
根據(jù)本課題的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其進(jìn)給部分中的主要機(jī)械傳動(dòng)效率由同步齒形帶、滾珠軸承及滾動(dòng)絲杠傳動(dòng)組成。其中，同步齒形帶效率為0.99，滾珠軸承效率為0.99，滾動(dòng)絲杠傳動(dòng)效率為0.95。
總傳動(dòng)效率： （4.2.1）
(2) 電動(dòng)機(jī)功率估算
（4.2.2）
式中： —— 進(jìn)給傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率，；
—— 進(jìn)給牽引力，；
—— 進(jìn)給速度，；
—— 進(jìn)給傳動(dòng)鏈的總機(jī)械效率。
(3) 進(jìn)給電動(dòng)機(jī)選擇
根據(jù)估算得出的電動(dòng)機(jī)功率，選用西門子的1FK7060-5型電動(dòng)機(jī)，其主要性能指標(biāo)如下：
型號：1FK7060-5AF71-1FH5-Z
功能：計(jì)量伺服驅(qū)動(dòng)
元件類型：機(jī)電
控制方式：開環(huán)
功率：0.75kw
額定電壓：480V
速度響應(yīng)頻率：50/60KHz
加工定制：否
外形尺寸：180mm
重量：3kg
本小節(jié)中所用到的所有公式（4.2.1）到（4.2.2）皆是出自：付豐禮，唐孝稿.電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊[M]. 第二版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.
4.3慣量匹配的計(jì)算
由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩情況不同，負(fù)載慣量只能由精確的計(jì)算得到。由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的所有運(yùn)動(dòng)部件，無論是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)還是直線運(yùn)動(dòng)部件，都成為電機(jī)的負(fù)載慣量?？偟膽T量可以通過計(jì)算各個(gè)被驅(qū)動(dòng)部件的慣量，并以一定的規(guī)律將其加起來即可。
1．絲杠折算到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
滾珠絲杠螺母副的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量見公式：
= （4.3.1）
2 ．工作臺折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
主軸箱折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可由下述公式得到：
（4.3.2）
式中 w——工作臺的質(zhì)量；kg；
s——絲杠的螺距，mm；
g——重力加速度；
由題目參數(shù)可知wg=160，選用絲杠的參數(shù)可知P=6mm；
因此，可以得出Jt=0.000146
3．小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
可由下述公式得到：
J1=MD28=0.44*0.0628=0.000198 （4.3.3）
4．傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
絲杠傳動(dòng)，傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式，
（4.3.4）
由前面的計(jì)算可知，=0.0011992。
5．匹配計(jì)算
可由下述公式得到：
JLJm=0.00119920.00273=0.44 （4.3.5）
因?yàn)?14
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