摘 要隨著制造業(yè)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的加工設(shè)備已無(wú)法承擔(dān)加工高精度、復(fù)雜型面零件的要求，數(shù)控機(jī)床良好的加工精度和數(shù)控系統(tǒng)可滿足此要求。而國(guó)外的數(shù)控機(jī)床比較昂貴，其價(jià)格要比國(guó)內(nèi)高 50%60%，結(jié)合市場(chǎng)調(diào)研和畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)際，進(jìn)行磨床工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。針對(duì)數(shù)控磨床工作臺(tái)存在的爬行、顫振現(xiàn)象，進(jìn)給滾珠絲杠剛性低問(wèn)題，確定了采用滾珠絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)，滾珠絲杠和電動(dòng)機(jī)之間采用同步齒形帶聯(lián)接，工作臺(tái)導(dǎo)軌貼塑，從而改善了潤(rùn)滑條件，同時(shí)也起到減振作用，MK1332 數(shù)控外圓磨床的爬行、顫振現(xiàn)象得到有效解決，提高了零件加工質(zhì)量；絲杠采用兩端固定支承，滾動(dòng)軸承背靠背組配，剛性可提高一倍。位置檢測(cè)裝置采用高分辨率的脈沖編碼器，通過(guò)半閉環(huán)控制測(cè)量工作臺(tái)的直線位移。工作臺(tái)型面采用平面形式，減少工作臺(tái)的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使系統(tǒng)有更快的響應(yīng)特性。本機(jī)床對(duì)提高加工質(zhì)量和效率、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期有積極的意義。關(guān)鍵詞 數(shù)控磨床 工作臺(tái) 滾珠絲杠 貼塑導(dǎo)軌IAbstractAlong with the rapid development of the manufacturing sector, the traditional processing equipment has been unable to undertake the processing precision, complex parts of the surface, NC Machine good precision and CNC machining systems can meet this requirement. 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 .660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。11.1.11.1.1 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2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，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發(fā)開放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)。31.2 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4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。51.3 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/s61.3.3 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。71-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。8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。92.2.1 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。102.2.3 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)可分為開環(huán)伺服、閉環(huán)伺服和半閉環(huán)伺服。1.開環(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，11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12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） ；maxv13 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)：141.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。152.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514Cm16 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：1M2M3M17 (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)；f18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3.419 (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： 32mm20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 )213.3.4 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） ；L22 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1.3234.1 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24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。25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?；谏鲜龇治觯z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)26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。2712FaoFaoFa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；11212aaoaoao28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。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。291-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?。?）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)30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 sq31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)q0.0180.0240.0290.0340.0470.0590.0800.11632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、34571010001214161820222410003000141618202224263000161820222433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 343.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)356.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)的選擇