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湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
第一章 前 言
1.1 課題背景
隨著人類社會的不斷向前發(fā)展，人們對物質(zhì)產(chǎn)品的需求已經(jīng)提升到了質(zhì)的方面。在日常的生活中，各種電子產(chǎn)品、家用電器、交通工具等越來越精致美觀，質(zhì)量也較以往提升不少。而在國防、科研、精密制造等領(lǐng)域，對零件加工精度與表面質(zhì)量的要求越來越高。正是這種現(xiàn)實需求，推動了機(jī)械加工行業(yè)的不斷發(fā)展。精密加工技術(shù)的研究及應(yīng)用水平已經(jīng)成為衡量一個國家機(jī)械制造業(yè)乃到整個制造行業(yè)水平的重要依據(jù)。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，精密加工技術(shù)受到極大重視，各國均大量投入人力物力對其進(jìn)行研究，來保證其尖端技術(shù)處于國際領(lǐng)先地位，使其產(chǎn)品在國際市場上具備更強(qiáng)競爭力。
提高零件加工精度對于現(xiàn)代制造行業(yè)具有重要的意義，這也是眾多科研人員和機(jī)械工程師們致力于其中的緣由之所在。
1.提高零件的加工精度，可提升產(chǎn)品的品質(zhì)和性能，進(jìn)而提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。根據(jù)英國Rolls-Roy公司的一份研究成果，若是將飛機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子的加工精度由60μm提高到12μm，表面粗糙度由Ra0.5μm減少到Ra0.2μm，則發(fā)動機(jī)的壓縮效率將從89%提高到94%。20世紀(jì)80年代初，前蘇聯(lián)從日本引進(jìn)了四臺精密多軸數(shù)控銑床，用于加工潛艇螺旋槳曲面，使其潛艇的水下航行噪音大幅度下降，即使用精密的聲納探測裝置也很難發(fā)現(xiàn)潛艇的行蹤，此事震驚了西方國家的國防部門。
2.提高零件的加工精度可促進(jìn)產(chǎn)品的小型化。傳動齒輪的齒形誤差及齒距誤差影響了其傳遞扭矩的能力。若將該誤差從目前的3~6μm降低到1μm，則齒輪箱單位重量所能傳遞的扭矩將提高一倍，從而可使目前的齒輪和齒輪箱尺寸大大縮小。IBM公司設(shè)計生產(chǎn)的磁盤，其記憶密度由1957年的300bit/cm2提高到1982年254萬bit/cm2，提高了近一萬倍，這在很大程度上歸功于磁盤基片加工精度的提高和其表面粗糙度的減小。
3.提高零件的加工精度可以增強(qiáng)零件的互換性，提高裝配效率，促進(jìn)自動化裝配應(yīng)用，推進(jìn)自動化生產(chǎn)。自動化裝配是提高裝配生產(chǎn)和裝配質(zhì)量的重要手段，而自動化裝配的前提是裝配所用零件必須實現(xiàn)完全互換，這就要求嚴(yán)格控制零件的加工公差，從而導(dǎo)致零件的加工精度要求很高。精密加工技術(shù)和裝備可以使之成為實現(xiàn)[1]。
精密加工技術(shù)理論是實現(xiàn)精密加工的前提，而精密加工裝備即精密加工機(jī)床是實現(xiàn)它的首要基礎(chǔ)條件。隨著加工精度要求的提高和精密加工技術(shù)的發(fā)展，機(jī)床的加工精度不斷提高，精密機(jī)床獲得了迅速的發(fā)展。
二戰(zhàn)后，為了滿足國防工業(yè)和尖端技術(shù)發(fā)展的需要，美國首先運(yùn)用了金剛石刀具精密切削技術(shù)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計生產(chǎn)出了空氣軸承的高性能精密車床。50年來，美國在這
方面投入了大量人力、物力和資金，研究超精密切削理論并開發(fā)了超精密切削機(jī)床。超精密機(jī)床是綜合性新技術(shù)的結(jié)晶，它綜合應(yīng)用多項現(xiàn)代新技術(shù)于精密機(jī)床，使其產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。近年來，精密和超精密加工技術(shù)也越來越廣泛應(yīng)用于民用產(chǎn)品中，如加工民用交通工具、電子芯片、通訊設(shè)備部件等等，使精密、超精密加工逐步深入到社會生活的方方面面[2]。
由于歷史等各方面因素的影響，我國在精密加工理論和精密加工裝備的研究起步較晚。經(jīng)過幾十年的研究，我國在精密、超精密領(lǐng)域取得了不少的研究成果，在制造水平上有了長足的進(jìn)步。但是，與制造業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，差距仍舊是很大的。由于涉及到保密及眾多因素，從國外引進(jìn)先進(jìn)精密機(jī)床受到限制，并且引進(jìn)的機(jī)床在國內(nèi)也無法達(dá)到國外的加工水平。這說明我們在技術(shù)理論和加工工藝上還存在很大不足，我們需要更加大力研究，提高理論水平并研制性能更加優(yōu)越的超精密加工裝備，為我國國防工業(yè)、尖端技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展創(chuàng)造有利條件。
磨床，尤其是精密磨床通常是零件最后一道工序使用的裝備，擔(dān)負(fù)著保證零件最終加工質(zhì)量的作用。歐洲機(jī)床展覽會（EMO）曾經(jīng)調(diào)查：25%的企業(yè)認(rèn)為磨削是他們應(yīng)用的最主要的加工技術(shù)，車削只占23%，鉆削占22%，其它的占8%；由此可見，在精密加工當(dāng)中，有許多零件部件是通過精密磨削來達(dá)到其精度要求的，而精密磨削加工需要在相應(yīng)的精密磨床上進(jìn)行，因此精密磨床在精密加工中占有舉足輕重的作用。而磨床在企業(yè)機(jī)床中占據(jù)的比例高達(dá)42%，車床占23%，銑床占22%，鉆床占14%。而在磨床中，有很大一部分是低端產(chǎn)品，其加工性能和效率都是比較低的，很難適應(yīng)當(dāng)下機(jī)械行業(yè)快速發(fā)展的需求。在國內(nèi)，這樣的情況就更為嚴(yán)重了，并且大多數(shù)的磨床還沒有實現(xiàn)數(shù)控化，加工性能和效率就更為低下了。近年來，我國的汽車行業(yè)不斷升溫，芯片行業(yè)也開始開始逐步成長，并且隨著材料科學(xué)的發(fā)展，各種新型材料出現(xiàn)，其中有很多難加工的脆硬材料。這一系列的情況都對我國研究并開發(fā)適合國情高精度磨床提出了要求。
1.2 國內(nèi)外數(shù)控平面磨床的發(fā)展?fàn)顩r
充分的了解國內(nèi)外在磨床領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r能對本次設(shè)計有很大幫助，不僅能增加自己對本次設(shè)計的興趣，并且在了解的過程中，可以接觸到很多的各種類型平面磨床，可以了解它們結(jié)構(gòu)和運(yùn)動原理，能夠為自己的設(shè)計提供很有價值的參考。
1.2.1 國內(nèi)數(shù)控平面磨床的發(fā)展?fàn)顩r
中國是機(jī)床制造的大國，也是機(jī)床使用的大國，同時還是機(jī)床進(jìn)口的大國。世界四個國際機(jī)床展覽會中的其中一個就是在中國舉辦，中國是世界機(jī)床行業(yè)中的地位是很重要的。我國工業(yè)起步比較晚，各類基礎(chǔ)技術(shù)理論和制造工藝水平都跟國際先進(jìn)水平有較
大的差距。在磨床領(lǐng)域中，有很多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)掌握并應(yīng)用的核心技術(shù)，我們還尚未摸索清楚，需要我們花費(fèi)時間和精力去研究摸索。當(dāng)下我國磨床的生產(chǎn)是一種學(xué)習(xí)式的生
產(chǎn)模式，我們通過不斷引進(jìn)先進(jìn)的磨床設(shè)備進(jìn)行消化吸收，再來開發(fā)自己的產(chǎn)品。這是一種能夠很快將自身基礎(chǔ)夯實的有效方法，但是我們也要認(rèn)識到自行研究發(fā)展重要性。同時，要發(fā)展磨床不單單是只發(fā)展磨床就可以的，它是一個復(fù)雜的機(jī)電產(chǎn)品，可以很地代表國家機(jī)電行業(yè)的發(fā)展水平，而數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用更是國家綜合科技實力表征。
我國從80年代開始生產(chǎn)數(shù)控平面磨床，各生產(chǎn)廠家均走過了自行研制，與大學(xué)及科研單位合作開發(fā)到直接引進(jìn)成熟數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展道路。杭州機(jī)床廠是一家具有五十年歷史的專業(yè)生產(chǎn)平面磨床的機(jī)床制造廠，它從80年代中期開始生產(chǎn)數(shù)控平面磨床，先后開發(fā)出各種型號的平面磨床。同時國內(nèi)也涌現(xiàn)了很多其他比較有實力的磨床生產(chǎn)廠家，如天津津醫(yī)數(shù)控磨床有限公司、西安第三機(jī)床廠、廣西桂北磨床廠、南通機(jī)床股份有限公司以及浙江榮德機(jī)械有限公司等。不過，最有實力還是當(dāng)屬杭州機(jī)床廠，它一直是該領(lǐng)域的領(lǐng)軍廠家，它通過不斷地引進(jìn)國外先進(jìn)磨床進(jìn)行消化，在平面磨床的生產(chǎn)制造方面有了一些自己的獨(dú)到之處。它的產(chǎn)品以較高的性價比在國內(nèi)市場很受歡迎，曾經(jīng)在北京的國際機(jī)床展覽會展出了一臺MGK7350型數(shù)控高精度臥軸圓臺平面磨床，采用了中腰移動式立柱作橫向進(jìn)給，床身機(jī)構(gòu)剛性良好，磨削工況平穩(wěn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上跟上了國際趨勢；同時其加工表面粗糙度達(dá)到了Ra0.08以下，處于一個比較高的精度等級。
相較于大陸，國內(nèi)平面磨床水平最高水平是在臺灣。由于臺灣跟國外一些先進(jìn)廠家接觸較早也較多，因此，已掌握了相當(dāng)部分的核心技術(shù)，自己的產(chǎn)品也很有自己的特色，產(chǎn)品大量出口，在國際市場上受到歡迎。福裕機(jī)床公司成立于1978年，是臺灣最大的高精度平面磨床生產(chǎn)廠，在國際上也是比較著名的。該公司出口的磨床占臺灣出口磨床的一半，其生產(chǎn)的“Chvalier”品牌磨床在歐美等地有比較高的知名度。福裕設(shè)計生產(chǎn)的磨床外形美觀，色彩搭配良好，令人賞心悅目，在大陸市場也是非常受歡迎的。它已經(jīng)在上海設(shè)立分廠生產(chǎn)，這對我國磨床業(yè)的發(fā)展和合作是很好的機(jī)會和平臺。
總體說來，我國在磨床行業(yè)在中低端市場中具有一定的競爭力，但是在高端精密型磨床領(lǐng)域是失守的，這是一個我們必須認(rèn)清的事實。尤其是在精密磨床的核心——數(shù)控系統(tǒng)上，國內(nèi)磨床大多數(shù)是依賴于進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)。雖然，國內(nèi)已經(jīng)有公司開發(fā)出了自己的數(shù)控系統(tǒng)，但是在功能和性能上與國外著名廠商的產(chǎn)品有著很大的差距，只能應(yīng)用于控制精度要求不是很高的機(jī)床上。
1.2.2 國外數(shù)控平面磨床的發(fā)展?fàn)顩r
數(shù)控平面磨床由于對數(shù)控系統(tǒng)的特殊要求而相對于數(shù)控車床、銑床等的發(fā)展較晚。近幾十年來，借助CNC技術(shù)，磨床上砂輪的連續(xù)修整，自動補(bǔ)償，自動交換砂輪，多工作臺，自動傳送和裝夾工件等操作功能得以實現(xiàn)，數(shù)控技術(shù)在平面磨床上逐步普及。
前幾年德國ELB公司生產(chǎn)的BRILIANT系列二坐標(biāo)CNC成型磨床，其垂直和橫向為數(shù)控軸，縱向為液壓控制，砂輪修整采用安裝在工作臺上的金剛石滾輪，適用范圍較廣；同時ELB公司開發(fā)了具有當(dāng)代最新技術(shù)的磨床產(chǎn)品，即以機(jī)電一體化和計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的CAM-MASTER系列柔性磨削加工單元，CAD-MASTER系列和COMPACT
-MASTER系列磨削加工中心，控制軸最多可達(dá)到24軸。英國JONES&SHIPMAN公司與美國A-B公司開發(fā)了A-B8600數(shù)控系統(tǒng)用于FORMAT5型數(shù)控平面磨床，由CNC控制液壓閥，驅(qū)動縱向可調(diào)速運(yùn)動，橫向與磨頭進(jìn)給用滾珠絲杠副，直流伺服電機(jī)驅(qū)動，間斷式砂輪修整，CRT圖形模擬顯示。美國ALLEY-BRANDLY公司生產(chǎn)的8400CNC、8600CNC數(shù)控系列，適用于車床、銑床和磨床，其8400CNC最多可控制6根伺服軸，任2軸可進(jìn)行圓弧插補(bǔ)，任3軸可進(jìn)行螺旋線插補(bǔ)，6軸直線插補(bǔ)。8600CNC系列最多能控制17個坐標(biāo)，包括8個參與插補(bǔ)軸，8個位控制軸及1個主軸，具有圖形顯示，擴(kuò)展分支程序，顯示加工時間，調(diào)整程序校驗，刀具壽命監(jiān)測等功能。日本FANUC公司開發(fā)了OG高速高性能數(shù)控系統(tǒng)，其中O-GSG適用于平面磨床，可根據(jù)磨削零件不同開關(guān)，有四種不同的磨削方法，具有砂輪軸角度傾斜控制功能，荒磨、粗磨、精磨、無火花磨削整套磨削循環(huán)；砂輪滾壓修整后位置補(bǔ)償功能，修整器相對于被修整砂輪法線方向控制功能，修整滾輪外緣圓弧半徑補(bǔ)償功能，砂輪形狀圖形顯示功能及磨削參數(shù)顯示等，系統(tǒng)最小設(shè)定單位0.1μm，屬于“緊湊”型數(shù)控系統(tǒng)，價格較低。
在近年漢諾威、東京、芝加哥及國內(nèi)等大型機(jī)床展覽會上，CNC磨床在整個磨床展品中已占大多數(shù)，如德國BLOHM公司，ELB公司等著名磨床制造廠已經(jīng)不再生產(chǎn)普通磨床。日本的岡本、日興等公司也成批生產(chǎn)全功能CNC平面磨床，在開發(fā)高檔數(shù)控平面磨床的同時，也積極發(fā)展中、低檔的數(shù)控平面磨床。而從最近幾年的在美國芝加哥舉行的國際制造技術(shù)展覽會（IMTS）上，眾多生產(chǎn)廠以實物的形式展覽它們的產(chǎn)品。根據(jù)參展產(chǎn)品的特點，可以看出今后平面磨床的發(fā)展趨勢。
1. 從規(guī)格上看，參展產(chǎn)品以小型平面磨床為主。小規(guī)格機(jī)床的運(yùn)輸及布展比較便利；國外平面磨床不分普通、精密和高精密的精度等極，相對小規(guī)格的機(jī)床，精度可以做得很高；在國際市場上，中、小規(guī)格的平面磨床的需求更大。
2. 從控制角度上看，由于技術(shù)水平的發(fā)展導(dǎo)致功能變化，傳統(tǒng)加工型平面磨床已經(jīng)向成形磨床轉(zhuǎn)變，常規(guī)的控制已經(jīng)難以實現(xiàn)加工功能要求，數(shù)控平面磨床已經(jīng)成為發(fā)展的主流。
3. 從功能上看，平面磨床不僅僅應(yīng)用于水平平面加工，轉(zhuǎn)向于成形、臺階、切入、快速抖動、三維空間曲線等表面加工。ELB、BLM公司以平面磨床為基礎(chǔ)設(shè)計而成的五軸聯(lián)動磨削中心，可實現(xiàn)非平面型復(fù)雜曲面的磨削；Unison、Trutech公司的柔性磨削系統(tǒng)，可實現(xiàn)成形、無心、外圓、工具、輪廓等磨削工藝；以及福裕、Parker公司等的快速抖動磨床，反映出平面磨床是磨床中演變潛力最大的一種機(jī)型[3]。
未來平面磨床的發(fā)展根本在于設(shè)計創(chuàng)新：平面磨床是磨床類機(jī)床中發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮?
機(jī)床，在完成傳統(tǒng)平面磨削加工功能基礎(chǔ)和現(xiàn)有平面磨床床身、工作臺、磨頭等大件的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，可以發(fā)展成為具備加工外圓、曲線、工具甚至更為復(fù)雜的曲面加工功能的磨削加工中心。我國在完成磨床規(guī)格系列的完善后，應(yīng)該跳出傳統(tǒng)思維車到曲線或輪廓等非平面磨削加工思路上去進(jìn)一步發(fā)展，形成具有我們自己特色的技術(shù)和產(chǎn)品。
模塊化設(shè)計將是貫穿產(chǎn)品設(shè)計全過程的一條主線，無論是機(jī)床技術(shù)發(fā)展的潮流還是市場競爭的要求；無論是降低成本的需要，還是提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的，都要求我們在今后的產(chǎn)品開發(fā)中，運(yùn)用好模塊化設(shè)計的理念和方法。
世界機(jī)床工業(yè)的發(fā)展，根本在于設(shè)計理念創(chuàng)新與新技術(shù)的結(jié)合。根據(jù)傳統(tǒng)的金屬切削原理，采用全新的現(xiàn)代設(shè)計理念，結(jié)合先進(jìn)的控制技術(shù)，正推動著機(jī)床技術(shù)向新的領(lǐng)域邁進(jìn)。
1.3 課題研究的意義
由前面國內(nèi)外平面磨床的現(xiàn)狀，我們可以清楚地看到我國在磨床領(lǐng)域與國外存在很大的差距。尤其是高端精密磨床，幾乎全部依賴進(jìn)口，由于復(fù)雜的因素影響，我們無法獲得國外最先進(jìn)的技術(shù)裝備，而要實現(xiàn)國家的現(xiàn)代化，這些高精尖的技術(shù)裝備是必不可少的，這就決定了我們必須走版主創(chuàng)新的道路。機(jī)床是制造的基礎(chǔ)，機(jī)床創(chuàng)新是使我國成為制造強(qiáng)國的根本。
中國工程院士周勤之曾說：“創(chuàng)新不是腦袋一拍就可以創(chuàng)新。創(chuàng)新需要有很深的研究與實踐基礎(chǔ)，必須掌握磨削機(jī)理、關(guān)鍵功能部件的工作原理、工藝參數(shù)、磨床結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)，才能創(chuàng)造出有理論基礎(chǔ)和實用價值高的高質(zhì)量、高可靠性和精度穩(wěn)定性的高端磨床?！睂τ谖覀冎徽莆諜C(jī)械基礎(chǔ)知識的本科生來說，雖然自行創(chuàng)新設(shè)計一臺高精密的平面磨床無異于空中樓閣很不現(xiàn)實，但是通過參照已有的機(jī)床設(shè)備和運(yùn)用已有的計理論，進(jìn)行磨床相關(guān)部件的設(shè)計計算，使我們對磨床的結(jié)構(gòu)與功能有個理性的認(rèn)識，為以后從事相關(guān)的設(shè)計工作打下基礎(chǔ)。甚至對于在設(shè)計中，如果遇到機(jī)床結(jié)構(gòu)中有不合理的部分，對其提出可行的改進(jìn)建議，這對培養(yǎng)我們的設(shè)計能力是有很大幫助的。
1.4 課題研究內(nèi)容和方法
1.4.1 課題的研究內(nèi)容
本課題為設(shè)計一臺立柱移動式MK7125型精密數(shù)控平面磨床，用砂輪周邊磨削平面，也可以磨削臺階平面；用于機(jī)械制造業(yè)及工具模具制造行業(yè)，能加工各種難加工材料。設(shè)計需要完成的內(nèi)容有：
1.磨床的總體總局方案設(shè)計；
2.橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計，伺服電機(jī)和滾珠絲杠副的設(shè)計計算，繪制橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)裝
配圖和相關(guān)零件圖；
3.縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計，伺服電機(jī)和滾珠絲杠副的設(shè)計計算，繪制縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)裝
配圖和相關(guān)零件圖；
4.床身設(shè)計，繪制床身零件圖；
5.磨床數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計與選用，繪制硬件連線圖
6.翻譯指定的英文專業(yè)文獻(xiàn)
設(shè)計的重點和難點在于磨床砂輪架的設(shè)計計算，以及垂直進(jìn)給滾珠絲杠和伺服電機(jī)
的設(shè)計計算。這也是能使我學(xué)到更多專業(yè)知識，鍛煉我專業(yè)技能和設(shè)計能力的部分。
相應(yīng)地，設(shè)計說明書主要部分為：總體總局設(shè)計、砂輪架設(shè)計及計算、垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計及計算、立柱的設(shè)計和數(shù)控系統(tǒng)的選用五大部分。其中，砂輪架設(shè)計包括了主軸的設(shè)計，軸承、聯(lián)軸器的選用以及主軸驅(qū)動電機(jī)的選用；垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計包括了傳動部件滾珠絲杠的設(shè)計計算，軸承、聯(lián)軸器的選用和伺服電機(jī)的選用。在說明書最后有自己對這次設(shè)計的總結(jié)和展望，以及對指導(dǎo)老師和同組同學(xué)的致謝辭，然后就是設(shè)計中的主要參考文獻(xiàn)。
1.4.2 完成設(shè)計課題的方法
畢業(yè)設(shè)計的目的在于通過一系列的設(shè)計及計算，使我們在大學(xué)四年所學(xué)到的知識有一個綜合的復(fù)習(xí)和運(yùn)用的機(jī)會，同時提高我們設(shè)計能力以及團(tuán)隊協(xié)作能力。完成本設(shè)計課題的主要方法是運(yùn)用自己所學(xué)到的知識進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并進(jìn)行校核計算以確定設(shè)計滿足要求。通過查閱磨削相關(guān)的文獻(xiàn)資料，了解到磨床的工作原理，以及設(shè)計中要滿足的各項條件。文獻(xiàn)資料也包括一些對現(xiàn)代磨床所采用結(jié)構(gòu)的介紹和論述，其中所采用的結(jié)構(gòu)對我們的設(shè)計有很好的指導(dǎo)和啟發(fā)作用。
除了從書本及互聯(lián)網(wǎng)上找資料外，指導(dǎo)老師也要求我們?nèi)嵉貐⒂^，更加深入地了解磨床的外形以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。學(xué)校高效精密實驗室有一臺數(shù)控平面磨床，我去參觀并仔細(xì)觀察了它的外形及部件分布；雖然，無法看到它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，卻對我完成磨床總體布局設(shè)計提供了很好的現(xiàn)實材料。另外，更重要的是，我和同組同學(xué)一起去了湘潭三峰數(shù)控機(jī)床廠參觀，該廠就是以生產(chǎn)平面磨床為主。在那里我了解了更多的平面磨床的結(jié)構(gòu)布局，一臺平面磨床是如何從零件在一道道工序中變成了一個整體，更清楚地了解到了磨床部件的內(nèi)在結(jié)構(gòu)。通過對它們的借鑒，使我最終能夠完成這個設(shè)計課題。
1.5 設(shè)計的主要技術(shù)參數(shù)
1. 磨床的主要規(guī)格
工作臺臺面尺寸（寬×長）：250×500（630）mm
2. 加工范圍
可磨削加工的最大工件尺寸（寬×長×高）：250×500（630）×360mm
3..工作臺
工作臺縱向移動速度（無級）：0.03-25m/min
工作臺橫向自動進(jìn)給：連續(xù)（無級）0.1-1m/min
斷續(xù)（無級）0.5-12mm/工作臺一行程
4. 砂輪架
砂輪架垂直快速升降速度400mm/min；
垂直自動進(jìn)給0.001-0.02mm，最小進(jìn)給量0.0001mm；
砂輪尺寸（外徑×寬×內(nèi)徑）φ200×20×φ32
砂輪轉(zhuǎn)速3000r/min
5. 加工指標(biāo)
磨削表面粗糙度Ra0.03μm，加工后表面對基面的平行度300：0.002
第二章 總體布局設(shè)計
總體布局設(shè)計對于一臺機(jī)床的設(shè)計是一件很重要的事情，一個合適的總體布局不僅可以很好地節(jié)約有限的加工車間空間，能使機(jī)床具有很好的美學(xué)效果，還能在市場競爭中占據(jù)優(yōu)勢。更重要地，合適的總體布局對機(jī)床的性能有重要的影響，各主要部件的組合方式不同，機(jī)床的整體剛性就不一樣，機(jī)床的加工性能就不一樣。磨床的總體布局與加工運(yùn)動的形式有關(guān)。
2.1 運(yùn)動形式的設(shè)計
精密數(shù)控平面磨床的磨削加工成形運(yùn)動，除了主運(yùn)動——砂輪的轉(zhuǎn)動外，還包括三個方向的進(jìn)給運(yùn)動：垂直進(jìn)給運(yùn)動，橫向進(jìn)給運(yùn)動和縱向進(jìn)給運(yùn)動。而這個三個方向的進(jìn)給運(yùn)動可以由不同的部件來完成，有多種選擇：（1）工作臺完成橫向和縱向進(jìn)給運(yùn)動，由砂輪架沿立柱作垂直運(yùn)動完成垂直進(jìn)給；（2）砂輪架既完成垂直進(jìn)給又完成橫向進(jìn)給，工作臺來完成縱向進(jìn)給運(yùn)動；（3）工作臺不作任何運(yùn)動與床身固定，由砂輪架完成垂直進(jìn)給運(yùn)動，橫、縱向進(jìn)給由立柱作橫、縱向運(yùn)動完成；（4）縱向進(jìn)給由工作臺完成，垂直進(jìn)給由砂輪架完成，同時立柱可以作橫向運(yùn)動完成橫向進(jìn)給，這種進(jìn)給運(yùn)動實現(xiàn)方式又稱為中腰立柱移動式[4]。這幾種運(yùn)動實現(xiàn)方式各有優(yōu)缺點。第一種是最常見的平面磨床進(jìn)給運(yùn)動實現(xiàn)方式，技術(shù)比較成熟，實現(xiàn)起來比較容易，設(shè)計中不存在太大的技術(shù)風(fēng)險，并且有較多的可以供參考的信息，設(shè)計周期相對較短。相對應(yīng)的布局方式稱為臥軸矩臺式。這種布局方式也存在不足的地方，這種形式的磨床的整體剛性不是很優(yōu)良，因而限制了零件加工精度提升，對于精度要求特別高的平面磨床選擇這種布局方式是不合適的。第二中運(yùn)動形式在結(jié)構(gòu)上相對于第一種有了一定的改變，布局方式稱為托板內(nèi)存式，在實際也有較多的應(yīng)用，湘潭三峰機(jī)床廠生產(chǎn)的平面磨床就是這種類型。這種類型機(jī)床會由于砂輪和電機(jī)轉(zhuǎn)動引起的振動，對機(jī)床的加工精度有一定的影響，也適合高精度要求的機(jī)床設(shè)計。第三種和第四種運(yùn)動形式對應(yīng)的布局方式，都可以稱為立柱移動式布局。第三種立柱可以作橫、縱向運(yùn)動的方式，雖然提高了磨床的整體剛性和運(yùn)動的穩(wěn)定性，但是運(yùn)動件的質(zhì)量很大，結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜，不僅會浪費(fèi)能源，并且機(jī)床響應(yīng)速度會大降低，這樣一來提高機(jī)床精度的成本就會很高，不是很實用。而第四種運(yùn)動實現(xiàn)方式卻很好地綜合第二種和第三種形式的優(yōu)點，既有剛性和穩(wěn)定性良好的優(yōu)點，機(jī)床響應(yīng)速率也符合要求，因而第四種布局在現(xiàn)代高精度磨床中應(yīng)用較多。另外，第四種運(yùn)動方式使運(yùn)動能在較小運(yùn)動范圍完成，有效地減少了機(jī)床的占地面積，這一優(yōu)點在現(xiàn)代加工中是很重要的，不僅利于生產(chǎn)布局，而在對加工物流也有很大好處。
一般地，進(jìn)給傳動的方式通常有兩種：一是通過步進(jìn)電機(jī)-滾珠絲杠實現(xiàn)；二是通過液壓傳動實現(xiàn)。在本次設(shè)計中，三個方向的進(jìn)給傳動方式均采用滾珠絲杠副傳動。液壓傳動方式是當(dāng)前普通磨床應(yīng)用最廣泛的傳動方式，但是由于液壓系統(tǒng)存在爬行的現(xiàn)象，所以運(yùn)用在精密度要求高的平面磨床上是不合適的。用伺服電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠替代了液壓驅(qū)動后，不僅能消除爬行再低，并且可以使傳動機(jī)構(gòu)得到很大的簡化，使磨床結(jié)構(gòu)更加緊湊。滾珠絲杠的加工精度很高，雖然會存在回程誤差，但是在實際應(yīng)用中已經(jīng)有了很多種消除誤差的巧妙方法，因此采用滾珠杠副傳動可以很好地提高磨床的精度。在現(xiàn)在的高精度平面磨床設(shè)計中，一般都是采用滾珠絲杠副來作伺服驅(qū)動機(jī)構(gòu)的。另外，滾珠絲杠已經(jīng)形成規(guī)格化，設(shè)計時只需要根據(jù)計算所得參數(shù)選擇合適的絲杠即可，不需要自行再設(shè)計，可以簡化設(shè)計流程。不過，由機(jī)械原理的知識可知，滾珠絲杠是不能自鎖的，當(dāng)用于垂直傳動時，需要考慮添加自鎖裝置，來保證定位精度，這在后面的設(shè)計中會有論述。
2.2 機(jī)床的布局方案
在上面已經(jīng)講到，中腰立柱移動式是最合適的磨床布局形式，本來應(yīng)該是采用這種布局形式的。但是，指導(dǎo)老師考慮到分組的需要，在設(shè)計任務(wù)書中已經(jīng)將我們各組的設(shè)計布局指定了。我的設(shè)計布局是第一種臥軸矩臺式，具體布局見圖2.1總體布局圖。
圖2.1 總體布局圖
第三章 縱向及橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計
3.1 進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)滿足的要求
高精度，好的快速響應(yīng)性，調(diào)速范圍大，系統(tǒng)可靠性好
3.2 磨削力的計算
磨削力起源于工件與砂輪接觸后引起的彈性變形、塑性變形、切屑形成以及磨粒和結(jié)合劑與工件表面之間的摩擦作用。磨削力可分解為相互垂直的三個力，即沿砂輪切向的切向磨削力，沿砂輪徑向的法向磨削力以及沿砂輪軸向的軸向磨削力。一般磨削中，軸向磨削力較小，通常忽略不計，只考慮砂輪切向的切向摩擦力和砂輪徑向的法向磨削力。由于砂輪磨粒具有較大的負(fù)前角，法向磨削力通常大于切向磨削力，所以把/稱為磨削力比。磨削力比不僅與砂輪的銳利程度有關(guān)，且隨被磨材料的特性不同而不同，還與磨削方式等有關(guān)。而磨削力與砂輪的耐用度、磨削表面粗糙度、磨削比能等均有直接關(guān)系[1]。
3.2.1 磨削力力學(xué)模型的建立
圖3.1 磨削力的力學(xué)模型
對于本次所設(shè)計機(jī)床：
vw——工件速度，vw＝(0.03～25)m/min；
n——砂輪轉(zhuǎn)速，n =3000r/min；
vs——砂輪線速度，vs=31.4m/s；
ap——磨削深度取垂直方向最大進(jìn)給量，ap＝0.02mm；
3.2.2 磨削力經(jīng)驗公式的建立
1. 砂輪切向磨削力的公式建立如下[1]：
（3.1）
Fp—單位面積磨削力，是磨削工件時作用在單位切削面積上的主切削力（即切向切削力）(N)；
b—砂輪的磨削寬度(mm)，b＝20mm；
其它各變量意義如上所示。
2. 單位磨削力經(jīng)驗公式[1]：
Fp＝K[] δ (0<δ<0.5) （3.2）
K—傳遞系數(shù)，K值的大小不僅與材料本身特性有關(guān)，而且與磨削參數(shù)有關(guān)。K值的大小反映磨粒磨除材料的難易程度。K值越大，單位面積磨削力越大。
ap—磨削深度(mm)；
3.2.3 磨削力的計算
由于該機(jī)床可以加工普通鋼材和各種難加工材料，所以對普通鋼材和難加工材料的磨削力分別計算如下：
1. 普通鋼材：根據(jù)北京工業(yè)大學(xué)的角正回歸法建立磨削普通鋼材的經(jīng)驗公式[1]：
Ft=28282ap0.86vw0.44vs-0.16 （3.3）
＝28282×0.020.86×250.4431.4-0.16
=104.41(N)
因為在磨削普通鋼才時，磨削比Fn/Ft=1.6~1.8，取Fn/Ft=1.8，則法向磨削力Fn＝1.8 Ft＝1.8×104.41＝187.94(N)
2. 難加工材料（以Al2O3陶瓷為例）：單位磨削力經(jīng)驗公式建立如下[10]：
Fp=405.592ap1.207vw0.509vs-0.826 （3.4）
＝405.592×0.020.86250.4431.4-0.16
=1.09(N/mm)
Ft＝Fp×b=1.09×20=21.8(N)
因為在加工難加工材料時，磨削比較大，F(xiàn)n/Ft=3.5～22，取Fn/Ft=20，則Fn=20Ft＝20×21.8＝436(N)
3.3滾珠絲杠副的設(shè)計步驟圖
滾珠絲杠的設(shè)計計算步驟如圖3.2所示[11]。
3.4 縱向滾珠絲杠的計算及伺服電機(jī)的選擇
為了使?jié)L珠絲杠副滿足相應(yīng)的定位精度和進(jìn)給要求，需對其剛度、精度、載荷等進(jìn)行精確計算[12,13]。
3.4.1 滾珠絲杠副導(dǎo)程的確定
（3.5）
P類
使用條件，負(fù)載，速度，加速度，最大行程，位置精度，壽命
T類
確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程Ph
滾珠絲杠副當(dāng)量載荷和當(dāng)量轉(zhuǎn)速的計算
確定滾珠絲杠的預(yù)期額定動載荷
按精度要求確定滾珠絲杠的最小螺紋底徑
按強(qiáng)度要求確定滾珠絲杠的最小螺紋底徑
確定滾珠絲杠副螺母型號及規(guī)格代號
基本額定靜載荷驗算
確定預(yù)緊力Fp
計算預(yù)拉伸滾珠絲杠的行程補(bǔ)償值C和預(yù)拉伸力Ft
確定滾珠絲杠副支承所用軸承的規(guī)格和型號
滾珠絲杠副工作圖的設(shè)計
傳動系統(tǒng)剛度的計算
傳動系統(tǒng)剛度的校核及滾珠絲杠副精度的選擇
滾珠絲杠副臨界壓縮載荷Fc的校驗
滾珠絲杠副極限轉(zhuǎn)速nc校驗
滾珠絲杠副Dn值校驗
按精度選擇滾珠絲杠副的精度
基本軸向額定靜載荷Coa校核
滾珠絲杠副驅(qū)動電機(jī)的選擇
圖3.2 滾珠絲杠設(shè)計計算步驟
—滾珠絲杠導(dǎo)程mm；
—電機(jī)最大轉(zhuǎn)速r/min，擬?。?000r/min；
—工作臺最大進(jìn)給速度m/min，在本次設(shè)計中?。?0m/min；
—傳動比，因電機(jī)直接與絲杠相連，所以＝1；
所以滾珠絲杠的導(dǎo)程為：＝＝6.7mm
將滾珠絲杠的導(dǎo)程優(yōu)化取整為Ph＝10mm
3.4.2 滾珠絲杠副軸向力的計算
對工作臺、吸盤及工件質(zhì)量進(jìn)行估算：最大工件的質(zhì)量為150㎏，工作臺及吸盤的質(zhì)量為550㎏，總質(zhì)量為700㎏，重7000N；擬采用貼塑滑動導(dǎo)軌，動摩擦系數(shù)范圍在0.03～0.05之間，取最大值。
1. 計算最大軸向力，在磨削工件時滾珠絲杠所受軸向力最大
普通鋼材： =Ft＋μ(mg+Fn) （3.6）
=104.41+0.05×(700×10+187.94)
=463.8(N)
難加工材料： =Ft＋μ(mg+Fn)
＝21.8＋0.05×(700×10+436)
＝393.6(N)
2. 計算最小軸向力，機(jī)床在空運(yùn)轉(zhuǎn)時，滾珠絲杠所受的軸向力最小，只受到運(yùn)動時的動摩擦力：
＝μmg （3.7）
＝0.05×550×10
＝275(N)
根據(jù)上述計算，機(jī)床在各種運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的轉(zhuǎn)速及所受的載荷如表3.1所示。
3.4.3 滾珠絲杠副當(dāng)量載荷及當(dāng)量轉(zhuǎn)速的計算
1. 當(dāng)量轉(zhuǎn)速可由下式算出：
nm=(n1/t1+n2/ t2+n3/t3+... ni/ti)/( t1+t2+ t3 +… + ti) （3.8）
nm ——當(dāng)量轉(zhuǎn)速(r/min)；
ni——滾珠絲杠在各種條件下的工作轉(zhuǎn)速(r/min)；
ti——相應(yīng)轉(zhuǎn)速工作時間與總工作時間之比（％）；
根據(jù)表3.1，所以 nm=(n1/t1+n2/ t2+n3/t3+... ni/ti)/( t1+t2+ t3 +… + ti)
=2000×10%+1000×45%+500×35%+50×10%
=830(r/min)
表3.1 滾珠絲杠軸向載荷分析表
加工情況
空運(yùn)轉(zhuǎn)
一般加工
難加工材料加工
調(diào)整
工作臺與吸盤重量(N)
5500
5500
5500
5500
工作臺、吸盤及工件重量(N)
5500
7000
7000
5500
水平切削分力Ft(N)
0
104.41
21.8
0
法向切削分力Fn(N)
0
187.94
436
0
所占比例（％）
10％
45％
35％
10％
工作臺進(jìn)給速度（m/min）
20
10
5
0.5
滾珠絲杠副轉(zhuǎn)速（r/min）
nj=vi/ph
2000
1000
500
50
滾珠絲杠副所受軸向載荷(N)
275
463.8
393.6
275
2. 當(dāng)量載荷可由下式算出：
Fm= （3.9）
Fm——當(dāng)量載荷(N)；
——各種工作條件下所受軸向力(N)；
nm ——當(dāng)量轉(zhuǎn)速(r/min)；
ni——滾珠絲杠在各種條件下的工作轉(zhuǎn)速(r/min)；
ti——相應(yīng)轉(zhuǎn)速工作時間與總工作時間之比（％）；
所以，根據(jù)表3.1，
Fm=
=
=416.2(N)
3.4.4 確定滾珠絲杠副的預(yù)期額定動載荷
1. 滾珠絲杠副在預(yù)期工作時間下最大軸向動載荷的計算：
Car＝ （3.10）
nm—當(dāng)量轉(zhuǎn)速；
Fm—當(dāng)量載荷；
Th—根據(jù)所設(shè)計數(shù)控機(jī)床,初選滾珠絲杠壽命為Th=15000h；
fW—載荷系數(shù)，機(jī)床的工作條件為無沖擊平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，取fW＝1.2；
fh—硬度系數(shù)，滾珠絲杠的硬度HRC58，取fh＝1；
fa—精度系數(shù)，初選滾珠絲杠的精度為3級，則fa＝1.0；
ft—溫度系數(shù)，滾珠絲杠的工作溫度在125℃以下，取ft＝0.95；
fk—可靠性系數(shù)，滾珠絲杠的可靠性選擇為97％，則fk＝0.44；
將各項參數(shù)帶入式中，則
Car===10841.3(N)
2. 滾珠絲杠在預(yù)期行程下最大軸向動載荷的計算
Car= （3.11）
Ls—期望工作行程，通常取Ls=250Km；
—滾珠絲杠導(dǎo)程，=10mm；
其它參數(shù)與上述相同，＝1.0，＝0.44，＝1.2，則
Car===3319(N)
3. 有預(yù)加載荷的滾珠絲桿副按最大軸向載荷計算最大軸向動載荷
（3.12）
—滾珠絲杠所受最大軸向力，=463.8(N)；
fe—預(yù)加載荷系數(shù)，滾珠絲杠采用中等預(yù)加載荷，則fe=4.5；
所以，=4.5×463.8=2087.1(N)
滾珠絲杠的預(yù)期額定動載荷取這三者當(dāng)中的最大值，則Car=10841.3(N)
3.4.5 按精度要求確定滾珠絲杠副的最小螺紋底徑
由于縱向滾珠絲杠為P類定位滾珠絲杠，所以按位置精度來估算最小螺紋底徑。因為滾珠絲杠采用兩端固定的支承方式，所以滾珠絲杠的最小螺紋底徑可由下式確定：
（3.13）
F0—機(jī)床空運(yùn)轉(zhuǎn)時滾珠絲杠的軸向載荷，F(xiàn)0＝275(N)；
δm—滾珠絲杠所允許的最大變形量，由()×重復(fù)定位精度與()×定位精度中的較小值來確定。定位精度與重復(fù)定位精度分別為±0.012mm和±0.04mm，所以，
δm1＝×8=2μm，δm2＝×24=4.8μm，取δm＝2μm；
E—彈性模量，E=2.1×105 N/mm2；
Lz—兩固定支承間的距離，Lz(1.1~1.2)Lk+(10~14)Ph，Lk為最大行程，Lk＝750mm ，導(dǎo)程Ph=10mm，所以，Lz=1.2Lk+14Ph＝1.2×750+14×10=1040mm，
最小螺紋底徑為：==14.7mm
3.4.6 確定滾珠絲杠副的螺母代號及規(guī)格代號
選擇南京工藝裝備制造廠生產(chǎn)的FFZD3210—3型滾珠絲杠螺母，采用內(nèi)循環(huán)浮動反向器，法蘭直筒組合，雙螺母墊片預(yù)緊。
滾珠絲杠的螺紋底徑：d2=27.3 >14.7mm
滾珠絲杠的額定動載荷：=25700>10841.3(N)
3.4.7 滾珠絲杠副預(yù)緊力的計算
預(yù)緊就是在滾珠絲杠副內(nèi)預(yù)先施加軸向載荷Fp。預(yù)緊的目的是：消除滾珠絲杠副
的軸向間隙，提高滾珠絲杠副的軸向接觸剛度，并且在外加軸向載荷小于3倍預(yù)緊力的情況下，軸向剛性是常數(shù)。所以，預(yù)緊力為：
（3.14）
—滾珠絲杠所受的最大軸向力；
所以， (N)
3.4.8 對預(yù)拉伸滾珠絲杠行程補(bǔ)償值C和預(yù)拉伸力Ft的計算
滾珠絲杠的熱變形將導(dǎo)致長度、定位精度變化，熱變形：
δk＝α×t×Lu （3.15）
α—熱膨脹系數(shù)(11.8×10-6)；
t—溫升(一般取2～4℃)，取t＝2.5℃；
Ln—螺母長度, Ln＝146mm；
La—安全行程，La＝(1～2)Ph＝2×10＝20mm；
Lu—有效行程，Lu＝Lk+Ln+2La＝750+146+20＝936mm
所以，δk＝α×t×Lu＝11.8×10－6×2.5×936＝27.6mm
為了補(bǔ)償熱變形的影響，行程偏差C＝δk＝27.6mm
由于滾珠絲杠選擇的是兩端固定的安裝方式，需要采用絲杠預(yù)拉伸的方法來進(jìn)一步補(bǔ)償熱變形，預(yù)拉伸力，
Ft＝＝＝ （3.16）
各變量意義如上所示，則：Ft＝＝1.95×2.5×27.32＝3633.3(N)
3.4.9 滾珠絲杠副軸承規(guī)格型號的選擇
在精密磨床上通常選用角接觸軸承，并把2個以上的軸承組合起來施加預(yù)緊力來使用。本次設(shè)計選用NSK生產(chǎn)的絲杠支承專用角接觸軸承，為了易于吸收滾珠螺母與軸承之間的不同軸度，采用正面組合的DF型組合形式[14]。
軸承特點：采用特殊設(shè)計的尼龍成形保持架，增加了鋼球數(shù)，且接觸角為，軸
承軸向剛性大，與圓錐滾子軸承、圓柱滾子軸承相比，啟動力矩較小。
軸承型號的選擇：滾珠絲杠左端的軸承內(nèi)徑需小于絲杠的外徑＝32.5mm,所以左端軸承內(nèi)徑選擇＝25mm；在選用內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠時，右端軸承內(nèi)徑需小于絲杠的螺紋底徑＝27.3,所以右端軸承的內(nèi)徑選擇＝20mm，所以滾珠絲杠左端選用軸承25TAC62A，右端選用軸承20TAC47A。
軸承最大軸向載荷的計算： ＝Ft+ （3.17）
Ft—滾珠絲杠預(yù)拉伸力，F(xiàn)t＝3633.3(N)；
—滾珠絲杠最大軸向載荷，＝(N)；
所以，＝Ft+＝3633.3+463.8＝4097.1(N)
又因為軸承的預(yù)緊力需大于最大軸向載荷的三分之一，即：
>＝ （3.18）
因為 ＝＝×4097.1＝1365.7(N)，滾珠絲杠副兩端軸承的預(yù)緊力分別為3040N和2160N，均大于＝1365.7(N)，所以所選擇的軸承滿足要求。
3.4.10 滾珠絲杠副工作圖的設(shè)計
1. 滾珠絲杠螺紋長度： （3.19）
Lu—有效行程，根據(jù)前面計算，Lu＝936mm
Le—余程，根據(jù)滾珠絲杠的導(dǎo)程查表得，Le＝40mm；
所以，＝936+2×40＝1016mm
2. 兩支承間距離： ＝ （3.20）
—左支承至左螺紋之間的距離，＝50mm；
—右支承至右螺紋之間的距離，＝37mm；
所以，＝＝1016+50+37＝1103mm
圖3.3 縱向滾珠絲杠副工作圖
3.4.11 滾珠絲杠副驅(qū)動電機(jī)的選擇
1. 功率的計算：
（1）磨削功率：
=×V （3.21）
—最大磨削力，取=463.8N；
V—最大進(jìn)給速度，取V＝10m/min；
則 =463.8×10/60=0.08(kw)
（2）空載功率：
（3.22）
—空載狀態(tài)下滾珠絲杠所受的軸向力，＝275N；
—空載時進(jìn)給速度，＝20m/min;
則 ＝275×20/60＝0.09(kw)
（3）載荷附加功率：
（3.23）
—磨削功率；
—各級傳動效率之積，考慮聯(lián)軸器、軸承與滾珠絲杠的傳動效率，由于滾珠絲杠選擇三級精度，效率為0.9；滾動軸承的效率為0.98；聯(lián)軸器的效率取0.92，所以，＝0.9×0.98×0.92＝0.81；
則 ＝＝0.02(kw)
電機(jī)總功率：＝0.08+0.09+0.02＝0.19(kw)
2. 電機(jī)轉(zhuǎn)矩的計算
（1）最大動態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩：
（3.24）
—理論動態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩，即有預(yù)加載荷但沒有外載荷時，滾珠絲杠與螺母相對連續(xù)傳動所需要的力矩，；
—動態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩公差；
所以，
（2）驅(qū)動最大負(fù)載所需的扭矩：
（3.25）
F—滾珠絲杠所受的最大軸向力；
—滾珠絲杠導(dǎo)程；
—無預(yù)加載荷滾珠絲杠的效率，?。?.9；
所以，
（3）支承軸承所需的啟動扭矩：
（3.26）
、—滾珠絲杠兩端軸承的啟動扭矩，＝0.15，＝0.2；
所以，
所以，驅(qū)動滾珠絲杠所需的扭矩：
（3.27）
—傳動比，由于電機(jī)直接與滾珠絲杠相連，1；
所以，；
，即
3. 負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量的計算：
（1）負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量：
（3.28）
m—工作臺、電磁吸盤及負(fù)載質(zhì)量；
—滾珠絲杠導(dǎo)程；
所以，＝＝0.002()
（2）滾珠絲杠產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動慣量：
（3.29）
—滾珠絲杠密度，＝；
—滾珠絲杠長度，L=1.223(m)；
—滾珠絲杠公稱直徑，＝(m)；
所以，＝＝0.001
（3）聯(lián)軸器及鎖緊螺母等產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動慣量：查表可得
（4）驅(qū)動滾珠絲杠所需要的總轉(zhuǎn)動慣量[15]：
電機(jī)的額定扭矩簡單估算符合公式：
（3.30）
即，
4. 電機(jī)的選擇：
選擇FANUC 4 /4000i電機(jī)[16]，電機(jī)各參數(shù)如下：
輸出功率：>0.19kw，符合要求；
扭矩：>3.11，符號要求；
轉(zhuǎn)動慣量：，滿足0.0013<<0.0052，符合要求。
圖3.4 縱向進(jìn)給伺服電機(jī)
5. 伺服系統(tǒng)增益
本次設(shè)計采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動的半閉環(huán)系統(tǒng) 。交流伺服電機(jī)具備調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高、動態(tài)響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)緊湊、以及能在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)產(chǎn)生理想的轉(zhuǎn)矩等良好的技術(shù)性能。與直流伺服電機(jī)相比有輸出功率高、重量輕、動態(tài)響應(yīng)好、運(yùn)行平穩(wěn)可靠性高等優(yōu)點。并且電機(jī)軸上裝有高精度的脈沖編碼器作為檢測元件對伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件進(jìn)行精密位置控制。由于系統(tǒng)只能補(bǔ)償反饋回路中的系統(tǒng)誤差，其定位精度比閉環(huán)系統(tǒng)低，但結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便[15]。
通常系統(tǒng)增益k＝8～25，本次設(shè)計中取k＝20。伺服系統(tǒng)的時間常數(shù)t==s。
工作臺達(dá)到的最大加速度可由下式算出：
（3.31）
—電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，＝4；
—電機(jī)加速時需克服的總慣量，＝=0.0013+0.0014=0.0027；
—滾珠絲杠導(dǎo)程，＝10mm＝0.01m；
所以，＝23.6
伺服系統(tǒng)要求達(dá)到的最大加速度發(fā)生在系統(tǒng)處于時間常數(shù)t內(nèi)，工作臺的速度由最小增加到最大時：
（3.32）
—工作臺最大進(jìn)給速度，＝20m/s；
—系統(tǒng)增益，＝20；
所以，＝13.3，a>，因而按照加速能力選擇k＝20是合適的[17]。
3.4.12傳動系統(tǒng)剛度的計算
（3.33）
—拉壓剛度；
—軸向剛度；
—接觸剛度。
1. 拉伸剛度
（1）最小拉伸剛度：
（3.34）
—滾珠絲杠最小螺紋底徑，＝27.3mm；
—滾珠絲杠兩支承間的距離，＝1116mm；
所以，＝＝440.8
（2）最大拉伸剛度：
（3.35）
—滾珠絲杠最小螺紋底徑；
—滾珠絲杠兩支承間的距離；
—＝85+20+40+750+＝968；
所以，＝＝958
2. 軸向剛度
（3.36）
、—支承軸承的剛度，根據(jù)所選擇的軸承查表得＝1080，
＝760
所以，＝1080+760＝1840
3. 接觸剛度
（3.37）
—滾珠絲杠預(yù)緊力，＝154.6N；
—滾珠絲杠額定動載荷，＝25700N；
—滾珠絲杠剛度，＝772；
所以，＝＝302.5
3.4.13 傳動系統(tǒng)剛度的校核及滾珠絲杠副精度的選擇
1. 系統(tǒng)剛度的計算
根據(jù)公式（3.31）
2. 系統(tǒng)軸向剛度引起的誤差
（1）滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)軸向剛性引起的最大行程范圍內(nèi)的定位誤差：
（3.38）
—空運(yùn)轉(zhuǎn)時滾珠絲杠所承受的軸向載荷，＝275(N)；
、—最小系統(tǒng)剛度和最大系統(tǒng)剛度；
所以，＝0.3
（2） 滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)軸向剛性引起的正反向間隙：
（3.39）
—空運(yùn)轉(zhuǎn)時滾珠絲杠所承受的軸向載荷，＝275(N)；
—最小系統(tǒng)剛度；
所以，＝3.8
3. 滾珠絲杠精度的選擇
（3.40）
—滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)軸向剛性引起的最大行程范圍內(nèi)的定位誤差，＝0.3；
定位精度—機(jī)床全程定位精度為；
—滾珠絲杠任意300行程內(nèi)的行程變動量，；
則，
所以，可以選擇3級精度
4. 滾珠絲杠副型號及具體尺寸的確定
滾珠絲杠類型：FFZD；基本導(dǎo)程：10mm；滾珠直徑：7.144mm；列數(shù)：3；
最小螺紋底徑：27.3mm；滾珠絲杠外徑：32.5mm；公稱直徑：32mm；
額定動載荷：25.7KN；額定靜載荷：50.2KN；剛度：772；
所選擇的滾珠絲杠為：FFZD3210-3-P3/1016×1194
3.4.14 滾珠絲杠副臨界壓縮載荷的校驗
（3.41）
——滾珠絲杠副的最大受壓長度，=968mm；
——安全系數(shù)，水平安裝 =；
——支承系數(shù)，=4；
所以，=4 =(N)=463.8(N)
3.4.15 滾珠絲杠副極限轉(zhuǎn)速校驗
滾珠絲杠副轉(zhuǎn)速過高，會產(chǎn)生共振，影響正常運(yùn)轉(zhuǎn)，損壞機(jī)器，為確保不發(fā)生共振，應(yīng)計算所允許的最高轉(zhuǎn)速：
= （3.42）
——與支承有關(guān)的系數(shù)，取21.9；
——與支承有關(guān)的系數(shù)，取4.730；
——臨界轉(zhuǎn)速計算長度，＝968；
——螺紋底徑，＝27.9；
所以，＝＝6380.5(r/min)
因?qū)嶋H最大轉(zhuǎn)速為2000，小于滾珠絲杠的極限轉(zhuǎn)速，因此符合要求。
3.4.16 滾珠絲杠副值校驗
（3.43）
—滾珠絲杠副的節(jié)圓直徑，＝34.444；
—滾珠絲杠的最高轉(zhuǎn)速，本次設(shè)計式中所選用的值為：2000；
則： 34.444200068888
因此所選用的絲杠符合要求。
3.4.17 基本軸向額定靜載荷校核
（3.44）
—滾珠絲杠副的基本軸向額定載荷（N）；
—靜態(tài)安全系數(shù)，普通載荷，?。?；
—最大軸向載荷（N）；
本次設(shè)計式中所選用的值為：
=2×463.8=927.6（N）＝50200（N）
3.4.18 聯(lián)軸器的選擇
1. 聯(lián)軸器的選擇
由于縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)在加工中正反轉(zhuǎn)變化較多，啟動頻繁，所以選用撓性聯(lián)軸器中的彈性套柱銷聯(lián)軸器。彈性套柱銷聯(lián)軸器還具有補(bǔ)償兩軸相對位移和一般減振、緩沖、電絕緣性能等，且外形尺寸小，重量較輕，承載能力大，所要求的安裝精度也較高。
所選擇的聯(lián)軸器型號為LT2 GB/T4323-1984，如圖3.5所示[18]。
主動端：J型軸孔，C型鍵槽，，；
從動端：Y型軸孔，B型鍵槽，，。
圖3.5 縱向聯(lián)軸器
2. 聯(lián)軸器的校核
（1）校核最大轉(zhuǎn)速
n≤ （3.45）
n—被聯(lián)接軸即滾珠絲杠的最高轉(zhuǎn)速，n=2000r/min；
—聯(lián)軸器允許的最高轉(zhuǎn)速，＝5500r/min；
n<，所以所選的聯(lián)軸器符合轉(zhuǎn)速要求
（2）校核聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩
（3.46）
—計算轉(zhuǎn)矩，由于電動機(jī)啟動時動載荷和運(yùn)轉(zhuǎn)中可能出現(xiàn)的過載現(xiàn)象，一般按軸上的最大轉(zhuǎn)矩作為計算轉(zhuǎn)矩；
—聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩，=16；
（3.47）
—工作情況系數(shù)，因轉(zhuǎn)矩變化相對較小，所以=1.5；
—公稱轉(zhuǎn)矩，且，P為電機(jī)功率為0.19KW，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速2000 r/min，所以==0.9；