機(jī)械制造及其自動化畢業(yè)設(shè)計1

1、摘要由于在數(shù)控加工過程中，工件必須由某個機(jī)構(gòu)來切削，而這個機(jī)構(gòu)通常就是我所說的數(shù)控機(jī)床主切削頭。本課題主要是結(jié)合龍門銑床的實(shí)際需要，設(shè)計、繪制出主切削頭的升降上下進(jìn)給運(yùn)動機(jī)構(gòu)和傳動機(jī)構(gòu)。主切削頭只可以作上下進(jìn)給運(yùn)動。進(jìn)給運(yùn)動機(jī)構(gòu)若果安裝在銑床上，可用于加工中小型零件的平面、溝槽、螺旋面或成形表面等。本次是將龍門銑床改造成為比較簡單的銑床，以方便在其他各方面使用。經(jīng)過改造的銑床結(jié)構(gòu)看起來更加實(shí)用。主切削頭適合使用在大、中型數(shù)控銑床上面能夠切削工件及其自身的重量為650N，工作臺Z向最大行程為250mm，快速進(jìn)給速度可以達(dá)到6m/min，能有20000小時壽命（兩班制工作十年）。關(guān)鍵詞： 滾動絲杠

2、副 機(jī)床導(dǎo)軌 傳動機(jī)構(gòu) 電機(jī)選擇引言中國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)經(jīng)過40年的發(fā)展，從無到有，從引進(jìn)消化到擁有自己獨(dú)立的自主版權(quán)，取得了相當(dāng)大的進(jìn)步。但回顧這幾十年來發(fā)展，可以看到我們在數(shù)控領(lǐng)域的進(jìn)步主要還是按國外一些模式，按部就班地發(fā)展，真正創(chuàng)新的成分不多。這種局面在發(fā)展初期的起步階段，是無可非議的。例如，在國外模擬伺服快進(jìn)時，我們開始搞模擬伺服，還沒等我們占穩(wěn)市場，技術(shù)上就已經(jīng)落后了；在國外將脈沖驅(qū)動的數(shù)字式伺服打入我國市場時，我們就跟著搞這類所謂遙數(shù)字伺服，但至今沒形成大的市場規(guī)模；近來國外將數(shù)字式伺服發(fā)展到用網(wǎng)絡(luò)（通過光纜等）與數(shù)控裝置連接時，我們又跟著發(fā)展此類系統(tǒng)，前途仍不樂觀。這種老是跟在別人

3、后面走，按國外已有控制和驅(qū)動模式來開發(fā)國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)，在技術(shù)上難免要滯后，再加上國外公司在我國境內(nèi)設(shè)立研究所和生產(chǎn)廠，實(shí)行就地開發(fā)、就地生產(chǎn)和就地銷售，使我們的產(chǎn)品在性能價格比上已越來越無多大優(yōu)勢，因此要進(jìn)一步擴(kuò)大市場占有率難度自然很大了。 為改變這種現(xiàn)狀，我們必須深刻理解和認(rèn)真落實(shí)“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”的偉大論斷，大力加強(qiáng)數(shù)控領(lǐng)域的科技創(chuàng)新，努力研究具有中國特色的實(shí)用的先進(jìn)數(shù)控技術(shù)，逐步建立自己獨(dú)立的、先進(jìn)的技術(shù)體系。在此基礎(chǔ)上大力發(fā)展符合中國國情的數(shù)控產(chǎn)品，從而形成從數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控功能部件到種類齊全的數(shù)控機(jī)床整機(jī)的完整的產(chǎn)業(yè)體系。這樣，才不會被國外牽著鼻子，永遠(yuǎn)受別人的制約，才有可能用先進(jìn)

4、、實(shí)用的數(shù)控產(chǎn)品去收復(fù)國內(nèi)市場，使中國的數(shù)控技術(shù)和數(shù)控產(chǎn)業(yè)在21世紀(jì)走在世界的前列。數(shù)控技術(shù)和數(shù)控裝備是制造工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)。這個基礎(chǔ)是否牢固直接影響到一個國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綜合國力。在我國，數(shù)控技術(shù)與裝備的發(fā)展亦得到了高度重視，近年來取得了相當(dāng)大的進(jìn)步。特別是在通用微機(jī)數(shù)控領(lǐng)域，以PC平臺為基礎(chǔ)的國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)，已經(jīng)走在了世界前列。但是，我國在數(shù)控技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面亦存在不少問題，特別是在技術(shù)創(chuàng)新能力、商品化進(jìn)程、市場占有率等方面情況尤為突出。在新世紀(jì)到來時，如何有效解決這些問題，使我國數(shù)控領(lǐng)域沿著可持續(xù)發(fā)展的道路，從整體上全面邁入世界先進(jìn)行列，使我們在國際競爭中有舉足輕重的地位，將是數(shù)

5、控研究開發(fā)部門和生產(chǎn)廠家所面臨的重要任務(wù)。然而數(shù)控主切削頭機(jī)構(gòu)作為數(shù)控裝備的一部分，其設(shè)計的合理性直接影響到數(shù)控裝備的在實(shí)際中的使用及其價值，本次的設(shè)計任務(wù)就是針對數(shù)控主切削頭機(jī)構(gòu)的設(shè)計，設(shè)計的內(nèi)容為數(shù)控主切削頭的上下運(yùn)動部分。第一章 主切削頭機(jī)構(gòu)方案設(shè)計數(shù)控主切削頭。一般我們看到的主切削頭都是作上下運(yùn)動而已。這次我們對龍門銑床功能擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)技術(shù)改造的，主要是對它的主切削頭機(jī)構(gòu)進(jìn)行方案設(shè)計。龍門銑床原圖如圖1-1所示：圖1-1在第一周時，我們明確的制定設(shè)計任務(wù)書，只對龍門銑床主切削頭上下進(jìn)給運(yùn)動進(jìn)行改造，要使主切削頭能穩(wěn)定上下進(jìn)給運(yùn)動，這才能達(dá)到加工工件時進(jìn)給切削、精度、鉆孔等要求，需要進(jìn)行怎樣

6、的改造呢？以下就一一來介紹：在主切削頭中，靠什么來使它能上下運(yùn)動，而且進(jìn)給量又精準(zhǔn)，同時還要承受其他方面對它的壓力呢？經(jīng)過查找資料發(fā)現(xiàn)，滾動絲杠副適合用于這一工作，它能提供主切削頭較精準(zhǔn)的進(jìn)給量，還可以承受一定的外來壓力。可見它在改造中是起核心作用的部分，我會重點(diǎn)在下面的章節(jié)中介紹。滾動絲杠副在工作中要旋轉(zhuǎn)，可要把它穩(wěn)定安裝在機(jī)床上，這之間要用什么零件連接起來呢？軸承，可以用軸承支承絲杠副，再固定到機(jī)床的某一個部位。因此，就根據(jù)需要選擇合適的軸承來支承滾動絲杠副。主切削頭上下移動也有一定的方向，還要有一定的穩(wěn)定性。而機(jī)床導(dǎo)軌就適合于這樣的工作，機(jī)床導(dǎo)軌是主切削頭的導(dǎo)向和承載部件，選擇適合的導(dǎo)軌

7、有利于提高工作效率。主切削頭本身有一定的重量，為了避免伺服電機(jī)因主切削頭的重量而選擇較大的功率，采用平衡機(jī)構(gòu)把主切削頭的重量給平衡掉，防止因主切削頭自重而造成一些問題。上下進(jìn)給運(yùn)動，由直流伺服電動機(jī)驅(qū)動。如果直接用聯(lián)軸器與絲杠聯(lián)接的話，電機(jī)需要的力矩就很大。由于需要力矩很大，同時電機(jī)也會相應(yīng)的變大。當(dāng)然我們不想出現(xiàn)這樣的情況，如何解決呢？我們可以用有傳動比機(jī)構(gòu)來解決這一問題，帶傳動比較穩(wěn)定，也符合所需條件。根據(jù)要求選擇電機(jī)，并且制定出相適應(yīng)帶傳動機(jī)構(gòu)。由伺服電機(jī)驅(qū)動，經(jīng)帶輪，經(jīng)過帶,帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動。實(shí)現(xiàn)上下進(jìn)給的伺服電動機(jī)帶有制動器，防止絲杠因慣性而帶動主軸箱上下運(yùn)動。絲杠副是垂直安裝在燕尾

8、形導(dǎo)軌中間的，伺服電機(jī)也需要垂直安裝才能通過帶傳動把動力傳遞給絲杠，根據(jù)機(jī)床上的機(jī)構(gòu)，電機(jī)的安裝方便，同時也符合電機(jī)一般的設(shè)計要求。用軸承把絲杠固定，有利防止因自重而下滑。主切削頭機(jī)構(gòu)改造大概結(jié)構(gòu)圖：第二章 滾珠絲杠副軸承支承設(shè)計2.1 滾珠絲杠副絲杠的支承方式表2-1滾珠絲杠副的支承方式支承方式簡圖特點(diǎn)一端固定一端自由1.絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性都很低2.結(jié)構(gòu)簡單3.軸向剛度較小4.適用于較短的滾珠絲杠安裝和垂直的滾珠絲杠安裝一端固定一端鉸支1.絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性都較高，適用于中等回轉(zhuǎn)速度2.結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜3.軸向剛度大4.適用于對剛度和位移精度要求較高的滾珠絲杠安裝5.推力球軸承

9、應(yīng)安裝在離熱源（步進(jìn)電機(jī)）較遠(yuǎn)的一端二端支承1.絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性最高，適用于高速回轉(zhuǎn)2.結(jié)構(gòu)復(fù)雜，兩端軸承均調(diào)整預(yù)緊，絲杠的溫度變形可轉(zhuǎn)化為推力軸承的預(yù)緊力3.軸向剛度最大4.適用于對剛度和位移精度要求高的滾珠絲杠安裝5.使用與較長的絲杠安裝根據(jù)機(jī)床主切削頭的現(xiàn)實(shí)情況，滾珠絲杠副絲杠的支承方式選用二端支承。2.2滾動軸承的類型特點(diǎn)滾動軸承是一種在機(jī)器中廣泛應(yīng)用的零件，具有起動轉(zhuǎn)矩小、起動快、摩擦阻力小、效率高等優(yōu)點(diǎn)。表2-2 各類軸承的特點(diǎn)序號滾動軸承類型軸向剛度軸承安裝預(yù)載調(diào)整摩擦力矩a60°接觸角推力角接觸球軸承大簡單不需要小B雙向推力角接觸球軸承中簡單不需要小c圓錐

10、滾子軸承小簡單如內(nèi)圈之間有隔圈則不需要調(diào)整大d滾針和推力滾子組合軸承特大簡單不需要最大e深溝球軸承和推力球軸承組合使用大復(fù)雜麻煩小各類滾動軸承特點(diǎn)見表2-2，其中用得最多的是及d,d用于重型設(shè)備上。深溝球軸承軸承主要用于承受徑向載荷，也可承受一定的軸向載荷。高轉(zhuǎn)速時可代替推理軸承承受純軸向載荷。內(nèi)、外圈軸線允許偏轉(zhuǎn)角為210°。與外形尺寸相同的其它類型軸承比較，其摩擦系數(shù)小，允許極限轉(zhuǎn)速高，價格低廉，故應(yīng)用廣泛。角接觸球軸承軸承能同時承受徑向載荷與單向軸向載荷，但不宜用來承受純徑向載荷。軸承接觸角（作用于滾動體上的載荷方向線與軸承徑向平面間的夾角稱為接觸角）有15°、25&

11、#176;和40°三種。接觸角越大，承受軸向載荷的能力越強(qiáng)。統(tǒng)稱軸承應(yīng)成對使用，反向安裝在同一支點(diǎn)或兩個支點(diǎn)上，但軸向載荷較大時，也可采用同向排列在同一支點(diǎn)上。允許內(nèi)、外圈軸線偏轉(zhuǎn)角為210°。適用于要求旋轉(zhuǎn)精度與轉(zhuǎn)速較高的場合。推力圓柱滾子軸承軸承只能承受打向軸向載荷，其承載能力比推力球軸承大，但軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時，隨著滾子便面圓周速度增加，滾子有偏離中心的趨勢，并和滾道產(chǎn)生滑動摩擦，故允許的轉(zhuǎn)速比球軸承低，軸承對軸線的歪斜很敏感。適用于低速重載且軸為垂直布置的場合。2.3 絲杠副支承軸承類型的選擇根據(jù)以上軸承的特點(diǎn)配合實(shí)際的承載能力、載荷方向和載荷的性質(zhì)選擇軸承類型：支撐分別是

12、由深溝球軸承承受徑向載荷；由角接觸球軸承承受軸向載荷。本章小結(jié)軸承在主切削頭機(jī)構(gòu)中的作用是支承著滾動絲杠副，雖然不是特別重要的部分，但如果沒有它在那里支承著滾動絲杠副的話，那么主切削頭也不會運(yùn)作起來。在各種各樣的軸承樣式中，我根據(jù)絲杠所受的徑向和軸向的力不同，以最簡單的標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，選擇與其相適應(yīng)的軸承，以滿足機(jī)構(gòu)的需要。這樣才能延長機(jī)器的壽命，避免不必要的浪費(fèi)。第三章 主切削頭導(dǎo)軌的選用導(dǎo)軌是運(yùn)動部件導(dǎo)向和承載的部件。按運(yùn)動部件的運(yùn)動型式，導(dǎo)軌有燕尾槽導(dǎo)軌和回轉(zhuǎn)運(yùn)動導(dǎo)軌。3.1 導(dǎo)軌類型和特點(diǎn)如表3-1所示。表3-1常用導(dǎo)軌類型、特點(diǎn)及應(yīng)用導(dǎo)軌類型主要特點(diǎn)應(yīng) 用普通滑動導(dǎo)軌(滑動導(dǎo)軌)1）結(jié)構(gòu)簡

13、單,使用維修方便2）沒有行程完全液體摩擦,動、靜摩擦系數(shù)差較大、低速易爬行3）磨損大、壽命低普通機(jī)床、壓力機(jī)、軋鋼機(jī)等各種機(jī)械塑料導(dǎo)軌 貼塑導(dǎo)軌1）動導(dǎo)軌表面貼塑料軟帶（板）或噴涂層與鑄鐵或鋼導(dǎo)軌搭配、摩擦系數(shù)小、自潤滑性能 好、低速不易爬行、抗磨損性能好2）貼（鑲、噴涂）塑工藝簡單3）剛度低、耐熱性能差，容易蠕變主要應(yīng)用于中、大型機(jī)床、壓強(qiáng)不大導(dǎo)軌、壓力機(jī)滑塊導(dǎo)軌等鑲金屬導(dǎo)軌 1）在支承導(dǎo)軌上鑲裝鋼板或鋼帶、提高導(dǎo)軌耐磨性（比灰鑄鐵高57倍）2）鑲鋼導(dǎo)軌工藝復(fù)雜、成本高3）動導(dǎo)軌上鑲有色金屬板（帶），提高導(dǎo)軌耐磨性，運(yùn)動平穩(wěn)常用于重型機(jī)床，如立車、龍門銑床及壓力機(jī)導(dǎo)軌滾道導(dǎo)軌1）運(yùn)動靈敏度好

14、、低速平行性好、定位精度高2）精度保持性好、磨損少、壽命長、移動輕便3）剛性和抗振性差，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、成本；較高、要求良好防護(hù)4）滾動低成本循環(huán)的滾道導(dǎo)軌品種較多、已專業(yè)化系列生產(chǎn)，購買安裝便捷廣泛應(yīng)用于給類精密機(jī)械、數(shù)控機(jī)床、精度機(jī)床、紡織機(jī)械、高速壓力機(jī)等對導(dǎo)軌的設(shè)置要求有如下幾點(diǎn)：1） 準(zhǔn)確的導(dǎo)向精度。要考慮導(dǎo)軌的幾何精度、結(jié)構(gòu)剛性、溫度變化影響等。2） 精度保持性好。要求導(dǎo)軌耐磨性好，在受載和環(huán)境溫度下有較長使用壽命，潤滑和防護(hù)好。3） 結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，便于調(diào)整和維修。在上下動力主切削頭當(dāng)中，我們上下方向的運(yùn)動，絕大多數(shù)的受力都是由上下傳動部分承擔(dān)，而導(dǎo)軌只起到導(dǎo)向和承擔(dān)在切削當(dāng)中的

15、一點(diǎn)切削力。所以，我們選擇燕尾槽導(dǎo)軌就已經(jīng)適用了。下面介紹燕尾槽導(dǎo)軌的特點(diǎn)。3.2 燕尾槽導(dǎo)軌截面、特點(diǎn)及應(yīng)用燕尾槽導(dǎo)軌的截面形狀必須能確保運(yùn)動部件沿直線運(yùn)動，不允許有轉(zhuǎn)動或橫向移動。能達(dá)到上述要求的導(dǎo)軌截面形狀如下表。表3-2 燕尾槽導(dǎo)軌截面、特點(diǎn)及應(yīng)用類型截面形狀特點(diǎn)及應(yīng)用凸形凹形V形導(dǎo)軌對稱形導(dǎo)向精度高，磨損后能自動補(bǔ)償。凸形有利于排屑，不易保存潤滑油、用于低速。凹形特點(diǎn)與凸形相反，高、低速均可采用。 對稱形截面制造方便應(yīng)用較廣，兩側(cè)壓力不均時采用非對稱形。頂角一般為A=90°，重型機(jī)床采用=110°120°，精密機(jī)床采用A90°，提高導(dǎo)向精度。非

16、對稱形矩形導(dǎo)軌制造簡單、承載能力大、不能自動補(bǔ)償磨損，必須用鑲條調(diào)整間隙，導(dǎo)向精度低，需良好的保護(hù)。主要用與載荷大的機(jī)床或組合導(dǎo)軌。燕尾形導(dǎo)軌制造較復(fù)雜，磨損不能自動補(bǔ)償，用一根鑲條可調(diào)整間隙，尺寸緊湊，調(diào)整方便。只要用于要求高度小的部件中，如車床刀架圓柱形導(dǎo)軌制造簡單、內(nèi)孔可珩磨、外圓采用磨削可達(dá)配合精度，磨損不能自動調(diào)整間隙。主要用于受軸向載荷場合，如鉆、鏜床主軸套筒、車床尾座。考慮到主切削頭是上下在垂直方向運(yùn)動的，并且有平衡錘與主切削頭的重量相抵消，整個運(yùn)動過程中不可能都有壓力壓向機(jī)床導(dǎo)軌方向。因為主軸箱要沿直線上下移動，所以我們需要一種能保持主切削頭始終垂直在一條直線上移動，使它只能沿

17、著垂直方向運(yùn)動的導(dǎo)軌。所以，V型導(dǎo)軌不適用，矩形也不適合。適合的唯有燕尾形導(dǎo)軌。3.3 燕尾形導(dǎo)軌的常見組合形式因為我們主切削頭的尺寸相對比較大，中間還要放一條滾珠絲杠，因此需要采用兩條導(dǎo)軌。兩條燕尾槽導(dǎo)軌的組合截面形狀如表3-3。表3-3燕尾形導(dǎo)軌常見的組合形式組合型式圖 示特 點(diǎn) 及 應(yīng) 用燕尾形是閉合導(dǎo)軌接觸面最少的一種結(jié)構(gòu)，用一根鑲條即可調(diào)節(jié)各接觸面的間隙。常用于牛頭刨床、插床的滑枕導(dǎo)軌，升降臺銑床工作臺和車床刀架導(dǎo)軌，以及儀表機(jī)床導(dǎo)軌等機(jī)構(gòu)中所需的燕尾槽示意圖如下圖所示：本章小結(jié)機(jī)床導(dǎo)向?qū)к壴谶@里起到一個輔助的作用，這樣說并不是表示它不重要。雖然處在次要位置，但是功能上卻占有重要地位

18、?？梢哉f主軸箱的“垂直”就是建立在導(dǎo)軌的基礎(chǔ)之上了。導(dǎo)軌的類型主要有滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌、鑲金屬導(dǎo)軌、塑料導(dǎo)軌等，對應(yīng)著機(jī)床上面不同的需要而設(shè)計。而在截面方面有V形、矩形、圓柱、燕尾形等。但是選用的思路很明確，那就是合適、夠用就是最好的選擇。最終考慮到主切削頭的實(shí)際工作情況，我們選擇了燕尾形直線滑動導(dǎo)軌，它能有效的控制主切削頭垂直行走路線，并符合我們導(dǎo)向的要求。第四章 滾珠絲杠副的設(shè)計計算和造型4.1 確定使用條件(負(fù)載, 速度, 加速度, 最大行程, 位置精度, 壽命等參數(shù))已知:主切削頭重量=650N,主切削頭升降最大行程=250mm,導(dǎo)軌的摩擦系數(shù):動摩系數(shù)=0.1,靜摩擦系數(shù)=0.2,快

19、速進(jìn)給速度=6m/min,定位精度20/300mm,全行程25,重復(fù)定位精度10,要求壽命20000小時(兩班制工作十年)。表4-1 絲杠工作狀況切削方式縱向切削力（N）垂向切削力（N）進(jìn)給速度（mm/min）工作時間百分比 絲杠軸向載荷 （N）絲杠轉(zhuǎn)速r/min強(qiáng)力切削2000120050010292060一般切削100050080030185080精切削5002001000501320100快速進(jìn)給003000108006004.2 確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程由傳動關(guān)系圖，主切削頭最高移動速度，絲杠副最大移動速度，確定 （式4-1）-滾珠絲杠副的導(dǎo)程（）-絲杠副最大移動速度（）-絲杠副最大相對轉(zhuǎn)

20、速（）由表4-1查得 =6000 =600代入式4-1得， =10表4-2 滾珠絲杠副標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的組合（）公稱直徑公稱導(dǎo)程68101112222.52.52.53345612162022.534568101222.53456810121634568101216202545681012162025324568101216202532405681012162025324050568101216202532406380568101216202532406810121620253240100125160200101216202532401012162025324012162025324012162025

21、3240 按表4-2，圓整取得 =104.3 定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷4.3.1 確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速1） 最小載荷機(jī)器空載時滾珠絲杠副的傳動力。如主軸箱向上運(yùn)動。2） 最大載荷選機(jī)器承受最大載荷時滾珠絲杠副的傳動力。如機(jī)床切割時，切削力滾珠絲杠軸向的分力與導(dǎo)軌摩擦力之和即為（這時導(dǎo)軌摩擦力是由主軸箱重量以及導(dǎo)軌上的靜摩擦力而引起的）。3） 滾珠絲杠副的當(dāng)量轉(zhuǎn)速及當(dāng)量載荷：滾珠絲杠副在各種轉(zhuǎn)速下，各轉(zhuǎn)速下，各轉(zhuǎn)速工作時間占總時間的百分比分別為，所受載荷分別是。（1）各種切削方式下，絲杠轉(zhuǎn)速 （式4-2） -絲杠轉(zhuǎn)速（）i=1,2,.n -進(jìn)給速度（）i=1,2,.n由表4-1查得 ， 代入式4-2得， （

22、2）當(dāng)量轉(zhuǎn)速 （式4-3） 當(dāng)轉(zhuǎn)速在和之間變化時， （式4-4） -當(dāng)量轉(zhuǎn)速 -工作時間百分比 由表4-1查得 ， 代入式4-3得 4.3.2 確定當(dāng)量載荷（1） 各種切削方式下，絲杠軸向載荷 （式4-5） -絲杠軸向載荷（N） -縱向切削力（N） -垂向切削力（N） -動摩擦力系數(shù) 由表4-1查得 ， ， ， ， ， 已知： 代入式4-5得 ， ， ，（2） 當(dāng)量載荷 （式4-6）當(dāng)載荷在和之間周期性變化時，載荷按下列計算 （式4-7）-當(dāng)量載荷（N），-軸向變載荷（N），-對應(yīng)，時的轉(zhuǎn)速（），-對應(yīng)，時的時間（） 代入式4-6得 582N4.4 預(yù)期額定動載荷4.4.1 按預(yù)期工作時間估算

23、 （式4-8） （式4-9） 有預(yù)加載荷時還要計算 （式4-10） 選 和中較大者為預(yù)期值 -額定動載荷 -精度系數(shù)，表4-3 -可靠性系數(shù)，表4-4 -載荷性質(zhì)系數(shù)，表4-5 -預(yù)期工作壽命（） -預(yù)期工作距離（） -預(yù)加載荷系數(shù)，表3-6 -最大軸向載荷（N） 按表4-3查得：13取=1 按表4-4查得：可靠性97%取=0.44 按表4-5查得：輕微沖擊取=1.3表4-3 精度系數(shù)精度等級1，2，34，57101.00.90.80.7表4-4 可靠性系數(shù)可靠性/90959697989910.620.530.440.330.21表4-5載荷性質(zhì)系數(shù)載荷性質(zhì)無沖擊（很平穩(wěn)）輕微沖擊伴有沖擊或振

24、動11.21.21.51.52表4-6 各類機(jī)械預(yù)期工作時間機(jī)械類型備注普通機(jī)械500010000=250（天）×16（小時）×10（年）×0.5（開機(jī)率）普通機(jī)床10000數(shù)控機(jī)床15000精密機(jī)床20000測試機(jī)床15000航空機(jī)械100根據(jù)表4-6取得工作時間：=20000代入式4-8得 =8921N4.4.2 按最大負(fù)載計算（擬采用預(yù)緊滾珠絲杠副） （式4-10） 按表4-7查得：中預(yù)載取=4.5 代入式4-10得 =3510N表4-7預(yù)加載荷系數(shù)預(yù)加載荷類型輕預(yù)載中預(yù)載重預(yù)載6.74.53.44.4.3 確定預(yù)期額定動載荷 取以上兩種結(jié)果的最大值 =89

25、21N4.5 確定允許的最小螺紋底徑4.5.1 估算滾珠絲杠允許最大軸向變形量 一般情況下，影響死區(qū)間隙的主要因素按影響程度自大到小排序是： 滾珠絲杠本身的拉壓剛度； 支承軸承的軸向剛度； 滾珠絲杠副中滾珠與滾道的接觸剛度； 折合到滾珠絲杠副上的伺服電機(jī)系統(tǒng)的剛度； 連軸節(jié)的剛度； 滾珠絲杠副的扭轉(zhuǎn)剛度； 螺母座，軸承座的剛度； 所以滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)的剛度可按下式計算： 其中前三項最主要，而又占總量的（1/3-1/2）。所以一般情況下可按下式計算： 機(jī)械裝置中移動部件處在不同位置時系統(tǒng)的剛度是不同的，剛度最小處用表示。當(dāng)滾珠絲杠副軸向有工作載荷作用時，傳動系統(tǒng)中便產(chǎn)生彈性變形，且=。從而影響

26、了系統(tǒng)的傳動精度，而處系統(tǒng)影響最大。機(jī)床與機(jī)械裝置的伺服精度大多在空載下檢驗?？蛰d時作用在滾珠絲杠副上的最大軸向工作載荷是靜摩擦力。移動部件在處起動和返回時，由于方向變化將產(chǎn)生誤差2/（又稱摩擦死區(qū)誤差）。它是影響重復(fù)定位精度的最主要因素。一般占重復(fù)定位精度的（1/3-1/4）。所以規(guī)定滾珠絲杠副允許的最大軸向變形： = 重復(fù)定位精度影響定位精度最主要的因素是滾珠絲杠副的精度。其次是滾珠絲杠本身的拉壓彈性變形（因為這種彈性變形隨滾珠螺母在滾珠絲杠上的位置變化而變化）。以及滾珠絲杠副摩擦力矩的變化等。一般估算是定位精度。以上 兩種方法估算出的小值取為值（單位）。 重復(fù)定位精度 定位精度取與中較小

27、值為值 -最大軸向變形量（）已知：重復(fù)定位精度10，定位精度25 =3 =6取兩種結(jié)果的較小值=34.5.2 估算滾珠絲杠副的底徑由于是應(yīng)用在升降臺上，需要考慮切削頭自重的影響。 （式4-11） -最小螺紋底徑（） -支承方式系數(shù)，一端固定自由或游動時為0.078，兩端固定或鉸支時取0.039 -導(dǎo)軌靜摩擦力(N) -導(dǎo)軌靜摩擦因數(shù) -滾珠絲杠兩軸承支點(diǎn)間距離,常取1.1行程+(1014) ()絲杠不需要預(yù)拉伸,采用“雙推-自由”，即一端固定另一端自由的支承形式。靜摩擦力已知：=250mm，W=650N，=0.2代入式4-11得 =375 mm =130N =12.2 mm4.6 確定滾珠絲杠

28、副的規(guī)格代號根據(jù)傳動方式及使用情況，按表4-8選定滾珠螺母型式。按照已估算出的，機(jī)械手冊中先查出對應(yīng)的滾珠絲杠底徑，選擇額定動載荷應(yīng)注意，但不宜過大，否則會使?jié)L珠絲杠副的轉(zhuǎn)動慣性量偏大，結(jié)構(gòu)尺寸也偏大。接著再確定公稱直徑。循環(huán)圈數(shù)，滾珠螺母規(guī)格代號及有關(guān)的安裝連接尺寸。按表4-8選內(nèi)循環(huán)浮動式（G）法蘭。由于螺母工作時始終處于垂直狀態(tài)，一直都有工作臺的重力壓著，可以忽略反向間隙。所以不采用消除間隙的方法。表4-8 滾珠循環(huán)方式類型型式結(jié) 構(gòu) 說 明特 點(diǎn)外循環(huán)滾珠絲杠螺旋槽式（L）在螺母外圓上銑出螺旋槽，槽的兩端鉆出通孔，同螺母的螺紋滾道相切，形成滾珠返回通道。為防止?jié)L珠脫落，螺旋槽用鋼套蓋住

29、。在通孔雀口設(shè)有擋珠器，引導(dǎo)滾珠進(jìn)入通孔。擋珠器用圓鋼彎成弧形桿，并焊上螺栓，用螺帽固定在螺母上。優(yōu)點(diǎn)：工藝簡單，螺母外徑尺寸較小缺點(diǎn)：螺旋槽同通孔不易連接準(zhǔn)確；擋珠器剛性差，耐磨性差插管式（c）用彎管替螺旋槽作滾珠返回通道，將彎彎的兩端插入滾珠工作圈始末端孔內(nèi)?？捎没⌒螚U，也可用彎管的端部來引導(dǎo)滾珠，有單列、雙列兩種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：彎管由兩半合成,采用沖壓件，工藝性好缺點(diǎn)：螺母徑向尺寸較大，臺用彎管端部做擋珠器，則剛性差，易磨損內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠浮動式（F）在螺母上加工出側(cè)孔，通過孔中心沿軸向銑出鍵槽，然后用鍵定位，壓入反向器。反向器上銑有S形回珠槽，將相鄰的滾道，形成一閉合的循環(huán)回路（稱為一列）一般

30、一個螺母上裝有24個列滾珠）反向器沿螺母圓周等分布優(yōu)點(diǎn)：一列只有一圈滾珠，因而工作滾珠數(shù)目少，流暢性好；摩擦損失少，效率高；螺母徑向尺寸小缺點(diǎn)：制造較困難；在大螺距情況下，螺母的軸向尺寸偏大固定式（G）與上述結(jié)構(gòu)的區(qū)別，只是用扁圓嵌塊式反向器代替圓柱凸鍵式反向器優(yōu)點(diǎn)：螺母軸向尺寸比型??；結(jié)構(gòu)更緊湊缺點(diǎn)：制造比型困難由計算出的結(jié)果在手冊中相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副，選得絲杠型號為FGZL2501-345表4-9 南京工藝設(shè)備制造廠的FF型 內(nèi)循環(huán)單螺母式滾珠絲杠副尺寸系列注：1）、是在預(yù)緊力為0.1Ca，軸向載荷F為0.3Ca時的理論計算值； 2）、當(dāng)軸向載荷F不等于0.3Ca時，=，式中K是表中的剛

31、度值，F(xiàn)F型滾珠絲杠副正常工作環(huán)境溫度范圍±60°C規(guī)格型號公稱直徑公稱導(dǎo)程絲杠外徑鋼球直徑絲杠底徑循環(huán)圈數(shù)基本載荷載荷(KN)剛度N/m螺母安裝連接尺寸動載荷Ca靜載荷 Coa(g6)FF1204-3254245193219346.7280222210448324.88.5532M2.51635查表4-9驗證 =10 mm =51500N=24815N=21.9=12.2mm由于有預(yù)緊，需要計算預(yù)緊力；本絲杠副是兩端固定支承結(jié)構(gòu)，敢要計算行程補(bǔ)償和預(yù)拉伸力。4.6.1 確定滾珠絲杠副預(yù)緊力 （式4-12）其中780N 260N4.6.2 行程補(bǔ)償值與拉伸力（1）行程補(bǔ)償值

32、 （式4-13）式中： =1000 =200 =（23）=30 =300-溫差取2.5(溫度變化值23) =2.5（2）預(yù)拉伸力 （式4-14）代入得 =2338N4.7 確定滾珠絲杠副支承用軸承的型號、規(guī)格4.7.1 軸承內(nèi)徑略大于=12.2 mm 取=20mm4.7.2 滾動軸承型號、規(guī)格選擇由第二章已經(jīng)確定了，支撐分別是由深溝球軸承承受徑向載荷和角接觸軸承承受軸向載荷。1）確定當(dāng)量動載荷徑向：深溝球軸承的徑向最大載荷為軸向載荷=390N軸向:角接觸軸承的軸荷=780N當(dāng)量載荷 =780N -當(dāng)量載荷() -軸向載荷() -徑向載荷() -徑向動載荷系數(shù) -軸向動載荷系數(shù)2)根據(jù)額定動載荷

33、選擇軸承尺寸 (或) -基本額定動載荷計算() -當(dāng)量動載荷() -壽命因數(shù) -力矩載荷因數(shù) -沖擊載荷因數(shù) -速度因數(shù) -溫度因數(shù) -軸承尺寸及性能表中所列徑向基本額定動載荷() -軸承尺寸及性能表中所列軸向基本額定動載荷()根據(jù)機(jī)械設(shè)計師手冊算得各軸承的動載荷 16.12KN, 16.12KN, 138.06KN根據(jù)機(jī)械設(shè)計師手冊選得,深溝球軸承型號為：16004；角接觸球軸承型號：7004AC；4.8 滾珠絲杠副工作圖設(shè)計4.8.1 滾珠絲杠副的螺紋長度 （式4-15） -余程 見表4-10中 =行程+主軸箱高（已包含螺母的長度）表4-10 導(dǎo)程-余程表公稱導(dǎo)程456810121620余

34、程（）1620243240455060由表4-10查得余程=40按由已知得主軸箱=500已知：行程=250代入式4-15得 =8304.8.2 絲杠全長絲杠全長=+ + 830+16+24+15+6.4+29 916.4注：實(shí)際上還需要預(yù)留量給軸承預(yù)緊用。4.8.3 行程起點(diǎn)離固定支承距離由工作圖得：螺紋長度=830 滾珠絲杠螺母中點(diǎn)至固定支承的最大距離=470 絲杠全長=400 滾珠絲杠螺母中點(diǎn)至固定支承的最小距離=04.9 精度選擇 ：任意500 mm內(nèi)的行程變動量對半閉環(huán)系統(tǒng)言， 定位精度- 定位精度為20 /1000 7.15絲杠精度取為3級 =127.154.10 確定滾珠絲杠副的規(guī)

35、格代號已確定的型號：2501-3公稱直徑：25 導(dǎo)程：10螺紋長度：830 絲杠長度：917類3級精度絲杠定購型號：FGZL2504-3 3/9168304.11 驗算臨界轉(zhuǎn)速 （式4-16） -臨界轉(zhuǎn)速（）-與支承形式有關(guān)的系數(shù)-絲杠底徑-臨界轉(zhuǎn)速計算長度（）由表4-11得，=9.7由表4-9得, =21.9由工作圖得，470代入式4-16得9.26=600表4-11 支承系數(shù)、支承方式簡 圖K2f一端固定一端自由0.253.4一端固定一端游動215.1二端支承19.7二端固定421.94.12 珠絲杠壓杠穩(wěn)定性驗算 （式4-17）-臨界壓縮載荷（N）-安全系數(shù)，絲杠垂直安裝為1/2-支承系

36、數(shù)-絲杠最大受壓長度-滾珠絲杠副所受最大軸向壓縮載荷66780.6N本章小結(jié)滾珠絲副在本主軸箱中充當(dāng)著非常重要的角色，是主軸箱的重要力量支柱。它時刻操控著主軸箱的軸向運(yùn)動。本設(shè)計機(jī)床可以使用十年，在十年時間里面主軸箱就靠著這根絲杠上下移動，加工時候的沖擊，震動都直接傳遞到滾珠絲杠副上面。所以我們需要做出更詳細(xì)的計算分析，才能夠選出一根符合我們主軸箱使用的絲杠副。生產(chǎn)絲杠副的成本高，購買的費(fèi)用更是以米來計算價格?？煽康慕z杠會給我們?nèi)蘸蟮墓ぷ魈峁┓€(wěn)當(dāng)?shù)谋ＷC。實(shí)際需要決定了我們的選擇。除了使用條件外，我們還是要考慮它負(fù)載的安全性能，包括對絲杠的支承方式等。選擇出來的絲杠副是南京工藝設(shè)備制造廠生產(chǎn)的F

37、GZL2504-3FF型是內(nèi)循環(huán)單螺母式滾珠絲杠副,徑向安裝尺寸小,安裝簡便、有預(yù)緊。完全能夠滿足我們十年使用壽命。第五章 其他機(jī)構(gòu)設(shè)計5.1 平衡機(jī)構(gòu)中鏈接設(shè)計在機(jī)構(gòu)中上，主切削頭的有一定的重量，然而電機(jī)帶動主切削頭上下運(yùn)動和進(jìn)行切削工件已經(jīng)需要一定的功率。再加上主切削頭的重量，那就需要更大的功率。為了避免這種情況出現(xiàn)，用一個平衡錘把主切削頭的重量平衡了。平衡機(jī)構(gòu)中要有連接平衡錘和主切削頭的構(gòu)件?？梢杂娩摾K和導(dǎo)輪來連接它們兩個部件。由于為了平衡作用，選用一般的鋼繩就可以了。傳動比取，運(yùn)動的速度= ，屬于低速運(yùn)行，主切削頭的重量是G=650N，根據(jù)機(jī)構(gòu)的要求,我們選用直徑為9mm的鋼繩。根據(jù)所

38、選擇的鋼繩選取相應(yīng)的導(dǎo)輪。5.2 電機(jī)的選擇5.2.1 作用在滾珠絲杠副上個各種轉(zhuǎn)矩計算外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩（） （式5-1）=1.38滾珠絲杠副預(yù)加載荷Fp產(chǎn)生的預(yù)緊力矩Tp() （式5-2）=0.262 Ph-滾珠絲杠副導(dǎo)程-未預(yù)緊的滾珠絲杠副效率1、2、3級精度的絲杠0.94級精度的絲杠0.85F-作用在滾珠絲杠副上的外加軸向載荷，不同情況下取值不一樣。若計算電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩時，機(jī)械是空載起動時，F(xiàn)是導(dǎo)軌摩擦力（垂向運(yùn)動F還包括機(jī)構(gòu)重量）；若計算電機(jī)工作轉(zhuǎn)矩時，F(xiàn)包括導(dǎo)軌摩擦力，工作載荷（垂向運(yùn)動F還包括機(jī)構(gòu)重量。）5.2.2 傳動比i主切削頭上下升降的速度一般切v1=0.8 m/min；

39、快速進(jìn)給v2=6m/min；而絲杠一般切削V11=0.8 m/min快速進(jìn)給V22=6m/min；傳動比i=25.2.3 負(fù)荷轉(zhuǎn)動慣量JL及傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量J的計算JL= （式5-3）JL=0.000375 （絲杠重量m=1.2kg）J=JL=0.000375質(zhì)量（Kg）和速度（m/min）；初選電機(jī)型號130BF001 轉(zhuǎn)動慣量JL=0.00046；該電動機(jī)的最大靜扭距Tmax=9.31；電動機(jī)的功率 4.0KW為了使步進(jìn)電動機(jī)具有良好的起動能力及較快的響應(yīng)速度應(yīng)為： 5.2.4 加速轉(zhuǎn)矩Ta和最大加速轉(zhuǎn)矩 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速從n1升到n2時：n1=0.8 m/min升到n2=6m/min時 （式5-4）=0.12 當(dāng)電機(jī)從靜止升速至nmax:   （式5-5）=2.826   n-電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）nmax-電機(jī)最高轉(zhuǎn)速（r/min）ta-加速時間（s）最小加、減速度時間為1秒ta (3-4)tm或者按性能要求自行規(guī)定。tm-電機(jī)時間常數(shù)。(表明此電機(jī)在額定電壓給定，空載情況下，轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的63%時所需的時間)可查電機(jī)樣本5.2.5 電機(jī)的最大啟動轉(zhuǎn)矩 （式5-6）=2.826+2.76+0.262=5.848 Tmax=9.31電機(jī)到滾珠絲杠副的傳動比。不在滾