說明書-終結版

1、鄭州航空工業(yè)管理學院畢 業(yè) 論 文（設 計） 2011 屆 機械設計制造及其自動化 專業(yè) 0906961 班級題 目 經 濟 型 數 控 鉆 銑 床 設 計 機床總體及垂直工作臺設計 姓 名 楊 念 動 學號 090696132 指導教師 李 明 職稱 教 授 二一 一 年 五 月 十八 內 容 摘 要數控機床是一種高精度、高效率的自動化機床。它的機械部分要求高剛度、高精度、高速度和低摩擦等。本論文介紹了經濟型數控鉆銑床機械部分的設計過程，主要包括機床總體方案設計、主傳動系統設計和進給系統設計。在設計中，無論是從機床整體布局、基礎件結構設計，還是從軸承、滾珠絲杠和滾動導軌的選擇與配置，都十分注

2、意提高和保證它們的精度。在機床總體設計中，整體合理布局，采用剛度較高的床身。在進給伺服系統中，由高性能伺服電機通過聯軸器直接與絲杠相連，帶動主軸箱或工作臺，傳動絲杠采用HJGS系列精密滾珠絲杠副，導軌采用GGB型高精度直線滾動導軌以降低摩擦損失。本設計還對各個零部件進行了設計,并繪制了該數控銑床總體裝配圖及縱向進給機構的裝配圖。關鍵詞經濟型數控鉆銑床；總體設計；步進電機；滾珠絲杠；直線滾動導軌 IIThe Design of Economic CNC Drillingand Milling machineAuthor: YangNiandong Tutor: Li Ming Professor

3、AbstractCNC machine is one of the automatic machine tools with high accuracy and high efficiency. Its mechanisms request high rigidity, high accuracy, high speed and low friction. The process of design for the economical CNC drilling and milling machine is introduced in this paper, mainly including

4、the whole design project of the machine, the design of main driving system and the mechanical structures of the feeding system. No matter what about overall layout of the machine, design of the structures for base parts, or selection and calculation of the bearings, the ball screws and the linear mo

5、tion guide, their precision is extremely paid attention to enhance and guarantee. In the overall design, the whole of machine is reasonably arranged and to use high-rigidity body of machine. In the feeding system, the high-quality servo motor is directly connected with screw though coupling to drive

6、 spindle case or worktable. The driving screws are HJG-S super precision ball screws, and the guides are GGB high accuracy linear motion guide (LMG) in order to reduce the friction. Besides, the author has designed and drawed all of mechanism parts, and also drawed the assemble chart. Key wordsEcono

7、mical CNC drilling and milling machine; Overall design; stepping motor ; Ball screw; Linear motion guide目 錄第1章 概論11.1 數控機床的產生11.2 數控機床的發(fā)展趨勢31.3 數控鉆銑床機械結構的主要特點5第2章 機床總體布局設計62.1 總體結構布局62.2 機床的進給系統方案設計72.3 滾珠絲杠的選定72.4 滾珠絲杠的支承結構82.5 支撐軸承的選擇82.6 滾珠絲杠的制動裝置92.7 伺服電機與進給絲杠的聯結結構102.8 機床導軌102.9 控制系統12第3章 立式數控鉆

8、銑床的設計計算123.1 縱向進給系統的設計計算123.2 動力參數的計算和步進電機的選用143.3 步進電機的選擇173.4 滾珠絲杠的選擇193.5 軸承的選擇233.6 導軌的選擇及潤滑243.7 聯軸器的選擇27第4章 總結語28致 謝29參考文獻30II經濟型數控鉆銑床設計090696132 楊念動 指導老師：李明 教授 第1章 概論 1.1數控機床的產生由于在機械制造工業(yè)中并不是所有的產品零件都具有很大的批量，單件與小批量生產的零件（批量在10100件）占機械加工總量的80%以上。尤其是在造船、航空航天、機床、重型機械以及國防部門，其生產特點是加工批量小、改性頻繁、零件的形狀復雜而

9、且精度要求高，采用專門化程度很高的自動化機床加工這類零件就顯得很不合適，因為生產過程中需要經常改裝與調整設備，對于專門生產線來說，這種改裝與調整甚至是不可能實現的。為了解決這些問題，滿足多品種、小批量的自動化生產，迫切需要一種靈活的、通用的、能夠適應產品頻繁變化的柔性自動化機床。數控機床就是在這一背景下產生和發(fā)展起來的。它極其有效地解決了上述一系列矛盾，為單件、小批量生產的精密復雜零件提供了自動化加工手段。隨著電子技術的發(fā)展，1946年世界上第一臺電子計算機問世由此掀開了信息自動化的篇章。1948年美國北密支安的一個小型飛機工業(yè)承包商派爾遜斯公司（ParsonsCorporation）在制造飛

10、機的框架及直升飛機的轉動機翼時，利用全數字電子計算機對機翼加工路徑進行數據處理，并考慮到刀具直徑對加工路線的影響，使得加工精度達到0.0381mm（0.0015in），達到了當時的最高水平。1952年，麻省理工學院在一臺立式銑床上，裝上了一套試驗性的數控系統，成功地實現了同時控制三軸的運動。這臺數控機床被大家稱為世界上第一臺數控機床。 這臺機床是一臺試驗性機床，到了1954年11月，在派爾遜斯專利的基礎上，第一臺工業(yè)用的數控機床由美國本迪克斯公司（Bendix-Cooperation）正式生產出來。 在此以后，從1960年開始，其他一些工業(yè)國家，如德國、日本都陸續(xù)開發(fā)、生產及使用了數控機床。數

11、控機床中最初出現并獲得使用的是數控銑床，因為數控機床能夠解決普通機床難于勝任的、需要進行輪廓加工的曲線或曲面零件。 然而，由于當時的數控系統采用的是電子管，體積龐大，功耗高，因此除了在軍事部門使用外，在其他行業(yè)沒有得到推廣使用。 1967年，英國首先把幾臺數控機床連接成具有柔性的加工系統，這就是所謂的柔性制造系統（FlexibleManufacturingSystemFMS）之后，美、歐、日等也相繼進行開發(fā)及應用。 1974年以后，隨著微電子技術的迅速發(fā)展，微處理器直接用于數控機床，使數控的軟件功能加強，發(fā)展成計算機數字控制機床（簡稱為CNC機床），進一步推動了數控機床的普及應用和大力發(fā)展。

12、數控機床給機械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數控加工具有如下特點：加工柔性好，加工精度高，生產率高，減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產管理的現代化以及經濟效益的提高。數控機床是一種高度機電一體化的產品，適用于加工多品種小批量零件、結構較復雜、精度要求較高的零件、需要頻繁改型的零件、價格昂貴不允許報廢的關鍵零件、要求精密復制的零件、需要縮短生產周期的急需零件以及要求100%檢驗的零件。數控機床的特點及其應用范圍使其成為國民經濟和國防建設發(fā)展的重要裝備。 進入21世紀，我國經濟與國際全面接軌，進入了一個蓬勃發(fā)展的新時期。機床制造業(yè)既面臨著機械制造業(yè)需求水平提升而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機，也遭

13、遇到加入世界貿易組織后激烈的國際市場競爭的壓力，加速推進數控機床的發(fā)展是解決機床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個關鍵。隨著制造業(yè)對數控機床的大量需求以及計算機技術和現代設計技術的飛速進步，數控機床的應用范圍還在不斷擴大，并且不斷發(fā)展以更適應生產加工的需要。1.2 數控機床的發(fā)展趨勢（1） 高速化 隨著汽車、國防、航空、航天等工業(yè)的高速發(fā)展以及鋁合金等新材料的應用，對數控機床加工的高速化要求越來越高。（2） 高精度化 數控機床精度的要求現在已經不局限于靜態(tài)的幾何精度，機床的運動精度、熱變形以及對振動的監(jiān)測和補償越來越獲得重視。（3） 功能復合化復合機床的含義是指在一臺機床上實現或盡可能完成從毛坯至成品的多種

14、要素加工。根據其結構特點可分為工藝復合型和工序復合型兩類。工藝復合型機床如鏜銑鉆復合加工中心、車銑復合車削中心、銑鏜鉆車復合復合加工中心等；工序復合型機床如多面多軸聯動加工的復合機床和雙主軸車削中心等。采用復合機床進行加工，減少了工件裝卸、更換和調整刀具的輔助時間以及中間過程中產生的誤差，提高了零件加工精度，縮短了產品制造周期，提高了生產效率和制造商的市場反應能力，相對于傳統的工序分散的生產方法具有明顯的優(yōu)勢。（4） 控制智能化 隨著人工智能技術的發(fā)展，為了滿足制造業(yè)生產柔性化、制造自動化的發(fā)展需求，數控機床的智能化程度在不斷提高。（5） 驅動并聯化 并聯運動機床克服了傳統機床串聯機構移動部件

15、質量大、系統剛度低、刀具只能沿固定導軌進給、作業(yè)自由度偏低、設備加工靈活性和機動性不夠等固有缺陷，在機床主軸（一般為動平臺）與機座（一般為靜平臺）之間采用多桿并聯聯接機構驅動，通過控制桿系中桿的長度使桿系支撐的平臺獲得相應自由度的運動，可實現多坐標聯動數控加工、裝配和測量多種功能，更能滿足復雜特種零件的加工，具有現代機器人的模塊化程度高、重量輕和速度快等優(yōu)點。（6） 極端化(大型化和微型化) 國防、航空、航天事業(yè)的發(fā)展和能源等基礎產業(yè)裝備的大型化需要大型且性能良好的數控機床的支撐。而超精密加工技術和微納米技術是21世紀的戰(zhàn)略技術，需發(fā)展能適應微小型尺寸和微納米加工精度的新型制造工藝和裝備，所以

16、微型機床包括微切削加工(車、銑、磨)機床、微電加工機床、微激光加工機床和微型壓力機等的需求量正在逐漸增大。（7） 新型功能部件為了提高數控機床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的應用成為必然。1.3 數控鉆銑床機械結構的主要特點 數控鉆銑床可以分為立式、臥式和立臥兩用式數控鉆銑床，其特點主要有：高柔性及工序復合化，加工精度高，生產效率高，減輕操作者的勞動強度。 數控鉆銑床不同于一般的機械，它是用來生產其它機械的工作母機，是一種功能很強的數控機床，它加工范圍廣、工藝復雜、涉及的技術問題多。目前，迅速發(fā)展的加工中心、柔性制造系統等都是在數控銑床的基礎上產生和發(fā)展起來的。其機械結構的主

17、要特點:(1) 高剛度和高抗震性(2) 減少銑床熱變形的影響(3) 傳動系統機械結構簡化(4) 高傳動效率和無間隙傳動裝置(5) 低摩擦因數的導軌31第2章 機床總體布局設計2.1 總體結構布局數控鉆銑機床主要是用于較小銑削量或軟金屬材料的工件的加工。 不但要求加工精度較高 ,而且要求實現高速切削 ,其主軸轉速甚至高達30000r/min左右，其移動部件不但要剛性好，而且要盡可能輕巧 ,以保證其靈活性，對數控系統 , 要求其具有高的速度和極好的伺服電機特性，對于數控鉆銑機床,從機械的角度分析,其結構應滿足:非移動部件剛性要好,移動部件在保證其具有良好剛性的前提下,盡可能輕巧 , 靈活性要好，要

18、從機械上滿足既輕巧又剛性好的要求,關鍵在于機械結構的合理設計上。機床主要由二維數控十字工作臺、立柱、一維數控工作臺、主軸組件、泵站、操作及控制柜等部件所組成。而二維數控十字工作臺與橫梁設計為一體, 一維工作臺與機床床身底座設計為一體。龍門式的結構具有良好的剛性和對稱性,一直是高速切削設備的首選結構。本機床總體布局采用龍門架式銑床結構 , 并設計了較寬的立柱和橫梁。為克服不良力矩的問題,盡量加寬了 X、Y、Z三向的兩根直線滾動導軌之間的跨距,從整體布局上有效保證了機床的剛性。因孕育鑄鐵具有良好的穩(wěn)定性、吸振性和耐沖擊性,可使床身的結構強度和剛性有顯著提高,故本機床整體式床身底座采用孕育鑄鐵鑄造而

19、成。它為箱形結構,內部筋板采用米字型筋配合的網狀結構 ,確保了對 Y軸工作臺和兩立柱的剛性支承 ,使機床動態(tài)加工的穩(wěn)定性可達最好。因機床的剛性主要用于克服移動部分在高速移動時對非移動部分的強大沖擊 ,所以導軌和絲杠在設計時應盡量要求粗一些,以加強剛性。由于采取了這些措施,所設計的數控鉆銑機床的最大優(yōu)點是能進行比較細小的加工,加工精度比較高 ,對軟金屬可進行高速切削。2.2機床的進給系統方案設計在數控機床中,為確保數控系統的傳動精度和工作平穩(wěn)性 ,在設計機械傳動裝置時, 通常需滿足低摩擦、低慣量、高精度、無間隙, 高諧振以及有適宜阻尼比的要求。機床的精度很大程度取決于進給絲杠的精度和機床導軌的精

20、度,因此, 數控鉆銑機床進給系統三向工作臺絲杠均采用雙螺母滾珠絲杠副,機床X、Y、Z三個軸方向上均采用高精度直線滾動導軌。2.3 滾珠絲杠的選定選定進給傳動用滾珠絲杠副時,主要考慮的內容是:與機床定位精度要求相適應的絲杠精度、絲杠的剛性與轉動慣量。在開環(huán)和半閉環(huán)數控機床中 , 滾珠絲杠的精度將直接影響機床的定位精度和隨動精度。為了獲得高精度、高剛度的進給系統, 應選用精度高的滾珠絲杠傳動副。但是, 隨著絲杠精度的提高, 其價格也將大大上升。因此 ,在滿足機床精度要求的前提下,選擇相應精度的絲杠是設計者的一項重要工作。本機床所選 3個方向滾珠絲杠副的精度等級均為3級。 3級精度的絲杠經采用一些如

21、消隙、螺距誤差補償等措施 , 完全能滿足機床的定位精度要求。絲杠的剛度與直徑的大小直接相關,直徑大、剛度就好。想使進給驅動系統有足夠的剛性,當然要選用直徑粗大的絲杠。但是 , 隨著直徑的增大,其轉動慣量也大大增大。因此一般是在兼顧二者的情況下,選取最佳直徑。本機床經設計計算后選定 Z軸滾珠絲杠的公稱直徑為 32mm; X、Y軸滾珠絲杠的公稱直徑為40mm。2.4 滾珠絲杠的支承結構一般機床的絲杠多采用一端固定、一端鉸支的支承方式。這時, 絲杠軸向拉壓剛度隨螺母距固定支承一端的距離的增大而下降。由于兩端固定支承的絲杠的軸向拉壓剛度為一端固定支承絲杠的軸向剛度的4倍, 因此數控機床的進給絲杠多采用

22、兩端固定支承。數控鉆銑機床X、Y、Z三向絲杠均采用兩端固定支承。但兩端固定支承的絲杠應進行預拉伸安裝, 其預拉伸量應進行計算。2.5 支撐軸承的選擇為了獲得高精度、高剛度的進給系統,不僅應選用高精度高剛度的滾珠絲杠副, 而且必須十分重視滾珠絲杠支承的設計。 因滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷, 徑向載荷來自于臥式絲杠的自重, 因此, 滾珠絲杠的軸向精度和剛度要求很高。因數控機床的進給系統要求運動靈活, 對微小位移 (絲杠微小轉角)響應要靈敏, 因此應選用運轉精度高、軸向剛度高、摩擦力矩小的滾動軸承。目前,各類軸承中用得最多的是 60接觸角推力角接觸球軸承。數控機床選用這種角接觸球軸承,通常需要把2

23、個以上的軸承組合起來, 且施加預緊力來使用。其組合形式有背靠背組配(DB 方式 )、 面對面組配 (DF 方式 )、串聯組配(DT方式 )。在數控機床上選用此種軸承時, 為了易于吸收滾珠螺母與軸承之間的不同軸度 , 一般采用DF組配方式。目前,國內外的數控機床設計制造廠家已將滾珠絲杠支承典型結構發(fā)展成軸承組合單元。軸承組合單元包括軸承、軸承座、密封件和緊固件。數控鉆銑機床 X、Y兩向絲杠成對選用地腳式軸承組合單元，而 Z向絲杠成對選用法蘭式軸承組合單元,從而組成了 X、Y、Z三向絲杠兩端固定的支承方式。2.6 滾珠絲杠的制動裝置由于滾珠絲杠副的逆?zhèn)鲃有屎芨?逆向傳動不能自鎖, 因此當它處于垂

24、直安置時必須另外設有制動裝置,以防止伺服電機在停止轉動時,運動部件由于自重而產生的逆?zhèn)鲃?也可以防止因偶然因素造成的事故。Z向伺服電機經彈性聯軸器帶動 Z軸絲杠,實現 Z向工作臺的升降。防止工作臺及其主軸組件由于自重而產生逆?zhèn)鲃拥年P鍵部件是單向逆止軸承和摩擦阻尼裝置(由聯結套、摩擦環(huán)、碟簧、調整螺母等組成)。單向逆止軸承僅允許一方向旋轉,而另一方向止動。單向逆止軸承的內環(huán)與絲杠上端固定聯結,其外環(huán)通過鍵與聯結套裝配在一起：當工作臺上升時, 單向逆止軸承像普通軸承一樣,無逆止作用,伺服電機帶動滾珠絲杠轉動并用螺母帶動工作臺向上運動。當伺服電機停止轉動時(電機帶制), 工作臺由于自重而要下滑,螺母

25、有推動絲杠轉動的逆?zhèn)鲃?, 這時,單向逆止軸承的內環(huán)和滾珠將帶動軸承外環(huán)反向轉動。因單向逆止軸承的外環(huán)通過鍵與摩擦阻尼裝置連在一起,外環(huán)被摩擦阻尼裝置產生的摩擦扭矩剎住 , 從而防止了逆?zhèn)鲃印Ｗ柚鼓鎮(zhèn)鲃拥哪Σ僚ぞ氐拇笮】梢酝ㄟ^螺母調整。這種結構的缺點是在工作臺垂直向下傳動時 , 必須克服這個額外加上的摩擦扭矩。2.7 伺服電機與進給絲杠的聯結結構在數控機床進給系統中, 伺服電機與滾珠絲杠聯結要保證傳動無間隙,這樣才能準確執(zhí)行脈沖指令,而不會丟掉脈沖造成“失步 ”。在數控鉆銑機床中,X、Y、Z三軸均采用直聯式,即通過單向膜片彈性無鍵聯軸器,把伺服電機和滾珠絲杠聯結起來。因單向膜片彈性聯軸器采用漲

26、緊套聯結,完全消除了轉動間隙,電機軸和絲杠軸上均不開鍵槽, 則有利于高速轉動的平衡, 彈性聯軸器的裝卸也非常方便。2.8 機床導軌因數控鉆銑機床要求有良好的靈活性以滿足機床的高速鉆銑要求, 本機床 X、Y、Z三軸方向上均采用GGB型(四方向等載荷型)高精度雙直線滾動導軌。直線滾動導軌通常兩條成對使用, 可以水平安裝,也可以豎直或傾斜安裝。為保證兩條導軌平行,通常把一條導軌作為基準導軌。其安裝形式有單導軌定位和雙導軌定位, 數控鉆銑機床X、Y、Z三軸方向上均采用雙導軌定位 , 數控鉆銑機床滾動導軌的安裝結構如圖 所示。1. X向導軌軸 2. Z向導軌軸壓板 3. 基準導軌軸4. X向工作臺 5.

27、 Z向工作臺 6. 非基準導軌軸 7. 滑塊座壓板 8. X向滑塊 9. 橫梁圖2.1 滾動導軌的安裝對Z向工作臺,導軌軸3和6均采用臺肩定位,基準側導軌軸 3用壓板頂緊定位,使基準導軌軸的基準側面緊貼滑座的的側基面(臺肩 );非基準側的導軌軸 6在用壓板頂緊定位時, 側面只需輕靠在定位臺肩上,不能頂緊,以避免因過定位影響運行的靈活性和精度?；鶞蕚然瑝K座的安裝也采用壓板頂緊定位,使滑塊座的基準側面緊靠在工作臺5的側基面上 , 而壓板7僅對非基準側滑塊座起限位作用。這種雙導軌定位方式,能有效抵抗高速加工時的振動和沖擊,且安裝調整簡單方便。X、Y向工作臺導軌的使用與 Z向完全相同。2.9 控制系統

28、數控鉆銑機床X、Y、Z三個方向的進給分別采用三臺混合式步進電機驅動,半閉環(huán)控制,三軸聯動。機床根據數控裝置發(fā)來的速度和位移指令,可控制執(zhí)行部件的進給速度、方向、位移。各坐標的進給速度均能在一定的范圍內進行調整, 操作者可對零件編程, 完成對零件的三坐標加工。另外,機床工作臺每一個方向的移動,都通過安裝在兩端的無觸點限位開關限定其運動范圍,限位開關可以根據加工要求,調整位置。本機床的定位精度為01015mm, 重復定位精度為 0101mm。第3章 立式數控鉆銑床的設計計算3.1 縱向進給系統的設計計算(1) 切削力的計算切削功率= K 式中 主電機功率 主傳動系統總效率 ,取= 0.6 ; K

29、進給系統功率系數 ,取 K = 0.96 。銑削主切削力為圓周力，按粗銑，切削速度v=100m/min計算出所需要力 =6120/v9.8=2536.04N通常 :縱向 = (0.60.9)Fz = 0.6Fz = 1521.6N ,垂直 = 0.450.7Fz = 0.45Fz = 1141.2N ,橫向 = 0.50.55Fz = 0.5Fz = 1268.02N。（2） 計算縱向進給系統進給率引力 Fm作用在滾珠絲杠上的進給率引力主要包括 : 切削時的走刀抗力以及移動件的重量和切削分力作用在導軌上的摩擦力 ,其數值大小和導軌的形式有關 。 縱向進給為燕尾形導軌Fm=KFzx+(2Fhx+

30、Fcz +G)=3056.6N式中 G移動部件的重力，G=900N; 導軌上的 摩擦系數，隨導軌形式而不同，對燕尾導軌，=0.2。 K 考慮顛復力矩影響的實驗系數 ,對燕尾導軌 , K = 1.4 。（3）進給伺服系統傳動比 已確定縱向進給脈沖當量p = 0.01 ,滾珠絲桿導程 = 6 mm ,初選步進電機步距角b = 0.75,可計算出傳動比 i=360/b=0.8 由此可選定此輪齒數為32和40（i=/=32/40).3.2 動力參數的計算和步進電機的選用（1） 傳動系統總轉動慣量計算 縱向進給系統計算。傳動系統折算到電機軸上的總轉動慣量 =+(+) (1)式中 步進電機轉子轉動慣量 ,

31、參考同類機床 ,初選混合式步進電機 110BYG4601 ,其轉子轉動慣量Jm=11.3kg; 聯軸器的轉動慣量； 絲杠的轉動慣量。 由鋼質齒輪、軸、絲杠等圓柱體轉動慣量的計算，公式J = 0.78 L ,可計算出 = 6139 kg =35.94kg 將各項數據帶入式（1），得系統總轉動慣量 =41.55kg 根據實踐經驗，傳動系統轉動慣量和電機轉動子慣量之間 ,有一個慣量匹配問題, /的比值不能太小,否則機床動態(tài)特性將主要取決于負載特性，此時，不同重量和行程的各坐標的特性將有很大區(qū)別，并且很容易受切削力、摩擦力等干擾的影響。但是/的比值太大，也是很不經濟的。 本機床縱向進給系統電機慣量與總

32、慣量之間的匹配關系為/=0.27，基本滿足慣量匹配要求。 (2) 電機力矩計算 1) 快速空載啟動時所需力矩 = + + = 830.2 Ncm加速力矩=(/6000)=724.3Ncm =/式中 空載啟動時折算到電機軸上的加速力矩；移動部件最大快進速度，這里=2400mm/min， =500r/min； 啟動加速時間 ,對升降臺銑床， =30ms。 折算到電機軸上的摩擦力矩 M = = 87.5 Ncm式中 傳動鏈總效率，一般可以取=0.8； 導軌的摩擦力，對于縱向工作臺=（Fcz2FhxG)=915.45N 附加摩擦力矩 =(1)=18.4Ncm式中 滾珠絲杠預加負荷，一般取=1/3=10

33、15.2N; 滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，一般取0.9。 2)快速移動時所需力矩 =105.9Ncm 3)最大切削負載時所需力矩 =251.3Ncm式中 折算到電機軸上的切削負載力矩，Ncm； 進給方向最大切削力，對于縱向進給系統，=1521.6N。 = =145.4Ncm 經過上述計算以后，在、 3種工況下，取其大著作為選擇步進電機的依據。對于大多數數控機床來說 ,因為要保證一定的動態(tài)性能 ,系統時間常數較小 ,而等效轉動慣量又較大 ,故電機力矩主要是用來產生加速度的 ,而負載力矩往往小于加速力矩 ,故常常用快速空載起動力矩 M 作為選擇步進電機的依據 。3.3步進電機的選擇(1)步進電動機

34、又稱脈沖電動機。它是將電脈沖信號轉換成機械角位移的執(zhí)行元件。其輸入一個電脈沖就轉動一步，即每當電動機繞組接受一個電脈沖，轉子就轉過一個相應的步距角。轉子角位移的大小及轉速分別與輸入的電脈沖數及頻率成正比，并在時間上與輸入脈沖同步，只要控制輸入電脈沖的數量頻率以及電動機繞組的通電順序，電動機即可獲得所需的轉角轉速及轉向，很容易用微機實現數字控制。應用中需要注意的幾點：步進電機應用于低速場合每分鐘轉速不超過1000轉，（0.9度時6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低。步進電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大

35、。由于歷史原因，只有標稱為12V電壓的電機使用12V外，其他電機的電壓值不是驅動電壓伏值 ，可根據驅動器選擇驅動電壓（建議：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），當然12伏的電壓除12V恒壓驅動外也可以采用其他驅動電源， 不過要考慮溫升。轉動慣量大的負載應選擇大機座號電機。電機在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。高精度時，應通過機械減速、提高電機速度,或采用高細分數的驅動器來解決，也可以采用5相電機，不過其整個系統的價格較貴，生產廠家少。電機不應在振動區(qū)

36、內工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。電機在600PPS（0.9度）以下工作，應采用小電流、大電感、低電壓來驅動。應遵循先選電機后選驅動的原則。 (2) 計算選擇 首先,可根據最大靜轉矩初選電機型號,步進電機的起動轉矩 與最大靜轉矩有如下關系= /,應使上面計算出的空載起動轉矩 ,即有 /。從設計手冊可查出,當步進電機為四相八拍時，=/=0.707，最大靜轉矩=1174.3Ncm，按此最大靜轉矩從樣本中查出 ,110BYG4601 型最大靜轉矩為 13 Nm ,大于所需的最大靜轉矩，可作為初選型號。這樣初選出來的步進電機型號并不一定能滿足實際工作的要求，盡管最大靜轉矩數值能滿

37、足要求，但是并不能保證在快速空載啟動和運行時不失步，所以還必須用起動和運行矩頻特性來檢查所選步進電機的型號是否滿足要求。（2） 計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率 快進時步進電機最大空載起動頻率 =4000Hz式中 最大快速移動速度，=2.4m/min。 切削時最大頻率 =2000Hz式中 最大切削進給速度，=1.2m/min。(3）校核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性 根據電機樣本，從110BYG4601的矩頻特性表中可以看出，當步進電機以接近于最高空載起動頻率起動時，即=4000Hz時，M=640Ncm，不能滿足此機床所要求的空載起動力矩=830.2Ncm，直接使用則會產生失步現

38、象 ,所以系統軟件必須采用升降速控制 。當將起動頻率降到 2 000 Hz 時 ,起動力矩可增高至 840 Ncm ,然后還可在電路上采用高低壓驅動電路 ,進一步提高步進電機的輸出力矩 ,這樣，就可滿足機床所要求的空載起動力矩。當快速運動和切削進給時 ,110BYG4601 型步進電機運行矩頻特性 ,完全滿足要求 。3.4 滾珠絲杠的選擇（1） 滾珠絲杠的特點滾珠絲杠螺母副（以下簡稱滾珠絲杠副）是回轉運動與直線運動相互轉話的一種新型傳動機構，在數控銑床中得到了廣泛的應用。它的結構特點是具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠，使絲杠和螺母之間的運動成為滾動，以減少摩擦。在數控機床的傳動中，經常用于代替滑

39、動絲杠，以提高傳動精度。絲杠螺母副的特點： 用較小的扭矩轉動絲杠（或螺母），可使螺母（或絲杠）獲得較大的軸向牽引力。 可達到很大的降速比，使降速機構大為簡化，傳動鏈的以縮短。 能達到較高的傳動精。用于進給機構時,還可兼作測量元件，通過刻度盤讀出直線位移的尺寸，最小數值可達0.0001mm。 傳動效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠的傳動效率=0.920.96,而一般的常規(guī)（滑動）絲杠螺母副的=0.200.40。所以滾珠絲杠的傳動效率比常規(guī)絲杠的傳動效率提高了34倍。因此功率消耗只相當于常規(guī)絲杠螺母副的1/31/4。 給予適當的預緊，可消除絲杠和螺母螺紋間隙，這樣反向時就可以沒有空程死區(qū)，反向定位精度高

40、。與常規(guī)絲杠螺母副比較有較高的軸向精度。 運動平穩(wěn)，無爬行現象，傳動精度高。滾珠絲杠基本上是滾動摩擦，摩擦阻力小，摩擦阻力的大小幾乎和運動速度完全無關，這樣就可以保證運動的平穩(wěn)性。由于滾珠絲杠基本上是滾動摩擦，與常規(guī)絲杠螺母副比較不宜出現爬行現象，故傳動精度高。 有可逆性，由于滾珠絲杠副摩擦系數小，可以從旋轉運動轉換為直線運動，也可以由直線運動轉換為旋轉運動。絲杠和螺母都可以作為主動件，也可以作為從動件。 制造工藝復雜，滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求較高，光潔度要求也高，故制造成本高。例如絲杠和螺母上的螺旋槽滾道，一般都要求磨削成型表面的。 不能自鎖，特別是垂直絲杠，由于自重慣性力的關系，

41、下降時當傳動切斷后，不能立刻停止運動，故常需要添加制動裝置。 （2） 滾珠絲杠的選擇計算 動載荷C的計算其中載荷系數取為1.0，硬度系數取為1.2，最大的工作負載L使用壽命工作負載F是指數控機床工作時，實際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，他的數據可用進給牽引力的實驗公式計算：對于類似燕尾型尋軌的機床=X方向的切削力Y方向的切削力Z方向的切削力G移動部件的重量導軌上的摩擦系數k考慮顛復力矩影響的實驗系數選用滾動導軌，在正常潤滑情況下，對于類似燕尾型尋軌k=1.4 ，=0.03在銑削過程中，=2536.04N ，=0， =1051.9N ，G=300N =1.40+0.03(2536.04N+2105

42、1.9+300)=97.4N而L=60nT/10式中n滾珠絲杠的轉速（r/min）T使用壽命（小時）對于數控機床，n一般取1250 r/min，T一般取15000h，因為L=60125015000/10=1125C=1.01.294.7=1181.9N 查表初步選用的型號為FYND306-5-3絲杠較為合適，這是一種內循環(huán)墊片調隙單螺母的滾珠絲杠副，其主要參數如下：名義直徑：=32mm，基本導程t=5mm，鋼球直徑：=3.725 mm ，絲杠內徑=30.96mm，絲杠外徑=31.4mm ，循環(huán)列數3，額定動負載=6367 N ，螺母外徑D=72 mm，螺母內徑=32 mm，螺母長度L=40 m

43、m。3.5 軸承的選擇機床傳動軸的滾動軸承的失效形式，主要是在循環(huán)接觸應力下的作用，滾動體和滾道表面上出現疲勞破環(huán)。即通常所說的疲勞剝落。而絲杠軸承的載荷主要是軸向載荷，徑向除絲杠和工作臺的重量外，一般無外載荷，對絲杠軸承的要求主要是軸向精度和剛度較高，摩擦力矩要小。所以選用角接觸球軸承，該軸承是與滾珠絲杠配合的專用軸承，其主要特點如下：（1）接觸角大，鋼球數多，承載能力高，剛度高。（2）既能承受軸向載荷，也能承受徑向載荷，支撐結構可以簡化。（3）軸承啟動摩擦力矩小，降低絲杠副的驅動功率，提高進給系統的靈敏度?，F選用7205C型號，基本尺寸為:d=25mm，外徑D=52mm，寬度B=15mm，

44、基本額定動負荷=16.5KN，基本額定靜載荷=10.5KN，極限轉速（油潤滑）為28000。 對軸承的疲勞壽命進行校核：由機械設計可知，軸承的基本額定壽命為： 式中：P當量動載荷； 基本額定壽命； 壽命指數，一般球軸承=3；n軸承工作轉速，n=1250；C基本額定動載荷，C=16500N其中：沖擊載荷系數，取1.1；徑向載荷；X、Y徑向動載荷系數和軸向動載荷系數。X=0.44,Y=1；P=1.1(0.440+97.4)=107.1N123628.3h15000h所以該軸承的選用也是合格的。3.6 導軌的選擇及潤滑 （1） 銑床上的直線運動部件都是沿著它的床身、立柱、橫梁等支承件上的導軌進行運動

45、的，導軌的作用概括地說是對運動部件起導向和支承作用。在導軌副（如工作臺和床身導軌）中，運動的另一方（如工作臺導軌）叫作動導軌，不動的另一方（如床身導軌）叫做支承導軌。導軌的制造精度及精度保持性對機床加工精度有著重要的影響. 1） 數控銑床對導軌的主要要求如下： 導向精度高 導向精度是指機床的動導軌沿支承導軌運動的直線度（對直線運動導軌）或圓度。無論空載還是加工，導軌都應具有足夠的導向精度，這是對導軌的基本要求。各種銑床對于導軌本身的精度都有具體的規(guī)定和標準，以保證導軌的導向精度。 精度保持性好 精度保持性是指導軌能否長期保持原始精度。影響保持精度性的主要因素是導軌的磨損，此外，還與導軌的結構形

46、式及支承件的材料有關。數控銑床的精度保持性要求比普通機床高，應采用摩擦因數小的滾動導軌，塑料導軌或靜壓導軌。 足夠的剛度 機床各運動部件所受的外力，最后都由導軌面來承受。若導軌受力后變形過大，不僅破壞了導向精度，而且惡化了導軌的工作條件。導軌的剛度主要決定于導軌類型，結構形式和尺寸大小，導軌與床身的連接形式，導軌材料和表面加工質量等。數控銑床的 導軌截面積通常較大，有時還需在主導軌外添加輔助導軌來提高精度。 良好的摩擦特性 數控銑床導軌的摩擦因數要小，而且動、靜摩擦因數應盡量接近，以減少摩擦阻力和導軌熱變形，使運動輕便平穩(wěn)，低速無爬行。 此外，導軌結構工藝性要好，便于制造和裝配，便于檢驗、調整

47、和維修，而且有合理的導軌防護和潤滑措施的等。 導軌按接觸面得摩擦性質可分為滑動導軌、滾動導軌和靜壓導軌三種，其中，數控銑床最常用的是鑲粘塑料導軌和滾動導軌。現采用型號為GGB25AAL2P12700-3的滾動導軌。 2) 滾動導軌特點：滾動導軌是導軌面之間放置滾珠、滾柱、滾針等滾動體，使導軌面之間的滑動摩擦變成滾動摩擦。滾動導軌與滑動導軌相比的優(yōu)點是：靈敏度高，且其動摩擦因數與靜摩擦因數相差甚微，因而運動平穩(wěn)，低速移動時，不易出現爬行現象；定位精度高，重復定位精度可達0.2um；摩擦阻力小，移動輕便，磨損小，精度保持性好，壽命長。但滾動導軌的抗振性較差，對防護要求高。（2）導軌的潤滑潤滑的目的、要求及方法潤滑的目的是為了降低摩擦力、減少磨損、降低溫度和防止生銹。潤滑要求供給導軌清潔的潤滑油。油量可以調節(jié)。盡量采取自動和強制潤滑。潤滑元件要可靠。要有安全裝。例如靜壓導軌在