ZX5725鉆床主軸上下往復(fù)裝置設(shè)計

引言1.課題的意義從20世紀(jì)中葉數(shù)控技術(shù)出現(xiàn)以來，數(shù)控機床給機械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數(shù)控加工具有如下特點：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟(jì)效益的提高。數(shù)控機床是一種高度機電一體化的產(chǎn)品，適用于加工多品種小批量零件、結(jié)構(gòu)較復(fù)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(guān)鍵零件、要求精密復(fù)制的零件、需要縮短生產(chǎn)周期的急需零件以及要求100%檢驗的零件。數(shù)控機床的特點及其應(yīng)用范圍使其成為國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)發(fā)展的重要裝備。復(fù)合機床的含義是指在一臺機床上實現(xiàn)或盡可能完成從毛坯全成品的多種要素加工。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點可分為工藝復(fù)合型和工序復(fù)合型兩類。工藝復(fù)合型機床如鏜銑鉆復(fù)合——加工中心、車銑復(fù)合——車削中心、銑鏜鉆車復(fù)合——復(fù)合加工中心等；工序復(fù)合型機床如多面多軸聯(lián)動加工的復(fù)合機床和雙主軸車削中心等。采用復(fù)合機床進(jìn)行加工，減少了工件裝卸、更換和調(diào)整刀具的輔助時間以及中間過程中產(chǎn)生的誤差，提高了零件加工精度，縮短了產(chǎn)品制造周期，提高了生產(chǎn)效率和制造商的市場反應(yīng)能力，相對于傳統(tǒng)的工序分散的生產(chǎn)方法具有明顯的優(yōu)勢。加工過程的復(fù)合化也導(dǎo)致了機床向模塊化、多軸化發(fā)展。德國Index公司最新推出的車削加工中心是模塊化結(jié)構(gòu)，該加工中心能夠完成車削、銑削、鉆削、滾齒、磨削、激光熱處理等多種工序，可完成復(fù)雜零件的全部加工。隨著現(xiàn)代機械加工要求的不斷提高，大量的多軸聯(lián)動數(shù)控機床越來越受到各大企業(yè)的歡迎。2我國數(shù)控機床發(fā)展現(xiàn)狀及思考我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步于二十世紀(jì)五十年代，通過“六五”期間引進(jìn)數(shù)控技術(shù)，“七五”期間組織消化吸收“科技攻關(guān)”，我國數(shù)控技術(shù)和數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了相當(dāng)大的成績。特別是最近幾年，我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，1998?2004年國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)量和消費量的年平均增長率分別為39.3%34.9%。盡管如此，進(jìn)口機床的發(fā)展勢頭依然強勁，從2002年開始，中國連續(xù)三年成為世界機床消費第一大國、機床進(jìn)口第一大國，2004年中國機床主機消費高達(dá)94.6億美元，但進(jìn)出口逆差嚴(yán)重，國產(chǎn)機床市場占有率連年下降，1999年是33.6%，2003年僅占27.7%。1999年機床進(jìn)口額為8.78億美元（7624臺），2003年達(dá)27.1億美元（23320臺），相當(dāng)于同年國內(nèi)數(shù)控機床產(chǎn)值的2.7倍。國內(nèi)數(shù)控機床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機床的研究開發(fā)方面與國外的差距更加明顯，70%以上的此類設(shè)備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進(jìn)口。由此可以看出國產(chǎn)數(shù)控機床特別是中高檔數(shù)控機床仍然缺乏市場競爭力，究其原因主要在于國產(chǎn)數(shù)控機床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務(wù)意識與能力欠缺、數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。我們應(yīng)看清形勢，充分認(rèn)識國產(chǎn)數(shù)控機床的不足，努力發(fā)展先進(jìn)技術(shù)，加大技術(shù)創(chuàng)新與培訓(xùn)服務(wù)力度，以縮短與發(fā)達(dá)國家之間的差距。1數(shù)控機床的進(jìn)給傳動系統(tǒng)概要數(shù)控機床的進(jìn)給傳動系統(tǒng)常用伺服進(jìn)給系統(tǒng)來工作。伺服進(jìn)給系統(tǒng)的作用是根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)傳來的指令信息，進(jìn)給放大以后控制執(zhí)行部件的運動，不僅控制進(jìn)給運動的速度，同時還要精確控制刀具相對與工件的移動位置和軌跡。因此，數(shù)控機床進(jìn)給系統(tǒng)，尤其是輪廓控制系統(tǒng)，必須對進(jìn)給運動的位置和運動速度的兩個方面同時實現(xiàn)自動控制。一個典型的數(shù)控機床閉環(huán)控制進(jìn)給系統(tǒng)，通常由位置比較、放大元件、驅(qū)動單元、機械傳動裝置和檢測反饋元件等部分組成，而其中的機械傳動裝置是控制中的一個重要環(huán)節(jié)。而本次設(shè)計zx5725鉆銑床主軸上下往復(fù)裝置，便是一個機械傳動裝置。1.1對數(shù)控機床進(jìn)給傳動系統(tǒng)的要求數(shù)控機床進(jìn)給傳動系統(tǒng)承擔(dān)了數(shù)控機床各直線坐標(biāo)軸，回轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸的定位和切削進(jìn)給，進(jìn)給系統(tǒng)的傳動精度，靈敏度和穩(wěn)定性直接影響被加工件的最后輪廓精度和加工精度。為了保證數(shù)控機床進(jìn)給傳給系統(tǒng)的定位精度和動態(tài)性能，對數(shù)控機床進(jìn)給傳動系統(tǒng)的要求主要有以下幾個方面。（1） 低慣量進(jìn)給傳動系統(tǒng)由于經(jīng)常需啟動、停止、變速或反向運動，若機械傳動裝置慣量大，就會增大負(fù)載并使系統(tǒng)動態(tài)性能變差。因此在滿足強度與剛度的前提下，應(yīng)盡可能減少運動部件的自重及各傳動遠(yuǎn)見的直徑和自重。（2） 低摩擦阻力進(jìn)給傳動系統(tǒng)要求運動平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確、快速響應(yīng)特性好、必須減少運動部件的摩擦阻力和動摩擦系數(shù)與靜摩擦系數(shù)之差。所以導(dǎo)軌采用具有較小的摩擦系數(shù)和高耐磨性的滾動導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌和滑動導(dǎo)軌。此外進(jìn)給傳動系統(tǒng)還普遍采用了滾珠絲杠副。（3） 高剛度數(shù)控機床進(jìn)給傳動系統(tǒng)的高剛度主要取決于滾珠絲杠副（直線運動）或渦輪蝸桿副（回轉(zhuǎn)運動）及其支撐部件的剛度（4） 高諧振。為了提高進(jìn)給的抗振性，應(yīng)使機械構(gòu)件具有較高的固有頻率和合適的阻尼，一般要求進(jìn)給傳動系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)高于伺服驅(qū)動系統(tǒng)的固有頻率2?3倍。無傳動間隙。為了提高位移精度，減小傳動誤差，對采用的各種機械部件首先要保證它們的加工精度，其次要盡量消除各種間隙，因為機械間隙是造成進(jìn)給傳動系統(tǒng)反向死去的另一主要原因。因此對傳動鏈的各個環(huán)節(jié)，包括聯(lián)軸器、齒輪傳動副及其支撐部件均應(yīng)采用消除間隙的各種結(jié)構(gòu)措施。但是采用預(yù)緊等各種措施后仍有可能留有微量間隙，所以在進(jìn)給傳動系統(tǒng)反向運動時仍有數(shù)控裝置發(fā)出脈沖指令進(jìn)行自動補償。2確定傳動方案2.1設(shè)計傳動方案本次設(shè)計為zx5725主軸上下往復(fù)裝置設(shè)計，其主要目的是實現(xiàn)主軸加工精度，并且除能實現(xiàn)鉆削加工外，還能實現(xiàn)實現(xiàn)鏜削和銑削。傳動系統(tǒng)為進(jìn)給傳動系統(tǒng)，可以列出以下傳動方案方案1電機——齒輪傳動一滾動絲杠螺母機構(gòu) 主軸箱方案2電機 鏈傳動 主軸箱2.2比較優(yōu)缺點鏈傳動是一種擾性傳動，優(yōu)點是制造安裝精度要求低，成本低，整體尺寸較小，其缺點是不能保持恒定的瞬時傳動比。滾珠絲杠具有以下優(yōu)點，摩擦損失小，機械效率高，滾珠絲杠螺母的機械效率在0.92-0.96之間，運動靈敏，低速時無爬行，軸向剛度高，反向定位精度高，數(shù)控機床可利用大扭矩的步進(jìn)電機經(jīng)滾珠絲杠螺母機構(gòu)直接帶動主軸箱，可以減少電機的功率，手搖時可用滾珠絲杠螺母機構(gòu)來減輕疲勞強度。故選用方案1。

2.3工作原理圖圖2.1工作原理圖由于滾珠絲杠副的傳動效率高，無自鎖作用，故必須裝有制動裝置（特別

是滾珠絲杠處于垂直傳動時）。所以必須加一個單向超越離合器，起自鎖作用。3電機、聯(lián)軸器及離合器的選擇3.1概述聯(lián)軸器和離合器是機械中常用的部件。他們主要用來連接軸與軸（或連接軸與其他回轉(zhuǎn)零件），以傳遞運動與轉(zhuǎn)矩；有時也可用做安全裝置。根據(jù)工作特性，它們可以分為以下4類：1） 聯(lián)軸器用來把兩軸連接在一起，機器運轉(zhuǎn)時兩軸不能分離；只有在機器停車后并將連接拆開后，兩軸才能分離。2） 離合器在機器運轉(zhuǎn)過程中，可使兩軸隨時結(jié)合或分離的一種裝置。它可用來操縱機器傳動系統(tǒng)的斷續(xù)，以便進(jìn)行變速或換向等。3） 安全聯(lián)軸器及安全離合器在機器工作時，如果轉(zhuǎn)矩超過規(guī)定值時，這種聯(lián)軸器及離合器即可自行分離或打滑，以保證機器中的主要零件不致因過載而損壞。4） 特殊功用的聯(lián)軸器及離合器用于某些特殊要求出處，例如在一定的回轉(zhuǎn)方向或達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速時，聯(lián)軸器或離合器即可自動結(jié)合或分離。3.2聯(lián)軸器的計算及校核由于機器啟動時的動載荷和運轉(zhuǎn)中可能出現(xiàn)的過載現(xiàn)象，所以按軸上的最大轉(zhuǎn)矩為計算轉(zhuǎn)矩I"KATT=KT=1.3x9.55x106孺N?mm=5.696x103N?mm式中：T為公稱轉(zhuǎn)矩，N?mm；K^為工作情況系數(shù)，取1.33.3確定聯(lián)軸器的型號根據(jù)計算轉(zhuǎn)矩T所選取聯(lián)軸器類型為彈性套柱銷聯(lián)軸器，其型號為TL4。選取電機ca為步進(jìn)電機，其額定功率為0.5kw、額定轉(zhuǎn)矩235.363.4聯(lián)軸器的校核類型選擇為了隔離振動與沖擊，選用彈性套柱銷聯(lián)軸器。載荷計算公稱轉(zhuǎn)矩T=9.55x106gN?mm=2.101x103N?mm1000計算轉(zhuǎn)矩T=KTT=KT=1.3x9.55x106*N?mm1000=5.696x103N?mm型號選擇從GB4323-84查得TL4彈性套柱銷需用轉(zhuǎn)矩為250N?mm，許用最大轉(zhuǎn)速為3800r'min軸徑在20~42之間，故合用。4傳動件的有關(guān)計算4.1齒輪的估算按接觸疲勞和彎曲強度計算次論模數(shù)比較復(fù)雜，而且有些系數(shù)只有在齒輪各參數(shù)都已知的情況先才能確定，所以只在草圖畫完之后校核用。在畫草圖之前，先估算，再選用標(biāo)準(zhǔn)齒輪模數(shù)。選取q=38，z=19齒輪彎曲疲勞強度的估算:齒面點蝕的估算:齒面點蝕的估算:A為齒輪中心矩，由中心矩A及齒數(shù)A為齒輪中心矩，由中心矩A及齒數(shù)zi，Z2求出模m>32其中nj為大齒輪的計算轉(zhuǎn)速數(shù)mj=2A/（七+知）mm根據(jù)估算所得mw和mj?中較大的值，選擇相近的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)，各齒輪的計算轉(zhuǎn)數(shù)為：n1=2000r/min n2=1000r/min軸I—II間傳動組齒輪模數(shù)的估算齒輪彎曲疲勞估算:NNA>370 =370x3n齒輪點蝕的估算:7.5——=81.76mm695m=2A/(Z1+Z2)=2x81.76/(38+76)=1.94mm所以模數(shù)為m=2.

所以齒輪1的直徑為76,齒輪2的直徑為384.2傳動軸的計算傳動軸應(yīng)滿足強度和剛度的要求。強度方面的要求是，保證軸在反復(fù)彎曲載荷和扭轉(zhuǎn)載荷下不發(fā)生疲勞破壞。剛度方面的要求是，軸在彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷下不致產(chǎn)生過大的變形。如果剛度不足，則裝在軸中不的齒輪會因軸的擾度過大而破壞他們的正常嚙合關(guān)系，并產(chǎn)生振動：裝在軸兩端的齒輪和軸承，會因傾角過大而壓強分布不均，產(chǎn)生不均勻的磨損和過大的噪聲。如果扭轉(zhuǎn)剛度不足，則會產(chǎn)生扭振。4.2.1軸的材料選擇選用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理HB=260初步估計軸的直徑按扭轉(zhuǎn)剛度傳動軸直徑進(jìn)行估算d=叫工、勺加］mm其中：d——傳動軸的直徑mm；P 該軸傳遞的功率Kw；nj 該軸的計算轉(zhuǎn)速r/min；［中］ 該軸允許的扭轉(zhuǎn)角deg/m，在［1］中按表21選取，?。壑校?1deg/m。4.2.2軸的估算=91=91:=91=91:0.4442000x1=11.08mm由于該軸與聯(lián)軸器連接，初選聯(lián)軸器為彈性套注銷聯(lián)軸器，初選軸孔內(nèi)徑為18mm，所以該軸公稱為18mm。因為該軸為空心軸，根據(jù)⑵表15-1鍵聯(lián)結(jié)的類型、特點、和應(yīng)用選普通平鍵，鍵的主要尺寸為其截面尺寸（一般以鍵寬bx鍵高h(yuǎn)表示）與長度l。鍵的截面尺寸bxh按軸的直徑d由標(biāo)準(zhǔn)中選定。鍵的長度一般按輪轂的長度而定，即鍵長等于或略短于輪轂的長度，一般輪轂的長度可取1=（1.5?2）d：8X4X401） 初選滾動軸承傳動采用的是直齒輪，因其基本不受軸向力影響故采用角接觸球軸承62032） .初步確定傳動軸的軸向徑向尺寸（1） 考慮到初步估計的直徑與軸承內(nèi)圈的通用性的要求由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0基本游隙組、標(biāo)準(zhǔn)精度級的背靠背角接觸軸承70000AC，故此段軸徑d=20mm。（2） 考慮到整體布局的緊湊性，安裝的方便性以及潤滑等，參考結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖；I軸的長度為：L=200mm4.2.3軸的校核1）.按彎扭合成強度校核軸的強度繪制軸受力簡圖圖4.1（a）受力簡圖M 刮 ￡1A 1圖4.1（b）垂直受力圖圖4.1（c）垂直彎矩圖圖4.1(d)水平受力圖圖4.1(e)水平彎矩圖圖(f)扭矩圖由力矩平衡條件確定齒輪受力0.44x0.992丁 2x9.55x106——^^00——FtA一 38 218N耳a=F/M=218xtan20o=79.08N(2)繪制垂直彎矩圖見圖(c)耳A-耳BV—FrCV=0F『ALAB—FrCVLBC=0艮即79.8X44+FrCVX175=0FrCV=20.04NMrA=FrAxLab=79.8x44=3511.2N-mmMrc=FrDxLc2感翊處1亨1=3026N-mmMa=上a= 2 =5450繪制水平面彎矩圖見圖(e)FA=FrBH+FrcHFtAxLAB=FrCHLBD+FtC*LBC即：218X44-619.04X27-FchX279=0FrCH=101.89FrCHNMtC=FrDHxLcd=101.89x252=25676.28N-mm

所以在C處的受力最大，最危險；故此處為危險截面。且MtA=MH=25676.28N?mm總彎矩M1=VMh2+M,a2=J25676.282+4259.862=26027.25N.mmM2=dMH2+MC2=、F25676.282+9341.642=27275.86N.mm(5)繪制轉(zhuǎn)矩圖T=9.55x1060.44乂0.99=4159.98N?mm1 10008T8TmaxO' =jy (D2-d2)lZ中8x4159.98(242—202)x139x6x0.7=1.59Mpa查《金屬切削機床設(shè)計指導(dǎo)》翁世修王良申主編上海交通大學(xué)出版社，1986年2,按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度進(jìn)行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險截面）的強度。根據(jù)［5］式（15-5）以及軸的單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈沖循環(huán)應(yīng)力，取8=0.6，軸的計算應(yīng)力：O=Jm22+（8T1）2caW式中：M2——該截面的最大彎矩N?mm；T1——該軸的的轉(zhuǎn)矩N?mm；W——該截面的抗彎截面系數(shù)mm4;普通平鍵軸：W=業(yè)+bt(d-r)232 32d式中：d一平鍵的外徑mm；t-平鍵軸的鍵高mmb—平鍵軸的鍵寬mm；所以：

W=3.14x23+8X4(24-4)2=⑶勺刃mm432 32x24044x099bca27275.862+(0.6x9.55x106-H2T-)2bca1000=22.36Mpa查[5],由表15—1,取[。-1]60MPa[。ca]^[o-1]，故安全3,按軸的扭轉(zhuǎn)剛度校核計算軸的扭轉(zhuǎn)變形用每米長的扭轉(zhuǎn)角來中表示;9.55x106中=5.73x1040.44x0.99

1^8.1x104x8750.3859.55x106中=5.73x1040.44x0.99

1^8.1x104x8750.385式中：T一軸所受的扭矩N?mm；G一軸的材料的剪切彈性模量MPa,對于鋼材,G=8.1X104;Ip一軸的截面慣性矩;軸的截面慣性矩：W=+-bt（dT）2T162d式中：d—平鍵軸的外徑mm；t-平鍵軸的鍵高mm；b—平鍵軸的鍵寬mm；,3.14x184+4x8x(24-20)2Ip=64Ip=8750.385mm4所以;9.55x106中=5.73x1040.44x0.99

1^8.1x104x8750.385=1.5o/m故合適

4.3絲杠副的有關(guān)計算4.3.1主軸銑削力計算Zx5725鉆銑床加工方式與數(shù)控銑床相似，因此按計算銑床的銑削公式計算其銑削力。主銑削力Fc計算：Zx5725鉆銑床屬于立銑加工，刀具選用材料為硬質(zhì)合金鋼，加工材料為鋼材，查表，選用公式：（1）Fc=CFKFae0.86af0.72d0-0.86Zap（1）式（1）中，CF：切削系數(shù)。查［8］表30—20P1020取CF=669KF：修正系數(shù)。查表30—21取CF=1.08ae：銑削寬度。查表30—35取ae=1.5mmaf：每齒進(jìn)給量。查表30—35取af=0.1mmd0：銑刀直徑。查表30—35取d0=8mmZ：銑刀齒數(shù)。查表30—35取Z=6ap：銑削深度。查表30—35取ap=0.5mm代入式（1）得：Fc=669X1.08X1.50.86X0.10.72X8-0.86X6X0.5◎97.89N垂直分力Fz、橫向分力Fx，縱向分力Fy計算：根據(jù)［7］表8-6P202，各銑削分力的比值可得：FZ=0.38； FX=0.85； Fy=0.77Fc Fc Fc計算可得：Fz=37.20N;Fx=83.21N;Fy=75.38N主軸銑削力相關(guān)計算值表4-197.89N37.20N83.21N75.38N主銑削力Fc97.89N37.20N83.21N75.38N垂直分力Fz橫向分力Fx縱向分力Fy

4.3.2滾珠絲杠副的選擇計算（1） 確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程PhVmaxPh二ixnmax（2） Ph:滾珠絲杠副的導(dǎo)程mmVmax:主軸箱最高移動速度m/minnmax:電機最高轉(zhuǎn)速r/mini：傳動比因zx5725鉆銑床伺服電機與滾珠絲杠副通過齒輪減速裝置傳遞力矩，因此傳動比i=0.5根據(jù)表［5-1］的技術(shù)參數(shù)可知，Vmax=5m/min;根據(jù)電動機功率為400W,查得nmax=2000r/min代入式（2）得5P=Ph 1x3000=1.67mmP1選擇導(dǎo)程為5mm的滾珠絲杠副2）確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷當(dāng)負(fù)荷與轉(zhuǎn)速接近正比變化時，各種轉(zhuǎn)速使用機會均等時，可采用下列公式計算。當(dāng)量轉(zhuǎn)速n二—（3）m 2n:當(dāng)量轉(zhuǎn)速r/minnmax:滾珠絲杠副的最高轉(zhuǎn)速。因zx5725鉆銑床伺服電機與滾珠絲杠副采用一級減速方式連接，傳動比i=0.5。電動機所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速即為滾珠絲杠副的最高轉(zhuǎn)速，所以nmax=3000r/minnmin:滾珠絲杠副的最低轉(zhuǎn)速。nmin=0代入式）（3）0得nm=nm==1500r/min當(dāng)量載荷2\+二Fm= 3 （4）Fm：當(dāng)量載荷N；Fmax：機器承受最大負(fù)荷時滾珠絲杠副的傳動力。Fmax=G1+〃XFy=500+0.1X37.2=503.72N。Fmin:機器空載時滾珠絲杠副的傳動力。因所計算的絲杠帶動Z軸方向的運動。所以Fmin=G1=500N代入式（4）得2x503.72+500Fm= 3◎501N3）確定預(yù)期額定動載荷滾珠絲杠副在同樣條件下使用壽命超過希望壽命的90%以上時fc根據(jù)［14］表-8P19選。按滾珠絲杠副的預(yù)期工作時間Lh（小時）計算：C=3；60nLXFJW （N） （5）ammh 100ffCam:確定預(yù)期額定動載荷NLh：預(yù)期工作時間（小時）。查［14］表-6P19取Lh=20000h。fa：精度系數(shù)。根據(jù)初定的精度等級P4,查［14］表-7P19取fa=0.9。fc：可靠性系數(shù)。一般情況下為fc=1。在重要場合，要求一組同樣的fw：負(fù)荷系數(shù)。根據(jù)負(fù)荷性質(zhì)選擇，查［14］表-9取fw=1。代入式（5）得500x1Cam=360x1000x20000X100x0.9x1◎9200N擬采用預(yù)緊滾珠絲杠副，按最大載荷Fmax計算Cam=feXFmaxfe：預(yù)加負(fù)荷系數(shù)。查［14］表-10P19取fe=4.5代入式（6）得Cam=4.5X503.7=2589N取以上2種結(jié)果的最大值Cam=9200N4）按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑d2m

估算滾珠絲杠的最大允許軸向變形量。m1 10m^（3?4）X重復(fù)定位精度1 1。m^（4?5）x定位精度0m：最大軸向變形量^m由表［2-1］可知，重復(fù)定位精度為0.005mm，定位精度為0.01mm0m=1.5pm0m=2pm取兩種結(jié)果的小值0m=1.5pm估算滾珠絲杠副的底徑d2m絲杠無預(yù)拉伸要求，取一端固定，一端游動的支承形式.叫目d2m\2X10*疝mE=0.078、m （7）d2m:最小螺紋底徑mmE：楊氏彈性模量。E=2.1X105N/mm20m：估算的滾珠絲杠最大允許軸向變形量⑷m）已求得為0m=1.5pmF0：導(dǎo)軌靜摩擦力（N）F0=|J0XW（p0為靜摩擦系數(shù)）。根據(jù)［14］表查得.0=0.2；W=G1=503.7NF0=p0XW=0.2X690.18=138NL為滾珠螺母全滾珠絲杠固定端支撐的最大距離（mm）LQ行程+安全行程+兩個余程+螺母長度+一個支承長度◎（1.1?1.2）行程+（10?14）Ph由表2-1：Z向最大行程為200mmL◎1.2X200+14X5=310mm代入式（7）得d疔d疔0.0781115x310~~T5=12mm5）確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號根據(jù)傳動方式以及使用情況，選擇法蘭式雙螺母內(nèi)循環(huán)形式;由計算出的Ph、Cam、d2m，可選擇相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副：FFZD2505-39(型號)Ph=5Ca=10200N>Cam=9396Nd2=21.9mm>d2m=11.8mm確定滾珠絲杠副預(yù)緊力Fp=3Fmax (8)其中Fmax=503.78NFpF70N行程補償值與預(yù)拉伸力行程補償值C=11.8AtLuX10-6 (9)其中，C：行程補償值pm△t：溫度變化值2°C-3°C，取△t=2.5°CLu：滾珠絲杠副的有效行程(mm)LuQ主軸箱行程+螺母長度+兩個安全行程◎行程+(8?14)Ph=200+14X5=270mm代入式(9)得C=24.24X2.5X310X103X10-6◎18pm預(yù)拉伸力EFt=L=1.95Atd22 (10)=1.95X2.5X252◎3046N確定滾珠絲杠副支撐用的軸承型號規(guī)格軸承所承受的最大軸向載荷FBmax=Ft+Fmax (11)=3046+503.7=3549N軸承類型

兩端固定支承形式，一端選面對面（DF）角接觸球軸承，軸承內(nèi)徑 1d略小于d2=21.9，F(xiàn)BP=3FBmax取d=20mm代入得FBP=3X3621=1207N軸承預(yù)緊力預(yù)加負(fù)荷'FBP=1207N選擇軸承型號規(guī)格當(dāng)d=24mm,預(yù)加負(fù)荷'FBP=1207N所以選擇7204AC型軸承9）滾珠絲杠副工作圖絲杠螺紋長度Ls=Lu+2Le由［14］表-2P11查得余程Le=20代入式（12）得Ls=310+2X20=35010）傳動系統(tǒng)剛度絲杠最小抗壓剛度TOC\o"1-5"\h\zK=1.65空X102 （13）smin L1Ksmin：最小抗壓剛度 N/pmd2:絲杠底徑L1：固定支承距離。L=^Stk=350:500=425i2 2代入式（13）得K =1.65X2192X102=186N/umsmin 425絲杠最大抗壓剛度d2LK=1.65———一X102一端選深溝球軸承(12)(14)4'°（'1?）

一端選深溝球軸承(12)(14)Ksmax：最大抗壓剛度 N/pmL0：行程起點離固定支承距離，查［14］表，其滾珠螺母的全長為84mm,取L0^75mmK=1.65XsmaxX10221.92x375K=1.65XsmaxX1024x75(375—75)=320N/pm11） 滾珠絲杠副臨界壓縮載荷Fc的校驗（驗算壓桿穩(wěn)定性）絲杠所受最大軸向載荷Fmax小于絲杠預(yù)拉伸力Ft滾珠絲杠副臨界壓縮載荷F不用驗算12） 滾珠絲杠副的極限轉(zhuǎn)速nc的校驗d ,、n=fX107 （15）c2nc：臨界轉(zhuǎn)速 n/min仁與支撐形式有關(guān)的系數(shù)，查［14］表-14P24，取f=21.9Lc2：臨界轉(zhuǎn)速計算長度（mm），Lc2=L1-L0=300mm代入式（15）得n=21.9X219X107c 3002二53290>n=2000合格Dn值校驗Dn=DPWXnm^70000 (16)其中，DPW：滾珠絲杠副的節(jié)圓直徑（mm）DPWM2+DWDW：剛球直徑，查［14］表可得DW=3.5mmDPW221.9+3.5=25.4代入式（16）得

Dn二DPWXnm=25.4X1500=38100V70000合格14）基本軸向額定靜載荷Coa驗算fsFamax忍Coa （17）式中：Coa:滾珠絲杠副的基本軸向額定靜載荷（N）。查［14］表P38,可得Coa=23600Nfs:靜態(tài)安全系數(shù)。一般載荷fs=1?2，有沖擊或振動的載荷fs=2?3Famax:軸向最大載荷（N）fsFamax=1.5X697.718=1047□23600校驗合格15）強度驗算g］.4兀d2>F （18）式中：、］:許用應(yīng)力（N/mm2）。根據(jù)滾珠絲杠材料OCr13,查［21］,可知言］=390MPa代入式（18）得g]?-兀d2=390x1x兀x21.92=146907N；F=697.718NL_l4 2 4 max顯然g]?-兀d2□F4 2 amax強度滿足滾珠絲杠副選擇的主要計算值表4-2滾珠絲杠副的導(dǎo)程

當(dāng)量轉(zhuǎn)速

當(dāng)量載荷預(yù)期額定動載荷

最小螺紋直徑

滾珠絲杠副預(yù)緊力

行程補償值預(yù)拉伸力

絲杠長度

絲杠最小抗壓剛度Ph=5mmn=1500r/minmRm=501NCam=695.21ND2滾珠絲杠副的導(dǎo)程

當(dāng)量轉(zhuǎn)速

當(dāng)量載荷預(yù)期額定動載荷

最小螺紋直徑

滾珠絲杠副預(yù)緊力

行程補償值預(yù)拉伸力

絲杠長度

絲杠最小抗壓剛度Fp=503.7NC=18|jmK.=211N/|jmsminK.=211N/|jmsminKsmaxKsmax=330N/@絲杠最大抗壓剛度極限轉(zhuǎn)速

基本軸向額定靜載荷n=53290n/mincCoa=23600N5滾珠絲杠機構(gòu)的設(shè)計5.1滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠螺母副是回轉(zhuǎn)運動與直線運動相互轉(zhuǎn)換的一種新型傳動裝置，在數(shù)控機床上得到了廣泛的應(yīng)用。它的結(jié)構(gòu)特點是在具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間傳動元件，以減少摩擦。本次設(shè)計采用滾珠絲杠螺母副，其運動方式是滾珠絲杠螺母副的移動帶動主軸箱的上下移動。5.2滾珠絲杠螺母副工作原理滾珠絲杠螺母副工作原理，如圖5-1所示。圖中絲杠和螺母上都加工有圓弧形的螺旋槽，當(dāng)它們對合起來就形成了螺旋滾道。在滾道內(nèi)裝有滾珠，當(dāng)絲杠與螺母相對運動時，滾珠沿螺旋槽向前滾動，在絲杠上滾過數(shù)圈以后通過回程引導(dǎo)裝置，逐個地又滾回到絲杠與螺母之間，構(gòu)成一個閉合的回路。圖5-1圖5-1滾珠絲杠螺母副工作原理圖圖5-2 螺紋滾道法向截面形式5.3滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)滾珠絲杠的螺紋滾道法向截面有單圓弧和雙圓弧兩種不同的形狀，如圖5-2所示（a）為單圓弧、b）為雙圓?。?。其中單圓弧工藝簡單，雙圓弧性能較好。5.4滾珠的循環(huán)方式本次設(shè)計采用外循環(huán)滾珠絲杠滾珠在循環(huán)過程結(jié)束后，通過螺母外表面上的螺旋槽或插管返回絲杠間重新進(jìn)入循環(huán)。如圖5-3a）所示為插管式，它用彎管作為返回管道，這種形式結(jié)構(gòu)工藝性好，但由于管道突出于螺母體外，徑向尺寸較大。如圖5-3b）所示為螺旋槽式，它是在螺母外圓上銑出螺旋槽，槽的兩端鉆出通孔并與螺紋滾道相切，形成返回通道，這種形式的結(jié)構(gòu)比插管式結(jié)構(gòu)徑向尺寸小，但制造較復(fù)雜。圖5-3外循環(huán)滾珠絲杠5.5滾珠絲杠的支承方式數(shù)控機床的進(jìn)給系統(tǒng)要獲得較高的傳動剛度，除了加強滾珠絲杠螺母本身的剛度外，滾珠絲杠的正確安裝及其支承的結(jié)構(gòu)剛度也是不可忽視的因素。螺母座、絲杠端部的軸承及其支承加工的不精確性和它們在受力后的過量變形，都會給進(jìn)給系統(tǒng)的傳動剛度帶來影響。因此，螺母座的孔與螺母之間必須保持良好的配合，并應(yīng)保證孔對端面的垂直度，螺母座應(yīng)增加適當(dāng)?shù)睦甙?，并加大螺母座和機床結(jié)合部件的面積，以提高螺母座的局部剛度和接觸剛度。滾珠絲杠的不正確及支承結(jié)構(gòu)的剛度不足，會使?jié)L珠絲杠的壽命大大下降。因此要注意軸承的選用和組合，尤其是軸向剛度要求較高，為了提高支承的軸向剛度，選擇適當(dāng)?shù)臐L動軸承及其支承方式是十分重要的。常用的支承方式有下列幾種，如圖5-4所示。（1）一端裝止推軸承（固定-自由式）。這種安裝方式如圖5-4a）所示。其承載能力小，軸向剛度低，僅適用于短絲杠，如用于數(shù)控機床的調(diào)整環(huán)節(jié)或升降臺式數(shù)控機床的垂直坐標(biāo)中。(a)(b)(a)(b)（c） （d）圖5-5滾珠絲杠的支承結(jié)構(gòu)（2） 一端裝止推軸承，另一端裝深溝球軸承（固定-支承式）這種安裝方式如圖5-4b）所示。當(dāng)滾珠絲杠較長時，一端裝止推軸承固定，另一端由深溝球軸承支承。為了減小絲杠熱變的影響，止推軸承的安裝位置應(yīng)遠(yuǎn)離熱源（如液壓馬達(dá)）。（3） 兩端裝止推軸承。這種安裝方式如圖5-4c）所示。將止推軸承裝在滾珠絲杠的兩端，并施加預(yù)緊拉力，有助于提高傳動剛度。但這種安裝方式對熱伸長較為敏感。（4） 兩端裝雙重止推軸承及深溝球軸承（固定-固定式）。這種安裝方式如圖5-14d）所示。為了提高剛度，絲杠兩端采用雙重支承，如止推軸承和深溝球軸承，并施加預(yù)緊拉力。這種結(jié)構(gòu)形式，可使絲杠的熱變形能轉(zhuǎn)化為止推軸承的預(yù)緊力。本次設(shè)計采用兩端固定方式。5.6制動裝置由于滾珠絲杠副的傳動效率高，無自鎖作用，故必須裝有制動裝置（特別是滾珠絲杠處于垂直傳動時）。在機床停車的過程中，主軸箱上下移動時，由于主軸箱的重量及慣性，會繼續(xù)下滑，為了防止主軸箱的進(jìn)一步的下滑，必須采用制動裝置，此次設(shè)計采用單向超越離合器制動。此外，當(dāng)機床一旦發(fā)生事故時，也可及時制動，以避免事故的擴(kuò)大。6支撐件的選取支撐件是機床的基礎(chǔ)構(gòu)件，如床身、立柱、橫梁、搖臂、底座、箱體、刀架及工作臺。機床的各種支撐件中有的互相固定連接，有的則在導(dǎo)軌上相對運動。在切削中。刀具與工件相互作用的力沿著大部分支撐件逐個傳遞并使之變形。支撐件的變形和振動加工精度和光潔度。因此支撐件是機床十分重要的構(gòu)件。6.1對支撐件的基本要求是1應(yīng)有足夠的剛度，機制城建在規(guī)定的最大載荷（額定載荷）作用下，變形不得超過一定的數(shù)值，以保證刀具和工件的相對位移不超過加工精度允差。2應(yīng)該具有足夠的抗振性。抗振性包括兩房面的意義：（1）抵抗受迫振動的能力：（2）抵抗自激振動的能力。3一般應(yīng)具有較小的熱變形和熱應(yīng)力。4應(yīng)該排屑暢通，吊運安全，并且有良好的工藝性以便于制造和裝配。支撐件根據(jù)其形狀，可分為3大類：1一個方向的尺寸比另兩個方向大的多的零件。如床身、立柱。橫梁等。這一類零件看作是梁件。2兩個方向的尺寸比第三個方向大的多的零件。如底座、工作臺、及刀架等。這一類零件可看做是板件。3三個方向尺寸都差不多的零件。如箱體及升降臺等，這類零件可看作是箱體件。6.2支撐件的靜力分析1.中小型普通機床這類機床的外載荷以切削力為主。工件重量，移動部件（如車床的刀架）的重量等相對較小，在受力和變形分析時可忽略不及，中小型普通車床、銑床，立式鉆床和搖臂鉆床等都屬于這一類。6.3機床和支撐件的動態(tài)特性設(shè)計支撐件時，首先應(yīng)該滿足靜態(tài)要求，而且還要滿足動態(tài)的要求。機床是一個多自由度的振動系統(tǒng)。整臺機床與基礎(chǔ)件有彈性聯(lián)系，機床各構(gòu)件間也有彈性連接。因此，可以出現(xiàn)各種形態(tài)的振動。機床的基本振動形態(tài)主要去決于主振系統(tǒng)。振型主要有以下幾種。（1） 整機搖晃振動。（2） 構(gòu)件兩個方向的彎曲振動。（3） 構(gòu)建的扭轉(zhuǎn)振動（4） 結(jié)合面間的振動。（5） 薄壁振動。提高機床的抗振性就是降低其動態(tài)柔度，其方法有（1） 提高靜剛度。（2） 減輕重量。（3） 加大阻尼。6.4支撐見的結(jié)構(gòu)設(shè)計1材料和熱處理支撐件的材料，主要為鑄鐵和剛。對于鑄鐵的支撐件。2設(shè)計原則（1） 提高支撐件的剛度。（2） 選取有利的截面形狀。機床支撐件受載荷的情況是復(fù)雜的，但不外乎拉、壓、彎、扭四種情況及其組合。（3） 設(shè)置隔板和加強筋。（4） 提高連接處的局部剛度和接觸剛度。6.5立柱立柱是立式的床身。根據(jù)受載荷的情況，立柱有兩類：（1）外載荷作用于立柱的對稱面，如立式鉆床的立柱：（2）受空間載荷如銑床、鏜床等。（1） 截面形狀。（2） 隔板和筋。（3） 外壁上的窗孔。本次設(shè)計采用方形立柱。

圖6.1立柱6.6底板和底座底板的用途是（1）增加立柱的穩(wěn)定性和安裝的可靠性。（2）底板用來安裝固定不動的部件。6.7箱體箱體（如床頭箱體）截面形狀一般為矩形。提高箱體剛度的有效方法是提高箱壁直接受載荷的剛度。6.8導(dǎo)軌1導(dǎo)軌的功用和分類，按運動性質(zhì)分為：（1） 主運動導(dǎo)軌。（2） 進(jìn)給運動導(dǎo)軌。（3） 移置導(dǎo)軌。2按摩擦性質(zhì)分為（1） 滑動導(dǎo)軌。（2） 滾動導(dǎo)軌。二導(dǎo)軌應(yīng)滿足的要求1對導(dǎo)軌的一般的要求導(dǎo)向精度。精度保持性。低速運動平穩(wěn)性。機構(gòu)簡單、工藝性好。2對導(dǎo)軌的精度和光潔度的要求幾何精度。接觸精度。表面光潔度。本次設(shè)計導(dǎo)軌選擇為直線導(dǎo)軌。7數(shù)控控制7.1伺服系統(tǒng)由于本次主軸上下往復(fù)裝置設(shè)計為數(shù)控裝置，所以本次伺服控制方式為開環(huán)控制，數(shù)控機床的控制工作原理如下開環(huán)控制數(shù)控機床，該機床沒有檢測反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號流程是單向的，其精度主要取決于驅(qū)動器件和電機（如步進(jìn)電機的性能）。主軸箱的移動速度和位移量是由輸入脈沖的頻率和脈沖數(shù)決定的7.2電氣部分圖中，1C主軸箱電機起動接觸器，2C是進(jìn)給電機起動接觸器，1XK,2XK是限位開關(guān)。工作原理;按起動按鈕2AN，接觸器2C通過2NK及2XK的常閉接觸點按電并自鎖。進(jìn)給電機起動旋轉(zhuǎn)，主軸箱向下移動接近被加工零件的需加工部位，當(dāng)進(jìn)給到一定部位時，壓下1XK，其常開觸點閉合，1C接通，主軸電機起動旋轉(zhuǎn)，接著壓下2XK（其常閉觸點斷