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Abstract
摘 要
此次是設計完成一臺立式數(shù)控鏜床的機械部分。在設計中首先要合理的完成鏜床總體結構布局，包括床身結構設計，立柱結構布局和工作臺結構設計。其次對主軸系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)進行分析并設計計算，其中主軸系統(tǒng)的包括主軸、齒輪、液壓缸，伺服系統(tǒng)包括伺服電機、滾珠絲杠、軸承等。同時對滾動導軌和刀庫進行了選型設計，最后對主軸、滾珠絲杠、軸承進行了強度等·校核計算。
因此要設計一臺數(shù)控鏜床，首先要了解數(shù)控鏜床的結構與工作原理，其次操作、維修、改進數(shù)控鏜床也至關重要。本文介紹了數(shù)控鏜床的主軸系統(tǒng)、伺服進給系統(tǒng)、刀庫轉換系統(tǒng)等的設計要求及結構特點，對于系統(tǒng)各個部件也作了相關介紹。
關鍵詞：數(shù)控鏜床；伺服電機；滾珠絲杠；軸承；液壓缸
關鍵詞： Abstract
In design, you can see the machining part design of verteal machining center. In the design, we deal with such systerm problems as the selection of motors,ballscrew,bearing and such headshaft systerm as gear hydraulic pressure iar and lathebed worktable.We explain the choosing of the material of rarious kmds and the assembling of the whole machine. And we check and calculate of the whole machine . And we cheak and calculate the main machine compoents.
Therefore study the structure and working principle is the premise of operate、maintain、improve Numerical-controlled millng machine, it is the basic of designing Numerical-controlled millng machine.Introduced the characteristics, the design request and the structure characteristicses of Principal axis system 、Servo system and Tools system of Numerical-controlled millng machine according to this text, also made a introduction for the system parts.
KeyWords： Numerical control millng machine;Ballserew;Hydraulic pressure jar;
Headshaft.
V
I
目 錄
目 錄
摘 要 I
關鍵詞： Abstract II
1 綜述 1
2 機械結構及布局設計 5
2.1 床身結構設計 5
2.1.1 對床身結構的基本要求 5
2.1.2 床身結構布局及截面形狀 6
2.2 立柱的結構布局 6
2.2.1 對立柱的條件要求 6
2.2.2 立柱的結構布局 6
2.3 工作臺的結構設計 7
2.3.1 T形槽 8
2.3.2 工作臺其余結構 8
3 滾珠絲杠的設計 10
3.1 滾珠絲杠的傳動特點 10
3.2 滾珠絲杠副的運動原理 11
3.2.1 x向絲杠螺母副的設計 11
4.2.2 y向絲杠的選型 17
4.2.3 z向絲杠螺母的設計 17
4.3 滾珠絲杠副的傳動特點 17
4.4 電機的選型設計 18
4.4.1 伺服控制電機的基本要求 18
4.4.2 伺服電機的選型設計 18
3 數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)設計 24
3.1 主軸組件設計 24
3.2 主軸組件需要滿足的條件 24
3.2.1 回轉精度 25
3.2.2 主軸的剛度 25
3.2.3 主軸的抗震性 25
3.2.4 主軸的溫升 26
3.2.5 主軸的耐磨性 26
3.2.6 主軸的承載能力 26
3.3 主軸的設計 27
3.3.1 主軸的轉動 27
3.3.2 主軸傳動部件位置的合理布置 28
3.4 主軸的結構設計 29
3.4.1 主軸設計 29
3.4.2 主軸的設計計算 30
3.5 軸端設計 31
3.6 主軸的校核 32
3.6.1 主軸箱齒輪強度校核 32
3.6.2 齒輪接觸疲勞強度的校核 33
3.6.3 主軸強度的校核 33
3.7 主軸箱的潤滑 35
3.7.1 潤滑劑的選擇 35
3.7.2 管路設計 35
3.7.3 自動控制油溫的選擇 35
3.8 軸承的合理安排 35
3.9 主軸電機的選擇 36
3.10 主軸軸承的選擇和強度校核 36
3.10.1 支反力的計算 37
3.10.2 對于軸承使用壽命的計算 38
3.11 傳動齒輪的設計 39
3.11.1 齒輪的尺寸 39
3.11.2 雙聯(lián)齒輪的設計 40
3.11.3 齒輪的結構設計 41
3.11.4 齒輪的強度校核 41
5液壓缸的選擇設計 45
5.1 液壓傳動的特點 45
5.2 液壓工作原理 46
5.3 液壓缸的選取 46
5.4 液壓缸的設計和計算 47
6刀庫的選擇 48
6.1 刀庫的種類 48
6.2 刀庫交換裝置 48
6.3 刀具識別裝置 49
6.4 刀庫的換刀方式 49
6.5 刀庫的選擇 49
結 論 50
致 謝 51
參考文獻 52
1 綜述
1.1 數(shù)控鏜床的主要優(yōu)點
1. 能完成復雜型面的零件加工。
2. 可以提高零件的加工精度,穩(wěn)定產(chǎn)品的質量,由于數(shù)控機床是按照預定的程序 自動加工的，加工過程不需要人工干預,而且加工精度還可以利用軟件來進行校正和修補,因此可以獲得比機床本身精度還要高的加工精度和重復精度。
3.可以提高生產(chǎn)率.一般一臺數(shù)控機床比普通機床可提高效率2-3倍。由于工序集中，容易適應多品種、中小批量生產(chǎn)。
4.可以一機多用,有的數(shù)控機床一次裝夾可完成多部位的加工,可以替代5-7臺普通機床,并節(jié)省了廠房面積。
5.幾乎不需要專用的工裝卡具，可發(fā)揮其“多工序集中”的優(yōu)勢，在一臺機床上完成多個工序，大大減少在制品數(shù)量,從而加速了流動資金的周轉, 提高了經(jīng)濟效益。
6. 大大減輕了工人的勞動強度。
1.2 數(shù)控機床的發(fā)展方向
機械制造業(yè)是一個民族經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，其技術水平高低已成為衡量一個地區(qū)甚至國家經(jīng)濟發(fā)展水平的重要標志。美國、日本等發(fā)達國家有很大部分的財富都來源于機械制造業(yè)，我國機械制造業(yè)也后來居上，可以說，機械制造業(yè)決定了國家的繁榮和昌盛。機械制造業(yè)的發(fā)展規(guī)模和水平也反映了一個國家的科學技術水平。工件的加工效率、所需的生產(chǎn)成本多少、加工質量的優(yōu)劣是衡量機械制造業(yè)技術水平的標志，全面提高這幾項行業(yè)將會得到飛躍式的發(fā)展。
15世紀出現(xiàn)了水力驅動的炮筒鏜床。1774年英國人J.威爾金森發(fā)明了炮筒鏜床，第二年用作瓦特蒸汽機加工汽缸體。1776年他又制造了一臺比較精確的氣缸鏜床。1880年，德國開始生產(chǎn)帶前后立柱和工作臺的臥式鏜床。為了適應特大、特重工件的加工，20世紀30年代發(fā)展出了落地鏜床。隨著銑削量的增加，50年代出現(xiàn)了落地鏜銑床。20世紀初期，隨著鐘表儀器制造業(yè)的迅速發(fā)展，為了加工孔距誤差較小的設備，在瑞士出現(xiàn)了坐標鏜床。為了提高鏜床的定位精度，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛地采用光學讀數(shù)頭或數(shù)字顯示裝置。一些鏜床還采用了數(shù)字控制系統(tǒng)實現(xiàn)坐標的定位和加工過程的自動化。
數(shù)控鏜床同其他機床一樣，其技術水平的提高也表現(xiàn)在固有技術（如高速、高精度化等）的發(fā)展和新技能（如智能化、網(wǎng)絡化等）的應用上。我國自從改革開放以來，加快了數(shù)控機床的引進和研制，由于技術并不完善，在國內(nèi)大中型企業(yè)中數(shù)控機床并未得到廣泛應用，因此極大地束縛了這類企業(yè)經(jīng)濟的迅速發(fā)展，本設計在保證精度準確的基礎上，還最大限度的降低生產(chǎn)成本，既檢驗了我在大學四年中所學知識是否掌握并熟練運用，也是為步入職場鋪下一塊堅實的墊腳石。此設計包括：數(shù)控鏜床總體結構布局、床身結構設計、立柱結構布局、工作臺結構設計。滾珠絲杠選型設計、滾動導軌設計。滾動導軌選型設計、主軸箱結構設計、傳動齒輪設計，軸承選型設計、液壓缸選型設計，刀庫選型設計、主要件的強度校核，伺服進給電機選型設計、聯(lián)軸器選型設計。
（1）數(shù)控鏜床高速化，是指主軸轉速、進給速度的高速化。
以下措施可以實現(xiàn)機床主軸的高速：
⑴選用陶瓷軸承
使用陶瓷材料SiN制成軸承滾動體，而內(nèi)圈則仍用軸承鋼制造的軸承。選用陶瓷作為滾動體，因為它重量輕，是軸承鋼的40%；熱膨脹率低，是軸承鋼的25%；彈性膜量大，是軸承鋼的1.5倍[10]。
轉速越高，滾動體引起的離心力和慣性滑移越高。選用陶瓷滾動體，大大地減少了離心力和慣性滑移，進一步地提高了主軸轉速。但目前其價格昂貴，且壽命、可靠性等試驗數(shù)據(jù)還未確定，扔需進一步改進和完善。但陶瓷軸承的優(yōu)越性是不容置疑的，而且已應用于部分正式產(chǎn)品的數(shù)控機床上。
⑵ 主軸軸承采用預緊量可調(diào)裝置
早期主軸的預緊方式是固定預緊量式，但由于軸承滾動體離心力的影響，主軸在低速區(qū)和高速區(qū)的剛性有所差異，從而影響了主軸在全轉速范圍內(nèi)的穩(wěn)定切削。隨著主軸轉速的高速化發(fā)展，要實現(xiàn)低速時的高剛性和高速時的低發(fā)熱，固定預緊量方式已無法滿足其要求，于是出現(xiàn)了隨著轉速自動改變軸承預緊量的結構。在低速區(qū)由活塞頂緊，實現(xiàn)高剛性固定預緊量式，而在高速區(qū)活塞松開，只靠彈簧預緊，實現(xiàn)頂壓預緊。
⑶ 改進主軸軸承潤滑、冷卻方式:
以往，加工中心主軸軸承的潤滑方式大多采用油脂封入式潤滑。為了滿足主軸轉速向高速化發(fā)展的要求，相繼開發(fā)了新型潤滑、冷卻方式。
油氣（oil air）潤滑方式：這種潤滑方式與油霧潤滑相似，但兩者有原則上的區(qū)別。油氣潤滑是定時定量地把油霧送入軸承空隙中，這樣既保證了油霧潤滑，又不會污染周圍空氣。
噴注（jet）潤滑：它用較大流量的恒溫油（每個軸承3～4L/min）噴注到主軸軸承，以實現(xiàn)潤滑冷卻的目的。噴注的油是用兩臺排油泵強制排出的。
（2） 精密化
速度固然重要，但精確也必不可少。隨著汽車、電子、航空等行業(yè)的迅猛發(fā)展，更要求我們所生產(chǎn)的工件達到極為精細的標準，這對加工設備精確性的不斷提高是一個極大的挑戰(zhàn)。因為急需一大批加工精度為“μ”級、主軸轉速高于12000r/min、快移速度大于40m/min的高效高精鏜床。為了順應發(fā)展的趨勢，滿足各生產(chǎn)商的需求，鏜床將會向著高精密方向發(fā)展。
（3） 復合化
復合化指的是功能的復合化與工序的復合化，新興的數(shù)控機床已將粗加工與精加工緊密結合，同時把車，鏜，銑，鉆，磨等工序整合到一起，將非加工輔助時間減至最少，擴大了機床的試用范圍，進一步提高了機床的生產(chǎn)效率。
（4） 高可靠性
數(shù)控機床的可靠性是衡量數(shù)控機床產(chǎn)品質量的一項關鍵性指標?？煽啃缘母叩椭苯佑绊憯?shù)控機床能否發(fā)揮其高性能、高精度和高效率以及最終的效益。
(5) 智能化、網(wǎng)絡化、柔性化
智能化運用在數(shù)控系統(tǒng)的各個方面，如工藝參數(shù)自動生成、智能化主軸監(jiān)控功能、智能化維護監(jiān)控功能、智能化振動防止功能、語音導航功能、智能化平衡失調(diào)檢測功能等。
網(wǎng)絡化數(shù)控裝備是近年來比較被關注的一點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡化將極大地滿足了制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實現(xiàn)新的制造模式，如虛擬企業(yè)、全球制造等的基礎條件。
柔性自動化技術是制造業(yè)適應動態(tài)市場需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是各各國家制造業(yè)發(fā)展的一大趨勢，是先進制造領域的基礎技術。
2 機械結構及布局設計
2.1 床身結構設計
主機：它是數(shù)控機床的主體，包括床身、立柱、主軸、進給機構等部件。它用于完成各種切削加工。
床身、床頭箱的尾座應注意排屑、冷卻、潤滑、和維護。
2.1.1 對床身結構的基本要求
機床的床身是整個機床的基礎支承件，用來放置導軌、主軸箱等重要部件。為了滿足數(shù)控機床高速度、高精度、高可靠性和高自動化程度的要求，數(shù)控機床應比普通機床有更高的靜、動剛度，更好的抗震性。因此數(shù)控機床在以下幾個方面應有更高的要求。
1) 很高的精度和精度保持性
在床身上有許多安裝零部件的加工面和運動部件的導軌面，這些面自身精度和相對位置精度要求就很高，并且需要保持很長時間。此外機床在切削加工時，所有的靜、動載荷最后往往都是傳到床身上的，因此床身受力極為復雜。為保證零部件之間的相互位置和相對運動精度，除了滿足幾何尺寸、位置關系精度等要求外，還要滿足靜、動剛度和抗震性、熱穩(wěn)定性、工藝性等各方面技術要求。
2) 應具有足夠的靜、動剛度
靜剛度包括床身結構剛度、局部剛度和接觸剛度，應采取相應的措施，使它們最后都達到較高的性能。
動剛度直接反應機床的動態(tài)特性，它保證了機床在交變載荷作用下具有較高的抵抗變形的能力，同時抵抗受迫振動及自激震動而產(chǎn)生的噪音。
3) 較好的熱穩(wěn)定性
對于高精度的數(shù)控機床來說，熱穩(wěn)定性是一個突出問題，必須在設計中考慮到整體的熱變形狀況，保證變形度達到最小，使其對精度的影響力盡可能達到最小。
2.1.2 床身結構布局及截面形狀
1) 床身各種各樣的結構形式。
床身分為平床身、斜床身、平床身斜導軌和直立床身等四種類型。床身是基礎支撐部件，必須具有足夠高的靜、動剛度保持性，肋板布置適當，又能保證良好的冷熱加工工藝性。加工中心的床身有固定立柱式和移動立柱式兩種，本次設計采用的是固定立柱式，由溜板和工作臺來實現(xiàn)平面上X、Y坐標的移動，床身結構較為簡單,一般適用于中小型立式和臥式加工中心。
2) 床身肋板一般依據(jù)床身結構和載荷分布情況進行設計
為了滿足床身剛度和抗震性要求，V形肋有利于加強導軌支撐部分的剛度，斜方肋和對角肋結構可明顯增強床身的扭轉剛度，且便于設計成全封閉的箱型結構。床身截面的形狀受機床結構設計條件和鑄造能力的約束，以及使用廠家習慣的影響，種類較多，主要有橫向、縱向和斜向三類。
縱向肋板可加強抗彎剛度，橫向肋板對加強抗扭剛度有顯著效果。斜向肋板對提高抗彎剛度有所幫助。
當肋板厚度相同時，米字形肋板結構抗彎剛度接近“#”字形結構，而抗扭剛度則是“#”字形結構的數(shù)倍。此外縱向肋板和橫向肋板分別對抗彎剛度有顯著效果：米字形肋板和“#”字形肋板的抗彎剛度也較高，米字形肋板更為突出，但米字形肋板加工工藝性差，制造工時較長。
2.2 立柱的結構布局
2.2.1 對立柱的條件要求
立柱必須在承受切削力、震動、溫度變化等條件下依然保持正常工作。它必須支撐主軸箱體，使其能夠順著垂直方向上下移動。
2.2.2 立柱的結構布局
數(shù)控鏜床的主軸箱在框式立柱中間，立柱應設計成對稱形結構；同過比較分析并在設計中采用“X”形來布置隔板與筋條。
1) 立柱和床身的連接
立柱與床身的連接，一般采用螺栓緊固，圓錐銷定位的方式?？紤]到連接的實際應選立 柱
主軸箱
取12個螺栓，連接草圖如下：
圖1. 立柱與工作臺的布局
立柱和機床身的連接采用螺栓與圓柱銷的定位方式，是為了最大限度的提升立柱和機床身接觸剛度，采用了以下方法：
⑴提高有效接觸面的平面度，盡量減小其粗糙度。以此來提升集合強度;
⑵強緊得方法。
2) 立柱的導軌精度
⑴立柱底面對主導面的垂直度：＜0.01mm
⑵直線度：0.006~0.015mm
⑶安裝底面與主導面的垂直度：0.05~0.001mm[16]
⑷兩導軌扭曲度：0.01～0.015㎜[16]
2.3 工作臺的結構設計
使用矩形的工作臺，并開T形槽，且不做分度運動，如下圖：
400
600
圖2. 工作臺的結構
2.3.1 T形槽
18H8
14
30
20
14
圖3. T型槽的結構和尺寸
2.3.2 工作臺其余結構
1) 為了方便安裝，應采用Z方向絲桿的螺母座與工作臺分離式結構，具體的形式結構見總裝配圖；
2) 為了防止切屑對防護罩造成影響，固在工作臺的兩邊加上擋板；
3) 為防止切屑對導軌造成影響，安裝防護板，板的大小由加工工作要求來確定，詳情見總裝配圖；
4) 為便于安裝，盡量減小零件，因此采用工作臺在導軌上面滑動，應在工作臺上面鉆油孔，方便潤滑；
5) 工作臺座的作用：
(1) 安裝X方向減速箱；
(2) 作Y方向上進給運動的滑動體；
(3) 安裝X方向進給滾動導軌和該方向上絲桿螺母；
(4) 支承工作臺；
(5) 容納X方向上進給絲桿的潤滑油；
(6) 作X方向上的進給絲桿支撐箱體。
49
3 滾珠絲杠的設計
需按所設計機構的最大載荷、最高速度初選一個滾珠絲杠的公稱直徑，其中包括循環(huán)方式。再按馬達的轉速等要求初選滾珠絲杠的導程。然后根據(jù)定位精度的要求，作定位精度、重復定位精度、壓桿穩(wěn)定性、極限轉速、極限壽命以及Dn值等各項校核試驗并修正初選值。
3.1 滾珠絲杠的傳動特點
1) 滾珠絲杠與滑動絲杠副相比驅動力矩為1/3：由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在作滾動運動，因此可以得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅動力矩達到1/3以下，即達到同樣運動結果動力只需為使用滾動絲杠副的1/3。在省電方面很顯著；
2) 高精度的保證：采用歌德式（Gothic arch）溝槽形狀、可將軸向間隙調(diào)整得很小，依舊能夠輕便地傳動。若加入適當預緊載荷，消除軸向間隙，可使絲杠具有更優(yōu)良的剛性，在承載時減少滾珠和螺母、絲杠間的彈性變形，以便達到更高的精度；
3) 微進給：由于滾珠絲杠副是利用滾珠運動，所以啟動力矩極小，不會出現(xiàn)滑動運動中那樣的爬行現(xiàn)象，能夠保證實現(xiàn)精確的微進給。
4) 無側隙、剛性高：滾珠絲杠副可以加予壓力，壓力可使軸向間隙達到負值,進而得到較高的剛性（在實際用于機械裝置時，滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加予壓力，滾珠間的斥力可使絲母部的剛性增強）；
5) 高速進給：滾珠絲杠由于運動效率高、發(fā)熱小，固可實現(xiàn)高速進給運動；
6) 高可靠性：與其它傳動機械、液壓傳動等相比，滾珠絲杠傳動系統(tǒng)故障率很低，維修保養(yǎng)也更為簡單，只需進行一般的潤滑和防塵即可。在特殊場合中可在無潤滑狀態(tài)下工作；
7) 高耐用性：鋼球滾動接觸面均經(jīng)過硬化（HRC58～63）處理，并經(jīng)精密磨削，循環(huán)體系過程純屬滾動，相對磨損甚微，故具有較高的使用壽命，精度保持更為持久。
由上面可以歸納出傳動特點為：
(1) 傳動可逆；
(2) 使用可靠；
(3) 同步性好；
(4) 預緊性好；
(5) 使用壽命長；
(6) 定位精確；
(7) 效率較高；
(8) 運動穩(wěn)定。
3.2 滾珠絲杠副的運動原理
滾珠絲杠副是在絲杠和螺母之間以鋼球為滾動體的螺旋轉動部件，它將螺旋運動變?yōu)橹本€運動。滾動絲杠副的運動位置機理就是用滾動摩擦代替滑動摩擦。在絲杠和螺母副上有圓弧形螺旋槽，在絲杠與螺母旋合螺旋槽間放置適當數(shù)量的鋼球作為中間轉動體，借助滾珠返回通道，絲杠或螺母副轉動時，震動滾珠沿著滾道導珠管不斷循環(huán)從而實現(xiàn)周而復始的滾動。
3.2.1 x向絲杠螺母副的設計
1) 型號選擇 (參考的是南京工藝裝備廠生產(chǎn)的精密滾珠絲杠)
(1) 選擇型號：FFZD型浮動內(nèi)循環(huán)墊片預緊式滾珠絲杠；
(2) 滾珠絲杠的導程：電機與絲杠直接相連
(3) 調(diào)整方法:改變墊片的厚度尺寸,使雙螺母重新獲得所需要的預緊力
·······················(4―1)
式中：
― 電機最高的轉速根據(jù)要求取
― 工作臺最高移動的速度根據(jù)要求取
固因此可以得出
2) 確定當量轉速和當量載荷
表8. 各種切削方式下的參數(shù)
切削方式
縱向切削力Pxi(N)
垂向切削力Pzi(N)
進給速度V1
(m/min)
工作時間百分比
絲杠軸向載荷(N)
絲杠轉速r/min
強力切削
2000
1200
0.6
10
1677
75
一般切削
1000
500
0.8
30
1607
100
精切削
500
200
1
50
1077
125
快速進給
0
0
12
10
557
1500
(1) 各種切削方式下絲杠轉速
Ni=
取V1=0.6 V2=0.8 V3=1 V4=12
則 N1=60r / min
N2=80r / min
N3=100r / min
N4=1200r / min
(2) 絲杠的軸向載荷
各種情況下：
····················(4—2)
經(jīng)過查表可以得到：
通過已知道的條件得： 工作臺的最大行程：600mm.
工作臺的重量：
定位精度 全行程
重復定位精度
動摩擦因數(shù)： 靜摩擦因數(shù)：
要求壽命：20000h 工件和夾具的最大重量
快速進給速度
因此
(3) 當量轉速
(4) 當量載荷
········(4―3)
通過計算得出：
(5) 各種切削方式下絲杠轉速
選取
可以得出
3) 預計將要達到的額定動載荷
(1) 通過預期的工作時間可以估算：
·······················(4―4)
通過《機械設計手冊》查表：輕微的沖擊 1―3級取
已知 可靠性 固選取
(2) 通過選用預緊式滾珠絲杠副，依照最大的負載荷計算可得
··························(4―5)
通過查表[12 [12]
通過計算選擇所求結果的最大值即
4) 確定最小螺紋的底徑
(1) 估算絲杠允許的最大軸向變形量
<=(1/3 ~1/4) 重復定位精度
已知:重復定位精度10,定位精度20
<=(1/3 ~1/4) 重復定位精度3
<=(1/3 ~1/4)定位精度6
取以上兩種的最小值 取=3
(2) 估算最小螺紋的底徑
·······················(4―6)
·······················(4―7)
已知行程
所以可以得到
5) 對滾珠絲杠副規(guī)格的確定：
(1) 通過 選取相對應的滾珠絲杠副
Wch5010
(2) 調(diào)整方法：通過襯套外循環(huán)的齒差來調(diào)節(jié)預緊雙螺母的調(diào)節(jié)。
(3) 滾珠絲杠副預緊力的確定
6) 行程的補償
(1) ··················(4―8)
····················(4―9)
上式中的
(2)
預拉伸力為
所以有
7) 滾珠絲杠副支撐作用的軸承型號的確定
(1) 緊力 ；
(2) 選型為兩端固定支撐背對背60度接觸角推力角接觸的球軸承；
(3) 所選徑D應該微小于 取整 ；
(4) 軸向的載荷
通過計算選取軸承的型號 40TAC72A
8) 計算絲杠上螺紋的長度
(1) 通過查表可知 ；
(2) 端固定支撐的長度 ；
(3) 長度187mm；
(4) 固定點和起點的長度 ；
(5) 絲杠的總體長度 。
9) 傳動系統(tǒng)的剛度
(1) 軸承的組合剛度；
·····················(4―10)
是預加載荷的3倍，
所以
滾珠絲杠副的滾道與滾珠接觸的剛度
·····················(4―11)
通過已給的條件可以得到
(2) 拉剛度
··················(4―12)
最大的抗壓剛度為：
所以可以得到
10) 剛度的演算
··················(4―13)
于是
于是
(1) 傳動系統(tǒng)剛度的演算
··················(4―14)
因為
所以可以知道傳動系統(tǒng)的剛度合格。
(2) 傳動系統(tǒng)剛度的變化引起的定位誤差
·················(4―15)
(3) 絲杠精度的確定
任意的300mm內(nèi)的行程變動量V300 因為
因此 絲杠的精度選為3級。
(4) 滾珠絲杠的確定
選定的型號為FFZD,絲杠全長1700,公稱直徑50,導程10,螺紋長度1393，P類，3級精度，代號：FFZD5010-3-P3/1700×1393
(5) 演算強度
因為 因此強合格
(6) 傳動效率的計算：
················(4―16)
其中 為螺旋升角
絲杠的滾動摩擦系數(shù)
為摩擦角絲杠滾動摩擦系數(shù)f=0.003 ~ 0.004
所以摩擦角為10ˊ19＂~ 13ˊ45＂ 取整12ˊ
所以
(7) 臨界轉速的演算
················(4―17)
通過樣本
查表可以得到 則
4.2.2 y向絲杠的選型
通過X方向絲杠的選型確定Y方向絲杠的型號為FFZD6312-4-P3/1200×874通過計算符合要求。
4.2.3 z向絲杠螺母的設計
1) 所選絲杠型號為FFZD型
公稱直徑為50mm，
2) 兩端固定支承距離
絲杠全長為230+874=1114mm 因為Z方向上絲杠長度應小于X方向，所以Z方向絲杠合格。
因此Z放向絲杠的型號選為FFZD5010-4-P3/1700×1393
4.3 滾珠絲杠副的傳動特點
1) 傳動效率高；
2) 運動平穩(wěn)；
3) 傳動可逆；
4) 可以預緊；
5) 定位精度高；
6) 重復定位精度高；
7) 同步性好；
8) 使用壽命長；
9) 使用可靠。
4.4 電機的選型設計
現(xiàn)代機電行業(yè)中經(jīng)常會碰到一些復雜的運動，這對電機的動力荷載有很大影響。伺服驅動裝置是許多機電系統(tǒng)的核心，因此，伺服電機的選擇就變得尤為重要。首先要選出滿足給定負載要求的電動機，然后再從中按價格、重量、體積等技術經(jīng)濟指標選擇最適合的電機。
4.4.1 伺服控制電機的基本要求
1) 震動與噪音小；
2) 功率密度與比率大即性能的密度大；
3) 位置的控制精度高；
4) 快速性好，即加減速扭矩小，頻率特性好；
5) 可靠性比較高。
與此同時還應該具備：機械特性：要求伺服電機的速降小、剛度大;快速響應的要求：這在輪廓加工，特別對曲率大的加工對象進行高速加工時要求較嚴格；調(diào)速范圍：這可以使數(shù)控機床適用于各種不同的刀具、加工材質;適應于各種不同的加工工藝；一定的輸出轉矩，并要求一定的過載轉矩。機床進給機械負載的性質主要是克服工作臺的摩擦力和切削的阻力，因此主要是"恒轉矩"的性質。
4.4.2 伺服電機的選型設計
1) 伺服電機應該滿足的要求：
(1) 電機的額定轉矩應該大于最大切削力矩；
(2) 快速進給頻率應該在預期值以內(nèi)；
(3) 在進給調(diào)速范圍內(nèi)點電機的額定轉矩應該大于空載進給力矩；
(4) 加速時間應該滿足預期的時間常數(shù)。
2) X方向伺服電機的選擇：
(1) 最高轉速的選擇 伺服電機最高的轉速應該依據(jù)進給系統(tǒng)的快速進給速度絲杠螺距及傳動系統(tǒng)的減速比來確定，計算公式：
················(4―18)
： 工作臺要求快速進給的速度，
: 絲杠的螺距，
: 裕度系數(shù)，
: 傳動系統(tǒng)減速比，因為是直連
所以
(2) 負載轉矩計算
················(4―19)
雙螺母滾珠絲杠的預緊力矩
預緊力通常會選擇最大工作的載荷的1/3
驅動力矩
絲杠的預緊力矩的系數(shù)0.1-0選擇0.15 所以
絲杠導程 選擇
加在絲杠軸間的外載荷
克服軸向外載荷所需的力矩
法向載荷
移動部件的重量包括工作
導軌摩擦系數(shù)
滾珠絲杠的效率
：傳動比 選取 因此
電機的選擇根據(jù) 是伺服電機的額定轉矩 根據(jù)《設計手冊》選取BESK10
額定轉矩 11.8N·m 電機的輸出功率為 1.8KW最大轉矩 78N·m
3) 慣量匹配計算：
負載慣量與電動機的慣量換算至電機的機軸之間有以下關系：
(1) 工作臺的轉動慣量為：
根據(jù)表6.6-29可知1000kg工作臺換算到的絲杠上轉動的慣量是：
(2) 確定聯(lián)軸器的轉動慣量：
根據(jù)《機床設計手冊》第3卷表6.6-19可以得到飛輪 因此可有
(3) 傳動系統(tǒng)換算電機軸上面的總轉動慣量：
(4) 慣量的匹配計算：
根據(jù)表可以得出
所以
由上面可以看出符合慣量匹配關系。
(5) 伺服電機的加減速能力的校核
················(4―20)
當快速移動加速時候它的最大轉矩用上面公式計算可以得到
快速移動時候的電機轉動速度
加減速度時間
系統(tǒng)的開環(huán)增益 通常情況 25到8
加工中心通常 在這里選擇
因此有
電動機轉子的慣量
負載的轉矩
:
················(4―21)
上面式中：
:移動體的摩擦轉矩
:絲杠副的摩擦轉矩
:軸承的摩擦力矩
因此則有
因此由上面計算可以選BESK10的最大轉矩是78N·m 符合條件
4) Y方向上伺服電機的選擇
(1) 最高的轉速
················(4―22)
(2) 脈沖編碼器的選擇：
···············(4―23)
(3) 負載轉矩的計算方法：
···············(4―24)
上式中
移動部件的重量（工作臺，工作臺架，工件）
是絲杠的效率 內(nèi)絲杠的預緊力的系數(shù)為
是支撐軸承的摩擦力矩
··········(4―25)
通過《機電一體化系統(tǒng)設計手冊》取BESK10 重要的參數(shù)：
額定的轉矩 11.8N·m ；最大的轉矩 78N·m；
最高的轉速2000r/min;輸出的功率1.8KW;
5) 慣量的匹配計算
(1) 聯(lián)軸器轉動慣量通過《機床設計手冊》3卷表66-19可以看出
(2) 移動部件的慣量
(3) 絲杠的轉動慣量
通過《機床設計手冊》可以得到
(4) 換算到電動機的總轉動慣量
電動機的轉子慣量
即 可以看出符合要求。
(5) 伺服電機加減能力的校核
快速移動時的最大轉矩
··············(4―26)
上面式子中：
移動體摩擦轉矩
絲杠副的摩擦轉矩
軸承摩擦轉矩
所以
因此符合要求
6) Z方向上伺服電動機的選擇
(1) 脈沖編碼器的選擇
(2) 最高的轉速為
(3) 負載轉矩的計算
··············(4―27)
其中
··············(4―28)
所以選擇BESK10伺服電機 主要數(shù)據(jù)：
最大的轉矩78N·m； 輸出的功率1.8KW；
最高的轉速2000r/min; 額定的轉矩11.8 N·m
7) 計算轉動慣量匹配
(1) 聯(lián)軸器的慣量
(2) 絲杠的轉動慣量
絲杠的主要數(shù)據(jù)
(3) 主軸箱的轉動慣量
即
通過上面計算可以知道符合要求
(4) 電動機快速移動能力的校核
·············(4―29)
上面式子中
所以可以知道電機符合要求
進給系統(tǒng)伺服電機的主要數(shù)據(jù)：X.Y.Z三個方向全部選用BESK10交流伺服電機，最高的轉速2000r/min；額定轉矩為11.8N·m；最大的轉矩788N·m；電機的輸出功率為1.8KW；電機重量為23kg。
3 數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)設計
3.1 主軸組件設計
主軸組件的很重要的組成部分之一就是主軸。它的形狀以及尺寸和結構、熱處理與制造的精確度，對主軸組件的工作性能都有很大的影響。本次的設計選用的是只旋轉運動的主軸。
主軸部件的性能直接影響加工質量和切削生產(chǎn)率，且決定機床性能和經(jīng)濟技術指標的重要因素。
3.2 主軸組件需要滿足的條件
主軸是機床主要組件之一，它的性能對機床整體的性能都有很大的影星啊，主軸轉速的范圍相當大，直接承受著切削力。
3.2.1 回轉精度
主軸組件的回轉精度指的是主軸的回轉精度，它決定于組件里面各個主要零部件如軸承，主軸等的裝配精度與制造精度，另外還取決于主軸的轉速，主軸組件的平衡以及軸承設計與性能，提高主軸的回轉精度主要有以下幾個方面：
1) 采用變速箱與主軸部件分離的結構來避免來自系統(tǒng)的各種干擾；
2) 高速主軸部件過很好的動平衡；
3) 盡量提高軸承的配合的便面精度；
4) 調(diào)整裝配質量，盡可能把各種誤差能相互抵消并且在使用過程中變形達到最小。
3.2.2 主軸的剛度
主軸的剛度是在受到外力時，主軸的組件抵抗變形的能力，主軸受力變形越小主軸的剛度就越大，反之主軸剛度不足時在切削以及其它力的作用下時主軸就會產(chǎn)生彈性變形，進而將會影響加工工件的質量還會破壞齒輪、軸承的正常工作條件下使其降低精度加快磨損。主軸部件的尺寸結構、軸承間隙的調(diào)整、支撐跨距、軸承類型及配置形式、主軸上的位置等有關。
提高主軸剛度主要有一下幾個方面：
1) 選用剛度比較高的軸承；
2) 適當?shù)募哟种鬏S的直徑；
3) 采用最佳的跨徑。
3.2.3 主軸的抗震性
主軸的抗震性指的是在機床工作時，主軸能夠保持正常平穩(wěn)的轉動并且不震動的能力。組件的振動會影響工件表面質量，刀具的耐用度。主軸軸承的壽命，同時會產(chǎn)生噪聲，影響主件的靜剛度，質量分布和阻尼（特別是主軸前軸承的阻尼）。
提高主軸的抗震性主要有一下幾個方面：
1) 選用阻尼比大的前軸承；
2) 安裝阻尼器；
3) 盡量提高主軸靜剛度。
3.2.4 主軸的溫升
主軸組件在工作時候，溫度過高會引起的不良效果：首先軸承的部件會因為溫度太高而改變了原已調(diào)整好的間隙和破壞正常的潤滑條件；其次影響加工精度因為主軸組件和箱體因膨脹而變形，主軸的回轉中心線和機床其它相對位置會發(fā)生變化。
因此提高主軸的熱穩(wěn)定性的方法如下：
1) 盡可能的創(chuàng)建一個好的隔熱環(huán)境；
2) 減少個部件中的熱量；
3) 減少控制外在熱量的傳入；
4) 創(chuàng)造良好的隔熱條件；
5) 選用熱變形或溫度的補償裝置；
6) 采用恒溫裝置，控制環(huán)境溫度的轉化；
7) 盡量使主軸個部件的各部分溫度平衡尤其是支撐壁的溫度。[16]
3.2.5 主軸的耐磨性
主軸應該擁有足夠的耐磨性能，才能夠保持精度。工件的安裝部位和移動主軸的工作部位以及刀具都是主軸上比較容易磨損的地方。
提高主軸耐磨性主要有一下幾個方面：
1) 主軸軸承需要有良好的潤滑以此來提高其耐磨性；
2) 在其必要的地方應該氮化或淬硬處理。
3.2.6 主軸的承載能力
主軸部件的承載能力指的是主軸在正常工作的前提下具有額定壽命所能承受的最大載荷
主軸部件還應該需要滿足以下幾個條件：
1) 主軸在安裝傳動齒輪出的角度和轉角不能大于額定值；
2) 工作端的變形不能大于相應條件下的加工誤差；
3) 主軸前支撐處的轉角不能大于相應條件下的轉角。
正確的選擇軸承與合理涉及傳動件外主要加粗主軸有效直徑以減小彎曲變形。
3.3 主軸的設計
1) 機床有足夠高的轉速和大的功率，以適應高效率加工的需要；
2) 主軸轉速的變換迅速可靠，一般能夠自動變速；
3) 主軸應有足夠高的強度和回轉精度；
4) 主軸轉速范圍很廣，例如對鋁合金材料的高速切削，幾乎沒有上限的限制主軸最高轉速取決于
5) 主傳動系統(tǒng)中傳動元件的承受的極限最低轉速則是根據(jù)加工不銹鋼等難以加工材料的要求確定
3.3.1 主軸的轉動
機床主軸常用的傳動方式有：帶傳動、電機直接傳動、齒輪傳動，本次選用齒輪傳動，傳動軸和主電機的連接方式選用彈性聯(lián)軸器，該種方式便于安裝和拆卸和安裝，結構緊湊。主軸旋轉運動傳動方式的選擇決定于主軸轉速的高低，固傳遞扭矩的大小，對運轉平衡要求高結構緊湊等。
傳動方式如下圖：（《機械設計手冊》表6.1―4
圖4. 主軸齒輪的布置
3.3.2 主軸傳動部件位置的合理布置
合理的布置傳動部件的徑向和軸向位置，可以改善主軸的受力情況。主軸部件主要承受支撐反力、傳動力和切削力。
科學合理的布置條件如下：
立柱
主軸箱
圖5. 立柱與工作臺布局
1) 傳動力引起的主軸端位位移小并盡可能部分抵消切削力引起的軸端位移，尤其在影響加工精度的敏感方向上；
2) 結構緊湊，主軸箱尺寸小，轉配維修方便；
3) 傳動力引起的主軸彎曲變形小且能部分在抵消切削力引起的主軸彎曲變形；
4) 傳動力引起支撐的反力能抵消部分切削力引起的支撐反力；
軸承布置如下：
圖6. 主軸軸承的布置
表1.主軸軸承選擇【11】
前支承
后支承
頸向
軸向
頸向
軸向
3182100型雙列圓柱滾子軸承
2268100型滾動軸承
3182100型雙列圓柱滾子軸承
3.4 主軸的結構設計
3.4.1 主軸設計
1) 設計軸的要求：
(1) 軸向尺寸盡可能小，結構緊湊，摩擦系數(shù)盡可能小；
(2) 在密封外引起的摩擦力應盡可能小，摩擦系數(shù)盡量穩(wěn)定；
(3) 當磨損后能在一定的程度上自動的補償；
(4) 盡量適應轉速，要求在一定的溫度與壓力下具有良好的密封性能。
2) 查《機械設計手冊》6.1―58根據(jù)工作環(huán)境，潤滑溫度，工作溫度等特點選擇密封裝置的形式。
選擇非接觸方式中的曲路密封，用于脂潤滑的高速主軸部件。（結構緊湊，主軸懸身量?。?
3.4.2 主軸的設計計算
軸受到的扭矩T:
·······················（3―1）
··························(3―2)
選45號鋼為軸的材料
名稱
數(shù)值
公稱轉矩Tn（N·m）
63
許用速度〔n〕r/min
5000
軸孔直徑d1 d2 d3
18 19 20 22 24 25
J1Z型L
30 38 44
L推薦
35 45
重量
2.3
軸孔長度型
42 52 62
D
100
轉動慣量（㎏·㎡）
0.001
t
9.5
扭轉剛度（N·m/rad）
1.4×104
瞬時最大轉矩（N·m）
180
型號
JMI 2
軸結構為花鍵軸，以增強扭矩。
依據(jù)《機械設計手冊》表7―14GB1144―87
選外花鍵是8×52×58×10形，其結構如裝配圖。
3.5 軸端設計
主軸端部的結構應該保證卡具、預卡或刀具安裝可靠定位準確度高的連接剛度
以傳遞足夠的扭矩并盡量縮短軸的懸申長度，以便裝卸方便。聯(lián)軸器的選型設計
表2.膜片聯(lián)軸器的主要參數(shù)
3.6 主軸的校核
數(shù)控鏜床的主軸部件既要具備粗加工時高效切削能力又要滿足精加工時的精度較高的要求。
多以在旋轉剛度、精度、抗震性和熱變形等方面，有很高的要求。主軸為空心軸，錐度17:24，前端有精密的定心孔，，精密的端面和定心外圓柱面前端鍵用來傳遞轉矩。選用材料為45號鋼，熱處理。
3.6.1 主軸箱齒輪強度校核
選?。旱谝粚X輪的齒數(shù)
第二對齒輪的齒數(shù)
1) 齒形系數(shù)：
依據(jù)《機械設計》圖12―22查出
2) 應力修正系數(shù)：
依據(jù)《機械設計》圖12―22查出
3) 齒間載荷分配系數(shù)
·················(3―3)
4) 重合度系數(shù)：
(1) 彎曲疲勞極限：依據(jù)圖12―24.b查出；
(2) 彎曲安全系數(shù)： 可查出；
(3) 應力循環(huán)次數(shù):；
(4) 彎曲壽命系數(shù) 查的12―25得 ；
(5) 可以查出尺寸參數(shù)；
(6) 許用彎曲應力
······················(3―4)
齒數(shù)精度查表取7級精度。
載荷系數(shù)用系數(shù)查表12―9取
動載荷系數(shù)查表12―9a取
齒間載荷分配系數(shù)由圖12―11取1.16
齒向載荷分配系數(shù),查圖12―25，
載荷系數(shù)
轉矩
。
5) 計算齒輪模數(shù)：
················(3―5)
經(jīng)過上面的計算可以得出
3.6.2 齒輪接觸疲勞強度的校核
齒輪參數(shù) 直徑、齒寬：
查出重合度系數(shù)為
接觸完全系數(shù)
節(jié)點區(qū)域系數(shù)
接觸壽命系數(shù)
許用接觸應力
若要滿足接觸疲勞強度，需要使
·········(3―6)
所以
通過計算可知知道所選齒輪滿足要求。
3.6.3 主軸強度的校核
1) 作用在軸上的力：
···························(3―7)
2) 軸承反力：
垂直面：
水平面：
當量彎矩:
····················(3―8)
軸材料選用45號鋼，根據(jù)《機械設計手冊》查出：
查出：
························(3―9)
通過公式計算可以得到結果如下：
因此可以有：
多以可以得到：
3) 對于軸頸的軸頸
·····················(3―10)
通過以上計算可以知道主軸強度滿足要求。
3.7 主軸箱的潤滑
潤滑是減小磨損的措施通常所用的潤滑材料有：潤滑油、潤滑脂、固體潤滑劑和氣體潤滑劑。潤滑系統(tǒng)包括：潤滑管路的計算和潤滑方式的選擇。
3.7.1 潤滑劑的選擇
選擇油霧潤滑方式， 查《機械設計手冊》表7.4—10
3.7.2 管路設計
為保證各旋轉部位，滑動部位都能潤滑，設計管路見“裝配圖”；
3.7.3 自動控制油溫的選擇
根據(jù)《加工中心設計與應用》表5—4選擇YK—38型
具體參數(shù)見下表：
表3. 性能指標[16]
制冷量
使用室溫
油溫控制精度
冷凝機組功率（kw）
油泵電機功率（kw）
油泵輸出量（v/min）
重量（kg）
3000
0～35
1.49
1.1
50
300
3.8 軸承的合理安排
前支承發(fā)熱大，主軸向后伸長，配置方式為：（參照《機床設計手冊》表6.1—20，序號2）
簡圖如下：
圖7.主軸軸承的布置
主軸軸承的選擇
根據(jù)《機床設計手冊》表6.1—20，前支撐發(fā)熱大，主軸向后延長。
具體參數(shù)如下：
表4. 主軸軸承的選擇
前支承
后支承
頸向
軸向
頸向
軸向
3182100型雙列圓柱滾子軸承
2268100型滾動軸承
3182100型雙列圓柱滾子軸承
3.9 主軸電機的選擇
根據(jù)《加工中心設計與應用》選擇 系列主軸電機 型電機。對于數(shù)控機床，選擇特定的弓箭計算功率和扭矩，以同類機床主電機功率統(tǒng)計法來選擇和確定電機功率。主軸電機的要求:(1)足夠的輸出功率，數(shù)控機床的主軸負載性質近似于"恒功率"，也就是當機床的主軸轉速高時，輸出轉矩較小;主軸轉速低時，輸出轉矩大;即要求主求驅動裝置要具有"恒功率"的性質;(2)調(diào)速范圍:為保證數(shù)控機床適用于各種不同的刀具、加工材質;適應于各種不同的加工工藝，要求主軸電機具有一定的調(diào)速范圍。但對主軸的要求比進給低;(3)速度精度:一般要求靜差度小于5 ％，更高的要求為小于1％;(4)快速:主軸驅動裝置有時也用在定位功能上，這就要求它也具有快速性。
3.10 主軸軸承的選擇和強度校核
主軸前端采用雙列向心圓柱滾子軸承3182100型和2268100型軸承組合。傳動功率P=6158KW,轉速1500r/min,后端采用3182100型軸承。選用滾動軸承的好處是：
1) 標準化程度高，成本比較低；
2) 消耗的潤滑劑比較少，以便于維護；
3) 對于同尺寸的軸頸滾動軸承的體積比較小使軸向結構能夠緊湊；
4) 徑向游隙??；
5) 在通常的工作情況下摩擦系數(shù)相比互動軸承要小并且比較穩(wěn)定。
3.10.1 支反力的計算
已知：齒輪圓周力Ft=1496N，
頸向力Fr=544N
軸承反力
則軸承頸向反力
Fr=…………………..………… (3—11)
Fr1=2174N
Fr3=
=
通過計算所得數(shù)據(jù)由《機械設計》表15-9，軸承壽命取20000h
查《機電一體化設計手冊》得以下參數(shù)：
表5. 參數(shù)表
項目
數(shù)據(jù)
3182118
7310AC
3182118
C（KN）
78.5
37.8
59.6
Co（KN）
84.5
132
53
軸承的軸向力為：Fa1=0 Fa2=700 Fa3=0
3.10.2 對于軸承使用壽命的計算
1) 當量動載荷：
·····················(3―12)
軸承1
查表可知
查表可得 X=0.56 Y=1.71 fp=1.2
所以
軸承2
軸承3
2) 計算軸承的壽命
······················(3―13)
式中：
ε=3
所以由上可知軸承滿足要求。
3.11 傳動齒輪的設計
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