数控铣床伺服进给系统设计

沈阳理工大学学士学位论文 I 摘 要 本文完成了对数控铣床伺服进给系统的设计。首先确定了总体设计方案，和 X、 Y、Z 三个方向的运动参数，之后根据运动参数确定了数控机床的传动方案，由导程、当量动载荷、最小螺纹底径确定了 X、 Y、 Z 三个方向的滚珠丝杠以及由最大切削负载转矩、负载转动惯量等确定了 X、 Y、 Z 三个方向的伺服电机，并且校验了 X、 Y、 Z 三个方向的伺服进给系统。 确定了结构方案后，用 CAXA 实体设计软件对结构中丝杠、导轨、伺服电机等零件进行了 3D 建模，之后装配出 X、 Y、 Z 三个方向的伺服进给系统，并生成出数控铣床伺服进给系统的二维 工程图，最后对其进行了运动仿真。 关键词： 进给系统；滚珠 丝杠 ；伺服电机； CAXA 实体设计 沈阳理工大学学士学位论文 II Abstract In this paper, the machine servo systems of the CNC milling are designed. First,overall design scheme is determined， and the motion parameters of the X,Y,Z three directions are determined， then according to the motion parameters， the transmission scheme of the CNC machine is determined， and by the lead, equivalent dynamic load, and bottom diameter of the smallest screw， the ball screws of the X, Y, Z three directions are determined and by the maximum cutting load torque, moment of inertia of the load ， the servo motors of the X, Y, Z three directions are determined， and the servo feed systems of the X, Y, Z three directions are checked. After determining the program of the structure， three-dimensional modeling of the screws 、 rails 、 servo motors and other parts in the structure are set up by using CAXA physical design software， then the servo systems of the X, Y, Z three directions are assembled， and two-dimensional engineering drawings of the servo systems of the CNC milling machine are generated， finally the motion simulation is set up. Keywords : Feed system；Ball Screw；Servo motor；CAXA physical design 沈阳理工大学学士学位论文 III 目 录 摘 要 . 错误 !未定义书签。 Abstract . 错误 !未定义书签。 目 录 . 错误 !未定义书签。 1 绪论 . 错误 !未定义书签。 1.1 课题背景和意义 . 错误 !未定义书签。 1.2 国内外研究现状 . 1 1.3 数控机床的发展趋势 . 1 1.4 本课题的研究内 容和方法 . 3 1.5 本章小结 . 4 2 总体 方案设计 . 5 2.1 伺服进给系统的基本要求 . 5 2.2 铣床的技术要求 . 5 2.3 传动方案设计 . 5 2.4 主切削力及切削分力及切削分力计算 . 6 2.4.1 计算主切削力 . 6 2.4.2 计算各切削分力 . 6 2.5 本章小结 . 6 3 滚珠丝杠及伺服电动机 的 选择 . 8 3.1 X 轴方向进给系统的计算 . 8 3.1.1 X 轴滚珠丝杠的选择 . 8 3.1.2 X 轴伺服电机的选择 . 11 3.1.3 X 轴系统校验 . 13 3.2 Y 轴方向进给系统的计算 . 16 3.2.1 Y 轴滚珠丝 杠的选择 . 16 3.2.2 Y 轴伺服电机的选择 . 20 3.2.3 Y 轴系统校验 . 21 3.3 Z 轴方向进给系统的计算 . 24 3.3.1 Z 轴滚珠丝杠的选择 . 24 3.3.2 Z 轴伺服电机的选择 . 27 3.3.3 Z 轴系统校验 . 29 3.4 本章小结 . 32 4 3D 建模 . 33 4.1 CAXA 实体设计的介绍 . 33 4.2 丝杠设计 . 33 4.2.1 设计思路 . 33 4.2.2 设计步骤 . 33 4.3 标准件及高级图素应用 . 36 4.3.1 设计方法 . 36 4.3.2 内六角圆柱头螺钉设计 . 37 4.4 装配设计 . 错误 !未定义书签。 4.4.1 设计方法 . 38 4.4.2 轴承座装配 . 38 沈阳理工大学学士学位论文 IV 4.5 二维工程图输出 . 40 4.5.1 设计方法 . 40 4.5.2 生成步骤 . 40 4.6 本章小结 . 错误 !未定义书签。 5 运动仿真 . 错误 !未定义书签。 5.1 设计方法 . 错误 !未定义书签。 5.2 丝杠 的仿真 . 错误 !未定义书签。 5.3 本章小结 . 错误 !未定义书签。 6 结论 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 致 谢 . 错误 !未定义书签。 附录 A 英文原文 . 48 附录 B 中文译文 . 53 沈阳理工大学学士学位论文 1 1 绪论 1.1 课题背景和意义 机床是国民经济中具有战略意义的基础工业 ，所以 机床工业的发展和机床技术水平的提高，必然对国民经济的发展起着重大的推动作用。随着改革开放 以及中国加入世贸组织后 ，我国的机床工业已取得了巨大的 发展 。 特别是 在加入世贸组织后，中国正在逐步变成世界制造中心， 机械行业为了增强竞争力已开始广泛的使用先进的数控技术及数控机床，虽然目前我国的数控技术正处在方兴未艾的发展时期，但只要经过技术工人艰苦不懈的共同努力，我国的数控机床及数控技术一定能逐步缩小与世界先进水平的差距，取得很好的发展。 1.2 国内外研究 现状 从 20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。 数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求 100%检验的零件。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。 进入 21 世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。 1.3 数控机床的发展趋势 （ 1） 高速化 。随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料沈阳理工大学学士学位论文 2 的应用，对数 控机床加工的高速化要求越来越高。目前铣削速度已达到 5000 8000m/min以上，主轴转速达到 30000 100000r/min；工作台的移动速度，当分辨率为 1m时，在100 200m/min 以上。自动换刀速度在 1 秒以内，小线段插补进给速度达到 12m/s。 （ 2） 高精度化 。数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度，机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。提高 CNC 系统控制精度：采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使 CNC 控制单位精细化，并采用高分辨率位置检测装置 ，提高位置检测精度，位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法；采用误差补偿技术：采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术，对设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿；采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度，并通过仿真预测机床的加工精度，以保证机床的定位精度和重复定位精度，使其性能长期稳定，能够在不同运行条件下完成多种加工任务，并保证零件的加工质量。 （ 3） 高可靠性。数控机床与传统机床相比，增加了数控系统和相应的监控装置等，应用了大量的电气、液压和机电装置，易于导致出现失效的概率 增大；工业电网电压的波动和干扰对数控机床的可靠性极为不利，而数控机床加工的零件型面较为复杂，加工周期长，要求平均无故障时间在 2 万小时以上。为了保证数控机床有高的可靠性，就要精心设计系统、严格制造和明确可靠性目标以及通过维修分析故障模式并找出薄弱环节。国外数控系统平均无故障时间在 7 10 万小时以上，国产数控系统平均无故障时间仅为 10000 小时左右，国外整机平均无故障工作时间达 800 小时以上，而国内最高只有300 小时。 （ 4） 功能复合化 。 复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要 素加工。根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类。采用复合机床进行加工，减少了工件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产生的误差，提高了零件加工精度，缩短了产品制造周期，提高了生产效率和制造商的市场反应能力，相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势。 （ 5） 控制智能化 。随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，数控机床的智能化程度在不断提高。加工过程自适应控制技术：通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算 法进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损、破损状态及机床加工的稳定性状态，并根据这些状态实时调整加工参数和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高设备运行的安全性；加工参数的智能优化与选择：沈阳理工大学学士学位论文 3 将工艺专家或技师的经验、零件加工的一般与特殊规律，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择器”，利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平、缩短生产准备时间的目的；智能故障自诊断与自修复技术：根据已有的故障信息，应用现代智能方法实现故障的快速准 确定位；智能故障回放和故障仿真技术：能够完整记录系统的各种信息，对数控机床发生的各种错误和事故进行回放和仿真，用以确定错误引起的原因，找出解决问题的办法，积累生产经验；智能化交流伺服驱动装置：能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行。 （ 6） 体系开放化 。 向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软 硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期；向用户特殊要求开放：更新产品、扩充功能、提供硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求；数控标准的建立：国际上正在研究和制定一种新的 CNC 系统标准ISO14649，以提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程乃至各个工业领域产品信息的标准化。标准化的编程语言，既方便用户使用，又降低了和操作效率直接有关的劳动消耗。 （ 7） 信息交互网络化 。对于面临激烈竞争的企业来说，使数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在车间各个部门间畅通无阻是非常重要的。既可以实现网络资源共享，又能实现数控机床的远程监视、控制、培训、教学、管理，还可实现数控装备的数字化服务。例如，日本 Mazak 公司推出新一代的加工中心配备了一个称为信息塔的外部设备，包括计算机、手机、机外和机内摄像头等，能够实现语音、图形、视像和文本的通信故障报警显示、在线帮助排除故障等功能，是独立的、自主管理的制造单元。 1.4 本课题的研究内容和方法 本课题是通过查阅资料 确定数控铣床的切削力，由切削力的大小来确定数控铣床伺服进给系统的各种 运动参数及传动方案，然后通过计算当量动载荷选择滚珠丝杠，通过计算最大切削负载转矩，负载惯量选择伺服电动机。最后通过 CAXA 软件对数控铣床沈阳理工大学学士学位论文 4 的伺服进给系统进行 3D 建模和运动仿真，在仿真中逐渐更改和优化系统。 1.5 本章小结 本章先介绍了课题的背景与研究现状，介绍了数控铣床发展趋势，从而提出了研究数控铣床的重要意义。最后介绍了本课题研究的主要内容和研究方法。 沈阳理工大学学士学位论文 5 2 总体 方案设计 2.1 伺服 进给系统的基本要求 伺服进给系统的基本要求： （ 1） 精度要求 伺服系统必须保证机床的定位精度和加工精度。对于低档性的数控系统，驱动控制精度一般为 0.01mm；对于高性能数控系统，驱动控制精度为 1m，甚至为 0.1 m。 （ 2）响应速度 为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度，除了要求有较高的定位精度外，还要有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号响应要快。 （ 3）调速范围 调速范围nR是指生产机 械要求电机能提供的最高转速maxn和最低转速minn之比。在各种数控机床中，由于加工用道具、被加工工件材质及零件加工要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求进给系统驱动系统必须具有足够宽的调速范围。 （ 4）低速、大转矩 根据机床的加工特点，经常在低速下进行重切削，即在低速下进给驱动系统必须有大的转矩输出。 2.2 铣床的技 术要求 工作台质量为 200kg，工件和夹具的总质量为 500kg。工作台纵向行程为 650 mm，进给速度为 18000mm/min，快速移动速度为 20000mm/min；横向行程为 450mm，进给速度为 18000mm/min，快速移动速度为 15000mm/min；垂向行程为 500mm，进给速度为 18000mm/min，快速移动速度为 25000mm/min。采用滚动直线导轨，导轨的动摩擦系数为 0.0045，静摩擦系数为 0.0045；定位精度为 0.012/300mm，重复定位精度为 0.006mm。机床的工作寿命为 20000h。 2.3 传动方案设计 沈阳理工大学学士学位论文 6 为了满足以上技术要求，采取以下技术方案： （ 1） 工作台工作面尺寸（宽度 长度）确定为 650mm650mm。 （ 2） 对滚珠丝杠螺母副 采用 预紧 ，并对滚珠丝杠进行拉伸预紧 。 （ 3） 采用伺服电动机驱动。 （ 4） 采用 夹紧式法兰膜片 联轴器将伺服电动机与滚珠丝杠连接。 (5) 导轨 采用四方向等载荷性滚动直线导轨副。 2.4 主切削力及其切削分力计算 2.4.1 计算主切削力 根据已知条件，采用镶齿三面刃铣刀， 查切削手册切削力计算公式为： 0 . 9 5 0 . 8 0 1 . 1 1 . 109 . 8 1 8 2 . 4z p f ea a d a ZF （ 2.1） 式中 Z 铣刀齿数； pa 背吃刀量（ mm）； fa 每齿进给量（ mm/z）； ea 侧吃刀量（ mm）。 所以当 10Z ， 80ea mm， 100d mm ， 4pa mm， 0.15fa mm 时， 0 . 9 5 0 . 8 0 1 . 1 1 . 109 . 8 1 8 2 . 4z p f ea a d a ZF =6420N 2.4.2 计算各切削分力 工作台的纵向切削力、横向切削力和垂向切削力分别为： z0 . 6 F 0 . 6 6 4 2 0 3 8 5 2 N0 . 4 5 0 . 4 5 6 4 2 0 2 8 8 90 . 5 5 0 . 5 5 6 4 2 0 3 5 3 1cvzlzFF F NF F N 2.5 本章小结 本章主要介绍了设计伺服进给系统的基本要求，根据要求及参考资料确定了 运动参沈阳理工大学学士学位论文 7 数及传动方案，并且计算出了各向切削力。 沈阳理工大学学士学位论文 8 3 滚珠丝杠及伺服电动机的选择 3.1 X 轴方向进给系统的计算 3.1.1 X 轴滚珠丝杠的选择 1 确定滚珠丝杠的导 程 根据已知条件取电动机的最高转速m a xn 2 5 0 0 r / m i n,i=1 得： m a xm a xv 20000 m m 8 m mi n 1 2 5 0 0hp 2 滚珠丝杠螺母副的载荷及转速计算 丝杠最大载荷，为切削时的最大进给力加摩擦力；最载荷即摩擦力 。已知最大进给力为 3852cFN，工作台加工件与夹具的质量为 700gk，导轨的摩擦因数为 0.0045，故丝杠的最小载荷 m i n = f G = 0 . 0 0 4 5 7 0 0 1 0 = 3 1 . 5F N 丝杠最大载荷 m a x 3 8 5 2 3 1 . 4 3 8 8 3F N 当负荷与载荷接近单调式变化时 m a x m i nmm a x m i nm8 0 0 0 1nn 88n 5 0 0 / m i n222 F F 2 3 8 8 3 3 1 . 4F 2 5 9 933rN 3 确定滚珠丝杠预期的额定动载荷 amC （ 1）按预定工作时间估算。 mw3a m m h acFfC = 6 0 n L 1 0 0 f f （ 3.1） 式中hL 预期工作时间（小时）； af 精 度系数； cf 可靠性系数； wf 负荷系数。 沈阳理工大学学士学位论文 9 查得载荷性质系数 wf =1.3。已知初步选择的滚珠丝杠的精度等级为 2 级，查得精度系数af =1,可靠性系数 cf =1，则 mw3a m m h acFfC = 6 0 n L 1 0 0 f f3 2 5 9 9 1 . 36 0 5 0 0 2 0 0 0 0 2 8 4 9 71 0 0 1 1 N （ 2）因对滚珠丝杠螺母副将实施预紧，所以可按估算最大轴向载荷。取预加载荷系数 ef =4.5，则 a m e a m a xf 4 . 5 3 8 8 3 1 7 4 7 4C F N N （ 3）确定滚珠丝杠预期的额定动载荷 amC 取以上两种结果的最大值， amC 28497N。 4 按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径 2md （ 1）估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形m。 机床或机械装置的伺服系统精度大多在空载下检验。空载时作用在滚珠丝杠副上的最大轴向工作载荷是静摩擦力0F。移动部件minK处启动和返回时，由于0F方向变化将产生误差因素，一般占重复定位精度的 （ 1/2 1/3） 。所以规定滚珠丝杠副允许的最大轴向变形m （ 1/3 1/4） 重复定位精度。 已知重复定位精度为 6 m 则 m 11634 0.002 0.0015mm 影响定位精度最主要因素是滚珠丝杠副的精度，其次是滚珠丝杠本身的拉压弹性变形以及滚珠丝杠副摩擦力矩的变化等。一般估算m （ 1/4 1/5） 定位精度。 m 11 0 . 0 245 0.005 0.004mm 取上述计算结果的较小值m=0.0015mm （ 2）估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径 2md 本机床工作台（ X 轴）滚珠丝杠螺母副的安装方式拟采用两端固定方式 02m0 .0 3 9m FLd （ 3.2） 式中m 估算的滚珠丝杠最大允许轴向变形量 （ m） ； 0F 导轨静摩擦力 （ N） ； L 滚珠螺母至滚珠丝杠两个固定支承的距离。 滚珠丝杠螺母副的两个固 定支承之间的距离为 沈阳理工大学学士学位论文 10 L行程 +安全行程 +2余程 +螺母长度 +支承长度 （ 1.1 1.2）行程 +（ 10 14）hP L 1.1行程 +10hP （ 1.1650+108） mm 860mm 又 0F =31.5N， 得 02m3 1 . 5 8 6 00 . 0 3 9 0 . 0 3 9 5 . 2 30 . 0 0 1 5 1 0 0 0mFLd m m m m 5 初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号 根据计算所得的hp、 amC 、 2md ，初步选择 FFZD型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠螺母副 FFZD4008-5 其公称直径 0d 、基本导程hp、额定动载荷 aC 和丝杠底径 2d 如下 : 0d =40mm,hp =8mm, aC =30700N amC =28497N, 2d =34.9mm 2md =5.23mm。故满足式设计要求。 6 确定滚珠丝杠螺母副的预紧力 pF p m a x11F = F333883N 1294N 7 计算滚珠丝杠螺母副的目标行程补偿值与预紧拉力 1） 计算目标行程补偿值 t t 11.8 t uL -310 （ 3.3） 式中： t 温度变化值。 已知温度变化值 t=2.5，滚珠丝杠螺母副的有效行程： 2u k n aL L L L 行程 +（ 8 14）hP=650+118=738mm t 11.8 t uL -310 11.82.5738 -310 mm=21.77mm （ 2）计算滚珠丝杠的预拉伸力 tF 。 22t2F = 1 . 9 5 t d 1 . 9 5 2 . 5 3 4 . 9 N 5 9 3 8 N 8 确定滚珠丝杠螺母副支承用轴承的规格型号 （ 1）计算轴承所承受的最大轴向载荷 BmaxF m a x t m a xF 5 9 3 8 3 8 8 3 9 8 2 1BF F N （ 2）轴承类型 两端固定支承方式。采用双向推力角接触球轴承。 （ 3）确定轴承内径 d 沈阳理工大学学士学位论文 11 为便于丝杠加 工，轴承内径最好不大于滚珠丝杠大径。在选用内循环滚珠丝杠副时必须有一端轴承内径略小于丝杠底径 2d 。其次轴承样本上规定的预紧力应大于轴承所承最大载荷maxBF计算轴承的的 1/3。 d 略小于 2d =34.9mm， d=30mm （ 4）轴承预紧力BPF 预加负荷 BPF，BPF=1/3maxBF=1/3 9821=3274N （ 5）按样本选轴承型号规格 ZKLN3062.2RS d=30mm ，预加负荷为 5850NBPF=3274N 9 滚珠丝杠副工作图设计 （ 1）滚珠丝杠螺纹长度sL 2s u eL L L 余程eL=32mm 2s u eL L L=738+2 32=802mm （ 2）两端固定支承距离 1L=860mm，丝杠全长 L=994mm （ 3）行程起点离定支承距离 0L=62mm 3.1.2 X 轴伺服电机的选择 1 力矩的计算 （ 1)计算切削负载力矩 Tc 已知在切削状态下坐标轴的轴向负载力 Fa=Fmax=3883N,电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离hP=8mm=0.008m,进给传动系统的总效率 =0.90，得： Tc=2ahFP= 3 8 8 3 0 . 0 0 8 .2 3 . 1 4 0 . 9 0 Nm=5.5N. m （ 2)计算摩擦负载力 矩 T 已知在不切削状态下坐标轴的轴向负载力（即为空载时的导轨摩擦力） F0=31.5N，得： T= 02 hFP= 3 1 .5 0 .0 0 82 3 .1 4 0 .9 0N.m=0.044N.m 沈阳理工大学学士学位论文 12 （ 3)计算由滚珠丝杠得预紧而产生的附加负载力矩 Tf 已知滚珠丝杠螺母副的预紧力 Fp=976.56N，滚珠丝杠螺母副的基本导程hP=8mm=0.008mm，滚珠丝杠螺母副的效率0=0.94，得 : fT= 2201 2 9 4 0 . 0 0 81 (1 0 . 9 4 ) . 0 . 2 1 3 .2 2 3 . 1 4 0 . 9 0phFP N m N m 2 负载转动惯量计算 （ 1）已知机床执行部件（即工作台、工件和夹具）的总质量 m=800kg，电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离为 8mm， 得： 2 220 . 0 0 88 0 0 ( ) 0 . 0 0 1 2 9 .2 2 3 . 1 4hLPJ m k g m （ 2)计算滚珠丝杠的转到惯量 Jr 已知滚珠丝杠的密度 =7.8 10 3 kg/cm3 ,得 : 4 3 4 20 7 . 8 1 0 0 . 9 7 4 0 . 0 4 0 . 0 0 1 9 .3 2 3 2r lDJ k g m （ 3)计算联轴器的转动惯量 J0 J0 226 6 20 . 2 3 2 6 81 0 1 0 0 . 0 0 0 1 3 4 .88MD k g m (4)总的转动惯量 42L r 0J J J 3 . 2 2 1 0 k g . mJ 总 根据上述计算可初步选定伺服电机。选择 S系列交流伺服电动机 CTB-43POSXA20。 主要技术参数如下： 最高转速maxn： 6000r/min 额定转矩eT： 14.3N.m 最大转矩maxT： 28.6N.m 转子惯量mJ： 0.0054 2.kgm 机械时间常数mt： 7.5ms 3 空载启动时，折算到电动机轴上的加速力矩amaxT 3m a xa m a x 3Jn 3 . 2 2 1 0 2 5 0 0T 2 7 . 9 N . m9 . 6 t 9 . 6 4 7 . 5 1 0 总 沈阳理工大学学士学位论文 13 r f m a x 0 . 0 4 4 0 . 2 1 3 2 7 . 9 2 8 . 1 5 7 .aT T T T N m 5 . 5 0 . 0 4 4 0 . 2 1 3 5 . 7 6 .m c fT T T T N m a）mJ=0.0054 2.kgm =（ 14） J总 b） 最大转矩maxT： 28.6N.m rT c） 额定转矩eT： 14.3N.mmT 可见 CTB-43POSXA20 型交流伺服电机满足设计要求。 3.1.3 X 轴系统校验 1 传动系统的刚度计算 （ 1） 计算滚珠丝杆的拉压刚度SK 本工作台的丝杠支承方式为两端固定，当滚珠丝杠的螺母中心位于滚珠丝杆两支承的中心位置（ a=1L/2，1L=860mm）时，滚珠丝杆螺母副具有最小拉压刚度sminK，计算为： 2 2222s m i n1d 3 4 . 96 . 6 1 0 6 . 6 1 0 / m 9 3 5 N / m860KNL 当滚珠丝杆的螺母副中心位于行程的两端位置时，滚珠丝杆螺母副具有最大拉压刚度smaxK计算得： 2 22221s m a x0 1 0d 3 4 . 9 8 6 06 . 6 1 0 6 . 6 1 0 / m 1 7 7 8 / m4 ( L - L ) 4 6 2 ( 8 6 0 - 6 2 )LK N NL （ 2）计算滚珠丝杠螺母副支撑轴承的刚度bK 0BK= 2 2.34 253m a x s i nQad Z F （ 3.4） 式中 轴承接触角； Qd 滚动体直径（ mm）； Z 滚动体个数； maxaF 最大轴向工作载荷（ N） ； 已知轴承的接触角 ，滚动体直径Qd=4.25mm，滚动体个数 Z=10,轴承的最大轴向工作载荷maxaF= 35850=17550N,得 0BK= 2 2.34 253m a x s i nQad Z F 沈阳理工大学学士学位论文 14 = 2 2.34 3 254 . 2 5 1 0 1 7 5 5 0 s i n 6 0 / 7 1 9 /o N m N m 由两端固定支承 bK =20BK=2719=1438N/m （ 3）计算滚珠与滚道的接触刚度 Kc 130 .1pccaFKKC （ 3.5） 式中 cK 查样本上的刚度（ m）； aC 额定动载荷； 由样本查得： cK=1580N/m； aC=30700N；pF=1294N 130 . 1pccaFKKC = 1312941 5 8 0 1 1 8 4 . 6 5 / m0 . 1 3 0 7 0 0 N 2 传动系统刚度验算及滚珠丝杠副的精度选择 （ 1）计算 min1K N/um m i n m i n1 1 1 1 1 1 1 19 3 5 1 4 3 8 1 1 8 5 3 8 3s b cK K K K 计算 max1K N/um m a x m a x1 1 1 1 1 1 1 11 7 7 8 1 4 3 8 1 1 8 5 4 7 6s b cK K K K 静摩擦力0F 00 0 . 0 0 4 5 7 0 0 0 3 1 . 5F F N （ 2）验算传动系统刚度minK 0m i n 1 .6 FK 反 相 差 值 （ 3.6） 沈阳理工大学学士学位论文 15 已知反相差值或重复定位精度为 6 0m i n 1 . 6 1 . 6 3 1 . 53 8 3 8 . 3 66FK 反 相 差 值N/m （ 3）传动系统刚度变化引起的定位误差k k0m i n m a x1 1 1 13 1 . 5 0 . 0 1 5 9 m3 8 3 4 7 6F KK （ 4）确定精度，任意 300mm 内的行程变动量300V 对半闭环系统而言，3 0 0 k0 . 8V 定 位 精 度 定位精度为 12m/300mm 所以300 0 . 8 1 2 0 . 0 1 5 9 9 . 5 8 4V 所以300V=8m9.584 取丝杠精度取为 2 级。 （ 5）确定滚珠丝杠副的规格代号 已确定得型号： FFZD 公称直径： 40mm，导程 8mm 螺纹长度： 802mm 丝杠全长： 994mm P 类 2 级精度 即： FFZD4008-5-P2/994 802 3 验算滚珠丝杠副临界压缩载荷cF 因丝杠所受最大轴向载荷maxF小于丝杠预拉伸里 F 不用验算。 4 验算滚珠丝杠副的临界转速cn 722210ccdnfL （ 3.7） 式中2cL 临界转速计算长度（ mm）。 由样本得：2d=34.9mm， f=21.9，得 2 1 0 8 6 0 6 2 7 9 9cL L L m m 772 m a x2223 4 . 91 0 2 1 . 9 1 0 1 1 9 7 2799c cdn f nL 沈阳理工大学学士学位论文 16 5 验算nD max.n pwD D n （ 3.8） 式中pwD 滚珠丝杠副的节圆直径（ mm）； maxn 滚珠丝杠副的最高转速。 2 3 4 . 9 5 3 9 . 9p w wD d D m m m a x 8000 10008n r/min m a x. 3 9 . 9 1 0 0 0 3 9 9 0 0 7 0 0 0 0n p wD D n 6 基本轴向额定静载荷0aC验算 m ax 0s a af F C 式中0aC 滚珠丝杠副的基本轴向额定载荷（ N）； sf 静态安全系数。 由样本得：sf=1.5，maxaF=17550N，0aC=84900N 所以 1.5 17550=26325BPF=2206N 9 滚珠丝杠副工作图设计 (1）滚珠丝杠螺纹长度sL 2s u eL L L 余程eL=24mm 2s u eL L L=510+2 24=558mm (2）两端固定支承距离 1L=618mm，丝杠全长 L=750mm （ 3）行程起点离定支承距离 0L=60mm 沈阳理工大学学士学位论文 20 3.2.2 Y 轴伺服电机的选择 1 力矩的计算 （ 1)计算切削负载力矩 Tc 已知在切削状态下坐标轴的轴向负载力 Fa=Fmax=2920N,电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离hP=6mm=0.006m,进给传动系统的总效率 =0.90，得： Tc=2ahFP= 2 9 2 0 0 . 0 0 6 .2 3 . 1 4 0 . 9 0 Nm=3.0997N. m （ 2)计算摩擦负载力矩 T 已知在不切削状态下坐标轴的轴向负载力（即为空载时的导轨摩擦力） F0=31.5N，得： T= 02 hFP= 3 1 .5 0 .0 0 62 3 .1 4 0 .9 0N.m=0.0336N.m （ 3)计算由滚珠丝杠得预紧而产生的附加负载力矩 Tf 已知滚珠丝杠螺母副的预紧力 Fp=973N ，滚珠丝杠螺母副的基本导程hP=6mm=0.006mm，滚珠丝杠螺母副的效率0=0.94，得 : fT= 2209 7 3 0 . 0 0 61 (1 0 . 9 4 ) . 0 . 1 2 .2 2 3 . 1 4 0 . 9 0phFP N m N m 2 负载转动惯量计算 （ 1）已知机床执行部件（即工作台、工件和夹具 ）的总质量 m=800kg，电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离为 8mm， 得： 2 220 . 0 0 68 0 0 ( ) 0 . 0 0 0 7 3 .2 2 3 . 1 4hLPJ m k g m （ 2)计算滚珠丝杠的转到惯量 Jr 已知滚珠丝杠的密度 =7.8 10 3 kg/cm3 ,得 : 4 3 4 20 7 . 8 1 0 0 . 7 5 0 . 0 4 0 . 0 0 0 6 4 2 .3 2 3 2r lDJ k g m （ 3)计算联轴器的转动惯量 J0 沈阳理工大学学士学位论文 21 J0 226 6 20 . 2 3 2 6 81 0 1 0 0 . 0 0 0 1 3 4 .88MD k g m （ 4)总的转动惯量 42L r 0J J J 3 . 2 2 1 0 k g . mJ 总 根据上述计算可初步选定伺服电机。选择交流伺服电机 130MB200B-011000。 主要技术参数如下： 最高转速maxn： 2500r/min 额定转矩eT： 8.8N.m 最大转矩maxT： 19.6N.m 转子惯量mJ： 0.00158 2.kgm 机械时间常数mt： 2.72ms 3 空载启动时，折算到电动机轴上的加速力矩amaxT 3m a xa m a x 3Jn 1 . 4 7 1 0 2 5 0 0T 3 5 . 4 5 N . m9 . 6 t 9 . 6 4 2 . 7 2 1 0 总 r f m a x 0 . 0 3 3 6 0 . 1 2 3 5 . 4 5 3 5 . 6 0 3 6 .aT T T T N m 3 . 0 9 9 7 0 . 0 3 3 6 0 . 1 2 3 . 2 5 .m c fT T T T N m a）mJ=0.00158 2.kgm =（ 14） J总 b） 最大转矩maxT： 19.6N.m mT 可见 130MB200B-011000 型交流伺服电机满足设计要求。 3.2.3 Y 轴系统校验 1 传动系统的刚度计算 （ 1） 计算滚珠丝杆的拉压刚度SK 本工作台的丝杠支承方式为两端固定，当滚珠丝杠的螺母中心位于滚珠丝杆两支承的中心位置（ a=1L/2，1L=618mm）时，滚珠丝杆螺母副具有最小拉压刚度sminK，计算为： 沈阳理工大学学士学位论文 22 2 2222s m i n1d 2 7 . 96 . 6 1 0 6 . 6 1 0 / m 8 3 1 N / m618KNL 当滚珠丝杆的螺母副中心位于行程的两端位置时，滚珠丝杆螺母副具有最大拉压刚度smaxK计算得： 2 22221s m a x0 1 0d 2 7 . 9 6 1 86 . 6 1 0 6 . 6 1 0 / m 2 3 6 8 / m4 ( L - L ) 4 6 2 ( 6 1 8 - 6 0 )LK N NL （ 2）计算滚珠丝杠螺母副支撑轴承的刚度bK 已知轴承的接触角 ，滚动体直径Qd=4.25mm，滚动体个数 Z=10,轴承的最大轴向工作载荷maxaF= 35525=16575N,由公式 （ 3.4） 得 , 0BK= 2 2.34 253m a x s i nQad Z F =22.34 3 254 . 2 5 1 0 1 6 5 7 5 s i n 6 0 / 7 0 6 /o N m N m 由两端固定支承 bK =20BK=2706=1412N/m （ 3）计算滚珠与滚道的接触刚度 Kc 由样本查得： cK=1367N/m； aC=20200N；pF=973N,由公式 （ 3.5)得 130 . 1pccaFKKC = 139731 3 6 7 1 0 7 2 / m0 . 1 2 0 2 0 0 N 2 传动系统刚度验算及滚珠丝杠副的精度选择 （ 1）计算 min1K N/um m i n m i n1 1 1 1 1 1 1 18 3 1 1 4 1 2 1 0 7 2 3 5 0s b cK K K K 计算 max1K N/um m a x m a x1 1 1 1 1 1 1 12 3 6 8 1 4 1 2 1 0 7 2 4 8 4s b cK K K K 沈阳理工大学学士学位论文 23 静摩擦力0F 00 0 . 0 0 4 5 7 0 0 0 3 1 . 5F F N （ 2）验算传动系统刚度minK 已知反相差值或重复定位精度为 6,由公式 （ 3.6） 得 0m i n 1 . 6 1 . 6 3 1 . 53 5 0 8 . 3 66FK 反 相 差 值N/m （ 3）传动系统刚度变化引起的定位误差k k0m i n m a x1 1 1 13 1 . 5 0 . 0 2 4 8 m3 5 0 4 8 4F KK （ 4）确定精度，任意 300mm 内的行程变动量300V 对半闭环系统而言，3 0 0 k0 . 8V 定 位 精 度 定位精度为 12m/300mm 所以300 0 . 8 1 2 0 . 0 2 4 8 9 . 5 7 5V 所以300V=8m9.584 取丝杠精度取为 2 级。 （ 5）确定滚珠丝杠副的规格代号 已确定得型 号： FFZD 公称直径： 32mm，导程 6mm 螺纹长度： 558mm 丝杠全长： 750mm P 类 2 级精度 即： FFZD4008-5-P2/750 558 3 验算滚珠丝杠副临界压缩载荷cF 因丝杠所受最大轴向载荷maxF小于丝杠预拉伸里 F 不用验算。 4 验算滚珠丝杠副的临界转速cn 由样本得：2d=27.9mm， f=21.9， 由公式 （ 3.7） 得 2 1 0 6 1 8 6 0 5 5 8cL L L m m 沈阳理工大学学士学位论文 24 772 m a x2222 7 . 91 0 2 1 . 9 1 0 1 9 6 2 3558c cdn f nL 5 验算nD 由公式 （ 3.8） 得 2 2 7 . 9 4 3 1 . 9p w wD d D m m m a x 8000 13336n r/min m a x. 3 1 . 9 1 3 3 3 4 2 5 2 3 7 0 0 0 0n p wD D n 6 基本轴向额定静载荷0aC验算 m ax 0s a af F C 式中0aC 滚珠丝杠副的基本轴向额定载荷（ N）； sf 静态安全系数。 由样本得：sf=1.5，maxaF=16575N，0aC=53300N 所以 1.5 16575=24863BPF=2388N 9 滚珠丝杠副工作图设计 （ 1）滚珠 丝杠螺纹长度sL 2s u eL L L 余程eL=40mm 2s u eL L L=510+2 40=660mm （ 2）两端固定支承距离 1L=720mm，丝杠全长 L=852mm （ 3）行程起点离定支承距离 0L=72mm 3.3.2 Z 轴伺服电机的选择 1 力矩的计算 （ 1)计算切削负载力矩 Tc 已知在切削状态下坐标轴的轴向负载力 Fa=Fmax=3531N,电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离hP=6mm=0.01m,进给传动系统的总效率 =0.90，得： 沈阳理工大学学士学位论文 28 Tc=2ahFP= 3 5 3 1 0 . 0 1 .2 3 . 1 4 0 . 9 0 Nm=6.25N. m （ 2)计算摩擦负载力矩 T 已知在不切削状态下坐标轴的轴向负载力（即为空载时的导轨摩擦力） F0=5.3N，得： T= 02 hFP= 5 .3 0 .0 12 3 .1 4 0 .9 0N.m=0.0083N.m （ 3)计算由滚珠丝杠得预紧而产生的附加负载力矩 Tf 已知滚珠丝杠螺母副的预紧力 Fp=1177N，滚珠丝杠螺母副的基本导程hP=10mm=0.01mm，滚珠丝杠螺母副的效率0=0.94，得 : fT= 2201 1 7 7 0 . 0 11 (1 0 . 9 4 ) . 0 . 2 4 .2 2 3 . 1 4 0 . 9 0phFP N m N m 2 负载转动惯量计算 （ 1）已知负荷质量 m=4kg，电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离为10mm， 得： 2 2 5 20 . 0 14 ( ) 1 1 0 .2 2 3 . 1 4hLPJ m k g m （ 2)计算滚珠丝杠的转到惯量 Jr 已知滚珠丝杠的密度 =7.8 10 3 kg/cm3 ,得 : 4 3 4 20 7 . 8 1 0 0 . 8 5 2 0 . 0 4 0 . 0 0 0 6 8 .3 2 3 2r lDJ k g m （ 3)计算联轴器的转动惯量 J0 J0 226 6 20 . 2 3 2 6 81 0 1 0 0 . 0 0 0 1 3 4 .88MD k g m （ 4)总的转动惯量 2L r 0J J J 0 . 0 0 0 8 1 4 k g . mJ 总 根据上述计算可初步选定伺服电机。选择交流伺服电机 130MB200B-011000。 主要技术参数如下： 沈阳理工大学学士学位论文 29 最高转速maxn： 2500r/min 额定转矩eT： 8.8N.m 最大转矩maxT： 19.6N.m 转子惯量mJ： 0.00158 2.kgm 机械时间常数mt： 2.72ms 3 空载启动时，折算到电动机轴上的加速力矩amaxT m a xa m a x 3Jn 0 . 0 0 0 8 1 4 2 5 0 0T 1 9 . 4 8 N . m9 . 6 t 9 . 6 4 2 . 7 2 1 0 总 r f m a x 0 . 0 0 8 3 0 . 2 4 1 9 . 4 8 1 9 . 7 3 .aT T T T N m 6 . 2 5 0 . 0 0 8 3 0 . 2 4 6 . 5 .m c fT T T T N m a）mJ=0.00158 2.kgm =（ 14） J总 b） 最大转矩maxT： 19.6N.m mT 可见 130MB200B-011000 型交流伺服电机满足设计要求。 3.3.3 Z 轴系统校验 1 传动系统的刚度计算 （ 1） 计算滚珠丝杆的拉压刚度SK 本工作台的丝杠支承方式为两端固定，当滚珠丝杠的螺母中心位于滚珠丝杆两支承的中心位置（ a=1L/2，1L=720mm）时，滚珠丝 杆螺母副具有最小拉压刚度sminK，计算为： 2 2222s m i n1d 2 7 . 36 . 6 1 0 6 . 6 1 0 / m 6 8 3 N / m720KNL 当滚珠丝杆的螺母副中心位于行程的两端位置时，滚珠丝杆螺母副具有最大拉压刚度smaxK计算得： 2 22221s m a x0 1 0d 2 7 . 3 7 2 06 . 6 1 0 6 . 6 1 0 / m 1 8 9 8 / m4 ( L - L ) 4 7 2 ( 7 2 0 - 7 2 )LK N NL （ 2）计算滚珠丝杠螺母副支撑轴承的刚度bK 沈阳理工大学学士学位论文 30 已知轴承的接触角 ，滚动体直径Qd=4.25mm，滚动体个数 Z=10,轴承的最大轴向工作载荷maxaF= 35525=16575N,由公式 （ 3.4） 得 0BK= 2 2.34 253m a x s i nQad Z F =2 2.34 3 254 . 2 5 1 0 1 6 5 7 5 s i n 6 0 / 7 0 6 /o N m N m 由两端固定支承 bK =20BK=2706=1412N/m （ 3）计算滚珠与滚道的接触刚度 Kc 由样本查得： cK=772N/m； aC=25700N；pF=1177N,由公式 （ 3.5） 得 130 . 1pccaFKKC = 1311771 3 6 7 5 9 5 / m0 . 1 2 5 7 0 0 N 2 传动系统刚度验算及滚珠丝杠副的精度选择 （ 1）计算 min1K N/um m i n m i n1 1 1 1 1 1 1 16 8 3 1 4 1 2 5 9 5 2 6 0s b cK K K K 计算 max1K N/um m a x m a x1 1 1 1 1 1 1 11 8 9 8 1 4 1 2 5 9 5 3 4 3s b cK K K K 静摩擦力0F 00 0 . 0 0 4 5 1 1 7 7 5 . 3F F N （ 2）验算传动系统刚度minK 已知反相差值或重复定位精度为 6,由公式 （ 3.6） 得 0m i n 1 . 6 1 . 6 5 . 33 5 0 1 . 4 16FK 反 相 差 值N/m （ 3）传动系统刚度变化引起的定位误差k 沈阳理工大学学士学位论文 31 k0m i n m a x1 1 1 15 . 3 0 . 0 0 4 4 m2 6 0 3 4 3F KK （ 4）确定精度，任意 300mm 内的行程变动量300V 对半闭环系统而言，3 0 0 k0 . 8V 定 位 精 度 定位精度为 12m/300mm 所以300 0 . 8 1 2 0 . 0 0 4 4 9 . 5 9 6V 所以300V=8m9.596 取丝杠精度取为 2 级。 （ 5）确定滚珠丝杠副的规格代号 已确定得型号： FFZD 公称直径： 32mm，导程 10mm 螺纹长度： 660mm 丝杠全长： 852mm P 类 2 级精度 即： FFZD4008-5-P2/852 660 3 验算滚珠丝杠副临界压缩载荷cF 因丝杠所受最大轴向载荷maxF小于丝杠预拉伸里 F 不用验算。 4 验算滚珠丝杠副的临界转速cn 由样本得：2d=27.3mm， f=21.9， 由公 式 （ 3.7） 得 2 1 0 7 2 0 7 2 6 4 8cL L L m m 772 m a x2222 7 . 31 0 2 1 . 9 1 0 1 4 2 3 8648c cdn f nL 5 验算nD 由公式 （ 3.8） 得 2 2 7 . 3 7 . 1 4 4 3 4 . 4 4 4p w wD d D m m m a x 8000 80010n r/min 沈阳理工大学学士学位论文 32 m a x. 3 4 . 4 4 4 8 0 0 2 7 5 5 5 7 0 0 0 0n p wD D n 6 基本轴向额定静载荷0aC验算 m ax 0s a af F C 式中0aC 滚珠丝杠副的基本轴向额定载荷（ N）； sf 静态安全系数。 由样本得：sf=1.5，maxaF=16575N，0aC=50200N 所以 1.5 16575=248630aC=50200N 7 强度验算 取 =726 2/N mm ，2 27.3d mm，由公式 （ 3.9） 得 所以 224 1 6 5 7 52 7 . 3 5 . 4 2 7 . 3726dd mm 验算均合格。 3.3 本章小结 本章首先介绍了各滚珠丝杠的选择，介绍了伺服电机的选型，最后对系统进行了校验。 沈阳理工大学学士学位论文 33 4 3D 建模 4.1 CAXA 实体设计的介绍 CAXA 是我国具有自主知识产权软件的知名品牌，是我国CAD/CAM/CAPP/PDM/PLM 软件的优秀代表，在国内设计制造领域拥有 120000 套授权使用的广泛用户基础和影响。 CAXA 软件最初起源于北京航空航天大学，经过十多年市场化、产业化和国际化的快速发展，目前已成为“领先一步的中国计算机辅助技术与服务联盟（ Computer Aided X,Ahead& Alliance）” ,产品覆盖设计（ CAD）、工艺 (CAPP)、制造（ CAM）与协同管理（ EDM/PDM）四大领域，其近 20 个模块和构件共同构成哦CAXA-PLM 集成框架，是国内制造业信息化服务的主要供应商之一。 CAXA A5 PLM 是面向制造企业典型流程的普及型 PLM解决方案。它主要是针对CAD 普及之后，企业对建立快速响应市场的产品创新研发体系及其协同工作平台的现实需求，并结合 CAXA 多年来服务用户的实践经验以及最新的技术，不断研究发展而成。 CAXA A5 PLM 根植于制造企业的产品创新流程，结合各种 CAD/CAM 单元应用的集成技术，提供从概念设计、详细设计、工艺流程到生产制造的各个环节的协同工作平台，是广大制造业企业普及 PLM 应用、提升企业产品创新能力的最佳选择。 4.2 丝杠设计 4.2.1 设 计思路 在设计丝杠的过程中，重点在于设计其螺纹的结构。先调用设计元素库中的“圆柱体”图素，然后调用“工具”图素中的弹簧，对图素所加载属性进行编辑修改。最后用布尔特征中的减法，生成螺纹。 4.2.2 设计步骤 （ 1）启动 CAXA 进入系统，进入三维设计环境。 沈阳理工大学学士学位论文 34 （ 2）从设计元素库中的“图素”中选择“圆柱体”图素，将其拖放入设计环境中，如图 4.1 所示。 （ 3）激活圆柱体智能图素状态，编辑包围和，修改圆柱体尺寸为：长度 32、宽度32、高度 660，如图 4.2 所示。 图 4.1 调用“圆柱体”图素 图 4.2 编辑包围盒 （ 4）从“工具”图素中拖出弹簧，激活弹簧智能图素状态，用鼠标右击图素，在弹出菜单中选择加载属性，输入相应参数：统一半径、底部半径 13.65、高度值 660、等螺距、初始螺距 10、截面圆形、 d 为 7.2。如图所示。点击确定生成弹簧，如图 4.3 所示。 （ 5）拾取弹簧零件，使其处于智能图素编辑状态下，单击“三维球”按钮，然后用鼠标右键单击三维球中心点，在弹出的快捷菜单中选择“到中心”。再点击圆柱体外圆出，则弹 簧与圆柱体装配到一起。如图 4.4 所示。点击“布尔特征”按钮，在弹出的菜单中选择减法，被布尔减的体选择圆柱体，要布尔减的体选择弹簧，单击确定。如图 4.5所示。 （ 6）从设计元素库中选择圆柱体图素，然后利用智能捕捉功能，捕捉到中心点时将变为高亮“绿色”圆点。将第二个圆柱体定位于第一个圆柱体右端面的中心位置，如图4.6 所示。 （ 7）编辑第二个圆柱体图素包围和的尺寸，修改为长度 23、宽度 23、高度 2。继续调用圆柱体图素，重复上述操作，再调入 3 个圆柱体，使用智能捕捉功能，使其都端面相接，以中心定位。 3 个圆 柱体图素的尺寸由左向右分别为：直径 25、 20、 22；长度 56、2、 24。相应的在螺纹圆柱体的左端面依次调入 4 个圆柱体，直径 23、 25、 20、 22；长度 2、 56、 2、 24。单击“显示全部”按钮，显示三维实体全景，如图 4.7 所示。 沈阳理工大学学士学位论文 35 图 4.3 加载属性对话框 图 4.4 弹簧与圆柱体装配 图 4.5 丝杠螺纹 沈阳理工大学学士学位论文 36 图 4.6 调用第二个圆柱体图素 图 4.7 丝杠各轴段 （ 8）在丝杠两端的轴段也用上述生成螺纹的方法添加上螺纹，不再赘述。最后单击“显示设计树”右键点击零件 49，在弹出的菜单中选择智能渲染，选择深蓝色。单击确定。单击按钮“显示全部”按钮，显示三维实体全景，如图所 4.8 示。 图 4.8 丝杠 4.3 标准件及高级图素应用 4.3.1 设计方法 在零件中构造各种形状的孔、布置安排孔的不同排列方式等已经成为典型的设计内容。另外，有些零件，如螺钉、螺母、垫圈、齿轮、轴承和弹簧等，其结构已经固定，并已纳入国家标准，所以在零件的分类中，一般将这些零件称为标准件和常用件。 CAXA实体设计不仅提供了构造这些零件的方法，而且还将一些常用的结构归纳到设计元素库的“高级图素”或“工具”选项卡中。 沈阳理工大学学士学位论文 37 4.3.2 内六角圆柱头螺钉设计 （ 1）将工具元 素库中的“紧固件”图素拖放到设计环境中。 （ 2）将“紧固件”对话框，在主类型和子类型下拉表框中选择相应的紧固件类型，例把主类型设置为“螺钉”、将子类型设置为“圆柱头螺钉”。 （ 3）单击下一步按钮，在弹出的对话框中选择适当规格，并按需要修改各个参数后，单击确定按钮，即可构造出相应的螺钉如图 4.9 所示。 （ 4）其他如圆螺母等也可以直接从紧固件中拖出。 图 4.9 内六角圆柱头螺钉 沈阳理工大学学士学位论文 38 4.4 装配设计 4.4.1 设计方法 CAXA 实体设计的设计环境具有强大的装配功能，它将装配设计与零件造型设计集成在一起，不仅提供了一般三维实体设计建模所具有的刚性约束能力，同时还提供了三维球装配的柔性装配方法，并保证快捷、精确地利用零件上的特征点、线和面进行装配定位。其中，三维球定位装配、无约束定位装配和约束定位装配比较常用。不同装配方法有各自的应用范围，在产品设计中可根据不同的情况选用不同的装配约束方式。 4.4.2 轴承座的装配 （ 1）启动 CAXA 实体设计系统，进入三维设计环境。 （ 2）选择“装配” ，“插入零件装配”命令弹出“插入零件”对话框，如图所示。 （ 3）把轴承，轴承盖，挡圈，轴承座依次依次插入到设计环境中，如图 4.10 所示。 （ 4）在设计环境中，拾取轴承盖，然后激活其三维球，在三维球中，按下空格键，三维球变成白色，这时右击三维球中心点，在弹出的菜单中选择到中心点，如图 4.11所示，选择轴承盖大圆出，三维球就会移到大圆中心点，然后再按空格键，