XK-160小型数控铣床XY工作台的设计

I图书分类号：密 级：XK-160 小型数控铣床 XY 工作台的设计XY-160 SMALL-DCALE CNC MILLING MACHINE DESIGN X-Y WORKTABLE摘要随着现代信息技术的发展，以提高产品加工的生产效率为主的高度自动化和以提高产品的质量为主的精密化成为现代机械加工技术发展的两个主要方向。人们对航空机、数控机床、精密仪器和仪表以及各种精密机械设备提出了越来越高的精度要求，X-Y 作台是这些设备实现高精密加工的核心部件，对于提高产品的加工质量起着尤为重要作用。本设计通过伺服系统控制伺服电机经过数控机床进给系统包括丝杠螺母副及其支撑部件等，即将伺服电机的转动转化为工作台的进给运动。整个设计包括了伺服电机的选型，滚珠丝杠的选型、强度校核及其生产设计中应注意的问题，连接伺服电机和滚珠丝杠副的联轴器的选型与校核，支承件轴承的设计，导轨及机架的设计。通过对工作台机械传动链的系统设计以期满足机床进给系统的定位精度和静动态性能，从而确保机床的加工精度。关键词 X-Y 工作台；伺服系统；滚珠丝杠IIAbstractWith the development of modern information techniques, the high automation with the main purpose of improving the production efficiency of product process and the accuracy with the accuracy with the main aim of improving the quality of product have been becoming the two major directions of the modern technique of mechanical process. People on the air machines, CNC machine tools, precision instruments and meters and all kinds of sophisticated machinery and equipment raised higher and higher precision, XY for Taiwan is that these high-precision machining equipment to achieve the core components, for improving the quality of processed products play Is particularly important role. The servo system designed to control the servo motor to the transmission system into the NC machine tools, including screw and nut bearing components such as vice, is about to servo motor for the transfer of rotating turret of the table or feed the entire campaign mechanical transmission chain. The entire mechanical transmission chain for the system design, servo motor related to the selection, the selection of ball screws, checking strength and production design should pay attention to the problem of connecting the servo motor and the ball screw of the axis The Selection and Verification, bearing pieces bearing the design, rail and rack design. Through the table mechanical transmission chain system design to meet the machine into the system to the positioning accuracy and static and dynamic performance, so as to ensure the accuracy of processing machine. Keywords The X-Y worktable；Servo system；Ball screwI目 录绪论 .1一 总体方案设计 .31.1 设计任务 .31.2 总体设计方案的确定 .31.2.1 导轨的选择 .31.2.2 驱动电机的选择 .41.2.3 丝杠的选择 .61.2.4 联轴器的选择 .81.2.5 轴承的选择 .9二 基本参数的确定 .102.1 脉冲当量和传动比的确定 .102.2 基本参数的设计 .102.2.1 初选伺服电机 .102.2.2 计算丝杠承受的重量 .102.2.3 计算铣削力 .10三 X 向进给系统的设计与计算 .123.1 设计内容 .123.2 X 轴进给系统的设计概述 .123.3 X 轴进给系统的设计计算 .123.3.1 切削力的计算 .123.3.2 滚珠丝杠设计计算 .123.3.3 所需转动力矩计算 .173.3.4 X 轴联轴器的设计 .183.3.5 X 轴伺服电机的选型 .193.3.6 轴承的选型 .20四 Y 轴进给系统的设计与计算 .224.1 设计内容 .224.2 Y 轴进给系统的设计概述 .224.3 Y 轴进给系统的设计计算 .224.3.1 切削力的计算 .224.3.2 滚珠丝杠设计计算 .224.3.3 所需转动力矩计算 .244.3.4 Y 轴联轴器的设计 .25II4.3.5 Y 轴伺服电机的选型 .26五 其他部件设计 .285.1 设计内容 .285.2 支撑架的设计 .285.3 轴承端盖的设计 .295.4 滑鞍的设计 .30结论 .31致谢 .32参考文献 .33英文翻译 .34英文原文 .34中文翻译 .411绪论毕业设计的目的是培养学生综合运用所学的基础理论，技术基础和专业课知识去分析和解决本专业范围内的一些工程技术问题的能力，培养学生建立正确的设计观点。掌握工程技术问题设计的一般程序、规范和方法。通过毕业设计进一步巩固、扩大和深化学生所学的理论知识，提高学生设计、计算、绘图、编写技术文件，正确使用技术材料，标准手册等工具书的独立工作能力，培养学生认真、严肃、一丝不苟和实事求是的工作作风，树立正确的生产观点，经济观点和全局观点，从而实现学生向工程技术人员转变的过程。毕业设计是一名学生在大学四年学习过程中的一个重要环节，通过毕业设计，可以学到操作的技能、技巧，树立注重实际的观点和严谨的科学作风，使学生走上工作岗位后具有独立研究问题和解决问题的能力，也对知识转化为能力的实际测试。毕业设计是理论与实践的结合，具有一定得水平，是对即将毕业进入社会的学生的一次全面、系统、目标明确的教学训练，有利于加强和弥补以往教学过程中的不足。机电一体化毕业设计在机电一体化专业教学中占有重要位置，它关系到学生知识的综合运用和学生动手能力的培养及机电产品开发的能力。因此设计内容选择很重要。基于微型计算机控制的 X-Y 工作台是典型的机电一体化系统，以此为设计内容有较强的教学研究意义。数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展的数控技术及其产业。在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步。特别是在通用微机数控领域，以 PC 平台为基础的国产数控系统，已经走在了世界前列。但是，我国在数控技术研究和产业发展方面亦存在不少问题，特别是在技术创新能力等方面情况尤为突出。在新世纪到来时，如何有效解决这些问题，使我国数控领域沿着可持续发展的道路，从整体上全面迈入世界先进行列，使我们在国际竞争中有举足轻重的地位，将是数控研究开发部门所面临的重要任务。把机电一体化技术应用于生产和生活所开发出来的新产品叫做机电一体化产品。数控机床、机器人、全自动智能洗衣机等机械都是典型的机电一体化产品。在发达国家中，机床的数控化率已经达到 25%以上，而我国还不到 1%。但是，随着我国国民经济的发展，各行业对数控机床的需求量逐年增加。机电综合设计内容大体上分为两个阶段：总体方案的确定和关键部件的设计，同时，在设计过程中要贯穿技术经济效益分析和现代设计手段的应用。设计最初环节必须理解2和分析设计任务所提出的主要功能和技术指标。比如，工作台的进给运动，关系到机床的加工精度和加工效率，采用伺服电机驱动，可以提高加工个精度并不会带来转矩浪费。功能原理构思和技术路线确定以后，对运动、布局、传动、控制以及软件等方面作出总体方案设计。方案可以同时有几个，经过技术和经济评价后，选择其中一种较合理的作为最优方案采用。比如，在 XY 工作台的设计中，传动精度对零件的加工有决定性的影响，所以在选择导轨和传动装置是要给予充分的考虑。在机电综合设计的过程中要作出技术评价和经济评价。除了完成设计任务规定的功能和技术指标外，技术经济指标主要有生产率、质量和成本。比如，工作台的合理设计可以提高装拆工件的时间，从而提高生产效率。采用滚珠丝杠螺母副，摩擦小，传动效率高。导轨的采用需要合理选择，因为导轨的质量直接影响到加工零件的精度。导轨分为很多种，比如滑动导轨、滚动导轨。直线滚动导轨的滑动摩擦系数 f0.0030.004，而传统的贴塑导轨 f0.04，铸铁导轨 f0.12，可见直线滚动导轨的摩擦阻力仅为传统导轨的十到三十分之一。就直线滚动导轨而言，很小的进给力就能推动滑台，其运动也是轻便平稳的，但若进给系统的刚性差就会造成滑台的爬行、窜动，这种爬行与传统的爬行完全是两回事，它不是由于导轨面的摩擦引起的，而是由系统的进给刚度较差导致的，因此解决的方法也完全不同，着重应提高系统的稳定性。当进给系统为油缸推动时，油缸中活塞受密封圈及其安装槽和油液波动的影响，活塞的爬行导致滑台的爬行。常用的解决措施有：选用摩擦系数小、密封性能好的密封圈，并严格控制其沟槽尺寸公差及其加工表面的表面粗糙度；注意主油路上油泵的合理选取，使泵的工作区间压力变化平稳，无波动、脉动。重视液压系统的管路布置，尽量减少直角弯管及其对液流的不稳定影响；增加蓄能器以减少系统的压力波动等，尽可能地采用专门的液压油而不是使用性能较差的机油作为介质。对伺服电机滚珠丝杠推动则应注意满足惯量匹配，尽量减小运动部件的惯量；若滚珠丝杠间隙过大也易产生窜动，应定期预紧滚珠丝杠以保持其稳定的刚性；滚珠丝杠不自锁，结构上应考虑滚珠丝杠的锁紧、固定，或直接采用带制动器的伺服电机等。31 总体方案设计1.1 设计任务本设计的任务是对 XK-160 小型数控铣床 XY 工作台的设计。进给系统式数控加工的关键，被加工工件的最终坐标位置精度和轮廓精度都与传动结构有关。利用微机对工作台的 XY 向运动进行控制，脉冲当量为 0.001mm,驱动元件采用伺服电机，传动系统采用滚珠丝杠螺母副。工作台要求在 X 向的行程为 100mm,Y 向的行程为 160mm。1.2 总体设计方案的确定由于是小型数控铣床工作台的设计，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用要求的前提下，采用合理的方案，以降低成本。工作台需要具有纵向和横向往复运动、暂停等功能，因此数控控制系统采用连续控制系统。在保证一定加工能力的前提下，结构应简单，以降低成本。根据 XK-160 小型数控铣床的有关资料以及机械设计的方法，确定的总体方案为：在 X 轴进给方面，采用伺服电机驱动，滚珠丝杠螺母副传动，用联轴器连接电机和丝杠，这样就简化了结构。在 Y 轴进给方面，采用与 X 轴相同的驱动和传动方式。导轨则采用直线滚动导轨，最大程度的减少摩擦。滚珠丝杠螺母副采用螺纹消隙的方法消除轴向间隙和预加载荷。图 1-1 工作台的原理图1.2.1 导轨的选择 导轨的分类4常用的的导轨有滑动导轨、滚动导轨。顾名思义，滑动导轨的移动的方式是滑动，产生的滑动摩擦显然会比滚动导轨运动产生的滚动摩擦要大，产生的能源损耗势必会有所增加，所以本设计选择了直线滚动导轨。直线滚动导轨的突出优点是无间隙，并且能够施加预紧力。由导轨体，滑块，滚珠，保持器，端盖等组成。又称单元式直线滚动导轨。使用时，导轨体固定在不运动件上，滑块固定在运动部件上。当滑块沿导轨体移动时，滚珠在导轨体和滑块之间的圆弧直槽内滚动 并通过端盖内的滚道，从工作负荷区到非工作负荷区，然后再滚动回工作负荷区，不断循环，从而把导轨体和滑块之间的移动变成滚珠的滚动。 直线滚动导轨的优势直线滚动导轨的特点是1)可以使摩擦系数减小到滑动导轨的 1/50。由于动摩擦与静摩擦系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少 90%，因此，可将机床定位精度设定到超微米级。2)采用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小，特别适用于反复运动、停止的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，减轻了重量，机床所需电力减低 90%。 ，具有大幅度节能效果。3)直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率 20%-30%。4)对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度误差是无法避免的。在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦时无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗浪费掉了。与之相反，滚动摩擦由于摩擦耗能小，滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。同时由于使用润滑油液很少，大多数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的很容易。在使用直线滚动导轨式，应对本身的寿命进行初步验算。当直线滚动导轨承受负荷并做滚动运动时，导轨面和滚动部分就会不断地受到循环应力的作用，一旦达到临界值，滚动表面就会产生疲劳破损，在某些部位产生表面脱落，这种现象称为表面剥落。所谓直线滚动导轨的寿命，就是指导轨表面或滚动部分由于材料的滚动疲劳而产生表面剥落时为止总行走距离。直线滚动导轨的寿命具有很大的分散性。即使同批制造的产品，在同样运转条件下使用，其寿命也会有很大的差距。因此，为了确定直线滚动导轨的寿命，一般使用额定寿命这一参数。51.2.2 驱动电机的选择常用的驱动电机有两种，即步进电机和伺服电机。步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号） ，但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。1)控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为3.6、 1.8，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 、 0.36。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为 、 、 、 、 、o8.19.0o36.o18.0o9.、 ，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。交流伺服电机的控制精度o072.o36.由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电oo0.1/机转一圈，即其脉冲当量为360/131072=9.89秒。是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1/655。2)低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT） ，可检测出机械的共振点，便于系统调整。3)矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM 或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。4)过载能力不同 步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺6服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。5)运行性能不同 步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。6)速度响应性能不同 步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要 200400 毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下 MSMA 400W 交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速 3000RPM 仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。综上所述，伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。随着国内技术的发展，伺服电机的价格也有所减低，所以综合各方面的考虑，本设计采用了伺服电机。1.2.3 丝杠的选择滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的优点。本设计的传动部分采用的是滚珠丝杠螺母副。图 1-2 滚珠丝杠原理图7滚珠丝杠的特点是：1)与滑动丝杠副相比驱动力矩为 1/3由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到 1/3 以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的 1/3。在省电方面很有帮助。2)高精度的保证滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度、湿度进行了严格的控制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。3)微进给可能滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。4)无侧隙、刚性高滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。5)高速进给可能滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给运动。滚珠丝杠螺母副在使用中要注意的问题：1)为提高滚珠丝杠副的使用寿命和精度，应使作用在螺母上的合力通过丝杠轴心，以保证滚珠受力均匀，避免倾覆力。2)放逆转：滚珠丝杠副传动逆效率高，应考虑在电机停电后，因部件自重而产生螺旋副的逆传动（特别是在垂直方向上传动时） ，防止逆传动的方法可采用：停电自锁的电机、蜗轮蜗杆机构、离合器等方式。3)滚珠丝杠副在行程两端应有行程保护装置，以防止越程后滚珠丝杠副受撞击而影响精度、使用寿命甚至损坏。4)防止热变形：热变形对精密螺旋传动的定位精度有着重要的影响。其热源不单是螺旋副的摩擦热，还有其他机械部件工作时产生的热，致使丝杠热膨胀而伸长。为此必须分析热源的各因素，采用措施控制热源，还可以采用预拉伸、强制冷却等减少热变形8对丝杠的伸长的影响。5)细长而又水平放置的丝杠，因自重使轴线产生弯曲变形，是影响导程累积误差的因素之一，还会使螺母受载不均。设计细长丝杠时，应考虑防止或减小自重弯曲变形的措施。6)防护与密封：尘埃和杂质进入滚道会妨碍滚动体运动流畅，会加速滚动体与滚道的磨损，使滚动螺旋副丧失精度。为此需要防尘措施。博特牌滚珠丝杠副在螺母两端已安装防尘圈，为避免丝杠外露，用户还需要为丝杠选择防护装置。7)合理润滑是减小驱动转矩、提高传动效率、延长螺旋副使用寿命的重要环节。接触表面的油膜还有吸振、减小传动噪声和冲洗丝杠上的粉尘等杂物的作用。因此要注入润滑脂。在螺母上还有油孔，用户可旋入油嘴，再采用其他合适的润滑方式。图 1-3 双螺母调隙原理图1.2.4 联轴器的选择联轴器是联结两轴使之一同回转并传递转矩的一种部件，联轴器分为刚性联轴器和挠性联轴器两种。刚性联轴器适用于两轴能严格对中并在工作中不发生相对位移的地方；挠性联轴器适用于两轴有偏移（可分为同轴线、平行轴线、相交轴线）或在工作中有相9对位移（可分为轴向位移、径向位移、角位移、综合位移）的地方。挠性联轴器又有无弹性元件的、金属弹性元件和非金属元件之分。在本设计中，电机主轴与滚珠丝杠轴是同轴的，所以选择刚性联轴器。刚性联轴器可以分为凸缘联轴器、套筒联轴器、夹壳联轴器。凸缘联轴器具有对中精度高，传递转矩大的特点，采用铰制孔和受剪螺栓对中的凸缘联轴器具有拆装方便的优点，这符合本设计简化操作的原则，所以选择了采用铰制孔和受剪螺栓对中的凸缘联轴器来联结电机轴和滚珠丝杠轴。联轴器的原理图见图 1-4.图 1-4 联轴器示意图1.2.5 轴承的选择轴承根据轴的摩擦性质。可以分为滑动摩擦轴承（简称滑动轴承）和滚动摩擦轴承（滚动轴承） 。滑动轴承工作平稳可靠，噪声较滚动轴承低，如果能够保证液体摩擦润滑，滑动表面被润滑油分开而不发生直接接触，则可以大大减小摩擦损失和表面磨损，且油膜具有一定得吸振能力。普通滑动轴承的起动阻力较滚动轴承大得多。与滑动轴承比较，滚动轴承有下列优点：1）在一般工作条件下，摩擦阻力距大体和液体动力润滑轴承相当，比混合润滑轴承要小很多倍。2）径向间隙比较小，向心角接触轴承可用预紧力方法消除游隙，运转精度高。3）对于同尺寸的轴颈，滚动轴承的宽度比滑动轴承小，可使机器的轴向结构紧凑。4）大多数滚动轴承能同时受径向和轴向载荷，故轴承组合结构较简单。5）消耗润滑剂少，便于密封，易于维护。6）不需要用有色金属。7）标准化程度高，成批生产，成本较低。10通过比较两种轴承，由于本设计中要求设计的是小型数控铣床的工作台，为了使工作台的结构简单，便于拆装，便于维护，减低成本，最总选择了滚动轴承。2 基本参数的确定2.1 脉冲当量和传动比的确定脉冲当量即系统分辨率，在本设计中脉冲当量 =0.001mm。由于选用的联轴器连接p电机主轴和丝杠，可以提高传动精度，所以传动比 =1。i2.2 基本参数的设计2.2.1 初选伺服电机伺服电机的选用，应考虑三个要求：最大切削负载转矩，不得超过电机的额定转矩；电机的转子惯量 应与负载惯量 相匹配（匹配条件可根据伺服电机样本提供的匹配条MJrJ件，也可以按照一般的匹配原则） ；快速运动时，转矩不得超过伺服电机的最大转矩。根据公式 pbLi360其中 为传动比， 为电机步距角， 为滚珠丝杠导程， 为脉冲当量。b0Lp因为 1， 0.001mm，现取 6mm，可得 0.9 o。根据机械设计手册上的数i b据，初选伺服电机型号为 AC SERVU MOTO 60BL(3)B-40-30(ST)。2.2.2 计算丝杠承受的重量工作台的行程为 X 轴 100mm，Y 轴 160mm。工作台的尺寸一般为工作台行程的 1.1 倍，再取整，所以工作台的尺寸为 X=110mm,Y=170mm。选择工作台的型槽位 T 型槽，根据机械设计手册，可以确定 T 型槽的尺寸为A=14mm B=24mmC=10mmH=25mm 工作台的厚度一般为 T 型槽的两倍，所以工作台的厚度为 50mm。工作台的质量为 = =7.8 11175=7.293kg，即丝杠所承受的重量。OM310因为工作台上有 3 个 T 型槽，减去大概的重量，故取 =6kg。OMAHBC11横向丝杠需要承受的质量为工作台的质量和拖板的质量，一般取过坐台质量的 3.5倍，即 M=3.56=21kg。2.2.3 计算铣削力 切向铣削力 的计算ZF选用高速钢直柄立铣刀，其铣削力公式为ZdaaCFtpfeFZ 86.072.086.1.9查得 40， 20mm， 0.05 1mm， 0.10.2mm ， 10m。tdetfapa根据，查的直柄铣刀的齿数为：Z=3（粗）和 Z=6（细）以细齿算得： 进给工作台工作载荷的计算根据机械设计指导书 ，可得：.40/,82.1/FLZCV其中， 为工作台纵向进给方向载荷， 为工作台垂直进给方向载荷， 为工作台L VFCF横向进给方向载荷。所以， .7931028.5640. ,56.2.1CVLF982.515.28. .0123 X 向进给系统的设计与计算3.1 设计内容X 轴进给系统的设计包括滚珠丝杠的设计、联轴器、轴承以及伺服电机的选择等。3.2 X 轴进给系统的设计概述小型数控铣床的 XY 工作台的设计中，X 轴的进给系统一般就是伺服电动机经联轴器后驱动丝杠，使工作台横向移动。伺服电机安装在电机支架上，用法兰盘将伺服电机和电动机支架连接起来。以保证其同轴度，提高传动精度。3.3 X 轴进给系统的设计计算3.3.1 切削力的计算已知条件： 工作台的重量 =6kg,时间常数 =25ms,OMt滚珠丝杠的基本导程 =6mmoL行程 =630mmS脉冲当量 =0.001mmp根据前面的计算，X 轴进给量为工作台的 的取切削力为工作台切削力的一半NFX397.51.021y 8.4.383.3.2 滚珠丝杠设计计算一、滚珠丝杠螺母副的设计步骤和方法：312Z.86.13在一般情况下，设计滚珠丝杠时，必须知道下列条件：最大工作负载 作用下的使maxP用寿命 ，丝杠的长度 ,丝杠的转速 ，滚道的硬度 及丝杠的运转情况，然后按下TlnHRC列步骤进行计算。由公式 计算出作用在丝杠上的最大动负载 的数值pfLQhw3 Q从滚珠丝杠的设计标准中，找出相应尺寸系列对应的最大动载荷的相应值，并初步选择几个型号。根据具体要求，对结构尺寸、循环方式、调隙方法及传动效率等方面的要求，从初选的几个型号中再挑选出比较合适的公称直径 、导程 、滚珠系列 、滚珠圈数odoLk等确定某一型号。j根据所选出的型号，列出其主要参数的数值，计算传动效率，并验算其刚度及稳定性系数是否满足要求。若不满足要求，则另选其他型号，再做上述的计算和验算直至满足要求为止。对于低速运转（ ）的滚珠丝杠，无需计算其最大动负载 值，而只需min/10r Q考虑其最大静负载 是否充分地超过了最大工作负载 ，一般使 。oQmaxP32maxPo二、强度计算滚珠丝杠在工作过程中承受轴向负载，使得滚珠和滚道型面间产生接触应力，产生交变接触应力。在这种应力的作用下，经过一定得应力循环次数后，滚珠或滚道型面产生疲劳损伤，从而使得滚珠丝杠丧失工作能力，这是滚珠丝杠螺母副破坏的主要形式，在设计滚珠丝杠副时，必须保证它在一定得轴向负载的作用下，在回转 106 转后，滚道上虽然受到滚珠压力但不应有点蚀现象，此时，所能承受的轴向负载称为这种滚珠丝杠所能承受的最大动载荷 Q。如果滚珠丝杠副是在低速情况下工作，其破坏的主要形式是滚道面接触处的塑性变形量超出允许值，若最大接触应力超过材料的弹性极限就要产生塑性变形，塑性变形超过一定限度就会破坏滚珠丝杠副的正常工作，一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的万分之一。产生这样大的塑性变形的负载称为最大静负载 。低速运转的滚珠丝杠副是0Q以最大静负载 作为设计标准，原则是实际的最大轴向工作载荷 小于额定静载荷 。0QmaxP0Q三、预紧力计算在滚珠丝杠副加上预紧力后，可提高轴向刚度和传动精度。但预紧力不可过大，过大则影响滚珠丝杠副的寿命。因此，要在满足所需寿命和精度要求的条件下，合理决定预紧力的大小。14四、效率计算滚珠丝杠的传动效率 较高，在 0.8 到 0.9 之间，这使得滚珠丝杠的温度变化较小，对于减少热变形，提高刚度、强度都起到了很大的作用。五、刚度验算数控机床的滚珠丝杠是精密传动元件，它在轴向力的作用下降产生伸长或缩短，在扭矩的作用下将产生扭转，这将引起丝杠的导程发生变化，从而影响其传动精度及定位精度。因此，滚珠丝杠应验算满载时的变形量。六、稳定性验算机床的进给丝杠通常是受轴向力的压杆，若轴向力过大，将使丝杠失去稳定而产生翘曲。一般要求稳定性安全系 大于许用稳定性安全系数 ，则该压杆安全，不致失nknk稳。根据经济型数控系统设计中公式知: 对于滚动导轨的机床见式（3.1） 。式（3.1）)2( GPfKPyZx式中 、 -X、Z 方向上的切削分力xP-移动部件的重量，G=60NG-导轨上的摩擦系数， =0.2f f-考虑颠覆力矩影响的实验系数， =1.4KK所以 19.54)8.12793.0(2.397.514)2( GPfPyZx1）强度计算寿命值公式见式（3.2） 式（3.2）min/14401.325.6710rDLvfno 所以 6最大动负荷公式见式（3.3）60nT15式（3.3) 693.1875.20.1433 PfLQHW根据最大动负荷 的值可选择滚珠丝杠的型号.查机床设计手册可选择 WD3506 型滚珠丝杠。该型号滚珠丝杠的基本参数见表 3-1表 3-1 滚珠丝杠基本参数型号名义直径螺距 螺旋升角滚珠直径滚道半径偏心距丝杠外径螺母凸缘外径螺钉 中心 圆直径WD608 60 8 37o 4.763 2.477 0.068 58.5 138 120螺母凸缘厚度15垫片厚度6螺钉尺寸M103螺钉个数24螺母配合外径85称套配合外径100螺母装配总长度125额定动载荷3120额定静载荷146002）预紧力计算由经济型数控机床系统设计知公式见式（3.4）式max302PP预（3.4）3）效率计算16根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率 见式（3.5）式)(tg（3.5）式中 -螺旋升角 = 37o-摩擦角 =12947.0)37(otg4）刚度验算滚珠丝杠受工作载荷 P 引起的导程的变化量根据经济型数控机床系统设计公式见式（3.6）式（3.6）EFPLo1公式中 -工作载荷（N）-滚珠丝杠的基本导程（cm）, =0.6cmoLo-弹性模量，对钢 =E26/10.2cmN所以 57)4.0.3(F6261 10.405.7431.2.8PLo滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 很小。可忽略，即1L所以变形误差 为muo /10.726.401查表知 E 级精度丝杠允许的螺距误差为 ，所以刚度足够。um/155）稳定性验算根据材料力学中的欧拉公式见式（3.7）式（3.7）2lEIPk其中 -丝杠材料弹性模量，对钢E6/10cmN- 丝杠工作长度 cm, =28.5cml l-截面惯性矩，对实心圆柱I 416dI17-丝杠轴端，取1NPk 384.1905.281404.36.39kk nn所以稳定性很好。3.3.3 所需转动力矩计算快速空载启动时所需的力矩 ofaMmx最大切削负载时所需要的力矩 tft快速进给时所需要的力矩 of式中 -空载启动时折算到电动机轴上的加速度力矩maxM-折算到f 电机轴上的摩擦力矩-由于丝o 杠预紧所引起的折算到电机轴上的附加摩擦力 矩-切削时折算到电机轴上的加速度力矩at-折算到电机tM轴上的切削负载力矩当 时 maxnaax当 时 tnatMI 2.4min/67.415.210max rLiVnomNTjna.106.94mNa .18579.0025.697414mx 18min/23.196014.35.701 rDLVfifinoot 主NMat .87.25.69iWLfiFoof 当 ， 时8.016.fcmNf .8235.04.3221ooiLPM当 时，预加载荷9.0oxoF3cmNiLo .03219.5.28014.6691622 iMoxt .7.3所以当快速空载启东所需力矩cmNofa .4320.18.579.1mx 切削时所需力矩tofat .9快速进给时所需力矩cmNMof .8542.18.3所需最大力矩 发生快速空载启动时max.3max3.3.4 X 轴联轴器的设计根据要求选用刚性联轴器，采用铰制孔和受剪螺栓对中的联轴器，这种联轴器结构简单，便于拆装。由机床设计手册中得，根据不同的工作情况，联轴器应按下列条件进行设计和选用：nnKM式中 -联轴器的许用转矩（ ）nMmkgf.19-轴传递的计算扭矩（ ）nMmkgf.-工作情况系数，取K51K由上面的计算得丝杠传递的最大扭矩mkgfcNcn .0234.2340.432所以fKMnn .51.51查机床设计手册选用型号 YL10 型联轴器，满足要求。3.3.5 X 轴伺服电机的选型1）最大切削负载转矩计算所选伺服电机的额定转矩应大于最大切削转矩。最大切削负载转矩 T 可根据式（3.8）计算，即式（3.8） 其中，从前面的计算已知最大进给力 ，丝杠导程 ，NF1.820maxmPh06.预紧力 ，丝杠螺母副的机械效率 。因滚珠丝杠预加载荷引NFP4.2731.80947.起的附加摩擦力矩由资料得，一对轴承的摩擦力矩 。支撑轴承部预紧，其摩擦力矩可忽略mNTfo.640不计。伺服电机与丝杠直连，其传动比 。1i2）负载惯量计算伺服电机的转子惯量 应与负载惯量 相匹配。负载惯量可按以下次序计算。MJrJ工件、夹具与工作台折算到电机轴上的惯量 工件、夹具与工作台的最大质1量是 ，可按式（ 3.9）计算，即kgm80式（3.9）iTPFTfoph .53164.0947.02182max Pho .068.2973.222221 .07.6.80mkgPmnwvJhh 20式中 -工作台移动速度，vsm/-伺服电机的角速度，wrad-直线移动件、夹具和工作台的质量，mkg丝杠加载电机轴上的惯量 丝杠名义直径 ，长度2J mDo035.，丝杠材料钢的密度 。根据下式计算，丝杠加载电机轴上的l63.0 3/108.7mk惯量 为2J联轴器加上锁紧螺母等的惯量 可查手册得到3J2.01mkg负载总惯量 2321 .04.7. mkgJJr 按照小型数控铣床惯量匹配条件， ，所选伺服电机的转子惯量 应在41rMJ MJ范围之间。2.096.24.mkg根据上述计算可选定高调速直流伺服电机 B4 型。其额定转矩为 ，大于切削负N.72载转矩 ；转子惯量 。满足匹配要求。NM.5312.016.mkgJM3.3.6 轴承的选型各种机电一体化机械的滚动轴系的精度一般根据该机械的功能要求和检验标准有所规定，如精密级加工中心主轴轴系的端部径向跳动和轴向窜动，据此来选择主轴和轴承的精度。滚动轴承的精度分 B，C，D，E，G 五级。B 级最高，G 级为普通级。选择精度时主要根据载荷方向 。仅受径向载荷的深沟球轴承，主要根据内外圈的径向跳动然后考虑其他因素的影响。滚动轴承内外圈往往是薄壁件，受相配的轴径箱体孔的精度和配合性质影响很大。配合性质和配合面的