机械毕业设计（论文）-半闭环数控车床进给部件设计【全套图纸】

编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： 半闭环数控车床进给部件设计半闭环数控车床进给部件设计 信机 系系机械工程及自动化专专 业业 学 号： . 学生姓名： . 指导教师： （职称：副教授 ） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 半闭环数控 车床进给部件设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引 用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他 个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 92 学 号： 0923061 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 II I 无锡太湖学院无锡太湖学院 信信 机机 系系 数数 控控 专业专业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：一、题目及专题： 1、题目 半闭环数控车床进给部件设计 . 2、专题 . 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 校企合作开发课题 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 在数控车总体布局的基础上，完成 X 向、Z 向两个方向进给部件 的设计。绘制两个方向的伺服进给装置部件图。 完成部分非标零件设计，绘出 12 张零件图。 完成设计说明书一份，有必要的分析、比较、计算、阐述。 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 92 班班 姓名姓名 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 II 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所学科组组长研究所 所长所长 签名签名 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 12 日日 III 摘要摘要 本文对数控车床进给部件系统的设计进行了重点论述，对该机构的主要组 成部件：滚珠丝杠副、步进电机、传动齿轮等进行了设计计算与选型。其中对 滚珠丝杠副、伺服电机的设计计算及选型作了详细论述。进行这一设计主要是 为了进一步地提高数控车床进给机构的定位精度，重复定位精度，以使其能够 可靠地运行，且能满足各项性能指标的要求，达到预期的结果，即满足设计任 务书的要求。最后，本文还对典型零件进行了数控编程，并绘制了数控车床典 型零件编程图、数控车床传动示意图、数控车床液压原理图以及该数控车床进 给机构的装配图。此结构简单可靠，可应用于相似的各类数控车床上。当今的 世界，制造业在经济发展中占有十分重要的地位，机械制造业更加是制造业中 的支柱与核心。数控车床技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化， 使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大， 它对国计民生的一些重要行业(IT、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重 要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。 关键字：伺服进给、滚珠丝杠、数控。 IV Abstract The article made a brilliant exposition on the designing and transformation scheme of the system of NC machine. The article also exposed brilliantly the mechanisms mail parts: the ball-screw pairs, Stepper motor, Transmission gear and so on. Doing the design is for the sake of improving the site precision and duplicate site precision of the system. So it can work credibility, meet the require of design assignment list. Besides, the author has writed typical parts of the NC programming, designed and drawed CNC lathe programming diagram of typical components, CNC lathe drive diagram, CNC hydraulic schematic diagram and the CNC lathe feed mechanism assembly drawing. This mechanism is simple and reliable, it can apply to every similar NCmachine.In todays world, the manufacturing industry occupies a very important position in the economic development, machinery manufacturing industryy is the pillar and more core in the manufacturing industry. Application of numerical control lathe technology has brought the revolutionary change for the traditional manufacturing industry, causes the manufacturing industry to become a symbol of industrialization, but also expands unceasingly along with the development of numerical control technology and applications, it beneficial to the peoples livelihood of some important industries (IT, automobile, light industry, medical etc) plays a more and more important role in the development of, digital equipment required for these industries is a major trend of modern development. Keywords: servo feed, ball screw, nc. V 目录目录 摘要III ABSTRACT IV 目录V 1 绪论1 2 双轴半闭环数控车床总体布局3 3 伺服进给部件的方案比较和确定5 3.1 数控系统的比较 5 3.1.1 点位控制系统.5 3.1.2 直线控制系统.5 3.1.3 联系轨迹控制系统.5 3.2 控制方式的选择 5 3.2.1 开环系统.5 3.2.2 半闭环系统.6 3.2.3 闭环系统.6 3.3 增量系统和绝对系统的比较 6 3.3.1 增量系统.7 3.3.2 绝对系统.7 4 X 向伺服进给部件的设计 9 4.1 伺服驱动装置的设计 9 4.1.1 伺服驱动装置的特点.9 4.1.2 伺服驱动装置.9 4.2 交流伺服电机的设计 .10 4.2.1 交流伺服电机的类型的确定10 4.2.2 确定伺服电机的型号10 4.3 传动结构的设计 .10 4.3.1 伺服电机与进给丝杠的联接确定方案10 4.3.2 联轴器的比较选用10 4.3.3 滚珠丝杠副的特点11 4.3.4 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法11 4.3.5 滚珠丝杠副支撑形式的确定 12 4.3.6 滚珠丝杠副的设计选用13 4.3.7 丝杠轴承的选用13 4.4 导向机构的设计 .17 4.4.1 导轨概述 17 4.4.2 导轨的设计任务17 4.4.3 方案比较确定 17 4.4.4 导轨材料的选择18 VI 4.4.5 直线滚动导轨副的精度选择18 4.4.6 直线滚动导轨副型号的确定 18 5 刀架的设计 19 5.1 数控车床刀架系统简介 .19 5.2 各种刀架的方案比较及选择 .20 5.2.1 排式刀架20 5.2.2 回转刀架20 5.2.3 带刀库的自动换刀装置20 5.3 几种典型回转刀架的选择与比较 .21 5.3.1 电机传动的回转刀架21 5.3.2 液压回转刀架21 5.3.3 用于车削中心的可安置动力刀具的转档刀架21 6 Z 向伺服进给部件的设 计27 6.1 方案选择与确定 .27 6.1.1 机械传动系统方案的选择27 6.1.2 丝杠的选择28 6.1.3 导轨的选择29 6.1.4 联轴器的选择29 6.1.5 伺服电机的选择30 6.1.6 确定方案31 6.2 伺服进给装置的设计 .31 6.2.1 悬臂处的滚珠丝杠副31 6.3 滚动直线导轨 .32 6.3.1 结构与特征 32 6.3.2 滚动直线导轨的优点 33 6.3.3 导轨镶装结构 33 6.4 机械系统设计分析 .34 6.4.1 计算传动比 i.34 6.4.2 系统刚度计算 35 6.4.3 固有频率计算 35 6.5 锥环无键联轴器 .35 6.6 滚动轴承的选择 .36 6.6.1 常用滚动轴承的类型、特性和应用36 6.6.2 滚动轴承类型选择 36 6.6.3 分析对比 36 7 小结 39 致谢 41 参考文献 43 半闭环数控车床进给部件设计 1 1 绪论 目前的数控车床大多采用交流伺服电机，控制系统半闭环形式，进给方向 的精度一般为：X 向 0.005 毫米，Z 向 0.01 毫米。传动机构主要为滚珠丝杠副， 导向机构多为滚动导轨、少数为滑动导轨（小型数控机床） 。刀架形式一般为回 转或液压式。电机一般为通常通过联轴器（多为弹性联轴器）直接与丝杠相连 接，排屑装置多为平板履带式。 为提高设计产品的质量，要重视所有的资料，深入探索研究；要重视考察 实际现有产品与理论的结合；要重视采用有效的设计方法和现代化的设计工具， 要积极推广应用价值工程，优化设计，可靠性设计等方面。 数控机床是新型的自动化机床，它对解决复杂型面和高精度零件的加工， 对单件小批量的自动化等，都具有重要意义。 数控车床利用数字化的信息对车床运动及加工过程进行控制，是一种可编 程的通用加工设备，能自动完成内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面、螺纹等 工序的切削加工，所以特别适合加工形状复杂的轴类和盘套类零件。 与通用机 床和专用机床相比，数控车床具有加工灵活、通用性强、能适应产品的品种和 规格频繁变化的特点，能够满足新产品的开发和多品种、小批量、生产自动化 的要求，是一种柔性的、高性能的自动化车床，代表了现代控制技术的发展方 向，是一种典型的机电一体化产品，因此被广泛应用于机械制造业。 数控车床 的主传动系统包括主轴电机、传动系统与主轴组件，与普通机床相比，变速功 能绝大部分由主轴电机的无级调速来承担，省去了繁杂的齿轮变速机构，结构 简单，有些只有两极或三级齿轮变速机构系统用以扩大电机无级调速的范 数控机床作为高自动化的机电一体化设备，其主传动系统的设计一般应满 足以下基本要求。 使用性能要求高 首先应满足机床的运动特性。如机床主轴 有足够的转速范围和转速级数，不仅有低速大转矩功能而且还要有较高的转速。 传动系统设计合理，操作方便灵活、迅速、安全可靠。 传递动力要求 主电动 机和传动机构能提供和传递足够的功率和转速，具有较高的传递效率。 工作性 能要求 主传动中所有零部件要有足够的刚度、精度、和抗振性、热变形特性稳 定，才能保证加工零件有较高的质量。电动机、主轴及传动部件都是热源，低 温升、小变形是对主轴传动系统的重要指标；主轴要较高的旋转精度与运动精 度；主轴轴颈尺寸、轴承类型及装配方式，轴承预紧量大小、主轴组件的质量 分布是否均匀及主轴组件的阻尼对主轴组件的静刚度和抗振性都会产生影响； 主轴组件必须有足够的耐磨性，使之保持良好的精度；轴承处还要有良好的润 滑。 此外，还要求主创动系统结构简单，便于调整与维修；工艺性好，便于加 工与装配；防护性好；使用寿命长。 数控机床以其高效率、高精度和高柔性而占据大部分市场，数控机床的进 给伺服系统是数控机床技术水平的标志，因此进给伺服系统的速度控制、位置 控制、伺服电机控制都必须具有很高的质量控制要求，基于数控机床的各式加 工任务，其对进给伺服系统的要求有以下几点： 随时可实现反转。实际加 工工件的时候，要求机床执行部件要灵活地正反转运行，这些工作指令是随机 的，而且是根据加工轨迹要求来完成的。 精度相对较高。数控机床的定位精 度和进给跟踪精度是保证数控机床加工精度的重要内容，也是保证精度的关键。 无锡太湖学院学士学位论文 2 传动刚性高且速度稳定性好。数控机床的伺服系统在负载发生变化或者切削 条件产生波动时应保证进给速度恒定，这样就能使负载力矩变化对进给速度不 影响或者影响很小。 可实现低转速大转矩。在低速大进给量加工零件时要求 伺服系统进给驱动输出较大的转矩。 伺服系统（servomechanism）使物体的位置、方位、状态等输出被控量能 够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲来 定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到 1 个脉冲，就会旋转 1 个脉冲对 应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺 服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的 脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服 电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从 而实现精确的定位，可以达到 0.001mm。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。 有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护， 但维护不方便（换碳刷） ，产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成 本敏感的普通工业和民用场合。 无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力 矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或 正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命， 可用于各种环境。 半闭环数控车床进给部件设计 3 2 双轴半闭环数控车床总体布局 车床为机、电、液三位一体，按照人体工程学宜人化进行布局设计，全封 闭防护，操作简便，使用方便。 （1）机床采用卧式车身，45倾斜道轨布局形式，以利于排屑。床身 为整体高刚性结构。 （2）矩形导轨，采用宽支撑窄导向的设计以增加运动的平稳性。 （3）床身左端为主轴箱，其结构简单，无齿轮传动。主轴由交流调速 主轴电机驱动，机床在低速下也具有高功率输出，恒功率区宽。 （4）主轴轴承为超精密角接触球轴承和双列圆柱滚子轴承以保证主轴 的刚度和精度。主轴轴承采用高润滑，温度低，热变形小。 （5）机床纵向和横向运动均采用交流伺服电机，它们两者均直接采用 消隙联轴器把电机与滚珠丝杠连接起来。纵向驱动直接安装在纵 向床身道轨之间。 （6）机床卡盘采用液压控制。液压夹紧油缸为高速卡盘液压缸。卡盘 的松紧由控制面板上的按钮来控制。 （7）机床尾座亦采用液压控制。通过液压油来控制尾座套筒的进退， 它也是由控制面板上的按钮来控制的。 （8）机床的床鞍溜板道轨上装有 8 位的电动轨塔刀架，具有分度转位 快、平稳可靠、无渗漏等优点。 （9）机床配有自动对刀仪，通过接触式传感器，可以快而准确的测出 刀具安装时的偏差值，传输给计算机系统，在加工时可以进行刀 具的自动补偿。 （10）机床具有良好的扩展性，机床配有排屑器，实现自动排屑。机床 配有防护外壳。 （11）机床数控系统配有日本 FANUC-6T CNC 系统。 无锡太湖学院学士学位论文 4 半闭环数控车床进给部件设计 5 3 3 伺服进给部件的方案比较和确定伺服进给部件的方案比较和确定 3.13.1 数控系统的比较数控系统的比较 3.1.13.1.1 点位控制系统点位控制系统 这种控制系统只要求控制每次移动行程终点的坐标位置，即每个程序段的 行程，终点都能准确定位，坐标移动过程中，刀具脱离工件，不进行切削加工， 通常各坐标意最快速度独立运动，为避免到达终点时产生超调，实现精确定位， 多采用分级降速的方法控制进给运动。 3.1.23.1.2 直线控制系统直线控制系统 运动轨迹是直线。通常是单坐标运动，即每个程序段只移动一个坐标轴， 运动中要进行切削加工，这种系统多用于简易车床和铣床。 3.1.33.1.3 联系轨迹控制系统联系轨迹控制系统 这种控制系统用于平面曲线的空间曲线的加工，应用广泛。选择连续轨迹 控制系统. 3.23.2 控制方式的选择控制方式的选择 3.2.13.2.1 开环系统开环系统 开环控制系统结构简单，易于控制，但精度差。没一步有起制动的微观变 化，故运动不平稳，影响加工光洁度。 无锡太湖学院学士学位论文 6 3.2.23.2.2 半闭环系统半闭环系统 这种系统它的位移测量元件不是直接测量移动部件的位移量，而是用测量 丝杠的转动来间接测量移动部件的移动量，由丝杠的转动变换为移动部件的移 动量。虽然半闭环精度低于闭环伺服系统，但是由于角位移测量元件比直线位 移测量元件结构简单，价格便宜，所以半闭环伺服系统的应用很普遍。 3.2.33.2.3 闭环系统闭环系统 该系统为误差调节系统，该系统中包括位置检测元件，在该系统中的执行 部件的位移、转角、速度等通过测量元件变换成电信号，反馈到系统的输入器， 与控制系统给定的标准信号进行比较，得出误差信号的大小和极性，控制伺服 系统的运行，知道误差为零。从理论上讲，闭环伺服系统的精度取决于测量元 件的精度，但是机械传动误差也是影响伺服系统精度的重要因素。该系统主要 用于大型数控机床、超精车床和超精磨床等。 结论：选择半闭环系统。 3.33.3 增量系统和绝对系统的比较增量系统和绝对系统的比较 半闭环数控车床进给部件设计 7 3.3.13.3.1 增量系统增量系统 若系统中使用增量方式测量元件，即为增量系统。增量尺随工作台移动时 只发出逐个脉冲，在没有辅助电路的情况下，停电后要重新开机不能得知工作 台当前所停的实际位置。因此每次启动机床后操作者的首要任务就是将各坐标 轴回零，然后才可以使用机床。 3.3.23.3.2 绝对系统绝对系统 该系统工作台的位置永远对应着检尺的某一确定值。通常使用的检尺为绝 对式编码盘或是多级旋变感应同步器，机床的零点与检尺的某一确定值，通常 使用检尺时候的移动位置都是以该零点计算的，并可直接从检尺上读出来。 结论：选择绝对系统。 无锡太湖学院学士学位论文 8 半闭环数控车床进给部件设计 9 4 4 X X 向伺服进给部件的设计向伺服进给部件的设计 4.14.1 伺服驱动装置的设计伺服驱动装置的设计 4.1.14.1.1 伺服驱动装置的特点伺服驱动装置的特点 驱动装置是使机械结构运动的装置。 伺服驱动都是动力源，要设计好伺服驱动装置，首先应了解机电一体化系 统对驱动装置的要求，要求一般为： A.高精度 对高精度要求主要在两方面：一是要求驱动装置满足定位准确的要求，定 位误差，特别是重复定位误差要小。二是要求跟随精度要求高，即在运动过程 中，位置实际值与给定值的差值要小，也就是说，跟随误差要小，这是机电一 体化伺服驱动装置的动态性能指标之一。 B.快速响应，无超调 也是对伺服驱动装置动态性能的要求，它也包括两个方面：一是在机电一 体化系统的运动过程中，伺服系统可能会频繁的起动、制动、加速和减速。一 般是要求伺服驱动装置从速度为零升到最高速，或从最高速度降到零，时间在 200s 以内，甚至有时要求在几十毫秒。同时，速度变化时，不应有超调。另一 方面，当负载突变时，要求速度的恢复时间短，且无振荡。 C.调速范围宽 调速范围是指伺服驱动着装置所能提供的最高速度与最低速度（常常是最 高转速与最低转速）之比：RN max/Nmin 式中指额定负载的最高速度（或转 速）和最低速度（或转速） 。 R-调速范围的含义如下： （1）R 大，并在该调速范围内，要求速度均匀、稳定、无爬行。 （2）无论是在高速还是低速驱动时，输出的力或转矩稳定。当速度变化时， 驱动装置能平滑运行，力矩波动要小。在很低速驱动时，速度平稳，并能输出 额定的力或力矩。 （3）在零速时，一般希望驱动装置能够处于伺服“锁定”状态。 D快速的应变能力和较长时间的过载能力 应能受频繁的起动、制动、反向运动、加速、减速的冲击。为满足低速大 力矩的要求，应能承受较长时间的过载。 4.1.24.1.2 伺服驱动装置伺服驱动装置 课根据功率的大小来分类伺服驱动装置，也可以按精度要求的高低来分类， 但最常用的分类方法是根据采用动力源的类型，把伺服驱动装置分为液压伺服 驱动装置，气压伺服驱动装置和电气伺服驱动装置等三大类型。 由于交流电机性能最可靠，基本用不着维护，造价低，结构简单，输出功 无锡太湖学院学士学位论文 10 率大，动态响应好，不需配置直流电源，且控制技术得到了解决，因此国外交 流电机正在取代直流电机，国内交流电机已经占一半以上，有了明显的优势。 结论：选用交流伺服电机。 4.24.2 交流伺服电机的设计交流伺服电机的设计 4.2.14.2.1 交流伺服电机的类型的确定交流伺服电机的类型的确定 交流伺服电机主要分为交流鼠笼式伺服电机和永磁式交流同步电机。其中 永磁式交流同步电机的转速与近接电源的频率之间存在着一种严格的关系，即 在电源电压和频率固定不变时，它的转速是稳定不变的。随着新型永磁材料的 应用及永磁电动机构的不断改进，永磁交流同步电动机将会越来越多的用语数 控系统中。 结论：选择永磁交流同步电动机。 4.2.24.2.2 确定伺服电机的型号确定伺服电机的型号 由于设计要求规定 X 向伺服电机的功率为 0.9kw，转速为量大不超过 4000r/min。通过转速功率的类比，最终选择 mdma 系类的大惯量带制动永磁式 交流同步伺服电机，其规格： 额定功率：0.9kw 额定转矩：4.8nm 最大转矩：21.5 电机惯量：42.9 额定转速：2000r/min 最大转速：3000 r/min 制动器：dc 24v 电源无极性 编码器：2500p/r 增量式 17 位增量式/绝对式公用 防护等级：温度 0-40，保存时 20-8。 重量：10kg 4.34.3 传动结构的设计传动结构的设计 4.3.14.3.1 伺服电机与进给丝杠的联接确定方案伺服电机与进给丝杠的联接确定方案 在进给驱动系统中，伺服电机与滚珠丝杠联接要保证传动无间隙，所以， 数控机床采用一种联接方式：直接连接、齿轮减速式。 4.3.24.3.2 联轴器的比较选用联轴器的比较选用 A) 联轴器的分类及特点 半闭环数控车床进给部件设计 11 联轴器的性能可分为刚性联轴器和扰性联轴器，刚性联轴器或称固式联轴 器，这种联轴器虽然不具有补偿性能，但结构简单、制造容易、不须维护、成 本低特点而乃有其应用范围。 a) 扰性联轴器中又分为无弹性元件扰性联轴器和带弹性元件扰性联轴器，千 一类具有补偿两轴相对位移的能力，后一类由于含有产生较大弹性变形的元件， 除有补偿性能外还具有缓冲作用和减震作用。 b) 弹性联轴器除了能补偿两轴相对位移，降低对联轴器安装的精度对中要求 外，更重要的是能够缓和冲击，改变轴系的自身频率，避免发生严重危险性振 动。 结论：选用弹性联轴器 B）选用要求 a） 强度高，承载能力强，在有可能发生扭振或存在瞬间尖峰载荷的场合， 要求联轴器的许用瞬时最大扭矩为许用长期扭矩的三倍以上。 b） 弹性高，阻力大，具有足够的减震能力，把冲击和振动长生的振幅降低 到允许的范围以内。 c） 具有足够的补偿性能，满足安装和工作时两轴相对位移时的需要。 d） 工作可靠，性能稳定，对橡胶性弹性原件还应具有耐热性，不易老化等 优点。 e） 结构简单，体积小，重量轻。拆装方便，维护容易。 结论：选用柱销式 4.3.34.3.3 滚珠丝杠副的特点滚珠丝杠副的特点 a）传动效率高 效率可达 90%95%,耗费的能量仅为丝杠的三分之一。 b） 运动具有可逆性 既可将回转运动变为直线运动，又可将直线运动变为回 转运动，且逆转动效率几乎与正转动效率相同。 c） 系统刚度好 通过螺母组件内施加预压获得较高的系统刚度，可满足各种 机械传动要求，无爬行现象，始终保持运动的平稳性和灵敏性。 d） 传动精度高 经过淬硬并经磨纹滚道后的滚珠丝杠副本身就具有很高的制 造精度，又由于摩擦小，丝杠副工作时温升和热变形小，容易获得较高的传动 精度。 e） 使用寿命长 滚珠是在淬硬的滚道上作滚动运动，磨损极小，长期使用后 仍能保持其精度，因而寿命长，具有很高的可靠性。其寿命一般比滑动丝杠高 56 倍。 f） 不能自锁 特别是垂直安装的丝杠。当运动停止后，螺母将在重力的作用 下下滑，顾需设置制动装置。 g） 制造工艺复杂 滚珠丝杠和螺母等零件的加工精度、表面粗糙度要求高， 制造成本较高。 结论：由于滚珠丝杠副独特的性能而受到极高的评价，因而已成为数控机 床、精密机械设备及各种机电一体化产品中不可缺少的传动机构。 无锡太湖学院学士学位论文 12 4.3.44.3.4 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法 滚珠丝杠副除本身单一方向的传动精度有要求外，对其轴向间隙也有严格 的要求，以保证其反向传动精度。滚珠丝杠副低轴向间隙是承载时在与滚道型 面接触点的弹性形变所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。通常采用双 螺母预紧的方法，把弹性形变控制在最小的限度内。以减小或消除轴向间隙， 并可以提高滚珠丝杠副的精度。 消除滚珠丝杠副的轴向间隙应注意以下两点： A 预紧力大小必须合适，过小不能保证无间隙传动，过大将使驱动力矩增大， 效率降低，寿命缩短。预紧力应不超过最大轴向负载的三分之一。 B 要特别注意减小丝杠安装部分的驱动部分的间隙。这些间隙用预紧力的方 法是无法消除的。而它对传动精度有直接影响。 常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有三种： a 垫片调隙式 采用螺钉链接滚珠丝杠两个螺母的凸缘加垫片，并在凸缘加垫片。调整垫 片的厚度使螺母产生微量的轴向位移，以达到消除轴向间隙和产生预紧力的目 的。该形式结构紧凑，工作可靠，调整方便，应用广，但很不准确，并且当滚 道损坏时不能随意调整，除非更换垫圈。故适合于一般精度的传动机构。 b 螺纹调隙式 双螺母中的一个外端有凸缘；一个外端无凸缘，它伸出套筒外，用两个螺 母固定锁紧，并用键防止两螺母相对传动。旋转圆周可调整消除间隙并产生预 紧力，之后再用锁紧螺母锁紧。该型结构紧凑，工作可靠，调整方便。目前使 用很广。 c 齿差调隙式 在两个螺母的凸缘上各位置有圆柱外齿轮(齿数为 Z1 和 Z2，且 Z1-Z2=1)分 别与内齿轮啮合，内齿圈用螺钉或定位销固定在套筒上。调整时，先取下两端 的内齿圈，使两螺母产生相对位移，相应地产生轴向的相对位移，从而亮螺母 中的滚珠分别紧贴在螺母滚道的两个相反的侧面上，然后将内齿圈复位固定， 故而消除间隙，产生预紧力的目的。可见，该形式的调整精度很高，工作可靠。 但结构复杂，加工和装配工艺性能较差。 结论：选用螺纹调隙式 4.3.54.3.5 滚珠丝杠副支撑形式的确定滚珠丝杠副支撑形式的确定 A 一端固定一端自由（FO） 该支撑方式结构简单，丝杠的轴向刚度比两端固定低，且压杆稳定性和临 界转速都比较低，设计时尽量使丝杠拉伸，该支撑方式适用于较短的竖直的丝 杠。 B 一端固定一端游动（FS） 该支撑方式需要保持螺母与两端支撑同轴，故结构比较复杂，工艺困难， 丝杠的轴向和 FO 相同，压杆稳定性和临界转速都比同长度的 FO 型高，且 丝杠内有热膨胀的余地，该支撑方式适用于较长的卧式安装丝杠。 A 两端固定（FF） 半闭环数控车床进给部件设计 13 该形式的长度同 FS 的长度，只要轴承间隙，丝杠的轴向刚度为一端固定 的四倍，丝杠一般不会受压，无压杆稳定性问题，固有频率比一端固定要高； 可以拉伸，预拉伸后可减少丝杠自重的下垂和热补偿膨胀。但需一套预拉伸机 构，结构及工艺都比较困难，要进行欲拉伸的丝杠起目标行程应略微小于公称 行程，减少量等于预拉伸量。该支撑方式适用于对刚度和唯一精度要求高的场 合。 结论：选择两端固定方式。 4.3.64.3.6 滚珠丝杠副的设计选用滚珠丝杠副的设计选用 已知：工作台重量 500N 刀架及电动机重量 200N 工作台最大行程 100mm 动摩擦系数 0.1 静摩擦系数 1.2 快速进给速度 100m/min 定位精度 20m/mm 全行程 25um 重复定位精度 10um 要求寿命 20000h（两班制工作十年） 4.3.74.3.7 丝杠轴承的选用丝杠轴承的选用 A 滑动轴承与滚动轴承的比较 a滑动轴承的特点及分类 普通滑动轴承，结构简单、制造方便，成本低廉，并可以做成开式以适应 安装要求；而液体滑动轴承可在很高的转速下工作。运转平稳，旋转精度高， 寿命长，抗振动性能好，可在强冲击和重载下工作。由于其工作平稳，噪声低， 吸振性好，因此他在高速重载场合得到广泛应用。但它不是标准件，设计、维 护都比较复杂，因此在很多场合已被滚动轴承所取代。 B 滚动轴承的特点 滚动轴承摩擦阻力小，启动轻快、效率高、不易磨损。典型的滚动轴承有 内圈、外圈、滚动体和保持架等部分组成。内圈用来与颈轴配合，外圈一般与 轴承座装配。常用的滚动轴承有球、圆柱滚子、圆锥滚子、球面滚子及非球面 滚子等。滚动轴承的内、外圈及滚动体是用铬轴承钢制成的，工作表面经过磨 削和抛光，硬度一般不低于 60HRC，保持架使用较软的材料（如低碳钢、钢合 金、铝合金、夹布胶木和尼龙塑料等） 。 滚动轴承已经标准化，由于工厂大量生产。所以在设计时，一般需要：a. 根据工作条件、受力情况、结构要素等因素，选择合适的滚动轴承类型、精度、 尺寸。并由滚动轴承目录中查出滚动轴承代号；b.确定滚动轴承的组合结构设 计，即考虑滚动轴承如何装拆、固定、调整、润滑和密封等问题。 结论：选用滚动轴承 B滚动轴承的选择和比较 无锡太湖学院学士学位论文 14 a滚动轴承类型选择注意点 1 轴承负荷 (1) 轴承负荷是选用轴承类型的主要要素，通常应根据负荷的大小、方向和 性质选用轴承。 负荷的大小与性质 通常球轴承适用于承受轻、中及较小波动的负荷；滚子 轴承使用于承受重的及较大波动的负荷。 (2) 负荷的方向 纯径向的负荷可选用深沟球轴承及滚针轴承。纯轴向负荷可 选用推力轴承。当径向负荷和轴向负荷联合作用时，一般选用角接触球轴承和 圆锥轴承和圆锥滚子轴承；若径向负荷较大和轴向负荷较小时，也可选用深沟 球轴承；若轴向负荷很大时，径向负荷很小时，可选用推力角接触球轴承、推 力圆滚子轴承，也可选用圆柱滚子轴承（或深沟球轴承）和推力轴承联合使用。 2 轴承的转速 球轴承比滚子轴承有较大的极限转速，故而高速时应选用球轴承。在内径 相同的条件下，外径愈小，滚动体愈小、轻；其离心力小、摩擦阻力小、发热 量小；所以在一定条件下，工作转速较高时宜选用超轻、特轻系列的轴承。 高速重要的轴承要验算其转速。一些提高轴承极限转速的措施，都对高速 运转有利，如实体保持架、青铜或夹布胶木架，提高精度等级，适量加大球轴 承的游隙，用喷油或油雾润滑改善冷却条件等。 (1) 调心性能 当轴或壳体变形大，以及安装对中性差时，应选用具有调心性能的轴承及补偿 上述变形及误差引起的偏斜，从而保证轴承是正常工作的。这时宜选用调心球 轴承或调心滚子轴承。 (2)安装与拆卸 对于安装与拆卸较为频繁的机械，可选用分离型角接触轴承、圆锥滚子轴承， 圆周滚子轴承和推力轴承。当轴承在长轴安装时，为方便拆卸可选用一些内圈 为圆锥孔的、带紧定套或退套的调心滚子轴承、调心球轴承。 (3)滚动轴承方案的比较 深沟球轴承 与尺寸相同的的其它类型轴承相比较，此种轴承摩擦损失最小。在轴承内 外圈相对倾斜 816时(根据游隙确定)仍可正常工作（但寿命有一定影响） 。 当加大轴承的径向游隙时，具有向心推力球轴承的性质，在转速较高不宜采用 此类轴承的情况下，可采用此类轴承承受轴向力。圆圈有止动槽的深沟，放入 止动环后可简化轴承在外壳孔（可做成通孔）轴向紧固，也可缩小轴向尺寸， 此类轴承所受径向负荷能力与基本类型轴承相同，但允许的轴向负荷应适当降 低。它主要能够承受径向负荷，也可同时承受少量双向轴向的负荷极限转速高， 它可将轴的双向移动限制在轴承的游隙范围内。 调心球轴承 具有自动调心性能允许内圈（轴）对外圈（外壳）的倾斜不超过 3 度。此 半闭环数控车床进给部件设计 15 类轴承主要用 负荷作用下弯曲较大的传动轴以及支撑座孔不易保证严格的部件中。主要承受 径向负荷。也 同时承受少量的双向轴向负载，额定负荷比为 0.60.9，极限转速高，也可将轴 的双向移动限制在轴承的轴向游隙范围内。 它不宜承受纯的轴向负荷，此种情况将使负荷有一系列仅有一列钢球承受。 其中圆锥孔调心球轴承安装在轴颈上，通过轴向移动内圈可微量调整轴承的径 向游隙。 圆柱滚子轴承 仅能承受径向负荷，额定负荷比为 1.53，极限转速高，不能限制轴的轴向 移动。 带挡边的引导套圈与保持架和滚子组成一组合件可与另一无挡边的套圈分离， 安装拆卸比较方便，与同尺寸向心轴承相比，径向负荷能力较大，但允许外圈 与内圈轴线偏移斜度较小，故只能由于刚性较大的轴上，并要求支撑座孔能够 很好的队中。内圈无挡边的圆柱滚子轴承常用于受外力弯曲较小的固定短轴上； 也常用于因发热而使长轴伸长的机件上。此时，于一个支点上安装无挡边的滚 子轴承，另一个支点上则安装使轴与轴箱能固定起来的轴承。 调心滚子轴承 它主要受径向负荷，也可同时承受少量的双向轴向负荷，额度比为 1.84， 极限转速低。能限制轴的双向移动。它具有自动调心功能，允许内圈（轴）对 外圈（外壳）的倾斜度不超过 0.52 度。此类轴承多用于长轴和负载后弯曲的 多支撑轴上。 滚针轴承 仅能承受径向力，极限转速低。不能限制轴的双向移动。 在径向负荷相同的情况下与其他类型轴承相比较，外径最小，故适合径向尺寸 受限制的部件（特别是轴的周围有摆动性运动的部件；如活塞销、轴摆杆等） 。 它安装时轴承外轴线与内圈线不允许有偏斜。 螺旋滚子轴承 仅能承受径向力，极限转速低。不能限制轴的双轴向移动。 适用于旋转精度要求不高并承受冲击负荷的机件中，每一套和带保持架的滚子 都可以分别安装。 圆锥滚子轴承 承受以径向负荷为主的径向和轴向（单向）负荷的联合负荷。 额定负荷比为 1.12.5，极限转速中等。限制轴的单向轴向移动。它可分别安装 内圈和外圈，在安装使用中可调整径向和轴向游隙，允许偏差 2 分。 推力球轴承 承受单向轴向负荷，额定负荷比为 1，极限转速低，限制轴的单向轴向移 动，工作中必须加以最小的轴向力。 为消除可能不同心会轴线与外壳支撑面不垂直的不良影响，安装时应使活圈外 径与外壳孔之间保留 0.51mm 的间隙，有时还可以在支撑面上垫以弹性材料如 皮革、耐油橡胶等。 推力滚子轴承 承受单向轴向负荷，额定负荷比为 1.71.9，极限转速低，限制轴的双轴向 移动，工作中必须加以最小的轴向力，此类轴承用于承受大的轴向负荷，用于 无锡太湖学院学士学位论文 16 重型机械。 角接触球轴承 该轴承受轴向（单向）和径向负荷的联合负荷，额定负荷比为 11.4，极限 转速高，能限制轴的双向轴向移动。该轴承接触角大，承受轴向负荷的能力就 大。当轴承受径向负荷时引起附加轴向力，固定此类轴承一般均成对使用(安装 时同名端面相对安装)。 结论：选用角接触球轴承型号为 7005C GB/T 292-94 d.轴承的校核 已知：丝杠轴的上的圆周力为 800N，径向力 Fr 为 350N，轴向力 Fa 为 150N，丝杠最大转速为 3000r/min,丝杠有螺纹直径为 32mm，轴承预期寿命为 20000h。丝杠轴承间距离为 338mm。 表 4-1 轴承的校核 设计计算项目计算公式或说明结果 续表 4-1 1.求轴承的径 向力 设 RV1 和 RV2 分别为轴承说承受的两个 垂直分力，RH1 和 RH2 分别为两个轴承所 受的水平分力。 RV1=（208*Fr+Fa*16）/338=222N RV2=Fr-RV1=127.5N RH1=208*Ft/(208+150)=492.31N RH2=Ft-RH1=800-492.31=307.69N R1=540.25N RV1 + RH1 R2=333.06N RV2 + RH2 R1=54.25N R2=333.06N 2.求轴承的实 际轴向力 A1 和 A2 根据表（10-6） （机械设计） S1=0.68R1=367.37N S2=0.68R2=226.48N 根据式（10-4） A1=Fa+S2=150+226.48=376.48N A2=S2=226.48N A1=376.48N A2= 226.48N 半闭环数控车床进给部件设计 17 3.求两轴的当 量动载荷 P1 和 P2 根据表（10-4） ，e=0.68 A1/R1=376.48/540.25=0.7e A2/R2=226.48/333.06=0.68 由表（10-5） ，查的 X1=0.41,Y1=0.87 X2=1，Y2=0 由表（10-5） ，查的 fp=1.2-1.8,去 fp=1.5 P1=fp(X1R1+Y1A1) =1.5(0.41*540.25+0.87*376.48) =823.55N P2=fp（X2R2+Y2A2） =499.59N P1=823.55N P2=499.59N 4.验算轴承寿 命 因为 P1P2,所以只验算轴承 1，又有轴 承样本可知：7005C 的额定动载荷为 12500N =/60n(C/P1 =/60*3000(12500/823.55 =22012.1h =22012.1h 5.验算结果因为 90761.6420000h选用 7005C 4.44.4 导向机构的设计导向机构的设计 4.4.14.4.1 导轨概述导轨概述 导轨有金属其它材料制成的槽或脊，可承受、固定、引导移动装置或设备 并减少其摩擦的一种装置。导轨表面上的纵向槽或脊，用于导引、固定机器部 件、专用设备、仪器等。导轨又称滑轨、线性导轨、线性滑轨，用于直线往复 运动场合，拥有比直线轴承更高的额定负载， 同时可以承担一定的扭矩，可在 高负载的情况下实现高精度的直线运动。 4.4.24.4.2 导轨的设计任务导轨的设计任务 根据导轨的特点对导轨的基本要求，可得出设计导轨应包括以下几个方面： 1 根据工作条件选择合适的导轨类型； 2 选择适当的截面形状，保证必要的导向精度； 无锡太湖学院学士学位论文 18 3 选择适当的导轨结构尺寸，保证导轨有足够的刚度，并使单位面积上的比 压不宜过大，以免磨损过快； 4 选择导轨磨损补偿装置，通过调查方式，使导轨经常获得需要的导向精度； 5 选择合适的导轨材料，热处理方法，精加工方法以及摩擦表面恰当的硬度 匹配，以提高导轨的使用寿命； 6 选择合理的润滑系统，使导轨在良好的条件下工作，以减少摩擦和磨损； 7 设计良好的防护装置，以防止切削、赃物等掉入导轨面上； 4.4.34.4.3 方案比较确定方案比较确定 1 滑动导轨 它具有结构较简单，制造较容易，承载能力大，刚性好，抗震性强，对几 何形状误差不敏感等优点；其缺点是磨损快，精度保持性差，摩擦阻力大，运 动灵活性较差，动、静摩擦系数差值大，重载或低速移动时易产生“爬行” ，高 速运动时容易发热等。 2 滚动导轨 滚动直线滑轨是一种滚动导引，它由钢珠在滑块与滑轨之间作无限滚动循 环，使得负载平台能沿着滑轨轻易的以高精度作线性运动，其摩擦系数可降至 传统滑动导引的 1/50，使之能轻易地达到 m 级的定位精度。现在滑块与滑轨 间的末制单元设计，使得线形滑轨可同时承受上下左右等各方向的负荷，专利 的回流系统及精简化的结构设计使线性滑轨有更平顺且低噪音的运动。 与滑动导轨相比： 优点： 灵敏度高，且其动摩擦与静摩擦系数相差甚微，因而运动平稳， 低速移动时不易出现爬行现象。 定位精度高，重复定位精度可达 0.2m。 摩擦阻力小，移动轻便，磨损小、精度保持性好。 缺点：滚动导轨的抗震性较差，对防护要求较高。 3 滚珠导轨 导轨以滚珠作为滚动体，运动灵敏度好，定位度高；但其承载能力和刚度 较小，一般都需要通过预紧提高承载能力和刚度。为了避免在导轨上压出凹坑 而丧失精度，一般采用淬火钢制造导轨面。滚珠导轨适用于运动部件质量不大， 切削力较小的数控机床。 4 滚柱导轨 导轨的承载力及刚度都比滚珠导轨要大，但对于安装的要求也高。安装不 良，会引起偏移和侧向滑动，使导轨磨损加快、降低精度。目前数控机床、特 别是载荷较大的机床，通常都采用滚柱导轨。 5 滚针导轨 滚针导轨的滚针比同直径的滚柱长度更长。滚针导轨的特点是尺寸小，结 构紧凑。为了提高工作台的移动精度，滚针的尺寸应按直径分组。滚针导轨适 用于导轨尺寸受限制的机床上。 结论：选择滚珠导轨 半闭环数控车床进给部件设计 19 4.4.44.4.4 导轨材料的选择导轨材料的选择 选择直线导轨材料时，应注意它们的耐磨性能、摩擦系数、温度膨胀系数、 加工后可能达到的粗粕度及热处理性能等。导轨的品质往往决定了直线导轨价 格，圆柱面直线导轨一般采用钢 40、50、T8A、TloA(均需经淬火)与非淬火钢 或青铜相配；棱柱面直线导轨可用钢与青铜、钢与非淬火钢、钢与铸铁等相配。 结论：选择淬硬钢 4.4.54.4.5 直线滚动导轨副的精度选择直线滚动导轨副的精度选择 由于直线滚动导轨副具有误差均化效应，在同一平面内使用两套活两套以 上时，可选用较低的安装精度达到较高的运动精度。直线滚动导轨副分四个精 度等级，即 2、3、4、5 级，其中 2 级精度最高。期中 2、3、4 级精度主要适用 于数控床的 X 方向进给系统。由于本设计要求较高，故选用 3 级精度。 结论：选用 3 级精度。 4.4.64.4.6 直线滚动导轨副型号的确定直线滚动导轨副型号的确定 各项要求选择 GGB 16 AA 2 P1 2*375-3 其中 GG 为直线滚动导轨副代号 B 为导轨结构类型为四个方向等载荷型 16 为公称尺寸 AA 分别为滑块宽度和滑块上连接孔形式，其中第 1 个指款型，第 2 个指螺孔 2 为每根导轨上使用滑块数为 2 P1 为直线导轨副预加为中载荷 2 为同一平面内使用导轨数为 2 375 为导轨长度 3 为等级精度 5 刀架的设计 5.15.1 数控车床刀架系统简介数控车床刀架系统简介 数控刀架是数控车床最普遍的一种辅助装置，它可使数控车床在工件一次 装夹中完成多种甚至所有的加工工序，以缩短加工的辅助时间，减少加工过程 中由于多次安装工件而引起的误差，从而提高机床的加工效率和加工精度。 数控刀架的发展趋势是：随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、 电液组合驱动和伺服驱动方向发展。 无锡太湖学院学士学位论文 20 10 工位刀塔 目前国内数控刀架以电动为主，分为立式和卧式两种。立式刀架有四、六 工位两种形式，主要用于简易数控车床；卧式刀架有八、十、十二等工位，可 正、反方向旋转，就近选刀，用于全功能数控车床。另外卧式刀架还有液动刀 架和伺服驱动刀架。 数控刀架的市场分析：国产数控车床今后将向中高档发展，中档采用普及 型数控刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架 等品种，近年来需要量可达 1000050000 台 数控刀架的发展趋势是：随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、 电液组合驱动和伺服驱动方向发展。 目前国内数控刀架以电动为主，分为立式和卧式两种。立式刀架有四、六 工位两种形式，主要用于简易数控车床；卧式刀架有八、十、十二等工位，可 正、反方向旋转，就近选刀，用于全功能数控车床。另外卧式刀架还有液动刀 架和伺服驱动刀架。 数控刀架的市场分析：国产数控车床今后将向中高档发展，中档采用普及 型数控刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架 等品种，近年来需要量可达 1000050000 台 发展方向：一是高速、可靠，追求的目标是换刀时间尽量的短，以换取加 工中心和车削中心的高效性； 二是简单实用、造价低、使用可靠，但换刀速度不快。 数控刀架的功能：数控机床上的刀架是安放刀具的重要部件，许多刀架还 直接参与切削工作，如卧式车床上的四方刀架，转塔车床的转塔刀架，回轮式 转塔车床的回轮刀架，自动车床的转塔刀架和天平刀架等。这些刀架既安放刀 具，而且还直接参与切削，承受极大的切削力作用，所以它往往成为工艺系统 中的较薄弱环节。随着自动化技术的发展，机床的刀架也有了许多变化，特别 是数控车床上采用电(液)换位的自动刀架，有的还使用两个回转刀盘。加工中 心则进一步采用了刀库和换刀机械手，定现了大容量存储刀具和自动交换刀具 的功能，这种刀库安放刀具的数量从几十把到上百把，自动交换刀具的时间从 十几秒减少到几秒甚至零点几秒。因此，刀架的性能和结构往往直接影响到机 床的切削性能、切削效率和体现了机床的设计和制造技术水平。 基本要求： 1）换刀时间短，以减少非加工时间。 2）减少换刀动作对加工范围的干扰。 3）刀具重复定位精度高。 4）识刀、选刀可靠，换刀动作简单可靠。 半闭环数控车床进给部件设计 21 5）刀库刀具存储量合理。 6）刀库占地面积小，并能与主机配合，使机床外观协调美观。 7）刀具装卸、调整、维修方便，并能得到清洁的维护。 5.25.2 各种刀架的方案比较及选择各种刀架的方案比较及选择 5.2.15.2.1 排式刀架排式刀架 排式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。其结构 形式为： 夹持着各种不同用途刀具的刀夹沿着机床的 X 坐标轴方向排列在横向滑板 上。这种刀架在刀具布置和机床调整等方面都较为方便，可以根据具体工件的 车削工艺要求，任意组合各种不同用途的刀具，一把刀具完成车削任务后，横 向滑板只要按程序沿 X 轴移动预先设定的距离后，第二把刀就到达加工位置， 这