车铣复合加工机床W轴进给机构设计论文

工 业 中 心 本科毕业设计说明书（论文） 题 目： 车铣复合加工机床W轴进给机构 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 学生姓名： 指导教师：起迄日期： 设计地点： 毕业设计说明书（论文）中文摘要摘要：本课题是对车铣复合加工机床W轴进给机构设计，分析刚度、惯量、间隙、摩擦对进给系统的影响。通过采用比较法、文献分析法对车铣复合加工机床W轴进给机构进行研究设计，以交流伺服电动机为动力源，通过直接刚性联轴器使滚珠丝杠和电机连接在一起，使用涨套消除间隙，通过涨套的轴向移动和径向膨胀来传递运动和动力。采用背对背和串联的角接触球轴承来固定滚珠丝杠，滚珠丝杠的支撑方式两端采用双推的方式，并且使用垫板防止两端轴承的中心高不一致，采用直线滚动导轨，使机构具有更高定位精度和高灵敏度，并对此次W轴进给机构零部件进行了经济成本分析。关键词：数控机床 车铣 进给系统 W轴 结构设计 毕业设计说明书（论文）外文摘要Title Lathe-milling machine tool X-axis feed mechanism AbstractThis topic is of milling machine tool W-axis feed mechanism design, analysis, rigidity, inertia, backlash, friction influence on the feed system. By using the comparative method, document analysis of the milling machine tool W-axis feed mechanism study designed to AC servo motor as the power source, through direct rigid coupling ball screw and motor are connected together, use up the sleeve eliminate the gap, to transmit motion and power rose by axial movement and radial expansion of the sleeve. Back to back and adopt a series of angular contact ball bearings to fix the ball screw, ball screw support both ends of the double way push mode, and use the pad to prevent the bearings at both ends of the center high-inconsistent, using linear rolling guide, making mechanism has higher positioning accuracy and high sensitivity, and the W-axis feed mechanism components were economic cost analysis.Keywords CNC machine tools; Milling;Feeding System;W axis;Structural DesignII毕业设计说明书（论文）目录前 言1第一章 绪 论21.1 车铣复合加工机床的发展21.1.1车铣复合加工技术概述31.1.2车铣复合加工的发展趋势41.1.3车铣复合加工机床的优势41.2 本次课题设计的内容51.3 本次设计内容的分析方法5第二章 进给系统的总体设计62.1 W轴进给系统的设计要求62.2 W轴进给系统传动方案的选择与设计62.2.1 W轴进给传动方案的设计与布局62.2.2 传动类型的选择72.2.3 轴承的选择82.2.4 轴承的配置方式92.2.5 轴承的润滑与密封122.2.6 轴承端盖的设计152.2.7 电机与滚珠丝杠副联接方式的选择172.2.8 W轴进给传动导轨类型的选择20第三章 车铣复合机床W轴进给系统的结构设计与计算223.1 伺服电动机型号的确定223.2 W轴进给力的计算233.3 W轴惯量匹配的计算23第四章 车铣复合机床W轴滚珠丝杠副的选型及校核254.1 滚珠丝杠副工作原理254.1.1 滚珠丝杠副的选型254.1.2 滚珠丝杠副的间隙消除与预紧264.2 W轴滚珠丝杠预拉伸量的计算284.3 滚珠丝杠副的润滑与密封28第5章 技术经济分析315.1 技术经济分析的目的与意义315.2 成本计算依据315.3 成本材料构成325.3.1 标准件外购费用325.3.2 非标准件33总 结34致 谢35- IV -前 言车铣复合技术是在传统机械与精密制造两者的基础上，融入了先进控制技术、精密测量技术与CAD/CAM应用技术，是在九十年代之后逐步发展起来的先进机械加工技术。车铣复合机床作为世界范围内最先进的机械加工设备之一，现已成为各类加工机床之中的佼佼者，集铣削与车削于一身，可在一台车铣复合加工机床上，只通过一次装夹，便可完成全部车、铣、钻、镗、攻丝等多种加工，大大节省了非加工时间，提高加工效率。本课题主要研究设计车铣复合机床W轴进给机构，W轴进给机构作为第二主轴轴向的运动执行机构，该机构不仅要实现机床第二主轴的轴向进给，还要实现进给运动的速度自动控制，保证机床第二主轴的准确定位。通过分析与研究使自己了解到W轴进给机构的重要性，W轴进给轴作为第二主轴的进给机构对于整个进给系统来讲，是不可缺少的一个组成部分。设计W轴进给机构的传动方案，综合各方面因素，考虑采用滚珠丝杠进行传动，分析轴承润滑与密封对丝杠的影响，减小由摩擦引起的温升对工作造成的故障。分析研究得出两端固定轴承支承方式和直联刚性伺服电动机与滚珠丝杠的连接方式对W轴的定位精度和加工精度影响较小，计算进给力和惯量匹配避免过大的负载对W轴进给机构造成故障。由于时间和经验等方面的因素，在本次设计中难有不当之处，敬请纠正。第一章 绪 论1.1 车铣复合加工机床的发展我国数控机床的研制工作起步相对较晚，目前来说，数控机床发展历程大致可以分为以下三个阶段：1958至1979年为第一阶段，我国于1958年在清华大学和北京第一机床厂共同努力下，联合研制成功了中国第一台数控铣床，并于同年试制成功第一台电子管数控机床1。从1965年开始，我国集合各方面的科技人才开始大力研制晶体管数控系统，终于在1960末期至19070初成功研制出第一台晶体管数控系统。由于当时国内环境相对落后，西方国家对我国数控技术的封锁，我国数控的研究工作迎来了巨大的挑战，由于尚未掌握技术与参数，只能采取着封闭式摸索着前进。在数控机床的一些关键技术上仍然依靠着发达国家的支持，列如电、气、液等核心技术，由于早期发展技术相对不太成熟，整个发展过程都处于初级阶段，很大程度上要西方发达国家学习借鉴，远远达不到可靠性要求，因此故障频出，大大影响了加工制造水平。1980年至1995年为第二阶段，邓小平同志提出了改革开放的政策，国内响应号召，大力发展重工业，西方发达国家的先进数控技术迅速被我国引进，或通过购买实验样机，进行拆卸之后分析内部构造，大量科研前辈学习了国外的先进产品开发技术、操作技术与维修技术等，以提高我国本土的数控技术水平。从八十年代后，我国先后从日本、德国、美国、西班牙等西方发达国家引进先进的数控系统，合作开放研制生产各种机、电、液、气等基本零部件，很大程度上提高了产品的整体质量，与之前的相比有了一个质的变化2。我国的数控机床在这一段时间内取得了长足的进步，国内一批机床生产厂家看到机床广阔的发展前景，加强了与西方国家厂家的技术合作，数控机床的势头发展迅猛，努力缩短与国外先进国家的差距。但令人遗憾的是，我国数控机床技术在这一阶段，借鉴与仿制仍占很大比重，依靠自主研发与自主生产的数控机床占相对少数一部分。1996年至今为第三阶段，我国工业化战略全面打响，只有大力发展科技方可兴国，数控机床技术进入自主研发的时期，国家的科学和技术正全面加速发展，科研技术人员的增加和科研资金的大量投入是我国数控机床水平得到了显著的提高，数控机床的产值比重也逐渐增大，我国数控机床在数量上得到很大的增大，在质量方面更是取得了较大的进步，相对于发展早期，现在整个行业的良性竞争非常激烈，进步的脚步也正在加快，特别是在某些核心的关键技术上，我国的数控机床水平已经接近或者领先于世界水平，成为行业旗帜，离不开我国一代数控人的努力。科学技术的发展离不开我们当代每一位科研人员的努力，正因为有你们不畏艰险的付出，我国的数控机床技术与国外发达国家的距离越来越短。1.1.1车铣复合加工技术概述车铣复合加工技术：是一种将现代先进控制技术、精密测量技术和CAD/CAM应用技术于三者集一体的先进机械加工技术，经过一次装夹之后，可对零件多个表面或复杂形面加工,便可减少装夹次数，很大程度上简化刀具系统的复杂性，缩短非生产时间，提高生产效率。车铣复合加工技术不仅能够在绿色节能减排的前提下，减少零件传送和库存与占地面积等方面的需求，同时也可保证较高的加工生产效率，以达到可持续发展的目的，并且具有较强的加工能力和较广的工艺范围，已然成为目前全球范围内最为先进的机械加工设备之一。列如：在航空航天、军工产业、远洋船舶和医疗设备等制造领域的发展，车铣复合加工技术都在先进制造技术的舞台上扮演着十分重要角色之一，特别对一些形状复杂的异形零件更具有得天独厚的优势。目前随着航空航天、军工、船舶等领域的产品更新换代速度愈加迅猛，工序分散的加工设备势必将会被淘汰，工序集中优势由此更加凸显，车铣复合加工机床将会迎来更为广阔的发展的发展前景，应用方向也更为宽泛。举例，车铣复合加工机床如图1-1所示：图1-1车铣复合加工机床1.1.2车铣复合加工的发展趋势随我国国民经济的迅猛发展，国防建设对数控机床技术也提出了较高的要求，因此我国的高端数控机床产生了较大的刚性需求，发展数控机床刻不容缓。经过科研前辈的艰难探索实践，研究国外的先进技术并加以大力创新，我国数控机床产业终于在科研工作者的努力下取得了较大的成就。一些机床生产厂家在研究车铣复合加工机床方面取得了很大的突破，尤其是沈阳机床厂更是打破了外国对我国的核心技术的封锁，取得了质的突破。但是，国内与国外相比，在数控机床总体制造技术差距仍然较为明显，核心竞争力较弱，尤其是在进给速度、主轴转速、加工精度等方面有着大约15年的差距。总的来说，数控机床会朝着高速化、精密与超精密化、开放化、技术集成化与技术复合化、智能化等方向，大型化和微小化两个极端发展，机床配套装置和功能也日益完善。1.1.3车铣复合加工机床的优势1、合理选择产品制造工艺，缩短工艺链，提高生产效率。车铣复合加工可在刀库中安装各种专用工具和合理的刀具安排,大大缩短刀具更换时间,实现一次装夹完成全部或者大部分加工工序，已提高加工效率，最大程度上增加客户效益。2、减少装夹次数，从而提高机床的加工精度。过多的装夹次数会产生定位基准转化的误差积累，易生产出不合格的零部件，增加了非加工时间。 3、减少占用空间，大大地降低了生产成本。车铣复合加工机床具有紧凑的外观设计,能够充分合理利用空间,机床在发生故障之后，保养维护修理较为方便。1.2 本次课题设计的内容1、W轴进给机构在车铣复合加工机床中，是第二主轴轴向的运动执行机构。该驱动伺服进给系统不仅要实现机床第二主轴的轴向进给，还要实现进给运动的速度自动控制，保证机床第二主轴的准确定位。2、通过分析与研究使自己了解到W轴进给机构的重要性，W轴进给轴作为第二主轴的进给机构对于整个进给系统来讲，是不可缺少的一个组成部分。3、了解滚珠丝杠副传动的工作原理，减小惯量，提高进给机构的定位精度，研究轴承和滚珠丝杠摩擦发热对机构的影响，考虑伺服电动机与滚珠丝杠的连接方式，计算进给力和滚珠丝杠的惯量匹配。1.3 本次设计内容的分析方法采用比较法，文献分析法对车铣复合加工机床W轴进给机构课题进行分析与研究。在设计过程中，我一直与设计小组成员积极探讨机构结构组成，相互学习，分析工作原理，选择更为合理的传动方式，上网查阅专业期刊、文献保证以本次设计的内容的准确性。第二章 进给系统的总体设计2.1 W轴进给系统的设计要求车铣复合机床在进给系统中位置调节提出了较高的要求，其中：1、在静态设计方面：1）能够克服摩擦力和负载，能够在负载较大的工作场合中正常运转；2）较小的进给位移量，保证加工精度；3）较高的静态扭转刚度；4）足够的调速范围，满足快进、工进和快退时的速度需要；5）进给速度均匀，工作平稳，无低速爬行现象。2、在动态设计方面：1）足够的加速度和制动力矩，保证快速启动与制动；2）良好的动态传递性能，保证轨迹精度和较高的表面质量；3）尽可能小的轨迹误差，保证较高的加工精度；3、对于数控机床机械中的传动部件，则有如下要求：1）加速过程中，运动部件产生较小的惯量；2）高的刚度；3）良好的阻尼； 4）在拉伸和压缩刚度、扭转刚度、摩擦阻尼和部件间隙等方面，传动件应有较小的非线性要求4。2.2 W轴进给系统传动方案的选择与设计2.2.1 W轴进给传动方案的设计与布局W轴进给传动如图2-1所示：图 2-1 进给系统结构简图2.2.2 传动类型的选择在众多数控机床的进给驱动系统中，使用频率较高的机械传动装置如下：1、 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副传动：减小运动件之间的摩擦以提高进给系统的快速响应性和运动精度。滚珠丝杠副具有较高的传动效率，由于滚动摩擦的动静摩擦系数相差较小，因此低速不易爬行，可以保证平稳的高速运转。为了提高滚珠丝杠的轴向刚度，并且机床具有较高的定位精度和加工精度，在机床加工零件之前，必须消除丝杠螺母的轴向间隙，使之无反向空行程，因此采用适当预紧方式来消除轴向间隙。2、 静压蜗杆-蜗母条静压蜗杆-蜗母条传动：在蜗杆与蜗母条的啮合齿面之间注入适量的压力油，形成一层油膜之后，两啮合面产生了足够的液体摩擦，由此达到减小摩擦阻力的目的。主要适用于重型数控机床。列如：龙门式铣床的工作台进给驱动。3、 预加载荷双齿轮-齿条双齿轮-齿条传动：大型数控机床因行程尺寸较大，为保证传动精度，可考虑采用齿轮-齿条传动，并且在使用过程中必须消除齿侧间隙。消除间隙方式：采取两个齿轮与齿条啮合，使用特定预加载机构使两齿轮以相反方向预转过微小的角度，使每个齿轮与齿条的两侧齿面贴紧，以达到消除间隙的目的。4、 双导程蜗杆 双导程蜗杆传动：这种传动方式应有较高的制造精度和装配精度，由于涡轮与蜗杆之间存在间隙，还必须采取一定的措施，以消除蜗轮与蜗杆副之间的传动间隙，通常的方法是双导程蜗杆传动。适用于追求较高生产率的场合。将以上各种进给传动方式的优缺点进行对比，综合各类因素考虑，在进给传动中，滚珠丝杠传动具有传动精度高，具备快速响应能力和较高的传动效率。因此我在W轴的进给传动系统中，选择滚珠丝杠螺母副传动作为本机床进给系统的传动方式。2.2.3 轴承的选择各种不同类型的工作场合应选用不同的轴承，在选择轴承类型时，就需充分考虑各类轴承的结构特性，且综合考虑以下各主要因素： 1、载荷情况 在选用轴承时，第一应考虑载荷情况，载荷直接影响着轴承的使用寿命，应根据载荷的大小、方向和性质几个方面进行初步选择。 1） 载荷大小 在一般情况下，由于滚子轴承是线接触，与球轴承相比，整个与轴承的内外圈接触面积较大，因此承载能力也相对较大，适用于重载的工作场合；而球轴承是点接触，接触面积相对较小，所以承载能力也较小，只适用于轻、中载的工作场合。2）载荷方向 在纯径向力单独作用时，应考虑选用圆柱滚子轴承、深沟球轴承和滚针轴承等；在纯轴向载荷单独作用时，可考虑选用推力球轴承、推力滚子轴承；在径向载荷和轴向载荷联合作用时，通常考虑选用角接触球轴承、圆锥滚子轴承5。在径向载荷较大而轴向载荷较小的场合中，可选用深沟球轴承。则在轴向载荷较大，并且径向载荷较小的工作场合中，可考虑选用推力角接触球轴承或是推力圆锥滚子轴承。 3）载荷性质 当工作场合中产生冲击载荷时，应考虑选用滚子轴承。2、高速性能 一般来讲，摩擦力矩和发热量两个因素直接影响着轴承高速性能，保证小的摩擦力矩和发热量可提高轴承的高速性能。球轴承比滚子轴承有较高的极限转速，所以在高速运转下应优先考虑选用球轴承。在相同内径时，运转时滚动体作用在外圈上的离心力与外径、滚动体成正比，在高速重载场合中，必须验算轴承的极限转速。3、轴向游动性能 通常机械工作运转时，轴会由于摩擦和工作介质而引起发热，从而会发生热胀冷缩的情况。轴有轴向游动可避免产生热胀冷缩影响机械的正常运转。方法：选用内圈或是外圈无挡边的圆柱滚子轴承配置在轴的两端，可产生微量轴向位移并留有热胀冷缩的空间。 4、调心性能 良好的轴承调心性可避免由制造误差或安装误差所致的同轴性，应考虑选用调心球轴承、调心滚子轴承。5、允许的空间 设计人员在产品设计之初，一般先根据负载的大小来确定轴的大小，然后根据轴的尺寸来确定轴承的尺寸。小轴采用球轴承，大轴则采用滚子轴承。 6、安装与拆卸方便 由于轴承使用寿命较短，在工作场合中轴承作为易损件，需要经常进行装拆更换。具有良好的装拆方便性能轴承有：可分离型的角接触球轴承、推力轴承和调心球轴承等。根据机床实际情况，由于在工作运转中，滚珠丝杠同时承受轴向和径向两个方向的载荷，应采用角接触球轴承。背靠背组配的角接触球轴承可以产生一个较大的抗弯强度，具有较大的支承刚度，且可补偿径向膨胀。因此在进给系统中分别在滚珠丝杠的左右两端采用一组串联和背对背的角接触球轴承进行支撑。2.2.4 轴承的配置方式一般来讲，对轴进行支撑主要是在径向和轴向的两个方向。为提高传动刚度，一个很重要的步骤就是如何选择支承结构以及正确安装滚珠丝杠，下面介绍几种轴承的配置方式。 1、固定自由式 当一端装止推轴承时，轴承承载能力较小，轴向刚度较低，仅适用于短丝杠、精度较低，轻载的场合。配置方式如图2-2所示：图 2-2 “固定自由”型的轴承配置方式2、固定-游动式在轴一端装止推轴承，则轴另一端同时装深沟球轴承。止推轴承与深沟球轴承配合使用，轴承的安装位置必须远离热源，以避免丝杠受温度过高热变形的影响，主要适用于中转速、精度较高的场合。配置方式如图2-3所示：图 2-3 “固定游动”型的轴承配置方式3、支承-支承式两端装止推轴承，并对滚珠丝杠施加预紧拉力以提高传动刚度。但此安装方式对温升较为敏感，适用于中速中精度的场合。配置方式如图2-4所示：图 2-4 “支承支承”型的轴承配置方式4、固定-固定式这种结构形式可以很大程度上提高传动刚度，使滚珠丝杠的热变形转化为止推轴承的预紧力，普遍适用于高速、高精度的场合。配置方式如图2-5所示：图 2-5 “固定固定”型的轴承配置方式综合车铣复合加工机床实际情况，两端固定的支承方式可以提高机构中的传动刚度，通过丝杠的热变形转为成轴承的预紧力。我在设计过程中采取的轴承配置方式如图2-6所示。图2-6 本次课题轴承所采用配置方式2.2.5 轴承的润滑与密封2.2.5.1 轴承的润滑对轴承来而言，采取合理的润滑是提高其综合性能的重要方式之一。合适的润滑剂和良好的润滑方式直接影响轴承的使用寿命和机床的工作稳定性，采用合理的润滑可更利于运动部件工作运转。 润滑的作用：在两者摩擦面之间，加入适量润滑剂，使两者相对运动体形成液体或半液体摩擦，降低摩擦系数，以降低对运动部件的磨损。由于在相对运动体的油膜形成，避免了两摩擦表面的长时间接触，减少了两摩擦表面的摩擦和轴承的过量发热；同时，当润滑油流经润滑表面时，一部分热量被带走，减小因摩擦发热对运动件的影响，有利于运动部件的正常运行。滚动轴承润滑的润滑剂种类一般可分为油润滑、脂润滑和和固体润滑三大类6。其中油润滑相对于其他润滑方式而言，油润滑可以在更大的温度范围内使用，主要适用于高速和高负荷条件下工作的轴承，并且能在设备保养和更换润滑剂的过程中同时润滑的优点，就目前而言，滚动轴承使用油润滑最为普遍。油润滑与脂润滑性能对比如表2-1所示，脂润滑具有密封装置简单、维修费用低、低成本等优点，通常应用低速、中温操作的工作场合中。当使用油润滑和脂润滑达不到工作条件的时，例如不允许污染的食品、纺织、医疗等机械，可以考虑采用固体润滑剂。表 2-1 油润滑与脂润滑性能对比表（续表2-1 油润滑与脂润滑对比表）循环工作原理：润滑油通过油泵从油箱吸出后，经过油路输送到需要润滑的工作部位，再由回油口返回油箱经滤网过滤后，达到重复使用和经济环保的目的。循环润滑具有充分润滑、油量易控、散热和去除杂质能力强等特点，使用可靠性较高。但必须具有一套独立的供油系统，整体制造成本较高。循环油润滑广泛适用于高速高温、重载的场合。综合分析：在高速、高精度、高负荷的车铣复合加工机床的工作场合中，应对滚珠丝杠的运动部件采用循环油润滑，车铣复合加工机床作为一台高端高精度设备，具有独立的供油系统，可以满足润滑条件。2.2.5.2 轴承的密封轴承的密封形式可分为三种类型：接触式密封、非接触式密封和组合式密封。1、 接触式密封接触式密封可分为：毡圈密封和橡胶油封。1） 毡圈密封：在轴承盖上梯形槽内，放置矩形剖面细毛毡，适用于V45m/s的工作场合。密封方式如图2-7所示：图 2-7 毡圈密封2）橡胶油封（较为常用)：将油橡胶制唇形密封圈紧紧贴合弹簧压紧在轴上，唇口向里以防止油流失，唇口向外防灰尘、杂质，组合放置时具有综合作用，起到良好的密封效果。密封方式如图2-8所示：图2-8 图（a)开口向内和图（b）开口向外橡胶油封图2、 非接触式密封可分为油沟密封、甩油密封和曲路密封。1） 油沟密封（间隙密封）：在轴与盖之间留有大约0.10.3mm间隙，轴承盖上车出沟槽，并在槽内填满润滑脂，油沟密封的整体结构相对简单，适用于v56m/s的工作场合，密封方式如图2-9所示。图2-9 非接触式密封图2）甩油密封：在轴上开出一个沟槽，沿径向油液通过惯性甩开，最终再经轴承盖上集油腔及油孔流回轴承，以达到润滑工作部件的效果。3）曲路密封：曲路将旋转与固定密封零件之间间隙做成密封结构，在缝隙中间填入适量润滑脂，整体密封效果相对较好，适用于v30m/s的工作场合。3、 组合式密封采用两种以上的密封形式组合在一起，具有更好的密封效果。密封方式如图2-10所示：图 2-10 组合式密封图综合分析：在进给系统工作运转时，如果密封件直接接触配合件，产生的摩擦将会引起发热量增大，容易造成润滑不良，加快磨损，缩短运动部件的使用寿命。因此，在密封件与配合件应留有适当的间隙，选用非接触式的橡胶油封。因为丝杠在运转过程中将产生压力，应采取图（a）的碗式开口向内的橡胶密封，内部压力越大，密封效果越好。2.2.6 轴承端盖的设计轴承端盖用于固定轴承、调整轴承间隙并承受轴向力，还具有防尘与密封的作用。轴承端盖的结构主要分为：嵌入式和凸缘式两种。嵌入式轴承端盖具有外形结构简单、紧凑，外伸轴结构尺寸较小，整体重量较小的优势。但装卸端盖过程相对复杂，调整轴承间隙困难，整体密封性能较差，固定时须在座孔上开槽，加工制造较难。嵌入式轴承端盖更适合重量轻、结构紧凑的工作场合。其结构和尺寸图2-11所示：图 2-11 嵌入式轴承端盖的结构尺寸凸缘式轴承端盖易调整轴承间隙，部件装卸简单方便，密封性能良好，目前应用广泛。但缺点是外形轮廓尺寸较大，又需一组螺钉来联接。其结构和尺寸图2-12所示。图 2-12 凸缘式轴承端盖的结构和尺寸综合分析：在车铣复合W轴进给机构中，采用的轴承端盖如下图（a)平板式轴承端盖和图（b）凸缘式轴承端盖。图 2-13 图（a)平板式端盖与图(b)凸缘式端盖2.2.7 电机与滚珠丝杠副联接方式的选择电动机与丝杠的联接的三种方式的特点 :（1） 通过齿轮联接；齿轮传动在伺服进给系统中，起改变运动方向，降低从动件转速，增大转矩等作用，还可适应不同螺距、脉冲当量比。当在伺服电动机和丝杠之间安装齿轮时，两个齿轮相互啮合，齿侧间隙易造成反向运动死区，运动精度得不到保障。目前普遍采取双片齿轮结构消除齿轮中的间隙，如2-14图（a）和(b)所示。图（c）为斜齿轮传动消隙结构，薄片结构将齿轮左、右两侧面紧紧贴合，消除了间隙7。这种消除间隙的方法整体结构虽然简单，但是调整费时费力，没有自动补偿间隙功能，应用并不普遍。图（c）所示锥齿轮消除间隙的原理也与图（a）的直齿圆柱齿轮相同。当锥齿轮与轴联接时，其措施如图（a）所示，并采用紧定螺钉顶紧；图（b）在其中一个键灌环氧树脂，但是不易拆卸维修。1、2齿轮；3、4螺钉；5弹簧图2-14 齿轮间隙的消除1、采用齿轮传动副来达到一定的降速比要求； 2、齿侧间隙会影响系统的稳定性； 3、整体结构复杂，用于电动机与丝杠不能直接联接，负载转矩大、需放大伺服电动机输出转矩的场合。 （2） 通过同步齿形带联接 同步带兼具带传动和链传动的共同优点，是一种靠啮合齿轮传动新型带传动方式。同步齿形带以钢丝绳为强力层，外面包裹着氯丁橡胶或聚氨酯。8由于钢丝绳在强力层中承受载荷，整体皮带结构产生的变形相对较小，并能保持传动比恒定的齿形带。故此带与带轮之间无相对滑，亦可做无滑差同步传动。这种齿形带薄而轻，惯性效应较小，因而可应用于高速传动，其圆周速度v可达到40m/s。由于齿形带不是靠带与带轮之间的摩擦传动，没有摩擦损失，传动比i可达到10，传动效率可高达98%99%。齿形带轮的制造复杂、制造成本相对高是目前齿形带的不足之处。如图2-15所示，同步齿形有梯形和圆弧齿两类：图2-15 同步带梯形齿和圆弧齿其中，模数制梯形齿是我国最先开发的同步带，现仍有使用，但不推荐用于新设计。周节制梯形齿按照国家标准（CB11616-89）执行。圆弧齿同步带只有行业标准，在机电行业中已有广泛的应用。 同步齿形带传动兼具了带传动与链传动的优点，运动平稳，吸振好，噪声小。缺点是中心距位置要求较高，带和带轮制造工艺制造复杂，安装过程中的技术要求较高。选择同步齿形带时，首先根据要求传递的功率和小带轮的转速选择同步齿形带的带型和节距，然后根据要求传递的变速比确定小带轮和大带轮的直径。通常在带速和安装尺寸条件允许时，小带轮直径尽量取大一些，根据原轴的主轴线的长度，选择标准的同步齿带，最后确定的带宽和带轮的结构和大小 。同步齿形带传动中的主要失效形式是：同步齿形带疲劳断裂，带齿剪切、压馈以及同步齿形带两侧和带齿的磨损。9为确保传动过程中的工作平稳性，必须对单元齿宽的拉力进行校核，在特定情况下，还校对工作齿面的压力 。1、同步带传动具有带传动和链传动的共同优点；2、机械结构简单，制造成本低，安装调整方便；3、传动不打滑，传动效率高。（3） 丝杠、联轴器直接联接 ： 就目前的形势而言，在很多工作场合中由于伺服电动机综合性能的提升都采用伺服电动机与丝杠直接相连的方式。1、 传动精度高；2、 结构简单，安装调整方便；3、 适用于中、小型机床或高速加工机床。方案一：通过伺服电动机与联轴器相连，传动件由齿轮来驱动，降低转速。方案如图2-16所示：图 2-16 利用齿轮降比传动进给系统简图方案优缺点：在设计过程中，可以根据本方案可放大转矩的特点采用较小功率的电动机，从而降低经济成本，但是齿轮间隙直接影响着机构的传动精度。 方案二：通过采用联轴器将伺服电动机与滚珠丝杠直接相连，传动比为1。方案如图2-17所示：图 2-17 利用联轴器直接传动进给系统简图方案优缺点：直接驱动，驱动精度由电机直接保证，但是需要电机扭矩较大。当前，很大一部分的伺服电动机和滚珠丝杠的连接方式是采用联轴器直连，优势主要体现在：一是大大节约了机床的内部空间，不占横向空间但必须确保足够的直向空间，二是能够保持传动比恒定，与其他传动方式相比，传动效率相对较高。对于齿轮连接而言，齿轮连接结构相对比较紧凑，但是结构复杂，成本也相对比较高，适用于有加、减速比的位置场合；在横向空间较大，传动效率和精度要求不高的场合时，可采用链条和皮带连接。综合情况考虑，采用联轴器直接刚性联接，驱动精度可以由伺服电动机直接保证，以保证车铣复合机床W轴传动精度相对较高。2.2.8 W轴进给传动导轨类型的选择工作台导轨是影响数控机床的加工精度与运动平稳性的重要因素，工作台导轨的摩擦特性直接影响了工作台的定位精度和低速进给的工作平稳性，制造导轨的制造误差直接影响了工作台运动的几何精度，在设计制造工作台导轨的过程中，应尽量减少制造误差和摩擦力，以提高机床的加工精度10。导轨是用来支撑和引导部件在机床上沿着固定运行轨迹具有准确运动或夹紧定位作用的轨道。保证良好的轨道准确度和移动精度，可提高机床加工精度，减少因轨道误差而造成不良产品零件。数控机床导轨共分为：滚动导轨、滑动导轨和静压导轨等。滚动导轨、滑动导轨与静压导轨的性能对比如表2-2所示：表2-2 导轨性能对比表机床导轨的整体行程相对长，采用滚动导轨时，滚动体必须循环，并且应采取合适的润滑，减少因摩擦发热影响工作精度。常用的有直线导轨副和滚动导轨块。滚动导轨如图2-18所示：1. 导轨条 2.端面挡板 3.密封垫 4.滑块 5.滚珠图 2-18 直线滚珠导轨副综合分析，在车铣复合加工机床W轴进给机构中，滚动导轨与滑动导轨相比，具有较小的摩擦，对温度的影响较小。为减少摩擦对滚珠丝杠定位精度的影响，并控制温升，应选用滚动导轨作为机床导轨。第三章 车铣复合机床W轴进给系统的结构设计与计算3.1 伺服电动机型号的确定转矩和转速可由伺服电动机的电压信号转化而成，从而驱动控制对象，伺服电动机具有控制速度快，位置精度精确等优势11。在控制系统中，伺服电动机的输入信号控制转子转速，在最短时间内做出响应，通常用作执行元件。电动机轴上的角位移或角速度可以由伺服电动机系统接收到电信号直接转化而成。伺服电动机一般可分为：直流与交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机：可以准确控制转矩速度特性的硬速度，工作原理相对简单，但是电机的换向装置对转速有很大的局限性，并且还存在附加阻力，工作运转时，散热能力较差。交流伺服电动机：可实现大功率、大惯量，最大转动速度随着功率增大而减小，因而适合做低速平稳运行的工作场合。目前常用的伺服电动机型号如下表3-1所示，本课题已知条件交流伺服电动机siemens 1FK7060-5。表3-1 伺服电动机型号表3.2 W轴进给力的计算电机最大扭矩，机械效率0.9； （3-1）x的最大值主要在机床进行粗切端面时出现，假设下列切削条件：刀具材料：YT5车刀，Kr=90切削用量：t=2m，f=0.3，Cpy=141工件材料：结构钢，sb=65kg/mmFgw=1050N （3-2），故电机满足要求。3.3 W轴惯量匹配的计算移动部件的惯量转化到丝杠的惯量： （3-3）滚珠丝杠的转动惯量： （3-4）其它零件的转动惯量（联轴器）： （3-5） （3-6） 折算到电机轴上的负载惯量： （3-7） 负载惯量与电机惯量Jm之比： （3-8） 负载惯量与电机惯量Jm之比：；，满足设计要求。本章节公式来源于现代数控机床、机床设计手册。第四章 车铣复合机床W轴滚珠丝杠副的选型及校核4.1 滚珠丝杠副工作原理在适量的滚珠放入丝杠与螺母两者之间，并采取合理的润滑方式使丝杠与螺母之间由滑动摩擦转为滚动摩擦，减少摩擦造成的能量损失，以达到控制滚珠丝杠温度的目的。在现代机械传动中，使用滚珠丝杠副可将直线往复运动转为旋转运动，也将旋转运动转为直线往复运动。4.1.1 滚珠丝杠副的选型目前，常用的数控机床滚珠丝杠副结构可分为：外循环插管式与内循环反向器式，简称外环与内环。内循环结构式反向器整体尺寸较长，承载的钢球数较少，且钢球高速时流畅性差；而外循环插管式结构简单，承载能力大，不受导程的限制12。外循环插管式滚珠丝杠副结构常被采用在高速滚珠丝杠副的导程的较大的场合。滚珠丝杠具有以下特点：1、传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠螺母副的传动效率较高，与普通丝杠相比传动效率高达3-4倍，效率达到92%-96%，并且功率消耗较低。2、适当预紧，采取适当的预紧方式在反向工作运转时消除空载死区，从而提高丝杠的定位精度和丝杠刚度。3、运动平稳，无爬行现象，传动精度高。4、具有良好的可逆性能，既可将螺旋回转运动转换成直线往复运动，又可将直线往复运动转换成螺旋回转运动。5、磨损小，使用寿命长。6、整体制造工艺比较复杂，滚珠丝杠与螺母等组件的加工精度较高，故此制造成本也较高，在选用滚珠丝杠传动时应考虑经济成本等因素。7、不能自锁。特别是垂直安装的丝杠，因此需增加制动装置。根据已知条件，滚珠丝杠选用FF滚珠丝杠副,规格代号为2505-3。FF滚珠丝杠部分代号与参数表格如下所示：表4-1 FF滚珠丝杠副部分代号与参数表4.1.2 滚珠丝杠副的间隙消除与预紧4.1.2.1滚珠丝杠副的间隙消除消除滚珠丝杠螺母副的轴向间隙可以保证滚珠丝杠的反向传动精度与轴向刚度。常用的消隙方式一般分为：垫片消隙式、螺纹消隙式和齿差消隙式。1、垫片消隙：通常情况，通过调整垫片的厚度来改变螺母的轴向位移，以达到消除间隙和提高预紧力的目的。结构优势是构造简单、可靠性好、刚度高以及装卸方便。不足之处：由于采用不同厚度的垫片，调整耗时。2、 螺纹消隙：一个螺母的外端结构设有凸缘，而另一个螺母的外端结构车制螺纹。通过旋转圆螺母的方式，即可消除两者间隙，并且能够产生一定的预拉紧力，以达到锁紧并减小间隙的目的。 3、 齿差消隙：在螺母凸缘表面制造外圆柱齿轮，并分别与固紧在套筒两端的内齿圈相啮合,齿数差数为1。消隙过程中，两螺母的齿轮同时转动一个齿数，则两螺母便产生相对角位移，以达到消隙目的。综合分析:在对本进给系统中的滚珠丝杠采取垫片消隙方式，具体方式如图4-1所示。1、垫板 2、滚珠丝杠 3、轴承图 4-1 垫片式调隙方式4.1.2.2滚珠丝杠螺母副预紧在滚珠丝杠传动中，首先应保证传动精度及传动刚度，必须消除传动间隙之外，还必须要求预紧。预紧力计算公式为: Fv=1/3Fmax式中,Fmax为轴向最大工作载荷。 （4-1）增大钢球直径、变位导程和垫片方式三种预紧方式特点对比如下表4-2所示，可通过表格清楚地看到各自特点与优势。表4-2 预紧方式类型表综合分析：在车铣复合加工机床工作中，由于要求定位精度较高，负载较大，应采取垫片的预紧方式。4.2 W轴滚珠丝杠预拉伸量的计算通过对机床丝杠进行预拉伸，来消除加工过程中由于丝杠的热变形对加工精度的影响，并进一步提高丝杠的刚度。a.W轴丝杠方向目标值的确定：丝杠的热膨胀变形：a:丝杠的热膨胀系数，a=/Dt:丝杠与床身之间的温升，Dt=3L:丝杠两锁紧螺母之间的距离DL= (4-2) 根据以往经验，考虑到丝杠除环境温度的变化而引起丝杠变形外，还有其它因素的影响，取丝杠的预拉伸量为0.035mm。因丝杠螺纹整个丝杠部分全长为67.35%，则丝杠的方向目标值为-0.0235mm。4.3 滚珠丝杠副的润滑与密封4.3.1滚珠丝杠副的润滑：在滚珠丝杠的使用过程中，工作部件必须要有足够的润滑，采用合理的润滑将会给机床带来良好的接触，如果润滑不够，将会导致摩擦和磨损的增加，造成滚珠丝杠副使用寿命缩短，更严重的后果直接影响设备的损坏等。4.3.1.1油润滑 通常情况下，矿物油都适用于滚动轴承。在高转运转的情况下，油润滑比脂润滑具有更佳润滑效果，并且温升较小。油润滑的补充润滑量和间隔，按下表4-3所示，可以达到大约8小时的补充润滑时间。表4-3 滚珠丝杠油润滑量表公称直径首次润滑量补充润滑量160.30.05200.60.08续表4-3滚动丝杠油润滑量表250.80.1321.00.2402.00.5502.01.0634.01.0806.01.510010.02.04.3.1.2脂润滑脂润滑的优点：不必经常补充填充，间隔时间较久，滚珠丝杠传动系统在一段很长时间后才需进行补充。补充润滑脂的最大限量仅为填入螺母内空间容积的一半。综合分析：在车铣复合机床运转过程中，油润滑相对于脂润滑具有更好的润滑性能，且产生的温升较小，因此在W轴进给机构中的滚珠丝杠副润滑采用油润滑。4.3.2滚珠丝杠副的密封：随着数控机床进给伺服系统的高速化发展，对滚珠丝杠副密封是数控机床伺服系统的重要设计环节之一。接触产生的摩擦使得滚珠丝杠的温度持续上升，直接影响整个伺服系统的传动精度，因此高速数控机床广泛采取非接触式密封方式。高端数控机床的加工环境就要求该密封结构具有长期有效密封和防尘作用，且具有较小的摩擦阻力和安装误差，来保证数控机床进给伺服精度，并要求密封结构易装卸、维护保养便捷。车铣复合机床W轴进给机构密封结构是采用主动稀油连续润滑的方式，适合于水平或垂直方向安装的伺服轴，通过多种组合密封结构的运用，有效地阻止了丝杠上流淌的废油和环境中灰尘对丝杠的影响，提高了机床的使用寿命。密封机构如图4-2所示：1. 碰撞缓冲垫2.滚珠丝杠专用60角接触球轴承3.轴承压盖4.精密锁紧螺母5.联轴器6.交流伺服电动机7.电动机安装座8.滚珠丝杠螺母 9.碰撞缓冲垫10.轴承座11.60角接触球轴承12.法兰盖13.精密锁紧螺母图 4-2 非接触式密封图综合分析：在W轴进给系统中，非接触式密封的摩擦阻力相对较小，由此产生的温升也比较小，可以获得较高的定位精度。综合考虑，滚珠丝杠副采用非接触式密封。本章节来源于现代数控机床、机床设计手册。第5章 技术经济分析5.1 技术经济分析的目的与意义技术经济分析与提高经济效益、推动技术进步息息相关，技术科学与经济科学密不可分，两者相辅相成，相对较高的经济成本势必能够支持更为前沿先进的科学技术。经济是决定一切科学技术研发的基础，控制经济成本方可在最大程度上合理利用资源。通过查阅相关资料，进行对整个W轴进给机构进行成本核算，分析人力、物力和财力三者之间的关系，研究对经济成本影响的各类因素。在本次设计的过程中，通过对整体零部件的材料、热处理、加工工艺等进行成本计算，合理的选择材料、热处理、加工工艺改善经济效益，提高效率。在企业的生产过程中，由于大批量的生产，成本分析是企业成本管理的重要组成部分。通过前期对整期产品的成本分析，能够洞察该类产品是否能为企业带来经济效益，从而避免不必要的经济损失。一名合格的设计人员必须在设计相关零件的同时，也必须充分考虑到经济成本等因素，成本分析直接影响着企业的经济效益，一个合格的零件也包含有一个合理的经济成本。5.2 成本计算依据本次设计的总成本就是购置零件所花费的费用和加工费用。依据计算公式：零件成本=材料费用+加工工时费用材料费用=材料的单价材料的毛坯重量毛坯的重量=净重/材料的利用率材料的利用率：45钢为0.6-0.7，合金钢为0.6-0.7，尼龙1010为0.6-0.7， LY12铝棒为0.6-0.7。工时费：主要件=材料费8一般件=材料费（4-5）（1）材料费的计算由计算公式可得：45钢毛坯重量=15.23/0.65=23.43Kg尼龙1010件=0.001/0.65=0.002KgLY12铝棒=4.13/0.65=6.35Kg（2）工时费的计算主要的零件：主要的工时费用=257.618=2060.88元一般的零件：一般的工时费用=9.134.5=41.09元（3）热处理工时的费用热处理零件统计如表 5-1 所示：表 5-1 热处理零件统计序号名称材料热处理要求净重（Kg）1法兰LY12涂灰色油漆0.932夹紧块45发蓝2.433联轴套45表面镀锌2.874滑套45调质4.325垫板45调质1.37热处理的价格如下表 5-2 所示。表 5-2 目前热处理的价格序号名称单价（元/Kg）1镀锌1.12涂油漆1.53发蓝1.04调质1.5因此热处理加工费用为16.267元。5.3 成本材料构成5.3.1 标准件外购费用装配图中标准件的统计，如表5-3所示。表5-3 标准件外购费用统计序号名称规格数量单价（元/件）1螺钉M6X20M4X20M5X30M8X50M12X20942220.010.010.010.010.012圆柱销M6X3510.53圆锥销M6X3510.54密封圈453.542.16标准件的外购件费用为9.83元。5.3.2 非标准件装配图中非标准件的统计，如表5-4所示；非标准件外购费用统计，如表6-2所示。表 5-4 非标准件统计序号名称材料数量净重（Kg）1法兰LY1260.932隔圈4510.783轴套4550.454紧定螺钉4510.015限位块4541.006密封环尼龙101010.0145刚总净重：G1=15.23kg，尼龙1010件的总净重：G2=0.01kg，LY12铝棒总净重G3=4.13kg目前，45钢的价格为3400元/吨，尼龙1010的价格75000元/吨，LY12铝棒的价格28000元/吨。非标准件采购费用为257.61元。综合分析：在本次设计中，对整体进给机构进行经济成本分析：经济成本=材料费用+工时费用+热处理费用+标准件外购费用+非标准件采购费用材料费用=257.161+9.13=266.291元工时费用=257.618+9.134.5=2060.88+41.09=2101.97元热处理加工费用=16.267元标准件的外购件费用=9.83元非标准件购费=257.61元经济成本=266.291+2101.97+16.267+9.83+257.61=2642.138元通过对零部件的经济成本计算，使我们可以更合理地进行选型，以提高性价比。一个合格的设计人员，应具有良好的经济成本计算能力，以避免不合理的经济成本对企业效益造成损失。合理的成本计算是衡量企业管理水平的重要指标之一，通过前期对整期产品的成本分析，能够洞察该类产品是否能为企业带来经济效益，从而避免不必要的经济损失。总 结经过近3个月的工作，相关工作总结如下:本次设计的题目是车铣复合机床W轴进给系统结构设计，一开始通过了解、熟悉课题，查阅相关资料，完成了开题报告以及外文翻译。然后通过原始数据，完成进给力的计算、惯量匹配的计算、滚珠丝杠预拉伸量的计算。绘制W轴进给系统装配图及零件图，最后并撰写了毕业设计说明书。一、主要工作及结论1、通过写开题报告、外文翻译提高了自己的收集能力和整理能力。2、通过设计计算，提高了自己的计算能力和对比能力。3、通过绘制装配图、零件图提高了自己的绘图能力和对进给系统的了解。4、通过编写论文提高了自己的语言组织能力和对本次课题的了解。二、存在问题对于个人来说，自己的绘图能力和计算能力有待提高。对于机床来说，应提高车铣复合W轴进给机构的定位精度，以提高机床的加工精度。三、发展展望车铣复合加工机床正向着高速度、高精度、高可靠性的方向发展，技术创新日新月异，我们通过大学四年的专业知识学习，在数控机床方面上奉献一份属于自己的力量。致 谢经过三个月的时间，整个毕业设计工作也即将画上一个圆满的句号。在这段时间内，我完成了资料收集、开题报告、外文翻译、设计计算、零件图、装配图和毕业设计说明书等内容。这是一段值得自己深深牢记的时光，每一天都过得非常充实，按照着设计进度一步一步地完成这些设计工作。老师每周都会对我们的设计工作进行监督与答疑解难，在开题报告期间，老师就帮助我充分理解自己的W轴进给的设计内容及其工作原理，万事开头难，良好的开头是成功的一半，充分了解自己设计的具体内容方可更好的完成设计任务。通过三个月与老师的接触，老师平易近人与认真负责的工作态度给我留下了深刻的印象。一开始，我在理论计算就遇到了难题，完全不知道如何下手，由于对设计公式没有过多的了解，所以工作迟迟没有进展。刘老师在发现这个现象之后，就鼓励我们，如果有不懂得地方可以及时提出，老师才可以为我们解决。刘老师针对设计计算拿出具体案例深入浅出地分析，我终于豁然开朗，按着老师的方法顺利解决问题。在绘制装配图、零件图的过程中，刘老师及时指出我图中的不合理之处，并耐心进行讲