数控铣床Z轴进给系统设计(毕业设计论文)

图书分类号：密 级：毕业设计(论文)数控铣床Z轴进给系统设计Z-AXISCNCMILLING MACHINE FEEDSYSTEM DESIGN学生姓名学院名称专业名称指导教师20*年5月27日 摘要本论文主要研究数控铣床的Z轴进给系统。数控铣床是数控机床中的典型机床，它对国家的机械行业的发展具有重要的贡献，其加工精度也决定了一个国家的机械行业的发展水平。其Z轴进给系统主要内容包括进给部件的计算与选用。进给部件首选滚珠丝杠螺母副，它拥有摩擦损失小、传动效率高、运动平稳、摩擦力小、灵敏度高、低速时无爬行，并且轴向刚度高、反向定位精度高精度稳定性好、磨损小、寿命长、维护简单、传动具有可逆性等特点，对于数控铣床的精确传动提供了保障，使其加工精度精度越来越高。关键词 数控铣床；Z轴进给系统；滚珠丝杠螺母副；AbstractIn this thesis, the Z-axis CNC milling machine feed systems.CNC milling machine is a typical CNC machine tools in the machinebed, its countrys machinery industry has an important contribution to the development of its precision also determine a countryhome level of development of machinery industry.The Z-axis feed system mainly includes the calculation of the feed components with the electionuse.Feed components preferred ball screw pair, it has friction loss, high transmission efficiency, movement instability, small friction, high sensitivity, low speed without crawling, and axial stiffness, high precision positioning reverseaccuracy, good stability, wear and tear, long life, easy maintenance, transmission characteristics are reversible, the number ofcontrolled milling machine to provide a guarantee for the precise transmission, making it more and more high precision accuracy.Keywords CNC milling machine Z-axisfeed system Ball screw pair徐州工程学院毕业设计(论文)目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 数控铣床11.1.1 数控铣床的简介11.1.2数控的加工过程11.1.3数控铣床的组成11.1.4 数控铣床的分类21.1.5 数控铣床的用途和工艺特点21.2我国的数控产业31.2.1我国数控产业的现状31.2.2数控产业发展面临的问题31.2.3数控产业的发展趋势41.3数控机床的优点41.4数控铣床Z轴进给系统的大致整体设计62 Z轴传动系统的设计72.1Z轴传动系统的参数设定72.2数控机床对主传动的要求72.3数控铣床变速机构形式72.4主轴的设计82.4.1主轴材料的选择82.4.2主轴结构的确定82.4.3轴的校核计算92.5齿轮传动的设计计算122.5.1模数的估算：132.5.2齿轮分度圆直径的计算132.5.3齿轮宽度B的确定142.5.4齿轮其他参数的计算142.5.5齿轮的校核（接触疲劳强度）：143 Z轴进给系统总体方案的设计153.1设计参数153.2工作原理153.3总体方案设计153.3.1 数控系统的选择153.3.2传动机构的选择163.3.3联轴器选择164 主要零部件的计算与选用184.1Z轴工作载荷分析184.2 Z轴工作载荷计算184.3滚珠丝杠螺母副的计算与选用184.3.1丝杠导程的确定184.3.2动载荷C计算194.3.3效率计算204.3.4滚珠丝杠的精度选择204.3.5滚珠丝杠的制动204.4滚珠丝杠螺母副支承的选择214.5滚珠丝杠螺母副的间隙消除与预紧224.6轴承的计算与选用224.6.1轴承初选224.6.2轴承的计算234.6.3确定轴承的规格型号244.7传动系统的刚度计算244.7.1丝杠拉压刚度KT244.7.2滚珠丝杠螺母副的轴向接触刚度KN254.7.3支承轴承的轴向刚度KH254.7.4丝杠传动的综合拉压刚度K254.8伺服电动机的选择计算254.8.1确定步进电动机的类型254.8.2确定脉冲当量264.8.3最大静态转矩的选择264.9负载转动惯量的计算264.9.1工作台折算到丝杠上的转动惯量274.9.2丝杠折算到电动机的转动惯量274.9.3传动系统折算到电机轴上的总转动惯量274.10负载力矩的计算274.10.1计算折算到电动机主轴上切削负载力矩274.10.2计算折算到电动机上的摩擦负载力矩274.10.3计算附加负载力矩284.10.4加速力矩284.10.5计算空载时的快进力矩284.10.6计算切削时的工进力矩284.10.7计算空载启动力矩284.10.8确定步进电动机的最大静转矩294.11导轨的选择294.11.1导轨的介绍294.11.2导轨的参数选取304.11.3导轨的间隙调整314.11.4导轨材料与热处理325主要零件的校核335.1 滚珠丝杠螺母副的校核335.1.1 滚珠丝杠螺母副临界转速的校核335.1.2滚珠丝杠螺母副寿命的校核33结论34致谢35参考文献36谢谢朋友对我文章的赏识，充值后就可以下载此设计说明书（不包含CAD图纸）。我这里还有一个压缩包，里面有相应的word说明书（附带：外文翻译）和CAD图纸。需要压缩包的朋友联系QQ客服1：1459919609或QQ客服2：1969043202。需要其他设计题目直接联系！ 61 绪论1.1 数控铣床1.1.1 数控铣床的简介科学技术的发展以及世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求；超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的数控系统、伺服性能、主轴驱动、机床结构等提山了更高的性能指标；FMS的迅速发展和CIMS的不断成熟，又将对数控机的可靠性、通信功能、人工智能和自适应控制等技术提出更高的要求。随着微电子和计算机技术的发展，数控系统的性能日益完盖，数控技术的应用领域日益扩大。 数控铣床是在数控加丁中心领域中最具代表性的一种典型机床，在数控机床中所占的比率最大，数控加工中心、柔性制造单元等都是数控铣床基础上派生或发展起来的。它具有功能性强、加工范围广、工艺较复杂等特点，主要用于各种复杂的平面、轮廓、曲面等零件的铣削加工，同时还可以进行钻、扩、镗、攻螺纹等加工，在航空航天、汽车制造、机械加工和模具制造业中应用非常广泛。1.1.2数控的加工过程数控车床加工零件的主要过程主要包括一下内容：（1）根据被加工零件的图样与工作方案，用规定的代码与程序格式，将刀具的移动轨迹、加工工艺过程、工艺参数、切削用量等编写成数控系统能够识别的指令形式，即编写加工程序。（2）将所编写的加工程序输入数控装置。（3）数控装置对输入的程序（代码）进行译码、运算处理，并像各坐标轴的伺服驱动装置和辅助功能控制装置发出相应的控制信号，以控制车床各部件的运动。（4）在运动过程中，数控系统需随时检测车床坐标轴的位置、行程开关的状态等，并与程序的要求相比较，以决定下一步动作，直到加工出合格的零件。（5）操作者随时对车床的加工情况、工作状态进行观察和检查，必要时还需要对车床动作和加工程序进行调整，以保证车床安全、可靠的运行。1.1.3数控铣床的组成数控铣床一般由数控系统、机床基础部件、主轴箱、进给伺服系统及辅助装置等几大部分组成。(1)数控系统 数控系统是机床运动控制的中心，通常数控铣床都配有高性能、高精度、集成软件的微机数控系统，具有直线插补、圆弧插补、刀具补偿、固定循环、用户宏程序等功能，能完成绝大多数的基本铣削以及镗削、钻削、攻螺纹等循环加工。(2)机床基础部件 通常是指底坐、立柱、工作台、横梁等，是整个机床的基础和框架。(3)主轴箱 包括主轴箱和主轴传动系统，用于装刀具并带动刀具旋转、主传动大多采用专用的无级调速电动机驱动。(4)进给伺服系统 由进给电动机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动，其主轴垂直方向进给运动及工作台的横向和纵向进给运动均由各自的交流伺服电机来驱动。(5)辅助装置 包括液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护等装置。1.1.4 数控铣床的分类数控铣床品种繁多，规格不一，可按通用铣床的分类方法分为以下3类： (1)数控立式铣床：数控立式铣床主轴轴线垂直于水平面，这种铣床占数控铣床的大多数，应用范围也最广。日前三坐标数控立式铣床占数控铣床的大多数，一般可进行三轴联动加工。 (2)卧式数控铣床：卧式数控铣床的主轴轴线平行于水平面。为了扩大加工范同和扩充功能，卧式数控铣床通常采用增加数控转台或万能数控转台的方式来实现四轴和五轴联动加工。这样既可以加工工件侧面的连续同转轮廓，又可以实现在一次装夹中通过转台改变零件的加工位置也就是通常所说的工位，进行多个位置或工作面的加工。 (3)立卧两用转换铣床：这类铣床的主轴可以进行转换，可在同一台数控铣床上进行立式加工和卧式加工，同时具备立卧式铣床的功能。1.1.5 数控铣床的用途和工艺特点铣床是用铣刀进行铣削加的机床，铣床的加工情况如图1-1所示。在铣床上，用不同铣刀可以对平面、斜面、沟槽、台阶、T形槽、燕尾槽等表面进行加工，另外配上分度头或叫回转台还可以加工齿轮、螺旋面、花键轴、凸轮等各种成型表面。故铣床的万能性强，应用范围很广。铣床的主参数是工作台面宽度及长度。铣床的工艺特点如下：(1)铣床的主轴带动铣刀作旋转主运动；(2)铣刀是多齿、多刃连续进行切削；(3)多数铣床由工作台带动工件作直线进给运动；(4)铣刀在切削时，每个刀齿的切削过程是断续的，同时参加切削的齿数是变化的，每个刀齿的切削厚度也是变化的，因此容易引起机床振动；(5)铣削时，铣刀同时参加切削的齿数较多，便于采用较大的铣削速度和进给量，因而生产效率高。图1-1铣床的加工情况1.2我国的数控产业1.2.1我国数控产业的现状当前，我国的数控系统正处在由研究开发阶段向推广应用阶段过渡的关键时期。也是由封闭型系统向开放型系统过渡的时期。我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术上（包括核心技术），已达到国外先进水平。日前，已新开发出数控系统80种。自“七五”以来，国家一直把数控系统的发展作为重中之重来支持，现已开发出具有中国版权的数控系统，掌握了国外一直对我国封锁的一些关键技术。1.2.2数控产业发展面临的问题当前，我国数控机床产业面临的挑战是国内市场占有率偏低。据有关资料表明，1999年国产数控机床的市场占有率仅为38.88%。造成这种严峻的形势，除客观原因外，主要是产品的质量、可靠性不过硬。“十五”期间，我国机械制造工业止朝着精密化、柔性化、集成化、自动化、智能化方面迅速发展，国内数控机床需求强劲，我国数控机床产业适逢极好的发展机遇。然而，我国加入WTO后，国外生产的数控机床将会更多的进入我国市场，市场竞争更为激烈。提高国产数控机床市场占有率，关键在于提高质量和可靠性。几年来，经过对国内外数控机床的机械结构剖析和使用性能的调研，探索和总结了数控机床机械结构设计和制造的新技术。现时主要存在有以下几个问题：(1)缺乏产业规模(2)缺乏发展数控产业的政策和技术配套体系(3)缺乏技术创新，产品更新和产业调整的内在往动力(4)面临同外强手竞争的巨大压力1.2.3数控产业的发展趋势随着科学技术的发展、制造技术的进步和人类生活水平的提高，以及社会对产品质量和品种的多样化的要求趋势日益增强。中、小批量生产的比例明显增加，对数控机床的柔性和通用性提出了更高的要求，希望市场能提供不同加工需求，能迅速高效、低成本地构筑面向用户的控制系统，并大幅度地降低维护和培训的成本，同时还要求具有网络功能，以适应未来车间面向任务和定单的生产组织和管理模式。为此，近10年来，随着计算机技术的飞速发展，各种不同层次的开放式数控系统应运而生，发展很快。同前正朝标准化开放体系结构的方向前进。就体系结构而言，当今世界上的数控系统大致分为4种类型：传统数控系统、“PC嵌入NC”结构的数控系统、“NC嵌入PC”结构的开放式数控统、开放式数控系统。特别是进入20世纪90年代以来，随着国际上计算机技术突飞猛进的发展，数控技术正在不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就。目前，国外数控机床的性能正朝着高速化、高精度、高效率、高柔性、高自动化、高可靠性、智能化、复合化、网络化、开放式体系结构等方向迅速发展，这将对数控机床机械结构设计和制造的质量和可靠性提出更高的要求。“十五”期问，我国机械制造行业必须瞄准国际数控机床发展的科学前沿，开拓创新，消化吸收国外先进技术，开创我国数控机床设计和制造技术的新局面。1.3数控机床的优点（1）加工对象改型的适应性强由于在数控机床上改变加工零件时，只需要重新编制程序就能实现对零件的加工，它不同于传统的车床，不需要制造、更换许多工具、夹具和检具，更不需要重新调整车床。因此，数控车床可以快速的从加工一种零件转变为加工另一种零件，这就为单间，小批以及试制新产品提供了极大的便利。它不仅缩短了生产准备周期，而且节省了大量工艺装备费用。（2）加工精度高数控车床是以数字形式给出的指令进行加工的，由于目前数控装置的脉冲当量（即每输出一个脉冲后数控机床移动的部件相应的移动量）一般达到0.001mm，而且进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿，因此，数控车床能达到比较高的加工精度和质量稳定性。这可是由数控车床结构设计采用了必要的措施，以及机电结合的特点决定的。首先是在结构上引入了滚珠丝杠螺母机、各种消除间隙的结构等，使机械传动的误差尽可能小；其次是采用了软件精度补偿技术，使机械误差进一步减小；第三是用程序控制加工，减少了人为因素对加工精度的影响。这些措施不仅保证了较高的加工精度，同时还保证了较高的质量稳定性。（3）生产效率高零件加工所需要的时间包括机动时间与辅助时间两部分。数控车床能有效的减少这两部分时间，因而加工生产率比一般车床高的多。数控车床主轴转速和进给量的范围比普通车床的范围大，每一道工序都能选用最有力的切削用量，良好的结构刚性允许数控车床进行大切削用量的强力切削，有效的节省了机动时间。数控车床移动部件的快速移动和定位采用了加速与减速的措施，因而选用了很高的空行程运动速度，消耗在快进、快退和定位的时间要比一般车床少的多。数控车床的加工精度比较稳定，一般只做首件检验或工序间关键尺寸的抽样检验，因而可以减少机停检验的时间。在使用带有刀库和自动换刀装置的数控车削中心的数控车床时，在一台机床上实现了多道工序的连续加工，减少了半成品的周转时间，生产效率的提高就更为明显。（4）自动化程度高数控车床对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作面板、装卸零件、关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，其他的机床动作直至加工完毕，都是自动连续完成，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度与紧张程度均大为减少，劳动条件也得到相应的改善。（5）良好的经济效益使用数控车床加工零件时，分摊在每个零件上的设备费用是比较昂贵的。但在单件、小批量生产条件下，可以节省工艺装备费用、辅助生产工时、生产管理费用以及降低废品率等，因此能够获得良好的经济效益。（6）有利于生产管理的现代化用数控车床加工零件，能够准确的计算工件加工的工时，并有效的简化了检验和工夹具、半成品的管理工作。这些特点都有利于使生产管理现代化。1.4数控铣床Z轴进给系统的大致整体设计对于数控铣床Z轴进给系统，将采用立式加工的结构。Z轴进给系统包括Z轴主轴箱带刀具随主轴箱竖直运动来完成,Z轴的进给传动初步设定为丝杠来满足系统的传动精度。 2 Z轴传动系统的设计2.1Z轴传动系统的参数设定工作台宽度长度 4001600mm主轴锥孔 724主轴箱Z轴行程 160mm主轴转速范围 951400r/min主电动机的功率 4.0KW主轴电动机转速 1440r/min主轴的传动功率 3.513KW2.2数控机床对主传动的要求为了达到高效，高精度等特点，数控机床（铣床）除了在控制系统、反馈系统上又比较高的要求外，对传统的机械部分如主传动系统也提出如下几点要求：（1）具有更高的调速范围，并实现无极调速。数控机床为了保证加工时能选用合理的切削用量，充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产效率、加工精度和表面质量，必须具有更高的转速和和更大的调速范围。（2）具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪音低。数控机床加工精度的提高和主传动系统的刚度有密切关系。为此，应提高传动件的刚度和精度，齿轮齿面进行高频感应加热淬火增加耐磨性;最后一级还可采用斜齿轮，是传动平稳；采用高精度轴承和合理支承跨距等等，以提高主轴组件的刚性。（3）良好的抗振性。数控机床上一般既要进行粗加工，又要进行精加工；加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力和交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时破坏道具和零件，使加工无法进行。因此在主轴传动系统中的各主要零件不但要具有一定的静刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力抗振性。抗振性用动刚度和和动柔度来衡量。（4）良好的热稳定性。机床在切削加工过程中主传动系统的发热使其中所有零件产生热变形，破坏零部件之间的相对位置精度和运动精度，造成加工误差，且热变形限制了切削用量的提高，降低了传动效率，影响到生产效率。为此，要求主轴部件具有较高的热稳定性，通过保持合适的配合间隙，并进行循环润滑保持热平衡等措施来实现。（5）相比普通铣床简单的变速系统。由于数控铣床的主轴转速是由机器控制系统控制（不是由操作人员完成），在检测装置的监测下，能实现通过简单的变速系统来完成切削时的速度变换，这样也有利于提高系统可靠性，响应特性，以及更便捷地拆装维修等。2.3数控铣床变速机构形式1.带有二级齿轮变速的主传动主轴通过二级齿轮变速，使主轴获得低速和高速两种转速系列，是比较常见的一种配置方式。属于分段无级变速，能确保低速时的大扭矩，满足机床对转矩特性的要求。齿轮变速自动换挡可以通过拨叉，电液控制拨叉原理是利用控制系统输出的电信号来控制电磁阀的开关，再通过电磁阀的机械运动，操纵液压系统的动作，最后用液压缸、活塞杆代动拨叉拨动滑移齿轮实现离合变速，特点是工作平稳，以实现自动化，目前也比较普遍。2、通过带传动的主传动主要应用在转速较高、变速范围不大的机床。电动机本身的调速就能满足要求，可以避免齿轮传动引起的振动和噪声，适用于高速、低转矩特性的要求的主轴。保证主轴的伺服功能，须使用同步带。同步带兼有带传动、齿轮传动和链传动的优点，与一般的带传动相比，它不会打滑，且不需要很大的张紧力，减小或消除了轴的静态径向力；有传动效率高，传动比准确，质量轻等优点。3、用两种电机分别驱动主轴这是一种混合传动式，具有上述两种性能。高速时电动机通过皮带轮直接驱动主轴旋转；低速时，另一电机通过通过两级齿轮传动驱动主轴旋转，齿轮起到降速和扩大变速范围的作用，这样就使恒功率区增大，扩大了变速范围，克服了低速时转矩不够且电动机功率不能充分利用的缺陷。4、有主轴电动机直接驱动的主传动电动机轴与主轴用联轴器直接相连。用伺服电动机的无级调速直接驱动主轴旋转，这种方式大大简化了主轴箱和主轴结构，有效的提高了主轴组件的刚性。但主轴输入的转矩小，电动机的发热对主轴影响较大。5电主轴传动电主轴的转子和主轴合二为一，优点是主轴部件结构更紧凑，惯性小，可提高启动停止的响应特性，缺点是主轴输出转矩小，更重要的缺点是热变形问题。2.4主轴的设计2.4.1主轴材料的选择 考虑到主轴的刚度和强度，选择主轴的材料为40Cr，并经过调质处理；2.4.2主轴结构的确定1.主轴直径的选择 根据机床主电机功率P4KW，属于中等以上转速，中等以下载荷的机床来确定，所以可取。2.主轴内孔直径 主轴的内孔直径可由公式（2.1） 式（2.1） 其中 ，-空心主轴的刚度和截面惯性矩 K, I -实心主轴的刚度和截面惯性矩当则主轴的刚度急剧下降，故取0.7。对于铣床，推荐d=拉杆直径+（510）mm因此设定主轴的尺寸为mm ，D=32mm ，mm ， d18mm，mm L=730mm。2.4.3轴的校核计算 轴的计算简图2-1在xz平面内：图2-1轴的计算简图同理可得在yz平面内的受力图，在此不在画出。1.主轴转矩由公式（2.2）： T =156900 式（2.2）2.支点上的力由公式（2.3）： 式（2.3） 3.根据弯矩平衡公式（2.4）： 式（2.4）求得：RHE=-84.9根据力得平衡：则弯矩图为图2-2：图2-2弯矩图3.垂直平面受力有公式（2.5）： =951.71N 式（2.5） =761.4N4.根据平面内得弯矩平衡由公式（2.6）： 式（2.6）得再根据力得平衡： 则可得B、C点得弯矩图2-3：图2-3弯矩图在B点和C 点为最危险截面，要满足要求，B、C点满足即可，则B、C截面得弯矩由公式（2.7）=803403.1N 式（2.7） =675702.3 N扭矩图为图2-4：图2-4扭矩图经分析可知B所在得位置为最危险截面，只要B满足条件即可，则刚度满足。5.计算弯矩由公式（2.8） 式（2.8）=862517.2 Nmm6.计算抗弯截面系数由公式（2.9）： 式（2.9）53.96故满足第三强度理论7.刚度验算：在水平面内，单独作用时其挠度由公式（2.10）： 式（2.10） = =-0.02598mm其中I=2747500Nm在单独作用下，其挠度见公式（2.11）： 式（2.11） = =-0.0182mm在两力得共同作用下其挠度见公式（2.12）： 式（2.12）在垂直面内有(在单独作用时)其挠度见公式（2.13）： 式（2.13） = =-0.0072mm其中I=2747500Nm在单独作用下其挠度见公式（2.14）： 式（2.14） = =-0.0182mm在两力得共同作用下见公式（2.15）： 式（2.15）故在共同作用下，x处为危险截面，其最大绕度见公式（2.16）： 式（2.16）而一般的刚度 =0.210.35mm故符合刚度要求。2.5齿轮传动的设计计算由于直齿圆柱齿轮具有加工和安装方便、生产效率高、生产成本低等优点，而且直齿圆柱齿轮传动也能满足设计要求，所以本次设计选用渐开线直齿圆柱齿轮传动；主轴箱中的齿轮用于传递动力和运动，它的精度直接与工作的平稳性、接触误差及噪声有关。为了控制噪声，机床上主传动齿轮都选用较高的精度，但考虑到制造成本，本次设计都选用7-6-6的精度。具体设计步骤如下：2.5.1模数的估算：按接触疲劳和弯曲疲劳计算齿轮模数比较复杂，而且有些系数只有在齿轮各参数都已知道后方可确定，所以只在草图画完之后校核用。在画草图之前，先估算，再选用标准齿轮模数。齿轮弯曲疲劳的估算公式（2.17）：mm 式（2.17）齿面点蚀的估算公式（2.18）：mm 式（2.18）其中为大齿轮的计算转速，为齿轮中心距。由中心距及齿数求出模数见公式（2.19）：mm 式（2.19）根据估算所得和中较大的值，选取相近的标准模数。 mm mm mm所以，第一对齿轮副传动的齿轮模数应为mm综上所述，为了降低成本，机床中各齿轮模数值应尽可能取相同，但因为轴的转速比较小，扭矩比较大，为了增加其强度和在主轴上能起到飞轮的作用，需增加轴齿轮的几何尺寸。所以，本次设计中在齿轮模数为=2.5mm，2.5.2齿轮分度圆直径的计算根据渐开线标准直齿圆柱齿轮分度圆直径计算公式可得各个传动副中齿轮的分度圆直径见公式（2.20）：mm 式（2.20）2.5.3齿轮宽度B的确定齿宽影响齿的强度，但如果太宽，由于齿轮制造误差和轴的变形，可能接触不均匀，反儿容易引起振动和噪声。一般取B=（610）m。本次设计中，取主动齿轮宽度B=8m=82.5=20mm2.5.4齿轮其他参数的计算根据机械原理中关于渐开线圆柱齿轮参数的计算公式及相关参数的规定，齿轮的其它参数都可以由以上计算所得的参数计算出来，本次设计中，这些参数在此不在一一计算。2.5.5齿轮的校核（接触疲劳强度）： 计算齿轮强度用的载荷系数K，包括使用系数,动载荷系数,齿间载荷分配系数及齿向载荷分布系数见公式（2.21）： 式（2.21） =1.251.071.11.12=1.65 查表得：=0.88，=2.5 ，=189.8则齿轮的接触疲劳强度见公式（2.22）= 式（2.22）将数据代入得：1100mpa齿轮接触疲劳强度满足，因此接触的应力小于许用的接触应力。3 Z轴进给系统总体方案的设计3.1设计参数（1）假定主轴箱和工作台总质量为140Kg，（2）脉冲当量为0.001mm，（3）Z轴的行程为160mm，（4）导轨的摩擦为0.1，（5）定位精度为0.02mm/300mm，（6）丝杠的进给速度为1000mm/min，（7）最小进给速度为1mm/min，3.2工作原理系统将控制指令经变换与放大后，经过伺服进给系统将指令转化为机械执行元件的准确位移、速度、加速度，用来控制被控对象的位移（或转角）、速度、加速度，使其能自动、连续、稳定、快速、精确的复现输入指令的变换规律。3.3总体方案设计3.3.1 数控系统的选择(1)数控系统的类型l)步进电动机拖动的开环系统：该系统的伺服驱动装置主要有步进电动机、功率步进电动机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电动机的角位移精度，齿轮、丝杠等传动部件的节距精度，所以系统的位移精度较低。因此，对传动部件和制造精度要求高，运动副之间摩擦力要小，要实行无间隙传动。这种系统的最高速度受步进电动机的频率响应限制，容易失步，低速时易发生共振和噪声，影响表面加工质量。该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低。 2)异步电动机或直流电动机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统：该系统与开环系统的区别是：由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严格，设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。但是闭环系统设计和调整都有较大技术难度，设计调整不当，易出现不稳定现象。改造时可根据产品技术要求，决定是否有必要采用这种系统。 3)交直流伺服电动机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统：半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电动机做成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。(2)数控系统方案的确定根据本设计所给的题目要求分析可知，本设计所采用的数控系统为开环系统控制。3.3.2传动机构的选择本课题设计选用的是滚珠丝杠螺母副。因为滚珠丝杠螺母副是一种低摩擦、高精度、高效率的机构，在数控机床上得到广泛应用。它的传动特点是在具有螺旋槽的丝杠螺母之间装有滚珠作为中间传动元件。当丝杠和螺母相对运动时，滚珠沿丝杠螺旋槽滚道滚动，因此丝杠和螺母之间基本上为滚动摩擦。并且滚珠丝杠螺母副的动（静）摩擦系数相差极小，配以滚动导轨，起动力矩很小，运动灵敏，低速时不会出现爬行。滚珠丝杠螺母机构是回转运动与直线运动相互转动的传动装置。它具有以下优点：(1)摩擦损失小、传动效率高 传动效率可达92%-96%，是普通丝杠传动的34倍，而驱动转矩仅为滑动丝杠螺母机构的25%。(2)运动平稳，摩擦力小、灵敏度高、低速时无爬行 由于主要存在的是滚动摩擦，不仅动、静摩擦因数都很小，且其差值小，因而启动转矩小，动作灵敏。(3)轴向刚度高、反向定位精度高 由于可以完全消除丝杠与螺母之间的间隙并可实现滚珠的预紧，因而轴向刚度高，反向时无空行程，定位精度高。(4)滚珠丝杠螺母副主要零件均经过热处理，其滚道表面的硬度值可达60-62HRC，因而耐磨性好，寿命长，精度稳定性好。(5)磨损小、寿命长、维护简单 使用寿命是普通滑动丝杠的410倍。(6)传动具有可逆性、不能自锁 由于摩擦因数小、不能自锁，因而使该机构的传动具有可逆性，可以把旋转运动转化为直线运动，还可以把直线运动转化为旋转运动。由于不能自锁，在作垂直运动时应附加防止逆转的装置，防止工作台因自重而下降。 3.3.3联轴器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。4 主要零部件的计算与选用4.1Z轴工作载荷分析滚珠丝杠上的工作载荷是指滚珠丝杠副在驱动工作台是滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫作进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走刀抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩檫力。据机床加工的特点，当铣削槽时，工作载荷最大，由于铣削时，工作载荷既包括铣削时沿着丝杠轴的方向的力（即轴向力），也包括工作台及工件的重量（即垂直丝杠轴方向的力）。4.2 Z轴工作载荷计算在以工作寿命为基础进行计算时，应按实际加工过程平均铣削条件为准，因此取 =2.5mm，=0.2mm/齿，=10mm，z=4，=50mm，对圆柱铣刀，=68.2，则主切削力的计算见公式（4.1）。 = 式（4.1） 式中 主切削力，N； 加工不同工件材料时的铣削力系数； 铣削宽度，mm； 进给量，mm； 铣刀直径，mm； z铣刀齿数； 对于圆柱铣刀加工时，各切削分力有进给抗力,垂直铣削分力和轴向铣削分力。根据查表可知，各个铣削分力的经验比值如下:=11.2，=0.20.3，=0.350.4，取值=1.2，=0.3，=0.4则=651N, =163N，=217N则在燕尾槽导轨上滚珠丝杠的工作载荷Fm见公式（4.2） 式（4.2）其中， =0.2， G=1400N则Fm=1300N4.3滚珠丝杠螺母副的计算与选用4.3.1丝杠导程的确定丝杠导程的选择一般根据设计目标快速进给的最高速度为Vmax，伺服电机的最高转速nmax及电机与丝杠的传动比来确定，基本丝杠导程应满足公式（4.3）： 式（4.3）式中 工作台的最高转速，rmin； 伺服电动机的最高转速，rmin； i传动比；因为本设计采用丝杠与电动机直接相连，所以i=1。根据查阅机械手册可知步进电动机的最高转速1000rmin，由本题的参数可知=1000mm/min。因此，P1mm。4.3.2动载荷C计算在选择滚珠丝杠螺母过程中，一般首先根据动载强度计算或静载强度计算来确定其尺寸规格，然后对其刚度和稳定性进行校核计算。额定动载荷Fr是指当一批规格相同的滚珠丝杠螺母副，在一负荷力的测试运转下，能通过10转运动，而有90%步产生疲劳损伤时所能承受的最大轴向载荷。当转速n10r/min时，滚珠丝杠螺母副的主要破坏形式是工作表面的疲劳点蚀，因此要进行动载强度计算，其计算动载荷C应小于或等于滚珠丝杠螺母副的额定动负荷，见公式（4.4） 式（4.4）式中 动载荷系数，一般1.5； 当量动负荷，N； 滚珠丝杠螺母副的额定动载荷，N； L寿命，以10转为1单位,见式（4.5） L= 式（4.5）式中 T使用寿命， h，一般机床可取T=10000h，数控机床可取T=15000h； 滚珠丝杠的当量转速见式（4.6），r/min； 式（4.6）由题目给的参数可知，丝杠的最高转速为1000r/min，丝杠的最小进给速度为1mm/min，故最小转速可取0.1mm/min。则平均转速=500r/min，故丝杠的工作寿命见式（4.7） L= 式（4.7）=450h本题取fd=1.2，因此，计算动载荷Ce=11954.4Nm根据附录1可以选择的滚珠丝杠螺母副的型号与参数，使得CFr，初选择滚珠丝杠的直径为32mm，基本导程Lo=10mm，型号为CDM3205-5-P2,其额定动载荷是19249N，强度足够用。4.3.3效率计算 根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率见公式（4.8） 式（4.8）式中 螺纹的螺旋升角，该丝杠为541； 摩擦角约等于10。则 0.971 故满足滚珠丝杠螺母副传动效率大于0.9的要求。4.3.4滚珠丝杠的精度选择滚珠丝杠的精度直接影响数控机床的定位精度，在滚珠丝杠的精度参数中，其导程误差对机床定位精度最明显。一般的初步设计时，设定丝杠的任意300mm行程变动量V 300应小于目标设定定位精度值的1/31/2.所以V300=0.006mm0.01mm，查表可知，滚珠丝杠的精度等级为2级。4.3.5滚珠丝杠的制动由于滚珠丝杠的传动效率高，无自锁功能（特别是本次设计中的Z向传动），为了防止自重下降，必须装有制动装置。目前常用的制动方式有机械式和电气式两种。电气方式是采用电磁制动器，而且这种制动器就做在电动机内部。加工中心工作时，在制动器线圈电磁力的作用下，使两齿轮脱开，弹簧受压缩，当停机或停电时，电磁铁失电，在弹簧恢复力的作用下，两齿轮啮合，故与电机轴的联接的丝杠得到制动。机械制动是采用摩擦离合器。加工中心工作时，电磁铁通电，使摩擦离合器脱开，运动由伺服电机经联轴器传给丝杠，带动工作台移动。当加工完毕，伺服电机和电磁铁同时断电，借压力弹簧作用合上摩擦离合器，使丝杠不能转动，工作台便停止。本次设计采用电气方式。4.4滚珠丝杠螺母副支承的选择滚珠丝杠两端的支承的配置情况有3种情况如图所示的轴向固定方式。其中，图4-1为一端轴向固定一端自由的支承配置方式，这种支承形式结构简单，丝杠的轴向刚度比两端固定低，丝杠的压杆稳定性和临界转速都较低，设计师时尽量使丝杠受拉伸。对于行程小转速较低的短丝杠和竖直丝杠可采用悬臂支成机构。图4-2为一端轴向固定一端游动的支承配置方式，对于高精度、中等转速的较长的卧式安装丝杠，为了防止热变形造成丝杠变长的影响，常采用一端轴向固定的支承固定方式。图4-3为两端固定方式，对于高精度、高旋转的滚珠丝杠应该采用两端固定的安装方式，为了给丝杠施加预紧拉力，可采用两端固定方式，并在丝杠一端安装碟形弹簧和调整螺母，既能对丝杠施加预紧力，又能让弹簧补偿丝杠热变形，保持预紧力近乎不变。图4-1一端固定一端自由图4-2一端固定一端游动图4-3两端固定由于本设计的行程较短，转速较低，故采用一端固定，一段自由的支承形式。4.5滚珠丝杠螺母副的间隙消除与预紧为了消除间隙和提高滚珠丝杆副的刚度，可以预加载荷，使它在过盈的条件下工作，常用的预紧方法有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧等。预紧后的刚度可提高到为无预紧时的2倍。但是，预紧载荷过大，将使寿命下降和摩擦力矩加大。通常，滚珠丝杆在出厂时，就已经由制造厂调好预加载荷，并且预加载荷往往与丝杆副的额定动载荷有一定的比例关系。双螺母垫片式预紧：调整方法：调整垫片厚度，使螺母产生轴向位移。特点：结构见到，装卸方便，刚度高；调整不便，滚道有磨损时，不能随时消除间隙和预紧，适用于高刚度重载传动。双螺母螺纹式预紧：调整方法：调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移。结构紧凑，工作可靠，调整方便，丹准确性差，且易于松动，适用于刚度要求不高或随时调节预紧的传动。双螺母齿差式预紧：调整方法：两边的下螺母的凸缘上有外齿，分别与紧固的螺母座两端的内齿圈，两个螺母向相同方向旋转，每转过一个齿，调整轴向位移。能够精确地调整预紧力，但结构尺寸较大，装配调整比较复杂，宜用于高度精度的传动机构。在垂直进给运动中要求要不定时调节预紧力，因而宜用双螺母螺纹式预紧。4.6轴承的计算与选用4.6.1轴承初选丝杠轴承的载荷主要是轴向载荷，径向除了丝杠自重外，一般无外载荷。对丝杠轴承主要要求轴向精度和要求较高，摩擦力矩要尽量小，因此固定支承采用60接触角推力角接触球轴承。它的特点有：（1）接触角大、钢球数多、承载能力大、刚度高。（2）既能承受轴向载荷，也能承受径向载荷，支承结构可以简化。（3）根据载荷情况，轴承可以进行多种组合。（4）轴承是按规定的预紧力供应的，使用时不需要自己调整。（5）轴承启动摩擦力矩小，降低丝杠副驱动功率，提高进给系统的灵敏度。4.6.2轴承的计算4.6.2.1计算轴承的当量动载荷F根据前面的计算可知轴向当量动载荷Fm=1300N，丝杠的预紧力Fp=433N所以轴承的当量动载荷见式（4.9） 式（4.9）= 1300+433=1733N4.6.2.2计算轴承的径向负荷Fr和轴向负荷FaFr和Fa可由公式（4.10）计算 式（4.10）=17330.5=866.5N =17330.87=1507.7N4.6.2.3计算轴承的判断系数e判断系数e可由公式（4.11）计算 公式（4.11） =866.5/1507.7 =0.572.174.6.2.4计算轴承的当量动载荷P 由轴承的判断系数e查机械设计手册可知，径向系数X=1.9，轴向系数Y=0.54。故 可由公式(4.12)计算 式（4.12）=1.9866.50.541507.7=2460.5N4.6.2.5计算轴承的基本额定动载荷C基本额定动载荷可由公式（4.13）计算 式（4.13）式中 P轴承的当量动载荷，N； n轴承的工作转速，r/min； Lh轴承的额定寿命，h；已知轴承的工作转速n=neq=500r/min，轴承所承受的当量动载荷P=2460.5N，轴承的基本额定寿命L=20000h。所以，计算轴承的额定动载荷C=20752.6N4.6.3确定轴承的规格型号因为滚珠丝杠螺母副采用拟采取预拉伸措施，所以60角接触球轴承组背对背安装。由于滚珠丝杠的公称直径为35mm，所以选择的轴承的内径为35mm，以满足滚珠丝杠的结构需要。查附录2，轴承的型号选择为哈尔滨轴承厂制造的轴承7603035TVP,额定动载荷36500N,尺寸（内径外径宽度）为35mm80mm21mm，选用脂润滑。4.7传动系统的刚度计算伺服进给系统的传递刚度应该是整个系统折算到工作台上的当量刚度。由于系统最后的传动副一般都是采用具有较大降速比的丝杠螺母、齿轮齿条等机构，因此传动系统的当量刚度主要取决于最后传动件的刚度。丝杠螺母的传动刚度主要是由丝杠的拉压刚度KT，丝杠螺母间的接触刚度KN以及轴承和轴承座组成的支承刚度KB三部分组成。可分别计算出各部分的刚度，然后在根据轴向固定方式综合计算出丝杠螺母的总传动刚度。4.7.1丝杠拉压刚度KT丝杠的拉压刚度的计算公式（4.14）为 式（4.14）式中 A丝杠最小截面积，； E弹性模量，N/；