机械毕业设计（论文）-立式加工中心工作台设计（全套图纸）

华北科技学院毕业设计目录摘要5 Abstract61绪论11.1 课题研究背景及意义11.2 加工中心的基本组成、分类及结构特点22设计方案及结构特点53加工中心工作台的基本参数73.1 进行工作台条件选定73.2铣削分析73.2.1 铣削抗力分析83.2.2 坐标轴导轨摩擦力计算93.2.3 滚珠丝杠螺母副轴向负载力的计算104横向进给系统134.1横向进给系统工作原理134.2 导轨设计与选型134.2.1 导轨概述134.2.2 对导轨要求144.2.3 对导轨的技术要求144.2.4 滚动直线导轨的选型与计算154.3 轴承的选择与计算174.3.1 滚珠丝杠螺母副支承方式选择174.3.2 轴承所受的最大轴向载荷184.3.3 根据滚珠丝杠副支承要求选择轴承型号184.4 联轴器及传感器的选择204.5 滚珠丝杠螺母副的选型与计算204.5.1 滚珠丝杠螺母副循环方式选择204.5.2 滚珠丝杠螺母副的计算214.5.3 滚珠丝杠螺母副预紧方式的选择以及预紧力的确定244.6 滚珠丝杠的确定265纵向进给系统设计285.1 纵向进给系统工作原理285.2 导轨设计与选型285.3 轴承的选择与计算295.3.1 滚珠丝杠螺母副支承方式选择295.3.2 轴承所受的最大轴向载荷295.3.3 根据滚珠丝杠副支承要求选择轴承型号305.4 滚珠丝杠螺母副的选型与计算315.4.1 滚珠丝杠螺母副循环方式选择315.4.2 滚珠丝杠螺母副的计算325.4.3 滚珠丝杠螺母副预紧方式的选择以及预紧力的确定355.5 滚珠丝杠的确定365.5.1 确定滚珠丝杠螺母副的螺纹长度Ls365.5.2 滚珠丝杠参数确定376回转工作台的设计386.1 回转工作台工作原理及蜗杆材料选择386.2 对蜗轮蜗杆力学分析及电机选择386.2.1 对蜗轮蜗杆力学分析386.2.2 电机选择396.3 蜗轮的计算与校核。406.3.1 按齿面接触强度确定主要参数406.3.2 验算蜗轮圆周速度2和相对滑动速度s及总效率416.3.3 验算蜗轮齿根弯曲强度426.3.4 确定蜗轮的主要几何参数436.4 蜗杆的计算与校核446.4.1 蜗干的基本参数确定446.4.2 验算蜗干的刚度计算446.5 蜗轮蜗杆的参数确定466.6 圆周运动导轨的选择476.7 回转工作台传感器的选择47结论49参考文献：50致谢51外文文献及译稿52英文文献52中文翻译59全套图纸，加153893706立式加工中心工作台设计摘要 本文设计的主要内容为立式加工中心直线、回转工作台，该工作台承担运动功能为纵向（X）轴和横向（Y）两个方向的直线移动及一个绕（Z）轴的转动。主要设计内容包括：本设计首先做总体结构方案的拟定。确定工作台组成结构，方案拟定为纵向、横向两个方向移动的直线工作台，在纵向直线移动工作台的导轨上安装一个绕（Z）轴转动的回转工作台。其次主要部件概述。这一部分主要描述在工作台设计过程中主要设计的几个典型部件，如伺服进给系统、工作台、导轨，陈述选用这几个部件的原因和对它们的基本要求。第三部分是结构力学的设计计算也是本设计的主要部分。 结合给定的主要参数对伺服进给系统和回转工作台进行选择计算并校核，得到必需的几何参数，基本确定工作台的结构尺寸。第四部分为工作台装配图与零件图的绘制。图纸可以清楚地表示工作台及其组成部分的连接、装配关系和主要零件结构、大小及技术要求。 关键词：加工中心；工作台；回转工作台；滚珠丝杠AbstractIn this paper, mainly is the design of linear moving working table, vertical machining center CNC rotary worktable.CNC machine main motor function is the two longitudinal（X） and transverse （Y） directions of the linear movement and rotation of a circling.The main design content includes:The first ,the formulation of the overall structure scheme.Determine the structure of machining center,scheme for linear table two longitudinal, transverse direction.,guide in the longitudinal linear moving working table is provided with a rotation of the rotary table.Secondly,descripe the typical components of vertical machining center.In this part, the components used in the design, such as servo feed system tables and guide rails,are descriped respectively why choose them,and the require-ments for them. Third,design and calculation of structural mechanics.The main parameters in combination with the given were selected to calculate and check on the servo feed system and the rotary table, geometric parameters required, determine the basic structure size table.Fourth,working table assembly and parts drawing.Drawings can clearly express the platform and its component connection, assembly relations and major parts of the structure, size and technical requirements. Key words：Machining Center;Working Table;Rotary Working Table ;Ball Screw5 1绪论 1.1 课题研究背景及意义 加工中心,简称cnc，是由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状工件的高效率自动化机床。加工中心又叫电脑锣。加工中心备有刀库，具有自动换刀功能，是对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。加工中心是高度机电一体化的产品，工件装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具、自动对刀、自动改变主轴转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰，攻丝等多种工序，因而大大减少了工件装夹时间、测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效果，目前加工中心正在向着高速高效、高精度、模块化、网络化和复合化方向发展。由于加工中心是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，其生产效率高、柔性好、一机多用和易于加工复杂的曲线、曲面零件等特点，早已成为工业发达国家军民机械工业的主力加工设备。 一个国家的加工中心拥有量、消费量及总体技术水平与这个国家机械工业的加工制造技术水平息息相关。我国的加工中心从二十世纪70年代开始，加工中心得到迅速的发展并逐渐出现了可换主轴箱加工中心，它备有多个可以自动更换的装有刀具的多轴主轴箱，能对工件同时进行多孔加工，但技术、品种和数量上都还远远不能适应我国的经济、技术发展的需要。进入21世纪以后，中国加工中心的消费量随着军民机械工业的大规模技术改造而迅速增长，如2001年中国加工中心的消费量仅为2662台（其中进口2290台），而同年美国、日本和德国的加工中心消费量分别为11505台、6090台和5291台。到了2005年，中国加工中心的消费量猛增至约13200台（估计值，加工中心的产量数据未公布），其中进口10343台。2005年加工中心的消费量是2001年的4.96倍，年均增幅达49.2%，一举超过美、日、德诸国，成为世界上消费加工中心最多的国家。 根据机械工人杂志社等单位的调查，从近600份重点用户的有效问卷中得出的结果是，加工中心机床的应用已遍及全国26个行业，其中汽车、摩托车及其零部件制造业占24%，航空航天和军工行业占18%，机床工具业占11%，模具行业占8%，轻工机械行业占4%。在这些企业拥有的加工中心中，虽然普及型的立式和卧式加工中心仍占多数，但多轴联动、高速、大型精密等高档加工中心也占有一定比重，如在所调查的近600户用户中，拥有5轴联动加工中心的占24%。说明中国市场消费的加工中心虽然以普及型的中档机为主，但高档机在消费量中所占比重估计已达15%至20%。 中国消费的加工中心大部分依靠进口（2005年进口量占消费量的七成多），进口金额12.97亿美元，居各类机床进口额之首，主要从日本、中国台湾、德国和韩国等地进口。2006年上半年，中国进口加工中心5511台，金额6.88亿美元，同比分别增长20%和11%，仍保持两位数增长，说明中国加工中心市场的规模还有增长空间。1.2 加工中心的基本组成、分类及结构特点 加工中心是一种功能较全的自动化加工机床。它把切削、铣削、镗削和钻削等功能集中在一台设备上，使其具有多种工艺功能。加工中心自1958年由美国卡尼-特雷克公司首先研制成功问世至今世界各国出现了各种类型的加工中心，虽然外形各异，但从总体结构来看主要由以下几大部分组成。 基础部件 由床身、立柱、工作台等组成。它们是加工中心的基础结构，它们不仅要承受加工中心的静载荷，还要承受切削加工时产生的切削负载，所以要求加工中心的基础部件必须有足够的刚度。这些大件可以是铸铁件也可以是焊接而成的钢结构件，它们是加工中心中体积和重量最大，同时也是主要的减震部件。 （2）主轴部件 由主轴伺服电源、主轴电动机、主轴箱、主轴、主轴轴承和传动轴等零件组成。主轴的启动、停止、变速等均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是进行切削加工的功率输出部件。主轴是加工中心的关键部件，其结构的好坏对加工中心的性能有很大的影响，它决定着加工中心的切削性能、动态刚度、加工精度等。 数控系统 单台加工中心的数控部分由CNC装置、可编程序控制器、伺服驱动装置以及电动机等部分组成。CNC装置是一种位置控制系统，其控制过程根据输入的信息进行数据处理、差补运算，获得理想的运动轨迹信息，然后输出到执行部件，加工出所需要的工件。可编程序控制器（PLC）替代一般机床中机床电器柜，执行数控系统指令，控制机床执行动作。数控系统主要功能有：控制功能、进给功能、主轴功能、辅助功能、刀具功能和第二辅助功能、补偿功能、字符图形显示功能、自动诊断功能、通信功能、人机对话程序编制功能等。数控系统是加工中心执行顺序控制功能和完成加工过程的控制中心。 （4）自动换刀系统 该系统是加工中心区别于其他数控机床的典型装置，它解决工件一次装夹后多工序连续加工中，工序与工序间的刀具具有自动储存、选择、搬运和交换任务。它由刀库、机械手、驱动机构等部件组成。 （5）自动托盘交换系统 如今有的加工中心为了实现进一步的无人化运行或进一步缩短非切削时间，采用多个自动交换工作台方式储备工件。一个工件安装在工作台上加工的同时，另外一个或几个可交换的工作台面上装夹上一些等待加工的工件。当完成一个托盘上工件的加工后，便自动交换托盘，进行新零件的加工，这样可以减少装夹的等待时间，提高加工效率。 （6）辅助装置 包括润滑、冷却、排泄、防护、液压、气动检测系统等部分。这些装置虽然不直接参与切削运动，但对加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起着保障作用，因此也是加工中心不可缺少的部分。2设计方案及结构特点（1）设计方案的预期目标 设计任务定为立式加工中心工作台，工作台承担运动功能为纵向（X）轴和横向（Y）轴两个直线方向的移动及一个绕（Z）轴的转动。 （2）设计方案的可行性及结构特点 立式加工中心是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床。它是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的，它综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、气动技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通讯诊断、刀具和编程技术的高科技产品，将数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能并聚集在一台加工设备上，且增设有自动换刀装置和刀库，可在一次安装工件后，数控系统控制机床按不同工序自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其它辅助功能；依次完成多面和多工序的端平面、孔系、内外倒角、环形槽及攻螺纹等加工。由于加工中心能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和调整时间，减少工件周转、搬运存放时间，使机床的切削利用率高于通用机床34倍，达80%以上。所以说，加工中心不仅提高了工件的加工精度，而且是目前数控机床中生产率和自动化程度最高的综合性机床。本设计中，主要设计立式加工中心的工作台，工作台作为加工中心的重要部分，其设计的优劣性对于加工中心的加工性能有很大的影响。加工中心工作台实现的目标是纵向（X）轴和横向（Y）轴两个直线方向的移动及一个绕（Z）轴的转动，所以在设计过程中，必须要把该功能实现。直线进给系统如图2-1，横向进给系统的工作原理和纵向进给系统的工作原理一样，其中横向与纵向进给系统只是在工作台行程和导轨承担的额总重不一样之外，其他的都相同，所以在滚珠丝杠副、轴承、联轴器、电机等选择都以导轨承载最重的方案来选择。通过计算其中一组，另外一组则可以采用相同的零件，但由于行程不一样，所以丝杠的长度不一样。本设计为了实现一个绕（Z）轴的转动，在直线进给系统中增加一个回转工作台，该工作台主要通过电机、联轴器、蜗轮蜗杆传动来实现工作台的转动，其工作原理如图2-2所示。该系统主要确定蜗轮蜗杆的几何尺寸以及电机的选择，该内容都在第六章进行计算确定。因此就可以实现预期的设计目标。图2-1 横向及纵向进给系统工作简图图2-2 回转工作台工作简图3加工中心工作台的基本参数3.1 进行工作台条件选定 工作台重量计算：材料：HT200 密度：=7200KG/m3X,Y直线工作台：回转工作台：总质量预算：总重=工作台+工件+滚珠丝杠螺母副+夹具+导轨=1000kg重量=10000N纵向（X）工作台行程=750mm 横向（Y）工作台行程=500mm工作进给速度为11500mm/min 快速进给速度为15m/min工作台导轨选择滚动导轨，动摩擦因数取=0.01，静摩擦因数0=0.01，工作快速进给max=15m/min,寿命设定为20000h（约工作十年），主轴伺服电机暂取7.5KW，强力切削时铣刀选择直径为125mm，主轴转速设定为300r/min表3-1 数控机床进给速度与时间比例经验值切削方式进给速度m/min时间比例%备注强力切削0.610主电动机满功率工作一般切削0.830粗加工精加工切削150精加工快速进给1510空载3.2铣削分析采用端铣刀在主轴上进行强力切削下计算，主轴此时具有最大的扭矩，并能传递主电机的全部功率，此时铣刀的切削速度为： m/s （3-1）式中：铣刀切削速度，单位为m/min； n强力切削下主轴转速，单位为r/min； D刀具直径，单位为mm；3.2.1 铣削抗力分析机床主传动机械效率一般取=0.8，在传动轴系工作转速的各阶段临界转速范围之外，当取n（0.750.8）nc1。 铣削运动运动特征：主运动为铣刀绕自身轴线高速旋转，进给运动为工作台带动工件在垂直铣刀轴线方向缓慢进给（铣键槽时，可使键槽铣刀沿轴线进给）。铣刀的类型很多，多以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式。在本设计中主要以端铣刀铣削方式来进行计算。切向铣削力可按照主电动机功率Pe（KW）计算，主切削力为 N （3-2）式中：FZ切向切削力，单位为N； m 机床主传动系统的传动效率，一般取m =0.8； 机床主轴的计算转速（主轴传递全部功率时的最低切削速度），单位为m/s； PE主电动机满载功率，单位为KW。各切削分力的计算：纵向切削分力F1，横向切削分力Fc，垂向切削分力Fv，单位皆为N表32 工作台工作载荷与切削力的经验比值 铣削条件比值对称端铣端铣（ae=(0.40.8)d0, af=0.10.2)Fl/FZ0.30.4Fc/FZ0.850.95Fv/FZ0.50.55式中：d0端铣刀直径，单位为mm； ae每齿进给量，单位为mm/齿； af铣削宽度，单位为mm。则： Fl=（0.30.4）FZFc=（0.850.95）FZFv=（0.500.55）FZ所以Fl=0.43061.22N=1224.49 NFc=0.953061.22N=2908.16 NFv=0.553061.22N=1683.67 N3.2.2 坐标轴导轨摩擦力计算（1） 在切削状态下坐标轴导轨摩擦力F的计算 坐标轴导轨水平时，有 （3-3）式中：Fv,Fc主切削力的垂向切力分力和横向切削分力，单位为N； W坐标轴上移动部件的全部重量（包括机床夹具和工件的重量），单位为N； 摩擦因数，对于滚动直线导轨，=0.01； fg镶条紧固力，单位为N，查表32；表33 镶条紧固力推荐值导轨形式主电动机功率/KW2.23.75.57.5111518滚动直线导轨254075100125150175由公式（3-3）得F1=0.01（10000+100+1683.67+2908.16）=146.9 N 坐标轴导轨垂直时，有 （3-4）式中：W坐标上移动部件和平衡重量的总重量，单位为N。则由公式（3-4）得 F2=0.01（0.510000+100+1683.67+2908.16）=96.9 N（2） 在不切削状态下坐标轴导轨摩擦力F0的计算坐标轴导轨水平时，有 （3-5）则由公式（3-5）得 F01=0.01（10000+100）N=101 N坐标轴导轨垂直时，有 （3-6）则由公式（3-6）得 F02=0.01（0.510000+100）N=51 N3.2.3 滚珠丝杠螺母副轴向负载力的计算 滚珠丝杠螺母副轴向负载力是指滚珠丝杠螺母副在驱动工作台时滚珠丝杠所受的轴向力，也称进给牵引力。（1） 最大轴向负载力Famax的计算滚珠丝杠螺母副的最大轴向负载力Famax发生在机床主电机满功率运行的切削状态时。此时，最大的轴向负载力Famax为 坐标轴导轨水平时 （3-7）则由公式（3-7）得Famax=1224.49+146.9=1371.39 N 坐标轴导轨水平时 （3-8）则由公式（3-8）得Famax=1224.49+96.9=1321.39 N （2）最小轴向负载力Famin的计算滚珠丝杠螺母副的最小轴向负载力Famin发生在机床空载运行时，此时，最小的轴向负载力Famin为 坐标轴导轨水平时 （3-9）则由公式（3-9）得Famin1=101 N 坐标轴导轨水平时 （3-10）则由公式（3-10）得Famin2=51 N4横向进给系统4.1横向进给系统工作原理横向进给系统主要由电动机，联轴器，轴承，滚珠丝杠螺母副，导轨组成。运动顺序为，电动机带动联轴器旋转，联轴器与滚珠丝杠刚性连接，滚珠丝杠随联轴器旋转，滚珠丝杠螺母随着滚珠的运动带动工作台移动，实现工作台的进给运动。该进给系统推动横向导轨以上的纵向工作台和回转工作台在Y轴方向进行移动，为工件在Y轴方向加工进行位置移动。进给系统的进给精度对于工件Y轴方向的加工精度有很重要的影响。其中滚珠丝杠在精度控制上影响最大，所以在设计中应注意滚珠丝杠螺母副的移动精度以及刚度等要求。图4-1 横向进给系统图4.2 导轨设计与选型4.2.1 导轨概述导轨主要用来支撑和引导运动部件沿一定的轨道运动。在导轨副中，运动的一方称为动导轨，不动的一方称为支撑导轨。动导轨相对于支撑导轨运动，通常作直线运动和回转运动。4.2.2 对导轨要求（1） 导向精度:导向精度主要指导轨沿支撑导轨运动的直线度和圆度。（2） 耐磨性好及寿命长（3） 足够刚度（4） 低速运动的平稳性（5） 工艺性好4.2.3 对导轨的技术要求（1） 导轨的精度要求滑动导轨，不管是V-平型还是平-平型，导轨面的平面度通常取0.010.015mm，长度方向的直线度通常取0.0050.01mm；侧导向面的直线度取0.010.015mm，侧导向面之间的平行度去0.010.015mm，侧导向面对导轨地面的垂直度去0.0050.01mm。镶刚导轨的平面度必须控制在0.0050.01mm以下，其平行度和垂直度控制在0.01mm以下。（2） 导轨的热处理由于数控机床开动率普遍很高，所以要求导轨具有较高的耐磨性，以提高其精度保持性。为此，导轨大多需要淬火处理。（3） 导轨的类型选择及其特点导轨的分类方法很多，在本次设计中用到的导轨有直线导轨和圆导轨。直线到导轨的截面形状选取为三角形，且采用小于900的夹角，以此提高导向精度。直线滑动导轨的组合形式，也称双三角形导轨导轨面同时起支承和导向作用。磨损后可以自动补偿，导向精度高。但装配时要对四个导轨面进行刮研，难度很大。由于过定位，所以制造、检验和维修都困难，它适用于精度要求高的机床，所以该导轨适合丝杠车床。（4） 直线滑动导轨的选择原则 当要求导轨具有较大的刚度和承载能力时，用矩形导轨。一般中小型机床导轨常采用三角形-矩形导轨组合。 当要求导轨的导向精度高时，机床常采用三角形导轨。 矩形导轨、圆形导轨工艺性好，制造、检验都方便；三角形导轨、燕尾形导轨工艺性差。 当用要求结构紧凑、高度小及调整方便的机床时，用燕尾形导轨。4.2.4 滚动直线导轨的选型与计算在本设计中，机床的精度等级选择可根据表4-1取表4-1 各类机床和通用机械推荐的精度等级精度等级数控机床普通机床通用机床车床铣床镗床磨床电加工机床精密充剪机绘图机2345-从表4-1的中可以得到，在本设计中，滚动直线导轨的精度等级选择为2等精度。（1） 结构与优点结构：滚动直线导轨副是由导轨、滑块、钢球、反相器、保持架、密封端盖及挡板组成。优点： 导轨的动、静摩擦系数差别小，随动性极好； 驱动功率大大降低，只相当于普通机械的1/10； 与滑动导轨和滚子导轨相比，摩擦力可下降约40倍； 适用于高速直线运动运动速度比滑动速度提高约10倍； 可以实现较高的定位精度和重复定位精度。（2） 选型与计算 滚动直线导轨选型一般依照导轨的承载量，根据经验确定导轨规格，然后计算寿命表4-2 导轨承载量与导轨规格对应的经验关系承载量/N3000以下3000500050001000010000250002500050000导轨规格3035455565（2） 滚动直线导轨计算滚动直线导轨的计算就是计算其距离额定寿命或时间额定寿命。 距离额定寿命L和时间额定寿命Lh （4-1）式中：fh硬度系数，一般要求滚道的硬度不得低于58HRC，常取fh=1； ft温度系数，取表4-3得ft=1.00； fc接触系数，取表4-4得fc=0.81； fa精度系数，取表4-5得fa=1.0； fw载荷系数，取表4-6得fw=1.3； Ca额定动载荷，单位为N； F 计算载荷，单位为N。表4-3 温度系数工作温度/100100150150200200250ft1.000.90.730.60表4-4 接触系数每根导轨上的滑块数12345fc1.000.810.720.660.61表4-5 精度系数精度等级2345fa1.01.00.90.9表4-6 载荷系数工作条件无外部冲击或振动的低速运动场合无明显冲击或振动的中速运动场合有外部冲击或振动的高速运动场合fw11.51.52.02.03.5 时间额定寿命Lh （4-2）式中：l-工作单行程长度，单位为m；n-每分钟往复次数，L-额定行程寿命，单位为km。原设计加工中心的工作的时间20000hLh=28022.5h，所以该导轨符合要求。因为工作台的有效行程为500mm，所以导轨长度应在500mm1000mm，所以精度等级选择为2级，允差为6m。在工作台应用中，一般为中预载（P1），且P1=0.05Ca=0.0540000=2000，所以导轨规格根据数控技术课程设计表2-13可为GGB45。所以该滚动直线导轨标记为：GGB45AA2P121000-2。4.3 轴承的选择与计算4.3.1 滚珠丝杠螺母副支承方式选择支承的作用是限制两端固定轴的轴向窜动。较短的滚珠丝杠或竖直安装的滚珠丝杠，可以一端固定一端自由。水平安装的滚珠丝杆较长时，可以一端固定，一端游动。用于精密和高精度机床的滚珠丝杠副，为了提高滚珠丝杠的拉压刚度，可以两端固定。为了减少滚珠丝杠因自重下垂和补偿热膨胀，两端固定的滚珠丝杠还可以进行预拉伸。滚珠丝杠的支承结构形式可以分为三类：“自由”（代号O）,指的是无支承；“游动”，指径向有约束轴向无约束；“固定”，指的是径向和轴向都有约束。在本设计中横向进给系统采用的是两端固定的支承方式，选用背对背的60角接触球轴承。4.3.2 轴承所受的最大轴向载荷计算轴承所受的最大轴向载荷FBmax，有预拉伸的滚珠丝杠应考虑到预拉伸力Ft的影响 （4-3）式中：Famax主电机满功率切削时最大轴向负载力，单位为N； Ft滚珠丝杠预拉伸力，单位为N。 计算轴承的预紧力 。 （4-4） 计算轴承的当量轴向载荷 。 （4-5）已知轴承的工作转速与滚珠丝杠的当量转速相同 ，轴承所承受的当量轴向载荷 ，轴承的基本额定寿命。轴承的径向载荷和轴向载荷分别为 （4-6） （4-7）4.3.3 根据滚珠丝杠副支承要求选择轴承型号选用轴承的重要依据是轴承的基本寿命，常用工作小时数表示轴承的基本额定寿命Lh （4-8）式中：Lh轴承的基本额定寿命（h），对于数控机床滚珠丝杠上采用的轴承，一般取Lh=20000h； n轴承的工作转速（r/min）,与滚珠丝杠的当量转速相同； 轴承寿命系数，对于球轴承=3，对于滚子轴承=10/3； C轴承的基本额定动载荷，单位为N； P轴承的当量动载荷，单位为N； （4-9）式中：X径向动载荷系数，Fa/Fr=1.739055.9N，故满足要求，则轴承为：7204C/BD。4.4 联轴器及传感器的选择（1） 联轴器的选择刚性联轴器，查机械设计课程设计指导书表13.4取联轴器为GY1，公称转矩，许用转速，符合设计要求，该选择符合横向进给系统，纵向进给系统以及回转工作台的选择要求。（2） 传感器选择现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。在本设计中选用的是机械式传感器，该传感器的输入量可以是力压力温度等物理量，而输出则为弹性元件本身的弹性形变（或应变）。在自动检测自动控制技术中广泛应用的微型探测开关也被看做是机械式传感器。这种开关能把物体的运动位置或尺寸变化，转换为接通断开信号。在该Y进给系统和X进给系统中选用这类的微型开关正合适选择要求。4.5 滚珠丝杠螺母副的选型与计算4.5.1 滚珠丝杠螺母副循环方式选择滚珠丝杠螺母副常用的循环方式有外循环和内循环两种。外循环结构制造简单，使用较广泛。其缺点是滚到接缝处很难做得平滑，影响滚珠滚动的平稳性，甚至发生卡珠现象，噪音也较大。内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器分为两种形式：圆柱凸键反向器和扁圆镶块反向器。后一种尺寸较小，从而减小了螺母的径向尺寸并缩短了轴向尺寸，两种反向器的外廓和螺母的切槽尺寸精度要求高。在本次设计中采用的是内循环方式。4.5.2 滚珠丝杠螺母副的计算（1） 滚珠丝杠精度选择国家标准GB/T 17587.3-1998将滚珠丝杠分为定位滚珠丝杠副（P型）和转动滚珠丝杠螺母副（T型）两大类。滚珠丝杠的精度等级为7级，即1、2、3、4、5、7、10级，在本次设计中，选用的精度为2级精度。由于选用半闭环系统使用的滚珠丝杠则 （定位精度-k） （定位精度-k）（2）滚珠丝杠的动载荷计算与直线估计 确定滚珠丝杠的导程 （4-10）式中：Vmax移动部件的最高移动速度，单位为mm/min； i传动比，当滚珠丝杠与电动机直接连接时，i=1； nmax电动机的最高转速，单位为r/min。 滚珠丝杠的当量载荷Fm与当量转速nm计算 r/min （4-11） N （4-12）当载荷与转速接近正比变化，各种转速使用机会均等时，可采用下列公式计算： r/min （4-13） N （4-14）式中：Famin机床空载时滚珠丝杠所受的轴向力，单位为N； Famax机床切削时滚珠丝杠所受的切向力，单位为N； nmax滚珠丝杠的最高转速； nmin滚珠丝杠的最低转速。则由公式（4-11），（4-12）可得当切削力的轴向载荷定为力最大轴向载荷Fmax，快速移动和钻镗定位时的轴向载荷定为最小轴向载荷Fmin。一般切削和精加工切削时，滚珠丝杠螺母副的轴向载荷分为F2=Famin+20%Famax=101+1371.390.2=375.29 NF3=Famin+5%Famax=101+1371.390.05=169.57 N各种切削方式下，丝杠转速 （4-15）当1=0.6m/min,2=0.8m/min,3=1m/min,4=15m/min时n1=60r/min,n2=80r/min,n3=100r/min,n4=1500r/min。表4-7 滚珠丝杠在各种切削方式下轴向载荷，进给速度，及时间比例的数值切削方式轴向载荷/N进给速度/（m/min）时间比例（%）备注强力切削F1=Famax=1371.390.610主电机满功率一般切削F2=375.290.830粗加工精细切削F3=169.57150精加工快速移动F4=Fmin=1011510快速移动 确定预期额定动载荷Cam根据滚动丝杠螺母副的预期工作时间Lh（h）计算 （4-16）式中：nm滚珠丝杠的当量转速，单位为r/min； Lh数控机床预期工作时间h,Lh=20000h； Fm滚珠丝杠的当量载荷，单位为N； fw载荷性质系数，fw=1.3； fa精度系数，fa=1； f可靠性系数，fc=1。则由公式（4-16）可得根据滚珠丝杠螺母副预期运行距离Ls（KM）计算 （4-17）式中：Ls数控机床的预期运行距离（KM计算）则由公式（4-17）可得 对于有预加载荷的滚珠丝杠螺母副，需要根据最大轴向载荷Fmax （4-18）式中：fe预加载荷系数，fe=4.5；则由公式（4-18）可得Cam=4.51371.39=6171.26N根据以上三种预算中最大值，则Cam=6171.26N 根据位置精度要求确定滚珠丝杠螺母副允许的最小螺纹底经d2m估算滚珠丝杠螺母副允许的最大轴向变形量max，暂定工作时的定位精度为30m，重复定位精度10mmax=（1/31/2）重复定位精度m max=（1/51/4）定位精度m则 max=（1/31/2）10=（3.335）m max=（1/31/2）30=（67.5）m在计算结果取最小值3.3m，最大轴向变形量max（m）估算滚珠丝杠螺母副螺纹的底经d2mL=行程+安全行程+余程+螺母长度+支撑长度（1.21.4）行程+ （2030）L0=1.3500+3010=950mm当滚珠丝杠螺母副的安装方式为两端固定时 （4-19）式中：E弹性模量，单位MPa,一般取2.1105MPa； max最大轴向变形量，单位为m； L滚珠丝杠螺母副两个固定支承之间的距离，单位为mm； F0导轨静摩擦力，单位为N。 则由公式（4-19）可得据基本导程L0，预期额定动载荷和滚珠丝杠的螺纹底径d2m,d2d2m,CaCam,且d2适当大。得，d2=27.3mm,Ca=40kN,型号FF3210-5，符合要求。4.5.3 滚珠丝杠螺母副预紧方式的选择以及预紧力的确定（1） 滚珠丝杠螺母副的预紧方式选择在本次设计中，选用的是垫片调隙式，调整垫片的厚度使左右两螺母产生轴向位移，即可以消除间隙和产生预紧力。这种方法结构简单，刚度好，但调整不便，当滚道有磨损时不能随时消除间隙和进行预紧。（2） 滚珠丝杠螺母副的预紧以及预紧力的确定为了保证滚珠丝杠螺母副的传动精度和刚度，必须对滚珠丝杠螺母副实施预紧措施。预紧目的有两个：一是消除轴向间隙，二是为了提高轴向刚度。根据最大轴向工作载荷Fmax来确定 （4-20）根据额定动载荷来确定 （4-21）式中：额定动载荷系数，=0.075； Ca额定动载荷；则由公式（4-21）可得Fp=0.0756171.26=432N（3） 滚动丝杠螺母副的预紧方式及其特点双螺母垫片预紧，采用JB/T 3162.1-1991，行业标准代号为D，结构特点：结构简单，刚度高，预紧可靠及不易松弛。使用中不方便随时调整预紧力。（4） 滚珠丝杠的预拉伸 目标行程补偿值t计算 （4-22）式中：t目标行程补偿值，单位为； t温度变化值，单位为，一般情况下23； 丝杠的线膨胀系数（1/），一般情况下为1110-6； Lu滚珠丝杠副的有效行程，单位为mm，Lu=工作台行程+安全行程+2余程+螺母长度=500+100+220+146=786mm则由公式（4-22）可得 滚珠丝杠预拉伸力Ft的计算 （4-23）式中：Ft-预拉伸力，单位为N；d2-滚珠丝杠螺纹底经，单位为mm；E-弹性模量，单位为MPa，一般取E=2.1105MPa；t-滚珠丝杠的温升变化值，单位为，一般情况下23；（5）确定滚珠丝杠副支承所用的轴承规格与型号 根据4.2.3的轴承计算选7204C，GB/T292,Cr=16500N，d=25mm,D=52mm,B=15,r=1,a=12.7。4.6 滚珠丝杠的确定 确定滚珠丝杠螺母副的螺纹长度Ls和螺旋升角 （4-24）式中：Lu-有效行程，单位为mm，Lu=行程+螺母长度； Le-安全行程，单位为mm，Le=5L0； Lc-余程，单位为mm，Lc=2L0； （4-25）则由公式（4-25）可得 表4-8 滚珠丝杠几何尺寸名称符号值单位名称符号值单位公称直径d032mm基本导程L010mm丝杠外径d132.5mm丝杠底径d227.3mm循环圈数5有效行程Lu786mm螺纹长度Ls1072mm表4-9 滚珠丝杠螺母安装尺寸符号值单位符号值单位D153mmD471mmD253mmD59mmL215mmD615mmD390mmD770mmB15mmh9mmMM6mmD844mmL199mm5纵向进给系统设计5.1 纵向进给系统工作原理纵向进给系统主要由电动机，联轴器，轴承，滚珠丝杠螺母副，导轨组成。运动顺序为，电动机带动联轴器旋转，联轴器与滚珠丝杠刚性连接，滚珠丝杠随联轴器旋转，滚珠丝杠螺母随着滚珠的运动带动工作台移动，实现工作台的进给运动。该进给系统推动导轨上的回转工作台在X轴方向进行移动，为工件在X轴方向加工进行位置变换，进给系统的进给精度对于工件X轴方向的加工精度有很重要的影响。其中滚珠丝杠在精度控制上影响最大，所以在设计中应注意滚珠丝杠螺母副的移动精度以及刚度等要求。图5-1 纵向进给系统图5.2 导轨设计与选型（1）距离额定寿命L和时间额定寿命Lh由公式（4-1）可得 式中：fh硬度系数，一般要求滚道的硬度不得低于58HRC，常取fh=1； ft温度系数，取表4-3得ft=1.00； fc接触系数，取表4-4得fc=0.81； fa精度系数，取表4-5得fa=1.0； fw载荷系数，取表4-6得fw=1.3； Ca额定动载荷，单位为N； F 计算载荷，单位为N。（2）时间额定寿命Lh 由公式（4-2）可得 式中：l-工作单行程长度，单位为m；n-每分钟往复次数，L-额定行程寿命，单位为km。原设计加工中心的工作的时间20000hLh=28083.3h，所以该导轨符合要求。因为工作台的有效行程为750mm，所以导轨长度应在500mm1000mm，所以精度等级选择为2级，允差为6m。在工作台应用中，一般为中预载（P1），且P1=0.05Ca=0.0540000=2000，所以导轨规格根据数控技术课程设计表2-13可为GGB45。所以该滚动直线导轨标记为：GGB45AA2P121000-2。5.3 轴承的选择与计算5.3.1 滚珠丝杠螺母副支承方式选择在本设计中纵向进给系统采用的是一端固定一端游动的支承方式，固定端选用背对背的60接触球轴承组背对背安装，以承受两个方向的轴向力。5.3.2 轴承所受的最大轴向载荷 计算轴承所受的最大轴向载荷FBmax，有预拉伸的滚珠丝杠应考虑到预拉伸力Ft的影响 由公式（4-3）可得 式中：Famax主电机满功率切削时最大轴向负载力，单位为N； Ft滚珠丝杠预拉伸力，单位为N。计算轴承的预紧力 。由公式（4-4）可得 计算轴承的当量轴向载荷 由公式（4-5） 已知轴承的工作转速与滚珠丝杠的当量转速相同 ，轴承所承受的当量轴向载荷 ，轴承的基本额定寿命。轴承的径向载荷和轴向载荷分别由公式（4-6），（4-7）可得 5.3.3 根据滚珠丝杠副支承要求选择轴承型号选用轴承的重要依据是轴承的基本寿命，常用工作小时数表示轴承的基本额定寿命Lh 式中：Lh轴承的基本额定寿命（h），对于数控机床滚珠丝杠上采用的轴承，一般取Lh=20000h； n轴承的工作转速（r/min）,与滚珠丝