機械畢業(yè)設計-三自由度工作臺設計（全套含CAD圖紙）
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桂林電子科技大學信息科技學院
畢業(yè)設計(論文)
題 目： 三自由度工作臺設計
院 （系）： 機電工程系
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
學生姓名：
學 號：
指導教師單位： 桂林電子科技大學
姓 名： 唐 良 寶
職 稱： 教 授
題目類型：¨理論研究 ¨實驗研究 t工程設計 ¨工程技術研究 ¨軟件開發(fā)
2014年4月 日
摘 要
本文全面闡述了三自由度工作臺的結構原理，設計特點，論述了采用伺服電機和滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點。詳細介紹了三自由度工作臺的結構設計及校核，并進行了分析。另外匯總了有關技術參數(shù)。
高速度、高精度、高效率和高剛度已成為當今數(shù)控機床發(fā)展的主要方向，普通龍門機床一般只能進行單面，當零件的另一個表面時，需要加裝一個直角轉換頭或者調轉零件的面后重新裝夾，這不但增加了機床操作者的勞動強度，影響效率，并且重新定位裝夾也降低了零件的精度，為了彌補這些不足，龍門三自由度工作臺便應運而生。五面體三自由度工作臺一次裝夾就能實現(xiàn)工件五個表面的，這大大提高了零件的精度和效率，降低生產(chǎn)成本，因此五面體三自由度工作臺成為當前數(shù)控機床行業(yè)重點研究的對象之一。
其中著重介紹了滾珠絲杠的原理及選用原則，系統(tǒng)地對滾珠絲杠生產(chǎn)、應用等環(huán)節(jié)進行了介紹。包括種類選擇、參數(shù)選擇、精度選擇、循環(huán)方式選擇、與主機匹配的原則以及廠家的選擇等。
關鍵詞：三自由度工作臺，數(shù)控，伺服電機，滾珠絲杠
Abstract
This paper describes the structure and principle, five axis surface induction hardening machine design features, discusses the advantages of using servo motor and ball screw nut pair. This paper introduces in detail the structure design and calculation of five axis surface induction hardening machine, and analyses the. In addition a summary of the relevant technical parameters.
High speed, high precision, high efficiency and high stiffness has become the main direction of the development of CNC machine tools, general Longmen machine tool generally only one side quenching, when another surface hardening of parts, need to install a right angle conversion or transfer quenching surface after the heavy clothes clip, which not only increase the labor intensity the effect of quenching machine tool operators, efficiency, and re positioning and clamping also decreases the quenching accuracy of parts, in order to make up for these deficiencies, Longmen five axis surface induction hardening machine will emerge as the times require. Five sides of five axis surface induction hardening machine once clamping workpieces can be realized five surface quenching, which greatly improves the accuracy of quenching and the quenching efficiency, reduce the production cost, so the five sides of five axis surface induction hardening machine has become one of the key research object number controlled machine tool industry.
The paper introduces the principle and selection of ball screw, ball screw system of production, application and other aspects were introduced. Including the principle and type selection, parameter selection, manufacturer of precision, circulation mode selection, selection and matching host selection.
Key Words: five axis surface induction hardening machine, CNC system, servo motor, ball screw
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 緒 論 1
1.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及趨勢 1
1.2 三自由度工作臺的基本原理 2
1.3工作臺伺服進給系統(tǒng) 3
1.4 伺服驅動裝置 5
1.5 課題研究的目的和意義 5
第2章 設計的內容及要求 7
2.1課題的主要內容和基本要求 7
2.2進度計劃與應完成的工作 7
2.3 設計的內容 8
2.3.1 數(shù)控裝置總體方案的確定 8
2.3.2 機械部分的設計 8
2.3.3 編寫設計說明書 8
2.4 機床主要部件及運動方式的選定 8
第3章 絲杠進給系統(tǒng)的設計計算 10
3.1 滾珠絲杠螺母副的選用設計 10
3.1.1 滾珠絲杠副的傳動原理 11
3.1.2 滾珠絲杠副的傳動特點 11
3.1.3 滾珠絲杠副的結構與調整 12
3.1.4 軸向間隙的調整和加預緊力的方法 13
3.2滾珠絲杠的選擇 15
3.2.1滾珠絲杠的精度 15
3.2.2 滾珠絲杠參數(shù)的計算 15
3.3伺服電機的選擇 19
3.3.1最大切削負載轉矩的計算 19
3.3.2負載慣量的計算 19
3.3.3空載加速轉矩計算 21
3.4滑動導軌的選擇計算 21
3.3.1工作載荷的計算 21
3.3.2小時額定工作壽命的計算 22
3.3.3距離額定工作壽命的計算 22
3.3.4額定動載荷計算及選型 22
3.5聯(lián)軸器的選擇 23
3.6軸承的選擇 23
3.7 滾珠絲杠副的安全使用 24
3.7.1 潤滑 24
3.7.2 防塵 25
3.7.3使用 25
3.7.4 安裝 25
第4章 硬件電路圖的設計 26
4.1微機控制系統(tǒng)組成及特點 26
4.1.1微機控制系統(tǒng)的組成 26
4.1.2微機數(shù)控系統(tǒng)的特點 26
4.2微機控制系統(tǒng)設備介紹 27
4.2.1主控制器CPU的選擇 27
4.2.2存儲器電路的擴展 28
4.2.3 I/O口電路的擴展 29
4.2.4 步進電機驅動電路 29
4.2.5其它輔助電路設計 30
4.3程序部分 31
總結 35
參考文獻 36
致 謝 37
37
第1章 緒 論
1.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及趨勢
1946年誕生了世界上第一臺電子計算機，這表明人類創(chuàng)造了可增強和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強體力勞動的工具相比，起了質的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎。6年后，即在1952年，計算機技術應用到了機床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機床。從此，傳統(tǒng)機床產(chǎn)生了質的變化。近半個世紀以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。
數(shù)控NC階段（1952年-1970年）
早期計算機的運算速度低，對當時的科學計算和數(shù)據(jù)處理影響還不大，但不能適應機床實時控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路"搭"成一臺機床專用計算機作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控（HARD-WIRED NC），簡稱為數(shù)控（NC）。隨著元器件的發(fā)展，這個階段經(jīng)歷了三代，即1952年的第一代—電子管；1959年的第二代—晶體管；1965年的第三代—小規(guī)模集成電路。
計算機數(shù)控（CNC）階段（1970年-現(xiàn)在）
到1970年，通用小型計算機業(yè)已出現(xiàn)并成批生產(chǎn)。于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進入了計算機數(shù)控（CNC）階段（把計算機前面應有的“通用”兩個字省略了）。到1971年，美國INTEL公司在世界上第一次將計算機的兩個最核心的部件—運算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術集成在一塊芯片上，稱之為微處理器（MICROPROCESSOR），又可稱為中央處理單元（簡稱CPU）。
到1974年微處理器被應用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因為小型計算機功能太強，控制一臺機床能力有富裕（故當時曾用于控制多臺機床，稱之為群控），不如采用微處理器經(jīng)濟合理。而且當時的小型機可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高，但可以通過多處理器結構來解決。由于微處理器是通用計算機的核心部件，故仍稱為計算機數(shù)控。
到了1990年，PC機（個人計算機，國內習慣稱微機）的性能已發(fā)展到很高的階段，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。數(shù)控系統(tǒng)從此進入了基于PC的階段。
總之，計算機數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。即1970年的第四代—小型計算機；1974年的第五代—微處理器和1990年的第六代—基于PC（國外稱為PC-BASED）。
還要指出的是，雖然國外早已改稱為計算機數(shù)控（即CNC）了，而我國仍習慣稱數(shù)控（NC）。所以我們日常講的"數(shù)控"，實質上已是指"計算機數(shù)控"了。
3.數(shù)控未來發(fā)展的趨勢
(1) 繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展
基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路。至少采用PC機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔數(shù)控的任務。PC機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠程通訊，遠程診斷和維修將更加普遍。
(2) 向高速化和高精度化發(fā)展
這是適應機床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。
(3) 向智能化方向發(fā)展
隨著人工智能在計算機領域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。
1.2 三自由度工作臺的基本原理
數(shù)控控制（Numerical Control）是用數(shù)字化信號對機床的運動及其過程進行控制的一種控制方法。
數(shù)控技術是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的一門新型的，發(fā)展十分迅速的高新技術。數(shù)控裝備是以數(shù)控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術范圍所覆蓋的領域又：機械制造技術；微電子技術；信息處理傳輸技術；自動控制技術；伺服驅動技術；檢驗監(jiān)控技術；傳感技術；軟件技術等。數(shù)控技術及裝備是發(fā)展新興高新技術產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的是能技術和最基本的裝備。在提高生產(chǎn)率，降低成本，保證質量及改善工人勞動強度等方面，都有突出的優(yōu)點；特別是在適應機械產(chǎn)品迅速更新?lián)Q代，小批量，多品種生產(chǎn)方面，各類數(shù)控裝備是實現(xiàn)先進制造技術的關鍵。
數(shù)控機床是采用了數(shù)控技術的機床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床。國際信息處聯(lián)盟（International Federation of Information Processing, IEIP）第五技術委員會，對數(shù)控機床作了如下的定義：數(shù)控機床是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機床。該系統(tǒng)能邏輯的處理具有使用碼或其他符號編碼指令規(guī)定的程序。
龍門加工中心經(jīng)過長期的技術發(fā)展和推動，已從傳統(tǒng)的單軸式發(fā)展到多軸
式，從傳統(tǒng)龍門加工中心發(fā)展到現(xiàn)代化智能的加工中心，從單面的加工發(fā)展到多
面的加工，發(fā)展速度快，技術比較成熟。但是對于龍門五面體加工中心，由于我
國基礎技術薄弱，研究方法落后，資金投入不足等原因，以及國外對核心技術的
封鎖，導致我國五面體加工中心發(fā)展緩慢[4]。從龍門加工中心主要部件的發(fā)展情況來看，國內外龍門加工中心的龍門和滑枕的機構基本都具有以下特點：
1. 龍門 主要是由一個橫梁和兩個立柱構成。分為橫梁固定、橫梁靠定位塊
鎖定分段升降和橫梁任意升降三種類型。橫梁固定式結構機床剛性好，但不適合
加工大型工件，因為在加工靠近工作臺面的工件部位時，滑枕伸出長度過大，加
工剛性較差，影響加工尺寸精度；橫梁靠定位塊鎖定分段升降型結構機床剛性較
好，但橫梁升降運動不能與滑枕上下移動聯(lián)動，且操作較復雜；橫梁任意升降型
結構橫梁升降運動可以與滑枕上下移動聯(lián)動，加工范圍較廣，適合新產(chǎn)品開發(fā)。
立柱和橫梁的橫截面為矩形，剛性好，可耐重切削并長期保持高精度。主軸箱在
橫梁上的導軌有自重平衡裝置，其動作靈活、迅速且準確。由于主軸箱左右移動
時，橫梁升降用滾珠絲杠所受負載有變動，使精度降低，所以采用配置在橫梁左
右兩側的油缸來平衡主軸箱左右移動造成的變動負載和橫梁本身的自重，以提高
機床的精度。
2. 滑枕 從結構上可分為開式和閉式兩種型式。開式結構的滑枕通過壓板夾
緊在主軸箱上，滑枕的截面積大；閉式結構的滑枕被夾緊在主軸箱內，滑枕的截
面積小。主軸箱內有液壓平衡裝置，使滑枕上下移動靈活，可實現(xiàn)強力重切削。
主軸滑枕內部采用強制內冷卻，即使作長時間連續(xù)重切削，也可保持高精度?；?
枕的行程以滿足工件側面下部的加工要求為宜，不宜太長，以免影響加工時的機
床剛度。滑枕采用一體型的結構，以提高機床的整體剛性。
1.3工作臺伺服進給系統(tǒng)
工作臺伺服進給系統(tǒng)是一機床移動位置為控制量的自動控制系統(tǒng)。它根據(jù)數(shù)控裝置輸出的電脈沖信號，是機床工作臺、主軸等移動部件按照規(guī)定的運動速度、運動方向和位置要求做相應的移動，并對其定位精度加以控制。工作臺性能在很大程度上取決于進給伺服系統(tǒng)的性能。
進給運動是機床成型運動的一個重要部分，其傳動質量直接關系到機床的加工性能。工作臺的進給運動是數(shù)字控制的直接對象被加工工件最終坐標位置精度和輪廓精度都會受到進給運動的傳動精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。工作臺對進給系統(tǒng)的要求集中在精度、穩(wěn)定和快速響應等方面。為滿足這種要求，首先需要高性能的伺服驅動電機，同時也需要高質量的機械結構與之匹配。因此工作臺的進給傳動系統(tǒng)機械結構需滿足如下要求。
（1）高的傳動精度與定位精度 工作臺進給系統(tǒng)的傳動精度和定位精度，是機床最重要的性能指標。傳動精度直接影響機床加工輪廓面的精度，定位精度直接關系到加工的尺寸精度。
（2）寬的進給調速范圍 為保證工作臺在不同工況下對進給速度的選擇，進給系統(tǒng)應該有較大的調速范圍。工作臺的伺服進給系統(tǒng)一般為3-10000mm/min。
（3）快的響應速度 所謂快速響應，是指進給系統(tǒng)對指令信號的變化跟蹤要快，并能迅速趨于穩(wěn)定。目前，工作臺已較普遍的采用了伺服電動機不通過減速環(huán)節(jié)直接連接絲杠帶動運動部件實現(xiàn)運動的方案。本次設計就是采用了這個方案來獲取快的響應速度。
（4）低速、大轉矩 根據(jù)機床的加工特點，經(jīng)常在低速下進行重切削，即在低速下進給驅動系統(tǒng)必須有大的轉矩輸出。
此次設計采用的是半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)的精度雖然比閉環(huán)系統(tǒng)的精度要低一些，但是它的結構與調整比較簡單。而且，在半閉環(huán)系統(tǒng)中，轉角測量表較容易實現(xiàn)。應用非常廣泛。
圖2-1 半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)原理圖
1.4 伺服驅動裝置
伺服驅動裝置接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進給指令信號，并將其轉換為角位移或直線位移，從而驅動執(zhí)行部件實現(xiàn)要求的運動。伺服驅動裝置應該滿足如下要求。
（1）精度高。輸出位移有足夠的精度，即實際位移與指令位移之差要小。
（2）應該具有較長時間的大過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。一般直流伺服電動機要求數(shù)分鐘內過載4-6倍而不損壞。
（3）調速范圍寬，而且從最低速到最高速時，電動機均能平滑運轉，轉矩波動小，特別是在低速（如0.1r/min或更低）時，速度平穩(wěn)而無爬行現(xiàn)象。
（4）能承受頻繁振動、制動和反轉。
在工作臺的閉環(huán)或半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)中，伺服驅動裝置主要采用交、直流伺服電動機。
直流伺服電動機具有良好的啟動、制動和調速特性，可以方便地在寬調速范圍內實現(xiàn)平滑無極調速，故多用在對伺服電機的調速性能要求較高的工作臺上。
交流伺服電動機，轉子慣量比直流電動機小，動態(tài)響應好，輸出的功率可比直流電動機提高10%-70%，可達到更高的電壓和轉速。
1.5 課題研究的目的和意義
工作臺是一種在計算機控制下帶有自動換刀系統(tǒng)的能完成多工序復合加工的自動化機床，并正向高速高效、高精度、模塊化、網(wǎng)絡化和復合化方向發(fā)展。由于工作臺是典型的集高新技術于一體的機械加工設備，其生產(chǎn)效率高、柔性好、一機多用和易于加工復雜的曲線、曲面零件等特點，早已成為工業(yè)發(fā)達國家軍民機械工業(yè)的主力加工設備。
一個國家的工作臺擁有量、消費量及總體技術水平與這個國家機械工業(yè)的加工制造技術水平息息相關。我國的工作臺從70年代開始，已有很大發(fā)展，但技術、品種和數(shù)量上都還遠遠不能適應我國的經(jīng)濟、技術發(fā)展的需要。進入21世紀以后，中國工作臺的消費量隨著軍民機械工業(yè)的大規(guī)模技術改造而迅速增長，如2001年中國工作臺的消費量僅為2662臺（其中進口2290臺），而同年美國、日本和德國的工作臺消費量分別為11505、6090和5291臺。到了2005年，中國工作臺的消費量猛增至約13200臺（估計值，工作臺的產(chǎn)量數(shù)據(jù)未公布），其中進口10343臺。2005年工作臺的消費量是2001年的4.96倍，年均增幅達49.2%，一舉超過美、日、德諸國，成為世界上消費工作臺最多的國家。
根據(jù)《機械工人》雜志社等單位的調查，從近600份重點用戶的有效問卷中得出的結果是，工作臺機床的應用已遍及全國26個行業(yè)，其中汽車、摩托車及其零部件制造業(yè)占24%，航空航天和軍工行業(yè)占18%，機床工具業(yè)占11%，模具行業(yè)占8%，輕工機械行業(yè)占4%。在這些企業(yè)擁有的工作臺中，雖然普及型的立式和臥式工作臺仍占多數(shù)，但多軸聯(lián)動、高速、大型精密等高檔工作臺也占有一定比重，如在所調查的近600戶用戶中，擁有5軸聯(lián)動工作臺的占24%。說明中國市場消費的工作臺雖然以普及型的中檔機為主，但高檔機在消費量中所占比重估計已達15%至20%。
中國消費的工作臺大部分依靠進口（2005年進口量占消費量的七成多），進口金額12.97億美元，居各類機床進口額之首，主要從日本、中國臺灣、德國和韓國等地進口。2006年上半年，中國進口工作臺5511臺，金額6.88億美元，同比分別增長20%和11%，仍保持兩位數(shù)增長，說明中國工作臺市場的規(guī)模還有增長空間。
工作臺用于安裝工件，并帶動工件進給，以完成各種切削加工，是任何切削機床必不可少的重要部件。與普通切削機床不同的是，工作臺的工作臺是在數(shù)控系統(tǒng)的控制下自動完成進給的，能夠自動完成各種輪廓和曲面的加工。工作臺直線工作臺主要在數(shù)控系統(tǒng)控制下完成縱向（X方向）和橫向（Y方向）進給。為了實現(xiàn)任意角度和在切削過程中轉臺能夠回轉，工作臺還要設置數(shù)控回轉工作臺，這樣工作臺就多了一個NC坐標，能夠完成更加復雜的見曲面的加工。工作臺常用的回轉工作臺有分度工作臺和數(shù)控回轉工作臺，它們的功用各不相同。分度工作臺的功用只是將工件轉位換面，和自動換刀裝置配合使用，實現(xiàn)工件一次安裝能完成幾個面的加工。而數(shù)控回轉工作臺除了分度和轉位的功能外，還能實現(xiàn)圓周進給運動。
我國近幾年三自由度工作臺進給機構雖然發(fā)展較快，但與國際先進水平還存在一定的差距，主要表現(xiàn)在：可靠性差，外觀質量差，產(chǎn)品開發(fā)周期長，應變能力差。
針對傳統(tǒng)三自由度工作臺進給機構的不足之處及生產(chǎn)中存在的問題，有必要在傳統(tǒng)機床的基礎上研究出新型三自由度工作臺進給機構。通過對傳統(tǒng)銑床手動的進給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)的創(chuàng)新設計，加入新技術，從而提高產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率，實現(xiàn)自動化，降低勞動強度及工作量。
三自由度工作臺進給機構的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢是：在規(guī)格上將向兩頭延伸，即開發(fā)小型和大型進給機構；在性能上將研制以鋼為材料的進給機構，大幅度提高進給機構的承載能力；在形式上繼續(xù)研制多軸并聯(lián)，甚至于五軸并聯(lián)的進給機構。
綜上所訴，三自由度工作臺進給機構的開發(fā)和設計具有很高研究的意義.本課題采用類似的機床結構設計成果的方法，進行三自由度工作臺進給機構的設計，使其能夠實現(xiàn)更好的工業(yè)生產(chǎn)自動化。
本課題對三自由度工作臺進給機構部件進行了設計，研究三自由度工作臺的結構，主要部件及典型零件的設計方法，其意義如下：
1、通過對數(shù)控機床的結構設計和研究掌握機構設計的一般步驟和方法；
2、通過對課題的研究，了解國內外有關數(shù)控機床的技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢；
3、通過畢業(yè)設計培養(yǎng)自己的創(chuàng)新精神，提供分析問題和解決問題的能力。
第2章 設計的內容及要求
2.1課題的主要內容和基本要求
本課題要求設計一臺三自由度工作臺，X、Y軸采用滾珠絲杠螺母副傳動方式實現(xiàn)運動變換，機床主要設計參數(shù)下表所示：
X軸有效行程
5000 mm
Y軸有效行程
3000 mm
Z軸有效行程
1000 mm
工作臺尺寸
2500 mm×5000 mm
加工進給速度
0.5 m/min
快速進給速度
10 m/min
驅動電機最高轉速
2000 r/min
2.2進度計劃與應完成的工作
應完成的工作：
1、完成二萬字左右的畢業(yè)設計說明書，其中包括400字左右的中文摘要，英文摘要應與中文摘要內容完全相同；
2、完成與課題相關，不少于3000漢字的英文資料翻譯（附英文原文）；
3、完成總體結構、結構及傳動設計；
4、繪制裝配圖及所有非標件零件圖。
進度計劃：
1、第1-2周，查閱相關資料，了解表面感應加熱機床技術技術要求，完成開題報告；
2、第3周，翻譯一篇與設計相關的英文論文；
3、第4-5周，根據(jù)設計要求確定總體方案及計算；
4、第6周，根據(jù)設計要求完成AC軸選型，查找其技術參數(shù)；
5、第7-11周，完成機床總體結構、Z軸結構及傳動設計；
6、第12-14周，繪制圖紙；
7、第15周，編寫畢業(yè)設計說明書，準備答辯。
2.3 設計的內容
2.3.1 數(shù)控裝置總體方案的確定
(1).數(shù)控裝置設計參數(shù)的確定；
(2).方案的分析，比較，論證。
2.3.2 機械部分的設計
(1).確定脈沖當量；
(2).機械部件的總體尺寸及重量的初步估算；
(3).傳動元件及導向元件的設計，計算和選用；
(4).確定伺服電機；
(5).繪制機械結構裝配圖；
(6).系統(tǒng)等效慣量計算；
(7).系統(tǒng)精度分析。
2.3.3 編寫設計說明書
(1) 說明書是設計的總結性技術文件，應敘述整個設計的內容，包括提方案的確定，系統(tǒng)框圖的分析，機械傳動設計計算，選用元器件參數(shù)的說明；
(2)論文正文不少于10000字。
2.4 機床主要部件及運動方式的選定
（1）伺服電機的選擇
本次設計選用交流伺服電機，根據(jù)本進給系統(tǒng)定位精度的要求，初步選用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。如果經(jīng)計算后半閉環(huán)系統(tǒng)不能滿足定位精度要求，可改用全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。交流伺服電機有交流同步電機和交流感應電機。交流感應電機結構簡單，與同容量的直流伺服電動機相比較，質量輕、價格便宜。缺點是不能經(jīng)濟的實現(xiàn)范圍較大的平滑調速。所以數(shù)控機床的進給系統(tǒng)中一般不采用這種電動機。
交流同步電動機的轉速與所用電源的頻率之間存在一種嚴格的關系，即在電源電壓和頻率固定不變時，它的轉速是穩(wěn)定不變得。由變頻電源供電給同步電動機時，便可方便地獲得與頻率成正比的可變速度。并可得到非常硬的機械特性及寬的調速范圍。其結構雖然比感應電動機復雜，但比直流電動機簡單。同步電動機又分為電磁式和非電磁式兩大類。在后一類中又有磁滯式、永磁式和反應式多種。在數(shù)控機床的進給驅動系統(tǒng)中，多采用永磁式同步電動機。在數(shù)控機床進給驅動中，采用具有大轉矩、寬調速并裝有反饋元件的機電一體化的永磁式交流同步電動機已十分普及。
（2）滾珠絲杠螺母副的選擇
滾珠絲杠具有高精度、高剛度、高效率及無間隙等優(yōu)點。特別是在半閉環(huán)加工系統(tǒng)中，滾珠絲杠自身的精度對機床加工精度有很大的影響，定位精度在很大程度上受到滾珠絲杠精度的影響。
滾珠螺母副[4]的滾珠循環(huán)方式一般會分為外循環(huán)和內循環(huán)兩種。對于內循環(huán)方式，滾珠在循環(huán)過程中始終保持與滾珠絲杠接觸。內循環(huán)滾珠絲杠螺母副工作滾珠數(shù)目少，徑向尺寸緊湊，摩擦損失少，流暢性好，傳動效率高，軸向剛度好，但回珠器槽行比較復雜，需三坐標數(shù)控機床才能進行加工。外循環(huán)過程中滾珠與絲杠脫離接觸，目前使用插管完成滾珠循環(huán)的結構，結構簡單，工藝性好，但滾道管子突出于螺母外面，所以外循環(huán)滾珠絲杠螺母徑向尺寸較大。滾珠和滾珠絲杠螺母副接觸處有過盈配合，即兩者達到預緊；滾珠絲杠螺母副事先通過調節(jié)左右螺母的相互離開和靠近消除間隙。常用的消除間隙或預緊的辦法有墊片是調隙結構、螺紋式調隙結構和齒差式調隙結構。本次設計采用墊片式調隙結構。
（3）導軌副的選用
要設計的進給機構的導軌選用貼塑導軌，它屬于滑動導軌，是在機床的動導軌面上貼上一層抗磨軟帶，導軌副的另一個固定導軌面為磨削面。這樣就會使導軌摩擦系數(shù)變?yōu)?.03—0.05，導軌速度可達30m/min，剛度比較高，動、靜摩擦系數(shù)差值小，沒有爬行。耐磨性與鑄鐵對鑄鐵導軌副相比可提高1—3倍。
第3章 絲杠進給系統(tǒng)的設計計算
3.1 滾珠絲杠螺母副的選用設計
進給機構的進給運動，由進電機的轉動，然后帶動工作臺絲杠傳動。在數(shù)控工作臺上的絲杠傳動，可以用普通的絲杠傳動，也還有應用滾珠絲杠來轉動。原因是普通絲杠傳動摩，但總是不太穩(wěn)定。
所以，在三自由度工作臺上要擦系數(shù)大，效率低，傳動中有間隙。雖然傳動中的間隙可以用一些辦法來補償，修正采用滾珠絲杠傳動。滾珠絲杠傳動有一系列的優(yōu)點，但制造工藝較為復雜，成本高，在某些應用上受到一定的限制，但隨著數(shù)控工作臺的發(fā)展，它的使用將會更加廣泛。
滾珠絲杠傳動都使用防護罩，以防止空氣中的塵土和其它雜物等進入。
滾珠絲杠和滾珠螺母組成滾珠絲杠螺母副，它是把步進電機的轉動－角位移，變換成數(shù)控工作臺進給機構的的直線位移。
滾珠絲杠螺母副，也簡稱為滾珠絲杠副，是一種新的傳動機構，它是在絲杠和螺母的螺旋槽之間裝有滾珠，以此作為中間元件的一種傳動機構。
3.1.1 滾珠絲杠副的傳動原理
絲杠和螺母上都有圓弧形的螺旋槽,這兩個圓弧形的螺旋槽對合起來就形成螺旋線的滾道,在滾道內裝有許多滾珠.當絲杠旋轉時,滾珠相對于螺母上的滾道滾動,因此絲杠與螺母之間滾道的摩擦為滾動摩擦.為防止?jié)L珠從螺母中吊出來,在螺母的螺旋槽兩端應用擋住器擋住,并設有回路滾道是他的兩端連接起來.使?jié)L珠從滾道的一端滾出后,沿著這個回路滾道從新返回到滾道的另一端,可以循環(huán)進行不斷地滾動。
3.1.2 滾珠絲杠副的傳動特點
滾珠絲杠副的優(yōu)點是:傳動效率高,因為它是滾動摩擦,傳動效率可達0.92~0.96,比普通的絲杠傳動提高3~4倍.由此帶來了一系列的優(yōu)點,如功率損耗小,傳動平穩(wěn),磨損小,無爬行現(xiàn)象等等.除此而外還有兩個特點,一是:一般的絲杠傳動總是有間隙,而滾珠絲杠可以消除間隙,所以當絲杠轉動反向時,可以沒有空程,提高了反向的定位精度,,也增強了傳動剛度.二是:一般的絲杠傳動只能使旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動,而滾珠絲杠副由于傳動的摩擦系數(shù)小,所以既能把旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動,也可以從直線運動轉變?yōu)槁菪\動,具有傳動的可逆性,因此可以作為主動件,也可以作為從動件.
它也有缺點,主要是元件的精度要求高,光潔度要求也高,所以制造工藝很復雜,成本也高.對于絲杠和螺母上的螺旋槽,一般要求磨削成型,因而制造困難,也限制了使用.
又由于傳動的可逆性,所以不能自鎖,當應用在垂直傳動裝置時,由于自重和慣性的關系,在下降過程中不能立刻停止,因此還需要備有制動裝置.
3.1.3 滾珠絲杠副的結構與調整
滾珠絲杠副的結構盡管在形式上有很多類型，但其主要區(qū)別是在螺紋滾到的型面形狀，滾珠循環(huán)的方式，軸向間隙的調整和加預緊力的方法等三個方面。
（1）螺紋滾道型面的形狀
螺紋滾道型面的形狀有很多種，目前國內正式投產(chǎn)的，僅有單圓弧型面和雙圓弧型面兩種，如圖所示。滾珠與滾道型面接觸點法線與絲杠軸線的垂線之間的夾角，稱為接觸角（）。
（a）單圓弧 (b) 雙圓弧
圖4-1 滾珠絲杠副螺紋滾道型面的截形
（2）單圓弧型面
一般滾道的圓弧半徑要比滾柱的半徑稍大一些。對于單圓弧型面的螺紋滾道，接觸角是隨著軸向負載大小而變化的，當軸向負載為零時，接觸角也為零；當負載逐漸增大，接觸角也逐漸增大。實驗證明：當接觸角增大時，傳動效率，軸向剛度，承載能力都隨之增大。
（3）雙圓弧型面
雙圓弧型面螺紋滾道的接觸角是不變的。在偏心距（e）決定后，滾珠與滾道的圓弧角接處，會有很小的空隙。這些空隙雖然能容納一些臟物，但不至于堵塞，反而對滾柱的滾動有利。從傳動效率，軸向剛度，承載能力等要求出發(fā)，接觸角大一些好，但接觸角過大制造就會困難。一般接觸角為，滾道的圓弧半徑也同樣比滾柱的半徑稍大一些。
滾珠的循環(huán)方式
目前國內常用的滾珠循環(huán)方式由外循環(huán)和內循環(huán)兩種。
（1）外循環(huán)方式
如圖所示為外循環(huán)方式，滾柱在循環(huán)過程中與絲杠脫離接觸，通過外面的循環(huán)回路稱為外循環(huán)（W系列）。這種外循環(huán)是直接在螺母的外圓上銑出螺旋槽，用擋珠器從螺母內部切斷螺紋滾道，擋珠滾珠的去路，迫使?jié)L珠導入通向外圓螺旋槽中，構成了外面的旋環(huán)回路。外循環(huán)的結構和制造較為簡單容易，因此應用較廣，他可以制成單列或式雙列兩種的結構形式。
（2）內循環(huán)方式
滾柱在循環(huán)過程中與絲杠始終保持接觸的稱為內循環(huán)（N系列），如圖所示。這種內循環(huán)是在螺母外側孔中裝了一個接通相鄰滾道的反向器，借助這個反向器迫使?jié)L珠翻過絲杠的牙頂，而進入相鄰的滾道。內循環(huán)滾珠絲杠副回路短，工作滾珠數(shù)目少，結構尺寸緊湊，流暢性好，摩擦磨損小，傳動效率高，軸向剛度和承載能力都較高，具有一系列優(yōu)點，但制造困難，結構復雜，所以不及外循環(huán)方式應用的廣泛。
圖4-2 外循環(huán)的滾珠絲杠 圖4-3 內循環(huán)的滾珠絲杠
3.1.4 軸向間隙的調整和加預緊力的方法
對于滾珠絲杠副，除了單一方向的進給傳動精度有一定的要求外，對它的軸向間隙也有嚴格的要求，以保證反向傳動的精度。要把軸向間隙完全消除，也是相當困難的。通常采用雙螺母，并加預緊力的方法來消除其軸向間隙。雙螺母經(jīng)加預緊力調整后，能基本上消除軸向間隙。單螺母的滾珠絲杠副是不能調整軸向間隙和預緊力的，其軸向間隙只能依靠滾珠絲杠副本的精度和安裝時絲杠和螺母的連接精度來保證。
雙螺母加預緊力消除軸向間隙必須注意兩點，一是：通過預緊后產(chǎn)生的力，可促使預拉變形，以減少彈性變形所引起的位移。但預緊力不能太大，否則會使驅動力矩增大，傳動效率反而降低，使用壽命也隨之縮短。二是：軸向間隙的消除，不能忽視絲杠的安裝部分和驅動部分的軸向間隙，應同時調整是它減少到最小。目前常用的雙螺母預緊力調整方法有下面三種。
（1）墊片調隙式
如圖所示為墊片調隙式，一般用螺釘來連接滾珠絲杠上的兩個螺母的凸緣處，在中間加墊片。墊片的厚度是螺母間產(chǎn)生軸向位移，以達到消除間隙和產(chǎn)生預緊力的目的。
這種結構特點是結構簡單，可靠，裝拆方便。但缺點是調整很費時，在工作狀態(tài)下不能隨意調整，因為要更換不同厚度的墊片才能消除間隙，所以是用于一般精度的機構中使用。
（2）螺紋調隙式
如圖所示為螺紋調隙式。它是一個螺母的外端有凸緣，而另一個螺母的外端沒有凸緣，車有螺紋，它伸出在套筒外，并用兩個圓螺母調整好間隙后，再用一圓螺母鎖緊螺母鎖緊就可以了。
這種結構的特點是結構緊湊，調整方便，所以應用廣泛，但調整的位移量不太精確。
圖4-4 墊片調隙式 圖4-5螺紋調隙式
齒差調隙式
如圖所示為齒差調隙式。它是在兩個螺母的凸緣上各有圓齒輪2，兩者的齒數(shù)值相差一個齒，裝入內齒圓3中，內齒圓3是用螺釘1和定位銷4固定在套筒5上的。調整是先取下內齒圓3，轉動圓柱齒輪2，在兩個滾柱螺母相對于滾筒5轉動時，可以使兩個螺母相互產(chǎn)生角位移，這樣滾柱螺母對于滾珠絲杠的螺旋滾道也相對移動是兩個螺母中的滾柱分別貼近在螺旋滾到的兩個相反的側面上。消除間隙并產(chǎn)生預緊力后，把內齒圓3套上用定位銷4固定。
這種結構的特點是調整精確可靠，定位精度高，但結構復雜，僅在高精度的數(shù)控機床有所應用。
1——螺釘； 2——圓柱齒輪； 3——內齒圓；
4——定位銷； 5——套筒。
圖4-6 齒差調隙式
3.2滾珠絲杠的選擇
3.2.1滾珠絲杠的精度
查閱滾珠絲杠的樣本選擇絲杠精度為5級精度等級，有效行程1000 mm，初步設計現(xiàn)設絲杠在有效行程1180mm時，行程偏差允許達到30μm。
3.2.2 滾珠絲杠參數(shù)的計算
（1）最大工作載荷的計算
絲杠的最大載荷為工作時的最大進給力加摩擦力，最小載荷即為摩擦力。設此臺Z向的最大進給力=5000N，導軌上面移動部件的重量約為500㎏，貼塑導軌的摩擦系數(shù)為0.04，故絲杠的最小載荷（即摩擦力）
（N） (3.3)
絲杠最大載荷是：
5000＋196＝5196（N） (3.4)
平均載荷是：
=×=≈3529（N） (3.5)
（2）當量動載荷的計算
滾珠絲杠副類型的選擇主要是根據(jù)導程和動載荷兩個參數(shù),其選擇的原則為:①滾珠絲杠的靜載荷Coa不能大于額定靜載荷Coam,即Coa≤Coam;②滾珠絲杠的動載荷Ca不能大于額定動載荷Cam,即Ca≤Cam。
驅動電機最高轉速2000 r/min
絲杠最高轉速為2000r/min，工作臺最小進給速度為0.5m/min，故絲杠的最低轉速為0.1r/min，可取為0，則平均轉速n=1000r/min。絲杠使用壽命T=15000h，故絲杠的工作壽命
==675（r） (3.6)
當量動載荷值： (3.7)
式中： ——載荷性質系數(shù)，無沖擊取1-1.2，一般情況取1.2-1.5，有較大沖擊振動時取1.5-2.5；
——精度影響系數(shù)，對1、2、3級精度的滾珠絲杠取=1.0，對4、5級精度的絲杠取=0.9。
根據(jù)要求去=1.5，=0.9，代入數(shù)據(jù)得
≈51.59（KN） (3.8)
根據(jù)計算所得最大動載荷和初選的絲杠導程，查滾珠絲杠樣本，選擇FF6310-5型內循環(huán)浮動返回器雙螺母對旋預緊滾珠絲杠副，其公稱直徑為63mm，導程為10mm，循環(huán)滾珠為5圈×2列，精度等級取5級，額定動載荷為55600N，大于最大計算動載荷=51590N，符合設計要求。
表3.1 滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)
名 稱
符 號
計算公式和結果
公稱直徑（mm）
63
螺距(mm)
P
10
接觸角
鋼球直徑(mm)
7.144
螺紋滾道法面半徑(mm)
偏心距(mm)
0.009
螺紋升角(mm)
=
絲杠外徑(mm)
62.5
絲杠底徑(mm)
57.3
螺桿接觸直徑(mm)
55.87
螺母螺紋外徑(mm)
螺母內徑(mm)（內循環(huán)）
62.64
（3）傳動效率的計算
將公稱直徑=63mm，導程=10mm，代入λ=arctan[]，的絲杠螺旋升角λ=。將摩擦角，代入=，得傳動效率=93.7%。
（4）剛度的驗算
本傳動系統(tǒng)的絲杠采用一端軸向固定，一端浮動的結構形式。固定端采用一對面對面角接觸球軸承和一個角接觸球軸承，另一端也采用角接觸球軸承，這種安裝適應于較高精度、中等載荷的絲杠。
滾珠絲杠螺母的剛度的驗算可以用接觸量來校核。
a、滾珠絲杠滾道間的接觸變
根據(jù)公式Z=，求得單圈滾珠數(shù)Z=22，改型號絲杠為雙螺母，滾珠的圈數(shù)×列數(shù)為5×2，代入公式圈數(shù)×列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=220。絲杠預緊時，取軸向預緊力=1732（N）。查相關公式得滾珠絲杠與螺紋滾道間接觸變形
(3.9)
式中=51590N。代入數(shù)據(jù)得；
==0.013(mm)
因為絲杠有預緊力，且為軸向負載，所以實際變形量可以減少一半，取=0.0065mm。
b、絲杠在工作載荷作用下的抗壓變形
絲杠采用的是兩端都為角接觸球軸承，軸承的中心距a=1100mm，鋼的彈性模量E=,由表2.1中可知，滾珠直徑=7.144mm，絲杠底徑=43.3mm，則絲杠的截面積： =1540.6()
根據(jù)公式代入數(shù)據(jù)得：
=0.018(mm)
C、總的變形
==0.0065+0.018=0.0245mm,絲杠的有效行程為600， 絲杠在有效行程500—630mm時，行程偏差允許達到30μm,，可見絲杠剛度足夠。
（5）穩(wěn)定性的驗算
(3.10)
公式中取支撐系數(shù)=2，
由絲杠底徑=43.3mm求的截面慣性矩=188957.7()，壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥式水平安裝），滾珠螺母至軸向固定處的距離取最大值1200mm，代入公式得：
=181129.6(㎏)
則f=181129.6N大于=51590N，故不會失穩(wěn)，滿足使用要求。
（6）臨界轉速的驗算
對于滾珠絲杠還有可能發(fā)生共振，需要驗算其臨界轉速，設不會發(fā)生共振的最高轉速為臨界轉速。
查資料得公式 ：
(3.11)
其中： (mm)；
為臨界轉速計算長度=1200(mm)；
為絲杠支承方式系數(shù)（一端固定，一端游動）
代入數(shù)據(jù)得：4397(r/min),臨界速度遠大于絲杠所需轉速，故不會發(fā)生共振。
（7）滾珠絲杠選型和安裝尺寸的確定
由以上驗算可以知道，絲杠型號為FF6310—5，完全符合所需要求，故確定選用該型號，安裝尺寸查表可知。
（8）絲杠支承的選擇
滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷，徑向載荷主要是臥式絲杠的自重。因此對絲杠的軸向精度和軸向剛度應有較高要求。其兩端支承的配置情況為軸向固定方式。本次設計絲杠支承選用一端固定，另一端浮動。
3.3伺服電機的選擇
3.3.1最大切削負載轉矩的計算
所選伺服電機的額定轉矩應大于最大切削負載轉矩。最大切削負載轉矩T可根據(jù)以下公式計算，即
(3.12)
從前面的計算可以知道，最大載荷N，絲杠導程=10mm=0.01m，預緊力=N，根據(jù)計算的滾珠螺母絲杠的機械效率=0.947，因為滾珠絲杠預加載荷引起的附加摩擦力矩：
（N·m） (3.13)
查手冊得單個軸承的摩擦力矩為0.32N·m，故一對軸承的摩擦力矩=0.64N·m。簡支端軸承步預緊，其摩擦力矩可忽略不計。伺服電動機與絲杠直接相連，其傳動比=1，則最大切削負載轉矩：
(N·m)
所選的伺服電機額定轉矩應該大于此值。
3.3.2負載慣量的計算
伺服電機的轉動慣量應與負載慣量相匹配。
負載慣量可以按一下次序計算。立柱與主軸箱的質量為500㎏，折算到電動機軸上的慣量可按下式計算，
(kg·㎡) (3.14)
絲杠名義直徑=50mm=0.05m，長度L=1.2m絲杠材料（鋼）的密度ρ=7.8㎏·。根據(jù)公式計算絲杠加在電動機軸上的慣量
(㎏·㎡) (3.15)
聯(lián)軸器加上鎖緊螺母等的慣量可直接查手冊得到，即(㎏·㎡)
故負載總的慣量為
(㎏·㎡)
電動機的轉子慣量應與負載慣量相匹配。通常要求不小于，但也不是越大越好。因越大，總的慣量就越大，加速度性能受影響。為了保證足夠的角加速度，以滿足系統(tǒng)反應的靈敏的，將采用轉矩較大的伺服電動機和它的伺服控制系統(tǒng)。根據(jù)有關資料的推薦，匹配條件為：
(3.16)
則所選交流伺服電動機的轉子慣量應在0.0092—0.036㎏·㎡范圍之內。
根據(jù)上述計算可選用表3.2中的交流伺服電機α22/3000i型，其額定轉矩為22N·m，最高，轉動慣量J=0.012㎏·㎡。
表3.2 FANUCα(HV)i系列交流伺服電機
型號
α1/ 5000i
α2/ 5000i
α4/ 4000i
α8/ 3000i
α12/ 3000i
α22/3000i
輸出功率/kw
0.5
0.75
1.4
1.6
3
4
額定轉矩(N·m)
1
2
4
8
12
22
最高轉速
5000
5000
4000
3000
3000
3000
轉動慣量(㎏·㎡)
0.00031
0.00053
0.0014
0.0026
0.0026
0.012
質量㎏
3
4
8
12
18
29
伺服放大器規(guī)格
20i
20i
20i
40i
80i
80i
3.3.3空載加速轉矩計算
當執(zhí)行件從靜止以階躍指令加速到最大移動（快速）速度時，所需要的空載加速轉矩按下式求，
(3.17)
空載加速時，主要克服的是慣性，選用的α22/3000i型交流伺服電動機,總慣量
0.0120+0.0092=0.0212(㎏·㎡)
加速度時間通常取的3~4倍，故=(3~4)=(3~4)×6=18~24(ms)，則
(N·m)
3.4滑動導軌的選擇計算
常用的導軌截面有矩形、三角形、燕尾形和圓形的。如圖3.2所示。根據(jù)支承導軌的凸凹狀[4]態(tài)，又可分為凸形和凹形兩類導軌。凹形容易存油，但也容易積存切屑和塵粒，因此適用于具有良好的防護環(huán)境。凸形需要有良好的潤滑條件。目前數(shù)控機床使用的導軌主要有三種：塑料導軌、靜壓導軌和滾動導軌。
圖3.4
3.3.1工作載荷的計算
影響導軌副壽命的重要因素是工作載荷，假設立柱所有重量加在貼塑滑動導軌的一根導軌上，則導軌所承受的最大垂直方向上的載荷是：
(3.18)
上式中G是立柱和主軸箱的重量，即G=500×10=5000(N)，代入上式得：
=2500(N)
3.3.2小時額定工作壽命的計算
預計機床的工作壽命是10年，一年是365天，工作時間是350天，每天工作8小時，因此得到小時額定工作壽命28000(h)。
3.3.3距離額定工作壽命的計算
根據(jù)公式得：
(3.19)
公式中：為小時額定工作壽命；
n為移動部件每分鐘往返次數(shù)(4-6)取5：
S為移動部件的行程，即S=600mm。
代入數(shù)據(jù)得：L=10080km 。
3.3.4額定動載荷計算及選型
由公式得：
(3.20)
公式中：為額定動載荷；
L為距離工作壽命，由上面的計算可以知道為10080km；
F為導軌的工作載荷，即F=2500N。
代入數(shù)據(jù)得：=29318N。
由計算的動載荷值本次設計選用的是貼塑滑動導軌，它是在數(shù)控機床的動導軌[4]面，是塑料導軌的一種。導軌副的另一固定導軌面為磨削面。軟帶是以聚四氟乙烯為基材，添加合金粉（青銅粉、二硫化鉬）、玻璃纖維和氧化物的高分子復合材料。其厚度有0.8、1.1、1.4、1.7、2mm，寬150mm、300mm等幾種。塑料滑動導軌與其他導軌相比，具有以下特點：
（1）動靜摩擦系數(shù)相近：運動平穩(wěn)性和爬行性能較鑄鐵導軌副好。
（2）吸收振動：具有良好的阻尼性，優(yōu)于接觸剛度較低的滾動導軌和易漂浮的靜壓導軌。
（3）摩擦系數(shù)低而穩(wěn)定：比鑄鐵導軌副低一個數(shù)量級。
（4）化學穩(wěn)定性好：耐磨、耐低溫、耐強酸、強堿、強氧
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