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數控銑床進給機構設計說明書
目 錄
第1章 緒 論 1
1.1 課題來源及研究目的和意義 1
1.2 數控銑床的現狀及趨勢 1
1.3 數控銑床進給機構的方案分析 5
1.3.1 機械結構分析 5
1.3.2 機械結構總體方案和布局 6
第2章 機械結構的設計 10
2.1滾珠絲杠的設計…………………………………………………………………13
2.2滾珠絲杠副絲杠副傳動法面截形，循環(huán)方式等的確定……………………….14
2.3滾珠絲杠的預緊…………………………………………………………………15
2.4滾珠絲杠選取與校核……………………………………………………………17
3 滾動軸承的選取與計算…………………………………………………………..20
3.1 軸向滾珠絲杠軸和徑向滾珠絲杠軸受力分析……………………………….20
3.2 計算軸承壽命………………………………………………………………….22
3.3當量載荷…………………………………………………..................................23
4步進電機的選取及設計計算……………………………………………………..26
4.1轉動慣量計算……………………………………………………………………26
4.2將負載質量換算成電機輸出軸上的轉動慣量…………………………………27
4.3計算電機輸出的總力矩……………………………………………………….27
4.4負載起動頻率估算…………………………………………………………….27
5 聯軸器的選取……………………………………………………………………28
6 齒輪減速器的選取………………………………………………………………28
7 進給系統精度校核……………………………………………………………….33
7.1支承滾珠絲杠軸承的變形………………………………………………………33
7.2支承滾珠絲杠軸承的軸向變形…………………………………………………34
結 論 25
參 考 文 獻 26
致 謝 27
第1章 緒 論
1.1 概述
二、數控技術的發(fā)展歷程
數控銑床品種繁多，規(guī)格不一，可按通用銑床的分類方法分為以下3類：
(1) 數控立式銑床：數控立式銑床主軸軸線垂直于水平面，這種銑床占數控銑床的大多數，應用范圍也最廣。目前三坐標數控立式銑床占數控銑床的大多數，一般可進行三軸聯動加工。
(2) (2)臥式數控銑床：臥式數控銑床的主軸軸線平行于水平面。
為了擴大加工范圍和擴充功能，臥式數控銑床通常采用增加數控轉臺或萬能數控轉臺的方式來實現四軸和五軸聯動加工。這樣既可以加工工件側面的連續(xù)回轉輪廓，又可以實現在一次裝夾中通過轉臺改變零件的加工位置也就是通常所說的工位，進行多個位置或工作面的加工。
(3)立臥兩用轉換銑床：這類銑床的主軸可以進行轉換，可在同一臺數控銑床上進行立式加工和臥式加工，同時具備立、臥式銑床的功能。
1.4數控銑床的用途和工藝特點
銑床是用銑刀進行切削加的機床,銑床的加工情況如圖1-1所示。在銑床上，用不同銑刀可以對平面、斜面、溝槽、臺階、T形槽、燕尾槽等表面進行加工，另外配上分度頭或回轉臺還可以加工齒輪、螺旋面、花鍵軸、凸輪等各種成型表面。故銑床的萬能性強，應用范圍很廣。銑床的主參數是工作臺面寬度及長度。圖1-1 銑床上的典型工作銑床的工藝特點如下：(1)銑床的主軸帶動銑刀作旋轉主運動；
(2)銑刀是多齒、多刃連續(xù)進行切削；
(3)多數銑床由工作臺帶動工件作直線進給運動；
(4)銑刀在切削時，每個刀齒的切削過程是斷續(xù)的，同時參加切削的齒數是變化的，每個刀齒的切削厚度也是變化的，因此容易引起機床振動；
(5)銑削時，銑刀同時參加切削的齒數較多，便于采用較大的銑削速度和進給給量，因而生產效率高。
1.5我國數控產業(yè)的現狀當前，我國的數控系統正處在由研究開發(fā)階段向推廣應用階段過渡的關鍵時期。也是由封閉型系統向開放型系統過渡的時期。我國數控系統在技術上已趨于成熟，在重大關鍵技術上（包括核心技術），已達到國外先進水平。目前，已新開發(fā)出數控系統80種。自“七五”以來，國家一直把數控系統的發(fā)展作為重中之重來支持，現已開發(fā)出具有中國版權的數控系統，掌握了國外一直對我國封鎖的一些關鍵技術。
1.6數控產業(yè)發(fā)展面臨的問題當前
我國數控機床產業(yè)面臨的挑戰(zhàn)是國內市場占有率偏低。據有關資料表明,年國產數控機床的市場占有率僅為38.88%。造成這種嚴峻的形勢,除客觀原因外,主要是產品的質量、可靠性不過硬。“十五”期間,我國機械制造工業(yè)正朝著精密化、柔性化、集成化、自動化、智能化方面迅速發(fā)展,國內數控機床需求強勁,我國數控機床產業(yè)適逢極好的發(fā)展機遇。然而,我國加入ＷＴＯ后,國外生產的數控機床將會更多的進入我國市場市場競爭更為激烈。提高國產數控機床市場占有率,關鍵在于提高質量和可靠性。幾年來,經過對國內外數控機床的機械結構剖析和使用性能的調研,探索和總結了數控機床機械結構設計和制造的新技術?，F時主要存在有以下幾個問題：
（1）缺乏產業(yè)規(guī)模
（2）缺乏發(fā)展數控產業(yè)的政策和技術配套體系
（3）缺乏技術創(chuàng)新，產品更新和產業(yè)調整的內在動力
（4）面臨國外強手競爭的巨大壓力
回顧數控技術的發(fā)展已經經歷了兩個階段，六代的發(fā)展歷程。第一個階段叫做NC階段，經歷了電子管、晶體管、和小規(guī)模集成電路三代。自1970年開始小型計算機開始用于數控系統就進入了第二個階段，叫做CNC階段，成為第四代數控系統：從1974年微處理器開始用于數控系統即發(fā)展到第五代。經過十多年的發(fā)展，數控系統從性能到可靠性都得到了根本性的提高。實際上從20世紀末期直到今天，在生產中使用的數控系統大部分都是第五代數控系統。但第五代數控系統以及以前各代都是一種專用封閉的系統，而第六代——開放式數控系統將代表著數控系統的未來發(fā)展方向，將在現代制造業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。
1.2數控銑床的現狀及趨勢
隨著科學技術的發(fā)展、制造技術的進步和人類生活水平的提高，以及社會對產品質量和品種的多樣化的要求趨勢日益增強。中、小批量生產的比例明顯增加，對數控機床的柔性和通用性提出了更高的要求，希望市場能提供不同加工需求，能迅速高效、低成本地構筑面向用戶的控制系統，并大幅度地降低維護和培訓的成本，同時還要求具有網絡功能，以適應未來車間面向任務和定單的生產組織和管理模式。為此，近10年來，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，各種不同層次的開放式數控系統應運而生，發(fā)展很快。目前正朝標準化開放體系結構的方向前進。就體系結構而言，當今世界上的數控系統大致分為4種類型：傳統數控系統、“PC嵌入NC結構的數控系統、“NC嵌入PC”結構的開放式數控統、開放式數控系統。特別是進入20世紀90年代以來，隨著國際上計算機技術突飛猛進的發(fā)展，數控技術正在不斷采用計算機、控制理論等領域的最新技術成就。目前外數控機床的性能正朝著高速化、高精度、高效率、高柔性、高自動化、高可靠性、智能化、復合化、網絡化、開放式體系結構等方向迅速發(fā)展這將對數控機床機械結構設計和制造的質量和可靠性提出更高的要求?！笆濉逼陂g,我國機械制造行業(yè)必須瞄準國際數控機床發(fā)展的科學前沿,開拓創(chuàng)新,消化吸收國外先進技術,開創(chuàng)我國數控機床設計和制造技術的新局面。
1.3 數控銑床進給機構的方案分析
1.3.1機械結構分析
本課題是設計一種數控銑床進給的機構，此機構的工作臺可以在X,Y軸兩個方向自由移動，由電動機控制，人們只需啟動和關閉開關，即可實現病床在任意位置的停止，可以實現將工件移動到指定的位置，為加工提供方便。
由于為了進給機構可以實現多種方案，本課題升降裝置采用電機驅動滾珠絲桿的方式來帶動工作臺的平移，現提供以下設計方案：
步進電機
工作臺
滾滾絲桿
聯軸器
圖1 步進電機驅動滾珠絲桿進給機構方案1
此種方案為傳統的的進給機構設計方案，此種方案步進電機與滾珠絲桿通過聯軸器固結，絲桿螺母裝在滾珠絲桿上面，保持滾珠絲桿與工作臺通過螺紋連接，，這種方法由于滾珠絲桿動，從而帶動絲桿螺母轉動，從而實現工作臺的平移，可以做X、Y方向的移動，從而實現鉆床工作臺的快速進給。此種方案結構簡潔，造價低廉，定位精準，可靠，符合此次設計的要求，因此此種方案雖然是傳統的設計方法，但切合實際，我們優(yōu)先考慮。
滾珠螺母
桿
滾珠螺母
桿
進給機構安裝架
橫向滾珠絲桿
桿
圖3 進給機構大體布局圖
3.3傳動機構擇選
本課題選用的是滾珠絲杠螺母副。因為滾珠絲杠螺母副是一種低摩擦、高精度、高效率的機構，在數控機床上得到廣泛應。它的傳動特點是在具有螺旋槽的絲杠螺母之間裝有滾珠作為中間傳動元件。當絲杠和螺母相對運動時，滾珠沿絲杠螺旋槽滾道滾動，因此絲杠和螺母之間基本上為滾動摩擦。并且滾珠絲杠螺母副的動（靜）摩擦系數相差極小，配以滾動導軌，起動力矩很小，運動靈敏，低速時不會出現爬行。滾珠絲杠螺母機構是回轉運動與直線運動相互動的傳動裝。它具有以下優(yōu)點: （1）摩擦損失小、傳動效率高傳動效率可達92%--96%，是普通絲杠傳動的3～4倍，而驅動轉矩僅為滑動絲杠螺母機構的25%。
（2）運動平穩(wěn)，摩擦力小、靈敏度高、低速時無爬行由于主要存在的是滾動摩擦，不僅動、靜摩擦因數都很小，且其差值小，因而啟動轉矩小，動作靈敏。
（3）軸向剛度高、反向定位精度高由于可以完全消除絲杠與螺母之間的間隙并可實現滾珠的預緊，因而軸向剛度高，反向時無空行程，定位精度高。
（4）滾珠絲杠螺母副主要零件均經過熱處理，其滾面的硬度值可達602HRC，因而耐磨性好，壽命長，精度穩(wěn)定性好。
（5）磨損小、壽命長、維護簡單使用壽命是普通滑動絲杠的4～10倍。
（6）傳動具有可逆性、不能自鎖由于摩擦因數小、不能自鎖，因面使該機構的傳動具有可逆性，可以把旋轉運動轉化為直線運動，還可以把直線運動轉化為旋轉運動。由于不能自鎖，在作垂直運動時應附加裝或防止逆轉的裝置防止工作臺因自重而下降。因為滾珠絲杠螺母副與普通絲杠螺母副相比有這么多的優(yōu)點，因此，本題目選用滾珠絲杠螺母副。
第2章 機械結構的設計
2 滾珠絲杠的設計
2.1滾珠絲杠的設計
（1）傳動效率高
滾珠絲杠傳動系統的傳動效率高達90%～98%，為傳統的滑動絲杠系統的2～4倍，能以較小的扭矩得到較大的推力，亦可由直線運動轉為旋轉運動（運動可逆）。
（2）運動平穩(wěn)
滾珠絲杠傳動系統為點接觸滾動運動，工作中摩擦阻力小、靈敏度高、動時無顫動、低速時無爬行現象，因此可精密地控制微量進給。
（3）高精度
滾珠絲杠傳動系統運動中溫升較小，并可預緊消除軸向間隙和對絲杠進行預拉伸以補償熱伸長，因此可以獲得較高的定位精度和重復定位精度。
（4）高耐用性
鋼球滾動接觸處均經硬化（HRC58～63）處理，并經精密磨削，循環(huán)體系過程純屬滾動，相對對磨損甚微，故具有較高的使用壽命和精度保持性。
（5）同步性好
由于運動平穩(wěn)、反應靈敏、無阻滯、無滑移，用幾套相同的滾珠絲杠傳動系統同時傳動幾個相同的部件或裝置，可以獲得很好的同步效果。
（6）高可靠性
與其它傳動機械，液壓傳動相比，滾珠絲杠傳動系統故障率很低，維修保養(yǎng)也較簡單，只需進行一般的潤滑和防塵。在特殊場合可在無潤滑狀態(tài)下工
一般來說滾珠絲杠在工作中應該預緊以提高絲杠的剛度，從而提高傳動精度，但在本機械系統中由于絲杠所承受的彎矩很小，所以我覺得沒必要進行預緊，所以安裝方式是一端固定一端游動的形式。X軸向的工作臺與其上面所安裝的機械結構重力約10N，焊槍在焊接時由于電流作用與工件之間的相互吸引力約2N。
2.2滾珠絲杠副絲杠副傳動法面截形，循環(huán)方式等的確定
查《機械傳動設計手冊》，根據滾珠絲杠副螺紋滾道法面截形、參數和特點的比較選擇如下：
（1）確定選擇螺紋滾道法面截形為單圓弧，參數公式見表8.2-11，接觸角為=45°。其特點是：磨削滾道的砂輪成形簡便，可得到較高的加工精度。有較高的接觸強度，但比值/小，運行時摩擦損失增大。接觸角α隨初始間隙和軸向載荷的大小變化，為保證α=，必須嚴格控制徑向間隙。圖示如圖2
圖2 單圓弧法面截形
（2）單圓弧法面截形要求消除間隙和調整預緊必須采用雙螺母結構。
（3）根據機床的特點，選用內循環(huán)浮動式反向器，其特點是徑向尺寸小，循環(huán)通道短，摩擦損失小，傳動效率高。
2.3 滾珠絲杠的預緊
滾珠絲杠副除了對本身單一方向的傳動精度有要求外，對其軸向間隙也有要求，以保證其反向傳動的精度。我們通常采用雙螺母結構預緊方式（圖3）
圖3 雙螺母結構預緊示意圖
雙螺母預緊的結構通常有三種：
1.墊片調隙式(圖4)
圖4 墊片調隙式
調整方法：調整墊片厚度，使螺母產生軸向位移。為便于調整，墊片常制成剖分式。
特點：結構簡單，裝卸方便，剛度高；但調整不便，滾道有磨損時，不能隨時消除間隙和預緊。適用于高剛度重載傳動。
2.螺紋調隙式(圖5)
圖5 螺紋調隙式
調整方式：調整端部的圓螺母，使螺母產生軸向位移。
特點：結構緊湊，工作可靠，調整方便；但準確性差，且易于松動。用于剛度要求不高或需隨時調節(jié)預緊力的傳動。
3.齒差調隙式(圖6)
圖6 齒差調隙式
調整方式：螺母1、2的凸緣上有外齒，分別與緊固在螺母座兩端的內齒圈3、4嚙合，其齒數風別為Z1和Z2，且Z2=Z1+1。兩個螺母向相同方向同時轉動，每轉過一個齒，調整軸向位移量為：(Ph—導程)。
特點：能夠精確地調整預緊力，但結構尺寸較大，裝配調整比較復雜，宜用于高精度的傳動機構。
本設計中將采用的是雙螺母內循環(huán)墊片調整式滾動螺旋副來消除間隙。
墊片調整式有結構比較簡單，裝卸方便，剛度高的特點。
2.4滾珠絲杠選取與校核
（1） 初始條件
本設計的軸向進給長度大于徑向進給結構，只校核軸向進給結構用的絲杠如下：
由本設計要求可知，估算工作臺的重量和安裝在工作臺上面的電磁夾具給絲杠的平均工作載荷Fm=4000N，最大軸向行程420 mm，取用絲杠的工作長度為672mm，有效滾道長度是500mm。 兩支承間最大距離為：575mm平均轉速100r/m使用壽命Lh=15000h,Ra為58-62HRC,要求傳動精度±0.03mm，螺桿材料為：50Mn， 高、中頻加熱,表面淬火。螺母材料為：CrWMn ，整體淬火、低溫回火。返向器材料為：40Cr，離子滲氮處理螺紋滾道法面截形為半圓弧，螺母采用雙螺母墊片式預緊方式。
（2） 計算載荷
（公式摘自《機械零件設計手冊》第二版中冊滾動螺旋傳動設計計算部分，下同）
= （式1）
式中為載荷系數，K為硬度系數，為短行程系數。參考《機械零件設計手冊》表18-18，表18-19，表18-20取=1.2，K=1，=1
（3） 計算額定動載荷
計算額定動載荷公式
（式2）
其中n為平均轉速，其中Lh=15000h，取n=100r/min,代入上式后計算得C=21496.42N
（4） 根據必須的額定動載荷C選擇螺旋尺寸
根據內循環(huán)滾動螺旋副結構，查表8.2-18《機械傳動設計手冊》，使選擇規(guī)格的螺旋副C接近 C 或者稍大于C，如下表1，
表1 螺旋尺寸表
結合公稱直徑和公稱導程的優(yōu)先配合，綜合考慮選擇參數如下：
查特征代號確定型號為 FD406-3-3/全長螺紋長度，其尺寸參數如下：
額定動載荷
公稱直徑
公稱導程
鋼球直徑 mm
圈數列數=13,
螺紋升角 =
基本額定靜載荷 =70650N
滾道半徑R = 0.52 =2.064mm
偏心距e = 0.707x（R-/2）=0.0562mm
絲杠螺紋內徑d==35.984mm
（5）穩(wěn)定性驗算
因為絲杠采用一端固定一端鉸支的安裝方式，查表18-7《機械零件設計手冊》長度系數，
參照《機電一體化系統設計基礎》表2-10取安全系數[S]=3，因為螺桿較長，絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷成為臨界載荷F（N）按下式計算：
F= （式3）
式中E為絲杠材料的彈性模量，對于鋼，E=206GP；l為絲杠工作長度（m），l=672mm；為絲杠危險截面軸慣性矩（m）;
== （式4）
=8.14910m
又
可得：
安全系數S= F/= （式5）
絲杠安全,不會失穩(wěn).
（6） 剛度驗算
按最不利的情況考慮，螺紋螺距因受軸向力引起的彈性變形與受轉矩引起的彈性變形方向是一致的。
滾珠絲杠在工作載荷F(N)和轉矩T(Nm)共同作用下引起每個導程變形量 (m)為
= （式6）
式中,A為絲杠截面積,A=1/4;為絲杠的極慣性矩,=/32(m);G為絲杠的切變模量,對鋼G=83.3GP;T（Nm）為轉矩。
又T=F （式7）
式中，為摩擦角，其正切值為摩擦系數；為平均工作載荷；可以查出螺旋副運動由旋轉運動轉化為直線運動時取參數摩擦系數tan=0.0025，又=，所以樣有下式：
T=F
按最不利的情況計算，F=F有
則每米螺紋距離上彈性變形量為
（式8）
而每米螺紋距離上彈性變形量的許用值見《機械零件設計手冊》第二版中冊表18-17.
通常要求絲杠的導程誤差應小于其傳動精度的1/2，即
=3.02μm/m<1/2()=1/2 10μm/m
所以絲杠的剛度是完全滿足要求的。
（7） 效率驗算
合格 （式9）
綜上所校核，該絲杠是符合要求的。
同理，徑向傳動的滾珠絲杠也好似符合要求的。
3 滾動軸承的選取與計算
3.1 軸向滾珠絲杠軸和徑向滾珠絲杠軸受力分析
軸向滾珠絲杠軸和徑向滾珠絲杠軸一端受力 如圖
根據如圖選取深溝球軸承6006
求當量載荷P。
FA=309.6N
Fr1=111.12+1664.32=1668N
Fr2=831.62+1924.52=2096.2N
查表12-5可得，6306軸承的Cr=27kN，C0r=15.2kN；輕微沖擊，取fP=1.1
因FAC0r=309.615200=0.020，查表可得，e=0.21.
因FAFr1=0.18
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