数控铣床设计.docx

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1、第一章引言 1.1课题的来源 数控机床的教学由于比较抽象，需要借助实验来加深对课堂知识的理解。但由于一般数控 机床体积大，价格高，软硬件不是很开放，不适合学生的教学实验。为此设计一种功能齐全、结 构简单、软硬件结构开放、成本低，且有代表性的教学实验型铁床系统。要求结构简单，经济适 用，易于推广普及，且能完成教学目的的机床。通过本次毕业设计，得到全面的锻炼，为将来机 电产品的设计和使用打下良好的基础。 1.2课题的背景和意义 数控技术是机床实现自动化控制的核心技术，是机械制造业的关键技术，其水平的高低和应 用程度关系到国家的战略地位和综合国力。 数控技术是-门理论性和实践性都 非常强的

2、课程，其教学必须理论联系实际。长期以来，数控技术教学遇到几大难题：（1）课堂 教学难教师在课堂上对着书本讲，学生看不见摸不希，如听天书。（ 2）实验教学 难由于市场没有适用教学的机床，教学中使用的都是生产型机床，这些机床体积大、造价高、使 用和维护成本高，很多学校用不起，并且有的话，大多是老师演示、学生观看，很少有学生自己 直接操作。 教学设备问题是制约数控技术教学质量提高的瓶颈问题， 为解决数控技术教学设备 问题，特进行了微型三坐标数控饨床的设计，完成了微型数控铢床的总体方案设计，确立了机床 的整机结构、总体布局以及关键部件（主轴系统、进给系统等）的选型与设计，机床的本体尺寸 为320

3、mmx220mmx400mm,机床的工作空间尺寸为180mmx 180mm。该机床体积小、重量轻、功 能强、成本低，非常适合课堂教学、实验教学和实训教学，节省设备购置费用和使用费用的同时, 将大幅度提高教学效率和教学效果，对于改变我国数控技术人才培养模式，降低培养成本、缩短 培养周期，具有重大意义。 价值。 3. 121步进电机的种类 步进电机的分类方式很多，常见的分类方式有按产生力矩的原理、按输出力矩的大小 以及按定子和转子的数量进行分类等。由于分类方式的不同，步进 电机可以分为多种类型，如表所示 表步进电机的分类 分类方式 具体类型 按力矩产生的原理 (1) 反应式步进电

4、机：转子上没有绕组，而是由定子被励磁所激 产生反应力实现电机运动。 (2) 激磁式步进电机：在电机的正子和转子上都有励磁绕组，由磁 场产生的电磁力实现电机的运动。 按输出力矩大小 (1) 伺服式步进电机：电机工作时产生的力矩在几百分之一到几十 分之一之间，只能带动较小负载的部件运动，在带动较大负载的部 件运动时需要液压扭矩放大器。 (2) 功率式步进电机：输出的力矩一般在50 N m以上，可以带 动较大负载的部件运动。 按定子数 (1)单定子式(2)双定子式(3)三定子式(4)多定子式 按各相绕组分布 (1) 径向分布式步进电机：电机的每一项按照圆周顺序排列 (2) 轴向分布

5、式步进电机：电机的每一项按照轴向顺序排列 3. 1.2.2步进电机的结构 目前，我国使用的步进电机大多为反应式步进电机。反应式步进电机可分为轴向和径向 分相两种形式，见表所述。 图4-2为一个典型的径向分相、单定子式、反应式的步进电机的结构原理图。此步进 电机和普通的电机一•样，由定子和转子两部分组成，定子由定子铁心和定子绕组组成。其中 由电工钢片堆叠挤压形成定子铁心，详细形状见图示。由绕值在定子铁心上的分布均匀的线 圈组成定子绕组，控制绕组由直径的方向上的相对的两齿上的线圈串联构成的，图1的步进 电机可为三相控制绕组，也称 为三相步进电机。其中给任一项绕组通电，就能形成一组定子磁

6、极，磁极方向为图示的NS极。定子磁极上开了 5个齿槽等宽，齿间夹角为9°勺小齿，在转子上没有绕 组，只有分布均匀的40个齿槽等宽、齿间夹角为9°勺小齿，结构上和 磁极上的小齿类似。不同的是定子磁极上的小齿错开了三分之-•齿距的空间位置，见图2。 当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐的时是， B相磁极上的小 齿刚好超前（或滞后）转子齿1/3齿距角，C相磁极上的小齿超前（或滞后）转子齿三分 之二齿距角。 图1单定了径向分相反应式伺服步进电机结构原理图 图2步进电机的齿距 图3是•个五定子、轴向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。图示，在轴向步 进电机的转子和定子分成五段，

7、其中每段都由一相独立的定子绕组、定子铁心和转子，具体 见图3。其中每段定子铁心用硅钢片叠压形成其形状像内 齿轮。转子也是有硅钢片叠压形成的其形状像外齿轮。每段钉子上的齿均匀分布在圆周方向, 各齿间搓开五分之•的齿距，但在转子上的齿彼此间不错位。当对为位于定子铁心环形槽内 的定子绕组通电时就会形成环行绕组，构成如图所示的磁力线。 除上面介绍的两种形式的反应式步进电机之外，常见的步进电机还有永磁式步进电机和 永磁反应式步进电机，它们的结构虽不相同，但工作原理相同。 3.23 步进电机的工作原理 步进电机的工作原理实际上就是电磁铁的工作原理。图 5为一种最简单的 反应式步进电机，卜.面我们

8、就以此为例来说明步进电机的工作原理。 图5中，当直流电通入A相绕组时，由电磁学的原理，在AA的方向上便会产生磁 场，在磁场力的作用下，便会吸引转子，便会使转子上的齿和定子 AA 极上的齿相对齐。但若B相通电，A相断电，于是便会形成新的磁场，新的磁场力便会使转 子上的齿定子BB极上的齿相对齐，于是转子便会以顺时针的方向转过60度的角。所谓的步 距角a为步进电机的绕组每改变一次通断电的状态其转了转过的角度。因此在图5中步进电 机的步距角a为60度。如果控制线路无 限的按L4C* A的顺序控制步进电机绕组的通断电状态，步进电机的转子 便会一直按顺时针的方向转动。若通电顺序为将 A“C“B_

9、A,步进电机的转子 会按逆时针得方向不停地转动。 图3五定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图 图4 一段定子、转子及磁回路 以上所述通电方式为三相三拍的。除此之外还有三相六拍的通电方式，它的通电顺序是： 顺时针为A - AB - B - BC - C - CA - A无限循环；逆时针为A — AC 一 C 一 CB 一 B —BA f无限循环。 当电机以三相六拍的通电方式工作时，当由单一的 A相通电变为A、B相 同时通电时，转子上的磁极将同时受到A相和B相绕组产生的磁场共同作用，在两力的相互作 用下转子磁极便会位于A相和B相磁极之间，此时步距角a为30度。当A相和

10、B相同时通电 变为B相单独通电时，电机如果以三相六拍的方式工作，当A相单独通电变为A、B两相同时通 电时，转子上的磁极便会同时受到A相和V相绕组产生的磁场的同时作用，在两力的相互作用 下转子的磁极便会停留在A、B两相之间，此时步距角a为30度。当A相和B相同时通电变为 B相单独通电时，转子上的磁极将再以顺时针的方向旋转30度与B相磁极对齐。这样依此 类推重复。因此当采用三相六拍得通电方式工作时，可使步距角 图5步进电机I：作原理图 图5（b）所示的步进电机，定了仍然为A , B , C三相，每相为两极，但是转了由原来的 两级变为四级。当A相绕组通电时，1、3两极和A相的两极相对

11、齐，以此类推，当B相通电、 A相断电时，2、4两极和B相的两极对齐。因此，在三相三拍的通电方式中，步距角a为30 度，在三相六拍通电方式中，步距角a为15度。 综上所述，我们可以得到如下的结论： （1） 当步进电机定子绕组改变一次通电状态，转子便会转过一个步距角 a； （2） 步进电机定子绕组的通电顺序改变，转子的旋转方向也会改变； （3） 步进电机的定子绕组通电状态改变的越快，转子转速越快，即通电状态的频率越高， 转子的转速越快： （4） 步进电机步距角a与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关，可用下式 表示： :=36Oo/ mzk 式中m相m拍时，k=l ； m相

12、2m拍时，k=2；依此类推。 对于图1所示的径向分相、单定子式、反应式的步进电机，当在三相三拍通电方式下工作 时，其步距角为 •=360. / mzk ] =3600 / 30 4 1 [=3o 若在三相六拍通电方式下工作，则步距角为 :=36Oo/ mzk = 360« / 30 4 2 =1.5° 3. 1.2.4步进电机的主要特性 （1） 步距角。所谓的步进电机的步距角为电机定子每改变一次通电状态转子转过的角度。 它决定着步进伺服驱动系统的脉冲当量。在数控机床上常见的反应式步进电机的步距角为30 度。步距角越小，机床的控制精度会越高。 （2） 矩角特性、最大静态转矩Mjma

13、x和启动转矩Mq。电机的一个重要特性为矩角特性， 矩角特性反映电机失调角和静态转矩之间的变化关系。 （3） 启动频率fq。启动频率为步进电机乂静止到瞬间启动时， 在保证不丢步 的情况下步进电机所能承受的最高频率。如果启动的时候启动频率不小于瞬跳频率，电机就无 法保证正常的工作。在电机空载状态启动时电机定子通断状态的频率要小于该瞬跳频率。 （4） 无间断运行时的最高频率fmaxo最高频率fmax是指步进电机在持续工 作时在不发生丢步时所能接受的最高频率，电机的速度的调整由最高频率 fmax 决定。电机速度调整的特性是指在电机由静止状态到启动状态和电机由启动状 态到静止状态的过程中定子

14、绕组的通断电状态的频率和实践之间的关系。如果步进电机的瞬跳 频率小于启动频率时，频率的变化速度逐渐上升；当大于启动频率的工作频率时，频率的变化 速度逐渐下降。但逐渐上升和逐渐下降的加速时间和减速时间不太小，否则便会出现失步和超 步现象。这里我们用加速时间的常数Ta和减速的时间常数Td来描述步进电机的升速和降速特 性，如图 6所 示。 图6加减速特性曲线机的最高转 3.1.2.写进电机的选型计算 5 交流伺服的控制系统在许多性能方面都好于步进电机。然而在部分要求不高的场合比如机 床进给运动通常用步进电机来完成进给运动。因此在机床控制系统使用设计过程中需要对控制 系统的要求、控制

15、系统的成本等各方面的因素进行综合的考虑从而选出性价比较高的控制电 机。 （1） 电机与丝杠是通过套筒联轴器直接相连，传动比i=l,则步距角 360、i 360 0.01 i p 0. 9 / step T 6 （2） 移动部件的转动惯量计算 机床移动部件的质量等效到电机轴上转动的惯量 1806 180 汇 0.01 -2 2 2 J =（ p） W =（ ） 30 =12. 17kg cm not n x 0. 9 机床丝杠对轴线转动惯量计算公式如下 J J m r2, S 2 代入数据得 m =0. 2367kg, d = 1. 6cm, 所以 J=1 6.

16、313 1.04 I.62 二o. 75N cm2 2 s 因此总的转动惯量为 J - J J =121. 7 0. 75 =122. 45 N cm, X I （3） 电机所需的转动力矩的计算 电机空载快速启动时所需力矩计算公式如下: 机床最大的切削负载所需力矩的计算公式如下: M =M M Mt f 0 机床快速进给工作时所需的力矩计算公式如下： M =M M f 0 式-l-Ma^-步进电机空载启动等效到电机轴上加速度力矩 厂步进电机等效到电机轴上的摩擦力的矩 o-由电机丝杠的预紧引起的折算到电机轴的附加的摩擦力矩 ,广机床工作时等效到步进电机轴上的加速度的

17、力矩 广机床正常工作时等效到电机轴上得到的切削力矩 电机最高转速nm.,x=500r/min — J n rmx Mamax 10 9. 6T “JL 122. 45x500 , c/ c - 10 = 25. 5N cm 9. 69025 V i 2000 1 n 1 T =500r /min 等效摩擦力的矩计算公式如下所示 M f 当=0. 85, f=0. 15 时，M 0, 15 300 0,4 =3. 37N cm 2 3. 14 0. 85 1 M 坚 8. 5 0.4 （］ _o 957）=o. 56N cm 2 3. 14 0. 85

18、1  M 匕L。 & or 6.37N cm 1 2 二 2 3. 14 0.85 1 因此机床空载情况下快速启动需要的力矩计算如下： M =M M虬代入数据得 nnax f M 二 25. 5 3. 37 0. 56 =29. 43N cm 机床最大的切削负载所需力矩代入数据如下： M 二 M M Mt =3. 37+0. 56+6. 37=10. 3 N cm f 0 机床快速进给工作时所需的力矩代入数据计算如下 M =M M =3. 37+0. 56=3. 93 N cm f 0 显然由上述计算得知：电机所需最大的力矩取在切削工作进行时即 M “0.3Nc

19、m nax 为满足工作要求，电机选用的工作方式为两相四拍, 查表得M/m 0. 866 M -电动机的启动所需力矩 q M -电动机的静载荷力矩 jm 湖3 =73. 6N cm 0.4 0.4 M 73. 6 M 如 q " 84.99N cm 10. 866 0. 866 步进电机运行时的最大频率为 V 2000 一 f JEU 60 0.01 3333. 3Hz 另外，为了防止在机床加工的过程中在某些地方需要停止时而产生的少量滑动从而 影响零件的使用寿命和加工精度，电机需要具备在停机时自锁功能，所以所选电机为混 合式步进电机。另外，步进电机的步距角

20、在理论上说是固定的，但实际上生产上还是有 误差的。另外，负载转矩也将会引起步进电机的定位误差。应将步进电动机的步距误差、 负载引起的定位误差和传动机构的误差都考虑在内，使总的误差小于数控机床允许的定 位误差。 初选步进电动机的型号为42BYG250B-SASS M由表查得该型号电动机的最大静转 矩T =0. 43N m可见，满足要求。 jfiax 3.2主轴设计 3. 2.1主轴设计分析 主轴的相关的组件构成了机床的重要组成部分。主轴的重要组件一般由轴承、主轴、 固定件（如螺母）和传动件（齿轮、带轮）等组成。机床在工作的时候，由主轴带动着 工件（车床）或者刀具直接参加工件表面的成型运

21、动。所以，主轴组件的好坏对机床生产 率和加工性能有着重要的影响。生产中对机床主轴的要求，有着与一般传动轴要求的相似 之处：都要保证在要求的转速的情况F卜.传递要求的转矩，保证轴承和轴上的传动件在正 常工作条件工作。但是在工作中主轴直接带动着刀具或工件进行切削的，主轴组件很大程 度上决定着机床的加工精度。主轴受到刀具切削时所受到的切削力，在机床（含数控机 床）上转速变化范围又很大。因此，我们对主轴组件又有许多特殊要求。 为了提高刚度，主轴的直径应该略微大一些。前轴承到主轴前端的距离我们称为悬 伸。悬伸房应尽量小一些。为了利于装配，主轴应该制成阶 1.3近年来国内外研究现状: 国内：教学型

22、数控铳床作为高校机械类教学数控机床操作的实验与实训，已 经在一些方面达到了一定水平。现在，教学实验型数控铳床能够实现三轴联动控制，具有直线插 补、圆弧插补、点动运行、 MDI运行、自动运行、模拟运行、程序 的动态显示、加工轨迹的动态显示等基本功能，采用 ISO规定的数控加工代码编 程，同一台计算机既是编程系统又是数控系统，可以完成从复杂型面的造型、自动编程、加工模 拟仿真到数控实验、数控机床使用操作培训的全过程。教学实验型数控钦床是科研院所、高校、 尤其是高职学院理想的实验、实训设备。该微型数控饨床的研制和推广，对于改变我国数控技术 人才的培养模式，降低培养成本、缩短培养周期，具有重大的

23、意义。但是，近几年来随着国内外数 控技术的迅速发展，原来的数控统床在硬件和软件方面都暴露出诸多缺点，该机床的重新设计、 改造也迫在眉睫。因此，为r更好的达到教学的目的，需要在原有机床的基础上进行改造和升级。 国外：美、德、日三国是当今世界上在数控机床科研、设计、制造和使用等方面技术最先 进、经验最多的国家。国外对于数控机床的研充要比较早，而且在各个方面都达到了先进的水 平。从数控机床出现至今的 60年，数控机床随科技、 特别是微电子、计算机技术的进步而不断发展。目前，国外对数控机床的研究正朝着高速化、高 精度化、功能复合化、控制智能化、微型化等方面发展，产品的技术创新与自主开发始终走在前

24、列。 当前数控机床正向着高速高效、高精度、高可靠性、复合化、多轴化、智能 化、网结化、柔性化、绿色化的方向发展。 1.4数控铁床加工的特点： 数控切削加工除了包含普通饨床加工优点以外，还具有如下的特点： （0零件加工的范围广，能加工各种形状复杂的零件并且灵活性好。 （2）能够加工普通机床难以加工的零件、加工速度快。 （3 ）在零件一次装夹后能加工零件的多道工序。 （4） 加工的零件精度高质量稳定性好。 （5） 自动化程度高，劳动者的生产强度得以减少。 梯形。 材料的热处理。轴的载荷相对来说不大，引起的应力通常要求远远小于杆强度极 限。因此，强度一般不是我们选材的依据。当主

25、轴的尺寸和几何形状已经确定，材料的 弹性模量决定着主轴的刚度。但各种各样钢材的弹性模量几乎一样。因此，刚度也不是 我们选材的依据。主轴的材料，主要应该根据材料的热处理后的变形、耐磨性选择。普 通钦床的主轴，可用45号获60号优质中碳钢，调质到220-252IIBS左右。对于教学型 数控铢床，不要求有太高的精度和加工难加工材料的刚度，因此主轴做成实阶梯心轴， 材料45#,表面调质处理。 轴结构图 3.2.2 主轴校核 主轴材料选用45钢，调质处理，° b=650MPa 口 s=360MPa P=0. 30 0. 98 0. 98 = 0. 29kw 3. 3. 1 轴受力：转矩

26、 T=R 9. 55 106 =923. 17K mm n pl 铳削力T =a F铢削二5 F铢削二923. 17 2 所以F铢削=184. 6N 需用应力值 用插入法查表得：t J = lOOMPa 0 t 60MPa 匕1 60 应力校正系数 ct= / =0.6 E l=10Q 当量转矩 :T =0.6 923. 17=553. 9N mm 当量弯矩 M = , M 2 (: T) 2 i i m , 927. 17 轴径 d I i =5.35mm 1 =2.0. 1J 0. 1 60 cl 10mm 此饨削力满足工件加工要求

27、 3. 3主轴轴承的选择 对于教学实验型数控铢床的主轴，主轴构造相对简单，主轴所受的力相对较小，精 度和刚度也不是太高。因此，对于主轴轴承的要求也相对比较宽松，乂由于数控锐床主 要载荷为轴向力，所受的径向力可以忽略。 又因为深沟球轴承主要承受径向载荷，也可同时承受少量双向轴向载荷, 工作的时候内外圈轴线允许偏斜8， 16，。摩擦阻力小，极限转速高，结构简单，价格 便宜，应用最广泛。又此种轴承一般不能调整，常用于精度要求和刚度要求不太高的地 方。 根据以上分析，主轴轴承可选用深沟球轴承就可以满足设计的要求。由于实验型数 控铢床的主轴比较细，所选的轴承的型号也相对较小，所选深沟球轴

28、承型号为16002, 其基本尺寸参数如下d=15mm, D=32mm, B=8m基本额定载 荷Cr=5. 9kN,基本额定载荷 C0r=2. 85kN,极限转速脂润滑：20000r/min,极限转速油润滑：30000 r/min °其 结构简图及承载方向如下图所示： 实验型数控铳床所受栽荷 采用上述型号的轴承完全能够满足设计要求 3. 4滚珠丝杠的选择 341滚珠丝杠传动的特点 滚珠丝杠螺母副（以下简称滚珠丝杠副）是一种能让直线运动和回转运动 相互转化 的传动机构，它在数控貌床中已经得到了非常高的应用。结构特点为在有螺旋槽的丝杠 螺母间装着滚珠，使螺母和丝杠之间的运动变为滚动，因

29、而能减小摩擦力。在数控机床 的传动中，经常用于代替滑动丝杠，以提高传动过程的精度。 丝杠螺母副的特点： 1） 在用很小的扭转力矩转动滚珠统杠（或幺幺杠螺母），可使丝杠螺母（或滚珠 丝杠）获得很大的轴向力。 2） 可以得到很大的降速比，使的降速机构大大的简化，传动链能够缩短。 3） 能够得到很大的传动精度。在作为进给机构的时候，还可以作为测量元件来使 用，能够在刻度盘上得到直线位移尺寸，精确值能够达到 0. 0001 mm 4） 传递的效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠的传动效率为0.92~0.94,而一般常规 丝杠螺母副传动效率为0.20'0.40。因此滚珠统杠的传动效率比常规丝杠传动

30、效率提升 了 3~4倍。因此功率损耗只相当于常规丝杠螺母副的 1/3~1/4 • 5） 给予适当的预紧，可消除螺母螺纹和丝杠之间的间隙，这样反向时就可以没 有空程死区，反向定位精度高。与常规丝杠螺母副比较有较高的轴向精度。 6） 没有爬行现象，运动平稳，传动的精度很高。滚珠丝杠上受到的大多是滚动 摩擦力，摩擦阻力较小，这样受到的摩擦阻力几乎和运动件的运动速度完全没有关系， 这样我们就能够保证物运动件运动平稳性运动。滚珠丝杠受到的基本上为滚动摩擦，这 样和一般丝杠螺母副相比不容易有爬行现象，故其传动的精度高。 7） 有可逆性强，因为滚珠丝杠的摩擦系数较小，可以从直线运动变为旋转运 动，也可

31、以从旋转运动变为直线运动。滚珠丝杠和丝杠螺母都可以作为主动件和从动 件。 8）制造的工艺复杂性很高，丝杠螺母和滚珠丝杠等的元件要求加工精度高, 光洁度也要很高，因此它的制作制成本会很高。比如滚珠税杠和丝杠螺母上的螺旋槽之 间滚道，其表面一般都要磨削成型。 9）不能够自锁，尤其垂直方向的税杠，由于存在自重惯性力的，当下降时候传动 被切断以后，不能够立刻停止其运动，故需要常常添加制动的装置。 为了保证滚珠统杠螺母副的轴向刚度和反向旋转精度，我们必须消除其间隙，通常 我们采用双螺母预紧的方法消除轴向间隙。其原理是通过使两螺母产生轴向位移的方法 来消除他们之间间隙并且施加预紧力。常用的方法有垫

32、片调整间隙法、齿差调整间隙法 和螺纹调整间隙法。 在设计滚珠税杠的时候，首先我们要确定它的螺距、名义直径及滚珠直径等。在确 定丝杠的上述参数的时候，我们经常采用的方法是，在防止其疲劳点蚀的情况下，也就 是说滚性丝杠在工作过程中受到轴向负载的时候，在滚道型面和滚珠间使产生接触应力。 在这种交变接触应力下，经过一定的应力循环次数后，就会要使滚珠或滚道型面产生疲 劳剥伤，从而使滚珠副丧失其工作的性能，这是滚球丝杠副的主要破坏形式。 342竖直方向进给系统的设计计算 1.初定参数：系统为开环，电机与丝杠直接由联轴器连接，传动比 i=l，工 作台快进速度要求达到Vmax=2m/min0取电机最高

33、转速nraax=500r/min,则丝杠最高转 速为500 r/min,丝杠基本导程。 1.丝杠的基本导程计算如下： 1°°° L 10002 =4mm/r T = 500 对于进给运动电机，直线脉冲当量r小意味着加工精度相对较高，但是直 线脉冲当量选的越小数控系统就越复杂。一般机床的加工精度在之 0. 002-0. 1mm 间，直线脉冲当量取0. Olmm/step. 3.滚珠丝杠设计的计算 动载荷C的计算公式如下所示： r ' Lh x fa P c —Fm 其中f2 一丝杠的载荷稳定性的系数，取为1.0, fi 一丝杠精度的系数， 取为1.2, F 一丝杠正常工

34、作时的最大等效负载 n L—额定使用的寿命， 工作负载F指的是数控机床正常运行时，作用在丝杠上带动工作台实现进给运动轴 向压力，它可通过进给牵引力的实验公式进行计算： F 二 kF f (F 2F G) ni x z y F 一轴向切削力 X F，一背向切削力 F/—切削力 G-移动的部件的重力 「一导轨之间接触的动摩擦系数 k一颠复力矩对运动影响实验系数 选用燕尾型导轨 查表得 k=l. 4, f =0. 03 在铢削过程中，F =302. 9N, F 0, z x= F =0. 4 F =0.4 302.9 =121. 16N, G=300N X z

35、将以上数据带入到公式中得 F =1.4 0 0. 03 (302. 9 2 121. 16 300)25. 36N n 而额定使用的寿命计算公式如下所示 60 n T 10 式中n一滚珠丝杠的转速(r/min) T—使用寿命(小时) 对于数控机床，通常取n=1250 r/min, T=20000h, 60 1250 20000 代入以上数据得 L 150 0 h 6 10 因此将以上数据代入公式得C =3 1500 1.0 25. 36 -653. 28N V 1.3 查表初步选用的型号为N系列1404-3, 3列即额定动载荷Q=4212N较为合适，这 种丝杠内循环

36、单螺母的滚珠丝杠副。 4预紧力计算 在丝杠副上施加上轴向压力之后，轴向刚度与传动精度可以的到一定程度的改善， 然而丝杠副预紧力不应该太大，太大影响到丝杠副使用寿命。因此在设计时要在满足丝 杠副正常工作所需的寿命和精度的要求下合理选择预紧力的数值。 由经验可知，在丝杠螺母正常情况下预紧滚珠丝杠副，为了保证螺母和丝 杠配合紧密，不会出现间隙，应该令预紧力近似的等于最大轴向力的 1/3左右。 载荷过小，难以保证无间隙的传动；载荷过大，降低传动副的效率和传动副的承载能 力。 预紧力： I】，. F-li ma-r25, 3 8. （3）校核 ① 效率计算： 从《机械原理》中得知，滚珠

37、丝杠螺母副的传动效率 =tg] /tgC ） 式中：-一螺纹升角： R I o 二 arctg arctg 4.67 兀D 14兀 螺纹与螺母间摩擦角; 丝杠副滚动摩擦的系数f =0. 00厂0. 005, 所以摩擦角tan, = 0. 004,进而求得，=0. 17 tg4. 67 代入上述数据得滚珠丝杠效率为 = 0. 956 tg(4. 67 ② 滚珠丝杠螺母副刚度验算 滚珠税杠在数控机床中属于精密传动的元件，它在外加载荷的作用下，会 发生长度的变化比如长度伸长或长度缩短，在外加扭矩 T作用下，丝杠副会发 生扭转变形，因此滚珠丝杠副的螺距会发生变化，进而影

38、响它的传动与定位精 度，所以滚珠丝.杠应校核最大载荷时变形量。 从《材料力学》课本中查得，设滚珠丝杠副在轴向载荷 P作用下引起的一 个螺距t变化量为强「它的计算公式如下所示： 其中：P一轴向工作载荷； t 一滚珠丝杠的螺距； E一弹性模量，对碳钢而言(E=196X 10))； A一滚珠丝杠横截面的面积(由内径确定)； 302. 9 4 4 =1.96 lOjimm 196 10 314 16 " 滚珠税杠副在扭矩T作用下产生的-个螺距变化量 ..: t/计算公式如下所示: .t* t2 (in) 2兀 其中'为在扭矩T作用下，滚珠丝杠副上每一螺距两截面上的相对

39、的扭转 角度得大小； 1•其中，T一扭矩(Nmm), GJe Pt 302.9"4 M 201.81Nmm 2 刖 2 汇 3. 14，尺 0. 956 G—材料的切变的模量，对钢而言， G=80 GPa I p一滚珠丝杠的横截面对轴极惯性矩I己二山/32 （其中d一滚珠丝杠副的内径） 二 >14 =3769. 57mm Mt 201.81 4 = 2. 68 10 6 g/ 80 1 0：<3 7 69. 57 =1.71 X 10 mm （显然变形量忽略不计 :2 3. 14 如果滚珠丝杠副的长度为1040mm,则在整体工作的长度上螺距的变形总的 误差为：

40、 △二皿• £ = 6. 4 10 ~9cm/m 6 查表得丝杠副允许误差A=15 im/m,因此滚珠丝杠副满足刚度要求。 ③ 滚珠税杆受压稳定性验算 该丝杠是一种受轴向载荷的压杆，一旦轴向载荷过大，丝杠就会失去稳定性 而产生压弯。机床上常用的进给丝杠为长柱形。设长柱杆受压失稳时临界载荷为 %由《材料力学》课本中欧拉公式如下所示： 2EI 兀 Fk 2(巧 (Ul) 2 E一丝杠副材料的弹性模量，对钢而言E=2. 1 X 10.5 N / mm2； 4 4 一] 6 I一丝杠横截面的惯性矩，I二主，6 一 2 ") 3215. 36 mm.； 64 64 1—丝杠工

41、作的长度，I=150mni； u一丝杠副轴端的系数，此设计运用两端的向心轴承， u=l 口 一 么 1 10s 3215. 36 5 卜k 一 2 = 1.41 16 N (1 150) 临界压力F与工作压力P之比成为稳定安全因数n ,如果稳定安全因数n大于许 St st 用稳定安全系数nj,则该压杆满足稳定性要求。 E 1 41 乂 10$ nst=「…' =465.5 7.7»[ n *】=4,显然滚珠丝杠满足稳定性要求。 P 302. 9 对于水平方向进给，由于移动的部件重量及其所受力都比褒直方向小，为了简化设 计部件的数量，使机床更加方便拆换，这些方向可选用与竖直方

42、向相同型号丝杠、电机 和轴承及其他零件。 343滚珠丝杠螺母副与步进电机的连接形式 滚珠丝杠螺母副与步进电机的连接有以下几种形式： 1) 与电动机直接连接 2) 通过齿轮连接 （6）生产效率高。 1.5设计方案的可行性分析: 3）通过同步齿形带连接 无论通过何种连接形式，都应消除连接间隙，减小连接件间的同轴度误差，以提高 传动精度和传动刚度。 实验型数控铢床由于体积小、结构相对简单，对传动精度和传动刚度的要求相对较 低。在本次设计中滚珠丝杠螺母副与步进电机的连接采用滚珠丝杠与电动机直接连接的 形式。这种形式相对简单，即直•接通过套筒联轴器将滚珠丝杠和步进电动机连接起来。 电

43、机输出轴和滚珠丝杠端部的直径都相对较小，考虑到实验型数控锭床的传动载荷 不是太大。因此，采用将电机输出轴和滚珠丝杠通过打销锥连接在一起。 3. 5联轴器的选择 联轴器是连接不同部件的两根轴使其共同转动的机械部件。联轴器可分为刚性联轴 器和挠性联轴器。刚性联轴器在工作和装配时要求严格对中；挠性联轴器能补偿两轴间 的轴向位移。 对于本机床主轴与电机的连接，由于电机伸出轴带有键，因此联轴器采用简化的带 键槽的套筒联轴器，键的标准根据电机伸出轴的键来确定。需注意的是电机伸出轴与联 轴器应是间隙配合或是预留间隙，以保证电机不受到主轴轴向力的作用。而主轴与联轴 器为过盈配合，便于电机安装。 因主轴

44、需传递转矩，而电机伸出轴由键连接，所以采用普通平键来传递转 矩。主轴与电机由联轴器直接相连。 3.6导轨的设计和选择 导轨是相对运动部件在运动的接触而上构成的•对滑动副，主要是由机床的支撑部 件（床身，立柱，横梁）和运动部件（主轴箱，刀架）匹配而成。导轨是机床的重要部 件之一，它在很大程度上决定机床的刚度，精度与精度的保持性。 3. 6. 1导轨的作用和设计要求 当沿着承导件作直线运动时，此时导轨起导向和支承的作用，也就是说保证运动件 在受到外力的时候仍能沿给定直线运动并且支撑执行件。导轨应具备一下特性： 1） 具有一定的导向精度。所谓的导向精度指执行件能否沿着导轨作直线运动和 与

45、相关基面间的准确的相互位置关系。 2） 运动的轻便平稳性。在工作的时侯保证轻便省力和速度的均匀，低速运动时 应保证无爬行的现象。 3） 具备一定的耐磨性。所谓的导轨耐摩性指导轨在长期使用时，仍然能保证具 有适当的精度。在使用导轨过程中不可避免的磨损，但要保证使磨损量较小，并且在磨 损后要能自动的修补和调试。 4）要有一定的刚度。运动件所受到的外力施加于导轨上，因此导轨必须保证要有足够刚 度。所以常用加大导轨面得宽度的方法降低导轨面的比压；用添加辅助导轨的方法增加 外载的承受能力。 5） 对温度变化的适应强。确保导轨在温度变化的情况下仍能正常工作。 6） 结构的工艺性要好。在满足其它要

46、求的情况下，保证导轨结构简单，利于加 工、装配和调试确保经济合理。 不同设备的导轨，必须作具体分析，对其提出相应的设计要求。必须指出，上述六 点要求是相互影响的。 362导轨的设计的主要内容 在对导轨的设计应考虑以下几方面内容： 1） 不同的工作条件选择不同的导轨类型。 2） 根据实际情况在保证导向精度的前提下选择不同导轨的形状。 3） 确保在不同的温度和载荷下有良好的耐磨性和足够的刚度的前提下选择 适合的导 轨结构和尺寸，以使运动平稳和轻便。 4） 选择导轨的调整和补偿装置，确保经过长期使用仍能保证需要的导向精度。 5） 选择合理的润滑和防护装置，确保导轨有良好的工作环境以便

47、减少的导轨磨损。 6）制订•些导轨的技术条件，如选择热处理方法、适当的材料、精加工方法和测量 的方法等。 3. 6. 3导轨的结构设计 导轨的基本形式如下表所示。 1）三角形导轨：此导轨的导向性好并且磨损后能自动补偿，精度保持性也较好，但他的 当量摩擦系数较高，因而承载能力较低。 2） 矩形导轨：此导轨的当量摩擦系数较低，刚度高，结构简单，工艺性较好， 便于加工。但此导轨的无法自动补偿需设置间隙调整装置。 3） 燕尾形导轨：此导轨结构紧凑但磨损后也无法自动补偿需设置间隙补偿装 置，适合于结构紧凑受力小的地方。 4） 圆形导轨：此导轨结构简单制造方便，磨损后不能间隙补偿。

48、适合于承受轴 向力的场合。 铳床上的直线运动部件的运动都是沿着它的床身、立柱、横梁等支承件上的导轨进 行的，导轨的作用概括地说是对运动部件起导向和支承作用。在导轨副（如工作台和床 身导轨）中，运动的另一方（如工作台导轨）叫作动导轨，不动的另一方（如床身导轨） 叫做支承导轨。 本次教学实验型数控铳床的设计中由于铳床受力小导轨主要承受轴向 力，因而选用的导轨形式是圆柱形导轨。 圆柱形导轨产品的一个显著优点就是其圆形板可在端部支撑轴，实现横跨相当于轴 直径的12 24倍的间隙的圆形直线轴承设计，运动轴完全通过固定轴的两端进行组建。 无论两点之间的机器表面处于何种情况，无论是否只有一个点，该装置

49、的精密性都不会 受到影响，仅仅取决于端部支撑装置的准确度。此夕卜，如果要通过直线导轨对中一套丝 杠传动系统，只需在一个板上打三个孔，即以两个圆柱形导轨和丝杠轴承的支撑为基准， 这是最容易做到的方法。通过这一设计，在装配过程中无需调节。鉴于微型数控铳床的 特点，初步选择滑动导轨，主要是因为其结构简单，工艺性好，便于保证精度刚度，在 低速均匀性及定位精度要求不高的机床中得到广泛应用。我们采用圆柱形导轨，圆柱形 导轨制作简单，内孔可研磨，与磨削后的外圆可以精密配合。导轨的材料选择高 碳合金钢GCrl5.导轨的轴径选择15mm 安装圆柱形导轨时最后需要考虑的是安装在轴上的非滚珠型聚合物衬套。可采用适

50、 用于铝或其他基底的高性能轴承级材料，以提供良好的载荷能力（相当于滚珠衬套载荷 能力的20%）和一个在0. 05到0. 25范围内的较低摩擦系数在实验型数控铳床的设计中, 采用的衬套为铜套，衬套轴承可在具有能够损伤密封严实的滚珠衬套的微粒的恶劣环境 中平稳运行，也可在受到冲击载荷损伤的滚珠轴承系统下正常工作。另一方面，滚 珠循环噪声可能会成为滚珠衬套或方形导轨轴承中的一个问题，但对于上述衬套轴承却 基本上不是问题。由于接触面分布在一个较大的区域中，无需配有滚珠衬套的硬化钢轴。 第四章总结与展望 通过对该教学实验型数控铢床的方案的拟定、分析，到最后的相关计算和设计， 都达到了预期的效果。一方

51、面，其功能完善、结构开放，具有与一般生产实用型数控 饨床一样的工作原理和工作性能：另一方面，要求其体积小、价格低，以利于此类实 验型铁床的普及推广，来满足高校和高职学院教学实验的要求。 这次设计我首先论证了教学实验型数控铢床在高校教学实验中的重要地位及其应 用状况。然后，我们进行了总体的设计，论证了各种方案的优缺点，从而在大局上能 有一个把握。接着，我们通过比较分析各种设计方案，依据合理性、经济性的设计指 导思想，设计了沿X轴、Y轴两坐标联动的型式结构。采用了在生产中已经非常专业 化的宜.线导轨、步进电机等部件，并且进行了初步的设计。设计过程中，我们能更加 清楚的了解到各个部分之间的相互关系

52、，并对一些机械部件进行了更深入的了解。 另外，这次设计任务较多，时间又比较短，而且也是初次涉及一项产品的严格、 系统化的设计。加上我们缺乏相关的经验，有许多问题刚开始没有考虑到。现在我就 把设计中遇到的几个问题作一个简单的分析总结。 首先，是一个尺寸问题，我们从没有做过产品设计，唯一对制造类产品的感性 认识只是在实习的时候看到的。因为没有受过严格的训练，对尺寸不太敏感。在设计 的时候，每一个零件的参数，尺寸如果要做到尽善尽美，只有-•个可能就是每一个零 件小到-•个螺税钉都要进行严格的演算，查资料。而这个可能几乎不可能的。其次， 我们设计的零件所取得经验参数与指导老师的经验参数相差甚远，这

53、个方面是我们一 大欠缺。这说明我们在实践环节上还是一个弱点，我们要加强这方面的训练。 通过这次毕业设计，加深了我对数控锐床的认识，让我认识到自己的理论基础和 实践经验不足，因此本次设计有不少的不足之处，在以后的工作和学习中，我一定吸 取此次的经验。 所设计的三坐标数控铢床，三个坐标方向的移动均由步进电机带动，主轴电机采用交流电 机，所有电机均由电脑数控装置进行控制。设计主要对数控洗床的机构进行设计，主要有以下 几个方面：X、Y,Z工作台的传动机构设计，主要是滚珠丝杠的运用；机床整体结构的设计，主 轴传动系统设计，多种方案比较了解优缺点，择优选取 本课题原理 可靠，具体方案为用套筒式联轴器

54、连接步进电机与滚珠丝杠，对滚珠丝杠进行一端（两端）支 撑，采用圆形导轨，实现X、丫、Z轴的运动，，这种设计结构简单，安装方便，所需要的仪器 设备、材料都较常用，成本较低。有足以保证该项目完成的科研能力和充分的研发时间，和相 关软硬件的配合支持。 3预期目标： 1. 运动功能的设计。确定X、丫、Z三坐标运动形式（直线运动，回转运动）、功能（主 运动，进给运动和其他运动）和步进电机、主轴电机和滚珠丝杠、轴承、导轨的选 取。 2. 基本参数的设计。包括整体尺寸参数、零件尺寸参数（床身、底座、立柱、工作台、主 轴、夹具），运动参数，动力参数的设计。 3. 传动系统的设计。包括传动方式、传动原

55、理图和传动系统的设计。 4. 总体结构布局的设计。包括总体布局结构形式及总体结构布局方案图的设计 第二章教学型数控铢床设计方案 2. 1数控铁床组成和总体布局 2. 1. 1数控铳床的组成 数控机床的种类繁多， 但从组成一台完整的数控机床上讲， 它由控制 介质、数控装置、伺服系统和机床本体以及辅助设备组成。 （1） 主轴箱包括主轴箱体和主轴传动系统，用于装夹刀具并带动刀具旋转，主 轴转速范围和输出扭矩对加工有直接的影响。 （2） 进给伺服系统由进给电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，包括直线进给运动和旋转运动。 （3） 控制系统数控靴

56、床运动控制的中心，执行数控加工程序控制机床进行加 工。 （4） 辅助装置 如液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护等装置。 （5） 机床基础件通常是指底座、立柱、横梁等，它是整个机床的基础和框架。 2. 1.2数控锐床的常用布局 数控饨床的常用布局形式有卧式铁床和立式饨床。为了减少微型铢床占用空间，减少 机床整体尺寸，并考虑应用的广泛性以及所做项目的实际情况，本设计铢床采用的布局形式 为立式洗床形式，工作台 X、丫轴相互 叠加的十字结构，主轴在 Z轴方向上移动，床身导轨水平放置，这样布局 不仅有利于减少占地面积。总体机床外型尺寸长为 320mm,宽为220mm, 高为400mm,

57、工作台宽180inm,长180mm。 2. 2教学型数控铢床总体传动方案的设计 本机床可以实现X轴、丫轴和Z轴三坐标联动， 采用套筒联轴器连 接步进电机和滚珠丝杠，对滚珠丝杠采用一端支撑，采用圆形导轨，通过 步进电机带动丝杠旋转，后通过丝杠螺母将丝杠的旋转运动转化为轴 X和丫 的水平直线运动和z轴的上卜移动。 教学型数控铳床大致飞维图 教学型数控铳床大致二维图 由于所设计的实验型数控铢床不同于一般实用加工型数控疑床，它主要用来教学实验, 加工材料主要是石蜡或塑料，机床设计手册中没有针对此种材料列出钦削力的计算公式，即 使套用软的材料来估算铢削力，也难免引起大的误差。

58、因此，不能完全按照以前的设计计算 方法来进行设计，必须综合考虑各个方面的因素和在教学中的实际情况，力争做到最优化的 设计。接下来一章就来介绍实验型数控饨床机械部分的主要设计过程。 第三章机械部分设计 3. 1电机的选取 3. 1. 1主电机的选取 3. 1. 1. 1铢削力的计算 长期以来人们已经对钦削加工时的铢削力有了广泛深入的研究。但人们对钦削力的研究 只是针对特定特定加工条件下的特定工件，没有一套应用于各种场合的铢削力计算公式。现 实生活中人们设计的数控的通用机床希望应用性强，能满足各种加工要求，能应用于大多数场 合。因此，在对切削力的计算上，不能不考虑实际情况而用一些依靠纯理

59、论推倒的公式和理 论。但是，此次设计我们可以用切削力的经验计算公式，因为切削力的经验计算公式是人们 在现实生活中积累的，可以满足现实生活中大多数机床的切削力计算，具有很强的实用性。 因此，对于本次设计切削力的计算可采用经验公式，切削力可分解为三个分力：Z向的主 戒削力F以及X、丫 Z 向的铢削分力F、F” X 现假设刀具材料为高速钢，工作材料为铝 （门FOOMP）。 Q Z轴铳削工作时铢削力的计算： 最大锐削直径d.ax=10mm,最小直径dmin = 5mm。 由《实用机床手册》得： 说削功率P F V n 4- 6勺0 铁削力 F 642a a 072a o.sed

60、 «jZK p f v o"~ FZ 锐削力修正系数Mr 高速钢铢刀ro=15,前角系数K|；z =0. 93 主偏角 k =75 Kkh. =1.0 因此匕 K1；z =1 0. 93 1.0 匚打一工件材料的抗拉强度； 气一铳削深度; a,—每齿进给量； a —铢削宽度； d 一铢削直径； O z一说刀齿数， 现取 ar =0.05mm/Z a =4mm Z=2 d。=10mm a =5mm p V n=400r/mi n , 0.72 0.86 0.86 F =642X 4X 0. 05 x 5 X 10 - X 2X 0. 9255=302. 9N

61、7. V =心 n/1000 =3. 14X 10X400/1000=12. 56m/min P =302. 9X 12.56/60000=85. 32W m 6汉10 3, 1, 1,2主电机的选择 选主轴电机时按锭削计算。 因为铳削时最大的铳削力为： 0.72 0.86 0.86 F =642X 4X 0. 05 X 5 X 5 X 2X 0. 9255二549. 86N z V «do n/1000 =3. 14X 5X 1500/1000=23. 55m/min P =549. 86X 23.55/60000=0. 215kW 6 汉 10i 主轴功率 P=

62、 P /O. 88 =0. 25/0. 88=0. 244kW m 所以选电动机为P=300W,型号：57BL-3030H1-LS-B n 3.1-2 步进电机的种类、结构、工作原理及选型计算 步进式伺服驱动系统是典型的开环控制系统。在此伺服驱动系统中，步进电机作为执 行元件。而步进电机受胆动控制系统控制，驱动控制系统通过控制 步进电机电极的通电顺序 和脉冲频率，将电信号转化为具有一定速度、大小和方向的机械转角位移量，后通过传动机 构实现工作台的运动。但由于此驱动系统没不存在反馈检测环节，因此精度较差，速度也受 到步进电机性能的限制。 但它的结构和控制简单、比较容易调整，故在速度和精度要求不太高的场合具有一定的使用