加工中心工作臺設(shè)計0目錄摘要 .5Abstract .61 緒論 11.1 課題研究背景及意義 11.2 加工中心的基本組成、分類及結(jié)構(gòu)特點 22 設(shè)計方案及結(jié)構(gòu)特點 53 加工中心工作臺的基本參數(shù) 73.1 進行工作臺條件選定 73.2 銑削分析 .73.2.1 銑削抗力分析 .83.2.2 坐標(biāo)軸導(dǎo)軌摩擦力計算 .93.2.3 滾珠絲杠螺母副軸向負載力的計算 .104 橫向進給系統(tǒng) 134.1 橫向進給系統(tǒng)工作原理 .134.2 導(dǎo)軌設(shè)計與選型 134.2.1 導(dǎo)軌概述 .134.2.2 對導(dǎo)軌要求 .144.2.3 對導(dǎo)軌的技術(shù)要求 .144.2.4 滾動直線導(dǎo)軌的選型與計算 .154.3 軸承的選擇與計算 174.3.1 滾珠絲杠螺母副支承方式選擇 .174.3.2 軸承所受的最大軸向載荷 .184.3.3 根據(jù)滾珠絲杠副支承要求選擇軸承型號 .184.4 聯(lián)軸器及傳感器的選擇 204.5 滾珠絲杠螺母副的選型與計算 204.5.1 滾珠絲杠螺母副循環(huán)方式選擇 .204.5.2 滾珠絲杠螺母副的計算 .214.5.3 滾珠絲杠螺母副預(yù)緊方式的選擇以及預(yù)緊力的確定 .2414.6 滾珠絲杠的確定 .265 縱向進給系統(tǒng)設(shè)計 285.1 縱向進給系統(tǒng)工作原理 285.2 導(dǎo)軌設(shè)計與選型 285.3 軸承的選擇與計算 295.3.1 滾珠絲杠螺母副支承方式選擇 .295.3.2 軸承所受的最大軸向載荷 .295.3.3 根據(jù)滾珠絲杠副支承要求選擇軸承型號 .305.4 滾珠絲杠螺母副的選型與計算 315.4.1 滾珠絲杠螺母副循環(huán)方式選擇 .315.4.2 滾珠絲杠螺母副的計算 .325.4.3 滾珠絲杠螺母副預(yù)緊方式的選擇以及預(yù)緊力的確定 .355.5 滾珠絲杠的確定 365.5.1 確定滾珠絲杠螺母副的螺紋長度 Ls365.5.2 滾珠絲杠參數(shù)確定 .376 回轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計 386.1 回轉(zhuǎn)工作臺工作原理及蝸桿材料選擇 386.2 對蝸輪蝸桿力學(xué)分析及電機選擇 386.2.1 對蝸輪蝸桿力學(xué)分析 .386.2.2 電機選擇 .396.3 蝸輪的計算與校核。 406.3.1 按齒面接觸強度確定主要參數(shù) .406.3.2 驗算蝸輪圓周速度 ν2 和相對滑動速度 νs 及總效率 η 416.3.3 驗算蝸輪齒根彎曲強度 .426.3.4 確定蝸輪的主要幾何參數(shù) .436.4 蝸桿的計算與校核 446.4.1 蝸干的基本參數(shù)確定 .446.4.2 驗算蝸干的剛度計算 .446.5 蝸輪蝸桿的參數(shù)確定 46加工中心工作臺設(shè)計26.6 圓周運動導(dǎo)軌的選擇 476.7 回轉(zhuǎn)工作臺傳感器的選擇 47結(jié)論 .49參考文獻： .50致謝 .51外文文獻及譯稿 .52英文文獻 .52中文翻譯 .593立式加工中心工作臺設(shè)計摘 要本文設(shè)計的主要內(nèi)容為立式加工中心直線、回轉(zhuǎn)工作臺，該工作臺承擔(dān)運 動 功能 為 縱 向 （ X） 軸 和 橫 向 （ Y） 兩 個 方 向 的 直 線 移 動 及 一 個 繞 （ Z） 軸 的 轉(zhuǎn) 動 。主要設(shè)計內(nèi)容包括：本設(shè)計首先做總體結(jié)構(gòu)方案的擬定。確定工作臺組成結(jié)構(gòu)，方案擬定為縱向、橫向兩個方向移動的直線工作臺，在縱向直線移動工作臺的導(dǎo)軌上安裝一個繞（Z）軸轉(zhuǎn)動的回轉(zhuǎn)工作臺。其次主要部件概述。這一部分主要描述在工作臺設(shè)計過程中主要設(shè)計的幾個典型部件，如伺服進給系統(tǒng)、工作臺、導(dǎo)軌，陳述選用這幾個部件的原因和對它們的基本要求。第三部分是結(jié)構(gòu)力學(xué)的設(shè)計計算也是本設(shè)計的主要部分。 結(jié)合給定的主要參數(shù)對伺服進給系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)工作臺進行選擇計算并校核，得到必需的幾何參數(shù)，基本確定工作臺的結(jié)構(gòu)尺寸。第四部分為工作臺裝配圖與零件圖的繪制。圖紙可以清楚地表示工作臺及其組成部分的連接、裝配關(guān)系和主要零件結(jié)構(gòu)、大小及技術(shù)要求。 關(guān) 鍵 詞 ：加工中心；工作臺；回轉(zhuǎn)工作臺；滾珠絲杠加工中心工作臺設(shè)計4AbstractIn 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 Screw加工中心工作臺設(shè)計第 0 頁 共 61 頁1 緒 論 1.1 課題研究背景及意義加工中心,簡稱 cnc，是由機械設(shè)備與數(shù)控系統(tǒng)組成的使用于加工復(fù)雜形狀工件的高效率自動化機床。加工中心又叫電腦鑼。加工中心備有刀庫，具有自動換刀功能，是對工件一次裝夾后進行多工序加工的數(shù)控機床。加工中心是高度機電一體化的產(chǎn)品，工件裝夾后，數(shù)控系統(tǒng)能控制機床按不同工序自動選擇、更換刀具、自動對刀、自動改變主軸轉(zhuǎn)速、進給量等，可連續(xù)完成鉆、鏜、銑、鉸，攻絲等多種工序，因而大大減少了工件裝夾時間、測量和機床調(diào)整等輔助工序時間，對加工形狀比較復(fù)雜，精度要求較高，品種更換頻繁的零件具有良好的經(jīng)濟效果，目前加工中心正在向著高速高效、高精度、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和復(fù)合化方向發(fā)展。由于加工中心是典型的集高新技術(shù)于一體的機械加工設(shè)備，其生產(chǎn)效率高、柔性好、一機多用和易于加工復(fù)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(shè)備。 一個國家的加工中心擁有量、消費量及總體技術(shù)水平與這個國家機械工業(yè)的加工制造技術(shù)水平息息相關(guān)。我國的加工中心從二十世紀 70 年代開始，加工中心得到迅速的發(fā)展并逐漸出現(xiàn)了可換主軸箱加工中心，它備有多個可以自動更換的裝有刀具的多軸主軸箱，能對工件同時進行多孔加工，但技術(shù)、品種和數(shù)量上都還遠遠不能適應(yīng)我國的經(jīng)濟、技術(shù)發(fā)展的需要。進入 21 世紀以后，中國加工中心的消費量隨著軍民機械工業(yè)的大規(guī)模技術(shù)改造而迅速增長，如 2001 年中國加工中心的消費量僅為 2662 臺（其中進口 2290 臺），而同年美國、日本和德國的加工中心消費量分別為 11505 臺、6090 臺和 5291 臺。到了 2005 年，中國加工中心的消費量猛增至約 13200 臺（估計值，加工中心的產(chǎn)量數(shù)據(jù)未公布） ，其中進口 10343 臺。2005 年加工中心的消費量是 2001 年的 4.96 倍，年均增幅達 49.2%，一舉超過美、日、德諸國，成為世界上消費加工中心最多的國家。 根據(jù)《機械工人》雜志社等單位的調(diào)查，從近 600 份重點用戶的有效問卷中得出的結(jié)果是，加工中心機床的應(yīng)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)擁有的加工中心中，雖然普及型的立式和臥式加工中心仍占多數(shù)，但多軸聯(lián)動、高速、大型精密等高檔加工中心也占有一定比重，如在所調(diào)查的近 600 戶用戶中，擁有 5 軸聯(lián)動加工中心的占 24%。說明中國市場消費的加工第 1 頁 共 61 頁中心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%。 中國消費的加工中心大部分依靠進口（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，中國進口加工中心 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，說明中國加工中心市場的規(guī)模還有增長空間。1.2 加工中心的基本組成、分類及結(jié)構(gòu)特點 加工中心是一種功能較全的自動化加工機床。它把切削、銑削、鏜削和鉆削等功能集中在一臺設(shè)備上，使其具有多種工藝功能。加工中心自 1958 年由美國卡尼-特雷克公司首先研制成功問世至今世界各國出現(xiàn)了各種類型的加工中心，雖然外形各異，但從總體結(jié)構(gòu)來看主要由以下幾大部分組成。 基礎(chǔ)部件 由床身、立柱、工作臺等組成。它們是加工中心的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，它們不僅要承受加工中心的靜載荷，還要承受切削加工時產(chǎn)生的切削負載，所以要求加工中心的基礎(chǔ)部件必須有足夠的剛度。這些大件可以是鑄鐵件也可以是焊接而成的鋼結(jié)構(gòu)件，它們是加工中心中體積和重量最大，同時也是主要的減震部件。 （2）主軸部件 由主軸伺服電源、主軸電動機、主軸箱、主軸、主軸軸承和傳動軸等零件組成。主軸的啟動、停止、變速等均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并通過裝在主軸上的刀具參與切削運動，是進行切削加工的功率輸出部件。主軸是加工中心的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)的好壞對加工中心的性能有很大的影響，它決定著加工中心的切削性能、動態(tài)剛度、加工精度等。 數(shù)控系統(tǒng) 單臺加工中心的數(shù)控部分由 CNC 裝置、可編程序控制器、伺服驅(qū)動裝置以及電動機等部分組成。CNC 裝置是一種位置控制系統(tǒng)，其控制過程根據(jù)輸入的信息進行數(shù)據(jù)處理、差補運算，獲得理想的運動軌跡信息，然后輸出到執(zhí)行部件，加工出所需要的工件?？删幊绦蚩刂破鳎≒LC）替代一般機床中機床電器柜，執(zhí)行數(shù)控系統(tǒng)指令，控制機床執(zhí)行動作。數(shù)控系統(tǒng)主要功能有：控制功能、進給功能、主軸功能、輔助功能、刀具功能和第二輔助功能、補償功能、字符圖形顯示功能、自動診斷功能、通信功能、人機對話程序編制功能等。數(shù)控系統(tǒng)是加工中心執(zhí)行順序控制功能和完成加工過程的控制中心。 （4）自動換刀系統(tǒng) 該系統(tǒng)是加工中心區(qū)別于其他數(shù)控機床的典型裝置，它解決加工中心工作臺設(shè)計第 2 頁 共 61 頁工件一次裝夾后多工序連續(xù)加工中，工序與工序間的刀具具有自動儲存、選擇、搬運和交換任務(wù)。它由刀庫、機械手、驅(qū)動機構(gòu)等部件組成。 （5）自動托盤交換系統(tǒng) 如今有的加工中心為了實現(xiàn)進一步的無人化運行或進一步縮短非切削時間，采用多個自動交換工作臺方式儲備工件。一個工件安裝在工作臺上加工的同時，另外一個或幾個可交換的工作臺面上裝夾上一些等待加工的工件。當(dāng)完成一個托盤上工件的加工后，便自動交換托盤，進行新零件的加工，這樣可以減少裝夾的等待時間，提高加工效率。 （6）輔助裝置 包括潤滑、冷卻、排泄、防護、液壓、氣動檢測系統(tǒng)等部分。這些裝置雖然不直接參與切削運動，但對加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起著保障作用，因此也是加工中心不可缺少的部分。第 3 頁 共 61 頁加工中心工作臺設(shè)計第 4 頁 共 61 頁2 設(shè) 計 方 案 及 結(jié) 構(gòu) 特 點（1）設(shè)計方案的預(yù)期目標(biāo) 設(shè)計任務(wù)定為立式加工中心工作臺，工作臺承擔(dān)運動功能為縱向（X ）軸和橫向（Y）軸兩個直線方向的移動及一個繞（Z）軸的轉(zhuǎn)動。 （2）設(shè)計方案的可行性及結(jié)構(gòu)特點 立式加工中心是一種備有刀庫并能自動更換刀具對工件進行多工序加工的數(shù)控機床。它是適應(yīng)省力、省時和節(jié)能的時代要求而迅速發(fā)展起來的，它綜合了機械技術(shù)、電子技術(shù)、計算機軟件技術(shù)、氣動技術(shù)、拖動技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、測量及傳感技術(shù)以及通訊診斷、刀具和編程技術(shù)的高科技產(chǎn)品，將數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆床的功能并聚集在一臺加工設(shè)備上，且增設(shè)有自動換刀裝置和刀庫，可在一次安裝工件后，數(shù)控系統(tǒng)控制機床按不同工序自動選擇和更換刀具，自動改變機床主軸轉(zhuǎn)速、進給量和刀具相對工件的運動軌跡及其它輔助功能；依次完成多面和多工序的端平面、孔系、內(nèi)外倒角、環(huán)形槽及攻螺紋等加工。由于加工中心能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測量和調(diào)整時間，減少工件周轉(zhuǎn)、搬運存放時間，使機床的切削利用率高于通用機床 3~4 倍，達 80%以上。所以說，加工中心不僅提高了工件的加工精度，而且是目前數(shù)控機床中生產(chǎn)率和自動化程度最高的綜合性機床。本設(shè)計中，主要設(shè)計立式加工中心的工作臺，工作臺作為加工中心的重要部分，其設(shè)計的優(yōu)劣性對于加工中心的加工性能有很大的影響。加工中心工作臺實現(xiàn)的目標(biāo)是縱向（X）軸和橫向（Y）軸兩個直線方向的移動及一個繞（Z）軸的轉(zhuǎn)動，所以在設(shè)計過程中，必須要把該功能實現(xiàn)。直線進給系統(tǒng)如圖 2-1，橫向進給系統(tǒng)的工作原理和縱向進給系統(tǒng)的工作原理一樣，其中橫向與縱向進給系統(tǒng)只是在工作臺行程和導(dǎo)軌承擔(dān)的額總重不一樣之外，其他的都相同，所以在滾珠絲杠副、軸承、聯(lián)軸器、電機等選擇都以導(dǎo)軌承載最重的方案來選擇。通過計算其中一組，另外一組則可以采用相同的零件，但由于行程不一樣，所以絲杠的長度不一樣。本設(shè)計為了實現(xiàn)一個繞（Z）軸的轉(zhuǎn)動，在直線進給系統(tǒng)中增加一個回轉(zhuǎn)工作臺，該工作臺主要通過電機、聯(lián)軸器、蝸輪蝸桿傳動來實現(xiàn)工作臺的轉(zhuǎn)動，其工作原理如圖 2-2 所示。該系統(tǒng)主要確定蝸輪蝸桿的幾何尺寸以及電機的選擇，該內(nèi)容都在第六章進行計算確定。因此就可以實現(xiàn)預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。第 5 頁 共 61 頁圖 2-1 橫向及縱向進給系統(tǒng)工作簡圖圖 2-2 回轉(zhuǎn)工作臺工作簡圖加工中心工作臺設(shè)計第 6 頁 共 61 頁3 加 工 中 心 工 作 臺 的 基 本 參 數(shù)3.1 進行工作臺條件選定工作臺重量計算：材料：HT200 密度：ρ=7200KG/m3X,Y 直線工作臺： kg1607205.9. ??回轉(zhuǎn)工作臺： 3230???????總質(zhì)量預(yù)算：總重=工作臺+ 工件+滾珠絲杠螺母副 +夾具+導(dǎo)軌=1000kg重量=10000N縱向（X）工作臺行程=750mm 橫向（Y）工作臺行程=500mm工作進給速度為 1~1500mm/min 快速進給速度為 15m/min工作臺導(dǎo)軌選擇滾動導(dǎo)軌，動摩擦因數(shù)取 μ=0.01，靜摩擦因數(shù) μ0=0.01，工作快速進給νmax=15m/min,壽命設(shè)定為 20000h（約工作十年） ，主軸伺服電機暫取 7.5KW，強力切削時銑刀選擇直徑為 Φ125mm，主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為 300r/min表 3-1 數(shù)控機床進給速度與時間比例經(jīng)驗值切削方式 進給速度 m/min 時間比例% 備注強力切削 0.6 10 主電動機滿功率工作一般切削 0.8 30 粗加工精加工切削 1 50 精加工快速進給 15 10 空載3.2 銑削分析采用端銑刀在主軸上進行強力切削下計算，主軸此時具有最大的扭矩，并能傳遞主電機的全部功率，此時銑刀的切削速度為：第 7 頁 共 61 頁m/s （3-96.106325106?????Dn1）式中：ν—銑刀切削速度，單位為 m/min；n—強力切削下主軸轉(zhuǎn)速，單位為 r/min；D—刀具直徑，單位為 mm；3.2.1 銑削抗力分析機床主傳動機械效率 η 一般取 η=0.8，在傳動軸系工作轉(zhuǎn)速的各階段臨界轉(zhuǎn)速范圍之外，當(dāng)取 n≤（0.75~0.8 ）n c1。 銑削運動運動特征：主運動為銑刀繞自身軸線高速旋轉(zhuǎn)，進給運動為工作臺帶動工件在垂直銑刀軸線方向緩慢進給（銑鍵槽時，可使鍵槽銑刀沿軸線進給） 。銑刀的類型很多，多以圓柱銑刀和端銑刀為基本形式。在本設(shè)計中主要以端銑刀銑削方式來進行計算。切向銑削力可按照主電動機功率 Pe（KW）計算，主切削力為N （3-2）2.306196.157803??????EmZPF式中：F Z——切向切削力，單位為 N；η m ——機床主傳動系統(tǒng)的傳動效率，一般取 η m =0.8；ν——機床主軸的計算轉(zhuǎn)速（主軸傳遞全部功率時的最低切削速度） ，單位為 m/s；PE——主電動機滿載功率，單位為 KW。各切削分力的計算：縱向切削分力 F1，橫向切削分力 Fc，垂向切削分力 Fv，單位皆為 N表 3—2 工作臺工作載荷與切削力的經(jīng)驗比值 銑削條件 比值 對稱端銑Fl/FZ 0.3~0.4Fc/FZ 0.85~0.95端銑（a e=(0.4~0.8)d0,af=0.1~0.2) Fv/FZ 0.5~0.55加工中心工作臺設(shè)計第 8 頁 共 61 頁式中：d 0——端銑刀直徑，單位為 mm；ae——每齒進給量，單位為 mm/齒；af——銑削寬度，單位為 mm。則：Fl=（0.3~0.4）F ZFc=（0.85~0.95 ）F ZFv=（0.50~0.55）F Z所以Fl=0.4×3061.22N=1224.49 NFc=0.95×3061.22N=2908.16 NFv=0.55×3061.22N=1683.67 N3.2.2 坐標(biāo)軸導(dǎo)軌摩擦力計算（1）在切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸導(dǎo)軌摩擦力 Fμ的計算? 坐標(biāo)軸導(dǎo)軌水平時，有（3-3））（ cvgfWF???1式中：F v,Fc——主切削力的垂向切力分力和橫向切削分力，單位為 N；W——坐標(biāo)軸上移動部件的全部重量（包括機床夾具和工件的重量） ，單位為 N；μ——摩擦因數(shù)，對于滾動直線導(dǎo)軌， μ=0.01；fg——鑲條緊固力，單位為 N，查表 3—2；表 3—3 鑲條緊固力推薦值主電動機功率/KW導(dǎo)軌形式 2.2 3.7 5.5 7.5 11 15 18滾動直線導(dǎo)軌25 40 75 100 125 150 175由公式（3-3 ）得第 9 頁 共 61 頁Fμ1=0.01×（10000+100+1683.67+2908.16）=146.9 N? 坐標(biāo)軸導(dǎo)軌垂直時，有（3-）（ cvgFfW??21?4）式中：W—— 坐標(biāo)上移動部件和平衡重量的總重量，單位為 N。則由公式（3-4）得 Fμ2 =0.01×（0.5×10000+100+1683.67+2908.16 ）=96.9 N（2）在不切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸導(dǎo)軌摩擦力 Fμ0 的計算?坐標(biāo)軸導(dǎo)軌水平時，有（3-）（ gfW???015）則由公式（3-5）得Fμ01 =0.01×（10000+100）N=101 N?坐標(biāo)軸導(dǎo)軌垂直時，有（3-）（ gfW??210?6）則由公式（3-6）得Fμ02 =0.01×（0.5×10000+100）N=51 N3.2.3 滾珠絲杠螺母副軸向負載力的計算滾珠絲杠螺母副軸向負載力是指滾珠絲杠螺母副在驅(qū)動工作臺時滾珠絲杠所受的軸向力，也稱進給牽引力。（1）最大軸向負載力 Famax的計算滾珠絲杠螺母副的最大軸向負載力 Famax發(fā)生在機床主電機滿功率運行的切削狀態(tài)時。此時，最大的軸向負載力 Famax為? 坐標(biāo)軸導(dǎo)軌水平時（3-1max1???加工中心工作臺設(shè)計第 10 頁 共 61 頁7）則由公式（3-7）得Famax=1224.49+146.9=1371.39 N? 坐標(biāo)軸導(dǎo)軌水平時（3-21max2?F??8）則由公式（3-8）得Famax=1224.49+96.9=1321.39 N（2）最小軸向負載力 Famin的計算滾珠絲杠螺母副的最小軸向負載力 Famin發(fā)生在機床空載運行時，此時，最小的軸向負載力 Famin為? 坐標(biāo)軸導(dǎo)軌水平時（3-9）)f(F01amingW???則由公式（3-9）得Famin1=101 N? 坐標(biāo)軸導(dǎo)軌水平時（3-10）)f21(0amin2g???則由公式（3-10）得Famin2=51 N第 11 頁 共 61 頁加工中心工作臺設(shè)計第 12 頁 共 61 頁4 橫 向 進 給 系 統(tǒng)4.1 橫向進給系統(tǒng)工作原理橫向進給系統(tǒng)主要由電動機，聯(lián)軸器，軸承，滾珠絲杠螺母副，導(dǎo)軌組成。運動順序為，電動機帶動聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)，聯(lián)軸器與滾珠絲杠剛性連接，滾珠絲杠隨聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)，滾珠絲杠螺母隨著滾珠的運動帶動工作臺移動，實現(xiàn)工作臺的進給運動。該進給系統(tǒng)推動橫向?qū)к壱陨系目v向工作臺和回轉(zhuǎn)工作臺在 Y 軸方向進行移動，為工件在 Y軸方向加工進行位置移動。進給系統(tǒng)的進給精度對于工件 Y 軸方向的加工精度有很重要的影響。其中滾珠絲杠在精度控制上影響最大，所以在設(shè)計中應(yīng)注意滾珠絲杠螺母副的移動精度以及剛度等要求。圖4-1 橫向進給系統(tǒng)圖4.2 導(dǎo)軌設(shè)計與選型4.2.1 導(dǎo)軌概述導(dǎo)軌主要用來支撐和引導(dǎo)運動部件沿一定的軌道運動。在導(dǎo)軌副中，運動的一方稱為動導(dǎo)軌，不動的一方稱為支撐導(dǎo)軌。動導(dǎo)軌相對于支撐導(dǎo)軌運動，通常作直線運動和回轉(zhuǎn)運動。第 13 頁 共 61 頁4.2.2 對導(dǎo)軌要求（1） 導(dǎo)向精度:導(dǎo)向精度主要指導(dǎo)軌沿支撐導(dǎo)軌運動的直線度和圓度。（2） 耐磨性好及壽命長（3） 足夠剛度（4） 低速運動的平穩(wěn)性（5） 工藝性好4.2.3 對導(dǎo)軌的技術(shù)要求（1）導(dǎo)軌的精度要求滑動導(dǎo)軌，不管是 V-平型還是平-平型，導(dǎo)軌面的平面度通常取 0.01~0.015mm，長度方向的直線度通常取 0.005~0.01mm；側(cè)導(dǎo)向面的直線度取 0.01~0.015mm，側(cè)導(dǎo)向面之間的平行度去 0.01~0.015mm，側(cè)導(dǎo)向面對導(dǎo)軌地面的垂直度去0.005~0.01mm。鑲剛導(dǎo)軌的平面度必須控制在 0.005~0.01mm 以下，其平行度和垂直度控制在 0.01mm 以下。（2）導(dǎo)軌的熱處理由于數(shù)控機床開動率普遍很高，所以要求導(dǎo)軌具有較高的耐磨性，以提高其精度保持性。為此，導(dǎo)軌大多需要淬火處理。（3）導(dǎo)軌的類型選擇及其特點導(dǎo)軌的分類方法很多，在本次設(shè)計中用到的導(dǎo)軌有直線導(dǎo)軌和圓導(dǎo)軌。直線到導(dǎo)軌的截面形狀選取為三角形，且采用小于 900的夾角，以此提高導(dǎo)向精度。直線滑動導(dǎo)軌的組合形式，也稱雙三角形導(dǎo)軌導(dǎo)軌面同時起支承和導(dǎo)向作用。磨損后可以自動補償，導(dǎo)向精度高。但裝配時要對四個導(dǎo)軌面進行刮研，難度很大。由于過定位，所以制造、檢驗和維修都困難，它適用于精度要求高的機床，所以該導(dǎo)軌適合絲杠車床。（4）直線滑動導(dǎo)軌的選擇原則① 當(dāng)要求導(dǎo)軌具有較大的剛度和承載能力時，用矩形導(dǎo)軌。一般中小型機床導(dǎo)軌常采用三角形-矩形導(dǎo)軌組合。②當(dāng)要求導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度高時，機床常采用三角形導(dǎo)軌。③矩形導(dǎo)軌、圓形導(dǎo)軌工藝性好，制造、檢驗都方便；三角形導(dǎo)軌、燕尾形導(dǎo)軌工藝性差。加工中心工作臺設(shè)計第 14 頁 共 61 頁④ 當(dāng)用要求結(jié)構(gòu)緊湊、高度小及調(diào)整方便的機床時，用燕尾形導(dǎo)軌。4.2.4 滾動直線導(dǎo)軌的選型與計算在本設(shè)計中，機床的精度等級選擇可根據(jù)表 4-1 取表 4-1 各類機床和通用機械推薦的精度等級數(shù)控機床精度等級 車床 銑床 鏜床 磨床 電加工機床 精密充剪機 繪圖機普通機床通用機床2 √ √ √ √ — — — — —3 √ √ √ √ — — √ √ —4 √ √ — — √ √ √ √ √5 — — — — √ √ - — √從表 4-1 的中可以得到，在本設(shè)計中，滾動直線導(dǎo)軌的精度等級選擇為 2 等精度。（1） 結(jié)構(gòu)與優(yōu)點結(jié)構(gòu)：滾動直線導(dǎo)軌副是由導(dǎo)軌、滑塊、鋼球、反相器、保持架、密封端蓋及擋板組成。優(yōu)點：① 導(dǎo)軌的動、靜摩擦系數(shù)差別小，隨動性極好；② 驅(qū)動功率大大降低，只相當(dāng)于普通機械的 1/10；③ 與滑動導(dǎo)軌和滾子導(dǎo)軌相比，摩擦力可下降約 40 倍；④ 適用于高速直線運動運動速度比滑動速度提高約 10 倍；⑤ 可以實現(xiàn)較高的定位精度和重復(fù)定位精度。（2） 選型與計算① 滾動直線導(dǎo)軌選型一般依照導(dǎo)軌的承載量，根據(jù)經(jīng)驗確定導(dǎo)軌規(guī)格，然后計算壽命表 4-2 導(dǎo)軌承載量與導(dǎo)軌規(guī)格對應(yīng)的經(jīng)驗關(guān)系承載量/N 3000 以下 3000~5000 5000~1000010000~2500025000~50000導(dǎo)軌規(guī)格 30 35 45 55 65第 15 頁 共 61 頁（2） 滾動直線導(dǎo)軌計算滾動直線導(dǎo)軌的計算就是計算其距離額定壽命或時間額定壽命。① 距離額定壽命 L 和時間額定壽命 Lhkm6.38267.183.40205503 ????????????????kmFfcwath（4-1）式中：f h——硬度系數(shù)，一般要求滾道的硬度不得低于 58HRC，常取 fh=1；ft——溫度系數(shù)，取表 4-3 得 ft=1.00；fc——接觸系數(shù)，取表 4-4 得 fc=0.81；fa——精度系數(shù)，取表 4-5 得 fa=1.0；fw——載荷系數(shù)，取表 4-6 得 fw=1.3；Ca——額定動載荷，單位為 N；F—— 計算載荷，單位為 N。表 4-3 溫度系數(shù)表 4-4 接觸系數(shù)每根導(dǎo)軌上的滑塊數(shù)1 2 3 4 5fc 1.00 0.81 0.72 0.66 0.61表 4-5 精度系數(shù)精度等級 2 3 4 5fa 1.0 1.0 0.9 0.9工作溫度/℃9055.9N，故滿足要求，則軸承為：7204C/BD。4.4 聯(lián)軸器及傳感器的選擇（1） 聯(lián)軸器的選擇 m1.9503n9ed????NPT剛性聯(lián)軸器，查《機械設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書》表 13.4 取聯(lián)軸器為 GY1，公稱轉(zhuǎn)矩，許用轉(zhuǎn)速 ，符合設(shè)計要求，m19.25n????NT??in/50in/12rr?該選擇符合橫向進給系統(tǒng)，縱向進給系統(tǒng)以及回轉(zhuǎn)工作臺的選擇要求。（2）傳感器選擇現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬別，如何根據(jù)具體的測量目的、測量對象以及測量環(huán) 境 合 理 地 選 用 傳 感 器 ， 是 在 進 行 某 個 量 的 測 量 時 首 先 要 解 決 的 問 題 。 當(dāng) 傳 感 器 確 定之 后 ， 與 之 相 配 套的測量方法和測量設(shè)備也就可以確定了。測量結(jié)果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。在本設(shè)計中選用的是機械式傳感器，該傳感器的輸入量可以是力﹑壓力﹑溫度等物理量，而輸出則為彈性元件本身的彈性形變（或應(yīng)變） 。在自動檢測﹑自動控制技術(shù)中廣泛應(yīng)用的微型探測開關(guān)也被看做是機械式傳感器。這種開關(guān)能把物體的運動﹑位置或尺寸變化，轉(zhuǎn)換為接通﹑斷開信號。在該 Y 進給系統(tǒng)和 X 進給系統(tǒng)中選用這類的微型開關(guān)正合適選擇要求。4.5 滾珠絲杠螺母副的選型與計算4.5.1 滾珠絲杠螺母副循環(huán)方式選擇滾珠絲杠螺母副常用的循環(huán)方式有外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種。外循環(huán)結(jié)構(gòu)制造簡單，使用較廣泛。其缺點是滾到接縫處很難做得平滑，影響滾珠滾動的平穩(wěn)性，甚至發(fā)生卡珠現(xiàn)象，噪音也較大。內(nèi)循環(huán)均采用反向器實現(xiàn)滾珠循環(huán)，反向器分為兩種形式：加工中心工作臺設(shè)計第 20 頁 共 61 頁圓柱凸鍵反向器和扁圓鑲塊反向器。后一種尺寸較小，從而減小了螺母的徑向尺寸并縮短了軸向尺寸，兩種反向器的外廓和螺母的切槽尺寸精度要求高。在本次設(shè)計中采用的是內(nèi)循環(huán)方式。4.5.2 滾珠絲杠螺母副的計算（1）滾珠絲杠精度選擇國家標(biāo)準 GB/T 17587.3-1998 將滾珠絲杠分為定位滾珠絲杠副（P 型）和轉(zhuǎn)動滾珠絲杠螺母副（T 型）兩大類。滾珠絲杠的精度等級為 7 級，即 1、2、3、4、5、7、10級，在本次設(shè)計中，選用的精度為 2 級精度。由于選用半閉環(huán)系統(tǒng)使用的滾珠絲杠則（定位精度-δ k）8.03?PV（定位精度-δ k）ep（2）滾珠絲杠的動載荷計算與直線估計① 確定滾珠絲杠的導(dǎo)程（4-10）m105max0???inVL式中：V max——移動部件的最高移動速度，單位為 mm/min；i——傳動比，當(dāng)滾珠絲杠與電動機直接連接時，i=1；nmax——電動機的最高轉(zhuǎn)速，單位為 r/min。② 滾珠絲杠的當(dāng)量載荷 Fm與當(dāng)量轉(zhuǎn)速 nm計算r/min （4-11）mqnq10.102??N （4-12）3331.mnmF當(dāng)載荷與轉(zhuǎn)速接近正比變化，各種轉(zhuǎn)速使用機會均等時，可采用下列公式計算：r/min （4-13）2inaxnm??N （4-14）3miF式中：F amin——機床空載時滾珠絲杠所受的軸向力，單位為 N；Famax——機床切削時滾珠絲杠所受的切向力，單位為 N；第 21 頁 共 61 頁nmax——滾珠絲杠的最高轉(zhuǎn)速；nmin——滾珠絲杠的最低轉(zhuǎn)速。則由公式（4-11） ， （4-12）可得? ??? ??????k1 min/230150150%8360iim rqNF42215.699.739.7 3 ???當(dāng)切削力的軸向載荷定為力最大軸向載荷 Fmax，快速移動和鉆鏜定位時的軸向載荷定為最小軸向載荷 Fmin。一般切削和精加工切削時，滾珠絲杠螺母副的軸向載荷分為F2=Famin+20%Famax=101+1371.39×0.2=375.29 NF3=Famin+5%Famax=101+1371.39×0.05=169.57 N各種切削方式下，絲杠轉(zhuǎn)速（4-0nLvii?15）當(dāng) ν1=0.6m/min,ν2=0.8m/min,ν3=1m/min,ν4=15m/min 時n1=60r/min,n2=80r/min,n3=100r/min,n4=1500r/min。表 4-7 滾珠絲杠在各種切削方式下軸向載荷，進給速度，及時間比例的數(shù)值切削方式 軸向載荷/N 進給速度/（m/min）時間比例（%）備注強力切削 F1=Famax=1371.39 0.6 10 主電機滿功率一般切削 F2=375.29 0.8 30 粗加工精細切削 F3=169.57 1 50 精加工快速移動 F4=Fmin=101 15 10 快速移動加工中心工作臺設(shè)計第 22 頁 共 61 頁③ 確定預(yù)期額定動載荷 Cam根據(jù)滾動絲杠螺母副的預(yù)期工作時間 Lh（h）計算（4-16）caw3amf10n6mhF?式中：n m——滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速，單位為 r/min；Lh——數(shù)控機床預(yù)期工作時間 h,Lh=20000h；Fm——滾珠絲杠的當(dāng)量載荷，單位為 N；fw——載荷性質(zhì)系數(shù)， fw=1.3；fa——精度系數(shù)，f a=1；f——可靠性系數(shù)，f c=1。則由公式（4-16）可得 NC2.348710.22360am????根據(jù)滾珠絲杠螺母副預(yù)期運行距離 Ls（KM）計算（4-17）30cawmfF式中：L s——數(shù)控機床的預(yù)期運行距離（KM 計算）則由公式（4-17）可得NC1560213.4am???對于有預(yù)加載荷的滾珠絲杠螺母副，需要根據(jù)最大軸向載荷 Fmax（4-18）maxafFe式中：f e——預(yù)加載荷系數(shù)，f e=4.5；則由公式（4-18）可得Cam=4.5×1371.39=6171.26N根據(jù)以上三種預(yù)算中最大值，則 Cam=6171.26N④ 根據(jù)位置精度要求確定滾珠絲杠螺母副允許的最小螺紋底經(jīng) d2m第 23 頁 共 61 頁估算滾珠絲杠螺母副允許的最大軸向變形量 δ max，暫定工作時的定位精度為30μm，重復(fù)定位精度 10μmδmax=（1/3~1/2）重復(fù)定位精度 μmδmax=（1/5~1/4 ）定位精度 μ m則 δmax=（1/3~1/2 ）×10=（3.33~5）μmδmax=（1/3~1/2 ）×30=（6~7.5）μm在計算結(jié)果取最小值3.3μm，最大軸向變形量 δ max（μm ）⑤估算滾珠絲杠螺母副螺紋的底經(jīng) d2mL=行程 +安全行程+余程+螺母長度+支撐長度≈（1.2~1.4）行程+（20~30 ）L 0=1.3×500+30×10=950mm當(dāng)滾珠絲杠螺母副的安裝方式為兩端固定時（4-19）m39.ax02?Fdm?式中：E——彈性模量，單位 MPa,一般取2.1×10 5MPa；δmax——最大軸向變形量，單位為 μm；L——滾珠絲杠螺母副兩個固定支承之間的距離，單位為 mm；F0——導(dǎo)軌靜摩擦力，單位為 N。則由公式（4-19）可得 mdm6.3.95010.2 ???據(jù)基本導(dǎo)程 L0，預(yù)期額定動載荷和滾珠絲杠的螺紋底徑 d2m,d2≥d2m,Ca≥Cam,且 d2適當(dāng)大。得，d 2=27.3mm,Ca=40kN,型號 FF3210-5，符合要求。4.5.3 滾珠絲杠螺母副預(yù)緊方式的選擇以及預(yù)緊力的確定（1） 滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊方式選擇