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畢業(yè)設計(論文)
課題名稱 龍門加工中心Z軸與Y軸進給運動機構設計
系 別
專 業(yè)
班 級
學 號
姓 名
指導教師
教研室主任
系 主 任
年 月 日
摘 要
本文全面闡述了龍門加工中心的結構原理，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。詳細介紹了龍門加工中心的結構設計及校核，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，為了彌補這些不足，龍門龍門加工中心便應運而生,大大提高了零件的精度和效率，降低生產成本，因此龍門加工中心Z軸與Y軸進給運動機構設計成為當前數(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、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：龍門加工中心，數(shù)控，伺服電機，滾珠絲杠
Abstract
This paper describes the principles of a comprehensive structure of gantry machining center, design features, discusses the advantages of using servo motor and ball screw nut pairs. Details of the design and verification of the machining center, and analyzed. Also summarizes the technical parameters.
High-speed, high efficiency and high rigidity has become the main direction of development of today's CNC machine tools, in order to remedy these shortcomings, gantry machining center will come into being, greatly improving the accuracy and efficiency of parts, reduce production costs, and therefore the goal machining centers Z axis and Y-axis feed motion mechanism designed to be one of the objects of the current focus on the CNC machine tool industry.
Which focuses on the principle and the principle of selection of ball screw, ball screw system to production, application and other aspects were introduced. Including species selection, parameter selection, accuracy of selection, mode selection cycle, the principle of matching the host and select manufacturers and the like.
Keywords: gantry machining centers, CNC, servo motor, ball screw
29
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 龍門加工中心的基本原理 2
1.3 課題研究的目的和意義 4
第2章 設計的內容及要求 5
2.1課題的主要內容和基本要求 5
2.2 設計的內容 5
2.2.1 數(shù)控裝置總體方案的確定 5
2.2.2 機械部分的設計 5
2.2.3 編寫設計說明書 6
2.3 機床主要部件及運動方式的選定 6
第3章 Z向進給伺服進給結構設計 8
3.1 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 8
3.1.1 最大工作載荷的計算 8
3.1.2 最大動載荷的計算 8
3.1.3 滾珠絲杠螺母副的選型 9
3.1.4 滾珠絲杠副的支承方式 9
3.1.5 傳動效率的計算 9
3.1.6 剛度的驗算 9
3.1.7 穩(wěn)定性校核 10
3.1.8 臨界轉速的驗證 10
3.2 步進直線電機的計算和選用 11
3.2.1 轉動慣量的計算 11
3.2.2 電機力矩的計算 12
3.3 步進直線電機的選擇 14
第4章 Y向進給機構設計計算 16
4.1 滾珠絲杠的選擇 16
4.1.1 滾珠絲杠的精度 16
4.2 伺服電機的選擇 20
4.2.1 最大負載轉矩的計算 20
4.2.2 負載慣量的計算 20
4.2.3 空載加速轉矩計算 22
4.2.4 軸向間隙的調整和加預緊力的方法 22
4.3 導軌副的計算、選擇 24
4.4 聯(lián)軸器的選擇 25
4.5 軸承的選擇 26
總結 27
參考文獻 28
致 謝 29
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)機床產生了質的變化。近半個世紀以來，數(shù)控系統(tǒng)經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。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 龍門加工中心的基本原理
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)制造產業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產品，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品迅速更新?lián)Q代，小批量，多品種生產方面，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?；聿捎靡惑w型的結構，以提高機床的整體剛性。
1.3 課題研究的目的和意義
我國近幾年龍門加工中心進給機構雖然發(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，產品開發(fā)周期長，應變能力差。
針對傳統(tǒng)龍門加工中心進給機構的不足之處及生產中存在的問題，有必要在傳統(tǒng)機床的基礎上研究出新型龍門加工中心進給機構。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，從而提高產品質量和生產效率，實現(xiàn)自動化，降低勞動強度及工作量。
龍門加工中心進給機構的發(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，龍門加工中心進給機構的開發(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，進行龍門加工中心進給機構的設計，使其能夠實現(xiàn)更好的工業(yè)生產自動化。
本課題對龍門加工中心進給機構部件進行了設計，研究龍門加工中心的結構，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龍門加工中心，機床主要設計參數(shù)下表所示：
完成該題目已具備的條件：可參考無錫橋聯(lián)數(shù)控生產的五軸龍門加工中心QLM27000-5x，依據(jù)該機床的基本參數(shù)進行設計。
具體參數(shù)
X軸行程------------------------------------------------------1000mm
Y軸行程------------------------------------------------------1000mm
Z軸行程-------------------------------------------------------500mm
主軸端面距工作臺面距離-------------------------------------300-800mm
快進速度（X、Y、Z?軸）---------------------------------------40m/min
工進速度（X、Y、Z?軸）---------------------------------------20m/min
加速度---------------------------------------------------------6m/s2
定位精度（X、Y、Z）------------------------------------------0.015mm
重復定位精度（X、Y、Z）---------------------------------------0.01mm
最小分辨率（X、Y、Z）---------------------------------------0.0001mm
機床電源----------------------------------------------AC3×380V三相50Hz
機床外形尺寸---------------------------------2800×3500×3200mm
2.2 設計的內容
2.2.1 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。
2.2.2 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。
2.2.3 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。
2.3 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 Z向進給伺服進給結構設計
3.1 滾珠絲杠螺母副的計算和選型
3.1.1 最大工作載荷的計算
Z軸行程為500mm，已知重力（N），為直線導軌，查表3-1，最大工作載荷的計算如下：
= (3.1)
式中： —為考慮顛覆力矩影響時的實驗系數(shù)，取1.4；
—為滑動導軌摩擦系數(shù)，取0.2。
3.1.2 最大動載荷的計算
(3.2)
(3.3)
(3.4)
式中：—滾珠絲杠副的壽命系數(shù)，單位為r；
—絲杠壽命，取15000；
—載荷系數(shù)，一般取1.2；
—硬度系數(shù)取1；
—橫向絲杠副最大工作載荷，其值為2459.6；
—橫向滾珠絲杠導程，初選為。
—橫向最大工進速度，該設計值為；
—橫向最大工進速度對應絲杠的轉度，單位。
計算得出得 ：=12278.8。
3.1.3 滾珠絲杠螺母副的選型
根據(jù)計算出的最大動載荷,選擇江蘇啟東潤澤機床附件有限公司生產的FL3205-3型內循環(huán)式滾珠絲杠副，采用雙螺母方式預緊，精度等級為3級，其參數(shù)如表3-1所示。
表3-1 FL3205-3型滾珠絲杠相關參數(shù)
公稱直徑/
導程/
鋼球直徑/
絲杠外徑/
絲杠底徑/
額定載荷/
接觸剛度
/
1453
32
5
3.5
19
16.5
32.8
14
3.1.4 滾珠絲杠副的支承方式
考慮到橫向滾珠絲杠副的長度、精度與負載的大小以及改造成本，采用雙推-單推支承方式，該方式軸向剛度高，位移精度好，可以進行預拉伸。
3.1.5 傳動效率的計算
= (3.5)
式中：—螺距升角，根據(jù),可得=2°28′；
—摩擦角，一般取=10′。
算得： ==95.67% (3.6)
3.1.6 剛度的驗算
=（“+”號代表拉伸，“-”代表壓縮）
式中：—絲杠的最大工作載荷，單位為；
—絲杠縱向最大有效行程，單位為；
—絲杠材料的彈性模量，鋼；
—絲杠的橫截面面積，單位按絲杠螺紋的底徑確定。
根據(jù)設計，為2459.6N，為420，為36.5，算得：
==±0.0047 (3.7)
=±4.7
查表3-3可知，,所以剛度足夠。
3.1.7 穩(wěn)定性校核
= (3.8)
式中：—絲杠支承系數(shù)，由表3-4得出單推-單推時，取1；
—滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5～4，本設計取4；
—滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為，本設計中該值為500；
—按絲杠底徑確定的截面慣性矩，（，單位為）本設中將代入算出=87080。
由以上數(shù)據(jù)可以算出：== (3.9)
臨界載荷遠大于工作載荷（2459.6N），故絲杠不會失穩(wěn)。
3.1.8 臨界轉速的驗證
(3.10)
式中：—絲杠支承系數(shù)，單推-單推方式時，由表3-5可得該值為12.1；
—臨界轉速計算長度，單位為，本設計中該值約為720；
—絲杠內徑，單位；
—安全系數(shù)，可取=0.8
經過計算，得出=5321，由已知，可以算出，該值小于絲杠臨界轉速，所以滿足要求。
3.2 步進直線電機的計算和選用
3.2.1 轉動慣量的計算
（1）軸、絲杠等圓柱體慣量計算（）
(3.11)
對于鋼材：
(3.12)
式中：
M—圓柱體質量（）
D—圓柱體直徑（）
L—圓柱體長度（）
—鋼材的密度
對于齒輪：D可取分度圓直徑，L取齒輪寬度；
對于絲杠：D可近似取絲杠公稱直徑—滾珠直徑，L取絲杠長度。
具體計算如下：
(3.13)
（2）絲杠傳動時折算到電機軸上的總傳動慣量
步進直線電機到絲杠，此傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的轉動慣量為：
(3.14)
式中：
具體計算如下：
(3.15)
3.2.2 電機力矩的計算
電機的負載力矩在各種工況下是不同的，下面分快速空載起動時所需力矩、快速進給時所需力矩、最大切削負載時所需力矩等幾部分介紹其計算方法。
（1） 快速空載起動時所需力矩
式中：
（2） 快速進給時所需力矩
因此對運動部件已起動，固不包含，顯然。
（3）最大切削負載時所需力矩
式中：
在采用絲杠螺母副傳動時，上述各種力矩可用下式計算
(3.16)
式中：
摩擦力矩
式中：
附加摩擦力矩
(3.17)
式中：
折算到電機軸上的切削負載力矩
式中：
具體計算：
橫向： (3.18)
(3.19)
3.3 步進直線電機的選擇
目前，經濟型數(shù)控中大多數(shù)采用反應式步進直線電機。
1. 首先根據(jù)最大靜轉距
從表中查出，當步進直線電機為三相六拍時，
(3.20)
縱向： (3.21)
按此最大靜轉矩產步進直線電機型號表（三相）可查出，110BYG3500型最大靜轉矩轉矩為8N.m，大于所需靜轉矩，可作為初選型號。但必須進一步考核步進直線電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。
步進直線電機起動頻率 Hz (3.22)
最高工作頻率 Hz (3.23)
從電機表中查出，110BYG3500型步進直線電機的空載起動頻率為1600Hz，運行頻率為30000Hz，滿足要求。
橫向： (3.24)
按此最大靜轉矩產步進直線電機型號表（三相）可查出，90BYGH3502型最大靜轉矩轉矩為5N.m，大于所需靜轉矩，可作為初選型號。
第4章 Y向進給機構設計計算
4.1 滾珠絲杠的選擇
4.1.1 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，Y軸行程1000mm
4.1.2 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。設最大進給力=5000N，導軌上面移動部件的重量約為500㎏，導軌的摩擦系數(shù)為0.04，故絲杠的最小載荷（即摩擦力）
（N） (4.1)
絲杠最大載荷是：
5000＋196＝5196（N） (4.2)
平均載荷是：
=×=≈3529（N） (4.3)
（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） (4.4)
當量動載荷值： (4.5)
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） (4.6)
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FF4010-5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40mm，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4.1 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）
40
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)
39.5
絲杠底徑(mm)
34.3
螺桿接觸直徑(mm)
32.87
（3）傳動效率的計算
將公稱直徑=40mm，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
(4.7)
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=720mm，鋼的彈性模量E=,由表2.1中可知，滾珠直徑=7.144mm，絲杠底徑=34.3mm，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—400mm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
(4.8)
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 ：
(4.9)
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FF4010-5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。
4.2 伺服電機的選擇
4.2.1 最大負載轉矩的計算
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
(4.10)
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） (4.11)
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。
4.2.2 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
(㎏·㎡) (4.12)
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：
(4.13)
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4.2 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
4.2.3 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，
(4.14)
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)
4.2.4 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生軸向位移，以達到消除間隙和產生預緊力的目的。
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
（3）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
4.3 導軌副的計算、選擇
根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計算導軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般運行狀況)，3.0~5.0（運動時受沖擊、振動）。根據(jù)計算結果查有關資料初選導軌：
因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取
根據(jù)計算額定靜載荷初選導軌:
選擇漢機江機床廠HJG-D系列滾動直線導軌,其型號為:HJG-D25
基本參數(shù)如下:
表4.3 額定靜載荷初選導軌
額定載荷/N
靜態(tài)力矩/N*M
滑座重量
導軌重量
導軌長度
動載荷
靜載荷
L
(mm)
17500
26000
198
198
288
0.60
3.1
760
滑座個數(shù)
單向行程長度
每分鐘往復次數(shù)
M
4
0.6
4
導軌的額定動載荷N
依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導軌的基本動額定載荷 (kN)驗算導軌的工作壽命Ln：
額定行程長度壽命:
導軌的額定工作時間壽命:
導軌的工作壽命足夠.
4.4 聯(lián)軸器的選擇
金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器是由各種片狀、圓柱狀、卷板狀等形狀的金屬彈簧，利用金屬彈簧的弱性變形以達到補償兩軸相對偏移 和減振、緩沖功能，構成不同結構、性能的撓性聯(lián)軸器。金屬彈性元件比非金屬彈性元件強度高，使用壽命長，傳遞載荷能力大，,適用于高溫工況，彈性模最大且穩(wěn)定。
如圖3.5所示膜片聯(lián)軸器是由幾組膜片（不銹鋼薄板）用螺栓交錯地與兩半聯(lián)軸器聯(lián)接，每組膜片由數(shù)片疊集而成，膜片分為連桿式和不同形狀的整片式。膜片聯(lián)軸呂靠膜片的彈性變形來補償報聯(lián)兩軸的相對位移，是一種高性能的金屬弱性元件撓性聯(lián)軸器，結構較緊湊，強度高，不用潤滑，使用壽命長，無旋轉間隙，不受溫度和油污影響，具有耐酸、耐堿、防腐蝕的特點，適用于高速、高溫、有腐蝕介質工況環(huán)境的軸系傳動，廣泛用于各種機械裝置的軸系傳動 。
圖4.7 DJM5金屬膜片撓性聯(lián)軸器
4.5 軸承的選擇
滾珠絲杠中經常使用的滾動軸承有以下兩類。
（1）接觸角為的角接觸球軸承
這是目前國內外廣泛采用的滾珠絲杠軸承，這種軸承可以組合配置。一種為面對面方式，另一種為背靠背組合方式。這兩種方式都可承受雙向軸向推力，還有一種是通向組合方式，其承受能力較高，但只承受一個方向的軸向力，同向組合時的額定動載荷等于單個軸承的乘下列系數(shù)：2個為1.40;3個為2.16；4個為2.64。由于螺母與絲杠的同軸度在制造安裝的過程中難免有誤差，而且采用面對面組合方式時兩接觸線與軸線交點間的距離a比背對背的小，故容易實現(xiàn)自動調整。因此在進給傳動中面對面組合用的較多。
（2）滾針—推力圓柱滾子組合軸承
外圈與箱體固定不轉，內圈和隔套內圈隨軸轉動，滾針承受徑向載荷，圓柱滾子分別承受兩個方向的軸向載荷，修磨隔套內圈的寬度可調整軸承的軸向預緊量。
本次設計選用角接觸球軸承，根據(jù)軸的直徑選用型號為表3.3中的7009 GB/T 292—1994。
表4.4 角接觸球軸承
總結
在這幾個月的畢業(yè)設計的過程中，我認真分析了指導老師提供的基本設計數(shù)據(jù)和要求，之后在查閱了大量工具書和期刊資料；對現(xiàn)在我國的龍門加工中心進給機構總體趨勢進行分析，在網(wǎng)上和圖書館搜集了大量的第一手的資料，首先初步確定了本次設計的基本方案，然后設計出了具體的方案。
數(shù)控機床對伺服系統(tǒng)的設計基本要求為：定位精度高，跟蹤指令信號的響應要快；系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。反應在伺服系統(tǒng)性能指標上，即穩(wěn)定性、精度和快速響應特性。為滿足這些要求，機械傳動結構的設計中用盡量采用低摩擦傳動副，如滾動導軌、靜壓導軌、貼塑導軌、滾珠絲杠等，以減少摩擦力； 數(shù)控技術的發(fā)展必定是未來制造業(yè)的發(fā)展方向，數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)由各坐標的驅動電動機控制單元、機械傳動部件、執(zhí)行件和控制反饋環(huán)節(jié)組成，顯然伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的關鍵環(huán)節(jié)。通過選用最佳降速比來降低慣量；采用預緊的辦法提高傳動剛度；用消除的辦法減少反向死區(qū)誤差等，其中最重要的是提高傳動剛度和降低慣量。采用預緊消除間隙提高傳動剛度，不僅不需要增大尺寸和慣量，而且也是傳動剛度接近常數(shù)，這是伺服進給系統(tǒng)機械結構設計中的突出特點。
伺服系統(tǒng)采用了步進電機通過彈性聯(lián)軸器直接與滾珠絲杠連接驅動絲杠傳動，而且其軸承采用的是角接觸軸承保證其主軸不竄動，采用一個深溝來保證其徑向的圓跳動。在設計中我們兼顧經濟性，考慮滿足精度的要求，因此對于設備及元件的選擇都要求具有高精度，因此設計的成本較高。
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致 謝
本論文是在導師XXX的悉心指導下完成的，在這次設計中得到了很多老師和同學的熱心幫助，在這里我要一一向他們表示感謝。首先我要感謝我們的指導老師教授。從畢業(yè)設計開始到期末答辯，老師一直嚴格要求我們，為我們安排了理合的作息時間，避免了由于作息時間無序而出現(xiàn)的懶散現(xiàn)象的發(fā)生。為了能使我們按時勝利的完成畢業(yè)設計任務，XX老師多次帶領我們小組的同學實地參觀數(shù)控龍門加工中心，加深了我們對數(shù)控機床的理性認識。有的同學設計的課題可查閱的相關資料較少，老師親就親自通過不同途徑為這些同學找到相關的資料，保證了這些同學的進度。正是在老師有效的指導下，使得我們小組每個同學的進度都達到了學院的要求。我很欣賞老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，敬佩他的為人；感謝他對我們的耐心指導。我相信他對我的教誨一定會使我終身受益。
其次我要感謝我們小組的所有同學，在設計過程中他們給了我無私的幫助。特別是李建同學，他勤奮、樂于助人而又富有知識。在許多方面都走在我們的前面，讓我覺得他就好比是身邊的一本手冊，隨時都能解決我在設計中遇到的困惑。
再次我要感謝機自實驗室的所有老師以及曾在數(shù)控機床操作方面給予我們幫助的學長們。感謝他們?yōu)槲覀兲峁┝水厴I(yè)設計的場所以及無私的幫助