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1、教学型数控铣床的方案分析教学型数控铣床的方案分析1.1.机械结构分析机械结构分析本课题是设计一种数控铣床进给的机构，此机构的工作台可以在X,Y轴两个方向自由移动，由电动机控制，人们只需启动和关闭开关，即可实现病床在任意位置的停止，可以实现将工件移动到指定的位置，为加工提供方便。由于为了进给机构可以实现多种方案，本课题升降装置采用电机驱动滚珠丝杆的方式来带动工作台的平移，现提供以下设计方案：工作台滚滚丝杆联轴器步进电机图 1步进电机驱动滚珠丝杆进给机构方案1此种方案为传统的的进给机构设计方案，此种方案步进电机与滚珠丝杆通过联轴器固结，丝杆螺母装在滚珠丝杆上面，保持滚珠丝杆与工作台通过螺纹连接，这
2、种方法由于滚珠丝杆动，从而带动丝杆螺母转动，从而实现工作台的平移，可以做X、Y 方向的移动，从而实现钻床工作台的快速进给。此种方案结构简洁，造价低廉，定位精准，可靠，符合此次设计的要求，因此此种方案虽然是传统的设计方法，但切合实际，我们优先考虑。横向滚珠丝滚珠螺母滚珠螺母进给机构安装架图 3 进给机构大体布局图机械结构的设计机械结构的设计2.12.1 滚珠丝杠的设计滚珠丝杠的设计（1）传动效率高滚珠丝杠传动系统的传动效率高达 90%98%，为传统的滑动丝杠系统的24 倍，能以较小的扭矩得到较大的推力，亦可由直线运动转为旋转运动（运动可逆）。（2）运动平稳滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，工作中
3、摩擦阻力小、灵敏度高、动时无颤动、低速时无爬行现象，因此可精密地控制微量进给。（3）高精度滚珠丝杠传动系统运动中温升较小，并可预紧消除轴向间隙和对丝杠进行预拉伸以补偿热伸长，因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度。（4）高耐用性钢球滚动接触处均经硬化（HRC5863）处理，并经精密磨削，循环体系过程纯属滚动，相对对磨损甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性。（5）同步性好由于运动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移，用几套相同的滚珠丝杠传动系统同时传动几个相同的部件或装置，可以获得很好的同步效果。（6）高可靠性与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很低，维修保养也较简单，只需进行一般
4、的润滑和防尘。在特殊场合可在无润滑状态下工一般来说滚珠丝杠在工作中应该预紧以提高丝杠的刚度，从而提高传动精度，但在本机械系统中由于丝杠所承受的弯矩很小，所以我觉得没必要进行预紧，所以安装方式是一端固定一端游动的形式。X 轴向的工作台与其上面所安装的机械结构重力约 10N，焊枪在焊接时由于电流作用与工件之间的相互吸引力约2N。2.22.2 滚珠丝杠副丝杠副传动法面截形，循环方式等的确定滚珠丝杠副丝杠副传动法面截形，循环方式等的确定查机械传动设计手册，根据滚珠丝杠副螺纹滚道法面截形、参数和特点的比较选择如下：（1）确定选择螺纹滚道法面截形为单圆弧，参数公式见表 8.2-11，接触角为=45。其特点
5、是：磨削滚道的砂轮成形简便，可得到较高的加工精度。有较高的接触强度，但比值rs/DW小，运行时摩擦损失增大。接触角 随初始间隙和轴向载荷的大小变化，为保证=45o，必须严格控制径向间隙。图示如图 2图 2 单圆弧法面截形（2）单圆弧法面截形要求消除间隙和调整预紧必须采用双螺母结构。（3）根据机床的特点，选用内循环浮动式反向器，其特点是径向尺寸小，循环通道短，摩擦损失小，传动效率高。2.32.3 滚珠丝杠的预紧滚珠丝杠的预紧滚珠丝杠副除了对本身单一方向的传动精度有要求外，对其轴向间隙也有要求，以保证其反向传动的精度。我们通常采用双螺母结构预紧方式（图 3）图 3双螺母结构预紧示意图双螺母预紧的结
6、构通常有三种：1.垫片调隙式(图 4)图 4垫片调隙式调整方法：调整垫片厚度，使螺母产生轴向位移。为便于调整，垫片常制成剖分式。特点：结构简单，装卸方便，刚度高；但调整不便，滚道有磨损时，不能随时消除间隙和预紧。适用于高刚度重载传动。2.螺纹调隙式(图 5)图 5螺纹调隙式调整方式：调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移。特点：结构紧凑，工作可靠，调整方便；但准确性差，且易于松动。用于刚度要求不高或需随时调节预紧力的传动。3.齿差调隙式(图 6)图 6齿差调隙式调整方式：螺母 1、2 的凸缘上有外齿，分别与紧固在螺母座两端的内齿圈 3、4 啮合，其齿数风别为 Z1和 Z2，且 Z2=Z1+1。两
7、个螺母向相同方向同时转动，每转过一个齿，调整轴向位移量为：sPh(Ph导程)。Z1Z2特点：能够精确地调整预紧力，但结构尺寸较大，装配调整比较复杂，宜用于高精度的传动机构。本设计中将采用的是双螺母内循环垫片调整式滚动螺旋副来消除间隙。垫片调整式有结构比较简单，装卸方便，刚度高的特点。2.42.4 滚珠丝杠选取与校核滚珠丝杠选取与校核（1）初始条件本设计的轴向进给长度大于径向进给结构，只校核轴向进给结构用的丝杠如下：由本设计要求可知，估算工作台的重量和安装在工作台上面的电磁夹具给丝杠的平均工作载荷 Fm=4000N，最大轴向行程 420 mm，取用丝杠的工作长度为 672mm，有效滚道长度是 5
8、00mm。两支承间最大距离为：575mm 平均转速100r/m 使用寿命 Lh=15000h,Ra 为 58-62HRC,要求传动精度0.03mm，螺杆材料为：50Mn，高、中频加热,表面淬火。螺母材料为：CrWMn，整体淬火、低温回火。返向器材料为：40Cr，离子渗氮处理螺纹滚道法面截形为半圆弧，螺母采用双螺母垫片式预紧方式。（2）计算载荷（公式摘自 机械零件设计手册 第二版中册滚动螺旋传动设计计算部分，下同）FC KFKHKLKm=1.2114000 4800N（式 1）式中KF为载荷系数，KH为硬度系数，KL为短行程系数。参考机械零件设计手册表 18-18，表 18-19，表 18-20
9、 取KF=1.2，KH=1，KL=1（3）计算额定动载荷计算额定动载荷公式n Lmh（式 2）c Fc31.6710000a其中 nm为平均转速，其中 Lh=15000h，取 nm=100r/min,代入上式后计算得 Ca=21496.42N（4）根据必须的额定动载荷 Ca选择螺旋尺寸根据内循环滚动螺旋副结构，查表 8.2-18机械传动设计手册，使选择规格的螺旋副 Ca接近 Ca或者稍大于 Ca，如下表 1，表 1螺旋尺寸表结合公称直径和公称导程的优先配合，综合考虑选择参数如下：查特征代号确定型号为 FD406-3-3/全长螺纹长度，其尺寸参数如下：额定动载荷Ca 21650N,公称直径d0
10、40 mm,公称导程Ph 6mm,钢球直径Dw 3.969mm圈数列数=13,螺纹升角=2o44,基本额定静载荷Coa=70650N滚道半径 R=0.52Dw=2.064mm偏心距 e=0.707x（R-Dw/2）=0.0562mm丝杠螺纹内径 d1=d02e2R=35.984mm（5）稳定性验算因为丝杠采用一端固定一端铰支的安装方式，查表 18-7机械零件设计手册长度系数 0.7，参照机电一体化系统设计基础表 2-10 取安全系数S=3，因为螺杆较长，丝杠不会发生失稳的最大载荷成为临界载荷 Fcr（N）按下式计算：2EIaFcr=（式 3）2l式中 E 为丝杠材料的弹性模量，对于钢，E=20
11、6GPa；l 为丝杠工作长度（m），l=672mm；Ia为丝杠危险截面轴惯性矩（m4）;3.140.0359Ia=（式 4）6464d144=8.149108m4又 0.7可得：2（3.14）2068.149109108Fcr2（0.7672103）7.480105N7.480105187 S 3（式 5）安全系数 S=Fcr/Fm=4000N丝杠安全,不会失稳.（6）刚度验算按最不利的情况考虑，螺纹螺距因受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起的弹性变形方向是一致的。滚珠丝杠在工作载荷 F(N)和转矩 T(Nm)共同作用下引起每个导程变形量L0(m)为PFP2TL0=（式 6）EA2GJC式 中,
12、A为 丝 杠 截 面 积,A=1/4d14m2;JC为 丝 杠 的 极 惯 性矩,JC=d14/32(m4);G 为丝杠的切变模量,对钢 G=83.3GPa;T（Nm）为转矩。又 T=FmD0tan（式 7）2式中，为摩擦角，其正切值为摩擦系数；Fm为平均工作载荷；可以查出螺旋副运动由旋转运动转化为直线运动时取参数摩擦系数tan=0.0025，又=244,，所以样有下式：T=FmD0tan240 40000.0502471032 4.01933Nmc按最不利的情况计算，F=F有4PF16P2TL0Ed122Gd144 6 4000 1033.14 206 1090.0359216 6 0.00
13、1 6 0.001 4.019333.1428.33 109(0.0359)4 1.812 102m则每米螺纹距离上弹性变形量为L0pL01.812 0.01 mL 3.02（式 8）p6 0.001m而每米螺纹距离上弹性变形量的许用值版中册表 18-17.通常要求丝杠的导程误差L应小于其传动精度的 1/2，即L0见机械零件设计手册第二pL=3.02 m/m1/2(L0)=1/210 m/mp所以丝杠的刚度是完全满足要求的。（7）效率验算tan0.047741 95.01%合格（式 9）tan0.050247综上所校核，该丝杠是符合要求的。同理，径向传动的滚珠丝杠也好似符合要求的。第第 3 3
14、 章章 滚动轴承的选取与计算滚动轴承的选取与计算3.13.1 轴向滚珠丝杠轴和径向滚珠丝杠轴受力分析轴向滚珠丝杠轴和径向滚珠丝杠轴受力分析轴向滚珠丝杠轴和径向滚珠丝杠轴一端受力 如图根据如图选取深沟球轴承 6006求当量载荷 P。FA=309.6N错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。查表 12-5 可得，6306 轴承的 Cr=27kN，C0r=15.2kN；轻微冲击，取 fP=1.1因错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。，查表可得，e=0.21.因错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。，故P1=fp错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。=1834.8NP2=fp错误！未找到引用源
15、。错误！未找到引用源。=2305.8N3.23.2 计算轴承寿命计算轴承寿命 LhLh已知球轴承=3，因工作温度小于 120，取 ft=1。满足寿命要求。另一端受力如图所示，根据图所选取深沟球轴承 6206。3.33.3 求当量载荷求当量载荷 P P错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。查表 12-5 可得，6210 轴承的 C0r=19.8kN，Cr=27kN；轻微冲击，取 fP=1.2 P1=fp错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。=2135.2NP2=fp错误！未错误！未找到引用源。找到引用源。=1277.7N(2)计算轴承寿命 Lh。已知球轴承=3，因工作温度小于 120，取 f
16、t=1。（3）因转速较低，此处还需进行静强度计算查表得 X0=0.6，Y0=0.5，S0=1.2P01=0.6 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。max错误！未错误！未找到引用源。找到引用源。=1779.3NC0r/P01=11.13S0=1.2满足寿命要求。轴向滚珠丝杠副丝杠轴的滚动轴承电机传动部分，初步选择的滚动轴承为 0 基本游隙组，标准精度级的推力球轴承 51206。轴向力Fa447.6 N，e 0.31，Y=1.9，X=0.4载荷支反力 F水平面 HFNH11922.3NFNH2 2594.58N垂直面 VFNV152.19NFNV 2
17、1103.69N则Fr11923N,Fr2 2819NFr11923 506N2Y21.9则Fr22819Fd2 742N2Y21.9Fd1则则Fa1 Fd1 506NFa2 Fd1 Fa 953.6NFa1506 0.263 eFr11923Fa2953.6 0.338 eFr22819则Pr1 Fr11923NPr1 XFr2YFa2 0.428191.9953.6 2939N则Lh106Cr10659000 10 0.84106h Lh60nPr60436.3629393故合格。径向滚珠丝杠副丝杠轴的滚动轴承电机传动部分，初步选择的滚动轴承为 0 基本游隙组，标准精度级的推力球轴承 52
18、207。轴向力Fa197.19 N，e 0.35，Y=1.7，X=0.4载荷支反力 F水平面 HFNH1 651.65NFNH21967N垂直面 VFNV1 216.13NFNV 2 652.38N则Fr1 686.55N,Fr2 2072.4N则Fr1686.55 201.93N2Y21.7Fr22072.4Fd2 609.5N2Y21.7Fd1则Fa1 Fd2 Fa806.69NFa2 Fd2 609.5N则Fa1806.69Fa2609.51.17 e，0.294 eFr1686.55Fr22072.4则Pr1 XFr1YFa1 0.4686.551.7806.691646NPr2 Fr
19、2 2072.4N4 4 步进电机的选取及设计计算步进电机的选取及设计计算步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体化产品中，如：数控铣床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满
20、足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。选择步进电机需要进行以下计算：4
21、.14.1 转动惯量计算转动惯量计算在旋转运动中，物体的转动惯量J 对应于直线运动中的物体质量。要计算系统在加速过程中产生的动态载荷，就必须计算物体的转动惯量 J 和角加速度，然后得惯性力矩TJ。物体的转动惯量为：J r 2 r dV，式中：dV 为体积元，为物体密度，r 为体积元与转轴的距离。单位：kgm2。以园柱体为例：J=W/8(D/1000)2式中：L：长度，mmD：直径，mm转矩 22NM将负载质量换算成电机输出轴上的转动惯量，常见传动机构与公式如下：Jt=J1+（1/i2)(J2+Js）+W/g（S/2)2（1-2）式中 Jt-折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2)J1、J2-齿轮惯量(Kg.cm.s2)Js-丝杆惯量(Kg.cm.s2)W-工作台重量（N）S-丝杆螺距（cm）J1=W(1/2X3.14XBP/1000)XGL2