三軸數(shù)控工作臺運動機構設計

1、三軸數(shù)控工作臺運動機構設計The Design of Three-Axis Motion Mechanism設計任務書班 級 學生姓名 學 號 發(fā)題日期： 完成日期： 題 目 三軸數(shù)控工作臺運動機構方案設計 1、本論文的目的、意義三軸運動機構在現(xiàn)實的加工制造業(yè)中有著重要的意義，通過該畢業(yè)設計，可以提高學生對三維數(shù)控平臺的認識、銑床結構的設計能力。隨著科學技術的發(fā)展，數(shù)控加工技術在現(xiàn)在制造業(yè)中的地位也日益上升。數(shù)控銑的運用也越來越廣泛。在使用過程中，銑床的結構類型也在不斷的更新，不斷的有結構形式出現(xiàn)，新結構的出現(xiàn)也由于氣結構的優(yōu)越性逐步取代過時的結構。通過本畢業(yè)設計，掌握三維數(shù)控平臺的各零件的結

2、構、功能，并能對銑床整體結構提出一種設計方案。特別是培養(yǎng)學生解決工程設計問題的能力，接受工程實際訓練。本論文工作具有重要的現(xiàn)實意義。 2、學生應完成的任務 （1）運動方案設計： （2）根據(jù)需求，完成標準件的選型： （3）完成非標準件的設計： （4）繪制結構圖紙，撰寫說明書。 3、論文各部分內(nèi)容及時間分配：（共 12 周）第一部分 集資料與整理 ( 2周) 第二部分三軸運動機構標準件的選型計算 ( 2周) 第三部分 非標準件的設計 ( 2周)第四部分整體結構的設計與裝配圖的繪制 ( 4周) 第五部分 撰寫說明書 ( 1周)評閱及答辯 ( 1周)備 注 指導教師： 年 月 日審 批 人： 年 月

3、日摘要 三軸運動機構，是一個能在三個方向上運動的機構。它作為一個典型的機構，在現(xiàn)實的加工制造業(yè)中有著重要的意義，并且廣泛地應用于企業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療、軍事等領域。在當今工業(yè)科技迅猛發(fā)展的時代，隨著數(shù)控加工技術越發(fā)成熟，數(shù)控銑削技術也得到了極大的發(fā)展，各種各樣的數(shù)控銑床被應用到實際的制造加工過程中，而數(shù)控工作臺是數(shù)控銑床很重要的一個部分，它直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。本論文以簡單的三軸數(shù)控工作臺為例子，對銑床整體結構提出一種設計方案，并運用二維繪圖軟件AutoCAD，繪制銑床非標準件的零件圖，并完成銑床整體結構的裝配圖。本文通過已知的三軸運動機構的設計參數(shù)，計算出在銑削過程加工中X、Y方向所需要的進給力，

4、以及Z方向的主切削力。然后對機構的總體方案布局進行設計，根據(jù)力的大小選擇傳動方式，并確定出滾珠絲杠螺母副、直線滾動導軌、電主軸以及伺服電機的型號規(guī)格。設計基礎部件的非標準件、絲杠支承滾動軸承的組合結構設計、聯(lián)軸器、電主軸和伺服電機的固定安裝方式和機床支架的結構形式等。本課題通過運用機械設計等課程的基本理論知識，對數(shù)控工作臺結構方案的設計、分析和計算的確定，掌握對典型數(shù)控零件的設計計算和設計方法。提高機械設計的綜合能力。關鍵詞：三軸數(shù)控工作臺；銑削力；標準件；結構設計Abstract Three axis motion mechanism is a mechanism which can mov

5、e in three directions. As a typical mechanism, it plays an important role in real manufacturing industry, and its widely used in the fields of enterprise, industry, medical treatment, military affairs and so on. In todays era of rapid development of industrial science and technology. With the more a

6、nd more mature NC machining technology, the NC milling technology has been greatly developed. A variety of CNC milling machine is applied to the actual manufacturing process. While numerical control workbench is a very important part of CNC milling machine, which directly affects the quality of prod

7、ucts. This paper presents a design scheme for the overall structure of the milling machine with a simple three axis CNC workbench as an example. Using the software of Auto CAD, draw the parts diagram of the non-standard parts and the machine overall assembly drawing. Through the known design paramet

8、ers of the 3D CNC table, calculate the feed force of X, Y directions in the milling process, and the main cutting force of the Z direction . Then design the overall scheme of the mechanism, select the transmission mode according to the size of the force, and determine model specifications of the bal

9、l screw nut pair, linear motion guide, motorized spindle and servo motor. Design Non-standard of machine components, the combination structure design of the lead screw bearing, coupling, the fixed installation between motor spindle and servo motor and the structure of the machine tool support form e

10、tc;This topic through the use of basic theory and knowledge of numerical control technology courses, design, analysis and calculation CNC table structure master design calculations and design method of a typical CNC parts. Improve comprehensive ability of mechanical design.key words：Three axis NC wo

11、rkbench Milling force Standard Parts Structural design目 錄目錄2、學生應完成的任務43、論文各部分內(nèi)容及時間分配：（共 12 周）4摘要5Abstract6第一章緒論91.1三軸運動機構的發(fā)展應用91.2三軸運動機構的結構特點91.3研制三軸運動機構的目的和意義101.4本文研究的主要內(nèi)容、目標與方法11第二章 三軸運動機構的功能需求122.1機床的工藝范圍122.2機床精度132.3銑削參數(shù)的確定132.3.1銑削用量四要素142.3.2銑削力142.4三軸機構各項要求16第三章 總體方案設計163.1整體結構設計163.1.1工作臺整

12、體布局的基本要求163.1.2工作臺總體布局的設計173.1.3三軸銑削工作臺的機械結構193.2三軸數(shù)控工作臺進給系統(tǒng)193.2.1電機選擇193.2.2傳動機構的選擇203.2.3電機與絲杠連接方式的選擇22第四章 具體部件的計算選型244.1滾珠絲杠的計算選型244.1.1滾珠絲杠參數(shù)的確定244.1.2滾珠絲杠螺母副循環(huán)方式的確定254.1.3滾珠絲杠螺母副預緊方式的確定264.1.4滾珠絲杠螺母副支承形式的確定274.1.5滾珠絲杠螺母副的設計計算284.2導軌副的計算選型304.4伺服電機的選擇334.5軸承的選用354.5.1軸承的類型選擇354.4.2滾動軸承計算選用364.6

13、聯(lián)軸器的選用39第五章 裝配要求過程405.1 龍門架裝置405.2 滾動軸承的組合結構設計42參考文獻42第一章 緒論1.1三軸運動機構的發(fā)展應用三軸運動機構，顧名思義就是三個方向上能運動的機構，三個方向即為X、Y和Z這三個方向。剛開始設計生產(chǎn)的三軸運動機構是手動，那時電腦技術還發(fā)展還比較落后，沒有后來的數(shù)控系統(tǒng)這一說法，所以當時驅(qū)動三個軸向上的運動時，主要是靠操作手輪或者手柄來使各軸到達指定的位置，往后又出現(xiàn)了半自動的三軸運動機構，但是隨著控制系統(tǒng)方面發(fā)展很快，數(shù)字控制的應用大大提高了三軸運動機構的自動化程度。尤其是在微處理機的數(shù)字控制系統(tǒng)在三軸運動機構上得到應用后，擴大了三軸運動機構的作

14、用，提高了加工精度和效率。三軸運動機構的應用相當廣泛，在企業(yè)、工業(yè)、軍事、醫(yī)療上都有其廣泛的應用，比如SMT貼片機、三軸聯(lián)動雕刻機、堆垛機、三軸機械手等等，而本文設計的是三軸數(shù)控工作臺。1.2三軸運動機構的結構特點三軸運動機構根據(jù)是否自動工作，可以分為手動三軸運動機構和數(shù)控三軸運動機構。從外形上看起來，除了數(shù)控控制機代替了操縱手柄、手輪外，數(shù)控三軸運動機構在外觀上與一般三軸運動機構的確有不少相似之處，但是實際上數(shù)控三軸運動機構在結構上的組成要復雜得多，與其相比較，數(shù)控三軸運動機構在結構上主要有下列幾個特點： （1）控制機構運動的特征坐標：必須控制刀具的直線、圓弧和沿直線運動和沿圓弧運動按照之前

15、設定好的來運動，以便于工件上的各種復雜的輪廓形狀連續(xù)處理，而要達到這個目的，數(shù)控三軸運動機構的伺服驅(qū)動系統(tǒng)就必須在多坐標的方向上同時協(xié)調(diào)動作，并且保持著一定的相互關系，換句話說就是要機構實現(xiàn)多個坐標的聯(lián)動。數(shù)控三軸運動機構要控制坐標的數(shù)量至少是三坐標中的任意兩個坐標聯(lián)動，為了實現(xiàn)連續(xù)處理線角的工件，那么至少要實現(xiàn)四軸的聯(lián)動，如果你想曲線工件的可變角度加工，就要五軸聯(lián)動加工了。（2）數(shù)控三軸運動機構的主軸功能：現(xiàn)代數(shù)控三軸運動機構的主軸轉(zhuǎn)動和關閉，主軸換向和主軸轉(zhuǎn)速的變化都可以根據(jù)程序自動編程。不同的機構有不同的傳輸功能和范圍。一些使用頻率轉(zhuǎn)換單元（選擇很少使用）和幾個固定的速度，選擇一種程序編

16、入，但不在操作時變化；一些由變頻器來調(diào)速的，速度可以分為幾個檔次，程編的時候可以任選一個檔次，加工的時候可以通過控制面板上的旋鈕本檔范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)；另一些就不可以分檔了，編程在整個范圍內(nèi)只選擇一個值，在運行的主軸工作時，可以在全量程范圍內(nèi)進行無極調(diào)整，但是從安全角度考慮，每次只能在允許范圍內(nèi)提高或者降低，不能有起起伏伏。在數(shù)控三軸機構的主軸套上一般都配有自動拔拉、刀背裝置，可以在幾秒鐘內(nèi)完成安裝刀和刀具，使刀具更方便。此外，主軸的多軸數(shù)控運動的機構可以繞X、Y、Z軸做數(shù)控擺動，也有一些數(shù)控三軸運動機構帶有萬能主軸頭，擴大了主軸的自運動范圍，但是這樣的主軸結構更加復雜了。1.3研制三軸運動機構的

17、目的和意義我國進入機械工業(yè)時代的時間比較晚，但是從新中國成立到改革開放，再到我們二十一新世紀，我國機械工業(yè)飛速發(fā)展，取得巨大的進步，在世界的舞臺上也贏得了極大的關注。國內(nèi)整個機械行業(yè)已經(jīng)逐漸成型，能夠滿足國民經(jīng)濟和社會生活的需要。但是，進步的不只是我們，世界科學技術在時間長河里迅猛發(fā)展，想要把我國工業(yè)甩開一大截。當下，我國機械行業(yè)的技術水平和生產(chǎn)能力與工業(yè)發(fā)達國家相比，還有幾十年的差距。因此，不斷創(chuàng)新技術來開發(fā)高技術含量的新產(chǎn)品，已經(jīng)是當前機械工業(yè)和其他傳統(tǒng)行業(yè)密切關心和改革的焦點。近年來，機電一體化技術得到世界的關注，各發(fā)達國家都在努力發(fā)展，以提高自己的制造技術水平，來實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)向柔性化、

18、智能化的發(fā)展。傳統(tǒng)的機械行業(yè)因為機電一體化技術發(fā)生了革命性的改變，也得到了驚人的效益，這是業(yè)行結構、生產(chǎn)形式和管理機制發(fā)生本質(zhì)變化帶來的。機電一體化是當今世界機械工業(yè)科技和產(chǎn)品發(fā)展的主要趨勢，我國機械工業(yè)想要想更高水平發(fā)展，就必須走這條路。數(shù)控機床也是機電一體化中的產(chǎn)品。我國在數(shù)控機床這塊兒還有很大的欠缺，而數(shù)控機床也包含了三軸運動機構，或者換句話說數(shù)控三軸運動機構就是縮小版的數(shù)控機床?，F(xiàn)在我國的很多企業(yè)工廠中的數(shù)控機床都是從國外進口的。在三軸數(shù)控機床這方面，我國也已經(jīng)能進行自主生產(chǎn)了，但是技術也不是特別高端，而多軸數(shù)控機床就沒法生產(chǎn)了。但是這些數(shù)控機床的基礎都是三軸運動機構，萬變不離其宗，要

19、想向高端技術進軍，那么我們就需要先把三軸運動機構給分析透徹。1.4本文研究的主要內(nèi)容、目標與方法 目前，國內(nèi)機械制造業(yè)飛速發(fā)展，我們雖然能夠制造出很多的機械部件，但是對于機床的設計制造卻存在著很大的缺陷，我們的高精機床，絕大部分都是從國外進口的，自己卻設計制造不出來，所以我們要對三軸運動機構進行設計制造，三軸運動機構中的工作臺作為數(shù)控機床的一個基本組成部分，直接影響到了加工產(chǎn)品的質(zhì)量，對數(shù)控機床向更高端技術地發(fā)展也提供了一個方向。本文主要是對三軸數(shù)控工作臺的機械部分進行設計，根據(jù)已知的條件參數(shù)計算得出相應的結果，并選用與之相匹配的標注件型號，最后根據(jù)選用好的標準件進行三軸運動機構的整體組裝，運

20、用AutoCAD軟件完成機構的裝配圖以及相關的非標準件零件圖，最終完成工作臺的整體設計。本次設計的通用型小型精密數(shù)控工作臺精加工小型零件，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性以及結構的緊湊采用先進的精密研磨級滾珠絲杠副為運動執(zhí)行元件。為提高剛度和消除間隙，采用有預加載和的滾珠絲杠結構。由于工作臺上加工小型零件，重量、載荷均不大采用直線滾動導軌副為導向支承，大大減小摩擦力、減少無效運動的發(fā)生，能輕易定位、大幅提高設備精度及機械效能。其主要內(nèi)容如下：（1）通過已知的三軸運動機構的設計參數(shù)，計算出在銑削加工過程中的Z軸銑削部分的主銑削力，和工作臺方向與X軸向的進給力。 （2）對三軸運動機構的整體結構進行設計

21、，包括它的整體布局，以及進給系統(tǒng)中各電機的選用、傳動方式的選擇和聯(lián)接傳動的結構。 （3）根據(jù)前面計算出的力的大小，來確定傳動機構的選型和主軸電機、驅(qū)動電機的類型。（4）設計出三軸運動機構的非標準件、聯(lián)軸器、驅(qū)動電機和電主軸的固定安裝方式。（5）根據(jù)已經(jīng)設計出的各零部件，完成機床整體結構的設計。運用AutoCAD畫出機構的裝配圖和相關的零件圖。第二章 三軸運動機構的功能需求2.1機床的工藝范圍機床的工藝范圍（又稱工藝可能性）是指機床適應不同生產(chǎn)要求的能力。主要包括：機床上被加工工件的類型、材料、尺寸范圍和毛坯形式。本文所設計的工作臺主要是對鋁合金、銅、鐵等金屬材料進行銑削及鉆銑加工，當然對于木頭

22、、石板等的加工也是可以進行的。而被加工的工件采用的毛坯是已經(jīng)經(jīng)過切斷或鋸斷的材料，適于放置在工作臺上，一般是立方體形狀或圓柱形的材料，在加工工件時，我們加工出的都是些小型精密的工件，所以一般要求我們加工的工件大小為X方向上尺寸不大于350mm，Y方向上工件尺寸不大于250mm，而Z方向上尺寸不大于50mm。在這個尺寸范圍內(nèi)，有些工件的加工要求剛好是加工整塊毛坯，而有些工件的毛坯則稍微大一些，但是需要加工的大小仍在該范圍內(nèi)，那么刀具在加工的時候在X/Y方向上就要預留出一些行程來，此處預留一端安全的行程50mm，那么X方向的行程為300mm,Y方向上的行程也為300mm，而對于Z方向上，由于加工的

23、工件具有一定的厚度，而且刀具和電機也有一定的長度，在加工時還要預留出退刀的長度，如下圖所示。所以說，此處留出100mm的長度，那么Z軸的行程取為150mm。圖21 Z軸行程選取示意圖2.2機床精度機床精度一般包括一下幾個內(nèi)容：幾何精度、運動精度、傳動精度、定位精度、工作精度。本文雕刻機需要精確到0.02mm，在此處，我們主要討論它的傳動精度。機床的傳動精度主要取決于傳動鏈兩端件之間相對運動的準確性。它受到的影響主要是來自于傳動鏈各元件，特別是末端件的加工、裝配精度以及傳動鏈設計的合理性。要求其三個方向上的精度都達到2級。2.3銑削參數(shù)的確定銑削是一種應用非常廣泛的切削加工方法，而銑刀就是用來進

24、行切削加工的。銑刀是一種刃工具，銑削速度高而且空行程。銑刀的種類非常多，那么它分類的方法也就有很多種。最后，本文在銑刀的選擇上，我們采用的是10mm的硬質(zhì)合金球頭銑刀。2.3.1銑削用量四要素（1）銑削速度vc：是指銑刀外緣處的線速度，vc=d0n01000mmin （2-1）式中，d0為銑刀直徑，取為10mm，而n0為銑刀每分鐘的轉(zhuǎn)速。（2）進給量f：是指銑刀每轉(zhuǎn)一周時，銑刀與工件的相對位移。每齒進給量fz是指銑刀沒轉(zhuǎn)過一個刀齒時，工件與銑刀的相對位移。進給速度vf是指銑刀與工件每秒的相對位移。三者的關系為：vf=fn60=fznz60 （2-2）其中z為刀齒齒數(shù)，取z=2。（3）背吃刀量a

25、p：是平行于銑刀軸線測量的切削層尺寸。（4）銑削寬度ae：是垂直于銑刀軸線方向的吃刀量。2.3.2銑削力銑削加工時，銑刀每個刀齒上都產(chǎn)生銑削力，對于這個銑削力，它是一個空間力，在研究時，我們常常將他分解為三個方向的力，如下：（1） 主銑削力Fc。是銑削時總銑削力的運動方向的主要成分，這是作用于銑刀切線方向上消耗機床主要功率的力。（2） 法向銑削力FcN。是作用于銑刀半徑方向的力，引起銑床主軸發(fā)生彎曲。（3） 軸向銑削力F0。是作用于主軸方向的力。通過查閱孟少農(nóng)主編的機械加工工藝手冊，得到銑削力，銑削功率和銑削扭矩的經(jīng)驗公式，通過查表代入前文已知參數(shù)進行簡化，可以得到僅和切削深度ap、進給速度v

26、f與銑刀轉(zhuǎn)速n有關的計算公式。表2-1 銑削參數(shù)計算公式計算公式和參數(shù)選定計算結果單位銑削力：FZ=CFapXFafYFawwzd0qnWFkFZFZ=42.76apvf0.75n0.62N銑削功率：Pc=FZv6×104Pc=3.14×107FZnkW銑削扭矩：M=FZd02×103M=3.0×103FZNm 其中：查表得到CF=116，XF=1，YF=0.75，UF=0.85，qF=0.73，WF=0.13，KF=0.25。銑削寬度ae(mm),銑削深度ap（mm），進給速度vf=afzn(mm/min)，銑削速度v=d0n1000(m/min)，銑

27、刀外徑d0(mm)，每齒進給量fz(mm/z)，銑刀齒數(shù)z，銑刀轉(zhuǎn)速n(r/min)。將切削深度、進給速度和銑刀轉(zhuǎn)速的變量代入后分別計算，得到計算結果：表2-2 銑削參數(shù)計算值銑削方式工作時間百分比參數(shù)計算結果ap(mm)vf(mm/min)n(r/min)ns(r/min)FZ(N)M(Nm)Pc(KW)強力銑削10%2.51209000241370.410.39一般銑削30%1120015000240224.50.431.06精密銑削50%0.5240020000480158.00.4750.992快速進給10%-3600-720000其中：ns是絲杠轉(zhuǎn)速，ns=vfPh(rmin),預選

28、絲杠導程Ph=5(mm)2.4三軸機構各項要求表2-3 三軸機構的設定參數(shù)項目參數(shù)單位主軸最高轉(zhuǎn)速n=20000r/min主軸總行程（X）400mm主軸總行程（Y）300mm主軸總行程（Z）150mm使用壽命Lh=15000h快速進給速度3600r/min第三章 總體方案設計3.1整體結構設計 機械結構作為三軸數(shù)控工作臺的硬件部分，對工作臺的加工過程、銑削效果等有著極其重要的影響。以下是對三軸數(shù)控工作臺的機械結構的詳細介紹。3.1.1工作臺整體布局的基本要求（1）確保加工的精準度，必須要滿足工作精度，提高傳動精度和傳動效率；（2）確保數(shù)控工作臺的每一部分都能夠協(xié)調(diào)工作，不會干擾對方；（3）保證

29、能夠完成預定的進給長度；（4）保證能夠完成各種相關工藝程序，即為確保實現(xiàn)既定工藝方法所要求的工件和刀具的相對位置和相對運動；（5）保證三軸數(shù)控工作臺具有與所要求的加工精度相適應的剛度、抗振性、熱變形和噪音水平；（6）應該使數(shù)控工作臺便于同時操作和觀察其加工過程；（7）應該是數(shù)控工作臺便與調(diào)整和維修，方便輸送、裝卸工件和排屑，注意防護，確保安全；（8）機床結構簡單，合理可靠，各部分便于拆卸組裝。3.1.2工作臺總體布局的設計在滿足總體布局的基本要求的基礎上，還應該考慮影響數(shù)控工作臺布局的基本因素：1、 表面形成運動的影響采用不同的刀具可以加工出不同形式的加工表面，因此形成表面的運動形式和它的數(shù)量

30、就不一樣了，這就使布局產(chǎn)生了差異，對于有相同形狀的加工表面，由于工件的和生產(chǎn)力的需要不同也可以用不同的工具制作不同的技術要求，不同的表面形成運動過程，以此來形成不同的布局。很明顯的，工件表面成形運動是直接決定了三軸數(shù)控工作臺的布局形式，也是影響三軸數(shù)控工作臺布局的關鍵性因素。因此，在布局三軸運動機構時，必須根據(jù)加工的要求，綜合考慮、全面考慮工件表面的成形方法和運動，以期待作出具有較好技術經(jīng)濟效果的布局設計。2、 工作臺運動分配的影響形成工件表面方法和運動相同時，但三軸運動機構的運動分配不同，那么三軸機構的布局將會是不同的。對于同一種運動分配的布局，由于不同的導軌布置方式和不同的其他結構形式，也

31、將使三軸機構的布局出現(xiàn)相應的變化。在三軸機構運動的分配上，一般應該注意以下幾點：1）首先移動部件的重量應該盡可能的輕便。在其他條件都相同的情況下，移動部件的重量越小，那么所需要的電機功率和傳動件的尺寸也越?。?）應該有利于提高加工的精度；3）應該有利于提高三軸機構的剛度；4）應該使三軸機構的占地面積盡可能縮小；5）工件的尺寸形狀和重量的影響，在機構擁有系統(tǒng)的工件表面形成運動和相同的運動分配方法時，工件的尺寸形狀和重量對其布局的影響也是相當大的啊。6）另還應該考慮三軸機構性能要求的影響，如振動、噪聲、熱變形、剛度和抗振性，操縱方便形的影響，模塊化設計法的影響等。根據(jù)三軸機構布局的要求，選擇采用龍

32、門框架結構，這種結構剛度均較高，按龍門架的移動和固定被分為兩種結構形式，這兩種結構如下圖。圖3-1 布局示意圖對比兩種布局：第一個龍門移動式布局，采用床身固定，龍門移動，也就是工作臺固定，銑削部分做橫向和上下的移動，龍門做縱向移動。這種布局方式對于不同長度的銑削工作臺有著很好的適應性，因為它可以變形。由于工作臺沒有動，承載能力就比較好，適合加工較重的工件，但是精度相對比較低。在使用外伸支架支撐縱向長工件進行批量加工時，有著相同高度的支點，所以支架支撐調(diào)整方便。但是銑削部分運動精度較難保證且立柱移動較為麻煩。第二種龍門固定式布局，采用龍門固定，銑削部分做橫向和上下移動，工作臺做縱向移動，銑削部分

33、減少了一個方向的運動，因而其運動精度較高，但由于工作臺可以移動，所以只能承受較小載荷，適合加工較輕的工件。若涉及承載的工件較輕，這種布局方式所需電動機功率和傳動的尺寸較小，移動較輕便。在使用外伸支架支持你縱向長工件進行批量加工時，支點高度相同，故支架支撐調(diào)整方便，但是支架結構較第一種布局略顯復雜。經(jīng)過以上比較，綜合考慮到布局的基本要求、影響布局的基本因素和三坐標數(shù)控工作臺的設計參數(shù)，最終選擇龍門固定式布局，工作臺做一個方向的運動，銑削部分完成其它兩個方向的運動。3.1.3三軸銑削工作臺的機械結構該三軸工作臺的機械幾何結構，由以下幾個部分組成：1、底座部分作為整個機構的基礎，它需要承擔起整個機體

34、和被加工件的重量，要求穩(wěn)定堅固，有一定的剛度，不會發(fā)生嚴重變形。 2、工作臺部分工作臺部分由工作臺、X方向的絲杠和導軌，以及支架組成。工作臺作為銑削工作時承受工件重量的部件，通常把工作臺設計為表面有T形溝槽的平臺，它在絲杠的帶動和導軌的導向下做直線運動。 3、橫梁部分 橫梁由Y方向的絲杠和導軌，以及支架組成。橫梁承載Z軸各零部件的重量，驅(qū)動銑削部分運動，容易彎曲變形，在結構仿真和運動仿真中是重要的分析對象。 4、銑削結構部分銑削部分由主軸組件、z方向的絲杠和導軌，以及支架組成。絲杠驅(qū)動主軸的上下運動，主軸組件在加工過程中直接帶動刀具的高速旋轉(zhuǎn)運動。3.2三軸數(shù)控工作臺進給系統(tǒng)進給系統(tǒng)由伺服驅(qū)動

35、電路、伺服驅(qū)動裝置、機械傳動機構及執(zhí)行部件組成。在這里，我們主要討論它的機械傳動機構。該數(shù)控工作臺具有三個不同方向的進給，每個方向的進給運動都是其進給系統(tǒng)的一部分，這幾部分加起來就組成了三軸數(shù)控工作臺的進給系統(tǒng)。其各向的傳動過程為：驅(qū)動電路控制驅(qū)動電機運轉(zhuǎn) 電機帶動傳動機構傳遞動力 把動力傳遞給執(zhí)行部件 從而實現(xiàn)各個方向的進給。3.2.1電機選擇在進給系統(tǒng)中，每個傳遞機構都需要驅(qū)動電機來驅(qū)動，那么在選擇驅(qū)動電機時，主要有兩種選擇，那就是伺服電機和步進電機。伺服電機又分為直流伺服電機和交流伺服電機。目前在國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進電機作為一種開環(huán)控制的系統(tǒng)，它的應用十分廣泛，而且多數(shù)應用于經(jīng)濟型

36、的數(shù)控機床。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機作為比較理想的驅(qū)動元件已成為發(fā)展趨勢。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異。現(xiàn)就二者的使用性能作一比較。 1、控制精度不同。對于交流伺服電機，它的電機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器確保了它的控制精度，而步進電機的精度則很多時候是固定的。2、低頻特性不同。低頻振動現(xiàn)象經(jīng)常會出現(xiàn)在步進電機低速運轉(zhuǎn)的時候。驅(qū)動器的性能和振動頻率與其負載情況有關系，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。交流伺服電機運轉(zhuǎn)則非常平穩(wěn)，在任何轉(zhuǎn)速情況下都不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足。3、

37、矩頻特性不同。步進電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。4、過載能力不同。步進電機不具有過載能力。而交流伺服電機則有很強的過載能力。5、運行性能不同。步進電機的控制為開環(huán)控制，通常要處理好它的升、降速問題，這樣才能保證它的控制精度。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。 6、速度響應性能不同。步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速需要的時間較長，交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，可以用于要求快速啟停的控制場合

38、。 綜合上面的比較，可以看出交流伺服系統(tǒng)在許多方面都優(yōu)于步進電機。本文所設計的是三軸數(shù)控銑削工作臺，它是一種中、小型的數(shù)控機床，因此結構需要緊湊一些，而且它在運動控制方面，要求特別高。它需要的調(diào)速范圍很大，對動態(tài)特性的要求也很高，而且需要精確的位置控制精度。所以最終為了提高加工精度，選擇使用伺服電機通過聯(lián)軸器來帶動滾珠絲杠結構。3.2.2傳動機構的選擇 在選擇傳動機構時，我們有以下幾個選擇：圓柱齒輪齒條傳動、蝸桿蝸母條傳動、雙導程蝸桿傳動和滾珠絲桿螺母副傳動。選擇一一比較一下他們各自的特點： 1、圓柱齒輪齒條傳動特點齒輪齒條傳動是一種行程非常長的大型數(shù)控機床上經(jīng)常使用到的進給傳動機構。它適用于

39、高傳動要求，但是傳動精度沒壽命要求的場合。采用齒輪齒條傳動時，必須要采取消除掉齒側間隙的措施。一半采用兩個齒輪與齒條嚙合的方法，兩個齒輪采取以相反的方向轉(zhuǎn)動微小的角度，使得兩個齒輪與齒條的兩個側齒面貼緊，這樣的預加載荷機構可以達到消除間隙的作用。 2、蝸桿蝸母條傳動特點蝸桿蝸母條傳動的主要優(yōu)點是結構比較緊湊、工作平穩(wěn)、沒有噪聲、沖擊振動小。通過在蝸桿蝸母條嚙合齒面之間加入壓力油，以此來形成有一定厚度的油膜，使得兩個嚙合的齒面之間形成液體摩擦，這樣的裝置特別適合用于重型數(shù)控機床的傳動系統(tǒng)，平常一般的機床都不采用這樣的機構。它的工作原理是驅(qū)動電機驅(qū)動蝸桿產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，工作臺與蝸母條連接在一起，以此

40、獲得往復直線運動。3、 雙導程蝸桿傳動的特點該傳動機構一般是用于回轉(zhuǎn)工作臺的，主要用來實現(xiàn)圓周進給運動，采用雙導程蝸桿傳動是可以消除傳動間隙的，它的制造精度和裝配精度的要求都特別高。 4、滾珠絲杠的原理及特點滾珠絲杠副作為精密、高效的傳動元件在精密機床、數(shù)控機床中得到了廣泛地應用，在機械工業(yè)、交通運輸、航空航天、軍工產(chǎn)品等各個領域應用得相當普遍。它在機床中是一種將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的常用傳動裝置。滾珠絲杠用滾珠的滾動代替絲杠螺母副中的滑動，減小了摩擦力，具有良好的性能。滾珠絲杠螺母副的組成：絲杠、螺母、滾珠、滾道和螺母座。工作原理：在絲杠和螺母上都有圓弧形的螺旋槽，當他們套裝在一起時，便形

41、成了滾珠的螺母滾道。螺母上有滾珠回路管道，將幾圈螺母滾道的兩端連接起來，構成封閉的循環(huán)滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠，當絲杠旋轉(zhuǎn)時，滾珠沿滾道滾動，并經(jīng)回珠管作周而復始的循環(huán)運動。特點：1. 傳動效率高，是滑動熱杠的2-4倍。2. 運動平穩(wěn)，摩擦力小、靈敏度高、低速無爬行。3. 可以預緊、消除絲杠副的間隙、提高軸向接觸剛度。4. 定位精度和重復定位精度高。5. 使用壽命長。6. 同步性好。7. 使用可靠、潤滑簡單、維修方便。8. 不自鎖，可以逆向傳動。 綜合上面?zhèn)€傳動機構的特點，可以總結出齒輪齒條傳動工作時，噪聲都比較大，且費用較高，所以也不采用這種傳動機構，對于蝸桿蝸母條傳動，不適合此處的小型銑削

42、機構，而雙導程蝸桿傳動，制造的費用昂貴，且傳動效率低下。因此最終可以得出，選擇滾珠絲螺母副作為各軸進給系統(tǒng)的傳動機構，它較齒輪傳動具有更好的傳動平穩(wěn)性，而且結構上也較為緊湊，能夠確保加工時的精度。3.2.3電機與絲杠連接方式的選擇電機與絲杠間的聯(lián)接主要有三種形式：圖3-3 電機-絲杠聯(lián)接示意圖（1）帶有齒輪傳動的進給運動：數(shù)控機床在機械進給裝置中一般采用齒輪傳動副來達到一定的降速比要求，如圖3-3（a）所示。由于齒輪在制造中不可能達到理想齒面要求，總存在著一定的齒側間隙才能正常工作，但齒側間隙會造成進給系統(tǒng)的反向失動量，對閉環(huán)系統(tǒng)來說，齒側間隙會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，齒輪傳動副常采用消除措施

43、來盡量減小齒輪側隙。但這種聯(lián)接形式的機械結構比較復雜。（2）經(jīng)同步帶輪傳動的進給運動：如圖3-3（b）所示，這種聯(lián)接形式的機械結構比較簡單。同步帶傳動綜合了帶傳動和鏈傳動的優(yōu)點，可以避免齒輪傳動時引起的振動和噪聲，但只能適于低扭矩特性要求的場所。安裝時中心距要求嚴格，且同步帶與帶輪的制造工藝復雜。（3）電機通過聯(lián)軸器直接與絲杠聯(lián)接：如圖3-3（c）所示，此結構通常是電機軸與絲杠之間采用錐環(huán)無鍵聯(lián)接或高精度十字聯(lián)軸器聯(lián)接，從而使進給傳動系統(tǒng)具有較高的傳動精度和傳動剛度，并大大簡化了機械結構。在加工中心和精度較高的數(shù)控機床的進給運動中，普遍采用這種聯(lián)接形式。采用聯(lián)軸器來聯(lián)接電機和絲杠，這種設計可以

44、減少誤差，使結構更加緊湊，提高加工精度，所以選擇利用聯(lián)軸器使步進電機與滾珠絲杠直接相連。此時傳動比為1，誤差最小。因此各軸進給系統(tǒng)的傳動過程為：首先利用聯(lián)軸器把步進電機的轉(zhuǎn)矩傳遞給絲杠，然后絲杠再把轉(zhuǎn)矩傳遞給螺母及與其固定的各部件，螺母及與其固定的各部件在絲杠的作用下做沿直線的進給運動。第四章 具體部件的選型及結構設計4.1滾珠絲杠的計算選型4.1.1絲杠循環(huán)及預緊方式的確定（1）循環(huán)方式的確定滾珠絲杠螺母副一般情況下分為3種循環(huán)設計：圖4-1 絲杠循環(huán)方式首先是外循環(huán)滾珠螺桿，它是由螺桿、螺帽、滾珠、回珠管和固定塊組合而成的。在這個裝置里，滾珠是位于螺桿和螺帽之中的，滾珠的循環(huán)是由回珠管連接

45、的，絲杠轉(zhuǎn)動時，滾珠在螺帽上回流，而回珠管就裝置在螺帽外部。其次是內(nèi)循環(huán)滾珠螺桿，它是由螺桿、螺帽、滾珠及回流蓋所組成。滾珠采用單圈循環(huán)。將回流蓋結構設計成跨越連接兩相鄰珠槽，連接構成一個單一封閉回流路徑。由于回流蓋組裝在螺帽內(nèi)部，即稱之為內(nèi)循環(huán)滾珠螺桿。最后一種是端蓋式滾珠螺桿，它的回流系統(tǒng)的設計和外循環(huán)滾珠螺桿基本上是相似的，但是最主要的差別就是在它的螺帽上加工了一個貫穿孔作為鋼珠回流。這樣的話，使得滾珠可以行經(jīng)整個螺帽的前后兩端。由于在所有珠槽上都布滿了有效滾珠，所以在相同的動負荷下，螺帽長度的設計就更加短了。在本文設計的三軸數(shù)控工作臺中，我們需要的是一個結構緊湊一點兒的，且能適用于各種

46、高靈敏度和高剛度的進給定位系統(tǒng)中，所以經(jīng)過對比，選擇內(nèi)循環(huán)滾珠螺桿比較合適。（2）絲杠預緊方式的選取所謂預緊就是給它提前加上載荷，使他在過盈條件下工作，預緊的目的在于消除軸向間隙且降低軸向力造成的軸向位移，也可以提高滾珠絲杠螺母副的剛度。預緊后的剛度可提高到為無預緊時的2倍，但是，預加載荷必須要適量，如果過大了，將使壽命下降和摩擦力矩加大。經(jīng)常采用的滾珠絲杠螺母副預緊方法有：雙螺母預緊和單螺母預緊。其中雙螺母預緊又分為雙螺母墊片預緊、雙螺母螺紋預緊、雙螺母齒差預緊、雙螺母對旋預緊。單螺母預緊又分為變位導程預緊和加大鋼球直徑預緊。 此處，我們采用雙螺母墊片預緊，可以通過修磨墊片的厚度，使得兩個螺

47、母之間產(chǎn)生軸向位移。分為拉伸預緊和壓縮預緊兩種方式。拉伸預緊是由于過大的墊片有效地擠壓分開螺帽。壓縮預緊是由于過小的墊片，再有螺栓將拉在一起。雙螺母墊片預緊的特點是結構簡單，裝卸方便，剛度高。但是調(diào)整不便，滾道有磨損時，不能隨時消除間隙和進行預緊。4.1.2滾珠絲杠參數(shù)的確定本次設計的是適應多種材料加工的多功能小型三軸數(shù)控工作臺，根據(jù)刀具不同、電機輸出轉(zhuǎn)速不同來達到加工目的。設工作臺的質(zhì)量為m1=400kg，工件及夾具的最大質(zhì)量為m2=50kg，工作臺的最大行程X=400mm，Y=300mm，Z=150mm，工作臺滑軌的摩擦系數(shù)：動摩擦系數(shù)=0.04，靜摩擦系數(shù)=0.08，要求壽命為15000

48、小時。三軸數(shù)控工作臺也屬于數(shù)控銑床這一類，所以查表可以得到，在XYZ方向的精度等級都可以取2級。電動機與絲杠通過聯(lián)軸器連接，傳動為1：1，本次設計三軸機構其切削用量和進給速度選擇比較小，并且是可以變化的，故連接絲桿要求，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)且較慢。那么在傳動的時候，絲杠轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，螺母移動一個導程Ph：Ph=vfins （4-1）其中i傳動比，因為選取的是聯(lián)軸器，所以傳動比為1，那么可以得到導程Ph=5mm。為了加工出所要求的工件，在切削材料和切削用量不同的時候，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速也要隨之而改變，因此它所承受的軸向力也會不同?？紤]軸向力的時候，因為選擇的直線滾動導軌摩擦系數(shù)很小，那么它對絲杠軸向力的影響就相當小，

49、可以忽略不計。而軸向力主要就是由工作臺受到的橫向分力和預壓力組成。絲杠平均轉(zhuǎn)速na：na=n1×t1100+n2×t2100+ （4-2）代入數(shù)據(jù)后得到：na=483r/min （4-3）平均負荷：FZm=3Fz13×n1na×t1100×fp13+Fz23×n2na×t2100×fp23+ （4-4）絲杠在工作運轉(zhuǎn)時不受到?jīng)_擊，那么取fp=1.1 代入數(shù)據(jù)后得到：FZm=182.6N （4-5）預壓力的計算：p=FZm2.8=65N （4-6）軸向負荷：Fa=FZm+p=247.6N （4-7）由前文知道數(shù)控工作

50、臺的使用壽命Lh=15000h，可以根據(jù)其使用壽命來求出滾珠絲杠的動額定載荷：Lh=(CamFZmftfhfafkfw)310660na （4-10） 查李洪主編的實用機床設計手冊可以得到：工作溫度低于100攝氏度，所以ft=1，由于標準規(guī)定硬度不低于58HRC，故通常取fh=1，精度等級取的是2級，那么fa=1，絲杠工作時是無沖擊平穩(wěn)運轉(zhuǎn)的，所以Fw=1,可靠性為90%，那么fk=1. 那么代入數(shù)據(jù)得到：Cam=1383.2N （4-11） 確定允許的最小螺紋底經(jīng)，需先估算允許的最大軸向變形量m：m(1415)定位精度 （4-12）m(1314)重復定位精度 （4-13） 定位精度取的是0.

51、01mm，重復定位精度取的是0.024mm。得到m6m和m2m，取這兩種結果的最小值，那么m2m。接下來計算滾珠絲杠的最小螺紋底徑：絲杠采用的是一端固定，一端游動的安裝方式，因此其計算公式如下：dm=0.078F0Lm （4-13）式中：F0導軌的靜摩擦力：F0=0g(w臺+w夾+w件) （4-14）假設工作臺、夾具與工件最大質(zhì)量為450kg，而摩擦系數(shù)定位0.08?？梢缘玫剑篎0X=360N （4-15）F0Y=360N （4-16）F0Z=360N （4-17）前文已經(jīng)確定采用一端固定，一端游動的安裝形式，那么L=（1.051.1）行程+（1014）導程LX=480mm （4-18）LY=

52、400mm （4-19）LZ=235mm （4-20） 代入數(shù)據(jù)可以得到X、Y、Z三個方向上的最小螺紋底徑：dmX=21.63mm （4-21）dmY=20.92mm （4-22）dmZ=16.04mm （4-23） 我們在確定滾珠絲杠的時候，要滿足CaCam且d2dm，再根據(jù)導程為5mm，由此可以確定三個方向上，都選取FFZD型內(nèi)循環(huán)浮動返向器雙螺母墊片預緊滾珠絲杠副，型號為FFZD2505。型號規(guī)格公稱直徑基本導程鋼球直徑絲杠大徑軸端直徑動負荷靜負荷FFZD250525mm5mm3.175 mm24mm21mm9.309kN21.569kN表4-1 絲杠螺母副型號圖4-3 絲杠結構形式4.1.3滾珠絲杠支承形式及軸承確定 （1）絲杠支承形式的選擇滾珠絲杠螺母副的應用中，需要滿足高精度和高剛度的進給系統(tǒng)。為了達到這個要求，除了應采用高精度、高剛度的滾珠絲杠副外，還必須充分重視支承的設計。 圖4-4 絲杠支承方式滾珠絲杠支承結構類型可以分為三類：圖a：一端固定，一端自由：在低速、中等精度和較短軸向長度的情況下，該結構使用的多，而且絲杠較短和在使用數(shù)值絲杠時也適用。該形式下一端的軸向和徑向的自由度由一對軸承去約束，而另外一端則懸掛著呈現(xiàn)出一個自由狀態(tài)，同一對軸承副承