數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)設(shè)計(jì)

1、數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)設(shè)計(jì)摘 要數(shù)控車床又稱數(shù)字控制（Numbercal control，簡(jiǎn)稱 NC）機(jī)床。它是基于數(shù)字控制的，采用了數(shù)控技術(shù)，是一個(gè)裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)床。它是由主機(jī)，CNC，驅(qū)動(dòng)裝置，數(shù)控機(jī)床的輔助裝置，編程機(jī)及其他一些附屬設(shè)備所組成。此次設(shè)計(jì)包括機(jī)床的總體布局設(shè)計(jì)，縱向進(jìn)給設(shè)計(jì)。其中著重介紹了立柱和底座的結(jié)構(gòu)及選用原則，系統(tǒng)地對(duì)結(jié)構(gòu)和布局等環(huán)節(jié)進(jìn)行了介紹。包括結(jié)構(gòu)選擇、材料選擇、參數(shù)選擇等。用數(shù)值解析法對(duì)數(shù)控銑床的床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了校核。關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；數(shù)控系統(tǒng)；電動(dòng)機(jī)Control System Design of Econmical NC LatheAbstractThe

2、 numerical control lathe called the numerical control (Numbercal Control, is called NC) the engine bed. It is based on the numerical control, has used the numerical control technology, is loaded with the procedure control system the engine bed. It is by the main engine, CNC, the drive, the numerical

3、 control engine bed auxiliary unit, the programming machine and other some appurtenances is composed.This design including the engine bed overall layout design, longitudinal enters for the design,Also summarizes the technical parameters. Which focuses on the column and the base structure and selecti

4、on principles, systematically structure and layout and other aspects were introduced. Including structure selection, material selection, parameter selection. Numerical analysis method using CNC milling machine bed structure were checked. Keywords：Numerical control; Open-loop；Step motor目 錄摘摘 要要.IABST

5、RACT.II第第 1 章章 緒緒 論論.11.1 數(shù)控機(jī)床的課題研究意義 .11.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展及趨勢(shì) .11.3 數(shù)控銑床的工作原理、特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)及分類.3第第 2 章數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)章數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu).62.1 進(jìn)給系統(tǒng)組成.62.2 傳動(dòng)系統(tǒng)方案確定.72.3 齒形帶傳動(dòng)設(shè)計(jì).92.3.1 帶和帶傳動(dòng).102.3.2 齒形帶的選擇.112.4 絲杠螺母設(shè)計(jì) .132.4.1 滾珠絲杠螺母副類型選擇.142.4.2 滾珠絲杠螺母副型號(hào)及其校核.15第第 3 章章 進(jìn)給傳動(dòng)部件的選型進(jìn)給傳動(dòng)部件的選型.183.1 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì).183.1.1 導(dǎo)軌概述.183.1.2 直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌副的基本

6、截面形狀分類.193.1.3 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的選型.213.2 滾珠絲杠的設(shè)計(jì).233.2.1 滾珠絲杠螺母副概述.233.2.2 滾珠絲杠螺母副的循環(huán)方式.243.2.3 滾珠絲杠間隙與調(diào)整.263.2.4 滾珠絲杠的選定原則.283.2.5 滾珠絲杠螺母副支撐方式的選擇以及軸承的選擇.293.3 電機(jī)的選擇.353.3.1 電機(jī)概述.353.3.2 交流、直流電機(jī)的調(diào)速原理.353.3.3 交流伺服電動(dòng)機(jī)的選擇.413.4 聯(lián)軸器選擇.42第第 4 章章 Z 向進(jìn)給傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)向進(jìn)給傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì) .444.1 主切削力及其切削分力計(jì)算.444.2 導(dǎo)軌摩擦力計(jì)算.454.3 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌

7、的選型與計(jì)算.464.4 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算.484.4.1 計(jì)算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力.484.4.2 滾珠絲杠的動(dòng)負(fù)荷計(jì)算與直徑估算.484.4.3 滾珠絲杠螺母副的承載能力校荷.554.5 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度計(jì)算.594.5.1 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)抗拉剛度計(jì)算.594.5.2 滾珠絲杠螺母副扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算.624.6 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析.634.7 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差計(jì)算與分析.644.8 滾珠絲杠精度等級(jí)確定.65總總 結(jié)結(jié).67致致 謝謝.69參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).70數(shù)控車床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 1 章 緒 論1.1 數(shù)控機(jī)床的課題研究意義 數(shù)控機(jī)床具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，價(jià)格低廉

8、的特點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，多數(shù)采用開(kāi)環(huán)控制，由于數(shù)控系統(tǒng)具有較高的性能價(jià)格比，因而廣泛地應(yīng)用于機(jī)床產(chǎn)品的升級(jí)換代和普通普通機(jī)床的技術(shù)改造上。近年來(lái)，我國(guó)在經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)上投入了大量人力和物力，在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域里經(jīng)歷了幾個(gè)五年計(jì)劃之后已經(jīng)取得了可喜成果，數(shù)控機(jī)床在我國(guó)機(jī)床市場(chǎng)上占有較大比重，成為我國(guó)制造業(yè)不可或缺的一部分。裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度。機(jī)床創(chuàng)造業(yè)是一個(gè)國(guó)家最基本的裝備工業(yè)，是工業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)基礎(chǔ)。因此，它已成為衡量一個(gè)國(guó)對(duì)數(shù)控銑床床身的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析可以使設(shè)計(jì)者迅速找出原方案的不足之處，并對(duì)進(jìn)一的優(yōu)化過(guò)程提供參考和依據(jù)。尤其是計(jì)

9、算機(jī)輔助技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使得在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行床身的性能分析變得高效可靠。由于國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的激烈，機(jī)床創(chuàng)造企業(yè)要想提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力就必須提高設(shè)計(jì)的效率，縮短設(shè)計(jì)的周期，降低成本，即利用最經(jīng)濟(jì)的材料最快速地生產(chǎn)出較高性能的機(jī)床。因此，盡可能的發(fā)揮材料的潛力。1.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展及趨勢(shì)早期計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度低，這對(duì)當(dāng)時(shí)的科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理影響還不大，不能適應(yīng)機(jī)床實(shí)時(shí)控制的要求。它采用數(shù)字邏輯電路搭建一臺(tái)機(jī)床專用計(jì)算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)。隨著元器件的發(fā)展，這個(gè)階段歷經(jīng)了三代，即 1952 年第一代電子管；1959 年第二代晶體管；1965 年第三代小規(guī)模集成電路。到 1970 年，通用小型計(jì)算機(jī)業(yè)已經(jīng)出現(xiàn)并

10、成批量生產(chǎn)。其運(yùn)算速度比五，六十年代有了大幅度的提高。于是將它一直過(guò)來(lái)作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進(jìn)入了計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)階段。1971 年美國(guó) INTEL 公司在世界上第一次將計(jì)算機(jī)的兩個(gè)最核心的部件-運(yùn)算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路集成在一塊芯片上，稱之為微處理器（MICROPROCESSOR）,1974 年微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。到 1990 年數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)入了基于 PC 的時(shí)代。計(jì)算機(jī)數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。即1970 年第四代-小型計(jì)算機(jī)；1974 年第五代-微處理器；1990 年第六代-基于PC（國(guó)外稱為 PC-BASED） 。數(shù)控系統(tǒng)半個(gè)多世紀(jì)來(lái)經(jīng)歷了兩個(gè)階段六代的發(fā)展，只是發(fā)

11、展到了第五代以后，才從根本上解決了可靠性低、價(jià)格極為昂貴、應(yīng)用很不方便等極為關(guān)鍵的問(wèn)題。因此，及時(shí)在工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，數(shù)控系統(tǒng)大規(guī)模地得到應(yīng)用和普及，也是在七十年代末八十年代初以后的事情，數(shù)控技術(shù)經(jīng)歷了三十年多的發(fā)展才走向普及和應(yīng)用。數(shù)控機(jī)床是綜合了微電子、計(jì)算機(jī)、信息處理、自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制、電機(jī)與拖動(dòng)、電子和電力、精密測(cè)量、氣液壓及現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù)的機(jī)電一體化產(chǎn)品。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看，數(shù)控系統(tǒng)正在向電氣化、電子化、高速化、精密化等方面高速發(fā)展，數(shù)控銑床床身的研究和設(shè)計(jì)具有很高戰(zhàn)略意義。數(shù)控銑床是世界上最早研制出來(lái)的數(shù)控機(jī)床。數(shù)控銑床加工范圍廣、工藝復(fù)雜、

12、涉及的技術(shù)問(wèn)題多，是數(shù)控加工領(lǐng)域中具有代表性的一種機(jī)床。與普通銑床相比，數(shù)控銑床加工精度高，精度穩(wěn)定性好，適應(yīng)性強(qiáng)，操作勞動(dòng)強(qiáng)度低，能夠完成基本的銑削、鏜削、鉆削、攻螺紋及自動(dòng)工作循環(huán)等工作，特別適應(yīng)于板類、盤類、殼具類等復(fù)雜形狀的零件或?qū)缺３中砸筝^高的中、小批量零件的加工。1.3 數(shù)控銑床的工作原理、特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)及分類1. 數(shù)控銑床的工作原理數(shù)控銑床根據(jù)零件形狀、尺寸、精度和表面粗糙度等技術(shù)要求制定加工工藝，選擇加工參數(shù)。通過(guò)手工加工編程或利用 CAM 軟件自動(dòng)編程，將編好的加工程序輸入到控制器?？刂破鲗?duì)加工程序處理后，向伺服裝置傳送指令。伺服裝置向伺服電機(jī)發(fā)出控制信號(hào)。主軸電機(jī)使刀具旋

13、轉(zhuǎn)，X、Y 和 Z 向的伺服電機(jī)控制道具和工件按一定的軌跡相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)工件的切削。2. 數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)數(shù)控銑床一般由銑床主機(jī)、控制部分、驅(qū)動(dòng)部分及輔助部分等組成。（1）銑床主機(jī)。它是數(shù)控銑床的機(jī)械本體，包括床身、主軸箱、工作臺(tái)和進(jìn)給機(jī)構(gòu)等。床身用于支撐和鏈接機(jī)床等各部件。主軸箱用于安裝主軸。主軸下端用于安裝銑刀。當(dāng)主軸箱內(nèi)的主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)銑刀能夠切削工件。主軸箱還可沿著立柱上的導(dǎo)軌在 z 向移動(dòng)使刀具上升或下降。工作臺(tái)用于安裝工件或夾具。工作臺(tái)可沿床身上的導(dǎo)軌在 x 向移動(dòng)，進(jìn)給機(jī)構(gòu)可沿工作臺(tái)上的導(dǎo)軌在Y 向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)工件在 X、Y 向還是 Z 向的移動(dòng)都是靠伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠

14、絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)。伺服裝置用于驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)?？刂破饔糜谳斎肓慵庸こ绦蚝涂刂茩C(jī)床工作狀態(tài)?？刂齐娫从糜谙蛩欧b置和控制器供電。（2）控制部分。它是數(shù)控銑床的控制核心，執(zhí)行數(shù)控加工程序控制機(jī)床進(jìn)行加工。（3）驅(qū)動(dòng)部分。它是數(shù)控銑床執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部件，它包括主軸電動(dòng)機(jī)和進(jìn)給伺服等。進(jìn)給伺服由進(jìn)給電機(jī)和進(jìn)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，按照程序設(shè)定的進(jìn)給速度實(shí)現(xiàn)刀具和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，包括直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。（4）輔助部分。它是數(shù)控銑床的一些配套部件，包括刀庫(kù)、液壓裝置、氣動(dòng)裝置、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)和排屑裝置等。3. 數(shù)控銑床的分類數(shù)控銑床一般分為立式數(shù)控銑床、臥式數(shù)控銑床和立臥兩用數(shù)控銑床。數(shù)控銑床的自動(dòng)化、高精

15、度、高效率要求數(shù)控銑床的床身結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的性能才能保證。這些特性包括床身結(jié)構(gòu)的靜剛度、抗震性、熱穩(wěn)定性、低俗運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性及運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦特性、幾何精度、傳動(dòng)精度等。4. 數(shù)控銑床的特點(diǎn)（1）零件加工的適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性好，能加工輪廓形狀特別復(fù)雜或難以控制尺寸的零件，如模具類零件、殼體類零件等。（2）能加工普通機(jī)床無(wú)法加工或很難加工的零件，如用數(shù)學(xué)模型描述的復(fù)雜曲線零件以及三維空間曲面類零件。（3）能加工一次裝夾定位后，需進(jìn)行多道工序加工的零件。（4）加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠。（5）生產(chǎn)自動(dòng)化程度提高，可以減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。有利于生產(chǎn)管理自動(dòng)化。在現(xiàn)代制造業(yè)中對(duì)數(shù)控銑床的加工精度要求越來(lái)越高

16、，任何能夠引起機(jī)床變形的因素都要考慮進(jìn)去。數(shù)控系統(tǒng)的控制精度很高，而機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)形式對(duì)機(jī)床加工精度的影響十分重要。對(duì)于數(shù)控銑床而言，床身一般采用”T”型結(jié)構(gòu)和倒“T”型結(jié)構(gòu)，他們都可以實(shí)現(xiàn)床身的全程支撐，而且加厚的底座對(duì)機(jī)床剛度影響也很大。但“T”型結(jié)構(gòu)可以減少機(jī)床的熱變形對(duì)機(jī)床加工精度的影響。因此，數(shù)控銑床采用“T”型床身。第 2 章數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)2.1 進(jìn)給系統(tǒng)組成各部分的工作原理簡(jiǎn)述如下：1、控制介質(zhì)進(jìn)行數(shù)控機(jī)床加工時(shí)，需在任何機(jī)床之間建立某種聯(lián)系，以便機(jī)床正確的執(zhí)行認(rèn)的意圖，這種進(jìn)行聯(lián)系的中間介質(zhì)機(jī)控制介質(zhì)又稱為信息載體。信息以代碼的形式存儲(chǔ)在介質(zhì)上，常用的控制節(jié)有：穿孔帶、穿孔卡、

17、磁盤和磁帶；最常用的十八單位標(biāo)準(zhǔn)黑色穿孔紙帶。每行共 9 個(gè)孔，大孔為信息孔，其中 1。33 毫米；小孔為同步孔，其中 1。17 毫米。國(guó)際上通用的代碼為 EIA 代碼和 IS0 代碼。2、計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置是數(shù)控裝置的核心，其絕大部分采用微型計(jì)算機(jī)控制；它有輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、運(yùn)算器、控制器和存儲(chǔ)器組成。輸入設(shè)備即把控制介質(zhì)上的信息翻譯成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的信息代碼并送到指定的存儲(chǔ)器中以便進(jìn)行運(yùn)算處理。輸出設(shè)備即將經(jīng)計(jì)算機(jī)處理過(guò)的信息代碼經(jīng)過(guò)翻譯之后轉(zhuǎn)變成機(jī)床能夠執(zhí)行的指令和人能夠識(shí)別的信息符號(hào)。運(yùn)算器是對(duì)計(jì)算機(jī)中的信息進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算的器件。存儲(chǔ)器是用來(lái)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)所需的各種信息代碼

18、的器件?？刂破魇怯脕?lái)控制計(jì)算機(jī)內(nèi)部的運(yùn)算并按照一定的順序使各個(gè)部件協(xié)調(diào)工作的部件。3、伺服機(jī)構(gòu)伺服構(gòu)的作用是把數(shù)控裝蠱的運(yùn)動(dòng)指令轉(zhuǎn)變成機(jī)床移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)，使工作臺(tái)按照預(yù)先規(guī)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，以便使加工出符合圖紙要求的工件。伺服機(jī)構(gòu)由伺服控制電路、功率放大電路和伺服電機(jī)組成。常用的伺服電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。4、機(jī)床數(shù)控機(jī)床是高精度和高生產(chǎn)率的自動(dòng)化加工機(jī)床，它具有更好的抗震性和剛度，相對(duì)運(yùn)動(dòng)面的摩擦系數(shù)小，進(jìn)給傳動(dòng)部份的間隙小的特點(diǎn)。5、測(cè)量裝置測(cè)量裝置江機(jī)床移動(dòng)的實(shí)際位置、速度檢測(cè)出來(lái)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，并反饋至計(jì)算機(jī)中使計(jì)算機(jī)能隨時(shí)判斷機(jī)床的實(shí)際位置、速度與指令要求是否一致，并發(fā)

19、出相應(yīng)指令糾正所產(chǎn)生的誤差。2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)方案確定三個(gè)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)形式都是由伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)絲杠靠滾珠絲杠螺母副傳動(dòng)。主傳動(dòng)形式有多種，包括：（1）一級(jí)帶傳動(dòng)，傳動(dòng)平穩(wěn)，極限轉(zhuǎn)速低；（2）二級(jí)齒輪傳動(dòng)，恒功率變速范圍大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；（3）主軸電機(jī)直連主軸，主軸轉(zhuǎn)速和電機(jī)保持一致；（4）電主軸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械性能好，價(jià)格昂貴，潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)復(fù)雜。綜上，主傳動(dòng)系統(tǒng)選用二級(jí)齒輪傳動(dòng)。1主傳動(dòng)系統(tǒng)主傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種刀具和工件所需的切削功率，且在盡可能大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保證恒功率輸出，同時(shí)為使數(shù)控機(jī)床能獲得最佳的切削速度，主傳動(dòng)須在較寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。現(xiàn)行數(shù)控機(jī)床采用高性能的直流或交流無(wú)級(jí)調(diào)速主軸電機(jī)

20、。主軸箱為兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，主軸為分段無(wú)級(jí)變速，從而擴(kuò)大了主軸的恒功率變速范圍。主軸支撐方式為兩支撐。前軸承為一個(gè)雙列圓柱滾子軸承和一對(duì)面對(duì)面排列的角接觸球軸承，后軸承為一個(gè)單列圓柱滾子軸承動(dòng)夾緊裝置及切屑清除裝置。機(jī)床的床身內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由復(fù)雜的筋板組成，原始方案是在經(jīng)驗(yàn)和類比的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，因此會(huì)有一些不足之處，初設(shè)計(jì)時(shí)為了獲得較高的強(qiáng)度，會(huì)采取較厚的筋板和較密的布局，出砂孔形狀和尺寸也是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行設(shè)計(jì)。雖然可以獲得較高的安全系數(shù)，但是會(huì)造成材料的浪費(fèi)。由于材料的分布以及筋板的結(jié)構(gòu)形式以及出砂孔形狀和尺寸不是最合理的，會(huì)導(dǎo)致床身的某些局部剛度比較薄弱，從而整體剛度也相應(yīng)降低。機(jī)床在工作中受到

21、內(nèi)在熱源和外在熱源的共同影響，包括主軸的發(fā)熱、切削熱、導(dǎo)軌發(fā)熱、冷卻液流動(dòng)傳熱以及環(huán)境溫度的綜合作用。床身部分也會(huì)受到一定的熱源影響，由于受到約束，熱變形不能自由擴(kuò)展，就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。機(jī)床的靜態(tài)特性反映的是機(jī)床系統(tǒng)在受到靜態(tài)的、不變的載荷作用時(shí)，結(jié)構(gòu)或部件產(chǎn)生位移、應(yīng)變和應(yīng)力的狀態(tài)。在相同的載荷下，位移、應(yīng)變、應(yīng)力愈小，則表示機(jī)床靜態(tài)特性愈優(yōu)良。通?？梢杂渺o剛度表示機(jī)床的靜態(tài)特性。機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性反映的是機(jī)床系統(tǒng)受到動(dòng)態(tài)變化的載荷作用時(shí)，其結(jié)構(gòu)或部件產(chǎn)生振動(dòng)和振型的狀態(tài)。在某頻率的動(dòng)載荷作用下，機(jī)床的振型愈小，表示機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性愈優(yōu)良，即機(jī)床結(jié)構(gòu)的抗振能力愈好。通常用動(dòng)剛度來(lái)表示機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性，

22、動(dòng)剛度在數(shù)值上等于機(jī)床結(jié)構(gòu)產(chǎn)生單位振幅所需的激振力；動(dòng)剛度越大，則機(jī)床結(jié)構(gòu)在一定激振力作用下，產(chǎn)生的振幅越小，其抗振能力越好。進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)分析的方法有數(shù)值解法、有限元方法和試驗(yàn)方法。數(shù)值解析法運(yùn)用傳統(tǒng)的材料力學(xué)、彈性力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識(shí)對(duì)模型進(jìn)行解析求解，具有較高的解析精度。靜力分析是結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)，用于計(jì)算固定不變的載荷作用在部件或結(jié)構(gòu)上引起的位移、應(yīng)變、應(yīng)力，這些載荷不包括慣性和阻尼。根據(jù)靜力分析的結(jié)果可以了解結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變最大處以及結(jié)構(gòu)靜剛度的分布情況。數(shù)值解析法采用材料力學(xué)、彈性力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等知識(shí)，將結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)化成桿、梁、面，然后解析求解。數(shù)值解析法是分析結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的主要方法。數(shù)控

23、銑床在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)中可能產(chǎn)生的各種作用力，都直接或間接由床身來(lái)承受。床身主要受力有：（1)切削力，指 Fx進(jìn)給抗力；Fy 一吃刀抗力；Fz 一主切削力。（2） 重力，指工件及機(jī)床重量。（3） 摩擦力，指移動(dòng)部件和固定部件相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)導(dǎo)軌面間的摩擦力。（4） 夾緊力，連接工件和移動(dòng)部件的連接力。（5） 慣性力。（6） 沖擊或振動(dòng)干擾力（外加激振力） 。（7） 熱應(yīng)力。2.3 齒形帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)帶傳動(dòng)是利用張緊在帶論上的帶傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力；通常是靠帶和帶輪之間的摩擦力來(lái)傳遞動(dòng)力的，也有靠帶和帶輪上的齒的嚙合來(lái)傳遞動(dòng)力的例如：同步齒形帶。帶的形式有：三角形帶、平帶、同步齒形帶等。帶的傳動(dòng)形式有：開(kāi)口傳動(dòng)、交叉

24、傳動(dòng)、半交叉?zhèn)鲃?dòng)、張錦綸傳動(dòng)。2.3.1 帶和帶傳動(dòng)一、帶的種類1)V 帶。v 帶有普通 v 帶、窄 v 帶和寬 V 帶等類型。一般多使用普通的 v 帶。v 帶的結(jié)構(gòu)為：頂膠、承載層、底膠、包布組成。窄 v 帶采用合成纖維繩或者鋼絲繩作為承載層，它傳遞的功率比普通的 v 帶大，允許速度和曲撓次數(shù)高，傳動(dòng)的中心距較小。普通 v 帶有 Y、Z、A、B、C、D、E 七種型號(hào)。普通的 V 帶的承載層由膠簾布或者膠繩芯承擔(dān)；適合高速傳動(dòng)。2)平帶。膠帆布平帶強(qiáng)度高、價(jià)廉，在平帶中應(yīng)用最多。此外，也有用麻、絲或者棉輪等材料貶值而成的編織帶，承載層為滌綸繩，表面服役耐磨油膠布或者聚氨脂的高速膠帶，也有以棉輪

25、片作為承載層的。帶輪通常由三部分組成：輪緣、輪轂、輪輻。在結(jié)構(gòu)上代輪應(yīng)易于制造，能避免由于鑄造而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，重量應(yīng)輕。高速帶還要進(jìn)行動(dòng)平衡。帶輪通常按照此公式計(jì)算：輪寬的計(jì)算公式：B=(z-1)e+2f；z-為輪槽數(shù)，e-為槽間距，f-為第一個(gè)槽的中點(diǎn)至端面的距離。Do=D+2h。：D-帶輪計(jì)算直徑，h。-輪緣的齒頂高。二、帶傳動(dòng)帶傳動(dòng)的主要幾何參數(shù)有：中心距 a：帶長(zhǎng) L；帶輪直徑 Dt，D。 ；包角 dt。帶傳動(dòng)的力分析：帶傳動(dòng)中呈環(huán)形，并以一定的拉力套在一對(duì)帶輪上，使帶和帶輪互相壓緊。當(dāng)帶輪不工作時(shí)兩邊的拉力相等。工作時(shí)，由于帶和帶輪之間的摩擦力使得帶輪一邊的拉力加大，而另外一邊的拉力

26、減小，兩者之差為帶輪的有效拉力，它等于沿著帶輪上的接觸戶的摩擦力之和。 ，在一定條件下，若阻力大于極限值，帶就會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。有效力的計(jì)算如下：F=F1-F2=1000pv帶的應(yīng)力計(jì)算：1)緊變得應(yīng)力計(jì)算：1=F1A2)松邊的應(yīng)力的計(jì)算：2=F2A式中：F1為緊邊拉力；F2為松邊拉力；A 為帶的橫截面。松邊與緊邊的應(yīng)力差 ：=12=FA由于帶輪是彈性體受力不同時(shí)，帶的伸長(zhǎng)量是不等的，從而使帶發(fā)生打滑現(xiàn)象。打滑時(shí)，帶的速度落后與帶輪的速度。有如下措施可以提高帶傳動(dòng)的工作能力：1) 增大摩擦系數(shù)；2)增大包角；3)盡量使傳動(dòng)在最佳速度下工作；4)采用新型帶傳動(dòng)；5)采用高強(qiáng)度帶材料。2.3.2 齒

27、形帶的選擇下表 2-1 是齒形帶的計(jì)算校核方法公式表表 2-1計(jì)算項(xiàng)目符號(hào)設(shè)計(jì)公式計(jì)算功率PcP=KAP KW(K為同步齒形帶的工作系數(shù))選擇帶型和節(jié)距p查相關(guān)的圖標(biāo)進(jìn)行選取傳動(dòng)比iI=n1/n210齒數(shù)Z1、Z2Z 1Z min;Z 2=IZ 2(Z min為小帶輪的最小齒數(shù)，I為傳動(dòng)比)齒輪節(jié)園直徑D1 D2D 1 =Z 1P/ mm, D 2=ZP/mm帶速vV=D1n1/601000vmax m/s初定中心距a0.7(D1-D2)a2(D1+D2)帶長(zhǎng)及其齒數(shù)LAa 1D mL=(D+D)/2+r(D 2-D 1)/2+2acos(r/2)D m+2a+2/aA=(L-D M)/4+(

28、l-D M) 2-82) 1/2/4a 1 =180 0-(D 2-D 1)/a)60 0上式中：D m=(D 2+D 1)/2, =(D 2-D 1 /2R(D 2-D 1)/aCos(r/2) 1-(r/2) 2/2實(shí)際中心距AA=(L-d m)/4(L-d) 32-8 2) 1/2 /4小帶輪嚙合齒數(shù)Zm Zm=Z12一PZ1 (Z2-Z1)20a (圓整成整數(shù))基本額定功率Po Po=(Fa-qv2) v1000 kWPo-同步帶基準(zhǔn)寬度b。所能傳遞的功率Fa-基準(zhǔn)寬度b。同步帶的許用拉力q-基準(zhǔn)寬度為b。的同步帶質(zhì) 量帶寬b B=b。(PC(KZP。) 1.14mm K。-嚙合齒數(shù)系

29、數(shù)剪切應(yīng)力計(jì)算=PC /(1.44mbzMu)103比壓驗(yàn)算ppP=PC/(0.6mbSZ1Mu)103PP-許用比壓軸上載荷F F =1000P N2.4 絲杠螺母設(shè)計(jì) 滾珠絲杠螺母副由專門的工廠制造，當(dāng)類別、型號(hào)選定和校核后，可以外購(gòu)。滾珠絲杠螺母副按其工作方式可以分為：鋼球循環(huán)方式、循環(huán)列數(shù)與圈數(shù)、預(yù)緊方式；鋼球循環(huán)方式又可以分為：內(nèi)循環(huán)反向器式和外循環(huán)插管式；預(yù)緊方式也可以分為：?jiǎn)温菽负碗p螺母滾珠絲杠。按絲杠的旋向也可以分為右旋和左旋絲杠；按其螺母副的類型可以分為：定位滾珠絲杠螺母副和傳動(dòng)滾珠絲杠螺母副。滾珠絲杠的精度等級(jí)有：1，2，3，4，5，7，l0 七個(gè)精度等級(jí) 鋼珠在絲杠和螺母

30、之間的滾動(dòng)是一個(gè)循環(huán)閉路。鋼珠的每一個(gè)循環(huán)閉路稱為列，每個(gè)鋼珠循環(huán)閉路內(nèi)所含導(dǎo)程數(shù)稱為圈數(shù)。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副的每個(gè)螺母有2 列、3 列、4 列、5 列等幾種，每列只有一圈。為了消除間隙和提高滾珠絲杠副的剛度，可以加預(yù)緊力，使它在過(guò)盈的條件下工作，這種工作方式稱為預(yù)緊。常用的預(yù)緊方式有：雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊，預(yù)緊后的剛度可以提高兩倍。但是預(yù)緊力過(guò)大，絲杠的壽命2.4.1 滾珠絲杠螺母副類型選擇主要的參數(shù)及代號(hào) 1滾珠絲杠副的主要參數(shù) (1)公稱直徑 dm，公稱直徑即絲杠螺母副的名義直徑，dm 越大，承載能力和剛度越大。數(shù)控機(jī)床上常用的進(jìn)給絲杠的直徑為：30 mm

31、至 80mm。 (2)基本導(dǎo)程 L0。絲杠相對(duì)于螺母旋轉(zhuǎn) 2rad 時(shí)，螺母的軸向位移?；镜膶?dǎo)程稱為螺距。它按程載力選取，并與進(jìn)給的脈沖當(dāng)量有關(guān)。 (3)精度等級(jí)。滾珠絲杠可以分為 7 個(gè)精度等級(jí)，即 I、2、3、4、5、7、10七個(gè)精度等級(jí)，1 級(jí)最高，其次遞減。一般選用 4 級(jí)7 級(jí)，數(shù)控機(jī)床及精密機(jī)械可選用 2 級(jí)3 級(jí)。滾珠絲杠副的精度直接影響定位精度、承載能力、接觸剛度，因此它絲滾珠絲杠副的重要質(zhì)量指標(biāo)。 2滾珠絲杠副代號(hào)的標(biāo)注 滾珠絲杠副的標(biāo)注順序?yàn)椋貉h(huán)方式、預(yù)緊方式、結(jié)構(gòu)特征、公稱直徑、公稱導(dǎo)程、螺紋旋向、負(fù)載鋼球圈數(shù)、類型、精度等級(jí)。例如：CDMSOl0 一 3 一P3，其

32、中 c 表示外循環(huán)方式，D 表示雙螺母墊片預(yù)緊方式，M 表示導(dǎo)珠管埋入式，50 表示公稱直徑，3 表示負(fù)載鋼球圈數(shù)，P 表示選用定位滾珠絲鋼副，3 表示精度等級(jí)為 3 級(jí)。2.4.2 滾珠絲杠螺母副型號(hào)及其校核一、最大工作載荷計(jì)算 絲杠上的工作載荷 FM 是指滾珠絲鋼負(fù)載驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)滾珠絲鋼所承受的軸向力，也叫進(jìn)給牽引力。它包括三個(gè)力：滾珠絲鋼的走刀抗力、工件的重力、作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力。矩形導(dǎo)軌的工作載荷 FM 的計(jì)算公式為： FM=KFL+f (FV+FC+G) 其中：FL 為工作臺(tái)的進(jìn)給方向的載荷；FV 為垂直方向的載荷；FC 為橫向的工作載荷。對(duì)不同的導(dǎo)軌，工作載荷的

33、計(jì)算公式是不同的，實(shí)驗(yàn)系數(shù) K 和導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù) f 也是不同的。二、最大動(dòng)載荷的計(jì)算及主要尺寸的初選 滾珠絲杠的最大載荷 c 可用下列公式計(jì)算：C=L fmFm式中：L 為工作壽命，單位 106r，L=60ntl06：n 為絲杠轉(zhuǎn)速(rmin)n=i000vL0：v 為最大切削力條件下的進(jìn)給速度(mmin)，可取最高進(jìn)給速度的 l213：L0 為絲杠基本導(dǎo)程(m)：t 為額定使用壽命(h)，可取t=15000h：fm 為運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，無(wú)沖擊時(shí) l12，一般情況下取 1215 有沖擊振動(dòng)時(shí)取 l525：Fm 滾珠絲杠工作載荷(N)。選尺寸時(shí)，額定動(dòng)載荷需大于最大動(dòng)載荷。三、傳動(dòng)效率的計(jì)算 用查表

34、法選型號(hào)查出；0 為摩擦角；滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率較高，一般在08O9 之間。四、剛度的驗(yàn)算 滾珠絲杠副的軸向變形將引起絲杠導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響定位精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。滾珠絲杠副的軸向變形包括：絲杠的拉壓變形、絲杠與螺母之間滾道的接觸變形、絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形 滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形較小可以忽略不計(jì)，螺母座的只要設(shè)計(jì)合理，器變形量也可以忽略不計(jì)。對(duì)于軸承的軸向接觸變形，只要滾珠絲杠支承的剛度設(shè)計(jì)的好，軸向接觸變形也可以忽略不計(jì)。 1絲杠的拉壓變形量的計(jì)算 11=FmLEA(mm) 式中： 為在工作載荷 Fm 作下絲杠總長(zhǎng)度上拉伸或壓縮變形量(mm)

35、;Fm 為絲杠的工作載荷(N)：l 為滾珠絲杠在支承間的受力長(zhǎng)度(mm)；E 為材料彈性模量，E=206104Mpa；A 為按內(nèi)徑確定的橫截面積(mm 2)“+”號(hào)用于拉伸；“一”用于壓縮。 2滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 2 無(wú)預(yù)緊時(shí) 2=00038(FmZ) 2D，) 1/3。(mm) 有預(yù)緊時(shí) 2=0O013Fm(DwFzyZ2) 1/3(mm) 式中：Dw為滾珠直徑(mm)；Z：滾珠總數(shù)量 Z=z圓數(shù)列數(shù)；Z 為滾珠一圈的滾珠數(shù)，z=dM /dW(外循環(huán))，z=(dmDw)一 3(內(nèi)循環(huán))；dm為滾珠絲杠的公稱直徑(mm)；Fyj，為預(yù)緊力；Fm為滾珠絲杠工作載荷。 3滾珠絲杠副剛度的

36、驗(yàn)算 絲杠的總變形量 =1+2應(yīng)小于允許的變形量。 五壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算 滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿，若軸向力過(guò)大時(shí)，使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向彎曲即失穩(wěn)。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷 Fk為：Fk=fZ 2EIL2 (N) 式中：E 為杠材料彈性模量，對(duì)于鋼 E=206104Mpa；I 為截面慣性距，對(duì)絲杠圓截面 I= d4164(mm)(d1為絲杠底徑)；L 為絲杠最大工作長(zhǎng)度(mm)fz為絲杠支承方式系數(shù)。 臨界載荷 F。與絲杠工作載荷 FM 之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù) n。：若 n。大于許用安全系數(shù)n。，則滾珠絲杠穩(wěn)定即 Nk=FkFMnk。否則失穩(wěn)。六、一滾珠絲杠副安裝時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。 1絲杠不能

37、外露； 2螺母在有效行程內(nèi)配置限位裝置以避免滾珠流失；3滾珠絲杠必須潤(rùn)滑，常用鋰樹(shù)脂。第 3 章 進(jìn)給傳動(dòng)部件的選型3.1 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)3.1.1 導(dǎo)軌概述導(dǎo)軌主要用來(lái)支撐和引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件沿一定的軌道運(yùn)動(dòng)。如圖4-1。在導(dǎo)軌副中，運(yùn)動(dòng)的一方稱為支承導(dǎo)軌。動(dòng)導(dǎo)軌相對(duì)與支承導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，通常作直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 圖3-1 導(dǎo)軌外形圖導(dǎo)軌應(yīng)滿足的基本要求： 1導(dǎo)向精度。主要是指動(dòng)導(dǎo)軌沿支承導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的直線度或圓度。影響它的因素有：導(dǎo)軌的幾何精度、接觸精度、結(jié)構(gòu)形式、剛度、熱變形、裝配質(zhì)量以及液體動(dòng)壓和靜壓導(dǎo)軌 的油膜厚度、油膜剛度等。 2耐磨性。主要是導(dǎo)軌在長(zhǎng)期使用過(guò)程中能否保持一定的導(dǎo)向精度。因?qū)к壴诠ぷ?/p>

38、過(guò)程中難免有所磨損，所以應(yīng)力求減小磨損量，并在磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償或便于調(diào)整。 3疲勞和壓潰。由于過(guò)載或接觸應(yīng)力不均勾而使導(dǎo)軌表面產(chǎn)生彈性變形，反復(fù)運(yùn)行多次后就會(huì)形成疲勞點(diǎn)，呈塑性變形，表面形成龜裂、剝落而出現(xiàn)凹坑，這種現(xiàn)象就是壓潰。疲勞和壓潰是滾動(dòng)導(dǎo)軌失效的主要原因，為此應(yīng)控制滾動(dòng)導(dǎo)軌承受的最大載荷和受載的均勻性。 4剛度。導(dǎo)軌受力變形會(huì)影響導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度及部件之間的相對(duì)位置，因此要求導(dǎo)軌應(yīng)有足夠的剛度。為減輕或平衡外力的影響，可采用加大導(dǎo)軌尺寸或添加輔助導(dǎo)軌的方法提高剛度。 5低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，作為運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)導(dǎo)軌易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。低速運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性與導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)和潤(rùn)滑，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)的差

39、值，以及導(dǎo)軌的剛度等有關(guān)。 6結(jié)構(gòu)工藝性。設(shè)計(jì)導(dǎo)軌時(shí)，要注意制造、調(diào)整和維修的方便，力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性及經(jīng)濟(jì)性好。3.1.2 直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌副的基本截面形狀分類表 3-1 直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌副的基本截面形狀分類 1矩形導(dǎo)軌矩形導(dǎo)軌易加工制造，剛度和承載能力大，安裝調(diào)整方便，起主要導(dǎo)向作用的磨損后不能自動(dòng)補(bǔ)償間隙，需要有間隙調(diào)整裝置。它使用于載荷大且導(dǎo)向精度要求不高的機(jī)床。 2三角導(dǎo)軌 磨損后可以自動(dòng)補(bǔ)償，不產(chǎn)生間隙，導(dǎo)向精度高，但仍需設(shè)置壓板面間隙調(diào)整裝置。三角形頂角夾角為90，若重型機(jī)床承受載荷大時(shí)，為增大承載面積，夾角可取90120,但導(dǎo)向精度差。精密機(jī)床可以采用小于90 C的夾角，以提高導(dǎo)向精

40、度。 3燕尾形導(dǎo)軌 這是封閉式導(dǎo)軌中接觸面最少的一種結(jié)構(gòu)，磨損后不能自動(dòng)補(bǔ)償間隙，需要用鑲條調(diào)整。燕尾形導(dǎo)軌制造、檢驗(yàn)和維修較復(fù)雜，摩擦阻力大，可以承載顛覆力矩，剛度較差。 4圓柱形導(dǎo)軌 這種導(dǎo)軌剛度高，易制造，外徑可磨削，內(nèi)孔可以用研磨達(dá)到精密配合，但磨損后間隙調(diào)整困難。它適用形式取決于軸向載荷的場(chǎng)合，如壓力機(jī)，機(jī)械手等。3.1.3 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的選型圖3-2 導(dǎo)軌內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖3-3 滾動(dòng)導(dǎo)軌截面圖直線滾動(dòng)導(dǎo)軌由直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副、滑塊、剛球、反向器、保持架、密封端蓋及擋板組成。如圖4-2和圖4-3所示。當(dāng)導(dǎo)軌與滑塊做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，鋼球就沿著導(dǎo)軌上的滾道滾動(dòng)。在滑塊的端部，鋼球又通過(guò)反向裝置進(jìn)入

41、反向孔后再進(jìn)入導(dǎo)軌上的滾道。鋼球就這樣周而復(fù)始地進(jìn)行滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。反向器兩端裝有防塵密封端蓋，可以有效防止灰塵、屑末進(jìn)入滑塊內(nèi)部。直線滾動(dòng)導(dǎo)軌具有以下優(yōu)點(diǎn)：1直線滾動(dòng)導(dǎo)軌是在滑塊與導(dǎo)軌之間放入適當(dāng)?shù)匿撉?，使滑塊之間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，大大降低了兩者之間的運(yùn)動(dòng)摩擦阻力，從而可獲得以下的優(yōu)異性能： （1）導(dǎo)軌的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差別小，隨動(dòng)性極好，即驅(qū)動(dòng)信號(hào)與機(jī)械動(dòng)作滯后的時(shí)間間隔極短，有效提高了數(shù)控系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈敏度； （2）滑動(dòng)功率大大下降，只相當(dāng)普通機(jī)械的1/10 ； （3）與滑動(dòng)導(dǎo)軌子導(dǎo)軌相比，摩擦力可下降約40倍； （4）適用于高速直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度比滑動(dòng)導(dǎo)軌提高約10倍； （5）可以實(shí)

42、現(xiàn)較高的定位精度和重復(fù)定位精度。 2可以實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙運(yùn)動(dòng)，提高機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)剛度。 3成對(duì)使用導(dǎo)軌時(shí)，具有“誤差均化效應(yīng)”，從而可以降低基礎(chǔ)件（滑軌安裝面）的加工精度要求，降低基礎(chǔ)部件的機(jī)械制造成本與難度。 4簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造。滾動(dòng)直線導(dǎo)軌除了具有以上優(yōu)點(diǎn)外，還具有安裝和維修都比較方便的優(yōu)點(diǎn)。由于它是一個(gè)獨(dú)立的部件，對(duì)機(jī)床支撐部件部分的技術(shù)要求不高，既不需要淬硬也不需要磨削或刮研只需要精銑或精刨。由于這種導(dǎo)軌可以預(yù)緊，因而比滾動(dòng)體不循環(huán)的滾動(dòng)導(dǎo)軌剛度高，承載能力大，但不如滑動(dòng)導(dǎo)軌，抗振動(dòng)和沖擊載荷的機(jī)床不宜使用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副。圖3-4 導(dǎo)軌安裝結(jié)構(gòu)示意圖由于滾動(dòng)直線導(dǎo)軌具有以上優(yōu)點(diǎn)，因

43、此數(shù)控機(jī)床的導(dǎo)軌選型為直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，從平穩(wěn)和承載方面思考導(dǎo)軌副采用每根導(dǎo)軌兩個(gè)滑塊。3.2 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)3.2.1 滾珠絲杠螺母副概述 滾珠絲杠螺母副是數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)中，將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)裝置。 1滾珠絲杠螺母副工作原理 滾珠絲杠螺母副是直線運(yùn)動(dòng)與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能相互轉(zhuǎn)換的新型傳動(dòng)裝置，其結(jié)構(gòu)如圖4-5所示。在絲杠3和螺母1上都有半圓弧形的螺旋槽，當(dāng)它們套裝在一起時(shí)便形成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有滾珠的回路管道，將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來(lái)，構(gòu)成封閉的螺旋滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠2。當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠在滾道內(nèi)既自轉(zhuǎn)又沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，因而迫使螺母（或滾珠絲杠）軸向移動(dòng)。1-螺

44、母；2-滾珠；3-絲杠；4-滾珠回路裝置；5-端蓋圖3-5 滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)圖及外形圖2滾珠絲杠螺母副的特點(diǎn) （1）傳動(dòng)效率高，摩擦損失小。 （2）給予適當(dāng)預(yù)緊，可以消除絲杠和螺母之間的螺紋間隙，反向時(shí)就可以消除空載死區(qū)。從而使絲杠的定位精度高，剛度好。 （3）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高。 （4）具有可逆性，可從轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)成直線運(yùn)動(dòng)，也可從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 （5）磨損損失小，使用壽命長(zhǎng)。 （6）制造工藝復(fù)雜。 （加工精度、表面粗糙度、要求高，故成本高） （7）不能自鎖。 （特別是對(duì)于垂直安裝的絲杠，由于其自重和慣性力的作用，下降時(shí)當(dāng)傳動(dòng)切斷后，不能立即停止運(yùn)動(dòng)，故需要增加制動(dòng)裝置。

45、）3.2.2 滾珠絲杠螺母副的循環(huán)方式 1外循環(huán)（如圖3-6）：用回珠器將螺旋滾道的兩端連接起來(lái)，使返回的滾珠與絲杠外圓不接觸?；刂槠髟诼菪凉L道的兩端還能起到擋珠的作用。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制造，應(yīng)用廣泛。 缺點(diǎn)：絲杠螺母徑向尺寸較大，因用回珠器的彎管端部作擋珠器，故剛性差，易磨損，噪音大。圖3-6 外循環(huán) 2內(nèi)循環(huán)（如圖4-7）： 采用反向器將滾珠返回，返回的滾珠經(jīng)過(guò)反向器的滾道和絲杠的外圓之間組成的滾道返回。 優(yōu)點(diǎn)：螺母徑向尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊。同時(shí)，反向器在螺母中的定位可靠，剛性好，不易磨損。由于返回滾道短，不易發(fā)生滾珠堵塞。 缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難。圖3-7 內(nèi)循環(huán)3.2.3 滾珠絲杠

46、間隙與調(diào)整 1滾珠絲杠的間隙 間隙是指絲杠與螺母之間無(wú)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)絲杠與螺母間的最大軸向竄動(dòng)量，是軸向間隙。該間隙是由兩部分組成： （1）結(jié)構(gòu)本身存在的游隙。 （2）施加軸向載荷后產(chǎn)生彈性變形所造成的軸向竄動(dòng)量。 2滾珠絲杠的預(yù)緊 預(yù)緊的目的是通過(guò)預(yù)緊措施來(lái)消除滾珠絲杠螺母副的軸向間隙，以達(dá)到提向軸向剛度和傳動(dòng)精度的目的。預(yù)緊的條件是采用雙螺母，預(yù)緊方式有三種： 第一種：雙螺母螺紋調(diào)隙結(jié)構(gòu)（如圖4-8所示）圖3-8 雙螺母螺紋調(diào)隙結(jié)構(gòu) 用鍵限制絲杠螺母在螺母座(套筒)內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。調(diào)整時(shí)，首先松開(kāi)鎖緊螺母，轉(zhuǎn)動(dòng)圓螺母，使左絲杠螺母沿軸向向左移動(dòng)一定距離，即可先把絲杠與左絲杠螺母間的間隙消除。然后左絲杠

47、螺母帶動(dòng)絲杠繼續(xù)向左移動(dòng),即可將絲杠右螺母與絲杠間的間隙消除。滾珠受壓而產(chǎn)生一定的彈性變形，從而增大滾珠與絲杠、滾珠與絲杠螺母之間的接觸面積，從而達(dá)到提高剛度并預(yù)緊的目的。最后將鎖緊螺母擰緊。 第二種：雙螺母墊片調(diào)隙結(jié)構(gòu)（如3-9圖所示）圖3-9 雙螺母墊片調(diào)隙示意圖通過(guò)調(diào)整墊片的厚度來(lái)使左右兩個(gè)絲杠螺母產(chǎn)生軸向位移，即可達(dá)到消除間隙的目的并進(jìn)行預(yù)緊。調(diào)整時(shí)，通過(guò)修磨墊片的厚度，將左螺母通過(guò)螺釘把在螺母座上。使左螺母相對(duì)絲杠向右移動(dòng)，即可消除左螺母與絲杠的間隙。該間隙消除后，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)螺釘使左螺母與絲杠一起繼續(xù)向右移動(dòng)，此時(shí)，右螺母相對(duì)絲杠左移，即可消除右螺母與絲杠的間隙。 第三種：雙螺母齒差式

48、調(diào)隙結(jié)構(gòu)（如3-10圖所示）圖3-10 雙螺母齒差式調(diào)隙結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)上，在兩個(gè)絲杠螺母的凸緣上各制成有一個(gè)圓柱齒輪，兩個(gè)齒輪的齒數(shù)只相差一個(gè)齒，即Z2Z1=1，再制作兩個(gè)內(nèi)齒圈，其齒數(shù)與外齒數(shù)分別相同，并用螺釘和銷子固定在螺母座的兩端。 調(diào)整時(shí)，先將內(nèi)齒圈取下，根據(jù)間隙的大小調(diào)整兩個(gè)絲杠螺母同向相對(duì)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)齒或多個(gè)齒。使兩個(gè)絲杠螺母在軸向移動(dòng)了相應(yīng)的距離，則使兩絲杠螺母在軸向靠近。從而達(dá)到消除間隙，并預(yù)緊的目的。三種調(diào)隙方法比較： （1）雙螺母螺紋調(diào)隙法、雙螺母墊片調(diào)隙法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，但調(diào)整精度低。 （2）雙螺母齒差式調(diào)隙法，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但調(diào)整精度高。三種調(diào)隙方法的實(shí)質(zhì)：都是設(shè)法使兩

49、個(gè)絲杠螺母在絲杠軸上產(chǎn)生軸向相對(duì)移動(dòng)，使兩個(gè)絲杠螺母之間的軸向距離發(fā)生變化，從而消除絲杠與螺母之間的間隙。3.2.4 滾珠絲杠的選定原則1選擇滾珠絲杠的原則： （1）根據(jù)滾珠絲杠的定位精度來(lái)選擇滾珠絲杠的精度。 （2）根據(jù)載荷的大小來(lái)選定絲杠的直徑。 （3）對(duì)絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度、壓曲剛度、臨界轉(zhuǎn)速與工作壽命進(jìn)行必要的驗(yàn)算。2機(jī)床定位精度要求與滾珠絲杠的絲杠精度機(jī)床定位精度反映了數(shù)控機(jī)床的制造精度要求，是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的。一般來(lái)講，影響機(jī)床定位精度的主要因素有： （1）進(jìn)給傳動(dòng)鏈的間隙； （2）滾珠絲杠支承系統(tǒng)的軸向剛度； （3）滾珠絲杠自身的精度，如：螺距誤差、熱伸長(zhǎng)等。 滾珠絲杠自身的精度主要是指滾珠

50、絲杠的螺距誤差和熱伸長(zhǎng)。它們對(duì)機(jī)床定位精度的影響最明顯。 （1）螺距誤差是在滾珠絲杠制造中產(chǎn)生的誤差。為了減小螺距誤差，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡提高滾珠絲杠的精度等級(jí)。一般來(lái)講，滾珠絲杠的精度等級(jí)可以分為4級(jí)： P普通級(jí)，適用于普通機(jī)床。 B標(biāo)準(zhǔn)級(jí)，適用于一般數(shù)控機(jī)床。 J精密級(jí)，用于精密機(jī)床、普通數(shù)控機(jī)床、數(shù)控銑床。 C超精密級(jí)，用于精密機(jī)床、精密數(shù)控機(jī)床、精密數(shù)控銑床。 （2）熱伸長(zhǎng)滾珠絲杠在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，不可避免的要產(chǎn)生熱伸長(zhǎng)。它將直接影響機(jī)床的定位精度。因此，選擇滾珠絲杠的精度時(shí)，要使?jié)L珠絲杠的精度與機(jī)床的定位精度要求相適應(yīng)。選擇滾珠絲杠的預(yù)拉伸支承方式來(lái)消除滾珠絲杠因熱變形引起的定位誤差。3.2.

51、5 滾珠絲杠螺母副支撐方式的選擇以及軸承的選擇為了滿足數(shù)控機(jī)床各進(jìn)給系統(tǒng)高精度、高剛度的要求，除了應(yīng)該采用高精度、高剛度的滾珠絲杠螺母副外，還必須充分重視支承的誰(shuí)。應(yīng)注意選用軸向剛度高，摩擦力矩小，運(yùn)轉(zhuǎn)精度的軸承，同時(shí)選用合適的支承方式，并保證支承座有足夠的剛度。圖 3-11 雙螺母滾珠絲杠結(jié)構(gòu)圖 1滾珠絲杠螺母副支承方式的選擇支承的作用是用來(lái)限制兩端固定軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，其支承方式有三種，如表4-2所示。表3-2 滾珠絲杠支承結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)及應(yīng)用支承方式系數(shù)支持形式簡(jiǎn)圖1f2f特點(diǎn)及應(yīng)用一端固定一端自由（F-O）0.251.8751、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單2、絲杠的軸向剛度比兩端固定低3、絲杠的壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速

52、都較低4、設(shè)計(jì)時(shí)盡量使絲杠受拉伸5、適用于較短和豎直的絲杠一端固定一端游動(dòng)（F-S）2.03.9271、需保持螺母與兩端支承同軸，故結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工藝較困難2、絲杠的軸向剛度和 F-O 相同3、壓桿穩(wěn)定和臨界轉(zhuǎn)速比同長(zhǎng)度的 F-O 型高4、絲杠有熱膨脹的余地5、適用于較長(zhǎng)的臥室安裝絲杠兩端固定（F-F）4.004.7301、只要軸承無(wú)間隙，絲杠的軸向剛度為一端固定的 4 倍2、絲杠一般不會(huì)受壓，無(wú)壓桿穩(wěn)定問(wèn)題，固有頻率比一端固定要高3、可以預(yù)拉伸，預(yù)拉伸后可減少絲杠自重的下垂和補(bǔ)償熱膨脹，但需一套預(yù)拉伸機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)及工藝都比較復(fù)雜4、需進(jìn)行預(yù)拉伸，其目標(biāo)行程應(yīng)小于公稱行程，減少量等于拉伸量5、適用

53、于對(duì)剛度和位移精度要求高的場(chǎng)合注：0L核算壓桿穩(wěn)定性的支承距離；Lc核算臨界轉(zhuǎn)速的支承距離。 2軸承選擇滾珠絲杠所用軸承的類型根據(jù)滾珠絲杠螺母副支撐方式的不同而不同。各種滾動(dòng)軸承特點(diǎn)比較如下表 3-3。表表 2-4 絲杠常用支承常用軸承特點(diǎn)及應(yīng)用絲杠常用支承常用軸承特點(diǎn)及應(yīng)用滾動(dòng)軸承類型軸向剛度軸承安裝預(yù)載調(diào)整摩擦力矩應(yīng)用60接觸角推力角接觸球軸承大簡(jiǎn)單不需要小應(yīng)用廣泛剛度要求變動(dòng)場(chǎng)合雙向推力角接觸球軸承中簡(jiǎn)單不需要小軸向剛度要求高的場(chǎng)合圓錐滾子軸承小簡(jiǎn)單內(nèi)圈間有大軸向剛度要求不高隔套時(shí)需調(diào)整的場(chǎng)合滾針和推力滾子組合軸承特大簡(jiǎn)單不需要特大用于大牽引力高剛度的大型，重型機(jī)床深溝球軸承和推力軸承組

54、合大復(fù)雜麻煩小應(yīng)用較少 3組配方式的選擇 （1）背靠背組配（DB方式）：這種組配方式的受力作用線向外側(cè)發(fā)散，所以軸承間的有效支點(diǎn)距離增大。這種組配方式可以承受雙向的軸向載荷和徑向載荷，并且有較大的承受傾斜力矩的能力。 （2）面對(duì)面組配（DF方式）：這種組配方式受力作用線向內(nèi)側(cè)收斂，所以軸承間的有效支點(diǎn)距離縮小。這種組配方式也可以承受雙向載荷和徑向載荷，但承受傾斜力矩的能力較差，并會(huì)較多地降低極限轉(zhuǎn)速，一般適用于需要精密調(diào)心的場(chǎng)合。 （3）串聯(lián)組配（DT方式）：這種組配方式的受力作用線平行，所以除徑向載荷外僅能承受單向的軸向載荷。若有另一方向的軸向載荷，則需要由另一組面向相反額軸承來(lái)承受。圖 3

55、-12 接觸角推力角接觸球軸組配方式 軸承的組合方式是根據(jù)軸向和徑向承載力的大小和確定，由設(shè)計(jì)要求給定的的軸的承載重量可以的參數(shù)來(lái)確定軸承合適的組數(shù)和合理的組合方式。 4軸承密封形式采用毛氈密封，且使用單氈圈式，由于毛氈與軸之間的摩擦角大，長(zhǎng)期使用易把軸磨出溝槽，一般多采用軸套與毛氈圈接觸的結(jié)構(gòu)。如下圖 4-13 所示圖 3-133.3 電機(jī)的選擇3.3.1 電機(jī)概述 1伺服電機(jī)在伺服系統(tǒng)中占有重要地位 數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)的技術(shù)要求，主要是靠伺服電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其性能的好壞在很大程度上影響著伺服系統(tǒng)的性能。 2種類 （1）步進(jìn)電機(jī) （2）直流（交流）伺服電機(jī) （3）永磁式大慣量伺服電機(jī)（70 年

56、代中期發(fā)展起來(lái)的）3.3.2 交流、直流電機(jī)的調(diào)速原理圖 3-14 交流、直流電機(jī) 1直流電機(jī)的調(diào)速原理（1）基本結(jié)構(gòu)定子（磁極）產(chǎn)生磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子（電樞、電刷、換向片）產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。（2）工作原理 轉(zhuǎn)子上的載流導(dǎo)體在定子磁場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。（3）調(diào)速原理與方法 根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：n=（U-IaRa）/Ke 有三種調(diào)速方法： （1）改變電樞電壓 U向低調(diào)速。調(diào)速范圍大并且調(diào)速不改變轉(zhuǎn)矩。（2）改變磁通量向高調(diào)速。適用于主傳動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速。（3）在電樞回路中串接電阻 Rt只能向低調(diào)速。不經(jīng)濟(jì)。圖3-15 直流電機(jī)的調(diào)速原理 2交流電機(jī)的工作原理 在交流伺服系統(tǒng)中，按電機(jī)種類可分為同步

57、型和異步型（感應(yīng)電機(jī)）兩種。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中多采用永磁式同步電機(jī)，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由供電頻率所決定的，即在電源電壓和頻率固定不變時(shí)，它的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定不變的。由變頻電源供電給同步電機(jī)時(shí)，能方便地獲得與頻率成正比的可變速度，可以得到非常硬的機(jī)械特性及寬的調(diào)速范圍。交流主軸電機(jī)多采用交流異步電機(jī)，很少采用永磁同步電機(jī)，主要因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)的容量 做得不夠大，且電機(jī)成本較高。另外主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不象進(jìn)給系統(tǒng)那樣要求很高的性能，調(diào)速范圍也不要太大。因此，采用異步電機(jī)完全可以滿足數(shù)控機(jī)床主軸的要求，籠型異步電機(jī)多用在主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。 交流電機(jī)調(diào)速有三種方式： （1）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 （如圖 3-16 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速

58、特性曲線） 由轉(zhuǎn)子電流與主磁通作用而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩公式可知，T 與 m、I2 成正比。要保持 T 不變，即要求 U1/f1 為常數(shù)，可以近似地維持 m 恒定。保持 U1/f1 為常數(shù)進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，這些特性曲線的線性段基本平行，類似直流電機(jī)的調(diào)壓特性。但最大轉(zhuǎn)矩 Tm 隨著 f1 下降而減小。這是因?yàn)?f1 高時(shí)，E1 數(shù)值較大，此時(shí)定子漏阻抗壓降在 U1 中所占比例較小，可以認(rèn)為 U1 近似于定子繞組中感應(yīng)電勢(shì)E1。而當(dāng) f1 相對(duì)很較低時(shí)，E1 數(shù)值變小，U1 值也變小，此時(shí)定子漏阻抗壓降在U1 中所占比例增大，E1 與 U1 相差很大，所以 m 減小，從而使 Tm 下降。 圖 3-16

59、恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性曲線 圖 3-17 恒 Tm調(diào)速特性曲線 圖 3-18 恒功率調(diào)速特性曲線 （2）恒最大轉(zhuǎn)矩（Tm）調(diào)速（如圖 3-17 恒 Tm調(diào)速特性曲線） 為了在低速時(shí)保持最大轉(zhuǎn)矩 Tm 不變，就必須采取 E1/f1=常數(shù)的協(xié)調(diào)控制，顯然，這是一種理想的保持磁通恒定的控制方法。對(duì)應(yīng)于同一轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速降基本不變，即直線部分斜率不變，機(jī)械特性平行地移動(dòng)。 （3）恒功率調(diào)速（如圖 3-18 恒功率調(diào)速特性曲線） 為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，可以在額定頻率以上進(jìn)行調(diào)速。因電機(jī)繞組是按額定電壓等級(jí)設(shè)計(jì)的，超過(guò)額定電壓運(yùn)行將受到繞組絕緣強(qiáng)度的限制，因此定子電壓不可能與頻率成正比地提高。若頻率上升，額定電壓不變，那

60、么氣隙磁通 m 將隨著 f1 的升高而降低。這時(shí)，相當(dāng)于額定電流時(shí)的轉(zhuǎn)矩也減小，特性變軟。隨著頻率增加，轉(zhuǎn)矩減少，而轉(zhuǎn)速增加，可得近似恒功率的調(diào)速特性。 3交流和直流伺服電機(jī)性能比較 步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國(guó)內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也越來(lái)越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢(shì)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號(hào)） ，但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異?，F(xiàn)就二者的使用性能作一比較。 （1