毕业论文-五轴联动表面感应加热淬火机床Z轴设计-文档精品

原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 广西工学院 毕业设计毕业设计( (论文论文) ) 课题名称课题名称 五轴联动表面感应加热淬火机床设计 专题：机床总体结构、Z 轴结构及传动设计XY 轴滚珠丝杠螺母副传动方式 系 别 专 业 班 级 学 号 姓 名 指 导 教 师 教研室主任 系 主 任 年 月 日 毕业设计（论文） 摘 要 本文全面阐述了五轴联动表面感应加热淬火机床的结构原理，设计特点，论述了采用 伺服电机和滚珠丝杠螺母副的优点。详细介绍了五轴联动表面感应加热淬火机床的结构设 计及校核，并进行了分析。另外汇总了有关技术参数。 高速度、高精度、高效率和高刚度已成为当今数控机床发展的主要方向，普通龙门机 床一般只能进行单面淬火，当淬火零件的另一个表面时，需要加装一个直角转换头或者调 转零件的淬火面后重新装夹，这不但增加了机床操作者的劳动强度，影响淬火效率，并且 重新定位装夹也降低了零件的淬火精度，为了弥补这些不足，龙门五轴联动表面感应加热 淬火机床便应运而生。五面体五轴联动表面感应加热淬火机床一次装夹就能实现工件五个 表面的淬火，这大大提高了零件的淬火精度和淬火效率，降低生产成本，因此五面体五轴 联动表面感应加热淬火机床成为当前数控机床行业重点研究的对象之一。 其中着重介绍了滚珠丝杠的原理及选用原则，系统地对滚珠丝杠生产、应用等环节进 行了介绍。包括种类选择、参数选择、精度选择、循环方式选择、与主机匹配的原则以及 厂家的选择等。 关键词关键词：五轴联动表面感应加热淬火机床，数控，伺服电机，滚珠丝杠 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 Abstract This paper describes the structure and principle, five axis surface induction hardening machine design features, discusses the advantages of using servo motor and ball screw nut pair. This paper introduces in detail the structure design and calculation of five axis surface induction hardening machine, and analyses the. In addition a summary of the relevant technical parameters. High speed, high precision, high efficiency and high stiffness has become the main direction of the development of CNC machine tools, general Longmen machine tool generally only one side quenching, when another surface hardening of parts, need to install a right angle conversion or transfer quenching surface after the heavy clothes clip, which not only increase the labor intensity the effect of quenching machine tool operators, efficiency, and re positioning and clamping also decreases the quenching accuracy of parts, in order to make up for these deficiencies, Longmen five axis surface induction hardening machine will emerge as the times require. Five sides of five axis surface induction hardening machine once clamping workpieces can be realized five surface quenching, which greatly improves the accuracy of quenching and the quenching efficiency, reduce the production cost, so the five sides of five axis surface induction hardening machine has become one of the key research object number controlled machine tool industry. The paper introduces the principle and selection of ball screw, ball screw system of production, application and other aspects were introduced. Including the principle and type selection, parameter selection, manufacturer of precision, circulation mode selection, selection and matching host selection. Key Words:Key Words: five axis surface induction hardening machine, CNC system, servo motor, ball screw 毕业设计（论文） 目 录 摘 要. II Abstract III 目 录. IV 第 1 章 绪 论1 1.1 数控系统的发展及趋势.1 1.2 五轴联动表面感应加热淬火机床淬火的基本原理.2 1.3 课题研究的目的和意义.3 第 2 章 设计的内容及要求4 2.1 课题的主要内容和基本要求4 2.2 进度计划与应完成的工作4 2.3 设计的内容.5 2.3.1 数控装置总体方案的确定. 5 2.3.2 机械部分的设计. 5 2.3.3 编写设计说明书. 5 2.4 机床主要部件及运动方式的选定.6 第 3 章 AC 轴选型确定 .7 3.1 AC 联动回转轴设计内部结构 .7 3.2 AC 轴三种方案 .9 第 4 章 Z 轴进给系统的设计计算 12 4.1 滚珠丝杠螺母副的选用设计.12 4.1.1 滚珠丝杠副的传动原理. 12 4.1.2 滚珠丝杠副的传动特点. 13 4.1.3 滚珠丝杠副的结构与调整. 13 4.1.4 轴向间隙的调整和加预紧力的方法. 15 4.2 滚珠丝杠的选择16 4.2.1 滚珠丝杠的精度 16 4.2.2 滚珠丝杠参数的计算. 16 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 4.3 伺服电机的选择20 4.3.1 最大切削负载转矩的计算 20 4.3.2 负载惯量的计算 21 4.3.3 空载加速转矩计算 22 4.4 滑动导轨的选择计算22 4.4.1 工作载荷的计算 23 4.4.2 小时额定工作寿命的计算 23 4.4.3 距离额定工作寿命的计算 23 4.4.4 额定动载荷计算及选型 24 4.5 联轴器的选择24 4.6 轴承的选择25 4.7 滚珠丝杠副的安全使用.26 4.7.1 润滑. 26 4.7.2 防尘. 26 4.7.3 使用 26 4.7.4 安装. 27 第 5 章 床身的设计27 总结29 参考文献30 致 谢31 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第 1 章 绪 论 1.1 数控系统的发展及趋势 1946 年诞生了世界上第一台电子计算机， 这表明人类创造了可增强和部分代替脑力 劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比， 起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6 年后，即在 1952 年，计算机技术应 用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半 个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 数控 NC 阶段（1952 年-1970 年） 早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应 机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路“搭“成一台机床专用计算机作为数 控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIRED NC） ，简称为数控（NC） 。随着元器件 的发展，这个阶段经历了三代，即 1952 年的第一代电子管；1959 年的第二代晶体 管；1965 年的第三代小规模集成电路。 计算机数控（CNC）阶段（1970 年-现在） 到 1970 年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系 统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段（把计算机前面应有的“通用”两 个字省略了） 。到 1971 年，美国 INTEL 公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的 部件运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器 （MICROPROCESSOR） ，又可称为中央处理单元（简称 CPU） 。 到 1974 年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台 机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控） ，不如采用微处理器经济 合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但 可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算 机数控。 到了 1990 年，PC 机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段， 可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于 PC 的阶段。 总之，计算机数控阶段也经历了三代。即 1970 年的第四代小型计算机；1974 年 的第五代微处理器和 1990 年的第六代基于 PC（国外称为 PC-BASED） 。 毕业设计（论文） 还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即 CNC）了，而我国仍习惯称 数控（NC） 。所以我们日常讲的“数控“，实质上已是指“计算机数控“了。 3.数控未来发展的趋势 (1) 继续向开放式、基于 PC 的第六代方向发展 基于 PC 所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数 控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用 PC 机作为它的前端机，来处理人机界面、 编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC 机所具有的友好的人机界 面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。 (2) 向高速化和高精度化发展 这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。 (3) 向智能化方向发展 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提 高。 1.2 五轴联动表面感应加热淬火机床淬火的基本原理 数控控制（Numerical Control）是用数字化信号对机床的运动及其淬火过程进行控 制的一种控制方法。 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是现代化工业生产 中的一门新型的，发展十分迅速的高新技术。数控装备是以数控技术为代表的新技术对 传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技 术范围所覆盖的领域又：机械制造技术；微电子技术；信息处理淬火传输技术；自动控 制技术；伺服驱动技术；检验监控技术；传感技术；软件技术等。数控技术及装备是发 展新兴高新技术产业和尖端工业的是能技术和最基本的装备。 在提高生产率， 降低成本， 保证淬火质量及改善工人劳动强度等方面，都有突出的优点；特别是在适应机械产品迅 速更新换代，小批量，多品种生产方面，各类数控装备是实现先进制造技术的关键。 数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。国际信息处 联盟（International Federation of Information Processing, IEIP）第五技术委员会，对数控 机床作了如下的定义：数控机床是一种装了程序控制系统的机床。该系统能逻辑的处理 具有使用码或其他符号编码指令规定的程序。 龙门加工中心经过长期的技术发展和推动，已从传统的单轴式发展到多轴 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 式，从传统龙门加工中心发展到现代化智能的加工中心，从单面的加工发展到多 面的加工，发展速度快，技术比较成熟。但是对于龙门五面体加工中心，由于我 国基础技术薄弱，研究方法落后，资金投入不足等原因，以及国外对核心技术的 封锁， 导致我国五面体加工中心发展缓慢4。 从龙门加工中心主要部件的发展情况来看， 国内外龙门加工中心的龙门和滑枕的机构基本都具有以下特点： 1. 龙门 主要是由一个横梁和两个立柱构成。分为横梁固定、横梁靠定位块 锁定分段升降和横梁任意升降三种类型。横梁固定式结构机床刚性好，但不适合 加工大型工件，因为在加工靠近工作台面的工件部位时，滑枕伸出长度过大，加 工刚性较差，影响加工尺寸精度；横梁靠定位块锁定分段升降型结构机床刚性较 好，但横梁升降运动不能与滑枕上下移动联动，且操作较复杂；横梁任意升降型 结构横梁升降运动可以与滑枕上下移动联动，加工范围较广，适合新产品开发。 立柱和横梁的横截面为矩形，刚性好，可耐重切削并长期保持高精度。主轴箱在 横梁上的导轨有自重平衡装置，其动作灵活、迅速且准确。由于主轴箱左右移动 时，横梁升降用滚珠丝杠所受负载有变动，使精度降低，所以采用配置在横梁左 右两侧的油缸来平衡主轴箱左右移动造成的变动负载和横梁本身的自重，以提高 机床的精度。 2. 滑枕 从结构上可分为开式和闭式两种型式。开式结构的滑枕通过压板夹 紧在主轴箱上，滑枕的截面积大；闭式结构的滑枕被夹紧在主轴箱内，滑枕的截 面积小。主轴箱内有液压平衡装置，使滑枕上下移动灵活，可实现强力重切削。 主轴滑枕内部采用强制内冷却，即使作长时间连续重切削，也可保持高精度。滑 枕的行程以满足工件侧面下部的加工要求为宜，不宜太长，以免影响加工时的机 床刚度。滑枕采用一体型的结构，以提高机床的整体刚性。 1.3 课题研究的目的和意义 我国近几年五轴联动表面感应加热淬火机床进给机构虽然发展较快，但与国际先进 水平还存在一定的差距，主要表现在：可靠性差，外观质量差，产品开发周期长，应变 能力差。 针对传统五轴联动表面感应加热淬火机床进给机构的不足之处及生产中存在的问 题，有必要在传统机床的基础上研究出新型五轴联动表面感应加热淬火机床进给机构。 毕业设计（论文） 通过对传统铣床手动的进给系统、夹紧系统及传动系统的创新设计，加入新技术，从而 提高产品质量和生产效率，实现自动化，降低劳动强度及工作量。 五轴联动表面感应加热淬火机床进给机构的发展现状和趋势是：在规格上将向两头 延伸，即开发小型和大型进给机构；在性能上将研制以钢为材料的进给机构，大幅度提 高进给机构的承载能力；在形式上继续研制多轴并联，甚至于五轴并联的进给机构。 综上所诉， 五轴联动表面感应加热淬火机床进给机构的开发和设计具有很高研究的 意义.本课题采用类似的机床结构设计成果的方法， 进行五轴联动表面感应加热淬火机床 进给机构的设计，使其能够实现更好的工业生产自动化。 本课题对五轴联动表面感应加热淬火机床进给机构部件进行了设计， 研究五轴联动 表面感应加热淬火机床的结构，主要部件及典型零件的设计方法，其意义如下： 1、通过对数控机床的结构设计和研究掌握机构设计的一般步骤和方法； 2、通过对课题的研究，了解国内外有关数控机床的技术现状和发展趋势； 3、通过毕业设计培养自己的创新精神，提供分析问题和解决问题的能力。 第 2 章 设计的内容及要求 2.1 课题的主要内容和基本要求 本课题要求设计一台五轴联动表面感应加热淬火机床，X、Y 轴采用滚珠丝杠螺母 副传动方式实现运动变换，机床主要设计参数下表所示： X 轴有效行程 5000 mm Y 轴有效行程 3000 mm Z 轴有效行程 1000 mm 工作台尺寸 2500 mm5000 mm 加工进给速度 0.5 m/min 快速进给速度 10 m/min 驱动电机最高转速 2000 r/min 2.2 进度计划与应完成的工作 应完成的工作： 1、完成二万字左右的毕业设计说明书，其中包括 400 字左右的中文摘要，英文 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 摘要应与中文摘要内容完全相同； 2、完成与课题相关，不少于 3000 汉字的英文资料翻译（附英文原文） ； 3、完成机床总体结构、Z 轴结构及传动设计； 4、绘制装配图及所有非标件零件图。 进度计划： 1、第 1-2 周，查阅相关资料，了解表面感应加热淬火机床技术技术要求，完成开 题报告； 2、第 3 周，翻译一篇与设计相关的英文论文； 3、第 4-5 周，根据设计要求确定总体方案及计算； 4、第 6 周，根据设计要求完成 AC 轴选型，查找其技术参数； 5、第 7-11 周，完成机床总体结构、Z 轴结构及传动设计； 6、第 12-14 周，绘制图纸； 7、第 15 周，编写毕业设计说明书，准备答辩。 2.3 设计的内容 2.3.1 数控装置总体方案的确定 (1).数控装置设计参数的确定； (2).方案的分析，比较，论证。 2.3.2 机械部分的设计 (1).确定脉冲当量； (2).机械部件的总体尺寸及重量的初步估算； (3).传动元件及导向元件的设计，计算和选用； (4).确定伺服电机； (5).绘制机械结构装配图； (6).系统等效惯量计算； (7).系统精度分析。 2.3.3 编写设计说明书 (1) 说明书是设计的总结性技术文件，应叙述整个设计的内容，包括提方案的确定， 系统框图的分析，机械传动设计计算，选用元器件参数的说明； 毕业设计（论文） (2)论文正文不少于 10000 字。 2.4 机床主要部件及运动方式的选定 （1）伺服电机的选择 本次设计选用交流伺服电机，根据本进给系统定位精度的要求，初步选用半闭环伺 服系统。如果经计算后半闭环系统不能满足定位精度要求，可改用全闭环伺服系统。交 流伺服电机有交流同步电机和交流感应电机。交流感应电机结构简单，与同容量的直流 伺服电动机相比较，质量轻、价格便宜。缺点是不能经济的实现范围较大的平滑调速。 所以数控机床的进给系统中一般不采用这种电动机。 交流同步电动机的转速与所用电源的频率之间存在一种严格的关系，即在电源电压 和频率固定不变时，它的转速是稳定不变得。由变频电源供电给同步电动机时，便可方 便地获得与频率成正比的可变速度。并可得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。其结 构虽然比感应电动机复杂，但比直流电动机简单。同步电动机又分为电磁式和非电磁式 两大类。 在后一类中又有磁滞式、 永磁式和反应式多种。 在数控机床的进给驱动系统中， 多采用永磁式同步电动机。在数控机床进给驱动中，采用具有大转矩、宽调速并装有反 馈元件的机电一体化的永磁式交流同步电动机已十分普及。 （2）滚珠丝杠螺母副的选择 滚珠丝杠具有高精度、高刚度、高效率及无间隙等优点。特别是在半闭环加工系统 中，滚珠丝杠自身的精度对机床加工精度有很大的影响，定位精度在很大程度上受到滚 珠丝杠精度的影响。 滚珠螺母副4的滚珠循环方式一般会分为外循环和内循环两种。对于内循环方式， 滚珠在循环过程中始终保持与滚珠丝杠接触。内循环滚珠丝杠螺母副工作滚珠数目少， 径向尺寸紧凑，摩擦损失少，流畅性好，传动效率高，轴向刚度好，但回珠器槽行比较 复杂，需三坐标数控机床才能进行加工。外循环过程中滚珠与丝杠脱离接触，目前使用 插管完成滚珠循环的结构，结构简单，工艺性好，但滚道管子突出于螺母外面，所以外 循环滚珠丝杠螺母径向尺寸较大。滚珠和滚珠丝杠螺母副接触处有过盈配合，即两者达 到预紧；滚珠丝杠螺母副事先通过调节左右螺母的相互离开和靠近消除间隙。常用的消 除间隙或预紧的办法有垫片是调隙结构、螺纹式调隙结构和齿差式调隙结构。本次设计 采用垫片式调隙结构。 （3）导轨副的选用 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 要设计的进给机构的导轨选用贴塑导轨，它属于滑动导轨，是在机床的动导轨面上 贴上一层抗磨软带，导轨副的另一个固定导轨面为淬火磨削面。这样就会使导轨摩擦系 数变为 0.030.05，导轨速度可达 30m/min，刚度比较高，动、静摩擦系数差值小，没 有爬行。耐磨性与铸铁对铸铁导轨副相比可提高 13 倍。 第 3 章 AC 轴选型确定 由于五轴联动表面感应加热淬火机床其中的五轴联动工作原理，可以借鉴五轴联动 数控加工中心/数控镗铣床的工作原理，本课题选型是借鉴五轴联动数控加工中心/数控 镗铣床的思路进行设计。 3.1 AC 联动回转轴设计内部结构 A AC C联动回转轴设计内部结构图联动回转轴设计内部结构图 五轴数控机床的3个直线运动轴和两个回转运动轴联动使淬火头始终垂直于工件曲 毕业设计（论文） 面, 从而实现复杂曲面的高精度加工。五轴数控机床有立式与卧式两种类型。数控机床 的5个运动轴为X、Y、Z 3个直线轴和A、C两个回转轴。卧式数控机床的5个运动轴为X、 Y、Z 3个直线轴和A、B 两个回转轴。由于卧式机床的主轴在径向有自重力, 轴承高速 运转时径向受力不均, 因而主轴转速不宜过高, 一般限制在2000 r /min 以下。而立式机 床主轴不存在自身重力影响, 最高转速可达到40000 r /min。对于模具复杂曲面的加工常 用小直径淬火头, 而小直径淬火头必须有很高的转速才能达到高精度要求。因而该机床 采用立式结构。立式结构的两个回转轴是A、C轴。该机床将A、C 回转轴设置在主轴上。 铣头绕Z 轴旋转360 , 形成C轴, 绕X 轴旋转 90 形成A 轴。这样的结构形式工作台上 无旋转轴, 因此工作台承受力大, 工作台的尺寸也可设计得大些, 更重要的是主轴加工 非常灵活, 尤其是用球面淬火头加工曲面时, 可使球面淬火头避开顶点切削,保证有一定 的线速度, 从而提高表面加工质量。具体结构如图2所示, C轴传动系统安装在基座上面, 通过一穿过基座的传动轴与A轴摆动头相连, A 轴传动系统安装在基座下面。整个装置 各传动副和支承零部件安装空间大, A 轴与C轴传动轴的直径不受其限制, 因此铣头的 整体刚度大,工作平稳, 抗冲击性强2 。另外, A、C轴联动铣头的传动环节少, 并且设计 了蜗轮蜗杆消隙装置, 有效地消除了回转轴的轴向和径向间隙, 从而保证了回转精度和 承载能力, 并可在传动零件出现磨损时调整间隙, 延长传动副使用寿命。A、C轴联动铣 头的定位精度为0.003 ,重复定位精度为0.005 。蜗轮蜗杆消隙装置结构如图3所示, 蜗杆 由多段蜗杆套组成, 各段蜗杆套之间安装有弹性元件, 弹性元件迫使蜗杆套与蜗轮相互 压紧, 使相互啮合的齿侧均无间隙, 从而保证了传动精度。 3 参考网址：桂林机床股份有限公司 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 3.2 AC 轴三种方案 摆动式铣头摆动式铣头 1.摆动式A轴铣头可绕A轴100旋转分度，配合数控回转工 作台及三个直线轴可实现五轴联动和多种空间方向的加工。 2.主轴锥孔型式：BT50。 3.主轴转速：102500rpm 4.主电机功率：15kw 5.可配置于我公司的XK23WT系列龙门铣床，特别适合于加工中 小型叶轮及模具加工行业。 1.摆动式B轴铣头可绕B轴 45 旋转分度，配合数控 回转工作台及三个直线轴可实现五轴联动和多种空 间方向的加工。 2.主轴锥孔型式：BT50。 3.主轴转速：606000rpm 4.主电机功率：12kw 5.可配置于我公司的XK71系列床身铣床，特别适合于 加工中小型叶片及凸轮加工行业。 毕业设计（论文） 主传动驱动型主传动驱动型ACAC轴自动分度铣头轴自动分度铣头 2.主传动驱动型AC轴自动分度铣头C轴可 370 旋转分度(分度单位2.5 )，A轴可 100 旋 转分度(分度单位2.5 )，可实现自动五面加工和各种空间方向的加工，进一步提高了机 床的柔性化水平，扩大了机床的加工范围。 3.获实用新型国家专利，专利号：200520034965.9。 4.主轴锥孔型式：BT50。 5.主轴转速：102500rpm 6.主电机功率：30(S1)/37(S6)kw 7.可配置于我公司的XK23、XK25、XK26、XK27、XK29系列龙门铣床，XK71、XK77、 XK79系列床身铣床，实现五轴联动加工。 摆动式摆动式ACAC轴联动铣头轴联动铣头 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 1.作为五轴五联动数控机床核心功能部件的摆动式AC轴联动铣头， 我公司是国内最先研 制的厂家，已有近十年连续不断的 设计、制造、改进经验，并具有自主知识产权。 2.获实用新型国家专利，专利号：200520034312.0。 3.铣头C轴可 370 旋转，A轴可 100 回转。 4.A轴夹紧扭矩达2000Nm，C轴夹紧扭矩达4000Nm。 5.可选择配置国产或进口高速精密电主轴。 6.主轴锥孔型式可选择BT40或HSK63A。 7.电主轴电机功率、扭矩、转速： 28(S1)/39(S6)kw，89(S1)/124(S6)Nm，10010000rpm 27(S1)/32(S6)kw，130(S1)/150(S6)Nm，10010000rpm 34(S1)/43(S6)kw，72(S1)/91(S6)Nm，10024000rpm 8.可配置于我公司的XK23、XK25、XK26、XK27、XK29系列龙门铣床，XK71、XK77、 XK79系列床身铣床，实现五轴联动加工。 本课题要求设计一台五轴联动表面感应加热淬火机床，X、Y 轴采用滚珠丝杠螺母 副传动方式实现运动变换，机床主要设计参数下表所示： X 轴有效行程 5000 mm Y 轴有效行程 3000 mm Z 轴有效行程 1000 mm 工作台尺寸 2500 mm5000 mm 毕业设计（论文） 加工进给速度 0.5 m/min 快速进给速度 10 m/min 驱动电机最高转速 2000 r/min 根据上述叙述，结合本课题参数要求选择摆动式摆动式ACAC轴联动铣头轴联动铣头， 结合同类型机床参数， 选择参数为： 28(S1)/39(S6)kw， 89(S1)/124(S6)Nm， 10010000rpm 的的摆动式摆动式ACAC轴联动铣头轴联动铣头。 第 4 章 Z 轴进给系统的设计计算 4.1 滚珠丝杠螺母副的选用设计 铣床进给机构的进给运动，由进电机的转动，然后带动车床丝杠传动。在数控车床 上的丝杠传动，可以用普通的丝杠传动，也还有应用滚珠丝杠来转动。原因是普通丝杠 传动摩，但总是不太稳定。 所以，在五轴联动表面感应加热淬火机床上要擦系数大，效率低，传动中有间隙。 虽然传动中的间隙可以用一些办法来补偿，修正采用滚珠丝杠传动。滚珠丝杠传动有一 系列的优点，但制造工艺较为复杂，成本高，在某些应用上受到一定的限制，但随着数 控车床的发展，它的使用将会更加广泛。 滚珠丝杠传动都使用防护罩，以防止空气中的尘土和其它杂物等进入。 滚珠丝杠和滚珠螺母组成滚珠丝杠螺母副，它是把步进电机的转动角位移，变换 成数控车床进给机构的的直线位移。 滚珠丝杠螺母副，也简称为滚珠丝杠副，是一种新的传动机构，它是在丝杠和螺母 的螺旋槽之间装有滚珠，以此作为中间元件的一种传动机构。 4.1.1 滚珠丝杠副的传动原理 丝杠和螺母上都有圆弧形的螺旋槽,这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成螺旋线 的滚道,在滚道内装有许多滚珠.当丝杠旋转时,滚珠相对于螺母上的滚道滚动,因此丝 杠与螺母之间滚道的摩擦为滚动摩擦.为防止滚珠从螺母中吊出来,在螺母的螺旋槽两 端应用挡住器挡住,并设有回路滚道是他的两端连接起来.使滚珠从滚道的一端滚出后, 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 沿着这个回路滚道从新返回到滚道的另一端,可以循环进行不断地滚动。 4.1.2 滚珠丝杠副的传动特点 滚珠丝杠副的优点是:传动效率高,因为它是滚动摩擦,传动效率可达 0.920.96,比 普通的丝杠传动提高34倍.由此带来了一系列的优点,如功率损耗小,传动平稳,磨损小, 无爬行现象等等.除此而外还有两个特点,一是:一般的丝杠传动总是有间隙,而滚珠丝 杠可以消除间隙,所以当丝杠转动反向时,可以没有空程,提高了反向的定位精度,也增 强了传动刚度.二是:一般的丝杠传动只能使旋转运动转变为直线运动,而滚珠丝杠副由 于传动的摩擦系数小,所以既能把旋转运动转变为直线运动,也可以从直线运动转变为 螺旋运动,具有传动的可逆性,因此可以作为主动件,也可以作为从动件. 它也有缺点,主要是元件的精度要求高,光洁度要求也高,所以制造工艺很复杂,成 本也高.对于丝杠和螺母上的螺旋槽,一般要求磨削成型,因而制造困难,也限制了使用. 又由于传动的可逆性,所以不能自锁,当应用在垂直传动装置时,由于自重和惯性的 关系,在下降过程中不能立刻停止,因此还需要备有制动装置. 4.1.3 滚珠丝杠副的结构与调整 滚珠丝杠副的结构尽管在形式上有很多类型，但其主要区别是在螺纹滚到的型面形 状，滚珠循环的方式，轴向间隙的调整和加预紧力的方法等三个方面。 （1）螺纹滚道型面的形状 螺纹滚道型面的形状有很多种，目前国内正式投产的，仅有单圆弧型面和双圆弧型面两 种，如图所示。滚珠与滚道型面接触点法线与丝杠轴线的垂线之间的夹角，称为接触角 （） 。 （a）单圆弧 (b) 双圆弧 图 4-1 滚珠丝杠副螺纹滚道型面的截形 毕业设计（论文） （2）单圆弧型面 一般滚道的圆弧半径要比滚柱的半径稍大一些。对于单圆弧型面的螺纹滚道，接触 角是随着轴向负载大小而变化的， 当轴向负载为零时， 接触角也为零； 当负载逐渐增大， 接触角也逐渐增大。实验证明：当接触角增大时，传动效率，轴向刚度，承载能力都随 之增大。 （3）双圆弧型面 双圆弧型面螺纹滚道的接触角是不变的。在偏心距（e）决定后，滚珠与滚道的圆弧 角接处，会有很小的空隙。这些空隙虽然能容纳一些脏物，但不至于堵塞，反而对滚柱 的滚动有利。从传动效率，轴向刚度，承载能力等要求出发，接触角大一些好，但接触 角过大制造就会困难。一般接触角为 45 ，滚道的圆弧半径也同样比滚柱的半径稍大一 些。 滚珠的循环方式 目前国内常用的滚珠循环方式由外循环和内循环两种。 （1）外循环方式 如图所示为外循环方式，滚柱在循环过程中与丝杠脱离接触，通过外面的循环回路 称为外循环（W 系列） 。这种外循环是直接在螺母的外圆上铣出螺旋槽，用挡珠器从螺 母内部切断螺纹滚道，挡珠滚珠的去路，迫使滚珠导入通向外圆螺旋槽中，构成了外面 的旋环回路。外循环的结构和制造较为简单容易，因此应用较广，他可以制成单列或式 双列两种的结构形式。 （2）内循环方式 滚柱在循环过程中与丝杠始终保持接触的称为内循环（N 系列） ，如图所示。这种内 循环是在螺母外侧孔中装了一个接通相邻滚道的反向器，借助这个反向器迫使滚珠翻过 丝杠的牙顶，而进入相邻的滚道。内循环滚珠丝杠副回路短，工作滚珠数目少，结构尺 寸紧凑，流畅性好，摩擦磨损小，传动效率高，轴向刚度和承载能力都较高，具有一系 列优点，但制造困难，结构复杂，所以不及外循环方式应用的广泛。 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 图 4-2 外循环的滚珠丝杠 图 4-3 内循环的滚珠丝杠 4.1.4 轴向间隙的调整和加预紧力的方法 对于滚珠丝杠副，除了单一方向的进给传动精度有一定的要求外，对它的轴向间隙 也有严格的要求，以保证反向传动的精度。要把轴向间隙完全消除，也是相当困难的。 通常采用双螺母，并加预紧力的方法来消除其轴向间隙。双螺母经加预紧力调整后，能 基本上消除轴向间隙。单螺母的滚珠丝杠副是不能调整轴向间隙和预紧力的，其轴向间 隙只能依靠滚珠丝杠副本的精度和安装时丝杠和螺母的连接精度来保证。 双螺母加预紧力消除轴向间隙必须注意两点，一是：通过预紧后产生的力，可促使 预拉变形， 以减少弹性变形所引起的位移。 但预紧力不能太大， 否则会使驱动力矩增大， 传动效率反而降低，使用寿命也随之缩短。二是：轴向间隙的消除，不能忽视丝杠的安 装部分和驱动部分的轴向间隙，应同时调整是它减少到最小。目前常用的双螺母预紧力 调整方法有下面三种。 （1）垫片调隙式 如图所示为垫片调隙式，一般用螺钉来连接滚珠丝杠上的两个螺母的凸缘处，在中间加 垫片。垫片的厚度是螺母间产生轴向位移，以达到消除间隙和产生预紧力的目的。 这种结构特点是结构简单，可靠，装拆方便。但缺点是调整很费时，在工作状态下 不能随意调整，因为要更换不同厚度的垫片才能消除间隙，所以是用于一般精度的机构 中使用。 （2）螺纹调隙式 如图所示为螺纹调隙式。它是一个螺母的外端有凸缘，而另一个螺母的外端没有凸 缘，车有螺纹，它伸出在套筒外，并用两个圆螺母调整好间隙后，再用一圆螺母锁紧螺 母锁紧就可以了。 这种结构的特点是结构紧凑， 调整方便， 所以应用广泛， 但调整的位移量不太精确。 图 4-4 垫片调隙式 图 4-5 螺纹调隙式 毕业设计（论文） 齿差调隙式 如图所示为齿差调隙式。它是在两个螺母的凸缘上各有圆齿轮 2，两者的齿数值相 差一个齿，装入内齿圆 3 中，内齿圆 3 是用螺钉 1 和定位销 4 固定在套筒 5 上的。调整 是先取下内齿圆 3，转动圆柱齿轮 2，在两个滚柱螺母相对于滚筒 5 转动时，可以使两 个螺母相互产生角位移，这样滚柱螺母对于滚珠丝杠的螺旋滚道也相对移动是两个螺母 中的滚柱分别贴近在螺旋滚到的两个相反的侧面上。消除间隙并产生预紧力后，把内齿 圆 3 套上用定位销 4 固定。 这种结构的特点是调整精确可靠，定位精度高，但结构复杂，仅在高精度的数控机 床有所应用。 1螺钉； 2圆柱齿轮； 3内齿圆； 4定位销； 5套筒。 图 4-6 齿差调隙式 4.2 滚珠丝杠的选择 4.2.1 滚珠丝杠的精度 查阅滚珠丝杠的样本选择丝杠精度为 5 级精度等级， Z 轴有效行程 1000 mm， 初步 设计现设丝杠在有效行程 1180mm 时，行程偏差允许达到 30m。 4.2.2 滚珠丝杠参数的计算 （1）最大工作载荷的计算 丝杠的最大载荷为工作时的最大进给力加摩擦力，最小载荷即为摩擦力。设此台 Z 向的最大进给力F f =5000N，导轨上面移动部件的重量约为 500 ，贴塑导轨的摩擦系 数为 0.04，故丝杠的最小载荷（即摩擦力） 1968 . 950004. 0 min f g F （N） (4.3) 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 丝杠最大载荷是： Fmax50001965196（N） (4.4) 平均载荷是： Fm= FF minmax 2 3 1 = 3 1 196519623529（N） (4.5) （2）当量动载荷的计算 滚珠丝杠副类型的选择主要是根据导程和动载荷两个参数,其选择的原则为:滚珠 丝杠的静载荷Coa不能大于额定静载荷Coam,即CoaCoam;滚珠丝杠的动载荷Ca不 能大于额定动载荷 Cam,即 CaCam。 驱动电机最高转速 2000 r/min 丝杠最高转速为 2000r/min，工作台最小进给速度为 0.5m/min，故丝杠的最低转速 为 0.1r/min，可取为 0，则平均转速 n=1000r/min。丝杠使用寿命 T=15000h，故丝杠的 工作寿命 106 60nT L = 106=675（106r） (4.6) 当量动载荷值： Ka L KpFm Cm 3 (4.7) 式中： Kp载荷性质系数，无冲击取 1-1.2，一般情况取 1.2-1.5，有较大冲击振动 时取 1.5-2.5； Ka精度影响系数，对 1、2、3 级精度的滚珠丝杠取Ka=1.0，对 4、5 级 精度的丝杠取Ka=0.9。 根据要求去Kp=1.5，Ka=0.9，代入数据得 9 . 0 3 6 7 55 . 13 5 2 9 Cm 51.59（KN） (4.8) 根据计算所得最大动载荷和初选的丝杠导程，查滚珠丝杠样本，选择 FF6310-5 型 内循环浮动返回器双螺母对旋预紧滚珠丝杠副，其公称直径为 63mm，导程为 10mm， 循环滚珠为 5 圈2 列，精度等级取 5 级，额定动载荷为 55600N，大于最大计算动载荷 Cm=51590N，符合设计要求。 毕业设计（论文） 表 4.1 滚珠丝杠螺母副的几何参数 名 称 符 号 计算公式和结果 公 称 直 径 （mm） 0 d 63 螺距(mm) P 10 接触角 6 . 3 0 钢球直径(mm) w d 7.144 螺纹滚道法面半 径(mm) R 715. 352. 0 dW R 偏心距(mm) e 0.009 螺纹升角(mm) d Ph arctg = 6 . 3 0 丝杠外径(mm) 1 d 62.5 丝杠底径(mm) 2 d 57.3 螺 杆 接 触 直 径 (mm) z d 55.87 螺 母 螺 纹 外 径 (mm) D 412.7022 0 Re d D 螺 母 内 径 (mm) （内循环） 1 D 62.64 （3）传动效率的计算 将公称直径d0=63mm，导程P=10mm，代入 =arctan d P 0 ，的丝杠螺旋升角 = 6 . 3 0。将摩擦角 10 ，代入=tantan，得传动效率=94.7%。 （4）刚度的验算 本传动系统的丝杠采用一端轴向固定，一端浮动的结构形式。固定端采用一对面对 面角接触球轴承和一个角接触球轴承，另一端也采用角接触球轴承，这种安装适应于较 高精度、中等载荷的丝杠。 滚珠丝杠螺母的刚度的验算可以用接触量来校核。 a、滚珠丝杠滚道间的接触变1 根据公式 Z= dwd0 ，求得单圈滚珠数 Z=22，改型号丝杠为双螺母，滚珠的圈数 列数为 52，代入公式 Z Z 圈数列数，得滚珠总数量Z=220。丝杠预紧时， 取轴向预紧力3 max FFy =1732（N） 。查相关公式得滚珠丝杠与螺纹滚道间接触变形 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 3 3 0013. 0 1 ZFydwPa (4.9) 式中Pa= Cm 51590N。代入数据得； 3 3 0013. 0 1 ZFydwPa = 33 220 1732144. 7515900013. 0= 0.013(mm) 因为丝杠有预紧力，且为轴向负载31，所以实际变形量可以减少一半，取 1=0.0065mm。 b、丝杠在工作载荷Fmax作用下的抗压变形2 丝杠采用的是两端都为角接触球轴承，轴承的中心距 a=1100mm，钢的弹性模量 E= 105 1 . 2 Pa M,由表 2.1 中可知，滚珠直径dw=7.144mm，丝杠底径d2=44.3mm，则 丝杠的截面积： 4 2 2 d S=1540.6(mm2) 根据公式ES Feq 2 代入数据得： 6 .1540 105 1 . 2 12005196 2 =0.018(mm) C、总的变形总 总= 21 =0.0065+0.018=0.0245mm,丝杠的有效行程为 600， 丝杠在有效行程 500630mm 时，行程偏差允许达到 30 m,，可见丝杠刚度足够。 （5）稳定性的验算 K L EIf k Pa 2 2 (4.10) 公式中取支撑系数f k =2， 由丝杠底径d2=44.3mm 求的截面惯性矩64 4 2 d I=188957.7(mm4)，压杆稳定安 全系数 K 取 3（丝杠卧式水平安装） ，滚珠螺母至轴向固定处的距离aL 取最大值 1200mm，代入公式得： 3 12002 7 .188957 105 1 . 2 14. 3 2 2 Pa =181129.6() 则 f=181129.6N 大于Cm=51590N，故不会失稳，满足使用要求。 （6）临界转速的验算 对于滚珠丝杠还有可能发生共振，需要验算其临界转速，设不会发生共振的最高转 速为临界转速nc。 毕业设计（论文） 查资料得公式 ： Lc d f nc 2 2 2 2 9 9 1 0 (4.11) 其中： 43.54144. 72 . 1632 . 1 02 dwdd (mm)； Lc为临界转速计算长度Lc=1200(mm)； f 2为丝杠支承方式系数 927. 3 2 f（一端固定，一端游动） 代入数据得： nc 4397(r/min),临界速度远大于丝杠所需转速，故不会发生共振。 （7）滚珠丝杠选型和安装尺寸的确