数控双主轴内孔磨床磨头及进给机构设计说明书

毕 业 设 计题 目 数控双主轴内孔磨床磨头及进给 机构设计 学 院 机械工程学院 专 业 机械工程及自动化 班 级 学 生 学 号 指导教师 二 年 五 月 二十九 日- 1 -目录目录 .11 前 言 .21.1 选题背景及意义 .21.2 国内外研究现状 .21.3 设计任务 .32 磨具传动设计计算 .52.1 内圆磨头的类型 .52.2 内圆磨头机械传动计算 .53 数控磨床进给传动设计 .83.1 伺服进给系统机械传动结构设计特点 .83.2 伺服进给系统机械结构设计基本要求 .83.3 伺服进给系统对伺服电机的要求 .84 进给机构的设计与计算 .104.1 滚珠丝杠副设计 .104.4.1 滚珠丝杠设计步骤 .114.4.2 滚珠丝杠的选择 .114.4.3 滚珠丝杠支承方式选择 .134.4.4 轴承的校核 .164.2 伺服电机的选择 .174.2.1 负载转矩的计算 .174.2.2 负载惯量的计算 .174.2.3 伺服电机型号确定 .184.3 联轴器的选择 .185 结 论 .20参 考 文 献 .21- 2 -1 前 言1.1 选题背景及意义从 本 质 上 说 ， 数 控 磨 床 和 普 通 磨 床 一 样 ， 是 加 工 的 最 后 一 道 工 序 。 早 期 的 数控 磨 床 ， 包 括 目 前 部 分 改 造 、 改 装 的 数 控 机 床 ， 大 都 是 在 普 通 磨 床 的 基 础 上 ， 通过 以 进 给 系 统 的 革 新 、 改 造 而 成 的 。 因 此 ， 在 许 多 场 合 ， 普 通 磨 床 的 构 成 模 式 、零 部 件 的 设 计 计 算 方 法 仍 然 适 用 于 数 控 磨 床 。 但 是 ， 随 着 数 控 技 术 （ 包 括 伺 服 驱动 、 主 轴 驱 动 ） 的 迅 速 发 展 ， 为 了 适 应 现 代 制 造 业 对 生 产 效 率 、 加 工 精 度 、 安 全环 保 等 方 面 要 求 ， 现 代 数 控 磨 床 的 机 械 结 构 已 经 从 初 期 对 普 通 磨 床 的 局 部 改 造 ，逐 步 发 展 形 成 了 自 己 独 特 的 结 构 。 其 中 ， 进 给 机 构 系 统 对 加 工 精 度 的 影 响 是 最 大的 ， 因 此 ， 提 高 进 给 系 统 的 质 量 就 显 得 尤 为 重 要 。 现 在 由 于 各 种 先 进 制 造 技 术 的发 展 ， 特 别 是 对 精 密 部 件 的 加 工 ， 对 于 磨 床 的 进 给 系 统 的 要 求 也 越 来 越 高 。内 圆 磨 床 的 生 产 率 和 加 工 质 量 ， 在 很 大 程 度 上 决 定 于 内 圆 磨 头 的 结 构 和 制 造质 量 。 在 大 量 生 产 条 件 下 尤 如 此 。 现 代 内 圆 磨 床 带 有 滚 动 支 承 和 空 气 轴 承 的 电 磨头 和 气 动 磨 头 ， 以 及 皮 带 传 动 的 静 压 轴 承 和 滚 动 支 承 磨 头 ， 其 中 皮 带 传 动 的 滚 动支 承 磨 头 用 得 最 广 。 因 为 这 种 磨 头 能 加 工 不 同 长 度 （ 达 500mm 或 更 长 ） 零 件 上的 孔 ， 而 且 所 加 工 的 孔 的 直 径 范 围 也 最 大 （ 从 70mm 到 250mm 或 更 大 ） 最 常 用 ，也 是 现 在 普 遍 研 究 的 重 点 1-2。与 国 外 相 比 ， 我 国 数 控 磨 床 的 发 展 明 显 落 后 于 西 方 发 达 国 家 ， 因 此 ， 技 术 创新 和 产 品 改 良 亟 待 加 强 ， 机 构 设 计 和 改 良 也 显 得 尤 为 重 要 。1.2 国内外研究现状十八世纪 30 年代，为了更好适应自行车、钟表、缝纫机和枪械等零件淬硬后的加工，美国、英国、德国分别研制出使用天然磨料砂轮的磨床。在当时这些磨床主要是现成的机床，如车床、刨床等，在上面加装磨头经过改造而成的，它们的结构比较简单，而且刚度较低，磨削时易产生振动，这要求操作工人具有很高的技艺才能磨出精密的工件。 1876 年，美国布朗-夏普公司制造的万能外圆磨床是首次具有现代化磨床基本特征的机械。它的工件头架和尾座安装在往复移动的工作台上，同时箱形床身也提高了机床的刚度，且带有内圆磨削附件。1883 年，这家公司研制成的磨头装在立柱上、工作台作往复移动的平面磨床。 1990 年前后，液压传动技术和人造磨料得到了广泛的应用，这对于磨床的发展有很大的推动作用。随着近代工业的发展尤其是汽车工业，各种不同类型、不同功用- 3 -的磨床相继问世。在 20 世纪初，先后研制出了加工气缸体的行星内圆磨床、凸轮轴磨床、曲轴磨床以及带电磁吸盘的活塞环磨床等。 1908 年，磨床开始应用自动测量装置。到了 1920 年前后，无心磨床、双端面磨床、导轨磨床、轧辊磨床、珩磨机和超精加工机床等相继研制成功并使用；50 年代又出现了可作镜面磨削的高精度外圆磨床；在 60 年代末，又出现了砂轮线速度达6080 米/秒的高速磨床和大切深、缓进给的平面磨削磨床； 70 年代，在磨床上采用微处理机的数字控制和适应控制等技术得到了广泛的应用。在 20 世纪 80 年代是数控磨床迅速发展的时期，而真正普及、实用则是在 90 年代。由于计算机技术的高速发展，使得数控技术得到进一步完善，从而促进了磨床结构的变革，使数控磨床不仅在精度、效率、可靠性方面，而且在柔性化、易操作、易维护等许多方面都达到了新的高度。我国自 1958 年开始研制数控机床，在研制与推广使用数控机床方面取得了一定成绩。近年来，由于引进了国外的数控系统与伺服系统的制造技术，使得我国数控机床在品种、数量和质量方面得到了迅猛发展 3-4。1.3 设计任务本次设计主要是对数 控 双 主 轴 内 孔 磨 床 关 键 功 能 部 件 的 设 计 ， 目 标 是 能 够 实现 盘 齿 类 零 件 内 孔 的 粗 加 工 与 精 加 工 ； 控 制 系 统 的 总 体 目 标 是 使 内 圆 磨 具 稳 定运 转 ， 内 圆 磨 具 进 给 系 统 进 给 精 确 、 平 稳 。进 给 系 统 的 传 动 机 构 是 指 将 电 动 机 的 旋 转 运 动 传 递 给 工 作 台 或 刀 架 以 实 现 进给 运 动 的 整 个 机 械 传 动 链 ， 包 括 齿 轮 传 动 副 （ 或 同 步 带 传 动 副 ） 、 丝 杠 螺 母 副（ 或 蜗 杆 蜗 轮 副 ） 及 其 支 承 部 件 等 。 传 动 机 构 的 精 度 、 灵 敏 度 、 稳 定 性 直 接 影 响了 数 控 磨 床 的 定 位 精 度 和 轮 廓 加 工 精 度 。 从 系 统 控 制 的 角 度 分 析 ， 其 中 起 决 定 作用 的 因 素 主 要 有 两 个 ： 一 是 传 动 机 构 的 刚 度 和 惯 量 ， 它 是 直 接 影 响 进 给 系 统 的 稳定 性 和 灵 敏 度 ； 二 是 传 动 部 件 的 精 度 与 传 动 系 统 的 非 线 性 ， 它 直 接 影 响 系 统 的 位置 精 度 和 轮 廓 加 工 精 度 ， 在 闭 环 系 统 中 还 影 响 系 统 的 稳 定 性 。数控磨床进给传动系统承担了数控磨床各直线坐标轴、回转坐标轴的定位和切削进给，进给系统的传动精度、灵敏度和稳定性直接影响被加工工件的最后轮廓精度和加工精度。为了保证数控磨床进给传动系统的定位精度和动态性能，对数控磨床进给传动系统的要求主要有如下几个方面。（1）低惯量进给传动系统由于经常需启动、停止、变速或反向运动，若机械传动装置惯量大，就会增大负载并使系统动态性能变差。（2）低摩擦阻力进给传动系统要求运动平稳、定位准确、快速响应特性好，必须减小运动件的摩- 4 -擦阻力和动摩擦系数与静摩擦系数之差。（3）高刚度数控磨床进给传动系统的高刚度取决于滚珠丝杠副或蜗轮蜗杆副及其支承部件的刚度。刚度不足和摩擦阻力会导致工作台产生爬行现象及造成反向死区，影响传动准确性。（4）高谐振为了提高进给的抗振性，应使机械构件具有较高的固有频率和合适的阻尼，一般要求进给系统的固有频率应高于伺服驱动系统的固有频率 23 倍。（5）无传动间隙为了提高位移精度，减小传动误差，对采用的各种机械部件首先要保证它们的加工精度，其次要尽量消除各种间隙，因为机械间隙是造成进给传动系统反向死区的另一主要原因。- 5 -2 磨具传动设计计算2.1 内圆磨头的类型（1）机械传动内圆磨头。主要由主轴、滚动轴承、套筒、体壳、平支带轮等组成。更换接长轴后，可用来磨削不同直径和长度的内孔，比较适于中、低速使用。（2）风动内圆磨头。 主轴上带有涡轮，由压缩空气带动涡轮使主轴高速旋转，主轴转速达到 10000 r/min。而且振动小，调节气压可实现无级调速，并带有调压阀、滤清器等附件。（3）电动内圆磨头。 一种由三相异步电动机直接带动，另一种由高频电动机带动，主轴转速可达 5000090000 r/min，输出功率较大，瞬时过载能力强，速度特性硬，振动小。2.2 内圆磨头机械传动计算为实现内圆磨头稳定运转，本次设计采用机械传动内圆磨头，皮带传动采用圆弧齿同步带传动。圆弧齿同步带的特点：靠齿啮合传动，传动比准确，传动效率高，其传动效率可达 98%99.5%，初张紧力最小，轴承承受压力最小，瞬时速度均匀，单位质量传递的功率最大。与链和齿轮传动相比，噪声小且不需润滑，传动比、线速度范围大，传递功率大；耐冲击振动较好，维修简便、经济。具体传动计算过程如下：设计要求：内圆磨具转速达到 4000 r/min，电动机采用普通 Y802-2 型三相异步电动机，皮带传动采用圆弧齿同步带传动。（1）设计功率 Y802-2 型电动机的额定功率 P=1.1 kW，额定转速 N=2830 r/min(2.1)PKad)(65.1.kWP（2）选择带型根据设计功率 及带轮转速 ，由图 2.1 查得圆弧齿带型。d1n选用 3M 带型，即节距 。mPb3- 6 -图 2.1 圆弧齿同步带选型（3）确定小带轮齿数 及节圆直径1z1d根据设计手册及小带轮最小齿数 ，选取小带轮齿数 ，节圆直径minZ31z(2.2)11Pdb)(6.294.31（4）确定带速 v(2.3)106ndvmax)/(2.04.291.3vsv其中 sms/5/40ax（5）确定传动比 i(2.4)21ni04.830i（6）确定大带轮齿数 及其节圆直径2z2d(2.5)1zi- 7 -8.431.2z查表取最优值 ，42zmd0.（7）初定中心距 0a(2.6)(2)(7. 21021da，初定m24.1313.500m（8）确定实际中心距 a取 ，a0(2.7)0212104)()(2addaLop36.查表得 ，得实际中心距，30pL )(82.942.31010ma（9）确定小带轮啮合齿数 及基准额定功率mZ0P(2.8)(2121zazentb，65mZzK其中 小带轮啮合齿数；mZ啮合齿数系数zK根据 ，查手册得1,nkWP285.0（10）确定带宽 fb(2.9)14.00PKbZLds其中查手册得， ， ，60sbLz求得 ，取标准带宽 。7.4s mf- 8 -3 数控磨床进给传动设计数控磨床的进给系统必须保证的是由数控装置所发出的控制指令转换成速度符合要求的相应位移或直线位移，带动运动部件运动。机床上各运动坐标的数字控制可以是相互独立，或是联动的根据工件加工的需要。总之，数控磨床进给系统的要求应集中在精度、稳定性和快速响应三方面 16。3.1 伺服进给系统机械传动结构设计特点为确保伺服进给系统的定位精度以及工作的稳定性，同时在机械传动结构设计上要求达到无间隙、低摩擦、高刚度、高谐振以及合适的阻尼比。机械传动结构的设计中应注意以下几点 7-8：（1）选用低摩擦传动副，如滚珠丝杠、滚动导轨、贴塑导轨等，以减小摩擦力；（2）通过选用最佳的降速比来降低惯量；（3）采用预紧的办法来提高传动刚度；（4）用消隙的办法来减小反向死区误差。3.2 伺服进给系统机械结构设计基本要求为了控磨床进给系统在精度、稳定性和快速响应方面的要求，首先需要的是高性能的伺服驱动电机，同时也需要高质量的机械结构与之匹配。为了提高进给系统机械结构的性能主要采取以下措施 7-8：（1）提高系统机械结构的传动刚度：主要是从传动元件的刚度、消除传动元件之间的间隙、尽可能缩短进给传动链的长度、采用预紧措施这几方面为出发点考虑。（2）采用低而稳定的摩擦传动副：因为数控磨床进给系统多采用刚度高、摩擦因数小而稳定的滚动摩擦副，如滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨等。（3）惯量匹配：最佳惯量匹配目的是为保证伺服驱动电动机的工作性能和满足传动系统对控制指令的快速响应的要求。由于在通常情况下传动系统机械结构的惯量总是大于要求的数值，故而在设计时为得到最佳的惯量匹配，总是希望传动系统中元件的质量和惯量要小一些，降速比则要大一些。（4）提高传动件精度：高质量的机械传动配合与高性能的伺服电动机使现代数控机床进给系统性能有了大幅度提高。3.3 伺服进给系统对伺服电机的要求数控机床进给系统用伺服电动机是根据负载条件进行选择的。加在电动机轴上- 9 -的负载有两种：一是负载转矩，二是负载惯量。负载转矩包括切削转矩和摩擦转矩。在选择伺服电动机应满足以几方面 7-8：（1）根据负载转矩选择电动机负载转矩应等于或小于电动机的额定转矩。对于这一点来说，数控机床和普通机床在电动机的选择上是一样的。最大切削负载转矩，不得超过电动机的额定转矩折算到电动机轴上的最大切削负载转矩。（2）电动机的转子惯量 JM 应与负载惯量 JL 相匹配通常要求转子惯量 JM 不小于负载惯量 JL，但 JM 也不是越大越好。因为 JM 越大，总的惯量 J 就越大，加速性能受影响。为了保证足够的角加速度，以满足系统反应的灵敏度，将不得不采用转矩过大的伺服电动机和伺服控制系统。具体匹配关系见表 3.1。表 3.1 负载惯量与电动机惯量匹配关系的推荐数值电动机类型 直流伺服电动机 交流伺服电动机 小惯量直流伺 服电动机 大惯量直流伺 服电动机匹配关系 25.13MJ231MJ32.1MJ5.41MJ（3）快速移动时，转矩不得超过伺服电动机的最大转矩当执行部件从静止状态的阶跃指令加速到最大移动速度时，所需要的转矩最大。加速时间通常为电动机机械时间常数的 34 倍。可见，伺服电动机主参数是输出功率，这是区分其大小的公称值，但选择伺服电动机时，却是按照负载转矩小于额定转矩、电动机转子惯量与负载惯量转矩的计算，切削转矩加上摩擦转矩（即负载转矩） ，应小于或等于电动机额定转矩。对于直流伺服电动机应在连续工作区选取。（4）加速转矩应等于最大转矩（即由放大器所限制的转矩）减去负载转矩空载时，加速转矩应等于最大转矩减去摩擦转矩，也等于全部惯量（电动机惯量+ 负载惯量） 加速度斜率。将不同过载系数机电惯量比的推荐数进行比较和对推荐数值与计算数值进行比较，过载系数是决定惯量比的主要因素。从机电惯量比这个角度来考虑传动链的设计，不宜采用很大的过载系数，否则将使机械设计过于庞大，也是不经济的。 随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质都有极大提高 7。- 10 -4 进给机构的设计与计算4.1 滚珠丝杠副设计滚珠丝杠螺母副是将直线运动与回转运动相互转换的传动装置，在丝杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽，它们套装在一起便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠的回路管道，将几圈螺旋滚道的两端连接起来便构成了封闭的螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既能自转又能沿滚道循环转动，从而迫使螺母轴向移动 16，图 4.1 所示为滚珠丝杠副的结构图。图 4.1 滚珠丝杠螺母副的结构1密封环 2, 3回珠器 4丝杠 5滚珠螺母 6滚珠滚珠丝杠螺母副具有以下特点 7：（1）传动效率高，摩擦损失小 滚珠丝杠螺母副的传动效率为 0.920.96，比普通丝杠高 34 倍，而驱动转矩仅为滑动丝杠螺母机构的 25% ；（2）运动平稳，灵敏度高、摩擦力小、低速时无爬行； （3）反向定位精度高、轴向刚度高；（4）传动具有可逆性，既可以从螺旋运动转换成直线运动，也可以从直线运动转换成旋转运动。也就是说，丝杠和螺母可以作为主动件；（5）磨损小，使用寿命长、维护简单，使用寿命是普通滑动丝杠的 410 倍；（6）同步性好，用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的部件或装置时，可获得较好的同步性；（7）有专业厂进行生产，选用配套比较方便。在数控机床的设计中，滚珠丝杠副的作用是将伺服电动机的旋转运动转变为直线运动，用较小的转矩可以获得很大的推力。滚珠丝杠副的传动是一种应用较广的- 11 -机构，尤其是将旋转运动变为直线运动的各种机构中，滚珠丝杠副的传动是最简单、经济而又可靠的。所以滚珠丝杠副的选择对整个机床的制造起着不可忽视的作用。滚珠丝杠副的精度是影响机床的定位精度及重复定位精度的最主要的因素。为了在机床的设计中更合理的选用滚珠丝杠副，使其充分发挥效能，必须进行一系列的计算。滚珠丝杠副都已经标准化，因此滚珠丝杠副的设计归结为对滚珠丝杠副型号的选择。在一般情况下，设计滚珠丝杠时，已知条件为：最大工作负载 Fd (或平均工作负载 Fm)作用下的使用寿命，丝杠的工作长度(或螺母的有效行程)，丝杠的转速(或平均转速)，滚道的硬度以及丝杠的运转情况 8。4.4.1 滚珠丝杠设计步骤通常的设计步骤为 7：（1）计算作用在滚珠丝杠上的最大动载荷；（2）从滚珠丝杠列表找出与之对应的最大动负载近似值，并初选型号；（3）根据具体的工作要求，通过结构尺寸、循环方式、调隙方法及传动效率几方面，再从初选的型号中挑选出比较合适的直径、导程、滚珠列数等，确定某一型号；（4）根据所选的型号，计算出主要参数的数值，计算其传动效率，并验算刚度及稳定系数等方面是否满足需求。4.4.2 滚珠丝杠的选择（1） 设计参数条件设计参数条件如下表 4.1表 4.1 设计参数工作台尺寸 (mm2)横向行程(mm)最大进给力 (N)工作台及磨具重力(N)工作台快速进给速度 (m/min)全程定位精度 ( m)重复定位精度( m)脉冲当量 (mm)330750 570 2000 1000 24 10 4 0.005 （2） 滚珠丝杠精度从实用数控机床技术手册中查得交流伺服电动机的最高转速为 1200 r/min、 2400 r/min 或 3600 r/min。取伺服电动机通过联轴器与丝杠直接连接，即i=1。工作台快速进给的最高速度要求达到 vmax=24m/min。取电动机的最高转速nmax=2400 r/min，则丝杠的最高转速 nmax 也为 2400 r/min。基本丝杠导程公式如下：- 12 -(mm) (4.1)102410maxnvPh本系统设计要求达到 10 m 的定位精度，查阅滚珠丝杠样本，对于 P1 精度丝杠，任意 300 mm 内导程允差为 6 m， P2 精度丝杠的导程允差为 8 m 。初步设计时先设计丝杠的任意 300 mm 行程内的行程变动量 V300 为定位精度的 1/31/2 ，即3 m5 m，因此，取滚珠丝杠精度为 P1 级，即为 1 级精度丝杠。（3）滚珠丝杠选择1）丝杠当量动载荷计算滚珠丝杠的名义直径、滚珠的列数和工作圈数都应按当量动载荷 Cm 来选择。切削力的最大进给力加摩擦力是丝杠的最大载荷；最小载荷即摩擦力。已知最大进给力 Ff =2000N，工作台加工件与夹具的重力为 2000N，导轨的摩擦系数为0.2，故丝杠的最小载荷（即摩擦力）(N)201.0minGfF丝杠最大载荷(N)2ax平均载荷(N)3.153203minax Fm丝杠最高转速为 2400 r/min，工作台最小进给速度为 1 mm/min，故丝杠的最低转速为 0.1 r/min，可忽略不计取为 0，则平均转速 n=(2400+0)/2=1200 r/min。丝杠使用寿命取 T = 20000h，根据丝杠精度取 Ka=1，根据工况取 Kp=1.5（查阅机械设计手册得） ，故丝杠工作寿命由公式可知：(4.2)(10410261066rnTL式中 L工作寿命，以 106r 为一个单位；n丝杠转速，r/min；T丝杠的使用寿命，对数控机床可取 T = 20000h。代入公式可得丝杠的当量动载荷 为mC(4.3)(N)25971.403.5 3 apmKLF式中 Ka精度响影系数，对于 1、2、3 级精度的滚珠丝杠取 Ka=1，对于 4、5 级精度滚珠丝杠取 Ka=0.9，本题取 Ka=1；- 13 -Kp载荷性质系数，无冲击取 11.2；一般情况取 1.21.5；有较大冲击振动时取 1.52.5，本题取 Kp =1.5。2）确定允许的最小螺纹低径 d2m(4.4)mlFa02(4.5)W0式中 支承方式系数。一端固定，一端自由或浮动为 0.078；两端固定或铰支时a取 0.039；丝杠长度；l ，取最小值；m重 复 定 位 精 度 ；)413( 全 程 定 位 精 度)514(m导轨静摩擦力；0F导轨面正压力；W)(25.10)4(3.3 umm取其最小值 m=1 m；将 ；l =870mm 带入式（4.4 ）得：)(201.0NF )(5.32187027.2 mdm（4）确定滚珠丝杠型号查滚珠丝杠样本 15中与 Cm 相近的额定动载荷 Ca，使得选择 CmC a，然后由此确定滚珠丝杠副的型号和尺寸。查滚珠丝杠产品中样本，选择 FFZD 型 4010-3 内循环浮动法兰式直筒双螺母垫片预紧滚珠丝杠副。其具体参数见表 4.2。表 4.2 FFZD 型 4010-3 内循环浮动法兰式直筒双螺母垫片预紧滚珠丝杠副参数公称直径 d0（mm）螺纹底径 d2（mm）动载 Ca（kN）静载 Coa（kN）刚度系数 R（ N / um）40 34.3 30 66.3 973- 14 -其中 Cm=26kNC a，d 2m=32.5mmd 2，符合设计要求。4.4.3 滚珠丝杠支承方式选择（1）滚珠丝杠主要支承方式滚珠丝杠的主要承受的载荷是轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此对丝杠的轴向精度以及轴向刚度应有较高的要求。其两端支承的固定情况如图 4.2所示的轴向固定方式 14。图 a)为一端轴向固定，一端自由支承固定方式，通常用于短丝杠和垂直进给丝杠；图 b)为一端轴向固定，一端铰支固定方式，常用于较长的卧式安装丝杠；图 c)为两端固定方式，常用于长丝杠或高转速、高刚度的丝杠，这种配置方式可对丝杠进行预拉伸。 支 承 间 距 离 工 作 台 轴 向 载 荷a)支 承 间 距 离 工 作 台 轴 向 载 荷b)- 15 -支 承 间 距 离 工 作 台 轴 向 载 荷c)图 4.2 滚珠丝杠的支承固定方式滚珠丝杠中常使用的滚动轴承有以下两类 14。1）接触角为 的角接触球轴承60这是目前国内外广泛普遍采用的滚珠丝杠轴承，这种轴承可组合配置。图 4.3 b)为一对背靠背组合方式，图 4.3 c)为一对面对面组合方式。这两种方式可承受双向轴向推力。图 4.3 d)为一同向组合方式，其承受能力较高，但只承受一个方向的轴向力，同向组合时的额定动载荷 等于单个轴承的 乘下列数：2 个为 1.63；3 个为aCaC2.16；4 个为 2.64。图 4.3 e)为一对同向与左边一个面对面组合方式。用上述方法还能派生出三联、四联等多种组合方式。图 4.3 滚珠丝杠用轴承2）滚珠推力圆柱滚子组合轴承如图 4.3 f）外圈 3 与箱体固定不转，只圈 1、5 和隔套内圈 6 随轴转动，滚针 7- 16 -承受径向载荷，圆柱滚子 2 和 4 分别承受两个方向的轴向载荷，修磨隔套内圈 6 的宽度可调整轴承的轴向预紧量。滚针圆柱滚子轴承多用于重载和高刚度的地方。（2）滚珠丝杠支承方式的确定经过分析在此设计中本传动系统的丝杠采用一端轴向固定，一端铰支的方式固定丝杠；固定端轴承选用两组接触角为 的角接触球轴背对背安装，铰支端支承60采用一对 角接触球轴承，结构图如图 4.4 所示。60图 4.4 滚珠丝杠固定结构图采用一端轴承的内、外圈双向固定，承受双向轴向力。另一端轴向不固定，允许因受热膨胀的轴自由伸长。这种定位方式的特点是：1）丝杠的静态稳定性和动态稳定性都较高，适用于中等回转精度；2）结构稍复杂，轴向刚度大；3）适用于对刚度和位移精度都要求较高的滚珠丝杠的安装。采用 的角接触球轴承背对背的成对安装，可以承受径向负荷和双向轴向负60荷，另外，背对背的受力作用点之间的距离较长，所以适于承受力矩负荷。因角接触球轴承刚性差，但成对安装，通过预紧可以提高刚性。4.4.4 轴承的校核已选 JB /T 3162 推荐的 760306DF 轴承，按以下公式进行校核。(4.6)aTndmhCPfC式中 基本额定动载荷计算值，N；C当量动载荷，N；P寿命因数，数控机床要求 20000h，取 3.42；hf力矩载荷因数，本例取 1；m- 17 -冲击载荷因数，本例取 1.5；df速度因数，本例最高转速为 2400 r/min，取 0.24；n温度因数，本例取 1；Tf轴向基本动载荷。aC因选用角接触球轴承，故当量动载荷 P 按下列公式计算。(4.7)arYFX；araFr5.014.时 ，其 中 ， 当 arFP93.057.14.时 ，当受力分析可得： )(539.17. NP带入式（4.6）得： =18800N，满足使用条件。)(4205324.013CaC4.2 伺服电机的选择伺服电机的选用，应考虑三方面要求：最大切削负载转矩，不得超过电动机的额定转矩；电动机的转子惯量 JM 应与负载惯量 Jr 相匹配；快速移动时，转矩不得超过伺服电动机的最大转矩。4.2.1 负载转矩的计算(4.8)20maxiTPFTfph其中，从前面的计算已知，最大进给力 Fmax=2040，丝杠导程 Ph=0.01m，预紧力Fp=7526.75N，查丝杠样本，滚珠丝杠螺母副的机械效率 =0.9。因滚珠丝杠预加载荷引起的附加摩擦力矩 )(53.28.9017526.0 NPThp 查 7602030TVP 单个轴承的摩擦力矩为 0.32Nm，故四联轴承的摩擦力矩Tf0=1.28Nm。简支端轴承不预紧，其摩擦力矩可忽略不计。伺服电动机丝杠直连，其传动比 ，则最大切削负载转矩1:i- 18 -)(5.728.1539.028mNT故所选伺服电机的额定转矩应大于此值。4.2.2 负载惯量的计算负载惯量可按以下公式计算。工件夹具与工作台的最大质量为 100 kg，折算到电动机轴上的惯量 J1 可按公式计算得：(4.9)(025.21.02221 mkgPmnvmJhh 式中 工作台移动速度， ；s/伺服电机的角速度， ；rad直线移动工件夹具和工作台的质量，kg。丝杠名义直径 D0=40mm=0.04m，长度 l=870mm=0.87m，丝杠材料（钢）的密度。则丝杠加在电动机轴上的惯量，根据公式可知：3/18.7mkg(4.10)(017.324.8701.72 240 kglJ 联轴器节加上锁紧螺母等的惯量 可直接查手册得到，即J2301.mkg故负载总惯量(4.11)(03.7.25. 2321 mkgJJL 中小型数控机床惯量匹配条件， ，所选伺服电动机的转子惯量 JM 应MLJ在 0.00150.0045kg m2 范围之内。4.2.3 伺服电机型号确定根据上述计算，查阅实用数控机床技术手册交流伺服电机型号目录 15，可选用 120MB200B2CE6E 型交流伺服电动机，其额定转矩为 9.55 Nm，大于最大切削负载转矩 7.5 Nm；转子惯量 JM = 0.0172，在 0.00150.0045kgm 2 范围之内，满足匹配要求。具体参数见下表 4.3 。表 4.3 120MB200B2CE6E 交流伺服电机参数额定输出功率(kW) 额定转矩 最大转矩额定转速(r/min)最大转速(r/min) 转动惯量 转矩系数- 19 -(Nm) (Nm) (kgm2) (Nm/A)2 9.55 28.65 2000 2400 0.0172 0.84.3 联轴器的选择伺服电动机可与丝杠直接连接，本次设计采用单节胀套膜片联轴器。图 4.4 胀套膜片联轴器1轴 2螺钉 3法兰 4锥环 5丝杠 6联轴套 7球面垫圈如图 4.4 所示，单节胀套膜片弹性联轴器主要由轴套、弹性片、胀紧套组成。采用胀套膜片消隙联轴器，可使动力传递没有反向间隙，螺钉 2 通过压圈施加轴向力时，由于锥环 4 之间的楔紧作用，内外环分别产生径向弹性变形，消除配合间隙，并产生接触压力以传递扭矩，为补偿同轴度及垂直度误差所引起的憋劲现象，可采用如图结构，柔性片分别用螺钉和球面垫圈 7 与两边的联轴套相连，通过柔性片传递扭矩，柔性片用薄的不锈钢制成，两端的位置偏差由柔性片变形抵消 7。这种联轴器传递功率大、转速高，主动轴由它将扭矩传递到从动轴，由于弹性组件不会产生复合应力，所以传递扭矩在，同时，由于弹性组件的变形，可以补偿轴的角度误差、偏心和轴向窜动。主要用于传动精度和速度要求高的场合 16。- 20 -5 结 论通过滚珠丝杠副，伺服电动机及联轴器的选择，实现了用伺服电机带动丝杠，并通过滚珠丝杠螺