YAG激光加工数控工作台设计

1、南华大学机械工程学院毕业设计（论文）1 绪论1.1 本设计研究的目的和意义 机械制造业是国民经济的支柱产业。据统计，美国68的社会财富来源于制造业，日本国民总产值的49是由机械制造业提供的我国的机械制造业在工业总产值中也占40可以说，没有发达的机械制造业，就不可能有国家的真正繁荣的富强。而机械制造业的发展规模和水平，则是反映国民经济实力和科学技术水平的重要标志之一。提高加工效率、降低生产成本、提高加工质量、快速更新产品，是机械制造业竞争和发展的基础，也是机械制造业技术水平的标志20世纪50年代初第一台数控机床的出现，使机械制造技术的发展出现了日新月异的局面，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业

2、和尖端工业的应用技术和最基本的装备。而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国机械制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术，已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。数控加工技术是一个国家繁荣昌盛的最根本的技术基础之一，其重要作用正越来越被人们所认识。数控加工技术是直接创造社会财富的重要手段，是一个国家经济发展的重要技术支撑，是发展各支柱产业及国民经济各部门的关键技术数控加工技术水平的高低，可直接影响国民经济的发展。国防力量的竞争在一定程度上就是先进制造技术的竞争。

3、数控加工技术是先进国防装备产业化的技术基础。新型国防装备的产业化常常落后于对其技术原理的掌握，这往往是受制于制造技术。重大制造技术的突破往往会带来一批新装备的出现。数控加工技术也是提高国防装备性能和威力的重要因素。数控加工技术对我国机械制造业已有了飞速发展，然而市场竞争力不强的问题却非常突出。这主要反映在机械产品国内市场占有率近年来节节下降，已经从改革初期的90左右下降到70左右。最突出的是机床，其国内市场占有率从1991年的62下降到1997年的36。美国的一些机械企业早在1990年就已做到了“三个三”，即产品的生命周期为三年，产品的试制周期为三个月，产品的设计周期为三个星期。 我国加工技术

4、水平与工业发达国家存在着阶段性差距。只有加快发展数控加工技术，改变加工技术的落后状态，才能从根本上提高企业在市场的竞争能力。1.2 本设计国内外研究现状与发展趋势当今美国不仅生产宇航等使用的高性能数控机床，也为中小企业生产廉价实用的数控机床（如Haas、Fadal公司等）。其存在的教训是，偏重於基础科研，忽视应用技术，且在上世纪80代政府一度放松了引导，致使数控机床产量增加缓慢，於1982年被後进的日本超过，并大量进口。从90年代起，纠正过去偏向，数控机床技术上转向实用，产量又逐渐上升。 德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位，在多方面大力扶植。特别讲究“实际”与“实效”，坚持“以人为本”，师

5、徒相传，不断提高人员素质。在发展大量大批生产自动化的基础上，於1956年研制出第一台数控机床後，一直坚持实事求是，讲求科学精神，不断稳步前进。德国特别注重科学试验，理论与实际相结合，基础科研与应用技术科研并重。企业与大学科研部门紧密合作，对用户产品、加工工艺、机床布局结构、数控机床的共性和特性问题进行深入的研究，在质量上精益求精。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别重视数控机床主机及配套件之先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能部件，在质量、性能上居世界前列。如西门子公司之数控系统和Heidenhain

6、公司之精密光栅，均为世界闻名，竞相采用。 日本政府对机床工业之发展异常重视，通过规划、法规（如“机振法”、“机电法”、“机信法”等）引导发展。在重视人才及机床元部件配套上学习德国，在质量管理及数控机床技术上学习美国，甚至青出於蓝而胜於蓝。日本也和美、德两国相似，充分发展大量大批生产自动化，继而全力发展中小批柔性生产自动化的数控机床。自1958年研制出第一台数控机床後，1978年产量（7342台）超过美国（5688台），至今产量、出口量一直居世界首位（2001年产量46604台，出口27409台，占59%）。战略上先仿後创，先生产量大而广的中档数控机床，大量出口，占去世界广大市场。在上世纪80年

7、代开始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。在策略上，首先通过学习美国全面质量管理(TQC)，变为职工自觉群体活动，保产品质量。进而加速发展电子、计算机技术，进入世界前列，为发展机电一体化的数控机床开道。日本在发展数控机床的过程中，狠抓关键，突出发展数控系统。日本FANUC公司战略正确，仿创结合，针对性地发展市场所需各种低中高档数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。该公司现有职工3674人，科研人员超过600人，月产能力7000套，销售额在世界市场上占50%，在国内约占70%，对加速日本和世界数控机床的发展起了重大促进作用。我国的机械制造工业已具有一定的实力。机床工业高速发展，机床产品除

8、满足国内建设需要外，还有部分产品远销国外。我国现已能生产小型仪表机床、重型机床，各种精密的、高度自动化的、高效率的机床。机床性能正在逐渐提高，有些机床性能已接近世界先进水平。我国目前已能生产100多种数控机床，并研制出六轴五联动的数控系统，可应用于更加复杂型面的加工。国产数控机床的分辨率已经提高到0.001mm。我国机械制造工业已经取得了巨大的成就，但与世界先进水平相比还有很大差距。大部分高精度机床的性能还不能满足要求，精度保持性差，特别是数控机床的产量、技术水平和质量保证等方面都明显落后，这主要是管理落后、专业化生产水平低，工艺落后也是主要因素。由于工艺水平落后，使产品研制出来后也不能迅速转

9、变成商品，即使从国外引进的机电产品技术，也不能形成批量生产。为此，机械工业部门提出了“加强工艺管理、严格工艺纪律为突破口，提高工艺水平，推行全面质量管理，打一场提高产品质量的硬仗”作为工艺工作的指导方针。这是振兴我国机械工业的重大战略措施之一。随着电子、信息等高新技术的不断发展，随着市场需求个性化与多样化，在未来的21世纪中，加工技术将向着超精密、超高速以及发展新一代加工设备的方向发展。而数控加工技术的一个重要发展趋势是：工艺设计由经验判断走向定量分析，加工工艺由技艺发展为工程科学，使工艺模拟技术得到迅速发展。1.3 目前存在的主要问题自动化加工在现代机械加工中起着重要的作用，数控机床加工的高

10、速度、高精度也越来越受到机械行业的青睐，在对数控设备的使用过程中，我们对数控机床应用的认识也在逐步走向成熟，如何能最大限度的发挥数控机床的加工效率，我感觉有一些问题必须要解决。 一、目前在企业中，尤其是国企中的基层技术干部、管理干部对数控机床加工的原理、对数控系统的特性不了解，对零件加工工艺和程序的编制生疏，无法编制针对数控机床零件的加工工艺和科学性强的加工程序，也无法对数控设备进行科学的管理。先进的加工方法，落后的管理手段极大的影响了数控机床效率的发挥。 二、数控操作人员大部分来自普通机加工，文化素质参差不齐，在对数控设备的应用中套用普通设备加工的思路，对数控机床高速切削的特性、数控刀具的选

11、择、切削参数的选择缺乏科学性，加工程序的优劣及加工效率的高低完全取决于操作工人素质的高低，也就不能最大限度的发挥数控设备的加工效率。 三、由于特定的原因，数控设备的引进系统繁杂，设备档次不齐，给技术人员、操作人员的应用和编程带来很大困难。大大限制了零件的转移加工。 四、一般的系统内存容量都不是很大，在加工零件种类繁多时，大量的加工程序因为无法存储而不得不进行反复的删除和键入,有限的系统资源有时甚至无法存储一个完整的复杂零件的加工程序。频繁的重复的零件准备工作浪费了大量的工作时间,直接影响了数控机床的效率。加工程序反复编制也影响了程序的稳定性。 五、由于大量的加工程序是使用手工编制的,对复杂面的

12、计算难于保证它的准确性,也难于保证零件的加工要求,甚至出现废品。 六、现在企业大部分建立了自己的局域网,在计算机中大量使用了CAD/CAM计算机辅助设计及计算机辅助编程软件.而现在企业也正逐步实现CIMS管理体系,但基层缺乏与上层技术部门衔接的环境,因而无法获得技术部门的有力支持。 1.4 本设计拟解决的关键问题和研究方法1）关键问题 (1)整体结构的设计计算：主要解决Z坐标平衡的技术难题。 (2)重要零部件选型设计：主要遴选国内能用于本项目的零部件，进行性能价格比较。在保证产品质量的前提下，达到性能价格比较好。 (3)重要零部件的强度校核与优化：本项目的一个重要内容是进行重要零部件的数字化设

13、计。 (4)总装图与零件图的计算机绘制：本项目的所有图纸均采用电子文本，部分重要零部件采用三维图，并在计算机上进行模拟装配，以求减少设计失误。本项目的这个研究内容也是该产品的数字化设计重要内容之一，这项研究可以提升我国在这类产品设计中的设计水平。 (5)本项目的制造工艺研究：解决大型焊接件的焊接工艺；解决高精度数控系统制造工艺问题。2）研究方法文献查阅研究、实体操作、功能分析、调差法2 总体方案设计在数控机床发展的初级阶段，人们通常认为任何设计优良的传统机床只要装备了数控装置就能成为一台完善的数控机床。当时采取的主要方法是在传统的机床上进行改装，或者以通用机床为基础进行局部的改进设计，这些方法

14、在当时还是很有必要的。但随着数控技术的发展，考虑到它的控制方式和使用特点，对机床的生产率、加工精度和寿命提出了更高的要求。因此，传统机床的一些弱点(例如结构刚性不足、抗振性差、滑动面的摩擦阻力较大及传动元件中的间隙等)就越来越明显地暴露出来，它的某些基本结构限制着数控机床技术性能的发挥。现以机床的精度为例，数控机床通过数字信息来控制刀具与工件的相对运动，它要求在相当大的进给速度范围内能达到较高的精度。当进给速度范围在5-15000mm/min，最大加速度为1500mm/s2时，定位通常精度为±0.050.015mm；进行轮廓加工时，在5-2000mm/min的进给范围内，精度为0.0

15、20.05mm。如此高的加工要求就不难理解远在二十多年前已逐步由改装现有机床转变为针对数控的要求设计新机床的原因。用数控机床加工中、小批量工件时，要求在保证质量的前提下比传统加工方法有更好的经济性。数控机床价格较贵，因此每小时的加工费用比传统机床的要高。如果不采取措施大幅度地压缩单件加工工时，就不可能获得较好的经济效果。刀具材料的发展使切削速度成倍地提高，它为缩短切削时间提供了可能；加快换刀及变速等操作，又为减少辅助时间创造了条件。然而这些要求将会明显地增加机床的负载和负载状态下的运转时间，因而对机床的刚度及寿命都提出了新的要求。此外，为了缩短装夹与运送工件的时间，以及减少工件在多次装夹中所引

16、起的定位误差，要求工件在一台数控机床上的一次装夹中能先后进行粗加工和精加工，要求机床既能承受粗加工时的最大切削功率，又能保证精加工时的高精度，所以机床的结构必须具有很高的强度、刚度和抗振性。除了排除操作者的技术熟练程度对产品质量的影响，以避免人为造成的废品和返修品，数控系统不但要对刀具的位置或轨迹进行控制，而且还要具备自动换刀和补偿等其他功能，因而机床的结构必须有很高的可靠性，以保证这些功能的正确执行。在数控机床市场竞争日趋激烈的情况下，为了使数控机床能以足够多的功能和相对低廉的销售价格推向市场，设计者为此付出了巨大的努力。通用型数控机床虽然能够很好地满足各类用户的需求，但由于机床的功能过于齐

17、全，使售价提高，用户不得不为多余的功能承担额外的费用，成本的上升必然会削弱产品在市场上的竞争力；而专用型数控机床对某具体的零件虽然具有良好的经济性，但它限制了加工对象的品种变化，使生产柔性下降。模块化设计思想正是为解决上述矛盾而提出的，它灵活的机床配置使用户在数控机床的功能、规格方面有更多的选择余地，做到既能满足用户的加工要求，又尽可能不为多余的功能承担额外的费用。数控机床通常由床身、立柱、主轴箱、工作台、刀架系统及电气总成等部件组成。如果把各种部件的基本单元作为基础，按不同功能、规格和价格设计成多种模块，用户可以按需要选择最合理的功能模块配置成整机。这不仅能降低数控机床的设计和制造成本，而且

18、能缩短设计和制造周期，最终赢得市场。目前，模块化的概念已开始从功能模块向全模块化方向发展，它已不局限于功能的模块化，而是扩展到零件和原材料的模块化。数控机床的机电一体化是对总体设计和结构设计提出的重要要求。它是指在整个数控机床功能的实现以及总体布局方面必须综合考虑机械和电气两方面的有机结合。新型数控机床的各系统已不再是各自不相关联的独立系统。最具典型的例子之一是数控机床的主轴系统已不再是单纯的齿轮和带轮的机械传动，而更多的是由交流伺服电动机为基础的电主轴。电气总成也已不再是单纯游离于机床之外的独立部件，而是在布局上和机床结构有机地融为一体。由于抗干扰技术的发展，目前已把电力的强电模块与微电子的

19、计算机弱电模块组合成一体，既减小了体积，又提高了系统的可靠性。2.1 主要技术参数：（1）YAG数控系统工作方式：主轴固定的三轴连动系统；（2）外形尺寸：长宽高：600mm400mm900mm；（3）工作台面积：长宽：500mm300mm；（4）中央基准T型槽宽度：10H8；（5）T型槽宽度：10mm；（6）T型槽数：3条；（7）工作台纵向行程：300mm；（8）工作台横向行程：250mm；（9）工作台垂直行程：250mm；（10）进给速度(X、Y、Z轴)：5 mm/min1200 mm/min；（11）快速移动速度(X、Y、Z轴)：1200 mm/min；（12）加工工件最大重量：50kg2

20、.2 运动形式YAG激光器属于典型的机电一体化产品。其设计除了要求一定的精度之外。另外一个特点就是结构简单。目前市场上主要有两种典型的结构：（1）、工作台移动方式 这种结构就是工件至于工作台上由进给电机拖动其做X、Y方向进给运动。其缺点是工作台太重电动机消耗功率大。（2）、龙门架移动式 这种结构类似龙门铣床。X、Z方向在横梁上。Y方向则由电动机拖动龙门架移动，工作台则固定不动。这种结构具有设计简单、电动机消耗功率小、动态性能好的优点。本产品采用的是市场上流行的第一种方案，即工作台移动式设计。采用这种结构可以使我们的激光器运行平稳，精度高整机质量较轻。对于运动机构，我们采用了滚珠直线导轨副。该激

21、光器的数控进给系统将采用三轴联动的运动方式。对于Z方向上的平衡问题将采用液压节流阀来进行调节。2.3 导轨设计数控机床的运动精度和定位精度不仅受到机床零部件的加工精度、装配精度、刚度及热变形的影响，而且与运动件的摩擦特性有关。数控机床工作台(或拖板)的位移量是以脉冲当量作为它的最小单位，通常要求既能以高速又能以极低的速度运动。为了使工作台能对数控装置的指令作出准确的响应，就必须采取相应的措施。目前使用的滑动导轨、滚动导轨和静压导轨在摩擦阻尼特性方面存在着明显的差别。对于一般滑动导轨，如果启动时作用力克服不了数值较大的静摩擦力，这时被传动的工作台并不能立即运动，作用力只能使一连串的传动元件(如步

22、进电机、齿轮、丝杠及螺母等)产生弹性变形，并储存了能量。当作用力超过静摩擦力时，弹性变形恢复，使工作台突然向前运动。这时由静摩擦力变为动摩擦力，其数值就明显减小，使工作台产生加速运动。由于工作台的惯性，使它冲过了平衡点而使工作台偏离了给定的位置。由于滚动导轨和静压导轨的静摩擦力较小，而且很接近于动摩擦力，加上润滑油的作用，使它们的摩擦力随着速度的提高而增大，这就有效地避免了人们十分关心的所谓“低速爬行”，从而提高了定位精度和运动平稳性。因此数控机床普遍采用滚动导轨和静压导轨。滚动导轨块是近三十年发展起来的新型支承元件。由标准导轨块构成的滚动导轨效率高、灵敏性好、寿命长、润滑简单及装拆方便等优点

23、，因此广泛应用于数控机床及其他机械。由于滚动导轨和静压导轨降低了摩擦力，相应地减小了进给系统所需要的驱动扭矩，因此可以使用较小功率的驱动电动机。在轮廓控制系统中，由于减小了电动机尺寸和惯性矩，这就显著地改善了系统的动态特性。在点位直线或轮廓控制的数控机床上加工零件时，它经常受到变化的切削力，如果传动装置有间隙或刚性不足，则过小的摩擦阻力反而是有害的，因为它将会产生振动。针对这一情况，除了提高传动刚度之外，还可以采用滑动滚动混合导轨，以改善系统的阻尼特性。除了滚动导轨和静压导轨以外，近二十多年来广泛采用了由聚四氟乙烯制成的贴塑导轨，它具有更为良好的摩擦特性、耐磨性和吸振作用。在进给系统中用滚珠丝

24、杠代替滑动丝杠也可以收到同样的效果，目前数控机床几乎无一例外地采用了滚珠丝杠传动。数控机床(尤其是开环系统的数控机床)的加工精度在很大程度上取决于进给传动链的精度。除了减少传动齿轮和滚珠丝杠的加工误差之外，另一个重要措施是采用无间隙传动副，用同步带传动代替齿轮已成为一种趋势。对于滚珠丝杠螺距的累积误差，通常采用脉冲补偿装置进行螺距精度补偿。在导轨设计上传统的数控机床采用的是两种方式：（1）、滑动导轨设计 即采用圆柱导轨这种导轨具有结构简单、加工方便的优点。但是存在间隙不可调的问题。而且存在低速爬行现象，种种滑动导轨普遍存在的现象严重影响了激光器精度。（因为激光器加工的轨迹比较复杂）（2）、滚动

25、导轨设计 现在市场上大部分雕刻机都采用的是滚动导轨设计。这种导轨对比滑动导轨具有以下优点：摩擦系数小，摩擦系数一般在0.00250.005范围内，运动灵活。动、静摩擦系数基本相同启动阻力小，不易产生爬行，低速运动稳定性好。可以预紧，提高刚度和抗振性，能承受较大的冲击和振动。定位精度高，运动平稳、微量位移准确。保养方便，可以脂润滑，一次装填。长期使用。寿命长，使用耐磨材料制作，摩擦小，精度保养性好。对于滚动导轨又主要采取两种形式，一种为方形滚动导轨，另一种为圆形滚动导轨（这种滚动导轨由一根光轴和几个直线轴承组成。直线轴承轴上移动组成滚动导轨）比较方形滚动导轨和圆形滚动导轨两者各有优点，方形滚动导

26、轨承载能力强。但是安装调比较麻烦并且成本高。圆形滚动导轨安装容易，但间隙不好调整。由于我们设计的激光器精度特别高，综合考虑确定采用交叉滚柱滚动导轨。这样成本可以降低又能够达到我们的要求。3 传动系统设计数控机床的进给系统必须保证由计算机发出的控制指令转换成速度符合要求的相应角位移或直线位移，带动运动部件运动。根据工件加工的需要，在机床上各运动坐标的数字控制可以是相互独立的，也可以是联动的。总的说来，数控机床对进给系统的要求集中在精度、稳定和快速响应三个方面。为满足这种要求，首先需要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。为提高进给系统机械结构性能的主要措施有如下要求：（1）提

27、高系统机械结构的传动刚度传动刚度高对开环数控进给系统的重要性在于开环进给系统需将计算机控制指令忠实可靠地转换成要求的机械位移。由于开环系统不再有检测元件检查运动部件的实际位移，这种转换精度决定了加工的精度。对于闭环数控进给系统，传动刚度高有利于减小进给运动的超调和振荡，有助于改善系统的动态品质。为提高进给系统机械结构传动刚度的措施主要有以下几项。1提高传动元件的刚度 传动元件的变形会导致指令脉冲的丢失或传动系统的不稳定，影响加工精度和质量。2消除传动元件之间的间隙 传动元件之间的间隙会导致运动反向时指令脉冲的 丢失或系统运动不稳定。尽管稳定的系统误差可采取输人补偿脉冲的方法加以补偿，但由于刚度

28、不足和反向间隙造成的误差带有很大的随机性，完全精确补偿是不可能的。3尽可能缩短进给传动运动链的长度 缩短进给传动运动链的长度有助于提高数控机床的传动刚度，然而，进给传动运动链的缩短首先要求伺服电机调速范围和输出转矩能满足加工精度、生产率和快速运动的需要。目前一般数控机床进给驱动的调速范围为024mmin，先进的已达到0240mmin。已经实现了驱动电机不通过减速环节直接连接丝杠带动运动部件进行运动的方案。随着直线伺服驱动电机性能的不断提高，由电机直接带动工作台运动已成为现实。直接驱动取消了包括丝杠在内的所有机械传动元件，实现了数控机床的“零传动”。丰田工机、LKUMA等公司机床的进给机构采用直

29、线电机，最高加速度达2g，快速移动速度达100120m/min。4、采用预紧措施 预加载荷可以消除滚动摩擦传动副的间隙和提高其传动刚度，也可以提高传动元件的刚度。如丝杠可采用两端轴向固定和预拉伸的方法来提高其传动刚度。（2）采用低而稳定摩擦的传动副数控机床进给系统多采用刚度高摩擦系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，聚四氟乙烯导轨和静压导轨由于其摩擦系数小，阻尼大，也为数控机床进给传动所采用。（3）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机使现代数控机床进给系统性能有了大幅度提高，随着控制系统分辨率从0.001mm提高到0.0001mm，普通精度级数控机床的定位

30、精度目前已从0.012mm300mm提高到±0.0050.008mm300mm，精密级的定位精度已从0.005mm全行程提高到±0.00150.003mm全行程，重复定位精度也已提高到0.001mm。由于在提高传动精度和刚度、消除间隙等方面的努力，使数控机床进给传动系统的快速响应能力，即伺服系统的响应能力和机械传动装置的加速能力方面已有了大幅度提高，过渡过程时间已能控制在200ms之内，正在向提高到几十毫秒之内发展。随着快速响应能力和系统稳定性提高，进给速度已能达到24mmin(分辨率0.1m)，快速进给速度已能达到100mmin(分辨率0.1m)。（4）进给系统机械结构的

31、关键元件为保证伺服进给系统工作的精度、刚度和稳定性，系统对机械结构的主要要求是高精度、 高刚度、低摩擦和低惯量。为此，对于关键元件的正确选择和使用是至关重要的。驱动电机和反馈元件的选用也很重要，将在其它章节介绍。 在传动系统设计方面。决定采用步进电动机通过联轴器直接驱动滚珠丝杠运动的形式，采用这种传动机构具有以下几个好处：（1）减少传动链容易能够达设计要求（2）结构紧凑。经过以上方案比较之后我们确定总体方案为：进给系统由伺服电机直接驱动，运动形式为工作台移动，导轨为交叉滚柱导轨导轨。在YAG激光器数控系统中存在三个方向的进给运动X、Y、Z，因此存在三个进给系统的设计。我们的数控系统进给机构的驱

32、动采用的形式如我们在总体方案设计中所述，其具体设计如下：3.1 X向传动机构设计 该传动机构主要由滚珠丝杆副，采用丝杆转动，螺母平动得方式带动工作台移动，动力源将采用高精度伺服电机，通过膜片型伺服电机联轴器带动，因为该型激光器没有切削力，并且对精度等级比较高，所以将采用滚动导轨副。3.1.1 X向滚珠丝杠的设计计算 滚珠丝杠螺母副结构原理图。其结构的主要特点足在丝杠和螺母的圆弧螺旋槽之间装有滚珠作为传动元件，因而摩擦系数小，传动效率可达9095，动、静摩擦系数相差小，在施加预紧后，轴向刚度好，传动平稳，无间隙，不易产生爬行，随动精度和定位精度都较高，是目前数控机床进给系统最常用的机械结构之一。

33、 滚珠丝杠螺母副结构原理图1内滚道 2外滚道当丝杠螺母相对运动时，滚珠在内外弧形螺纹形的滚道内滚动，为保持丝杠螺母连续工作，滚珠通过螺母上的返回装置完成循环。按照滚珠的循环方式，滚珠丝杠螺母副分成内循环方式和外循环方式两大类(见图3-1)。内循环方式指在循环过程中滚珠始终保持和丝杠接触。这种方式结构紧凑，但要求制造精度较高。外循环方式则在循环过程中滚珠与丝杠脱离接触，制造相对容易些。 图3-1滚珠丝杠螺母副按精度分成4种类型(见表31)，又按其循环方式和消除间隙的方法分成15种结构。 表3-1通过预紧可以消除间隙保证换向精度是滚珠丝杠螺母副的特点。通常消除间隙的方法是采用双螺母结构。双螺母消除

34、间隙的结构主要有三种形式：1 垫片调隙式 如图3-2所示，调整垫片厚度可通过改变两个螺母间位移消除传动副的轴向间隙。它的结构简单、可靠性好、刚度高、装卸方便，但调整比较困难。 图3-22 螺纹调隙式 如图3-3所示，通过转动螺母改变两个螺母间位移来消除传动副的轴向间隙。它的优点是调整方便，在出现磨损后还可以随时进行补充调整。缺点是轴向尺寸较长，会增加丝杠螺纹部分的长度。 图3-33齿差调隙式 如图3-4所示，在两个螺母1、5的端面法兰上分别加工出外齿Z1和Z2，并各自装入对应的内齿圈6中。内齿圈通过螺钉固定在螺母外的套筒3端面。通常两个外齿轮相差1齿(如Z1=100，Z2=99)。当调整间隙时

35、，将两个外齿轮从内齿圈中抽出并相对内齿圈分别同向转动一个齿，然后插回原内齿圈中。此时，两个螺母间产生的相对位移为： (31)式中，P为丝杠的螺距。当P=10mm时，间隙的调整量为0.001mm。由此可见，此方法可实现精密微调，预紧可靠，不会发生松动。虽然结构复杂，但仍然得到广泛应用。 图3-4（1）确定滚珠丝杠副的导程 ：滚柱丝杠副的导程（mm）：工作台最高移动速度（m/min）：电机最高转速（r/min）：传动比因电机与丝杠直联，=1由技术要求1查得代入得，按推荐组合标准，取 （2）确定当量转速与当量载荷1).最小载荷机器空载时滚珠丝杠副的传动力。如工作台重量引起的摩擦力。因为选用

36、滚珠丝杆所以摩擦系数为0.005，工作台重量为30kg，所以2).最大载荷   3).滚珠丝杠副的当量转速及当量载荷Fm：珠丝杠副在n1,n2,n3各种转速下，各转速工作时间占总时间的百分比分别为t1%, t2%, t3%,tn%,所受载荷分别是F1,F2,F3。当负荷与转速接近正比变化时，各种转速使用机会均等时，可采用下列公式计算：      所以r/min （3）预期额定动载荷1） 按预期工作时间估算轻微冲击取w=1.0 精度等级取1 可靠性系数1 预期工作时间15000H带入得85.41N（4）确定允许的最小

37、螺纹底径（1） 估算丝杠允许的最大轴向变形量  （1/31/4）重复定位精度  （1/41/5）定位精度 : 最大轴向变形量（µm）可查资料数控床身铣床精度检验得：重复定位精度16µm, 定位精度25µm   =4   =5取两种结果的小值=4µm(2）估算最小螺纹底径 丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式：最小螺纹底径（mm）(1.11.2)行程+（1014）已知：行程为300mm, 代入得（5）确定滚珠丝杠副的规格代号（1）FF型 内循环单螺母式滚珠丝杠组成得垫片预紧的双螺母滚珠丝

38、杆付（2） 由计算出的在样本中取相应规格的滚珠丝杠副FF1605-3（6）确定滚珠丝杠副预紧力N（7）行程补偿值与与拉伸力（1）行程补偿值  式中： (2) 预拉伸力代入得（8）确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格（1）轴承所承受的最大轴向载荷    代入得   （2）轴承类型两端固定的支承形式，选背对背60°角接触推力球轴承（3）轴承内径  d 略小于 取代入得  （4）轴承预紧力预加负荷（5）按样本选轴承型号规格    当d=12m

39、m  预加负荷为：FBP      所以选70001P轴承          d=12mm（9)滚珠丝杠副工作图设计1) 丝杠螺纹长度Ls：Ls=Lu+2Le  由查得余程Le=20绘制工作图（2）两固定支承距离L1按样本查出螺母安装联接尺寸丝杠全长L（3）行程起点离固定支承距离L0由工作图得Ls=420L=470（10)电机选择1）.作用在滚珠丝杠副各种转矩计算。外加载荷产生的摩擦力矩T(N.m)式中滚珠丝杠副导程未预紧的滚珠丝杠副效

40、率1、2、3级精度的丝杠0.94级精度的丝杠0.85F作用在滚珠丝杠副上的外加轴向载荷，不同情况下取值不一样。若计算电机启动转矩时，机械是空载起动时，F是导轨摩擦力（垂向运动F还包括机构重量）；若计算电机工作转矩时，F包括导轨摩擦力，工作载荷（垂向运动F还包括机构重量）。 T2).负荷转动惯量JL(kg.m2)及传动系统转动惯量J(kg.m2)的计算。式中各旋转件的转动惯量（Kg.m2）和转速（r/min）各直线运动件的质量（Kg）和速度（m/min）电机的转动惯量（Kg.m2）和转速（r/min）丝杆直径为16mm0.016m,长415mm0.415m工件工作台惯量丝杆惯量所以按照要求所以选

41、取北京和时利40CB005C-2DE6E3).最大加速转矩当电机从静止升速至 式中  n电机转速（r/min）电机最高转速（r/min）ta加速时间（s）ta (3-4)或者按性能要求自行规定。电机时间常数。可查电机样本可得到满足要求。40CB系列交流伺服电机绝缘电阻500VDC 100MW Min      绝缘强度1500VAC 1Minute      环境温度 -20 +50      绝缘等级B级技术参数单

42、位伺服电机型号40CB005C-2DE6E货物编码 031601额定输出功率W50额定转矩N.m0.16瞬间最大转矩N.m0.48额定转速rpm3000最高转速rpm3600电机转子惯量kg.cm20.0429转矩系数N.m/A0.13额定相电流A1.03瞬间最大相电流A3.09电枢绕阻相电阻5.87电枢绕阻相电感10.2机械时间常数ms1.53电气时间常数ms1.74重量kg0.58编码器P/R2500负载惯量 负载惯量电机转子惯量×10（倍）适配驱动器 GS0020A外形尺寸 单位:mm（11)传动系统刚度（1）丝杠抗压刚度  

43、1）丝杠最小抗压刚度=6.6x：最小抗压刚度（N/um）d2  ：丝杠底径L1   ：固定支承距离=265 N/um2） 丝杠最大抗压刚度x：最大抗压刚度（N/um）=664 N/m3）滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度KC ：滚珠和滚道的接触刚度（N/um）KC ：查样本上的刚度（N/um）FP  ：滚珠丝杠副预紧力（N）Ca  ：额定动载荷（N）由样本查得：得KC=200 N/um（12)刚度验算及精度选择（1）=0.0297N/m=0.0237 N/mF0=已知W1=  294N ，  =0.005F0

44、=1.47  N静摩擦力（N）静摩擦系数W1 正压力（N）（2） 验算传动系统刚度：传动系统刚度（N）已知反向差值或重复定位精度为16=33.6714.7（3）传动系统刚度变化引起的定位误差=0.008m（4）确定精度    V300p  ：任意300mm内的行程变动量对半闭环系统言，  V300p0.8×定位精度-定位精度为16um/300V300p12.8um丝杠精度取为3级V300p=12um12.8(5) 确定滚珠丝杠副的规格代号已确定的型号：FF公称直径：16   导程：5螺

45、纹长度：380丝杠全长：470P类1级精度FF1605-1-P3/380×470（13)验算临界压缩载荷   丝杠所受最大轴向载荷小于丝杠预拉伸力F不用验算。（14)验算临界转速:临界转速（n/min）f：与支承形式有关的系数：丝杠底径：临界转速计算长度(mm)由表得f=21.9由样本得d2=12.9由工作图及表14得：Lc2= L1- L02097=1500(15) 验算： 滚珠丝杠副的节圆直径（mm）滚珠丝杠副最高转速（n/min）16.4mm=1200r/min1968070000（16)滚珠丝杠副形位公差的标注（略）表1支承方式简 图K2f一端固定一端自由

46、0.251.8753.4一端固定一端游动23.92715.1二端支承13.1429.7二端固定44.73021.9内循环单螺母式滚珠丝杠副尺寸系列3.1.2 X向导轨设计计算导轨副约束执行部件运动，保证其正确运动轨迹，对伺服进给系统的工作性能有重要影响。数控机床伺服进给系统导轨主要是直线型的。回转型导轨在加工中心的回转工作台上也有应用，其工作原理和特点与直线型导轨是相同的。滚动摩擦导轨具有摩擦系数小，动静摩擦系数差别小，启动阻力小，能微量准确移动，低速运动平稳，无爬行。因而运动灵活，定位精度高，通过预紧可以提高刚度和抗振性，承受较大的冲击和振动，寿命长。和静压导轨相比，其结构简单，保养方便，是

47、适合数控机床进给系统应用比较理想的导轨元件。1滚动直线导轨 图35是这种结构的示意图。它是一种滚动体为圆珠的单元式标准结构导轨元件，相对运动表面经研磨成四列圆弧沟槽，滚珠锁定在保持架上，通过合成树脂的端面档块(图中未画出)实现顺畅地循环滚动。导轨沟槽圆弧的曲率为滚动体的5253，因而滚珠在负荷方向为两点接触，即使制造有误差仍能保持滚珠灵活转动，而且由于两者直径相差不大，接触应力小，运动约束好。单元式滚动直线导轨在制造时已消除了间隙，因而刚度和精度都较高。滚动直线导轨在装配平面上采用整体安装的方法，因而即使安装平面有些偏差，也能因自身变形的矫正而保证滚珠仍然能顺畅地滚动。 图3-52滚动导轨块

48、滚动导轨块是一种圆柱滚动体的标准结构导轨元件。图36是这种结构的示意图。滚动导轨块安装在运动部件上，工作时滚动体在导轨块和支承件导轨平面(不动件)之间运动，在导轨块内部实现循环。滚动导轨块刚度高、承载能力强、便于拆卸，它的行程取决于支承件导轨平面的长度。但该类导轨制造成本高，抗振性能欠佳。 图3-63.1.3 导轨的选择:根据滚珠丝杆得选择计算上得数据对于X-Y方向选用GZV4型滚柱交叉导轨副滚柱交叉导轨副是由两根具有V型滚道的导轨、滚子保持架、圆柱滚子等组成，相互交叉排列的圆柱滚子在经过精密磨削的V型滚道面上作往复运动，可承受各个方向的载荷，实现高精度、平稳的直线运动。特 点： 1. 滚动摩

49、擦力阻力低，稳定性能好； 2. 起动摩擦力小，随动性能好； 3. 接触面积大，弹性变形量小，有效运动体多，易实现高刚性、高负荷运动； 4. 结构设计灵活，安装使用方便。 滚柱交叉导轨副基本尺寸：  滚柱交叉导轨副保持架基本尺寸： 3.1.4 载荷计算 行程长度及滚子（1）导轨的长度不小于行程的1.5倍：  式中    L导轨长度(mm)    l运行行程长度(mm)（2）保持架长度：    式中     K保持架长度(mm)（3）滚子数

50、计算：    式中        N滚子数量（忽略小数）        a保持架端距        f滚子间距 载荷计算：图中：C额定动载荷（N）额定静载荷（N） 每个滚子的额定动载荷（N） 每个滚子的额定静载荷（N） N滚子数据工作台技术要求，所以选用GZV4型导轨3.2 Y方向进给机构设计 因为Y方向得技术与X方向得技术要求相当，为了便于模块化制作以及通

51、用性的需要，选用与X方向相同得滚珠丝杆副，伺服电机，交叉滚柱导轨以及相应的联结件。即南京工艺装备制造厂FF型内循环单螺母式滚珠丝杠组成得垫片预紧的双螺母滚珠丝杆付；北京和时利公司40CB005C-2DE6E型伺服电机；南京工艺装备制造厂GZV4型滚柱交叉导轨副。3.3 Z方向进给机构设计3.3.1 Z方向丝杆计算与选用（1)确定滚珠丝杠副的导程：滚柱丝杠副的导程（mm）：工作台最高移动速度（m/min）：电机最高转速（r/min）：传动比因电机与丝杠直联，i=1由表1查得代入得，按推荐组合，取 （2）确定当量转速与当量载荷（1）最小载荷工作台的重量以及工作台重量引起的摩擦力 

52、; =294+294*0.04=305N（2） 最大载荷813N（3）当量转速r/min（4） 当量载荷N（3）预期额定动载荷按预期工作时间估算按表9查得：轻微冲击取=1.0按表7查得：13取 按表8查得：可靠性90%取=1已知：=15000小时代入得（4）确定允许的最小螺纹底径（1） 估算丝杠允许的最大轴向变形量  （1/31/4）重复定位精度  （1/41/5）定位精度: 最大轴向变形量（µm）已知：重复定位精度16µm, 定位精度25µm   =4   =5取两种结果的小值 =4µ

53、;m(2）估算最小螺纹底径  丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式(1.11.2)行程+（1014）已知：行程为250mm, 代入得（5）确定滚珠丝杠副的规格代号（1）FF型 内循环单螺母式滚珠丝杠组成得垫片预紧的双螺母滚珠丝杆副（2） 由计算出的在样本中取相应规格的滚珠丝杠副FF1605-3（6)确定滚珠丝杠副预紧力 N（7）行程补偿值与与拉伸力（1）行程补偿值  式中： (2) 预拉伸力代入得（8）确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格（1）轴承所承受的最大轴向载荷    代入得（2）轴承类型两端固定的支承形式，

54、选角接触球轴承70001（3）轴承内径 d 略小于 取代入得（4）轴承预紧力预加负荷（5）按样本选轴承型号规格    当d=12mm  预加负荷为：FBP      所以选70001P轴承          d=12mm预加负荷为542N（9)滚珠丝杠副工作图设计1) 丝杠螺纹长度Ls：Ls=Lu+2Le  由查得余程Le=20绘制工作图（2）两固定支承距离L1按样本查出螺母安装联接尺寸丝杠全长L

55、（3）行程起点离固定支承距离L0由工作图得Ls=420L=470（10)电机选择1）.作用在滚珠丝杠副各种转矩计算。外加载荷产生的摩擦力矩TF(N.m)式中Ph-滚珠丝杠副导程-未预紧的滚珠丝杠副效率1、2、3级精度的丝杠0.94级精度的丝杠0.85F-作用在滚珠丝杠副上的外加轴向载荷，不同情况下取值不一样。若计算电机启动转矩时，机械是空载起动时，F是导轨摩擦力（垂向运动F还包括机构重量）；若计算电机工作转矩时，F包括导轨摩擦力，工作载荷（垂向运动F还包括机构重量）。 2).负荷转动惯量JL(kg.m2)及传动系统转动惯量J(kg.m2)的计算。式中各旋转件的转动惯量（Kg.m2）和转速（r/

56、min）各直线运动件的质量（Kg）和速度（m/min）电机的转动惯量（Kg.m2）和转速（r/min丝杆直径为16mm0.016m,长415mm0.415m工件工作台惯量丝杆惯量所以按照要求所以选取北京和时利60CB020C-2DE6E3).最大加速转矩当电机从静止升速至: 式中  n电机转速（r/min）电机最高转速（r/min）ta加速时间（s）ta (3-4)或者按性能要求自行规定。电机时间常数。可查电机样本可得到满足要求。（11)传动系统刚度（1）丝杠抗压刚度   1）丝杠最小抗压刚度 =6.6x：最小抗压刚度（N/um）d2：丝杠底径L1:固定支承距离=265 N/um2）丝杠最大抗压刚度 x：最大抗压刚度（N/um） =664 N/m(2) 支承轴承组合刚度1)一对预紧轴承的组合刚度:一对预紧轴承的组合刚度(N/um)：滚珠直径(mm)Z：滚珠数：最大轴向工作载荷(N)：轴承