三轴数控工作台运动机构设计

1、三轴数控工作台运动机构设计The Design of Three-Axis Motion Mechanism设计任务书班 级 学生姓名 学 号 发题日期： 完成日期： 题 目 三轴数控工作台运动机构方案设计 1、本论文的目的、意义三轴运动机构在现实的加工制造业中有着重要的意义，通过该毕业设计，可以提高学生对三维数控平台的认识、铣床结构的设计能力。随着科学技术的发展，数控加工技术在现在制造业中的地位也日益上升。数控铣的运用也越来越广泛。在使用过程中，铣床的结构类型也在不断的更新，不断的有结构形式出现，新结构的出现也由于气结构的优越性逐步取代过时的结构。通过本毕业设计，掌握三维数控平台的各零件的结

2、构、功能，并能对铣床整体结构提出一种设计方案。特别是培养学生解决工程设计问题的能力，接受工程实际训练。本论文工作具有重要的现实意义。 2、学生应完成的任务 （1）运动方案设计： （2）根据需求，完成标准件的选型： （3）完成非标准件的设计： （4）绘制结构图纸，撰写说明书。 3、论文各部分内容及时间分配：（共 12 周）第一部分 集资料与整理 ( 2周) 第二部分三轴运动机构标准件的选型计算 ( 2周) 第三部分 非标准件的设计 ( 2周)第四部分整体结构的设计与装配图的绘制 ( 4周) 第五部分 撰写说明书 ( 1周)评阅及答辩 ( 1周)备 注 指导教师： 年 月 日审 批 人： 年 月

3、日摘要 三轴运动机构，是一个能在三个方向上运动的机构。它作为一个典型的机构，在现实的加工制造业中有着重要的意义，并且广泛地应用于企业、工业、医疗、军事等领域。在当今工业科技迅猛发展的时代，随着数控加工技术越发成熟，数控铣削技术也得到了极大的发展，各种各样的数控铣床被应用到实际的制造加工过程中，而数控工作台是数控铣床很重要的一个部分，它直接影响到产品的质量。本论文以简单的三轴数控工作台为例子，对铣床整体结构提出一种设计方案，并运用二维绘图软件AutoCAD，绘制铣床非标准件的零件图，并完成铣床整体结构的装配图。本文通过已知的三轴运动机构的设计参数，计算出在铣削过程加工中X、Y方向所需要的进给力，

4、以及Z方向的主切削力。然后对机构的总体方案布局进行设计，根据力的大小选择传动方式，并确定出滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨、电主轴以及伺服电机的型号规格。设计基础部件的非标准件、丝杠支承滚动轴承的组合结构设计、联轴器、电主轴和伺服电机的固定安装方式和机床支架的结构形式等。本课题通过运用机械设计等课程的基本理论知识，对数控工作台结构方案的设计、分析和计算的确定，掌握对典型数控零件的设计计算和设计方法。提高机械设计的综合能力。关键词：三轴数控工作台；铣削力；标准件；结构设计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 录目录2、学生应完成的任务43、论文各部分内容及时间分配：（共 12 周）4摘要5Abstract6第一章绪论91.1三轴运动机构的发展应用91.2三轴运动机构的结构特点91.3研制三轴运动机构的目的和意义101.4本文研究的主要内容、目标与方法11第二章 三轴运动机构的功能需求122.1机床的工艺范围122.2机床精度132.3铣削参数的确定132.3.1铣削用量四要素142.3.2铣削力142.4三轴机构各项要求16第三章 总体方案设计163.1整体结构设计163.1.1工作台整

12、体布局的基本要求163.1.2工作台总体布局的设计173.1.3三轴铣削工作台的机械结构193.2三轴数控工作台进给系统193.2.1电机选择193.2.2传动机构的选择203.2.3电机与丝杠连接方式的选择22第四章 具体部件的计算选型244.1滚珠丝杠的计算选型244.1.1滚珠丝杠参数的确定244.1.2滚珠丝杠螺母副循环方式的确定254.1.3滚珠丝杠螺母副预紧方式的确定264.1.4滚珠丝杠螺母副支承形式的确定274.1.5滚珠丝杠螺母副的设计计算284.2导轨副的计算选型304.4伺服电机的选择334.5轴承的选用354.5.1轴承的类型选择354.4.2滚动轴承计算选用364.6

13、联轴器的选用39第五章 装配要求过程405.1 龙门架装置405.2 滚动轴承的组合结构设计42参考文献42第一章 绪论1.1三轴运动机构的发展应用三轴运动机构，顾名思义就是三个方向上能运动的机构，三个方向即为X、Y和Z这三个方向。刚开始设计生产的三轴运动机构是手动，那时电脑技术还发展还比较落后，没有后来的数控系统这一说法，所以当时驱动三个轴向上的运动时，主要是靠操作手轮或者手柄来使各轴到达指定的位置，往后又出现了半自动的三轴运动机构，但是随着控制系统方面发展很快，数字控制的应用大大提高了三轴运动机构的自动化程度。尤其是在微处理机的数字控制系统在三轴运动机构上得到应用后，扩大了三轴运动机构的作

14、用，提高了加工精度和效率。三轴运动机构的应用相当广泛，在企业、工业、军事、医疗上都有其广泛的应用，比如SMT贴片机、三轴联动雕刻机、堆垛机、三轴机械手等等，而本文设计的是三轴数控工作台。1.2三轴运动机构的结构特点三轴运动机构根据是否自动工作，可以分为手动三轴运动机构和数控三轴运动机构。从外形上看起来，除了数控控制机代替了操纵手柄、手轮外，数控三轴运动机构在外观上与一般三轴运动机构的确有不少相似之处，但是实际上数控三轴运动机构在结构上的组成要复杂得多，与其相比较，数控三轴运动机构在结构上主要有下列几个特点： （1）控制机构运动的特征坐标：必须控制刀具的直线、圆弧和沿直线运动和沿圆弧运动按照之前

15、设定好的来运动，以便于工件上的各种复杂的轮廓形状连续处理，而要达到这个目的，数控三轴运动机构的伺服驱动系统就必须在多坐标的方向上同时协调动作，并且保持着一定的相互关系，换句话说就是要机构实现多个坐标的联动。数控三轴运动机构要控制坐标的数量至少是三坐标中的任意两个坐标联动，为了实现连续处理线角的工件，那么至少要实现四轴的联动，如果你想曲线工件的可变角度加工，就要五轴联动加工了。（2）数控三轴运动机构的主轴功能：现代数控三轴运动机构的主轴转动和关闭，主轴换向和主轴转速的变化都可以根据程序自动编程。不同的机构有不同的传输功能和范围。一些使用频率转换单元（选择很少使用）和几个固定的速度，选择一种程序编

16、入，但不在操作时变化；一些由变频器来调速的，速度可以分为几个档次，程编的时候可以任选一个档次，加工的时候可以通过控制面板上的旋钮本档范围内自由调节；另一些就不可以分档了，编程在整个范围内只选择一个值，在运行的主轴工作时，可以在全量程范围内进行无极调整，但是从安全角度考虑，每次只能在允许范围内提高或者降低，不能有起起伏伏。在数控三轴机构的主轴套上一般都配有自动拔拉、刀背装置，可以在几秒钟内完成安装刀和刀具，使刀具更方便。此外，主轴的多轴数控运动的机构可以绕X、Y、Z轴做数控摆动，也有一些数控三轴运动机构带有万能主轴头，扩大了主轴的自运动范围，但是这样的主轴结构更加复杂了。1.3研制三轴运动机构的

17、目的和意义我国进入机械工业时代的时间比较晚，但是从新中国成立到改革开放，再到我们二十一新世纪，我国机械工业飞速发展，取得巨大的进步，在世界的舞台上也赢得了极大的关注。国内整个机械行业已经逐渐成型，能够满足国民经济和社会生活的需要。但是，进步的不只是我们，世界科学技术在时间长河里迅猛发展，想要把我国工业甩开一大截。当下，我国机械行业的技术水平和生产能力与工业发达国家相比，还有几十年的差距。因此，不断创新技术来开发高技术含量的新产品，已经是当前机械工业和其他传统行业密切关心和改革的焦点。近年来，机电一体化技术得到世界的关注，各发达国家都在努力发展，以提高自己的制造技术水平，来实现生产系统向柔性化、

18、智能化的发展。传统的机械行业因为机电一体化技术发生了革命性的改变，也得到了惊人的效益，这是业行结构、生产形式和管理机制发生本质变化带来的。机电一体化是当今世界机械工业科技和产品发展的主要趋势，我国机械工业想要想更高水平发展，就必须走这条路。数控机床也是机电一体化中的产品。我国在数控机床这块儿还有很大的欠缺，而数控机床也包含了三轴运动机构，或者换句话说数控三轴运动机构就是缩小版的数控机床。现在我国的很多企业工厂中的数控机床都是从国外进口的。在三轴数控机床这方面，我国也已经能进行自主生产了，但是技术也不是特别高端，而多轴数控机床就没法生产了。但是这些数控机床的基础都是三轴运动机构，万变不离其宗，要

19、想向高端技术进军，那么我们就需要先把三轴运动机构给分析透彻。1.4本文研究的主要内容、目标与方法 目前，国内机械制造业飞速发展，我们虽然能够制造出很多的机械部件，但是对于机床的设计制造却存在着很大的缺陷，我们的高精机床，绝大部分都是从国外进口的，自己却设计制造不出来，所以我们要对三轴运动机构进行设计制造，三轴运动机构中的工作台作为数控机床的一个基本组成部分，直接影响到了加工产品的质量，对数控机床向更高端技术地发展也提供了一个方向。本文主要是对三轴数控工作台的机械部分进行设计，根据已知的条件参数计算得出相应的结果，并选用与之相匹配的标注件型号，最后根据选用好的标准件进行三轴运动机构的整体组装，运

20、用AutoCAD软件完成机构的装配图以及相关的非标准件零件图，最终完成工作台的整体设计。本次设计的通用型小型精密数控工作台精加工小型零件，为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑采用先进的精密研磨级滚珠丝杠副为运动执行元件。为提高刚度和消除间隙，采用有预加载和的滚珠丝杠结构。由于工作台上加工小型零件，重量、载荷均不大采用直线滚动导轨副为导向支承，大大减小摩擦力、减少无效运动的发生，能轻易定位、大幅提高设备精度及机械效能。其主要内容如下：（1）通过已知的三轴运动机构的设计参数，计算出在铣削加工过程中的Z轴铣削部分的主铣削力，和工作台方向与X轴向的进给力。 （2）对三轴运动机构的整体结构进行设计

21、，包括它的整体布局，以及进给系统中各电机的选用、传动方式的选择和联接传动的结构。 （3）根据前面计算出的力的大小，来确定传动机构的选型和主轴电机、驱动电机的类型。（4）设计出三轴运动机构的非标准件、联轴器、驱动电机和电主轴的固定安装方式。（5）根据已经设计出的各零部件，完成机床整体结构的设计。运用AutoCAD画出机构的装配图和相关的零件图。第二章 三轴运动机构的功能需求2.1机床的工艺范围机床的工艺范围（又称工艺可能性）是指机床适应不同生产要求的能力。主要包括：机床上被加工工件的类型、材料、尺寸范围和毛坯形式。本文所设计的工作台主要是对铝合金、铜、铁等金属材料进行铣削及钻铣加工，当然对于木头

22、、石板等的加工也是可以进行的。而被加工的工件采用的毛坯是已经经过切断或锯断的材料，适于放置在工作台上，一般是立方体形状或圆柱形的材料，在加工工件时，我们加工出的都是些小型精密的工件，所以一般要求我们加工的工件大小为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。在这个尺寸范围内，有些工件的加工要求刚好是加工整块毛坯，而有些工件的毛坯则稍微大一些，但是需要加工的大小仍在该范围内，那么刀具在加工的时候在X/Y方向上就要预留出一些行程来，此处预留一端安全的行程50mm，那么X方向的行程为300mm,Y方向上的行程也为300mm，而对于Z方向上，由于加工的

23、工件具有一定的厚度，而且刀具和电机也有一定的长度，在加工时还要预留出退刀的长度，如下图所示。所以说，此处留出100mm的长度，那么Z轴的行程取为150mm。图21 Z轴行程选取示意图2.2机床精度机床精度一般包括一下几个内容：几何精度、运动精度、传动精度、定位精度、工作精度。本文雕刻机需要精确到0.02mm，在此处，我们主要讨论它的传动精度。机床的传动精度主要取决于传动链两端件之间相对运动的准确性。它受到的影响主要是来自于传动链各元件，特别是末端件的加工、装配精度以及传动链设计的合理性。要求其三个方向上的精度都达到2级。2.3铣削参数的确定铣削是一种应用非常广泛的切削加工方法，而铣刀就是用来进

24、行切削加工的。铣刀是一种刃工具，铣削速度高而且空行程。铣刀的种类非常多，那么它分类的方法也就有很多种。最后，本文在铣刀的选择上，我们采用的是10mm的硬质合金球头铣刀。2.3.1铣削用量四要素（1）铣削速度vc：是指铣刀外缘处的线速度，vc=d0n01000mmin （2-1）式中，d0为铣刀直径，取为10mm，而n0为铣刀每分钟的转速。（2）进给量f：是指铣刀每转一周时，铣刀与工件的相对位移。每齿进给量fz是指铣刀没转过一个刀齿时，工件与铣刀的相对位移。进给速度vf是指铣刀与工件每秒的相对位移。三者的关系为：vf=fn60=fznz60 （2-2）其中z为刀齿齿数，取z=2。（3）背吃刀量a

25、p：是平行于铣刀轴线测量的切削层尺寸。（4）铣削宽度ae：是垂直于铣刀轴线方向的吃刀量。2.3.2铣削力铣削加工时，铣刀每个刀齿上都产生铣削力，对于这个铣削力，它是一个空间力，在研究时，我们常常将他分解为三个方向的力，如下：（1） 主铣削力Fc。是铣削时总铣削力的运动方向的主要成分，这是作用于铣刀切线方向上消耗机床主要功率的力。（2） 法向铣削力FcN。是作用于铣刀半径方向的力，引起铣床主轴发生弯曲。（3） 轴向铣削力F0。是作用于主轴方向的力。通过查阅孟少农主编的机械加工工艺手册，得到铣削力，铣削功率和铣削扭矩的经验公式，通过查表代入前文已知参数进行简化，可以得到仅和切削深度ap、进给速度v

26、f与铣刀转速n有关的计算公式。表2-1 铣削参数计算公式计算公式和参数选定计算结果单位铣削力：FZ=CFapXFafYFawwzd0qnWFkFZFZ=42.76apvf0.75n0.62N铣削功率：Pc=FZv6×104Pc=3.14×107FZnkW铣削扭矩：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。铣削宽度ae(mm),铣削深度ap（mm），进给速度vf=afzn(mm/min)，铣削速度v=d0n1000(m/min)，铣

27、刀外径d0(mm)，每齿进给量fz(mm/z)，铣刀齿数z，铣刀转速n(r/min)。将切削深度、进给速度和铣刀转速的变量代入后分别计算，得到计算结果：表2-2 铣削参数计算值铣削方式工作时间百分比参数计算结果ap(mm)vf(mm/min)n(r/min)ns(r/min)FZ(N)M(Nm)Pc(KW)强力铣削10%2.51209000241370.410.39一般铣削30%1120015000240224.50.431.06精密铣削50%0.5240020000480158.00.4750.992快速进给10%-3600-720000其中：ns是丝杠转速，ns=vfPh(rmin),预选

28、丝杠导程Ph=5(mm)2.4三轴机构各项要求表2-3 三轴机构的设定参数项目参数单位主轴最高转速n=20000r/min主轴总行程（X）400mm主轴总行程（Y）300mm主轴总行程（Z）150mm使用寿命Lh=15000h快速进给速度3600r/min第三章 总体方案设计3.1整体结构设计 机械结构作为三轴数控工作台的硬件部分，对工作台的加工过程、铣削效果等有着极其重要的影响。以下是对三轴数控工作台的机械结构的详细介绍。3.1.1工作台整体布局的基本要求（1）确保加工的精准度，必须要满足工作精度，提高传动精度和传动效率；（2）确保数控工作台的每一部分都能够协调工作，不会干扰对方；（3）保证

29、能够完成预定的进给长度；（4）保证能够完成各种相关工艺程序，即为确保实现既定工艺方法所要求的工件和刀具的相对位置和相对运动；（5）保证三轴数控工作台具有与所要求的加工精度相适应的刚度、抗振性、热变形和噪音水平；（6）应该使数控工作台便于同时操作和观察其加工过程；（7）应该是数控工作台便与调整和维修，方便输送、装卸工件和排屑，注意防护，确保安全；（8）机床结构简单，合理可靠，各部分便于拆卸组装。3.1.2工作台总体布局的设计在满足总体布局的基本要求的基础上，还应该考虑影响数控工作台布局的基本因素：1、 表面形成运动的影响采用不同的刀具可以加工出不同形式的加工表面，因此形成表面的运动形式和它的数量

30、就不一样了，这就使布局产生了差异，对于有相同形状的加工表面，由于工件的和生产力的需要不同也可以用不同的工具制作不同的技术要求，不同的表面形成运动过程，以此来形成不同的布局。很明显的，工件表面成形运动是直接决定了三轴数控工作台的布局形式，也是影响三轴数控工作台布局的关键性因素。因此，在布局三轴运动机构时，必须根据加工的要求，综合考虑、全面考虑工件表面的成形方法和运动，以期待作出具有较好技术经济效果的布局设计。2、 工作台运动分配的影响形成工件表面方法和运动相同时，但三轴运动机构的运动分配不同，那么三轴机构的布局将会是不同的。对于同一种运动分配的布局，由于不同的导轨布置方式和不同的其他结构形式，也

31、将使三轴机构的布局出现相应的变化。在三轴机构运动的分配上，一般应该注意以下几点：1）首先移动部件的重量应该尽可能的轻便。在其他条件都相同的情况下，移动部件的重量越小，那么所需要的电机功率和传动件的尺寸也越小；2）应该有利于提高加工的精度；3）应该有利于提高三轴机构的刚度；4）应该使三轴机构的占地面积尽可能缩小；5）工件的尺寸形状和重量的影响，在机构拥有系统的工件表面形成运动和相同的运动分配方法时，工件的尺寸形状和重量对其布局的影响也是相当大的啊。6）另还应该考虑三轴机构性能要求的影响，如振动、噪声、热变形、刚度和抗振性，操纵方便形的影响，模块化设计法的影响等。根据三轴机构布局的要求，选择采用龙

32、门框架结构，这种结构刚度均较高，按龙门架的移动和固定被分为两种结构形式，这两种结构如下图。图3-1 布局示意图对比两种布局：第一个龙门移动式布局，采用床身固定，龙门移动，也就是工作台固定，铣削部分做横向和上下的移动，龙门做纵向移动。这种布局方式对于不同长度的铣削工作台有着很好的适应性，因为它可以变形。由于工作台没有动，承载能力就比较好，适合加工较重的工件，但是精度相对比较低。在使用外伸支架支撑纵向长工件进行批量加工时，有着相同高度的支点，所以支架支撑调整方便。但是铣削部分运动精度较难保证且立柱移动较为麻烦。第二种龙门固定式布局，采用龙门固定，铣削部分做横向和上下移动，工作台做纵向移动，铣削部分

33、减少了一个方向的运动，因而其运动精度较高，但由于工作台可以移动，所以只能承受较小载荷，适合加工较轻的工件。若涉及承载的工件较轻，这种布局方式所需电动机功率和传动的尺寸较小，移动较轻便。在使用外伸支架支持你纵向长工件进行批量加工时，支点高度相同，故支架支撑调整方便，但是支架结构较第一种布局略显复杂。经过以上比较，综合考虑到布局的基本要求、影响布局的基本因素和三坐标数控工作台的设计参数，最终选择龙门固定式布局，工作台做一个方向的运动，铣削部分完成其它两个方向的运动。3.1.3三轴铣削工作台的机械结构该三轴工作台的机械几何结构，由以下几个部分组成：1、底座部分作为整个机构的基础，它需要承担起整个机体

34、和被加工件的重量，要求稳定坚固，有一定的刚度，不会发生严重变形。 2、工作台部分工作台部分由工作台、X方向的丝杠和导轨，以及支架组成。工作台作为铣削工作时承受工件重量的部件，通常把工作台设计为表面有T形沟槽的平台，它在丝杠的带动和导轨的导向下做直线运动。 3、横梁部分 横梁由Y方向的丝杠和导轨，以及支架组成。横梁承载Z轴各零部件的重量，驱动铣削部分运动，容易弯曲变形，在结构仿真和运动仿真中是重要的分析对象。 4、铣削结构部分铣削部分由主轴组件、z方向的丝杠和导轨，以及支架组成。丝杠驱动主轴的上下运动，主轴组件在加工过程中直接带动刀具的高速旋转运动。3.2三轴数控工作台进给系统进给系统由伺服驱动

35、电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件组成。在这里，我们主要讨论它的机械传动机构。该数控工作台具有三个不同方向的进给，每个方向的进给运动都是其进给系统的一部分，这几部分加起来就组成了三轴数控工作台的进给系统。其各向的传动过程为：驱动电路控制驱动电机运转 电机带动传动机构传递动力 把动力传递给执行部件 从而实现各个方向的进给。3.2.1电机选择在进给系统中，每个传递机构都需要驱动电机来驱动，那么在选择驱动电机时，主要有两种选择，那就是伺服电机和步进电机。伺服电机又分为直流伺服电机和交流伺服电机。目前在国内的数字控制系统中，步进电机作为一种开环控制的系统，它的应用十分广泛，而且多数应用于经济型

36、的数控机床。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机作为比较理想的驱动元件已成为发展趋势。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。 1、控制精度不同。对于交流伺服电机，它的电机轴后端的旋转编码器确保了它的控制精度，而步进电机的精度则很多时候是固定的。2、低频特性不同。低频振动现象经常会出现在步进电机低速运转的时候。驱动器的性能和振动频率与其负载情况有关系，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。交流伺服电机运转则非常平稳，在任何转速情况下都不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足。3、

37、矩频特性不同。步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。4、过载能力不同。步进电机不具有过载能力。而交流伺服电机则有很强的过载能力。5、运行性能不同。步进电机的控制为开环控制，通常要处理好它的升、降速问题，这样才能保证它的控制精度。交流伺服驱动系统为闭环控制系统，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。 6、速度响应性能不同。步进电机从静止加速到工作转速需要的时间较长，交流伺服系统的加速性能较好，可以用于要求快速启停的控制场合

38、。 综合上面的比较，可以看出交流伺服系统在许多方面都优于步进电机。本文所设计的是三轴数控铣削工作台，它是一种中、小型的数控机床，因此结构需要紧凑一些，而且它在运动控制方面，要求特别高。它需要的调速范围很大，对动态特性的要求也很高，而且需要精确的位置控制精度。所以最终为了提高加工精度，选择使用伺服电机通过联轴器来带动滚珠丝杠结构。3.2.2传动机构的选择 在选择传动机构时，我们有以下几个选择：圆柱齿轮齿条传动、蜗杆蜗母条传动、双导程蜗杆传动和滚珠丝杆螺母副传动。选择一一比较一下他们各自的特点： 1、圆柱齿轮齿条传动特点齿轮齿条传动是一种行程非常长的大型数控机床上经常使用到的进给传动机构。它适用于

39、高传动要求，但是传动精度没寿命要求的场合。采用齿轮齿条传动时，必须要采取消除掉齿侧间隙的措施。一半采用两个齿轮与齿条啮合的方法，两个齿轮采取以相反的方向转动微小的角度，使得两个齿轮与齿条的两个侧齿面贴紧，这样的预加载荷机构可以达到消除间隙的作用。 2、蜗杆蜗母条传动特点蜗杆蜗母条传动的主要优点是结构比较紧凑、工作平稳、没有噪声、冲击振动小。通过在蜗杆蜗母条啮合齿面之间加入压力油，以此来形成有一定厚度的油膜，使得两个啮合的齿面之间形成液体摩擦，这样的装置特别适合用于重型数控机床的传动系统，平常一般的机床都不采用这样的机构。它的工作原理是驱动电机驱动蜗杆产生旋转运动，工作台与蜗母条连接在一起，以此

40、获得往复直线运动。3、 双导程蜗杆传动的特点该传动机构一般是用于回转工作台的，主要用来实现圆周进给运动，采用双导程蜗杆传动是可以消除传动间隙的，它的制造精度和装配精度的要求都特别高。 4、滚珠丝杠的原理及特点滚珠丝杠副作为精密、高效的传动元件在精密机床、数控机床中得到了广泛地应用，在机械工业、交通运输、航空航天、军工产品等各个领域应用得相当普遍。它在机床中是一种将回转运动转换为直线运动的常用传动装置。滚珠丝杠用滚珠的滚动代替丝杠螺母副中的滑动，减小了摩擦力，具有良好的性能。滚珠丝杠螺母副的组成：丝杠、螺母、滚珠、滚道和螺母座。工作原理：在丝杠和螺母上都有圆弧形的螺旋槽，当他们套装在一起时，便形

41、成了滚珠的螺母滚道。螺母上有滚珠回路管道，将几圈螺母滚道的两端连接起来，构成封闭的循环滚道，并在滚道内装满滚珠，当丝杠旋转时，滚珠沿滚道滚动，并经回珠管作周而复始的循环运动。特点：1. 传动效率高，是滑动热杠的2-4倍。2. 运动平稳，摩擦力小、灵敏度高、低速无爬行。3. 可以预紧、消除丝杠副的间隙、提高轴向接触刚度。4. 定位精度和重复定位精度高。5. 使用寿命长。6. 同步性好。7. 使用可靠、润滑简单、维修方便。8. 不自锁，可以逆向传动。 综合上面个传动机构的特点，可以总结出齿轮齿条传动工作时，噪声都比较大，且费用较高，所以也不采用这种传动机构，对于蜗杆蜗母条传动，不适合此处的小型铣削

42、机构，而双导程蜗杆传动，制造的费用昂贵，且传动效率低下。因此最终可以得出，选择滚珠丝螺母副作为各轴进给系统的传动机构，它较齿轮传动具有更好的传动平稳性，而且结构上也较为紧凑，能够确保加工时的精度。3.2.3电机与丝杠连接方式的选择电机与丝杠间的联接主要有三种形式：图3-3 电机-丝杠联接示意图（1）带有齿轮传动的进给运动：数控机床在机械进给装置中一般采用齿轮传动副来达到一定的降速比要求，如图3-3（a）所示。由于齿轮在制造中不可能达到理想齿面要求，总存在着一定的齿侧间隙才能正常工作，但齿侧间隙会造成进给系统的反向失动量，对闭环系统来说，齿侧间隙会影响系统的稳定性。因此，齿轮传动副常采用消除措施

43、来尽量减小齿轮侧隙。但这种联接形式的机械结构比较复杂。（2）经同步带轮传动的进给运动：如图3-3（b）所示，这种联接形式的机械结构比较简单。同步带传动综合了带传动和链传动的优点，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但只能适于低扭矩特性要求的场所。安装时中心距要求严格，且同步带与带轮的制造工艺复杂。（3）电机通过联轴器直接与丝杠联接：如图3-3（c）所示，此结构通常是电机轴与丝杠之间采用锥环无键联接或高精度十字联轴器联接，从而使进给传动系统具有较高的传动精度和传动刚度，并大大简化了机械结构。在加工中心和精度较高的数控机床的进给运动中，普遍采用这种联接形式。采用联轴器来联接电机和丝杠，这种设计可以

44、减少误差，使结构更加紧凑，提高加工精度，所以选择利用联轴器使步进电机与滚珠丝杠直接相连。此时传动比为1，误差最小。因此各轴进给系统的传动过程为：首先利用联轴器把步进电机的转矩传递给丝杠，然后丝杠再把转矩传递给螺母及与其固定的各部件，螺母及与其固定的各部件在丝杠的作用下做沿直线的进给运动。第四章 具体部件的选型及结构设计4.1滚珠丝杠的计算选型4.1.1丝杠循环及预紧方式的确定（1）循环方式的确定滚珠丝杠螺母副一般情况下分为3种循环设计：图4-1 丝杠循环方式首先是外循环滚珠螺杆，它是由螺杆、螺帽、滚珠、回珠管和固定块组合而成的。在这个装置里，滚珠是位于螺杆和螺帽之中的，滚珠的循环是由回珠管连接

45、的，丝杠转动时，滚珠在螺帽上回流，而回珠管就装置在螺帽外部。其次是内循环滚珠螺杆，它是由螺杆、螺帽、滚珠及回流盖所组成。滚珠采用单圈循环。将回流盖结构设计成跨越连接两相邻珠槽，连接构成一个单一封闭回流路径。由于回流盖组装在螺帽内部，即称之为内循环滚珠螺杆。最后一种是端盖式滚珠螺杆，它的回流系统的设计和外循环滚珠螺杆基本上是相似的，但是最主要的差别就是在它的螺帽上加工了一个贯穿孔作为钢珠回流。这样的话，使得滚珠可以行经整个螺帽的前后两端。由于在所有珠槽上都布满了有效滚珠，所以在相同的动负荷下，螺帽长度的设计就更加短了。在本文设计的三轴数控工作台中，我们需要的是一个结构紧凑一点儿的，且能适用于各种

46、高灵敏度和高刚度的进给定位系统中，所以经过对比，选择内循环滚珠螺杆比较合适。（2）丝杠预紧方式的选取所谓预紧就是给它提前加上载荷，使他在过盈条件下工作，预紧的目的在于消除轴向间隙且降低轴向力造成的轴向位移，也可以提高滚珠丝杠螺母副的刚度。预紧后的刚度可提高到为无预紧时的2倍，但是，预加载荷必须要适量，如果过大了，将使寿命下降和摩擦力矩加大。经常采用的滚珠丝杠螺母副预紧方法有：双螺母预紧和单螺母预紧。其中双螺母预紧又分为双螺母垫片预紧、双螺母螺纹预紧、双螺母齿差预紧、双螺母对旋预紧。单螺母预紧又分为变位导程预紧和加大钢球直径预紧。 此处，我们采用双螺母垫片预紧，可以通过修磨垫片的厚度，使得两个螺

47、母之间产生轴向位移。分为拉伸预紧和压缩预紧两种方式。拉伸预紧是由于过大的垫片有效地挤压分开螺帽。压缩预紧是由于过小的垫片，再有螺栓将拉在一起。双螺母垫片预紧的特点是结构简单，装卸方便，刚度高。但是调整不便，滚道有磨损时，不能随时消除间隙和进行预紧。4.1.2滚珠丝杠参数的确定本次设计的是适应多种材料加工的多功能小型三轴数控工作台，根据刀具不同、电机输出转速不同来达到加工目的。设工作台的质量为m1=400kg，工件及夹具的最大质量为m2=50kg，工作台的最大行程X=400mm，Y=300mm，Z=150mm，工作台滑轨的摩擦系数：动摩擦系数=0.04，静摩擦系数=0.08，要求寿命为15000

48、小时。三轴数控工作台也属于数控铣床这一类，所以查表可以得到，在XYZ方向的精度等级都可以取2级。电动机与丝杠通过联轴器连接，传动为1：1，本次设计三轴机构其切削用量和进给速度选择比较小，并且是可以变化的，故连接丝杆要求，转速平稳且较慢。那么在传动的时候，丝杠转一转，螺母移动一个导程Ph：Ph=vfins （4-1）其中i传动比，因为选取的是联轴器，所以传动比为1，那么可以得到导程Ph=5mm。为了加工出所要求的工件，在切削材料和切削用量不同的时候，滚珠丝杠的转速也要随之而改变，因此它所承受的轴向力也会不同。考虑轴向力的时候，因为选择的直线滚动导轨摩擦系数很小，那么它对丝杠轴向力的影响就相当小，

49、可以忽略不计。而轴向力主要就是由工作台受到的横向分力和预压力组成。丝杠平均转速na：na=n1×t1100+n2×t2100+ （4-2）代入数据后得到：na=483r/min （4-3）平均负荷：FZm=3Fz13×n1na×t1100×fp13+Fz23×n2na×t2100×fp23+ （4-4）丝杠在工作运转时不受到冲击，那么取fp=1.1 代入数据后得到：FZm=182.6N （4-5）预压力的计算：p=FZm2.8=65N （4-6）轴向负荷：Fa=FZm+p=247.6N （4-7）由前文知道数控工作

50、台的使用寿命Lh=15000h，可以根据其使用寿命来求出滚珠丝杠的动额定载荷：Lh=(CamFZmftfhfafkfw)310660na （4-10） 查李洪主编的实用机床设计手册可以得到：工作温度低于100摄氏度，所以ft=1，由于标准规定硬度不低于58HRC，故通常取fh=1，精度等级取的是2级，那么fa=1，丝杠工作时是无冲击平稳运转的，所以Fw=1,可靠性为90%，那么fk=1. 那么代入数据得到：Cam=1383.2N （4-11） 确定允许的最小螺纹底经，需先估算允许的最大轴向变形量m：m(1415)定位精度 （4-12）m(1314)重复定位精度 （4-13） 定位精度取的是0.

51、01mm，重复定位精度取的是0.024mm。得到m6m和m2m，取这两种结果的最小值，那么m2m。接下来计算滚珠丝杠的最小螺纹底径：丝杠采用的是一端固定，一端游动的安装方式，因此其计算公式如下：dm=0.078F0Lm （4-13）式中：F0导轨的静摩擦力：F0=0g(w台+w夹+w件) （4-14）假设工作台、夹具与工件最大质量为450kg，而摩擦系数定位0.08。可以得到：F0X=360N （4-15）F0Y=360N （4-16）F0Z=360N （4-17）前文已经确定采用一端固定，一端游动的安装形式，那么L=（1.051.1）行程+（1014）导程LX=480mm （4-18）LY=

52、400mm （4-19）LZ=235mm （4-20） 代入数据可以得到X、Y、Z三个方向上的最小螺纹底径：dmX=21.63mm （4-21）dmY=20.92mm （4-22）dmZ=16.04mm （4-23） 我们在确定滚珠丝杠的时候，要满足CaCam且d2dm，再根据导程为5mm，由此可以确定三个方向上，都选取FFZD型内循环浮动返向器双螺母垫片预紧滚珠丝杠副，型号为FFZD2505。型号规格公称直径基本导程钢球直径丝杠大径轴端直径动负荷静负荷FFZD250525mm5mm3.175 mm24mm21mm9.309kN21.569kN表4-1 丝杠螺母副型号图4-3 丝杠结构形式4.1.3滚珠丝杠支承形式及轴承确定 （1）丝杠支承形式的选择滚珠丝杠螺母副的应用中，需要满足高精度和高刚度的进给系统。为了达到这个要求，除了应采用高精度、高刚度的滚珠丝杠副外，还必须充分重视支承的设计。 图4-4 丝杠支承方式滚珠丝杠支承结构类型可以分为三类：图a：一端固定，一端自由：在低速、中等精度和较短轴向长度的情况下，该结构使用的多，而且丝杠较短和在使用数值丝杠时也适用。该形式下一端的轴向和径向的自由度由一对轴承去约束，而另外一端则悬挂着呈现出一个自由状态，同一对轴承副承