1、圖書分類號：密 級：畢業設計(論文)數控車床進給系統機械傳動結構的設計MECANICAL STRUCTURE DESIGN OF CNC LATHE FEED DERIVE SYSTEM學生姓名學院名稱機電工程學院專業名稱機械制造及其自動化指導教師2011年5月27日摘 要數控車床進給系統是指能分別沿著X 向和Y向做進給運動的系統，是許多機電一體化設備的基本部件，如數控車床的縱橫向進刀機構、數控銑床和數控鉆床的X-Y工作臺、激光加工設備的工作臺、電子元件表面貼裝設備等。模塊化的X-Y數控工作臺，通常由導軌座、移動滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副，以及伺服電動機等部件構成。其中伺服電動機做執行元件用來

2、驅動滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動滑塊和工作平臺在導軌上運動，完成工作臺在X、Y方向的直線移動。導軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機等均以標準化，由專門廠家生產，設計時只需根據工作載荷選取即可。控制系統根據需要，可以選取用標準的工作控制計算機，也可以設計專用的微機控制系統。該設計從確定小型數控車床的方案入手，設計進給系統的裝配圖和主要零件圖。確定數控車床數控系統后，詳細論述進給傳動系統各組成部分，以及各部分的計算和選用。關鍵詞：數控車床; 進給系統; 裝配圖; 零件圖AbstractThe design startswith identifying the program of small CNC

3、lathe, andbegins to design the system assembly drawing and the main part drawing. After identifying CNC lathe system, discuss the various components of the feed drive system in detail, as well as part of the calculation and selection. The design uses a top-down design method, starting from

4、 the overall structure, then the components of the design. In the design, full use of standardization, serialization, universal, increase interoperabilityeasyfor maintenance. And improve production efficiency to meet the needs of different users. Control systems for small CNC lathes w

5、hich the project develops and designs, with small size、 smallfootprint、 compact、 technically advanced、 high productivity and strong practicability. It is suitable for small batch processing of small parts, small enterprises, electronic components manufacturing enterprises and individual enterpr

6、ises, the ideal processing equipment.  It can also be used for high secondary school, technical school of electrical and mechanical specialty CNC practice, experimental teaching. Keywords:CNC Lathe Feeding System Assembly Drawing Parts Drawing目 錄摘 要IABSTRACTII1 緒論11.1 序言11.2設計主要任務22 進

7、給系統設計32.1總體方案設計32.1.1 概述32.1.2 機械系統設計32.2 伺服電機設計52.2.1 伺服電機概述52.2.2 伺服電機選擇62.3 滾珠絲杠副介紹102.3.1 滾珠絲杠副概述102.3.2 滾珠絲杠副特點112.3.3 滾珠絲杠副結構112.4 滾珠絲杠副設計122.4.1 設計滾珠絲杠副原理122.4.2滾珠絲杠副選擇132.4.3 滾珠絲杠副預緊142.4.4滾珠絲杠副校核152.5 滾珠絲杠副密封與潤滑172.6 滾軸絲杠副支撐選擇及軸承選用182.6.1 支撐方式選擇182.6.2 軸承選擇192.6.3 軸承配合與潤滑202.7 聯軸器簡介202.8 聯軸

8、器基本要求212.9 聯軸器選擇222.10 聯軸器校核232.10.1 轉矩校核232.10.2 銷抗剪強度校核243 導軌設計253.1 導軌概述253.2 導軌分類253.3 導軌選型與長度計算253.4 導軌副技術要求263.5導軌的間隙調整274 防護罩設計294.1 基本要求294.2 選擇設計294.3 其他設計304.3.1 基本要求30 支撐架設計31總 結32致 謝33參考文獻341 緒論1.1 序言數控技術是用數字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，是現代化工 業生產中一門新型的，發展十分迅速的高新技術。數控裝備是以數控技術為代表 的新技術對傳統制造業和新型制造業的滲

9、透，形成的一種機電一體化技術。這一 技術使生產過程中的生產效率、產品成本及工人勞動強度等方面問題得以明顯改 善，特別是針對對市場化生產的小批量、多品種特點，有無可比擬的優勢。數控機床是采用了數控技術的機床。即能按照程序邏輯，一步步處理生產過程的機床。數控技術也叫計算機數控技術，目前它是采用計算機實現數字程序控制的技術。這種技術用計算機按事先存貯的控制程序來執行對設備的運動軌跡和外設的操作時序邏輯控制功能。由于采用計算機替代原先用硬件邏輯電路組成的數控裝置，使輸入操作指令的存貯、處理、運算、邏輯判斷等各種控制機能的實現，均可通過計算機軟件來完成，處理生成的微觀指令傳送給伺服驅動裝置驅動電機或液壓

10、執行元件帶動設備運行。制造業是作為衡量一個國家經濟的重要指標，體現了一個國家或一個民族的科技實力，是一個時代科學技術發展最明顯的突出體現。尤其是在最近幾十年了，發達的資本主義國際憑借其先進的制造技術，利用其強大的科技和財政實力獲得了巨大的經濟利益。我國的制造業起步晚、基礎差，但近二十年來，我國投入了巨大的人力物力，并取得了驕人的成績。但同時也要看到，我們國家的制造業和西方發達資本主義國家的制造業還有差距，而且在某種層度上說，差距還很大，這就要求我們國家還要付出更大的努力去提高我國的制造業在世界制造業中的地位，使我國的制造業對我國的經濟發展能夠發揮更大的作用，為人民和人類帶來更大的幫助。數控車床

11、、車削中心，是一種高精度、高效率的自動化機床。配備多工位刀塔或動力刀塔，機床就具有廣泛的加工藝性能，可加工直線圓柱、斜線圓柱、圓弧和各種螺紋、槽、蝸桿等復雜工件，可咨詢：寧波眾鑫數控機床廠。具有直線插補、圓弧插補各種補償功能，并在復雜零件的批量生產中發揮 了良好的經濟效果。傳統的機械加工都是用手工操作普通機床作業的，加工時用手搖動機械刀具切削金屬，靠眼睛用卡尺等工具測量產品的精度的。現代工業早已使用電腦數字化控制的機床進行作業了，數控機床可以按照技術人員事先編好的程序自動對任何產品和零部件直接進行加工了。數控加工廣泛應用在所有機械加工的任何領域，更是模具加工的發展趨勢和重要和必要的技術手段。數

12、控車床又稱為 CNC車床，即計算機數字控制車床，是目前國內使用量最大，覆蓋面最廣的一種數控機床，約占數控機床總數的25%。數控機床是集機械、電氣、液壓、氣動、微電子和信息等多項技術為一體的機電一體化產品。是機械制造設備中具有高精度、高效率、高自動化和高柔性化等優點的工作母機。控機床的技術水平高低及其在金屬切削加工機床產量和總擁有量的百分比是衡量一個國家國民經濟發展和工業制造整體水平的重要標志之一。數控車床是數控機床的主要品種之一，它在數控機床中占有非常重要的位置，幾十年來一直受到世界各國的普遍重視并得到了迅速的發展。1.2設計主要任務進給系統機械傳動結構是伺服進給系統的主要組成部分，主要由傳動

13、機構、運動變換機構、導向機構、執行件組成，它是實現成形加工運動所需的運動及動力的執行機構。由于數控機床的進給運動是數字控制的直接對象，被加工工件的最終位置精度和輪廓精度都與進給運動的傳動精度、靈敏度和穩定性有關。進給系統是數控加工的關鍵環節，是數字控制的直接對象，被加工工件的最終坐標位置精度和輪廓精度都與傳動結構有關。脈沖當量是0.001mm，快進速度是1000mm/min，X軸行程：100mm ，Y軸行程： 150mm。合理設計進給系統的結構；完成進給部件（包含滾珠絲杠螺母副、燕尾槽導軌、導軌防護罩等）的結構設計及總圖和零件圖；完成主傳動系統的設計計算；完成二萬字的畢業論文及5000字的譯文

14、。2 進給系統設計2.1總體方案設計2.1.1 概述主軸轉速與進給速度，沒有定值，通常是靠經驗值來設置，主要根據刀具和工件材料來選擇。進給率的增加可以提高生產效率。在加工過程中，進給率也可通過機床控制面板上的修調開關進行人工調整，數控機床的控制面板上一般備有主軸轉速修調（倍率）開關，可在加工過程中對主軸轉速進行整倍數調整。但是最大進給速度要受到設備剛度和進給系統性能等的限制。刀具的選擇和切削用量的確定是數控加工工藝中的重要內容。刀具的種類及特點，刀具耐用度、穩定性，材料的種類，是必須考慮的，通常還要考慮：下切步距，刀具路徑的行距，主軸轉速，加工精度等。設計一臺數控車床進給系統機械傳動部分的設計

15、，綜合各方面的因素，采取PLC控制，控制方式采用交流伺服、運動控制器并采用閉環控制方案。數控車床進給系統的機械主體部分直線導軌和滾珠絲杠，聯軸器，工作臺面。電氣部分的關聯性及傳動裝置的保護性，X軸及Y軸兩端配有高質量的緩沖器，同時可選配在工作臺的兩端配有限位檢測開關，部分工作臺的配有原點檢測開光，并提供光電編碼裝置以適于閉環控制，原點開關的位置可以打距離的調節。數控車床進給系統的具體參數如下：X方向行程:100mm Y方向行程:1500mm 工作臺面的參考尺寸:240260mm 工作臺和工件最大物重質量60kg 工作臺表面滑動摩擦系數為0.5 平均切削力:500N 快進進給速度:1000mm/

16、min 最高運動速度:10000mm/min 脈沖當量0.001mm 定位精度: 0.02mm工作壽命:每天8小時，工作8年，250天/年2.1.2 機械系統設計車床是主要用車刀對旋轉的工件進行車削加工的機床，主要用于加工軸、盤、套和其他具有回轉表面的工件。在車床上還可用鉆頭、擴孔鉆、鉸刀、絲錐、板牙和滾花工具等進行相應的加工。它是機械制造和修配工廠中使用最廣的一類機床。銑床和鉆床等旋轉加工的機械都是從車床引伸出來的，普通機床經經歷了近兩百年的歷史。隨著電子技術、計算機技術及自動化，精密機械與測量等技術的發展與綜合應用，生產了機電一體化的新型機床一一數控機床。普通車床是車床中應用最廣泛的一種，

17、約占車床類總數的65%，因其主軸以水平方式放置故稱為臥式車床。普通車床的主要組成部件有：主軸箱、進給箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、絲杠和床身。按其實現系統功能角度看主要包括動力系統、執行系統、操縱和控制系統、傳動系統。此設計的具體要求如下：（1）傳動機構為保證一定的傳動精度和平穩性以及結構的緊湊，采用滾珠絲杠螺母傳動副。絲杠的轉速為中轉速，精度要求為高精度。為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加載荷的結構。由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動運動,所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅動力矩達到1/3以下,即達到同樣運動結果所需的動力為使用滾動絲杠副的1/3。在省電

18、方面很有幫助。采用滾珠絲杠副，滾珠絲杠直接與聯軸器連接。（2）導向機構采用滾動直線導軌。直線導軌一般為二種，一種是滾動式，一種是滑動式，滾動直線滑軌是一種滾動導引，它由鋼珠在滑塊與滑軌之間作無限滾動循環，使得負載平臺能沿著滑軌輕易的以高精度作線性運動，其摩擦系數可降至傳統滑動導引的1/50，使之能輕易地達到1m級的定位精度。現在滑塊與滑軌間的末制單元設計，使得線形滑軌可同時承受上下左右等各方向的負荷，專利的回流系統及精簡化的結構設計使線性滑軌有更平順且低噪音的運動。滾動直線導軌副動靜摩擦力之差很小，摩擦阻力小，隨動性極好。導軌的導向精度要求高。圖2-1 工作臺草圖（3）執行機構采用交流伺服電動

19、機。交流伺服電動機，是將電能轉變為機械能的一種機器。交流伺服電動機主要由一個用以產生磁場的電磁鐵繞組或分布的定子繞組和一個旋轉電樞或轉子組成。電動機利用通電線圈在磁場中受力轉動的現象而制成的。交流伺服電動機主要由定子部分和轉子部分組成，其中定子的結構與旋轉變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成90度電角度的兩相繞組（其中一組為激磁繞組，另一組為控制繞組）。交流伺服電動機控制精度高，矩頻特性好，具有過載能力，多應用于物料計量，橫封裝置和定長裁切機上。工作臺草圖如上圖2-1。2.2 伺服電機設計2.2.1 伺服電機概述交流伺服電動機的結構主要可分為兩部分，即定子部分和轉子部分。其中定子

20、的結構與旋轉變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成90度電角度的兩相繞組。其中一組為激磁繞組，另一組為控制繞組，交流伺服電動機一種兩相的交流電動機。 交流伺服電動機使用時，激磁繞組兩端施加恒定的激磁電壓Uf，控制繞組兩端施加控制電壓Uk。當定子繞組加上電壓后，伺服電動機很快就會轉動起來。 通入勵磁繞組及控制繞組的電流在電機內產生一個旋轉磁場，旋轉磁場的轉向決定了電機的轉向，當任意一個繞組上所加的電壓反相時，旋轉磁場的方向就發生改變，電機的方向也發生改變。表2-1交流伺服電動機的分類、特點及使用范圍類型代號結構特點性能特點使用范圍籠型交流伺服電動機SL轉子與定子結構與一般籠型異步電動

21、機相似,但轉子一般為兩相,且細而長,籠可用鋁、紫銅、黃銅制成勵磁電流較小，體積較小，機械強度較高，低速運轉時不夠平滑，有抖動現象廣泛運用于小功率自動控制系統、隨動系統和計算裝置中非磁性杯型交流伺服電動機SKADP用非磁性金屬鋁、黃銅等制成杯形轉子，杯的內外由內外定子構成磁路轉動慣量小，運轉平滑、無抖動現象，勵磁電流和體積較大用于要求運行平滑的系統，如自動裝置和計算裝置等FANUC交流伺服電動機FANUC轉矩大,轉速低,機械特性線性度好,低速性能良好，可直接與絲杠連接用于數控機床驅動或其他驅動系統低速交流伺服電動機SDSAND轉子、定子結構與籠型交流伺服電動機相同,另外機殼中裝有齒輪減速裝置體積

22、小,重量輕,力能指標高,性能好，輸出轉速低,轉矩大廣泛應用于自動裝置和計算技術裝置中作驅動、執行或控制元件步進電機是一種離散運動的裝置，它和現代數字控制技術有著本質的聯系。在目前國內的數字控制系統中，步進電機的應用十分廣泛。隨著全數字式交流伺服系統的出現，交流伺服電機也越來越多地應用于數字控制系統中。為了適應數字控制的發展趨勢，運動控制系統中大多采用步進電機或全數字式交流伺服電機作為執行電動機。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異。現就二者的使用性能作一比較。1)在整個調速范圍內，其負載轉矩應該在電動機連續額定轉矩的范圍以內；2)工作負載與過載

23、時間應該在規定的范圍以內；3)應使加速度與希望的時間常數一樣；下表2-2為交流伺服電動機的特性實例：表2-2 交流伺服電動機特性舉例電動機特性SM型伺服電機IM型伺服電機輸出功率/W11001100峰值電流（A/相)11.714.4峰值電壓（V/相）68.979.3功率因素/%99.878.6功率/%91.182.0電阻/0.2841.035感應電壓常數/100100轉動慣量/功率變化率/12162.2.2 伺服電機選擇2.2.2.1 伺服電機選擇原則步進電機是一種離散運動的裝置，它和現代數字控制技術有著本質的聯系。在目前國內的數字控制系統中，步進電機的應用十分廣泛。隨著全數字式交流伺服系統的

24、出現，交流伺服電機也越來越多地應用于數字控制系統中。為了適應數字控制的發展趨勢，運動控制系統中大多采用步進電機或全數字式交流伺服電機作為執行電動機。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異。現就二者的使用性能作一比較。一般電機要承受兩種形式的力矩：恒定的負載力矩和切削力矩（包括摩擦力矩）；加/減速力矩。步進電機在低速時易出現低頻振動現象。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現象對于機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應采用阻尼技術來克服低頻振動現象，比

25、如在電機上加阻尼器，或驅動器上采用細分技術等。 交流伺服電機運轉非常平穩，即使在低速時也不會出現振動現象。交流伺服系統具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統內部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便于系統調整。步進電機的控制為開環控制，啟動頻率過高或負載過大易出現丟步或堵轉的現象，停止時轉速過高易出現過沖的現象，所以為保證其控制精度，應處理好升、降速問題。交流伺服驅動系統為閉環控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成位置環和速度環，一般不會出現步進電機的丟步或過沖的現象，控制性能更為可靠。下面是選擇電機時應滿足的條件：（1）機床無負載時，加在電動機上的力

26、矩應小于電動機的連續額定力矩的50%一下。否則，在切削或加速/減速時電動機就可能過熱。（2）加/減速時間要短，須在電動機的允許范圍內。通常，負載力矩幫助電動機的減速，因此如果加速在允許時間內完成的話，減速也可在相同時間內完成。這樣我們只需計算加速力矩，并在允許時間內核算力矩在電動機的機械特性的斷續區內。（3）頻繁地定位和加/減速會使電動機發熱，此時需要計算出電動機承受的力矩的均方根值Trms，使其小于電動機的額定力矩Tc。（4）電動機以最大切削力矩運行的時間應在允許范圍內。（5）負載的慣量要小于電動機本身慣量的3倍。這里我們依據負載來選擇電動機。2.2.2.2 伺服電機設計計算步進電機一般不具

27、有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以松下交流伺服系統為例，它具有速度過載和轉矩過載能力。其最大轉矩為額定轉矩的三倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉矩，便出現了力矩浪費的現象。加到電機軸上的負載力矩通常由下式算出見式(2.1): 式（2.1）其中：加到電機軸上的負載力矩（Nm） F 沿坐標軸移動一個部件所需的力（kgf） L 電機轉一轉機床的移動距離=滾珠絲杠螺母或軸承加到電機軸上的摩擦力矩 步進電機從靜止加速到工作轉速（一般為每分鐘幾百轉）需要200

28、400毫秒。交流伺服系統的加速性能較好，以松下MSMA 400W交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。無論是否在切削，是垂直軸還是水平軸，F值取決于工作臺的重量，摩擦系數，F值還與平衡錘有關。對于水平工作臺，F值可按下式計算:W工作臺與工件重量=60kg滑動表面摩擦系數=0.05驅動系統的效率=0.9Fg鑲條鎖緊力=5kgf反切削力=50kgf由切削力矩引起的滑動表面上工作臺上收到的力=30kgf（設=2kgfcm=0.2Nm）不切削時見式(2.2)： 式（2.2）kgf切削時見式(2.3)： 式（2.3）為滿足運行條件，應根據數據選擇

29、電動機，其負載力矩在不切削時應大于0.1Nm，最高轉速應小于2000r。交流伺服系統在許多性能方面都優于步進電機。但在一些要求不高的場合也經常用步進電機來做執行電動機。所以，在控制系統的設計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當的控制電機。2.2.2.3 伺服電機選擇綜上所述，選擇FANUC系列交流伺服電動機，電動機的型號為FANUC4-0該類型伺服電動機是由日本法納克公司為滿足CNC機床和工業機器人的需要開發的，這種伺服交流電動機都是永磁式同步型伺服電動機，其特點都是定子為三相繞組，轉子為永久磁鐵。其結構、性能特點是轉矩大、轉速低，機械特性線性度好低速性能良好，可直接與絲杠連

30、接。我們選用的FANUC4-0，其數據見表2-3。其特點如下：1）具有獨特的磁極形狀，使轉矩波動最小；2）外面沒有機殼，定于鐵心直接在空氣中冷卻，這種結構使電動機溫升能減到最低；3）具有高的轉矩/慣量比，能承受高的加減速；4）由于采用了集中磁力線機構，在保證高輸出轉矩的情況下，電動機體積小而且重量輕；5）由于采用高頻脈寬調制控制，電動機只有很低的噪聲和振動。表2-3FANUC4-0的技術數據型號）輸出功率（KW）額定轉矩（Nm）最大轉矩(Nm)最高轉速(r/min)轉動慣量(kg/)機械時間常數(ms)熱時間常數(min)質量(kg)4-00.050.251.1300011151.22.3 滾

31、珠絲杠副介紹2.3.1 滾珠絲杠副概述滾珠絲杠是將回轉運動轉化為直線運動，或將直線運動轉化為回轉運動的理想的產品。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉運動轉化成直線運動，這是滾珠螺絲的進一步延伸和發展，這項發展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應用于各種工業設備和精密儀器。滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉運動轉換成線性運動，或將扭矩轉換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點常用的循環方式有兩種：外循環和內循環。滾珠在循環過程中有時與絲杠脫離接觸的稱為外循環；始終與絲杠保持接觸的稱為內循

32、環。滾珠每一個循環閉路稱為列，每個滾珠循環閉路內所含導程數稱為圈數。內循環滾珠絲杠副的每個螺母有2列、3列、4列、5列等幾種，每列只有一圈；外循環每列有1.5圈、2.5圈和3.5圈等幾種。（1） 外循環外循環是滾珠在循環過程結束后通過螺母外表面的螺旋槽或插管返回絲杠螺母間重新進入循環。外循環滾珠絲杠螺母副按滾珠循環時的返回方式主要有端蓋式、插管式和螺旋槽式。（2） 內循環內循環滾珠絲杠。內循環均采用反向器實現滾珠循環，反向器有兩種類型。 絲杠螺母機構有滑動摩擦和滾動摩擦之分。滑動絲杠螺母機構結構簡單，加工方便，制造成本低，具有自鎖功能。但其摩擦阻力大，傳動效率低。滾動絲杠螺母機構雖然

33、結構復雜制造成本高。但其最大優點是摩擦阻力小，傳動效率高，因此選用滾動絲杠螺母機構。根據絲杠和螺母相對運動的組合情況，其基本傳動形式一共可分為四種類型，其類型如下：（1）螺母固定、絲桿傳動并移動。該傳動形式因螺母本身起著支承作用，消除了絲桿軸承可能產生的附加軸向竄動，結構比較簡單，可獲得較高的傳動精度。但其軸向尺寸不已太長，剛性較差。因此只適合用于行程較小的場合。（2）絲桿傳動、螺母移動。該傳動形式需要限制螺母的傳動，故需導向裝置。其特點是結構緊湊、絲桿剛性較好。適用于工作行程較大的場合。（3）螺母傳動、絲桿移動。該傳動形式需要限制螺母移動和絲桿的傳動，由于結構較復雜且占用軸向空間較大，故應用

34、較少。（4）絲桿固定、螺母傳動并移動。該傳動方式結構簡單、緊湊，但在多數情況下，使用極不方便，故很少應用。根據工作臺運動情況，應選擇絲杠傳動螺母移動的形式，該傳動形式需要限制螺母的轉動，故需導向裝置。其特點是結構緊湊，絲杠剛性較好，適用于工作行程較大的場合。2.3.2 滾珠絲杠副特點滾珠絲杠副是一種新型螺旋傳動機構，其具有螺旋槽的絲杠與螺母之間裝有中間傳動元件滾珠。滾珠絲杠螺母機構由絲杠，螺母，滾珠，和反向器等四部分組成。當絲杠轉動時，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動，為防止滾珠從滾道端面掉出，在螺母的螺旋槽兩端設有滾珠回程引導裝置構成滾珠的循環返回通道，從而形成滾珠流動的閉合通路。其主要有如下特點：(

35、1)與滑動絲杠副相比驅動力矩為1/3。由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動運動,所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅動力矩達到1/3以下,即達到同樣運動結果所需的動力為使用滾動絲杠副的1/3。在省電方面很有幫助。(2)高精度的保證。滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機械設備連貫生產出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環境方面,對溫度、濕度進行了嚴格的控制，由于完善的品質管理體制使精度得以充分保證。(3)微進給可能。滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動,所以啟動力矩極小,不會出現滑動運動那樣的爬行現象,能保證實現精確的微進給。(4)無側隙、剛性高。滾珠絲杠副可

36、以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達到負值,進而得到較高的剛性(滾珠絲杠內通過給滾珠加予壓力,在實際用于機械裝置等時,由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強)。(5)高速進給可能。滾珠絲杠由于運動效率高、發熱小、所以可實現高速進給(運動)。2.3.3 滾珠絲杠副結構表2-4滾珠的循環方式類別形式特點內循環優點:返回通道短,一個循環只有一圈鋼球,流暢性好,摩擦損失小,效率高,徑向尺寸小,剛性好缺點:返向器鋼球返回通道的曲面加工復雜外循環端蓋式優點:結構緊湊,工藝性好缺點:循環回路長,流暢性差,鋼球通過短槽時易卡住螺旋槽式優點:結構簡單,制造方便,承載能力大缺點:鋼球流暢性較差,擋珠器較易磨損插管式優點

37、:結構簡單,工藝性好,鋼球的流暢性好,應用較廣缺點:凸出式的插管凸出于螺母外部,徑向尺寸較大 外循環 內循環 圖2-2 滾珠絲杠副循環方式滾珠絲桿副的結構類型可以從螺紋滾道的截面形狀、滾珠的循環方式和消除軸向的調整方法進行區別。我國生產的滾珠絲杠副的螺紋滾道有單圓弧形和雙圓弧形。滾道形面和滾珠接觸點之法線與絲桿軸向之垂線的夾角被稱為接觸角，一般為45度。單圓弧形的螺紋滾道的接觸角隨軸向載荷大小的變化而變化，主要由軸向載荷所引起的接觸變形的大小而定。接觸角增大時，傳動效率、軸向剛度以及承載能力也隨之增大。由于單圓弧形滾道加工用砂輪加工成型比較簡單，故容易得到較高的加工精度。單圓弧形面的滾道圓弧半

38、徑R稍大于滾珠半徑。雙圓弧形的螺紋滾道的接觸角在工作中基本保持不變。兩圓弧相交處有一小空隙，可使滾道底部與滾珠不接觸，并能儲存一定的潤滑油以減少摩擦磨損。由于加工其型面的砂輪修整和加工、檢驗均比較困難，故加工成本較高。2.4 滾珠絲杠副設計2.4.1 設計滾珠絲杠副原理（1）為提高滾珠絲杠副的使用壽命和精度，應使作用在螺母上的合力通過絲杠軸心，以保證滾珠受力均勻，避免傾覆力。 （2）放逆轉：滾珠絲杠副傳動逆效率高，應考慮在電機停電后，因部件自重而產生螺旋副的逆傳動（特別是在垂直方向上傳動時），防止逆傳動的方法可采用：停電自鎖的電機、蝸輪蝸桿機構、離合器等方式。 （3）滾珠絲杠副在行程兩端應有行

39、程保護裝置，以防止越程后滾珠絲杠副受撞擊而影響精度、使用壽命甚至損壞。 （4）防止熱變形：熱變形對精密螺旋傳動的定位精度有著重要的影響。其熱源不單是螺旋副的摩擦熱，還有其他機械部件工作時產生的熱，致使絲杠熱膨脹而伸長。為此必須分析熱源的各因素，采用措施控制熱源，還可以采用預拉伸、強制冷卻等減少熱變形對絲杠的伸長的影響。 （5）細長而又水平放置的絲杠，因自重使軸線產生彎曲變形，是影響導程累積誤差的因素之一，還會使螺母受載不均。設計細長絲杠時，應考慮防止或減小自重彎曲變形的措施。 （6）防護與密封：塵埃和雜質進入滾道會妨礙滾動體運動流暢，會加速滾動體與滾道的磨損，使滾動螺旋副喪失精度。為此需要防塵

40、措施。滾珠絲杠副在螺母兩端已安裝防塵圈，為避免絲杠外露，用戶還需要為絲杠選擇防護裝置。 （7）合理潤滑是減小驅動轉矩、提高傳動效率、延長螺旋副使用壽命的重要環節。接觸表面的油膜還有吸振、減小傳動噪聲和沖洗絲杠上的粉塵等雜物的作用。因此要注入潤滑脂。在螺母上還有油孔，用戶可旋入油嘴，再采用其他合適的潤滑方式。 （8）用內循環滾珠絲杠副，必須使絲杠螺紋兩端中至少有一端的滾珠螺紋是通牙，并該端所有外圓尺寸均小于絲杠螺紋底徑d2,否則無法裝配螺母。2.4.2滾珠絲杠副選擇初選滾珠絲杠副數據見下表：表2-5 初選滾珠絲桿副參數公稱直徑/mm導程/mm余量/mm節距/mm255208根據絲杠的工作行程初選

41、絲杠的工作長度：初選X方向絲杠的工作長度為410mm初選Y方向絲杠的工作長度為460mm滾珠絲杠的工作載荷計算公式見式(2.4)： 式（2.4）由條件，取 =1.2，取 =1.2， 取D精度，取 =1.0，X方向絲杠工作載荷：=1.2×1.2×1.0×600=864NY方向絲杠工作載荷：=1.2×1.2×1.0×600=864N額定動載荷值計算見式(2.5)：導程初選為5mm，則 =8645011N 式（2.5）根據值選擇滾珠絲杠副，假設選用按滾珠絲杠副的額定動載荷Ca 等于或稍大于的原則，查表選以下型號規格：FC1-2505-2.5

42、 Ca=5011N公稱直徑D=25mm導程P=5mm螺旋角滾珠直徑計算可得： 滾道半徑R=0.52偏心距絲杠內徑2.4.3 滾珠絲杠副預緊滾珠絲杠副在負載時，其滾珠與滾道面接觸點處將產生彈性變形。換向時，其軸向間隙會引起空回。這種空回是非連續的，既影響傳動精度，又影響系統的穩定性。單螺母絲桿螺母副的間隙消除相當困難。實際應用中，常采用以下幾種調整預緊方法見表2-5。表2-6常用的調整預緊方法調整預緊方式特點雙螺母螺紋預緊調整式結構簡單、剛性好、預緊可調，使用中調整方便，但不能精確定量地進行調整。雙螺母齒差預緊調整式可實現定量調整即可進行精密微調，使用中調整方便。雙螺母墊片調整預緊式結構簡單剛度

43、高、預緊可靠，但使用中調整不方便。彈簧式自動調整預緊式能消除使用過程中因磨損或彈性變形產生的間隙，但其結構復雜、軸向剛度低，適合用于輕載場合。單螺母變位倒程自頂預緊式和單螺母滾珠過贏預緊式結構簡單緊湊，但在使用中不能調整，且制造困難。根據防塵防護條件以及對調隙及預緊的要求，可選擇適當的結構形式。例如，當允許有間隙存在時可選用具有單圓弧形螺紋滾道的單螺母滾珠絲杠副；當必需有預緊或在使用過程中因磨損而需要定期調整時，應采用雙螺母螺紋預緊或齒差預緊式結構；當具備良好的防塵條件，且只需要在裝配時調整間隙及預緊力時，可采用結構簡單的雙螺母墊片調整預緊式結構。考慮到設計的所設計的工作臺有良好的防塵條件且只

44、需要在裝配時調整間隙及預緊力，故采用結構簡單的雙螺母墊片調整預緊式。滾珠絲杠副校核（1）由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發生失穩,所以在設計時應驗算其安全系數S，其值應大于絲杠副傳動結構允許安全系數。絲杠不會發生失穩的最大載荷稱為臨界載荷 式（2.6） 其中E=206GpaL=0.3m式（2.7）取則 安全系數式（2.8）由 S=253.3，顯然S>S成立，故絲杠是安全的,不會失穩（2）速長絲杠工作時可能發生共振，因此需驗算其不會發生共振的最高轉速臨界轉速，要求絲杠的最大轉速 式（2.9）所以所以絲杠不會發生共振。（3）此外滾珠絲杠副還受Dn值的限制，通常要求： Dnmm/min

45、Dn=25 <(4)滾珠絲杠在工作負載F(N)和轉矩T(Nm)共同作用下引起每個導程的變形量為見式(2.10)：式（2.10）式中，A為絲杠截面積見式(2.11)：A 式（2.11）為絲杠的極慣性矩見式(2.12)： 式（2.12）G為絲杠切變模量，對鋼G=83.3GP a;T(Nm)為轉矩見式(2.13)：式（2.13） 式中為摩擦角，其正切函數值為摩擦系數；為平均工作載荷.取摩擦系數為,則得按最不利的情況取(F=)通常要求絲杠的導程誤差小于其傳動精度的1/2,即該絲杠的滿足上式，所以其剛度可滿足要求。(5)效率驗算見式(2.14)：式（2.14）要求在90%-95%之間，所以該絲杠副

46、合格.經上述計算驗證，FC1-2505-2.5各項性能均符合設計要求，可選。2.5 滾珠絲杠副密封與潤滑密封是防止流體或固體微粒從相鄰結合面間泄漏以及防止外界雜質如灰塵與水分等侵入機器設備內部的零部件或措施。密封可分為靜密封和動密封兩大類。靜密封主要有墊密封、密封膠密封和直接接觸密封三大類。根據工作壓力，靜密封又可分為中低壓靜密封和高壓靜密封。中低壓靜密封常用材質較軟寬度較寬的墊密封，高壓靜密封則用材質較硬接觸寬度很窄的金屬墊片。動密封可以分為旋轉密封和往復密封兩種基本類型。按密封件與其作相對運動的零部件是否接觸，可分為接觸式密封和非接觸式密封；按密封件和接觸位置又可分為圓周密封和端面密封，端

47、面密封又稱為機械密封。動密封中的離心密封和螺旋密封，是借助機器運轉時給介質以動力得到密封，故有時稱為動力密封。根據摩擦副之間摩擦狀態的不同，潤滑分為： 流體摩擦潤滑，用流體( 厚度在1.52 微米以上 )將摩擦表面隔開的潤滑方式。根據潤滑膜壓力的產生方式不同又可分為流體動壓潤滑（靠摩擦表面的幾何形狀和相對運動由粘性流體的動力作用產生壓力平衡外載荷)和流體靜壓潤滑(由外部將一定壓力的流體送入摩擦表面間 ， 靠流體的靜壓平衡外載荷）兩種；邊界摩擦潤滑，摩擦表面間存在一層薄膜(邊界膜)時的潤滑狀態；它可分為吸附膜（潤滑劑中的極性分子吸附在摩擦表面所形成的膜，包括物理吸附膜和化學吸附膜）和化學反應膜（

48、潤滑油中的添加劑與金屬表面起化學作用生成能承受較大載荷的表面膜）兩類。潤滑可以延長機器設備的壽命，提高精度、節約能源。滾珠絲杠副可用防塵密封圈或防護套來防止灰塵及雜質進入滾珠絲杠副，使用潤滑劑來提高其耐磨性及傳動效率，從而維持其傳動精度、延長其使用壽命。密封圈有接觸式和非接觸式兩種，將其裝在滾珠螺母兩端即可。非接觸式密封圈通常由聚氯乙烯等塑料制成，其內孔螺紋表面與絲杠螺紋之間略有間隙，故又稱迷宮式密封圈。接觸式密封圈用具有彈性的耐油橡膠或尼龍等材料制成，因此有接觸壓力并產生一定的摩擦力矩，但其防塵效果好。常用的潤滑劑有潤滑油和潤滑脂兩類。潤滑脂一般在裝配是放進滾珠螺母滾道內定期潤滑，而使用潤滑

49、油時應注意經常通過注油孔注油。防護套的形式有折疊式密封套、伸縮套管和伸縮擋板。2.6 滾軸絲杠副支撐選擇及軸承選用2.6.1 支撐方式選擇在機械設計中，構件的固定和支撐有很多種，各種又各有各的特點。在該畢業設計中，要綜合各方面的因素，和實際工作情況，并結合生產一線的反饋信息，對滾珠絲杠副的支撐方式進行選擇。滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷，徑向載荷來自于絲杠的自重。因此，滾珠絲杠的軸向剛度和位移精度要求很高。滾珠絲杠的支承方式有以下幾種： 圖2-3 支撐方式(a)一端裝推力軸承。這種安裝方式適用于短絲杠，它的承載能力小，軸向剛度低，一般用于數控機床的調節環節或升降臺式數控銑床的垂直方向。(b)一端

50、裝推力軸承，另一端裝深溝球軸承。此種方式用于絲杠較長的情況，當熱變形造成絲杠伸長時，其一端固定，另一端能作微量的軸向浮動，安裝時應注意使推力軸承端遠離熱源及絲杠的常用段，以減少絲杠熱變形的影響。(c)兩端裝推力軸承。把推力軸承裝在滾珠絲杠的兩端，并施加預緊拉力，可以提高軸向剛度，但這種安裝方法對絲杠的熱變形較為敏感。(d)兩端裝推力軸承及深溝球軸承。它的兩端均采用雙重支撐并施加預緊，使絲桿具有較大的剛度，這種方式還可使絲杠的溫度變形轉化為推力軸承的預緊力，但設計時要求提高推力軸承的承載能力和支撐剛度。一端軸向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短絲杠和垂直進給絲杠；一端固定一端浮動的方式，常用

51、于較長的臥式安裝絲杠；以及兩端固定的安裝方式，常用于長絲杠或高轉速、高剛度、高精度的絲杠，這種配置方式可對絲桿進行預拉伸。因此在此課題中采用兩端固定的方式，以實現高剛度、高精度以及對絲杠進行拉伸。2.6.2 軸承選擇軸承可以分為標準滾動軸承、非標滾動軸承、靜壓軸承和磁懸浮軸承。滾珠絲杠一般配用標準滾動軸承。滾動軸承已標準化系列化，有向心軸承、向心推力軸承和推力軸承，共十種類型。滾動軸承一般由內圈、外圈、滾動體和保持架組成。在軸承設計中應根據承載的大小、旋轉精度、剛度、轉速等要求選用合適的軸承類型。舉例如下：（1）深溝球軸承。軸系用球軸承有單列向心球軸承和角接觸軸承。前者一般不能承受軸向力，且間

52、隙不能調整，常用于旋轉精度和剛度要求不夠的場合。后者既能承受徑向載荷也能承受軸向載荷；并可以通過內外圍之間的相對位移來調整其大小。因此在輕載時應用廣泛。（2）雙列向心短圓柱滾子軸承。此類軸承一般分為兩種一種是滾道開在內圈上，一種是滾道開在外圈上。這兩種軸承的圓柱滾子數目多、密度大，分兩列交叉排列，旋轉時支承剛度變化小，內圈上均有1:12的錐孔與帶錐度 的軸頸配合，內圈相對于軸頸作軸向移動時，內圈被漲大，從而可調整軸承的徑向間隙或實現預緊；因此，其承載能力大、支承剛度高，但只能承受徑向載荷，與其他推力軸承組合使用，可用于較大載荷、較高轉速場合。（3）圓錐滾子軸承。圓錐滾子軸承由內圈、外圈、格圈和

53、圓錐滾子組成。該軸承能承受較大載荷，用其代替短圓柱滾子軸承和推力軸承，則剛度提高，雖極限轉速有所降低，但仍能達到高精度的要求。（4）推力軸承。推力軸承一般軸向承載能力很強，支承剛度很大，但極限轉速較低，運動造勢較大。考慮到輕載，初選接觸角推力角接觸軸承，代號7202AC型。該軸承是與滾珠絲杠專配的軸承其主要特點是：既能承受軸向載荷又能承受徑向載荷，接觸角大、鋼球多、剛度高。該軸承的數據表2-10：表2-7角接觸軸承的數據d(mm)D(mm)B(mm)(mm)(mm)(mm)(mm)(mm)(mm)(kN)(kN)1532918.429.60.320.426.60.36.253.422.6.3

54、軸承配合與潤滑滾動軸承的潤滑目的是減少軸承內部摩擦及摩損，防止燒粘、其潤滑效用如下： （1）減少摩擦及摩損。在構成軸承的套圈、滾動體及保持器的相互接觸部分，防止金屬接觸，減少摩擦、磨損。（2）延長疲勞壽命。軸承的滾動疲勞壽命，在旋轉中，滾動接觸面潤滑良好，則延長。相反地，油粘度低，潤滑油膜厚度不好，則縮短。（3）排出摩擦熱、冷卻。循環給油法等可以用油排出由摩擦發生的熱，或由外部傳來的熱，冷卻。防止軸承過熱，防止潤滑油自身老化。（4）也有防止異物侵入軸承內部，或防止生銹、腐蝕之效果。軸承的潤滑方法，分為脂潤滑和油潤滑。為了使軸承很好地發揮機能，首先，要選擇適合使用條件、使用目的的潤滑方法。若只考

55、慮潤滑，油潤滑的潤滑性占優勢。但是，脂潤滑有可以簡化軸承周圍結構的特長，將脂潤滑和油潤滑的利弊比較。滾動軸承的套圈與軸和座孔之間應選擇適當的配合，以保證軸的旋轉精度和 軸承的周向固定。滾動軸承是標準零件，因此，軸承內圈與軸頸的配合采用基孔制，軸承外圈與座孔的配合采用基軸制。為了防止軸頸與內圈在旋轉時有相對運動，軸承內圈與軸頸一般選用m5、m6、n6、p6、r6、js5等較緊的配合。軸承外圈 與座孔一般選用J7、K7、M7、H7等較松的配合。配合選擇取決于載荷大小、方向和性質；軸承類型、尺寸和精度；軸承游隙以及其他因素。2.7 聯軸器簡介聯軸器是用來聯接不同機構中的兩根軸（主動軸和從動軸）使之共同旋轉以傳遞扭矩的機械零件。在高速重載的動力傳動中，有些聯軸器還有緩沖、減振和提高軸系動態性能的作用。聯軸器由兩半部分組成，分別與主動軸和從動軸聯接。一般動力機大都借助于聯軸器與工作機相聯接。聯軸器是用來聯接不同機構中的兩根軸