精密超聲銑床的設(shè)計(jì)—進(jìn)給箱設(shè)計(jì)

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河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 摘 要 當(dāng)今各種先進(jìn)材料在航空航天、化工、軍事、機(jī)械、電子電器以及精密制造領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。但是,對(duì)于這些材料,如具有高強(qiáng)度、高硬度、高脆性的先進(jìn)陶瓷材料,利用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式進(jìn)行加工,加工困難且無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)加工的要求。超聲加工技術(shù)是一種將超聲振動(dòng)運(yùn)用于精密或超精密加工的技術(shù)，特別是在超硬材料、復(fù)合材料的難加工方面顯示出優(yōu)越性，具有低切削力、低切削溫度、低的表面粗糙度，被加工零件有良好的耐磨性、耐腐蝕性。因此精密超聲銑床將會(huì)制造出質(zhì)量更加優(yōu)異的產(chǎn)品。 本文設(shè)計(jì)分析了超聲精密銑床的發(fā)展現(xiàn)狀和研究超聲精密銑床的意義及超聲精密銑床機(jī)構(gòu)尺寸對(duì)銑床性能的影響。設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括了總體方案及超聲主軸箱設(shè)計(jì)，進(jìn)給箱設(shè)計(jì)，液壓系統(tǒng)和超聲部分設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：精密銑床 超聲裝置 Abstract Today's various advanced materials in the aerospace industry, chemical industry, military, mechanical, electronic electric appliance and precision manufacturing areas to be more widely used. But, for these materials, such as high strength, high hardness and high brittle advanced ceramic materials, using the traditional mechanical processing way, processing difficult and can meet the requirements of processing. Ultrasonic machining technology is a kind of ultrasonic vibration used in precision or ultra-precision processing technology, especially in superhard materials, composite materials processing hard showed superiority, with low cutting force, low temperature and low cutting the surface roughness, be processing components have good wear resistance and corrosion resistance. So precision ultrasound milling machine will create quality more excellent products. This paper analyzes the design of ultrasonic precision milling machine development present situation and research the significance and the ultrasonic precision milling machine ultrasonic precision milling machine dimensions of the institutions influence on the performance of the milling machine. Design content mainly includes the overall scheme and the ultrasonic spindle box design, the box design, hydraulic system and ultrasonic part of the design. Key words: precision milling machine Ultrasound device - 54 - 目 錄 1 緒論 - 1 - 1.1數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床 - 1 - 1.2數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及發(fā)展趨式 - 2 - 1.3數(shù)控超聲銑床與其進(jìn)給系統(tǒng) - 7 - 1.4對(duì)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的要求 - 9 - 1.5總體設(shè)計(jì)方案的擬定 - 14 - 2 機(jī)床橫向進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分計(jì)算與設(shè)計(jì) - 16 - 2.1技術(shù)要求 - 16 - 2.2總體設(shè)計(jì)方案 - 16 - 2.3滾珠絲杠螺母副的選型和計(jì)算 - 17 - 2.3.1主切削力及其切削分力計(jì)算 - 17 - 2.3.2動(dòng)載強(qiáng)度計(jì)算 - 18 - 2.3.3靜強(qiáng)度計(jì)算 - 19 - 2.3.4滾珠絲桿支承選擇 - 19 - 2.3.5壓桿穩(wěn)定性 - 20 - 2.3.6臨界轉(zhuǎn)速校核 - 21 - 2.3.7額定壽命的校核 - 22 - 2.4計(jì)算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力 - 23 - 2.5滾珠絲杠的動(dòng)載荷計(jì)算與直徑估算 - 24 - 2.5.1確定滾珠絲杠的導(dǎo)程 - 24 - 2.5.2計(jì)算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速和平均載荷 - 24 - 2.5.3確定滾珠絲杠預(yù)期的額定動(dòng)載荷 - 25 - 2.6齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計(jì)算 - 30 - 2.7滾珠絲杠螺母副的承載能力校驗(yàn) - 32 - 2.7.1滾珠絲桿螺母副臨界壓縮載荷的校驗(yàn) - 32 - 2.8計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度 - 33 - 2.8.1機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度計(jì)算 - 33 - 2.8.2傳動(dòng)系統(tǒng)綜合剛度計(jì)算 - 33 - 2.9滾珠絲杠螺母副扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算 - 37 - 2.10驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選型與計(jì)算 - 37 - 2.11計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載力矩 - 38 - 2.12計(jì)算坐標(biāo)軸折算到電動(dòng)機(jī)軸上的各種所需力矩 - 38 - 2.13選擇驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的型號(hào) - 43 - 2.14滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號(hào) - 44 - 2.15聯(lián)軸器的選用 - 44 - 3 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)及滾珠絲杠螺母副間隙消除和預(yù)緊 - 46 - 3.1導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) - 46 - 3.1.1滾動(dòng)導(dǎo)軌 - 46 - 3.1.2滾珠絲杠螺母副間隙消除和預(yù)緊 - 49 - 畢業(yè)設(shè)計(jì)總結(jié) - 52 - 致 謝 - 54 - 參考文獻(xiàn) - 55 - 1 緒論 1.1 數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床 數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)。它綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)和精密機(jī)械等高新技術(shù)，因此廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)。數(shù)控機(jī)床替代普通機(jī)床，從而使得制造業(yè)發(fā)生了根本性的變化，并帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 目前，數(shù)控技術(shù)已被世界各國(guó)列為優(yōu)先發(fā)展的關(guān)鍵工業(yè)技術(shù)，成為國(guó)際間科技競(jìng)爭(zhēng)的重點(diǎn)。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用將機(jī)械制造與微電子、計(jì)算機(jī)、信息處理、現(xiàn)代控制理論、檢測(cè)技術(shù)以及光電磁等多種學(xué)科技術(shù)融為一體，使制造業(yè)成為知識(shí)、技術(shù)密集的大學(xué)科范疇內(nèi)的現(xiàn)代制造業(yè)，成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)工業(yè)。 數(shù)控技術(shù)是當(dāng)今柔性自動(dòng)化和智能自動(dòng)化的技術(shù)基礎(chǔ)之一，它使傳統(tǒng)制造工藝發(fā)生了顯著的、本質(zhì)的變化。隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，工藝方法和制造系統(tǒng)的不斷更新，形成了CAD、CAM、CAPP、CAT、FMS等一系列具有劃時(shí)代意義的新技術(shù)、 新工藝的制造系統(tǒng)。 圖1-1 銑床 在國(guó)際貿(mào)易中，很多發(fā)達(dá)國(guó)家把數(shù)控機(jī)床視為具有高技術(shù)附加值、高利潤(rùn)主要電機(jī)出口產(chǎn)品。世界貿(mào)易強(qiáng)國(guó)在進(jìn)行國(guó)內(nèi)機(jī)電產(chǎn)品貿(mào)易的同時(shí)，把高技術(shù)的機(jī)電產(chǎn)品出口打入國(guó)際市場(chǎng)，作為發(fā)展出口經(jīng)濟(jì)的重要戰(zhàn)略措施，數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平高低及其在金屬切削加工機(jī)床產(chǎn)量和總擁有量的百分比是衡量一個(gè)國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)制造整體水平的重要標(biāo)志之一。數(shù)控銑床是數(shù)控機(jī)床的主要品種之一，它在數(shù)控機(jī)床中占有非常重要的位置。 1.2 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及發(fā)展趨式 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，制造技術(shù)的進(jìn)步，以及社會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和品種多樣化的要求越來(lái)越強(qiáng)烈。中、小批量生產(chǎn)的比例明星增加，要求現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床成為一種精密、高效、復(fù)合、集成功能和低成本的自動(dòng)化加工設(shè)備。同時(shí)，為滿(mǎn)足制造業(yè)向更高層次發(fā)展，為柔性制造單元、柔性制造系統(tǒng)，以及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)提供基礎(chǔ)設(shè)備，也要求數(shù)控機(jī)床向更高水平發(fā)。世界數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本共識(shí)是朝著高速高效化、精密化、復(fù)合化、智能化、信息化、環(huán)保化和設(shè)計(jì)模塊化的方向發(fā)展。 高速高效化 高速和超高速加工技術(shù)可以提高加工效率，也是加工難削材料、提高加工精度、控制振動(dòng)的重要保障。其技術(shù)關(guān)鍵是提高機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度。比如進(jìn)一步提高高速電主軸最高轉(zhuǎn)速及功率、扭矩，采用傳感技術(shù)進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)和診斷，進(jìn)一步輕量化進(jìn)給系統(tǒng)，采用直線(xiàn)電機(jī)和力矩電機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)方式，由刀具主軸部件實(shí)現(xiàn)機(jī)床的3個(gè)直線(xiàn)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)等。 精密化 由于機(jī)床結(jié)構(gòu)和各組件加工的精密化，機(jī)床達(dá)到微米級(jí)精度已不是問(wèn)題。目前高檔數(shù)控機(jī)床定位精度（全行程）已達(dá)0.004～0.006mm，重復(fù)定位精度0.002～0.003mm。同時(shí)，代表精度水平的超精密的納米級(jí)機(jī)床已開(kāi)始不斷涌現(xiàn)。 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床通常采用以下技術(shù)來(lái)提高精度： 利用數(shù)控系統(tǒng)的補(bǔ)償功能，提高其加工精度和動(dòng)態(tài)特性。例如補(bǔ)償軸向運(yùn)動(dòng)誤差、絲杠導(dǎo)程誤差、齒輪間隙誤差、刀具磨損誤差等。在新一代數(shù)控系統(tǒng)中，還開(kāi)發(fā)了具有熱補(bǔ)償、空間誤差補(bǔ)償功能的傳感器件和軟件。 采用高分辨率、高響應(yīng)性的絕對(duì)位置傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)切削加工的精密檢測(cè)。如這種傳感器檢測(cè)到的絕對(duì)位置信號(hào)，通過(guò)專(zhuān)用微處理器進(jìn)行細(xì)分處理，可達(dá)到極高的分辨率,現(xiàn)已生產(chǎn)出配套的專(zhuān)用芯片,大大提高了使用精度和可靠性。 采用數(shù)字式伺服控制技術(shù)，該技術(shù)是基于現(xiàn)代控制理論而構(gòu)成的反饋控制技術(shù)。該技術(shù)引進(jìn)的現(xiàn)代控制技術(shù)有：非線(xiàn)性補(bǔ)償技術(shù)，消除機(jī)床靜摩檫引起的誤差；魯棒控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)加速度反饋，減小因負(fù)載變動(dòng)而引起的誤差；前饋控制技術(shù)，使伺服系統(tǒng)的追蹤滯后減少一半,改善拐角切削加工精度；加減速控制技術(shù)，可在插補(bǔ)前后進(jìn)行平滑的加減速控制.可使系統(tǒng)形狀誤差減至最小，保證系統(tǒng)具有高精度、高速度雙重性能；低噪聲電動(dòng)機(jī)技術(shù)，保證控制系統(tǒng)獲得高增益,目前生產(chǎn)的低噪聲電動(dòng)機(jī)，其噪聲水平已降到額定值到0.5 以下,提高數(shù)控機(jī)床機(jī)械本體中基礎(chǔ)大件的結(jié)構(gòu)剛性和熱穩(wěn)定性。 復(fù)合化 在零部件一體化程度不斷提高、數(shù)量不斷減少的同時(shí)，加工的產(chǎn)品形狀日益復(fù)雜，多軸化控制的機(jī)床適合加工形狀復(fù)雜的工件。另一方面，產(chǎn)品周期的縮短要求加工機(jī)床能夠隨時(shí)調(diào)整和適應(yīng)新的變化，滿(mǎn)足各種各樣產(chǎn)品的加工需求，這就要求1臺(tái)機(jī)床能夠處理以往需要幾臺(tái)機(jī)床處理的工序。在保持工序集中和減少工件重新安裝定位的前提下，使更多的不同加工過(guò)程復(fù)合在一臺(tái)機(jī)床上，以減少占地面積，減少零件傳送和庫(kù)存，保證加工精度和節(jié)能降耗的要求。 智能化 現(xiàn)代智能化數(shù)控機(jī)床可以根據(jù)切削條件的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)工作參數(shù)，保持最佳工作狀態(tài)，得到較高的加工精度和較低的表面粗糙度值，同時(shí)也能提高刀具的使用壽命和設(shè)備的生產(chǎn)效率。此外，系統(tǒng)還可以隨時(shí)對(duì)CNC系統(tǒng)本身以及與其相連的各種設(shè)備進(jìn)行自診斷、檢查，實(shí)現(xiàn)故障停機(jī)、故障報(bào)警、提示發(fā)生故障的部位、原因等。智能化現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)是采用人工智能專(zhuān)家診斷系統(tǒng)。 信息化 利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，機(jī)床制造商可以建立機(jī)床遠(yuǎn)程技術(shù)支持體系，實(shí)現(xiàn)工況信息的傳輸、存儲(chǔ)、查詢(xún)和顯示，以及遠(yuǎn)程智能診斷?；诰W(wǎng)絡(luò)連接，機(jī)床用戶(hù)可以及時(shí)獲得機(jī)床制造商的遠(yuǎn)程技術(shù)支持，機(jī)床制造商可準(zhǔn)確有效地得到用戶(hù)方的機(jī)床工況資料數(shù)據(jù)，進(jìn)行機(jī)床狀態(tài)的網(wǎng)上在線(xiàn)診斷，實(shí)現(xiàn)機(jī)床全生產(chǎn)周期服務(wù)的開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控服務(wù)，可以提高售后服務(wù)效率，并有助于及時(shí)改進(jìn)產(chǎn)品的質(zhì)量。 環(huán)?；? 環(huán)保是機(jī)床產(chǎn)品必須達(dá)到的條件。通過(guò)干切削、準(zhǔn)干切削、硬切削等措施避免冷卻液、潤(rùn)滑液對(duì)周?chē)h(huán)境造成生態(tài)危害以及采用全封閉的罩殼，全面避免切屑或切削液外濺是主要的兩個(gè)環(huán)?；?。 設(shè)計(jì)模塊化 模塊化的設(shè)計(jì)在機(jī)床制造中已應(yīng)用得爐火純青，橫向系列，縱向系列，全系列，跨系列的模塊化設(shè)計(jì)使得同樣兩臺(tái)機(jī)床，外形上看，好象完全一樣，但功能則完全不同，所構(gòu)成的模塊很多則是通用的。模塊化設(shè)計(jì)將是貫穿產(chǎn)品設(shè)計(jì)全過(guò)程的一條主線(xiàn)，無(wú)論是機(jī)床技術(shù)發(fā)展的潮流還是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的要求，無(wú)論是降低成本的需要，還是提高產(chǎn)品質(zhì)量的需要，都要求在產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，切實(shí)做好模塊化的設(shè)計(jì)工作。產(chǎn)品生產(chǎn)向社會(huì)協(xié)作、專(zhuān)業(yè)化方向發(fā)展，小而全的模式將被淘汰。 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床還采取了以下措施來(lái)提高數(shù)控系統(tǒng)的可靠性： (1)提高元器件和系統(tǒng)的可靠性。新型的數(shù)控系統(tǒng)大量采用大規(guī)?；虺笠?guī)模的集成 電路，采用專(zhuān)用芯片及混合式集成電路，使電路的集成度提高，元器件數(shù)量減小,供耗降低，從而大幅度降低系統(tǒng)的故障率。 (2)采用抗干擾技術(shù)，提高數(shù)控系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。例如采取濾波、隔離、屏蔽、合理接地等抗干擾措施。 使數(shù)控系統(tǒng)模塊化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化。數(shù)控系統(tǒng)的硬件被制成多種功能模塊，根據(jù)機(jī)床數(shù)控功能的要求，選擇不同的模塊，還可以自行擴(kuò)展或裁剪,組成滿(mǎn)意的數(shù)控系統(tǒng)。模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的實(shí)現(xiàn)，不但便于組織開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用，而且提高了可靠性。 (3)提高自診斷及保護(hù)功能。數(shù)控系統(tǒng)一般都具有軟件、硬件及故障的自診斷程序,為了防止超程,可以在系統(tǒng)內(nèi)預(yù)先設(shè)定工作范圍，避免由于限位開(kāi)關(guān)的不可靠而造成軸端超程,數(shù)控系統(tǒng)還具有自動(dòng)返回功能，當(dāng)機(jī)床在加工過(guò)程中，出現(xiàn)某種特殊情況時(shí),例如由于刀具斷裂等原因造成加工中斷時(shí),數(shù)控系統(tǒng)能力將刀具位置保存起來(lái)。在更換刀具后，只要重新輸入刀具的有關(guān)數(shù)據(jù),刀具就能自動(dòng)回到正確位置，保證通電后繼續(xù)工作，不讓工件報(bào)廢。 (4)多功能復(fù)合化 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的功能復(fù)合化發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 大多數(shù)數(shù)控機(jī)床都具有人機(jī)對(duì)話(huà)功能，都有很“友好”的人機(jī)界面,借助CRT與鍵盤(pán)的配合，可以實(shí)現(xiàn)程序的輸入、編輯、修改、刪除等功能。此外還具有前臺(tái)操作、后臺(tái)編輯的功能，并大量采用菜單選擇操作方式，操作更加方便。 （5）數(shù)控機(jī)床主要有信息載體、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床本體等四個(gè)基本部分組成。 信息載體 信息載體(又稱(chēng)控制介質(zhì))的功能是用于記載以數(shù)控加工程序表示的各種加工信息，如零件加工的工藝過(guò)程、工藝參數(shù)等以控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)和和各種動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)零件的機(jī)械。常用的信息載體有穿孔紙帶,磁盤(pán)和磁帶。信息載體上的各種加工信息要經(jīng)輸入裝置輸送給控制裝置。對(duì)于用微型計(jì)算機(jī)控制的數(shù)控機(jī)床，還可以通過(guò)信息接口從其他計(jì)算機(jī)獲取加工信息。也可用操作面板上的按鈕和鍵盤(pán)將加工信息直接手動(dòng)鍵盤(pán)輸入，并將數(shù)控加工程序存入數(shù)控裝置的存儲(chǔ)器中。 數(shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的運(yùn)算和控制系統(tǒng)，在普通數(shù)控機(jī)床中一般由輸入裝置、控制器、運(yùn)算器、和輸出裝置組成，它接受信息載體的信息，并將其代碼加以識(shí)別、儲(chǔ)存、運(yùn)算、輸出相應(yīng)的指令脈沖以驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)，進(jìn)而控制機(jī)床動(dòng)作。 伺服系統(tǒng) 系統(tǒng)的作用是來(lái)自數(shù)控裝置的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)床移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)，它相映于手工操作時(shí)人的手，使工作臺(tái)精確定位或按規(guī)定的軌跡作嚴(yán)格的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，最后加工出符合圖樣要求的零件。因此伺服系統(tǒng)的性能是決定數(shù)控機(jī)床的加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)率的主要因素之一。 機(jī)床本體 數(shù)控機(jī)床中的機(jī)床本體,在開(kāi)始階段沿用普通機(jī)床，只是在自動(dòng)變速、刀架或工作臺(tái)自動(dòng)轉(zhuǎn)位和手柄等方面作些改變。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的外部造型、整體布局、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)與刀具系統(tǒng)的部件結(jié)構(gòu)以及操作結(jié)構(gòu)等機(jī)床的技術(shù)性能要求更高了。與傳統(tǒng)的普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床采用了高性能主軸部件及傳動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，傳動(dòng)鏈較短;機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高剛度和耐磨性，熱變形??；更多地采用高效部件,如滾珠絲杠,靜壓導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌等。 1.3 數(shù)控超聲銑床與其進(jìn)給系統(tǒng) （1）數(shù)控超聲銑床可以人為立式、臥式和立臥兩用式數(shù)控超聲銑床，各類(lèi)銑床配置的數(shù)控系統(tǒng)不同，其功能也不盡相同，主要有點(diǎn)位控制功能、連續(xù)輪廓控制功能、刀具半徑自動(dòng)補(bǔ)償功能、刀具長(zhǎng)度自動(dòng)補(bǔ)償功能、鏡像加工功能、固定循環(huán)功能和特殊功能。具備自適應(yīng)功能的數(shù)控銑床可以在加工過(guò)程中把感受到的切削狀況（如切削力、溫度等）的變化，通過(guò)適應(yīng)性控制系統(tǒng)及時(shí)控制機(jī)床改變切削用量，使銑床及刀具始終保持最佳狀態(tài)，從而可獲得較高的切削效率和加工質(zhì)量，延長(zhǎng)刀具使用壽命。數(shù)控銑床在配置了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)后，就具備了數(shù)據(jù)采集功能。目前已出現(xiàn)既對(duì)實(shí)物掃描采集數(shù)據(jù)，又能對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理生成數(shù)控加工程序的系統(tǒng)，這些為進(jìn)行設(shè)計(jì)制造一體化工作提供了手段。 （2）數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)： 1）高剛度 因?yàn)閿?shù)控機(jī)床要在高速度和高重載下工作，所以機(jī)床的床身、主軸、立柱和刀架等主要部件,均需具有很高的剛度，工件中應(yīng)無(wú)變形或振動(dòng)。例如：床身應(yīng)合理布置加強(qiáng)肋,能承受重載與重切削力;工作臺(tái)與溜板應(yīng)具有足夠的剛度，能承受工作重量并使工作平穩(wěn)；主軸在高速下運(yùn)轉(zhuǎn)，應(yīng)承受大的徑向扭矩和軸向推力;立柱在床身上移動(dòng)，應(yīng)平穩(wěn)且能承受大的切削加工中應(yīng)十分平穩(wěn)且無(wú)振動(dòng)。 2）高靈敏性 數(shù)控機(jī)床工作時(shí),要求精度比較通用機(jī)床高，因而運(yùn)動(dòng)部件應(yīng)具有高靈敏度。導(dǎo)軌部件通常用于滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌和塑料導(dǎo)軌等,以減少摩檫力,在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)爬行現(xiàn)象。工作臺(tái)的移動(dòng),有直流或交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)滾珠絲杠或靜壓絲杠傳動(dòng)。主軸既要在高剛度和高速下回轉(zhuǎn)，又要有高靈敏度，因而多數(shù)采用滾動(dòng)軸承或靜壓軸承。 3）高抗振性 數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件、除了應(yīng)具有高剛度、高靈敏度外，還應(yīng)具有高抗振性,在高速重載下應(yīng)無(wú)振動(dòng),一保證加工工作的高精度和高表面質(zhì)量。 4）熱變形小 機(jī)床的主軸、工作臺(tái)、刀架等運(yùn)動(dòng)部件,.在運(yùn)動(dòng)中常易產(chǎn)生熱量，為保證部件的運(yùn)動(dòng)精度，要求各運(yùn)動(dòng)部件的發(fā)熱量少，以防止產(chǎn)生熱量變形。 5）高精度保持性 為了保證數(shù)控機(jī)床在長(zhǎng)期內(nèi)具有穩(wěn)定的加工精度,要求數(shù)控機(jī)床具有高的精度保持性。除了各有關(guān)零件應(yīng)正確選材外，還要求采取一些工藝措施，如淬火和磨削導(dǎo)軌，一提高運(yùn)動(dòng)部件的耐磨性。 6）高可靠性 數(shù)控機(jī)床在自動(dòng)或半自動(dòng)條件下工作，尤其是在柔性制造系統(tǒng)中的數(shù)控機(jī)床，這24h運(yùn)轉(zhuǎn)中無(wú)人看管,因此要求機(jī)床具有高的可靠性。 7）刀具先進(jìn) 數(shù)控機(jī)床要能充分發(fā)揮效能,實(shí)現(xiàn)高精度、高自動(dòng)化,除了機(jī)床本身應(yīng)滿(mǎn)足上述要求外，必須保證長(zhǎng)期可靠地工作。 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)是數(shù)控裝置與機(jī)床本體的傳動(dòng)環(huán)節(jié)，其作用是接收數(shù)控裝置發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號(hào)，由伺服驅(qū)動(dòng)電路作轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)裝置（直流、交流伺服電機(jī)，功率步進(jìn)電機(jī)，電液馬達(dá)等）和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)、主軸頭架等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給和快速運(yùn)動(dòng)。它能根據(jù)指令信號(hào)精確的控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)速度與位置，以及幾個(gè)執(zhí)行部件按一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)所合成的運(yùn)動(dòng)軌跡。 1.4對(duì)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的要求 （1）傳動(dòng)精度高 從機(jī)械結(jié)構(gòu)方面考慮，進(jìn)給傳動(dòng)系的傳動(dòng)精度主要去取決與傳動(dòng)間隙和傳動(dòng)件的精度。傳動(dòng)間隙主要來(lái)自于傳動(dòng)齒輪副、絲杠螺母副之間，因此進(jìn)跟傳動(dòng)系統(tǒng)中廣泛采用施加預(yù)緊力或其它消除間隙的措施?？s短傳動(dòng)及采用高精度的傳動(dòng)裝置，也可提高傳動(dòng)精度。 (2）摩檫阻力小 為了提高數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能，必須減小運(yùn)動(dòng)件之間的摩檫阻力和動(dòng)、靜摩檫力之差。欲滿(mǎn)足上述要求，數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)普通采用滾珠絲杠螺母副、靜壓絲杠螺母副、滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌和塑料導(dǎo)軌。 (3）運(yùn)動(dòng)部件慣量小 運(yùn)動(dòng)部件的慣量對(duì)伺服機(jī)構(gòu)的起動(dòng)和制動(dòng)特性都有影響。因此，在滿(mǎn)足部件強(qiáng)度和剛度的前提下，應(yīng)盡可能減小運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量、減小旋轉(zhuǎn)零件的直徑，以降低其慣量。 滾珠絲杠副 在數(shù)控機(jī)床上，將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)一般采用滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)。 滾珠絲杠的特點(diǎn)：傳動(dòng)效率高,一般為η=0.92-0.96;傳動(dòng)靈敏,不易產(chǎn)生爬行；;使用壽命長(zhǎng)；具有可逆性,不僅可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)，亦可將直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；施加預(yù)緊力后,可消除軸向間隙，反向時(shí)無(wú)空行程;成本高,不能自鎖,垂直安裝時(shí)需有平衡裝置。 (4)滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)和工作原理; 滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)有內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種方式 在外循環(huán)中,當(dāng)絲杠相對(duì)于螺母旋轉(zhuǎn)時(shí)絲杠的旋轉(zhuǎn)面經(jīng)滾珠推動(dòng)螺母軸向移動(dòng),同時(shí)滾珠沿螺旋形滾道滾動(dòng)，使絲杠和螺母之間的滑動(dòng)摩檫變?yōu)闈L珠與絲杠、螺母之間的滾動(dòng)摩檫,螺母螺旋槽的兩端用回株管連接起來(lái)，使?jié)L珠能夠從一端重新回到另一端,構(gòu)成一個(gè)閉合的循環(huán)回路。 在內(nèi)循環(huán)中，在螺母的測(cè)孔中裝有圓柱凸輪式反向器反向器上銑有S形回珠槽,將相等兩螺紋滾道聯(lián)結(jié)起來(lái)。滾珠從螺紋滾道進(jìn)入反向器,借助反向器迫使反向器越過(guò)絲杠牙頂進(jìn)入相鄰滾道，實(shí)現(xiàn)循環(huán)。 滾珠絲杠螺母副間隙的調(diào)整方法,為了保證滾珠絲杠副的反向傳動(dòng)精度和軸向剛度，必須消除軸向間隙。常采用雙螺母施加預(yù)緊力的方法消除軸向間隙，但必須注意預(yù)緊力不能太大，預(yù)緊力過(guò)大會(huì)造成傳動(dòng)效率降低、摩檫力增大，磨損增大、使用壽命降低。常用的雙螺母消除間隙的方法有： 1）墊片調(diào)隙式 圖1-2 墊片調(diào)隙式 如圖1-2所示，此種形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、剛度好，應(yīng)用最為廣泛，在雙螺母間加墊片的形式可由專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠(chǎng)根據(jù)用戶(hù)要求事先調(diào)整好預(yù)緊力，使用時(shí)裝卸非常方便。 2） 齒差調(diào)隙式 如圖1-3所示, 兩螺母的凸輪緣為圓柱外齒輪,而且齒數(shù)差為1,兩 只內(nèi)齒輪用螺釘、定位銷(xiāo)緊固在螺母座上。調(diào)整時(shí)先將內(nèi)齒輪取出，根據(jù)間隙大小使兩螺母分別向相同方向轉(zhuǎn)過(guò)1個(gè)齒或幾個(gè)齒,然后再插入內(nèi)齒輪，使螺母在軸向彼此移動(dòng)了相應(yīng)的距離，從而消除兩個(gè)螺母的軸向間隙。這種方法的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,尺寸較大,適應(yīng)于高精度傳動(dòng)。 圖1-3 齒差調(diào)隙式 3）螺紋調(diào)隙式 如圖1-4所示，利用一個(gè)螺母上的外螺紋，通過(guò)圓螺母調(diào)整兩個(gè)螺母的相對(duì)軸向位置實(shí)現(xiàn)預(yù)緊，調(diào)整好后用另一個(gè)圓螺母鎖緊，這種結(jié)構(gòu)調(diào)整方便，且可在使用過(guò)程中，隨時(shí)調(diào)整，但預(yù)緊力大小不能準(zhǔn)確控制。 圖1-4 螺紋調(diào)隙式 4）單螺母預(yù)緊式 單螺母預(yù)緊原理如圖1-5所示，為了補(bǔ)償滾道的間隙，設(shè)計(jì)時(shí)將滾珠的尺寸適當(dāng)增大，使其4點(diǎn)接觸，產(chǎn)生預(yù)緊力，為了提高工作性能，可以在承載滾珠之間加入間隔鋼球。 圖1-5 單螺母預(yù)緊式 (5)數(shù)控銑床進(jìn)給伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)電路、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行部件組成。伺服系統(tǒng)按使用的驅(qū)動(dòng)裝置分類(lèi)可分為電液伺服系統(tǒng)和電氣伺服系統(tǒng)；按使用直流伺服電機(jī)或交流伺服電機(jī)分類(lèi)可分為直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)；按反饋比較方式分類(lèi)可分為脈沖數(shù)字比較伺服系統(tǒng)、相位比較伺服系統(tǒng)、幅值比較伺服系統(tǒng)及全數(shù)字伺服系統(tǒng)；按有無(wú)位置檢測(cè)和反饋可以分為開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。伺服進(jìn)給系統(tǒng)的基本要求是高精度、快的響應(yīng)速度、寬的調(diào)速范圍、低速時(shí)的大轉(zhuǎn)矩。 1.5 總體設(shè)計(jì)方案的擬定 （1）控制方式的選擇 伺服系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中，沒(méi)有檢測(cè)反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的信號(hào)的流向是單向的，也正是由于信號(hào)的單向流程，它對(duì)機(jī)床移動(dòng)部件的實(shí)際位置不作檢測(cè)，所以機(jī)床的加工精度要求不太高，其精度主要取決于伺服系統(tǒng)的性能，開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這類(lèi)機(jī)床工作比較穩(wěn)定，反應(yīng)迅速，調(diào)試和維修比較簡(jiǎn)單。目前經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床普遍采用開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)。 半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，對(duì)工作臺(tái)的實(shí)際位置不進(jìn)行檢查測(cè)量，而是是通過(guò)與伺服電機(jī)有聯(lián)系的的測(cè)量元件，如測(cè)速發(fā)電機(jī)或光電編碼盤(pán)等間接檢測(cè)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角，推算出工作臺(tái)的實(shí)際位置，有此值與指令值進(jìn)行比較，用差值來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。這種控制方式介于開(kāi)環(huán)與閉環(huán)之間，精度沒(méi)有閉環(huán)高，調(diào)式卻比閉環(huán)方便。 閉環(huán)控制系統(tǒng)有機(jī)床移動(dòng)部件上的檢測(cè)反饋裝置，在加工時(shí)刻檢測(cè)機(jī)床移動(dòng)部件的位置，使之和數(shù)控裝置所要求的位置相符合，以期達(dá)到很高的加工精度。閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電動(dòng)機(jī)或交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這類(lèi)機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)是精度最高的，速度快，但是調(diào)試和維修比較復(fù)雜，其關(guān)鍵是系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)其穩(wěn)定性給予足夠重視。 本次設(shè)計(jì)的機(jī)床精度要求高，但考慮到經(jīng)濟(jì)及調(diào)試等問(wèn)題，選用半閉環(huán)型的控制系統(tǒng)。 （2）機(jī)械傳動(dòng)方式 目前數(shù)控超聲銑床的縱向和橫向多采用伺服電機(jī)，進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)鏈采用滾珠絲杠、靜壓絲杠和無(wú)間隙齒輪副等，以盡量減小反向間隙。我們這里擬采用的是滾珠絲杠副傳動(dòng)，以減少摩擦系數(shù)，提高進(jìn)給機(jī)構(gòu)的整體剛度。滾珠絲杠與電機(jī)間用聯(lián)軸器直接連接，以消除間隙。 2 機(jī)床橫向進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分計(jì)算與設(shè)計(jì) 2.1技術(shù)要求 工作臺(tái)、工件和夾具的總質(zhì)量m=918kg，其中，工作臺(tái)的質(zhì)量510kg；工作臺(tái)的最大行程Lp=600 mm;工作臺(tái)快速移動(dòng)速度10-1000mm/min；工作臺(tái)采用貼塑導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)均為0.15；工作臺(tái)的定位精度為30μm，重復(fù)定位精度為20μm；機(jī)床的工作壽命為20000h（即工作時(shí)間為10年）。機(jī)床采用主軸伺服電動(dòng)機(jī)，額定功率為1.5kw，機(jī)床采用端面銑刀進(jìn)行強(qiáng)力切削，主軸轉(zhuǎn)速30-1000r/min。切削狀況如下： 表2-1 數(shù)控銑床的切削狀況 切削方式 進(jìn)給速度 時(shí)間比例（%） 備注 強(qiáng)力切削 0.6 10 主電動(dòng)機(jī)滿(mǎn)功率條件下切削 一般切削 0.8 30 粗加工 精加工切削 1 50 精加工 快速進(jìn)給 20 10 空載條件下工作臺(tái)快速進(jìn)給 2.2總體設(shè)計(jì)方案 為了滿(mǎn)足以上技術(shù)要求及總設(shè)計(jì)方案，采取以下技術(shù)方案： （1） 工作臺(tái)工作面尺寸（寬度×長(zhǎng)度）確定為400mm×1200mm。 （2） 工作臺(tái)導(dǎo)軌采用矩形導(dǎo)軌，在與之相配的動(dòng)導(dǎo)軌滑動(dòng)畫(huà)面上貼聚四氟乙烯導(dǎo)軌板。同時(shí)采用斜鑲條消除導(dǎo)軌導(dǎo)向面的間隙，在背板上通過(guò)設(shè)計(jì)偏心輪結(jié)構(gòu)來(lái)消除導(dǎo)軌背面與背板的間隙，并在與工作臺(tái)導(dǎo)軌相接觸的斜鑲條接觸面上和背板接觸面上貼膜。 （3） 對(duì)滾珠絲杠螺母副采用預(yù)緊，并對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行拉伸預(yù)。 （4） 采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 （5） 采用膜片彈性聯(lián)軸器將伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠連接。 2.3滾珠絲杠螺母副的選型和計(jì)算 2.3.1主切削力及其切削分力計(jì)算 （1）計(jì)算主切削力Fz。 根據(jù)已知條件，采用端面銑刀在主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速下進(jìn)行強(qiáng)力切削（銑刀直徑D=125mm），主軸具有最大扭矩，并能傳遞主電動(dòng)機(jī)的全部功率，此時(shí)銑刀的切削速度為：（已知機(jī)床主電動(dòng)機(jī)的額定功率為1.5kw，主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速n=290r/min。） 根據(jù)公式得刀具的切削速度為： 取機(jī)床的機(jī)械效率為：，則由式得主切削力： （2）計(jì)算各切削分力 工作臺(tái)的縱向切削力、橫向切削力和垂向切削力分別為 （3）計(jì)算軸向進(jìn)給力Fm(N) 絲杠上的工作載荷Fm是指滾珠絲鋼負(fù)載驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)滾珠絲鋼所承受的軸向力，也叫進(jìn)給牽引力。它包括三個(gè)力：滾珠絲桿的走刀抗力、工件的重力、作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力。矩形導(dǎo)軌的工作載荷Fm的計(jì)算公式為： 式中 K—考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，矩形滑動(dòng)導(dǎo)軌取K=1.4； —滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：貼塑導(dǎo)軌為0.03-0.05，取0.03； G—工作臺(tái)、夾具和刀具的重量，G=6009.8=5880N。 則 2.3.2動(dòng)載強(qiáng)度計(jì)算 當(dāng)轉(zhuǎn)速時(shí)，滾珠絲杠螺母的主要破壞形式是工作表面的疲勞點(diǎn)蝕，因此要進(jìn)行動(dòng)載強(qiáng)度計(jì)算，其計(jì)算動(dòng)載荷Q應(yīng)小于或等于滾珠絲桿螺母副的額定動(dòng)負(fù)荷，即 Q= 式中 ——載荷性質(zhì)系數(shù)，本式中去=1.5； ——精度影響系數(shù)，本式中取=1； L——滾珠絲桿工作壽命，以r為1個(gè)單位； 本次設(shè)計(jì)中，電機(jī)與絲桿通過(guò)聯(lián)軸器直接相連，減速比i=1，工作臺(tái)的最高進(jìn)給速度達(dá)到5m/min，選用絲桿導(dǎo)程為6mm的絲桿，絲桿的最高轉(zhuǎn)速為1500r/min，工作臺(tái)的最小進(jìn)給速度為5mm/min，故絲桿的最低轉(zhuǎn)速為0.5r/min，可取為0，則平均轉(zhuǎn)速n=（1500+0）/2=750r/min。故絲桿的工作壽命為 L===675 式中 T——絲桿使用壽命，按設(shè)計(jì)機(jī)床要求取T=15000h； n——絲桿轉(zhuǎn)速； 代入上式得 Q== =25395N 2.3.3靜強(qiáng)度計(jì)算 當(dāng)轉(zhuǎn)速時(shí)，滾珠絲杠螺母的主要破壞形式為滾珠接觸面上產(chǎn)生較大的塑性變形，影響正常工作。因此，應(yīng)進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算，最大計(jì)算靜載荷為 式中 ——滾珠絲桿的最大軸向負(fù)載； ——靜態(tài)安全系數(shù)，當(dāng)為一般運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，=1-2，=2-3，本式中=2.5； 則，上式為=2.51930=4825N 根據(jù)計(jì)算額定動(dòng)負(fù)載荷和額定靜負(fù)荷初選滾珠絲杠副型號(hào)為型一列2.5圈外循環(huán)螺紋預(yù)緊滾珠絲桿副。 其名義直徑為45mm，導(dǎo)程6mm，滾珠直徑3.969mm。額定動(dòng)負(fù)荷16758N，額定靜負(fù)荷=63994N。動(dòng)載荷與靜載荷載均滿(mǎn)足要求選定精度為1級(jí)。 2.3.4滾珠絲桿支承選擇 滾珠絲杠的支承形式有三種： （1） 一端固定，一端自由，這種安裝方式承載能力小，軸剛度低，只是用于短絲桿，一般用于數(shù)控機(jī)床的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)或升降臺(tái)式數(shù)控銑床的立向坐標(biāo)中； （2） 一端固定，一端簡(jiǎn)支，此種可用于絲桿較長(zhǎng)的情況； （3） 兩端固定，這種安裝方式適用于承載能力大，高速，高剛度，高精度的機(jī)床。 從剛度計(jì)算可以看出，絲桿的支撐方式對(duì)絲桿的剛度影響很大。而采用兩端固定的支承方式，壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速高，絲杠的軸向剛度為一端固定的4倍，絲杠可以預(yù)拉伸，預(yù)拉伸后可減小絲杠自重下垂和補(bǔ)償熱膨脹且軸承組合的剛度高。 本傳動(dòng)系統(tǒng)的絲桿采用兩端固定的結(jié)構(gòu)形式。固定端用單排推力球軸承51307和深溝球軸承6307，推力軸承承受軸向力，深溝軸承承受徑向力，中間用套筒分開(kāi)。 2.3.5壓桿穩(wěn)定性 細(xì)長(zhǎng)桿在受壓縮載荷時(shí)，不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)的最大壓縮載荷為臨界載荷。 =3.4(N) （m） 式中 —絲桿公稱(chēng)直徑，m； —滾珠直徑，m； —絲桿最大受壓長(zhǎng)度，m； —絲桿支承方式系數(shù)（當(dāng)一端固定，一端自由時(shí)，=0.25；當(dāng)一 端固定，一端游動(dòng)時(shí)，=2.0；兩端固定時(shí)，=4.0）。 代入數(shù)據(jù)得 =45-4.03.969=29.124mm =3.4=3.4=61600(N) 臨界載荷與工作載荷Fm之比稱(chēng)為穩(wěn)定性安全系數(shù)，當(dāng)=[],則壓桿穩(wěn)定，[]為許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般[]=2.5-4； 此時(shí)=[] 則此絲桿穩(wěn)定。 2.3.6臨界轉(zhuǎn)速校核 對(duì)于高速長(zhǎng)絲杠有可能發(fā)生共振，需要算其臨界轉(zhuǎn)速，不會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速 式中 Lc——臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度,取0.4m； ——絲杠支撐方式系數(shù)。 （當(dāng)一端固定，一端自由時(shí)，=1.875；當(dāng)一端固定，一端游動(dòng)時(shí)， =3.927；兩端固定時(shí)，=4.730）。 =45-1.23.969=40.2372mm 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其最大速度，故臨界轉(zhuǎn)速滿(mǎn)足。 2.3.7額定壽命的校核 滾珠絲杠的額定動(dòng)載荷，已知其軸向載荷，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速，運(yùn)轉(zhuǎn)條件系數(shù)，則有 滾珠絲杠螺母副的總工作壽命，故滿(mǎn)足要求。 預(yù)緊力=/4=16758/4=4190N。符合要求。 8.傳動(dòng)效率的計(jì)算 絲杠螺母副的傳動(dòng)效率η為 η= 式中 摩擦角——Φ=10′ 摩擦角——=’ η= = =0.960 滾珠絲杠的傳動(dòng)效率高，這可使絲杠副的溫度變化較小，對(duì)減小熱變形，提高剛度、強(qiáng)度都起了很大作用。 滾珠絲杠基本尺寸 表2-2 滾珠絲杠副主要尺寸列表 主要尺寸 計(jì)算公式 計(jì)算結(jié)果 公稱(chēng)直徑 45 基本導(dǎo)程 6 接觸角 鋼球直徑 3.969 滾道法面半徑R R=0.52 2.06 螺紋升角 γ 偏心距 e e=(R-)sin 0.005 螺桿外徑d d=-（0.2~0.25） 44.1 螺桿內(nèi)徑 d=d+2e-2R 43.22 螺桿接觸直徑 =-cos 39.2 螺母螺紋直徑D D=-2e+2R 49.11 螺母內(nèi)徑 =+（0.2~0.25） 45.89 2.4計(jì)算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力 （1）按式（2-10a）計(jì)算最大軸向負(fù)載力 （2）按式（2-11a）計(jì)算最小軸向負(fù)載力 2.5滾珠絲杠的動(dòng)載荷計(jì)算與直徑估算 2.5.1確定滾珠絲杠的導(dǎo)程 根據(jù)已知條件取電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速得： 2.5.2計(jì)算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速和平均載荷 （1）各種切削方式下滾珠絲杠的軸向載荷。 強(qiáng)力切削時(shí)的軸向載荷定為最大軸向載荷，快速移動(dòng)和鉆鏜定位時(shí)的軸向載荷定為最小軸向載荷。一般切削（粗加工）和精細(xì)切削（精加工）時(shí)，滾珠絲杠螺母副的軸向載荷分別可按下式計(jì)算： 并將計(jì)算結(jié)果填入表2-3 表2-3 數(shù)控銑床滾珠絲杠的計(jì)算 切削方式 軸向載荷/N 進(jìn)給速度/(m/min) 時(shí)間比例/(%) 備注 強(qiáng)力切削 3022.37 10 一般切削（粗加工） 2179.47 30 精細(xì)切削（精加工） 1721.48 50 快移和鏜鉆加工 1575 10 （2）計(jì)算滾珠絲杠螺母副在各種切削方式下的轉(zhuǎn)速。 （3）按式（2-17）計(jì)算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速。 （4）按式（2-18）計(jì)算滾珠絲杠螺母副的平均載荷 2.5.3確定滾珠絲杠預(yù)期的額定動(dòng)載荷 （1）按預(yù)定工作時(shí)間估算。查表2-28得載荷性質(zhì)系數(shù)=1.3。已知初步選擇的滾珠絲杠的精度等級(jí)為2級(jí)，查表2-29得精度系數(shù)=1，查表2-30得可靠性系數(shù)=0.44，則由式（2-19）得 （2）因?qū)L珠絲杠螺母副將實(shí)施預(yù)緊，所以可按式（2-21）估算最大軸向載荷。查表2-31得預(yù)加載荷系數(shù)=4.5，則 （3）確定滾珠絲杠預(yù)期的額定動(dòng)載荷。 取以上兩種結(jié)果的最大值，＝33801.49 N。 4）按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑 （1）根據(jù)定位精度和重復(fù)定位精度的要求估算允許的滾珠絲杠的最大軸向變形。 已知工作臺(tái)的定位精度為30，重復(fù)定位精度為20，根據(jù)式（2-23）、式（2-24）以及定位精度和重復(fù)定位精度的要求，得 20＝（7~10） 30＝（6~7.5） 取上述計(jì)算結(jié)果的較小值，即=6。 （2）估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑。 本機(jī)床工作臺(tái)（X軸）滾珠絲杠螺母副的安裝方式擬采用兩端固定方式。 滾珠絲杠螺母副的兩個(gè)固定支承之間的距離為 L＝行程+安全行程+2×余程+螺母長(zhǎng)度+支承長(zhǎng)度 ≈（1.2~1.4）行程+（25~30） 取L＝1.4×行程+30≈（1.4×600+30×10）mm＝1140mm 又=1575N，由式（2-26）得 5）初步確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號(hào) 根據(jù)計(jì)算所得的、、，初步選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲杠螺母副FFZD4010-5（見(jiàn)本書(shū)附錄A表A-3），其公稱(chēng)直徑、基本導(dǎo)程、額定動(dòng)載荷和絲杠直徑如下： =40mm， =10mm =46500N＞=33801.49N =34.3mm＞=21.3mm 故滿(mǎn)足式（2-27）的要求。 6）由式（2-29）確定滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力 3022.37N＝1007.46N 7）計(jì)算滾珠絲杠螺母副的目標(biāo)行程補(bǔ)償值與預(yù)緊拉力 （1）按式（2-31）計(jì)算目標(biāo)行程補(bǔ)償值。 已知溫度變化值△t=2℃，絲杠的膨脹系數(shù)α=/℃，滾珠絲杠螺母副的有效行程 ＝工作臺(tái)行程+安全行程+2×余程+螺母長(zhǎng)度 ＝（600+100+2×20+146）mm＝886mm 故 ＝11△t×＝11×2×886×mm＝0.02mm （2）按式（2-32）計(jì)算滾珠絲杠的預(yù)拉伸力。 已知滾珠絲杠螺紋底徑=34.3mm，滾珠絲杠的溫升變化值△t=2℃，則 8）確定滾珠絲杠螺母副支承用軸承的規(guī)格型號(hào) （1）按式（2-33）計(jì)算軸承所承受的最大軸向載荷。 （2）計(jì)算軸承的預(yù)緊力。 （3）計(jì)算軸承的當(dāng)量軸向載荷。 （4）按式（2-15）計(jì)算軸承的基本額定動(dòng)載荷C。 已知軸承的工作轉(zhuǎn)速n==230r/min，軸承所承受的當(dāng)量軸向載荷=3680.41N，軸承的基本額定壽命L=20000h。軸承的徑向載荷和軸向載荷分別為 因?yàn)?，所以查?-25得，徑向系數(shù)X=1.9，軸向系數(shù)Y=0.54，故 （5）確定軸承的規(guī)格型號(hào)。 因?yàn)闈L珠絲杠螺母副擬采取預(yù)拉伸措施，所以選用60°角接觸球軸承組面對(duì)面安裝，以組成滾珠絲杠兩端固定的支承形式。由于滾珠絲杠的螺紋底徑為34.3mm，所以選擇軸承的內(nèi)徑d為30mm，以滿(mǎn)足滾珠絲杠結(jié)構(gòu)的需要。 在滾珠絲杠的兩個(gè)固定端均選擇國(guó)產(chǎn)60°角接觸球軸承兩件一組面對(duì)面安裝，組成滾珠絲杠的兩端固定支承方式。軸承的型號(hào)為760306TNI/P4DFB，尺寸（內(nèi)徑×外徑×寬度）為30mm×72mm×19mm，選用脂潤(rùn)滑。該軸承的預(yù)載荷能力為2900N，大于計(jì)算所得的軸承預(yù)緊力=1923.26N。并在脂潤(rùn)滑狀態(tài)下的極限轉(zhuǎn)速為1900r/min，高于滾珠絲杠的最高轉(zhuǎn)速=2000r/min，故滿(mǎn)足要求。該軸承的額定動(dòng)載荷為=34500N，而該軸承在20000h工作總壽命下的基本額定動(dòng)載荷C=34395N，也滿(mǎn)足要求。 軸承的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用了深溝球軸承6307和推力球軸承51307來(lái)固定絲桿。 圖2-1 深溝球軸承 圖2-2 推力球軸承 2.6齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計(jì)算 傳動(dòng)比： i= φ Ph / 360δp=0.75× 6/360× 0.01=1.25 故取齒輪齒數(shù)： Z1=32 Z2=40 模數(shù)： m=2mm b=20mm α =20? 分度圓直徑： d1=mz=2 32=64mm d=mz=2 40=80 齒頂圓直徑： da1=d+2mhamm=68mm da2=d2+2mhamm=84mm 中心距： a=(d1+d2)/2=72mm 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算： 工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： J1=(180δp/π)W=(180×0.01×/0.75)×80/100Kg.cm =0.467g.cm 絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： Js=7.8 ×10DL=7.8×10×4×1600=31.9Kg.cm 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： Jz1==7.8×10×6.4×2Kg.cm=2.617Kg.cm Jz2=7.8×10×8×2Kg.cm=6.39Kg.cm 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略,因此總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 JL=(Ls+Jz)/i+Jz1+J1=(31.9+6.39)/1.25+2.617+0.467=27.59Kg.cm 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算 快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩： M = Mamax + Mf + Mo 最大切削負(fù)載所需力矩： M = Mat + Mf + Mo+Mt 快速進(jìn)給所需力矩： M = Mf + Mo 式中：Mamax---- 空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的加速度力矩 Mf---- 折算到電動(dòng)機(jī)軸上的摩檫力矩 Mo---- 由于絲杠預(yù)緊力所引起折算到電動(dòng)機(jī)軸的附加摩檫力矩 MT---- 折算到電動(dòng)機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩 Ma = J.n × 10/ 9.6T N.m 當(dāng)n=nmax時(shí) Mamax =Ma nmax = vmax i / Ph = 4000 ×1.25/6 = 833r/min Mamax = Jl × nmax/9.6t =27.95×833×10/9.6×0.025 = 9.57 N.m 當(dāng)n=nt時(shí) Ma = Mat nt = n f i / Ph = 1000vf I / DPh = 1000×200×0.3 ×1.25/80 ×6 = 49.76 Mat=27.59×49.76×10 / 9.6×0.025 = 0.57 N.m Mf =FoPh(1-ηo)/2πiη=fWPh/2πηi 當(dāng)η=0.8時(shí) f=0.16 Mf = 0.16×80×0.6 /2π×0.8×1.25 N.cm=12.2N.cm Mo=PvPh(1-ηo)=/2ηπi 當(dāng)ηo=0.9時(shí),預(yù)加載荷Po=Fx/3 Mo=FxPh(1-ηo)/6πηi =51.0×6×(1-0.9×0.9)/6π×0.9×1.25 =2.7 N.cm Mt = Fx Ph/2πηi = 51.0×6 / 2π×0.9×1.25 = 43 N.cm 所以,快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩： M = Mamax + Mf + Mo = 95.7+12.2+2.7 = 972 N.cm 最大切削負(fù)載所需力矩： M = Mat + Mf + Mo+Mt = 57+12.2+2.7+43=115 N.cm 快速進(jìn)給所需力矩： M = Mf + Mo = 12.2+2.7 = 14.9 N.cm 所需最大力矩發(fā)生在快速空載啟動(dòng)時(shí) Mmax = 972 N.cm 2.7滾珠絲杠螺母副的承載能力校驗(yàn) 2.7.1滾珠絲桿螺母副臨界壓縮載荷的校驗(yàn) 工作臺(tái)的滾珠絲桿支承方式采用預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)，絲杠始終受拉而不受壓。因此，不存在壓桿不穩(wěn)定問(wèn)題。 2.7.2滾珠絲桿螺母副臨界轉(zhuǎn)速的校驗(yàn) 根據(jù)圖可得滾珠絲桿螺母副臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算長(zhǎng)度=837.5mm。已知彈性模量E=MPa，材料密度N/，重力加速度9.8，安全系數(shù)=0.8。由表2-44查得 滾珠絲桿的最小慣性矩為 滾珠絲桿的最小截面積為 故可由公式得： r/min =10738.5r/min 本工作臺(tái)滾珠絲桿螺母副的最高轉(zhuǎn)速為1800r/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其臨界轉(zhuǎn)速，故滿(mǎn)足要求。 2.7.3滾珠絲桿螺母副額定壽命的校驗(yàn) 滾珠絲桿螺母副的壽命，主要是指疲勞壽命。它是指一批尺寸、規(guī)格、精度相同的滾珠絲杠在相同的條件下回轉(zhuǎn)時(shí)，其中90%不發(fā)生疲勞剝落的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)的總轉(zhuǎn)速。 查附錄A表A-3得滾珠絲桿額定動(dòng)載荷N，運(yùn)轉(zhuǎn)條件系數(shù)，滾珠絲桿的動(dòng)載荷N，滾珠絲桿螺母副轉(zhuǎn)速n=r/min 即： 一般來(lái)講，在設(shè)計(jì)超聲銑床時(shí)，應(yīng)該保證滾珠絲桿螺母副的總時(shí)間壽命，故滿(mǎn)足要求。 2.8計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度 2.8.1機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度計(jì)算 絲桿的導(dǎo)程誤差、伺服系統(tǒng)誤差、絲桿軸承的軸向跳動(dòng)誤差和在載荷作用下各機(jī)械作用下各機(jī)械環(huán)節(jié)彈性環(huán)節(jié)變形引起的誤差是影響系統(tǒng)精度的因素。 2.8.2傳動(dòng)系統(tǒng)綜合剛度計(jì)算 由滾珠絲桿本身的抗壓剛度、支承軸承的軸向剛度、滾珠絲桿副中滾珠與滾道的接觸剛度、折算到滾珠絲桿副上伺服系統(tǒng)剛度、折算到滾珠絲桿副上聯(lián)軸節(jié)的剛度、滾珠絲桿副的抗扭剛度、螺母座、軸承座的剛度形成的綜合剛度K為： 一般在校核計(jì)算中，折算到滾珠絲桿副上聯(lián)軸節(jié)的剛度、滾珠絲桿副的抗扭剛度、螺母座、軸承座的剛度、伺服剛度一般可忽略不計(jì)。則上式可簡(jiǎn)化為： 2.8.3計(jì)算滾珠絲桿的拉壓剛度。 本工作臺(tái)的絲杠支承方式為兩端固定，當(dāng)滾珠絲杠的螺母中心位于滾珠絲桿兩支承的中心位置（a=L/2，L=1075mm）時(shí)，滾珠絲桿螺母副具有最小拉壓剛度，計(jì)算為： 當(dāng)a==837.5mm或a==237.5mm時(shí)（即滾珠絲桿的螺母副中心位于行程的兩端位置時(shí)），滾珠絲桿螺母副具有最大拉壓剛度計(jì)算得： 2.8.4絲桿軸承的軸向剛度 單排推力球軸承51307的預(yù)加載荷=3102N，軸向外載荷為導(dǎo)軌摩擦力=fG=0.036009.8=176N,故軸向載荷為預(yù)加載荷與軸向外載荷之和，即=+=3102+176=3278(N)。 絲桿軸承軸向載荷剛度可按下式求得，即 =505（N/） （5）滾珠絲桿螺母的接觸剛度 查絲桿螺母樣本手冊(cè)得 =2300（N/） 則傳動(dòng)系統(tǒng)總和剛度K為 ==174（N/） （6）計(jì)算滾珠絲杠螺母副支撐軸承的剛度Kb。 已知軸承的接觸角?=60，滾動(dòng)體直徑=7.144mm，滾動(dòng)體個(gè)數(shù)Z=17,軸承的最大軸向工作載荷F= 5769.76N,由表2-45，表2-46得 = 4×2.34× = 4×2.34× (7)計(jì)算滾珠與滾道的接觸剛度K。 查附錄A表A－3得滾珠與滾道的接觸剛度K=1585N/um，額定動(dòng)載荷C=46500N，滾珠絲杠上所承受的最大軸向載荷F=3022.37N，故由式（2-46）得 K=K（)=1585×()N/um=1372.97N/um （8）計(jì)算進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度K。 由式（2-47a）得進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為 故K=440.53N/μm 由式（2-47b）得進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值為 故K=370.37N/μm （9）彈性變形量 數(shù)控銑床的定位精度是在不切削空載條件下檢驗(yàn)的。故軸向載荷僅為導(dǎo)軌的摩擦力。本設(shè)計(jì)中的摩擦力=206N,故因引起的彈性變形量為 （10）定位誤差驗(yàn)算 本設(shè)計(jì)中滾珠絲桿在任意300mm內(nèi)的導(dǎo)程誤差為6，加彈性變形量=1，即6+1=7。再加上某些次要因素，將不會(huì)超過(guò)要求的定位公差，能滿(mǎn)足定位精度0.01的設(shè)計(jì)要求。 2.9滾珠絲杠螺母副扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算 由圖4-1可知，扭矩作用點(diǎn)之間的距離L= 945.5 mm。已知剪切模量G= M,滾珠絲杠的底徑d=m。由式（2-48）得： K== 11635.35 Nm/rad 2.10驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選型與計(jì)算 2.10.1計(jì)算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)到慣量J 已知滾珠絲杠的密度=7.810kg/cm,由式(2-63)得: 2.10.2計(jì)算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J J= 0.7810DL =0.7810(6.6-3)8.2kg/cm=11.62kg/cm (3)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的移動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 已知機(jī)床執(zhí)行部件（即工作臺(tái)、工件和夾具）的總質(zhì)量m=918kg，電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸向移動(dòng)的距離L=1cm，則由式（2-65）得 (4)加在電動(dòng)機(jī)軸上總的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 =++J=(21.43+11.62+23.28)=56.33 2.11計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載力矩 (1)計(jì)算切削負(fù)載力矩T。 已知在切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力F=F=:3022.37N,電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸向移動(dòng)的距離L=10mm=0.01m,進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率η=0.90，由式（2-54）得 T===5.35Nm (