購(gòu)買設(shè)計(jì)請(qǐng)充值后下載，，資源目錄下的文件所見即所得，都可以點(diǎn)開預(yù)覽，，資料完整，充值下載可得到資源目錄里的所有文件。。?！咀ⅰ浚篸wg后綴為CAD圖紙，doc,docx為WORD文檔，原稿無水印，可編輯。。。具體請(qǐng)見文件預(yù)覽，有不明白之處，可咨詢QQ:12401814
南京工程學(xué)院
工 業(yè) 中 心
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）
題 目： 數(shù)控立車Z軸進(jìn)給及其平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí)： D機(jī)加工123 學(xué) 號(hào)： 231120522
學(xué)生姓名： 馬鑫
指導(dǎo)教師： 劉桂芝（教授級(jí)高工）
起迄日期： 2016.2.22～2016.6.3
設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 工程中心5號(hào)樓
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）中文摘要
摘要：
本課題的研究?jī)?nèi)容是數(shù)控車車床進(jìn)給系統(tǒng)及其平衡結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),本文通過類比法和文獻(xiàn)綜述法來分析和完成本課題的研究哈設(shè)計(jì)創(chuàng)新。本課題車床進(jìn)給系統(tǒng)是通過交流伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器與絲杠進(jìn)行剛性直聯(lián)通過聯(lián)軸脹套來消除間隙和傳遞動(dòng)力，帶動(dòng)絲杠螺母做進(jìn)給直線運(yùn)動(dòng)。本課題是用背對(duì)背和串聯(lián)的角接觸球軸承來固定滾珠絲杠，使用雙螺母來調(diào)節(jié)消除滾珠絲杠的間隙，雙螺母連接法蘭通過直線滾動(dòng)導(dǎo)軌來完成刀架的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。因研究?jī)?nèi)容為縱向進(jìn)給系統(tǒng)所以為了保證數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)的精度與延長(zhǎng)保證滾珠絲杠的使用本課題采用重錘平衡的方式來達(dá)到平衡進(jìn)給系統(tǒng)重量的目的。本課題研究解決數(shù)控機(jī)床Z軸的精度、平衡和生產(chǎn)效率問題。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床 伺服電機(jī) 滾珠絲杠 配重
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）英文摘要
Title CNC vertical lathe z-axis feed structure design and its balance
Abstract
This topic research content is the numerical control lathe into the back of the bus for the structural design of the system and its balance, based on the analogy method and the literature review method to analyze and finish this topic research, design innovation. This topic lathe feed system is by screw with ac servo motor through the coupling of rigid straight through coupling locking to eliminate the gap and transfer the power, drive the feed screw nut do linear motion. This topic is to use back to back and series of angular contact ball bearings to fixed ball screw, use double nut to adjust the clearance of the elimination of ball screw, double nut connecting flange by linear rolling guide to complete the rest of the feed movement. So for the research content is the longitudinal feed system in order to guarantee the precision of the nc lathe feed system and extend the promise that the using of ball screw this subject adopts counterweight balance to achieve the goal of balance weight feed system. This topic on the Z axis CNC machine tool accuracy, balance, and production efficiency.
Keywords Nc machine tool；Servo motor；Ball screw；weight
I
南京工程學(xué)院工業(yè)中心畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）
目 錄
第一章 緒論 1
1.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展 1
1.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì) 2
1.3 數(shù)控機(jī)床的加工原理 2
1.4 數(shù)控機(jī)床的組成 3
1.5 本課題設(shè)計(jì)的內(nèi)容及意義 3
第二章 總體設(shè)計(jì)方案 4
2.1 進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)要求及傳動(dòng)類型的選擇 4
2.1.1 進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)要求 4
2.1.2 進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)類型的選擇 4
2.2 伺服電機(jī)與絲杠連接方式的確定 5
2.3 Z向傳動(dòng)導(dǎo)軌的確定 6
第三章 伺服電機(jī)的計(jì)算與選擇 9
3.1 Z向電機(jī)型號(hào)的選擇及要求 9
3.2 Z向慣量匹配計(jì)算 10
3.3 Z向轉(zhuǎn)矩匹配計(jì)算 10
第四章 滾珠絲杠螺母副的選擇與計(jì)算 12
4.1 滾珠絲杠螺母副的種類 12
4.2 計(jì)算Z向進(jìn)給牽引力Fm(N) 13
4.3 Z向滾珠絲杠預(yù)拉伸量的計(jì)算 13
4.4 滾珠絲杠支承軸承的確定 13
4.5 軸承間隙的調(diào)整和預(yù)緊 15
4.6 滾珠絲杠的預(yù)緊 20
第五章 立式數(shù)車Z向平衡機(jī)構(gòu)選擇及計(jì)算 22
5.1 平衡的目的 22
5.2 Z向平衡機(jī)構(gòu)的確定 22
5.3 Z向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)平衡量的計(jì)算 23
第六章 潤(rùn)滑和密封 24
6.1 Z軸滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑 24
6.1.1潤(rùn)滑的作用 24
6.1.2潤(rùn)滑劑的選擇 24
6.2 潤(rùn)滑劑的種類 25
6.2.1潤(rùn)滑脂 25
6.2.2 潤(rùn)滑油 25
6.3 Z軸部件的密封 26
6.3.1 非接觸式密封 26
6.3.2 接觸式密封 27
第七章 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 30
7.1 技術(shù)成本分析的目的與意義 30
7.2 成本計(jì)算依據(jù) 30
7.3 成本材料構(gòu)成 31
7.3.1 非標(biāo)準(zhǔn)件 31
7.3.2 標(biāo)準(zhǔn)件外購(gòu)費(fèi)用 32
第八章 結(jié) 論 33
致 謝 34
參考文獻(xiàn) 35
I
第1章 緒論
1.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展
微電子技術(shù)、自動(dòng)信息處理、數(shù)據(jù)處理以及電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，給自動(dòng)化帶來了新的概念，推動(dòng)了機(jī)械制造自動(dòng)化的發(fā)展。
20實(shí)際40年代，美國(guó)一家小型的飛機(jī)代工公司運(yùn)用數(shù)據(jù)處理技術(shù)對(duì)飛機(jī)輪廓及直升機(jī)葉片進(jìn)行加工。這是數(shù)據(jù)處理技術(shù)第一次應(yīng)用于機(jī)械加工中。這種加工的方式有效的提高了機(jī)械加工的精度。此后于1949年麻省理工學(xué)院與這家飛機(jī)公司聯(lián)合開展數(shù)控機(jī)床的研發(fā)。3年后，世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床面世。
1953年，美國(guó)空軍與麻省理工學(xué)院合作研究自動(dòng)編程技術(shù)。
1955年，美國(guó)空軍購(gòu)進(jìn)100臺(tái)數(shù)控機(jī)床，在此后的兩年，數(shù)控機(jī)床技術(shù)得到長(zhǎng)足的發(fā)展。
1958年，克耐.杜列克公司成功研制“加工中心”這種機(jī)床可以自己換刀，自帶換刀裝置。
1959年，世界計(jì)算機(jī)進(jìn)入晶體管時(shí)代，隨之?dāng)?shù)控機(jī)床大量采用晶體管和印制板電路，從此迎來第二代數(shù)控時(shí)代。
1960以后開始，數(shù)控技術(shù)不僅僅在機(jī)床上去取得發(fā)展與突破，并且逐步推進(jìn)到切割機(jī)、包裝機(jī)等方面。與此同時(shí)除了APT編程外也出現(xiàn)了其他許多編程語言。
1960年開始，德國(guó)、日本等其他工業(yè)國(guó)家也開始陸續(xù)使用數(shù)控機(jī)床技術(shù)。
1965年隨著小規(guī)模集成電路的面試，同時(shí)數(shù)控機(jī)床進(jìn)入第三代，小規(guī)模集成電路被廣泛大量應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床。
1967年柔性加工系統(tǒng)開始應(yīng)用與數(shù)控機(jī)床，這就是最初的柔性制造系統(tǒng)。之后美、日、德等其他國(guó)家也開始研究。
第四代數(shù)控時(shí)代的到來是伴隨著小型計(jì)算機(jī)代替專用計(jì)算機(jī)的，當(dāng)時(shí)小型計(jì)算價(jià)格下降，小型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用性價(jià)比更高，而計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)床進(jìn)行直接控制的系統(tǒng)稱為直接控制數(shù)控系統(tǒng)。
1970年及之后20年間微處理器的發(fā)展以及在數(shù)控機(jī)床上取得的應(yīng)用，從此數(shù)控機(jī)床進(jìn)入第五代數(shù)控系統(tǒng)。[1]
1.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)
當(dāng)今社會(huì)科技蓬勃發(fā)展，新材料不斷涌現(xiàn)，比如鋁合金在工業(yè)以及其他各方面的應(yīng)用，從而對(duì)數(shù)控機(jī)床的要求就越高，在這種大環(huán)境下高速數(shù)控機(jī)床就成為了香餑餑和發(fā)展熱點(diǎn)。數(shù)控機(jī)床在當(dāng)今社會(huì)下的發(fā)展趨勢(shì)，我認(rèn)為有以下幾點(diǎn)：
（1） 高速、高精密化：數(shù)控機(jī)床只有高速并與此同時(shí)保持高的精度，生產(chǎn)效率才會(huì)提高。
（2） 高可靠性：數(shù)控系統(tǒng)和被控設(shè)備的可靠性前者要高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，但受價(jià)格的約束也不是越高越好。
（3） 數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)CAD化：CAD的應(yīng)用能使數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)便，工作量更小，所以CAD的應(yīng)用就更加迫切。
（4） 智能、網(wǎng)絡(luò)、柔性、集成化：數(shù)控機(jī)床的發(fā)展應(yīng)該向這方面發(fā)展。
（5） 開放性：數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)統(tǒng)一在一個(gè)平臺(tái)上，形成一個(gè)具有鮮明個(gè)性的明星品牌產(chǎn)品。
（6） 復(fù)合化：開發(fā)更多復(fù)合程度更高的數(shù)控產(chǎn)品。
（7） 重視技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立[2]
1.3 數(shù)控機(jī)床的加工原理
金屬切削運(yùn)動(dòng)，是加工人員根據(jù)客戶提供的工件形狀及各項(xiàng)參數(shù)要求，通過不斷改變刀具相對(duì)于工件的位置、速度等，來達(dá)到被加工工件所需求的尺寸、形狀、精度的一種加工運(yùn)動(dòng)。
數(shù)控機(jī)床的加工運(yùn)動(dòng)，就是把整個(gè)工件看成無數(shù)個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，通過程序來使刀具不斷的通過這些坐標(biāo)點(diǎn)，從而使刀具與工件之間形成相對(duì)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，來完成圖紙的加工要求，從而對(duì)零件完成加工。
刀具沿各坐標(biāo)軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，是以脈沖當(dāng)量ζ為單位的（mm/秒沖）
當(dāng)?shù)毒哌M(jìn)行直線或者圓弧運(yùn)動(dòng)時(shí)，把工件輪廓表示成無數(shù)個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，區(qū)相連兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)所構(gòu)成線段的中間點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，求出一系列中間坐標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)值，然后按中間的坐標(biāo)值，通過數(shù)控裝置發(fā)出脈沖信號(hào)，從而加工出客戶所需求的直線或者圓弧輪廓。
數(shù)控裝置進(jìn)行這種“數(shù)據(jù)點(diǎn)密化”稱作插補(bǔ)，一般數(shù)控裝置都具有對(duì)基本函數(shù)（如直線函數(shù)和圓函數(shù)）進(jìn)行插補(bǔ)的功能。[3]
1.4 數(shù)控機(jī)床的組成
數(shù)控機(jī)床一般有信息載體、計(jì)算機(jī)控制裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床四部分組成。
（1） 信息載體 信息載體又叫控制介質(zhì)，由它來記錄加工一個(gè)零件所需要的各種參數(shù)，控制機(jī)床對(duì)零件進(jìn)行加工。
（2） 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) 它是數(shù)控機(jī)床的核心，負(fù)責(zé)接收載體發(fā)送信息，并經(jīng)過計(jì)算處理控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)。
（3） 伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)是機(jī)床執(zhí)行運(yùn)動(dòng)的部分，它接收各種命令，控制受控設(shè)備運(yùn)動(dòng)。
（4） 測(cè)量反饋裝置 檢測(cè)速度及位移，同時(shí)將信息反饋給數(shù)控裝置。
（5） 機(jī)床本體 包括床身、箱體、導(dǎo)軌、主軸等機(jī)械部件。
1.5 本課題設(shè)計(jì)的內(nèi)容及意義
數(shù)控車床的進(jìn)給系統(tǒng)是保證刀具與工件相對(duì)關(guān)系的重要單元，比加工工件的各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)（精度、尺寸等）都受到進(jìn)給系統(tǒng)靈敏度和穩(wěn)定性以及傳動(dòng)精度的影響。本課題是采用比較法、文本細(xì)讀法、綜合分析法進(jìn)行數(shù)控立車進(jìn)給系統(tǒng)及其平衡結(jié)構(gòu)的方案的設(shè)計(jì)。使其達(dá)到對(duì)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度及刀具相對(duì)位置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，并且使平衡機(jī)構(gòu)能促進(jìn)改善立式機(jī)床Z軸的運(yùn)動(dòng)性能。
本課題設(shè)計(jì)有如下意義：1、了解了立式車床的發(fā)展方向與作用2、提升了我們獨(dú)立思考、創(chuàng)新與動(dòng)手的能力3、對(duì)自己四年所學(xué)知識(shí)進(jìn)行了綜合的運(yùn)用與總結(jié)歸納4、讓自己更加靈活的運(yùn)用自己學(xué)習(xí)的知識(shí)5、提高了了自己的實(shí)際運(yùn)用能力。
第2章 總體設(shè)計(jì)方案
2.1 進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)要求及傳動(dòng)類型的選擇
2.1.1 進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)要求
1. 靜態(tài)設(shè)計(jì)方面的要求
（1） 能夠克服摩擦力和負(fù)載。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和切削力的大小是有比例關(guān)系的。
（2） 為了達(dá)到目前最小辨別力（0.1μm）的要求所以機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的位移量一定要足夠小。
（3） 靜態(tài)扭矩的剛度一定要保持足夠高。
（4） 速度的調(diào)節(jié)范圍一定要足夠。
（5） 對(duì)速度的要求是無爬行，所以就要求速度一定要均勻。
2. 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方面的要求
（1） 為了能夠開啟啟動(dòng)制動(dòng)過程，必須具備足夠的加速和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。市場(chǎng)上目前的伺服電機(jī)在帶有調(diào)速功能的前提下其響應(yīng)的時(shí)間為（20-100）N.m；換向時(shí)對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的速度要求特別高，最低要求是要在最短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的4倍及以上。
（2） 傳動(dòng)性能一定要夠好，這直接關(guān)系到被加工工件的形狀和加工表面精度要求。
（3） 由于負(fù)載作用而引起的一些非必要誤差應(yīng)盡可能的減小或完全消除。
3. 對(duì)機(jī)械傳動(dòng)部件的要求
（1） 被加速的運(yùn)動(dòng)部件具有較小的慣量。
（2） 部件的各種剛度一定要高。
（3） 部件的阻尼的性能起碼要良好。
（4） 抗拉、抗壓剛度和阻尼等因具有很小的非線性要求。[4]
2.1.2 進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)類型的選擇
直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠主要得到的兩種運(yùn)動(dòng)方式，其中直線運(yùn)動(dòng)方式可以通過以下方法來獲取：
（1） 油缸、氣缸 在具備液壓泵、空氣壓縮機(jī)的前提條件下，使用液壓或者氣壓來推動(dòng)缸體來實(shí)現(xiàn)直線的運(yùn)動(dòng)方式。其特點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)過程中精度不夠高，震動(dòng)大不夠平穩(wěn)，故運(yùn)用在伺服驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合不多。
（2） 旋轉(zhuǎn)電機(jī)和絲杠 通過旋轉(zhuǎn)電機(jī)連接絲杠，電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲杠使得絲桿上的螺母達(dá)到直線運(yùn)動(dòng)，這種傳動(dòng)是把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的方法。其特點(diǎn)是有高的傳動(dòng)精度和高的平穩(wěn)度，是當(dāng)前最常用的直線運(yùn)動(dòng)方式。這種傳動(dòng)方式絲杠與電機(jī)的連接有很多方法比如：聯(lián)軸器直聯(lián)、通過同步帶聯(lián)接等。
（3） 直線電動(dòng)機(jī) 這種傳動(dòng)方式是通過直線電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件完成直線運(yùn)動(dòng)的一種傳動(dòng)方式。因?yàn)槭侵苯舆B接，所以沒有中間傳動(dòng)單元，因而傳動(dòng)精度高。這種傳動(dòng)方式具有廣闊的發(fā)展前景。
旋轉(zhuǎn)伺服運(yùn)動(dòng)如分度盤、數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)等伺服驅(qū)動(dòng)主要由伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速機(jī)構(gòu)來產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。[5]
本課題設(shè)計(jì)選擇旋轉(zhuǎn)電機(jī)和絲杠傳動(dòng)，采用聯(lián)軸器直聯(lián)的方式來連接電機(jī)與絲杠，這樣機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)緊湊，占用體積小，傳動(dòng)精度高。
2.2 伺服電機(jī)與絲杠連接方式的確定
（1）通過同步齒形帶聯(lián)接
同步帶是靠嚙合齒輪傳動(dòng)的新型帶，它兼有帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。同步齒形帶是以鋼絲繩為強(qiáng)力層，外面用氯丁橡膠或聚氨酯包裹。由于強(qiáng)力層中的鋼絲繩在承載后變形小，能保持齒形帶的周節(jié)不變。因此帶與帶輪之間無相對(duì)滑動(dòng)，能保持準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，亦即主、從動(dòng)輪能做無滑差同步傳動(dòng)。這種帶薄而輕，慣性效應(yīng)小，因而可用于高速傳動(dòng)，其圓周速度v可達(dá)40m/s。由于它不是靠摩擦傳動(dòng)，因此小帶輪包角可減小，傳動(dòng)比i可達(dá)10，傳動(dòng)效率也高達(dá)98%~99%。這種帶的主要缺點(diǎn)是齒形帶輪的制造復(fù)雜、成本高。
同步齒形帶傳動(dòng)綜合了帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，吸振好，噪聲小。缺點(diǎn)是對(duì)中心距要求高，帶和帶輪制造工藝復(fù)雜，安裝要求高
（2）通過齒輪聯(lián)接?
齒輪傳動(dòng)在伺服進(jìn)給系統(tǒng)中的作用改變運(yùn)動(dòng)方向，降速、增大扭矩，適應(yīng)不同絲杠螺距和不同脈沖當(dāng)量的配比等。當(dāng)在伺服電機(jī)和絲杠之間安裝齒輪（直齒、斜齒、錐齒等）時(shí)，必然產(chǎn)生齒側(cè)間隙，造成反向運(yùn)動(dòng)的死區(qū)，必須設(shè)法消除。
（3）聯(lián)軸器直接聯(lián)接
聯(lián)軸器直接聯(lián)接由于伺服電機(jī)性能的提高，目前許多場(chǎng)合都采用伺服電機(jī)與絲杠直接相連。以增量式光電編碼器為例，當(dāng)光電編碼器與伺服電機(jī)及滾珠絲杠直聯(lián)時(shí)，隨著伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生序列脈沖輸出，脈沖的頻率將隨著轉(zhuǎn)速的快慢而升降。
本課題選用聯(lián)軸器來聯(lián)接絲杠與伺服電機(jī)，是直聯(lián)的方式，通過直聯(lián)可以減少機(jī)床的體積，使的機(jī)床的結(jié)構(gòu)更加的緊湊。
2.3 Z向傳動(dòng)導(dǎo)軌的確定
導(dǎo)軌的類型選擇直接影響到伺服系統(tǒng)摩擦阻力的大小，所以為了減少摩擦力現(xiàn)今大多使用減摩導(dǎo)軌應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床。通常我們給滾動(dòng)導(dǎo)軌施加預(yù)載或復(fù)合、靜壓導(dǎo)軌等來增加導(dǎo)軌的阻尼比，因?yàn)橥每紤]到進(jìn)給系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其中復(fù)合導(dǎo)軌因?yàn)槠淞己玫淖枘岜群洼^小的摩擦系數(shù)因其優(yōu)秀的性能，所以近些年以來得到了廣泛的應(yīng)用。
導(dǎo)軌是機(jī)床實(shí)行進(jìn)給運(yùn)動(dòng)不可缺少的一部分，機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件在導(dǎo)軌上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)軌給予其支承和引導(dǎo)的作用。導(dǎo)軌一般由動(dòng)軌和定軌組成，前者在定軌上移動(dòng)后者固定于機(jī)架上。
導(dǎo)軌多用于機(jī)床來回的直線運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)軌的承載和壽命大小直接影響著機(jī)床的承載、精度及壽命。
機(jī)床工作臺(tái)或者床身上常常采用滑動(dòng)導(dǎo)軌。為了能在重型機(jī)械中滑動(dòng)導(dǎo)軌得以運(yùn)用，往往會(huì)把幾種不同截面形狀的導(dǎo)軌組合起來一起使用?；瑒?dòng)導(dǎo)軌在低速運(yùn)行時(shí)有可能會(huì)產(chǎn)生爬行的現(xiàn)象把各種滾動(dòng)體例如鋼珠等置于導(dǎo)軌之間就形成了滾動(dòng)導(dǎo)軌。滾動(dòng)導(dǎo)軌相對(duì)與互動(dòng)導(dǎo)軌有其優(yōu)點(diǎn)例如：摩擦系數(shù)小、在低速時(shí)不易爬行、精度高、壽命較長(zhǎng)等。
當(dāng)然滾動(dòng)導(dǎo)軌也有其缺點(diǎn)，剛度較低、加工困難，對(duì)誤差敏感等這些都是它的缺點(diǎn)。液體靜壓導(dǎo)軌等因其導(dǎo)軌之間存在的是流體等，所以其精度較高，阻尼比較小，幾乎不會(huì)產(chǎn)生爬行的現(xiàn)象，但其因其特點(diǎn)所以加工特別復(fù)雜困難。液體靜壓導(dǎo)軌可分為開式和閉式導(dǎo)軌兩種。
THK公司于1996年率先開發(fā)出了帶有保持器的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，因保持架的作用，球體與球體之間沒有直接接觸所以避免了相互摩擦的發(fā)生。如果軸承沒有保持架，在軸承工作時(shí)因接觸點(diǎn)作用力方向相反所以以2倍的速度互相接觸，所所以會(huì)造成劇烈的摩擦，直接影響了軸承的壽命。軸承球體油膜在應(yīng)力較大時(shí)大概在30MPa時(shí)會(huì)產(chǎn)生破裂，這樣因其沒有油膜阻隔潤(rùn)滑，球體與球體之間接觸完全成點(diǎn)接觸，就會(huì)有無限大的應(yīng)力產(chǎn)生；于此同時(shí)兩球體之間呈滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，直接成為滑動(dòng)接觸。相比之下帶保持架的軸承因?yàn)楸３旨艿淖饔脙汕蝮w之間不會(huì)有直接的接觸，且因?yàn)楸３旨芘c球體之間不是點(diǎn)接觸，接觸面積大，油膜在這樣的情況下就不會(huì)產(chǎn)生破裂。所以所以帶保持架的滾動(dòng)導(dǎo)軌不僅具有平滑穩(wěn)定的特點(diǎn)，還具備以下特點(diǎn)：
（1） 長(zhǎng)壽命 球保持架的作用是使球體時(shí)不再互相接觸抑制其發(fā)熱，同時(shí)增加了潤(rùn)滑脂的使用壽命。潤(rùn)滑脂在保持架內(nèi)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，球體在保持架能自轉(zhuǎn)的時(shí)候因?yàn)楸３旨軆?nèi)充滿潤(rùn)滑脂所以會(huì)形成油膜。這種油膜可以使作用于球體上的應(yīng)力減小，從而軸承的壽命能提高至少2.4倍。
（2） 高速性 當(dāng)需高速使用時(shí)（300m/min）帶保持架的軸承能夠滿足需求。
（3） 等速性 因球體在保持架內(nèi)均勻分布，故球體不會(huì)做不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，也不會(huì)產(chǎn)生劇烈的摩擦，使?jié)L動(dòng)阻力變化降到1/10，滾動(dòng)狀態(tài)趨于穩(wěn)定。
（4） 低噪聲 噪聲比舊型號(hào)降低916dB。
（5） 低發(fā)生性 由由于球體之間不再直接接觸相互之間摩擦減少，所以造成的金屬粉塵也相應(yīng)的較少降低，相比原來減少了10倍。
（6） 長(zhǎng)期免維護(hù)保養(yǎng) 因保持架的存在每一個(gè)鋼球存放空間中都充滿了潤(rùn)滑液，鋼球不斷的在得到潤(rùn)滑，達(dá)到了長(zhǎng)期不用保養(yǎng)的要求。僅僅依靠初次安裝時(shí)裝入的潤(rùn)滑脂，其行程就可達(dá)到4萬km，10年內(nèi)可實(shí)現(xiàn)免維護(hù)、免保養(yǎng)、自潤(rùn)滑。[6]
直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的精度分為6個(gè)等級(jí)，其中1級(jí)最高，6級(jí)最低。直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的技術(shù)要求有：
兩個(gè)平行度與兩個(gè)極限偏差之間的要求，分別是頂面與基準(zhǔn)面的平行度看圖2-1（a)，兩側(cè)面之間的平行度見圖2-1（a），以及頂面與基準(zhǔn)面之間的偏差要求見圖2-1（b），最后是滑塊需要多個(gè)安裝時(shí)，側(cè)面之間的極限偏差，并測(cè)量W1的值見圖2-1（c）。
圖2-1 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的技術(shù)要求
上述精度已有部頒標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了導(dǎo)軌長(zhǎng)度從（500-4000）mm共8個(gè)分段的（1-6）級(jí)的公差值。
整體型的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，由于廠家直接生產(chǎn)滿足用戶使用條件的成型導(dǎo)軌，所以用戶可以根據(jù)自己對(duì)預(yù)緊力的要求來選擇自己所需導(dǎo)軌，無需再自己調(diào)整。[7]
本課題選用滾動(dòng)導(dǎo)軌，選用MR45-B2-1312-26-26-G2-V3/施耐博格導(dǎo)軌。
第3章 伺服電機(jī)的計(jì)算與選擇
3.1 Z向電機(jī)型號(hào)的選擇及要求
選擇電機(jī)應(yīng)綜合考慮的問題
（1） 選擇電機(jī)一般應(yīng)該根據(jù)負(fù)載大小和工藝性質(zhì)來考慮從而進(jìn)一步選擇電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、調(diào)速范圍、制動(dòng)以及反轉(zhuǎn)要求等。
（2） 在負(fù)載所需轉(zhuǎn)矩、速度變化范圍、啟動(dòng)頻繁程度等基本要求下，進(jìn)而考慮電機(jī)溫度變化所能承受的最大值、電機(jī)的過載能力以及啟動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩，從而選擇電動(dòng)機(jī)功率，并且同時(shí)確定電機(jī)的冷卻通風(fēng)方式。選擇的電機(jī)功率必須留有相應(yīng)的余量，以應(yīng)對(duì)突發(fā)打狀況，負(fù)荷率一般取0.8-0.9。
（3） 選擇電機(jī)時(shí)必須考慮到電機(jī)的使用場(chǎng)所，比如：潮濕、粉塵、輻射、腐蝕物等場(chǎng)合，并應(yīng)采取相應(yīng)的防護(hù)保護(hù)措施，從而選擇電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式。
（4） 電機(jī)的電壓等級(jí)和類型的確定必須根據(jù)企業(yè)的電壓標(biāo)準(zhǔn)和功率要求來選擇確定。
（5） 電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速的選擇對(duì)滿需電力傳動(dòng)系統(tǒng)的過渡性要求的條件下機(jī)械的最高轉(zhuǎn)速，以及減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度都是有要求的。
除了上述所需條件之外，電機(jī)的選擇還必須考慮節(jié)能要求、產(chǎn)品可靠性、價(jià)格、性價(jià)比、售后服務(wù)、后續(xù)技術(shù)處理、后期使用費(fèi)用、安裝費(fèi)用等。[8]
直流電動(dòng)機(jī)的定子本身就是一個(gè)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子通過直流電形成的電場(chǎng)在定子內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。由于直流電相對(duì)于交流電有可靠的優(yōu)點(diǎn)，所以在企業(yè)工廠中直流電一般用于要求穩(wěn)定或安保的機(jī)械；而同時(shí)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著直流電電壓和電流的變化而變化，調(diào)速比較方便，所以比如電動(dòng)車等調(diào)速頻繁的場(chǎng)合也使用直流電機(jī)。
交流電機(jī)是電子產(chǎn)生磁場(chǎng)被轉(zhuǎn)子感應(yīng)到其電勢(shì)后轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速一般是不可調(diào)節(jié)的。但由于其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和便于供電所以在家庭電源中一般都使用交流發(fā)電。一般家用電器如洗衣機(jī)等及一些工業(yè)機(jī)械如機(jī)床等都使用交流發(fā)電。
由于交流發(fā)電獲得和輸送較便捷簡(jiǎn)單，因而現(xiàn)今我們使用的大部分機(jī)械設(shè)備都是交流電機(jī)發(fā)出的。
交流伺服電機(jī)目前主要使用于閉環(huán)和半閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)元件的場(chǎng)合。選擇時(shí)可參閱有關(guān)手冊(cè)中介紹的電動(dòng)機(jī)性能參數(shù)或廠家提供的產(chǎn)品說明書，所選擇的伺服電機(jī)，應(yīng)滿足（1）在進(jìn)給時(shí)所能達(dá)到打所有速度的范圍之內(nèi)其中包括快進(jìn)的速度，空載時(shí)的進(jìn)給力矩應(yīng)該小于電機(jī)的額度轉(zhuǎn)矩；（2）在進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)切削力矩最大時(shí)也應(yīng)該小于電機(jī)額度轉(zhuǎn)矩；（3)加速運(yùn)動(dòng)和減速的時(shí)間應(yīng)滿足所需時(shí)間常數(shù)的要求；(4)在希望值內(nèi)進(jìn)行快速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
本課題選用的是施耐德 BCH1802M21C交流伺服電機(jī)。
3.2 Z向慣量匹配計(jì)算
慣量的大小和負(fù)載的變化有著最直接的關(guān)系，我們通過對(duì)慣量的計(jì)算來檢查慣量對(duì)于系統(tǒng)的靈敏度和加速度變化，負(fù)載的大小和加速度所需時(shí)間的大小有著密切的聯(lián)系。因此慣量匹配計(jì)算就在整個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中起到了至關(guān)重要的作用。一般負(fù)載慣量與電機(jī)慣量Jm之比應(yīng)滿足如下條件：
（3-1）
移動(dòng)部件的慣量轉(zhuǎn)化到絲桿的慣量(JI)kg×m：2
JI= =0.000152 （3-2）
滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(Js)kg×m2：
Js= = =0.00541025 （3-3）
其它零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(Jj)kg×m2：.其他經(jīng)過計(jì)算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可忽略不計(jì)。
折算到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量(JL)kg×m：
JL=JI+Js+Jj=0.00555 （3-4）
= =0.972 （3-5）
因?yàn)?，所以?fù)載慣量匹配合格。
3.3 Z向轉(zhuǎn)矩匹配計(jì)算
M=Mamax+Mf+Mo （3-6）
Mamax=kgf×m （3-7）
Mf=kgf×m （3-8）
Mo=kgf×m （3-9）
KS表示為系統(tǒng)的開環(huán)增益，一般機(jī)床的靈敏度越高增益的數(shù)值也就越大，但增益值也不能夠過大，如果增益值過大直接導(dǎo)致靈敏度過高，系的運(yùn)動(dòng)慣量也就越大，直接影響到了機(jī)床額定位精度。一般數(shù)控機(jī)床增益+取KS=8~25。本機(jī)床取KS=10。根據(jù)以上公式計(jì)算X、Z向的加速力矩，忽略Mo、Mf的影響。
=18N.m （3-10）
公式（3-1）至（3-9）來源自機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)——第三版。
第4章 滾珠絲杠螺母副的選擇與計(jì)算
4.1 滾珠絲杠螺母副的種類
滾珠絲杠螺母副具有如下特點(diǎn)：
（1）傳動(dòng)效率高。滾珠絲杠螺母副傳動(dòng)效率ζ=0.92~0.94，是普通絲杠傳動(dòng)效率的3~4倍。
（2）摩擦力小。滾珠絲杠螺母副動(dòng)靜摩擦系數(shù)小，傳動(dòng)靈敏，運(yùn)行平穩(wěn)，低速不易爬行，定位精度高。
（3）可預(yù)緊。滾珠絲杠螺母副經(jīng)預(yù)緊可消除軸向間隙，剛度高。
（4）有可逆性。滾珠絲杠和螺母的運(yùn)動(dòng)是可逆的，即可作為主動(dòng)件或從動(dòng)件。
（5）使用壽命長(zhǎng)。
（6）制造工藝復(fù)雜，成本高，不能實(shí)現(xiàn)自鎖。
循環(huán)方式、循環(huán)列數(shù)與圈數(shù)、預(yù)緊方式是選擇滾珠絲杠副類別時(shí)應(yīng)主要考慮的三個(gè)方面。
在絲杠與螺母之間滾動(dòng)的鋼珠所形成的回路是一個(gè)循環(huán)的閉路。根據(jù)回珠方式，可分為兩類：回珠器位于螺母之內(nèi)的內(nèi)循環(huán)式，圖4-1(a)；插管式回珠器位于螺母之外的外循環(huán)式，圖4-1(b)。
圖4-1 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)原理
因?yàn)槁菽概c絲杠之間安裝總會(huì)產(chǎn)生不可避免的間隙，所以就可以通過人為的施加預(yù)緊來達(dá)到消除間隙的目的，使它一直在高壓過盈的條件下工作。常用的滾珠絲杠副預(yù)緊方法有：雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊等。有過預(yù)緊的滾珠絲杠和預(yù)緊前剛度相比可以達(dá)到其兩倍。但是，在施加預(yù)緊的同時(shí)應(yīng)該注意預(yù)緊施加的載荷不能過大，過大就有可能直接使其壽命下降。通常，滾珠絲杠制造成成品銷售的過程中廠家已經(jīng)施加好預(yù)緊，并且施加的預(yù)緊載荷通常和絲杠本身額定的載荷有一定的聯(lián)系，所以不用擔(dān)心載荷過大而直接造成壽命的下降。
4.2 計(jì)算Z向進(jìn)給牽引力Fm(N)
為了確定電機(jī)能夠驅(qū)動(dòng)所有負(fù)載的的重量所以得計(jì)算牽引力。
Z向電機(jī)能夠提供的最大靜扭矩9N×m，機(jī)械效率h為0.9，則
Fz==11994.8N （4-1）
4.3 Z向滾珠絲杠預(yù)拉伸量的計(jì)算
本機(jī)床通過對(duì)機(jī)床絲桿進(jìn)行預(yù)拉伸來消除加工過程中由于絲桿的熱變形對(duì)加工精度的影響，并進(jìn)一步提高絲桿的剛度。
Z軸絲桿方向目標(biāo)值的確定：
絲桿的熱膨脹變形：
DL=a×L×Dt==0.029mm （4-2）
公式（4-1）、（4-2）來源自機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)——第三版
4.4 滾珠絲杠支承軸承的確定
我們?cè)O(shè)計(jì)軸承的同時(shí)應(yīng)該注意滿足數(shù)控機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的各項(xiàng)要求例如數(shù)控機(jī)床的精度、剛度要求都比較高。所以我們選用軸承時(shí)應(yīng)該選用精度高、摩擦力矩小的軸承。
（1） 滾動(dòng)絲杠螺母副支承方式的選擇
為了限制兩端固定軸軸向竄動(dòng)，我們往往使用軸承支承軸的方式來限制其運(yùn)動(dòng)。當(dāng)滾珠絲杠較短或者豎直安裝時(shí)，一端固定一端自由的的軸承支承方式就比較合適。當(dāng)滾珠絲杠水平安裝并且絲杠長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，一端固定一端游動(dòng)的軸承支承方式就可以被采用。如果是應(yīng)用于精密度較高的場(chǎng)合的滾珠絲杠，為了提高滾珠絲杠的剛度，可以采用兩端都固定的支承方式。因滾珠絲杠自重下垂以及工作時(shí)發(fā)熱產(chǎn)生的熱膨脹，往往為了減少這種情況的發(fā)生，可以對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸，進(jìn)而提高滾珠絲杠傳動(dòng)精度。
（2）所用軸承的選擇
因?yàn)闈L珠絲杠所受的載荷都是外來的軸向載荷，除卻絲杠自重外絲杠受到的徑向載荷幾乎不存在，所以對(duì)滾珠絲杠而言絲杠的選用軸承時(shí)要注意選用軸向精度和剛度都高的軸承。另外，因?yàn)榻z杠不太高速運(yùn)轉(zhuǎn)或者轉(zhuǎn)速不高的原因，所以發(fā)熱不是絲杠應(yīng)該考慮的主要問題。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給一定要反應(yīng)靈敏。因此要盡量選用摩擦力矩低的軸承。
軸承的選擇源自滾珠絲杠螺母副的支承方式，支承的不同，軸承的選用也不盡相同。而深溝球軸承一般被用于帶游動(dòng)支承的場(chǎng)合。
表4.1 軸承使用場(chǎng)合及條件
目前，在以上各類軸承中用的最多的是60°接觸角推力角接觸球軸承，其次是滾針和推力滾子組合軸承。后者多用于大牽引力、要求高剛度的大型、重型機(jī)床。
（3）60°接觸球推力角接觸球軸承
通常把接觸角較大的軸承用于滾珠絲杠，因?yàn)闈L珠絲杠對(duì)軸承有要求。如此因?yàn)?0°角接觸球軸承的接觸角較大其就成為了與滾珠絲杠有較好配合的配套軸承。軸承的特點(diǎn)如下：（1）接觸角大，保持架的材料是增強(qiáng)尼龍，因而可塑性較強(qiáng)，軸承之間容納的球體數(shù)量增多，因此相應(yīng)的軸承的剛度和承載性能都會(huì)有所增加；（2）徑向與軸向載荷能夠同時(shí)作用在軸承上，如此支承結(jié)構(gòu)就可以有所簡(jiǎn)化；（3）較高的組合性能，可在不同場(chǎng)合進(jìn)行不同方式的組配；（4）軸承是根據(jù)預(yù)緊力組配好成組提供的，所以用戶自己不再需要調(diào)整，節(jié)省了人的勞動(dòng)力；（5）當(dāng)機(jī)床工作時(shí)軸承的摩擦力矩小，滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)所需要的驅(qū)動(dòng)力有所減小，機(jī)床的靈敏度就有了相應(yīng)的提高。
推力角接觸球軸承有許多組配方式。基本的組配方式有三種：背靠背，面對(duì)面和串聯(lián)（同向）。
（1）背靠背組配（DB方式）這種組配方式在軸承受力時(shí)，其力作用在軸承上是向外發(fā)散的，所以這種組配的方式在承受軸向載荷的同時(shí)能夠承受徑向的載荷，說以這種方式組配的軸承能夠承受較大的傾斜力矩。
（2）面對(duì)面組配（DF方式）這種組配方式在軸承受到外部載荷時(shí)，其作用力額度方向是向內(nèi)部收斂的，這種組配和背對(duì)背一樣能夠同時(shí)承受軸向和徑向的載荷，但其對(duì)傾斜力矩的抵抗力較差，對(duì)軸承在極限運(yùn)動(dòng)時(shí)的影響較大，會(huì)降低其轉(zhuǎn)速，這種組配方案一般用于精密調(diào)心的場(chǎng)合。
（3)串聯(lián)組配（DT方式）這種方式的組配在軸承承受外來載荷時(shí)其作用力的方向是相互平行的，所以在有雙向載荷的同時(shí)，必須使用兩個(gè)方向相反的軸承來使用[9]
本課題根據(jù)課題性質(zhì)選用的是角接觸球軸承背對(duì)背串聯(lián)組配的形式，如圖4-3所示。
圖4-2 軸承組配方式
4.5 軸承間隙的調(diào)整和預(yù)緊
為了改變或者說減小軸承在工作載荷下的實(shí)際變形量我們通常在軸承初始安裝時(shí)給軸承滾動(dòng)體和套筒之間施加一個(gè)壓力，這樣軸承就保持了一定的彈性變形有效的減小了實(shí)際的變形量，提高其剛度和旋轉(zhuǎn)精度。
軸承的預(yù)緊分軸向預(yù)緊和徑向預(yù)緊，軸向預(yù)緊又分為定位預(yù)緊和定壓預(yù)緊。
為了提高滾動(dòng)軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)精度和可靠性，通常在裝入軸承后對(duì)其進(jìn)行預(yù)緊，以獲得適當(dāng)?shù)挠蜗丁?
1.滾動(dòng)軸承游隙的調(diào)整 將軸承的一個(gè)套圈固定，而另一個(gè)套圈沿徑向或軸向的最大活動(dòng)量叫做滾動(dòng)軸承游隙。軸向游隙和徑向游隙是軸承游隙的主要區(qū)分方式，兩者之間的大小成正比關(guān)系。
(1)游隙的大小要求：如表4.2，游隙選用時(shí)，一般高速運(yùn)轉(zhuǎn)的軸承采用較大的工作游隙，低速、重載荷的軸承采用較小的工作游隙。
表4.2 滾動(dòng)軸承的軸向間隙要求
（2）滾動(dòng)軸承游隙的調(diào)整方法：調(diào)整滾動(dòng)軸承游隙的方法常有墊片調(diào)整和螺釘調(diào)整等方法。
（1）墊片調(diào)整游隙，如圖4-3，通過配磨墊片的厚度δ值，以獲得適當(dāng)?shù)挠蜗丁?
（a）
（b）
圖4-3用墊片調(diào)整軸承游隙
（2）調(diào)節(jié)螺釘調(diào)整軸承游隙方法，如圖4-4。調(diào)節(jié)時(shí)，先旋松螺母2，然后旋緊調(diào)節(jié)螺釘3，使軸承外圈左移，從而使軸承游隙變小。調(diào)節(jié)至規(guī)定值后，必須重新鎖緊螺母2。
（3)推力球軸承游隙調(diào)整，可用圓螺母進(jìn)行調(diào)整，見圖4-4所示。
圖4-3 調(diào)節(jié)螺釘調(diào)整軸承游隙
圖4-4 推力球軸承的裝配和調(diào)整
2. 滾動(dòng)軸承的預(yù)緊 軸承預(yù)緊是安裝軸承時(shí)預(yù)先給軸承的外圈或內(nèi)圈一定的軸向載荷，使內(nèi)、外圈和滾動(dòng)體的接觸處產(chǎn)生一定的初變形。預(yù)緊的目的使軸承獲得準(zhǔn)確的游隙，從而提高主軸的旋轉(zhuǎn)精度。滾動(dòng)軸承預(yù)緊時(shí)有徑向預(yù)緊和軸向預(yù)緊兩種方式。
?(1)徑向預(yù)緊：徑向預(yù)緊是利用錐孔軸承在其配合的錐面上做軸向位移，使軸承內(nèi)圈被脹大，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)緊，如圖4-5。
圖4-5 調(diào)整軸承錐孔軸向
?位置的預(yù)緊方法
(2) 軸向預(yù)緊：軸承的軸向預(yù)緊常用在角接觸的球軸承中，其預(yù)緊的方法如表4.3。
表4.3軸向預(yù)緊的常用方法
表4.3軸向預(yù)緊的常用方法(續(xù)）[10]
本課題采用墊片加螺母預(yù)緊的方法來預(yù)緊角接觸球軸承。
4.6 滾珠絲杠的預(yù)緊
由于制造和裝配時(shí)總會(huì)產(chǎn)生誤差，因而滾珠絲杠副總是存在間隙的，同時(shí)，因?yàn)檩S向載荷的作用滾珠與滾道接觸部位肯定會(huì)產(chǎn)生彈性變形。所以，當(dāng)滾珠絲杠反轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠與滾道不在接觸，這樣就產(chǎn)生了空程誤差，這樣滾珠絲杠的軸向剛度就會(huì)降低，最后影響滾珠絲杠的傳動(dòng)精度。往往人們?cè)跐L珠絲杠外施加一個(gè)力來提高各種精度。因?yàn)轭A(yù)緊力的存在絲桿、滾珠、螺母之間將不存在間隙，同時(shí)，因?yàn)轭A(yù)緊力的存在整個(gè)滾珠絲杠螺母副的彈性變形減到最小，從而滾珠絲杠螺母副的剛度有所提高。
對(duì)于不同的螺母結(jié)構(gòu)，有如下幾種預(yù)緊方式：
（1） 單螺母滾珠絲杠副的預(yù)緊方式：這種方式的預(yù)緊是通過采用使?jié)L珠絲杠突變的方式來實(shí)現(xiàn)預(yù)緊的，其原理是在滾珠絲杠的滾動(dòng)鏈之間變化，使其有一個(gè)軸向的突變，使其錯(cuò)位從而實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。在以這種預(yù)緊方式預(yù)緊軸承的同時(shí)，其接觸角對(duì)絲杠的各項(xiàng)參數(shù)都有影響。接觸角大和接觸角小時(shí)對(duì)絲杠產(chǎn)生的影響完全不同，前者絲杠的剛度和承載能力都有所增加而后者隨著作用在絲杠上的載荷，絲杠所能承受的軸向力增大，徑向力減小，而這一系列因素直接導(dǎo)致絲杠壽命的減小。
（2） 雙螺母結(jié)構(gòu)的預(yù)緊方式：這種預(yù)緊方式是通過施加壓力的方法來實(shí)現(xiàn)預(yù)緊的，其具體是通過改變兩個(gè)螺母的位置使其與絲杠不同的面直接接觸，這樣圓弧面和滾珠之間就產(chǎn)生了一些初始額壓力，產(chǎn)生了一些變形，這樣過盈的組合直接消除了絲杠的間隙，提升了絲杠的剛度。利用墊片額度薄厚來調(diào)整間隙的方法是目前使用最廣泛的雙螺母預(yù)緊方式。
（3） 連續(xù)可調(diào)預(yù)緊裝置：預(yù)緊力在工作時(shí)不能直接測(cè)量是雙螺母預(yù)緊形式最大的缺點(diǎn)，它的預(yù)緊力是通過拉力力矩間接測(cè)量得出的，這個(gè)缺點(diǎn)導(dǎo)致不能隨時(shí)補(bǔ)償磨損造成的間隙會(huì)直接影響到傳動(dòng)精度。因此研發(fā)了一種了連續(xù)可調(diào)預(yù)緊裝置對(duì)雙螺母實(shí)行預(yù)緊。
本課題數(shù)控立車的進(jìn)給系統(tǒng)綜合考慮各個(gè)方式的預(yù)緊選擇了雙螺母的預(yù)緊形式，其可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛度夠高是其最大優(yōu)點(diǎn)。
第五章 立式數(shù)車Z向平衡機(jī)構(gòu)選擇及計(jì)算
5.1 平衡的目的
設(shè)計(jì)立式機(jī)床時(shí)主軸部件通常和垂直運(yùn)動(dòng)部件成一體化。工作臺(tái)向上運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，電機(jī)驅(qū)動(dòng)方向和重力方向?yàn)橄喾?，同理如果工作臺(tái)向下運(yùn)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠的方向和重力的方向相同。如果我們不想方法消除重力的影響，在一些特定環(huán)境下可能對(duì)機(jī)床、工件及刀具造成破壞性的影響，同時(shí)因?yàn)橹亓Φ淖饔脵C(jī)床加工精度及其運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性等都會(huì)受到影響。雖然隨著現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，重力對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)性能的影響越來越小，但是現(xiàn)今數(shù)控立車多采用滾珠絲杠進(jìn)行傳動(dòng)，而滾珠絲杠不帶自鎖，在突然斷電的情況下電機(jī)失去驅(qū)動(dòng)力如果沒有平衡機(jī)構(gòu)，工作臺(tái)突然失力下滑就可能對(duì)部件或工件造成破壞性的影響。因此，給數(shù)控立車施加平衡力就顯得至關(guān)尤其重要了。
5.2 Z向平衡機(jī)構(gòu)的確定
現(xiàn)今我們常用的平衡機(jī)構(gòu)有重錘平衡，液壓、氣壓平衡以及制動(dòng)器鎖緊平衡。
（1）重錘平衡
重錘平衡總的來說就是給機(jī)床施加一個(gè)和其工作臺(tái)重量相平衡的重物，總體來說重錘平衡相對(duì)簡(jiǎn)單，但是重錘平衡占用機(jī)床空間大，會(huì)增加機(jī)床的重量與體積，在空間利用率方面較差。同時(shí)在工作臺(tái)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)慣量為工作臺(tái)慣量和平衡塊慣量之和，而向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)慣量就只有工作臺(tái)慣量，這樣工作臺(tái)的加速度就必須小于重物的自由落體速度，這樣機(jī)床的額速度就受到了明顯的限制。所以在高速、高精度運(yùn)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床上就不適合使用重物平衡的方式
（2）液壓、氣壓平衡
液壓平衡的方法就是在工作臺(tái)重物重力相反的方向施加一個(gè)與其重力相等的液壓力，用來抵消該重力的作用力。大體上液壓平衡和氣壓平衡的方法是一樣的，不同點(diǎn)在于用于施加平衡的介質(zhì)不一樣。液壓平衡在理論上來說，是可以在加速度和速度方面獲得較大的值的，前提是選擇的元件適當(dāng)。但是，如果在部件的速度和加速度較大的情況下，就有可能產(chǎn)生液壓沖擊和驅(qū)動(dòng)過載等情況。于液壓平衡不同的是氣壓平衡就能獲得理想的速度和加速度，但是氣壓平衡占用空間較大，而且氣壓平衡的噪聲過大，這個(gè)也是不忽略的一個(gè)問題。
（3）制動(dòng)器鎖緊
制動(dòng)器鎖緊方法中工作臺(tái)的重力是通過摩擦力來實(shí)現(xiàn)平衡的。這種平衡方式只有在部件不工作時(shí)摩擦才起平衡作用，在部件工作時(shí)，制動(dòng)器是不起作用的。國(guó)外的高速加工中心一般都使用這種制動(dòng)方式。但是如果制動(dòng)器反應(yīng)時(shí)間靈敏度不高的話，對(duì)移動(dòng)部件的精度等都會(huì)受到很大的影響，這是這種平衡方法最大的缺陷。于此同時(shí)，必須增加一個(gè)制動(dòng)器來預(yù)防突然失電的等突發(fā)情況發(fā)生。
垂直部件運(yùn)動(dòng)的平衡問題是現(xiàn)在最需要解決的問題之一。目前采用的幾種平衡機(jī)構(gòu)都是各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，隨著數(shù)控機(jī)床向著高精度、高速度、高穩(wěn)定性等方面發(fā)展，各種平機(jī)構(gòu)會(huì)被用來用于平衡機(jī)構(gòu)額創(chuàng)新。[11]
5.3 Z向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)平衡量的計(jì)算
Z向平衡機(jī)構(gòu)的平衡量的計(jì)算因其采用的重錘平衡方式，所以需要施加地平衡值是進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上包括刀架的所有部件的重量和。
第六章 潤(rùn)滑和密封
6.1 Z軸滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑
由于軸承在運(yùn)動(dòng)時(shí)軸承內(nèi)部滾動(dòng)體不斷在運(yùn)動(dòng)，這樣就不可避免的會(huì)造成各種摩擦磨損。因此必須對(duì)軸承進(jìn)行必要的潤(rùn)滑與維護(hù)。
6.1.1潤(rùn)滑的作用
（1） 摩擦?xí)r產(chǎn)生的熱量相對(duì)減少，改善了軸承的工作條件；
（2） 降低運(yùn)動(dòng)時(shí)滾動(dòng)體的磨損；
（3） 能夠有效的防止軸承生銹；
（4） 運(yùn)動(dòng)時(shí)潤(rùn)滑油隨之蒸發(fā)有利于軸承的熱量散發(fā)；
（5） 在使用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑時(shí)由于潤(rùn)滑脂是固體有利于軸承的密封。
6.1.2潤(rùn)滑劑的選擇
在選擇潤(rùn)滑劑時(shí)應(yīng)該考慮到的因素如下：
（1） 軸承的工作溫度 所有的潤(rùn)滑劑對(duì)溫度都有相應(yīng)要求，過高的溫度會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑劑的粘度直接降低，甚至?xí)耆バЧ^低的溫度會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑劑直接冷凍。所以得按照所需溫度的要求選擇相應(yīng)的潤(rùn)滑劑種類。
（2） 軸承的工作載荷 壓力也是會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑劑粘度降低的關(guān)鍵性因素之一。過高的壓力會(huì)直接導(dǎo)致潤(rùn)滑劑使用效果變差，甚至?xí)驗(yàn)檎衬ぷ儽?，在大載荷下直接破裂。因此選擇潤(rùn)滑劑時(shí)應(yīng)該根據(jù)壓力的大小來選擇種類，其粘度和壓力大小成正比的。
（3） 軸承的工作轉(zhuǎn)速 工作時(shí)，隨著軸承轉(zhuǎn)速的增大，內(nèi)部的溫度隨著摩擦的加劇也在增加，潤(rùn)滑劑的粘度就會(huì)相應(yīng)降低，所以我們就得控制軸承的dn值。各類軸承，在不同潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑方式下所允許的dn值見表6-1.
表6.1 各種潤(rùn)滑方式下軸承允許的dn值
6.2 潤(rùn)滑劑的種類
潤(rùn)滑脂和潤(rùn)滑油是目前使用的潤(rùn)滑劑的兩種種類。
6.2.1潤(rùn)滑脂
潤(rùn)滑油、稠化劑和添加劑三者在高溫下混合而成的物質(zhì)就是潤(rùn)滑脂，通常添加劑的不同就會(huì)有不同的潤(rùn)滑脂。
針入度、滴點(diǎn)、機(jī)械安定性、氧化安定性和防腐性是常用來評(píng)價(jià)潤(rùn)滑脂的好壞程度的標(biāo)準(zhǔn)。選擇潤(rùn)滑脂時(shí)同樣要從三個(gè)方面來選擇要求與標(biāo)準(zhǔn)在上述潤(rùn)滑劑選擇時(shí)已有相應(yīng)陳述。
滴點(diǎn)就是用來評(píng)價(jià)潤(rùn)滑脂工作溫度的主要指標(biāo)，通常來說滴點(diǎn)就是所有部件工作時(shí)所能達(dá)到的最高溫度，所以軸承工作時(shí)其產(chǎn)生的溫度應(yīng)該低于滴點(diǎn)，同時(shí)在潤(rùn)滑劑合成時(shí)其溫度也應(yīng)該低于滴點(diǎn)，具體低于多少前者低于10-20攝氏度，后者低于20-30攝氏度。潤(rùn)滑脂在載荷下工作的能力用針入度來表示，同時(shí)潤(rùn)滑脂越軟針入度越小，載荷的大小和針入度的大小是成反比的。添加劑的不同潤(rùn)滑脂的使用環(huán)境也不同，鈣基潤(rùn)滑脂就適用于潮濕的環(huán)境，相反鈉基就比較適用于干燥的環(huán)境中。
潤(rùn)滑脂因其油膜強(qiáng)度高呈半固體狀態(tài)所以密封簡(jiǎn)單，同時(shí)不易流失等優(yōu)點(diǎn)，所以在軸承中多用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。
但同時(shí)由于潤(rùn)滑脂呈半固體狀態(tài)所以工作時(shí)溫度上升過快，摸索會(huì)加劇，所以潤(rùn)滑脂一定要適量安放。潤(rùn)滑脂的多少一般以軸承與外殼之間空間的一半為宜。
6.2.2 潤(rùn)滑油
潤(rùn)滑油的種類有很多都呈現(xiàn)液體狀態(tài)其中包括特制的礦物油、植物油和合成潤(rùn)滑油。
粘度是評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油的主要指標(biāo)之一。
粘度是指潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)時(shí)其之間分子之間相互的摩擦作用力。潤(rùn)滑油形成油膜的能力和粘度有重要的關(guān)聯(lián)性，一般來說粘度越高形成油膜的能力越強(qiáng)，所以粘度是評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油好壞的重要指標(biāo)。
軸承如需在高溫或者高壓下工作，因潤(rùn)滑油具有冷卻的功能以及易清洗的優(yōu)點(diǎn)所以一般選擇潤(rùn)滑油潤(rùn)滑。但潤(rùn)滑油是液體，就必須考慮到其密封的能力，所以密封性差，密封機(jī)構(gòu)復(fù)雜是其主要的缺點(diǎn)。
6.3 Z軸部件的密封
為了使軸承的壽命有所提高，必須對(duì)軸承進(jìn)行必要的額密封，為了防止?jié)櫥瑒┑囊绯龌蛘咂渌s物的進(jìn)入干擾軸承的工作環(huán)境同時(shí)也是為了保證讓軸承有一個(gè)好的潤(rùn)滑條件的工作場(chǎng)所。在決定軸承進(jìn)行何種密封時(shí)，必須得考慮到如下的因素：
（1） 軸承所工作場(chǎng)所的外部條件；
（2） 軸承的最高轉(zhuǎn)速及其造成的最高溫度；
（3） 軸的用何種支承形式及其支承特點(diǎn)；
（4） 使用的是何種潤(rùn)滑劑及潤(rùn)滑劑的各項(xiàng)指標(biāo)和性能；
軸承密封沒有太多的分類，一般只分為接觸式和非接觸式兩種形式。
6.3.1 非接觸式密封
非接觸式密封包括間隙式、迷宮式和墊圈式等不同結(jié)構(gòu)。此類密封裝置最大的特點(diǎn)是密封件是獨(dú)立的不會(huì)與其他部件產(chǎn)生直接接觸，因此項(xiàng)特點(diǎn)，非接觸密封一般被應(yīng)用于高速運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合。表6-2是各種非接觸式密封的特征點(diǎn)。
表6.2 非接觸式密封
6.3.2 接觸式密封
接觸式密封包括毛氈密封、橡膠密封等。此類密封的特點(diǎn)就是密封件會(huì)與部件有直接的接觸，所以在部件工作時(shí)產(chǎn)生的摩擦力會(huì)使溫度直線升高，因此特點(diǎn)，接觸式密封一般只被應(yīng)用于低速運(yùn)轉(zhuǎn)的場(chǎng)合中，其各個(gè)密
封形式特征點(diǎn)見表6-3。[12]
表6.3 接觸式密封
根據(jù)工作環(huán)境和對(duì)密封的不同要求，工程中往往綜合運(yùn)用幾種不同的密封形式，以期達(dá)到更好的密封效果，見表6.4。
表6.4 綜合密封效果
本課題選用的是接觸式密封圈密封。
第7章 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
7.1 技術(shù)成本分析的目的與意義
技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析是一門學(xué)科，有和兩個(gè)不同領(lǐng)域的學(xué)科。它們之間的關(guān)系非常密切，是推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要手段。
技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析就是分析所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)需要的成本。在成本和零件之間存在的關(guān)系，考慮在成本高或者低的情況下所使用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。找出能夠降低成本的方法，使得設(shè)計(jì)完成的更合理。技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析是成本管理不可或缺的重要組成部分，是評(píng)定一個(gè)機(jī)構(gòu)合理經(jīng)營(yíng)計(jì)劃成本的實(shí)施，發(fā)揮著不可忽視的作用。如在本次數(shù)控立車進(jìn)給系統(tǒng)及其平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)過程中，就是通過研究各種因素及其變動(dòng)原因，進(jìn)行計(jì)算、比較、論證，優(yōu)選最佳方案。因此，合理的成本分析是商業(yè)計(jì)劃適當(dāng)?shù)卦u(píng)估成本的必然結(jié)果，也是導(dǎo)致成本變化的原因之一，為企業(yè)提供了一個(gè)非常發(fā)展業(yè)務(wù)決策的。
作為成本管理的重要組成部分，技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析有著不可或缺的作用。設(shè)計(jì)過程中可能會(huì)遇到一些這方面的困難，想成為一個(gè)合格的設(shè)計(jì)師，不可畏難。要對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)很了解，并考慮成本分析。這也是節(jié)約成本，創(chuàng)新產(chǎn)品的合理體現(xiàn)，公司的經(jīng)濟(jì)效益在經(jīng)過技術(shù)分析之后往往能夠得到顯著的提升，這個(gè)就是技術(shù)分析的意義所在。
7.2 成本計(jì)算依據(jù)
按照零件的總量，求出所需的加工費(fèi)用，就可以求得本課題設(shè)計(jì)的總成本。依據(jù)計(jì)算公式：
重量
工時(shí)費(fèi)：主要件（主軸、法蘭盤、電機(jī)安裝板等）=材料費(fèi)×8；一般件=材料費(fèi)×（4~5）
（1）材料費(fèi)的計(jì)算
由計(jì)算公式可得：45鋼毛坯重量=85.252Kg
（2）工時(shí)費(fèi)的計(jì)算
主要的零件：主要的工時(shí)費(fèi)用=289.52×8=2316.16元
一般的零件：一般的工時(shí)費(fèi)用=4.79×4.5=21.56元
（3）
表 5.1
序號(hào)
名稱
材料
熱處理要求
凈重（Kg）
1
墊圈
45
表面鍍鋅
0.93
2
塊
45
發(fā)藍(lán)
3.72
3
套
45
表面鍍鋅
3.3
4
主軸
20CrMnTi
滲碳淬火
2.55
5
套
45
發(fā)藍(lán)
0.03
表 5.2
序號(hào)
名稱
單價(jià)（元/Kg）
1
鍍鋅
1.1
2
發(fā)藍(lán)
1
3
淬火
1.5
因此熱處理加工費(fèi)用為12.23元。
7.3 成本材料構(gòu)成
7.3.1 非標(biāo)準(zhǔn)件
裝配圖中非標(biāo)準(zhǔn)件的統(tǒng)計(jì)，如表5.3所示；
表 5.3
序號(hào)
名稱
材料
數(shù)量
凈重（Kg）
1
墊圈
45
1
0.933
2
軸
20CrMnTi
1
2.181
3
套
45
4
0.181
4
塊
45
1
0.513
表5.3（續(xù)）
5
法蘭盤
45
2
10.53
6
端蓋
45
1
8.152
7
電機(jī)安裝板
45
1
53.81
目前，45鋼的價(jià)格為3400元/噸，45鋼總凈重：G=85.252Kg，非標(biāo)準(zhǔn)件購(gòu)費(fèi)：289.56元。
7.3.2 標(biāo)準(zhǔn)件外購(gòu)費(fèi)用
裝配圖中標(biāo)準(zhǔn)件的統(tǒng)計(jì)，如表5.4所示。
表 5.4
序號(hào)
名稱
規(guī)格
數(shù)量
單價(jià)（元/件）
1
螺釘
M6X20
M8X20
M10*30
M12X50
9
1
5
4
0.01
0.01
0.01
0.01
2
雙頭螺釘
M12*12
1
0.1
3
圓柱銷
M6X16
1
0.5
4
螺母
M3
M10
2
2
1
1
標(biāo)準(zhǔn)件的外購(gòu)件費(fèi)用為4.79元。
綜上所述，總成本為294.35元。
設(shè)計(jì)中，考慮到經(jīng)濟(jì)成本分析，再通過計(jì)算，有很大的好處?？梢愿鶕?jù)不同零件材料，它的加工工藝等合理的選型，降低零件的成本，提高性價(jià)比。這樣可以給企業(yè)的經(jīng)營(yíng)模式產(chǎn)生正確性的引導(dǎo)作用，減少不必要的開支，提升整體經(jīng)濟(jì)水平，是至關(guān)重要的一個(gè)因素。在為企業(yè)發(fā)展的打下基礎(chǔ)的同時(shí)，企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益在這項(xiàng)分析下也得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。
第八章 結(jié) 論
數(shù)控立式車床進(jìn)給系統(tǒng)及其平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
一、 主要工作及結(jié)論
(1) 熟悉數(shù)控立車進(jìn)給系統(tǒng)的工作原理和工作過程，并了解垂直運(yùn)動(dòng)部件的平衡參數(shù)問題。
(2)通過查閱各種資料了解設(shè)計(jì)進(jìn)給系統(tǒng)各部件及其組成結(jié)構(gòu)。
(3)完成各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算
(4)完成整體裝配的設(shè)計(jì)及各個(gè)零件圖的設(shè)計(jì)繪圖
二、 存在的問題
(1) 目前進(jìn)給系統(tǒng)的平衡方面還有待創(chuàng)新與完善。
(2) 在機(jī)構(gòu)的各種構(gòu)造、精度方面還得加大研究。
(3) 在機(jī)床體積與加工零件尺寸方面得加大。
在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)了自己學(xué)習(xí)生活中的許多缺點(diǎn)，這些在以后的生活工作中自己希望能夠逐步改善。
致