高速立式铣削加工中心横向进给机构设计说明书

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1、 高速立式铣削加工中心横向进给机构摘要自高速切削概念被提出以后, 高速切削技术的发展历经理论探索阶段, 应用探索阶段, 初步应用阶段和较成熟应用阶段。特别是20 世纪70 年代后, 各工业发达国家相继投入大量的人力、物力、财力研究开发高速切削技术及相关技术, 发展日新月异, 德国、美国、瑞典、瑞士、英国和日本等制造强国走在了世界前列。由于从切削机理上突破了在高速切削加工时切削力、切削热等难题, 并且新刀具材料和工艺技术上也取得较大的进展, 所以高速加工发展较快。我国对高速机床的研制虽然起步较晚, 但是已经取得了一些的成果。与世界先进水平相比, 我国在高速机床的生产研发等方面还存在很大差距。高速

2、切削中关键技术的研究都与国外先进水平有较大的差距。本课题拟根据现代机械行业对高速钻铣加工的需求，针对立式高速铣削加工中心的设计功能需求，开展横向进给机构的设计工作。这次毕业设计的工作量主要包括八大部分：滚珠丝杠选型、轴承座的选择、螺母座设计、丝杠全长确定、电动机计算选择、丝杠校核确定、导轨的设计、底座设计。零件图通过在AUTOCAD 上用平面的形式变现出来，更加清楚零件的结构形状，然后具体分析零件结构。关键字：立式高速铣削; 滚珠丝杆副；轴承座；螺母座；电机；直线导轨副；底座IVABSTRACTSince the concept of high speed cutting is propose

3、d, in theoretical explorationstages of the development of high speed cutting technology, application of explorationstage, the preliminary application stage and mature stage. Especially after the 1970 s,the industrial developed countries successively invested a lot of manpower andmaterial resources a

4、nd financial resources and related technology research anddevelopment of high-speed cutting technology, rapid development and Germany, theUnited States, Sweden, Switzerland, Britain and Japan and other manufacturingpowerhouse in the top in the world.In our country for the development of highspeed ma

5、chine tool though started late, but has made some achievements. Comparedwith the advanced world level, in the production of high-speed machine tool researchand development in our country, etc, also there is a big gap. The study of the key technologies of the high speed cutting has bigger gap with fo

6、reign advanced level. This topic proposed according to the modern machinery industry demand for highspeed drilling and milling, designed for vertical high speed milling machining centerfunctional requirements, the design of transverse feed mechanism work. Thegraduation design work mainly consists of

7、 eight parts: : one, ball screw type selection,2, and the selection of the bearing, three, nut design, four, screw length determination,five, the motor selection calculation, screw check to determine, seven, the design ofthe guide rail, eight, base design. On the part drawing in AUTOCAD realized in

8、theform of a plane, more clearly the structure shape of parts, and then concrete analysisparts structure.Key words: machining center; Ball screw; Bearing seat; Nut; The motor; Guide rail; The base目录摘要IABSTRACTII第一章 绪论11.1 课题研究的背景与意义11.2 课题研究内容21.3 本章小结2第二章横向进给机构总体方案设计22.1 总体设计方案22.2 横向进给机构原理图32.2.1

9、滚珠丝杠副32.2.2 丝杠全长的确定42.2.3 其他部件的设计4第三章 横向进给机构的设计73.1 V-6 参数和已知条件73.1.1 行程73.1.2 工作台73.1.3 主轴73.1.4 进给73.1.5 快速换刀73.2 已知条件83.3 滚珠丝杠副的发展83.4 滚珠丝杠螺母副的选型计算93.4.1 切削力计算93.4.2 滚珠丝杠螺母副选型113.4.3 确定当量荷载113.4.4 当量转速123.4.5 额定动载荷计算123.4.6 按精度要求确定允许的滚珠丝杠最小螺纹底径133.4.7 确定滚珠丝杠副的规格代号153.4.8 对预紧滚珠丝杠副确定其预紧力 Fp153.4.9

10、对预拉伸的滚珠丝杠副计算行程补偿值 C 和预拉伸力 Ft153.5 轴承座的选择163.5.1 确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号规格163.6 螺母座的选择163.7 滚珠丝杠副工作图设计173.8 电机的选择183.8.1 力矩的计算183.9 滚珠丝杠校核确定203.9.1 滚珠丝杠的抗压刚度203.9.2 支承轴承组合刚度213.9.3 刚度验算及精度选择223.9.4 验算临界压缩载荷233.9.5 验算临界转速23第四章 导轨及机座设计244.1 导轨的设计和选型244.2 基本动额定负荷254.3 工作负荷254.4 机座的设计28第五章 总结与展望305.1 总结305.2展望31

11、5.3设计体会32致谢33 第一章 绪论1.1 课题研究的背景与意义近年来,随着计算机技术的快速发展,数字控制技术已经广泛应用于工业控制领域,特别是在机械制造、通用机械逐渐由高精度、高效率、高自动化的数控机械。在今天的高速加工中心建立了在机床领域不可动摇的作用,现在没有人质疑高速加工中心的发展前景。许多机床厂开始高速加工中心为主导产品,高速加工中心的广泛市场。高速加工中心的生产技术已经成熟。随着高速加工中心的新零件和配件,不断引入新的机床,以进一步提高水平的高速加工中心。针对高精度加工,一些制造商注意切割材料的发展是不容易让重切削加工模型。同时,为了减少工件的时间和浓度变化过程为目的的复合处理

12、技术也在不断创新。由于要求加快适应环境保护新技术的发展,因此,更需要调整类型,数量可以形成一个灵活的结构线设备。为了提高生产效率,加快我们想要发展高速加工中心,在未来社会,高速加工中心也会带给我们更多的好处,提高社会进步得更快。目前我国机械设备的数控率还不足 20%,而一些发达国家的机械设备数控率接近 90%,作为世界制造业加工中心位置在我国逐渐形成,数控机床的使用、维护、维修人员在全国各地的工业城市非常稀缺,加上数控工作人员面对很广,但在现代模具制造业,钟表行业、五金行业、中小制造业和加工中心,数控编程设计操作和相应的计算机图形学中,公司从事企业模具设计和制造,电火花,线切割工作, 所以现有

13、的数控技术人员不能满足生产的需要,人才市场对这种人才并不大,企业想要寻找合适的人才在人才市场更加困难,以至于导致模具设计、数控编程、工程师、CAD / CAM 数控加工已经成为人才市场招聘职位最高的频率。在各种各样的招聘会,数控专业人才越来越多的公司希望马克“急聘”、“专业”字样等为数不多的工作,以便“6000 元一个月很难招聘数控技师,”“年薪 160000 元发现数控技师”现象。报纸报道,高级技术人员在中国正面临一个严重的情况下,“时期”的大工业时代,中年的机械师,几个年轻的机械师尚未成熟。在制造业,可以熟练操作现代机床已成为稀缺人才,据统计,目前,我们的技术工人,高级技术人员占 4.0%

14、,中级类占 40%、初级技工占 56%。技术工作者在发达国家,高级36工人(38%)、中级(50%)、初级仅占 12%。这表明我们的高级技术人员在未来 5 到10 年将会有大量的人才缺口。随着产业布局、产品结构的调整,就业结构也会改变。企业第一线应用型人才的更高层次的需求将大幅增加。和外国的发展经验, 当进入产业布局、产品结构调整时期,通过匹配和工业结构,培养大量的专业人才和较高的文化水平,成为迫切需求。数控专业,不仅需要员工有很强的实践能力, 掌握更扎实的理论知识体系。因此,教育和有很强的操作能力的数控加工人才已成为社会供应不足,企业最急需的人才。1.2 课题研究内容这次毕业设计的工作量主要

15、包括八大部分：滚珠丝杠选型、轴承座的选择、螺母座设计、丝杠全长确定、电动机计算选择、丝杠校核确定、导轨的设计、底座设计。零件图通过在 AUTOCAD 上用平面的形式变现出来，更加清楚零件的结构形状，然后具体分析零件结构。1.3 本章小结为了跟上社会进步的脚步，为了提高生产效率，为了更快的发展社会提高社会进步，高速加工中心必将会是解决这一切的手段。所以我们要大力发展高速加工中心，努力创新。第二章横向进给机构总体方案设计2.1 总体设计方案在设计之前，我们要明白设计的横向进给机构的一些技术要求，要知道设计的步骤。本次设计的主要步骤我分为七个步骤：、滚珠丝杠选型、轴承座的选择、螺母座设计、丝杠全长确

16、定、电动机计算选择、丝杠校核确定， 七、导轨的设计、工作台设计、底座设计。其中第一步滚珠丝杠的选型我又分了七小步；轴承座的选择是根据丝杠选型后的轴的尺寸选出来的，然后再进行校核；丝杠全长中由于在确定全长的时候要知道螺纹长度、轴承座长度、螺母长度、联轴器长度， 所以选择联轴器就放在丝杆全长的这步了；电动机的选择中要考虑上一步选择出的联轴器的尺寸，还要考虑选择出的电动机转速、转矩、扭矩等相关数据；在一切数据选择好之后就要对其进行校核了，算出其受力情况，受的力矩，扭矩等和前面选择出来的电机轴承座联轴器比较看看选择出来的能不能满足丝杠的要求； 接着选择导轨，导轨的受力有时是很不均匀的所以要在不同位置对

17、其进行校核； 最后的两个步骤就是对工作台和底座设计了，在以上的七个步骤后，几乎与其相关的数据都确定了只要不相关尺寸确定下来选择合适的材料，特别是底座因为要求耐用稳定性等，所以在选择材料的时候有特别的要求，像我们选择铸铁而不选择铸钢的原因等等。2.2 横向进给机构原理图图 2-1 横向进给机构原理图2.2.1 滚珠丝杠副滚珠丝杆副是将直线运动转化为回转运动，或将回转运动转化为直线运动的理想的产品, 因此,滚珠丝杆副不仅是最初的传动,还是直线运动和旋转运动部件之间的相互转换。是滚珠丝杠的进一步延伸和发展,发展的意义是滑动轴承滚动行动采取行动。滚珠丝杆由螺杆、螺母和滚珠。滚珠丝杠副是钢球螺钉和螺母之

18、间的螺旋传动辊组件。因为很小的摩擦阻力,滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。精度是最高的和最常用的机械传动。使物体运动,通常需要将一个体育大国,直接或间接通过其他机构传递到最终运动部。选择好的滚珠丝杠副，数据中就有其相关的螺母安装尺寸，为后面的选择螺母座打下了基础。2.2.2 丝杠全长的确定丝杠的全长包括螺纹长度、螺母安装尺寸、行程起点离固定端支承距离、支撑端的轴承座尺寸、联轴器的尺寸。所以在这设计中要确定好多尺寸，并且要详细的计算和验算，详细步骤见第四章。其中介绍下其中相关部件及名词。轴承座：滚珠丝杠专用轴承座一般装配于滚珠丝杠的两端，它可以提供支持滚珠螺杆的旋转运动,滚珠螺杆。除了

19、用于滚珠螺杆,也可以用于其他类型的螺丝, 如梯形螺杆、等;需要支持旋转运动,或其他场合,如花键、光轴,等。根据他们的目的,特别滚珠丝杆轴承可分为固定端(EK 系列、BK 系列、fk 系列和 WBK 系列), 支持结束(EF 系列,BF 系列、FF 系列),两大类。固定端,以确保滚珠螺杆旋转时不能产生轴向引导、支持结束游泳滚珠螺杆旋转支持和补偿由于温度上升的螺旋轴向伸缩变化的各种因素。滚珠丝杆如果设计成两端固定,采用两端固定端轴承的座位。因为这个设计是高速立式加工中心,保证稳定,所以只能选择固定两端。联轴器：LZ 型弹性柱销齿式联轴器。结构性能：两个半联轴节凸缘的外套的内缘制成半径相同的半元形凹

20、槽，组合成柱销孔，以嵌入柱销。主动轴半联轴节通过柱销，带动外套， 外套通过柱销带动从动轴半联轴节转动，以传递扭距，工作温度20+70，联轴器的轴孔和键槽型式及尺寸，标记方法符合 GB/T3852-1997， 联轴器轴孔和联结型式及尺寸的规定，不适于噪声要求从严控制部位。可以使用胀紧联结套(锁紧盘)联。2.2.3 其他部件的设计直线导轨：直线导轨,也称为线轨、滑轨,直线导轨,直线滑轨,用于直线往复运动情况下,更高的额定负载,比直线轴承能承受一定转矩的同时,能够实现的条件下高负载和高精密直线运动。根据直线导轨在大陆、台湾通常被称为线性导轨, 线性滑轨。分为广场滚珠直线导轨,双轴核心滚柱直线导轨,单

21、轴直线导轨。直线导轨运动的作用是用来支持和引导运动部件,根据给定的方向做往复直线运动。取决于根据摩擦的性质,直线运动导轨可分为滑动摩擦导轨摩擦、滚动摩擦导轨、弹性导轨,流体摩擦导轨类型,等等。直线轴承主要用于自动化机械、德国进口机器,折弯机,激光焊接机,等等。线性轴承和直轴,当然是配套使用的,就像直线导轨主要用于精度较高机械结构的。工作台：机床工作台分为开槽工作台，焊接工作台，镗铣床工作台等。其他部件包括滚珠丝杠导轨 GGB35BAL，工作台，底座等。T 型槽平板的详细说明：1. 耐潮，耐腐蚀、不用涂油、不生锈、不褪色。2. 温度系数最低，基本不受温度影响。3. 几乎不用保养，能迅速容易地清洁

22、/擦拭，精度稳定性好。4. 一律是最坚硬的面。5. 光滑的“轴承”面，不着土，耐磨，无磁性。T 型槽平台精度参照各先进国家标准，平面度公差依JB/T79751999 标准。机床工作台用途：主要用于机床加工工作平面使用，上面有孔和 T 型槽用来固定工件，和清理加工时产生的铁屑。按 JB/T7974-99 标准制造，产品制成筋板式和箱体式，工作面采用刮研工艺，工作面上可加工 V 形、T 型、U 型槽和圆孔、长孔。机床工作台材质：高强度铸铁 HT200-300 工作面硬度为 HB170-240，经过两次人工处理（人工退火 600 度-700 度和自然时效 2-3 年）使用该产品 的精度稳定，耐磨性能

23、好。机床底座：底座铸件具有良好的机械和物理性能,它可以有多种不同的强度、韧性和硬度与综合性能,还可以有一个或多个特殊性能,如耐磨、耐高温和耐低温性、耐蚀性,等。铸造机床底座的重量和尺寸范围很广,只有几克的重量轻,最重的可达 400 吨,最薄壁厚度只有 0.5 毫米,厚度可以超过 1 米,长度可以由几毫米到几米,可以满足不同行业的使用要求。机床底座铸件质量:主要包括外观质量、内在质量和使用质量。外观质量指的是铸造表面粗糙度、表面缺陷、尺寸偏差、偏差的形状、重量偏差;内在质量主要是指化学成分、物理性能、机械性能铸件的组织和存在于铸件内部孔、裂纹、夹杂物、偏析等。使用质量指的是铸造耐力在不同条件下工

24、作的能力,包括耐磨、耐腐蚀、耐激冷引起发烧、疲劳、减震性能,降低阻力,可焊性等过程性能。其中在选择材料的时候要注意，最好的材料当属大理石，但是大理石经济昂贵，不是特殊的机床不会使用的，剩下的最好的要算是铸件了，可是铸件有铸钢和铸铁的，所以要选择合适的材料，经查阅相关资料，最终选择了铸铁的。因为机床一用就会用几十年的，所以要选择那些不易变形的，因为机床底座变形了会严重的影响机床的精度，从而严重的影响了生产出来的产品质量。现在我们在铸钢和铸铁中选择一下，分析一下，铸铁的变形率明显比铸钢小，而且铸铁时间越久形状越稳定，而铸钢几十年后估计机床放都放不平了，所以机床大部分用的还是铸铁底座，因此我们设计时

25、选择的也是铸铁的底座。第三章 横向进给机构的设计3.1 V-6 参数和已知条件3.1.1 行程Y 轴行程-400mm3.1.2 工作台工作台尺寸 700x420mm 最大负重 300kgTT型槽数 3型沟尺寸 18mmT型槽（宽 x 槽数 x 间距） 183125mm3.1.3 主轴主轴转速（标准） 10000rpm主轴转速（特殊） 1200015000rpm 主轴马力 5.5kw主轴端规格 BT403.1.4 进给Y=48m/minY 轴切削进给 1-10000mm/min3.1.5 快速换刀T-T:1.8 秒3.2 已知条件工 作 台 重 量=125.54KG=1255.4N1500N （

26、 材 料 选 择 HT200）, 工件及夹具最大重量=3500N ，工作台最大行程，工作台导轨的摩擦系数为 u=0.1 ， 快速进给速度，定位精度为 20um/300mm,全行程 25um, 重复定位精度为 10um， 要求寿命为 20000 小时（两班制工作十年）。3.3 滚珠丝杠副的发展传统机床的进给系统采用的传动部件是滑动丝杠螺母副，这种传动装置在低速非重载场合使用时有较强的实用性，但随着制造业技术的迅猛发展，高速、高精度自动加工在越来越多的领域被广泛要求，但传统机床以及一度很成熟的传统机床技术难以达到要求，对新一代机床技术的研究被寄予迫切要求，在那样的历史环境下，出现了一大批新技术、新

27、发明，伺服电机、滚珠丝杠螺母副、数控系统等技术的出现，标志着人类制造加工业迈上了新的里程，其中滚珠丝杠螺母副的发明为机床迈向高速、高精度路线打下了基础。3.4 滚珠丝杠螺母副的选型计算已知条件：V-6 高速高精度零件加工中心工作台承载的工件及相关夹具最大重量为,加工中心自重；工作台横向最大行程：; 快速进给速度;定位精度为 20um/300mm;重复定位精度为 10um;工作台导轨的摩擦系数为 u=0.1;3.4.1 切削力计算式中： ：铣刀切向铣削力，N：主轴电机功率 ,kW（3.1）（3.2）：机床主传动系统传动功率V：切削速度,m/min d：铣刀直径 ，mm n：主轴转速，r/min已

28、知：=5.5KW, =0.8铣刀切向铣削力与工作台载荷,和有一定的经验比值，见表 3-1，只要求出，即可求出工作台载荷,和。表 3-1工作台载荷与切向铣削力的经验比值铣削条件比值不对称逆铣端铣/0.60 0.900.450.50工况 1 取 n=500r/min代入公式 3.1 和 3.2 得 V=3.14m/min,=140N根据表 3-1取/=0.7/ =0.6/ =0.55 代入得=981(N)=841(N)=771(N)工况 2 取 n=1000 r/min代入公式 3.1 和 3.2 得 V=6.28m/min,=700N根据表 3-1取/=0.7/ =0.6/ =0.55 代入得=

29、490(N)=420(N)=385(N)工况 3 取 n=4000 r/min代入公式 3.1 和 3.2 得 V=25.1m/min,=110N根据表 3-1取/=0.7/ =0.6/ =0.55 代入得=77(N)=66(N)=60.5(N)工况 4 取 n=10000 r/min代入公式 3.1 和 3.2 得 V=62.8m/min,=70N根据表 3-1取/=0.7/ =0.6/ =0.55 代入得=49(N)=42(N)=38.5(N)3.4.2 滚珠丝杠螺母副选型表 3-2 工作台切削力、进给速度和时间比例工作方式纵向切削力（N）垂直切削力(N)进给速度（m/min）时间百分比工

30、况 1841771120工况 2420385320工况 36660.5530工况 44238.5825快速进给00485确定滚珠丝杠导程(mm)（3.3）式中：:丝杠副最大移动速度（mm/min）:丝杠副最大移动速度（r/min）由表得：V=48m/min,假设电机工作转速 n=2000r/min 代入得:=24mm查机械设计手册表 12-1-15，取=25mm3.4.3 确定当量荷载（1） 各种运动方式下，丝杠转速=（r/min）（3.4）由表 3-2 知：=1（m/min）=3（m/min）=5（m/min）=8（m/min）=48（m/min）代入得： =40（r/min）=120（r/

31、min） =200 =320（r/min） =2400（r/min）（2） 各种工作方式下，丝杠轴向荷载(3.5)由以上计算知：(i=1,2,3,4,5)分别为 841N，420N，66N，42N，0 (i=1,2,3,4,5)分别为 771N，385N，60.5N，38.5N，0(i=1,2,3,4,5)分别为 981N，490N，77N，49N，51N 已知：=150KG=1500N,=3500N(i=1,2,3,4,5)分别为 2200N，1265N，480N，425N，490N（3） 当量荷载计算式中：，：轴向变载荷，N，：对应，时的转速，（r/min），：对应，时的时间，（h）将对应

32、的数据代入得820N3.4.4 当量转速=将对应的数据代入上式得：=292（r/min）3.4.5 额定动载荷计算 式中：精度系数：可靠性系数 ：载荷性质系数：预期工作寿命查机械设计手册表 12-1-15 至表 12-1-37 取=1.0， =0.53，=1.2已知=2000h(3.6)(3.7)(3.8)代入数据得=12KN=式中：预期载荷系数：最大轴向荷载，N查机械设计手册表 12-1-15,取=4.5=2200N=99000N=9.9KN选和中较大者为预期值得=12KN3.4.6 按精度要求确定允许的滚珠丝杠最小螺纹底径 （1） 一般情况下，影响滚珠丝杠死区间隙的因素，按其影响程度的不同

33、，由大到小排列的顺序依次 a滚珠丝杠本身的拉压刚度；b支承轴承的轴向刚度； c滚珠丝杠副中的滚珠与滚道的接触刚度； d折合到滚珠丝杠副上的伺服系统的刚度； e联轴器的刚度； f滚珠丝杠副的扭转刚度； g螺母座和轴承座的刚度滚珠丝杠副传动系统的刚度 K 可按照下列的公式进行计算其中前三项最重要，而占比重的（）规定滚珠丝杠副的许可最大轴向变形（ ）重复定位精度代入数据得0.0015mm影响定位精度最主要因素是滚珠丝杠副的精度，其次是滚珠丝杠本身的拉压弹性形变。滚珠丝杠副摩擦力矩的改变也会对滚珠丝杠的定位产生影响。一般的估算方法是=（ ）定位精度算得=0.00125mm取两种计算中的最小值=0.00

34、125mm=1.23（2） 估算滚珠丝杠的底径 d2 m选择滚珠丝杠副的安装方式为两端固定方式d2m 10= 0.039(3.9)式中：F0 :导轨静摩擦力（N）L:滚珠螺母至滚珠丝杠固定端支承的最大距离（mm） L 行程+安全行程+余程+螺母长度的一半+支撑长度一半 (1.05 1.1)行程+ (10 14)Ph代入公式d2m= 0.039= 31mm3.4.7 确定滚珠丝杠副的规格代号（1） 选内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠副（2） 由计算的，在样本中取相应规格的滚珠丝杠副初步选型 DCM4020-2.5滚珠丝杠副的导程根据传动方式及使用情况，按照可以确定的滚珠螺母型式。按估算出的、可在样本

35、中查出滚珠丝杠对应当底径，额定动载荷要注意，但不宜过大。接着确定公称直径，循环圈数，滚珠螺母的规格代号及有关的安装连接尺寸。3.4.8 对预紧滚珠丝杠副确定其预紧力 Fp当选择预紧力螺母形式的滚珠丝杠副时序确定预紧力 Fp ，当最大轴向工作载荷能确定时F = 1 F= 1 2200 = 733N(3.10)p3 max33.4.9 对预拉伸的滚珠丝杠副计算行程补偿值 C 和预拉伸力 FtV-6 高速高精度零件加工中心的滚珠丝杠安装方式选择两端固定支承，需要对滚珠丝杠副进行预拉伸，规定目标行程补偿值为 C ，预拉伸力计算如下式中：C形成补偿值（um ）Dt 温度变化值（ 2 5 ）a滚珠丝杠的线

36、膨胀系数（11.810-6 / 度）Lu 滚珠丝杠副的有效行程（mm） Lu (8 14)Ph + 行程= 12 25 + 400 = 568mmC = 11.810-6 4 568 = 26.8umpd 22Ft =a Dt 2m E = 1.95Dtd2m4式中： Ft : 滚珠丝杠的螺纹底径（mm）F:杨氏弹性模量 2.110-6 （N/ mm2 ）Dt :温度变化值（ 2 5 ）d2m :滚珠丝杠螺纹底径（mm）代入数据得 Ft = 1.95 5 31 = 9369N23.5 轴承座的选择3.5.1 确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号规格（1） 轴承所承受的最大的轴向载荷FB max =

37、Ft + Fmax = 9369 + 2200 = 11569 N(3.11)（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） 轴承内径轴承内径 d 略小于滚珠丝杠底径=32.3（mm）FBP =FB max取 d=30（mm）代入得 FBP = 3856N（4） 轴向预紧力轴承预紧力预加负载（5） 按样本选择轴承型号:FAGA7603040TVP3.6 螺母座的选择根据选择滚珠丝杠 DCM 30252.5 可查阅相关尺寸图 3-2 螺母座表 3-2 螺母座尺寸3.7 滚珠丝杠副工作图设计滚珠丝杠副的螺纹长度 Ls = Lu + 2Le式中：Le ：余程查表得 Le

38、=100mmLu = 行程+螺母长度=400+104=504mmLs = Lu + 2Le = 704mm两端固定轴承距离 744mm,:行程起点离固定端支承距离为 20mm 滚珠丝杠全长为 980mm3.8 电机的选择伺服电机现在是工业生产中的一个重要工具,通常我们都是根据一些相关计算选择模型,但这种方法比较麻烦,所以我们可以用另一种方法,这是一个新的选择原则是独立的电动机和负载特性,和示意图的形式,检查的可行性表示方法使驱动器和不同的系统之间的比较更方便,此外,还提供了一个可能的传动比范围。这种方法的优点:适用于各种负载条件下,单一的负载和电机驱动的特点;每个参数的力量是可用的图形形式,适

39、合各种各样的运动。因此,不再需要使用大量的类比检查电机驱动特定的负载。电机和负载之间的比率将会改变电动机提供了电力负荷参数。大的传动比, 例如,可以减少外部力矩电动机运行的影响,而且,出于同样的输出运动,电机将更高的转速,产生更大的加速度,因此需要大惯性力矩电机。选择一个合适的比例可以平衡相反的两个方面。通常,应用程序有以下两种方式找到 n 的比例,将减少电动机任务和协调得很好。人从电动机的最大速度小于电动机本身的最大速度, 最高速度;二是,汽车在任何时间小于标准力矩电机额定转矩 M 级。3.8.1 力矩的计算（1） ） 在已知切削的条件下， V-6 立式高速铣削加工中心 Y 轴的轴向载荷Fa

40、 = Fmax = 2200N ,其中伺服电机每转一周，加工中心工作台在轴向移动的距离Ph = 25mm = 0.025m ，进给系统的总效率h= 0.9 。外加载荷产生的毛擦力矩TF （N m ）0T = Fa Ph 10-3F2pm（3.12）代入数据得：T = 2200 25 = 9.73N mF2p 0.9滚珠丝杠副预加载荷产生的预紧力矩TP (N m)F P 1-h-3-3TP = Ph 2ph210（3.13）=F P P h 1 - h - 3 - 3 =()代入数据得： T P2 ph 2100 . 684Nm式中： Ph ：滚珠丝杠副导程h：未预紧的滚珠丝杠副效率，1,2,3

41、，级精度的丝杠h= 0.9 ；4 级精度的丝杠h= 0.85（2） 计算负载转动惯量a.V-6 高速高精度零件加工中心工作台最大负载 w1 = 300kg , 工作台自重w2 = 200kg,伺服电机每转一圈，工作台在轴向移动的距离为 25mm。 P 2 0.025 2J = m h = 500 = 0.0079kg m2L 2p 2 3.14 b. 滚珠丝杠转动惯量滚珠丝杠转动惯量 Jr 的计算prlD4J r= 032= 3.14 7.8103 0.95 0.04432= 0.0045kg m2c. 联轴器转动惯量 J0 的J0 =0代入数据得 J = 0.000134 kg m2mD21

42、068（3.14）d. 电机的总转动惯量lr0总J= J + J + J = 0.0079 + 0.0045 + 0.000134 = 0.012534kg m2由以上计算可初步选定伺服机，选择松下交流伺服电机 MDMA252P1G电主要技术参数：最大转速nmax :3000r/min 最大转矩Tmax :35.5 N mm转自惯量 J :0.00192 kg m2额定转矩Te :11.8 N m机械时间常数:5.76ms伺服电机空载启动时，折算到电机轴上的加速力矩Ta max= J总hmax = 30.45N m 9.6t(3.15)Tr = Tu + Tf + Ta max = 1.77

43、+ 30.45 + 0.684 = 32.9N m(3.16)Tm = Tc + Tu + Tf= 9.73 +1.77 + 0.684 = 12.18N m(3.17)其中，松下 MDMA252P1G 伺服电机各项参数符合设计要求。3.9 滚珠丝杠校核确定3.9.1 滚珠丝杠的抗压刚度（1） 滚珠丝杠最小抗压刚度d22ka min = 6.6 2 10L1(3.18)式中: ka min ：最小抗压刚度 N/ mmd2 ：丝杠底径 mm 为 32.3mmL1 ：固定支承距离 mm 为 734mmd22ka min = 6.6 2 10L1=941N/mm（2） 丝杠最大抗压刚度d 2 L2k

44、a max = 6.6 ( 2 1)10(3.19)式中： ka max ：最大抗压刚度4L0L1 - L2L1 ：固定支承距离 mm 为 734mmL0 ：行程起点离固定端距离 20mm32.273422 ka max = 6.6 4 20(734 - 21)10= 8848N / mm3.9.2 支承轴承组合刚度（1） 一对预紧轴承的组合刚度KBO= 2 2.343 dQ2Fa maxsin5 b(3.20)式中： KBO ：一对预紧轴承的刚度 N/mmdQ ：滚珠直径 mm 为 11mm Z：滚珠数 13 个Fa max ：最大轴向工作载荷 N 为 8848N（允许是 1694N）b：轴

45、承接触角KBO = 2 2.343 1113 8848 sin5 60 = 398N / mm（2） 支承轴承组合刚度两端固定： Kb = 2KBOKb = 2 398 = 796N / mm表 3-3 支承轴承组合刚度关系一端固定一段支承Kb = KBO两端支承预紧 Kb = KBO未预紧 Kb = Ka一段支承一端游动固定端预紧 Kb = KBO两端固定固定端预紧 Kb = 2KBO（3） 滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度 FP 1Kc = Kc 0.1C式中： Kc ：查样本的刚度为 1017N/ mm 3a c(3.21)Kc ：滚珠和滚道的接触刚度 N/mFP ：丝杠副预紧力 N 为

46、F= 1 FP3a max= 440NCa :额定动载荷 N 为 12000N 代入求得： Kc = 730N3.9.3 刚度验算及精度选择1Kmin=1Ka min+ 1 + 1KbKc(3.22)代入数据求得：1Kmin= 1mm2701=1+ 1 + 1(3.23)代入数据求得：1Kmax= 1Ka maxKbKcKmax440已知： w1 = 300N ,m0 = 0.2, F0 = 600NF0 :静摩擦力 Nm0 ：静摩擦系数w1 ：正压力 N（1） 验算传动系统刚度Kmin =1.6F0反向差值(3.9.7)式中: Kmin :传动系统刚度 N/m已知反向差值或者重复定位精度为

47、10 mmKmin = 48N / mKmin = 397 48（2） 传动系统变化引起的定位误差sk= 0.22mm（3） 确定精度V300p ：任意 300mm 内的行程变动量对半闭环系统而言V300p 0.8 ,定位精度为 20mmV300 p 15.78（4） 确定滚珠丝杠副的规格代号已知确定型号：DCM4025-2.5 公称直径d0 ：40mm导 程 Ph ：25mm 螺纹长度：704mm丝杠全长：704+40+38+144+54=980mm其中 54mm 为联轴器长度的一半图 4-3LZ 型弹性柱销齿式联轴器P 级为 3 级精度所以滚珠丝杠的的规格代号为 FFZD4006-3-P3

48、/8005443.9.4 验算临界压缩载荷丝杠所受 最大轴向载荷 Fmax 小于丝杠预拉伸力 F 不用验算3.9.5 验算临界转速式中： nc :临界转速 r/minnc = fd2 107cL2(3.24)f：与支撑轴相关系数21.9d2 :丝杠底径 32.3mmcL ：临界转速计算长度970-136=834mm2所以： n = 21.9 32.3 107 = 10169 n= 10000r / mmc3.9.6 Dn 值得验算Dn = Dpw nmax8422max式中： Dpw ：滚珠丝杠副的节圆直径 mm 为 44mmnmax ：滚珠丝杠副最高转速 r/minDpw = 44mm, n

49、max = 5000r / min所以： Dn = 220000第四章 导轨及机座设计4.1 导轨的设计和选型（1） 基本静额定负荷 基本静额定负荷 的定义直线导轨在静态或者太多的负载下,或有很大的冲击载荷,会导致珠接触面积和钢球产生永久变形,当永久变形超过一定限制,妨碍直线导轨。基本的静态额定负载允许永久变形极限载荷。根据定义:在加载的方向和大小相同的状况,最大应力在接触表面,表面的钢铁球和珠子的永久变形钢球直径是一万分之一的静载荷。基本静态额定负载值列在每个维度表中,用户可以选择合适的参考直线导轨形式,但必须注意选择在直线导轨的操作不得超过最大静载荷的基本静态额定负载。（2） 容许静力矩的

50、定义当滑块中受到最大应力的钢珠达到上述定义静额定负荷时，此时滑块所承受之力矩为静额定力矩。 在直线导轨运动中是以这三个方向来定义：图 5-1 导轨运动三个方向（3） 静安全系数当直线导轨用慢动作或驱动频率不高,静态安全系数的条件下应考虑。根据不同的使用条件下,必须考虑不同的静态负荷计算的安全系数,特别是当冲击载荷的导轨,需要使用一个更大的安全系数。4.2 基本动额定负荷基本动态负载评级的定义 C:基本动态负载评级直线导轨的负载,使生活滚动计算。其定义方向的荷载作用下,相同大小的条件下,直线导轨的指定生活了50 公里,最大负载,这个值是详细的规格尺寸表中,这样用户就可以估计价值选择预先指定的直线

51、导轨的生活。4.3 工作负荷（1）作用于滚动导轨副的载荷计算 0 上层工作台的载荷约重w = 5000N动导轨的长度l0= 200mm俩导轨纵向中心距l1 = 350mm动导轨的宽度l2 = 60mm两动导轨横向中心距l3 = 500 mmP = w + w l 2 - w l3 (4.1)c142l02l1P = w - w l 2 - w l3 (4.2)c 242l02l1P = w - w l 2 + w l3 (4.3)c342l02l1P = w + w l 2 + w l3 (4.4)c 442l02l1代入数据得： Pc1 = -1570N , Pc 2 = -3070N ,

52、Pc3 = 4070N , Pc 4 = 5570N载荷成分段变化，其计算载荷 Pc ：Pc =(4.5)式中： Pn ：对应行程内的载荷ln ：分段行程L：全程量等于ln代入数据得：（2滚动直线导轨副的额定寿命）额定寿命的计算 f f f fC 3L = 50 htca (4.6)式中：L：额定寿命C：额定动载荷Pc ：计算载荷fwPc ft ：温度系数取 1.0fa ：精度系数取 1.0f w ：载荷系数取 1.5fh ：硬度系数取 1.0寿命时间的计算当行程长度时间一定，以小时为单位的额定寿命L 103Lh = 2nl 60式中：l：行程长度 mmL：额定寿命 n：每分钟往复次数n =

53、v =l48800 10-360次/ 分一般情况下。滚动直线导轨副预期寿命取 2000 小时，则：L = 2nl 60 Lh10-3 = 2 60 0.8 60 20 103 10-3 = 115.2km f f f fC 3由： L = 50 htca fwPc Lfw Pc得： C = 3 50fa ft fc fh取ft = 1.0, fc = 0.81, fa = 1.0, fw = 1.5, fh = 1.0代入数据得： C = 1.46kN图 4-1 直线滚动导轨主视图图 4-2 直线滚动导轨俯视图图 4-3 直线滚动导轨左视图查阅台湾 HIWIN 公司直线导轨选型样本表，根据计算

54、结果易知该公司HGH35CA 型号四方形直线滚动导轨副符合设计要求。4.4 机座的设计V-6 高速高精度加工中心的整机总质量上占有很大的比例， 虽然机座在加工过程中承担具体的加工任务，但机座在很大程度上影响着整台机器的工作精度和抗振性能；正确选择机座的材料和正确设计机座的结构形式和尺寸，是减小机器质量、节约金属材料、提高工作精度、增强机器刚度和耐磨性的重要途径。根据 V-6 高速高精度零件加工中心的外形尺寸，查阅机械设计手册，确定V-6 高速加工中心的机座的外轮廓为四方台形，外轮廓的基本尺寸为：长：1330mm； 宽：1020mm； 高：560mm箱体厚度为：15mm； 箱体内侧分布加强筋板筋

55、板厚度 15mm；机座使用材料：HT150； 机座加工工艺：铸造。图 4-4 机座左视图图 4-5 机座主视图图 4-5 机座俯视图第五章 总结与展望5.1 总结V-6 高速高精度零件加工中心横向进给机构的设计工作在经历了重重困难后终于完成了，经过这次设计任务的历练，关于 V-6 高速高精度零件加工中心的工作原理及整体结构我有了前所未有的清晰了解。并且掌握了机械设计的一般过程及方法。虽然这次设计的过程经历了很长时间，但由于初次接触机械设计， 暴露出自己在专业知识以及经验方面还存在很多不足。1）.在滚珠丝杠的选型计算、刚度强度校核、精度校核方面通过查阅机械设计手册，初步了解了滚珠丝杠副选型计算的

56、过程和一般步骤，经过第一轮的选型计算后，发现很多数据不知道怎么确定，例如丝杠的螺纹长度和丝杠总长，起初不带着这个问题去查阅了很多相关文献，才知道在确定丝杠总长之前，必须根据滚珠螺母的长度、工作台横向有效导程、以及丝杠余程三个数据对丝杠的螺纹长度进行确定，然后根据固定支承端支承座的宽度以及丝杠与联轴器的连接长度等数据计算丝杠总长。经过确定在第二轮计算里，终于解决了这个问题。最终顺利确定了滚珠丝杠副的型号和相关尺寸数据。2）.在为工作台选择导轨时，起初不知道滑动导轨、滚动导轨的区别，后来通过查阅两种导轨的特点，初步确定在 V-6 高速加工中心的横向进给机构中应选择直线滚动导轨作为工作台的支承组件，但市面上滚动导轨的型号有那么多，到底该怎样找到合适的型号又让我犯了难。但这次在选择导轨时，显然没有了选择滚珠丝杠副的那种茫然的感觉，经过对滚珠丝杠副的选型，我基本知道了大致的选型步骤，于是，跟着这点方向感，我很快找到了对导轨进行选型计算得方法，导轨的选型计算进行得比较顺利。3）. V-6 高速加工中心机座的设计被放在整个设计任务的最后， 是因为机座的设计与大二进行的减速器箱体设计有着一脉相承的联系。同时由于时间的紧迫， 机座的设计略显仓促，只是在相应文献的指引下结合 V-6 高速加工中