目 錄 摘 要 . I Abstract . II 第一章 緒 論 . - 1 - 1.1 數控技術與數控機床 . - 1 - 1.2 數控機床的特點及發展趨式 . - 1 - 1.3 數控銑床與其進給系統 . - 3 - 1.4 總體設計方案的擬定 . - 3 - 第二章 機床橫向進給系統機械部分計算與設計 . - 5 - 2.1 脈沖當量的選擇與切削力的計算 . - 5 - 2.2 滾珠絲桿螺母副的計算和選型 . - 6 - 2.3 伺服電機的選擇 . - 12 - 2.4 導軌的設計及滾珠絲杠螺母副間隙消除和預緊 . - 15 - 2.5 聯軸器的選用 . - 16 - 第三章 三維實體造型設計及圖紙生成 . - 17 - 3.1 工具軟件 UG 的介紹 . - 17 - 3.2 造型過程 . - 17 - 3.3 二維圖紙的生成 . - 20 - 第四章 零件的數控加工及程序編制 . - 21 - 4.1 數控工藝分析和加工 路線的確定 . - 21 - 4.2 數控機床的選型 . - 21 - 4.3 定位基準、裝夾方案和對刀點 . - 21 - 4.4 選擇刀具 . - 22 - 4.5 確定切削用量 . - 22 - 4.6 數控程序 . - 23 - 結 論 . - 26 - 參考文獻 . - 27 - 致謝 . - 28 - I 數控銑床（ 320mm） Y 軸進給系統三維設計及加工 專 業： 學 號： 學生姓名： 指導教師： 摘 要 近年來，我國經濟飛速發展，既促進和帶動了制造業的發展，也 使其遇到了嚴峻的挑戰，迫切地需要改造傳統的加工制造模式。這其中很重要的一條就是使用更高速、更精確、更可靠的數控機床來代替普通的人工機床。本文就是在這樣的背景下，借助先進的 CAX 軟件 UG NX 5.0，通過對其他數控機床的分析與觀察，根據實際要求，分析、設計數控銑床（ 320mm）橫向進給系統。特別值的一提的是，本文摒棄了傳統的二維設計方法，利用 UG 進行三維參數化造型設計，直接生成工程圖紙和加式代碼，這對于縮短設計周期，提高設計質量和產品的加工生產效率有著重要的意義。 關鍵詞 ：數控銑床；進給系統；加工 II Three-dimensional Design And Manufacturing Of Feed Machanism In NC Mill Machine Tool Abstract These years,the economy of China is developing very fast which pushes the manufacturing industry to a new step as well as bringing great challenge,making it necessary to refresh the traditional mode of manufacture.Using numerical control(NC) machine tool in stead of ordinary machine tool is one of the important ways to reach our goals,as the fomer is faster,more accurate and more relliable.On the background of this,thanks to the powerfull three-dimensional CAX software,it is very convenient to analyse,design and produce,compared of the traditional two-dimensional method.In this paper,after careful studying of the other NC machine tools,based on pratical requriment which has been provided by our teacher,we have designed the feed mechanism(Y-oritation) of mill NC machine tool(320mm).One of the things that Im eager to share with you is what a wonder to use UG in the process of design and shaping.With the help of UG, we can produc the engineering deawing and code for production immediently after three dimensional modeling which is a great help to the production.All in all , we can design a better machine in a shorte time. Keyword:NC Mill Machine Tool；Feed System；Manufacturing - 1 - 第一章 緒 論 1.1 數控技術與數控機床 數控技術是現代制造技術的基礎。它綜合了計算機技術、自動控制技術、自動檢測技術和精密機械等高新技術，因此廣泛應用于機械制造業。數控機床替代普通機床，從而使得制造業發生了根本性的變化，并帶來了巨大的經濟效益。 目前，數控技術已被世界各國列為優先發展的關鍵工業技術，成為國際間科技競爭的重點。數控技術的應用將機械制造與微電子、計算機、信息處理、現代控制理論、檢測技術以及光電磁等多種學科技術融為一體，使制造業成為知識、技術密集的大學科范疇內的現代制造業，成為國民經濟的基礎工 業。 數控技術是當今柔性自動化和智能自動化的技術基礎之一，它使傳統制造工藝發生了顯著的、本質的變化。隨著數控技術的不斷發展和應用，工藝方法和制造系統的不斷更新，形成了 CAD、 CAM、 CAPP、 CAT、 FMS 等一系列具有劃時代意義的新技術、 新工藝的制造系統。 在國際貿易中，很多發達國家把數控機床視為具有高技術附加值、高利潤主要電機出口產品。世界貿易強國在進行國內機電產品貿易的同時，把高技術的機電產品出口打入國際市場，作為發展出口經濟的重要戰略措施，數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。數控銑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。 1.2 數控機床的特點及發展趨式 隨著科學技術的發展，制造技術的進步，以及社會對產品質量和品種多樣化的要求越來越強烈。中、小批量生產的比例明星增加，要求現代數控機床成為一種精密、高效、復合、集成功能和低成本的自動化加工設備。同時，為滿足制造業向更高層次發展，為柔性制造單元、柔性制造系統，以及計算機集成制造系統提供基礎設備，也要求數控機床向更高水平發。 世界數控機床產業發展的基 本共識是朝著高速高效化、精密化、復合化、智能化、信息化、環保化和設計模塊化的方向發展。 高速高效化 高速和超高速加工技術可以提高加工效率，也是加工難削材料、提高加工精度、控制振動的重要保障。其技術關鍵是提高機床的主軸轉速和進給速度。比如進一步提高高速電主軸最高轉速及功率、扭矩，采用傳感技術進行振動監測和診斷，進一步輕量化進給系統，采用直線電機和力矩電機的直接驅動方式，由刀具 - 2 - 主軸部件實現機床的 3 個直線坐標運動等。 精密化 由于機床結構和各組件加工的精密化，機床達到微米級精度已不是問題。目前高檔數控機床定位精度 （全行程）已達 0.004 0.006mm，重復定位精度 0.0020.003mm。同時，代表精度水平的超精密的納米級機床已開始不斷涌現。 復合化 在零部件一體化程度不斷提高、數量不斷減少的同時，加工的產品形狀日益復雜，多軸化控制的機床適合加工形狀復雜的工件。另一方面，產品周期的縮短要求加工機床能夠隨時調整和適應新的變化，滿足各種各樣產品的加工需求，這就要求 1 臺機床能夠處理以往需要幾臺機床處理的工序。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程復合在一臺機床上，以減少占地面積，減少零件傳 送和庫存，保證加工精度和節能降耗的要求。 智能化 現代智能化數控機床可以根據切削條件的變化，自動調節工作參數，保持最佳工作狀態，得到較高的加工精度和較低的表面粗糙度值，同時也能提高刀具的使用壽命和設備的生產效率。此外，系統還可以隨時對 CNC 系統本身以及與其相連的各種設備進行自診斷、檢查，實現故障停機、故障報警、提示發生故障的部位、原因等。智能化現代數控機床的發展趨勢是采用人工智能專家診斷系統。 信息化 利用計算機技術和網絡通信技術，機床制造商可以建立機床遠程技術支持體系，實現工況信息的傳輸、存儲、查詢和顯示 ，以及遠程智能診斷。基于網絡連接，機床用戶可以及時獲得機床制造商的遠程技術支持，機床制造商可準確有效地得到用戶方的機床工況資料數據，進行機床狀態的網上在線診斷，實現機床全生產周期服務的開放式網絡監控服務，可以提高售后服務效率，并有助于及時改進產品的質量。 環保化 環保是機床產品必須達到的條件。通過干切削、準干切削、硬切削等措施避免冷卻液、潤滑液對周圍環境造成生態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環保化要求。 設計模塊化 模塊化的設計在機床制造中已應用得爐火純青，橫向系列，縱向系列 ，全系列，跨系列的模塊化設計使得同樣兩臺機床，外形上看，好象完全一樣，但功能則完全不同，所構成的模塊很多則是通用的。模塊化設計將是貫穿產品設計全過 - 3 - 程的一條主線，無論是機床技術發展的潮流還是市場競爭的要求，無論是降低成本的需要，還是提高產品質量的需要，都要求在產品的開發設計中，切實做好模塊化的設計工作。產品生產向社會協作、專業化方向發展，小而全的模式將被淘汰。 1.3 數控銑床與其進給系統 數控銑床可以人為立式、臥式和立臥兩用式數控銑床，各類銑床配置的數控系統不同，其功能也不盡相同，主要有點位控制功能、連續輪 廓控制功能、刀具半徑自動補償功能、刀具長度自動補償功能、鏡像加工功能、固定循環功能和特殊功能。具備自適應功能的數控銑床可以在加工過程中把感受到的切削狀況（如切削力、溫度等）的變化，通過適應性控制系統及時控制機床改變切削用量，使銑床及刀具始終保持最佳狀態，從而可獲得較高的切削效率和加工質量，延長刀具使用壽命。數控銑床在配置了數據采集系統后，就具備了數據采集功能。目前已出現既對實物掃描采集數據，又能對采集到的數據進行自動處理生成數控加工程序的系統，這些為進行設計制造一體化工作提供了手段。 數控機床的進給系統是數 控裝置與機床本體的傳動環節，其作用是接收數控裝置發出的進給速度和位移指令信號，由伺服驅動電路作轉換和放大后，經伺服驅動裝置（直流、交流伺服電機，功率步進電機，電液馬達等）和機械傳動機構，驅動機床的工作臺、主軸頭架等執行部件實現工作進給和快速運動。它能根據指令信號精確的控制執行部件的運動速度與位置，以及幾個執行部件按一定規律運動所合成的運動軌跡。 數控銑床進給伺服系統由伺服驅動電路、伺服驅動裝置、機械傳動機構及執行部件組成。伺服系統按使用的驅動裝置分類可分為電液伺服系統和電氣伺服系統；按使用直流伺服電機或交流 伺服電機分類可分為直流伺服系統和交流伺服系統；按反饋比較方式分類可分為脈沖數字比較伺服系統、相位比較伺服系統、幅值比較伺服系統及全數字伺服系統；按有無位置檢測和反饋可以分為開環伺服系統、閉環伺服系統和半閉環伺服系統。伺服進給系統的基本要求是高精度、快的響應速度、寬的調速范圍、低速時的大轉矩。 1.4 總體設計方案的擬定 一、系統運動方式的確定 數控系統按運動方式可分為點位控制系統、點位直線控制系統和連續控制系統。本次設計的機床要求具有定位、直線插補、順、逆圓弧插補、暫停、循環加工、公英制螺紋加工等功能，故應 選擇連續控制系統。 - 4 - 二、控制方式的選擇 伺服系統可分為開環控制系統、半閉環控制系統和閉環控制系統。 開環控制系統中，沒有檢測反饋裝置，數控裝置發出的信號的流向是單向的，也正是由于信號的單向流程，它對機床移動部件的實際位置不作檢測，所以機床的加工精度要求不太高，其精度主要取決于伺服系統的性能，開環伺服系統主要由步進電機驅動。這類機床工作比較穩定，反應迅速，調試和維修比較簡單。目前經濟型數控機床普遍采用開環伺服系統。 半閉環控制系統中，對工作臺的實際位置不進行檢查測量，而是是通過與伺服電機有聯系的的測量元件，如 測速發電機或光電編碼盤等間接檢測伺服電機的轉角，推算出工作臺的實際位置，有此值與指令值進行比較，用差值來實現控制。這種控制方式介于開環與閉環之間，精度沒有閉環高，調式卻比閉環方便。 閉環控制系統有機床移動部件上的檢測反饋裝置，在加工時刻檢測機床移動部件的位置，使之和數控裝置所要求的位置相符合，以期達到很高的加工精度。閉環系統多采用直流伺服電動機或交流電機驅動。這類機床的優點是精度最高的，速度快，但是調試和維修比較復雜，其關鍵是系統的穩定性，所以在設計時應對其穩定性給予足夠重視。 本次設計的機床精度要求高，但 考慮到經濟及調試等問題，選用半閉環型的控制系統。 三、機械傳動方式 目前數控銑床的縱向和橫向多采用伺服電機， 進給系統的機械傳動鏈采用滾珠絲杠、靜壓絲杠和無間隙齒輪副等，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，以減少摩擦系數，提高進給機構的整體剛度。滾珠絲杠與電機間用聯軸器直接連接，以消除間隙。 - 5 - 第二章 機床橫向進給系統機械部分計算與設計 主要參數如下： 工作臺面積 (長寬 ) 900 320 mm 工作臺左右行程 (X 向 ) 630 mm 工作臺前后行程 (Y 向 ) 400 mm 主軸上、下行程 (Z 向 ) 500 mm 工作臺最大承重 600 kg 主軸端面至工作臺面距離 125-625 mm 刀具最大尺寸 100 250 mm 刀具 最大重量 6 kg 主軸最高轉速 8000 rpm 進給速度 5-5000 mm/min 快速移動速度 15000 mm/min 主電機功率 7.5kw 主軸最大輸出 扭矩 94 N.m 定位精度 JB/T8772.4-1998 X:0.01mm ， Y、 Z： 0.01mm 全程 進給電機扭矩 8 N.m 起動加速時間（ ms）： 30 2.1 脈沖當量的選擇與切削力的計算 一選擇脈沖當量 根據機床精度要求確定脈沖當量： 橫向： 0.01mm/step 二計算切削力 切削功率為 KNNC 試中 N-主電動機功率， 7.5KW -主傳動系統總效率，一般為 0.60.7，取為 0.6 K-進給系統功率系數，取 0.96 根據上述公式可得：CN=4.32KW。又因為CN= ZF V/6120,V 為切削線速度，取 100mm/min，所以主切削力為 ZF =2.59KN。 - 6 - 通常：縱向切削分力縱F=（ 0.60.9) ZF 垂直切削分力垂F=（ 0.450.7） ZF 橫向切削分力橫F=（ 0.50.55） ZF 取 縱F=0.6 ZF =1.55KN 垂F=0.45 ZF =1.165KN 橫F=0.5 ZF =1.265KN 2.2 滾珠絲桿螺母副的計算和選型 1、計算進給軸向力 Fm(N) 絲杠上的工作載荷 Fm是指滾珠絲鋼負載驅動工作臺時滾珠絲鋼所承受 的軸向力，也叫進給牽引力。它包括三個力：滾珠絲桿的走刀抗力、工件的重力、作用在導軌上的其他切削分力相關的摩擦力。矩形導軌的工作載荷 Fm 的計算公式為： )2( GFFfKFFm 縱垂橫 式中 K 考慮顛覆力矩影響的實驗系數，矩形滑動導軌取 K=1.4； f 滑動導軌摩擦系數：貼塑導軌為 0.03-0.05，取 0.03； G 工作臺、夾具和刀具的重量， G=600 9.8=5880N。 則 NFm k93.1)88.555.121 6 5.1(03.02 6 5.14.1 2、動載強度計算 當轉速 10 / minnr 時，滾珠絲杠螺母的主要破壞形式是工作表面的疲勞點蝕，因此要進行動載強度計算，其計算動載荷 Q 應小于或等于滾珠絲桿螺母副的額定動負荷，即 Q=ap3KK FmL 式中 pK 載荷性質系數，本式中去pK=1.5； Ka 精度影響系數，本式中取 Ka =1； L 滾珠絲桿工作壽命，以 610 r 為 1 個單位； 本次設計中，電機與絲桿通過聯軸器直接相連，減速比 i=1，工作臺的最高 - 7 - 進給速度達到 5m/min，選用絲桿導程為 6mm 的絲桿，絲桿的最高轉速為1500r/min，工作臺的最小進給速度為 5mm/min，故絲桿的最低轉速為 0.5r/min，可取為 0，則平均轉速 n=（ 1500+0） /2=750r/min。故絲桿的工作壽命為 L=61060nT =610150075060 =675 式中 T 絲桿使用壽命，按設計機床要求取 T=15000h； n 絲桿轉速； 代入上式得 Q=ap3KK FmL = 1 19305.16753 =25395N 3、靜強度計算 當轉速 10 / minnr 時，滾珠絲杠螺母的主要破壞形式為滾珠接觸面上產生較大的塑性變形，影響正常工作。因此，應進行靜強度計算，最大計算靜載荷0Q為 max0Q FfS 式中 maxF 滾珠絲桿的最大軸向負載； Sf 靜態安全系數，當為一般運轉時，Sf=1-2，Sf=2-3，本式中Sf=2.5； 則，上式為max0Q Ff S=2.51930=4825N 根據計算額定動負載荷和額定靜負荷初選滾珠絲杠副型號為 4506LW1 型一列 2.5 圈外循環螺紋預緊滾珠絲桿副。 其名義直徑為 45mm，導程 6mm，滾珠直徑 3.969mm。額定動負荷 16758N，額定靜負荷orF=63994N。動載荷與靜載荷載均滿足要求選定精度為 1 級。 4、滾珠絲桿支承選擇 滾珠絲杠的支承形式有四種：（ 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，一般用于數控機床的調節環節或升降臺式數控銑床的立向坐標中；（ 2）一端固定，一端簡支，此種可用于絲桿較長的情況；（ 3）兩端固定，這種安裝方式適用于承載能力大，高速，高剛度，高精度的機床。 從剛度計算可 以看出，絲桿的支撐方式對絲桿的剛度影響很大。而采用兩端固定的支承方式，壓桿的穩定性和臨界轉速高，絲杠的軸向剛度為一端固定的 4倍，絲杠可以預拉伸，預拉伸后可減小絲杠自重下垂和補償熱膨脹且軸承組合的 - 8 - 剛度高。 本傳動系統的絲桿采用兩端固定的結構形式。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。 5、壓桿穩定性 細長桿在受壓縮載荷時，不會發生失穩的最大壓縮載荷為臨界載荷erF。 erF=3.424211010Ldf(N) wDdd 2.102 （ m） 式中 0d 絲桿公稱直徑， m； wD 滾珠直徑， m； L 絲桿最大受壓長度， m； 1f 絲桿支承方式系數（當一端固定，一端自由時， 1f =0.25；當一 端固定，一端游動時， 1f =2.0；兩端固定時， 1f =4.0）。 代入數據得 wDdd 2.102 =45-4.0 3.969=29.124mm erF=3.424211010Ldf=3.4241094.0 029124.0410 =61600(N) 臨界載荷erF與工作載荷 Fm 之比稱為穩定性安全系數kn，當k n= merFF kn,則壓桿穩定， kn為許用穩定性安全系數，一般 kn=2.5-4； 此時kn= 3.4019626 1 6 0 0mer FF kn 則此絲桿穩定。 6、臨界轉速校核 對于高速長絲杠有可能發生共振，需要算其臨界轉速，不會發生共振的最高轉速為臨界轉速 ( / min).cnr - 9 - 22229910ccfdnL 201 .2 wd d D 式中 Lc 臨界轉速計算長度 ,取 0.4m； 絲杠支撐方式系數。 （當一端固定，一端自由時， 2f =1.875；當一端固定，一端游動時， 2f =3.927；兩端固定時， 2f =4.730）。 wDdd 2.102 =45-1.2 3.969=40.2372mm m i n/140774.00402372.0499109910n 222c rLdfc 遠遠大于其最大速度，故臨界轉速滿足。 7、額定壽命的校核 滾珠絲杠的額定動載荷 16758Ca ，已知其軸向載荷 1930NFm ，滾珠絲杠的轉 速 min/r675n ，運轉條件系數 5.1fw ，則有 r10304105.11930 1 6 7 5 810fL 66363wma ）（）（ F C h1 7 2 5 06 7 560 103 0 4n60L 6k L 滾珠絲杠螺母副的總工作壽命 h1500017250L k ，故滿足要求。 預緊力pF=aC/4=16758/4=4190N。符合要求。 8、 傳動效率的計算 絲杠螺母副的傳動效率為 = )tan(tan v v 式中 摩擦角 =10 摩擦角 v = 34 2f - 10 - =)tan(tan v v =)0134tan(34tan =0.960 滾珠絲杠的傳動效率高，這可使絲杠副的溫度變化較小，對減小熱變形，提高剛度、強度都起了很大作用。 滾珠絲杠基本尺寸 滾珠絲杠副主要尺寸列表 9、傳動系統剛度及精度驗算 絲桿的導程誤差、伺服系統誤差、絲桿軸承的軸向跳動誤差和在載荷作用下各機械作用下各機械環節彈性環節變形引起的誤差是影響系統精度的因素。 主要尺寸 計算公式 計算結果 公稱直徑 0d 45 基本導程 0L 6 接觸角 34 鋼球直徑 bd 3.969 滾道法面半徑 R R=0.52 bd 2.06 螺紋升角 00darctg L 302 偏心距 e e=(R- 2/db )sin 0.005 螺桿外徑 d d= 0d -（ 0.20.25） bd 44.1 螺桿內徑 1d d1 =d0 +2e-2R 43.22 螺桿接觸直徑 xd xd = 1d - bd cos 39.2 螺母螺紋直徑 D D= 0d -2e+2R 49.11 螺母內徑 1D 1D = 0d +（ 0.20.25） bd 45.89 - 11 - （ 1）傳動系統綜合剛度計算 由滾珠絲桿本身的抗壓剛度tminK、支承軸承的軸向剛度baK、滾珠絲桿副中滾珠與滾道的接觸剛度CK、折算到滾珠絲桿副上伺服系統剛度RK、折算到滾珠絲桿副上聯軸節的剛度 1K 、滾珠絲桿副的抗扭剛度 kK 、螺母座、軸承座的剛度hK 形成的綜合剛度 K 為： hk1Rcbat m i n11111111KKKKKKKK 一般在校核計算中，折算到滾珠絲桿副上聯軸節的剛度、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。則上式可簡化為： cbatm in1111KKKK （ 1.1）滾珠絲桿本身的抗 壓剛度tminK 已知工作臺的橫向行程為 400mm，當螺母移動到離定位點最遠位置時，距離為最遠，最大距離為 734mm=0.734m。則絲桿拉壓剛度為 61126m a x216m a xt m i n 10734.0410204322.0104d10 LELAEK =399（ N/ m ） 式中 1d 絲桿底徑 E 絲桿材料鋼的彈性慣量， E= 。a102 2 GP （ 1.2）絲桿軸承的軸向剛度 單排推力球軸承 51307 的預加載荷0F=3102N，軸向外載荷為導軌摩擦力fF =fG=0.03 600 9.8=176N,故軸向載荷為預加載荷與軸向外載荷之和，即aF=0F + fF=3102+176=3278(N)。 絲桿軸承軸向載荷剛 度可按下式求得，即 3 23 2 17144.7350644.344.3 ZdFK aba =505（ N/ m ） （ 1.3）滾珠絲桿螺母的接觸剛度cK 查絲桿螺母樣本手冊得 - 12 - cK=2300（ N/ m ） 則傳動系統總和剛度 K 為 cbatm in1111KKKK=23 00150 5139 911=174（ N/ m ） （ 2）彈性變形量 數控銑床的定位精度是在不切削空載條件下檢驗的。故軸向載荷僅為導軌的摩擦力 fF 。本設計中的摩擦力 fF =206N,故因 fF 引起的彈性變形量為 )(11 8 52 0 6 mKF f （ 3）定位誤差驗算 本設計中滾珠絲桿在任意 300mm 內的導程誤差300V為 6 m ，加彈性變形量 =1 m ，即 6+1=7 m 。再加上某些次要因素，將不會超過要求的定位公差，能滿足定位精度 0.01 的設計要求。 2.3 伺服電機的選擇 伺服電機的選用，應考慮三個要求：最大切削負債轉矩，不得超過電機的額定轉矩，電機的轉子慣量 MJ 應與負載慣量 rJ 相匹配（匹配條件可根據伺服電機樣本提供的匹配條件，也可以按照一般的匹配規律）；快速移動時，轉矩不得超過伺服電機的最大轉矩。 （ 1） 最大切削負載轉矩計算 所選伺服電機的額定轉矩應大于最大切削負載轉矩。最大切削負載轉矩 T可根據下式計算，即 T=(2max hPF+ POT + foT )i= 9.02 006.01930 +2.4+0.23=2.85（ mN ) 其 中 ， 從 前 面 的 計 算 已 知 最 大 進 給 力maxF=1930N ， 絲 桿 導 程hP =10mm=0.006m，預緊力 PF =3120N ，查絲桿樣本，滾珠絲桿螺母副的機械效率 =0.9。因滾珠絲桿預加載荷引起的附加摩擦力矩 - 13 - POT=8.29P hPF= 3120 0.01/29.8=1.87( mN ) 查單個軸承的摩擦力矩為 0.115 mN ，故一對 軸承的摩擦力矩POT=0.23 mN 。伺服電機與絲桿直連其傳動比 i=1。 （ 2） 負載慣量計算 伺服電動機的轉子慣量 MJ 應與負載慣量 rJ 相匹配。負載慣量可按以下次序計算。 工件、夾具與工作臺折算導電機軸上的慣量 1J ： 22h21 2 01.0006n2 nmwv ）（）（）（ PmJ 0.00152( 2mkg ) 絲桿加在電機軸上的慣量 2J 絲桿名義直徑0D=45mm，長度 l=600m，絲桿材料鋼的密度 =7.8 33 m/kg10 。根據下列計算，絲桿加在電機軸上的慣量 2J 為 43402 0 4 5.06.0108.7321321 LDJ 0.0024( 2mkg ) 聯軸器加上鎖緊螺母等的轉動慣量3J可直接查手冊得到 3J=0.001 2mkg 則負載及 機械傳動裝置總的轉動慣量為： 2321r 0 0 4 9 2.0001.00024.00 0 1 5 2.0 mkgJJJJ 按照小型數控機床慣量匹配條件， 4/1 r JJM ，所選伺服電機的轉子慣量 MJ應在 0.006050.0242 2mkg 范圍之內。 根據上述計算可初步選定伺服電機。選用直流伺服電機，可選北京數控設備廠的 FB-14 型直 流伺服電機，其額定轉矩為 16.8N m，大于最大切削負載轉矩M=2.8N m；轉子慣量 MJ =0.016 2mkg ，滿足匹配要求。 FB-14 型直流伺服電機的主要技術參數如下。 最高轉 速 n ： 1500r/min 。 - 14 - 額定轉矩eT： 16.8N m 。 最大轉矩maxT： 154N m 。 轉子慣量 MJ ： 0.016 2mkg 。 反電動勢系數eK： 0.583 rad/s V 。 轉矩系數tK： 0.57N m/A。 電驅直流電阻 26.0m：R 。 （ 3）空載加速轉矩計算 當執行件從靜止以階躍指令加速導最大移動（快速移動）時，所需的空載加速轉矩aT為 aT=act6.9Jn 空載加速時，主要克服的是慣性。總慣量 MJJJ r0.00605+0.019=0.025（ N m） 則 aT= 0 4 5 6.06.9 1 5 0 00 2 5.0t6.9 acJn86 （ N m） 空載加速轉矩aT不允許超過伺服電機的最大輸出轉矩maxT。由此可見，FB-14 型直流伺服電機的maxT=154N m aT=86N m，滿足設計要求。 （ 4）伺服系統增益 通常取系統增益SK為 825.對輪廓控制的數控銑床可取較大值。如取SK=20 1s 。伺服系統的時間常數at=1/SK=1/20s=0.05s。根據aT=act6.9Jn 。如選用FB-14 型直流伺服電機，執行件（工作臺）達到的最大加速度為 82.92 01.0025.0 1542m a x hPJTa(m/ 2s ) 伺服系統要求達到的最大加速度發生在系統處于時間常數at內，執行件的速度從 -maxv增加導 +maxv時 - 15 - ）（ 2m a xm a x s/m1030 201530 SKVa 顯然，maxaa，因而按照加速能力選擇SK=20 1s 是合適的。如maxa遠小于a，可適當增大SK值以提高系統的性能。 2.4 導軌的設計及滾珠絲杠螺母副間隙消除和預緊 一、導軌的設計 銑床上的直線運動部件都是沿著它的床身、立柱、橫梁、等支承件上的導軌進行運動的，導軌的作用概括地說就是對運動部件起導向和支承作用，導 軌的制造精度及精度保持性對機床加工精度有著重要的影響。導軌主要由機床上兩個相對運動部件的配合面組成一對導軌副，其中不動的配合面成為支承（固定）導軌，運動的配合面成為運動導軌。 滑動導軌具有結構簡單、制造方便、接觸剛度大等優點。但傳統滑動導軌摩擦阻力大，磨損快，動、靜摩擦系數差別大，低速時易產生爬行現象。目前已不采用傳統滑動導軌，而是采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動導軌和新型塑料滑動導軌，且已廣泛用于數控機床上，其摩擦因數小，且動、靜摩擦因數差很小，能防止低速爬行現象，耐磨性強等特點。塑料導軌多與鑄鐵導軌或淬硬 鋼導軌相配使用。 二、滾珠絲杠螺母副間隙消除和預緊 滾珠絲杠副是回轉運動與直線運動相互轉換的一種新型傳動裝置，在數控銑床上得到了廣泛的應用。 滾珠絲杠在軸向載荷作用下，滾珠和螺紋滾道接觸區會產生嚴重接觸變形，接觸剛度與接觸表面預緊力成正比。如果滾珠絲杠螺母副間存在間隙，接觸剛度較小；當滾珠絲杠反向旋轉時，螺母不會立即反向，存在死區，影響絲杠的傳動精度。為了保證滾珠絲杠反向傳動精度和軸向精度，必須消除滾珠絲杠螺母副軸向間隙。消除間隙的方法常采用雙螺母結構，利用兩個螺母的相對軸向位移，使兩個滾珠螺母中的滾珠分別 貼緊在螺紋滾道的兩個相反的側面上，用這種方法預緊消除軸向間隙時，應注意預緊力不宜過大。預緊力過大會使空載力矩增加，從而減低傳動效率，縮短使用壽命。 通過調整兩個螺母之間的軸向位置，使兩個螺母的滾珠在承受載荷之前，分別與絲杠的兩個不同的側面接觸，產生一定的預緊力，以達到提高軸向剛度的目的。 - 16 - 調整預緊有多種方式，上圖所示的為螺紋調隙式結構，用鍵限制螺母在螺母座內的轉動。調整時，擰動圓螺母將螺母沿軸向移動一定距離，在消除間隙之后用另一圓螺母將其鎖緊。這種調整方法的結構簡單緊湊，調整方便，但調整較差。 2.5 聯軸器的選用 凸緣聯軸器是把兩個帶有凸緣的半聯軸器有鍵分別與兩軸聯接，然后有螺栓把兩個半聯軸器聯成一體，以傳遞運動和轉矩。這種聯軸器有兩種主要的結構形式。一種是普通的凸緣聯軸器，通常是靠鉸制孔用螺栓來實現現軸對中；另一種是有對中榫的凸緣聯軸器，靠一人半聯軸器上的凸肩與另一個半聯軸器睥凹緣相配合而對中。 凸緣聯軸器結構簡單、成本低、可傳遞較大的轉矩，對于轉速不高、無沖擊、軸的剛性大、對中性好時常采用，本設計選用有對中榫的凸緣聯軸器。 - 17 - 第三章 三維實體造型設計及圖紙生成 3.1 工具軟件 UG 的介紹 EDS 公司的 Unigraphics NX 是一個產品工程解決方案，它為用戶的產品設計及加工提供了數字化造型和驗證手段。 Unigraphics NX 針對用戶的虛擬產品設計和工藝設計的需求，提供了經過實踐驗證的解決方案。Unigraphics NX 為設計師和工程師提供了一個產品開發的嶄新模式 ，它不僅對幾何的操縱，更重要的是團隊將能夠根據工程需求進行產品開發 。 Unigraphics NX 能夠有效地捕捉、利用和共享數字化工程完整過程中的知識，事實證明為企業帶來了戰略性的收益。 來自 UGS PLM 的 NX 使企 業能夠通過新一代數字化產品開發系統實現向產品全生命周期管理轉型的目標。 NX 包含了企業中應用最廣泛的集成應用套件，用于產品設計、工程和制造全范圍的開發過程。 如今制造業所面臨的挑戰是，通過產品開發的技術創新，在持續的成本縮減以及收入和利潤的逐漸增加的要求之間取得平衡。為了真正地支持革新，必須評審更多的可選設計方案，而且在開發過程中必須根據以往經驗中所獲得的知識更早地做出關鍵性的決策。 NX 是 UGS PLM 新一代數字化產品開發系統，它可以通過過程變更來驅動產品革新。 NX 獨特之處是其知識管理基礎，它 使得工程專業人員能夠推動革新以創造出更大的利潤。 NX 可以管理生產和系統性能知識，根據已知準則來確認每一設計決策。 NX 建立在為客戶提供無與倫比的解決方案的成功經驗基礎之上，這些解決方案可以全面地改善設計過程的效率，削減成本，并縮短進入市場的時間。通過再一次將注意力集中于跨越整個產品生命周期的技術創新， NX 的成功已經得到了充分的證實。這些目標使得 NX 通過無可匹敵的全范圍產品檢驗應用和過程自動化工具，把產品制造早期的從概念到生產的過程都集成到一個實現數字化管理和協同的框架中 3.2 造型過程 本次 設計中的三維造型全部采用 UGNX5.0,主要是對電機外形、聯軸器、軸承、軸承座、絲桿、絲桿螺母、底座以及一些標準件的造型設計。 1、 底座的設計 - 18 - 底座是整個進給機構的支撐部件，尺寸為 806 270 165mm，上表面用作導軌，里面的凸臺用于和軸承座配合，端面用于安裝電機，毛壞鑄造，有配合的面應進行機加工。 2、絲桿的設計 絲桿是將電機的旋轉運動轉化為工作臺的直線運動，是一個重要的部件，此絲桿的公稱直徑為 45mm，長 605mm,兩端用深溝球軸承和推力球軸承固定，分別承受徑向力和軸向力。 2、 軸承的設計 本設計采用了深溝球軸承 6307 和推力球軸承 51307 來固定絲桿。 - 19 - 4、聯軸器的設計 聯軸器是將電機軸和絲桿連接起來的零件，本設計采用的是標準的凸緣聯軸器， GB/T5843-2003。 - 20 - 3.3 二維圖紙的生成 本次設計中最后得到的裝配圖及零件圖，都是在各零件建模以后，在 UG 中從建模環境轉入制圖環境，完成三維到二維的轉換過程，然后轉入 ATUOCAD中進行修改，最后定型為符合國家標準的圖紙。 - 21 - 第四章 零件的數 控加工及程序編制 4.1 數控工藝分析和加工路線的確定 當選擇并決定某個零件進行數控加工后，必須對零件圖進行仔細工藝分析，選擇哪些最合適，最需要進行數控加工的內容和工序。 在選擇并作出決定時。應結合車間的實際，立足于解決難題，攻克關鍵和提高生產效率，充分發揮數控加工的優勢。 數控加工的工藝性問題，主要是指從數控加工的可能性與方便性兩個角度提出一些必須分析和審查的內容。根據數控加工的特點，要求保證定位基準的可靠性；數控加工工序與普通工序的銜接。接下去便可著手數控工序的設計，確定走刀路線和安排工步順序，為編程作 準備，包括零件圖紙中的標注方法保持設計工藝，檢測基準與編程原點設置的一致性。 4.2 數控機床的選型 在選擇數控機床時，應注意以下幾點： （ 1）所選擇的機床應能滿足零件的加工的精度要求。 （ 2）所選擇的數控機床的數控系統應能滿足加工要求。 （ 3）所選用的數控機床的數控系統應能滿足零件的需要。 （ 4）所選用數控機床的回轉刀架或刀庫的容量應足夠大，刀具數量能滿足加工要求。 （ 5）噪聲和造型。 4.3 定位基準、裝夾方案和對刀點 當確定了在某臺數控機床上加工某個零件以后，就應該根據零件圖確定零件在機床上的定位裝夾方 法。 數控機床對夾具提出了兩個基本要求：一是保證夾具在機床上定好方向；另 個是協調零件和機床坐標系的尺寸關系。為保證裝夾迅速方便，多采用氣動、液壓夾具以減少數控機床的停機時間。 為了確定夾具在機床工作臺上的位置，以及零件在夾具上或機床上的位置，就要有定位基礎。定位基礎應盡量與設計基礎一致，以減少定位誤差對尺寸精度的影響。 對刀點是指在數控機床上用刀具加工零件時，刀具相對零件運動的起始點，程序就是從這一點開始的，所以對刀點也可以叫做程序原點。可以選擇刀具上的某一點作為對刀點，也可以選擇零件外某一點。 - 22 - 對刀點應 選擇在對刀方便的地方，在采用相對坐標系的數控機床中，對刀點可選在零件孔的中心上，夾具上的專用對刀孔或垂真平面的交線上。在采用絕對坐標系的數控機床中，對刀點可選在機床坐標系或原點為確定值的點上。 4.4 選擇刀具 數控機床所選擇的刀具就滿足安裝調整方便，剛性好，精度高，耐用度高。 與普通機床相比，數控加工對刀具的選擇要嚴格的多，它常常是專用的，編程時，常需預先規定好刀具的結構尺寸和調整尺寸，尤其是自動換刀數控機床、在刀具安裝到機床上之前，應根據編程時確定的參數，在機床外的調整中調到所需尺寸 對一般的經濟型數控 機床，現在大多數配有四刀位自動轉位刀架，則各種刀架上的布置亦有嚴格的布置要求，應按加工程序，選擇好所需的刀具，畫出刀具布置圖。 4.5 確定切削用量 數控加工中切削用量應根據加工技術要求、刀具耐用度、切削條件等加以確定，采用查表法，在缺乏數控加工切削用量表格的情況下，亦可參照普通加工切削用量表格確定。 1、主軸轉速 主軸轉速 n 就根據允許的切削用量來選取。 自動換刀數控機床往往主軸或刀庫上裝刀花費的時間比較多，所以確定切削用量要保證刀具能加工完一個零件或保證刀具耐用度不低于一個工作班，到少不低于半個工作班。 2、切削深度 切削深度 t 主要根據機床，刀具和工件的剛性來確定的。在剛性良好的情況下，應盡可能使加工表面的加工余量，以便減少走刀次數，提高加工效率，當加工精度和表面粗糙度要求高時，可以留一點什么是，最后光一刀，機訂的精加余量可較普通機床的精加工余量小一點。 3、 進給速度或進給量 進給速度是數控機床切削用量中的一個重要參數，通常根據加工速度各表面粗糙度要求選取。當要求較高時，進給速度應取得小一點。 - 23 - 4.6 數控程序 本文加工底座 % N0010 G40 G17 G90 G70 N0020 G91 G28 Z0.0 :0030 T00 M06 N0040 G0 G90 X861.7 Y80.2279 S0 M03 N0050 G43 Z175. H00 N0060 Z26. N0070 G1 Y57.8356 Z20. F250. M08 N0080 X858.7 N0090 X831.977 Y25. N0100 G0 Z24.2426 N0110 X834.655 Y28.2906 N0120 Z175. N0130 X861.7 Y113.0636 N0140 Z26. N0150 G1 Y90.6713 Z20. N0160 X858.7 N0170 X805.254 Y25. N0180 G0 X819.7429 Y28.8823 N0190 Z23. N0200 Z175. N0210 X861.7 Y138.1008 N0220 Z26. N0230 G1 Y142. Z24.9552 N0240 Y123.5069 Z20. N0250 X858.7 N0260 X778.531 Y25. N0270 G0 X754. N0280 Z23. - 24 - N0290 Z175. N0300 X856.8063 Y121.1801 N0310 Z23. N0320 G1 Z20. N0330 X858.7 Y123.5069 N0340 Y145. N0350 X849.469 N0360 X769.3 Y46.4931 N0370 G0 X759.8317 Y34.859 N0380 X754. N0390 Z23. N0400 Z175. N0410 X847.5753 Y142.6732 N0420 Z23. N0430 G1 Z20. N0440 X849.469 Y145. N0450 X822.746 N0460 X769.3 Y79.3287 N0470 G0 X759.8317 Y67