【机械毕业设计】MK1332数控外圆磨床工作台结构设计【含全套CAD图纸和WORD说明书】

摘 要

随着制造业的迅速发展，传统的加工设备已无法承担加工高精度、复杂型面零件的要求，数控机床良好的加工精度和数控系统可满足此要求。而国外的数控机床比较昂贵，其价格要比国内高50%~60%，结合市场调研和毕业设计的实际，进行磨床工作台结构设计。针对数控磨床工作台存在的爬行、颤振现象，进给滚珠丝杠刚性低问题，确定了采用滚珠丝杠带动工作台，滚珠丝杠和电动机之间采用同步齿形带联接，工作台导轨贴塑，从而改善了润滑条件，同时也起到减振作用，MK1332数控外圆磨床的爬行、颤振现象得到有效解决，提高了零件加工质量；丝杠采用两端固定支承，滚动轴承背靠背组配，刚性可提高一倍。位置检测装置采用高分辨率的脉冲编码器，通过半闭环控制测量工作台的直线位移。工作台型面采用平面形式，减少工作台的质量、转动惯量，使系统有更快的响应特性。本机床对提高加工质量和效率、缩短产品开发周期有积极的意义。

关键词 数控磨床 工作台 滚珠丝杠 贴塑导轨

I

Abstract

Along with the rapid development of the manufacturing sector, the traditional processing equipment has been unable to undertake the processing precision, complex parts of the surface, NC Machine good precision and CNC machining systems can meet this requirement. Abroad CNC machine tools more expensive than domestic prices high 50% ~ 60%. combine market research and graduate of the actual design, structural design workstations Grinder. CNC Grinder against the crawling stage, flutter, feed rigid low-ball screw, determine the use of ball screw driven workstations, ball screw and motor uses

synchronous belt link Guide laminating workstations, thereby improving the lubrication conditions, but also play a role in damping, MK1332 CNC Cylindrical Grinder crawl, flutter

phenomenon to be an effective solution to improve the quality of the parts processing; Screw using both fixed supports, Rolling back-up, rigid be doubled. Position detection device using high-resolution pulse encoder, through half-closed loop control workstations measurement of linear displacement. Workstations using planar surface forms, reducing the quality of workstations, moment of inertia, allowing the system to have a faster response. The processing machine to improve quality and efficiency, shorten the product development cycle has a positive meaning.

Keywords CNC Grinder Worktable Ball Screws

Laminating Guide

II

目 录

摘 要 ............................................................................................. I Abstract ........................................................................................ II

第1章 绪论 .................................................................................. 1 1.1 数控加工技术 ......................................................................... 1 1.1.1 数控机床的产生和发展 .................................................... 2 1.1.2 数控机床的发展趋势 ....................................................... 2 1.2 数控机床的优点 ..................................................................... 4 1.2.1 数控机床的优点 ............................................................. 4 1.2.2 数控机床加工零件的特点 .............................................. 5 1.3 设计参数和方案确定 .............................................................. 6 1.3.1 机床主要技术参数 ........................................................... 6 1.3.2 MK1332数控外圆磨床设计参数 .......................................... 6 1.3.3 MK1332数控外圆磨床加工产品的主要精度 .................... 7 1.3.4 设计方案的确定 ............................................................. 7 第2章 数控机床的组成和分类 ....................................................... 9 2.1 数控机床的组成 .................................................................... 9 2.2 数控机床的分类 .................................................................... 9 2.2.1 按工艺用途分类 ........................................................... 10 2.2.2 按控制运动方式分类 ................................................... 10 2.2.3 按伺服系统的类型分类 ................................................ 11 2.2.4 按照功能水平分类 ....................................................... 11 第3章 进给系统设计 .................................................................... 13 3.1 工作台机构传动设计 .......................................................... 13 3.2 滚珠丝杠螺母副 .................................................................. 14 3.2.1 工作原理与特点 ........................................................... 15 3.2.2 滚珠丝杠螺母副的循环方式 ......................................... 16 3.2.3 滚珠丝杠副的轴向间隙消除和预加载荷 ....................... 16

3.3 滚珠丝杠副的精度 .............................................................. 16 3.3.1 滚珠丝杠当量动载荷的计算 ......................................... 16 3.3.2 滚珠丝杠的选取和极限转速的计算 .............................. 19 3.3.3 滚珠丝杠副效率计算 ................................................... 22 3.3.4 滚珠丝杠副刚度验算 ................................................... 22 第4章 滚珠丝杠的支承 .............................................................. 24 4.1 轴端支承形式的选择 ............................................................ 24 4.1.1滚珠丝杠轴端支承形式的选择 ........................................ 24 4.1.2 滚珠丝杠对轴承的要求 .................................................. 25 4.1.3 轴承的组配方式 ............................................................ 25 4.2 轴承预紧力 .......................................................................... 26 4.2.1 轴承应适当的预紧，适当的预紧有助于提高轴承的工作能力............................................................................................. 26 4.2.2 预紧与发热 .................................................................... 27 4.3 滚珠丝杠的联接 .................................................................. 30 4.3.1 同步齿形带的计算 ......................................................... 31 第5章 电动机的选择和惯量匹配计算 ......................................... 37 5.1 最大静态切削负载转矩的计算 .............................................. 37 5.2 惯量匹配计算 ....................................................................... 38 5.3 最大空载加速转矩的计算 ..................................................... 41 5.4 系统增益设计 ....................................................................... 43 第6章 导轨的选择与工作台型面的确定 ....................................... 45 6.1 导轨的选择 ......................................................................... 45 6.1.1 导轨的分类 .................................................................... 45 6.1.2 导轨的间隙调整机构 ..................................................... 48 6.1.3 贴塑导轨设计 ................................................................ 49 6.2 工作台型面的确定 ............................................................... 51 第7章 机床定位精度验算 ............................................................. 53

结论 ............................................................................................ 606

致谢 .............................................................................................. 57 参考文献 ....................................................................................... 58 附录1 ............................................................................................ 60 附录2 ............................................................................................ 66

第1章 绪论

随着科学技术的飞速发展和经济竞争的日趋激烈，产品更新速度越来越快，复杂形式的零件越来越多，精度要求越来越高，多品种、中小批量生产的比重明显增加。激烈的市场竞争使产品研制生产周期越来越短。传统的加工设备和制造方法已难于适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件的高效高质量加工要求。汽车、拖拉机与家用电器等行业的产品零件，为了解决高产优质的问题，多采用专用的工艺装备、专用自动化机床或专用的自动生产线和自动化车间进行生产。但是应用这些专用生产设备，生产准备周期长，产品改型不易，因而使新产品的开发周期增长。在机械产品中，单件与小批量产品占到70%~80%，这类产品一般都采用通用机床加工，当产品改变时，机床与工艺装备均需作相应的变换和调整。通用机床的自动化程度不高，基本上由人工操作，难于提高生产效率和保证产品质量，特别是一些由曲线、曲面轮廓组成的复杂零件，只能借助靠模和仿形机床，或者借助划线和样板用手工操作的方法来加工，加工精度和生产效率受到很大的限制。数控机床就是为了解决单件、小批量、特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而产生的，它为单件、小批生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段。

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1.1 数控加工技术

科学技术的发展以及世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求；超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的数控系统、伺服性能、主轴驱动、机床结构等提出了更高的性能指标；FMS的迅速发展和CIMS的不断成熟，将对数控机床的可靠性、通信功能、人工智能和自适应控制等技术提出更高的要求。随着微电子和计算机技术的发展，数控系统的性能日臻完善，数控技术的应用领域日益扩大。当今数控机床正在不断采用最新技术成就，朝着高速化、高精度化、多功能化、智能化、

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模块化、系统化和高可靠性等方向发展。

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1.1.1 数控机床的产生和发展

数控机床是在机械制造技术和控制技术的基础上发展起来的。1948年，美国帕森斯公司在研制加工直升机叶片轮廓检验样板的机床时，首先提出了应用电子计算机控制机床来加工样板曲线的设想。后来受美国空军委托，帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构研究所合作进行研制工作。1952年试制成功世界上第一台三坐标立式铣床。后来，又经过改进并开展自动编程技术的研究，数控机床于1955年进入实用阶段，这对于加工复杂曲面的发展起了重要作用。

我国从1958年开始研制数控机床，在研制与推广使用数控机床方面取得了一定成绩。近年来，由于引进了国外的数控系统与伺服系统的制造技术，使我国数控机床在品种、数量和质量方面得到了迅速的发展。目前，我国已有几十家机床厂能够生产不同类型的数控机床和加工中心。目前，在数控技术领域中，我国和先进的工业国家之间还存在着不小的差距，但这种差距正在缩小。随着工厂、企业技术改造的深入开展，各行各业对数控机床的需求量将会有大幅度的增长，这将有力促进我国数控机床的发展。

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1.1.2 数控机床的发展趋势

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1. 高精度化

现代科学技术的发展、新材料及新零件的出现，对精密加工技术不断提出新的要求，提高加工精度，发展新型超精密加工机床，完善精密加工技术，适应现代科技的发展，已经成为数控机床的发展方向之一。其精度已从微米级到亚微米级，乃至纳米级。

2.高速化

提高生产率是数控机床追求的基本目标之一。数控机床高速化

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可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率，降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度，对制造业实现高效、优质、低成本生产具有广泛的实用性。

3.高柔性化

采用柔性自动化设备或系统，是提高加工精度和效率，缩短生产周期，适应市场变化需求和提高竞争力的有效手段。

4.高自动化

高自动化是指全部加工过程中尽量减少人的介入而自动完成规定的任务，它包括物料流和信息流的自动化。

5.智能化

随着人工智能在计算机领域的不断渗透与发展，为适应制造业生产柔性化、自动化发展需要，智能化正成为数控机床及发展的热点，它不仅贯穿在生产加工的全过程，还贯穿在产品的售后服务和维修中。

6.复合化

复合化包含工序复合化和功能复合化。数控机床的发展已模糊了粗、精加工工序的概念。加工中心的出现，又把车、铣、镗等工序集中到一台机床来完成，打破了传统的工序界限和分开加工的工艺规程，可最大限度地提高设备利用率。

7.高可靠性

数控机床的可靠性一直是用户最关心的。数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数量，提高可靠性。

8.网络化

为了适应FMC、FMS以及进一步联网组成CIMS的要求，先进的CNC系统为用户提供了强大的联网功能，除有RS232串行接口、RS422等接口外，还带有远程缓冲功能的DNC接口，可实现几台数控机床之间的数据通信和直接对几台数控机床进行控制。

9.开放式体系结构 20世纪90年代以后，计算机技术的飞速发展推动数控机床技术更快地更新换代，世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。

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1.2 数控机床的优点

1.2.1 数控机床的优点

1.加工对象改型的适应性强

利用数控机床加工改型零件，只需要重新编制程序就能实现对零件的加工。它不同于传统的机床，不需要制造、更换许多工具、夹具和检具，更不需要重新调整机床。

2.加工精度高

数控机床是以数字形式给出指令进行加工的，由于目前数控装置的脉冲当量一般达到了0.001mm，而且进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿，因此，数控机床能达到比较高的加工精度和质量稳定性。

3.生产效率高

零件加工所需要的时间包括机动时间与辅助时间两部分。数控机床能有效的减少这两部分时间，因而加工生产率比一般机床高的多。数控机床主轴转速和进给量的范围比普通机床的范围大，每一道工序都能选用最有利的切削用量，良好的结构刚性允许数控机床进行大切削用量的强力切削，有效地节省了机动时间。数控机床移动部件的快速移动和定位均采用了加速与减速措施，由于选用了很高的空行程运动速度，因而消耗在快进、快退和定位的时间要比一般机床少的多。

4.自动化程度高

数控机床对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作面板、装拆零件、关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，其他的机床动作直至加工完毕，都是自动连续完成，劳动强度与紧张程度均大为减轻，劳动条件也得到相应的改善。

5.良好的经济效益

使用数控机床加工零件时，分摊在每个零件上的设备费用是较昂贵的。但在单件、小批量生产情况下，可以节省工艺装备费用、减少辅助生产工时、生产管理费用及降低废品率，因此能够获得良

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好的经济效益。

6.有利于生产管理的现代化

用数控机床加工零件，能准确地计算零件的加工工时，并有效简化了检验和工夹具、半成品的管理工作。这些特点都有利于使生产管理现代化。

数控机床在应用中也有不利的一面，如提高了起始阶段的投资，对设备维护的要求高，对操作人员的技术水平要求高等。

1.2.2 数控机床加工零件的特点

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数控机床确实存在一般机床所不具备的许多优点，但是这些优点都是以一定条件为前提的。数控机床的应用范围正在不断扩大，但它并不能完全代替其他类型的机床，也还不能以最经济的方式解决机械加工中的所有问题。数控机床通常最适合加工有以下特点的零件。

1.多品种小批量生产的零件

数控机床设备费用高昂，与大批量生产采用的专用机床相比其效率还不够高。通常，采用数控机床加工的合理生产批量在10~200件之间。目前有向中批量发展的趋势。

2.结构比较复杂的零件

通常数控机床适宜于加工结构比较复杂、在普通机床上加工需要有昂贵的工艺装备的零件。

3.需要频繁改型的零件

数控机床节省了大量的工艺装备费用，使综合费用下降。 4.价格昂贵、不允许报废的关键零件。 5.需要最短生产周期的急需零件

推广数控机床的最大障碍是设备的初始投资大。由于系统本身的复杂性，又增加了维修费用。如果缺少完善的售后服务，往往不能及时排除设备故障，将会在一定程度上影响机床的利用率，这些因素都会增加综合生产费用。

考虑到以上所述的种种原因，在决定选用数控机床加工时，需要进行反复对比和仔细的经济分析，以发挥数控机床的经济效益。

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1.3 设计参数和方案确定

1.3.1 机床主要技术参数

机床的主要技术参数包括机床的主参数和基本参数，基本参数包括尺寸参数、运动参数及动力参数。

机床主参数反映机床规格大小和工作范围，有些机床还规定有第二主参数。

机床的尺寸参数是指机床的主要结构的尺寸参数，通常包括以下尺寸。

1）与被加工零件有关的尺寸，如磨床头架上最大加工直径。 2）标准化工具或夹具的安装尺寸。

运动参数是指机床执行件，如主轴、工作台和刀架的运动速度。 动力参数包括电动机的功率、液压缸的牵引力、液压马达或步进电机的额定转矩等。

1.3.2 MK1332数控外圆磨床设计参数

工作台最大纵向移动量 1100mm

工作台最大回转角度 +3°、-4° 工作台最大移动速度 10m/min 工件最大回转直径 φ320mm 工件最大重量 150kg 工作台重量 850kg 尾架重量 200kg 最大切削受力 1000N 最大磨削长度 1000mm 中心高 180mm 最大砂轮线速度 60m/s

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1.3.3 MK1332数控外圆磨床加工产品的主要精度

外圆的粗糙度 Ra≤0.32 纵截面内直径的一致性 0.008mm 圆度 0.0025mm

1.3.4 设计方案的确定

由于工作台最大移动速度10m/min，由此数据确定是由开环伺服系统还是由半闭环伺服系统进行控制。如采用开环伺服系统进行控制、机床结构简单、成本低、工作比较稳定、调试方便，但精度不高；如采用半闭环伺服系统进行控制，可获得稳定的控制特性，还可以获得比较满意的精度和速度。通过市场调研和本次设计的实际情况，数控磨床工作台结构设计对加工精度的影响至关重要，而磨床加工精度一般都比较高，故本次设计采用半闭环伺服系统进行控制。

工作台有两种驱动形式：液压驱动和滚珠丝杠驱动。液压驱动形式由于使用工作压力高的油性介质，因此机构输出力大，机械结构更紧凑，动作平稳可靠，易于调节和噪声较小，但要配置液压泵和油箱，当油液渗漏时会污染环境，易产生爬行现象；而滚珠丝杠驱动可提高系统的灵敏度、定位精度和防止爬行，降低数控机床进给系统的摩擦并减少静、动摩擦系数之差。因此，行程不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠螺母副[2]。它是直线运动与回转运动相互转化的新型传动装置。它可以消除反向间隙并施加预紧，有助于提高定位精度和刚度。结合已知条件则选用滚珠丝杠驱动。而上工作台还应能够进行回转，以实现磨锥的需要。上工作台1上置有头架2和尾架4长度为L且被磨削面为圆柱面的工件3装夹在头尾架之间。在点A上以R为半径对该工件施以力P时，工作台则能相对轴心O回转[4][8]。如图3—1所示。

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1- 上工作台 2-头架 3-工件 4-尾架

图3—1 工作台回转机理

MK1332数控外圆磨床主要用于圆柱类零件、圆锥面和凸轮轴颈的磨削。工作台导轨采用“V—平”导轨，“V—平”导轨导向精度高，加工装配也较方便。“V—平”导轨贴塑，可降低摩擦系数也可提高使用寿命。通过同步齿形带将伺服电动机和滚珠丝杠联接，传动精度高，作用在轴和轴承上的载荷小。滚珠丝杠的支承采用两端固定，可使丝杠具有最大的刚度。该数控外圆磨床采用两轴数控系统，即砂轮进给、工作台移动两轴数控，尾架采用液压系统控制，砂轮自动修整和砂轮修整后的自动补偿，本机床具有足够的刚性和抗震性。

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第2章 数控机床的组成和分类

2.1 数控机床的组成

数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床主机组成（如图2—1所示）。机床主机是数控机床的主体，包括床身、箱体、导轨、主轴、工作台、进给机构等机械部件。

图2—1 数控机床的组成

数控机床主机的结构有下面几个特点：

1）由于采用了高性能的主轴及进给伺服驱动装置，简化了数控机床的机械传动结构，传动链较短；

2）数控机床的机械结构具有较高的动态特性，动态刚度、阻尼精度、耐磨性以及抗热变形性能，适应连续自动化加工；

3）较多地采用高效传动件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨、静压导轨等。

此外，为保证数控机床功能的充分发挥，还有一些配套部件（如冷却、派屑、防护、润滑、照明、储运等一系列装置）和附属设备（程编机和对刀仪等等）。

2.2 数控机床的分类

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目前，数控机床品种齐全，规格繁多，可从不同角度和按照多种原则进行分类。

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2.2.1 按工艺用途分类

1.金属切削类数控机床

这类机床和传统的通用机床品种一样，有数控车床、数控铣床、数控磨床、数控镗床以及加工中心等。加工中心是带有自动换刀装置，在一次装卡后可以进行多种工序加工的数控机床。

2.金属成形类数控机床

如数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机等。 3.数控特种加工及其他类型数控机床

如数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床、数控火焰切割机床等。

2.2.2 按控制运动方式分类

1.点位控制数控机床

点位控制又称点到点控制.这类数控机床的数控装置只要求精确地控制一个坐标点到另一个坐标点的定位精度,而不管从一点到另一点是按照什么轨迹运动.在移动过程中不进行任何加工.这类数控机床主要有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲剪床和数控测量机等。

2.直线控制数控机床

直线切削控制又称平行切控制。这类数控机床不仅要求具有准确的定位功能，而且还要保证从一点到另一点之间移动的轨迹是一条直线。其路线和移动速度是可以控制的。这类数控机床包括：数控车床、数控镗铣床、加工中心等。

3.轮廓控制数控机床

轮廓控制又称为连续轨迹控制。这类数控机床的数控装置能同时控制两个或两个以上坐标轴，并且具有插补功能。对位移和速度进行严格的不间断控制，即可以加工曲线或者曲面零件，如凸轮及叶片等。轮廓控制数控机床有两坐标及两坐标以上的数控铣床，可加工曲面的数控车床、加工中心等。

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2.2.3 按伺服系统的类型分类

根据有无检测反馈元件及其检测装置，机床的伺服系统可分为开环伺服、闭环伺服和半闭环伺服。

1.开环伺服数控机床

这类数控机床没有检测反馈装置，数控装置发出的指令信号的流程是单向的，其精度主要取决于驱动器件和电机（如步进电机）的性能。工作台的移动速度和位移量是由输入脉冲的频率和脉冲数决定的。它适用于精度、速度要求不高的场合。

2.闭环控制数控机床

这类机床数控装置中插补器发出的指令信号与工作台末端测得的实际位置反馈信号进行比较。根据其差值不断控制运动，进行误差修正，直至差值在误差允许的范围内为止。采用闭环控制的数控机床可以消除由于传动部件制造中存在的精度误差给工件加工带来的影响，从而得到很高的加工精度。但是，由于很多机械传动环节（尤其是惯量较大的工作台）包括在闭环控制的环路内，各部件的摩擦特性、刚性及间隙等都是非线性量，直接影响伺服系统的调节参数，故闭环系统的设计和调整都有较大的难度，设计和调整的不好，很容易造成系统的不稳定。

所以，闭环控制数控机床主要用于一些精度要求高和速度高的精密大型数控机床，如镗铣床、超精车床、超精磨床等。

3.半闭环控制数控机床

大多数数控机床采用半闭环控制系统，它的检测元件装在电机或丝杠的端头。这种系统的闭环环路内不包括机械传动环节，因此，可获得稳定的控制特性。由于采用高分辨率的测量元件（如脉冲编码器），又可以获得比较满意的精度和速度。半闭环系统的控制精度介于开环与闭环之间。

2.2.4 按照功能水平分类

按照功能水平分类，可将数控机床分为高、中、低档三类。

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1.分辨率和进给速度

分辨率为10µm，进给速度为8m/min~15m/min为低档；分辨率为1µm，进给速度为15m/min~24m/min为中档；分辨率为0.1µm，进给速度为15m/min~100m/min为高档。

2.多坐标联动功能

低档数控机床最多联动轴数为2轴~3轴，中、高档则为3轴~5轴以上。

3.显示功能

低档数控机床一般只有简单的数码管显示或简单的CRT字符显示。而中档的有较齐全的CRT显示，不仅有字符，而且还有图形、人机对话、自诊断等功能。高档的还有三维动态图形显示。

4.通信功能

低档数控机床无通信功能。中档数控机床有RS232或DNC接口。 5.主CPU

低档数控机床一般采用8位CPU，中、高档的已经由16位CPU

发展的32位、64位CPU，并具有精简指令集的RISC中央处理单元。

此外，进给伺服水平以及PC功能也是衡量数控档次的标准。

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第3章 进给系统设计

数控机床的进给系统与普通机床不同。数控机床的进给指令，来自数控系统，经进给电动机和驱动机构，使执行部件如刀架、工作台、主轴箱等按程序的规定运动。

半闭环控制系统原理（如图3—1所示）为数控装置1发出的指令脉冲经伺服系统2、伺服电动机3带动执行部件（工作台）4，按程序运动。反馈信号发生器5发出反馈信号并送至伺服系统与数控装置发来的指令相比较，检查指令是否被正确的执行。半闭环系统的反馈装置装在伺服电动机或丝杠上不能纠正丝杠的误差以及受载后丝杠、轴承等的变形，因而精度比全闭环要低一些。

1-数控装置 2-伺服系统 3-伺服电动机 4-执行部件 5-反馈信号发生器

图3—1 半闭环控制系统原理图

3.1 工作台机构传动设计

工作台机构传动系统采用半闭环控制系统，伺服电动机通过同步齿形带与丝杠联接。丝杠的最高转速Nmax的确定，其与使用要求，如机床工作台的工作进给速度和快进速度相关。工作台要求的最高速度vmax10m/min。伺服电动机通过带轮与丝杠联接，转速可由下式计算：

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nmax1000vmax (r/min) hsp式中 vmax—— 工作台快进速度（m/min）；

hsp—— 丝杠导程（mm）。

丝杠的导程通常是标准值，从经济上考虑，应根据厂家提供的产品样本中选取。由文献[20]选取丝杠的导程为5mm，则由

[20]

nmax1000vmax1000102000（r/min） hsp5丝杠的最高转速ndmax2000r/min。要求定位精度为0.012/300mm，丝杠的“任意300mm行程内的行程变动量v300”取为定位精度的1/3～1/2，即0.004～0.006mm。1级精度的滚珠丝杠v300=0.006mm，故应取一级精度。根据精度要求，脉冲当量可定为a=0.001mm/脉冲，电动

机每转发出的脉冲数b应为

h5bspi15000

a0.001式中 i—— 传动比。 脉冲编码器有每转2000、2500、5000脉冲等数种。选取每转5000脉冲的编码器。

3.2 滚珠丝杠螺母副

滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置。

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3.2.1 工作原理与特点

滚珠丝杠螺母副在丝杠和螺母上都有半圆弧行的螺旋槽，当将它们套状在一起时便构成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道，在螺母上的进出口将几圈螺旋滚道的两端连接起来，构成了封闭的循环滚道，并在滚道内装满滚珠。当丝杠旋转时，滚珠在滚道内部既自转有沿滚道循环转动。因此迫使螺母（或丝杠）轴向移动。由于滚珠丝杠螺母副中是滚动摩擦，它有以下特点：

1.传动效率高，摩擦损失小

由文献[21]中知道滚珠丝杠螺母副的传动效率为：

tan

tan()式中 —— 螺旋线升角（）；

。 —— 摩擦角（非常小，滚珠丝杠约为10左右）

2.给予适当的预紧，可消除丝杠和螺母螺纹间隙

适当预紧后的滚珠丝杠副，可消除螺纹间隙，这样反向时就可以没有空程死区，反向定位精度高。

3.运动平稳，无爬行现象，传动精度高

滚珠丝杠副基本是滚动摩擦，摩擦阻力小， 摩擦阻力的大小几乎与运动速度完全无关。

4.有可逆性

即丝杠和螺母都可作为从动件。 5.磨损小，使用寿命长。 6.制造工艺复杂

其加工精度要求高，表面粗糙度值要求低，一般都要求磨削成型，故制造成本高。

7.不能自锁

特别是垂直安装的丝杠，由于自身质量的惯性力的作用，下降时当传动切断后，不能立即停止运动，故常需要添加制动装置。

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3.2.2 滚珠丝杠螺母副的循环方式

滚珠丝杠螺母副常用的循环方式有两种：一种是滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离的称为外循环；另一种是滚珠始终与丝杠保持接触的称为内循环。

1.外循环

外循环的回珠器有插管式和螺旋槽式两种。外循环结构制造工艺简单，使用较广泛。其缺点是滚道接缝处很难做得平滑，影响滚珠滚动的平稳性，甚至发生卡珠现象，噪声也较大。

2.内循环

内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种形式。有圆柱凸键反向器和腰形嵌块式反向器（亦称扁圆镶块反向器）。这种反向器的外廓和螺母上的切槽尺寸精度要求都较高。

3.2.3 滚珠丝杠副的轴向间隙消除和预加载荷

滚珠丝杠螺母副的轴向间隙消除主要有以下几种：1）垫片消隙式2）螺纹消隙式3）齿差消隙式三种。第一种调整结构简单、刚性好、精度适中，故目前在数控机床上应用较广。预加载荷可以提高定位精度和轴向刚度。

3.3 滚珠丝杠副的精度

3.3.1 滚珠丝杠当量动载荷的计算

数控机床进给机构用的是定位（p）类滚珠丝杠副[7]。精度主要采用1级或2级。丝杠精度可按“任意300mm行程内行程变动量v300”选择，这项公差1级为6µm；2级为8µm。滚珠丝杠的长度是受到精度的限制的。

[20]

16

半闭环系统滚珠丝杠副的精度，主要根据要求的机床定位精度选择。定位精度由下列几部分误差组成：滚珠丝杠副制造的误差和由于载荷和温度的作用，丝杠、轴承、联轴节和伺服系统的误差。在初步设计时，可假定丝杠的累积误差约占机床定位误差的1/3～1/2，据此初选丝杠的精度，以后再进行验算并修改。

滚珠丝杠应根据其额定动载荷选用。一批相同的滚珠丝杠副，在轴向载荷Ca的作用下，运转106转后90%不产生疲劳点蚀，则Ca称为这种规格丝杠副的额定动载荷。各种规格的滚珠丝杠，其额定动载荷Ca可从样本或手册中查得，计算的原理与计算滚动轴承相同。

滚珠丝杠的当量动载荷Cm为[5][14]

Fm3Lfw Cm（N） （3—1）

fa所选的滚珠丝杠副，其额定动载荷Ca不得小于此值，即

CaCm 式中 Fm—— 轴向平均载荷(N)；

在“载荷—时间”变化规律不明时，

2FFmin（N） Fmmax3Fmax、Fmin—— 丝杠的最大、最小工作载荷（N）；

； L —— 工作寿命（106r）

60nmhL(106r) 410nm—— 平均转速（r/min）；

nmnmaxnmin 2nmax、nmin—— 丝杠的最高、最低转速（r/min）；

h—— 工作寿命。h一般机床可取h=10000h、数控机床可取

h=15000h。

17

fa—— 精度系数。1、2、3级精度丝杠，fa=1；4、5级精度

丝杠，fa=0.9。

fw—— 运转状态系数。无冲击时取1～1.2；一般情况取1.2～

1.5；有冲击振动时取1.5～2.5；

丝杠的最大载荷为最大进给力加摩擦力；最小载荷即摩擦力。工作台质量M1加头、尾架质量M2加工件最大质量M3为：

MmaxM1M2M38502001501200 (kg)

由文献[20]查得直线导轨的摩擦系数为0.04；故摩擦力

FfFmin12000.049.8470.4（N）

静载荷最大轴向力可近似取最大加工受力：FmaxFw1000N 最大载荷：FmaxFwFf1000470.41470.4 (N)

2FmaxFmin1137.1 (N) 3因为工作台最大移动速度为10m/min，丝杠导程为5mm，可知丝杠最高转速为2000r/min，丝杠最低转速为电动机最低转速近似为0。

nnmin20000平均转速：nmmax1000 (r/min)

2260nmh601000150006所以，L(10r)(106r)900(106r) 441010把上述参数代入式（3—1）得：

平均载荷：FmFm3Lfw1137.139001Cm11.2(KN)

fa118

3.3.2 滚珠丝杠的选取和极限转速的计算

滚珠丝杠副的极限转速主要是指滚珠丝杠副在高速运转时，避免产生共振现象，使滚珠丝杠副在正常运转时的最高转速。

d7ncfsp10（r/min） 2L式中 nc—— 极限转速（r/min）；

； L—— 丝杠支承间距（mm）

f—— 与支承方法有关的临界转速系数；

设计过程中为了提高丝杠的刚度，选用两端固定的支承形式，由表3—1可知f=21.9；由工作台最大纵向移动量可初步确定丝杠支承间距约为1400mm。

表3—1 临界转速系数f

支承形式 双推——双推 双推——支承 单推——单推 双推——自由

f

21.9 15.1 9.7 3.4

1.根据轴向压力选取丝杠直径

L2Fa1)4 （3—2） dsp( 4m10FaFw1000N；L=1.4m,将f、m值代入式（3—2）中，得dsp=10.9156(mm)，故取dsp≥11mm。

2.最大转矩限制

19

nmaxA d0式中 A —— 确定最大转速的常数，取50000～70000；

d0 —— 丝杠名义直径（mm）。

又由 nmaxmaxvh sp式中 vmax—— 工作台快进速度（m/s）；

hsp—— 滚珠丝杠的导程（m）。

nmaxvmax10h2000 (r/min) sp0.005dA0n5000070000max200025~35 (mm)

3.临界转速限制

dn2由式 cLspf107 由nmax2000r/min≤Nc；

将L=1400mm，f =21.9（见表3—1）代入（3—3）得：dsp17.9(mm)

4.选择丝杠直径

由上面计算结果得

20

3—3） （

Cm11.2KN Ca1470.4N dsp11mm dsp(25~35)mm dsp17.9mm

根据以上数据，从文献[20]中选择滚珠丝杠型号为BNFN3205-5双螺母预压型滚珠丝杠副，其参数如下：

公称直径： 32mm 滚珠直径： 3.55mm 导 程： 5mm 循环列数： 2 圈 数： 2.5 丝杠内径： 29.2mm 丝杠外径： 32mm 额定动载荷： 18.5KN 额定静载荷： 56.4KN 轴向刚度： 1110N/µm

额定动载荷为18.5KN大于计算结果11.2KN，预紧力为额定动负荷的10﹪，则Fp0.1Cm0.118.51.85KN，只要轴向外载荷不超过Fp的三倍，就不必对预紧力提出额外要求，今最大外载荷为1470.4N，小于此值，故不必对预紧力提出额外的要求。

dsp29.2ncf210721.91073263（r/min） 2L1400因为工作台最大移动速度为10m/min，丝杠导程为5mm，可知丝杠最

[8]

高转速为2000r/min﹤nc=3263（r/min）,故符合要求。

21

3.3.3 滚珠丝杠副效率计算

由文献[21]中知道丝杠螺母副的传动效率为：

tan

tan()arctan5251

d3.1432tan2510.93 传动效率 tan(25110)螺旋升角 

arctanhsp3.3.4 滚珠丝杠副刚度验算

滚珠丝杠受工作负载引起的导程hsp的变化值hsp [7]

hspFmaxhspEA

式中 hsp—— 丝赶导程（cm）；

，E2.1107； E—— 弹性模量（N/cm）

2d，A()2； A—— 螺纹小径处的截面积（cm）

2d由上述可知为29.2mm；

d29.222

A()23.14()6.69(cm)

22Fh1470.40.057hspmaxsp52.410 (cm) 7EA2.1106.69滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量hsp很小,可以忽略。所以

hsp1000.20.262(µm)

22

查文献[20]可知1级精度滚珠丝杠的允差为6µm,故刚度足够。 在机床工作台加速与磨削加工过程中，在轴向方向会产生力，必须保证这个力小于允许的压弯临界载荷Fa，否则可能导致进给丝杠弯曲。

压弯临界载荷Fa可用下式计算：

Fa4mdspL104 (N)

式中 dsp—— 丝杠底径（mm）；

L—— 丝杠支承间距（mm）；

m—— 与丝杠支承方法有关的临界载荷系数，m=20.3

（见表3—2）。

表3—2 临界载荷系数m

m 支承形式

双推——双推 双推——支承 单推——单推 双推——自由

20.3 10.2 5.1 1.3

20.329.244Fa7.5310(N) 24140010而Fmax1470.4 (N)，远小于此值。

23

第4章 滚珠丝杠的支承

为了满足高精度、高刚度进给系统的需要，除了应采用高精度、高刚度的滚珠丝杠副外，还必须充分重视支承的设计。注意选用轴向刚度高，摩擦力矩小，运转精度高的轴承，选用合适的支承形式，并保证支承座有足够的刚度。

[15]

4.1 轴端支承形式的选择

4.1.1滚珠丝杠轴端支承形式的选择

（a）“双推—自由”支承方式；（b）“双推—支承”支承方式； （c）“单推—单推”支承方式；（d）“双推—双推”支承方式；

图4—1 滚珠丝杠支承的四种方式

支承应限制丝杠轴的轴向窜动，较短的丝杠或竖直安装的丝杠，可以一端固定一端自由（无支承），水平丝杠较长时，可以一端固定，一端游动，用于精密和高精密机床（包括数控机床）的丝杠副。为了提高丝杠的拉压刚度，可以两端固定。在本次设计工作台进给机

24

构中，丝杠的刚性是重要因素，所以选择两端固定支承形式[5]（如图4—1（d）所示）。

4.1.2 滚珠丝杠对轴承的要求

滚珠丝杠对轴承的要求，与主轴和传动轴对轴承的要求有相同的一面，但是也有不同的一面。相同的一面是应该保证足够的精度和疲劳寿命。不同的一面是丝杠轴承所承受的载荷主要是轴向的。径向除丝杠的自重外，一般无外载荷。因此丝杠轴承的轴向精度和刚度要求较高。丝杠转速一般不会很高，高速运转的时间很短，因此发热不是主要问题。进给系统要求运动灵活，对微小的位移（丝杠微小的转角）要响应灵敏。因此，轴承的摩擦力矩要尽量低。

目前，已有滚珠丝杠专用轴承，但其主要依靠进口。而且价格昂贵。而在国内各类轴承中应用得最多的是60º接触角的推力角接触球轴承，其次是滚针和推力滚子组合轴承。后者多用于大牵引力，要求高刚度的大型、重型机床。根据滚珠丝杠对轴承的要求，用于滚珠的角接触球轴承应具有较大的接触角，60º接触角的推力角接触球轴承就是较好的与滚珠丝杠配套的专用轴承，它的特点是：

1）接触角大，保持架用增强尼龙注塑成型，壁薄，可容纳较多的钢球，因此轴向承载能力大、刚度好。

2）即能承受轴向载荷，又能承受径向载荷，故支承结构可以简化。

3）根据载荷的情况，轴承可以进行各种组合。

4）这种轴承是根据规定的预紧力组配好成组供应的，使用时不需自己调整。

5）启动摩擦力矩小，可以降低滚珠丝杠副的驱动功率，提高进给系统的灵敏度。

4.1.3 轴承的组配方式

推力角接触球轴承有许多种组配方式，基本的组配方式有三种：背靠背、面对面和同向组配。

25

1.面对面组配

这种组配方式的受力作用线向内收敛，所以轴承间的有效支点距离缩小，这种组配方式可承受双向的轴向载荷和径向载荷，但承受倾斜力矩的能力较差，并会较多地降低轴承的极限转速，一般使适用于需要精度调心的场合。

2.背靠背组配

这种组配方式，力的作用线向外侧发散，所以轴承间的有效支点距离增大，这种组配方式可以承受双向的轴向载荷和径向载荷，并且有较多的承受倾斜力矩的能力。

3.同向组配

这种组配方式能承受径向载荷但只能承受单向的轴向载荷。 这三种组配方式两个轴承都能共同承受径向载荷，运转时，轴承外圈的散热条件比内圈好，因此，内圈的温度将高于外圈，径向膨胀的结果将使轴承的过盈加大。轴向膨胀对背靠背组配将使过盈减小，于是，可以补偿一部分径向膨胀；而对于面对面组配，将使过盈进一步增加。基于上述分析，丝杠高速运转，因此滚珠丝杠轴承采用背靠背组配。

4.2 轴承预紧力

4.2.1 轴承应适当的预紧，适当的预紧有助于提高轴承的工作能力

1.适当地预紧可以提高旋转精度

存在间隙的轴承在载荷的作用下，只有对着受力方向的几个滚动体才承受载荷。在相反方向滚动体是脱离的。轴承经预紧后，各个滚动体都承受着一定的预负荷，从各个方向支承着内圈。因此，预紧可以提高旋转精度。

每个滚动体，截面都不可能是绝对的圆形，各个滚动体的直径

26

不可能绝对相同，滚道也会有一定的波纹。如果轴承存在游隙，则由于滚动体的自转、公转和滚道的波纹，丝杠轴心位置将产生变动。预紧后，滚动体和滚道都产生了一定的弹性变形，滚动体直径较大其变形较大，直径较小其变形也较小，因此截面不同，直径不一致的影响被弹性变形缩小了，滚道波纹的高点也在弹性变形下被压下去了，这就是预紧能提高精度的另一个原因。

2.适当的预紧可以提高刚度

滚动体与滚道接触处是有弹性的。预紧后的轴承各个方向都有一定的预压量。因此预紧可以提高刚度。

滚动体与滚道在无载荷时是点接触。在一定的范围内随着载荷增加滚动体的变形增大，接触面积增加，滚动体与滚道间已有预载荷和预变形，比不预紧的轴承刚度提高了。

3.适当预紧可以提高轴承寿命

预紧后参加工作的滚动体数量增加，每个滚动体承受的载荷降低了，因而可以把载荷比较均匀地分配给每个滚动体。所以可以提高轴承寿命。

[16]

4.适当预紧可以提高轴承的阻尼和降低噪声

适当预紧后，滚动体与滚道间可以建立起稳定的油膜，油的粘滞阻尼、摩擦阻尼和滚动体及滚道的材料内摩擦阻尼都可以提高主轴组件的动态特性和降低噪声。但是预紧要适当，当预紧不大时，阻尼是增大的，当预紧大到一定程度时，阻尼就不在增大了。

4.2.2 预紧与发热

预紧后，滚动体与滚道之间，滚动体本身都有了弹性变形。弹性变形所消耗的能量转化为热。预紧力越大发热量也越多，随着预

27

紧力的增加，温升的增加将越来越快。预紧对精度、寿命、阻尼和噪声的影响都是有极限的。开始时，预紧力对提高旋转精度、寿命、刚度和阻尼，对降低噪声的影响是明显的。但当预紧力已相当大时，再进一步提高预紧，效果就不明显了。这是由于滚动体与滚道间的接触应力较大，反而会降低寿命。随着预紧力的增加，温升也增加，对于各种精度等级的机床轴承温升是有限制的，预紧力也有最佳值。在这个最佳值下，温升不超过规定，刚度也高。

如前所述，预紧力越大，则刚度有所提高，但一定转速下的温升也越高。因此预紧力的选择原则是：负荷重，要求刚度高，转速较低或允许的温升较高时，应选较大的预紧力，反之，则应选较小的预紧力。下面通过计算来确定最小预紧力。

轴承1和2背靠背组配，如图5—2所示。

1Fao2FaoFa

图4—2 背靠背组配形式

预紧力为Fa0在轴向力Fa的作用下，如果轴承2的滚道和滚动体刚刚脱离接触，即

Fa1=0，则Fa0就是最小预紧力.由前面计算可知：Fa1000N，轴

12a承1和2在预紧力Fa0作用下变形为：0a0,当作用有轴向外载荷Fa时，轴承1的载荷从Fa0增加到Fa1轴承2则从Fa0减小到Fa2，两者之 差等于外载荷Fa，即：

28

Fa1FaFa2Fao Fa2FaoFa

这时两个轴承的变形分别为：

11aaoa

2a2aoa

1

当Fa增大到使aa时，则a20；即轴承2安全卸荷，这时

1121aaoao2ao；

点接触的变形δ与刚度k及载荷F之间的关系是kF；

kF2KF；即F2F；Fa2Fao2.83Fao；

23a23ao23a23ao3223Fao0.35Fa0.351000350（N）；

根据上述计算选择由FAG公司生产制造的60º接触角的推力角

接触球轴承，两端固定支承（这样丝杠在工作过程中始终受到拉应力），背靠背组配。查文献[22]选择的轴承型号为7602030TVP，具体参数如下：

额定动载荷： 26KN 额定静载荷： 39KN 轴向最大动负荷： 17KN 摩擦力矩： 85Nmm 重 量： 0.23kg 轴向刚性： 917N/µm 极限转速： 9000r/min d=30mm；D=62mm；B=16mm

又由文献[21]得知此轴承的最大预紧力为2918N，现算得轴承最小预紧力为350N，所以取轴承预紧力为1000N即可。

29

4.3 滚珠丝杠的联接

电动机与丝杠之间通过带轮采用同步齿形带联接（如图4—3所示），因同步齿形带兼有带传动、齿传动及链传动的优点而被广泛采用[10][11]。同步齿形带传动机构具有良好的动态特性，完全可以满足数控机床伺服进给的要求。同时，它也是一种十分经济的传动装 置。

[12]

1-脉冲编码器；2-同步齿形带轮；3-滚珠丝杠；4-同步齿形带；5-伺服电动机

图4—3 进给系统用同步齿形带传动

同步齿形带传动时的线速度可达50m/s（有时允许达100m/s），传动功率可达300kW，传动比可达10（有时允许达20），传动效率可达0.98。采用同步齿形带传动的优点是：

1）无滑动，能保证固定的传动比；

[10]

30

2）预紧力较小，轴和轴承上所受的载荷小；

3）带的厚度小，单位长度的质量小，故允许的线速度较高； 4）带的柔性好，故所用带轮的直径可以较小。

其主要缺点是安装时中心距的要求严格，却价格比其他带传动 昂贵。同步齿形带主要用于传动比准确的中、小功率传动中，如电子计算机、放映机、录音机、磨床、纺织机械等。同步齿形带的基本参数是节距p（带上相邻两齿中心线间沿节线度量的距离）。 由于同步齿形带传动属于啮合传动，不存在相对滑动，因此齿形带传动的设计准则是：

应保证齿形带有足够的强度。由于强度不够齿形带在工作时可能产生的失效形式有：

1）由于强力层的强度不够而引起的强力层弯曲疲劳破坏； 2）在冲击载荷的作用下，强力层产生断裂或从齿背中抽出； 3）由于强力层伸长，使齿带齿距改变，引起爬齿； 4）带齿的磨损、弯曲、剪断和老化龟裂等。

综上所述，齿形带的强度计算主要应该限制作用在齿形带单位宽度上的拉力，以保证一定的使用寿命。实践证明，按这一准则设计的齿形带，上述可能产生的破坏基本上都可得到控制。

4.3.1 同步齿形带的计算

计算齿形带宽度的b（mm）的公式为：

b1000p (4—1)

[s]scv式中 p—— 齿形带所传递的功率（kW）；

[s]—— 齿形带单位宽度上的离心许用拉力（N）；

qv2—— 齿形带单位宽度上的离心拉力，sc sc(N)；

g31

v—— 带速（m/s）；

； q—— 单位宽度、单位长度带的重力（N）

g—— 重力加速度，取g=9.8(ms

2

)。

表4—1 聚氨脂齿形带（强力层为钢丝绳）的许用拉力[s]和q值m/mm

1.5 3.9

2 5.9

2.5 7.8

3 9.8

4 15

5 25

7 29

10 39

[s]/Nmm-1

q/(N)

0.018 0.024 0.029 0.034 0.047 0.059 0.080 0.116

传动比iNdmax1；Ndmax伺服电动机最高转速，已知主动轮转Nmax速Nmax=2000(r/min)，传动比i1，功率p4.7kW，每天工作小于10小时。

qv20.034102sc0.35(N)

g9.8将上面给出的参数代入式（4—1）得

b1000p10004.749.7(mm)

([s]sc)v(9.80.35)101.模数的选取

模数主要是根据齿形带所传递的计算功率pC和小带轮的转速

n1，可按图4—4选取，计算功率pC可按下式计算：

32

图4—4 齿形带模数选用线图

pCKgp

式中p—— 齿形带所传递的功率(kW)；

Kg—— 工作情况系数（见表4—2）。

表4—2 工作情况系数Kg

载荷性质 载荷平稳 载荷变动小 载荷变动较大

一天运转时间/h

≤10 1.0 1.2 1.4

10～16 1.1 1.4 1.7

＞16 1.2 1.6 2.0

注:经常反转或使用张紧轮时,表中Kg值应乘以1.1。 则

pc1.24.71.16.2(kW)

由图5—4选取模数m=3mm。

2.小带轮的最小直径Dmin

小带轮的最小直径Dmin不是直接选定，而是由其最少齿数Zmin控

33

制，Zmin见下表：

表4—3 Zmin表

小带轮转速

m/mm

1.5 12 14 16

2 14 16 18

2.5、3 16 18 20

4 18 20 22

5 20 22 24

7 22 24 ——

10 24 26 ——

n1/rmin1

＜1000 1000～3000 ＞3000

设计的带轮所选的齿数Z1应大于Zmin。由表可知Zmin18,在此选取带轮齿数Z=26。

带轮几何参数的计算： 齿形角 40

节 距 pm3.1439.42(mm) 节圆直径 dmz32678(mm)

顶圆直径 da1d12hm7821384(mm) 顶圆齿距 pa1da1z19.24(mm)

齿侧间隙 jj00.60(mm) 径向间隙 cc00.82(mm)

顶圆齿槽宽 easfj4.310.604.91(mm) 齿槽深 hhc1.80.822.62(mm) 根圆直径 df1da1(2hm2cm)76.5(mm)

34

根圆齿槽宽 efsa3.0(mm)

齿根圆角半径 rf0.1m0.13.00.3(mm) 齿顶圆角半径 ra0.15m0.153.00.45(mm)

带轮齿宽 Bb(310)60 (mm) 因i1，所以两带轮参数相同。

3.初选中心距A0

0.5(D1D2)A02(D1D2)

式中 A0—— 初选中心距（mm）；

D1、D2—— 小轮和大轮分度圆直径（mm）；因两带轮相同，则

78(mm)A0312(mm)

初选中心距A0300mm。

4.确定带长L

中心距初选后，按下式初选带长：

0.25(D2D1)2 L2A00.5(D1D2)A023000.53.14(7878)0 844.92(mm)

L844.9289.69,将求得的齿数圆整到标准则带的齿数为Zpm3.14335

化的齿数值，并且Zp=40～250，最终确定带的齿数为90。最后确定与之相应的带长L

LmZp3.14390847.8(mm)

5.最终确定中心距A

中心距A用下式确定：

A0.25[L0.5(D1D2)[L0.5(D1D2)]22(D2D1)2]

326.44(mm)

6.小带轮上与带相啮合的齿数Zn

Zn用下式计算：

[18057 ZnZ1D2D1]1A2613

3602当m2时，Zn不小于4；当m2时，Zn不小于6。经过上面计算满足要求。

7.小带轮最小包角1

1用下式计算：

118060D2D1180 A8.作用在轴上的载荷Fs

Fs即为齿形带所传递的圆周力：

FsFp3.5350(N) v1036

第5章 电动机的选择和惯量匹配计算

5.1 最大静态切削负载转矩的计算

静态最大切削负载转矩不得超过电动机的额定转矩，其计算公式为：

T(Fmaxhsp2TpoTfo)i

式中 Fmax—— 丝杠上的最大轴向载荷（N）；

Tpo—— 因滚珠丝杠螺母预加载荷引起的预加摩擦力（Nm）； Tfo—— 滚珠丝杠轴承的摩擦力矩（Nm）；

—— 滚珠丝杠的机械效率；

i—— 伺服电机至丝杠的传动比。

从前面的计算知最大进给力加摩擦力为Fmax1470.4N，

hsp0.005m，传动效率=0.93，传动比i=1。

Tfo根据文献[22]查得：

Tfo0.085(Nm)

Tfo0.08540.34(Nm)

TpoFphsp29.837

式中 Fp—— 滚珠丝杠的预紧力。

由前面的计算可知Fp=1.85KN，则 TpoFmaxhsp218500.0050.31(Nm)

29.81470.40.0051.3(Nm)

23.140.93T(1.30.310.34)11.95(Nm)

所选伺服电动机的额定转矩应大于此值。

5.2 惯量匹配计算

为使伺服进给系统的进给执行部件具有快速响应能力，必须选用加速能力大的电动机，亦即能够快速响应的电机（如采用大惯量伺服电机），但又不能盲目追求大惯量，否则由于不能充分发挥其加速能力，会不经济的。为了保证足够的角加速度使系统反应灵敏，将不得采用过大的伺服电动机和伺服控制系统。因此必须使电机惯量与进给负载惯量有个合理的匹配。

通常在电动机惯量Jm与负载惯量JL（折算至电动机轴）之间推荐下列匹配关系：

1JL1 4Jm电动机的转子惯量，可以从产品样本中查到。

1.回转体的惯量

滚珠丝杠、联轴节均属于回转体，回转体惯量的计算公式如下：

D4LJ(Kgm2)

3238

式中 —— 回转体材料的密度(Kg/m3)，7.8103；

； D—— 回转体直径（m）； L—— 回转体长度（m）

D4L3.147.81030.03241.5

J丝杠3232412.110（Kgm2）

J螺母D4L323.147.8103（0.0714-0.0304）0.094

32417.710（Kgm2）

2.直线运动物体

直线运动的物体应将其惯量折算成旋转物体的转动惯量。

hn2h2v2J移动m（）m(sp)=m(sp)（Kgm2）

w2n2砂轮架和移动部件最大质量为1200Kg，折算到电机轴上的惯量为：

h0.0052

J移动m(sp)2=1200()=7.610-4（Kgm2）223.143.带轮惯量的计算

J带轮（D4-d4）L323.147.8103（0.07654-0.0254）0.080 3215.5510-4（Kgm2）

JLJ丝杠J螺母J移动2J带轮

（12.117.77.6215.55）10-4

=68.610-4（Kgm2）

根据以上的计算，选择交流伺服电机，因交流伺服电机没有电

39

刷，寿命长，故障少，允许的转速较高。这种伺服电动机发展很快，已广泛应用于各种机械传动中。查文献[23]选用伺服电动机为永磁同步进给电机，电机的型号为1FT6 086-8AC7 1-2AG1，额定转矩为22.5Nm，最大转矩为27Nm，额定电流为10.9A，额定功率为4.7kW，转子惯量为66.5*10-4 kgm2，重量为25.5kg，电机轴中心高80mm。计算功率PcMoNn，对于△T=100K时，Pc5.7Kw。 95501JL1 4Jm惯量匹配条件是：

JL68.61041.03 Jm66.5104不满足惯量匹配条件。

从带轮上挖去一定的质量，使惯量匹配。由于带轮是铸件，可以在设计时在带轮上挖去几个圆柱体或在带轮的两侧挖出空心圆柱体，以减小带轮的惯量。现在考虑将带轮制造成腹板式，由于斜度为1：100，可将挖出的质量当作空心圆柱体（如图5—1所示），如下面计算新带轮的惯量：

7.8103444J圆柱体（[60103）（4510-3）]22.51031.5310（Kgm2）324 J2J圆柱体3.0610（Kgm2）4J带轮2J圆柱体11.4410（ J带轮Kgm2）-4J丝杠J螺母J移动2J带轮JL（12.117.77.6211.44）10-4=60.2810（Kgm2）JL60.281040.92 Jm66.5104满足惯量匹配条件。

40

图5—1 挖去圆柱体后的带轮

5.3 最大空载加速转矩的计算

空载加速转矩发生在执行部件从静止以阶跃指令加速到快移速度（最高速度）时，这个转矩不得超过伺服电机的最大输出转矩Tmax，可按下式计算：

41

T2nmax(JmJL)ML

60ta式中nmax—— 快速移动的电机转速（r/min）；

ta—— 加速、减速时间（s），按ta≈3/Ks，取150～200ms；

Ks—— 系统的开环增益，通常取8 s-1～25 s-1，加工中心一般

取Ks20s1左右；

Jm—— 电机惯量（kgm2），可从样本中查到；

JL—— 负载惯量（kgm2）； TL—— 负载转矩（Nm）。

若是T小于伺服电机的最大转矩Tmax，则电机能以所取的时间常数进行加速和减速。

T 2nmax(JmJL)TL

60ta23.142000(0.00680.005788)1.95

60(0.15~0.20)13.2~17.7(Nm)

电动机的最大转矩Tmax27Nm，通过验算，所选伺服电机的

TmaxT满足要求，能够以所取的时间常数进行加速和减速。

42

5.4 系统增益设计

系统增益Kv是评价位置调节系统优劣的最重要的指标。系统增益的意义是，单位转角误差，能使电动机获得较大的角速度。显然Kv越大，则一定的角位移能使电动机获得较大的角速度，即系统的灵敏度越高。Kv不是越大越好，系统增益太大，灵敏度太高，稳定性就可能不够。通常，取Kv8s1~25s1。

Ks的倒数是系统的时间常数ta，即

ta11() Kss速度环的开环增益Kso，常取为Kso(2~4)Ks，Ks可根据加速度进行验算。

系统要求的最大加速度，发生在时间常数ta内，执行部件从Vmax转变到Vmax时，（Vmax为执行部件的快移速度（m/min））。速度的变化为2Vmax。

amax2VmaxVmaxKv 60ta30工作台达到的最大加速度： Thamaxsp

2J43

式中 Tmax—— 伺服电动机的最大输出转矩（Nm）。 要满足amaxa

已知：vmax10m/s，系统增益Kv15s1，

amaxaTmaxhsp2JvmaxKv10155(m)

s3030200.0051.5(ms)

23.140.010588即已满足amaxa。

44

第6章 导轨的选择与工作台型面的确定

6.1 导轨的选择

导轨主要用来支承和引导运动部件沿着一定的轨迹运动。机床上两相对运动部件的配合面组成一对导轨副，其中，不运动的配合面称为固定导轨，运动的配合面称为运动导轨。在运动部件（如工作台）与固定不动的部件（如床身）之间只许有一个自由度，为此，导轨副必须限制运动部件的五个自由度。

外圆磨床、曲轴磨床、凸轮磨床、螺纹磨床等的导轨，包括床身导轨和砂轮架垫板导轨，它们都是采用“V-平”导轨的组合。外圆、曲轴、轧锟等磨床，都有上下两层工作台，上工作台回转一角度来调整磨削不同锥度的圆锥体工件。

目前，导轨尺寸参数的趋势是减小导轨中心距，增大导轨面的宽度。减小导轨中心距，使机床外形尺寸减小，节约原材料，并使V 形导轨与平导轨的载荷趋于均匀。由于缩小了两导轨中心距的开档尺寸，便于操作者装卸工件，且手摇台面轻便，增大导轨面宽度，可降低导轨面压力，减小磨损，提高使用寿命。

6.1.1 导轨的分类

1.导轨按受力情况可分为：

（1）开式导轨

靠外载荷和部件自重作用，使两导轨面在全长上保持贴合的称为开式导轨。

（2）闭式导轨

如果部件自重作用力不够大，又有一个较大的颠覆力矩作用在部件上，此时必须增加辅助导轨面贴合，这样的导轨称为闭式导轨。

45

2. 导轨按运动轨迹分：

（1）直线运动导轨

导轨副的相对运动轨迹为一直线，如普通车床的床鞍和床身之间的导轨。

（2）圆周运动导轨

导轨副的相对运动轨迹为一圆，如立式车床的工作台和底座之间的导轨。

3. 导轨按摩擦性质可分为：

（1）滑动导轨

两导轨工作面之间的摩擦性质为滑动摩擦，其中有普通滑动导轨、液体动压导轨、液体静压导轨。

①液体动压导轨的特点：

液体动压导轨是借助于导轨面间的相对运动，形成压力油楔而将运动部件浮起，这样两个导轨面隔开形成液体摩擦，提高了导轨的耐磨性。形成压力油楔的条件是：有一定的相对运动速度，以及油腔沿运动方向间隙逐渐减小，速度越高，油楔的承载能力越大，所以动压导轨适用于主运动导轨。但由于运动部件上进油困难，故仍从固定导轨进油，油腔也可在固定导轨上，可用于直线运动导轨和圆周运动导轨。

②液体静压导轨的特点：

液体静压导轨是将具有一定压力的油液，经节流器输送到导轨面上的油腔中，形成承载油膜，将相互接触的表面隔开，实现液体摩擦。这种导轨的摩擦系数小，机械效率高，导轨面有一层油膜，保证导轨面不相互接触，不会磨损，不但能长期保持导轨的导向精度和好的吸振性，而且在低速下也不易产生爬行，而且可降低对导轨材料的要求。所以，静压导轨在机床上得到日益广泛的应用，这种导轨的特点是结构复杂，且需配置一套供油系统。

（1） 滚动导轨

两导轨工作面之间为滚动摩擦，它由导轨面间的滚珠、滚柱、滚针等滚动体实现，在进给运动导轨中用得较多。

滚动导轨的特点：

46

①运动灵敏度高 滚动导轨的摩擦系数为0.0025～0.005，远小于滑动导轨，静、动摩擦力相差甚微，故一般滚动导轨在低速运行时没有爬行现象。

②定位精度高 一般滚动导轨的重复定位精度为0.2µm，普通滑动导轨一般10～20µm。使用滚动导作为直线导轨时，不会有爬行现象发生，可达到极高的定位精度。

③磨损小，能长时间维持精度

④适应高速运动且大幅度降低驱动功率，由于直线导轨移动时，摩擦力非常小，只需较小动力便能让机床运行，尤其在工作台频繁往复运行时，更能明显降低其电能损耗量。且因其摩擦产生的热较小，可适用于高速运行。

⑤可同时承受上下左右方向负荷，滚动导轨特殊的约束结构设计，可同时承受上、下、左、右方向的负荷。

⑥组装容易且具有互换性，组装时只要铣削或磨削机床上导轨的装配图，并根据其建议步骤将导轨、滑块分别以特定扭力固定于机床上，即可重现加工时的高精度。滚动导轨具有互换性，只要更换滑块或整个滚动导轨副，机床即可重新获得高精度。

⑦润滑系统简单，维修方便。

⑧滚动导轨的抗振性较差，对防护要求比较高，由于导轨间无油膜存在，滚动体与导轨是点接触或线接触，接触应力大，故一般滚动体和导轨须用淬火钢制成。另外，滚动体直径的不一致或导轨面不平，都会使滚动部件倾斜或高度发生变化，影响导向精度，因此，对滚动体的精度和导轨平面要求高，于普通滑动导轨相比，滚动导轨的结构复杂、制造困难，成本较高。

目前，滚动导轨用于实现微量进给，如外圆磨床砂轮架的移动。实现精密定位，如坐标镗床工作台的移动。还用于对运动灵敏度要求较高的地方，如数控机床。

综上所述，在此工作台导轨选用滑动导轨，滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大的优点，但传统的滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。除建简易型数控机床外，在其它数控机床上已不采用。在数控机床上常采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有良好的摩擦性能及使用寿命长的优点，尤其是塑料导轨将有

47

代替滚动导轨的趋势。本次设计选用贴塑滑动导轨。

聚四氟乙烯导轨软带是用于塑料导轨最成功的一种，这种导轨软带材质是以聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂混合烧结，并做成软带状。

聚四氟乙烯导轨软带具有以下特点：

①通过对比实验，获得实验曲线（如图6—1）可知其摩擦性能好②耐磨性好，因其本身具有润滑作用，对润滑油的供油量要求不高，采用间歇式供油即可。③减振性好，其减振消声的性能对提高摩擦副的相对运动速度有很大意义。④工艺性好，可降低对粘贴

[6]

1-铸铁—铸铁（30机油）；2-Turcite-B-铸铁（干摩擦）； 3-Turcite-B-铸铁（30机油）；4-TSF—铸铁（干摩擦）；

5-TSF—铸铁（30机油）。 图6—1 摩擦—速度曲线

#

#

#

塑料的金属导轨基体的硬度和表面质量。此外，还有化学稳定性好，

维修方便、经济性好等优点。

6.1.2 导轨的间隙调整机构

为保证导轨的正常运动，运动件与承导件之间应保持适当的间

48

隙。间隙过小会增加摩擦力，使运动不灵活；间隙过大，会使导向精度降低。调整的方法有：

1.采用磨刮相应的结合面或加垫片的方法，以获取适当的间隙。 2.镶条调整，这是侧向间隙常用的调整方法，镶条有直镶条和斜镶条两种。

本次设计的导轨的间隙调整的方法采用第一种方法。

6.1.3 贴塑导轨设计

在设计导轨时，必须合理安置作用力的方向和作用点的位置，以便使导轨的倾斜的力矩尽量小。否则会使导轨面的摩擦力增大、磨损加剧，从而降低导轨的运动灵活性和导向精度。严重时甚至还可能使导轨卡死，不能正常工作。作用在运动件上的推力平行于运 动件的轴线且与轴线相距h，如图6—2所示；

FFaN2N2f' N1f'22L1N1L图6—2 导轨计算图

图6-2中Fa为轴向阻力，作用点间的距离为L，N1和N2为反作用力，f为当量摩擦系数。根据静力平衡条件得：

49

h

X0， f(NY0， N联立解得：

11N2)FaF0

N20

MA0， FhLN1fN2FFaddN1f0 22 h12fL欲推运动件，必须保证运动件不被卡死的条件是：

h12f0

L即

2fh1 L对于不同形式的导轨，f值分别为：

圆形导轨 f4f1.27f

矩形导轨 ff 燕尾形和三角形导轨 f式中 f—— 滑动摩擦系数

β—— 燕尾轮廓角或三角形底角。

h设计时，为保证运动灵活性，值可按下式取值：

Lh2f0.5 Lf cosL250mm，f0.04，则

50

0.08hh0.5 L0.52501562.5（mm） 0.08综合考虑丝杠和工作台等的影响，取h0.3m，则

Fa1470.4F1495(N)

h0.312f120.04L1.5滑动摩擦导轨对温度变化比较敏感。由于温度变化，会引起卡死或间隙过大现象，所以间隙确定主要根据温度变化引起变形的情况来考虑。为减小温度变化对导轨运动的影响，运动件和承导轨体应选择膨胀系数相同或相近的材料。塑料导轨常用在导轨副的动导轨上，与其相配的金属导轨有铸铁和镶钢两种，组成铸铁——塑料导轨副或镶钢——塑料导轨副。其中：铸铁主要是耐磨铸铁、灰铸铁等，典型的牌号有HT200，HT300，MTCu1PTi-150等。表面淬火硬度一般为HRC45～55，淬火层深度规定经磨削后应保留1.0mm～1.5mm。镶钢导轨的材料有55、T10A、GCr15、38CrMoAl、Cr-WMn等。一般采用中频淬火方式，淬火硬度为HRC58～62，渗氮层厚度为0.5mm。

镶钢导轨工艺复杂，加工较困难，成本也较高，而铸铁导轨工艺简单，加工方便，成本适中，故本次设计的导轨材料采用铸铁，牌号HT200，因导轨往复运动，磨损严重，要求导轨表面淬火硬度HRC45～55，导轨运动表面贴塑，导轨跨距为250mm。

[17]

6.2 工作台型面的确定

确定外圆磨床工作台的最大回转角度，是以不使头、尾架重心移至下工作台外面，以及不使砂轮架与尾架相撞为原则，故工作台愈长，其转角愈小，一般在7º以内。机床工作台型面有平面、倾斜面（10º、20º、30º等）两种。铣床、镗床、龙门刨床、平面磨床等的工作台都是平面型；外圆、轧锟、螺纹磨床的工作台都是倾斜面（而螺纹磨床的倾斜角更大，一般是20º～30º）。而最近在北京机床

51

展览会上也有不少厂家采用平面的，工作台型面采用平面有以下好处：

1）铸造工艺性好、降低了废品率；

2）加工工艺性好、也降低了加工费用；

3）减少了工作台质量、降低了折算到电机轴上的转动惯量； 4）工作台型面采用平面形式的，使两导轨单位面积承受的压力趋于相等，延长了工作台的使用寿命。

为此，MK1332数控外圆磨床工作台型面采用平面形式的（如图6—3所示）。

图6—3 MK1332工作台型面

52

第7章 机床定位精度验算

本次设计的工作台定位精度为0.012/300mm。其中1级丝杠的V300为0.006mm，其余误差为在载荷的作用下，各个环节的位移。轴承的轴向跳动决定丝杠每转的误差，不属于累积误差。

1.伺服刚度KR

伺服刚度KRKsKt(1Kso)，式中Km是伺服电动机的增益，等于电

KmKm动机的角速度（rad/s）与输入电压（v）之比。输入电压，除少量消耗于电枢回路的阻抗外，大部分被反电动势所平衡。估算时，近似地可认为输入电压等于反电动势。伺服电动机的反电动势系数Ke定义为反电动势（v）与角速度（rad/s）之比。故近似地可以认为Km1， Ke而本次所选的西门子1FT6 086-8AC7 1-2AG1型伺服电动机的

Kt0.57(Nm)；Ke0.58(sv)；故

AradKm1rad()

sv0.58Rm0.26()

伺服系统的Ks15s1，

Kso21530(v)； v故

53

KsKt(1Kso)150.57(130)591.3(Nm)

rad1KmRm0.260.58折合到执行部件的直线刚度为：

KRKRKR(2n223.142)591.3()932106(N)932(N)

mμmnhsp0.0052.滚珠丝杠的拉压刚度Ktmin

丝杠为两端固定，最小拉压刚度发生在螺杆中间，故距离

L=750mm=0.75m，

KtminAE106Ldi24LE106

式中 di—— 滚珠丝杠的底径； di=29.2mm=0.0292m。

KtminAE106Ldi23.140.02922E2.1101144106188(N)

μmL0.753.丝杠轴承的轴向刚度

丝杠轴承的型号为7602030TVP型，查文献[21]得钢珠直径

dB7.144(mm)，球数Z17，预加载荷Fo1000(N)

Kba3.443FadbZ2sin5式中 Fa—— 轴向载荷（N）。

—— 接触角，=60º；

等于预加载荷加外载荷，外载荷即摩擦力Ff，故

54

FaFoFf

FaFoFf1000470.41470.4(N)

Kba3.4431470.47.144172sin560392(Nμm)

4.滚珠丝杠螺母的接触刚度

Kc1110(Nμm)

5.综合刚度

111110.01(μm)

NKKRKtminKbaKc故

K100(Nμm)

6.弹性变形

测量定位精度时，机床不切削。故载荷仅为摩擦力，本次设计中

FfF470.44.704(μm)。 摩擦力f，故弹性变形1007.定位精度

300mm长上的定位精度误差，等于丝杠的误差V300加弹性变形δ，即6+4.704=10.704µm。在加上某些忽略的次要因素，可以满足定位精度0.012/300mm的要求。

55

结论

制造业的不断发展，对机械产品的性能、质量、生产率和成本提出了越来越高的要求，单件、小批生产占机械加工的80%左右，数控机床能适应这种产品更新换代快、质量和生产率高、成本低的要求。我国生产的数控机床性能和结构不够先进，其中产品主要零部件的性能是制约数控机床质量的重要原因。其中一个主要的原因是滚珠丝杠的刚度不能满足工作要求，而该设计正是在这样一个背景下进行设计的，本次设计的磨床工作台进给机构可满足高刚性、高精度进给，滚珠丝杠采用两端固定支承，可大大提高刚性；由于采用贴塑导轨和同步齿形带带动滚珠丝杠，磨削过程中的颤振现象得到有效的控制，大大提高了产品的加工精度。工作台型面采用平面形式，减轻了工作台质量，导轨受到的压力也有所下降，提高了导轨的寿命和导向精度。工作台采用永磁同步伺服电机驱动，其断续工作区范围更大。本设计满足了预先给定的精度要求。

56

致谢

经过近四个月的毕业设计，使我对所学专业课有了更深刻的认识，让我接触、学习了从未涉及的领域。认识到了机械自动化技术对于社会发展所起的举足轻重的作用。从中我也找到了自己感兴趣的方面，激发了自己的学习热情，提高了自己分析和解决问题的能力。在本设计中我通过图书馆、网络等渠道查阅了不少有关设计方面的资料，学到了很多以前没有学到的东西，同时也深深地感觉到我们所学的知识对于以后的工作来说还远远不够，还不能完全独立完成某一项目，还有很多知识需要我们去学习和掌握。

能够顺利完成这次设计，离不开吴卫东老师的辛勤指导。从课题选择、方案确定到具体设计，无不凝聚着老师的心血和辛勤汗水，是他无私的帮助和支持，才使我的毕业设计工作顺利完成。从他身上我学到的不光是专业知识，而且还有一丝不苟、无私奉献的精神。在此，我向我的指导老师真诚地说一声：——老师，您辛苦了！

57

参考文献

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flexure

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21 孙桓，陈作模.机械原理.第六版.高等教育出版社，2001：114—125 22 FAG滚动轴承手册.2001

23 用于机床的自动化系统产品目录NC60.2003

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附录1

润滑和轴颈轴承

在液体中轴颈轴承支承垂直于轴线的压力。轴颈轴承是一个在它的轴承座上承载滑动构件的典型的滑动轴承。套筒轴承支承轴线方向上的负载。我们由润滑的论述和轴颈轴承开始。薄膜速度率、粘性、摩擦系数和负载之间的一般的关系现在发展起来。在学习液压润滑理论、轴承的设计和热平衡后研究。轴承所用油和材料的技术也会被考虑。 4.2 润滑液

首先，润滑剂的作用是降低滑动面的磨擦系数。除此之外，润滑剂覆盖在金属表面一层黏着性分子的薄膜防止污染物腐蚀金属的表面。通常来说，液体、固体和气体都可以当作润滑剂使用。对润滑剂特性分类的简短描述如下。润滑剂生产者应该学习了解润滑剂特殊的应用。 液体润滑剂

液体润滑剂主要以石油和综合性油为基础。黏性是它们的主要特点，但是其它的特点也是重要的。例如酸度、氧化安定性、腐蚀试验、凝点、滴点和灰分对润滑剂使用者来说是需要特别了解的质量指标。大多数油根据其使用对象而命名,例如压缩机油和轮机油。工作在不同状态下的车辆引擎油根据其粘度和添加剂的成分分类。

合成物润滑剂主要来源是聚硅酮。它们有很高的使用温度,很低的倾点和很高的自燃温度。因为它们的成本较高，只有当必要时，合成物润滑剂才被使用；举例来说，在航空器的水力控制系统中。水和空气污染油从而禁止在润滑剂中使用。除此之外，机器润滑剂通常工作在空气或者水中。气体润滑剂在高速低污染时是必需的。

润滑脂是被加厚(和肥皂混合在一起)且不能单独处于水中的液

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体润滑剂。矿物油是符合这一条件最普遍的来源。通常润滑脂就被添放到使用其润滑的地方。不像油，润滑脂不能够流通从而且可以起到冷却和清洗的作用；然而，它们工作在旋转条件下；传动机构和轴承在轻负载和断续的工作情况下,用手或者润滑脂枪的添充少量润滑。 固体润滑剂

固体润滑剂有两种类型：石墨和粉末金属。应用在轴承高温工况下。其它类型包括聚四氟乙烯和一些化学涂料。固体润滑剂可以直接涂抹或者喷在表面。为了粘合在一起，要混合粘着剂。选择混合轴承材料来降低磨损率和磨擦力系数是现代设计和研究的一个热点。 4.3 轴颈轴承和润滑的类型

轴颈轴承或者套筒轴承受径向的负载。它们有两个基本配件:一个称为轴瓦另一个空心鼓筒或套筒把住轴的,称为轴承座。当实际装载中不需要一个轴承分为两块的时候，可以生产一层圆筒形壳体嵌入体壳内，这种被嵌入的叫做轴承衬。

一个全轴颈轴承或所谓的360度轴颈轴承,与整个圆周上的完全的轴承厚度一起加工,如图4.la所描述。分别地,周向的或任何的(通

图4.1 （a）完全滑动轴承 （b）部分滑动轴承

常是轴线或对角线)槽向的可能被插入上下两片或一片轴承。基本上，油由轴承的中心引进来，以便它将会流动到两端,以此增加流量和起到冷却作用。在大多数的应用中，轴瓦在一个不动的轴承里面旋转(以一个速度n)，而且摩擦是滑动的。然而，轴瓦一般保持不动，而是轴承使其旋转，不是轴瓦使轴承旋转。所有的情况下都需要在灵敏的零

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配件之间保持一个油膜使摩擦最小,f是切线方向的摩擦系数,将在第4.5节讨论,由轴承支持的负载。

在大多数工作情况下，使用套筒轴承。轴承运行的两个典型的工作状态如下。汽车在数以千里的行驶中发动机引擎的曲柄轴和连杆轴承必须可在高温和变化的压力下运行。应用于汽涡轮机和发电机组的轴颈轴承必须有高可靠性。气体动压、静压轴承添充空气做润滑剂,承受轻负载的高速轴。例如在气体循环机械，陀螺罗盘和高速的合金钻头中。同样,当负载比较轻或者工作相对不重要时,不能润滑的地方必然要用塑料轴承。

当轴承所承受的负载总是在放射状上的一个方向的时候，处理的方法是圆周向上只这一部分被加固。通常，油帽放置在圆周的结合处。用角度来描述一部分轴承的角长度。轨道货车车轴轴承是一个实例。余隙为零的的轴承即是一个适合的轴承。零余隙意味轴颈的半径和轴承是相等的。我们只考虑更通常的完全润滑轴承。 润滑原理

根据摩擦面间油膜形成的原理，可把润滑分为流体动力润滑及流体静力润滑。轴承通常依照其润滑的形式而使用。

为了尽可能准的对润滑轴认识,需要考虑轴速度n和轴颈轴承的磨擦系数f之间的实验式曲线从而决定（图4.2）。明显地，图形中曲线的数值依赖于轴承的设计特征。注意，轴承启始或者停工操作在接口条件之下。慢速条件下，磨擦系数在接口润滑的区域中保持一致。n增加时，混合润滑状态开始，而且f快速下降直到流体动力润滑开始。在高速的情况下，f上升得比较慢。对于极端大的速度(超过点C)，不安定性和扰动性可能在润滑剂中建立。注意对左边和点B的右边的区域边界润滑-混合润滑-厚膜或全润滑,分别地。现在我们简短地讨论诱使前面润滑轴的状态。

流体动力润滑意思就是轴承的负载表面由流体膜(相对的厚度)产

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图4.2 轴转速与轴颈轴承摩擦系数实验曲线

生的压力平衡外载荷,称为流体薄膜润滑。对于这种状态的产生,在两个表面之间一定有一个相对运动，其中一个一定是剪切力。当两平板相互倾斜使其间形成楔形收敛间隙，流体间有粘性且有相对运动速度，在内部将产生压力。这部分知识不包括在润滑剂的介绍之中。它确实需要，然而，适当的流体供给一直存在。

轴颈轴承工作间歇时,轴会接触到轴承的底座。一旦轴旋转起来,轴颈的中心线脱离开轴心。这时，一定量的油被带入轴承间隙中。当轴颈达到稳定运转时，轴颈便稳定在一定的偏心位置上，而且轴承完全与油膜接触，形成流体动力润滑。在流体动力润滑过程中，套筒轴承表面不产生磨损。磨损只发生在油膜润滑的开始阶段。典型的最小油膜厚度在0.008到0.020毫米之间。磨擦系数f普遍从0.002到0.010之间。流体动力润滑也即是流体薄膜润滑或流体润滑。轴颈轴承的设计就是以润滑的常见类型为基础的。

混合润滑就是在两表面之间边界润滑和油膜润滑相结合的情形。在这种状态下，表面之间的磨损主要是边界摩擦和流体摩擦。摩擦系数一般是0.004~0.10。

边界润滑就是一部分是边界膜润滑另有摩擦的一部分是金属与金属接触，这主要由表面的光滑程度和边界膜的摩擦系数决定。边界

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润滑是在低速或高负载时发生，也就是机器开始旋转或停止时。相对滑动金属表面和油膜的摩擦系数是磨损的重要因数。摩擦系数大约是0.10。边界润滑是不想其发生的，因为此种情况两表面之间有大的磨损。对于这种类型润滑的设计需靠经验。

开启时的边界摩擦可以通过增加油压以此增加油对轴的承载而避免。藉此机器在开启和关闭时也是流体润滑。在大多数机器上这是一种常见的做法,使套筒和轴之间长期无磨损的运转。前面提到的，被称为流体静力润滑的,稍后将被讨论。

弹性流体动力润滑是研究弹性物体和流体动力润滑膜之间的关系。在滚动轴承、齿轮传动等接触中，两摩擦表面相互滚动或滑动条件下发生。在负载的齿轮传动、滚动轴承、凸轮机构中，摩擦表面出现局部弹性变形。润滑的主要办法是增加相对速度，油的粘度还有就是增加曲率半径。数学上的解释需要赫兹接触应力分布曲线分析,见第1.10节和流体力学中所讨论的。

流体静力润滑依靠连续供给流体的静压力。它的承载能力不依赖于两表面或其它。这种机械装置完全是油膜膜润滑。一些特殊的应用包括流体静力升程,止推轴承,和油升在轴承重载时开启期间流体的形成。显然地，在流体静力润滑中，由液压泵将润滑剂加压，而且流体(典型的油)进入负载轴承的压力。这种润滑方法的优点是在低速运转时，磨擦也很小并且可以承受很高的负载。缺点是成本高和应用在低速难于形成油膜的地方。图4.3画出的是垂直受力轴—止推滑动轴承的流体静力润滑的概要表现。转轴支承一个垂直的负载负载W。p处的高压油由外部的泵供给轴承中心长半径r的凹槽。油放射状地向外流动深度h的环带,最后在轴的外围流出,而后在大气压力下透过一个管路的系统流回油槽。油膜形成与否取决于轴的旋转[7]。可以由下面的承载能力公式给出

prr0[] （4.5） W2ln(r/r0)64

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图4.3 液压轴承示意图

即使凹槽被除去，前面提到的也可适用。在这种情况下，r0变成了进模口油-供给管的半径。

流体静压轴承应用于各种不同的特别条件。一些例子例如望远镜和雷达追踪单元在高速轻负载或者切削机床、陀螺仪在低速高负载。更为详细的描述可以在[6,7]中找到。

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附录2

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