1、 毕 业 设 计 （ 论 文 ）一维数控工作平台的设计院 别 控 制 工 程 学 院专业名称 机 械 工 程 及 自 动 化班级学号学生姓名指导教师2013 年 6 月 13 日东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 I 页一维数控工作平台的设计摘 要随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，光机电一体化技术也得到了前所未有的发展，成为了一门多学科交叉的系统技术。而数控工作台正是这一技术的典型应用。本文以一维数控工作台的设计为例，清晰阐述了此类工作台的一般设计方法。首先介绍了数控工作台的发展及目前的产业化应用现状。其次根据设计要求对工作台总体方案进行设计，包括物理模型方案和驱动控制方案的比较设计。再
2、次，依据设计初始条件及各主要部件的参数样本，对滚珠丝杠、滚动导轨、伺服电机等主要部件进行了性能特点的比较，然后根据设计要求及相应部件的选型计算流程对各个参数进行了计算进行了计算选型，同时对其各项指标进行了校核。最后运用 ProEngineer三维造型软件完成了模型的建立及装配，并对进给系统进行了加减速运动仿真，完成了部分零件图及工作台装配图的二维图设计。通过机构干涉检查及运动仿真证明本设计个参数符合设计条件，精度及可靠性均达到要求，为下一步进行更精确的精度分析奠定了基础。关键词：数控工作平台，滚珠丝杠，直线导轨，伺服电机全套图纸，加 153893706东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 I
3、I 页Design and implementation of one-dimensional numerical work platform Author：Zhang RruibinTutor：Shan QuanAbstractWith the rapid development of computer technology and extensive application, optical electromechanical integration technology has also been an unprecedented development, and has become
4、more than one interdisciplinary system technology. The CNC table is a typical application of this technology. In this paper, take the design of one-dimensional CNC table for example, clearly describes the general design methods such workbench. Through the system, each part of the calculation and val
5、idation, designed in line with the design requirements of a one-dimensional CNC table.First the article describes the development and the current status of industrial applications of CNC table. Second, according to the design requirements for the workbench overall program design, including physical
6、modeling solutions and drive control solutions compare designs. Again, according to the design of the initial conditions and the parameters of the main components of the sample on the ball, rolling guide, servo motor and other major components of the performance characteristics of the comparison, an
7、d then according to the design requirements and the corresponding part of the selection process for each parameter calculation Selection of the calculation were calculated, and its indicators were checked. Finally, we use ProEngineer 3D modeling software to complete the model and assembly, and the f
8、eed system for the acceleration and deceleration motion simulation, complete with parts drawings and assembly drawings of the two-dimensional map table design.Through institutional interference checking and motion simulation demonstrate that the design parameters with the design conditions, the accu
9、racy and reliability meet the requirements for the next step for a more precise analysis of the accuracy of the foundation.Key Words: CNC working platform, ball screw, linear guide, servo motor东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 III 页目 录1 绪论.11.1 数控工作平台概述.11.1.1 数控工作台发展及其产业化现状.11.2 一维数控工作台设计的意义及设计内容.32 工作台总体方案设计.42
10、.1 工作台基本原理.42.1.1 滚珠丝杠进给系统伺服控制方式.42.2 工作台总体设计.52.2.1 工作台物理模型初步设计.52.2.2 工作台控制结构初步设计.63 滚珠丝杠单元设计计算选型.73.1 滚珠丝杠副特点及其结构.73.2 滚珠丝杠副计算选型.113.2.1 滚珠丝杠副选型依据及计算项目.113.2.2 滚珠丝杠副选型计算.134 导轨单元设计计算及选型.244.1 直线导轨概述.244.1.1 直线导轨的特点.254.1.2 滚动式导轨与滑动式导轨的性能比较.264.2 直线导轨副计算选型.274.2.1 直线导轨选型主要性能指标.274.2.2 直线导 轨选型计算.28
11、5 伺服电机及其他部件计算选用.345.1 伺服电机计算选型.34东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 IV 页5.1.1 伺服电机性能特点.345.1.2 伺服电机选型原则和方法.355.1.3 伺服电机选型计算.365.2 其他部件设计选用.39结 论41致 谢42参考文献43附 录44附录 A.44东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 1 页1 绪论1.1 数控工作平台概述数控工作台（numerical control table）又称数控精密工作台、数控运动平台、数控定位平台、电动平移台、数控工作台。设计上采用滚珠丝杠副和滚动导轨副传动结构，具有精度高、效率高、寿命长、磨损小、节能
12、低耗、磨擦系数小、结构紧凑、通用性强等特点。数控工作台可广泛应用于激光焊接机、插线机、打孔机、涂胶机、机械手、搬运、检测装置、断层射线扫描、小型数控机床及实用教学领域。数控精密工作台系列可选择步进电机驱动，直流伺服电机驱动，交流伺服电机驱动。数控工作台产品基础构件可以采用优质铝合金、铸铁、钢材及大理石等材料，传动结构可以采用直线导轨、直线圆导轨、滚珠丝杠、同步带及气缸等多种组合形式，满足各种行业、不同场合的需要。1.1.1 数控工作台发展及其产业化现状1、数控工作平台分类数控工作台按其移动自由度可分为一维数控工作台、二维数控工作台以及三维数控工作台。（1）一维数控工作台图 1.1 一维数控工作
13、台（2）二维数控工作台双坐标工作台分别是由两台型号一致、工作行程相同或不同的单坐标工作台叠加东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 2 页组合而成。双坐标工作台组成原则是上层工作台行程一定要小于等于下层工作台行程。图 1.2 二维数控工作台（3）三维数控工作台三坐标数控工作台按照使用方式的差异分为小型数控工作台、大型数控工作台、专用数控工作台。 小型数控工作台由单坐标工作台和双坐标工作台叠加组合而成，其工作行程：505050 mm - 600600150 mm。专用型数控工作台，例如用做三维雕刻工作台，其工作行程：505050 mm - 600600150 mm。2、数控工作台发展趋势及产业化
14、现状当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的 CNC 系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展 1。工作台作为数控机床的重要组成部分，也是影响加工精度的重要组成环节。从一开始为了满足加工简单的零件而设计的直线运动的 X
15、Y 工作台，到现在为了实现多工位加工而制造的分度工作台和回转工作台等。为了满足现代制造业的发展，也为了环境的要求，一作台的驱动装置从原来的机械驱动变为液压驱动，现在更多的采用了东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 3 页气动装置，更好的保护了环境，节约了资源。由于工作台是一台机床的关键配套部件，因此世界各国都有对其进行研究，我国在工作台的研究开发方面也取得了长足的进步。目前工作台的种类繁多，传统的工作台只能安装在某一指定机床上，伴随着科技的与时俱进，它们的功能也由传统单一性向现代的多功能性方向发展，现在一些工作台，它不仅可以安装在钻床上，还可以安装在铣床和镗床等机床上。并且目前部分工作台还可
16、以作为机床的第四回转轴，大大提高了机床的性能。国外工作台的功能与我国所生产的工作台功能基本相似，但是在其精度方面，国外的一些公司所生产的工作台要略高于我国所生产的工作台。因此我国与国外相比，还是有一定的差距，因此工作台的设计具有重要意义，我们要借助时代的步伐，与时俱进，开拓创新，使我国成为具有领先技术的综合性强国。1.2 一维数控工作台设计的意义及设计内容本设计所设计的一维工作台采用了低摩擦的直线滚动导轨和精密的丝杠，它的工作原理是通过运动控制卡来控制伺服电机，使工作台实现了数控控制。工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产效率。本设计的数控工作台机电系统设计是一个闭环控制系统，其结构简
17、单，实现方便而且能保证一定的精度。通过微机控制技术的简单的应用，实现对机床的控制，使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步提高。本设计所设计的工作台不仅可用于铣床上进行数控铣削加工，而且还能够用于钻床上数控钻削加工，所以其功能远高于传统的普通工作台是新一代机电一体化的典型产品。通过对工作台的设计，能够正确运用机床数控系统等课程的基本理论个有关知识，学会设备数控化改造方案的拟定、比较、分析及进行必要的计算；通过对设备改造的机械部分设计，掌握数控设备典型零件的计算方法和步骤以及正确的结构设计方法；通过设备的数控系统硬件和软件设计，掌握简单的数控系统硬件及软件设计的基本方法；通过课程设计，初步树立正
18、确的设计思想，培养自己分析问题和解决问题的能力；提高自己应用手册、标准以及编写文件等资料的能力。在本设计中着重介绍了如何对工作台进行总体设计以及对导轨、丝杠、电机的选用计算。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 4 页2 工作台总体方案设计2.1 工作台基本原理2.1.1 滚珠丝杠进给系统伺服控制方式用于数控工作台的伺服机构有开环（图 2.1）、半闭环（图 2.2）、闭环（图 2.3）和混合伺服几种方式。开环系统主要多用在经济型数控系统或老设备的数控改造；混合伺服方式只有在大型机床中使用。在半闭环方式中，机床定位精度很大程度取决于滚珠丝杠的精度，通过选用高精度的滚珠丝杠，辅以螺距误差补偿等措
19、施，半闭环完全可以满足普通精度级的加工中心的定位精度的要标。对定位精度特别高的加工中心来说，由于螺距误差补偿受丝杠温度变化的影响以及反向间隙补偿受工件重量变化的影响，半闭环方式已不能满足其精度要求。这时则要求考虑采用全闭环的方式进行伺服系统的设计，但其设计和调整技术难度较大，只有在大型、精密数控机床中采用。在以上几种方式中，一般根据目标给定的精度要求、机床种类来选用适当的伺服方式。半闭环是被最广泛使用的伺服方式。一般在设计是选用半闭环方式进行初步设计与计算，当半闭环方式不能满足要求时才选用全闭环方式和混合伺服方式 2。图 2.1 开环控制系统图 2.2 半闭环控制系统东北大学秦皇岛分校毕业设计
20、（论文） 第 5 页图 2.3 闭环控制系统2.2 工作台总体设计2.2.1 工作台物理模型初步设计滚珠丝杠驱动的数控工作台的物理模型如图 2.4 所示，其工作简图如图 2.5 所示，相应的连接关系如图 2.6 所示。由图可以看出：它是由驱动电机、电机支承、联轴器、前端轴承、前端轴承座、滚珠丝杠、滚珠螺母、后端轴承、后端轴承座、导轨和工作台等组成，是一个复杂的动力学系统。通过联接关系图（图 2.6）可以看出：滚珠丝杠是通过三个链条的单元连接到床身上的，即：电机支座电机联轴器；前端轴承座前端轴承；后端轴承座后端轴承 3。图 2.4 数控工作台的物理模型图 2.5 数控工作台工作简图东北大学秦皇岛
21、分校毕业设计（论文） 第 6 页图 2.6 数控工作台各部分连接关系2.2.2 工作台控制结构初步设计工作台控制结构如图 2.7 所示 4。采用上位 PC 机或数控系统发送运动指令到运动控制卡，运动控制卡接受运动指令经处理后发出连续的、高频率的脉冲串，通过改变发出脉冲的频率来控制电机的速度，通过改变发出脉冲的数量来控制电机的位置，其脉冲输出模式包括脉冲/方向、脉冲/脉冲方式。脉冲计数可用于编码器的位置反馈，提供机器准确的位置，纠正传动过程中产生的误差。数字输入/输出点可用于语限位、原点开关等。伺服电机作为执行器件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。将运动传递给丝杠螺母副，带
22、动工作台实现相应的运动 5。图 2.7 工作台控制结构图东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 7 页3 滚珠丝杠单元设计计算选型3.1 滚珠丝杠副特点及其结构滚珠丝杠（目前已基本取代梯形丝杆，已俗称丝杆），是用来将旋转运动转化为直线运动、或将直线运动转化为旋转运动的执行元件。其三维图如图 3.1 所示。图 3.1 滚珠丝杠副三维模型滚珠丝杆由螺杆 1、螺母 2、滚珠 3 和滚珠循环返回装置 4（图 3.2）组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。图 3.2 滚珠丝杠副组成滚珠丝杠副是将螺母与丝杠分别加工成凹半圆弧形成螺纹，
23、在螺纹之间放入滚珠形成的。滚珠沿螺旋滚道滚动，带动螺母或丝杠轴向移动，将原先传动中使用的 T 行丝杠的螺纹摩擦变为滚动摩擦，因而降低了摩擦阻力，消除了爬行现象，从而提高了东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 8 页传动精度与传动机械效率。1、滚珠丝杠副特点滚珠丝杠副有很多优点，主要为传动效率高，约为 92%96%,可消除轴向移动产生的间隙，定位精度高，刚度好，运动平稳，无爬行现象，传动精度高。再次，旋转运动变为直线运动，丝杠与螺母都可作为主动件，磨损小，使用寿命长。到哪滚珠丝杠副制作工艺复杂，精度要求高，且不能自锁。（1) 传动效率高在滚珠丝杠中，自由滚动的滚珠将力与运动在丝杠与螺母之间传递
24、。这一传递方式取代了传统的螺纹丝杠副的丝杠与螺母间直接作用方式，因而以最小滚动摩擦代替了传统丝杠的滑动摩擦，使滚珠丝杠副传动效率达 90%以上，整个传动副的驱动力减少至滑动丝杠的 1/3 左右，发热效率也因此得以大幅降低（如图 3.2） 6。图 3.3 滚珠丝杠的机械效率（2）定位精度高滚珠丝杠副发热率、温升小以及在加工过程中对丝杠采取预拉伸并预紧消除轴向间隙等措施，使丝杠副具有高的定位精度和重复定位精度。（3）传动可逆性滚珠丝杠副没有滑动丝杠粘滞摩擦，消除了在传动过程中可能出现的爬行现象，滚珠丝杠副能实现两种传动方式将旋转运动转化为直线运动或将直线运动转化为旋转运动并传递动力。东北大学秦皇岛
25、分校毕业设计（论文） 第 9 页（4）使用寿命长由于对丝杠滚道形状的准确性、表面硬度、材料的选择等方面加以严格控制，滚珠丝杠的实际寿命远高于滑动丝杠。（5）同步性能好由于滚珠丝杠副运转顺滑、消除轴向间隙以及制造的一直性，采用多套滚珠丝杠副方案驱动同一套装置或多个相同部件时，可获得很好的同步工作。2、滚珠丝杠副结构（1）滚珠丝杠的循环方式在丝杠轴和螺母之间装如滚珠而进行转动的单元就是滚珠丝杠。由于滚珠需要无限循环，所以作为最低需要的 4 件构成部件除丝杠轴、螺母和滚珠之外，还需要循环部件。此结构产生的功能如下所述：A运动的变换：由旋转运动变为直线运动（正运转）和将直线运动高效率的变为旋转运动（反
26、运转）。B力的放大：将小的旋转力（扭矩）放大成为大的推力。C定位：能够精确地确定直线方向的位置。其循环方式（NSK）主要有以下几种：如表 3.1表 3.1 滚珠丝杠循环方式（a）端部导流方式 管循环式构造：此方式的构造是在螺母端部沿丝杠螺纹槽接线方向平滑地将滚珠拉起，并通过设在螺母内部的贯通孔循环，把在落幕的中央拉起滚珠的方式称为中部导流式特点：构造：在适合滚珠大小的管道内使滚珠通过始点、终点间往复循环的方式特点：（1）规格（轴径、导程）的适应范围广东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 10 页（1）螺母外径小，可进行微型设计（2）无噪音告诉传送表 3.1 滚珠丝杠循环方式 （b）内循环式
27、端盖式构造：在相邻的间距（导程）间，通过马蹄状导流孔循环的方式特点：适合导程小的物件，螺母外径小，可进行微型设计构造：在螺母端部配置拉升滚珠的端盖，在螺母内设置的贯通孔循环的方式特点：适合导程大的物件，滚珠循环部的构造复杂，缺乏通用性（2）滚珠丝杠的预紧方式滚珠丝杠副有 4 种适用于不同用途的预紧方式表 3-2 滚珠丝杠预紧方式预紧方式双螺母垫片预紧（D） 偏移预紧（Z）结构图内容使用 2 个螺母在其中插入垫圈施加预紧，适合于重预紧。一般而言，仅根据预紧量插入比螺母间的间隙厚的对于螺母中央附件的导程只增加 的预紧量进行预紧。采用单螺母，其预紧方式与 D 预紧方式相同。因不使用垫圈，可进行微型化
28、设计。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 11 页垫圈，相反，有时会使用薄的垫圈。螺母总长长 中预紧方式超规滚珠预紧（ P） 弹簧式双螺母预紧（J）结构图内容插入比轨道空间略大的滚珠（超大滚珠），使滚珠 4 点接触然后施加预紧。在低扭矩区域的扭矩性能良好。将 D 预紧的垫圈改为弹簧。由于载重的方向不同而刚度有所不同，需要考虑。螺母长度短 长3.2 滚珠丝杠副计算选型3.2.1 滚珠丝杠副选型依据及计算项目对于各种不同载荷、转速和工作状态，滚珠丝杠剧使用寿命的大小也是不相同的。滚珠丝杠副有如下选用原则：（1）在高速或较高速和定工作载荷的情况下选用滚珠丝杠副；（2）在变工作载荷和变转速的情况下
29、选用滚珠丝杠副；（3）在承受动载荷的情况下选用滚珠丝杠副；（4）按额定静载荷选用滚珠丝杠副。滚珠丝杠副由于精度要求高，制造比较复杂，所以一般均由专业厂生产，使用者在设计一般以校验为主。一般情况下，滚珠丝杠副的承载能力取决于其抗疲劳能力，故首先应按寿命条件及额定动载荷选择或校核其基本参数，同时检验其载荷是否超过额定静载荷。丝杠的强度、刚度和稳定性也要进行校验。1、在计算选用滚珠丝杠时，应从以下几个方面考虑：东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 12 页（1）滚珠丝杠的安装方式一端固定一端自由的安装方式适用于转速较低滚珠丝杠较短的情况。两端游动是一种常见的安装方法，适用于中等转速的情况。一端固定
30、一端游动则适用于中等转速需要高精度运行的场合。而两端固定的安装则适用于高速运转、需要高精度运行的场合。（2）丝杠的最小底径尺寸滚珠丝杠在正常使用时，须保证在轴向方向上被施加的最大压缩负荷不能使丝杠发生弹性变形，这就确定了丝杠的最小底径尺寸。（3）允许转速随着滚珠丝杠转速的提高，会逐渐接近丝杠的固有振动频率，进而会发生共振以至不能继续转动。因此滚珠丝杠一定要在临界转速（共振点）以下使用。（4）寿命滚珠丝杠的寿命是指一批相同的滚珠丝杠在基本额定动载荷的作一用下，90 % 达到 l 少转时的总回转数。（5）滚珠丝杠系统的刚性为提高数控设备及精密机械进给丝杠系统的定位精度和相对于刀具切削的刚性，必须考
31、虑进给系统各组成组件的刚性 7。2、其计算选用流程如图 3.4：东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 13 页图 3.4 滚之丝杠计算流程（a）图 3.4 滚之丝杠计算流程（b）P 类定位滚珠丝杠，T 类传动滚珠丝杠，精度等级分为七个等级，即1，2，3，4，5，7，10，一级精度最高，依次逐渐降低。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 14 页3.2.2 滚珠丝杠副选型计算初始条件：工作台及其所承载的重量 W=100kg，工作台最大行程 Lx=500mm工作台最高移动速度 Vmax =15m/min，电动机最高转速 nmax=3000r/min工作台导轨的摩擦系数：动摩擦系数 =0.04（
32、滚动导轨），静摩擦系数 0=0.2加减速时间常数 t=0.1s，要求寿命 15000 小时定位精度 20m/300mm，全行程 25m 重复定位精度 10m（1）确定滚珠丝杠副的导程（3.1）Ph= Ph：滚珠丝杠副的导程Vmax：工作台最高移动速度 15m/minnmax：电动机最高转速 3000r/mini：传动比，因电机与丝杠通过联轴器直接相连，故 i=1代入得 Ph=5mm，取 Ph=5mm（2）确定当量转速与当量载荷（a）丝杠转速 （3.2）=103ni： 丝杠转速 r/min i=1，2，3Vi：进给速度 m/min i=1，2，3V1=0.5，V 2=5，V 3=15 代入得 n
33、1=100，n 2=1000， n3=3000（b）丝杠的轴向载荷加速时加速度= =2.5m/s2 （3.3）60东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 15 页轴向负载 =290（N）1=(+)恒速时轴向负载 =40（N）1=减速时轴向负载 =210（N）1=()表 3-3 工作台运动参数进给方式轴向受力F（N）进给速度V（m/min）丝杠转速n（r/min）时间百分比（ %）慢速进给 290 0.5 100 30常速进给 40 5 1000 60快速进给 210 15 3000 10（c）当量转速（3.4）n=11100+22100+100nm：当量转速 r/mint1，t 2，t 3tn
34、：工作时间百分比t1=30 t2=60 t3=10代入得 nm=930（d）当量载荷（3.5）=313111003+23221003+31003Fm：当量载荷 Nfp：运动条件系数，正常运动取 1.5代入得 Fm=235N（3）预期额定动载荷（a）按预期工作时间估算（3.6）=360100Cam：预期额定动载荷 N东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 16 页查图 3.5 得：精度等级 13 取 fa=1.0，可靠性 97%取 fc=0.44，轻微冲击取 fw=1.3已知 Lh=15000 小时代入得 Cam= 6544N图 3.5 精度系数（b）拟采用预紧滚珠丝杠副按最大负载 Fmax 计
35、算Cam=feFmax图 3.6 预加负荷系数查图 3.6 得：中预载取 fe=4.5代入得 Cam=4.5290=1305N取以上两种结果的最大值Cam= 6544N（4）确定允许的最小螺纹底径（a）估算丝杠允许的最大轴向变形量 m（1/31/4）重复定位精度 m（1/41/5）定位精度东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 17 页m：最大轴向变形 m已知：重复定位精度 10m，定位精度 25m m=3， m=6取两种结果的最小值 m=3m（b）估算最小螺纹底径丝杠要求预拉伸，取两端固定的支撑形式（3.7）2=10100=0.0390d2m：最小螺纹底径 mmL（ 1.11.2）行程+（1
36、014）P h （3.8）静摩擦力 F0=0W已知：行程为 Lx=500mm，W=100kg ， 0=0.2代入得L=740mm，F 0=196N，d 2m=8.58mm（5）确定滚珠丝杠副的规格代号（a）选定循环浮动式法兰，直筒双螺母型垫片预紧形式（b）有计算出的 Ph，Cam，d2m 选取相应规格的滚珠丝杠副FFZD2005-3Ph=5mmCa=9100N Cam=6544N d2=16.9d2m=8.58（6）确定滚珠丝杠副预紧力（3.9）=13其中 Fmax=290Fp97N（7）行程补偿值与预拉伸力a）行程补偿值东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 18 页C=11.8 tLu10
37、-3 （3.10）Lu=Lx+Ln+2La （3.11）Lx=500mm Ln=L1=83mm（样本数据） La=（24）P h=20得 Lu630t 温差取 2.5得 C 20mb）预拉伸力Ft= （3.12）1.9522代入得 Ft1393N（8）确定滚珠丝杠支撑用的轴承代号、规格a）轴承所承受的最大轴向载荷FBmax=Ft+Fmax （3.13）代入得 FBmax=1683Nb）轴承类型两端固定的支撑形式，选背对背 60角接触推力球轴承c）轴承内径d 略小于 d2=16.9mm FBP=1/3FBmax （3.14）取 d=15mm代入得 FBP=561Nd）轴承预紧力预加载荷F BPd
38、）按样本选轴承型号规格已知：d=15mm 预加载荷F BP 故选轴承型号为：7602015-TVP 轴承（15-35-11） 8d=15mm 预加载荷为：1300 NF BP=561N（9）滚珠丝杠副工作图设计东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 19 页a）丝杠螺纹长度 LsLs=Lu+2Le （3.15）由图 3.7 得余程 Le=20图 3.7 丝杠有效行程（b）两固定支撑距离 L1按样本查得螺母安装连接尺寸，丝杠全长 L（c）行程起点离固定支撑的距离 L0图 3.8 滚珠丝杠工作图由工作图（图 3.8）得Ls=670mm， L1=716mm，L= 800mm，L 0=90mm（10）
39、电机选择（见 5.1）（11）传动系统刚度a）丝杠抗压刚度丝杠最小抗压刚度（3.16）=6.6221102：最小抗压刚度 N/md2：丝杠底径L1：两固定支撑距离得 =2.7102N/东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 20 页丝杠最大抗压刚度（3.17）=6.6 22140(10)102：最大抗压刚度 N/m得 =60.08102N/b）支撑轴承组合刚度一对预紧轴承的组合刚度（3.18）=22.34 32sin 5 ：一对预紧轴承的组合刚度 N/m：滚珠直径 mm ：滚珠数 ：最大轴向工作载荷 N ：轴承接触角由相关轴承样本查出 轴承 Fmax 是预加载荷的 3 倍， =13，=60，=
40、4.75 =6300 ，=632N/支撑轴承组合刚度由图 3.9 得两端固定关系：K b=2Kb= 1264N/m图 3.9 支撑轴承刚度滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度（3.19）=( 0.1)13 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 21 页：滚珠和滚道接触刚度 N/m：查样本上的刚度，查得 536N/m =：额定动载荷，查得 = 9100N ：滚珠丝杠副预紧力 97N得 =255N/（12）刚度验算及精度选择（3.20）1= 1+1+11= 1197N/（3.21）1= 1+1+11= 1205N/F0=0Wg （3.22）F0：静摩擦力 ， 0：静摩擦系数，W：工作台及工件总质量已知
41、：W=100kg， 0=0.2， F0=196N a）验算传动系统刚度（3.23）= 1.60反向差 值：传动系统刚度 N/m已知反向差值或重复定位精度为 10m=19731.36b）传动系统刚度变化引起的定位误差（3.24）=0( 1 1)=0.04c）确定精度V300p：任意 300mm 内的行程变动量对半闭环系统而言东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 22 页V300p0.8 定位精度 定位精度为 20m/300，丝杠精度等级为 3 级，V 300p=12mV300p=12mmax=3000（15）Dn 值验算（3.26）=：滚珠丝杠副的节圆直径 mm（公称直径 d0 起标识作用，无
42、公差，取整数值，起便于商务和管理的作用。节圆直径 DPW 有公差带，可一为小数，在工程计算上起参数作用。）：滚珠丝杠副的最高转度 r/min=20+0.8=20.8mm=3000 r/minDn=6240070000（16）滚珠丝杠副尺寸及形位公差标注滚珠丝杠副尺寸及形位公差标注见附图。滚珠丝杠副三维图如图 3.11。图 3.11 滚珠丝杠副三维图东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 24 页4 导轨单元设计计算及选型4.1 直线导轨概述直线导轨（图 4.1）是 1932 年法国专利局公布的一项专利。经过几十年的发展，直线导轨已经日趋成为国际通用的一种支承及传动装置，越来越多被数控机床，数控
43、加工中心，精密电子机械，自动化设备所采用，在工业生产中得到广泛的应用。图 4.1 直线导轨三维模型直线导轨又称精密滚动直线导轨副、滑轨、线性导轨、线性滑轨、滚动导轨，用于需要精确控制工作台行走平行度的直线往复运动场合，拥有比直线轴承更高的额定负载，同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。直线导轨副（如图 4.2）一般由导轨、滑块、反向器、滚动体和保持器等组成，它是一种新型的作相对往复直线运动的滚动支承，能以滑块和导轨间的钢球滚动来代替直接的滑动接触，并且滚动体可以借助反向器在滚道和滑块内实现无限循环，具有结构简单、动静摩擦系数小、定位精度高、精度保持性好等优点 9。图
44、4.2 直线导轨结构示意图东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 25 页依按摩擦性质而定，直线运动导轨可以分为滑动摩擦导轨、滚动摩擦导轨、弹性摩擦导轨、流体摩擦导轨等种类。4.1.1 直线导轨的特点（1）定位精度高，容易获得高度的行走精度直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的 1/50。由于动摩擦与静摩擦系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少 90%，因此，可将机床定位精度设定到超微米级。滑块与导轨间的末制单元设计，使得线形导轨可同时承受上下左右等各方向的负荷，专利的回流系统及精简化的结构设计让线性导轨有更平顺且低噪音的运动。（2）总成本低，降低机床造价并大幅度节约电力，节省能源效果大采
45、用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小，特别适用于反复进行起动、停止的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，减轻了重量，使机床所需电力降低 90%，具有大幅度节能的效果。（3）可实现无间隙轻快地高速运动直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率 2030%。（4）可长期维持机床的高精度对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度的误差是无法避免的。在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。同时，由于使用润滑油也很少，大多数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变得非常容易了。 （5）所有方向都具有高刚性滚动直线导轨的滑块与导轨间为微间隙或负间隙，因此可以极大提高导轨的整体刚性和运动精度。（6）容许负荷大滑块和导轨紧密配合成一整体，刚性大，四方向等负荷，因此具有较大的负荷承
