1、机电工程学院毕 业 设 计 说 明 书设计题目: 全自动轴承内圆磨床进给机构设计 学生姓名： 张杰 学 号： 2004142041 专业班级： 机自 0402 1指导教师： 马玉平 2008年 5 月 30 日目次1 绪论 .21.1 课题的来源与意义 21.2 课题研究现状和发展趋势 21.3 课题的设计任务与技术要求 42 自动轴承内圈内圆磨床总体设计与布局 .52.1 轴承套圈内圆的磨削原理与特点 52.2 全自动轴承内圈内圆磨床的加工对象，范围及要求 62.3 机床的主要运动及参数分析 72.4 影响机床加工精度和效率的工艺因素 82.5 机床主要部件结构方案评价 82.7 机床的造型
2、设计 .102.8 机床的总体设计 .113 全自动轴承内圆磨床的工作循环过程 123.1 机床的磨削工作过程 .123.2 砂轮休整循环 .124 全自动轴承内圆磨床进给系统的设计 124.1 导轨的选择 .124.2 滚珠丝杠的设计 .144.3 滚动轴承的选取与计算 .204.4 步进电机的选取及设计计算 .234.5 联轴器的选取 .274.6 齿轮减速器的选取 .284.7 进给系统精度校核 .31设计总结 .32致 谢 .34参考资料 .3521 绪论1.1 课题的来源与意义1.1.1 课题的背景与意义轴承内圆磨床是指用于磨削轴承内圆的专用磨床。五十年代，开始逐步发展了切入式轴承专
3、用内圆和外圆磨床；至八十年代，随着机床基础元件技术的发展，特别是电子技术的高速发展，轴承套圈内圆和外圆磨床的技术的日趋完善，相继出现了 PC 和 CNC 控制轴承套圈内圆和外圆磨床及 CAC 控制的轴承套圈内圆磨床，使现代控制技术与先进的机床功能组件相得益彰，大大提高了机床的自动化程度、可靠性、工作精度和生产效率。迄今为止，较著名的轴承磨床制造厂主要有：美国的勃兰恩特、希尔德；西德的奥佛贝克；意大利的西马特、法米尔、诺瓦；日本的精工精机、东洋工业公司；东德的柏林机床厂、卡尔马克思城磨床厂等。本设计为生产轴承的企业提出的实际课题。小型深沟球轴承是使用量较大的轴承产品。其生产方式为大批量生产。由于
4、行业的竞争日益激烈，生产厂家特别重视产品的质量和加工效率。在深沟球轴承内圈的加工工序中，内圈磨削是一种瓶颈工序，也是关键工序。传统的手动和半自动内磨床难以满足使用要求。因此，有必要设计开发以提高加工效率和质量为目的的全自动轴承内圈内圆磨床。1.1.2 课题设计要解决的问题轴承加工是以大批量为特征的，因此加工设备不仅要保证轴承所要求的各项精度和效率是一个很重要的指标。所以上下料的辅助时间是可以考虑缩短来提高效率的。而随着轴承工业的发展，对轴承磨床的加工精度也提出了更高的要求。尺寸精度是轴承加工中控制的一项关键之一。所以我们有 必要去对上下料及进给进行研究。在学校翻阅图书馆大量文献，研究出初步的设
5、计方案。去工厂进行实地考察，结合书本知识，得出最佳设计方案。31.2 课题研究现状和发展趋势随着轴承工业的迅速发展，对轴承磨床的加工精度、效率、可靠性提出了更高的要求。尺寸精度是轴承加工中控制的一项关键精度之一，而磨床的进给机构直接影响轴承套圈加工的尺寸精度。因此，随着轴承质量要求的不断提高，需要更加精密高效的磨床进给机构。磨床能加工硬度较高的材料，如淬硬钢、硬质合金等；也能加工脆性材料，如玻璃、花岗石。磨床能作高精度和表面粗糙度很小的磨削，也能进行高效率的磨削，如强力磨削等。小型深沟球轴承是使用量较大的轴承产品。其生产方式为大批量生产。由于行业的竞争日益激烈，生产厂家特别重视产品的质量和加工
6、效率。在深沟球轴承内圈的加工工序中，内圈磨削是一种瓶颈工序，也是关键工序。传统的手动和半自动内磨床难以满足使用要求。因此，有必要设计开发以提高加工效率和质量为目的的全自动轴承内圈内圆磨床。1.2.2 课题国内外研究的概况十八世纪 30年代，为了适应钟表、自行车、缝纫机和枪械等零件淬硬后的加工，英国、德国和美国分别研制出使用天然磨料砂轮的磨床。这些磨床是在当时现成的机床如车床、刨床等上面加装磨头改制而成的，它们结构简单，刚度低，磨削时易产生振动，要求操作工人要有很高的技艺才能磨出精密的工件。1876年在巴黎博览会展出的美国布朗-夏普公司制造的万能外圆磨床，是首次具有现代磨床基本特征的机械。它的工
7、件头架和尾座安装在往复移动的工作台上，箱形床身提高了机床刚度，并带有内圆磨削附件。1883 年，这家公司制成磨头装在立柱上、工作台作往复移动的平面磨床。1900年前后，人造磨料的发展和液压传动的应用，对磨床的发展有很大的推动作用。随着近代工业特别是汽车工业的发展，各种不同类型的磨床相继问世。例如20世纪初，先后研制出加工气缸体的行星内圆磨床、曲轴磨床、凸轮轴磨床和带电磁吸盘的活塞环磨床等。自动测量装置于 1908年开始应用到磨床上。到了 1920年前后，无心磨床、双端面磨床、轧辊磨床、导轨磨床，珩磨机和超精加工机床等相继制成使用；50 年代又出现了可作镜面磨削的高精度外圆磨床；60年代末又出现
8、了砂轮线速度达 6080 米/秒的高速磨床和大切深、缓进给磨削平面磨床；70 年代，采用微处理机的数字4控制和适应控制等技术在磨床上得到了广泛的应用。随着高精度、高硬度机械零件数量的增加，以及精密铸造和精密锻造工艺的发展，磨床的性能、品种和产量都在不断的提高和增长。内圆磨床和其他磨床一样，在提高效率、自动化程度和万能性方面有较大的发展。但精度提高得很慢。十多年来，内孔不圆度最佳值一直保持在 0.31 之间，最高表面粗糙度 Ra0.08。m为了适应大批量生产，各国都出现一批自动内圆磨床，如美国海尔特公司的 OCF 型内圆磨床，美国 Bryant 公司的 C-2 型内圆磨床，德国 SIP200X3
9、15 型内圆磨床。1.2.3 课题的发展趋势与应用对象磨床是各类金属切削机床中品种最多的一类，主要类型有外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、无心磨床、工具磨床等。外圆磨床是使用的最广泛的，能加工各种圆柱形和圆锥形外表面及轴肩端面的磨床。万能外圆磨床还带有内圆磨削附件，可磨削内孔和锥度较大的内、外锥面。不过外圆磨床的自动化程度较低，只适用于中小批单件生产和修配工作。内圆磨床的砂轮主轴转速很高，可磨削圆柱、圆锥形内孔表面。普通内圆磨床仅适于单件、小批生产。自动和半自动内圆磨床除工作循环自动进行外，还可在加工中自动测量，大多用于大批量的生产中。平面磨床的工件一般是夹紧在工作台上，或靠电磁吸力固定在电磁工作
10、台上，然后用砂轮的周边或端面磨削工件平面的磨床；无心磨床通常指无心外圆磨床，即工件不用顶尖或卡盘定心和支承，而以工件被磨削外圆面作定位面，工件位于砂轮和导轮之间，由托板支承，这种磨床的生产效率较高，易于实现自动化，多用在大批量生产中。工具磨床是专门用于工具制造和刀具刃磨的磨床，有万能工具磨床、钻头刃磨床、拉刀刃磨床、工具曲线磨床等，多用于工具制造厂和机械制造厂的工具车间。轴承套圈磨床是磨床的一个重要分支。我国的轴承套圈磨床已经全部实现了自动化生产，现在正在使用的大批量高精度的轴承生产已经广泛采用自动线生产，代表着世界先进水平的轴承磨超自动线已经大量的出口世界各地。我国的轴承磨床制造企业为我国的
11、精密磨床发展做出了卓越的贡献。1.3 课题的设计任务与技术要求在之前的轴承内圆磨床的技术参数5上进行改进，把原来的半自动化改成自动化程度更高的机床。原先的磨床进给还是采用棘轮机构，用液压来驱动，这样的进给系统自动化程度低，精度也低，不适合现在的大规模，高精度生产。而自动上下料结构也能很好地提高工作效率。在长时间，单一的工作状态下人的精神状态是很容易不集中的，容易发生错误，而自动上下料也能解决一问题。2 自动轴承内圈内圆磨床总体设计与布局磨削加工可分为一般磨削和高光洁度磨削（即精密磨削，超精磨削，镜面磨削）两种。对于一般磨削，砂轮可当作一把多刀多刃的铣刀，每一颗磨粒相当于一个刀齿，每一个粒尖相当
12、于一个“刀刃” 。但他与铣刀又不同的地方就是砂轮有无数的刀齿，且刀齿的排列和刀齿的角度都是及不规则的。高速旋转的每一个“刀齿” ，在切削力的作用下，从工件表面上切除一条薄层的切屑，并在工件表面上摩擦发热而产生火化。这样无数磨砺切削的结果，就把工件表面要切除的金属磨去，形成光滑表面。对于精密磨削，超精密磨削和镜面磨削，光滑表面的形成与一般磨削相似，单也有自身的特点。高光洁度磨削是由砂轮通过精细修整后形成等高的微刃切削作用和适当接触压力的摩擦抛光作用，使工件表面获得高的光洁度。2.1 轴承套圈内圆的磨削原理与特点2.1.1 基本原理：下图为滚动轴承内圈内孔的磨削原理图。图 2-1滚动轴承内圈内孔的
13、磨削原理图磨削时，工件径向进给，砂轮轴轴向往复移动，在粗进给和精进给磨削之间，往往需要修整砂轮。修整时，砂轮退出内孔并在修整器位置往复运动一次，修整6器就在砂轮表面去除一层磨料。每修整一次，就必须有一次补偿进给量 a,a的大小应根据生产条件经验合理确定，一般其数量级为 1-10微米。在内圆磨削中，工件进给一般由机械控制，也有用步进电机控制的。砂轮转速由电主轴控制：砂轮轴向长距离往复运动由油缸控制，而其往复振动则有偏心装置控制。2.1.2 轴承内圈内圆磨削的特点：砂轮刚度低内表面磨削时，砂轮受内径限制，常制成较细的悬臂梁状，刚度很低：刚性差，易于变形，从而引起较大的尺寸和形状误差：砂轮轴无进给光
14、磨，恢复变形时间较长，生产率很低。磨削条件差内表面磨削时，砂轮直径很小，为保证一定的磨削线速度，砂轮轴转速极高，要上万转，很容易引起磨削系统的振动。在磨削时，砂轮与工件接触面积大，磨砺抑郁钝化，且自锐性不能充分发挥，产生热量多，冷却液很难进入磨削区，工件表面极易烧伤。2.2 全自动轴承内圈内圆磨床的加工对象，范围及要求2.2.1 机床的加工对象该磨床主要用于大批量生产中高级精度的深沟球轴承内径的磨削。主要用于磨削轴承套圈内径，也适合磨削其他环形零件的内径，最适合大批量全自动化生产。2.2.2 机床的加工范围该磨床所加工轴承套圈的规格为：磨孔直径： 20-30 毫米最大磨削深度： 30 毫米最大
15、工件外径： 42 毫米加工余量: 0.2-0.35 毫米加工质量: 高于轴承国家标准对于 P0级精度的轴承要求2.2.3 工件的加工精度7作为精密的机械元件，滚动轴承工作性能能直接影响逐级的工作性能，直至装在主机关键部件的轴承的工作能力，几乎决定了该逐级的工作性能，除高精密轴承外，像耐高温、耐低温、防锈、防震、高速、高真空、和耐腐蚀等具有特殊性能要求的轴承的质量指标也是十分严格的。一般来说，滚动轴承应具有高的寿命,低的噪音，小的旋转力矩和高的可靠性，这些基本性能要达到这些要求，就必须在机械加工工艺上首先确保轴承零件内圈的以下指标：旋转精度：要求轴承的内圈的几何形状精度和位置精度不超过几微米。尺
16、寸精度：要求内圈的尺寸精度在几微米之内。粗糙度：安装表面粗糙度 Ra 值不大于 0.63m-0.32m ，尺寸稳定度：在长期存放和工作时没有明显的尺寸和形状变化。质量指标：尺寸公差 7 微米：圆度 3 微米：粗糙度 0.04m2.3 机床的主要运动及参数分析2.3.1 机床应提供的主要运动分析为实现正常的内圆磨削，所需要的切削运动和辅助运动如下图所示。图 2-2内圆磨削切削运动和辅助运动图 2.2中 Vf-横向进给运动：Vr-纵向往复运动：Vd-修整运动：Va-砂轮与工件的接近运动：Ng-砂轮转速：Nw-工件的旋转运动。2.3.2 机床的运动参数及动力参数磨架最大纵向行程(mm) 400磨架最
17、大轴向行程(mm) 420砂轮轴型号 GDZ-36 GDZ-48 GDZ-608砂轮轴转速 (rpm) 16000 48000 60000砂轮轴功率 (KW) 5.0 3.5 2.5工件轴转速(rpm) 低速 450 567 710高速 900 1134 1420粗磨速度(mm/min) 0.8-2精磨速度(mm/min) 0.25-0.5快速趋进工作速度(mm/min) 15工件架粗精进给微退量(mm) 0.001-0.0162.4 影响机床加工精度和效率的工艺因素主动测量装置的精度和稳定性，以及砂轮的切削性能都是至关重要的。砂轮的自锐性及在修整期间内的耐磨性是否良好，对内圆磨削尺寸精度，几
18、何精度和精度稳定性有重大影响，小孔磨削事尤为重要。所以，仪表和砂轮是实现正常自动内圆磨削的前提条件。以下着重分析影响内圆磨削尺寸精度，几何精度及磨削效率的磨床结构因素。内圆磨削尺寸精度结构影响因素。 11. 工艺系统的运动精度及重复定位精度；2. 工艺系统的静动态刚性；3. 工艺系统的热变形；内圆磨削几何精度的磨床结构影响精度 24. 工艺系统的运动精度及重复定位精度；5. 工艺系统的静动态刚性；6. 夹具重复定位精度(考虑重修的可能性)几主轴回转精度；内圆磨效率的磨床结构影响因素 37. 磨削参数，主要是砂轮线速度，横向进给速度，往复频率和工件速度；8. 磨削循环的合理的设计以及空程磨削时间
19、和辅助时间的比重；9. 工艺系统的刚性；10.机电系统工作的可靠性；92.5 机床主要部件结构方案评价根据前一节机床结构因素对加工尺寸精度，几何精度和效率影响的分析，现将内圆磨床各主要部件可能采用的结构方案列出，并分别进行刚性评价，精度评价，从而进行方案的比较选择。部件的结构方案是在假设部件结构设计，制造良好的基础上进行的。任何合理的结构方案，如果具体结构设计不当或制造不良，均会使该部件失去其优势，乃至完全打不到预测的结果。各部件结构方案综合评价如下表 2-1：表 2-1 各部件结构方案综合评价10部件名称 结构方案 刚性评价 精度评价 效率评价夹具定心夹具电磁无心夹具滚轮式无心夹具优优中差优
20、优差优优导轨滑动导轨液静压导轨气静压导轨磙子滚动导轨钢球滚动导轨中优差优中优优优优优优优优优优砂轮主轴 滚动支撑皮带轴滚动支撑 DZ系列电主轴滚动支撑 GDZ系列电主轴气静压支撑电主轴中中优差中中优优中中优差进给系统丝杠螺母(滑动接触消除间隙)步进电机(滚珠丝杠)液压传动滚动丝杠步进电机凸轮机构中优优优差优中优差优中差尺寸控制系统定程磨削气浮塞规测量系统前插式主动测量仪步进电机凸轮杠杆差中优优优优中优空程磨削消除系统控制倒磨削磨削功率控制测量升数法优优优中优中11上述评价是定性的相对比较，曾试图采用加全权记分法来进行比较。由于每种结构各具特点，无法真正做到恰当的确定参数，并赋予适中的加权系数，
21、所以实际上无法进行加权记分法评定。2.7 机床的造型设计为了使所设计机床操作方便，减少工人的劳动强度以及外形美观，该内圆磨床在造型设计上采用了以下措施：为使机床工作场地明快，尽可能将各部件设置在机床本体上。例如，液压系统设置在床身之内；电器箱设置在机床本体后方，占地少，避免外接连线、联管，运输方便；电器箱同时当作机床外部密封的后墙，又可节省材料。全部电器操作件均设置于电器箱前凸部上的控制面板上，调整用操作件和操作用件分片集中安装操作件于操作者易接近的部位，保证操作者视力及精力不被分散。机床采用半封闭型设计，后防水板用金属结构，前防水板用有机玻璃成型活动式结构，既方便观察，有给人以美观的感觉。机
22、床调整时容易拿下，轻便且易于清洗。实践证明若该为全封闭设计可能更有利于减少油雾对环境的污染。床各外露部件的几何设计，在满足性能和结构要求的基础上，尽可能符合几何美学的原则。十八世纪以来，人们喜欢用黄金分割法。经过计算后得到如下结果：a=0.618034l。此值实际上接近于优选法的优选点。随着时代的发展，尤其是从卧式机床稳定性出发，人们现在更喜欢较为扁平的结构，几何尺寸比例在 1/2 左右。如下图 2-3所示：图 2-3比例在 1/2 左右的机床尺寸示意图其中左图是按黄金分割设计的机床正面图，右图是按加长比例 1：3 设计的机床正面图由于结构要求，床身的长度及前门框的长度分别为 1200毫米和
23、520毫米，如下图122-4：图 2-4 本设计的机床外形尺寸观线条统一化，外漏部分尽可能采用简洁明快感强的直线条和直角相交。过去由于铸造工艺上的困难，也由于流线型审美观，影响到机床大部件，另外均取大圆角过度转折，现在已显陈旧，且给人以傻大的感觉。由于分模铸造的发展，接近直角的转折 的小圆角逐渐已经很容易制造，外形平整线条一致，为机床造型美观化提供了有利条件。充分考虑机床结构设计上的均衡和稳定的关系。考虑工件头架与磨头架实际结构的不平衡性，外部采用有机玻璃密封罩。2.8 机床的总体设计为实现连续正常的连续磨削，所需要的切削运动和辅助运动在前面已经介绍，这本已是任何内圆磨床设计者所熟知的。运动方
24、案的设计，实质上决定了机床总体布局方案的选择。对已有轴承内圆磨床的运动设计进行比较分析，其区别在于横向进给运动 V f（有级，无级变化）和纵向运动 Vr，修整运动 Vd和砂轮与工件接近运动 Va有哪个部件实现。考虑导规系统结构设计的方便和滑板层次或部件结构的简化，也考虑到自动上下料的方便与否，本机床将所有的横向运动由工件实现，纵向运动由砂轮系统来实现。由此就决定了机床主要布局如下图所示。机床身则选用结构刚性及造型设13计均较有利的巨型箱式铸造件结构。3 全自动轴承内圆磨床的工作循环过程机床在工作过程中,需要两个循环过程：磨削循环和砂轮修复循环。下面分别介绍一下这两个过程。3.1 机床的磨削工作
25、过程首先，打开总的电源，气源，启动工作轴，磁滤器，电泵。砂轮轴得到气，启动砂轮轴和液压系统；机械手上料，复位；测爪进入工作，电磁无心夹具上磁。然后，测爪张开，磨架快速左行到底，工件架快跳，快趋，进行粗磨；工件架微退，进行粗光磨。然后精磨，工件架微退，进行精光磨。工件架跳出，步进电机复位，磨架往复停止，磨架快速右行至休整位置，补偿机构进行补偿；测爪收缩，断磁，测爪退出工件，然后机械手上料，进行下一个磨削循环。3.2 砂轮休整循环机械手上料，机械手复位，测爪进入工作并上磁，测爪张开，磨架快速左行至休整位置，休整器倒下，磨架休整左行；磨架快速右行至补偿位置，砂轮架抬起，磨架快速左行到底，工件加快跳，
26、进行磨削。4 全自动轴承内圆磨床进给系统的设计4.1 导轨的选择4.1.1 导轨的分类及其特点导轨主要根据导轨副之间的摩擦情况，导轨分为： 滑动导轨两导轨之间为滑动摩擦。结构简单，制造方便，刚度好，抗振性高，是机床上最广泛采用的。特点：导向精度高，不会出现间隙，14能自动补偿磨损。一般选取三角形顶角 =90,重型机械采用大顶角=110120。当水平力大于垂直力，V 形导轨两侧受力不均匀时，采用不对称 V形导轨。直线导轨和圆导轨均可采用 承载能力大，制造方便。必须留有侧向间隙。不能补偿磨损。用镶条调整时，会降低导向精度。 需注意导轨的保护。直线导轨和圆导轨均可采用 尺寸紧凑，适用于要求高度小导轨
27、层数多的场合。可构成闭式导轨。用一根镶条可以调整各面的间隙。刚度比平面导轨小。制造简单，弯曲刚度小，主要用于受轴向载荷的导轨。适用于同时作直线和旋转运动的场合。 滚动导轨滚动直线导轨副是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及挡板等组成。当导轨与滑块作相对运动时，钢球就沿着导轨上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道滚动，在滑块端部钢球又通过返向装置（返向器）进入返向孔后再 进入滚道，钢球就这样周而复始地进行滚动运动。返向器两端装有防尘密封端盖，可有效地防止灰尘、屑末进入滑块内部。特点： 滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低二者
28、之间的运动摩擦阻力，从而获得： 动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一。与 V型十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约 40倍。适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约 10倍。能实现高定位精度和重复定位精度。 能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。成对使用导轨副时，具有“误差均化效应” ，从而降低基础件（导轨安装面）的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度。导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承接能力及刚度比平面与钢球点接触时大大提高，滚动摩擦力
29、比双圆弧滚道有明显降低。导轨采用表面硬化处理，使导轨具有良好的可校性；心部保持良好的机械性能。简化了机械结构的设计和制造。4.1.2 导轨的确定查机械设计手册 3第二版选取直线滚动导轨副系列，又根据机床设计要求15的特点，本设计初步选择:(1)直线滚动导轨副选取四方向等载荷型（GGB 型） ，其特点是：垂直向上向下和左右水平额定载荷是等同的，额定载荷比较大，刚度高。(2)尺寸规格初选 45，其结构形式选择 AA 型。(3)每根导轨上的滑块数为 1。(4)查出磨床的径向间隙为 C1级。(5)一般的机床设计，在同一个平面上使用的导轨数为 2个。(6)查出全自动轴承磨床推荐的精度等级为 3。(7)导
30、轨的材料为 HT200.初步确定直线滚动导轨的型号为 GGB45AA1C12 3选择用南京工艺设备制造厂的滚动直线导轨如图 4-1图 4-1 此导轨的设计参数查询机械设计手册 3第二版 P28-138页。4.1.3 导轨的校核本设计的两个导轨都放在床身上，所以没有必要进行校核。安装时要保证安装精度。4.2 滚珠丝杠的设计4.2.1 滚珠丝杠传动的特性 传动效率高滚珠丝杠传动系统的传动效率高达 90%98%，为传统的滑动丝杠系统的 24 倍，能以较小的扭矩得到较大的推力，亦可由直线运动转为旋转运动（运动可逆）。 运动平稳滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，16工作中摩擦阻力小、灵敏度高、动时无颤动
31、、低速时无爬行现象，因此可精密地控制微量进给。 高精度滚珠丝杠传动系统运动中温升较小，并可预紧消除轴向间隙和对丝杠进行预拉伸以补偿热伸长，因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度。 高耐用性钢球滚动接触处均经硬化（HRC5863）处理，并经精密磨削，循环体系过程纯属滚动，相对对磨损甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性。 同步性好由于运动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移，用几套相同的滚珠丝杠传动系统同时传动几个相同的部件或装置，可以获得很好的同步效果。 高可靠性与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很低，维修保养也较简单，只需进行一般的润滑和防尘。在特殊场合可在无润滑状态下工一般来
32、说滚珠丝杠在工作中应该预紧以提高丝杠的刚度，从而提高传动精度，但在本机械系统中由于丝杠所承受的弯矩很小，所以我觉得没必要进行预紧，所以安装方式是一端固定一端游动的形式。X 轴向的工作台与其上面所安装的机械结构重力约 10N，焊枪在焊接时由于电流作用与工件之间的相互吸引力约 2N。4.2.2 滚珠丝杠副丝杠副传动法面截形，循环方式等的确定查机械传动设计手册 ，根据滚珠丝杠副螺纹滚道法面截形、参数和特点的比较选择如下：（1）确定选择螺纹滚道法面截形为单圆弧，参数公式见表 8.2-1，接触角为 =45。其特点是：滚道的精度比较高，摩擦损失大。图示如图 4-217图 4-2（2）单圆弧法面截形要求消除
33、间隙和调整预紧必须采用双螺母结构。（3）根据机床的特点，选用内循环浮动式反向器，其特点是径向尺寸小，循环通道短，摩擦损失小，传动效率高。4.2.3 滚珠丝杠的预紧滚珠丝杠副除了对本身单一方向的传动精度有要求外，对其轴向间隙也有要求，以保证其反向传动的精度。我们通常采用双螺母结构预紧方式（图 4-2）图 4-3双螺母预紧的结构通常有三种：垫片调隙式(图 4-4)图 4-4螺纹调隙式(图 4-5)图 4-5齿差调隙式(图 4-6)18图 4-6本设计中将采用的是双螺母内循环垫片调整式滚动螺旋副来消除间隙。垫片调整式有结构比较简单，装卸方便，刚度高的特点。4.2.4 滚珠丝杠选取与校核（1）初始条件
34、本设计的轴向进给长度大于径向进给结构，只校核轴向进给结构用的丝杠如下：由本设计要求可知，估算工作台的重量和安装在工作台上面的电磁夹具给丝杠的平均工作载荷 Fm=3800N，最大轴向行程 420 mm，取用丝杠的工作长度为 672mm，有效滚道长度是 500mm。 两支承间最大距离为：575mm 平均转速 100r/min，使用寿命 Lh=15000h,Ra为 58-62HRC,要求传动精度0.03mm，螺杆材料为：50Mn， 高、中频加热,表面淬火。螺母材料为：CrWMn ，整体淬火、低温回火。返向器材料为：40Cr，离子渗氮处理螺纹滚道法面截形为半圆弧，螺母采用双螺母垫片式预紧方式。（2）计
35、算载荷（公式摘自机械零件设计手册中滚动螺旋传动设计计算部分，下同） 1.2380456cFHAmKN式中 为载荷系数，K 为硬度系数，K 为短行程系数。参考机械零件设计F A手册表 18-18，表 18-19，表 18-20取 =1.2，K =1 K =1FHA（3） 计算额定动载荷计算额定动载荷公式 31.670mhacnLF其中 n 为平均转速，其中 Lh=15000h，取 n =100r/min,代入上式后计算得m19C =20421.6Na（4）根据必须的额定动载荷 C 选择螺旋尺寸a根据内循环滚动螺旋副结构，查表 8.2-18机械传动设计手册 ，使选择规格的螺旋副 C 接近 C 或者
36、稍大于 C ，如下表 4-1，aaa表 4-1结合公称直径和公称导程的优先配合，综合考虑选择参数如下：查特征代号确定型号为 FD40 6-3-3/全长 螺纹长度，其尺寸参数如下：额定动载荷 21650,aCN公称直径 04dm公称导程 ,hP钢球直径 mm3.96wD圈数 列数=1 3,螺纹升角 =,24o基本额定静载荷 =70650NaC滚道半径 R = 0.52 = 2.064mmwD偏心距 e = 0.707x（R- /2）=0.0562mm丝杠螺纹内径 d = =35.984mm102eR（5）稳定性验算因为丝杠采用一端固定一端铰支的安装方式，查表 18-7 机械零件设计手册长度系数
37、，0.720参照机电一体化系统设计基础表 2-10取安全系数S=3，因为螺杆较长，丝杠不会发生失稳的最大载荷成为临界载荷 F （N）按下式计算：crF = cr2lEIa式中 E为丝杠材料的弹性模量，对于钢，E=206GP ；l 为丝杠工作长度（m） ，al=672mm； 为丝杠危险截面轴惯性矩（ m ）;aI 4= =aI641d43.0.59=8.149 10 m84又 0.7可得： 29-82353.14068.140 77.8crFN安全系数 S= F / = =197.03S=3,crm4103丝杠安全,不会失稳.（6） 刚度验算按最不利的情况考虑，螺纹螺距因受轴向力引起的弹性变形与
38、受转矩引起的弹性变形方向是一致的。滚珠丝杠在工作载荷 F(N)和转矩 T(N.m)共同作用下引起每个导程变形量 (m)为0L=0LCGJTPEAF2式中,A 为丝杠截面积,A=1/4 ; 为丝杠的极惯性矩, = /32(m );G241mdCCJ41d为丝杠的切变模量,对钢 G=83.3GP ;T（N.m）为转矩。 a又 T=F tn20Dm式中， 为摩擦角，其正切值为摩21擦系数； 为平均工作载荷；可以查出螺旋副运动由旋转运动转化为直线运动时取mF参数摩擦系数 tan =0.0025，又 = ，所以样有下式：,24T=F 0tanmD3338/1420.7N按最不利的情况计算，F=F 有c2
39、0411322949268060.1.3.817248(05)3.4.56PFTLEdGm则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为 067.1.620.18Ll mp通常要求丝杠的导程误差 应小于其传动精度的 1/2，即=1.81 1/2*0.03=0.015mm 所以丝杠的刚度是完全满足要求的。Lm（7） 效率验算合格 tan0.47195.0%2综上所校核，该丝杠是符合要求的。同理，径向传动的滚珠丝杠也好似符合要求的。4.3 滚动轴承的选取与计算前面设计的滚珠丝杠公称直径是 40mm，支撑轴端的直径 30mm，则选定滚动轴承的内径为 30mm。4.3.1 轴向进给滚珠丝杠副的支撑轴承
40、（1）选取考虑滚珠丝杠的特点，对滚珠丝杠副的受力分析，滚珠丝杠选用支撑形式为一端22铰支一端固定式支撑。铰支端的支撑选用深沟球轴承，内圈轴向固定的方法。固定端的支撑选用一个深沟球轴承和一组双向推力球轴承的组合。深沟球轴承内圈用轴肩固定。在滚珠丝杠轴上加工出 x1.5的螺纹，用两个对顶的薄片螺24母来给双向推力球轴承一端固定，双向推力球轴承外圈用自制挡圈固定初步选定丝杠两端深沟球轴承型为普通深沟球轴承 6006，GB/T276-1994。固定端选取的推力球轴承为双向推力球轴承 52207型，GB/T301-1995。（2）校核由于丝杠螺母在滚珠丝杠轴上来回运动，加载在滚动轴承的负荷不均匀变化，校
41、核轴承时均采用校核单个轴承受力的极限位置的方法。因为导轨承受了工作台大部分的重力载荷，滚珠丝杠轴主要承受的是轴向载荷，对丝杠上的一个滚珠进行受力分析如下图 4-7，其中 1是螺纹升角 ， 2是摩擦角 ，F 就是上面校核滚珠丝杠轴的轴向载荷，分析如下：Ft 为圆周方向上的载荷，在整个丝杠轴上又大小相等方向相图 4-7 受力分析图反的两个 Ft相互抵消。圆周力 Ft在丝杠轴上产生一个转矩 T.T=F 0tan2mD3.817N（公式摘自机械零件设计手册中滚动螺旋传动设计计算部分）深沟球轴承受到包括滚珠丝杠自重的很小的力，在这里滚珠丝杠两端的深沟球轴承不需要校核。23下面进行双向推力球轴承的校核：双
42、向推力球轴承和深沟球轴承在一起用时，可以认为径向力都压在深沟球轴承上，那么推力球轴承只承受纯轴向载荷，所选取的双向推力球轴承 52207型 GB/T301-1995 的载荷参数如下：额定动载荷 =30120N,额定静载荷 =62290N。因为是aC0aC只承受纯轴向载荷， =90，其轴向当量动载荷为aPF根据寿命计算公式610hCLnP（公式摘自最新轴承设计手册中轴承设计计算部分）来计算该轴承的寿命，其中 P=Pa=Fa=3800N,转速 n=100r/min，额定动载荷=30120N，寿命指数 =3。aC=610hLnP3610120/min8Nr=82997.09h，82997.09h 1
43、5000h10h所选双向推力球轴承合格.4.3.2 径向进给滚珠丝杠副的支撑轴承滚珠丝杠支撑形式也选择为一端铰支一端固定式游离端的支撑选用深沟球轴承，内圈轴向固定的方法。固定端的支撑选用一个深沟球轴承和两个推力球轴承的组合。初步选定丝杠两端深沟球轴承型为普通深沟球轴承 6206，GB/T276-1994。固定端选取的推力球轴承为两个推力球轴承 51206型，GB/T301-1995。同样深沟球轴承内圈用轴肩固定。在滚珠丝杠轴上加工出 x1.5的螺纹，用两个对顶的薄片24螺母来给两列推力球轴承一侧固定。同理深沟球轴承受到包括滚珠丝杠自重的很小的力，在这里只需要校核推力球轴承。推力球轴承的校核：推
44、力球轴承和深沟球轴承在一起用时，可以认为径向力都压在深沟球轴承上，那么24推力球轴承只承受纯轴向载荷，所选取的推力球轴承 51206型 GB/T301-1995的载荷参数如下：额定动载荷 =21580N,额定静载荷 =43260N。因为是只承受纯轴向载aC0aC荷， =90，其轴向当量动载荷为aPF根据寿命计算公式610hCLnP来计算该轴承的寿命，其中 P=Pa=Fa=3800N,转速 n=100r/min，额定动载荷=21580N，寿命指数 =3。aC=610hCLnP36102580/minNr=30524.76h，30524.76h 15000h10hL所选推力球轴承合格。4.4 步进
45、电机的选取及设计计算 4.4.1 步进电机的选取可初步选定常州泽明自动化有限公司的三相混合式步进电机，其各型号的尺寸如下表格：型号 机身长(L)110BYG350A 166mm110BYG350B 216mm110BYG350C 246mm25型号SeriesModel步距角StepAngle()相数No.ofphase电压Ratevoltage（V）机身长MotorLength(mm)电流RatedCurrent(A)静力矩HoldingTorque(N.M)电感PhaseInductance(mH)转动惯量RotorInertia(kg.cm)110BYG350A 1.2 3 80-350
46、 166 2.4 8 20 8.5110BYG350B 1.2 3 80-350 216 2.8 12 30 12.5110BYG350C 1.2 3 80-350 246 3.0 16 35 16.5根据轴向进给系统和径向进给系统的要求，两个步进电机初步选定其型号都为： 110BYG350C。如果经过校核不合格，则重新选取步进电机的型号大小。4.4.2 步进电机的校核滚珠丝杠需要的转矩 T（N.m） ， 又T=F tan20Dm式中， 为摩擦角，其正切值为摩擦系数； 为平均工作载荷；可以查出螺旋副mF运动由旋转运动转化为直线运动时取参数摩擦系数 tan =0.0025，又 = ，所,24以样
47、有下式：T=F 0tan2mD33384/1tan0.7N那么根据滚珠丝杆扭矩的要求，上面的 3种型号的步进电机均满足要求。（1） 轴向进给的步进电机的校核. 计算负载轴的转动惯量螺杆转动惯量的计算公式26324ldJL其中： 是材料密度（kg/ ）,取 =7.85x1000kg/ ;d是传动件的等效直径3m3m（m） ；取 d=0.02m；l 传动件的轴向长度，取 l=0.672m； 代入1MLj342427.8506713.2LJkgmjkgm计算电动机轴的转动惯量电动机轴的计算公式： 24lRJm其中： 是材料密度（kg/ ）,取 =7.85x1000kg/ ;R是电动机轴的等效3 3m
48、半径（m） ；取 R=0.0095m；l 传动件的轴向长度，l=0.04m,得：2746217.850.950.4MJKgm计算电动机轴上总的转动惯量为：3 46213.25019LZMJjKgm.验算 Z轴电机惯量匹配 4电机转轴的总当量负载转动惯量 与电动机自身转轴的转动惯量 的比值ZJ mJ应该控制在一定范围内，取 ,其中14m 26.5mJKg，43.29065.8ZJ可以满足要求。所以所选择的步进电机是符合要求的。（2） 径向进给的步进电机的校核. 计算负载轴的转动惯量螺杆转动惯量的计算公式 324ldJL其中： 是材料密度（kg/ ）,取 =7.85x1000kg/ ;d是传动件的等效直径3m3m（m） ；取 d=0.04m；l 传动件的轴向长度，取 l=0.645m； 代入1Lj342427.851
