JCS-018型立式数控铣削加工中心Z向工作台装配、主轴箱装配与BF3控制系统设计.doc

毕业论文
一 引言
随着数控计算技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性的变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造业技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造业系统中，数控技术是关键技术，他集微电子，计算机，信息处理，自动检测，自动控制等高新技术于一体，具有高精度，高效率，柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化，集成化，智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型，超小型化；在智能化基础上，综合了计算机，多媒体，模糊控制，神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速，高精，高效控制，加工过程中可以自动修正，调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，数控机床联网实现了中央集中控制的群控加工。

长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系机构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验一固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的道具组合，工件材料，主轴转速，进给速率，刀具轨迹，切削深度，步长，加工余量等加工参数，无法再现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭制体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。

数控技术的应用不但费传统制造业带来了革命性的变话，制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业(IT,汽车，轻工，医疗等)的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是实现现代化发展的大趋势。

从我国其本国请的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导21世纪初期我国制造装备也发展的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术，配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备也的跨越式发展。

强调以市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机（如量大面广的数控车床，铣床，高速高精高性能数控机床，典型数字化机械，重点行业关键设备等）带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部分（数字化伺服系统与电机，告诉电主轴系统和新型装备的附件等）的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品；没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力的产品；当然，没有规模中国的数控装备最终难以有出头之日。

在高精简装备研发方面，要强调研究开发以及最终用户的紧密结合，按国家意志实施攻关，以解决国家之需。

对数控方面，强调创新，强调研究考法具有自主知识产权的技术和产品，为我国数控产业，装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础。

精密机械在生产和科学技术的发展过程中起着重要的作用。他是仪器设计的基础和必不可少的组成部分，被越来越广泛地 在工业，农业，国防和科学技术现代化建设的各个领域中，是实现对各种信息进行采集，传输，转换，处理，存储，显示和控制的基本部分。在当今信息时代，精密机械不仅促进了光电技术，传感技术，微电子技术，通信技术和计算机应用技术的发展，而且也通过和这些技术的结合，加速了精密机械自身的发展，并形成了一些新的研究领域和技术，如微机械控制，微光电系统。

随着光学，电子学，自动控制，计算机等现代科学技术的进步和发展，人类综合应用各方面知识和技术，不断创造出光，机，电，计算机一体化的新型的精密机械及产品。这些产品扩大了精密机械的的应用范围，也为精密机械学科的发展开辟了更加广阔的途径。不论新型仪器的性能和功能多么现金和强大，都不可能完全脱离机械系统和机构而独立存在，常规的精密机械设计方法仍是实现精密仪器的机械系统的重要手段。不同的知是运用了新的工具和方法来实现常规的设计。因此，在现代仪器设计中，精密机械仍占有不可替代的地位。

对于现代精密仪器总体设计人来说，在掌握好光学，电子学和计算机等先进技术的同时，一定要掌握好精密机械的基本原理和方法，才能设计出先进的，多功能的和智能化的光，电，机，计算机一体化的新型仪器和设备，以满足国家的经济建设和国防建设的需要。
JCS-018数控加工中心简介

JCS-018型立式加工中心是一种工序高度集中，自动化程度高的机电一体化设备。工件在一次装夹后，可连续地进行铣，钻，镗，铰，攻螺纹等多种工序的加工。该机床适用于小型板件，盘件，壳体件，模具和箱体件等复杂零件的多品种，小批量加工。
1 JCS-018立式加工中心具有如下的特点
（1）可进行强力切削 机床机床主轴箱电动机变速范围中恒功率范围宽，低速转矩大，机床主要构件刚度高，可进行强力切削。
（2）高速定位 工作台由直流伺服电机，通过联轴器，滚珠丝杠带动xy方向移动，速度可达14m/min，主轴箱Z向移动可达10m/min ，定位精度可达0.006~0.015mm/30mm。
（3）采用随机换刀 随机换刀有数控系统管理，刀具和刀座上不设固定编号，换刀由机械手执行，结构简单，可靠。
（4）机床采用CNC系统 换刀和主轴准停由程序控制器控制，有自诊功能。

2机床主要性能参数
（1）工作台
工作台外形尺寸（工作面）1000mm*320mm
工作台T形槽宽*槽数18mm*3mm
（2）移动范围
工作台左右行程（X轴）750mm
工作台前后行程（Y轴）40mm
主轴箱上下行程（Z轴）470mm
主轴端面距工作台距离180~650mm
（3）主轴箱
主轴锥孔      锥度7：24，BT-45
主轴转速（标准型/高速型）    225~2250r/min，45~4500r/min
主轴驱动电动机    3.8KW，ACZ130交流电动机系列
（4）进给速度
快速移动速度（X、Y轴）    14m/min
进给速度（X、Y、Z轴）   1~4000mm/min
进给驱动电动机         1.5KW，ACS130电机系列
（5）自动换刀装置
刀库容量    12把
选刀方式    任选
最大刀具尺寸 Φ100mm*Φ300mm
最大刀具质量  10kg
刀库电动机     1.5KW，ACS130电机系列
（6）精度
定位精度     ±0.012mm/300mm
重复定位精度  ±0.006mm
（7）承载能力
工作台允许负载     500kg
滚珠丝杠尺寸（X、Y、Z轴）Φ40mm*10mm
钻孔能力（一次钻出）    Φ32mm
攻螺纹能力                M24mm
铣削能力                     100cm3/min
（8）其他
气源           49~68.6Pa（250L/min）
机床质量       4.5t
占地面积       3500mm*3060mm

.数控装置（FANUC-BESK 7CM CNC系统）

（1）规格
控制轴数                    3轴
同时控制轴数         （X、Y、Y、Z、Z、X）或3轴
轨迹控制方式          直线/圆弧方式或空间直线/螺旋方式
纸带代码                  EIA/ISO
程序格式               写地址式可变程序段
脉冲当量                0.001mm/脉冲
最大指令值±99999.9999mm或±9999.9999英寸
纸带存储和编辑               30m纸带信息（12KB）
3 机床的结构特点 
     为了充分发挥数控机床自身的优越性，加工中心机床在结构设计上要比一般的数控机床设计得更加完美，制造得更精密。加工中心机床的结构除了具有一般数控机床的结构特点外，还具有独特的结构要求：
（1）具有存储加工所需刀具的刀库     刀库用于存储刀具，并根据要求将各工序所用的刀具运送到取刀位置。
（2）具有自动装卸刀具的机械手       在加工中心机床上刀具的自动更换，多数借助机械手来进行。
（3）具有主轴准停机构、刀杆自动夹紧松开机构和刀柄切屑自动清除装置       这是加工中心机床主轴部件中三个主要组成部分，也是加工中心机床能够顺利地实现自动换刀所具备的结构特征。
（4）具有自动排屑、自动润滑和自动报警的系统等。

三 机床主轴箱设计及相关计算
1 主要部件结构
（1）主轴部件   图3-70为JCS-018型立式加工中心的主轴结构图，刀具自动夹紧装置装在主轴内孔中。该装置由拉杆6和头部的四个钢球4、碟形弹簧5、活塞8和螺旋弹簧7组成。图示位置为刀柄夹紧状态，当需要松开刀柄时，液压缸的上腔进油，活塞8向下移动压缩螺旋弹簧7，并推动拉杆6向下移动，碟形弹簧5被压缩，钢球4随拉杆一起向下移动。当钢球4移至主轴孔径较大处时，便松开了刀柄1，刀具连同刀柄一起被机械手拔出。此机床采用靠弹簧力夹紧刀柄、靠液压力松开刀柄的刀柄夹紧机构，其优点是：如果突然停电，刀柄不会自行松脱。当需要夹紧刀柄时，活塞8的上端无油压，弹簧7使活塞8上移，拉杆5在碟形弹簧5的作用下上移，钢球4进入刀柄尾部拉钉3的环形槽内将刀柄拉紧。活塞8孔的上端接有压缩空气，机械手将刀具从主轴中拔出后，压缩空气通过活塞杆和拉杆6中的孔，可将主轴轴端装刀柄的定位锥孔吹干净。
该机床用钢球拉紧刀柄，易将主轴孔和刀柄拉钉压出坑痕，现已改用弹性卡爪结构。图3-1是一种使用弹性卡爪的刀具自动夹紧机构。弹性卡爪4由两瓣组成，装在主轴

图3-1 使用弹性卡爪的刀具自动夹紧机构
1——主轴 2——刀柄 3——拉钉 4——弹性卡爪 5——蝶形弹簧 6——拉杆
1内孔的轴向槽中。夹紧刀柄时（图3-71a），液压缸无压力油作用（参见图3-70活塞推杆8），液压缸推杆上移，在碟形弹簧5的弹力作用下，拉杆6带动弹性卡爪上移；卡爪在主轴内孔锥面的作用下逐渐被收紧，卡住拉钉3，夹紧刀柄。松开刀柄时（图3-71b），液压缸推杆推动拉杆6克服碟形弹簧5的弹力下移，弹性卡爪4被推到主轴内孔大孔径处，并被拉杆6下端槽部的锥面撑开，弹性卡爪4与拉钉3脱开，拉杆6继续向下移动将刀柄顶松，机械手便可将刀柄连同刀具取出进行换刀。

（2）刀柄和拉钉
加工中心的刀柄已标准化、系列化，其刀柄模块采用7：24锥柄，如图3—71所示。加工中心刀柄有ISO（国际标准）、GB（中国标准）、MAS（日本标准）、ANSI（美国标准）、DIN（德国标准）等多种标准和25、30、40、45、50、60等规格。
固定在锥柄尾部与主轴内拉紧机构相配备的拉钉也已标准化，分为A型和B型，这里选用B型拉钉，装配时首先要将拉钉旋紧在刀柄尾部，主轴内拉紧机构通过滚珠与拉钉的配合来定位刀具。装配拉钉时要注意清理拉钉与刀柄的表面，防止夹杂铁屑杂物。
2主轴的结构设计
主轴是主轴箱的重要组成部分。它的结构尺寸和形状、制造精度、材料及其热处理，对主轴箱的工作性能有很大的影响。
为了提高主轴的刚度和便于安装，将JCS——018A立式加工中心的主轴设计成阶梯圆柱形，前端外径大，后端外径小，为实现更换刀具时能自动夹紧，主轴内部设计成空心。其前端有 7：24锥孔，用于装锥柄刀具，并有自动定心作用，通过摩擦将刀柄夹紧于主轴的端部，大锥度既利于定心，也便于松夹。主轴端面装有定向键，既可传递切削的转矩，又可用于刀具的周向定位。主轴外圆柱面上有前后支承轴承的配合面。
    主轴的主要尺寸参数包括：主轴直径、内孔直径、悬伸长度和支承跨距。
   （1）主轴直径   主轴直径越大，其刚度越强，但使得轴承和轴上的其他零件的尺寸相应增大。前、后轴颈的差值越小则主轴的刚度越高，工艺性能也越好。根据主轴功率5.5/7.5KW确定主轴的直径为D1=F90mm。尺寸参数
机床主轴端部结构形状：
主轴中心孔前段锥度，摩氏3-6度。

主轴前轴颈尺寸应按所传递的功率确定，初选时可参照下表初定。

表3-1主轴前轴径的直径 mm

功率KW

D

车床
1.47-2.5
2.6-3.6
3.7-5.5
5.6-7.3
7.4-11
11-14.7
14.8-18.4
18.5-22
22-29.5
卧式车床
60-80
70-90
70-105
95-130
110-145
140-165
150-190
220
230
铣床
50-90
60-90
60-95
75-100
90-105
100-115
------
-----
-----
外圆磨床
----
50-90
55-70
70-80
75-90
75-100
90-100
105
105

（2）为装配方便，车床主轴直径通常是从前向后逐段递减。一般车、铣床主轴后轴颈的直径D2=(0.7~0.9)D1，D1为前轴颈尺寸。所以63<D2<81。根据情况我们选D2=80mm

主轴前端面到前支撑径向支反力作用点之间的距离为主轴悬伸量，减小悬伸量对提高主轴组件的刚度与抗振性有明显效果。主轴悬伸量的选择，可参照下表确定。

表3-2主轴悬伸量与前轴颈直径之比
机床和主轴的类型

α/D
通用和精密车床，自动车床和短主轴端铣床，用滚动轴承支承，适用于高精度和普通精度要求
0.6-1.25
中等长度和较长主轴端的车床和铣床，悬申不太长（不是细长）的精密镗床和内圆磨床，用滚动轴承和滑动轴承支撑，适用于绝大部普通生产的要求。
1.25-2.5
孔加工机床，专用加工细长深孔的机床，由加工技术决定，需要有长的悬伸刀杆或主轴可移动，因切削较重而不适用于有高精度要求的机床。
〉2.5
初步确定时可取a=D1。
主轴最佳跨距可据下列经验公式初定
式中 L0——最佳跨距 a——悬伸量
（悬伸量大的机床
若实际跨距L实与最佳跨距L0不能相等时，可取合理跨距。
若L实〉L0时，应适当加强主轴刚度；反之，L实<L0时，应适当加强轴承刚度。其他传动轴的径向尺寸，可按该轴所传递的扭矩初定，轴向尺寸必须保证各轴间齿轮不相干涉。滑移齿轮在一对齿轮彻底脱开后，下一对才能进行啮合，并且留有1-2mm间隙的实际需要的基础上，据结构要求确定。

   （3）主轴内孔直径    JCS——018A立式加工中心的主轴内径是用来通过刀具夹紧装置固定刀具的。主轴孔径越大，机床是使用范围越广，同时主轴部件的重量也越轻。但是孔径的大小受主轴刚度的制约。.
主轴内孔直径
∵
其中 ，----空心主轴的刚度和截面惯性矩
K, I ----实心主轴的刚度和截面惯性矩
当主轴孔径与主轴直径之比小于0.3时空心主轴的刚度几乎与实心主轴的刚度相当，大于0.7时空心主轴的刚度就急剧下降。此处取其比值为0.3，则主轴内孔直径为90**0.3=27mm。为了方便加工，取内孔径d=28mm

    主轴材料的选择主要根据刚度、载荷特点、耐磨性和热处理变形大小等因素确定。主轴材料选用38CrMoAIA。
（4）主轴的刚度验算
轴的变形和允许值
轴上装齿轮和轴承处的绕度和倾角（y和）应该小于弯曲变形的许用值
即y

表3-3绕度和倾角（y和）应该小于弯曲变形的许用值

轴的类型
（mm）
变形部位
（rad）
一般传动轴
4.0003~0.0005l
装向心轴承处
0.0025
刚度的要求较高
-0.0002l
装齿轮处
0.001
安装齿轮轴
（0.01~0.00）m
装单列圆锥滚子轴承
0.006
其中：L表跨距，m表模数
轴的变形计算公式
计算轴本身弯曲变形产生的绕度y及倾角时，一般常将轴简化为集中载荷下的简支梁。按材料力学相关公式计算，主轴的直径相差不大且计算精度要求不高的时候，可把轴看作等径轴，采用平均直径D来计算。
轴的计算简图在xz平面内：

图3-2轴计算简图
圆轴： d
惯性矩： I=
矩形花键轴： d1=

惯性矩：
轴的分解和变形合成：
对于复杂受力的变形，先将受力分解为三个垂直面上的分力，应用弯曲变形公式求出所求截面的两个垂直平面的和y。然后进行叠加，在同以平面内的可进行代数叠加，在两平面内的按几何公式，求出该截面的总绕度和总倾角。
提高轴刚度的一些措施：
加大轴的直径，适当减少轴的跨度或增加第三支承，重新安排齿轮在轴上的位置改变轴的布置方位等。
轴的校核计算：
主轴的传动功率：P主==5.9974KW
主轴转矩：T主==143188Nmm
支点上的力：

根据弯矩平衡：

求得：RHE=-244.9N
根据力得平衡：
5）垂直平面得弯矩：
=868.6N
=501.1 N
根据平面内得弯矩平衡有：

再根据力得平衡： R
则可得B、C点得弯矩图：
在B点和C 点为最危险截面，要满足要求，B、C点满足即可，在B、C截面得弯矩为：
=110489.6N·㎜
=708402.5 N·㎜
扭矩图为：
经分析可知B所在得位置为最危险截面，只要B满足条件即可，则刚度满足。
计算弯矩
M==942100 N·㎜
轴得抗弯截面系数为：

=58.94
故满足第三强度理论
刚度验算：
在水平面内，单独作用时：

=
=-0.018147mm
其中I==2747500
在单独作用下：

=
=-0.00551mm
在两力得共同作用下：

在垂直面内有(在单独作用时)

=
=-0.0066mm
其中I==2747500
在单独作用下：

=
=-0.001515mm
在两力得共同作用下：

所以在共同作用下，x处为危险截面，其最大绕度为

而一般的刚度=0.21~0.35mm
所以符合刚度要求，其转角就不用验算了。

3支承方式的选择

(1)选择轴承的型号
由于丝杠工作时，既承受轴向载荷又承受径向载荷,故支承丝杠的轴承选用能同时承受径向载荷与单向轴向载荷的角接触球轴承.丝杠在传动是要正反转,则轴承承受的轴向力的方向可能反复变化,故采用两个轴成面对面安装.如图所示:

图3-3 角接触球轴承面对面安装
轴承型号:
(2)计算轴承的寿命
所谓轴承的寿命,是指轴承中任一滚动体或内,外圈辊道上出现疲劳点蚀前所经历的总转数或一定转速下工作的小时数.滚动轴承寿命计算的目的是防止轴承在预期工作时间内产生点蚀破坏,其寿命与所受载荷的大小有关,作用载荷越大,引起的接触应力也就越大,因而在发生点蚀破坏前所经历的总转数也就越少,即轴承的寿命越短.

图3-4 滚动轴承的疲劳曲线

轴承的寿命:

----基本额定动载荷
----当量动载荷
----轴承转速
----温度系数
----寿命指数,球轴承 ； 滚子轴承
对角接触球轴承,其径向当量动载荷为:

---轴向动载荷系数
----径向动载荷系数
----轴承所承受的径向载荷
----轴承所承受的轴向载荷
由于轴承工作时的温度低于120 ,查表的温度系数=3
轴承成对安装故

故轴承的寿命

轴承的预期寿命一般约为5000～20000h.本设计满足要求。

4 主轴准停装置
在数控钻床、数控铣床以及镗铣为主的加工中心上，由于特殊加工或自动换刀，要求主轴每次停在一个固定的准确的位置上。所以在主轴上必须没有准停装置。准停装置分机械式和电气式两种。
图5-8所示机械准停装置的工作原理如下：准停前主轴必须是处于停止状态，当接收到主轴准停指令后．主轴电动机以低速转动，主轴箱内齿轮换挡使主轴以低速旋转，时间继电器开始动作，并延时4--6s，保证主轴转稳后接通无触点开关1的电源，当主轴转到图示位置即凸轮定位盘3上的感应块2与无触点开关1相接触后发出信号，使主轴电动机停转。另一延时继电器延时0.2--0.4s后，压力油进入定位液压缸下腔，使定向活塞向左移动，

图3-5机械式主轴准停装置
1-无触点开关 2-感应块 3-凸轮定位盘 4-定位液压缸 5-定向滚轮 6-定位活塞

图3-6电器式主轴准停装置
1-主轴 2-同步感应器 3-主轴电动机 4-永久磁铁 5-磁传感器

当定向活塞上的定向滚轮5顶入凸轮定位盘的凹槽内时，行程开关LS2发出信号，主轴准停完成。若延时继电器延时1S后行程开关IS2仍不发信号，说明准停没完成，需使定向活塞6后退，重新准停。当活塞杆向右移到位时，行程开关lSl发出滚轮5退出凸轮定位盘凹槽的信号，此时主轴可启动工作。
机械准停装置比较准确可靠，但结构较复杂。现代的数控铣床一般都采用电气式主轴准停装置，只要数控系统发出指令信号主轴就可以准确地定向。如常用磁力传感器检测定向的工作原理如图5-9所示是在主轴上安装有一个永久磁铁4与主轴一起旋转，在距离永久磁铁4旋转轨迹外1—2mm处固定有一个磁传感器5，当铣床主轴需要停车换刀时，数控装置发出主轴停转的指令，主轴电动机3立即降速，使主轴以很低的转速回转，当永久磁铁4对准磁传感器5时，磁传感器发出准停信号，此信号经放大后，由定向电路使电动机准确地停止在规定的周向位置上。这种准停装置机械结构简单，发磁体与磁感传感器间没有接触摩擦，准停的定位精度可达±1。,能满足一般换刀要求。而且定向时间短，可靠性较高。

5 刀具自动夹紧装置、切屑清除装置
在加工中心上，为了实现刀具在主轴上的自动装卸，并保证刀具在主轴中正确定位，主轴必须设计有刀具自动夹紧、切屑清除和主轴准停装置。如图5-10所示为设计有以上三种装置的自动换刀卧式镗床（镗铣加工中心）的主轴部件。

图3-7 镗铣加工中心主轴刀具夹紧机构
刀具自动夹紧装置和切屑清除装置由钢球3、空气喷嘴4、套筒5、拉杆7、碟形弹簧8、油缸（及活塞）11组成。图示为刀具的夹紧状态，在碟形弹簧8的作用下，拉杆7始终保持约10000N的拉力，并通过拉杆7左端的钢球3将刀杆1的尾部轴颈拉紧。刀杆1采用7：24的大锥度锥柄，在尾部轴颈拉紧的同时，通过锥面的定心和摩擦作用关键所在刀杆1夹紧于主轴2的端部。松开刀具，将压力油通入油缸11的右腔，使活塞推动拉杆7向左移动，同时压缩碟形弹簧8。拉杆7的左移使左端的钢球3位于套筒5的喇叭口处，从而解除了刀杆1上的拉力。当提杆7继续左移，空气喷嘴4的端部把刀具顶松，机械手便取出刀杆1。当机械手将新刀装入后，压力油通入油缸11左腔，活塞向右退回原位，碟弹簧8又拉紧刀杆1。当活塞处于左、右两个极限位置时，相应的限位开关发出松开和夹紧的信号。
自动清除主轴孔中的切屑和灰土是换刀操作中的一个不容忽视的问题。如果在主轴锥孔中掉进了切屑或其他污物，在拉紧刀杆时，就会划伤锥孔和锥柄表面，甚至会使刀杆发生偏斜，破坏刀具正确定位，影响加工零件的精度，甚至使零件报废。为了保持主轴锥孔的清洁，常用压缩空气吹屑。活塞和拉杆的中心，都有压缩空气通道，当活塞向左移动时，压缩空气经活塞和拉杆的通道，由空气喷嘴喷出，将锥孔清理干净。喷气小孔要有合理的喷射角度，并均匀分布，以提高吹屑效果。
对自动换刀数控镗铣床，切削扭矩是通过刀杆的端面键来传递的。为了保证自动换刀时使刀杆的键槽对准主轴上的端面键，主轴需停在一个固定不变的方位上，这由主轴准停装置来实现。
图3-7的主轴准停装置由定位盘9、10，滚子12，定位油缸（及活塞）13，无触点开关14以及限位开关15、16组成。当需要停车换刀时，发出准停信号，主轴转换到最低转速运转。在时间继电器延时数秒后，接通无触点开关14。当定位盘10上的感应片对准无触点开关14时，发出信号切断主轴的传动使其作低速惯性空转。再经时间继电器短暂延时，接通定位油缸13的滚子12时，滚子12进入槽内使主轴准确停止。同时，限位开关15发出完成准停信号，如果在规定时间限位开关15未发出完成准停信号，则时间继电器发出重新定位信号重复上述动作，直到完成准停为止。完成准停后，活塞退回原位，开关16发出相应信号。

四 Z向工作台设计及相关计算

1 滚珠丝杠螺母副机构
（1）滚珠丝杠副的工作原理及特点
滚珠丝杠副是一种新型的传动机构，它的结构特点是具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动件，以减少摩擦，丝杠和螺母上都磨有圆弧形的螺旋槽，这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成螺旋线滚道，在滚道内装有滚珠。当丝杠回转时，滚珠相对于螺母上的滚道滚动，因此丝杠与螺母之间基本上为滚动摩擦。为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能循环流动。

滚珠丝杠副的特点是：
1）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠副的传动效率η＝0.92～0.96，比常规的丝杠螺母副提高3～4倍。因此，功率消耗只相当于常规的丝杠螺母副的1/4～1/3。
2）给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空行程死区，定位精度高，刚度好。
3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。
4）运动具有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。
5）磨损小，使用寿命长。
6）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。
7）不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于自重惯力的作用，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需添加制动装置。
（2） 滚珠丝杠副的参数
名义直径d0：滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径，它是滚珠丝杠副的特征尺寸。
导程L：丝杠相对于螺母旋转任意弧度时，螺母上基准点的轴向位移。
基本导程L0：丝杠相对于螺母旋转2π弧度时，螺母上基准点的轴向位移。
接触角β：在螺纹滚道法向剖面内，滚珠球心与滚道接触点的连线和螺纹轴线的垂直线间的夹角，理想接触角β等于450。
此外还有丝杠螺纹大径d、丝杠螺纹小径d1、螺纹全长l、滚珠直径db、螺母螺纹大径D、螺母螺纹小径D1、滚道圆弧偏心距e以及滚道圆弧半径R等参数。
导程的大小是根据机床的加工精度要求确定的。精度要求高时，应将导程取小些，这样在一定的轴向力作用下，丝杠上的摩擦阻力较小。为了使滚珠丝杠副具有一定的承载能力，滚珠直径db不能太小。导程取小了，就势必将滚珠直径db取小，滚珠丝杠副的承载能力亦随之减小。若丝杠副的名义直径d0不变，导程小，则螺旋升角λ也小，传动效率η也变小。因此导程的数值在满足机床加工精度的条件下，应尽可能取大些。
名义直径d0与承载能力直接有关，有的资料推荐滚珠丝杠副的名义直径d0应大于丝杠工作长度的1/30。
数控机床常用的进给丝杠，名义直径d0=φ30~φ80mm

2 滚珠丝杠副的选择计算
（1）滚珠丝杠副的计算
已知：平均工作载荷Fm=3000N，丝杠工作长度L=0.47m。平均转速n=100r/min，最大转速n=4500r/miｎ，使用寿命Ｌｈ＝15000ｈ左右，材料为钢，滚道硬度为60HRC，传动精度mm,求计算载荷【8】。
= K
查表2-6 取 =1.6，查表2-7 取 K=1.0，
因为精度等级为Ｄ级，因此K＝1.0
所以 ＝1.21.01.070＝4800Ｎ
（2）计算额定动载荷计算值
＝＝4800＝21686Ｎ
额定动载荷21686N＜22556N故查《机电一体化设计基础》表 2-9考虑各种因素 选用5008-2.5
由表选择滚珠丝杠副数据如下：
公称直径： D=50mm
导　　程：Ｐ＝6ｍｍ
螺 旋 角：＝
滚珠直径：ｄ＝3.969mm
滚道半径：Ｒ＝0.52=0.523.969mm=2.064mm
偏 心 距：ｅ=0.07（Ｒ－ｄ/2）＝0.07 (2.064－3.969/2）=5.6mm
丝杠内径：ｄ＝D＋ｅ－2Ｒ=45.76mm
（3）稳定性验算
由于一端轴固定的丝杠在工作时可能会发车生失稳，所以在设计时应验算其安全系数，其值应大于丝杠副传动允许安全系数[S]
计算临界载荷
＝
刚弹性模量E＝2.0610ｐａ
根据已知条件： ＝ｄ/64=3.14/64=2.0
选取ｕ＝2/3【3】
＝= 12978001.3N
安全系数： Ｓ＝/=12978001.3/70=185400.2
查表2-10知[S]＝2.2～3.3 Ｓ 即丝杠是安全的，不会失稳。
（4）丝杠在高速工作时可能发生共振，因此需验算其不会发生共振的最高转速
ｎ＝9910
取ｆ＝3.927，µ＝2/3【3】
ｎ＝9910=527688.4r/min
ｎn＝4500ｒ/min。所以丝杠不会发生共振。
（5）滚珠丝杠要求Dn7.0 mmr/min
ｎ＝50100＝0.5mmr/min〈7.0mmr/min
所以该丝杠副工作稳定，符合设计要求。
（6）刚度验算
滚珠丝杠导程变形量： Ｔ＝Ftan（ ）
在本次设计中 取摩擦系数为tan，即
Ｔ＝3000+0.1444）=3.0Ｎ·ｍ
= +
==1.0 m
因此丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为
=0.1/4 =2.5m
要求
该丝杠的导程误差满足上式，故其刚度满足要求。
（7）效率验算
=tan/tan（）=0.945
要求在0.9—0.98之间，所以此丝杠副是合格的。

3 导轨的选择
导轨，他是有运动件和承导件组成，目的是用来支承和引导运动件外在驱动下按给定的方向做往复运动，依定位原理，在结构设计上，必须限制运动件的五个自由度，而保留其按规定方向移动的自由度。
直线导轨副具有承载能力大，接触刚性高，可靠性高等特点，主要在机床的床身，工作台导轨和立柱上，下升降导轨上使用。我们可以根据负载大小，受载荷方向，冲击和振动大小等多种情况来选择。
a:根据直线导轨的受力方向
由于滚动直线导轨副的滑块与导轨上通常有四列圆弧滚道，因此能承受四个方向的负荷和翻转力矩。滚动直线导轨副承受能力会随滚到中心距增大而加大。
b:根据滚动直线导轨副的负荷大小
不同规格有着不同的承载能力，可根据承受负荷大小选择。为使每副滚动直线导轨都有比较理想的使用寿命，可根据所选厂家提供的近似公式计算额定寿命和额定小时寿命，以便给定合理的维修和更换周期。还需要考虑滑块承受载荷之后，滑块滚动阻力的影响，最好要进行滚动阻力的计算，以便确定合理的驱动力。
c:预加负载的选择
根据设计结构的冲击，振动情况以及精度要求，选择合适的预压值。

（1）导轨型号的选择
已知滑座上的载荷为F=3000N，滑座个数4个，单向行程长度0.6m，每分钟往返次数为4
由得Ts=2*9000*0.6*4*60/1000=2592KM
因滑座个数为4所以没根导轨上使用2个滑座，由《机电一体化设计基础》表2-15~2-18确定fc=0.81,f`=1,f=1,f=2所以由Ts= K为寿命系数，一般取K=50㎞
得 C=37556N
因为37556N<43800N,所以选择HJG－D45型滚动直线导轨

4 离合器的选择
离合器的基本要求：
（1） 结合平稳，分离彻底，动作准确可靠。
（2） 质量轻，外型小，惯性小，结构简单，工作安全。
（3） 操作方便，省力，散热性好，寿命长。
选择离合器可按以下公式确定计算转矩：
对于牙嵌式离合器 Tc=KT 对于摩擦式离合器 Tc=
式中 Tc 离合器计算转矩，N.m;
T 离合器额定转矩，N.m;
K 工况系数
K 离合器的结合次数修正系数；
K 离合器的圆周速度修正系数。
摩擦面上的平均圆周速度
V 圆周速度，m/s
D 摩擦面平均直径，mm
D 摩擦面的内径，mm
D 摩擦面的外径，mm
n 离合器的转速，r/min。

离合器形式与结构选择
选用离合器首先应在国家，机械行业以及企鹅也标准离合器中进行选择，采用国标或者机标产品的标准离合器产品便于易损件的配套互换。
（1） 根据离合器的使用条件，选择离合器的结合元件。
a. 低速，地址转动下离合，不频繁离合可选刚性结合元件，刚性结合原件具有传递力矩大，传动速比不变，不产生摩擦热，体积等特点。
b. 当传动系统要就缓冲，通过离合器吸收峰值力矩，则个选用半刚性结合原件，即摩擦元件。
c. 长期打滑的工况，则应选择电磁和液压传递能量的离合器。

（2） 根据工作机的要求选择离合器的操作方式。
a． 结合次数不多，传递力矩不大的离合器常用气动或液压操作系统。
b． 中小型，频繁操作，结合速度快，可采用电磁操作系统。
（3） 根据机械设备的工作要求确定离合器的容量，包括转矩容量和热容量，转矩容量是离合器的基本参数，必须大于机械的载荷力矩和惯性力矩。
（4） 离合器的寿命也 是选用时必须考虑的因素，离合频繁的离合器要保持磨损量小，使用寿命长。

所以根据数控机床的特点和要求选用电磁离合器。
电磁离合器是利用激磁线圈的电流所产生的磁力来控制离合器的接合与分离。电磁离合器结构简单，启动转矩大，离合迅速，安装维修方便，使用寿命长，操作方便。电磁离合器可以单独操纵，也可以集中控制及远距离控制，在设备中与其他电气元件协同实现自动控制，还可以方便地调节激磁电流来改变离合器的工作转矩或者在连续的滑差下维持恒定的转矩。电磁离合器可分为：干式单片电磁离合器，干式多片电磁离合器，湿式多片电磁离合器，磁粉离合器，转差式电磁离合器等。电磁离合器工作方式又可分为：通电结合和断电结合。
在这里我们选用湿式多片电磁离合器
（1）结构认识（摩擦片式电磁离合器）：电磁离合器的结构图如图1所示。主要由激磁线圈、铁芯、衔铁、摩擦片及联接件等组成。一般采用直流24V作为供电电源。

图4-1电磁离合器电气符号

图4-2电磁离合器结构图
1-主轴 2-主动摩擦片 3-从动摩擦片 4-从动齿轮 5-套筒 6-线圈
7-铁芯 8-衔铁 9-滑环
（2）动作原理分析：主动轴1的花键轴端，装有主动摩擦片2，它可以沿轴向自由移动，因系花键联接，将