五轴数控加工平台结构设计与分析.doc

编号 南京航空航天大学毕业设计题 目五轴数控加工平台结构设计与分析学生姓名马越民学 号051110124学 院机电学院专 业机械工程及自动化班 级0511101指导教师刘凯 副教授二一四年六月南京航空航天大学本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）（题目：五轴数控加工平台结构设计与分析）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。作者签名： 年 月 日 （学号）： 毕业设计（论文）报告纸五轴数控加工平台结构设计与分析摘 要五轴联动数控加工技术是目前解决叶轮、叶片和曲轴等复杂曲面零件加工的唯一手段，这种加工方式以其特有的优越性在复杂曲面加工、高精度零件加工方面起着越来越重要的作用，然而我国的五轴联动数控加工技术还有待突破。本次课题要求设计五轴数控运动平台的具体机械结构，基于运动控制卡搭建控制系统，实现五轴数控加工。即先了解五轴数控机床的结构类型，并通过比较分析，选择合适的结构类型；然后从标准件开始，经过计算、选型和校核等步骤确定出标准件的尺寸参数，紧接着确定连接和支撑它们非标准件的尺寸参数；其次利用UG8.0搭建五轴数控加工机床的立体模型，从单个零件的生成开始，到基本组件的建立和加工平台的装配，直到加工平台的三维模型最终建立；最后导出工程图，利用AutoCAD修改并标注。关键词 双摆头，五轴联动，加工平台，运动控制The design of five-Axis CNC platformAbstractFive axis NC machining technology is currently dealing with the key technology of complex curve surface machining and high precision parts processing, and its importance is self-evident, and the current our country in these areas still awaiting a breakthrough.This research requires that the mechanical structure of the five axis CNC machining platform is designed, and the 3D drawing software is used to build the model and draw the 2D engineering graphics of the assembly and parts.This requires first from the study of five axis NC platform of mechanical structure types, analysis and comparison of the advantages and disadvantages of different structure types, choose suitable type of structure and mechanical structure design; specific design first from standard parts of the calculation and selection began, when the dimension parameter of standard parts, you can connecting parts of connecting and supporting non standard size and structure design; when the various parts of the structure and size, using UG to build the 3D model of the design of five axis linkage CNC platform.First from the individual parts, and assembly the basic components and the gradual completion of the assembly of the processing platform, and finally the formation of the three-dimensional structure of the complete CNC platform; 3D model is built after the completion of using AutoCAD 2D engineering drawing and dimensioning.Finally ,finish the graduation thesis.Keywords five axis linkage; structure design; double turntable structure; motion controli 毕业设计（论文）报告纸目录摘 要iAbstractii第一章 引言11.1 对五轴数控加工平台的认识11.1.1 发展现状11.1.2 发展趋势11.1.3 研究意义21.2 毕业设计工作内容2第二章 五轴联动数控加工平台总体方案设计42.1 五轴数控加工平台结构形式及特点42.1.1 双摆头结构42.1.2 双转台结构42.1.3头摆工作台旋转52.2 总体设计思路及步骤52.2.1 总体设计思路52.2.2 基本设计步骤5第三章 直线运动机械结构设计73.1直线运动机械结构方案配置73.2 直线导轨计算、选型与校核73.2.1 导轨副类型的选用73.2.1 导轨副载荷的计算与型号的选取73.2.3 距离寿命计算与校核113.2.4润滑123.3滚珠丝杠的计算与选型123.3.1极限载荷的计算123.3.2最大动载荷计算133.3.3初选滚珠丝杠型号133.3.4滚珠丝杠的刚度校核143.3.5滚珠丝杠稳定性校核153.4电机的计算与选型153.4.1等效驱动转矩的计算153.4.2加速驱动转矩的计算163.4.3电机的性能校核173.5其他标准件的选型183.5.1轴承的选择183.6直线运动结构展示20第四章 旋转运动机械结构设计214.1力矩电机与传统结构的比较214.2力矩电机直驱双摆式铣头结构方案224.3细化设计234.3.1电机的结构与选型234.3.2最大负载转矩的计算244.3.3轴承的选型244.4旋转运动结构展示254.5总体机械结构展示26第五章 总结与展望27参 考 文 献28致谢29 iii第一章 引言1.1 对五轴数控加工平台的认识1.1.1 发展现状当下，我国制造的五轴联动数控加工中心在种类上已经具备立式、卧式、龙门式和落地式等结构的加工中心，可以适应不同大小的复杂零件生产，加上五轴联动数控铣床和大型镗铣床以及车铣中心等的开发，基本满足了国内市场的需求。在精度上，北京机床研究所的高精度加工中心、宁江机械集团股份有限公司的NJ25HMC40 卧式加工中心和交大昆机科技股份有限公司的TH61160 卧式镗铣加工中心都具有较高的精度，能够和发达国家的工件相持平。在工件的市场营销上，江苏多棱、济南二机床、北京机电研究院、宁江机床、桂林机床、北京一机床等公司的工件已取得国内用户的认可。2013年7月31日上午由大连科德制造的高质量五轴立式机床，开始销往德国。工信部装备司副司长王卫明表示：“这种高端数控机床买到西方发达国家，是中国机床生产行业的重要里程碑。”11.1.2 发展趋势1、 高速、高效率。为了满足日益增长的消费需求，现代加工必须满足在满足高速加工的同时，也要保证加工的高效率。2、 高可靠性。由于五轴联动数控机床主要用于复杂表面的加工，一般对机床的无故障时间有较高的要求，所以要尽量提高驱动装置的可靠性。3、 高精度。因为CAM水平的发展，机床的制造水平得到了很大的增加，保证机床的质量，是保证产品质量的重要手段。4、 复合化。与以往单纯追求高速主轴和进给机构不同，当今市场对于个性化的要求日益强烈，交货日期业在不断缩短，因此五轴数控加工中心更趋向于小规模，甚至是单件生产。为了满足这一要求，机床厂商要开发出复合程度更高的复合机床。5、 智能化、网络化、柔性化。随着互联网技术和智能化技术的发展，数控机床的控制系统也得到了大力的发展，自适应技术、故障诊断技术、远程控制等在机床设计中得到了充分应用。6、 绿色化。作为当今工业发展的主流，绿色化逐步渗入到工业生产的方方面面，五轴联动数控机床也在大力开发绿色加工，干切削或半干切削技术已经得到了较快的发展。61.1.3 研究意义机械制造业是国家的工业基石，这为新技术、新产品的开发和当下机械制造提供关键了方法，是不可或缺的战略性产业。尤其是发展中工业化国家，都非常重视制造业。随着国民经济飞快进步和国防强化的要求，对先进的数控机床提出了许多迫切的要求。数控加工中心是一个国家工业水准的代表。而代表当下机床工业巅峰水平的是五轴数控机床加工中心，从另外一种意义上说，它表现一个国家的制造业发展的现状。五轴数控机床的引进，让工件的加持变得容易。装夹时时不用专门的夹具，降低了机械制造的成本，防止了重复装夹，增加工件的加工精度。采用五轴数控技术制造工件能够降低装夹设备的利用次数。还有，因为五轴数控技术能够在制造里省去大量特别刀具，因此减少了刀具本钱。五轴数控机床在制造里可以提高刀具的有效切削刃距离，降低切削力，增加刀具寿命，减少本钱。利用五轴数控机床制造工件能够飞速的完成工件制造，交单效率高，更好的提升工件的制造水平，使工件制造变得更简单，同时使工件的改变变得更简单。长久以来，以美国为首的发达国家，总是把五轴数控机床系统当成重要的战略物资，进行出口许可证方法。所以我国迫切的需要在这方面进行突破，制造出自己的五轴联动数控机床，打破发达国家的封锁，实现中华民族的伟大复兴。31.2 毕业设计工作内容本次课题的研究题目是五轴数控加工平台的结构设计，针对此课题的研究内容，在研究伊始首先通过资料了解了五轴联动数控加工技术的概念和特点，熟悉了不同结构的五轴数控机床的具体构造以及其优缺点，比较后选定最优的构型方法，而后选择传动类型。当传动结构和连接与支撑结构都确定以后，分别对两者进行选择设计。首先设计传动部分的结构，选择合理的传动方式，而后选出零件中的标准件优先设计，根据任务书中的要求进行计算、选型和进一步的校核，而后确定标准件的尺寸参数；然后在传动结构设计好的基础上进行连接与支撑部分的设计，选择合适的结构、尺寸、紧固方式和连接方式等并进行校核。当所有的零件在经过校核，尺寸参数确定以后，利用UG8.0进行三维模型的搭建，按照零件-部件-装配体的步骤进行建模，直到最后组装成完整的五轴数控机床模型。三维模型搭建完毕后再进行二维工程图的绘制，利用AutoCAD2012绘制关键零件的零件图和整个机床的装配图共计总图量为3张A0图纸，其中标明各零件尺寸大小和配合方式以及装配中的配合关系。最终进行课题文章的撰写，完成课题设计。 - 29 -第二章 五轴联动数控加工平台总体方案设计2.1 五轴数控加工平台结构形式及特点五轴联动数控加工平台通常是由三个直线轴和两个旋转轴组成，旋转轴一般为A,C或A,B轴。其结构有很多种类型，摇篮式、立式、卧式、NC工作台+NC分度头、NC工作台+90B轴、NC工作台+45B轴、NC工作台+A轴、二轴NC主轴等，具体可分为双摆头型、双转台型和头摆工作台旋转式。52.1.1 双摆头结构在X、Y、Z线性轴的基础上增加A轴、C轴，A、C轴都在安装刀具的摆头上。AC双摆头设计复杂，需要安装油路管道及电气管道，各种感应开关等，质量较大，但是由于工作台承担所有直线运动,所有的旋转运功全部在工件运动链的一侧，总体刚性较大。同时双摆头结构旋转范围最大，工艺性能好。如图2.1所示：图2.1双摆头结构示意图2.1.2 双转台结构 这种新式的加工平台是将原本安装在摆头上的旋转轴移动到装夹工件的动作台上，结构比较简单，但是由于工作台的限制，大大缩小了A轴的旋转范围，在降低工艺性能的同时，还降低了工作台的灵活性和承载能力，因此一般只适用于小规格零件的加工。如图2.2：图2.2双转台结构示意图2.1.3头摆工作台旋转由刀具和工作台分别执行一个回转运动，这种形式的加工平台综合了双摆头和双旋转台的优缺点，所以有适中的灵活性和承载能力，工艺性能较好。但是由于旋转结构分布在工件运动链的两边，所以降低了机构总体的刚性。如图2.3所示：图2.3 头摆工作台旋转式2.2 总体设计思路及步骤2.2.1 总体设计思路五轴数控加工平台一般是在X、Y、Z三个直线运动轴的基底上添加A、C或A、B两个旋转轴，从而组成五轴数控加工平台的基本结构。比较上述三种基本结构，综合刚性，灵活性，工作范围等工艺性能，最终选择方案一的双摆头的结构形式作为布局方案。其中已知的X、Y、Z三个轴互相垂直安装，通过直线导轨滑块和滚珠丝杠副实现加工平台的线性运动。选取A、C轴作为两个旋转轴。由于是试验用五轴数控加工平台，所以要尽量缩小传动链的长度，但同时又要保证精度要求，所以采用了目前常用的力矩电机作为驱动装置，以此实现零传动。其他紧固部分，如机架，底板和工作台等用螺钉、螺栓进行连接。172.2.2 基本设计步骤(1) 阅读毕设任务书，充分理解任务书中的要求。(2) 查阅文献，了解五轴数控加工平台的机械结构的相关知识，熟悉主要的结构形式，并结合实际情况进行主体结构的选型，初步确定机床的总体结构。(3) 查阅资料和机械设计手册，根据任务书中的五轴数控加工平台结构设计的各项技术指标选定标准件的的尺寸后，设计非标准件的尺寸参数。(4)根据机械设计标准对所设计的平台结构进行如强度、承载能力的评估和校核。(5)使用绘图软件UG8.0建立机床的三维模型，按照零件-组件-装配体的顺序建立三维模型。(6)生成工程图，使用AutoCAD2012绘制重要零件和装配体的二维图，标明尺寸参数和形位公差。 （7）整理资料，撰写毕业论文。第三章 直线运动机械结构设计3.1直线运动机械结构方案配置本次课题研究采用的五轴联动数控加工平台的结构形式为双摆头结构。可以将五个运动拆分成两大类，即X、Y、Z三个方向的线性运动和A、C两个轴的旋转运动。由于承担A、C轴旋转运动的摆头是依附在沿Z轴移动的运动版上的，所以先进行直线运动的设计。X、Y、Z轴的线性运动采用伺服电机直接驱动的方式实现，其中电机的输出轴与联轴器相连，联轴器的另一端与滚珠丝杠副相连，当电机驱动滚珠丝杠副转动时，连接在滚珠丝杠副上的底板就会顺着利用螺钉固定在底座上的导轨副沿滚珠丝杠副的旋转方向运动，从而实现X、Y、Z三个方向的线性运动。滚珠丝杠副在传递运动的同时还可以与导轨共同起导向作用，这样就能更好的保证底板的线性运动。在设计X、Y、Z线性运动结构时，伺服电机、联轴器、轴承、滚珠丝杠副、导轨以及连接和紧固用的螺钉、螺母均为标准件，可以通过受力分析进行计算和选型，通过查阅机械设计手册确定尺寸，其他非标准件，如顶板、安装导轨的底座和电机架可以根据标准件的尺寸，在符合刚度，强度要求的前提下，根据实际情况进行设计。53.2 直线导轨计算、选型与校核3.2.1 导轨副类型的选用由于双摆头结构的五轴联动数控加工平台的线性运动工作载荷不大，但是任务书中要求的脉冲当量为，定位误差为，两者都较小，所以选用摩擦系数小，且不易爬行的直线滚动导轨副。如图3.1所示：图3.1直线滚动导轨副3.2.1 导轨副载荷的计算与型号的选取（1）导轨承担的部件重量载荷估算根据导轨承担的各部件的重量之和来估算，包括导轨座、本层的底板，上一层滑板的底座、滚珠丝杠副、导轨副、工作台和螺钉、螺母等连接件，总体质量估计为50kg。（2） 切削加工受力分析本次课题中的五轴数控加工平台采用的是立式铣削的切削方式，而刀具的材料则选用硬质合金，切削材料主要以碳钢工件为主，计算硬质合金铣刀切削力的公式由表3.1可知： （3-1）表3.1硬质合金铣刀切削力计算公式铣刀类型工件材料切削力计算公式三面刃铣刀碳钢两面刃铣刀立铣刀本次课题所选用的立铣刀是编号101-012的全磨制立铣刀，由图3-1可知刃部直径为D=16mm，齿数Z=3，每齿进给量=0.1mm/z,铣刀转速n=1600n/min工件待切层深度t=8mm，工件带切层宽度B=15mm，带入公式3.2求得切削力的极限值： （3-2） 图3.2切削力分解和参数标注由于逆铣受力较大，所以用逆铣计算校核。根据表3.2可查出各切削分力与圆周力之比，由此可以估算出三个方向的切屑分力： （3-3） （3-4） （3-5）表3.2各铣削分力和圆周力的比值 铣削条件比值不对称端铣逆铣顺铣立铣、圆柱铣、盘铣和成形铣1.001.200.800.900.200.300.750.800.350.400.350.40(3)直线导轨选型五轴联动数控加工平台水平放置时，在工作台工作时，正常情况下是由4个滑块同时承担垂直于导轨方向的所有载荷，但是为了保证工作太在载荷突变的情况下，仍能保证不被破坏，所以假设在极端的情况下，即导轨变形或者受力不均导致其中三个滑块实效，所用的垂直载荷全部由一个滑块承担，所以每个滑块承受的极限载荷应为四个： (3-6)其中G为所用工作部件的总重量，前文已预估计，而F为铣削时垂直于导轨方向产生的附加载荷，所以附加上的外加载荷为，于是可得极端情况下的极限载荷为。基于HIWIN直线导轨六大优点：1）定位精度高，不易打滑；2）磨损很低，可以持续保证精度；3）可以用于高频率运动且大幅降低工作台要求的驱动力量；4）可同时承受上下左右方向的负载；5）组装容易并具互换性；6）润滑构造简单13，所以选择适用于各种数控机床的HG系列的直线导轨。由式（3-2）得出的结果可知直线滚动导轨所需承担的极限工作载荷。由表3.3初选上银科技股份有限公司生产的HG系列的直线滚动导轨副，选取型号为HGW 15CB，该型号直线运动导轨副的基本动额定负载和基本静额定负载分别为、。再根据任务书中所要求的运动范围为，再考虑到工件的尺寸以及为防止运动干涉所留的尺寸余量，由表3.4选取导轨长度为340mm。型号组件尺寸（mm）滑块尺寸（mm）NWBCLGMHGW15CB244.31647384.53039.461.45.3HGW20CB304.621.5635354050.577.512型号滑块尺寸（mm）导轨尺寸（mm）TDhdPEHGW15CB68.96.954.55.515157.55.34.56020HGW20CB8109.5672017.59.58.566020型号导轨的固定螺栓尺寸基本动额定载荷基本静额定载荷容许静力矩（mm）HGW15CB11.3835.310.170.150.15HGW20CB17.7537.840.380.270.27表3.4导轨尺寸参数表3.4 HG系列导轨长度系列HG15HG20HG25HG30HG35HG45HG55标准长度16022022028028057078022028028044040088510202803403406006001200126034046046076076016201500460640640100010002040198082082082016401640246025801000100020402040298529401240124025202520间距6060608080105120标准端距202020202022.530直线导轨副和滑块的三维模型如图3.3和图3.4所示：图3.3 直线导轨图 图3.4 直线导轨滑块3.2.3 距离寿命计算与校核直线导轨副的珠道接触表面要求的硬度一般为HRC，工作温度低于，工作速度和载荷的要求一般均较低，每根导轨上安装2个滑块，由表3.53.8可以取得各项系数如下：表3.5硬度系数滚道硬度（HRC）40550.30.61.0表3.6温度系数工作温度（）1001001501502001.000.900.73工况无外部冲击、低速（60）11.21.21.51.52.0表3.7 载荷系数表3.8接触系数每根导轨滑块数1231.000.810.72根据分析可取，代入直线滚动导轨副距离寿命求解公式有： （3-7）远大于期望值，故所取导轨满足要求。3.2.4润滑由于导轨的运动速率不高，一般不超过60m/min，且导轨发热率很低，因此对冷却作用无太多要求，进而选用油脂润滑。每组线性导轨在销售之前都会加入锂皂基润滑油脂以减小珠槽轨道的摩擦，即使润滑油脂很少消除，然而为了较少因润滑损失形成的摩擦太大而影响导轨精度，一般使用距离大于100km是，应再补充润滑油脂一次。33.3滚珠丝杠的计算与选型3.3.1极限载荷的计算根据式3.3、3.4和3.5可知三个方向切削力分别为, , 可知,由此可查表3.9可知，K=1.1，,还有前文预估的静载荷G=500N,所以滚珠丝杠副所受的极限载荷为： （3-8）表3.9 极限载荷实验公式导轨类型实验公式K矩形1.10.15燕尾型1.40.2三角形1.150.150.183.3.2最大动载荷计算根据表3.10可取取工作台在极限负载的作用下，且进给速度为最大的为v=600mm/min，初选导程为FSI系列的滚珠丝杠，且丝杠寿命T=15000h，于是有转速，进一步计算滚珠丝杠的寿命系数（单位：）,滚珠丝杠硬度为HRC5860，硬度系数，精度等级为2级，精度系数，可靠性系数。由表3.7取载荷系数为，又因为极限动载荷计算公式为 (3-9)将所选系数带入式3.9得。表3.10工作情况切削方式纵向切削力垂向切削力/N进给速度工作时间占比%强力切削2000N12000.6m/min10一般切削1000N5000.8m/min30精切削500N2001m/min50快速进给0015m/min103.3.3初选滚珠丝杠型号综合3.3.1与3.3.2的计算结果，选择上银科技股份有限公司生产的FSI系列的滚珠丝杠。和普通的艾克母螺杆相比HIWIN滚珠丝杠有很多的优点：1）高效率及可逆性；2）零背隙及高刚性；3）高导程精度；4）寿命预测；5）底启动扭矩及高顺畅度；6）静音；7）短交期；8）优于气、液压制动器。这些优点会大大提高五轴联动数控机床线性运动的精度，进而提高机床的工艺性能。7根据表3.11与图3.3可选择型号2006-3，外径为20mm，导程6mm的法兰型，单螺帽，内循环回流盖式滚珠丝杠。表3.11 FSI系列滚珠丝杠型号规格珠径根径动载荷静载荷螺帽公称外径导程DL205T3 2053.17517.32485217673246205T417.324109123563253206T363.96916.744109120813451206T416.744139827743461图3.3FSI系列滚珠丝杠3.3.4滚珠丝杠的刚度校核在滚珠丝杠的两端各安装一个角接触球轴承，组成一对能够承受较大轴向力和径向力的轴承。两轴承的中心距为a=300mm；滚珠丝杠的弹性模量为E=2.1Mpa，由表3.10可知滚珠直径为，丝杠根径为，滚珠丝杠的截面积为220。9在安装时首先要对滚珠丝杠进行预紧，所以存在预紧力，预紧力可估计为，所以在预紧力的作用下，滚珠丝杠的变形量为：而滚珠丝杠在载荷作用下的变形量为：所以滚珠丝杠的总变形量，小于行程偏差要求量，所以所选的滚珠丝杠符合刚度要求。3.3.5滚珠丝杠稳定性校核滚珠丝杠的细长受到轴向载荷失稳时： （3-10）其中，K=3，截面惯性矩，两轴承的中心距a=300mm，滚珠丝杠弹性模量E=2.1Mpa，带入式（3-10）可得,远大于,所以滚珠丝杠的稳定性满足要求。3.4电机的计算与选型3.4.1等效驱动转矩的计算等效驱动转矩应该包括三部分，首先是工作时，由切削力和工作台以及工件的总质量产生的转矩，其次是安装时对滚珠丝杠的预紧力折算到电机输出轴上的转矩，最后还有支撑滑块和轴承等产生的摩擦力折算到电机输出轴上的转矩，因此等效驱动转矩的计算公式应该为： （3-11）式中 为工作载荷产生的转矩； 为预加载荷转矩； 为支承滑块的摩擦转矩（忽略不计）。8式（3-11）中工作载荷产生的力矩的计算公式为： （3-12）式中 ，F=622.5N为丝杠载荷，工作台重量为W=50kg， 摩擦系数 ； 滚珠丝杠的导程； 机械效率。将所有数值带入式（3-12）计算可得预紧力产生的转矩的计算公式为： （3-13）式中 预紧载荷； 预紧螺母内的摩擦系数。将所有数值带入式（3-13）可得综上可知等效总力矩为： （3-14）3.4.2加速驱动转矩的计算查电机选型手册可知 （3-15）式中 为等效驱动转矩，其大小由3.4.1可知为0.0789N/m； 电机所负的总惯性矩； 电机的角速度。 （3-16）式中 电机惯性矩，查表3-11可得； 滚珠丝杠惯性矩。表3.11混合式步进电机规格型号一览表规格型号相数步距角（）静转矩（）转动惯量（）外形尺寸（mm）28BYG250C-007120.9/1.83.501235BYG250B-008120.9/1.86.01439BYG250B-005120.9/1.83.501142BYG250A-015120.9/1.86.03842BYG250B-015120.9/1.86.05742BYG250C-015120.9/1.85.082初步选定型号为42BYG250B-0151的二项步进电机，所以电机所负的总转动惯量由任务书可知脉冲当量，步距角，空载最快移速,从而可以得出空载时工作台最快移速所对应的电机最快转速，此时所对应的角速度，将带入式（3-15）可知，假设安全系数取3，则电机的最大静转矩，根据表3.11可知，电机的静转矩为6.0N/m，大于电机所负的最大转矩，故所选电机的转矩符合要求。3.4.3电机的性能校核 1)最块进给速度时电机输出转矩：假设工作时工作台的最快进给速度，任务书中的脉冲当量要求为，此时电机对应的运行频率为： 从42BYG250B-0151步进电机的运行矩频特性曲线可知，在这个频率为1333Hz时，电动机的输出转矩为，所以电动机的输出转矩远远大于最大工作负载转矩，故满足要求。 2)最快空载移动时，假定给定工作台最快空载移动速度为的情况下，可以求出电动机对应的运行频率为：。由查机械设计手册表7-11可知，在此频率下，步进电机的输出转矩，大于快速空载起动时的负载转矩，所以满足要求。13 3)空载移动时电机运行频率校核：当空载移动是速度所对应的电机运行频率。查机械设计手册得到42BYG250B-0151电机的极限运行频率为20000Hz，没有超出上限，所以符合要求。 4)起动频率计算：已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的最高起动频率。则可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率：所以要想保证步进电动机起动时不失步，就要保证起动频率小于1187Hz。综上所述，本次课题中工作台的进给传动电机选用42BYG250B-0151步进电机，可以满足设计要求11。3.5其他标准件的选型3.5.1轴承的选择由于滚珠丝杠会受到一定的轴向力，而且结构要尽量紧凑，所以选择型号为GB-276_2LS-1994，61803_2LS的深沟球轴承，其内径为d=17mm，外径为D=26mm，宽度B=5mm。3.5.2联轴器的选择初选GH2系列的平行线联轴器如图3.4所示图3.4平行线联轴器GH2系列的平行线联轴器拥有很多优点：质量轻，体积小；高强度铝合金材料或不锈钢材料，阳极氧化处理；具有抗油污耐腐蚀功能；可吸收振动，补偿径向，角度偏差和零回转间隙；适用于主轴传动，升降平台等产业机械7选择型号为GH2-C25-1005的平行线联轴器，其技术参数如图3.5和表3.12所示：3.5平行线联轴器结构图表3.12平行线联轴器技术参数DLL1M内径扭紧力矩25.4323.1M310/50.7扭矩（Nm）纠缠能力最高转速（rpm）额定最大径向（mm）轴向（mm）角度（）1.53.00.151.080003.6直线运动结构展示图3.6直线运动结构三维模型图3.7直线运动结构爆炸图第四章 旋转运动机械结构设计随着科学技术的发展，永磁电机的不断普及，直流力矩电机作为一种特殊的直流伺服电机，因其具有超低转速、高扭矩、高的响应速度、高转矩惯量比、驱动无齿隙等优点，被广泛用于各种自动化控制领域，尤其是机器人系统、高精度光学仪器、高精度云台与转台、军用电子设备等领域有不可替代的作用。44.1力矩电机与传统结构的比较机床上的旋转运动如图4.1，传统的解决方法式采用伺服电机+蜗轮蜗杆或齿轮的方式实现的，这种方式的缺点很明显：首先是磨损，机械部件长期连续运动的磨损是不可避免的，尤其是蜗轮蜗杆传动，蜗轮蜗杆传动容易发热，在接触部分会产生胶合，从而影响传动效率和加工精度 ；其次是速度与加速度低，在加工高速曲面时，如果旋转轴的速度低于曲面的加速度，就会出现过切的现象。力矩电机的转子直接驱动旋转部件的运动，它没有中间的传动环节，是一种不接触的传动，没有反向间隙，没有磨损，配合高精度编码器，可以实现编码器级别的精度；力矩电机一般可以实现60r/min的转速，这对于摆动机构来说，已经是很高的精度了。9图4.1采用力矩电机直接驱动的摆头都采用的编码器反馈的情况下，力矩电机与齿轮、蜗轮蜗杆传动的比较，见表4.1。表4.1传动性能比较力矩电机蜗轮蜗杆齿轮定位精度速度加速度精度保持性精度不变容易磨损较好摆动扭矩小中大4.2力矩电机直驱双摆式铣头结构方案双力矩电机直接驱动双摆式铣头结构原理图如图4.2所示： 1.电主轴 2.力矩电机 3.轴承 4.力矩电机 5.轴承C轴旋转A轴旋转主轴旋转 图4.2铣头结构设计图该机构主要由一个使电主轴绕A轴和C轴旋转的万向架、四个连接在万向架上的直驱式分装力矩电机和两对交叉圆柱滚子轴承组成，万向架由力矩电机直接驱动，其中一对力矩电机直接驱动万向架绕A轴旋转，另外一对力矩电机通过叉头连接在万向架上，实现摆头绕C轴转动，这两对力矩电机均采用并联安装方式，这种