目录第一章CNC二维工作平台的总体结构特点 (1)1.1CNC工作台的结构类型及设计 (1)1.2拟定合理的传动方案 (3)1.3控制电机的介绍 (3)1.4伺服系统 (4)1.5联轴器的选择 (4)第二章螺旋传动结构设计及电机型号的具体选择 (6)2.1滚珠丝杠螺母机构介绍 (6)2.2丝杠螺母副设计及电机选择 (7)第三章轴承的类型及其支撑方式设计 (11)3.1轴承的类型介绍和具体选择 (11)3.2确定轴承的尺寸 (11)3.3对于轴承进行强度校核 (12)3.4选择轴承的润滑方式 (13)第四章导轨的设计 (14)4.1导轨的类型概述和选择 (14)4.2导轨的设计 (15)4.3导轨的刚度校核 (15)第五章其他技术说明 (16)5.1装配、拆装、安装的注意事项及工作环境要求 (16)参考文献 (17)第一章CNC 二维工作平台的总体结构特点CNC二维工作平台的总体设计是对此机器的总体布局和全局的安排以及简单零件设计。

总体设计的合理与否对设计有重要意义，也将影响机器的尺寸大小、性能、功能以及设计质量。

1.1CNC 工作台的结构类型及设计1.1.1CNC 二维工作平台的组成、结构、特性（一）CNC工作平台的主要组成。

CNC二维工作台主要是由工作台滑板（滑块）、直线移动导轨、螺旋传动（丝杠）机构、驱动电机、控制装置、位移检测器、和机体（机座）组成。

（二）CNC工作平台的结构。

CNC工作平台的结构有两种分类方法：（1）按电机与机座、工作台滑板的相对位置分为三种：1.驱动电机与X方向（或丫方向）工作台滑板连成一体。

这种形式简单，但造成低层驱动重量大，电机振动会影响工作台的精度，它适用于低速传动。

2.下层电机不与工作台连成一体，而是装在机座上，上层电动机则与工作台滑板连在一起。

这种形式结构复杂，但是减少了下层电机的驱动重量，适用于中、高速传动，应用较广。

3.将全部电机放在机座上，电机通过一套较长的传动装置驱动工作台移动，这样的结构虽然减轻了下层工作台的承载重量和电机振动的影响，但却影响了传动系统的刚度和运动速度的提高。

（2）按执行器（工作台）在空间的位移方向分为两种：卧式工作台和立式工作台。

卧式工作台：执行器在XOY平面内运动，即X，丫方向的丝杠均布置在水平面内。

这种结构能承受大的载荷，而且结构紧凑、工作可靠、稳定，定位精度高。

立式工作台：执行器在XOZ平面内运动，即一个方向的丝杠布置在水平面内，而另一个丝杠布置在铅垂面内。

这种结构的缺点是Z方向的丝杠及导轨的支承的刚度低，所以承载能力小。

（三）CNC工作台的特性。

（1 ）静态性能。

工作台的几何精度：它包括X-Y工作台导轨在水平面的直线性、垂直平面直线性、X方向与丫（Z）方向的垂直度、X-Y（Z）方向的反向间隙和反向精度以及工作台与运动平面间的不平行性。

系统的静刚度：工作台传动系统受重力、摩擦力和其他外力的作用而产生的相应变形，其比值成为静刚度。

工作台的定位精度和重复定位精度：指步进电机每走一步（发一个脉冲）工作台沿丝杠轴向方向所能产生的位移大小，一般为几微米至几十微米。

（2）动态性能。

包括工作台系统的振动特性和固有频率，速度和加速度特性，负载特性，系统的稳定性等。

1.1.2CNC二维工作平台的结构类型我们初步拟定了以下三个传动方案：1.电机与滑动工作台连成一体。

2.下层电机固定在机座上，上层电机固定在工作台滑板上。

3.全部电机放在机座上。

根据前面CNC的工作结构三种形式的介绍，对于卧式工作平台我们选择下层电机固定在机座上，上层电机固定在工作台滑板上的结构（即选择第二种类型）。

此结构适合低速运动。

1.1.3CNC二维工作平台结构设计及其机体尺寸（一）机体结构设计。

（1）正确选择截面形状及结构。

机体包括基座和支撑件，基座和支撑件具有以下特点：1、尺寸较大：是整台仪器的基础支撑件，不仅自身重量较大，而且承受主要外载荷。

2、结构比较复杂：有很多加工面或孔，而且相互精度和本身精度较高。

（2）合理布置加强筋和筋板。

合理布置加强筋和筋板可较好地提高刚度，其效果交织增加壁厚更好。

筋板按布置可分为纵向筋板、横向筋板和斜置筋板。

纵向筋板应布置在弯曲平面内，对提高抗弯刚度效果较好。

当构件受扭转载荷时，横向筋板对加强抗扭刚度有明显的效果。

斜置筋板兼有前两种的优点。

（二）合理确定机体的各部分尺寸。

（1）合理设计壁厚。

根据受力大小决定壁的厚度，壁厚过薄容易引起浇注不足和冷隔。

过厚容易产生缩孔和材料浪费，合理的壁厚是根据铸件材料和尺寸大小来确定的。

尺寸在200X 200〜500 x 500mm壁厚约为6〜10mm尺寸大于500X 500mn!勺，壁厚取10〜15mm加强筋的高度般不超过壁厚的5倍表1.机体的尺寸选择估计重量在610〜1000N,故选择表1中的第三栏（特殊颜色标注），设计时在X（或Y方向工作台滑板上固定联接件时用到加强筋，筋厚度应该取8mm（2）结合装配图确定机体的各部件尺寸工作台滑板和机座基本尺寸见表2:表2.机体部件基本尺寸1.2拟定合理的传动方案1.2.1按丝杠与螺母的相对运动分类按丝杠与螺母的相对运动来分，传动方案可分为四种。

（1）丝杠转动，螺母移动。

（2）螺母转动，丝杠移动。

（3）螺母固定，丝杠转动、移动。

（4）丝杠固定，螺母转动、移动。

我们选择第一种方案，即丝杠转动，螺母移动。

1.2.2按摩擦性质不同分类按摩擦性质不同，传动方案可分为滑动螺旋传动和滚动螺旋传动两种。

（一）滑动丝杠螺母机构。

滑动丝杠螺母机构具有结构简单，运动平稳，传动精度高，螺纹导程小，降速比大, 牵引力大等优点。

其缺点是摩擦阻力大，传动效率低，螺纹中有侧向间隙，故反向有空行程。

由于动静摩擦差别大，低速时可能出现爬行现象。

（二）滚珠丝杠螺母机构。

滚珠丝杠就具有螺旋滚道的丝杠和螺母间充满滚珠。

这些滚珠作为中间传动件，在螺母闭合的回路中循环滚动，使丝杠螺母副的运动由滑动变成滚动，以减小摩擦。

滚珠丝杠的传动效率很高，当双螺母预紧后，轴向刚度好，传动副爬行小，具有较高的定位精度，启动转矩小，传动灵敏，同步性好。

其缺点是结构复杂，制造较困难，价格昂贵，以及不能自锁。

根据CNC二维工作平台的要求，参看两种传动的特点，对于卧式CNC工作平台我们设计选择滚珠丝杠螺母传动。

由于滚珠丝杠螺母机构不具有自锁性，故应增加电磁制动装置，以达到精确定位的目的。

1.3控制电机介绍控制电机应根据转矩、位移速度、理论定位精度、工作行程和载荷大小来确定，常用的控制电机有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机（又分为同步交流和异步交流）下面具体介绍步进电机。

步进电机又称脉冲电动机，且是数字控制系统中一种执行原件，其功用是将脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移。

步进电机是关系到数控机床加工精度和加工速度等性能的关键性元件。

步进电机分为三种：永磁式（PM，反应式（VR和混合式（HB。

永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步距角一般为7.5 °或15°。

反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步距角一般为1.5 °，但噪声和振动都很大。

在欧美等发达国家80 年代已被淘汰。

混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。

它又分为两相和五相，两相步进角一般为1.8 °而五相步进角一般为0.72 °。

这种步进电机应用最广泛。

控制系统对步进电机的基本要求：1.在一定的速度范围内，步进电机能稳定的运行，输出轴转过的步数必须等于输入的脉冲数，不能“失步” 。

2.每输入一个脉冲信号，输出轴所转过的角度或前进的距离称为步距角，该值小而高，能保证控制系统的精度。

3.允许脉冲频率高，这样才能动作迅速，减少辅助工时，提高生产效率，但脉冲频率不宜过高，否则转矩将变小。

步进电机的基本特点：1.步进电机不是恒定通电，而是按一定的方式轮流通电，是通过“环形分配器”来实现的。

2.反应式步进电机可以按指令进行角度控制，也可以进行速度控制，这对本设计很重要，可以实现程序定位。

3.反应式步进电机无自锁能力，为保证步进电机转子能停在最后一个脉冲信号的角位移终点位置上采用带电定位方法（电磁制动装置）。

4.步距角越小，运动稳定性越好，Ts （最大负载转矩）越接近Tmax（最大静转矩）可选择不同的步距角（改变通电方式即可）。

1.4伺服系统1.4.1开环伺服系统这种系统主要是采用步进电机作为驱动元件，步进电机每接受一个脉冲指令，电机轴就转相应的角度，驱动工作台移动。

精度完全取决于电机、齿轮副、丝杠螺母副和工作台导轨等部件的精度，因此适用于精度要求不高的场合。

1.4.2闭环伺服系统这种系统的主要特点是工作台上装有位置检测装置，如旋转编码器、光栅传感器，可以随时测量工作台的实际位移，进而将测定值反馈到数字控制装置中的比较器中与指令信息进行比较，并且根据比较后的差值进行控制。

因此，有可能校正传动链内由于电器、刚度、间隙、惯性、摩擦及制造精度所形成的各种误差，从而提高伺服的精度。

这里我们采用闭环伺服系统。

这要求应用伺服电机，伺服电机一般是交流电机或步进电机。

1.5联轴器的选择1.5.1联轴器类型介绍及选型联轴器有刚性和挠性两种，刚性联轴器适用于两轴严格对中不发生相对位移的地方。

挠性联轴器适用于两轴有偏斜（可分为同轴线、相交轴线）或在工作中有相对位移（可分为轴向位移、径向位移、角位移、综合位移）的地方。

挠性联轴器又有无弹性元件的、金属弹性元件的和非金属弹性元件的之分。

后两种称为弹性联轴器。

CNC二维工作平台是高精度机电系统，要求定位精度高，启动灵活、频繁。

这就要求联轴器输出地角位移、转矩与电机输出地角位移、转矩同步性好，因此选择刚性联轴1.5.2联轴器的设计过程本设计是低速运转，采用夹壳联轴器，力矩较小，可以用螺栓紧固，也可以用键。

具体尺寸的设计，根据电机外伸轴和丝杠外伸轴直径确定，参见装配图。

在此介绍夹壳联轴器的性能指标和选择原因：夹壳联轴器是利用两个沿轴向剖分的夹壳，用螺栓夹紧以实现两轴联接，靠两半联轴器表面间的摩擦力传递转矩，利用平键作辅助联接。

夹壳联轴器装配和拆卸时轴不需轴向移动，所以装拆很方便，夹壳联轴器的缺点是两轴轴线对中精度低，结构和形状比较复杂，制造及平衡精度较低，只适用于低速和载荷平稳的场合，通常最大外缘的线速度不大于5m/s。

电机外伸轴和丝杠外伸轴直径d=12mm联轴器基本尺寸见下图。

50第二章螺旋传动机构设计及电机的选择2.1滚珠丝杠螺母机构介绍滚动丝杠，就是在具有螺旋滚道的丝杠和螺母间充满滚珠，这些滚珠作为中间传动件，在螺母上闭合的回路中循环滚动，使丝杠螺母副的运动由滑动变成滚动，以减小摩擦。

滚珠丝杠具有很高的传动效率（n =0.92〜0.96 ）；当双螺母预紧后，轴向刚度高；传动副的爬行小，具有较高的定位精度和随动精度；起动力矩小，传动灵敏，同步性好。