数控刀具磨削机的数控十字滑台的设计说明书.doc

1 引言研磨机是利用砂轮对刀具表面进行磨削加工的机床，主要是对钻头进行加工，一般的数控研磨机是三坐标轴的，即主轴运动、X轴进给运动和Z轴进给运动，本课题要设计的部分就是控制X轴进给运动和Z轴进给运动的数控十字滑台。这些年来，国内外机床工业迅猛发展，其产值仅次于模具工业的产值。随着工业技术的迅速发展，对精密十字滑台的设计和制造要求也越来越高。我国机床工业作为一个独立、新型的工业，正处于飞速发展阶段，已经成为国民经济的基础工业之一，其发展前景是十分广阔的。 目前，国内生产的精密滑台已达到了比较高的水平，但由于数控研磨机的发展还不够成熟，因而应用于数控研磨机的精密滑台还处在萌芽状态，大多数的工作台产品无法满足研磨机的传动要求。由于本设计中的十字滑台是用于数控研磨机，而数控研磨机是用于刀具的生产，生产批量小、制造精度高，所以对十字滑台的传动精度要求是较高的。 一般的精密十字滑台是滚珠丝杠与伺服电机直接联接，这种联接方式适用于一般的机床，对于本课题的数控研磨机来说，这种传动是不够平稳、不够精确的。本设计的不同之处是伺服电机要经过减速装置减速之后再将转速传到滚珠丝杠上，从而带动工作台运动，因为减速装置可以使到达滚珠丝杠的速度更加符合其要求的速度，再者，加入减速装置以后，整个十字滑台的传动系统会更加平稳，而且传动精度也会得到提高。在十字滑台的X轴方向，伺服电机先与同步带轮联接，同步带轮再与滚珠丝杠联接，这样，伺服电机较高的转速降低为滚珠丝杠要求的转速，再将滚珠丝杠的转速转换为X轴工作台的进给运动，从而实现工作台的低速平稳运动。类似地，在十字滑台的Z轴方向，伺服电机先与齿轮副联接，再与Z轴工作台的滚珠丝杠联接，和X轴方向一样，将高转速转换为低转速，低转速再转换为Z轴工作台的直线进给运动，实现工作台的低速平稳运动,并且与Z轴联动，产生钻心锥度。 本课题的研磨机是在需要润滑油和切削液的环境下工作的，因此，除了要设计出合格的数控十字滑台之外，本设计还要求对设计的产品进行了防护设计，本人根据滑台的特点，分别用钢板和铝合金作为材料对滑台进行防护。2 数控机床进给系统2.1数控机床进给系统的原理数控机床进给系统的原理如图一 图一 进给系统原理图数控系统1内的脉冲发生器A发生频率恒定的脉冲或矩形波，经控制装置B调制后，成为进给指令。然后再经放大一伺服系统2，伺服电动机3，机械传动机构4，拖动进给执行器官5（如工作台）。数控系统的控制装置根据预先编好的程序，不断改变进给指令，使工作台实现快进、进给、快退、停止，并可在进给过程中不断地改变进给速度。进给为外联系传动链，以每分钟执行器官的移动量计。这种系统用于数控铣床、钻床、磨床、镗铣加工中心等。2.2 半闭环、闭环工作原理闭环系统与半闭环系统的区别:数控系统发出的指令经伺服系统、伺服电动机带动执行器官。反馈信号发生器发出反馈信号，输至伺服系统，与数控系统发来的指令相比较。检查指令是否正确地被执行。这两个系统的差别在于：半闭环系统的反馈信号是从伺服电动机轴或传动机构（滚珠丝杆）处发出；闭环系统则从执行器官（刀架或工作台）处发出。因此，从整个系统有否反馈成分来分，实际上只有两种：开环和闭环。闭环则包括半闭环和全闭环。 半闭环工作原理图 闭环工作原理图闭环系统有反馈，可以检查指令的执行情况，所以精度较高。其中半闭环系统的反馈信号来自伺服电动机轴或滚珠丝杆，不能纠正丝杆的导程误差和丝杆的轴承的轴向跳动以及受力后丝杆、轴承的变形，因而精度比全闭环的要低一些。但是执行器官和传动机构构成一个振荡环节，一般不易引起振荡。所以设计半闭环系统主要考虑的是保证系统的定位精度。2.3 运动设计数控机床半闭环进给系统如下图 图a 图b 图c在图a 中，伺服电动机2经齿轮副3（或同步齿形带副），滚珠丝杆4拖动工作台5。反馈装置1与电动机轴相联，发出反馈信号。图b 与图a 基本相同，但反馈装置在丝杆的端部。在图c 中，伺服电动机直接与丝杆联接。图a 和图c 的优点是可以把反馈装置（如旋转变压器、测速发电机、脉冲编码器）等装在伺服电动机内，成为一个部件。图b 的优点是齿轮等传动副3处于半闭环之内，其传动误差可由反馈校正。反馈装置有两种：（1）用旋转变压器作为位置反馈，用测速发电机作为速度反馈；（2）用脉冲编码器兼作位置和速度反馈。本设计采用脉冲编码器作为位置和速度反馈。脉冲编码器或旋转变压器每转发出一定数量的脉冲。因此，每个脉冲代表一定的转角。这个转角经滚珠丝杆使执行件移动一定的距离。伺服电动机每转，反馈装置应发出2500个脉冲,且编码器后有一个倍频器,倍数为4。3 滚珠丝杆副的尺寸计算与参数选用3.1滚珠丝杆副简介数控机床为了提高进给系统的灵敏度,定位精度和防止爬行,必须降低摩擦并减少静、动摩擦系数之差。因此，行程不太长的直线运动机构常用滚珠丝杆副。滚珠丝杆副的传动效率高达85%98%,是普通滑动丝杆副的24倍。滚珠丝杆副的摩擦角小于1,因此本能自锁。如果滚珠丝杆副驱动升降运动(如主轴箱或升降台的升降),则必须有制动装置。滚珠丝杆可以消除反向间隙并施加预载，有助于提高定位精度和刚度。滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。尤其是近年来，滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业得到广泛运用，极大的推动了机床行业的数控化发展。滚珠丝杆的特点主要有：（1） 传动效率高 在滚珠丝杆副中，自由滚动的滚珠将力与运动在丝杆与螺母之间传递。这一传动方式取代了传统螺纹丝杆副的丝杆与螺母间直接作用方式，因而以极小滚动摩擦代替了传统丝杆的滑动摩擦。使滚珠丝杆副传动效率达到90%以上，为滑动丝杆副的24倍，整个传动副的驱动力矩减少至滑动丝杆的1/3左右，发热率也因此得以大幅降低。（2） 运动平稳 滚珠丝杆副在工作中摩擦阻力小，灵敏度高，而且摩擦系数几乎与运动速度无关，启动摩擦力矩与运动时的摩擦力矩的差别很小。所以滚珠丝杆副运动平稳，启动时务颤动，低速时无爬行。（3） 可以预紧 通过对螺母施加预紧力能消除丝杆副的间隙，提高轴向接触刚度，而摩擦力矩的增量却不大。（4） 定位精度和 重复定位精度高 由于前述的三个特点，滚珠丝杆副发热率低,温升以及在加工过程中对丝杆采取预紧拉伸并预紧消除轴向间隙等措施,因此采用精密滚珠丝杆副时可以获得较高的定位精度和重复定位精度。（5）使用寿命长滚珠丝杆和螺母均用合金钢制造，螺纹滚道经热处理（硬度HRC5862）后磨至所需的精度和表面粗糙度，具有较高抗疲劳的能力。滚动摩擦磨损极微，因此具有较高的使用寿命和精度保持性。实践证明，使用寿命约为普通滑动丝杆副的410倍，甚至更高。（6） 同步性好 由于滚珠丝杆副运转顺滑、消除轴向间隙以及制造的一致性，采用多套相同的滚珠丝杆副同时传动几个相同的部件或装置时，由于反应灵敏，无阻滞，无滑移，可以获得较好的同步运动。（7） 使用可靠，润滑简单，维修方便 与液压传动相比，滚珠丝杆副在正常使用条件下故障率低。维修保养也极为简单，通常只需进行一般的润滑和防尘。（8）不自锁 由于滚珠丝杆副的 摩擦角小，所以不能自锁。当用于竖直传动或需急停时，必须在传动系统中附加自锁机构或制动装置。（9） 传动可逆性滚珠丝杆副没有滑动丝杆粘滞摩擦，消除了在传动过程中可能出现的爬行现象，滚珠丝杆副能够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。3.2滚珠丝杆副的消除间隙和预加载荷 滚珠丝杆可以消除反向间隙。为了提高刚度，还可使它在过盈的条件下工作，即可以预加载荷，或称预紧。消除间隙和预加载荷有很多方法。在机床上常用的是双螺母法。把左、右螺母往两头撑开，左、右螺母接触方向相反。左、右螺母装在一个共同的螺母体内。这就可使螺母作为一个整体，与丝杆间处于无间隙或过盈状态以提高接触刚度。常见的消除间隙和预加载荷的方式有双螺母式和齿差式。本设计采用的是双螺母垫片预紧的方式。滚珠丝杆的预紧是根据下述原则确定的：如在预紧后的滚珠螺母体上受一个外载荷F，方向为向右，则右螺母4的接触变形（指螺母滚道-钢珠-丝杆滚道沿接触线的变形）加大，左螺母则减小。F大到某种程度，可使左螺母的接触变形减小到零。如果F再加大，则左螺母与丝杆间将出现间隙，影响定位精度。可以证明，使不受力侧的螺母接触变形降至零的外载荷F，约等于预加载荷的3倍，（准确值为2.83倍），F=3。因此，滚珠丝杆的预加载荷的，应不低于丝杆最大轴向载荷的1/3。预紧后的刚度，可提高到为无预紧时的2倍。但是，预加载荷过大，将使寿命下降和摩擦力矩加大。通常，滚珠丝杆在出厂时，就已由制造厂调好预加载荷。预加载荷往往与丝杆副的额定动载荷有一定的比例关系。3.3滚珠丝杆副的结构滚珠丝杆副的结构主要有内循环和外循环两种方式。本设计采用内循环（浮动反向器）方式。其主要特性有：（1） 滚珠返回通道短，不受负荷的滚珠最少，滚珠间摩擦损失小，提高了传动的灵敏度；（2） 螺母径向和轴向尺寸较小；（3） 返回器刚性高，滚珠循环装置有较高的可靠性；（4） 返回器在螺母返回孔内自由浮动，返回器回路与螺母螺纹滚道的对接可以自动调整，滚珠在返回循环过程中摩擦阻力小，传动平稳，定位精确；（5） 返回器如用工程塑料制作，则吸振性能好，耐磨，噪声小，一次成型，工艺简单，成本低。本设计采用双螺母垫片预紧的方式。双螺母预紧的特点有：（1） 修磨垫片来改变两个螺母间的轴向距离。分为拉伸预紧和压缩预紧两种。本设计采用拉伸预紧的方式。（2） 结构简单，调整片做成两半，修磨时不需拧下螺母。调整后不易松动，刚度高。3.4滚珠丝杆副的尺寸计算3.4.1丝杠副的导程伺服电机的最高转速为 =3000 r/min，因电机与丝杆之间通过一传动比i= 1/5的齿轮连接，则丝杆的最高转速为 = =600 r/min 所以丝杆导程 = 3.33 mm 查丝杆导程表，得= 5 mm (优先组合)3.4.2滚珠丝杆副的载荷及转速计算工作台重150 kg，工件及夹具的最大重量为150 kg。丝杆的最大载荷，为切削时最大进给力加摩擦力。最大进给力已知，为= 3000N。作为粗略的估计，最大切削力取为=2=6000N；最大背向力 = =1500N。丝杆的最大载荷为： = +（+）=1.13000+0.04（150+150）9.8+6000+1500= 3720N丝杆的最小载荷为摩擦力： = 0.04（150+150） 9.8= 118N当负荷与转速接近正比变化时，各种转速使用机会均等时，可采用下列公式计算平均载荷： = 2520 N（1） 最大进给时，丝杆的转速为： = = = 6 r/min = = 0.02 r/min 故平均转速为 = = 4 r/min （2） 额定动载荷计算：预期工作时间（小时），数控机床一般取15000h；精度系数。查表可得，取=0.9-可靠性系数。一般情况下=1.0-负荷系数。查表可得=1.2= 1.2252060415000/（1000.91.0）=10533 N（3） 估算滚珠丝杆允许最大轴向变形量 一般情况下，影响死区间隙的主要因素按影响程度自大到小排列顺序是：a. 滚珠丝杆本身的拉压刚度； b. 支承轴承的轴向刚度 ；c. 滚珠丝杆副中滚珠与滚道的接触刚度；d. 折合到滚珠丝杆副上的伺服电机系统的刚度；e. 联轴节的刚度 ；f. 滚珠丝杆副的扭转刚度 ；g. 螺母座，轴承座的刚度 ；机械装置中移动部件处在不同位置时系统的刚度K是不同的，刚度最小处用 表示。当滚珠丝杆副轴向有工作载荷作用时，传动系统中便产生弹性变形，且 = F/K。从而影响了系统的传动精度，而 处系统受影响最大。机床与机械装置的伺服系统精度大多在空载下检验。空载时作用在滚珠丝杆副上的最大轴向工作载荷是静摩擦力。移动部件在 处起动和返回时，由于方向变化将产生误差 （又称摩擦死区误差）。它是影响重复定位精度的最主要因素。一般占重复定位精度的（1/21/3）。所以规定滚珠丝杆副允许的最大轴向变形： （1/31/4）重复定位精度影响定位精度最主要的因素是滚珠丝杆副的精度。其次是滚珠丝杆本身的拉压弹性变形（因为这种弹性变形随滚珠螺母在滚珠丝杆上的位置变化而变。）以及滚珠丝杆副摩擦力矩的变化等。一般估算是（1/41/5）定位精度。以上两种方法估算出的小值取为值（单位）。 已知：定位精度都为0.01 mm，重复定位精度为0.005mm = (1/31/4)0.01 = 2.5 (1/41/5)0.005 = 1 = 1 (取与中较小值为值) 3.4.3估算滚珠丝杆的底径及螺母的安装连接尺寸 滚珠丝杆副安装方式为一端固定，一端自由。 式中：E杨式弹性模量2.1N/mm估算的滚珠丝杆最大允许轴向变形量（）导轨静摩擦力（N）。=120 N（为静摩擦系数）滚珠螺母至滚珠丝杆固定端支承的最大距离（mm）=行程+安全行程+余程+螺母长度一半+支承长度的一半= 1.1行程 + 1014= 0.17 m = 0.078= 14.14 mm确定滚珠丝杆副规格代号：根据传动方式及使用情况，按照样本可以确定滚珠螺母型式。按照已估算出的 ，可在样本中先查出对应的滚珠丝杆底径。额定动载荷应注意，但不宜过大，否则会使滚珠丝杆副的转动惯量偏大，结构尺寸也偏大。接着再确定公称直径。循环圈数，滚珠螺母的规格代号及有关的安装连接尺寸。选择滚珠丝杆副的型号为： 内循环浮动式（双螺母垫片预紧） 查滚珠丝杆样本可得：公称直径 = 32 mm， 丝杆外径=31.5 mm丝杆底径=28.9 mm，钢球直径3.5mm，导程为5mm，每个螺母滚珠有3列，滚珠丝杆副精度为 级。滚珠丝杆副规格代号可为FFZD3205-3其安装结构见图二，具体尺寸见表1表1规格代号刚度Kc螺母安装连接尺寸D1D2L2D5BD4D5D6hD7MD8L1FFZD3205-3826505010821367712762M63885 图二 螺母副结构尺寸图根据螺母与工作台的连接要求，用螺钉将螺母与螺母座连接，再用螺钉将螺母座与工作台连接，螺母座与工作台安装图如图三所示。 图三 螺母与工作台安装图3.4.4滚珠丝杆螺纹长度的计算滚珠丝杆副的螺纹长度= + 2横向滚珠丝杆的行程为100mm，纵向滚珠丝杆的行程为80mm=行程+螺母长度横向丝杆的螺纹长度=200mm纵向丝杆的螺纹长度为=180mm滚珠丝杆副精度选择：已知定位精度为0.01mm，查滚珠丝杆样本，任意300mm内导程允差，1级（）丝杆为0.006mm，2级（）为0.008mm。因此横向滚珠丝杆精度取为级，纵向滚珠丝杆的精度可选为级。3.4.5滚珠丝杆副的验算（1）疲劳强度计算滚珠丝杆应根据其额定动载荷选用，其计算原理与滚动轴承计算相同。额定动载荷可从手册中查得。=18.1 KN滚珠丝杆的当量动载荷为 = 4.63 KN式中 轴向平均载荷（N）。经计算所选的丝杆副，其额定动载荷不小于此值：即。若载荷是变化的且其时间分配不明时，可取 = =2520 N、丝杆的最大、最小工作载荷（N）；工作寿命，单位为转。= ；平均转速，= = 4r/min ；以小时为单位的工作寿命（h）。数控机床可取h=15000h；精度系数。1、2级取=1；运转状态系数。一般情况可取=1.21.5。（2）刚度计算滚珠丝杆副的变形包括丝杆与螺母之间的接触变形和丝杆的拉压变形。丝杆的扭转变形较小，对纵向变形的影响更小，可忽略不计。螺距座只要设计合理，其变形也可忽略不计。上述接触和拉压变形之和除轴向载荷，即为丝杆副的轴向刚度。滚珠丝杆螺母副的接触刚度可查手册。要注意的是，接触刚度是非线性的，不是一个定值。它随载荷（包括外载荷和预加载荷）的增加而增加。因此要注意这个数据和公式的载荷条件。丝杆的拉压刚度也不是一个定值。它随落幕至轴向固定端的距离而变。一端轴向固定的丝杆最小的拉压刚度为 为 = =2385 N/m式中 A螺纹底径处的截面积（）； E弹性模量。钢的E=2（）; 螺母至固定端的最大距离（m）。a.计算预紧力 滚珠丝杆在工作时难免要发热，其温度将高于床身。丝杆的热膨胀将使导程加大，影响定位精度。为了补偿热膨胀，可将丝杆预拉伸。预拉伸量应略大于热膨胀量。发热后，热膨胀量抵消了部分预拉伸量，使丝杆内的拉应力下降，但长度却没有变化。需进行预拉伸的丝杆在制造时应使其目标行程（螺纹部分在常温下的长度）等于公称行程（螺纹部分的理论长度，等于公称导程乘以丝杆上螺纹圈数）减去预拉伸量。拉伸后恢复公称行程值。减去的量称为“行程补偿值”。当选择FFZD预紧螺母型式的滚珠丝杆副时需定的预紧力 = 1240b.行程补偿值C C=11.8 式中： C行程补偿值（） 温度变化值23 丝杆的线膨胀系数11.8/ 滚珠丝杆副的有效行程（mm） =工作台行程+螺母长度+两个安全行程=行程+（814） =160 mmC =11.8= 11.82160= 3.78 mm 预拉伸力： = 1.95= 1.952= 1114 N3.5滚珠丝杆的支承滚珠丝杆常用的支承方式主要有：一端轴向固定一端自由（常用于短丝杆），一端固定一端简支（常用于较长的卧式安装丝杆），两端固定（常用于长丝杆或高转速、要求高精度、高刚度的地方）。滚珠丝杆都用滚动轴承支承。可用的滚动轴承种类很多。 a. 滚动轴承的分类接触向心轴承，而径向接触轴承又包括径向接触滚球轴承（深沟球轴承）和径向接触滚子轴承（圆柱滚子轴承、滚针轴衬），角接触向心轴承包括角接触向心轴承（调心球轴承、角接触球轴承）和角接触向心滚子轴承（圆锥滚子轴承、调心滚子轴承）；推力轴承分为轴向接触轴承和角接触推力轴承，而轴向接触轴承又包括轴向接触球轴承（推力球轴承）和轴向接触滚子轴承（推力圆柱滚子轴承、推力滚针轴承），角接触推力轴承包括角接触推力球轴承（推力角接触球轴承）和角接触推力滚子轴承（推力圆锥滚子轴承、推力圆锥滚子轴承）两种。b.滚动轴承的特性 滚动轴承的特性比较如表2所示。表2 滚动轴承的特性比较轴承类型深沟球轴承调心球轴承滚针角接触球轴承单列双列组合载荷方向主要承受径向载荷，也可以同时承受少量的双向的轴向载荷。在转速较高，不宜用推力轴承时，可承受较轻纯轴向载荷。主要承受径向载荷，也可以同时承受少量的双向的轴向载荷。仅能承受径向载荷承受径向和单向轴向的联合载荷；承受径向和双向轴向的联合载荷，不宜受纯轴向载荷。承受径向为组和双向轴向的联合载荷，不宜承受纯轴向载荷。主要承受径向和少量轴向双向载荷。限制轴向位移能力能限制轴的双向轴向移动在轴承的游隙范围内。能限制轴的（外壳）双向轴向移动在轴承的游隙范围内。能限制轴的轴向轴向移动。能限制轴（外壳）的单向轴向移动。能限制轴的双向轴向移动在轴承的游隙范围内串联式配置的限制轴（外壳）的单向轴移动。额定动载荷比 1 0.60.9分离型0.60.8，700型11.4，四点接触1.41.8 1.62.1 1.62.1摩擦比 1 0.81.31.3 1.4 1.4转速比 1.0 0.6有保持架0.6=15度，1.4=14度，0.8 0.6 0.8旋转精度 A A C A C A刚度 C C A C B B本设计中，在固定端采用代号为7603020TN 推力角接触球轴承，在游动端采用代号80302调心球轴承。3.6 设计完整的滚珠丝杠副3.6.1丝杠固定端轴承及轴承盖的设计根据轴承的尺寸大小，轴承盖长度为53mm，端盖的总高度为82mm，且安装轴承处的轴径为20。端盖处有密封圈对其进行密封，两轴承面对面安装，中间用一轴套可对轴承进行预紧。其结构尺寸图如图四所示。 图四 丝杠固定端轴承盖结构尺寸图3.6.2丝杠铰支端轴承及轴承盖的设计铰支端较短,选用调新球轴承,，轴承代号为80302，丝杠端部直径尺寸d=20mm，丝杠铰支端端部尺寸，两侧尺寸对称。其结构尺寸图如图五所示。 图五 丝杠铰支端轴承盖的结构尺寸图3.6.3设计完整的滚珠丝杠副滚珠丝杠副丝杠副的长度为滚珠丝杠螺母部分长度与两个安装端的长度之和，图六为横向滚珠丝杆的尺寸结构图，其总长为334mm。图六 设计完整的滚珠丝杠副 3.7滚珠丝杆与伺服电机的联接方式滚珠丝杆可通过齿轮副或同步齿形带与伺服电机相联接；也可通过联轴节与伺服电机直接联接。本设计中在横向进给方向采用同步带传动副与伺服电机联接，在纵向进给方向采用齿轮副与伺服电机联接。3.8滚珠丝杆副的润滑与安装使用3.8.1滚珠丝杆副的润滑为使滚珠丝杆副能充分发挥技能，在其工作状态下，必须润滑，润滑方式主要有以下两种：（1）润滑脂 润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积的1/3，一般公司滚珠丝杆副出厂时在螺母内部已加注GB734-94 2# 锂基润滑脂；本设计采用这种润滑脂作为润滑剂。（2）润滑油 润滑油的给油量标准如表所示，但是随行程、润滑油的种类、使用条件（热抑制量）等的不同而有所变化,其变化量见表3表3轴颈（mm）给油量（cc）480.0310140.0515180.0720250.1028320.1536400.2545500.3055630.40701000.501001600.603.8.2防尘滚珠丝杆副与滚动轴承一样，如果污物及导物进入就很快使它磨耗，成为破损的原因。因此，考虑有污异物（切削碎削）进入时，必须采用防尘装置（折皱保护罩、丝杆护套等），将丝杆轴完全保护起来。所以，本设计采用防尘圈来防尘。3.8.3滚珠丝杆的使用滚珠丝杆副在使用时应注意以下事项：（1）滚珠螺母应在有效行程内运动，必要时要在行程两端配置限位，以避免螺母越程脱离丝杆轴而使滚珠脱落。如螺母脱离丝杆轴或滚珠脱落。（2）滚珠丝杆副由于传动效率高，不能自锁，在用于垂直方向传动时，如部件重量未加平衡，必须防止传动停止或电机失电后，因部件自重而产生的逆传动。防逆传动方法可用蜗轮蜗杆传动、液压式电器制动器及超越离合器等。3.8.4滚珠丝杆的安装滚珠丝杆副在安装时应注意以下事项： 1、滚珠丝杆副仅用于承受轴向负荷。径向力、弯矩会使滚珠丝杆副产生附加表面接触应力等不良负荷，从而可能造成丝杆的永久性损坏。因此，滚珠丝杆副安装到机床时应注意： （1）丝杆的轴线必须和与之配套导轨的轴线平行，机床的两端轴承座与螺母座必须三点一线。（2）安装螺母时，尽量靠近支撑轴承。（3）同样安装支撑轴承时，尽量靠近螺母安装部位。2、滚珠丝杆副安装到机床时，请不要把螺母从丝杆轴上卸下来。如必须卸下来，要使用辅助套，否则装卸时滚珠有可能脱落。螺母装卸时应注意下列几点：（1）辅助套外径应小于丝杆底径0.10.2mm。（2）辅助套在使用中必须靠紧丝杆螺纹轴肩。（3）装卸时，不可使过大力以免螺母损坏。（4）装入安装孔时要避免撞击和偏心。4 导轨副的设计4.1 导轨的分类和功用导轨的功用是导向和承载。在导轨副（如工作台和床身导轨）中，运动的一方（如工作台导轨）叫做动导轨，不动的一方（如床身导轨）叫做支承导轨。按运动性质可分为主运动导轨、进给运动导轨和移置导轨。主运动导轨的动导轨和支承导轨之间，相对运动速度较高。进给运动导轨的动导轨和支承导轨之间，相对运动速度较低。机床中多数导轨属于进给导轨。例如车床的溜板和床身导轨。移置导轨只用于调整部件之间的相对位置，移置后固定，在加工时没有相对运动，例如卧式镗床的后立柱和床身导轨，车床的尾座导轨等。按摩擦性质分为滑动导轨和滚动导轨。在滑动导轨中有静压导轨、动压导轨和普通滑动导轨，静压导轨的原理和静压滑动轴承相同，两导轨面间有一层静压油膜，属于纯液体摩擦，多用于进给运动导轨。动压导轨，当导轨面之间的滑动速度达到一定值时，液体的动压效应使得导轨油腔处出现压力油契，把两导轨面分开，从而形成液体摩擦，这种导轨只能用于高速场合，故仅用于主运动导轨，例如立式车床导轨。普通滑动导轨的摩擦状态为混合摩擦，这时，导轨间虽有一定的动压效应，但由于速度还不够高，油契还不足以隔开导轨面，导轨面仍然处于直接接触状态。大多数普通滑动导轨属于这一类。有的普通滑动导轨速度很低，导轨间不足以产生动压效应，处于边界摩擦状态。滚动导轨在两导轨面之间装有球、滚子或滚针等滚动元件，具有滚动摩擦的性质，广泛地应用于进给运动导轨和旋转主运动导轨。接受力状况可分为开式导轨和闭式导轨。在部件自重和外载作用下，两导轨面在导轨全长上可以始终贴合的称为开式导轨，例如龙门铣床和龙门刨床的工作台和床身导轨。在受到较大的倾覆力矩M时，部件的自重不能使两主导轨面始终贴合，就必须增加两块压板，形成两个辅助导轨面，这样的导轨称为闭式导轨。例如卧式车床的床鞍和床身导轨。4.2导轨应满足的要求4.2.1 导向精度 导轨在空载下运动和在切削条件下运动时，都应有足够的导向精度。保证导轨运动的准确度，是保证导轨工作质量的前提。a.几何精度 直线运动导轨的几何精度包括：导轨在竖直平面内的直线度（简称A项精度）；导轨在水平平面内的直线度（简称B项精度）；两导轨面间的平行度，也叫扭曲（简称C项精度）。在AB两项精度中，都规定了导轨在每米长度上的直线度和导轨全长上的直线度。b.接触精度 磨削和刮研的导轨表面，接触精度按JB2278的规定，采用着色法进行检查。用接触面所占的百分比或2525面积点数衡量。4.2.2 精度保持性 影响精度保持性的主要原因是磨损。提高耐磨性以提高精度，是提高机床质量的主要内容之一，也是科学研究的一大课题。常见的磨损形式有磨料（硬粒磨损）、粘着磨损（或咬焊）和接触疲劳。磨料磨损经常边界摩擦和混合摩擦状态。磨粒夹在导轨面之间随之相对运动，形成对导轨面的“切削”，使导轨面产生“划伤”。磨料硬度越高，相对滑动速度越大，压强越大，对摩擦副的危害越大。磨料磨损很难避免，是导轨防护的重点。粘着磨损也称为分子机械磨损。当两个摩擦表面相互接触时，在高压强下材料产生塑性变形，相对运动时的摩擦，又使表面层的氧化膜破坏，在新暴露出来的金属表面之间，就会产生分子之间的相互吸引和渗透，使接触点粘结而发生咬焊。接触面的相对运动又要将咬焊点拉开，就造成撕裂性破坏。咬焊是不允许发生的。接触疲劳在滚动摩擦副中。滚动导轨在反复接触应力的作用下，材料表层疲劳，产生点蚀。接触疲劳在滚动摩擦副中，也是无法避免的。4.2.3 低速平稳性 当动导轨作低速运动或微量位移时,应保证导轨运动的平稳性,即不出现爬行现象。低速运动平稳性与导轨的结构、材料和润滑，与动、静摩擦系数的差值，与传动导轨运动的传动链的刚度等有关。4.2.4 结构简单、工艺性好 大多数机床的导轨都要淬硬，因此，导轨的精加工主要是磨削。少数高精度机床如坐标镗床的导轨用刮研进行精加工，不能淬硬。设计时要注意使导轨的制造和维护方便，刮研量少。如果采用镶装导轨，则应尽量做到更换容易。4.3 导轨的选用本设计用于研磨机，摩擦力矩小，进给速度很低，灵敏度要求高，导轨受的载荷较小，但要求受载荷均匀，且导轨用于低速的进给运动，根据设计要求及导轨的分类和功用的表述，本设计选用四方等载荷型滚动直线导轨副。4.4 滚动导轨副的结构及优点4.4.1 结构以GGB型为例，滚动导轨副是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及挡板等组成（如下图）。当导轨与滑块相对运动时，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圈，可以有效地防止灰尘、屑末进入滑块内部。其结构图如图七所示。图七 滚动导轨副的结构4.4.2 优点 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，大大降低了两这之间的运动摩擦阻力，从而获得如下优点：a 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时间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。b 驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一。c 与V型十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约40倍。d 适应高速直线运动，起瞬间速度比滑动导轨提高跃10倍。e 能实现高定位精度和重复定位精度。f. 实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。g. 对使用滚动导轨副时，具有“均化误差效应”，从而降低基础件（导轨安装面）的加工精度要求.h.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，滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低。i.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。j.简化了机械结构的设计和制造。4.5 滚动直线导轨副的设计4.5.1 滚动直线导轨副的精度及选用直线运动滚动导轨副的特点和要求由于直线导轨副具有“均化误差效应”，在同一平面内使用两套或两套以上时，可以选用较低的安装精度达到较高的运动精度，通常可以提高产品质量 20到50。各类机床和机械采用的精度等级见表4。表4机床及机械类型坐标精度等级数控机床车床2345XZ铣床、加工中心X、YZ坐标镗床、坐标磨床X、YZ磨床X、YZ电加工机床X、YZ精密冲载机X、Z绘图机X、Y数控精密工作台X、Y普通机床X、YZ通用机械本设计用于研磨机，属于磨床的一种，而且滑台为双坐标（分为X和Z轴），根据上表，可以选择精度等级为2级精度。4.5.2作用与滚动直线导轨副的载荷计算及选用型号滚动直线导轨副的载荷特点：由于滚动直线导轨副的特殊结构，使其具有垂直向上、向下和左右水平四方向额定载荷相等，且额定载荷大，刚性好，刚度高，三个方向抗颠覆力矩能力大，适用于各种载荷机床。作用于滚动直线导轨副的载荷计算直线运动滚动支承系统所受的负荷，受下列各种因素的影响：配置形式（水平、垂直、横排等），移动件的重心和受力点位置，导轨上移动件牵引力的作用点，启动及终止时的惯性力，以及运动阻力等。工作台重量m=150 kg，负载F=10KN,有效行程=0.1m，每分钟往复次数=5，移动速度=0.1m/min ,目标寿命为10年。由于导轨水平安装，卧式导轨，滑块座移动，工作台重量均匀分布，重心在中间，且外力的作用点和工作台重心重合。由此可得：四个滑块的载荷：=2.875 KN4.5.3滚动直线导轨副的选型及尺寸的确定额定寿命 寿命按每年工作300天，每天两班，每班8 h，开机率0.8计=10300280.8=38400 h =2304 Km式中：硬度系数=1.0 温度系数=1.00 接触系数=0.66 精度系数=0.9 载荷系数=1.2 额定静载荷：18.56 KN查滚动直线导轨副表，得滚动直线导轨副的=24.5KN，=34.4KN。故选用GGB25-AA22型滚动直线导轨。滚动直线导轨副的尺寸结构图见图八所示。导轨副的长度：=台面尺寸+行程+余程=300+100+40=460mm 图八 滚动直线导轨副其具体尺寸如表5,表6表5 型号导轨副尺寸滑块尺寸HWB1B2B3KTT1M1L1L2L3GGB25AA3723.5706.55730.51216M879.55945表6 油杯尺寸导轨尺寸额定动载额定静载额定力矩L4GNB4H1dDhF单根最大长度CC0MAMBMc11M67.22322711960300017.722.6149.8149.82464.5.4滚动直线导轨副的预加载荷（1）滚动直线导轨副的预加载荷如表7 表7规格重预载P0中预载P1普通预载P2间隙P3（）GGB251770/2070885/1035442.5/517.5515（2）根据不同使用场合，推荐预加载荷如表8 表8预载种类应用场合P0大刚度并有冲击和振动的场合，常用于重型机床的主导轨等。P1要求较高重复定位精度，承受侧悬载荷、扭转载荷。单根使用时，常用于精密定位机构和测量机构上。P2有较小的振动和冲击，两根导轨并用时，且要求运动轻便处。P3用于输送机构中。（3）根据不同使用精度推荐预加载荷如表9 表9 精度级别预紧级别P0P1P2P32、3、45通过以上三张表，可选滚动直线导轨副的预紧载荷为中预载，预紧级别为2、级精度。4.5.5 导轨副材料及其选用导轨副的材料 导轨的材料有铸铁、钢、有色金属和塑料等，对导轨材料的主要要求是：耐磨性高、工艺性好和成本低等。（1）铸铁 铸铁是一种成本低，有良好的件振性和耐磨性，易于铸造和切削加工的金属材料。在动导轨和支承导轨中都有应用。灰铸铁 应用最多的是HT200，在润滑与防护较好的条件下有一定的耐磨性。灰铸铁的导轨摩擦副适用于：需要手工刮研的导轨；对加工要求保持性要求不高的导轨；不经常工作的导轨，其中包括移置导轨。孕育铸铁 在水中加入少量孕育剂硅和铝而构成的孕育铸铁，可使铸铁获得均匀的珠光替和细片状金相组织，从而得到均匀的强度和硬度。由于石墨微粒能够产生润滑作用，又可吸引和保护油膜，因此孕育铸铁的耐磨性比灰铸铁高。在机床导轨中应用的孕育铸铁牌号为HT300。这种铸铁在车床、铣床、磨床上都有应用。耐磨铸铁 耐磨铸铁中的合金元素有细化石墨和促进基体珠光体化的作用。它们的碳化物分散在铸铁的基本体中，形成硬的网状结构。这些，都能提高耐磨性。应用较多的耐磨铸铁有高磷铸铁、磷铜钛铸铁和矾钛铸铁。高磷铸铁是指含磷量达到0.3%的铸铁，它耐磨性比孕育铸铁高出1倍多，已在许多机床上应用，例如车床、磨床等。磷铜钛铸铁和矾钛铸铁是提高机床耐磨性的好材料。它们具有力学性能好、耐磨性比孕育铸铁高出1.52倍、铸铁质量容易控制等优点，但成本较高，例如坐标镗床和螺纹磨床等。铸铁导轨的淬火 采用淬火的提高铸铁导轨表面的硬度，可以增强抗磨料磨损、粘着磨损的能力，防止划伤与撕伤，提高导轨耐磨性。导轨表面的淬火方法有感应淬火和火焰淬火等。感应淬火有高频和中频感应加热淬火两种，硬度可达4555HRC，耐磨性可提高将近两倍。其中中频加热淬硬层较深，可达23mm。高频或中频淬火后的导轨面还要进行磨削加工。火焰表面淬火的导轨因淬硬层深而使导轨耐磨性有较大的提高，但淬火后的变形较大，增加了磨削的加工量。目前，采用铸铁作为导轨的，多数都要淬硬。只有必须采用刮研的进行精加工的精密支承导轨，以及某些移置导轨，才不淬硬。（2）钢采用淬火钢或氮化钢的直线导轨，可大幅度提高导轨的耐磨性。镶钢导轨导轨材料有下列几类：a.合金工具钢或轴承钢，牌号为9Mn2V、CrWMn、GCr15等。整体淬硬，HRC60。b.高碳工具钢或轴承钢，牌号T8A、T10A等，整体淬硬，HRC58。c. 中碳钢，牌号45或40Cr，整体淬硬，HRC48。d. 低碳钢，牌号20Cr，渗碳淬硬，HRC60。e.碳化钢，牌号38CrMoAlA，渗氮处理，表面硬度为HV850。镶钢导轨工艺复杂、加工较困难、成本也较高，为便于热处理和减少变形，可把钢导轨分段，钉接在床身上。目前，国内多用于数孔机床加工中心上。（3）有色金属 用于镶装导轨的有色金属板材料，主要有锡青铜ZQSn-6-3和吕青铜ZQA19-4。它们多用于重型机床的动导轨上，与铸铁的支承导轨相搭配。这种材料的优点是耐磨性较高，可以防止撕伤和保证运动的平稳性和提高移动精度。（4）塑料 在动导轨上镶装塑料具有摩擦系数低、耐磨性高、抗撕伤能力强、低速时不易出现爬行、加工性和化学稳定性好、工艺简单、成本低等优点，在各类机床上都有应用，特别是用在精密、数控和重型机床的动导轨上。塑料导轨可与硬淬的铸铁支承导轨和镶钢支承导轨组成对偶摩擦副。a. 塑料软带用于镶装导轨的塑料，主要为氟塑料导轨软带，可用粘结的方法将它们固定在动导轨上。氟塑料导轨软带是一种以聚四氟乙烯为基体，添加一定比例的耐磨材料构成的高分子复合物。它的优点是：摩擦系数低，与铸铁导轨形成对偶摩擦副时，摩擦系数在0.030.05的范围内，仅为铸铁铸铁副的1/3左右；动静摩擦系数相近，具有良好的防止爬行的性能；耐磨性高，与铸铁铸铁摩擦副相比，耐磨性可提高12倍；能够自润滑，可在干燥条件下工作；具有良好的化学稳定性，耐酸、耐碱、耐高温；质地较软，摩擦主要发生在软带上，维修时可更换软带，金属碎削一旦进入导轨面之间，可嵌入塑料，不致刮伤相配合的金属导轨面。这种材料在国内已经较为普遍的采用。但是，局部压强很大的导轨，不宜采用塑料镶装导轨，因为塑料刚度低，会产生较大的弹性变形和接触变形。b. 三层复合材料的导轨板 它是在渡铜的钢板上烧结一层多孔青铜粉，在青铜空隙中扎入聚四氟乙烯为填料，经适当处理后形成金属氟塑料的导轨板。国外的DU导轨板和国内的FQ-1、SF-1、SF-2、JS、GS导轨都属此类。 此类导轨板具有两种材料的优点，既具有聚四氟乙烯的良好摩擦特性，又具有青铜与钢的刚性和导热性。它适用于中、小型精密机床和数控机床。由于自润滑能力强，可用于润滑不良或无法润滑的导轨面上，即可在干摩擦条件下工作。用于竖直导轨，更显出它的优点。装配时可粘结或钉接在动导轨上。导轨副材料的选用 在导轨副中，为了提高耐磨性和防止咬焊，动导轨和支承导轨应分别采用不同的材料。如果采用相同的材料，也应该采用不同的热处理使双方具有不同的硬度。目前在滑动导轨副中，应用较多的是动导轨采用镶装氟塑料导轨软带，支承导轨采用淬火钢或淬火铸铁；其次是动导轨采用不淬火铸铁，支承导轨采用淬火淬火钢或淬火铸铁。高精度机床