数控车床进给系统机械传动结构的设计毕业设计论文.doc

图书分类号： 密 级： 毕业设计(论文) 数控车床进给系统机械传动结构的设计数控车床进给系统机械传动结构的设计 mecanical structure design of cnc lathe feed derive system 学生姓名 沈 龙 学院名称机电工程学院 专业名称机械制造及其自动化 指导教师毛瑞卿 2011 年5 月27 日 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 徐州工程学院学位论文原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 日期： 年 月 日 徐州工程学院学位论文版权协议书 本人完全了解徐州工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归徐州工程学院所拥有。 徐州工程学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件 和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。徐州工程学院可以公布学位论文 的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库 进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 摘 要 数控车床进给系统是指能分别沿着x 向和y向做进给运动的系统，是许多机电一体化 设备的基本部件，如数控车床的纵横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的x-y工作台、 激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的x-y数控工作台，通常由导 轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动 机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完 成工作台在x、y方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化， 由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用 标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。 该设计从确定小型数控车床的方案入手， 设计进给系统的装配图和主要零件图。确定 数控车床数控系统后，详细论述进给传动系统各组成部分，以及各部分的计算和选用。 关键词：关键词：数控车床; 进给系统; 装配图; 零件图 徐州工程学院毕业设计(论文 ) i abstract the design starts with identifying the program of small cnc lathe, and begins to design the system assembly drawing and the main part drawing. after identifying cnc lathe system, discuss the various components of the feed drive system in detail, as well as part of the calculation and selection. the design uses a top-down design method, starting from the overall structure, then the components of the design. in the design, full use of standardization, serialization, universal, increase interoperability easy for maintenance. and improve production efficiency to meet the needs of different users. control systems for small cnc lathes which the project develops and designs, with small size、 small footprint、 compact、 technically advanced、 high productivity and strong practicability. it is suitable for small batch processing of small parts, small enterprises, electronic components manufacturing enterprises and individual enterprises, the ideal processing equipment. it can also be used for high secondary school, technical school of electrical and mechanical specialty cnc practice, experimental teaching. keywords: cnc lathe feeding system assembly drawing parts drawing 徐州工程学院毕业设计(论文 ) ii 目 录 摘 要i abstractii 1 绪论 .1 1.1 序言.1 1.2 设计主要任务 .2 2 进给系统设计 .3 2.1 总体方案设计 .3 2.1.1 概述3 2.1.2 机械系统设计3 2.2 伺服电机设计.5 2.2.1 伺服电机概述5 2.2.2 伺服电机选择6 2.3 滚珠丝杠副介绍.10 2.3.1 滚珠丝杠副概述10 2.3.2 滚珠丝杠副特点11 2.3.3 滚珠丝杠副结构11 2.4 滚珠丝杠副设计.12 2.4.1 设计滚珠丝杠副原理12 2.4.2 滚珠丝杠副选择.13 2.4.3 滚珠丝杠副预紧14 2.4.4 滚珠丝杠副校核.15 2.5 滚珠丝杠副密封与润滑.17 2.6 滚轴丝杠副支撑选择及轴承选用.18 2.6.1 支撑方式选择18 2.6.2 轴承选择19 2.6.3 轴承配合与润滑20 2.7 联轴器简介.20 2.8 联轴器基本要求.21 2.9 联轴器选择.22 2.10 联轴器校核.23 2.10.1 转矩校核23 2.10.2 销抗剪强度校核24 3 导轨设计 .25 3.1 导轨概述25 3.2 导轨分类25 3.3 导轨选型与长度计算25 3.4 导轨副技术要求26 3.5 导轨的间隙调整 27 4 防护罩设计 .29 4.1 基本要求29 徐州工程学院毕业设计(论文 ) iii 4.2 选择设计29 4.3 其他设计30 4.3.1 基本要求30 4.3.2 支撑架设计31 总 结 .32 致 谢 .33 参考文献 .34 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 0 1 绪论 1.1 序言 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是现代化工 业生产 中一门新型的， 发展十分迅速的高新技术。 数控装备是以数控技术为代表 的新技术对传 统制造业和新型制造业的渗透， 形成的一种机电一体化技术。 这一 技术使生产过程中的 生产效率、 产品成本及工人劳动强度等方面问题得以明显改 善，特别是针对对市场化生 产的小批量、多品种特点，有无可比拟的优势。数控机床是采用了数控技术的机床。 即能按照程序逻辑，一步步处理生产过程的机床。数控技术也叫计算机数控技术，目 前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程 序来执行对设备的运动轨迹和外设的操作时序逻辑控制功能。由于采用计算机替代原 先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入操作指令的存贮、处理、运算、逻辑判断 等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成，处理生成的微观指令传送给伺 服驱动装置驱动电机或液压执行元件带动设备运行。 制造业是作为衡量一个国家经济的重要指标，体现了一个国家或一个民族的科技 实力，是一个时代科学技术发展最明显的突出体现。尤其是在最近几十年了，发达的 资本主义国际凭借其先进的制造技术，利用其强大的科技和财政实力获得了巨大的经 济利益。我国的制造业起步晚、基础差，但近二十年来，我国投入了巨大的人力物力， 并取得了骄人的成绩。但同时也要看到，我们国家的制造业和西方发达资本主义国家 的制造业还有差距，而且在某种层度上说，差距还很大，这就要求我们国家还要付出 更大的努力去提高我国的制造业在世界制造业中的地位，使我国的制造业对我国的经 济发展能够发挥更大的作用，为人民和人类带来更大的帮助。 数控车床、车削中心，是一种高精度、高效率的自动化机床。配备多工位刀塔或 动力刀塔，机床就具有广泛的加工艺性能，可加工直线圆柱、斜线圆柱、圆弧和各种 螺纹、槽、蜗杆等复杂工件，可咨询：宁波众鑫数控机床厂。具有直线插补、圆弧插 补各种补偿功能，并在复杂零件的批量生产中发挥 了良好的经济效果。传统的机械加 工都是用手工操作普通机床作业的，加工时用手摇动机械刀具切削金属，靠眼睛用卡 尺等工具测量产品的精度的。现代工业早已使用电脑数字化控制的机床进行作业了， 数控机床可以按照技术人员事先编好的程序自动对任何产品和零部件直接进行加工了。 数控加工广泛应用在所有机械加工的任何领域，更是模具加工的发展趋势和重要和必 要的技术手段。 数控车床又称为 cnc 车床，即计算机数字控制车床，是目前国内使用量最大，覆盖 面最广的一种数控机床，约占数控机床总数的 25%。数控机床是集机械、电气、液压、气 动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品。是机械制造设备中具有高精度、 高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。控机床的技术水平高低及其在金属切 削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平 的重要标志之一。数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 1 的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展。 1.2 设计主要任务 进给系统机械传动结构是伺服进给系统的主要组成部分，主要由传动机构、运动变 换机构、导向机构、执行件组成，它是实现成形加工运动所需的运动及动力的执行机构。 由于数控机床的进给运动是数字控制的直接对象，被加工工件的最终位置精度和轮廓精 度都与进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性有关。进给系统是数控加工的关键环节， 是数字控制的直接对象，被加工工件的最终坐标位置精度和轮廓精度都与传动结构有关。 脉冲当量是 0.001mm，快进速度是 1000mm/min，x 轴行程：100mm ，y 轴行程： 150mm。 合理设计进给系统的结构；完成进给部件（包含滚珠丝杠螺母副、燕尾槽导轨、导轨防 护罩等）的结构设计及总图和零件图；完成主传动系统的设计计算；完成二万字的毕业 论文及 5000 字的译文。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 2 2 进给系统设计 2.1 总体方案设计 2.1.1 概述 主轴转速与进给速度，没有定值，通常是靠经验值来设置，主要根据刀具和工件材 料来选择。进给率的增加可以提高生产效率。在加工过程中，进给率也可通过机床控制 面板上的修调开关进行人工调整，数控机床的控制面板上一般备有主轴转速修调（倍率） 开关，可在加工过程中对主轴转速进行整倍数调整。但是最大进给速度要受到设备刚度 和进给系统性能等的限制。刀具的选择和切削用量的确定是数控加工工艺中的重要内容。 刀具的种类及特点，刀具耐用度、稳定性，材料的种类，是必须考虑的，通常还要考虑： 下切步距，刀具路径的行距，主轴转速，加工精度等。 设计一台数控车床进给系统机械传动部分的设计，综合各方面的因素，采取 plc 控 制，控制方式采用交流伺服、运动控制器并采用闭环控制方案。数控车床进给系统的机 械主体部分直线导轨和滚珠丝杠，联轴器，工作台面。电气部分的关联性及传动装置的 保护性，x 轴及 y 轴两端配有高质量的缓冲器，同时可选配在工作台的两端配有限位检 测开关，部分工作台的配有原点检测开光，并提供光电编码装置以适于闭环控制，原点 开关的位置可以打距离的调节。 数控车床进给系统的具体参数如下： x 方向行程:100mm y 方向行程:1500mm 工作台面的参考尺寸:240 260mm 工作台和工件最大物重质量 60kg 工作台表面滑动摩擦系数为 0.5 平均切削力:500n 快进进给速度:1000mm/min 最高运动速度:10000mm/min 脉冲当量 0.001mm 定位精度: 0.02mm 工作寿命:每天 8 小时，工作 8 年，250 天/年 2.1.2 机械系统设计 车床是主要用车刀对旋转的工件进行车削加工的机床，主要用于加工轴、盘、套和 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 3 其他具有回转表面的工件。在车床上还可用钻头、扩孔钻、铰刀、丝锥、板牙和滚花工 具等进行相应的加工。它是机械制造和修配工厂中使用最广的一类机床。铣床和钻床等 旋转加工的机械都是从车床引伸出来的，普通机床经经历了近两百年的历史。随着电子 技术、计算机技术及自动化，精密机械与测量等技术的发展与综合应用，生产了机电一 体化的新型机床一一数控机床。普通车床是车床中应用最广泛的一种，约占车床类总数 的 65%，因其主轴以水平方式放置故称为卧式车床。普通车床的主要组成部件有：主 轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、丝杠和床身。按其实现系统功能角度 看主要包括动力系统、执行系统、操纵和控制系统、传动系统。 此设计的具体要求如下： （1）传动机构为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母 传动副。丝杠的转速为中转速，精度要求为高精度。为提高传动刚度和消除间隙，采用 有预加载荷的结构。由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动, 所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3 以下,即达 到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。 采用 滚珠丝杠副，滚珠丝杠直接与联轴器连接。 （2）导向机构采用滚动直线导轨。 直线导轨一般为二种，一种是滚动式，一种 是滑动式，滚动直线滑轨是一种滚动导引，它由钢珠在滑块与滑轨之间作无限滚动循 环，使得负载平台能沿着滑轨轻易的以高精度作线性运动，其摩擦系数可降至传统滑 动导引的 1/50，使之能轻易地达到 1m 级的定位精度。现在滑块与滑轨间的末制单 元设计，使得线形滑轨可同时承受上下左右等各方向的负荷，专利的回流系统及精简 化的结构设计使线性滑轨有更平顺且低噪音的运动。滚动直线导轨副动静摩擦力之 差很小，摩擦阻力小，随动性极好。导轨的导向精度要求高。 图 2-1 工作台草图 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 4 （3）执行机构采用交流伺服电动机。交流伺服电动机，是将电能转变为机械能的一 种机器。交流伺服电动机主要由一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一 个旋转电枢或转子组成。电动机利用通电线圈在磁场中受力转动的现象而制成的。交流 伺服电动机主要由定子部分和转子部分组成，其中定子的结构与旋转变压器的定子基本 相同，在定子铁心中也安放着空间互成 90 度电角度的两相绕组（其中一组为激磁绕组， 另一组为控制绕组） 。交流伺服电动机控制精度高，矩频特性好，具有过载能力，多应用 于物料计量，横封装置和定长裁切机上。工作台草图如上图 2-1。 2.2 伺服电机设计 2.2.1 伺服电机概述 交流伺服电动机的结构主要可分为两部分，即定子部分和转子部分。其中定子的结 构与旋转变压器的定子基本相同，在定子铁心中也安放着空间互成 90 度电角度的两相绕 组。其中一组为激磁绕组，另一组为控制绕组，交流伺服电动机一种两相的交流电动机。 交流伺服电动机使用时，激磁绕组两端施加恒定的激磁电压 uf，控制绕组两端施加控制 电压 uk。当定子绕组加上电压后，伺服电动机很快就会转动起来。 通入励磁绕组及控制 绕组的电流在电机内产生一个旋转磁场，旋转磁场的转向决定了电机的转向，当任意一 个绕组上所加的电压反相时，旋转磁场的方向就发生改变，电机的方向也发生改变。 表 2-1 交流伺服电动机的分类、特点及使用范围 类型代号结构特点性能特点使用范围 笼型交流伺服电 动机 sl 转子与定子结构与一 般笼型异步电动机相 似,但转子一般为两 相,且细而长,笼可用 铝、紫铜、黄铜制成 励磁电流较小， 体积较小，机械 强度较高，低速 运转时不够平滑， 有抖动现象 广泛运用于小功率自 动控制系统、随动系 统和计算装置中 非磁性杯型交流 伺服电动机 sk adp 用非磁性金属铝、黄 铜等制成杯形转子， 杯的内外由内外定子 构成磁路 转动惯量小，运 转平滑、无抖动 现象，励磁电流 和体积较大 用于要求运行平滑的 系统，如自动装置和 计算装置等 fanuc 交流伺 服电动机 fanuc 转矩大,转速低, 机械特性线性度 好,低速性能良 好，可直接与丝 杠连接 用于数控机床驱动或 其他驱动系统 低速交流伺服电 动机 sd sa nd 转子、定子结构与笼 型交流伺服电动机相 同,另外机壳中装有 齿轮减速装置 体积小,重量轻, 力能指标高,性 能好，输出转速 低,转矩大 广泛应用于自动装置 和计算技术装置中作 驱动、执行或控制元 件 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 5 步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前 国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现， 交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运 动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在 控制方式上相似（脉冲串和方向信号） ，但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。 现就二者的使用性能作一比较。 1)在整个调速范围内，其负载转矩应该在电动机连续额定转矩的范围以内； 2)工作负载与过载时间应该在规定的范围以内； 3)应使加速度与希望的时间常数一样； 下表 2-2 为交流伺服电动机的特性实例： 表 2-2 交流伺服电动机特性举例 电动机 特性 sm 型伺服电机im 型伺服电机 输出功率/w11001100 峰值电流（a/相)11.714.4 峰值电压（v/相）68.979.3 功率因素/%99.878.6 功率/%91.182.0 电阻/0.2841.035 感应电压常数/ )min( 1 rmv100100 转动惯量/）（ 2 mkg 4 108 . 8 4 108 . 6 功率变化率/)sk 1 w（1216 2.2.2 伺服电机选择 2.2.2.1 伺服电机选择原则 步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前 国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现， 交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运 动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在 控制方式上相似（脉冲串和方向信号） ，但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。 现就二者的使用性能作一比较。一般电机要承受两种形式的力矩：恒定的负载力矩和切 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 6 削力矩（包括摩擦力矩） ；加/减速力矩。 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关， 一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低 频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼 技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 交流 伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑 制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（fft） ，可检测出机 械的共振点，便于系统调整。步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易 出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度， 应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反 馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现 象，控制性能更为可靠。 下面是选择电机时应满足的条件： （1）机床无负载时，加在电动机上的力矩应小于电动机的连续额定力矩的 50%一下。 否则，在切削或加速/减速时电动机就可能过热。 （2）加/减速时间要短，须在电动机的允许范围内。通常，负载力矩帮助电动机的减 速，因此如果加速在允许时间内完成的话，减速也可在相同时间内完成。这样我们只需 计算加速力矩，并在允许时间内核算力矩在电动机的机械特性的断续区内。 （3）频繁地定位和加/减速会使电动机发热，此时需要计算出电动机承受的力矩的均 方根值 trms，使其小于电动机的额定力矩 tc。 （4）电动机以最大切削力矩运行的时间应在允许范围内。 （5）负载的惯量要小于电动机本身惯量的 3 倍。 这里我们依据负载来选择电动机。 2.2.2.2 伺服电机设计计算 步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺 服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于 克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了 克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那 么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 加到电机轴上的负载力矩通常由下式算出见式(2.1): 式（2.1）f 2 mt lf t 其中：加到电机轴上的负载力矩（nm） m t 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 7 f 沿坐标轴移动一个部件所需的力（kgf） l 电机转一转机床的移动距离= 21/z zp 滚珠丝杠螺母或轴承加到电机轴上的摩擦力矩 f t 步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要 200400 毫秒。交流 伺服系统的加速性能较好，以松下 msma 400w 交流伺服电机为例，从静止加速到其额 定转速 3000rpm 仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。无论是否在切削，是垂 直轴还是水平轴，f 值取决于工作台的重量，摩擦系数，f 值还与平衡锤有关。对于水平 工作台，f 值可按下式计算: w工作台与工件重量=60kg 滑动表面摩擦系数=0.05 驱动系统的效率=0.9 fg镶条锁紧力=5kgf 反切削力=50kgf c f 由切削力矩引起的滑动表面上工作台上收到的力=30kgf cf f （设=2kgf cm=0.2n m） f t 不切削时见式(2.2)： 式（2.2）fg(wf kgf5 . 5)5060(05 . 0 f ）（9 . 02/ )8 . 05 . 5 m t m0.1ncmkgf98. 0 切削时见式(2.3)： 式（2.3）（ cfc fgfwff )305060(05 . 0 50f kgf57 2)9 . 02/(8 . 057 mc ）（t m1mkgf10n 为满足运行条件，应根据数据选择电动机，其负载力矩在不切削时应大于 0.1n m，最高 转速应小于 2000r。交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求 1- min 不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 8 考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。 2.2.2.3 伺服电机选择 综上所述，选择 fanuc 系列交流伺服电动机，电动机的型号为 fanuc4-0 该类型 伺服电动机是由日本法纳克公司为满足 cnc 机床和工业机器人的需要开发的，这种伺服 交流电动机都是永磁式同步型伺服电动机，其特点都是定子为三相绕组，转子为永久磁 铁。其结构、性能特点是转矩大、转速低，机械特性线性度好低速性能良好，可直接与 丝杠连接。我们选用的 fanuc4-0，其数据见表 2-3。其特点如下： 1）具有独特的磁极形状，使转矩波动最小； 2）外面没有机壳，定于铁心直接在空气中冷却，这种结构使电动机温升能减到最低； 3）具有高的转矩/惯量比，能承受高的加减速； 4）由于采用了集中磁力线机构，在保证高输出转矩的情况下，电动机体积小而且重量轻； 5）由于采用高频脉宽调制控制，电动机只有很低的噪声和振动。 表 2-3fanuc4-0 的技术数据 型号）输出功率 （kw） 额定转矩 （nm） 最大转矩 (nm) 最高转速 (r/min) 转动惯量 (kg/) 2 m 机械时间 常数(ms) 热时间 常数 (min) 质量 (kg) 4-00.050.251.13000 5- 107 . 311151.2 2.3 滚珠丝杠副介绍 2.3.1 滚珠丝杠副概述 滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产 品。滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是 滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动 作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。滚珠 丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性 运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点 常用的循环方式有两种：外循环和内循环。滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触 的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称为内循环。滚珠每一个循环闭路称为列，每个 滚珠循环闭路内所含导程数称为圈数。内循环滚珠丝杠副的每个螺母有 2 列、3 列、4 列、 5 列等几种，每列只有一圈；外循环每列有 1.5 圈、2.5 圈和 3.5 圈等几种。 （1） 外循环外循环是滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面的螺旋槽或插管返回 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 9 丝杠螺母间重新进入循环。外循环滚珠丝杠螺母副按滚珠循环时的返回方式主要有端盖 式、插管式和螺旋槽式。 （2） 内循环内循环滚珠丝杠。内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种 类型。 丝杠螺母机构有滑动摩擦和滚动摩擦之分。滑动丝杠螺母机构结构简单，加工方便， 制造成本低，具有自锁功能。但其摩擦阻力大，传动效率低。滚动丝杠螺母机构虽然结 构复杂制造成本高。但其最大优点是摩擦阻力小，传动效率高，因此选用滚动丝杠螺母 机构。 根据丝杠和螺母相对运动的组合情况，其基本传动形式一共可分为四种类型，其类型如 下： （1）螺母固定、丝杆传动并移动。该传动形式因螺母本身起着支承作用，消除了丝 杆轴承可能产生的附加轴向窜动，结构比较简单，可获得较高的传动精度。但其轴向尺 寸不已太长，刚性较差。因此只适合用于行程较小的场合。 （2）丝杆传动、螺母移动。该传动形式需要限制螺母的传动，故需导向装置。其特 点是结构紧凑、丝杆刚性较好。适用于工作行程较大的场合。 （3）螺母传动、丝杆移动。该传动形式需要限制螺母移动和丝杆的传动，由于结构 较复杂且占用轴向空间较大，故应用较少。 （4）丝杆固定、螺母传动并移动。该传动方式结构简单、紧凑，但在多数情况下， 使用极不方便，故很少应用。 根据工作台运动情况，应选择丝杠传动螺母移动的形式，该传动形式需要限制螺母 的转动，故需导向装置。其特点是结构紧凑，丝杠刚性较好，适用于工作行程较大的场 合。 2.3.2 滚珠丝杠副特点 滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中间传 动元件滚珠。滚珠丝杠螺母机构由丝杠，螺母，滚珠，和反向器等四部分组成。当丝 杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两 端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠流动的闭合通路。其 主要有如下特点： (1)与滑动丝杠副相比驱动力矩为 1/3。由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很 多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达 到 1/3 以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的 1/3。在省电方面很有帮 助。 (2)高精度的保证。滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 10 来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度、湿度进行了严格的控 制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。 (3)微进给可能。滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运 动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。 (4)无侧隙、刚性高。滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而 得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥 力可使丝母部的刚性增强)。 (5)高速进给可能。滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。 2.3.3 滚珠丝杠副结构 表 2-4 滚珠的循环方式 类别形式特点 内循环 优点:返回通道短,一个循环只有一 圈钢球,流畅性好,摩擦损失小,效率高,径 向尺寸小,刚性好 缺点:返向器钢球返回通道的曲面 加工复杂 端盖式 优点:结构紧凑,工艺性好 缺点:循环回路长,流畅性差,钢球通 过短槽时易卡住 螺旋槽式 优点:结构简单,制造方便,承载能力 大 缺点:钢球流畅性较差,挡珠器较易 磨损 外循环 插管式 优点:结构简单,工艺性好,钢球的流 畅性好,应用较广 缺点:凸出式的插管凸出于螺母外 部,径向尺寸较大 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 11 外循环 内循环 图 2-2 滚珠丝杠副循环方式 滚珠丝杆副的结构类型可以从螺纹滚道的截面形状、滚珠的循环方式和消除轴向的 调整方法进行区别。我国生产的滚珠丝杠副的螺纹滚道有单圆弧形和双圆弧形。滚道形 面和滚珠接触点之法线与丝杆轴向之垂线的夹角被称为接触角，一般为 45 度。单圆弧形 的螺纹滚道的接触角随轴向载荷大小的变化而变化，主要由轴向载荷所引起的接触变形 的大小而定。接触角增大时，传动效率、轴向刚度以及承载能力也随之增大。由于单圆 弧形滚道加工用砂轮加工成型比较简单，故容易得到较高的加工精度。单圆弧形面的滚 道圆弧半径 r 稍大于滚珠半径。双圆弧形的螺纹滚道的接触角在工作中基本保持不变。 两圆弧相交处有一小空隙，可使滚道底部与滚珠不接触，并能储存一定的润滑油以减少 摩擦磨损。由于加工其型面的砂轮修整和加工、检验均比较困难，故加工成本较高。 2.4 滚珠丝杠副设计 2.4.1 设计滚珠丝杠副原理 （1）为提高滚珠丝杠副的使用寿命和精度，应使作用在螺母上的合力通过丝杠轴心， 以保证滚珠受力均匀，避免倾覆力。 （2）放逆转：滚珠丝杠副传动逆效率高，应考虑在电机停电后，因部件自重而产生 螺旋副的逆传动（特别是在垂直方向上传动时） ，防止逆传动的方法可采用：停电自锁的 电机、蜗轮蜗杆机构、离合器等方式。 （3）滚珠丝杠副在行程两端应有行程保护装置，以防止越程后滚珠丝杠副受撞击而 影响精度、使用寿命甚至损坏。 （4）防止热变形：热变形对精密螺旋传动的定位精度有着重要的影响。其热源不单 是螺旋副的摩擦热，还有其他机械部件工作时产生的热，致使丝杠热膨胀而伸长。为此 必须分析热源的各因素，采用措施控制热源，还可以采用预拉伸、强制冷却等减少热变 形对丝杠的伸长的影响。 （5）细长而又水平放置的丝杠，因自重使轴线产生弯曲变形，是影响导程累积误差 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 12 的因素之一，还会使螺母受载不均。设计细长丝杠时，应考虑防止或减小自重弯曲变形 的措施。 （6）防护与密封：尘埃和杂质进入滚道会妨碍滚动体运动流畅，会加速滚动体与滚 道的磨损，使滚动螺旋副丧失精度。为此需要防尘措施。滚珠丝杠副在螺母两端已安装 防尘圈，为避免丝杠外露，用户还需要为丝杠选择防护装置。 （7）合理润滑是减小驱动转矩、提高传动效率、延长螺旋副使用寿命的重要环节。 接触表面的油膜还有吸振、减小传动噪声和冲洗丝杠上的粉尘等杂物的作用。因此要注 入润滑脂。在螺母上还有油孔，用户可旋入油嘴，再采用其他合适的润滑方式。 （8）用内循环滚珠丝杠副，必须使丝杠螺纹两端中至少有一端的滚珠螺纹是通牙， 并该端所有外圆尺寸均小于丝杠螺纹底径 d2,否则无法装配螺母。 2.4.2 滚珠丝杠副选择 初选滚珠丝杠副数据见下表： 表 2-5 初选滚珠丝杆副参数 公称直径/mm导程/mm余量/mm节距/mm 255208 根据丝杠的工作行程初选丝杠的工作长度： 初选 x 方向丝杠的工作长度为 410mm 初选 y 方向丝杠的工作长度为 460mm 滚珠丝杠的工作载荷计算公式见式(2.4)： 式（2.4） mahfc kkkkf 由条件，取 =1.2，取 =1.2， 取 d 精度，取 =1.0， f k h k a k x 方向丝杠工作载荷： =1.21.21.0600=864n x f y 方向丝杠工作载荷： =1.21.21.0600=864n y f 额定动载荷值计算见式(2.5)： ca 导程初选为 5mm，则 min/ r2005/1000nm min/ r20005/10000nmax 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 13 = =8645011n 式（2.5） ca 3 4 hm c 1067 . 1 n f l 3 4 1067. 1 16000200 根据值选择滚珠丝杠副，假设选用按滚珠丝杠副的额定动载荷 ca 等于或稍大于 ca 的原则，查表选以下型号规格： ca fc1-2505-2.5 ca=5011n 公称直径 d=25mm 导程 p=5mm 螺旋角 滚珠直径833 。 mm175 . 3 d0 计算可得： 滚道半径 r=0.52651. 1175 . 3 52 . 0 52 . 0 0 dr 偏心距 0 3.175 0.07()0.07(1.651)0.0044 22 d ermm 丝杠内径 10 22252 0.00442 1.65121.71ddermm 2.4.3 滚珠丝杠副预紧 滚珠丝杠副在负载时，其滚珠与滚道面接触点处将产生弹性变形。换向时，其轴向 间隙会引起空回。这种空回是非连续的，既影响传动精度，又影响系统的稳定性。单螺 母丝杆螺母副的间隙消除相当困难。实际应用中，常采用以下几种调整预紧方法见表 2- 5。 表 2-6 常用的调整预紧方法 调整预紧方式特点 双螺母螺纹预紧调整式 结构简单、刚性好、预紧可调，使用中 调整方便，但不能精确定量地进行调整。 双螺母齿差预紧调整式 可实现定量调整即可进行精密微调，使 用中调整方便。 双螺母垫片调整预紧式 结构简单刚度高、预紧可靠，但使用中 调整不方便。 弹簧式自动调整预紧式 能消除使用过程中因磨损或弹性变形产 生的间隙，但其结构复杂、轴向刚度低，适 合用于轻载场合。 单螺母变位倒程自顶预紧式和单螺母滚珠过 赢预紧式 结构简单紧凑，但在使用中不能调整， 且制造困难。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 14 根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，可选择适当的结构形式。例如，当允许 有间隙存在时可选用具有单圆弧形螺纹滚道的单螺母滚珠丝杠副；当必需有预紧或在使 用过程中因磨损而需要定期调整时，应采用双螺母螺纹预紧或齿差预紧式结构；当具备 良好的防尘条件，且只需要在装配时调整间隙及预紧力时，可采用结构简单的双螺母垫 片调整预紧式结构。考虑到设计的所设计的工作台有良好的防尘条件且只需要在装配时 调整间隙及预紧力，故采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式。 2.4.4滚珠丝杠副校核 （1）由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳,所以在设计时应验算其安 全系数 s，其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数。 丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷 2 2 () a cr ei f l 式（2.6） 其中 e=206gpa l=0.3m 44 84 1 0.02171 1.09 10 6464 a d im 式（2.7） 取 2 3 则 298 5 2 206 101.09 10 5.53 10 2 (0.3) 3 cr fn 安全系数 5 3 5.53 10 368.98 1.5 10 cr m f s f 式（2.8） 由 s=253.3，显然 ss成立，故丝杠是安全的,不会失稳 （2）速长丝杠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临界 转速，要求丝杠的最大转速 cr n cr n max n 式（2.9） min/ r4193528 3 . 0 3 2 02821 . 0 927. 3 5011 ul df 5011n 2 2 2 1 2 c cr 所以 所以丝杠不会发生共振。 cr n max n （3）此外滚珠丝杠副还受 dn 值的限制，通常要求： dnmm/min 4 107 dn=25 min/mm105min/mm200 3 min/mm107 4 (4)滚珠丝杠在工作负载 f(n)和转矩 t(nm)共同作用下引起每个导程的变形量为见 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 15 式(2.10)： 2 0 2 c pfp t l eagj 式（2.10） 式中，a 为丝杠截面积见式(2.11)： a 式（2.11） ； 2 2 1 md 4 1 为丝杠的极惯性矩见式(2.12)： c j 式（2.12） ； 4 4 1 md 32 1 c j g 为丝杠切变模量，对钢 g=83.3gp a; t(n m)为转矩见式(2.13)： 0 tan() 2 m d tf 式（2.13） 式中 为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数； 为平均工作载荷.取摩擦系数为 m f tan0.0025,则得8 40 mnmnt 5 . 0048833tan10 2 25 600 3-。 按最不利的情况取(f=) m f um g t e f gj t ea f l c 2 4 1 2 2 2 1 2 0 1084. 6 d p16 d p4 2 pp um1 . 4 105 1084 . 6 3 . 0 p l 3- 2- 0 l l 通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的 1/2,即 11 0.020.0110 22 lmmm 该丝杠的 l 满足上式，所以其刚度可满足要求。 (5)效率验算见式(2.14)： tantan3 38 0.947 tan()tan(3 388 40 ) 式（2.14） 要求在 90%-95%之间，所以该丝杠副合格. 经上述计算验证，fc1-2505-2.5 各项性能均符合设计要求，可选。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 16 2.5 滚珠丝杠副密封与润滑 密封是防止流体或固体微粒从相邻结合面间泄漏以及防止外界杂质如灰尘与水分等 侵入机器设备内部的零部件或措施。密封可分为静密封和动密封两大类。静密封主要有 垫密封、密封胶密封和直接接触密封三大类。根据工作压力，静密封又可分为中低压静 密封和高压静密封。中低压静密封常用材质较软宽度较宽的垫密封，高压静密封则用材 质较硬接触宽度很窄的金属垫片。动密封可以分为旋转密封和往复密封两种基本类型。 按密封件与其作相对运动的零部件是否接触，可分为接触式密封和非接触式密封；按密 封件和接触位置又可分为圆周密封和端面密封，端面密封又称为机械密封。动密封中的 离心密封和螺旋密封，是借助机器运转时给介质以动力得到密封，故有时称为动力密封。 根据摩擦副之间摩擦状态的不同，润滑分为： 流体摩擦润滑，用流体( 厚度在 1.52 微米以上 )将摩擦表面隔开的润滑方式。根据润滑膜压力的产生方式不同又可分 为流体动压润滑（靠摩擦表面的几何形状和相对运动由粘性流体的动力作用产生压力平 衡外载荷)和流体静压润滑(由外部将一定压力的流体送入摩擦表面间 ， 靠流体的静压平 衡外载荷）两种；边界摩擦润滑，摩擦表面间存在一层薄膜(边界膜)时的润滑状态；它可 分为吸附膜（润滑剂中的极性分子吸附在摩擦表面所形成的膜，包括物理吸附膜和化学 吸附膜）和化学反应膜（润滑油中的添加剂与金属表面起化学作用生成能承受较大载荷 的表面膜）两类。润滑可以延长机器设备的寿命，提高精度、节约能源。 滚珠丝杠副可用防尘密封圈或防护套来防止灰尘及杂质进入滚珠丝杠副，使用润滑 剂来提高其耐磨性及传动效率，从而维持其传动精度、延长其使用寿命。密封圈有接触 式和非接触式两种，将其装在滚珠螺母两端即可。非接触式密封圈通常由聚氯乙烯等塑 料制成，其内孔螺纹表面与丝杠螺纹之间略有间隙，故又称迷宫式密封圈。接触式密封 圈用具有弹性的耐油橡胶或尼龙等材料制成，因此有接触压力并产生一定的摩擦力矩， 但其防尘效果好。常用的润滑剂有润滑油和润滑脂两类。润滑脂一般在装配是放进滚珠 螺母滚道内定期润滑，而使用润滑油时应注意经常通过注油孔注油。防护套的形式有折 叠式密封套、伸缩套管和伸缩挡板。 2.6 滚轴丝杠副支撑选择及轴承选用 2.6.1 支撑方式选择 在机械设计中，构件的固定和支撑有很多种，各种又各有各的特点。在该毕业设计 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 17 中，要综合各方面的因素，和实际工作情况，并结合生产一线的反馈信息，对滚珠丝杠 副的支撑方式进行选择。滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷来自于丝杠的自重。 因此，滚珠丝杠的轴向刚度和位移精度要求很高。滚珠丝杠的支承方式有以下几种： 图 2-3 支撑方式 (a)一端装推力轴承。这种安装方式适用于短丝杠，它的承载能力小，轴向刚度低，一 般用于数控机床的调节环节或升降台式数控铣床的垂直方向。 (b)一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承。此种方式用于丝杠较长的情况，当热变形 造成丝杠伸长时，其一端固定，另一端能作微量的轴向浮动，安装时应注意使推力轴承端 远离热源及丝杠的常用段，以减少丝杠热变形的影响。 (c)两端装推力轴承。把推力轴承装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧拉力，可以提高轴 向刚度，但这种安装方法对丝杠的热变形较为敏感。 (d)两端装推力轴承及深沟球轴承。它的两端均采用双重支撑并施加预紧，使丝杆具有 较大的刚度，这种方式还可使丝杠的温度变形转化为推力轴承的预紧力，但设计时要求提 高