X5030铣床X方向数控化改造

设计(论文 )题目：X5030 铣床 X 方向数控化改造2010 年 10 月 21 日摘 要本课题是围绕将 X5030 立式铣床改造成经济型数控铣床展开设计的，经济型数控铣床是指价格低廉、操作使用方便，适合我国国情的装有简易数控系统的高效自动化机床。中小型企业为了发展生产，常希望对原有旧机床进行改造，实现数控化、自动化。经济型数控铣床系统就是结合现实的的生产实际，结合我国国情，在满足系统基本功能的前提下，尽可能降低价格。价格便宜、性能价格比适中是其最主要的特点，特别适合在设备中占有较大比重的普通铣床改造，适合在生产第一线大面积推广。企业应用经济型数控型系统对设备进行改造后，将提高产品加工精度和批量生产的能力，同时又能保持“万能加工”和“专用高效”这两种属性，提高设备自身对产品更新换代的应变能力，增强企业的竞争能力。进行数控机床的改造是非常有必要的。数控机床可以很好地解决形状复杂、精密、小批量及多变零件的加工问题。能够稳定加工质量和提高生产效率，但是数控机床的运用也受到其他条件的限制。如：数控机床价格昂贵，一次性投资巨大等，因此，普通铣床的数控改造，大有可为。它适合我国的经济水平育水平和生产水平，已成为我国设备技术改造主要方向之一。现我选用 X5030 立式铣床为例进行数控改造。关键词：改造，数控化，自动化AbstractThis topic is vertical milling around X5030 will transform into the open economy CNC milling machine, CNC milling machine design economical means cheap price, convenient in operation, with simple for Chinas national conditions of high automation tool CNC system. Small and medium-sized enterprises to develop production, often want to the old machine, CNC, realize automation. Economical CNC milling machine system is the reality of Chinas national conditions, combining the practical production, the basic function of the system, as lower the price. The price is cheap, moderate price versus performance ratio is the main characteristics in equipment, especially suitable for large proportion of the ordinary milling, suitable for production requirement. Enterprise application type nc system for the economical equipment renovation, will improve product machining precision and batch production capacity, also can keep universal processing and special the two properties of products, improve equipment renewal capability, enhance the enterprise the competitive ability.In the field of CNC transformation is very necessary. CNC machine can well solve complex shape, precision, and small batch and changeable parts processing problem. To stabilize the processing quality and production efficiency, but also by use of nc machine tools and other conditions. Such as: CNC expensive, investment, therefore, huge CNC milling machine, ordinary potentials. It is suitable for Chinas economy, education, and the level of production in China, has become the main direction of equipments.Now I choose X5030 vertical milling machine for CNC transformationKeywords: transformation, the numerical control and automation目录第一章 绪论. .11.1 课题背景 .11.2 机床改造的意义 .11.3 机床数控化改造的必要性 .21.3.1 微观看改造的必要性 .21.3.2 宏观看改造的必要性 .3第二章 设计方案的确定. 42.1 设计任务 .42.2 总体设计方案的确定 .42.2.1 动力的选定 .42.2.2 执行机构传动方式的确定 .52.2.3 控制部分的设计 .5第三章 数控系统硬件电路设计.63.1 数控系统基本硬件组成 .63.2 控制系统的设计 .63.2.1 硬件配置 .63.2.2 存储器空间分配 .73.2.3 I/O 口地址分配 .73.2.4 光电隔离电路 .73.3 步进电机控制程序设计 .83.3.1 步进电机的转向控制 .83.3.2 步进电机的速度控制 .83.3.3 软件环形分配器的设计 .8第四章 机械部分改造与计算. 104.1 原始数据分析 .104.2 滚珠丝杠螺母副的选用设计（X 向） .104.2.1 滚珠丝杠副的传动原理 .104.2.2 滚珠丝杠副的传动特点 .104.2.3 轴向间隙的调整和加预紧力的方法 .114.2.4 铣削力的计算 .124.2.5 强度计算 .134.2.6 刚度验算 .134.2.7 效率计算 .144.2.8 稳定性验算 .144.3 锥形夹紧机构的设计计算（X 向） .144.4 齿轮间隙消除弹簧的计算（X 轴） .154.5 运动部分转动惯量计算（X 轴） .164.6 伺服电机的选择（X 向） .17第五章 零件的设计与计算. 185.1 齿轮的设计与校核 .185.1.1 Z3、Z 4齿轮的强度校核 .195.1.2 其他齿轮对的强度校核 .235.2 轴系零部件的强度校核与寿命计算 .24第六章 数控加工与典型零件加工程序设计 .266.1 数控加工工艺的内容及特点 .266.1.1 数控加工工艺的内容 .266.1.2 数控加工工艺的特点 .266.2 数控加工工艺分析与设计 .276.2.1 数控加工的合理性分析 .276.2.2 零件的工艺性分析 .286.2.3 选择刀具和切削用量 .286.3 零件加工程序设计列举 .296.3.1 数控铣床的加工对象 .296.3.2 零件加工程序设计举例 .30结 论. .32致 谢. 33参考文献. 34第一章 绪论1.1 课题背景当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。 在美国、日本和德国等发达国家，它们将机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个“永恒”的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，己形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生(Remanufacturing)业。从事再生业的著名公司有:Bertsche 工程公司、ayton 机床公司、Devlleg 一 Bullavd(得宝)服务集团、us 设备公司等。美国得宝公司己在中国开办公司。在日本机床改造业称为机床改装(Retrofitting)业。从事改装业的著名公司有:大限工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。赶上计算机体系结构前进的步伐、加快数控系统的开发速度，已成为数控发展的最主要趋势。以第四代计算机的工程结构和微电子工艺技术为基础，充分利用现有微机的硬件、软件资源，发展总线式、模块式、开放型、嵌入式的柔性数控系统，使之即适合加工复杂零件、分立式机床用的数控系统的组成，又适合未来自动化升级时功能可扩展的要求。我国数控系统发展具有以下 3 个特征:(l)高档数控系统技术已经突破。如华中 I 型等数控系统，都具有多轴联动功能，快速进给速度在 1.67has 以上，具有较强的通信、管理功能。(2)普及型数控系统技术已经成熟。如北京机床研究所的 BSgl 系统，这些系统一般配有 CRT 显示器，可配置直流和交流司服驱动，2 一 4 轴联动。(3)经济型数控系统仍有广阔的市场前景。由于这类系统结构简单，价格便宜，非常适合中小型企业，目前仍是我国应用面最广的数控系统。比较典型的有南京大方的 JwK 系列。我国是机床生产大国，又是使用大国。数控机床是机械工业发展的关键产品，我国的数控机床在机床产品中的比例总体水平低。但是我国是发展中国家，许多企业财力薄弱，不可能花费大量的资金添置许多全新的数控机床，同时大量的通用机床不可能全部淘汰。因此，把普通机床改造为数控机床则不失为是一条提高数控化率的有效途径，机床改造花费少，改造针对性强，时间短，改造后的机床大多能克服原机床的缺点和存在的问题，生产效率高。1.2 机床改造的意义企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。普通机床经过多次大修后，其零部件相互连接尺寸变化较大，主要传动零件几经更换和调整，故障率仍然较高，采用传统的修理方案很难达到大修验收标准，而且费用较高。因此合理选择数控系统是改造得以成功的主要环节。数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机床的发展，一方面是全功能、高性能；另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，无检测反馈机构，系统的定位精度一般可达0.01 至 0.02mm，已能满足 X5030 铣床改造后加工零件的精度要求。1.3 机床数控化改造的必要性1.3.1 微观看改造的必要性从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 1.可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 2.可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高 3 7 倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了 “ 柔性自动化 ” 。 3.加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要 “ 修配 ” 。 4.可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。5.由以上五条派生的好处。 如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床） ，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行 FMC （柔性制造单元） 、 FMS （柔性制造系统）以及 CIMS （计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 1.3.2 宏观看改造的必要性 从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在 70 年代末、 80 年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、 FMC 、 FMS 外，还包括在产品开发中推行 CAD 、 CAE 、 CAM 、虚拟制造以及在生产管理中推行 MIS （管理信息系统） 、 CIMS 等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化） ，最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后 20 年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到 1995 年只有 1.9% ，而日本在 1994 年已达 20.8% ，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。第二章 设计方案的确定2.1 设计任务将一台 XA5030 普通立式升降台铣床，由于长期使用严重磨损，故障频繁，既费时又费力，急需改造。用微电子技术改造机械设备是当前世界新技术发展的潮流，是提高产品质量，生产效率和经济效益的重要手段。改造成三坐标数控铣床。改造后的数控铣床主要用于加工不同品种的制动凸轮轴，轴最长为 650mm，该制动轮轴所需加工的轮廓外形含有直线、圆和渐开线；要求的轮廓公差为 0.1mm，对称度公差为 0.1mm，表面粗糙度为 =1.6；工件材料为 40Cr 锻件，调质；设计生产节拍为 7 件/每分钟。2.2 总体设计方案的确定2.2.1 动力的选定 经济型数控机床的改造，为了保证改造后的性能不低于原铣床，选 X、Z 坐标快进速度不低于 2.4m/min，水平拖动力按 15KN 计算。则要求的功率为 P=FV=152.4/60=0.6W，如果采用步进电机作为伺服驱动元件，步进电机达不到功率要求。例如，200BF001 反应式步进电机，最大静转距 16.8N.m 最高运行频率为 11000step/s，步距角为 1/6 度，若取最高频率下的工作扭距为静扭距的 1/4，则高速下的功率为 )(134.0)(.13480618.64/ KWPH 步进电机又称脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其输入一个电脉冲就转动一步，即每当电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及其频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电动机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向，很容易用微机实现数字控制。步进电机具有以下特点：步进电机的工作状态不易受各种干扰因素（如电源电压的波动、电流的大小与波形的变化、温度等）的影响，只要在它们的大小未来引起步进电机产生“丢步”现象之前，就不影响其正常工作；步进电机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为“零” ，因此不会长期积累；控制性能好，在起动、停止、反转时不易“丢步” 。因此，步进电机广泛应用于开环控制的机电一体化系统，使系统简化，并可靠的获得较高的位置精度。2.2.2 执行机构传动方式的确定为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜尼比的要求。在设计中应考虑以下几点：（1）尽量采用低磨擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨等。（2）尽量消除传动间隙。例如采用间隙齿轮等。（3）提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采用预紧的方法提高系统刚度。例如采用预加负载导轨和滚珠丝杠副等。2.2.3 控制部分的设计要能控制三个坐标轴的运动，根据工件加工要求，至少要控制两轴联动完成圆弧插补，为了在加工中使用不同尺寸的刀具，数控装置应具有刀具的半径和长度的补偿功能，以便数控加工中按轮廓编制程序而能适应刀具尺寸的变化。综上所述 ：整个改造方案如下图所示：第三章 数控系统硬件电路设计3.1 数控系统基本硬件组成任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，其性能的好坏，直接影响整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行机床数控系统的硬件电路概括起来由以下四部分组成。(1)中央处理单元 CPU(2)总线。包括数据总线（DB） 、地址总线（AB）和控制总线（CB） 。(3)存储器。包括只读可编程存储器和随机读写存储器。(4)I/O 输入/输出接口电路。其中 CPU 是数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路直协调工作。存储器用于存放系统软件，应用程序和运行中所需要的各种数据。I/O 接口是系统与外界进行信息交换的桥梁。总线则是 CPU 与存储器、接口以及其他3-1 数 控 系 统 硬 件 框 图IO接 口CPU外 设存 储 器RAM控 制信 号信 号变 换转换电路联接的纽带，是 CPU 与部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。数控系统硬件框图如 31 所示。3.2 控制系统的设计3.2.1 硬件配置本单片机单元选用的是 MCS-51 系列的 8031。单片机也称单片电脑（Single Chip Micromputer）,它主要面向工业控制所设计的，所以它的稳定性,抗干扰性比一般的 CPU 芯片好。它的运行速度也高于同类价格的 CPU，且指令丰富，可满足很多场合的工业控制要求。国际市场上单片机种类非常多，通过不同的程序，可以在应用单元的各个模块中完成不同的工作，以生产 CPU 芯片成名的三大品牌公司的单片机占据市场主导地位。产量最大、性能价格比最高的代表性型号是 Intel 公司的 MCS-51、MCS-96 系列。由于 MCS51 系列单片机在我国机床数控改造方面应用较普遍，其配套芯片价廉，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能够满足经济型数控铣床改造的需要。也可直接购买国内较好的数控系统系列产品做为数控装置，如南京大方数控设备公司生产的 JWK 系列数控产品。所以 X5030 的数控改造采用 MCS 51 系列单片机组成的控制系统，系统采用 8031作 CPU。由于 8031 片内无程序存储器，需要有外部程序存储器的支持，同时 8031 内部只有 128B 的数据存储器，远不能满足控制系统的要求。故扩展了 16KB 程序存储器由两片2764 组成，又扩展了一片 6264 数据存储器。又由于 8031 只有 P1 口和 P3 口部分能提供用户作为 I/O 口使用，不能满足输入输出口的需要，因而系统又扩展了两片 8155 可编程I/O 接口芯片。存储器选用 2 片 8K8 的 2764EPROM 和 1 片 8K8 位的 6264RAM。监控程序固化在2764EPROM 内，各功能模块程序及常用零件的加工存放在 2764EPROM 内。1 片 6264RAM 做为调试程序存放和运行程序的中间数据存放用。I/O 接口芯片选用 8155 可编程 I/O 扩展接口，它的 A 口做为 X、Y 进给系统步进脉冲的输出口，其中 PA0PA2为 X 向的输出口，PA 3，PA 5为 Y 向输出口。B 口为位控方式，其中 PB3PB0为-Y、+Y、-X、+X 的行程越位信号输入。显示由 8 位 LED 构成，具有 24 键的键盘。3.2.2 存储器空间分配单板机可寻址范围是 64K 字节，板上提供的插座占 16K，已插入的芯片占 10K，其余以备扩展使用。其存储空间分配如下。0000H07FFH 2KB EPROM 放监控程序0800H0FFFH 2KB EPROM 放零件加工程序1000H17FFH 2KB RAM 调试程序2000H27FFH 2KB RAM 测试程序等3.2.3 I/O 口地址分配单板机设置 I/O 口地址为 802FH 共 32 个口地址，分配如下。80H83H MCS51 803184H87H 字形锁存88H8BH 字位锁存8CH8FH 读键值90H9FH 用户使用3.2.4 光电隔离电路在步进电机驱动电路中，脉冲信号经功率放大器后控制步进电机励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流较大，如果将输出信号与功率放大器直接相联，将会引起强电干扰。轻则影响计算机程序的正常工作，重则导致计算机和接口电路损坏。所以一般在接口电路功率放大器之间都要接上隔离电路。3.3 步进电机控制程序设计MCS-51 单片机数控系统的步进电机驱动系统，可以用软件来代替可变频率脉冲源和环形分配器等硬件，对步进电机进行控制。用软件完成环形分配的优点是线路简单，成本低，可以灵活的改变步进电机的控制方案，驱动功率放大功能仍由硬件完成。环形分配器逻辑序列的产生可用循环移动和查表法实现，本次数控改造采用 JBF 系列三相六拍步进电动机，因此，脉冲分配采用三相六拍分配方式。3.3.1 步进电机的转向控制 以 X 向步进电机为例，其环形分配器的输出状态表如下：环形分配器的输出状态节拍序号 地址 代码 C 相 B 相 A 相 通电顺序 0 0700H 01H 0 0 1 0011 0701H 03H 0 1 1 0112 0702H 02H 0 1 0 0103 0703H 06H 1 1 0 1104 0704H 04H 1 0 0 1005 0705H 05H 1 0 1 101将上述步进电机所需的环形分配器输出状态表存入 EPROM 中，根据加工程序的需要，依次取出表地址至 PA 口，驱动 X 向步进电机。按以上顺序进行通电，电机正传，反之电机反转。Y 向电机与 X 向相同，其脉冲输出状态表略。3.3.2 步进电机的速度控制 控制步进电机的速度，实际上是改变输出状态码之间的间隔时间，通过调用软件延时子程序，或者用微机定时器，通过设定时间常数加以控制，数控系统发出不同频率的时钟脉冲，实现不同的电机转速。本系统，采取调用软件延时子程序的方法。3.3.3 软件环形分配器的设计在数控系统中，专门将一些寄存器作为步进电机的控制寄存器。控制字 FCW 用来控制电机转动，通过控制寄存器中的状态，使步进电机按确定的运行方式工作。在 FCW 控制字中，对步进电机的方向控制位，转动控制位以及停止控制位。分别进行定义。FCW 中各个控制位含义如下：D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0，且 D0-X 向转停控制位（1-转动；0-停止） ；D1-X 向方向位（1-正转；0-反转） ；D2-Y 向转停控制位（1-转动；0-停止） ；D3-Y 向方向位（1-正转；0-反转） 。第四章 机械部分改造与计算4.1 原始数据分析1. 原 X5030 铣床的数据进给电机 1.1KW，1440r/min，最大水平拖动力1500kg=15000N，进给最大速度纵、横向 2.3m/min，工件最大重量，500Kg=5000N，机动范围 纵向 680mm、横向 250mm、垂向 365mm。2. 工艺数据工件加工余量：最大铣削宽度 5mm，最大铣削深度 40mm。刀具数据：高速钢圆柱铣刀，直径 32-36mm，斜刀齿数 3-4。工艺数据：主轴转速级数 18 级，主轴转速范围 rpm361800r/min，走刀速度 40-60mm/min，每齿切厚为 0.05-0.2mm，取 0.1mm 计算。3. 机床进给部件重量估计工作台，长 1.100m，宽 0.3m，约重 220kg=2200N为防止升降台自行下划，原机床设置有单向超越离合器及摩擦片制动器，而且为了保证工件可靠，将摩擦阻力调到略大于升降台的重力，在数控改造后仍要保留此功能，这样在实际运动时下降的阻力最大，按 12KN 计算。4.2 滚珠丝杠螺母副的选用设计（X 向）铣床工作台的进给运动，由进电机的转动，然后带动铣床丝杠传动。在数控铣床上的丝杠传动，可以用普通的丝杠传动，也还有应用滚珠丝杠来转动。原因是普通丝杠传动摩擦系数大，效率低，传动中有间隙。虽然传动中的间隙可以用一些办法来补偿，修正，但总是不太稳定。所以，在数控铣床上要采用滚珠丝杠传动。滚珠丝杠传动有一系列的优点，但制造工艺较为复杂，成本高，在某些应用上受到一定的限制，但随着数控机床的发展，它的使用将会更加广泛。4.2.1 滚珠丝杠副的传动原理丝杠和螺母上都有圆弧形的螺旋槽,这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成螺旋线的滚道,在滚道内装有许多滚珠.当丝杠旋转时,滚珠相对于螺母上的滚道滚动,因此丝杠与螺母之间滚道的摩擦为滚动摩擦.为防止滚珠从螺母中吊出来,在螺母的螺旋槽两端应用挡住器挡住,并设有回路滚道是他的两端连接起来.使滚珠从滚道的一端滚出后,沿着这个回路滚道从新返回到滚道的另一端,可以循环进行不断地滚动.4.2.2 滚珠丝杠副的传动特点滚珠丝杠副的优点是:传动效率高,因为它是滚动摩擦,传动效率可达 0.92-0.96,比普通的丝杠传动提高 3-4 倍.由此带来了一系列的优点,如功率损耗小,传动平稳,磨损小,无爬行现象等等.除此而外还有两个特点,一是:一般的丝杠传动总是有间隙,而滚珠丝杠可以消除间隙,所以当丝杠转动反向时,可以没有空程,提高了反向的定位精度,也增强了传动刚度.二是:一般的丝杠传动只能使旋转运动转变为直线运动,而滚小,所以既能把旋转运动转变为直线运动,也可以从直线运动转变为螺旋运动,珠丝杠副由于传动的摩擦系数具有传动的可逆性,因此可以作为主动件,也可以作为从动件.它也有缺点,主要是元件的精度要求高,光洁度要求也高,所以制造工艺很复杂,成本也高.对于丝杠和螺母上的螺旋槽,一般要求磨削成型,因而制造困难,也限制了使用.又由于传动的可逆性,所以不能自锁,当应用在垂直传动装置时,由于自重和惯性的关系,在下降过程中不能立刻停止,因此还需要备有制动装置.4.2.3 轴向间隙的调整和加预紧力的方法对于滚珠丝杠副，除了单一方向的进给传动精度有一定的要求外，对它的轴向间隙也有严格的要求，以保证反向传动的精度。要把轴向间隙完全消除，也是相当困难的。通常采用双螺母，并加预紧力的方法来消除其轴向间隙。双螺母经加预紧力调整后，能基本上消除轴向间隙。单螺母的滚珠丝杠副是不能调整轴向间隙和预紧力的，其轴向间隙只能依靠滚珠丝杠副本的精度和安装时丝杠和螺母的连接精度来保证。双螺母加预紧力消除轴向间隙必须注意两点，一是：通过预紧后产生的力，可促使预拉变形，以减少弹性变形所引起的位移。但预紧力不能太大，否则会使驱动力矩增大，传动效率反而降低，使用寿命也随之缩短。二是：轴向间隙的消除，不能忽视丝杠的安装部分和驱动部分的轴向间隙，应同时调整是它减少到最小。目前常用的双螺母预紧力调整方法有下面三种。（1）垫片调隙式如图所示为垫片调隙式，一般用螺钉来连接滚珠丝杠上的两个螺母的凸缘处，在中间加垫片。垫片的厚度是螺母间产生轴向位移，以达到消除间隙和产生预紧力的目的。这种结构特点是结构简单，可靠，装拆方便。但缺点是调整很费时，在工作状态下不能随意调整，因为要更换不同厚度的垫片才能消除间隙，所以是用于一般精度的机构中使用。（2）螺纹调隙式如图所示为螺纹调隙式。它是一个螺母的外端有凸缘，而另一个螺母的外端没有凸缘，车有螺纹，它伸出在套筒外，并用两个圆螺母调整好间隙后，再用一圆螺母锁紧螺母锁紧就可以了。这种结构的特点是结构紧凑，调整方便，所以应用广泛，但调整的位移量不太精确。图 44 垫片调隙式 图 45 螺纹调隙式（3）齿差调隙式如图所示为齿差调隙式。它是在两个螺母的凸缘上各有圆齿轮 2，两者的齿数值相差一个齿，装入内齿圆 3 中，内齿圆 3 是用螺钉 1 和定位销 4 固定在套筒 5 上的。调整是先取下内齿圆 3，转动圆柱齿轮 2，在两个滚柱螺母相对于滚筒 5 转动时，可以使两个螺母相互产生角位移，这样滚柱螺母对于滚珠丝杠的螺旋滚道也相对移动是两个螺母中的滚柱分别贴近在螺旋滚到的两个相反的侧面上。消除间隙并产生预紧力后，把内齿圆 3 套上用定位销 4 固定。这种结构的特点是调整精确可靠，定位精度高，但结构复杂，仅在高精度的数控机床有所应用。图 46 齿差调隙式1螺钉； 2圆柱齿轮； 3内齿圆；4定位销； 5套筒。4.2.4 铣削力的计算 根据机床设计手册，对高速钢圆柱铣刀86.072.081.9ZdaCFpfeFZ其参数按实际加工过程中平均铣削条件为准则选取：工件为碳钢，取FZC.6FZ=4mae5i1.0map40d360所以)(75.52.68.986.07206.0 NZ 对圆柱铣刀逆铣加工取 P =1.1ZHFP).1(HZF取V302V25.0取ZO)4.5.( ZO37.则： )(213.4)(352.01)25.01()(472 KNFPkNZVH 4.2.5 强度计算 对于燕尾型导轨工作时的轴向力 为：mP4.1)(KGPfPZYXm 2.0f0Y )(81.23.43KNX)(.NPCZ )(156.2)(.90KN所以： 6.4)15.24.(081.24m寿命值 96niTLi取 =1.2 =1.1wfHf则最大动负载 Q=3 )(7.12650.42.193KNPfLmWi 根据最大动负载 Q 的值，可查表选取滚珠丝杠的型号。如选取 CD40 6，其动负载为，远大于 Q 值，所以强度足够用。4.2.6 刚度验算 滚珠丝杠受工作负载 引起的导程变化量：mP)(137.0)(137.0984.3520622 mEFLOi 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 很小，可忽略。即： ，所以导程变形总误2L1L差为 )/(83.17.0610mL查表知选用 F 级精度丝杠允许的螺距误差为 30 ，故刚度足够。/4.2.7 效率计算则传动效率 2610 936.0)126(tg4.2.8 稳定性验算 由于采用两端固定，稳定性足够，不再验算。4.3 锥形夹紧机构的设计计算（X 向）伺服电机的轴伸为光轴，采用锥形夹紧环与齿轮相连的方式比较方便。根据机床设计手册选用电机轴直径为 ，锥形环尺寸为 d=35mm ，D=40mm m35，L=7mm ,l=6mm。计算过程如下： 基本参数：克服间隙所需轴向力为： )(109.8103NP单位接触压力所能传递的扭矩为： MPam/.单位压力所需的轴向力为： aF/3560摩擦系数为： 12.0所能传递的扭矩 M=CM P00KM式中 额定扭矩；0M动载荷系数KP为许用接触压力，P=1015 2/mkgf取为 100500MP C 为系数 C=aqn12n 56.02.)46(2tgtq5.1.012Cn为电机扭矩 取 K=6nMmNn67则 P )(4938.15MPaCKn所需轴向力 P= )(3.2756.00 KNPF用螺栓拉紧套产生轴向力时，螺栓强度计算如下：螺栓强度计算公式)4/(3.120nd取 =0.4 ； n=6 KNPF3.70则 )(84.16.)4/(32712ds由于安装位置有限，若采用 M61 的螺栓 md917.则要求 )(79.01./842GPas查表知，只能采用 40Cr 调质处理才满足要求。通过以上计算可知：（1）锥形夹紧环联轴机构必须进行计算，否则如果轴向压紧力太大，可能超过许用接触应力，造成零件的损坏，但如果轴向压紧力太小，则可能造成联轴的不可靠，使用中当扭矩过大时发生“丢步” 。（2） 在考虑压紧套时，要产生压紧力的接触面积并不大，因此压紧套也应该选用交好的材料制作，否则会因接触压力造成损坏。（3）为保证合适的轴向力，在禁锢压紧套时，应控制对螺栓施加的拧紧力矩。（4）也可采用带螺纹的压紧套，其强度比较容易满足但制造困难。4.4 齿轮间隙消除弹簧的计算（X 轴）数控机床进给系统由于经常处于自动变向状态，反向时如果驱动链中的齿轮存在间隙，就会使进给运动的反向滞后于指令信号，从而影响其驱动精度，因此必须采取措施消除齿轮传动中的间隙，提高加工精度，本例中采用双片薄齿轮消隙法。双片薄齿轮错齿消隙法关键是计算弹簧的拉力，一方面，使它能够克服最大扭矩，否则将失去消除间隙的作用；另一方面，扭矩又不能太大，其目的是减少齿面的摩擦和磨损，减少传动消耗。弹簧材料选用碳素弹簧钢丝二组每根弹簧的拉力为 150160N 取力臂值为 30 毫米，则4 根弹簧产生总扭矩值为：)(2.198 )(10)2.98(43065mNmNM 可抵抗的轴向力为 13.5714.48KN，能满足加工中的需要。根据每根弹簧拉力，可选用 ，D=12B 型 5.5 圈拉伸弹簧，其 2d NP3.182为最大工作载荷及螺距。t16.32未拉伸时弹簧的工作部分长度 H=13 毫米，拉持点距离，挂钩孔中心距为)(29)1(23)(0 mdDH92安装尺寸计算： 以弹簧单圈变形量为 1 毫米，工作圈数为 5.5 时总的变形量为 5.5 毫米。则工作中的 ，安装中采用仿弹簧吊环螺钉作为支撑)(5.34.295.0 mH和一端挂钩，另一端用螺母调节，两支撑所需距离为拉簧工作长度加上结构尺寸，共约为。)(4.7325.720H4.5 运动部分转动惯量计算（X 轴）惯量对运动特性有很大的影响，不但对加速度能力，加速度时驱动力矩及动态的快速反应有关，在闭环或者半闭环系统中还往往影响系统的稳定性，因此核算转动惯量很有必要。仍以 X 轴计算为例：对实心圆柱体，转动惯量的计算公式为 J=Md2/8。D 为圆柱体直径；m 为质量；m=D 2L/4；L 柱体为长度； 为材料密度，对钢铁体可取=7.810 3kgm2,因此可得式 J=7.8D 2L/3210-12kgm2。当 D 和 L 的单位取为 mm 时，J=7.8D 2L/3210-12kgm2。对于外径 D，内径 d 的圆环，J=7.8(D 4d 4 ) L/3210-12kgm2。2424 44111 105.705.7 106)3560(35(3.8328. mNmkgJ kgLDJ 22 1244412 048.710748. 051328633J =32212444 4431087.1087. 0305651. mNmkgL J =4 25252.62 106.89954.3 mNkgiG 则折算到电机轴上的总惯量为：J= 2222410.01. 108.47857mNkg与电机转子转动惯量 相比， 6kgJM 543.0186./0./ MJ根据经验公式： 4/可见，转动惯量匹配合适。4.6 伺服电机的选择（X 向）根据设计计算和整个改造方案，伺服电机 110BF-003 的参数选择如下：输出功率 1.4KW，零速额定转矩 17.6 ；最大转矩 153.6-188.1 ；最高转速为2mNmN1500 ；转子转动惯量 0.0186 ，重量 36 千克，静摩擦力矩 0.86N，反电视常数rpmkg为 0.57 ，转矩常数为 0.57 ，理论角加速度为 ，电器adsV/A/ 2max/810srd时间常数为 3.5ms，机械时间常数为 15.2ms。热时间常数为 70min，计算电阻值为 0.2655，实恻包括引线、接线端子和接触电阻约为 0.5 ，计算电感为 0.