C616车床数控化改造----进给系统改造 毕业设计(论文).doc

c616 车床数控化改造-进给系统改造 摘 要 本设计是将普通车床的进给系统改造为数控车床进给系统，通过对数控技术的了解，设 计出来了对普通车床进给系统改造的总体方案。通过对进给系统滚珠丝杠的设计计算以及齿 轮及转矩的设计计算，从而完成了数控改造的传动装置的设计及其计算。然后又介绍了滚珠 丝杠副的轴向间隙、滚珠丝杠副的安装结构、支承结构、进给系统传动齿轮间隙的消除、采 用减速箱的目的及注意事项、减少或消除空程的必要性和方法，通过这些介绍能了解滚珠丝 杠副轴向间隙的调整和预紧方法。 本设计通过对纵向进给系统的设计计算得出了 x 方向的切削力大约 763.8n，y 方向的 切削力大约为 916.5n。而横向进给系统中 z 方向切削力大约为 763.8n，当切断时 y 方向的 切削力大约为 381.9n。在对滚珠丝杠的设计计算中得出，所设计的丝杠最大负载为 3933.6n。通过对齿轮的有关计算，得出转动惯量为 145.19，最大转动力矩为 274.05ngcm。 在使用改造后的车床中，一定要注意所用切削力和最大负载，超出后会大大降低车床使用寿 命。 普通机床的数控化改造事业方兴未艾，在我国目前形式下将大批故障机床尤其是一大批 闲置的普通机床进行改造、升级，以较小的投入尽快使这批设备在经济发展中发挥效能、创 造效益，的确是许多企业的一项不可忽视的课题。随着生产技术的不断改造，不断发展与产 品的不断更新，机器制造厂里的许多金属切削机床中有部分已不能满足生产率和加工精度的 要求，因此需要不断地更新，此次对原有的 c616 机床进行技术改造，其本质是采用数控机 床对传统产业进行技术改造，赶上或超过先进国家。 关键词: c616 车床 横向进给系统 纵向进给系统 数控化改造 齿轮及转距 目 录 第一章 绪论 .1 1.1 数控机床发展概况及发展趋势 .1 1.1.1 国内外数控机床发展概况 .1 1.1.2 数控技术发展趋势 .1 1.2 数控改造的内容及其优缺点 .2 1.2.1 数控化改造内容 .2 1.2.2 机床数控化改造优缺点 .2 1.3 普通机床数控改造的必要性 .3 1.4 机床数控改造的意义 .3 第二章 c616 普通车床数控改造的总体方案 .4 2.1 数控改造的总体方案 .4 2.2 主传动系统和进给系统的改造 .4 第三章 数改 c616 车床传动装置设计 6 3.1 滚珠丝杠螺母副 .6 3.1.1 滚珠丝杠螺母副的工作原理、特点及类型 .6 3.1.2 滚珠丝杠副的结构 .7 3.2 纵向进给系统的设计与计算 .9 3.2.1 纵向进给系统的设计计算 .9 3.2.2 滚珠丝杠设计计算 11 3.2.3 齿轮及转距的有关计算 14 3.3 横向进给系统的设计与计算 17 3.3.1 横向进给系统的设计计算 17 3.3.2 滚珠丝杠设计计算 18 3.3.3 齿轮及转矩有关计算 19 第四章 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法 .21 4.1 滚 珠丝杠副的轴向间隙 21 4.2 滚珠丝杠副的安装结构 22 4.2.1 支承结构 22 4.3 进给系统传动齿轮间隙的消除 23 4.3.1 采用减速箱的目的及注意事项 23 4.3.2 减少或消除空程的必要性和方法 23 第五章 结 论 25 参考文献 26 谢 辞 27 1 第一章 绪论 1.1 数控机床发展概况及发展趋势 1.1.1 国内外数控机床发展概况 随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨 资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术 是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具 有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举 足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用 型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型 化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系 统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了 在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，cad/cam 与数控系统集成为一体，机床联网， 实现了中央集中控制的群控加工。 长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，cnc 只能作为非智能的机床运动 控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方 式或通过 cad/cam 及自动编程系统进行编制。cad/cam 和 cnc 之间没有反馈控制环节，整个 制造过程中 cnc 只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中 的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加 工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环 节随机修正 cad/cam 中的设定量，因而影响 cnc 的工作效率和产品加工质量。由此可见，传 统 cnc 系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了 cnc 向多变量智能化控制发 展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。 1.1.2 数控技术发展趋势 1. 性能发展方向 (1)高速高精高效化 速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了 高速 cpu 芯片、risc 芯片、多 cpu 控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺 服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提 高。 (2)柔性化 包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖 面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同 生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效 能。 (3)工艺复合性和多轴化 以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、 多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过 自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴， 2 西门子 880 系统控制轴数可达 24 轴。 (4)实时智能化 早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任 务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。 科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更 现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实 时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分 支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如 在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿 等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功 能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高， 从而达到最佳控制的目的。 2. 功能发展方向 (1)用户界面图形化 用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对 界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最困难 的部分之一。当前 internet、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界面提 出了更高要求。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进 行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪 和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。 (2)科学计算可视化 科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不 再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术与 虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机技术等，这对缩短 产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。在数控技术领域，可视化技术 可用于 cad/cam，如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和 显示以及加工过程的可视化仿真演示等。 (3)插补和补偿方式多样化 多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭 圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2d+2 螺旋插补、nano 插补、nurbs 插补(非均匀有理 b 样条插补)、样条插补(a、b、c 样条)、多项式插补等。多种补偿功能如间隙补偿、垂直度 补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平 滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。 (4)内装高性能 plc 数控系统内装高性能 plc 控制模块，可直接用梯形图或高级语言 编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。编程工具中包含用于车床铣床的标准 plc 用户 程序实例，用户可在标准 plc 用户程序基础上进行编辑修改，从而方便地建立自己的应用程 序。 (5)多媒体技术应用 多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综 合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域，应用多媒体技术可以做到信 息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等 方面有着重大的应用价值。 3.体系结构的发展 (1)集成化 采用高度集成化 cpu、risc 芯片和大规模可编程集成电路 3 fpga、epld、cpld 以及专用集成电路 asic 芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速 度。应用 fpd 平板显示技术，可提高显示器性能。平板显示器具有科技含量高、重量轻、体 积小、功耗低、便于携带等优点，可实现超大尺寸显示，成为和 crt 抗衡的新兴显示技术， 是 21 世纪显示技术的主流。应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。 通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸， 提高系统的可靠性。 (2)模块化 硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求， 将基本模块，如 cpu、存储器、位置伺服、plc、输入输出接口、通讯等模块，作成标准的 系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。 (3)网络化 机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网，可在任何一台机 床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可同时显示在每一台机床的 屏幕上。 (4)通用型开放式闭环控制模式 采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入 式体系结构，便于裁剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系 统。闭环控制模式是针对传统的数控系统仅有的专用型单机封闭式开环控制模式提出的。由 于制造过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包含诸如加工尺寸、形 状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，因此，要实现加工过程的多目标优化，必 须采用多变量的闭环控制，在实时加工过程中动态调整加工过程变量。加工过程中采用开放 式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、 cad/cam、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融 于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。 1.2 数控改造的内容及其优缺点 1.2.1 数控化改造内容 随着国内外机械化的发展加速，机床以及技术的不断进步，机床改造成为了“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。 机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点： 其一是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复； 其二是 nc 化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成 nc 机床、cnc 机床； 其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部 分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的 cnc 系统以最新 cnc 进行更新； 其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有 基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。 1.2.2 机床数控化改造优缺点 (1)可充分利用现有的条件 可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。 4 (2) 可以采用最新的控制技术 可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量 和档次，将旧机床改成当今水平的机床。 (3) 减少投资额、交货期短 同购置新机床相比，一般可以节省 6080的费用，改造费用低。特别是大型、特 殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的 1/3，交货期短。 (4) 机械性能稳定可靠，结构受限 所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后 的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不 宜做突破性的改造。 (5) 熟悉了解设备、便于操作维修 购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地计算出 机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修 方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。 1.3 普通机床数控改造的必要性 1 微观看改造的必要性 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。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。 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 37 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” 。 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” 。 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。 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 5 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。 2 宏观看改造的必要性 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。 1.4 机床数控改造的意义 1）节省资金。 机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省 60%左右的费用，大型及 特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的 1/3。即使将原机床的结构进 行彻底改造升级也只需花费购买新机床 60%的费用，并可以利用现有地基。 2）性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精 度。 3） 提高生产效率。 机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高 3 至 5 倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了 费用而且可以缩短生产准备周期。 6 第二章 c616 普通车床数控改造的总体方案 2.1 数控改造的总体方案 由于是经济型数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是满足使用要求的前提下， 对机床的改动尽可能少，以降低成本。根据 c616 车床有关资料以及数控车床的改造经验， 确定总体方案为： 采用计算机对数据进行计算处理，由 i/o 接口输出步进脉冲，经一级齿轮减速后，带 动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动。如图 21 所示。计 算 机 对数 据 进 行处 理 由 i/o接口 输 出步 进 脉冲 一 级齿 轮减 速 带 动 滚珠 丝 杠转 动从 而 实 现纵 向 、 横向 进 给 运动 图 21 数改 c616 车床总体方案示意图 2.2 主传动系统和进给系统的改造 1、c616 型普通车床的主传动系统和进给系统都由主轴电机控制，而改造后的车床则把 主传动系统和进给系统的运动分离开。分别由各自的步进电机来控制，但是为保证车床在车 螺纹时主传动运动与进给运动之间的联系，所以在拆掉进给系统的同时，必须在主轴上安装 一个脉冲发生器，来实现主轴传动和进给运动之间的联系。同时，为了提高机床的精度和效 率，用滚珠丝杠来代替原机床的光杠，并且采用单独的步进电机来控制。这样不仅提高了机 床的性能和精度，还提高了机床的使用性能。 2、用步进电机代替手动进给，步进电机是将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移 的电磁机械装置，是一种输出与输入数字脉冲对应的增量驱动元件。用单片机自动控制，可 视化输入、进给脉冲。稳定运行时的转速与控制脉冲的频率有严格的对应关系。改装后，控 制性能好，在一定的频率下，能按控制脉冲的要求快速起、停和反转。改变控制脉冲频率， 电动机的转速就随着变化，并可在很宽的范围内平滑调节，精度更高。 7 3、自动刀架设计，这类刀架由控制系统直接控制，刀架能自动完成抬起、回转、选位、 下降、定位和压紧这样一系列的动作。c616 是老式同时市场占有量很大的车床，刀架的改 造不能耗费太大的才力，这于企业也很合算。刀架改造的设计，包括其刀架体的设计和供能 系统的设计。刀架设计为自动转位的四方刀架，这样成本较低，也能满足数控化加工要求。 自动换刀数控机床上，对自动换刀装置的基本要求是：换刀时间短、刀具重复定位精度高、 刀架占地面积小及安全可靠。改造成自动换刀装置，就得先拆除原手动刀架和小拖板，安装 上由液压系统控制的四工位液动刀架，根据车床的型号及主轴中心高度，选用 ld4i 型四工 位自动回转刀架。该刀架体积小，重复定位精度高，适用于强力车削并安全可靠。 液压控制系统是刀架部分的辅助装置。辅助装置作为数控车床的配套部件，是保证数控 车床充分发挥高效、高精度切削加工功能所必须的配套装置。它具备使车床完成自动换刀所 需的动作，实现运动部件的制动和滑移齿轮变速移动，完成工作台的自动夹紧和松开、工件 和刀具定位表面的自动吹屑等辅助功能。本文中液压系统的指令来源于 plc 装置，在接到指 令后，完成刀架的抬起放下及夹紧与松开等动作，刀架体即为其执行部件。 刀架是整个机床的执行部件，因此刀架的设计必须考虑经济性，稳定性，安全性等因素。 本文数控改造的刀架部分基本能满足上述要求。 4、plc 电路改造，主要是用 plc 代替继电器，用程序代替复杂的控制电路，从而简化 电路，提高效率。主要内容是分析原主电路和控制电路，编制输入/输出分配表，选定 plc 的型号同时绘制 plc 接线图，设计梯形图并编制程序。 主轴电动机主要完成正反转、降压启动、全压运行和反接制动，冷却泵电动机只需直接 启动，而液压电路中液压泵电动机需直接启动，但同时需控制刀架转位电磁阀和刀架刀盘夹 紧松开电磁阀。 8 第三章 数改 c616 车床传动装置设计 数控机床的传动装置是指将电动机的旋转运动变为工作台的直线运动的整个机械传动链 及其附属机构。包括齿轮减速器、丝杠螺母副、导轨、工作台等。在数控机床数字调节技术 领域，传动装置是伺服系统中的一个重要环节，因此，数控机床的传动装置与普通机床中传 动装置在概念上有重要差别，故它的设计也与普通机床传动装置的设计不同。数控机床传动 的设计要求除了具有较高的定位精度外，还应具有良好的动态响应特性，即系统跟踪指令信 号的响应要快，稳定性要好。为确保数控机床进给系统的传动精度和工作稳定性，在设计机 械传动装置时，通常提出了无间隙、低磨擦、低惯量、高刚度、高谐振频率及有适宜的阻尼 比的要求。为了达到这些要求，采取主要措施如下： （1）缩短传动链以及预紧的办法提高传动系统的刚度。如采用大扭矩宽调速的直流电 机与丝杠直接联接，应用预加负载的滚动导轨和滚动丝杠副，丝杠支承设计成两端轴向固定 的，并可用预拉伸的结构等办法来提高传动系统的刚度。 （2）尽量消除传动间隙，减少反向死区误差。如采用消除间隙的联轴器（如用加锥销 固定的联轴套，用键加顶丝紧固的联轴套以及用无扭转间隙的挠性联轴器等） ，采用有消除 间隙措施的传动副等。 （3）尽量采用低摩擦的传动，如采用静压导轨、滚动导轨和滚动丝杠等，以减少摩擦 力。 （4）选用最佳的降速比，以达到提高机床分辨率，使工作台尽可能大地加速，以达到 跟踪指令，系统折算到驱动轴上的转动惯量尽量小的要求。 3.1 滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠副是在丝杠和螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动元件。滚珠丝杠副的结构原理 示意图如图 31 所示，它可将旋转运动转变为直线运动，或者将直线运动转变为旋转运动。 因此，滚珠丝杠副既是传动元件，也是直线运动与旋转运动相互转换的元件。 图 3-1 滚珠丝杠螺母副 3.1.1 滚珠丝杠螺母副的工作原理、特点及类型 弧形的螺旋槽，当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道， 将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的循环滚道，滚道内装满滚珠。当丝杠在滚道内既 自转又沿滚道循环转动。因而迫使螺母（或丝杠）轴向移动。 滚珠丝杠螺母副的特点是： 9 （1）磨擦损失小、传动效率高，高达 0.920.96（滑动丝杠为 0.20.40） 。 （2）螺母之间预紧后，可以完全消除间隙，传动精度高、刚性好。 （3）磨擦阻力小，且几乎与运动速度无关，动静磨擦力之差极小，不易产生低速爬行 现象，保证了运动的平稳性。 （4）磨损小，寿命长，精度保持性好。 （5）不能自锁，有可逆性，即能将旋转运动转换为直线运动，也能将直线运动转换为 旋转运动，可满足一些特殊要求的传动场合，但当立式使用时，应增加制动装置。 （6）工艺复杂，成本高。 国产的标准滚珠丝杠副分为两类：定位滚珠丝杠副（p 类） ，即通过旋转角度和导程控 制轴向位移量的滚珠丝杠副；传动滚珠丝杠副（t 类） ，即与旋转角度无关，用于传递动力 的滚珠丝杠副。 此外，滚珠丝杠副通常还可根据其特征进行分类，如按制造方法的不同分为普通滚珠丝 杠副和滚轧滚珠丝杠副；按螺母类型式分为单侧法兰盘单螺母型、双法兰盘双螺母型、圆柱 双螺母型、圆柱单螺母型、简易螺母型及方螺母型等；按螺旋滚道型面分为单圆弧面和双圆 弧面；按滚珠的循环方式分为：外循环和内循环式。 3.1.2 滚珠丝杠副的结构 目前国内外生产的滚珠丝杠副，尽管在结构上各种各样，其主要区别是在螺旋滚道型面 的形状、滚珠的循环方式以及轴向间隙的调整和预加载的方法等方面。 （1） 、螺纹滚道型面的形状及主要尺寸 螺旋滚道型面（即滚道法向截形）的形状有多种，常见的截形有单圆弧面和双圆弧型面 两种。图 32 为螺旋滚道型面的简图，图中钢球与滚道表面接触点处的公法线与螺纹轴线 的垂线间的夹角称为接触角 。理想接触角 =45。 （a） 单圆弧 （b）双圆弧 图 32 滚珠丝杠副螺旋滚道型面的形状 10 1）型面 如图 32（a）所示，通常滚道半径 rn稍大于滚珠半径 rw，通常 2rn=（1.041.11）d w。对于单弧型面的螺纹滚道，接触角 是随轴向负荷 f 的大小而变化。 当 f=0 时，=0，承载后，随 f 的增大， 的大小由接触变形的大小决定。当接触角 增 大后，传动效率 ed、轴向刚度 rc以及承载能力随之增大。 2） 圆弧型面 如图 32（b）所示，滚珠与滚道只在内相切的两点接触，接触角 不变。两圆弧交接处有一小空隙，可容纳一些脏物。这对滚珠的流动有利。 单圆弧型面，接触角 是随负载的大小而变化，因而轴承刚度和承载能力也随之而变 化，应用较少。双圆弧型面，接触角选定后是不变的，应用较广。 （2） 、 丝杠副的循环方式 常用的循环方式有两种：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。 图 33 插管式外循环方式原理图 1压板 2弯管（回珠管） 3螺母 4滚珠 1）外循环 外循环多用螺旋槽式和插管式。图 33 所示为常用的插管式，被压板 1 压住的弯管 2 的两端插入螺母 3 上与螺纹滚道相切的两个孔内，引导滚珠 4 构成循环回路。 特点是结构简单、制造方便。但径向尺寸较大，弯管端部容易磨损。若不用弯管，在螺母 3 的两个孔内装上反向器，引导滚珠通过螺母外表面的螺旋凹槽形成滚珠循环回路，则称为螺 旋槽式，其径向尺寸较小，工艺也较简单。外循环式使用较广，其缺点是滚道接缝处很难做 得平滑，影响滚珠滚动的平稳性。 2）内循环 内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种型式。如图 34(a) 所示为圆柱凸键反向器，反向器的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向器槽 2。反向槽靠圆 柱外圆面及其上端的凸键 1 定位，以保证对准螺纹滚道方向。图 34(b) 为扁圆镶块反向 器，反向器为一半圆头平键形镶块，镶块嵌入螺母的切槽中，其端部开有反向槽 3，用镶块 的外廓定位。两种反向器比较，后者尺寸较小，从而减小了螺母的径向尺寸及缩短了轴向尺 寸。但这种反向器的外廓和螺母上的切槽尺寸精度要求较高。 11 图 34 内循环方式原理图 1凸键 2、3反向器 内循环反向器和外循环反向器相比，其结构紧凑、定位可靠、刚性好、且不易磨损、返 回滚道短、不易发生滚珠堵塞、磨擦损失也小。其缺点是反向器结构复杂、制造困难、且不 能用于多头螺纹传动。 由于滚珠在进入和离开循环反向装置时容易产生较大的阻力，而且滚珠在反向通道中的 运动多属前珠扒后珠的滑移运动，很少有“滚动” ，因此滚珠在反向装置中的摩擦力矩 m 反 在整个滚珠丝杠的摩擦力矩 mt中所占比重较大，而不同的循环反向装置由于回珠通道的动 轨迹不同，以及曲率半径的差异，因而 m 反 /mt值较小。 3.2 纵向进给系统的设计与计算 经济型数控车床的改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀 架左右移动。步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端。对车床改造来说，外观不必象产品 设计要求的那么高，而从改造方便，实用方面来考虑。一般都把步进电机放在纵向滚珠丝杠 的左端。 3.2.1 纵向进给系统的设计计算 电机初步估算转速为 1500r/min，进给速度 vmax=4m/min 根据机械设计手册可知： （公式 31） ；hpmaxin v 为滚珠丝杠的基本导程 mm；h vmax丝杠的最大移动速度 mm/min； nmax丝杠螺母副最大相对转速 r/min； i传动比 则： 12 mph13.250.14 所以根据滚珠丝杠基本导程的基本系列可在机械设计手册中查到 ph，选 ph=6mm。 已知条件： 工作台重量： w=80kgf=800n 步距角： 0.75/setp 滚珠丝杠基本导程： l 0=6mm 行程： s=640mm 脉冲当量 快速进给速度： =2m/minmaxv 切削力计算 由机床设计手册可知，切削功率 （公式 32） ；cnk 式中 n电机功率，查机床说明书，n=4kw； 主传动系统总效率，一般为 0.6-0.7 取 =0.65； k进给系统功率系数，取为 k=0.96。 则： =4 0.65 0.96=2.496kwc 又因为 6120zcfvncz 式中 切削线速度，取 =100m/min。vv 主切削力 6120.49152.76()1527.6()zfkgfn 由金属切削原理可知，主切削力： （公式 33） ； fzzyxzpcafk 式中： 切削深度（mm） ； 进给量（mm/r） ；paf 总修正系数； fzk 从机床设计手册中可得知，在一般外圆车削时： (0.16)xzf(0.15.7)yzf 取： .1/pset 13 =0.5 1527.6=763.8n；0.5xzf =0.6 1527.6=916.5n。.6y 3.2.2 滚珠丝杠设计计算 根据经济型数控机床系统设计可知，综合导轨车床丝杠的轴向力： （公式 34） ；()xzpkffw 式中 、 为 x、z 方向上的切削力；xfz 导轨的摩擦系数； w为工作台的重量；f k考虑颠覆力矩影响的实验系数。 其中 k=1.15， =0.15 0.18，取为 0.16；f 则： p=1.15 763.8+0.16 (1527.6+800)=1250.8n; （1）计算： 寿命值： = （公式 35） ；il6 01int 为滚珠丝杠当量转速； 使用寿命时间（h） ；in i 由以上条件，可以确定步进电机与滚珠丝杠齿轮之间的传动比： = =1.25；p li360.75601 由于电机轴与滚珠丝杠之间是降速传动，所以滚珠丝杠的转速为： （公式 36） ；00 1infvfld主 ；.20min3.486i r 则： 60215li 最大动负载： 3iwhqlpf 14 其中： p滚珠丝杠的轴向力； 寿命值；il 运动系数； 硬度系数；wf hf 从经济型数控机床系统设计表中可查到： =1.2 ； =1；wfhf 则： 。318.250.839.6qn 根据最大动负载荷 q 的值，可选择滚珠丝杠的型号。可在机械计手册中查到适合的 滚珠丝杠。型号为 cmfzd40063.53 额定动载荷 18，800n，所以强度足够用。 (2) 效率计算 根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率 为： （公式 37） ；() tg 式中： 为螺旋升角； 为摩擦角。 滚珠丝杠副的滚动摩擦系数 = ,其中摩擦角 可计算为：f0.3.4 =arctg = ；1 则： 。3250.93()tg。 (3) 刚度验算 滚珠丝杠受工作负载 p 引起的导程变化量： （公式 38） ；ef l01 式中： 滚珠丝杠的基本导程（cm） ； p工作负载（n） ；0l e弹性模量； f滚珠丝杠截面积（按内径定） （cm 2） ； 滚珠丝杠截面积： （公式 39） ； 2d 其中： ；0er 式中： 滚珠丝杠滚道圆弧偏心距； r滚道圆弧半径；e 其中： 15 ；/2coswerd ；1.04 式中： 滚珠直径； 接触角；w 根据机械设计手册中的滚珠标准系列选 =4mm； =45wd 则： r= ； 41.04/2.2.08wdm ； /cos.cos450.7erm ；0240272.839d ；.8316fc 因此： ；601625.05.91013plme 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 很小，可忽略。2l 即： ；1 所以，导程变形总误差 为： 。6015.90.8/lm 查表可知 3 级精度滚珠丝杠允许的螺距误差（1 米）长为 15 ，故刚度够用。/um (4) 稳定性验算 由于滚珠丝杠两端采用固定支承，所以稳定性没有问题。 3.2.3 齿轮及转距的有关计算 (1)有关齿轮计算 传动比 ：i 25.10.3670pl 16 ； 故取： z1=32； z 2=40； m=2； b=20mm； =20；a ； ；364dm2408dmz ； ；1*8aah*aah 。 1207d (2) 转动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量： ；222180180.()()4.683475pjwngcm 丝杠的转动惯量： ； 417.sdl 式中： 滚珠丝杠的公称直径； 丝杠长度；d1 则： 4 227.8103.20.47514.75sj kgcmngc 齿轮的转动惯量： ；241 1.6 nz ；2 9.3280.7gcjz 电机的转动惯量很小可忽略。 因此，总转动惯量： 2221(.4756.39)2.170.463.519.45.19. kgcmngc (3) 所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩： ；max0fm 最大切削负载时所需力矩： ；0atftm 1szjjji 17 快速进给时所需力矩： ；0fm 式中： 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩；max 折算到电机轴上的摩擦力矩；f 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩；0m 切削时折算到电机轴上的加速度力矩；at 折算到电机轴上的切削负载力矩；t ； ngmtjna4106.9 当 时：maxn ；axm ；max201.546.7/minhvinrp ；ax4.9.2.5.726ngkfgc 当 时：tn ；atm ；00 110.3254.8/min68it vfinfdrl ；44.59.72.5.76at ngmkfc ； 00fffwlmihi 当 时， 时：0.8h.16f ；0.2312.323.48.5f kgfcmngc 18 ； 021plmi 当 =0.9 时预加载荷 ，则：03bx f2 200(1)76.8(10.9).46.245xflkgfcmngci ；0.3.7.2148.25xtmkgfci 所以，快速空载启动所需力矩： max0fm =25.72+1.223+0.462=27.405ngcm=274.05ncm； 切削时所需力矩： 0atft =1.536+1.223+0.462+7.297=105.18ncm 快速进给时所需力矩： m=mf+m0=1.223+0.462=1.685kgfcm 由上分析计算可知，所需最大力矩 发生在快速启动时：maxm mmax=274.05ngcm。 3.3 横向进给系统的设计与计算 经济型数控改造的横向进给的设计比较简单，一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠， 使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床和机床大拖板连接 起来，以保证其同轴度，提高传动精度。 3.3.1 横向进给系统的设计计算 由于横向进给系统的设计计算与纵向类似，所用到的公式不在详细说明，只计算结果。 电机初步估算转速为 1500r/min，进给速度 =2 。maxv/in 根据机械设计手册可知 ；in vphmax 则： 19 ； minv07.125.1max 根据机械设计手册可查到滚珠丝杠的标准系列，初选 。4hpm 已知条件如下： 工作台重量： ； 30wn 脉冲当量： ；.5/mstep 步距角： ；.7a 进给速度： ；max2/inv 滚珠丝杠基本导程： ；04l 滚珠丝杠行程： ；19s (1) 削力计算 横向进给量为纵向的 ，取 ，则切削力约为纵向的 ： 2312 ；15.76.8763.zfkgfn 在切断工件时： ；0.198.yzf 3.3.2 滚珠丝杠设计计算 (1) 强度计算 对于燕尾型导轨： ；()yzpkffw 取 k=1.4， =0.2；f 则： ；1.43890.276.38074.7.4pkgfn 寿命值： ；61.5iintl 由机械设计手册可知，当量转速 在 之间变化时：mvaxmin与 根据经济型数控机床可知，最大动负载为： 20 。331.8741.23.521.5iwhqlpf kgfn 根据最大负载 q 值，可选择滚珠丝杠的型号,外循环插管埋入式双螺母预紧式的滚珠丝 杠，型号为 20042.53 左，其中额定动载荷为 14200n，所以强度够用。 (2) 效率计算 经计算螺旋升角 ，摩擦角 ；810 则： 。3.956()(10)tgt (3) 刚度验算 滚珠丝杠受工作负载 p 引起的导程的变化量： ；6016274.10.45.91023(7)l cmefa 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 很小，即： 。所以，导程变形总误差为：2la1la ；6105.9.78/4uma 查表可知 3 级精度丝杠允许的螺距误差（1m）为 15 ，故刚度足够。/ (4) 稳定性 由于选用的滚珠丝杠的直径与丝杠直径相同，而支承方式由原来的一端固定，一端悬空， 变为一端固定，一端径向支承，所以稳定性增强，故不再验算。 3.3.3 齿轮及转矩有关计算 (1)有关齿轮计算 传动比： ； 0.7541.673603pli 故取： ， ， ， ， ， ，18z22mb20a136dm ， ， ， 。260d140ad64ad8 (2) 转动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量： ； 222180180.530.49347pjwkgcm a 21 丝杠转动惯量： ；4 27.810250.64sjkgcma 齿轮的转动惯量： ； 4 21.3z ；27.8062.0jkgca 电机转动惯量很小可忽略，因此转动惯量为： (3) 所需转动力矩计算 ；max0 51346.7/minvnrl44axax.2810.218.239.695jmnkgfcmta ；010.3.7/in3.tnfi rdl主 ；4.2587.10.596at nmkgfcaa00.3287.285ffwmf fnmii 2 2008.19410.9.160.1663 .7.5ytl kgfccifkgfcmaaa 所以，快速空载启动所需转矩： 切削时需力矩：max02.3870.162.326.3fmkgfcncmaa 快速.14.84.914.0tt f 进给时所需力矩： 。0.287.60.3.03f kgfcmca 从上计算可，最大转矩发生在快速进给启动时： ax26.mnma 2 22121.20.4391.58szjjj kgci a 22 第四章 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法 滚珠丝杠副的轴向间隙，是指负载时滚珠与滚道型面接触的弹性变形所引起的螺母位移 量和螺母原有间隙的总和。滚珠丝杠副的轴向间隙直接影响其传动刚度和传动精度，尤其是 反向传动精度。因此，滚珠丝杠副除了对本身单一方面的进给运动精度有要求外，对其轴向 间隙也有严格的要求。滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧，通常采用双螺母预紧方式，其结 构型式有三种。基本原理是使两个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。 4.1 滚珠丝杠副的轴向间隙 (1)垫片调隙式 图 35 所示结构。是通过改变垫片的厚度，使螺母产生轴向位移。这种结构简单可靠、 刚性好，但调整费时，且不能在工作中随意调整。 图 3-5 双螺母垫片式结构图 （2） 螺帽调隙式 图 36 所示为利用螺帽来实现预紧的结构，两个螺母以平键与外套相联，键可限制螺 母在外套内移动，其中右边的一个螺母外伸部分有螺纹。用两个锁紧螺帽 1、2 能使螺母相 对丝杠作轴向移动。这种结构既紧凑，工作又可靠，调整也方便，故应用较广。但调整位移 量不易精确控制。因此，预紧力也不能准确控制。 图 3-6 双螺母帽式结构图 1、2 锁紧螺帽 23 （3） 齿差调隙式 图 37 所示为齿差式调整结构。在两个螺母的凸缘上分别有齿数为 z1、z 2的齿轮，而 且 z1、z 2与相应的内齿圈相啮合。内齿圈紧固在螺母座上，预紧时脱开内齿圈，使两个螺母 同向转过相同的齿数，然后再合上内齿圈。两螺线的轴向相对位置发生变化从而实现间隙的 调整和施加预紧力。如果其中 图 3-7 双螺母齿差式结构图 一个螺母转过 n 个齿时则其轴向位移量为 （p h为丝杠导程，z 1为齿轮齿数） 。如两1 ns 齿轮沿同方向各转过 n 个齿时，其两螺母间相对轴向位移量 （z 2为另一齿轮齿数）或 。例如：当 2112hhpsz 12hsnp n=1，z 1=99，z 2=100， ,即两个螺母在轴向产生 1 的位移。这种调整方式 09humum 的结构复杂，但调整准确可靠，精度较高。 除上述三种双螺母加预紧力的方式外，还有单螺母变导程自预紧和单螺母钢球过盈预 紧方式。 4.2 滚珠丝杠副的安装结构 4.2.1 支承结构 为拉高伟动刚度，应合理确定滚珠丝杠副的参数、螺母座的结构、丝杠两端的支承型式， 以及它们与机床的联接刚度。因此，螺母座的孔与螺母之间必须有良好的配合，保证孔与端 面的垂直度，螺母座宜增添加强筋，加大螺母座和机床结合面的接触面积，均可提高螺母的 局部刚度和接触刚度。同时，注意轴承的选用和组合，尤其是轴向刚度要求较高。为了提高 支承的轴向刚度，选择适当的滚动轴承及其支承方式是十分重要的。常用的支承方式有下列 几种，如图 38 所示。 （1）一端装止推轴承（固定自由式） 如图 38(a)所示。这种安装方式的承载能力 小，轴向刚度低，仅适应于短丝杠。如数控机床的调整环节或升降台式数控铣床的垂直坐标 24 中。 （2）一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承（固定支承式） 如图 38(b)所示。滚 珠丝杠较长时，一端装止推轴承固定，另一端由深沟球轴承支承。为了减少丝杠热变形的影 响，止推轴承的安装位置应远离热源（如液压马达） 。 （3）两端装止推轴承 如 38(c)所示。将止推轴承装在滚珠丝杠的两端，并施加预 紧力，有助于提高传动刚度。但这种安装方式对