C6132纵向进给运动系统数控改造设计

1 目 录 1 前言 . 4 2 设计的内容及任务 . 5 3 总体方案 . 5 控系统的选型 . 5 服系统的改造设计 . 6 械结构的改造设计 . 6 码盘的选用和安装 . 7 气控制系统的改造设计 . 7 压系统的清洁和维护 . 8 4 数控系统的选择 . 8 5 机械本体部分的数控化改造与设计计算 . 100 给系统的传动方式及丝杆类型选择 . 100 动方式 . 100 珠丝杆的选择 . 111 珠丝杠副精度等级确定 . 122 珠丝杠的润滑、防护、密封 . 122 械本体改造和设计计算 . 122 向机械传动部分的数控化改造和设计计算 . 122 珠丝杠设计计算 . 133 2 珠丝杠的选型 . 14 珠丝杠的验算 . 14 定齿轮传动比 . 16 轮间隙的调整环节 . 16 珠丝杠的支撑与轴承选用 . 17 珠丝杠支撑形式的选择 . 17 珠丝杠轴端的形式 . 18 6 伺服系统的改造设计 . 20 制系统的选择 . 20 向步进电机的计算与选择 . 21 载转动惯量计算 . 21 种工况下转矩计算 . 22 进电机的选择 . 23 动器的选择 . 23 7 编码器的选用和安装 . 25 点编码器的选用 . 25 码器的安装 . 26 8 电气控制部分的改造设计 . 26 气控制系统概述 . 26 6132 车床电气化控制系统的数控化改造设计 . 27 9 液压系统的清洁与维护 . 28 洁程度对液压系统的影响 . 29 3 压系统清洁与维护措施 . 29 10 改造小结 . 29 参考文献 . 30 致 谢 . 31 4 1 前言 目前我国机床主要是卧式车床， 与发达国家相比，型号陈旧，技术水平落后，严重影响了生产的发展。 采用先进的数控车床，已成为当今世界制造业的发展趋势。鉴于国内制造业中普通机床的占有率较高，提高车床数控化率有两个可行的途径，一是购置新的车床；二是把卧式车床改造成数 控车床。根据国内目前的经济状况，花大量的资金更换全新的数控车床花费过高，给企业造成的经济负担较大，同时报废大量的普通机床是一个很大的浪费。因此，各企业可根据自身的情况，酌情进行数控化率的提高，可以购置一批精度高、性能强的数控化车床，或数控化改造一批尚有一定精度的卧式车床。 要针对进给系统进行数控化改造，利用数控系统对纵向和横向进给系统进行开环控制，驱动元件采用步进电动机，通过步进电动机带动滚珠丝杆转动。数控化改造后的机床，能对纵向和横向进给运动进行数字控制，并要 求达到纵向最小运动单位为 冲，横向最小运动单位 冲，刀架为自动转位刀架，经改装后的机床能实现加工外圆、锥度螺纹、端面等的自动控制。数控化改造提高了原机床的生产速度，降低了劳动强度，同时缩短了生产周期，提高了产品质量和生产率。 数控化改造后具有如下几个优越性： 1、 数控化改造提高了加工精度和生产率。 2、 数控化改造提高了机床的性能和质量，加工出原机床难以加工或者不能加工的复杂轴类零件。 3、 机床数控化改造后可以实现加工的柔性自动化，效率可比原机床提高 3倍。 4、 机床数控化改造后拥有自动报警、自动 监控、自动补偿等多种自检功能，更好地调节了机床加工状态，还可以提示操作机床故障或编程错误等机床运行中出现的问题。 5 2 设计的内容及任务 机床的数控化改造主要应用了现代成熟的数控技术和经验，以适应生产的具体要求为目的，改变现有机床的结构，给旧机床换上新部件、新装置和新附件，提高现有机床的技术性指标，使之全部或局部达到新数控机床的水平。 这次设计的任务是：数控化系统的选型，伺服系统、机械传动系统、电气系统数控化改造和液压部分的维护以及绘制相关图样。要求改造车床具有一般数控车床的性能 ，精度要达到纵向最小单位为 ，横向最小运动单位为 。设计内容包括：数控系统的选型，伺服系统、机械系统和电气系统的数控化改造设计，自动回转刀架和编码盘的选型与改装，以及液压系统的清洁与维护。数控系统方面，考虑到直流伺服电动机的价格昂贵，采用步进电动机驱动的开环控制系统，而在机械系统的改造方面，采用步进电动机 3 总体方案 卧式车床进行数控化改造，可以显著提高机床性能和减轻操作者劳动强度。而合理选择数控系统和改造方案，可 保证改造效果和降低成本。考虑具体的改造方案时，基本原则是在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。 配车床数控系统，更换进给运动的滑动丝杆传动为滚珠丝杆传动，采用步进电动机驱动进给运动，加装编码器，配置自动回转刀架实现自动换刀。 具体的改造主要从数控系统的选择、伺服系统的改造设计，机械结构的改造设计、自动回转刀架的选择设计、编码盘的选用和安装、电气系统的改造设计、液压系统的清洁与维护等几个方面来进行，通过改造使其具有数控机床的一般特性。下面就从各个部分来具体阐述 这次的设计方案。 控系统的选型 在选择数控系统的型号时，要考虑 床适用于各类机械工厂的单件、中小批量、生产使用，加工精度可达 ，且要求 床加工复杂零件，所以数控系统选择连续型数控系统，已满足数控化改造后机床的定位、插补、循环加工和螺纹加工等功能。 国产机床如广州数控设备厂的 为两轴联动，功能比较齐全，性能稳定，价格便宜，一般用于经济型的数控机床。选择数控系统时应该尽量向同一个厂家的型号靠拢，这样既有利于维修和管理，也有利于备件的购买。在改造中可 以考虑有类似特点的数控装置。 6 服系统的改造设计 在普通机床的数控化改造系统中一般采用步进电机和交流伺服交流电动机。交流伺服电动机调速方便，体积小，目前广泛用于数控机床的传动系统。与步进电动机相比，其精度高、价格昂贵，考虑到改造本身是经济型改造，因此一般选用步进电机作为驱动装置。步进电机采用脉冲数字信号进行改造，每转一转步距误差自动变为零，能方便地实现调速以及定位，改变各相绕组的接通次序即可实现正反转，易于控制，且价格低廉，数控车床上大多使用反应式步进电机。在需要快速移动大距离的条件下，应选择转动 惯量小、运行频率高、价格较低的反应式步进电机。 经全面考虑，在 数控化改造中，选用反应式步进电机作为纵向和横向的进给驱动。理由是：该系统控制方便，由数控系统送出的步进指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，是步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠服驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可以控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。该系统结果简单，易维修，性价比高；考虑改造后的 床的精度要求（数控化改造后纵向精度为 ，横向精度为 ），加工精度要求不算太高，为简化结构、降低成本，故选择步进电机驱动的开环控制系统。 械结构的改造设计 在机械结构的改造设计中，主要针对原车床的进给系统进行数控化改造，主传动系统中保留 是在与主轴同步旋转的轴上，加装一个脉冲编码器，实现螺纹的数控加工。 在进给传动系统中，数控系统对纵向、横向进给系统进行开环控制，驱动元件采用步进电机。进给传动机构如图 1示，纵向和横向均采用步进电动机 中滑板）的传 动方式。分别在 轴的步进电机输出轴端配置减速器，减速器由一对啮合齿轮组成，通过减速器齿轮传动，由滚珠丝杠副把动力传给床鞍，从而带动托板的移动。为实现机床所需的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆，同时为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。改装时先拆除原机床的进给箱、溜板箱、光杆和丝杆，再换上滚珠丝杠（安装在原丝杆的部位）。在本设计中滚珠采用循环插管式、双螺母垫片预紧、导珠管埋入式、精度等级为 3级，型号为 外，为提高传动刚度和消除间隙，齿 轮传动要采用消除齿侧间隙的结构。 7 图 1进给传动机构 1 步进电机 2 齿轮减速装置 3 支承装置 4 丝杠 5 床鞍 A、 B 齿轮 码盘的选用和安装 机床能否进行螺纹加工是主轴部分数控化改造的重要部分，所以在原来车床上需加一个脉冲编码器，才能实现自动加工螺纹的目的。 在经济型数控车床上加工螺纹或丝杆时，需要配置主轴脉冲发生器，即编码盘作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动，发生主轴转角位置变化信号，输送到数控系统，数控系统按照所需加工的螺距进 行计算处理，从而控制机床纵向或横向步进电机，实现加工螺纹的目的。所以进行 数控化改造设计时，决定在主传动系统中加装一个光电码盘。 结合脉冲编码器每转进给脉冲数（即分辨率）对螺纹的加工范围，再结合环境特性，并根据机床主轴转速不允许超过主轴脉冲发生器的最高须用转速的原则，初步选择长春三峰传感技术有限公司生产的常规型实心轴光电编码器 列编码器。该系列编码器经济适用，力矩小，多规矩，适应多种数控设备其最高许用转速为 5000r/大于车床主轴最高转速 2000r/ 气控制系统 的改造设计 在电气控制系统中的改造设计中，应该遵循：在满足控制要求的前提下，设计方案力求简单、经济，不宜盲目追求高标准和高指标，力求控制系统操作简单、使用与维修方便。机床中的主轴电动机、冷却泵电动机、刀架电动机等均需要系统自动控制。电路、控制电路和 制器等，主要增加的电器元件包括主轴编码器、 X/动刀架控制器以及必要的控制开关、继电器等。改造后拆除原电控箱，原位安装改造后的电控柜，最后还需电气、机修人员共同进行通电调试。 数控机床中电气控制 系统除了对机床辅助运动和辅助动作控制外，还包括对保护开 8 关、各种行程、极限开关的控制，以及在操作盘上所有按键、操作指示灯等的控制。 改造后的电气控制系统，不仅保留了传统控制系统的优点，同时具有体积小、功能强、通用性和灵活性强、使用维护方便等优点。 压系统的清洁和维护 在车床数控化改造中一般不需要对机床原来的切削液系统进行改造。用数控系统上的切削液接口与液压系统的电路连接，通过 制，实现切削液的自动开关。此外，液压系统的清洁程度对液压元件和液压系统的平稳、准确运行有着非常重要的影响。 对 要仔细检查液压元件，如果发现又已经磨损、老化的元件，如过滤器、空气滤清器、密封圈等，则需要更换，确保液压元件能正常工作，从而保证整个车床系统能正常运行，实现数控车床的性能和加工特点。在检查、更换、维护后对液压系统循环过滤，清洗整个系统。 4 数控系统的选择 根据改造后的 床精度要求（数控化改造后纵向加工精度为 向加工进度为 加工精度要求不算太高，所以可以选择步进电机驱动的开环控制系统。 综合考虑性价比，在充分调研比较的基础上并根据改造的目 的，本方案选用广州数控设备厂生产的 床数控系统，广州数控设备厂同时生产与该数控系统相匹配的驱动器，从而有利于维修和管理。 控系统采用先进的开放体系结构，性价比高，属于连续切削控制系统，具有以下特点： （ 1）、该系统采用 16速微处理器（ 超大规模可编程门阵列（ 行硬件插补，实现高速微米级控制。 （ 2）、全封闭式装置，集成度高，整机工艺结构合理，抗干扰能力强，可靠性高。 （ 3）、直线型、指数型加减速方式，可配套步进电机、伺服电机，应用灵活。 （ 4）、可 变电子齿轮比，应用方便。 （ 5）、 320*240点阵图形式液晶显示。 （ 6）、中文、英文菜单，界面友好，操作方便。 车床数控系统技术参数见表 2 2运 动 控制轴： X、 最小指令单位： 补方式： X、 弧插补 指令范围： +9999、 999高快速速度： 7600mm/000mm/配 ) 9 插 补 方 式 最高进给速度：直线 7600mm/子齿轮为 1:1时） 每转进给： 00mm/r（需安装 1024p/ 进给倍率： 0%150%十六级实时调节 快速倍率： 25%、 50%、 100%四级 加减方式：直线型快速加减速，指数型进给加减速，参数可调 电子齿轮比：（ 1127） /（ 1127） 电子手轮功能：有 显示界面 显示器类型： 320 240点阵式蓝底液晶（ 显示方式：中文菜单 图形显示功能：有 共 23种 含 3种单一固定循环指令和 7种复合循环指令；8种用户宏指令可读、 写，最多 16位点输出。二重子程序调用，用户宏程序调用 螺纹功能 米制 /英制单头直螺纹、锥螺纹及米制 /英制端面螺纹，螺纹退尾长度可设定 螺纹螺距： 00制）； 制） 主轴编码器： 1024p/补偿功能 反向间隙补偿： X、 螺距误差补偿： X、 配） 刀尖半径补偿： X、 刀具补偿： 16组刀具长度补偿 刀具功能 适配刀架：最大设定 8 工位电 动刀架（可选 12 工位刀架功能，就近选刀，无卡盘，尾座控制功能） 刀位信号输入方式：直接输入 换刀方式： 动绝对换刀或手动相对换刀，正转换刀，反转锁紧 对刀方式：定点对刀，试点对刀 刀补执行方式：移动刀具，坐标偏移（可通过参数设定） 主轴功能 控制方式：可设置为 4档位控制或模拟控制 档位控制： 模拟控制：可设置四档主轴自动或手动换挡，输出 010V 电压控制主轴转速 恒线速切削功能：有 辅助功能 手动 /动控制主轴正转、反转、停止；切削 液启停；润滑启停；卡盘夹紧 /松开；尾速进退； 动方式可控制主轴变频自动换挡 程序编辑 程序容量： 4063个程序 子程序：可编程 通信 信接口为标准配置；可选配通信功能，提供通讯软件及通信电缆，与 抗干扰能力 符合 2006的要求 适配部件 开关电源： 套提供，已安装连接 ) 驱动装置： 列三相反应式， 列三相混合式， 列交流伺服 10 刀架控制： 配形式 标准面板，大面 板，箱式 一体化（配 出线，一体化后出线 外形尺寸 （ 420260136（ 420260136(小 /大 ) 质量 开关电源） 5 机械本体部分的数控化改造与设计计算 给系统的传动方式及丝杆类型选择 动方式 机械部分传动机构示意图如图 3示和 3示。横向和纵向均采用步进电机 减速齿轮 滚珠丝杆螺母副 溜板的传动方式。为实现机床所需要的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆，同时 为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。在本设计中采用循环插管式、双螺母垫片预紧、导柱管埋入式、精度等级为 3 级，型号为 此外 ,为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构，齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。在 X 轴和 Z 轴的步进电机输出轴端配置减速器，减速器由一对啮合齿轮组成，使减速器输出轴通过连接套与滚珠丝杆直接相连，由滚珠丝杆副把动力传给工作台带动工作台的移动。 图 1横向传动机构示意图 1 步进电机 2 齿轮减速装置 3 支承装置 4 丝杠 5 中滑板 A、 B 齿轮 11 图 1纵向传动机构示意图 1 步进电机 2 齿轮减速装置 3 支承装置 4 丝杠 5 床鞍 A、 B 齿轮 珠丝杆的选择 关注丝杠副作为精密、高效的传动元件在精密机床、数控机床得到广泛应用，在机械工业、交通运输、航空航天、军工产品等各个领域应用得很普遍，可用作精密定位自动控制、动力传递和运动转换。 1）、滚珠丝杠副传动的特点。滚珠丝杠副传动与滑动丝杠传动相比有以下优点： 1传动效率高。一般可达 95%以上，是滑动丝杠传动的 24倍。 2运动平稳，摩擦力小，灵敏度高，低速无爬行。 3可以预紧、消除丝杠副的间隙，提高轴向接触刚度。 4定位精度和重复定位精度高。 5使用寿命为普通滑动丝杠的 410倍，甚至更高。 6同步性好，用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的部件或装置时，可获得较好的同步性。 7使用可靠，润滑简单，维修方便。 8不自锁，可逆向传动，即螺母为主动，丝杠为被动。旋转运动变为直线运动。 9有专业厂生产，选用配套方便。 12 珠丝杠副精度等级确定 查参考文献得出，在车床数控化改造中可选用 3 级精度的滚珠丝杠。表 2滚珠丝杠推荐应用精度等级。 机床类型 坐标 精度等级 1 2 3 4 5 7 10 数控机床 X Z 珠丝杠的润滑、防护、密封 1 润滑：滚珠丝杠必须润滑。滚动轴承用的各种润滑剂原则上都要可以用。主轴的各种润滑剂和润滑方式都可以用于精密滚珠丝杠。一般情况下采用锂基润滑脂，在高速和需要严格控制升温时，可用 L 损耗系统用油、汽轮机油循环润滑或喷雾润滑。 2 防护和密封：丝杠防护套有伸缩套管式、折叠套管式和螺旋钢带保护套。后者有专业厂生产，应用较广，所以选用螺旋钢带保护套。 械本体改造和设计计算 向机械传动部分的数控化改造和设计计算 已知 条件： 工作台重量（床鞍重量 +中滑板重量 +电动刀架）： G=800N 时间常数： T=25珠丝杆基本导程：0p=6大行程： S=650冲当量： p= 步角距： =步 最大进给速度：m/向最大进给速度：）切削力的计算。由机床设计手册可知，切削功率可由式（ 2的。其中， 床说明书，可知 P=一般为 =K= 削功率应按在各种加工情况下，经常遇到的最大切削力（或转矩）和最大切削转 13 速（或转速）来计算，即由式 (2算。 设按照最大切削速度来计算，取 v =100m/主切削力由式（ 2求得： 31060 N= N=机床设计手册可知，在外圆车削时： （ （ 取纵向切削力分力 F ，横向切削力分力 F ，则 032。 80N 滚珠丝杠设计计算 1滚珠丝杠的选型方案。 （ a） 螺纹 滚道型面的选择：单圆弧型面、双圆弧形面。 要求：经济、易调试、稳定 方案：选用双圆弧形面。 原因：双圆弧形面接触角不变，双圆弧交接处尚有小空隙可容纳一些赃物，这对滚珠丝杠有利而不致堵塞。 （ b） 滚珠循环方式：内循环、外循环。 方案： 选用外循环。 原因：结构简单、工艺性优良、适合成批生产、经济实用，适用于重载荷传动、高速驱动及精密定位系统，是目前应用最广泛的结构。 （ c） 轴向间隙的调整和预紧力得选择：垫片式、螺纹式、齿差式。 要求：经济可靠、易拆装、刚度高。 方案：选用双螺母垫片式预紧。 原 因：结构简单、装卸方便、刚度高。 滚珠丝杠副已经标准化，因此，滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠型号的选择。 2计算作用在丝杠上的最大动载荷 C（ N）。首先根据切削力和运动部件的重量引起的进给牵引力，计算出丝杠的轴向载荷，再根据要求的寿命计算出滚珠丝杠副应能承受的最大动载荷 C。 （ a） 工作负载根据机床设计手册中的进给牵引力的实验公式计算，纵向为三角形导轨，可由式（ 2算得到，则： 00） N= b） 滚珠丝杠的转速 n 。可由下式计算 14 n =0=6 r/0r/ c） 丝杠寿命 t 由下式求得 t =61060610150005060 万 r=45万 r （ d） 丝杠工作的最大动载荷 C。可由式（ 2得，其中 f， 1则 万万 5 9 5 10 9 5 C 珠丝杠的选型 根据 C 选取的滚珠丝杠的额定动载荷大于计算的最大工作载荷。查机械零件设计手册，由于导程为 6以选取滚珠丝杠的型号为 程直径为 32额定动载荷是 26250N强度够足够。 示外循环插管式、双螺母垫片式预紧、导程管埋入式的滚珠丝杠，其为右旋螺纹，载荷钢球为 5圈，精度为 3 级的定位滚珠丝杠副。具体参数见表 2表 2滚珠丝杠具体参数 工程直径 本导程 球直径 杠外径 纹底径 定动载荷 接触刚度 N/um 0 Dw d1 载荷 载荷 2 6 6250 76631 1839 螺母安装连接尺寸 / 3 6 h L A M 60 - 90 75 13 7 12 7 136 54 7 3 滚珠丝杠的验算 1效率计算。根据机械原理，丝杠螺母副的传动效率 0 可由下式求得。其中， 10 ；螺距 /（ 工程 直径）， = 0253 ,则： )10253t 253t an)t t 000 =15 2刚度验算。滚珠丝杠工作时受到轴向力和转矩的作用时，将引起基本导程 由于滚珠丝杠受扭时引起的导程变化很小，可以忽略不计，所以工作负载引起的导程变化量 中 E=410 106N/ A 按丝杠螺纹底径确定 d，若 d=A=4 271.2 ： P= 6 52 6 10 +” 用于拉伸，“ -”用于压缩时 。 滚珠丝杠受转矩引起的导程变化量 P/很小，可以忽略，即： 1P = 以导程变形总误差 机床说明书可知，505则： 0 总 = 10说明书可知，丝杠纵向有效行程为 650丝杠精度等级为 3 级，查机械零件设计手册，纵向行程允许的行程变动量为 16稳定性没有问题。 16 定齿轮传动比 可由式计算。其中，p=；参考实用微电机手册，初选b= 滚珠丝杠导程， ： i= 00360=传动比 i1 时，进给传动为减速传动；当 ,最好为 为简化其结构，均采用一级齿轮传动，其从动齿轮孔与丝杆轴颈项配合，主动齿轮孔与步进电机输出轴相配合，步进电机用固定板安装在机床上。故可取齿轮齿数：1Z =32， 2Z =40。 齿轮的材料采用 40质处理，精度等级取 7级，前后轴承选用 8042型流动轴承。齿轮传动时，效率 i= 模数：查机械设计手册单行本 齿轮传动中表 据优先选用第一系列的原则，因进给运动齿轮受力不大，取模数 m=2 齿宽：根据经验，取齿宽 (610)m，这里取 10m，得齿宽 b=20 压力角： =20. 分度圆直径 由式求得，分别为： 1Z m=32 24mm 2Z m=40 20心距由式可得： 2 )( 21 =2 )4032(2 76 轮间隙的调整环节 为了 提高传动精度和传动平稳性 ,避免齿轮再传动中产生冲击和噪声，对于纵向、横向齿轮都需要设计中心距的调整机构。 由于主、从动齿轮在制造过程中不可避免的存在着加工误差，为使这一对相互啮合的齿轮在安装后的中心距达到标准中心距，采取如下措施。如图 2动轮安装在步进电机 1的轴上，而步进电机 1的端部用螺钉与偏心轮联接，偏心套 2装在箱体上，转动偏心套（这时步进电机连同主动轮 4 一起传动），从而可以调整主、从动轮之间的中心距。 17 图 2偏心轴套式结构 1 步进电机 2 偏心套 3 箱体 4 主动齿轮 珠丝杠的支撑与轴承选用 珠丝杠支撑形式的选择 为了满足高精度、高速度进给系统的需要，除了应用高精度、高速度的滚珠丝杠副外，还必须充分重视支撑的设计，注意选用轴向刚度高、摩擦力小、运行精度高的轴承。丝杠一端安装两个深沟球轴承或角接触球轴承或圆锥滚子球轴承的称为固定支承（ G）。安装一个深沟球轴承或角接触球轴承或圆锥滚子球轴承的称为铰支撑（ J）；螺母相当于固定支撑 (G)。丝杠的支撑方式有两端固定（ 一端固定、一端铰支 (一端固定、一端自由（ ，两端铰支（ 几种 。数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母本身的刚度之外，滚珠丝杠正确的安装和精度。通常都适当加大和机床结合部件的接触面积，以提高螺母座的局部刚度和接触强度，新设计的机床在工艺条件允许时，常常把螺母座或支撑座与机床本体做成整体来增大刚度。 1)支承形式。采用一端固定、一端铰支（ 支承形式，其特点如下： 1需要保持螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺困难。 2压杆稳定性和临界转速高。 3丝杠有热膨胀的余地。 4适用于较长的卧式安装丝杠。 18 珠丝杠轴端的形式 滚珠丝杠采用一端固定、一端铰支的支承形式。下面详述这两种支承方式的轴端形式及尺寸。 定了公称直径为 1663荷钢球圈数不大于 5圈的滚珠丝杠固定式轴端形式及尺寸，形式和尺寸分别见表 2图 2固定式轴端形式 表 2公称直径 1663滚珠丝杠固定式轴端形式及尺寸 公称直径端部尺寸 d M 1 键槽 螺纹代号（ 6g） 宽度 深度 t 长度 l 公称直径 （ 公称尺寸 （ 20 2 60/71 18 111/122 4 5 32 6 72/87 26 139/154 5 2 轴端部尺寸 19 e 轴端内六角 轴端外六角 轴承型号 1 2 e2 s2 m S H 2+1 7 22 7602015 2+3 27 30 7603020)滚珠丝杠铰接式轴端形式。滚珠丝杠铰接式轴端形式和尺寸分别见表 2 图 2 铰接式轴端形式 表 2滚珠丝杠铰接式轴端尺寸 工程直径 轴端部尺寸 轴承型号 d1 1 m L 20 15 4 5 80302 32 20 19 7 80304 （ 2）滚珠轴承的选择。丝杠轴承的载荷主要是轴向载荷，径向除丝杠重力外，一般无外载荷，对丝杠轴承主要要求轴向精度和刚度较高，摩擦力矩尽量小。 固定支承采用的有 60向推力角接触球轴承、圆锥滚子轴承、滚针轴承和推力轴承等，他们的特点及应用见表 2 表 2丝杠常用轴承的特点及应用 滚动轴承类型 轴向刚度 轴向安装 预载调整 摩擦力矩 应用 60大 简单 不需要 小 应用广泛，刚度 要求变动场 20 合 双向推力角接触球轴承 中 简单 不需要 小 轴承刚度要求较高的场合 圆锥滚子轴承 小 简单 内圈间有隔套时需要调整 大 轴承刚度要求不高的场合 滚针轴承和推力滚子轴承组合 特大 简单 不需要 特大 用于大牵引力、高刚度的大型机床 深沟球轴承和推力轴承组合 大 复杂 麻烦 小 应用较少 根据表 2铰支端要求轴向刚度大，可选用深沟球轴承，固定支承可选用 60特点： 1） 接触角大、钢球数多、承载能力强、刚度高。 2） 既能承受轴向载荷，也能承受径向载荷，支承结 构可以简化。 3） 轴承是按规定的预紧力供应的，使用者不需要自己调整。 4） 轴承启动摩擦力矩小，降低丝杠副驱动功率，提高进给系统的灵敏度。 6 伺服系统的改造设计 制系统的选择 按控制方式分类，控制系统分为开环控制系统、半闭环控制系统、闭环控制系统。开环控制系统与其他两种控制系统相比有成本低、结构简单的优点，虽然开环系统的精度已经满足不了数控机床日益提高的对控制功率、快速运动和加工精度的要求，但由于近年来发展了步进电机的细分技术，出现了专用的细分功率驱动模块，步进电机在低转矩、高精度、速度中等的小型设备的 驱动控制中得到了广泛的应用，特别是在微电子生产设备中充分的发挥了他的独特优势。 开环控制系统主要是由驱动控制环节（环形分配器和加减速电路）、执行元件（步进电机）和机床（滚珠丝杠、工作台等）三大部分组成。开环系统的指令信号单方向传送，并且指令发出后，不再反馈回来，故称为开环控制系统。其驱动电机采用步进电机，控制电路每变换一次指令信号，步进电机就旋转一个步角距，通过齿轮、丝杠传动使工作台移动一定距离，该距离成为脉冲当量。步进电机的旋转速度取决于指令脉冲的频率，转角的大小由指令的脉冲数来决定。 步进电机有以下特点 ： 1） 能方便地实现调速以及正反转和启停控制，启停时间短。只要控制输入脉冲的数量、频率及电机绕组通电相序，便可获得所需的转角、转速、及运转方向，在一定的频率范围内，改变各相绕组的接通次序即可实现正反转，各种运行方式都能实现任意的改变，且不会丢步。 2） 输出转角的精度高，无积累误差。步进电机采用脉冲数字信号进行控制，每转 21 一转步距，误差自动为零。 3） 转动惯量小，响应快。 4） 输出角与输入脉冲严格成比例，且在时间上同步。步进电机的步距角和旋转速度不受各种干扰因素，如电压、电流、波形、温度等的影响。 5） 维修方便，寿命长。 向步进电机的计算与选择 步进电机是一种用脉冲信号控制的电动机。在负载能力及动态特性范围内，步进电机将来自数控装置的进给脉冲输出，步进电机的角位移与控制脉冲数成正比，转速与控制脉冲频率成正比。因此，步进电机已成为经济型数控机床中最主要的一种伺服动力元件。 载转动惯量计算 折算到电动机轴上的转动惯量按下式估算： i 22 321 )1 8 0( 式中： 折算 到电动机轴上的转动惯量（ kg/ 1J 齿轮 kg/ 2J 齿轮 kg/ 3J 滚珠丝杠的转动惯量（ kg/ 估算参数 对 于钢的圆柱形零件，其转动惯量按式估算 ,由式可得： 410 2=410 48 2 3=410 120 2)180( = 0 0) 0( i 22 321 )1 8 0( =22 种工况下转矩计算 1）负载转矩计算及最大静转矩据能量守恒，电动机等效负载转矩由式可得： 060 9 5 23 m=m 若不考虑启动是运动部件惯性的影响，则启动转矩由式，其中安全系数取 得： m = m 中 =： m 2）快速空载启动时所需转矩 T：因数控机床对动态性能要求较高，去顶电动机最大静矩时，应满足快速空载启动时所需转矩 T 的要求。 当工作台快速移动时，电动机的转速可由下 式计算： 6 0m a x P 416.7 r/式可求出中 t=25 = m 由此可得： 2 0o i = m 同理可得， F0= ，则： 0T= 2 00o i = m 由式可得： m a x m 3）快速移动时所需力矩快T。可由下式得： 快T = 摩T= 0f m 4）最大切削负载时所需力矩切T。可由下式求得： 23 切T=0f 2X m 从上面计算 可以看出：快速空载启动所需转矩 T、快速移动时所需力矩 T 快 和最大切削负载是所需力矩 T 切 三种情况下，快速空载启动时所需转矩 以，以此项作为初选步进电机的依据。 进电机的选择 1）步进电机最高工作频率可由式求得： 1000 2/60 z= z 根据计算数据，最大静转矩 m， 快速空载启动时所需转矩 T= m，步进电机最高工作频率z，选用步距角 据以上数据，选用 2） 反应式步进电机的主要参数见表 2 表 2反应式步进电机参数 型号 相数 额定电压 /N 静态电流 /A 步角距 （ O） 保持转矩 最大静转矩 空载启动频率/载运行频率/10 80 6 500 7000 动器的选择 由 控系统适配的驱动装置有： 据驱动器同时要和数控系统及 X、 Z 轴电动机匹配的原则， X、 以在这里应选用 又因为在伺服系统的改造部分选用的是 110、 以选用 列中的 驱动器。 (1) 1） 可靠性高。数字技术和单片机的应用，使得驱动器线路简单可靠；合理的结构设计，使得整机结构紧凑防护性能好。 2） 低速性能好。引入单片机进行软环分及矢量细分，实现 1:1平滑细分及 5、 10、20倍矢量细分，使得步