CA6140横向进给滚珠丝杠的设计及安装--毕业论文.doc

CA6140 横向进给滚珠丝杠的设计及安 第 0 页 摘要摘要 I I ABSTRACTABSTRACT I I 1.1.前言前言 1 1 1.1 数控改造的现状1 1.1.1 国外的发展 1 1.1.2 国内的发展 1 1.2 数控改造的优缺点 2 1.3 数控改造的意义2 1.4 机床数控改造后的市场 3 2.2.数控改造的总体设计数控改造的总体设计 4 4 2.1 对机床的改造部位 4 2.2 进给系统的改造 4 2.3 步进电机的选取 5 2.5 减速驱动机构 5 2.6 数控系统选型 6 2.7 机械传动方式 6 2.8 驱动系统的总体设计 7 3.3.机床结构的组成机床结构的组成 8 8 3.1 滑动导轨副 8 3.2 齿轮副 8 3.3 滑动丝杠与滚珠丝杠 9 3.4 安全防护 9 4 4 课题任务课题任务 9 9 4.1 课题背景及意义.10 4.1.1 课题背景 10 4.1.2 课题意义 12 5 5 滚珠丝杠的总体设计滚珠丝杠的总体设计 1212 5.1 滚珠丝杠副的工作原理及其传动特点.12 5.2 滚珠丝杠的结构形式的选择 .13 5.3 滚珠循环方式的选择 .14 5.4 滚珠丝杠支承形式的选择 .15 5.5 滚珠丝杠副预紧方式的选择 .16 5.1.1 滚珠螺母预紧的类型及其选择 .16 5.1.2 双螺母预紧的工作原理方式 .17 5.1.3 计算切削力 .19 5.1.4 滚珠丝杠幅的选择 .19 5.1.5 滚珠丝杠副选择计算 .19 5.1.6 滚珠丝杠副的校核 .21 6 6 横向进给系统的改造横向进给系统的改造 2626 7 7 其它机械部分的具体设计其它机械部分的具体设计 3030 CA6140 横向进给滚珠丝杠的设计及安 第 1 页 7.1 对各部分的改造要求 .30 7.1.1 床身 .30 7.1.2 主轴变速箱 .30 7.1.3 挂轮箱 .30 7.1.4 刀架 .30 7.1.5 拖板 .30 7.1.6 减速齿轮箱 .30 7.1.7 伺服进给机构的设计 .31 7.2 步近电机拖动的开环系统 .32 7.3 异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统 .32 7.4 交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统 32 7.5 数控系统的选择 .32 7.5.1802C 数控系统组成 .32 7.5.2 步进电机的驱动电路 .33 7.6 电动刀架的设计.34 7.6.1 电动刀架的机械结构 .34 7.6.2 免抬式电动刀架 .34 7.6.3 电动刀架的控制电路 .36 8 8 结论结论 3737 参考文献参考文献 3838 致谢致谢 3939 CA6140 横向进给滚珠丝杠的设计及安 第 页 摘要 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。 本次设计主要是把原机床的滑动丝杠改为滚动丝杠，用步进电机来驱动通过选用最佳 减速比来降低惯性，提高传动灵敏性和降低功率，采用预紧的方法来提高传动刚度。 关键字 ：数控车床；滚珠丝杠；步进电机 CA6140 横向进给滚珠丝杠的设计及安 第 I 页 ABSTRACT It is changeable in present market demand for enterprise not to take, with keen competition environment survive and is it is it upgrade and develop new product rapidly to need to develop, meet the constant change of market demand at lowest price , the best quality , the shortest time. Ordinary lathe adapt to many variety, little to is it require numerical control lathe comprehensive numerical control technology , microelectric technique , automatic detection technique ,etc. advanced technology to produce in batches yet, is it process short run , high accuracy , form complicatedness , production cycle require the short part to suitable for most. Is it change as change part process procedure , is it act as any adjustment to the lathe to need to need only at the target of processing, so can well meet the processing demand for frequent change of the products . This design is mainly to change the sliding guide screw of the original lathe into a guide screw into and roll , with walk into electrical machinery is it urge to come , reduce the inertia through selecting the best speed ratio of reducing for use; Improve the sensitivity of the transmission and reduce the power, adopt the in advance urgent method to improve the rigidity of the transmission Key word: Numerical control lathe, ball guide screw , walk into the electrical machinery CA6140 横向进给滚珠丝杠的设计及安 第 0 页 1.前言 1.1 数控改造的现状 数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地 解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品 的加工质量，大幅度地提高生产效率。但从目前企业面临的情况看，因数控机床价格较 贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。我国作为机床大国，对普通机床数控化改 造不失为一种较好的良策。 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0.01-0.02mm，已能满足 CA6140 改造后加工零 件的精度要求。 1.1.11.1.1 国外的发展国外的发展 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、CAPP、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。 在美国、日本和德国等发达国家，它们的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，已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、Devlieg-Bullavd（得宝）服务集团、US 设 备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。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：大隈工程集团、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。 1.1.21.1.2 国内的发展国内的发展 我们国家在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后 20 年。在我国机床拥有量 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，因此每年我们都有大量机电产品进口。 CA6140 横向进给滚珠丝杠的设计及安 第 1 页 我国目前机床总量 380 余万台，而其中数控机床总数只有 11.34 万台，即我国机床 数控化率不到 3。近 10 年来，我国数控机床年产量约为 0.60.8 万台，年产值约为 18 亿元。机床的年产量数控化率为 6。我国机床役龄 10 年以上的占 60以上；10 年 以下的机床中，自动/半自动机床不到 20，FMC/FMS 等自动化生产线更屈指可数（美国 和日本自动和半自动机床占 60以上） 。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工 装备绝大多数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种装备加 工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国 内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。 所以必须大力提高机床的数控化率。 1.2 数控改造的优缺点 1.减少投资金额、缩短交货期 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。但有 些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往改造 成本提高 23 倍，与购置新机床相比，只能节省投资 50左右。 2.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。 3.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。改造的机床安装好，就可以实现全负荷运转。 4.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。 5.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。 1.3 数控改造的意义 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。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 CA6140 横向进给滚珠丝杠的设计及安 第 2 页 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。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，可对市场需求做出快速反应等等。 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。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。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，可对市场需求做出快速反应等等。 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。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 机床数控改造后的市场 我国目前机床总量 380 余万台，而其中数控机床总数只有 11.34 万台，即我国机床 数控化率不到 3。近 10 年来，我国数控机床年产量约为 0.60.8 万台，年产值约为 18 亿元。我国机床役龄 10 年以上的占 60以上；10 年以下的机床中，自动/半自动机床 不到 20，FMC/FMS 等自动化生产线更屈指可数，可见我们的大多数制造行业和企业的 生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这 CA6140 横向进给滚珠丝杠的设计及安 第 3 页 种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在 国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生 存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。 我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据 不完全统计，从 19791988 年 10 年间，全国引进技术改造项目就有 18446 项，大约 165.8 亿美元。 这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目 由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重 的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全， 维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工 艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥 应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为 能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原 因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。 这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财 富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量 资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。 2.数控改造的总体设计 CA6140 车床主要用于对中轴类、盘类以及螺纹零件的加工，这些零件加工工艺要求 机床应完成的工作内容有：刀架能实现纵向和横向的进给运动；冷却泵、润滑泵的启停； 加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个被加工螺纹的螺距或导程。这些工作内 容，就是数控化改造数控系统控制的对象。察看 CA6140 车床及有关资料，并且参照数控 车床的改造经验，确定总体改造方案为： 2.1 对机床的改造部位 纵向进给部分拆掉原机床的进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等，装上步进电机、 齿轮减速箱、和滚株杠螺母副。 、横向进给部分也用滚珠丝杠代替原来的滑动丝杠，并在 大溜板的后面安装横向齿轮减速箱和步进电机。并把原来的方刀架取掉，装上自动转位 刀架及微型电机。在主轴箱的后端用安装盘和挠性联轴节装光电脉冲发生器，作螺纹加 工用。 2.2 进给系统的改造 采用经济型数控系统对机床的纵、横进给系统进行开环控制，纵向脉冲当量为 0.01mm/脉冲，横向脉冲当量为 0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统经二级 CA6140 横向进给滚珠丝杠的设计及安 第 4 页 齿轮降速后带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向自动进给运动，刀架采用自动转换 刀架。 经济型数控机床进给传动部分改造，一般是拆除原机床坐标轴的机械传动机构，用步进 电机经齿轮机构，减速驱动滚珠丝杠，带动刀架纵向和横向移动。其框图为： 步进电机二级减速滚珠丝杠螺母工作台 纵向步进电动机固定在床身上，螺母固定在溜板箱上；横向步进电机固定在床鞍上， 螺母固定在中拖板上。 2.3 步进电机的选取 设计的第一步是步进电机的选择，通常希望步进电机的输出转矩大，启动频率和运 行频率高，步矩误差小。但是，增大转矩与快速运行存在一定的矛盾，高性能与低成本 相矛盾。因此，实际选择电机时，需要考虑各方面的因素。 首先要保证机床的定位精度，而脉冲当量直接影响机床的定位精度。脉冲当量越小， 机床的定位精度越高，但机床的快速进给速度就越小。为兼顾精度与速度的要求，应在 满足精度的条件下，选用尽可能大的脉冲当量。脉冲当量确定后，以此为依据选用步进 电机的步距角和传动机构的传动比。 2.4 滚珠丝杠副 卧式车床的进给丝杠都是滑动丝杠，即丝杠与螺母之间的摩擦为滑动摩擦。由于， 滑动丝杠螺母副的摩擦大、转动效率底。数控改造应将原机床的滑动丝杠改为滚珠丝杠 副。并且滚珠丝杠副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。 滚珠丝杠副传动的特点： 传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠副传动的效率比常规的丝杠螺母副提高 3-4 倍。因此，功率消耗只相当于常规丝杠螺母副的 14-13。 给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向是就可以消除空移死区，定 位精度高，刚性好。 启动力矩小，运动平稳，无爬行现象，传动精度高，同步性好。 有可逆性，可以从旋转运动转化为直线运动，也可以从直线运动转化为旋转运动。 摩擦性小，使用寿命长，精度保持性好。 不能自锁。 制造工艺复杂。 2.5 减速驱动机构 进给系统采用齿轮传动装置，是为了使丝杠、工作台的惯性在系统中占有较小的比 重，以实现惯性的匹配：同时可使高转速低转矩的伺服驱动装置的输出为低转速大转矩， 以适应驱动执行件的需要；另外，也便于归算所需的脉冲当量；有时也为了机械结构位 置的布局所考虑。 CA6140 横向进给滚珠丝杠的设计及安 第 5 页 由于在机械结构中增加齿轮传动，也一定程度地带来一些弊端，如增大了机械传动 噪声，降低传动效率，加大了传动间隙，使精度降低，增大机械动态响应时间和结构的 复杂性等。因此，在数控机床的结构设计中，需要综合考虑。 2.6 数控系统选型 数控系统的选择应考虑其开放性、先进性、可靠性和可维护性。采用工业微机 的开放式数控系统已成为世界数控技术的发展潮流，其性能价格比高、审计扩展 能力强、可靠性和可维护性好。近年来，我国生产的数控系统的质量和功能、可 靠性都有了很大的提高，其性能和配置优势也优于国外系统，且对用户的培训、 维护和升级服务有较大优势。 数控系统的控制方式数控系统的控制方式通常分为三种，开环控制、半闭环控 制、闭环控制。在制定机床数控化改造总体 方案时，应根据产品的加工要求， 又要考虑数控系统 的性能价格比，正确选择数控系统的控制方式。 开环控制一般是指数控坐标轴为步进电机驱动，其成本较低，但是开环控制， 比较容易丢步，低速时。有共振区，噪声大，共振点扭矩下降大；高速区扭矩下 降较大，机床快速给进指标低等缺陷。但有些数控系统将伺服驱动当作步进驱动 用，机床的位置反馈信号没有进入数控系统。这种控制方法仍属于开环控制的范 畴，因为数控系统不能监控机床实际坐标，它适用于精度要求不高的机床。 半闭环控制通常是指数控坐标轴为伺服电机驱动，它由伺服电机、检测器、比 较线路、伺服放大线路等部分组成，它根据来自检测器的反馈信号与指令信号比 较的结果来进行速度和位置的控制，对大部分数控机床来说，其检测反馈信号是 从伺服电机轴或滚珠丝杠上取得。半闭环控制已经广泛的应用在数控机床上。 2.7 机械传动方式 为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速器再传到丝杠，为保证一顶 传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为提高传动刚度和 消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也采用消除齿侧间隙的结构。系统总体方系统总体方 案框图见图案框图见图 2-12-1： CA6140 横向进给滚珠丝杠的设计及安 第 6 页 2-12-1 经济型数控车床总体方案框图经济型数控车床总体方案框图 2.8 驱动系统的总体设计 由于改造设计的是简易型经济数控，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足需 要的前提下，对于机床尽可能减小改动量，以降低成本。总体改造如图 1 所示。 Z X B b d c 2 2 2 a2 P2 A b c d1 1 1 1 a P1 D C A 6140传 传 传 传 传 传 传 传 传 传 传 C C CA6140 横向进给滚珠丝杠的设计及安 第 7 页 3.机床结构的组成 一台新的数控机床，在设计上要达到：有高的静动态刚度；运动副之间的摩擦系数小， 传动无间隙；功率大；便于操作和维修。机床数控改造时应尽量达到上述要求。不能认 为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了数控机床的要求，还应对主要部件进行相 应的改造使其达到一定的设计要求，才能获得预期的改造目的。 3.1 滑动导轨副 对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐 摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形 对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。 3.2 齿轮副 一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱中。为了保证传动精度，数控机床上使 用的齿轮精度等级都比普通机床高。在结构上要能达到无间隙传动，因而改造时，机床 主要齿轮必须满足数控机床的要求，以保证机床加工精度。本次设计中采用了双薄片齿 轮弹簧错齿调整法，如图 3.2 所示 E -E E E 图 3.2 双薄片齿轮错齿调整法 CA6140 横向进给滚珠丝杠的设计及安 第 8 页 3.3 滑动丝杠与滚珠丝杠 经济型数控车床，对于保证和提高被加工零件的精度，主要依靠两方面来实现： 一、系统的控制精度。二、机床本身的机械传动精度，数控车床的进给传动系统，由于 必须对进给位移的位置和速度同时实现自动控制，所以，数控车床与普通车床相比，应 具有更好的精度以确保机械传动系统的传动精度和工作平稳性。 数控改造对机械传动系统的要求： 尽量采用低摩擦的传动副，如滚动导轨和滚珠丝杠螺母副，以减少摩擦力。 选用最佳的降速比，为达到数控机床所需要的脉冲当量，使运动位移尽可能地加速 达到跟踪指令。 尽量缩短传动链以及用预紧的办法提高传动系统的刚度。 尽量消除传动间隙，以减少反向行程误差。如采用消除间隙的连轴节和消除传动齿 轮间隙的机构等。 尽量满足低振动和高可靠性方面的要求。为此应选用间隙小，传动精度高，运动平 稳，效率高以及传递扭矩大的传动元件从应用的方面考虑，结合目前国内大多数工矿企 业的现状，普通卧式车床改造，可以采用更换滚珠丝杠来替代元机床上的滑动丝杠。由 于丝杠传动直接关系到传动链精度。丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭 矩要求。被加工件精度要求不高时可采用滑动丝杠，但应检查原丝杠磨损情况，如螺距 误差及螺距累计误差以及相配螺母间隙。一般情况滑动丝杠应不低于 6 级，螺母间隙过 大则更换螺母。采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低，但难以满足精度较高的零件加工。 滚珠丝杠摩擦损失小，效率高，其传动效率可在 90%以上；精度高，寿命长；启动力 矩和运动时力矩相接近，可以降低电机启动力矩。因此可满足较高精度零件加工要求。 3.4 安全防护 改造必须以安全为前提。在机床改造中要根据实际情况采取相应的措施，切不可忽 视。滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特别是切屑及硬砂粒进入滚道。在纵向 丝杠上也可加整体铁板防护罩。大拖板与滑动导轨接触的两端面要密封好，绝对防止硬 质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨 4 课题任务 （1）设计题目 CA6140 普通机床数控改造与设计 -滚珠丝杠的设计 （2）课题原始参数 1. 生产纲领是：100 台 2. 是以单片机为核心的两坐标联动经济型数控系统； CA6140 横向进给滚珠丝杠的设计及安 第 9 页 3. 最小输出增量：X 轴 0.005，Z 轴 0.01； 4. 具有直线、圆弧、螺纹插补和间隙、刀具补偿功能； 5. 程序输入方式：键盘、RS-232C； 6. 图形跟踪 CRT 显示； （3）设计工作内容 具体内容为： 1. 滚珠丝杠的设计及安装 2. 绘制机床的总体装配图 3. 完成 A0 的手工绘图 2 张，A1 的 2 张及计算机绘制的图纸； 4. 绘制刀架部分零件图 完成 2 万字左右的毕业论文及设计说明书； 4.1 课题背景及意义 4.1.14.1.1 课题背景课题背景 近年来，随着数控技术及相关专业的发展，滚珠丝杠副作为一种高效、节能、高精 度、低成本的传动与定位元件已经广泛地应用于机械、航天航空、卫星、仪器仪表、核 工业等各个领域。随着现代制造技术水平的提高，数控机床、机器人等机械设备的进给 速度越来越快，必然带动滚珠丝杠副向高速化的方向发展。滚珠丝杠副产品出现了供不 应求的局面。 在数控技术方面随着现代制造技术的发展突飞猛进，一批又一批的高速数控机床应运而 生，其功能随主机的要求不断扩展提高，从20世纪4050年代的“敏捷省能传动”到70 年代“精密定位” ，再从80年代的“大导程快速驱动”到90年代后期的“精密高速驱动” ， 在这一发展过程中，产品不断升级换代，达到质的飞跃。在驱动速度不断提高并向更高 速度推进的过程中，不仅要求有性能卓越的高速主轴，而且也对进给系统提出了很高的 要求： （1）最大进给速度应达到40m/min或更高; （2）加速度要高达到1g以上; （3）动态性能要好,达到较高的定位精度。 因此为适应高速化要求（40m/min以上） 、满足承载要求且能精密定位的滚珠丝杠副 就成为能实现数控机床高速化首选的传动与定位部件。而且作为伺服进给驱动系统中的 重要执行机构滚珠丝杠副，其发展必然与具有高效快速、节省能源、零间隙高刚度 传动、跟随灵敏、不污染环境且周边环境的适应性强等特点的高速切削机床的发展同步， 将始终占据直线运动应用领域的绝大部分市场。为适应高速切削加工的要求，高性能的 滚珠丝杠副已成为滚珠丝杆副产品的发展趋势。它要求滚珠丝杠副在高速度的基础上具 有高的精度稳定性，达到高刚度、高负载、自润滑、低噪声、小温升、长寿命等性能， CA6140 横向进给滚珠丝杠的设计及安 第 10 页 这就要求滚珠丝杠副在设计、制造及试验检测技术上不断的创新。 滚珠丝杠副在高速驱动时主要存在的问题是：噪声、温升、精度。滚珠丝杠副噪声 产生的原因主要有：滚珠在循环回路中的流畅性、滚珠之间的碰撞 滚道的粗糙度、丝杠 的弯曲等。滚珠丝杠副的温升主要是由滚珠与丝杠、螺母、反向器之问的摩擦及滚珠之 间的摩擦产生的 要解决上述问题首先应从滚珠丝杠副的结构设计开始，对存在的问题采 取措施；另一方面，从工艺上解决，通过合理的工艺流程，提高产品的内质量；选取适 当的滚珠丝杠副预紧转矩；减小滚珠丝杠副的预紧转矩的变动量，使滚珠丝杠副适应高 速驱动的要求。 总之，随着社会的不断发展，用户对滚珠丝杠副的要求越来越严，要求也多样化， 促使滚珠丝杠生产厂不断提高产品质量、开发新品种，以满足用户的需求。 近年来国内外在滚珠丝杠（副）方面的发展主要在一下几个方面： 1.滚珠丝杠副在国内的发展情况： 滚珠丝杠副自1874年在美国获得专利至今已有100多年的历史，自1964年我国自行研 制出第一套滚珠丝杠副以来，在我国也有40余年的开发研制、专业生产的历史.。随着产 品应用范围的不断扩大及制造水平逐渐提高，滚珠丝杠副制造技术经历了以下几个阶段： 1.起步行业标准的制定（19641982年） ；2.发展部颁标准的形成（19821991 年） ；3.成熟国家标准的制定（19911998年） ；4.赶超世界潮流（1998年）四个 阶段。 经过近40年的发展和努力，滚珠丝杠制造行业现在已基本形成一定的规模，满足了 国内70 左右的市场需求。在滚动功能部件协会内部有20多个生产厂家，而在协会以外， 则星罗棋布大大小小有近100多个生产企业。但是在这么多的生产企业中，真正能够全规 格、大批量、完全供应所有的滚动功能部件的，又寥若晨星，屈指可数。这也就是说， 国内虽然有那么多的滚动功能部件生产厂家，但大部分仅仅生产某一类或某一类中的某 些规格。这也就造成，滚动功能部件虽然厂家众多，但绝大部分是低层次、低水平的， 很难跟上数控机械行业的快速发展。 随着科学技木的不断发展，人们对滚珠丝杠副的要求也越来越高，为了使机械产品能 实现高的定位精度且能平稳运行，这就要求滚珠丝杠副不但有高的精度，而且运转平稳， 无阻滞现象。滚珠丝杠副运转是否平稳，主要取决于滚珠丝杠副预紧转矩的变动量，不 同转速下滚珠丝杠副的滚珠链运动的流畅性不同因此，滚珠丝杠副的预紧转矩也不相 同。国际标准ISO34083-1992以及部颁标准JB3162.2-92规定了在转速为100rmin时，滚 珠丝杠副预紧转矩的允差。由于存在加工误差，如：滚珠丝杠中径尺寸全长不一致，丝 杠、螺母的导程误差，丝杠与螺母的滚道齿形误差以及螺纹滚道的粗糙度等，使滚珠丝 杠副的动态预紧转矩在丝杠螺纹全长上是不恒定的，这直接影响驱动系统的平稳性，因 而也影响滚珠丝杠剐的定位精度。因此，滚珠丝杠副预紧转矩变动量的大小是反映滚珠 丝杠副性能好坏的重要指标。 CA6140 横向进给滚珠丝杠的设计及安 第 11 页 2.滚珠丝杠副在国外的发展： 早在l9世纪末就发明了滚珠丝杠副，但很长一段时间未能实际应用，因制造难度太 大。世界上第一个使用滚珠丝杠副的是美国通用汽车公司萨吉诺分厂，它将滚珠丝杠副 用于汽车的转向机构上。l940年，美国开始成批生产用于汽车转向机构的滚珠丝杠副， 1943年，滚珠丝杠副开始用于飞机上。精密螺纹磨床的出现使滚珠丝杠副在精度和性能 上产生了较大的飞跃，随着数控机床和各种自动化设备的发展，促进了滚珠丝杠副的研 究和生产。从5O年代开始，在工业发达的国家中，滚珠丝杠副生产厂家如雨后春笋般迅 速出现，例如：美国的WARNERBEAVER 公司、GM SAGINAW 公司；英国的ROTAX公司； 日本的NSK公司、TSUBAKI公司等 4.1.24.1.2 课题意义课题意义 为了充分发挥数控系统的技术性能，确保机械传动系统的传动精度和平衡性，机 械部分采用低摩擦传动副，如滚珠丝杠等，以减小摩擦力；采用最佳的降速比，达到数 控机床所需要的脉冲当量；缩短传动链及用预紧的办法提高及传动系统的刚度；消除传 动间隙以减少反向行程误差；满足低振动和高可靠性方面的要求 5 滚珠丝杠的总体设计 5.1 滚珠丝杠副的工作原理及其传动特点 （1）工作原理 滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间放入适量的滚珠来使丝杠与螺母之间由滑动摩擦变 为滚动摩擦的丝杠传功。滚珠丝杠副在机械传动中的作用，同样是可以将旋转运动变为 直线运动，也可以将直线运动变为旋转运动。根据丝杠和螺母相对运动的组合情况，其 传动方式也是多种多样的。 滚珠丝杠副一般是由丝杠 1、螺母 2、滚珠 3 以及滚珠循环返回装置 4 四个主要部分 组成。如图 51 所示： a) 为外循环方式 b) 为内循环方式 1-滚珠丝杠 2-螺母 3-滚珠 4-反向器 图 5.1 滚珠丝杠副结构 从 5.1 可知，滚珠丝杠副就是指在具有螺旋槽的丝杠与螺母之间，连续填满滚珠作为中 CA6140 横向进给滚珠丝杠的设计及安 第 12 页 间体的螺旋传动。其工作原理如下： 当螺母 2(或丝杠 1)转动时，在丝杠与螺母间布置的滚珠 3 依次沿螺纹滚道滚动，同 时滚珠 3 促使丝杠 1(或螺母 2)作直线运动。为了防止滚珠沿螺纹滚道滚出，在螺母上设 有滚珠循环返回装置(返向器)4，构成一个封闭的滚珠循环通道。借助于这个返回装置， 可以使滚珠沿滚道面运动后，经通道自动地返回到其工作的入口处，从而使滚珠能在螺 纹滚道上继续不断地参与工作。为了消除间隙和提高传动精度及刚度，滚珠螺母常由两 段组成。 滚珠丝杠副除了上述四个部分外，还要有擦拭器，擦拭器将异物从滚珠丝杠内部的关键 部件中清除掉，并确保有效润滑。在许多应用场合，擦拭器可延长滚珠丝杠的寿命并提 高机械的可靠性。擦拭器可安装在滚珠丝杠的外部或内部。 （2 2）滚珠丝杠副的传动特点 滚珠丝杠副作为精度高的传动元件在精密机床、数控机床上得到广泛的应用，在机 械工业、交通运输、航天航空、军工产品等各个领域应用的很普遍，可用作精密定位自 动控制、动力传递和运动转换。滚珠丝杠副传动与滑动丝杠传动相比其主要特点是： 传动效率高，可达 0.90.98，平均为滑动丝杠传动的 23 倍，可节省动力 1/23/4。 有利于主机的小型化及减轻劳动强度 摩擦力矩小，接触刚度高，使温升热变形减小，有利于改善主机的动态性能和提高工 作精度； 工作寿命长。平均可达滑动螺旋传动的 10 倍左右； 传动无间隙，无爬行，运转平稳，传动精度高；具有很好的高速性能，其临界转速之 具有传动的可逆性。既可以把旋转运动变为直线运动，也可以把直线运动变为转化为 旋转运动，且逆传动效率与正传动效率相近； 已经实现系列尺寸标准化，并出现了冷轧滚珠丝杠，提供了多用途廉价产品，应用于 精度要求高的场合，节能并延长寿命； 不能自锁；抗冲击震动性能较差； 承受轴向载荷的能力差； 结构较复杂，成本较高(但结构比静压螺旋简单且维修方便)； 5.2 滚珠丝杠的结构形式的选择 对于滚珠丝杠，除螺纹滚道截面的形状不同外，各种类型的滚珠丝杠的结构基本相 同。滚珠螺母的构造主要与滚道的循环方式及预紧方式有关，且循环方式对滚珠螺旋传 动的设计、制造、精度、寿命、成本及轴隙调整均有重要影响，对滚珠流畅性能更有直 接关系。 （1）滚珠法向截面形状与特性 ( )单圆弧形 双圆弧形 ( ) 图 5.2 滚珠法向截面形状 CA6140 横向进给滚珠丝杠的设计及安 第 13 页 单圆弧滚道截面（图 5.2a）的特点是磨削滚道的砂轮成型方便，容易获得较高的精 度，滚道与滚子的接触角随初始间隙和轴向力大小而变化，不易控制，因而起传动效 率、承载能力和轴向刚度均不够稳定，影响传动精度。在施加较大的预紧力之前，丝杠 刚度很低，消隙及预紧必须采用双螺母。 应用较少。 双圆弧形滚道截面（图 5.2b）的特点是能保持一定的接触角，传动效率、承载能 力和轴向刚度比较稳定，但砂轮成型比较复杂，不易获得较高的加工精度，螺旋槽底部 不与滚珠接触，可存纳一定的润滑油与脏物，使磨损减小，对滚珠流畅有利。 适用于双螺母预紧和单螺母增大钢球预紧，以消除轴向间隙。 根据螺纹法向截面形状特点和设计要求本次设计选用双圆弧形滚道截面。可采用双 螺母垫片式消除间隙。如图 5.3 所示 图 5.3 双螺母垫片 5.3 滚珠循环方式的选择 滚珠丝杠的循环方式有：外循环和内循环。外循环分插管式和螺旋槽式；内循 环分反向器式和端盖式。 内循环使用反向器实现滚珠循环。在螺母的外侧钻孔，装上连通相邻滚道的返向器， 迫使滚珠越过螺纹牙顶进入相邻滚道。通常一个螺母上装有三个返向器，这三个返向器 沿螺母圆周错开 120，轴向间隔 4373 个导程，或装有两个返向器，返向器错开 180，轴向间隔为 32 个导程。返向器有两种形式， 圆柱凸键反向器与扁圆镶块返向 器，两种返向器相比，后者的尺寸较小，从而减小了螺母的径向尺寸，缩短了轴向尺寸， 但这种返向器结构复杂，制造困难，且不能用于多头螺纹传动。 在滚珠的循环中，滚珠在进入与离开循环返向装置时，容易产生较大的阻力，而且 滚珠在返向滚道中的运动多属于前珠推后珠的滑移运动。很少有滚动，因而滚珠在返向 CA6140 横向进给滚珠丝杠的设计及安 第 14 页 装置中的摩擦力在整个滚珠丝杠副的摩擦力中，所占的比重较大，而不同的循环返向装 置由于回珠通道连接与运动的不同， 以及回珠曲线的差异，比重也有所不同。 内循环结构，反向器尺寸，承载的钢球数减少，钢球高速时流畅性差，浮动式具有较好的摩擦特 性，预紧力矩为固定反向器的 1/31/4。在预紧时，预紧力矩上升平缓。结构紧凑，刚性好，使用可 靠，工作寿命长，但工艺性差，制造成本高。适用于各种高灵敏、高刚度的精密定位系统。重载荷、 多头螺纹、大导程不宜采用。 外循环是在螺母体上轴向相隔数个半导程处钻两个孔，孔与螺旋槽相切，作为滚珠的进口与出口， 再在螺母的外表面上铣出回珠槽并沟通两孔，并在两孔处装上挡珠器，以回珠管相连，形成一个封闭 的循环滚道，这种结构制造简单，使用广泛。但滚道与挡珠器的接缝处，难以作的平滑，影响滚珠滚 动的平稳性，并产生噪声。 外插管式结构简单，工艺性优良，承载能力大，不受导程控制，适合成批生产。回珠管可设计， 制造成理想的运动通道。滚珠循环链较长，但轴向排列紧凑，轴向尺寸小，螺母配合外径较小，制造 成本低。适用于重型载荷、高速运动几精密定位系统，在大导程、多头螺纹中显示出其独特的优点。 对于滚珠丝杠副在高速转动的情况下要求钢球的流畅性好，宜采用大导程螺纹。同时考虑到节约 成本，本次设计拟采用外循环插管式导珠管埋入式大导程滚珠丝杠。（滚珠丝杠的使用与发展趋势济 宁职业技术学院机电系 杨淑启 济宁博特精密丝杠制造有限公司 王志民机电产品市场-2005 年 7 期） 5.4 滚珠丝杠支承形式的选择 为了一般来说，一根轴需要有两个支点，每个支点可由一个或者一个以上的轴承组成。合理的支 承形式应考虑轴在可及其中有正确的位置，防止轴向窜动以及轴承受热膨胀后不致将轴承卡死等因素。 满足高精度、高刚度进给系统的需要， 除了应采用高精度、高刚度的滚珠丝杠副外，还必须充分重视支承的设计。滚珠丝杠采用两端固 定支承比一端固定一端自由有更大的安全性和更大的临界速度(相差值为67倍)和更高的刚性(34倍)， 所以采用两端固定支承方式，并保证两端支承座孔和螺母座孔的精度和同轴度。 两端固定支承方式的特点是： 1)需保持螺母与两端支承同轴，故结构复杂，工艺教困难； 2)轴向刚度只要轴承无间隙，丝杠的轴向刚度为一端固定的 4 倍 3)丝杠一般不会受压，无压杆稳定问题，固有频率比一端固定要高 4)可以预拉伸，预拉伸后可减少丝杠自重的下垂和补偿热膨胀，但需要一套预拉伸 的机构，结构及工艺都比较复杂 5)要进行预拉伸的丝杠，其目标行程应略小于公称行程，减小量等于拉伸量 6)适用于对刚度和位移精度要求高的场合，适用于较长的丝杠安装 7)丝杠的静态稳定性和动态稳定性最高，适用于高速回转 支承形式如图 5.4 所示 CA6140 横向进给滚珠丝杠的设计及安 第 15 页 F F Lc 图 5.4 两端固定的支承形式 5.5 滚珠丝杠副预紧方式的选择 5.5.15.5.1 滚珠螺母预紧的类型及其选择滚珠螺母预紧的类型及其选择 滚珠丝杠副除了对本身单方向的进给精度有要求外，对其轴向间隙也有严格的要求， 以保证反向传动精度，滚珠丝杠副的轴向间隙，会造成滚珠丝杠副起动、停止，以及受 冲击载荷时运动的不稳定，反向时有空行程，影响传动精度与定位精度，滚珠丝杠副的 轴向间隙，是负载的滚珠与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量与螺母原有 间隙的总和。要做到完全消除间隙是比较困难的，通常采用双螺母预紧的方法，把弹性 变形量控制在最小限度内。目前制造的外循环单螺母的轴向间隙较大，而双螺母经过预 紧后，基本上能消除轴向间隙。应用此结构时，应注意通过预紧力产生预拉变形以减少 弹性变形所引起的位移时，该预紧力不能太大，否则会引起驱动力矩较大，传动效率降 低，使用寿命缩短。 由于双螺母结构预紧力的施加是通过调整两个螺母之间的轴向位置。使两螺母中的 滚珠在承受工作载荷前，分别与丝杠滚道的两个不同侧面接触。只使滚珠和滚道圆弧面 间产生一定的接触压力-得到一定的预变形。通过产生预变形，就可达到消除轴向间隙， 提高滚珠丝杠副的轴向刚度的目的。目前，按照使两个螺母产生轴向位置变化方法的不 同，有多种调整预紧方式，如垫片调隙式、螺纹调隙式、齿差调隙式、对旋调隙式。其 特点如下： （1）垫片调隙式。 通常用螺钉来连接滚珠丝杠副两个螺母的凸缘，并在凸缘间加垫片，通过调整垫片 的厚度，来使螺母产生轴向位移，以达到消除间隙与产生预紧力的目的。这种结构需要 修磨垫片厚度，使螺母产生轴向位移。分别有拉伸预紧和压缩预紧两种预紧方式，前者 采用较多。 这种结构的特点是结构简单，可靠性