CA6140型车床的数控化改造优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴.pdf

分类号： th122单位代码： 10431 密级：学号： 2009086 工工程程硕硕士士学学位位论论文文 ca6140 型车床的数控化改造 作者姓名王国明 工程领域机械工程 所在学院机械与汽车工程学院 指导教师姓名朱泽平 专业技术职务教授 2012 年 05 月 18 日 分类号： th122单位代码： 10431 密级：学号： 2009086 工工程程硕硕士士学学位位论论文文 ca6140 型车床的数控化改造 作者姓名王国明 工程领域机械工程 所在学院机械与汽车工程学院 指导教师姓名朱泽平 专业技术职务教授 2012 年 05 月 18 日 athesis submitted for theapplication of the project masters degree the nc reform of ca6140 type lathe candidate:wang guoming specialty:mechanical engineering supervisor:professorzhu zeping shandong institute of light industry, jinan, china may, 2012 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文中引用 他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上已属于他人的 任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果，与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 论文作者签名：日期：年月日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工业学 院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，本人离校后发表或 使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为山东轻工业学 院。 论文作者签名：日期：年月日 导 师 签 名：日期：年月日 山东轻工业学院硕士学位论文 1 目录 摘要. abstract. 第 1 章 绪论.1 1.1 本论文研究背景.1 1.1.1 普通车床数控化改造的背景.1 1.1.2 普通车床数控化改造发展趋势.1 1.1.3 普通车床数控化改造的价值与必要性.2 1.2 本论文构思.3 1.2.1 本论文构思的来源.3 1.2.2 本论文研究目的及意义.3 1.2.3 本论文的构思与实施方案.3 第 2 章 机械部分的设计与改造.5 2.1 车床机械结构的设计改造.5 2.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型.5 2.2.1 滚珠丝杠的特点.5 2.2.2 纵向滚珠丝杠副的选择与校核.6 2.2.3 横向滚珠丝杠副的选择与校核.13 2.3 减速箱体的设计.18 2.3.1 纵向进给齿轮的设计.18 2.3.2 横向进给齿轮的设计.19 第 3 章 主轴电机的设计与选择.21 3.1 主轴电机参数与型号的选择.21 3.2 主轴部分的设计与改造.21 3.3 主轴电机的校核.22 第 4 章 步进电机的设计与选择.23 4.1 步进电机的工作方式.23 山东轻工业学院硕士学位论文 2 4.2 纵向步进电机的选择.23 4.3 横向步进电机的选择.28 第 5 章 刀架结构的设计与改造.33 5.1 自动回转刀架的基本要求与工作原理.33 5.1.1 基本要求.33 5.1.2 工作原理.33 5.2 蜗杆及蜗轮的选用.34 5.2.1 传动系统的选型.34 5.2.2 由接触强度确定主要参数.34 5.2.3 蜗杆和蜗轮的主要参数设计.36 5.2.4 蜗杆轴的设计.38 5.2.5 键的选取与校核.41 5.3 蜗杆轴的设计.41 5.3.1 确定蜗轮轴的材料及许用应力.41 5.3.2 确定各轴段直径和长度.42 5.4 中心轴的设计.43 5.4.1 中心轴的材料选择和确定许用应力.43 5.4.2 中心轴的校核.43 5.5 上下端面齿盘的设计.43 5.5.1 确定齿盘的材料选择和基本参数.43 5.5.2 按接触疲劳强度进行计算.44 5.6 轴承的选用.45 第 6 章 ca6140 车床数控化改造的数控设计.46 6.1 数控车床及数控系统的概述.46 6.1.1 伺服系统.46 6.1.2 数控装置系统.46 6.1.3 编程装置.46 6.2 数控系统的硬件电路设计.46 6.2.1 数控系统的组成.46 6.2.2 单片机控制系统的设计.47 6.2.3 辅助电路的设计.50 山东轻工业学院硕士学位论文 3 第 7 章 机床的日常维护与故障分析. 53 7.1 数控化机床的日常维护.53 7.2 数控机床的常见故障.53 7.2.1 常见的数控系统故障.53 7.2.2 常见故障的调查与分析.54 7.2.3 机床数控系统故障的诊断方法.54 7.2.4 维修排除故障后的总结.54 第 8 章 结论.55 参考文献.56 致谢.59 在学期间主要科研成果.60 山东轻工业学院硕士学位论文 i 摘要 当今社会上各种机械加工业都在迅猛发展， 而车床作为一个在加工业有着不可或缺 地位的工具，也在不断向着高精度、高效率、高自动化方向发展，数控机床已经成为主 流设备，逐渐取代老旧的普通车床。而我国是一个发展中国家，由于现代工业发展的起 步较晚，技术较为落后，有着大量的老旧机床，又因其缺乏专业的维修与保养，促使机 床的工作精度大大降低。而从国外购置新型数控车床的价格又颇为昂贵，普通企业根本 无法负担，因而通过普通车床的数控化改造来改变现状。 通过将普通车床进行数控化改造， 依靠数控机床的特点， 能大大提高企业加工效率， 同时其改造费用远低于重新购置新型机床，会给企业带来可观的利润，从而带动我国工 业经济的发展。如今国外的数控化改造技术已基本形成一个产业，我国应借鉴其经验， 逐步形成一个自主的数控改造产业，大大提高我国机床的数控化率。 本论文以 ca6140 普通车床为研究对象，对其机械结构零件进行改造，形成新的进 给系统。 采用 8031cpu 为控制系统， 发出步进脉冲， 通过减速传动带动滚珠丝杠的运动， 完成纵向、横向进给运动，同时控制着刀架运动，使其变为自动化。 关关键键词词：普通车床；数控改造；步进电机；自动回转刀架。 山东轻工业学院硕士学位论文 abstractabstract various mechanical processing industry in todays society in the rapid development of the lathe as an indispensable position of the tool in the processing industry has also been toward high-precision, high efficiency, high automation direction development, nc machine tools has become a mainstream device, gradually replace the old ordinary lathe. china is a developing country, due to the late start of the modern industrial development, the technology is relatively backward, with a lot of the old machine, but also because of the lack of professional repair and maintenance, prompting the machine accuracy greatly reduced. the price of the purchase of new nc lathes from abroad they are quite expensive, ordinary companies can not afford to change the status quo, and thus through the reform of nc lathe. by ordinary lathe nc reform depending on the characteristics of the nc machine tools, can greatly improve processing efficiency, while the reform of the cost is much lower than the re-purchase the new machine will bring considerable profits, thus boosting the economic development of chinas industrial. nc transformation of the foreign technology has been basically formed an industry, china should learn from their experience, and gradually formed an independent numerical transformation of industry has greatly enhanced the rate of nc machine tools in china. in this thesis, the ca6140 ordinary lathe to reform its mechanical structure parts, and the formation of new feed system. to adopt 8031cpu control system, issued by the step pulse, slow transmission to drive the ball screw movement, to complete vertical and horizontal feed motion while controlling the turret movement to make it into the automated. keywords： ordinary lathe; nc reform; stepper motor; automatic rotary turret. 山东轻工业学院硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1.1 本论文研究背景 1.1.1 普通车床数控化改造的背景 1797 年，英国机械发明家莫兹利创制了用丝杠传动刀架的第一台现代车床。1952 年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的 发展。 如今根据车床的用途和结构不同，主要可分为卧式车床，落地车床和立式车床。按 其各自的特点分类有普通车床、转搭车床（回转车床） 、自动车床、多刀半自动车床、 仿形车床、铲齿车床、专门化车床、联合车床、数控车床以及仪表车床。 基于现代社会计算机与数控行业的迅猛发展， 数控车床较于普通车床的优势逾为明 显，其工业生产价值与发展的必要性得到社会各界的广泛认可。因此，普通车床向数控 车床发展的趋势已为必然走势 1。 机械制造工业对于现代社会经济发展与科技发展有着无可替代的地位。 而数控机床 基于它的高精度、高生产效率、高质量以及高安全系数，在现代机械制造业中所起的作 用越来越大。加之我国目前处于工业化中期过渡阶段，机械、电子、运输、工程等一批 以轻、重工业为基础支撑的行业在市场上正在快速增长，数控机床的生产将会出现供不 应求的现象。 据相关统计，2010 年，我国数控机床全年增加 239 万台，同比增长 56%，自 2005 年以来，五年间数控机床年均增长率为 30.2%。虽然机床数量在迅速增加，但仍难弥补 企业需求的缺口。 一方面，近年来我国随着机械工业的规模不断扩大膨胀，国内中高档数控车床水平 明显进步，带动着整个数控化产业的提升，但我国数控化水平与国际化水平相比仍较为 落后。目前我国生产值数控化率在 30%左右，消耗值的数控化率还不到 50%，而一般发 达国家通常在 70%左右，并且高档次的数控化零件和配套装置只能靠进口。 另一方面，国内普通机床长期超负荷运作使用，同时又缺乏保养维修，使机床造成 磨损损坏，精度与工作效率受到严重影响。更有一大批车床都已经超过其服役年限，甚 至有不少企业从国外引进了一大批淘汰的老旧机床。 虽然一部分还能满足企业的生产要 求，但大部分因缺少备件配件、相关技术经验等因素，造成了廉价购进却只能闲置不能 发挥其应有作用的尴尬局面 2。 综合上述问题，将普通车床数控化改造是一个优化数控化产业的重要方法与决策。 1.1.2 普通车床数控化改造发展趋势 第 1 章 绪论 2 目前普通车床的数控化改造已经进入市场并占有一定地位， 根据当前计算机业与软 件开发业快速高效的发展，数控机床也将步入高速发展的队列。我国的数控机床起步较 晚，已经由成长期渐渐迈入成熟期，数控机床作为当今社会制造业加工业的重要部分， 主要应用于汽车制造业、国防制造业、造船工业、航天工业以及机械设计制造行业等。 今后数控机床技术将会继续趋于高精度、高稳定、高自动化的结果 3。其 cpu 及 控制系统也会高速高效化。数控系统群控系统也会进行调整使系统更加柔性化，从而最 大限度的发挥其效能。在制造工艺的过程中也会趋于多轴化与复杂化。自动化的发展也 会趋向自适应控制技术、专家系统指导加工和系统的自诊断技术，使系统可识别负载并 自动调整系统有关参数，使系统运行得到最佳状态。数控车床其电机也会趋向高速稳定 化，可控性也将得到改善，而设备零件工艺也将更加完善，使车床使用寿命得以大大延 长。 1.1.3 普通车床数控化改造的价值与必要性 数控机床以它公认的优越属性越来越受到各企业的青睐。数控机床与普通车床相 比，其优点主要有： （1）加工精度高， 加工质量稳定。 定位精度为0.01 毫米， 重复定位精度为0.005 毫米，适合加工或生产精度要求较高的高附加值产品。 （2） 数控车床的主传动与进给传动采用了各自独立的电机，电机可单独运动，也 可以实现多坐标的联动，轻易加工复杂曲面，能可靠的加工形状复杂的零件。 （3）数控车床一般都采用了自动回转刀架， 可在工序加工的过程中自动进行换刀， 从而高效的完成多道工序的加工。 （4） 无需人工长时间的高强度运作，在降低操作工人劳动强度的同时，一人可看 管多台机床，大大提高生产效率。 （5） 数控机床有自动监控、 自动报警以及自动补偿等自动化的运作， 安全系数高。 在价格方面，普通常见机床一般在几万到十几万，数控车床鉴于其科技含量高通常 价格为几十万到几百万不等，国外进口重型车床甚至达到上千万，普通中小企业更是心 有余而力不足。 而将普通车床数控化改造则能有效解决上述问题。同购置新机床相比，数控化改造 一般可以节省 60%80%的费用，特别对于大型和特殊机床尤为明显 4。其时间方面，普 通车床改造时间约为 2 个月左右，而大型车床改造时间远少于购置新机床的交付时间。 不仅节省大量投资还可以降低投资风险，并且这样更能充分体现客户意愿，在改造中满 足客户特别的要求。 在使用维护上，可以更快的获取最新使用的备件配件，增强设备使用与维修的主动 能力，从而提高使用年限。 山东轻工业学院硕士学位论文 3 1.2 本论文构思 1.2.1 本论文构思的来源 在当前 21 世纪这个知识爆炸的经济时代，我国一大批企业都在为迎合国际市场的 竞争而进行转型，以便融入市场经济。企业并行工作的新型组织与生产结构、可持续制 造技术、虚拟制造技术、绿色制造技术等等一系列的新兴技术理论都要投入大量的精力 去研究，并全面发展对市场的快速反应能力，开发适销对路产品，因此很难再有力量去 拥有较为全面的维修队伍，促使设备零件的维修改造变得专业化、社会化成为了不可避 免的趋势。 在国外市场，普通车床的数控化改造已成为近期发展的一个新兴产业，较为发达的 国家已经在这一行业有了一定的市场和规模 5。而我国在这一行业才刚刚起步，其技术 与专业知识与国际化水平还相差较远，但随着我国的工业经济迅速发展，业内人士也在 不停地发展与革新，相信这一产业在我国的未来将会占有着重要的市场经济地位。 1.2.2 本论文研究目的及意义 通过许多企业在应用普通车床数控化改造方面取得的成功的实例可以确切证明， 对 普通车床进行改造不仅节约大量财力与时间， 再投入使用后， 也将使生产效率成倍提高， 同时还降低了废品率，取得了较为显著的经济效益。 目前我国普通车床的数控化改造的产业结构水平偏低，从行业总体上看，虽然我国 的产业规模较为庞大，但国内的市场需求与行业的供给能力不成比例，进口机床从国外 大量涌入国内市场，这既不利于我国未来长期机械制造工业的自主发展，同时对我国在 国际上的市场竞争力产生巨大影响。 因此我国大力发展普通车床的数控化改造产业不仅 可以在国际机械工业技术领域取得重要的一席之地， 作为制造业核心支柱的机床制造业 更能给我国带来大量的经济效益，是任何行业都不可取代的。 1.2.3 本论文的构思与实施方案 本论文将会讨论把 ca6140 普通车床进行数控化改造。ca6140 型卧式车床加工的 对象主要是轴类零件和直径不太大的盘类零件，还可以加工螺纹表面。该车床的工艺范 围广，可进行多种表面加工。 其主要技术参数： 床身最大工件回转直径：400mm 刀架最大工件回转直径：210mm 主轴正转转速范围：10 1400r/min，共 24 级 主轴反转转速范围：14 1580r/min，共 12 级 纵向切削最大进给速度：0.6m/min 横向切削最大进给速度：0.3m/min 第 1 章 绪论 4 纵向刀架最大进给速度：2.4m/min 横向刀架最大进给速度：1.2m/min 6 为了在改造后车床有较高的精度和工作效率， 床身机械结构上零件的硬度以及耐磨 性起着非常重要的作用，车身上尤其是导轨的耐磨性极为重要，因此在这里我们采用粘 接剂将聚四氟乙烯导轨软带粘结在导轨上的贴塑导轨，将导轨的摩擦形式改变为铸铁- 塑料摩擦副。 将拖板整体进行改造，改造后的拖板将是数控系统的主要控制对象，其工件被加工 精度与坐标精度主要依靠拖板的运动精度与稳定性。首先，在拖板安装横、纵步进电机 作为带动整个拖板运动的动力源装置。 为了提高传动性与灵敏性并降低步进电机的功率 与力矩损失， 把原来的光杠与丝杠替换成滚珠丝杠， 以增强整个车床的稳定性和传动性。 并在传动系统的布局装置上加装减速齿轮，用来提高传动扭矩和传动精度。同时拖板上 的溜板箱也将进行改造，加装数控系统控制装置。 将原刀架改造成为自动回转刀架，通过数控系统实现自动换刀，使刀架的重复定位 精度增高，同时更为安全可靠。 合理的设计和选取数控系统，将使用 cpu、存储器、i/o 接口电路、显示器面板以 及输入键盘等， 并将数控系统与自动回转刀架和步进电机相连接， 控制整个车床运动 7。 山东轻工业学院硕士学位论文 5 第 2 章 机械部分的设计与改造 2.1 车床机械结构的设计改造 将车身原来的三角导轨改为贴塑导轨，其动摩擦系数与静摩擦系数基本相等，并且 自身就具有润滑作用，能有效降低摩擦力，使运动更加平稳、导轨耐磨性增加 8。另一 方面可以大大提高运动的减震性能以及其自身的工艺性能。 将原进给箱、溜板箱拆除，将纵向步进电机安装到原进给箱，并加装减速箱；将横 向步进电机安装到原溜板箱上，同样加装减速箱 9。拆除原来的光杠与丝杠，用滚珠丝 杠来代替，并连接到新装的齿轮箱上。使整个系统的进给运动和主传动运动不再只受主 轴电机的控制，而是由分别的步进电机控制其对应的运动。这就需要在原主轴上加装一 个脉冲发生器， 让整个运动系统之间相互联系。 并在原刀架上安装一台三相异步电动机， 控制刀具进行自动换刀 10 。 2.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 2.2.1 滚珠丝杠的特点 滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，将直线运动转化为回转运动，或将扭矩转 换成轴向反复作用力的传动元件，在各种工业设备和精密仪器中被广泛应用。滚珠丝杠 是由螺杆、螺母和滚珠组成的。其常用的循环方式主要有内循环和外循环两种。 滚珠丝杠的工作原理是在丝杠和螺母之间的回珠管中放入适量的滚珠， 将丝杠与螺 母之间内的滑动摩擦变为滚动摩擦的丝杠传动 11 。 图 2.1 滚珠丝杠工作原理图 第 2 章 机械部分的设计与改造 6 滚珠丝杠主要的特点有： （1） 高效节能。滚珠丝杠在传动系统中能达到更高的传动效率，通常的滚珠丝杠 传动效率可达 90%以上。并且与过去的滑动丝杠相比驱动力矩减为原来的 1/3，在省电 方面非常有帮助。 （2） 传动灵敏平稳。滚珠丝杠为点接触滚动摩擦，相对于滑动摩擦摩擦阻力小、 灵敏度好、启动时无颤动、低速时无爬行。 （3） 定位精度高。滚珠丝杠传动过程中升温小、可以预紧消除轴向游隙和初级弹 性形变、 可对丝杠进行预拉伸以补偿热伸长， 故可获得较高的定位精度和重复定位精度。 （4） 使用寿命长。材料均为优质合金钢，表面都通过热处理加工获得了较高的硬 度，与普通的滑动丝杠相比，使用寿命可达到其数倍 12 。 2.2.2 纵向滚珠丝杠副的选择与校核 选择滚珠丝杠主要根据滚珠丝杠副在运动中的工作载荷来确定它的型号， 而滚珠丝 杠的工作载荷就是在带动整个工作台运动时所受到的力。 因此要想确定滚珠丝杠的工作载荷就首先要分析其抵抗运动时的车削力能力。 在计算切削力之前首先确定好机床所采用的脉冲当量， 脉冲当量是用来衡量机床加 工精度的一个重要基本技术参数 13 。在这里，我们选用最常采用的纵向脉冲当量为 0.01mm/脉冲，横向脉冲当量为 0.005mm/脉冲。 车削力计算： 车削力分为 c f 、 p f和 f f三个互相垂直的分力。 c f 为主切削力， 是总切削力在主运动方向的分力， 垂直于基面， 是最大的切削分力， 其消耗功率占总功率的 95%99%。 p f为背向力（径向力） ，是总切削力在切削深度方向的分力。背向力会使机床、刀 具、夹具和工件产生变形，容易引起振动和加工误差，是设计和校核系统刚度和精度的 主要参数。 f f为进给力（轴向力） ，是总切削力在进给方向的分力，进给力作用在机床的进给 机构上，是计算和校核进给系统强度的主要根据之一。 14 其主切削力为： 根据金属切削原理的经验公式 15 ）（ndf536040067. 067. 0 5 . 15 . 1 maxc （2.1） 式中 max d床身最大工件加工直径。 同样根据金属切削原理得知 c f : p f:25. 0:4 . 0:1 f f 山东轻工业学院硕士学位论文 7 因此得）（nff21444 . 0 cp ）（nff134025 . 0 cf 由于刀架安装在拖板上面，因此当刀具受到车削力将会传递到拖板以及导轨之上， 所以拖板上受到的工作载荷与车刀上受到的车削抗力有着直接对应的关系 16 。 最大工作载荷计算： 根据上述已求结果知道各垂直分力对拖板所受的对应工作载荷。 因此，拖板上所受到的最大工作载荷为 gfkff cfm f（2.2） =1.151340+0.15（5360+1009.8） =2492（n） 式中 k在综合导轨中受颠覆力矩影响所取的实验系数，取 1.15； f导轨滑动摩擦系数，由于我们改造后为贴塑导轨，通过机械设计手册17 查得 f=0.15； g整个拖板上所有部件所受的重力，这里我们使其总质量为 100kg。 最大动载荷计算： 根据已求出的最大工作载荷，可求出最大动载荷 c mw 3 f flc （2.3） 式中 w f 运转状态系数，通常为 1.2-1.5，我们取 1.5 l工作寿命，单位为r106。 6 10 n60t l （2.4） 式中 t使用寿命，根据数控机床上丝杠普遍的使用寿命，t=15000h n丝杠的转速 0 s v1000 n l （2.5） 式中 s v 为在最大切削力情况下的进给速度，纵向最大进给速度为 0.6m/min，通常 第 2 章 机械部分的设计与改造 8 取最大进给速度的 2 1 到 3 1 ，这里我们取 2 1 。 0 l 丝杠的基本导程，取 0 l =6mm。 因此， 0 s v1000 n l =min/ r50 6 2 1 6 . 01000 6 10 n60t l 45 10 150005060 6 综上所求数据 mw 3 f flc =）（n1329624925 . 145 3 根据表 2.1，从工艺性及其经济成本，选择外循环插管式滚珠丝杠，代号为 c。 再由表 2.2 选择双螺母垫片预紧，代号为 d。 18 通过机械设计手册，根据最大动载荷以及预设导程，初选的滚珠丝杠型号为 cd4006-2.5e 左 型。 表 2.1 滚珠丝杠副不同循环方式的比较 循环方式内循环外循环 浮动式固定式插管式螺旋槽式 代号fgcl 结构特点 滚珠循环链短，反向灵活，结 构紧凑，刚性好，使用可靠， 工作寿命长，螺母配合外径较 小，扁圆形反向器螺母轴向尺 寸最短。 滚珠循环链较长， 但轴向排列紧 密， 轴向尺寸小， 螺母配合外径 较大。 刚性较差， 但滚珠流畅性 好，灵活、轻便。 摩擦力矩小小较小较大 工艺性较差差好一般 制造成本最高较高较低较低 山东轻工业学院硕士学位论文 9 表 2.2 滚珠丝杠副不同预紧类型的比较 其主要参数为： 为齿差调隙式外循环，一圈 2.5 列。 公称直径 0 d =40mm 滚珠直径 w d =3.969mm 导程 0 l =6mm 摩擦等级选用 5 级 螺纹升角为 =arctan 0 0 d l =arctan 40 6 =arctan 0.0477=2.73 o （2.6） 纵向滚珠丝杠的校核： （1）滚珠丝杠副的传动效率为 ）（ tan tan （2.7） 式中 摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数通常为 f=0.003 0.004 预紧类型双螺母齿差 预紧 双螺母垫片 预紧 双螺母螺纹 预紧 单螺母变位 导程预紧 单螺母增大 钢球预紧 代号cdlbz 滚珠螺母受 力性质 拉伸拉伸 压缩 拉伸（外） 压缩（内） 拉伸（+ph） 压缩（-ph） - 结构特点 可实现较高 精度的精密 微调， 预紧可 靠，调整方 便，结构复 杂， 轴向尺寸 偏差大， 工艺 复杂。 结构简单， 轴 向性好， 预紧 可靠， 不可调 整， 周向尺寸 适中， 工艺性 好。 使用中可随 时调节预紧 力， 但不能实 现定量调整， 螺母轴向尺 寸大。 结构紧凑、 简 单、 完全避免 了双螺母结 构中形位误 差的干扰， 技 术性强， 不可 调整。 结构简单紧 凑， 但不适宜 预紧力过大 的场合， 不可 调整， 轴向尺 寸小。 第 2 章 机械部分的设计与改造 10 取 f=0.003，则 =arctan 0.003=0.17 o （2.8） 因此， ）（ tan tan =0.9413=94.13% 由于90%，所以满足效率。 （2）刚度验算 滚珠丝杠长时间负载运动会发生轴向变形影响其精度和平稳性。 滚珠丝杠的轴向变 形主要包括丝杠的拉伸或压缩变形， 滚珠与螺纹道之间的接触变形以及支撑滚珠丝杠的 轴承的轴向接触变形，因此要进行刚度验算 19 。 丝杠的拉伸或压缩变形量 1 l l l 0 1 （2.9） 式中l每个导程在工作负载作用下所引起的变化量。 0 l 滚珠丝杠导程 l滚珠丝杠两端的支撑间距，l=1500mm。 ea lf l 0m （2.10） 式中 e钢的弹性模量e=2.0610 5mpa a滚珠丝杠截面积 21 ) 2 d (a（2.11） 1 d= 0 d +2e-2r（2.12） cos 2 e）（ w d r （2.13） r=0.52 w d（2.14） 山东轻工业学院硕士学位论文 11 式中 1 d螺纹内径 e滚珠丝杠滚道圆弧偏心距。 r螺纹滚道圆弧半径。 w d 滚珠直径 接触角，为 45 因此，r=0.52 w d =0.523.969=2.064mm cos 2 e）（ w d r =（2.064-1.9845）cos =0.056 1 d= 0 d +2e-2r=35.984mm 21 ) 2 d (a=1016.97mm ea lf l 0m =7.13710 5- mm 得出，l l l 0 1 =0.01784mm 由于丝杠两端都接触轴承，并且丝杠又进行预紧，故其抗压刚度比一般丝杠提高 4 倍。 所以， 11 4 1 =0.00446mm 滚珠与螺纹滚道间的接触变形 2 2 =0.0013 3 2 y m zfd f w （2.15） 式中 m f这里为轴向工作载荷（kgf） y f预紧力 y f= 3 1 m f= 3 1 8 . 9 2492 =84.76（n） z 滚珠数量 z =每圈滚珠数圈数列数 每周滚珠数 z= 969. 3 40d0 w d =31.6（个） z =z12.5=79（个） 第 2 章 机械部分的设计与改造 12 因此 2 =0.0013 3 2 y m zfd f w =0.0013 3 2 79 8 . 9 76.84 969. 3 8 . 9 2492 =0.0055mm 由于前面介绍对丝杠有预紧力，因此，实际变形量为 2 1 2 2 =0.00275mm 支撑滚珠丝杠的轴承轴向接触变形量 3 支撑滚珠丝杠的轴承这里我们选用 51107 型推力球轴承（旧型号为 8107 型） 。 其主要参数： 内径为 35mm 外径为 52mm 滚动体数量 18 q z 滚动体直径 q d=6.35mm 3 =0.00243 2 q 2 m d q z f =0.0024 3 2 2 186.35 8 . 9 2492 ）（ =0.0076mm（2.16） 由于施加预紧力，实际变形量为 2 1 3 3 =0.0038mm 因此，总变形量为 321 =0.01101mm0.015mm 符合刚度要求。 （3）稳定性验算。 滚珠丝杠长期受轴向力，若轴向工作负载过大，会使其产生纵向变形失去稳定性， 所以通过验算其所能承受的最大轴向载荷 k f来了解是否会产生纵向弯曲 20 。 k f= 2 2 z f l ei （2.17） 式中 z f丝杠支撑系数，由于是两端固定，所以 z f=4 e滚珠丝杠材料的弹性模量，取钢 e=2.0610 5mpa l为丝杠两端距离。 l=1500mm 山东轻工业学院硕士学位论文 13 i丝杠截面惯性矩。 1 d丝杠底径。 1 d=35.2mm i= 64 d 4 1 =75359.94（2.18） 所以最大轴向载荷 k f为 k f= 2 2 z f l ei =272386.1（n） 稳定性安全系数为 m k k f f n（2.19） m k k f f n=149.4334 由于稳定安全系数远大于许用稳定安全系数 4，所以丝杠很稳定，不会发生失稳。 2.2.3 横向滚珠丝杠副的选择与校核 横向切削端面的主切削力 c f 根据以往经验为纵向切削力的 0.5 倍 c f =0.5 c f =2680（n） 这时的进给力为 f f，背向力为 p f 根据 c f : p f:25. 0:4 . 0:1 f f f f=26800.25=670（n） p f=26800.4=1072（n） 横向滚珠丝杠的设计与选取步骤与纵向滚珠丝杠相同。 最大工作载荷的计算： gfkfff cfm 式中 k、f 与之前所求纵向滚珠丝杠工作载荷相同，取 k=1.15f=0.15 g 为横向溜板及刀架重力，g=700n gfkfff cfm =1.15670+0.15（2680+200） 第 2 章 机械部分的设计与改造 14 =1277.5（n） 最大动载荷： 根据已求出的最大工作载荷，可求出最大动载荷 c mw 3 f flc 式中 w f 运转状态系数，通常为 1.2-1.5，我们取 1.5 l工作寿命，单位为r106。 6 10 n60t l 式中 t使用寿命，根据数控机床上丝杠普遍的使用寿命，t=15000h n丝杠的转速 0 s v1000 n l 式中 s v 为在最大切削力情况下的进给速度，横向最大进给速度为 0.3m/min，通常 取最大进给速度的 2 1 到 3 1 ，这里我们取 2 1 。 0 l 丝杠的基本导程，取 0 l =6mm。 因此， 0 s v1000 n l = 6 2 1 3 . 01000 =25r/min 6 10 n60t l 6 10 150002560 =22.5 综上所求数据 mw 3 f flc = 3 5 . 221.51277.55409.8（n） 通过上面所求的道德最大动载荷以及预设导程，初选的横向滚珠丝杠型号为 cd2506-2.5e 左 型。 其主要参数为： 为齿差调隙式外循环，一圈 2.5 列。 公称直径 0 d =25mm 滚珠直径 w d =3.969mm 导程 0 l =6mm 山东轻工业学院硕士学位论文 15 摩擦等级选用 5 级 螺纹升角为 =arctan 0 0 d l =arctan 25 6 =arctan 0.0764 =4.37 o 横向滚珠丝杠的校核 （1） 传动效率 滚珠丝杠副的传动效率为 ）（ tan tan 式中摩擦角，=arctanf f滚珠丝杠副的滚动摩擦系数 f=0.003，则 =arctan 0.003=0.17 o 因此， ）（ tan tan =0.9624=96.24% 由于90%，所以满足效率。 （2） 刚度验算 丝杠的拉伸或压缩变形量 1 l l l 0 1 式中l每个导程在工作负载作用下所引起的变化量。 0 l 滚珠丝杠导程 l滚珠丝杠两端的支撑间距，l=320mm。 ea lf l 0m 式中 e钢的弹性模量e=2.0610 5mpa a滚珠丝杠截面积 第 2 章 机械部分的设计与改造 16 21 ) 2 d (a 1 d= 0 d +2e-2r cos 2 e）（ w d r r=0.52 w d 式中 1 d螺纹内径 e滚珠丝杠滚道圆弧偏心距。 r螺纹滚道圆弧半径。 w d 滚珠直径 接触角，为 45 因此，r=0.52 w d =0.523.969=2.064mm cos 2 e）（ w d r =（2.064-1.9845）cos =0.056 1 d= 0 d +2e-2r=20.984mm 21 ) 2 d (a=345.83mm ea lf l 0m =1.07610 4- mm 得出，l l l 0 1 =0.00574 mm 由于丝杠两端都接触轴承，并且丝杠又进行预紧，故其抗压刚度比一般丝杠提高 4 倍。 所以， 11 4 1 =0.001435mm 滚珠与螺纹滚道间的接触变形 2 2 =0.0013 3 2 y m zfd f w 山东轻工业学院硕士学位论文 17 式中 m f这里为轴向工作载荷（kgf） y f预紧力 y f= 3 1 m f= 3 1 8 . 9 5 .