两轴实验型数控系统的总体设计(毕业论文+全套CAD图纸)(答辩通过)

充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 山东理工大学 毕业设计（论文） 题 目： 实验型两轴数控 系统的 设计 学 院： 机 械 工 程 学 院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名 ： 王 婧 指导教师 ： 张 海 云 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 毕业设计（论文）时间： 2006 年 4 月 3 日 6 月 12 日 共 11 周 摘 要 论文介绍了两轴实验型数控系统的设计。通过对各种实验型设备的调研，了解到现阶 段我国用于实验型设备的数控系统设备的台套种类、数量与学生规模反差较大的现况， 设备落后， 加之由于各种客观和主观的原因，全国大专院校机电类学生工程实践能力普遍较差，其动手能力与理论更是难结合在一起，严重影响到实训、培训效果。 主要成果是： 本设计 对已有的设备进行分析，结合实际教学要求，进行各零部件的设计计算，并最终进行校核。该设备可主要应用于高校及职业技术学校中相关专业的数控教学，它具有体积小、价格低、功能完善、安全系数高、性能优越等系列优点；在设计过程中，同时进行了电器方面的改进，主要应用 PLC 进行控制，引 入了数控部分，采用步进电动机，齿轮变速机构，安装了变频器、步进驱动器等设备。通过弱电控制强电，计算机数字化控制电路，并成功地实现了工作要求，使其具有能控制各进给方向电动机启停、正反转、变频调速、两轴联动等功能。在机械部分设计过程中，尽量考虑节约成本和可互换性，在保证 X、 Y 进给选用相同的步进电机、滚珠丝杠等零部件。 关键词： 数控铣床，两坐标，实验型 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 Abstract This paper introduces the two coordinate Numerical control milling machine tool design. Study on the Numerical control milling machine tool of the excited states, Know that the total situation is, a interplanting of the numerical control equipment, quantity and students scale have relatively large contrast. The machine that used can not catch up with the need, As well as other course, Students few can move the cell-phone independently , influence training in fact , result of training seriously. The main results is:First , by doing ansys of the machine excited, connecting to the requires in the study. Do the design of some parts and recheck again. Teaching person who test miniature numerical control milling machine apply university and vocational technical school numerical control teaching and numerical control of workers of relevant speciality train mainly. It has small , the price is low , high , such serial advantages as performance is superior of safety coefficient with perfect function.Second, In the numerical control transformation process, also do the electronic machines transformation and the research, the machine mainly controlled by the PLC, increases the primary device, to the machine part, the electricity has partially carried on the optimized design, introduced the numerical control to be partial, uses step-by-steps the electric motor, the gear changing organization, VFO and the step motor driver and so on. the weak electricity controlled the strong electricity, the computer numerical control electric circuit, successfully has realized the modification requirement, enable it to have the act, rotate one side and other side, the speed changed by VOF, and so on the function. In the machine part design process, Also consider the money and retransferability, make the same the step motor and the ball screw shaft and some other parts. 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 Key words: Numerical control milling machine, miniature, two coordinate. 第一章 目 录 摘 要 . I ABSTRACT（英文摘要） . II 目 录 . III 第一章 引 言 . 1 1.1 课题的背景 . 1 1.2 课题的意义 . 2 第二章 两轴实验型数控系统的总体设计 . 3 2.1 数控系统 总体方案的设计 . 3 2.2 两轴实验型数控系统的方案拟定 . 3 2.3 方案的比较与选择 . 4 2.4 两轴实验型数控系统的方案拟定 . 4 第三章 机械部件的计算和选择 . 5 3.1 切削力的计算 . 5 3.2 机械构件的选择 . 8 3.2.1 电动机的选择 . 8 3.2.2 丝杠的选择 . 12 3.2.3 轴承的选择 . 17 3.2.4 导轨的选择 . 18 3.2.5 联轴器的选择 . 21 3.2.6 传 动装置的选择 . 21 3.3 Y 轴进给系统设计实例 . 26 第四章 虚拟样机的制作 . 27 4.1 微型数控铣床部分零件图 . 27 4.1.1 减速箱齿轮 . 27 4.1.2 工作台 . 28 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 4.1.3 滚珠丝杠 . 28 4.1.4 套筒式联轴器 . 29 4.1.5 横梁 . 29 4.1.6 滚动轴承 . 30 4.1.7 轴 . 30 4.2 两轴实验型数控系统总装配图 . 31 第五章 控制系统 . 32 5.1 步进电机驱动器的选择 . 32 5.2 变频器的选择 . 35 5.2.1 外部结构 . 36 5.2.2 运行方式 . 37 5.3 定位模块的选择 . 37 5.4 其他辅助电路的选择 . . 38 5.4.1 越程报警电路 . 38 5.4.2 掉电保护电路 . 38 结论 . 41 致谢及声明 . 42 参考文献 . 43 买文档送全套图纸 扣扣 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 第二章 引 言 1.1 课题的背景 我国 NC 机床的消费量在全世界仅次于美国和日本，居第三位。我国机床工业已基本形成门类较齐全的生产科研体系，数控机床是现代基础机械代表产品。 NC 机床是机床制造技术、微电子和计算机技术三者相结合的产物。 NC 机床的性能水平主要取决 与 NC 系统的先进性。近年来，随着国外高档 NC 机床产品的进口和国外 NC 技术 的引进，我国的 NC 机床生产取得了长足的进步。 进 入 21 世纪 ,我国机床制造业既面临着提升机械制造业水平的需求而引发的制造装备发展的良机 ,也遭遇到加入 WTO 后激烈的市场竞争的压力。从技术层面上来讲 ,加速推进数控技术将是解决机床制造业持续发展的一个关键。 数控机床及由数控机床组成的制造系统是改造传统产业、构建数字化企业的重要基础装备，它的发展一直备受人们关注。数控机床以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、 敏捷 而多样化的功充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 能引 起世人瞩目，它开创了机械产品向机电一体化发展的先河，因此数控技术成为先进制造技术中的一项核心技术。另一方面，通过持续的研究，信息技术的深化应用促进了数控机床的进一步提升。 在发达国家，数控机床已经大量普遍使用。我国制造业机床数控化率不到 002 ，而且，对现有的为数不多的数控机床也未能充分利用。原因是多方面的，数控人才的匮乏是其主要原因之一。尤其迫切需要大量的从研究开发到使用维修的各个层次的技术人才。 我国经济快速发展。逐步成为世界制造中心 进入新的世纪以后，随着我国综合 国力的进一步增强和加人世界贸易组织 WTO ，我国经济全面与国际接轨，并正在成为全球制造业的中心，大批跨国企业抢滩登陆在国内高起点设厂、将生产加工向中国转移；国内制造企业更是背水一战。大举通过信息化、广泛应用现代制造技术积极参与国际竞争，我国制造业进入了一个空前蓬勃发展的新时期，这必然对掌握现代信息化制造技术的技术人才、特别是对大量的一线技术工人形成了巨大需求。 近年来，由于受数控人才需求的拉动，各校均建有不同规模的数控实训基地，有的是规模大、设备种类多的实训中有的是设备 种类和数量相对较少的实验室。有的学校实训基地以普通加工设备配进口数控系统为主有的学校以教学型数控设备为主。总的情况是，数控设备的台套种类，数量与学生规模反差较大。 用于教学实验的设备更是落后， 加之由于各种客观和主观的原因，全国大专院校机电类学生工程实践能力普遍较差，其学习和研究工作偏向计算机化、软件化，动手能力与理论更是难结合在一起。 严重影响实训、培训效果。 1.2 课题的意义 通过对实验型两轴数控系统的设计，要求学生能够综合运用所学过的数控技术、微机原理与接口技术、软件程序设计、工艺等知识，掌握数控机床机 械结构设计计算及控制系统的设计开发过程。重点掌握步进电机驱动、控制系统的设计开发过程，机床工作台及其相应的充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 夹具及机床配件设计。为毕业后从事机械电子设备的研制和使用打下良好的基础。 第三章 两轴实验型数控系统的总体设计 2.1 数控系统 总体方案的设计 主要包括以下几个方面 ： （ 1） 运动功能设计 。包括确定机床所需运动的个数、形式（直线运动、回转运动）、功能（主运动、进给运动、其他运动）及排列顺序，最后画出机床的运动功能图。 （ 2） 基本参数设计 。包括尺寸参数、运动参数和动力参数设计。 （ 3） 传动系统 设计 。包括传动方式、传动原理图及传动系统图设计。 （ 4） 总体结构布局设计 。包括运动功能分配、总体布局机构形式及总体结构方案图设计。 （ 5） 控制系统设计 。包括控制方式及控制原理、控制系统图设计。 根据前面所提到的数控机床应满足的基本要求就可以进行总体设计 。充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 在各项基本要求中以工艺要求最为重要。由工艺要求决定机床所需要的运动。完成每个运动又有相应的功能部件。这就可以确定各部件的相对运动和相对位置关系。机床的总体布局也就可以大体确定下来。 因此，总体方案设计是一项全局性的设计工作，直接影响机床产品的结构、性能、 工艺和成本，关系到产品的技术水平和市场竞争能力。 2.2 两轴实验型数控系统的方案拟定 对教学试验型微型数控铣床的设计，一方面，要求其功能完善、结构开放，具有与一般生产型数控铣床一样的工作原理和工作性能；另一方面，要求其体积小、价格低，有利于此类铣床的普及推广。所以本课题的设计主要是两个方面： 其一：机械结构的设计；其二：控制系统的设计。 这里有两个方案： 方案一、采用减速箱，并对滚珠丝杠进行两端支撑； 减速箱采用圆注齿轮变速，这种方案可以通过增加减速箱，达到：1.增大转动扭矩； 2.提高脉冲当量； 3.匹配惯量。 对滚珠丝杠进行两端支撑，可以尽量减少由于一端支撑，可能产生的弯曲，减少误差，提高精度。 方案二、直接采用套筒式联轴器连接步进电动机和滚珠丝杠，对滚珠丝杠进行一端支撑。 该设计结构简单。 2. 方案的比较与选择 方案一、 由于切削石蜡 、塑料等材料，根据计算切削力较小，选用步进电机，脉冲当量为 2mm/ min，采用减速向变速，传动比选用 1.25，通过计算可以提高脉冲当量为 1.02mm/min。对滚珠丝杠采用两端支撑，可以提高滚珠丝杠的刚度，提高滚珠丝杠寿命。 方案二、直接采用套同式联轴器联接电动机轴和滚珠丝杠，精 度不高，电机功率太小， 直接带动滚珠丝杠在长时间工作时 ，对步进电充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 机损耗较大。采用一端支撑，会导致滚珠丝杠产生挠度，影响滚珠丝杠的刚度，从而影响其寿命。 根据实际工作要求 ，考虑其工作寿命，最终选择地一种方案：采用减速箱，并对滚珠丝杠采用两端支撑。 2.4 两轴实验型数控系统的方案拟定 教学试验型微型数控铣床的总体长为 300mm，宽为 180mm，高为400mm，工作台宽度 180mm，长 180mm。可以实现 X 轴、 Y 轴和 Z 轴三坐标联动。 X 轴、 Y 轴的进给是通过电机带动丝杠，丝杠又与螺母传动来实现。电机与丝杠的连接可以通 过销钉来达到。在传动过程中电机带动丝杠做旋转运动，螺母沿导轨做水平移动，从而带动工作台运动。Z 轴的进给也是通过电机带动丝杠，丝杠又与 Z 轴螺母传动来实现。主轴套与 Z 轴螺母相连，在传动过程中电机带动丝杠做旋转运动，螺母沿导轨做上下移动，从而带动主轴做上下运动。 控制系统部分：通过采用三菱公司的 FX2N 系列单片微机构成的控制系统来实现对步进电机的启停、正反转、两轴联动和变频调速的控制，从而实现加工过程的自动控制。其中重点是确定硬件电路的总体方案和软件设计，主要有：存储器扩展电路设计，输入输出接口电路设计，步进电机 接口和驱动电路（光电隔离电路，功率放大电路），其他辅助电路（时钟电路，复位电路，越界报警电路，掉电保护电路等等），流程图的绘制和程序的书写。 由此，可以大体画出整体结构的系统方案图图 1： 键盘输入 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 图 1 总体框图 第四章 第三章 机械部件的计算和选择 3.1 切削力的计算 该实验型数控实训设备 ，主要用来模拟加工，工件材料是石蜡或塑料， X、 Y 向形成均为 200mm，根据查阅机床设计手册，因没有石蜡和塑料的铣削公式，所以在查阅手册时，以图表中最软的材料为依据进行 参数的选择。 Z 轴 铣削工作时铣削力的计算： 现以刀具材料为高速钢，工作材料为碳钢进行计算。 1. 最大铣削直径 dmax =10mm.最小直径 d min =4mm 由实用机床手册 Pm =FZ V/60000 FZ =642ap a0.72r a 0.86W d 0.860 ZK FZ K FZ =K MFZ K RFZ K KFZ 其中 K MFZ =（ b /0.638） 0.3 =0.982 d0 =400 (10-4)X(1590-397)=2 MCS-51 接口电路 驱动电路 数据显示 传动机构 工作台 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 高速钢铣刀 r0 =150 ,前角系数 K RFZ =0.92 主偏角 kr =750 K KFZ =1.0 aW =8mm ar =0.080.05mm/Z 取 ar =0.05mm/Z ap =4mm 齿数 Z=4 d0 =6mm FZ =642 4 0.05 0.72 80.86 6 0.86 4 0.903=2773N V= d0 n/1000=3.14 2 400/1000=2.52 pm= FZ V/60000=2773 2.512/60000=0.17KW 选电动机时按铣削计算。 3.选主电动机时： 因为铣削最大的切削力为： FZ =642 4 0.05 0.72 80.86 10 0.86 4 0.903=832.03N V= 10 1590/1000=49.9m/s pm = FZ V/60000=832.03 49.9/60000=0.69KW pm = pm /0.88=0.69/0.88=0.79KW 所以选电动机为 pm =1.1KW 型号： Y90S 4 型 2. X、 Y 轴铣削工作时铣削力的计算 其中主转动中主轴功率 N 主 =0.79KW.则 =0.79/1.1=0.718 电动机的额定功率 N 机 =1.1KW。铣削力同样遇刀具材料、被铣削工件的材料、切削量等因素有关，现以刀具材料为高速钢，共建材料为碳钢进行计算。 主转动功率包括切削功率 N 0 ，空载功率 N 0m ，附加功率 N mc 三部分，即： N= N 0 + N 0m + Nmc ，一般轻载高速的中、小型机床中， N 0m =0.5N/(2- )N c ，故总功率为： N= Nc +0.5 N0 +（ 1-） N c ， Nc =0.5N/(2- )，再进给传动中切削功率： N ct =K 0.5N/(2- )， N ct =0.85 0.5充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 1.1/(2-0.718)=0.36KW 切削时主轴上的扭短为： Mn =974000 Nct /n 则主轴上最大扭矩为 ： Mmaxn=974000 0.36/397=883（ NCM） 铣 刀的最大直径为： 10mm。主切削力 F c =883/1=880N。铣削加工时主切削力 F c 与铣削进给抗力 F s 之间的值由机床设计手册查得 F s / F c =1.01.2，取 F s / F c =1.2。则 F s =1.2 F c =1059.6N，垂直部分力 F c 的币值为 0.750.8，取 Fz / Fc =0.8， Fz =0.8 Fc =706.4N。 3.2 机械构件的选择 3.2.1 电动机的选择 应用中的注意点 步进电机应用于低速场合 -每分钟转速不超过 1000 转，（ 0.9 度时6666PPS)，最好在 1000-3000PPS(0.9 度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。 步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。 由于历史原因，只有标称为 12V 电压的电机使用 12V 外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值 ，可根据驱动器选择驱动电 压（建议： 57BYG采用直流 24V-36V， 86BYG 采用直流 50V,110BYG 采用高于直流 80V），当然 12 伏的电压除 12V 恒压驱动外也可以采用其他驱动电源， 不过要考虑温升。 转动惯量大的负载应选择大机座号电机。 电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用 逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 度。 高精度时，应通过机械减速、提高电机速度 ,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用 5 相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少 。 电机不应在振动区内工作，如 若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。 电机在 600PPS（ 0.9 度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱 动。 应遵循先选电机后选驱动的原则。 （ 2）步进电机的选择 步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。 步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有 0.36 度 /0.72度（五相电机）、 0.9 度 /1.8 度（二、四相电机）、 1.5 度 /3 度 （三相电机）等。选用 1.5 度。 静力矩的选择 步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的 2-3 倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来。 电流的选择 静力矩一样的电 机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压） 综上所述选择电机一般应遵循步骤如图 2 所示： 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 图 2 选择电机的步骤 力矩与功率换算 步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下： P= M =2 n/60 P=2 nM/60 其 中 P 为功率 ， 单位为 瓦；为每秒角速度，单位为弧度； n 为每分钟转速 ； M 为力矩 ， 单位为牛顿 米。 P=2fM/400(半步工作 ) 其中 f 为每秒脉冲数 （简称 PPS） 。 （ 3） 混合式 步进电机 控制系统优缺点 混合式步进电机控制系统的优点正是由混合式步进电机特殊的结构所带来的，简而言之它具有稳定可靠、性能好、运行平稳等优点，以和最具有可比性的反应式步进电机系统相比为例。 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 首先，混合式步进电机系统可靠性和稳定性较高，由于驱动器是系统中可靠性最薄弱的一个部分，所以系统可靠性和稳定性 主要是由驱动器的可靠性来决定的。混合式电机转子上有永磁体，部分磁场已由转子上的磁钢产生，所以混合式电机绕组电流可以设计得比较小，而反应式电机磁场完全由绕组电流产生，故欲和混合式电机产生相同的转矩，在电机体积相差不太大的情况下，反应式电机所需电流就要大得多。在当前电力电子器件水平限制下，混合式电机的驱动器就比反应式电机的驱动器要可靠得多，同时由于大的绕组电流，反应式电机本体的发热情况也要严重的多。 实际上，为产生相同的转矩，反应式电机不仅线圈电流大，而且定子线圈匝数多，电机体积大，绕组电感也大。由于绕组电 感大，反应式驱动器必须要以高压驱动才会有比较好的高频性能，但这样驱动器的可靠性会明显变差；如果反应式驱动器取和混合式驱动器一样的驱动电压时，电机的高频转矩明显要小，这也是反应式电机系统性能比混合式电机系统差的一个重要原因。 混合式步进电机一般步距角 较小，再加上混合式步进电机共振区不明显，振荡较小，在控制步进电机升降频规律一致的情况下，运行要比反应式步进电机稳定。 混合式步进电机系统的缺点在于混合式步进电机的制造比较复杂，电机的成本相对较高；其次是虽然混合式步进电机共振区不明显，振荡较小，但依然影响性能 。 脉冲当量应根据系统精度要求来确定，一般取为 0.010.02mm。如取得太大，无法满足系统精度要求，如取得太小，或者机械系统难以实现，或者对其精度和动态性能提出过高要求，使经济性降低。所以根据数控钻铣床的精度要求，步进电动机脉冲当量： p =0.02/Step，步角距 b =1.80 / Step。由于无减速装置，所以由 p = b /360 0 P h 可知，滚珠丝杠螺距，即基本导程 P h =4mm。一般来讲，反应式步进电机步距角较小，运行频率高，价格较低，但功耗较大，永磁式步进电机功耗较小，断电后仍有制动力矩，但步距角较大，启动和运行频率较低，混合式步进电机由上述两种电机的优点，但价格较高。 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 考虑到该机床垂直进给 方向需用自锁机构，所以选用具有自锁功能的混合式步进电机。 （ 4） 计算选择 1. 步进电机转轴上启动力矩的计算 铣削时： Fs =26.1N, FZ =65.27N TP =36 0.01 26.1+0.03（ 300+65.27） /2 1.8 0.85=40.8 N.cm 根据以上计算可知，铣削时启动力矩远大于钻削启动力矩，为满足钻铣要求，以铣削时所需要 求为宜。由手册可知： T P /Tjm =0.866，步进电机最大静转矩 T jm = TP /0.866=40.8/0.866=47.1 N.cm 2. 确定步进电机最高工作频率 fmax =1000v max / p ， v max =0.025(m/s) fmax =1000 0.025/0.02=1250(HZ) 根据以上参数，初选混合式步进电机。 57BYGH6403 采用两相四拍的通电方式。 相数， 3；步距角， 1.80 ；电流， 2.5A；静力矩 ,110Ncm；转动惯量，280gcm2 引线数 ， 4。 接线图 图 3 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 3.2.2 丝杠的选择 1.滚珠丝杠的特点 滚珠丝杠螺母副（以下简称滚珠丝杠副）是一种新型的传动机构。具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间元件的传动机构为滚珠丝杠副。在数控机床的传动中，经常用于代替滑动丝杠，以提高传动精度。 丝杠螺母副的特点： （ 1）用 较小的扭矩转动丝杠（或螺母），可使螺母（或丝杠）获得较大的轴向牵引力。 （ 2）可达到很大的降速比，使降速机构大为简化，传动链的以缩短。 （ 3）能达到较高的传动精。用于进给机构时 ,还可兼作测量元件，通过刻度盘读出直线位移的尺寸，最小数值可达 0.0001mm。 （ 4）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠的传动效率 =0.920.96,而一般的常规（滑动）丝杠螺母副的 =0.200.40。所以滚珠丝杠的传动效率 比常规丝杠的传动效率提高了 34 倍。因此功率消耗只相当于常规丝杠螺母副的 14 13 。 （ 5）给予适当的预紧，可消除丝杠和螺母螺纹间隙，这样反向时就可以没有空程死区，反向定位精度高。与常规丝杠螺母副比较有较高的轴向精度。 （ 6）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。滚珠丝杠基本上是滚动摩擦，摩擦阻力小，摩擦阻力的大小几乎和运动速度完全无关，这样就可以保证运动的平稳性。由于滚珠丝杠基本上是滚动摩擦，与常规丝杠螺母副比较 不宜出现爬行现象，故传动精度高。 （ 7）有可逆性，由于滚珠丝杠副摩擦系数小，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以由直线运动转换为旋转运动。丝杠和螺母都可以作为主动件，也可以作为从动件。 （ 8）制造工艺复杂，滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求较高，光充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 洁度要求也高，故制造成本高。例如丝杠和螺母上的螺旋槽滚道，一般都要求磨削成型表面的。 （ 9）不能自锁，特别是垂直丝杠，由于自重惯性力的关系，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需要添加制动装置。 在设计滚珠丝杠时，首先要确定其名义直径、螺距及滚珠直径等。确定 滚珠丝杠的上述参数时，目前采用的方法是，在防止疲劳点蚀的基础上，即滚性丝杠在工作过程中受轴向负载时，在滚珠和滚道型面间使产生接触应力。在这种交变接触应力的作用下，经过一定的应力循环次数后，就要使滚珠或滚道型面产生疲劳剥伤，而使滚珠副丧失其工作性能，这是滚球丝杠副的主要破坏形式。在设计滚珠丝杠副时，必须保证在一定的轴向负载作用下，这种名义直径 D 和螺距 t 的滚珠丝杠在回转一百万转后，在他的滚道上由于受滚珠的压力而不致有点蚀现象，这个负载的最大值称为这种滚珠丝杠能承受的最大动负载。 2. 滚珠丝杠的选择计算 (1) 动载荷 Cae 的计算 Q= 3L fn fh Pmax 其中 fn 载荷系数取为 1.0， fh 硬度系数取为 1.2， Pmax 最大的工作负载 L 使用寿命 工作负载 P 是指数控机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力，他的数据可用进给牵引力的实验公式计算： 对于类似燕尾型寻轨的机床 Pmax =kPx +f (P z +2P y +G) Px X 方向的切 削力 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 Py Y 方向的切削力 Pz z 方向的切削力 G 移动部件的重量 f 导轨上的摩擦系数 k 考虑颠复力矩影响的实验系数 选用滚动导轨，在正常润滑情况下，对于类似燕尾型寻轨 k=1.4 f =0.03 由于铣削时所需切削力均大于钻削的切削力，故意下计算均按铣削设计。 在铣削过程中， P z =706.4N ， Px =0， Py =1059.6N ， G=300N Pmax =1.4 0+0.03 (706.4+2 1059.6+300)=93.7N 而 L=60nT/106 式中 n 滚珠丝杠的转速（ r/min） T 使用寿命（小时） 对于数控机床， n 一般取 1250 r/min， T 一般取 15000h， 因为 L=60 1250 15000/10 6 =1125 Q= 31125 1.0 1.2 93.7=1169N 查表初步选用的型号为 N 系列 1604-3， 3 列 Q=4612N 较为合适，这是一种内循环垫片调隙单螺母的滚珠丝杠副，其主要参数如下： 名义直径： D 0 =20mm，基本导程 t=5mm，刚求直径： D n =3.725 mm ，丝杠内径 d 2 =17.96mm ，丝杠外径 d 1 =19.4mm ，循环列数 3，额定动负载 C 0 =6367 N ，螺母外径 D=72 mm，螺母内径 D 1 =32 mm，螺母长度 L=40 mm。 (2) 校核 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 （ 1）效率计算 从机械原理中得知， 滚珠丝杠螺母副的传动效率 =tg /tg( + ) 式中： -螺纹的螺旋升角； =arctg t0D =arctg 43.14*16 =4.550 -摩擦角； 滚珠丝杠副的滚动摩擦系数 f=0.0030.004，其摩擦角 约等于 10 (tg = f=0.0030.004)。 =0004 .5 5( 4 .5 5 1 0 )tgtg =0.965 (3) 刚度的验算 数控机床的滚珠丝杠是一种精密的传动元件，它在工作负载 P 的作用下，将伸长或缩短，在扭矩 M 的作用下，将向一方或另一方扭转，这样，滚珠丝杠的螺距就要产生变化，从而影响其传动精度和定位精度，因此，滚珠丝杠应验算其满载时的变形量。 从材料力学中得知，滚珠丝杠受工作负载（轴向力） P 的作用而引起一个螺距 t 的变化量 t1 ,可按下式计算： t 1= PtEF 其中： P-工作负载； t-滚珠丝杠螺距 ； E-弹性模数，对钢而言（ E=20.1 10 6 Ncm 2 ） ； F-滚珠丝杠的横截面积（按内径而定）； t1 = 629 3 . 7 0 . 4 12 0 . 1 1 0 3 . 1 4 6 . 5 =0.14 10 7 cm 滚珠丝杠受扭矩 M 作用而引起一个螺距 t 的变化量 t 2 ，可以按下式充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 计算： t2 =2t (cm) 其中 -在扭矩 M 的作用下，滚珠丝杠每一螺距长度两截面上的相对扭转角； = CMtGJ 其中， M-扭矩（ Ncm）