MK8606A数控小花键磨床Y轴进给系统设计.doc

陕西理工学院毕业设计 毕业论文题目 MK8606A数控小花键磨床Y轴进给系统设计作者： 唐峰博（陕西理机械工程学院（系）机电一体化本科班，陕西 汉中 723000）指导教师 ： 摘要: 近年来随着机械工业向着高速、高效、高精度、低噪音和自动化方向发展，自动机械在各个工业部门中的作用越来越突出，由于分度机构的精度与稳定性直接影响整台机床的加工精度与效率，因此在设计过程中，分度机构的改进是一重要部分。国内外研究现状，制造技术是各国经济竞争的重要支柱之一，经济的成功在很大程度上得益于先进的制造技术，而机床是机械制造技术重要的载体，它标志着一个国家的生产能力和技术水平。机床工业是国民经济的一个重要先行部门，担负这为国民经济各部门提供现代化技术装备的任务，以1994年为例，全世界基础的消费额达261.7亿美元。其中美国的消费额56亿美元、中国33.6亿美元。所以，在我国国民经济建设中，机床工业起着重要的作用；本设计主要参考陕西汉江机床有限公司提供的MK8606A数控小花键磨床相关技术参数进行相关设计。关键词:半闭环控制，直线滚动导轨；滚珠丝杠螺母副；交流伺服电机；abstract : in recent years, with the mechanical industry towards high speed, high efficiency, high precision, low noise and develop in the direction of automation, automatic machines are playing an increasingly important role in the industrial sector, due to the precision and stability of the dividing mechanism directly affect the machining accuracy and efficiency of the machine tool, therefore in the process of design, improvement is an important part of dividing mechanism. Research status at home and abroad, manufacturing technology is one of the important pillar of national economic competition, economic success in large part thanks to the advanced manufacturing technology, the machine tool is an important carrier of the mechanical manufacturing technology, it marks the production capacity and technical level of a country. Machine tool industry is an important leading department of the national economy, and take it to the national economy departments provide the task of modern technology and equipment, in 1994, for example, the foundation of the worlds consumption of $26.17 billion. The U.S. spent $5.6 billion and China $5.6 billion. So, in the construction of national economy in our country, machine tool industry plays an important role; This design mainly refer to shaanxi hanjiang machine tool co., LTD. Provide MK8606A CNC floret key grinding machine related technical parameters for design.key words : half closed loop control, linear rolling guide. Ball screw nut pair; Ac servo motor. 目录绪论51.数控磨床概述61.1 数控机床的产生和发展61.1.1数控机床的产生61.1.2数控系统的发展61.1.3 国内数控机床的发展71.1.4 数控机床的发展趋势71.2 数控磨床床的类型及特点71.3数控磨床应用82. MK8606A数控小花键磨床总体设计92.1 MK8606A数控小花键磨概述92.2 确定机床的总体布局102.2.1机床的运动分配102.2.2机床结构布局102.2.3机床的设计步骤112.2.3机械系统的传动、支承、导向方式113. MK8606A数控小花键磨床Y轴进给系统设计133.1磨削工件时磨削力的计算133.1.1首先初步估算工作台的重量133.1.2砂轮主要结构参数选择133.1.3磨削用量选择133.1.4磨削力的计算143.2 滚动导轨选择计算153.2.1 导轨概述153.2.2滚动直线导轨副的计算163.2.3滚动直线导轨副的选用193.3滚珠丝杠螺母副的选择与计算213.3.1 滚珠丝杠副的介绍213.3.2 滚珠丝杠副的计算243.3.3滚珠丝杠副的校验264.小结31致谢32参考文献33绪论花键磨床是用按系列化标准化设计的通用部件和按被加工零件的形状及加工工艺要求设计的专用部件组成的专用机床。它是一种适用于磨削多种齿形的高精度直齿或螺旋齿花键轴、花键拉刀、塞规、滚压轮、及齿轮等工件的精密数控机床。其磨削加工原理为成形法磨削，即将砂轮轴截面截形修整为与齿轮齿槽相对应的截面，进行成形磨削加工。 MK8606数控小花键磨床是我公司为适应市场需求而推出的一种专用数控机床。12部件作为磨头的支撑部分，需要有足够的强度和刚性以及很好的抗震性和稳定性；在砂轮主轴的垂直进给中要有很高的定位精度和很好的平稳性。在12部件的设计中，首先根据机床的总体要求制定设计方案。在设计方案制定过程中，通过对机床的使用分析确定12部件最佳设计方案。在设计中确定好部件的排布方案及各种技术参数后，再选择其它各种零件，编制各零件的明细表。尽可能选用标准件和通用件，降低制造成本。需对零件的分布情况及所要达到的要求进行分析，各零件尺寸、材料、形状、硬度及加工精度和表面粗糙度等。1.数控磨床概述数控磨床是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床。大多数的磨床是 使用高速旋转的砂轮进行磨削加工，少数的是使用油石、砂带等其他磨具和游离磨料进行加工，如珩磨机、超精加工机床、砂带磨床、研磨机和抛光机等。数控磨床又有数控平面磨床、数控无心磨床、数控内外圆磨床、数控立式万能磨床、数控坐标磨床、数控成形磨床等等。1.1 数控机床的产生和发展 随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且要求频繁改型，特别是在宇航、造船、军事等领域所需的机械零件，精度要求高，形状复杂，批量小。加工这类产品需要经常改装或调整设备，普通机床或专用化程度高的自动化机床一般 不能适应这些要求。为了解决上述问题，一种新型的机床数控机床应运而生。这种新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。他综合应用电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果。1.1.1数控机床的产生世界上第一台成功研制的数控机床是一台三坐标的数控磨床，于1952年由美国帕森斯公司和麻省理工学院合作完成。早在1948年，美国在研制加工直升机叶片轮廓检查用样板的技工机床任务时，就提出了研制数控机床的初始设想。1949年，在美国空军部门的支持下，帕森斯公司正式接受委托，与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始从事数控机床的研制工作。经过三年时间的研究，于1952 年试制成功世界上第一台数控机床试验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制磨床。其控制装置由2000多个电子管组成，占用一个普通实验室那么大。这台数控磨床的诞生，标志着机械制造的数字控制时代的开始。1.1.2数控系统的发展数控机床的发展是随着数控技术的发展而发展的。数控系统的发展经历了电子管分立式晶体管小规模集成电路大规模集成电路小型计算机超大规模集成电路微机式的数控系统等几个发展阶段。 20世纪90年代以来，数控系统朝着以通用微机为基础、体系结构开放和智能化方向发展。以上的三代数控系统是由计算机硬件和软件组成，利用存储器里的软件控制系统工作，因此称为CNC系统或软件控制系统。这种系统容易扩大功能，柔性好，可靠性高。1.1.3 国内数控机床的发展中国从1958年开始研究数控技术，到20世纪60年代中期初与研制、开发阶段。1965年进入晶体管数控装置的研制。60年代末至70年代初研制成功了数控磨床。从20世纪70年代开始，数控技术在车、磨、磨、齿轮加工、电加工等领域全面展开。但由于电子元器件的质量和制造工艺水平低，致使数控系统的可靠性、稳定性问题没有得到解决，因此未能广泛推广。20世纪80年代，中国先后从日本、美国等国家引进了部分数控装置和伺服单元技术，并于1981年开始批量生产数控系统，包括数控装置和伺服单元。在此期间，中国在引进、消化吸收的基础上，跟踪国外先进技术的发展，开发出了一些高档的数控系统，如多轴联动数控系统、数字放行系统、为柔性制造单元配套的数控系统等。为了适应机械工业生产不同层次的需要，还开发出多种经济型数控系统，并得到广泛地应用。现在，中国已经建立了以中、低档数控机床为主的产业体系。 1.1.4 数控机床的发展趋势随着科学技术的发展，制造技术的进步，以及社会对产品质量和品种多样化的要求越来越强烈。中、小批量生产的比例明显增加，要求现代数控机床成为一种精密、高效、复合、集成功能和低成本的自动化加工设备。同时，为了满足制造业向更高层次发展，为柔性制造单元、柔性制造系统，以及计算机集成制造系统提供基础设备，也要求数控机床向更高水平发展。当前，数控机床技术呈现如下发展趋势。（1） 高精度化；（2） 运动高速化；（3）柔性化；（4）高自动化；（5）高可靠性；（6）智能化；（7）复合化；（8）网络化；（9）开放式体系结构；1.2 数控磨床床的类型及特点用磨料磨具（砂轮、砂带、油石和研磨料等）为工具进行切削加工的机床，统称为磨床，它们是因精加工和硬表面的需要而发展起来的1。磨床种类很多，主要有：外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、工具磨床和用来磨削特定表面和工件的专门化磨床，如花键轴磨床、凸轮轴磨床、曲轴磨床等2。对外圆磨床来说，又可分为普通外圆磨床、万能外圆磨床、无心外圆磨床、 宽砂轮外圆磨床、端面外圆磨床等以上均为使用砂轮作切削工具的磨床。此外，还有以柔性砂带为切削工具的砂带磨床，以油石和研磨剂为切削工具的精磨磨床等。磨床与其他机床相比，具有以下几个特点：1、磨床的磨具（砂轮）相对于工件做高速旋转运动（一般砂轮圆周线速度在35米/秒左右，目前已向200米/秒以上发展）；2、它能加工表面硬度很高的金属和非金属材料的工件；3、它能使工件表面获得很高的精度和光洁度；4、易于实现自动化和自动线，进行高效率生产;5、磨床通常是电动机-油泵-发动部件，通过机械，电气，液压传动-传动部件带动工件和砂轮相对运动-工件部分组成1.3数控磨床应用可以加工各种表面，如内、外圆柱面和圆锥面、平面、渐开线齿廓面、螺旋面以及各种成形表面。磨床可进行荒加工、粗加工、精加工和超精加工，可以进行各种高硬、超硬材料的加工，还可以刃砂轮具和进行切断等，工艺范围十分广泛。随着科学技术的发展，对机械零件的精度和表面质量要求越来越高，各种高硬度材料的应用日益增多。精密铸造和精密锻造工艺的发展，使得有可能将毛坯直接磨成成品。高速磨削和强力磨削，进一步提高了磨削效率。因此，磨床的使用范围日益扩大。它在金属切削机床所占的比重不断上升。目前在工业发达的国家中，磨床在机床总数中的比例已达30%-40%。2. MK8606A数控小花键磨床总体设计2.1 MK8606A数控小花键磨概述 MK8606A数控小花键磨床主要用于磨削以小径定心，截面为矩形，三角形及渐开线形的花键轴和花键拉刀的两侧面与底径圆弧面。适用于机床工具、军工、汽车拖拉机制造行业，也可用于一般工厂修配使用。本机床主要特点是砂轮主轴的垂直进给及工作台的纵、横向进给均采用西门子交流伺服电机驱动滚珠丝杆，进给速度和进给量均可通过编制程序来设定。工件头架采用台湾潭佳CNC数控分度头，用于工件的自动分度磨削，分度精度和定位精度高、可靠性和密封性能好，可持久保证工件的分度精度和加工精度。砂轮主轴功率大、刚性好、精度稳定，嵌入式电机转子直接安装在砂轮主轴上，采用交流变频方式进行调速从而获得最佳磨削参数。主轴轴承采用高精度、高刚性的进口NSK轴承。砂轮的垂直进给和磨头横向移动均采用高精度光栅全闭环控制，以保证砂轮的精确修整。机床配有强力的冷却装置，外加半封闭罩壳。机床配置了SIEMENS 802DSL高档数控系统，实现砂轮自动修整，砂轮进给，工件磨削、工件分度等功能的自动控制，具有精度好、效率高、人机对话方便简捷、维修方便、外形美观等优点，是一台较先进的精密型数控机床。机床基本规格：1.可磨花键轴直径 60mm2.最大顶尖距 550mm3.中心高 135mm4.可磨削花键齿数 任意5.磨头主轴中心线至头尾架顶尖连线的距离 0-270mm6.磨头升降速度 1-900mm/min7.工作台纵向最大移动量 700mm8.工作台纵向移动速度 1-8000mm/min9.磨头横向托板最大移动量 200mm10.磨头横向移动速度 1-1800mm/min11.头尾架顶尖锥孔 莫氏3号12.砂轮主轴转速 30-5000r/min13.磨头电机功率 7.5Kw14.砂轮外径 50-150mm15.砂轮孔径 16；2016.机床外形尺寸（长宽高） 316015002235mm17.机床总重量 约3000Kg2.2 确定机床的总体布局2.2.1机床的运动分配本课题拟解决问题的思路是参照MK8606A数控小花键磨床的总体布局、机械传动部分、进行优化组合，设计出精度高、灵活性强的立式数控磨床。2.2.2机床结构布局 机床设计的内容： 1）运动设计 根据给定的被加工零件，确定机床的磨削用量，通过分析比较拟定传动方案和传动系统图，确定传动副的传动比及伺服电机功率，并计算砂轮主轴的使用转速与标准的相对误差。（2）动力设计 根据给定的工件，初算传动轴的直径、滚珠丝杠的参数；确定电机功率；计算及设计传动路线。完成装配草图后，要验算滚珠丝杠的参数，电机功率否在允许范围内。（3）结构设计 进行主运动传动系统、变速机构、主轴、立柱等的布置和机构设计。2.2.3机床的设计步骤1.研究调查通过对机床用户的使用要求进行分析，全面调查数控花键磨床的各种技术能力和市场使用情况，然后查找各种相关资料。通过对相关资料的分析研究，并根据被加工零件图样，拟定适当的方案，以保证机床的质量和提高生产率，使用户有较好的经济效益。2.方案设计在选定方案并确定机床配置形式、结构方案基础上，进行方案图纸的设计。这些图纸包括：12部件组成各零件图、加工示意图、12部件装配图。即“三图”设计。并初步确定立柱轮廓尺寸，才能确定机床各部件间的相互关系。 3.设计技术设计是根据总体设计已经确定的“三图”来设计机床各专用部件正式总图，如12部件装配总图。设计过程中，应按设计程序作必要的计算和验算等工作，并对前面初定的数据、结构等作相应的调整或修改。4.要求国内外评价机床性能的优劣，主要是根据技术经济指标来判定的。所以技术先进合理，亦即“物美价廉”才会受到用户的欢迎，在市场上才有竞争力。机床设计的技术经济指标可以从满足性能要求、经济效益和人机关系等方面进行分析和考虑。 2.2.3机械系统的传动、支承、导向方式1.机床进给系统传动方案机床X、Y方向进给系统分别采用交流伺服电机驱动，通过电机与滚珠丝杠直接相连，将旋转运动转化为直线进给运动其传动的机械装置如图2.1所示。这种传动方案采用负载能力强的交流伺服电机，直接通过丝杠带动工作台进给，传动链短，刚度大，传动精度高，是现代数控机床进给传动的主要组成形式。图2.1 进给传动的机械装置2.机床进给系统的支承、导向方式Y方向进给系统由床身支承，采用一端固定、一端支撑的方式支承，固定端选用一对背对背安装的角接触球轴承，支撑端选用一对深沟球轴承。X方向进给系统由Y方向进给系统支承，采用一端固定、一端支撑的方式支承，固定端选用一对背对背安装的角接触球轴承，支撑端选用一对深沟球轴承。 本机床属于中型机床，导向方式采用矩形导轨，矩形导轨承载能力高，制造方便。本设计选用线性滚动导轨。3. MK8606A数控小花键磨床Y轴进给系统设计 在现代数控机床中，为得到高速下的平稳运行，并具有较高的定位精度且防止爬行，要求进给系统中的机械传动装置和元件具有较高的灵敏度，低摩擦阻力和动、静摩擦系数之差以及高寿命等特点，而滚动导轨和滚珠丝杠螺母副能较好的满足这些要求。因此本工作台的设计采用了滚动导轨加滚珠丝杠螺母副的组合。3.1磨削工件时磨削力的计算 3.1.1首先初步估算工作台的重量首先要初步估算工作台的重量及磨削工件的最大切削力才能进行设计。X轴方向移动的工作台尺寸：长宽高为900600 80 ，重量约为3302.2N，最大行程630mm ；Y轴方向移动的工作台尺寸：长宽高为300 300 80 ，重量约为550.368N，最大行程400mm ；设夹具及工件的质量约为200Kg，重量约为1960N ；则XY工作台总质量约为480.83kg，总重量约为5812.573N（包括夹具及工件）。3.1.2砂轮主要结构参数选择一般尽可能选用小直径规格的砂轮，因为砂轮直径大切磨力矩增大。3.1.3磨削用量选择磨削用量选择原则：首先应尽可能取较大的切削深度及切削宽度然后尽可能取较大的每齿进给量，最后才尽可能取较大的磨削速度。粗磨时余量大，加工要求低，主要考虑砂轮的耐用度及磨削力的影响；而精磨时余量小，加工要求高，主要考虑加工质量的提高。 1.磨削深度的选择（1）当工件表面要求的光洁度为时，通常磨削无硬皮的钢料时，；磨削铸钢或铸铁时。（2）当工件表面要求的光洁度为时，可分粗磨、半精磨、两步磨削。粗磨后留余量。（3）当工件表面要求的光洁度为时，可分粗磨、半精磨、精磨三步磨削。半精磨，精磨左右。 2.每齿进给量的选择当磨削深度选定后，尽可能取较大的每齿进给量。粗磨时限制每齿进给量的是磨削力及砂轮容屑空间的大小，当工艺系统刚性俞好及砂轮齿数愈少时，可取得愈大；半精磨及精磨时限制每齿进给量的是工件表面光洁度。光洁度要求愈高，应俞小。 3.1.4磨削力的计算磨床通常用于磨削平面和外院、内孔。.磨削力与砂轮材料、砂轮类型、工件材料的硬度、磨削宽度、磨削深度、砂轮直径有关。可按金属切削原理及应用中的公式进行计算： 磨削时.，按工件材料为的碳钢来设计。查金属切削手册，选择磨削用量为砂轮直径，砂，磨削宽度，每齿进给量，磨削深度，砂轮的切削速度。采用端面砂轮在主轴上的计算转速下进行强力切削，主轴具有最大扭矩，并能传递主电动机的全部功率。 由得： 故主切削力分解到Y方向上的分力是： 3.2 滚动导轨选择计算 3.2.1 导轨概述1. 导轨的功用 本设计的导向机构是导轨，导轨主要是用来支承和引导运动部件沿着一定的轨迹运动。本设计要求其机械系统的各运动机构必需得到安全的支撑，并能准确地完成其特定方向的运动，这个任务就有导向机构来完成。2. 导轨的分类和特点 两个做相对运动的部件构成一对导轨副，其中，在工作时固定不动的配合面称为固定导轨或静导轨；相对固定导轨作直线或回转运动的配合面称为运动导轨。根据导轨副之间的摩擦情况，导轨分为滑动导轨和滚动导轨两大类。 滑动导轨具有结构简单，制造方便，接触刚度大等优点，在机械产品中应用广泛，其两导轨工作面的摩擦性质为滑动摩擦。传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。现随着技术进步，已发展出贴塑导轨、液体静压导轨、液体动压导轨等结构形式。 滚动导轨的优点是摩擦系数小，一般在，动、静摩擦系数很接近，低速运动不会产生爬行现象，可以使用油脂润滑。滚动导轨的两导轨面之间为滚动摩擦，磨损小，寿命长，定位精度高，灵敏度高，但是结构复杂，集合精度要求高，抗震性较差，防护要求高，制造困难，成本高。它适用于工作部件要求移动均匀、动作灵敏以及定位精度高的场合。滚动导轨因其特有的优点在数控机床上的应用十分广泛，现在常用的有直线导轨副和滚动导轨块。直线导轨副一般用滚珠作滚动体，滚动导轨块用滚子作滚动体。滚动导轨块由于是线接触，其承载能力和刚度大，但摩擦力也比较高，加工装配比较复杂。 直线滚动导轨是近几年出现的一种滚动导轨，其突出的优点为无间隙，并且能够施加预紧力。其主要由导轨体、滑块、钢球、保持器、返向器、密封端盖等组成。导轨体固定在不运动部件上，滑块固定在运动部件上，通过钢球的运动把导轨体和滑块之间的移动变成了滚动。直线滚动导轨除滚动导轨的共性优点之外，还有以下特点：（1） 有自调整能力：安装基面许用误差大，使得安装方便，生产周期短，降低了对配件的加工精度要求；（2） 承载能力大：其滚道采用圆弧形式，增大了滚动体与圆弧滚道的接触面积，从而大大提高了轨道的承载能力，可达到平面滚道形式3倍；（3） 刚性强：在装配导轨时可预加负荷以提高滚动导轨的刚度，所以滚动导轨在工作时可承受较大的冲击和振动；（4） 寿命长：由于是纯滚动，摩擦系数是滑动导轨的1/50左右，磨损小，因而寿命长，功耗低，便于机械小型化；（5） 传动平稳可靠：由于摩擦力小，动作轻便，因而定位精度高，温良移动灵活准确；在较差的工作条件下可长时间保持高精度；（6） 可高速运行：直线滚动导轨运行速度可大于60m/min，甚至更高，且润滑方法简单，便于维护。综合考虑定位精度及运动平稳性等技术要求，比较直线导轨副和滚动导轨块，因此采用直线滚动导轨副。3.2.2滚动直线导轨副的计算 1. 作用于滚动直线导轨副的载荷计算由于滚动直线导轨副的特殊结构，使其具有垂直向上、向下、左右和水平四个方向额定载荷相等，且额定载荷大，刚性好，三个方向抗颠覆力矩能力大的特点，滚动导轨受力分析见3.1图。下层工作台的承载重约为5812.573N 34 1 W 图3.1 滚动导轨受力分析图 3.6 3.7 3.8 3.9 将已知数据代入上式得： 载荷成分段变化，其计算载荷： 3.10 式中：对应行程内的载荷 ； 分段行程 ； 全行程等于；2. 滚动直线导轨副的额定寿命（1）额定寿命的计算公式为： 3.11式中： L额定寿命 ； C额定动载荷 ； 计算载荷 ； 温度系数 取1.0 ； 接触系数 取0.81 ； 精度系数 取1.0 ； 载荷系数 取1.5 ；硬度系数 取1.0 ； （2）寿命时间的计算： 当行程的长度一定，以小时为单位的额定寿命： 3.12 式中： 行程长度 ； L额定寿命 ； 每分钟往复次数 ； 3.13 一般情况下，滚动直线导轨副预期寿命取20000小时，则： 3.14 由 得： 3.15取 则：查汉江机床公司生产的HJ-D系列线性滚动导轨产品样本，其HJ-D系列中DA20A型滚动导轨C=1260kgf=12.348KN，满足要求 。3.2.3滚动直线导轨副的选用1.滚动直线导轨副的精度及选用 由于滚动直线导轨副具有“误差均化效应”，在同一平面内使用两套或两套以上时，可选用较低的 安装精度达到较高的运动精度。根据HJ-D系列线性滚动直线导轨的精度，分为运动平行度及综合精度。测量方法如下图所示：运行平行度（m) 运行平行度是指螺栓将导轨紧固到基准平面上，导轨处于紧固状态，使滑块沿行程全长运动时，导轨与滑块基准平面之间的平行度误差。综合精度(m)高度H的同组变动量是指在同一平面上组装的各个滑块所形成的H值的最大尺寸与最小尺寸差。宽度W的同组变动量是指在一根导轨上组装的各个滑块所形成的W值的最大尺寸与最小尺寸差。注：（1）同一平面上并列使用2根以上导轨时，宽度W同组变动量只适用于基准一侧，在基准侧导轨的号码未尾处印“J”标记。（2）H、W都是将导轨副固定在平台上，在导轨中间位置测量滑块中心。精度等级 长度（） 23456H公差值122550100200H同组变动量57204060W公差值153060150240W同组变动量7102570100 所以选择的平行度和综合精度等级均为2级。2. 滚动直线导轨预加载荷冲击、振动大小和精度是预加负荷选择的主要依据，可参照下表选用：预加负荷分类工作条件推荐使用场合微预加负荷H01、无冲击负荷2、多根导轨并用1、焊接机、包装机或要求不高的各类机械2、材料供给装置轻预加负荷H11、导轨负荷方向固定、冲击、振动小2、作辅助导轨3、载荷轻、精度要求高的非基准导轨1、承载轻且有精度的设备2、普通机床的纵横向导轨3、较精密机械中的非基准导轨中预加负荷H21、旋伸负荷或颠覆负荷2、导轨上只有一个滑块时3、载荷虽小、精度要求高的非基准导轨1、机械手或机器人2、数控机床、电火花机床、线切割机床、 精密工作台等基准导轨重预加负荷H31、刚性要求高、冲击、振动大2、承受强切削力的机床1、进行机械切削加工的各类机床或加工中心2、车磨镗床和各类数控机床 提高预紧力是一个增加线性滑轨的好方法。所以选择重预加载荷H3。3.3滚珠丝杠螺母副的选择与计算3.3.1 滚珠丝杠副的介绍滚珠丝杠副是一种新型的螺旋传动元件，它的产生和发展至今经历了数十年的历史，然而它具有长寿命、高刚度、高效率、高灵敏度、无间隙的特点，并具有优越的高速特性和耐磨损性及运动可逆性等特点，这些特点都是普通丝杠副不可能具有的机械传动性能。同时它可以由专业厂家组织的生产和供应，已实现了标准化、通用化和商品化，用户可根据各自的需要方便地进行选用和订购，因此滚珠丝杠副以其显著特点而得以广泛应用，成为各类数控机床的主要传动机构。1. 滚珠丝杆副的工作原理、组成及特点 滚珠丝杠副是一种旋转传动机构，在具有螺旋槽的丝杠和螺母之间装有中间传动元件滚珠。它由丝杠、螺母、滚珠和返向器等四部分组成，当丝杠和螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滑动，丝杠和螺母之间相对运动时产生滚动摩擦。为防止滚珠从滚道中滚出，在螺母的螺旋槽两端没有回程引导装置，如返向器和挡珠器。它们与螺纹滚道形成循环回路，使滚珠在螺母滚道内既自转又沿滚道循环转动。滚珠丝杠副与滑动丝杠副相比较，它用滚动摩擦代替了滑动摩擦，具有以下特点：（1） 摩擦损失小、传动效率高 由于滚珠丝杠副的摩擦损失小，其传动效率可达90%96%，约为滑动旋转机构的23倍；（2） 磨损小、寿命长 通常，滚珠丝杠副的主要零件都经过淬硬，表面粗糙度较低，且滚动摩擦的磨损很小，因而具有良好的耐磨性，精度保持性能很好，工作寿命长；（3） 轴向刚度高 滚珠丝杠副可完全地消除传动间隙，不影响运动的灵活性，从而可以获得较高的轴向刚度，而且可以通过预紧来提高轴向刚度；（4） 摩擦阻力小、运动平稳 由于是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差极小，其摩擦阻力几乎与速度无关，启动力矩与运动力矩近于相等。因而灵敏度高，运动较平稳，启动时无颤动，低速传动时无爬行现象；（5） 不能自锁 由于滚珠丝杠副没有自锁能力，用于垂直升降传动时必须增设自锁装置或制动装置；（6） 具有传动的可逆性 由于滚珠丝杠副摩擦损失小，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动.，即丝杠和螺母都可作为主动件，也可以作为从动件。 但是，与滑动丝杠副相比，滚珠丝杠副尚存在结构较复杂，工艺难度大，制造成本高等特点。2. 滚珠丝杠副的结构形式 根据螺纹滚道法向截面（即垂直于螺旋线的平面）的形状、滚珠的循环方式、消除轴向间隙和调整预紧的方法不同，将滚珠丝杠传动分为几种不同的结构型式： （1）螺纹法向截型 螺纹法向截型（或称滚道型面）是指通过滚珠中心的螺旋线的法向平面与丝杠或螺母滚道的交线的形状。目前，较常用的滚道型面为单圆弧和双圆弧两种。单圆弧滚道型面的特点是容易得到较高的精度。但接触角不容易控制，因而其传动效率、承载能力和轴向刚度均不够稳定。双圆弧滚道型面的特点是滚道型面的精加工较困难，其传动效率、承载能力和轴向刚度较稳定。（2）滚珠循环方式 按照滚珠在整个循环过程中与丝杠表面的接触情况，循环方式可分为内循环和外循环两种。a.外循环 外循环就是滚珠在循环过程中，不能始终保持与丝杠表面接触，即当滚珠从螺纹滚道终端返回到滚到始端时与丝杠表面脱离接触。外循环又可分为：插管式、螺旋槽式和端盖式三种。外循环结构制造工艺简单，承载能力较高，但滚道焊缝处难以做得平滑，影响滚珠滚动的平稳性，甚至发生卡珠现象，外形尺寸大，噪声也较大，耐磨性差。b.内循环 滚珠在循环过程中，始终与丝杠表面保持接触的循环，叫做内循环。内循环的结构形式具有以下优点：滚珠螺母的外径尺寸较小，与滑动丝杠副螺母的外形尺寸大致相同；返向器固定牢靠、刚性好且不易磨损，；滚珠的返回通道短，滚珠数目少，流畅性好，摩擦损失小，传动效率高。其缺点是不能做成多头螺纹的滚珠丝杠副，返向器的回珠槽是三座标空间曲面，加工较复杂。3.滚珠丝杆副的轴向间隙消除和预加载荷 由于制造和安装的误差，滚珠丝杠副存在间隙，影响其传动精度并降低了滚珠丝杠副的刚度，因此要采取消除间隙和预加载荷的方法。目前广泛采用的是双螺母调整预紧装置。双螺母调整预紧装置就是在同一根滚珠丝杠上装配两个螺母，通过调整两个螺母之间的轴向位置，在滚珠与滚道圆弧面间施加接触压力，使其产生一定的预变形，从而消除了轴向间隙，提高了滚珠丝杠副的轴向刚度。常用的调整预紧方式有以下三种：（1）垫片调整方式用螺钉连接滚珠丝杠螺母的凸缘，在凸缘间加垫片，调整垫片厚度达到消除间隙和产生预紧力的目的。这种方式结构简单，可靠性好，刚度高，拆装方便，但精确调整比较困难，工作中不能随时调整。（2）螺纹调整方式在螺母外端制有螺纹，旋转圆螺母使螺母相对丝杠作轴向移动以消除间隙和产生预紧力。这种结构即紧凑，工作又可靠，调整方便，但调整位移量不易精确控制。（3）齿差调整方式 在两个螺母的凸缘上分别切出齿数为、的圆柱齿轮，与相差一个齿，通过两螺母产生的相对角位移而使两螺母轴向相对位置发生变化，从而实现间隙的消除和施加预紧力。该调整方式的结构复杂，但调整精确可靠，精度较高；缺点是结构尺寸较大，加工工艺和装配性能较差。为了消除间隙和调整预紧，通常采用双螺母结构。以获得无间隙和具有预紧力的滚珠丝杠副。综上所述，确定本滚珠丝杠副采用单圆弧、内循环、双螺母垫片调整方式的结构形式。滚珠丝杠的支撑方式主要有四种，本设计选用了一端固定、另一端支撑方式，它的优点是可对丝杠进行预拉伸，丝杠不会因温升而伸长，保持了丝杠精度。此外，该支撑方式使丝杠只承受拉力，不承受压力，因此不存在压杆稳定性问题。3.3.2 滚珠丝杠副的计算为了满足数控机床高进给速度、高定位精度、高平稳性和快速响应的要求，必须合理选择滚珠丝杠副，并进行必要的校核计算。单层工作台重量 工作台承重 Y向滑座重量 Y向最大行程 Y向快速进给速度 定位精度 重复定位精度 （1） 滚珠丝杠精度由于本系统要求达到的精度要求，根据此要求查阅滚珠丝杠样本，对于一级精度（）精度丝杠，任意300mm 内导程允许为0.006mm，2级（）精度丝杠的导程允许误差为0.008mm。初步设计丝杠的任意300mm行程内的行程动量为定位精度的1/3-1/2，即0.0040.006mm，因此，取滚珠丝杠精度为一级。（2） 滚珠丝杠的选择滚珠丝杠的名义直径，滚珠的列数和工作圈数，应按当量载荷选择。丝杠的最大进给力为，工作台加工件加夹具的质量为m=480.83kg，贴塑导轨的摩擦因数为0.04，故丝杠的最小载荷（摩擦力）丝杠的最大载荷 轴向工作载荷（平均载荷）： 其中，分别为丝杠最大，最小轴向载荷；当载荷按照单调式规律变化，各种转速使用机会相同时。丝杠的最高转速为1500r/min，工作台最小进给速度为1mm/min，故丝杠的最低转速为0.1r/min，可取0，则平均转速n=(1500+0)/2=750r/min。故丝杠工作寿命：式中 L工作寿命，以r为1个单位 n丝杠转速，r/min； T-丝杠使用寿命，对数控机床可取T=15000h计算当量载荷为 式中 载荷性质系数，无冲击取11.2，一般取1.21.5，有较大冲击取1.52.5，此处=1.5； 精度影响系数，对于1，2，3级精度的滚珠丝杠采取=1，对于4，5级精度滚珠丝杠取=0.9，此处取=1 查滚珠丝杠产品样本中与相近的额定动载荷，使得，然后由此确定滚珠丝杠副的型号和尺寸。查滚珠丝杠产品样本，选择FF4010-5型丝杠螺母副。名义直径40mm，导程为10mm，额定动载荷=44kN，符合轴向刚度=792N/um。 预紧力。只要轴向载荷之达不到或不超过预紧力的三倍，就不必对预紧力提出额外要求。本设计中丝杠最大载荷为4.922kN，远小于3。图3.2 FYC2D4010-2.5滚珠丝杠副外观尺寸图表3.2 滚珠丝杠副FYC2D4010-2.5基本参数公称直径钢珠直径公称导程刚度丝杠外径额定动载荷丝杠内经额定静载荷40mm7.144mm10mm792N/um39.5mm46.5KN34.3mm110.5KN3.3.3滚珠丝杠副的校验1.传动系统的刚度计算（1）传动系统的刚度K计算 3.31 式中： 滚珠丝杆副的拉压刚度； 滚珠丝杠副的轴向刚度； 滚珠丝杠副滚珠与滚道之间的接触刚度； 折合到滚珠丝杠副上的伺服刚度，可忽略不计； 滚珠丝杠副中螺母体刚度，按计算； 折合到滚珠丝杠副上的连轴节刚度，可忽略不计； 螺母座、轴承座刚度，可忽略不计； 滚珠丝杠副的弯扭刚度，可忽略不计。（2） 计算滚珠丝杠副的拉压刚度是滚珠螺母至丝杠轴向固定处距离a的函数。当丝杠承受形式为一端固定，一端滑动时，有： 3.32 式中：拉压刚度（）； E 杨氏弹性模量； 丝杠底径(mm) 。当=560mm时（滚珠丝杠至固定端支承的最大距离）时刚度最小当=160mm时（靠