【JG010】C6150普通机床的自动化改造[3A0]
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【JG010】C6150普通机床的自动化改造[3A0],jg010,c6150,普通,机床,自动化,改造,a0
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山东大学 毕业设计（论文） 题 目： 通机床的自动化改造 专 业： 机电一体化工程 学 生： 准考证号： 指导老师： 毕业设计（论文）时间： 年 月 日 年 月 日 山东大学本科生毕业设计（论文） 摘 要 随着当今工业设备对精密程度的要求越来越高，加工设备的机械加工设备的加工的精密程度也要求越来越高。而在中国的机械加工设备的车床中普通车床占了很大比例。这已经越来越制约着当今工业的发展。而数控机床由于价格昂贵，且需要较高技术的加工工人。所以对机床进行自动化改造很是必要。本篇论文是在对普通卧式车床 基础上对其进行自动化改造。 作者在搜索、查阅研究大量有关资料的基础上，对机床自动化改造技术进行了深入的研究和分析，并描述了机床控制系统的设计。整个改造过程主要对车床纵、横向进给系统进行改造，选用自动 转位刀架，由脉冲发生器来加工所需要的螺纹。整个控制系统以 8031 型号的单片机为中心，通过编程对机床的驱动设备进行控制以达到所需要的加工程度。 关键词 ： 机床改造； 自动化机床； 控制系统 山东大学本科生毕业设计（论文） of of is of is a in of N is So it is a to to is in of 6150 it on of of on of of to is to to in be by PU 031 is to a an to on to of 山东大学本科生毕业设计（论文） 目 录 第 1 章 绪论 . 1 题的依据及主要研究内容 . 1 究的基础 . 3 计方案 . 5 终目标 . 6 第 2 章 数控车床总体改造方案及机械部分设计 . 7 计要求 . 7 计基本思路 . 7 造方案的确定 . 7 计目的 . 7 体方案设计 . 8 珠丝杠的设计计算与选用 . 9 珠丝杠 . 9 向滚珠丝杠的设计与计算 . 10 向滚珠丝杠的设计与计算 . 15 珠丝杠的安装与使用 . 21 机与滚珠丝杠连接用一级减速齿轮的设计与校核 . 23 轮传动 . 23 向减速齿轮的设计与校核 . 23 向减速齿轮的设计与校核 . 27 给系统的步进电动机的计算与选择 . 29 进电动机 . 30 山东大学本科生毕业设计（论文） 向电机的计算与选择 . 32 向电机的计算与选择 . 34 动刀架选择与介绍 . 37 第 3 章 主轴脉冲发生器介绍与选型 . 40 电编码器原理 . 40 轴脉冲发生器的安装 . 41 轴脉冲发生器的选择 . 42 第 4 章 普通车床自动化改造的单片机控制 . 44 统设计 . 44 单片机控制系统电路 . 47 储器扩张电路 . 47 板操作键和功能选择开关 . 49 能选择开关 . 50 盘、显示器接口电路 . 51 进电动机驱动电路设计 . 52 接口 . 55 助电路设计 . 56 第 5 章 小结 . 58 致 谢 . 59 参考文献 . 60 山东大学本科生毕业设计（论文） 1 第 1 章 绪论 选题的依据及主要研究内容 选题依据 随着 计算机、 微 电 子 、信息、自动控制、精密 检测 及机械制造技术的 高 速发 展 ，机床数控技术有了 长 足 的进 步 。 近 几 年 一些相 关 技术的发 展 ，如刀具及 新材料 的发 展 ，主轴伺服和进给伺服、 超高 速切削等技术的发 展 ，以及对机械产品质量的要 求越 来 越高 等，加速了数控机床的发 展 。 目前 数控机床 正 朝着 高 速度、 高 精度、 高 工序集中度、 高复合 化和 高 可 靠 性等方向发 展 。 世界 数控技术及其装备发 展 趋势 主要体 现 在以 下几 个方面。 高速高效高精度 高生 产 率 。由于数控装置及伺服系统功能的 改 进， 主轴转速和进给速度 大大提高 ， 减 少了切削时 间 和 非 切削时 间 。加工中心的进给速度 已达 到 80m/120m/给加速度 刀时 间小 于 1s。 高 加工精度。以 前 汽 车 零件精度的数量 级 通常为 10 m，对精密零件要 求 为 1 m， 随着 精密产品的出 现 ，对精度要 求提高 到 m，有些零件甚至已达 到 m， 高 精密零件要 求提高 机床加工精度，包括采用 温 度补 偿 等。 微 机电加工，其加工零件尺寸 大小 一 般 在 1 下 ，表面 粗糙 度为 纳米 数量 级 ，要 求 数控系统能直接控制 纳米 机床。 柔性化 柔 性化包括两个方面的 柔 性 ： 一是数控系统本 身 的 柔 性，数控系统采用 模 块 化设计，功能 覆盖 面 大 ， 便 于不同用 户 的需 求；二 是 统的 柔 性，同一 据不同 生 产 流程的要 求 ， 使 物料 流 和信息 流 自动进行动 态调整 ，从而最 大限 度地发 挥 统的 效 能。 工艺复合化和多轴化 数控机床的工艺 复合 化，是指工件在一台机床上装 夹 后，通过自动换刀、 旋 转主轴 头 或旋 转工作台等各种 措 施，完成多工序、多表面的 复合 加工。 已 经出 现 了集 钻 、 镗 、 铣 功能于一 身 的数控机床，可完成 钻 、 镗 、 铣 、 扩 孔 、 铰 孔 、 攻 螺 纹 等多 工序的 复合 数控加工中心，以及 车 削加工中心， 钻 削、 磨 削加工中心，电 火花 加工中心等。此外 数控技术的进 步 也 提 供 了多轴控制和多轴 联 动控制功能。 实时智能化 山东大学本科生毕业设计（论文） 2 早期 的实时系统通常 针 对相对简单的理 想环 境 ，其作用是如何 调 度任务，以 确 保任务在规定 期 限内 完成。而 人 工 智 能， 则 试 图用计算 模 型实 现人类 的各种 智 能行为。 科学 发 展 到 今天 ，实时系统与 人 工 智 能 已 实 现 相 互 结 合 ， 人 工 智 能 正 向 着 具有 实时响应的 更 加 复杂 的应用 领域 发 展 ，由 此 产 生 了实时 智 能控制这一 新 的 领域 。在数控技术 领域 ，实时 智 能控制的 研究 和应用 正 沿着 几 个主要分 支 发 展 ，如自 适 应控制、 模 糊 控制、神 经 网 络 控 制、 专家 控制、 学 习 控制、 前馈 控制等。 例 如，在数控系统中配置编程 专家 系统、故障 诊断 专家 系统、参数自动设定和刀具自动 管 理及补 偿 等自 适 应 调节 系统 ； 在 高 速加工时的 综 合 运动控制中 引 入 提前预测 和 预 算功能、动 态前馈 功能 ； 在 压力 、 温 度、位置、速度控制等方面采用 模 糊 控制， 使 数控系统的控制性能 大大提高 ，从而 达 到最 佳 控制的 目 的。 结构新型化 20 世纪 90 年 代一种完全不同于 原 来数控机床结构的 新 型数控机床 被 开 发成功。这种 新型数控机床 被 称为 “ 6条 腿” 的加工中心或称 虚拟 轴机床 (有的还称为 并联 机床 )，它能在 没 有任何导轨和滑台的 情况 下 ，采用能够 伸缩 的 “ 6条 腿” (伺服轴 )支撑 并联 ， 并 与 安 装主轴 头 的上 平 台和 安 装工件的 下平 台相 连 。它可实 现 多坐标 联 动加工，其控制系统结构 复 杂，加工精度、加工 效率 较普通加工中心 高 2 10 倍 。这种数控机床的出 现 将给数控机床技术带来 重大变 革 和 创 新 。 编程技术自动化 随着 数控加工技术的 迅 速发 展 ，设备 类 型的 增 多，零件品种的 增 加以及零件形状的 日益复杂 ， 迫 切需要速度快、精度 高 的编程，以 便 于对加工过程的直 观 检 查 。为 弥 补 手 工编程和言 编程的不 足 ， 近年 来 开 发出多种自动编程系统，如图形 交 互 式 编程系统、数字化自动编程系统、 会话式 自动编程系统、 语音 数控编程系统等，其中图形 交 互 式 编程系统的应用 越来 越广泛 。图形 交 互 式 编程系统是以计算机辅助设计 ( 件为基础， 首先 形成零件的图形文 件，然后 再 调 用数控编程 模 块 ， 自动编制加工程序，同时可动 态显 示刀具的加工轨 迹 。其特 点 是速度快、精度 高 、直 观性好、 使 用简 便 ， 已 成为 国内外 先 进的 件所采用的数控编程方法。 目前 常用的图形 交 互 式软 件有 、 集成化 山东大学本科生毕业设计（论文） 3 数控系统采用 高 度集成化 芯片 ，可 提高 数控系统的集成度和 软 、 硬 件运行速度，应用 平板 显 示技术可 提高显 示 器 性能。 平 板 显 示 器 (有 科 技 含 量 高 、质量 小 、体 积 小 、功 耗 低 、便 于 携 带等 优点 ，可实 现超大 规 模显 示，成为与 示 器抗 衡 的 新兴 显 示 器 ，是 21 世纪 显示 器 主 流 。它应用 先 进 封 装和 互 连 技术，将 半 导体和表面 安 装技术 融 于一体 ,通过 提高 集成电路 密度， 减小 互 连长 度和数量来 降低 产品 价格 、 改 进性能、 减小 组件尺寸、 提高 系统的可 靠 性。 开放式闭环控制模式 采用通用计算机组成的 总 线 式 、 模 块 化、 开 放 、 嵌 入 式 体系结构， 便 于 裁 减 、 扩 展 和 升级 ，可组成不同 档 次 、不同 类 型、不同集成程度的数控系统。 闭环 控制 模式 是 针 对传统数控系统 仅 有的 专 用型 封 闭式开环 控制 模式提 出的。由于制造过程是一个有多 变 量控制和加工工艺 综 合 作用的 复杂 过程，包括 诸 如加工尺寸、形状、 振 动、 噪声 、 温 度和 热 变 形等各种 变 化因素 ， 因此 ，要实 现 加工过程的多 目 标 优 化， 必须 采用多 变 量的 闭环 控制，在实时加工过程中动 态调整 加工过程 变 量。在加工过程中采用 开 放 式 通用型实时动 态 全 闭环 控制 模式 ， 易 于将计算机实时 智 能技术、多 媒 体技术、 网 络 技术、 服控制、自 适 应控制、动 态 数据 管 理及动 态 刀具补 偿 、动 态 仿真 等 高 新 技术 融 于一体，构成 严 密的制造过程 闭环 控制体系，从而实 现 集成化、 智 能化、 网 络 化。 设计内容 1. 设计和选用。 包括了进给滚珠丝杠的设计与选用，消隙减速齿轮系的设计计算与校核，进给用步进电机的选择与校核。 3主轴脉冲发生器的安装 4刀架的选用 用 8031型号的单片机控制进给系统与刀架，并把脉冲发生器的数据通过单片机来加工螺纹 （ 1） 国外改造业的兴起 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， 山东大学本科生毕业设计（论文） 4 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（ 。从事再生业的著名公司有： 程公司、 宝）服务集团、 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 （ 。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。 （ 2） 数控化改造的内容 机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点： 其一是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复； 其二是 普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成 床、 其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的 行 更新； 其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。 （ 3） 数控改造中主要机械部件改装探讨 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。 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。 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 山东大学本科生毕业设计（论文） 5 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。 滑动丝杠与滚珠丝杠 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。 安全防护 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。 计方案 改造 床的基本思路是把原来的机床进行大修，只保留机床导轨、主轴、溜板、尾座等部件，其余的全部撤除。带之以滚珠丝杠和步进电机，用单片机系统来驱动各轴的运动。经过严密的计算和论证，选择丝杠和驱动电机，根据使用要求，选择系统配置和设计控制电路。 床主要用于对中小型轴类、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 :控制 主轴正反转和实现其不同切削速度的主轴变速 ;刀架能实现纵向和横向的进给运动，并具备在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具 ;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 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 :对机床的改造部位是 :拆掉手动刀架和小拖板装上数控刀架 ;拆掉普通丝杆、光杆进给箱、溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副 ;主轴后端加一光电编码器用波纹 山东大学本科生毕业设计（论文） 6 管连接，供加工螺纹使用由于改造设计的是简易 型经济数控，所以在考虑具体方一案时，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。总体改造如下图所示。 对该机床进行机械修理以便恢复机械精度要求，修理的主要目的是恢复机床导轨、主轴、拖板的精度，撤除机床主轴箱和溜板箱内的传动部件以及传动丝杠，只保留导轨、主轴、溜板、尾座。修理后已恢复其主要部件的精度。 终目标 由于是经济型数控改造，所以在考虑具体方案时，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。根据 床有关资料，总体方案的确定如图 22 所示 :采用 单片机 8031 控制系统对数据进行计算处理。步进电动机经同步带轮传动或直接传动后，带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动。主轴变速采用变频器调速控制。 山东大学本科生毕业设计（论文） 7 第 2 章 数控车床总体改造方案及机械部分设计 计基本思路 改造 床的基本思路是把原来的机床进行大修，只保留机床导轨、主轴、溜板、尾座等部件，其余的全部撤除。带之以滚珠丝杠和步进电机，用单片机系统来驱动各轴的运动。经过严密的计算和论证，选择丝杠和驱动电机，根据使用要求，选择系统 配置和设计控制电路。 造方案的确定 床主要用于对中小型轴类、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 :控制主轴正反转和实现其不同切削速度的主轴变速 ;刀架能实现纵向和横向的进给运动，并具备在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具 ;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 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 :对机床的改造部位是 :拆掉手动刀架和小拖板装上数控刀架 ;拆掉普通丝杆、光杆进给箱、溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副 ;主轴后端加一光电编码器用波纹管连接，供加工螺纹使用由于改造设计的是简易型经济数控，所以在考虑具体方一案时，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。总体改造如下图所示。 对该机床进行机械修理以便恢复机械精度要求，修理的主要目的是恢复机床导轨、主轴、拖板的精度，撤除机床主轴箱和溜板箱内的传动部件以及传动丝杠，只保留导轨、主轴、溜板、尾座。修理后已恢复其主要部件的精度。 计目的 利 用数控系统对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向脉冲当量为 冲，横向脉冲为 冲，驱动元件采用步进电动机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架，主轴采用变频器控制。 山东大学本科生毕业设计（论文） 8 体方案设计 图一 造后系统传动图 山东大学本科生毕业设计（论文） 9 由于是经济型数控改造，所以在考虑具体方案时，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。根据 床有关资料，总体方案的确定如图 22 所示 :采用单片机 8031 控制系统对数据进行计算处理。步进电动机经同步带轮传动或直接传动后，带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动。主轴变速采用变频器调速控制。 珠丝杠 滚 珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。 滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。 滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。 1)与滑动丝杠副相比驱动力矩为 1/3 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动 ,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到 1/3 以下 ,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的 1/3。在省电方面很有帮助。 2)高精度的保证 滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面 ,对温度 湿度进行了严格的控制 ,由于完善的品质管理体制使精度 得以充分保证。 3)微进给可能 滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动 ,所以启动力矩极小 ,不会出现滑动运动那样的爬行现象 ,能保证实现精确的微进给。 4)无侧隙、刚性高 滚珠丝杠副可以加予压 ,由于予压力可使轴向间隙达到负值 ,进而得到较高的刚性 (滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力 ,在实际用于机械装置等时 ,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强 )。 山东大学本科生毕业设计（论文） 10 5)高速进给可能 滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给 (运动 )。 向滚珠丝杠的设计与计算 已知条件： 工作台重量1W=8000N 工件及夹具最大重量 2W =200N 工作台最大行程950作台导轨的摩擦系数为 u=速进给速度 4m/ 定位精度为2000行程 25复定位精度为 10要求寿命为 10000 小时（单班制工作十年）。各种切削方式的纵向切削力 度 V 和时间比例 q 及其他见下表 表一各种切削方式的纵向切削力 度 V 和时间比例 q 切削方式 纵向切削力 ) 垂向切削力 ) 进给速度 Vi(m/工作时间百分比 % 丝杠轴向载荷 (N) 丝杠转速 r/力切削 2000 1200 0 2200 60 一般切削 1000 500 0 1150 80 精切削 500 200 1 50 620 100 快速进给 0 0 1000 375 东大学本科生毕业设计（论文） 11 图二 进给用 滚珠丝杠装配图 1） 确定滚珠丝杠副的导程 m m in作台最高移动速度 ；机最高转速； I ：传动比 电机与丝杠间为齿轮连接式， i=4（取一级减速齿轮） 由上表查得m/500r/ 代入得 现代机床设计手册取 ） 确定当量转速与当量载荷 （ 1） 各种切削方式下，丝杠转速 2） 由上表查的1v=2v =v=1,4v=4 代入得1n120，2n160，3n200，4n800 各种切削方式下，丝杠轴向载荷12( ) / 1 0i x i z iF p w w p 丝杠轴向载荷， 纵向切削力， 垂向切削力 由上表得 i=1,2,3,4)分别为 2000 N,1000N,500N,0N i=1,2,3,4)分别为 1200N,500N,200N,0N 已知 1w 800 N， 2w 200 N 代入得 i=1,2,3,4)分别为 2200N， 1150N， 620N， 1000N （ 3） 当量转速 1*n 1t/100+2*n 2t/100+3*n 3t/100+4*n 4t/100 数据代入得240r/ 4） 当量载荷 山东大学本科生毕业设计（论文） 12 3 3 3 3331 1 2 2 4 4* * * * * * 1 0 0 * 1 0 0 * 1 0 0 * 1 0 0m m m t n t n tn n n n3m 1 2 3 4F = F F + F + 1057N 3） 初选滚珠丝杠副 由公式现代机床设计手册（ 24）知 6 3* * *10 * ( * )60 a t h a kh m m wc f f f f查现代机床设计手册表（ 51） 表（ 54） 得 1， 1， 1， 10000h 代入数据可求得13589N=)确定允许的最小螺纹底径 （ 1）估算丝杠允许的最大轴向变形量 m （ 1/3 1/4）重复定位精度 m (1/4 1/5 )定位精度 m：最大轴向变形量m已知重复定位精度 10m定位精度 25mm 3m，m 6m取两种结果最 小值m 3m（ 2）估算最小螺纹底径 丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式 002 1 0 * * *1 0 0 . 0 3 9* F 2小螺纹底径 （ 程 +(10 14) 1W已知行程 9501W 800N, 0 =入数据得 L=1110F 160N, 2）确定滚珠丝杠副得规格代号 （ 5） 选内循环浮动式法兰，直筒螺母型垫片预紧形式 （ 6） 由计算出的 Ph，代机床 设计手册中选取相应规格的滚珠丝杠副5,22000N 13589N 山东大学本科生毕业设计（论文） 13 6)确定滚珠丝杠副预紧力 PF=2200 733N 7)行程补偿值与拉伸力 （ 1）行程补偿值 C=*10式中2k n L查现代机床设计手册 950 110， （ 2 4） 15 t 温差取 代入数据得 C=32m(2)预拉伸力 ： t 224807N 8）确定滚珠丝杠副支承用得轴承代号，规格 （ 1）轴承所承受得最大轴向载荷 ： 4807 2200 7007 （ 2）轴承类型：两端固定的支承形式， 选背对背 600c 角接触推力球轴承 （ 7） 轴承内径： d 略小于2d 40，3 d 30 带入数据得2336N （ 8） 轴承预紧力：预力负荷 9） 按现代机床设计手册选取轴承型号规格： 当 d 30加负荷为： 602030承 d 30，预加负荷为29002336N 9)滚珠丝杠副工作图设计 (1)丝杠螺纹长度 2s u L由表查得余程 （ 2）两固定支承距离1L，丝杠 L (3)行程起点离固定支承距离0 1290，1L 1350 1410，0L 30 10）传动系统刚度 （ 1）丝杠抗压刚度 1）丝杠最小抗压刚度： 221* *10 山东大学本科生毕业设计（论文） 14 2d:丝杠底径 1l ：固定支承距离 代入数据 782N/m2）丝杠最大抗压刚度 6 2210 1 0* * 1 04 ( )l l代入数据得 9000 N/m（ 2）支承轴承组合刚度 1）一对预紧轴承的组合刚度： 2530 m a 2 . 3 4 * s i aK d z F 滚珠直径 ：滚珠数 最大轴向工作载 荷 N ：轴承接 触角 由现代机床设计手册查得 :7602030承 预加载荷得 3 倍 8700N/m075 N/m2）支承轴承组合刚度 : 2 0 750 N/m3)滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度 : 1 / 3()0 现代机床设计手册上的刚度 2150 N/m, 2200N, 733N 代入数据得 1491 N/m11）刚度验算及精度选择 Z 17， 060 （ 1）m i n m i 1 1s b ck k k k 代入前面所算数据得 130 m a x m a 1 1s b ck k k k 代入前面所算数据得476 0 0 1已知 1w 800N, 0 =0F =160N 0F :静摩擦力， 0 ：静摩擦系数， 山东大学本科生毕业设计（论文） 15 1w ：正压力 （ 2）验算传动系统刚度 : 差 值；已知反向差值或重复定位精度为 10 30 3）传动系统刚度变化引起得定位误差 :k 0F （，代入 k 5 m （ 4）确定精度 300意 300行程变动量对系统而言 300位精度k定位精度为 20m/300 300500 向滚珠丝杠的设计与计算 已知条件： 山东大学本科生毕业设计（论文） 16 工作台重量1W=8000N 工件及夹具最大重量 2W =200N 工作台最大行程50 作台导轨的摩擦系数为 u=速进给速度 2m/ 定位精度为2000行程 25复定位精度为 10要求寿命为 10000 小时（单班制工作十年）。各种切削方式的纵向切削力 度 V 和时间比例 q 及其他见下表 表二切削方式的纵向切削力 度 V 和时间比例 q 切削方式 纵向切削力 ) 垂向切削力 ) 进给速度 Vi(m/工作时间百分比 % 丝杠轴向载荷 (N) 丝杠转速 r/力切削 2000 1200 0 2920 60 一般切削 1000 500 0 1850 80 精切削 500 200 1 50 1320 100 快速进给 0 0 2 800 1500 1） 确定滚珠丝杠副的导程 作台最高移动速度； 机最高转速 I ：传动比 电机与丝杠间为 齿轮连接式 i=4（取一级减速齿轮） 由上表查得m/500r/ 代入得 现代机床设计手册取 ） 确定当量转速与当量载荷 （ 1） 各种切削方式下，丝杠转速 上表查的1v=v=v=1,4v=2 代入得1n120，2n160，3n200，4n400 （ 2） 各种切削方式下，丝杠轴向载荷12( ) / 1 0i x i z iF p w w p 丝杠轴向载荷， 纵向切削力， 垂向切削力 由上表得 i=1,2,3,4)分别为 2000 N,1000N,500N,0N 山东大学本科生毕业设计（论文） 17 i=1,2,3,4)分别为 1200N,500N,200N,0N 已知 1w 800 N， 2w 200 N 代入得 i=1,2,3,4)分别为 2200N， 1150N， 620N， 1000N （ 3） 当量转速 1*n 1t/100+2*n 2t/100+3*n 3t/100+4*n 4t/100 数据代入得200r/ 4） 当量载荷 3 3 3 3331 1 2 2 4 4* * * * * * 1 0 0 * 1 0 0 * 1 0 0 * 1 0 0m m m t n t n tn n n n3m 1 2 3 4F = F F + F + 1097N 3） 初选滚珠丝杠副，由公式现代机床设计手册（ 24）知 6 3* * *10 * ( * )60 a t h a kh m m wc f f f f查现代机床设计手册表（ 51） 表（ 54） 得 1， 1， 1， 10000h 代入数据可求得13272N=)确定允许的最小螺纹底径 （ 1）估算丝杠允许的最大轴向变形量 m （ 1/3 1/4）重复定位精度 m (1/4 1/5 )定位精度 m：最大轴向变形量m已知重复定位精度 10m，定位精度 25m， m 3mm 6m取两种结果最小值m 3m（ 2）估算最小螺纹底径 丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式 002 1 0 * * *1 0 0 . 0 3 9* F 山东大学本科生毕业设计（论文） 18 2小螺纹底径 （ 程 +(10 14) 1W已知行程 9501W 800N, 0 =入数据得 L=1110F 160N, 2）确定滚珠丝杠副得规格代号 （ 1） 选内循环浮动式法兰，直筒螺母型垫片预紧形式 （ 2） 由计算出的 Ph，代机床设计手册中选取相应规格的滚珠丝杠副5,22000N 13272N 6)确定滚珠丝杠副预紧力 PF=2200 代人得733N 7)行程补偿值与拉伸力 （ 1）行程补偿值 C=*10，式中2k n L查现代机床设计手册得 950， 110， （ 2 4） 15 t 温差取 代入数据得 C=32m(2)预拉伸力 ;t 224807N 8）确定滚珠丝杠副支承用得轴承代号，规格 （ 1）轴承所承受得最大 轴向载荷 : 4807 2200 7007 （ 2）轴承类型：两端固定的支承形式，选背对背 600c 角接触推力球轴承 （ 3） 轴承内径： d 略小于2d 40，3 d 30 带入数据得2336N （ 4） 轴承预紧力：预力负荷 5） 按现代机床设计手册选取轴承型号规格 当 d 30加负荷为： 602030承 山东大学本科生毕业设计（论文） 19 d 30，预加负荷为 29002336N 9)滚珠丝杠副工作图设计 (1)丝杠螺纹长度 2s u L由表查得余程 （ 2）两固定支承距离1L，丝杠 L (3)行程起点离固定支承距离0 1290，1L 1350， 1410，0L 30 10）传动系统刚度 （ 1）丝杠抗压刚度 1）丝杠最小抗压刚度：6 221* *102d:丝杠底径 1l ：固定支承距离 代入数据 782N/m2）丝杠最大抗压刚度 ：6 2210 1 0* * 1 04 ( )l l代入数据得 9000 N/m（ 2）支承轴承组合刚度 1）一对预紧轴承的组合刚度： 2530 m a 2 . 3 4 * s i aK d z F 滚珠直径 Z：滚珠数 最大轴向工作载荷 N ：轴承接触角 由现代机床设计手册查得 7602030承 预加载荷得 3 倍 8700N/m075 N/m2）支承轴承组合刚度： 2 0 750 N/m3)滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度： 1 / 3()0 现代机床设计手册上的刚度 2150 N/m, 2200N, 733N 代 山东大学本科生毕业设计（论文） 20 入数据得 1491 N/m11）刚度验算 及精度选择 Z 17， 060 （ 1）m i n m i 1 1s b ck k k k 代入前面所算数据得 130 m a x m a 1 1s b ck k k k 代入前面所算数据得476 0 0 1已知 1w 800N, 0 =0F =160N 0F :静摩擦力， 0 ：静摩擦系数， 1w ：正压力 （ 2）验算传动系统刚度： 差 值已知反向差值或重复定位精度为 10 所以30 3）传动系统刚度变化引起得定位误差 k 0F （，代入 k 5 m （ 4）确定精度 300意 300行程变动量对系统而言 300位精度k；定位精度为 20m/300 300500 珠丝杠的安装与使用 (1)润滑 为使滚珠丝杠副能充分发挥机能，在其工作状态下，必须润滑，润滑方式主要 有以下两种 润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积的 1/3，我厂滚珠丝杠副出厂时在螺母内部已加注#锂基润滑脂； 润滑油的给油量标准如表 16 所示，但是随行程、润滑油的种类、使用条件（热抑制量）等的不同而有所变化。请注意使用。 表 16 润滑油的给油量标准（间隔 3 分钟） 表三 润滑油的给油量标准 轴 颈 (给油量 (4 8 0 14 5 18 0 25 8 32 6 40 5 50 山东大学本科生毕业设计（论文） 22 55 63 0 100 00 160 2)防尘 滚珠丝杠副与滚动轴承一样，如果污物及异物进入就很快使它磨耗，成为破损的原因。因此，考虑有污物异物（切削碎削）进入时，必须采用防尘装置（折皱保护罩、丝杠护套等），将丝杠轴完全保护起来。 另外，如没有异物，但有浮尘时可在滚珠螺母两端增加防尘圈，请用户根据需要按编号规则选定合适规格型号。 (3)使用 滚珠丝杠副在使用时应注意以下事项： 要时要在行程两端配置限位，以避免螺母越程脱离丝杠轴而使滚珠脱落。 丝杠副由于传动效率高，不能自锁，在用于垂直方向传动时，如部件重量未加平衡，必须防止传动停止或电机失电后，因部件自重而产生的逆传动。防逆传动方法可用蜗轮蜗杆传动、液压式电器制动器及超越离合器等。 (4)安装 1)滚珠丝杠副在安装时应注意以下事项： 向力、弯矩会使滚珠丝杠副产生附加表面接触应力等不良负荷，从而可能造成丝杠的永久性损坏。因此，滚珠丝杠副安装到机床时应注意： o 丝杠的轴线必须和与之配套导轨的轴线平行，机床的两端轴承座与螺母座必须三点成一线。 o 安装螺母时，尽量 靠近支撑轴承； o 同样安装支撑轴承时，尽量靠近螺母安装部位。 不要把螺母从丝杠轴上卸下来。如必须卸下来时，要使用辅助套，否则装卸时滚珠有可能脱落。螺母装卸时应注意下列几点： o 辅助套外径应小于丝杠底径 山东大学本科生毕业设计（论文） 23 o 辅助套在使用中必须靠紧丝杠螺纹轴肩。 o 装卸时，不可使过大力以免螺母损坏。 o 装入安装孔时要避免撞击和偏心。 轮传动 齿轮传动在伺服进给系统中的作用是改变运动方向，降速、增大扭矩，适应不同丝杠螺距和不同脉冲当量的配比等。当在伺服电机和丝杠之间安装齿轮（直齿、斜齿、锥齿等）时，必然产生齿侧间隙，造成反向运动的死区，必须设法消除。 下表是消除齿隙的方法：（表三） 向减速齿轮的设计与校核（以下公式参考自机械设计基础） 已知：传递功率为 动机驱动，小齿轮转速1n 1500r/动比 i 4，载荷平稳。使用寿命 10 年（ 10000h）。 （ 1）选择齿轮材料及精度等级 因传动功率较大，选用硬齿面齿轮组合。小齿轮用 碳 淬火，硬度为 56 62齿轮用 40择齿轮精度等级为 6 级（金属切削机床） （ 2）按齿面接触疲劳强度设计 因两齿面均为钢质齿轮，可应用式（ 出1 确定有关参数与系数： 1）转矩1611 0 9 . 5 5 1 0 410 )载荷系数 K 查表 K=）齿数1齿轮的齿数10，则大齿轮为2z 80。 因单级齿轮传动为对称布置，而齿轮齿面又为软齿面 表三 消除齿隙的方法 山东大学本科生毕业设计（论文） 24 （ 2）按齿面接触疲劳强度设 计 因两齿面均为钢质齿轮，可应用式（ 出1 确定有关参数与系数： 1）转矩1611 0 9 . 5 5 1 0 410 )载荷系数 K 查表 K=）齿数1齿轮的齿数10，则大齿轮为2z 80。 因单级齿轮传动为对称布置，而齿轮齿面又为软齿面 由表 取d 1。 4）许用接触应力 H 山东大学本科生毕业设计（论文） 25 由图 的 560 530 表 得1 1 60 hN 60 1500 1 10000 9 810 12 9NN i 810 / 4 810 查表 121 . 0 1 , 1 . 0 6。 由式（ 得 1 l i m 11 1 . 0 1 * 5 6 015 6 5 . 6 p p a 2 l i m 22 1 . 0 6 * 5 3 01562 p p a 故 131 21432( 1 )7 6 . 4 31 . 1 * 1 . 1 5 * 1 0 * ( 4 1 )7 6 . 4 31 * 4 * 5 6 5 . 6 28mm m1128 1 由表 标准模数 m 3）主要尺寸计算 1120d 0 2280d 20 1*1 30 30 经圆整后取2b 30b2b 2m 33山东大学本科生毕业设计（论文） 26 1211()22a m z z 100 75 （ 4）按齿根弯曲疲劳强度校核 由式（ 出F如F F，则校核合格。 确定有关系数与参数 1）齿形系数：1）应力修正
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