经济型的数控铣床改造毕业设计

目 录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1数控系统的发展及趋势11.2数控铣床加工的基本原理21.3数控加工工艺设计31.4机床数控化改造的必要性41.4.1微观看改造的必要性41.4.2宏观看改造的必要性5第二章 设计方案的确定62.1 设计任务62.2 总体设计方案的确定62.2.1 动力的选定62.2.2 控制部分的设计7第三章 数控系统硬件电路设计83.1数控系统基本硬件组成83.2 单板机控制系统的设计93.3步进电机控制程序设计9第四章 机械部分改造与计算114.1 原始数据分析114.2 滚珠丝杠螺母副的选用设计（X向）114.2.1滚珠丝杠副的传动原理124.2.2滚珠丝杠副的传动特点124.2.3滚珠丝杠副的结构与调整124.2.4轴向间隙的调整和加预紧力的方法144.2.5 铣削力的计算164.2.6 强度计算164.2.7刚度验算174.2.8 效率计算174.2.9 稳定性验算184.3锥形夹紧机构的设计计算（X向）184.4 齿轮间隙消除弹簧的计算（X轴）204.5 运动部分转动惯量计算（X轴）214.6 伺服电机的选择（X向）22第五章 零件的设计与计算235.1齿轮的设计与校核235.1.1 Z、Z齿轮的强度校核245.1.2其他齿轮对的强度校核295.2轴系零部件的强度校核与寿命计算31第六章 经济分析33第七章 数控加工与典型零件加工程序设计347.1数控加工工艺特点347.1.1数控加工工艺的内容347.1.2数控加工工艺的特点347.2数控加工工艺分析与设计357.2.1数控加工的合理性分析357.2.2零件的工艺性分析367.2.3确定工艺过程和工艺路线377.2.4选择刀具和切削用量377.3零件加工程序设计列举387.3.1数控铣床的加工对象387.3.2零件加工程序设计举例39结 论42致谢43参考文献44专题 塑料模具的设计45附录165附录271摘要20世纪中叶数控技术和数控机床的诞生标志着生产和控制领域的一个崭新时代的到来。科学技术和社会生产力的迅速发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化成为实现上述要求的最重要的措施之一。它不仅能够提高产品的质量、提高生产率、降低生产成本，还能够极大地改善生产者的劳动条件。数控机床的工作过程是将加工零件的几何信息和工艺信息进行数字化处理，即对所有的操作步骤和刀具与工件之间的相对位移，以及进给速度等都用数字化的代码表示。而经济型的数控改造则对数控机床有了更新的要求。即在不改变原来功能的前提条件下，还要特别讲究经济性、可靠性、性能优越等。所以，在改造的同时，尽量不要改变原来的结构。关键词：生产率 经济型 可靠性AbstractNaissance that 20 century middle period few technique is with the few machine the bed scribe to produce with control coming of a brand-new ages of realm. The science technique bring upped with rate of production to the quantity of the machine product with the quick development of the social productivity more and more high request.The automation that machine process the craft process one of the most important measure of becoming to realizes the above requests.It can not only increase the product quantity,increase the rate of production ,lower the production cost ,and can be still biggest ameliorative production of labor term.Work process that few machine the bed will process the spare parts several why the information proceedswith the craft informations the arithmetic figure handle,then operation allly the step have with knife with of the work piece the code for of opposite moving,and entering giving the speed waiting all using the arithmetic figure mean.But few of the economic types then reform the logarithms achine bed contain new request.Namely still want the superior etc.of particular about and economic,dependable,function under not changes originally the functions prior condition.Therefore,at reform at the same time ,and as far as possible dont change original construction.Key words: Rate of production Economic type Dependable81第1章 绪 论1.1数控系统的发展及趋势1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。1数控NC阶段（1952年-1970年）早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路搭成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIRED NC），简称为数控（NC）。随着元器件的发展，这个阶段经历了三代，即1952年的第一代电子管；1959年的第二代晶体管；1965年的第三代小规模集成电路。 2计算机数控（CNC）阶段（1970年-现在）到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段（把计算机前面应有的“通用”两个字省略了）。到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR），又可称为中央处理单元（简称CPU）。到1974年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。到了1990年，PC机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于PC的阶段。总之，计算机数控阶段也经历了三代。即1970年的第四代小型计算机；1974年的第五代微处理器和1990年的第六代基于PC（国外称为PC-BASED）。还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即CNC）了，而我国仍习惯称数控（NC）。所以我们日常讲的数控，实质上已是指计算机数控了。3.数控未来发展的趋势 (1) 继续向开放式、基于PC的第六代方向发展基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。(2) 向高速化和高精度化发展这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。 (3) 向智能化方向发展随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。1.2数控铣床加工的基本原理数控控制（Numerical Control）是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种控制方法。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是现代化工业生产中的一门新型的，发展十分迅速的高新技术。数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围所覆盖的领域又：机械制造技术；微电子技术；信息处理加工传输技术；自动控制技术；伺服驱动技术；检验监控技术；传感技术；软件技术等。数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的是能技术和最基本的装备。在提高生产率，降低成本，保证加工质量及改善工人劳动强度等方面，都有突出的优点；特别是在适应机械产品迅速更新换代，小批量，多品种生产方面，各类数控装备是实现先进制造技术的关键。 数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。国际信息处联盟（International Federation of Information Processing,IEIP）第五技术委员会，对数控机床作了如下的定义：数控机床是一种装了程序控制系统的机床。该系统能逻辑的处理具有使用码或其他符号编码指令规定的程序。数控铣床是发展最早的一种数控机床，以主轴位于垂直方向的立式铣床居多。铣床的主轴只作旋转运动，工作台带动工件作纵，横，垂直三个方向的进给运动，称为升降台式铣床。为了提高刚度，目前多采用主轴既作旋转主运动，又随主轴箱升降台作垂直进给运动，工作台只作纵横2个方向的进给运动的不升降类型铣床。立式数控铣床加工平面凸轮零件，只需要工作台沿横纵2个坐标协调运动，即可以同时到达平面曲面的某一点这种加工轨迹的控制，称为两坐标联动控制（两轴联动）。当加工圆锥台零件时，依靠工作台纵横两坐标协调运动完成圆周加工，加工完一圈后，再沿锥台高度方向提升一个高度，接着改变圆的直径（X,Y的合成值）加工另一圆周，如此下去，直至加工出整个锥台，这称为两轴半控制。如果在圆锥上加工一条螺旋槽曲线，则要求3个坐标进给每时每刻都必须协调运动，即同时到达空间的某一点，这称为三坐标联动控制即三轴联动。三轴联动即可加工复杂的空间曲面。从机床数控系统控制的坐标数量来看，目前3坐标数控立式铣床仍占大多数。一般可进行3坐标联动加工，但也有部分机床只能进行3坐标中的任意两坐标联动加工。此外，还有机床主轴可以绕X、Y、Z坐标轴中其中一个或两个轴作数控摆角运动的4坐标和5坐标数控立式铣床。一般来说，机床控制的坐标轴越多，特别是要求联动的坐标轴越多，机床的功能、加工范围及可选择的加工对象也越多。但随之而来的是机床的结构更复杂，对数控系统的要求更高，编程难度更大，设备的价格也更高。数控立式铣床可以附加数控转盘、采用自动交换台、增加靠模装置等来扩大数控立式铣床的功能，加工范围和加工对象，进一步提高生产效率。1.3数控加工工艺设计与普通加工相比，数控加工的工艺过程设计并不是从毛坯到成品的整个工艺过程，而是仅有几道数控加工工序工艺过程的具体描述。许多在通用机床加工时由工人自行决定的工艺问题，在工艺设计时必须认真考虑，并将正确的选择编入程序中。这就要求编程人员要有多方面的知识基础，不仅仅是懂得计算机编程或了解某种软件的使用与操作。合格的编程员首先应是一个很好的数控加工工艺人员，应对所编程的数控机床的性能、特点、切削范围、标准刀具系统有全面的了解。一般来说，数控加工主要包括以下几个方面的内容：（1）选择并确定进行数控加工的零件及内容；（2）对零件图纸进行数控加工的工艺分析；（3）数控加工的工艺设计；（4）对零件图形的数学处理；（5）编写加工程序单；（6）按程序单制作控制介质；（7）程序的校验与修改；（8）首件试加工与现场处理；（9）数控加工工艺技术文件的定型与归档。1.4机床数控化改造的必要性1.4.1微观看改造的必要性从微观上看，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威力。 1.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。 2.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 3 7 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 ” 。 3.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 ” 。 4.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。 5.由以上五条派生的好处。 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，可对市场需求作出快速反应等等。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行 FMC （柔性制造单元）、 FMS （柔性制造系统）以及 CIMS （计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 1.4.2宏观看改造的必要性 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（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 、 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。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后 20 年。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。第2章 设计方案的确定2.1 设计任务 将一台XA5032普通立式升降台铣床，由于长期使用严重磨损，故障频繁，既费时又费力，急需改造。用微电子技术改造机械设备是当前世界新技术发展的潮流，是提高产品质量，生产效率和经济效益的重要手段。改造成三坐标数控铣床。改造后的数控铣床主要用于加工不同品种的制动凸轮轴，轴最长为650mm，该制动轮轴所需加工的轮廓外形含有直线、圆弧和渐开线；要求的轮廓公差为0.1mm，对称度公差为0.1mm，表面粗糙度为=1.6；工件材料为40Cr锻件，调质；设计生产节拍为7件/每分钟。2.2 总体设计方案的确定2.2.1 动力的选定 经济型数控机床的改造，为了保证改造后的性能不低于原铣床，选X、Z坐标快进速度不低于2.4m/min，水平拖动力按15KN计算。则要求的功率为P=FV=152.4/60=0.6W，如果采用步进电机作为伺服驱动元件，步进电机达不到功率要求。例如，200BF001反应式步进电机，最大静转距16.8N.m最高运行频率为11000step/s，步距角为1/6度，若取最高频率下的工作扭距为静扭距的1/4，则高速下的功率为因此，如果选用步进电机，必须相应的降低机床的某些性能，主要是快速性，另一方面由于步进电机在低速工作时有明显的冲动，易自激震荡，而且激震频率很可能落如洗削加工所用的进给速度范围内，这对加工极为不利，造成工件超差。此外，由于步进电机没有过载能力，高速时扭距下降很多，容易丢步，大功率步进电机的驱动较困难等，选用步进电机驱动是不合适的。 若采用直流或交流伺服电机的闭环控制方案，结构复杂，技术难度较大，调试和维修困难很多，造价也高，闭环控制可达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差，消除间隙，干扰等对加工精度的影响，一般用于要求高的数控设备中，由于所改造的数控铣床工件的加工精度不十分高，采用闭环系统的必要性不大。 若直流或交流伺服电机的半闭环控制，其性能介于开环和闭环控制之间，由于调速范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于步进电机的开环控制；反馈环节不包括大部分机械元件，调试比闭环简单，系统的稳定性较易保证，所以闭环容易实现。但是采用闭环控制，调试要比开环控制的步进电机要困难些设计上也有自身的特点。在直流和交流伺服电机之间进行比较时，交流调速逐渐扩大了其使用范围，似乎有取代直流伺服电机的优势。但交流伺服的控制结构复杂，技术难度高，普及不广，而且价格高，直流伺服电机原理接近于直流电机，控制系统技术也较成熟，普及广。2.2.2 控制部分的设计 要能控制三个坐标轴的运动，根据工件加工要求，至少要控制两轴联动完成圆弧插补，为了在加工中使用不同尺寸的刀具，数控装置应具有刀具的半径和长度的补偿功能，以便数控加工中按轮廓编制程序而能适应刀具尺寸的变化。综上所述 整个改造方案如下图所示第3章 数控系统硬件电路设计3.1数控系统基本硬件组成任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，其性能的好坏，直接影响整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行机床数控系统的硬件电路概括起来由以下四部分组成。(1)中央处理单元CPU(2)总线。包括数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB）。(3)存贮器。包括只读可编程存贮器和随机读写存贮器。(4)I/O输入/输出接口电路。其中CPU是数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路直协调工作。存贮器用于存放系统软件，应用程序和运行中所需要的各种数据。I/O接口是系统与外界进行信息交换的桥梁。总线则是CPU与存贮器、接口以及其它转换电路联接的纽带，是CPU与部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。数控系统硬件框图如31所示。由于MCS51系列单片机在我国机床数控改造方面应用较普遍，其配套芯片价廉，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能够满足经济型数控车床改造的需要。C6140数控改造以8031CPU组成的单板机为数控控制系统。也可直接购买国内较好的数控系统系列产品做为数控装置，如南京大方数控设备公司生产的JWK系列数控产品。3.2 单板机控制系统的设计1. 硬件配置存贮器选用1片4K8的2732EPROM和1片8K8位的6234RAM。监控程序固化在2732EPROM内，各功能模块程序及常用零件的的加工存放在2732EPROM内。1片6234RAM做为调试程序存放和运行程序的中间数据存放用。I/O接口芯片选用8155可编程I/O扩展接口，它的A口做为X、Y进给系统步进脉冲的输出口，其中PA0PA2为X向的输出口，PA3PA5为Y向输出口。B口为为位控方式，其中PB4PB7为-Y、+Y、-X、+X的行程越位信号输入。显示由8位LED构成，具有24键的键盘。2. 存贮器空间分配单板机可寻址范围是64K字节，板上提供的插座占16K，已插入的芯片占10K，其余以备扩展使用。其存贮空间分配如下。0000H07FFH 2KB EPROM 放监控程序0800H0FFFH 2KB EPROM 放零件加工程序1000H17FFH 2KB RAM 调试程序2000H27FFH 2KB RAM 测试程序等3. I/O口地址分配单板机设置I/O口地址为809FH共32个口地址，分配如下。80H83H MCS51 803184H87H 字形锁存88H8BH 字位锁存8CH8FH 读键值90H9FH 用户使用4. 光电隔离电路在步进电机驱动电路中，脉冲信号经功率放大器后控制步进电机励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流较大，如果将输出信号与功率放大器直接相联，将会引起强电干扰。轻则影响计算机程序的正常工作，重则导致计算机和接口电路损坏。所以一般在接口电路功率放大器之间都要接上隔离电路。3.3步进电机控制程序设计MCS-51单片机数控系统的步进电机驱动系统，可以用软件来代替可变频率脉冲源和环形分配器等硬件，对步进电机进行控制。用软件完成环形分配的优点是线路简单，成本低，可以灵活的改变步进电机的控制方案，驱动功率放大功能仍由硬件完成。环形分配器逻辑序列的产生可用循环移动和查表法实现，本次数控改造采用JBF系列三相六拍步进电动机，因此，脉冲分配采用三相六拍分配方式。1.步进电机的转向控制 以X 向步进电机为例，其环形分配器的输出状态表如下：环形分配器的输出状态 节拍序号 地址 代码 C相 B相 A相 通电顺序 0 0700H 01H 0 0 1 001 1 0701H 03H 0 1 1 011 2 0702H 02H 0 1 0 010 3 0703H 06H 1 1 0 110 4 0704H 04H 1 0 0 100 5 0705H 05H 1 0 1 101 将上述步进电机所需的环形分配器输出状态表存入EPROM中，根据加工程序的需要，依次取出表地址至PA口，驱动X向步进电机。按以上顺序进行通电，电机正传，反之电机反转。X向电机与X向相同，其脉冲输出状态表略。2.步进电机速度控制 控制步进电机的速度，实际上是改变输出状态码之间的间隔时间，通过调用软件延时子程序，或者用微机定时器，通过设定时间常数加以控制，数控系统发出不同频率的时钟脉冲，实现不同的电机转速。本系统，采取调用软件延时子程序的方法。3.软件环形分配器的设计在数控系统中，专门将一些寄存器作为步进电机的控制寄存器。控制字FCW用来控制电机转动，通过控制寄存器中的状态，使步进电机按确定的运行方式工作。在FCW控制字中，对步进电机的方向控制位，转动控制位以及停止控制位。分别进行定义。FCW中各个控制位含义如下：D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0，且D0-X向转停控制位（1-转动；0-停止）；D1-X向方向位（1-正转；0-反转）；D2-Y向转停控制位（1-转动；0-停止）；D3-Y向方向位（1-正转；0-反转）。第4章 机械部分改造与计算4.1 原始数据分析 1. 原XA5032铣床的数据进给电机1.5KW，1400r/min，最大水平拖动力1500kg=1500N，进给最大速度纵、横向2.3m/min，工件最大重量，500Kg=5000N，机动范围 纵向680mm、横向240mm 2. 工艺数据 工件加工余粮：最大铣削宽度7mm，最大铣削深度40mm。 刀具数据：高速钢圆柱铣刀，直径-mm，斜刀齿数3-4。 工艺数据：主轴转速150-190r/min，走刀速度40-60mm/min，每齿切厚为0.05-0.2mm，取0.1mm计算。3. 机床进给部件重量估计 轴向（X轴）工作台，长1.335m，约重220kg=2200N 纵向（Z轴）工作台约为450kg=4500N 为防止升降台自行下划，原机床设置有单向超越离合器及摩擦片制动器，而且为了保证工件可靠，将摩擦阻力调到略大于升降台的重力，在数控改造后仍要保留此功能，这样在实际运动时下降的阻力最大，按12KN计算。4.2 滚珠丝杠螺母副的选用设计（X向）铣床工作台的进给运动，由进电机的转动，然后带动铣床丝杠传动。在数控铣床上的丝杠传动，可以用普通的丝杠传动，也还有应用滚珠丝杠来转动。原因是普通丝杠传动摩擦系数大，效率低，传动中有间隙。虽然传动中的间隙可以用一些办法来补偿，修正，但总是不太稳定。 所以，在数控铣床上要采用滚珠丝杠传动。滚珠丝杠传动有一系列的优点，但制造工艺较为复杂，成本高，在某些应用上受到一定的限制，但随着数控机床的发展，它的使用将会更加广泛。 滚珠丝杠传动都使用防护罩，以防止空气中的尘土和其它杂物等进入。 滚珠丝杠和滚珠螺母组成滚珠丝杠螺母副，它是把步进电机的转动角位移，变换成数控车床工作台的的直线位移。 滚珠丝杠螺母副，也简称为滚珠丝杠副，是一种新的传动机构，它是在丝杠和螺母的螺旋槽之间装有滚珠，以此作为中间元件的一种传动机构。4.2.1滚珠丝杠副的传动原理丝杠和螺母上都有圆弧形的螺旋槽,这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成螺旋线的滚道,在滚道内装有许多滚珠.当丝杠旋转时,滚珠相对于螺母上的滚道滚动,因此丝杠与螺母之间滚道的摩擦为滚动摩擦.为防止滚珠从螺母中吊出来,在螺母的螺旋槽两端应用挡住器挡住,并设有回路滚道是他的两端连接起来.使滚珠从滚道的一端滚出后,沿着这个回路滚道从新返回到滚道的另一端,可以循环进行不断地滚动.4.2.2滚珠丝杠副的传动特点滚珠丝杠副的优点是:传动效率高,因为它是滚动摩擦,传动效率可达0.92-0.96,比普通的丝杠传动提高3-4倍.由此带来了一系列的优点,如功率损耗小,传动平稳,磨损小,无爬行现象等等.除此而外还有两个特点,一是:一般的丝杠传动总是有间隙,而滚珠丝杠可以消除间隙,所以当丝杠转动反向时,可以没有空程,提高了反向的定位精度,也增强了传动刚度.二是:一般的丝杠传动只能使旋转运动转变为直线运动,而滚小,所以既能把旋转运动转变为直线运动,也可以从直线运动转变为螺旋运动,珠丝杠副由于传动的摩擦系数具有传动的可逆性,因此可以作为主动件,也可以作为从动件.它也有缺点,主要是元件的精度要求高,光洁度要求也高,所以制造工艺很复杂,成本也高.对于丝杠和螺母上的螺旋槽,一般要求磨削成型,因而制造困难,也限制了使用.又由于传动的可逆性,所以不能自锁,当应用在垂直传动装置时,由于自重和惯性的关系,在下降过程中不能立刻停止,因此还需要备有制动装置.4.2.3滚珠丝杠副的结构与调整滚珠丝杠副的结构尽管在形式上有很多类型，但其主要区别是在螺纹滚道的型面形状，滚珠循环的方式，轴向间隙的调整和加预紧力的方法等三个方面。(1)螺纹滚道型面的形状螺纹滚道型面的形状有很多种，目前国内正式投产的，仅有单圆弧型面和双圆弧型面两种，如图41所示。滚珠与滚道型面接触点法线与丝杠轴线的垂线之间的夹角，称为接触角（）。（a） (b)图41 滚珠丝杠副螺纹滚道型面的截形（a）单圆弧； （b）双圆弧（2） 单圆弧型面 一般滚道的圆弧半径要比滚柱的半径稍大一些。对于单圆弧型面的螺纹滚道，接触角是随着轴向负载大小而变化的，当轴向负载为零时，接触角也为零；当负载逐渐增大，接触角也逐渐增大。实验证明：当接触角增大时，传动效率，轴向刚度，承载能力都随之增大。（3）双圆弧型面 双圆弧型面螺纹滚道的接触角是不变的。在偏心距（e）决定后，滚珠与滚道的圆弧角接处，会有很小的空隙。这些空隙虽然能容纳一些脏物，但不至于堵塞，反而对滚柱的滚动有利。从传动效率，轴向刚度，承载能力等要求出发，接触角大一些好，但接触角过大制造就会困难。一般接触角为，滚道的圆弧半径也同样比滚柱的半径稍大一些。滚珠的循环方式目前国内常用的滚珠循环方式由外循环和内循环两种。（1）外循环方式 如图所示为外循环方式，滚柱在循环过程中与丝杠脱离接触，通过外面的循环回路称为外循环（W系列）。这种外循环是直接在螺母的外圆上铣出螺旋槽，用挡珠器从螺母内部切断螺纹滚道，挡珠滚珠的去路，迫使滚珠导入通向外圆螺旋槽中，构成了外面的旋环回路。外循环的结构和制造较为简单容易，因此应用较广，他可以制成单列或式双列两种的结构形式。（2）内循环方式 滚柱在循环过程中与丝杠始终保持接触的称为内循环（N系列），如图所示。这种内循环是在螺母外侧孔中装了一个接通相邻滚道的反向器，借助这个反向器迫使滚珠翻过丝杠的牙顶，而进入相邻的滚道。内循环滚珠丝杠副回路短，工作滚珠数目少，结构尺寸紧凑，流畅性好，摩擦磨损小，传动效率高，轴向刚度和承载能力都较高，具有一系列优点，但制造困难，结构复杂，所以不及外循环方式应用的广泛。图42外循环的滚珠丝杠 图43内循环的滚珠丝杠4.2.4轴向间隙的调整和加预紧力的方法对于滚珠丝杠副，除了单一方向的进给传动精度有一定的要求外，对它的轴向间隙也有严格的要求，以保证反向传动的精度。要把轴向间隙完全消除，也是相当困难的。通常采用双螺母，并加预紧力的方法来消除其轴向间隙。双螺母经加预紧力调整后，能基本上消除轴向间隙。单螺母的滚珠丝杠副是不能调整轴向间隙和预紧力的，其轴向间隙只能依靠滚珠丝杠副本的精度和安装时丝杠和螺母的连接精度来保证。双螺母加预紧力消除轴向间隙必须注意两点，一是：通过预紧后产生的力，可促使预拉变形，以减少弹性变形所引起的位移。但预紧力不能太大，否则会使驱动力矩增大，传动效率反而降低，使用寿命也随之缩短。二是：轴向间隙的消除，不能忽视丝杠的安装部分和驱动部分的轴向间隙，应同时调整是它减少到最小。目前常用的双螺母预紧力调整方法有下面三种。（1）垫片调隙式如图所示为垫片调隙式，一般用螺钉来连接滚珠丝杠上的两个螺母的凸缘处，在中间加垫片。垫片的厚度是螺母间产生轴向位移，以达到消除间隙和产生预紧力的目的。 这种结构特点是结构简单，可靠，装拆方便。但缺点是调整很费时，在工作状态下不能随意调整，因为要更换不同厚度的垫片才能消除间隙，所以是用于一般精度的机构中使用。（2）螺纹调隙式 如图所示为螺纹调隙式。它是一个螺母的外端有凸缘，而另一个螺母的外端没有凸缘，车有螺纹，它伸出在套筒外，并用两个圆螺母调整好间隙后，再用一圆螺母锁紧螺母锁紧就可以了。 这种结构的特点是结构紧凑，调整方便，所以应用广泛，但调整的位移量不太精确。图44垫片调隙式 图45螺纹调隙式（3）齿差调隙式 如图所示为齿差调隙式。它是在两个螺母的凸缘上各有圆齿轮2，两者的齿数值相差一个齿，装入内齿圆3中，内齿圆3是用螺钉1和定位销4固定在套筒5上的。调整是先取下内齿圆3，转动圆柱齿轮2，在两个滚柱螺母相对于滚筒5转动时，可以使两个螺母相互产生角位移，这样滚柱螺母对于滚珠丝杠的螺旋滚道也相对移动是两个螺母中的滚柱分别贴近在螺旋滚到的两个相反的侧面上。消除间隙并产生预紧力后，把内齿圆3套上用定位销4固定。 这种结构的特点是调整精确可靠，定位精度高，但结构复杂，仅在高精度的数控机床有所应用。图46齿差调隙式1螺钉； 2圆柱齿轮； 3内齿圆；4定位销； 5套筒。4.2.5 铣削力的计算 根据机床设计手册，对高速钢圆柱铣刀 其参数按实际加工过程中平均铣削条件为准则选取：工件为碳钢，取 Z=4所以 对圆柱铣刀逆铣加工 取P=1.1 取 取则： 4.2.6 强度计算 对于燕尾型导轨工作时的轴向力为： 所以：寿命值取=1.2 =1.1则最大动负载 Q=3根据最大动负载Q的值，可查表选取滚珠丝杠的型号。如选取CD406，其动负载为为差、年感 ，远大于Q值，所以强度足够用。4.2.7刚度验算 滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量： 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略。即：，所以导程变形总误差为 查表知选用F级精度丝杠允许的螺距误差为30，故刚度足够。4.2.8 效率计算 则传动效率 4.2.9 稳定性验算 由于采用两端固定，稳定性足够，不再验算。4.3锥形夹紧机构的设计计算（X向）伺服电机的轴伸为光轴，采用锥形夹紧环与齿轮相连的方式比较方便。根据机床设计手册选用电机轴直径为，锥形环尺寸为d=35mm ，D=40mm ，L=7mm ,l=6mm。计算过程如下： 基本参数：克服间隙所需轴向力为： 单位接触压力所能传递的扭矩为： 单位压力所需的轴向力为： 摩擦系数为 所能传递的扭矩M=CM P式中 额定扭矩； 动载荷系数 P为许用接触压力，P=1015取为100500MP C为系数 C= 为电机扭矩 取K=6则 P 所需轴向力 P=用螺栓拉紧套产生轴向力时，螺栓强度计算如下： 螺栓强度计算公式 取=0.4； n=6 则 由于安装位置有限，若采用M61的螺栓则要求 查表知，只能采用40Cr调质处理才满足要求。通过以上计算可知：（1）锥形夹紧环联轴机构必须进行计算，否则如果轴向压紧力太大，可能超过许用接触应力，造成零件的损坏，但如果轴向压紧力太小，则可能造成联轴的不可靠，使用中当扭矩过大时发生“丢步”。（2） 在考虑压紧套时，要产生压紧力的接触面积并不大，因此压紧套也应该选用交好的材料制作，否则会因接触压力造成损坏。（3）为保证合适的轴向力，在禁锢压紧套时，应控制对螺栓施加的拧紧力矩。（4）也可采用带螺纹的压紧套，其强度比较容易满足但制造困难。4.4 齿轮间隙消除弹簧的计算（X轴） 数控机床进给系统由于经常处于自动变向状态，反向时如果驱动链中的齿轮存在间隙，就会使进给运动的反向滞后于指令信号，从而影响其驱动精度，因此必须采取措施消除齿轮传动中的间隙，提高加工精度，本例中采用双片薄齿轮消隙法。双片薄齿轮错齿消隙法关键是计算弹簧的拉力，一方面，使它能够克服最大扭矩，否则将失去消除间隙的作用；另一方面，扭矩又不能太大，其目的是减少齿面的摩擦和磨损，减少传动消耗。 弹簧材料选用碳素弹簧钢丝二组每根弹簧的拉力为150160N取力臂值为30毫米，则4根弹簧产生总扭矩值为： 可抵抗的轴向力为13.5714.48KN，能满足加工中的需要。 根据每根弹簧拉力，可选用，D=12B型5.5圈拉伸弹簧，其 为最大工作载荷及螺距。 未拉伸时弹簧的工作部分长度H=13毫米，拉持点距离，挂钩孔中心距为 安装尺寸计算： 以弹簧单圈变形量为1毫米，工作圈数为5.5时总的变形量为5.5毫米。 则工作中的，安装中采用仿弹簧吊环螺钉作为支撑和一端挂钩，另一端用螺母调节，两支撑所需距离为拉簧工作长度加上结构尺寸，共约为。4.5 运动部分转动惯量计算（X轴） 惯量对运动特性有很大的影响，不但对加速度能力，加速度时驱动力矩及动态的快速反应有关，在闭环或者半闭环系统中还往往影响系统的稳定性，因此核算转动惯量很有必要。仍以 X轴计算为例：对实心圆柱体，转动惯量的计算公式为 J=Md2/8。D为圆柱体直径；m为质量；m=D2L/4；L 柱体为长度；为材料密度，对钢铁体可取=7.8103kgm2,因此可得式 J=7.8D2L/3210-12kgm2。 当D和L的单位取为mm时，J=7.8D2L/3210-12kgm2。对于外径D，内径d的圆环，J=7.8(D4d4 ) L/3210-12kgm2。J = J=则折算到电机轴上的总惯量为： J=与电机转子转动惯量相比， 根据经验公式： 可见，转动惯量匹配合适。4.6 伺服电机的选择（X向） 根据设计计算和整个改造方案，伺服电机110BF-003的参数选择如下： 输出功率1.4KW，零速额定转矩17.6N；最大转矩153.6-188.1N；最高转速为1500；转子转动惯量0.0186，重量36千克，静摩擦力矩0.86N，反电视常数为0.57，转矩常数为0.57，理论角加速度为，电器时间常数为3.5，机械时间常数为15.2ms。热时间常数为70min，计算电阻值为0.2655，实恻包括引线、接线端子和接触电阻约为0.5，计算电感为0.93nH. 说明（1）本设计计算只是计算X轴、其他轴类似。（2）本机床在改造过程中，尽量减少对机床结构的改动，充分利用原有的结构零件，以减少改造的费用和工作量。（3）本设计采用固定丝杠，转动螺母传递运动的方案第5章 零件的设计与计算5.1齿轮的设计与校核 根据齿轮的一般设计原则，为了有利于提高精度，尽量减少传动级数，并且尽可能采用升速的传动比。 本机床由于原机构中丝杠安装在工作台滑鞍上，如果将直流伺服电机直接与丝杠连接，将简化传动结构，有利于精度的提高，减少转动惯量，摩擦，磨损，损耗；但是由于电机很重，为了避免产生大的倾斜力，有为了使改造后的机床外观造型协调和均衡，本设计不将X轴伺服电机直接装在工作台的滑鞍上，所以需要增加变速箱及相应的传动级。 由于滚珠丝杠随工作台运动，而伺服电机不随该工作台运动，这样，给运动的传递造成了困难。如果X轴运动是丝杠运动，螺母不动，则传动齿轮与丝杠之间也需要相对运动，会增加传动齿轮与丝杠之间的传动间隙，且不利于消除其间隙。本设计采用固定丝杠，旋转螺母传递运动的方案。由于伺服电机大，再加上支架等的影响，使一级传动难以实现，为此在设计中采用二级传动。为了使丝杠的螺距值与数控装置中可选择的参数相匹配，并使传动性能较好，选择了总减速比i=1.5. 本机床改造中取i1=z2/z1=50/24,i2=z3/z2=36/50,i=i1i2=(50/24)（36/50）=1.5得以满足。工作台内各齿轮的主要参数及材料列于表5-1中。 齿轮齿数模数齿宽毫米变位系数材料硬度顶高系 数压力角253.5430.1640CrRC45-50120313.5280.1340CrRC45-50120183.5280.1940CrRC45-50120383.5250.140CrRC45-50120263.5280.1640CrRC45-50120303.5280.1640CrRC45-50120463200.1640CrRC45-50120213300.4540CrRC45-50120表5-1 齿轮材料5.1.1 Z、Z齿轮的强度校核1 齿根弯曲疲劳强度验算： （1） 计算齿轮的弯曲疲劳极限应力 式中：被校核齿轮的弯曲疲劳极限应力 实验齿轮的弯曲疲劳极限应力，由机械设计手册图813查得： 弯曲寿命系数，因两齿轮得应力循环次数为： 次 次 （机械设计手册图814查得）尺寸系数 （机械设计手册图815查得）有效应力集中系数，由机械设计手册图816知： ，所以 （2） 比较弯曲强度由图机械设计手册86查得齿形系数： ， 则有：因此齿轮弯曲强度弱。（3） 计算弯曲工作应力 式中； 计算圆周力，而 其中： 工作圆周力N工作状况系数，由设计手册87 查知 动载荷系数，因为，由设计手册图84知 载荷分配系数，时所以 载荷分布系数，因，故由图85查得则； N 载荷作用系数 螺旋角系数 齿宽 mm 模数 所以 （4）计算齿轮的弯曲疲劳安全系数 可靠。2. 齿面接触疲劳强度验算（1） 计算齿轮的接触疲劳极限应力 式中： 实验齿轮的接触疲劳极限应力，由机械设计手册 查得： 寿命系数，由手册818图查知 ， 硬化系数 取所以 （2） 计算接触工作应力 式中： 材料系数，由机械设计手册表89查得：节点系数， （图810） 重合度系数 （图89） 齿数比 则： （3） 计算安全系数 安全可靠.3 短期过载强度校验计算取最大短期尖峰载荷是额定工作载荷得1.5倍.短期过载弯曲极限应力,可知： 最大得弯曲工作应力为： 短期过载弯曲强度安全系数； （安全）短期过载接触极限应力，根据机械设计手册表812知 而最大接触应力为： 短期过载接触强度的安全系数为： （安全）5.1.2其他齿轮对的强度校核按上面的方法和步骤，对工作台中的其他齿轮对可进行类似的计算，现将其计算结果列于表5-2中供以参考。校核、齿轮对时。只计算短期过载时的安全系数，不计算疲劳强度，这是因为使用的时间很多。表5-2 齿轮校核 齿对数 项目 1弯曲疲劳极限应力298.73002接触疲劳极限应力110011003弯曲工作应力141.22114接触工作应力628886.85短期过载弯曲强度极限应力8109608106短期过载接触强度极限应力1858198218587最大弯曲应力212.5253.53458最大接触应力768.597016109弯曲疲劳强度安全系数2.041.4210接触疲劳强度安全系数