资源描述
摘 要随着制造业的迅速发展，传统的加工设备已无法承担加工高精度、复杂型面零件的要求，数控机床良好的加工精度和数控系统可满足此要求。而国外的数控机床比较昂贵，其价格要比国内高 50%60%，结合市场调研和毕业设计的实际，进行磨床工作台结构设计。针对数控磨床工作台存在的爬行、颤振现象，进给滚珠丝杠刚性低问题，确定了采用滚珠丝杠带动工作台，滚珠丝杠和电动机之间采用同步齿形带联接，工作台导轨贴塑，从而改善了润滑条件，同时也起到减振作用，MK1332 数控外圆磨床的爬行、颤振现象得到有效解决，提高了零件加工质量；丝杠采用两端固定支承，滚动轴承背靠背组配，刚性可提高一倍。位置检测装置采用高分辨率的脉冲编码器，通过半闭环控制测量工作台的直线位移。工作台型面采用平面形式，减少工作台的质量、转动惯量，使系统有更快的响应特性。本机床对提高加工质量和效率、缩短产品开发周期有积极的意义。关键词 数控磨床 工作台 滚珠丝杠 贴塑导轨IAbstractAlong with the rapid development of the manufacturing sector, the traditional processing equipment has been unable to undertake the processing precision, complex parts of the surface, NC Machine good precision and CNC machining systems can meet this requirement. Abroad CNC machine tools more expensive than domestic prices high 50% 60%. combine market research and graduate of the actual design, structural design workstations Grinder. CNC Grinder against the crawling stage, flutter, feed rigid low-ball screw, determine the use of ball screw driven workstations, ball screw and motor uses synchronous belt link Guide laminating workstations, thereby improving the lubrication conditions, but also play a role in damping, MK1332 CNC Cylindrical Grinder crawl, flutter phenomenon to be an effective solution to improve the quality of the parts processing; Screw using both fixed supports, Rolling back-up, rigid be doubled. Position detection device using high-resolution pulse encoder, through half-closed loop control workstations measurement of linear displacement. Workstations using planar surface forms, reducing the quality of workstations, moment of inertia, allowing the system to have a faster response. The processing machine to improve quality and efficiency, shorten the product development cycle has a positive meaning. KeywordsKeywords CNC Grinder Worktable Ball Screws Laminating Guide目 录摘摘 要要.IAbstractAbstract.II 第第 1 1 章章 绪论绪论 .11.1 数控加工技术 .11.1.1 数控机床的产生和发展 .21.1.2 数控机床的发展趋势 .31.2 数控机床的优点 .41.2.1 数控机床的优点 .41.2.2 数控机床加工零件的特点 .51.3 设计参数和方案确定 .61.3.1 机床主要技术参数 .61.3.2 MK1332 数控外圆磨床设计参数.61.3.3 MK1332 数控外圆磨床加工产品的主要精度 .71.3.4 设计方案的确定 .7第 2 章 数控机床的组成和分类 .92.1 数控机床的组成.92.2 数控机床的分类.92.2.1 按工艺用途分类 .102.2.2 按控制运动方式分类 .102.2.3 按伺服系统的类型分类 .112.2.4 按照功能水平分类 .11第 3 章 进给系统设计 .133.1 工作台机构传动设计.133.2 滚珠丝杠螺母副.143.2.1 工作原理与特点 .153.2.2 滚珠丝杠螺母副的循环方式 .163.2.3 滚珠丝杠副的轴向间隙消除和预加载荷 .163.3 滚珠丝杠副的精度.163.3.1 滚珠丝杠当量动载荷的计算 .163.3.2 滚珠丝杠的选取和极限转速的计算 .193.3.3 滚珠丝杠副效率计算 .223.3.4 滚珠丝杠副刚度验算 .22第 4 章 滚珠丝杠的支承 .244.1 轴端支承形式的选择 .244.1.1 滚珠丝杠轴端支承形式的选择 .244.1.2 滚珠丝杠对轴承的要求 .254.1.3 轴承的组配方式 .254.2 轴承预紧力 .264.2.1 轴承应适当的预紧，适当的预紧有助于提高轴承的工作能力 .274.2.2 预紧与发热 .284.3 滚珠丝杠的联接.304.3.1 同步齿形带的计算 .31第 5 章 电动机的选择和惯量匹配计算 .375.1 最大静态切削负载转矩的计算 .375.2 惯量匹配计算 .385.3 最大空载加速转矩的计算 .415.4 系统增益设计 .43第 6 章 导轨的选择与工作台型面的确定 .456.1 导轨的选择.456.1.1 导轨的分类 .456.1.2 导轨的间隙调整机构 .486.1.3 贴塑导轨设计 .496.2 工作台型面的确定 .51第 7 章 机床定位精度验算 .53结论 .56致谢 .57参考文献 .58附录 1 .60附录 2 .660第 1 章 绪论随着科学技术的飞速发展和经济竞争的日趋激烈，产品更新速度越来越快，复杂形式的零件越来越多，精度要求越来越高，多品种、中小批量生产的比重明显增加。激烈的市场竞争使产品研制生产周期越来越短。传统的加工设备和制造方法已难于适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件的高效高质量加工要求。汽车、拖拉机与家用电器等行业的产品零件，为了解决高产优质的问题，多采用专用的工艺装备、专用自动化机床或专用的自动生产线和自动化车间进行生产。但是应用这些专用生产设备，生产准备周期长，产品改型不易，因而使新产品的开发周期增长。在机械产品中，单件与小批量产品占到70%80%1，这类产品一般都采用通用机床加工，当产品改变时，机床与工艺装备均需作相应的变换和调整。通用机床的自动化程度不高，基本上由人工操作，难于提高生产效率和保证产品质量，特别是一些由曲线、曲面轮廓组成的复杂零件，只能借助靠模和仿形机床，或者借助划线和样板用手工操作的方法来加工，加工精度和生产效率受到很大的限制。数控机床就是为了解决单件、小批量、特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而产生的，它为单件、小批生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段。1.1 数控加工技术科学技术的发展以及世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求；超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的数控系统、伺服性能、主轴驱动、机床结构等提出了更高的性能指标；FMS的迅速发展和 CIMS 的不断成熟，将对数控机床的可靠性、通信功能、人工智能和自适应控制等技术提出更高的要求。随着微电子和计算机技术的发展，数控系统的性能日臻完善，数控技术的应用领域日益扩大。当今数控机床正在不断采用最新技术成就，朝着高速化、高精度化、多功能化、智能化、模块化、系统化和高可靠性等方向发展2。11.1.11.1.1 数控机床的产生和发展数控机床的产生和发展数控机床是在机械制造技术和控制技术的基础上发展起来的。1948 年，美国帕森斯公司在研制加工直升机叶片轮廓检验样板的机床时，首先提出了应用电子计算机控制机床来加工样板曲线的设想。后来受美国空军委托，帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构研究所合作进行研制工作。1952 年试制成功世界上第一台三坐标立式铣床。后来，又经过改进并开展自动编程技术的研究，数控机床于 1955 年进入实用阶段，这对于加工复杂曲面的发展起了重要作用3。我国从 1958 年开始研制数控机床，在研制与推广使用数控机床方面取得了一定成绩。近年来，由于引进了国外的数控系统与伺服系统的制造技术，使我国数控机床在品种、数量和质量方面得到了迅速的发展。目前，我国已有几十家机床厂能够生产不同类型的数控机床和加工中心。目前，在数控技术领域中，我国和先进的工业国家之间还存在着不小的差距，但这种差距正在缩小。随着工厂、企业技术改造的深入开展，各行各业对数控机床的需求量将会有大幅度的增长，这将有力促进我国数控机床的发展。1.1.2 数控机床的发展趋势1-31. 高精度化现代科学技术的发展、新材料及新零件的出现，对精密加工技术不断提出新的要求，提高加工精度，发展新型超精密加工机床，完善精密加工技术，适应现代科技的发展，已经成为数控机床的发展方向之一。其精度已从微米级到亚微米级，乃至纳米级。2.高速化提高生产率是数控机床追求的基本目标之一。数控机床高速化可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率，降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度，对制造业实现高效、优质、低成本生产具2有广泛的实用性。3.高柔性化采用柔性自动化设备或系统，是提高加工精度和效率，缩短生产周期，适应市场变化需求和提高竞争力的有效手段。4.高自动化高自动化是指全部加工过程中尽量减少人的介入而自动完成规定的任务，它包括物料流和信息流的自动化。5.智能化随着人工智能在计算机领域的不断渗透与发展，为适应制造业生产柔性化、自动化发展需要，智能化正成为数控机床及发展的热点，它不仅贯穿在生产加工的全过程，还贯穿在产品的售后服务和维修中。6.复合化复合化包含工序复合化和功能复合化。数控机床的发展已模糊了粗、精加工工序的概念。加工中心的出现，又把车、铣、镗等工序集中到一台机床来完成，打破了传统的工序界限和分开加工的工艺规程，可最大限度地提高设备利用率。7.高可靠性数控机床的可靠性一直是用户最关心的。数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数量，提高可靠性。8.网络化为了适应 FMC、FMS 以及进一步联网组成 CIMS 的要求，先进的 CNC 系统为用户提供了强大的联网功能，除有 RS232 串行接口、RS422 等接口外，还带有远程缓冲功能的 DNC 接口，可实现几台数控机床之间的数据通信和直接对几台数控机床进行控制。9.开放式体系结构20 世纪 90 年代以后，计算机技术的飞速发展推动数控机床技术更快地更新换代，世界上许多数控系统生产厂家利用 PC 机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。31.2 数控机床的优点1.2.1 数控机床的优点1.加工对象改型的适应性强利用数控机床加工改型零件，只需要重新编制程序就能实现对零件的加工。它不同于传统的机床，不需要制造、更换许多工具、夹具和检具，更不需要重新调整机床。2.加工精度高数控机床是以数字形式给出指令进行加工的，由于目前数控装置的脉冲当量一般达到了 0.001mm，而且进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿，因此，数控机床能达到比较高的加工精度和质量稳定性。3.生产效率高零件加工所需要的时间包括机动时间与辅助时间两部分。数控机床能有效的减少这两部分时间，因而加工生产率比一般机床高的多。数控机床主轴转速和进给量的范围比普通机床的范围大，每一道工序都能选用最有利的切削用量，良好的结构刚性允许数控机床进行大切削用量的强力切削，有效地节省了机动时间。数控机床移动部件的快速移动和定位均采用了加速与减速措施，由于选用了很高的空行程运动速度，因而消耗在快进、快退和定位的时间要比一般机床少的多。4.自动化程度高数控机床对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作面板、装拆零件、关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，其他的机床动作直至加工完毕，都是自动连续完成，劳动强度与紧张程度均大为减轻，劳动条件也得到相应的改善。5.良好的经济效益使用数控机床加工零件时，分摊在每个零件上的设备费用是较昂贵的。但在单件、小批量生产情况下，可以节省工艺装备费用、减少辅助生产工时、生产管理费用及降低废品率，因此能够获得良好的经济效益。6.有利于生产管理的现代化4用数控机床加工零件，能准确地计算零件的加工工时，并有效简化了检验和工夹具、半成品的管理工作。这些特点都有利于使生产管理现代化。数控机床在应用中也有不利的一面，如提高了起始阶段的投资，对设备维护的要求高，对操作人员的技术水平要求高等。1.2.2 数控机床加工零件的特点2数控机床确实存在一般机床所不具备的许多优点，但是这些优点都是以一定条件为前提的。数控机床的应用范围正在不断扩大，但它并不能完全代替其他类型的机床，也还不能以最经济的方式解决机械加工中的所有问题。数控机床通常最适合加工有以下特点的零件。1.多品种小批量生产的零件数控机床设备费用高昂，与大批量生产采用的专用机床相比其效率还不够高。通常，采用数控机床加工的合理生产批量在 10200 件之间。目前有向中批量发展的趋势。2.结构比较复杂的零件通常数控机床适宜于加工结构比较复杂、在普通机床上加工需要有昂贵的工艺装备的零件。3.需要频繁改型的零件数控机床节省了大量的工艺装备费用，使综合费用下降。4.价格昂贵、不允许报废的关键零件。5.需要最短生产周期的急需零件推广数控机床的最大障碍是设备的初始投资大。由于系统本身的复杂性，又增加了维修费用。如果缺少完善的售后服务，往往不能及时排除设备故障，将会在一定程度上影响机床的利用率，这些因素都会增加综合生产费用。考虑到以上所述的种种原因，在决定选用数控机床加工时，需要进行反复对比和仔细的经济分析，以发挥数控机床的经济效益。51.3 设计参数和方案确定1.3.1 机床主要技术参数机床的主要技术参数包括机床的主参数和基本参数，基本参数包括尺寸参数、运动参数及动力参数。机床主参数反映机床规格大小和工作范围，有些机床还规定有第二主参数。机床的尺寸参数是指机床的主要结构的尺寸参数，通常包括以下尺寸。1）与被加工零件有关的尺寸，如磨床头架上最大加工直径。2）标准化工具或夹具的安装尺寸。运动参数是指机床执行件，如主轴、工作台和刀架的运动速度。动力参数包括电动机的功率、液压缸的牵引力、液压马达或步进电机的额定转矩等。1.3.2 MK1332 数控外圆磨床设计参数工作台最大纵向移动量 1100mm工作台最大回转角度 +3、-4工作台最大移动速度 10m/min工件最大回转直径 320mm工件最大重量 150kg工作台重量 850kg尾架重量 200kg最大切削受力 1000N最大磨削长度 1000mm中心高 180mm最大砂轮线速度 60m/s61.3.3 MK1332 数控外圆磨床加工产品的主要精度外圆的粗糙度 0.32aR纵截面内直径的一致性 0.008mm圆度 0.0025mm1.3.4 设计方案的确定由于工作台最大移动速度 10m/min，由此数据确定是由开环伺服系统还是由半闭环伺服系统进行控制。如采用开环伺服系统进行控制、机床结构简单、成本低、工作比较稳定、调试方便，但精度不高；如采用半闭环伺服系统进行控制，可获得稳定的控制特性，还可以获得比较满意的精度和速度。通过市场调研和本次设计的实际情况，数控磨床工作台结构设计对加工精度的影响至关重要，而磨床加工精度一般都比较高，故本次设计采用半闭环伺服系统进行控制。工作台有两种驱动形式：液压驱动和滚珠丝杠驱动。液压驱动形式由于使用工作压力高的油性介质，因此机构输出力大，机械结构更紧凑，动作平稳可靠，易于调节和噪声较小，但要配置液压泵和油箱，当油液渗漏时会污染环境，易产生爬行现象；而滚珠丝杠驱动可提高系统的灵敏度、定位精度和防止爬行，降低数控机床进给系统的摩擦并减少静、动摩擦系数之差。因此，行程不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠螺母副2。它是直线运动与回转运动相互转化的新型传动装置。它可以消除反向间隙并施加预紧，有助于提高定位精度和刚度。结合已知条件则选用滚珠丝杠驱动。而上工作台还应能够进行回转，以实现磨锥的需要。上工作台 1 上置有头架 2 和尾架 4 长度为 L 且被磨削面为圆柱面的工件 3 装夹在头尾架之间。在点 A 上以 R 为半径对该工件施以力P 时，工作台则能相对轴心 O 回转48。如图 31 所示。71-上工作台 2-头架 3-工件 4-尾架图 31 工作台回转机理MK1332 数控外圆磨床主要用于圆柱类零件、圆锥面和凸轮轴颈的磨削。工作台导轨采用“V平”导轨， “V平”导轨导向精度高，加工装配也较方便。 “V平”导轨贴塑，可降低摩擦系数也可提高使用寿命。通过同步齿形带将伺服电动机和滚珠丝杠联接，传动精度高，作用在轴和轴承上的载荷小。滚珠丝杠的支承采用两端固定，可使丝杠具有最大的刚度。该数控外圆磨床采用两轴数控系统，即砂轮进给、工作台移动两轴数控，尾架采用液压系统控制，砂轮自动修整和砂轮修整后的自动补偿，本机床具有足够的刚性和抗震性。8第 2 章 数控机床的组成和分类2.1 数控机床的组成数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床主机组成（如图 21 所示） 。机床主机是数控机床的主体，包括床身、箱体、导轨、主轴、工作台、进给机构等机械部件。图 21 数控机床的组成数控机床主机的结构有下面几个特点：1）由于采用了高性能的主轴及进给伺服驱动装置，简化了数控机床的机械传动结构，传动链较短；2）数控机床的机械结构具有较高的动态特性，动态刚度、阻尼精度、耐磨性以及抗热变形性能，适应连续自动化加工；3）较多地采用高效传动件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨、静压导轨等。 此外，为保证数控机床功能的充分发挥，还有一些配套部件（如冷却、派屑、防护、润滑、照明、储运等一系列装置）和附属设备（程编机和对刀仪等等） 。2.2 数控机床的分类3 目前，数控机床品种齐全，规格繁多，可从不同角度和按照多种原则进行分类。92.2.1 按工艺用途分类1.金属切削类数控机床 这类机床和传统的通用机床品种一样，有数控车床、数控铣床、数控磨床、数控镗床以及加工中心等。加工中心是带有自动换刀装置，在一次装卡后可以进行多种工序加工的数控机床。2.金属成形类数控机床 如数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机等。3.数控特种加工及其他类型数控机床 如数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床、数控火焰切割机床等。 2.2.2 按控制运动方式分类1.点位控制数控机床 点位控制又称点到点控制.这类数控机床的数控装置只要求精确地控制一个坐标点到另一个坐标点的定位精度,而不管从一点到另一点是按照什么轨迹运动.在移动过程中不进行任何加工.这类数控机床主要有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲剪床和数控测量机等。2.直线控制数控机床 直线切削控制又称平行切控制。这类数控机床不仅要求具有准确的定位功能，而且还要保证从一点到另一点之间移动的轨迹是一条直线。其路线和移动速度是可以控制的。这类数控机床包括：数控车床、数控镗铣床、加工中心等。3.轮廓控制数控机床 轮廓控制又称为连续轨迹控制。这类数控机床的数控装置能同时控制两个或两个以上坐标轴，并且具有插补功能。对位移和速度进行严格的不间断控制，即可以加工曲线或者曲面零件，如凸轮及叶片等。轮廓控制数控机床有两坐标及两坐标以上的数控铣床，可加工曲面的数控车床、加工中心等。102.2.3 按伺服系统的类型分类根据有无检测反馈元件及其检测装置，机床的伺服系统可分为开环伺服、闭环伺服和半闭环伺服。1.开环伺服数控机床 这类数控机床没有检测反馈装置，数控装置发出的指令信号的流程是单向的，其精度主要取决于驱动器件和电机（如步进电机）的性能。工作台的移动速度和位移量是由输入脉冲的频率和脉冲数决定的。它适用于精度、速度要求不高的场合。2.闭环控制数控机床 这类机床数控装置中插补器发出的指令信号与工作台末端测得的实际位置反馈信号进行比较。根据其差值不断控制运动，进行误差修正，直至差值在误差允许的范围内为止。采用闭环控制的数控机床可以消除由于传动部件制造中存在的精度误差给工件加工带来的影响，从而得到很高的加工精度。但是，由于很多机械传动环节（尤其是惯量较大的工作台）包括在闭环控制的环路内，各部件的摩擦特性、刚性及间隙等都是非线性量，直接影响伺服系统的调节参数，故闭环系统的设计和调整都有较大的难度，设计和调整的不好，很容易造成系统的不稳定。所以，闭环控制数控机床主要用于一些精度要求高和速度高的精密大型数控机床，如镗铣床、超精车床、超精磨床等。3.半闭环控制数控机床 大多数数控机床采用半闭环控制系统，它的检测元件装在电机或丝杠的端头。这种系统的闭环环路内不包括机械传动环节，因此，可获得稳定的控制特性。由于采用高分辨率的测量元件（如脉冲编码器） ，又可以获得比较满意的精度和速度。半闭环系统的控制精度介于开环与闭环之间。2.2.4 按照功能水平分类按照功能水平分类，可将数控机床分为高、中、低档三类。 1.分辨率和进给速度 分辨率为 10m，进给速度为 8m/min15m/min 为低档；分辨率为 1m，11进给速度为 15m/min24m/min 为中档；分辨率为 0.1m，进给速度为15m/min100m/min 为高档。2.多坐标联动功能 低档数控机床最多联动轴数为 2 轴3 轴，中、高档则为 3 轴5 轴以上。 3.显示功能 低档数控机床一般只有简单的数码管显示或简单的 CRT 字符显示。而中档的有较齐全的 CRT 显示，不仅有字符，而且还有图形、人机对话、自诊断等功能。高档的还有三维动态图形显示。4.通信功能 低档数控机床无通信功能。中档数控机床有 RS232 或 DNC 接口。5.主 CPU 低档数控机床一般采用 8 位 CPU，中、高档的已经由 16 位 CPU 发展的 32位、64 位 CPU，并具有精简指令集的 RISC 中央处理单元。此外，进给伺服水平以及 PC 功能也是衡量数控档次的标准。第 3 章 进给系统设计数控机床的进给系统与普通机床不同。数控机床的进给指令，来自数控12系统，经进给电动机和驱动机构，使执行部件如刀架、工作台、主轴箱等按程序的规定运动。半闭环控制系统原理（如图 31 所示）为数控装置 1 发出的指令脉冲经伺服系统 2、伺服电动机 3 带动执行部件（工作台）4，按程序运动。反馈信号发生器 5 发出反馈信号并送至伺服系统与数控装置发来的指令相比较，检查指令是否被正确的执行。半闭环系统的反馈装置装在伺服电动机或丝杠上不能纠正丝杠的误差以及受载后丝杠、轴承等的变形，因而精度比全闭环要低一些。1-数控装置 2-伺服系统 3-伺服电动机 4-执行部件 5-反馈信号发生器图 31 半闭环控制系统原理图3.1 工作台机构传动设计工作台机构传动系统采用半闭环控制系统，伺服电动机通过同步齿形带与丝杠联接。丝杠的最高转速的确定，其与使用要求，如机床工作台的工maxN作进给速度和快进速度相关。工作台要求的最高速度10m/min。伺服电maxv动机通过带轮与丝杠联接，转速可由下式计算： (r/min)maxmax1000spvnh式中 工作台快进速度（m/min） ；maxv13 丝杠导程（mm） 。sph丝杠的导程通常是标准值，从经济上考虑，应根据厂家提供的产品样本中选取20。由文献20选取丝杠的导程为 5mm，则由（r/min）maxmax10001000 1020005spvnh丝杠的最高转速r/min。要求定位精度为 0.012/300mm，丝杠max2000dn的“任意 300mm 行程内的行程变动量”取为定位精度的 1/31/2，即300v0.0040.006mm。1 级精度的滚珠丝杠=0.006mm，故应取一级精度。根据300v精度要求，脉冲当量可定为 a=0.001mm/脉冲，电动机每转发出的脉冲数 b 应为5150000.001sphbia 式中 传动比。i脉冲编码器有每转 2000、2500、5000 脉冲等数种。选取每转 5000 脉冲的编码器。3.2 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置。3.2.1 工作原理与特点 滚珠丝杠螺母副在丝杠和螺母上都有半圆弧行的螺旋槽，当将它们套状在一起时便构成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道，在螺母上的进出口将几圈螺旋滚道的两端连接起来，构成了封闭的循环滚道，并在滚道内装满滚珠。当丝杠旋转时，滚珠在滚道内部既自转有沿滚道循环转动。因此迫使螺母（或丝杠）轴向移动。由于滚珠丝杠螺母副中是滚动摩擦，它有以下特点：141.传动效率高，摩擦损失小 由文献21中知道滚珠丝杠螺母副的传动效率为：tantan()式中 螺旋线升角（ ） ； 摩擦角（非常小，滚珠丝杠约为左右） 。102.给予适当的预紧，可消除丝杠和螺母螺纹间隙 适当预紧后的滚珠丝杠副，可消除螺纹间隙，这样反向时就可以没有空程死区，反向定位精度高。3.运动平稳，无爬行现象，传动精度高 滚珠丝杠副基本是滚动摩擦，摩擦阻力小， 摩擦阻力的大小几乎与运动速度完全无关。4.有可逆性 即丝杠和螺母都可作为从动件。5.磨损小，使用寿命长。6.制造工艺复杂 其加工精度要求高，表面粗糙度值要求低，一般都要求磨削成型，故制造成本高。7.不能自锁 特别是垂直安装的丝杠，由于自身质量的惯性力的作用，下降时当传动切断后，不能立即停止运动，故常需要添加制动装置。3.2.2 滚珠丝杠螺母副的循环方式 滚珠丝杠螺母副常用的循环方式有两种：一种是滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离的称为外循环；另一种是滚珠始终与丝杠保持接触的称为内循环。1.外循环 外循环的回珠器有插管式和螺旋槽式两种。外循环结构制造工艺简单，使用较广泛。其缺点是滚道接缝处很难做得平滑，影响滚珠滚动的平稳性，甚至发生卡珠现象，噪声也较大。152.内循环 内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种形式。有圆柱凸键反向器和腰形嵌块式反向器（亦称扁圆镶块反向器） 。这种反向器的外廓和螺母上的切槽尺寸精度要求都较高。3.2.3 滚珠丝杠副的轴向间隙消除和预加载荷 滚珠丝杠螺母副的轴向间隙消除主要有以下几种：1）垫片消隙式 2）螺纹消隙式 3）齿差消隙式三种。第一种调整结构简单、刚性好、精度适中，故目前在数控机床上应用较广。预加载荷可以提高定位精度和轴向刚度。3.3 滚珠丝杠副的精度3.3.1 滚珠丝杠当量动载荷的计算数控机床进给机构用的是定位（p）类滚珠丝杠副7。精度主要采用 1 级或 2 级。丝杠精度可按“任意 300mm 行程内行程变动量”选择，这项公差300v1 级为 6m；2 级为 8m。滚珠丝杠的长度是受到精度的限制的20。半闭环系统滚珠丝杠副的精度，主要根据要求的机床定位精度选择。定位精度由下列几部分误差组成：滚珠丝杠副制造的误差和由于载荷和温度的作用，丝杠、轴承、联轴节和伺服系统的误差。在初步设计时，可假定丝杠的累积误差约占机床定位误差的 1/31/2，据此初选丝杠的精度，以后再进行验算并修改。滚珠丝杠应根据其额定动载荷选用。一批相同的滚珠丝杠副，在轴向载荷的作用下，运转转后 90%不产生疲劳点蚀，则称为这种规格丝杠副Ca610Ca的额定动载荷。各种规格的滚珠丝杠，其额定动载荷可从样本或手册中查Ca得，计算的原理与计算滚动轴承相同。滚珠丝杠的当量动载荷为514Cm16 3mwmaFL fCf（N） （31）所选的滚珠丝杠副，其额定动载荷不得小于此值，即CaCaCm式中 轴向平均载荷(N)；mF在“载荷时间”变化规律不明时，（N）maxmin23mFFF、 丝杠的最大、最小工作载荷（N） ；maxFminF 工作寿命（） ；L610 r6460( 10)10mn hLr 平均转速（r/min） ；mnmaxmin2mnnn、 丝杠的最高、最低转速（r/min） ；maxnminn 工作寿命。一般机床可取=10000h、数控机床可取hhh=15000h。h 精度系数。1、2、3 级精度丝杠，=1；4、5 级精度丝杠，afaf=0.9。af 运转状态系数。无冲击时取 11.2；一般情况取 1.21.5；有wf冲击振动时取 1.52.5；丝杠的最大载荷为最大进给力加摩擦力；最小载荷即摩擦力。工作台质量加头、尾架质量加工件最大质量为：1M2M3M17 (kg)max123850200 1501200MMMM由文献20查得直线导轨的摩擦系数为 0.04；故摩擦力min1200 0.04 9.8470.4fFF（N）静载荷最大轴向力可近似取最大加工受力：Nmax1000wFF最大载荷： (N) max1000470.41470.4wfFFF平均载荷： (N)maxmin21137.13mFFF因为工作台最大移动速度为 10m/min，丝杠导程为 5mm，可知丝杠最高转速为 2000r/min，丝杠最低转速为电动机最低转速近似为 0。平均转速： (r/min)maxmin20000100022mnnn所以，666446060 1000 15000( 10)( 10)900( 10)1010mn hLrrr把上述参数代入式（31）得：331137.1900 111.21mwmaFL fCf(KN)3.3.2 滚珠丝杠的选取和极限转速的计算滚珠丝杠副的极限转速主要是指滚珠丝杠副在高速运转时，避免产生共振现象，使滚珠丝杠副在正常运转时的最高转速。（r/min）7210spcdnfL式中 极限转速（r/min） ；cn 丝杠支承间距（mm） ；L 与支承方法有关的临界转速系数；f18设计过程中为了提高丝杠的刚度，选用两端固定的支承形式，由表 31可知=21.9；由工作台最大纵向移动量可初步确定丝杠支承间距约为f1400mm。表 31 临界转速系数f1.根据轴向压力选取丝杠直径 （32）1244()10aspL FdmN；=1.4m,将、值代入式（32）中，得1000aFFwLfm=10.9156(mm)，故取11mm。spdspd2.最大转矩限制max0And式中 A 确定最大转速的常数，取 5000070000；d0 丝杠名义直径（mm） 。又由 maxmaxspvnh式中 工作台快进速度（m/s） ；maxv 滚珠丝杠的导程（m） 。sph支承形式f双推双推21.9双推支承15.1单推单推9.7双推自由3.419 (r/min)maxmax1020000.005spvnh (mm)0max500007000025 352000Adn3.临界转速限制由式 （33）2710cspn Ldf 由r/min；max2000ncN 将=1400mm， =21.9（见表 31）代入（33）得：Lf(mm)17.9spd4.选择丝杠直径由上面计算结果得KN11.2mC N1470.4aC mm11spdmm(25 35)spdmm17.9spd根据以上数据，从文献20中选择滚珠丝杠型号为 BNFN3205-5 双螺母预压型滚珠丝杠副，其参数如下：公称直径： 32mm20滚珠直径： 3.55mm导 程： 5mm循环列数： 2圈 数： 2.5丝杠内径： 29.2mm丝杠外径： 32mm额定动载荷： 18.5KN 额定静载荷： 56.4KN 轴向刚度： 1110N/m额定动载荷为 18.5KN 大于计算结果 11.2KN，预紧力为额定动负荷的10，则KN，只要轴向外载荷不超过的三倍，0.10.1 18.51.85pmFCpF就不必对预紧力提出额外要求8，今最大外载荷为 1470.4N，小于此值，故不必对预紧力提出额外的要求。（r/min）772229.21021.91032631400spcdnfL因为工作台最大移动速度为 10m/min，丝杠导程为 5mm，可知丝杠最高转速为2000r/min=3263（r/min）,故符合要求。cn3.3.3 滚珠丝杠副效率计算由文献21中知道丝杠螺母副的传动效率为：tantan()螺旋升角 sparctanarctan52 513.14 32hd 传动效率 tan2 510.93tan(2 5110 )213.3.4 滚珠丝杠副刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程的变化值 7sphsphmaxspspFhhEA 式中 丝赶导程（cm） ；sph 弹性模量（N/cm） ，；E72.1 10E 螺纹小径处的截面积（），； A2cm2( )2dAd 由上述可知为 29.2mm；(cm2)2229.2( )3.14 ()6.6922dA (cm)max7sp71470.4 0.0552.4 102.1 106.69spFhhEA 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小,可以忽略。所以sph(m)1000.2620.2sph 查文献20可知 1 级精度滚珠丝杠的允差为 6m,故刚度足够。在机床工作台加速与磨削加工过程中，在轴向方向会产生力，必须保证这个力小于允许的压弯临界载荷，否则可能导致进给丝杠弯曲。aF压弯临界载荷可用下式计算：aF (N)4410spamdFL式中 丝杠底径（mm） ；spd 丝杠支承间距（mm） ；L22 与丝杠支承方法有关的临界载荷系数，=20.3mm（见表 32） 。表 32 临界载荷系数m(N)442420.3 29.27.53 10140010aF而 (N)，远小于此值。max1470.4F第 4 章 滚珠丝杠的支承为了满足高精度、高刚度进给系统的需要，除了应采用高精度、高刚度的滚珠丝杠副外，还必须充分重视支承的设计。注意选用轴向刚度高，摩擦力矩小，运转精度高的轴承，选用合适的支承形式，并保证支承座有足够的刚度15。支承形式m双推双推20.3双推支承10.2单推单推5.1双推自由1.3234.1 轴端支承形式的选择4.1.1 滚珠丝杠轴端支承形式的选择（a） “双推自由”支承方式；（b） “双推支承”支承方式；（c） “单推单推”支承方式；（d） “双推双推”支承方式；图 41 滚珠丝杠支承的四种方式支承应限制丝杠轴的轴向窜动，较短的丝杠或竖直安装的丝杠，可以一端固定一端自由（无支承） ，水平丝杠较长时，可以一端固定，一端游动，用于精密和高精密机床（包括数控机床）的丝杠副。为了提高丝杠的拉压刚度，可以两端固定。在本次设计工作台进给机构中，丝杠的刚性是重要因素，所以选择两端固定支承形式5（如图 41（d）所示） 。4.1.2 滚珠丝杠对轴承的要求 滚珠丝杠对轴承的要求，与主轴和传动轴对轴承的要求有相同的一面，但是也有不同的一面。相同的一面是应该保证足够的精度和疲劳寿命。不同的一面是丝杠轴承所承受的载荷主要是轴向的。径向除丝杠的自重外，一般无外载荷。因此丝杠轴承的轴向精度和刚度要求较高。丝杠转速一般不会很24高，高速运转的时间很短，因此发热不是主要问题。进给系统要求运动灵活，对微小的位移（丝杠微小的转角）要响应灵敏。因此，轴承的摩擦力矩要尽量低。目前，已有滚珠丝杠专用轴承，但其主要依靠进口。而且价格昂贵。而在国内各类轴承中应用得最多的是 60 接触角的推力角接触球轴承，其次是滚针和推力滚子组合轴承。后者多用于大牵引力，要求高刚度的大型、重型机床。根据滚珠丝杠对轴承的要求，用于滚珠的角接触球轴承应具有较大的接触角，60 接触角的推力角接触球轴承就是较好的与滚珠丝杠配套的专用轴承，它的特点是：1）接触角大，保持架用增强尼龙注塑成型，壁薄，可容纳较多的钢球，因此轴向承载能力大、刚度好。2）即能承受轴向载荷，又能承受径向载荷，故支承结构可以简化。3）根据载荷的情况，轴承可以进行各种组合。4）这种轴承是根据规定的预紧力组配好成组供应的，使用时不需自己调整。5）启动摩擦力矩小，可以降低滚珠丝杠副的驱动功率，提高进给系统的灵敏度。4.1.3 轴承的组配方式 推力角接触球轴承有许多种组配方式，基本的组配方式有三种：背靠背、面对面和同向组配。1.面对面组配 这种组配方式的受力作用线向内收敛，所以轴承间的有效支点距离缩小，这种组配方式可承受双向的轴向载荷和径向载荷，但承受倾斜力矩的能力较差，并会较多地降低轴承的极限转速，一般使适用于需要精度调心的场合。2.背靠背组配 这种组配方式，力的作用线向外侧发散，所以轴承间的有效支点距离增大，这种组配方式可以承受双向的轴向载荷和径向载荷，并且有较多的承受倾斜力矩的能力。3.同向组配 这种组配方式能承受径向载荷但只能承受单向的轴向载荷。25这三种组配方式两个轴承都能共同承受径向载荷，运转时，轴承外圈的散热条件比内圈好，因此，内圈的温度将高于外圈，径向膨胀的结果将使轴承的过盈加大。轴向膨胀对背靠背组配将使过盈减小，于是，可以补偿一部分径向膨胀；而对于面对面组配，将使过盈进一步增加。基于上述分析，丝杠高速运转，因此滚珠丝杠轴承采用背靠背组配。4.2 轴承预紧力4.2.1 轴承应适当的预紧，适当的预紧有助于提高轴承的工作能力1.适当地预紧可以提高旋转精度存在间隙的轴承在载荷的作用下，只有对着受力方向的几个滚动体才承受载荷。在相反方向滚动体是脱离的。轴承经预紧后，各个滚动体都承受着一定的预负荷，从各个方向支承着内圈。因此，预紧可以提高旋转精度。每个滚动体，截面都不可能是绝对的圆形，各个滚动体的直径不可能绝对相同，滚道也会有一定的波纹。如果轴承存在游隙，则由于滚动体的自转、公转和滚道的波纹，丝杠轴心位置将产生变动。预紧后，滚动体和滚道都产生了一定的弹性变形，滚动体直径较大其变形较大，直径较小其变形也较小，因此截面不同，直径不一致的影响被弹性变形缩小了，滚道波纹的高点也在弹性变形下被压下去了，这就是预紧能提高精度的另一个原因。2.适当的预紧可以提高刚度滚动体与滚道接触处是有弹性的。预紧后的轴承各个方向都有一定的预压量。因此预紧可以提高刚度。滚动体与滚道在无载荷时是点接触。在一定的范围内随着载荷增加滚动26体的变形增大，接触面积增加，滚动体与滚道间已有预载荷和预变形，比不预紧的轴承刚度提高了。3.适当预紧可以提高轴承寿命预紧后参加工作的滚动体数量增加，每个滚动体承受的载荷降低了，因而可以把载荷比较均匀地分配给每个滚动体。所以可以提高轴承寿命16。4.适当预紧可以提高轴承的阻尼和降低噪声适当预紧后，滚动体与滚道间可以建立起稳定的油膜，油的粘滞阻尼、摩擦阻尼和滚动体及滚道的材料内摩擦阻尼都可以提高主轴组件的动态特性和降低噪声。但是预紧要适当，当预紧不大时，阻尼是增大的，当预紧大到一定程度时，阻尼就不在增大了。4.2.2 预紧与发热预紧后，滚动体与滚道之间，滚动体本身都有了弹性变形。弹性变形所消耗的能量转化为热。预紧力越大发热量也越多，随着预紧力的增加，温升的增加将越来越快。预紧对精度、寿命、阻尼和噪声的影响都是有极限的。开始时，预紧力对提高旋转精度、寿命、刚度和阻尼，对降低噪声的影响是明显的。但当预紧力已相当大时，再进一步提高预紧，效果就不明显了。这是由于滚动体与滚道间的接触应力较大，反而会降低寿命。随着预紧力的增加，温升也增加，对于各种精度等级的机床轴承温升是有限制的，预紧力也有最佳值。在这个最佳值下，温升不超过规定，刚度也高。如前所述，预紧力越大，则刚度有所提高，但一定转速下的温升也越高。因此预紧力的选择原则是：负荷重，要求刚度高，转速较低或允许的温升较高时，应选较大的预紧力，反之，则应选较小的预紧力。下面通过计算来确定最小预紧力。轴承 1 和 2 背靠背组配，如图 52 所示。2712FaoFaoFa图 42 背靠背组配形式预紧力为在轴向力的作用下，如果轴承 2 的滚道和滚动体刚刚脱离0aFaF接触，即=0，则就是最小预紧力.由前面计算可知：N，轴承 1 和 21aF0aF1000aF 在预紧力作用下变形为：,当作用有轴向外载荷时，轴承 1 的载0aF1200aaaF荷从 Fa0增加到轴承 2 则从减小到，两者之1aF0aF2aF差等于外载荷，即：aF12aaaaoFFFF2aaoaFFF这时两个轴承的变形分别为：11aaoa22aaoa当增大到使 时，则；即轴承 2 安全卸荷，这时aF1aa20a；11212aaoaoao28点接触的变形 与刚度及载荷之间的关系是；kF23kF；即；22332aaokFKF22332aaoFF3222.83aaoaoFFF（N） ；0.350.35 1000350aoaFF根据上述计算选择由 FAG 公司生产制造的 60 接触角的推力角接触球轴承，两端固定支承（这样丝杠在工作过程中始终受到拉应力） ，背靠背组配。查文献22选择的轴承型号为 7602030TVP，具体参数如下：额定动载荷： 26KN额定静载荷： 39KN轴向最大动负荷： 17KN摩擦力矩： 85N mm重 量： 0.23kg轴向刚性： 917N/m极限转速： 9000r/mind=30mm；D=62mm；B=16mm又由文献21得知此轴承的最大预紧力为 2918N，现算得轴承最小预紧力为 350N，所以取轴承预紧力为 1000N 即可。4.3 滚珠丝杠的联接电动机与丝杠之间通过带轮采用同步齿形带联接（如图 43 所示） ，因同步齿形带兼有带传动、齿传动及链传动的优点而被广泛采用1011。同步齿形带传动机构具有良好的动态特性，完全可以满足数控机床伺服进给的要求12。同时，它也是一种十分经济的传动装置。291-脉冲编码器；2-同步齿形带轮；3-滚珠丝杠；4-同步齿形带；5-伺服电动机图 43 进给系统用同步齿形带传动同步齿形带传动时的线速度可达 50m/s10（有时允许达 100m/s） ，传动功率可达 300kW，传动比可达 10（有时允许达 20） ，传动效率可达 0.98。采用同步齿形带传动的优点是：1）无滑动，能保证固定的传动比；2）预紧力较小，轴和轴承上所受的载荷小；3）带的厚度小，单位长度的质量小，故允许的线速度较高；4）带的柔性好，故所用带轮的直径可以较小。其主要缺点是安装时中心距的要求严格，却价格比其他带传动昂贵。同步齿形带主要用于传动比准确的中、小功率传动中，如电子计算机、放映机、录音机、磨床、纺织机械等。同步齿形带的基本参数是节距（带上p相邻两齿中心线间沿节线度量的距离） 。由于同步齿形带传动属于啮合传动，不存在相对滑动，因此齿形带传动30的设计准则是：应保证齿形带有足够的强度。由于强度不够齿形带在工作时可能产生的失效形式有：1）由于强力层的强度不够而引起的强力层弯曲疲劳破坏；2）在冲击载荷的作用下，强力层产生断裂或从齿背中抽出；3）由于强力层伸长，使齿带齿距改变，引起爬齿；4）带齿的磨损、弯曲、剪断和老化龟裂等。综上所述，齿形带的强度计算主要应该限制作用在齿形带单位宽度上的拉力，以保证一定的使用寿命。实践证明，按这一准则设计的齿形带，上述可能产生的破坏基本上都可得到控制。4.3.1 同步齿形带的计算计算齿形带宽度的（mm）的公式为：b (41)1000 cpbssv式中 齿形带所传递的功率（kW） ；p 齿形带单位宽度上的离心许用拉力（N） ； s 齿形带单位宽度上的离心拉力，(N)；cs2cq vsg 带速（m/s） ；v 单位宽度、单位长度带的重力（N） ；q 重力加速度，取=9.8()。 gg2ms表 41 聚氨脂齿形带（强力层为钢丝绳）的许用拉力和值 sq31传动比；伺服电动机最高转速，已知主动轮转速maxmax1dNiNmaxdN=2000(r/min)，传动比，功率kW，每天工作小于 10 小时。maxN1i 4.7p 220.034 100.35(N)9.8cq vsg 将上面给出的参数代入式（41）得10001000 4.749.7(mm)(9.80.35) 10( )cpbssv1.模数的选取模数主要是根据齿形带所传递的计算功率和小带轮的转速，可按图Cp1n44 选取，计算功率可按下式计算：Cpm/mm1.522.5345710/ s-1N mm3.95.97.89.815252939/(N)q0.0180.0240.0290.0340.0470.0590.0800.11632图 44 齿形带模数选用线图CgpK p式中 齿形带所传递的功率(kW)；p 工作情况系数（见表 42） 。gK表 42 工作情况系数Kg注:经常反转或使用张紧轮时,表中值应乘以 1.1。 则gK(kW)1.2 4.7 1.16.2cp 由图 54 选取模数=3mm。m2.小带轮的最小直径 minD小带轮的最小直径不是直接选定，而是由其最少齿数控制，minDminZ见下表：minZ表 43 表minZ一天运转时间/h10101616载荷性质载荷平稳1.01.11.2载荷变动小1.21.41.6载荷变动较大1.41.72.0/mmm小带轮转速11/minnr1.522.5、34571010001214161820222410003000141618202224263000161820222433设计的带轮所选的齿数应大于。由表可知,在此选取带轮1ZminZmin18Z齿数=26。Z带轮几何参数的计算：齿形角 40节 距 (mm)3.14 39.42pm 节圆直径 (mm)3 2678dmz 顶圆直径 (mm)112782 1 384addh m 顶圆齿距 (mm)1119.24aadpz齿侧间隙 (mm)00.60jj径向间隙 (mm)00.82cc顶圆齿槽宽 (mm)4.31 0.604.91afesj齿槽深 (mm) 1.80.822.62hhc根圆直径 (mm)11(22)76.5faddh mc m根圆齿槽宽 (mm)3.0faes齿根圆角半径 (mm)0.10.1 3.00.3frm齿顶圆角半径 (mm)0.150.15 3.00.45arm带轮齿宽 (mm)(310)60Bb因，所以两带轮参数相同。1i 343.初选中心距0A120120.5()2()DDADD式中 初选中心距（mm） ； 0A 、 小轮和大轮分度圆直径（mm） ；因两带轮相同，则1D2D078(mm)312(mm)A初选中心距。0300mmA 4.确定带长L 中心距初选后，按下式初选带长：22101200.25()20.5 ()DDLADDA2 3000.5 3.14 (7878)0844.92(mm)则带的齿数为,将求得的齿数圆整到标准化的齿844.9289.693.14 3pLZm数值，并且=40250，最终确定带的齿数为 90。最后确定与之相应的带长pZL3.14 3 90847.8(mm)pLmZ 5.最终确定中心距A 中心距用下式确定：A221212210.250.5 ()0.5 ()2() ALDDLDDDD326.44(mm)356.小带轮上与带相啮合的齿数nZ用下式计算：nZ 21118057126133602nDDAZZ当时，不小于 4；当时，不小于 6。经过上面计算满足2m nZ2m nZ要求。7.小带轮最小包角1 用下式计算：121118060180DDA8.作用在轴上的载荷sF 即为齿形带所传递的圆周力：sF3.5350(N)10spFFv第 5 章 电动机的选择
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