毕业设计（论文）-X5230普通铣床数控化改造.doc

太原理工大学阳泉学院毕业设计说明书 毕业生姓名： 专业：机械制造与自动化 学号： 指导教师： 所属系（部）：机电系二一四年六月 全套图纸加扣3012250582太原理工大学阳泉学院毕业设计评阅书题目：X5230普通铣床数控化改造 机 电 系 机械制造与自动化 专业 姓名 设计时间：2014年3月31日 2014年6月1日 评阅意见：成绩： 指导教师：（签字） 职务：201 年月日太原理工大学阳泉学院毕业设计答辩记录卡 机电 系 机械制造与自动化 专业 姓名 答 辩 内 容问 题 摘 要评 议 情 况 记录员： （签名）成 绩 评 定指导教师评定成绩答辩组评定成绩综合成绩注：评定成绩为100分制，指导教师为30%，答辩组为70%。 专业答辩组组长：（签名） 201 年 月 日 X5230普通铣床数控化改造摘 要数控机床以它生产效率高、可加工零件多样化的特点，越来越显示出它的优越性，然而，很多资深的老企业还存在着许多原有的普通机床，如何将普通机床改造成数控机床，已成为机械加工设备改造工作的重点。本文以X5230普通铣床为例阐述了对普通机床进行技术改造的必要性，提出了该机床数控化改造的方案并实施了改造。机械部分改造主要做了以下工作：将三个进给方向的滑动丝杠改为滚珠丝杠，用伺服步进电机和减速齿轮来实现进给部分的调速，这样不仅提高了传动效率而且可以实现快速定位和准确的启、停；数字控制系统选用南京华兴数控设备有限责任公司生产的WA310M，该系统达到数字化控制各部件协调工作，而且成本低；电气改造中取消原机床强电柜中的大量电气元件，改用继电器、接触器以及伺服驱动器来实现电路的控制。对改造后的机床进行了几何精度和工作精度测试，测试结果满足机床的精度要求，根据测试结果验证了机床改造的可行性和可靠性，不仅加工范围增大，同时降低了劳动强度，提高了加工效率。 与改造前相比，该机床的操作更加方便，大大降低了劳动者的劳动强度，提高了生产效率，改造后的铣床可提高生产效率，保证产品质量和减轻工人的劳动强度,该方案具有投资少、见效快的优点，值得推广。关键词：数控机床；数控化改造；数控系统AbstractBased on its high production efficiency, machinable parts diversification, CNC machine has increasingly shown its superiority. However, many senior enterprises still have large amount of original general-purpose machine tools, how to transform the ordinary tools into CNC machine tools has became the focus of the mechanical processing equipment modification. Based on X5230 general milling machines, this paper expounds the necessity of the technological transformation to general-purpose machine tools, and purposed transformation of the CNC program and implemented a transformation. Mechanical parts reconstruction made the following job: taking the three feeding direction of sliding screw instead of ball screw, servo stepping motor and reduction gear to realize the speed regulation of the feed part, this works not only improve the transmission efficiency ,but also achieve rapid positioning and accurate start , stop. Digital control system chooses WA310M NC system which produced by Nanjing Huaxing NC equipment ll cLimited liabiility company. This system chieves the digital control components coordinate work, and the cost is low. Electric system transformation cancelled a large number of electronic components in high electrical cabinet; achieve the control circuit by switch relays, contactors, and servo drive. Then, testing precision and geometry accuracy of the machine after transformation, the test results meet the machines accuracy. The test results verified the feasibility and reliability of machine tools, not only the processing expanded, and the labor intensity reduce, the machining efficiency improved. Compared with before modification, the machines operations are more convenient, and greatly reduce the laborer labor intensity, improve the production efficiency and product quality. This scheme has advantage of little investment and instant effect, which is worth popularizing.Keywords: NC machine tool，modifieation of machinetool，NC system目 录1 绪论111 课题的研究目的和意义112 本文的选题及主要研究内容2111主要研究内容2112数控化改造的主要环节22 X5230普通铣床数控化改造方案的设计521 设计要求5211总体改造方案5212数控铣床改造后技术参数822 传动系统改装设计与计算9221纵向进给系统的设计与计算9222横向进给系统的改造设计与计算20223垂向进给系统的改造设计与计算2523 步进电机的选择31231纵向进给系统步进电机的确定31232横向进给系统步进电机的确定32233垂向进给系统步进电机的确定333 X5230铣床数控化改造的数控系统3531 数控系统选型3532 步进电动机的驱动器选型37321驱动器选型37322分配器38323放大器41324系统连接4133 驱动器信号输入输出43331信号输入输出43332面板开关说明444 XK5230电气系统数控改造设计4641 概述4642 电气系统数控改造设计4643 强电柜的安装与连接47结 论48参考文献49致谢50- VI -全套图纸加扣3012250582第一章 绪论第一节 课题的研究目的和意义机械制造行业是国民经济发展的重要基础，是其发展的先导。历史的实践已证明：先进的制造装备与先进的制造技术在国民经济中起着重要的作用；而先进的装备与先进的制造技术则正是由先进的机械工业来提供的。随着消费向个性化发展，单件小批量多品种产品占到70%80%，这类产品的零件一般采用通用机床来加工。当产品改变时，机床与工艺装备均需作相应的变换和调整，而通用机床的自动化程度不高，基本上是由人工操作，难于进一步提高生产效率和保证质量。特别是一些曲线、曲面组成的复杂零件，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完成，其加工精度和生产效率会受到极大的影响。产品结构越来越合理，性能、精度和效率日趋提高，因此对产品零部件的生产设备（机床）也相应提出了高性能、高精度与高自动化的要求。为了解决单件小批量多品种产品在生产中日愈增加的质量与效益矛盾，特别是复杂型面零件的加工生产问题，数控机床的应用在机械加工中得到了广泛的应用。我国是制造大国，但不是制造强国。制造业水平的相对落后，设备陈旧，技术水平差距大，国际竞争力弱，直接影响了生产力的发展。大批量生产的产品，如汽车、拖拉机与家用电器的零件，为了提高产量和品质，广泛采用了组合机床、专用机床、自动化生产线和自动化车间来组织生产，但是这类专用机床和生产设备生产加工出来的产品普遍存在质量差、准备周期长，更新产品和修改生产工艺不易、档次低、成本高、供货期长等缺点制约了产品的更新换代。我国现正处于从以劳动密集型产业为主向以技术密集型产业为主的发展阶段，对自动化设备的需求会越来越大、越来越积极。尽管数控机床可以较好地解决形状复杂、精密、小批量多品种零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率但从我国机械加工行业来看，机床总量约 400万台，其中数控机床总数只有 12万多台，数控机床占有率不足 3，而一些工业发达国家早已达到30以上。逐步提高数控机床的占有率，已经成为我国制造技术发展的总趋势也是我国制造业发展所需要解决的一个现实问题。提高机床数控率有两个途径：一是增加新的数控机床。从目前企业面临的情况看各企业均有大量的普通机床，数控机床价格昂贵，一次性投资较大，企业完全用数控机床替代是根本不可能的；二是对旧机床进行数控化改造。我国是一个机床拥有量极大的国家，而且约有半数以上是役龄在10年以上的旧机床，采取对旧机床进行改造来提高设备的先进性和数控化率，投入少、收效大，是一个极其有效和实用的途径，而且符合中国的国情，是企业必走之路。第二节 本文的选题及主要研究内容一、主要研究内容为了使X5230普通铣床满足加工小批量、精度高、形状复杂的零件，同时在加工过程中不仅可以减轻劳动强度，而且保证加工质量以及从经济方面考虑，本次设计对X5230进行数控化改造，节约资金的同时，又能够满足生产需求。设计的目的主要是以下几个方面：1、节约资源，降低数控化成本。利用原来的普通机床进行数控化改造，提高机械设备的数控化率。2、实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬动，从而可以提高零件加工精度，减小尺寸分散度，使装配容易，不需再“修配”。3、实现加工的自动化，效率可比传统机床提高三到七倍。4、数控加工降低工人的劳动强度，节省劳动力，减少工装缩短新试品试制周期和生产周期，并对市场作出快速反应。 X5230普通铣床进行数控改造后，系统应能控制主轴转速并实现其正反转；控制工作台实现纵向、横向和垂直方向的进给运动；控制冷却和润滑；通过键盘输入加工程序；由显示器显示加工状态等。 数控部分：机床中的主轴、冷却、润滑和进给等均需系统自动控制，为此需设计接口转换电路和强电控制电路。电器元件可保留使用原机床中的变压器、自动断路器、接触器等。拆除原电控箱，原位安装改制后的电控箱。机械部分：X5230型铣床主要用于对中小型轴类、盘类及箱体类零件的加工，改造后的机床可进行铣、钻等工序，可以加工各种斜面、沟槽。可适用于企业的机械设备生产，特别适用于工夹模具的制造。二、数控化改造的主要环节普通机床数控化改造主要从主传动部分、进给传动部分、数控系统三个环节进行方案制定和改造实施。（一）主传动改造主轴部件直接带动工件或刀具参加切削运动，它除承受本身重量外，还需承接较大的切削载荷，主轴本身的刚性和旋转精度以及支撑的刚性都将直接影响零件的加工精度，因此主轴部分的数控改造，首先应保证本身的刚性以及修复和提高本身的旋转精度。由于中、小型机床，本身价格较低，如果将其主传动改为交流变速，其费用太高，因此，在一般情况下，为了降低改装的费用，保持机床的原有精度，主传动系统基本不变，保持原机床的手动变速，改造后使主运动和进给运动分离，数控系统只用于控制主轴的起、停、升、降和正、反转及冷却液的开、关。主传动系统仍采用原电动机驱动，只是将主轴改装成由步进电机经滚珠丝杠带动的可升降主轴。（二）进给传动的改造为了加工出符合要求的零部件，对进给传动的要求一般为: 1高精度即高的定位精度和重复定位精度以及加工零件的综合精度； 2高品质即响应快，频带宽，动静态速降小，调速范围宽； 3高速度即能快速定位，以提高效率； 4大功率即能输出大的力矩和功率，以满足加工要求；机床进给传动链中，需将旋转运动变成直线运动，普通机床常采用普通丝杠，虽有许多优点，但其摩擦阻力大，传动效率低(= 0.200.40)，动静摩擦系数相差大，在低速时容易出现爬行，而数控机床要求进给部分的移动元件灵敏度好，精度高，反应快，无爬行。采用滚珠丝杠副可能满足要求。综上所述，我们选择滚珠丝杠传动，由于其高效率、温升小、高精度、高速度、高刚性、可逆性、长寿命、低能耗、同步性、高灵敏度、无间隙、维护简单等优点而得到广泛应用，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。此外，从转动惯量、转动力矩、最大静转矩和频率等方面对纵、横、垂向步进电机分别进行计算，进而选择纵、横、垂向步进电动机；通过设计计算选择纵、横、垂向步进电机和滚珠丝杠之间配套的减速齿轮。（三）电气部分改造机床的主轴、冷却等均需系统自动控制，为此需设计接口转换电路和强电控制电路。电器元件可保留原机床中的变压器、自动断路器、接触器等。拆除电控箱，原位安装改造后的电控箱。此部分任务是确定控制方式、选择伺服系统。数控系统控制方式基本上可以分为开环、闭环、半闭环三种方式。机床数控化改造选择哪种方式，需根据具体情况决定。一般小型机床或精度要求较低的机床，多采用开环控制方式，大、中型机床多采用半闭环控制方式。在机床数控化改造中，小型机床多采用步进电机驱动系统，这种系统价格低、结构简单，但控制精度和速度低。 第二章 X5230普通铣床数控化改造方案的设计第一节 设计要求X5230普通铣床进行数控化改造后，系统应能控制主轴转速并实现其正反转；控制工作台实现纵向、横向和垂直方向的进给运动；控制冷却和润滑；通过键盘输入加工程序；由显示器显示加工状态等。1铣头装能在垂直面内作纵横两个方向运动，便于加工各种复杂形状的零件。2主轴可以在垂直方向上下运动。3X、Y、Z三轴均由步进电动机实现开环伺服驱动，可实现三轴任意两两联动，进行直线和圆弧插补。X、Y轴脉冲当量为0.01mm，Z轴脉冲当量为0.005mm。据设计要求，改造后的数控铣床应具有以下功能：1提高原机床加工工件时所能达到的精度；2能实现工件加工的自动循环要求，缩短辅助时间，提高加工效率；3可以实现程序的存储和编辑功能；4主传动系统可以实现电机正、反转，转速仍保持原机床的手动变速；5可以在平面或空间范围内按设定曲线(直线、圆弧等)恒速或变速运行；6控制系统可靠，拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自动功能；7铣床总体造型要美观、大方；一、总体改造方案普通铣床经过多次大修后，其零部件相互连接尺寸变化较大，主要传动零件几经更换和调整，故障率仍然较高，采用传统的修理方案很难达到大修验收标准，而且费用较高。因此合理选择改造方案是工作得以成功的主要环节。数控机床的改造目的是要求机床稳定可靠，以尽可能低的故障率运转。因此，用来进行改造的机床最好是七八成新的机床。根据各机床制造厂对普通铣床进行数控改造的主要形式，并结合现有型号和实际情况，拟定出以下两种改造方案：（一）方案1技改要点主传动甩掉现有铣床主轴箱（包括主轴）、进给箱等，只保留床身立柱、导轨、等，重新设计制造主轴（高转速）及箱体。进给传动采用半闭环伺服系统。这一类系统的位置检测元件从机械传动链的中间取得信号，检测元件大多是装在伺服电动机后端或滚珠丝杠驱动端。由于位置反馈信号不包括滚珠丝杠螺母副及工作台等执行部件误差因素影响，能获得比闭环伺服系统稳定性好的控制特性，而且也较经济。当采用高分辨率的检测元件，且半闭环外的传动部件(滚珠丝杠副、导轨以及工作台等工作部件)又有足够高的工作精度时，即使在半闭环数控机床上也可以获得较满意的精度和运动速度。但在加工使用中，环境温度变化和滚珠丝杠工作温度变化引起的热变形，机械原点漂移等未消除时，常成为高精密加工的主要误差因素。进给箱变为交流伺服电机支撑箱，需重新设计制造；三台步进电机支撑件、联接件，三丝杠支撑与溜板联接件，电气柜、防护罩等主要件需设计制作；各主要部件需装配、安装与调整。2技术难点主轴和主轴箱技术要求高，设计难度大，我们无设计条件、经验和设计时间，其制造难度也大，一般加工企业无法加工；三丝杠的支撑、联接技术与安装调整、工艺要求较高；三个伺服电机支撑、联接技术要求较高。改造后属于半闭环系统控制，加工精度较高但改造费用也需要较高。（二）方案1技改要点主传动保留主轴箱、床身立柱、导轨，而甩掉现有铣床进给箱。进给传动采用开环伺服系统，开环伺服系统没有检查机械运动的检测元件，即没有来自位置传感器的反馈信号。由步进电动机驱动，运动速度和精度较低，运动中容易产生振荡、丢步等现象，因此主要用于经济型或简易型数控机床，其精度和速度的提高受到限制。进给箱变为步进电机支撑，需重新设计制造；三台步进电机支撑件、联接件，三丝杠支撑工作台联接件，电气柜、防护等主要件需设计制作；各主要部件需装配、安装与调整。2技术难点三丝杠的支撑、联接技术与安装调整工艺要求较高；三步进电机支撑、联接技术要求较高。改造后属于开环系统控制，加工精度相对低但改造费用也需要较低。根据以上两种普通机床数控化改造方案的比较，经过察看X5230铣床本体以及其性能指标、工作状况，采用价格相对较低的数控系统，并配以混合式步进电机驱动与滚珠丝杠螺母副对X5230铣床的X、Y、Z三轴进行改造；并且参照数控铣床的改造经验，确定总体改造方案。1、基本保留机床原主轴的运动系统，主轴的正、反转以及启动、停车的由数控系统控制；2、拆除机床工作台的X、Y、Z轴原进给系统，将滑动丝杠副更换为滚动丝杠副，并改装减速齿轮、选用伺服电机。3、数控系统选用南京华兴数控设备有限责任公司WA310M数控系统；4、电气系统的设计。在进给驱动中使用步进电机，由于改造设计的是简易型经济数控，所以在考虑具体方案时，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。（1）床身：床身采用分离式结构，立柱和底座用螺栓连接，立柱正面的燕尾导轨，用于安装垂直移动的升降台。立柱后面安装电气箱，床身底座上安装升降台垂直移动丝杠座。（2）进给箱：拆除原手动操作机构，改用步进电动机通过齿轮副传动带动滚珠丝杠实现，脉冲当量为0.01mm，进给由数控系统控制。（3）主轴进给：主轴进给由步进电动机通过齿轮副带动滚珠丝杠副实现，脉冲当量为0.005mm，主轴锥孔的锥度为R8，用于安装弹簧夹头和钻夹头，夹头用拉杆拉紧在主轴锥孔内。（4）工作台：整个部件靠升降台支撑在立柱正面的燕尾槽和垂直升降滚珠丝杠上，升降台顶面的燕尾导轨和滑板相配，滑板上的燕尾导轨于工作台相配。工作台纵横两向运动由步进电动机通过齿轮副带动滚珠丝杠副实现，脉冲当量为0.01mm。（5）冷却部分：冷却部分由切削液泵、出液泵、回液管、开关及喷嘴等组成。切削液泵安装在机床底座的内腔里，将切削液从底座内储液池泵至出液管，在经喷嘴喷出，对切削区进行冷却。（6）润滑部分：润滑部分采用机动润滑方式，用润滑油泵通过分油器对主轴套筒导轨及滚珠丝杠进行润滑，以提高机床的使用寿命。改造的三轴在机械上采用了滚珠丝杠通过齿轮副进行传动联接；工作台进行贴塑处理；滚珠丝杠和工作台润滑采用手动泵注入，整个改造工作包括机械设计、电气设计、机械零部件加工、机床大修及整机的安装和调试等。改造后机床传动示意图如图2-1所示。图2-1 传动系统示意图二、数控铣床改造后技术参数数控铣床改造设计参数包括铣床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需的参数。 工作台工作面： 长度 1220 宽度 300工作台最大行程：纵向（X轴） 550横向（Y轴） 320垂向（Z轴） 380XY轴脉冲当量 0.01Z 轴脉冲当量 0.005T 型槽数及宽度 316T 型槽间距 65主轴孔锥度 R8主轴端面至工作台面距离 40420主轴中心线至垂直导轨距离 170780主轴转速范围 604000r/min摇臂行程 590摇臂回转角度 360铣头电机 1.5KW数控系统总功率 360w机床外型尺寸（长宽高） 142017802187机床净重 1500改造后，设备的操作改由系统控制，实现了自动化加工和柔性加工，加工精度也得到了提高。同时，使设备的故障率明显降低，维护费用也减少了，工人的劳动强度也跟着减轻，而工作效率得到了极大的提高，从前一些无法加工的工件，现在也可以加工了。总之，该机床改造后的可靠性和加工效率得到了很大提升，避免了人为因素的影响。整个改造所用费用少、见效快，系统运行平稳，达到了预期的目的。第二节 传动系统改装设计与计算一、纵向进给系统的设计与计算（一）铣削力的计算根据简明铣工手册1，对高速钢圆柱铣刀，铣削力的计算公式为： （2-1）式中：系数，其值取决于切削条件和工件材料，当工件为碳钢时，根据简明铣工手册1表3-13，取=65，=4mm；每齿进给量，取=0.1mm；背吃刀量， 取=30mm； 铣刀齿数， 取=4；铣刀直径， 取=27mm；n铣刀转数；、 、及公式中各个参数的指数；切削条件改变时，切削力的修正系数。其中参数按实际加工过程中平均铣削条件为标准来选择。由已知条件，取=1.0、=0.72、=0.86、=0、=0.73加工碳钢时， =637Mpa，其修正系数由简明铣工手册1表3-14得：由公式2-1可得:：图2-2 纵横向进给系统图用圆柱铣刀进行逆铣加工时：纵向铣削分力=（11.2），取=1.1 垂直铣削分力=（0.20.3），取=0.25 横向铣削分力=（0.350.4），取=0.375 各系数分别取中间值，则：=1.1=0.25=0.375=由此可算出周向铣削力： （二）滚珠丝杠螺母副的计算和选型1强度校核计算根据机床设计手册2，燕尾形导轨工作时轴向力为： （2-2）式中：考虑颠覆力矩影响的系数，取1.4；导轨上的摩擦系数，取0.2；工作台重量，G=809.8=784=0.784（kN） 、切削分力由，=0，=1617N代入2-2可得：其寿命值为：L=60NT=601015000=9106（r）式中：L工件寿命（r）；N滚珠丝杠的转速（r/min）；T使用寿命时间（h），数控机床一般为15000h；滚珠丝杠承受的最大动负载计算： （2-3）式中：滚珠丝杠工作载荷，、代入公式2-3可得滚珠丝杠最大动负荷为：2传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为： （2-4）丝杠螺旋升角=325，滚珠丝杠螺母副的滚动摩擦系数f=0.0030.004，10，则：3滚珠丝杠螺母副的选型数控机床的进给传动链中，将旋转运动转换为直线运动的方法很多，采用丝杠螺母副是常用的方法之一。滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动相互转换的新型传动装置。（1）滚珠丝杠螺母副工作原理与特点1 螺母 2滚珠 3丝杠图2-3 滚珠丝杠副的结构原理示意图滚珠丝杠副的结构原理示意图如图2-3所示。在丝杠3和螺母1上都有半圆弧形的螺旋槽，当它们套装在一起便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道b，将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的循环滚道，并在滚道内装满滚珠2。当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动。因而迫使螺母（或丝杠）轴向移动。可知，滚珠丝杠螺母副中是滚动摩擦，它具有以下特点：（1）摩擦损失小，传动效率高，可达0.90.96；（2）丝杠螺母之间预紧后，可以完全消除间隙，提高了传动刚度；（3）摩擦阻力小，几乎与运动速度无关，动静摩擦力之差极小，能保证运动平稳，不易产生低速爬行现象。磨损小、寿命长、精度保持好；（4）不能自锁，有可逆性，即能将旋转运动转换为直线运动，或将直线运动转换为旋转运动。因此，丝杠立式使用时，应增加制动装置。4滚珠丝杠螺母副的选用目前我国滚珠丝杠螺母副的精度标准为四级：普通级P、标准级B、精密级J和超精密级C。各级精度所规定的各项允差可查有关手册。一般的数控机床可选用标准级B，精密数控机床可选精密级J或超精密级C。在设计和选用滚珠丝杠螺母副时，首先要确定螺距t、名义直径D0、滚珠直径d0等主要参数。在确定后两个参数时，采用与验算滚珠轴承相似的方法，即规定在最大轴向载荷Q作用下，滚珠丝杠能以33.3r/min的转速运转500小时而不出现点蚀。选择螺距t时，一般应根据丝杠的承载能力和刚度要求，首先确定名义直径D0，然后根据名义直径D0尽量取较大的螺距。常用的螺距t=4、5、6、8、10、12mm。螺距愈小，在一定轴向力作用下摩擦力矩愈小；但t小时（滚珠也小），导致滚珠丝杠承载能力下降。另外，如丝杠名义直径D0一定时，t减小、螺距升角随之减小，传动效率也随之降低。丝杠名义直径D0是指滚珠中心圆的直径，根据承受的载荷来选取。D0愈大，丝杠承载能力和刚度愈大。为了满足传动刚度和稳定性的要求，通常应大于丝杠长度的1/301/50。滚珠直径d0对承载能力有直接影响，应尽可能取较大的数值。一般d00.6t，其最后尺寸按滚珠标准选用。滚珠的工作圈数J、列数K和工作滚珠总数N对丝杠工作特性影响很大。根据试验，每一个循环回路中，各圈所受载荷不均匀，滚珠第一圈约承受总载荷的50%，第二圈约承受30%，第三圈约承受20%。因此，圈数过多并不能加大承载能力，反而增加了轴向尺寸。一般工作圈数J=2.53.5圈。若工作圈数必须超过三圈半时，可制成双列或三列，列数多，增加了接触刚度，提高了承载能力。但并不是成比例增加，列数多，增加承载能力并不显著，反而加大了螺母的轴向尺寸。一般K=23列。工作滚珠总数N不宜过多，一般N150，否则，容易引起流通不畅而堵塞。但也不宜过少，这样会使每个滚珠所受载荷加大，弹性变形也大。（1）丝杠的导程和转速电动机最大转速为1440r/min，取使用时最高转速为1000r/min，电动机经过联轴器、齿轮传动和丝杠相连，工作台最大速度，故丝杠的导程应为。 丝杠转速：强力切削30r/min，一般切削50r/min，精细车削60r/min，快移80r/min。（2）当量载荷和当量转速（3）初选滚珠丝杠副 初选滚珠丝杠的尺寸规格，相应的额定动载荷Ca不得小于最大动载荷C，即CaC。假如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转（N10r/min）下工作并受载，那么还需要考虑另一种失效形式滚珠丝杠接触面上的塑性变形。即考虑滚珠丝杠的额定载荷C0a是否大大超过了滚珠丝杠的工作载荷fh，一般使Ca/Fm=23。根据最大动载荷C的值，参考南京工艺装备制造有限公司所生产的丝杠导轨，查表2-1选取滚珠丝杠的型号，如选用FFZD2506-3(表示内循环浮动反向器双螺母垫片预紧，公称直径为25mm，基本导程为6mm，螺纹旋向为右旋），其Ca的值为11.3kN，所以强度足够，预紧力FP=0.25Ca=2.825kN，大于最大轴向载荷的三分之一，这种丝杠是可用的。图2-4 纵向丝杠零件图表2-1 滚珠丝杠技术参数表规格代号公称直径d0公称导程Ph0丝杠外径d1钢球直径D0丝杠底径D2循环圈数基本额定负荷刚度KC螺母安装连接尺寸CaKNC0aKND1D2L2D3BD4D5D6hD7MDL1FFZD1204-312411.32.3819.5346.7417222210448324.88.54.532M2.51663FFZD1604-316415.32.38113.534.89.74422828105210385.810632M62065FFZD1605-316515.53.512.937.613.24002828105210385.810632M62283FFZD2004-320419.319.12.381317.516.935.37.312.115.45193636106211485.810640M62572FFZD2005-320519.53.516.939.118.35363636106211485.810640M62583FFZD2504-325424.1321.938.320.26544040106611535.810646M63074FFZD2505-325524.53.521.9310.223.66574040106611535.810646M63084FFZD2506-325623.9420.9311.323.76364040106611535.810646M63097FFZD3204-332431.1328.939.627.98235050107611635.810656M63873FFZD3204-532431.1328.951545.613405050107611635.810656M63892（4）丝杠螺纹部分长度等于工作台最大行程（550mm）加螺母长度（150mm），再加上两端余量（40mm）。即：=550+150+402=780mm。（5）支撑跨距 应略大于，取为=800mm。（6）临界转速 = 查机床设计手册2表3.737，可知两端固定时，f2=3.93LC= 由于采用两端固定，稳定性足够，不再进行压杆稳定性核算。（7）预拉伸计算温升引起的伸长量，设温升为，则螺线部分伸长量为： 丝杠全长的伸长量为：为此，丝杠的目标行程可定为比公比行程小0.03/0.8mm。丝杠在安装时，进行预拉伸，拉伸量为0.030mm。预拉伸力Ft，根据材料力学3欧拉公式：5滚珠丝杠螺母副的支承形式和制动方式为了提高传动刚度，应合理确定滚珠丝杠螺母副的参数、螺母座的结构、丝杠两端的支承形式，它们对机床的连接刚度也有很大影响。因此，螺母座的孔与螺母之间必须有良好的配合，保证孔与端面的垂直度，螺母座宜增添加强筋，加大螺母座和机床结合面的接触面积，这均可提高螺母座的局部刚度和接触刚度。为了提高螺母支承的轴向刚度，选择适当的滚动轴承及其支承方式是十分重要的。常用的支承方式有下列几种，如图 2-5所示。图2-5 螺母副支承方式 （1）一端装止推轴承 如图2-5（a）所示。这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低，仅适用于短丝杠。如数控机床的调整环节或升降台式铣床的垂直坐标中。（2）一端装止推轴承，另一端装向心球轴承 如图2-5（b）所示。滚珠丝杠较长时，一端装止推轴承固定，另一自由端装向心球轴承。为了减少丝杠热变形的影响，止推轴承的安装位置应远离热源（如液压马达）及丝杠上的常用段。（3）两端装止推轴承 如图2-5（c）所示。将止推轴承装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧力，有助于提高传动刚度。但这种安装方式对热伸长较为敏感。（4）两端装止推轴承及向心球轴承 如图2-5（d）所示。为了提高刚度，丝杠两端采用双重支承，如止推轴承和向心球轴承，并施加预紧力。这种结构方式可使丝杠的热变形转化为止推轴承的预紧力，但设计时要注意提高止推轴承的承载能力和支架刚度。国外采用一种滚珠丝杠专用轴承，如图2-6所示。这是一种能承受很大轴向力的特殊向心推力滚珠轴承，其接触角加大到600。增加了滚珠数目并相应减小了滚珠直径，其轴向刚度比一般推力轴承提高两倍以上，使用出也极为方便。图2-6 滚珠丝杠专用轴承滚珠丝杠螺母副传动效率很高，但不能自锁，用在垂直传动或水平放置的高速大惯量传动中，必须装有制动装置。常用的制动方法有超越离合器、电磁摩擦离合器或者使用具有制动装置的伺服驱动电机。滚珠丝杠必须采用润滑油或锂基油脂进行润滑，同时采用防尘密封装置。如用接触式或非接触密封圈，螺旋式弹簧钢带，或折叠式塑性人造革护罩，以防尘土及硬性杂质进入丝杠。丝杠轴承的载荷主要是轴向载荷，径向除丝杠自重外，一般无外载荷，对丝杠轴承主要要求轴向精度和刚度较高，摩擦力矩要尽量小。由实用机床设计手册4可知，游动支撑多采用深沟球轴承，固定支撑采用的有角接触球轴承，双向推力角接触球轴承，圆锥滚子轴承，以及圆锥滚子轴承和深沟球轴承的组合。经过比较选用双列推力角接触球轴承，根据机床设计手册4选择轴承型号为7602017TTN，内径d=17mm，外径D=40mm，基本额定动载荷Ca=17200N，最大轴向力Fa max=8500N（1）预负荷轴承的负荷不应小于最大载荷的1/3，丝杠一端固定，故轴承的最大载荷等于预拉伸力Ft加最大外载荷的一半。 故符合要求。（2）疲劳寿命的计算轴承要求的动负荷可按式计算考虑到数控机床本身的特点，上式中系数KpKlKNKn均取1。进给力的方向是可变的，轴承负荷可能是P=Fm，也可能是P=Ft-，两者机会均等。故取其平均值P=Ft。当量转速nm=53.5r/min，故fn=0.932，如轴承寿命为15000h，则fh=3.11，CC=可以看出，7602017TTN型号的轴承额定动负荷够用，所以可以选轴承型号为7602017TTN是合理的。6刚度验算滚珠丝杠副工作负载Fm引起的导程变化量 式中 L0=6mm，弹性模量，工作负载Fm=2730N，滚珠丝杠截面积则： 滚珠丝杠副受扭矩引起的导程变化量引起的导程变化量很小，可以忽略不计。查机床设计手册2可知，三级精度的丝杠允许的轴向误差为4mm，故刚度足够。（三）减速齿轮副的设计1脉冲当量的选择根据原机械的加工精度，由前面的计算已知：滚珠丝杠的导程，初选步进电动机步距角，脉冲当量。每个脉冲丝杠螺母移动的距离为：要实现p=0.01mm/step，就必须在步进电机和滚珠丝杆之间加上一对降速齿轮，此对减速齿轮的减速比为:2减速齿轮副的设计此处设计的减速齿轮副是开式齿轮传动，为防止轮齿太小引起的意外断齿，传递动力的齿轮模数一般不小于1.52mm，因此，减速齿轮模数取为m=2mm，选择为直齿圆柱齿轮故分度圆压力角=20，齿顶高系数，顶隙系数。为了提高开式齿轮传动的耐磨性，要求有较大的模数，因而齿数应少一些，一般取Z1=1720，此处取=20，故= =201.2=24，取=24。表2-2 纵向进给齿轮参数表齿轮1齿轮2齿数Z2024模数m（mm）22分度圆 d（mm）4048齿顶圆 （mm）4452齿根圆 （mm）3543中心距 a（mm）4444图2-7 齿轮零件图二、横向进给系统的改造设计与计算 图2-8 横纵向进给系统简图（一）铣削力的计算横向丝杠螺母副铣削力与纵向计算方法一致，其周向铣削力： 工作台横向进给方向载荷：=0.375=（二）滚珠丝杠螺母副的计算和选型1强度校核计算根据机床设计手册2，燕尾形导轨工作时轴向力为： 式中：考虑颠覆力矩影响的系数，取1.4；导轨上的摩擦系数，取0.2；工作台重量，G=1009.8=980=0.98（kN） 、切削分力由，=0，=1617N代入2-2可得： 其寿命值为：L=60NT=601015000=9106（r）式中：L工件寿命（r）；N滚珠丝杠的转速（r/min）；T使用寿命时间（h），数控机床一般为15000h；滚珠丝杠承受的最大动负载计算 式中：滚珠丝杠工作载荷，、代入公式2-3可得滚珠丝杠最大动负荷为：2传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为： 丝杠螺旋升角=325，滚珠丝杠螺母副的滚动摩擦系数f=0.0030.004，10，则：3滚珠丝杠螺母副的选型（1）丝杠的导程和转速电动机最大转速为1440r/min，取使用时最高转速为1000r/min，电动机经过联轴器、齿轮传动和丝杠相连，工作台最大速度，故丝杠的导程应为。丝杠