张筱毕业设计

张筱毕业设计 沧州职业技术学院毕业设计 前言 2005年，我国数控金属切削机床生产59639台，进口30746台。除部分出口外，总消费数量约85000台。在生产的数控金属切削机床中，经济型数控机床占60%以上(生产的数控机床中经济型数控机床占89%到90%)，中档以上的数控金属切削机床不足40%。2006年，我国机床工业的产值和销售收入保持较高的增长速度，其中数控金属切削机床产量快速增长，全年生产85756台，同比增长32.8%，增幅高于金属切削机床产量增幅的18.4%。2007年1月至10月我国进口金属加工机床57.06亿美元，其中金属切削机床进口达41.98亿美元，同比减少8.18%，所占比例为73.57%;成形机床进口达15.08亿美元，同比增长5.68%，所占比例为26.43%。专家认为，目前我国机床市场的需求结构已经发生了很大的变化，数控机床，特别是普及型数控机床将逐步成为市场主体。国内的机床制造企业在努力开拓高档机床的同时，一定要加速普及型数控机床产业化步伐。通过生产和进口数控机床并不能满足我国日益增长的制造业需求，而淘汰大型企业原有的大量普通金属切削机床不但会造成很大的浪费，而且会因为缺乏资金购买大量的数控机床来填补淘汰普通金属切削机床后的机床空缺，造成停产。所以，目前数控化改造是适应我国制造也迅猛发展，资金短缺，旧有机床所占比例大的国情所需。据调查，现有的与机床数控化改造有关的书籍不多，在网上有关机床数控化改造的问题很多，但是多偏向于一些基本的改造常识和高级的改造技巧方面的问题。由于机床数控化改造涉及的知识面广，若没有专业知识的支持，改造后的机床在使用中会出现很多问题，进而造成事故;而且数控化改造的市场也会因此变得不规范。因此，数控化改造的规范化设计改造是非常迎合目前数控化改造市场的需要的。机床数控化改造主要是针对数控系统，伺服系统，辅助控制系统和液压系统的改造。由于数控机床本身是机、电、液一体化，结构复杂的产品，因此在改造中是否按照准确的计算方法计算，是否按照规则，要求选择改造和元器件类型，是决定改造后机床性能，运行精度，加工质量和可靠性的关键因素。本书着眼于数控机床改造的具体实例，通过提供详细的计算公式，选择原则和选择方案，进一步说明了数控机床的改造方法。同时根据已有的改造案例总结改造中出现的问题，并说明相应的改造方法。 - 1 - 沧州职业技术学院毕业设计 第1章 数控化改造的现状和必要性 1.1机床数控化改造的现状 1.1.1国外机床改造业的现状 在美国，日本和德国等发达国家，他们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床及其技术的不断进步，机床改造是个“永恒”的话题。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改造的新的行业。在美国，机床改造也称为机床再生(Remanufacturing)业。从事再生业的著名公司有:Bertsche公司，Ayton机床公司，Develieg-Bullavd(得宝)服务集团，US设备等。美国得宝公司已在我国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装(Retrofitting)业。从事改装业的著名公司有:大隈工程集团，岗三机械公司，千代田工机工司，野崎工程公司，滨田工程公司，山本工程公司等。数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型，超小型化;在智能化基础上，综合了计算机，多媒体，模糊控制，神经网络等多学科技术，实现了高速，高精，高效控制，加工过程中可以自动修正，调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理;在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。以FANUC和SIEMENS为代表的数控系统生产商已在几年前推出了具有网络功能的数控系统。在这些系统中，除了传统的RS232接口外，还备有以太网接口，为数控机床联网提供了基本条件。 1.1.2 我国机床改造业现状 我国的数控系统以传统的封闭式体系结构为主。在传统的封闭式结构中，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合，工件材料，主轴转速，进给速率，刀具轨迹，背吃刀量，步长，加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制作过程，因 - 2 - 沧州职业技术学院毕业设计 此，对数控机床实行改革势在必行。 1.2目前我国数控化改造市场 1.2.1 机床数控化改造的市场现状 目前我国机床总量380万台，而其中数控机床只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3%。2000年以来，我国数控机床年产量为0.6~0.8万台，年产值约18亿元，机床年产量数控化率为6%。我国机床役龄10年以上的占60%以上;10年以下的机床中，自动，半自动机床不到20%，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数(美国和日本自动和半自动机床占60%以上)。国内传统旧有机床的数控化改造是一个潜力巨大的市场。 1.2.2进口设备和生产线的数控化改造市场 我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术，设备和生产线进行技术改造。据统计，1979-1988年10年间，全国引进技术改造项目就有18446项，大约165.8亿美元。这些项目中，大部分项目为我国经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备和生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响。一些设备，生产线从国外引进后，由于备件不全，维护不当，结果运转不良;有的引进时只注意引进设备，工艺，管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥;有的以能耗高，产品合格率低造成亏损;有的已引进了较长时间，需进行技术更新。这些不能使用的设备，生产线是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。 1.2.3 数控化改造是发展我国数控设备的一个重要方面 《国务院关于加快装备制造业的若干意见》(以下简称《若干意见》)的发布和实施，是提高我国国际竞争力，实现国名经济全面，协调和可持续发展的战略举措。《若干意见》把发展数控装备和数控系统及其功能部件作为振兴装备制造业重大突破的16个关键领域之一，对我国机床工具行业发展，具有重要指导意义。数控机床是装备制造业的工作母机，是实现制造技术和装备现代化的基石。国际上一些发达国家一直把高性能数控机床作为战略物资而严加控制，限制我国进口高性能数控机床;国外装备制造业的发展经验证明，发展装备制造业，数控机床是基础。“十五”期间，我国机床工业连续几年快速发展，到2005年我国机床产值从“九五”末期列世界第八位，跃居到世界第三 - 3 - 沧州职业技术学院毕业设计 位。但从总体上看，我国机床工业同世界先进水平相比，差距仍然十分明显:一是国内高档数控机床在品种，水平和数量上远远满足不了国内的发展需求，高档数控机床目前仍要大量依赖进口;二是数控机床功能部件和数控系统发展滞后，成为我国数控产业发展的瓶颈;三是机床制造企业技术装备水平不高，制造能力，综合管理和服务能力等方面不能满足市场快节奏发展的要求;四是大型国有企业旧的设备比例大，设备更新所需资金缺口大。 1.3数控化改造的必要性 1.3.1 微观改造的必要性 从微观上看，数控机床同传统机床相比有如下突出的优越性，而且优越性都来自数控系统计算机的 1) 可以加工传统机床加工不出来的曲线，威力。曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以准确的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) 可以实现价格的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3~7倍。由于计算机具有记忆力和存储能力，可以见输入的程序记住和存储下来，然后按照程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化，从而使单件和小批量生产得以自动化，故被成为实现了“柔性自动化”。 3) 加工零件的精度高，尺寸分散小，使装配容易，不需要再“修配”。 4) 可以实现多工序的集中，减少零件在机床间频繁搬运。 5) 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。 由以上五条优越性派生的好处是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，缩短了新产品试制和生产周期，可对市场需求做出快速反应等。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为大的突破。此外，数控机床还推行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。数控技术已成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 1.3.2宏观看改造的必要性 从宏观上看，20世纪70年代末，80年代初，工业发达的国家的军，民机械工业一开始大规模应用数控技术。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。除在制作过程中采用数控技术。FMC，FMS外，还在产品开发中推行CAD， - 4 - 沧州职业技术学院毕业设计 CAM，CAE，虚拟制造，在生产管理中推行MIS(管理信息系统),CIMS等，在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等，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。而我国在信息技术改造传统产业方面比发达国家落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比例(数控化率)到1995年只有1.9%，而日本在1994年已达到20.8%，因此，每年都有大量机电产品进口。这也是从宏观上说明机床数控化改造的必要性。 1.4 数控化改造的优缺点 (1) 减少投资额，交货期短。同购置新机床相比，一般可节省60%~80%的费用，改造费用低，大型，特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3，交货期短。但有些特殊情况，如高速主轴，托盘自动交换装置的制作与安装过于费工费钱，往往使成本提高2-3倍，与购置新机床相比，只能节省50%左右。 (2) 力学性能稳定可靠，但结构受限。旧机床所利用的床身，立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是焊接构件，改造后机床性能好，质量高，可以作为新设备使用多年。 但受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。 (3) 熟悉设备，便于操作维修。购买新设备可能不了解新设备是否满足其加工要求。改造则不然，可以精确的计算出机床的加工能力;另外，由于多年使用，操作者对机床特性早已了解，在操作使用维修方面培训时间短，见效快，改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。 (4) 可充分利用现有条件。例如可以充分利用现有地基，不必像购入新设备是那样需重新筑地基。 (5) 可以采用最新控制技术。可根据技术革新的发展速度，及时提高生产设备的自动化程度和效率，提高设备的质量和档次，将旧机床改成当今水平机床。 - 5 - 沧州职业技术学院毕业设计 第2章 机床进给轴机械部分的设计计算 2.1 进给坐标轴机械结构改造设计 进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一种方案: 挂轮架系统:全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。 进给箱部分:全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。 溜板箱部分:全部拆除，在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操作按钮。 横溜板箱部分:将原横溜板的丝杠的、螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠螺母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。 刀架:拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成 2.2 进给坐标轴机械部分的计算与选型 进给伺服系统机械部分的计算与选型包括:确定脉冲当量、计算切削力、滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型、齿轮传动计算、步进电机的计算和选型等。计算模型如图2-1、2-2所示: 图2-1 纵向进给轴 - 6 - 沧州职业技术学院毕业设计 图2-2 进给系统计算简图 2.2.1 确定系统的脉冲当量 脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量,它是衡量数控机 床加工精度的一个基本参数。因此,脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。对经济型数控机床来说，常采用的脉冲当量为0.01mm/step和0.005mm/step,在CA6140的技术参数中，要求纵 ffpp向脉冲当量为0.01mm/step。横向脉冲当量为=0.005mm/step。 2.2.2 纵向滚珠丝杠螺母副与校核步骤的副的型号选择 (1)滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠副是在丝杠和螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动元件。滚珠丝杠副的结构原理示意图如图2-3所示，它可将旋转运动转变为直线运动，或者将直线运动转变为旋转运动。因此，滚珠丝杠副既是传动元件，也是直线运动与旋转运动相互转换的元件。 - 7 - 沧州职业技术学院毕业设计 1.滚珠螺母;2.紧定螺钉;3.支座;4.滚珠丝杠;5.调整垫片 图2-3双螺母滚珠丝杠 组成:主要由丝杆、螺母、滚珠和滚道(回珠器)、螺母座等组成。 工作原理:在丝杆和螺母上加工有弧行螺旋槽，当它们套装在一起时便形成螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠。而滚珠则沿滚道滚动，并经回珠管作周而复始的循环运动。回珠管两端还起挡珠的作用，以防滚珠沿滚道掉出。 特点:?传动效率高:机械效率可高达92%~98%。 ?摩擦力小:主要是用滚珠的滚动代替了普通丝杆螺母副的滑动。 ?轴向间隙可消除:也是由于滚珠的作用，提高了系统的刚性。经预紧后可消除间隙。 ?使用寿命长、制造成本高:主要采用优质合金材料，表面经热处理后获得高的硬度。 1)最大工作荷载计算 Fm滚珠丝杠的工作载荷(N)是指滚珠丝杠副的在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走到抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。 由于原普通CA6140车床的纵向导轨是三角形导轨，则用公式计算 - 8 - 沧州职业技术学院毕业设计 工作载荷的大小。 ,FKFLfFG,，，()mv ?车削抗力分析 FFFFyxzz车削外圆时的切削抗力有))，主切削力与主切削速度方向一致 Fy垂直向下，是计算机床主轴电机切削功率的主要依据。切深抗力与纵向进给垂直，影响 Fx加工精度或已加工表面质量。进给抗力与进给方向平行且相反指向，设计或校核进给系统是要 用它。 图2-4 车削受力分析图 切削时总切削力的分解 Fz纵切外圆时，车床的主切削力可以用下式计算: xFyFnFzzzFCafVK,zFpFzz =5360(N) 由《金属切削原理》知: FFF::zxy=1:0.25:0.4 Fx 得 =1340(N) Fy =2144(N) 因为车刀装夹在拖板上的刀架内，车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨上，车削作 FFF1vc业时作用在进给托板的载荷)和与车刀所受到的车削抗力有对应关系。 - 9 - 沧州职业技术学院毕业设计 因此，作用在进给托板上的载荷可以按下式求出: FF1x托板上的进给方向载荷 = =1340(N) FFvz托板上的垂直方向载荷 = =5360(N) FFyc托板上的横向载荷 = =2144(N) ,FKFLfFG,，，()mv因此，最大工作载荷 =1.15×1340+0.04×(5360+90×9.8) =1790.68(N) 2.3 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤 经济型数控改造的横向进给的设计比较简单，一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀 架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证其 同轴度，提高传动精度。 2.3.1 横向进给系统的设计计算 由于横向进给系统的设计计算与纵向类似，所用到的公式不再详细说明，只计算结果。 Vm/minmax电机初步估算转速为1500r/min，进给速度=2。 根据《机械设计》可知 VmaxP,hnimax; 则: V2000max,,1.07mmni1500，1.25max ; Pmm,4h根据《机械设计手册》可查到滚珠丝杠的系列，初选。 已知条件如下: WN,300工作台重量:; ,,0.005/mmstep脉冲当量:; astep,:0.75/步距角:; - 10 - 沧州职业技术学院毕业设计 Vm,2/minmax进给速度:; Lmm,40滚珠丝杠基本导程:; Smm,650滚珠丝杠行程:; (1) 削力计算 1111~2223横向进给量为纵向的，取，则切削力约为纵向的: 1FN,，,1909.44954.72Z2 ; 在切断工件时: FFN,,，,0.50.5954.72477.36yZ 2.3.2 滚珠丝杠设计计算 (1) 强度计算 对于燕尾型导轨: ,PKFfFW,，，()yZ; ,f取K=1.4，=0.2; 则: PN,，，，，,1.4477.360.2954.72300919.248，， 寿命值: 60nTiiL,i610 由以上条件，可以确定步进电机与滚珠丝杠齿轮传动比: ,L0.75，40,,,1.67i,360360，0.005p ; 由于电机轴与滚珠丝杠之间是降速传动 则: 13nVr,,，,1500900/minmax电maxi5 VVV与mmaxmin由《机械设计手册》可知，当量转速在之间变化时: - 11 - 沧州职业技术学院毕业设计 VV，maxminV,m2 ; VVr,450.5/minVr,450/min1/minrminmm取为时，;取; 因此: 60nT6045015000，，iiL,,,40566i ; 1010 根据《经济型数控机床》可知，最大动负载为: 33QLPffN,,，，，,405919.24811.28161.42iWH。 根据最大负载Q值，可选择滚珠丝杠的型号,外循环插管埋入式双螺母预紧式的滚珠丝杠， 型号为2004—2.5—3左，其中额定动载荷为14200N，所以强度够用。 (2)效率计算 ,,,230,,10,:经计算螺旋升角，摩擦角; 则: ,tgtg,230:0.926,,,,,,tgtg()(23010)，:，,,。 (3)刚度验算 滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量: PL919.2480.44，，,60,,,,,,，Lcm2.7110162EF20.6103.14(2.8964)，，，; L,,,LL21滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，即:。所以，导程变形总误差为: 100,6,,，，,,2.71106.78/mm0.4 ; mm/,查表可知3级精度丝杠允许的螺距误差(1m)为15，故刚度足够。 (4) 稳定性 由于选用的滚珠丝杠的直径与丝杠直径相同，而支承方式由原来的一端固定，一端悬空，变 为一端固定，一端径向支承，所以稳定性增强，故不再验算。 2.3.3 齿轮及转矩有关计算 (1)有关齿轮计算 传动比: - 12 - 沧州职业技术学院毕业设计 ,L0.7545，0i,,,,1.673603600.0053，,p ; 故取: Z,18Z,30dmm,36m,2bmm,20a,:20121，，，，，， dmm,60dmm,40dmm,64amm,482a1a2，，，。 (2) 转动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量: 22180,,,，1800.005,,p2JWkgcm,,，,,300.0439,,1,,3.140.75，,,,,,, ; 丝杠转动惯量: ,442Jkgcm,，，，,,7.8103.2604.907s; 齿轮的转动惯量: ,442Jkgcm,，，，,,7.8103.620.262Z1; ,442Jkgcm,，，，,,7.810622.022Z2; 电机转动惯量很小可忽略，因此转动惯量为: (3) 所需转动力矩计算 213,,2JJJJJkgcm,，，，,，，，，,,4.9072.0220.2620.04392.801，，，，sZZ,,2112 i5,, 5V，max20005，3nr,,,833.333/minmaxL43，0 ; Jn2.801833.33，,,44maxMNcm,，,，,,10109.73amax9.69.60.025T， nfi10001500.155，，，主nr,,,49.76/mint,DL3.146043，，，0; 2.80149.76，,4MNcm,，,,100.58at9.60.025，; ,FLfWL0.2300.43，，，000MfNcm0.0287,,,,,,,,,2223.140.85ii，，， - 13 - 沧州职业技术学院毕业设计 FL47.7360.43，，22Y0,MNcm,,,,,,110.90.0144，，，，060603.140.85i，，，,, FL47.7360.43，，Y0MNm,,,,0.228t223.140.85i，，，,, 所以，快速空载启动所需转矩: MMMMNcm,，，,，，,,9.730.2870.144101.61afmax0 切削时需力矩: MMMMNcm,，，,，，，,,0.580.2870.1442.2832.91att0 快速进给时所需力矩: MMMNcm,，,，,,0.2870.1444.31f0。 MNcm,,101.61max从上计算可，最大转矩发生在快速进给启动时: - 14 - 沧州职业技术学院毕业设计 第3章 滚珠丝杠的选型与调试 3.1滚珠丝杠螺母副的精度等级 数控机床根据定位精度的要求通常选用1-5级精度的滚珠丝杠，1-5级度丝杠的行程公差数值如表3-1所示: 表3-1:1-5级丝杠行程公差数值 有效行程精度等级 项目 符号 lm/mm 1 2 3 4 5 ,315 6 8 12 16 23 315~400 7 9 13 18 25 目标行程公差 Ep 400~500 8 10 15 20 27 500~630 9 11 16 22 30 ,315 6 8 12 16 23 315~400 6 8 12 17 25 行程变动量公差 Vmp 400~500 7 10 13 19 26 500~630 7 11 14 21 29 任意300mm内行程变动V300p 6 8 12 16 23 量 2πrad内行程变动量 V2πp 4 5 6 7 8 3.2 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法 滚珠丝杠副的轴向间隙，是指负载时滚珠与滚道型面接触的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。滚珠丝杠副的轴向间隙直接影响其传动刚度和传动精度，尤其是反向传动精度。因此，滚珠丝杠副除了对本身单一方面的进给运动精度有要求外，对其轴向间隙也有严格的要求。滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧，通常采用双螺母预紧方式，其结构型式有三种。基本原理是使两个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。 1(垫片调隙式 图3-1所示结构。是通过改变垫片的厚度，使螺母产生轴向位移。这种结构简单可靠、刚性好，但调整费时，且不能在工作中随意调整。 - 15 - 沧州职业技术学院毕业设计 图3-1 垫片式结构图 2(螺母调隙式 图3-2所示为利用螺母来实现预紧的结构，两个螺母以平键与外套相联，键可限制螺母在外套内移动，其中右边的一个螺母外伸部分有螺纹。用两个锁紧螺母1、2能使螺母相对丝杠作轴向移动。这种结构既紧凑，工作又可靠，调整也方便，故应用较广。但调整位移量不易精确控制。这种结构既紧凑，工作又可靠，调整也方便，帮应用较广。但调整位移量不易精确控制，因此，预紧力也不能准确控制。 1、2锁紧螺帽 图3-2 双螺母式结构图 3(齿差调隙式 图3-3所示为齿差式调整结构。在两个螺母的凸缘上分别有齿数为Z1、Z2的齿轮，而且Z1、Z2与相应的内齿圈相啮合。内齿圈紧固在螺母座上，预紧时脱开内齿圈，使两个螺母同向转过相同的齿数，然后再合上内齿圈。两螺线的轴向相对位置发生变化从而实现间隙的调 nsP,hZ1整和施加预紧力。如果其中一个螺母转过n个齿时则其轴向位移量为(Ph为丝杠导程， - 16 - 沧州职业技术学院毕业设计 Z1为齿轮齿数)。如两齿轮沿同方向各转过n个齿时，其两螺母间相对轴向位移量 ZZnP,,,sZZ，，1121h12n,snP,,,,,hZZP,ZZZZ，，21h1212,,(Z2为另一齿轮齿数)或。例如:当n=1，Z1=99， 10Pum,,1hum9900Z2=100，，即两个螺母在轴向产生1的位移。这种调整方式的结构复杂，但调整准确可靠，精度较高。 图3-3 双螺母齿差式结构图 3.3进给系统的传动方式及丝杠类型选择 3.3.1传动方式 机械传动机构横向和纵向均采用步进电机——减速齿轮——滚珠丝杠螺母副——溜板的传动方式。为实现机床所需的分辨率，采用步进电动机经减速齿轮在传至丝杠，同时为保证一定传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。在本设计中采用循环插管式，双螺母垫片预紧，导珠管埋入式，精度等级为3级，型号为JSC-CDM系列滚珠丝杠副。此外，为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加荷载的结构，齿轮传动也采用消除齿侧间隙的结构，在X轴和Z轴的步进电动机输出端配置减速器，减速器由一对啮合齿轮组成，使减速器输出轴通过连接套与滚珠丝杠直接相连，由滚珠丝杆副将动力传给工作台带动工作台移动。机械改造部分主要计算和选择齿轮，滚珠丝杠螺母副，拆除原机床的进给箱、溜板箱、光杠和丝杠，换上滚珠丝杠，安装在原丝杠位置。 - 17 - 沧州职业技术学院毕业设计 3.3.2滚珠丝杠的选择 滚珠丝杆副作为精密、高效的传动元件在精密机床，数控机床得到广泛应用，在机械工业，交通工业，航天航空，军工产品等各个领域应用的很普遍，可用作精密定位自动控制，动力传递和运动转换。 1)滚珠丝杆副传动优点。滚珠丝杆副传动与滑动丝杠副传动相比有以下优点: ?传动效率高。一般可达95%以上，是滑动丝杠传动的2~4倍。 ?运动平稳，摩擦力小，灵敏度高，低速无爬行。 ? 可以预紧，消除丝杠副间隙，提高轴向接触刚度。 ?定位精度和重复精度高。 ?使用寿命为普通滑动丝杠的4~10倍，甚至更高。 ?同步性好，有几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的部件或装置时，可获得较好的同步性。 ?使用可靠，润滑简单，维修方便。 ?不自锁，可逆向传动，即螺母为主动，丝杠为被动。旋转运动变为直线运动。 ?有专业厂生产，选用配套方便。 2)滚珠丝杠副精度等级确定。在车床数控化改造中可选用3级。 3)滚珠丝杠的润滑、防护和密封 ?润滑:滚珠丝杠必须润滑。滚动轴承用的各种润滑剂原则上都可以用。主轴的各种润滑剂和润滑方式都可用于精密滚珠丝杠。一般情况下采用锂基润滑油脂，在高速和需要严格控制温升时，可用L——AN32全损耗系统用油，汽轮机油循环润滑或喷雾润滑。 ?防护和密封:丝杠防护套有伸缩套管式、折叠套管式和螺旋钢带保护套。后者由专业厂生产，应用较广，所以选用螺旋钢带保护套。 3.4滚珠丝杠的支承与轴承选用 3.4.1 滚珠丝杠支承形式选择 滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此对丝杠的轴向精度和轴向刚度应有较高要求，其两端支承的配置情况有:一端轴向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短丝杠和垂直进给丝杠;一端固定一端浮动的方式，常用于较长的卧式安装丝杠;以及两端固定的安装方式，常用于长丝杠或高转速、高刚度、高精度的丝杠，这种配置方式可对丝杆进行预拉伸。因此在此设计中采用两端固定的方式， - 18 - 沧州职业技术学院毕业设计 以实现高刚度、高精度以及对丝杠进行拉伸。 丝杠中常用的滚动轴承有以下两种:滚针—推力圆柱滚子组合轴承和接触角为60?角接触轴承，在这两种轴承中，60?角接触轴承的摩擦力矩小于后者，而且可以根据需要进行组合，但刚度较后者低，目前在一般中小型数控机床中被广泛应用。滚针—圆柱滚子轴承多用于重载和要求高刚度的地方。 60?角接触轴承的组合配置形式有面对面的组合、背靠背组合、同向组合、一对同向与左边一个面对面组合。由于螺母与丝杠的同轴度在制造安装的过程中难免有误差，又由于面对面组合方式，两接触线与轴线交点间的距离比背对背时小，实现自动调整较易。因此在进给传动中面对面组合用得较多。 在此设计中采用了以面对面配对组合的60?角接触轴承，以容易实现自动调整。滚珠丝杠工作时要发热，其温度高于床身。为了补偿因丝杠热膨胀而引起的定位精度误差，可采用丝杠预拉伸的结构，使预拉伸量略大于热膨胀量。 为了满足高精度、高速度进给系统的需求，除应采用高精度、高速度的滚珠丝杠副外，还必须重视支承的设计，注意选用轴向刚度高，摩擦力矩小，运行精度高的轴承。丝杠一端安装两个深沟球轴承或角接触球轴承或圆锥滚子轴承的称为固定支承(G);安装一个深沟球轴承或角接触球轴承或圆锥滚子轴承的称为铰支承(J);螺母相当于固定支承。丝杠的支承方式有两端固定(G-G)，一端固定，一端铰支(G-J);一端固定，一端自由(G-Z)，两端铰支(J-J)几种。数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母本身的刚度之外，滚珠丝杠正确的安装以及其支承的结构刚性也是不可忽视的因素。螺母座及支承座都应具有足够的刚度和精度。通常都适当加大和机床结合部件的接触面积，以提高螺母做的局部刚度和接触强度，新设计的机床在工艺条件允许时，常常把螺母座或支承座与机床本体做成整体来增大刚度。支承形式采用一端固定，一端铰支的支承形式，其特点如下: ?需保持螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难。 ?压杆稳定性和临界转速高。 ?丝杠有热膨胀的余地。 ?适用于较长的卧式安装丝杠。 3.4.2滚珠丝杠轴端的形式 滚珠丝杠采用一端固定，一端铰支的支承形式。 滚动轴承的选用。丝杠轴的载荷主要是轴向荷载，径向除丝杠重力外，一般无外载荷，对丝杠轴承主要要求轴向精度和刚度较好，摩擦力矩要尽量小。固定支承采用有60?角接触球轴承，双向推力角接触球轴承，圆锥滚子轴承，滚针轴承和推力滚子轴承。根 - 19 - 沧州职业技术学院毕业设计 据轴承特性的比较，而铰支端要求轴向刚度大，可选用深沟球轴承，固定支承可选用60?角接触球轴承，其特点有: 1) 接触角大，钢球数多，承载能力大，刚度大。 2) 即能承受轴向荷载，也能承受径向荷载，支承结构可以简化。 3) 轴承是按规定预紧力供应的，使用者不需要自己调整。 4) 轴承起动摩擦力矩小，降低丝杠副驱动效率，提高进给系统灵敏度。 - 20 - 沧州职业技术学院毕业设计 第4章 进给系统的安装 4.1 横向进给滚珠丝杠螺母副的安装 将滑板与丝母托拆开，丝母托安装在滚珠丝杠上。用螺栓将丝母托与滚珠丝杠付紧固在一起，滚珠丝杠装入滑鞍中。前端装向心球轴承，隔热用螺母紧固。后端装轴承一套，装压盖用M6的螺钉紧固在支架上，丝杠上隔热，用M14的螺母紧固(安装见总装配图)。 横向附加零件图，见图4-1。 图4-1 X轴丝杠 4.2 纵向进给滚珠丝杠螺母副的安装 由于CA6140机床太旧，在安装纵向进给滚珠丝杠螺母副之前，需要在托板上加固定滚珠丝杠的连接板，钢板配做如下图，然后在进行滚珠丝杠的安装。 图4-2轴中间支撑与滑溜板的连接板 开始安装，将支架按原位装在床身上，装好锥销，用螺钉紧固，滚珠丝杠穿过溜板箱装入支架组件中，丝杠上装隔套，端盖加G51-1;用螺钉紧固在支架上，拧紧锁母(安装见总装配图)。 纵向附加配件图如下图4-3、4-4: - 21 - 沧州职业技术学院毕业设计 图4-3 纵向滚珠丝杠螺母副支撑 - 22 - 沧州职业技术学院毕业设计 图4-4 纵向滚珠丝杠螺母屉 4.3 进给系统找正 Z轴支撑找正: 将支架把合在床身上，装检套。检棒与床身导轨平行上、侧母线均为0.01,200。 Z轴丝杠找正: 支架装检套，溜板箱上装检套，中间装检棒，打表找正检棒上、侧母线与导轨平行0.01,500. 支架装检套，溜板箱上装检套，中间装检棒，打表找正检棒上、侧母 线与导轨平行0.01,500且与支架上检棒高度相等。 支架找正: 将支架把合在床身上，装检套，检棒。检测检棒与床身导轨平行上、侧母线均为0.01,200。如图4-5、4-6所示: - 23 - 沧州职业技术学院毕业设计 图4-5 Z轴支撑找正 图4-6 Z轴丝杠找正 - 24 - 沧州职业技术学院毕业设计 总结与体会 随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。经过几周的奋战我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。 在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的学。 我的心得也就这么多了，总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论:知识必须通过应用才能实现其价值～有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。 - 25 - 沧州职业技术学院毕业设计 参考文献 [1] 隋阳明主编 机械设计基础 机械工业出版社，2007. [2] 王启仲主编 金属切削原理与刀具 机械工业出版社，2008. [3] 林宋主编 现代数控机床. 化学工业出版社，2003. [4] 濮良贵主编 机械设计 高等教育出版社，2001. [5] 白恩远 .现代数控机床伺服及检测技术 国防工业出版社，2002. [6] 罗永顺等主编 机床数控化改造实例 机械工业出版社，2009. [7] 董玉红 数控技术. 高等教育出版社，2004. [8] 高衫主编 普通机床的数控改造策略 辽宁省交通高等等专科学校学报，2009. [9] 王爱玲主编 现代数控原理及控制系统. 国防工业出版社，2005. [10] 熊光华主编 数控机床 机械工业出版社，2003. [11] 陈富安主编 数控原理与原理 人民邮电出版社，2006. [12] 张新义主编 经济型数控机床系统设计 北京机械工业出版社，1994. [13] 李雪梅主编 数控机床 电子工业出版社，2005. - 26 - 沧州职业技术学院毕业设计 致谢 在此要感谢我的指导老师张洪强老师和杨乐老师对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。 - 27 -