毕业论文CNC数控车床纵向进给系统设计.doc

1前言我国数控车床从20世纪70年代初进入市场，至今通过各大机床厂家的不懈努力，通过采取与国外著名机床厂家的合作、合资、技术引进、样机消化吸收等措施，使得我国的机床制造水平有了很大的提高，其产量在金属切削机床中占有较大的比例.但我国在五轴加工技术、高速加工技术、精密加工技术等方面与国外方面还有很大的差距。主要问题有：1缺乏系统深入的科研工作, 难以对各种技术资料进行积累, 设计方法陈旧。2、缺乏实事求是的科学精神, 忽视了数控机床本身的技术特点、发展规律, 没有实事求是地制定数控机床发展的规划, 盲目性大。3、没有合理地运用资源。各个研究所孤军奋战,不通力合作,并且床行业人员素质低, 缺乏各方面人才。4、我国制造业大环境的制约。我国依靠引进和合作生产来发展各类主机, 至今我国许多高性能、新结构的数控机床大都为合作产品, 基本处于仿制阶段。国产数控机床及其功能部件无论在技术参数上，还是在各种动态指标上，与工业发达国家的同类产品均存在一定差距。目前，国内沈阳机床集团在引进技术的基础上成功开发出BW60HSI型系列高速卧式加工中心，并已批量进入市场。该机采用电主轴，主轴最高转速16 000 rmin，由零至最高转速的时间为l s，快速移动速度60 mmin。宁江集团开发的高速加工中心主轴转速高达40 000 rmin。当前，在数控机床精密化方面，美国的水平最高，不仅生产中小型精密机床，而且由于国防和尖端技术的需要，研究开发了大型精密机床。其代表产品有LLL实验室研制成功的DTM一3型精密车床和LODTM大型光学金刚石车床，它们是世界公认水平最高的、达到当前技术最前沿的大型精密机床。其它国家也相应研制成功各种类似的装备，如英国的Cranfield、日本的东芝机械等。近年来我国对超精密机床的研制也一直在进行。北京机床研究所研制成功了JCS一027型超精密车床、JCS一03型超精密铣床、JCS一035型数控超精密车床等。1.1设计的目的机床课程设计目的在于通过机床进给运动系统的结构设计，使学生在结构方案过程中，得到结构构思、方案分析、结构工艺性、机械制图、零件设计、编写技术文件和查阅技术资料的等方面的综合训练，树立正确的设计思想，掌握基本的设计方法，并培养学生具有初步的结构分析、结构设计与计算能力。1.2数控机床的基本概念科学技术的发展，对机械产品提出了高精度、高复杂性的要求，而且产品的更新换代也在加快，这对机床设备不仅提出了精度和效率的要求，而且也对其提出了通用性和灵活性的要求。数控机床就是针对这种要求而产生的一种新型自动化机床。数控机床集微电子技术、计算机技术、自动控制技术及伺服驱动技术、精密机械技术于一体，是高度机电一体化的典型产品。它本身又是机电一体化的重要组成部分，是现代机床技术水平的重要标志。数控机床体现了当前世界机床技术进步的主流，是衡量机械制造工艺水平的重要指标，在柔性生产和计算机集成制造等先进制造技术中起着重要的基础核心作用。数控机床（Numerical Control Machine Tools）是指采用数字形式信息控制的机床。详言之，凡是用数字化的代码将零件加工过程中所需的各种操作和步骤以及刀具与工件之间的相对位移量等记录在程序介质上送入计算机或数控系统经过译码、运算及处理，控制机床的刀具与工件的相对运动，加工出所需要的工件的一类机床即为数控机床1。数控机床的工作原理就是将加工过程所需的各种操作（如主轴变速、工件的松开与夹紧、进刀与退刀、开车与停车、自动关停冷却液）和步骤以及工件的形状尺寸用数字化的代码表示，通过控制介质（如穿孔纸带或磁盘等）将数字信息送入数控装置，数控装置对输入的信息进行处理与运算，发出各种控制信号，控制机床的伺服系统或其他驱动元件，使机床自动加工出所需要的工件。所以，数控加工的关键是加工数据和工艺参数的获取，即数控编程。数控加工一般包括以下几个内容：（1）对图纸进行分析，确定需要数控加工的部分；（2）利用图形软件（如CAXA制造工程师）对需要数控加工的部分造型；（3）根据加工条件，选择合适的加工参数，生成加工轨迹（包括粗加工、半精加工、精加工轨迹）；（4）轨迹的仿真检验；（5）生成G代码；（6）传给机床加工。1.3数控机床的组成数控机床的种类繁多，但从一台完整的数控机床上讲，数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统、机床本体组成，如图1.1所示为数控机床的组成的基本框图。为了提高本机床的加工精度，达到高精度的设计要求，在上述系统中加入一个测量装置，这样构成了由闭环控制的数控机床的框图。开环控制系统的工作过程是：将控制机床工作台运动的位移量、位移速度、位移方向、位移轨迹等参量通过控制介质输入给机床数控装置，数控装置根据这些参量指令计算机得出进给脉冲序列（包含有上述四个参量），然后经伺服系统转换放大，最后控制工作台按所要求的速度、轨迹、方向和距离移动。闭环控制：是在机床的最终的运动部件的相应位置直接直线或回转式检测装置，将直接测量到的位移或角位移值反馈到数控装置的比较器中与输入指令移量进行比较，用差值控制运动部件，使运动部件严格按实际需要的位移量运动2。图1.1 数控机床的组成1.3.1控制介质数控机床工作时，不需要工人去摇手柄操作机床，但又要自动的执行人们的意图，这就必须在人和数控机床之间建立某种联系，这种联系的媒介物称为控制介质（或称程序介质、输入介质、信息载体）3。控制介质又称信息载体，是人与数控机床之间的媒介物质，反映了数控加工中全部信息。控制介质有多种形式，它随着数控装置的类型不同而不同，常用的有穿孔纸带、穿孔卡、磁带、磁盘等。还有的采用数码拨盘、数码插销或利用键盘直接将程序及数据输入。另外，随着CAD/CAM技术的发展，有些数控设备利用CAD/CAM软件在其计算机上编程，然后通过计算机与数控系统通信，将程序和数据直接传送给数控装置。 1.3.2数控装置数控装置是数控系统的核心。现代的数控装置普遍采用通用计算机作为数控装置主要硬件：包括微型机系统的基本组成部分，CPU、存储器、局部总线以及输入输出接口等；软件部分：就是我们所说的数控系统软件基本功能：读入零件加工程序，根据加工程序所指定零件形状，计算出刀具中心的移动轨迹，并按照程序指定的进给速度，求出每个微小的时间段（插补周期）内刀具应该移动的距离，在每个时间段结束前，把下一个时间段内刀具应该移动的距离送给伺服单元。1.3.3伺服系统伺服系统是数控机床的执行结构，是数控系统和机床本体之间的电气联系环节。主要由伺服电动机、驱动控制系统和位置检测与反馈装置等组成。目前数控机床的伺服系统中，常用的控制对象可以是步进电动机、直流伺服电动机或交流伺服电动机（后两者等带有光电编码器等位置测量元件）4。1.3.4机床数控机床的本体是指机械结构实体。可以在普通机床的基础上改装，也可以单独设计。与传统通机床相比较，数控机床的机械部分有以下特点： （1）数控机床采用了高性能的主轴及伺服传动系统，机械传动结构简化，传动链较短，传动精度高等特点。（2）数控机床机械结构具有较高的刚度，阻尼精度及耐磨性，热变形小。 （3）更多地采用高效传动部件，一般采用滚珠丝杠副、直线滚动导轨副或塑料涂层导轨等。具有完善的刀具自动交换及管理系统。 1.4数控机床的分类数控机床的品种规格很多，分类方法也各不相同。一般可根据功能和结构，按下面 4 种原则进行分类5。1.4.1按机床运动的控制轨迹分类（1） 点位控制的数控机床点位控制只要求控制机床的移动部件从一点移动到另一点的准确定位对于点与点之间的运动轨迹的要求并不严格，在移动过程中不进行加工，各坐标轴之间的运动是不相关的。为了实现既快又精确的定位，两点间位移的移动一般先快速移动，然后慢速趋近定位点，以保证定位精度。具有点位控制功能的机床主要有数控钻床、数控镬床、数控冲床等。随着数控技术的发展和数控系统价格的降低，单纯用于点位控制的数控系统已不多见。 （2） 直线控制数控机床 直线控制数控机床也称为平行控制数控机床，其特点是除了控制点与点之间的准确定位外，还要控制两相关点之间的移动速度和路线（轨迹），但其运动路线只是与机床坐标轴平行移动，也就是说同时控制的坐标轴只有一个（即数控系统内不必有插补运算功能），在移位的过程中刀具能以指定的进给速度进行切削，一般只能加工矩形、台阶形零件。其有直线控制功能的机床主要有比较简单的数控车床、数控铣床、数控磨床等。这种机床的数控系统也称为直线控制数控系统。同样，单纯用于直线控制的数控机床也不多见。（3） 轮廓控制数控机床轮廓控制数控机床也称连续控制数控机床，其控制特点是能够对两个或两个以 h 的运动坐标的位移和速度同时进行控制。为了满足刀具沿工件轮廓的相对运动轨迹符合工件加工轮廓的要求，必须将各坐标运动的位移控制和速度控制按照规定的比例关系精确地协调起来。因此在这类控制方式中，就要求数控装置具有插补运算功能所谓插补就是根据程序输入的基本数据（如直线的终点坐标、圆弧的终点坐标和圆心坐标或半径），通过数控系统内插补运算器的数学处理，把直线或圆弧的形状描述出来，也就是一边计算，一边根据计算结果向各坐标轴控制器分配脉冲，从而控制各坐标轴的联动位移量与要求的轮廓相符合在运动过程中刀具对工件表面进行连续切削，可以进行各种直线、圆弧、曲线的加工轮廓控制的加工。这类机床主要有数控车床、数控铣床、数控线切割机冰、加工中心等，其相应的数控装置称为轮廓控制数控系统根据它所控制的联动坐标轴数不同，又可以分为下面几种形式 二轴联动：主要用于数控车床加工旋转曲面或数控铣床加工曲线柱面。 二轴半联动主要用于三轴以上机床的控制，其中两根轴可以联动，而另外一根轴可以作周期胜进给。 三轴联动：一般分为两类，一类就是 x 、 y 、 z 三个直线坐标轴联动，比较多的用于数控铣床、加工中心等，用球头铣刀铣切三维空间曲面另一类是除了同时控制 x 、 y 、 z 中两个直线坐标外，还同时控制围绕其中某一直线坐标轴旋转的旋转坐标轴。如车削加工中心，它除了纵向（z轴）、横向（x轴）两个直线坐标轴联动外，还需同时控制围绕 z 轴旋转的主轴（c轴）联动。 四轴联动：同时控制 x 、 y 、 z 三个直线坐标轴与某一旋转坐标轴联动。 五轴联动：除同时控制 x 、 y 、 z 三个育线坐标轴联动外还同时控制围绕这这些直线坐标轴旋转的 a 、 b 、 c 坐标轴中的两个坐标轴，形成同时控制五个轴联动这时刀具可以被定在空间的任意方向比如控制刀具同时绕 x 轴和 y 轴两个方向摆动，使得刀具在其切削点上始终保持与被加工的轮廓曲面成法线方向，以保证被加工曲面的光滑性，提高其加工精度和加工效率，减小被加工表面的粗糙度1.4.2按伺服控制的方式分类（1） 开环控制数控机床这类机床的进给伺服驱动是开环的，即没有检测反馈装置，一般它的驱动电动机为步进电机，步进电机的主要特征是控制电路每变换一次指令脉冲信号，电动机就转动一个步距角，并且电动机本身就有自锁能力其控制系统，数控系统输出的进给指令信号通过脉冲分配器来控制驱动电路，它以变换脉冲的个数来控制坐标位移量，以变换脉冲的频率来控制位移速度，以变换脉冲的分配顺序来控制位移的方向。因此这种控制方式的最大特点是控制方便、结构简单、价格便宜数控系统发出的指令信号流是单向的，所以不存在控制系统的稳定性问题，但由于机械传动的误差不经过反馈校正，故位移精度不高。早期的数控机床均采用这种控制方式，只是故障率比较高，目前由于驱动电路的改进，使其仍得到了较多的应用。尤其是在我国，一般经济型数控系统和旧设备的数控改造多采用这种控制方式。另外，这种控制方式可以配置单片机或单板机作为数控装置，使得整个系统的价格降低。（2）闭环控制机床 这类数控机床的进给伺服驱动是按闭环反馈控制方式工作的，其驱动电动机可采用直流或交流两种伺服电机，并需要配置位置反馈和速度反馈，在加工中随时检测移动部件的实际位移量，并及时反馈给数控系统中的比较器，它与插补运算所得到的指令信号进行比较，其差值又作为伺服驱动的控制信号，进而带动位移部件以消除位移误差。 按位置反馈检测元件的安装部位和所使用的反馈装置的不同，它又分为全闭环和半闭环两种控制方式 全闭环控制 如图1.2所示，其位置反馈装置采用直线位移检测元件（目前一般采用光栅尺），安装在机床的床鞍部位，即直接检测机床坐标的直线位移量，通过反馈可以消除从电动机到机床床鞍的整个机械传动链中的传动误差，从而得到很高的机床静态定位精度。但是，由于在整个控制环内，许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙均为非线性，并且整个机械传动链的动态响应时间与电气响应时间相比又非常大这为整个闭环系统的稳定性校正带来很大困难，系统的设计和调整也都相当复杂因此，这种全闭环控制方式主要用于精度要求很高的数控坐标幢床、数控精密磨床等6。 图1.2 闭环系统控制框图 半闭环控制 如图1.3所示，其位置反馈采用转角检测元件（目前主要采用编码器等），直接安装在伺服电动机或丝杠端部。由于大部分机械传动环节未包括在系统闭环环路内，因此叫获得较稳定的控制特性。丝杠等机械传动误差不能通过反馈来随时校正，但是可采用软件定值补偿方法来适当提高其精度目前，大部分数控机床采用半闭环控制方式7。 图1.3 半闭环系统控制框图 混合控制数控机床 将上述控制方式的特点有选择地集中，可以组成混合控制的方案。如前所述，由于开环控制方式稳定性好、成本低、精度差，而全闭环稳定性差，所以为了互为弥补，以满足某些机床的控制要求，宜采用混合控制方式。采用较多的有开环补偿型和半闭环补偿型两种方式1.4.3按数控系统的功能水平分类按数控系统的功能水平，通常把数控系统分为低、中、高三类。这种分类方式，在我国用的较多。低、中、高三档的界限是相对的，不同时期，划分标准也会不同。就目前的发展水平看，可以将各种类型的数控系统分为低、中、高档三类。其中中、高档一般称为全功能数控或标准型数控在我国还有经济型数控的提法。经济型数控属于低档数控，是指由单片机和步进电动机组成的数控系统，或其他功能简单、价格低的数控系统。经济型数控主要用于车床、线切割机床以及旧机床改造等1.4.4按加工工艺及机床用途的类型分类 金属切削类 指采用车、铣、撞、铰、钻、磨、刨等各种切削工艺的数控机床。它又可被分为以下两类。普通型数控机床 如数控车床、数控铣床、数控磨床等。 加工中心 其主要特点是具有自动换刀机构的刀具库，工件经一次。装夹后，通过自动更换各种刀具，在同一台机床上对工件各加工面连续进行铣（车）键、铰、钻、攻螺纹等多种工序的加工，如（幢铣类）加工中心、车削中心、钻削中心等。 金属成型类 指采用挤、冲、压、拉等成型工艺的数控机床，常用的有数控压力机、数控折弯机、数控弯管机、数控旋压机等。 特种加工类 主要有数控电火花线切割机、数控电火花成型机、数控火焰切割机、数控激光加工机等。 测量、绘图类主要有三坐标测量仪、数控对刀仪、数控绘图仪等8。2设计任务书的分析1.1 毕业设计任务书该机床适合于复杂轮廓的高精度的回转零件的加工，主轴采用伺服电机，进给系统采用滚珠丝扛设计。X/Z轴行程250/400,主轴转速范围100-4000rpm，床身上最大回转直径260，最大切削直径200。1纵向进给装配图（Ao或加长或2张）2拆有关零件图3设计说明书一份（要求不少于12000字，英文摘要不少于300单词）4外文翻译资料（要求不少于2000字符）5图纸工作量：不少于3.5张零号图的绘图量1.2 总体方案的确定本系统采用闭环控制，这样就达到了精确进给的目的，该机床适合于复杂轮廓的高精度的回装零件的加工，主轴采用伺服电机，进给系统采用滚珠丝杠设计。在纵向进给系统上采用闭环控制，适时的进行进给量的调整达到了较高的精度，传动效率大到96%。数控系统：以单片机为核心进行系统的控制，配合编码器进行精确进给。对于纵向进给系统采用步进电机控制丝杠的动作，步进电机通过一对齿轮链连接的齿轮来传递动力，并且有复杂的液压和电子回路，该系统是闭环系统，是数控机床中精度更高的系统。对于滚珠丝杠选取FD-32062型，其优点是:螺母的轴向尺寸小，而且已经预加载荷消除了间隙。采用滚珠丝杠，丝杠两端采用轴承支撑，共采用四个轴承进行轴向固定，在左端用锁紧螺母和轴肩来防止轴向窜动，右端采用一对背靠背安装的角接触球轴承、螺母和轴肩来进行轴向固定。一级减速齿轮，采用带连接传动，采用张紧轮来定期的调整带的张紧，定期人工调整齿轮的中心距。方案如下图所示：3伺服电机的选取3.1伺服电机的工作原理3.1.1伺服的定义伺服：一词源于希腊语“奴隶”的意思。人们想把“伺服机构”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。在讯号来到之前，转子静止不动；讯号来到之后，转子立即转动；当讯号消失，转子能即时自行停转。由于它的“伺服”性能，因此而得名。 伺服系统：是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制的非常灵活方便。3.1.2伺服电机工作原理伺服电机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。伺服电机是一个典型闭环反馈系统，减速齿轮组由电机驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0，从而达到使伺服电机精确定位的目的。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。 伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。3.2伺服电机的选择原则虽然选择伺服电动机的主要参数是功率。但是大多时候，选择伺服电机并不功率，而是根据电机的负载条件进行选择的。加载电机轴上的负载共有两种：负载转矩和负载惯量9。3.2.1电机选择伺服电动机的主要参数是功率。大多时候，选择伺服电机不按功率，而是根据负载条件进行选择的。加载电机轴上的负载有两种：负载转矩和负载惯量9。根据负载转矩选择电机电动机的最大切削负载转矩不得超过电动机的额定转矩，将其折算至电动机轴的最大切削负载转矩为： 滚珠丝杠的机械效率 丝杠导程丝杠上的最大轴向载荷，等于最大轴向进给力加导轨的摩擦力 因滚珠丝杠螺母预加载荷引起的附加摩擦转矩 滚珠丝杠轴承的摩擦转矩I 传动比（2）根据负载惯量选择电机从牛顿第二定律我们可以看出，进给系统所需要的加速转矩Ta等于系统转动惯量乘电动机的角加速度a，即Ta=j*a。由此可以看出角加速度a影响系统的动态特性：当a越小的时候，计算机发出的指令到伺服电机执行完毕之间的时间越长，也就是通常说的反应慢；当a变化时系统的反应忽快忽慢，影响机床的加工精度；在Ta基本保持不变的情况下，如果想要a变化尽量小，就应使惯量J变化也尽量小一些。3.2.2选择容量的基本原则：（1）工作温度 电机在运行的时侯，一定要保证电机的实际最高温度Qmax等于或者略微小于电机绝缘的允许的最高工作温度Qa；（2）过载能力 电机在运行的时侯，必须有要一定过载能力，尤其在短期工作的时侯，因为电机的惯性很大，所以当电机在短时间内承受了高于额定功率若干倍的负载功率时还可以保证QmaxQa ,因此这时决定电动机容量的主要的因素，不是电机的发热能力而是电机的过载能力，也就是所需要的的电机的最大转矩Tmax必须大于运行的过程中有可能出现的最大负载转矩Tmax（3）启动能力 除了上述原则选择容量外，根据实际生产机械的要求，还应根据技术经济指标即工作环境等条件来选择电动机种类、转速、电压、电动机的结构形式等。3.2.3伺服电机的选择考虑以上的多方面因素，通过查询查电机手册我选取交流伺服电机Y112M-4-B5型，功率为4kw,转速为1440 r/min。4滚珠螺旋传动4.1滚珠螺旋传动的原理和特点滚珠螺旋传动就是在丝杠、螺母间放入适量的滚珠，使得丝杠同螺母之间的摩擦从普通螺旋滑动摩擦变为了滚动摩擦。它是由丝杠、螺母、滚珠和滚珠循环返回装置四个部分组成的。丝杠转动的时侯，将带动滚珠沿着螺纹滚道滚动。为了达到防止滚珠从滚道面掉出的目地，应在在螺母上装上反向器，这样就构成滚珠的循环通道。使滚珠从通道的一端滚出后，沿着通道进入到另一端，然后又重新进入到滚道，从而形成了一闭合回路。滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动相比具有下列特点：(1)滚动摩擦小，传动效率高；(2)传动精度高。经调整预紧后，可消除轴向间隙，提高传动精度；(3)启动扭矩接近运转扭矩，工作较平稳；(4)磨损小且寿命长，可用调整装置调整间隙，传动精度与刚度均得到提高；(5)不具有自锁性，可将直线运动变为回转运动。4.2滚珠螺旋传动的结构形式螺旋传动的结构形式有很多种，主要的区别在滚珠的循环方式、螺纹滚道的截面形状和消除轴向间隙的调整预紧方法这三方面。4.2.1滚珠循环方式按照滚珠在循环过程中和丝杠表面的接触情况，可将其分为内循环和外循环这两种。(1)内循环式 指的是滚珠在循环过程中始终与丝杠保持着接触。内循环式均采用反向器来实现滚珠的循环。如图4.1所示，反向器有这两种型式，图a是圆柱凸键反向器，图b是扁圆镶块反向器。反向器的上面铣有S形的反向槽，将相邻的两螺纹滚道连接了起来，使滚珠从螺纹滚道进人反向器，借助着反向器使滚珠越过丝杠顶牙进入到相邻滚道，从而实现循环。图 4.1 内循环式原理图(a) 圆柱凸键反相器 （b）扁圆镶块反相器1 凸键 2.3 反向槽(2)外循环式 指滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触。该方式按滚珠循环时的返回方式又分为插管式和螺旋槽式，如图4.2所示。图4.2a为常用的插管式，它用弯管作为返回通道；图4.2b为螺旋槽式，它是在螺母外圆上铣出一条螺旋槽，槽的两端各钻一通孔与螺纹滚道相切，形成返回通道。外循环式使用较广，缺点是滚道接缝处很难做得平滑，从而影响滚珠滚动的稳定性。图 4.2 外循环原理图4.2.2螺纹滚道法向截面的形状螺纹滚道法向截面的形状，常见的单圆弧和双圆弧这两种。在螺纹滚道法向截面内，滚珠与滚道接触点的公法线和丝杠轴线垂直线之间夹角a称为接触角，一般的取a=45。单圆弧滚道加工用砂轮成型简单，容易得到较高加工精度。不过接触角a随间隙及轴向载荷而变化，所以传动效率、承载能力和轴向刚度均不稳定。双圆弧滚道德接触角a在工作过程中基本保持不变，所以其效率、承载能力和轴向刚度比较稳定。滚道底部与滚珠不相接触，它的间隙可存储一定量的润滑物和赃物，从而减小摩擦和磨损。不过磨削滚道砂轮修正、加工和检验都比较困难。 滚道的半径滚珠直径r0 R/ r0 =1.04和1.11两种10。4.2.3消除轴向间隙的调整预紧方法 滚珠丝杠螺母副轴向间隙的调整和预紧，通常都是采用双螺母预紧的方式，使两个螺母之间产生轴向的位移，从而达到消除间隙和产生预紧力的目的4.3材料和热处理滚珠螺旋传动的螺杆和螺母通常都采用相同的材料制造。选择材料与热处理的时候，应考虑精度、长度及直径和工艺性等因素。一般选用GCr15,9Mn2V和CrWMn,进行整体淬火后回火达到HRC5862，其中螺母应取其上限。精密螺杆的材料可选用20CrM0A材料,进行渗碳淬火；或选用4020CrM0A材料，进行高频或中频表面淬火，进行稳定处理11。4.4滚珠丝杠螺母副的预紧和滚珠丝杠的预拉伸要提高传动精度有两个困难。一是光靠增大传动零件几何尺寸虽然能够提高刚度，然而也加大了转动惯量。二是一般传动件的受力与变形并不是呈线形关系，因此负载不同的时后，系统谐振频率不是常数，这给闭环系统的调试工作带来了极其大困难。所以，现代数控机床要采用施加预紧力来消除间隙、提高传动刚度。这样无需增大尺寸，又能够使刚度接近常数。这是伺服进给系统机械传动机构设计的突出的特点。下面说明预紧力大小的确定12。4.4.1滚珠丝杠螺母副的预紧力滚珠丝杠螺母副的预紧通常采用双螺母结构。为了使预紧后的双螺母结构在正向传动链受力运行的时侯其反向传动链仍能保证无间隙出现，就要求预紧力的数值应大于最大轴向载荷的1/3倍12。双螺母结构加了预载后会引起附加的摩擦力矩，这就要求考虑效率和寿命问题。则无预载时的驱动力矩M1、加预载后的附加摩擦力矩M0和加预载后的效率分别为： （4.1） （4.2） （4.3）式子中 P1最大轴向载荷（kg f） P0预紧力（kg f） S导程（cm） 未预紧时的效率预紧系数，按计算，当，；并且时，（即 P0P1/3），增长缓慢。所以一般取P0P1/3，此时滚珠丝杠与螺母的接触变形量比无预紧力时减少一半。4.4.2滚珠丝杠的预拉伸与推力轴承的预紧力滚珠丝杠预拉伸作用：补偿丝杠的热变形、提高丝杠的拉压刚度、提高推力轴承轴向刚度、提高轴承座轴向刚度13。决定丝杠预拉伸力时，要考虑下列因素：（1）使丝杠在最大轴向载荷的作用下，在受力方向上仍保持受拉状态。此时，预拉伸力应为最大工作载荷的035倍，或近似为1/3倍。（2）丝杠要能补偿其热变形。丝杠热变形为： （4.4）式子中 a丝杠热膨胀系数。对于合金钢，取1.110-51-1l丝杠长度丝杠与床身之间的温差。恒温车间则取23；对丝杠进行预拉伸可以补偿热伸长，丝杠两端固定结构，其一端轴承座轴向的位置可调，拉伸量等于或大于热伸长量。丝杠热伸长后，就会使预拉伸力下降以至消失，但是却不会产生行程误差。为了补偿丝杠热膨胀，丝杠预拉伸量应该略大于热膨胀量。发热后，热膨胀量抵消了部分得预拉伸量，使丝杠内拉应力下降，但是长度却没有什么变化。丝杠预拉伸时引起丝杠伸长为： (4.5)式子中 P0预拉伸力 l 丝杠长度 A丝杠横截面积d1丝杠螺纹底径E弹性模量。对于钢材（3）考虑轴承允许的动载荷。在校核轴承的计算中，必须考虑预拉伸力。对预拉伸的滚珠丝杠，其螺距累积误差应规定为负值。在预拉伸丝杠的设计中还应注意： 增强丝杠两端的支承刚度。 注意提高丝杠本身刚度，应尽量的避免采用直径大小相差悬殊的结构，尽量的减少空刀槽。 预拉伸力是通过丝杠两端的螺纹和螺母施加，丝杠的两端应造成方头。通常采用测量丝杠仲长量方法控制预拉伸力。5纵向进给系统的设计5.1设计参数工作台重量：W=100时间常数：T=25ms滚珠丝杠导程：S=6行程：400脉冲当量：步距角：5.2切削力计算该数控机床的伺服电机选用Y112M-4-B5，功率为4kw，转速为1440r/min.。切削功率 (5.1)式中 P电机功率（kw）,4kw 主传动系统总效率，取0.65 K进给系统功率系数，取0.96则： 又 则： (5.2)式中 主切削力，N 切削线速度，取代入上式得 通常，纵向切削分力为： 横向切削分力为： 5.3滚珠丝杠设计机床丝杠的纵向轴向力为 （5.3） 式中 颠覆力矩影响的试验系数，取1.15 导轨上的摩擦系数，=0.17 工作台作用在导轨上的重力，N 工作台的质量， 重力加速度将各个数值代入式中得F=1.15748.50.17(14971009.8)1282N强度计算滚珠丝杠的转速为: （5.4）式子中切削线速度，=100m/min进给量，=0.3工件直径，=80滚珠丝杠螺距，=6以上数值代入上式得取寿命时间,寿命值。取运转系数,硬度系数，则最大负载：选取滚珠丝杠的公称直径为32，型号为FD3206-2 左，滚珠直径4，螺距为6，其额定动载荷是11995NQ=4088N,所以强度够用。效率计算：滚珠丝杠的螺旋升角，摩擦角，滚珠丝杠传动效率5.4步进电机及齿轮的选用5.4.1纵向步进电机的选取（1）确定步距角取系统的脉冲当量，选用步距角。（2）启动力矩的计算，设步进电机等效负载力矩M，负载力，则根据能量守恒原理，电机所做的功与负载所作的功关系为14 15 （5.5）式子中 电机转角，则 移动部件的现对位移，则 滚珠丝杠的传动效率，则 负载力 （5.6）式子中 工作台作用在导轨上的重力机床导轨摩擦系数，作用在工作台上的切削力，纵向丝杠牵引力，W 14 （5.7）式子中 纵向切削分力，则当量摩擦系数， 代入式（5.7）中得将，,代入式（5-5）中得 如果不考虑起动时运动部件惯性的影响，启动力矩,取安全系数为0.3，则，工作方式为四相八拍的步进电机，其步进电机的最高频率取Vmax=1/s则： 根据以上，选用110BFG型步进电机比较合适。该电机步距角为0.75/1.5，最大转矩800Ncm,最高空载启动频率为1800HZ。5.4.2纵向齿轮设计步距角为0.75/1.5，滚珠丝杠的螺距P=6mm，脉冲当量=0.01mm/脉冲。在步进电机与滚珠丝杠之间所加的一对纵向齿轮的传动比I=Z1/Z2=0.8考虑到机床的结构尺寸的直径，选取主动轮Z1=48,从动轮Z2=60，由指导经验参考取模数为1.5mm6结论从三月底到答辩，整个设计进行了将近三个月的时间。回想起这三个月的时光，有苦涩，也有甜蜜，有汗水，也有收获，记得刚开始搞这个课题的时候，可以说，从理论到实际都是一片空白，是老师不厌其烦的给我们讲解，不辞辛劳的带我们到处参观，让我们从理性到感性有了一个充分的认识，随着毕业设计的深入，我们一点点的理解课题。在这次设计中，我学到很多的东西，比如，从老师那学会分析思路和方案的解决，以及制定大致的设计框架，学会乐边入手边设计，并且知道了许多课本上没有的实际经验。更值得一提的是，我从我的同学身上也学到许多的东西，他们的或细致，或严谨的作风。特别是一些细节的东西，他们都掌握得很清楚，从他们身上，我看到了未来工程师的影子。毕业设计师对每个同学大学四年知识的总结，它覆盖了近四年的知识，其中，既包括了专业理论知识，也包括了这些知识的实际应用。他是对我们综合素质的一次真正的检阅。同时他还培养了我们分析问题，解决问题的能力。正因为如此，通过这次的毕业设计，我对大学四年的课程内容有了更深的认识和理解。在我们离校的时候，跟近一步的巩固了我们的专业基础理论知识。通过这次毕业设计，我们能够掌握一般设计的基本程序，为我们以后在自己的工作岗位上独立搞设计打下了很好的基础，从最