毕业论文 台式钻床的数控改装方案和单片机系统设计

1、PAGE PAGE - 54 -毕业论文毕业论文台式钻床的数控改装方案和单片机系统设计摘 要目前中国企业中机床设备老化，不能满足新技术、新工艺的生产要求。本文重点介绍Z5140A型台式钻床的数控改装方案和单片机系统设计，将传统的机械与现有的数控技术相结合，使其具有自动进给功能，为企业进行设备的数控化改造提供了一种有效可行的途径。 现有的Z5140A型台式钻床经改造后提高了加工精度，扩大了机床的使用范围，并提高了生产率。本论文说明了普通钻床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了Z5140A机械传动部分的设计及数控系统部分的设计。 通过该改造计划,改造后的Z5140A型钻床具备数控机床的精度要求，

2、自动化柔性生产的能力。机床整体能力达到预期的要求。Z5140A数控钻床主要用于加工各种孔及平面和曲面的铣削。它集中了立式钻床和铣床的功能。数控钻床需要很少人工操作，也没有机械操作元件如手柄、摇把等。该钻床如同其他CNC钻床，全部工作循环是在微机数控系统控制下实现的。车削对象改变后，只需改变相应的软件就可适应新的需要。由于利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。 关键词：数控机床；滚珠丝杠；数控系统 AbstractAt present,Machine tools

3、made in China is aging and can not meet the requirements of new technologies and new processes of production. This paper focuses on the NC Z5140A-type drill press conversion programs and MCU system design. Combining the traditional machines with the CNC technology, it can HYPERLINK /search?q=realize

4、&keyfrom=E2Ctranslationrealize automatically feed function and provides a feasible and effective way for the enterprise of equipments transformation with NC. Existing Z5140-type drill press improves the machining accuracy, expands the scope of machine use and increases the productivity after transfo

5、rmation. This paper describes the design process of the transformation of the general drilling with NC, introduces the design of the Z5140A mechanical transmission part and numerical control system part in detail. After the transformation plan, Z5140A-type drill transformed has the accuracy requirem

6、ent of CNC machine tools and the automatic flexible production capacity. Machine tools achieve the desired overall capacity requirements. Z5140A CNC drilling machine is mainly used for processing a variety of holes and planar and surface milling. It contains the vertical drilling and milling functio

7、n. CNC drilling and milling machine requires very little manual operation and no operation of machinery components such as handles, crank and so on. As with other CNC drilling of the drilling machine, all of the HYPERLINK /search?q=cyclic&keyfrom=E2Ctranslation cyclic work is completed under the con

8、trol of the computer numerical control system. As turning object changes, just change the corresponding software to adapt to new needs. Because lathebed, column and other basic items are heavy and casting equipments but not the welded components, machine tools transformed has higher performance and

9、better quality, which can be used as a new equipment for years. However, limited by the mechanical structure of the original, it can not be transformed revolutionarily. Key Word：Numerical Control Machine Tools ; Ball Screw; CNC System 目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc326307153 摘 要 PAGEREF _Toc326

10、307153 h - 1 - HYPERLINK l _Toc326307154 Abstract PAGEREF _Toc326307154 h - 2 - HYPERLINK l _Toc326307155 1绪论 PAGEREF _Toc326307155 h - 6 - HYPERLINK l _Toc326307156 1.1 立式钻床的概述 PAGEREF _Toc326307156 h - 6 - HYPERLINK l _Toc326307157 1.2 数控立式钻床的发展 PAGEREF _Toc326307157 h - 6 - HYPERLINK l _Toc326307

11、158 1.3 立式钻床数控化改造的市场 PAGEREF _Toc326307158 h - 8 - HYPERLINK l _Toc326307159 1.3.1 机床数控化改造的市场 PAGEREF _Toc326307159 h - 8 - HYPERLINK l _Toc326307160 1.3.2 立式钻床简介 PAGEREF _Toc326307160 h - 9 - HYPERLINK l _Toc326307161 1.4床数控化改造的内容及优缺点 PAGEREF _Toc326307161 h - 10 - HYPERLINK l _Toc326307162 1.4.1数控

12、化改造的内容 PAGEREF _Toc326307162 h - 10 - HYPERLINK l _Toc326307163 1.4.2 立式钻床数控化改造的优缺点 PAGEREF _Toc326307163 h - 11 - HYPERLINK l _Toc326307164 2主传动系统的设计 PAGEREF _Toc326307164 h - 12 - HYPERLINK l _Toc326307165 2.1 立式钻床数控化改造设计任务 PAGEREF _Toc326307165 h - 12 - HYPERLINK l _Toc326307166 2.2 总体方案的确定 PAGER

13、EF _Toc326307166 h - 13 - HYPERLINK l _Toc326307167 2.2.1 Z向步进电机与进给滚珠丝杠的联结 PAGEREF _Toc326307167 h - 13 - HYPERLINK l _Toc326307168 2.2.2 传动形式的选择 PAGEREF _Toc326307168 h - 15 - HYPERLINK l _Toc326307169 2.2.3 滚珠丝杠副的参数 PAGEREF _Toc326307169 h - 16 - HYPERLINK l _Toc326307170 2.2.4 滚珠丝杠副的组成及特点 PAGEREF

14、 _Toc326307170 h - 17 - HYPERLINK l _Toc326307171 2.2.5 滚珠丝杠副的典型结构类型 PAGEREF _Toc326307171 h - 17 - HYPERLINK l _Toc326307172 2.2.6 滚珠丝杠的支撑形式选择 PAGEREF _Toc326307172 h - 19 - HYPERLINK l _Toc326307173 2.3 Z向进给滚珠丝杠副的计算与校核 PAGEREF _Toc326307173 h - 22 - HYPERLINK l _Toc326307174 2.3.1主轴钻削力计算 PAGEREF _

15、Toc326307174 h - 22 - HYPERLINK l _Toc326307175 2.3.2滚珠丝杠副的选择计算 PAGEREF _Toc326307175 h - 23 - HYPERLINK l _Toc326307176 2.3.3选择步进电动机 PAGEREF _Toc326307176 h - 26 - HYPERLINK l _Toc326307177 2.4 电主轴选用、冷却与润滑 PAGEREF _Toc326307177 h - 30 - HYPERLINK l _Toc326307178 2.4.1 电主轴的概述 PAGEREF _Toc326307178 h

16、 - 30 - HYPERLINK l _Toc326307179 2.4.2 电主轴的冷却与润滑 PAGEREF _Toc326307179 h - 33 - HYPERLINK l _Toc326307180 2.4.3 电主轴的选用 PAGEREF _Toc326307180 h - 35 - HYPERLINK l _Toc326307181 3数控系统电路设计 PAGEREF _Toc326307181 h - 37 - HYPERLINK l _Toc326307182 3.1绘制系统电气控制的结构框图 PAGEREF _Toc326307182 h - 37 - HYPERLIN

17、K l _Toc326307183 3.1.1 机床硬件电路有以下几部分组成 PAGEREF _Toc326307183 h - 38 - HYPERLINK l _Toc326307184 3.2 MCS-51单片机简介 PAGEREF _Toc326307184 h - 38 - HYPERLINK l _Toc326307185 3.2.1 8031单片机的基本特性 PAGEREF _Toc326307185 h - 38 - HYPERLINK l _Toc326307186 3.2.2 8031芯片引脚及其功能介绍 PAGEREF _Toc326307186 h - 40 - HYP

18、ERLINK l _Toc326307187 3.3存储器扩展电路设计 PAGEREF _Toc326307187 h - 42 - HYPERLINK l _Toc326307188 3.3.1 程序存储器的扩展 PAGEREF _Toc326307188 h - 42 - HYPERLINK l _Toc326307189 3.3.2 数据存储器的扩展 PAGEREF _Toc326307189 h - 44 - HYPERLINK l _Toc326307190 3.3.3 译码电路设计 PAGEREF _Toc326307190 h - 45 - HYPERLINK l _Toc326

19、307191 3.4 /接口扩展电路设计 PAGEREF _Toc326307191 h - 45 - HYPERLINK l _Toc326307192 3.4.1 8155通用可编程接口芯片 PAGEREF _Toc326307192 h - 45 - HYPERLINK l _Toc326307193 3.4.2 8255可编程接器芯片 PAGEREF _Toc326307193 h - 47 - HYPERLINK l _Toc326307194 3.4.3 8255的结构 PAGEREF _Toc326307194 h - 48 - HYPERLINK l _Toc326307195

20、 3.5 其它辅助电路设计 PAGEREF _Toc326307195 h - 49 - HYPERLINK l _Toc326307196 3.5.1 8031的时钟电路 PAGEREF _Toc326307196 h - 49 - HYPERLINK l _Toc326307197 3.5.2 越界报警和急停处理电路 PAGEREF _Toc326307197 h - 49 - HYPERLINK l _Toc326307198 3.5.3 复位电路 PAGEREF _Toc326307198 h - 49 - HYPERLINK l _Toc326307199 3.5.4 掉电保护电路

21、PAGEREF _Toc326307199 h - 50 - HYPERLINK l _Toc326307200 3.5.5 键盘显示接口电路 PAGEREF _Toc326307200 h - 50 - HYPERLINK l _Toc326307201 4结论 PAGEREF _Toc326307201 h - 51 - HYPERLINK l _Toc326307203 致 谢 PAGEREF _Toc326307203 h - 53 - HYPERLINK l _Toc326307204 参 考 文 献 PAGEREF _Toc326307204 h - 54 -1绪论1.1 立式钻床

22、的概述 立式钻床，是主轴竖直布置且中心位置固定的钻床，简称立钻，它主要分为方柱立钻和圆柱立钻两种。也分为排式立钻，多轴立式钻床，坐标立式钻床，转塔立式钻等。立式钻床的工作台和主轴箱可沿立柱导轨调整位置，以适应不同高度的工件。在加工工件前要调整工件在工作台上的位置，使被加工孔中心线对准刀具轴线。加工时，工件固定不动，主轴在套筒中旋转并与套筒一起作轴向进给。由于立式钻床的主轴不能在垂直其轴线的平面内移动，转孔时要使钻头与工件孔的中心重合，就必须移动工件。因此，立式钻床只适合加工中小型工件，常用在机械制造和修配工厂加工中、小型工件的孔。 1.2 数控立式钻床的发展 随着经济的飞速发展和工业现代化的需

23、要，各种自动化生产设备应用而生，钻床广泛地在我国纺织机械、石油机械、印刷机械、包装机械、医疗器械、航空航天、汽车拖拉机、橡塑模具以及发电机制造、机床制造等行业有关零件的钻孔加工得到应用。 在很早以前，国内外就已经开始进行机床设备的整修和技术的改造，不断提升机床的品质，不断改进机床的性能，以提高生产效率。 近些年来为了加工某些零件上的相互交叉或任意角度、或与加工零件中心线成一定角度的斜孔，垂直孔或平行孔等需要，各个国家而专门开发研制多种专用深孔钻床。例如专门为了加工曲轴上的油孔，连杆上的斜油孔，平行孔和饲料机械上料模的多个径向出料孔等。如：TBT公司生产的特别适用于加工摩托车到轻型卡车的各种中小

24、型曲轴油孔的BW200-KW深孔钻床；特别适用于大中型卡车曲轴油孔的BW250-KW深孔钻床，它们均具有X、Y、Z、W四轴数控。该公司为了客户需要,在一条生产线上可以加工多种不同品种的曲轴油孔，于2000年设计制造了第一台柔性曲轴加工中心，可以加工212缸不同曲轴上所有的油孔。英国MOLLART公司生产制造的专为加工颗粒挤出模具而开发的具有六等分六根主轴同时加工同一工件上六个孔的专用深孔钻床。该工件孔数量多达 36000个。全都是数控系统控制的。随着家电市场销售量增大，塑料制品增长速度加快，塑料模具制造业蓬勃发展，深孔钻床为了满足模具上的水孔、射销孔等孔系的深孔加工。由过去的单一座标轴的深孔钻

25、床加工发展到需要加工座标孔系的多孔加工而开发的三座标数控深孔钻床近些年来发展很快。1995年我公司为了满足广东美的空调设备有限公司开发了我国第一台为塑料模具上多孔系加工的ZK2103型三座标数控深孔钻床，为了满足模具制造业发展的需要，又开发了除了钻削深孔以外，还可以进行铣削、攻丝等多功能的ZXK2103深孔钻铣中心和三座标数控ZK2103A、ZKA2102型深孔钻床。 随着科学技术的不断发展，机械产品日趋精密、复杂，改型也日益频繁，对机床的性能、精度、自动化程度等提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程自动化是实现上述要求的重要技术措施之一，不仅能提高产品质量和生产率，降低生产成本，还能改善工人

26、的劳动条件。为此，许多企业采用自动机床、组合机床和专用机床组成自动或半自动生产线。但是，采用这种自动、高效的设备，需要很大的初期投资以及较长的生产准备周期，只有在大批量的生产条件（如汽车、拖拉机、家用电器等工业主要零件的生产）下，电子电器才会有显著的经济效益。 1.3 立式钻床数控化改造的市场 机床的数控化改造，顾名思义就是在机床上增加微型计算机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预订的加工工艺目标。数控机床是综合了微电子、自动控制、自动检测等先进技术的新型机床，适宜加工单件或小批量、高精度、品种多、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要更换零件加工程序，无需对机床作任何调整，所以

27、能很好地满足产品频繁变化的加工要求。劳动量大大减少，降低了工人的劳动强度。虽然数控机床的优势很大，但是对于制造企业，单纯地靠购买数控机床来解决现状，一方面需要大量的资金投人，另一方面，将原有的普通机床闲置，势必造成一种浪费。众所周知，制造业是我国国民经济的基础产业和支柱产业，是推动国家技术进步的中坚力量。我国制造业水平与西方发达国家相比，总体水平偏低，企业经济实力有待进一步提高。因此为了节约资金、降低成本，在原来普通机床的基础上，进行数控化改造，是一种一举两得的有效途径，既经济又快捷.。1.3.1 机床数控化改造的市场 我国目前机床总量约为400万台，而其中数控机床总数只有15.49万台，即我

28、国机床数控化率不到4。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为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）。装备水平不高，更新速度低是制约我国经济发展的重要原因之一。我国大多数制造行业使用的装备是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长等缺点，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必

29、须大力提高机床的数控化率。 1.3.2 立式钻床简介 Z5140A钻床（如图1.1）是由辽宁省丹东市机床有限责任公司研发、生产幷销售的立式钻床，具有精度高，刚性好，扭矩大，噪声低，变速范围广等优点，操作集中，使用维修方便。机床具有攻丝自动反转机构，主攻丝可实现自动正反转，对于盲孔和定深孔攻丝极为方便。 多年来Z5140A型立式钻床凭借其极高的适用范围和性价比，在国内钻床销售市场占有很大的比例。 图1.1Z5140立式钻床1.4床数控化改造的内容及优缺点 1.4.1数控化改造的内容 立式钻床数控化改造主要内容有以下几点： （1）对立式钻床精度的恢复以及对钻床存在的故障部分进行诊断并恢复； （2）

30、数控化改造，在原立式钻床上加数显装置，或数控系统，改造成NC机床； （3）翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对立式钻床机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新； （4）技术更新或技术创新，为提高性能或档次，满足新工艺、新技术的要求，在原有立式钻床基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高加工水平和档次。 1.4.2 立式钻床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，一般可以节省6080的费用，改造费用低。只花新机床购置费用的1/3，交货期短。 （2）机械性能稳定可靠，结构受限 所利用的立

31、式钻床床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的钻床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来立式钻床机械结构的限制，不宜做突破性的改造。 （3）对设备掌握熟悉、便于操作维修购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和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）可充分利用现有的条件 可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。 2主传动系统的设计一般钻床数控系统改造的总体方案的应包括以下内容：Z向

32、步进电机与进给滚珠丝杠的联结，滚珠丝杠支承结构选择等；电主轴选用，冷却与润滑；Z向进给滚珠丝杠副的计算与校核。然后根据设计任务、机床实际情况和要求提出几个总体方案，进行综合分析，比较和论证，最后选出一个合理的总体方案。 2.1 立式钻床数控化改造设计任务立式钻床进给伺服系统设计计算： 此处为数控钻床机械部分改造设计，包括脉冲当量的确定、滚珠丝杠螺母副的设计、进给伺服系统的传动计算；伺服电机的计算和选用；设计并绘制床示意图，还有数控化改造的装配图。 (1)技术要求： 工作台重量：80kg 工件最大重量:150kg 机床定位精度: 0.01mm 机床重复定位精度: 0.005mm工作台进给速度:

33、1400mm/min工作最快移动速度: 10m/min X轴行程: 600mmY轴行程: 600mmZ轴行程：500mm工作台尺寸为：1200600 钻孔直径d=20mm；进给量f=0.3mm/s；主轴行程L=1200mm。步距角=1.5；脉冲当量=0.01mm/step；启动加速时间T=25ms。 (2)机床坐标设定 本机床使用X轴、Y轴和Z轴组成的直角坐标系进行定位和插补运动。其中，X轴为钻床平面的左右方向，Y轴为钻床平面的前后方向，Z轴为主轴的上下方向。 2.2 总体方案的确定2.2.1 Z向步进电机与进给滚珠丝杠的联结 数控机床的进给机构，采用伺服电机或步进电机与滚珠丝杆连接。一般采用

34、连轴器直连，齿形同步带连接或运用齿轮相连。在许多场合，因结构上的限制。特别是才用的伺服电机或混合式步进电机后，连轴器直连便成为电机与滚珠丝杆最为常见的的连接方法。) F3 M3 d F% G4 x7 ; n, K. _ 由于数控机床进给机构速度快，如快进，快退的速度有是高速达20M/MIN以上，在整个过程中正反转换频繁。连轴器承受的瞬间冲击较大，容易引起连轴器松动和扭转，随使用时间的增长，其松动和扭转的情况加剧。实际加工时主要表现为各方向运动正常，编码器反馈也正常，系统无报警，而运动却始终无法与指令值相符，加工误差越来越大，甚至造成加工零件的报废。出现这种情况时，建议检查一下连轴器。 7 H3

35、 Q9 W, O7 E& 连轴器按结构可分为刚性连轴器和绕性连轴器两种形式，可按其结构分别加以处理。 （1）刚性连轴器刚性连轴器目前主要采用连轴套和锥销的连接方法，而且大多进给电机轴上都备有平键。这种连接经过一段时间使用圆锥销开始松动，键槽侧面的间隙逐渐增大，有时甚至引起锥销脱落，造成加工零件尺寸不稳定，解决的方法有两种： ! J ?) u- S3 g2 y1 采用特制的小头带有螺纹的圆锥销，用螺母加弹性垫片锁紧，防止圆锥销因快速转换而引起的松动。该方法能很好的解决圆锥销松动的问题。弹性销具有一定的弹性，能分解部分平键承受的饿的扭矩。当然这种方法因圆锥销小头有螺母，必须确保连轴器有一定的回转空

36、间。 采用一大一小的弹性销取代圆锥销连接，这种方法虽没有用圆锥销的连接的精度高，但能很好的解决圆锥销松动问题，弹性销具有一定的弹性，能分解部分平键的扭矩，而且结构紧凑，装配也十分方便。经在维修中应用，效果很好，但装配时要注意，大小弹性要求互成180度装配，否则会影响零件加工的精度。 % T% m4 t% X1 N c（2）绕性连轴器 绕性连轴器是数控机床广泛采用的连轴器，它能补偿因同轴度及垂直度误差引起的“干涉”现象。在结构容许的情况下，大部分数控机床的伺服进给机构都采用绕性连轴器。但绕性连轴器装配是很难把握锥套的松紧，如果锥形套涨开后的摩擦力不足，就使丝杆轴头与电机轴头之间产生相对的滑移扭转

37、，造成数控机床工作运行中，被加工零件的尺寸呈现有规律的逐渐变化（有大变小或由小变大，每次的变化基本是恒定的。如果调整机床快速移动速度后，这个变化量也会起变化，此时CNC系统并不报警，因为电机转动是正常的。一旦机床出现这种情况，单纯靠拧紧两端螺钉的方法不一定奏效。解决方法是设法锁紧连轴器的弹性锥形套，若锥形套过松，可将锥形套轴向切开一条缝，拧紧两端的螺钉后，就能彻底消除故障。 综上，连轴器直连便成为电机与滚珠丝杆最为常见的的连接方法。 2.2.2 传动形式的选择 由于选择的传动类型、传动方式、传动刚性以及传动的可靠性对机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性有重大影响。因此应选择传动间隙小、精度

38、高、体积小、重量轻运动平稳、传动转矩大的传动部件。本设计X、Y工作台的运动方式选择丝杠螺母机构传动形式。它主要用来将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动。丝杠螺母机构有滑动摩擦机构和滚动摩擦机构之分。（1）滑动摩擦机构优点：结构简单；制造成本低；具有自琐功能。缺点：摩擦阻力大；传动效率低。（2）滚动摩擦机构优点：摩擦阻力小；传动效率高。缺点：结构复杂；制造成本高。综上结合本设计的实际情况选用滚动摩擦机构。根据丝杠和螺母相对运动的组合情况起基本传动形式有以下四种：螺母固定、丝杠转动并移动 优点：结构简单；可消除丝杠轴承可能产生的附加轴向窜动；可获得叫高的 传动精度；缺点：轴向尺寸不易

39、太长；刚性较差。适用范围：工作行程较小的场合。丝杠转动、螺母移动 优点：结构紧凑；刚性较好、轴向刚度高、运动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长；缺点：必须限制螺母的转动需加导向装置、不能自锁，在用作升降传动机构时需采取制动装置，适用范围：工作行程较大的场合。 螺母转动、丝杠移动 它需要限制螺母移动个丝杠转动其结构复杂切占用轴向空间较大 故很少使用。丝杠固定、螺母转动并移动 优点：结构简单紧凑;缺点：使用不方便 一般也很少使用。综上结合本设计的实际情况选用第二种。2.2.3 滚珠丝杠副的参数（1）螺距t 根据本设计的实际要求 选择t=10。（2）名义直径D0 按工作滚珠中心圆而定的直径称为名

40、义直径D0，它与承载能力有关，对于数控机床常用的进给丝杠，其名义直径一般为2080毫米。（3）滚珠直径d0 滚珠丝杠副的滚珠直径d0是按轴承厂家制造的滚珠尺寸来选用，从承载能力而言，滚珠直径尽可能选大一点。但螺距t确定后，滚珠直径d0是受丝杠相邻两螺纹间的凸起部分所限制。一般而言，滚珠直径d00.6t毫米，本设计选取d0=3毫米（4）滚珠的工作圈数j和工作滚珠总数N 根据经验滚珠第一圈所受的轴向负载约占总负载的50%，第二圈约30%，第三圈约20%。因此，滚珠丝杠螺母副中每个循环回路滚珠的工作圈数j=2.53.5圈，工作圈数j3.5意义不大。关于滚珠总数N，一般不超过150个，做到分布均匀且能

41、承受足够的负载。2.2.4 滚珠丝杠副的组成及特点 滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，它由丝杆、螺母、滚珠、反向器 图2.1滚珠丝杠副构成原理四部分组成。如图2.1。当丝杆转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠流动的逼和通路。滚珠丝杠副与滑动丝杠副相比，除了上述优点外，还具有周向刚度高、运动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长等优点。2.2.5 滚珠丝杠副的典型结构类型（1）螺纹滚道型面（法向）的形状及主要尺寸我国生产的滚珠丝杠副的螺纹滚道有单圆弧型和双圆弧型，见图2.2。滚道型面与滚珠接触点，法线

42、与丝杠轴向之垂线间的夹角称为接触角，一般为45度。单圆弧型的螺纹滚道的接触角随轴向载荷大小的变化而变化，如图2.2a，主要由轴向在乎所引起的接触变形的大小而定。增大是，传动效率、轴向刚度以及承载能力也随之增大。由于单圆弧型滚道加工用砂轮成型较简单，故容易得到较高的加工精度。单圆弧型面的滚道圆弧半径R稍大于滚珠半径rb。图2.2 螺纹滚道法向截面形状双圆弧型的螺纹滚道的接触角 在工作过程中基本保持不变。如图2.2b，两圆弧相交处有一小空隙。可使滚道底部与滚珠不接触，并能存储一定的润滑油以减小摩擦磨损。由于对加工取型面的砂轮进行修整和加工、检验均较困难，故加工成本较高。故本设计采用单圆弧型的螺纹滚

43、道。（2）滚珠的循环方式分内循环和外循环两种内循环方式的滚珠在循环过程中始终与四杆表面保持接触；外循环方式中的滚珠在循环反向时，离开丝杆螺纹滚道，在螺母体内或外做循环运动分三中形式。 螺旋槽式； 插管式； 盖端式。本设计选用外循环螺旋槽式。如图4.3与图4.44.3 外循环的滚珠丝杠图4.4 外循环螺旋槽式 图44 外循环螺旋槽式图44 外循环螺旋槽式 图4.4 外循环螺旋槽式2.2.6 滚珠丝杠的支撑形式选择 滚丝杠副的安装方式一般叫做滚珠丝杠副的支承形式，通常共四种典型的支承形式，支承形式不同，所容许的轴向载荷和容许的回转转速也有所不同，应根据工况适当选择。为便于评估，丝杠旋转类每种支承形

44、式后面给出表征其稳定性的“稳定性系数K2”，K2越大表示该形式越稳定。 （1）固定固定”型：K2=4 适用于高转速、高精度的场合。该形式两端分别分别由一对轴承约束轴向和径向自由度，负荷由两组轴承副共同承担。也可以使两端的轴承副承受反 向预拉伸力，从而提高传动刚度。在定位要求很高的场合，甚至可以根据受力情况和丝杠热变形趋势精确设定目标行程补偿量，进一步提高定位精度。“固定固定”型有时也被 片面地叫做“双推双推”，由于此形式结构较复杂，调整较难，因此一般仅在定位要求很高时采用。 （2）“固定游动”型：K2=2 适用于中转速、高精度的场合。该形式一端由一对轴承约束轴向和径向自由度，另一端由单个轴承约

45、束径向自由度，负荷由一对轴承副承担，游动的 单个轴承能防止悬臂挠度，并消化由热变形产生的应力。“固定游动”型有时也被片面地叫做“双推支承”。此形式结构较简单，效果良好，应用广泛。 （3）“支承支承”型：K2=1 适用于中转速，中精度的场合。该形式两端分别设一个轴承，分别承受径向力和单方向的轴向力，随负荷方向的变化，分别由两个轴承单独承担某一方向的力。由于支承点随受力方向变化，定位可控性较低。此形式结构简单，受力情况较差，应用较少。 （4）“固定自由”型：K2=0.25 适用于低转速，中精度，轴向长度短的场合。该形式一端由一对轴承约束轴向和径向自由度，另一端悬空呈自由状态，负荷均由同一对轴承副承

46、担，并且需克服丝杠回转离心力造成的弯矩。“固定自由”型有时也被错误地叫做“双推自由”。此形式结构简单，受力情况差，但在行程小、转速低时 也经常用到。 2.3 Z向进给滚珠丝杠副的计算与校核 2.3.1主轴钻削力计算 刀具选用材料为高速钢麻花钻，加工材料为45号钢，钻削轴向力和扭矩M的经验公式如下。（查1 第七篇公式(7.1-37)和(7.1-38)） N （1） Nm （2）式中，、轴向力、扭矩系数； 切削速度，m/min；、速度系数；d钻孔直径，mm；、钻孔直径系数；f进给量，mm；、进给量系数。 、d、f见毕业设计任务书, 查1第七篇表7.1-31，=108.4，=0.129，=0.903

47、，=0.956, =57.4,=0.05，=1.812，=0.918，代入式（1）和（2）求出F和M。 = =47595Nm 2.3.2滚珠丝杠副的选择计算（1）确定滚珠丝杠副的导程Ph （3）滚珠丝杠副的计算导程，mm； 脉冲当量，mm/step；步距角，；和见任务书。 i传动比。因钻床伺服电机与滚珠丝杠副通过联轴器直接传递力矩，因此传动比i=1，则 滚珠丝杠副的计算导程=2.4，查5表15-23滚珠丝杠滚动副的参数，基本导程=10计算导程=2.4。（2）确定作用在滚珠丝杠上的垂直进给牵引力（轴向力） （4） 式中，f钻床主轴摩擦系数，f=0.050.1。（查参考文献4中表2-3 进给牵引力

48、的计算）。 将和M代入式（4） = （3）滚珠丝杠副的设计计算 必须的额定动载荷 （5）必须的额定动载荷，N；n滚动丝杠转速，r/min，； 最大切削力下的进给速度，可取最高切削进给速度v的（1/21/3），m/min；见任务书。 预期工作时间（小时），查3表15-22 数控机床。丝杠转速n=333.3 r/min，将n和代入式（5） 查3表15-24,FF型滚珠丝杠副表中查到额定动负荷=50 KN，即滚珠丝杠副型号为FFZD3210-5，公称直径=32mm，基本导程=10 mm。 （4）滚珠丝杠稳定性验算 临界载荷 N （6）式中，E螺杆材料的弹性模量，E=2.06N/mm； 螺杆危险截面的

49、轴惯性矩 mm 长度系数，查3表15-7，按一端固定，一端铰支，=0.7； 丝杠底径，mm，=； 滚珠丝杠公称直径，mm； 钢球直径，mm； 滚珠丝杠的螺纹全长，mm， 工作台最大行程+ 螺母长度 + 两个安全行程 工作台最大行程L+(814)，工作台最大行程L见任务书；其中则，按3表15-3，稳定条件为2.54，所以，满足稳定性。 （5）滚珠丝杠刚度验算 按最不利情况考虑，即在螺距（应为导程）内受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起的弹性变形方向一致，此时变形量为最大，计算公式为 mm （7）式中， 导程角，滚动摩擦系数为0.0030.004，则滚珠丝杠的当量摩擦角一般为=10； 剪切弹性模量G

50、=7.94 N/mm。每米螺杆长度上的螺距的弹性变形小于允许变形=按滚珠丝杠精度由3表15-8查得。一般数控铣床的滚珠丝杠应选3级，=15 。所以，滚珠丝杠刚度合格。（6）效率计算 滚珠丝杠的传动效率 2.3.3选择步进电动机 （1）传动惯量计算因电机与滚珠丝杠直接相连，没有齿轮传动，则丝杠传动时传动系统折算到电动机轴上的转动惯量 （9）滚珠丝杠惯量 kg 工作台质量折算到电动机轴上的转动惯量 （10）电动机转动惯量很小可忽略。 计算得： 带入到（9）中算的： （2）所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩 最大切削负载时所需力矩 快速进给时所需力矩式中：空载启动时折算到电动机轴上的加速度力矩，

51、快速移动时的转速， r/min；和启动加速时间T见任务书。 折算到电机轴上的摩擦力矩， ；导轨摩擦力，摩擦系数见2) =0.120.13，估取传动链总效率=0.70.85。 由于丝杠预紧所引起，折算到电动机轴上的附加摩擦力矩， ；滚珠丝杠未预紧时的效率，一般0.90；进给牵引力（轴向力）见3中2)。 切削时折算到电动机轴上的加速度力矩，；切削时的转速r/min，切削速度见任务书。 折算到电动机轴上的切削负载力矩， ；钻削进给分力见2。（3）选择步进电动机 分别计算出、和，选数值最大的力矩作为选择步进电机的依据。在上述3种工况下，以快速空载起动时所需力矩最大，=2.504Nm。查资料，根据步进电

52、动机的相数和拍数，电机转矩的瞬时过载系数选取如表所示。 电机转矩的瞬时过载系数运行方式相数33445566拍数36485106120.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866当步进电机以三相六拍工作时 ，需要的最大静转矩 Nm查1，在110BF003型步进电机的技术参数中可查得其最大静转矩7.84Nm，大于所需要的最大静转矩，可以作为初选型号，但还须进一步考核步进电机起动特性。 计算步进电机空载起动频率 Hz和见任务书。计算出=3333.3Hz，从资料中查得110BF003型步进电机的空载起动频率1500Hz，小于所需步进电机空载起动频率，直接使用110BF00

53、3型步进电机起动和停止时容易产生失步相象，所以必须采取升降速控制（用软件实现）。 2.4 电主轴选用、冷却与润滑 2.4.1 电主轴的概述 由于高速加工不但可以大幅度提高加工效率，而且还可以显著提高工件的加工质量，所以其应用领域非常广泛，特别是在航空航天、汽车和模具等制造业中。于是，具有高速加工能力的数控机床已成为市场新宠。目前，国内外各著名机床制造商在高速数控机床中广泛采用电主轴结构，特别是在复合加工机床、多轴联动、多面体加工机床和并联机床中。电主轴是高速数控加工机床的“心脏部件”，其性能指标直接决定机床的水平，它是机床实现高速加工的前提和基本条件。如图（2.1）。 图2.1 电主轴图 （1

54、）电主轴的工作原理电主轴就是直接将空心的电动机转子装在主轴上，定子通过冷却套固定在主轴箱体孔内，形成一个完整的主轴单元，通电后转子直接带动主轴运转。高速电主轴电机的绕组相位互差120, 通以三相交流电后, 三相绕组各自形成一个正弦交变磁场, 磁场转速就是电主轴的同步转速。异步电动机的同步转速n 由输入电机定子绕组电流的频率f 和电机定子的极对数P 决定( n = 60f / P) 。电主轴就是利用变换输入电动机定子绕组的电流的频率和激磁电压来获得各种转速。改变电主轴输入电流的相序, 便可改变电主轴的旋转方向。（2）电主轴的基本参数电主轴的基本参数和主要规格包括：套筒直径、最 高转速、输出功率、

55、计算转速、计算转速转矩和刀具接口等。其中计算转速又称额定转速，是指恒转矩驱动与恒功率驱动的交汇点，参见图1和图2。它相当于图2中的A点，aPb于计算转速时为恒转矩驱动，大于计算转速时为恒功率驱动。计算转速转矩为转速小于和等于计算转速的转矩。一般电主轴型号中含有套简直径、最高转速和输出功率这3个参数。（3）电主轴的发展趋势随着机床技术、高速切削技术的发展和实际应用的需要，人们对机床电主轴的性能也提出了越来越高的要求，电主轴技术的发展趋势主要表现在以下几个方面： 向高速大功率和低速大转矩方向发展 向高精度、高刚度方向发展 向精确定向（准停）方向发展 向快速起、停方向发展 向超高速方向发展 向标准化

56、方向发展 2.4.2 电主轴的冷却与润滑 （1）电主轴的润滑技术高速电主轴必须采用合理的、可控制的轴承润滑方式来控制轴承的温升，以保证数控机床工艺系统的精度和稳定性。采用滚动轴承的电主轴的润滑方式目前主要有脂润滑、油雾润滑和油气润滑等方式。 脂润滑在转速相对较低的电主轴中是较常见的润滑方式。脂润滑型电主轴的润滑系统简单、使用方便、无污染、通用性强。 油雾润滑具有润滑和冷却双重作用，它以压缩空气为动力，通过油雾器将油液雾化并混入空气流中，然后把其输送到需要润滑的位置。油雾润滑所需设备简单，维修方便，价格比较便宜，是一种普遍使用的高速电主轴润滑方式。但它有污染环境，油耗比较高等缺点。随着人们对环保

57、要求的提高，油雾润滑方式必将逐渐被淘汰。 油气润滑技术是利用压缩空气将微量的润滑油分别连续不断地、精确地供给每一套主轴轴承，微小油滴在滚动和内、外滚道间形成弹性动压油膜，而压缩空气则可带走轴承运转所产生的部分热量。 实践表明在润滑中供油量过多或过少都是有害的，而前两种润滑方式均无法准确地控制供油量多少，不利于主轴轴承转速和寿命的提高。而新近发展起来的油气润滑方式则可以精确地控制各个摩擦点的润滑油量，可靠性极高。实践证明，油气润滑是高速大功率电主轴轴承的最理想润滑方法，但其所需设备复杂，成本高。由于油气润滑方式润滑效果理想，目前已成为国际上最流行的润滑方式。（2）电主轴的热源分析及其冷却 电主轴

58、有两个主要的内部热源：内置电动机的发热和主轴轴承的发热。如果不加以控制，由此引起的热变形会严重降低机床的加工精度和轴承使用寿命，从而导致电主轴的使用寿命缩短。 电主轴由于采用内藏式主轴结构形式，位于主轴单元体中的电机不能采用风扇散热，因此自然散热条件较差。电机在实现能量转换过程中，内部产生功率损耗，从而使电机发热。研究表明，在电机高速运转条件下，有近1/3的电机发热量由电机转子产生，并且转子产生的绝大部分热量都通过转子与定子间的气隙传入定子中；其余2/3的热量产生于电机的定子。所以，对电机产生发热的主要解决方法是对电机定子采用冷却液的循环流动来实行强制冷却。典型的冷却系统是用外循环水式冷却装置

59、来冷却电机定子，将电机的热量带走。 角接触球轴承的发热主要是滚子与滚道之间的滚动摩擦、高速下所受陀螺力矩产生的滑动摩擦以及润滑油的粘性摩擦等产生的。减小轴承发热量的主要措施： 适当减小滚珠的直径 减小滚珠直径可以减小离心力和陀螺力矩，从而减小摩擦，减少发热量。 采用新材料 比如采用陶瓷材料做滚珠，陶瓷球轴承与钢质角接触球轴承相比，在高速回转时，滚珠与滚道间的滚动和滑动摩擦减小，发热量降低。 采用合理的润滑方式 油气和油雾等润滑方式对轴承不但具有润滑作用，还具有一定的冷却作用。 2.4.3 电主轴的选用 对于已经系列化供应市场的电主轴生产厂家提供有详细的外形尺寸、冷却方式、润滑方式及输入输出参数

60、,主轴的选用比较简单,只需配套满足功率、电流和使用要求的变频电源和外用冷却、润滑设施即可。事实上电主轴的现有规格型号往往不能满足用户的需求,许多用户希望依照自己的要求定做电主轴。初步了解一些主要参数对电主轴的影响,一方面可以使在定做电主轴时所提出的要求更具可行性另一方面也可以得到性价比较高的电主轴产品。在设计电主轴参数时，首先要给定一些基本的几何条件，例如刀具连接型式（一般为HSK ）和电机尺寸等。空心锥柄的大小决定了滚动轴承的孔径，电机的几何尺寸限制了向下的支承距离并确定轴的外径。为了能充分利用驱动电机的功率和转速，设计时必须确保高速旋转的电主轴的最高运行转速远离主轴的一阶固有频率，并且要把