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CA6136普通機床數(shù)控改造
摘 要
數(shù)控機床以它生產(chǎn)效率高、可加工零件多樣化的特點，越來越顯示出它的優(yōu)越性，然而，很多資深的老企業(yè)還存在著許多原有的普通機床，如何將普通機床改造成數(shù)控機床，已成為機械加工設備改造工作的重點。
本文以C6136普通車床為例闡述了對普通機床進行技術改造的必要性，提出了該機床數(shù)控化改造的方案并實施了改造。機械部分改造主要做了以下工作：將兩個進給方向的滑動絲杠改為滾珠絲杠，用伺服步進電機和減速齒輪來實現(xiàn)進給部分的調(diào)速，這樣不僅提高了傳動效率而且可以實現(xiàn)快速定位和準確的啟、停；數(shù)字控制系統(tǒng)選用GSK系統(tǒng)，該系統(tǒng)達到數(shù)字化控制各部件協(xié)調(diào)工作，而且成本低；電氣改造中取消原機床強電柜中的大量電氣元件，改用繼電器、接觸器以及伺服驅動器來實現(xiàn)電路的控制。對改造后的機床進行了幾何精度和工作精度測試，測試結果滿足機床的精度要求，根據(jù)測試結果驗證了機床改造的可行性和可靠性，不僅加工范圍增大，同時降低了勞動強度，提高了加工效率。
與改造前相比，該機床的操作更加方便，大大降低了勞動者的勞動強度，提高了生產(chǎn)效率，改造后的車床可提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量和減輕工人的勞動強度,該方案具有投資少、見效快的優(yōu)點，值得推廣。
關鍵詞：數(shù)控機床，數(shù)控化改造，數(shù)控系統(tǒng)
Abstract
Based 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 C6136 ordinary lather, 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 two 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 GSK. 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 machine's 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 machine's 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 錄
摘 要 1
1. 緒論 1
1.1 課題的研究目的和意義 1
1.2 本文的選題及主要研究內(nèi)容 2
1.2.1 主要研究內(nèi)容 2
1.2.2 數(shù)控化改造的主要環(huán)節(jié) 3
2. C6136普通車床數(shù)控化改造方案的設計 5
2.1 總體改造方案 5
2.2 改造的技術參數(shù) 7
2.3 傳動系統(tǒng)改裝設計與計算 8
2.3.1 縱向進給系統(tǒng)的設計與計算 8
2.3.1.1 切削力的計算 8
2.3.1.2 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 9
2.3.2 橫向進給系統(tǒng)的設計與計算 15
2.3.2.1 切削力的計算 15
2.4 減速箱體的設計 22
2.4.1縱向進給齒輪的設計 22
2.4.2 橫向進給齒輪的設計 23
2.5 滾珠絲杠的安全使用 24
3. 步進電機的設計與選擇 26
3.1 縱向步進電機的選擇 27
3.2 橫向步進電機的選擇 31
4. C6136車床數(shù)控化改造的數(shù)控系統(tǒng) 36
4.1 數(shù)控車床及數(shù)控系統(tǒng)的概述 36
4.2 C6136車床數(shù)控化改造的數(shù)控裝置系統(tǒng) 39
4.2.1 進給步進電機的驅動器選型 42
4.2.2 分配器 42
4.2.3 放大器 44
4.3 C6136車床數(shù)控化改造的數(shù)控系統(tǒng)功能 45
4.3.1 系統(tǒng)工作方式 46
4.3.2 系統(tǒng)報警 47
4.3.3 系統(tǒng)的編程與加工功能 48
5. CJK6136數(shù)控車床電氣控制設計 49
5.1 C6136 車床電氣控制 49
5.1.1 C6136車床運動形式 49
5.1.2 電力拖動特點和控制電路 49
5.2 CJK6136數(shù)控車床電氣控制設計 50
5.2.1 CJK6136數(shù)控車床主電路設計 50
5.2.2 CJK6136數(shù)控車床控制電路設計 51
6. CJK6136車床改造驗收 53
6.1 機床外觀檢查 53
6.2 機床的性能及數(shù)控功能的試驗 53
6.3 CJK6136數(shù)控車床數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)試與試運行 55
7 機床的日常維護與故障分析 56
7.1 數(shù)控化機床的日常維護 56
7.2 數(shù)控機床的常見故障 57
7.2.1 常見的數(shù)控系統(tǒng)故障 57
7.2.2 常見故障的調(diào)查與分析 57
7.2.3 機床數(shù)控系統(tǒng)故障的診斷方法 58
7.2.4 維修排除故障后的總結 58
結 論 58
參考文獻 59
附錄：外文資料 60
致 謝 69
1. 緒論
1.1 課題的研究目的和意義
機械制造行業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎，是其發(fā)展的先導。歷史的實踐已證明,先進的制造裝備與先進的制造技術在國民經(jīng)濟中起著重要的作用,而先進的裝備與先進的制造技術則正是由先進的機械工業(yè)來提供的。
隨著消費向個性化發(fā)展，單件小批量多品種產(chǎn)品占到70%～80%，這類產(chǎn)品的零件一般采用通用機床來加工。當產(chǎn)品改變時，機床與工藝裝備均需作相應的變換和調(diào)整，而通用機床的自動化程度不高，基本上是由人工操作，難于進一步提高生產(chǎn)效率和保證質(zhì)量。特別是一些曲線、曲面組成的復雜零件，只能借助靠模和仿形機床或者借助劃線和樣板，用手工操作的方法來完成，其加工精度和生產(chǎn)效率會受到極大的影響。產(chǎn)品結構越來越合理，性能、精度和效率日趨提高，因此對產(chǎn)品零部件的生產(chǎn)設備（機床）也相應提出了高性能、高精度與高自動化的要求。為了解決單件小批量多品種產(chǎn)品在生產(chǎn)中日愈增加的質(zhì)量與效益矛盾，特別是復雜型面零件的加工生產(chǎn)問題，數(shù)控機床的應用在機械加工中得到了廣泛的應用。
我國是制造大國，但不是制造強國。制造業(yè)水平的相對落后，設備陳舊，技術水平差距大，國際競爭力弱，直接影響了生產(chǎn)力的發(fā)展。大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，如汽車、拖拉機與家用電器的零件，為了提高產(chǎn)量和品質(zhì)，廣泛采用了組合機床、專用機床、自動化生產(chǎn)線和自動化車間來組織生產(chǎn)，但是這類專用機床和生產(chǎn)設備生產(chǎn)加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、準備周期長，更新產(chǎn)品和修改生產(chǎn)工藝不易、檔次低、成本高、供貨期長等缺點制約了產(chǎn)品的更新?lián)Q代。我國現(xiàn)正處于從以勞動密集型產(chǎn)業(yè)為主向以技術密集型產(chǎn)業(yè)為主的發(fā)展階段，對自動化設備的需求會越來越大、越來越積極。盡管數(shù)控機床可以較好地解決形狀復雜、精密、小批量多品種零件的加工問題，能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率但從我國機械加工行業(yè)來看，機床總量約 400萬臺，其中數(shù)控機床總數(shù)只有 12萬多臺，數(shù)控機床占有率不足 3％，而一些工業(yè)發(fā)達國家早已達到30％以上。
逐步提高數(shù)控機床的占有率，已經(jīng)成為我國制造技術發(fā)展的總趨勢也是我國制造業(yè)發(fā)展所需要解決的一個現(xiàn)實問題。提高機床數(shù)控率有兩個途徑：一是增加新的數(shù)控機床。從目前企業(yè)面臨的情況看各企業(yè)均有大量的普通機床，數(shù)控機床價格昂貴，一次性投資較大，企業(yè)完全用數(shù)控機床替代是根本不可能的；二是對舊機床進行數(shù)控化改造。我國是一個機床擁有量極大的國家，而且約有半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機床，采取對舊機床進行改造來提高設備的先進性和數(shù)控化率，投入少、收效大，是一個極其有效和實用的途徑，而且符合中國的國情，是企業(yè)必走之路。
1.2 本文的選題及主要研究內(nèi)容
1.2.1 主要研究內(nèi)容
為了使C6136普通車床滿足加工小批量、精度高、形狀復雜的零件，同時在加工過程中不僅可以減輕勞動強度，而且保證加工質(zhì)量以及從經(jīng)濟方面考慮，本次設計對C6136進行數(shù)控化改造，節(jié)約資金的同時，又能夠滿足生產(chǎn)需求。
設計的目的主要是以下幾個方面：
1、節(jié)約資源，降低數(shù)控化成本。利用原來的普通機床進行數(shù)控化改造，提高機械設備的數(shù)控化率。
2、實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬動，從而可以提高零件加工精度，減小尺寸分散度，使裝配容易，不需再“修配”。
3、實現(xiàn)加工的自動化，效率可比傳統(tǒng)機床提高三到七倍。
4、數(shù)控加工降低工人的勞動強度，節(jié)省勞動力，減少工裝縮短新試品試制周期和生產(chǎn)周期，并對市場作出快速反應。
C6136普通車床進行數(shù)控改造后，系統(tǒng)應能控制主軸轉速并實現(xiàn)其正反轉；控制工作臺實現(xiàn)縱向和橫向的進給運動；控制冷卻和潤滑；通過鍵盤輸入加工程序；由顯示器顯示加工狀態(tài)等。
數(shù)控部分：機床中的主軸、冷卻、潤滑和進給等均需系統(tǒng)自動控制，為此需設計接口轉換電路和強電控制電路。電器元件可保留使用原機床中的變壓器、自動斷路器、接觸器等。拆除原電控箱，原位安裝改制后的電控箱。
機械部分：C6136型車床主要用于對中小型軸類、盤類及箱體類零件的加工，改造后的機床可進行加工軸類零件和直徑不太大的盤類零件，還可以加工螺紋表面工序?？蛇m用于企業(yè)的機械設備生產(chǎn)，特別適用于工夾模具的制造。
１.2.2 數(shù)控化改造的主要環(huán)節(jié)
普通機床數(shù)控化改造主要從主傳動部分、進給傳動部分、數(shù)控系統(tǒng)三個環(huán)節(jié)進行方案制定和改造實施。
（1）主傳動改造
主軸部件直接帶動工件或刀具參加切削運動，它除承受本身重量外，還需承接較大的切削載荷，主軸本身的剛性和旋轉精度以及支撐的剛性都將直接影響零件的加工精度，因此主軸部分的數(shù)控改造，首先應保證本身的剛性以及修復和提高本身的旋轉精度。
由于中、小型機床，本身價格較低，如果將其主傳動改為交流變速，其費用太高，因此，在一般情況下，為了降低改裝的費用，保持機床的原有精度，主傳動系統(tǒng)基本不變，保持原機床的手動變速，改造后使主運動和進給運動分離，數(shù)控系統(tǒng)只用于控制主軸的起、停和正、反轉及冷卻液的開、關。主傳動系統(tǒng)仍采用原電動機驅動，只是將主軸改裝成帶有脈沖編碼器。
（2）進給傳動的改造
為了加工出符合要求的零部件，對進給傳動的要求一般為:
1、高精度即高的定位精度和重復定位精度以及加工零件的綜合精度；
2、高品質(zhì)即響應快，頻帶寬，動靜態(tài)速降小，調(diào)速范圍寬；
3、高速度即能快速定位，以提高效率；
4、大功率即能輸出大的力矩和功率，以滿足加工要求；
機床進給傳動鏈中，需將旋轉運動變成直線運動，普通機床常采用普通絲杠，雖有許多優(yōu)點，但其摩擦阻力大，傳動效率低(η= 0.20～0.40)，動靜摩擦系數(shù)相差大，在低速時容易出現(xiàn)爬行，而數(shù)控機床要求進給部分的移動元件靈敏度好，精度高，反應快，無爬行,采用滾珠絲杠副可能滿足要求。
綜上所述，我們選擇滾珠絲杠傳動，由于其高效率、溫升小、高精度、高速度、高剛性、可逆性、長壽命、低能耗、同步性、高靈敏度、無間隙、維護簡單等優(yōu)點而得到廣泛應用，為了滿足數(shù)控機床高進給速度、高定位精度、高平穩(wěn)性和快速響應的要求，必須合理選擇滾珠絲杠副，并進行必要的校核計算。
此外，從轉動慣量、轉動力矩、最大靜轉矩和頻率等方面對縱、橫步進電機分別進行計算，進而選擇縱、橫步進電動機；通過設計計算選擇縱、橫步進電機和滾珠絲杠之間配套的減速齒輪。
（3）電氣部分改造
機床的主軸、冷卻等均需系統(tǒng)自動控制，為此需設計接口轉換電路和強電控制電路。電器元件可保留原機床中的變壓器、自動斷路器、接觸器等。拆除電控箱，原位安裝改造后的電控箱。此部分任務是確定控制方式、選擇伺服系統(tǒng)。
數(shù)控系統(tǒng)控制方式基本上可以分為開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)三種方式。機床數(shù)控化改造選擇哪種方式，需根據(jù)具體情況決定。一般小型機床或精度要求較低的機床，多采用開環(huán)控制方式，大、中型機床多采用半閉環(huán)控制方式。在機床數(shù)控化改造中，小型機床多采用步進電機驅動系統(tǒng)，這種系統(tǒng)價格低、結構簡單，但控制精度和速度低。
2. C6136普通車床數(shù)控化改造方案的設計
2.1 總體改造方案
普通車床經(jīng)過多次大修后，其零部件相互連接尺寸變化較大，主要傳動零件幾經(jīng)更換和調(diào)整，故障率仍然較高，采用傳統(tǒng)的修理方案很難達到大修驗收標準，而且費用較高。因此合理選擇改造方案是工作得以成功的主要環(huán)節(jié)。數(shù)控機床的改造目的是要求機床穩(wěn)定可靠，以盡可能低的故障率運轉。因此，用來進行改造的機床最好是七八成新的機床。
根據(jù)各機床制造廠對普通銑床進行數(shù)控改造的主要形式，并結合現(xiàn)有型號和實際情況，擬定出以下兩種改造方案：
方案Ⅰ
（1）技改要點
主傳動甩掉現(xiàn)有銑床主軸箱（包括主軸）、進給箱等，只保留床身、導軌、等，重新設計制造主軸（高轉速）及箱體。
進給傳動采用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。這一類系統(tǒng)的位置檢測元件從機械傳動鏈的中間取得信號，檢測元件大多是裝在伺服電動機后端或滾珠絲杠驅動端。由于位置反饋信號不包括滾珠絲杠螺母副及工作臺等執(zhí)行部件誤差因素影響，能獲得比閉環(huán)伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性好的控制特性，而且也較經(jīng)濟。當采用高分辨率的檢測元件，且半閉環(huán)外的傳動部件(滾珠絲杠副、導軌以及工作臺等工作部件)又有足夠高的工作精度時，即使在半閉環(huán)數(shù)控機床上也可以獲得較滿意的精度和運動速度。
但在加工使用中，環(huán)境溫度變化和滾珠絲杠工作溫度變化引起的熱變形，機械原點漂移等未消除時，常成為高精密加工的主要誤差因素。進給箱變?yōu)榻涣魉欧姍C支撐箱，需重新設計制造；兩臺步進電機支撐件、聯(lián)接件，兩絲杠支撐與溜板聯(lián)接件，電氣柜、防護罩等主要件需設計制作；各主要部件需裝配、安裝與調(diào)整。
（2）技術難點
主軸和主軸箱技術要求高，設計難度大，我們無設計條件、經(jīng)驗和設計時間，其制造難度也大，一般加工企業(yè)無法加工；兩絲杠的支撐、聯(lián)接技術與安裝調(diào)整、工藝要求較高；兩伺服電機支撐、聯(lián)接技術要求較高。
改造后屬于半閉環(huán)系統(tǒng)控制，加工精度較高但改造費用也需要較高。
方案Ⅱ
（1） 技改要點
主傳動保留主軸箱、床身、導軌，而甩掉現(xiàn)有車床進給箱。進給傳動采用開環(huán)伺服系統(tǒng)，開環(huán)伺服系統(tǒng)沒有檢查機械運動的檢測元件，即沒有來自位置傳感器的反饋信號。由步進電動機驅動，運動速度和精度較低，運動中容易產(chǎn)生振蕩、丟步等現(xiàn)象，因此主要用于經(jīng)濟型或簡易型數(shù)控機床，其精度和速度的提高受到限制。進給箱變?yōu)椴竭M電機支撐，需重新設計制造；兩步進電機支撐件、聯(lián)接件，兩杠支撐工作臺聯(lián)接件，電氣柜、防護等主要件需設計制作；各主要部件需裝配、安裝與調(diào)整。
（2）技術難點
兩杠的支撐、聯(lián)接技術與安裝調(diào)整工藝要求較高；兩步進電機支撐、聯(lián)接技術要求較高。改造后屬于開環(huán)系統(tǒng)控制，加工精度相對低但改造費用也需要較低。
根據(jù)以上兩種普通機床數(shù)控化改造方案的比較，經(jīng)過察看C6136及其性能指標、工作狀況，采用價格相對較低的數(shù)控系統(tǒng)，并配以混合式步進電機驅動與滾珠絲杠螺母副對C6136橫、縱兩軸進行改造；并且參照數(shù)控車的改造經(jīng)驗，確定總體改造方案。
1、基本保留機床原主軸的運動系統(tǒng)，主軸的正、反轉以及啟動、停車的由數(shù)控系統(tǒng)控制；
2、拆除機床工作臺的橫、縱軸原進給系統(tǒng)，將滑動絲杠副更換為滾動絲杠副，并改裝減速齒輪、選用伺服電機。
3、數(shù)控系統(tǒng)選用GSK數(shù)控系統(tǒng)；
4、電氣系統(tǒng)的設計。在進給驅動中使用步進電機，由于改造設計的是簡易型經(jīng)濟數(shù)控，所以在考慮具體方案時，基本原則是在滿足需要的前提下，對于機床盡可能減小改動量，以降低成本。
（1）床身、床鞍、工作臺等對車床上較大的部件盡量利用原來的部件。
（2）進給箱：拆除原手動操作機構，改用步進電動機通過齒輪副傳動帶動滾珠絲杠實現(xiàn)，脈沖當量為0.01mm，進給由數(shù)控系統(tǒng)控制。
（3）冷卻部分：冷卻部分由切削液泵、出液泵、回液管、開關及噴嘴等組成。切削液泵安裝在機床底座的內(nèi)腔里，將切削液從底座內(nèi)儲液池泵至出液管，在經(jīng)噴嘴噴出，對切削區(qū)進行冷卻。
（4）潤滑部分：潤滑部分采用機動潤滑方式，用潤滑油泵通過分油器對主軸套筒、刀軌及滾珠絲杠進行潤滑，以提高機床的使用壽命。
改造的軸在機械上采用了滾珠絲杠通過齒輪副進行傳動聯(lián)接；工作臺進行貼塑處理；滾珠絲杠和工作臺潤滑采用手動泵注入，整個改造工作包括機械設計、電氣設計、機械零部件加工、機床大修及整機的安裝和調(diào)試等。
2.2 改造的技術參數(shù)
數(shù)控車床改造設計參數(shù)包括車床的部分技術參數(shù)和設計數(shù)控進給伺服系統(tǒng)所需的參數(shù)
最大加工直徑：
在床面上： 360mm
在床鞍上： 200mm
最大加工長度：750mm
快進速度：
縱向：2.0m/min
橫向：1.0m/min
最大進給速度：
縱向： 0.5m/min
橫向： 0.3m/min
代碼制：ISO
脈沖分配方式：逐點比較法
輸入方式：增量值，絕對值通用。
控制坐標數(shù)：2
最小指令值：
縱向： 0.01mm/step
橫向： 0.005mm/step
刀具補償量：0~99.99mm
進給傳動鏈間隙補償量：
縱向： 0.15mm
橫向： 0.075mm
改造后，設備的操作改由系統(tǒng)控制，實現(xiàn)了自動化加工和柔性加工，加工精度也得到了提高。同時，使設備的故障率明顯降低，維護費用也減少了，工人的勞動強度也跟著減輕，而工作效率得到了極大的提高，從前一些無法加工的工件，現(xiàn)在也可以加工了?？傊?，該機床改造后的可靠性和加工效率得到了很大提升，避免了人為因素的影響。整個改造所用費用少、見效快，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，達到了預期的目的。
2.3 傳動系統(tǒng)改裝設計與計算
2.3.1 縱向進給系統(tǒng)的設計與計算
2.3.1.1 切削力的計算
車削力分為Fc、Fp和Ff界三個互相垂直的分力。
Fc為主切削力，是總切削力在主運動方向的分力，垂直于基面，是最大的切削分力，其消耗功率占總功率的95%~99%。
Fp為背向力(徑向力)，是總切削力在切削深度方向的分力。背向力會使機床、刀具、夾具和工件產(chǎn)生變形，容易引起振動和加工誤差，是設計和校核系統(tǒng)剛度和精度的主要參數(shù)。
Ff為進給力(軸向力)，是總切削力在進給方向的分力，進給力作用在機床的進給機構上，是計算和校核進給系統(tǒng)強度的主要根據(jù)之一。
根據(jù)《機床設計手冊》，切削力的計算公式為：
（2-1）
式中Dmax一一床身最大工件加工直徑。
同樣根據(jù)金屬切削原理得知
因此得
Fp=0.4Fc=1830N
Ff=0.25Fc=1144N
2.3.1.2 滾珠絲杠螺母副的計算和選型
1、強度校核計算
（2-2）
=1.15×1144+0.15×(4576+100×9.8)
=2149N
式中K——在綜合導軌中受顛覆力矩影響所取的實驗系數(shù)，取1.15；
f——導軌滑動摩擦系數(shù)，由于我們改造后為貼塑導軌，通過《機械設計手冊》查得f=0.15；
G——整個拖板上所有部件所受的重力，這里我們使其總質(zhì)量為100Kg。
最大動載荷計算：
根據(jù)己求出的最大工作載荷，可求出最大動載荷C
(2-3)
式中fw一一運轉狀態(tài)系數(shù)，通常為1.2-1.5，我們?nèi)?.5
L一一工作壽命，單位為106r。
(2-4)
式中T一一使用壽命，根據(jù)數(shù)控機床上絲杠普遍的使用壽命，T=15000h
n一一絲杠的轉速 (2-5)
式中vs—為在最大切削力情況下的進給速度，縱向最大進給速度為0. 6m/min，通常取最人進給速度的到，這里我們?nèi) ?
L0—絲杠的基本導程，取L0=6mm。
因此，
綜上所求數(shù)據(jù)
最大動載荷
2、傳動效率計算
滾珠絲杠螺母副的傳動效率η為：
（2-6）
絲杠螺旋升角λ=3°25′，滾珠絲杠螺母副的滾動摩擦系數(shù)f=0.003～0.004，φ≈10′，則：
3、 滾珠絲杠螺母副的選型
數(shù)控機床的進給傳動鏈中，將旋轉運動轉換為直線運動的方法很多，采用絲杠螺母副是常用的方法之一。滾珠絲杠螺母副是直線運動與回轉運動相互轉換的新型傳動裝置。
（1）滾珠絲杠螺母副工作原理與特點
圖2-1 滾珠絲杠副的結構原理示意圖
1—螺母 2—滾珠 3—絲杠
滾珠絲杠副的結構原理示意圖如圖2-1所示。在絲杠3和螺母1上都有半圓弧形的螺旋槽，當它們套裝在一起便形成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有滾珠回路管道b，將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來構成封閉的循環(huán)滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠2。當絲杠旋轉時，滾珠在滾道內(nèi)既自轉又沿滾道循環(huán)轉動。因而迫使螺母（或絲杠）軸向移動?？芍瑵L珠絲杠螺母副中是滾動摩擦，它具有以下特點：
1）摩擦損失小，傳動效率高，可達0.9~0.96；
2）絲杠螺母之間預緊后，可以完全消除間隙，提高了傳動剛度；
3）摩擦阻力小，幾乎與運動速度無關，動靜摩擦力之差極小，能保證運動平穩(wěn)，不易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象。磨損小、壽命長、精度保持好；
4）不能自鎖，有可逆性，即能將旋轉運動轉換為直線運動，或將直線運動轉換為旋轉運動。因此，絲杠立式使用時，應增加制動裝置。
4、滾珠絲杠螺母副的選用
目前我國滾珠絲杠螺母副的精度標準為四級：普通級P、標準級B、精密級J和超精密級C。各級精度所規(guī)定的各項允差可查有關手冊。一般的數(shù)控機床可選用標準級B，精密數(shù)控機床可選精密級J或超精密級C。
在設計和選用滾珠絲杠螺母副時，首先要確定螺距t、名義直徑D0、滾珠直徑d0等主要參數(shù)。在確定后兩個參數(shù)時，采用與驗算滾珠軸承相似的方法，即規(guī)定在最大軸向載荷Q作用下，滾珠絲杠能以33.3r/min的轉速運轉500小時而不出現(xiàn)點蝕。
選擇螺距t時，一般應根據(jù)絲杠的承載能力和剛度要求，首先確定名義直徑D0，然后根據(jù)名義直徑D0盡量取較大的螺距。常用的螺距t=4、5、6、8、10、12mm。螺距愈小，在一定軸向力作用下摩擦力矩愈小；但t小時（滾珠也?。?，導致滾珠絲杠承載能力下降。另外，如絲杠名義直徑D0一定時，t減小、螺距升角β隨之減小，傳動效率也隨之降低。絲杠名義直徑D0是指滾珠中心圓的直徑，根據(jù)承受的載荷來選取。D0愈大，絲杠承載能力和剛度愈大。為了滿足傳動剛度和穩(wěn)定性的要求，通常應大于絲杠長度的1/30~1/50。
滾珠直徑d0對承載能力有直接影響，應盡可能取較大的數(shù)值。一般d0≈0.6t，其最后尺寸按滾珠標準選用。
滾珠的工作圈數(shù)J、列數(shù)K和工作滾珠總數(shù)N對絲杠工作特性影響很大。根據(jù)試驗，每一個循環(huán)回路中，各圈所受載荷不均勻，滾珠第一圈約承受總載荷的50%，第二圈約承受30%，第三圈約承受20%。因此，圈數(shù)過多并不能加大承載能力，反而增加了軸向尺寸。一般工作圈數(shù)J=2.5~3.5圈。若工作圈數(shù)必須超過三圈半時，可制成雙列或三列，列數(shù)多，增加了接觸剛度，提高了承載能力。但并不是成比例增加，列數(shù)多，增加承載能力并不顯著，反而加大了螺母的軸向尺寸。一般K=2~3列。工作滾珠總數(shù)N不宜過多，一般N<150，否則，容易引起流通不暢而堵塞。但也不宜過少，這樣會使每個滾珠所受載荷加大，彈性變形也大。
（2）絲杠的導程和轉速
電動機最大轉速為1440r/min，取使用時最高轉速為1000r/min，電動機經(jīng)過聯(lián)軸器、齒輪傳動和絲杠相連，工作臺最大速度，故絲杠的導程應為。
絲杠轉速：強力切削30r/min，一般切削50r/min，精細車削60r/min，快移80r/min。
（3）初選滾珠絲杠副
初選滾珠絲杠的尺寸規(guī)格，相應的額定動載荷Ca不得小于最大動載荷C，即Ca≥C。假如滾珠絲杠副有可能在靜態(tài)或低速運轉（N≤10r/min）下工作并受載，那么還需要考慮另一種失效形式——滾珠絲杠接觸面上的塑性變形。即考慮滾珠絲杠的額定載荷C0a是否大大超過了滾珠絲杠的工作載荷fh，一般使Ca/Fm=2～3。
根據(jù)最大動載荷C的值，查表2-1選取滾珠絲杠的型號，選用中國藝工的FFZD4006-3(表示內(nèi)循環(huán)浮動式墊片預緊滾珠絲杠副，公稱直徑為40mm，基本導程為=6mm，，螺紋旋向為右旋)，其Ca的值為15.1kN，所以強度足夠，預緊力Fp=0.25Ca=3.775kN，大于最大軸向載荷的三分之一，這種絲杠是可用的。
（4）絲杠螺紋部分長度
等于工作臺最大行程（750mm）加螺母長度（150mm），再加上兩端余量（40mm）。即：=750+150+402=980mm。
（5）支撐跨距 應略大于，取為=1030mm。
（6）預拉伸計算
溫升引起的伸長量，設溫升為，則螺線部分伸長量為：
絲杠全長的伸長量為：
為此，絲杠的目標行程可定為比公比行程小0.03/0.8mm。絲杠在安裝時，進行預拉伸，拉伸量為0.030mm。
預拉伸力Ft，根據(jù)《材料力學》歐拉公式：
（7） 剛度驗算
滾珠絲杠長時間負載運動會發(fā)生軸向變形影響其精度和平穩(wěn)性。滾珠絲杠的軸向變
形主要包括絲杠的拉伸或壓縮變形，滾珠與螺紋道之間的接觸變形以及支撐滾珠絲杠的
軸承的軸向接觸變形，因此要進行剛度驗算。
①絲杠的拉伸或壓縮變形量
式中 ——每個導程在工作負載作用下所引起的變化量；
——滾珠絲杠導程；
L——滾珠絲杠兩端的支撐間距，L=1500mm。
式中 E——鋼的彈性模量
A——滾珠絲杠截面積
式中 d1——螺紋內(nèi)徑；
e——滾珠絲杠滾道圓弧偏心距；
R——螺紋滾道圓弧半徑；
DW——滾珠直徑；
——接觸角，為。
因此，
得出，
由于絲杠兩端都接觸軸承，并且絲杠又進行預緊，故其抗壓剛度比一般絲杠提高4倍。
所以，
②滾珠與螺紋滾道間的接觸變形
式中 一一這里為軸向工作載荷（Kgf）
一一預緊力
一一滾珠數(shù)量 =每圈滾珠數(shù)圈數(shù)列數(shù)
每周滾珠數(shù)
因此
由于前面介紹對絲杠有預緊力，因此，實際變形量為
③支撐滾珠絲杠的軸承軸向接觸變形量
支撐滾珠絲杠的軸承這里我們選用71052c型角接觸球軸承。
其主要參數(shù):
內(nèi)徑為25mm
外徑為37mm
滾動體數(shù)量
滾動體直徑
由于施加預緊力，實際變形量為
因此，總變形量為
符合剛度要求。
(8)穩(wěn)定性驗算。
滾珠絲杠長期受軸向力，若軸向工作負載過大，會使其產(chǎn)生縱向變形失去穩(wěn)定性，
所以通過驗算其所能承受的最大軸向載荷了解是否會產(chǎn)生縱向彎曲。
式中 一一絲杠支撐系數(shù)，由于是兩端固定，所以=4；
E一一滾珠絲杠材料的彈性模量，取鋼；
L一一絲杠兩端距離。L=1500mm；
I——絲杠截面慣性矩；
——絲杠底徑， =35.2m
所以最大軸向載荷為
穩(wěn)定性安全系數(shù)為
由于穩(wěn)定安全系數(shù)遠大于許用穩(wěn)定安全系數(shù)4，所以絲杠很穩(wěn)定，不會發(fā)生失穩(wěn)。
2.3.2橫向進給系統(tǒng)的設計與計算
2.3.2.1切削力的計算
式中——車床床身上加工最大直徑橫切端面時主切削力可取縱切時的
式中 ——走刀方向的切削力（N）
——垂直走刀方向的切削力（N）
2.3.2.2滾珠絲杠螺母副的計算和選型
1、計算進給牽引力
橫向進給選為三角型或綜合導軌 參考《機床設計手冊》
查閱《綜合作業(yè)指導書》
式中：，，——切削分力（Ｎ）
G——移動部件的重量（N） 表1-1查的橫向溜板及刀架重力700N
——滑動導軌摩擦系數(shù)，隨導軌形式而不同 取=0.15-0.18
K——考慮顛復力矩影響的實驗系數(shù) 取K=1.15
2、計算最大動負載C
選用滾珠絲桿導軌 參考《機床設計手冊》
查閱《綜合作業(yè)指導書》
式中：L——工作壽命，以轉為一單位
n——絲桿轉速（r/min）
——為最大切削條件下進給速度，可取最高進給速度的1/2-1/3
取
——絲桿導程（mm） 初選=6mm
T——使用壽命（h）,對于數(shù)控機床取15000h
——運轉狀態(tài)系數(shù)，我們?nèi)?.5
3、滾珠絲桿螺母副的選型
如表2-1，可采用FFZD2506-3(表示內(nèi)循環(huán)浮動式墊片預緊滾珠絲杠副，公稱直徑為25mm，基本導程為=6mm，，螺紋旋向為右旋)，其Ca的值為11.3kN，所以強度足夠，預緊力Fp=0.25Ca=2.825kN，大于最大軸向載荷的三分之一，這種絲杠是可用的。
表2-1滾珠絲杠技術參數(shù)表
規(guī)格
代號
公稱
直徑
d0
公稱
導程
Ph0
絲杠
外徑
d1
?鋼球
直徑
Dw
絲杠
底徑
d2
循環(huán)
圈數(shù)
基本
額定負荷
剛度
Kc
N/μm
螺母安裝連接尺寸
動載荷
Ca(KN)
靜載荷
Coa(KN)
D1(g6)
D2()
L2
D3
B
D4
D5
D6
h
D7
M
D8
L1
FFZD1204-3
12
4
11.3
2.381
9.5
3
4
6.7
417
22
22
10
44
8
32
4.8
8.5
4.5
32
M2.5
16
63
FFZD1604-3
16
4
15.3
2.381
13.5
3
4.8
9.7
442
28
28
10
52
10
38
5.8
10
6
32
M6
20
65
FFZD1605-3
16
5
15.5
3.5
12.9
3
7.6
13.2
400
28
28
10
52
10
38
5.8
10
6
32
M6
22
83
FFZD2004-3
20
4
19.3
19.1
2.381
3
17.5
16.9
3
5.3
7.3
?12.1
15.4
519
36
36
10
62
11
48
5.8
10
6
40
M6
25
72
FFZD2005-3
20
5
19.5
3.5
16.9
3
9.1
18.3
536
36
36
10
62
11
48
5.8
10
6
40
M6
25
83
FFZD2504-3
25
4
24.1
3
21.9
3
8.3
20.2
654
40
40
10
66
11
53
5.8
10
6
?46
M6
30
74
FFZD2505-3
25
5
24.5
3.5
21.9
3
10.2
23.6
657
40
40
10
66
11
53
5.8
10
6
46
M6
30
84
FFZD2506-3
25
6
23.9
4
20.9
3
11.3
23.7
636
40
40
10
66
11
53
5.8
10
6
46
M6
30
97
FFZD3204-3
32
4
31.1
3
28.9
3
9.6
27.9
823
50
50
10
76
11
63
5.8
10
6
56
M6
38
73
FFZD3204-5
32
4
31.1
3
28.9
5
15
45.6
1340
50
50
10
76
11
63
5.8
10
6
56
M6
38
92
FFZD3205-3
32
5
31.5
3.5
28.9
3
11.7
31.4
826
50
50
10
82
13
67
7
12
7
62
M6
38
85
FFZD3205-5
32
5
31.5
3.5
28.9
5
18.1
52.4
1346
50
50
10
82
13
67
7
12
7
62
M6
38
108
FFZD3206-3
32
6
30.9
4
27.9
3
13
32.1
839
50
50
10
82
13
67
7
12
7
62
M6
38
99
FFZD3206-5
32
6
30.9
4
27.9
5
20.2
53.5
1367
50
50
10
82
13
67
7
12
7
62
M6
38
127
FFZD3210-3
32
10
32.5
7.144
27.3
3
25.7
50.2
772
53
53
15
90
15
71
9
15
9
70
M6
44
146
FFZD3210-5
32
10
32.5
7.144
27.3
5
40
83.8
1256
53
53
15
90
15
71
9
15
9
70
M6
44
191
4、傳動效率計算
式中：——螺旋升角，
——摩擦角取 滾動摩擦系數(shù)0.003-0.004
5、剛度驗算
橫向進給絲桿支承方式如圖2-2所示，最大牽引力1277.5N,支承間距Ｌ＝320mm，
圖2-2 橫向傳動示意圖
計算如下:
①絲杠的拉伸或壓縮變形量
式中 ——每個導程在工作負載作用下所引起的變化量；
——滾珠絲杠導程；
L——滾珠絲杠兩端的支撐間距，L=320mm。
式中 E——鋼的彈性模量
A——滾珠絲杠截面積
式中 d1——螺紋內(nèi)徑；
e——滾珠絲杠滾道圓弧偏心距；
R——螺紋滾道圓弧半徑；
DW——滾珠直徑；
——接觸角，為。
因此，
得出，
由于絲杠兩端都接觸軸承，并且絲杠又進行預緊，故其抗壓剛度比一般絲杠提高4倍。
所以，
②滾珠與螺紋滾道間的接觸變形
式中 一一這里為軸向工作載荷（Kgf）
一一預緊力
一一滾珠數(shù)量 =每圈滾珠數(shù)圈數(shù)列數(shù)
每周滾珠數(shù)
因此
由于前面介紹對絲杠有預緊力，因此，實際變形量為
③支撐滾珠絲杠的軸承軸向接觸變形量
支撐滾珠絲杠的軸承這里我們選用51102型推力球軸承。
其主要參數(shù):
內(nèi)徑為15mm
滾動體數(shù)量
滾動體直徑
由于施加預緊力，實際變形量為
因此，總變形量為
符合剛度要求。
6、穩(wěn)定性驗算。
滾珠絲杠長期受軸向力，若軸向工作負載過大，會使其產(chǎn)生縱向變形失去穩(wěn)定性，
所以通過驗算其所能承受的最大軸向載荷了解是否會產(chǎn)生縱向彎曲。
式中 一一絲杠支撐系數(shù)，由于是兩端固定，所以=4；
E一一滾珠絲杠材料的彈性模量，取鋼；
L一一絲杠兩端距離。L=320mm；
I——絲杠截面慣性矩；
——絲杠底徑， =20.2m
所以最大軸向載荷為
穩(wěn)定性安全系數(shù)為
由于穩(wěn)定安全系數(shù)遠大于許用穩(wěn)定安全系數(shù)4，所以絲杠很穩(wěn)定，不會發(fā)生失穩(wěn)。
2.4 減速箱體的設計
2.4.1縱向進給齒輪的設計
1、脈沖當量的選擇
根據(jù)原機械的加工精度，由前面的計算已知：滾珠絲杠的導程，初選步進電動機步距角，脈沖當量。
每個脈沖絲杠螺母移動的距離為：
要實現(xiàn)δp=0.01mm/step，就必須在步進電機和滾珠絲桿之間加上一對降速齒輪，此對減速齒輪的減速比為:
2、減速齒輪副的設計
此處設計的減速齒輪副是開式齒輪傳動，為防止輪齒太小引起的意外斷齒，傳遞動力的齒輪模數(shù)一般不小于1.5～2mm，因此，減速齒輪模數(shù)取為m=2mm，選擇為直齒圓柱齒輪故分度圓壓力角α=20°，齒頂高系數(shù)，頂隙系數(shù)。為了提高開式齒輪傳動的耐磨性，要求有較大的模數(shù)，因而齒數(shù)應少一些，一般取Z1=17～20，此處取=20，故= =20×1.25=25，取=25。
表2-2 縱向進給齒輪參數(shù)表
齒輪1
齒輪2
齒數(shù)Z
20
25
模數(shù)m（mm）
2
2
分度圓 d（mm）
40
50
齒頂圓 （mm）
44
54
齒根圓 （mm）
35
45
中心距 a（mm）
44
44
齒寬
20
16
圖2-3 齒輪零件圖
2.4.2 橫向進給齒輪的設計
1、脈沖當量的選擇
根據(jù)原機械的加工精度，由前面的計算已知：滾珠絲杠的導程，初選步進電動機步距角，脈沖當量。
每個脈沖絲杠螺母移動的距離為：
要實現(xiàn)δp=0.01mm/step，就必須在步進電機和滾珠絲桿之間加上一對降速齒輪，此對減速齒輪的減速比為:
2、減速齒輪副的設計
此處設計的減速齒輪副是開式齒輪傳動，為防止輪齒太小引起的意外斷齒，傳遞動力的齒輪模數(shù)一般不小于1.5～2mm，因此，減速齒輪模數(shù)取為m=2mm，選擇為直齒圓柱齒輪故分度圓壓力角α=20°，齒頂高系數(shù)，頂隙系數(shù)。為了提高開式齒輪傳動的耐磨性，要求有較大的模數(shù)，因而齒數(shù)應少一些，一般取Z1=17～20，此處取=20，故= =20×2.5=50，取=50。
表2-3 橫向進給齒輪參數(shù)表
齒輪1
齒輪2
齒數(shù)Z
20
50
模數(shù)m（mm）
2
2
分度圓 d（mm）
40
100
齒頂圓 （mm）
44
104
齒根圓 （mm）
35
95
中心距 a（mm）
44
44
齒寬
20
12
2.5 滾珠絲杠的安全使用
1、潤滑
為使?jié)L珠絲杠副充分發(fā)揮機能，在其工作狀態(tài)下，必須潤滑，潤滑方式主要有以下兩種：
a.潤滑脂
潤滑脂的給脂量一般是螺母內(nèi)部空間容積的1/3，滾珠絲杠副出廠時在螺母內(nèi)部已加注GB7324-942＃鋰潤滑脂。
b.潤滑油
運動黏度28.5－74cst(400T)的潤滑油。給油量隨使用條件（加抑制量）等的不同而有所變化。
2、防塵
滾珠絲杠與滾動軸承一樣，如果污物及異物進入就很快使它磨耗，成為破損的原因。因此，考慮有污物異物（切削碎削）進入時，必須采用防塵裝置（折皺保護罩、絲杠護套等），將絲杠軸完全保護起來。
另外，如沒有異物，但有浮沉時可在滾珠螺母兩端增加防塵圈。
3、使用
滾珠絲杠副在使用時應注意以下事項：
a.滾珠螺母應在有效行程內(nèi)運動，必要時在行程兩端配置限位，以避免螺母約程脫離絲杠軸而使?jié)L珠脫落。
b.滾珠絲杠副由于傳動效率高，不能自鎖，在用于垂直方向傳動時，如部件重量未加平衡，必須防止傳動停止或電機失電后，因部件自重而產(chǎn)生的逆?zhèn)鲃印?
c.滾珠絲杠副正常工作環(huán)境溫度范圍±60℃。
4、安裝
滾珠絲杠副在安裝時應注意以下事項：
a.滾珠絲杠副僅用于承受軸向負荷。徑向力、彎矩會使?jié)L珠絲杠副產(chǎn)生附加表面接觸應力等負荷，從而可能造成絲杠的永久性損壞。因此，滾珠絲杠副安裝到機床時，應注意：
(1)絲杠的軸線必須和之配套導軌的軸線平行，機床的兩端軸承座與螺母座必須三點成一線；
(2)安裝螺母時，盡量靠近支撐軸承；
(3)同時安裝支撐軸承時，盡量靠近螺母安裝部位。
b.滾珠絲杠安裝到機床時，請不要把螺母從絲杠軸上卸下來。如必須卸下來時要使用輔助套，否則裝卸時滾珠有可能脫落。螺母裝卸時應注意以下幾點：
(1)輔助套外徑應小于絲杠底徑0.1-0.2mm；
(2)輔助套在使用中必須靠緊絲杠螺紋軸肩；
(3)卸裝時，不可使用過大力以免螺母損壞；
(4)裝入安裝孔時要避免撞擊和 偏心。
3. 步進電機的設計與選擇
步進電動機是一種將電脈沖信號轉變成為相應的直線位移或角位移的機電執(zhí)行元件。每當輸入一個電脈沖，電動機就轉動一個角度或者前進一步。步進電動機輸出的角
位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉速與輸入脈沖的頻率成