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1、C616车床数控化改造-进给系统改造摘 要本设计是将普通车床的进给系统改造为数控车床进给系统，通过对数控技术的了解，设计出来了对普通车床进给系统改造的总体方案。通过对进给系统滚珠丝杠的设计计算以及齿轮及转矩的设计计算，从而完成了数控改造的传动装置的设计及其计算。然后又介绍了滚珠丝杠副的轴向间隙、滚珠丝杠副的安装结构、支承结构、进给系统传动齿轮间隙的消除、采用减速箱的目的及注意事项、减少或消除空程的必要性和方法，通过这些介绍能了解滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法。本设计通过对纵向进给系统的设计计算得出了X方向的切削力大约763.8N，Y方向的切削力大约为916.5N。而横向进给系统中Z方向切削
2、力大约为763.8N，当切断时Y方向的切削力大约为381.9N。在对滚珠丝杠的设计计算中得出，所设计的丝杠最大负载为3933.6N。通过对齿轮的有关计算，得出转动惯量为145.19，最大转动力矩为274.05Ngcm。在使用改造后的车床中，一定要注意所用切削力和最大负载，超出后会大大降低车床使用寿命。普通机床的数控化改造事业方兴未艾，在我国目前形式下将大批故障机床尤其是一大批闲置的普通机床进行改造、升级，以较小的投入尽快使这批设备在经济发展中发挥效能、创造效益，的确是许多企业的一项不可忽视的课题。随着生产技术的不断改造，不断发展与产品的不断更新，机器制造厂里的许多金属切削机床中有部分已不能满足
3、生产率和加工精度的要求，因此需要不断地更新，此次对原有的C616机床进行技术改造，其本质是采用数控机床对传统产业进行技术改造，赶上或超过先进国家。关键词: C616车床 横向进给系统 纵向进给系统 数控化改造 齿轮及转距目 录第一章 绪论11.1数控机床发展概况及发展趋势11.1.1国内外数控机床发展概况11.1.2数控技术发展趋势11.2数控改造的内容及其优缺点21.2.1数控化改造内容21.2.2机床数控化改造优缺点21.3普通机床数控改造的必要性31.4机床数控改造的意义3第二章 C616普通车床数控改造的总体方案42.1数控改造的总体方案42.2主传动系统和进给系统的改造4第三章 数改
4、C616车床传动装置设计63.1滚珠丝杠螺母副63.1.1滚珠丝杠螺母副的工作原理、特点及类型63.1.2滚珠丝杠副的结构73.2纵向进给系统的设计与计算93.2.1纵向进给系统的设计计算93.2.2滚珠丝杠设计计算113.2.3齿轮及转距的有关计算143.3横向进给系统的设计与计算173.3.1横向进给系统的设计计算173.3.2滚珠丝杠设计计算183.3.3齿轮及转矩有关计算19第四章 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法214.1滚珠丝杠副的轴向间隙214.2滚珠丝杠副的安装结构224.2.1支承结构224.3 进给系统传动齿轮间隙的消除234.3.1采用减速箱的目的及注意事项234.3.
5、2减少或消除空程的必要性和方法23第五章 结 论25参考文献26谢 辞27第一章 绪论1.1数控机床发展概况及发展趋势1.1.1国内外数控机床发展概况 随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，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，
6、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，数控系统实现了高速、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。 长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，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
7、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、切削深度、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中的设定量，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造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。1.1.2数控技术发展趋势 1.性能发展方向 (1)高速高精高效化速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU
8、控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。 (2)柔性化包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。 (3)工艺复合性和多轴化以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工
9、。数控技术轴，西门子880系统控制轴数可达24轴。 (4)实时智能化早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动
10、管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。 2.功能发展方向 (1)用户界面图形化用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。当前INTERNET、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界面提出了更高要求。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形
11、模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。 (2)科学计算可视化科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机技术等，这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。在数控技术领域，可视化技术可用于CAD/CAM，如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。 (3)插补和补偿方式多样化多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、
12、螺纹插补、极坐标插补、2D+2螺旋插补、NANO插补、NURBS插补(非均匀有理B样条插补)、样条插补(A、B、C样条)、多项式插补等。多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。 (4)内装高性能PLC数控系统内装高性能PLC控制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。编程工具中包含用于车床铣床的标准PLC用户程序实例，用户可在标准PLC用户程序基础上进行编辑修改，从而方便地建立自己的应用程序。 (5)多媒体技术应用多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一
13、体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域，应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。3.体系结构的发展 (1)集成化采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路FPGA、EPLD、CPLD以及专用集成电路ASIC芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。应用FPD平板显示技术，可提高显示器性能。平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点，可实现超大尺寸显示，成为和CRT抗衡的新兴显示技术，是21世纪显示技术的主流。应用先进封装和互连技术，将
14、半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸，提高系统的可靠性。 (2)模块化硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求，将基本模块，如CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块，作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。 (3)网络化机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网，可在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。 (4)通用型开放式闭环控制模式采用通用计算机组成总线式、模块化、
15、开放式、嵌入式体系结构，便于裁剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。闭环控制模式是针对传统的数控系统仅有的专用型单机封闭式开环控制模式提出的。由于制造过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，因此，要实现加工过程的多目标优化，必须采用多变量的闭环控制，在实时加工过程中动态调整加工过程变量。加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，构成严密的制造
16、过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。 1.2数控改造的内容及其优缺点1.2.1数控化改造内容 随着国内外机械化的发展加速，机床以及技术的不断进步，机床改造成为了永恒的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点：其一是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复；其二是NC化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC机床；其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、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；其四是技术
17、更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。1.2.2机床数控化改造优缺点(1)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) 可以采用最新的控制技术可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。(3) 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。特别是大型、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。(4) 机械性能稳定可靠，
18、结构受限所利用的床身、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。 (5) 熟悉了解设备、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。 1.3普通机床数控改造的必要性 1 微观看改造的必要性 微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。可以
19、加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地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。 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。 由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动化”。 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。 可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。拥有自动报警、自动监
20、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。 以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行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。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 2 宏观看改造的必要性 宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。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。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MI
21、S（管理信息系统）、CIMS等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），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。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9，而日本在1994年已达20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。1.4机床数控改造的意义1）节省资金。 机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置
22、费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。 2）性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。 3） 提高生产效率。 机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高 3至5倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。 第二章 C616普通车床数控改造的总体方案2.1数控改造的总体方案由于是经济型数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能少，以降低成本。根据C616车床有关资料以及数控车床的改造经验，
23、确定总体方案为：采用计算机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮减速后，带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动。如图21所示。图21数改C616车床总体方案示意图2.2主传动系统和进给系统的改造1、C616型普通车床的主传动系统和进给系统都由主轴电机控制，而改造后的车床则把主传动系统和进给系统的运动分离开。分别由各自的步进电机来控制，但是为保证车床在车螺纹时主传动运动与进给运动之间的联系，所以在拆掉进给系统的同时，必须在主轴上安装一个脉冲发生器，来实现主轴传动和进给运动之间的联系。同时，为了提高机床的精度和效率，用滚珠丝杠来代替原机床的光杠，并且采用单独的步进电机来控制
24、。这样不仅提高了机床的性能和精度，还提高了机床的使用性能。2、用步进电机代替手动进给，步进电机是将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的电磁机械装置，是一种输出与输入数字脉冲对应的增量驱动元件。用单片机自动控制，可视化输入、进给脉冲。稳定运行时的转速与控制脉冲的频率有严格的对应关系。改装后，控制性能好，在一定的频率下，能按控制脉冲的要求快速起、停和反转。改变控制脉冲频率，电动机的转速就随着变化，并可在很宽的范围内平滑调节，精度更高。3、自动刀架设计，这类刀架由控制系统直接控制，刀架能自动完成抬起、回转、选位、下降、定位和压紧这样一系列的动作。C616是老式同时市场占有量很大的车床，刀架的改造不
25、能耗费太大的才力，这于企业也很合算。刀架改造的设计，包括其刀架体的设计和供能系统的设计。刀架设计为自动转位的四方刀架，这样成本较低，也能满足数控化加工要求。自动换刀数控机床上，对自动换刀装置的基本要求是：换刀时间短、刀具重复定位精度高、刀架占地面积小及安全可靠。改造成自动换刀装置，就得先拆除原手动刀架和小拖板，安装上由液压系统控制的四工位液动刀架，根据车床的型号及主轴中心高度，选用LD4I型四工位自动回转刀架。该刀架体积小，重复定位精度高，适用于强力车削并安全可靠。液压控制系统是刀架部分的辅助装置。辅助装置作为数控车床的配套部件，是保证数控车床充分发挥高效、高精度切削加工功能所必须的配套装置。
26、它具备使车床完成自动换刀所需的动作，实现运动部件的制动和滑移齿轮变速移动，完成工作台的自动夹紧和松开、工件和刀具定位表面的自动吹屑等辅助功能。本文中液压系统的指令来源于PLC装置，在接到指令后，完成刀架的抬起放下及夹紧与松开等动作，刀架体即为其执行部件。刀架是整个机床的执行部件，因此刀架的设计必须考虑经济性，稳定性，安全性等因素。本文数控改造的刀架部分基本能满足上述要求。4、PLC电路改造，主要是用PLC代替继电器，用程序代替复杂的控制电路，从而简化电路，提高效率。主要内容是分析原主电路和控制电路，编制输入/输出分配表，选定PLC的型号同时绘制PLC接线图，设计梯形图并编制程序。主轴电动机主要
27、完成正反转、降压启动、全压运行和反接制动，冷却泵电动机只需直接启动，而液压电路中液压泵电动机需直接启动，但同时需控制刀架转位电磁阀和刀架刀盘夹紧松开电磁阀。第三章 数改C616车床传动装置设计数控机床的传动装置是指将电动机的旋转运动变为工作台的直线运动的整个机械传动链及其附属机构。包括齿轮减速器、丝杠螺母副、导轨、工作台等。在数控机床数字调节技术领域，传动装置是伺服系统中的一个重要环节，因此，数控机床的传动装置与普通机床中传动装置在概念上有重要差别，故它的设计也与普通机床传动装置的设计不同。数控机床传动的设计要求除了具有较高的定位精度外，还应具有良好的动态响应特性，即系统跟踪指令信号的响应要快
28、，稳定性要好。为确保数控机床进给系统的传动精度和工作稳定性，在设计机械传动装置时，通常提出了无间隙、低磨擦、低惯量、高刚度、高谐振频率及有适宜的阻尼比的要求。为了达到这些要求，采取主要措施如下：（1）缩短传动链以及预紧的办法提高传动系统的刚度。如采用大扭矩宽调速的直流电机与丝杠直接联接，应用预加负载的滚动导轨和滚动丝杠副，丝杠支承设计成两端轴向固定的，并可用预拉伸的结构等办法来提高传动系统的刚度。（2）尽量消除传动间隙，减少反向死区误差。如采用消除间隙的联轴器（如用加锥销固定的联轴套，用键加顶丝紧固的联轴套以及用无扭转间隙的挠性联轴器等），采用有消除间隙措施的传动副等。（3）尽量采用低摩擦的传
29、动，如采用静压导轨、滚动导轨和滚动丝杠等，以减少摩擦力。（4）选用最佳的降速比，以达到提高机床分辨率，使工作台尽可能大地加速，以达到跟踪指令，系统折算到驱动轴上的转动惯量尽量小的要求。3.1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31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。图3-1滚珠丝杠螺母副3.1.1滚珠丝杠螺母副的工作原理、特点及类型弧形的螺旋槽，当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道，将几圈螺旋滚道的两端连接起
30、来构成封闭的循环滚道，滚道内装满滚珠。当丝杠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。滚珠丝杠螺母副的特点是：（1）磨擦损失小、传动效率高，高达0.920.96（滑动丝杠为0.20.40）。（2）螺母之间预紧后，可以完全消除间隙，传动精度高、刚性好。（3）磨擦阻力小，且几乎与运动速度无关，动静磨擦力之差极小，不易产生低速爬行现象，保证了运动的平稳性。（4）磨损小，寿命长，精度保持性好。（5）不能自锁，有可逆性，即能将旋转运动转换为直线运动，也能将直线运动转换为旋转运动，可满足一些特殊要求的传动场合，但当立式使用时，应增加制动装置。（6）工艺复杂，成本高。国产的标准滚珠丝杠
31、副分为两类：定位滚珠丝杠副（P类），即通过旋转角度和导程控制轴向位移量的滚珠丝杠副；传动滚珠丝杠副（T类），即与旋转角度无关，用于传递动力的滚珠丝杠副。 此外，滚珠丝杠副通常还可根据其特征进行分类，如按制造方法的不同分为普通滚珠丝杠副和滚轧滚珠丝杠副；按螺母类型式分为单侧法兰盘单螺母型、双法兰盘双螺母型、圆柱双螺母型、圆柱单螺母型、简易螺母型及方螺母型等；按螺旋滚道型面分为单圆弧面和双圆弧面；按滚珠的循环方式分为：外循环和内循环式。3.1.2滚珠丝杠副的结构目前国内外生产的滚珠丝杠副，尽管在结构上各种各样，其主要区别是在螺旋滚道型面的形状、滚珠的循环方式以及轴向间隙的调整和预加载的方法等方面。
32、（1）、螺纹滚道型面的形状及主要尺寸螺旋滚道型面（即滚道法向截形）的形状有多种，常见的截形有单圆弧面和双圆弧型面两种。图32为螺旋滚道型面的简图，图中钢球与滚道表面接触点处的公法线与螺纹轴线的垂线间的夹角称为接触角。理想接触角=45。（a） 单圆弧 （b）双圆弧图32 滚珠丝杠副螺旋滚道型面的形状1）型面 如图32（a）所示，通常滚道半径rn稍大于滚珠半径rw，通常2rn=（1.041.11）Dw。对于单弧型面的螺纹滚道，接触角是随轴向负荷F的大小而变化。当F=0时，=0，承载后，随F的增大，的大小由接触变形的大小决定。当接触角增大后，传动效率Ed、轴向刚度Rc以及承载能力随之增大。2） 圆弧
33、型面 如图32（b）所示，滚珠与滚道只在内相切的两点接触，接触角不变。两圆弧交接处有一小空隙，可容纳一些脏物。这对滚珠的流动有利。单圆弧型面，接触角是随负载的大小而变化，因而轴承刚度和承载能力也随之而变化，应用较少。双圆弧型面，接触角选定后是不变的，应用较广。 （2）、 丝杠副的循环方式常用的循环方式有两种：滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称为内循环。图33 插管式外循环方式原理图1压板 2弯管（回珠管） 3螺母 4滚珠1）外循环 外循环多用螺旋槽式和插管式。图33所示为常用的插管式，被压板1压住的弯管2的两端插入螺母3上与螺纹滚道相切的两个孔内，引导滚珠4
34、构成循环回路。特点是结构简单、制造方便。但径向尺寸较大，弯管端部容易磨损。若不用弯管，在螺母3的两个孔内装上反向器，引导滚珠通过螺母外表面的螺旋凹槽形成滚珠循环回路，则称为螺旋槽式，其径向尺寸较小，工艺也较简单。外循环式使用较广，其缺点是滚道接缝处很难做得平滑，影响滚珠滚动的平稳性。2）内循环 内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种型式。如图34(a)所示为圆柱凸键反向器，反向器的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向器槽2。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的凸键1定位，以保证对准螺纹滚道方向。图34(b) 为扁圆镶块反向器，反向器为一半圆头平键形镶块，镶块嵌入螺母的切槽中，其端部开有反向槽3，用镶
35、块的外廓定位。两种反向器比较，后者尺寸较小，从而减小了螺母的径向尺寸及缩短了轴向尺寸。但这种反向器的外廓和螺母上的切槽尺寸精度要求较高。 图34 内循环方式原理图 1凸键 2、3反向器内循环反向器和外循环反向器相比，其结构紧凑、定位可靠、刚性好、且不易磨损、返回滚道短、不易发生滚珠堵塞、磨擦损失也小。其缺点是反向器结构复杂、制造困难、且不能用于多头螺纹传动。 由于滚珠在进入和离开循环反向装置时容易产生较大的阻力，而且滚珠在反向通道中的运动多属前珠扒后珠的滑移运动，很少有“滚动”，因此滚珠在反向装置中的摩擦力矩M反在整个滚珠丝杠的摩擦力矩Mt中所占比重较大，而不同的循环反向装置由于回珠通道的动轨
36、迹不同，以及曲率半径的差异，因而M反/Mt值较小。 3.2纵向进给系统的设计与计算经济型数控车床的改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端。对车床改造来说，外观不必象产品设计要求的那么高，而从改造方便，实用方面来考虑。一般都把步进电机放在纵向滚珠丝杠的左端。3.2.1纵向进给系统的设计计算电机初步估算转速为1500r/min，进给速度Vmax=4m/min根据机械设计手册可知： （公式31）；为滚珠丝杠的基本导程mm；Vmax丝杠的最大移动速度mm/min；nmax丝杠螺母副最大相对转速r/min；i传动比 则： 所以根据滚珠
37、丝杠基本导程的基本系列可在机械设计手册中查到Ph，选Ph=6mm。已知条件：工作台重量： W=80kgf=800N 步距角： 滚珠丝杠基本导程： L0=6mm行程： S=640mm脉冲当量 快速进给速度： =2m/min切削力计算 由机床设计手册可知，切削功率 （公式32）；式中 N电机功率，查机床说明书，N=4kw； 主传动系统总效率，一般为0.6-0.7取=0.65； K进给系统功率系数，取为K=0.96。则：=40.650.96=2.496kw 又因为式中 切削线速度，取=100m/min。主切削力 由金属切削原理可知，主切削力： （公式33）；式中： 切削深度（mm）； 进给量（mm/
38、r）；总修正系数； 从机床设计手册中可得知，在一般外圆车削时： 取： =0.51527.6=763.8N； =0.61527.6=916.5N。3.2.2滚珠丝杠设计计算根据经济型数控机床系统设计可知，综合导轨车床丝杠的轴向力： （公式34）；式中、为X、Z方向上的切削力； 导轨的摩擦系数； W为工作台的重量； K考虑颠覆力矩影响的实验系数。其中K=1.15， =0.150.18，取为0.16；则： P=1.15763.8+0.16(1527.6+800)=1250.8N;（1）计算：寿命值： = （公式35）； 为滚珠丝杠当量转速； 使用寿命时间（h）；由以上条件，可以确定步进电机与滚珠丝杠
39、齿轮之间的传动比：=1.25；由于电机轴与滚珠丝杠之间是降速传动，所以滚珠丝杠的转速为： （公式36）； ； 则： 最大动负载： 其中： P滚珠丝杠的轴向力； 寿命值；运动系数； 硬度系数；从经济型数控机床系统设计表中可查到：=1.2 ； =1； 则： 。 根据最大动负载荷Q的值，可选择滚珠丝杠的型号。可在机械计手册中查到适合的滚珠丝杠。型号为CMFZD40063.53额定动载荷18，800N，所以强度足够用。(2) 效率计算根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为： （公式37）；式中：为螺旋升角； 为摩擦角。滚珠丝杠副的滚动摩擦系数=,其中摩擦角可计算为： =arctg=；则：。(3)
40、刚度验算滚珠丝杠受工作负载P引起的导程变化量： （公式38）；式中： 滚珠丝杠的基本导程（cm）； P工作负载（N）； E弹性模量； F滚珠丝杠截面积（按内径定）（cm2）；滚珠丝杠截面积： （公式39）；其中： ；式中： 滚珠丝杠滚道圆弧偏心距； R滚道圆弧半径；其中： ； ；式中： 滚珠直径； 接触角；根据机械设计手册中的滚珠标准系列选=4mm；=45 则： R=；因此：；滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略。即：；所以，导程变形总误差为：。查表可知3级精度滚珠丝杠允许的螺距误差（1米）长为15，故刚度够用。(4) 稳定性验算由于滚珠丝杠两端采用固定支承，所以稳定性没有问题。3.2.
41、3齿轮及转距的有关计算(1) 有关齿轮计算传动比：；故取：Z1=32； Z2=40； m=2； b=20mm； =20； ； ； 。(2) 转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量： ；丝杠的转动惯量： ；式中：滚珠丝杠的公称直径； 丝杠长度；则： 齿轮的转动惯量：； 电机的转动惯量很小可忽略。因此，总转动惯量： (3) 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机轴上的加速度力矩；折算到电机轴上的摩擦力矩；由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩；切削时折算到电机轴上的加速度力矩；折算到电机轴上的切
42、削负载力矩； ；当时： ； ； ；当时： ； ； ； ；当时，时： ； ；当=0.9时预加载荷，则：；所以，快速空载启动所需力矩： =25.72+1.223+0.462=27.405Ngcm=274.05Ncm；切削时所需力矩： =1.536+1.223+0.462+7.297=105.18Ncm快速进给时所需力矩：M=Mf+M0=1.223+0.462=1.685kgfcm由上分析计算可知，所需最大力矩发生在快速启动时：Mmax=274.05Ngcm。3.3横向进给系统的设计与计算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
43、上，用法兰盘将步进电机和机床和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。3.3.1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，所用到的公式不在详细说明，只计算结果。电机初步估算转速为1500r/min，进给速度=2。根据机械设计手册可知；则： ；根据机械设计手册可查到滚珠丝杠的标准系列，初选。已知条件如下：工作台重量：； 脉冲当量：；步距角：； 进给速度：； 滚珠丝杠基本导程：；滚珠丝杠行程：；(1) 削力计算横向进给量为纵向的，取，则切削力约为纵向的： ；在切断工件时：；3.3.2滚珠丝杠设计计算(1) 强度计算对于燕尾型导轨：；取K=1.4，=0.2；则： ；寿命值： ；由机械设计手册可知，当量转速在之间变化时：根据经济型数控机床可知，最大动负载为：。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20042.53左，其中额定动载荷为14200N，所以强度够用。(2) 效率计算经计算螺旋升角，摩擦角；
