《最新CA6140型普通车床的数控改造.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《最新CA6140型普通车床的数控改造.doc（188页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-dateCA6140型普通车床的数控改造前言第1章 绪论1.1 数控系统发展及趋势1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质
2、的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。1.1.1数控（NC）阶段（19521970年）早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路搭成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIRED NC），简称为数控（NC）。随着元器件的发展，这个阶段经历了三代，即1952年的第一代电子管；1959年的第二代晶体管；1965年的第三代小规模集成电路。1.1.2计算机数控（CNC）阶段（1970年现在）到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从
3、此进入了计算机数控（CNC）阶段（把计算机前面应有的通用两个字省略了）。到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR），又可称为中央处理单元（简称CPU）。到1974年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。到了1
4、990年，PC机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于PC的阶段。总之，计算机数控阶段也经历了三代。即1970年的第四代小型计算机；1974年的第五代微处理器和1990年的第六代基于PC（国外称为PC-BASED）。还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即CNC）了，而我国仍习惯称数控（NC）。所以我们日常讲的数控，实质上已是指计算机数控了。1.1.3.数控未来发展的趋势 (1) 继续向开放式、基于PC的第六代方向发展基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条
5、道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。(2) 向高速化和高精度化发展这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。 (3) 向智能化方向发展随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。1.2 普通机床数控改造的必要性1.2.1微观看改造的必要性从微观上看，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。 (1) 可以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
6、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。 (2) 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。 (3) 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。 (4 ) 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 (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
7、长时间无人看管加工。由以上五条派生的优点：(1)降低了工人的劳动强度；(2)节省了劳动力（一个人可以看管多台机床）；(3)减少了工装；缩短了新产品试制周期和生产周期；(4)可对市场需求作出快速反应等等。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。1.2. 2. 宏观看改造的必要性 从宏观上看，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
8、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MIS（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。
9、1.3 数控改造的内容及优缺点1.3.1 国外改造业的兴起在美国、日本和德国等发达国家，它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。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个永恒的课题。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。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数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生（Remanufacturing）业。从事再生业的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton机床公司、Devlieg-Bullavd（得宝）服务集团、US设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在
10、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、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。1.3.2 数控化改造的内容机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点：（1）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；（2）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；（3）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；（4）是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了
11、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。1.3.3 机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。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。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，往往改造成本提高23倍，与购置新机床相比，只能节省投资50左右。 2. 机械性能稳定可靠，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
12、年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。 3. 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。 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。5. 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。1.4 数控机床的构成及分类1.4.1 数控机床的组成数控机床外
13、形一般分为五部分，组成框图如图11所示。1. 机床主机 机床主机是数控机床的主体，它包括床身、主柱、主轴、进给机构等机械部件。2. 数字控制系统 是数控机床的核心。当前一般采用计算机数控（Computered Numerical Control简称CNC）系统。它是一台专用控制计算机，包括硬件（印制电路板、显示器、键盘、阅读机等）项控制功能。现代数控机床的数控系统都具有下面一些功能： (1)多坐标控制（多轴联动）。(2)实现多种函数的插补运算：直线、圆弧、抛物线、正弦线等。(3)代码转换：EIA/ISO转换、英制/公制转换、二/十进制转换、绝对值/增量值转换等。(4)人机对话：手动数据输入，加
14、工程序输入，编辑及修改等。(5)加工选择：各种加工循环，重复加工，凹（凸）模加工，镜象加工等。(6)实现各种补偿功能：进行刀具半径、刀具长度、传动间隙、螺距误差的补偿。(7)实现系统故障诊断。(8)屏幕显示：实现图形、轨迹、字符显示。(9)联网及通信功能。3. 驱动装置 驱动装置是数控机床执行机构的驱动部件。一般通用机床的主轴和进给系统是由电动机驱动主轴箱中转动齿轮来实现速度变换和加工运动。4. 辅助装置 辅助装置是保证数控机床的功能得以充分发挥的配套部件。它包括的面很广，有电器、液压、气压等器件及系统，冷却、润滑、输送等装置，由于它们对发挥数控机床功能起重要作用，因此受到重视，发展极为迅速。
15、5. 其它附属设备 为了提高数控机床工作效率，常常还配置一些附属设备，如自动编程机，机外对刀仪等。1.4.2 数控机床的分类目前，数控机床品种已经基本齐全，规格繁多，据不完全统计已有400多个品种规格。可以按照多种原则来进行分类，但归纳起来，常见的是以下面三种方法来分析类。1. 按工艺用途分类(1)一般数控机床这类机床和传统的通用机床品种一样，有数控车、铣、镗、钻、磨等，而且每一类又有很多品种，例如数控铣床中就有立铣、卧铣、龙门铣等，这类机床的工艺可能性和通用机床相似，所不同的是它能加工复杂形状的零件。(2)数控加工中心机床这类机床是在一般数控机床的基础上发展起来的，它是一般数控机床上加装一个
16、刀库（可容纳10100多把刀具）和自动换刀装置而构成的一种带自动换刀装置的数控机床（又称多工序数控机床），这使数控机床更进一步地向自动化和高效化方向发展。 它和一般数控机床的区别是：工件经一次装夹后，数控装置就能控制机床自动地更换刀具，连续地对工件各加工面自动地完成铣、镗、钻、铰及攻丝等多工序加工。这类机床大多是以镗铣为主，主要用来加工箱体零件。(3)多坐标数控机床有些复杂形状的零件，用三坐标的数控机床还是无法加工，如螺旋架、飞机曲面零件的加工等，需要三个以上坐标的合成运动才能加工出所需的形状，于是出现了多坐标的数控机床。其特点是数控装置控制的轴数较多，机床结构也比较复杂。其坐标轴数通常取决于
17、加工零件的工艺要求，现在常用的是46坐标的数控机床，最多可达24坐标。(4)计算机群控计算机群控也称为直接数控（DNC）系统，它是一台大型通用计算机直接控制一群数控机床的系统。2. 按运动方式分类(1)点位控制数控机床这类机床的数控装置只能控制机床移动部件从一个装置（点）精确地移动到另一个位置（点），在移动过程中不进行任何切削加工，至于相关点之间的移动速度及路线则取决于生产率。(2)点位直线控制数控机床这类机床工作时，不仅要控制两相关点之间位置，还要控制两相关点之间的移动速度和路线（即轨迹）。(3)轮廓控制数控机床这种机床的控制装置能够同时对两个或两个以上的坐标轴进行连续控制。3. 按控制方式
18、分类(1)开环控制数控机床在开环控制中，机床没有检测反馈装置，如图12所示，数控装置发出信号的流程是单向的，所以不存在系统稳定性问题。也正是由于信号的单向流程，它对机床移动部件的实际位置不作检测，所以机床加工精度不高，其精度主要取决于伺服系统的性能。其工作过程是：输入的数据经过数控装置运算分配出指令脉冲，通过伺服机构（伺服元件常为步进电机）使被控工作台移动。这种机床工作比较稳定，反应迅速，调试方便，维修简单，但其控制精度受到限制。它适用于一般要求的中、小型数控机床。(2)半闭环控制数控机床半闭环数控系统的组成框图如图13所示。这种控制方式对工作台的实际位置进行检查测量，而是通过与伺服电机有联系
19、的测量元件，如测速发电机A和光电编码盘B等间接检测出伺服电机的转角，推算出工作台的实际位置量，用此值与指令值进行比较，用差值来实现控制。由于工作台没有完全包括在控制回路内，因而称之为半闭环控制。这种控制方式介于开环与闭环之间，精度没有闭环高，高度却比闭环方便。(3)闭环控制数控机床由于开环控制精度达不到精密机床和大型机床的要求，所以必须检测它的实际工作位置。为此，在开环控制数控机床上增加检测反馈装置，在加工中时刻检测机床移动部件的位置，使之和数控装置所要求的位置相符合，以期达到很高的加工精度。闭环控制系统框图如图14所示。图中A为速度测量元件，C为位置测量元件。1.5 普通机床数控化改造市场1
20、.5.1 改造的市场我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3。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）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，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，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个
21、企业的产品、市场、效益。所以必须大力提高机床的数控化率。1.5.2 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。据不完全统计，从19791988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，大部分项目为我国的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，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，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、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完
22、整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也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。第二章 数改C6140普通车床改造的总体方案2.1 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
23、机床的改动尽可能少，以降低成本。根据C6140车床有关资料以及数控车床的改造经验，确定总体方案为：采用微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2-1 数改C6140车床总体方案示意图2.1.1 主传动系统和进给系统的改造C6140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。
24、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。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。1. 机械部分的改造首先拆去进给箱、溜板箱；还要对车床的床鞍进行部分的改造，拆去纵向小拖板、 横向拖板的丝杠换成滚珠丝杠，并且由一端驱动的步进电机来控制。2. 架的改造C6140普通车床的刀架不能满足数改后的车床的性能和精度的要求。所以，必须要换成数控自动刀架。2.1.2主轴脉冲发生器由于C6140普通车床的主传动系统的精度及其灵活性基本满足数改后车床精度的要求。改造后的车床既需要考虑一定的技术要求，以实现造价低廉、经济方便的要求。所以在改造时，仍
25、然保留原有的主传动系统，只是为了在车螺纹时保证主运动与进给运动的联系，在原床头X轴输出端上安装一个脉冲发生器，发生脉冲以使步进电机准确地配合主轴的旋转而产生进给运动，从而完成车削螺纹的动作，其车螺纹的控制电路如图22所示：C6140普通车床在加工螺纹时，为了得到符合加工要求的螺距，就必须保证主轴和进给之间的联系。但是，在数改后的车床上，由于主轴的运动与进给运动之间没有机构上的直接联系，为了变成这些功能，就设置了主轴脉冲发生器，发出脉冲以使步进电机准确地配合主轴的旋转而产生进给运动，这样既可以解决了主轴转一转，车刀进给一个螺距的动作的问题，进而在单片机系统的控制下，保证这种联系的顺利完成。2.1
26、.3 主轴脉冲发生器的结构及原理 图23（a）所示是脉冲发生器的结构原理图：图23 主轴脉冲发生器示意图脉冲发生器的组成部分包括白炽灯、聚光镜、光栅盘、光阑板、光敏管及其光电整形放大电路组成。光栅盘和光阑板都是玻璃材料制成，玻璃表面经过研磨抛光后用镀膜法镀上一层不透光的铬层，透光条及用照相腐蚀法制成。在光栅盘上刻有明暗条纹，有单条和1024个条两组。当平行光束经过光栅盘时，在光栅盘的另一面就产生明暗光带，这光带通过一个光阑狭缝，照在对应的光敏管上，从而产生光电脉冲信号，经斯密特电路整形后输出。单条纹的一组产生同步脉冲，每转发一个脉冲；1024条纹的一组通过光栏上两个相位差/4间距的狭缝，产生两
27、组每转1024个脉冲组相差为/4的脉冲序列，供给微机处理，借以判断主轴正、反转，且可以从1024个脉冲中均匀地取出F个脉冲，作为中断信号控制插补速度，实现F进给控制的目的。第三章 数改C6140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，传动装置是伺机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
28、跟踪指令信号的响应要快，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、高谐振频率能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）尽量采用低摩擦的传动，如采用静压导轨、滚动导轨和滚动丝杠等，以减少摩擦力。（2）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）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
29、结构等办法来提高传动系统的刚度。（4）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。3.1 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。31 滚珠丝杠结构原理图3.1.1 滚珠丝杠副的工作原理、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b
30、，将几圈螺旋滚道的两端连接起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
31、本高。国产的标准滚珠丝杠副分为两类：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
32、调整和预加载的方法等方面。1. 螺纹滚道型面的形状及其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。32 滚珠丝杠副螺旋滚道型面的形状 （a） 单圆弧 （b）双圆弧(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
33、承载能力随之增大。(2) 圆弧型面 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。(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滚珠式，被压板1压住的弯管2的两端插入螺母3上与螺纹
34、滚道相切的两个孔内，引导滚珠4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
35、的切槽中，其端部开有反向槽3，用镶块的外廓定位。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。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、 34 内循环方式原理图 1凸键 2、3反向器且不易磨损、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
36、的循环反向装置由于回珠通道的动轨迹不同，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： ；为滚珠丝杠的基本导程mm；Vmax丝杠的最大移动速度mm/min；nmax丝杠副最大相对转速r/min；i传动比
37、 则： 所以根据滚珠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=95kgf=950N 步距角： 滚珠丝杠基本导程： L0=6mm行程： S=1000mm脉冲当量 快速进给速度： =4m/min切削力计算 由机床设计手册可知，切削功率 式中 N电机功率，查机床说明书，N=7.5kw； 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：=7.50.650.96=4.68kw 又因为式中 切削线速度，取=150m/min。主切削力 （N）由金属切削原理可知，主切削力： 式中： 切削深度（mm）； 进给量（
38、mm/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： =0.51909.44=954.72N； =0.61909.44=1145.664N。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： ；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=1.15954.72+0.16(1909.44+950)=1555.45N;（1）计算：寿命值： =； 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： =；由机械设计手册可知，当量转速在之间变化时： ；取为1r/min；则： ；取 =600；则： =(转)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： ；式中：为螺旋升角； 为摩擦角。其中： 为滚珠
40、丝杠基本导程； 为滚珠丝杠的公称直径； =；滚珠丝杠副的滚动摩擦系数=,其中摩擦角可计算为： =arctg=；则：。(3) 刚度验算滚珠丝杠受工作负载P引起的导程变化量： ；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： ；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
41、）长为19，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。3.2.3 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；
42、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： =917.7+14.522+5.776=738.000Ngcm；切削时所需力矩： =15.7+1.4522+0.5776+9.12=26.85kgfgcm=268.5Ngcm；快速进给时所需力矩：M=Mf+M0=1.4522+0.5776=2.0298kgfgcm=20.298Ngcm；由上分析计算可知，所需最大力矩发生在快速启动时：Mmax=738.000Ngc
43、m。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： ；由以上条件，可以确定步进电机与滚珠