1、Xxx 大学2009 届毕业设计CAD 图纸，加 153893706MVA6040 教育型加工中心 X 轴向进给系统设计论文作者姓名： 所 在 院 系： 机电工程学院 所 学 专 业： 机械制造及其自动化指 导 老 师： 论文完成时间： 2009 年 5 月 11 日 目 录内容摘要1关键词1Abstract1Key word11、引言 21.1 课题的背景 21.2 本论文课题的目的和意义 31.3 本论文所做的主要工作 32、对进给系统的要求及各部件的了解42.1 对加工中心进给系统的整体要求 42.2 对丝杠的要求及认识 42.3 对机床导轨的要求及认识 72.4 对支撑部分的认识及要求
2、 82.5 对伺服系统的要求 93、 进给系统方案的确定 103.1 确定系统方案 104、滚珠丝杠螺母副的设计 计算与防护114.1 精度的确定 114.2 疲劳强度的计算 124.3 传动效率 134.4 支撑跨局的计算 134.5 稳定性验算 144.6 临界转速的校核 144.7 滚珠丝杠副的 Dn 值 154.8 预拉伸计算 154.9 刚度验算 164.10 防护与密封174.11 滚珠丝杠螺母副设计使用中应注意的问题175、伺服电机 185.1 伺服电机的原理 185.2 伺服电机与步进电机的比较 195.3 最大切削负载荷转距 215.4 惯量匹配及计算负载惯量 225.5 空
3、载加速转距 235.6 机械转动装置刚度计算 245.7 伺服刚度计算 255.8 最大压区误差 25结论 26致谢 27参考文献 28内容摘要：本设计结合当今加工中心的发展，采用模块化的设计方法，结合现代机床动力学的原理，对 MA6040 教育型加工中心 X 轴向进给系统进行了详细的分析，提出了半闭环数控伺服进给系统中各种影响加工中心性能发挥的各种因素并提出了解决的方法。并且重点确保伺服系统能够实现转矩、速度和位置的精确控制，实现控制系统的目标定位精度为 0.012/300mm。作 为 数 控 系 统 与 机 床 本 体 的 “桥 梁 ”， 伺 服 技 术 直 接 影 响 零 件 加 工 的
4、 质量 、 生 产 率 及 工 作 可 靠 性 等 技 术 指 标 。 若 要 求 加 工 工 件 表 面 有 较 好 的 光 洁 度 ，则 要 求 机 床 运 动 平 稳 ， 特 别 是 在 高 速 换 向 时 的 加 减 速 控 制 ， 机 床 运 动 部 件 要有 较 高 的 运 动 精 度 和 较 小 的 惯 性 。 目 前 伺 服 技 术 的 发 展 形 势 比 较 乐 观 ， 交 流驱 动 取 代 了 直 流 驱 动 、 数 字 控 制 取 代 了 模 拟 控 制 ， 产 生 了 交 流 数 字 驱 动 系 统 。同 时 DSP 的 推 广 和 应 用 使 伺 服 系 统 的 计
5、算 速 度 进 一 步 提 高 ， 采 样 时 间 减 少 、 调试 方 便 、 柔 性 增 强 。关键词：伺服系统；模块化；伺服电机Abstract：The design of the development of todays machining centers, modular design method, combined with the principles of modern machine MVA6040 教育型加工中心 X 轴向进给系统设计- 2 -tool dynamics, the MA6040 education type X axis machining center
6、-feed system for a detailed analysis of the semi-closed-loop digital servo-feed to the system affecting the performance of machining centers and a variety of factors play a solution. And focus to ensure that the servo system to achieve torque, speed and precise position control, control system to ac
7、hieve the goal of positioning accuracy for 0.012/300mm. CNC machine tools as a body with the “bridge“, servo processing technology directly affects the quality of parts, productivity and reliability of technical indicators. If the request processing has a good surface finish, they are required to ma
8、chine a smooth movement, especially in the high-speed for the acceleration and deceleration control when the machine moving parts to have higher accuracy and less movement of inertia. Servo technology is currently more optimistic about the situation, replace the AC Drive DC Drive, Digital Control re
9、places the analog control, resulting in the exchange of digital drive system. At the same time, the promotion and application of DSP servo system so that further enhance the computing speed, to reduce sampling time, debugging convenience, enhanced flexibility.Key word: Servo system; modular; servo m
10、otor1 引言1.1 课题的背景随着计算机技术和控制理论的应用和发展，机械加工工艺设备技术水平有了迅猛的发展。数控技术是机械加工技术、计算机技术、自动控制技术及精密检测技术等多学科紧密结合的新技术。它可以保证产品达到极高的加工精度和稳定的加工质量，操作过程易于实现自动化，生产效率高，生产准备周期短，可以节省大量专用工艺设备，特别是在适应机械产品迅速更新换代、小批量、多品种生产方面，各类数控设备、加工中心、柔性制造单元（FMC） 、柔性制造系统（FMS） ，以及计算机集成制造系统（CIMS）是数控技术发展的必然趋势。 运动部件的定位误差和进给速度直接影响到机床的加工精度和切削效率，因此它们是评
11、定数控机床性能最重要的两个指标。研制高速高精度化数控机床是机械制造业发展的必然要求。机床运动部件（工作台、刀具等）的运动是由数控伺服系统来控制，其运行速度和位置精度的提高依赖于数控系统性能的提升。MVA6040 教育型加工中心 X 轴向进给系统设计- 3 -数控进给伺服装置作为数控系统的主要运动部件，其重要性是显而易见的。如果说数控系统决定了数控机床的性能和可靠性，那么数控进给伺服装置就决定了数控机床的加工精度和质量。因此，数控进给伺服装置的研发是研究数控系统的关键和主要内容。数控机床伺服系统是已机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称随动系统、拖动系统或伺服机构。在数控机床上，伺
12、服驱动系统接受来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大，将其转化为机床工作台相对于切削刀具的运动。伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是实现切削刀具与工件间运动的进给驱动和执行机构，是数控机床的“四肢” 。伺服系统的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。例如，数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位精度等重要指标均取决于伺服系统的动态和静态性能。因此，研究与开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。数控机床的伺服驱动系统按进给驱动和主轴驱动可分为：进给伺服系统和主轴伺服系统；数控机床的进给伺服系统分为纵向和横向两种，我们这次的论文题目是X 方向进给
13、系统设计。12 本论文课题的目的和意义本课题通过对教育型加工中心 X 方向进给系统的设计，系统阐述了目前在数控机床上广泛采用的半闭环控制系统的设计过程，并努力采用各种方法提高和保证设计要求的定位精度及机床稳定性等。同时为其它同类数控机床产品定位精度保证和误差补偿提供了借鉴，并为数控机床生产企业解决生产技术难题同时作为经济型数控机床普遍采用的一种形式对其进行设计在经济型数控机车日益普及的今天更加拥有现实意义。总之，高速度精密化是数控技术未来的发展方向。但改进经济型数控加工中心进给系统的设计相对于单纯改用更加高级、精密的数控伺服系统来保证日益精密的零件加工精度，是一条经济合理而又可行的途径。因此，
14、针对本项目的研究具有重要意义。1.3 本论文所做的主要工作MVA6040 教育型加工中心 X 轴向进给系统设计- 4 -本课题针对数控进给伺服系统，通过对轴承的固定与夹紧方式、滚珠丝杠螺母副的设计与计算误差补偿措施，使该系统达到了设计的要求，在理论上已经基本解决了研究的数控进给伺服系统X 方向进给系统的设计问题。在完成本课题期间主要工作有以下几个方面： （1）机械传动结构的设计、零部件选择绘出 X 方向进给系统装配图及零件图；计算并选择了滚珠丝杠螺母副，确定循环方式，进行校核保证精度；选择并选择轴承的固定与夹紧方式为以下各方面的工作作好准备工作。（2）伺服电动机的选择和校核在各种伺服电动机中选
15、择最合适的电动机，初选型号进行负载惯量计算和电动机力矩计算，校核启动矩频特性、运行矩频特性，最终选定电动机。（3）系统润滑、防尘及其他设计确定滚珠丝杠副、轴承润滑方式及润滑脂类型；对系统的防尘方式的选择。2 对进给系统的要求及各部件的了解2.1 对加工中心进给系统的整体要求数控机床进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性直接影响到工作台的坐标精度和工件的轮廓精度。为此，数控机床的进给系统应充分注意减少摩擦力，提高传动精度和刚度，消除间隙以及减少运动件的惯量等。对于高速高精度数控机床尤其如此。加工中心对进给系统的要求集中在精度，稳定性和快速响应等方面。为了满足这种要求，首先要选择高性能的饲服电动机，同
16、时也需要高质量的机械结构与之匹配，因此加工中心进给系统的机械机构应满足以下要求：（1）高的传动精度及刚度进给系统的驱动力矩很大，进给传动连的的弹性会引起工作台运动时间上的滞后性。降低了系统的快速响应特性，因此要求进给系统有较高的传动精度及刚度。MVA6040 教育型加工中心 X 轴向进给系统设计- 5 -（2）低摩擦阻力 进给运动中的摩擦阻力会降低传动效率，并产生摩擦热，特别影响系统的快速响应特性。为了提高系统的快速响应特性，还必须减小运动件的摩擦阻力和动静摩擦之差，机械传动机构的摩擦阻力主要来自丝杠和导轨，再加工中心进给系统中为了降低摩擦阻力，普片采用滚珠丝杠螺母副，塑料导轨等。（3）小的运
17、动惯量传动元件的惯量对饲服机构的启动和制动特性都有影响，尤其是处于高速运动的元件，其惯性的影响更大。因此在满足部件刚度和强度的前提下，尽量的减少运动部件的质量，减小旋转零件的直径和质量，以减少运动部件的惯量。2.2 对丝杠的要求及认识2.2.1 滚珠丝杠副介绍滚珠丝杠副作为当代数控机床进给的主要传动机构，以其长寿命、高刚度、高效率、高灵敏度、无间隙等显著特点而得以广泛应用，成为各类数控机床的重要配套部件，并已实现了标准化、通用化、商品化。近年来随着直线电机的出现，尽管使数控机床省去了中间传动机构，但由于直线电机目前存在控制系统复杂，稳定性差及推力有限等缺点，因此并没有动摇滚珠丝杠作为数控机床首
18、选传动定位元件的地位。为了满足数控机床的高速度、高定位精度、高平稳性和快速响应的要求，必须合理地选择滚珠丝杠副，并进行必要的校核计算。2.2.2 滚珠丝杠副的工作原理、组成及特点 滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其具有螺旋槽的丝杆与螺母之间装有中间传动元件滚珠。它由丝杠、螺母、滚珠和返向器等四部分组成。当丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道中滚出，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，如返向器和挡珠器，它们与螺纹滚道形成循环回路，使滚珠在螺母滚道内既自转又沿滚道循环转动。滚珠丝杠副与滑动丝杠副相比较，它以滚动摩擦代替了滑动摩擦，具有以下特点：（1）摩擦损失小、传动效率高。的摩擦
19、损失小，其传动效率可达 90%96，MVA6040 教育型加工中心 X 轴向进给系统设计- 6 -约为滑动螺旋机构效率的 23 倍；（2）磨损小、寿命长。通常滚珠丝杠副的主要零件都经过淬硬，表面粗糙度较低，且滚动摩擦的磨损很小，因而具有良好的耐磨性，精度保持性能很好，工作寿命长；（3）轴向刚度高。滚珠丝杠副可完全地消除传动间隙，不影响运动的灵活性，从而可以获得较高的轴向刚度，而且可以通过预紧来提高轴向刚度；（4）摩擦阻力小、运动平稳。由于是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差极小，其摩擦阻力几乎与速度无关，启动力矩与运动力矩近于相等。因而灵敏度高，运动较平稳，启动时无颤动，低速传动时无爬行现象；（5）
20、不能自锁。由于滚珠丝杠副没有自锁能力，用于垂直升降传动系统时必须增设自锁装置或制动装置。（6）具有传动的可逆性。由于滚珠丝杠副摩擦损失小，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可作为主动件，也可作为从动件。但是，与滑动丝杠副相比，滚珠丝杠副尚存在结构较复杂，工艺难度大，制造成本高等缺点。2.2.3 滚珠丝杠副的结构形式 根据螺纹滚道的截面形状、滚珠的循环方式、消除轴向间隙和调整预紧的方法不同，将滚珠丝杠副分成以下几种不同的结构型式：（1）道型面（法向） 较常用的滚道型面为单圆弧和双圆弧两种。单圆弧滚道型面的特点是容易得到较高的精度。但接触角不容易控制，因而
21、其传动效率、承载能力和轴向刚度均不够稳定。双圆弧滚道型面的特点是滚道型面的精加工较困难，其传动效率、承载能力和轴向刚度均较稳定。（2）循环方式 按照滚珠在整个循环过程中与丝杠表面的接触情况，循环方式可分为内循环和外循环两种。外循环 外循环就是滚珠在循环过程中，不能始终保持与丝杠表面接触，即当滚珠从螺纹滚道终端返回到滚道始端时与丝杠表面脱离接触。外循环又可分为：插管式、螺旋槽式和端盖式三种。外循环结构制造工艺简单，承载能力较高，但滚MVA6040 教育型加工中心 X 轴向进给系统设计- 7 -道焊缝处难以做的平滑，影响滚珠滚动的平稳性，甚至发生卡珠现象，外形尺寸大，噪声也较大，耐磨性差。内循环
22、滚珠在循环过程中，始终与丝杠表面保持接触的循环，叫做内循环。内循环的结构型式具有以下优点，滚珠螺母的外径尺寸较小，与滑动丝杠副螺母的外形尺寸大致相同；返向器固定牢靠、刚性好且不易磨损；滚珠的返回通道短，滚珠数目少，流畅性好，摩擦损失小，传动效率高。其缺点是不熊做成多头螺纹的滚珠丝杠副，返向器的回珠槽是三坐标空间曲面，加工较复杂。2.2.4 滚珠丝杠副的轴向间隙消除和预加载荷 滚珠丝杠副在受到负载时，其滚珠与滚道面接触点处将产生弹性变形。换向时，其轴向间隙会引起空回，这种空回是非连续的，既影响传动精度和丝杠的刚性，又影响系统的动态性能。单螺母丝杠副的间隙消除相当困难。实际应用中，常采用以下几种调
23、整预紧方法。（1） 双螺母螺纹预紧调整方式在同一根滚珠丝杠上装配两个螺母，通过调整两个螺母之间的轴向位置，在滚珠与滚道圆弧面间施加接触压力，使其产生一定的预变形，从而消除了轴向间隙，提高了滚珠丝杠副的轴向刚度。（2）垫片调整方式用螺钉联接滚珠丝杠螺母的凸缘，在凸缘间加垫片，调整垫片厚度达到消除间隙和产生预紧力的目的。这种方式结构简单，可靠性好，刚度高，拆装方便，但精确调整比较困难，工作中不能随时调整。（3）螺纹调整方式在螺母外端制有螺纹，旋转圆螺母使螺母相对丝杠作轴向移动以消除间隙和产生预紧力。这种结构既紧凑，工作又可靠，调整方便，但调整位移量不易精确控制。（4）齿差调整方式在两个螺母的凸缘上
24、分别切出齿数为 Z1、Z2 的圆柱齿轮，Z1 与 Z2 相差一个齿，通过两螺母产生的相对角位移，而使两螺母轴向相对位置发生变化，从而实现间隙的消除和施加预紧力。该调整方式的结构复杂，但调整精确可靠，精度较高；缺点是结构尺寸较大，加工工艺和装配性能较差。为了消除间隙和调整预紧，通常采用MVA6040 教育型加工中心 X 轴向进给系统设计- 8 -双螺母结构，以获得无间隙和具有预紧力的滚珠丝杠副。2.3 对机床导轨的要求及认识2.3.1 导轨副的功用 工作台的导向支承机构是导轨，导轨的作用是支承和限制运动部件（如刀架、工作台等）按给定的运动要求和规定的运动方向运动。因此，导轨的精度及其性能对其机床
25、加工精度，承载能力等有重要的影响。2.3.2 导轨的要求（1）导向精度高导向精度是指机床的运动部件，沿导轨移动是的直线性和它与有关基面之间的相互位置的准确性、无论在空载还是在切削工作状态下，导轨都应有足够的导向精度，这是对导轨的基本要求。影响导轨精度的主要原因除制造精度外还有导轨的结构形式及装配质量。导轨及其支承件的刚度和热变形对于静压导轨还有油膜的刚度等。（2）耐磨性好导轨的耐磨性是指导轨在长期的使用过程中能否保持一定的导向精度。因导轨的工作过程中难免有磨损，所以应为减少磨损量并在磨损后能够补偿并便于调整。（3）足够的刚度导轨受力变形会影响部件之间的导向精度和相对位置。因此要求导轨应有足够的
26、刚度为减轻或平衡外力的影响。数控机床常采用加大导轨面的尺寸或添加辅助导轨的方法来提高刚度。（4）低速运转平稳性要求使导轨的摩擦阻力小，运动轻便，低速时无爬行现象。（5）结构简单，艺性好所设计的导轨要制造和维修方便，在使用时便于调整和维护。2.3.3 导轨副的分类和特点 两个作相对运动的部件构成一对导轨副，其中，在工作时固定不动的配合面称为固定导轨或静导轨；相对固定导轨作直线或回转运动的配合面称为运动导轨。根据导轨副之间的摩擦情况，导轨分为滑动导轨和滚动导轨两大类。MVA6040 教育型加工中心 X 轴向进给系统设计- 9 -滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点，在机械产品中应用广泛
27、，其两导轨工作面的摩擦性质为滑动摩擦。传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。现随着技术进步，已发展出贴塑导轨、液体静压导轨、液体动压导轨等结构形式。滚动导轨的优点是摩擦系数小，一般在 0.0030.004，动、静摩擦系数很接近，低速运动一般不会产生爬行现象，并可实现高速运动；在正确安装和合理预紧的条件下，可以得到很高的刚性和传动精度，并能实现超微米级的进给精度。同时滚动接触由于摩擦能量小，滚动面的摩擦损耗也少，故能长时间地保持高精度。但滚动导轨结构复杂，几何精度要求高，抗震性较差，防护要求高，制造困难，成本高。它适用于工作部件要求移动均匀、动作灵敏以及定位
28、精度高的场合2.4 对支撑部分的认识及要求数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度除了加强滚珠丝杠本身的刚度外，滚珠丝杠的正确安装及支撑的结构刚度也是不可忽视的因素，螺母座，滚珠丝杠端部的轴承及支撑，他们加工的不精确性和受力后的变形都回影响进给系统的传动刚度，所以要求螺母座与螺母之间必须保持良好的配合。2.5 对伺服系统的要求2.5.1 对进给伺服的基本要求带有数字调节的进给调节的进给驱动系统都属于伺服系统。进给伺服系统不仅是数控机床的一个重要组成部分，也是数控机床区别于一般机床的一个特殊部分。数控机床对进给伺服系统的性能指标可归纳为：定位精度要高；跟踪指令信号的响应要快；系统的稳定性要好。（1
29、）高精度所谓进给伺服系统的精度是指系统的输出量复现输入量的精度程度（偏差） ，即准确性。它包含动态误差，稳态误差，静态误差。常用的精度指标有定位精度，重复定位精度和轮廓跟随精度。（2）稳定性MVA6040 教育型加工中心 X 轴向进给系统设计- 10 -进给系统的稳定性是指当作用在系统上的扰动信号消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下的运行，或者系统在输入的指令信号作用下，系统能够达到的新的稳定状态的能力。稳定性是系统本身的一种特性，取决于系统的结构及组成组件的参数（如惯性、刚度、阻尼、增益等） ，与外界作用信号（包括指令信号和扰动信号）的性质和形式无关。（3）快速响应无超调快速响应性是衡量伺
30、服系统动态性能的一项重要性能指标，它反映了系统的跟踪精度。为了保证轮廓切削精度和低的加工表面粗糙度，对进给伺服系统除要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。（4）宽调速范围调速范围是指机械装置要求电动机能提供的最高转速和最低转速之比。数控加工过程中，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围和优异的调速特性。经过机械传动后，电动机转速的变化范围即可转化为进给速度的变化范围。对一般数控机床而言，进给速度范围在 024m/min 时，即可满足加工要求。2.5.2 进给伺服系统的设计要求（1）机床的位置调节对进给伺服系统提出很
31、高的要求。其中静态设计方面有：擦力和负载。当加工中最大切削力为 2000N3000N 时，电机轴上的转矩需要 10Nm40Nm。很小的进给位移量。目前最小分辨率为 0.1m。高的静态扭转刚度。足够的调速范围。电机的最大转矩由快进速度决定。目前快进速度通常为10m/min12m/min。快进速度达 24m/min 以用于生产中。进给速度均匀，在速度很低时无爬行现象。（2）在动态设计方面的要求：具有足够的加速和制动转矩，以便快速地完成启动和制动过程。目前带有速度调节的伺服电机响应时间通常为 20ms100ms。在整个转速范围内，加速到快进速度或对快进速度进行制动需要转矩 20Nm200Nm；而在换
32、向时加速到加工进MVA6040 教育型加工中心 X 轴向进给系统设计- 11 -给速度需要转矩为 10Nm150Nm。驱动装置应能在很短的时间内达到 4 倍的额定转矩。具有良好的动态传递性能，以保证在加工中获得高的轨迹精度和满意的表面质量。负载引起的轨迹误差尽可能小。（3）对于数控机床机械传动部件则有以下要求：被加速的运动部件具有较小的惯量。高的刚度。良好的阻尼。传动部件在拉压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙等方面具有尽可能小的非线形。3 进给系统方案的确定3.1 确定系统方案根据定位精度要求，初步选择系统为半闭环。如果经计算发现半闭环系统不能满足定位精度要求，可改用全闭环。伺服电机的最高转
33、速（可查产品目录或有关手册）ndmax=1500r/min。工作台要求的最高速度 Vmax=10m/min。如使伺服电动机通过联轴器与滚珠丝杠螺母副直接相联，即 U=1，如使电动机丝杠的最高转速 nmax=1500r/min，则丝杠导程Pn=1000Vmax/nmax=100010/1500mm=6mm。用旋转变压器作为位置检测器，半闭环控制，位置检测分辨率为 1 个脉冲 1um。则结构简图如下：MVA6040 教育型加工中心 X 轴向进给系统设计- 12 -4 滚珠丝杠螺母副的设计计算与防护4.1 精度的确定根据使用范围及要求将滚珠丝杠副分为定位滚珠丝杠幅(P)传动滚珠丝杠副(T)，精度分为
34、七个等级，即 1、2、3、4、5、6、7、10 级，1 级精度最高，依次降低。要求定位精度为 0.012/300mm。丝杠的“任意 300mm 行程内的行程变动量V300”取为定位精度的 1/31/2，即 0.0040.006mm。有下表可知：表 41精度等级 1 2 3 4 5 7 10V300 6 8 12 16 23 52 210V2 p4 5 6 7 8 - -一级精度的丝杠 V3000.006mm。故应取 1 级精度。4.2 疲劳强度的计算 丝杠的最大载荷为最大进给才加摩擦力；最小载荷即摩擦力，最大进给力已知，为 260kg 9.8N/kg=2548N。工作台总质量为 400kg。己
35、知贴塑导轨的摩擦力为0.04，故摩擦力F =（400 0.04 9.8）N=156.8N最大载荷 Fmax=2548+156.8=2704.8N选用滚珠丝杠直径 时，须保证丝杠工作时在一定的径向载荷作用下，丝杠在旋转0d转后，在它的滚道上不产生疲劳点蚀现象，这个径向载荷的最大值是 ，即该610 mCMVA6040 教育型加工中心 X 轴向进给系统设计- 13 -滚珠丝杠螺母副所承受的最大当量的载荷 ，可用下式计算：mC3waLFfc式中：Fm轴向平均载荷；单位为 ，一般取 Fm= ； ax+2Fin3Fmax、Fmin丝杠的最大、最小工作载荷，单位为 N；L工作寿命（以 r 为单位 1） ，L
36、= ;61060mTNm平均转速，单位为 r/min, Nm= ;ax+in2Nmax、Nmin丝杠的最高、最低转速，单位为 r/min;T使用寿命，单位为 h, 一般机床可取 T=10000h,数控机床可取T=15000h。精度系数，af表 42精度系数 1、2、3 4、5 7 10af 1.0 0.9 0.8 0.7运转状态系数，w表 43运转状态系数 无冲击平稳运转 一般运转 有冲击运转f 11.2 1.21.5 1.52.5由上式知：平均载荷：Fm= = ;2Faxm+in3254816.7503平均转速：Nm= = ;N0/minr丝杠工作寿命取 T=15000h, , ，滚珠丝杠寿
37、命 L（单位为 1 转次） ；1af.5wf L= =60mT167507()rMVA6040 教育型加工中心 X 轴向进给系统设计- 14 -代入公式 331750.6752mwa KLFfCN从机电一体化技术手册 或产品样本，可采用 WD4510-2.5-P1 型外循环，垫743p片式 双螺母预紧滚珠丝杠副 2.5 圈 1 列，其额定动负载为 ，强度足够用。 29.5精度等级为 1 级，其几何参数如下：公称直径： ；导程： ；螺纹升角： ；045dm0Lm043Lractgd钢球直径： ；螺杆内径： 。.93w138.0d4.3 传动效率：()tgr丝杠的螺旋升角；r摩擦角；滚珠丝杠副的滚
38、动摩擦因数： ，摩擦角约等于 。0.3.4f10=()tgr4.9(1)t4.4 支撑跨矩的计算等于工作台最大行程（800mm）加螺母长度（153mm）家两端余程（45mm）：uL8015324103m支撑跨矩 应 约大于一点 ，取 =1300mm126cEIgNaLAyuL14.5 稳定性验算轴向固定的长丝杠在承受压缩负载时 , 应校核其压杆稳定性 , 临界压缩载荷按下式进行校核计算：MVA6040 教育型加工中心 X 轴向进给系统设计- 15 -由公式 ：2safEIPLK式中： 丝杠支撑系数，sf :12:4.73ssJfGfE材料弹性模量，钢为 ；52.061NmI丝杠底径惯性矩； ，
39、 为底径；42()dI1L支撑矩离（ ） ；mK安全系数，一般取k=3；41max280850sfdFN4.6临界转速的校核临界转速的核算是校核所选定的滚珠丝杠副的名义直径，在给定的支撑条件下，其最高转速是否有靠近其横向固有频率而发生共振的危险。一般对转速小于100r/min的丝杠可不进行此核算。由公式 ：式中：260cEIgNaLAy安全系数； = ；.8丝杠支撑系数，:1.75342:.9GZJ支撑矩离；L材料弹性模量，钢为： ；E522.061NmI丝杠底径惯性矩； ；42()dI丝杠底径处断面积；AMVA6040 教育型加工中心 X 轴向进给系统设计- 16 -比重，钢为 ；y37.8
40、gcm重力加速度， ；g9/Nk=3977maxn260cEINLAy/inr4.7滚珠丝杠副的Dn值精密等级1-5级 d0nmax70000 精密等级7-10级 d0nmax50000 d0-滚珠丝杠的节圆直径(mm) nmax -滚珠丝杠副的最高转速*(r/min) 由己知滚珠丝杠副为1级精度， 所以 d0nmax=451500=67500700004.8预拉伸计算a.温升引起的伸长量 ，设温升为3.5，则螺纹部分伸长量为： t 3式中；a线膨胀系数；tulm；6103.5th丝杠全长的伸长量： m。61.t为此，丝杠的目标行程可定为比公称行程小 。丝杠在安装时，进行预拉0.4/3伸，拉伸
41、量为 。0.5mb.预拉伸后，根据材料力学欧拉公式079tuAEFNL4.9 刚度验算：X向进给滚珠丝杠的支撑间矩 ，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧130lm力为最大轴向负荷的1/3，丝杠变形量计算如下：滚珠丝杠截面积，按丝杠螺纹的底径确定：A= 2218.34mMVA6040 教育型加工中心 X 轴向进给系统设计- 17 -工作负载 引起的导程 的变化量 可用下式计算：mF0L0式中：00LEA轴向平均载荷（N） ；m材料弹性模量，钢为 ；522.061Nm滚珠丝杠截面积；A= ；A2()4d400 51700.712.68.3mFLE则丝杠的拉伸或压缩变形量 ；1=1420.701.961
42、0l mL由于丝杠两端均采用了深沟球轴承与推力轴承，且丝杠又进行了预紧，故其拉压刚度可比一端固定的丝杠提高 4 倍，其实际变形量为 22110.93610.314滚珠与螺纹滚道间接触变形 ；由公式得2320.0.216mQFdZ由于进行了预紧，所以实际变形量为滚珠与螺纹滚道间接触变形 1/2，2210.216.08支撑滚珠丝杠的轴承为 8307 型推力球轴承，几何参数为： 、滚动体135dm直径 、滚动体数量7.938Qdm0452.93QDZd轴承的轴向接触变形 可按公式：3=32231750.40.40.3.984mQFmdZMVA6040 教育型加工中心 X 轴向进给系统设计- 18 -
43、因施加了预紧力故实际变形量 310.23.152m根据以上计算，总变形量为： 22221230.4.5.80.47一级精度丝杠允许的螺矩误差为 0。012/300mm，故刚度够用。4.10 防护与密封：为防止意外机械损伤，避免尘埃、污物及铁屑进入丝杠-螺母内，在丝杠轴上应安装防护装置（例如：螺旋滚珠弹簧保护套、折叠式防护套等） ，在螺母两端安装密封圈。4.11 滚珠丝杠螺母副设计使用中应注意的问题(1) 为提高滚珠丝杠副的使用寿命和精度，应使作用在螺母上的合力通过丝杠轴心，以保证滚珠受力均匀，避免倾覆力。 (2) 放逆转：滚珠丝杠副传动逆效率高，应考虑在电机停电后，因部件自重而产生螺旋副的逆传
44、动(特别是在垂直方向上传动时)，防止逆传动的方法可采用：停电自锁的电机、蜗轮蜗杆机构、离合器等方式。 (3) 滚珠丝杠副在行程两端应有行程保护装置，以防止越程后滚珠丝杠副受撞击而影响精度、使用寿命甚至损坏。 (4) 防止热变形：热变形对精密螺旋传动的定位精度有着重要的影响。其热源不单是螺旋副的摩擦热，还有其他机械部件工作时产生的热，致使丝杠热膨胀而伸长。为此必须分析热源的各因素，采用措施控制热源，还可以采用预拉伸、强制冷却等减少热变形对丝杠的伸长的影响。 (5) 细长而又水平放置的丝杠，因自重使轴线产生弯曲变形，是影响导程累积误差的因素之一，还会使螺母受载不均。设计细长丝杠时，应考虑防止或减小
45、自重弯曲变形的措施。 (6) 防护与密封：尘埃和杂质进入滚道会妨碍滚动体运动流畅，会加速滚动体与滚道的磨损，使滚动螺旋副丧失精度。为此需要防尘措施。博特牌滚珠丝杠副在螺母两端已安装防尘圈，为避免丝杠外露，用户还需要为丝杠选择防护装置。 (7) 合理润滑是减小驱动转矩、提高传动效率、延长螺旋副使用寿命的重要环节。MVA6040 教育型加工中心 X 轴向进给系统设计- 19 -接触表面的油膜还有吸振、减小传动噪声和冲洗丝杠上的粉尘等杂物的作用。因此要注入润滑脂。在螺母上还有油孔，用户可旋入油嘴，再采用其他合适的润滑方式。(8) 正确选择预紧力：我公司的滚珠丝杠副出厂时已经按要求调节好您所需要的预紧力，如果使用过程中有超程或需要拆卸请及时与我公司联系，以便从新调整安装。严禁自行拆卸滚珠丝杠副的各个部件，以免影响其精度。严禁敲击和拆卸导珠管，以免造成滚珠堵塞，运转不流畅。 (9) 建议采用适应于数控机床的大接触轴承以提高传动刚度。 (10) 用内循环滚珠丝杠副，必须使丝杠螺纹两端中至少有一端的滚珠螺纹是通牙，并该端所有外圆尺寸
