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1、双坐标数控工作台机电系统设计郑州轻工业学院本科毕业设计（论文）题 目 双坐标数控工作台机电系统设计学生姓名 专业班级 机电一体化06-1班 学 号 34 院 （系） 机电工程学院 指导教师(职称) 完成时间 2010年6月2日 郑州轻工业学院毕业设计（论文）任务书题目 双坐标数控工作台机电系统设计 专业 机电一体化 班 机电2006级 1 班 学号 34 姓名 主要内容：（一）分析课题要求，拟定总体设计方案，查阅相关文献；（二）电机、微处理器及电气控制、检测部分相关元器件选取；（三）系统总体功能及各部分结构组成硬件、硬件接口电路及相关软件设计；（四）完成设计说明书、翻译外文资料及其它相关要求。
2、基本要求：1对两坐标工作台及智能控制系统进行研究；2画出硬件结构图、工作流程图和相关电路图及软件设计；3撰写毕业设计，查阅中英文献不少于20篇；4优化系统设计，提高系统的精确性、稳定性。主要参考资料：1测控系统原理与设计 孙传有等 北京航空航天大学出版社2变频器基础及应用 第2版 刘伟强等 冶金工业出版社3PLC系统配置及软件编程 宋伯生编著 中国电力出版社4单片机原理及应用 汪文等 华中科技大学出版社5电动机的单片机控制 王晓明 北京航空航天大学出版社6上网查阅最新资料完 成 期 限：2010.3.12010.6.19 指导教师签章： 专业负责人签章： 2010年 2月 26日目 录中文摘要
3、 英文摘要 1 绪论 11.1 前言11.2 机电一体化系统综述11.2.1 机电一体化系统的基本构成11.2.2 机电一体化系统的核心技术51.2.3 机电一体化机械系统设计61.2.4 机电一体化控制系统设计71.2.5 机电一体化的发展趋势92 系统的总体方案设计 92.1 确定主要参数102.2 总体方案设计103 机械系统设计 113.1 滚珠丝杠螺母副的工作原理113.1.1 滚珠丝杠螺母副的结构及工作原理123.1.2 滚珠丝杠螺母副间隙的调整方法133.1.3 滚珠丝杠螺母副的支承143.1.4 滚珠丝杠螺母副的保护143.2 滚珠丝杠螺母副的选型和校核153.2.1 主切削力
4、及其分切削力计算153.2.2 导轨摩擦力的计算163.2.3. 计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力163.2.4 滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算163.2.5 滚珠丝杠螺母副的承载能力校验193.2.6 计算机械传动系统的刚度203.3 步进电动机的工作原理213.3.1 步进电动机的分类、结构和工作原理223.3.2 步进电动机的振荡和失步253.4 步进电动机的选型与校核253.4.1 计算齿轮传动的传动比253.4.2 计算折算到电动机轴上的负载惯量263.4.3 计算折算到电动机轴上的负载力矩273.4.4 计算折算到电动机轴上的加速力矩273.4.5 计算进给系统所需的折算到电动机轴上
5、的各种力矩283.4.6 选择驱动电动机的型号283.4.7 混合式步进电动机110BYG250A293.5 直线滚动导轨副的特点303.6 导轨的选型和计算304 控制系统设计 314.1 硬件设计314.1.1 RS-232C通信接口电路设计314.1.2 单片机的选择324.1.3 可编程RAM/IO芯片8155H344.1.4 键盘与显示电路设计354.1.5 I/O口的分配364.1.6 驱动系统设计374.1.7 电源转换404.1.8 传感器和控制面板设计404.2 软件设计424.2.1 总体方案设计424.2.2 主流程图424.2.3 INT0中断服务流程图434.2.4
6、连续鸣音30ms的控制子程序清单434.2.5 显示与延迟子程序444.2.6 步进电动机位置控制454.2.7 步进电动机的加减速控制464.2.8 绘制图弧程序流程图485 全文总结 49致 谢 50参考文献51附 录53双坐标数控工作台机电系统设计摘 要双坐标数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统,其结构简单，实现方便而且能够保证一定的精度，降低成本,是微机控制技术的最简单的应用。开环控制能充分的利用微机的软件、硬件功能以实现对机床的控制，使机床的加工范围扩大, 进一步提高机床的精度和可靠性。本文机械部分采用步进电动机通过齿轮减速器带动滚珠丝杠拖动工作台在直线滚动导轨副上运动，其中，步
7、进电动机选用110BYG250A型号。工作台控制部分以AT89C51单片机为核心，作为主控器；采用RS-232C标准串行口，通过MAX232电平转换器，实现与上位机PC的通信；利用8155H芯片实现与键盘/显示器的连接；选择步进电机配套驱动器WZM-2H110MS驱动步进电动机实现加、 减速、急停等操作，从而实现对工作台的控制。关键词：步进电动机/单片机/8155芯片The Design of The Double Coordinates NC Worktable Mechatronics SystemABSTRACTThe design of Double Coordinates NC Wo
8、rktable Mechatronics System is an open-loop control system. Its structure is simple, can be used conveniently and can ensure the precision, lower the cost.It is the most simple application of the microcomputer control technology. It can fully utilizes the crisis of software and hardware function to
9、realize the control of machine tools; Machine processing is expanded and accuracy and reliability is further improved. This machine part adopts stepper motor through the gear reducer to drive the ball screw to drive the worktable to work in the linear rolling, in the addition ,the stepping motors mo
10、del is 110BYG250A. The control section uses AT89C51 as the CPU, uses the RS-232C standard serial, through the MAX232 level converter, realize the communication with the PC, use 8155H chips with the keyboard/monitor connection, and choose stepper motor drive WZM - 2H110MS to drive add, slowing down,
11、stop and so on operation to realize the control of workbench.KEYWORDS: stepper motor/SCM / 8155 chip681 绪论1.1 前言机电一体化技术是指建立在机械、电子、传感器、接口技术、信息、计算机、自动控制等技术基础上的一种综合性技术，通过对机械、电子与信息技术的有机结合，来实现工业产品和生产过程最优化。在机械领域，由于微电子技术和微机技术的迅速发展，发展形成的机电一体化技术，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为
12、特征的发展阶段。 在传统的机械设备通常需要采用比较复杂的机械传动系统来连接各个相关的执行构件，以保证各执行构件动作的同步性和协调性。机械传动部件之间的机械磨损、间隙配合等所引起的运动误差和传动链较长等常常影响设备传动精度和效率。而且，由于人机的直接接触，事故发生率较高，后果较严重。采用机电一体化技术后，可以用电子器件、微型计算机来控制和实现各执行构件的动作及功能关系协调，实现机械产品操作的全部自动化。通过微机控制系统可以精确地按照预先给定量，同时可使相应的机械动作、各种干扰因素造成的误差，进行执行校正、补偿，从而可以达到单纯机械方法所实现不了的加工工艺精度。本文重点是二维工作台的机电系统控制的
13、设计，即通过对小型机械设备的机械和机电控制相结合来加深自己对机电一体化系统的基本原理和简单设计过程的了解。1.2 机电一体化系统综述1.2.1 机电一体化系统的基本构成1.2.1.1 机电一体化系统的基本构成要素一个机电一体化系统一般包括一下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感与检测部分、信息处理与控制单元各要素和环节之间相联系接口。具体系统中，要素的构成不太一样，例如，开环控制系统当中，不需要检测元件。机电一体化系统组成如图1-1所示。图1-1机电一体化系统的组成从机电一体化系统的功能来看，与人体有着完美的相似性，如表1-1所示。表11给出了机电一体化系统构成要素与人体构成
14、要素的对应关系机电一体化系统要素功能人体构成要素控制器（计算机等）控制（信息存储、处理、传送）头脑传感器检测（信息收集与变换）感官执行部件驱动（操作）四肢动力源提供动力（能量）内脏机械本体支撑与连接躯干(1)机械本体。包括机架、机械连接、机械传动等，用于支撑和连接其他要素，传递运动和动力，并形成有机的整体。几乎所有的机电一体化产品都离不开机械本体。例如，机器人和数控机床的机身和床身；指针式电子手表的表壳。因此对机械本体的设计要求有：l 结构新颖，体积小、重量轻、精度高、刚度大、动态性能更好、热变形小、磨损小。造型美观、色调和谐。l 整机结构使用方便，操作和维修简易。 (2) 驱动部分。按照系统
15、控制要求，为机电一体化产品提供能量和动力功能，驱动执行机构工作以完成预定的功能。提供能量的方式包括电能、气能和液压能，其中以电能为主。因此对其要求有：l 充分发挥执行部件的驱动特性，满足快速响应和工作平稳性的要求。l 足够的驱动功率余量，防止执行部件因瞬时过载而损坏。l 良好的散热措施。自动保护措施，如过压、欠压、过流、过热保护等。 (3)传感与检测系统。主要包括各种传感器及其信号检测电路，作用是检测机电一体化系统工作过程中本身和外界环境有关参量的变化，将信息传递给电子控制单元，电子控制单元根据检查到的信息向执行器发出相应的控制。要求体积小、便于安装与连接、检测精度高、抗干扰及控制性能好等。图
16、1-2 传感器分类(4)信息处理及控制系统。根据机电一体化产品的功能和性能要求，信息处理及控制系统接收传感与检测系统反馈的信息，并对其进行相应的处理、运算和决策，以对产品的运行施以按照要求的控制，实现控制功能。机电一体化产品中，信息处理及控制系统主要是由计算机的硬件和软件以及相应的接口所组成。硬件一般包括输入输出设备、显示器、可编程序控制器和数控装置。机电一体化产品要求信息处理速度高，AD和DA转换及分时处理时的输入输出可靠、精度高，系统的抗干扰能力强。(5)执行部件。 根据电子控制单元的指令驱动机械部件的运动，通常由执行元件、传动机构和执行机构组成，是实现系统目的功能的直接操纵者。执行部件一
17、般是运动部件，常采用机械、电液、气动等机构。执行机构的基本构成包括工作部分和导向部分。工作部分的形状和结构与工作对象直接相关，直接作用于工作对象。导向部分主要包括运动中的导轨导向和轴承导向。由于逐渐趋向精密化和高速化，从传统的使用滑动导轨和滑动轴承，多采用滚动轴承、滚动导轨、静压轴承和静压导轨。在要求更高速度的情况下，则采用非接触式轴承和导轨，如空气静压轴承和导轨、磁力悬浮轴承和导轨等。基于以上结构和功能要求，对执行机构设计的基本要求有：l 实现所需的运动。l 传递必要的动力。l 有良好的动态品质。机电一体化产品的5个组成部分在工作时相互协调，共同完成所规定的目的功能。在结构上，各组成部分通过
18、各种接口及其相应的软件有机地结合在一起，构成一个内部匹配合理、外部效能最佳的完整产品。1.2.1.2 机电一体化系统的构成要素的连接机电一体化系统的基本要素内部及各要素之间，通过接口耦合、运动传递、物质流动、信息控制、能量转换，有机的融合，集成一个完整系统。各要素之间必须遵循接口耦合、物质流动、信息控制、能量转换的四大原则，完成以下内容：1) 变换。两个需要进行信息交换和传输的要素之间，由于信息的模式不同（数字量与模拟量、串行码与并行码、连续脉冲与序列脉冲等），无法直接实现信息或能量的交流，必须通过接口完成信息或能量的统一。涉及的接口包括传感器接口、计算机接口。2) 放大。在两个信息强度相差悬
19、殊的要素之间，经接口放大，达到能量的匹配。3) 耦合。变换和放大后的信号在要素之间能可靠、快速、准确地交换，不需符合时序要求、信号格式和逻辑规范。接口应该具有信息逻辑控制的功能，使信息按规定模式传递。4) 能量转换。能量转换包括执行器、驱动器，各要素之间的不同类型能量的转换，应该满足最优转换方法与原理。5) 信息控制。智能组成要素的系统控制单元，在软硬件的保证下，要完成数据采集、分析、判断、决策，已达到信息控制的目的。对于智能化程度高的系统，还包含了知识的获取、推理机制及知识学习等以知识驱动为主的信息控制。6) 运动传递。运动传递是指各组成要素之间不同类型运动的变换与传输以及以运动控制为目的的
20、优化。若要完成以上内容，各个子系统相接处必须具备一定的联系条件，这些联系条件就是接口。如图1-3所示图1-3 接口分类按输入/输出性质分，接口可分为以下四类：l 零接口。不进行任何变换和调整，仅起连接作用的接口，如插头、插座、导线、电缆等。l 无源接口。只用无源要素进行变换、调整的接口，如齿轮减速器和进给丝杠等。l 有源接口。含有有源要素主动进行匹配的接口，如电磁离合器、放大器、光电耦合器等。l 智能接口。含有微处理器可进行程序编辑或可适应性的改变接口条件的可编程接口，如各种可编程接口芯片。按接口功能分类，又可将接口分为以下四种类型：l 机械接口。机械连接的接口，如联轴器、法兰、万能插口等。l
21、 物理接口。受接口部位的物理条件如电压、频率、电流、电容、压力等约束的接口。l 信息接口。受逻辑、软件约束的接口，如规格、标准、符号、语言等。l 环境接口。对周围环境条件有保护或隔离作用的接口，如防尘过滤、防水连接器、防爆开关等。1.2.2 机电一体化系统的核心技术（1） 机械技术。在当代的机电一体化系统制造过程中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。 （2） 计算机与信息技术。其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。 （3） 系统总体技术。系统总体技术即以整体的概念
22、组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互关联的若干功能单元，实现系统各部分有机连接的保证。 （4） 自动控制技术。其范围很广，在控制理论指导下，进行系统设计，设计后的系统仿真，现场调试，控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。 （5） 传感检测技术。传感检测技术是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强，系统的自动化程序就越高。现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，它是机电一体化系统达到高水平的保证。 （6） 伺服传动技术。包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，伺服系统是实现
23、电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。1.2.3 机电一体化机械系统设计相比一般的机械系统设计，机电一体化机械系统除要求具有较高的制造精度外，还应具有良好的动态响应特性，即快速相应和良好的稳定性。不同的系统，机械结构设计不同，应具体分析。但执行部件、机械本体和整体结构都必须具有。为了适应高速、高精度及与控制系统的性能、参数相匹配，机械系统设计需要进行下面工作。对执行部件进行运动计算。可使用传统的方法计算其运动轨迹、速度、方向和行程，选择适当的导向和传动机构。对执行部件进行动力计算。计算所需传递力的大小，选择、设计执行机构和传动机构中每一格零件的结构形
24、状和尺寸，并进行必要的强度、刚度验算。同时合理选择执行元件。对机械系统结构的总体或局部进行动、静特性的分析计算和测定，以计算机为手段，在各个设计阶段恰当选择现代设计方法中的相似设计、模拟设计、有限元设计、优化设计、仿真技术等方法解决设计中遇到的各类具体的和总体问题。1.2.4 机电一体化控制系统设计控制系统设计的主要内容可归纳为：确定系统整体控制方案、选择微型计算机、进行系统的硬件和软件设计，以及系统统调。1.2.4.1 确定系统整体控制方案1）确定控制任务在设计系统前，要分析控制对象的工作原理和工作过程，确定实际应用中的具体要求，作为整个控制系统设计的依据。2）构思控制系统的整体方案图1-4
25、开环控制流程图图1-5闭环控制流程图图1-6半闭环控制流程图如以上三图，系统的整体方案主要有这三种组成。其中，开环控制最简单，精度低，闭环控制最复杂，但控制精度高，半闭环居中。1.2.4.2 选择微型计算机对于微机所承担的任务给定以后，能完成控制的微机有多种方案，例如单片机，PLC、也可以选择一些已经设计好的系统等。一般以即能完成给定任务，又能充分发挥选用微机的功能，再留有一定功能余量为原则来选择。从控制生产机械或生产过程要求出发，微型机应满足以下要求：1）有较完善的中断系统。主要是中断控制方式很好的处理正常运行时的实时控制能力和发生故障时紧急处理的能力。2）足够的存储容量。当程序和数据存储器
26、的内存量不足时，应扩充内存，或配备适当的外存储器。3）完备的输入/输出设备。4）微处理芯片的选择。现在一般的控制系统多用8位，16位微处理器，虽然32位的处理芯片，现在发展较快，但主要拥有高精度，高速度，大量数据处理的控制系统，否则会造成资源的浪费。5）系统总线的选择。系统总线是微机系统中最重要的总线，其上传送的信息包括数据信息、地址信息、控制信息，因此，系统总线包含有三种不同功能的总线，即数据总线DB（Data Bus）、地址总线AB（Address Bus）和控制总线CB（Control Bus）。1.2.4.3 系统总体设计（1）硬件设计1）接口设计各子系统通过各种接口来实现传递动力、执
27、行元件、命令或信息。大部分软硬件接口都已标准化或正在逐步标准化，对于硬件接口，在设计时可以根据需要选择适当的接口，在配和接口编写相应的程序。2）操作控制台设计微机控制系统要求便于人机联系，通常都要设计一个现场操作人员使用的控制台。这个控制台不能用微机所带的键盘代替。原因是现场操作人员需要的是简单、明了、安全的操作面板，以实现对机器的操作。所以，要求操作台应有以下功能：l 数据输入键，用于输入或更新给定值、修改控制器参数或其他必要的数据。l 几组功能键或转换开关，用于转换工作方式，启动、停止系统，或完成某些功能。l 一个显示装置或显示屏，用于显示各种运行状态，参数及故障指示等，还应有一个急停按钮
28、。3）微型计算机控制系统的电源设计。根据需要选择，要有过压、短路、过载保护和热保护。(2)软件设计利用计算机的指令系统和相应的开发系统来设计系统软件，即控制软件、管理软件、诊断软件。1.2.5 机电一体化的发展趋势机电一体化系统是具有机电一体化技术的新型机电系统。其发展依赖于机械、电子、传感器、接口技术、信息、计算机、自动控制等技术，它的发展主要体现在以下几个方面：1.模块化。融合机械、电子和软件三大部分的机电一体化模块代表了未来产品的发展方向，具有高度自主性、良好的协调性和自组织性的特点。2.微型化 。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活, 可进入一般机械无法进入的空间，并易于进行精细操
29、作，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。 3.绿色化。21世纪，机电一体化技术的使命是要能提供一种高性能、高原料利用率、低能耗、低污染、环境舒适和可回收的智能化机械产品，即提供一种能满足可持续性发展的绿色产品。4.智能化。目前, 专家系统、模糊系统、神经网络以及遗传算法, 是机电一体化产品(系统) 实现智能化的4种主要技术，随着制造自动化程度的不断提高, 将会出现智能制造系统控制器来模拟人类专家的智能制造活动, 并会对制造中出现的问题进行分析、判断、推理、构思和决策。5.网络化。现场总线和局域网技术使家
30、用电器网络化已成大势, 利用家庭网络(homenet) 将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统(computer integrated appliancesystem, CIAS) ,因此机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。2 系统的总体方案设计X_Y数控工作台是生产或教学中应用最为普遍的一种机电一体化产品，它包含了机械和电气控制两部分。其中，其控制系统一般采用开环控制系统，控制简单、实现方便，而且能够保证一定的精度。2.1 确定主要参数由于本文力图设计一种小型的通用工作台，这种工作台可以用在小型的铣床、钻床、磨床等，还可以用于学校的视教再现，所以在参考了众多资料书籍以后，决
31、定选取以下设计参数：工作台面 长X宽mm 400X450工作台自重kg G 40 行 程 纵X横mm 300X300最大工件kg G 40快速进给速度m/min V=1.8步距角deg/pulse =0.75脉冲当量mm/pulse =0.01主电机功率KW P=5.5主轴转速r/min n=272铣刀直径mm D=100定位精度 20重复定位精度 8本工作台目的是要适合多种用途，为了尽可能的适合多种小型设备，所以计算中取值都偏大。2.2 总体方案设计1）机械部分设计。开环控制不需要位置检测装置，步进电动机在没有位置检测装置的情况下由它本身的特性-脉冲信号转换成直线或角位移，可以实现精确的定位
32、。所以传动系统采用步进电动机通过齿轮传动减速带动滚珠丝杠转动，进而拖动工作台实现运动。导向系统采用滚珠直线导轨副。2）控制部分设计。我们采用目前发展比较快，使用方便的AT89C51单片机作为控制部分，选择混合式步进电动机作为驱动元件，并选择其配套的驱动器作为步进电动机驱动器。计算机在管理程序的控制下，通过专用控制程序，把零件加工程序化成一定数量和频率的脉冲信号，这些指令脉冲经过配套驱动器驱动两台步进电动机运动。人机接口是一个方便操作人员与机器交流的媒介，通过这个媒介，指使机器做预定的工作。图2-1总体方案图X轴和Y轴的机械部分和控制部分相同。总体设计方案结构图如图2-1所示。3 机械系统设计3
33、.1 滚珠丝杠螺母副的工作原理图3-1滚珠丝杠丝杠螺母副是运动变换机构，其功用是将旋转运动变换成直线运动。按丝杠与螺母的摩擦性质分类：滑动丝杠螺母副，主要用于旧机床的数控化改造、经济型数控机床等； 滚珠丝杠螺母副，广泛用于中、高档数控机床； 静压丝杠螺母副，主要用于高精度数控机床、重型机床。滚珠丝杠螺母副是数控机床的丝杠螺母副中最常用，也是数控机床的进给传动系统中最常用的一种形式。本被设计采用滚珠丝杠螺母副。3.1.1 滚珠丝杠螺母副的结构及工作原理滚珠丝杠螺母副的结构有内循环和外循环两种方式。图32所示为外循环方式的滚珠丝杠螺母副结构，它由丝杠、滚珠、回珠管和螺母组成。在丝杠和螺母上各加工有
34、圆弧形螺旋槽，将它们套装起来便形成了螺旋形滚道，在滚道内装满滚珠。当丝杠相对于螺母旋转时，丝杠的旋转面经滚珠推动螺母轴向移动，同时滚珠沿螺旋形滚道滚动，使丝杠和螺母之间的滑动摩擦转变为滚珠与丝杠、螺母之间的滚动摩擦。螺母螺旋槽的两端用回珠管连接起来，使滚珠能够从一端重新回到另一端，构成一个闭合的循环回路。外循环方式制造工艺简单、应用广泛，但螺母径向尺寸较大，因用弯管端部作挡珠器，故刚性差、易磨损，噪音较大。图3-2外循环滚珠丝杠螺母副内循环方式的滚珠丝杠螺母副，在螺母的侧孔中装有圆柱凸轮式反向器，反向器上铣有S形回珠槽，将相邻两螺纹滚道连接起来。滚珠从螺纹滚道进入反向器，借助反向器迫使滚珠越过
35、丝杠牙顶进入相邻滚道，实现循环。内循环螺母结构紧凑，定位可靠，刚性好，不易磨损，反回滚道短，不易产生滚珠堵塞，摩擦损失小。缺点是结构复杂、制造较困难。内循环的工作圈数是3列。滚珠丝杠螺母副的特点l 传动效率高达85%98%，是普通滑动丝杠的24倍，不易产生爬行，使用寿命长，不易磨损；l 摩擦阻力小，静摩擦阻力及动静摩擦阻力差值小，采用它是提高进给系统灵敏度、定位精度和防止爬行的有效措施之一；l 传动精度高，可消除传动间隙，实现无间隙传动；l 施加预紧力后，可消除轴向间隙，反向时无空行程；成本高，价格昂贵；l 具有可逆性，不仅可以将旋转运动转变为直线运动，也可将直线运动变成旋转运动；l 由于效率
36、高，无自锁能力，故对于垂直使用的情况，应增加自锁装置或平衡装置。3.1.2 滚珠丝杠螺母副间隙的调整方法为了保证滚珠丝杠副的反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。常采用双螺母施加预紧力的办法来消除轴向间隙，但必须注意预紧力不能太大，预紧力过大会造成传动效率降低、摩擦力增大、磨损增大、使用寿命降低。常用的双螺母消除问隙的方法有：(1) 双螺母垫片调整间隙法滚珠丝杆螺母副采用双螺母结构（类似于齿轮副中的双薄片齿轮结构）。通过改变垫片的厚度使螺母产生轴向位移，从而使两个螺母分别与丝杆的两侧面贴合。当工作台反向时，由于消除了侧隙，工作台会跟随CNC的运动指令反向而不会出现滞后。如图3-4。 (2)
37、齿差调整间隙法如图3-5，在两个工作螺母的凸缘上分别切出齿数为Z1、Z2的齿轮，且Z1、Z2相差一个齿，即：Z2 - Z1=1两个齿轮分别与两端相应的内齿圈相啮合，内齿圈紧固在螺母座上。设其中的一个螺母Z1转过一个齿时，丝杆的轴向移动量为为S1，则有： 则如果两个齿轮同方向各转过一个齿，则丝杆的轴向位移为：例：当Z1=99，Z2=100时，可以达到很高的调整精度。(3) 双螺母螺纹调整间隙法 图3-6为利用两个锁紧螺母调整预紧力的结构。两个工作螺母以平键与外套相联，其中右边的一个螺母外伸部分有螺纹。当两个锁紧螺母转动时，正是由于平键限制了工作螺母的转动，才使得带外螺纹的工作螺母能相对于锁紧螺母
38、轴向移动。间隙调整好后，对拧两锁紧螺母即可，结构紧凑，工作可靠，应用较广。3.1.3 滚珠丝杠螺母副的支承滚珠丝杆螺母副所承受的主要是轴向载荷。它的径向载荷主要是卧式丝杆的自重。安装时，要保证螺母座的孔与工作螺母之间的良好配合，并保证孔与端面的垂直度等。这时主要是根据载荷的大小和方向选择轴承。另外安装和配置的形式还与丝杆的长短有关，当丝杆较长时，采用两支撑结构；当丝杆较短时，采用单支撑结构。图a：一端固定，一端自由：适用于短丝杆及垂直丝杆。图b：一端固定，一端浮动：一端同时承受轴向力和径向力，另一端径向力，当丝杆受热伸长时，可以通过一端做微量的轴向浮动。图c：两端固定的支撑形式：通常在它的一端
39、装有碟形弹簧和调整螺母，这样既能对滚珠丝杆施加预紧力，又能在丝杆热变形后保持不变的预紧力。 3.1.4 滚珠丝杠螺母副的保护 滚珠丝杠螺母副也可用润滑剂来提高耐磨性能及传动效率，润滑剂可分为润滑油和润滑脂两大类。润滑油一般为机械油或90180号透平油或140号主轴油；润滑脂可采用锂基润滑脂。润滑脂一般加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空隙内，而润滑油则经过壳体上的油孔注人螺母的空隙内。滚珠丝杠螺母副和其他滚动摩擦的传动元件一样，应避免灰尘或切屑污物进入滚道，因此必须有防护装置。如果滚珠丝杠副在机床上外露，应采用封闭的防护罩，如采用螺旋弹簧钢带套管、伸缩套管以及折叠式套管等。安装时将防护罩的一端连接在
40、滚珠螺母的端面，另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。如果滚珠丝杠副在机床上处于隐蔽的位置，则可采用密封圈防护，密封圈安装在滚珠螺母的两端。接触式的弹性密封圈用耐油橡胶或尼龙制成，其内孔做成与丝杠螺纹滚道相吻合的形状。接触式密封圈的防尘效果好，但因有接触压力，使摩擦力矩略有增加。非接触式的密封圈又称迷宫式密封圈，是用硬质塑料制成，其内孔做成与丝杠螺纹滚道相配合的形状，并稍有间隙，这样可避免摩擦力矩，但防尘效果差。3.2 滚珠丝杠螺母副的选型和校核3.2.1 主切削力及其分切削力计算按实际加工过程中最大铣削力为基准进行计算，例如：铣槽或铣凸台。设铣削深度，铣削宽度，进给量；用硬质合金端铣刀铣削，铣刀直
41、径，齿数，耐用度。1）计算主切削力根据已知条件，采用端面铣刀在主轴计算转速下进行强力切削，主轴具有最大扭矩并能传递主电动机的全部功率，此时铣刀的切削速度为若机械效率，2）计算各分切削力 根据表3-1可得工作台纵向切削力、横向切削力、和垂向切削力分别为表3-1 工作台工作载荷与切向铣削力的经验比值3.2.2 导轨摩擦力的计算1）计算在切削状态下的导轨摩擦力，此时导轨系数，查表得导轨紧固力，则表3-2 镶条紧固力推荐值导轨形式主电动机功率/KW2.23.75.57.5111518贴塑滑动导轨50080015002000250030003500滚动直线导轨2540751001251501752）计算
42、在不切削状态下的导轨摩擦力 3.2.3. 计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力3.2.4 滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算1）按预期工作时间估算滚珠丝杠的预期的额定动载荷已知数控机床的预期工作时间，载荷系数，初步选择滚珠丝杠的精度等级为3及精度，取精度系数，可靠性系数，取滚珠丝杠的当量转速（该转速为最大切削进给速度时的转速，已知，滚珠丝杠的基本导程，则2）按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径（1）根据定位精度和重复定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形。已知工作台的定位精度为20，重复定位精度为8，则（2）估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径滚珠丝杠螺母副的安装方式拟采用一端固定、一段游动支
43、撑方式，滚珠丝杠螺母副的两个固定支撑之间的距离为因为这是按照最极端情况计算的，所以经考虑，初选滚珠丝杠FFZD3206-3，其基本参数如下表：表3-3 FFZD3206-3技术参数型号公称直径基本导程丝杠外径钢球直径丝杠底径循环圈数动载荷静载荷刚度FFZD3206-332630.9427.931332.1839（3）确定滚珠丝杠螺母副的预紧力（4）确定滚珠丝杠螺母副支撑用轴承的规格型号轴承所承受的最大轴向载荷计算轴承的预紧力计算轴承的当量轴向载荷计算轴承的基本额定动载荷C已知轴承的工作转速与滚珠丝杠的当量转速相同，故取轴承的基本额定寿命L=20 000h，轴承所承受的轴向载荷，轴承的径向载荷和
44、轴向载荷分别为径向系数X、轴向系数Y分别为X=1.9，Y=0.54，故确定轴承的规格型号因为滚珠丝杠螺母副拟采用一端固定、一段游动的支撑方式，所以将在固定端选用角接触球轴承组背对背安装，以承受两个方向的轴向力。由于滚珠丝杠的螺纹底经为27.9mm,所以轴承的内径为20mm,以满足滚珠丝杠结构的需要。选用7602054TNI角接触球轴承两件一组背对背安装，其参数如下表：表3-4 7602054TNI角接触球轴承参数经比对，所选轴承满足要求。3.2.5 滚珠丝杠螺母副的承载能力校验1）滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷的校验滚珠丝杠的最大受压长度为=410mm，丝杠水平安装时， 本工作台滚珠丝杠螺母副的最大轴向压缩载荷为，远小于其临界压缩载荷的值，故满足要求。2）滚珠丝杠螺母副临界转速的校验滚珠丝杠螺母副的