C6140普通车床工作台数控改造毕业设计论文说明书

陕西理工学院毕业论文 (设计 ) CA6140 型普通车床数控化改造 摘 要 以 C6140 型普通车床为例，从机械和电气方面详细阐述了数控化改造的方法。改造后的车床投入使用后运行稳定，加工精度明显提高，取得了极大的经济效益。 关键词 普通车床；数控化改造； SINUMERIK802S base line Numerical Control Transformation of C6140 Common Lathe （ Grade 06,Class 2,Major machine design manufacture and autormation， School of Mechanical Engineering， Shaanxi University of Technology， Hanzhong 723003， Shaanxi） Abstract ： Takes CA6140 type common lathe as an example ,has explained the NC transformation method from machinery and electric two respects in detail. After trans forming, the new lathe runs steadily, the machining accuracy is obviously improved, has made the great technological economic benefits. Key words： common lathe； NC transformation； SINUMERIK802S base line 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 1 页 共 41 页 目 录 引 言 . 4 第一章 概述 . 5 第二章 总体方案的设计 . 7 2.1 设计任务 . 7 2.2 总体方案的论证 . 7 2.3 总体方案的确定 . 7 2.4 数控系统的选择 . 8 第三章 机械部分改造 . 9 3.1 机械传动方式 . 9 3.2 数控机床进给伺服系统的设计计算 . 9 3.2.1 选择脉冲当量 : . 9 3.2.2 算切削力 :. 9 3.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型横向进给丝杠 : . 10 3.3.1 计算进给 牵引力 Fm (N) . 10 3.3.2 计算最大动负载 C： . 10 3.3.3 选择滚珠丝杠螺母副： . 10 3.3.4 传动效率计算 ： . 10 3.3.5 刚度验算 . 11 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 2 页 共 41 页 3.3.6 校核 . 12 3.4 齿轮传动比计算 ： . 17 3.5 步进电机的计算和选型： . 17 3.5.1 等效转动惯量计算 ： . 17 3.5.2 电机力矩的计算机： . 18 3.5.3 步进电机空载启动频率和切削时的工作频率： . 20 3.6 纵向进给系统 . 20 3.6.1 设计参数 . 20 3.6.2 齿轮传动比计算 . 21 3.6.3 滚珠丝杠的计算及选择 . 21 3.6.4 校核 . 22 3.7 机械部分改造 . 26 3.8 主轴脉冲编码器的安装 . 27 第四章 数控系统选择 . 28 4.1 西门子数控系统的优点 . 28 4.2 数控连线图 . 29 4.3 步进电动机的控制 . 29 4.3.1 步进电动机的开环控制 . 30 4.3.2 步进电动机传动控制 . 31 4.3.3 步进电动机的 PLC传动控制 . 33 4.4 PLC 数控系统需解决的问题 . 36 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 3 页 共 41 页 4.5 PLC 输入、输出（ I/O）点数确定 . 37 4.6 驱动程序（梯形图）设计 . 37 4.6.1 总程序结构设计 . 38 4.6.2 手动程序梯形图设计 . 38 4.7 电气部分改造 . 38 结 论 . 41 致 谢 . 42 参考文献 . 43 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 4 页 共 41 页 引 言 制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国或地区经济的实力，科技水平，生活水准和国防实力。国际市场的竞争归根到底是各国制造生产能力及机械制造装备的竞争。 随着机械制造生产模式的演变 ,对机械制造装备提出了不同的要求 .在 50 年代“刚性 ”生产模式下，通过提高效率，自动化程度 ,进行单一或少品种的大 批量生产，以“规模经济 ”实现降低成本和提高质量的目的。从 90 年代开始，为了对世界生产进行快速响应，逐步实现社会制造资源的快速集成，要求机械制造装备的柔性化程度更高 ,采用拟实制造和快速成形制造技术 1。 工业发达国家都非常注重机械制造业的发展，为了用先进技术和工艺装备制造业，机械制造装备工业得到先发展。对比之下，我国目前机械制造业的装备水平还比较落后，表现在大部分工厂的机械制造装备基本上是通用机床加专用工艺装备，数控机床在机械制造装备中的比重还非常低，导致 “刚性 ”强 ,更新产品速度慢，生产批量不宜太小，生产品 种不宜过多；自动化程度基本上还是 “一个工人，一把刀，一台机床 ”，导致劳动生产率低下，产品质量不稳定。 因此，要缩小我国同工业发达国家的差距 ,我们必须在机械制造装备方面大下功夫，其中最重要的一个方面就是增加数控机床在机械制造装备中的比重 1。 通过这次毕业设计，可以达到以下目的： 1，培养综合运用专业基础知识和专业技能来解决工程实际问题的能力； 2，强化工程实践能力和意识 ,提高本人综合素质和创新能力； 3，使本人受到从事本专业工程技术和科学研究工作的基本训练 ,提高工程绘图、计算、数据处理、外文资料文献阅读、使用计 算机、使用文献资和手册、文字表达等各方面的能力； 4，培养正确的设计思想和工程经济观点，理论联系实际的工作作风，严肃认真的科学态度以及积极向上的团队合作精神。 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 5 页 共 41 页 第一章 概述 数控机床可以较好地解决形状复杂、精密、小批及多变零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率，但是数控机床的应用也受到其他条件的限制。首先，数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，中小企业常是心有余而力不足；目前，各企业都有大量的普通机床。 完全用数控机床替换根本不可能，而且被替代下的机床闲置起来又会造成浪费；在国内，订购新数控机床的交货 周期一般较长，往往不能满足生产急需；要较好地解决上述问题，应走普通机床数控改造之路。低成本普通车床数控化改造是一项适合我国实际情况的先进适用技术，也是一项提升我国机床数控化率的有效途径。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。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。 1.1 机床数控化改造的必要性 从提高资本效率出发，改造闲置设备，能发挥机床的原有功能和改造后的新增功能，从而提高机床的使用价值； 适用于多品种、小批量零件生产； 数控改造费用低，减少了投资额，经济性好。数控改造费用仅为新购一台数控机床的 15 25，同购置新机床相比，一般可以节省 75 85的费用。 力学性能稳定可靠，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，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，应此数控化改造使原有的机械结构更为简单； 熟悉了解设备、便于操作维修，降低了操作者的技术要求，更易提高管理水平； 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 样需重新地基； 可以采用最新的控制技术； 交货期短，可满足生产急需。 机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床数控机床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数陕西理工学院毕业论文（设计） 第 6 页 共 41 页 控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目， 并开创机械产品向机电一体化发展的先 驱。 数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。 1.2 普通机床 数控改造的 主要优点 1. 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件； 在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工 件的加工程序，就能实现新工件加工。 2. 加工精度高； 3. 生产效率高； 4. 减轻劳动强度，改善劳动条件； 5. 良好的经济效益； 6. 有利于生产管理的现代化。 数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。 我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的 素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的 1/10 左右，差距太大，急待改造。 旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。 随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、 PC 技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数 控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。 1984 年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，本毕业设计实例具有典型性和实用性。 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 7 页 共 41 页 第二章 总体方案的设计 2.1 设计任务 本设计任务是对 CA6140 普通车床 工作台 进行数控改造 熟悉普通车床 6140 的工作台基本传动机构（横向和纵向）。利 用微型计算机改造现有的普通车床，主要应该解决的问题是如何将机械传动的进给和手动控制的刀架转位，进给改造成由计算机控制的刀架自动转位以及自动进给的自动加工机床，即经济型数控车床。 利用 PLC 对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向（ Z 向）脉冲当量为 0.01mm/脉冲，横向（ X 向）脉冲当量为 0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。 2.2 总体方案的论证 对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。 （ 1）数控系统运动方式的确定 ： 数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续控制系统。由于要求 CA6140 车床加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用两轴联动连续控制系统。 （ 2）伺服进给系统的改造设计 ： 数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。 因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。所以，本设计决定采用开环控制系统。 （ 3）数控系统的硬件电路设计 ： 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基 础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。 2.3 总体方案的确定 经总体设计方案的论证后， 数控化改造设计时 ,在满足车床总体布局的前提下要尽可能利用原来的零部件 ,因此确定总体改造方案如下 ： (1) 拆除原车床的纵向和横向丝杠及光杠、溜板箱及挂轮箱中的齿轮 ， 用滚珠丝杠替换原有普通滑动丝杠 ， 将选取的纵向滚珠丝杠副通过托架安装在原溜板箱与床鞍连接的部位上 ， 纵横向滚珠丝杠两端尽可能利用原固定和支承方式。为便于安装滚珠丝杠副 ，丝杠采用分体式 ， 用套筒联轴器实刚性联接 ； (2) 横向驱动电机 及齿轮减速器安装在床鞍的后部 (相对操作者 ) ， 纵向驱动电机及齿轮减速 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 8 页 共 41 页 装置安装在机床的右端 ， 靠近尾座的位置 ； (3) 要实现自动换刀 ， 需拆除原手动刀架 ， 在小拖板上安装数控转位刀架 ； (4) 为了使改造后的车床能够加工螺纹 ， 需要加装主轴脉冲编码器 ， 以实现对主轴转速的同步检测 ， 编码器安装在挂轮箱内 ； (5) 为使加工过程中不超程 ， 纵横向要安装行程限位开关 ； (6) 为实现回参考点的动作 ， 必须在纵横向安装接近开关 ； (7) 纵、横向齿轮箱和丝杠全部加防护罩 ， 以防脏物、油污和切屑等进入 ， 机床整体也要加装防护罩 ， 以 防止加工过程中的切屑飞溅伤人 ； (8) 考虑到改造的成本 ， 尽可能采用可靠性高的经济型数控系统。图 1为总体改造示意图 图 1 总体改造示意图 1. 横向滚珠丝杠副 2. 横向电机 3. 横向减速器 4. 尾座 5. 纵向 减速器 6. 纵向电机 7. 支架 8. 纵向滚珠丝杠副 9. 数控转位刀 架 10. 主轴脉冲编码器 2.4 数控系统的选择 选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、各种性能等选择性价比合适的系统 ,避免系统功能过剩 ,同时考虑到原车床的精度和改造成本、周期和难易程度等各方 面因素 ,决定采用步进电机作为驱动元件、开环控制的经济型数控系统。SINUMERIK 802S base line 是西门子公司专门为中国数控机床市场开发的经济型 CNC 控制系统。其结构紧凑 ,具有高度集成于一体的数控单元、机床操作面板和输入输出单元 ,机床调试配置数据少 ,容易改造成功。最终决定采用西门子经济型数控系统 SINUMERIK 802S base line。 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 9 页 共 41 页 第三章 机械部分改造 3.1 机械传动方式 为实现机床所要求的分辨率 ， 采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠 ， 为保证一定的传动精度和平稳性 ， 尽量 减少摩擦力 ， 选用滚珠丝杠螺母副 。 同时 ， 为提高传动刚度和消除间隙 ， 采用有预加负荷的结构 。 齿轮传动也采用消除齿侧间隙的结构 。 横向进给系统改造 横向滚珠丝杠也采用一端固定 ， 一端浮动 ， 三点支承的形式 ， 也通过双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙 ， 如图 5 所示。横向步进电机 1 及减速器 2 安装在床鞍的后部。靠近操作者一端 ， 布置一根支撑短轴 11， 通过套筒联轴器 10 与滚珠丝杠 7 连接起来。右端仍利用原支承横向进 给丝杠的滑动轴承支座作为径向支承 ， 并对原支承处作适当改造 ， 布置一对推力球轴承 12 ,以承受双向轴向力。左端则将原车床的悬空结构改为支承结构 ， 用一个联轴套 4 和一根连接短轴 6 把滚珠丝杠 7 与减速器输出轴 3 连接起来 ， 并通过一对圆螺母 5 实现对整个丝杠的预拉伸和锁紧 ， 以提高其轴向刚度。螺母通过螺母座 9 直接固定在中拖板 8 上。 3.2 数控机床进给伺服系统的设计计算 3.2.1 选择脉冲当量 : 根据机床精度要求选择脉冲当量 ， 纵向： 0.01/mm 步 ， 横向： 0.005/mm 步 。 3.2.2 算切削力 : 纵车外圆时主切削力 Fz（ N） 按经验公式估算 ： Fz=0.67Dmax5.1 =0.67 400 5.1 =5360N 横切端面时主切削力 Fz（ N） 可取纵向主切削力的 1/2： Fz=0.5Fz=2680N 按切削力各分力比例 ： Fz： Fy： Fx=1： 0.25： 0.4 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 10 页 共 41 页 Fx=2680 0.4=1072； Fy=2680 0.25=670N； 3.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型横向进给丝杠 : 3.3.1 计算进给牵引力 Fm (N) 横向导轨为燕尾形 ， 计算 ： Fm=1.4 Fy+F（ Fz+2Fx+G） 其中 ： F为滑动导轨摩擦系数 ： 0.15-0.18取 0.16 G为溜板及刀架重力 ： G=600N Fm=1.4 670+0.16 （ 2860+2 1072+600） 1806（ N） 3.3.2 计算最大动负载 C： C=3L fwFm，其中： L=61060 Tn ； n=01000LVs 以上式中 ： L0为滚珠丝杠导程 ， 初选： L0=5mm； Vs为最大切削力下的进给速度 ， 可取最高进给速度的 ： 1/2-1/3， 取 1/2； fw为运转系数 ， 按一般运转取 ： fw=1.2-1.5； 取 1.3 ； L为寿命 ， 106转为 41单位 。 n=01000LVs = 5 5.03.01000 =30 L=61060 Tn =610150003060 =27 C=3L fwFm= 7 0 4 31 8 0 63.1273 N 3.3.3 选择滚珠丝杠螺母副： 根据机械设计师手册（机械工业出版社出版发行 ） 第一版 上册 ， CDM 2005-2.5外循环管式垫片预紧导珠管埋入型滚珠丝杠副的额定动载荷为 8541N可满足要求 ， 选定精度为 3 级 3.3.4 传动效率计算 ： 10334334 tgtgtgtg =0.965 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 11 页 共 41 页 式中： 螺旋升角（ CDM 2005-2.5）， 334 摩擦角， 10 3.3.5 刚度验算 横向进给丝杠支承方式如横向进给系统计算简图见下图所示： 图 2 横向进给系统计算简图 最大牵引力为 ： 2425N 支承间距 L=450mm因丝杠长度较短 ， 不 需预紧 ， 螺母及轴承预紧 ， 计算如下： (1) 丝杠的拉伸或压缩变形量 1 ： 查图 4-6， 根据 m=1806， mmD 200 查出 ： 51 104/ L 因此 : 1 = mmLL 80.1450104/ 51 (2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形 2 ： 查资料 ： mQ 5.8， 因进行了预紧 ： mQ 25.45.821212 . (3) 支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形3: 采用 8012 单向推力球轴承 (GB301-84) ， 763.4Qd， 12z ， mmd 15 mmZd mPcQ0 0 9 4.0127 6 3.4 32.2 0 20 0 2 4.00 0 2 4.0 3 23 22 考虑到进行了预紧 ， 以 ： 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 12 页 共 41 页 mmC 00 47.0213 综合以上几项变形量之和： mm0 2 6 9 5.00 0 4 7.00 0 2 4 5.00 1 8 0.0321 显然 ， 此变形量已大于定位精度的要求 !， 应该采取相应的措施修改设计 ， 因横向溜板空间限制 ， 不宜再加大滚珠丝杠直径 ， 故采用贴塑导轨减小摩擦力 ， 从而减小最大牵引力 。 重新计算如下： Fm=1.4 Fy+F（ Fz+2Fx+G） = 1.4 670+0.04（ 2860+2 1072+600） =1155N 从资料中查出 ， 当 Fm=1155时 ， 51 104.2/ L， 因此 ，mmLL 251 1008.1450104.2/ 2 和 3 不变 ， 所以综合几项变形量之和： mm0 1 9 7 5.00 0 4 7.00 0 2 4 5.00 1 0 8.0321 此变形量仍不能满足要求 ， 如果将滚珠丝杠再经过预拉伸 !刚度还可以提高四倍 ， 则 ，mm01165.00047.000245.00180.04141 321 此变形量可以满足设计要求。 3.3.6 校核 滚珠丝杠副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压振动固有频率，其扭转刚度影响扭转固有频率。承受轴向负荷的滚珠丝杠副的拉压系统刚度 Ke由丝杠本身的拉压刚度 KS，丝杠副内滚道的接触刚度 Kc，轴承的接触刚度 KB，螺母座的刚度 KH，按不同支承组合方式的计算而定。扭转刚度按丝杠的参数计算。 （ 1） 临界压缩负荷 丝杠 的支承方式对丝杠的刚度影响很大，采用两端固定的支承方式并对丝杠进行预拉伸，可以最大限度地发挥丝杠的潜能。所以设计中采用两端固定的支承方式 9。 临界压缩负荷按下式计算： 211 m a x20crf E IF K F NL (3.7) 式中 E 材料的弹性模量 E 钢 =2.1 1011(N/m2)； L0 最大受压长度 (m)； K1 安全系数，取 K1=1/3； Fmax 最大轴向工作负荷 (N)； 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 13 页 共 41 页 f1 丝杠支承方式系数； (支承方式为双推 双推时，见下图， f1=4，f2=4.730) I 丝杠最小截面惯性矩 (m4)： 4420( 1 . 2 )6 4 6 4 wI d d d (3.8) 式中 d0 丝杠公称直径 (mm)； dw 滚珠直径 (mm)。 4 1 2 8 43 . 1 4 ( 3 2 1 . 2 3 . 9 6 9 ) 1 0 2 . 7 1 064Im 丝杠螺纹部分长度 1 8 0 1 1 2 4 0 3 3 2uL m m ，取 350uL mm支承跨距 1 400L mm， 丝杠全长 500L mm 由公式 (3.7) 2 1 1 8m a x264 3 . 1 4 2 . 1 1 0 2 . 7 1 0 1 4 2 2 5 5 4 . 3 2 0 1 34 2 0 1 0 3 N F N cr F可见crF远大于maxF，临界压缩负荷满足要求。 （ 2） 临界转速 222 2 22 m a x30 9910crccf f dEIn k nL A L (3.9) 式中 A 丝杠最小横截面： 2 6 4 22 3 1 . 5 1 0 7 . 8 1 044A d m cL 临界转速计算长度： 1 1 2 5 0 0 3 5 01 8 0 4 0 3 5 1 . 5 0 . 422cLm 取 1 0 .4cL L m， 2k 安全系数，一般取 2 0.8k ； 材料的密度： 337 . 8 5 1 0 /k g m ； 2f 丝杠支承方式系数 ，查表得2 4.730f ， 2 m a x20 . 0 3 1 59 9 1 0 4 . 7 3 0 4 3 6 5 0 / m i n 1 5 0 0 / m i n0 . 4crn r n r 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 14 页 共 41 页 满足要求。 （ 3） 丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率 丝杠系统的轴向拉压系统刚度 Ke的计算公式： 两端固定： 11 1 1 1 1 ( / )4e B c H SNmK K K K K (3.10) 式中 Ke 滚珠丝杠副的拉压系统刚度 (N/ m)； KH 螺母座的刚度 (N/ m)； Kc 丝杠副内滚道的 接触刚度 (N/ m)； KS 丝杠本身的拉压刚度 (N/ m)； KB 轴承的接触刚度 (N/ m)。 1) 丝杠副内滚道的接触刚度可查滚珠丝杠副型号样本。 2) 轴承的接触刚度可查轴承型号样本。 3) 螺母座的刚度可近似估算为 1000。 4) 丝杠本身的拉压刚度： 对丝杠支承组合方式为两端固定的方式： 61 0 /s A E lK N ma l a (3.11) 式中 A 丝杠最小横截面， 222 ()4A d m m； E 材料的弹性 模量， E=2.1 1011(N/m2)； l 两支承间距 (m)； a 螺母至轴向固定处的距离 (m)。 已知：轴承的接触刚度 1 0 8 0 /BK N m，丝杠螺母的接触刚度 7 1 6 . 7 /CK N m，丝杠的最小拉压刚度m i n 5 4 5 . 2 /sK N m（见后面计算）。螺母座刚度 1 0 0 0 /HK N m。 1 1 1 1 14 1 0 8 0 7 1 6 . 7 1 0 0 0 4 5 4 5 . 2eK 3 2 4 /eK N m 丝杠系统轴向拉压振动的固有频率： /eB K ra d sm (3.12) 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 15 页 共 41 页 式中 m 丝杠末端的运动部件与工件的质量和 (N/ m)； Ke 丝杠系统的轴向拉压系统刚度 (N/ m)。 显然，丝杠的扭转振动的固有频率远大于 1500r/min，能满足要求。 （ 4） 丝杠扭转刚度 丝杠的扭转刚度按下式计算： 47 .8 4 mTdK L (3.13) 式中 md 丝杠平均直径： L 丝杠长度 43 1 . 7 57 . 8 4 1 5 9 3 4 /500TK N m r扭转振动的固有频率 : ()3TTswzKJJJ (3.14) 式中 JW 运动部件质量换算到丝杠轴上的转动惯量 (kg m2)； JZ 丝杠上传动件的转动惯量 (kg m2)； JS 丝 杠的转动惯量 (kg m2)。 由文献 7， 8得： 平移物体的转动惯量为 2 4 22 0 0 0 0 . 0 1( ) 5 . 2 1 09 . 8 1 2J k g m 丝杠转动惯量： 2 2 21 1 1()8 8 4s s s s sJ m d d d L 34421 3 . 1 4 7 . 8 5 1 0 0 . 5 0 . 0 3 2324 1 0 k g m 421 . 6 1 0zJ k g m 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 16 页 共 41 页 415934 4 4 2 7 . 1 / 4 2 2 9 7 / m i n4( 5 . 2 1 . 6 ) 1 03T r a d s r 显然，丝杠的扭转振动的固有频率远大于 1500r/min，可以满足要求。 （ 5） 传动精度计算 滚珠丝杠的拉压刚度 24s dEK L(3.15) 导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中， L值分别为 300mm 和 100mm。 最大与最小机械传动刚度： 25m a x0 . 0 3 1 5 2 . 1 1 0 1 6 3 5 . 7 /4 0 . 1sAEK N mL 25m i n0 . 0 3 0 5 2 . 1 1 0 1 0 2 . 5 /4 0 . 3sAEK N mL 最大和最小机械传动刚度： m a x m i n11 2 4 0 . 6 5 /1 / 1 / 1 / 1 / 5 4 5 . 2 1 / 7 1 6 . 7 1 / 1 0 8 0o s C BK N mK K K m a x m a x11 3 4 1 /1 / 1 / 1 / 1 / 1 6 3 5 . 7 1 / 7 1 6 . 7 1 / 1 0 8 0o s C BK N mK K K 由于机械传动装置引起的定位误差为 0 0 m i n 0 m a x11()k FmKK(3.16) 111 4 5 6 . 6 ( ) 1 . 7 82 4 0 . 6 5 3 4 1k m 对于 3 级滚珠丝杠，其任意 300mm 导程公差为 12m ，机床定位精度0 .0 2 4 / 3 0 0m m m m，所以， 2 4 1 / 5 4 . 8k m ，可以满足由于传动刚度变化所引起的定位误差小于（ 1/3 1/5）机床定位精度的要求。再加上闭环反馈系统的补偿，定位精度能进一步提高 10。 (1) 滚珠丝杠副的几何参数： 滚丝杠副型号 ： CDM2005-2.5 ； 公称直径： mmd 200 ； 导程： mmPh 5； 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 17 页 共 41 页 钢球直径 ： mmDw 175.3； 丝杠外径 ： mmd 5.19 ； 螺纹底径 ： mmd 6.171 ；旋环列数 圈数 ： 15.2 ； 额定动载荷 8451:NCa； 额定静载荷 ： 18325:0 NC a； 接触刚度 ： 612:/ mNR 螺母安装尺寸： 45D 703 D 564 D 11B 8.55D 106 D 6h 78L 281 L 4C 3A 6MM 3.4 齿轮传动比计算 ： 已确定横向进给脉冲当量 : 005.0P ，滚珠丝杠导程 ： mmL 50 ， 初选步进电机步距角 75.0 计算传动比 ： 48.0575.0005.03603600 Libp 考虑到结构上的原因 ， 不能使齿轮直径太大 ， 以免影响横向溜板的有效行程 ， 所以 ， 可采用两级 齿轮降速 ： 2520402454534321 ZZZZi因进给运动齿轮受力不大 ， 模数 m 取 2 。 3.5 步进电机的计算和选型： 3.5.1 等 效转动惯量计算 ： 传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 2cmkgJ 可由下式计算： 20222112 LgGJJZZJJJSM其中 ： MJ 为步进电机转子的转动惯量 2cmkg ； 1J 为齿轮 1Z 的转动惯量 2cmkg ； 2J 为齿轮 2Z 的转动惯量 2cmkg ； SJ为滚珠丝杠的转动惯量 2cmkg ； 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 18 页 共 41 页 参考同类型机床 ， 初选反应式步进电机 BF150 其转子的转动惯量为： 210 cmkg 。 24314131 62.224.61078.01078.0 cmkgLdJ 24324232 39.6281078.01078.0 cmkgLdJ 24334333 952.2915041078.01078.0 cmkgLdJ ； NG 600 代入上式： 20222112 LgGJJZZJJJSM 22127.3625.08.9600952.2939.6402462.210cmkg 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题 ， 2 7 7.01 2 7.36/10/ JJ M基本满足惯量匹配的要求。 3.5.2 电机力矩的计算机： 机床在不同的工况下 ， 其所需转距不同 ， 下面分别按各阶段计算 ： （ 1） 快速空载启动力矩qM： 起在快速空载启动阶段 ， 加速力矩占的比例较大 ， 具体 计算公式如下： 0MMMM fa m a zq aaaaa tnJtnJJM 60102102602m a x2m a xm a xm i n/50036075.0005.01 2 0 0360m a xm a x rVn bPa 启动加速时间： msta 30aaaaa tnJtnJJM 60102102602m a x2m a xm a xcmN 6.6 3 01003.060 5 0 021 2 7.36 2 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 19 页 共 41 页 折算到电机轴上的摩擦力矩fM： cmNZZLGFFiLFM zf 8.4120258.025.060026 8 016.02212000附加摩擦力距0M： 212020000 9.0120258.025.01 1 5 531123112ZZLFiLFM m 228.59.0120258.025.01 1 5 531cmN 上述三项合计 cmNMMMMqfa 2.6878.51.486.6300m a x（ 2） 快速移动时所需力矩 KM ： cmNMMM fK 6.478.58.410 （ 3） 最大切削负载时所需力矩QM： iLFMMMMMM XffQ 2 000 cmN 9.1 3 220258.025.01 0 7 28.58.41 从上面计算可以看出， Mq 、 KM 和QM三种工况下 ， 以快速空载启动力矩最大 ， 所以 ， 以此项作为初选步进电机的依据 。 查资料 ， 当步进电机为五项十拍时 ， 951.0/m a x jq MM； 最大静力矩 ：cmNM j 1.7 1 39 5 1.0/2.6 8 7m a x 按此最大静力矩 ， 001130 BF 型反应式步进电动机的最大静转矩为 ： mN31.9 大于陕西理工学院毕业论文（设计） 第 20 页 共 4