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机械毕业设计论文
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机械数控机床毕业设计59普车的数控化改造,机械毕业设计论文
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CA6140 普通机床的数控化改造 摘 要 本 论 文对我国现有的普通机床的现状进行分析，运用数控技术对 CA6140普通 车 床进行自动化和精密化改装，改装技术主要 涉及到： 在 普通车床上附加数控装置和执行元件，选择合适的机床伺服系统。结果表明： 经改造后的机床完全能实现外圆、锥度、螺纹、端面等 加工内容的自动控制，提高了原机床的生产效率，降低了劳动 强度。采用数控技术对企业原有机床进行改造， 是当前工矿 、 企业 普通 机床技术改造的有效途径。 关键词： CA6140、 普通 车 床 、数控 改造 、 数控技术 nts I 目 录 1 绪论 . I 1.1数控加工技术的发展趋势 . I 1.1.1继续向开放式、 基于 PC的第六代方向发展 . I 1.1.2向高速化和高精度化发展 . I 1.1.3向智能化方向发展 . II 1.1.4数控车床的发展方向 . II 1.2 改造的必要性 . III 1.2.1微观看改造的必要性 . III 1.2.2宏观看改造的必要性 . IV 1.3 数控化改造的优缺点 . V 2 CA6140车床的数控改造总体方案的设计 . VI 2.1数控改造后的结构及工作原理 . VI 2.1.1 PC机 . VI 2.1.2 数控控制板 . VI 2.1.3 机床本体 . VI 2.2数控机床改造的设计步骤 . VII 2.2.1设计任务 . VII 2.2.2总体方案的论证 . VII 2.2.3总体方案的确定 . VIII 3 机械部分改造设计与计算 . X 3.1 纵向进给系统的设计计算 . I 3.1.1 纵向进给系统 的设计 . X 3.1.2 纵向进给系统的设计计算 . X 3.2 横向进给系统的设计计算 . XIX 3.2.1横向进给系统的设计 . XIX 3.2.2横向进给系统的设计计算 . XIX 3.3 滚珠丝杠的设计 . XXV 3.3.1滚珠丝杠螺母副的特点 . XXV 3.3.2滚珠丝杠的主要技术参数 . XXV 3.3.3滚珠丝杠副的标注和精度验算 . XXVI 3.4步进电动机的选择 . XXVIII 3.4.1步进电动机选用的基本原则 . XXVIII 3.4.2 步进电机的选择 . XXIX nts II 4 自动回转刀架的选型 . XXXI 4.1数控车床刀架的基本要求 . XXXI 4.2数控车床刀架结构 . XXXI 4.3自动回转刀架的工作原理 . XXXII 5 数控系统设计 . XXXIII 5.1 机床数控系统的工作原理 . XXXIII 5.2 系统硬件结构 . XXXIII 5.2.1 主控制器 . XXXIII 5.2.2存储器扩展设计 . XXXIII 5.2.3 步进电机接口电路 . XXXIV 5.3 数控系统软件设 计 . XXXV 5.3.1 监控与操作软件 . XXXV 5.3.2 步进电机控制软件 . XXXV 6 结束语 . XXXVII 参考文献 . XXXVIII 致谢 . 错误 !未定义书签。 nts高等教育应用型自学考试 毕业设计（论文） I 1 绪论 企业要在激烈的市场竞争中获得生存、得到发展 ,它必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本 ,制造出合 乎市场需要的、性能合适的产品 ,而产品质量的优劣 ,制造周期的快慢 ,生产成本的高低 ,又往往受工厂现有加工设备的直接影响。目前 ,采用先进的数控机床 ,已成为我国制造技术发展的总趋势。购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径 ,但是成本太高很多工厂在短时间内都无法有那么多的资金； 而改造旧机床、配备数控系统把普通机床改装成数控机床也是提高机床数控化率的一条有效途径。我校为适应现代化生产和教学 ,特此对 CA6140普通车床进行了数控化改造 。 数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机 械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。但从目前企业面临的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。我国作为机床大国，对普通机床数控化改造不失为一种较好的良策。 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 数控加工技术的发展趋势 1.1.1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。 1.1.2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。 nts高等教育应用型自学考试 毕业设计（论文） II 1.1.3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）应用自适应控制技术 数控系统能在运行过程中检测一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。 （ 2）引入专家系统指导加工 将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 （ 3）引入故障诊断专家系统 （ 4）智能化数字伺服驱动装置 可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运 行状态。 1.1.4数控车床的发展方向 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国际民生的一些重要行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。当前数控车床呈现以下发展趋势。 （ 1）高速、高精密化 高速精密是机床发展永恒的目标。随着科学技术突飞猛进的发展，机电产品更新换代速度加快，对零件加工的精度和表面质量的要求也越来越高。为满足这个复杂多变市场的需求，当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。另一 方面，电主轴和直线电机地成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷地低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器地直线导轨副等机床功能部件地面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。数控车床采用电主轴，取消了皮带、带轮和齿轮等环节，大大减少了主传动地转动惯量，提高了主轴动态响应速度和工作精度，彻底解决了主轴高速运转时皮带和带轮等传动地振动和噪音问题。采用电主轴结构可使主轴转速达到10000r/min 以上。直线电机驱动速度高，加减速特性好，有优越的响应特性和跟随精度。用直线电机作伺服驱动，省去了滚珠丝杠这 一中间传动环节，消除了nts高等教育应用型自学考试 毕业设计（论文） III 传动间隙，运动惯量小，系统刚性好，在高速下能精密定位，从而极大地提高了伺服精度。通过直线电机和直线滚动导轨副地应用，可使机床的快速移动速度由目前的 10-20m/min 提高到 60-80m/min，甚至高达 120m/min。 （ 2）高可靠性 数控车床的可靠性是产品质量地一项关键性指标。数控车床能否发挥其高性能、高精度和高效率，并获得良好地效益，关键取决于其可靠性的高低。 （ 3）数控车 床设计 CAD化、结构设计模块化 随着计算机应用的普及以及软件技术的发展， CAD技术得到了广泛发展。 CAD不仅 可以替代人工完成繁琐的绘图工作，更重要的是可以进行设计方案选择和机床整机的静、动态特性分析、计算、预测及优化设计，可以对整机各工作部件进行动态模拟防真。在模块化的基础上在设计阶段就可以看出产品的三维几何模型和逼真的色彩。采用 CAD，还可以大大提高工作效率，提高设计的一次性成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能力。 （ 4）功能复合化 功能复合化的目的是进一步提高生产效率，使加工辅助时间减至最少。通过功能的复合化，可以扩大机床的使用范围、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控车床既可以实现 车削功能，也可以实现铣削加工；或在以铣为主的机床上也可以实现磨削加工。 （ 5）智能化、网络化、柔性化和集成化 21世纪的数控车床将是具有一定智能化的系统。 1.2 改造的必要性 1.2.1微观看改造的必要性 （ 1）微观上看，数控车床比传统车 床有以下突出的优越性， 可以加工出传统车 床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。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地运动量，因此可以复合成复杂地曲线或曲面。 （ 2） 可以实现加工的自动化，而且 是柔性自动化，从而效率可比传动机床提高 3-7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nts高等教育应用型自学考试 毕业设计（论文） IV 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，因而可实现长时间无人看管加工。 由以上五条派生的好处，还 有 ：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。 此外，机床数控化还是推动 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 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 CIMS 等等。以及在其中生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。 数控技术是先进制造技术的核心技术，它的整体水平标志着一个国家工业现代化的水平和综合国力的强弱，具有超越其经济价值的战略物资地位。目前我国企业机械制造整体水平与发达国家相比还有很大的差距。由于我国企业大部分数控机床和数控系统依赖进口，企业承受不了巨额购置费，且易受国外的控制，另外数控机械设备维修力量薄弱，进口的备件维修成本高，设备完好率低，大 部分进口机床数控系统已经崩溃，有的甚至在进口后还没使用就已因为各方面原因不能使用等等。因此目前我国企业机床数控化比例极低还不到 5%，各企业使用的绝大部分为传统老式机床，很难满足企业高技术产品的生产需求和生产效率。为节约成本，进一步发挥老式传统机床的功效和潜在价值，将大批传统老式机床改造为数控机床是一种必然性和趋势。 nts高等教育应用型自学考试 毕业设计（论文） V 1.3 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 60% 80%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 2 3 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 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。 （ 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 可根据技术更新的发展速度，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。 nts高等教育应用型自学考试 毕业设计（论文） VI 2 CA6140 车床的数控改造总体方案的设计 2.1 数控改造后的结构及工作原理 该系统是由 PC 机和数控控制板两级控制组成，其组成如图 2-1 所示。主要功能部件有： 图 2-1 系统的组成 2.1.1 PC机 可选 用市面上任何一种机型，也可利用闲置低档配置的机型。在 PC 平台上可以开发出具有良好开放数控系统，从而增强经济型数控改造的整体效果。 2.1.2 数控控制板 考虑到经济型数控改造的特点，数控板没有采用常见的 ISA总线插卡，而是采用以 8031单片机为核心的数控控制板。它主要成实 EI性任务，如机床状态检测、紧急情况处理、细插补运算、脉冲分配等。 PC机利用标准并行打印口与 8031进行通信，将预处理后的数控加工信息通过数控控制板完成对机床的控制这种结构省去了打开机箱的麻烦，方便安装和维护。为提高可靠性和处理速度，采用硬件环形分配器产生脉冲控机的运转。为增强系统的抗干扰能力，输入输出信号要经过光电隔离。 2.1.3 机床本体 为满足数控加工的要求，对原机床机械的改造主要有： （ 1）进给系统 拆除原机床进给箱、溜板箱内的零部件及光杠、滑动丝杠、挂轮。纵、横向以步进电机作为驱动元件，经一级齿轮减速后由滚珠丝杠传动。 （ 2）主变速系统 保持原机床的主轴手动变速，数控系统仅控制主轴电机的起、停和正、反转。nts高等教育应用型自学考试 毕业设计（论文） VII 为实现螺纹加工功能，往机床主轴末端安装脉冲发生器作为主轴位信号的反馈元件。 （ 3） 刀架部分 原机床手动转位刀架改造为电动转位刀架 应用是最为普通的。 2.2 数控机床改造的设计步骤 2.2.1设计任务 本设计任务是对 CA6140普通车床进行数控改造。利用微机对纵、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 。 2.2.2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、连续轮廓控制系统。由于要求 CA6140 普通车床改造后能够加工复杂轮廓零件，所以本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，其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。 在设计数控装置时 ， CPU的选择是关键，选择 CPU应考虑以下要素： a) 时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关； b) 可扩展存储器 （包括 ROM和 RAM） 的容量与数控功能的强弱相关； c) 指令系统功能，影响编程的灵活性； d) I/O口扩展的能力与对外设控制的能力相关。 nts高等教育应用型自学考试 毕业设计（论文） VIII 除此之外，还应根据数控系统的应用场合、经济价格比、控制对象以及各种性能、参数要求等，综合起来考虑以确定 CPU。 在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是 Z80CPU和 MCS-51系列单片机，主要是因为它们 的配套芯片便宜，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能满足经济型数控机床的改造需要。本设计中是以 MCS-51系列单片机， 51系列相对 48 系列指令更丰富，相对 96 系列价格更便宜， 51 系列中，是无 ROM 的8031， 8751是用 EPROM 代替 ROM的 8051。目前，工控机中应用最多的是 8031单片机。本设计以 8031 芯片为核心，增加存储器扩展电路、接口和面板操作开关组成的控制系统。 2.2.3总体方案的确定 经总体设计方案的论证后，确定的 CA6140 普通车床经济型数控改造结构示意图如图 2-2所示。 图 2-2 卧式车床数控改造的组成 1-机床本体 2-Z向步进电动机 3-数控箱 4-X向步进电动机 5-电机转位刀架 6-主轴脉冲编码器 7-Z向滚珠丝杠 8-X向滚珠丝杠 CA6140车床的主轴转速部分保留原机床的功能，即手动变速。车床的纵向（ Z轴）和横向（ X 轴）进给运动采用步进电机驱动。由 8031单片机组成微机作nts高等教育应用型自学考试 毕业设计（论文） IX 为数控装置的核心，由 I/O接口、环形分配器与功率放大器一起控制步进电机转动，经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现车床的纵向、横向进给运动。刀架改成由微机控制的经电机驱动的自动控制的自动转位刀架。为保 持切削螺纹的功能，必须安装主轴脉冲发生器，为此采用主轴靠同步齿形带使脉冲发生器同步旋转，发出两路信号：每转发出的脉冲个数和一个同步信号，经隔离电路以及I/O接口送给微机。如图 2-3所示： 图 2-3 主轴编码器安装图 nts高等教育应用型自学考试 毕业设计（论文） X 3 机械部分改造设计与计算 伺服进给机构的设计内容包 括：纵向进给系统的设计与计算、横行进给系统的设计与计算、滚珠丝杠螺母副的选型、步进电机的选择四大部分，该部分设计的总体方案示意图如图 3.1所示。要使这四大部分与数控系统的配合达到好的效果，伺服进给机构的改造设计部分除了主要的四大部分内容外，还包括与步进电动机相关的驱动电源、功率放大电路、辅助电路；与滚珠丝杠副相关的机床导轨等内容的设计选择。 3.1 纵 向进给系统的设计计算 3.1.1 纵向进给系统的设计 图 3-1 数控改造总体方案示意图 普通车床的经济型数控改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定溜板箱上，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，对改造来说，外观不必像产品设计要求那么高，而从改造方便、使用方面来考虑，一般都把步进电机放在纵向丝杠的右端，即尾坐部位，如图 3-1所示。 3.1.2 纵向进给系统的设计 计算 已知的条件： 工作台重量： NkgfW 1000100 （根据图纸粗略计算） 时间常数： T =25ms 滚珠丝杠基本导程： mml 60 步进电动机车床加工工件图 纸工件 变速箱数控程序编 制变速箱步进电动机手工输入或计算机控制计算机功率放大器存储装置nts高等教育应用型自学考试 毕业设计（论文） XI 行程： mmS 600 脉冲当量： stepmmp /01.0步距角： stepa /.750 0 最大进给速度： min/2max mv （ 1） 切削力计算 由实用机床设计手册可知： 切削功率： KNNc （ 3 1） N 电机功率 N =7.5kw 主传动链的总效率 取 =0.90 k 进给系统的功率系数，取 k =0.96 则： cN=7.5 0.90 0.96=6.48（ kw ） 又因为： 6120vFN cc （ 3 2） 则： zF = vNc6120 （ 3 3） v 切削线速度，取 v=100 min/m 所以： zF =396.576（ kgf） =3965.76（ N ） 由金属切削原理可知： 主切削力：EZYFZfzpFZz KfFXaCF FZ查表得： 2/188 mmkgfCZF 1ZFX75.0ZFY1ZFK则可计算出 zF 的值如表 3-1所示： nts高等教育应用型自学考试 毕业设计（论文） XII 表 3-1 zF 计算结果 )(mmaP 2 2 2 3 3 3 )(mmf 0.2 0.3 0.4 0.2 0.3 0.4 )(NFz 1103.1 1495.2 1855.2 1654.7 2242.8 2782.9 当 zF =1495.2N 时，切削深度 Pa =2mm ，走刀量 f =0.3mm 以此参数作为下面计算的依据，从实用机床设计手册中可知，在一般外圆切削时： xF=（ 0.1 0.6） zF yF=（ 0.15 0.7） zF xF=0.5 zF =0.5 3965.76=1982.88（ N ） yF=0.6 zF =0.6 3965.76=2379.46（ N ） （ 2） 滚珠丝 杠设计计算 滚珠丝杠副已经标准化，因此滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。 综合车床导轨丝杠的轴向力： P = WFfKF zx （ 3 4） 式中 由于上选用的是矩形的导轨， 根据机床设计手册查出， K =1.1 ， f =0.15 则： P =1.1 1982.88+0.15（ 3965.76+1000） =2926.03（ N ） a) 强度计算： 寿命值： iL=61060 iiTn （ 3 5） 所以： in=0Lfn主 =01000DLvf （ 3 6） nts高等教育应用型自学考试 毕业设计（论文） XIII 取工件直径： D =80mm 查表得：iT=15000h （自动控制机床及机床通常的取值） 所以： in =68014.3 3.01001000 =20（ r/min） iL =610150002060 =18 最大动载荷： Q =HWi fpfL3（ 3 7） 式中的Wf运转系数与 Hf 硬度系数的参数查表 3-2与 3-3： 表 3-2 运转系数参数 运转状态 运转系数 fW 无冲击的圆滑运转 1.01.2 一般运转 1.21.5 有冲击的运转 1.52.5 表 3-3 硬度系数表 硬度（ HRC） 60 57.5 55 52.5 50 47.5 45 42.5 40 30 25 硬度系数 fH 1.0 1.1 1.2 1.4 2.0 2.5 3.3 4.5 5.0 10 15 查取以上参数取： 运转系数：Wf=1.2 硬度系数： Hf =1 Q = 12.103.2926183 =9202.04（ N ） 根 据 最 大 动 载 荷 Q 的 值 和 原 机 床 参 数 ， 选 择 滚 珠 丝 杠 的 型 号BFFZD 54006 ，即内循环浮动返向器双螺母垫片预紧滚珠丝杠副， 公称直径为 40mm ，导程为 6mm ，滚珠列数为 5 列，精度等级为 B 级（一般数控机床nts高等教育应用型自学考试 毕业设计（论文） XIV 精度等级为 B 级），额定动载荷为 26000N 。 表 3-4 4006FFZD 型滚珠丝杠具体参数 公 称 直 径 基 本 导程 钢 球 直径 丝杠大径 轴端 直 径 额 定 载 荷（ KN ） 刚 度 0dhPwDd d 动载荷aC静载荷aC040 6 4 38.9 35 26 84 2220 螺母安装连接尺寸 D D3 4D B 5D 6D h 7D M T E L1 L2 60 94 75 15 9 15 9 48 M6 3 6 68 128 因为： 26000N 9202.04N , 所以强度不成问题。 b) 效率计算： 根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为： =)( tg tg（ 3 8） 式中： 摩擦角： = 10 螺旋升角： = 0253 = )10253( 25300tgtg =0.953 c) 刚度验算： 滚珠丝杠受工作负载 P 引起导程的变化量： 0L=EFPL0（ 3 9） 式中： 0L=6mm =0.6cm E =20.6 106 mN / 滚珠丝杠截面积： F= 22d = 224 3.14=12.56 102（ 2cm ） nts高等教育应用型自学考试 毕业设计（论文） XV 则 ： 0L=26 1056.12106.206.066.4 3 7 7 = 10.15 10-8（ cm ） 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 2L 很小，可以忽略，即： L = 1L 所以导程变形总误差 为： = LL 0100（ 3 10） 即 ： = 81015.106.0100 =16.92（ mm/ ） 查表知 B 级精度丝杠允许的螺距误差（ 1m 长）为 25 mm/ ，故刚度足够。 d) 稳定性验算 根据公式 : FK=fk 2EI/KL2 Fmax （ 3 11） 式中 : fk=2(双推 简支 )； E =20.6 10Pa； I= 4164 d= 4464=12.56 (cm4) K=4； L=Ls=35d1=35 4=140 (cm) (Ls 为丝杆长度 ) FK=2 3.142 2.06 107 12.56/4 1402 88577 Fmax=6286.5 故稳定性也没有问题 。 （ 3） 齿轮及转矩的有关计算 a) 有关齿轮计算： 传动比： i =PL3600（ 3 12） nts高等教育应用型自学考试 毕业设计（论文） XVI 则： i =01.0360 675.0 =1.25 故取齿轮齿数： 1z =32 2z =40 模数： m =2mm b =20mm 020a 分度圆直径： 1d = 1mz =2 32=64（ mm ） 2d = 2mz =2 40=80（ mm ） 齿顶圆：1ad=1d +12ah=68（ mm ） 2ad= 2d +22ah=84（ mm ） a =2 21 dd =28064=72（ mm ） b) 转动惯量计算： 工作台折算到电机轴上的转动惯量： 1J = WP 2180 （ 3 13） 即 ： 1J = 275.014.301.0180 100=0.468（ kg 2cm ） =4.68（ N 2cm ） 丝杠的转动惯量： sJ=7.8 10-4 14LD （ 3 14） 式中： D 丝杠的名义直径， D =4.0cm 1L 丝杠两固定端的间距， 1L =150cm 所以： sJ=7.8 10-4 44 150=29.952（ kg 2cm ） =299.52N 2cm ） 齿轮的转动惯量： zJ =7.8 10-4（ mz ） 4 2 nts高等教育应用型自学考试 毕业设计（论文） XVII 1zJ =7.8 10-4 6.44=2.617（ kg 2cm ） =26.17（ N 2cm ） 2zJ =7.8 10-4 84 2=6.39（ kg 2cm ） =63.9(N 2cm ） 电机转动惯量很小可忽略，因此，总的转动惯量： J = 221 zs JJi + 1zJ +1J （ 3 15） = 39.69 52.2925.1 1 2 +2.617+0.468 =26.343kg 2cm )=263.43 (N 2cm ) c) 所需转动力矩计算： 快速空载启动时所需力矩： M =0max MMM fa （ 3 16） 最大切削负载时所需力矩： M =tfat MMMM 0（ 3 17） 快速进给时所需力矩： M =0MM f (3 18) 式中： maxaM 空载启动时折算到电动机轴上的加速度力矩； fM 折算到电动机轴上的摩擦力矩； 0M 由于丝杠预紧所引起，折算到电动 机轴上的附加摩擦力矩； atM 切削时折算到电动机轴上的加速度力矩； tM 折算到电机轴上的切削负载力矩。 aM=TJn6.9 10-4（ N m ） （ 3 19） 式中： T 为时间常数， T =25 10-3S 当 n =maxn时，maxaM=aMnts高等教育应用型自学考试 毕业设计（论文） XVIII maxn =0maxLiv（ 3 20） 即 ： maxn =6 25.12000 =416.67（ min/r ） maxaM =310256.967.416343.26 10-4 =45.736（ N m ） =457.36（ kgf cm ） 当 n =tn时，aM=atMtn =0Lfn i主 =01000DLvfi （ 3 21） tn =68014.3 25.13.01 001 00 0 =24.88（ min/r ） atM =310256.988.24343.26 10-4 =0.273（ N m ） =2.73（ kgf cm ） fM=iLF2 00=iWLf2 0 （ 3 22） 当 =0.8， f =0.16时， fM=25.18.014.32 6.010016.0 =1.529(kgf cm )=15.29(N cm ) 0M= 2000 12 iLP （ 3 23） 当 0 =0.9时预加载荷： P0=xF310M =iLFx6)1( 200 =25.18.014.36 )9.01(6.0144.992 =1.202(kgf cm ) =12.02(N cm ) nts高等教育应用型自学考试 毕业设计（论文） XIX tM=iLFx2 0（ 3 24） 即： tM=25.18.014.32 6.028.198 =18.943(kgf cm )=189.43（ N cm ） 所以，快速空载启动所需力矩： M =0max MMM fa =45.736+1.529+1.202 =48.494(kgf cm ) =484.94（ N cm ） 切削时所需力矩： M =tfat MMMM 0=2.73+1.529+1.102+18.943 =24.304(kgf cm )=243.04(N cm ） 快速进给时所需力矩： M = 0MM f =1.529+1.202 =2.731(kgf cm ) =27.31（ N cm ） 由以上 分析计算可知，所需最大力矩maxM发生在快速启动： maxM=48.494(kgf cm )= 484.94(N cm ) 3.2 横向进给系统的设计计算 3.2.1横向进给系统的设计 普通车床经济型数控改造的横向进给系统的设计相对比较简单，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车大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。 3.2.2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进给系统类似，所用到的公式不详细说nts高等教育应用型自学考试 毕业设计（论文） XX 明，只计算结果。 已知的条件： 工作台重（根据图 3.1粗略计算）： W =40kgf =400N 时间常数： T =25ms 滚珠丝杠基本导程：0L=4mm 行程： S =190mm 脉冲当量： P =0.005 stepmm/ 步距角： =0.750 step/ 快速进给速度：maxv=1 min/m （ 1） 切削力计算 横向进给量为纵向的 1/2 1/3，取 1/2，则切削力约为纵向的 1/2： zF =21 3965.76=198.288(kgf cm )=1982.88（ N ） 在切断工件时： yF=21 zF=21 1982.88=99.144(kgf cm )=991.44（ N ） （ 2） 滚珠丝杠设计计算 a) 强度计算： 对于矩型导轨： P =ykF+ )( WFf z 取 k =1.2， f =0.15 则： P =1.2 99.144+0.15（ 198.288+40） =238.
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