C6140普通车床工作台数控改造【说明书+CAD】
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毕业论文 设计 任务书 院 (系 ) 机械工程学院 专业班级 机自专 054 学生姓名 刘娇 一、毕业论文设计题目 通车床工作台数控改造 二、毕业论文设计工作自 _2008 年 3 月 23 日 起至 2008 年 6 月 29 日止 三、毕业论文设计进行地点 :陕西理工学院 （北区） 四、毕业论文设计的内容要求： 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工控制的刀架转位，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。 查阅相关资料，熟悉系统的工作原理及结 构特点； 对工作台的总体设计和工作原理探讨分析； 对工作台控制系统的选择设计和编制程序进行分析； 初步选择及布局工作台驱动方式； 对工作台关键部件的功能分析、力学分析 ； 机械结构设计计算、控制系统的选择设计和编制程序； 零部件图若干张及装配图； 工作台控制流程图若干张； 编写说明书。要求条理清楚、论述有据、字迹工整 指 导 教 师 陈建刚 系 (教 研 室 ) 机自教研室 系 (教研室 )主任签名 批 准日期 接受论文 (设计 )任务开始执行日期 学生签名 毕 业 论 文 设 计 开 题 报 告 题 目 通车床工作台数控改造 学生姓名 袁剑梅 学号 0615033067 所在 院 (系 ) 机 械 工 程 学 院 专业班级 机 自 专 062 指导教师 陈 建 刚 2008 年 月 日 题 目 1 一、选题的目的及研究意义 机床数控改造的意义 1）数控机床可以较好地解决 形状复杂、精密、小批、多变零件的加工问题，能够稳定加工质量。 2）节省资金。 机床的数控改造同购置新机床相比一般可 节省 60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的 1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床 60%的费用，并可以利用现有地基。 3）性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度 。 4） 提高生产效率。 机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高 3 至 5 倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。 二、综述与 本 课题相关领域的研究现状 、 发展趋势 、研究方法及 应用领域等 1普通车床的数控化改造设计的 研究现状 目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到 3。用普通机床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，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。 2 普通车床的数控化改造设计的研究方法 机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同 普通的机床有诸多相似之处。然而，现代的数控机床不是简单地将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成（那些受资金等条件限制，而将传统机床改装成建议数控机床的另当别论）。传统机床存在着一些弱点，如刚性不足、抗振性差、热变形大、滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度、表面质量、生产率以及使用寿命等要求。现代的数控技术，特别是加工中心，无论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变 化，已经形成了数控机床的独特 2 机械结构。因此，我们在对普通机床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能地与数控机床相接近。 3普通车床的数控化改造设计应用领域 并不是所有的旧机床都可以进行数控改造，机床的改造主要应具备两个条件：第一，机床基础件必须有足够的刚性。第二，改造的费用要合适，经济性好。在改装车床前，要对机床的性能指标做出决定。改装后的车床能加工工件的最大回转直径以及最大长度、主电动机功率等一般都不会改变。加工工件的平面度、直线度、圆柱度以及粗糙度等基本上仍决定于机 床本身原有水平。 三、 对 本课题 将要解决的主要问题及解决问题的思路与方法、拟采用的 研究方法 （技术路线） 或设计 （实验） 方案 进行说明，论文要写出相应的写作提纲 本课题只是数控车床改造的一部分 只是改造 方向系统 1 初步选择及工作台驱动方式 2 对工作台数控改造关键部分的功能分析。力学分析 3 驱动系统选择设计，参数确定，元器件选型 4 机械结构设计计算，数控系统的选择设计和编制程序。 3 四、 检索与本课题有关 参考文献 资料的简要说明 （格式见后模版至少三篇英文） 1许多文献由网络查找而来 2 学院老师编排的数控改造示例说明书 五、毕业论文（设计）进程安排 1查阅相关资料，熟悉 2对 3对控制系统的选择设计和编制程序进行分析 4用 括零件图若干张及装配图 5绘制电气控制原理图及控制流程图若干张 6编写说明书，要求条理清楚，论述有序，字迹工整。 4 六、 指导教师 意见 1对开题报告的评语 2对开题报告的意见及建议 指导教师（签名）： 年 月 日 所在院 （ 系 ） 审查意见： 负责人签字 (盖公章 ) 年 月 日 参考文献编排格式 举例 a. 专著 序号主要责任者 其他题名信息文献类型标志 (电子文献必备 ,其他文献任选 ) 任选 )第 1版不著录 )出版者 ,出版年 :引文页码引用日期 (联机文献必备 ,其他电子文献任选 ) 1赵耀东。新时代的工业工程师 M/台北 :天下文化出版社 ,19981998( 2 Z, M 001. 3 L. M/5 9921998 序号 主要责任者 献类型标志 其他题名信息 ,年 ,卷 (期 ):页码引用日期 (联机文献必备 ,其他电子文献任选 ) 4金显贺 ,王昌长 ,王忠东 ,等 电的数字滤波技术 J自然科学版 ,1993,33(4):62 5 傅刚 ,赵承 ,李佳路 N/北京青年报 ,20004) 2002. 序号 专利申请者或所有者 专利国别，专利号 文献类型标志 引用日期 15 西安电子科技大学 中国 , . 20022002陕西理工学院毕业论文 (设计 ) 普通车床数控化改造 袁剑梅 （陕理工机械工程学院机械 制造及其自动化专业机自 专 062班，陕西 汉中 723003） 指导教师： 陈建刚 摘 要 以 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； 6140 6,23003， as an C in is NC 西理工学院毕业论文（设计） 第 共 41 页 目 录 引 言 . 1 第一章 概述 . 2 第二 章 总体方案的设计 . 4 计任务 . 4 体方案的论证 . 4 体方案的确定 . 4 控系统的选择 . 5 第三章 机械部分改造 . 6 械传动方式 . 6 控机床进给伺服系统的设计计算 . 6 选择脉冲当量 : . 6 算切削力 : . 6 珠丝杠螺母副的计算和选型横向进给丝杠 : . 7 算进给牵引力 N) . 7 算最大动负载 C： . 7 择滚珠丝杠螺母副： . 7 动效率计算 ： . 7 度验算 . 8 核 . 9 轮传动比计算 ： . 14 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 共 41 页 进电机的计算和选型： . 14 效转动惯量 计算 ： . 14 机力矩的计算机： . 15 步进电机空载启动频率和切削时的工作频率： . 17 向进 给系统 . 17 设计参数 . 18 齿轮传动比计算 . 18 滚珠丝杠的计算及选择 . 18 校核 . 20 械部分改造 . 23 轴脉冲编码器的安装 . 25 第四章 数控系统选择 . 26 门子数控系统的优点 . 26 控连线图 . 27 进电动机的控制 . 27 进电动机的开环控制 . 28 进电动机传动控制 . 29 进电动机的 动控制 . 31 控系统需解决的问题 . 33 入、输出（ I/O）点数确定 . 35 驱动程序（梯形图）设计 . 35 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 共 41 页 程序结构设计 . 36 动程序梯形图设计 . 36 气部分改造 . 36 结 论 . 39 致 谢 . 40 参考文献 . 41 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 1 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 0 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 2 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。 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陕西理工学院毕业论文（设计） 第 3 页 共 41 页 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。 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、 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 4 页 共 41 页 第二章 总体方案的设计 计任务 本设计任务是对 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 纵、横向进给系统进行开环控制，纵向（ Z 向）脉冲当量为 冲，横向（ X 向）脉冲当量为 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。 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 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。 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 ) ， 纵向驱动电机陕西理工学院毕业论文（设计） 第 5 页 共 41 页 及齿轮减速 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 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。02S 西门子公 司专门为中国数控机床市场开发的经济型 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 02S 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 6 页 共 41 页 第三章 机械部分改造 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。 控机床进给伺服系统的设计计算 选择脉冲当量 : 根据机床精度要求选择脉冲当量 ， 纵向： ， 横向： 。 算切削力 : 纵车外圆时主切削力 N） 按经验公式估算 ： 400 5360N 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 7 页 共 41 页 横切端面时主切削力 N） 可取纵向主切削力的 1/2： 680N 按切削力各分力比例 ： ： x=2680 072； 680 70N； 珠丝杠螺母副的计算和选型横向进给丝 杠 : 算进给牵引力 N) 横向导轨为燕尾形 ， 计算 ： （ ） 其中 ： 为溜板及刀架重力 ： G=600N 670+（ 2860+2 1072+600） 1806（ N） 算最大动负载 C： C=3L 中： L=61060 ； n=01000 以上式中 ： 初选： 可取最高进给 速度的 ： 1/2， 取 1/2； 按一般运转取 ： 5； 取 106转为 41单位 。 n=01000= 5 =30 L=61060 =610150003060 =27 C=3L 7 0 4 31 8 0 N 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 ， 541 选定精度为 3 级 动效率计算 ： 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 8 页 共 41 页 10334334 =中： 螺旋升角（ ， 334 摩擦角， 10 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=450 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 根据 m=1806， 00 查出 ： 51 104/ L 因此 : 1 = 51 (2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形 2 ： 查资料 ： 因进行了预紧 ： . (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 (， d， 12z ， 5 9 20 0 2 2 23 22 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 9 页 共 41 页 考虑到进行了预紧 ， 以 ： 0 综合以上几项变形量之和： 6 9 4 2 4 8 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： （ ） = 670+ 2860+2 1072+600） =1155N 从资料中查出 ， 当 155时 ， 51 L ， 因此 ，51 2 和 3 不变 ， 所以综合几项变形量之和： 9 7 4 2 4 0 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 ，21 此变形量可以满足设计要求。 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 S，丝杠副内滚道的接触刚度 承的接触刚度 母座的刚度 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 F (式中 E 材料的弹性模量 E 钢 =1011(N/ 最大受压长度 (m)； 安全系数，取 ； 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 10 页 共 41 页 最大轴向工作负荷 (N)； 丝杠支承方式系数； (支承方式为双推 双推时，见下图， ，I 丝杠最小截面惯性矩 ( 4420( 1 . 2 )6 4 6 4 wI d d d (式中 丝杠公称直径 ( 滚珠直径 ( 4 1 2 8 43 . 1 4 ( 3 2 1 . 2 3 . 9 6 9 ) 1 0 2 . 7 1 064 丝杠螺纹部分长度 1 8 0 1 1 2 4 0 3 3 2uL m m ，取 350uL 1 400L 丝杠全长 500L 由公式 (2 1 1 8m a . 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 界压缩负荷满足要求。 （ 2） 临界转速 222 2 22 m a 910f k L (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 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 . 422 取 1 0 m， 2k 安全系数，一般取 2 ； 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 ， 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 11 页 共 41 页 2 m a 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 4r n r 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 两端固定： 11 1 1 1 1 ( / )4e B c H K K K (式中 滚珠丝杠副的拉压系统刚度 (N/ m)； 螺母座的刚度 (N/ m)； 丝杠副内滚道的接触刚度 (N/ m)； 丝杠本身的拉压刚度 (N/ m)； 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 ma l a (式中 A 丝杠最小横截面， 222 ()4A d m m； E 材料的弹性模量， E=1011(N/ 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 / m，丝杠螺母的接触刚度 7 1 6 . 7 / m，丝杠的最小拉压刚度m i n 5 4 5 . 2 / m（见后面计算）。螺母座刚度 1 0 0 0 / m。 1 1 1 1 14 1 0 8 0 7 1 6 . 7 1 0 0 0 4 5 4 5 . 2 3 2 4 / m 丝杠系统轴向拉压振动的固有频率： 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 12 页 共 41 页 / ra d (式中 m 丝杠末端的运动部件与工件的质量和 (N/ m)； 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/满足要求。 （ 4） 丝杠扭转刚度 丝杠的扭转刚度按下式计算： 47 (式中 丝杠平均直径： L 丝杠长度 43 1 . 7 57 . 8 4 1 5 9 3 4 /500 m r扭转振动的固有频率 : ()3 (式中 运动部件质量换算到丝杠轴上的转动惯量 ( 丝杠上传动件的转动惯量 ( 丝杠的转动惯量 ( 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 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 13 页 共 41 页 421 . 6 1 0zJ k g m 415934 4 4 2 7 . 1 / 4 2 2 9 7 / m i 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/以满足要求。 （ 5） 传动精度计算 滚珠丝杠的拉压刚度 24s (导轨运动到 两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中， 00 100 最大与最小机械传动刚度： 25m a 0 3 1 5 2 . 1 1 0 1 6 3 5 . 7 /4 0 . 1 25m i 0 3 0 5 2 . 1 1 0 1 0 2 . 5 /4 0 . 3 最大和最小机械传动刚度： m a x m i 4 0 . 6 5 /1 / 1 / 1 / 1 / 5 4 5 . 2 1 / 7 1 6 . 7 1 / 1 0 8 0o s C K m a x m a 4 1 /1 / 1 / 1 / 1 / 1 6 3 5 . 7 1 / 7 1 6 . 7 1 / 1 0 8 0o s C 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 k (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 300程公差为 12m ，机床定位精度0 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 ： 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 14 页 共 41 页 滚 丝杠 副型号 ： 公称直径 ： 00 ； 导程 ： ； 钢球直径 ： 丝杠外径 ： ； 螺纹底径 ： ；旋环列数 圈数 ： ； 额定动载荷 8451: 额定静载荷 ： 18325:0 NC a； 接触刚度 ： 612:/ 螺母安装尺寸 ： 45D 703 D 564 D 11B D 106 D 6h 78L 281 L 4C 3A 6 轮传动比计算 ： 已确定横向进给脉冲当量 : ， 滚珠丝杠导程 ： 0 ， 初选步进电机步距角 算传动比 ： 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 模数 m 取 2 。 进电机的计算和选型 ： 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 2可由下式计算 ： 20222112 步进电机转子的转动惯量 2； 1J 为齿轮 1Z 的转动惯量 2； 2J 为齿轮 2Z 的转动惯量 2； 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 15 页 共 41 页 2； 参考同类型机床 ， 初选反应式步进电机 转子的转动惯量为 ： 210 。 24314131 24324232 24334333 9 5 ； 00 代入上式： 20222112 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题 ， 2 7 0/ 基本满足惯量匹配的要求 。 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 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 ： 0fa m a 60102102602m a a xm a xm i n/ 0 0360m a xm a x 启动加速时间： 0 60102102602m a a xm a x陕西理工学院毕业论文（设计） 第 16 页 共 41 页 0 021 2 折算到电机轴上的摩擦力矩 0附加摩擦力距0M： 212020000 5 531123112m 5 531 上述三项合计 00m a x（ 2） 快速移动时所需力矩 3） 最大切削负载时所需力矩 2 000 7 从上面计算可以看出 ， 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 M； 最大静力矩 ：陕西理工学院毕业论文（设计） 第 17 页 共 41 页 j 39 5 7m a x 按此最大静力矩 ， 001130 反应式步进电动机的最大静转矩为 ： 于所需最大 静力矩 ， 作为初选型号 。 进一步考核电机的启动频率特征和运行矩频特征 步进电机空载启动频率和切削时的工作频率 ： 根据 机电一体化机械系统设计 （ 机械工业出版社 ） ， 001130 反应式步进电动机允许的最高空载启动频率为 ： 许的最高空载运行频率为 ： 以 ， 必须采用升降速控制和高低压驱动电路 。 向进给系统 纵向进给传动系统的改造如图 2 所示 。 纵向步进电机 1 通过一对减速 齿轮 2 把动力传递给纵向滚珠丝杠 3 ,再由滚珠丝杠螺母副拖动工作台 4 做往复移动。原车床的进给箱保留 ,滚珠丝杠左端仍然采用原固定支承结构 ， 支撑轴 6 通过套筒联轴器 5与滚珠丝杠相连 ， 这种联轴器用 2 个互相垂直的锥销将支撑轴与丝杠联接起来 ， 结构简单 ， 径向尺寸小 ,可防止被连接轴的位移和偏斜带来的装配困难和附加应力。如图 3 所示 ,滚珠丝杠右端仍利用原有的滑动轴承承座 4 ,通过一对深沟球轴承 1 实现径向支承 ， 丝杠左端通过一对圆螺母 (图中未画 ) 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 18 页 共 41 页 设计参数 纵向最大行程（ 650 工作进 给速度为 1 15000mm/ 纵向快速进给速度： 15 m/ 床鞍及其他的估计尺寸（长 宽 高）： 600300100 材料选为 加工
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