机电设备维修与管理毕业设计普通铣床X6132的数控化改造.doc

毕业设计题目:x6132普通铣床数控改造姓 名； 陈柳青 学 号： 20110110063 专 业： 机电设备维修与管理 年 级： 2011级 指导教师： 张映红 完成时间： 志当高 学当勤 能必强 技必精内 容 摘 要 普通铣床数控化改造是运用现代数控技术，对现有普遍铣床进行局部结构改造，以实现半自动化或全自动，改善铣床的技术性能指标，解决机械制造中普通铣床，其加工精度较低、不能批量生产、自动化程度不高，自适应性差的问题，拓展加工结构复杂、精密、批量、零件多变的功能，提高质量稳定和生产效率，使之局部或全部达到新数控铣床的水平。同时，普通铣床数控化改造，能解决许多企业在短时间内无法实现全部更新数控设备，是一条投资少、提升产品质量、生产效率和企业竞争力的捷径。通过对x6132普通铣床的数控化改造，掌握数控设备改造的基本方法, 学会分析设备机械、电气部分的改造方案和零部件选用规则，对将来到企业中进行普通铣床的数控化改造具有一定的指导意义，为促进我国数控设备运用和发展, 提高民族高技术机电设备的技术水平, 具有良好的社会效益和经济效益。关键词：数控；改造；铣床 目 录1. 普通铣床数控化改造概论1.1 普通铣床数控化改造的意义1.2 普通铣床数控化改造优点2x6132普通数控改造总体方案的设计 2.1设备改造后的要求2.2.数控铣床改造的总方案设计3.机械传动部分的改造与设计3.1主电动机功率的计算3.2 纵向进给系统的改造与设计 3.2横向进给系统的改造与设计 4.电控系统的改造与设计 4.1国内外数控系统的发展趋势4.2数控系统的类型和特点4.3数控系统选型因素4.4西门子数控系统的特点、功能、主要参数4.5变频器选择4.5.1变频器的作用和类型4.5.2变频器的选择原则和方法4.6驱动器的选型4.7编码器的选型4.8铣床数控化改造的数控系统功能5. x6132普通数控化的电控改造与设计5.1主电机控制电路设计5.2进给系统的控制设计6.x6132数控化铣床安装与调试6.1 x6132数控化铣床机、电系统的安装6.2 x6132数控化铣床的调试与运行7.设计小结8.致谢9.参考文献10.x6132普通数控化改造的主要零配件的清单11. 附x6132普通铣床控化改造的主要图纸 11.1x6132普通数控化的接口电路图、控制电路图、主电路图 11.2x轴进给系统的机械装配图； 11.3z轴进给系统的机械装配图； 11.4、主要零件的零件图x6132普通铣床数控改造1.普通铣床数控化改造概论1.1 普通铣床数控化改造的意义随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型，普通铣床已不能适应这些要求，数控铣床应运而生。这种新型铣床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后铣床控制的发展方向。在过去的几十年，虽然金属切削的基本原理变化不大，但随着社会生产力的发展，要求制造业向自动化和精密化方向发展，而刀具材料和电子技术的进步，特别是微电子技术、电子计算机的技术进步，运用到控制系统中，既能帮助铣床的自动化，又能提高加工精度。这些都要求对旧铣床进行改造。另外，在经济方面，用铣床的数控改造比更新设备节约50%的资金。再加上市场的原因，由于目前铣床市场供给无法满足大量的铣床设备的更新需要，因此更显示出铣床数控改造的必要性。对于我国的实际情况，大批量的购置数控铣床是不现实也是不经济的，只有对现有的铣床进行数控改造。数控改造相对于购置数控铣床来说，能充分发挥设备的潜力，改造后的铣床比传统铣床有很多突出优点，由于数控铣床的计算机有很高的运算能力，可以准确的计算出每个坐标轴的运动量，加工出较复杂的曲线和曲面。其计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记忆和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控铣床只要更换一个程序，就可以实现另一工件的加工，从而实现“柔性自动化”。改造后的铣床不象购买新机那样，要重新了解铣床操作和维修，也不了解能否满足加工要求。改造可以精确计算出铣床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者对铣床的特性早已了解，操作和维修方面培训时间短，见效快。另外，数控改造可以充分利用现有地基，不必像购入新机那样需要重新构筑地基，还可以根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和档次，将铣床改造成当今水平的铣床。数控技术改造铣床是以微电子技术和传统技术相结合为基础，不但技术上具有先进性，同时在应用上比其他传统的自动化改造方案有较大的通用性和可用性，且投入费用低，用户承担得起。由于自投入使用以来取得了显著的技术经济效益，已成为我国设备技术改造中主要方向之一，也为我国传统机械制造技术朝机电一体化技术方向过渡的主要内容之一。1.2 普通铣床数控化改造的优点 铣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，促使铣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铣床数控铣床的诞生和发展。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，数控铣床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的铣床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控铣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河。 数控铣床是以数字化的信息实现铣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，铣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，发出各种指令控制铣床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。 数控铣床与普通铣床相比，其主要有以下的优点： (1) 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控铣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，具有稳定的加工质量； (3) 可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；(4) 加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间； (5)铣床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产效率高（一般为普通铣床的35倍）；(6) 铣床自动化程度高，可以减轻劳动强度改善劳动条件； (7) 对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。数控铣床一般由下列几个部分组成： (8) 主机，他是数控铣床的主题，包括铣床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。(9) 数控装置，是数控铣床的核心，包括硬件（印刷电路板、crt显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。 (10) 驱动装置，他是数控铣床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。(11)辅助装置，指数控铣床的一些必要的配套部件，用以保证数控铣床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。(12) 编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。 还具有良好的经济效益；有利于生产管理的现代化；数控改造费用低；机械性能稳定可靠，结构受限；可充分利用现有的条件；可以采用最新的控制技术；交货期短，可满足生产急需等优点。 数控铣床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机铣床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在铣床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控铣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。 我国是一个铣床大国，有三百多万台普通铣床。但铣床的素质差，性能落后，单台铣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。 旧铣床的数控化改造，顾名思义就是在普通铣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。 随着数控铣床越来越多的普及应用，数控铣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，铣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铣床一面利用数控、数显、pc技术改造普通铣床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，铣床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控铣床，而我国的旧铣床很多，用经济型数控系统改造普通铣床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高铣床的自动化程度，比较符合我国的国情。 从上世纪，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧铣床。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，铣床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，对我们本科毕业设计进行设备改造具有典型性和实用性。2x6132普通铣床数控改造总体方案的设计2.1设备改造后的要求 对x6132普通铣床在我国机械制造业中得到广泛的应用, 它的床身上最大工件回转直径400mm, 最大工件长度 750 mm,主要用于对小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工,数控化改造后应具备如下的工作性能 ：( 1) 实现齿轮正反转和齿轮变速。( 2) 刀架能实现纵向和横向的进给运动, 可自动改变刀位, 完成刀具的选择。( 3) 冷却泵、润滑泵的启停。( 4) 刀具回参考原点的对刀方式。( 5 ) 在 x, z 轴正、反向极限位置具有硬件限位保护。( 6) 加工过程中的故障显示并报警。( 7) 加工螺纹时保证主轴转一圈, 刀架移动一个螺距。对x6132普通铣床进行数控化改造的铣床能进行生产加工，其加工质量和精度（误差0.03mm）达到或改造前铣床出厂时的水平，接近同档次数控铣床的水平，数控改造的铣床其生产效率、安全性超过改造前普通铣床出厂是的水平。因此, 对普通铣床x6132数控化的改造, 在确定总体改造方案的前提下, 对现有的机械、电气部分结构进行重新设计, 并选用性能可靠、价格合理的零配件。2.2.数控铣床改造的总方案设计2.2.1项目调研 通过到学校实训基地参观各类数控铣床结构和市场数控铣床配件调研，走访相关老师、以及网上访问、网上查资料等形式，基本搞清楚了用普通铣床改为数控铣床的基本结构、大体技术规范、数控系统与相关配件及零件等种类、型号、性能及大体价格，为方案初步设计及预算创造了条件，并为以后项目实施作技术准备。2.2.2主要配置该方案采用德国的西门子802d数控系统，主轴电机为7kw步进电机，lf2000-g5-5r5t3变频器（国产技术），主轴传动直接实现无级变速；纵向、横向采用伺服电动机+弹性联轴器+滚珠丝杠副的传动方式，可实现自动换刀控制，带螺纹加工方式，整机采用半防护设计，外形美观大方、操作方便。2.2.3技术改造要点铣床甩掉现有的进给箱、溜板箱、刀架等，只保留床身导轨、主轴箱、溜板、尾座等，从新设计制造进给传动系统和改进主轴箱。进给传动采用半闭环伺服系统。这一类系统的位置检测元件从机械传动链的中间取得信号，检测元件大多是装在伺服电动机后端或滚珠丝杠驱动端。由于位置反馈信号不包括滚珠丝杠和螺母副及工作台等执行部件误差因素影响，能获得比闭环伺服系统稳定性好的控制特性，而且也较经济，比开环系统的精度要好。2.2.4技术难点主轴和主轴箱技术要求高、设计难度大，我们无设计条件、经验和设计时间，其制造难度也大，一般企业无法加工；两丝杠的支撑、连接技术与安装调整工艺要求较高；两伺服电机支撑、连接技术要求较高。根据x6132普通铣床改造的分析，铣床改造后的性能和精度及成本等指标，采用西门子802d的数控系统，并配伺服驱动单元与滚珠丝杠螺母副对x6132铣床的x、z两轴进行改造；保留原有的床身、导轨尾座、润滑、冷却系统；改造的两轴在机械上采用了滚珠丝杠直联传动机构；刀架采用四工位电动刀架；导轨进行贴膜处理；铣床防护罩采用半闭式；滚珠丝杠和滑板润滑采用手动泵注入。2.2.5总体方案设计根据以上分析，整个改造工作包括机械部分的改造设计、电控部分的改造设计、机械零部件加工、铣床大修及整机的安装和调试等，铣床改造总体方案设计如下图所示，x6132普通铣床数控化改造总方案示意图2.3.6.控制方案设计x6132普通铣床数控化改造的数控系统及控制方案如图下图所示x6132普通铣床数控化改造数控装置数控方案3、机械传动部分的改造与设计普通数控改造机械部分为纵向和横向进给系统改造设计与计算、滚珠丝杠螺母副的选型、伺服电机的型号选择计算等，该部分设计的总体方案见下图所示。3.1主电动机功率的计算(1)切削力计算和主传动电机功率校核 由机械工程手册第二版“机械制造工艺设备（二）”分册可知：切削功率=（kw）式中，切削力（n）切削速度（m/min）主传动电机功率： = =0.750.85 车削时总切削力分解为：切削力、进给力、背向力，如下图所示。 车削时总切削力的分解图切削力： = （3-1）进给力： = （3-2） 背向力： = （3-3）式中，背吃刀量（mm） 进给量（mm/r） 切削速度（m/min） 根据厂家提供x6132的参数，然后以q235钢为加工材料，进行设计计算。加工零件的最大直径d=360mm，主轴最大转速n=980r/min，刀具选择yt5和yt15硬质合金刀焊接式车刀。(2)粗车时刀具选择yt5，对于长径比200：1，背吃刀量 = 3mm，进给量=0.350.65mm/r，切削速度=6080m/min。查机械工程手册第八版“机械制造工艺（二）”查相应的表可知：=200kgf/ =0.96 =1 =1.4 =0.4 =0.4 =1 =1 =0.8 =0.9 =1.84=1 =1 =0.4 =1 =1.88 铣床主轴转速：取工件毛呸直径d=360mm，切削速度=75m/min，则主轴转速n： n=66.3r/min查x6132铣床主轴转速系列，可知主轴转速n选75r/min 则可以计算出切削力、进给力、背向力的值切削力的值：=20030.50.9611.4420n进给力的值： = =20030.50.960.4110.40.91.8877.97 n背向力：= =20030.50.960.4110.811.84169.57 n切削功率： =5kw主传动电机功率： =6.7kw (=0.750.85) 即x6132普通铣床提供的主传动电机功率7kw满足粗车要求。(3)精车时计算铣床主轴转速,取工件直径d=360mm，切削速度=140m/min，则主轴转速n =123.8r/min查x6132铣床主轴转速系列，可知主轴转速n选为125r/min则可计算出切削力、进给力、背向力的值切削力的值：=2001.50.60.9611.4241.9n进给力的值： = =2001.50.60.960.4110.40.91.8846.78 n背向力：= =2001.50.60.960.4110.811.84101.74 n切削功率： =5.5kw主传动电机功率： =7kw (=0.750.85) 由精车和粗车的功率可知改造后的电动机功率为7kw符合要求。表2-1 、计算结果车削类型（mm）(mm/r)(mm/min)(r/min)(n)(n)(n)工件直径（mm）粗车30.5757542077.97169.57360精车1.50.6140125241.946.78101.74360经比较，粗车时的切削力比精车时大，因此本系统数控化改造设计计算按照粗车时的切削参数进行计算。3.2纵向进给系统的改造与设计3.2.1 z向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(1)计算z向滚珠丝杠轴向力 =（）式中，当量摩擦系数，对正常润滑的滑导轨，三角形和矩形导轨， =0.150.18。k填覆力矩影响系数，三角形和矩形导轨k=1.11.15，粗略的计算得出工作台的重量为1200n。则 =1.1577.970.18（420169.571200）=411.79n(2)寿命计算寿命系数 =式中滚动螺旋副的寿命，从机械传动装置设计手册上册表1025查的，=15000h，所以寿命系数： =转速系数： =基本额定载荷: =1.511411.79=12.53kn 式中，、分别为载荷系数、硬度系数、短行程系数，从机械传动装置设计手册上册表1026、1027、1028查得。(3)选择滚珠丝杠的型号 根据计算的基本额定载荷12.53kn，查机械传动装置设计手册表1022，选择滚珠丝杠cdm40053 表示为外循环插管式，双螺母垫片预紧，导珠埋入式的滚珠丝杠副，公称直径40mm，基本导程为5 mm，滚珠列数为1.52列，精度等级为3级，额定动载荷为13656n。具体参数见表3-1所示。 表3-1 cdm40053型滚珠丝杠具体参数公称直径基本导程钢球直径丝杠外径螺纹底径额定载荷（）刚度（/）动载荷静载荷4053.17539.536.713.65646.7221316螺母安装连接尺寸dhmac6710485159159m6353699 公称直径：=40mm 导程：=5 mm 螺旋角：=arctan()= 滚珠直径：=3.175mm 滚道半径：=0.52=0.523.175=1.651mm 偏心距：=0.707=0.707=mm（4）滚珠丝杠的强度计算滚珠丝杠主要受工件切削时产生的轴向力和转矩t，而产生的弯矩主要分布在铣床导轨上，作用到滚珠丝杠上的弯矩较小。按照第三强度理论有： =转矩t根据z向滚珠丝杠轴的交流伺服电机选择计算见（2）得，t=18nm=3.78mpa =47mpa 滚珠丝杠的强度符合要求。（5）z向滚珠丝杠刚度计算滚珠丝杠受轴向力负载引起导程产生的变形量： = （34）式中：=5mm，e=200mpa滚珠丝杠横截面积： a=则： =mm滚珠丝杠受扭矩t（n.m）引起的导程变化量： = （35）式中：a丝杠的截面积，a=（）丝杠的极惯性矩，=（）g钢的切变模量，对于钢g=83.3gpat转矩（nm）t=411.75=411.75n.mm式中为当量摩擦角，tan=0.0025=钢球和螺纹滚道产生的轴向变形：有预紧，且 =mm式中，载荷分布不均匀系数，与制造精度有关，通常取=1.21.3，螺母预紧力，。滚珠丝杠导程变形总量：=+=+=z向滚珠丝杠刚度： =n/772n/即z向滚珠丝杠刚度足够。通常要求丝杠的导轨误差应小于其传动精度的，即=mm=15该丝杠的导程误差满足上式，所以其刚度可满足要求。3.2.2 纵向交流伺服电动机的选择及计算交流伺服电动机是一种能将电脉冲信号转化机械的角位移的控制电动机。在数控铣床上，交流伺服电动机驱动滚珠丝杠转动，从而带动工作台移动。本方案采用了半闭环控制系统，有位置和速度检测系统检测装置安装在电动机轴上或丝杠的一端，进给系统中的机械传动装置处于反馈回路之外，其刚度等非线性因素对系统没有影响。安装调试方便，且其速度性好，动态精度高。根据设计参数，初选z向电机为：交流伺服电动机（三相），型号为sm150-180-lfb，其主要参数如下：步距角： 静转矩： 线电阻：2w 线电感：30mh 重量：g=11kg 最大空载转速：2000 功率：3.6kw(1)脉冲当量由传动比计算公式，有 = （36）式中，脉冲当量，交流伺服电机的步距角，滚珠丝杠的导程。本系统z向交流伺服电动机与滚丝杠采用联轴器连接方式，因此=1. =0.0083mm(2)转动惯量计算工作台折算到电机上的转动惯量： （37）式中m是工作台的质量即： =76.07丝杠的转动惯量： 式中，丝杠的名义直径，=40mm 丝杠两固定端的间距，=1525mm （钢）丝杠的质量，=，所以： =负载转动惯量=76.07+186.75=262.82电动机转动惯量，查厂家提供参数可得，=1200。因此，且 1=4.56即z向电机本身的转动惯量与总的负载转动惯量之比处于15范围内，因此z向总的负载转动惯量与电机本身的转动惯量是相匹配的，在快速进给时保证加速能力强的要求。总的转动惯量： + （38） =262.82+1200=1462.82(4)电动机的最高转速计算根据设计，z轴的最大进给速度为1500mm/min，可求出z向丝杠的最大转速、最大角速度 =300r/min =31.4rad/s(3)交流伺服电机负载转矩的核算 = （39）式中，加到电动机轴上的总负载转矩； 轴向移动工作台时所需的力； 丝杠导程； 轴承、丝杠螺母副的摩擦损耗在内的传动机构总效率。根据前面的计算可知，=2434.99n =2.5818n.m即交流伺服电机负载转矩足够。经上述计算验证，z向交流伺服电动机选为：型号sm 150-180-lfb，交流伺服电动机（三相），各项性能指标均符合设计要求。3.1.4纵向（z向）进给系统的轴承设计计算纵向滚珠丝杠的支承形式为一端固定一端铰支，左端是两个交接触球轴承，右端是一个调心球轴承，可满足支承要求。根据结构设计方案，z向丝杠的左端轴承选两个成对的角接触球轴承系列，内径40mm，公称接触角，代号为7208ac，右端轴承初选为调心球轴承，内径40mm，代号为1208。为了保证轴承正常工作，向心交接触球轴承通常成对使用，对称安装。如图所示：(1)纵向滚珠丝杠轴承的受力分析如图所示为矩形螺旋副。将螺母视为滑块，其上有轴向载荷口并假定集中作用于中径圆周上，如图a)所示。根据螺旋形成原理，将螺杆沿中径展开，可以得到一个斜面。当螺母旋转时，可视为滑块沿斜面上升或下降，如图b)所示，由理论力学的受力分析可知，滑块承受载荷（即轴向力）并沿斜面上升时，所需要的水平推力f（圆周力）的大小为：滚珠丝杠螺旋副的受力分析(2)纵向轴承的寿命计算轴承的轴向力计算向心角接触球轴承在承受径向载荷作用下，将产生使轴承内、外圈分离的附加的派生轴向力（见图41），其值按表1-6所列公式计算，其方向由轴承外圈端面的宽边指向窄边。表1-6附加轴向力的计算公式圆锥滚子轴承交接触球轴承7000c（=）7000ac（=）7000b（=）= 图41附加轴向力左端轴承的附加的轴向力： 97.64=66.4n左端轴承的轴向载荷： =2434.99+66.4=2501.39n右端轴承的轴向载荷： =2501.39n(3)轴承的当量载荷计算 左端轴承的当量载荷计算查参考文献8 机械工程手册第二版“机械零部件设计”表8.83得轴承7208ac：动载荷，静载荷。 =0.68查考文献“机械设计基础”表258得：x=1、y=0.92左端轴承的当量载荷1144.744n右端轴承的当量载荷计算查考文献机械工程手册 第二版“机械零部件设计”表8.82得轴承1208：动载荷，静载荷。 =1.5查“机械设计基础”表258得：x=1、y=0.42右端轴承的当量载荷： =1145.734n 轴承的额定动载荷计算左端轴承的额定动载荷计算 =9.96kn轴承7208ac轴承的=22.5kn大于计算所需的=9.96kn，故所选轴承合适。右端轴承的额定动载荷计算 =9.97kn轴承1208的=12.8 kn大于计算所需的=9.96kn，故所选轴承合适注：以上式中的、是根据=300r/min、=，查参考文献8机械工程手册 第二版“机械零部件设计”表8.37、8.38、8.39、8.310得：、3.1.5联轴器的选择因为电机的转速比较高，所以选用弹性联轴器。弹性联轴器具有减震、缓冲、补偿同轴度误差等作用。由于滚珠丝杠的一端的调心轴承内径是20mm，所以查参考文献机械设计基础课程设计指导书第三版，附录9附表9.3。选用的弹性联轴器型号为lt。3.3.横向进给系统的改造与设计3.3.1.横向进给系统的组成及设计普通铣床经济型数控改造的横向进给系统的设计相对比较简单，一般是交流伺服电动机驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。交流伺服电动机安装在大拖板上，用法兰盘将交流伺服电动机和机车大拖板连接起来，以保证同轴度，提高传动精度。3.3.2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经给系统类似，所用到的公式大基本相同。工作台重（粗略估算）：w=450n，快速进给速度：=1.5m/min，一般横向进给量为纵向的，因此取。(1)计算x向滚珠丝杠轴向力切槽及切断，查机械工程手册第二版“机械制造工艺设备（二）”表1.22得：=300kgf/ =0.96 =1.2 =1.5 =0.6 =0.5 =1.3 =1 =0.8 =0.9 =1.84 =1 =1 =0.8 =1.6 =1.96。则可计算出切削力、进给力、背向力的值切削力的值：=30010.40.961.21.5207.36n进给力的值：= =0背向力的值：= =30010.40.960.61.310.81.61.84=211.63n 轴向力： =取k=1.15，= =1.15211.630.18（207.36450）=361.7n3.3.3 x向滚珠丝杠设计计算 （1）寿命计算寿命系数： =式中滚动螺旋副的寿命，从机械传动装置设计手册上册表1025查的，=15000h，所以寿命系数 =转速系数： =（2）基本额定载荷： =1.511450=5.76kn 式中，、分别为载荷系数、硬度系数、短行程系数，从机械传动装置设计手册上册表1026、1027、1028查得。（3）选择滚珠丝杠的型号 根据计算的基本额定载荷5.76kn，查机械传动装置设计手册表1022，选择滚珠丝杠的型号cdm2004lh3p3 410/330，即外循环端盖式双螺母垫片预紧左旋滚珠丝杠副，公称直径20mm，滚珠丝杠导程4mm，滚珠列数为32列，精度等级为4级，额定动载荷为6.83kn。 表36 cdm2004lh3p4型滚珠丝杠具体参数公称直径基本导程钢球直径丝杠外径螺纹底径额定载荷（）刚度（/）动载荷静载荷2042.833619.36.8316.13327螺母安装连接尺寸dhml604885115.8106m670 公称直径：=20mm 导程：=4 mm 螺旋角：=arctan()= 滚珠直径：=2.83mm 滚道半径：=0.52=0.522.83=1.471mm 偏心距：=0.707=0.707=mm（4）滚珠丝杠的强度计算滚珠丝杠主要受工件切削时产生的轴向力和转矩t，而产生的弯矩主要分布在铣床导轨上，作用到滚珠丝杠上的弯矩较小。 按照第三强度理论有： =转矩t根据z向滚珠丝杠轴的交流伺服电机选择计算见（2）得，t=12nm=16mpa =47mpa 滚珠丝杠的强度符合要求。（5）z向滚珠丝杠刚度计算 滚珠丝杠受轴向力负载引起导程产生的变形量： = （310）式中：=4mm，e=200mpa滚珠丝杠横截面积： a=0.29则： =mm滚珠丝杠受扭矩t（n.m）引起的导程变化量： = （311）式中：a丝杠的截面积，a=（） 丝杠的极惯性矩，=（） g钢的切变模量，对于钢g=83.3gpa t转矩（nm）t=450=297n.mm式中为当量摩擦角，tan=0.0025 =0.00558mm钢球和螺纹滚道产生的轴向变形：有预紧，且 =mm式中，载荷分布不均匀系数，与制造精度有关，通常取=1.21.3，螺母预紧力，。z圈螺纹内的钢球数。滚珠丝杠导程变形总量：=+=0.175+0.00558+=0.18z向滚珠丝杠刚度： =5827.78n/772n/即z向滚珠丝杠刚度足够。通常要求丝杠的导轨误差应小于其传动精度的，即 =0.18=mm=15该丝杠的导程误差满足上式，所以其刚度可满足要求。3.3.4 x向交流伺服电动机的选择及计算交流伺服电动机是一种能将电脉冲信号转化机械的角位移的控制电动机。在数控铣床上，交流伺服电动机驱动滚珠丝杠转动，从而带动工作台移动。本方案采用了半闭环控制系统，有位置和速度检测系统。检测装置安装在电动机轴上或丝杠的一端，进给系统中的机械传动装置处于反馈回路之外，其刚度等非线性因素对系统没有影响。安装调试方便，且其速度性好，动态精度高。根据设计参数，初选x向电机为：交流伺服电动机（三相），型号为110byg 350a，其主要参数如下：步距角： 静转矩： 线电阻：1.8w 线电感：15mh 重量：g=8kg 最大空载转速：2000 功率：3kw（1）脉冲当量：由传动比计算公式，有 = （312）式中，脉冲当量，交流伺服电机的步距角，滚珠丝杠的导程。本系统z向交流伺服电动机与滚丝杠采用联轴器连接方式，因此=1. =0.006mm(2)转动惯量计算 工作台折算到电机上的转动惯量： （313）式中m是工作台的质量即： =18.26丝杠的转动惯量： 式中，丝杠的名义直径，=20mm 丝杠两固定端的间距，=600mm （钢）丝杠的质量，=，所以： =负载转动惯量=18.26+73.48=91.74电动机转动惯量，查厂家提供参数可得，=750。因此，且 3=8.17即x向电机本身的转动惯量与总的负载转动惯量之比处于38范围内，因此z向总的负载转动惯量与电机本身的转动惯量是相匹配的，在快速进给时保证加速能力强的要求。总的转动惯量： + （314） =91.74+750=841.74（3）电动机的最高转速计算根据设计，z轴的最大进给速度为1500mm/min，可求出z向丝杠的最大转速、最大角速度 =375r/min =39.25rad/s(4)交流伺服电机负载转矩的核算 = （315）式中，加到电动机轴上的总负载转矩； 轴向移动工作台时所需的力； 丝杠导程； 轴承、丝杠螺母副的摩擦损耗在内的传动机构总效率。根据前面的计算可知，=2234.99n =1.898 n.m12n.m 即交流伺服电机负载转矩足够。经上述计算验证，x向交流伺服电动机选为：型号110byg350a，交流伺服电动机（三相），各项性能指标均符合设计要求。4.1.4横向（x向）进给系统的轴承设计计算x向滚珠丝杠的支承形式为一端固定一端铰支，左端是两个交接触球轴承，右端是一个调心球轴承，可满足支承要求。根据结构设计方案，x向丝杠的左端轴承选两个成对的角接触球轴承系列，内径20mm，公称接触角，代号为7204ac，右端轴承初选为调心球轴承，内径20mm，代号为1204。（1）x向滚珠丝杠轴承的受力分析 受力分析与z向滚珠丝杠轴承的受力分析原理基本相同，滚珠丝杠轴承的圆周力f大小为： 如图所示，丝杠螺母在bc之间移动，当移动到c时，左端轴承受到最大的径向力，由静力学平衡方程有： =f=70n（2）横向（x向）轴承的寿命计算轴承的轴向力计算 左端轴承的附加的轴向力： =0.68=0.6870=47.6n 左端轴承的轴向载荷 =+=450+47.6=497.6n轴承的当量载荷计算 左端轴承的当量载荷计算查机械工程手册第二版传动设计表8.83得轴承7204ac；动载荷=22.5kn，静载荷=16.5kn。 =0.68 查机械设计基础表258得：x=1、y=0.92左端轴承的当量载荷：=196.36+0.961940.30=1978.248n 右端轴承的当量载荷计算查机械工程手册第二版“机械零部件设计”表8.82得轴承1024；动载荷=12.8kn，静载荷=3.36kn。 =1.5 查机械设计基础表258得：x=1、y=0.42右端轴承的当量载荷：=192.36+0.961940.03=1954.789n轴承的额定动载荷计算 左端轴承的额定动载荷计算： =19.63kn 轴承7204ac轴承的=22.5kn大于计算所需的=19.63kn，故所选轴承合适。 右端轴承的额定动载荷计算： =9.97kn 轴承1204的=12.8 kn大于计算所需的=9.96kn，故所选轴承合适注：以上式中的、是根据=375r/min、=，查参考文献8机械工程手册 第二版“机械零部件设计”表8.37、8.38、8.39、8.310得：、3.3.5 联轴器的选择因为电机的转速比较高，所以选用弹性联轴器。弹性联轴器具有减震、缓冲、补偿同轴度误差等作用。由于滚珠丝杠的一端的调心轴承内径是20mm，所以查参考文献机械设计基础课程设计指导书第三版，附录9附表9.3。选用的弹性联轴器型号为lt2。4、数控系统的选择4.1.国内外数控系统的发展趋势 数控系统是数字控制系统的简称，英文名称为（numerical control system），根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。通过利用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和开关量。 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，他对国计民生的一些重要行业的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数控技术发展的趋势来看，主要有如下几个方面：4.1.1 高精度、高速度的发展趋势尽管十多年前就出现高精度高速度的趋势，但是科学技术的发展是没有止境的，高精度、高速度的内涵也在不断变化，目前正在向着精度和速度的极限发展。效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会将其确定为21世纪的中心研究方向之一。在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度