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i 毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文） 普通车床的数控改造 姓 名： 学 号： 性 别： 专 业: 机械设计制造及其自动化 批 次： ii 普通车床的数控改造 摘摘 要要 机械制造业是国民经济中具有十分重要的地位和作用的一个重要行 业。机械制造业提供的装备水平对国民经济各部门的技术进步有着很大 的和直接的影响。机械制造业的规模的水平是反映国民经济实力和科学 技术水平的重要标志。因此，世界各地都把发展机械制造业作为振兴和 发展本国经济的战略重点。 在数控机床上加工零件，主要取决于加工程序，它与普通机床不同， 不必制造、更换许多工具、夹具，不需要经常调整机床。因此，数控机 床适用于零件频繁更换的场合。也就是适合单件、小批生产及新产品的 开发，缩短了生产准备周期，节省了大量工艺设备的费用。 经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和 稳定性。所以很多企业纷纷将现有机床改造成经济型数控机床，这种做 法具有投资少、见效快的特点。事实证明：机床的数控化改造可以为企 业带来可观的经济效益。 根据我国机床拥有量大、生产规模小的具体国情,采用经济型数控 系统对普通机床进行数控化改造,对提高我国机械加工的数控化率,提升 拥有大量普通机床的国有企业的加工能力,具有重要的意义。下面便以 iii CA6140 型车床为例，利用经济型数控系统对其进行数控化改造。 关键词关键词： CA6140 车床 ,数控化改造, 意义 目录目录 第一章 CA6140 车床的简介 1 iv 1.1 机床的特点与用途 .1 1.2 机床的主要结构和加工范围及特点 .1 1.3 机床的传动系统的介绍 .4 第二章 设计进给系统.8 2.1 设计纵向进给系统 .8 2.2 设计横向进给系统 23 第三章 主轴交流伺服电动机39 3.1 主轴的变速范围39 3.2 初选主轴电机型号39 3.3 主轴电动机恒功率调速范围40 3.4 主轴交流电动机的性能40 第四章 刀架的选型.41 4.1 改造刀架的目的41 4.2 刀架的工作过程41 4.3 刀架的工作原理41 第五章 安装调整中需要注意的问题43 5.1 滚珠丝杠螺母副的选择 .43 v 5.2 滚珠丝杠螺母副的调整43 5.3 联轴器的安装43 5.4 主轴脉冲发生器的安装43 第六章 数控车床工件加工实例45 第七章 数控机床的日常维护与养护 50 7.1 保持设备的清洁50 7.2 定期对各部位检查50 7.3 主轴脉冲发生器的安装50 第八章 结论.52 参考文献53 致 谢.54 0 第一章第一章 CA6140CA6140 车床的简介车床的简介 1.11.1 机床的特点与用途机床的特点与用途 CA6140 型卧式车床，其结构具有典型的卧式车床布局，它的通用 性程度较高。加工范围较广，适合于中小型的各种轴类和盘套类零件的 加工；能车削内外圆柱面、圆锥面、各种环槽、成形面及端面；能车削 常用的米制、英制、模数制及径节制四种标准螺纹，也可以车削加大螺 距螺纹、非标准螺距及较精密的螺纹；还可以进行钻孔、扩孔、铰孔、 滚花和压光等工作。 1.21.2 机床的主要机床的主要结结构和加工范围及特点构和加工范围及特点 CA6140 型普通车床的主要组成部件有：主轴箱、进给箱、溜板箱、 刀架、尾架、光杠、丝杠和床身。 图 1-1 CA6140 外形结构图 1 1、11床腿 2.进给箱 3.主轴箱 4.床鞍 5.中滑板 6.刀架 7回转盘 8.小滑板 9.尾座 10.床身 12.光杠 13.丝杠 14.溜 板箱 主轴箱：又称床头箱，它的主要任务是将主电机传来的旋转运动经 过一系列的变速机构使主轴得到所需的正反两种转向的不同转速，同时 主轴箱分出部分动力将运动传给进给箱。 进给箱：又称走刀箱，进给箱中装有进给运动的变速机构，调整其 变速机构，可得到所需的进给量或螺距，通过光杠或丝杠将运动传至刀 架以进行切削。 丝杠与光杠：用以联接进给箱与溜板箱，并把进给箱的运动和动力 传给溜板箱，使溜板箱获得纵向直线运动。丝杠是专门用来车削各种螺 纹而设置的，在进行工件的其他表面车削时，只用光杠，不用丝杠。 溜板箱：是车床进给运动的操纵箱，内装有将光杠和丝杠的旋转运 动变成刀架直线运动的机构，通过光杠传动实现刀架的纵向进给运动、 横向进给运动和快速移动，通过丝杠带动刀架作纵向直线运动，以便车 削螺纹。 1.2.11.2.1 加工范围加工范围 CA6140 车床的工艺范围很广，它能完成车削内外圆柱面、圆锥面、 车削端面、各种螺纹、成形回转面和环形槽等多种多样的加工工序。也 可以进行钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹、套螺纹和滚花等工作。其典型 2 如图 1-2 所示。CA6140 车床主运动由工件随主轴旋转来实现，而进给 运动由刀架的横向动来完成。由于机械产品中回转表面的零件很多。车 床的工艺范围又较广泛，因此 CA6140 车床使用十分广泛。 1.2.21.2.2 CA6140CA6140 车床的加工特点车床的加工特点 1 加工范围较大。 2 加工时，主运动是工件和旋转运动，进给运动是刀具的纵向和横向移 动。 3 正常情况下，在车削加工过程中，切削力比较稳定，加工比较平稳。 4 在车削加工过程中切屑和刀具之间的剧烈挤压和摩擦，以及刀具与工 件之间的摩擦，产生了大量的切削热，但大部分热量被切屑带走，所以 CA6140 在加工过程中一般可以不使用切削液。 图 1-2 车床加工的典型零件 3 5 在一般情况下，这种机床多用于粗加工和半精加工 1.31.3 机床的传动系统的介绍机床的传动系统的介绍 CA6140 车床的传动系统，由主运动传动系统、车螺纹进给传动系 统组成，见图 1-3。 1.3.11.3.1 主运动传动系统主运动传动系统 1.传动路线表达式 写传动路线表达式的方法是“抓两头带中间” ， 即将首件通过中间传动件将末端件联系起来，对于 CA6140 型卧式车床 图 1-3 CA6140 车床主运动传动系统图 41 39 4 主运动传动链来说，即从主电动机经 130mm 带轮带动 230mm 带轮， 从而带动轴，轴上有双摩擦离合器 M1，M1 向左结合，左边的 z51、z56 双联齿轮与轴一起转动，通过两对传动副，传动 56 38 51 43 轴实现主轴正转。M 向右结合，由 z50 与轴一起转动，z50 通过 1 轴 z34 传动轴上的 z30 实现主轴反转。M1 处于中间，则轴空转， 即不传动左边的 z51 和 z56，也不传动右边的 z50，轴的运动通过 轴之前的三对传动副，传动轴，轴有两 41 3922 58 30 50 条路线可传动主轴，即通过 轴上的 M，M向左滑移至 z63 与 z50 22 啮合，使得轴通过， 直接传动主轴轴，实现主轴高速 20 80 50 50 转动，即为 4501400r/min;若 M向右结合，轴通过， 2 20 80 51 50 传动轴，轴通过，传动轴，轴通过 传动轴 20 80 51 50 26 58 （主轴） ，其传动路线表达式为 5 1.3.21.3.2 车螺纹进给传动系统车螺纹进给传动系统 CA6140 型卧式车床的螺纹进给传动系统可车削米制，模数制，英 制和径节制 4 种标准螺纹，另外还可以加工大导程螺纹，非标准螺纹及 较精密螺纹以及右旋，左旋螺纹。 车制螺纹时，刀架通过车螺纹传动链得到运动，两端件主轴， 刀架之间必须保持严格的运动关系，即主轴每转一周，刀具移动一个被 加工螺纹的导程 L。车螺纹传动链运动平衡式为： =L （1-1）1UL 丝主轴 式中 U 为主轴至丝杠间全部传动机构的总传动比；L 丝为机床丝杠的导 程，CA6140 型车床的丝杠导程 L 丝=12mm；L 为工件螺纹的导程（mm） 。 1.3.31.3.3 纵向、横向进给机构纵向、横向进给机构 车削内、外圆柱表面时，可使用机动的纵向进给车削端面时，可使 用机动的横向进给。为了减少丝杠的摩孙和便于操作，保证螺纹传动链 的精度，机动进给传动链不用丝杠及开合螺母传动。机动进给是由光杠 XIX 经溜板箱传动。从主轴 VI 至进给箱轴 XVII 上滑移齿轮 Z28 处于左 位，使 脱开，从而切断进给箱与丝杠的联系。运动由齿轮副及 5 M 28 56 联轴节传至光杠 XIX，再由光杠通过溜板箱中的传动机构，分别传至齿 轮齿条机构或横向进给丝杠 XXVII，使刀架做纵向或横向机动进给。溜 板箱内的双向齿式离合器及分别用于纵、横向机动进给运动的接 8 M 9 M 6 通、断开及控制进给方向。CA6140 型卧式车床可以通过 4 种不同的传 动路线来实现机动进给运动，从而获得纵向和横向进给量各 64 种。以 同样传动路线传动时，横向进给量为纵向进给量的一半。 1.纵、横向机动进给的传动路线表达式为 2.纵向机动进给量(32 种) 58336310025253628363244028 2.5 12 5833 10075363625563256294880 fIiimm 纵基倍主轴 0.711i i 基 倍 3.横向机动进给量(64 种) 58 33631002525 3628 36 3244048 59 5 58 33 100753636255632 56294848 18 fIiimm 纵基倍主轴 0.355i i 基 倍 横向机动进给量为纵向机动进给量的一半。 1.3.41.3.4 刀架的快速移动刀架的快速移动 在 CA6140 车床上加工零件时，为了缩短辅助时间，提高生产效率： 刀架可实现机动纵向、横向快速移动。按下快速移动按钮（点动控制） ， 快速电机（0.25kw，2800rpm）经齿轮副 13/29 使轴 XX 高速转动，再经 蜗杆副 4/29 及溜板箱内的转换机构，使刀架实现纵向或横向的快速移 动，快速移动的方向由溜板箱内的双向离合器 M8 及 M9 控制。 0 第第二章二章 设计进给系统设计进给系统 2.12.1 设计纵向设计纵向进进给系统给系统 纵向进给系统主要分为切削力的计算、滚珠丝杠副的选择、减速齿 轮的设计、步进电机的确定等。 操作步骤为：拆除原 CA6140 车床的传动机构（进给箱、溜板箱、 传动丝杠、光杠、操作丝杠） ，利用原机床进给箱的安装孔和销钉孔， 安装步进电机减速箱体，滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置，两端仍采用 原固定方式（一端固定、一端浮动） 。由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原 丝杠，所以纵向进给机构整体刚性优于从前，所以采用一级齿轮减速装 置。 已知条件，如表 2-1： 最大工件直 径 /mm 最大工件 长度 /mm 溜板及刀架 重量 /mm 刀架快移 速度 m/min 最大进给 速度 m/min 滚珠丝杠 导程 /mm 床身 上 床鞍 上 纵向 横向 纵向 横向 纵向 横向 定位 精度 mm 主电 动机 功率 /kw 起动 加速 时间 /ms 纵向横向 400210 750/1000 8006002.4 1.2 0.6 0.3 0.0 15 7.53065 表 2-1 CA6140 车床参数 1 选择脉冲当量 根据机床精度要求选择脉冲当量，纵向：0.01mm/步， 横向为纵向的一半，即 0.005mm/步 2.1.12.1.1 切削力的计算切削力的计算 车床的主电动机最大切削功率 P=PK （2-1）切主 式中 P主电动机功率，CA6140 车床 P=7.5KW主主 主传动系统效率，一般为 0.60.7，取 =0.65 K进给系统功率总效率 取 K=0.96 P=7.50.650.96=4.68KW切 又切削力 P= （2-2）切 3 10 60 c F v 式中 F 主切削力（N） C V最大切削速度（m/min） 。按用硬质合金刀具半精车刚件的 速度 V=100m/min 在外圆车削中：F =（0.150.7）F =28080.6=1684.8N yz F=（0.10.6）F =28080.5=1404N Xz 2 2.1.22.1.2 滚珠丝杠副的设计及选型滚珠丝杠副的设计及选型 1、滚珠丝杠副的工作原理及特点 在数控机床进给系统中一般采用滚珠丝杠副来改善摩擦特性。滚珠 丝杠副是一种在丝杠与螺母间装有滚珠作为中间元件的丝杠副，其结构 原理如图 2-1 所示。为防止滚珠在工作过程中从螺母两端掉出，在螺母 的螺纹滚道 4 上装有挡滚珠器 2（又叫回珠器或反向器） 。回路管道 5 将滚珠 3 引回，构成滚珠连续工作的循环通道。 （1） 、滚珠丝杠副具有如下优点： 传动效率高 滚珠摩擦的摩擦损失小，传动效率 =0.920.94，是 普通滑动丝杠的 34 倍（=0.200.40） 。 摩擦力小 因静、动摩擦因数小，因而传动灵敏、运动平稳、低速不 易爬行、随动精度和定位精度高。 图 2-1 滚珠丝杠副 1-压块 2-挡珠器 3-滚珠 4-螺纹滚道 5-回路管道 6-螺母 7-丝杠 3 可预紧 经预紧后可消除轴向间隙。有助于定位精度和刚度提高，既 使反向也没有空行程，反向定位精度高，且传动平稳。 有可逆性 因摩擦因数小，所以不仅可将旋转成直线运动，也可将直 线运动转换为旋转运动，丝杠可螺母既可作为主动件，也可作为从动件。 使用寿命长 滚珠丝杠副采用优质合金钢制成，去滚道表面淬火硬度 达 60-60HRC，表面粗糙度值小，而且是滚动摩擦，故磨损很小、使用 寿命长。 因为滚珠丝杠副具有这些优点，所以进给系统我选择滚珠丝杠副 （2） 、 滚珠丝杠副的缺点是： 制造工艺复杂，成本高 滚珠丝杠、螺母、反向器等零件的加工精度 和表面粗糙要求高，故制造成本高。如丝杠螺母上的螺旋槽滚道一般都 要求削成形表面，工艺复杂。 不能实现自锁 由于起摩擦因数小而不能自锁，特别是垂直（立式） 丝杠，由于自重和惯性或因突然停断电而容易造成主轴箱等下滑，所以 需要添加制动装置。 2、滚珠丝杠副的循环方式 常用的循环方式有外循环和内循环两大类， 滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环：始终与丝杠保持 接触的称为内循环。 4 3、滚珠丝杠的安装 为提高传动刚度，选择合理的支承结构并正确安 装很重要。滚珠丝杠主要承受向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重， 因此滚珠丝杠的轴向精度和刚度要求较高。在安装时，应注意调整丝杠 间隙，可用百分表测出具体的间隙所在。 珠丝杠副的选用 滚珠丝杠副的选择主要是工件负载必小于滚珠丝杠的 额定动负载 Cm(N)即必须满足 CCm。 4、滚珠丝杠的承载能力的计算 选择纵向进给为综合导轨，计算丝杠的最大轴向进给切削里 Fm 又因为 Fm=KFf+f(Fc+w) （2-3） 式中 Ff、Fp、Fc切削分力（N） K颠覆里矩影响取 K=1.15 F导轨上的摩擦因数取 f=0.16 W移动部件的重量（N） 代入式中：Fm=kFf+f(fc+w) =1.151684.8+0.16(2808+800) =2514.8N 5 （1） 、寿命 L 最大切削里 F 的进给速度 Vs 可取最高进给速度的 1/2 1/5（取为 1/2） ，纵向最大进给速度为 0.6m/min,丝杠导程 Lo=6mm， 则丝杠转速为：n= 0 10001000 0.6/min 0.5 50 /min 6 s Vmm r Lmm 丝杠使用寿命时间一般为 15000h，则丝杠的计算寿命 L 为 L= 6 66 6060 50 /min 45(10) 1010 nTr r （2） 、载荷 Cm 当量动载荷 Cm 选用滚珠丝杠直径 do 时，必须保证丝 杠工作时，在一定的轴向载荷作用下，丝杠在运转 10 转后，在它的滚 珠上下产生疲劳点浊现象。这个轴向负载的最大值 Cm，即为滚珠丝杠 杆副所能承受的最大当量动载荷 Cm （2-4） 3 Mw m a LF f C f 式中：运转系数 w f 精度系数 a f =14908.11N 3 Mw m a LF f C f 3 45 1.52 2514.8 0.9 根据 CCm 的原则，查 机械设计手册化学出版社出版，第三章第 3 卷， （P12-21） 4 选取滚轴丝杆的型号为：CMD4006-2.5E 左，坐标直径 为 40mm，即外循环，齿差调隙式，一圈 2.5 列。滚珠直径为 39.69mm， 6 导程为 6mm，摩擦级选用 5 级，螺纹升角 r=arctag（L /d ） 0 0 =arctg（6mm/40）=arctg0.047=. 0 2 44 （3） 、传动功率 滚轴丝杆副的传动功率为： =tgr/tg（r+） （2-5） =tgr/tg（r+）=0.94 0 0 2 44 2 4410 g g t t 式中：r丝杠的螺纹升角 摩擦角。滚动丝杆副的滚动摩擦因数 f=0.003，摩擦角 约等于 10所以=10 （4） 、稳定性验算 临界压缩载荷，对于受压的细长的滚轴丝杆，应验算其承受最大轴 向压缩载荷 Fmax 时是否会产生纵向弯曲。 （2-6） 2 1 max 2 1 wd fEI F lf 式中 E丝杆材料弹性量，对纲 E=2.0610N/m 112 L丝杠两支承端距离（m） ，L=1.5m; f 丝杠的支承方式系数，f =2.00 11 f许用稳定性安全系数，f=3 wdwd 7 I丝杠截面惯性矩（m ） I= = =0.001m 44 1 64 d 4 3.14 0.4 64 4 d 丝杠螺纹底径（m） ，d =d -1.02d =40- 110w 1.023.969=36.02mm. =2256.75N 2 1 max 2 1 wd fEI F lf 211 2 2 3.142.06 101 15003 （5） 、刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动平稳性， 因此验算满载时候的轴向变形量。 丝杠的拉伸或压缩变形量。在总变形量中占的比重教大 1 1 （2-7） 0 1 0 l L l 式中 -滚珠丝杠支撑间的受力长度(mm)l -滚珠丝杠的导程(mm) 0 l -在工作载荷作用引起的导程变化量(mm) 0l 又 （2-8） EA LF l m0 0 式中-轴向平衡载荷 m F 8 -材料弹性模量 钢=E 5 2.06 10 (/)N mm -珠丝杠横截面积 A=A 2 2 1 () 4 d mm 222 36.021018.5 4 mmm = EA LF l m0 0 6 2514.8 6 20.6 101018.5 mm 4 0.719 10 mm mm mm mm L l l 2- -4 0 0 11.79x10x1500 6 x10719 . 0 x “+”号用于拉伸。由于两端均采用角接触球轴承且丝杠又进行了预紧， 故其拉压刚度端固定的丝杠提高四倍。其实际变形为。 2 11 1.79 100.0044 44 mm 滚珠与螺纹接触变形量，此项变形占总变形量的比重也教大，当 2 对丝杠加有预紧力且预紧力为轴向最大载荷的 1/3 时，之值可减少一半， 又 （2-9） 2 2 3 0.0013 m wy F d F Z 式中 轴向工作载荷（N） m F 预紧力 y F 滚珠直径 w d 9 滚珠数量其为圈数 K 列数 Z 每圈螺纹滚道内的滚珠数Z 外循环 Z= 0 3 w d d d 滚珠丝杠公称直径 0 = 2 2 3 10 0.0013 m wy F d F Z 2 3 2514.882.849444 0.018 34701962.540 3.969 1684.8 () 3.969 据上所诉，实际变形量为: =0.009 2 2 2 支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形 3 支撑滚珠丝杠的轴承为 8107 型推力轴承，几何参数 d =35mm，滚 1 球直径 滚动体数量=18 轴承的轴向接触变形为：6.35 Q dmm Q Z 3 （2-10）3 2 2 3 004. 0 QQ m Zd F mm 22 3 3 3 22 2514.8 0.0040.00240.0024 3.13160.007516 6.35 18 m QQ F mm d Z 因施加预紧力，故实际变形量 mm 33 11 0.0075160.003758 22 注意单位为 k m F g 10 总变形量=+=0.0044+0041+0.003758=0.012258mm 1 2 3 又有前面已知条件可得：0.012258mm0.015mm 的定位精度。 符合要求。 5、减速齿轮的设计 i 根据机床设计的要求，纵向进给脉冲当量为 0.01mm，滚珠丝杠导 程 L =6mm，及初选的步进电动机的步距角 0.75，传动比为 0 0.75 65 1.25 360 0.014 i 因为 I5,故可为一级齿轮传动。I= 2 1 Z Z 540 432 因进给运动齿轮受力不大。根据机械设计基础选取第一系列中的模 树 m=2 压力角=20 0 d =M z=232=64mm 11 22 2 4080mmm dz 分度圆直径 =+2=m(+2)=2(32+2 1)=68 mm 1a d 1 d a h 1 z * a h =+2=m(+2)=2(40+21)=84 2a d 2 d a h 2 z * a h 齿顶高系数，我国标准规定：m1时，正常齿制=1 * a h * a h 齿根圆径 = -=m(-2-2)=2(32 2-2 0.25)=59 1f d 1 d2 f h 1 z * a h * c =-=m(-2-2)=2(402-20.25)=75. 2f d 2 d2 f h 2 z * a h * c 11 顶隙系数 我国标准规定：1 mm 时，正常齿制=0.25 * c * c 齿宽 b=为了减小加工量，也为了装配和调整方便，大齿 d 1d 齿宽应小于齿轮齿宽，取，则 21 d bd 12 (5 10)mm bb 取=1 所以 d 2 0.5 6432mmmm b 12 (5 10)38mmmm bb 所以减速齿轮参数为： 12112 64,38,2,32,32,40 20 mmmm mmmmm dbdzz 大小齿轮的材料均为 40合金钢，考虑到对传动要求和制造方便 r G 采用直齿传动从动齿轮齿轮错齿轮法消除和间隙，热处理采用调压处理， 小齿轮硬度，大齿轮：硬度246 ss HBHB220 sS HBHB 2.1.32.1.3 步进电动机的选择步进电动机的选择 1、计算负载惯量的意义 惯量匹配条件 惯量匹配是指进给系统负载惯量与伺服电动机 转子惯量相匹配。 条件是：14 M J J 式中：伺服电动机转子的转动惯量（）可有伺服电动 M J 2 .kg cm 机技术手册查出。 J负载惯量（） ，即进给系统（传动轴、齿轮、工作台等） 2 .kg cm 折算到伺服电动机上全部负载转动惯量。 12 2、负载惯量的计算 参考同类型机床，初步选用反应式步进电动机 150BF002，其电动 机转动惯量=10。 5 传动系统折算到步进电动机轴上的等效转 M J 2 .kg cm 动惯量为： （1） 、齿数 Z 、Z 折算到步进电动机轴上的转动惯量为： 12 3 45343 111 11 7.8 10/(6.4)2103.21/ 3232 gg JdLkcmcmkcm 3 45343 211 11 7.8 10/82106.27/ 3232 gg JdLkcmcmkcm （2） 、丝杠折算到步进电动机轴上的转动惯量 从表查得 1m 的丝 杠的=15.45 M J 2 .kg cm J =15.451.5=23.175 S 2 .kg cm 2 .kg cm （3） 、等效转动惯量为： J=J + （2-11） 1 22 01 2 2 ()()() 2 S LZW JJ ZG J=J + 1 22 01 2 2 ()()() 2 S LZW JJ ZG =3.21+ ( 22 328000.6 )(6.2723.175)() 409.8 2 3.14 2 .kg cm =22.531 2 .kg cm 负载转矩计算及最大静转矩的选择 机床在不同的共况下，其所需转 13 矩不同， （1）快速空载起动时所需转矩是： 将已知数据代入，=500r/min max max 0 24000.75 3600.01360 b p v n 考虑了电动机转子的转动惯量以后，传动系统折算的电动机轴上的 总转动惯量 J=J+J=10+22.531=32.531 总M 2 .kg cm 2 .kg cm M amnx 2 max 2 1032.513 60 a n J t 总 2 .kg cm 2 2500 /min 10 60 0.03 r S =567.77N 折算到电动机轴上的摩擦力矩 （2-12） 1 2 0 2 )( 2 Z Z LWFf i LF M cOO f =55.15 N.cm / 000 2 1 ()0.16 (2808800) 0.6 220.8 1.25 2 C f F LfFW L M Z i Z 附加摩擦力矩 （2-13）)1 ( 2 )1 ( 2 2 1 2 0 2 o m o O O Z Z LFf i FpoL M / 222 00 000 2 1 0.16 (2808 800) 0.6 (1)(1)(1 0.9 ) 22 3.14 0.8 1.25 2 m FpoLfFL M Z i Z 14 =3.259N.cm 则 M=M+M +M =567.77N.cm+55.15N.cm+3.259N.cm=626.179N.cm 起am axf0 （2）快速移动时所需力矩 M快 M=M +M=55.15N.cm+3.259N.cm=58.409N.cm 快f （3）最大切削负载时所需力矩 M 切 0ft MMMM 切 =M +M+ f 1404 0.6 55.15 .3.259 220.8 1.25 N cmN cmN cm i to FL =55.15N.cm+3.259 N.cm+134.14N.cm=192.549N.cm 从上面计算看出 M、M、M三种情况下，以快速空载起动时所 起快 切 需转矩最大，以此项作为初选步进电动机的依据。 查资料得，步进电机为五项十帕时， max 0.951 q j M M 步进电动机最大静转矩= maxj M626.179 658.4 .6.58 . 0.9510.951 M N cmN m 起 按次最大静力矩，150BF002 型步进电机最大静转距为 13.72大.N m 于所需最大静力矩，可作为出选型号。但还得考虑电机起动频率特性和 运行矩频特性。 步进电机的空载起动频率： 15 max 10001000 2.4 /min4000 6060 0.01 k p V fmmHz 10001000 0.6 /min1000 6060 0.01 S e V fmmHz 150BF002 型反应式步进电动机允许的最高空载启动频率为 2800，允许的最高空载运行频率为 8000。HzHz 由图 2-2（a）步进电动机起动矩频特性可看出，当步进电动机起 动时，f起=2500HZ 时，M=100N，远远不能满足此机床所要求的空载 起动力矩（633.84N） ，直接使用会产生失步现象，所以必须采取升 降速控制（可用软件实现） ，将起动频率降到 1000HZ时，起动扭矩可增 高到 588N，然后在电路上再采用高低压驱动电路，可将步进电动 机输出转矩扩大一倍左右。 a) 起动矩频特性 b)运行矩频特性 图 2-2 150BF002 步进电机起动矩频特性 16 当快速运动和切削进给时，由 150BF002 步进电机起动矩频特性图 2-2（b）知该电动机能满足要求，根据上述计算综合分析，纵向进给系 统采用 150BFOO2 步进电动机能满足要求。 2.22.2 设计横向进给设计横向进给系系统统 横向进给系统主要分为切削力的计算、滚珠丝杠副的选择、减速齿 轮的设计、步进电机的确定等。 改造步骤：保留原手动机构，用于微机进给和机床刀具对空操作； 保留原有的支承机构；步进电机、齿轮箱体安装在机床后侧，为了便于 安装滚珠丝杠。副丝杠轴采用分移式，然后用套筒刚联接。采用双片齿 轮错齿法消除齿轮副间隙，并在溜板箱上安装了纵横向进给按钮和急停 按钮，以适应机床调整时的操作和意外事故的紧急处理。 2.2.12.2.1 切削力的计算切削力的计算 F=（0.10.6）F =28080.5=1404N Xz 2.2.22.2.2 滚珠丝杠副的设计及选型滚珠丝杠副的设计及选型 1、选择纵向进给为燕尾性导轨，计算丝杠的最大轴向进给切削里 Fm 又因为 Fm=KFf+f(Fc+2F +W) （2-14） P 式中 Ff、Fp、Fc切削分力（N） 17 K颠覆里矩影响取 K=1.4 F导轨上的摩擦因数取 f=0.2 W移动部件的重量（N） 代入式中：Fm= KFf+f(Fc+2F +W) P =1.41684.8+0.2(2808+21404+600) =3353.28N 2、寿命 L 最大切削里 F 的进给速度 Vs 可取最高进给速度的 1/2 1/5（取为 1/3） ，纵向最大进给速度为 0.6m/min,丝杠导程 Lo=6mm，则 丝杠转速为： r/min 0 1 10000.3 1000 3 20 5 vs n L 丝杠使用寿命时间一般为 15000h，则丝杠的寿命 L 为 L=18 6 60 10 nT 6 60 20 1500 10 3、载荷 Cm 当量动载荷 Cm 选用滚珠丝杠直径 do 时，必须保证丝杠工 作时，在一定的轴向载荷作用下，丝杠在运转 10 转后，在它的滚道上 6 下产生疲劳点浊现象。这个轴向负载的最大值 Cm，即为滚珠丝杠杆副 所能承受的最大当量动载荷 Cm 18 3 Mw m a LF f C f 式中：运转系数 w f 精度系数 a f =14646.56N 3 Mw m a LF f C f 3 18 1.5 3353.28 0.9 根据 CCm 的原则，查 机械设计手册化学出版社出版 4 ，第三 章第 3 卷，选取滚轴丝杆的型号为：CMD2505-2.5E 左，坐标直径为 25mm，即外循环，齿差调隙式，一圈 2.5 列。滚珠直径为 39.69mm，导 程为 6mm，摩擦级选用 5 级，螺纹升角 r=arctag（L / d ） 0 0 =arctg（6mm/ 40）=arctg0.047=。 0 2 43 4、传动功率 滚轴丝杆副的传动功率为：=tgr/tg（r+）= =0.965 0 0 2 43 (2 4310 ) g g t t 式中：r丝杠的螺纹升角 摩擦角。滚动丝杆副的滚动摩擦因数 f=0.003， 摩擦角约等于 10所以=10 5、稳定性验算 （1）临界压缩载荷，对于受压的细长的滚轴丝杆，应验算其承受最大 轴向压缩载荷 Fmax 时是否会产生纵向弯曲。 19 2 1 max 2 1 wd fEI F lf 式中 E丝杆材料弹性量，对纲 E=2.0610N/m 112 L丝杠两支承端距离（m） ，L=0.45m; f 丝杠的支承方式系数，f =2.00 11 f许用稳定性安全系数，f=3 wdwd I丝杠截面惯性矩（m ） I= = =m 44 1 64 d 4 3.14 0.25 64 5 7.8 10 4 d 丝杠螺纹底径（m） ，d =d -1.02d =20- 110w 1.023.175=16.7615mm. =4680.6N 2 1 max 2 1 wd fEI F lf 2115 2 2 3.142.06 107.8 101 4503 6、刚度验算 （1） 、丝杠的拉伸或压缩变形量。在总变形量中占的比重教大. 1 1 0 1 0 l L l 式中 滚珠丝杠支撑间的受力长度(mm)l 滚珠丝杠的导程(mm) 0 l 在工作载荷作用引起的导程变化量(mm) 0 l 20 又 EA LF l m0 0 式中- 轴向平衡载荷 m F - 材料弹性模量 钢=E 5 2.06 10 (/)N mm -滚珠丝杠横截面积 A A= 2 2 1 () 4 d mm 222 16.76220.5 4 mmm = = EA LF l m0 0 6 3353.28 5 20.6 10220.5 mm 4 3.69 10 mm mm 4 2 0 1 0 3.69 10 4503.21 10 5 lmm lmm “+”号用于拉伸。由于两端均采用角接触球轴承且丝杠又进行了预紧， 故其拉压刚度端固定的丝杠提高四倍。其实际变形为。 2 11 3.321 100.0083 44 mm （2） 、滚珠与螺纹接触变形量，此项变形占总变形量的比重也教大， 2 当对丝杠加有预紧力且预紧力为轴向最大载荷的 1/3 时，之直可减少一 半， 又 2 2 3 10 0.0013 m wy F d F Z 式中 轴向工作载荷（N） m F 21 预紧力 y F 滚珠直径 w d 滚珠数量其为圈数 K 列数 Z 每圈螺纹滚道内的滚珠数Z 外循环 Z= 0 3 w d d d 滚珠丝杠公称直径 0 2 2 3 0.0013 m wy F d F Z = 2 3 3353.284.359264 0.018 130798802.520 3.175 1684.8 () 3.175 据上所诉，实际变形量为: =0.009 2 2 2 (3)、支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形 3 支撑滚珠丝杠的轴承为 8107 型推力轴承，几何参数 d =15mm，滚 1 球直径 滚动体数量=12 轴承的轴向接触变形为：4.76 Q dmm Q Z 3 mm 22 3 3 3 22 3353.28 0.0040.00240.0024 25.40.0609 4.763 12 m QQ F mm d Z 因施加预紧力，故实际变形量 mm 33 11 0.06090.0336 22 22 注意单位为 k m F g 总变形量=+=0.0083+0.009+0.0336=0.0509mm 1 2 3 又有前面已知条件可得：0.0509mm0.015mm 的定位精度。 显然，此变形量已大于定位的要求，不符合要求;要进行修改。因 横向留板空间限制，不宜再加大滚珠丝杠直径，故采取贴速导轨减小摩 擦力，从而取减小最大牵引力。 计算丝杠的最大轴向进给切削里 Fm 又因为 Fm=KFf+f(Fc+2F +W) P 式中 Ff、Fp、Fc切削分力（N） K颠覆里矩影响取 K=1.4 F导轨上的摩擦因数取 f=0.03 W移动部件的重量（N） 代入式中：Fm= KFf+f(Fc+2P+W) =1.41684.8+0.03(2808+21404+600) =2545.2N 、丝杠的拉伸或压缩变形量。在总变形量中占的比重教大. 1 1 0 1 0 l L l 23 式中 滚珠丝杠支撑间的受力长度(mm)l 滚珠丝杠的导程(mm) 0 l 在工作载荷作用引起的导程变化量(mm) 0 l 又 0 0 m F L l EA 式中轴向平衡载荷 m F 材料弹性模量 钢=E 5 2.06 10 (/)N mm 滚珠丝杠横截面积 A A= 2 2 1 () 4 d mm 222 16.76220.5 4 mmm = = 0 0 m F L l EA 6 2545.2 5 20.6 10220.5 mm 4 2.80 10 mm mm 4 2 0 1 0 2.80 10 4502.52 10 5 lmm lmm “+”号用于拉伸。由于两端均采用角接触球轴承且丝杠又进行了预紧， 故其拉压刚度端固定的丝杠提高四倍。其实际变形为。 2 11 11 2.52 100.0063 44 mm 、滚珠与螺纹接触变形量，此项变形占总变形量的比重也教大，当 2 对丝杠加有预紧力且预紧力为轴向最大载荷的 1/3 时，之直可减少一半， 24 又 2 2 3 0.0013 m wy F d F Z 式中 轴向工作载荷（N） m F 预紧力 y F 滚珠直径 w d 滚珠数量其为圈数 K 列数 Z 每圈螺纹滚道内的滚珠数Z 外循环 Z= 0 3 w d d d 滚珠丝杠公称直径 0 2 2 3 0.0013 m wy F d F Z = 3 2 3 2545.23.30876 0.0140 2.52013079885 3.175 1684.8 () 3.175 据上所诉，实际变形量为: =0.007 2 2 2 、支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形 3 支撑滚珠丝杠的轴承为 8102 型推力轴承，几何参数 d =15mm，滚 1 球直径 滚动体数量=12 轴承的轴向接触变形为：4.763 Q dmm Q Z 3 25 mm 22 3 3 3 22 2545.2 0.00240.00240.0024 21.10.0506 4.763 12 m QQ F mm d Z 因施加预紧力，故实际变形量 mm 33 11 0.05060.0253 22 注意单位为 k m F g 总变形量=+=0.0063+0.007+0.0253=0.0383 1 2 3 又有前面已知条件可得：0.0383mm0.015mm 的定位精度。 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，则总变形量=0.015。 1 0.03830.0095 4 此变形量满足设计要求 3 2.2.32.2.3 减速齿轮的设计减速齿轮的设计 根据机床设计的要求，纵向进给脉冲当量为 0.005mm，滚珠丝杠导 程 L =5mm，及初选的步进电动机的步距角 0.75，传动比为 0 0 0.75 530 2.04 360 0.00515 i 因为 I5,故可为一级齿轮传动。I= 2 1 Z Z 30 15 因进给运动齿轮受力不大。根据机械设计基础 6 选取第一系列中的 26 模树 m=2 压力角=20 0 d =M=215=30mm 11 z 22 2 3060mmm dz 分度圆直径 = +2=m(+2)=2(15+2 1) =34 mm 1a d 1 d a h 1 z * a h =+2 =m(+2)=2(30+21)=64 2a d 2 d a h 2 z * a h 齿顶高系数，我国标准规定：m1时，正常齿制=1 * a h * a h 齿根圆径 = -=m(-2-2)=2(15 2-2 0.25)=50 1f d 1 d2 f h 1 z * a h * c = -=m(-2-2)=2(301-20.25)=50 2f d 2 d2 f h 2 z * a h * c 顶隙系数 我国标准规定：1 mm 时，正常齿制=0.25 * c * c 齿宽 b=为了减小加工量，也为了装配和调整方便，大齿 d 1d 齿宽应小于齿轮齿宽，取，则 21 d bd 12 (5 10)mm bb 取=1 所以 d 2 0.5 1515.5mmmm b 12 (5 10)23mmmm bb 所以减速齿轮参数为： 12112 30,15.5,2,60,15,30 20 mmmm mmmmm dbdzz 大小齿轮的材料均为 40 合金钢，考虑到对传动要求和制造方便 采用直齿传动从动齿轮齿轮错齿轮法消除和间隙，热处理采用调压处理， 小齿轮硬度，大齿轮：硬度230 ss HBHB250 sS HBHB rG 27 2.2.42.2.4 步进电动机的选择步进电动机的选择 1、计算负载惯量的意义 参考同类型机床，初步选用反应式步进电动机 130BF001，其电动 机转动惯量=10。传动系统折算到步进电动机轴上的等效转动 M J 2 .kg cm 惯量为 5 ： (1)、齿数 Z 、Z 折算到步进电动机轴上的转动惯量为： 12 3 45343 111 11 7.8 10/30.45100 278/ 3232 gg JdLkcmcmkcm 3 45343 211 11 7.8 10/60.45104 46/ 3232 gg JdLkcmcmkcm (2)、丝杠折算到步进电动机轴上的转动惯量 从表查得 1m 的丝杠 的=0