毕业设计（论文）-CA6140普通车床经济型数控改造（纵向）（全套图纸）.doc

东华理工大学长江学院毕业设计（论文）CA6140机械部分改造与计算东华理工大学长江学院毕 业 设 计题 目 CA6140普通车床经济型数控改造（纵向） 英文题目 CA6140 ordinary lathe of economy numerical control reconstruction ( vertical) 学生姓名： 学 号： 专 业： 系 别： 指导教师： 职称： 二零一二年六月41东华理工大学长江学院毕业设计摘要摘 要数控车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。能稳定加工质量和提高生产率，但是数控车床的应用也受到其他一些条件的限制。首先，数控车床价格较昂贵，一次投资较大，对于中小企业来说常常是心有余而力不足；其次，各企业仍有大量的普通车床，完全用数控车床替换根本不可能，而且替代下来的机床闲置起来又会造成浪费。因此，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的有效途径。数控化改造后的车床自动化程度高，专业性强，加工精度及生产率搞；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调整性，适应多品种、中小批量生产；数控改造费用低，经济性好；能发挥机床的原有功能和改造后的新增功能，提高机床的使用价值；数控改造的周期短，可满足生产急需。本文的主要介绍普通机床CA6140纵向进给传动的数控化改造，微机数控硬件电路。要解决的问题是进给电机的选择，纵向进给系统结构设计，微机数控硬件电路的设计。关键词：开环系统； 滚珠丝杠； 减速箱； 控制系统。全套CAD图纸加153893706东华理工大学长江学院毕业设计（论文）ABSTRACTABSTRACT Numerical control lathe can solve complex shape, precision, small batch and changeable parts processing problem. The steady processing quality and productivity, but the application of numerical control lathe by other some limitations. First of all, numerical control lathe price is higher, a greater investment, the small and medium-sized enterprise that is often for the spirit is willing, but the insufficient; Secondly, the enterprise still has a lot of ordinary lathe, complete with numerical control lathe replace impossible, and replace the idle up and down machine can cause waste. Therefore, to better solve the above problem, should take the road of the ordinary nc transformation. Low cost ordinary numerical control lathe transformation is a suitable for the actual situation in our country of advanced applicable technology, is also a promotion our country in numerical control machine tool of the effective way. After the transformation to numerical control lathe a high degree of automation, professional and strong, the processing accuracy and productivity make; In the application of the traditional than other automation reconstruction scheme, which is of great versatility and may be adjusted sex, adapt to the many varieties, medium and small batch production; Nc modification cost is low, economical; The original machine tool can play after the transformation function and new function, improve the machine tool use value; Nc transformation period is short, can meet production needs. This paper mainly introduces the common machine tool CA6140 longitudinal into to the transmission of numerical control transformation, computer numerical control hardware circuit. To solve the problem that is the choice of feed motor, longitudinal feeding system structure design, computer numerical control hardware circuit design. Key words: open loop system; ball screw; gear box; control system东华理工大学长江学院毕业设计（论文）目录目 录绪 论1机床数控化改造的必要性1机床数控化改造的市场2数控化改造的内容2第一章CA6140普通车床数控改造总体方案3第二章CA6140机械部分的改造与计算42.1主传动系统的改造42.2主轴脉冲发生器42.3自动回转刀架52.4脉冲当量的选择与改造中的传动结构72.5进给传动系统72.6机械部分改造设计计算82.6.1滚珠丝杠螺母副的副的型号选择与校核步骤82.6.2滚珠丝杠副的间隙调整及其预紧方法112.6.3齿轮及转矩有关计算132.6.4减速箱的设计16第三章 步进电机的设计193.1步进电动机简介193.2步进电动机的主要参数与特性193.3CA6140纵向进给系统步进电机确定193.3.1步进电机选用的基本原则193.3.2步进电动机的选型计算21第四章 数控系统设计224.1数控车床及数控系统概述224.1.1机床主机224.1.2驱动装置234.1.3辅助装置244.1.4数控装置系统244.1.5编程装置244.2微机控制系统硬件电路设计254.2.1系统硬件设计254.2.2系统软件设计29总 结35致 谢36参考文献37东华理工大学长江学院毕业设计（论文）绪论绪 论机床数控化改造的必要性数控机床比传统机床有以下突出的优越性。（1）可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。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的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。（2）可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3到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。（6）数控机床能够降低操作人员的劳动强度，节省劳动力，减少工装，缩短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。数控机床改造一般是对普通机床某些部位作一定的改造，配上数控装置，从而使机床具有数控加工能力。有以下改造优点：（1）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，提高机床的使用价值。（2）使用于多品种、小批量零件生产。（3）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费用的1525，同购置新机床相比，一般可以节省7585的费用。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只需花费新机床购置费用的13，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23倍，与购置新机床相比，只能节省投资50左右。如果再结合机床大修理，几乎就是一台新的数控机床，甚至精度会更好，因为旧机床床身不会再生产变形。（4）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构建，而不是各种焊接构件，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。数控化改造使原有的机械结构更为简单。原有的手摇进给机构全部消失。这样一方面可以提高精度，减少传动链对精度的影响；另一方面可以减少机械故障率，提高运行的可靠性。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。（5）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。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。改造的机床一旦安装好，就可以实现全负荷运转。操作者只需装夹工件和按开关，加工全部由电脑控制自动完成，即使再复杂的工件也能快速完成，省去了对技术要求的烦恼。同时提高定额管理水平。（6）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。（7）可以采用最新的控制技术。可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效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。自动化程度高，专业性强，加工精度高，生产效率高。提高了生产率，减少了劳动强度。（8）增强了功能，如圆弧加工、锥度加工，这是传统加工方法难以实现的。（9）交货期短，可满足生产急需。机床数控化改造的市场机床数控化改造的市场 我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3%。近10年来，我国数控机床年产量为0.6万0.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6%。我国机床役龄10年以上的站60%以上；10年以下的机床中，自动、半自动机床不到20%，FMCFMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60%以上）。我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长等缺点，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。进口设备和生产线的数控化改造市场 我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据统计，从19791988年十年间，全国引进技术改造项目就有18446项，大约165.8亿美元。这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响。一些设备、生产线从国外引进以后，由于备件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。这些不能使用的设备、生产线是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。数控化改造的内容机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点：（1）恢复原功能 对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复。（2）NC化 在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC机床。（3）翻新 为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原进度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新。（4）技术更新或技术创新 为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。东华理工大学长江学院毕业设计（论文）CA6140普通车床数控改造总体方案1.CA6140普通车床数控改造总体方案总体方案设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。（1）普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。（2）车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。（3） 根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采用8位微机。在8位微机中，MCS51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性价比，因此，可选 MCS51系列单片机扩展系统。（4） 根据系统的功能要求，微机数控系统中除了CPU外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。（5） 纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。（6） 为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。（7） 采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。（8） 原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量 ，以降低成本缩短改造周期。（9） 机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保正安装、调试、拆卸方便，需经常调整的部位调整应方便。东华理工大学长江学院毕业设计（论文）CA6140机械部分改造与计算2.CA6140机械部分的改造与计算2.1主传动系统的改造主传动系统 CA6140型普通车床的主传动系统和进给系统都由主轴电机控制，而改造后的车床则把主传动系统和进给系统的运动分离开。分别由各自的步进电机来控制，但是为保证车床在车螺纹时主传动运动与进给运动之间的联系，所以在拆掉进给系统的同时，必须在主轴上安装一个脉冲发生器，来实现主轴传动和进给运动之间的联系。同时，为了提高机床的精度和效率，用滚珠丝杠来代替原机床的光杠，并且采用单独的步进电机来控制。这样不仅提高了机床的性能和精度，还提高了机床的使用性能。机械部分的改造：首先拆去进给箱、溜板箱；还要对车床的床鞍进行部分的改造，拆去纵向小拖板、 横向拖板，将丝杠换成滚珠丝杠，并且由一端驱动的步进电机来控制。刀架的改造：CA6140普通车床的刀架不能满足数改后的车床的性能和精度的要求。所以，必须要换成数控自动刀架。2.2主轴脉冲发生器(10主轴脉冲发生器的结构及原理:脉冲发生器的组成部分包括白炽灯、聚光镜、光栅盘、光阑板、光敏管及其光电整形放大电路组成。光栅盘和光阑板都是由玻璃材料组成，玻璃表面经过研磨抛光后用镀膜法镀上一层不透光的铬层，透光条及用照相腐蚀法制成。光栅盘上刻有明暗条纹，有单条和1024条两组。当平行光束经过光栅盘时，在光栅盘的另一面就产生明暗光带，这光带通过一个光阑夹缝，照在对应的光敏管上，从而产生电脉冲信号，经斯密特电路整形后输出。单条纹的一组产生同步脉冲，每转发一个脉冲；1024条纹的一组通过光栏上两个相位差4间距的夹缝，产生两组每转1024个脉冲组相位差为4的脉冲序列，供给微机处理，借以判断主轴正、反转，且可以从1024个脉冲中均匀地取出F个脉冲，作为中断信号控制插补速度，实现F进给控制的目的。(2)主轴脉冲发生器的加装 主轴脉冲发生器又称光电编码器。经济型数控车床上加工螺纹或丝杠，需要配置主轴脉冲发生器作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动，发出主轴转角位置变化信号，输送到数控系统。数控系统按照所需要加工的螺距进行计算处理，从而控制机床纵向或横向步进电动机的运转，实现加工螺纹的目的。其加工螺距为6mm、5mm、3.5mm、3mm、2.5mm、2mm、1.75mm、1.5mm、1.25mm、1mm、0.75mm、0.7mm、0.6mm、0.5mm、0.4mm、0.35mm、0.3mm、0.25mm,共18种。使用主轴脉冲发生器时，受到步进电动机频率的限制。如采用1000Hz工作频率，加工3mm螺距的螺纹时，步进电动机频率为300Hz，而主轴脉冲发生器频率为：100060Hz=60000Hz，所以车床主轴转速为n=60000300=200rmin。即车床主轴转速不得超过200rmin，如果主轴脉冲发生器的频率提高到2000Hz，转速也仅达到400rmin。由此可知，当螺距越大时，允许的车床主轴转速也就越低。（3）主轴脉冲发生器的安装 主轴脉冲发生器的安装，通常采用两种方式：一是同轴安装，二是异轴安装。脉冲编码器可直接安装在主轴的后方，与主轴同轴安装这种安装方式结构简单，缺点是安装后不能加工穿出车床主轴孔的零件。脉冲编码器也可装在床头箱内或床头箱的后端上，并通过一对传动比为11的齿轮或同步齿形带与主轴联系起来，工作时，脉冲编码器与主轴同步旋转，数控装置控制进给步进电动机准确地配合主轴的旋转而产生进给运动。保证主轴每转一转，螺纹车刀移动一个螺纹导程，同时还保证每次走刀都在工件的同一点切入，不会乱扣。这种异轴安装较同轴麻烦，需配一对同步平带轮及同步平带，但却避免了同轴安装的缺点。目前经济型数控系统改造卧式车床大多采用同轴安装主轴脉冲发生器。(4)主轴脉冲发生器的传动连接方式 主轴脉冲发生器从传动连接方面分为刚性连接和柔性连接。所谓刚性连接就是指常用的轴套方式连接，这种连接对连接件的制造精度和安装精度要求较高。因为同轴度误差的影响，会引起主轴脉冲发生器的偏扭，造成信号不准，严重时甚至损坏内部光栅盘。另一种连接方式为柔性连接，主轴与主轴脉冲发生器之间用弹性元件连接，常用的元件为波纹管和橡胶管。这是较为适用得连接方式。采用柔性连接，在实现角位移传递的同时，又能吸收车床主轴的部分振动，从而使得主轴脉冲发生器转动平稳、传递信号准确。(5)主轴脉冲发生器安装注意事项 主轴脉冲发生器属光学元件，安装摆放时应小心轻放，不能有较大的冲击和振动，以防损坏玻璃光栅盘，造成报废。通常在加工螺纹时，将其安装上；不使用时将其断开，避免不必要的磨损和信号干扰，延长主轴脉冲发生器的使用寿命。必须注意的是，主轴脉冲发生器属精密光学元件，安装时应格外小心，以免损坏光栅盘。另外，在使用中还应注意最高许用转速，使用时车床主轴转速不能超过此转速。最好能做到不使用时将其脱开，以延长使用寿命。2.3自动回转刀架对现有的普通车床进行改造，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数控系统控制的刀架自动转位以及自动进给的自动加工车床，即经济型数控车床。快速准确地换刀是每一台数控机床所必须具备的功能，在经济型数控车床上通常采用四方、五方或六方自动转位刀架。按照工作原理自动转位刀架可分为：螺旋转位刀架，十字槽转位刀架，凸台棘爪式刀架，电磁式转位刀架，液压式转位刀架。目前使用最多的是螺旋转位刀架。数控车床改造中所涉及自动回转刀架的主要工作有刀架的选择以及安装和调试。（1） 刀架的选择。（2） 根据刀架的主要参数进行选择A.刀尖高：刀尖高指刀具刀尖至刀架底面的垂直距离。国内生产的立式数控回转刀架的刀尖高一般在51245mm，共8个规格。一般可根据数控车床的规格来选用相应刀尖高的数控转塔刀架。B.刀架的工位数：刀架的工位数是数控车床刀架的第二参数。应根据在数控车床上所加工零件的工序数量来选择；加工零件越复杂，工序数量越多，一般选用刀架的工位数也越多。C.刀架承受的最大切削力矩：刀架承受的最大切削力矩往往取决于主轴部件的刚度和强度，可根据车削加工用量和加工情况进行计算；根据在数控车床上加工零件的刚性和所需夹紧力的大小来选择，若加工零件刚性好，所需夹紧力大，一般应选择大切削力矩的刀架。定位精度和重复定位精度 定位精度指实际位置与指令位置的一致程度；而重复定位精度指在同一条件下操作方法不变，进行规定次数操作所得到的连续结果的一致程度。刀架的定位精度和重复定位精度反映了刀架技术水平的高低。它主要取决于刀架常用的端齿盘组等精定位元件的分度精度。应根据数控车床上加工零件的精度来选择，若加工亮剑的精度要求高，一般应选择高定位精度和高重复定位精度的刀架。单工位转位时间 单工位转位时间指刀架转一个工位的时间，是刀架精度定位机构一端齿盘副松开、转一个工位和刹紧全部时间的总和。刀架单工位转位时间往往与主轴部件及其所携带工具的转动惯量有关；其转位时间的缩短，能减少加工的辅助时间，提高数控车床的生产效率。在一般情况下，应选择单工位转位时间短的刀架。分度频率 分度频率指刀架在工作的单位时间内所允许的最多转位次数。它主要取决于刀架分度电气系统的性能、主轴部件、传动部件的转动惯量等因素。在一般情况下、应选择单位时间内允许分度频率高的刀架。根据其他因素来选择 其他许用因素也可作为选择刀架的参数。例如驱动刀架的动力源有电动和液动两大类；刀架的刹紧方式有机械和液压两大类，刀架的发信号方式有机械碰撞式微动开关和无触点接近开关两大类等。参数表：刀架使用注意：数控车床用刀架的使用注意事项内容非常广泛，规定详细具体。各种刀架的使用注意事项大部分是类似的，但由于各种刀架内部结构和动作原理的差异，都各有其独特的内容。（3） 安装和调试刀架需安装在配套的中拖板（其安装刀架上平面的平面度允差为0.006mm）上。安装应保证刀架刀盘上的刀具刀尖与机床主轴中心等高，一般可在刀架与中拖板间加垫板来调整，垫板的厚度由用户根据实测的中心高来确定。刀具与机床用4个螺钉和2个圆销连接。中间没有过渡垫板，在刀架刹紧状态下，应调整转塔轴线与机床主轴轴线平行度在0.02mm以内。在刀盘上安装刀夹和刀具时，应最大限度地保持重量平衡，使刀架转动平稳和防止刀盘过冲。刀架发信号装置在出厂前已调好，一般不要随意调整。数控系统与发信系统连接时，必须注意线头标号。刀架安装完毕后，首先应接线试机。电源接通后，如发现刀架不能转动，应立即关闭电源，调换电动机电源相序，再进行试机。（4） 维护与保养为了保持机床工作时的精度和安全，应定期对刀架做精度检查，一般一年一次为好。定期对刀架各运动部位添加足够的润滑脂，以一年添加一次为宜。一年保养电动机一次，其中包括检查、润滑、更换轴承等。刀具切削力不应超过额定值。否则，会引起刀架变形，使加工精度降低，甚至损坏刀具和刀架。每班清扫刀盘上得铁屑。电动刀架的安装较方便。产品出厂时已备有连接孔。改造时将CA6140普通车床的原刀架拆下，将电动刀架装上即可。在进行普通车床数控改造时，去掉车床小拖板，置刀架于中拖板上，卸掉电动机风罩，逆时针方向转动电动机，或用内六角扳手转动轴承盖处内六角，使刀架转动定位后，装上螺钉，然后固定刀架即可。但安装时注意以下两点：自动刀架刀台的两侧面应与车床纵向与车床横向的进给方向平行；电动刀台与系统的连线建议如下安装：沿横向工作台右侧面先走线到车床后面，再沿车床后导轨下方拉出的铁丝滑线，走线到系统。其好处在于：避免走线杂乱无章，而使得加工时切屑、冷却液以及其他杂物磕碰电动刀架连线。2.4脉冲当量的选择与改造中的传动结构普通车床进行数控改造时，一般脉冲当量取：横向0.005mm，纵向0.01mm。机床数控改造后，脉冲当量是一不可改变的确定值。减速箱大齿轮和小齿轮的中心距为： A=(z1+z2)m2 =（32+40）22=72 其中m=2当齿数和：Z1+Z2=32+40=72，i=Z2Z1 =1.25时则脉冲当量n为同时更换横向、纵向传动系统相应齿数的齿轮时，就可实现不同的脉冲当量。改造时的注意事项：两坐标方向须同时改换齿轮，保证横向、纵向脉冲当量之比恒定为12，以方便编程；为消除齿侧配合间隙对加工的影响，其结构可采用消隙齿轮传动方式。2.5 机械部分改造设计计算2.5.1滚珠丝杠螺母副的副的型号选择与校核步骤（1） 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副的传动效率85%98%，是普通滑动丝杠的24倍，它的静、动摩擦系数实际上没有什么差别，采用它是提高进给系统灵敏度、定位精度和防止爬行的有效措施之一，因而被数控机床广泛采用。2-1外循环滚珠丝杠螺母副原理图组成：主要由丝杆、螺母、滚珠和滚道（回珠器）、螺母座等组成。 工作原理：滚珠在循环回路中与丝杠脱离接触的称为外循环。上图所示的为常用的一种外循环方式，这种结构式在螺母体上轴向相隔2.5圈或3.5圈螺纹处钻两个与螺旋槽相切的孔作为滚珠的进口与出口，再用弧形铜管插入到进口和出口内，形成滚珠返回通道，管道的两端还能起到挡珠的作用，以免滚珠滑出。外循环方式制造工艺简单，应用广泛，但螺母径向尺寸较大；因用弯管端部作挡珠器，故刚度差，易磨损，噪声较大。特点：传动效率高 摩擦力小：主要是用滚珠的滚动代替了普通丝杆螺母副的滑动。 轴向间隙可消除：也是由于滚珠的作用，提高了系统的刚性。经预紧后可消除间隙。 使用寿命长、制造成本高：主要采用优质合金材料，表面经热处理后获得高的硬度。（2）最大工作荷载计算滚珠丝杠的工作载荷（N）是指滚珠丝杠副的在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走到抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。由于原普通CA6140车床的纵向导轨是三角形导轨，则用公式2-1计算工作载荷的大小。 （21）车削抗力分析2-2车削示意图车削外圆时车削抗力有、如上图所示。纵切外圆时，车床的主切削力可以用下式计算： (2-2) =（360050.720.40.81.701）N=5598(N)由金属切削原理知： (2-3) 得 =1400(N) =2239(N)由于车刀装夹在拖板上的刀架内，车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨上，车削作业时作用在进给托板的载荷和与车刀所受到的车削抗力有对应关系。所以，作用在进给托板上的载荷可以按下式求出： 托板上的进给方向载荷 = =1400(N) 托板上的垂直方向载荷 = =5598(N) 托板上的横向载荷 = =2239(N) 所以，最大工作载荷 =1.151400+0.04(5598+859.8) =1867(N)对于三角形导轨K=1.15,=0.030.05,因为是贴塑导轨所以选=0.04，G是纵向横向溜板箱和刀架的重量，选纵向横向溜板箱的重量为70kg,刀架重量为15kg. （3）最大动载荷C的计算滚珠丝杠应根据额定动载荷Ca选用，可用式2-4计算： （2-4） L为工作寿命，单位为10r，L=60nt106;n为丝杠转速（rmin）,n=1000vL0;v为 最大切削力条件下的进给速度（mmin）,可取最高进给速度的1/21/3;L0为丝杠的基本导程，查资料得L0=12mm; 为运转状态系数，因为此时有冲击振动，所以取fm=1.5.V纵向=1.59mm/r1400r/min=2226mm/minn纵向=v纵向1/2/L0=22261/2/12=92.75r/min L=60nt/106=6092.7515000/106=83.5则 =1.51867=12238（N）初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷Ca不得小于最大载荷C;因此有CaC=12238N另外例如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转下工作并受载，那么还需考虑其另一种失效形式-滚珠接触面上的塑性变形。即要考虑滚珠丝杠的额定静载荷是否充分地超过了滚珠丝杠的工作载荷Fm,一般使=23.初选滚珠丝杠为：外循环，因为内循环较外循环丝杠贵，并且较难安装。考虑到简易经济改装，所以采用外循环。所以初选滚珠丝杠的型号为型FSV40-6B2-E型，其主要参数为公称外径40mm，导程6，珠径3.969，珠圈数2.52，为219，额定动载荷为276948N。（4）纵向滚珠丝杠的校核（1）传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为 （2-5）其中为滚珠丝杠的传动效率系数。（2）刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形将引起导程发生变化，从而影响其定位精度和运动平稳性，滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形，丝杠和螺母之间滚道的接触变形，丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。1、丝杠的拉压变形量1 （2-6） =186760020.6104（47）2 0.0008mm 其中l我丝杠的长度。E为丝杠的弹性模量为20.6MPa，A为丝杠的截面积。2、滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2采用有预紧的方式，因此用公式 （2-7） =0.0065mm在这里 =622N =3.1440/4.763=26.37 =26.372.52=131.85 Dw=3.969mm丝杠的总变形量=0.0008+0.0065=0.0073mm0.015mm查表知E级精度丝杠允许的螺距误差为0.015mm，故所选丝杠合格。（3）压杆稳定性验算滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失稳。失稳时的临界载荷为 （2-8）式中：E为丝杠材料弹性模量，对钢E=20.6104Mpa；I为截面惯性矩，对丝杠圆截面 (为丝杠的底径43.031)；L为丝杠的最大工作长度（mm）；为丝杠的支撑方式系数由下表查得。表2-1由 ，=2.0,E=20.6104Mpa,L=600mm为丝杠的长度且=239409.35（mm4）所以 因此该丝杠很稳定。2.6.2滚珠丝杠副的间隙调整及其预紧方法常用的双螺母消除轴向间隙的结构型式有以下三种。一(1)垫片调隙式，通常用螺钉来连接滚珠丝杠两个螺母的凸缘，并在凸缘间加垫片。调整垫片的厚度使螺母产生轴向位移，以达到消除间隙和产生预拉紧力的目的。这种结构的特点是构造简单、可靠性好、刚度高以及装卸方便。但调整费时，并且在工作中不能随意调整，除非更换厚度不同的垫片。2-3垫片式结构图(2)螺纹调隙式，其中一个螺母的外端有凸缘而另一个螺母的外端没有凸缘而制有螺纹，它伸出套筒外，并用两个圆螺母固定着。旋转圆螺母时，即可消除间隙，并产生预拉紧力，调整好后再用另一个圆螺母把它锁紧。2-4螺纹调隙式结构图(3)齿差调隙式，在两个螺母的凸缘上各制有圆柱齿轮，两者齿数相差一个齿，并装入内齿圈中，内齿圈用螺钉或定位销固定在套筒上。调整时，先取下两端的内齿圈，当两个滚珠螺母相对于套筒同方向转动相同齿数时，一个滚珠螺母对另一个滚珠螺母产生相对角位移，从而使滚珠螺母对于滚珠丝杠的螺旋滚道相对移动，达到消除间隙并施加预紧力的目的。2-5齿差式调隙结构图2.6.3齿轮及转矩有关计算 （1）齿轮的有关计算传动比： （2-9）式中：步距角； 丝杠导程； 脉冲当量：经计算的i=1.25，所以取：齿数：Z1=32，Z2=40；模数：m=2mm；齿宽：b=20mm；压力角：20；分度圆：d1=mZ1=64 d2=mZ2=80；齿顶高：da1=d+2h=68mm da2=d+2h=84mm；中心距：a=（d1+d2）2=72mm；（2）转动惯量的计算工作台折算到电机轴上的转动惯量： （2-10）即 =0.584（kgcm2）=5.84（Ncm2） 丝杠的转动惯量： （2-11）式中： D丝杠的名义直径，D=4.7； L1丝杠两固定端的间距，L1=150cm；所以： Js=7.810-44.74150=57.09（kgcm2）=570.9（Ncm2）齿轮的转动惯量： （2-12） Jz1=7.810-4（232）42=2.617（kgcm2） =26.17（Ncm2） Jz2=7.810-4（240）42=6.39（kgcm2） =63.9（Ncm2）电机转动惯量很小可忽略，因此，总的转动惯量： （2-13） =438.28（Ncm2）（3）所需转动力矩计算：快速空载启动时所需力矩： （2-14）最大切削负载时所需力矩： （2-15）快速进给时所需力矩： (2-16）式中： Mamax空载启动时折算到电动机轴上的加速度力矩； Mf折算到电动机轴上的摩擦力矩； Mo由于丝杠预紧所引起，折算到电动机轴上的附加摩擦力矩； Mat切削时折算到电动机轴上的加速度力矩； Mt折算到电机轴上的切削负载力矩。 （Nm） （2-17）式中： T为时间常数，T=2510-3s当n=nmax时，Mamax=Ma （2-18）即 =416.67（rmin） =76.09（Ncm）=760.9（kgfcm）当n=nt时，Ma=Mat （2-19） =42.35（rmin） =0.773（Nm）=7.73（kgfcm） （2-20）当=0.8，=0.16时， =1.529(kgfcm)=15.29(Ncm) （2-21）当=0.9时预加载荷： =0.8471（kgfcm）=8.471（Ncm） （2-22）即 =29.9(kgfcm)=272.5（Ncm）所以，快速空载启动所需力矩： =76.09+1.529+0.8471 =78.466(kgfcm)=784.66（Ncm）切削时所需力矩： =76.09+1.529+0.8471+29.9 =108.37(kgfcm)=1083.7(Ncm）快速进给时所需力矩： =1.529+0.8471 =2.3761(kgfcm)=23.761（Ncm）由以上分析计算可知，所需最大力矩发生在快速启动：M=76.09（kgfcm）=760.9（Ncm）2.6.4减速箱的设计图2-6（1）齿轮1材料的选择及校验考虑到该减速器工作需求，故大、小齿轮均选用40Cr刚表面淬火，平均齿面硬度为52HRC。选用八级精度。由上面的计算可得齿轮承受的最大转矩M1为10837Nmm，载荷系数K为2.23，齿宽系数d为0.7，齿轮的直径d1为40mm，传动比i为1.25，区域系数ZH为2.5，查表得弹性影响系数ZE为189.8MPa12，接触疲劳极限H=1100MPa所以： =659.56MPa满足齿面接触疲劳强度。（2） 齿轮2材料的选择及校验由上面计算的数据可得齿轮2的最大转矩M2为8669.6Nmm，载荷系数K为2.23，齿宽系数d为0.7，齿轮的直径d1为32mm，传动比i为1.25，区域系数ZH为2.5，查表可得弹性影响系数ZE为189.8MPa，接触疲劳极限H=1100MPa所以：=824.325MPa消除齿轮齿隙齿轮副与齿轮2相同（3）轴材料的选择及校验考虑到轴所受的载荷，并对重量及结构尺寸无特殊需求，故选用材料45号刚，调制处理。由上式计算可知轴主要承受扭剪应力，得轴1的校验=5042.1mm=2.0MPa轴2的校验（4） 键的校验