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X6132铣床数控改造设计【6张CAD图纸+毕业答辩论文】

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关键词：: x6132 铣床数控改造设计全套 cad 图纸毕业答辩论文

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X6132铣床数控改造

摘要

本文提供了一种X6132铣床的数控化改造方案，改造的主要模块有：机械部分和数字控制电路部分。机械部分主要是对丝杠、驱动元件的改造。改造后的系统是以步进电机为驱动执行元件的开环控制系统，控制系统使系统能够控制进给轴的转速，并实现其正反转控制工作台，实现其纵、横向进给运动，以8031型单片机为控制处理芯片，通过键盘输入加工程序控制X6132铣床数控化改造后是升降台式的。使得改造后的机床能加工除了铣削键槽、平面及孔等简单的零件外，还能加工形状复杂（如加工圆弧面、斜面及凸轮等）的零件。改造后的数控机床具有高精、高效及加工产品范围广等特点。随着制造技术的发展，现代数控机床借助现代设计技术、工序集约化和新的功能部件使机床的加工范围、动态性能、加工精度和可靠性有了极大的提高。

关键词数控改造； X6132 ；开环控制

X6132 Transformation NC

Abstract

In this paper ,in base of our country’s eco-mimic condition and the expensive CNC, in order to extend machining scope, high accuracy , small batch, and has a good condition in excitedly complicities market .So, the memorization rebuilding of X6132is so necessary and feasible. This paper provides a way of how to implement the synchronized mo-tion of the two axes in the X and Y plane with CNC system and an open-loop control which use stepping motors as actuators on a X6132 mill，and the microcomputer is 8031.the memorization rebuilding of X6132 milling machine not only is used for machining keyway, plane and hole etc,but also, it can ma- unfitting complicated ship and the accuracy is high.The technology of CNC has become the key and basic technology in the manufacturing in-dustry.With the development of manufacturing technology, modern CNC machine tools with modern design techniques, process intensification and new features to make machine tools, machining range, dynamic performance, machining accuracy and reliability has improved greatly.

Key Words numerization rebuilding ；X6132 ；open-loop control

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1 课题研究的背景必要性1

1.2 数控机床的产生及发展简史1

1.3 数控机床组成2

1.4 机床数控化改造的必要性和迫切性3

1.5 机床数控化改造的意义3

1.5.1 从微观上看3

1.5.2 从宏观上看4

1.6 本章小结5

第2章数控系统设计的总体方案6

2.1 数控铣床改造设计总体要求和内容6

2.2 数控系统总体设计方案的拟定及框图6

2.2.1 系统总体方案的确定6

2.2.2 系统总体方案框图7

2.3 机床进给伺服系统机械部分设计计算包括的内容8

2.4 本章小结8

第3章铣床机械机构设计9

3.1 数控机床的数据9

3.2 工艺数据9

3.3 数控改造的纵向方向（X轴）的设计10

3.3.1 切削力的计算10

3.3.2 丝杠工作时轴向压力F轴的计算11

3.3.3 滚珠丝杠副工作负荷的计算及电动机的选择11

3.3.4 滚珠丝杠副轴向刚度Kz的计算16

3.3.5 滚珠丝杠副临界转速的验算18

3.4 关于滚珠丝杠副性能的分析18

3.5 横向(Y轴)的设计19

3.6 轴承的选择20

3.6.1 轴承的寿命计算20

3.6.2 轴承布局21

3.6.3 轴承装置的设计21

3.6.4 轴承的配置21

3.6.5 轴承的配合22

3.6.6 轴承的润滑23

3.7 本章小结24

结论25

致谢26

参考文献27

附录28

第1章绪论

1.1课题研究的背景必要性

随着科学技术的发展，机械产品日趋精密、复杂、而且产品的生产周期短、改型频繁。这不仅对机床设备提出精度与效率的要求提出了通用性与灵活的要求。特别是航空、造船、武器、模具生产等精密加工的零件具有精度高、形状复杂、经常变动的特点。因此机械产品部件的生产设备机床也相应的提出了高性能、高精度化的要求。

利用计算机控制数控机床进行加工使得零件的加工变得十分的方便、快速，很大程度上节约了人力和物力的使用，使得工业自动化程度更高。但是许多企业由于资金等方面的约束不能及时引进先进数控机床，这样制约了生产率的提高，不利于自动化程度的提高。因此各种机床的数控改造开发成为众多专业技术人员研究的[1]。

并且目前在机械行业中，随着市场经济的发展，产品更新周期越来越短，中小批量的生产所占有的比例越来越大，对机械产品的精度和质量要求也在不断地提高与推进。所以普通机床越来越难以满足加工的要求，同时由于技术水平的提高，数控机床的价格在不断下降，因此，数控机床在机械行业中的使用将越来越普遍，而对原有普通机床数控化改造也应是越来越广泛，依照设计任务本设计对X6132立式铣床进行了数控化改造[2]。

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X6132纵向进给图.gif

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内容简介：: 哈尔滨理工大学荣成学院本科生毕业设计（论文）任务书学生姓名：关睿学号： 0930060107 学院：荣成学院专业：机械设计制造及其自动化任务起止时间： 2013年 02月 25日至 2013年 06月 21日毕业设计（论文）题目： X6132铣床数控改造毕业设计工作内容： 1、实际调研，收集相关资料，完成开题报告； 1 3周。 2、结合生产实际，对 X6132铣床数控改造； 3、设计 X6132铣床数控改造原理图； 4 7周。 4、设计 X6132铣床车床数控改造纵向、横向进给结构 8 11 周。 5设计相关零件图； 12 13周 6、撰写毕业设计论文；准备答辩。 14-16周。注：要求全部用计算机绘图和打印文稿（交打印件和电子稿）资料： 1、金属切削机床与数控机床； 2、非标设计手册； 3、金属切削用量手册； 4、相关的技术资料。指导教师意见：签名： 2013年 2 月 24 日系主任意见：签名： 2013年 2月 25日 nts 毕业设计题目： X6132铣床数控改造院、系：机械设计制造及其自动化姓名：关睿指导教师：张宝海系主任：陶福春 2013 年 03 月 01日 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 I X6132 铣床数控改造摘要本文提供了一种 X6132 铣床的数控化改造方案，改造的主要模块有：机械部分和数字控制电路部分。机械部分主要是对丝杠、驱动元件的改造。改造后的系统是以步进电机为驱动执行元件的开环控制系统，控制系统使系统能够控制进给轴的转速，并实现其正反转控制工作台，实现其纵、横向进给运动，以 8031 型单片机为控制处理芯片，通过键盘输入加工程序控制 X6132 铣床数控化改造后是升降台式的。使得改造后的机床能加工除了铣削键槽、平面及孔等简单的零件外，还能加工形状复杂（如加工圆弧面、斜面及凸轮等）的零件。改造后的数控机床具有高精、高效及加工产品范围广等特点。随着制造技术的发展，现代数控机床借助现代设计技术、工序集约化和新的功能部件使机床的加工范围、动态性能、加工精度和可靠性有了极大的提高。关键词数控改造； X6132 ；开环控制 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 II X6132 Transformation NC Abstract In this paper ,in base of our countrys eco-mimic condition and the expensive CNC, in order to extend machining scope, high accuracy , small batch, and has a good condition in excitedly complicities market .So, the memorization rebuilding of X6132is so necessary and feasible. This paper provides a way of how to implement the synchronized mo-tion of the two axes in the X and Y plane with CNC system and an open-loop control which use stepping motors as actuators on a X6132 mill， and the microcomputer is 8031.the memorization rebuilding of X6132 milling machine not only is used for machining keyway, plane and hole etc,but also, it can ma- unfitting complicated ship and the accuracy is high.The technology of CNC has become the key and basic technology in the manufacturing in-dustry.With the development of manufacturing technology, modern CNC machine tools with modern design techniques, process intensification and new features to make machine tools, machining range, dynamic performance, machining accuracy and reliability has improved greatly. Key Words numerization rebuilding ； X6132 ； open-loop control nts哈尔滨理工大学学士学位论文 III 目录摘要 . I Abstract . II 第 1 章绪论 . 1 1.1 课题研究的背景必要性 . 1 1.2 数控机床的产生及发展简史 . 1 1.3 数控机床组成 . 2 1.4 机床数控化改造的必要性和迫切性 . 3 1.5 机床数控化改造的意义 . 3 1.5.1 从微观上看 . 3 1.5.2 从宏观上看 . 4 1.6 本章小结 . 5 第 2 章数控系统设计的总体方案 . 6 2.1 数控铣床改造设计总体要求和内容 . 6 2.2 数控系统总体设计方案的拟定及框图 . 6 2.2.1 系统总体方案的确定 . 6 2.2.2 系统总体方案框图 . 7 2.3 机床进给伺服系统机械部分设计计算包括的内容 . 8 2.4 本章小结 . 8 第 3 章铣床机械机构设计 . 9 3.1 数控机床的数据 . 9 3.2 工艺数据 . 9 3.3 数控改造的纵向方向（ X轴）的设计 . 10 3.3.1 切削力的计算 . 10 3.3.2 丝杠工作时轴向压力 F轴的计算 . 11 3.3.3 滚珠丝杠副工作负荷的计算及电动机的选择 . 11 3.3.4 滚珠丝杠副轴向刚度 Kz 的计算 . 16 3.3.5 滚珠丝杠副临界转速的验算 . 18 3.4 关于滚珠丝杠副性能的分析 . 18 3.5 横向 (Y轴 )的设计 . 18 3.6 轴承的选择 . 20 3.6.1 轴承的寿命计算 . 20 3.6.2 轴承布局 . 21 3.6.3 轴承装置的设计 . 21 3.6.4 轴承的配置 . 21 3.6.5 轴承的配合 . 22 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 IV 3.6.6 轴承的润滑 . 23 3.7 本章小结 . 20 结论 . 25 致谢 . 26 参考文献 . 27 附录 . 28 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 1 第 1章绪论 1.1 课题研究的背景必要性随着科学技术的发展，机械产品日趋精密、复杂、而且产品的生产周期短、改型频繁。这不仅对机床设备提出精度与效率的要求提出了通用性与灵活的要求。特别是航空、造船、武器、模具生产等精密加工的零件具有精度高、形状复杂、经常变动的特点。因此机械产品部件的生产设备机床也相应的提出了高性能、高精度化的要求。利用计算机控制数控机床进行加工使得零件的加工变得十分的方便、快速，很大程度上节约了人力和物力的使用，使得工业自动化程度更高。但是许多企业由于资金等方面的约束不能及时引进先进数控机床，这样制约了生产率的提高，不利于自动化程度的提高。因此各种机床的数控改造开发成为众多专业技术人员研究的 1。并且目前在机械行业中，随着市场经济的发展，产品更新周期越来越短，中小批量的生产所占有的比例越来越大，对机械产品的精度和质量要求也在不断地提高与推进。所以普通机床越来越难以满足加工的要求，同时由于技术水平的提高，数控机床的价格在不断下降，因此，数控机床在机械行业中的使用将越来越普遍，而对原有普通机床数控化改造也应是越来越广泛，依照设计任务本设计对 X6132 立式铣床进行了数控化改造 2。 1.2 数控机床的产生及发展简史随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，因此对加工机械产品零部件的生产设备 -机床也相应地提出了高性能、高精度与高自动化的要求。在机械产品中，单位与小批量产品占到 70%-80%，这类产品一般都采用通用机床加工，当产品改变时，机床与工艺装备均需作相应的变换和调整，而且通用机床的自动化程度不高，基本上需要人工操作，难以提高生产效率和保证生产质量。特别是一些有曲线、曲面轮廓组成的复杂零件，只能借助靠模和仿形机床，或者借助划线和样板手工操作的方法来加工，加工精度和生产效率受到很大的限制。数字控制机床就是为了解决单位、小批量，特别是复杂型面零件加工的自动化，并保证质量要求而产生的。数控机床的发展简史在美国诞生了第一台数控机床后，可划分为两个阶段：第一阶段：数控阶段（ 1952 1970 年）。早期采用数字逻辑电路组合nts哈尔滨理工大学学士学位论文 2 成一台机床，专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控，简称为数控。第二阶段：计算机数控（ CNC）阶段（ 1970 年现在）。到 1970年，通用小型计算机作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控阶段。 1.3 数控机床组成数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的，两者的加工工艺相同，结构也有些相似，但数控铣床是靠程序控制的自动加工机床，所以其结构也与普通铣床有较大区别。数控铣床一般由数控系统、主传动系统、进给伺服系统、冷却润滑系统等几大部分组成： 1 主轴箱包括主轴箱体和主轴传动系统，用于装夹刀具并带动刀具旋转，主轴转速范围和输出扭矩对加工有直接影响。 2 进给伺服系统由进给电机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动，包括直线进给运动和旋转运动。 3 控制系统数控铣床运动控制的中心，执行数控加工程序控制机床进行加工。 4 辅助装置如液压、气动、冷却和润滑系统和排屑、防护等装置。 5 机床基础件通常是指底座、立柱、横梁等，它是整个机床的基础和框架 3。数控铣床加工过程示意图 1-1 如下：图 1-1 数控铣床加工过程示意图 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 3 1.4 机床数控化改造的必要性和迫切性数控机床是一种典型的机电一体化产品，它集精密、柔性和集成与一身，它可以较好的解决形状复杂、精密、小批多变的零件加工问题，能够稳定加工质量和提高生产效率，是一种高度自动化机床。其造价较低，改造周期短，可靠性高，改造技术也日趋成熟，加之我国特有的经济实用产品 “经济型数控装置 ”的技术指标不断的提高，产品的更新和完善的进度不断的加快，产量不断的提高，故有广阔的前景，工业发达国家的军、民机械工业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改造。而我国在信息技术改造传统产业方面比发达国家落后约 20年。随着我国现代化制造的不断推进，每年都有大量机电产品进口，这说明了机床数控化改造的必要性和迫切性 4。 1.5 机床数控化改造的意义旧机床数控化系统改造具有多方面的意义 :首先，对原有机床进行升级改造，使机床“起死回生” ,增加了机床的使用寿命，拓展了机床的适用范围，提高了机床的加工性能。再有，由于是对原有机床进行的改造，使企业节省了成本，减少了机床废弃的浪费；使本企业的原有操作人员更容易加快熟悉其全部的操作流程。由此可见，对原有机床进行数控化改造，对资金和技术要求相对较低。对像我国这样的发展中国家的企业具有深远的意义。 1.5.1 从微观上看数控机床相对传统机床有如下突出的优越性，且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 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可以瞬时准确地计算出每个坐标轴应该运动的运动量，这就可以复合成复杂的曲线与曲面。 2 可实现加工的自动化，且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高 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，而实现自动化。传统机床可以靠凸轮或挡块等实现自动化，称之为刚性自动化，但凸轮制造、调整很费时，只有进行大批量生产时才经济合理。而数控机床只要更换一个程序就可实现另一个工件加工的自动化，从而使单件和小批量生产得以自动化，称之为“柔性自动化”，以适应多品种小批量的生产方式。 3 加工出零件的精度高，尺寸的一致性好，分散度小，使装配容易，不再需要“修配”加工过程自动化，不受人的情绪高低和疲劳的影nts哈尔滨理工大学学士学位论文 4 响。计算机还可以自动进行刀具寿命管理，不会因刀具磨损而影响工件精度和其一致性。数控系统中增加了机床误差、加工误差修正补偿的功能。使加工精度得到进一步提高。 4 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运自动化带来的效果（可以自动更换刀具）。如加工中心，在工件装夹好后，可实现钻、铣、镗、攻丝、扩孔等多工序的加工。现已出现其它工序集中的机床，如车削中心、车铣中心、磨削中心等。 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在配备多种传感器的条件下，计算机威力的体现可以实现白班有人看管和作好充分准备工作，使得二班、三班在无人看管条件下进行自动加工。工人只工作 8 小时，而机床可工作 24 小时。因而带来的劳动生产率的提高和生产周期的缩短等效益是非常明显的。此外，机床数控化还是推行 FMC（柔性制造单元）、 FMS（柔性制造系统）、 CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础 5。 1.5.2 从宏观上看工业发达国家的军、民机械工业在上世纪 70 年代末、 80 年代初即以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的技术改造。除采用数控机床外，还包括推行 CAD、 CAE、 CAM、 MIS（管理信息系统）、 CIMS（计算机集成制造系统）等等，以及在其产品中增加信息技术，包括人工智能等含量。由于采用信息技术对其军、民机械工业进行深入改造，最终使得他们的产品在国际军、民品市场上的竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后 20 年，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性和紧迫性。近年来，全国约改造了两万多台普通机床为经济型数控机床（主要是车床和铣床）。随国产高档数控系统的成功研发，我国又成功地用国产数控系统将普通机床改造为普及型和高级型数控机床，还用国产系统对进口的技术老化数控机床进行改造，使其起死回生。例如：华中数控公司把东方电机厂的 10 台重型机床（包括 2.5m,3.4m,6.3m 立车）和中型机床（包括卧车、立铣）及其它企业总共约 50 台的关键设备，改造为普及型和高级型数控机床。若购置一台新的数苦恼感机床，进口的要上千万，国产的也要几百万元人民币。而数控化改造一台只需几十万元就够了。所以比起经济型数控改造来说，经济效益极为显著。内蒙一机集团近年来也加大了普通机床的数控化改造，由西南自动化研究所对部分机床（卧车、铣床等）进行数控化改造，使用效果明显；又用西门子系统对特大型进口关键设备进行数控改造，使其焕发了青春。 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 5 1.6 本章小结本章主要介绍了数控机床的结构特点以及数控机床在未来的发展，机床的数控改造具有效率高，柔性化，减少工人强度等优点，在信息时代的今天，数控机床的改造已经日益普遍，成为发展的趋势。 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 6 第 2章数控系统设计的总体方案 2.1 数控铣床改造设计总体要求和内容 X6132 立式铣床的原传动系统为其主轴转动由电机经齿轮变速驱动。其主轴的升降用手柄经锥齿轮副，丝杠手动操作。工作台的 x 轴和 y 轴分别通过离合器和离合器，由进给电动机通过齿轮变速驱动丝杠副和实现自动进给。工作台的升降有电动机通过离合器将运动传给丝杠副来实现。对 X6132 立式铣床进行机械部分改造，数控机床的刚度系数应该比同类普通机床高 50%；应尽量提高机床的抗振性，通常机床的振动包括强迫振动和受迫振动。要提高机床在低速进给时的平稳性和运动精度。为实现复杂零件的自动铣削加工，提出三种方案：第一种方案：工作台升降，工作台 x 与 y 轴的进给运动第二种方案：主轴的升降和工作台的 x,y 轴的进给运动第三种方案：工作台的 x,y 轴进给运动改变为微机控制，实现三轴或二轴的开环同步控制或非同步控制。上述方案中的第一种由于工作台较重，升降所需的步进电机转矩大，功率损失也大，改造成本较高，第二种方案较易实现，我们这里的设计要求改造 x,y 轴， z 轴作为预留，所以我们这里选择第三种方案。为保留原机床的半自动功能，应对原系统作尽可能少的改动，以免微机控制系统出了问题，机床还可手动加工。为此可进行以下改动，如图 2-1 所示： 1 保留原机床主轴传动系统。 2 保留机床工作台 x,y 轴进给系统，脱开离合器 6， 7，去掉手轮，将滑动丝杠副换成滚珠丝杠副，并改装减速齿轮箱，减速齿轮，步进电动机（ 6， 7）。 2.2 数控系统总体设计方案的拟定及框图 2.2.1 系统总体方案的确定根据设计任务的要求，决定采用点位控制，用步进电机驱动的开环控制系统。这样可使控制系统结构简单，成本低廉，调试和维修都比较容易，为确保数控系统的传动精度和工作平衡性，采用低摩擦的传动和导向元件，此工作台采用滚珠丝杠螺母副和液动导轨，为尽量消除传动间隙，可设法调整传动齿轮的中心距以消除齿侧间隙，计算机系统采用高性能价格比的 8031 系列单片机扩展系统。 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 7 111210897564321数控装置图 2-1 X6132 改后传动原理图 1、 3、 4-伞齿轮 2、 7、 10-步进电机 5、 8、 11滚珠丝杠 6、 9、 12-滚珠丝杠螺母 2.2.2 系统总体方案框图光电隔离功率放大步进电机光电隔离功率放大步进电机脉冲发生器光电隔离功率放大步进电机横向工作台升降台纵向工作台整形电路整形电路整形电路图 2-2 系统总体方案图 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 8 2.3 机床进给伺服系统机械部分设计计算包括的内容 X6132 铣床数控化改造机械系统设计主要包括伺服驱动系统的设计计算，丝杠螺母副的设计计算、一些基本部件相关计算和传动系统的设计计算。 1 基本部件相关计算主要有工作台的外形尺寸及重量的计算、钻铣削力的计算以及滚动导轨参数的计算等。 2 丝杠螺母副的设计计算包括纵向、横向丝杠螺母副的选用。 3 伺服驱动系统的设计计算包括步进电机选型计算。 2.4 本章小结本章主要介绍了数控系统设计的方案的确定，数控铣床改造设计总体要求和内容以及机床进给伺服系统机械部分设计计算包括的内容，通过本章的介绍确定了总体改造的框图和方案。 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 9 第 3章铣床机械机构设计 3.1 数控机床的数据工作台尺寸 (长宽 )： 1250mm320mm；工作台最大行程：纵向 800mm 横向 300mm 垂直 400mm；快速移动速度： 10m/min；工作台定位精度 x、 y、 z： 0.03mm；工作台重复定位精度 x、 y、 z： 0.02mm；纵向、横向及垂直进给为微机控制，采用步进电机或直流伺服电机驱动，滚珠丝杠传动，脉冲当量 0.010mm/脉冲；电机功率 P： 7.5KW；纵向快进速度： 2.3m/min；横向快进速度： 1.2m/min；垂向快进速度： 0.77m/min；纵向切削数据： 0.06m/min；横向切削速度： 0.06m/min；垂向切削速度： 0.06m/min；定位精度： 0.015mm；纵向移动部件重量： 220kg；横向移动部件重量： 450kg；垂向移动部件重量： 1000kg；加速时间： 30m/s；机床效率： 0.8；机动范围： 680mm/240mm/300mm。 3.2 工艺数据通用机床由于工艺范围广，在同一台机床上常用不同材料刀具对不同材料和尺寸的工件进行多种加工，故取具有代表性的典型加工条件为计算依据。通常以加工量最大的钢料或铸件为工件材料，硬质合金或高速钢为刀具材料，选取用该机床上用得最多的常用工序或极限加工工序及与此相应的切削用量 6。结合本次改造，选取加工材料为 HT200 的平板凸轮的加工工艺。刀具：粗齿圆柱铣刀：孔径 27mm，直径 D 为 63mm， L 取 63，前角。为15。，后角。为 12。，螺旋角为 45。，齿数 Z 为 6 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 10 切削用量：铣削铸铁铣削前深度 t 57mm，取 t 6mm。进给量：粗齿圆柱铣刀，在加工铸铁装夹系统刚性一般，机床功率7.5kw 的条件下，取每齿进给量 fz 0.01 0.15 毫米齿，取 fz 0.15 毫米/齿 3.3 数控改造的纵向方向（ X 轴）的设计工作台的进给运动是由步进电动机由一级消隙齿轮经滚珠丝杠螺纹副，带动工作台移动。其中在纵向（ X 轴）进给系统的改造布置中，滚珠丝杠、轴承支架固定在工作台上，随工作台移动。步进电动机经降速齿轮和滚珠丝杠的螺母固定在床鞍上，通过滚珠丝杠的转动，实现工作台与床鞍之间的相对移动 7。滚珠丝杠螺母副，它的特点是在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动元件，以减少摩擦，丝杠与螺母之间基本上为滚动摩擦。滚珠丝杠螺母副的优点有： 1 传动效率高，摩擦损失小，使用寿命长。 2 给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区，防止失步；定位精度高，刚度好。 3 有可逆性丝杠和螺母都可以作为主运动件，故可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动。 4 运动平稳，无爬行现象，传动精度高。 3.3.1 切削力的计算结合本次改造： FcozpFcz kzdaefaCF (3-1) 式中： C c 铣削力系数取 282； ap 铣削深度（即被加工表面的宽度，同时加工 5 个工件 ,每个工件厚度为 10mm,故深度为 50mm）； fz 每齿进给量取 0.15mm/z； ae 铣削宽度（即被切削金属层的深度），取 6mm； do 铣刀公称直径，取 63mm； Z 刀齿数，取 6； kFc 铣削力修正系数且： ccc FmFF k k k kmFc工件材料系数取 (HB/190)0.55； nts哈尔滨理工大学学士学位论文 11 kFc 前角系数取 0.92。故 Fz=282500.150.65200.8363-0.836(200/190)0.550.92 故可求出 : Fz=9000N 垂向切削分力 Fy：按经验公式： Fy/Fz=0.80 求得： Fy=7200N 纵向切削分力 Fx: 按经验公式： Fx/Fz=0.9 求得： Fx=8100N 横向切削分力 Fz：按经验公式： Fz/Fz=0.4 求得： Fz=3600N 3.3.2 丝杠工作时轴向压力 F 轴的计算铣削条件下在插补平面内合力 Fr： Fr=(Fx+Fy)/2 (3-2) 铣削一周平均铣削力 Fav 取 2Fr/3，铣削时丝杠轴向压力 F轴： F 轴 =Fav+(mg +Fy) (3-3) 式中：考虑到颠覆力矩的影响系数，一般取 1.1；导轨当量摩擦系数。取 0.18； m 移动部件的质量估计为 1000Kg； g 重力加速度取 9.8m/s2 ； Fz=3600N；求得： Fr=123.69N； Fav=82.46N； F 轴 =3151N。 3.3.3 滚珠丝杠副工作负荷的计算及电动机的选择 1 丝杠的转速及电动机的选择：数控改造多半采用开环步进式伺服驱动系统，本次改造也采用步进电机驱动丝杠。开环步进伺服进给系统的设计计算步骤： nts哈尔滨理工大学学士学位论文 12 1 脉冲当量取 0.01mm.初选步进电机的步距角为 1.5 2 计算降速比。由于步进电机工作的特点是一个脉冲走一步，每一步均有一个加速过程，因而对负载惯量很敏感。为满足负载惯量尽可能小的要求，同时也为满足要求的脉冲当量，常采用齿轮降速传动。传动比： 360si (3-4) 式中：步距角； S丝杠螺距，初取 6mm；脉冲当量。确定齿轮传动比及模数和有关尺寸 : 因为步进电机中距角 =1.5，滚珠丝杆螺距离 t=5mm,要实现脉冲当量 =0.01mm/step，在传动系统中应加一级齿轮降速传动，降速传动比： i=21ZZ=65.1 36001.0 =0.48 选 Z1 =24， Z2 =50 因传递的扭矩较小，取模数 m=2,齿轮有关尺寸如下表：表 3-1 齿轮的相关参数 3 根据结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的转动惯量 Jt，并计算电机力矩，再按步距角，电机力矩，允许的负载惯量等项要求来选取合适的步进电机。惯量计算： ) 2 G /g ( S/2 )J2 ( J-iJ2 J-iJ2 J-iJJs333222111t (3-5) 式中： Js 0.03715Kgf.cm.s2 力矩计算：关系式 Z1 Z2 Z 24 50 d=mz 48 100 da=d+2m 52 104 df=d-2 1.25 43 95 B=(36 )mm 16 23 A=2 21 dd 74 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 13 快速空载启动时所需力矩： MMM fa m a xM (3-6) 最大切削负载时所需力矩： tfat MMMMM 0 (3-7) 快速进给时所需力矩： 0MMM f 式中： Mamax 空载启动时折算到马达轴上的加速力矩； Mf 折算到马达轴上的摩擦力矩； M0 由于丝杠预紧引起的折算到马达轴上的附加摩擦力矩； Mat 切削时折算到马达轴上的加速力矩； Mt 折算到马达轴上的切削负载力矩。丝杠传动时 Ma , Mf ,M0 , Mt 计算公式： ).(6.9 mfKTJMgra (3-8) 式中： Jr 折算到马达轴上的总惯量； T 系统时间常数（系统时间常数表示线路在导通瞬间允许电流值上升的速率。时间常数越小，线路导通后电流上升越快，达到近似稳定值的时间越短；反之则越长）； n 电机转速；当 n=nmax 时计算 Mamax,n=nt 时计算 Mat； nt 切削时的转速。摩擦力矩： )(102/30 mNSFM if (3-9) 式中： F导轨摩擦力（ )( zFFxF o ）； S 丝杠螺距；齿轮降速比； h 传动链总效率（一般取 0.70 0.85，现取 0.8）；求得： F=2106N； M=1.00554Nm。附加摩擦力矩 M： 3200 1012/ io SPM (3-10) 式中： P滚珠丝杆预加载荷（ kgf m）；为使预紧后的双螺母机构在正向传动链受力运行时其反向传动链仍保证无间隙出现，要求预紧力的数值应大于最大轴向载前的 1/3 倍。 P1/3F 轴 =1/33151=1050.3N 取 P=1200N S 丝杆螺距； nts哈尔滨理工大学学士学位论文 14 传动链总效率；齿轮降速比； o 滚珠丝杆未预紧时的效率，一般取 0.9；求得： M 0.0363Nm。切削力矩 Mt： )(102/ 3 mNSPM itt (3-11) 式中： Pt 进给方向的最大切削力； S 丝机螺距（ cm）；传动链总效率取 0.8；齿轮降速比。所以初选步进电机： 130BF001 五相十拍分配方式检验计算： 2106.9/ TnJJMa mt (3-12) 式中： Jm电机转动惯量； Jt系统转动惯量； T系统时间常数 (s) 加速时间 50m/s 故： Mamax (Jt+Jm)nmax/9.60.05102 (0.01545+7102)1000/9.60.05102 4.22Nm M=Mamax+Mf+Mo M=5.26Nm(Mn 故可靠性好，稳定性好。 3.4 关于滚珠丝扛副的性能分析在升降台铣床的垂向运动中，普遍存在着工作台运动时摇动力过大的问题。因此，操作进刀不便，丝杠螺母副易磨损，电磁离合器易烧坏。解决这一问题的根本措施是将滑动丝杠改为滚珠丝杠副，提高机械传动效率，当采用滚珠丝杠副后，其矛盾就转化为滚珠丝杠副逆运转的自锁上。垂向升降丝杠副的受力情况如下图所示： P 载荷F m=Nf 摩擦力正压力NP 载荷22图 3-1 升降滚珠丝杠受载示意图及传动系统图 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 19 采用滚珠丝杠后，因摩擦角小于螺旋升角而不能自锁，在自重作用下丝杠副产生逆转，升降台自动下降。为防止其逆转，必须满足自锁条件方程： FmFmFm F 式中： F 向下分力， F= PoSin (kgf); Fm Nf = PoCos f (kgf)。 Fm 为防逆转所需的附加摩擦力，但在丝杠向上摇动时却又不应增加阻力。这就是垂向滚珠丝杠副防逆转机构设计的基本出发点。在机构中一般用超越离合器实现单向加载的目的。假若在丝杠传动系统中附加单向摩擦载荷 Fm，此时，向上驱动力矩 M 上基本不变，而 M 下由下式确定： M 下 FFmFmdoFFmdo 22 若使 FFmFm ，则 M 下 =0，摇臂的手摇力 Q 下 =0。但在实际使用中总调整到 FFm 0 使其在不同载荷的变化状态下，有较好的自锁可靠性，但 FFm 值又不宜过大，否则造成向下摇动力 Q 下过大以及超越离合器易磨损等弊端。这是考核垂向升降滚珠丝杠副结构是否合理的重要指标。所以从自锁条件方程不分析，附加摩擦力 Fm 应满足上述方程并有足够的安全系数条件下取最小值。此外，为使实际使用时能取得最佳效果和磨损后的补偿， Fm 应能方便地进行调节和具有补偿机能。这是垂向升降丝杠副能否得到广泛应用的关键。本次改造中附加摩擦力可通过碟形弹簧调节，使之达到最佳自锁状态。碟形弹簧能自动补偿磨损，因此，确保了自锁性和摇动轻巧；同时，离合器通过 1： 2.5 的传动减速比使离合器能以较小的阻尼去实现较大的控制力，从而延长使用寿命。由以上的分析可知，改造成后的 “可调阻尼式 ”垂向滚珠丝杠副传动机构，结构布局合理，具有摇动轻巧，自锁可靠，调节方便，寿命较长，及更新改装方便等多方面的优点。 3.5 横向 (Y 轴 )的设计 Y 轴的丝杠选择与 X 轴一样为 NL6012。 Y 轴的齿轮副设计也与 X 轴相同，这里不再累赘。 Y 轴方向步进电动机的选择： Y 轴铣削圆周力： YOF =1500N nts哈尔滨理工大学学士学位论文 20 则有 Y 向丝杠牵引力： YYoY fGFF 1 41 4.1 =1500+1.41444100.01 =1562N 则有电机轴负载力矩： mNuGFT YYp 58.197.075.024 4 1 01.01 5 6 201.036236 其中：导轨摩擦系数，取 0.1；步进电机步矩角为 0.75； YF Y 向丝杠牵引力； F 当量摩擦系数取 0.01。若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩为： 5.03.0 TT q 可取安全系数极限值 0.3，则有： mNTT qq 54.59 5 1.0 27.59 5 1.0m a x 对于工作方式为五相十拍的五相步进电机最大启动力矩： mNTT qq 27.59 5 1.054.59 5 1.0m a x电机最大工作频率： m a xm a x 1000 1 0 0 0 1 . 6 26676 0 6 0 0 . 0 1pVf H z 综合以上可选取步进电机型号为： 90BF001 反应式步进电动机。步进电机 90BF001 的外型尺寸为： A13-A15，轴径为 11。 3.6 轴承的选择 3.6.1 轴承的寿命计算轴承在承受负荷旋转时，由于套圈滚道面及滚动体滚动面不断地受到交变负荷的作用，即使在正常的使用条件下，也会因材料疲劳使滚道面及滚动面出现疲劳损伤。出现这种滚动疲劳损伤之前的总旋转数称做轴承的“（疲劳）寿命 ”。即使是结构、尺寸、材料、加工方法等完全相同的轴承，在同样条件下旋转时，轴承的（疲劳）寿命仍会出现较大的差异。这是因为材料疲劳本身即具有离散性，应从统计的角度来考虑。于是就将一nts哈尔滨理工大学学士学位论文 21 批相同的轴承在同样条件下分别旋转时，其中 90%的轴承不出现滚动疲劳损伤的总旋转数称做 “轴承的基本额定寿命 ”（即可靠性为 90%的寿命 )。在以固定的转速旋转时，也可用总旋转时间表示。但在实际工作时，还会出现滚动疲劳损伤以外的损伤现象。这些损伤可以通过做好轴承的选择、安装和润滑等加以避免。本次设计所以轴承的寿命符合要求。 3.6.2 轴承布局表 3-3 常用轴承布局方式配置方式可达到的转速系数 0.85 0.80 0.75 0.65 0.72 为了适应高速运行同时保证一定的刚度，本次设计采用面对面设置。按轴承参数可知，轴承的极限转速为 22000r/min 配置选第五种，其速度系数为 0.65，则可得最高转速为 0 . 7 2 2 2 0 0 0 1 5 8 4 0 / m i n 4 0 0 0 / m i nN m a x r 所以完全可以实现转速为 4000r/min 的设计要求。又因为轴承支点跨距较大，温升较高，所以本设计采用一端固定，一端游动的轴承固定方式。并且是三支承方式。 3.6.3 轴承装置的设计要想保证轴承顺利的工作、，除了正确选择轴承类型和尺寸外，还应该正确设计轴承的装置。轴承装置的设计主要是正确解决轴承的安装、配置、紧固、调节、润滑、密封等问题。下面提出一些设计中注意的要点。 3.6.4 轴承的配置一般来说，一根轴需要两个支点，每个支点可由一个或一个以上的轴承组成。合理的轴承配置应考虑轴在机器中有正确的位置、防止轴向窜动nts哈尔滨理工大学学士学位论文 22 以及轴受热膨胀后导致将轴承卡死等因素。常用的轴承配置方法有以下三种 : 1. 双支点单向固定。这种轴承配置常用两个反向安装的角接触球轴承或圆锥滚子轴承，两个轴承各限制一个方向的轴向移动。 2. 单支点双向固定。对于跨距较大（如大于 350mm）且工作温度较高的轴，其热伸长量大，应采用一支点双向固定，另一支点游动的支承结构。作为固定支承的轴承，应能承受双向轴向载荷，故内外圈在轴向都要固定。作为补偿轴的热膨胀的游动支承，若使用的是内外圈不可分离型轴承，只需固定内圈，其外留在座孔内应可以轴向游动。 3. 两端游动支承对于一对人字齿轮轴，由于人字齿轮本身的相互轴向定位作用，它们的轴承内外圈的轴向紧固应设计成只保证其中一根轴相对机座有固定的轴向位置，而另一根轴上的两个轴承都必须是游动的，以防止齿轮卡死或人字齿的两侧受力不均匀。首先通过 BT40 主轴的工作情况来说，是内圈旋转，外圈固定。 BT40主轴的转速为 8000prm，额定转矩为 42 Nm ，属于高速中载的工作条件。由于高速旋转，轴承等安装在轴上的零件会和轴有摩擦，并产生大量的热。虽然水冷却系统能带走一部分热能，但仍会导致因温升而产生热伸长。因此，必须采用 “一支点双向固定，另一支点游动 ”的轴承配置形式。作为固定支承的轴承，应能承受双向轴向载荷，内外圈在轴上都要固定。而作为补偿轴的热膨胀的游动支承，固定内圈，外圈在坐孔内可以游动，给轴的热膨胀留余空间。在本次设计中，受力不是很大，选取前三后二的支承方式。 3.6.5 轴承的配合配合的目的是使轴承内圈或外圈牢固地与轴或外壳固定，以免在相互配合面上出现不利的轴向滑动。这种不利的轴向滑动（称做蠕变）会引起异常发热、配合面磨损（进而使磨损铁粉侵入轴承内部）以及振动等问题，使轴承不能充分发挥作用。因此对于轴承来说，由于承受负荷旋转，一般必须让套圈带上过盈使之牢固地与轴或外壳固定。配合的选择一般按下述原则进行：根据作用于轴承的负荷方向、性质及内外圈的哪一方旋转，则各套圈所承受的负荷可分为旋转负荷、静止负荷或不定向负荷。承受旋转负荷及不定向负荷的套圈应取静配合（过盈配合），承受静止负荷的套圈，可取过渡配合或动配合（游隙配合）。轴承负荷大或承受振动、冲击负荷时，nts哈尔滨理工大学学士学位论文 23 其过盈须增大。采用空心轴、薄壁轴承箱或轻合金、塑料制轴承箱时，也须增大过盈量。要求保持高旋转时，须采用高精度轴承，并提高轴及轴承箱的尺寸精度，避免过盈过大。如果过盈太大，可能使轴或轴承箱的几何形状精度影响轴承套圈的几何形状，从而损害轴承的旋转精度。 3.6.6 轴承的润滑润滑对于滚动轴承具有重要意义，轴承中的润滑剂不仅可以降低摩擦阻力，还可以起散热、减小接触应力、吸收振动、防止锈蚀等作用。所以本次设计根据工作情况选用脂润滑。脂润滑的优点：润滑膜强度高，能够承受较大的载荷，不易流失，容易密封，一次加脂可以维持相当长的一段时间，方便简单。表 3-4 使用于脂润滑和油润滑的 dn 植界限（表值 410 ）轴承类型脂润滑油润滑油浴滴油

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