数控技术毕业设计 车床改造.doc

毕 业 设 计（论 文）设计题目：经济型数控车床改造姓 名： 袁旭学 号：0725012209所在系部：机械工程系专业班级：数控2班指导教师：周俊荣日 期：二一年五月二任务书 4三开题报告 7四毕业设计学生申请答辩表与指导老师毕业设计评审10五毕业设计评阅人评审表 11六毕业设计答辩表 12七毕业设计答辩纪录表 13八毕业设计成绩评定总表 16九.引言 17十.总体方案10.1.系统运动方式的确定 1910.2伺服系统的选择 2010.3功能部件的选择 2110.4结构设计与部件设计 2210.5计算机系统的选择 2210.6主要设计参数 22十一.具体改进方案 2311.1.横向进给传动链的设计计算 24 11.2.滚珠丝杠螺母副的承载能力校验 24 11.3.计算机械传动系统的刚度 2611.4.驱动电动机的选型计算 2811.5.机械传动系统的动态分析 3011.6.机械传动系统的误差计算与分析 3111.7.确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号 35十二.数控系统设计 37参考书目 37 后记 2 一 . 绪 论数控车床在国内外的发现状从20世纪90年代后期起，由于工业现代化和国防与高技术工业的快速发展，对先进制造装备的数控机床提出了旺盛的需求（图1）。从19922004年12年间，数控机床产量和消费量的平均年增长率分别为17.5%和17.7%，而19982004年6年间的年平均增长率却分别达39.3%和34.9%。本世纪数控机床进口量占消费量的比例，也由上个世纪90年代的55%降至45%左右。在数控机床的技术水平方面，由于市场需求的拉动和国家科技计划引导与支持，中高档数控机床的开发也取得了较大的进展。在五轴联动、复合加工、高速加工、超精加工和数字化设计等一批关键技术上取得了突破，自主开发了包括大型、五轴联动数控机床，精密及超精密数控机床和一些成套生产线，并形成了一批中档数控机床产业化基地。在良好的发展形势下，一些统计数据也提示着需要注意的现象：首先，从2000年起数控机床的产量虽有大幅增长，但从数量的满足率来讲，近4年来一直徘徊在55%左右，而未呈现进一步增长的趋势。 其次从市场消费额来看，进口数控机床的金额近几年一直占消费额的70%以上，2004年估测可达73% 大量的高档数控机床的进口，主要用于以下三个领域：高新技术和国防工业领域、重大基础装备制造领域和国民经济支柱产业领域。 在高新技术和国防工业领域，如航空航天、舰船、轨道交通和核工业等关键零件加工需用的五轴联动高速大重型专门化或专用数控机床，涡轮盘高速铣床，激光陀螺和核聚变用镜片的超精控机床等。 在重大基础装备制造领域，如大型发电设备、大型工程机械、石化和冶金装备所需的大重型复合加工数控机床、高效五轴联动叶片加工数控机床等。 在国民经济支柱产业领域，如汽车制造业、IT制造业和模具制造业等关键零件加工需用的高效精密数控机床、高速五轴联动模具铣床和磁盘磁鼓超精密数控机床等。 上述领域中，汽车发动机及关键零件加工的成套生产线设备70%以上依赖进口，一些大重型专门化或专用的高性能数控机床基本上需从国外引进。 课题的研究的目的和意义数控机床是典型的机电一体化课题，通过毕业设计可使所学机械学、力学、电工学知识得到综合应用。结构设计及控制系统设计能力都能受到训练，可有力的提高学生的分析问题、解决问题能力及机电一体化水平 3二.毕业设计（论文）任务书系 部机械工程系指导教师周俊荣职 称学生姓名袁旭专业班级07gz数控2学 号0725012209设计题目普通车床数控化改造设计设计内容目标和要求（设计内容目标和要求、设计进度等）本课题改造设计经济型数控车床，应满足实用和加工精度的要求。1. 调研：了解各种数控机床进给伺服系统中二维工作台的工作性能和加工要求情况，了解开环伺服传动系统的组成和特点，提出应满足的技术要求和条件，分析、比较各种可能的方案并提出初步设计方案；2. 研究和确定数控车床进给伺服系统的总体设计方案，要求有必要的分析和计算过程；3. 结构设计，要求画出总体结构图、关键零部件图并对关键零部件进行校核和验算；4. 控制系统设计，画出控制系统原理图；5. 撰写设计说明书（30-40页左右）；6. 基本技术要求： 结构尺寸：普通车床CA6150 数控车床的设计参数：规格加工最大直径加工最大长度溜板及刀架重力(N)刀架快移速度(m/min)最大进给速度(m/min)定位精度mm主电机功率kw启动加速时间ms纵向横向纵向横向纵向横向5000630100013206002.41.20.60.30.036.630根据数控机床要求，由调研确定工作台定位精度和重复定位精度、脉冲当量等参数；7. 绘制主要零部件图不少于2张，装配图1张；8. 设计进度：1) 15 周，主要进行毕业设计准备工作，熟悉题目，收集资料，进行毕业实习，明确研究目的和任务，构思总体方案；2) 610周，设计计算，绘图；3) 1113周，编写毕业设计论文，准备毕业设计答辩。指导教师签名：年 月 日系 部审 核 41.设计目的数控机床课程设计是机电一体化专业教学中的一个重要的实践环节，学生学完技术基础课和专业课，特别是“数控技术”课程后应用的，它是培养学生理论联系实际、解决实际问题能力的重要步骤。本课程设计是以机电一体化的典型课题数控系统设计方案的拟定为主线，通过对数控系统设计总体方案的拟定、进给伺服系统机械部分设计，计算以及控制系统硬件电路的设计，使学生能够综合应用所学过的机械、电子和微机方面的知识，进行一次机电结合的全方面训练，从而培养学生具有初步设计计算的能力以及分析和处理生产过程中所遇到的问题的能力。2.设计要求课程设计是机床数控系统课程的十分重要实践环节之一。通过课程设计可以初步树立正确的设计思想，了解有关的工业政策，学会运用手册、标准、规范等资料；培养学生分析问题解决问题的实际能力，并在教师的指导下，系统地运用课程和选修课程的知识，独立完成规定的设计任务。课程设计的内容是改造设备，实现以下几部分内容的设计训练。如精密执行机的内容应包括：课程设计题目总体方案的确定、系统框图的分析、电气执行元件的选用说明、机械传动设计计算以及机械和电气及其他部分（如环形分配器等）的说明。 5该课程设计的内容及方法，可以归纳如下：1) 采用微型计算机（包括单片机）进行数据处理、采集和控制。主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用、接口电路、软件编制等。2) 选用驱动控制电路，对执行机构进行控制。主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用，考虑电机选择及驱动力矩的计算，控制电机电路的设计。3) 精密执行机构的设计。主要是考虑数控机床工作台传动装置的设计问题：要弄清机构或机械执行元件的主要功能（传动运动、动力、位置装置、微调、精密定位或高速运转等），进行力矩、负载功率、惯性（转动惯量）、加（减）速控制和误差计算。4) 学会使用手册及图表资料，计算机I/O接口设计和驱动电路以及数控化电气原理设计等。 6 三开题报告 目前我国拥有300多万台机床，自动、半自动机床役年10年以下的不到20%，半数以上是役年在10以上的旧机床。而且，制造行业、加工装备业绝大多数是传统的通用机床,自动化程度低.在近几年内用自动化和精密设备更新现有机床,无论是资金方面,还是我国机床制造厂的能力方面都存在一定的困难.目的；机床数控化改造，顾名思义就是在机床上增加微型计算机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。它是根据生产实际需要提出，并随着机床行业一级技术的不断进步而发展起来的，它的内容是应用成熟数控技术和经验，以适应生产的具体要求为目的，对现有的机床的局部结构进行改造，并安装上新的部件、新装置、新附件，用计算机控制机床的工作， 机床的技术性能指标，是指全部或局部达到新数控机床的水平。意义；采用数控技术对现有机床进行改造，符合国家的产业政策。另外，从市场容量来将不管是汽车制造业，模具制造业还是军工企业，机床的数控化改造都蕴藏着无限商机。1）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。 2）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。 3）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。研究内容：对普通车床c6163的数控化改造，主要是讲纵向和横向进给系统改造成为cnc装置控制的、能独立运动的进给伺服系统；讲刀架改造成为能自动换刀的回转刀架，这样，利用cnc装置，车床就可以按预先输入的加工程序进行切削加工。由于切削参数、切削次序和刀具选择都可以由程序控制和调整，再加上纵向进给和横向进给联动的功能，数控化改造后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动切削，从而提高生产效率和加工精度，还能适应小批量、多品种复杂零件的加工。1. 技术要求（1）总体方案设计 a)数控系统的选择 b)伺服系统的选择 C)功能部件的选择 d)结构设计与电气设计（2）夹具的制作与安装 72.设计参数设计参数包括车床的部分技术参数和车床拟实施数控化改造所需的参数。以CA6132型车床的改造为例。设计参数如下：加工最大直径：500mm最大加工长度：1000mm最大切削进给速度：纵向0.6m/min，横向0.3m/min最大进给速度：纵向2.4m/min,横向1.2m/min定位精度：0.03mm主电机功率：6.6kw启动加速时间：30ms实施方案、进度安排：1. 机械改造设计对该机床进行机械修理主要目的是恢复机床轨道、主轴、拖板等主要部件机械精度。主要完成一下内容：A） 对床身轨道、大托板、中小托板导轨进行磨、刮处理；B） 尾座与主轴同轴度维修；C） 右路润滑系统重新排油管修复；D） 机床外表重新挂灰、喷漆。E） 主轴传动改造设计主轴方面保留主轴箱里面的齿轮变数，以保证低速度的时候能提供大的力矩。同时，设计测量主轴速度的脉冲编码器机械安装装置，脉冲编码器用于控制螺纹加工。F） 进给传动改造计算及安装方案传动改造计算包括：A）纵向传动改造计算B）横向进给系统的设计与计算2电气改造设计1）系统配置首先对机床拟改造的数控机床自身功能有一个充分的分析，依据价格合理、技术先进、服务方便的原则选择数控系统。考虑到成本，我们选择性价比较高的德国西门子公司生产的802S经济型数控系统，其基本功能完全满足要求。2）主轴电路主轴采用变频器驱动三相交流异步电机实现主轴分段无极调速.802S数控系统的主轴速度模拟量控制电压为DC-10V+10V。其中0+10V为主轴正转速度控制（执行M3指令）。0-10V为主轴反转速度控制（执行M4指令）。而变频器的速度控制电压为0+10V，其正/反转由变频器的I/O端口输入的状态控制。如果直接把数控系统的速度控制模拟电压输出端直接与变频器连接。将导致变频器不能识别反转控制电压而不能实现反转。变频器的鼓掌报警输出作为系统的报警输入。如果主轴过流、短路、过热等故障时均可即使停止系统的运行，并发出报警信号。3）进给电路驱动器所使用的85v交流电源由380v交流电驱动变压器压降压产生，为克服步进电机启动时大电流的冲击，驱动变压器必须有足够的功率余量，实际改造中选用的是1.5KVA的变压 8器。为防止电源干扰，在驱动变压器原边与副边之间绕有屏蔽层并接地。驱动器与数控系之间的联机电缆由于深入强电柜，因此要求有良好的抗电磁干扰性能，一般采用西门子系统厂商提供的屏蔽多芯双绞电缆，如长度不能满足要求，换同规格自购电缆也可。4）电动刀架控制电动刀架的刀位检测霍尔元件为输出电路为集电极开路输出方式，不能与数控系统直接相连，需要在各刀位检测电路输出端添加集电极上拉电阻。5）X,Z轴限位和参考点返回X,Z轴的限位输入端设置为负逻辑。参考点返回采用双开关方式，用行程开关做参考点返回减速开关，用接近开关作为参考点检测开关。在各轴返回参考点时，先高速运动到参考点返回减速开关，将其压下后反向慢速逼近参考点，到参考点检测开关后完成参考点返回。由于方法使各轴在达到参考点钱速度教低（可通过参数定改变），所以精度教高，并且可以消除丝杆的反向间隙。参考文献：1. 数控技术课程设计，范超毅，赵天婵，吴斌方主编，张建钢主审，华中科技大学出版 2. 机床设计手册 3. 机电一体化技术手册 4. 步进电机应用技术 5. 数字控制机床 6. 机械设计手册 7.生产实习参考资料 东风汽车发动机厂指导教师意见指导教师签名： 年 月 日 9四毕业设计（论文）学生申请答辩表课 题 名 称普通车床数控化改造设计指导教师(职称)申 请 理 由毕业设计已做完，请求答辩学生所在系部 机械工程系专业班级数控2班学号0725012209 学生签名： 日期：毕业设计（论文）指导教师评审表序号评分项目（理工类）满分评分1工作量152文献阅读与外文翻译103技术水平与实际能力254研究成果基础理论与专业知识255文字表达106学习态度与规范要求15总 分100评语 （是否同意参加答辩） 指导教师签名： 另附毕业设计（论文）指导记录册 年 月 日4五毕业设计（论文）评阅人评审表学生姓名袁旭专业班级数控2班学号0725012209设计(论文)题目普通车床数控化改造设计评阅人评阅人职称序号评分项目（理工类）满分评分1工作量152文献阅读与外文翻译103技术水平与实际能力254研究成果基础理论与专业知识255文字表达106学习态度与规范要求15总 分100评语 评阅人签名： 年 月 日5六毕业设计（论文）答辩表学生姓名袁旭专业班级数控2班学号0725012209设计(论文)题目普通车床数控化改造设计序号评审项目指 标满分评分1报告内容思路清晰；语言表达准确，概念清楚，论点正确；实验方法科学，分析归纳合理；结论有应用价值。402报告过程准备工作充分,时间符合要求。103创 新对前人工作有改进或突破，或有独特见解。104答 辩回答问题有理论依据，基本概念清楚。主要问题回答准确，深入。40总 分100答辩组评语答辩组组长（签字）： 年 月 日 答辩委员会意见答辩委员会负责人（签字）： 年 月 日 136-1七毕业设计（论文）答辩记录表学生姓名袁旭专业班级数控2班学号0725012209设计(论文)题目普通车床数控化改造设计答辩时间答辩地点答辩委员会名单问题1提问人： 问题：回答（要点）：问题2提问人： 问题：回答（要点）：问题3提问人： 问题：回答（要点）：记录人签名（不足加附页）6-2问题4提问人： 问题：回答（要点）：问题5提问人： 问题：回答（要点）：问题6提问人： 问题：回答（要点）：问题7提问人： 问题：回答（要点）：问题8提问人： 问题：回答（要点）：记录人签名7八毕业设计（论文）成绩评定总表学生姓名： 袁旭 专业班级：数控2班 毕业设计（论文）题目：成绩类别成绩评定指导教师评定成绩评阅人评定成绩答辩组评定成绩总评成绩40%+20%+40%评定等级 16九 引言 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发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及机构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优越的性能和精度以及灵活而多样化的功能引起世人瞩目，并且创机械产品向机电一体化发展的先河。 数控机床是以数字化信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具呵工件之间的相对位置，机床机电的启动和停止，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呵顺序动作等信息用代码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，加工出所需要的工件。数控机床与普通机床相比，其主要有一下优点：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，只需要重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件的加工；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求。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、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需求量大，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求，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机床。可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展呵普及。所以说，本毕业设计实例具有典型性呵实用性。十 总体方案设计对CA6150车床数控改造，主要是将纵向和横向进给系统改造成为CNC装置控制的能独立运动的进给伺服系统，将刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。这样，利用CNC装置，车床就可以按照预先输入的加工程序进行切削加工。由于切削参数，切削次数和刀具的选择都可以有程序控制和调整，再加上纵向进给和横向进给的联动功能，数控化改造后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动切削，从而提高生产效率和加工精度，还能适应小批量，多品种复杂零件的加工。总体方案的设计应考虑：机床数控系统运动方式、伺服系统的类型、计算机(CNC装置)及传动方式的选择等。10.1 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/直线系统和连续控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式；如果要求工作台或刀具沿各坐标轴的运动有确定的函数关系，即连续控制系统应具备控制刀具以给定速率沿加工路径运动的功能。具备这种控制能力的数控机床可以加工各种外形轮廓的零件，所以连续控制系统又称为轮廓控制系统。在点位控制系统中不具备连续控制系统中才具有的轨迹计算装置，而连续控制系统中却有点位系统的功能。还有一些采用点位控制的数控机车，不但要求工作台运动的终点坐标，还要求工作台沿坐标轴运动过程中切削工件。这种系统叫点位/直线系统。其控制方法与点位系统十分相似，故有时也将这两种系统统称为点位控制系统。由于普通车床CA6150数控化改造后应具有定位，快速进给，直线插补，圆弧插补，暂停，循环加工和螺纹加工等功能，故应选用连续控制系统。10.2 伺服系统的选择伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统中设有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向传递的。指令发出后不再反馈回来，故称为开环控制。开环系统主要由步进电机驱动。开环伺服系统结构简单、成本低廉、容易掌握、调试和维修都比较简单。闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件来检测实际位移量，能补偿系统的误差，因而伺服控制精度高。闭环系统多采用直流伺服电机或交流伺服电机驱动，闭环系统造价高，结构和调试复杂，多用于精度要求高的场合。半闭环控制系统与闭环控制系统不同，不直接检测工作台的位置，而是用检测元件测出驱动轴的转角，再间接推算出工作台的实际位移量，也有反馈电路，其性能介于开环系统和闭环系统之间。普通车床CA6150数控化改造在保证有一定加工精度前提下，从改造成本考虑应简化结构降低成本，加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用进给伺服系统采用以步进电机为驱动装置的开环控制系统。10.3功能部件的选择这主要是滚珠丝杠及支承方式的选择，电动回转刀架选择等等。10.4结构设计与电气设计这主要是纵向进给传动系统，横向进给传动系统的设计和机床导轨的维护，一般采用贴塑导轨以减少摩擦力。机床电气设计包括机床原理设计和PLC梯形图设计等等。10.5计算机系统的选择根据CA6150的要求，采用8位机。由于MCS51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强和性价比高等特点，因此采用MCS51系列的8031单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成。系统的加工命令和控制程序通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据和机床状态等信息。10.6数控车床CA6150主要设计参数最大加工直径：500mm。最大加工长度：1000mm。行程;纵向，700mm；横向，200mm。溜板及刀架重力：纵向800N，横向600N。刀架快移速度：纵向2.4m/min，横向1.2m/min。最大进给速度：纵向0.6m/min，横向1.2 m/min。定位精度：0.01mm/全行程。主电动机功率：6.6kw。启动加速时间：30ms。重复定位精度：0.01mm/全行程程序输入方式：增量值，绝对值通用。控制坐标数：2。脉冲当量：纵向0.01mm/脉冲、横向0.005mm/脉冲。十一具体改进方案11.1实施方案进给系统数控化改造的主要部件有：挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板、刀架等。现拟定以下改造方案：挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲编程器。进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成。丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠。滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾端原来装轴承座部位。溜板箱部分：全部拆除，在原来安装滚珠丝杠的滚珠丝杠座，丝杠螺母固定在其上。在该处还可以安装部分操作按钮。横溜板部分：将原横溜板中的滚珠丝杠、螺母拆除，在该处安装横向进给滚珠丝杠螺母副，横向进给步进电动机与齿轮减速箱总成安装在横溜板箱后部并与滚珠丝杠连接。刀架部分：拆除原刀架，在该处安装自动回转四方刀架总成。11.2横向进给传动链的设计计算1. 主切削力及切削分力计算（1） 计算主切削力Fz。已知机床主电动机的额定功率Pm为6.6kw，最大工件直径500mm，主轴计算转速n=85r/min。在此转速下，主轴具有最大扭矩和功率，刀具的切削速度为 u=Dn/60000=3.1450085/60000=2.22m/s 取机床的机械效率=0.8 Fz=1000Pm/u=10000.86.6/2.22=2378N（2）计算各切削分力走刀方向的切削分力Fx和垂直走刀方向的切削力Fy Fx=0.25Fz=594N Fy=0.4Fz=951N2.导轨摩擦力的计算（1）由公式计算在切削状态下的导轨摩擦力F。此时，导轨受到的垂向切削分力Fv=Fz=2378N，横向切削分力Fc=Fx=594N移动部件的全部重力W=600N(包括机床夹具和工件的质量)，查表的镶条紧固力fg=1775N，取导轨动摩擦系数=0.15，则 F= （W+fg+Fv+Fc） =0.15(600+1775+2378+594) =642N按公式计算在不切削状态下的导轨摩擦力F0和F0 F0=(W+fg)=0.15(600+1775)=356N F0=0(W+fg)=0.2(600+1775)=475N3. 计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力1） 按公式计算最大轴向负载力Famax Famax=Fy+F=（475+951）=1426N（2）按公式计算最小 Famin=F0=356N4. 确定进给系统传动链的传动比i和传动级数取步进电动机的步距角=1.5o滚珠丝杠的基本导程L0=6mm，进给传动链的脉冲当量p=0.005mm/脉冲，由公式得 i=L0/360p=1.56/(3600.005)=5按最小惯量条件，从图表查得该减速器应采用2级传动，传动比可以分别取i1=2，i2=2.5。根据结构需要，确定各传动齿轮的齿数分别为Z1=20、Z2=40、Z3=20、Z4=50,模数m=2，齿宽b=20mm。5. 滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算1） 按预期工作时间估算滚珠丝杠预期的额定动载荷已知数控机床的预期工作时间Lh=15000h，滚珠丝杠的当量载荷Fm=Famax=1426N，载荷系数fw=1.2，查表，初步选择滚珠丝杠的精度等级为3 级，去精度系数fa=1：查表得，可靠性系数fc=1.取滚珠丝杠的当量转速nm=nmax（该转速为最大切削进给速度umax时的转速），已知umax=0.3m/min，滚珠丝杠的基本导程L0=6mm，则 nmax=1000umax/L0=10000.3/6=50r/min 由公式得 Cam=FmFW(60nmLh)1/3/（100fafc）=6091.87N2) 按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2mG） 根据定位精度和重复定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形。已知本车床横向进给系统的定位精度为0.03mm，由公式 max=（1/31/2）30m=1015m 取上述计算结果的最小值，即max=3.2m。H） 估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m滚珠丝杠螺母副的安装方式拟定采用以端固定、一端游动支承方式，滚珠丝杆螺母副的两个支承之间的距离为 L=行程+安全行程+2余程+螺母长度+支承长度 （1.21.4）行程+（2530）L0 取L=1.4行程+30L0 =（1.42000+306）mm=460mm由公式得 d2m 0.078(F0L/max)1/2 =13.57mm3) 初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号根据以上计算所得的L0、Cam、d2m和结构的需要,初步选择内循环垫片预紧螺母式滚珠螺母副其公称直径d0、基本导程L0、额定动载荷Ca和螺纹底径d2如下: d0 =25 mm ,L0=6mm Ca =7900N Cam =6091.87N d2 =20.9d2m=13.57mm 故满足要求。11.3 横向进给链部件的装配图设计将以上计算结果用于该部件的装配图设计 其计算简图如1所示11.4 滚珠丝杆螺母副的承载能力校验 1.滚珠丝杆螺母副临界压缩载荷Fc的校验已知滚珠丝杆螺母副的底经d2=20.9mm，由图1可知滚珠丝杆螺母副的的最大受压长度L1=313mm，丝杆水平安置时，取K1=13，查表可知K2=2,所以Fc= K1 K2 d24105L12= 13 220.941052602=12276.73N本车床横向进给系统滚珠丝杆螺母副的的最大轴向压缩载荷为Famax=1426N，远小于其临界压缩载荷Fc的值，故满足要求。2. 滚珠丝杆螺母副的的临界转速nc的校验 由图1得滚珠丝杆螺母副的临界转速的计算长度L2=337mm，其弹性模量E=2.1105MPa，密度17.8105Nm，重力加速度9.8103mm滚珠丝杆的最小惯性矩为Id2464=3.1420.9464mm4=9361.27mm4 滚珠丝杆的最小截面积为 A=d244=3.1420.944mm4=342.89mm4 取K1=0.8，由表可得 =3.927，所以 nc=K1602/（2L22）（EI/A）1/2 =0.8603.9272/（23.142852）【2.11059361.279.8103/（7.810-5342.89）】1/2 =26573r/min 本横向进给传动链的滚珠丝杆螺母副的最高转速为41.67r/min，远远小于其临界 转速，故满足其要求。3.丝杆螺母副额定寿命的校验 查表得滚珠丝杆的额定动载荷Ca=7900N，已知其轴向载荷Fa=Famax=1426N，滚珠丝杆的转速n=nmax=50r/min，运转条件系数fw=1.2，则由公式可得 L=【Ca/（Fafw）】3106=（7900/1426/1.2）3106r =9.73107r Lh=L/（60n）=9.73107/（6050）h=20900h本车床数控改造化后，滚珠丝杆螺母副的总工作寿命Lh=2090015000h，故满足要求。11.5计算机械传动系统的刚度 1.计算机械传动系统的刚度 （1）计算滚珠丝杆的拉压刚度Ks 本机床横向进给传动链的丝杆支撑方式为一端固定，一端游走。丝杆的拉压刚度Ks应这样计算。 已知滚珠丝杆的弹性模量E=2.1105MPa，滚珠丝杆的底经d2=20.9mm，当滚珠丝杆的螺母中心至固定端支撑中心的距离a=Ly=313mm时，滚珠丝杆螺母副最小拉压刚度Ksmin，根据公式可得：Ksmin=d22E10-3/（4Ly）=1.65100d22/Ly=1.6510020.92/313=230.26N/m当a=Lj=113mm时，滚珠丝杆螺母副的最大拉压刚度Ksmax可得Ksmax=d22E10-3/（4Lj）=1.65100d22/Lj=1.6510020.92/113=637.81 N/m （2）计算滚珠丝杆螺母副支撑轴承的刚度Kb已知滚动体的直径dq=5.953mm，滚动体个数Z=15，轴承的最大轴向工作载荷Fbmax=Famax=1426N，则 Kb=21.95（dqZ2Fbmax）1/3 =21.95（5.9531521789.44）1/3=345.3 N/m（3）计算滚珠与轨道的接触刚度Kc 查表的滚珠与轨道的接触刚度K=636 N/m，滚珠丝杆的额定动载荷Ca=11300N，已知滚珠丝杆上面所承受的最大轴向载荷，Famax=1426N，则 Kc=K（Famax10/Ca）1/3=636（142610/7900）1/3=701.72 N/m（4）计算进给传动系统的综合拉压刚度K 1/Kmax=1/Ksmax+1/Kb+1/Kc=1/230.26+1/345.3+1/701.72=0.0085 故Kmax=117 N/m 1/Kmin=1/Ksmin+1/Kb+1/Kc =1/637.81+1/345.3+1/701.72=0.0057 故Kmin=175 N/m2.计算滚珠丝杆螺母副的扭转刚度K由图1得扭矩作用点之间的距离L2=335mm，已知滚珠丝杆的剪切模量G=8.1104MPa，滚珠丝杆的底经d2=21.9mm，则 K=d24G/（32L2）=3.14（20.910-3）48.1104106N.m/rad =5457.53 N.m/rad11.6驱动电动机的选型和计算 1.计算折算到电动机的转动惯量Jr。 （1）已知滚珠丝杆的密度=7.810-3kg/cm3，则 Jr=0.7810-3Dj4Lj=0.7810-3（2.0410+2.5436+2.0412.5）kg.cm2=1.38 kg.cm2（2）计算折算到丝杆轴上的移动部件的转动惯量Jl已知机床横向进给系统执行部件（即横向溜板及刀架）的总质量m=61.22kg；丝杆轴每转一圈，机床的执行部件在轴向移动的距离L=0.6cm，则 JL=m【L/（2）】2=61.22（0.3/3.14）2=0.56kg. cm2（3）计算各齿轮的转动惯量 Jz1=Jz3=0.7810-3442 kg.cm2=0.4 kg. cm2 Jz2 =0.7810-3842kg.cm2=6.4 kg. cm2 Jz4=0.7810-31042kg.cm2=15.6 kg. cm2 （4）即加在电动机轴上面总负载转动惯量Jd Jd= Jz1+（Jz2+ Jz3）/i2+（Jz4+Jr+JL）/i2 =0.4+（6.4+0.4）/4+（15.6+1.38+0.47）/25 kg. cm2 =2.8 kg. cm22计算折算到电动机轴上的负载力矩 （1）计算折算到电动机轴上的切削负载力矩Tc已知在切削状态下的轴向负载力Fa=Famax=1426N，丝杆每转一圈，机床执行不见得轴向移动距离L=6mm，进给传动系统的传动比i=5，进给传动系统的总效率=0.85，则 Tc=FaL/（2i）=14260.006/（23.140.855）=0.32N.m （2）计算折算到电动机轴上的摩擦负载力矩T 已知到不切削状态下的轴向负载力（即空载时的导轨摩擦力）F0=356N，则 T= F0L/（2i）=3560.006/（23.140.855）N.m=0.08N.m （3）计算由滚珠丝杆预紧力Fp的并折算到电动机轴上的附加负载力矩Tf已知滚珠四杆螺母副的效率0=0.94，滚珠丝杆螺母副的预紧力Fp为 Fp=Famax/3=1426/3=475.33N Tf=FpL0(1-02)/( 2i) =475.330.006(1-0.942)/(23.140.855)=0.012N.m (4)折算到电动机轴上的负载力矩T的计算。 空载时（快进力矩）则 Tkj= T+ Tf =0.08+0.016=0.092N.m 切削时（工进力矩）则 TGJ=Tc+Tf=0.32+0.016=0.332N.m3