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机械毕业设计论文

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机械数控机床毕业设计113CA6140车床数控改造,机械毕业设计论文

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1 第一章 概论 一、数控系统发展简史 1946 年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具，它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会尊鼎了基础， 6 年后，即在1952 年，计算机技术运用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床，从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 二、 国内数控机床状况分析 （一）、国内数控机床现状 近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的 使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用，近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控机床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成型折弯机、数控压铸机，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。 .（二）、国内数控机床的特点 1、新产品开发有了较大的突破，技术含量高的产品占据主导地位。 2、数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高。 3、数控机床发展的关键配套产品有了突破。 三、数控系统的发展趋势 1、继续向开放式、基于 PC 的 第六代方向发展。 2、向高速化和高精度化发展。 3、向智能化方向发展。 四、机床数控化改造的必要性 （ 1）、微看改造的必要性 从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来至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的曲线，曲面等复杂的零件。 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nts 2 37 倍。 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，减少零件在机床中的频率搬运。 5、 拥有自动报警、自动监 控、自动补充等多功能自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。 6、 由以上 5 条派生好处。 如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期的生产周期，可以对市场需求做出快速反应等等。 （二）、宏观看改造的必要性 从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在七十年代末，八十年代初，以开始大规模运用数控机床。由于采用信息技术对国外军、民机修工业进行深入改造（称之为最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大大增强）。而我们在信息技术改造传统产 业方面比发达国家越落后 20 年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到 1995 年只有 1.9%，而日本在 1994 年已达到了 20.8%，因此每年都有大量机电产品。这也是从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。 五、数控化改造的市场空间 机床的数控制化改造是一个方心未的行业，从各种统计数字上看前途应该是十分光明的，例如：在美国、日本、德国等发达国家他们的机床改造人作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及数控技术的不断进步，机床改造是一个“永恒”的课题。我国的机床改造业，也从老的行 业进入到以数控技术为主的新的行业，所以不难看出：数控化改造具有广阔的市场空间。 六、机床改造的效益分析 提高机床数控化效益又两个途径：一是购买新的数控机床，二是对新的机床进行改造，而对于一个机床拥有量大，经济财力又不足发展中国家来说，采用旧机床改造来提高设备的先进性和数控化率是一个及其有效的使用途径，采用第二种方法有以下优点： 1、 较少了投资与交货的期限 nts 3 2、 机械的稳定性可靠 3、 熟悉了解设备的结构性能，便于操作维修 4、 可以充分利用现有的条件 5、 可更好的因地制宜合理筛选功能 6、 可及时采用最新技术，充分利用社会资源 nts 4 第二章 普通机床的数控改造 一、设计内容及任务 普通机床（ CA6140）的数控改造设计内容包括：总体方案的确定和验证、机械改造部分的设计（伺服进给机构设计、自动转位刀架的选择和设计、编码盘按装部分的结构设计）、主远动自动变速原理。 本设计任务是对 CA6140 卧式车床进行数控化改造，实现微机对车床的数控化改制。利用微机对车床的纵向、横向进给系统进行数字控制，并要达到最小运动单位 0.01mm/脉冲，横向最小运动单位 0.005mm/脉冲，主运动要实现自动变速，刀架要改 造成自动转位刀架，要能自动切削螺纹。 二、数控机床工作原理及组成 1、数控机床工作原理： 数控机床加工零件时，首先因编制零件的加工程序，这是数控机床的工作指令。将加工程序输入到数控装置，再有数控装置控制机床主运动的变化、起停，进给运动的方向、速度和位移量以及其它如刀具选择交换、工件夹紧松开和冷却润滑的开、关等动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格的按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作从而加工出符合要求的零件。 2 数控机床的组成： 数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体四部分组成，其 组成框 图如图 2-1 图 2-1 数控机床组成图 控制介质 数控装置 伺服系统 机床 测量装置 nts 5 第三章 总体方案的拟定和论证 数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题。且能稳定产品的加工质量，大幅度地以搞生产效率。我国作为机床大国，对普通机床数控化改造不失为一种较好的良策。 第一节 总体设计方案的拟定 C6140 车床主要用于对中小型轴类、潘类以及螺纹零件的加工，这些零件工艺工艺要求机床应完成的工作内容有：控制主轴正 反转和实现其不同切削速度的主轴变速：刀架能实现纵向和横向的进给运动，并具备在换刀点自动改变四个刀位完成选择工具：冷却泵、润滑泵的启停：加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个被加工螺纹的螺距或导程。这些工作内容，就是数控化改造数控系统控制的对象。察看各种型号车床及有关资料，并且参照数控车床的改造经验，确定总体改造方案。 一 、主传动系统的设计改造 对普通车床进行数控改造时，一般可保存原有的主传统系统和变速操作机构，以减少改造量。但本社集中为了提高车床自动化程度，以便以在加工过程中实现自动化换切削速度，对其作 了相应的简化改造。 采用交流调速电机做车床主轴电机，以取代原来主轴电机，以实现无机调速：并简化原来的传动系统，已达到多档调速范围的确定。 二 、数控机床的选择设计 计算机数控装置（ CNC）即控制装置的数控机床的中心环节。他通过对加工程序的运行处理，发出控制信号，实现对加工过程中的自动控制。 在本设计中，由于时间较短，经过对同类型产品的综合对比，确定选用江苏东方数控新技术公司生产的 NIM-9702 数控系统。 三 、自动转位刀架选择设计 数控机床的刀架是机床的重要铸成部分。其结构直接影响车床的切削性能和效益。卧式车 床数控改造应将原来的机床的普通手动转位刀架转换成自动换位刀架。本设计确定采用常州武进设备厂生产的 LD4 工位螺旋转位刀架。 1、 驱动系统的设计改造：由于改造设计的简易型经济数控，所以在考虑具nts 6 体方案时，基本原则是在满足需要的前提下，对于机床尽可能减小改动量，以降低成本。总体改造如下图 3-1 所示。 （ 1）、数控方式类型选择 数控机床的伺服进给系统有关环控制，闭环控制和半闭环控制之分。经过对三种控制方式进行综合比较、分析，由于半闭环结构简单、调整方面，在中小型性能要求较高的数控机床中应用较多，故本设计采用半闭环 控制。半闭环控制系统组成原理图如下： （ 2）伺服进给机构的改造 纵向进给机构的改造： 伺服电动机 齿轮箱 比较环节 伺服放大器 工作台 反馈脉冲 测量角度 进结脉冲 图 3-2 半闭环控制原理图 nts 7 拆除原来机床的滑板箱、光杠与丝杠一件装座，装上滚珠杠及其他相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及减速箱安装在丝杠的右端，采用滚珠丝杠可以提高系统的精度和纵向进该的整体刚度。 拆除原来横向进给的丝杠，换上滚珠丝杠：保留原来的横向手柄机构，横向步进电 机和減速箱安裝在机床后側 （ 3）步进电动机的选用 选用步进电动机，通常希望步进电动机的輸出转矩大 ,启动频率和运行频率高，步距 误差小。但是，增大转矩与快速运行存在一定的矛盾，高性能与低成本相矛盾。因此在实际选用步进电动机时，要考虑各方面因素 . 首先要保证机床的定位精度，而脉冲当量直接影响机床的定位精度。脉冲当量较小，机床的定位精度越高，选择尽可能大的脉冲当量。脉冲当量确定后，以次为依据选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。 （ 4）丝杠螺母副 卧式车床的进给丝杠都是滑动丝杠，即丝杠与螺母之间的摩擦，由于，传动丝杠螺母副的摩擦大，传动效率底，在精度要求不高的情况下，可以仍用原机床的滑动丝杠螺母副改换成滚珠丝杠螺母副。考虑本设计的设 计要求，选用滚珠丝杠螺母副代替原机床的滑动丝杠螺母副。 （ 5）机床导轨改造 卧式机床的运动部件，如刀架，工作台都是沿着机床的导轨面运动的。导轨的作用就是支承和导向，即支承运动部件，并保证运动部件在外力作用下，能准确的沿着一定方向运动。导轨的导向精度，精度保持性和低速运动平稳性，直接影响机床的加工精度要求，支承能力和使用性能。数控改造时根据原机床导轨的，磨损程度和加工精度要求，来确定导轨的结构形成。 一般将原机床导轨进行修整后贴塑，使其成为贴塑导轨。贴塑导轨摩擦系数小，且动，静摩擦系数差很小，能防止低速爬行现 象：耐磨性，抗咬伤能力强，加工性和化学性能稳定，具有良好的自 润滑性和抗振性：工艺简单，成本低。 第二节可行性论证 根据传统的论证方式，普通车床经济型数控改造的可行性论证应围绕以下几个方面进行，即从企业生产经营现状及存在的问题分析：从企业生产经营目标，nts 8 改造的基础条件，目标，技术方案，投资概算，效率分析：改造后机床的实施计划，结论等。 由于原因限制，设计者只能就改造的投资概算一简要的可行性论证。 本改造设计是对普通机床 CA6140 进行经济型数控改造。在改造设计中，采用的是江苏东方数控新技术公司生产的 NIM-9702 型数控系统，常州宏达机床数控设备厂的 LD4-CA6140 电动刀架，加上两台伺服电机，费用约为 5 万余元：一台交流调速电动机和齿轮减速机构，两套滚珠丝杠副和相配的传动部分以及齿轮副，贴塑导轨等零件，费用约为 2 万余元，总的改造费用约为 6 7 万。这样设备改造费用和旧设备费用总计不会超过 15 万元。因此，对普通机床作经济型数控改造适合我国国情，是国内企业提高车床的自动化能力和加工精度的有效选择，具有一定的实用性。 nts 9 第三章 总体设计方案 的确定 经总体设计方案的论证后，确定的 CA6140 的车床经济型数控改造的总体方案示意图，如下图所是示： CA6140 车床的主动转速部分采用了变 频交流导步电机：车床的纵向和横向进给运用采用步进电机驱动，步进电机驱动，齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向，横向进给运动：刀架改成由微机控制，经电机驱动的自动转位刀架。为保持切削螺纹的功能，需按装主轴脉冲发生器。 nts 10 第四章 主传动部分改造与设计 改造设计之前，我们先来看一下数控机床主传动与普通机床相比所具有的特点： 1、 采用调速电机驱动，以满足主轴根 据数控指令进行自动变速的需要； 2、 传动路线短，从而简化了主传动系统机械结构； 3、 转速高、功率大 数控机床的主传动系统除应满足普通机床传动要求，还应满足以下条件； 1）、具有更大的调速范围，并实现无极调速。 2）、具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低； 3）、具有良好的抗振性和热稳定性。 第一节、主传动部分改造方案拟定和涉及内容 改换主轴电动机，换成调速电动机，通过对电动机的变频调速控制再加一简单的齿轮调速实现自动变速，齿轮调速部分用磁离合器控制齿轮啮合。 主传动方式的选择、主轴电机的选择、齿轮传动系统地设计计 算、绘制主传动系统结构图。 数控机床主轴变速方式主要有无极调速、分段无级调速和内置电机变速等。在本设计中采用分段无级调速。 分段无级调速就是在交流或直流电机无级调速的基础上配以齿轮变速。他能ES P.S.T DCM 2 正 转 反 转 DCM1 VRF ACM U 4 V 4 FC W 4 FB ENC 图 4-1 主轴变频调速系统原理图 u3 v3 w3 PE M 11 73 74 73 74 75 77 58 57 56 76 76 78 78 58 77 nts 11 够实现中、高速段的恒功率传动，低速段的恒转矩传动。在该系统中，主轴的正、反转和制动停止，通过数控指令直接控制电机来实现。主轴的变速则有电动机的无极变速与齿轮的有机变速相配合和实现。 第二节、主传动部分改造设计计算 根据设计要求初选车床主轴变速范围： Ra=100 nmax=2500r/min nmin=25r/min 初步估算电动机功率 根据统计分析法： p=36.5D1.54(kw) (4-1) D 取 400m（据车床说明书， D-机床的最大加工直径） 所以 P=36.5 0.41.54=8.9(kw) 1、 切削力参数的确定 切削力： FZ=9.81CFZ.apxfz.fyfz. vzfz. Kfz (4-2) (据实用机床设计手册，以后若无说 则源于实用机床设计手册 ) 查得 2.2-4 得： XFZ=1 YFZ=0.75 ZFZ=0 KFZ=1 CFZ=188kgf/mm2 查表 2.1-16（据金属切削原理） 粗加工 精加工 切削深度 ap 46 1.02.0 进给量 f 0.80.4 0.20.4 切削速度 Vc 80110 120150 估算最大最小的切削力： Fz max=6286.5(N) Fz min=1121.4(N) 切削功率： pm= FZV /60000 (kw) (4-3) 则最大最小的切削功率为： pm max =9.95(kw) pm min =2.52(kw) 主电动机功率： pz= pm/ (kw) (4-4) n-主传动链的总效率： 取 =0.9 则最大最小的总功率 p z max=11(kw) nts 12 p z min=2.8(kw) 根据计算选用 11kw 电动机： LD160L-4 最高转速 nmax=3500r/min 额定转速 n=1460r/min 2、 确定变速极数 z 和工比 主轴计算 nc=nmin(nmax/ nmin)0.3 (4-5) 则： nc=15(25/2500) 0.3=99.5（ r/min) 主轴恒功率变速范围： maxp cnR n （ 4-6） 即 2500 2 5 . 1 29 9 . 5pR 电动机恒功率变速范围： maxDp cnR n （ 4-7） 即 3500 2 . 4 01460D pR 公比： 1 pZDpRR （ 4-8） 即 1 2 5 . 1 21 4 . 72 . 4Z 齿轮变速级通常为 24 当 z 取 2 时： 13.25 当 z 取 3 时： 3.64 当 z 取 4 时： 2.37 1 若选用 z = 2 13.25 00DpPRP （ 4-9） 即 0 1 1 2 . 4 02 . 01 3 . 2 5P k w 2 若选用 z = 3 3.64 nts 13 即 0 1 1 2 . 4 07 . 2 53 . 6 4P k w 功率 降低区的最小输出满载功率仅为 2.0kw、 7.25kw，与机床要求的最大功率相差太大，故不能采用。 3 若选用 z = 4 2.37 即 0 1 1 2 . 4 01 1 . 1 42 . 3 7P k w 符合机床功率要求。 3.主轴参数计算 主轴恒转矩变速范围： mincr nR n （ 4-10） 即 9 9 . 5 3 . 9 825rR 因为主轴和电机的恒转矩变速范围应相等，即： DT TRR 主电机的最低转速： min DDDTnnR（ 4-11） 即 m i n 1460 3 6 6 . 83 . 9 8nD 电动机额定转矩：DDdd9550pT= n 即 9 5 5 0 1 17 1 . 9 5 / m1460 DdT （ N ）主轴计算转速： 4 4 .0 4 ( / m i n )rcn主轴恒功率变速范围：maxcnnpR即 2500 3 5 . 0 79 9 . 5pR分级变速机构的变速范围：DPRPF RR=即 3 5 . 0 71 4 . 62 . 4FR 主传动系统总降速比： 0 . 0 6 8 1 / 1 6 99.5i=1460nts 14 第三节 分段无级变速传动方案确定 由前面计算得： Z=4, =2.37 令： 1= 2= 试取： i2 1 查表 2.3-4取 i2=1.12 则： i1=2.66 i3=0.47 故取 : z1=23 z1=61 Z2=50 z2=56 Z3=64 z3=30 由以上计算得： i4=3.556 取 i4=3.55 故取： z4=20 z4=70 根据原机床的（机床说明书）取： M1=2.5, m2=2, m3=2.25, m4=2.25,b=35mm,a=20 所以： d1= m1 z1=2.5 23=57.5(mm) d1=2.5 61=152.5(mm) d2=2 50=100(mm) d2=2 56=112(mm) d3=2.25 65=144(mm) d3=2.25x31=67.5(mm) d4=2.25x20=45(mm) d4=2.25x70=157.5(mm) 因齿轮，轴，轴承的型号大小与原机床无大 的改动，所以这里就不再作强调，刚度的校核。 根据实用机床设计手册知：当 RDP 时，在变速箱的每挡内会使一部分低转速的传动功率下降，按恒转矩方式变速，在 P-n 曲线上会出现“缺口”， 曲线上的缺口则称为功率低区：当 RDP 时，可保证主轴在自计算转速（ no）至最高转速（ nmas）范围内全部为恒功率， P-n 曲线上无“缺口”，可以充分利用主电nts 15 机的功率（该机床主轴传动系统图 4-3）。 图 4-3 轴传动系统 电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的文件，它 便于实现自动操作，能简化变速系统。绘图中齿轮装上电磁离合器，通过传动轴上的联合器吸合来改变齿轮的传动路线，实现自动变速。 改造后的机床为实现其螺纹加工还须配置主轴脉冲发生器作为车床主轴位置信号的方馈元件。它与车床主轴同步运行，采集主轴运动时的数据信息，发出主轴转角位置变化信号，输入到数控系统内，再由数控系统通过软件控制，以保证主轴每转一转时，螺纹车刀也同步在纵向进给一个螺纹，并保证螺纹加工中分几次切削时不发生乱扣，即每次螺纹切削进刀位置一致，主轴脉冲发生器一般采用增量式光电编码器，其安装通常有两种方式，同轴 安装，异轴安装。 同轴安装方式是直接与车床主轴的后端相联结，这种方式结构简单，但缺点是按装后不能加工穿出车床主轴孔的零件：异轴安装方式是通过桥齿轮或同步齿形带传动，使主轴与光电编码器同步转动，其结构复杂，但避免了前述同轴安装的缺点。本设计中是采用异轴安装方式。 主轴脉冲发生器输光学元件，安装时应小心轻放，不能有较大的冲击和震动，以防损坏玻璃光栅盘，造成报废，令应注意主轴脉冲发生器的最高运行转速，车床主轴的转速必须小于此转速，以免损坏脉冲发生器。 X X X X X X X X X X 主电机 11kw 脉冲发生器 61 56 31 70 20 23 50 65 电磁离合器 nts 16 第五章 伺服进给机构设计 伺服进给机构设计是普通车床 经济型数控改造的主要部分，如果说 CNC系统是数控机床“大脑”，是发布“命令”的指挥机构，那么，伺服驱动系统便是数控机床的“四肢”，是执行机构，它忠实而准确的执行由 CNC 系统发来的运动命令。伺服控制系统是联接数控系统与机床的枢纽，其性能是影响数控机床的精度，稳定性，可靠性，加工效率等方面的重要因素。 第一节伺服系统的组成原理和要求 一 、 伺服系统的组成原理 机床进给伺服系统主要由伺服驱动控制系统与机床进给机械传动机构两大部分组成。机床进给机械传动机构通常由减速齿轮，滚珠丝杠，机床导轨和工作台拖板等组成。对于伺服 驱动控制系统，按其反馈信号的有无，分为开环和闭环两种控制方式。对于开环伺服系统只能由步进电机驱动，它由步进电机驱动电源和电动机组成。闭环伺服系统则分为直流电动机和交流电动机两种驱动方式。通常伺服驱动控制单元与电动机由一个生产厂家配装提供。 二 、 伺服系统的要求 伺服系统是把数控信息转化为机床进给运动的执行机构。为确保机床的加工质量和效率，机床对其伺服系统有“稳，准，快，宽，足”五个要求，它反映了伺服驱动系统的五项性能指标：稳：即稳定性。准：及准确性。快：即快速响应性。宽：即有较宽的调速范围。足：即有足够的输出 扭矩或驱动功率。 对进给伺服系统除了上述五项性能指标外，还要求温升低，噪声小，效率高，体积小，价格低，控制方面，线性度好（如输出速度与输入电压成线性），可靠性高，维修保养方面，对温度，湿度等环境要求宽等等。 第二节伺服驱进给机构的设计内容和设计计算 伺服进给机构的设计内容包括：纵向进给系统的设计与计算，横向进给系统的设计与计算，步进电机的选择三大部分，该部设计的总体方案示意图 5-1所示。 要使这三大部分与数控系统配合达到好的效果，伺服进给机构的改造设计nts 17 部分除了主要的三大部分内容外，还包括与步进电动机相关驱动 电源，功率放大电路，铺助电路：与滚珠丝杠副相关的机床导轨等内容设计选择。 一 、 纵向进给系统的设计 普通车床的经济型数控改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定溜板箱上，带动刀架左右移动，步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端，从改造方便，实用方面来考虑，一般把步进电机放在纵向丝杠的右端，即尾架部位。 已知的条件： 工作台重量： =100kgf=100N(根据图纸粗略计算 ) 时间常数： =25Ms 滚珠丝杠基本导程： O=6mm 行程： =600mm 脉冲当量： =0.01mm/step 步距角： =0.75O/step 最大进给速度： mas=2m/min 1:切削力计算 由实用机床设计手册可知： 切削功率： NC=Nnk (5-1) N 电机功率 N=11kw N 主传动链的效率 取 n=0.90 K 进给系统的功率系数 取 k=0.96 nts 18 则： NC=11x0.90x0.96=9.504(kw) 又因为： 6120cc FvN （ 5-2） 则： 6120 cz NF v（ 5-3） 切削线速度， 取 =100m/min 所以： FZ=581.64(kgf)=7500(N) 由金属切削原理可知： 主 切削力： FZ=9.81Cfz Pxfz fYFZkFZ 查表得： CFZ=188kgf/mm2 Xfz =1 YFZ=0.75 KFZ=1 计算 F 如下： p(mm) 2 2 2 3 3 3 f(mm) 0.2 0.3 0.4 0.2 0.3 0.4 F Z(N) 1103.1 1495.2 1855.2 1654.7 2242.8 2782.9 当 FZ=1495.2N 时，切削深度 p=2mm，走刀量 f=0.3mm 以此参数作为下面计算的依据，从实用机床设计手册中可知，在一般外圆切削时： XZF = ( 0 . 1 0 6)FYZF = ( 0 . 1 5 0 7)FXZF = 0 . 5 F = 0 . 5 5 7 0 0 = 2 5 8 0 ( N ) YZF = 0 . 6 F = 0 . 6 5 7 0 0 = 3 4 2 0 ( N ) 2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纳为滚珠丝杠副型号的选择。 综合车床导轨丝杠的轴向力： ()ZFW1XP = K F + f （ 5-4） 式中，由于上选用的是矩形的导轨，根据机床设计手册查出： 1K=1.1,f =0.15 nts 19 则： 1 . 1 2 8 5 0 0 . 1 5 ( 5 7 0 0 1 1 7 6 ) 4 1 6 6 . 4 ( )pN （ 1） 强度计算： 寿命值：66010iii nTL （ 5-5） 所以： 1000OOnf vfL D L主in（ 5-6） 取工件直径： 80D mm 查表得： 15000iTh（自动控制机床及机床通常的取值） 所以： i 1 0 0 0 1 0 0 0 . 3n 2 0 ( / m i n )3 . 1 4 8 0 6 r6 1810 i 6 0 2 0 1 5 0 0L= 最大动载荷：i w HL pf f3Q=（ 5-7） 表 5-1 运转系数值表： 运转状态 运转系数 fw 无冲击圆滑运转 1.0 1.2 一般运转 1.2 1.5 有冲击运转 1.5 2.5 表 5-2 硬度系数表 硬度（ HRC） 60 7.5 55 52.5 50 47.5 45 42.5 40 30 25 硬度系数 fH 1.0 1.1 1.2 1.4 2.0 2.5 3.3 4.5 5.0 10 15 3 1 8 4 3 7 7 . 6 6 1 . 2 1 1 3 7 6 7 . 2 6 ( )QN wH查 表 取 ：运 转 系 数 ： f = 1 . 2硬 件 系 数 ： f = 1根据最大动载荷 Q 的值和原机床参数，选择滚珠丝杠的型号 FFZD4006-5-B，即内循环浮动返回器双螺母垫片预紧滚珠丝杠副，公称直径为 40mm，导程为6mm，滚珠列数为 5 列，精度等级为 B 级（一般数控机床精度等级为 B 级），额定动载荷为 26000N。 表 5-3 FFZD4006 型滚珠丝杠具体参数； nts 20 公称直径 基本导程 钢球直径 丝杠大径 轴端直径 额定载荷（ KN） 刚度 do ph DW d d 动载荷Ca 静载荷 Coa 4 38.9 35 26 84 2220 因为： 26000N 13767.26N，所以强度不成问题。 （ 1） 效率计算： 根据机械原理得公式，丝杠螺母副的传动效率 为： ()tgrtg r （ 5-8） 式中，摩擦角： =10 螺旋升角： =3 25 2 5 0 . 9 5 3( 3 2 5 1 0 )tg tg3= （ 3）刚度验算： 滚珠丝杠受工作负载 P 引起导程的变化量： OPLEF OL （ 5-9） 式中： 6 0 . 6OL m m c m62 0 . 6 1 0 /E N m 滚珠丝杠截面积： 22 224 3 . 1 4 1 2 . 5 6 1 0 ( )22dF c m 则： 8624 3 7 7 . 6 6 0 . 6 1 0 . 1 5 1 0 ( )2 0 . 6 1 0 1 2 . 5 6 1 0OL c m 滚珠丝杠收扭矩 引起的导程变化量2L很小，可以忽略，即：1LL 所以导程变形总误差 为： 100OLL= （ 5-10） 即 8100 1 0 . 1 5 1 0 1 6 . 9 2 / )0 . 6 mm （查表知 B 级精度丝杠允许的螺距误差（ 1m 长）为 25 m/m ，故刚度足够。 nts 21 （ 4）稳定性验算 根据公式： 2 2K m a xkF = f E I / K L F（ 5-11） 式中： 2 ( )kf 双 推 简 支； 2 0 .6 1 0E pa； 4 4 41 4 1 2 . 5 6 ( )6 4 6 4I d c m 4k ； 13 5 3 5 4 1 4 0 ( ) ( )SSL L d c m L 为 丝 杆 长 度2 7 22 3 . 1 4 2 . 0 6 1 0 1 2 . 5 6 / 4 1 4 0KF m a x8 8 5 7 7 6 2 8 6 . 5F 故稳定性也没有问题。 3.齿轮及转矩的有关计算 （ 1）有关齿轮计算： 0223600 . 7 5 61 . 2 53 6 0 0 . 0 12 2 0 2 02 3 2 6 4 ( )2 4 0 8 0 ( )6 4 8 07 2 1 ( )2( 2 )OPLiim m m b m m ammd m z m mmm 1211a 1 1 a 1a 2 2 a 212传 动 比 ：则 ：故 取 齿 轮 齿 数 ： Z = 3 2 Z = 4 0磨 数 ：d = m z分 度 圆 直 径 ：齿 顶 圆 ： d = d + 2 h = 6 8 ( m m )d = d + 2 h = 8 4 ( m m )d + da=2转 动 惯 量 计 算 ：工 作 台 折 算 到 电 机 轴 上 的 转180 PW1动 惯 量 ：J=nts 22 2 2 214414 4 2 2441 8 0 0 . 0 11 0 0 0 . 4 6 8 ( ) 4 . 6 8 ( )3 . 1 4 0 . 7 57 . 8 1 0 ( 5 1 4 )7 . 8 1 0 4 1 5 0 2 9 . 9 2 5 ( ) 2 9 9 . 5 2 ( )7 . 8 1 0 ( ) 2SSSJ k g c m N c mJ D LDJ k g c m N c mJ m z 11即丝 杠 的 转 动 惯 量 ：丝 杠 的 名 义 直 径 ， D=4.0cm式 中 ：L- 丝 杠 两 固 定 端 的 艰 巨 ， L = 1 5 0 c m所 以 ：齿 轮 的 转 动 惯 量 ：4 4 2 214 4 2 222 1 122227 . 8 1 0 6 . 4 2 . 6 1 7 ( ) 2 6 . 1 7 ( )7 . 8 1 0 8 2 6 . 3 9 ( ) 6 3 . 9 ( )1()1( 2 9 . 9 5 2 6 . 3 9 ) 2 . 6 1 7 0 . 4 6 8 ( 5 1 5 )1 . 2 52 6 . 3 4 3 ( ) 2 6 3 . 4 3 ( )( 3 )ZZS Z ZJ k g c m N c mJ k g c m N c mJ J J J Jik g c m N c m 电 机 转 动 惯 量 很 小 可 忽 略 ， 因 此 ， 总 的 转 动 惯 量 ：所 需m a x0( 5 1 6 )( 5 1 7 )( 5 1 8 ):tafattMMMMMMa m a x f oa t f ofo转 动 力 矩 计 算 ：快 速 空 载 启 动 时 所 需 力 矩 ： M = M + M + M最 大 切 削 负 载 时 所 需 力 矩 ： M = M + M + M快 速 进 给 时 所 需 力 矩 ： M = M + M式 中 空 载 启 动 时 折 算 刀 电 动 机 轴 上 的 加 速 力 矩 ；折 算 到 电 动 机 上 的 摩 擦 力 矩 ；由 于 丝 杆 预 紧 所 引 起 ， 折 算 到 电 动 机 轴 上 的 附 加 摩 擦 力 矩 ；切 削 时 折 算 到 电 动 机 轴 上 的 加 速 度 力 矩 ；折 算 到 电 机 上 的 切 削4m a x m a xm a xm a xm a x4m a x131 0 ( ) ( 5 1 9 )9 . 62 0 0 0 1 . 2 54 1 6 . 6 7 ( / m i n )62 6 . 3 4 3 4 1 6 . 6 7109 . 6 2 . 5 1 04 5 . 7 3 6 ( ) 4 5 7 . 3 6 ( )1000naaaOat a a titOJM N mTSn n MvinLnrMN m k g f c mn n M Mnf vnL -3主负 载 力 矩 ；式 中 ： T 为 时 间 常 数 ， T = 2 5 1 0当 时 ， M当 时 ，( 5 2 0 )( 5 2 1 )OfiDLnts 23 1 0 0 0 1 0 0 0 . 3 1 . 2 5 2 4 . 8 8 / m i n3 . 1 4 8 0 6inr （ ） 4102 6 . 3 4 3 2 4 . 8 8 0 . 2 7 3 2 . 7 339 . 6 2 5 1 0atM N m k g f c m （ ） （ ）122o O OfF L f W LMii （ 5-22） 当 =0.8， =0.16 时， 0 . 1 6 1 0 0 0 . 6 1 . 5 2 9 1 5 . 2 9 ( )2 3 . 1 4 0 . 8 1 . 2 5fM k g f c m N c m （ ） 20(1 )2 OOO PLM i （ 5-23） 当 0.9o 预加负荷： 13OxPF ， 2 20(1 ) 2 8 5 0 . 6 (1 0 . 9 ) 1 . 7 2 4 ( ) 1 7 . 2 4 ( )6 6 3 . 1 4 0 . 8 1 . 2 5oF x L oM k g f c m N c mi 2 xot FLM i（ 5-24） 即 2 8 5 0 . 6 2 7 . 2 5 ( ) 2 7 2 . 5 ( )2 3 . 1 4 0 . 8 1 . 2 5tM k g f c m N c m 所以，快速空载启动所需力矩 m a xa f OM M M M 4 5 . 7 3 6 1 . 5 2 9 1 . 7 2 4 4 8 . 8 9 8 ( ) 4 8 8 . 9 8 ( )k g f c m N c m 切削时所需的力矩： a t f O tM M M M M 4 5 . 7 3 6 1 . 5 2 9 1 . 7 2 4 2 7 . 2 5 7 6 . 2 3 9 ( ) 7 2 6 . 3 9 ( )k g f c m N c m 快速进给时所需的力矩： foM M mnts 24 1 . 5 2 9 1 . 7 2 4 3 . 2 5 3 ( ) 3 2 . 5 3 ( )k g f c m N c m 由以上分析计算可知，所需最大力矩 Mmax 发生在快速启动： m a x 4 5 7 . 3 6 ( ) 4 5 . 7 3 6 ( )M k g f c m N c m 二、横向进给系统的设计计算 普通车床经济型数控改造的横向进给系统的设计相对比较简单，一般是不仅电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动，步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机车大拖板连接起来，以保证其同轴度提高传动精度。 由于横向进给系统的设计计算与纵向进给系统类似，所用到的公式不详细 说明，只计算结果。 已知条件： 工作台重（根据图纸粗略计算）： W=40kgf=400N 时间常数： T=25ms 滚珠丝杠基本导程： LO=4mm 行程： S=190mm 脉冲当量： p=0.05mm/step 步矩角： =0.75 /step 快速进给速度： vmax=1m/min 1、 切削力计算 横向进给量为纵向的 1/21/3，取 1/2，则切削力约为纵向的 1/2； Z 1F = 5 7 0 0 2 8 52 （ k g f c m） =2850 （ N ） 在切断工件时： 11 2 8 5 1 4 2 . 522yzFF （ k g f c m ） =1425 （ N ） 2、 滚珠丝杠设计计算 （ 2） 强度计算： 对于轴型导轨： P=KFy+f1(Fz+W) 取 K=1.1， f1=0.15 则： P=1.1 142.5+0.15（ 285+30） =240（ kgf cm） =2040(N) 取工件直径 D=80mm nts 25 走刀量： f=0.15mm 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 . 1 5 153 . 1 4 8 0 4Ovfi DLn （ r/min ） 寿命值： i 666 0 6 0 1 5 1 5 0 0 0L = 1 3 . 51 0 1 0iint 最大动负合： 33 1 3 . 5 1 . 2 1 2 0 4 5 8 2 . 8 9iHQ L f w f P （ k g f c m ） =5829.9 （ N ） 根据最大动负荷 Q 值，选择滚珠丝杠的型号为 FFZD3204-5-B 左，其直径为 32mm，导程为 4mm，滚珠列数为 5 列，精度为 B 级，额定动载荷是 13000N，所以其强度符合要求。 FFZD3204 型滚珠丝杠具体参数如下： 公称直径 基本导程 钢球直径 丝杠大径 轴端直径 额定载荷（ KN） 刚度 do ph DW d d 动载荷Ca 静载荷 Coa 32 4 3 31.2 28 13 43 1780 （效率计算）： 摩擦角： =10 扭转升角： r=3 38 3 3 8 0 . 9 5 6( ) 3 ( 3 8 1 0 )t g r t gt g r t g （ 3） 刚度计算： 滚珠丝杠载面积： 2223 . 2 3 . 1 4 7 . 0 6 5 1 0 ( )22dF c m 滚珠丝杠受工作负载 P 引起导程的变化量： 81 622 0 4 0 . 4 5 . 6 1 1 0 ( )2 0 . 6 1 0 7 . 0 6 5 1 0OPLL c mEF 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 L2 很小，可忽略，即 L= L1，所以，导nts 26 程变形总误差为： 81 0 0 1 0 07 . 2 7 1 0 1 8 . 1 8 ( / )0 . 4OL m mL 查表知 B 级精度丝杠允许的螺矩误