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含CAD图纸、说明书全稿 C6132 机床 数控 进给 系统 改造 设计 CAD 图纸 说明书

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I毕业设计说明书毕业设计说明书C6132C6132 旧机床数控化进给系统的改造旧机床数控化进给系统的改造学学 生生 班班 级级 学学 号号 指导教师指导教师 II摘 要本次设计是对 C6132 旧机床数控化进给系统的改造的设计。在这里主要包括:主传动系统的设计、纵向进给系统的设计、横向进给系统的设计。而我主要是针对横向进给系统的设计纵向进给系统进行机械设计。这次毕业设计对设计工作的基本技能的训练，提高了分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造了一定条件。数控设计主要传动系统的机械设计。由于对经济型机床数控化改造的加工精度要求不高，为简化结构、降低成本。通过控制横进给系统，保证设计后的车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停等功能。为实现机床所要求的传动效率，采用步进电机经联轴器再传动丝杠；为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。关键词：车床，数控设计，车床，数控设计， 联轴器联轴器，滚珠丝杠滚珠丝杠 IIIAbstractThis design is about the common Lathe C6132 transformation of NC. Main tasks are: the transformation of the main transmission system, the transformation of the vertical feeding system, horizontal feed system reform. While I was mainly aim at the lateral feeding system mechanical transformation. The graduation project on the design of the basic skills training has improved the analysis and the ability to solve engineering problems, and create a certain condition for general mechanical design. NC transformation is mainly a transformation of mechanical drive system. Because of the economy less precision CNC machining, it is order to simplify the structure and reduce costs. By controlling the cross-feed system, it ensures the modified lathe with positioning, linear interpolation, circular interpolation, and pause. Required for the realization of the transmission efficiency of machine tool, we should us a stepping motor drive and then screw through the coupling. To ensure a certain degree of driving accuracy and stability and minimize friction, a ball screw pair is needed. Keywords: lathe, NC Transformation , Coupling ,Ball Screw IV目 录摘 要.IIAbstract.III目 录.IV第 1 章 概述.11.1 机床数控化改造及其特点 .11.2 机床数控化改造的经济分析 .21.2 机床数控化改造的工艺范围及加工精度 .21.4 机床数控化改造的发展趋势 .3第 2 章 机床数控化改造总体方案的制订及比较.52.1 总体方案比较与确定 .52.1 主轴系统的方案确定 .52.2 安装电动卡盘 .52.3 换装自动回转刀架 .62.4 螺纹编码器的安装方案 .62.5 进给系统的与设计方案 .62.6 尾座与设计方案 .7第 3 章 纵向进给伺服进给结构设计.83.1 确定脉冲当量 .83.2 切削力的计算 .83.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 .93.3.1 精度的选择 .103.3.2 丝杠导程的确定 .103.3.3 最大工作载荷的计算 .103.3.4 最大动载荷的计算 .11V3.3.5 滚珠丝杠螺母副的选型 .113.3.6 滚珠丝杠副的支承方式 .123.4.3 传动效率的计算 .123.3.8 刚度的验算 .123.3.9 稳定性校核 .133.3.10 临界转速的验证 .143.4 齿轮传动的计算 .153.5 步进电动机的选择 .153.6 导轨的特点 .174.3 导轨的设计 .19第 4 章 横向进给伺服进给结构设计.224.1 切削力的计算 .224.2 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 .224.2.1 最大工作载荷的计算 .224.2.2 最大动载荷的计算 .224.2.3 滚珠丝杠螺母副的选型 .234.2.4 滚珠丝杠副的支承方式 .234.2.5 传动效率的计算 .234.2.6 刚度的验算 .244.2.7 稳定性校核 .244.2.8 临界转速的验证 .254.3 进给伺服系统传动计算 .254.3.1 确定传动比 .254.3.2 齿轮参数的计算 .254.4.步进电机的计算和选用 .264.4.1 转动惯量的计算 .264.4.2 电机力矩的计算 .274.5 步进电机的选择 .29结论.31VI参考文献.32致谢.341第 1 章 概述1.1 机床数控化改造及其特点数字控制机床（Numerical Control Machine Tools）简称机床数控化改造，这是一种将数字计算机技术应用于机床的控制技术。它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置，经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。机床数控化改造较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性、高效能的自动化机床，是典型的机电一体化产品。机床数控化改造一般由下列几个部分组成： 1）主机，它是机床数控化改造的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件，是用于完成各种切削加工的机械部件。 2）数控装置，是机床数控化改造的核心，相当于人的大脑，它包括硬件（印刷电路板、CRT 显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。 3）驱动装置，它是机床数控化改造执行机构的驱动部件，包括主轴驱动系统、伺服驱动系统、主轴电机及伺服电机等。它在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线以及曲面的加工。 4）辅助装置，指机床数控化改造的一些必要的配套部件，用以保证机床数控化改造的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。 5）编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。与机床数控化改造相比，机床数控化改造有如下特点： 1）加工精度高，具有稳定的加工质量； 2）可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件； 3）加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间； 4）机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，生产率高（一般为机床数控化改造的 3-5 倍） ； 25）机床自动化程度高，可以减轻劳动强度； 6）对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。 1.2 机床数控化改造的经济分析机床数控化改造能缩短生产准备时间，增加切屑加工时间的比率；使用机床数控化改造进行生产，加工的零件精度高，产品质量稳定,从而有效的提高了产品在市场上的竞争力；机床数控化改造具有广泛的适应性和较大的灵活性，因此能够完成很多机床数控化改造很难完成或者根本不能加工的、具有复杂型面、要求高精度的零件的加工；许多机床数控化改造如加工中心具有自动换刀功能，使零件一次装夹之后就能够完成多个加工部位的加工，实现了一机多用，大大节省了设备和厂房面积；生产者可以对生产成本进行预算，并对生产进度进行合理的安排，以达到提高经济效益的目的；应用机床数控化改造进行生产，减轻了工人的劳动强度，提高了工人工作的环境质量，增加了工人的生产积极性，促进了生产，提高了生产效率。随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型，机床数控化改造已不能适应这些要求，机床数控化改造应运而生。这种新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后机床控制的发展方向。1.2 机床数控化改造的工艺范围及加工精度数控改造化车床是一种高精度、高效率的自动化机床，也是使用数量最多的机床数控化改造，约占机床数控化改造总数的 25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、轮廓形状复杂的轴类、盘类等回转体零件的加工，能够通过程序控制自动完成园柱面、圆锥面、圆弧面和各种螺纹的切削加工，并能进行切槽、钻孔、扩孔、铰孔等加工。由于数控改造化车床具有加工精度高、能作直线和圆弧插补功能，有些数控改造化车床还具有非圆曲线插补功能以及加工过程中具有自动变速功能等特点，所以它的工艺范围要比普通车床要宽得多。1.精度要求高的回转体零件3由于数控改造化车床刚性好，制造和对刀精度高，以及能方便和精确地进行人工补偿和自动补偿，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以铣代磨。2.表面粗糙度要求高的回转体零件数控改造化车床具有恒线速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均匀的零件。使用恒线速切削功能，就可选用最佳速度来切削锥面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。数控改造化车床还适合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位选用较大的进给量，要求小的部位选用小的进给量。3.轮廓形状特别复杂和难于控制尺寸的回转体零件由于数控改造化车床具有直线和圆弧插补功能，部分车床数控装置还有某些非圆曲线和平面曲线插补功能，所以可以加工形状特别复杂或难于控制尺寸的的回转体零件。1.4 机床数控化改造的发展趋势机床数控化改造最早是从美国开始研制的。1948 年，美国帕森斯公司在研制加工直升机桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制机床数控化改造的初始设想。1949 年，帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始从事机床数控化改造的研制工作。并于 1952 年试制成功世界上第一台机床数控化改造实验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。经过三年改进和自动编程研究，于 1955 年进入实用阶段。一直到 20 世纪 50 年代末，由于价格和技术原因，品种多为连续控制系统。到了 60 年代，由于晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工业开始发展机床数控化改造，其中多数是钻床、冲床等点位控制的机床。数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到焊接机、火焰切割机等，使数控技术不断的扩展应用范围。自 1952 年，美国研制成功第一台机床数控化改造以来，随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量等相关技术的发展，机床数控化改造也在迅速地发展和不断地更新换代，先后经历了五个发展阶段。第一代数控：1952-1959 年采用电子管元件构成的专用数控装置。第二代数控：从 1959 年开始采用晶体管电路的 NC 系统。第三代数控：从 1965 年开始采用小、中规模集成电路的 NC 系统。第四代数控：从 1970 年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统。4第五代数控：从 1974 年开始采用微型电子计算机控制的系统。目前，第五代微机数控系统基本上取代了以往的数控数控系统，形成了现代数控系统。它采用微型处理器及大规模或超大规模集成电路，具有很强的程序存储能力和控制功能。这些控制功能是由一系列控制程序来实现的。这些数控系统的通用性很强，几乎只需改变软件，就可以适应不同类型机床的控制要求，具有很大的柔性。随着集成电路规模的日益扩大，光缆通信技术应用于数控装置中，使其体积日益缩小，价格逐年下降，可靠性显著提高，功能也更加完善。近年来，微电子和计算机技术的日益成熟，它的成果正在不断渗透到机械制造的各个领域中，先后出现了计算机直接数控系统，柔性制造系统和计算机集成制造系统。所有这些高级的自动化生产系统均是以机床数控化改造为基础，它们代表着机床数控化改造今后的发展趋势。5 第 2 章 机床数控化改造总体方案的制订及比较2.1 总体方案比较与确定总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统 CPU 的选择，以及进给传动方式和执行机构的选择等。数控改造化车床后应具有单坐标定位，两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设计成连续控制型。属于经济型机床数控化改造，在保证一定加工精度的前提下，应结构简化，降低成本。因此，进给伺服系统采用步进电动机的开环控制系统。比较项目比较项目方案一方案一方案二方案二确定后的方案确定后的方案具体原因具体原因主轴箱分级变速采用调速电机+齿轮传动采用三相异步电机+减速器方案一变速级数比较多满足多种加工需要，也符合任务书要求进给机构滚珠丝杠+步进电机滚珠丝杠+伺服电机方案一脉冲当量步进电机控制的准确刀架四工位回转刀架六工位回转刀架都可以各有各的好处尾座液压尾座手动普通尾座 液压尾座可通过数控系统调整方便数控系统8 位单片机16 位单片机方案一基本需求可以满足2.1 主轴系统的方案确定若要提高车床的自动化程度，需要在加工中自动变换转速，可用 24 速的多速电动机代替原有的单速主电动机；当多速电动机仍不能满足要求时，可用交流变频器来控制主轴电动机，以实现无级变速（工厂使用情况表明，使用变频器时，若工作频率低于，原来的电动机可以不更换，但所选变频器的功率应比电动机大） 。Hz702.2 安装电动卡盘为了提高加工效率，工件的夹紧与松开采用电动卡盘，选用呼和浩特附件总厂生6产的 KD11250 型电动三爪自定心卡盘。卡盘的夹紧与松开由数控系。2.3 换装自动回转刀架为了提高加工精度，实现一次装夹完成多道工序，将车床原有的手动刀架换成自动回转刀架，选用常州市宏达机床数控设备有限公司生产的 LD4B-CK6140 型四工位立式电动刀架。实现自动换刀需要配置相应的电路，由数控系统完成。2.4 螺纹编码器的安装方案螺纹编码器又称主轴脉冲发生器或圆光栅。数控改造化车床加工螺纹时，需要配置主轴脉冲发生器，作为车床主轴信号的反馈元件，它与车床主轴同步。后的车床能够加工的最大螺纹导程是，Z 向的进给脉冲当量是，mm24脉冲/01. 0mm所以螺纹编码器每转一转输出的脉冲数应不少于。考脉冲脉冲） 2400/01. 0/(24mmmm虑到编码器的输出有相位差的 A、B 相信号，可用 A、B 异或后获得个脉冲902400（一转内） ，这样编码器的线数可降到线（A、B 信号） 。另外，为了重复车削同一1200螺旋槽时不乱扣，编码器还需要输出每转一个的零位脉冲 Z。基于上述要求，选择螺纹编码器的型号为：ZLF-1200Z-05VO-15-CT。电源电压+5V，每转输出个 A/B 脉冲与 1 个 Z 脉冲，信号为电压输出，轴头直径，1200mm15生产厂家为长春光机数显技术有限公司。螺纹编码器通常有两种安装形式：同轴安装和异轴安装。同轴安装是指将编码器直接安装在主轴后端，与主轴同轴，这种方式结构简单，但它堵住了主轴的通孔。异轴安装是指将编码器安装在床头箱的的后端，一般尽量装在与主轴同步旋转的输出轴，如果找不到同步轴，可将编码器通过一对传动比为的同步齿形带与主轴连接起来。1:1需要注意的是，编码器的轴头与安装轴之间必须采用无间隙柔性连接，且车床组、主轴的最高转速不允许超过编码器的最高许用转速。2.5 进给系统的与设计方案在此主轴的同步轴，安装螺纹编码器。在此位置安装纵向进给步进电动机与同步带减速箱总成。在纵溜板的下面安装纵向滚珠丝杠的的螺母座与螺母座托架。在横溜板上方安装四工位立式刀架。7将滑动丝杆靠刻度盘一段（长，见图一）锯断保留，拆掉刻度盘上的手柄，mm216保留刻度盘附近的两个推力轴承，换上滚珠丝杠副。将横向进给步进电动机通过法兰安装到横溜板后部的纵溜板上，并与滚珠丝杠的轴头相联。更换丝杆的右支承。2.6 尾座与设计方案 设计成液压尾座。8第 3 章 纵向进给伺服进给结构设计2.12.1、C6132C6132普通车床参数普通车床参数3.1 确定脉冲当量一个进给脉冲，使机床运动部件产生位移量，也称为机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床铣床常采用的脉冲当量是 0.010.005mm/脉冲。根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向：0.01mm/脉冲，横向：0.01mm/脉冲。3.2 切削力的计算切削力是指在切屑过程中产生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力，或通俗的讲是在切削加工时，工件材料抵抗刀具切削时产生的阻力。车削外圆时的切削力如图 3-1 所示。主切削力与切削速度的方向一致，垂直向下，是计算车zF床主轴电动机切削功率的依据；进给力与进给方向平行且方向相反；背向力与进xFyF给方向相垂直，对加工精度的影响较大。9FzFxFy 图 3-1 车削力分析选工件材料碳素结构钢，=650 MP ；选用刀具材料为高速钢；ba刀具几何参数：主偏角=，前角=，刃倾角=；rk。750。10s。5切削用量为：背吃刀量=2mm，进给量=0.8mm/r，切削速度=1 m /min.。pafcv由表（2.1）查得：=1770; =1.0 =0.75 =0;CFCCFxCFyCFn由表（2.2）查得：主偏角修正系数=0.92 ,前角，刃倾角修正系数都为CrFkK1.0； 代入公式： cCFCFCFCFncyxpFcKvfaCF =92. 018 . 021770075. 01 =2754.92 ( N ).2、进给力与背吃刀力、进给力与背吃刀力 由经验公式： ：=1:0.35:0.4cFfFpF 知：=2754.92N zFcF =0.35x2754.92=964.22NxFfF =0.4x2754.92=1101.97NyFpF103.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 滚珠丝杠副的作用是将旋转运动转变为直线运动，其螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放人适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动。螺母上设有返向器，与螺纹滚道构成滚珠的循环通道。为了在滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。为延长工作寿命，可设置润滑件和密封件。.1 精度的选择精度的选择滚珠丝杠副的精度直接影响数控机床的定位精度，在滚珠丝杠精度参数中，其导程误差对机床定位精度最明显。一般在初步设计时设定丝杠的任意 300行程变动量mm应小于目标设定定位精度值的 1/31/2,在最后精度验算中确定。对于车床，选用300V滚珠丝杠的精度等级 X 轴为 13 级（1 级精度最高） ，Z 轴为 25 级，考虑到本设计的定位精度要求和改造的经济性，选择 X 轴精度等级为 3 级，Z 轴为 4 级。.2 丝杠导程的确定丝杠导程的确定 选择导程跟所需要的运动速度、系统等有关，通常在：4、5、6、8、10、12、20中选择，规格较大，导程一般也可选择较大（主要考虑承载牙厚） 。在速度满足的情况下，一般选择较小导程（利于提高控制精度） ，本设计中初选纵向丝杠导程为 8，mm横向丝杠导程为 5。mm.3 最大工作载荷的计算最大工作载荷的计算最大工作载荷是指滚珠丝杠螺母副在驱动工作台时所承受的最大轴向力，也叫mF进给牵引力,其实验计算公式如表 3-1 所示。表 3-1 实验计算公式及参考系数mF导轨类型实验公式K矩形导轨)(GFFKFFyzxm1.10.15燕尾导轨)2(GFFKFFyzxm1.40.2综合或三角导轨)(GFKFFzxm1.150.15-0.18表中为考虑颠覆力矩影响时的实验系数；为滑动导轨摩擦系数；为移动KG11部件总重量。G=1000 N查表 3-1 选择综合导轨，取 1.15,取 0.18,为 1000；KGN算得=1.151197+0.18（3420+1000）)(GFKFFzxm =2171.55)(N.4 最大动载荷的计算最大动载荷的计算载荷随时间急剧变化且使构件的速度有显著变化（系统产生惯性力） ，此类载荷为动载荷。比如起重机以等速度吊起重物，重物对吊索的作用为静载，起重机以加速度吊起重物，重物对吊索的作用为动载。对于滚珠丝杠螺母副的最大动载荷计算公式如下：QF mhwQFffLF3式中：滚珠丝杠副的寿命系数，单位为r，（T 为使用寿命，普通L610610/60nTL 机床 T 取 5000-10000h，数控机床 T 取 15000h；n 为丝杠每分钟转速） ； 载荷系数，一般取 1.21.5，本设计取 1.2；wf 硬度系数（HRC58 时取 1.0 ；等于 55 时取 1.11；等于 52.5 时取 1.35；hf等于 50 时取 1.56；等于 45 时取 2.40） ； 滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为 N。mF本设计中车床纵向承受最大切削力条件下最快的进给速度,初选丝杠min/6 . 0maxmVj基本导程，则丝杠转速。取滚珠丝杠mmPh8min/75/1000maxrPVnhj使用寿命，带入得=90；取，代入hT15000610/60nTL L2 . 1wf1hf，求得 ：=17390N。mhwQFffLF3QF.5 滚珠丝杠螺母副的选型滚珠丝杠螺母副的选型初选滚珠丝杆副时应使其额定动载荷, 当滚珠丝杠副在静态或低速状态下QaFC 长时间承受工作载荷时，还应使额定静载荷。min)/10(rn moaFC)32( 根据计算出的最大动载荷,选择江苏启东润泽机床附件有限公司生产的 FL4008-3 型QF内循环式滚珠丝杠副，采用双螺母螺纹式预紧，精度等级为 4 级，其参数如表 3-2 所12示。表 3-2 FL4008-3 型滚珠丝杠相关参数公称直径/mm导程/mm钢球直径/mm丝杠外径/mm丝杠底径/mm额定载荷/KN接触刚度/1 mN0dhPwD1d2doaCaC4084.76338.635.246631 189.6 滚珠丝杠副的支承方式滚珠丝杠副的支承方式 滚珠丝杠副的支承主要用来约束丝杠的轴向窜动，为了提高轴向刚度，丝杠支承常用推力轴承为主的轴承组合。考虑到纵向丝杠长度较大，本设计纵向丝杠采用双推简支支承方式，该方式临界转速、压杆稳定性高，有热膨胀的余地。.3 传动效率的计算传动效率的计算滚珠丝杠的传动效率一般在 0.80.9 之间，其计算公式如下： =)tan(tan式中：螺距升角，根据,可得=291；0h14. 3Ptand 摩擦角，一般取=10。算得： =96.67%)01192tan(192tan.8 刚度的验算刚度的验算滚珠丝杠副工作时受轴向力和转矩的作用，引起导程的变化，从而影响定位精度和运动的平稳性。轴向变形主要包括丝杠的拉伸或压缩变形、丝杠与螺母间滚道的113接触变形、支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形。23因转矩和丝杠-螺母滚道接触对丝杠产生的导程变化很小，所以、可以忽略23不计，所以丝杠的拉伸或压缩变形量为：=（“+”号代表拉伸， “-”代表压缩）1ESlFum式中：丝杠的最大工作载荷，单位为；mFN 丝杠纵向最大有效行程，单位为；ulmm 丝杠材料的弹性模量，钢；EMPaE5101 . 2 丝杠的横截面面积，单位按丝杠螺纹的底径确定。S2mm2d根据前面的设计，为 3234.36，取 1665，为 45.24，算得：mFNulmm2dmm =0.01597=15.97125)24.45(14. 325. 0101 . 2166576.3233)(mmm查表 3-3 可知，,所以刚度足够。m361表 3-3 有效行程内的目标行程公差和行程变动量ulpeupV精度等级有效行程mmlu/12345大于至peupVpeupVpeupVpeupVpeupV315668812121616232340050087109151320192726160020001813251835254836655.9 稳定性校核稳定性校核由于滚珠丝杠本身比较细长又受轴向力的作用，若轴向负载过大，则会产生失稳现象，不失稳时的临界载荷 Fk 应该满足： =KF22KaEIfkmF14式中：丝杠支承系数，双推-简支方式时，取 2，其他方式如表 3-4 所示；kf 滚珠丝杠稳定安全系数，一般取 2.54，垂直安装时取最小值，本设计取K4； 滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为，本设计中该值为 2000；ammmm（其中工件加工长度为 1400，取 2000，留 600 的两端余量） 按丝杠底径确定的截面惯性矩（，单位为）,本设I2d6442dI4mm中将代入算出=205513.36。mmd24.452I4mm 由以上数据可以算出：=KF200020004205513101 . 214. 314. 325)(1041. 44N 临界载荷远大于工作载荷（3234.36N） ，故丝杠不会失稳。KFmF表 3-4 丝杠支承系数kf支承方式双推-双推双推-简支单推-单推双推-自由取值kf403.3.10 临界转速的验证临界转速的验证滚珠丝杠副高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杠的最crn高转速： 722max10cnkccradfKnn式中：丝杠支承系数，双推-简支方式时，取值如表 3-5 所示；nkf临界转速计算长度，单位为，本设计中该值为 2300；cammmm丝杠内径，单位；2dmm安全系数，可取=0.8cKcK表 3-5 丝杠支承系数nkf支承方式双推-双推双推-简支单推-单推双推-自由取值nkf27.418.912.14.3 经过计算，得出= 1293，由已知，可以crnmin/rmin/6maxmVmmPh815算出，该值小于丝杠临界转速，所以满足要求。min/750maxrn3.4 齿轮传动的计算有关齿轮计算传动比i00.75 61.25360360 0.01pLi故取； ； ； ； ；132z 240z 2m 20mmb 200.98i112 3264mmdmZ 222 4080mmdmZ11268mmaaddh22284mmaaddh12648072mm22dda3.5 步进电动机的选择（1）工作台质量折算到电机轴上的转动惯量丝杠的转动惯量 4417.8 10sJD L式中 滚珠丝杠的公称直径； D 丝杠长度。1L则齿轮的转动惯量 44217.8 106.4226.17N gcmzJ44227.8 108263.9N gmzJ电机的转动惯量很小可忽略。因此，总转动惯量16 21122211(299.5263.9)26.175.55264.3N gcm1.25sZZJJJJJi（2）所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩max0fMMMM最大切削负载时所需力矩0atftMMMMM快速进给时所需力矩0fMMM式中 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩；maxM折算到电机轴上的摩擦力矩；fM由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩；0M切削时折算到电机轴上的加速度力矩；atM折算到电机轴上的切削负载力矩。tM 410 N gm9.6aJnMT当时maxnn maxaaMM maxmax4000 1.25833.33r/min6hVinP4max26.43 833.33109.177N gm91.77kg fgcm9.6 0.025aM当时tnn aatMM0010001000 150 0.3 1.25142.17r/min3.14 21 6itVfin fiDnLL426.43 142.17101.5715.7kg fgcm9.6 0.025atMNgm17 00022fFLfW LMih i 当时， 时0.8h 0.16f 0.16 95 0.61.4522kgfgcm14.522N gcm2 3.14 0.8 1.25fM0020012P LMi 当时预加载荷，则00.913bXPF22000195.472 0.61 0.90.5776kg fgcm5.776N gcm66 3.14 0.8 1.25xFLMi 095.472 0.69.12kg fgcm91.2N gcm22 3.14 0.8 1.25xtFLMi 所以，快速空载启动所需力矩 max0917.7 14.5225.776738.000N gcmfMMMM切削时所需力矩 015.7 1.45220.57769.1226.85kg fgcm268.5N gcmatfMMMM快速进给时所需力矩01.45220.57762.0298kg fgcm20.298N gcmfMMM由上分析计算可知，所需最大力矩发生在快速启动时：maxMmax738.000N gcmM（3）纵向进给系统步进电机的确定0938.0781876.16N cm0.50.5lqMM 为了满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知/0.866qjmMM所以，步进电机最大静转距为jmM1876.162166.46N cm0.8660.866qjmMM步进电机最高工作频率maxmaxZ40006666.6H6060 0.01pVf综合考虑，查表选用 110BF003 型直流步进电动机，能满足要求7-12。3.6 导轨的特点滑动导轨的优点是结构简单、制造方便和抗振性良好；缺点是磨损快。为了提高耐磨性，国内外主要采用镶钢滑动导轨和塑料滑动导轨。 滑动导轨常用材料有铸铁、钢、有色金属和塑料等。1铸铁 铸铁有良好的耐磨性、抗振性和工艺性。常用铸铁的种类有：18（1）灰铸铁 一般选择 HT200，用于手工刮研、中等精度和运动速度较低的导轨，硬度在 HB180 以上； （2）孕育铸铁 把硅铝孕育剂加入铁水而得，耐磨性高于灰铸铁； （3）合金铸铁 包括：含磷量高于 0.3的高磷铸铁，耐磨性高于孕育铸铁一倍以上；磷铜钛铸铁和钒钛铸铁，耐磨性高于孕育铸铁二倍以上；各种稀土合金铸铁，有很高的耐磨性和机械性能；铸铁导轨的热处理方法，通常有接触电阻淬火和中高频感应淬火。接触电阻淬火，淬硬层为 0.150.2mm。硬度可达 HRC55。中高频感应淬火， 淬硬层为 23mm，硬度可达 HRC4855，耐磨性可提高二倍，但在导轨全长上依次淬火易产生变形，全长上同时淬火需要相应的设备。2钢 镶钢导轨的耐磨性较铸铁可提高五倍以上。常用的钢有：9Mn2V、CrWMn、GCr15、T8A、45、40Cr 等采用表面淬火或整体淬硬处理，硬度为5258HRC；20Cr、20CrMnTi、15 等渗碳淬火，渗碳淬硬至 5662HRC；38C rMoAlA 等采用氮化处理。3有色金属 常用的有色金属有黄铜 HPb59-l，锡青铜 ZCuSn6Pb3Zn6，铝青铜ZQAl9-2 和锌合金 ZZn-Al10-5，超硬铝 LC4、铸铝 ZL106 等，其中以铝青铜较好。4塑料 镶装塑料导轨具有耐磨性好(但略低于铝青铜)，抗振性能好，工作温度适应范围广(-200+260)，抗撕伤能力强，动、静摩擦系数低、差别小，可降低低速运动的临界速度，加工性和化学稳定件好，工艺简单，成本低等优点。目前在各类机床的动导轨及图形发生器工作台的导轨上都有应用。塑料导轨多与不淬火的铸铁导轨搭配。导轨的使用寿命取决于导轨的结构、材料、制造质量、热处理方法、以及使用与维护。提高导轨的耐磨性，使其在较长时期内保持一定的导向精度，就能延长设备的使用寿命。常用的提高导轨耐磨性的方法有：采用镶装导轨、提高导轨的精度与改善表面粗糙度、采用卸荷装置减小导轨单位面积上的压力(即比压)等。194.3 导轨的设计一作用力合作用点位置，作用力方向和作用点的位置唏嘘合理安置。一边导轨倾斜的力矩尽量小。否则会使导轨中的摩擦力增大，磨加剧，从而降低导轨的灵活性和导向精度。严重时甚至还可能卡死，不能正常工作。作用在运动件上的推力有三种情况： 1.推力通过运动件在轴线2.推力作用点在运动件的轴线上。但推力的方向与轴线成一夹角3.推力平行于运动件的轴线上对于第一种情况，导轨镇南关的摩擦力只受到载荷及运动件本身重量的影响，推力不会产生附加摩擦力。犹豫结构上的限制，实际的结构中往往出项第二第三中情况。为了保证导轨的灵活性，要对导轨进行验算，在已知的条件先，确定各部分的集合尺寸。推力 F 与运动件轴线组成夹角 a,如图所示推力 F 的作用将使运动件产生倾斜，从而使运动件与承导体的俩点处压紧，20 设正压力分别为 .，相应摩擦力，作用间的距离为 L，轴向阻1N2N1N,f2N,f力为oF 000AXYM,1221,121cos0sin0sin022oNNfFFNNfbdLh FLNN fN f根据静力平衡条件,运动件的直径较小时，上式中含有 d 的各项可以略去。可解得：,cossin12 /oFFfh L欲推动运动件，则必须使,cossin12 /oFFfh L若要保证不卡死的条件是： ,cossin12 /0fh L由此，可得到当推力 F 与运动件有一夹角 a 时，运动件正常工作的条件是,2tan1tanLfhf 为当量摩擦系数,f在燕尾形和三角形导轨中:,/cosff-滑动摩擦系数f-眼尾轮廓角与三角底角二选与运动件轴线与轴线相距 h，图中为轴向阻力和为反作用力，为当量摩oF1N2N擦系数，根据静力平衡条件000AXYM,1221,1211002022oFFNNfNNddFhLNNLLN fNf解得：21,1 2/OFFf h L推动运动件则必须：,1 2/OFFf h L保证运动件不卡死条件,1 2/0f h L即：,2/1f h L 为了保证运动灵活，可取值,20.5hfL当取 f=0.25 时，则有：对圆柱形导轨：1.5hL对矩形导轨：2hL对燕尾形或三角形导轨：1hL在本设计的导轨中：h=200mm L=360 因此：2000.561360hL符合相关要求.22第 4 章 横向进给伺服进给结构设计4.1 切削力的计算因为横向切削力大小一般等于纵向切削力的一半，所以： )(171023420NFz=13682=684yF)(N =11972=598.5xF)(N式中：横向主切削力；zF 走刀方向切削力；yF 吃刀方向切削力。xF4.2 滚珠丝杠螺母副的计算和选型.1 最大工作载荷的计算最大工作载荷的计算已知溜板及刀架重力（N），横向为燕尾导轨，查表 3-1，最大工作载荷NG500的计算如下： mF=)2(GFFFKFxzym)(6 .2459N式中： 为考虑颠覆力矩影响时的实验系数，取 1.4；K 为滑动导轨摩擦系数，取 0.2。.2 最大动载荷的计算最大动载荷的计算 mhwQFffLF3 610/60 TnL min/80/1000maxrPVnhj式中：滚珠丝杠副的寿命系数，单位为r；L610 丝杠寿命，取 15000；T23 载荷系数，一般取 1.2；wf 硬度系数取 1；hf 横向丝杠副最大工作载荷，其值为 2459.6；mFN 横向滚珠丝杠导程，初选为。hPmm5 横向最大工进速度，该设计值为；maxjVmin/3 . 0 m 横向最大工进速度对应丝杠的转度，单位。nmin/r计算得出得 ：=12278.8。QFN.3 滚珠丝杠螺母副的选型滚珠丝杠螺母副的选型根据计算出的最大动载荷,选择江苏启东润泽机床附件有限公司生产的QFFL4005-3 型内循环式滚珠丝杠副，采用双螺母方式预紧，精度等级为 3 级，其参数如表 4-1 所示。表 4-1 FL2005-3 型滚珠丝杠相关参数公称直径/mm导程/mm钢球直径/mm丝杠外径/mm丝杠底径/mm额定载荷/KN接触刚度/1 mN0dhPwD1d2doaCaC2053.51916.532.814145.4 滚珠丝杠副的支承方式滚珠丝杠副的支承方式 考虑到横向滚珠丝杠副的长度、精度与负载的大小以及改造成本，采用双推-单推支承方式，该方式轴向刚度高，位移精度好，可以进行预拉伸。.5 传动效率的计算传动效率的计算 =)tan(tan式中：螺距升角，根据,可得=228；0h14. 3Ptand 摩擦角，一般取=10。24算得： =95.67%)01822tan(822tan.6 刚度的验算刚度的验算=（“+”号代表拉伸， “-”代表压缩）1SElFum式中：丝杠的最大工作载荷，单位为；mFN 丝杠纵向最大有效行程，单位为；ulmm 丝杠材料的弹性模量，钢；EMPaE5101 . 2 丝杠的横截面面积，单位按丝杠螺纹的底径确定。S2mm2d根据设计，为 2459.6N，为 420，为 36.5，算得：mFulmm2dmm =0.0047125)5 .36(14. 325. 0101 . 24206 .2459)(mm =4.7m查表 3-3 可知，,所以刚度足够。m13.7 稳定性校核稳定性校核 =KF22aKEIfkmF式中：丝杠支承系数，由表 3-4 得出单推-单推时，取 1；kfkf 滚珠丝杠稳定安全系数，一般取 2.54，本设计取 4；K 滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为，本设计中该值为 500；ammmm 按丝杠底径确定的截面惯性矩， （，单位为）本设中将I2d6442dI4mm代入算出=87080。mmd5 .362I4mm 由以上数据可以算出：=KF500500487080101 . 214. 314. 315)(108 . 15N25 临界载荷远大于工作载荷（2459.6N） ，故丝杠不会失稳。KFmF.8 临界转速的验证临界转速的验证 722max10cnkccradfKnn式中：丝杠支承系数，单推-单推方式时，由表 3-5 可得该值为 12.1；nkf临界转速计算长度，单位为，本设计中该值约为 720；cammmm丝杠内径，单位；2dmm安全系数，可取=0.8cKcK经过计算，得出= 5321，由已知，可以算出crnmin/rmin/4maxmVmmPh5，该值小于丝杠临界转速，所以满足要求。min/800maxrn4.3 进给伺服系统传动计算.1 确定传动比确定传动比确定当机床脉冲当量和滚珠丝杠导程确定以后，可以先初选步进电机的步距角，计算伺服系统的降速比 I选步进电机的步距角=0.6b横向：2/3005. 036056 . 0i.2 齿轮参数的计算齿轮参数的计算摸数 m 取 2。计算如下：横向：取小圆齿数为 24小齿轮：)(5 . 2225. 125. 1)(221)(4822411mmmhmmmhhmmmzdfaa 大齿轮：)(7223622mmmzdPbpi360264.4.步进电机的计算和选用.1 转动惯量的计算转动惯量的计算（1）齿轮、轴、丝杠等圆柱体惯量计算（）2.cmkg 82MDJ 对于钢材： 341078. 0LDJ式中：M圆柱体质量（）kgD圆柱体直径（）cmL圆柱体长度（）cm钢材的密度23/108 . 7cm对于齿轮：D 可取分度圆直径，L 取齿轮宽度； 对于丝杠：D 可近似取丝杠公称直径滚珠直径，L 取丝杠长度。具体计算如下：纵向：).(19. 41022 . 778. 0).(25.131026 . 978. 0).(5 .9710200578. 0234234234cmkgJcmkgJcmkgJzz小大丝杠横向：).(236. 0108 . 16 . 378. 0).(77. 3108 . 12 . 778. 0).(285. 210755 . 278. 0234234234cmkgJcmkgJcmkgJzz小大丝杠（2）丝杠传动时折算到电机轴上的总传动惯量步进电机经一对齿轮降速后传到丝杠，此传动系统折算到电机轴上的转动惯量为：)2()()(2022211LgGJJzzJJs式中：27）。丝杠的导程（）；件的重量（工作台及工件等移动部；丝杠的转动惯量（；大齿轮的转动惯量；小齿轮的转动惯量动惯量（cmLNGcmkgJcmkgJcmkgJJS0222212).).().();kg.cm上上 上上上上上上上上上上上具体计算如下：纵向：).70.67()28 . 0(8 . 91200)5 .9725.13()43(19. 4222cmkgJ横向：).94. 1 ()26 . 0(8 . 9800)285. 277. 3()21(236. 0222cmkgJ.2 电机力矩的计算电机力矩的计算电机的负载力矩在各种工况下是不同的，下面分快速空载起动时所需力矩、快速进给时所需力矩、最大切削负载时所需力矩等几部分介绍其计算方法。1）快速空载起动时所需力矩起M0maxMMMMf起式中：）。矩（电机轴上的附加摩擦力由于丝杠预紧时折算到）力矩（折算到电机轴上的摩擦）；轴上的加速力矩（空载起动时折算到电机）；快速空载起动力矩（起mNMmNMmNMmNMf.;.0max（2） 快速进给时所需力矩快M0MMMf快因此对运动部件已起动，固不包含，显然。maxaM起快MM（3）最大切削负载时所需力矩切MtfMMMM0切式中：）。负载力矩（折算到电机轴上的切削mNMt.在采用丝杠螺母副传动时，上述各种力矩可用下式计算282max2max1060210260aamxtnJnJJM式中：）。时间（最大进给速度所需要的运动部件从停止加速到）；步进电机的步距角（）；脉冲当量（）；电机最大转速（）；电机最大角加速度（）；上的总等效转动惯量（传动系统折算到电机轴stmmrnsNcmkgJabpmin/.max22摩擦力矩）（mNMf. iLFMf200式中：。取传动链总效率，一般可计算；齿轮降速比，按导轨摩擦系数；）；运动部件总重量（引力处摩擦力的计算；），其计算如计算牵（，进行切削加工时空载快速起动时）；垂直方向切削力（85. 07 . 0/12000zziifNGGFzfFGfFNF附加摩擦力矩）（mNM.0 ）（2000012iLFMp式中：。动效率，一般取滚珠丝杠未预紧时的传滚珠丝杠导程；）；为进给牵引力（，般取滚珠丝杠预加载荷，一9 . 03/10000LNFFFmmP折算到电机轴上的切削负载力矩）（cmNMt.iLFMtt20式中：29其于参数如上。）；进给方向最大切削力（NFt具体计算：横向：).(264. 11028 . 026 . 02119).(055. 010%25.96128 . 026 . 03/14080).(728. 01028 . 026 . 052978002 . 022202mNMmNMmNMtf）（）（ ).(047. 2264. 1055. 0728. 0).(86. 2055. 00955. 071. 200maxmNMMMMmNMMMMtff切起4.5 步进电机的选择目前，经济型数控车床中大多数采用反应式步进电机。1）首先根据最大静转距初选电机型号maxjM从表中查出，当步进电机为三相六拍时， 866. 0M/jmax起M纵向：).(002. 5866. 0/332. 4/mNM起按此最大静转矩产步进电机型号表（三相）可查出，110BYG3500 型最大静转矩转矩为 8N.m，大于所需静转矩，可作为初选型号。但必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。步进电机起动频率 Hz400001. 0604 . 21000601000maxpqvf最高工作频率 Hz133301. 0608 . 01000601000psgvf