经济型数控车床数控装置接口硬件设计

绪论随着我国生产技术进步，在机械制造业中，经济型数控机床越来越受到企业的欢迎。企业一方面投入大量资金购买数控车床，另一方面更新改造现有普通机床，通过 为普通机床添加数控装置，将普通机床改造成经济型数控机床，这是许多中小型企业面临的重要技改措施。数控机床能够适应市场对产品多样化、高精度的要求。因此得到了越来越广泛的应用。但是，商品化的数控机床价格高，一致于推广应用受到限制，而我国又现存有大量的普通机床，利用较先进的数控 系统，对现有普通机床进行技术改造，对提高我国机械行业的数控加工技术具有 更重要意义。数控机床是衡量一个国家机械制造业水平的重要指标。根据我国机床拥有量大，生产 规模小的具体国情，将普通机床通过数控化改造为经济型数控机床是我国机械工业技术改造的这样目标。但从我国目前机械工业制造水平与发达国家相比差距较大， 而且从目前企业所面临的情况看，因数控机 床价格较贵，一次性投资较大，使企业心有余而力不足。因此，我国作为机床大国。对普通机床数控化改造作为一种良好的有效途径。这样机床改造花费少，改造设计 针对性强、时间短，改造设计 后的机床大多能够克服机床的缺点和存在的问题，生产效率高。1 机械部分改造的设计及计算1.1 课题的来源与意义及总体方案的确定1.1.1 课题的来源与意义：社 会 发 展 的 今 天 ， 现 代 工 业 发 展 非 常 迅 速 突 出 ， 普 通 机 床 已 越 来越 不 能 满 足 现 代 加 工 工 艺 及 提 高 劳 动 生 产 率 的 要 求 。 如 果 设 备 全 部 更新 换 代 不 仅 资 金 投 入 大 ， 成 本 太 高 ， 而 且 原 有 设 备 的 闲 置 又 将 造 成 极大 浪 费 。 所 以 最 简 易 经 济 的 办 法 就 是 进 行 数 控 化 改 造 。 数 控 机 床 作为 机 电 一 体 化 的 典 型 产 品 ， 在 机 械 制 造 业 中 发 挥 着 巨 大 的 作 用 ， 很 好的 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 提 高 生 产 效 率 。 但 从 我 国目 前 机 械 工 业 制 造 水 平 与 发 达 国 家 相 比 差 距 较 大 ， 而 且 从 目 前 企 业 所面 临 的 情 况 看 ， 因 数 控 机 床 价 格 较 贵 ， 一 次 性 投 资 较 大 ， 使 企 业 心有 余 而 力 不 足 。 因 此 ， 我 国 作 为 机 床 大 国 。 对 普 通 机 床 数 控 化 改 造 作为 一 种 良 好 的 有 效 途 径 。 这 样 机 床 改 造 花 费 少 ， 改 造 设 计 针 对 性 强 、时 间 短 ， 改 造 设 计 后 的 机 床 大 多 能 够 克 服 机 床 的 缺 点 和 存 在 的 问 题 ，生 产 效 率 高 。1.1.2 总体方案的确定：根 据 改 造 设 计 内 容 确 定 方 案 。 有 设 计 内 容 可 知 ， 该 CW6132 车 床的 改 造 设 计 是 将 原 机 床 中 手 动 进 给 装 置 改 装 成 有 步 进 电 动 机 驱 动 ， 采用 微 机 控 制 步 进 电 动 机 来 完 成 数 据 的 处 理 运 动 控 制 。 由 此 可 见 改 造 设计 以 后 的 车 床 具 有 一 定 的 数 控 机 床 功 能 和 特 点 ， 大 大 提 高 了 车 床 的 数控 化 程 度 和 生 产 效 率 ， 是 一 种 经 济 型 的 数 控 机 床 。 翻 阅 查 看 CW6132车 床 是 一 种 小 型 的 车 床 ， 床 身 最 大 工 件 回 转 直 径 320mm 加 工 工 件 最 大长 度 750mm， 主 要 用 于 加 工 中 小 型 类 零 件 。 根 据 我 们 的 设 计 内 容 要 求参 考 数 控 机 床 的 改 造 设 计 经 验 ， 我 们 设 计 确 定 如 图 1-1 1-2 所 示总 体 改 造 方 案 。图 12 CW6132 普通车床的数控改造方案图1.纵向滚珠丝杠 2.横向滚珠丝杠 3.步进电动机 4.减速齿轮 5. 减速齿轮 6. 步进电动机该 方 案 中 以 步 进 电 动 机 作 为 驱 动 元 件 ， 采 用 开 环 伺 服 控 制 ， 无 检测 反 馈 机 构 ， 具 有 结 简 单 ， 使 用 维 护 方 便 ， 可 靠 性 高 ， 制 造 成 本 低 等一 系 列 的 优 点 。从 设 计 题 目 中 可 知 ， 我 们 改 造 设 计 的 是 基 于 CW6132 车 床 的 横 向伺 服 进 给 单 元 机 电 一 体 化 改 造 设 计 。 所 以 针 对 横 向 进 给 机 构 进 行 如 下改 造 ： 拆 除 原 机 床 进 给 箱 的 安 装 孔 和 销 孔 安 装 齿 轮 箱 ， 拆 除 原 丝杠 安 装 滚 珠 丝 杠 并 仍 然 安 装 在 原 丝 杠 的 位 置 ， 两 端 采 用 原 固 定 方 式 ，这 样 可 以 减 小 装 配 现 场 ， 并 由 于 滚 珠 丝 杠 的 摩 擦 系 数 小 于 原 丝 杠 ， 从而 是 横 向 进 给 整 体 的 刚 性 提 高 ， 优 胜 于 以 前 的 ， 横 向 进 给 机 构 采 用二 级 齿 轮 减 速 ， 并 用 双 片 齿 轮 销 齿 法 消 除 间 隙 。其 余 部 分 的 改 造 设 计 尽 量 按 照 原 机 床 的 主 要 结 构 布 局 基 本 不 变 ，尽 量 减 少 改 装 的 部 位 ， 以 降 低 生 产 成 本 ， 节 约 改 造 生 产 时 间 ， 提 高 生产 效 率 。1.2 滚 珠 丝 杠 副 的 计 算 和 选 型进 给 伺 服 系 统 机 械 部 分 的 计 算 与 选 型 的 内 容 包 括 :运 动 参 数 、 动力 参 数 的 计 算 、 传 动 比 的 分 配 、 转 动 惯 量 、 等 效 转 矩 等 计 算 .计 算 简图 如 图 1-3:图 13 进 给 伺 服 系 统 机 械 部 分 的 计 算1.2.1 确 定 系 统 的 脉 冲 当 量脉 冲 当 量 是 指 一 个 进 给 脉 冲 使 车 床 执 行 部 件 产 生 的 进 给 量 ,它 是衡 量 数 控 机 床 加 工 精 度 的 一 个 基 本 技 术 参 数 .因 此 脉 冲 当 量 应 根 据 机床 精 度 来 确 定 .对 于 经 济 车 床 来 说 横 向 采 用 的 脉 冲 当 量 为 0.005mm/脉冲1.2.2 切 削 力 计 算在 进 给 系 统 的 传 动 的 计 算 过 程 中 ,选 用 步 进 电 动 机 时 都 需 要 用 到切 削 力 (机 床 的 主 要 负 载 ),则 可 用 公 式 计 算 出 车 床 切 削 力最 大 切 削 功 率 (或 转 矩 ) =P 主 式 中 P 主 .主 电 动 机 的 功 率 ,CW6132 车 床 P 主 =8 kw .主 传 动 系 统 的 总 功 率 一 般 为 0.7 0.85 取 =0.8 则 P 切 =(8 0.8) kw=6.4 kw切 削 功 率 应 按 在 各 种 加 工 情 况 下 经 常 遇 到 的 最 大 切 削 力 (或转 矩 )和 最 大 切 削 速 度 (或 转 矩 )来 计 算 ,即 :P 主 = /60cF31-式 中 主 切 削 力 ( N )cF 最 大 切 削 速 度 (m/min).按 用 硬 质 合 金 刀 具 半 精 车钢 件 是 的 速 度 取 =100m/min= 60 6.4 /100 = 3840( N )cF3在 一 般 情 况 外 圆 车 削 时 ,=(0.10.55) f cF=(0.150.65) pFc取 = 0.48 = 1843.2N = 0.58 = fc pcF2227.2N滚 珠 丝 杠 副 的 选 择 和 性 能 验 算 ,横 向 进 给 为 综 合 型 导 轨 ,由 公 式 可得 丝 杠 轴 向 进 行 切 削 ,其 中 k= 1.15, =0.16 则 :f= k + ( +W)mFfcF式 中 . . 切 削 分 力 ( N )cFfpW移 动 部 件 的 重 量 ( N )导 轨 上 的 摩 擦 系 数 ,随 导 轨 型 式 不 同f而 不 同K考 虑 颠 覆 力 矩 影 响 的 实 验 系 数即 =1.15 1843.2+0.16 (3840+200)N=2766.08NmF最 大 切 削 力 下 的 进 给 速 度 可 取 最 高 进 给 速 度 的 1/2 1/5,取 为sv1/2.横 向 进 给 速 度 为 2m/min,丝 杠 导 程 选 取 6mm,则 丝 杠 转 速 为 :n = 1000 / = 1000 2/6 = sL333.33r/min丝 杠 使 用 的 寿 命 时 间 取 为 T = 15000h,则 丝 杠 的 计 算 寿 命 L 为 :L = 60nt/ = 60 333.33 15000/ = 300 (6)610根 据 工 作 负 载 、 寿 命 L,按 公 式 计 算 滚 珠 丝 杠 副 承 受 的 最 大mF的 动 载 荷 取 = 1.2 = 1Cwfaf = / = 1.2 2766.08=22220NmC3LFwfa30由 当 量 载 荷 ,从 手 册 或 样 本 的 滚 珠 丝 杠 系 列 表 中 初 选 滚 珠 丝 杠的 型 号 和 有 关 参 数 .选 用 是 要 注 意 公 称 直 径 和 导 程 应 用 优 先 组 合 ，0d0L同 时 还 需 要 满 足 数 控 系 统 和 伺 服 系 统 对 导 承 的 要 求 。 同 时 还 受 最 大 静载 荷 的 影 响 和 限 制 ， 因 当 滚 珠 丝 杠 在 静 态 或 低 速 (n 10r/min)情 况 下工 作 时 ， 滚 珠 丝 杠 副 的 破 坏 形 式 主 要 是 滚 珠 与 滚 道 型 面 在 接 触 点 上 产生 塑 性 变 形 ， 当 塑 性 变 形 超 过 一 定 限 度 就 会 使 滚 珠 丝 杠 副 无 法 正 常 工作 。 一 般 允 许 其 塑 性 变 形 量 不 超 过 滚 珠 直 径 的 万 分 之 一 。 此 时 的 轴 向负 载 称 为 额 定 静 载 荷 。 选 用 时 应 将 相 应 的 滚 珠 丝 杠 的 额 定 静 载 荷oaC满 足 以 下 条 件 ：=f /maxFoCs式 中 滚 珠 丝 杠 的 最 大 轴 向 工 作 载 荷 ；maxF静 态 安 全 系 数 。 一 般 1 2,有 冲 击 时 =2 3sf sf sf由 参 照 表 查 出 该 滚 珠 丝 杠 型 号 为 W5006外 循 环 螺 纹 调 整 预 紧 的C双 螺 母 滚 珠 丝 杠 副 。 1列 3圈 ， 其 额 定 动 负 载 为 24000N， 强 度 足 够 应 ，精 度 选 用 5级 ， 其 几 何 参 数 如 下 ：公 称 直 径 =50mm， 导 承 =6mm， 螺 纹 升 角 v=arctg / =211d0L0Ld繭 钢 球 直 径 为 3.969mm， 螺 杆 内 径 为 45.88mm。滚 道 半 径 R为 ： R=0.52 3.969=2.06388mm偏 心 距 为 ： e=0.07（ R- /2） =0.07（ 2.064-3.969/2）d=5.6 mm310螺 杆 内 径 ： = +2e-2R=50 2 5.6 -2 2.06388=45.88mm1d0311.2.3 传 动 效 率 滚 动 丝 杠 副 的 传 动 效 率 可 用 下 式 计 算 。 =tgr/tg（ r+ ）式 中 r丝 杠 的 螺 旋 升 角 摩 擦 角 。 滚 珠 丝 杠 副 的 滚 动 摩 擦 系 数 因 数 f=0.003-0.004， 摩 擦 角 约 等 于 10 即 =tg211 /tg(211 +10 ) 0.927横 向 进 给 滚 珠 丝 扛 支 承 方 式 如 前 图 所 示 ， 支 承 间 距 L=400mm， 丝杠 螺 母 及 轴 承 均 进 行 了 预 紧 ， 预 紧 力 的 最 大 轴 向 负 载 荷 的 1/3， 丝 杠的 变 形 量 计 算 如 下 ：滚 珠 丝 杠 截 面 积 按 丝 杠 螺 纹 的 底 径 确 定A= /4 45.882mm2=1653.24mm工 作 载 荷 引 起 导 程 的 变 化 量 可 用 下 式 计 算mF0L0L = /EA=2766.08 6/20 104 1653.24=0.4F87 mm410式 中 E丝 杠 材 料 的 弹 性 模 量 ， 对 钢 E=2.06 1011N/ 2则 丝 杠 的 拉 伸 或 压 缩 变 形 量 ：1= / L =0.487 /6 1500=1.22 mm104由 于 两 端 均 采 用 角 接 触 球 轴 承 ， 且 丝 杠 又 进 行 了 预 紧 故 其 拉 压 刚度 可 比 一 端 固 定 的 丝 杠 提 高 4倍 。其 实 际 变 形 量 为=1/4 =0.305 mm21滚 珠 与 螺 纹 通 道 间 接 触 变 形=0.0013 / =0.0072mm2mF2oydZ式 中 轴 向 工 作 载 荷 （ N） ；mF预 紧 力 （ N）y滚 珠 直 径 （ mm） ；wd滚 珠 数 量 ， =Z j k其 中 j为 圈 数 ， k为 列 数 ， Z每 圈Z螺 纹 滚 道 内 的 滚 珠 数 ：外 循 环 时 Z= / ； 内 循 环 时 Z / -30dw0dw滚 珠 丝 杠 公 称 直 径 （ mm） ；0d因 丝 杠 加 有 预 紧 力 ； 且 预 紧 力 为 轴 向 最 大 负 载 的 1/3时 , 可 减2少 一 半 ， 因 此 实 际 变 形 量 为 ： =0.0072/2=0.036 mm22支 承 滚 珠 丝 杠 的 轴 承 为 8209型 推 力 球 轴 承 ， 几 何 参 数 为=45mm， 滚 动 体 直 径 =7.06mm， 滚 动 体 数 量 =20轴 承 的 轴 向 接 触1dQdQZ变 形 为 ： 3=0.024323QFz式 中 轴 承 所 受 轴 向 载 荷 （ N） ； 轴 承 的 滚 动 体 数 目 ；mF轴 承 的 滚 动 体 直 径 ； 即Qd=0.024 =0.024 =0.03346mm323mQFdz2376.8注 意 ： 此 公 式 的 单 位 为 Kgfm因 施 加 预 紧 力 故 实 际 变 形 量 =1/2 =1/2 0.03346mm=0.0167mm33根 据 以 上 计 算 总 变 形 量 为 ： = + + =（ 0.00305+0.0036+0.0167）123mm=0.0234mm五 级 精 度 丝 杠 允 许 逻 辑 误 差 为 27 m/m， 故 刚 度 足 够因 为 滚 珠 丝 杠 的 两 端 都 采 用 推 力 球 轴 承 并 预 紧 ， 因 此 不 会 产 生 失稳 现 象 ， 故 不 需 要 作 稳 定 性 校 核1.3 步 进 电 动 机 的 选 择 。1.3.1 传 动 比 的 计 算根 据 给 定 的 横 向 进 给 的 脉 冲 当 量 0.005mm， 滚 珠 丝 杠 导 程=6mm， 及 初 选 的 步 进 电 机 步 距 角 0.75， 可 计 算 出 传 动 比 i：0L=360 / L式 中 脉 冲 当 量 （ mm/步 ） ；滚 珠 丝 杠 导 程 （ mm） ；0L 步 进 电 机 步 距 角 （ ） ；减 速 齿 轮 考 虑 到 结 构 上 的 原 因 ， 不 使 大 齿 轮 直 径 太 大 ， 以 免 影 响到 横 向 溜 板 的 有 效 行 程 故 采 用 两 级 齿 轮 降 速 ， 根 据 传 动 比 ， 即i=360 / 0L选 齿 轮 Z1=28， Z2=56， Z3=24， Z4=30一 级 降 速 传 动 比 为 0.5二 级 降 速 传 动 比 为 0.8初 选 步 进 电 动 机 型 为 150BF002,因 为 进 给 伺 服 系 统 传 递 功 率 不 大 ,一 般 选 模 数 取 m=1 2， 本 次 设 计 选 用 m=21.3.2 转 动 惯 量 的 计 算选 择 步 进 电 动 机 时 ,必 须 根 据 机 械 传 动 装 置 及 负 载 折 算 到 电 动 机轴 上 的 等 效 转 动 惯 量 ,分 别 计 算 各 种 情 况 下 所 需 要 的 力 矩 ,再 根 据 步 进电 动 机 最 大 静 转 矩 和 启 动 运 行 频 率 特 性 选 择 合 适 的 步 进 电 动 机 ,负 载惯 量 是 驱 动 系 统 的 主 要 参 数 之 一 ,它 对 选 择 步 进 电 动 机 ,设 计 传 动 比 等都 有 十 分 重 要 的 意 义 ,如 果 该 惯 量 与 电 动 机 的 匹 配 不 当 ,系 统 就 得 不 到快 速 反 应 ,甚 至 失 效 .Z1=28,z2=56,z3=24,z4=30 齿 轮 的 转 动 惯 量 。1,23,4Z1234,J34112JdL=334107.8/(5.6).2kgcmcm =2.6358 2.kgcm342210JdL=334107.8/(.2)2kgcmcm=36.148 2.=1.422734330JdL2.kgc344=334107.8/()2kgcmcm=0.186 2.丝 杠 的 转 动 惯 量 可 以 从 表 中 查 得 负 载 转 动 惯 量22131234 42862.6538.4070.15.90.7.556L SZLwJJJgW21Z（ ） （ ）考 虑 步 进 电 动 机 与 负 载 转 动 系 统 惯 量 匹 配 问 题即 0.571 满 足 惯 量 匹 配 要 求 。而 惯 量 J由 伺 附 电 动 机 的 惯 量 mJ 和 进 给 系 统 惯 量 LJ 组 成017.52.mLJmJ 伺 附 电 动 机 的 惯 量LJ 进 给 系 统 惯 量负 载 转 矩 计 算 及 最 大 静 转 矩 选 择 ：机 床 在 不 同 的 情 况 下 ， 其 所 需 要 的 转 矩 不 同 ， 下 面 分 别 进 行 计 算快 速 空 载 启 动 是 所 需 要 的 转 矩 为max0fM起式 中 ： 起 快 速 空 载 启 动 力 矩max空 载 启 动 折 算 到 电 动 机 上 的 加 速 力 矩f 折 算 到 电 动 机 轴 上 的 摩 擦 力 矩 0M 由 于 丝 杠 加 紧 时 折 算 到 电 动 机 轴 上 的 附 加 力 矩将 已 知 数 据 代 入max20.758336.6minbpvrn2axmax10tnMJ式 中 J传 动 系 统 折 算 到 电 动 机 轴 上 的 等 效 的 转 动 惯 量at运 动 部 件 从 停 止 启 动 加 速 到 最 大 快 进 速 度 所 需 要 的 时间 maxn电 动 机 的 最 大 转 速 2max2837.510694.86.5MNcm折 算 到 电 动 机 轴 上 的 摩 擦 力 矩02FLi式 中 0F 导 轨 的 摩 擦 力 0cFfWc 垂 直 方 向 的 切 削 力W 运 动 部 件 的 总 重 量f 导 轨 的 摩 擦 系 数i 齿 轮 降 速 比 传 动 链 总 效 率 ， 一 般 取 0.7 0.850.16384263.2.FLMi附 加 力 矩 ： 2001Pi式 中 ： 0PF 滚 珠 丝 杠 预 加 负 荷 前 一 般 取 L滚 珠 丝 杠 导 程0滚 珠 丝 杠 拧 紧 时 的 效 率 一 般 大 于 0.9于 是 ： max073.42FM起快 速 移 动 时 需 要 的 力 矩 ：05.96F快最 大 切 削 负 载 时 所 需 要 的 力 矩 ：0124.FtM切从 以 上 计 算 可 以 看 出 三 种 工 况 下 以 快 速 空 载 启 动 所 需 要 的 力 矩最 大 ， 依 次 作 为 出 选 电 动 机 的 依 据 。对 于 工 作 方 式 与 五 相 十 拍 的 步 进 电 动 机 最 大 静 转 矩 ：max7.680.951jMNm起从 相 关 资 料 可 以 查 出 150BF002 型 号 的 步 进 电 动 机 最 大 静 转 矩 为13027N.M 大 于 所 需 要 的 最 大 静 转 矩 可 以 作 为 初 选 型 号 大 需 要 考 虑 电动 机 启 动 矩 频 特 性 和 运 行 它 。步 进 电 动 机 的 空 载 启 动 频 率 ：maxax106.7vf HZ由 相 关 资 料 知 道 150BF002 步 进 电 动 机 允 许 的 作 大 空 载 启 动 频 率 为2800HZ， 运 行 频 率 为 8000HZ， 有 下 图 （ a)可 以 看 出 步 进 电 动 机 启 动是 频 率 为 2500HZ， 远 不 能 满 足 机 床 所 需 。 直 接 使 用 回 产 生 失 步 现 象 ，所 以 必 须 采 取 升 降 速 度 控 制 （ 可 以 用 软 件 实 现 ） 将 启 动 频 率 降 到1000HZ 时 ， 启 动 扭 矩 可 以 增 高 到 588 。 然 后 在 电 路 上 再 采 用 高 低 压驱 动 电 路 ， 可 以 将 步 进 电 机 输 出 转 矩 扩 大 一 倍 左 右 。当 快 速 运 动 和 切 削 进 给 时 ， 由 150BF002 型 号 的 步 进 电 动 机 矩 频特 性 （ b)知 道 电 动 机 可 以 满 足 要 求 。 根 据 上 述 计 算 综 合 考 虑 ， 横 向 进给 系 统 采 用 150BF002 型 号 电 动 机（ a)步 进 电 动 机 启 动 频 率（ b) 步 进 电 动 机 矩 频 特 性图 14 步 进 电 动 机 的 启 动 频 率 和 矩 频 特 性零 件 的 设 计 计 算 ， 传 动 轴 的 初 步 计 算 及 结 构 设 计 ， 支 撑 方 式 和 部 件 的选 择 计 算 ：1.4 齿 轮 设 计 及 强 度 校 核 计 算1.4.1 选 定 齿 轮 类 型 ， 精 度 等 级 ， 材 料 及 齿 数该 传 动 方 案 选 用 直 齿 圆 柱 齿 轮 传 动 .速 度 不 高 ,所 以 齿 轮 选 8 级精 度 ； 齿 轮 材 料 选 用 价 格 便 宜 并 且 硬 度 合 适 的 材 料 ； 齿 轮 Z1， Z3， Z4 材 料 为 45#钢 (调 质 )； 齿 轮 Z2 材 料 为 45 钢 (常 化 )。 根 据 传 动 比 选 取 小 齿 轮 Z1=28.Z2=56.Z3=24.Z4=30因 齿 面 硬 度 小 于 350HBS 的 闭 式 传 动 ,所 以 按 照 齿 面 接 触 疲 劳 强 度设 计 ,然 后 校 核 齿 根 弯 曲 疲 劳 强 度 .1.4.2 按 照 齿 面 接 触 疲 劳 强 度 校 核21312. 51EdHKTzut由 公 式确 定 公 式 中 各 参 数 的 值选 择 载 荷 系 数1.3tK59.01923.6PTNmn计 算 小 齿 轮 传 递 的 转 矩查 表 选 择 齿 宽 系 数0.8d查 表 得 出 弹 性 影 响 系 数19.EZMpalimli3lim4259070HHpa由 表 查 出FtasFmKYb由公式确定公由 表 查 出 寿 命 系 数12341HNHN计 算 接 触 疲 劳 强 度 许 用 应 力 ,取 失 效 概 率 为 1%,安 全 系 数 S=1.由 公 式limHNKS可 得 134590Mpa270Hpa计 算 小 齿 轮 分 度 圆 直 径2131. 51EdHKTzut计 算 圆 周 速 度 12.560dtnmVs计 算 载 荷 系 数 . 根 据1.4Z查 表 .0VK因 为 是 直 齿 圆 柱 齿 轮 ,取 同 时 由 表 查 得1A， .21.5aK 所 以 载 荷 系 数 .04.21AV按 实 际 的 载 荷 系 数 校 正 所 计 算 的 分 度 圆 直 径3311.548kdtm计 算 模 数 ：1148 224dm= z 取 模 数 12m 根 据 综 合 因 素 的 考 虑 及 传 递 的 力 矩 不 大 ,故 选 用 ：11856,2dm计 算 分 度 圆 直 径 ：12,2dm348,d4306计 算 中 心 距 ：12342,5daa计 算 齿 轮 宽 度 ：110.8564dbm由 于 传 递 振 动 不 大 ，1.4.3 校 核 齿 根 弯 曲 疲 劳 强 度式中各个参数值,计算圆周力：1293.16425.87TFd查 取 应 力 校 正 系 数 ：112.80,.FaSaY22.0,1.6FaSaY33.,.544.,.59计 算 载 荷 系 数 ：1.0.213AVKK查 取 弯 曲 强 度 极 限 及 寿 命 系 数 ：查 表 得 ： lim1lim2lim3lim4450,390,450,50FFFFMpapaMpapa查 表 知 道 ； 12341FNFNKK计 算 弯 曲 疲 劳 许 用 应 力 ,取 弯 曲 疲 劳 安 全 系 数 ：.4FS由 公 式 ：limFNKS所 以 1lim13432.4FNFKMpaS2lim9078.51.NFFS校 核 计 算 ：1 1.345.8.4.927F FMpa212 201.67.9.0885saFSY334.9FF44.2F1.5 轴 的 设 计 （ 中 间 轴 ） 及 校 核1.5.1 选 择 轴 的 材 料选 取 45 钢 ， 调 制 硬 度 HBS=230， 强 度 极 限 =650Mpa， 屈 服 极 限B=360Mpa,弯 曲 疲 劳 极 限 =300Mpa,剪 切 疲 劳 极 限 =155Mpa,对 称S1 循 环 变 应 力 时 的 许 用 应 力 =60Mpa-b 1.5.2 初 步 估 算 轴 的 最 小 直 径取 =110， 得 ：Ad =110 15mm0A23pu3.9846由 于 采 用 步 进 电 动 机 驱 动 ， 选 用 150BF002 型 ， 它 的 轴 径 为d18mm， 为 了 配 合 二 级 齿 轮 传 动 ， 在 此 选 择 最 小 轴 径 为 15mm， 便 于 受力 均 匀 ， 结 构 紧 凑 ， 便 于 安 装 。1.5.3 轴 的 结 构 设 计 由 轴 的 结 构 和 强 度 要 求 选 取 轴 承 孔 的 轴 径 d=15mm， 初 选 轴 承 型号 6202 的 深 沟 球 轴 承 ， 齿 轮 轴 处 轴 孔 d=25mm,轴 肩 直 径 d=35mm,轴 的结 构 如 附 图两 轴 承 支 点 间 的 距 离 为L= + + + +u+ +2T13B12T式 中 T 轴 承 的 宽 度 ， 查 表 可 知 6205 轴 承 T=11mm 齿 轮 端 面 与 箱 体 内 壁 的 距 离 ， 查 表 可 知 取 =8mm1 齿 轮 3 的 齿 宽 ， =32mm3BB 齿 轮 2 与 齿 轮 3 轮 毂 端 面 间 的 距 离 ， 取 =8mm3L 齿 轮 2 的 轮 毂 长 度 ， L=（ 1.2 1.5） d B,u=34mm代 入 以 上 各 数 值 得L=11+8+27+34+8+13.5=96mm齿 轮 3 的 对 称 线 与 左 轴 承 支 点 的 距 离 为 ：= + + =5.5+8+13.5=27mm1T13B齿 轮 3 的 对 称 线 与 齿 轮 2 的 对 称 线 间 的 距 离 为 ：= + + =13.5+8+17=38.5mmL3u齿 轮 2 的 对 称 线 与 右 轴 承 支 点 间 的 距 离 为 ：= + + =17+8+5.5=30.5mm32T1.5.4 按 弯 扭 合 成 应 力 校 核 轴 的 强 度绘 轴 的 计 算 简 图轴 的 计 算 简 图 如 图 1-5(a) 所 示计 算 作 用 轴 上 的 力大 齿 轮 2 受 力 分 析圆 周 力 = = =401.26N2tFTd27.5819径 向 力 = =401.26 =146.05N2rtgtg小 齿 轮 3 受 力 分 析圆 周 力 = = =936.27N3tF2Td7.584径 向 力 = =936.27 =340.77N3r0tgtg计 算 支 反 力 ：水 平 面 =0BM96- 69.5- 32.5=0AHR3tFt=805.30N=0Fy= + - =532.23NBHR2t3tAHR垂 直 面 =0BM96- 69+ 30.5=0AV3rF2r=198.52NR=0Fy= - - =-3.8NBV3r2AV作 弯 矩 图 水 平 面 弯 矩 图 (b)=- 28.5=-803.527.5=-cHMAR21743.1N.mm=- 32=-523.2330.5=-DB16233.015 N.mm垂 直 面 弯 矩 图 (c)= 28.5=198.5227=5360.04 N.mm1CVMAR= 32=-3.830.5=-115.9 N.mmDB合 成 弯 矩=C22HCV= 2(1743.)60.4=22393.92 N.mm=DMCHDV= 22(16.05)(1.9)=16233.42 N.mm做 扭 矩 图 (d) =22470.588 N.mmT作 计 算 弯 矩 图 图 (e)考 虑 减 速 器 的 刹 车 和 启 动 ， 转 矩 产 生 的 切 应 力 应 按 脉 动 循 环 变 化 ，故取 a=0.6。 则 ：= =22393.92 N.mm1caMc=2c12()CT = 2239.(0.647.58)=26139.27 N.mm=caDM()T= 22.40.647.58)=21102.079 N.mm按 弯 扭 合 成 应 力 校 核 周 6 的 强 度由 计 算 弯 矩 图 可 知 ， C 剖 面 的 计 算 弯 矩 最 大 ， 该 处 的 计 算 应 力 为 ：= = = =16.729Mpaca2cMW3619.70cd32.516.729Mpa =60Mpa1b故 安 全1.5.5 精 确 校 核 轴 的 疲 劳 强 度由 玩 具 图 和 转 矩 图 可 知 弯 矩 最 大 ， 但 从 应 力 集 中 对 轴 的 疲 劳 度的 影 响 看 ， 剖 面 ， 处 的 过 盈 配 合 引 起 的 应 力 集 中 最 严 重 ， 由 于 过盈 配 合 及 键 槽 的 应 力 集 中 两 端 ， 故 C 剖 面 处 受 影 响 不 大 ， 在 剖 面 处的 载 荷 比 剖 面 处 的 载 荷 要 大 ， 而 剖 面 ， 的 尺 寸 相 同 ， 因 而 在 此只 需 要 校 核 剖 面 两 侧 的 疲 劳 强 度 。剖 面 左 侧弯 矩 及 弯 曲 应 力弯 矩 ： 25210.79(25613.70.9)38.M=24372.98 N.mm抗 弯 剖 面 模 量 ：3330.1.5162.Wd弯 曲 应 力 ： 4798.b Mpa 应 力 幅 ： 15.98abMpa平 均 应 力 ： =0m转 矩 及 扭 剪 应 力转 矩 ： 2470.58TNm抗 扭 剖 面 模 量 ： 333.12Wd扭 转 剪 应 力 ： 2470.58.9T Mpa应 力 幅 及 平 均 应 力 ： 13.amT各 项 系 数过 盈 配 合 处 的 有 效 应 力 集 中 系 数 ：查 表 可 求 得 过 盈 配 合 处 的 =1.867256HrR由 图 查 得 尺 寸 系 数 =0.83， =0.89由 图 查 得 表 面 质 量 系 数 ， 精 车 加 工 .r轴 径 表 面 强 化 处 理 ， 故 强 度 系 数 =1弯 曲 疲 劳 的 综 合 影 响 系 数 ， 由 公 式 得()K=（ 1.86+ ）0.1=1.996()KB=（ 1.86+ ）0.=1.996对 材 料 特 性 系 数 ， 对 碳 钢 ， 取 =0.1， =0.05.2计 算 安 全 系 数139.63.9615.80.amSKv 1 1.43.72.5a S209.847.3816caS 所 以 安 全剖 面 右 侧弯 矩 及 弯 曲 应 力弯 矩 ： 17265.3(19.270.9)38.5M.pa抗 弯 剖 面 模 量 ： 330.1562.Wdm弯 曲 应 力 ： Mpa94.8.b应 力 幅 ： 14.28apa平 均 应 力 ： 0m转 矩 及 扭 剪 应 力转 矩 ： 2470.58TNm 抗 扭 剖 面 模 量 ： 3330.2.512TWdm扭 转 剪 应 力 ： 47.8.9TMpa应 力 幅 及 平 均 应 力 ： 13.52m各 项 系 数 （ 如 前 ）即 ，1.96K.96计 算 安 全 系 数1301.964.28mS15.43.70.39K S=1.5 2.4.7.126caS 安 全 ， 强 度 足 够(a) (b)(c)(d)(e)图 15 轴 的 疲 劳 校 核1.6 滚 动 轴 承 的 选 择 和 计 算即 中 间 轴 滚 动 轴 承 的 选 择 计 算 ， 按 轴 的 结 构 设 计 ， 初 步 选 用 型号 为 6204 的 深 沟 求 轴 承 。计 算 轴 承 载 荷 ：图 16 轴 的 受 力 图轴 承 的 径 向 载 荷轴 承 A： 222805.319.8.40AHVR N轴 承 B： N2.(.)53.B按 寿 命 计 算 选 择 轴 承 型 号派 生 轴 向 力 的 计 算 ， 查 表 可 知 N0253.2416.SFYN189.8s确 定 轴 承 的 轴 向 载 荷 aF259.189.7as故 轴 承 1“放 松 ”轴 承 2“压 紧 ”根 据 当 量 动 载 荷 公 式 计 算 P 值19.80.31.74aAFeR1,xY1(829.40)829.4AaPFN 1259.80.46.373aBFeR22.,.xY0.5632.41659.8712.3BaPF N计 算 工 作 所 需 要 的 径 向 基 本 额 定 动 载 荷 ：由 于 常 温 ， 中 等 冲 击 取 ， 深 沟 球 轴 承 寿 命 指 数 ，1tf .pf两 支 承 用 同 一 型 号 ， 01rCKNh3167670()()45794.28.thpfLn若 按 大 修 期 5 年 更 换 轴 承 ， 轴 承 的 寿 命 足 够 用 ， 故 所 选 轴 承 合 适1.7 键 联 接 的 选 择 和 强 度 校 核 （ 即 中 间 轴 ）1.7.1 大 齿 轮 2 与 轴 的 键 联 接选 用 圆 头 普 通 平 键 （ A） 型按 轴 径 d=25mm 及 轮 毂 L=34， 选 键 bh=87GBGB1096-79 强 度 校 核 键 材 料 用 45 钢 ， 查 表 得 许 用 应 力 ， 键 的 工 作 长 度2pMpa:l=L-b=34-8=26mm； ， 按 公 式 得 挤 压 应 力 ：.5hRv3210247.5810.97.6pTpald故 强 度 是 足 够 的 。1.7.2 小 齿 轮 3 和 轴 的 键 联 接按 稠 径 d=25mm（ 轮 毂 L=27mm， 选 键 bh=87， GB1096-79， 选用 圆 头 普 通 平 键 （ A 型 ） 强 度 校 核键 材 料 用 45 钢 ， 查 表 得 许 用 应 力 ， 键 的 工 作 长(102)pMpa度 l=L-b=27-7=20mm， ,按 公 式3.5hRv12470.81.26.p pTMald故 能 满 足 。2 机 床 横 向 伺 服 进 给 单 元 电 气 控 制 部 分 设 计CW6132 车 床 是 一 种 小 型 的 车 床 ， 对 于 它 的 伺 服 进 给 单 元 的 机 电一 体 化 改 造 设 计 ， 我 们 从 设 计 内 容 中 可 以 知 道 ， 是 用 微 机 控 制 步 进 电动 机 驱 动 滚 珠 丝 杠 带 动 工 作 台 来 完 成 数 控 处 理 和 运 动 控 制 。 由 此 可 见 ，改 造 设 计 后 的 机 床 具 有 一 定 的 数 控 机 床 的 功 能 特 点 ， 是 一 种 简 易 经 济数 控 机 床 ， 所 以 ， 我 们 就 按 照 经 济 数 控 机 床 进 行 电 气 控 制 部 分 的 改 造设 计 。2.1 电 气 控 制 系 统 方 案 的 确 定我 们 知 道 对 于 一 些 经 济 数 控 机 床 ， 常 采 用 开 环 伺 服 系 统 ， 其 结 构如 图 21图 21 开 环 伺 服 系 统 结 构 原 理 图它 主 要 由 步 进 电 动 机 和 相 适 应 的 驱 动 电 路 组 成 ， 数 控 装 置 发 出 的指 令 脉 冲 驱 动 电 路 变 换 放 大 传 给 步 进 电 动 机 ， 步 进 电 动 机 每 接 受 一 个脉 冲 就 旋 转 一 个 角 度 ， 再 通 过 齿 轮 副 和 丝 杠 螺 母 带 动 机 床 工 作 台 移 动 ，步 进 电 动 机 的 转 速 和 转 过 的 角 度 取 决 于 指 令 脉 冲 的 频 率 和 个 数 ， 反 映到 工 作 台 就 是 工 作 台 的 移 动 速 度 和 位 移 的 大 小 。 但 系 统 没 有 位 置 检 测反 馈 环 节 ， 工 作 台 位 移 到 位 ， 其 精 度 取 决 于 步 进 电 机 齿 距 角 精 度 ， 齿轮 传 动 间 隙 和 丝 杠 螺 母 精 度 等 。 由 此 可 见 ， 对 于 我 们 改 造 设 计 的CW6132 车 床 的 横 向 伺 服 就 进 给 单 元 采 用 这 种 由 步 进 电 机 驱 动 的 开 环控 制 系 统 比 较 合 适 的 。 该 系 统 方 案 中 不 使 用 位 置 检 测 元 件 ， 也 就 没 有闭 环 控 制 系 统 的 稳 定 性 问 题 。 因 此 ， 具 有 结 构 简 单 ， 使 用 维 修 方 便 ，可 靠 性 高 ， 制 造 成 本 低 等 一 系 列 优 点 。 对 于 CW6132 车 床 精 度 要 求 不太 高 的 中 小 型 机 床 改 造 设 计 来 说 ， 特 别 适 合 适 用 这 种 开 环 步 进 控 制 系统 发 案 。2.1.1 步 进 电 动 机 与 丝 杠 的 联 接对 于 经 济 数 控 机 床 ， 步 进 电 动 机 应 与 进 给 运 动 的 丝 杠 相 连 着 主 要是 从 进 给 传 动 链 最 短 发 出 信 息 来 考 虑 的 ， 步 进 电 动 机 与 丝 杠 的 联 接 的方 法 有 两 种 ： 一 种 是 与 丝 杠 直 接 联 接 在 一 起 ， 此 方 法 结 构 简 单 ， 但 是运 行 位 移 的 脉 冲 当 量 不 是 5 的 倍 数 编 程 计 算 时 不 方 便 。 另 一 种 是 在 步进 电 动 机 输 出 轴 端 配 置 减 速 器 ， 使 减 速 器 输 出 轴 通 才 联 接 套 于 丝 杠 直接 联 接 在 一 起 ， 一 般 改 造 常 采 用 这 种 联 接 方 式 。 所 以 ， CW6132 车 床改 造 设 计 也 采 用 这 种 联 接 方 式 ， 而 且 从 前 面 步 进 电 动 机 计 算 和 选 择 中可 知 采 用 二 级 传 动2.1.2 8051 单 片 机 的 选 择根 据 CW6132 车 床 最 大 加 工 尺 寸 ， 加 工 精 度 ， 控 制 速 度 以 及 经 济性 要 求 ， 改 造 设 计 后 的 简 易 经 济 型 数 控 机 床 一 般 采 用 8 位 微 机