CA6140车床的数控化改造

摘 要数控机床的优点：具有高度柔性，加工精度高，加工质量稳定、可靠，生产率高，改善劳动条件，利于生产管理现代化。普通机床的缺点：普通机床靠齿轮和普通丝杠螺母传动。由于各运动副间存在间隙，加上手工操作不准确，因此重复精度较低。普通机床测量时需停车后手工测量，测量误差较大，而且效率低下。适合批量较小，精度要求不高，零活类零件。它投资较数控低，但对工人的操作技能要求较高，因此工资水平高。在数控机床上加工零件，主要取决于加工程序，它与普通机床不同，不必制造、更换许多工具、夹具，不需要经常调整机床。因此，数控机床适用于零件频繁更换的场合。也就是适合单件、小批生产及新产品的开发，缩短了生产准备周期，节省了大量工艺设备的费用。物竞天择，适者生存。一些不适应社会发展在机床必将被淘汰，所以实施机床的数控化改造是机械行业在必然趋势。通过搜集资料、实践研究等方法对机床就行改造即是用较少的成本去创造更高的价值。而这也将极大的推动中国机械行业的发展。 经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。所以很多企业纷纷将现有机床改造成经济型数控机床，这种做法具有投资少、见效快的特点。事实证明：机床的数控化改造可以为企业带来可观的经济效益。目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到 3。用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。本文以车床的数控改造为例，介绍了机床数控改造的方法，包括其结构的改造设计，性能与精度的选择以及最后改造方案的确定。关键字：机床、数控化、改造、意义目 录第 1 章 数控化改造的好处第 2 章 数控化改造方案 第三章 介绍 CA6140 普通车床 第一节 简单介绍4第二节 加工范围及特点6 第三节 传动系统的介绍7 第四章 设计进给系统 第一节 设计纵向进给系统9 第二节 设计横向进给系统18 第五章 改造车床主轴及控制系统 第一节 改进主轴电机26 第二节 主轴脉冲编码器的运用26 第三节 改进刀架28 第四节 改进机床导轨29 第五节 坐标系的建立 X、Z 轴的限位和参考返回电路30 第六节 安装用键和变频器31 第七节 机床的安装、调试、精度检验31 致谢 参考文献 第一章 数控化改造的好处一、有利于企业技术的提高，成本的节约数控机床与普通机床相比，有很大的优势，数控机床具有高度柔性，加工精度高，加工质量稳定、可靠，生产率高，改善劳动条件，利于生产管理现代化；而普通机床精度低，效率低，适合批量较小，精度要求不高，零活类零件。它投资较数控低，但对工人的操作技能要求较高，因此工人工资水平高。这样会大大的加大企业的支出，对企业的收入也是有所影响的。二、有利于企业经济开支的节约数控化改造一般用户都能承担的起,这为资金紧张的中小型企业的技术改造开辟了新路,也对实力雄厚的大型企业产生了较大的吸引力。由于新型机床价格昂贵,一次性投资巨大,如果把旧机床设备全部用新型机床替换。要花费大量的资金,而替换下的机床又会闲置起来造成巨大浪费,若采用数控技术对旧机床加以改造和购买机床相比,则可省 50%以上的资金,一套经济型数控装置的价格仅为全功能装置的 1/3 到1/5。三、有利于数控化市场的扩大订购新的数控机床的交货周期一般较长,往往不能满足用户的需要,而改造的数控机床能够适应市场对产品多样化和高精度的要求。因此得到了用户广泛的应用,机床的数控化改造已成为满足市场需求的主要补充手段,对中、小型企业来说是十分理想的选择。四、有利于企业生产的扩大在现代机械制造工业中,中小批量甚至单件生产,个性化的产品占有相当大的比重,尤其是我国加入世贸组织后,成为世界性的加工基地,产品出口的增长迅速,从低附加值、劳动密集型产品逐步过度到高附加值的精密型零件的出口，高精度的数控机床起了重要的作用。数控机床是最能适应这种生产需要的。五、有利于企业的工业化水平的提高以数控机床为代表的现代基础机械是制造实现生产现代化的重要设备，数控技术水平的高低和机床的数控化率，数控设备的拥有量已成为衡量一个国家现代工业化水平的重要标志。六、有利于企业的多方面发展数控技术用于机床的改造是建立在微电子技术与传统技术相结合的基础上，具有高可靠性、柔性强，易于实现机电一体化、经济性可观等特点。为此，在旧机床上进行数控化改造可以提高机床的使用性能、降低生产成本、用较少的资金投入而得到较大的经济效益。第二章 数控化改造方案一、 改造的内容普通车床的数控化改造主要有 4 个内容：（1）车床的主轴的正、反向转数控制和实现其不同切削速度的主轴变速。 （2）车床纵横两个方向的走刀量控制。由计算机控制的电动机直接带动传动丝杠来实现。 （3）自动换刀的控制。是通过计算机控制的电动机来达到转角的目的。 （4）在加工螺纹时，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。二、改造原则确定具体改造方案的基本原则是：在满足使用要求的前提下对机床的改动尽可能少，以降低成本、增强抗干扰性。三、改造方案采用 SINUMERIK802D 数控系统，由 I/O 接口输出步进脉冲，步进电机经减速齿轮减速后带动丝杠转动，利用滚珠丝杠螺母副从而实现纵向、横向的进给运动。使用四方刀架进行自动换刀。此外，为了保证车床加工螺纹的功能和防止意外事故的发生，增加光电编码器和电路中设置了保护电路。四、进给系统改造的要求具有较高的定位精度、有良好的动态响应特性，即系统跟踪指令信号的响应要好、稳定性要好，为了确保数控机床进给的传动精度和工作稳定性。要求进给系统达到无间隙、低惯量、高刚度和高谐频率以及适应的阻尼等。第三章 介绍 CA6140 普通车床第一节 简单介绍一、机床的组成和主要技术参数1机床的组成CA6140 车床的主要组成部件由图 1 所示。1主轴箱 主轴箱 1 是一部件，由箱体、主轴、传动轴、轴上传动件、变速操纵机构、润滑密封件等组成。主轴通过前端的卡盘或者花盘带动工件完成旋转作主运动，也可以安装前尖顶通过拨盘带动工件旋转。2刀架 四方刀架装在小滑板上，而小滑板装在中滑板上，纵滑板可沿床身导轨纵向移动，从而带动刀具纵向移动，用来车外圆、镗内孔等。而中滑板相对于纵滑板作横向移动，用来带动刀具加工端面、切断、切槽等。小滑板可相对中滑板改变角度后带动刀具斜进给，用来车削内外短锥面。3、尾座 尾座 3 可沿其导轨纵向调整位置，其上可安装顶尖支撑长工件的后段以加工长圆柱体，也可以安装孔加工刀具加工孔。尾座可横向作少量的调整，用于加工小锥度的外锥面。4、进给箱 进给箱 8 内装有进给运动的传动及操作装置，通过改变进给量的大小，可改变所加工螺纹的种类及导程。 5、床身及床腿 床身 4 是机床的支承件，它安装在左床腿 7 和右床腿 5 上并支承在地基上。床身上安装着机床的各部件，并保证它们之间具有要求的相互准确位置。图 1 CA6140 车床外形图1主轴箱 2刀架 3尾座 4床身 5右床腿 6溜板箱 7左床腿 8进给箱6溜板箱 7左床腿 8进给箱床身上面有纵向运动导轨和尾座纵向调整移动的导轨。6、溜板箱 溜板箱 6 与纵向滑板（床鞍）相连，溜板箱内装有纵、横向机动进给的传动换向机构和快速进给机构等。2CA6140 车床的主要技术参数，如表 1.表 1 CA6140 车床的主要技术参数床身上最大工件回转直径 400mm刀架上最大工件回转直径 210mm最大工件长度 750、1000、1500mm主轴中心至床身平面导轨距离 205mm最大车削长度 650、900、1400mm主轴孔径 48mm正转（24 级） 101400r/min主轴转速反转（12 级） 141580r/min刀架纵向及横向进给量 各 64 种一般进给量 0.081.59mm小进给量 0.0280.054mm纵向加大进给量 1.716.33mm一般进给量 0.040.79mm小进给量 0.0140.027mm横向加大进给量 0.863.16mm刀架纵向快速移动速度 4m/min米制螺纹（44 种） 1192mm英制螺纹（20 种） 224 牙/in模数螺纹（39 种） 0.2548mm车削螺纹范围经节螺纹（37 种） 196 牙/in功率 7.5kw主电动机转速 1450r/min功率 250kw快速电动机转速 2800r/min第二节 加工范围及特点 一加工范围CA6140 车床的工艺范围很广，它能完成车削内外圆柱面、圆锥面、车削端面、各种螺纹、成形回转面和环形槽等多种多样的加工工序。也可以进行钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹、套螺纹和滚花等工作。其典型表如图 2 所示。CA6140 车床主运动由工件随主轴旋转来实现，而进给运动由刀架的横向动来完成。由于机械产品中回转表面的零件很多。车床的工艺范围又较广泛，因此 CA6140 车床使用十分广泛。二CA6140 车床的加工特点1 加工范围较大。 2 加工时，主运动是工件和旋转运动，进给运动是刀具的纵向和横向移动。3 正常情况下，在车削加工过程中，切削力比较稳定，加工比较平稳。4 在车削加工过程中切屑和刀具之间的剧烈挤压和摩擦，以及刀具与工件之间的摩擦，产生了大量的切削热，但大部分热量被切屑带走，所以 CA6140 在加工过程中一般可以不使用切削液。5 在一般情况下，这种机床多用于粗加工和半精加工。图 2 车床加工的典型零件第三节 传动系统的介绍CA6140 车床的传动系统，由主运动传动系统、车螺纹进给传动系统组成，见图3。一.主运动传动系统1.传动路线表达式 写传动路线表达式的方法是 “抓两头带中间” ，即将首件通过中间传动件将末端件联系起来，对于 CA6140 型卧式车床主运动传动链来说，即从主电动机经 130mm 带轮带动 230mm 带轮，从而带动轴，轴上有双摩擦离合器 M1，M1 向左结合，左边的 z51、z56 双联齿轮与轴一起转动，通过两对传动副 ， 传动轴实现主轴正转。M 向右结合，由 z50 与轴一起转动，z50 通5638141过轴 z34 传动轴上的 z30 实现主轴反转。M1 处于中间，则轴空转，即不传动左边的 z51 和 z56，也不传动右边的 z50，轴的运动通过轴之前的三对传动副 ， ， 传动 轴，轴有两条路线可传动主轴，即通过 轴上的 M95023，M 向左滑移至 z63 与 z50 啮合，使得轴通过 ， 直接传动主轴轴，2 2085实现主轴高速转动，即为 4501400r/min;若 M 向右结合，轴通过 ， 2 20851图 3 CA6140 车床主运动传动系统图传动轴，轴通过 ， 传动轴，轴通过 传动轴（主轴） ，其传208512658动路线表达式为二车螺纹进给传动系统CA6140 型卧式车床的螺纹进给传动系统可车削米制，模数制，英制和径节制 4种标准螺纹，另外还可以加工大导程螺纹，非标准螺纹及较精密螺纹以及右旋，左旋螺纹。车制螺纹时，刀架通过车螺纹传动链得到运动，两端件主轴，刀架之间必须保持严格的运动关系，即主轴每转一周，刀具移动一个被加工螺纹的导程 L。车螺纹传动链运动平衡式为：=L1UL丝主 轴式中 U 为主轴至丝杠间全部传动机构的总传动比；L 丝为机床丝杠的导程，CA6140型车床的丝杠导程 L 丝=12mm；L 为工件螺纹的导程（mm） 。三、纵向、横向进给机构车削内、外圆柱表面时，可使用机动的纵向进给车削端面时，可使用机动的横向进给。为了减少丝杠的摩孙和便于操作，保证螺纹传动链的精度，机动进给传动链不用丝杠及开合螺母传动。机动进给是由光杠 XIX 经溜板箱传动。从主轴 VI 至进给箱轴 XVII 上滑移齿轮 Z28 处于左位，使 脱开，从而切断进给箱与丝杠的联系。5M运动由齿轮副 及联轴节传至光杠 XIX，再由光杠通过溜板箱中的传动机构，分别2856传至齿轮齿条机构或横向进给丝杠 XXVII，使刀架做纵向或横向机动进给。溜板箱内的双向齿式离合器 及 分别用于纵、横向机动进给运动的接通、断开及控制进8M9给方向。CA6140 型卧式车床可以通过 4 种不同的传动路线来实现机动进给运动，从而获得纵向和横向进给量各 64 种。以同样传动路线传动时，横向进给量为纵向进给量的一半。1.纵、横向机动进给的传动路线表达式为2.纵向机动进给量(32 种)58361025362834028.517569fI ii m纵 基 倍主 轴0.71i基 倍3.横向机动进给量(64 种)58361025362834085973556291fI ii纵 基 倍主 轴0.i基 倍横向机动进给量为纵向机动进给量的一半。四、刀架的快速移动在 CA6140 车床上加工零件时，为了缩短辅助时间，提高生产效率：刀架可实现机动纵向、横向快速移动。按下快速移动按钮（点动控制） ，快速电机（0.25kw，2800rpm）经齿轮副 13/29 使轴 XX 高速转动，再经蜗杆副 4/29 及溜板箱内的转换机构，使刀架实现纵向或横向的快速移动，快速移动的方向由溜板箱内的双向离合器 M8 及 M9 控制。第四章 设计进给系统第一节 设计纵向进给系统纵向进给系统主要分为切削力的计算、滚珠丝杠副的选择、减速齿轮的设计、步进电机的确定等。操作步骤为：拆除原 CA6140 车床的传动机构（进给箱、溜板箱、传动丝杠、光杠、操作丝杠） ，利用原机床进给箱的安装孔和销钉孔，安装步进电机减速箱体，滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置，两端仍采用原固定方式（一端固定、一端浮动） 。由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，所以纵向进给机构整体刚性优于从前，所以采用一级齿轮减速装置。已知条件，如表 2：表 2 已知条件最大工件直径/mm最大工件长度/mm溜板及刀架重量/mm刀架快移速度m/min最大进给速度m/min滚珠丝杠导程/mm床身上床鞍上 纵向 横向 纵向 横向 纵向 横向定位精度mm主电动机功率/kw起动加速时间/ms 纵向 横向400 210750/1000800 600 2.4 1.2 0.6 0.3 0.015 7.5 30 6 5选择脉冲当量 根据机床精度要求选择脉冲当量，纵向：0.01mm/步，横向为纵向的一半，即 0.005mm/步。一、切削力的计算 车床的主电动机最大切削功率 P =P K切 主式中 P 主电动机功率，CA6140 车床 P =7.5KW主 主主传动系统效率，一般为 0.60.7，取 =0.65K进给系统功率总效率 取 K=0.96P =7.50.650.96=4.68KW切又切削力 P = 切3106cFv式中 F 主切削力（N）C V最大切削速度（m/min） 。按用硬质合金刀具半精车刚件的速度V=100m/min在外圆车削中：F =（0.15 0.7）F =28080.6=1684.8NyzF =（0.10.6）F =28080.5=1404NX二、滚珠丝杠副的设计及选型1、滚珠丝杠副的工作原理及特点 在数控机床进给系统中一般采用滚珠丝杠副来改善摩擦特性。滚珠丝杠副是一种在丝杠与螺母间装有滚珠作为中间元件的丝杠副，其结构原理如图 4 所示。为防止滚珠在工作过程中从螺母两端掉出，在螺母的螺纹滚道 4 上装有挡滚珠器 2（又叫回珠器或反向器） 。回路管道 5 将滚珠 3 引回，构成滚珠连续工作的循环通道。（1） 、滚珠丝杠副具有如下优点：传动效率高 滚珠摩擦的摩擦损失小，传动效率 =0.920.94，是普通滑动丝杠的 34 倍（=0.200.40） 。摩擦力小 因静、动摩擦因数小，因而传动灵敏、运动平稳、低速不易爬行、随动精度和定位精度高。可预紧 经预紧后可消除轴向间隙。有助于定位精度和刚度提高，既使反向也没有空行程，反向定位精度高，且传动平稳。有可逆性 因摩擦因数小，所以不仅可将旋转成直线运动，也可将直线运动转换为旋转运动，丝杠可螺母既可作为主动件，也可作为从动件。使用寿命长 滚珠丝杠副采用优质合金钢制成，去滚道表面淬火硬度达 60-60HRC，表面粗糙度值小，而且是滚动摩擦，故磨损很小、使用寿命长。因为滚珠丝杠副具有这些优点，所以进给系统我选择滚珠丝杠副图 4 滚珠丝杠副1-压块 2-挡珠器 3-滚珠 4-螺纹滚道 5-回路管道 6-螺母 7-丝杠（2） 、 滚珠丝杠副的缺点是：制造工艺复杂，成本高 滚珠丝杠、螺母、反向器等零件的加工精度和表面粗糙要求高，故制造成本高。如丝杠螺母上的螺旋槽滚道一般都要求削成形表面，工艺复杂。不能实现自锁 由于起摩擦因数小而不能自锁，特别是垂直（立式）丝杠，由于自重和惯性或因突然停断电而容易造成主轴箱等下滑，所以需要添加制动装置。2、滚珠丝杠副的循环方式 常用的循环方式有外循环和内循环两大类，滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环：始终与丝杠保持接触的称为内循环。3、滚珠丝杠的安装 为提高传动刚度，选择合理的支承结构并正确安装很重要。滚珠丝杠主要承受向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重，因此滚珠丝杠的轴向精度和刚度要求较高。在安装时，应注意调整丝杠间隙，可用百分表测出具体的间隙所在。珠丝杠副的选用 滚珠丝杠副的选择主要是工件负载必小于滚珠丝杠的额定动负载Cm(N)即必须满足 CCm。4、滚珠丝杠的承载能力的计算选择纵向进给为综合导轨，计算丝杠的最大轴向进给切削里 Fm又因为 Fm=KFf+f(Fc+w)式中 Ff、Fp、Fc切削分力（N）K颠覆里矩影响取 K=1.15F导轨上的摩擦因数取 f=0.16W移动部件的重量（N）代入式中：Fm=kFf+f(fc+w)=1.151684.8+0.16(2808+800)=2514.8N（1） 、寿命 L 最大切削里 F 的进给速度 Vs 可取最高进给速度的 1/21/5（取为1/2） ，纵向最大进给速度为 0.6m/min,丝杠导程 Lo=6mm，则丝杠转速为：n=0.6/min0.5/insVr丝杠使用寿命时间一般为 15000h，则丝杠的计算寿命 L 为L= 666/i45(10)10nTrr（2） 、载荷 Cm 当量动载荷 Cm 选用滚珠丝杠直径 do 时，必须保证丝杠工作时，在一定的轴向载荷作用下，丝杠在运转 10 转后，在它的滚珠上下产生疲劳点浊现象。这个轴向负载的最大值 Cm，即为滚珠丝杠杆副所能承受的最大当量动载荷 Cm3MwmaLFfC式中： 运转系数wf精度系数a = =14908.11N3MwmaLFfC3451.24.809根据 CCm 的原则，查 机械设计手册化学出版社出版，第三章第 3 卷， （P12-21）选取滚轴丝杆的型号为：CMD4006-2.5E 左，坐标直径为 40mm，即外循环，齿差调隙式，一圈 2.5 列。滚珠直径为 39.69mm，导程为 6mm，摩擦级选用 5 级，螺纹升角 r=arctag（L / d ）=arctg（6mm/ 40）=arctg0.047= .0024（3） 、传动功率 滚轴丝杆副的传动功率为： =tgr/tg（r+ ） = =0.940241gt式中：r丝杠的螺纹升角摩擦角。滚动丝杆副的滚动摩擦因数 f=0.003，摩擦角约等于 10所以 =10（4） 、稳定性验算临界压缩载荷，对于受压的细长的滚轴丝杆，应验算其承受最大轴向压缩载荷Fmax 时是否会产生纵向弯曲。 21maxwdfEIFlf式中 E丝杆材料弹性量，对纲 E=2.0610 N/m12L丝杠两支承端距离（m） ，L=1.5m;f 丝杠的支承方式系数，f =2.001 1f 许用稳定性安全系数，f =3wd wdI丝杠截面惯性矩（m ） I= = =0.001m44164.04d 丝杠螺纹底径（m） ，d =d -1.02d =40-1.023.969=36.02mm.1 10w = =2256.75N21axwdfEIFlf213.4.53（5） 、刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动平稳性，因此验算满载时候的轴向变形量。 丝杠的拉伸或压缩变形量 。 在总变形量中占的比重教大101lL式中 -滚珠丝杠支撑间的受力长度(mm)l-滚珠丝杠的导程(mm)0-在工作载荷作用引起的导程变化量(mm)l又 00mFLEA式中 -轴向平衡载荷-材料弹性模量 钢= 52.061(/)Nm-滚珠丝杠横截面积 A= =24d2236.018.5m= =00mFLlEA6514.820.4.719mm210.790l“+”号用于拉伸。由于两端均采用角接触球轴承且丝杠又进行了预紧，故其拉压刚度端固定的丝杠提高四倍。其实际变形为 。21.7910.44m 滚珠与螺纹接触变形量 ，此项变形占总变形量的比重也教大，当对丝杠加有预紧力且预紧力为轴向最大载荷的 1/3 时，之值可减少一半，又 2230.1mwyFdZ式中 轴向工作载荷（N）mF预紧力y滚珠直径wd滚珠数量其为圈数 K 列数 Z 每圈螺纹滚道内的滚珠数Z外循环 Z= 03wd 滚珠丝杠公称直径0= 22310.mwyFdZ 232514.8.8490.183760.96()3.96据上所诉，实际变形量为: =0.0092 支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形 3支撑滚珠丝杠的轴承为 8107 型推力轴承，几何参数 d =35mm，滚球直径1滚动体数量 =18 轴承的轴向接触变形 为：6.35QdmQZ3mm2233514.8040.0.60.7566QFmd因施加预紧力，故实际变形量mm31.751.82注意 单位为 kmFg总变形量 = + + =0.0044+0041+0.003758=0.012258123又有前面已知条件可得：0.012258mm0.015mm 的定位精度。符合要求。5、减速齿轮的设计 i根据机床设计的要求，纵向进给脉冲当量为 0.01mm，滚珠丝杠导程 L =6mm，及0初选的步进电动机的步距角 0.75 ，传动比为00.7651.234i因为 I5,故可为一级齿轮传动。I= =21Z5403因进给运动齿轮受力不大。根据机械设计基础选取第一系列中的模树 m=2 压力角=20 0d =M z=232=64mm12408mmdz分度圆直径 = +2 =m( +2 )=2(32+2 1)=68 mm1aah1z*a= +2 =m( +2 )=2(40+2 1)=842d2*ah齿顶高系数，我国标准规定：m1时，正常齿制 =1*ah *ah齿根圆径 = - =m( -2 -2 )=2(32 2-2 0.25)=591ff1z*ac= - =m( -2 -2 )=2(40 2-2 0.25)=75.22*顶隙系数 我国标准规定：1 mm 时，正常齿制 =0.25*c *c 齿宽 b= 为了减小加工量，也为了装配和调整方便，大齿齿宽应小于齿d1轮齿宽，取 ，则2b12(50)mb取 =1 所以 d.6432128所以减速齿轮参数为： 1211 264,38,40mdz大小齿轮的材料均为 40 合金钢，考虑到对传动要求和制造方便采用直齿传rG动从动齿轮齿轮错齿轮法消除和间隙，热处理采用调压处理，小齿轮硬度，大齿轮：硬度2ssHB0sSHB三、步进电动机的选择1、计算负载惯量的意义惯量匹配条件 惯量匹配是指进给系统负载惯量与伺服电动机转子惯量相匹配。 条件是：1 4MJ式中： 伺服电动机转子的转动惯量（ ）可有伺服电动机技术手册2.kgcm查出。J负载惯量（ ） ，即进给系统（传动轴、齿轮、工作台等）折2.kgcm算到伺服电动机上全部负载转动惯量。2、负载惯量的计算参考同类型机床，初步选用反应式步进电动机 150BF002，其电动机转动惯量=10 。传动系统折算到步进电动机轴上的等效转动惯量为：MJ2.kgcm（1） 、齿数 Z 、Z 折算到步进电动机轴上的转动惯量为：1 34 534 317.810/(6.)210.2/332g gdLkcmckcm32 867J （2） 、丝杠折算到步进电动机轴上的转动惯量 从表查得 1m 的丝杠的 =15.45MJ.kgcmJ =15.451.5 =23.175S2.kgcm2.kgc（3） 、等效转动惯量为：J=J + 1220()()SLZWJG=3.21+ ( =22.5312 280.6)6.73.5)()409.34 2.kgcm2.kgc3、负载转矩计算及最大静转矩的选择 机床在不同的共况下，其所需转矩不同，（1）快速空载起动时所需转矩是：将已知数据代入， =500r/minmax024.7536.1360bpvn考虑了电动机转子的转动惯量以后，传动系统折算的电动机轴上的总转动惯量 J =J +J=10+22.531 =32.531总 M2.kgc2.kgcM =567.77N amnxmax10356Jt总 250/min16.3rS折算到电动机轴上的摩擦力矩=55.15 N.cm/0021().6(280).2.15CfFLfWLZi附加摩擦力矩 /22 2000 21.6(80).6()() (10.9)314.5mpoLfFLMZi =3.259N.cm则 M =M +M +M =567.77N.cm+55.15N.cm+3.259N.cm=626.179N.cm起 amxf0（2）快速移动时所需力矩 M快M =M +M=55.15N.cm+3.259N.cm=58.409N.cm快 f（3）最大切削负载时所需力矩 M 切=M +M+ =55.0ft切 f 140.65.13.2592 825NcmcNcmitoFL15N.cm+3.259 N.cm+134.14N.cm=192.549N.cm从上面计算看出 M 、M 、M 三种情况下，以快速空载起动时所需转矩最大，起 快 切以此项作为初选步进电动机的依据。查资料得，步进电机为五项十帕时， max0.951qj步进电动机最大静转矩 =maxj 62.78.46.80.951Ncm起按次最大静力矩，150BF002 型步进电机最大静转距为 13.72 大于所需最大静力矩，可作为出选型号。但还得考虑电机起动频率特性和运行矩频特性。步进电机的空载起动频率：max1002.4/min4061kpVf Hz.6/iSef150BF002 型反应式步进电动机允许的最高空载启动频率为 2800 ，允许的最Hz高空载运行频率为 8000 。Hz由图 5 步进电动机起动矩频特性可看出，当步进电动机起动时，f 起 =2500HZ 时，M=100N，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（633.84N） ，直接使用会产生失步现象，所以必须采取升降速控制（可用软件实现） ，将起动频率降到1000HZ时，起动扭矩可增高到 588N，然后在电路上再采用高低压驱动电路，可将步进电动机输出转矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，由 150BF002 步进电机起动矩频特性图 18（b）知该电动机能满足要求，根据上述计算综合分析，纵向进给系统采用 150BFOO2 步进电动机能满足要求。第二节 横向进给系统的设计横向进给系统主要分为切削力的计算、滚珠丝杠副的选择、减速齿轮的设计、步进电机的确定等。改造步骤：保留原手动机构，用于微机进给和机床刀具对空操作；保留原有的支承机构；步进电机、齿轮箱体安装在机床后侧，为了便于安装滚珠丝杠。副丝杠轴采用分移式，然后用套筒刚联接。采用双片齿轮错齿法消除齿轮副间隙，并在溜图 5 150BF002 步进电机起动矩频特性a) 起动矩频特性 b)运行矩频特性板箱上安装了纵横向进给按钮和急停按钮，以适应机床调整时的操作和意外事故的紧急处理。一、切削力的计算F =（0.10.6）F =28080.5=1404NXz二、滚珠丝杠副的设计及选型1、选择纵向进给为燕尾性导轨，计算丝杠的最大轴向进给切削里 Fm又因为 Fm=KFf+f(Fc+2F +W)P式中 Ff、Fp、Fc切削分力（N）K颠覆里矩影响取 K=1.4F导轨上的摩擦因数取 f=0.2W移动部件的重量（N）代入式中：Fm= KFf+f(Fc+2P+W)=1.41684.8+0.2(2808+21404+600)=3353.28N2、寿命 L 最大切削里 F 的进给速度 Vs 可取最高进给速度的 1/21/5（取为1/3） ，纵向最大进给速度为 0.6m/min,丝杠导程 Lo=6mm，则丝杠转速为： r/min010.3125vsnL丝杠使用寿命时间一般为 15000h，则丝杠的寿命 L 为L= = =1861T62103、载荷 Cm 当量动载荷 Cm 选用滚珠丝杠直径 do 时，必须保证丝杠工作时，在一定的轴向载荷作用下，丝杠在运转 10 转后，在它的滚道上下产生疲劳点浊现象。这6个轴向负载的最大值 Cm，即为滚珠丝杠杆副所能承受的最大当量动载荷 Cm3MwmaLFfC式中： 运转系数f精度系数a = =14646.56N3MwmaLFfC318.53.2809根据 CCm 的原则，查 机械设计手册化学出版社出版，第三章第 3 卷，选取滚轴丝杆的型号为：CMD2505-2.5E 左，坐标直径为 25mm，即外循环，齿差调隙式，一圈 2.5 列。滚珠直径为 39.69mm，导程为 6mm，摩擦级选用 5 级，螺纹升角r=arctag（L / d ）=arctg（6mm/ 40）=arctg0.047= 。002434、传动功率 滚轴丝杆副的传动功率为： =tgr/tg（r+ ）= =0.965023(1)gt式中：r丝杠的螺纹升角摩擦角。滚动丝杆副的滚动摩擦因数 f=0.003，摩擦角约等于10所以 =10 5、稳定性验算（1）临界压缩载荷，对于受压的细长的滚轴丝杆，应验算其承受最大轴向压缩载荷Fmax 时是否会产生纵向弯曲。 21maxwdfEIFlf式中 E丝杆材料弹性量，对纲 E=2.0610 N/m12L丝杠两支承端距离（m） ，L=0.45m;f 丝杠的支承方式系数，f =2.001 1f 许用稳定性安全系数，f =3wd wdI丝杠截面惯性矩（m ） I= = = m44164.02557.814d 丝杠螺纹底径（m） ，d =d -1.02d =20-1.023.175=16.7615mm.1 10w = =4680.6N21axwdfEIFlf21523.4.7.8536、刚度验算（1） 、丝杠的拉伸或压缩变形量 。 在总变形量中占的比重教大 .10lL式中 滚珠丝杠支撑间的受力长度(mm)l滚珠丝杠的导程(mm)0在工作载荷作用引起的导程变化量(mm)l又 00mFLEA式中 轴向平衡载荷材料弹性模量 钢= 52.061(/)Nm 滚珠丝杠横截面积 A= = A21()4dm2216.70.5m= = 00mFLlE635.2810.43.90mm4 210.691l“+”号用于拉伸。由于两端均采用角接触球轴承且丝杠又进行了预紧，故其拉压刚度端固定的丝杠提高四倍。其实际变形为 。213.10.834m（2） 、滚珠与螺纹接触变形量 ，此项变形占总变形量的比重也教大，当对丝杠加有预紧力且预紧力为轴向最大载荷的 1/3 时，之直可减少一半，又 22310.mwyFdZ式中 轴向工作载荷（N）m预紧力y滚珠直径wd滚珠数量其为圈数 K 列数 Z 每圈螺纹滚道内的滚珠数Z外循环 Z= 03wd 滚珠丝杠公称直径0= 223.1mwyFZ 2353.84.35960.18170.1764().7据上所诉，实际变形量为: =0.0092(3)、支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形 3支撑滚珠丝杠的轴承为 8107 型推力轴承，几何参数 d =15mm，滚球直径1滚动体数量 =12 轴承的轴向接触变形 为：4.76QdmQZ3mm22333 5.800.40.425.0.69761QFmd因施加预紧力，故实际变形量mm31.69.2注意 单位为 kmFg总变形量 = + + =0.0083+0.009+0.0336=0.0509mm123又有前面已知条件可得：0.0509mm0.015mm 的定位精度。显然，此变形量已大于定位的要求，不符合要求;要进行修改。因横向留板空间限制，不宜再加大滚珠丝杠直径，故采取贴速导轨减小摩擦力，从而取减小最大牵引力。计算丝杠的最大轴向进给切削里 Fm又因为 Fm=KFf+f(Fc+2F +W)P式中 Ff、Fp、Fc切削分力（N）K颠覆里矩影响取 K=1.4F导轨上的摩擦因数取 f=0.03W移动部件的重量（N）代入式中：Fm= KFf+f(Fc+2P+W)=1.41684.8+0.03(2808+21404+600)=2545.2N、丝杠的拉伸或压缩变形量 。 在总变形量中占的比重教大 .101lL式中 滚珠丝杠支撑间的受力长度(mm)l滚珠丝杠的导程(mm)0在工作载荷作用引起的导程变化量(mm)l又 00mFLEA式中 轴向平衡载荷材料弹性模量 钢= 52.061(/)Nm滚珠丝杠横截面积 A= = 24d2216.70.5m= =00mFLlEA654.210.4.80mm210.851l“+”号用于拉伸。由于两端均采用角接触球轴承且丝杠又进行了预紧，故其拉压刚度端固定的丝杠提高四倍。其实际变形为 。21.510.634m、滚珠与螺纹接触变形量 ，此项变形占总变形量的比重也教大，当对丝杠加有2预紧力且预紧力为轴向最大载荷的 1/3 时，之直可减少一半，又 2230.1mwyFdZ式中 轴向工作载荷（N）m预紧力yF滚珠直径wd滚珠数量其为圈数 K 列数 Z 每圈螺纹滚道内的滚珠数Z外循环 Z= 03wd 滚珠丝杠公称直径0= 223.1mwyFZ 323254.0876.140195.1768()3.7据上所诉，实际变形量为: =0.0072、支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形 3支撑滚珠丝杠的轴承为 8102 型推力轴承，几何参数 d =15mm，滚球直径1滚动体数量 =12 轴承的轴向接触变形 为：4.763QdmQZ3mm22354.00. 0.42.0.56761QFmd因施加预紧力，故实际变形量mm31.5.22注意 单位为 kmFg总变形量 = + + =0.0063+0.007+0.0253=0.0383123又有前面已知条件可得：0.0383mm0.015mm 的定位精度。此变形量仍不能满足要求，如果将滚珠丝杠再经过预拉伸，刚度还可以提高四倍，则总变形量 = 0.015。0.8.954此变形量满足设计要求三、减速齿轮的设计根据机床设计的要求，纵向进给脉冲当量为 0.005mm，滚珠丝杠导程 L =5mm，0及初选的步进电动机的步距角 0.75 ，传动比为00.75302.43615i因为 I5,故可为一级齿轮传动。I= =21Z305因进给运动齿轮受力不大。根据机械设计基础选取第一系列中的模树 m=2 压力角=20 0d =M =215=30mm1z2306mmd分度圆直径 = +2 =m( +2 )=2(15+2 1) =34 mm1adah1z*a= +2 =m( +2 )=2(30+2 1)=6422齿顶高系数，我国标准规定：m1时，正常齿制 =1*ah *ah齿根圆径 = - =m( -2 -2 )=2(15 2-2 0.25)=501ff1z*ac= - =m( -2 -2 )=2(30 1-2 0.25)=502dh2顶隙系数 我国标准规定：1 mm 时，正常齿制 =0.25*c *c齿宽 b= 为了减小加工量，也为了装配和调整方便，大齿齿宽应小于齿d1轮齿宽，取 ，则2b12(50)mb取 =1 所以 d.15.1223所以减速齿轮参数为： 1211 230,5.,60,5,30mmmddz大小齿轮的材料均为 40 合金钢，考虑到对传动要求和制造方便采用直齿传rG动从动齿轮齿轮错齿轮法消除和间隙，热处理采用调压处理，小齿轮硬度，大齿轮：硬度230ssHB50sSHB四、步进电动机的选择1、计算负载惯量的意义参考同类型机床，初步选用反应式步进电动机 130BF001，其电动机转动惯量=10 。传动系统折算到步进电动机轴上的等效转动惯量为：MJ2.kgcm(1)、齿数 Z 、Z 折算到步进电动机轴上的转动惯量为：1 34 534 3117.810/0.510278/3232g gdLkcmckcm3646J (2)、丝杠折算到步进电动机轴上的转动惯量 从表查得 1m 的丝杠的 =0.84MJ2.kgcmJ =0.841.5 =1.26S2.kgcm2.kgc(3)、等效转动惯量为：J=J + 1 202()()SLZWJG=0.278+ ( =2.42 21560.5)4)()309.83142.kgcm2.kc2、负载转矩计算及最大静转矩的选择 机床在不同的共况下，其所需转矩不同，(1) 快速空载起动时所需转矩是：将已知数据代入， =500r/minmax012.7536.360bpvn考虑了电动机转子的转动惯量以后，传动系统折算的电动机轴上的总转动惯量 J =J +J=10+2.4 =12.4总 M2.kgc2.kgcM amnx2max1046t总 2.m2max1046nJNcmtA总折算到电动机轴上的摩擦力矩=25.10N.cm/0021().(80).522.CfFLfWLZi附加摩擦力矩 /22 2000 21.4(806).()() (10.9)3.1mpoLfFLMZi =7.56N.cm则 M =M +M +M =12.4N.cm+25.10N.cm+7.56N.cm=45.06N.cm起 amxf0（2）快速移动时所需力矩 M快M =M +M=25.10 N.cm +7.56 N.cm =32.66N.cm快 f（3）最大切削负载时所需力矩 M 切=M +M+ =25.10N.c0ft切 f 140.525.107.5628NcmcNcmitoFLm+7.56 N.cm+69.88N.cm=102.54N.cm从上面计算看出 M 、M 、M 三种情况下，以最大切削负载时所需转矩最大，起 快 切以此项作为初选步进电动机的依据。查资料得，步进电机为五项十帕时， max0.951qjM步进电动机最大静转矩 =maxj 12.47.80.95Nc起其次最大静力矩，130BF001 型步进电机最大静转距为 9.31 大于所需最大静.m力矩，可作为出选型号。但还得考虑电机起动频率特性和运行矩频特性。步进电机的空载起动频率： max1001.2/min4065kpVf Hz.6/i1Sef电动机允许的最高空载启动频率为 3000 ，最高空载运行频率为 16000 。z Hz由图 6 步进电动机起动矩频特性可看出，当步进电动机起动时，f 起 =2500HZ 时，M=100N.满足此机床所要求的空载起动力矩，所以必须采取升降速控制（可用软件实现） 。当快速运动和切削进给时，由 150BF002