【JG003】C6140车床数控化改造之机械系统改造[2A0]
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【JG003】C6140车床数控化改造之机械系统改造[2A0],jg003,c6140,车床,数控,改造,机械,系统,a0
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山东大学 毕业设计（论文） 题 目： 床数控化改造之机械系统改造 专 业： 机电一体化工程 学生姓名 ： 准考证号： 指导老师： 毕业设计（论文）时间： 年 月 日 年 月 日 山东大 学本科生毕业设计（论文 ） 1 摘要 机床工业是机器制造业的重要部门，是使现代化工业生产具有高生产率和先进的技术经济指标的保证。设计机床的目标就是选用技术先进、经济效果显著的最佳可行方案，以获得更高的经济效益和社会效益。 车床 控化的改造 是对我国现阶段生产车床的先进技术和数字控制技术的应用。其主要对机械传动部分、 统的设计和对电动机的选择。进给运动采用步进电机开环控制系统，对主轴转速进行数字控制，从而实现机床的完全数字化。在加工过程中实现变速，满足在加工过程中，不同加工精度范围对转速的要求。数控系统采用廉价的单片机控制技 术，以满足普通加工机床对价格的要求。本次设计的重点及难点：机械方面在于数控机床的主传动，由于车床为满足不同的加工要求，对机床的极数要求较为严格，对于较高精度的加工要求，部件的受力变形和热变形对主轴加工精度产生较大的影响，对传动的方式需进行一些调整和改造。数字控制技术方面，利用单片机技术知识，而要完成较多的端口部件的控制。改造后，使机床的技术性能达到要求，确保数控设备高精度、高性能、高效率的优点，满足各种通用加工的需要。 关键词： 步进电机 单片机 主传动 受力变形 热变形 山东大 学本科生毕业设计（论文 ） 2 is an is to a is to a to 6140s at of of of in to to to in of of CU to of is to NC is as to of of a on in of of to so s to to to of a of 录 山东大 学本科生毕业设计（论文 ） 3 前言 . 1 . 10 1 1 对机床改造的方案 . 10 1 2 实现的目标 . 11 . 错误 !未定义书签。 2 1 机械部分的数控化改造 . 错误 !未定义书签。 2 2 进给传动系统的改造 . 错误 !未定义书签。 2 2 1 改造要求 . 错误 !未定义书签。 2 2 2 进给机构的改造 . 错误 !未定义书签。 2 2 3 导轨副的改造 . 错误 !未定义书签。 2 3 纵向（向）进给系统改造 . 错误 !未定义书签。 2 3 1 改造要求及目标 . 错误 !未定义书签。 2 3 2 纵向进给系统的设计 . 错误 !未定义书签。 2 3 3 切削力的计算 . 错误 !未定义书签。 2 3 4 滚珠丝杠设计计算 . 错误 !未定义书签。 2 3 5 有关齿轮计算 . 错误 !未定义书签。 2 3 6 转动惯量的计算 . 18 2 3 7 所需转动力矩的计算 . 18 2 4 横向（ Y 向）进给系统设计与计算 . 19 2 4 1 切削力计算 . 20 2 4 2 滚珠丝杠设计计算 : . 20 山东大 学本科生毕业设计（论文 ） 4 2 4 3 齿轮及转矩的计算： . 21 2 4 4 转动惯量的计算 . 22 2 4 5 所需转动力矩的计算 . 错误 !未定义书签。 25 3 1 步进电机选用的基本原则 . 错误 !未定义书签。 3 2 步进电机的选择 . 错误 !未定义书签。 4分析误差来源 . 错误 !未定义书签。 4 1 机械结构原因 . 错误 !未定义书签。 4 2 齿轮副误差补偿分析 . 错误 !未定义书签。 4 3 滚珠丝杠副误差补偿分析 . 错误 !未定义书签。 结论 . 错误 !未定义书签。 致谢 . 29 参考文献 . 30 山东大学本科生毕业设计（论文） 1 前言 由于现代工业的飞速发展，普通机床已经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，不仅资金投入太大成本太高，而且原有设备的闲置又会造成极大的浪费。 但从目前企业面临的情况看，因数控车床价格较高，一次性投资较大使企业心有余而力不足， 所以最经济的办法，就是对原有设备进行经济型数控改造。这样既可以提高生产率，改善加工工艺还可以减少资金投入。因此此方法对于中小型企业是十分有效的。 该课题来源于生产实践的需要，利用大量闲置旧机床，对其进行数控化改造后，将成为一种高效的、多功能的经济型数 控机床，是一种推陈出新、盘活存量资金的有效办法，是低成本自动化的必由之路。 中小型企业为了发展生产，常希望对原有旧车床进行改造，实现数控化、自动化。经济型数控车床系统就是结合现实的生产实际，结合我国国情，在满足系统基本功能的前提下，尽可能降低价格。价格便宜、性能价格比适中是其最主要的特点，特别适合在设备中占有较大比重的普通车床改造，适合在生产第一线大面积推广。 数控技术及数控机床是以数控系统为代表的新技术，对传统机械制造产业的渗透形成的机电一体化产品：数控机床，其技术范围涉及很多领域： 机械制造技术；信息处理 技术；自动控制技术；伺服驱动技术；传感器技术；软件技术等。 机床数控化改造的必要性、目的和背景 （ 1） 微观看改造的必要性 1） 可以加工出传统机床加工不出来的曲线 、曲面等复杂的零件。 2） 可以实现加工的柔性自动化， 大大提高加工 效率 。 3） 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不需要 再 “ 修配 ” 。 4） 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 5） 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。 6） 降低了 工人的劳动强度，节省了劳动力 ， 减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。 山东大学本科生毕业设计（论文） 2 此外，机床数控化还是推行 性制造单元）、 性制造系统）以及 （计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。 （ 2） 宏观看改造的必要性 从宏观上看，工业发达国家的机械工业，由于对 其 机械工业进行 信息化 改造，使得他们的产品竞争力大为增强。而 我国在这方面 比发达国家约落后 近 20年 ， 数控化 利用 率 极低 。这也说明了数控化改造的必要性。 进行经济型数控机床开发，是符合我国国情的有效的 机床更新途径，增加国家经济效益。 在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中，企业需要迅速地开发出新产品，以低价、高质量、新功能的产品快速满足市场需求的变化。而数控机床最适宜加工小批量、多品种、高精度、形状复杂、生产周期短的零件。数控机床的柔性化加工，符合产品频繁变化的要求。 国内外数控系统发展状况 目前，数控技术正由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上， 数控 系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，实现了高 速、高精、高效控制 ； 加工过程中可自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化上， 床联网，实现了中央集中控制的群控加工。 而 我国的数控系统为传统的封闭式体系结构， 能作为非智能的机床运动控制器。 间没有反馈控制环节，整个制造过程中 是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正 的设定 量，因而影响 所以 ，对数控技术实行变革势在必行。 数控技术发展趋势 数控系统的伺服驱动从直流向交流全数字式转变，系统体系结构从封闭向开放转变，控制系统由专用计算机向通用计算机转变，能根据控制对象迅速、灵活地更改软硬件，具有联网通信功能等，主要就是： 1、智能化 2、网络化 3、集成化 4、微机电控制系统 5、数字化 1） 性能发展方向 山东大学本科生毕业设计（论文） 3 随着柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高要求。当今数控机床信息化正朝着以下几个方面发展。 (1)高速高精高效化 。 采用高速芯片、多 并 改善机床动、静态特性等有效措施。 (2)工艺复合性和多轴化 。 指一次装夹后，完成多工序、多表面的复合加工 ， 以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工 。 （ 3)实时智能化 。 现代数控机床的智能化发展将通过快速作出实现最佳目标的智能决策，对机床的工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态。 以 数控编程自动化 为基础 。 （ 4） 发展可靠性最大化。 它 采用更高集成度的电路芯片，同时通 过自动运行诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。 (5)柔性化 。 包含两方面：数控系统本身的柔性；群控系统的柔性 。 2）功能发展方向 (1)用户界面图形化 。 图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。 (2)科学计算可视化 。 可视化技术与虚拟环境技术相结合， 实现 无图纸设计、虚拟 样机技术等， 从而 缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本。在数控技术领域，可视化技术可用于 (3)插补和补偿方式多样化 。插补如 直线插补、圆弧插补等。补偿功能如间隙补偿、螺距和测量系统误差补偿、带平滑接近和退出刀具半径补偿等。 (4)内装高性能 数控系统内装高性能 制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。 (5)多媒体技术应用 。 可以做到信息处理综合化、智能化 。 3) 体系结构的发展 （ 1） 集成化 、 模块化 采用高度集成化 和大规模可编程集成电路以及专用集成电路 东大学本科生毕业设计（论文） 4 芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。 （ 2） 网络化 机床联网可进行远程控制和无人化操作。 通用型开放式闭环控制模式 ， 采用 此模式 易于将实时智能技术、网络技术、多媒体技术、服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等融于一体，从而实现集成化、智能化、网络化。 (3)智能化新一代 控系统 它将各 高新技术融于一体，形成严密的制造过程闭环控制体系。 我国机床行业已拥有自主知识产权和从低档到高档次的产品，但是，我国数控机床领 域与美国、日本和欧洲还有相当的差距。 目前，越来越多的企业都在推广和普及使用数控车床。为降低设备采购成本，一些中小企业通过将普通车床改造为数控车床，不但可以取得较好的应用效果，还可以充分利用旧的普通车床，从而延长了设备的使用寿命，提高了设备的利用率。为使数控改造取得满意的效果，在改造过程中应注意以下几个方面问题。 1 ）普通车床改造的工艺流程 一般情况下，机床可以保留的部分包括主轴箱，床身，大、中溜板，尾座等。机床改造前，应先将要改造的机床进行大修处理，大修处理范围包括：主轴箱传动精度调整，主轴径向跳动及轴 向窜动精度修复，机床导轨平面度及直线度、卡盘装夹精度调整等，达到一定精度要求后再进行数控改造。数控改造部分包括增加数控装置， X， 装 X， 加必要的控制电器、开关，冷却液及润滑装置改造等。 2 ）数控装置和驱动方式的选择 一般情况下，数控改造有 2种方案： （ 1）步进电机的开环系统方案，系统中没有反馈电路，不带检测装置，控制指令单向传递，系统对工作台的实际偏差不能修正，控制精度取决于步进电机的步进精度和传动机构的精度，其控制精度不高。 （ 2）采用伺服电机 的半闭环系统，检测元件装在电机轴或丝杠轴的端部 (一般是集成在伺服电机内 )，系统的闭环控制环内不包括机械传动环节，反馈的仅是进给传动系统的部分误差，一般是电机轴或丝杠轴的角位移、角速度经转换处理后成为工作台的实际位 山东大学本科生毕业设计（论文） 5 移，由于采用高分辨率的反馈检测元件 (主要是编码器 )，且传动部位具有补偿功能，因此，可以获得比较满意的精度与速度。 二种方案相比交，前者经济性好，后者则加工精度较高。采用哪种方案关键要看加工对象的精度要求，如果能够满足零件的加工精度要求，应优先采用步进电动机的开环方案，既可以保证零件的加工质量及精度 ，又可以有效的降低改造成本。此外，数控装置的控制精度一定要和电机以及滚珠丝杠精度匹配，这样才能实现最佳的加工效果。目前，国内一些数控品牌如广州数控、四维数控、华中数控、新方达等采用步进电机的数控装置都将 造起来非常方便，控制精度也比较高，许多品牌和型号已经可以达到微米级的控制精度，有着较高的性价比，可以优先选用。数控装置要求数控装置的选择是数控改造的关键，性能过高，功能过多，会造成改造成本的增加，反之如果性能较低，功能较少，则不一定能够满足加工需要，因此，需要结合零件的性能要求和基本 属性进行合理选用。 驱动器和驱动电机 如果采用步进电机驱动方案，驱动器和驱动电机可采用三相混合式步进电机驱动器和驱动电机 (目前国内一些品牌驱动器已采用五相混合式 )，驱动器结构一般为高速单片机嵌入式，通过优化电路，提高控制性能；驱动方式采用 宽调制 )恒流斩波控制，三相正弦波电流输出，并提供零位信号输出；应具备矢量细分技术，电机每转细分应不小于 12 000脉冲 (0 03。 )以确保驱动精度的可靠性，并具备完善的过载、过热、过压、短路等保护功能；控制精度要与 精度相匹配；功放电压应达到 ，以确保电机高速运转时仍有高转矩输出；具备掉电相位记忆功能，驱动断电后自动记忆当前相位；位置脉冲方式为单双脉冲控制，整半步运行模式；步进电机要求低速运行平稳，最高转速不小于 1 500 r 满足高速加工的需要；额定功率、额定转矩、最大转矩可视比，可以优先选用。 滚珠丝杠的选用和安装 按照循环结构来分，滚珠丝杠可以分为内循环式和外循环式，其中内循环式又可分为浮动式法兰型螺母结构，浮动式法兰、直筒型垫片预紧螺母结构 ，浮动式法兰、直筒型螺纹预紧螺母结构等；外循环式包括插管埋入式法兰型螺母结构，插管埋入式法兰、直筒型垫片预紧螺母结构。经济型数控改造方案最常用的是内循环浮动式法兰型螺母结构滚珠丝杠，该种 山东大学本科生毕业设计（论文） 6 结构的丝杠具有成本低，传动精度可靠的优点，缺点是能够承受的额定静、动载荷较低，不适合大余量强力切削。滚珠丝杠的精度一般可以分为 7个等级，即 1， 2， 3， 4， 5， 7， 10级，1级精度最高，依次逐渐降低，选择的原则也要结合加工零件的精度要求以及与数控装置和电机的控制精度相匹配。一般情况下，传动精度主要有 2个指标，即行程偏差和行程变 动量。虽然数控系统可以对滚珠丝杠传动误差进行补偿，但从应用角度来讲，丝杠的传动精度要求也不能过低。对于一般使用要求，滚珠丝杠在任意 300 05程偏差小于 0 02 样才能确保整个工艺系统的改造精度。滚珠丝杠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值，在加工程序中予以补偿或重新调整丝杠间隙。丝杠两端轴承座及其连接处刚性要好，否则易产生丝杠轴向窜动，造成工件加工过程中轴向或径向尺寸不稳定。 主轴调速改造 普通机床进行数控改造时主轴调速一般有自 动和手动 2种方案可供选择，自动方案是主轴电路上增加主轴变频器，通过在程序中指令设定，调整变频器输出频率，从而达到改变电机运行频率和速度的目的，采用变频器变频的最大优点是可以采用机床原来的主轴普通电机，方便的进行转速调控，因而改造成本较低；缺点是普通电机通过变频在较低转速运行时，运行稳定性较差，不利于提高零件的加工精度，因此，采用此种方法进行主轴变速时不能设定太低的转速。如果零件加工确实需要在低转速情况下进行，且加工精度有一定要求，则应将主轴电机更换为专用变频电机。如果采用手工变速方案，则不需要对主轴传动系统 的电路做任何改制，只需要在变速的程序段指令前加暂停指令 (O)，使机床暂时停止运行，手工调整主轴箱转速后，继续执行后面程序指令加工零件即可。 数控装置应具备以下基本性能要求。 1） 硬件的要求 数控装置应能满足交流伺服、混合式步进、反应式步进等多种驱动系统的要求。采用 16位以上的 频速度较高，大规模的 确保复杂曲面的插补计算速度；液晶显示屏幕可尽量大一些，以方便进行编程、数据的观察；中文菜单全屏幕编辑，具备快捷键功能，操作简单；具有试刀、对刀功能，可实现任意点起动，任意点 结束；具有刀补、换刀、主轴倍率、进给倍率功能；若对切削有特殊需要，还应考虑增加 D 山东大学本科生毕业设计（论文） 7 使之满足恒线速切削要求。 2） 对性能的要求 控制精度应小于 0 01 工程序存储量应不小于 32 作状态应包括文件管理、空运行、手动、自动、回零、 程方式包括增量编程和绝对编程，能实现各坐标反向间隙补偿及刀具补偿；可实现直线插补、圆弧插补、螺纹插补、循环加工等基本 满足零件结构多样化加工需要； T(刀具 )功能完备，一般应具有 8刀位控制， 8组刀补 功能，并可实现换刀偏置、试切对刀、自动补偿等功能； 可实现 4个停止指令 (主轴正反转、发信、程序跳转、子程序调用等。 3 ）对通信接口的要求 由于数控装置程序存储量有限，为方便地实现程序的输入、输出和外部存储，数控装置上最好具有通信接口，常用的 4 ）对参数设定功能的要求 参数设定功能应包括设定工件号、快进速度、刀架反转时间、主轴最高转速、顺序号增量、间隙补偿、换刀偏置等，通过对上述参数的设置，可使编程及对丝杠和刀具参数的设置更加 方便，有利于加工效率和加工精度的提高。 5 ）文件管理功能 基本的文件管理功能应包括程序段号、容量的显示，可以使程序段清晰并及时提醒操作者对程序进行管理；全屏幕程序编制、检查和修改使编程操作舒适方便；程序诊断、复制、删除等功能，可实现程序管理的简便以及对程序的校验和相似程序的复制修改。 6） 对通信接口的要求 由于数控装置程序存储量有限，为方便地实现程序的输入、输出和外部存储，数控装置上最好具有通信接口，常用的 7） 对参数设定功能的要求 参数设定功能应包括设定工件号、快进速 度、刀架反转时间、主轴最高转速、顺序号增量、间隙补偿、换刀偏置等，通过对上述参数的设置，可使编程及对丝杠和刀具参数的设置更加方便，有利于加工效率和加工精度的提高。 山东大学本科生毕业设计（论文） 8 8) 冷却液及润滑系统改造 一般情况下，不需要对机床原来的冷却系统进行特殊改动，从经济性上考虑，可以采用手工打开却液泵进行加工过程中零件的冷却，如果有特殊要求，一般 通过 现冷却液的自动开关。机床润滑系统改造可以采用加装润滑泵，通过滑时间可设定为工作若干时间进行润滑加油的 定时润滑方式，这样可极大地降低手工润滑的劳动强度，提高设备的保养水平。 9)电器系统改造 如果改造的车床使用年限已经较长，可以利用数控改造将现有的电器部分进行更新。如果设备没有特殊的功能要求，电器改造比较简单，主要增加的电器元件包括主轴、丝杠电机变压器， X， 动刀架控制器，以及必要的控制开关、继电器等，若主轴有变速需要，则需要增加变频电机或变频器。 10)数控改造后机床应达到的基本技术要求 无论是采用步进电机的开环系统还是采用伺服电机的半闭环系统，数控改造后机床的主要技术性能必须满足如下要求： 床身导轨平行度 可知，主切削力 表得： 88880 则可计算 表 2-2 ap(2 2 2 3 3 3 f(Z(N) 1125 1524 1891 1687 2287 2837 当 520削深度 刀量 f=次参数作为下面计算的依据。 从机床设计手册中可知，在一般车削外圆时： Z = Z= 3 4滚珠丝杠设计计算 综合导轨车床丝杆的轴向力： P=K FX+f”() 式中 K+1015， f = K= 则： P=00） =1)强度计算 ： 寿命值 006 Ni=n 主 f/000 取工件直径 D=80表得 5000h 山东大学本科生毕业设计（论文） 16 则： 00*100*0*6)=20r/i=18 最大动负载 Q= 表得运转系数 硬度系 数 则 Q=318 *据最大动负载荷 Q 的值，可以选择滚珠丝杠的型号。参照汗江机床厂的产品样本选取珠丝杠直径为 32 ,型号为 5 额定动载荷是 10689N，所以强度足够。 (2)效率计算 根据机械原理公式，丝杠螺母副的传动效率 为： )(/ 式中 摩擦角 =10 螺旋升角 3 25 )(/ 3)刚度验算： 滚珠丝杠工作负载 p 引起的道程变化量 L 1=中 E=166N/珠丝杠截面积 F= )2(=（ ）2 = 10珠丝杠受扭拒引起的导程变化量很小，可忽略，即 L= 以：导程变形总误差 为 =100/ L=100/0m/m 山东大学本科生毕业设计（论文） 17 查表知 1 15 m/m,故刚度足够。 (4)稳定性验算 ： 由于机床原丝杆直径为 30选用的滚珠丝杠直径为 32撑方式不 变，所以稳定性不存在问题，可不进行验算。 2 3 5有关齿轮计算 传动比 I= 60 P=(360*轮材料极其许用应力的确定： 小齿轮用 45#表面淬火 齿面硬度为 45齿轮用 45#调质处理，表面硬度为 220 因 120 50H=故 1190 500 40 90 185 146面接触强度设计 设齿轮按 8级精度选，取载荷系数 K= a=取 2 3*0 满足误差要求，取齿轮压力角 a=200粗选模数 m=2则 小齿轮直径 d1=m 4齿轮直径 d2=m 0mm 68mm 68心距 a=m(2)/2=72宽为 山东大学本科生毕业设计（论文） 18 大齿轮 a*a=30齿轮 5(补偿安装误差 ) 2 3 6转动惯量的计算 工作太折算到电机轴上的转动惯量： 180 P/ ） 2W=（ 180*2*80=杠的转动惯量： 0轮的转动惯量： 0=04*2=机的转动惯量很小可忽略。 因此总的转动惯量： J=（ + 3 7所需转动力矩的计算 快速空载启动时所需力矩 M=f+大切削负载所需力矩 M=f+t 快速进给时所需力矩 M= 0 式中 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩： 折算到电机轴上的摩擦力矩： 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附 加摩擦力矩： 切削时折算到电机轴上的加速度力矩： 折算到电机轴上的切削负载力矩。 山东大学本科生毕业设计（论文） 19 当 n=a 0=m= n= nt=n 主要 的 0=01000iV =f= 0 0 0f W 当 =f =0=00-(1- 20) 当0=0=3/1 则 M t=00=2*以，快速空载起动所需力矩 M=f+削时所需力矩： M= 0+速进给时所需力矩 M= +0=以上分析计算可知： 所需最大力矩 4 横向（ Y 向）进给系统设计与计算 横向进给系统的设计 经济型数控改造的横向进给系统的横向进给系统的设计比较简单，一般是步进电机安装在大拖板上，法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起 来，以保证其同轴 山东大学本科生毕业设计（论文） 20 度，提高传动精度， 已知条件： 工作台重（估算） W=4000N 时间常数 : T=4行程 冲当量 步矩角 速进给速度 m/ 4 1切削力计算 横向进给量为纵向的，取，则切削力约为纵向力的 切断工件 时： y= 4 2滚珠丝杠设计计算 : （ 1）强度计算： 对于燕尾型导轨： Fy+f () 取 f =（） 命值 i 06=大动负载 3 135N 根据最大负荷的值，可选择滚珠丝杠的型号滚珠丝杠直径为 号为额定动负荷，所以强度足够用 效率计算： 根据机械原理公式，丝杠螺母副的传动效率 为： )(/ 山东大学本科生毕业设计（论文） 21 式中 摩擦角 =10 螺旋升角 3 28 )(/ 2） 刚度验算： 滚珠丝杠工作负载 p 引起的道程变化量 L 1=中 E=1 106N/珠丝杠截面积 F= )2(= 26 = 0珠丝杠受扭 拒引起的导程变化量很小，可忽略，即 L= 以：导程变形总误差 为 =100/ L=100/0m/m 查表知 1 15 m/m,故刚度足够。 （ 3）稳定性验算： 由于选用滚珠丝杠的直径不变，而支撑方式由原来的一端固定，一端悬空，变为一端固定，一端径向支撑，所以稳定性增强，故不在验算 2 4 3齿轮及转矩的计算： 传动比 I= 60 P=(360*轮材料极其许用应力的确定 ： 小齿轮用 45#表面淬火 齿面硬度为 45齿轮用 45#调质处理，表面硬度为 220 因 120 50H=故 山东大学本科生毕业设计（论文） 22 1190 500 40 90 185 146面接触强度设计 设齿轮按 8级精度选，取载荷系数 K= a=取 8 8*0 满足误差要求，取齿轮压力角 a=200粗选模 数 m=2则 小齿轮直径 d1=m 6齿轮直径 d2=m 0mm 40mm 64心距 a=m(2)/2=96宽为 大齿轮 a*a=40齿轮 5(补偿安装误差 ) 2 4 4转动惯量的计算 工作太折算到电机轴上的转动惯量： 180 P/ ） 2W=（ 180*2*3/100=杠的转动惯量： 0轮的转动惯量： 0=04*2=机的转动惯量很小可忽略。 因此总的转动惯量： 山东大学本科生毕业设计（论文） 23 J=（ + 4 5所需转动力矩的计算 快速空载启动时所需力矩 M=f+ 大切削负载所需力矩 M=f+t 快速进给时所需力矩 M= 0 式中 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩： 折算到电机轴上的摩擦力矩： 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩： 切削时折算到电机轴上的加速度力矩： 折算到电机轴上的切削负载力矩。 n=a 0=m= n= nt=n 主要 的 0=01000iV =f= 0 0 0f W 当 =f =山东大学本科生毕业设计（论文） 24 0-(1- 20) 当0=0=3/1 则 M t=00=2*)=以，快速空载起动所需力矩 M=f+削时所需力矩： M= 0+速进给时所需力矩 M= +0=以上分析计算可知： 所需最大力矩 山东大学本科生毕业设计（论文） 25 3 步进电机的选择 3 1 步进电机选用的基本原则 合理选择步进电机是比较复杂的问题，需要根据电机在整个系统中的实际工作情况，经过分析后才能正确的选择，基本原则如下 （ 1）、步矩角 mn/i 式中 i传动比； 统对步进电机所驱动部件的最小转角 （ 2）、精度 步进电机的精度可用步距误差或积累误差衡量积累误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值，用积累误差衡量精度比较实用所选用的步进电机应满足 i 式中 m步进电机的积累误差； s系统对步进电机驱动部分允许的角度误差 （ 3）、转矩 为了使步进电机正常运行（不失步，不越步），正常启动并满足对转速的要求，必须考虑： ）启动力矩 一般启动力矩选取为： 式中 动机启动力矩 ; 动机静负载荷 2） 在要求的运行频率范围内 ，电动机运行力矩应大于电动机的静载力矩与电机转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性矩之和 （ 4）启动频率 由于步进电机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足： m 式中 限启动频率； m要求步进电机最高启动频率。 山东大学本科生毕业设计（论文） 26 3 2 步进电机的选择 （ 1） 向进给系统步进电机的确定 : q= r 05 0 =为满 足最小步距的要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知： q/以，步进电动机最大静转矩 q 进电机的最高工作频率 0000/(60*合考虑，查表选用 110够满足使用要求 （ 2） 横向进给系统步进电机的确定 q= 06 3 =电动机仍选用三相 六拍工作方式，查表知： q 以，步进电机最大静转矩 =进电动机最高工作频率 了便于设计和采购，仍选用 110够满足使用要求。 山东大学本科生毕业设计（论文） 27 4分析误差来源 4 1 机械结构原因 由于系统的纵、横向都是开环进给控制系统，没有反 馈检测系统，无法消除机械传动部件间隙误差，如滚珠丝杠反向间隙误差、齿轮隙误差及支撑结构和轴系变形引起的误差、步距角精度和导轨副的精度等，从而产生累积误差。 而滚珠丝杠的误差主要是指反向间隙误差，由于滚珠丝杠与螺母之间的轴向间隙，导致反向运动时的空程误差，引起失步，它将直接影响到工作台的进给精度。引起齿轮传动误差最主要的是侧隙误差。 4 2 齿轮副误差补偿分析 对于由齿轮间隙引起的误差可采取双片薄齿齿轮错齿调整法来消除，两个啮合的直齿圆柱齿轮中的小齿轮采用宽齿轮，另一个由两片可以相对转动的薄片齿轮组成。装配时 使一片薄齿轮的齿左侧分别紧贴在宽齿轮的左、右两侧，通过两薄片齿轮错齿，消除齿侧间隙，反向时也不会出现死区。 4 3 滚珠丝杠副误差补偿分析 滚珠丝杠副可采用预紧方式来减小滚珠丝杠副的轴向回程间隙误差。工作原理是在滚珠螺母体内的两侧循环滚珠链之间，使内螺纹滚道在轴向预制 两列滚珠间产生轴向错位而实现预紧， 图 40L 0 + L 0图 4单螺母变位导程式预紧 山东大学本科生毕业设计（论文） 28 结论 依照我国目前的数控机床发展状况及我国的国情，对原有的普通机床进行数控化改造是符合当前状况的。对普通 率、质量，进而满足市场多变的要求：小批量、多品种、柔性化加工。改造后的 等一般加工，还能加工复杂的零件，且精度高。 该 经济型数控车床 具有操作简单、使用方便、运行稳定可靠、性能优良等特点。它的投入使用，大大地改善了数控加工程序的存储、管理和传输条件，从而有效地提高了实际生产效率。对于类似的、不具备远程监控和 上线能力的数控 车 床的改造，具有重要的意义和参考借鉴价值。 对普通 6140 改造成 X， 程序控制实现柔性化加工。从总体方案设计开始，确定了改造的目标 经济型数控车床，全文进行了机械部分和数控部分的改造设计，最后进行了系统的误差分析。在 （ 1）为了
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