C6140车床数控化改造之机械系统改造

C6140车床数控化改造之机械系统改造摘要:利用数控系统改造车床是提高老设备利用率的一种重要手段。改造后的机床除了能加工平面及孔等简单的零件外，还能加工形状复杂（如加工圆弧面、斜面及凸轮等）的零件，具有高精、高效及加工面广等特点，还可以减少人工的工作量，只要输入一定的加工程序就可以得到相应的加工结果。本文介绍了一种C6140车床数控改造的机械系统部分改造的一种方案。论文最后对系统的误差及精度进行分析，并提出改进的方法、建议。关键词：数控改造，机械系统，开环系统，伺服电机ReformofthemechanicalsystemofC6140lathenumericalcontroltransformation.Abstract:UtilizingNCsystemreformslathesisanimportantmethodtoheightentherateofoldequipments.Theinnovatedlathecharacterizeshighprecisionhighefficiencyandwide-machiningandsoforth,anditcansaveworkload.Onlysomemachiningprograminput,thecorrespondingresultwillbedone.ThisarticleintroducesawayofeconomicNCreformofC6140latheatitsmechanicalsystem.Thereformedsystemusesmicrocomputertocontroltheservoelectromotor.Thex-axisandy-axisforward-movingsystemsarecontrolledbyrespectiveelectromotor.Theordinaryscrewleverwillbechangedintoapairofgearsandrolling-beadscrewlever.Theservomotorwilldrivegeartomove,andthenspreadthekineticenergytorolling-beadscrewlever,andtherolling-beadscrewleverrunandmovethegears.Intheend,makingananalysisontheerrormarginandtheprecisionandgivingmethodsforameliorationandadvice.Keywords:NCreform，mechanicalsystem，open-hoopsystem，servomotor目录1前言.12总体设计方案.112.1对机床改造的方案.112.2实现的目标.123传动系统的改造.1231机械部分的数控化改造.1232进给传动系统的改造.13321改造要求.13322进给机构的改造.13323导轨副的改造.1433纵向（向）进给系统改造.14331改造要求及目标.14332纵向进给系统的设计.15333切削力的计算.15334滚珠丝杠设计计算.16335有关齿轮计算.17336转动惯量的计算.18337所需转动力矩的计算.1934横向（Y向）进给系统设计与计算.20341切削力计算.20342滚珠丝杠设计计算.20343齿轮及转矩的计算.22344转动惯量的计算.22345所需转动力矩的计算.234步进电机的选择.2441步进电机选用的基本原则.2442步进电机的选择.255分析误差来源.2651机械结构原因.2652齿轮副误差补偿分析.2653滚珠丝杠副误差补偿分析.26结论.28参考文献.29致谢.3101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。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，对起进行数控化改造后，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。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。可以实现加工的柔性自动化，大大提高加工效率。实现“柔性自动化”加工。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”。可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。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。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。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（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1化率极低。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。在当前的市场需求多变，竞争激烈的环境中，企业需要迅速地开发出新产品，以低价、好质量、快速去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，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，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，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只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CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。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。高速高精高效化采用高速芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，并改善机床动、静态特性等有效措施。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。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。基于CAD和CAM的数控编程自动化。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。（2）功能发展方向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。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CAD/CAM。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。内装高性能PLC数控系统内装高性能PLC控制模块，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。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ASIC芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。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、CAD/CAM、伺服控制、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。智能化新一代PCNC数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。3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，Z轴驱动器及驱动电机，换装X，Z轴滚珠丝杠及电动刀架，增加必要的控制电器、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：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。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，前者经济性好，后者加工精度较高。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，应优先采用步进电机的开环方案，既可以保证零件的加工质量，又可以有效降低改造成本。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PLC集成在数控装置中，改造起来非常方便，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4用。3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。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300mm轴向行程内的变动量应不能超过005mm，行程偏差小于002mm，这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。滚珠丝杠安装时，一定要确保其轴线同与之配套导轨的平行，另一方面要考虑温度都升高队滚珠丝杠造成的影响。因为滚珠丝杠运转时，其温度的升高会影响到滚珠丝杠的传动精度，因此随着滚珠丝杠温度的升高，热应力效应会使滚珠丝杠轴向伸长。这点在高速高精度机床中比较显著。影响滚珠丝杠文斗升高的因素是预警力和润滑不良。其原因是在提高滚珠丝杠副的反向传动精度和轴向刚度时，为避免造成机械传动系统的爬行现象，是螺母预紧力超过预定值，预紧力过大会造成传动效率降低、摩擦力增加、磨损增大、使用寿命降低等缺陷。在滚珠丝杆的里安装方式里有固定端和支撑端一说，这主要是为了补偿丝杠发热伸长时的变形，固定端是丝杠的受力端，丝杆受到的外力都是由固定端承担的，而支承端只是为了避免丝杠悬垂来支承丝杠用的；固定端要经过计算设计的，而支5承端与常用轴承座区别不大，只是轴承座孔与轴承外径为滑动配合且轴承外圈不用压紧罢了；用一般的轴承座时要去掉压紧法兰盘并将配合尺寸改成滑动配合。（1）丝杠间隙过大丝杠预压问题滚珠丝杠预压的目的是为了取消轴向间隙并降低因轴向力的弹性位移，提高丝杠的刚性，一般预压方式有双螺母拉伸（或压缩）预压、单螺母过大钢球预压、单螺母导程便宜预压等形式。无预压的滚珠丝杠会有相当的背隙存在，当垂直放置时，螺母会因自身的重量而造成转动下滑，因此只适用于较小操作阻力的及其，对定位精度不作要求的场合。扭转变形问题滚珠丝杠副某组件选材不合适热处理不当：硬化层太薄，硬度分布不均匀或材质太软。实际不合理：丝杠的长径比越小刚度越高，建议长径比应在60一下，如果长径比太大丝杠会产生自重下垂。滚珠丝杠只有单端支撑，另外一端自由悬浮的结构刚性较弱，应尽量避免。轴承选用不当通常滚珠丝杠选用角接触轴承进行支撑，最好使用60度压力角设计的丝杠专用轴承。当滚珠丝杠受轴向载荷负载时，一般的深沟滚准轴承会产生一定量的轴向背隙，因此深沟球轴承并不适用于滚珠丝杠固定端，除非用于对定位精度要求不高的自由端处。轴承背对背组合（DB）的有点事作用点间的距离较大，刚性叫好，缺点是较易受几何精度的影响。轴承面对面组合（DF）的有点事较易组装，受集合精度影响较小，但作用点间的距离较小，刚性较差，设计时应以实际加工和使用情况选择何种轴承组合形式。轴承安装不当当轴承与滚珠丝杠轴肩处贴合不实，在承受轴向负载的情况下会产生背隙，这种情况可能是因丝杠轴肩过深、过浅或轴承没有安装到位造成的。丝杠上用于安装轴承定位轴肩与锁紧螺纹牙型轴心的垂直度超差，或锁紧螺母面与轴承靠面平行度超差，会导致轴承的倾斜。因此丝杠用于安装轴承的锁紧螺纹牙型与轴承定位轴肩面必须同时加工，才能确保垂直度，如果以研磨方式加工更好，且锁紧螺母应选用精密专用型。6轴承座内腔定位面及压盖安装面对轴承孔轴心垂直度超差也会引起轴承倾斜，且内腔定位面处难以加工和测量。支撑座的表面或平面度超差不论结合组件表面是研磨或铲花，只要其平行度或平面度超过公差范围，将会影响工作台运动时的位置定位精度，通常可在支撑座与基本件之间增加调整垫片来达到调整的目的。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PWM(脉宽调制)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12000脉冲(003)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CNC装置的控制精度和滚珠螺母丝杠精度相匹配；功放电压应达到DC300V，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1500rmin，以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。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(G04或MO)，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。7采用16位以上的CPU，主频速度较高，大规模的CPLD可编程芯片，以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DA无级变速功能，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001mm，加工程序存储量应不小于32KB并具有断电保护功能；工作状态应包括文件管理、空运行、手动、自动、回零、MDI及对刀等基本的功能；编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G指令，以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；M功能完备，应可实现4个停止指令(MOO，M01，M02，M30)、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RS232接口就可以满足其要求。（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RS232接口就可以满足其要求。（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、8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。（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CNC系统上都有冷却液接口，可通过PLC设置，实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PLC设定润滑时间的方法进行改造，润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，Z轴驱动器，电动刀架控制器，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FZ=CFZapXFZfYfzKFZ（式3.6）查表得：CFZ=188kgf/mm2=1880MpaXFZ=1YFZ=0.75KFZ=1则可计算FZ如表3-2所示：表3-2切削力的参数计算ap(mm)222333f(mm)FZ(N)112515241891168722872837当FZ=1520N时，切削深度ap=2mm,走刀量f=0.3，以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：FX=（0.10.6）FZFY=（0.1540.7）FZ取FX=0.5FZ=0.5*1527.6=763.8N16FY=0.6FZ=0.6*1527.6=916.5N334滚珠丝杠设计计算综合导轨车床丝杆的轴向力：P=KFX+f”(FZ+W)(式3.7）式中K+1015，f=0.150.18,取K=0.16。则：P=1.15*763.8+0.16（1527.6+800）=1250.8N(1)强度计算：寿命值Li=60niTi/106(式3.8）Ni=n主f/L0=1000vf/(DL0)(式3.9）取工件直径D=80mm，查表得Ti=15000h则：ni=100*100*0.3/(3.14*80*6)=20r/minLi=18最大动负载Q=PfWfhLi3(式3.10）查表得运转系数fW=1.2硬度系数fH=1则：Q=*1.2*1*1250.8=3933.6N318根据最大动负载荷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FC1B系列，滚珠丝杠直径为,型号为FC1B325E2，其额定动326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)(/tg3.11）17式中摩擦角=10螺旋升角325=0.935166)(/tg(3)刚度验算：滚珠丝杠工作负载p引起的道程变化量1=（式LEFP03.12）式中L0=6mm=0.6cm；E=20.6166N/cm2滚珠丝杠截面积F=2=（2.8031/2）23.14（式)(d3.13）则L1=5.910-614.3)280.(6.25滚珠丝杠受扭拒引起的导程变化量很小，可忽略，即L=L1，（式3.14）所以：导程变形总误差为=100/L0L=100/0.6*5.9*10-6=9.8m/m查表知E级精度丝杠允许的螺距误差（1m长）为15m/m,故刚度足够。(4)稳定性验算：由于机床原丝杆直径为30mm，现选用的滚珠丝杠直径为32mm，支撑方式不变，所以稳定性不存在问题，可不进行验算。335有关齿轮计算传动比I=L0/360P=0.75*6/(360*0.01)=1.25(式3.15）齿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45HRC大齿轮用45#调质处理，表面硬度为220HBS。因Hlim1=1120Mpa,Hlim2=550MpaSH=1.1故：H1=1190Mpa18H2=500Mpa因Flim1=240MpaFlim2=190MpaSF=1.3F1=185MpaF2=146Mpa齿面接触强度设计设齿轮按8级精度选，取载荷系数K=1.5齿宽a=0.4粗取Z1=32Z2=Z1i=23*1.25=40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=mZ1=64mm(式3.16）大齿轮直径d2=mZ2=80mm(式3.17）da1=d1+2ha*=68mmda2=d2+2ha*=68mm中心距a=m(Z1+Z2)/2=72mm(式3.18）齿宽为大齿轮b2=a*a=30mm(式3.19）小齿轮b1=35(补偿安装误差)336转动惯量的计算工作太折算到电机轴上的转动惯量：J1=（180P/）2W(式3.20）=（180*0.01/3.14*0.75）2*80=0.468kg.cm2=4.68N.cm2丝杠的转动惯量：JS=7.8*10-4D4L1=114.75N.cm2(式3.21）19齿轮的转动惯量：JZ1=7.8*10-4*6.44*2=26.17N.cm2JZ2=7.8*10-4*84*2=63.9N.cm2电机的转动惯量很小可忽略。因此总的转动惯量：J=（JS+JZ2）/i2+JZ1+JS=145.19N.cm2(式3.22）337所需转动力矩的计算快速空载启动时所需力矩M=Mamx+Mf+M0(式3.23）最大切削负载所需力矩M=Mat+Mf+M0+Mt(式3.24）快速进给时所需力矩M=Mf+M0(式3.25）式中Mamx空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩：Mf折算到电机轴上的摩擦力矩：M0由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩：Mat切削时折算到电机轴上的加速度力矩：Mt折算到电机轴上的切削负载力矩。Ma=(Jn/9.6T)*10-4N.m(式3.26）当n=nmax=Manmax=vmaxi/L0=416.7r/minMamax=2.52N.m=25.72kgf.cm当n=nt时Ma=Mat:20nt=n主要的ft/L0=24.88r/min(式1iVfDL3.27）Mat=0.1505N.m=1.536kgf.cmMf=(式00F2fWii3.28）当=0.8f=0.16时Mf=12.23N.cmM0=-(1-)(式F2Li203.29）当=0.9时预加载荷P0=3/1FS则：0Mt=76.38*0.6/(2*3.14*0.8*1.25)=0.462kg.cm=72.97N.cm2i所以，快速空载起动所需力矩M=Mamax+Mf+M0=274.05N.cm(式3.30）切削时所需力矩：M=Mf+M0+Mamax=105.18快速进给时所需力矩M=+Mf+M0=16.85N.cm由以上分析计算可知：所需最大力矩Mmax发生在快速启动时，Mamax=27.405kgf.cm=274.05N.cm(式3.31）34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，以保证其同轴度，提高传动精度，已知条件：工作台重（估算）W=40kgf=300N(式213.32）时间常数:T=4mm左旋行程mm脉冲当量步矩角step快速进给速度vmax=1m/min(式3.33）341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kgf=763.8N在切断工件时：y=0.5FZ=0.5*76.38=38.19kgf=381.9N342滚珠丝杠设计计算（1）强度计算：对于燕尾型导轨：Fy+f(FZ+W)(式3.34）取f=0.2则（）kgf=747.4N寿命值iniTi/106=13.5最大动负载fHP=213.55kgf=2135N(式3iL3.35）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mm,型号为c1B204-5-E2左，其额定动负荷，所以强度足够用。22效率计算：根据机械原理公式，丝杠螺母副的传动效率为：(式)(/tg3.36）式中摩擦角=10螺旋升角328=0.956(式)(/tg3.37）（2）刚度验算：滚珠丝杠工作负载p引起的道程变化量：1=(式LEFP03.38）式中L0=4mm=0.4cm:E=20.61106N/cm2滚珠丝杠截面积F=2=3.14(式)(d27419.3.39）则L1=5.9610-67滚珠丝杠受扭拒引起的导程变化量很小，可忽略，即L=L1，(式3.40）所以：导程变形总误差为=100/L0L=100/0.4*5.96*10-6=14.9m/m查表知E级精度丝杠允许的螺距误差（1m长）为15m/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。343齿轮及转矩的计算传动比I=L0/360P=0.75*4/(360*0.005)=1.67(式3.41）齿轮材料极其许用应力的确定：23小齿轮用45#表面淬火齿面硬度为45HRC；大齿轮用45#调质处理，表面硬度为220HBS。因Hlim1=1120Mpa,Hlim2=550MpaSH=1.1故H1=1190MpaH2=500Mpa因Flim1=240MpaFlim2=190MpaSF=1.3F1=185MpaF2=146Mpa齿面接触强度设计设齿轮按8级精度选，取载荷系数K=1.5齿宽a=0.4粗取Z1=18Z2=Z1i=18*1.67=30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=mZ1=36mm(式3.42）大齿轮直径d2=mZ2=60mm(式3.43）da1=d1+2ha*=40mmda2=d2+2ha*=64mm中心距a=m(Z1+Z2)/2=96mm(式3.44）齿宽为大齿轮b2=a*a=40mm(式3.45）小齿轮b1=45(补偿安装误差)(式3.46）344转动惯量的计算工作太折算到电机轴上的转动惯量：24J1=（180P/）2W=（180*0.005/3.14*0.75）2*3/100=0.0439kg.cm2(式3.47）丝杠的转动惯量：JS=7.8*10-4D4L1=0.624kg.cm2(式3.48）齿轮的转动惯量：JZ1=7.8*10-4*3.6*2=0.262kg.cm2(式3.49）JZ2=7.8*10-4*64*2=2.022kg.cm2(式3.50）电机的转动惯量很小可忽略。因此总的转动惯量：J=（JS+JZ2）/i2+JZ1+JS=1.258kg.cm2(式3.51）345所需转动力矩的计算快速空载启动时所需力矩M=Mamx+Mf+M0(式3.52）最大切削负载所需力矩M=Mat+Mf+M0+Mt(式3.53）快速进给时所需力矩M=Mf+M0(式3.54）式中Mamx空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩：Mf折算到电机轴上的摩擦力矩：M0由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩：Mat切削时折算到电机轴上的加速度力矩：25Mt折算到电机轴上的切削负载力矩。Ma=(Jn/9.6T)*10-4N.m(式3.55）当n=nmax=Manmax=vmaxi/L0=416.7r/min(式3.56）Mamax=0.2184N.m=2.23kgf.cm(式3.57）当n=nt时Ma=Mat:nt=n主要的ft/L0=33.17r/min（式1iVfDL3.58）Mat=0.0174N.m=0.1775kgf.cmMf=(式00F2LfWii3.59）当=0.8f=0.2时Mf=0.028N.cmM0=-(1-)(式2i203.60）当=0.9时预加载荷P0=3/1FS则：0Mt=38.19*0.4/(2*3.14*0.8*5)=0.287kg.cm=0.028N.cm(式F2Li3.61）所以，快速空载起动所需力矩M=Mamax+Mf+M0=2.633N.cm(式3.62）切削时所需力矩：M=Mf+M0+Mamax=24.04N.cm(式3.63）快速进给时所需力矩M=+Mf+M0=4.03N.cm(式3.64）由以上分析计算可知：26所需最大力矩Mmax发生在快速启动时，Mamax=2.633kgf.cm=26.33N.cm(式3.65）4步进电机的选择41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4.1）式中i传动比；mn系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4.2）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：M(式5.03rM4.3）式中Mq电动机启动力矩;ML0电动机静负载荷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27（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：ftfopm(式4.4）式中ft极限启动频率；fopm要求步进电机最高启动频率。42步进电机的选择（1）C6140纵向进给系统步进电机的确定:q=(式cmNMr.125.684.0527.0=4.5）为满足最小步距的要求，电动机选用三想六拍工作方式，查表知：q/Mjm=0.866(式4.6）所以，步进电动机最大静转矩MjmMjmq0.866=791.14N.cm步进电机的最高工作频率(式4.7）fmax=vmax/60=2000/(60*0.01)=3333.3Hz(式P4.8）综合考虑，查表选用110BF003型直流步进电机，能够满足使用要求（2）C6140横向进给系统步进电机的确定q=(式cmNML.825.64.0132.=4.9）电动机仍选用三相六拍工作方式，查表知：qim=0.866(式4.10）所以，步进电机最大静转矩im为：28im=N.cm(式01.768.256.0=qM4.11）步进电动机最高工作频率fmax=3333.3Hz(式pv60max05.14.12）为了便于设计和采购，仍选用110BF003型直流步进电动机，能够满足使用要求。5分析误差来源51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。52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。错齿齿轮如图5.2.1所示，两薄片齿轮上各装入有螺纹的凸耳1、3，转动螺母7可改变弹簧6的张力大小，而调节齿轮2、4的相对位置，达到错齿的目的。2953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L0的导程突变量，在两列滚珠间产生轴向错位而实现预紧，L0的大小和单列滚珠径向间隙决定预紧力大小，如图5-1所示。L0+图5-1单螺母变位导程式预紧如何减小误差:减少原始误差。提高零件加工所使用机床的几何精度，提高夹具、量具及工具本身精度，控制工艺系统受力、受热变形、刀具磨损、内应力引起的变形、测量误差等均属于直接减少原始误差。为了提高机械加工精度，需对产生加工误差的各项原始误差进行分析，根据不同情况对造成加工误差的主要原始误差采取不同的措施解决。对于精密零件的加工应尽可能提高所使用精密机床的几何精度、刚度和控制加工热变形；对具有成形表面的零件加工，则主要是如何减少成形刀具形状误差和刀具的安装误差。误差补偿法。对工艺系统的一些原始误差，可采取误差补偿的方法以控制其对零件加工误差的影响。（1）误差补偿法：此法是人为地造出一种新的原始误差，从而补偿或抵消原来工艺系统中固有的原始误差，达到减少加工误差，提高加工精度的目的。（2）误差抵消法：利用原有的一种原始误差去部分或全部地抵消原有原始误差或另一种原始误差。分化或均化原始误差。为了提高一批零件的加工精度，可采取分化某些原始误差的方法。对加工精度要求高的零件表面，还可以采取在不断试切加工过程中，逐30步均化原始误差的方法：（1）分化原始误差(分组)法：根据误差反映规律，将毛坯或上道工序的工件尺寸经测量按大小分为n组，每组工件的尺寸范围就缩减为原来的1/n。然后按各组的误差范围分别调整刀具相对工件的准确位置，使各组工件的尺寸分散范围中心基本一致，以使整批工件的尺寸分散范围大大缩小。（2）均化原始误差：此法过程为通过加工使被加工表面原有误差不断缩小和平均化的过程。均化的原理就是通过有密切联系的工件或工具表面的相互比较和检查，从中找出