XA5032普通立式铣床的数控化改造

目 录 第一章 数控机床的概述 .1 1.1 数控机床.1 1.1.1 数控机床的概念 .1 1.1.2 数控机床的产生及发展简史 .1 1.2 数控机床的特点.2 1.2.1 数控机床的组成 .2 1.2.2 机床数控化改造的必要性和迫切性.4 第二章 铣床机械结构的改造设计 .5 2.1 概述.5 2.1.1数控铣床机械结构的主要特点.5 2.2 数控化改造铣床的总体布局.6 2.2.1 XA5032 型立式升降台铣床的布局及简介.6 2.3 数控化改造铣床的主传动系统.6 2.3.1 XA5032 型铣床数控化改造主轴系统的设计.6 2.3.2 主轴的设计 .9 2.4 数控化改造铣床的进给传动系统.13 2.4.1 数控铣床对进给传动系统的基本要求 .13 2.4.2 数控改造铣床进给系统的型式及介绍 .13 2.4.3 数控改造铣床进给传动系统的计算设计 .14 第三章 普通铣床的电气改造部分 .23 3.1 计算机数控装置.23 3.1.1 CNC 系统的组成.23 3.1.2 CNC 装置的硬件结构.29 3.1.3 CNC 装置的软件结构.31 3.2 数控改造铣床的数控系统设计.34 3.2.1 8031 应用系统.35 3.2.2 8031 的数据存储器的扩展.36 3.2.3 8031 输入/输出口的扩展.36 3.2.4 数字显示器及键盘的接口电路 .36 3.3 数控改造的伺服系统.38 3.3.1 对数控伺服系统的要求 .38 3.3.2 数控改造伺服系统的驱动元件 .39 3.3.3 数控改造伺服系统驱动元件的连接电路 .42 结 论 .44 致 谢 .45 参 考 文 献 .46 致 谢 .47 摘 要 20 世纪中叶数控技术和数控机床的诞生标志着生产和控制领域的一个崭新时代的 到来。 科学技术和社会生产力的迅速发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高 的要求。机械加工工艺过程的自动化成为实现上述要求的最重要的措施之一。它不仅 能够提高产品的质量、提高生产率、降低生产成本，还能够极大地改善生产者的劳动 条件。 本设计是对 XA5032 普通立式铣床进行数控化改造。为了实现把 XA5032 普通立式 铣床改造成经济型数控铣床，Z 进给系统进行数控改造，并增加了 CNC 装置和伺服系统。 对主传动系统，我选用 FANUC 20M DC 电动机通过带传动驱动主轴。对进给系统，我把 原先的滑动丝杠换成滚珠丝杠，以提高精度和效率，并由原先的手动控制，改造成由 电动机控制。通过单片机的设计，构成控制系统。 关键词：数控改造，滚珠丝杠,伺服系统 ABSTRACT Naissance that 20 century middle period few technique is with the few machine the bed scribe to produce with control coming of a brand-new ages of realm. The science technique bring upped with rate of production to the quantity of the machine product with the quick development of the social productivity more and more high request.The automation that machine process the craft process one of the most important measure of becoming to realizes the above requests.It can not only increase the product quantity,increase the rate of production ,lower the production cost ,and can be still biggest ameliorative production of labor term. This design is XA5032 ordinary vertical milling machine NC transformation. In order to achieve the XA5032 vertical milling machine into the general economy CNC milling machine, I am against this milling the main drive Z to the feed system NC transformation, and to increase the CNC servo devices and systems. The main drive system, I choose FANUC DC motor drive through the belt drive spindle. The feed system, I replaced the original sliding screw ball screws, to improve accuracy and efficiency, and the original manual control, into the motor control. Converter to achieve through the main transmission and feed the CVT. SCM through the design of a control system. Key words: NC transformation, ball screw，Servo System. 0 第一章第一章 数控机床的概述数控机床的概述 1.1 数控机床 1.1.1 数控机床的概念 数控机床是装备了数控系统的机床，既包括 NC 机床，也包括 CNC 机床。数字控 制机床（Numerical Controlled Machine Tool） ，简称 NC 机床。数控系统是一种控制系 统，它能控制机床的运动和加工过程。计算机数控机床（Computerized Numerecal Controlled Machine Tool） ，简称 CNC 机床，是利用具有专门存储程序的计算机来实现 对机床的全部或部分控制功能。工作原理是：将数控加工程序输入到数控装置，再由 数控装置控制主运动的变速、起停、进给运动的方向、速度和位移大小，以及诸如刀 具的选择、交换、工件夹紧，松开和冷却的起、停等动作，使刀具与工件及其他辅助 装置严格按数控程序的要求进行工作。 1.1.2 数控机床的产生及发展简史 随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提 高，因此对加工机械产品零部件的生产设备机床也相应地提出了高性能、高精度 与高自动化的要求。 在机械产品中，单件与小批量产品占到 70% 80%，这类产品一般都采用通用机 床加工，当产品改变时，机床与工艺装备均需作相应的变换和调整，而且通用机床的 自动化程度不高，基本上需要人工操作，难以提高生产效率和保证生产质量。特别是 一些由曲线、曲面轮廓组成的复杂零件，只能借助靠模和仿形机床，或者借助划线和 样板手工操作的方法来加工，加工精度和生产效率受到很大的限制。 数字控制机床就是为了解决单件、小批量，特别是复杂型面零件加工的自动化， 并保证质量要求而产生的。 数控机床的发展简史 1964 年诞生了世界上第一台电子计算机。6 年后，即在 1952 年，计算机 技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。 第一阶段：数控（NC）阶段（19521970 年） 。早期采用数字逻辑电路组合成一台 机床，专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARDWIREDNC）,简称为数 控（NC） 。 第二阶段：计算机数控（CNC）阶段（1970 年现在） 。到 1970 年，通用小型计算 机作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段。 1 1.2 数控机床的特点 数控机床在机械制造业中得到日益广泛的应用，是因为它具有如下特点： 1） 能适应不同零件的自动加工。数控机床是按照被加工零件的数控程序来进行加 的，当改变加工零件是，只要改变数控程序，不必用凸轮、靠模、样板或钻镗模等专 用工艺装备。 2） 工序集中。数控机床在结构和功能设计是，就充分考虑了工序集中，使机床在 粗加工是有足够的刚度，在精加工是又有可靠的精度 3） 生产效率和加工精度高、加工质量稳定。在数控机床上，可以采用较大的切削 用量，有效地节省了机动工是。还有自动换速、自动换刀和其他辅助操作自动化等功 能，是辅助时间打为缩短，而且无需工序间的检测与测量。所以，比普通机床的生产 率高 34 倍，甚至更高。 4） 能完成复杂型面的加工。数控机床几乎可以实现任何轨迹的运动和任何形状的 空间曲面的加工，如用普通机床难以加工的螺旋桨、汽轮机的叶片等空间曲面，采用 数控机床则能较好地完成这些曲面的加工。能实现复杂型面加工是数控机床较突出的 优点。 5） 减轻工人的劳动强度。由于数控机床实现自动化或半自动化加工，许多辅助动 作均由机床完成，因此工人的劳动量减少。 1.2.1 数控机床的组成 如图 1.1 所示，数控机床由一下几个部分组成。 1、程序编制及程序载体 数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令。在对加工零件进行工艺分析的基 础上，确定零件坐标系在机床坐标系上的相对位置，即零件在机床上的安装位置；刀 具与零件相对运动的尺寸参数；零件加工的工艺路线或加工顺序；主运动的起、停、 换向、变速；进给运动的速度、位移大小等工艺参数，以及辅助装置的动作。得到零 件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息后，用由文字、数字和符号组成的标准数 控代码，按规定的方法和格式，编制零件加工的数控程序单。 2 编好的数控程序，存放在便于输入到数控装置的一种存储载体上，它可以是穿孔 纸带、磁带和磁盘等，采用哪一种存储载体，取决于数控装置的设计类型。 2、输入装置 输入装置的作用是将程序载体（信息载体）上的数控代码传递并存入数控系统内。 根据控制存储介质的不同，输入装置可以是光电阅读机、磁带机或软盘驱动器等。数 控机床加工程序也可通过键盘用手工方式直接输入数控系统；数控加工程序还可由编 程计算机用 RS232C 或采用网络通信方式传送到数控系统中。 零件加工程序输入过程有两种不同的方式：一种是边读入边加工（数控系统内存较小 时） ，另一种是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器，加工时再从內部 存储器中逐段逐段调出进行加工。 3、数控装置 数控装置是数控机床的核心。数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来 的一段或几段数控加工程序，经过数控装置的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和 逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有 序运动和动作。 零件的轮廓图形往往由直线、圆弧或其他非圆弧曲线组成，刀具在加工过程中必 须按零件形状和尺寸的要求进行运动，即按图形轨迹移动。但输入的零件加工程序只 能是各线段轨迹的起点和终点坐标值等数据，不能满足要求，因此要进行轨迹插补， 也就是在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化” ，求出一系列中间点的坐 标值，并向相应坐标输出脉冲信号，控制各坐标轴（即进给运动的各执行元件）的进 给速度、进给方向和进给位移量等。 4、辅助控制装置 辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻 辑判别和运动，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅 助装置完成指令规定的开关量动作. 5、驱动装置和位置检测装置 驱动装置接受来自数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要 求驱动机床移动部件，以加工出符合图样要求的零件。因此，它的伺服精度和动态响 应性能是影响数控机床加工精度、表面质量和生产率的重要因素之一。驱动装置包括 控制器（含功率放大器）和执行机构两大部分。 由于可编程逻辑控制器（PLC）具有响应快，性能可靠，易于使用、编程和修改 程序并可直接启动机床开关等特点，现已广泛用作数控机床的辅助控制装置。 3 1.2.2 机床数控化改造的必要性和迫切性 从宏观上看，在 20 世纪 70 年代末、80 年代初，工业发达国家的军、民机械工业， 已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业进行技术改造。除 在制造过程中采用数控机床，FMC、FMS 外，还包括在产品开发中推行 CAD、CAE、CAM、虚拟制造，在生产管理中推行 MIS（管理信息系统） 、CIMS 等，以及 在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外 军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化） ，最终使得他们的产品在国际军用品和 民用品的市场上竞争了大为增强。而我国在信息技术改造传统产业方面比发达国家落 后约 20 年。如在我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到 1995 年只有 1.9%， 而日本在 1994 年已达 20.8%。随着我国现代化制造的不断推进，每年都有大量机电产 品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性和迫切性。 从微观上看，数控机床本身是高科技产品，它比传统机床有很多突出的优越性， 这些优越性的发挥，是数控机床的性能有了质的提高，打了推动了制造也的发展。传 统机床经过改造后，得到了近似于数控机床的性能，也意味着我国制造业整体水平的 提高。 4 第二章 铣床机械结构的改造设计 2.1 概述 根据我国国情，八十年代在普通机床的改造方面，出现了以经济型数控系统改造 普通机床，尤其是普车、普铣数控化改造的热潮，并逐步形成了经济型数控产业。 “八 五”后期和“九五” ，国家把旧设备的改造列入企业技术进步，工艺更新的一个重要途 径，很多工厂把普通机床的数控化改造列入企业的发展计划，作为企业适应市场经济、 提高产品市场占有率的一项措施。普通铣床的经济型数控化改造，除了选择可靠性高、 性能稳定的数控系统外，对铣床自身的改造也是一个很重要的环节。普通铣床经济型 数控化改造包括两个方面，即机床电气的数控化改造和机床本体的数控化改造。 2.1.1数控铣床机械结构的主要特点 数控铣床作为一种高速、高效和高精度的自动化加工设备，由于其控制系统功能 强大，使机床的性能得到大大提高。部分机械日趋简化，新的结构，功能不仅不断涌 现，使得其机械结构和传统的机床相比，有了明显的改进和变化，主要体现在以下几 个方面： 1. 结构简单、操作方便、自动化程度高 数控铣床需要根据数控系统的指令，自动完成对进给速度，主轴转速、刀具运动 轨迹以及其它机床辅助机能（如：自动换刀、自动冷却等）的控制。它必须利用伺服 进给系统代替普通机床的进给系统，并可以通过主轴调速系统实现主轴自动变速，因 此在机械结构上，数控机床的主轴箱、进给变速箱结构一般都非常简单；齿轮、轴类 零件、轴承的数量大为减少；电动机可以直接联接主轴和滚珠丝杠，不用齿轮。在使 用直线电动机、电主轴的场合，甚至可以不用丝杠、主轴箱。在操作上，它不像普通 机床那样，需要操作者通过手柄进行调整和变速，操作结构比普通机床要简单得多， 许多机床甚至没有手动机械操作机构。此外，由于数控机床的大部分辅助动作都可以 通过数控系统的辅助机能，因此，常用的操作按钮也较普通机床少，操作更方便、更 简单。 2. 广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品 数控铣床进行的是高速、高精度加工，在简化机械结构的同时，对于机械结构传 动装置和元件在数控铣床上得到广泛的应用。如滚珠丝杠副、塑料滑动导轨、静压导 轨、直线滚动导轨等高效执行部件，不仅可以减少进给系统的摩擦阻力，提高传动效 5 率，而且还可以使运动平稳并获得较高的定位精度。 近年来，随着新材料、新工艺的普及、应用、高速加工已经成为目前数控铣床的 发展方向之一。快进速度达到了每分钟数十米，甚至上百米。主轴转速达到了每分钟 上万转，甚至十几万转，采用电主轴、直线电动机、直线滚动导轨新产品，新技术势 在必行。 3. 具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件 “工艺复合化”和“功能集成化”是无人化，柔性化加工的基本要求，也是数控 机床的最显著的特点和当前的发展方向。 2.2 数控化改造铣床的总体布局 选择机床的总体布局是铣床设计的重要步骤，它直接影响到机床的结构和性能， 合理选择机床布局，不但可以满足铣床数控化的要求，而且能使机械结构更简单、合 理、经济。 2.2.1 XA5032 型立式升降台铣床的布局及简介 XA5032 立式升降台铣床是一种使用范围很广的机床，它适应与用各种棒状、铣刀、 角度铣刀及铣切平面、斜面、沟槽、齿轮等。 XA5032 型立式升降台铣床具有下列性能： 1. 机床结构本身具有足够的刚性，能承受重负荷的切削工作。 2. 机床有足够的功率和很广的变速范围，能充分发挥刀具的效能，并能使用硬质 合金刀具进行高速切削。 3. 在机床的前面和左面，个有一套功能相同的电钮和操作手柄（即复式操纵装置） ，使工作者能选择最方便的位置进行工作。 4. 机床操作方便简单。主轴的起动、停止和快速行程的开动，都有明显的按钮； 工作台的进给由手柄操作，其进给方向和操作手柄所指的方向一致，主轴的转速和进 给量用变速盘来选择。 5. 主轴变速和进给变速机构装有冲动装置，使变速是齿轮顺利啮合。 6. 机床能进行顺铣和逆铣加工。 7. 工作台在三个方向上（纵向、横向和垂向） ，都能进行快速移动，减少辅助时 间，提高生产效率。 6 2.3 数控化改造铣床的主传动系统 2.3.1 XA5032 型铣床数控化改造主轴系统的设计 1 主传动 主传动由 FANUC 20M DC 驱动，经一对减速为 1：2 的齿形带轮和同步齿形带传到 主轴 机床主轴电机 7.5kw，交流变频调速，主轴具有恒转矩，恒功率调速特性及失速防止、 过流、过载保护等功能. 1）传动的功率 Pw=7.5Kw 2）主动轴转速 n1=1500r/min；传动比 i=2； 3）中心距要求 300mm 左右； 4）电动机 7.5Kw FANUC 20M DC； 5）动转时数 每天 16 小时； 6）其它 带轮直径不受限制； （2）选择带的型号和节距 1）计算设计功率 Pd a.查书实用电子机械设计手册 ，由表 6-61 得载荷 Ko=1.7，因未使用张紧 轮，又是减速运动，故表的附加修正系数为零。 b.计算设计功率 Pd=KoPm=1.77.5=12.75Kw 2）选择带的型号和节距 由 Pd=12.75Kw和 n1=1500r/min，从实用电子机械设计手册图 6-9 查得带的节 距代号为 H，对应的节距为 Pb=12.700mm （3）确定带轮直径和带节线长 1）确定带轮直径 d 由实用电子机械设计手册表 6-69 的：H 型带，小带轮转速 n1=1500r/min 时， 带轮最小许用齿数为 Z1=18。取小带轮齿数 Z1=24。传动比 i=2，Z2=224=48 小带轮直径为 d1=PbZ1/=12.724/3.14=97.07mm 大带轮直径为 d2=PbZ2/=12.748/3.14=194.14mm 2）选择带长 Lp Lp=2acos+（d1+d2）/2+（d2-d1）/180 式中，=arcsin（d2-d1/2a）=arcsin（97.07/600）=9.31。 所以 Lp=592.096+457.19+15.765=1065.05mm 按表 6-59 取标准值 Lp=1066.8mm 该带齿数为 Zb=84 3）传动中心距的计算 7 按近似公式计算： M=Pb（2Zb-Z1-Z2）/8=12.7（284-24-48）/8=152.4mm a=M+ 2 2 21 () /8152.4 148.485300.885 b P ZZ Mmm （4）选择标准带宽 1）确定基准额定功率 小带轮齿数=24，转速=1500r/min，由表 6-66 内插法得 H 型带的基准额定功率 11.37 ow pk 2）确定额定功率 P a啮合齿数系数 z k 啮合齿数，故 2 11212 /2/276,1 mb zent zp zczzk故1 z k b带宽系数 w k （查表 6-62） 1.14 (/),76.2 wssoso kbbHbmm型带 c额定功率 P 1.141.14 / zwozosso pk k pk p bb 3）选择带宽 s b 根据设计要求， d pp 故带宽 1/1.141/1.14 (/)76.2 (12.75/15.81)63.097 ssodzo bbpk pmm 按表 6-58 选择带宽，（标准值）76.2 s bmm 4）工作能力验算 23 (/)10 zwasso pk k Tbb mv v a许用工作拉力有表 6-61 得2100.85 a TN b单位长度质量由表 6-61 得0.448/mkg m c带的圆周速度 1 1/60000 12.7 24 1500/600007.62/ b vp z nm s d工作能力验算 8 1.1423 1 (76.2/76.2)2100.85 1 0.448 7.627.62 10p 15.8112.75 ww kk （5）额定功率大于设计功率，故带的传动能力足够 结果整理 1）带选用 H 型同步带 12.7,84,1066.8,76.2 bbps pmm zLmm bmm 2) 带轮 1122 24,97.07,48,194.14zdmm zdmm 3）传动中心距300.885amm 2.3.2 主轴的设计 （1）初步估算轴的直径 选取轴的材料为调质处理，由式得， ，取40, ri C N 3 P d n min 67dmm 81dmm 同步齿形带作用在主轴上的力为： 主轴上转距为： 62 9.55 10/0.98 0.9844.89TP nN m 圆周力2 /2 44890/194.14462.449 t FT dN 径向力tan20462.449tan20168.318 rr FFN （2）轴的结构设计 1234 5 确定各轴段直径和长度 9 段 ，由螺母（GB812-88）厚度定， 1 81dmm 1 56lmm 段 为固定螺母，由同步带大带轮 2 85dmm 段 为固定轴承，由套筒长度得 3 87.5dmm 3 189lmm 段 ，由轴承长度， 4 90dmm 4 58lmm 段 参考原主轴， 5 130dmm 4 64lmm （3） 绘制轴的弯矩图和扭矩图 L1=100mm，L2=189mm，L3=208mm H 水平面 Fr=168.318N，1788.14 H RN V 垂直面 Ft=462.449N，788.88 V RN 求弯矩 H 水平面 ， 16800 HB MN mm371904 HC MN mm V 垂直面 ，46000 VB MN mm164112 HC MN mm 合成弯矩 M 明显判断出 C 点为危险截面，所以 406546.43MN mm 扭矩 T 44890TN mm 弯矩图、扭矩图见下图 10 （4）按弯矩合成强度校核轴的强度 当量弯矩 ca M 222 ()407437.62 ca MMTN mm 轴的材料为调质处理，查表得40, ri C N 2 900/, b N mm 1 0.090.1, B b :则 2 1 81/, ca b N mm 取轴的计算应力为/ ca MW 33 0.10.1 9072900Wd /407437.62/729005.59/ caca MWN mm 1 2 81/ b N mm 根据计算结果可知，该轴满足强度要求。 （5）精确校核轴的疲劳强度 1）判断危险截面 危险截面应该是应力较大，同时应力集中较严重的截面。 从受载情况观察，两角接触轴承中心虽最大，但应力集中不大，而且这是轴 ca M 11 径较大，故不是危险截面，危险截面在前端轴承左侧，该截面较大，应力较集中。 ca M 2）计算危险截面应力 截面右侧弯矩为 22 12 MMM 1 327679.15MN mm 2 119887.25MN mm 22 12 348980.36MMMN mm 截面上的扭矩 T 为：44.89TN mm 抗弯截面系数： 3 0.1Wd 3 0.1 87.5 3 66188.039mm 抗扭截面系数： 3 0.2 t Wd 3 0.2 87.5 129894.02 截面上的弯曲应力：/ b M W 348980.36/66188.039 2 6.957/N mm 截面上的扭转剪应力：/44890/129894.02 t T W 2 0.35/N mm 弯曲应力幅： 2 6.957/ ab N mm 弯曲平均应力：0 m 扭转剪应力的应力幅与平均应力相等，即 2 / 20.35/ 20.175/ am N mm 3）确定影响系数 轴的材料为调质处理，查表得40, ri C N 2 900/, B N mm 12 22 11 470/,280/N mmN mm 轴肩圆角处的有效应力集中系数、 取kk0.1,0.05 由上面结果可得 1/( )470/(2.55 6.957) abm SSK 26.49 1/( )280/(1.56 0.1750.05 0.175) am SK 993.789 2222 /26.49 993.789/26.49993.789 ca SS SSS 26.48 查机械设计表 8.13 中的许用安全系数值： S 1.4S 由，可知该轴安全。 ca SS 2.4 数控化改造铣床的进给传动系统 数控铣床的进给传动系统常用伺服进给系统来工作，伺服进给系统的作用是根据 数控系统传来的指令信息，进行放大以后控制执行部件的运动，不仅控制进给运动的 速度，同时还要精确控制刀具相对于工作的移动位置和轨迹，因此，数控铣床进给系 统，尤其是轮廓控制系统，必须对经运动的位置和运动的速度两方面实现自动控制。 与普通铣床相比，对数控铣床进给系统的设计要求除了具有较高的定位精度之外， 还应具有良好的动态响应特性，系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性要好。 2.4.1 数控铣床对进给传动系统的基本要求 数控铣床对机械传动系统的要求可以概况如下： 1 提高传动部件的刚度 一般来说，数控铣床直线运动的定位精度和分辨率都要达到微米级，回转运动的 定位精度和分辨率都要达到角秒级，伺服电动机的驱动力矩（特别是起动、制动是的 力矩）也很大。 2 减小传动部件的惯量 在驱动电动机一定是，传动部件的惯量直接决定了进给系统的加速度，它是影响 进给系统快速性的主要因素。特别是在高速加工的数控机床上，由于对进给系统的加 速度要求高。 2.4.2 数控改造铣床进给系统的型式及介绍 XA5032 型铣床数控化改造进给系统，X、Y、Z 三轴在满足传递扭矩的前提下采用 13 伺服电机并配有直流功能驱动系统，提高了驱动性能。步进电机通过精密膜片抗绕性 联轴器与滚珠丝杠直接相连，其中 Z 向通过圆锥齿轮转换成垂直方向的传动， X、Y、Z 三轴采用帖塑导轨，静，动摩擦系统变化小，快速移动响应快，振动小，低速 移动是无爬行，稳定性好。 2.4.3 数控改造铣床进给传动系统的计算设计 1.1.滚珠丝杠螺母副的设计滚珠丝杠螺母副的设计 （1）纵向滚珠丝杠螺母副设计 用于计算的下列数据是已知的： 工作台质量：，最大加工受力：500 T mkg1788.14 w FN 快进速度： 4000/ min66.667/ fast Vmmmm s 工进速度：1180/ min19.667/ v Vmmmm s 最大加速度： 2 max 1.3/am s 工作台导轨摩擦力：2.5 R FN 工作进程：7000.7 w Smmm 轴承轴向刚度：，丝杠螺母刚度：800/ L KNm800/ M KNm 螺母支座刚度：丝杠传动效率：1000/, TM KNm0.9 sp 丝杠长度：799 sp Lmm 丝杠轴承、丝杠螺母摩擦力距： , 2.5 R SP MN m 轴承平均间距：导程：823,Lmm12 sp hmm 确定最大转速的常熟：50000A 轴承支承方式：双推双推 伺服电机转子惯量： 32 0.05 10 m Jkg m 钢的密度： 33 7.85 10/kg m 1）丝杠螺母静态设计 确定动载荷，工作循环周期有加速时间和加工时间组成， , a C a t w t 计算如下： 14 max /19.667/13000.015 av tvas /700/19.66735.593 wwv tSvs 242 35.5934 0.01571.246 wa Ttts 在减速期间的平均转速为： a n = a n/(2)1180/(2 12)49.167 / min vsp vhr 工作进给时转速为： w n /98.334 / min wvsp nvhr 将上述数据带如式可得当量转速： 1 1 n i i i mn i i nt n t (49.167 4 0.015)(98.334 2 35.593)/71.246 m n 98.293 / minr 载荷系数由现代数控机床表 5-131 取 w f1.1 w f 当量载荷由式计算： m F 1 1 n i i i mn i i Ft F t (24)/ mRwwa FFtFt FT 将已知条件、和计算出： R F a t w tT w F a F max 500 1.3650 aT Fm aN 代入上式，得 (24)/ mRwwaa FFt Ft FT 2.5(2 35.593 1788.144 0.015 650)/71.246 1789.682N 取滚珠丝杠寿命为 20000h，从式算出该 1 ,6 3 (6010 ) awmmh Cf Fn L 滚珠丝杠的动载荷： 15 1 ,6 3 (6010 ) awmmh Cf Fn L 1 6 3 1.1 1789.682 (60 98.293 20000 10 ) 9654.649N 确定静载荷 最大轴向力可近似取最大加工受力，即 max 1788.14 w FFN 由现代数控机床表 5-14 取静态安全系数，根据式1 d f ，可得 , maxoad CfF , 1788.14 oa CN 式中最大轴向力，静态安全系数，取 1 max F d f 根据压力选取丝杠直径。由式可得 4 2 10 sp a d Fm L 24 /(10 ) sp dFaLm 由1788.14,799 aw FFN Lmm 查表 5-15 得：20.3m 代入上式得 24 41788.14 799 /(20.3 10 ) 8.569 sp dmm 故取：9 sp dmm 转速限制 最大转矩限制：由式得： maxo d nA max / o nA d 由 max /4000/12333.33 / min fastsp nVhr 和得 50000A 150 sp dmm 临界转速限制：由式得： 7 2 10 sp c d nf L 27 /10 spc dn Lf 由 max 333.33 / min,799 c nrn Lmm 16 得：21.9f 799 sp dmm 选择丝杠直径：由上面计算结果得： , 9654.649 a CN 1788.14 oa CN 9 sp dmm 150 sp dmm 0.972 sp dmm 根据以上数据，从厂家产品样本中选取直径： 20 sp dmm 2）丝杠螺母动态设计 确定丝杠螺母传动的总刚度 扭转刚度：由式可得对于刚的抗扭刚度量纲公 32 sp TSP Gd K L 式 34 7.84 1020 /0.799 TSP K 1569.96N m 由丝杠扭转刚度折算成工作台直线刚度公式得 2 (2/) TSTSPsp KKh 2 1596.96 (2 3.14/ 2) TS K 437.37/Nm 拉压刚度：由钢的拉压刚度量纲公式可得 2 3 410 sp S dE K L 12 1.65 1020 /0.799 S K 82.6/Nm 设螺母位于丝杠中间，于是 12 2 SPSPS KKK 系统的总刚度为： 17 1/1/ 21/ 41/1/1/ genLsmTSTm KKKKKK 1/1/ 2 800 1/ 4 82.6 1/800 1/ 437.37 1/1000 gen K 系统总刚度：122.13/ gen KMm 确定机械谐振频率 / omechgen WKmT 故 6 122.13 10 /500494.227/ omech Wrad s 确定具有满意动态性能的丝杠直径，电气驱动部件的谐振频率取下列 值，则其动态性能较好，即取 350/ OA Wrad s 采用常规的比列位置调节，为使机械传动部件的动态性能不影响系统 总的动态性能，应当使 (23) omechOA WW: 但是这里选择的丝杠直径，只能得到20 sp dmm /494.227/3501.412 omechOA WW 因此，丝杠直径应该更大一些。 若取代入得2700/ omechOA WWrad s/ omechgen WKmT 245/ gen KNm 将此总刚度代入 1/1/ 21/ 41/1/1/ genLsmTSTm KKKKKK 、和为已知常数，在由 L K m K Tm K 234 (2/)7.84 10/ TSTSPspsp KKhdL 得方程 14 1.65 10/ ssp KdL 3422 1.2 100.7581.62 100 spsp dd 得28 sp dmm 由此可知，选用，该丝杠名义直径 30mm， 1 3006W L 螺距 6mm。该丝杠满足设计要求。 18 （2）横向滚珠丝杠螺母副设计 横向滚珠丝杠长度要求为：354mm 同纵向滚珠丝杠螺母副设计得知，足够满足要求，故选。 1 3006W L 1 3006W L （3）Z 向滚珠丝杠螺母副设计 Z 向滚珠丝杠长度要求为：469mm，同纵向滚珠丝杠螺母副设计得知，海雄联 精密配件有限公司滚珠丝杠副的产品，可采用 CDM3206-5 型滚珠丝杠副，滚珠丝杠 的直径为 32mm，基本导程为 6mm，满足要求。 2.垂直进给系统中的圆锥齿轮设计 已知：圆锥齿轮需要传递的功率为 1.5,小齿轮转速，传动比 W K1400 / minr ，双向运转，工作平稳，每天工作 8 小时，每年工作 300 天，预期寿命 8 年。2.5i （1）选择齿轮材料 查机械设计表 6.2 小齿轮选用 45 调质,大齿轮选用 45 1 245275HBSHBS: 正火 2 210240HBSHBS: （2）按齿面接触疲劳强度设计计算 确定齿轮传动精度等级，按，估取圆周速度3 1 1 (0.0130.022) t p vn n : ，参靠表 6.8 选取公差组 8 级。2.87/ t vm s 齿宽系数，小齿轮齿数选取，大齿轮齿数0.3 R 1 22z 2 22 2.555z 齿数比2.5 传动比误差为最佳/0u u 小轮转矩 6 1 9.55 101.5/140010232.143TN mm 使用系数 查表 6.3 得 A K1 A K 动载荷系数的初值 由推荐值， v K1.051.4:1.15 vt K 齿向载荷分布系数 由推荐值， K1.01.2:1.10K 载荷系数 K 的初值 t K1 1.15 1.101.27 tAvt KKKK 19 弹性系数 查表 6.4 得 E Z 2 189.8/