说明书-C6143型卧式车床的数控化改造及四方刀架设计.doc
C6143型卧式车床的数控化改造及四方刀架设计含4张CAD图
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C6143
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C6143型卧式车床的数控化改造及四方刀架设计含4张CAD图,C6143,卧式,车床,数控,改造,四方,刀架,设计,CAD
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XXXXX 毕 业 设 计（论 文）题 目：C6143型卧式车床的数控化改造及横向进给机构设计院 （系）： 专 业： 班 级： 学生姓名： 导师姓名： 职称： 起止时间： 摘要 针对现有常规C6143普遍车床的缺点提出数控改装方案和单片机系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。本论文说明了普通车床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了C6143机械改造部分的设计及数控系统部分的设计。采用以8031为CPU的控制系统对信号进行处理，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮传动减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。 结合我国实际国情，经济型数控车床是我国从普通车床向数控车床发展的及其重要的台阶。利用现有的普通车床，对其进行数控化改造是一条低成本，高效益的途径。数控车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，很好地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。我国作为机床大国，数控机床的占有率还不足百分之三，但是在欧美等发达国家数控机床的占有率达到了百分之三十六以上，单从数字上来看我过和欧美等发达国家还有相当大的距离。其主要原因为数控车床价格较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。对普通机床数控化改造不失为一种较好的良策。在金属加工行业中车床在所有加工设备中占有最大比重，例如最常见的轴类零件，就是由车床加工而成本论文针对目前国内企业现状，以C6143普通车床为例提出简易型经济数控改造思路和设计方法。关键词：数控机床， 单片机数控系统，改装设计， 伺服电机 传动系统 控制系统 电气控制线路 经济实惠 数控改造， Abstract To remedy the defects of ordinary lathe C6143, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and extend the machines usage, and to improve production rate。This paper presents the process of designing numerical control reform，and explicitly introduces the design of mechanical and numerical control system reforms。We adopt control system which has 8031 as cpu to cope with the signal，and output the step pulse through the I/O interface。After transmitting and slowing down by force 1 gear, the step pulses drive the leading screw to roll。Thus achieve the vertical movement and the crosswise movement。 Chinas actual conditions and economic CNC lathe is from the ordinary to the lathe and NC lathe important development stage.Use of existing ordinary lathe, NC transformation is its low cost and highly efficient way.CNC lathe as a typical electromechanical integration products, machinery manufacturing plays an enormous role,good solution to the structural complexity of modern machinery, precision, small batches, changeable parts processing,able to stabilize the quality of the processing products, a significant increase in production efficiency.As the big machine, CNC machine tools was less than 3.0% share.However, in Europe and the United States and other developed countries to achieve the 36% share of the CNC machine moreI can see from the figures over Europe and the United States and other developed countries there is still a considerable distance.The main reason for the higher prices of CNC lathe, a one-time investment to fill larger enterprises.CNC transformation of the ordinary would be a better process.Lathe in the metal processing industry accounts for the largest proportion of all processing equipment, for example, the most common shaft.Papers from the machining cost is the present status of domestic enterprises.Simple C6143 made to the general economic NC lathe ideas and design methods.KEY WORDS： numerical control machine tool, single chip microcomputer system，reform design，The C6143 servo electrical machinery transmission system control system electricity control line economical numerical control changes 目录1.绪论 12.设计要求 32.1总体方案设计要求 32.2设计参数 42.3.其它要求 73.进给伺服系统机械部分设计与计算 83.1进给系统机械结构改造设计 83.2进给伺服系统机械部分的计算与选型 83.2.1确定系统的脉冲当量 93.2.2纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择雨校核步骤 93.2.3 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤 12 3.2.4齿轮有关计算 133.2.4（1）纵向齿轮及转矩的有关计算143.2.4 (2)横向齿轮及转矩的有关计算 154. 步进电动机的计算与选型 204.1步进电动机选用的基本原则 204.2步进电动机的选折 215.主轴交流伺服电机 225.1主轴的变速变速范围 225.2初选主轴电机的型号 225.3主轴电机的校核 22 7.车床改造的结构特点 277.1.滚珠丝杆 277.2导轨副 277.3安装电动卡盘 277.4脉冲发生器 27 8安装调整中应注意的问题 28 8.1滚珠丝杠螺母副的选择 28 8.2滚珠丝杠螺母副的调整 28 8.3联轴器的安装 288.4主轴脉冲发生器的安装 28结论 29参考文献 301绪论普通车床是金属切削加工最常用的一类机床。普通机床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜箱、横溜板移动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作。刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。一、数控机床的产生数控机床最早是从美国开始研制的。1948年，美国帕森斯公司在研制加工直升机桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初始设想。1949年，帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始从事数控机床的研制工作。并于1952年试制成功世界上第一台数控机床实验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。经过三年改进和自动编程研究，于1955年进入实用阶段。一直到20世纪50年代末，由于价格和技术原因，品种多为连续控制系统。到了60年代，由于晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数是钻床、冲床等点位控制的机床。数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到焊接机、火焰切割机等，使数控技术不断的扩展应用范围。二、数控机床的发展自1952年，美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量等相关技术的发展，数控机床也在迅速地发展和不断地更新换代，先后经历了五个发展阶段。第一代数控：1952-1959年采用电子管元件构成的专用数控装置。第二代数控：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。第三代数控：从1965年开始采用小、中规模集成电路的NC系统。第四代数控：从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统。第五代数控：从1974年开始采用微型电子计算机控制的系统。目前，第五代微机数控系统基本上取代了以往的普通数控系统，形成了现代数控系统。它采用微型处理器及大规模或超大规模集成电路，具有很强的程序存储能力和控制功能。这些控制功能是由一系列控制程序来实现的。这些数控系统的通用性很强，几乎只需改变软件，就可以适应不同类型机床的控制要求，具有很大的柔性。随着集成电路规模的日益扩大，光缆通信技术应用于数控装置中，使其体积日益缩小，价格逐年下降，可靠性显著提高，功能也更加完善。近年来，微电子和计算机技术的日益成熟，它的成果正在不断渗透到机械制造的各个领域中，先后出现了计算机直接数控系统，柔性制造系统和计算机集成制造系统。所有这些高级的自动化生产系统均是以数控机床为基础，它们代表着数控机床今后的发展趋势。三、我国数控机床的发展概况我国从1958年由北京机床研究所和清华大学等首先研制数控机床，并试制成功第一台电子管数控机床。从1965年开始，研制晶体管数控系统，直到60年代末和70年代初，研制的劈锥数控铣床、非圆锥插齿机等获得成功。与此同时，还开展了数控加工平面零件自动编程的研究。1972-1979年是数控机床的生产和使用阶段。例如：清华大学研制成功集成电路数控系统；数控技术在车、铣、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域开始研究与应用；数控加工中心机床研制成功；数控升降台铣床和数控齿轮加工机床开始小批生产供应市场。从80年代初开始，随着我国开放政策的实施，先后从日本、美国、德国等国家引进先进的数控技术。上海机床研究所引进美国GE公司的MTC-1数控系统等。在引进、消化、吸收国外先进技术基础上，北京机床研究所又开发出BSO3经济型数控系统和BSO4全功能数控系统，航空航天部706所研制出MNC864数控系统等。进而推动了我国数控技术的发展，使我国数控机床在品种上、性能上以及水平上均有了新的飞跃。我国的数控机床已跨入一个新的发展阶段。四、数控机床的发展趋势从数控机床技术水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自动化是数控机床的重要发展趋势。对单台主机不仅要求提高其柔性和自动化程度，还要求具有进入更高层次的柔性制造系统和计算机集成制造系统的适应能力。在数控系统方面，目前世界上几个著名的数控装置生产厂家，诸如日本的FANCU，德国的SIEMENS和美国的A-B公司，产品都向系列化、模块化、高性能和成套性方向发展。它们的数控系统都采用了16位和32位微机处理机、标准总线及软件模块和硬件模块结构，内存容量扩大到1MB以上，机床分辨率可达0.1微米，高速进给可达100m/min,控制轴数可达16个，并采用先进的电装工艺。在驱动系统方面，交流驱动系统发展迅速。交流传动已由模拟式向数字式方向发展，以运算放大器等模拟器件为主的控制器正在被以微处理器为主的数字集成元件所取代，从而克服了零点漂移、温度漂移等弱点。五、数控机床改造的意义数控机床改造在国外已发展成一个新兴的工业部门，早在60年代已经开始迅速发展，其发展的原因是多方面的，主要有技术、经济、市场和生产上的原因。我国是拥有300多万台机床的国家。而这些机床又大多是多年累积生产的通用机床，不论资金和我国机床制造厂的能力都是办不到的。因此，尽快将我国现有一部分普通机床实现自动化和精密化改装，是我国现有设备技术改造迫切要求解决的课题。用数控技术改造机床，正是适应了这一要求。它是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础上。在机床改造中引入微机的应用，不但技术上具有先进性，同时，在应用上比其它传统的自动化改装方案，有较大的通用性与可调性。而且所投入的改造费用低，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的1/3至1/5，用户承担的起。从若干单位成功应用的实例可以证明，投入使用后，确实成倍地提高了生产效率，减少了废品率，取得了显著的技术经济效益。因此，我国提出从大力推广经济型数控这一中间技术的基础上，再逐步推广全功能数控这条道路，适合我国的经济水平、教育水平和生产水平，已成为我国设备技术改造主要方向之一。同时，它还可以作为全功能数控机床应用的准备阶段，为今后使用全功能数控机床，培养人才，积累维护、使用经验，而且也是实现我国传统的机械制造技术朝机电一体化的方向过渡的主要内容之一。对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改为用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于加工过程中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适应小批量多品种复杂零件的加工。2设计要求2.1总体方案设计要求总体方案设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。（1）普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。（2）车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。（3）根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采用8位微机。在8位微机中，MCS51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性价比，因此，可选 MCS51系列单片机扩展系统。（4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了CPU外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。（5）设计自动回转刀架及其控制电路。（6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。（7）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦 小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。（8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。总体方案设计图如下图（2）所示：进给伺服系统总体方案方框图如图（3）所示：2.2设计参数设计参数包括车床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需要的参数。现列出C6143卧式车床的技术数据：名称 技术参数 在床身上 430mm工件最大直径在刀架上 210mm顶尖间最大距离 650;900;1400;1900mm 公制螺纹 mm 1-12(20种)加工螺纹范围 英制螺纹 t/m 2-24(20种) 模数螺纹 mm0.25-3(11种) 径节螺纹 t/m7-96(24种) 最大通过直径 48mm 孔锥度莫氏6# 主轴 正转转速级数 24 正转转速范围101400r/min 反转转速级数12 反转转速范围14-1580r/min纵向级数64进给量纵向范围0.028-6.33mm/r横向级数64横向范围0.014-3.16mm/r 滑板行程 横向320mm纵向650;900;1400;1900mm 最大行程140mm 刀架最大回转角 90刀杠支承面至中心的距离26mm刀杠截面BH2525mm 顶尖套莫氏锥度5#尾座横向最大移动量10mm外形尺寸 长宽高241810001267mm 圆度 0.01mm工作精度圆柱度200:0.02 平面度0.02/300mm表面粗糙度Ra1.6-3.2m 主电动机7.5kw电动机功率总功率7.84kw改造设计参数如下:最大加工直径 在床面上 400mm 在床鞍上210mm最大加工长度 1000mm快进速度 纵向2.4m/min 横向1.2m/min最大切削进给速度 纵向0.5m/min 横向0.25m/min溜板及刀架重力 纵向800N 横向600N 代码制ISO脉冲分配方式 逐点比较法输入方式 增量值、绝对值通用控制坐标数 2脉冲当量 纵向0.01mm/脉冲 横向0.005mm/脉冲机床定位精度0.015mm刀具补偿量 0mm-99.99mm进给传动链间隙补偿量 纵向0.15mm横向 0.075mm自动升降速性能 有2.3.其它要求（1） 原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量 ，以降低成本缩短改造周期。（2）机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保正安装、调试、拆卸方便，需经常调整的部位调整应方便。3进给伺服系统机械部分设计与计算3.1进给系统机械结构改造设计进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一种方案：挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。溜板箱部分：全部拆除，在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操作按钮。横溜板箱部分：将原横溜板的丝杠的、螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠螺母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。3.2进给伺服系统机械部分的计算与选型进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量、计算切削力滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型、齿轮传动计算、步进电机的计算和选型等。计算简图如下图所示：3.2.1确定系统的脉冲当量脉冲当量是指一个进给脉冲使机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参数。因此,脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。对经济型数控机床来说，常采用的脉冲当量为0.01mm/step和0.005mm/step,在C6143的技术参数中，要求纵向脉冲当量fp为0.01mm/step。横向脉冲当量为fp=0.005mm/step。3.2.2纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择雨校核步骤（1）最大工作荷载计算滚珠丝杠的工作载荷Fm（N）是指滚珠丝杠副的在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走到抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。由于原普通C6143车床的纵向导轨是三角形导轨，则用公式3-1计算工作载荷的大小。 Fm=KFL+f(Fv+G) （3-1） 1）车削抗力分析车削外圆时的切削抗力有FxFyFz，主切削力Fz与主切削速度方向一致垂直向下，是计算机床主轴电机切削功率的主要依据。切深抗力Fy与纵向进给垂直，影响加工精度或已加工表面质量。进给抗力Fx与进给方向平行且相反指向，设计或校核进给系统是要用它。纵切外圆时，车床的主切削力Fz可以用下式计算： Fz=CFzPXFzfyFzVnFz KFz （3-2） =5360(N) 由金属切削原理知：Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4 （3-3） 得 Fx=1340(N) Fy=2144(N)因为车刀装夹在拖板上的刀架内，车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨上，车削作业时作用在进给托板的载荷F1Fv和Fc与车刀所受到的车削抗力有对应关系。因此，作用在进给托板上的载荷可以按下式求出： 托板上的进给方向载荷 F1=Fx=1340(N) 托板上的垂直方向载荷 Fv=Fz=5360(N) 托板上的横向载荷 Fc=Fy=2144(N) 因此，最大工作载荷 Fm=KFL+f(Fv+G) =1.151340+0.04(5360+909.8) =1790.68(N) 对于三角形导轨K=1.15, f=0.030.05,选f=0.04(因为是贴塑导轨)，G是纵向横向溜板箱和刀架的重量，选纵向横向溜板箱的重量为75kg,刀架重量为15kg.（2）最大动载荷C的计算滚珠丝杠应根据额定动载荷Ca选用，可用式3-4计算： C=3Lfmm （3-4） L为工作寿命，单位为10r，L=60nt10;n为丝杠转速（rmin）,n=1000vL0;v为 最大切削力条件下的进给速度（mmin）,可取最高进给速度的1/21/3;L0为丝杠的基本导程，查资料得L0=12mm;fm为运转状态系数，因为此时有冲击振动，所以取fm=1.5.V纵向=1.59mm/r1400r/min=2226mm/minn纵向=v纵向1/2/L0=22261/2/12=92.75r/min L=60nt/106=6092.7515000/106=83.5则 C=3LfmFm =383.51.51790.68=11740（N） 初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷Ca不得小于最大载荷C;因此有CaC=11740N另外例如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转下工作并受载，那么还需考虑其另一种失效形式-滚珠接触面上的塑性变形。即要考虑滚珠丝杠的额定静载荷Coa是否充分地超过了滚珠丝杠的工作载荷Fm,一般使Coa/Fm=23.初选滚珠丝杠为：外循环，因为内循环较外循环丝杠贵，并且较难安装。考虑到简易经济改装，所以采用外循环。因此初选滚珠丝杠的型号为型CD638-3.5-E型，主要参数为Dw=4.763mm,Lo=8mm,dm=63mm,=2o19 ，圈数列数3.51 （3）纵向滚珠丝杠的校核 1）传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为 =tg/tg(+)=tg2o19 /tg(2o19 +10)=92% （3-5）2）刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形将引起导程发生变化，从而影响其定位精度和运动平稳性，滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形，丝杠和螺母之间滚道的接触变形，丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。1 丝杠的拉压变形量1 1=Fml/EA （3-6） =1790.682280/20.610(31.5)2 =0.0064mm2 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2采用有预紧的方式，因此用公式 2=0.0013Fm3DwFyjZ2 （3-7） =0.00131790.6834.7631790.683145.36 2 =0.0028mm在这里 Fyj =1/3Fm=1/31790.68=597N Z=dm/Dw=3.1463/4.763=41.53 Z=41.533.51=145.36 丝杠的总变形量=1+2=0.0064+0.0028=0.0092mm4所以丝杠很稳定。3.2.3 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤（1）型号选择 1）最大工作载荷计算由于导向为贴塑导轨，则：k=1.4 f=0.05,F1为工作台进给方向载荷，Fl=2141N,Fv=5360N,Fc=1340N,G=60kg,t=15000h,最大工作载荷：Fm=kF1+f(Fv+2Fc+G) =1.42144+0.05(5360+21340+9.875) =3440.4N2）最大动载荷的计算 V横=1400r/min0.79mm/r=1106mm/min n横丝=v横1/2/L0纵=11061/2/4=138.25r/min L=60nt/=60138.2515000/106=124.43 C=3LfmFm =3124.431.53440.4=25763.7N 初选滚珠丝杠型号为：CD506-3.5-E其基本参数为Dw=3.969mm,=2o11,L0=6mm,dm=50mm,圈数列数3.51 (2) 横向滚珠丝杠的校核 1）传动效率计算 =tg/tg(+)=tg2o11 /tg(2o11 +10)=93%2) 刚度验算 1. 丝杠的拉压变形量1=FmL/EA=3440.4320/20.6104252=0.0027mm 2.滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2=0.0013Fm3DwFyjZ2 =0.00133440.433.9693440.43145.36 2 =0.0070mm在这里Fyj=Fm/3=3352.6/3=1118N Z=dm/Dw=3.1450/3.969=39.56 Z=39.563.51=138.48丝杠的总变形量 =1+2=0.0027+0.0070=0.0097mm0.015mm查表知E级精度允许的螺距误差为0.015mm，故所选丝杠合格（3）滚珠丝杠螺母副的精度等级：数控机床根据定位精度的要求通常选用1-5级精度的滚珠丝杠，1-5级度丝杠的行程公差数值如表（2）所示：项目符号有效行程lm/mm精度等级12345 目标行程公差ep3156812162331540079131825400500810152027500630911162230行程变动量公差Vmp3156812162331540068121725400500710131926500630711142129任意300mm内行程变动量V300p681216232rad内行程变动量V2p45678表（2）滚珠丝杠行程公差/m3.2.4齿轮有关计算(1)纵向齿轮及转矩的有关计算1）有关齿轮计算，由前面的条件可知： 工作台重量：W=80kgf=800N(根据图纸粗略计算)滚珠丝杠的导程: Lo=12mm步距角: =0.75/step脉冲当量: p=0.01mm/step快速进给速度：Vmax=2m/min所以,变速箱内齿轮的传动比i=Z2 Z1= L0360p =0.7512 3600.01 =2.5 （3-9） 齿轮的有关参数选取如下: Z1=32 , Z2=40 ,模数m=2mm 齿宽 b=20mm 压力角=20齿轮的直径 d1=mz1=232=64mm d2=mz1=240=80mm d2=d1+2ha*=68mmd2=d2+2ha*=84mm两齿轮的中心矩 a= d1+d22 = 64+802 =72mm2）转动惯量计算工作台质量折算到步进电动机轴上的转动惯量: J1=W(180p)2= (1800.01 3.140.75 )2 801100 =0.467kg.cm2 （3-10）对材料为钢的圆柱形零件,其转动惯量可按下式估算: J=7.810-4D4L kg.cm2 （3-11） 式中 D-圆柱形零件的直径,cm L-零件的轴向长度,cm所以,丝杠的转动惯量: J1=7.810-4+D4L1=7.810-43.24140.3=11.475 kg.cm2齿轮的转动惯量: JZ1=7.810-46.442=2.617 kg.cm2 JZ1 =7.810-4842=6.39 kg.cm2电动机转动惯量很小,可忽略。因此，折算到步进电机轴上的总的转动惯量J=(1/i2)（JS+Jz2）+Jz1+J1=(1/2.52)（11.475+6.39）+2.617+0.467=5.942 kg.cm2=59.42N. cm2丝杠名义直径/mm导程/mm1m长丝杠的转动惯量kg.cm2丝杠名义直径/mm导程/mm1m长丝杠的转动惯量kg.cm22040.94501035.7650.841231.982552.2460881.5862.001078.023054.911274.9664.47708157.353559.2610150.4768.7212145.1388.308010263.4940516.2912255.84615.459010420.31815.1812392.7545626.1310012649.56824.5416615.161022.6320562.4450639.75120201233.93837.64241144.60表(3)滚珠丝杠的转动惯量3）所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩 M=Mamax+Mf+Mo最大切削负载时所需力矩 M=Mat+Mf+Mo+Mt快速进给时所需力矩M=Mf+Mo式中, Mamax-空载启动时折算到电动机轴上的加速度力矩; Ma-折算到电动机轴上的加速度力矩; Mf-折算到电动机轴上的摩擦力矩; Mo-由丝杠预紧所引起,折算到电动机轴上的附加摩擦力矩; Mat-切削时折算到电动机轴上的加速力矩; Mt-折算到电动机轴上的切削负载力矩;Ma=Jn9.6T10-4N.m （3-12）式中, J-转动惯量, kg.cm2 n-丝杠转速,r/min T-时间常数,s当n=nmax时 Ma=Mamax nmax=VmaxILo=20002.512 =416.7 r/min Mamax=5.942425 10-4=2.49N.m当n=nt时, Ma=matnt=n主fLo=1000VD fi L0=100010048012 =24.88 r/minMat= 59.4224.889.60.25 10-4=0.0616N.mMf=FoLo 2i =fwLo 2i N.cm （3-13）式中 f-导轨上的摩擦系数 nt-切削加工时的转速，r/min; w-移动不见的重量，N; Lo-丝杠导程，cm; i-传动比； - 传动效率。当 =0.8 f=0.16时， Mf= 0.168002.5 = 12.23 N.cmMo=FoLo2i(1-o2) （3-14）式中， o-丝杠未预紧时的效率，取0.9 FO-预加载荷，一般为最大轴向载荷的1 / 3，即FP / 3则 Mo=FpLo(1-o2) 6i=13401.2 (1-0.92)=8.108N.cm Mt=FxLo 2i=13402.5 =128 N.cm所以，快速空载启动所需力矩 M=Mamax+Mf+Mo=103+12.23+8.108=123.338 N.cm切削时所需力矩 M=Mat+Mf+Mo+Mt=6.16+12.23+8.108+128=151.42 N.cm快速进给时所需力矩 M=Mf+Mo=12.23+8.108=20.338 N.cm由以上分析计算可知：所需最大力矩Mamax发生在快速启动时 Mmax=123.338 N.cm(2)横向齿轮及转矩的有关计算1)有关齿轮计算，由前面的条件可知： 工作台重量：W=30kgf=300N(根据图纸粗略计算)滚珠丝杠的导程: Lo=4mm步距角: =0.75/step脉冲当量: p=0.005mm/step快速进给速度：Vmax=1m/min所以,变速箱内齿轮的传动比i=Z2 Z1= L0360p = 0.7543600.00553 =1.67齿轮的有关参数选取如下: Z1=18 , Z2=30 ,模数m=2mm 齿宽 b=20mm 压力角=20d1=36mm d2=60mmda1 =40mm da2=64mm a=48mm2)转动惯量计算工作台质量折算到步进电动机轴上的转动惯量: J1=W(180p)2= (1800.0053.140.75 )2 301100 =0.0439 kg.cm2丝杠的转动惯量: Js=7.810-42450=0.624 kg.cm2齿轮的转动惯量: JZ1=7.810-43.642=0.262 kg.cm2 JZ1 =7.810-4642=2.022 kg.cm2电动机转动惯量很小,可忽略。因此，折算到步进电机轴上的总的转动惯量J=(1/i2)（JS+Jz2）+Jz1+J1=(35)2（0.624+2.022）+0.262+0.0439=1.258 kg.cm2=12.58N. cm23)所需转动力矩计算nmax=VmaxILo=1000453 =416.7 r/min Mamax= 1.25842510-4=0.2184N.m=2.18kgf.cmnt=n主fLo=1000VD fi L0=10001000.1553.146043 =33.17 r/minMat= 1.2582510-4=0.0174N.m=0.174 kgf.cmMf=FoLo 2i =fwLo 2i = 0.2300.4323.140.85=0.287kgf.cm=0.028N.mMo=FpLo(1-o2) 6i=214.40.4363.140.85 (1-0.92) =0.649kgf.cm =0.065N.mMt=FyL02i =214.40.4323.140.85=10.242kgf.cm =1.024 N.m所以，快速空载启动所需力矩M=Mamax+Mf+Mo=2.18+0.287+0.065=2.532kgf.cm =25.32 N.cm切削时所需力矩M=Mat+Mf+Mo+Mt=0.174+0.287+0.649+10.242=11.352kgf.cm=113.52 N.cm快速进给时所需力矩M=Mf+Mo=0.287+0.649 =0.936kgf.cm = 9.36N.cm由以上分析计算可知：所需最大力矩Mamax发生在快速启动时 Mmax=2.532 kgf.cm =25.32 N.cm（3）绘制进给伺服系统的机械装配图在完成滚珠丝杠螺母副和步进电机的计算选型，完成齿轮传动比计算后可以着手绘制进给伺服系统的机械装配图。在绘制机械装配图时，除了从总体上考虑机床布局情况以及伺服进给机构与原机床的联系外，还应认真的考虑与具体结构设计有关的一些问题。1）了解原机床的详细结构，从有关资料中查阅床身、纵溜板、横溜板、刀架等的结构尺寸。2）根据载荷特点和支承形式确定丝杠两端支承轴承的型号，轴承座的结构以及轴承预紧和调节方式，确定齿轮轴支承轴承的型号。3）减速齿轮的参数和结构尺寸计算，确定齿轮侧隙的调整方法，在满足装配工艺的前提下，合理设计齿轮箱结构。4） 考虑各部位间的定位、联接和调整方法。例如，应保证丝杠两端支承与滚珠丝杠螺母同轴，保证丝杠与机床导轨平行，考虑螺母座。轴承座在安装面上的联接与定位、齿轮箱在安装面上的定位、步进电机在齿轮箱上的联接与定位等。5）考虑密封、防护、润滑以及安全机构等问题。例如，丝杠螺母的润滑、防尘、防铁屑保护、轴承的润滑及密封、齿轮的润滑及密封、行程限位保护装置等。6）在进行各零部件结构设计时，应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。此外，注意绘制装配图时的一些基本要求。例如，制图标准、视图布置及图形画法要求、重要的中心距、中心高、联系尺寸和轮廓尺寸的标准、重要配合的标注、装配技术要求、标题栏要求等。4 步进电动机的计算与选型4.1步进电动机选用的基本原则合理选用步进电动机是比较复杂的问题，需要根据电动机在整个系统中的实际工作情况，经过分析后才能正确选择。现仅就选用步进电机最基本的原则介绍如下：4.1.1步距角 步距角应满足 min i （4-1）式中， i-传动比 min-系统对步进电动机所驱动部件要求的最小转角4.1.2精度 步进电动机的精度可以用步距误差或累积误差衡量，累积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，用累积误差衡量精度比较实用，所选用的步进电动机应满足： mi s （4-2）式中， m -步进电动机的累积误差。 s-系统对步进电动机驱动部分允许的角度误差。 4.1.3转矩为了使步进电动机正常运转（不失步，不越步）正常启动并满足对转速的要求，必须考虑以下条件a. 起动力矩。一般选取为 MqMLo/0.3-0.5 （4-3）式中，Mq-电动机起动力矩 MLo-电动机静负载力矩根据步进电动机的相数和拍数，启动力矩选取如表（4）所示，表中MJM为步进电动机的最大静载矩，是步进电动机技术数据中给出的。运行方式相数33445566拍数3648510612Mg/Mjm0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866表（4）步进电动机相数、拍数启动力矩表在要求的运行频率范围内，电动机运行运行力矩应大于电动机的静载力矩与电动机转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。4.1.4启动频率由于步进电动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 (4-4)式中，ft-极限启动频率， fopm-要求步进电动机最高启动频率。4.2步进电动机的选折4.2.1 C6143纵向进给系统步进电机的确定 Mq=ML00.4 123.3380.4 =308.35 N.cm为满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知： Mq/Mjm=0.866所以步进电动机最大静转矩Mjm为： Mjm=Mq 0.866308.350.866 =356.06 N.cm步进电动机最高工作频率： fmax= Vmax 60 P2000600.01 =3333.3 HZ综合考虑，查步进电机技术数据表选用90BF002型直流电动机，能满足使用要求。4.2.2C6143横向进给系统步进电机的确定 Mq=ML00.4 =25.320.4 =63.3 N.cm电动机仍选用三相六拍工作方式，查表知： Mq/Mjm=0.866所以步进电动机最大静转矩Mjm为： Mjm=Mq 0.866 =63.30.866=73.09 N.cm步进电动机最高工作频率： fmax=Vmax60p =1000600.005 =3333.3 HZ为了便于设计和采购，仍选用90BF002型直流电动机，能满足使用要求。5主轴交流伺服电机5.1主轴的变速范围 主轴能实现的最高转速与最低转速之比称为变速范围Rn，即Rn=nmax/nmin,数控机床的工艺范围宽，切削速度与刀具，工件直径变化 很大，所以主轴变速范围很宽。 由于Nmax=1800 nmax=14 Nmax/nj=2nj/min (5-1) 则nj=1800142 =113r/min 这里nj为电动机的额定转速该机床主轴要求的恒功率调速范围Rn为： Rn= nmax /nj =1800/113=15.9 (5-2)主轴电机的功率是：7.5kw5.2初选主轴
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