车床的经济型数控改造设计

车床的经济型数控改造设计摘要：国内外制造业的发展经验表明，发展制造业，数控机床是基础。数控机床很好地解决了现代机械制造业结构复杂、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，大幅提高生产效率。然而企业若花大量的资金更换全新的数控机床，则花费过高，给企业造成的经济负担过大，同时报废大量的普通机床也是一个极大的浪费。因此对机床进行数控化改造不失为一个良策。本设计是针对常见的CA6140车床进行数控化改造以达到经济型数控机床的要求。主传动系统部分保留原机床的主轴手动变速；进给传动系统的纵向与横向改造都是采用步进电机通过一级齿轮减速后驱动滚珠丝杠；原刀架拆除加装自动转位刀架（四工位）实现自动换刀；加装脉冲发生器以实现切削螺纹功能；数控系统选择MCS-51系列单片机组成的控制系统。关键词：CA6140车床，数控化改造，滚珠丝杠，步进电动机LathetransformationoftheeconomicdesignofNCAbstract：Themanufacturingindustryexperiencebothathomeandabroadshowsthatthedevelopmentofmanufacturingindustryoffoundationisnumericalcontrolmachinetools.CNCmachinetoolsolvestheproblemsofmodernmachinerymanufacturingcomplexstructure,recisionandsmallbatchandchangeablepartsprocessing.andCNCmachinetoolcanstabilizethequalityoftheirproductsandgreatlyimprovetheproductionefficiency.However,itiscostthatcompaniesspendalotofmoneytogetnewCNCmachinetools.itistheeconomicburdenforenterprisesandthemachineisacommonscrappedagreatwaste.Therefore,transformationoftheNCmachinetoolswouldbeagoodpolicy.ThisdesignisforthecommonreformCA6140latheforCNCmachinetoolstomeettherequirementsofNCmachine.maintransmissionsystemretaintheoriginalmanualtransmission.thetransmissionsystemreformarebasedonthesteppermotorthroughgearsdrivetheballscrew.thecutterdismantlecutterwithfourautomatictransferstochangelocationautomatically.installationofthepulsegeneratortoachievethefunctionofcuttingthread.MCS-51single-chipcontrolsystemisselectedforNcsystem.Keywords:CA6140lathe，NCtransformation，ballscrews，SteppingMotor、前言数控机床是以数字化的信息实现机床控制的典型机电一体化产品，它是将主运动的变速、起停，进给运动的方向、速度、位移大小，以及诸如刀具的选择、交换、工件的夹紧、松开和冷却的起、停等信息数字化，然后将这些数字信息送入数控系统或计算机，由数控系统或计算机发出各种指令控制机床伺服系统或其他的执行元件以完成加工任务。数控机床是多学科、新技术的合成体，是自动化程度很高的机床。数控机床与普通机床相比较有很多特点：1.加工质量稳定，数控加工的切削量、进给速度、主轴转速、使用刀具等加工所需条件、参数都可以根据工艺要求，预先编程予以规定，加工过程中避免了人为的干扰，大大提高了同一批产零件的一致性；2.适应性强，能加工形状复杂的零件；3.生产效率高；4.减轻劳动者的劳动强度，减少操作失误，降低废品、次品；5.提高生产管理水平；6.有利于产品生产的自动化。因此数控机床以其适应性强、加工质量稳定、效率高、精度高的特点产品生产中得到了广泛的应用。本次设计通过对CA6140普通车床的数控化改造，提高了原机床的加工精度和扩大了机床的适用范围，使生产效率得到了很大的提高。该论文主要介绍了普通卧式车床机械部分的数控改造化，阐述了CA6140车床横、纵向进给系统的数控化改造设计。1.1经济型数控改造的实际意义随着人民生活水平的不断提高，物质生活和精神生活不断丰富，经济发展日益加快，市场的变化就会愈来愈大，产品的品种愈来愈多，且产品更新换代的周期愈来愈短。这时，多品种单件小批生产的特点显得愈来愈突出。这就要求企业要很好适应多品种单件生产的特点，因此企业淘汰旧机床和装备数控机床是适应这种要求必经途径。企业获得数控机床有两种途径：一是对现有机床进行技术改造，把传统式的机床改造成数控机床；二是购置全新的数控机床。当前我国的企业大多数为中小型的民营企业，购置全新的数控机床关于投资资金的利润率、对企业流动资金的影响、企业资金的筹措能力、投资的风险及资本的回收、技术上的可行性这几个方面是企业不得不考虑的问题。综合以上各个方面的因数，企业选择对现有旧机床进行数控化改造是一个最好的选择，其优点体现在以下方面：1.减少投资额、交货期短，具有显著的经济效益。通过对机床局部的改造，相较于购买全新的数控机床，一般能节省60%左右的资金，对于大型、特殊机床效果尤为明显。此外还具有针对性强、适应性广、投入少、见效快的特点，但有些情况特殊，如高速主轴、刀具自动交换装置、托盘自动交换装置的制作与安装往往会使改造成本提高2~3倍，与购置新机床相比，只能节省投资50%左右。2.企业熟悉设备，便于操作维修。购买全新的数控机床，企业劳动者不熟悉设备，需要经过专门培训才能熟练操作和维修机床，耗费时间。而通过对现有旧机床的数控化改造，是企业针对自身现有的机床提出的对机床性能、操作与维修的改进，企业技术人员与操作者参与了改造过程，熟悉改造后的机床性能和操作维修特点，因此在操作维修培训上花费时间短，见效快。机床一经改造安装好后，就能实现满负荷运转。3.机床力学性能稳定。普通机床与数控机床相比，形状复杂的、吨位重的基础零件，如底座、工作台、床身、立柱、顶梁和滑枕等都是必不可少的。用旧机床进行改造，重负使用这些基础零件，必然缩短了制造周期并降低生产成本。再加上企业原有旧机床役龄长，相应的这些基础件的自然时效也长，内应力的消除使得机床主要基础零件的精度稳定性好。综上所述，企业尤其我国的民营制造业企业，通过对现有旧机床的数控化改造是达到拥有数控机床，提高企业的生产率，适应现在小批量多品种生产格局是一个很好的途径。2经济型数控改造总体方案的确定2.1设计任务本次毕业设计任务是对CA6140普通车床进行数控化改造，主要对CA6140普通车床的机械部分进行数控化改造。利用微机对横、纵向进给系统进行开环控制，纵向脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向脉冲当量为0.005mm/脉冲，驱动元件为步进电机，传动系统采用滚珠丝杠螺旋副，刀架采用自动转位刀架。2.2总体方案的论证与确定CA6140型普通车床为卧式车床，主要加工轴类和直径不太大的盘、套类零件，主轴水平安装，刀具在水平面内做纵、横向进给运动，其通用性较大，但结构较复杂且自动化程度低，加工过程中的辅助时间较多，适用于单件、小批生产及修理车间等。本设计对CA6140车床的数控化改造是经济型数控改造，因此在对CA6140车床进行改造时尽可能地减少改动，以节约改造成本。2.2.1数控系统的选择数控系统是数控机床的关键功能部件，更具不同分类特点有不同分类方法，下面就其中两种分类特点选择数控系统。（1）按被控制对象运动轨迹可以分为：点位控制系统、直线控制系统、连续控制系统。=1\*GB3①点位控制系统，控制机床运动部件的精确位置，保证点与点之间准确位置，此类控制系统主要用于数控钻床、镗床、冲床、测量机及某些加工中心。=2\*GB3②直线控制系统，控制运动部件除了点与点之间准确位置外，还要保证其移动轨迹为一条直线，而且对位移速度也必须进行控制，此类控制系统用于简单的数控车床、镗铣床及加工中心。=3\*GB3③连续控制系统又称为轮廓控制系统，采用该控制系统的机床能加工曲面、凸轮、锥度等复杂形状的零件，多用于铣床、能加工曲面的车床、绘图机。因为CA6140普通车床主要用于对中小型轴类、盘类及螺纹零件的加工，所以在本次设计中选择连续控制系统。（2）按伺服系统的类型分类可以分为：闭环控制系统、半闭环控制系统、开环控制系统。=1\*GB3①闭环控制系统，其控制信号是数控装置送来的指令与机床移动部件实际位置反馈信号进行比较所得的差值，此差值经转换、放大，通过控制坐标轴运动，进行误差修正，直至误差消除。此系统精密加工中心、镗铣床、超精密车床、超精密磨床等。=2\*GB3②半闭环控制系统，其检测元件安装在电动机或丝杠的轴端，对工作台的实际位置不进行检测，由于丝杠、螺母到工作台不在控制环类，比较容易获得稳定的控制特性。半闭环控制系统介于开环与闭环之间，精度虽没有闭环高，调试却比闭环方便，因此广泛用于各类连续控制的数控系统中。=3\*GB3③开环控制系统，该控制系统对执行机构实际动作情况是不进行检查的，没有被控制对象的反馈值。指令发出后不再反馈回来。该控制系统的精度完全取决于步进电动机的步距精度以及齿轮、丝杠的传动精度，因此，对传动元件的制造精度和装配质量要求较高。开环控制系统机构简单，技术简单、造价低，维护容易，因此在数控机床发展过程中占有重要的地位，特别是旧机床改造中所占地位更为突出。由于本设计对CA6140普通车床的改造是经济型改造，因此采用步进电动机开环控制系统。由上述所选择的数控系统特点可以采用8位微机，因为MCS-15系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、抗干扰能力强、运行速度快、高性价比的优点，所以采用MCS-15系列的8031单片机扩展系统。该系统由微机部分、键盘及显示器、步进电动机功率放大电路、I/O接口及光电隔离电路等组成。系统的加工程序与控制命令通过键盘操作实现，显示器采用两排数码管显示加工数据及机床状态等信息。2.2.2机械部分的数控化设计改造与选择（1）进给传动系统的数控化改造由于前面在数控系统选择中选择了连续控制、开环控制系统，因此对CA6140的进给传动系统改造采用步进电动机经过一级减速器驱动滚珠丝杠副最后带动工作台加工零件。在改造中需要拆除原有的挂轮、进给箱、溜板箱、光杠，在原纵、横向丝杠处安装滚珠丝杠。（2）主传动系统、刀架以及导轨的数控化改造本设计为经济型数控改造，主传动系统改造中保留原有的传动系统和变速机构，可以节约成本、减少改造量。拆除原有刀架换装电动刀架以实现自动换刀功能，降低辅助时间，提高生产效率。通过对原车床导轨贴聚四氟乙烯软带可以大大减少摩擦阻力，提高了防爬行、耐磨、消振吸声的能力。由以上数控系统的选择和机械部分的数控化设计改造与选择，可以确定本次对CA6140型普通车床改造成经济型数控车床的总体结构，其总体结构图如图2.1图2.1CA6140数控化改造成经济型数控车床的总体结构图3主传动系统的设计改造机床主传动的作用是把电动机的转速和转矩通过变速箱传递给主轴，使工件或刀具以各种不同的速度，其CA6140的主传动链见传动图如4.1。主传动性能的好坏，直接影响零件的加工质量和生产效率。数控车床的主传动系统广泛采用交直流主轴电动机，这就是的主传动的功率和调速范围较普通机床大为增加。同时为了进一步满足对主传动调速和扭矩输出的要求，在数控机床上常采用机电相结合的方法，即同时采用电动机调速和机械齿轮变速这两种方法。尽管如此，数控机床的主传动变速机构仍较以往的普通机床有了极大的简化，主轴箱内各种零件如轴、齿轮、轴承等的数量都大大减少，这使得可能出现机械故障的部位也大为的减少。CA6140车床为中小型车床，因本身价格较低，若对其进行数控化改造采用交直流主轴电动机，会使改造费用过高、改造周期过长而降低机床进行数控化改造的经济价值。因此在对CA6140车床进行数控改造时，应保留原有的主传动系统和变速机构，这样既保留了机床原有的功能，又降低了改造的工作量。图3.1CA6140传动图4主轴编码器主轴编码器常用于数控车床加工螺纹或丝杠中。它与主轴相连时，主轴每转中发出固定数目的脉冲，数控装置将这些脉冲按传动要求加以分频和倍频后分配给步进电机，由此可以得到所要求的主轴每转的走刀量。若这个走刀量等于所要加工的螺纹导程，则可以进行螺纹加工。在对CA6140进行数控改造时，保留原有主传动系统，而用主轴编码器随之转动作为反馈元件，构成一个简单的闭环系统，用于螺纹或丝杠的加工。主轴编码器根据编码方式的不同，可以分为增量光电式和绝对光电式，目前国内常用的为增量式主轴编码器。根据主轴编码器光电码盘上的刻线条数分为1024线、2048线等，在本次设计改造中选择1024线就足够了。主轴编码器的安装通常采用两种方式：一是同轴安装；二是异轴安装。同轴安装的结构简单，联接方便。但缺点是安装后不能加工主轴孔的零件。而异轴安装则没有这个缺陷。目前经济型数控系统改造卧式车床，多采用同轴安装，橡胶管柔性联接，可以达到在实现角位移信号传递的同时，又能吸收车床主轴的部分振动，从而使主轴编码器转动平稳，传递信号准确。主轴编码器的安装见图5.1图4.1主轴编码器的安装5机床滑动导轨的改造导轨在机床中的功能是导向和承载。对于数控机床，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同事要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。迄今大多数普通车床导轨为滑动导轨，其材料为铸铁。此类材料若不采取措施，在使用过程中会出现摩擦系数大，自润滑性与耐摩擦性差，且导轨易于磨损、研伤、不易修理等缺陷。在对CA6140车床进行数控化改造中采用在机床滑板导轨上贴聚四氟乙烯软带具有以下优点：部件运行平稳，无爬行，定位精度高；没有振动，可提高工件表面质量和延长刀具的寿命，减少噪音；磨损小，且嵌入性好，与其配合的金属导轨不会拉伤，提高机床精度保持性和延长机床维修周期；摩擦系数小，与纯金属导轨相比，可减少驱动功率，节约能源；有自润滑性，当机械润滑系统出现故障时导轨不会拉伤；当负载和温度变化时，不需要补偿。6进给传动系统的数控化改造设计在本次设计中，对CA6140型普通车床数控化改造主要集中在其进给传动系统上。CA6140普通车床的进给传动系统改造无论是针对纵向还是横向均是将步进电动机力矩经一级齿轮减速器传递到滚珠丝杠上，然后又滚珠丝杠带动工作台运动。CA6140机床原技术参数如下：工件最大回转直径：在床面上400mm在床鞍上210mm工件长度：100mm主轴孔径：48mm主轴前端孔锥度：莫氏6号主轴转速：正转（24级）10~1400r/min反转（12级）14~1580r/min加工螺纹范围：公制（44种）1~192mm英制（20种）2~24牙/英寸模数（39种）0.25~48mm径节（37种）1~96径节进给量范围：纵向：细化0.028~0.054mm/r正常0.08~1.59mm/r加大1.71~6.33mm/r横向：细化0.014~0.027mm/r正常0.04~0.79mm/r加大0.89~3.16mm/r刀架快速移动速度：纵向4m/min横向2m/min主电机：功率7.5kw转速1450r/min快速电机：功率370w转速2600r/minL冷却泵：功率90w流量25l/minCA6140机床设计参数如下：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/s横向1.2m/s最大进给速度：纵向0.6m/s横向0.3m/s溜板及刀架重力：纵向1000N横向600N主轴电动机功率：7.5kw启动加速时间：30ms控制坐标轴数：2最小脉冲当量：纵向0.01mm/脉冲横向0.005mm/脉冲进给传动链间隙补偿量：0.015mm6.1纵向进给传动系统的数控化改造设计6.1.1切削力的确定主切削力（N）用经验公式估算，纵车外圆时车床的主切削力=0.67(式6.10）式中——车床床身上加工最大直径（mm）此处=400mm则=0.67×=5360N由《机床设计手册》可知，在外圆车削时=(0.1～0.6)=(0.15～0.7)（式6.11）取其比例：：=1：0.25：0.4则=0.25×5360N=1340N=0.4×5360N=2630N6.1.2滚珠丝杠螺母副的设计计算与选型=1\*GB2⑴滚珠丝杠螺母副结构的选型=1\*GB3①螺旋滚道型面的选择螺旋滚道型面的形状：单圆弧型面、双圆弧型面选择方案：双圆弧型面选择原因：单圆弧型面接触角α随负载的大小而变化，因而轴承刚度和承载能力也随之变化。而双圆弧型面有较高接触刚度，轴向间隙和径向间隙理论上为零，接触角稳定，其交接处有一小空隙可容纳一些脏物，对滚珠滚动有利。=2\*GB3②滚珠丝杠副的钢球的循环方式选择钢球的循环方式：螺旋槽式外循环、插管式外循环、镶块式内循环选择方案：插管式外循环选择原因：插管式外循环结构简单，工艺性好，弯管可制成钢球流畅性好的通道，经济性好，应用范围广泛=3\*GB3③滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法选择消除螺纹间隙和调整预紧方法：双螺母垫片调整式、双螺母螺纹调整式、双螺母齿差调整式选择方案：双螺母垫片调整式选择原因：装卸方便，结构简单，刚性好=2\*GB2⑵计算进给牵引力（最大工作载荷）（N）由《机床设计手册》中进给牵引力的试验公式计算，纵向导轨为三角形导轨=k＋f（＋G）（式6.12）式中——纵向切削分力k——颠覆力矩影响实验的系数f——滑动导轨摩擦因数G——溜板及刀架重力则=1.15×1340＋0.16×（5360＋1000）N=2558.6N=3\*GB2⑶计算最大动载荷C(N)C=（式6.13）其中——工作寿命以r为1单位=（式6.14）——丝杠转速（r/min）=（式6.15）——最大切削力条件下的进给速度（m/min），可取最高进给速度的1/2～1/3，取=0.6/2m/min=0.3m/min——丝杠导程（mm）——运转系数按一般运转=1.2～1.5取=1.3——硬度系数查表取=1.35——使用寿命（h）一般机床可取=10000h数控机床可取T=15000h考虑到丝杠对加工精度和经济性的影响应优先取4、6、8mm系列①选择基本导程=4mm则丝杠转速==r/min=75r/min工作寿命===67.5最大动载荷==×1.3×1.35×2258.6N=18283N②选择基本导程=6mm则丝杠转速==r/min=50r/min工作寿命===45最大动载荷==×1.3×1.35×2258.6N=15972N③选择基本导程=8mm则丝杠转速==r/min=37.5r/min工作寿命===33.75最大动载荷==×1.3×1.35×2258.6N=14512N=4\*GB2⑷选择滚珠丝杠螺母副由前述选择的滚珠丝杠螺母副的结构形式：外循环、双圆弧型面、双螺母垫片调整式。查《机械传动装置设计手册》表10—22，并根据<的原则即所选取的滚珠丝杠的额定动载荷大于计算的最大工作载荷。当=4mm=18283N表中额定动载荷显示<，故基本导程=4mm的滚珠丝杠不符合要求当=6mm=15972N符合使用要求当=4mm=14512N符合使用要求现取基本导程=6mm查《机械传动装置设计手册》表10—22可得滚珠丝杠副型号CDW4006—5，CDW4006—5型滚珠丝杠：外循环插管式，双螺母垫片预紧，导珠埋入式滚珠丝杠副。公称直径为40mm，基本导程为6mm，负载钢球圈数为5圈，定位滚珠丝杠副，精度等级为3级，螺旋旋向为右旋。滚珠丝杠副CDW4006—5型具体参数如下：表6.1滚珠丝杠副CDW4006—5型具体参数公称直径（mm）导程（mm）钢球直径（mm）丝杠外径（mm）螺纹底径（mm）循环列数×圈数额定动载荷/N额定静载荷/N接触刚度RN/4063.96939.535.92.5×228441959702191螺母安装尺寸（mm）C71110901591591385473M6=5\*GB2⑸滚珠丝杠副的验算①传动效率计算（式6.16）式中——丝杠螺旋升角（），（式6.17）——丝杠基本导程（mm）——丝杠公称直径（mm）——摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.003～0.004其摩擦角约等于则==0.966>0.9满足传动要求②滚珠丝杠副刚度验算滚珠丝杠副刚度的验算即为检验丝杠的总拉伸或总压缩变形量（mm），滚珠与螺纹滚道间接触变形量（mm），滚珠丝杠轴承与轴向接触变形量，滚珠丝杠的扭转变形引起的导程的变形量（mm）和螺母座及轴承支座的变形量（mm）之和是否小于机床精度的要求。又滚珠丝杠的扭转变形引起的导程变形量和螺母座及轴承支座的变形量极小，在其所占比重较小，可忽略不计。一、丝杠上的总拉伸或总压缩变形量（式6.18）式中——在工作负载作用下引起每一导程的变化量（mm），——进给牵引力即最大工作载荷（N）——滚珠丝杠的导程（mm）——材料弹性模数，对于钢=20.6×N/——滚珠丝杠的截面积（），（式6.19）——滚珠丝杠的截面半径（mm），（式6.20）——滚珠丝杠的公称直径（mm）——偏心距（mm）（式6.21）——接触角（），=45——螺纹滚道的半径（mm），=0.51～0.56，取=0.52——滚珠直径（mm）——滚珠丝杠在支承间的受力长度（mm），=1600mm则=0.52=0.52×3.969mm=2.064mm=（2.064－3.969/2）sin45mm=0.0562mm=40＋2×0.0562－2×2.064mm=35.984mm==1016.456=mm=0.0000733mm滚之丝杠总长度上拉伸或压缩变形量为=mm=0.0195mm若两端采用角接触球轴承，且丝杠又进行了预紧，预紧力为最大工作载荷的1/3时，其拉伸刚度可比一端固定的丝杠提高4倍，即实际变形量为=mm=0.00488mm二、滚珠与螺纹滚道间接触变形量查《机械传动装置设计手册》可知，当/=0.52，有预紧时（式6.22）式中——轴向工作载荷（N），==255.86N（式6.23）——预紧力（N），==×255.86=85.29N（式6.24）——工作螺母的钢球数，=×圈数×列数（式6.25）——一圈螺纹内的钢球数，==31.645，取=32——载荷分布不均系数，与制造精度有关，通常=1.2～1.3，取=1.3——丝杠公称直径（mm）则=32×2.5×2=160=0.000089当滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3时，值可减半，即=0.0000445三、滚珠丝杠轴承与轴向接触变形量不同类型的轴承的接触变形量可用不同的公式计算推力球轴承：（式6.26）式中——轴承所受轴向载荷（N）——轴承的滚动体数目——轴承的滚动体直径（mm）查《机械设计课程设计手册》表6—8，轴承型号可选51206（原8206）=15972N<28000N，其内径d=30mm，外径D=52mm，宽T=16mm，=T/2=8mm==14=mm=0.0083mm滚珠丝杠副刚度的验算主要验算、、之和不应大于机床精度要求允许变形量的一半，因此只要＋＋机床精度要求，即=＋＋=0.00488＋0.0000445＋0.0083mm=0.013225mm<0.15mm，则符合要求。=3\*GB3③滚珠丝杠副稳定校核对于丝杠在给定的支撑条件下承受最大轴向载荷时，应验算起有没有产生纵向弯曲（失稳）的危险，其产生失稳的临界负载（N）（式6.27）式中——材料弹性模数，对钢（N/）——截面惯性矩（），==82260——滚珠丝杠两端的支承距离（mm），=1600mm——丝杠支承方式系数，查丝杠支承方式系数表，因丝杠一端固定，一端浮动取丝杠支承方式系数=2则=N=130530N如果稳定性安全系数[]，则丝杠不失稳。[]——许用稳定性安全系数，一般取[]=2.5～4>[]固丝杠不失稳（式6.28）6.1.3齿轮减速器的设计=1\*GB2⑴确定齿轮传动比（式6.29）式中——步进电动机步距角（），初选=0.75——丝杠导程（mm），=6mm——纵向进给脉冲当量（mm/脉冲），=0.01mm/脉冲则因i=0.8<5，故采用一级传动。（式6.30）=2\*GB2⑵确定齿轮参数可选齿轮齿数为，齿轮材料采用40，调质处理，精度等级取7级，前后轴承选用8024型流动轴承，齿轮传动时效率为，由于进给运动齿轮受力不大，且根据优先选用第一系列的原则，取模数m=2mm，则=20，=32，=40，由《机械设计》表10—7可知=0.4，故齿宽=，mm齿轮几何尺寸如下：齿轮1分度圆直径：=m=32×2mm=68mm齿轮2分度圆直径：=m=40×2mm=80mm中心距：a=mm=72mm齿宽：==0.4×64mm=26mmmm=26＋6mm=32mm6.1.4步进电动机的计算与选择=1\*GB2⑴负载转矩（N·m）及最大静转矩（N·m）的计算由能量守恒原理，电动机负载转矩可由下式估算（式6.31）式中，——进给牵引力（N）——滚珠丝杠导程（mm）——滚珠丝杠传动效率——齿轮减速器的传动效率——齿轮减速器的传动比则=N·mm=3227.8N·mm=3.228N·m若不考察起动是运动部件惯性的影响，则起动转矩为取安全系数为0.3，=N·m=10.76N·m查《如何正确选用电动机》表6—10,150BF002型和150BF003型步进电动机的最大静转矩满足计算要求，又该两型步进电动机分配方式为五拍十相，因此步进电动机的起动转矩和最大静转矩的关系=0.951，则=N·m=11.32N·m（式6.32）因此可初选150BF002型步进电动机，其最大静转矩为13.72N·m，可以满足要求，其两型步进电动机具体参数如下表：表6.2两型步进电动机具体参数型号相数步距角/()电压/V相电流/A最大静转矩/N·m空载起动频率/(脉冲/s)空载运行频率/(脉冲/s)150BF00250.75/1.580/121313.7228008000150BF00350.75/1.580/121315.6826008000型号绕组电阻/()分配方式外形尺寸/mm重量kg外径长度轴径150BF0020.121五相十拍1501551814150BF0030.127五相十拍1501781816.5=2\*GB2⑵等效转动惯量计算传动系统折算到电动机轴上总的转动惯量可按下式估算（式6.33）式中——步进电动机转子转动惯量（kg·）、——齿轮的转动惯量（kg·）——滚珠丝杠转动惯量（kg·）——溜板及刀架重力（kg）电机转子、齿轮、滚珠丝杠均可视为圆柱形零件，对于材料为钢的圆柱形零件，其转动惯量可按下式估算：式中——圆柱形零件的直径（cm）——零件轴向长度（cm）则kg·=4.188kg·kg·=8.307kg·kg·=31.949kg·由于初选反应式步进电动为150BF型，可知其转子转动惯量为=10kg·，则传动系统折算到电动机轴上的总的转动惯量为kg·=40.548kg·=3\*GB2⑶不同工况下的转矩计算机床在不同的工况下，所需转矩不同，下面分别按各阶段计算=1\*GB3①快速空载起动力矩(N·m)（式6.34）式中——快速空载启动时所需的转矩(N·m)——克服摩擦所需的转矩(N·m)——丝杠预紧所引起的折算到电动机轴上的附加转矩(N·m)有动力学可知：，其中，t为加速时间常数，t=30ms=0.03s=r/min=320r/minN·m<4.530N·m根据能量守恒原理，则==0.202N·m（式6.35），式中为预加载荷，一般为最大轴向载荷的1/3，即，则N·m=1.076N·m（式6.36）则=4.530＋0.202＋1.076N·m=5.808N·m=2\*GB3②快速移动时所需力矩（N·m）=0.202＋1.076N·m=1.278N·m=3\*GB3③最大切削负载所需力矩（N·m）（式6.37）N·m=2.935N·m=4\*GB3④步进电动机的最高工作频率（HZ）=4000HZ由以上计算可以看出，在三种不同工况下，快速空载起动所需力矩最大，因此以该项校核初选步进电动机的依据，又因该型步进电动机分配方式为五相十拍，则有起动转矩和最大静转矩的关系=0.951，=N·m=6.107N·m<13.72N·m，所以符合要求150BF002型步进电动机允许的空载起动频率为8000HZ，由150BF002型步进电动机起动频率特性和运行频率特性曲线可以看出当步进电动机起动时，HZ时，M=100N·cm，远不能满足机床所需的空载起动力矩=5.808N·m，直接使用会产生失步现象，所以必须采用升降速控制和高低压驱动的电路。6.2横向进给系统的数控改造设计6.2.1切削力的确定因为横向进给量为纵向1/3～1/2，取1/2，则横向主切削力为纵向的1/2N=2680N由《机床手册》可知，在外圆车削时（式6.38）取其比例为：：=1:0.25:0.4——横切端面时的进给抗力（N）——吃刀抗力（N）则N=670NN=1072N6.2.2滚珠丝杠副的设计计算和选型=1\*GB2⑴滚珠丝杠副的结构选型横向进给系统滚珠丝杠螺母副的结构选型可参照纵向进给系统，其结构造型为：螺旋滚道型面形状：双圆弧形面滚珠丝杠螺母副的钢球的循环方式：插管式外循环滚珠丝杠螺母副轴向见习的调整和预紧方法：双螺母垫片调整式=2\*GB2⑵计算进给牵引力（N）由机床设计手册进给中牵引力的试验公式计算，横向导轨为燕尾型导轨，则（式6.39）式中，——横向切削分力——滑动导轨摩擦因数，,取=0.16——颠覆力矩影响的试验系数k=1.15G——溜板及刀架重力G=600N则=N=2240N=3\*GB2⑶计算最大动载荷C(N)=（式6.40）其中——工作寿命以r为1单位=——丝杠转速（r/min）=——最大切削力条件下的进给速度（m/min）,可取最高进给速度的1/2～1/3，取=0.3/2m/min=0.15m/min——丝杠导程（mm）——运转系数按一般运转=1.2～1.5取=1.3——硬度系数查表取=1——使用寿命（h）一般机床可取=10000h数控机床可取T=15000h考虑到丝杠对加工精度和经济性的影响应优先取4、6、8mm系列①选择基本导程=4mm则丝杠转速==r/min=37.5r/min工作寿命===33.75最大动载荷==×1.3×1×2240N=9410.6N②选择基本导程=6mm则丝杠转速==r/min=25r/min工作寿命===22.5最大动载荷==×1.3×1×2240N=8220.9N③选择基本导程=8mm则丝杠转速==r/min=18.75r/min工作寿命===16.875最大动载荷==×1.3×1×2240N=7469.2N=4\*GB2⑷选择滚珠丝杠螺母副由前述选择的滚珠丝杠螺母副的结构形式：外循环、双圆弧型面、双螺母垫片调整式。查《机械传动装置设计手册》表10—22，并根据<的原则即所选取的滚珠丝杠的额定动载荷大于计算的最大工作载荷。当=4mm=9410.6N符合使用要求当=6mm=8220.9N符合使用要求当=4mm=7469.2N符合使用要求现取基本导程=6mm查《机械传动装置设计手册》表10—22可得滚珠丝杠副型号CDW2004—5，CDW2004—5型滚珠丝杠：外循环插管式，双螺母垫片预紧，导珠埋入式滚珠丝杠副。公称直径为20mm，基本导程为4mm，负载钢球圈数为5圈，定位滚珠丝杠副，精度等级为3级，螺旋旋向为右旋。滚珠丝杠副CDW2004—5型具体参数如下：表6.3滚珠丝杠副CDW2004—5型具体参数公称直径（mm）导程（mm）钢球直径（mm）丝杠外径（mm）螺纹底径（mm）循环列数×圈数额定动载荷/N额定静载荷/N接触刚度RN/2042.38119.717.52.5×210639287221178螺母安装尺寸（mm）C406653115.8106963743M6=5\*GB2⑸滚珠丝杠副的验算①传动效率计算式中——丝杠螺旋升角（），——丝杠基本导程（mm）——丝杠公称直径（mm）——摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.003～0.004其摩擦角约等于则==0.972>0.9满足传动要求②滚珠丝杠副刚度验算滚珠丝杠副刚度的验算即为主要检验丝杠的总拉伸或总压缩变形量（mm），滚珠与螺纹滚道间接触变形量（mm），滚珠丝杠轴承与轴向接触变形量之和是否小于机床精度的要求。一、丝杠上的总拉伸或总压缩变形量式中——在工作负载作用下引起每一导程的变化量（mm），——最大工作载荷（N）——滚珠丝杠的导程（mm）——材料弹性模数，对于钢=20.6×N/——滚珠丝杠的截面积（），——滚珠丝杠的截面半径（mm），——滚珠丝杠的公称直径（mm）——偏心距（mm）——接触角（），=45——螺纹滚道的半径（mm），=0.51～0.56，取=0.52——滚珠直径（mm）——滚珠丝杠在支承间的受力长度（mm），=600mm则=0.52=0.52×2.381mm=1.238mm=（1.238－2.381/2）sin45mm=0.0336mm=20＋2×0.0336－2×1.238mm=17.591mm==242.913=mm=0.000179mm滚之丝杠总长度上拉伸或压缩变形量为=mm=0.02685mm滚珠丝杠采用双螺母预紧，预紧力为最大工作载荷的1/3时，其丝杠拉伸刚度可提高4倍，即实际变形量为=mm=0.00671mm=2\*CHINESENUM3二、滚珠与螺纹滚道间接触变形量查《机械传动装置设计手册》可知，当/=0.52，有预紧时式中——轴向工作载荷（N），=N=224N——预紧力（N），==×224N=74.67N——工作螺母的钢球数，=×圈数×列数——一圈螺纹内的钢球数，==26.375，取=27——载荷分布不均系数，与制造精度有关，通常=1.2～1.3，取=1.3——丝杠公称直径（mm）则=27×2.5×2=135mm=0.000115mm当滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3时，值可减半，即=0.0000575mm=3\*CHINESENUM3三、滚珠丝杠轴承与轴向接触变形量不同类型的轴承的接触变形量可用不同的公式计算推力球轴承：式中——轴承所受轴向载荷（N）——轴承的滚动体数目——轴承的滚动体直径（mm）查《机械设计课程设计手册》表6—8，轴承型号可选51202（原8202）=9410.6N<16500N，其内径d=15mm，外径D=32mm，宽T=12mm，=T/2=6mm==10=mm=0.0105mm滚珠丝杠副刚度的验算主要验算、、之和不应大于机床精度要求允许变形量的一半，由于预紧的作用，采用双螺母预紧，可将原机床的刚度提高4倍，因此只要＋＋机床精度要求，即=＋＋=0.00671＋0.0000575＋0.00105mm=0.017226mm，考虑到进行了预紧，且导轨贴有聚四氟乙烯软带，所以滚珠丝杠轴承与轴向接触变形量可取原来的一半即mm=0.00525mm。则=＋＋=0.00671+0.0000575+0.00525mm=0.01202mm<0.015mm，符合要求。=3\*GB3③滚珠丝杠副稳定校核对于丝杠在给定的支撑条件下承受最大轴向载荷时，应验算起有没有产生纵向弯曲（失稳）的危险，其产生失稳的临界负载（N）式中——材料弹性模数，对钢（N/）——截面惯性矩（），——滚珠丝杠两端的支承距离（mm），=600mm——丝杠支承方式系数，查丝杠支承方式系数表，因丝杠两端固定，取丝杠支承方式系数=4则==4698=N=106022N如果稳定性安全系数[]，则丝杠不失稳。[]——许用稳定性安全系数，一般取[]=2.5～4>[]固丝杠不失稳6.2.3齿轮减速器的设计=1\*GB2⑴确定齿轮传动比式中——步进电动机步距角（），初选=0.75——丝杠导程（mm），=6mm——纵向进给脉冲当量（mm/脉冲），=0.01mm/脉冲因i=0.6<5，故采用一级传动。=2\*GB2⑵确定齿轮参数可选齿轮齿数为齿轮材料采用40，调质处理，精度等级取7级，前后轴承选用8024型流动轴承，齿轮传动时效率为，由于进给运动齿轮受力不大，且根据优先选用第一系列的原则，取模数m=2mm，则=20，=18，=30，由《机械设计》表10—7可知=0.4，故齿宽=，mm齿轮几何尺寸如下：齿轮1分度圆直径：=m=18×2mm=36mm齿轮2分度圆直径：=m=30×2mm=60mm中心距：a=mm=48mm齿宽：==0.4×60mm=24mmmm=24＋6mm=30mm6.2.4步进电动机的计算与选择=1\*GB2⑴负载转矩（N·m）及最大静转矩（N·m）的计算由能量守恒原理，电动机负载转矩可由下式估算式中，——进给牵引力（N）——滚珠丝杠导程（mm）——滚珠丝杠传动效率——齿轮减速器的传动效率——齿轮减速器的传动比则=N·mm=24963N·mm=2.4963N·m若不考察起动是运动部件惯性的影响，则起动转矩为取安全系数为0.3，=N·m=8.32N·m查《如何正确选用电动机》表6—10,130BF001型步进电动机的最大静转矩满足计算要求，又该型步进电动机分配方式为五拍十相，因此步进电动机的起动转矩和最大静转矩的关系=0.951，则=N·m=8.75N·m因此可初选130BF001型步进电动机，其最大静转矩为9.31N·m，可以满足要求，其两型步进电动机具体参数如下表：表7.4两型步进电动机具体参数型号相数步距角/()电压/V相电流/A最大静转矩/N·m空载起动频率/(脉冲/s)空载运行频率/(脉冲/s)130BF00150.75/1.580/12109.31300016000型号绕组电阻/()分配方式外形尺寸/mm重量kg外径长度轴径130BF0010.163五相十拍130170149.2=2\*GB2⑵等效转动惯量计算传动系统折算到电动机轴上总的转动惯量可按下式估算式中——步进电动机转子转动惯量（kg·）、——齿轮的转动惯量（kg·）——滚珠丝杠转动惯量（kg·）——溜板及刀架重力（kg）电机转子、齿轮、滚珠丝杠均可视为圆柱形零件，对于材料为钢的圆柱形零件，其转动惯量可按下式估算：式中——圆柱形零件的直径（cm）——零件轴向长度（cm）则kg·=0.393kg·kg·=2.426kg·kg·=0.749kg·由于初选反应式步进电动为130BF001型，可知其转子转动惯量为=9kg·，则传动系统折算到电动机轴上的总的转动惯量为kg·=10.086kg·=3\*GB2⑶不同工况下的转矩计算机床在不同的工况下，所需转矩不同，下面分别按各阶段计算=1\*GB3①快速空载起动力矩(N·m)式中——快速空载启动时所需的转矩(N·m)——克服摩擦所需的转矩(N·m)——丝杠预紧所引起的折算到电动机轴上的附加转矩(N·m)有动力学可知：，其中，t为加速时间常数，t=30ms=0.03s=r/min=180r/minN·m=0.633N·m根据能量守恒原理，则==0.107N·m，式中为预加载荷，一般为最大轴向载荷的1/3，即，则N·m=0.832N·m则=0.633＋0.107＋0.832N·m=1.572N·m=2\*GB3②快速移动时所需力矩（N·m）=0.107＋0.832N·m=0.939N·m=3\*GB3③最大切削负载所需力矩（N·m）N·m=1.488N·m由以上计算可以看出，在三种不同工况下，快速空载起动所需力矩最大，因此以该项校核初选步进电动机的依据，又因该型步进电动机分配方式为五相十拍，则有起动转矩和最大静转矩的关系=0.951，=N·m=1.565N·m<9.31N·m