C6132车床数控化改造-进给机构设计说明书.doc
鹿山学院C6132车床数控化改造-进给机构的设计带机械图
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鹿山学院C6132车床数控化改造-进给机构的设计带机械图,学院,C6132,车床,数控,改造,进给,机构,设计,机械
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广西科技大学鹿山学院毕业设计（论文）课题名称： C6132车床数控化改造 -进给机构设计 系 别： 机械工程系 专业班级： 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 教研室主任： 系分管教学领导： 2017年 04 月 30 日摘 要本文主要是进行C6132车床数控化改造-进给机构设计,把C6132老式旧车床改造成一种自动化机床，数控技术是数控机床研究的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。随着制造技术的发展，现代数控机床借助现代设计技术、工序集约化和新的功能部件使机床的加工范围、动态性能、加工精度和可靠性有了极大的提高。本文主要是进行纵向（Z向）、横向（X向）进给机构设计的机械设计。由于对经济型机床数控化的加工精度要求不高，为简化结构、降低成本。通过控制Z向X向给系统，保证设计后的车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停等功能。为实现机床所要求的传动效率，采用步进电机经联轴器再传动丝杠；为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。关键词：车床，数控设计， 联轴器，滚珠丝杠，Z向，X向 IVAbstractC6132 lathe NC transformation-the paper feed mechanism design, vintage old lathe into a C6132 automatic machines, CNC technology is the core of numerical control machine tool, manufacturing automation, networking, and flexible, integrated infrastructure. With the development of manufacturing technologies, modern design of NC machine tools by means of modern technology, process intensification and new features to make working range, dynamic performance, accuracy, and reliability has been greatly improved.This article is mainly for vertical (z) and horizontal (x) feed mechanism design of mechanical design. Because of the processing precision of economical numerical control machine tool is not high, in order to simplify the structure and reduce costs. By z to x to control to the system, ensure the design of lathe with positioning, linear interpolation, circular interpolation, pause and so on. Order to achieve required transmission efficiency, with stepping motor by coupling the transmission screws; in order to ensure a certain degree of precision and smoothness, minimize friction, selection of ball screw and nut.Keywords: lathe, CNC design, couplings, ball screws, z, x目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪论11.1 课题研究的意义11.2数控改造的必要性1第2章 C6132车床改造总体方案32.1总体方案设计要求32.2 总体方案拟定42.3 主要设计内容42.3.1伺服控制系统的选择42.3.2机械部分设计5第3章 Z向进给伺服进给结构设计73.1 C6132普通车床参数73.2 确定脉冲当量73.3 切削力的计算73.4 进给力与背吃刀力83.5 滚珠丝杠螺母副的计算和选型93.5.1 精度的选择93.5.2丝杠导程的确定93.5.3 最大工作载荷的计算93.5.4 最大动载荷的计算103.5.5 滚珠丝杠螺母副的选型103.5.6 滚珠丝杠副的支承方式113.5.7 传动效率的计算113.5.8 刚度的验算113.5.9 稳定性校核123.5.10 临界转速的验证133.6 齿轮传动的计算133.7 步进电动机的选择143.8 导轨的特点163.9 导轨的设计17第4章 X向进给伺服进给结构设计204.1切削力的计算204.2 滚珠丝杠螺母副的计算和选型214.2.1 最大工作载荷的计算214.2.2 最大动载荷的计算214.2.3滚珠丝杠螺母副的选型224.2.4 滚珠丝杠副的支承方式224.2.5 传动效率的计算224.2.6 刚度的验算224.2.7 稳定性校核234.2.8临界转速的验证234.3 进给伺服系统传动计算244.3.1确定传动比244.3.2齿轮参数的计算244.4.步进电机的计算和选用244.4.1转动惯量的计算244.4.2电机力矩的计算254.5步进电机的选择27结 论29参考文献30致 谢31第1章 绪论1.1 课题研究的意义机床是装备制造业的工作母机，是实现制造技术和装备现代化的基石。数控机床是一种高效率、高精度，能保证加工质量，解决工艺难题，而且又有一定柔性的生产设备。自五十年代末世界上第一台数控机床在美国研制成功的半个多世纪以来，数控技术正在发生根本性变革，由专用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。在美国、日本和德国等发达国家，他们的机床改造作为新的经济增长行业，正处在黄金时代，由于技术的不断进步，机床改造是个永恒的课题。在国内，机床的数控化改造是发展我国数控设备的一个重要方面。车床是金属切削加工最常用的一类机床，它能够加工内外圆柱面、圆锥面、端面、螺纹等。普通车床由于造价低廉在我国运用十分广泛，但是因为其进给轴不能联动，切削次序需要人工控制，致其效率低下并且无法加工复杂的回转零件。对普通车床的数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改成用单片机控制的并能独立运动的进给伺服系统；将手动刀架换成能自动换刀的电动刀架。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。数控车床针对性高，专业性强，可以加工出普通车床加工不了的曲线、曲面等复杂零件。加工精度高，尺寸分散度小，易于装配。可以实现多工序集中加工，提高了相关加工精度，同时减少被加工零件在机床间的频繁搬运。拥有自动补偿等功能，简化了传统机床加工工艺中的工序，机床利用率大幅度提高。由于采用自动化加工技术，可大大降低操作者的劳动强度，减少废品的产生，提高工作效率。另外其改造成本同购置新机床相比，节省的费用十分可观，国产数控机床价格也要48万元，进口机床有的近20万元，而对普通车床进行数控化改造也能满足实际生产要求，其改造费用仅23万元，非常符合我国国情。1.2数控改造的必要性（1）机床数控化改造的市场 我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6。我国机床役龄10年以上的占60以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。（2）进口设备和生产线的数控化改造市场 我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完全统计，从19791988年10年间，全国引进技术改造项目就有18446项，大约165.8亿美元。 这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。 这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。6第2章 C6132车床改造总体方案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。数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同的机床有相似之处。然而，现代的数控机床不是简单将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以进而成。传统机床存在着一些弱点，如刚性不足，抗震性差，热变形大，滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度，表面质量，生产率以及使用寿命等要求。现代机床的部件结构，整体布局，外部造型都已经形成了数控机床独特的机械部件。因此，我们在对数控机床进行数控设计的过程中，应在考虑各种情况下，使机床的各项性能指标尽可能的 与数控机床相接近。将一台500MM车床设计数控车床要求结构简单、经济实用、易于推广普及。因此采用步进电机为饲服元件，用来驱动纵X向工作台的进给运动。机床上纵X向丝杠螺母元件，步进电机和减速齿轮驱动的滚珠丝杠螺母副。并选择合适的数控系统，使其扩大加工范围，适用于现阶段我国的中小型机械加工企业。机械部分数控化设计需涉及电机的选择、工作台进给结构、传动比分配与计算等方面的内容。1伺服驱动元件 进给电机选用混合式步进电机，其不仅步距角小运行频率高且功耗低低频噪音小等优点。广泛用于开环控制系统，不需要反馈装置，结构简单可靠，寿命长。横Z向进给电机均选用同一型号以便于设计和日后维修。脉冲当量t=0.01mm/脉冲，选用步距角=0.6 。对原机床的主传动系统均维持不变，以节约资金及缩短装时间。2机床导轨的选择由于原机床采用滑动导轨，在低速时容易发生“爬行”现象，直接影响运动部件的定位精度。较经济的处理方法是采用贴塑滑动导轨。3进给传动系统数控机床要求进给部分移动元件灵敏度高、精度高、反应快、低速时无爬行。因此本设计中采用滚珠丝杠可以满足要求。滚珠丝杠螺母副由丝杠、螺母、滚珠、反向器组成。其工作原理为：当丝杠和螺母相对运动时，在螺母上设有滚珠循环返回装置，使得滚珠沿滚道面运动后能通过这个装置自动的返回其入口处，继续参加工作。滚珠丝杠螺母副安装时需要预紧，通过预紧可消除滚珠丝杠螺母副的轴向间隙，提高传动刚度。本设计中的预紧方法是采用双螺母垫片预紧式结构。即通过变两个螺母的轴向相对位置，使每个螺母中滚珠分别接触丝杠滚道的左右两侧来实现预紧。其特点是预紧结构简单，轴向刚度好，预紧可靠，轴向尺寸适中，工艺性好如图2-1。为消除传动系统中的反向间隙，提高重复定位精度，传动元件连接采用无键锥环连接。图2-1 滚珠丝杆的结构2.2 总体方案拟定数控车床的结构设计要求：主传动系统中保留主轴箱内滑移齿轮变速机构，取消原操作手柄，实现主轴的正反转及停止，由数控系统直接控制主电机，当数控系统发出M03指令后，主电机正转，通过传动系统实现主轴正转。纵、横进给系统均采用交流伺服电动机。用滚珠丝杠螺母机构代替的滑动丝杠螺母机构,具有摩擦力小,运动灵敏, 无爬行现象, 也可以进行预紧, 以实现无间隙传动,传动刚度好,反向时无空程死区等特点。可提高传动精度。导轨需沿用原机床的导轨，但因起精度较低，不适合数控机床。因而在原导轨上粘接四氟乙烯软带，使其有良好的耐摩性和较小的摩擦阻力，能预防爬行并具有自润滑性。将原刀架和小托板拆除，将车床刀架换为四工位电动刀架，将刀架调整好高度安装在中拖板上，由数控系统直接控制，减少辅助时间，提高效率。为保证加工螺纹时Z向进给运动与主轴的回转运动有严格的运动关系，需要在主轴尾部安装主轴脉冲发生器。主轴脉冲发生器与主轴同步旋转，同时发出与主轴转角相对应的脉冲信号，使数控系统控制刀架的Z向移动量。2.3 主要设计内容2.3.1伺服控制系统的选择因要求设计后的车床为经济型数控车床。所以在保证具有一定加工精度的前提下，从设计成本考虑。应简化结构，降低成本。可采以步进电动机为驱动装置的开环系统，但是考虑到加工精度的要求，应采用以伺服电动机为驱动的半闭环伺服系统。半闭环系统的环路短，刚性好，较容易获得较高的精度和速度，目前大多数数控机床都采用半闭环系统，而随着机电一体化技术的发展，伺服电动机生产厂家在生产中就把电机和检测元件直接安装在一起，形成成套的产品，极大的方便了用户，省去了安装调整误差。（半闭环控制系统如下图2-2所示）检测器执行件伺服放大器伺服电机减速箱脉冲指令比较线路 图2-2 半闭环控制系统原理图2.3.2机械部分设计1.床头箱部分保留主轴箱内的滑移齿轮，取消操作手柄。将原床身的挂轮、进给箱及内部传动齿轮系统去除，其余部分保持不变。在该处安装Z向伺服电动机与齿轮减速箱总成。丝杠、光杠和操作杆（“三杆”）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原来装轴承座的部分。 并在主轴箱后端安装光电编码器。编码器的安装方式有两种，一种是安装，另一种是异轴安装。因为原机床主动挂轮与主轴传动比为1:1，所以可将编码器安装于原机床主动挂轮处。这种安装方式较简单，易安装。2.进给系统（X向）的设计将车床溜板箱拆除，在原处安装滚珠丝杠螺母座，丝杠螺母固定在其上。将横溜板中的丝杠、螺母拆除，在该处安装X向进给滚珠丝杠螺母副， 伺服电机与丝杠间采用一级减速器联接, 以缩小传动链, 提高系统刚度, 并减少传动链误差。X向伺服电动机与齿轮减速器总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠通过膜片联轴器相连。膜片联轴器的特点是易平衡，不需润滑。结构简单，有一定的补偿性能和缓冲性能。因其尺寸较大，故可将其放在减速箱内。X向滚珠丝杠选择南京工艺装备公司生产的FFZL型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠螺母副。型号为FFZL2505-3【1】,其公称直径d0 =25mm、基本导程L0=5mm 。滚珠丝杠的支撑方式选用两端固定式，其传动精度高，并有较好的刚度。适合于距离不长的场合。滚珠丝杠需要预紧，其大小约为轴向力的三分之一。减速箱齿轮传动初定传动比为2，可取Z1=24 则Z2=48,齿宽B=16.在设计齿轮传动时，为了提高传动精度，必须消除齿轮副的间隙。数控机床进给系统由于经常处于变向状态,反向时如果驱动链中的齿轮等传动副存在间隔,就会使进给运动的反向滞后于指令信号,从而影响其传动精度,因此24/48这一对齿轮还必须采取措施消除齿轮传动中的间隙,以提高数控机床进给系统的传动精度。齿轮间隙的调整采用圆柱薄片齿轮可调拉簧错齿法来实现,其结构如图2-3所示。图2-3 齿轮间隙的调整结构图图2-3中,在2 个薄片齿轮1 和2 上装有螺纹的凸耳4 和8 ,弹簧的一段钩在凸耳4上,另一端钩在螺钉5 上。弹簧3 所受的张力大小可用螺母6 来调节螺钉5 的伸出长度,调整好后再用螺母7 锁紧。在选择伺服电机时应考虑以下几点：a、惯量匹配，即0.25Jd/Jm1， 其中Jd为折算到到电动机的负载惯量，Jm为电动机转动惯量。b、转矩伺服电机的额定转矩必须满足实际需要，但是不需要留有过多的余量，因为一般情况下，其最大转矩为额定转矩的3 倍。c、短时间特性(加减速转矩)，工作负载转矩大于电动机加减速转矩。根据以上原则，取电动机型号为1FT5066-0A01【2】3.导轨设计因原机床的导轨精度不能满足数控机床的要求。但设计的原则是尽量保持原机床的部件。故只能将导轨加以利用。导轨表面贴塑的方法可使得导轨精度提高。因此可在导轨上加四氟乙烯软带。其特点是，摩擦系数低，运动平稳，可吸收震动，维修方便，损坏后更换容易。在本次设计中采用美国霞板公司研制的德尔赛塑料导轨软带。 第3章 Z向进给伺服进给结构设计3.1 C6132普通车床参数3.2 确定脉冲当量一个进给脉冲，使机床运动部件产生位移量，也称为机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床铣床常采用的脉冲当量是0.010.005mm/脉冲。根据机床精度要求确定脉冲当量，Z向：0.01mm/脉冲，X向：0.01mm/脉冲。3.3 切削力的计算切削力是指在切屑过程中产生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力，或通俗的讲是在切削加工时，工件材料抵抗刀具切削时产生的阻力。车削外圆时的切削力如图4-1所示。主切削力与切削速度的方向一致，垂直向下，是计算车床主轴电动机切削功率的依据；进给力与进给方向平行且方向相反；背向力与进给方向相垂直，对加工精度的影响较大。FzFxFy图4-1 车削力分析选工件材料碳素结构钢，=650 MP；选用刀具材料为高速钢；刀具几何参数：主偏角=，前角=，刃倾角=；切削用量为：背吃刀量=2mm，进给量=0.8mm/r，切削速度=1 m /min.。由表（2.1）查得：=1770; =1.0 =0.75 =0;由表（2.2）查得：主偏角修正系数=0.92 ,前角，刃倾角修正系数都为1.0； 代入公式： = =2754.92 ( N )3.4 进给力与背吃刀力 由经验公式： ：=1:0.35:0.4 知：=2754.92N =0.35x2754.92=964.22N =0.4x2754.92=1101.97N3.5 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 滚珠丝杠副的作用是将旋转运动转变为直线运动，其螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放人适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动。螺母上设有返向器，与螺纹滚道构成滚珠的循环通道。为了在滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。为延长工作寿命，可设置润滑件和密封件。3.5.1 精度的选择滚珠丝杠副的精度直接影响数控机床的定位精度，在滚珠丝杠精度参数中，其导程误差对机床定位精度最明显。一般在初步设计时设定丝杠的任意300行程变动量应小于目标设定定位精度值的1/31/2,在最后精度验算中确定。对于车床，选用滚珠丝杠的精度等级X轴为13级（1级精度最高），Z轴为25级，考虑到本设计的定位精度要求和改造的经济性，选择X轴精度等级为3级，Z轴为4级。3.5.2丝杠导程的确定 选择导程跟所需要的运动速度、系统等有关，通常在：4、5、6、8、10、12、20中选择，规格较大，导程一般也可选择较大（主要考虑承载牙厚）。在速度满足的情况下，一般选择较小导程（利于提高控制精度），本设计中初选Z向丝杠导程为8，X向丝杠导程为5。3.5.3 最大工作载荷的计算最大工作载荷是指滚珠丝杠螺母副在驱动工作台时所承受的最大轴向力，也叫进给牵引力,其实验计算公式如表4-1所示。表4-1 实验计算公式及参考系数导轨类型实验公式矩形导轨1.10.15燕尾导轨1.40.2综合或三角导轨1.150.15-0.18表中为考虑颠覆力矩影响时的实验系数；为滑动导轨摩擦系数；为移动部件总重量。G=1000 N查表3-1选择综合导轨，取1.15,取0.18,为1000；算得=1.151197+0.18（3420+1000） =2171.553.5.4 最大动载荷的计算载荷随时间急剧变化且使构件的速度有显著变化（系统产生惯性力），此类载荷为动载荷。比如起重机以等速度吊起重物，重物对吊索的作用为静载，起重机以加速度吊起重物，重物对吊索的作用为动载。对于滚珠丝杠螺母副的最大动载荷计算公式如下： 式中：滚珠丝杠副的寿命系数，单位为r，（T为使用寿命，普通机床T取5000-10000h，数控机床T取15000h；n为丝杠每分钟转速）； 载荷系数，一般取1.21.5，本设计取1.2； 硬度系数（HRC58时取1.0；等于55时取1.11；等于52.5时取1.35；等于50时取1.56；等于45时取2.40）； 滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为N。本设计中车床Z向承受最大切削力条件下最快的进给速度,初选丝杠基本导程，则丝杠转速。取滚珠丝杠使用寿命，带入得=90；取，代入，求得 ：=17390N。3.5.5 滚珠丝杠螺母副的选型初选滚珠丝杆副时应使其额定动载荷, 当滚珠丝杠副在静态或低速状态下长时间承受工作载荷时，还应使额定静载荷。 根据计算出的最大动载荷,选择江苏启东润泽机床附件有限公司生产的FL4008-3型内循环式滚珠丝杠副，采用双螺母螺纹式预紧，精度等级为4级，其参数如表3-2所示。图3-2 FL4008-3型内循环式滚珠丝杠副表4-2 FL4008-3型滚珠丝杠相关参数公称直径/导程/钢球直径/丝杠外径/丝杠底径/额定载荷/接触刚度/ 18974084.76338.635.2466313.5.6 滚珠丝杠副的支承方式 滚珠丝杠副的支承主要用来约束丝杠的轴向窜动，为了提高轴向刚度，丝杠支承常用推力轴承为主的轴承组合。考虑到Z向丝杠长度较大，本设计Z向丝杠采用双推简支支承方式，该方式临界转速、压杆稳定性高，有热膨胀的余地。3.5.7 传动效率的计算滚珠丝杠的传动效率一般在0.80.9之间，其计算公式如下： =式中：螺距升角，根据,可得=291； 摩擦角，一般取=10。算得： =96.67%3.5.8 刚度的验算滚珠丝杠副工作时受轴向力和转矩的作用，引起导程的变化，从而影响定位精度和运动的平稳性。轴向变形主要包括丝杠的拉伸或压缩变形、丝杠与螺母间滚道的接触变形、支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形。因转矩和丝杠-螺母滚道接触对丝杠产生的导程变化很小，所以、可以忽略不计，所以丝杠的拉伸或压缩变形量为：=（“+”号代表拉伸，“-”代表压缩）式中：丝杠的最大工作载荷，单位为； 丝杠Z向最大有效行程，单位为； 丝杠材料的弹性模量，钢； 丝杠的横截面面积，单位按丝杠螺纹的底径确定。根据前面的设计，为3234.36，取1665，算得： =0.01597=15.97查表4-3可知，,所以刚度足够。表4-3 有效行程内的目标行程公差和行程变动量有效行程精度等级12345大于至31566881212161623234005008710915132019272616002000181325183525483665513.5.9 稳定性校核由于滚珠丝杠本身比较细长又受轴向力的作用，若轴向负载过大，则会产生失稳现象，不失稳时的临界载荷Fk应该满足： =式中：丝杠支承系数，双推-简支方式时，取2，其他方式如表3-4所示； 滚珠丝杠稳定安全系数，一般取2.54，垂直安装时取最小值，本设计取4； 滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为，本设计中该值为2000；（其中工件加工长度为1400，取2000，留600的两端余量） 按丝杠底径确定的截面惯性矩（，单位为）,本设中将代入算出=205513.36。 由以上数据可以算出：= 临界载荷远大于工作载荷（3234.36N），故丝杠不会失稳。表4-4 丝杠支承系数支承方式双推-双推双推-简支单推-单推双推-自由取值40 临界转速的验证滚珠丝杠副高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杠的最高转速： 式中：丝杠支承系数，双推-简支方式时，取值如表3-5所示；临界转速计算长度，单位为，本设计中该值为2300；丝杠内径，单位；安全系数，可取=0.8表4-5 丝杠支承系数支承方式双推-双推双推-简支单推-单推双推-自由取值27.418.912.14.3 经过计算，得出=1293，由已知，可以算出，该值小于丝杠临界转速，所以满足要求。3.6 齿轮传动的计算有关齿轮计算传动比故取； ； ； ； ； 3.7 步进电动机的选择（1）工作台质量折算到电机轴上的转动惯量丝杠的转动惯量 式中 滚珠丝杠的公称直径； 丝杠长度。则齿轮的转动惯量 电机的转动惯量很小可忽略。因此，总转动惯量 （2）所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩最大切削负载时所需力矩快速进给时所需力矩式中 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。 当时 当时 当时， 时 当时预加载荷，则 所以，快速空载启动所需力矩 切削时所需力矩 快速进给时所需力矩由上分析计算可知，所需最大力矩发生在快速启动时：（3）Z向进给系统步进电机的确定为了满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知所以，步进电机最大静转距为步进电机最高工作频率综合考虑，查表选用110BF003型直流步进电动机，能满足要求7-12。3.8 导轨的特点滑动导轨的优点是结构简单、制造方便和抗振性良好；缺点是磨损快。为了提高耐磨性，国内外主要采用镶钢滑动导轨和塑料滑动导轨。 滑动导轨常用材料有铸铁、钢、有色金属和塑料等。1铸铁 铸铁有良好的耐磨性、抗振性和工艺性。常用铸铁的种类有：（1）灰铸铁 一般选择HT200，用于手工刮研、中等精度和运动速度较低的导轨，硬度在HB180以上； （2）孕育铸铁 把硅铝孕育剂加入铁水而得，耐磨性高于灰铸铁； （3）合金铸铁 包括：含磷量高于0.3的高磷铸铁，耐磨性高于孕育铸铁一倍以上；磷铜钛铸铁和钒钛铸铁，耐磨性高于孕育铸铁二倍以上；各种稀土合金铸铁，有很高的耐磨性和机械性能；铸铁导轨的热处理方法，通常有接触电阻淬火和中高频感应淬火。接触电阻淬火，淬硬层为0.150.2mm。硬度可达HRC55。中高频感应淬火， 淬硬层为23mm，硬度可达HRC4855，耐磨性可提高二倍，但在导轨全长上依次淬火易产生变形，全长上同时淬火需要相应的设备。2钢 镶钢导轨的耐磨性较铸铁可提高五倍以上。常用的钢有：9Mn2V、CrWMn、GCr15、T8A、45、40Cr等采用表面淬火或整体淬硬处理，硬度为5258HRC；20Cr、20CrMnTi、15等渗碳淬火，渗碳淬硬至5662HRC；38C rMoAlA等采用氮化处理。3有色金属 常用的有色金属有黄铜HPb59-l，锡青铜ZCuSn6Pb3Zn6，铝青铜ZQAl9-2和锌合金ZZn-Al10-5，超硬铝LC4、铸铝ZL106等，其中以铝青铜较好。4塑料 镶装塑料导轨具有耐磨性好(但略低于铝青铜)，抗振性能好，工作温度适应范围广(-200+260)，抗撕伤能力强，动、静摩擦系数低、差别小，可降低低速运动的临界速度，加工性和化学稳定件好，工艺简单，成本低等优点。目前在各类机床的动导轨及图形发生器工作台的导轨上都有应用。塑料导轨多与不淬火的铸铁导轨搭配。导轨的使用寿命取决于导轨的结构、材料、制造质量、热处理方法、以及使用与维护。提高导轨的耐磨性，使其在较长时期内保持一定的导向精度，就能延长设备的使用寿命。常用的提高导轨耐磨性的方法有：采用镶装导轨、提高导轨的精度与改善表面粗糙度、采用卸荷装置减小导轨单位面积上的压力(即比压)等。图3-3 滑动导轨截面形状3.9 导轨的设计一作用力合作用点位置，作用力方向和作用点的位置唏嘘合理安置。一边导轨倾斜的力矩尽量小。否则会使导轨中的摩擦力增大，磨加剧，从而降低导轨的灵活性和导向精度。严重时甚至还可能卡死，不能正常工作。作用在运动件上的推力有三种情况：1.推力通过运动件在轴线2.推力作用点在运动件的轴线上。但推力的方向与轴线成一夹角3.推力平行于运动件的轴线上对于第一种情况，导轨镇南关的摩擦力只受到载荷及运动件本身重量的影响，推力不会产生附加摩擦力。犹豫结构上的限制，实际的结构中往往出项第二第三中情况。为了保证导轨的灵活性，要对导轨进行验算，在已知的条件先，确定各部分的集合尺寸。推力F与运动件轴线组成夹角a,如图所示:图3-4导轨计算图推力F的作用将使运动件产生倾斜，从而使运动件与承导体的俩点处压紧， 设正压力分别为 .，相应摩擦力，作用间的距离为L，轴向阻力为 根据静力平衡条件,运动件的直径较小时，上式中含有d的各项可以略去。可解得：欲推动运动件，则必须使若要保证不卡死的条件是： 由此，可得到当推力F与运动件有一夹角a时，运动件正常工作的条件是 为当量摩擦系数在燕尾形和三角形导轨中:-滑动摩擦系数-眼尾轮廓角与三角底角二选与运动件轴线与轴线相距h，图中为轴向阻力和为反作用力，为当量摩擦系数，根据静力平衡条件解得：推动运动件则必须：保证运动件不卡死条件即：为了保证运动灵活，可取值当取f=0.25时，则有：对圆柱形导轨：对矩形导轨：对燕尾形或三角形导轨：在本设计的导轨中：h=200mm L=360 因此：符合相关要求.28第4章 X向进给伺服进给结构设计4.1切削力的计算切削力是指在切屑过程中产生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力，或通俗的讲是在切削加工时，工件材料抵抗刀具切削时产生的阻力。车削外圆时的切削力如图4-1所示。主切削力与切削速度的方向一致，垂直向下，是计算车床主轴电动机切削功率的依据；进给力与进给方向平行且方向相反；背向力与进给方向相垂直，对加工精度的影响较大。FzFxFy 图4-1 车削力分析选工件材料碳素结构钢，=650 MP；选用刀具材料为高速钢；刀具几何参数：主偏角=，前角=，刃倾角=；切削用量为：背吃刀量=2mm，进给量=0.8mm/r，切削速度=1 m /min.。由表（2.1）查得：=1770; =1.0 =0.75 =0;由表（2.2）查得：主偏角修正系数=0.92 ,前角，刃倾角修正系数都为1.0； 代入公式： = =2754.92 ( N )进给力与背吃刀力: 由经验公式： ：=1:0.35:0.4 知：=2754.92N =0.35x2754.92=964.22N =0.4x2754.92=1101.97N因为X向切削力大小一般等于Z向切削力的一半，所以： =13682=684 =11972=598.5式中：X向主切削力； 走刀方向切削力； 吃刀方向切削力。4.2 滚珠丝杠螺母副的计算和选型4.2.1 最大工作载荷的计算假设溜板及刀架重力（N），X向为燕尾导轨，查表3-1，最大工作载荷的计算如下： =式中： 为考虑颠覆力矩影响时的实验系数，取1.4； 为滑动导轨摩擦系数，取0.2。4.2.2 最大动载荷的计算 式中：滚珠丝杠副的寿命系数，单位为r； 丝杠寿命，取15000； 载荷系数，一般取1.2； 硬度系数取1； X向丝杠副最大工作载荷，其值为2459.6； X向滚珠丝杠导程，初选为。 X向最大工进速度，该设计值为； X向最大工进速度对应丝杠的转度，单位。计算得出得 ：=12278.8。4.2.3滚珠丝杠螺母副的选型根据计算出的最大动载荷,选择江苏启东润泽机床附件有限公司生产的FL4005-3型内循环式滚珠丝杠副，采用双螺母方式预紧，精度等级为3级，其参数如表5-1所示。表5-1 FL2005-3型滚珠丝杠相关参数公称直径/导程/钢球直径/丝杠外径/丝杠底径/额定载荷/接触刚度/14532053.51916.532.8144.2.4 滚珠丝杠副的支承方式 考虑到X向滚珠丝杠副的长度、精度与负载的大小以及改造成本，采用双推-单推支承方式，该方式轴向刚度高，位移精度好，可以进行预拉伸。4.2.5 传动效率的计算 =式中：螺距升角，根据,可得=228； 摩擦角，一般取=10。算得： =95.67%4.2.6 刚度的验算=（“+”号代表拉伸，“-”代表压缩）式中：丝杠的最大工作载荷，单位为； 丝杠Z向最大有效行程，单位为； 丝杠材料的弹性模量，钢； 丝杠的横截面面积，单位按丝杠螺纹的底径确定。根据设计，为2459.6N，为420，为36.5，算得： =0.0047 =4.7查表3-3可知，,所以刚度足够。4.2.7 稳定性校核 =式中：丝杠支承系数，由表3-4得出单推-单推时，取1； 滚珠丝杠稳定安全系数，一般取2.54，本设计取4； 滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为，本设计中该值为500； 按丝杠底径确定的截面惯性矩，（，单位为）本设中将代入算出=87080。 由以上数据可以算出：= 临界载荷远大于工作载荷（2459.6N），故丝杠不会失稳。4.2.8临界转速的验证 式中：丝杠支承系数，单推-单推方式时，由表3-5可得该值为12.1；临界转速计算长度，单位为，本设计中该值约为720；丝杠内径，单位；安全系数，可取=0.8经过计算，得出=5321，由已知，可以算出，该值小于丝杠临界转速，所以满足要求。4.3 进给伺服系统传动计算4.3.1确定传动比确定当机床脉冲当量和滚珠丝杠导程确定以后，可以先初选步进电机的步距角，计算伺服系统的降速比I选步进电机的步距角=0.6X向：4.3.2齿轮参数的计算摸数m取2。计算如下：X向：取小圆齿数为24小齿轮： 大齿轮：4.4.步进电机的计算和选用4.4.1转动惯量的计算（1）齿轮、轴、丝杠等圆柱体惯量计算（） 对于钢材： 式中：M圆柱体质量（）D圆柱体直径（）L圆柱体长度（）钢材的密度对于齿轮：D可取分度圆直径，L取齿轮宽度； 对于丝杠：D可近似取丝杠公称直径滚珠直径，L取丝杠长度。具体计算如下：Z向：X向：（2）丝杠传动时折算到电机轴上的总传动惯量步进电机经一对齿轮降速后传到丝杠，此传动系统折算到电机轴上的转动惯量为：式中：具体计算如下：Z向：X向：4.4.2电机力矩的计算电机的负载力矩在各种工况下是不同的，下面分快速空载起动时所需力矩、快速进给时所需力矩、最大切削负载时所需力矩等几部分介绍其计算方法。1） 快速空载起动时所需力矩式中：（2） 快速进给时所需力矩因此对运动部件已起动，固不包含，显然。（3）最大切削负载时所需力矩式中：在采用丝杠螺母副传动时，上述各种力矩可用下式计算式中：摩擦力矩 式中：附加摩擦力矩 式中：折算到电机轴上的切削负载力矩式中：具体计算：X向： 4.5步进电机的选择目前，经济型数控车床中大多数采用反应式步进电机。1） 首先根据最大静转距从表中查出，当步进电机为三相六拍时， Z向：按此最大静转矩产步进电机型号表（三相）可查出，110BYG3500型最大静转矩转矩为8N.m，大于所需静转矩，可作为初选型号。但必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。步进电机起动频率 Hz最高工作频率 Hz从电机表中查出，110BYG3500型步进电机的空载起动频率为1600Hz，运行频率为30000Hz，满足要求。X向：按此最大静转矩产步进电机型号表（三相）可查出，90BYGH3502型最大静转矩转矩为5N.m，大于所需静转矩，可作为初选型号。但必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。结 论本课题结合目前国内外数控改造化车床进给系统的研究现状和发展方向，具体阐述了一种桌面型数控改造化车床的设计开发过程。本文主要完成的工作如下：1、数控改造化车床结构方案的确定。分析了数控改造化车床的特点，确定了数控改造化车床基本结构，并确定其基本尺寸。2、确定了数控改造化车床技术指标及参数。对该数控改造化车床的各向切削力进行了计算。3、选择了数控改造化车床系统的控制系统。采用了东达电控的电控箱。4、数控车床本体结构设计。5、零件的刚度和寿命计算与校核。对各个已设计零件进行刚度和寿命计算，确保满足使用要求，使该数控改造化车床有足够的可靠性。参考文献1 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