C5116立式车床的数控化改造

摘 要数控机床在机械制造业中发挥着巨大的作用，但数控机床一次性投资较大，对机床进行数控化改造不失为一良策。本设计利用数控装置对 C5116 普通车床进行控制,主传动系统部分 采用交流调频主轴电动机经带轮及分级齿轮变速箱驱动主轴，通过变频器和齿轮变速箱实现分段无级变速；进给系统采用伺服电机通过减速后驱动滚珠丝杠运动，在纵向进给系统中通过一级齿轮减速后驱动滚珠丝杠，在横向进给系统中通过二级齿轮减速驱动滚珠丝杠；刀架改为自动转位刀架(四工位)从而实现自动换刀；通过西门子 802S数控系统对数据进行计算处理，由 I/O 接口输出步进脉冲信号控制进给速度和行程；为了保持切削螺纹的功能，要在主轴外端或其它适当部位装上脉冲发生器。本次设计的数控改造为经济适用型，改造简单易行，可降低劳动强度，提高生产效率。主要介绍了经济型数控机床进给伺服系统设计计算。阐述了 C5116 普通立式车床的主轴系统的改进及机床纵向、横向进给系统的改造设计及计算。关键词： C5116 车床；数控改造；滚珠丝杠；伺服电动机；PLC目 录第一章 绪 论41.1 本文选题的背景及意义41.2 机床数控技术的基本概念61.3 数控机床的组成和分类71.4 数控机床的特点8第二章 总体方 案的 确定 92.1 设计任务92.2 总体方案的论证102.3 总体改造方案的确定11第三章 机床部分改造 133.1 床身133.2 主 轴 箱 变 速 箱 133.3 纵向伺服进给结构的设计和计算143.4 横向伺服进给结构的设计和计算263.5 自动刀架部分的设计373.6 挂齿箱403.7 拖板41第四章 控制电路设计424.1 电路设计 424.2 X、Z 轴限位和参考点返回电路424.3 机床参数设置 464.4 控制元件清单 474.5 控制电路 PLC 梯形图 48第五章 CNC 数控系统的设计505.1 西门子 802S 数控系统介绍 505.2 西门子 802S 数控系统的基本功能505.3 系统配置方案研究 505.4 系统的设计53第六章 数控机床操作 566.1 数控机床操作指南566.2 应用效果 63结 论 64致 谢 65参考文献66附录 167第一章 绪 论1.1 本文选题的背景及意义1.1.1 金属切削机床及其在国民经济中的地位金属切削机床是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器，他是制造机器的机器，所以又被称为“工作母机”或“工具机” 。机床的母机属性决定了它在国民经济中的地位。机床工业为各种类型的机械制造厂提供先进的制造技术与优质高效的机床设备，促进机械制造工业的生产能力和工艺水平的提高。机械制造工业肩负着为国民经济各部门提供现代化技术装备的任务，即为工业、农业、交通运输业、科研和国防等部门提供各种机器、仪器和工具。为适应现代化建设的需要，必须大力发展机械制造工业。可见，机械制造工业是国民经济各部门赖以发展的基础，而机床则是机械制造工业的基础。一个国际机床工业的技术水平在很大程度上标志着这个国家的工业生产能力和科学技术水平。1.1.2 数控机床的优越性数控机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物,是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。它与普通机床相比,其优越性是显而易见的,不仅零件加工精度高,产品质量稳定,且自动化程度极高,可减轻工人的体力劳动强度,大大提高了生产效率,特别值得一提的是数控机床可完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面的零件加工,因而数控机床在机械制造业中的地位愈来愈显得重要。1.1.3 数控机床在我国的发展现状我国是世界上机床产量最多的国家，但在国际市场竞争中仍处于较低水平；即使国内市场也面临着严峻的形势,一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求,而另一方面却有不少国产机床滞销积压,国外机床产品充斥市场。90年国外数控机床在我国市场的占有率仅达15%左右,而95年已达77%。严重影响我国数控机床自主发展的势头。这种现象的出现,除了有经营上、产品制造质量上和促销手段上等原因外,一个主要的原因是我国生产的数控机床品种、性能和结构不够先进,新产品(包括基型、变型和专用机床)的开发周期长,从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品。具体地说,这个问题反映在下列五个方面:(1) 我国机床厂目前开发基型产品的周期约为1518个月,其中设计时间约为58个月,占总周期的40%左右。而国外一些先进机床厂同类基型产品的开发周期为69个月,其中设计约1.52个月,只占25%。因此无论是产品开发的总周期还是设计所占的时间比例均与国外先进水平有很大的差距。(2) 我国工厂由于缺乏设计的科学分析工具(如分析和评价软件、整机结构有限元分析方法以及机床性能测试装置等),自行开发的新产品大多基于直观经验和类比设计,使设计一次成功的把握性降低,往往需要反复试制才能定型,从而可能错过新产品推向市场的良机。(3) 用户根据使用需要,在订货时往往提出一些特殊要求,甚至在产品即将投产时有的用户临时提出一些要求,这就需要迅速变型设计和修改相应的图纸及技术文件。在国外,这项修改工作在计算机的辅助下一般仅需数天至一周,而在我国机床厂用手工操作就至少需12个月,且由于这些图纸和文件涉及多个部门,常会出现漏改和失误的现象,影响了产品的质量和交货期。(4) 现在我国工厂设计和工艺人员中青年占多数,他们的专业知识和实际经验不足, 又担负着开发的重任。(5)由于长期以来形成的设计、工艺和制造部门分立,缺乏有效的协同开发的模式,不能从制订方案开始就融入各方面的正确意见,容易造成产品的反复修改,延长了开发的周期。为解决这些问题,必须对产品开发的整个过程综合应用计算机技术,发展优化和仿真技术,提高产品结构性能,并建立起基于并行工程(Concurrent Engineering)的使设计、工艺和制造人员协同工作和知识共享的产品虚拟开发环境,使用相应的产品虚拟开发软件，这样才能有效地解决产品开发的落后局面,使企业取得良好的经济效益。1.1.4 机床数控化改造的必要性我国目前机床总量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。 经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。所以很多企业纷纷将现有机床改造成经济型数控机床，这种做法具有投资少、见效快的特点。事实证明：用较少的资金，将普通机床改造升级为数控机床，可以为企业带来可观的经济效益。1.2 机床数控技术的基本概念1.2.1 概述数控技术，简称数控(NumericalControl)。它是利用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控机床。数控系统包括：数控装置、可编程序控制器、主轴驱动及进给装置等部分。要实现对机床的控制，需要用几何信息描述刀具和工件间的相对运动以及用工艺信息来描述机床加工必须具备的一些工艺参数，如：进给速度、主轴转速、主轴正反转、换刀、冷却液的开关等。这些信息按一定的格式形成加工程序，通过数控系统的译码，从而使机床准确地动作和加工出优质的零件。1.2.2 数控机床的工作流程数控机床工作时根据所输入的数控加工程序，由数控装里控制机床部件的运动零件加工轮廓，从而满足零件形状的要求。数控加工程序的编制：在零件加工前，首先根据被加工零件图样所规定的零件形状、尺寸、材料及技术要求等，确定零件的工艺过程、工艺参数、几何参数以及切削用量等，然后根据数控机床编程手册规定的代码和程序格式编写零件加工程序。对于比较简单的零件，通常采用手工编程；对于形状复杂的零件，则在编程机上进行自动编程，或者在计算机上用 CAD/CAM 软件自动生成零件加工程序。译码：数控装置接受程序，译码程序按照一定的语法规则将信息解释成计算机能够识别的数据形式。刀具补偿：零件加工程序通常是按零件轮廓轨迹编制的。刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹运动加工出所要求的零件轮廓。插补：插补的目的是控制加工运动，使刀具相对于工件作出符合零件轮廓轨迹的相对运动。位置控制和机床加工：位置控制的任务是在每个采样周期内，将插补计算出的指令位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制伺服电机，电动机使机床的运动部件带动刀具相对于工件按规定的轨迹和速度进行加工。1.3 数控机床的组成和分类1.3.1 数控机床的组成数控机床一般由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组成:(1)输入输出设备输入输出设备主要实现程序编制、程序和数据的输入以及显示、存储和打印 。(2)数控装置数控装置是数控机床的核心。它接受来自输入设备的程序和数据，并按输入信息的要求完成数值计算、逻辑判断和输入输出控制等功能。(3)伺服系统伺服系统是接受数控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驭动部件。它包括伺服电路和伺服电机组成。一般来说，数控机床的伺服驱动要求有好的快速响应性能，能灵敏而准确地跟踪由数控装置发出的指令信号。(4)测量反馈装置该装置由测量部件和响应的测量电路组成，其作用是检测速度和位移，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制系统。(5)机床本体机床本体是数控机床的主体，是用于完成各种切削加工的机械部分。1.3.2数控机床的分类按伺服系统的控制原理可分为：开环控制的数控机床、半闭环控制的数控机床和闭环控制的数控机床。(1)开环控制的数控机床这类数控机床不带有位置检测装置，数控装置将零件程序处理后，输出数字信号给伺服系统.驱动机床运动。指令信号的流程是单向的。(2)闭环控制的数控机床这类机床带有检测装置。它随时接受在工作台端测得的实际位置反馈信号，将其与数控装置发来的指令位置信号相比较，由其差值控制进给轴运动，直到差值为零，进给轴停止运动。闭环控制可以消除包括工作台传动链带在内的误差，从而定位精度高、速度调节快，但由于工作台惯量大，给系统的设计和调整带来很大的困难，主要是系统的稳定性受到不利影响。(3)半闭环控制的数控机床半闭环控制的数控机床与闭环控制得到数控机床的区别在于检测反馈信号不是来自工作台。而是来自电动机端或丝杠端连接的测量元件。实际位置的反馈是通过间接测得的伺服电动机的角位移算出来的，因而控制精度没有闭环高，但机床工作的稳定性却由于大惯盆工作台被排除在控制环外，调试方便，因而广泛用于数控机床中。1.4 数控机床的特点(1)加工零件的适应性强，灵活性好。(2)加工精度高，产品质皿稳定。(3)生产率高。(4)减少工人的劳动强度。(5)生产管理水平高。第二章 总体方案的确定2.1 设计任务 马鞍山统力回转支承有限公司是一家专业生产回转支承的企业，公司一台由齐齐哈尔机床厂 87 年制造的 C5116 立式车床，原采用“继电器接触器”控制系统, 采用大量接触器、继电器来实现刀架、横梁、主轴和进给系统等部件控制，其刀架进给轴 X 轴（滑座进给）和 Z 轴（滑枕进给）只能互相切换，不能联动，无法加工具有复杂曲面的零件。经过近二十年的运行, 其电气控制和驱动, 与先进制造技术要求相比显得较为落后; 部分不同程度老化产品适应性差、工作效率低、机床操作与调整不方便、维护困难等一系列缺点逐步体现出来, 影响了经济效益的提高。本设计任务是对 C5116 普通车床进行数控改造。C5116 普通立式车床主要用于普通端面和外圆的切削加工，随着产品的变化和发展，普通立车的功能已不能满足新市场、新产品的要求。主要表现在： 1、无法完成或很难完成具有复杂曲面零件的加工。 2、产品的适应性差，生产效率低。对不同零件的加工，需要先根据零件的实际要求设计工装设备，然后再进行实际加工。因而生产成本高，供货周期长，已跟不上市场的要求。 随着数控技术在生产中的应用越来越广泛，数控立式车床的生产优势也越来越明显。由于数控立式车床的购置费用较高，一次性投入大，而利用原有普通立式车床进行数控化改造费用低、质量高，因此对普通立式车床进行数控化改造是机加工用户的一种理想选择。2.1.1 设计基本思路改造 C5116 车床的基本思路是把原来的机床进行大修，只保留机床导轨、主轴、尾座等部件，其余的全部撤除。带之以滚珠丝杠和步进电机，用数控系统来驱动各轴的运动。经过严密的计算和论证，选择丝杠和驱动电机，根据使用要求，选择系统配置和设计控制电路，布置各传感器。数控系统采用国际通用的 SIEMENS 系统，可靠性好，功能强大。并根据用户的要求设计了新颖的外观。该设备改造后取名“CK5116 数控车床” 。2.1.2 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。设计参数如下：机床最大加工工件直径 1600mm，最大加工工件高度 1000mm，最大加工工件重量 5 吨，工作台直径 1400mm，工作台转速 16 级，工作台转速范围 5160r/min，工作台的最大扭矩 M=25KN.m，交流主电机功率为 30kW，刀架水平行程 915mm, 刀架垂直行程 800mm。该机床系属单柱立式车床，可以车削圆柱、圆锥和平面，镗圆柱与圆锥孔，供铸铁、钢及有色金属零件的粗精加工之用。自动升降速性能有其他要求：(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，保证安装、调试、拆卸方便；需经常调整的部分调整应方便。图 1 C5116 立车结构简图2.2 总体方案的论证对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。 数控控系统运动方式的确定 数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续控制系统。由于要求 CA6140 车床加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用两轴联动连续控制系统。伺服进给系统的改造设计 数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。所以，本设计决定采用开环控制系统。 数控系统的硬件电路设计 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。在设计的数控装置中，CPU 的选择是关键，选择 CPU 应考虑以下要素： (1) 时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关； (2) 可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关； (3)I/O 口扩展的能力与对外设控制的能力相关。 除此之外，还应根据数控系统的应用场合、控制对象以及各种性能、参数要求等，综合起来考虑以确定 CPU。在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是 Z80CPU 和MCS-51 系列单片机，主要是因为它们的配套芯片便宜，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能满足经济型数控机床的改造需要。本设计中是以 MCS-51 系列单片机，51 系列相对 48 系列指令更丰富，相对 96 系列价格更便宜，51 系列中，是无 ROM 的8051，8751 是用 EPROM 代替 ROM 的 8051。目前，工控机中应用最多的是 8031 单片机。本设计以 8031 芯片为核心，增加存储器扩展电路、接口和面板操作开关组成的控制系统。2.3 总体设计方案的确定可编程, 它已取代了继电器而成控制器作为现代新型工业的标志产品为解决自动控制问题的最有效、最便捷的工具, 利用可编程控制器对机床进行电气改造对 C5116 立式车床加工性能的提高和使用有很大的实际意义。根据企业生产的需要对 C5116 立式车床刀架进给系统进行数控改造，利用数控系统对输入的加工程序进行运算处理，发出的进给指令通过 I/O 接口输出给 X 轴和 Z 轴步进电机，经齿轮减速后，带动滚珠丝杠转动，由螺母带动刀架直线移动，从而实现纵向和横向的自动进给运动。换刀指令通过刀架控制器控制三相电动机实现刀架自动转位功能，由脉冲编码器协调完成螺纹车削功功能。总体方案如下： 1、在保留滑座体、刀架体和滑枕的基础上对刀架作简易数控化改造，改造时拆除原机床的进给箱及 T 形丝杠，将伺服电机和行星减速机安装在原机床的尾端。将原来的 T形丝杠替换为滚珠丝杠，滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置，如图 2 所示。 图 2 C5116 立车进给系统改造简图 2、采用西门子 SINUMERIK 802C 数控系统。X 轴和 Z 轴伺服驱动系统采用SIIMODRIVE 611UE 双轴驱动模块和 1FK7 交流伺服电机，X 轴和 Z 轴伺服电机均带有内装式脉冲编码器，采用半闭环控制。 3伺服电机和滚珠丝杠副的选用 已知 C5116 立式车床滑座重量 W1=3000N，刀架重量 W2=15000N，滑动导轨动磨擦系数 =0.1 静磨擦系数 0=0.2，X 轴和 Z 轴快速进给速度 Vmax=7.5m/min，要求机床定位精度 30m/300mm，50m/全行程，重复定位精度 20m，工作寿命 20000 小时（两班制工作 10 年） ，根据计算，X 轴选择由南京工艺装备制造厂生产的规格代号为 FFZD63084P3/19501666 的滚珠丝杠副及由德国西门子公司生产的电机型号为 1FK7063-5AF71-1AG0 的交流伺服电机。Z 轴选择 FFZD6306-4-P3/14501333 滚珠丝杠副及 1FK7063-5AF70-1AH0 交流伺服电机。改造后的横向(X 轴)进给系统如图 3 所示，纵向(Z 轴)进给系统图略。 第三章 机床部分改造3.1 床身为了充分发挥数控系统的技术性能，确保机械传动系统的传动精度和平稳性，机械部分采用低摩擦传动副;选用最佳的降速比，达到数控机床所需要的脉冲当量；缩短传动链及用预紧的办法提高传动系统的刚度；消除传动间隙以减少反向行程误差；满足低振动和高可靠性方面的要求。3.2 主 轴 箱 变 速 箱一般情况下，保留原有的主传动系统和变速操纵机构。其设计过程如下：主轴箱的传动系统图如下图 C5116 型立式车床传动系统图左边部分所示。主运动的传动路线表达式为：C5116 型立式车床主轴转速分布图 由传动系统图和传动路线表达式可知主轴正转有 23（22-1）=30 级转速，但由于轴 IV 至 V 间四种传动比为：U1=50/5051/50=1 U2=20/8051/50=1/4U3=50/5020/80=1/4 U4=20/8020/80=1/16其中 U3=U4，即 IV 轴至 V 轴间只有三中不同传动，故主轴实际获得的转速级数为：正转：23（22-1）+1=24反转：13（22-1）+1=12具体的主轴箱的结构设计请参看所画的主轴箱展开图。如果要提高车床的自动化程度，可以用双速或四速电机替代原主电动机。改造后的主传动系统如下图所示：3.3 纵向伺服进给结构的设计和计算纵向伺服进给结构设计主要内容有：滚珠丝杆副的设计计算及选择、减速比的确定及减速箱的设计、步进电机的选择、绘制改动部分的机械结构装配图等等。一切削力计算进给系统计算简图（a）纵向进给 （b）横向进给车削抗力分析1、车削抗力分析车削外圆时的切削抗力 Fx、Fy 及 Fz 如图所示，主切削力 Fz 与切削速度 V 的方向一致，垂直向下，是计算主轴电机车削功率的主要依据。切深抗力 Fy 与纵向进给方向垂直，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时要用到它。纵向外圆及横切端面切削离示意图拖板工作载荷的计算在进行进给系统的传动计算、选用步进电机时，都要用到切削力（机床的主要负载） ，车削切削力的计算方法可用以下简单而实用的经验公式计算。纵向切削外圆时，车床的主切削力 Fz 可以用下式计算：Fz=0.67 Dmax （N）式中：Dmax在车床上加工的最大直径（mm）则： Fz=0.67 Dmax（N）=0.6780005360 N进给抗力 Fx 和切深力可按下列比例分别计算：Fz：Fx：Fy = 1：0.25：0.4Fx = 0.25Fz =0.255360 = 1340 NFy = 0.4Fz = 0.45360 =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。如上图所示，车削作业时作用在进给拖板上的载荷 Fl、Fv 和 Fc 与车刀所受的车削力有对应的关系。因此，作用在进给拖板上的载荷可以按下式求得：拖板上进给方向载荷 Fl=Fx=1340N拖板上垂直方向载荷 Fv=Fz=5360N拖板上横向载荷 Fc=Fy=2144N二、滚珠丝杆副的设计滚珠丝杆副已经标准化，因此滚珠丝杆副的设计归结为滚珠丝杆副型号的选择。一般情况下，设计滚珠杠时，已知条件为：在最大工作负荷 Fd（或平均工作负荷 Fm）作用下的使用寿命，丝杆的工作长度（或螺母的有效行程） ，丝杆的转速（或平均转速） ，滚道的硬度及丝杆运转情况。设计步骤：计算作用在滚珠丝杆上的最大动负荷。从滚珠丝杆系列表中找出相应最大动载荷的近似值，并初选几个型号。根据具体工作要求，对结构尺寸、循环方式、调隙方法及传动效率等方面的要求，从中再挑出比较合适的直径、导程、滚珠列数等，确定某一型号。根据所选的型号，列出或计算出其主要参数的数值，计算传动效率并验算系数是否满足要求。如不满足要求，则需另选其他型号，再作上述计算与验算，直到满足要求为止。设计计算概况计算进给牵引力 Fm作用在滚珠丝杆上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力和导轨摩擦力，其数值大小与导轨的类型有关。在本设计中，车削纵向导轨采用三角形导轨。对三角形导轨，Fm 的计算公式为：Fm=kFx + f（Fz+G）式中：Fz主切削力Fx走刀方向切削分力G纵溜板上承载的移动部件的重力（已知 G=800N）K考虑颠覆力矩的试验系数，对上述类型导轨可取 K=1.15f导轨上的摩擦系数，对上述类型导轨可取 0.165则： Fm=kFx + f（Fz+G）=1.151340+0.165（5360+800）=2557.4Nb、最大动负荷 C 及主要尺寸初选滚珠丝杆应根据额定载荷 Ca 选用，最大动载荷计算原理与滚珠轴承相同。滚珠丝杆最大动载荷 C 可用下式计算：C= fm Fm3L式中：L工作寿命，单位为 10 r，L=60nt/1066fm运转状态系数，无冲击取 11.2，一般情况下取 1.21.5，有冲击振动取1.52.5，此处取 fm=1.3Fm滚珠丝杆工作载荷（N）n丝杆转速（r/min） ，n=1000v/L0t额定使用寿命（h） ，可取 1500hv最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的 1/21/3L0丝杆基本导程，可根据快进速度 Vmax 和丝杆最大转 nmax 初选一数值（L0大于或等于 Vmax/nmax） ，此处选取 L0 为 10mm，待刚度验算后再确定。L=60nt/106=601000vt/10 L0=6010002.415000/10 106=216（10 r）6C= fm Fm3L = 1.32557.43216=19947.72N初选滚珠丝杆的尺寸规格，相应的额定载荷 Ca 不得小于最大动载荷 Co：CaCo假如滚珠丝杆副有可能在静态或低速运转（n 小于或等于 10r/min）下工作并受载那么还需要考虑其另一种失效形式滚珠丝杆接触面上的朔性变形。即考虑滚珠丝杆杠的额定静载荷 Coa 是否充分地超过了滚珠丝杆的工作载荷 Fm，一般使 Coa/Fm=23。查资料选取滚珠丝杆的型号为 CLM32102.5P3。即采用外循环管插式类型，螺距为 L0=10mm，圈数列数=2.51，公称直径为 32mm，Ca=28200N，Coa=66050N，螺旋升角等于-c、传动效率计算滚珠螺母副的传动效率 为 = tg /tg（ + ）式中： 丝杆螺旋升角，可根据初选型号查出摩擦角，滚珠丝杆副的滚动摩擦系数 f=0.0030.004，其摩擦角约等于 10 。有： = tg /tg（ + ）= tg5 41/tg(5 41+10)=0.971d、刚度验算 滚珠丝杆副的轴向变形导程发生变化，从而影响其定位精度和运动平稳性。滚珠丝杆副的轴向变形包括丝杆的拉压变形、丝杆和螺母之间滚道的接触变形、丝杆的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杆轴承的轴向接触变形。滚珠丝杆的扭转变成较小，对纵向变形影响小，可忽略不计。螺母座只要设计合理，其变形量也可忽略不计。丝杆轴承的轴向接触形计算方法可参考机械设计手册。可供滚珠丝杆杠支承使用的滚珠轴承种类很多，目前占优势的有：接触为 60 的推力角接触球轴承，可以背靠背或面对面组配，还可以三联组配、四联组配等，以提高刚度和承载能力；滚针推力圆柱滚子组合轴承，从双向轴承支承丝杆，刚度好、多用于重载。因此，只要滚珠丝杆支承的刚度设计好，轴承的轴向接触变形在此可以不考虑。下图所示，为纵向进给滚珠丝杆杠支承方式草图。丝杆螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的 1/3。由工作负荷引起的导程变化量为： L=FmLo/EA式中： E弹性模数，岁对钢 E=20.610 MP 即（20.610 N/cm ）2f462A滚珠丝杆截面（cm ） （按丝杆螺纹底径 d 1=26.047mm 确定）2 1F= 2.6047 /4 =5.3258 cm 2即： L=FmLo/EA=2557.41/（20.610 5.3258）6=23.310 cm6“+”号用于拉伸， “-”号用于压宿丝杆 1m 长度上导程变形总误差为：=100 L/Lo=10023.310 /16=233010 cm/m=23.3 m/m而三级精度丝杆允许的螺距误差为 40 m/m，即 40，故刚度符合要求。e、齿轮传动比的计算 为了满足脉冲当量的设计要求和增大转距，同时也为了使传动系统的负荷惯量尽可能地减少，传动链中常采用齿轮降速传动。已知脉冲当量 p，滚珠丝杆杠导程 Lo=10mm，初选步进电机的步距角 b 后，可以依据下 式计算出齿轮传动比 i，即i = b Lo/360 p纵向进给齿轮箱传动比计算：已确定纵向进给脉冲当量 p =0.01mm，滚珠丝杆导程 Lo=10mm，初选步进电机步距角 b =1.5 ，可计算传动比 i，i = b Lo/360 p=1.510/（3600.01）4.167计算出 i5，因此可以采用一级传动。大小齿轮丝杆导程均采用 45 号钢调质，选小齿轮硬度为 260HB290HB，大齿轮硬度为 220HB250HB，精度选六级，模数 m=2，齿轮Z1=18，Z2=75，则a（1/2）m（Z1+Z2）=93mm还应该校核齿轮接触疲劳强度。经校核均合格，其校核过程从略。f、压杆稳定性验算 滚珠丝杆通常属于轴向力的细长杆，若轴向工作负荷过大，使丝杆失去稳定而产生纵向屈服，即失稳，失稳的临界载荷 Fk=f z EI / L （N）22式中： E丝杆材料弹性模量，对钢 E=20.610 MPa，即（20.610 N/cm ）462I截面惯量距，对丝杆圆截面 I= d1 /64 （mm ） （d1 为丝杆底直径）4L丝杆最大工作长度（mm）fz丝杆支承方式系数，在此选择一端固定，一端简支 fz=2.0I = d1 /644= 26.047 / 644= 22582.94 （mm ）Fk=fz EI / L 22=2 20.610 22582.94 / 10006 2=91735.41临界载荷 Fk 与丝杆工作载荷 Fm 之比称为稳定性安全系数，如果 nk 大于许用稳定性安全系数nk ，则丝杆不会失稳，因此，滚珠压杆的压杆稳定条件为nk=Fk /Fmnknk = 91735.41 / 2557.4 = 35.874注：一般 nk 取 2.54，考虑到丝杆杠自重对水平滚珠的丝杆的影响可取nk 4 。所以丝杆符合稳定条件。g、导轨的选型采用贴塑导轨，以减少导轨的摩擦力。h、步进电机的计算和选型：步进电机选型主要考虑三个问题：（1）步距角 b 要满足脉冲当量的要求。 （2）满足最大静转距的要求。（3）启动转距与启动频率，工作运行转距与运行频率必须满足所选电机型号相应的启动距率特性和工作距频特性。纵向伺服系统步进电机的计算和选型1、根据脉冲当量和最大静转距初选电机型号（1）步距角初选步进电机时应合理选择 b 和减速比 i，并满足 bLo / i360 p，由于前面确定齿轮传动比已初选 b =1.5，且 Lo=5mm，i=18/75，代入上式得1.51018/（75360）=0.005= p，满足要求，初选从机电综合设计指导表 2-11步进电机技术参数表查到步距角为 1.5，型号为 55BF003 的步进电机。（2）矩频特性步进电机最大静转矩 Mjmax 是指电机的定位转矩（静止状态） ，其值可根据初选的步进电机型号，从机电综合设计指导表 2-11 查得 Mjmax=0.686N.m，步进电机的名义启动转距 Mmp 与最大静转距 Mjmax 有机电综合设计指导表 2-12 所示的关系：即 Mmp= Mjmax由机电综合设计指导表 2-12，得 =0.866，所以Mmp=0.8660.686=0.594 N.m步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负荷下的启动，步进电机所需空载启动力矩可按下式计算：Mkp = Mka + Mkf + Mo式中：Mkp空载启动力矩（N.m）Mka空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度折算到电机轴上加速力矩（N.m）Mkf空载时折算到电机轴上的摩擦力距（N.m）Mo由于丝杆预紧，折算到电机轴上的附加摩擦力距（N.m）初选电机型号时应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转距，即：Mkq Mmq = Mjmax有关 Mkq 的各项计算如下： 加速力矩 Mka=J =J2 nmax/（60t10 ） （N.cm）2式中：J传动系统个部件惯量折算到电机轴上的总等效转动惯量电机最大加速度（rad/s ）2 nmax运动部件最大快进速度对应的电机最大转速（r/min）t运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需时间（s） ，假设 t=1sVmax运动部件最大快进速度（mm/min）p脉冲当量（mm/脉冲）b部件电机的步距角nmax= Vmax b/ p360（r/min）=2.410 1.5/（3600.01）=1000（r/min）=2 nmax/（60t10 ）2=2 1000/（60110 ）2=1.0467（rad/s ）2J=JD+J1+J2+Js+（Lo/2 ） M（Z1/Z2） （.c）2式中：JD 电机转子的转动惯量，由初选的电机型号查机电综合设计指导表 2-11得 JD =0.0617（.c）J1小齿轮转动惯量J2大齿轮转动惯量Js滚珠丝杆转动惯量M工作太质量（） ，M=800/9.8=81.633（）Lo丝杆导程（cm）Z1齿轮 1 的齿数Z2齿轮 2 的齿数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 D L（.c）式中：D圆柱体直径（cm）L圆柱体长度（cm）J1=7.810 3.6 1=1310.110 （.c）444J2=7.810 15 1=39.4875（.c）Js=7.810 3.2 100=8.1788928（.c）即： J=JD+J1+J2+Js+（Lo/2 ） M（Z1/Z2） （.c）22=0.0617+1310.110 +39.4875+8.1788928+（1/2 ） 81.6332（18/75） 2=3.0575（.c）加速力矩：Mka=J=3.05751.0467=3.2（N.m）空载摩擦力距：Mkf=GfLo/2 i=8000.0518/（2 0.77575）=1.972468（N.cm）式中：G运动部件的总重力（N）f 导轨摩擦系数，f=0.05i 齿轮转动降速比传动系数总效率，一般取 =0.70.85，取 =0.0775Lo滚珠丝杆的基本导程（cm）附加摩擦力矩：Mo=FLo（1- o ）/2 i2=2285.920.5（1-0.9 ）18/（32 0.77575）2=3.56955式中：F滚珠丝杆预加载荷，即预紧力，一般取 Fm 的 1/3，Fm 为进给牵引力（N）o 滚珠丝杆未预紧时的传动效率，一般取 o0.9 Lo滚珠丝杆的基本导程（cm）传动系数总效率，一般取 =0.70.85，取 =0.0775所以 Mkp=Mka + Mkf + Mo=3.21.9724687.9869513.1579（N.cm）Mmp=0.594 N.m=59.4 N.cm所以 MkqMmq，即满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转距2、启动矩频率特性校核步进电机有三种工况：启动、快进进给运动、工进运动。前面提出的 Mkq Mmq = Mjmax，仅仅是指初选电机后检查电机最大转距是否满足要求，但是不能保证电机在快速启动时不丢步。因此，还要对启动矩频特性进行校核。以后还要对快进、工进时的运行矩频特性作校核。步进电机启动有突跳启动和升速启动，一般突跳启动很少使用。在升速启动中，步进电机从静止状态开始逐渐升速， （如上图所示）在零时刻（t1=0） ，启动频率 fq=0。在一段时间t1 内，按一定的升速规律升速。启动结束时，步进电机达到了最高运行速度，即 fq=fmax。在整个升速、均匀运行、降速过程中，步进电机所走的步数与应该完成的输入指令脉冲总数相等。升速时间t1 足够长，启动过程缓慢，空载启动力矩 Mkq 中的加速力矩项 Mka 不会很大，一般不会出现丢步现象，但是降低了工作效率。升速时间t1过短，则步进电机启动力矩中的加速力矩 Mka 就会很大，所以需要校核启动矩频特性。最高运行频率 fmax=1000Vmax/60 p （Hz）=10002.4/（600.01）=4000（Hz）式中：V运动部件最大快进速度（m/min）查相关初选的步进电机的启动矩频特性曲线，以已知的空载启动力矩 Mkq 值所对应的允许启动频率 fqfyq， （fyq 为允许启动频率）步进电机会丢步，这时必须采用适应采用适合的升（降）速控制措施，比如延长升速时间t，直到满足要求。或者分段启动，每段启动频率仅为最高运行频率的几分之一，即分几个升速阶段使启动频率降下来，从而满足启动频特性曲线的要求，最后电机运行频率达到最高运行频率。3、运行矩频特性校核 （1）快速进给运行矩频特性校核步进电机的最高快进运行频率 fkj=1000V /60 p=4000（Hz）MAX快速进给时已经不存在加速力矩项 Mka，并且一般快进时处于空载状态，故快进力矩 Mkj的计算公式为：Mkj=Mkf+Mo=1.972468+7.98695=9.959418（N.cm）从相关资料可查到初选步进电机的运行矩频特性曲线，以已知的快进力矩 Mkj 值找到对应的允许快进频率特性要求。工进运行矩频率特性校核：工进步进电机的运行频率为 fGJ：fGJ=1000VG/60 p（Hz）=10000.5/（600.01）=833.33（Hz）式中：VG最大工作进给速度工进时，步进电机运行所需力矩 MGJ 可按下式计算：MGJ=Mo+Mf+Mt（N.cm）式中：Mo附加摩擦力距，由上可知 Mo=7.98695 N.cmMf摩擦力矩Mt折算到电机轴上的工作负载力矩Mf=f（Fv+G）Lo/2 i（N.cm）=0.05（5360+800）118/2 750.775=15.188（N.cm）Mt=Ft Lo/2 i（N.cm）=1340118/2 0.77575=66.078（N.cm）式中：Fv垂直方向作用于工作台的工作载荷Ft沿进给方向的切削负荷，Ft=FLMGJ=Mo+Mf+Mt =7.98695+15.188+66.078=89.253（N.cm）在初选步进电机的运行矩频特性曲线中，查得 fGJ 所对应的允许工进运行力矩MyGJMGJ，满足工进时运行矩频特性的要求。3.4 横向伺服进给结构的设计和计算横向伺服进给结构设计主要内容有：滚珠丝杆副的设计计算及选择、减速比的确定及减速箱的设计、步进电机的选择、绘制改动部分的机械结构装配图等等。一切削力计算1、车削抗力分析车削外圆时的切削抗力 Fx、Fy 及 Fz 如图所示，主切削力 Fz 与切削速度 V 的方向一致，垂直向下，是计算主轴电机车削功率的主要依据。切深抗力 Fy 与纵向进给方向垂直，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时要用到它。2、拖板工作载荷的计算在进行进给系统的传动计算、选用步进电机时，都要用到切削力（机床的主要负载） ，车削切削力的计算方法可用以下简单而实用的经验公式计算。纵向切削外圆时，车床的主切削力 Fz 可以用下式计算：Fz=0.67 Dmax （N）式中：Dmax在车床上加工的最大直径（mm）则： Fz=0.67 Dmax（N）=0.6780005360 N进给抗力 Fx 和切深力可按下列比例分别计算：Fz：Fx：Fy = 1：0.25：0.4Fx = 0.25Fz =0.25 5360 = 1340 N2Fy = 0.4Fz = 0.45360 =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。如上图所示，车削作业时作用在进给拖板上的载荷 Fl、Fv 和 Fc 与车刀所受的车削力有对应的关系。因此，作用在进给拖板上的载荷可以按下式求得：拖板上进给方向载荷 Fl=Fx=1340N拖板上垂直方向载荷 Fv=Fz=5360N拖板上横向载荷 Fc=Fy=2144N二、滚珠丝杆副的设计滚珠丝杆副已经标准化，因此滚珠丝杆副的设计归结为滚珠丝杆副型号的选择。一般情况下，设计滚珠杠时，已知条件为：在最大工作负荷 Fd（或平均工作负荷 Fm）作用下的使用寿命，丝杆的工作长度（或螺母的有效行程） ，丝杆的转速（或平均转速） ，滚道的硬度及丝杆运转情况。1、设计步骤：a、计算作用在滚珠丝杆上的最大动负荷。b、从滚珠丝杆系列表中找出相应最大动载荷的近似值，并初选几个型号。c、根据具体工作要求，对结构尺寸、循环方式、调隙方法及传动效率等方面的要求，从中再挑出比较合适的直径、导程、滚珠列数等，确定某一型号。d、根据所选的型号，列出或计算出其主要参数的数值，计算传动效率并验算系数是否满足要求。如不满足要求，则需另选其他型号，再作上述计算与验算，直到满足要求为止。2、设计计算概况计算进给牵引力 Fm作用在滚珠丝杆上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力和导轨摩擦力，其数值大小与导轨的类型有关。在本设计中，车削纵向导轨采用三角形导轨。对三角形导轨，Fm 的计算公式为：Fm=kFx + f（Fz+2Fy+G）式中：Fz主切削力Fx走