毕业设计CA6140普通数控车床的主轴系统的改造

1、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。ca6140车床主轴转速部分保留原车床的手动变速功能,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ca6140普通数控车床的主轴系统的改进及机床的改造。针对现有常规ca6140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ca6140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

2、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。【关键词】ca6140车床; 数控改造; 滚珠丝杠; 步进电动机; 数控机床；单片机数控系统；改装设计。abstract the nc machine plays a very great role in mechanical engineering.although the investment needs a great deal of money,it is a good way to try digital modification for ordinary lathe.the spindle speed

3、of ca6140 remains the manual function of shiftinggears.the alteration is easy and it can reduce labor intensity and improve productive efficiency.introduces the design calculation of servo system on economic nc machine tools.it also tells us how to improve the spindle and the control system of ca614

4、0 nc lathe. to remedy the defects of ordinary lather ca6140, 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

5、 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 pu

6、lses drive the leading screw to roll。thus achieve the vertical movement and the crosswise movement。 【keywords】ca6140 lathe;digital modification;ball screw;stepping motor;numerical control machine tool,；single chip microcomputer system；reform design。第一章 绪言 机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使

7、机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术行柔性自动化控制的新一代机床数控机床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功 能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。 数控机床是数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然

8、后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。 数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点： 1. 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件； 在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。 2. 加工精度高； 3. 生产效率高； 4. 减轻劳动强度，改善劳动条件； 5. 良好的经济效益； 6. 有利于生产管理的现代化。 数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，

9、国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。1.1 国内外发展概况及现状介绍1.1.1国外发展概况及现状介绍自从第一台商品数控机床问世以来 ，到1965年，世界主要工业国家的数控机床己进入了大批量生产阶段。数控机床的产量，拥有量，数控化率都在急速上升。1970年前美国处于领先地位。1971年苏联生产数控机床2538台，一举超过美国，名列世界第一。1977年以前，苏联一直保持产量优势，以后日本的半导体技术及计算机技术迅猛发展，促进了数机床的生产。1976年日本数控机床产量是3300台，1978年时为7300台，1980年为22000台，到1981年仅用4年时间便超

10、过了其他各国而成为世界上最大的数控机床生产国，产量达到26000台，基本上两年翻一番。1981年，日本、美国、联邦德国、法国、英国五国的数控机床总产量为39000台，其中日本占66.2%，美国占19.8%，联邦德国占8.3%,法国占2.9%，英国占2.8%。到期988年，日本年产数控机床约为50000台，数控化率达70%.1.1.2国内发展概况及现状介绍我国从1958开始研究数控机械加工技术，60年代针对壁锥，非圆齿轮等复杂形状的工件研制出了数控壁锥铣床，数控非圆齿轮插齿机等设备，保证了加工质量，减少了废品，提高了效率，取得了良好的效果。70年代针对航空工业等加工复杂形状零件的急需，从1973

11、年以来组织了数控机床攻关会战，经过三年努力，到1975年己研制出了40多个品种300多台数控机床。经过30年的努力，我国数控机床和数控系统的研制也历经了第一代电子管灵敏控、第二代晶体管数控及第三代集成电路数控。从1975年到1979年，7年内累计生产数控机床4108台（其中约3/4以上的数控线切割机床）。进入80年代，我国重新重视发展数控技术，采取了暂从国外引进控制机和伺服驱动系统，为国内主机配套的方针。1981年，我国从日本fanuc公司引进了fanuc3系列、5系列、7系列的数控系统和在直流伺服电机，直流主轴电机技术，并在北京机床研究所建立了数控设备厂。于1981年底开始验收投产，1982

12、年生产约40套系统，1982年生产约100套系统，1985年生产约400套系统，伺服电机与主轴电机也配套生产。这些系统是外国70年代的水平，功能较全，可靠性能比较高，这样就使机床行业发展数控机床有了可靠的基础，使我国的主机品种与技术水平都有成套的发展与提高。我国己有少数产品开始进入国际市场，还有几种合作生产的数机床返销国外。目前，我国除了能独立地设计与生产常规的数控机床外，还能生产五坐标数控铣床，加工中心以及柔性制造系统，如北京机床研究所开发研制的jcs-fmc=1，jcs=fmc-2柔性加工单元，xh715型立式加工中心，昆明机床床厂thk4680型全闭环精密加工中心，沈阳中捷友谊厂的tk6

13、6100卧式铣削加工中心，青海第一机床厂的xh754卧式加工中心等。这一切都说明，我国的机床数控技术进入新的发展时期，预计在不远的将来会赶上或超过世界先进国家水平。1.2研究目的及意义随着当今工业设备对精密程度的要求越来越高，加工设备的机械加工设备的加工的精密程度也要求越来越高。而在中国的机械加工设备的车床中普通车床占了很大比例。这已经越来越制约着当今工业的发展。而数控机床由于价格昂贵，且需要较高技术的加工工人。所以对机床进行自动化改造很是必要。1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明认了创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具，它与人类在农业；工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比

14、，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础，6年后，即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，从此传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用。在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少数机床以fms模式使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于落后由于现代工业的飞速发展。市场需求的变化越来越多样化，多品种，中小批量甚至是单间声场占有相当大的比重，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动声场率的要求。如果设备全部更替，不仅资金投入，成本太高，而

15、且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。如今科学技术发展很快，特别是电子技术计算机技术的发展更快，应用到数控系统上，它既能提高机床的数控改造。实践已经证明普通机床的经济型数控改造具有重大的实际价值。1.3 研究的内容机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有诸多相似之处。然而，现代的数控机床不是简单地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，仅对局部加以改进而成(那些受资金等条件限制，而将传统机床改装成建议数控机床的另当别论)。传统机床存在着一些弱点，如刚性不足、抗振性差、热变形大、滑

16、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。现代的数控技术，特别是加工中心，无论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变化，已经形成了数控机床的独特机械结构。因此，我们在对普通机床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能地与数控机床相接近。1.4数控机床的发展趋势以数字化为特征数控机床是柔性化制造系统和敏捷化制造系统的基础装备，它的总的发展趋势是：高精化、高速化、高效化、柔性化、智能化和集成化，并注重工艺适用性和经济性。具体可归纳

17、为下列八个方面：1.4.1持续地提高经济加工精度 从1950年至2000年的50年内加工精度提升100倍左右，即加工精度平均每8年提高1倍，当前的普通加工精度已达到上世纪50年代的精密加工水平。 以加工中心加工典型件的尺寸精度和形位精度为例对比国内外的水平，国内大致为0.0080.010mm，而国际先进水平为0.0020.003mm，按上述统计规律分析差距约为15年左右。 1.4.2推进全面高速化实现高效制造 在刀具材料和刀具结构不断发展的支持下，切削速度不断地提高。在实际生产中，车、铣45号钢由1950年的80100m/min，至2000年普遍达到500600m/min，50年内切削速度提高

18、了5倍。高速化加工另一个特点是大多从单一的高速切削发展至全面高速化，不仅要缩短切削时间，也要力求降低辅助时间和技术准备时间。 1.4.3复合加工机床促进新一代高效机床的形成 复合机床的含义是在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的全部加工。复合机床根据其结构特点，可以分为工艺复合型和工序复合型两类。 工艺复合型为跨加工类别的复合机床，包括不同加工方法和工艺的复合，如车铣中心、铣车中心、激光铣削加工机床、冲压与激光切割复合、金属烧结与镜面切削复合等。 工序复合型应用刀具（铣头）自动交换装置、主轴立卧转换头、双摆铣头、多主轴头和多回转刀架等配置，增加工件在一次安装下的加工工序数，如多面多轴联动加

19、工的复合机床和主副双主轴车削中心等。 复合数控机床具有良好的工艺适用性，避免了在制品的储存和传输等环节，有力地支持了准时制造（jit），因此对它的研发已被给予了极大的关注。 1.4.4工艺适用性的专门化数控机床正不断涌现 通过对机床布局和结构的创新，使对不同类型的零件加工具有最佳的适用,避免一方面出现不能发挥最佳性能,另一方面又存在功能冗余的现象。 要解决品种多样化与经济性的矛盾，这就要对机床的模块化设计提出更高的要求。以及对可重构机床（reconfigurable machine tools，简称rmt）技术的探索，反映了对制造装备能更方便地实现个性化、多样化发展的一个追求。1.4.6智能化

20、和集成化成为数字化制造的重要支撑技术 信息技术的发展及其与传统机床的相融合，使机床朝着数字化、集成化和智能化的方向发展。数字化制造装备、数字化生产线、数字化工厂的应用空间将越来越大；而采用智能技术来实现多信息融合下的重构优化的智能决策、过程适应控制、误差补偿智能控制、复杂曲面加工运动轨迹优化控制、故障自诊断和智能维护以及信息集成等功能，将大大提升成形和加工精度、提高制造效率。 1.4.6发展适应敏捷制造和网络化分布式的制造系统 回顾近10年来制造系统的发展历程，基本上遵循以下两个方向：增强制造系统的智能化和自治管理功能，以提高fmc/fms的快速响应能力；发展兼顾柔性、高效、低成本和高质量且便

21、于重构的新型制造系统以适应不确定性的市场环境 。这类制造系统称为快速重组制造系统（rrms）或可重构制造系统（rms）。其原理为通过对制造系统中的设备配置的调整或更换设备上的功能模块来迅速构成适应新产品生产的制造系统。这就要求设备和系统不仅软件具有开放性，而且硬件也要有开放性成为功能可重构的机床，即如前面提到的可重构机床（rmt）。 1.4.7向大型化和微小化两极发展 能源装备的大型化及航空航天事业等的发展，需要重型立式卧式加工中心和铣车中心。 超精密加工技术和微纳米技术是21世纪的战略高技术，正在形成一个产业。需发展能适应微小型尺寸结构和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备。 航空航天、it和

22、国防高新技术的需求推进了超精加工技术及设备的发展。上世纪60年代，美国开发出第一台商品化超精密机床，其加工尺寸精度为0.8m；70年代英国克兰菲尔德精密工程研究所批量生产的超精密车床加工的面形精度优于0.1m；80年代美国lll实验室和y-12工厂合作生产的大型超精密金刚石车床的加工平面形度达0.0125m，最大加工直径为2100mm。加工技术总的发展趋势是：加工精度不断提高，加工尺寸不断增加，加工方法多样化。由于晶片和光学镜片等硬脆材料加工的需要，超精密磨削和研抛以及非机械能的特种加工方法使加工精度可优于0.005m。 1.4.8配套装置和功能部件的品种质量日臻完善 不仅数控系统（含数控装置

23、和伺服驱动装置）有专业化生产厂，凡关键的通用性功能部件如电主轴、刀具自动交换系统、滚动导轨副、直线滚动丝杠驱动副、双摆主轴头、双摆回转台和自动转位刀塔等在国外均有一些著名的专业化生产厂，这对保证产品质量，增长整机的可靠性和降低成本起着重要的作用。 完善的高集成度的专用电路系统的研发，仍是数控系统可靠性继续增长和结构小型化的一项重要措施。 1.5 数控机床改造的必要性1.5.1微观看改造的必要性 微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每

24、个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。 由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动化”。 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强

25、度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行fmc（柔性制造单元）、fms（柔性制造系统）以及cims（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。1.5.2宏观看改造的必要性 宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初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（包括军、民机械工业）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

26、中推行cad、cae、cam、虚拟制造以及在生产管理中推行mis（管理信息系统）、cims等等。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品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，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，因此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。1.6 数控机床的工作原理数控机床由：程序、输人/输出装置、cnc单元、伺服系统、位置反馈系

27、统、机床本体组成。1.6.1程序的存储介质又称程序载体。主要有以下类型： 软盘、磁盘、u盘等。1.6.2输人/输出装置1)对于软磁盘 2)配用软盘驱动器和驱动卡3)现代数控机床 4)还可以通过手动方式(mdi方式)5)dnc网络通讯、rs232串口通讯。1.6.3 cnc单元cnc单元是数控机床的核心，cnc单元由信息的输入、处理和输出三个部分组成。cnc单元接受数字化信息，经过数控装置的控制软件和逻辑电路进行译码、插补、逻辑处理后，将各种指令信息输出给伺服系统，伺服系统驱动执行部件作进给运动。其它的还有主运动部件的变速、换向和启停信号；选择和交换刀具的刀具指令信号，冷却、润滑的启停、工件和机

28、床部件松开、夹紧、分度台转位等辅助指令信号等。准备功能：g00,g01,g02,g03,辅助功能：m03，m04刀具、进给速度、主轴：t，f，s1.6.4 位置反馈系统（检测反馈系统）伺服电动机的转角位移的反馈、数控机床执行机构(工作台)的位移反馈。包括光栅、旋转编码器、激光测距仪、磁栅等。反馈装置把检测结果转化为电信号反馈给数控装置，通过比较，计算实际位置与指令位置之间的偏差，并发出偏差指令控制执行部件的进给运动。反馈系统包括半闭环、闭环两种系统。第二章 总体方案设计2.1 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

29、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，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

30、；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）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。总体方案设计示意图如下图2-1所示；进给伺服系统方案框图如下图2-2所示。图2-1 总体方案设计示图2-2 进给伺服系统方案框图2.2 设计参数根据ca6140型普通车床的原始数据及数控改造设计要求，确定主要设计参数如下：床身上最大加工直径400mm;在床鞍上，2

31、10mm最大加工长度为1000mm行程：纵向，1000mm；横向，200mm快速进给：纵向，6000mm/min，横向3000mm/minx方向最快工进速度800 mm/min，z方向为400mm/minx方向定位精度0.01mm，z方向为0.02mmx、z方向重复定位精度0.016mm/全行程安装螺纹编码器，可以车削公/英制的直螺纹与锥螺纹，最大导程为24mm溜板及刀架质量：纵向，81.63kg;横向，61.22kg主电动机功率:7.5kw脉冲当量：纵向， 0.01mm/脉冲；横向，0.005mm/脉冲2.3 实施方案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

32、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。以上拟定的方案中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

33、改造周期。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，需经常调整的部位调整应方便。第三章 横向进给系统设计与计算3.1横向进给传动链的设计计算3.1.1切削力的计算计算主切削力已知机床主电动机的额定功率为7.5kw，最大工件直径d400mm，主轴计算转速。在此转速下，主轴具有最大扭矩和功率，刀具的切削速度为：取机床的机械效率，则由公式，可得： 计算各切削分力走刀方向的切削分力和垂直走刀方向的切削分力，可由以下比例求出：主切削力、走刀方向的切削分力和垂直走刀方向的切削分力，方向如下图3-1所示。图3-1 切削力方向图3.1.2导轨摩擦力的计算计算在切削状态下

34、的导轨摩擦力 此时,导轨受到的垂直切削分力,横向切削分力,移动部件的的全部重量,取导轨动摩擦系数,则 计算在不切削状态下的导轨摩擦力和 3.1.3滚珠丝杆螺母副的轴向负载力计算计算最大轴向负载力 计算最小轴向负载力 3.1.4滚珠丝杆的动负载计算与直径估算按预定工作时间估算滚珠丝杆预期的额定动负荷机床的预期工作时间，滚珠丝杆的当量载荷载荷系数（表2-28）；精度初选为3级，精度系数；可靠性系数。滚珠丝杆的当量转速（该转速为最大切削进给速度时的转速），已知，滚珠丝杆的基本导程，则 按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底径、根据定位精度和重复定位精度的要求估算滚珠丝杆的最大轴向变形 已知本车床横

35、向进给系统的定位精度为，重复定位精度为。从定位精度考虑其允许的最大轴向变形量必须满足从重复定位精度考虑其允许的最大轴向变形量必须满足取上述计算的较小值。、估算允许的滚珠丝杆的最螺纹底径滚珠丝杆螺母副的安装方式采用一端固定，一端游动支承方式，则两个固定支承之间的距离为： 取初步确定滚珠丝杆螺母副的规格型号根据计算所得的、和结构的需要，初步选择，其公称直径，基本导程，额定动负荷和螺纹底径如下： 故满足要求。 将以上计算结果用于该部件的装配图设计(见横向进给装配图),其计算简图如图3-2。（以下计算公式、图表参考数控课程设计 华中科技大学出版）图3-2 普通车床数控化改造计算简图3.2 滚珠丝杆螺母

36、副的承载能力校验3.2.1滚珠丝杆螺母副临界压缩载荷的校验 滚珠丝杆螺母副的螺纹底径，最大受压长度，丝杆水平安装时，取，。 本工作台滚珠丝杆螺母副的最大轴向压缩载荷为，远小于其它临界压缩载荷的值，故满足要求。3.2.2 滚珠丝杆螺母副临界转速的校验 滚珠丝杆螺母副临界转速的计算长度，弹性模量 密度，重力加速度。滚珠丝杆最小惯性矩为滚珠丝杆最小截面积为取，由下面公式得： 本台滚珠丝杠螺母副的最高转速为66.7 r/min，远小于其临界转速，故满足要求。3.2.3 滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验 额定动载荷，轴向载荷，动转条件系数疲劳寿命 寿命时间 滚珠丝杠螺母副的总工作寿命，故满足要求。3.3机械

37、传动系统的刚度分析3.3.1机械传动系统的刚度计算计算滚珠丝杠的拉压刚度 本机床横向进给传动链的丝杆支承方式采用的是一端固定，一端波动。 由于滚珠丝杠的螺母中心至固定端支承中心距离最大和最小两极限值。即有： 计算滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度已知滚动体直径，滚动体个数，轴承的最大轴向工作栽荷，则由表245、表246得计算滚珠与滚道的接触刚度查附录a表a3得滚珠与滚道的接触刚度，滚珠丝杆的额定动载荷，已知滚珠丝杆上所承受的最在轴向载荷，则由式（246b）得计算进给传动系统的综合拉压刚度由式（2-47a）得进给系统的综合拉压刚度的最大值为故由式（2-47b）得进给传动系统的综合拉压刚度的最小值为故3

38、.3.2滚珠丝杆螺母副的扭转刚度计算由图4-5得扭转作用点之间的距离，已知滚珠丝杆的剪切模量，滚珠丝杆螺母的底径，则由式（2-48）得3.4 驱动电机的选型与计算3.4.1电动机的负载惯量折算计算滚珠丝杆的密度，则由式（2-63），得 计算折算到丝杆轴上的移动部件的转动惯量已知机床横向进给系统执行部件（即横向溜板及刀架）的总质量；丝杆轴每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离，则由式（2-65）得：计算各齿轮的转动惯量由式（2-66）计算加在电动机轴上总负载转动惯量3.4.2电动机的负载力矩折算计算折算到电动机轴上的切削负载力矩已知在切削状态下的轴向负载力，丝杆每转一圈，机床执行部件轴向移动的距

39、离，进给传动系统的传动比，进给传动系统的总效率，则由式（2-54）得：计算折算到电动机轴上的摩擦负载力矩已知在不切削状态下的轴向负载力（即空载时的导轨摩擦力），则由式（2-55）得：计算由滚珠丝杆预紧产生和并折算到电动机轴上的附加负载力矩已知滚珠丝杆螺母副和效率，滚珠丝杆螺母副和预紧力为，则由下式得：折算到电动机轴上的负载力矩的计算、空载时（快进力矩），由式（2-57a）得： 、切削时（工进力矩），由式（2-57b）得：3.4.3电动机的加速力矩折算根据以上计算结果和表a-5，初选90byg5502型反应式步进电动机，其转动惯量；而进给传动系统和负载惯量；对开环系统，一般取加速时间。当机床执行

40、部件以最快速度运动时电动机的最高转速为3.4.4进给系统所需的各种力矩计算计算空载启动力矩计算空载启动力矩计算工进力矩3.4.5 驱动电动机型号的选择选择驱动电动机的根据以上计算和表a-5，选择国产型反应式步进电动机为驱动电动机，其主要技术参数如下：相数：5；步距角：；最大静转矩：；转动惯量：；最高空载启动频率：；运行频率：；分配方式：五相十拍；质量：。确定最大静转矩由表2-48给出的机械传动系统空载启动力矩与所需的步进电机的最大静转矩的关系可得机械传动系统空载启动力矩与所需的步进电机的最在静转矩的关系为取和中的较大者为所需的步进电机的最大静转矩,即。本电动机的最大静转矩为9.31，大于，可以

41、地规定的时间里正常启动，故满足。验算惯量匹配为了使机械传动系统的惯量达到较合理的匹配，系统的负载惯量与伺服电动机的转动惯量之比一般应满足式（2-67），即：因为，故满足惯量匹配要求。3.5 机械传动系统的动态分析3.5.1系统纵向振动的最低固有频率计算滚珠丝杆螺母副的综合拉压刚度,机床执行部件 的质量和滚珠丝杆螺母副的质量分别为,滚珠丝杆螺母副和机床执行部件的等效质量为，己知，则：3.5.2系统扭转振动的最低固有频率计算折算到滚珠丝杆轴上的系统总当量转动惯量（）为已知滚珠丝杆的扭转刚度，则：由以上可知，丝杆工作台纵向振动系统的最低固有频率,扭转振动系统的最低固有频率，都比较高。一般按的要求来设

42、计机械传动系统的刚度，故满足要求。3.6 机械传动系统的误差计算与分析3.6.1机械传动系统的反向死区计算已知进给传动系统的综合拉压刚度的最小值，导轨的静磨擦力，由式（2-52）得:即，故满足要求。3.6.2机械传动系统的定位误差计算 3.6.3滚珠丝杆因扭转变形产生的误差计算计算由扭转引起的滚珠丝杆螺母副的变形已知负载力矩，由图表4-5得扭转作用点之间的距离，丝杆底径，则由该扭转变形量引起的轴向移动滞后量将影响工作台的定位精度。3.7 确定滚珠丝杆螺母副的精度等级和规格型号3.7.1确定滚珠丝杆螺母副的精度等级本进给传动系统采用开环控制系统，应满足下列要求3.7.2 确定滚珠丝杆螺母副的规格

43、型号滚珠丝杆螺母副的规格型号为，其具体参数如下。公称直径,导程；螺纹长度：400mm;丝杆长度：；类型: ，精度：3级精度。3.8 减速器的设计与计算3.8.1轴的计算由于轴采用的是45号钢，正火硬度为170-217hbs,扭曲疲劳极限，轴材料的许用切应力为。输入轴： 综上可知：输入轴轴径可取18mm，输出轴轴径可取25mm，精度5级。3.8.2箱体尺寸 下箱体壁厚 =0.025a+38 取=8上箱盖壁厚 =0.03a+38 取=9地角螺钉数目n 由于a250mm 取n=4地角螺钉直径 取齿轮端面与内箱壁最小距离 2=8mm3.8.3减速齿轮步进电机的步距角,滚珠丝杆的基本导程,进给传动链的脉

44、冲当量,则由,按最小惯量条件查得该减速器应采用2级传动,传动比可以分别取。根据结构需要，确定各传动齿轮的齿数分别为，模数，齿宽。第一对齿轮和的参数 中心矩第二对齿轮和的参数 中心矩齿轮精度按：gb10095-88 6级精度，其适应于高速度下平稳回转并要求有最高效率和低噪音，传动效率为99%。第四章 纵向进给系统设计与计算4.1 纵向进给传动链的设计计算4.1.1导轨摩擦力的计算计算在切削状态下的导轨摩擦力 此时,导轨受到的垂直切削分力,纵向切削分力,移动部件的的全部重量,取导轨动摩擦系数,则 计算在不切削状态下的导轨摩擦力和 4.1.2滚珠丝杆螺母副的轴向负载力计算计算最大轴向负载力 计算最小

45、轴向负载力 4.1.3滚珠丝杆的动负载计算与直径估算按预定工作时间估算滚珠丝杆预期的额定动负荷机床的预期工作时间，滚珠丝杆的当量载荷载荷系数（表2-28）；精度初选为3级，精度系数；可靠性系数。滚珠丝杆的当量转速（该转速为最大切削进给速度时的转速），已知，滚珠丝杆的基本导程，则 按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底径、根据定位精度和重复定位精度的要求估算滚珠丝杆的最大轴向变形 已知本车床横向进给系统的定位精度为，重复定位精度为。从定位精度考虑其允许的最大轴向变形量必须满足从重复定位精度考虑其允许的最大轴向变形量必须满足取上述计算的较小值。、估算允许的滚珠丝杆的最螺纹底径滚珠丝杆螺母副的安装

46、方式采用一端固定，一端游动支承方式，则两个固定支承之间的距离为： 取初步确定滚珠丝杆螺母副的规格型号 根据计算所得的、和结构的需要，初步选择，其公称直径，基本导程，额定动负荷和螺纹底径如下： 故满足要求。 将以上计算结果用于该部件的装配图设计(见横向进给装配图),其计算简图如图4-1。（以下计算公式、图表参考数控课程设计 华中科技大学出版）图4-1 普通车床数控化改造计算简图4.2 滚珠丝杆螺母副的承载能力校验4.2.1滚珠丝杆螺母副临界压缩载荷的校验 滚珠丝杆螺母副的螺纹底径，最大受压长度，丝杆水平安装时，取，。 本工作台滚珠丝杆螺母副的最大轴向压缩载荷为，远小于其它临界压缩载荷的值，故满足

47、要求。4.2.2滚珠丝杆螺母副临界转速的校验 滚珠丝杆螺母副临界转速的计算长度，弹性模量 密度，重力加速度滚珠丝杆最小惯性矩为滚珠丝杆最小截面积为取，由下面公式得： 本台滚珠丝杠螺母副的最高转速为66.7 r/min，远小于其临界转速，故满足要求。4.2.3滚珠丝杠螺母副额定寿命的较验 额定动载荷，轴向载荷，动转条件系数疲劳寿命 寿命时间 滚珠丝杠螺母副的总工作寿命，故满足要求。4.3机械传动系统的刚度分析4.3.1机械传动系统的刚度计算计算滚珠丝杠的拉压刚度 本机床横向进给传动链的丝杆支承方式采用的是一端固定，一端波动。 由于滚珠丝杠的螺母中心至固定端支承中心距离最大和最小两极限值。即有：

48、计算滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度已知滚动体直径，滚动体个数，轴承的最大轴向工作栽荷，则由表245、表246得计算滚珠与滚道的接触刚度查附录a表a3得滚珠与滚道的接触刚度，滚珠丝杆的额定动载荷，已知滚珠丝杆上所承受的最在轴向载荷，则由式（246b）得计算进给传动系统的综合拉压刚度由式（2-47a）得进给系统的综合拉压刚度的最大值为故由式（2-47b）得进给传动系统的综合拉压刚度的最小值为故4.3.2滚珠丝杆螺母副的扭转刚度计算由图4-5得扭转作用点之间的距离，已知滚珠丝杆的剪切模量，滚珠丝杆螺母的底径，则由式（2-48）得4.4 驱动电机的选型与计算4.4.1电动机的负载惯量折算计算滚珠丝杆的密

49、度，则由式（2-63），得计算折算到丝杆轴上的移动部件的转动惯量已知机床纵向进给系统执行部件（即纵向溜板及刀架）的总质量；丝杆轴每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离，则由式（2-65）得：计算各齿轮的转动惯量由式（2-66）计算加在电动机轴上总负载转动惯量4.4.2电动机的负载力矩折算计算折算到电动机轴上的切削负载力矩已知在切削状态下的轴向负载力，丝杆每转一圈，机床执行部件轴向移动的距离，进给传动系统的传动比，进给传动系统的总效率，则由式（2-54）得：计算折算到电动机轴上的摩擦负载力矩已知在不切削状态下的轴向负载力（即空载时的导轨摩擦力），则由式（2-55）得：计算由滚珠丝杆预紧产生和并折

50、算到电动机轴上的附加负载力矩已知滚珠丝杆螺母副和效率，滚珠丝杆螺母副和预紧力为，则由下式得：折算到电动机轴上的负载力矩的计算、空载时（快进力矩），由式（2-57a）得： 、切削时（工进力矩），由式（2-57b）得：4.4.3电动机的加速力矩折算根据以上计算结果和表，初选型反应式步进电动机，其转动惯量；而进给传动系统和负载惯量；对开环系统，一般取加速时间。当机床执行部件以最快速度运动时电动机的最高转速为4.4.4进给系统所需的各种力矩计算计算空载启动力矩计算空载启动力矩 计算工进力矩4.4.5驱动电动机型号的选择选择驱动电动机的根据以上计算和表a-5，选择国产型反应式步进电动机为驱动电动机，其主

51、要技术参数如下：相数：5；步距角：；最大静转矩：；转动惯量：；最高空载启动频率：；运行频率：；分配方式：五相十拍；质量：。确定最大静转矩由表2-48给出的机械传动系统空载启动力矩与所需的步进电机的最大静转矩的关系可得 机械传动系统空载启动力矩与所需的步进电机的最在静转矩的关系为取和中的较大者为所需的步进电机的最大静转矩,即。本电动机的最大静转矩为9.31，大于，可以地规定的时间里正常启动，故满足。验算惯量为了使机械传动系统的惯量达到较合理的匹配，系统的负载惯量与伺服电动机的转动惯量之比一般应满足式（2-67），即：因为，故满足惯量匹配要求。4.5 机械传动系统的动态分析4.5.1系统纵向振动的

52、最低固有频率计算滚珠丝杆螺母副的综合拉压刚度,机床执行部件 的质量和滚珠丝杆螺母副的质量分别为,滚珠丝杆螺母副和机床执行部件的等效质量为，己知，则：4.5.2系统扭转振动的最低固有频率计算折算到滚珠丝杆轴上的系统总当量转动惯量（）为已知滚珠丝杆的扭转刚度，则：由以上可知，丝杆工作台纵向振动系统的最低固有频率、扭转振动系统的最低固有频率，都比较高。一般按的要求来设计机械传动系统的刚度，故满足要求。4.6机械传动系统的误差计算与分析4.6.1机械传动系统的反向死区计算已知进给传动系统的综合拉压刚度的最小值，导轨的静磨擦力，由式（2-52）得:即，故满足要求。4.6.2机械传动系统的定位误差计算 4

53、.6.3滚珠丝杆因扭转变形产生的误差计算计算由扭转引起的滚珠丝杆螺母副的变形已知负载力矩，由图表4-1得扭转作用点之间的距离，丝杆底径，则由该扭转变形量引起的轴向移动滞后量将影响工作台的定位精度。4.7 确定滚珠丝杆螺母副的精度等级和规格型号4.7.1确定滚珠丝杆螺母副的精度等级本进给传动系统采用开环控制系统，应满足下列要求4.7.2确定滚珠丝杆螺母副的规格型号滚珠丝杆螺母副的规格型号为，其具体参数如下。公称直径,导程；螺纹长度：;丝杆长度：；类型: ，精度：3级精度。4.8减速器箱体的设计4.8.1轴的计算由于,轴采用的是45号钢，正火硬度为170-217hbs,扭曲疲劳极限，轴材料的许用切应力为=45mpa。输入轴： (可初选轴的直径)综上可知：输入轴轴径可取18mm，输出轴轴径可取25mm，精度5级。4.8.2箱体尺寸 下箱体壁厚 =0.025a+38 则=8上箱盖壁厚 =0.03a+38 则=8地角螺钉数目n 由于a250mm n=4地角螺钉直径 取齿轮端面与内箱壁最小距离 2=8