普通铣床的改造化设计

1、摘要此次毕业任务是普通铳床的数控化改造，顾名思义就是在机床上 增加微型控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工 工艺目标。这种机床改造花费少，改造针对性强，时间短，改造后的 机床大多能克服原机床的缺点和存在的问题，生产率大大提高。本设 计的内容主要就是对普通铳床的工作台改造，在原有的传动的基础上 采用伺服电机控制的传动系统，提高机床的定位的精度和重复定位精 度，使之达到定位精度0. 01mm,重复定位精度达到0.001mm进给速 度达到14000nini/niin,快移速度达到maxv=10m/min.机床由底座、中 间滑台、传动机构、工作台四部分组成，本设计主要是对传动系统的 设

2、计，采用了直流伺服电机，直接带动丝杠，丝杠带动工作台移动。 其主要特点是：采用伺服系统，使直流电机转动，通过滚珠丝杠副驱 动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率，便可控制执行部件运 动的位移量、速度和运动方向。采用半闭环系统检测元件安装在中间 传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分 远见的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与 调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服 电动机做成一个整体是则无需考虑位置检测的安装问题。所以不仅使 传动机构简单化，从而提高了机床的精度问题，扩大了加工范围，并 且可以进行曲面加工。关键词：数控，改造，微型

3、控制abstractthis graduation design, the design task is ordinary milling machinc of numerical control transformation, just as its name implies is to increase micro control device on the machine, make its have certain ability of automation, to achieve a predetermined processing technology. pointed, reco

4、nstruction of the machine tool cost, less time is short, after most of the machinc tool can not only overcome the shortcomings and problems of the original machine tools, the productivily. the content of this design is mainly for ordinary milling machine workbench, on the basis of the original drive

5、 transmission system adopts servo motor contro1. improve the positioning precision of the machine tool and repeated positioning precision of the posilioning accuracy of 0.01 mm, wi11 be repeated positioning precision of feed speed of 1 ' 4000 - 0. 001 mm min/min, fast moving speed reached maxv 二

6、 10 m/min. the machine consists of base, middle sliding table, transmission mechanism, the workbench of four parts, this design is mainly to the design of drive system, used the de servo motor, direct drive screw, screw drive moving workbench. its main features are: using servo system, de motor rota

7、tion,through the ball screw pair drive execution parts as long as the number of control instruction pulse, frequency, and can carry out parts movement control of displacement, velocity and direction. a half closed loop system the test components installed on the intermediate transmission parts, indi

8、rect measure the position of the execution parts it can compensate the error of the internal part of the vision system loop, therefore, its accuracy is lower than the accuracy of the closed-loop system, but its structure and debugging of the closed-loop system is simple the angular displacement dete

9、cting element and the speed detecting element and servo motor to make a whole is you do not need to consider the installation of position detection problem so not only simplify transmission mechanism, so as to improve the precision of the machine tool, expanding the processing scope, and can be curv

10、ed surface machining.key words: cnc, the transformation, the micro control目录中文摘要、关键词abstract第一章前 言一、数控机床改造的意义4二、国内外的数控机床的比较5三、数控未来发展的趋势 6第二章设计任务8一、横向进给系统设计8二、步进电动机及齿轮的选用9三、数控系统硬件设计10第三章三坐标数控铳床的设计和计算11一、主传动系统的设计11二、主传动变速系统12三、主轴系统计算15四、进给伺服系统的设计18五、进给传动的计算23第四章数控系统各部件的结构及其工作原理24一、主控器 24二、选择芯片 26三、地址分

11、配器及译码30四、接口电路及辅助电路具体设计35第五章数控铳床的主要功能40总结41参考文献42致谢43第一章前 言一、数控机床改造的意义企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境屮生存和发展就需要迅速地更 新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不 断变化。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求，数控机床综合了数控技 术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状 复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对彖时只需要换零件加工程序，无需 对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机

12、床的发展，一方面是 全功能、高性能另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基木 功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进 电机为驱动元件，无检测反馈机构，系统的定位精度一般可达土 0.01mm至 0. 02mm,已能满足c620车床改造后加工零件的精度要求。普通车床经过多次大修后，其零部件相互连接尺寸变化较大，主要传动零件 几经更换和调整，故障率仍然较高，采用传统的修理方案很难达到大修验收标准, 而且费用较高。因此合理选择数控系统是改造得以成功的主要环节。数控机床的 改造目的是要求机床稳定可靠，以尽可能低的故障率运转。普通车床应用微机控 制系统进行改造，

13、可以提高工艺水平和产品质量，减轻操作者的劳动强度。二、国内外的数控机床的比较传统机床在我国占有比例相当大，我国目前机床总量380余万台，而其屮 数控机床总数只有1134万台，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年以上的口机床。用这种装

14、备加 工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成木高、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。但废弃传统机床大量引进数 控机床对企业来说是一笔巨大的负担，利用现有设备，提升传统制造业的科技含 量，是适合我国国情的一条道路，它不仅完成企业设备的更新换代，而且也有良 好的经济价值。在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业， 生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个“永 恒”的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行 业。在美

15、国、日木、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形 成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生 (remanufacturing)业。从事再生业的著名公司有：bcrtschc 程公司、ayton 机床公司、devlieg-bullavd (得宝)服务集团、us设备公司等。美国得宝公司 已在中国开办公司。在日本，机床改造造业称为机床改装(retrofitting)业。 从事改装业的著名公司有：大畏工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野 崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。三、数控未来发展的趋势1、继续向开放式、基于pc的第六代方向发展基于pc所具有的

16、开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更 多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用pc机作为它的前端机，来处 理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。pc机所 具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修 将更加普遍。2、向高速化和高精度化发展这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要3、向智能化方向发展随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不 断提高。(1) 应用自适应控制技术数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改 进系统运行状态的目的。(2) 引入专家系统指导加工将熟练工人和专

17、家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺 参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。(3) 引入故障诊断专家系统(4) 智能化数字伺服驱动装置可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。第二章设计任务把铳床改造成数控铳床，主要改造的部位是：在主电动机端面加一电磁离合 器，以便用指令控制主轴停转：把工作台的纵横向进给运动改造成用步进电动机 来控制。垂直进给运动仍采用机动和手动方式。下而主要介绍横向进给系统的改 造和数控系统的硬件设计。一、横向进给系统设计在横向进给系统的改造中，拆掉了原机床的丝杠螺母机构，更换上用步进电 动机和一对齿轮驱动的滚珠丝杠螺母副。1、

18、工作台重量的估算纵向工作台约重100kg,床鞍和回转盘约重200kg,总重量g=100+200=300kg。2、切削力计算切削功率为nc=nrk (1)式中：n主电动机功率，7. 5kvr|主传动系统总效率，一般为0. 60. 7,取0.6k进给系统功率系数，取0.96根据式(1)可得:nc=4. 32kwo 乂因为 nc=fzv/6120,则 fz=6120nc/v, v 为 切削线速度，取1 oomm/min,所以主切削力fz二2. 59kn。通常：纵向切削分力f 纵二(0. 60. 9)fz,垂直切削分力f垂二(0. 450. 7)fz,横向切削分力f横二(050. 55)fzo 取 f

19、 纵=0. 6fz=l. 55kn, f 垂=0. 45fz=l. 165kn, f 横二0. 5fz二 1. 295kn。3、滚珠丝杠设计工作台横向进给丝杠的轴向力f 轴二kf 横+f' (f 垂+w) (2)式中：k考虑颠覆力矩影响的实验系数，k二1.1f横一一横向切削分力f'导轨上的摩擦系数，f'二0.15w工作台、床鞍和回转盘重力，w"10g二3kn根据式(2)可得:f轴=2. 049knoa.强度计算滚珠纟纟杠的转速：n=vf/p,其中，进给速度vf=60mm/min,滚珠丝杠的螺距 p=6mm,则得：n=vf/p=10r/mino 取寿命时间 t=

20、15000h,则寿命值 ll=60nt/106=9o 取运转系数fw二1.2,硬度系数fh=l. 1,则最大负载q=(l)&fracl3;lfwfhf轴 =5. 625kno根据经验，选取滚珠丝杠的型号nd3506-1x2/e左,即内循环，双螺 母热片调隙式、公称直径为35伽、螺距为6俪、一圈二列、e级精度、左旋、滚 珠直径为3. 969mmo其额定动负荷为12847kn>q,其强度够用。b.效率计算由于所选滚珠丝杠的螺旋升角oc=3° t ,摩擦角©二10',则滚珠丝杠的 传动效率rptga/堆(a+e)ng3o77tg(3o7qi0j=0.95。纵

21、向进给系统的设计与横 向进给系统的设计类似，计算从略。二、步进电动机及齿轮的选用1、 横向步进电动机的选取a. 确定步距角取系统的脉冲当量8p=0. 01 mm/脉冲，选用步距角bb二0. 75°b. 启动力矩的计算丝杠牵引力fs二f 横+1.414f 当 w(3)式中f当一一当量摩擦系数，f当二0.01代入式(3)得fs=l. 337kn设步进电动机等效负载力矩为m,负载力为f负，根据能量守恒原理，电动 机所作的功与负载所作的功相等，即mqrpf负l,贝ijm=f 负 l/riq(4)又f负二fs+uw+fl),数控装置发出一个脉冲后，工作台的位移量l为一个 脉冲当量0.001cm

22、,这时电动机转过的角度0二2兀时360。，代入式(4)得m=f 负 l/r|(|)=36o°5pfs+|j(g+f|)/2兀0bt|=167ncm式中：a机床导轨摩擦系数，取戶018f1与重力方向一致，作用在移动部件上的负载力，f1二f垂二1.165kn如果不考虑启动时的运动部件惯性的影响，则启动力矩mq=m/0. 30.5,取 安全系数为0.3, mq=556n-cmo对于工作方式为四相八拍的步进电动机，mmax=mq/o. 707=786necmoc.步进电动机的最高频率取横向进给速度最大为vmax=lm/min,则步进电动机的最高频率为 fmax=1000vmax/（60x8p

23、）=1667hzo根据以上数据和经验，选用110bfg型步进电 动机较合适，该电动机步距角为0. 75° /1.5° ,最大静转距为800n*cm,最高空 载启动频率为1800hzo2、齿轮设计（横向）据步距角弘、滚珠丝杠螺距p、脉冲当量即，则在步进电动机与滚珠丝 杠之间所加的一对齿轮的传动比为：i二乙/z2=8px360°/（eb-p）=0.8,选乙二48, z2=60,根据经验，齿轮模数取1.5mm。三、数控系统硬件设计所用数控系统是我们最近开发的bkc2-vd1型数控系统，主要由主控制系统和 显示系统两部分组成。主控制系统用于控制键盘的输入和输出，工作台在x

24、、y 方向上的超程，侧门关闭，查询，x和y向步进电动机的相位及主轴正反转等。 显示系统用于控制h716501液晶显示器。这两部分都采用了新型的单片机 gms90c32作中央处理器，它可以与mcs-51系列单片机兼容，具有快速脉冲编程 算法，采用了 cmos技术，最高工作频率可达40mhz（本设计采用18mhz）,有良好 的性能价格比。第三章三坐标数控铳床的设计和计算一、主传动系统的设计主传动系统一般由动力源（如电动机）、变速装置及执行元件（如主轴、刀 架、工作台），以及开停、换向和制动机构等部分组成。动力源为执行元件提供 动力，并使其得到一定的运动速度和方向，变速装置传递动力以及变换运动速度,

25、 执行元件执行机床所需的运动，完成旋转或直线运动。现代切削加工正向着高速、高效和高精度方向发展，对机床的性能提岀越来 越高的要求，如转速高，调速范围大，恒扭矩调速范围达1： 1001： 1000,恒 功率调速范围达10以上；更大的功率范围达2. 2250kw,能在切削加工中 自动变换速度；机床结构简单，噪声小，动态性能好，可靠性高等。数控机床主 传动设计应满足的特点：主传动采用直流或交流电动机无级调速；数控机床驱动 电动机和主轴功率特性的匹配设计；数控机床高速主传动设计；数控机床采用部 件标准、模块化结构设计；数控机床的柔性化、复合化；虚拟轴机床设计。为了适应数控机床加工范围广、工艺适应性强、

26、加工精度高和自动化程度高 等特点，要求主传动装置应具有以下特点：1、具有较大的调速范围，并实现无级调速。无级变速传动在一定的变速范围内连续改变转速，以便得到最有利的切削速 度；能在运转中变速，便于实现变速自动化；能在负载下变速，便于车削大端面 时保持恒定的切削速度，以提高生产效率和加工质量。2、具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪音低。数控机床加工精度的提高，与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传 动件的精度与刚度，采用高精度轴承及合理的支撑跨距等，以提高主轴组件的刚 性。3、良好的抗震性和热稳定性。数控机床一般既要进行粗加工，又要精加工；加工时可能由于断续切削、加 工余量不均匀 运动部件不

27、平稳以及切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力 或交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时真至破 坏刀具或零件，使加工无法进行。因此主传动系统中的各主要零部件不但要具有 一定的刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力一抗振性。抗 振性用动刚度或动柔度來衡量。例如主轴组件的动刚度取决于主轴的当量静刚 度 阻尼比及固有频率等参数。机床在切削加工中主传动系统的发热使其中所有零部件产牛变形，破坏了零 部件之间的相对位置精度和运动精度造成的加工误差，且热变形限制了切削用量 的提高，降低传动效率，影响到生产率。为此，要求主轴部件有较高的热稳定性, 通过保持合适的配合精度，

28、并进行循环润滑保持热平衡等措施来实现。二、主传动变速系统普通机床一般采用机械有级变速调速传动，而数控机床需要自动变速；且在 切削阶梯轴的不同直径，切削曲线旋转面和断面时，需要随切削的直径的变化而 自动变速，以保持切削速度基本恒定。这些自动变速又是无级变速，以利于在一 定的调速范围内选用到理想的切削速度，这样既有利于提高加工精度，乂有利于 提高切削效率。机床主传动中常采用的无级变速装置有三大类：变速电动机、机械无级变速 装置和液压无级变速装置。无级变速主传动系统设计原则：一为尽量选择功率和扭矩特性符合传动系统要求的无级变速装置。如铳床主 传动系统要求恒功率传动，就应该选择恒功率无级变速装置。二为

29、无级变速系统装置单独使用时，其调速范围较小，尤其是恒功率调速范 围往往小于机床实际需要的恒功率变速范围。为此，常把无级变速装置与机械分 级变速箱串联在一起使用，以扩大恒功率变速范围和整个变速范围。1、主轴部件设计主轴部件的性能要求主轴部件是机床主要部件之一，它是机床的执行元件。它的功用是支承并带 动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，完成表面成型运动。 主轴部件由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成。主轴部件的工作性能对整机性能和加工质量以及机床生产效率有着直接影 响，是决定机床性能和技术经济指标的重要因素。因此，对主轴部件有如下要求: 轴的旋转精度是指装配后，在无载

30、荷、低速转动的条件下，主轴安装工 件或刀具部位的定心表而（如车床轴端的定心短锥、锥孔，铳床轴端的7： 24 锥孔）的径向和轴向跳动。旋转精度取决于的主要件如主轴、轴承、壳体孔等的 制造、装配和调整精度。工件转速下的旋转精度还取决于主轴的转速、轴承的性 能，润滑剂和主轴组件的平衡。 刚度主轴部件的刚度是指其在外载荷作用下抵抗变形的能力，通常以主 轴前端产生单位位移的弹性变形时，在位移方向上所施加的作用力来定义的。主 轴部件的刚度是综合刚度，它是主轴、轴承等刚度的综合反映。因此，主轴的尺 寸和形状、滚动轴承的类型和数量、预紧和配置形式、传动件的布置方式、主轴 部件的制造和装配质量等都影响主轴部件的

31、刚度。 温升因为相对运动处的摩擦生热，切削取得切削热等使主轴温度升高将 引起热变形使主轴伸长，轴承间隙的变化，降低了加工的精度；温升也会降低润 滑剂的粘度，恶化润滑条件。因此，各类机床对温升都有一定的限制。 可靠性数控机床是高度自动化的机床，所以必须保证工作可靠性，可喜 的是这方面的研究正在发展。 精度保持性它指长期保持其原始制造精度的能力。对数控机床的主轴组 件必须有足够的耐磨性，以便长期保持精度。2、主轴部件的组成和轴承选型 主轴部件，它由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成。 主轴的传动件，可以位于前后支承之间，也可位于后支承之后的主轴后 悬伸端。目前传动件位于后悬伸端的越來

32、越多。这样做，可以实现分离传动和模 块化设计：主轴组件（称为主轴单元）和变速箱可以做成独立的功能部件，又专 门的工厂集中牛产，作为商品出售。变速箱和主轴间可用齿轮副或带传动联接。 本三坐标曲面数控铳床采用带传动联接。主轴支承分径向和推力（轴向）。角接 触球轴承兼起径向和推力支承的作用。推力支承应位于前支承内，原因是数控机 床的坐标原点，常设定在主轴前端。为了减少热膨胀造成的坐标原点的位移，应 尽量缩短坐标原点支推力支承之间的距离。 主轴轴承，选用角接触球轴承。这种轴承即可承受径向载荷，乂可承受 轴向载荷。这种球轴承为点接触，刚度较低。为了提高刚度和承载能力，常采用 多联组配的办法。有三种基本组

33、配方式，分别为背对背，面对面和同向组配，背 靠背和而对而组配都能受双向轴向载荷；同向组配只能承受单向轴向载荷。背对 背比面对面安装的轴承具有较高的抗颠覆力矩的能力。运转时，轴承的外圈的散 热条件比内圈好，因此，内圈的温度将高于外圈，径向膨胀的结果将使轴承的过 盈加大。轴向膨胀对与背靠背组配将使过盈减少，于是，可以补偿一部分径向膨 胀；而对于面对面组配，将使过盈进一步加大。基于上述分析，主轴受到弯距， 又属高速运转，因此主轴轴承必须采用背靠背组配。 角接触角轴承的间隙调整和预紧主轴轴承的内部间隙，必须能够调整，多数轴承，还应在过盈状态下工作， 使滚动体和导轨之间有一定的预变形，这就是轴承的预紧。

34、轴承预紧后，内部无间隙，滚动体从各个方向支承主轴，有利于提高运动精 度。滚动体的直径不可能绝对相等，滚道也不可能绝对正圆，因而在预紧前只有 部分滚导体与滚道接触。预紧后，滚导体和滚道都有了一定的变形，参加工作的 滚动体将增多，各滚动体的受力将更加均匀。这些都有利提高轴承的精度、刚度 和寿命。如主轴产牛振动，则由于各个方面都有滚动体支承，可以提高抗振性。 但是，预紧后发热较多，温升较高；而且较大的预紧力将使寿命下降，故预紧要 适量。角接触角轴承在轴向力的作用下，使内外圈产生轴向错位实现预紧，衡量预 紧力大小的是轴向预紧力，简称预紧力fao,单位为n。多联角接角球轴承是根 据预紧力组配的。轴承厂规

35、定了轻预紧、中预紧和重预紧三级预紧。订货时可指 定预紧级别。轴承厂在内圈（背靠背组配）或外圈（面对面组配）的端面根据预 紧力磨去装配时挤紧，便可得到预定的预紧力。如果两个轴承间需要隔开一 定的距离，可在两轴承z间加入厚度相同的内外隔套。在轴向载荷的作用下，不 受力侧轴承的滚动体与滚道不能脱离接触。而满足这个条件的最小预紧力，双联 组配为最大轴向载荷的35%o 承载能力和寿命主轴轴承通常载荷相对较轻。一些特殊重载主轴外轴承的承载能力是没有问 题的。主轴轴承的寿命，主要不是取决于疲劳点蚀，而是由于磨损而降低精度。 通常，如轴承精度为p4级，经使用磨损后跳动精度降为p5级，这个轴承就认为 应该更换了

36、。虽然还未达到其疲劳寿命，但这种“精度寿命”目前还难以估计。3、主轴组件的动态特性通常，主轴组件的固有频率很高，但是，高速主轴，特别是带内装式电动机 高速主轴，电动机转子是一个集中质量，将使固有频率下降，有可能发生共振。 改善动态特性，可采取下列措施： 是主轴组件的固有频率避开激振力频率。通常使固有频率高于激振频率 的30%以上。如果发生共振的那阶模态属于主轴在弹性基础上（轴承）的刚体振 动的第一阶（平移）和第二阶（摇摆）模态，则应提高轴承的刚度。如果属于主 轴的弯曲振动，则应提高主轴的刚度，如加粗直径。激振力可能来自主轴组件的不平衡，这时激振频率等于主轴转速乘以h/30。也可能来自断续切削，

37、这时激振频率还应乘以刀齿数z。 增大阻尼。如前所述，降低模态，常是主轴的刚度振动。这吋主轴轴承, 特别是前轴承的阻尼对主轴组件的抗振性影响很大。如果要求得到很光的加工表 面，滚动轴承适当预紧可以增大阻尼，但过大的预紧反而使阻尼减少，故选择预 紧时还因考虑阻尼因素。 采用消振装置。4、主轴轴承的润滑滚动轴承在接触区的压强很高，在这么高的压强下，接触区产生变形，是一 块小面积的接触而不是一条线或一个点的接触；润滑剂在高压下被压缩，粘度升 高了。因此，才能在滚动体与滚道的接触区，形成一定厚度的油膜，把两者隔开, 滚道体与滚道的接触面积很小，所以，滚动轴承所需的润滑剂很少的。当然，也 可用脂润滑，还有

38、用油气润滑的。 脂润滑滚动轴承能用脂润滑是它的突出优点z-o脂润滑不需要供油管路和系统， 没有漏油问题。如果脂的选择合适、洁净、密封良好，不使灰尘、油、切削液等 进入，寿命是很长的。一次充填可用到大修，不需补充，也不要加脂孔。脂润滑可选用锂基脂，如skflglt2号（常用于球轴承）。 油气润滑如果dn值较大时，还需对轴承进行冷却。如果用油兼作润滑和冷却，则由 于油的搅拌作用，温升反而会增加。最好用油润滑，用空气冷却。油雾润滑能达 到这个目的，但是易污染环境。比较好的方法是油气润滑：在吹向轴承的空气中 定期地注入油，油并不雾化，用后可回收，不污染环境。油用于润滑，空气用 于冷却。三、主轴系统计算

39、带传动的设计计算三角带的选用应保证有效地传递最大功率(不打滑)并有足够的使用寿命(一 定的疲劳强度)。带传动设计计算的主要内容包括确定带的型号、基准长度和根 数；确定带轮的材料、结构尺寸；确定传动中心距及作用在轴上的力等。(1) 确定计算功率p"pd =kap =i.2xl2 = 14.4kw式中：i工况系数(工作情况系数)；p电机额定功率kw(2) 选择三角带型号根据pj由图选spa型窄v带(3) 确定带轮直径eh、d2小带轮盲径di应满足：di-d-n,以免带的弯曲应力过大而导致其寿命降低。查表取d min = 9亦,故选择d 1= 100mm(4) 计算胶带速度兀 x100x1

40、250 / cu /v = 6.5/7? / s < 25m / s60x100060000故di选择合格d 2 =力=2 x 100 = 200mm确定中心距a和带长l"0.7(0+0)5 <2(9+2)210mm < d。< 600mma0 = 300mmld = 2d。+ (dj + 0) +d)= 1078册尬带长2 4ao查表,取 l<i = 1 ooom,72l,-l,a = q（）+ = 26 mm中心距2a的调整范围：%血=a 一 0.015l(/ = 246mm °max = a + °°3 厶(/ = 2

41、9mm（6）验算小带轮包角a =?0°d?_d 笙小带轮包角可按公式求得：，_g 得0=162。120即满足条件。（7）确定v带根数zz =吃v带根数z可按下式计算：（人+旳心kj由表,查得po = 2.21kwp° 二 k也（i）由表,查得kh = 2.7862x10-3由表,查得b =1.1199/ 2 1ap =2.7862x10'3x1250(1)1.1199= 0.38kw由表，查得ka = 0.96由表，查得kl = 0.89代入求根公式，得14.4z (2.27 + 0.38)x0.89x0.96= 6.02取z=6,符合表7-4推荐的轮槽数(8) 确

42、定初拉力化单根v带合适的初拉力可按下式计算：f()= 500一1) +店由表得4 = ° 2如m14 42 5r =500(-1) + o.12x6.5206x6.51= 282n(9) 计算作用在轴上的压力°q = 2zsin1 rn= 2x6x282xsin 2=3383/v四. 进给伺服系统的设计1、对进给伺服系统的基本要求进给伺服系统不但是数控机床的一个重要组成部分，也是数控机床区别于一 般机床的一个特殊部分。数控机床对进给伺服系统的性能指标可归纳为：定位精 度高；跟踪指令信号的响应快；系统的稳定性好。(1) 稳定性伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的扰动信号消失后

43、，系统能够恢复到 原来的稳定状态下运行，或者在输入的指令信号作用下，系统能够达到新的稳定 运行状态的能力。伺服系统的稳定性是系统木身的一种特性，取决于系统的结构 及组成元件的参数(如惯性、刚度、阻尼、增益等)，与外界的作用信号(包括 指令信号或扰动信号)的性质或形式无关。(2) 精度伺服系统的精度是指系统的输出量复现输入量的精确程度。伺服系统工作过 程中通常存在三种误差：动态误差、稳定性误差和静态误差。实际中只要保证系 统的误差满足精度指标就行。(3) 快速响应性快速响应特性是指系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速 程度。它包含系统的响应时间，传动装置的加速能力。它直接影响机床的加

44、工精 度和生产率。2进给伺服系统的设计要求在静态设计方面有：a、能够克服摩擦力和负载；b、很小的进给位移量；c、高的静态扭转刚度；d、足够的调速范围；e、进给速度均匀，在速度很低时无爬行现象；在动态设计方面的要求有：a、具有足够的加速和制动转矩；b、具有良好的动态传递性能，以保证在加工屮获得高的轨迹精度和满意的 表面质量；c、负载引起的轨迹误差尽可能小；对于数控机床机械传动部件则有以下要求a、被加速的运动部件具有较小的惯量；b、具有较高的刚度；c、良好的阻尼；d、传动部件在拉压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙等方面尽可能 小的非线性。2、进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析(1) 时间响

45、应特性进给伺服系统的动态特性，按其描述方法的不同，分为时间响应特性和频率 响应特性。时间响应特性是用来描述系统对迅速变化的指令能否迅速跟踪的特性，它由 瞬态响应和稳态响应两部分组成。由于系统包含一些储能元件，所以当输入量作 用于系统时，系统输出不能立刻跟随输入量变化，而是在系统达到稳定之前表现 为瞬态响应过程(或叫过渡过程)。稳定响应是指当时间t趋向无穷大时系统的 输出状态。若在稳定时，输出和输入不能完全吻合，就认为系统有稳态误差。(2) 频率响应特性时间响应特性是从微分方程出发，研究系统响应随时间的变化的规律，即在 已知传递函数的前况下，从系统在阶越输入及斜坡输入时间应速度及振荡过程的 状态

46、中来获得动态特性参数。然而在很多情况下，传递函数不清楚，所以只能由 试验的方法来求取动态特性。因此出现频率响应特性法。所谓频率响应特性，就 是系统对正弦输入信号的响应，即它通过研究系统对正弦输入信号的响应规律来 获得启动态特性。(3) 快速性分析所谓快速性分析是指分析系统的快速响应性能，快速性反映了系统的瞬态质 量。对于线性进给伺服系统，由于它包含各种电路、机电转换装置和机械传动机 构，系统各环节都有时间常数，对高频信号来不及反应，只是一个地通漏波器。 这种系统的通频宽带，对高频信号响应速度快，所以从开环频率特性图看，提高 系统的截止频率，则可以提高闭环回路的响应速度。五、进给传动的计算1、x

47、轴滚珠丝杠副(1) 精度要求：进给精度o.o1m77 ；快速进给精度6加/min。(2) 疲劳强度丝杠的最大载荷为最大进给力加摩擦力，最大进给力为1625n, i作台质量 700kg,则: 求计算载荷fc ff =人血=700x0.0035x9.8 = 24nf =1625 + 24 = 1649"lilcla1649x2 + 24=1107/v根据机电一体化设计基础计算载荷巴耳=心心心0查表取kf=12查表取心=10查表取心=1.0查表取d级精度f =1.2xl.0xl.0xll07 = 1328n 计算额定动载荷计算值©取丝杠的工作寿命为乙=20000=100r/min

48、c = f 3 n,nl/,a c 1.67x10100x200001.67x104=6546n 选用fc1-4020-2. 5型丝杠，由表2-9得丝杠副数据: 公称直径久=50mm导无呈 p = 1 qmm滚珠直径心=5.953mm按衣种尺寸公式计算：r = 0.52d（）= 0.52x5.953 = 3.096mm偏心距e = 0.707（/? 一半）=0.707 x （3.096 一= 8.4xl0-2 mm丝杠内径d =do+2e-2/? = 4o + 2x8.4xlo-2 -2x3.096 = 33.98mm 稳定性验算丝杠一端轴向固定，采用深沟球轴承和双向球轴承，可分别承受径向和轴

49、 向的负荷。另一端游动，需要径向约束，采用深沟球轴承，外圈不限位，以保证 丝杠在受热变形后可在游动端自由伸缩，如下图。游动端螺母a由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应骑算其安全系数s,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数s丝杠不会失稳的最大载荷称为临界载荷侏，并按下式计算f =迪cr _ (a/)2式屮，e为丝杠材料的弹性模量，对于钢,e=206gpa； 1为丝杠工作长度(m)；4心匚为丝杠危险截面的轴惯性矩(加)；"为长度系数，取 3。= = 654xw-8m4“64= 1.87x1067v厂兀2 x 206x10® x6.5xl0"8

50、j =2(-x0.4)235 = =l87x101 = 159x1()3 安全系数 %1107查表，s二2.5-3. 3 ,s>s,丝杠是安全的,不会失稳。b高速长丝杠工作时有可能发生共振，因此需验算其不发生共振的最高转速临界转速要求丝杠的最大转速o临界转速按下式计算：=99蟻_ 2式中：£为临界转速系数，见表2-10,本题取£=3.927, "一§= 9910x3.9272x0.03398(tx0-4)2=7.3xl04r/minmaxiu = 600r/min即：心>几址，所以丝杠工作时不会发生共振。c此外滚珠丝杠副还受9"值的

51、限制，通常要求<7xl04m/t7.r/mindn = 40x100 = 4x1077?- r/min < 7x 104mm- r/min所以该丝杠副工作稳定 刚度验算 滚珠丝杠在工作负载f(n)和转矩t(n加)共同作用下引起每个导程的变形量人厶)(m)为:必=士嘗士嘉:a = j_屈 2j =兰4式中:a丝杠截面积， 41 .人为丝杠的极惯性矩，'32 1 . g为丝杠切变模量，对钢g = 83.3grz； t为转矩。t = fm 牛 tan(a + p)式中：“为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；®为平均工作载荷40.t = 1107xyx10'3x t

52、an(4°33'+0.2。)= 1.84® m按最不利的情况取(其中f =ar pf p2t 4pf 6p2tal() =1=hea 2tigjc tied；兀，gd：4x10x107x110716x(10x10'3)2x1.843.14x206x109x(0.03398)2(3.14)2 x83.3xl09 x(0.03398)4=6.2xl02/m则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程谋差为:厶=/0.4 x6.2x10j10x10=2.5 pm通常要求丝杠的导程课差al小于其传动精度的1/2,即厶< 丄 <7 = x0= 0.005/n

53、加=5 am2 2该丝杠的厶满足上式，所以其刚度可以满足要求。 效率验算滚珠丝杠副的传动效率“为=0.947tan>i _tan(4°33')tan(/l + p) tan(4°33,+0.2°)要求在90%95%之间，所以该丝杠副合格。经上述计算验算，fc1-4010-2.5各项性能均符合题目要求，所以合格。2、y轴滚珠丝杠副(1) 精度要求：进给精度o.o1m77快速进给精度6m/min(2) 疲劳强度丝杠的最大载荷为最大进给力加摩擦力，最大进给力为1625n, i作台质量 900kg,则： 求计算载荷 fcff = 900x0.0035x9.8

54、 = 31vfnnx =1625 + 31 = 16561656x2 + 313= 1114n根据机电一体化设计基础 计算载荷作fc = kfkhkafm 查表取kf=1.2查表取d级精度则:f( =1.2xl.0xl.0xlll4 = 13377vf 计算额定动载荷取丝杠的工作寿命为乙二20000/z, nm = 100/7minc = f計也“ 小 1.67x101 7773 / 100x20000v 1.67x10465902 选用fc1-4020-2. 5型丝杠，由表2-9得丝杠副数据:公称直径= 50呦导程 p = 1 qmm滚珠直径“0 =5.953劲按表种尺寸公式计算：滚道半径r

55、 = o.52jo = 0.52x5.953 = 3.096mm偏心距e = 0.707（/?乞）=0.707 x （3.096 -= 8.4xl0-2 mm2 2丝杠内径£ = °。+ 2幺一2/? = 40 + 2x &4x 1 ct? 一 2x 3.096 = 33.98加加 稳定性验算丝杠一端轴向固定，采用深沟球轴承和双向球轴承，可分别承受径向和轴向 的负荷。另一端游动，需要径向约束，采用深沟球轴承，外圈不限位，以保证丝 杠在受热变形后可在游动端自由伸缩，如下图。固定端-yap螺母uao1 1游动端a由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计

56、时应验 算其安全系数s,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数s丝杠不会失稳的最大载荷称为临界载荷呂，并按下式计算f =炷” (mf式中，e为丝杠材料的弹性模量，对于钢e=206gpa； 1为丝杠工作长度(m)； 4心为丝杠危险截面的轴惯性矩(加)；"为长度系数，取 3。1 6.54x 10" 二耳二 859x05 二7 7乂02 安全系数 %1114 查表,s二2.533,s>s,丝杠是安全的，不会失稳。b高速丝杠工作时有可能发牛共振，因此需验算其不发牛共振的最高转速临界转速。要求丝杠的最大转速o 临界转速按下式计算：cr_ 2 式中：£为临界转速系数，见表2-10,本题取£=3.927, "一§m4a 64x206xl0-x6.54xl0-=859xl()5yv(|x0.59)2= 9910x3.927?><0.03398(|x0.59)2= 3.36xl()4r/min= = 600r / minmdx 10x10 b|j：所以丝杠工作时不会发生共振。c此外滚珠丝杠副还受值的限