2047C6140型卧式车床的数控化改造及尾座设计(含全套毕业说明书和机械CAD图纸)解析

1、兰州理工大学 毕业设计（论文） 题 目：C6140 型卧式车床的数控化改造 及液压尾座设计 院（系）： _ 专 业： _ 班 级： _ 学生姓名： _ 导师姓名： _职称： _ 起止时间： _ 摘要 . 2 Abstract . 3 绪论 . 4 第一章C6140车床进给伺服系统改造方案的拟订 . 6 1.1总体方案确定 . 6 1.2 C6140车床的设计参数 . 7 第二章C6140车床进给伺服系统机械部分设计计算 . 8 2.1进给伺服系统机械部分的改造方案 . 8 2.2进给伺服机构机械部分的设计计算 . 9 2.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型、校核 . 9 2.4纵向及横向滚珠丝杠副几

2、何参数 . 14 2.5齿轮传动比计算 . 15 第三章 C6140车床进给部分电机的选择. 1 6 3.1纵向进给步进电机计算 . 16 3.2横向进给步进电机计算 . 19 第四章液压尾座部分设计 . 23 4.1液压尾座研究背景和意义 . 23 4.2液压尾座研究背景和意义 . 23 4.3液压尾座的设计. 23 4.4尾座精度设计. 23 总结 . 25 参考文献 . 26 致谢 . 27 外文资料及中文翻译 . 28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。C6140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，

3、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（纵向）伺服系统设计 计算。阐述了 C6140普通数控车床的主轴系统的改进及机床控制系统的改造。 本课题的目的在于设计出与数控卧式车床 C6140相匹配的液压尾座系统。本课题将以 数控卧式车床C6140的液压尾座为研究对象，设计出符合数控卧式车床 C6140的液压尾座。 为了完成本课题的设计，在设计之前的准备工作必须做好，首先是搜集和分析资料， 包括国内外数控机床的发展现状及趋势；液压技术和液压传动系统的基本资料；同等机床 液压尾座的图纸和资料等。其次是初步确定液压尾座的总体布局，包括配置形式、液压系 统的布置及选择液压能源及相应的配套

4、元件等。最后主要是关于尾座的设计。 C6140数控机床液压尾座设计的主要内容是尾座体、套筒、顶尖、尾座孔系、尾座导 轨，挠度、转角、液压缸内径及压板处螺栓直径、锁紧力的计算及校核。其中选择莫氏 4 号锥度的尾座顶尖，是利用莫氏锥度自身的结构特性来卡紧尾座顶尖的，它解决了顶尖在 工作时会出现松动或转动现象。在套筒中设计了滑键槽和顶尖顶出孔，解决了顶尖在工作 时会随套筒转动从而影响工件的加工精度；还在套筒中设计了顶卸的装置，便于顶尖的拆 卸。 关键词：C6140车床 数控改造 滚珠丝杠 步进电动机 尾座 液压系统 液压缸 设计 校核Numerical Control Transform of C6

5、140Common Lathe And Design of C6140 CNC Machine Tailstock Hydraulic System Abstract The NC mach ine plays a verygreat role in mecha ni cal engin eeri ng. Although the in vestme nt n eeds a great deal of mon ey, it is a good way to try digital modificati on for ordinary lathe. The spin dle speed of C

6、6140 rema ins the manual fun cti on of shift ing gears. The alterati on is easy and it can reduce labor inten sity and improve productive efficie ncy. I ntroduces the desig n calculati on of servo system on econo mic NC mach ine tools. It also tells us howto improve the spin dle and the control syst

7、em of C6140 NC lathe. The mai n purpose of the research is based on C6140 CNC machi ne tools to desig n requireme nts, desig ned to match its hydraulic Tailstock to meet the rotati on accuracy, rigidity, temperature rise, and so on seismic requireme nts, to enhance the overall performa nee of machi

8、ne tools. To accomplish this desig n, I collected and an alysed the in formati on before the desig n, in cludi ng domestic and international development of CNC machine tools; hydraulic system of hydraulic tech no logy and the basic in formati on; equal hydraulic mach ine Tailstock the draw ings and

9、in formatio n . The n is ten tatively determ ined the overall layout of hydraulic Tailstock, i ncludi ng the allocation of form, layout and the hydraulic system of hydraulic energy, and select the appropriate match ing comp onen ts, such as. This was followed by the main Tailstock the desig n and ca

10、lculatio n. The mai n desig n of C6140CNC mach ine tools is that the tailstock, top and the hole, the tailstock, and they are allowed to produce can tilever deflecti ons corner, hydraulic cyli nder bore diameter and pressed the bolt in place, the lock ing force of the school. One of the nu clear opt

11、i on morse the cone at the end of the top and is using its own structure of the cone morse the n ature of the top card up its tail, it addresses the top of the work that is coming loose. The turni ng or pivoti ng in the desig n of cyli nder and the top of a punch to the top of the work will turn to

12、the in flue nee of the process ing of precisi on ;lt was set in the desig n of the top of the device to the top dow n. Key words: The C6140 lathe; digital modification; ball screw; stepping motor ； machi ne;tailstock;hydraulicsystem;hydraulic cyli nder in side diameter;desig n; exam in ati on 随着社会生产

13、和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型，普通 机床已不能适应这些要求，数控机床应运而生。这种新型机床具有适应性强、加工精度高、 加工质量稳定和生产效率高等优点。它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精 密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后机床控制的发展方向。 一、 数控机床的产生 数控机床最早是从美国开始研制的。1948年，美国帕森斯公司在研制加工直升机桨叶 轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初始设想。 1949年，帕森斯公 司与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始从事数控机床的研制工作。并于 1952年试 制成功世界上第一台数控机床实验性样

14、机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐 标连续控制铣床。经过三年改进和自动编程研究，于 1955年进入实用阶段。一直到20世 纪50年代末，由于价格和技术原因，品种多为连续控制系统。到了 60年代，由于晶体管 的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中 多数是钻床、冲床等点位控制的机床。数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推 广到焊接机、火焰切割机等，使数控技术不断的扩展应用范围。 二、 数控机床的发展 自1952年，美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子技术、计算机技术、自动控 制和精密测量等相关技术的发展，数控机床也在迅速地发展和不断地更新

15、换代，先后经历 了五个发展阶段。 第一代数控： 1952-1959年米用电子管元件构成的专用数控装置。 第二代数控： 从1959年开始米用晶体管电路的NC系统。 第三代数控： 从1965年开始米用小、中规模集成电路的 NC系统。 第四代数控： 从1970年开始米用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统。 第五代数控： 从1974年开始米用微型电子计算机控制的系统。 目前，第五代微机数控系统基本上取代了以往的普通数控系统， 形成了现代数控系统。 它采用微型处理器及大规模或超大规模集成电路，具有很强的程序存储能力和控制功能。 这些控制功能是由一系列控制程序来实现的。这些数控系统的通用性很强，

16、几乎只需改变 软件，就可以适应不同类型机床的控制要求，具有很大的柔性。随着集成电路规模的日益 扩大，光缆通信技术应用于数控装置中，使其体积日益缩小，价格逐年下降，可靠性显著 提高，功能也更加完善 近年来，微电子和计算机技术的日益成熟，它的成果正在不断渗透到机械制造的各个 领域中，先后出现了计算机直接数控系统，柔性制造系统和计算机集成制造系统。所有这 些高级的自动化生产系统均是以数控机床为基础，它们代表着数控机床今后的发展趋势。 三、 我国数控机床的发展概况 我国从1958年由北京机床研究所和清华大学等首先研制数控机床， 并试制成功第一台 电子管数控机床。从1965年开始，研制晶体管数控系统，直

17、到 60年代末和70年代初， 研制的劈锥数控铣床、非圆锥插齿机等获得成功。与此同时，还开展了数控加工平面零件 自动编程的研究。1972-1979年是数控机床的生产和使用阶段。例如：清华大学研制成功 集成电路数控系统；数控技术在车、铣、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域开始研究与应 用；数控加工中心机床研制成功；数控升降台铣床和数控齿轮加工机床开始小批生产供应 市场。从80年代初开始，随着我国开放政策的实施，先后从日本、美国、德国等国家引 进先进的数控技术。上海机床研究所引进美国 GE公司的MTC-1数控系统等。在引进、消 化、吸收国外先进技术基础上，北京机床研究所又开发出 BS03经济型数控系统和

18、BSO4全 功能数控系统，航空航天部 706所研制出MNC864数控系统等。进而推动了我国数控技术 的发展，使我国数控机床在品种上、性能上以及水平上均有了新的飞跃。我国的数控机床 已跨入一个新的发展阶段。 四、 数控机床的发展趋势 从数控机床技术水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自动化是数控机床的 重要发展趋势。对单台主机不仅要求提高其柔性和自动化程度，还要求具有进入更高层次 的柔性制造系统和计算机集成制造系统的适应能力。 在数控系统方面，目前世界上几个著名的数控装置生产厂家，诸如日本的 FANCU德 国的SIEMENS口美国的A-B公司，产品都向系列化、模块化、高性能和成套性方向发展

19、。 它们的数控系统都采用了 16位和32位微机处理机、标准总线及软件模块和硬件模块结构， 内存容量扩大到1MB以上，机床分辨率可达0.1微米，高速进给可达100m/mi n,控制轴数 可达16个，并采用先进的电装工艺。 在驱动系统方面，交流驱动系统发展迅速。交流传动已由模拟式向数字式方向发展， 以运算放大器等模拟器件为主的控制器正在被以微处理器为主的数字集成元件所取代，从 而克服了零点漂移、温度漂移等弱点。 五、 数控机床改造的意义 数控机床改造在国外已发展成一个新兴的工业部门，早在 60年代已经开始迅速发展，其 发展的原因是多方面的，主要有技术、经济、市场和生产上的原因。我国是拥有 300多

20、万 台机床的国家。而这些机床又大多是多年累积生产的通用机床，不论资金和我国机床制造 厂的能力都是办不到的。因此，尽快将我国现有一部分普通机床实现自动化和精密化改装， 是我国现有设备技术改造迫切要求解决的课题。用数控技术改造机床，正是适应了这一要 求。它是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础上。在机床改造中引入微机的应 用，不但技术上具有先进性，同时，在应用上比其它传统的自动化改装方案，有较大的通 用性与可调性。而且所投入的改造费用低，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装 置的1/3至1/5,用户承担的起。从若干单位成功应用的实例可以证明，投入使用后，确 实成倍地提高了生产效率，减少了

21、废品率，取得了显著的技术经济效益。因此，我国提出 从大力推广经济型数控这一中间技术的基础上，再逐步推广全功能数控这条道路，适合我 国的经济水平、教育水平和生产水平，已成为我国设备技术改造主要方向之一。同时，它 还可以作为全功能数控机床应用的准备阶段，为今后使用全功能数控机床，培养人才，积 累维护、使用经验，而且也是实现我国传统的机械制造技术朝机电一体化的方向过渡的主 要内容之一 第一章 C6140 车床进给伺服系统改造方案的拟订 1.1 总体方案确定 C6140车床数控改造方案本文改造后的结构是一种非常典型卧式车床的数控改造结 构， 改造时拆除原机床的纵向和横向丝杠光杠、溜板箱、挂轮箱的挂轮、

22、原手动刀架及手 柄等部件，用滚珠丝杠替换原有普通丝杠、用电动刀架替换原有的普通刀架。纵向和横向 进给采用步进电动机及减速器驱动，横向步进电动机及减速器装置安装在机床床鞍的后 部，纵向的步进电动机减速器装置安装在机床的右端。 由于被改装的机床本身的机械结构不是按数控机床的要求设计的，其精度和刚度等性 能指标往往不能满足数控机床的要求，因此将普通机床改造为全功能的数控机床，一味追 求先进指标则会得不偿失，所以确定总体方案的原则应当是在满足生产需要的前提下，对 原机床尽可能减少机械部分的改动量，选择简单易用的数控系统，达到合理的性价比。本 次改造设计要求就是根据这一原则提出的。根据设计要求、依据设计

23、参数及机床数控改造 的理解，总体方案确定如下： (1) 系统的运动方式与伺服系统的选择 由于改造后的经济型数控机床应具有定位、直线插补、顺、逆圆插补、暂停、循环加 工、公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑到属于经济型数控机床加工精 度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。 (2) .机械传动方式 为实现机床所要求的分辨率， 采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆，为保证一定的传 动精度和平稳度，尽量减少摩擦量力，选用滚珠丝杆螺母副。同时，为提高传动刚度和消 除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。 1.2 C6140 车床的设计参数 根据型

24、普通原始数据及数控改造设计要求，确定主要如下: 最大加工直径: 车床身上： 400mm 车床鞍上： 210mm 快进速度: 控制坐标数: 最大加工长度: 1000mm 脉冲当量: 脉冲分配方式: 纵向 2.4m/min 横向 1.2m/min 纵向 0.6m/min 横向 0.3m/min 纵向 0.01mm/step 横向 0.005mm/step 机床定位精度: 0.015 最大切削进给速度 溜板及刀架重力: 纵向：800N 横向：600N 自动生降速性能： 有 起动加速时间： 30ms 主电机功率： 7.5Kw 第二章机床进给伺服系统机械部分的设计和计算 2.1 进给伺服系统机械部分的结

25、构改造设计方案 2.1.1纵向进给机械结构改造方案 拆除原机床的进给像、溜板箱、滑动丝杠、光杠等，装上步进电机、齿轮减速箱和滚 珠丝杠螺母副。为了提高支承刚度，采用向心推力球轴承对加止推轴承支承方式。齿轮间 隙采用双薄片调隙方式。 利用原机床进给箱的安装孔和销钉孔安装齿轮箱体。滚珠丝杆仍安置在原来的位置， 两端仍采用原固定方式。这样可减少改装工作量，并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠, 且外径比原先的大，从而使纵向进给整体刚度只可能增大。 纵向进给机构都采用了一级齿轮减速。双片齿轮间没有加弹簧自动消除间隙。因 为弹簧的弹力很难适应负载的变化情况。当负载大时，弹簧弹力显小，起不到消除间隙之 目的

26、；当负载小时，弹簧弹力又显大，则加速齿轮的磨损。因此，采用定期人工调整、螺 钉紧固的办法消除间隙。 2.1.2横向进给机械结构改造方案 拆除原中拖板丝杆，安装滚珠丝杆副，为提高横向进给系统刚度，支承方式采用 两端装止推轴承。步进电机、齿轮箱安装于机床后侧，为了使减速机构不影响走刀，同时 消除传动过程的冲击，减速机构采用二级传动，从动轮采用双薄片错位消除间隙。 2.2 进给伺服机构机械部分的设计计算 此机床进给伺服系统运动及动力计算如下： 2.2.1进择脉冲当量 根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向：0.01mm/步，横向：0.005mm/步（半径）。 2.2.1计算切削力 （1）纵车外圆 主切削

27、力Fz(N)按经验公式估算： 1 5 Fz=0.67Dmax 1 5 =0.67 x 400 =5360 按切削力各分力比例：Fz：Fx：Fy=l:0.25:0.4 Fx = 5360 x 0.25 = 1340 Fy = 5360 x 0.4 = 2144 (2) 横切端面 主切削力F；(N)可取纵切的1/2: F；詔 Fz = 2680 此时走刀抗力为F(N)，吃刀抗力为Fx(N)。仍按上述比例粗略计算： F z：F y：F x=1:0.25:0.4 Fy=2680 x 0.25 = 670 Fx=2680 x 0.4 = 1072 2.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 滚珠丝杠螺母副的设计

28、首先要选择结构类型：确定滚珠循环方式，滚珠丝杠副的预紧 方式。结构类型确定之后，再计算和确定其他技术参数，包括：公称直径d。(丝杠外径d)、 导程L、滚珠的工作圈数j、列数K、精度等级等。 滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。我们 在此选用螺旋槽式外循环：在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔，同螺母的螺纹 滚道相切，形成滚珠返回通道。为防止滚珠脱落，螺旋槽用钢套盖住。在通孔口设有挡珠 器，引导滚珠进入通孔。挡珠器用圆钢弯成弧形杆，并焊上螺栓，用螺帽固定在螺母上。 它的优点是：工艺简单，螺母外径尺寸较小。缺点是：螺旋槽同通孔不易连接准确，挡珠 器钢性差、耐磨

29、性差。 滚珠丝杠副的预紧方法有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预 紧、单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等。 2.3.1纵向进给丝杠 (1)计算进给率引力Fm(N) 纵向进给为综合型导轨： Fm 二 KFx f(Fz G) = 1.15 1340 0.16 (5360 800) = 2530 式中： K 考虑颠复力矩影响的实验系数，综合导轨取 K = 1.15; I f -滑动导轨摩擦系数：0.15-0.18; G -溜板及刀架重力：G = 800N。 (2)计算最大动负载c: 60 xnxT L 6 - 10 1000 vs n = L 式中:L - 滚珠丝杠导程，初选 L0

30、=6mm; vs最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的(1/21/3),此处Vs= 0.6m/min； fw 运转系数，按一般运转取 fw = 1.21.5; L寿命、以106转为1单位 1000 0.6 0.5 小， 50r /m in 1000vs L。 660 n T 106 60 50 15000 106 =45 C =3、LfwFm =3 45 1.2 2530 = 10798.7N 7 滚珠丝杠螺母副的选型和校核 可采用外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副, 精度等级选3级。 1列2.5圈，其额定动负载为16400N， 传动效率计算 tg tg( -:：J) 式中：丫 螺旋升角

31、，W1L4O0b 丫 =2044 摩擦角取10滚动摩擦系数0.0030.004 tg _ tg244 tg( 一 tg(2044 10) 刚度验算 般滚珠丝杠比较细长，它的刚度应该给与充分重视 先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图。 最大牵引力为2530N。支承间距L=15OOmm 丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的 1/3 丝杠的拉伸或压缩变形量 S 1 根据Pm=2530N,Do=40mm,查资料可查出S L/L=l.2 * I0-5，可算出: S 1= S L/L X 1500=1.2X 10-5X 1500=1.8X 10-2(mm) 由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠

32、又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高 倍。其实际变形量S 1 (mm)为： 1 丄 ： 1 =0.45 10 4 滚珠与螺纹滚道间接触变形 S 2 查资料W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量S Q Q =6.4m 因进行了预紧， . 1 1 2 Q 6.4 =3.2 丄 m 2 2 、支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 S 3 采用8107型推力球轴承，d1=35mm，滚动体直径dQ=6.35mm，滚动体数量z=18, 注意，此公式中Fm单位应为kgf 因施加预紧力，故 1 1 、3 C 0.0075 =0.0038mm 2 2 根据以上计算： 、=23 = 0.0045 0.0032 0.

33、0038 二 0.0115mm ：定位精度=0.00241-72- dQ Z 二 0.00243 2532 6.35 182 二 0.0075(mm) 稳定性校核 滚珠丝杠两端推力轴承，不会产生失稳现象不需作稳定性校核。 2.3.2横向进给丝杠 (1)计算进给牵引力F m： 横向导轨为燕尾形，计算如下： Fm =1.4 Fy f(FZ 2Fx G) =1.4 670 0.2(2680 2 1072 600) ： 2023N (2)计算最大动负载c L n T 30 15000 詔7 106 c c=3LfwFm = 3 27 1.2 2.30 = 7283mm (3) 选择滚珠丝杠螺母副 查资

34、料，W1L20051列2.5圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副， 额定动载荷为8800N，可满 足要求，选定精度为3级。 (4) 传动效率计算 tg = tg4033 tg( tg(4033 10) (5) 刚度验算 横向进给丝杠支承方式如(2-1)图所示，最大牵引力为2425N，支承间距L=45Omm， 1000 Vs n = L。 1000 3 .5 =30 5 106 -0.965 因丝杠长度较短，不需预紧，螺母及轴承预紧 I 图 (2-1) 计算如下： (5.1)、丝杠的拉伸或压缩变形量 S i (mm) 查图 4-6,根据 Fm = 2023N, D。 =2Omm,查出 S L /L=5X

35、IO-5，可算出 图4-2、横向进给系统计算简图 (5.2)、滚珠与螺纹滚道间接触变形S 2 查资料： Q =8.5m 因进行了预紧 S 2=1/2 S Q=0.5*8.5=4.25 rm (5.3) 、支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形 S 3 采用 8102推力球轴承，dQ=4.763,z=12, d=l5mm 1 p2:202 32 现=0.00243. p m 2 =0.0024即 - ._ = 0.0094(mm) 陆 z 4.763X2 考虑到进行了预紧，故 , 1、 1 ：3 c 0.0094 = 0.0047 mm 2 2 综合以上几项变形量之和： 、.=r 丄心2 丄心3 二

36、0.0189 0.0043 0.0047 = 0.0279mm 显然此变形量已大于定位精度的要求，应该采取相应的措施修改设计，因横向溜板空 间限制，不宜再加大滚珠丝杠直径，故采用贴塑导轨减小摩擦力，从而减小最大牵引力。 重新计算如下： Fm =1.4Fy f(Fz 2Fx G) =1.4 670 0.04(2680 2 1072 600) = 1155N 5 从资料查出，当 Fm=1155N 时，S L/L=2.4X lO- -L =2.4 10 450 =0.0108 L S 2 和 S 3 不变，则 S = S 1 + S 2+ S 3 = 0.0108+ 0.0043+ 0.0047=

37、0.0198mm 定位精度 为土 0.lmm，故此变形量仍不能满足，如果将滚珠丝杠再经过预拉伸，刚度还可提高四倍， 则变形量可控制在要求的范围之内。 1 1 1 2 、3 0.0108 0.0043 0.0047 =0.0117mm 4 4 从上面计算过程可以看出，设计的过程要经过反复修改参数，反复计算才能达到满意 的结果。 (6) 稳定性校核 计算临界负载其FK(N) fz二 2EI L - 丝杠两支承端距离 (cm)； 式中: 材料弹性模量，钢 :E = 20.6X 1O6N/cm2 截面惯性矩(cm4)丝杠: 64 di为丝杠内径; fz-丝杠支承方式系数，从表4-13中查出，一端固定，

38、一端简支fz =2.00 4 0. 4 4 I d i 1.6788 0.3899cm 64 64 45 Fk 78214 W 1155 =亦 E （一般n k=2.5 4） 此滚珠丝杠不会产生失稳 2.4 纵向及横向滚珠丝杠副几何参数。 其几何参数如下： 2 6 2： - 20.6 10 0.3899 = 78214N 2.5 齿轮传动比计算 2.5.1纵向进给齿轮箱传动比计算 已确定纵向进给脉冲当量S p= 0.01滚珠丝杠导程Lo=6mm,初选步进电机步距角0.75 可计算出传动比i .360、p 360 0.01 i 0.8 bL0 0.75 6 可选定齿轮齿数为， i zi 32 2

39、0 i Z2 40 或 25 2.5.2横向进给齿轮箱传动比计算 已确定横向进给脉冲当量S p= 0.005,滚珠丝杠导程Lo= 5mm,初选步进电机步距角 0.750可计算传动比i: 名称 符号 公式 W L3506 WL2005 公称直径 d。 35 20 导程 L。 6 5 接触角 P 3 7 4 33 钢球直径（伽） dq 3.969 3.175 滚道法面半径 R R=0.52dq 2.064 1.651 偏心距 e e=(R-dq/2)sin - 0.056 0.045 螺纹升角 Y -arctg Lo 3 7 4 33 一 arctg 兀d0 螺杆外径 d d 二 d。-(0.20

40、.25)dq 34 19.4 螺杆内径 a d d0 2e -2R 30.984 16.78 螺杆纹接触直径 dz dz 二 d0 - dq cos ： 31.258 16.835 螺母螺纹直径 D D =d0 _2e 2R 39.365 23.212 螺母内径 D1 D1 (0.20.25)dq 36.125 20.635 .320 P 360 0.005 i 0.48 bLg 0.75 5 考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程，故此 处可采用两级齿轮降速： z, z3 3 4 24 20 z2 z4 5 5 40 25 因进给运动齿轮受力不大，模数 m取2。

41、相关参数如下表: 齿 数 32 40 24 40 20 25 分 度圆 d = mz 64 80 48 80 40 50 齿 顶圆 da = d +2m 68 84 52 84 44 54 齿 根圆 df =d -2*1.25m 59 75 43 75 35 45 齿 宽 (610) m 20 20 20 20 20 20 中 心距 A =(a +d2)/2 72 64 45 第三章 C6140 车床进给部分电机的选择 3.1 纵向进给步进电机计算 3.1.1等效传动惯量计算 方法计算如下表示。传动系统折算到电机轴上的总传动惯量 JX (kg?cm2)可有下式计 算： JX =Jm+J1+ (

42、Z1 十 Z2) 2(J2+Js)G g(LO 十 2n )2 式中：Jm步进电机转子转动惯量(kg?cm2) J1, J2齿轮Z1、Z2的转动惯量(kg?cm2) Js滚珠丝杠传动惯量(kg?cm2) 参考同类型机床，初选反应式步进电机 150BF,其转子转动惯量Jm=10(kg?cm2) J1=0.78X 10 3X d14 L仁0.78X 10-3X6.42x2=2.6 kg?cm2 J2=0.78X 10 3X d24 L2=0.78X 10 3X 82X 2=6.39 kg?cm2 Js=0.78X 10 3X 44X 150=29.952 kg?cm2 G=800N 代入上式： J

43、X =Jm+J1+ (Z1-Z2) 2(J2+Js)+G-g(L0-2n )2 =10+2.62+(32-40)2(6.39+29.592)+800- 9.8(06十2n )2 =36.355 kg?cm2 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。 Jm JX =10-36.355=0.275 基本满足惯量匹配的要求。 3.1.2电机力矩计算 机床在不同的工况下，其所需转距不同，下面分别按各阶段计算： 快速空载启动力矩M起 在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下： M 起=Mamax+Mf+Ma Mamax=J X = JX nnaxX 10 2/(60X ta/2 n ) =

44、JX X 2 n nmaxX 10 2/(60X ta) nmax= v max 0 p 360 将前面数据代入，式中各符号意义同前。 nmax= v max 0 p 360=2400X 0.75宁(0.01 x 360)=500r/min 启动加速时间ta=30ms Mamax=J 2 x 2 n nmaxx 10 2/(60 x ta) =36.355X 2nX 500X 10- 2/(60 x 0.03) =634.5N cm 折算到电机轴上的摩擦力距Mf : Mf=FOL0 十 2n n i=f1(Pz+G)X L0 十(2 n n Z2-Z1) =0.16x (5360+800)x

45、0.6-(2 n x 0.8X 1.25)=94 N cm 附加摩擦力距M0 MO=FPOL0(1 n 02)/2 n n i=1 十3x Ftx L0(1 n 02) - (2n n Z2-Z1) =1- 3x 2530 x 0.6x (1 0.92) - ( 2n x 0.8 x 1.25) =805.3x 0.19=15.3N cm 上述三项合计： M 起=Mamax+Mf+Ma=634.5+94+15.3=743.8N cm 快速移动时所需力矩M快。 M 快=Mf+M0=94+15.3=109.3N cm 快速切削负载时所需力矩 M切 M 切=Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL 0

46、十2n n i =94+15.3+1340 x 0.6-(2 n x 0.8x 1.25) =94+15.3+127.96 =237.26N cm 从上面计算可以看出，M起、M快和M切三种工况下，以快速空载起动所需力矩 最大，以此项作为初选步进电机的依据。 从下表查出，当步进电机为三相六拍时 入=Mq十Mjmax=0.951 最大静力矩 Mjmax=743.8 十 0.95仁782N cm 按此最大静力矩从下表查出，150BF002型最大静转矩为13.72N m。大于所需最大静 转矩，可作为初选型号，但还需进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。 3.1.3计算步进电机空载起动频率和切削

47、时的工作频率 从表中查出150BF002型步进电机允许的最高空载起动频率为 2800Hz运行频率为 8000Hz,再从下表中查出130BF001型步进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线如图 2-3, 2-4所示。当步进电机起动时，f起=2500时，M=100N cm,远远不能满足此机床所要求的 空载起动力矩(782N cm)直接使用则会产生失步现象，所以必须采用升降速控制(用软 件实现)，将起动频率降到1000Hz时，起动力矩可增加到588.4N - cm,然后在电路上再 采用高低压驱动电路，还可将步进电机输出力矩扩大一倍左右。 当快速运动和切削进给时，130BF001型步进电机运行矩频特性完

48、全可以满足要求。 1000v max 60 、p 1000 2.4 60 0.01 =4000 Hz 60 、.p = 1000 x0.6 60 0.01 =1000 Hz 3.2 横向进给步进电机计算 321等效传动惯量计算 横向传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 J可由下式计算 J 艺=Jm+J1+( Z1 十 Z2) 2(J2+J3)+Z3 十 Z 巾(J +J E )+G 十 g(LO 十 2n )2 式中各符号意义同前，其中 J1=0.78X 10 3X d14 L仁0.78X 10-3X4.82X2=0.83kg?cm2 J2=0.78X 10 3X d24 L2=0.78X 1

49、0 3X 84X 2=6.4 kg?cm2 J3=0.78X 10 3X d24 L3=0.78X 10 3X44X2=0.4 kg?cm2 J4=0.78X 10 3X d24 L4=0.78X 10 3X 54X 2=0.98 kg?cm2 Js=0.78X 10 3X 24X 45=0.56kg?cm2 G=600n Jm=4.7 (初选反应式步进电机为110BF) 代入上式为： J 艺=Jm+J1+ (Z1-Z2) 2(J2+J3)+Z3 - Z 巾(J +J E )+G g(L0-2n )2 =4.7+0.83+(24- 10)2(6.4+0.4)+(2 0- 25)2(0.98+0

50、.56)+600- 10(0.5- 2 n )2 =8.42kg cm2 考虑到步进电机与传动系统惯量的匹配问题 Jm J 艺=4.7- 8.42=0. 558 基本满足惯量匹配要求 3.2.2电机力矩计算 快速空载起动力矩M M 起=Mamax+Mf+Ma Mamax=J2 = J艺 nnaxX 10 2宁(60X ta*2 n ) =J 艺 X 2 n nmaxX 10-2* (60X ta) 式中： nmax= v max 0 b*S p 360 =1200X 0.75* (0.005 X 360)=500r/min ta=30ms Mamax=J2 X 2 n nmaxX 10-2*

51、(60X ta) =8.42 X 2n X 500 X 10-2* (60 X 0.03) =147N cm 折算到电机轴上的摩擦力矩Mf Mf=FOLO 十 2n n i=f1(Pz+G)X LO 十(2 n n Z2 - Z1) =0.2 X (2680+600)X 0.5 X 0.48 - (2 n X 0.8) =31.3N cm 附加摩擦力矩M0 MO=FPOL0(1 - n 02) - 2nn i=1 十 3X Fx t X L0(1 n 02) - (2 n n Z2 - Z1) =1- 3X 2023X 0.5X 0.48 X (1 0.92) - ( 2 nX 0.8) =6

52、.1N cm 上述三项合计： M 起=Mamax+Mf+Ma=147+31.3+6.1=184.4N cm 快速移动时所需力矩M快。 M 快=Mf+M0=31.3+6.1=37.4N cm 最大切削福载时所需力矩M切 M 切=Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL 0十2n n i =37.4+1072X 0.5X 0.48-(2 n X 0.8) =88.6N cm 由上面计算可以看出，M起、M快和M切三种工况下，以快速空载起动所需力矩最 大，故以此项作为选择步进电机的依据。根据步进电机转矩Mq与最大静转矩Mjmax的关 系可知，当步进电机为三相六拍时： 入=Mq-Mjmax=0.866 最

53、大静力矩 Mjmax=184.4十0.866=213N - cm 查BF反应式步进电机技术参数得，110BF003型步进电机最大静转矩为7.84N m。大 于所需最大静转矩，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。 3.2.3计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 Fk=1000Vmax* 60 5 p =1000X 2.4宁60X 0.01=4000Hz Fe=1000Vs - 60 5 p =1000X 0.6 - 60 X 0.01=1000Hz 由110BF003型步进电机的技术参数可知其最高空载起动频率为 1500Hz，运行频率为 7000Hz。根据

54、110BF003型电机的起动距频特性和运行矩频特性曲线可以看出，当步进电 机起动时F=1500Hz, M=98N cm,小于机床所需的起动力矩(184.4N cm)，直接使用 会产生失步现象，所以必须采用升降速控制(用软件实现)。将起动频率降为1000Hz时， 既可满足要求。当机床快速起动和切削进给时，则完全满足运行矩频要求 第四章液压尾座部分设计 液压尾座研究背景和意义 从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来革命性的变化，近年 来，由于液压技术广泛应用了高技术成果，如自动控制技术、计算机技术、微电子技术、 磨练磨损技术、可靠性技术及新工艺和新材料，使传统技术有了新的发展，也

55、使液压系统 和元件的质量、水平有一定的提高。液压传动技术在数控自动化机床上的应用也越来越广 泛，而且也为机床工业的自动化程度的提高上起到了重要的力量。尽管如此，走向二十一 世纪的液压技术不可能有惊人的技术突破，应当主要靠现有技术的改进和扩展，不断扩大 其应用领域以满足未来的要求。液压传动是以流体作为工作介质对能量进行传动和控制的 一种传动形式。利用有压的液体经由一些机件控制之后来传递运动和动力。相对于电力拖 动和机械传动而言，液压传动具有输出力大，重量轻，惯性小，调速方便以及易于控制等 优点，因而广泛应用于工程机械，建筑机械和机床等设备上。 据统计，世界各主要国家液压工业销售额占机械工业产值的

56、 2%3.5%，而我国 只占1%左右，这充分说明我国液压技术使用率较低，努力扩大其应用领域，将有广 阔的发展前景。液压气动技术具有独特的优点，如:液压技术具有功率重量比大，体积 小，频响高，压力、流量可控性好，可柔性传送动力，易实现直线运动等优点；气动 传动具有节能、无污染、低成本、安全可靠、结构简单等优点，并易与微电子、电气 技术相结合，形成自动控制系统。因此，液压气动技术广泛用于国民经济各部门。但 是近年来，液压气动技术面临与机械传动和电气传动的竞争，如：数控机床、中小型 塑机已采用电控伺服系统取代或部分取代液压传动。其主要原因是液压技术存在渗 漏、维护性差等缺点。为此，必须努力发挥液压气

57、动技术的优点，克服缺点，注意和 电子技术相结合，不断扩大应用领域，同时降低能耗，提高效率，适应环保需求，提 高可靠性，这些都是液压气动技术继续努力的永恒目标，也是液压气动产品参与市场 竞争是否取胜的关键。 今天，为了和最新技术的发展保持同步，液压技术必须不断发展，不断提高和改进元 件和系统的性能，以满足日益变化的市场需求。与世界上主要的工业国家相比，我国的液 压工业还是相当落后的，标准化的工作有待于继续做好，优质化的工作须形成声势，智能 化的工作则刚刚在准备起步，为此必须急起直追，才能迎头赶上。可以预见，为满足国民 经济发展需要，液压技术也将继续获得飞速的发展，它在各个部门中的应用越来越广泛。

58、 在这样一种背景下，我的课题选择为数控卧式车床 C6140液压尾座的设计，用以提高 生产效率，产品质量，降低工人劳动强度及降低企业成本。此外，力求完成课题之余，熟 悉国内外数控技术及液压技术的发展趋势，增强对如何发展民族数控机床产业的感性认识。 1.2 液压系统的发展现状 液压传动相对于机械传动来说， 是一门新兴的技术。 液压技术具有独特的优点， 如 功率重量比大； 可以实现大范围的无级变速；体积小；频响高；压力、流量可控性好；可 柔性传送动力；易实现直线运动等优点；并易与微电子、电气技术相结合，形成自动控制 系统。基于以上一系列优点，液压技术已经广泛应用于机床、工程机械、农业机械和其 它国民

59、经济方面。 以数控机床为代表的数控设备的生产与应用水平反映了一个国家的机械与电子工业 水平。它的推广应用对提高劳动生产率和产品质量，改变我国制造技术落后的状况起着 极为重要的作用。液压技术是实现数字控制与机电液一体的关键技术之一，世界各国对液 压工业的发展都给予很大重视。据统计，世界各主要国家液压工业销售额占机械工业产值 的2%-3.5%而我国只占1%左右，这充分说明我国液压技术使用率较低，努力扩大其应用 领域，将有广阔的发展前景。首先我们看下面的表格可清楚的看出国内国外液压技术发展 的状况。 表 1.1 国内外液压发展方向 国 夕卜 国 内 高集成化、高功率、高密度 咼性能、咼质量、咼可靠性

60、、系统成套 机电一体化集成元件和系统 低能耗、低噪声、低振动、 智能化自动控制元件和系统 集成化、轻小型微型、多样化 水基介质传动与控制技术 机电一体化 1.2.1、液压产品技术发展趋势： 1、减少损耗，充分利用能量 液压技术在将机械能转换成压力能及反转换过程中，总存在能量损耗。为减少能量的 损失，必须解决下面几个问题：减少元件和系统的内部压力损失，以减少功率损失；减少 或消除系统的节流损失，尽量减少非安全需要的溢流量；采用静压技术和新型密封材料， 减少摩擦损失；改善液压系统性能，采用负荷传感系统、二次调节系统和蓄能器回路。 2、泄漏控制 泄漏控制包括：防止液体泄漏到外部造成环境污染和外部环境