普通車床的數(shù)控改造

1、論文普通車床的數(shù)控改造 學(xué)科（專業(yè)）：機械制造及其自動化 畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文) 任 務(wù) 書專業(yè)班級 層次 姓名 學(xué)號 一、畢業(yè)設(shè)計（論文）題目 二、畢業(yè)設(shè)計（論文）工作自 年 月 日起至 年 月 日止三、畢業(yè)設(shè)計（論文）基本要求： 指導(dǎo)教師： 畢業(yè)設(shè)計(論文)考核評議書指導(dǎo)教師評語：建議成績： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日答辯小組意見：負責人簽名 年 月 日答辯小組成員 畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會意見： 負責人簽名： 年 月 日論文題目：普通車床的數(shù)控改造學(xué)科（專業(yè)）：機械制造及其自動化 1 摘要從上世紀70、80年代制造的普通機床被使用的較長時間，到目前為止有很大一部分還在使用，這種車床

2、采用接觸器-繼電器控制具有體積大、功耗大、控制速度慢、改變控制程序困難，由于是觸點控制，在控制復(fù)雜時可靠性降低，已經(jīng)不再適應(yīng)當前加工環(huán)境精確，高效的要求。數(shù)控技術(shù)水平的高低和數(shù)控設(shè)備擁有的多少已成為衡量一個國家工業(yè)現(xiàn)代化的重要標志。數(shù)控機床作為機電一體化的典型產(chǎn)品，在機械制造中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅度提高生產(chǎn)效率。但是，發(fā)展數(shù)控技術(shù)的最大障礙就是添置設(shè)備的初期投資大，這使許多中小型企業(yè)難以承受。如果淘汰大量的普通機床，而去購買昂貴的數(shù)控機床，勢必造成巨大的浪費。因此，普通機床的數(shù)控化改造大有可為。本文

3、通過對CA6140普通車床的數(shù)控改造，使其加工精度明顯提高，定位準確可靠，操作方便，性能價格比高。這種方法對中小企業(yè)設(shè)備的數(shù)控改造有一定的借鑒與推廣作用。本次改造主要針對車床的主軸系統(tǒng)、刀架系統(tǒng)、進給系統(tǒng)、反饋環(huán)節(jié)、電器控制柜及數(shù)控系統(tǒng)進行了改造。關(guān) 鍵 詞：步進電機，普通機床，PLC2 目 錄1 摘要I2 目 錄III3 緒論13.1 研究背景13.2 目的和意義13.3 國內(nèi)外現(xiàn)狀24 前言14.1 名稱及編號14.2 數(shù)控車床設(shè)計題目14.3 數(shù)控機床加工程序編制題目14.4 圖紙部分24.5 說明書部分25 控制系統(tǒng)總體方案的分析論證及控制框架15.1 系統(tǒng)運動方式的確定15.2 伺候

4、系統(tǒng)的選擇15.3 執(zhí)行機構(gòu)傳動方式的確定25.4 計算機的選擇25.5 系統(tǒng)總體方案框架36 機械部分設(shè)計計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計說明56.1 確定系統(tǒng)脈沖當量56.2 切削力計算56.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型66.4 齒輪傳動比的計算126.5 步進電機的計算和選型137 硬件電路部分的設(shè)計197.1 單片微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計內(nèi)容197.2 C6150普通車床微機數(shù)控化改裝設(shè)計電路原理圖208 加工程序的編制228.1 SXX-3型數(shù)控系統(tǒng)的程序編制228.2 加工工藝路線的確定229 結(jié)論和展望2510 致 謝2711 參考文獻29預(yù)覽中看不見即可）：3 緒論3.1 研究背景在上世紀70

5、、80年代制造的普通車床都采用的是接觸器-繼電器控制，由于車床一般都具有較長的使用時間，到目前為止有很大一部分還在使用，該系統(tǒng)具有體積大、功耗大、控制速度慢、改變控制程序困難，由于是觸點控制，在控制復(fù)雜時可靠性降低。在如今的加工環(huán)境中已經(jīng)越來越不適應(yīng)精確，高效率的要求。如果要把那些老式車床廢棄，重新購買新的數(shù)控車床，不僅花費大，而且原有的老式車床也將浪費。在美國、日本和德國等發(fā)達國家，他們的車床改造作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。數(shù)控車床作為機電一體化的典型產(chǎn)品，在機械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的

6、加工質(zhì)量，大幅度地提高生產(chǎn)效率。但從目前企業(yè)面臨的情況看，因數(shù)控車床價格較貴，一次性投資較大使企業(yè)心有余而力不足。我國作為車床大國，對普通車床數(shù)控化改造不失為一種較好的良策1。結(jié)合我國實際國情，經(jīng)濟型數(shù)控車床是我國從普通車床向數(shù)控車床發(fā)展的及其重要的臺階。利用現(xiàn)有的普通車床，對其進行數(shù)控化改造是一條低成本，高效益的途徑。車床數(shù)控化改造研究是提高我國技術(shù)裝備水平的重要項目，在我國目前擁有大量超期服役和技術(shù)陳舊的車床急待更新的情況下，由于數(shù)控車床的加工能力和資金受限，對車床進行數(shù)控化改造是一條節(jié)約資金、快速上馬的有效途徑。數(shù)控車床的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴展性，并迅速向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，成為

7、當前數(shù)控技術(shù)發(fā)展的主要方向。3.2 目的和意義把普通車床改造成數(shù)控車床，主要是對原有車床的結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)造性的設(shè)計，最終使車床達到比較理想的狀態(tài)。數(shù)控車床是機電一體化的典型代表，其機械結(jié)構(gòu)同普通的車床有諸多相似之處。然而，現(xiàn)代的數(shù)控車床不是簡單地將傳統(tǒng)車床配備上數(shù)控系統(tǒng)即可，也不是在傳統(tǒng)車床的基礎(chǔ)上，僅對局部加以改進而成（那些受資金等條件限制，將傳統(tǒng)車床改裝成建議數(shù)控車床的另當別論）。傳統(tǒng)車床存在著一些弱點，如剛性不足、抗振性差、熱變形大、滑動面的摩擦阻力大及傳動元件之間存在間隙等，難以勝任數(shù)控車床對加工精度、表面質(zhì)量、生產(chǎn)率等要求?，F(xiàn)代的數(shù)控技術(shù)，特別是加工中心無論是其支承部仲主傳動系統(tǒng)、進繪傳

8、動系統(tǒng)、刀具系絳、輔助功能等部件結(jié)構(gòu)，還是整體布局、外部造型等都已經(jīng)發(fā)生了很大變化，歷經(jīng)形成了數(shù)控車床的獨特機械結(jié)構(gòu)。因此，我們在對普通車床進行數(shù)控改造的過程中，應(yīng)在考慮各種情況下，使普通車床的各項性能指標盡可能地與數(shù)控車床相接近2。3.3 國內(nèi)外現(xiàn)狀現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，特別是能源部門的需求，使高溫高壓水廣泛應(yīng)用于相關(guān)的領(lǐng)域中，對國民生產(chǎn)和人民生活起著越來越重要的作用，例如：車床作為機械制造業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注，由于計算機技術(shù)的興起，促使車床的控制信息出現(xiàn)了質(zhì)的突破，導(dǎo)致了應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)進行柔性自動化控制的新一代車床數(shù)控車床的誕生和發(fā)展。計算機的出現(xiàn)和應(yīng)用，為人類提供了

9、實現(xiàn)機械加工工藝過程自動化的理想手段。隨著計算機的發(fā)展，數(shù)控車床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，同時使人們對傳統(tǒng)的車床傳動及結(jié)構(gòu)的概念發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變。數(shù)控車床以其優(yōu)異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開創(chuàng)機械產(chǎn)品向機電一體化發(fā)展的先河。數(shù)控車床是以數(shù)字化的信息實現(xiàn)車床控制的機電一體化產(chǎn)品，它把刀具和工件之間的相對位置，車床電機的啟動和停止，主軸變速，工件松開和夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動作等信息用代碼化的數(shù)字記錄在控制介質(zhì)上，然后將數(shù)字信息送入數(shù)控裝置或計算機，經(jīng)過譯碼，運算，發(fā)出各種指令控制車床伺服系統(tǒng)或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工件。國外利用數(shù)字計算機進

10、行控制加工是從40年代開始的。1952年美國麻省理工學(xué)院在一臺立式銑床上裝了一套試驗性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)同時控制三軸的運動它成了世界上第一臺數(shù)控車床。此后，從60年代開始，其他一些工業(yè)國家如德國、日本等陸續(xù)地開發(fā)生產(chǎn)及使用數(shù)控車床。1974年微處理機直接用于數(shù)控車床，進一步促進了數(shù)控車床的普及應(yīng)用和大力發(fā)展。隨著數(shù)控車床的功能越來越完善，可靠性和性能越來越高，它在制造業(yè)中逐漸擔當了越來越重要的角色3。我國數(shù)控車床的研制是從1958年開始的，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，直至80年代后引進了日本、美國、西班牙等國數(shù)控伺服及伺服系統(tǒng)技術(shù)后，我國的數(shù)控技術(shù)才有質(zhì)的飛躍，應(yīng)用面逐漸鋪開，數(shù)控技術(shù)產(chǎn)業(yè)才逐步形

11、成規(guī)模。由于現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，市場需求變的越來越多樣化，多品種、中小批量甚至單件生產(chǎn)占有相當大的比重，普通車床已越來越不能滿足現(xiàn)代加工工藝及提高勞動生產(chǎn)率的要求。如果設(shè)備全部更新替換，不僅資金投入太大，成本太高，而且原有設(shè)備的閑置又將造成極大的浪費。如今科學(xué)技術(shù)發(fā)展很快，特別是微電子程度，又能提高加工精度，所以最經(jīng)濟的辦法就是進行普通車床的數(shù)控改造。這樣既可以提高加工生產(chǎn)率，改善加工工藝，還可以減少資金投入，減輕工人的勞動強度，縮短訂購新的數(shù)控車床的交貨周期時間。實踐已經(jīng)證明普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造具有重大的實際價值，為此，在舊有車床上進行數(shù)控改造有著較好的市場前景。4 前言4.1 名稱及編

12、號將普通車床改造成經(jīng)濟數(shù)控車床，編號為1-3。4.2 數(shù)控車床設(shè)計題目將C6150普通車床改造成用MSC-51系列單片機控制的經(jīng)濟型數(shù)控車床，采用步進電機開環(huán)控制，縱向和橫向均具有直線和圓弧插補功能。系統(tǒng)分辨率縱向：0.01mm，橫向：0.005mm。要求該車床具有自動回轉(zhuǎn)刀架，具有切削螺紋的功能?？刂葡到y(tǒng)CPU采用8031芯片，控制系統(tǒng)中要求包括擴展程序存貯器、擴展數(shù)據(jù)存貯器、I/Q接口芯片，譯碼電路及鍵盤、顯示等外設(shè)4。設(shè)計參數(shù)如下：最大加工直徑： 溜板及刀架重力：在床面上：500mm 縱向：1500N在床鞍上：280mm 橫向：800N最大加工長度：1000mm 最大切削進給速度：刀架快

13、移速度： 縱向：0.6m/min 縱向：2.4m/min 橫向：0.2m/min 橫向：1.2m/min 最小指令數(shù)：定位精度：0.015mm 縱向：0.01mm/脈沖 主電機功率：5.5KW 橫向：0.005mm/脈沖啟動加速時間：25ms 刀具補償量：099.99mm代碼制：ISO 進給傳動鏈間隙補償量：脈沖分配方式：逐點比較法 縱向：0.15mm輸入方式：增值量、絕對值通用 橫向：0.075mm控制坐標數(shù)：2 自動升降速性能：有4.3 數(shù)控機床加工程序編制題目如圖1-1所示零件，毛坯已按零件形狀鑄成鑄件，材料為可鍛鑄鋼，HBS=220260。表面加工余量為4mm。按粗加工、半精加工安排加

14、工工藝路線，編制加工程序單5。圖1-14.4 圖紙部分（1）縱向進給伺服系統(tǒng)機械裝配圖（A0圖紙一張）。（2）MSC-51單片機控制系統(tǒng)電路原理圖（A1圖紙一張）。4.5 說明書部分說明書是綜合作業(yè)整個設(shè)計計算過程的敘述說明，不少于8000字。內(nèi)容如下:1) 控制系統(tǒng)總體方案的分析論證及控制框圖。機械部分設(shè)計計算及結(jié)構(gòu)設(shè)計說明（計算一包括兩個坐標軸的計算）。2) 硬件電路部分設(shè)計說明。3) 加工程序的編制及說明。(用一個月時間完成）4) 方案論證及機械部分計算：1周。5) 設(shè)計繪制機械裝配圖：1周。6) 設(shè)計繪制電路原理圖：1周。7) 編制加工程序及整理說明書：1周。5 控制系統(tǒng)總體方案的分析

15、論證及控制框架機床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應(yīng)包括系統(tǒng)運動方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定、計算機系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。5.1 系統(tǒng)運動方式的確定數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位/直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。如果對于刀具移動過程中不進行切削，可選用點位控方式。對點位控制系統(tǒng)的要求是快速定位，保證定位精度。如果要求工作臺或刀具沿各坐標軸的運動有確定的函數(shù)關(guān)系，即連續(xù)控制系統(tǒng)應(yīng)具備控制刀具以給定速率沿加工路徑運動的功能。具備這種功能的數(shù)控機床可以加工各種外形輪廓復(fù)雜的零件。還有一些采用點位控制的數(shù)控機床，如數(shù)控鏜銑床，不但要求工作臺運動的終點坐標，還要求工作臺沿坐標軸運動過

16、程中切削工件。這種系統(tǒng)叫點位/直線系統(tǒng)。其控制方法與點位系統(tǒng)十分相似，故有時也將這兩種系統(tǒng)稱為點位控制系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計任務(wù)書要求，由于改造后數(shù)控機床應(yīng)具有定位、直線和圓弧插補功能及自動回轉(zhuǎn)刀架、螺紋切削等功能，刀具沿各坐標軸的運動有確定的函數(shù)關(guān)系，要求控制刀具以給定的速率沿加工路徑運動，這就要求必須選用連續(xù)控制系統(tǒng)6。5.2 伺候系統(tǒng)的選擇伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)中，設(shè)有反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號是單方向傳送的。指令發(fā)出后，不再反饋回來，故稱開環(huán)控制。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進電機驅(qū)動。開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、容易掌握、調(diào)試和維修都比較簡單

17、。目前國內(nèi)大力發(fā)展的經(jīng)濟型數(shù)控機床普遍使用開環(huán)伺服系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)具有裝在機床移動部件上的檢測反饋元件來檢測實際位移量，能補償系統(tǒng)的誤差，因而伺服控制精度高。閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電機或交流伺服電機驅(qū)動，閉環(huán)系統(tǒng)造價高，結(jié)構(gòu)和調(diào)試較復(fù)雜，多用于精度要求高的場合。半閉環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)不同，不直接檢測工作臺的位移量，而是用檢測元件測出驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)角，再間接推算出工作臺實際的位移量，也有反饋回路，其性能介于開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)之間。根據(jù)設(shè)計任務(wù)書要求，機床的定位精度為0.015mm，使用開環(huán)控制系統(tǒng)完全可以滿足要求，且結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，考慮到屬于經(jīng)濟數(shù)控機床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)

18、、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)7。 5.3 執(zhí)行機構(gòu)傳動方式的確定為了確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計機械傳動裝置時，通常提出低摩擦、低慣量、高剛度、高諧振以及有適宜阻尼比的要求。在設(shè)計中應(yīng)考慮以下幾點：1) 盡量采用低摩擦的傳動和導(dǎo)向元件。如采用滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導(dǎo)軌、貼塑導(dǎo)軌等。2) 盡量消除傳動間隙。例如采用消除齒輪等。3) 提高系統(tǒng)剛度。縮短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度，減小傳動鏈誤差?？刹捎妙A(yù)緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如采用預(yù)加負載的滾動導(dǎo)軌和滾珠絲杠副等。在本次設(shè)計改造中，為了實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲杠，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性

19、，盡量減小摩擦力，選用了滾珠絲杠螺母副。同時，為了提高傳動剛度和消除間隙，采用預(yù)加負荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)8。5.4 計算機的選擇微機數(shù)控系統(tǒng)由CPU、存貯器擴展電路、I/O接口電路、伺服電機驅(qū)動電路、檢測電路等幾部分組成。微機是數(shù)控系統(tǒng)的核心，其它裝置均是在微機的指揮下進行工作的。系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)中所用微機直接相關(guān)。數(shù)控系統(tǒng)對微機的要求是多方面的，但主要指標是字長和速度。字長不僅影響系統(tǒng)的最大加工尺寸，而且影響加工的精度和運算的精度。字長較長的計算機，價格顯著上升，而字長較短的計算機，要進行雙字長或三字長的運算，就會影響速度。目前一些高檔的CNC系統(tǒng)，已經(jīng)普遍使用32位

20、微機，主頻率由5MHz提高到2030MHz，有的采用多CPU系統(tǒng)，減輕主CPU的負擔，進一步提高控制速度。標準的CNC系統(tǒng)多使用16位微機，經(jīng)濟型CNC系統(tǒng)則普遍采用8位微機?？刹捎肕CS-51系列單片微機或Z-80單板機組成的應(yīng)用系統(tǒng)。由于本次設(shè)計改造中，因經(jīng)濟數(shù)控機床對于精度要求不高、運算精度要求不高的特點，所以采用8位微機。由于MCS-51系列單片機具有集成度高，可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強，具有很好的性能價格比等特點，決定采用MCS-51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)9?？刂葡到y(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口級光電隔離電路、步進電機功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制

21、命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。5.5 系統(tǒng)總體方案框架系統(tǒng)總體方案框圖主要由微機系統(tǒng)、光電隔離系統(tǒng)、功率放大系統(tǒng)、步進電機系統(tǒng)、齒輪傳動系統(tǒng)、滾珠絲杠機械傳動系統(tǒng)組成。具體框圖見圖2-1。根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的要求，決定采用點位控制、用步進電機驅(qū)動的開環(huán)控制系統(tǒng)。這樣可使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，調(diào)試和維修都比較容易。為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，盡量采用低摩擦的傳動和導(dǎo)向元件10。此工作臺采用滾珠絲杠螺母副和滾動導(dǎo)軌。為盡量消除傳動間隙，可設(shè)法調(diào)整傳動齒輪的中心距以消除齒側(cè)間隙。計算機系統(tǒng)仍然采用高性能價格比的MCS-51系列單片機擴展系統(tǒng)。x-y工

22、作臺總體方案框圖如圖2-2。圖2-1 經(jīng)濟型數(shù)控車床總體方案框圖圖2-2 x-y數(shù)控工作臺總體方案框圖6 機械部分設(shè)計計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計說明伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)的負載、確定系統(tǒng)的脈沖當量、運動部件慣量計算，空載起動及切削力矩計算，確定伺服電機，傳動及導(dǎo)向元件的設(shè)計、計算及選用。6.1 確定系統(tǒng)脈沖當量一個進給脈沖，使機床運動部件產(chǎn)生的位移量，稱為脈沖當量，也稱為機床的最小設(shè)定單位。脈沖當量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟型數(shù)控車床、銑床常采用的脈沖當量是0.010.005mm/脈沖，經(jīng)濟型數(shù)控磨床經(jīng)常采用的脈沖當量為0.0020.001mm/脈沖。脈沖當量有時也

23、由設(shè)計任務(wù)書中直接給出。本次設(shè)計中，設(shè)計任務(wù)書已直接給出系統(tǒng)最小指令數(shù)為：橫向0.005mm/脈沖，縱向0.01mm/脈沖。根據(jù)機床精度要求確定脈沖當量，縱向0.01mm/步，橫向0.005mm/步（半徑）。6.2 切削力計算在設(shè)計機床進給伺服系統(tǒng)時，計算傳動和導(dǎo)向元件，選用伺服電機等都需要用到切削力。切削力經(jīng)常包括主切削力Fz、走刀方向的切削力Fx和垂直方向的切削分力Fy。下面分兩種情況進行主切削力的計算：1. 縱車外圓時切削力的計算1) 主切削力Fz的計算2) 主切削力Fz按經(jīng)驗公式計算：Fz=0.67Dmax1.5 =0.67*5001.5 =7491N 3) 走刀方向切削分力Fx和垂直

24、走刀方向切削分力Fy的計算： 按Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4的比例計算Fx和Fy. Fx=0.25Fz=0.25*7491=1873N Fy=0.4Fz=0.4*7491=2996N2. 橫切端面時切削力的計算1) 主切削力Fz的計算主切削力Fz可取縱切的1/2：Fz=1/2*Fz =0.5 *7491=3745.5N 2) 走刀方向切削分力和垂直走刀方向切削分力的計算： 此時走刀抗力為Fy，吃刀抗力為Fx，仍按上述比例Fz：Fy: Fx=1:0.25:0.4計算Fx和Fy. Fy=0.25Fz=0.25*3745.5=936N Fx=0.4Fz=0.4*3745.5=1498N6.

25、3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型滾珠絲杠螺母副的計算和選型包括進給率引力Fm的計算、最大動負載C的計算、最大靜負載C0 的計算、傳動效率的計算、剛度驗算、穩(wěn)定性驗算、滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)的計算、滾珠絲杠螺母副的精度等級選取等。 根據(jù)設(shè)計任務(wù)書要求，滾珠絲杠螺母副的計算和選型應(yīng)包括縱向進給絲杠和橫向進給絲杠的計算和選型兩種。1. 進給率引力Fm的計算作用在滾珠絲杠上的進給率引力主要包括切削時走刀抗力以及移動件重量和切削分力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。因而其數(shù)值大小和導(dǎo)軌型式有關(guān)。1) 縱向進給絲杠進給率引力Fm的計算縱向進給選用綜合型導(dǎo)軌。所以進給率引力Fm計算公式為： Fm=KFx+ f(Fz+G)

26、其中Fx、Fy、Fz為切削分力（N） G為移動件重量（N），更具設(shè)計任務(wù)書要求此值為縱向1500 f為導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，綜合型導(dǎo)軌一般取0.16 K為考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，綜合型導(dǎo)軌一般取1.15。所以Fm=KFx+ f(Fz+G)=1.15*1873+0.16*(7491+1500)=3593 N2) 橫向進給絲杠進給率引力Fm的計算橫向進給選用燕尾型導(dǎo)軌。所以進給率引力Fm計算公式為： Fm=KFy+ f(Fz+2Fx+G)其中Fx、Fy、Fz為切削分力（N） G為移動件重量（N），更具設(shè)計任務(wù)書要求此值為橫向800 f為導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，燕尾型導(dǎo)軌一般取0.2 K為考慮顛覆力矩影響

27、的實驗系數(shù)，燕尾型導(dǎo)軌一般取1.4。所以 Fm=KFy+ f(Fz+2Fx+G)=1.4*936+0.2*(3745.5+2*1498+800)=2818.7 N2. 最大動負載C的計算選用滾珠絲杠副的直徑d0時，必須保證在一定軸向負載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)后，在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負載C，可用下面公式計算：其中L為壽命，以106為一單位fW為運轉(zhuǎn)系數(shù)，一般運轉(zhuǎn)時取1.2 Fm為進給率引力（N）。 壽命L的計算公式為：L=60*n*T/106其中T為使用壽命（h），對于數(shù)控機床一般取15000hn為絲杠轉(zhuǎn)速（r/min）,可用下式計算

28、：n=1000Vs/ L0其中Vs 為最大切削力條件下的進給速度（m/min），可取最高轉(zhuǎn)速的1/2到1/3。 L0 為絲杠導(dǎo)程（mm）。 下面分別對縱向和橫向進給絲杠的最大動負載進行計算：1. 縱向進給絲杠最大動負載的計算及滾珠絲杠螺母副的選型縱向進給絲杠最大動負載的計算首先應(yīng)根據(jù)設(shè)計任務(wù)書提供的數(shù)據(jù)計算出絲杠轉(zhuǎn)速和絲杠壽命，然后才能進行縱向進給絲杠最大動負載的計算。根據(jù)設(shè)計任務(wù)書可知，縱向進給時最大切削力條件下的進給速度Vs為 0.6 m/min，絲杠導(dǎo)程L0為6 mm所以絲杠轉(zhuǎn)速n為：n=1000Vs/ L0 =1000*0.6*0.5/6 =50 r/min壽命L為：L=60*n*T/

29、106 =60*50*1500/106 =45 由前面計算可知進給率引力Fm為3593N所以縱向進給絲杠最大動負載C為：=15336N根據(jù)計算出的最大動負載在綜合作業(yè)指導(dǎo)書附錄中選取滾珠絲杠螺母副，選取的原則是被選取的滾珠絲杠螺母副相應(yīng)的額定動負載應(yīng)大于計算出來的最大動負載。所以從綜合作業(yè)指導(dǎo)書附錄A 表2 WD型外循環(huán)墊片調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副中查出WD4506 1列2.5圈外循環(huán)墊片調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，其額定動負載為17100N，大于計算出的最大動負載15336 N，能滿足要求。根據(jù)綜合作業(yè)指導(dǎo)書表4-15 滾珠絲杠行程公差選為3級。之所以選用墊片式，用調(diào)整墊片厚度的方法使螺母

30、產(chǎn)生軸向位移，是因為考慮到其結(jié)構(gòu)簡單，剛性較好，裝卸方便。2.傳動效率的計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率用下式計算：=tg / tg(+)其中為絲杠螺旋上升角為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)f=0.0030.004時，其摩擦角約等于10。下面分別對縱向和橫向進給絲杠副的傳動效率進行計算：2.1縱向進給絲杠副傳動效率的計算縱向進給絲杠副傳動效率的計算首先應(yīng)根據(jù)前面計算后選出的滾珠絲杠螺母副的型號，在綜合作業(yè)指導(dǎo)書附錄A 表2 WD型外循環(huán)墊片調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副中查到WD4506 1列2.5圈外循環(huán)墊片調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副滾珠絲杠螺旋升角為226。所以縱向進給絲杠副傳動效率為=tg/

31、tg(+)= tg226/ tg(226+10)=0.9362.2橫向進給絲杠副傳動效率的計算橫向進給絲杠副傳動效率的計算首先應(yīng)根據(jù)前面計算后選出的滾珠絲杠螺母副的型號，在綜合作業(yè)指導(dǎo)書附錄A 表2 WD型外循環(huán)墊片調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副中查到WD2505 1列2.5圈外循環(huán)墊片調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副滾珠絲杠螺旋升角為326。所以縱向進給絲杠副傳動效率為=tg/ tg(+)= tg239/ tg(339+10)=0.9563.剛度驗算滾珠絲杠副的軸向變形會影響進給系統(tǒng)的定位精度及運動的平穩(wěn)性，因此應(yīng)考慮以下引起軸向變形的因素：3.1絲杠的拉伸或壓縮變形量1 ，可用下式進行計算1 =（L

32、 /L）*L其中L為支承間距L /L可根據(jù)Fm和在綜合作業(yè)指導(dǎo)書圖4-6 滾珠絲杠軸向拉伸壓縮變形圖中查到。3.2滾珠與螺紋滾道間接觸變形2 ，可用查圖法在綜合作業(yè)指導(dǎo)書圖4-7 W系列2.5圈1列絲杠副滾珠和螺紋滾道的接觸變形圖中查到。3.3支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形3 ，當確定滾珠軸承型號后，可按公式進行計算。下面分別對縱向和橫向滾珠絲杠進行剛度驗算：圖3-1 縱向進給滾珠絲杠支撐方式草圖1.縱向進給時，先畫出此縱向進給滾珠絲杠支撐方式草圖如圖3-1所示。最大牽引力為3593N。支承間距L=1700mm，絲杠螺母及軸承均進行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負荷的1/3，根據(jù)Fm=3593N, D

33、0 =45mm， 由綜合作業(yè)指導(dǎo)書圖4-6 滾珠絲杠軸向拉伸壓縮變形圖中查到L /L=1.4*10-5 ，可算出：1 =（L /L）*L=1.4*10-5 *1700=0.0238mm由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠又進行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍。其實際變形量1 為：1 =1/4*1 =1/4* 0.0238=0.00595 mm滾珠與螺紋滾道間接觸變形2 的計算，可先根據(jù)軸相載荷在綜合作業(yè)指導(dǎo)書圖4-7 W系列2.5圈1列絲杠副滾珠和螺紋滾道的間隙變形圖中查得，滾珠與螺紋滾道間接觸變形量Q 為7m，因進行了預(yù)緊，所以滾珠與螺紋滾道間接觸變形2為：2 =1/2*Q =1/2*7=

34、3.5m =0.0035mm支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形3 的計算，應(yīng)根據(jù)滾珠絲杠外徑選取比滾珠絲杠外徑小5mm左右的推力球軸承，應(yīng)選d1=40mm所對應(yīng)的軸承，由于資料限制，只能采用書上的8107型推力球軸承，滾動體直徑dQ=6.35mm，滾動體數(shù)量z=18，所以=0.0024*=0.0095mm因施加預(yù)緊力，故3=1/2*c=1/2*0.0095=0.00475mm所以，根據(jù)以上計算絲杠的軸向變形為：=1+2+3 =0.00595+0.0035+0.00475=0.0142mm0.015 mm（定位精度）圖3-2 橫向進給滾珠絲杠支撐方式草圖2.橫向進給時，先畫出此橫向進給滾珠絲杠支撐方

35、式草圖如圖3-2所示。最大牽引力為2818.7N。支承間距L=450mm，因絲杠長度較短，不需進行預(yù)緊，螺母及軸承均進行預(yù)緊，根據(jù)Fm=2818.7N, D0 =25mm， 由綜合作業(yè)指導(dǎo)書圖4-6 滾珠絲杠軸向拉伸壓縮變形圖中查到L /L=4*10-5 ，可算出：1 =（L /L）*L=4*10-5 *450=0.018mm滾珠與螺紋滾道間接觸變形2 的計算，可先根據(jù)軸相載荷在綜合作業(yè)指導(dǎo)書圖4-7 W系列2.5圈1列絲杠副滾珠和螺紋滾道的間隙變形圖中查得，滾珠與螺紋滾道間接觸變形量Q 為8.6m，因進行了預(yù)緊，所以滾珠與螺紋滾道間接觸變形2為：2 =1/2*Q =1/2*8.6=4.3m

36、=0.0043mm支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形3 的計算，應(yīng)根據(jù)滾珠絲杠外徑選取比滾珠絲杠外徑小5mm左右的推力球軸承，應(yīng)選d1=40mm所對應(yīng)的軸承，由于資料限制，只能采用書上的8102型推力球軸承，滾動體直徑dQ=4.763mm，滾動體數(shù)量z=12，所以=0.0024*=0.0117mm因施加預(yù)緊力，故3=1/2*c=1/2*0.0117=0.00585mm所以，根據(jù)以上計算絲杠的軸向變形為：=1+2+3 =0.018+0.0043+0.00585=0.02835mm0.015 mm（定位精度）顯然此變形量已大于定位精度的要求，應(yīng)該采用相應(yīng)的措施修改設(shè)計，因橫向溜板空間限制，不宜在加大滾

37、珠絲杠直徑，故采用貼塑導(dǎo)軌減小摩擦力，從而減小最大牽引力。重新計算如下：Fm=KFy+ f(Fz+2Fx+G)=1.4*936+0.04*(3745.5+2*1498+800)=1612.06 N根據(jù)Fm=1612.06N, D0 =25mm， 由綜合作業(yè)指導(dǎo)書圖4-6 滾珠絲杠軸向拉伸壓縮變形圖中查到L /L=2.2*10-5 ，可算出：1 =（L /L）*L=2.2*10-5 *450=0.0099mm2、3 不變，所以，根據(jù)以上計算絲杠的軸向變形為：=1+2+3 =0.0099+0.0043+0.00585=0.012625mm0.015 mm（定位精度）1.穩(wěn)定性校核對已選定尺寸的絲杠

38、在給定的支承條件下，承受最大軸向負載時，應(yīng)驗算其有沒有產(chǎn)生縱向彎曲（失穩(wěn)）的危險。產(chǎn)生失穩(wěn)的臨界負載可用下式計算：FK=fZ2EI/l2其中E為絲杠材料彈性模量，對鋼E=20.6*106 （N/cm2 ）I為截面慣性矩（cm4 ）,絲杠截面慣性矩I=/64*d14 (d1 為絲杠螺紋的底徑) L為絲杠兩端支承距離（cm）fZ 為絲杠的支承方式系數(shù)，由綜合作業(yè)指導(dǎo)書表4-13滾珠絲杠的支承方式系數(shù)中查得，一端固定一端簡支時此值為2.00。臨界負載FK與最大工作負載Fm之比稱為穩(wěn)定安全系數(shù)nk，如果nk=FK /Fmnk 則絲杠不至失穩(wěn)。nk 為許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取nk =2.54。由于縱向

39、進給時，滾珠絲杠兩端采用推力軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不需要作穩(wěn)定性校核。下面主要對橫向進給時的穩(wěn)定性進行校核。I= I=/64*d14=/64*2.17884 =1.106cm4 FK=fZ2EI/l2 =2*2*20.6*106 *1.106/452 =N nk=FK /Fm=222089/2818.7=78.79nk 所以此滾珠絲杠不會產(chǎn)生失穩(wěn)。2. 縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù) 縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù)見表3-1。表3-1 縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù)名稱符號計算公式WD4506WD2505螺紋滾道公稱直徑d04525導(dǎo)程L065接觸角226339鋼球直徑（mm）dq3.9693.1

40、75滾道法面半徑RR=0.52* 2.0641.651偏心距ee=(R- dq/2)sin0.0560.045螺紋升角=arc tg(L0 / *d0 )226339螺桿螺桿外徑dd= d0 (0.20.25) dq 4424.5螺桿內(nèi)徑d1d1 = d0 +2e-2R40.98421.788螺桿接觸直徑dzdz = d0 - dq *cos41.03521.831名稱符號計算公式WD4506WD2505螺母螺母螺紋直徑DD= d0 -2e+2R49.01628.212螺母內(nèi)徑D1D1 = d0 +(0.20.25) dq45.79431.356.4 齒輪傳動比的計算由于步進電機的工作特點是一

41、個脈沖走一步，每一步都有一個加速過程，因而對負載慣量很敏感。為滿足負載慣量盡可能小的要求，同時也為滿足一定的脈沖當量，常采用齒輪降速傳動。當機床脈沖當量滾珠絲杠導(dǎo)程L0確定以后，可以初選步進電機的步距角，用下式計算進給伺服系統(tǒng)的傳動比i其中p 為脈沖當量（mm/步） L0 為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程（mm）b 為步進電機的步距角。計算出傳動比i以后，再根據(jù)降速級數(shù)決定一對或兩對齒輪的齒數(shù)、模數(shù)和各項技術(shù)參數(shù)。因為進給伺服系統(tǒng)的傳動功率不大，一般模數(shù)m取12。然后由i= Z1/Z2（Z1、Z2為可降速齒輪的齒數(shù)）可計算和選取齒數(shù)。下面份縱向進給和橫向進給兩種情況進行計算：4.1縱向進給齒輪箱傳動比計算

42、已確定縱向進給脈沖當量p=0.01，滾珠絲杠導(dǎo)程L0 =6mm，初選步進電機步距角0.75。可計算出傳動比i i=360p/(b L0 )=360*0.01/(0.75*6 )=0.8可選定齒輪齒數(shù)為： i= Z1/Z2=32/40或20/25 Z1 =32，Z2=40 或 Z1 =20，Z2=254.2.橫向進給齒輪箱傳動比計算已確定橫向進給脈沖當量p=0.005，滾珠絲杠導(dǎo)程L0 =5mm，初選步進電機步距角0.75?？捎嬎愠鰝鲃颖萯 i=360p/(b L0 )=360*0.005/(0.75*5 )=0.48考慮到結(jié)構(gòu)上的原因，不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板的有效行程，故此處可

43、采用兩級齒輪降速： i= （Z1/Z2）*（Z3/Z4）=（3/5）*（4/5）=（24/40）*（20/25） Z1 =24，Z2=40 ， Z3 =20，Z4=25因進給運動齒輪受力不大，模數(shù)m取2，有關(guān)參數(shù)參照表3-2。表3-2 傳動齒輪幾何參數(shù) 齒數(shù)324024402025分度圓d=m*z648048804050齒頂圓da=d+2*m688452844454齒根圓df=d-2*1.25*m597543753545齒寬(610)*m202020202020中心距A=(d1+d2)/27264456.5 步進電機的計算和選型選用步進電機時，必須首先根據(jù)機械結(jié)構(gòu)草圖計算機械傳動裝置及負載折算

44、到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量，分別計算各種情況下所需的等效力矩，再根據(jù)步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩和啟動、運行矩頻特性選擇合適的步進電機11。5.1.縱向進給步進電機計算和選型計算簡圖見圖3-1。傳動系統(tǒng)這算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量（Kg.cm2）J可由下式計算：J = JM + J1 +( Z1 / Z2 )2* (J2 + JS ) +G/g*( L0 /2*) 2 其中，JM 為步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量， 參考同類型機床，初選反應(yīng)式步進電機150BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量JM =10Kg.cm2J1 、J2 為齒輪Z1 、Z2的轉(zhuǎn)動慣量（Kg.cm2），J1 =0.78*10-3*d*L1=0.78*10-3* 6

45、.44*2=2.62 Kg.cm2J2=0.78*10-3*d*L1=0.78*10-3* 84*2=6.39 Kg.cm2JS 為滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 （Kg.cm2）JS =0.78*10-3*4.54*170=54.37 Kg.cm2G為溜板及刀架重力，為1500N代如上式： J = JM + J1 +( Z1 / Z2 )2*(J2 + JS ) +G/g*( L0 /2*) 2 =10+2.62+( 32/ 40 )2 * （6.39+54.37）+1500/9.8*（0.6/2*） 2=52.40 Kg.cm2 考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題 JM / J =10/52.40=0.

46、191基本滿足慣量匹配問題。機床在不同的情況下，其所需轉(zhuǎn)據(jù)不同，下面分別按快速空載啟動、快速移動、最大切削負載等個階段進行計算。在快速空載啟動階段，加速力矩占的比例較大，具體計算公式為：M起=Mamax +Mf+M0 nmax =(vmax/p)*(b/360) =2400/0.01*0.75/360=500r/min啟動加速時間 ta =25msMamax = J *(2*nmax*10-2)/(60*ta)=52.40*(2*500*10-2折算到電機軸上的摩擦力矩 Mf 為：Mf =f*( Fz+G)* L0 /(2* Z2 / Z1) =0.16*( 7491+1500)*0.6 /(

47、2*0.8*1.25)=137.37 N.cm 附加摩擦力矩M0為 ： M0 =(1/3*Fm* L0 ) /(2* Z2 / Z1) *(1-02) =(1/3*3593*0.6 ) /(2*0.8*1.25) *(1-0.92)=21.73 N.cm上述三項合計：M起=Mamax +Mf+M0 快速移動時所需力矩M快 為： M快 = Mf+M0 最大切削負載時所需力矩M切為： M切 = Mf+M0 + Mt = Mf+M0 +Fx* L0 / (2* i)= 137.37+21.73+ 1873*0.6 / (2*0.8*1.25)=337.96 N.cm從以上計算可以看出，M起 、M快

48、和M切 三種情況下，以快速空載啟動所需力矩最大，以此項作為初選步進電機的依據(jù)。從綜合作業(yè)指導(dǎo)書表4-24步進電機啟動轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩關(guān)系中查出，當步進電機為五項十拍時=0.951。所以最大靜力矩為Mjmax=1256.56/0.951=1321.3N.cm=13.2 N.m按此最大靜轉(zhuǎn)矩從綜合作業(yè)指導(dǎo)書表4-23國產(chǎn)BF反應(yīng)式步進電機技術(shù)數(shù)據(jù)中查出，150BF003型最大靜轉(zhuǎn)矩為15.68 N.m。大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可以作為初選型號，但必須進一步考核步進電機啟動矩頻特性和運行矩頻特性。計算步進電機空載啟動頻率和切削時的工作頻率：fk =1000*vmax /(60* p) =1000*2.4

49、 /(60* 0.01)=4000Hzfe =1000*vs /(60* p) =1000*0.6 /(60* 0.01)=1000Hz 從綜合作業(yè)指導(dǎo)書表4-23國產(chǎn)BF反應(yīng)式步進電機技術(shù)數(shù)據(jù)中查出，150BF003型步進電機允許的最高空載啟動頻率為2600Hz，運行頻率為8000 Hz，再從綜合作業(yè)指導(dǎo)書圖4-17、4-18中查出150BF003型步進電機啟動頻率特性和運行頻率特性曲線，從曲線可以看出，當步進電機啟動時，f起 = 2500 Hz，M=175N.cm，遠遠不能滿足此機床所要求的空載啟動力矩1256.56 N.cm，直接使用則會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采用升降速控制，將啟動頻率降

50、到1000 Hz時，啟動力矩可增高到700 N.cm，然后在電路上采用高低壓驅(qū)動電路，還可以將步進電機輸出力矩擴大一倍左右，就能滿足要求12。當快速啟動和切削進給時，150BF003型步進電機運行頻率特性完全可以滿足要求。5.2.橫向進給步進電機計算和選型計算簡圖見圖3-2。傳動系統(tǒng)這算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量（Kg.cm2）J可由下式計算：J = JM + J1 +( Z1 / Z2 )2* (J2 + J3 ) +( Z3 / Z4 )2* (J4 + JS )+G/g*( L0 /2*) 2 其中，JM 為步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量， 參考同類型機床，初選反應(yīng)式步進電機90BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量JM2，1 、J2、J3 、J4為齒輪Z1 、Z2 、Z 3 、Z4的轉(zhuǎn)動慣量（Kg.cm2），J1 =0.78*10-3*d*L1=0.78*10-3* 4.84*2=0.828 Kg.cm2