車床的經濟型數控改造設計

車床的經濟型數控改造設計,車床,經濟型,數控,改造,設計 誠信聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻中列出。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。 學位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 畢業(yè)設計任務書 設計題目： 車床的經濟型數控改造設計 系部： 機械工程系 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學號： 125011123 學生： 王凌博 指導教師（含職稱）：郭永生（講師）專業(yè)負責人： 張煥梅 1．設計的主要任務及目標 目前我國有許多的制造行業(yè)和企業(yè)的生產、加工裝備還是傳統(tǒng)的機床，用這種裝備加工出來的產品普遍存在質量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內市場上缺乏競爭力，直接影響到企業(yè)的生存和發(fā)展。企業(yè)要在激烈的市場競爭中獲得生存、得到發(fā)展,它必須在最短的時間內以優(yōu)異的質量、低廉的成本，制造出合乎市場需要的、性能合適的產品，而產品質量的優(yōu)劣，制造周期的快慢，生產成本的高低，又往往受工廠現有加工設備的直接影響。數控機床作為機電一體化的典型產品，在機械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現代機械制造中結構復雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產品的加工質量，大幅度地提高生產效率。但從目前企業(yè)面臨的情況看，因數控機床價格較貴，一次性投資較大使企業(yè)心有余而力不足。在投資少的情況下，使其既能滿足加工的需要，又能提高機床的自動化程度，比較符合我國的國情，對普通機床數控化改造不失為一種較好的良策。 CA6140是傳統(tǒng)的普通車床，自動化程度不高，無法加工復雜型面，工作效率低，機床且使用年限已久，強電控制電路的很多元件都已呈現老化現象，故障率高。機床的導軌以及滑動絲杠、支承軸承等也有不同程度的磨損機床的導軌以及滑動絲杠、支承軸承等也有不同程度的磨損，加工精度已遠遠達不到要求。 因此對CA6140普通車床進行數控化改造，可擴大機床的加工范圍，充分發(fā)揮該機床的加工能力，提高機床的生產效率。此次畢業(yè)設計主要研究的是對CA6140車床的機械部分進行數控改造，以達到提高CA6140車床的加工質量，高效利用現有的資源，減少企業(yè)購買新數控設備的成本。 2．設計的基本要求和內容 CA6140普通車床的數控改造機械部分的改造主要涉及到車床的縱向進給機構的改造、橫向進給機構改造和刀架的改造，本設計要求如下： (1)將普通車床改造成經濟型數控車床 (2)主要完成機械部分改造 (3)繪制機械結構裝配圖 3．主要參考文獻 [1]曾勵主編.機電一體化系統(tǒng)設計[M].北京：高等教育出版社，2004 [2]余英良主編.機床數控改造設計與實例[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998 [3]林奕鴻等編著.機床數控技術及其應用[M].北京：機械工業(yè)出版社, 1994 [4]張新義主編.經濟型數控機床系統(tǒng)設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994 [5]機電一體化技術手冊編委會編.機電一體化技術手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994 [6]鄭堤，唐可洪主編.機電一體化設計基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997 [7]鄒慧君等編著.機械系統(tǒng)概念設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003 4．進度安排 設計（論文）各階段名稱 起 止 日 期 1 查閱搜集相關資料撰寫開題報告 2014.03.29——2014.04.09 2 論證并確定總體方案 2014.04.10——2014.04.17 3 完成對CA6140車床的機械部分改造設計 2014.04.18——2014.05.15 4 學習ATUOCAD并繪制裝配圖 2014.05.16——2014.06.02 5 撰寫設計說明書準備畢業(yè)答辯 2014.06.03——2014.06.18  車床的經濟型數控改造設計 摘要：國內外制造業(yè)的發(fā)展經驗表明，發(fā)展制造業(yè)，數控機床是基礎。數控機床很好地解決了現代機械制造業(yè)結構復雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產品的加工質量，大幅提高生產效率。然而企業(yè)若花大量的資金更換全新的數控機床，則花費過高，給企業(yè)造成的經濟負擔過大，同時報廢大量的普通機床也是一個極大的浪費。因此對機床進行數控化改造不失為一個良策。本設計是針對常見的CA6140車床進行數控化改造以達到經濟型數控機床的要求。主傳動系統(tǒng)部分保留原機床的主軸手動變速；進給傳動系統(tǒng)的縱向與橫向改造都是采用步進電機通過一級齒輪減速后驅動滾珠絲杠；原刀架拆除加裝自動轉位刀架（四工位）實現自動換刀；加裝脈沖發(fā)生器以實現切削螺紋功能；數控系統(tǒng)選擇MCS-51系列單片機組成的控制系統(tǒng)。 關鍵詞：CA6140車床，數控化改造，滾珠絲杠，步進電動機 Lathe transformation of the economic design of NC Abstract：The manufacturing industry experience both at home and abroad shows that the development of manufacturing industry of foundation is numerical control machine tools .CNC machine tool solves the problems of modern machinery manufacturing complex structure,recision and small batch and changeable parts processing. and CNC machine tool can stabilize the quality of their products and greatly improve the production efficiency.However,it is cost that companies spend a lot of money to get new CNC machine tools.it is the economic burden for enterprises and the machine is a common scrapped a great waste.Therefore, transformation of the NC machine tools would be a good policy.This design is for the common reform CA6140 lathe for CNC machine tools to meet the requirements of NC machine.main transmission system retain the original manual transmission.the transmission system reform are based on the stepper motor through gears drive the ball screw.the cutter dismantle cutter with four automatic transfers to change location automatically.installation of the pulse generator to achieve the function of cutting thread.MCS - 51 single-chip control system is selected for Nc system. Key words: CA6140 lathe，NC transformation，ball screws，Stepping Motor I 目 錄 1前 言 1 1.1 經濟型數控改造的實際意義 1 2 經濟型數控改造總體方案的確定 3 2.1 設計任務 3 2.2 總體方案的論證與確定 3 2.2.1 數控系統(tǒng)的選擇 3 2.2.2機械部分的數控化設計改造與選擇 4 3 主傳動系統(tǒng)的設計改造 6 4 主軸編碼器 7 5 機床滑動導軌的改造 8 6 進給傳動系統(tǒng)的數控化改造設計 8 6.1 縱向進給傳動系統(tǒng)的數控化改造設計 9 6.1.1切削力的確定 9 6.1.2滾珠絲杠螺母副的設計計算與選型 10 6.1.3 齒輪減速器的設計 16 6.1.4 步進電動機的計算與選擇 17 6.2 橫向進給系統(tǒng)的數控改造設計 20 6.2.1切削力的確定 20 6.2.2滾珠絲杠副的設計計算和選型 21 6.2.3齒輪減速器的設計 27 6.2.4步進電動機的計算與選擇 28 7 刀架的數控化改造 31 結 論 32 參考文獻 34 致 謝 36 太原工業(yè)學院畢業(yè)設計 1、前 言 數控機床是以數字化的信息實現機床控制的典型機電一體化產品，它是將主運動的變速、起停，進給運動的方向、速度、位移大小，以及諸如刀具的選擇、交換、工件的夾緊、松開和冷卻的起、停等信息數字化，然后將這些數字信息送入數控系統(tǒng)或計算機，由數控系統(tǒng)或計算機發(fā)出各種指令控制機床伺服系統(tǒng)或其他的執(zhí)行元件以完成加工任務。數控機床是多學科、新技術的合成體，是自動化程度很高的機床。數控機床與普通機床相比較有很多特點： 1.加工質量穩(wěn)定，數控加工的切削量、進給速度、主軸轉速、使用刀具等加工所需條件、參數都可以根據工藝要求，預先編程予以規(guī)定，加工過程中避免了人為的干擾，大大提高了同一批產零件的一致性；2.適應性強，能加工形狀復雜的零件；3.生產效率高；4.減輕勞動者的勞動強度，減少操作失誤，降低廢品、次品；5.提高生產管理水平；6.有利于產品生產的自動化。因此數控機床以其適應性強、加工質量穩(wěn)定、效率高、精度高的特點產品生產中得到了廣泛的應用。 本次設計通過對CA6140普通車床的數控化改造，提高了原機床的加工精度和擴大了機床的適用范圍，使生產效率得到了很大的提高。該論文主要介紹了普通臥式車床機械部分的數控改造化，闡述了CA6140車床橫、縱向進給系統(tǒng)的數控化改造設計。 1.1 經濟型數控改造的實際意義 隨著人民生活水平的不斷提高，物質生活和精神生活不斷豐富，經濟發(fā)展日益加快，市場的變化就會愈來愈大，產品的品種愈來愈多，且產品更新換代的周期愈來愈短。這時，多品種單件小批生產的特點顯得愈來愈突出。這就要求企業(yè)要很好適應多品種單件生產的特點，因此企業(yè)淘汰舊機床和裝備數控機床是適應這種要求必經途徑。企業(yè)獲得數控機床有兩種途徑：一是對現有機床進行技術改造，把傳統(tǒng)式的機床改造成數控機床；二是購置全新的數控機床。當前我國的企業(yè)大多數為中小型的民營企業(yè)，購置全新的數控機床關于投資資金的利潤率、對企業(yè)流動資金的影響、企業(yè)資金的籌措能力、投資的風險及資本的回收、技術上的可行性這幾個方面是企業(yè)不得不考慮的問題。綜合以上各個方面的因數，企業(yè)選擇對現有舊機床進行數控化改造是一個最好的選擇，其優(yōu)點體現在以下方面：1.減少投資額、交貨期短，具有顯著的經濟效益。通過對機床局部的改造，相較于購買全新的數控機床，一般能節(jié)省60%左右的資金，對于大型、特殊機床效果尤為明顯。此外還具有針對性強、適應性廣、投入少、見效快的特點，但有些情況特殊，如高速主軸、刀具自動交換裝置、托盤自動交換裝置的制作與安裝往往會使改造成本提高2 ~ 3倍，與購置新機床相比，只能節(jié)省投資50%左右。2.企業(yè)熟悉設備，便于操作維修。購買全新的數控機床，企業(yè)勞動者不熟悉設備，需要經過專門培訓才能熟練操作和維修機床，耗費時間。而通過對現有舊機床的數控化改造，是企業(yè)針對自身現有的機床提出的對機床性能、操作與維修的改進，企業(yè)技術人員與操作者參與了改造過程，熟悉改造后的機床性能和操作維修特點，因此在操作維修培訓上花費時間短，見效快。機床一經改造安裝好后，就能實現滿負荷運轉。3.機床力學性能穩(wěn)定。普通機床與數控機床相比，形狀復雜的、噸位重的基礎零件，如底座、工作臺、床身、立柱、頂梁和滑枕等都是必不可少的。用舊機床進行改造，重負使用這些基礎零件，必然縮短了制造周期并降低生產成本。再加上企業(yè)原有舊機床役齡長，相應的這些基礎件的自然時效也長，內應力的消除使得機床主要基礎零件的精度穩(wěn)定性好。 綜上所述，企業(yè)尤其我國的民營制造業(yè)企業(yè)，通過對現有舊機床的數控化改造是達到擁有數控機床，提高企業(yè)的生產率，適應現在小批量多品種生產格局是一個很好的途徑。 2 經濟型數控改造總體方案的確定 2.1 設計任務 本次畢業(yè)設計任務是對CA6140普通車床進行數控化改造，主要對CA6140普通車床的機械部分進行數控化改造。利用微機對橫、縱向進給系統(tǒng)進行開環(huán)控制，縱向脈沖當量為0.01mm/脈沖，橫向脈沖當量為0.005mm/脈沖，驅動元件為步進電機，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠螺旋副，刀架采用自動轉位刀架。 2.2 總體方案的論證與確定 CA6140型普通車床為臥式車床，主要加工軸類和直徑不太大的盤、套類零件，主軸水平安裝，刀具在水平面內做縱、橫向進給運動，其通用性較大，但結構較復雜且自動化程度低，加工過程中的輔助時間較多，適用于單件、小批生產及修理車間等。本設計對CA6140車床的數控化改造是經濟型數控改造，因此在對CA6140車床進行改造時盡可能地減少改動，以節(jié)約改造成本。 2.2.1 數控系統(tǒng)的選擇 數控系統(tǒng)是數控機床的關鍵功能部件，更具不同分類特點有不同分類方法，下面就其中兩種分類特點選擇數控系統(tǒng)。 （1）按被控制對象運動軌跡可以分為：點位控制系統(tǒng)、直線控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。①點位控制系統(tǒng)，控制機床運動部件的精確位置，保證點與點之間準確位置，此類控制系統(tǒng)主要用于數控鉆床、鏜床、沖床、測量機及某些加工中心。②直線控制系統(tǒng)，控制運動部件除了點與點之間準確位置外，還要保證其移動軌跡為一條直線，而且對位移速度也必須進行控制，此類控制系統(tǒng)用于簡單的數控車床、鏜銑床及加工中心。③連續(xù)控制系統(tǒng)又稱為輪廓控制系統(tǒng)，采用該控制系統(tǒng)的機床能加工曲面、凸輪、錐度等復雜形狀的零件，多用于銑床、能加工曲面的車床、繪圖機。因為CA6140普通車床主要用于對中小型軸類、盤類及螺紋零件的加工，所以在本次設計中選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。 （2）按伺服系統(tǒng)的類型分類可以分為：閉環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)、開環(huán)控制系統(tǒng)。①閉環(huán)控制系統(tǒng)，其控制信號是數控裝置送來的指令與機床移動部件實際位置反饋信號進行比較所得的差值，此差值經轉換、放大，通過控制坐標軸運動，進行誤差修正，直至誤差消除。此系統(tǒng)精密加工中心、鏜銑床、超精密車床、超精密磨床等。②半閉環(huán)控制系統(tǒng)，其檢測元件安裝在電動機或絲杠的軸端，對工作臺的實際位置不進行檢測，由于絲杠、螺母到工作臺不在控制環(huán)類，比較容易獲得穩(wěn)定的控制特性。半閉環(huán)控制系統(tǒng)介于開環(huán)與閉環(huán)之間，精度雖沒有閉環(huán)高，調試卻比閉環(huán)方便，因此廣泛用于各類連續(xù)控制的數控系統(tǒng)中。③開環(huán)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)對執(zhí)行機構實際動作情況是不進行檢查的，沒有被控制對象的反饋值。指令發(fā)出后不再反饋回來。該控制系統(tǒng)的精度完全取決于步進電動機的步距精度以及齒輪、絲杠的傳動精度，因此，對傳動元件的制造精度和裝配質量要求較高。開環(huán)控制系統(tǒng)機構簡單，技術簡單、造價低，維護容易，因此在數控機床發(fā)展過程中占有重要的地位，特別是舊機床改造中所占地位更為突出。由于本設計對CA6140普通車床的改造是經濟型改造，因此采用步進電動機開環(huán)控制系統(tǒng)。 由上述所選擇的數控系統(tǒng)特點可以采用8位微機，因為MCS-15系列單片機具有集成度高、可靠性好、功能強、抗干擾能力強、運行速度快、高性價比的優(yōu)點，所以采用MCS-15系列的8031單片機擴展系統(tǒng)。該系統(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、步進電動機功率放大電路、I/O接口及光電隔離電路等組成。系統(tǒng)的加工程序與控制命令通過鍵盤操作實現，顯示器采用兩排數碼管顯示加工數據及機床狀態(tài)等信息。 2.2.2機械部分的數控化設計改造與選擇 （1）進給傳動系統(tǒng)的數控化改造 由于前面在數控系統(tǒng)選擇中選擇了連續(xù)控制、開環(huán)控制系統(tǒng)，因此對CA6140的進給傳動系統(tǒng)改造采用步進電動機經過一級減速器驅動滾珠絲杠副最后帶動工作臺加工零件。在改造中需要拆除原有的掛輪、進給箱、溜板箱、光杠，在原縱、橫向絲杠處安裝滾珠絲杠。 （2）主傳動系統(tǒng)、刀架以及導軌的數控化改造 本設計為經濟型數控改造，主傳動系統(tǒng)改造中保留原有的傳動系統(tǒng)和變速機構，可以節(jié)約成本、減少改造量。拆除原有刀架換裝電動刀架以實現自動換刀功能，降低輔助時間，提高生產效率。通過對原車床導軌貼聚四氟乙烯軟帶可以大大減少摩擦阻力，提高了防爬行、耐磨、消振吸聲的能力。 由以上數控系統(tǒng)的選擇和機械部分的數控化設計改造與選擇，可以確定本次對CA6140型普通車床改造成經濟型數控車床的總體結構，其總體結構圖如圖2.1 圖2.1 CA6140數控化改造成經濟型數控車床的總體結構圖 3 主傳動系統(tǒng)的設計改造 機床主傳動的作用是把電動機的轉速和轉矩通過變速箱傳遞給主軸，使工件或刀具以各種不同的速度，其CA6140的主傳動鏈見傳動圖如4.1。主傳動性能的好壞，直接影響零件的加工質量和生產效率。數控車床的主傳動系統(tǒng)廣泛采用交直流主軸電動機，這就是的主傳動的功率和調速范圍較普通機床大為增加。同時為了進一步滿足對主傳動調速和扭矩輸出的要求，在數控機床上常采用機電相結合的方法，即同時采用電動機調速和機械齒輪變速這兩種方法。盡管如此，數控機床的主傳動變速機構仍較以往的普通機床有了極大的簡化，主軸箱內各種零件如軸、齒輪、軸承等的數量都大大減少，這使得可能出現機械故障的部位也大為的減少。 CA6140車床為中小型車床，因本身價格較低，若對其進行數控化改造采用交直流主軸電動機，會使改造費用過高、改造周期過長而降低機床進行數控化改造的經濟價值。因此在對CA6140車床進行數控改造時，應保留原有的主傳動系統(tǒng)和變速機構，這樣既保留了機床原有的功能，又降低了改造的工作量。 圖3.1 CA6140傳動圖 4 主軸編碼器 主軸編碼器常用于數控車床加工螺紋或絲杠中。它與主軸相連時，主軸每轉中發(fā)出固定數目的脈沖，數控裝置將這些脈沖按傳動要求加以分頻和倍頻后分配給步進電機，由此可以得到所要求的主軸每轉的走刀量。若這個走刀量等于所要加工的螺紋導程，則可以進行螺紋加工。在對CA6140進行數控改造時，保留原有主傳動系統(tǒng)，而用主軸編碼器隨之轉動作為反饋元件，構成一個簡單的閉環(huán)系統(tǒng)，用于螺紋或絲杠的加工。主軸編碼器根據編碼方式的不同，可以分為增量光電式和絕對光電式，目前國內常用的為增量式主軸編碼器。根據主軸編碼器光電碼盤上的刻線條數分為1024線、2048線等，在本次設計改造中選擇1024線就足夠了。 主軸編碼器的安裝通常采用兩種方式：一是同軸安裝；二是異軸安裝。同軸安裝的結構簡單，聯接方便。但缺點是安裝后不能加工主軸孔的零件。而異軸安裝則沒有這個缺陷。目前經濟型數控系統(tǒng)改造臥式車床，多采用同軸安裝，橡膠管柔性聯接，可以達到在實現角位移信號傳遞的同時，又能吸收車床主軸的部分振動，從而使主軸編碼器轉動平穩(wěn)，傳遞信號準確。主軸編碼器的安裝見圖5.1 圖4.1 主軸編碼器的安裝 5 機床滑動導軌的改造 導軌在機床中的功能是導向和承載。對于數控機床，導軌除應具有普通車床導向精度和工藝性外，還要有良好的耐磨損特性，并減少因摩擦阻力而致死區(qū)。同事要有足夠的剛度，以減少導軌變形對加工精度的影響，要有合理的導軌防護和潤滑。 迄今大多數普通車床導軌為滑動導軌，其材料為鑄鐵。此類材料若不采取措施，在使用過程中會出現摩擦系數大，自潤滑性與耐摩擦性差，且導軌易于磨損、研傷、不易修理等缺陷。在對CA6140車床進行數控化改造中采用在機床滑板導軌上貼聚四氟乙烯軟帶具有以下優(yōu)點：部件運行平穩(wěn)，無爬行，定位精度高；沒有振動，可提高工件表面質量和延長刀具的壽命，減少噪音；磨損小，且嵌入性好，與其配合的金屬導軌不會拉傷，提高機床精度保持性和延長機床維修周期；摩擦系數小，與純金屬導軌相比，可減少驅動功率，節(jié)約能源；有自潤滑性，當機械潤滑系統(tǒng)出現故障時導軌不會拉傷；當負載和溫度變化時，不需要補償。 6 進給傳動系統(tǒng)的數控化改造設計 在本次設計中，對CA6140型普通車床數控化改造主要集中在其進給傳動系統(tǒng)上。CA6140普通車床的進給傳動系統(tǒng)改造無論是針對縱向還是橫向均是將步進電動機力矩經一級齒輪減速器傳遞到滾珠絲杠上，然后又滾珠絲杠帶動工作臺運動。 CA6140機床原技術參數如下： 工件最大回轉直徑：在床面上 400mm 在床鞍上 210mm 工件長度： 100mm 主軸孔徑： 48mm 主軸前端孔錐度： 莫氏6號 主軸轉速： 正轉（24級）10~1400r/min 反轉（12級）14~1580r/min 加工螺紋范圍： 公制（44種） 1~192mm 英制（20種）2~24牙/英寸 模數（39種） 0.25~48mm 徑節(jié)（37種）1~96徑節(jié) 進給量范圍： 縱向： 細化0.028~0.054mm/r 正常0.08~1.59 mm/r 加大1.71~6.33mm/r 橫向： 細化0.014~0.027mm/r 正常0.04~0.79 mm/r 加大0.89~3.16mm/r 刀架快速移動速度： 縱向 4m/min 橫向 2 m/min 主電機： 功率 7.5kw 轉速 1450r/min 快速電機： 功率 370w 轉速 2600r/min L冷卻泵： 功率 90w 流量 25l/min CA6140機床設計參數如下： 最大加工直徑： 在床面上 400mm 在床鞍上 210mm 最大加工長度： 1000mm 快進速度： 縱向 2.4m/s 橫向 1.2m/s 最大進給速度： 縱向 0.6m/s 橫向 0.3m/s 溜板及刀架重力： 縱向1000 N 橫向 600 N 主軸電動機功率： 7.5kw 啟動加速時間： 30ms 控制坐標軸數： 2 最小脈沖當量： 縱向0.01mm/脈沖 橫向 0.005mm/脈沖 進給傳動鏈間隙補償量： 0.015 mm 6.1縱向進給傳動系統(tǒng)的數控化改造設計 6.1.1切削力的確定 主切削力（N）用經驗公式估算，縱車外圓時車床的主切削力 =0.67 (式6.10） 式中 ——車床床身上加工最大直徑（mm） 此處=400mm 則=0.67×=5360N 由《機床設計手冊》可知，在外圓車削時 =(0.1～0.6) =(0.15～0.7) （式6.11） 取其比例：：=1：0.25：0.4 則=0.25×5360N=1340N =0.4×5360N=2630N 6.1.2滾珠絲杠螺母副的設計計算與選型 ⑴滾珠絲杠螺母副結構的選型 ① 螺旋滾道型面的選擇 螺旋滾道型面的形狀：單圓弧型面、雙圓弧型面 選擇方案：雙圓弧型面 選擇原因：單圓弧型面接觸角α隨負載的大小而變化，因而軸承剛度和承載能力也隨之變化。而雙圓弧型面有較高接觸剛度，軸向間隙和徑向間隙理論上為零，接觸角穩(wěn)定，其交接處有一小空隙可容納一些臟物，對滾珠滾動有利。 ② 滾珠絲杠副的鋼球的循環(huán)方式選擇 鋼球的循環(huán)方式：螺旋槽式外循環(huán)、插管式外循環(huán)、鑲塊式內循環(huán) 選擇方案：插管式外循環(huán) 選擇原因：插管式外循環(huán)結構簡單，工藝性好，彎管可制成鋼球流暢性好的通道，經濟性好，應用范圍廣泛 ③ 滾珠絲杠副軸向間隙的調整和預緊方法選擇 消除螺紋間隙和調整預緊方法：雙螺母墊片調整式、雙螺母螺紋調整式、雙螺母齒差調整式 選擇方案：雙螺母墊片調整式 選擇原因：裝卸方便，結構簡單，剛性好 ⑵ 計算進給牽引力（最大工作載荷）（N） 由《機床設計手冊》中進給牽引力的試驗公式計算，縱向導軌為三角形導軌 = k ＋f（＋G） （式6.12） 式中 ——縱向切削分力 k——顛覆力矩影響實驗的系數 f——滑動導軌摩擦因數 G——溜板及刀架重力 則 =1.15×1340＋0.16×（5360＋1000）N = 2558.6 N ⑶ 計算最大動載荷C(N) C= （式6.13） 其中 ——工作壽命 以r為1單位= （式6.14） ——絲杠轉速（r/min） = （式6.15） ——最大切削力條件下的進給速度（m/min），可取最高進給速度的1/2～1/3，取=0.6/2 m/min=0.3 m/min ——絲杠導程（mm） ——運轉系數 按一般運轉=1.2～1.5 取=1.3 ——硬度系數 查表取=1.35 ——使用壽命（h） 一般機床可取=10000h 數控機床可取T=15000h 考慮到絲杠對加工精度和經濟性的影響應優(yōu)先取4、6、8mm系列 ① 選擇基本導程=4mm 則 絲杠轉速 ==r/min=75 r/min 工作壽命 ===67.5 最大動載荷 ==×1.3×1.35×2258.6 N=18283 N ② 選擇基本導程=6mm 則 絲杠轉速 ==r/min=50 r/min 工作壽命 ===45 最大動載荷 ==×1.3×1.35×2258.6 N=15972 N ③ 選擇基本導程=8mm 則 絲杠轉速 ==r/min=37.5 r/min 工作壽命 ===33.75 最大動載荷 ==×1.3×1.35×2258.6 N=14512 N ⑷選擇滾珠絲杠螺母副 由前述選擇的滾珠絲杠螺母副的結構形式：外循環(huán)、雙圓弧型面、雙螺母墊片調整式。查《機械傳動裝置設計手冊》表10—22，并根據<的原則即所選取的滾珠絲杠的額定動載荷大于計算的最大工作載荷。 當=4mm =18283 N 表中額定動載荷顯示<，故基本導程=4mm的滾珠絲杠不符合要求 當=6mm =15972 N 符合使用要求 當=4mm =14512 N 符合使用要求 現取基本導程=6mm查《機械傳動裝置設計手冊》表10—22可得滾珠絲杠副型號CDW4006—5，CDW4006—5型滾珠絲杠：外循環(huán)插管式，雙螺母墊片預緊，導珠埋入式滾珠絲杠副。公稱直徑為40mm，基本導程為6 mm，負載鋼球圈數為5圈，定位滾珠絲杠副，精度等級為3級，螺旋旋向為右旋。滾珠絲杠副CDW4006—5型具體參數如下： 表6.1 滾珠絲杠副CDW4006—5型具體參數 公稱直徑（mm） 導程 （mm） 鋼球直徑 （mm） 絲杠外徑 （mm） 螺紋底徑（mm） 循環(huán)列數×圈數 額定動載荷 / N 額定靜載荷 / N 接觸剛度R N/ 40 6 3.969 39.5 35.9 2.5×2 28441 95970 2191 螺母安裝尺寸（mm） C 71 110 90 15 9 15 9 138 54 7 3 M6 ⑸滾珠絲杠副的驗算 ① 傳動效率計算 （式6.16） 式中 ——絲杠螺旋升角（）， （式6.17） ——絲杠基本導程（mm） ——絲杠公稱直徑（mm） ——摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數 f = 0.003～0.004 其摩擦角約等于 則= =0.966>0.9 滿足傳動要求 ② 滾珠絲杠副剛度驗算 滾珠絲杠副剛度的驗算即為檢驗絲杠的總拉伸或總壓縮變形量（mm），滾珠與螺紋滾道間接觸變形量（mm），滾珠絲杠軸承與軸向接觸變形量，滾珠絲杠的扭轉變形引起的導程的變形量（mm）和螺母座及軸承支座的變形量（mm）之和是否小于機床精度的要求。又滾珠絲杠的扭轉變形引起的導程變形量和螺母座及軸承支座的變形量極小，在其所占比重較小，可忽略不計。 一、絲杠上的總拉伸或總壓縮變形量 （式6.18） 式中 ——在工作負載作用下引起每一導程的變化量（mm）， ——進給牽引力即最大工作載荷（N） ——滾珠絲杠的導程（mm） ——材料彈性模數，對于鋼=20.6× N/ ——滾珠絲杠的截面積（）， （式6.19） ——滾珠絲杠的截面半徑（mm）， （式6.20） ——滾珠絲杠的公稱直徑（mm） ——偏心距（mm） （式6.21） ——接觸角（），= 45 ——螺紋滾道的半徑（mm），=0.51～0.56，取= 0.52 ——滾珠直徑（mm） ——滾珠絲杠在支承間的受力長度（mm），=1600 mm 則 = 0.52=0.52×3.969 mm =2.064 mm =（2.064－3.969/2）sin45mm=0.0562mm =40＋2×0.0562－2×2.064 mm =35.984 mm ==1016.456 = mm=0.0000733 mm 滾之絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量為 = mm=0.0195 mm 若兩端采用角接觸球軸承，且絲杠又進行了預緊，預緊力為最大工作載荷的1/3時，其拉伸剛度可比一端固定的絲杠提高4 倍，即實際變形量為= mm =0.00488 mm 二、滾珠與螺紋滾道間接觸變形量 查《機械傳動裝置設計手冊》可知，當/=0.52，有預緊時 （式6.22） 式中 ——軸向工作載荷（N），==255.86 N （式6.23） ——預緊力（N），==×255.86=85.29 N （式6.24） ——工作螺母的鋼球數，=×圈數×列數 （式6.25） ——一圈螺紋內的鋼球數，==31.645，取=32 ——載荷分布不均系數，與制造精度有關，通常=1.2～1.3，取=1.3 ——絲杠公稱直徑（mm） 則=32×2.5×2=160 =0.000089 當滾珠絲杠有預緊力，且預緊力為軸向工作載荷的1/3時，值可減半，即=0.0000445 三、滾珠絲杠軸承與軸向接觸變形量 不同類型的軸承的接觸變形量可用不同的公式計算 推力球軸承： （式6.26） 式中 ——軸承所受軸向載荷（N） ——軸承的滾動體數目 ——軸承的滾動體直徑（mm） 查《機械設計課程設計手冊》表6—8，軸承型號可選51206（原8206） =15972 N <28000 N，其內徑d=30 mm，外徑D=52 mm，寬T=16mm，=T/2=8mm ==14 = mm=0.0083 mm 滾珠絲杠副剛度的驗算主要驗算、、之和不應大于機床精度要求允許變形量的一半，因此只要＋＋機床精度要求，即=＋＋=0.00488＋0.0000445＋0.0083 mm =0.013225 mm <0.15 mm，則符合要求。 ③ 滾珠絲杠副穩(wěn)定校核 對于絲杠在給定的支撐條件下承受最大軸向載荷時，應驗算起有沒有產生縱向彎曲（失穩(wěn)）的危險，其產生失穩(wěn)的臨界負載（N） （式6.27） 式中 ——材料彈性模數，對鋼（N/） ——截面慣性矩（），==82260 ——滾珠絲杠兩端的支承距離（mm），=1600 mm ——絲杠支承方式系數，查絲杠支承方式系數表，因絲杠一端固定，一端浮動取絲杠支承方式系數=2 則=N=130530N 如果穩(wěn)定性安全系數[]，則絲杠不失穩(wěn)。[]——許用穩(wěn)定性安全系數，一般取[]=2.5～4 >[] 固絲杠不失穩(wěn) （式6.28） 6.1.3 齒輪減速器的設計 ⑴ 確定齒輪傳動比 （式6.29） 式中 ——步進電動機步距角（），初選=0.75 ——絲杠導程（mm），=6 mm ——縱向進給脈沖當量（mm/脈沖），=0.01 mm/脈沖 則 因i=0.8<5，故采用一級傳動。 （式6.30） ⑵確定齒輪參數 可選齒輪齒數為，齒輪材料采用40，調質處理，精度等級取7級，前后軸承選用8024型流動軸承，齒輪傳動時效率為，由于進給運動齒輪受力不大，且根據優(yōu)先選用第一系列的原則，取模數m=2mm，則 =20，=32，=40，由《機械設計》表10—7可知=0.4，故齒寬= ， mm 齒輪幾何尺寸如下： 齒輪1分度圓直徑：=m=32×2 mm =68 mm 齒輪2分度圓直徑：=m=40×2 mm =80 mm 中心距：a= mm=72 mm 齒寬：==0.4×64 mm =26 mm mm =26＋6 mm =32 mm 6.1.4 步進電動機的計算與選擇 ⑴ 負載轉矩（N·m）及最大靜轉矩（N·m）的計算 由能量守恒原理，電動機負載轉矩可由下式估算 （式6.31） 式中，——進給牽引力（N） ——滾珠絲杠導程（mm） ——滾珠絲杠傳動效率 ——齒輪減速器的傳動效率 ——齒輪減速器的傳動比 則= N ·mm =3227.8 N ·mm=3.228 N ·m 若不考察起動是運動部件慣性的影響，則起動轉矩為 取安全系數為0.3，= N ·m=10.76 N ·m 查《如何正確選用電動機》表6—10,150BF002型和150BF003型步進電動機的最大靜轉矩滿足計算要求，又該兩型步進電動機分配方式為五拍十相，因此步進電動機的起動轉矩和最大靜轉矩的關系=0.951，則 = N ·m=11.32 N ·m （式6.32） 因此可初選150BF002型步進電動機，其最大靜轉矩為13.72 N ·m，可以滿足要求，其兩型步進電動機具體參數如下表： 表6.2 兩型步進電動機具體參數 型號 相數 步距角 /() 電壓 /V 相電流 /A 最大靜轉矩/ N ·m 空載起動頻率/(脈沖/s) 空載運行頻率/(脈沖/s) 150BF002 5 0.75/1.5 80/12 13 13.72 2800 8000 150BF003 5 0.75/1.5 80/12 13 15.68 2600 8000 型號 繞組電阻 /() 分配方式 外形尺寸/ mm 重量 kg 外徑 長度 軸徑 150BF002 0.121 五相十拍 150 155 18 14 150BF003 0.127 五相十拍 150 178 18 16.5 ⑵等效轉動慣量計算 傳動系統(tǒng)折算到電動機軸上總的轉動慣量可按下式估算 （式6.33） 式中 ——步進電動機轉子轉動慣量（kg·） 、——齒輪的轉動慣量（kg·） ——滾珠絲杠轉動慣量（kg·） ——溜板及刀架重力（kg） 電機轉子、齒輪、滾珠絲杠均可視為圓柱形零件，對于材料為鋼的圓柱形零件，其轉動慣量可按下式估算： 式中 ——圓柱形零件的直徑（cm） ——零件軸向長度（cm） 則 kg·=4.188 kg· kg·=8.307 kg· kg·=31.949kg· 由于初選反應式步進電動為150BF型，可知其轉子轉動慣量為=10 kg·，則傳動系統(tǒng)折算到電動機軸上的總的轉動慣量為 kg·=40.548 kg· ⑶不同工況下的轉矩計算 機床在不同的工況下，所需轉矩不同，下面分別按各階段計算 ①快速空載起動力矩( N ·m) （式6.34） 式中 ——快速空載啟動時所需的轉矩( N ·m) ——克服摩擦所需的轉矩( N ·m) ——絲杠預緊所引起的折算到電動機軸上的附加轉矩( N ·m) 有動力學可知：，其中，t為加速時間常數，t=30ms=0.03s = r/min=320 r/min N ·m <4.530 N ·m 根據能量守恒原理，則 ==0.202 N ·m （式6.35） ，式中為預加載荷，一般為最大軸向載荷的1/3，即，則 N ·m=1.076 N ·m （式6.36） 則=4.530＋0.202＋1.076 N ·m=5.808 N ·m ②快速移動時所需力矩（ N ·m） =0.202＋1.076 N ·m=1.278 N ·m ③最大切削負載所需力矩（ N ·m） （式6.37） N ·m=2.935 N ·m ④步進電動機的最高工作頻率（HZ） =4000 HZ 由以上計算可以看出，在三種不同工況下，快速空載起動所需力矩最大，因此以該項校核初選步進電動機的依據，又因該型步進電動機分配方式為五相十拍，則有起動轉矩和最大靜轉矩的關系=0.951， = N ·m=6.107 N ·m<13.72 N ·m ，所以符合要求 150BF002型步進電動機允許的空載起動頻率為8000 HZ，由150BF002型步進電動機起動頻率特性和運行頻率特性曲線可以看出當步進電動機起動時， HZ時，M=100 N ·cm，遠不能滿足機床所需的空載起動力矩=5.808 N ·m，直接使用會產生失步現象，所以必須采用升降速控制和高低壓驅動的電路。 6.2橫向進給系統(tǒng)的數控改造設計 6.2.1切削力的確定 因為橫向進給量為縱向1/3～1/2，取1/2，則橫向主切削力為縱向的1/2 N=2680 N 由《機床手冊》可知，在外圓車削時 （式6.38） 取其比例為 ：：=1:0.25:0.4 ——橫切端面時的進給抗力（N） ——吃刀抗力（N） 則 N=670 N N=1072 N 6.2.2滾珠絲杠副的設計計算和選型 ⑴滾珠絲杠副的結構選型 橫向進給系統(tǒng)滾珠絲杠螺母副的結構選型可參照縱向進給系統(tǒng)，其結構造型為： 螺旋滾道型面形狀：雙圓弧形面 滾珠絲杠螺母副的鋼球的循環(huán)方式：插管式外循環(huán) 滾珠絲杠螺母副軸向見習的調整和預緊方法：雙螺母墊片調整式 ⑵計算進給牽引力（N） 由機床設計手冊進給中牽引力的試驗公式計算，橫向導軌為燕尾型導軌，則 （式6.39） 式中，——橫向切削分力 ——滑動導軌摩擦因數，,取=0.16 ——顛覆力矩影響的試驗系數 k=1.15 G——溜板及刀架重力 G=600N 則=N=2240N ⑶計算最大動載荷C(N) = （式6.40） 其中 ——工作壽命 以r為1單位= ——絲杠轉速（r/min） = ——最大切削力條件下的進給速度（m/min）, 可取最高進給速度的1/2～1/3，取=0.3/2 m/min=0.15m/min ——絲杠導程（mm） ——運轉系數 按一般運轉=1.2～1.5 取=1.3 ——硬度系數 查表取=1 ——使用壽命（h） 一般機床可取=10000h 數控機床可取T=15000h 考慮到絲杠對加工精度和經濟性的影響應優(yōu)先取4、6、8mm系列 ① 選擇基本導程=4mm 則 絲杠轉速 ==r/min=37.5 r/min 工作壽命 ===33.75 最大動載荷 ==×1.3×1×2240 N=9410.6N ② 選擇基本導程=6mm 則 絲杠轉速 ==r/min=25 r/min 工作壽命 ===22.5 最大動載荷 ==×1.3×1×2240 N=8220.9 N ③ 選擇基本導程=8mm 則 絲杠轉速 ==r/min=18.75r/min 工作壽命 ===16.875 最大動載荷 ==×1.3×1×2240 N=7469.2 N ⑷選擇滾珠絲杠螺母副 由前述選擇的滾珠絲杠螺母副的結構形式：外循環(huán)、雙圓弧型面、雙螺母墊片調整式。查《機械傳動裝置設計手冊》表10—22，并根據<的原則即所選取的滾珠絲杠的額定動載荷大于計算的最大工作載荷。 當=4mm =9410.6 N 符合使用要求 當=6mm =8220.9 N 符合使用要求 當=4mm =7469.2 N 符合使用要求 現取基本導程=6mm查《機械傳動裝置設計手冊》表10—22可得滾珠絲杠副型號CDW2004—5，CDW2004—5型滾珠絲杠：外循環(huán)插管式，雙螺母墊片預緊，導珠埋入式滾珠絲杠副。公稱直徑為20mm，基本導程為4mm，負載鋼球圈數為5圈，定位滾珠絲杠副，精度等級為3級，螺旋旋向為右旋。滾珠絲杠副CDW2004—5型具體參數如下： 表6.3 滾珠絲杠副CDW2004—5型具體參數 公稱直徑（mm） 導程 （mm） 鋼球直徑 （mm） 絲杠外徑 （mm） 螺紋底徑（mm） 循環(huán)列數×圈數 額定動載荷 / N 額定靜載荷 / N 接觸剛度R N/ 20 4 2.381 19.7 17.5 2.5×2 10639 28722 1178 螺母安裝尺寸（mm） C 40 66 53 11 5.8 10 6 96 37 4 3 M6 ⑸滾珠絲杠副的驗算 ① 傳動效率計算 式中 ——絲杠螺旋升角（）， ——絲杠基本導程（mm） ——絲杠公稱直徑（mm） ——摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數 f = 0.003～0.004 其摩擦角約等于 則= =0.972>0.9 滿足傳動要求 ② 滾珠絲杠副剛度驗算 滾珠絲杠副剛度的驗算即為主要檢驗絲杠的總拉伸或總壓縮變形量（mm），滾珠與螺紋滾道間接觸變形量（mm），滾珠絲杠軸承與軸向接觸變形量之和是否小于機床精度的要求。 一、 絲杠上的總拉伸或總壓縮變形量 式中 ——在工作負載作用下引起每一導程的變化量（mm）， ——最大工作載荷（N） ——滾珠絲杠的導程（mm） ——材料彈性模數，對于鋼=20.6× N/ ——滾珠絲杠的截面積（）， ——滾珠絲杠的截面半徑（mm）， ——滾珠絲杠的公稱直徑（mm） ——偏心距（mm） ——接觸角（），= 45 ——螺紋滾道的半徑（mm），=0.51～0.56，取= 0.52 ——滾珠直徑（mm） ——滾珠絲杠在支承間的受力長度（mm），=600 mm 則 = 0.52=0.52×2.381 mm =1.238 mm =（1.238－2.381/2）sin45mm=0.0336mm =20＋2×0.0336－2×1.238 mm =17.591 mm ==242.913 = mm=0.000179 mm 滾之絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量為 = mm=0.02685 mm 滾珠絲杠采用雙螺母預緊，預緊力為最大工作載荷的1/3時，其絲杠拉伸剛度可提高4 倍，即實際變形量為= mm =0.00671 mm 二、滾珠