CA6140車床橫向進給軸的數(shù)控化改造

1、課程設計說明書題目：CA614陣床橫向進給軸的數(shù)控化改造（20132014學年第2學期）課題名稱CA614/床橫向進給軸的數(shù)控化改造適用專業(yè)機械設計制造及自動化班級課程設計時間2014年6月23日起2014年7月4日止1.課題內(nèi)容簡介及要求本課程設計要求學生在熟悉典型車床(CA6140)進給機構的基礎上，對其進行數(shù)控化改造。使機床適應小批量、多品種、復雜零件的加工，由此不但可以提高加工精度和生產(chǎn)率，而且成本低、周期短。具體要求如下：(1)在綜合考慮資金投入、車床性能的基礎上，將普通車床的橫向進給軸進行數(shù)控改造，確定系統(tǒng)改造方柔；(2)按照系統(tǒng)改造方案，應用提供的設計參數(shù)，選擇、校核驅動電機、滾

2、珠絲杠和傳動齒輪，并對其他相關機械結構進行設計，設計完成時要求繪制出橫軸的裝配圖，并撰寫設計說明書。注意：橫軸結構設計要考慮與CA6140主體的安裝問題。2.主要設建數(shù)滑架重量300N;直線脈沖當重0.01mm/p;最大工進速度：0.3m/min;最快移動速度1.0m/min;工作載荷1000N;摩榛系數(shù)：0.1;橫向最大行程：300mm.驅動元件采用步進電機，運動轉換元件采用滾珠絲杠副。3進度安排設計準備0.5天（包括題目講解說明2小時）總體方案設計2天（包括資料搜集、系統(tǒng)分析與方案設計）伺服系統(tǒng)設計5.5天（包括伺服機械傳動系統(tǒng)計算，選型，校核、裝配圖繪制）編寫設計說明書1天、答辯1天4.

3、工作量要求說明書字數(shù)：1.2萬字圖紙工作量：1張A1圖紙摘要1第一章課題研究背景及其意義1第二章、總體方案設計42.1 功能分析法42.1.1 總功能的抽象化42.1.2 功能元52.1.3 形態(tài)學矩陣62.1.4 方案選擇與評價62.2 改造方案11第三章機械傳動部件的計算與選型123.1 切削力的計算123.2 直線貼塑滑動導軌選型133.3 滾珠絲桿副的計算與選型143.3.1 最大工作載荷Fm的計算143.3.2 最大動工作載荷Fq的計算143.3.3 初選型號153.3.5 剛度驗算163.3.6 穩(wěn)定性校核193.3.7 滾珠絲杠支撐及預緊方式選用203.3.8 軸承選用223.3

4、.9 軸承壽命計算223.4 步進電動機減速箱選用233.5 步進電動機的計算與選用273.5.1 計算加在步進電機轉軸上的總轉動慣量273.5.2 計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩293.5.3 步進電動機最大靜轉矩的選定323.6 聯(lián)軸器37結束語38致謝39摘要應用成熟的數(shù)控技術理論和成功經(jīng)驗，以低廉的成本對普通舊機床進行數(shù)控化改造，可恢復甚至提高原機床的精度，適應工業(yè)高速跨越式發(fā)展的要求，為此機床數(shù)控化改造在國際國內(nèi)作為新的經(jīng)濟增長方式行業(yè)獲得了很大的發(fā)展。本文以CA614CB床為研究對象，對該機床進行了數(shù)控化改造，主要研究內(nèi)容如下：對數(shù)控伺服系統(tǒng)的工作原理進行分析研究，簡單了解

5、了數(shù)控化改造過程中數(shù)控系統(tǒng)的選型，分析研究了CA6140機床的數(shù)控化改造方案，根據(jù)進給系統(tǒng)的要求，對切削力和滾珠絲杠進行了計算，并選配了合適的齒輪減速器和步進電機。對改造以后的機床精度進行了恢復，并給出伺服系統(tǒng)典型部件改造方案。此次研究，為企業(yè)技術人員實現(xiàn)傳統(tǒng)CA6140a車床數(shù)控化改造提供了行之有效的科學方法，對于企業(yè)其他傳統(tǒng)設備的技術改在也有借鑒和參考價值。關鍵詞：數(shù)控改造；伺服系統(tǒng);CA6140車床第一章課題研究背景及其意義1.1 課題背景1946年誕生了世界上第一臺電子計算機，這表明人類創(chuàng)造了可增強和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強體力勞動的工具相比

6、，起了質的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎。6年后，即在1952年，計算機技術應用到了機床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機床。我國目前機床總量380余萬臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機床數(shù)控化率不到3。近10年來，我國數(shù)控機床年產(chǎn)量約為0.60.8萬臺，年產(chǎn)值約為18億元。機床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為6%。我國機床役齡10年以上的占60以上；10年以下的機床中，自動/半自動機床不到20%,FMC/FM等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)(美國和日本自動和半自動機床占60以上)?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機床。用這種裝備加工

7、出來的產(chǎn)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(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。在美國、日本和德國等發(fā)達國家，它們的機床改造作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。由于機床以及技術的不斷進步，機床改造是個"永恒"的課題。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術為主的新的行業(yè)。在美國、日本、德國，用數(shù)控技術改造機床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，已形成了機床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè)。在美國，機床改造業(yè)稱為機床再生(Remanufacturing)業(yè)。從事再生業(yè)的著名

8、公司有：Bertsche工程公司、ayton機床公司、Devlieg-Bullavd(得寶)服務集團、US設備公司等。美國得寶公司已在中國開辦公司。在日本，機床改造業(yè)稱為機床改裝(Retrofitting)業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程集團、崗三機械公司、千代田工機公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。1.2 機床改造的內(nèi)容及意義1.2.1 研究意義企業(yè)要在當前市場需求多變，競爭激烈的環(huán)境中生存和發(fā)展就需要迅速地更新和開發(fā)出新產(chǎn)品，以最低價格、最好的質量、最短的時間去滿足市場需求的不斷變化。而普通機床已不適應多品種、小批量生產(chǎn)要求，數(shù)控機床則綜合了數(shù)控技術、微電子技術、自動檢

9、測技術等先進技術，最適宜加工小批量、高精度、形狀復雜、生產(chǎn)周期要求短的零件。當變更加工對象時只需要換零件加工程序，無需對機床作任何調(diào)整，因此能很好地滿足產(chǎn)品頻繁變化的加工要求。普通車床經(jīng)過多次大修后，其零部件相互連接尺寸變化較大，主要傳動零件幾經(jīng)更換和調(diào)整，故障率仍然較高，采用傳統(tǒng)的修理方案很難達到大修驗收標準，而且費用較高。因此合理選擇數(shù)控系統(tǒng)是改造得以成功的主要環(huán)節(jié)。數(shù)控機床在機械加工行業(yè)中的應用越來越廣泛。數(shù)控機床的發(fā)展，一方面是全功能、高性能；另一方面是簡單實用的經(jīng)濟型數(shù)控機床，具有自動加工的基本功能，操作維修方便。經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)通常用的是開環(huán)步進控制系統(tǒng)，功率步進電機為驅動元件，無檢

10、測反饋機構，系統(tǒng)的定位精度一般可達±0.01至0.02mm已能滿足CW614昨床改造后加工零件的精度要求。1.2.2 主要研究內(nèi)容及技術路線(1) 縱向和橫向滾珠絲杠的選型及校核。(2) 縱向和橫向步進電機的選擇。(3) 主軸交流伺服電機的選擇與校核。(4) 其他元件的選擇。1.3機床的經(jīng)濟型數(shù)控化改造主要解決的問題(1) 恢復原功能，對機床、生產(chǎn)線存在的故障部分進行診斷并恢復。(2) NC化，在普通機床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成NCB床、CNCM床。(3) 翻新，為提高精度、效率和自動化程度，對機械、電氣部分進行翻新，對機械部分重新裝配加工，恢復原精度；對其不滿足生產(chǎn)要求的

11、CNC系統(tǒng)以最新CNC4行更新。(4) 技術更新或技術創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術，在原有基礎上進行較大規(guī)模的技術更新或技術創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和檔次的更新改造。第二章、總體方案設計機電一體化系統(tǒng)是機電一體化設備與產(chǎn)品的總稱，它表示將這些設備與產(chǎn)品視為一個系統(tǒng)。機電一體化系統(tǒng)設計的第一個環(huán)節(jié)是總體設計,就是在具體設計之前對所要設計的機電一體化系統(tǒng)的各個方面，本著簡單、實用、經(jīng)濟、安全、美觀等基本原則所進行的綜合性設計。其主要內(nèi)容有：系統(tǒng)原理方案的構想，結構方案設計、總體布局與環(huán)境設計，主要參數(shù)及技術指標的確定，總體方案的評價與決策。總體設計給具體設計規(guī)定了總的基本原理、

12、原則和布局，指導具體設計的進行而具體設計則是在總體設計基礎上進行的具體化，它還不斷豐富和修改總體設計。兩者相輔相成，有機結合，常交錯進行，不可能斷然分開。2.1 功能分析法2.1.1 總功能的抽象化抽象化的目的是，設計人員無需設計具體解決方案，就能清晰地掌握所設計的基本功能和主要約束條件，從而抓住了設計中的主要矛盾，這樣就可以把思維注意力集中到關鍵問題上來，容易有突破和創(chuàng)新。工程設計中常用的抽象方法是“黑箱”法。對于所設計的機電一體化系統(tǒng)化系統(tǒng)來說，在求解之前，猶如一個看不清其內(nèi)部結構的“黑箱”。通過“黑箱”可以明確所設計的系統(tǒng)與攝入輸出量及外界環(huán)境的關系，這就便于拜托具體的東西而進行分析和思

13、考。CA614吸控化改造“黑箱”法毛胚件成型件-CA6140普通數(shù)控車床4（黑箱）電能機械能、摩擦能加工要求工作狀態(tài)顯示'將待求系統(tǒng)油乍“黑箱”分析和比較系統(tǒng)的輸入和輸出物料流、，能量流、信號流的差別和關系，繼而反映出系統(tǒng)的總功能一一加工。總功能是系統(tǒng)整個過程的反映，將總功能分解就是將系統(tǒng)分解成分功能，便可畫出如下功能樹模型。2.1.2 功能元功能元是能直接從物理效應和邏輯關系找到可以滿足功能要求的最小單位。機電一體化系統(tǒng)設計中常用的基本功能遠可以分為：屋里功能元、邏輯功能元、數(shù)學功能元。CA614M能分析總功能功能元加工能量電能動力電機減速齒輪減速伺服傳動絲桿螺母副聯(lián)接聯(lián)軸器支撐軸承

14、輔助模塊防護罩2.1.3 形態(tài)學矩陣功能解要實現(xiàn)功能元，功能解要盡可能的列舉出來CA6140形態(tài)學矩陣電機交流亓J電動機直流電動機步進電機齒輪減速器直齒圓柱齒輪輪斜齒圓柱齒輪人字形圓柱齒輪渦輪蝸桿減速諧波齒輪減速器滾珠絲桿內(nèi)循環(huán)外循環(huán)聯(lián)軸器凸緣聯(lián)軸器鼓形四也聯(lián)軸器滾子聯(lián)軸器彈性套柱銷聯(lián)軸器導軌燕尾導軌V型導軌圓柱形導軌平導軌貼塑導軌2.1.4 方案選擇與評價方案的選擇應該處理好以下兩個問題：各功能元原理方案之間在屋里上的相容性鑒別，可以從功能結構中的能量流、物料流、信號流能否不受干擾地連續(xù)流過，以及功能元的原理方案在幾何學和運動學上是否有矛盾來進行直覺判斷，從而提出那些不相容的方案。這些工作可

15、以用計算機來做。從技術、經(jīng)濟效益好的角度，初步挑選出幾個比較有希望的方案進行進一步的比較。借鑒類似設計和前期構思中形成的初步設想，再抓住以上兩點，就可以再為數(shù)眾多的原理方案中確定少數(shù)的幾個較好的方案。步進電機伺服驅動是電器伺服驅動裝置中結構最簡單，控制最容易，維修最方便，而且是全數(shù)字化的裝置。同時由于步進電機伺服驅動不需另配反饋與那件，就可以進行伺服控制。因此合適數(shù)字控制（NC的系統(tǒng)使用齒輪減速器對于數(shù)控機車的齒輪傳動，應采用設計、結構和工藝均較簡單，而且易獲得高精度的平行軸漸開線圓柱齒輪傳動。通常，齒輪傳動鏈的傳動級數(shù)少一些比較好，因為可以減少零部件的數(shù)目，簡化傳動鏈的結構，并且可以提高傳動

16、精度，減少空程誤差，有利于提高傳出】展開式h）分流式圖iai.1T二級圓柱齒輪減速器傳前布宜形式*動效率。同時hac1.25較小，一般模數(shù)取m=12數(shù)控車取m=2外循環(huán)滾珠絲杠具有以下特點：傳動效率高絲杠螺母副的傳動效率為當量摩擦角（對于本課題選用的滾珠絲杠約為10'）滾動摩擦系數(shù)一般為0.00250.0035,因而傳動效率很高，可達90%以上相當于普通滑動絲杠螺母副的34倍。滾珠絲杠副相對于滑動絲杠副來說，僅用較小的扭矩就能獲得較大的軸向推力，而且功率損耗只有滑動絲杠副的1/41/3,這對于機械傳動系統(tǒng)小型化、快速響應能力及節(jié)省能源等方面，都具有重要意義。2傳動的可逆性一般的螺旋傳動

17、是指其正傳動，即把回轉運動轉變成直線運動。而滾珠絲杠副不僅能實現(xiàn)正傳動，還能實現(xiàn)逆?zhèn)鲃?。這種運動上的可逆性是滾珠絲杠螺母副所獨有的。3傳動精度高傳動精度主要是指進給精度和軸向定位精度。滾珠螺絲杠螺母副屬于精密機械傳動機構，絲杠與螺母經(jīng)過淬硬和精磨后，本身就具有較高的定位精度和進給精度。高精度滾珠絲杠副，任意300頒的導程累計誤差為4仙m/300mm04磨損小、使用壽命長滾動磨損要比滑動磨損小得多，而且滾珠、絲杠和螺母都經(jīng)過淬硬,所以滾珠絲杠副長期使用仍能保持其精度，工作壽命比滑動絲杠副高56倍。從某種程度上可彌補滾珠絲杠副由于結構復雜、制造工藝復雜而造成成本較高的缺點。凸緣聯(lián)軸器屬于剛性聯(lián)軸器

18、，是把兩個帶有凸緣的半聯(lián)軸器用普通平鍵分別于兩軸連接，然后用螺栓把兩個半聯(lián)軸器連成一體，以傳遞運動和轉矩。但由于結構簡單、成本低、可傳遞較大的轉矩，故當轉速低、無沖擊、軸的剛性大、對中性較好時常用。凸緣聯(lián)軸器（亦稱法蘭聯(lián)軸器）是利用螺栓連接兩凸緣（法蘭）盤式半聯(lián)軸器，兩個半聯(lián)軸器分別鍵與兩軸聯(lián)接，以實現(xiàn)兩周聯(lián)接，傳遞轉矩和運動。貼塑導軌采用粘結劑將聚四氟乙烯導軌軟帶粘接在導軌在導軌面上，使得傳統(tǒng)導軌的摩擦形式變成鑄鐵一一塑料摩擦副聚四氟乙烯導軌軟帶的特點有：耐磨性好粘靖材料其動靜摩擦系數(shù)基本接近，而且摩擦因素很低，能防止低速爬行是運動平穩(wěn)。由于聚四氟乙烯塑料導軌軟帶材料中，本身具有潤滑作用，對

19、潤滑的供油量要求不高，采用間歇供油即可減振性能好塑料的阻尼性能好，具減振消聲性能對提高摩擦副的相對運動速度有很大的意義，最高進給速度可達15m/min。工藝性能好可降低對粘貼塑料的金屬集體的硬度和表面質量的要求，而且塑料容易加工（銃、包I、磨、舌U）以獲得良好的導軌表面質量。綜合以上，本課題的方案選用：步進電機、直齒圓柱齒輪、外循環(huán)滾珠絲杠、凸緣聯(lián)軸器、貼塑導軌。該方案這種改造方案成本較低，這種方案選用現(xiàn)代技術成就和先進經(jīng)驗，適應生產(chǎn)的需要，改變現(xiàn)有設備的結構（包括更換新部件、新裝置、新附件等），改善現(xiàn)有設備的技術性能，使之全部或局部達到新設備的性能。該方案的優(yōu)點：（1）降低了工人的勞動強度；

20、（2）節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機床）；（3）減少了工裝；縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期；（4）可對市場需求做出快速反應等等。2.2改造方案進給系統(tǒng)改造設計需要改動的主要部分有掛輪架、進給箱、溜板箱、溜板刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一種方案：掛輪架系統(tǒng)：全部拆除，在原掛輪主動軸處安裝光電脈沖發(fā)生器。進給箱部分：全部拆除，在該處安裝縱向進給步進電機與齒輪減速箱總成絲杠、光杠和操作杠拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠，滾珠絲杠的另一端支承座安裝在車床尾座端原來裝軸承座的部分。溜板箱部分：全部拆除，在原來安裝滾珠絲杠中間支撐架和螺母以及部分操作按鈕。橫溜板箱部分：將原橫溜板的絲杠的、螺母拆除

21、，改裝橫向進給滾珠絲杠螺母副、橫向進給步進電機與齒輪減速箱總成安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠相連。刀架：拆除原刀架，改裝自動回轉四方刀架總成。第三章機械傳動部件的計算與選型3.1 切削力的計算車削外圓時的切削抗力有Fx、Fy、Fz,主切削力Fz與主切削速度方向一致垂直向下，是計算機床主軸電機切削功率的主要依據(jù)。切深抗力Fy與縱向進給垂直，影響加工精度或已加工表面質量。進給抗力Fx與進給方向平行且相反指向，設計或校核進給系統(tǒng)是要用它。切削時總切削力的分解縱切外圓時，車床的主切削力Fz可以用下式計算：FzCfapxFzfyFzVnFzKFzz=5360(N)由金屬切削原理知:由于導向為貼塑導軌，則：

22、k=1.4f'=0.1,Fl為工作臺進給方向載荷,拖板上進給方向載荷：FLFy2144(N)拖板上垂直方向載荷：FvFz5630(N)拖板上橫向方向載荷：FVFx1340(N)3.2 直線貼塑滑動導軌選型工作載荷是影響直線貼塑導軌副使用壽命的重要因素，本課題中工作臺為水平布置，基于經(jīng)濟以及高精度的因素，在原有機床導軌上做改進，選用貼塑導軌。軟帶是以聚四氟乙烯為基本材料，添加合金粉和氧化物的高分子復合材料。選用聚四氟乙烯因為它具有以下特點：耐磨性和耐腐蝕性較高，是目前發(fā)現(xiàn)的固體物質中摩擦因素最小的一種，在承載1360Kg的情況下，摩擦因素達到0.01。具有很好的自潤滑性?？古佬行阅芎?，由

23、于既有很好的自潤滑特性，因此有效改善了導軌副的接觸條件，減少了靜摩擦力和動摩擦力的差值，從而避免了因爬行造成的對加工質量方面的影響。具有異物可嵌入性。該材料能把鐵屑、沙粒等異物埋嵌入塑料內(nèi)部，避免了自身的磨損，且可以防止拉毛和研傷對磨金屬表面，起到保護床身導軌的作用，提高了機床的完好率、延長了機床精度保持周期。粘貼前先將床身導軌表面上涂抹上一層薄薄的機油或潤滑脂，然后貼上一層紙，注意不要重疊，目的是防止床鞍配壓是導軌膠留到機床導軌上，把床鞍與床身粘上。接著將調(diào)配好的導軌膠分別均勻的涂抹在4F軟帶和床鞍下導軌的被粘貼面上，涂層一般控制在0.050.1mm厚度為宜。涂抹時，導軌面以縱向涂抹，使粘貼

24、效果更好更可靠。粘貼式將4F軟帶多出來的部分用手拉住，從一端緩慢向另一端擠壓，以便趕走氣泡，使粘貼效果更可靠。然后將粘貼好的床鞍放在床身導軌上，在床鞍上家一定的配重直至粘貼劑固化。接觸壓力一般為0.05MPa0.1MPa固化時間在常溫下一般為24H以上。在粘貼劑固化后去壓力，用刮刀或者其他工具對4F軟帶邊角進行修整，使其呈45b角坡形。3.3 滾珠絲桿副的計算與選型3.3.1 最大工作載荷Fm的計算最大工作載荷：Fm=kFi+f'（Fv+G）=1.4義2144+0.1（5360+300）=3567.6N3.3.2 最大動工作載荷Fq的計算,60nTL=106-n為絲杠轉速（r/min）

25、VS為最大切削力條件下的進給速度（m/min）,可取最高進給速度的,?。╩/min）1000VsnLo1000*0.1537.5r/minLo為絲杠的導程（mrm;T為使用壽命（h）,對于數(shù)控機車T=15000h;FH=1.00FW為運轉系數(shù)，查表3-5機電一體化專業(yè)課程設計指導書取FW=1.3;取硬度60HRCFh為硬度系數(shù)，取考慮到絲杠對加工精度和經(jīng)濟性的影響,Lo應優(yōu)先取5nlm導程。絲杠轉速n10000.1530r/min”,60nT壽命L6""60301061500027106最大動載荷：FQ3LFWFHFm3271.31.03567.613913.64(N)3.

26、3.3 初選型號考慮到工作要求，外循環(huán)插管式雙螺母墊片預緊滾珠絲杠副結構簡單，工藝性好，安裝尺寸小，剛度高等優(yōu)點可以滿足車床改造要求，故選漢江機床廠C1型滾珠絲杠。查機電一體化技術手冊表7.213得相應的額定動載荷Ca滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格和結構類型，選用時應滿足FQ<Cao查表，選擇以下驗算：當導程Lo=5mm時，F(xiàn)q=13913.64(N),表中額定動載荷顯示滾珠絲杠系列代號25055,公稱直徑d025,螺旋角=338,滾珠直徑db3.175mm列數(shù)圈數(shù)=22.5Ca17456N3.3.4 傳動效率的計算tantan()式：一一絲杠螺旋升角，由arctan(Ph/d0)算得。摩擦角，滾

27、珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)f=0.0030.004,其摩擦角約等于10'要求0.9滿足設計要求,PharctandoPh絲杠基本導程，PhL0d0絲杠公稱直徑則滾珠絲杠副的摩擦角10'arctan-Ph-do當L。5mm時,5arctan3.1425=3.64400.956tan3.6440tan(3.644o0.1670)0.9560.9滿足要求;3.3.5剛度驗算絲杠的拉伸或壓縮變形量12FmaMa11 ES2IE式中Fm絲杠的最大工作載荷，單位為N；a絲杠兩端支承間的距離，單位為mm5E絲杠材料的彈性模量，鋼的E=2.110MPa；S絲杠按底徑d2確定的截面積，單位為mm2;

28、M轉矩，單位為N?mm；I絲杠按底徑d2確定的截面積慣性矩（Id2/64）,4單位為mm0其中，“+”號用于拉伸，“一”用于壓縮。由于轉矩M一般較小,式中第2項在計算式可酌情忽略。當L0=5mm寸，F(xiàn)mai.ES,a取600mmd2d2do2e2Rd0-絲杠的公稱直徑，e-偏心距，R螺紋滾道的半徑。R0.52db0.523.1751.651e(Rdb/2)sin(1.6513.175/2)sin450.07950.7070.045mmd22520.04521.65121.788mmd23.1421.788242482.339mm2FmaES0.02113567.6600_52.1105482.

29、339若兩端采用止推軸承，且絲杠由進行了預緊，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，其實際變形量為：0.00528滾珠與螺紋滾道間接觸變形2mm（此項在總變形量中也占比較大的比重）有預緊時：Fm20.0013m103DwFyjZ2/10式中：Dw滾珠直徑，單位為mm;Z-滾珠總數(shù)量，ZZ圈數(shù)列數(shù)；Z單圈滾珠數(shù)，Zdo/DW（外循環(huán)），Z（do/Dw）3（內(nèi)循環(huán)）預緊力，單位為圈的滾珠數(shù)（外循環(huán)）do3.142524.763db3.175取Z=40zZ22.5125Fm3567.6NFyjFm/31189.2N0.0013Fm103DwFyjZ2/100.0013

30、0.002563567.61033.1751189.21252/10當滾珠絲杠有預緊力，且預緊力為軸向工作載荷的1/3時，值可減少一半，即:剛度驗算絲杠的總變形量精度一半。20.001281I2*。一般總變形量不應大于機床規(guī)定的120.006560.015/2符合條件要求3.3.6穩(wěn)定性校核滾珠絲杠屬于受軸向力的細長桿，如果過軸向負載過大，則可能產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。失穩(wěn)時的臨界載荷FK應滿足:Fkfk2eiKa2式中：Fk-臨界載荷，單位為N;fk絲杠支承系數(shù);K-壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取為2.54,垂直安裝時取最小值;a滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為mmE絲杠材料的彈性模量,E2.1105MPa

31、.(IK壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，取4;Id；/643.1421.7884/6411056.53mm4.Fkfk2eiKa22_5422.110511056.534600261585.46NFkFm故絲杠不失穩(wěn)3.3.7滾珠絲杠支撐及預緊方式選用滾珠絲杠副的支撐方式：雙推一一雙推支撐方式特點：可以同時承受軸向和徑向載荷，軸向剛度最高預拉伸安裝時，須加較小的軸向載荷適宜高速、高剛度，高精度傳動單推一一單推支撐方式軸向剛度較高，主要用于承受軸向載荷預拉伸安裝時，須加較大的軸向載荷適宜中速、精度較高的傳動系統(tǒng)雙推一一簡支支撐方式軸向剛度不高固定端可以進行預拉伸安裝適宜中速，精度較高的長絲杠雙推一一自由支撐方

32、式軸向剛度低適宜中小載荷與低速，更適宜垂直安裝的短絲杠具有自定心作用本課程要求橫向直線脈沖當量0.005mm/p,而且絲杠有效形成400mm并不算是一個長絲杠，可以選用雙推一一雙推支撐方式。這種支撐方式不經(jīng)軸向徑向剛度高，而且預拉伸安裝時僅僅需要較小的拉力即可達到并裝要求，且雙推一一雙推有利于高精度傳動。滾珠絲杠預緊方式選用滾珠絲杠的預緊方式一般有：雙螺母預緊、偏置導程、大滾珠直徑。滾珠絲杠預緊的作用：1-減小軸向間隙；2-增加剛性預緊方式的選用時考慮因素：1-精度（精度越高的絲杠一般選預緊大一點，否則反之）；2-負載（負載大的或頻繁帶負載正反轉的場合可以考慮選預緊大一點，否則反之）；3-壽命

33、（同型產(chǎn)品，選擇的預緊力越大壽命會越低，否則反之）4-動力（驅動端動力裕量較大的傳動系統(tǒng)可以選擇大一點預緊力，否則可能出現(xiàn)因為初始力矩過大而導致動力不足的問題）。由于本課程的精度要求，選用雙螺母預緊。拉伸式液壓壓府式預壓3.3.8軸承選用根據(jù)上一小節(jié)選用的絲杠支撐方式，絲杠應該采用兩端各一對深溝球軸承和一對推力球軸承。而且在之前，就根據(jù)最大工作載荷已經(jīng)確定了選用絲杠直徑的絲杠。而絲杠兩端選用結構比較簡單的帶鍵槽的直徑mm）t軸。根據(jù)絲杠兩端的直徑初步選擇軸承，根據(jù)現(xiàn)在機械設計手冊單行本軸承GB/T276-1994可得到：深溝球軸承初步選擇61807,其基本額定動載荷是4.90KN根據(jù)現(xiàn)在機械設

34、計手冊單行本一一軸承GB/T301-1995可得到：推力球軸承初步選擇51107,其基本額定動載荷是18.2KN3.3.9軸承壽命計算式中C-基本額定動載荷，N（向心軸承為徑向基本額定動載荷，推力軸承位軸向基本額定動載荷）；P當量動載荷，N（向心軸承位徑向當量動載荷R,推力軸承為軸向當量動載荷R）;壽命指數(shù)（球軸承二3,滾子軸承=10/3）;軸承以一定的轉速使用時，軸承的疲勞壽命用時間來表示比較方便。如將軸承的基本額定壽命以時間來表示，此時上式為：或式中L10h基本額7H壽命，h汽車等用軸承，基本額定壽命可用其行駛公里數(shù)表示。經(jīng)計算：深溝球軸承基本額定壽命：數(shù)控車床設計壽命T=15000h,軸

35、承校核的壽命首先保證了該部位在試用期間內(nèi)不首先損壞。推力球軸承基本額定壽命：同理，校核表明推力球軸承在使用期間不會產(chǎn)生疲勞破壞，提高了系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性。故選用四個61807深溝球軸承、四個51107推力球軸承。3.4步進電動機減速箱選用（一）減速比的確定減速比為：ibLo360p式中：p為脈沖當量（mm/plus）;Lo為滾珠絲桿的基本導程（mrm,b步進電機的步距角由系統(tǒng)的定位精度要求可確定系統(tǒng)的脈沖當量為：p=0.005mm/plus初選三相異步電動機：根據(jù)經(jīng)濟性要求，采用三相六拍工作方式的步進電機，步距角為b=0.75°。i=0.75*5/（3600.005）=75/212.

36、08333取考慮到結構上的原因，不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板的有效行程，故此處可才用兩級齒輪降速。齒輪傳動比分配有三種方式:對于傳動精度要求高按輸出軸轉角誤差最小原則對于要求運轉平穩(wěn)，啟停頻繁和動態(tài)性能好的按最小轉動慣量原則對于要求負載質量盡可能小按質量最小原則根據(jù)本課題要求可知，進給系統(tǒng)的傳動功率并不大，只是小功率傳動而已，故鑒于經(jīng)濟、成本、精度高原則，采用重量最輕原則，兩級傳動相同在機械原理中涉及到齒輪設計，齒數(shù)如果過小會產(chǎn)生根切現(xiàn)象，為避免根切現(xiàn)象，可以采用以下兩個方式：制造過程中滾齒刀正變位或提高齒輪齒數(shù)。在本課題中，采用提高齒輪齒數(shù)避免根切現(xiàn)象的產(chǎn)生。一股模數(shù)取m=12數(shù)控

37、車取m=2齒輪寬b=(36)m,為了消除齒側隙,寬度可加大到(610)mi齒數(shù)Z>17。Zi=30Z2=Zi*i12=30*1.45=43.5Z3=Zi=30;Z4=Z2=44;圖則dmz123060(mm)da1d12m602264(mm)df1d11.25m2601.252255(mm)b1(610)mm取bi10mmZ2Z1i301.4543.544d2mz224488(mm)da2d22m882292(mm)df2d21.25m2881.252283(mm)8860274(mm)b2(610)mm取b210mmd1d2a中心距2選小齒輪齒數(shù)z130,小齒輪的齒寬度b110mm,大

38、齒輪齒數(shù)z244,大齒輪的齒寬度b210mmo圓柱齒輪因為生產(chǎn)、轉配、運行等原因需要調(diào)整間隙，圓柱齒輪的間隙調(diào)整有三種方法：偏心套調(diào)整法通過轉動偏心套，可調(diào)節(jié)兩嚙合齒輪的中心距，從而消除齒輪正反轉時的間隙，其特點是結構簡單，剛性好，常用于電機軸與絲杠之間的齒輪傳動，只能補償齒厚誤差與中心距誤差引起的間隙，不能補償齒輪制造的偏心引起的間隙。軸向墊片調(diào)整法利用雙片齒輪制造時軸向距離和使用時軸向距離不同，改變了嚙合時從動輪的齒厚，使間隙得到補償。此法常用于斜齒輪。:中平*T雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法這種結構適用于一般負載傳動，彈簧力產(chǎn)生的扭矩不應過大或過小。扭矩過大會加大齒面的間磨損，過小又起不到消隙作用

39、，一般在滿足反向精度要求的情況下使彈簧力產(chǎn)生的扭矩略小于齒輪副的計算扭矩。圖用因片薄山輪吊的調(diào)整k2一信片排始A量粒:4彈裱根據(jù)該課題中要求可知道，進給系統(tǒng)傳動屬于一般負載傳動，而且要求正、反轉均不會卡死，以提高數(shù)控車床的精度。故選用雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法。3.5步進電動機的計算與選用步進電動機的選型要以相應的數(shù)據(jù)作為依據(jù)，其中步進電動機轉矩的選擇選擇步進電機的保持轉矩，近似于傳統(tǒng)電動機所稱的“功率”步進電動機轉速的選擇對于電機的轉速也要特別考慮。因為，電機的輸出轉矩，與轉速成反比。就是說，步進電動機在低速(每分鐘幾百轉甚至更低轉速，其輸出轉矩較大)步進電動機空載啟動頻率的選擇步進電動機空載啟動

40、頻率，通常稱為“空起頻率”。步進電動機的相數(shù)選擇中,相數(shù)越多的步進電動機通常步距角就能夠做的比較小。針對步進電動機使用環(huán)境來選擇特種步進電動機能夠防水防油，用于某些特殊場合。3.5.1 計算加在步進電機轉軸上的總轉動慣量(1)齒輪、軸、絲桿等圓柱體慣量計算齒輪的轉動慣量齒輪1的轉動慣量:齒輪2的轉動慣量:絲杠的轉動慣量:工作臺轉化在絲杠上的轉動慣量:將各個元件的轉動慣量向電機軸上折算:查表3.11機電一體化系統(tǒng)設計，因為選用電機限定工作方式的是三相六拍，步距角為b0.75，故符合的是：110BF003和110BF004電機的轉動慣量分別為:110BF003:Jm1110BF004:Jm246.

41、1105kgm24.61kgcm234.3105kgm23.43kgcm2系統(tǒng)總的轉動慣量110BF003:110BF004:3.5.2 計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩主要考慮快速空載起動時所需力矩和最大切削負載時所需力矩M起MamaxMfM。MeqMfMoMt電機的啟動負載TqmaxM起，M切空載起動時折算到電機軸上的加速度力矩MamaxMamaxi12mx10260taMamax222-max10260ta式中:2傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總等效轉動慣量（kg.cm2）max運動部件最大快進速度（mm/min）3/max0.3(m/min)0.310(mm/min)電機最大轉速（r/

42、min）Vmaxb0.31030.75nmax125(r/min)p3600.005360ta運動部件從停止起動加速到最大進給速度所需時間ta30ms綜上有電機軸上的加速度力矩:3一Mamaxi57.50Ncm5.75010NmMamax252.30Ncm5.23103Nmamax2摩擦力矩MfF0L0MfN.m2i式中：'F。導軌的摩擦力（N）F0f（FzG）Fz-垂直方向的切削力（N）Fz5360NG-運動部件的總重量（N）G=300N/f-導軌摩擦系數(shù)f=0.1i齒輪總減速比i=2.1傳動鏈總效率，一般可取0.70.850.8M則有：0.1（3005360）0.632.17Ncm

43、23.140.82.1附加摩擦力矩M0式中:FP0滾珠絲桿預加負載（N）,一般取工作載荷的FpoFm1189.2N3L。-滾珠絲桿導程（cm）Lo0.5cm0-滾珠絲桿未預緊時的傳動效率，一般取00.900.9則有：M0(10.92)0.56Ncm1189.20.523.140.82.1（4）折算到電機軸上的切削負載力矩TtMtFtL°2i式中：Ft-進給方向最大切削力（NFtFl2144NMt21440.323.140.82.160.96Ncm快速空載起動時所需力矩M起1Mamax1MfM057.5032.170.5690.23NcmM起2Mamax2MfM052.3032.170

44、.5685.23Ncm最大切削負載時所需力矩M切MfM0Mt32.170.5660.9693.69Ncm在M起、M切兩種力矩中取大者為選擇步進電機的依據(jù)。對于大多數(shù)數(shù)控機床來說，因為要保證一定的動態(tài)性能，系統(tǒng)時間常數(shù)較小，而等效轉動慣量又較大，故電機力矩主要是用來產(chǎn)生加速度的，而負載力矩往往小于加速力矩，故常常用快速空載起動力矩作為選擇步進電機的依據(jù)。3.5.3 步進電動機最大靜轉矩的選定首先根據(jù)最大靜態(tài)轉矩Tjmax初選電機的型號步進電機的起動轉矩：由M起M切，所以1MqiM起190.23(N.cm)Mq2M起285.23(N.cm)電機的起動力矩與最大靜態(tài)轉矩之間具有以下關系，見機電一體化

45、專業(yè)課程設計指導書表310):,(因電機工作方式為三相六拍，故取=0.866)查表3.11機電一體化系統(tǒng)設計，110BF003Mjmax1=784N.cmMimax2490N.cm110BF004jmax2Mq11=Mjmax190.230.12784Mq22Mjmax285.230.18490因為120.866,所以型號為110BF003和110BF004均符合要求，但是，型號為110BF003的步進電機更符合要求，因為10.12,裕度較大；且110BF003的最大靜態(tài)轉矩比110BF004的大，靜態(tài)轉矩越大，自鎖力矩越大，靜態(tài)誤差就越小。故選型號為110BF003的三相六拍的步進電機。3.

46、5.4 步進電動機的性能校核最大空載起動頻率1000max60p式中:max為運動部件最大快速進給速度（m/min）,故:fKmax1.0m/min10001.03333(Hz)600.005fKfmax7000Hz滿足要求切削時的最大工作頻率fe1000s60p式中:s為最大切削進給速度(m/min)0.3m/min故:r10000.3fc1000(Hz)600.005由上述計算可知：系統(tǒng)要求的空載起動轉矩頻率要大于電機的空載起動頻率1500Hz,且很難找到空載起動頻率滿足要求的電機型號，可以采用調(diào)壓起動等方式起動電機使電機的空載起動頻率滿足要求；而電機運行頻率7000Hz可以滿足系統(tǒng)要求。

47、校核步進電機校核步進電機轉矩和慣量的匹配條件為了使步進電機具有良好的起動能力及較快的響應速度，通常推薦：網(wǎng)0.5或二4MjmaxJm式中：Mjmax-_步進電機的最大靜態(tài)轉矩（N.cm）,見電機一體化系統(tǒng)設計表3-11得：Mimax1784N.cm,jmax1（110BF003ML傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的負載轉矩（N.m）;MLM切93.69N.cm2Jm-步進電機轉子的轉動慣量（kg.m），見電機一體化系統(tǒng)設計表3-11得：Jm14.61kg.cm2(110BF003)Jl傳動系統(tǒng)折算到步進電機轉子上的等效轉動慣量MLMjmax1JlJm1.22(kg.cm)JL13.18kg.cm。93.

48、69-0.1190.578413.182.8644.61故所選步進電機110BF003具有良好的起動能力及較快的響應速度,滿足要求。步進電機驅動方式從矩角特性中可以知道，最大靜轉矩并非步進電機所能驅動的最大轉矩。在單步運行狀態(tài)時，步進電機所能帶動的最大轉矩是小于啟動轉矩的。而啟動轉矩是與最大靜轉矩、相數(shù)和拍數(shù)都是有關系的。通過矩角特性曲線，可以計算出不同相數(shù)和不同拍數(shù)的步進電動機的啟動轉矩從矩角特性曲線中分析最大靜轉矩、合成經(jīng)轉矩以及啟動轉矩是可以看出：多相通電方式優(yōu)于單相通電，不易失步，但步進電動機消耗的功率要大一些。從拍數(shù)來看，拍數(shù)較多時不易失步，但轉速有所下降。步距角表示控制系統(tǒng)沒發(fā)送一

49、個脈沖信號，電機所轉動的角度。當選用拍數(shù)較高的驅動方式時，可以降低步距角，在沒有減速齒輪的情況下，對于一個脈沖信號，轉子可以轉過更小的角度。綜上因素以及已經(jīng)選用的電動機自身的機械結構，本課題選用三相六拍控制方式。步進電機驅動電路機電一體化系統(tǒng)大多都是微型計算機控制的，步進電動機的驅動電路一般也是受微機控制的，具基本電路如下所示。圖中的功率放大部分大多數(shù)采用VMO酸效應管或大功率晶體管，也有采用品閘管電路的。驅動電路形式很多，常用的有以下幾種：1.單電源驅動電路顯然，根據(jù)特性曲線可以知道，改善電流的上升沿是問題的關鍵。若要改善電流的上升沿，使其陡峭，就要增大電阻R,以減小實踐常數(shù)（）。然后，這會減小穩(wěn)態(tài)電流（額定電流）。2 .高低壓雙電源驅動電路單電源供電和高低壓供電都存在需要限流電阻（R0的問題，限流電阻主要是為匹配線圈的內(nèi)阻，使其在額定的電壓下，流過額定的電流，并減小時間常數(shù)。但電阻R都要消耗幾十瓦甚至上百瓦的額外電能，整臺步進電機要消耗上百瓦甚至上千瓦的額外電能，這不僅浪費很大，而且由于大功率電阻體積較大，散熱器和風扇燈體積龐大，嚴重影響了步進電機的使用。3 .斬波橫流電路其特點是既提高了電流上升速率（電流上升時間很短），又使電路上電阻消耗功率減到最小，體積大