CA620机床数控化改造设计

l 西南科技大学应用型自学考试毕业设计（论文） CA620机床数控化改造设计 学生姓名： 张 洪 虎 学生学号： 0701064510044 院（系）： 机械工程系 年级专业： 本05机制 指导教师： 袁晓东 （副教授） 2007年7月10日至2007年8月30日 摘 要 本课题的研究意义：普通机床改造为经济性数控车床有以下优越性：①可以加工传统机床不可以加工的曲线，曲面等复杂的零件。②可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3～7倍。③加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。④可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。⑤拥有自动报警，自动控制，自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。⑥数控机床能够降低操作人员的劳动强度，节省劳动力，减少工装，缩短新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反映等。 查阅国外资料，借鉴国外改造手段，再结合CA20车床自身的结构特点，对其进行经济性数控改造。 CA20车床通过数控改造后，加工精度提高，生产效率也大幅度提高，而且工人的劳动强度相对降低，同时实现了纵横两坐标的联动，使CA620车床的加工工艺范围扩大。改造后要求数控机床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，故采用步进电机开环控制系统。。 CA20车床在改造时，保留了原机床的大部件，只对进给部分进行改造，并且改造部分所使用的步进电机、齿轮、滚珠丝杠、单片机、计算机等都可以在市场上买到，价格低廉，使生产成本降低，而且也达到了所要求的精度，所以该课题的前景是针对我国小型机械生产厂家。 关键词： 数控改造，伺服进给系统，齿轮减速箱 ABSTRACT The significance of the study : general machine tools for the economic transformation of CNC lathe has the following advantages： 1​ traditional processing machine can not processing the curve, surface and other complex parts 2​ can achieve processing automation, but is flexible automation, efficiency than traditional machine tools increased 3-7 times 3​ machined high precision, small size dispersity, easy assembly, eliminating the need for "workshop" 4​ can achieve more centralized process, reducing parts of the machine frequent handling 5​ have automatic alarms, automatic control, automatic compensation and other self-regulatory functions, thus achieving long unattended processing 6​ CNC machine operators to reduce the labor intensity, labor-saving, reduce tooling, shorten cycle Preparation of new products and production cycle, the market needs to reflect such rapid Consults the overseas material, the model overseas transformation method, the recombination CA620 lathe own unique feature, carries on the efficient numerical control transformation to it CA620 CNC lathe through transformation, precision machining, production efficiency is greatly enhanced, but workers relatively lower labor intensity, while achieving two of longitude and latitude coordinates of the linkage, so CA620 lathe processing technology expanded. After transformation with the requirements of CNC machine tool positioning, linear interpolation, circular interpolation, suspension, the processing cycle, the British public thread processing functions, the use of open loop stepper motor control system CA620 lathe when transformation, retained the original engine bed major assembly, only carries on the transformation to feed part, and the transformation part uses step-by-steps the electrical machinery, the gear, the ball bearing guide screw, the monolithic integrated circuit, the computer and so on all may buy in the market, the price is inexpensive, causes the production cost to reduce, moreover had also achieved requests precision, therefore this topic prospect aims at Our country Small Machinery Manufacturer. Keywords numerical control transformation, servo feed systems, gear decelerator 目 录 摘 要………………………………………………………………………………………………Ⅰ ABSTRACT……………………………………………………………………………………Ⅱ 1 绪 论……………………………………………………………………………………………1 2总体方案设计……………………………………………………………………………………3 2.1 CA620车床的工作过程……………………………………………………………………3 2.2 CA620车床的优、缺点…………………………………………………………3 2.3 CA620车床的改造方案…………………………………………………………3 2.3.1 主轴箱………………………………………………………………………………3 2.3.2 床身………………………………………………………………………………………4 2.3.3 拖板………………………………………………………………………………………4 2.3.4 自动换刀装置……………………………………………………………………………4 2.3.5 拖板箱……………………………………………………………………………………4 2.3.6 总体布局…………………………………………………………………………………4 2.4 改造后的功能和达到的精度………………………………………………………………4 2.5 改造的目的…………………………………………………………………………………4 3 CA620车床机械部分的改造………………………………………………………………6 3.1 CA620车床的几何参数……………………………………………………………………6 3.1.1 CA620车床改造前的参数……………………………………………………………6 3.1.2 CA620车床改造后的参数……………………………………………………………6 3.2 选择脉冲当量………………………………………………………………………………7 3.3 计算切削力…………………………………………………………………………………7 3.3.1 纵车外圆………………………………………………………………………………8 3.3.2 横切端面………………………………………………………………………………8 3.4 滚珠丝杠螺母副的计算和选形……………………………………………………………8 3.4.1 纵向进给丝杠…………………………………………………………………………8 3.4.2 横向进给丝杠…………………………………………………………………………10 3.5 齿轮传动比的计算…………………………………………………………………………12 3.5.1 纵向进给齿轮箱传动比的计算………………………………………………………12 3.5.2 纵向齿轮的强度校核…………………………………………………………………13 3.5.3 横向进给齿轮箱传动比的计算………………………………………………………13 3.5.4 横向齿轮的强度校核…………………………………………………………………13 3.6 步进电机的计算和选型……………………………………………………………………14 3.6.1 纵向进给步进电机计算和选型………………………………………………………16 3.6.2 横向进给步进电机计算和选型………………………………………………………16 3.7 轴的设计……………………………………………………………………………………18 3.7.1 纵向轴的设计…………………………………………………………………………18 3.7.2 横向轴的设计…………………………………………………………………………22 3.8 设计绘图进给伺服系统机械装配图………………………………………………………26 27 27 27 ………………………………………………… 27 ………………………………………………… 27 ………………………………………………… 27 5 结论……………………………………………………………………………………………36 参考文献…………………………………………………………………………………………37 致 谢…………………………………………………………………………………………38 1 绪 论 随着我国机车工业的发展，对机车零部件的精度要求越来越高，许多零件用普通车床很难加工，要求用数控车床加工。这就需要大量经费，对老设备进行改造是一条投资少见效快的途径，有许多厂有C620车床的主轴及主传动精度较好，但进给箱、溜班板箱及丝杠精度很差，无法完成精度高的工件加工，因此需对其进行数控改造。 发达国家重视装备制造业的发展，不仅在于其在本国工业中出口、积累、就业、贡献均占前列，更在于装备制造业为新技术、新产品的开发和生产提供重要的物质技术，是经济高级化不可或缺的战略性产业。即使是迈进“信息化社会”的工业化国家，也无不高度重视机械制造业的发展。先进的装备制造业是高新技术的重要组成部分，是促进相关产业技术升级和发展的重要依托。进入90年代，随着信息装备技术、工业自动化技术、数控加工技术、机器人技术、先进的发电和输配电技术、电力电子技术、新型材料技术和新型生物、环保装备技术等当代高新技术成果的应用，使机械产品不断高技术化，其高新技术含量己成为市场竞争取胜的关键。为适应市场需求的不确定性和个性化的用户要求，先进的制造企业不断吸收各种高新技术和现代管理技术等信息，并将其综合应用于产品设计、生产、管理、销售、使用、服务乃至回收的全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵敏及柔性化生产。一方面规模化生产使得垄断性跨国公司的技术创新和市场主导作用日益增强，例如在汽车产业领域，目前年产超过400万辆的企业集团已有6家，产量占世界汽车产量的80%以上;在电力设备领域，世界前三大公司控制了全球大型电力设备市场的70%。另一方面各大跨国公司在不断联合重组，扩张竞争实力的同时，纷纷收缩战线，剥离非主营业务，以精干主业，提高系统成套能力和个性化、多样化市场适应能力。作为规模化生产的前提和条件，生产高水平零部件和配套产品的“中场产业”快速发展，社会化生产服务体系不断完善，产业的国际化步伐不断加快。 国内外研究现状、水平和发展趋势：早期的数控系统采用穿孔纸带传送加工程序，由专用数控装置读入加工代码、进行识别、储存和计算，输出相应的指令脉冲以驱动伺服系统。70年代中期小型计算机出现。由于其较低的价格，高超的数据处理和输入输出功能，使它迅速应用到数控机床的控制系统中，出现所谓计算机数控(CNC)和直接数控(DNC)系统。九十年代以来，计算机技术的发展日新月异，通用计算机从8位机，已发展到奔腾时代。其速度和功能已比当年的8位机快了几百倍。使得在通用微机上以软件方式可以实现各种数控功能，数控技术发生了深刻变化。PC机上的丰富软件资源、友好的人机界面，是其它数控系统所无法比拟的。基于微机的开放式数控系统已成为世界数控技术的发展潮流，以PC机为平台的数控技术的应用范围迅速扩大。继续向开放式、基于PC的第六代方向发展。基于PC所具有的开放性、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。这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。 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。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。将熟练工人和专家的经验，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。引入故障诊断专家系统。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。 随着科学技术的不断发展，数控技术的发展越来越快，数控机床朝著高性能、高精度、高速度、高柔性化和模块化方向发展。但最主要的发展趋势就是采用“PC＋运动控制器”的开放式数控系统，它不仅具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制精确、通用性好等特点，而且还从很大程度上提高了现有加工制造的精度、柔性和应付市场需求的能力。美国将其称为新一代的工业控制器，日本称其将带来第三次工业革命。 从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 ① 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 　　由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 = 2 \* GB3 = 2 \* GB3 ② 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3～7倍。 　　由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动化”。 ③ 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。   ④ 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 ⑤ 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。 ⑥ 由以上五条派生的好处。 如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作作出快速反应等等。 以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 在我国是很好的数控化改造市场,我国目前有机床总量380万台而其中的数控机床总数只有11.34万台,即我国机床数控化率不到3%。近10年来,我国数控机床的产量为0.6～0.8万台,年产值约为18亿元。机床的年产量数控化为6%。我国机床役龄10年以上的占60%以上。所以我国的数控化改造的很有发展前景也是很必要的。 2 总体方案设计 2.1 CA620车床的工作过程 CA620车床进行车削加工时，将工件的一端夹在三爪卡盘上，另一端用顶尖顶紧，完成工件的夹紧定位。启动机床，主电机通过主传动链把运动和动力传递给主轴，使主轴带动工件旋转实现主运动。转动手柄使刀架纵向，横向移动，使其对准工件车削，刀具通过进给传动链实现纵向或横向移动。在切削螺纹时，进给传动链是内联系传动链，主轴旋转一周，刀架的移动量等于螺纹导程。在切削圆柱面和端面时，进给传动链是外联系传动链，进给量f也是以工件每转刀架的移动量来计算，车削完成后，刀架实现纵向，横向的快速退刀。并按下停止按钮，使主轴停止转动，再反向拧松三爪卡盘，取出已加工工件，并清扫切屑。 2.2 CA620车床的优、缺点 优点 ：CA620车床的工艺范围较广，能完成多种多样的加工工序，而且万能性较大，主轴在工作时承受很大的切削抗力，电动机带动主轴转动。主轴箱润滑的特点：箱体外循环。油液将主轴箱中摩擦所产生的热量带至箱体外的油箱中，冷却后再溶入箱体，因此可减少主轴箱的热变形，以提高了机床的加工精度。 缺点 ：CA620车床在改造之前，其刀架不能实现自动换刀，延长了换刀时间，生产效率降低，而且在主轴外端也没有安装主轴脉冲发生器，需由手动车削螺纹，使其不能实现自动控制。在实现进给部分的纵、横向移动时没有专门的电机驱动，传动链拉长，加工范围也较狭窄，因此增强了工人的劳动强度和延长了刀架的移动时间。 原机床使用的滑动丝杠，其摩擦阻力大，传动效率低，而且轴向尺寸也太长，刚性较差，只用于行程较小的场合。CA620车床在改造之前的加工精度较低，结构较复杂，而且自动化程度也较低，在加工形状比较复杂的工件时，换刀也比较麻烦。加工过程中的辅助时间也较多，所以需对CA620车床的丝杠部分进行了改造。 2.3 CA620车床的改造方案 2.3.1 主轴箱 数控机床的主传动要求有较宽的调速范围和足够饿输出力矩，此次该改造，保留原主轴箱齿轮换挡变速机构，由数控系统控制主轴的正、反转和停止。在主轴箱内用安装盘和挠性联轴器安装光电脉冲发生器，以保证改造后的车床具备螺纹加工功能。 2.3.2 床身 为了是改造后的机床有较高的开动率和精度保持性，除尽可能的减少电器和机械故障的同时，应充分考虑机床零件、部件的耐磨性，尤其是机床导轨的耐磨性。 当前国内普通车床的床身等大件都采用普通铸铁，而拖板也是普通铸铁，其摩擦系数较高，为了提高机床的动载性能，减少摩擦力。在改造中我们采用了在机床滑板导轨上贴聚四氟乙烯软带的办法，大大减少了摩擦阻力，提高了防爬、耐磨、消震吸音的能力。 2.3.3 拖板 拖板是数控系统直接控制对象，不论是点位还是连续控制，被加工零件的最后坐标精度将受拖板运动精度、灵敏度和稳定性的影响。因为数控系统发出的指令仅使拖板运动而没有位置检测和信号反馈，故实际移动值和系统指令值如果有差别就会造成加工误差，所以采用滚珠丝杠代替原来的滑动丝杠，提高传动灵敏性和降低功率、伺服电机力矩损失。 2.3.4自动换刀装置 为了满足在一台机床上一次装夹完成多工序加工，采用WZD4型电动刀架，它不但可以代替普通车床手动刀架，还可以用作数控机床控制元件，实现刀架自动回转，该刀架体积小，冲服定位精度高，适用于强力车削且安全可靠。 2.3.5 拖板箱 拆除原拖板箱上安装的挂轮箱，走刀箱，在此位置装一支架用来固定滚珠丝杠螺母，拆除原床身的传动箱，在此位置安装带和伺服电机，拆除原机床操纵杆、变向杠、立轴等杠杆零件，更换原机床丝杠后支撑。改造以后机床的启动、停机均由数控系统完成，但保留原机床的手动刹车装置。 2.3.6 总体布局 在改造过程中，对机床进行了统一布局，将电箱用支架安装在机床原主轴电机上，而数控系统面板、显示屏和各操纵按钮统一装在一个可以360°旋转的操纵台上，操纵台装在机床床身上，置于原机床操纵为之一侧；在滚珠丝杠上装上防护罩。机床冷却采用原机床冷却系统。 2.4改造后的功能和达到的精度 CA620卧式车床经过经济性数控改造后，该数控车床具有定位、直线插补、顺圆插补、暂停、循环加工，公英制螺纹加工等功能。改造后的精度提高了。 2.5 改造的目的 CA620车床的经济性数控改造。它是在原机床的基础进行改造的，保留了原机床的较大部件，而且改造时的步进电机，滚珠丝械螺母副、齿轮减速箱都是由专门的厂家生产，可以在市面上购买。控制部分的单片机、键盘、计算机等也可以在市面上购买。这样降低了改造成本，使效率提高了。 对进给部分进行机械改造，将原有的滑动丝杠改换成滚珠丝杠、降低了磨擦力，提高了传动链，并在纵、横向上直接安装了步进电机和齿轮减速器，缩短了传动链，提高了生产效率，加工精度也在原来的基础由有所提高。改造后实现纵、横向坐标的联动，使CA620车床的加工范围扩大，可以加工各种曲面。 改造后，刀架换成自动转位刀架，车床可以自动换刀，缩短了换刀时间。在主轴外端安装一个脉冲发生器，检测主轴转位，用它发出的脉冲来保证主轴旋转运动与纵向进给运动的相互关系，因为在车削螺纹时，主轴转一转，车刀要移动一个螺距。利用脉冲发生器，可以保证螺纹不乱扣，也确定了车削螺纹的进刀点 和退刀点。 3 CA620车床机械部分的改造 将一台CA620普通车床改造成微机数控车床，采用MCS－51系列单片机数控系统，步进电机开环控制，具有直线和圆弧插补功能，具有升降速控制功能。 3.1 CA620车床的几何参数 3.1.1 CA620车床的精度及各项参数如下： 最大加工直径： 床面上 400mm 脉冲当量： 纵向 0.01mm/步 床鞍上 210mm 横向 0.005mm/步 最大加工长度： 900mm 级数： 24 中心高： 162mm 转速范围： 11.5-1200r/min 刀架最大行程： 纵向 900mm 螺距： 12mm 横向 260mm 主电机功率： 7.5KW 刀架溜板 140mm 机床外行尺寸： 长度 2649mm 进给量： 纵向 0.08-1.59mm/r 宽度 1210mm 横向 0.027-0.52mm/r 高度 1513mm 横向 2m/min 3.1.2 CA620车床改造后的精度及各项参数如下： 加工最大直径： 床面上 400mm 起动加速时间： 30ms 床鞍上 210mm 机床定位精度： 加工最大长度： 900mm 主电机的转速n: 1450m/min 溜板及刀架重力： 纵向 800N 脉冲分配形式： 逐点比较法 横向 600N 输入方式： 增量值、绝对值通用 刀架快进速度： 纵向 2.4m/min 控制坐标数： 2 横向 1.2m/min 刀具补偿量： 0-99.99mm 最大进给速度： 纵向 0.6m/min 横向 0.3m/min 主电机功率： 7.5KW 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车床应具有定位、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计算机系统 根据机床要求，采用8位微机。由于MCS-51系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰能力强，具有很高的性能比等特点，决定采用MCS-51系列的8031单片机扩展系统。 控制系统由微机部分，键盘及显示器，I/O接口及光电隔离电路，步进电机功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。 ③机械传动方式 为实现机床所需要的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。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。 3.2 选择脉冲当量 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）。 3.3 计算切削力 3.3.1 纵车外圆 主切削力 （N）按经验公式估算：　 ＝0.67 式（3.1） ＝0.67× =5360N 按切削力各分力比例： ： ＝1：0.25：0.4 式（3.2） ＝0.25 ＝0.×5360＝1340N ＝0.4 ＝0.4×5360＝2144N 3.3.2 横切端面 主切削力 （N）可取纵切的1/2， 1/2 =1/2×5360=2680N 式（3.3） 此时走刀抗力为 （N），吃刀抗力为 （N），仍按上述比例粗略计算： 　　　　　　 ＝1：0.25：0.4 　　　　　　 ＝2680×0.25＝670N 　　　　　　 ＝2680×0.4＝1072N 3.4 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 3.4.1 纵向进给丝杠 ①计算进给率引力 （N） 纵向进给为综合型导轨：　　 ＝1.15×1340＋0.17（5360＋800）＝2590N 式（3.4） 式中： K－考虑颠复力矩影响的实验系数，综合导轨：K＝1.15 －滑动导轨磨擦系数　 0.15～0.18 取0.17 G－溜板及刀架重力　　G＝800N ②计算最大动负载F 　　　　　　　　　　　F＝ 　 式（3.5） 　　　　　　　　　　　L＝(60×n×T)/10 式（3.6） N=1000 / 式（3.7） 式中：　 -滚珠丝杠导程，初选 ＝8mm -最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的（1/2-1/3）, =0.6m/min T-使用寿命，按15000h -运动系数，取 ＝1.2～1.3 取1.25 　　　 L－寿命　以 转为1单位 　　　由式（3.7）知：n=1000 / =(1000×0.6×0.25)/8=18.75r/min 由式（3.6）知：L=(60×N×T)=(60×18.75×15000)/ =16.875 由式（3.5）知：F= ×1.25×2590=8304.07N ③计算最大静负载 　　　　 ＝ × ＝2×2590＝5180N 式（3.8） 　　　　　　　　　 ＜ ＝62000N ④滚珠丝杠螺母副的类型 选用滚珠丝杠副的直径 时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。 根据纵向进给丝杠的动负载来选取滚珠丝杠螺母副。查阅文献[11]附表A表3，可采用 3508外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动载荷为2000N，额定静载荷为62000N，精度等级为3级。 ⑤传动效率计算 　　　 tan /tan =tan /tan =0.9613998 式（3.9） -摩擦角取 ，滚动摩擦系数0.003～0.004 ⑥刚度验算 纵向进给滚珠丝杠支承方式如图3.2。最大牵引力为2590N，支承间距L＝1500mm，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 图3.2 纵向进给系统计算简图 1）丝杠的拉伸或压缩变形量 　　　　　　　 ＝( )/EF 式（3.10） =(2590×8)/20.6× × ×(35/2) =1.05× ×L 式（3.11） =(1.05× ×1500)/8 =0.01968 由于两端均采用角接触球轴承。且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可提高4倍，其实际变形量 （mm）为： ＝1/4×0.01968=0.0049 2）滚珠与螺母滚道间接触变形 Z=π / =π×35/4.763=23（外循环） =Z×圈数×列数=23×2.5×1=57.5 无预紧： =0.0038× =0.0038× =3.7× 有预紧： =0.0013×（F/ ）=0.0013×(259/ ) 3）支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 采用7206C型角接触球轴承， ＝30mm，滚动体直径 ＝6mm，滚动体数量Z＝40 =0.0006× =0.0006× =9.85× 式（3.12） 因施加预紧力，故 ＝1/2×9.85× ＝4.92× mm 4）滚珠丝杠的扭转变形引起导和的变化量 ，一般忽略不计 5）螺母座及轴承支座的变形，常为滚珠丝杠副系统刚度的薄弱环节。但变形量计算较为困难，一般根据其精度要求，在结构上尽量增强其刚度而不作计算　 　　　　 ＝0.0049＋0.00224＋4.92× ＝7.63× ＜定位精度,满足刚度要求. ⑦稳定性验算 丝杠螺纹底径：35mm 　　　　　　　　　 ＝2.7× N 式（3.13） 　　　　　　　　　　N ＝ ＝2.7× N/2590=102.74 ＞＞[n ] 　　　　一般[n ]＝2.5～4　　则丝杠不会产生的稳定 3.4.2 横向进给丝杠 ①计算进给牵引力 　　 横向导轨为燕尾形，计算如下： 　　　　　　 ＝1.4 ＋ 式（3.14） 　　　　　　　 =1.4×670+0.17×（2680+2×1072+600） ＝1860N ②计算最大动负载F 　 由式（3.7）： n=1000 / =1000×0.3×0.25/6=12.5r/min 由式（3.6）： L=60nT/ =60×12.5×15000/ =11.25 由式（3.5）： F= = ×1.25×1860=5210N 取1.25 ③计算最大静负载 由式（3.8）： = =2×1860N=3720N =42800N ④滚珠丝杠螺母副的选型 　　选用滚珠丝杠螺母副的直径 时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。 　　从文献附录A表3中查出， 3006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动载荷为14200N，额定静载荷42800N，精度等级为3级。 ⑤传动效率计算 由式（3.9）： ＝tan /tan( + )=tan3 39′/tan(3°39′+10′)=0.95 ⑥刚度验算 　 横向进给丝杠支承方式如图3.3所示，最大牵引力为1860N，支承间距L＝450mm，因丝杠长度较短，不需预紧，螺母及轴承需预紧。预紧力为最大轴向负载的1/3。 图3.3 横向进给系统计算简图 1）丝杠的拉伸或压缩变形量 （mm） 由式（3.10）：△L= /EF ＝1860×6/20.6× ＝7.66× 由式（3.11）： △L/ ×L =7.66× ×450/6=5.75× 由于两端均采用双列向心短圆柱滚子轴承。且丝杠又进行了预拉伸，故其拉亚港督可提高4倍，其实际变形量 （mm）为： = ×1/4=1/4×0.01968=0.0049 2） 滚珠与螺纹滚道间接触变形 Z=π / =π×35/4.763=23 =Z×圈数×列数=57.5 有预紧时： ＝0.0013× ＝1.7× 式（3.15） 3） 支承滚珠丝杠的轴承的接触变形 采用3182106型双列向心短圆柱滚子轴承， ＝30mm，滚动体直径 ＝6mm，滚动体数量Z＝34 由式（3.12）： =0.0006× =0.0006× =8.46× 因施加预紧力，故 ＝1/2×8.46× ＝4.23× mm 4） 滚珠丝杠的扭转变形引起导程的变形量 ，一般忽略不计。 5） 螺母座及轴承支座的变形，常为滚珠丝杠副系统刚度的薄弱环节。但变形量计算较为困难，一般根据其精度要求在结构上尽是增强其刚度而不作计算 　　 ＝5.75× ＋1.7× ＋4.23× ＝0.0022＜定位精度 ⑦稳定性校核 丝杠螺纹底径30 　　　由式（3.13）： ＝（ ）/ 　　　　　　　　 ＝7.98× N 　　　　　　　 7.98× /1860＝42902.9＞＞[ ] 　　　　　　 一般取[ ]＝2.5～4 　　　　　　　　　此滚珠丝杠不会产生失稳. 表3.1 纵向及横向滚珠丝杠副几何参数 （mm） 名　称 符　号 螺 纹 滚 道 公称直径 35 30 导程 8 6 接触角 钢球直径 4.763 3.969 滚道法面半径 R 2.477 2.064 偏心距 e 0.068 0.056 螺纹升角 螺杆 螺杆外径 d 34.0474 29.2062 螺杆内径 30.182 24.752 螺杆接触直径 30.249 26.039 螺母 螺母螺纹直径 D 37.341 34.016 螺母内径 D 36.4289 31.1909 3.5 齿轮传动比计算 3.5.1 纵向进给齿轮箱传动比计算 已确定纵向进给脉冲当量 mm/步，滚珠丝杠导程 ＝8mm，初选步进电机步距角0.75 ，可计算出传动比i： 　　　　　　i= =360×0.01/0.75×8=0.6 式（3.16） 确定齿轮齿数为：　 i= ＝18/30　 3.5.2 齿轮的强度校核 　校核齿根弯曲疲劳强度　 式（3.17） ①确定公式中各参数值 1）大、小的弯曲疲劳强度极限 、 查图6.9（机械设计） 　　 考虑到该减速器的功率不大，故大、小齿轮都选用45钢调质处理，齿面硬度分别为220HBS，260HBS，属软齿面闭式舍去，载荷平衡，齿轮速度不高，初选7级精度，按软齿面齿轮悬臂安装，从文献[12]查表6.5，取齿宽系数 =0.5。 2）弯曲疲劳寿命系数 ， 　　　　　 ＝0.88　　　 ＝0.90 3）许用弯曲应力 、 　取定弯曲疲劳安全系数 ＝1.4，应力修正系数 ＝2.0，知： 　　 ＝ / =0.88×2×240/1.4=301.71Mpa 式（3.18） = / =220×0.9×2/1.4=282.86Mpa 4）齿形系数 ， 和应力修正系数 ， 　查表6.4（机械设计）知， ＝2.62　　 ＝2.22 　　　　　 ＝1.59　　　 ＝1.77 5）计算大、小的 / 与 / ,并加以比较取其中大值代入公式计算 　　　　　 / ＝2.62×1.59/301.71=0.0138 / =2.22×1.77/282.86=0.0139 ②校核计算： T＝9.55× ＝9.55× ＝9168N.mm 式（3.19）由式（3.17）： 2×1.265×9168×2.22×1.77/0.5×18 =70.32Mpa < [ ] ∴ 弯曲疲劳强度足够 3.5.3 横向进给齿轮箱传动比计算 已确定横向进给脉冲当量 ，滚珠丝杠导程为6mm，初选步进电机步距角0.75 ，可计算出传动比i: 由式（3.16）： i= =360×0.005/0.75×6=0.4 确定齿轮齿数为：i= =18/45 3.5.4 齿轮的强度校核 　校核齿根弯曲疲劳强度　 ①确定公式中各参数值 1）大、小的弯曲疲劳强度极限 、 查图6.9（机械设计） 　　 考虑到该减速器的功率不大，故大、小齿轮都选用45钢调质处理，齿面硬度分别为220HBS，260HBS，属软齿面闭式舍去，载荷平衡，齿轮速度不高，初选7级精度，按软齿面齿轮悬臂安装，从文献[12]查表6.5，取齿宽系数 ＝0.5。 2）弯曲疲劳寿命系数 ， 　　　　　 ＝0.88　 ＝0.90 3） 许用弯曲应力 、 取定弯曲疲劳安全系数 ＝1.4，应力修正系数 ＝2.0，知： 由式（3.18）： ＝ / =0.88×2×240/1.4=301.71Mpa 由式（3.18）： = / =220×0.9×2/1.4=282.86Mpa 4）齿形系数 ， 和应力修正系数 ， 　查表6.4（机械设计）知， ＝2.62　　 ＝2.22 　　　　　　　　 ＝1.59　　 ＝1.77 5）计算大、小的 / 与 / ,并加以比较取其中大值代入公式计算 　　　　　　 / ＝2.62×1.59/301.71=0.0138 / =2.22×1.77/282.86=0.0139 ②校核计算 由式（3.19）：T＝9.55 ＝9.55× 由式（3.17）： 2×1.265×10696×2.22×1.77/0.5× 8 ×2 =82.04Mpa < [ ] ∴ 弯曲疲劳强度足够 由于进给伺服系统传递功率不大，一般取模数m＝1－2，数控车床可取m=2. 表3.2 齿轮的几何参数 (mm) 名称 计算公式 计算结构 齿数 18 30 18 45 模数 2 2 2 2 分度圆直径 d 36 60 36 90 齿顶圆直径 40 64 40 94 齿根圆直径 m 31 55 31 85 齿宽b (6～10)m 15 15 15 15 中心距a a=( 48 63 3.6 步进电机的计算和选型 3.6.1 纵向进给步进电机计算 ①等效转动惯量计算 　　传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 ，可由下式计算： 　　　　 ＝ 式（3.20） 　　　　　 ----步进电机转子转动惯量 　　　　　　 ----齿轮 的转动惯量 　　　　 ----滚珠丝杠转动惯量 取8.3kg 参考同类型的数控车床，初选反应式步进电机110BF，其转子转动惯量 kg.cm . =0.78× =0.262kg.cm 式（3.21） =2.022kg.cm kg.cm G=800N 由式（3.20）： =4.7+0.262+(18/30) [(2.022+29.952)+800/9.8(0.8/ =20.8kg.cm 　　考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题（ 在0.2~0.6之间匹配）： 　　　　　　　∴ 基本满足惯量匹配的要求 ②电机力矩的计算 1）快速空载起动时所需力矩 　　 式（3.22） 式（3.23） 　又 ＝500r/min 式（3.24）起动加速时间 由式（3.23）： N.cm =99.8N.cm 式（3.25） ＝2.95N.cm 式（3.26） 由式（3.22） ＝363.03＋99.8＋2.95＝465.78N.cm 2）快速进给时所需力矩 　　 ＝99.8＋2.95＝102.75N.cm 3）最大切削负载时所需的力矩 　　　 　其中： ＝127.77N.cm 式（3.27） =99.8+2.95+127.77=235.79N.cm 在 两种力矩中取其大者作为选择步进电机的依据，对于大多数数控机床来说。因为要保证一定的动态性能，系统时间常数较小，而等效转动惯量又较大，故电机力矩主要用来产生加速，而负载力矩往往小于加速力矩，故常用快速空载起动力矩作为选择步进电机的依据。 ③步进电机的选择 1）首先根据最大静转矩 初选电机型号 从[11]表4－24知，当步进电机为三相六拍时， ＝0.866 式（3.28） 　 最大静力矩 ＝ 471.05/0.866＝543.94N.cm 从[11]表4－23查出，110BF003型最大静转矩为7.84N.m。大于了最大静转矩，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。 2）计算电机工作频率 　　　　　　　 　　　　　　　 式（3.29） 式（3.30） 　　　　由式（3.29）： HZ 　　　　由式（3.29）： HZ 从文献[11]表4－23中查出110BF003型步进电机允许的最高空载起动频率7000HZ。再从文献[11]图4－17，4－18查出110BF003步进起动力矩特性和运行矩频特性曲线如图所示。从图3.4看出，当步进电机起动时， ＝1600HZ时，M＝98N.cm,远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（532.06N.cm）直接使用会产生失步现象。所以采取升降速控制（软件实现）。将起动频率降到200HZ时，起动力矩可增高到385N.CM,然后在电路上再采用低压驱动电路，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，110BF003型步进电机运行矩频特性可满足要求。 3.6.2 横向进给步进电机计算和选型 ①等效转动惯量的计算 　传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 （kg.cm ）由下式计算： 由式（3.20）： 初选反应式步进电机110BF， ＝1.8kg.cm 1）齿轮的惯量计算 由式（3.21）： kg.cm =10.24kg.cm 2）丝杠折算到电机轴上的转动惯量 　　 公称直径：30mm，导程6mm，长度为450mm的丝杠，从表中查出1m长的丝杠转动惯量为2kg.cm ,则此丝杠的转动惯量为 ＝2×0.715=1.43kg.cm kg.cm 3）工作台折算到丝杠轴上的转动惯量J 　　　　　　 ＝（0.6/ ×600/10 =0.547kg.cm 图3.4 110BF003型步进电机矩频特性 综上： ＝1.8＋0.262＋（18/45） ×[(10.24+1.43)+0.574]=3.047kg.cm 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题： ＝1.8/3.047=0.59 　　　∴ 基本满足惯量匹配要求　 ②电机力矩的计算　 1）快速空载起动时所需力矩M 　　　　　　 　 　　　　　　 　　　 由式（3.24）： / =1200/0.005×0.75/360=500r/min　　 由式（3.23）： =3.047× × =53.18N.cm 由式（3.25）： = N.cm 由式（3.26）： =6.12N.cm 由式（3.22）： =53.18+25.07+6.12=80.88N.cm 2）快速进给时所需力矩 　 ＝26.62＋1.08＝27.7N.cm 3）最大切削负载时所需力矩 　　　　　　 由式（3.27）： ＝670×0.6/2 ×0.8（50/70=32.01N.cm 　　　　　　 ＝25.07＋6.12＋32.01＝63.2N.cm ③步进电机的选择 1）首先根据最大静转矩 初选电机型号 　　从文献[11]表4－24查出，当步进电机为五相十拍时， =0.951 =88.088/0.951=58.05N.cm 从表4－23查出，90BF002型最大静转矩为3.92N.m。大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。 2）计算电机工作频率 由式（3.27）： 由式（3.27）： 　　 从文献[11]表4-23中查出90BF002型步进电机允许的最高空载起动频率为3800Hz，运行频率为1600Hz,再从文献[11]图4－17，4-18查出90BF002步进电机起动矩频特性和运行频特性曲线如图所示，从图3.5看出，当步进电机起动。 ＝3200时，M＝90N.cm,不能满足此机床所要求的空载起动转矩（122.60N.cm）直接使用会产生失步现象，所以采取升降速控制（软件实现）；将起动频率了解到2400Hz时，起动力矩可增至110N.cm。然后在电路上再采用高低压驱动电路，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，90BF002型步进电机运行矩频特性完全可满足要求。 3.7 轴的设计 3.7.1 纵向轴的设计 ①确定轴的运动和动力系数 1）确定电动机额定功率P和满载转速n 由反应式步进电机110BF003查表知：P=0.48KW n=500r/min 2）确定相关件的效率 套筒联轴器效率 ， 圆柱齿轮啮合效率 ，角接触球轴承效率 ，一对推力球轴承效率 电动机-轴的总效率 = 式（3.31） 图3.5 90BF002型步进电机矩频特性 3）轴的输入功率 式（3.32） 4） 轴的转速 式（3.33） 5）轴上转矩 式（3.34）②轴的结构设计 1）确定轴的最小直径 a. 估算轴的最小直径 45钢调质处理，查表知，A=115，则有： ，取 b. 选择轴联轴器型号 联轴器的计算转矩 根据工作要求选取套筒联轴器，由 选取联轴器的型号，其允许最大转矩 ，套筒联轴器的长度 ，与轴配合长度 ，套筒联轴器的孔径 图3.6 纵向轴的结构与装配草图 2）确定各轴段的尺寸（见图3.6） 齿轮处定位轴肩高度 ～3 ，但因该轴肩几乎不承受轴向力，故取 ，则 + 取 ，查轴承样本，选用型号7206C角接触球轴承，其内径 ，宽度B=16mm ③按许用弯曲应力校核轴（见图3.7） 1）求轴上载荷 a. 计算齿轮受力 齿轮的圆周力 式（3.35） 齿轮的径向力 式（3.36） b. 联轴器由制造和安装误差产生的附加圆周力 （方向不定） 式（3.37） c. 求支反力 水平平面内的支反力，见图（a） ① ② 解得： 在竖直平面内的支反力，见图（b） ① ② 解得： 2)作弯矩图和转矩图 a. 水平平面内的弯矩图，见图（d） A处弯矩： B处弯矩： ， C处弯矩： ， D处弯矩： ， b. 在竖直平面内的弯矩图，见图（e） A处弯矩： B处弯矩： ， C处弯矩： ， D处弯矩： ， c. 合成弯矩，见图（f） A处弯矩： B处弯矩： ， C处弯矩： ， D处弯矩： d. 转矩及转矩图，见图（g） ：T=13752N.mm e. 计算当量弯矩，绘弯矩图 考虑启动、停机影响，扭矩为脉动循环变应力， B处弯矩： 式（3.38） C处弯矩： D处弯矩： 3)轴的强度校核 a. 确定危险截面：根据轴的结构尺寸及弯矩图、转矩图，截面D为危险截面 b. 安全系数校核计算： 式（3.39） 式（3.40） 式中： —Q235-A热轧或锻后空冷弯曲对称循环应力时的疲劳极限，由表19.1-1查得， —正应力有效应力集中系数，由表19.3-6按键槽查得， —表面质量系数，轴经车削加工，按表19.3.查得， —尺寸系数，由表19.3-11查得 切应力幅： 式（3.41） 式（3.42） 式中： —Q235-A热轧或锻后空冷扭转疲劳极限，由表19.1-1查得， —切应力有效应力集中系数，由表19.3-6按键槽查得， —同正应力情况 —平均应力折算系数，由表19.3-13查得， S= 式（3.43） 由表19.3.5可知，[S]＞1.5，故S＞[S]，该轴D截面是安全的 3.7.2 横向轴的设计 ①选择轴的材料 轴的材料为45钢调质，由资料查知： =650MP ， =360MP ， =270MP ，τ =155MP ，E=2.15×10 MP ②轴的初步估算 由表查得，A=115，则有d =A 式（3.44） 取d =17mm ③轴的结构设计（见图3.8） 1)各轴段直径的确定 初选滚动轴承下，代号为7203C，轴颈直径为d =17mm，齿轮2处轴头直径d =15mm，直径d =16mm,d =25mm 2)选择联轴器 考虑动载荷及过载，取联轴器工作情况系数K=1.5，则联轴器计算转矩：T mm，根据工作要求选取套筒联轴器。由 T 选取联轴器的型号，其允许最大转矩T 3)各轴段轴向长度的确定 按轴上零件的轴向尺寸及零件间的相对位置 图3.8 横向轴的结构与装配草图 ④按许用应力校核轴（见图3.9） 1)轴上受力 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ，见图（a） a. 轴传递的转矩：T 式（3.45） b. 齿轮的圆周力： 式（3.46） c. 齿轮的径向力： 式（3.47） d. 联轴器由制造和安装误差产生的附加圆周力 （方向不定）： 式（3.48） 2)求支反力 在水平平面内的支反力，见图(b） 在竖直平面内的支反力，见图(c) 3)作弯矩和转矩图 a. 齿轮的作用力在水平平面内的弯矩图,见图(d） b. 齿轮的作用力在竖直平面内的弯矩图,见图(e） c. 由于齿轮的作用力在A截面作出的最大合成弯