C6140普通車床工作臺數(shù)控改造畢業(yè)設(shè)計論文說明書

陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) CA6140 型普通車床數(shù)控化改造 摘 要 以 C6140 型普通車床為例，從機(jī)械和電氣方面詳細(xì)闡述了數(shù)控化改造的方法。改造后的車床投入使用后運(yùn)行穩(wěn)定，加工精度明顯提高，取得了極大的經(jīng)濟(jì)效益。 關(guān)鍵詞 普通車床；數(shù)控化改造； SINUMERIK802S base line Numerical Control Transformation of C6140 Common Lathe （ Grade 06,Class 2,Major machine design manufacture and autormation， School of Mechanical Engineering， Shaanxi University of Technology， Hanzhong 723003， Shaanxi） Abstract ： Takes CA6140 type common lathe as an example ,has explained the NC transformation method from machinery and electric two respects in detail. After trans forming, the new lathe runs steadily, the machining accuracy is obviously improved, has made the great technological economic benefits. Key words： common lathe； NC transformation； SINUMERIK802S base line 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 1 頁 共 41 頁 目 錄 引 言 . 4 第一章 概述 . 5 第二章 總體方案的設(shè)計 . 7 2.1 設(shè)計任務(wù) . 7 2.2 總體方案的論證 . 7 2.3 總體方案的確定 . 7 2.4 數(shù)控系統(tǒng)的選擇 . 8 第三章 機(jī)械部分改造 . 9 3.1 機(jī)械傳動方式 . 9 3.2 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計計算 . 9 3.2.1 選擇脈沖當(dāng)量 : . 9 3.2.2 算切削力 :. 9 3.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型橫向進(jìn)給絲杠 : . 10 3.3.1 計算進(jìn)給 牽引力 Fm (N) . 10 3.3.2 計算最大動負(fù)載 C： . 10 3.3.3 選擇滾珠絲杠螺母副： . 10 3.3.4 傳動效率計算 ： . 10 3.3.5 剛度驗算 . 11 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 2 頁 共 41 頁 3.3.6 校核 . 12 3.4 齒輪傳動比計算 ： . 17 3.5 步進(jìn)電機(jī)的計算和選型： . 17 3.5.1 等效轉(zhuǎn)動慣量計算 ： . 17 3.5.2 電機(jī)力矩的計算機(jī)： . 18 3.5.3 步進(jìn)電機(jī)空載啟動頻率和切削時的工作頻率： . 20 3.6 縱向進(jìn)給系統(tǒng) . 20 3.6.1 設(shè)計參數(shù) . 20 3.6.2 齒輪傳動比計算 . 21 3.6.3 滾珠絲杠的計算及選擇 . 21 3.6.4 校核 . 22 3.7 機(jī)械部分改造 . 26 3.8 主軸脈沖編碼器的安裝 . 27 第四章 數(shù)控系統(tǒng)選擇 . 28 4.1 西門子數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) . 28 4.2 數(shù)控連線圖 . 29 4.3 步進(jìn)電動機(jī)的控制 . 29 4.3.1 步進(jìn)電動機(jī)的開環(huán)控制 . 30 4.3.2 步進(jìn)電動機(jī)傳動控制 . 31 4.3.3 步進(jìn)電動機(jī)的 PLC傳動控制 . 33 4.4 PLC 數(shù)控系統(tǒng)需解決的問題 . 36 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 3 頁 共 41 頁 4.5 PLC 輸入、輸出（ I/O）點(diǎn)數(shù)確定 . 37 4.6 驅(qū)動程序（梯形圖）設(shè)計 . 37 4.6.1 總程序結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 38 4.6.2 手動程序梯形圖設(shè)計 . 38 4.7 電氣部分改造 . 38 結(jié) 論 . 41 致 謝 . 42 參考文獻(xiàn) . 43 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 4 頁 共 41 頁 引 言 制造業(yè)是一個國家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，其發(fā)展水平標(biāo)志著該國或地區(qū)經(jīng)濟(jì)的實力，科技水平，生活水準(zhǔn)和國防實力。國際市場的競爭歸根到底是各國制造生產(chǎn)能力及機(jī)械制造裝備的競爭。 隨著機(jī)械制造生產(chǎn)模式的演變 ,對機(jī)械制造裝備提出了不同的要求 .在 50 年代“剛性 ”生產(chǎn)模式下，通過提高效率，自動化程度 ,進(jìn)行單一或少品種的大 批量生產(chǎn)，以“規(guī)模經(jīng)濟(jì) ”實現(xiàn)降低成本和提高質(zhì)量的目的。從 90 年代開始，為了對世界生產(chǎn)進(jìn)行快速響應(yīng)，逐步實現(xiàn)社會制造資源的快速集成，要求機(jī)械制造裝備的柔性化程度更高 ,采用擬實制造和快速成形制造技術(shù) 1。 工業(yè)發(fā)達(dá)國家都非常注重機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，為了用先進(jìn)技術(shù)和工藝裝備制造業(yè)，機(jī)械制造裝備工業(yè)得到先發(fā)展。對比之下，我國目前機(jī)械制造業(yè)的裝備水平還比較落后，表現(xiàn)在大部分工廠的機(jī)械制造裝備基本上是通用機(jī)床加專用工藝裝備，數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造裝備中的比重還非常低，導(dǎo)致 “剛性 ”強(qiáng) ,更新產(chǎn)品速度慢，生產(chǎn)批量不宜太小，生產(chǎn)品 種不宜過多；自動化程度基本上還是 “一個工人，一把刀，一臺機(jī)床 ”，導(dǎo)致勞動生產(chǎn)率低下，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。 因此，要縮小我國同工業(yè)發(fā)達(dá)國家的差距 ,我們必須在機(jī)械制造裝備方面大下功夫，其中最重要的一個方面就是增加數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造裝備中的比重 1。 通過這次畢業(yè)設(shè)計，可以達(dá)到以下目的： 1，培養(yǎng)綜合運(yùn)用專業(yè)基礎(chǔ)知識和專業(yè)技能來解決工程實際問題的能力； 2，強(qiáng)化工程實踐能力和意識 ,提高本人綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力； 3，使本人受到從事本專業(yè)工程技術(shù)和科學(xué)研究工作的基本訓(xùn)練 ,提高工程繪圖、計算、數(shù)據(jù)處理、外文資料文獻(xiàn)閱讀、使用計 算機(jī)、使用文獻(xiàn)資和手冊、文字表達(dá)等各方面的能力； 4，培養(yǎng)正確的設(shè)計思想和工程經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)，理論聯(lián)系實際的工作作風(fēng)，嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度以及積極向上的團(tuán)隊合作精神。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 5 頁 共 41 頁 第一章 概述 數(shù)控機(jī)床可以較好地解決形狀復(fù)雜、精密、小批及多變零件的加工問題，能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率，但是數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用也受到其他條件的限制。首先，數(shù)控機(jī)床價格昂貴，一次性投資巨大，中小企業(yè)常是心有余而力不足；目前，各企業(yè)都有大量的普通機(jī)床。 完全用數(shù)控機(jī)床替換根本不可能，而且被替代下的機(jī)床閑置起來又會造成浪費(fèi)；在國內(nèi)，訂購新數(shù)控機(jī)床的交貨 周期一般較長，往往不能滿足生產(chǎn)急需；要較好地解決上述問題，應(yīng)走普通機(jī)床數(shù)控改造之路。低成本普通車床數(shù)控化改造是一項適合我國實際情況的先進(jìn)適用技術(shù)，也是一項提升我國機(jī)床數(shù)控化率的有效途徑。在美國、日本和德國等發(fā)達(dá)國家，它們的機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長行業(yè)，生意盎然。由于機(jī)床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造是個“永恒”的課題。我國的機(jī)床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進(jìn)入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。 1.1 機(jī)床數(shù)控化改造的必要性 從提高資本效率出發(fā)，改造閑置設(shè)備，能發(fā)揮機(jī)床的原有功能和改造后的新增功能，從而提高機(jī)床的使用價值； 適用于多品種、小批量零件生產(chǎn)； 數(shù)控改造費(fèi)用低，減少了投資額，經(jīng)濟(jì)性好。數(shù)控改造費(fèi)用僅為新購一臺數(shù)控機(jī)床的 15 25，同購置新機(jī)床相比，一般可以節(jié)省 75 85的費(fèi)用。 力學(xué)性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)受限。所利用的床身、立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅固的鑄造，而不是那種焊接構(gòu)件，改造后的機(jī)床性能高、質(zhì)量好，可以作為新設(shè)備繼續(xù)使用，應(yīng)此數(shù)控化改造使原有的機(jī)械結(jié)構(gòu)更為簡單； 熟悉了解設(shè)備、便于操作維修，降低了操作者的技術(shù)要求，更易提高管理水平； 可充分利用現(xiàn)有的條件?？梢猿浞掷矛F(xiàn)有地基，不必像購入新設(shè)備時那 樣需重新地基； 可以采用最新的控制技術(shù)； 交貨期短，可滿足生產(chǎn)急需。 機(jī)床作為機(jī)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(jī)技術(shù)的興起，促使機(jī)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(jìn)行柔性自動化控制的新一代機(jī)床數(shù)控機(jī)床的誕生和發(fā)展。計算機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用，為人類提供了實現(xiàn)機(jī)械加工工藝過程自動化的理想手段。隨著計算機(jī)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)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)的機(jī)床傳動及結(jié)構(gòu)的概念發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變。數(shù)陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 6 頁 共 41 頁 控機(jī)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(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先 驅(qū)。 數(shù)控機(jī)床是以數(shù)字化的信息實現(xiàn)機(jī)床控制的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它把刀具和工件之間的相對位置，機(jī)床電機(jī)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(jī)，經(jīng)過譯碼，運(yùn)算，發(fā)出各種指令控制機(jī)床伺服系統(tǒng)或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工件。 1.2 普通機(jī)床 數(shù)控改造的 主要優(yōu)點(diǎn) 1. 適應(yīng)性強(qiáng)，適合加工單件或小批量的復(fù)雜工件； 在數(shù)控機(jī)床上改變加工工件時，只需重新編制新工 件的加工程序，就能實現(xiàn)新工件加工。 2. 加工精度高； 3. 生產(chǎn)效率高； 4. 減輕勞動強(qiáng)度，改善勞動條件； 5. 良好的經(jīng)濟(jì)效益； 6. 有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。 數(shù)控機(jī)床已成為我國市場需求的主流產(chǎn)品，需求量逐年激增。我國數(shù)控機(jī)床近幾年在產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)品開發(fā)上取得了明顯的進(jìn)步，特別是在機(jī)床的高速化、多軸化、復(fù)合化、精密化方面進(jìn)步很大。但是，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與先進(jìn)國家的同類產(chǎn)品相比，還存在差距，還不能滿足國家建設(shè)的需要。 我國是一個機(jī)床大國，有三百多萬臺普通機(jī)床。但機(jī)床的 素質(zhì)差，性能落后，單臺機(jī)床的平均產(chǎn)值只有先進(jìn)工業(yè)國家的 1/10 左右，差距太大，急待改造。 舊機(jī)床的數(shù)控化改造，顧名思義就是在普通機(jī)床上增加微機(jī)控制裝置，使其具有一定的自動化能力，以實現(xiàn)預(yù)定的加工工藝目標(biāo)。 隨著數(shù)控機(jī)床越來越多的普及應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益為大家所理解。在國內(nèi)工廠的技術(shù)改造中，機(jī)床的微機(jī)數(shù)控化改造已成為重要方面。許多工廠一面購置數(shù)控機(jī)床一面利用數(shù)控、數(shù)顯、 PC 技術(shù)改造普通機(jī)床，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。我國經(jīng)濟(jì)資源有限，國家大，機(jī)床需要量大，因此不可能拿出相當(dāng)大的資金去購買新型的數(shù) 控機(jī)床，而我國的舊機(jī)床很多，用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)改造普通機(jī)床，在投資少的情況下，使其既能滿足加工的需要，又能提高機(jī)床的自動化程度，比較符合我國的國情。 1984 年，我國開始生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，并用于改造舊機(jī)床。到目前為止，已有很多廠家生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)?？梢灶A(yù)料，今后，機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造將迅速發(fā)展和普及。所以說，本畢業(yè)設(shè)計實例具有典型性和實用性。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 7 頁 共 41 頁 第二章 總體方案的設(shè)計 2.1 設(shè)計任務(wù) 本設(shè)計任務(wù)是對 CA6140 普通車床 工作臺 進(jìn)行數(shù)控改造 熟悉普通車床 6140 的工作臺基本傳動機(jī)構(gòu)（橫向和縱向）。利 用微型計算機(jī)改造現(xiàn)有的普通車床，主要應(yīng)該解決的問題是如何將機(jī)械傳動的進(jìn)給和手動控制的刀架轉(zhuǎn)位，進(jìn)給改造成由計算機(jī)控制的刀架自動轉(zhuǎn)位以及自動進(jìn)給的自動加工機(jī)床，即經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。 利用 PLC 對縱、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)控制，縱向（ Z 向）脈沖當(dāng)量為 0.01mm/脈沖，橫向（ X 向）脈沖當(dāng)量為 0.005mm/脈沖，驅(qū)動元件采用步進(jìn)電機(jī)，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用自動轉(zhuǎn)位刀架。 2.2 總體方案的論證 對于普通機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，在確定總體設(shè)計方案時，應(yīng)考慮在滿足設(shè)計要求的前提下，對機(jī)床的改動應(yīng)盡可能少，以降低成本。 （ 1）數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定 ： 數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。由于要求 CA6140 車床加工復(fù)雜輪廓零件，所以本微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用兩軸聯(lián)動連續(xù)控制系統(tǒng)。 （ 2）伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計 ： 數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)有開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)之分。 因為開環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價格便宜、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。所以，本設(shè)計決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。 （ 3）數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 ： 任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基 礎(chǔ)，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運(yùn)行。 2.3 總體方案的確定 經(jīng)總體設(shè)計方案的論證后， 數(shù)控化改造設(shè)計時 ,在滿足車床總體布局的前提下要盡可能利用原來的零部件 ,因此確定總體改造方案如下 ： (1) 拆除原車床的縱向和橫向絲杠及光杠、溜板箱及掛輪箱中的齒輪 ， 用滾珠絲杠替換原有普通滑動絲杠 ， 將選取的縱向滾珠絲杠副通過托架安裝在原溜板箱與床鞍連接的部位上 ， 縱橫向滾珠絲杠兩端盡可能利用原固定和支承方式。為便于安裝滾珠絲杠副 ，絲杠采用分體式 ， 用套筒聯(lián)軸器實剛性聯(lián)接 ； (2) 橫向驅(qū)動電機(jī) 及齒輪減速器安裝在床鞍的后部 (相對操作者 ) ， 縱向驅(qū)動電機(jī)及齒輪減速 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 8 頁 共 41 頁 裝置安裝在機(jī)床的右端 ， 靠近尾座的位置 ； (3) 要實現(xiàn)自動換刀 ， 需拆除原手動刀架 ， 在小拖板上安裝數(shù)控轉(zhuǎn)位刀架 ； (4) 為了使改造后的車床能夠加工螺紋 ， 需要加裝主軸脈沖編碼器 ， 以實現(xiàn)對主軸轉(zhuǎn)速的同步檢測 ， 編碼器安裝在掛輪箱內(nèi) ； (5) 為使加工過程中不超程 ， 縱橫向要安裝行程限位開關(guān) ； (6) 為實現(xiàn)回參考點(diǎn)的動作 ， 必須在縱橫向安裝接近開關(guān) ； (7) 縱、橫向齒輪箱和絲杠全部加防護(hù)罩 ， 以防臟物、油污和切屑等進(jìn)入 ， 機(jī)床整體也要加裝防護(hù)罩 ， 以 防止加工過程中的切屑飛濺傷人 ； (8) 考慮到改造的成本 ， 盡可能采用可靠性高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)。圖 1為總體改造示意圖 圖 1 總體改造示意圖 1. 橫向滾珠絲杠副 2. 橫向電機(jī) 3. 橫向減速器 4. 尾座 5. 縱向 減速器 6. 縱向電機(jī) 7. 支架 8. 縱向滾珠絲杠副 9. 數(shù)控轉(zhuǎn)位刀 架 10. 主軸脈沖編碼器 2.4 數(shù)控系統(tǒng)的選擇 選擇數(shù)控系統(tǒng)時主要是根據(jù)數(shù)控改造后機(jī)床要達(dá)到的各種精度、各種性能等選擇性價比合適的系統(tǒng) ,避免系統(tǒng)功能過剩 ,同時考慮到原車床的精度和改造成本、周期和難易程度等各方 面因素 ,決定采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動元件、開環(huán)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)。SINUMERIK 802S base line 是西門子公司專門為中國數(shù)控機(jī)床市場開發(fā)的經(jīng)濟(jì)型 CNC 控制系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)緊湊 ,具有高度集成于一體的數(shù)控單元、機(jī)床操作面板和輸入輸出單元 ,機(jī)床調(diào)試配置數(shù)據(jù)少 ,容易改造成功。最終決定采用西門子經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng) SINUMERIK 802S base line。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 9 頁 共 41 頁 第三章 機(jī)械部分改造 3.1 機(jī)械傳動方式 為實現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率 ， 采用步進(jìn)電機(jī)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 ， 盡量 減少摩擦力 ， 選用滾珠絲杠螺母副 。 同時 ， 為提高傳動剛度和消除間隙 ， 采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu) 。 齒輪傳動也采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu) 。 橫向進(jìn)給系統(tǒng)改造 橫向滾珠絲杠也采用一端固定 ， 一端浮動 ， 三點(diǎn)支承的形式 ， 也通過雙螺母螺紋預(yù)緊方式消除絲杠和螺母間的間隙 ， 如圖 5 所示。橫向步進(jìn)電機(jī) 1 及減速器 2 安裝在床鞍的后部?？拷僮髡咭欢?， 布置一根支撐短軸 11， 通過套筒聯(lián)軸器 10 與滾珠絲杠 7 連接起來。右端仍利用原支承橫向進(jìn) 給絲杠的滑動軸承支座作為徑向支承 ， 并對原支承處作適當(dāng)改造 ， 布置一對推力球軸承 12 ,以承受雙向軸向力。左端則將原車床的懸空結(jié)構(gòu)改為支承結(jié)構(gòu) ， 用一個聯(lián)軸套 4 和一根連接短軸 6 把滾珠絲杠 7 與減速器輸出軸 3 連接起來 ， 并通過一對圓螺母 5 實現(xiàn)對整個絲杠的預(yù)拉伸和鎖緊 ， 以提高其軸向剛度。螺母通過螺母座 9 直接固定在中拖板 8 上。 3.2 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計計算 3.2.1 選擇脈沖當(dāng)量 : 根據(jù)機(jī)床精度要求選擇脈沖當(dāng)量 ， 縱向： 0.01/mm 步 ， 橫向： 0.005/mm 步 。 3.2.2 算切削力 : 縱車外圓時主切削力 Fz（ N） 按經(jīng)驗公式估算 ： Fz=0.67Dmax5.1 =0.67 400 5.1 =5360N 橫切端面時主切削力 Fz（ N） 可取縱向主切削力的 1/2： Fz=0.5Fz=2680N 按切削力各分力比例 ： Fz： Fy： Fx=1： 0.25： 0.4 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 10 頁 共 41 頁 Fx=2680 0.4=1072； Fy=2680 0.25=670N； 3.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型橫向進(jìn)給絲杠 : 3.3.1 計算進(jìn)給牽引力 Fm (N) 橫向?qū)к墳檠辔残?， 計算 ： Fm=1.4 Fy+F（ Fz+2Fx+G） 其中 ： F為滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù) ： 0.15-0.18取 0.16 G為溜板及刀架重力 ： G=600N Fm=1.4 670+0.16 （ 2860+2 1072+600） 1806（ N） 3.3.2 計算最大動負(fù)載 C： C=3L fwFm，其中： L=61060 Tn ； n=01000LVs 以上式中 ： L0為滾珠絲杠導(dǎo)程 ， 初選： L0=5mm； Vs為最大切削力下的進(jìn)給速度 ， 可取最高進(jìn)給速度的 ： 1/2-1/3， 取 1/2； fw為運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) ， 按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取 ： fw=1.2-1.5； 取 1.3 ； L為壽命 ， 106轉(zhuǎn)為 41單位 。 n=01000LVs = 5 5.03.01000 =30 L=61060 Tn =610150003060 =27 C=3L fwFm= 7 0 4 31 8 0 63.1273 N 3.3.3 選擇滾珠絲杠螺母副： 根據(jù)機(jī)械設(shè)計師手冊（機(jī)械工業(yè)出版社出版發(fā)行 ） 第一版 上冊 ， CDM 2005-2.5外循環(huán)管式墊片預(yù)緊導(dǎo)珠管埋入型滾珠絲杠副的額定動載荷為 8541N可滿足要求 ， 選定精度為 3 級 3.3.4 傳動效率計算 ： 10334334 tgtgtgtg =0.965 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 11 頁 共 41 頁 式中： 螺旋升角（ CDM 2005-2.5）， 334 摩擦角， 10 3.3.5 剛度驗算 橫向進(jìn)給絲杠支承方式如橫向進(jìn)給系統(tǒng)計算簡圖見下圖所示： 圖 2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)計算簡圖 最大牽引力為 ： 2425N 支承間距 L=450mm因絲杠長度較短 ， 不 需預(yù)緊 ， 螺母及軸承預(yù)緊 ， 計算如下： (1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量 1 ： 查圖 4-6， 根據(jù) m=1806， mmD 200 查出 ： 51 104/ L 因此 : 1 = mmLL 80.1450104/ 51 (2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形 2 ： 查資料 ： mQ 5.8， 因進(jìn)行了預(yù)緊 ： mQ 25.45.821212 . (3) 支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形3: 采用 8012 單向推力球軸承 (GB301-84) ， 763.4Qd， 12z ， mmd 15 mmZd mPcQ0 0 9 4.0127 6 3.4 32.2 0 20 0 2 4.00 0 2 4.0 3 23 22 考慮到進(jìn)行了預(yù)緊 ， 以 ： 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 12 頁 共 41 頁 mmC 00 47.0213 綜合以上幾項變形量之和： mm0 2 6 9 5.00 0 4 7.00 0 2 4 5.00 1 8 0.0321 顯然 ， 此變形量已大于定位精度的要求 !， 應(yīng)該采取相應(yīng)的措施修改設(shè)計 ， 因橫向溜板空間限制 ， 不宜再加大滾珠絲杠直徑 ， 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=1.4 Fy+F（ Fz+2Fx+G） = 1.4 670+0.04（ 2860+2 1072+600） =1155N 從資料中查出 ， 當(dāng) Fm=1155時 ， 51 104.2/ L， 因此 ，mmLL 251 1008.1450104.2/ 2 和 3 不變 ， 所以綜合幾項變形量之和： mm0 1 9 7 5.00 0 4 7.00 0 2 4 5.00 1 0 8.0321 此變形量仍不能滿足要求 ， 如果將滾珠絲杠再經(jīng)過預(yù)拉伸 !剛度還可以提高四倍 ， 則 ，mm01165.00047.000245.00180.04141 321 此變形量可以滿足設(shè)計要求。 3.3.6 校核 滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓振動固有頻率，其扭轉(zhuǎn)剛度影響扭轉(zhuǎn)固有頻率。承受軸向負(fù)荷的滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度 Ke由絲杠本身的拉壓剛度 KS，絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度 Kc，軸承的接觸剛度 KB，螺母座的剛度 KH，按不同支承組合方式的計算而定。扭轉(zhuǎn)剛度按絲杠的參數(shù)計算。 （ 1） 臨界壓縮負(fù)荷 絲杠 的支承方式對絲杠的剛度影響很大，采用兩端固定的支承方式并對絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸，可以最大限度地發(fā)揮絲杠的潛能。所以設(shè)計中采用兩端固定的支承方式 9。 臨界壓縮負(fù)荷按下式計算： 211 m a x20crf E IF K F NL (3.7) 式中 E 材料的彈性模量 E 鋼 =2.1 1011(N/m2)； L0 最大受壓長度 (m)； K1 安全系數(shù)，取 K1=1/3； Fmax 最大軸向工作負(fù)荷 (N)； 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 13 頁 共 41 頁 f1 絲杠支承方式系數(shù)； (支承方式為雙推 雙推時，見下圖， f1=4，f2=4.730) I 絲杠最小截面慣性矩 (m4)： 4420( 1 . 2 )6 4 6 4 wI d d d (3.8) 式中 d0 絲杠公稱直徑 (mm)； dw 滾珠直徑 (mm)。 4 1 2 8 43 . 1 4 ( 3 2 1 . 2 3 . 9 6 9 ) 1 0 2 . 7 1 064Im 絲杠螺紋部分長度 1 8 0 1 1 2 4 0 3 3 2uL m m ，取 350uL mm支承跨距 1 400L mm， 絲杠全長 500L mm 由公式 (3.7) 2 1 1 8m a x264 3 . 1 4 2 . 1 1 0 2 . 7 1 0 1 4 2 2 5 5 4 . 3 2 0 1 34 2 0 1 0 3 N F N cr F可見crF遠(yuǎn)大于maxF，臨界壓縮負(fù)荷滿足要求。 （ 2） 臨界轉(zhuǎn)速 222 2 22 m a x30 9910crccf f dEIn k nL A L (3.9) 式中 A 絲杠最小橫截面： 2 6 4 22 3 1 . 5 1 0 7 . 8 1 044A d m cL 臨界轉(zhuǎn)速計算長度： 1 1 2 5 0 0 3 5 01 8 0 4 0 3 5 1 . 5 0 . 422cLm 取 1 0 .4cL L m， 2k 安全系數(shù)，一般取 2 0.8k ； 材料的密度： 337 . 8 5 1 0 /k g m ； 2f 絲杠支承方式系數(shù) ，查表得2 4.730f ， 2 m a x20 . 0 3 1 59 9 1 0 4 . 7 3 0 4 3 6 5 0 / m i n 1 5 0 0 / m i n0 . 4crn r n r 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 14 頁 共 41 頁 滿足要求。 （ 3） 絲杠拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率 絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度 Ke的計算公式： 兩端固定： 11 1 1 1 1 ( / )4e B c H SNmK K K K K (3.10) 式中 Ke 滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度 (N/ m)； KH 螺母座的剛度 (N/ m)； Kc 絲杠副內(nèi)滾道的 接觸剛度 (N/ m)； KS 絲杠本身的拉壓剛度 (N/ m)； KB 軸承的接觸剛度 (N/ m)。 1) 絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度可查滾珠絲杠副型號樣本。 2) 軸承的接觸剛度可查軸承型號樣本。 3) 螺母座的剛度可近似估算為 1000。 4) 絲杠本身的拉壓剛度： 對絲杠支承組合方式為兩端固定的方式： 61 0 /s A E lK N ma l a (3.11) 式中 A 絲杠最小橫截面， 222 ()4A d m m； E 材料的彈性 模量， E=2.1 1011(N/m2)； l 兩支承間距 (m)； a 螺母至軸向固定處的距離 (m)。 已知：軸承的接觸剛度 1 0 8 0 /BK N m，絲杠螺母的接觸剛度 7 1 6 . 7 /CK N m，絲杠的最小拉壓剛度m i n 5 4 5 . 2 /sK N m（見后面計算）。螺母座剛度 1 0 0 0 /HK N m。 1 1 1 1 14 1 0 8 0 7 1 6 . 7 1 0 0 0 4 5 4 5 . 2eK 3 2 4 /eK N m 絲杠系統(tǒng)軸向拉壓振動的固有頻率： /eB K ra d sm (3.12) 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 15 頁 共 41 頁 式中 m 絲杠末端的運(yùn)動部件與工件的質(zhì)量和 (N/ m)； Ke 絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度 (N/ m)。 顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠(yuǎn)大于 1500r/min，能滿足要求。 （ 4） 絲杠扭轉(zhuǎn)剛度 絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度按下式計算： 47 .8 4 mTdK L (3.13) 式中 md 絲杠平均直徑： L 絲杠長度 43 1 . 7 57 . 8 4 1 5 9 3 4 /500TK N m r扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率 : ()3TTswzKJJJ (3.14) 式中 JW 運(yùn)動部件質(zhì)量換算到絲杠軸上的轉(zhuǎn)動慣量 (kg m2)； JZ 絲杠上傳動件的轉(zhuǎn)動慣量 (kg m2)； JS 絲 杠的轉(zhuǎn)動慣量 (kg m2)。 由文獻(xiàn) 7， 8得： 平移物體的轉(zhuǎn)動慣量為 2 4 22 0 0 0 0 . 0 1( ) 5 . 2 1 09 . 8 1 2J k g m 絲杠轉(zhuǎn)動慣量： 2 2 21 1 1()8 8 4s s s s sJ m d d d L 34421 3 . 1 4 7 . 8 5 1 0 0 . 5 0 . 0 3 2324 1 0 k g m 421 . 6 1 0zJ k g m 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 16 頁 共 41 頁 415934 4 4 2 7 . 1 / 4 2 2 9 7 / m i n4( 5 . 2 1 . 6 ) 1 03T r a d s r 顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠(yuǎn)大于 1500r/min，可以滿足要求。 （ 5） 傳動精度計算 滾珠絲杠的拉壓剛度 24s dEK L(3.15) 導(dǎo)軌運(yùn)動到兩極位置時，有最大和最小拉壓剛度，其中， L值分別為 300mm 和 100mm。 最大與最小機(jī)械傳動剛度： 25m a x0 . 0 3 1 5 2 . 1 1 0 1 6 3 5 . 7 /4 0 . 1sAEK N mL 25m i n0 . 0 3 0 5 2 . 1 1 0 1 0 2 . 5 /4 0 . 3sAEK N mL 最大和最小機(jī)械傳動剛度： m a x m i n11 2 4 0 . 6 5 /1 / 1 / 1 / 1 / 5 4 5 . 2 1 / 7 1 6 . 7 1 / 1 0 8 0o s C BK N mK K K m a x m a x11 3 4 1 /1 / 1 / 1 / 1 / 1 6 3 5 . 7 1 / 7 1 6 . 7 1 / 1 0 8 0o s C BK N mK K K 由于機(jī)械傳動裝置引起的定位誤差為 0 0 m i n 0 m a x11()k FmKK(3.16) 111 4 5 6 . 6 ( ) 1 . 7 82 4 0 . 6 5 3 4 1k m 對于 3 級滾珠絲杠，其任意 300mm 導(dǎo)程公差為 12m ，機(jī)床定位精度0 .0 2 4 / 3 0 0m m m m，所以， 2 4 1 / 5 4 . 8k m ，可以滿足由于傳動剛度變化所引起的定位誤差小于（ 1/3 1/5）機(jī)床定位精度的要求。再加上閉環(huán)反饋系統(tǒng)的補(bǔ)償，定位精度能進(jìn)一步提高 10。 (1) 滾珠絲杠副的幾何參數(shù)： 滾絲杠副型號 ： CDM2005-2.5 ； 公稱直徑： mmd 200 ； 導(dǎo)程： mmPh 5； 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 17 頁 共 41 頁 鋼球直徑 ： mmDw 175.3； 絲杠外徑 ： mmd 5.19 ； 螺紋底徑 ： mmd 6.171 ；旋環(huán)列數(shù) 圈數(shù) ： 15.2 ； 額定動載荷 8451:NCa； 額定靜載荷 ： 18325:0 NC a； 接觸剛度 ： 612:/ mNR 螺母安裝尺寸： 45D 703 D 564 D 11B 8.55D 106 D 6h 78L 281 L 4C 3A 6MM 3.4 齒輪傳動比計算 ： 已確定橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量 : 005.0P ，滾珠絲杠導(dǎo)程 ： mmL 50 ， 初選步進(jìn)電機(jī)步距角 75.0 計算傳動比 ： 48.0575.0005.03603600 Libp 考慮到結(jié)構(gòu)上的原因 ， 不能使齒輪直徑太大 ， 以免影響橫向溜板的有效行程 ， 所以 ， 可采用兩級 齒輪降速 ： 2520402454534321 ZZZZi因進(jìn)給運(yùn)動齒輪受力不大 ， 模數(shù) m 取 2 。 3.5 步進(jìn)電機(jī)的計算和選型： 3.5.1 等 效轉(zhuǎn)動慣量計算 ： 傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量 2cmkgJ 可由下式計算： 20222112 LgGJJZZJJJSM其中 ： MJ 為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量 2cmkg ； 1J 為齒輪 1Z 的轉(zhuǎn)動慣量 2cmkg ； 2J 為齒輪 2Z 的轉(zhuǎn)動慣量 2cmkg ； SJ為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 2cmkg ； 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 18 頁 共 41 頁 參考同類型機(jī)床 ， 初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) BF150 其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量為： 210 cmkg 。 24314131 62.224.61078.01078.0 cmkgLdJ 24324232 39.6281078.01078.0 cmkgLdJ 24334333 952.2915041078.01078.0 cmkgLdJ ； NG 600 代入上式： 20222112 LgGJJZZJJJSM 22127.3625.08.9600952.2939.6402462.210cmkg 考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題 ， 2 7 7.01 2 7.36/10/ JJ M基本滿足慣量匹配的要求。 3.5.2 電機(jī)力矩的計算機(jī)： 機(jī)床在不同的工況下 ， 其所需轉(zhuǎn)距不同 ， 下面分別按各階段計算 ： （ 1） 快速空載啟動力矩qM： 起在快速空載啟動階段 ， 加速力矩占的比例較大 ， 具體 計算公式如下： 0MMMM fa m a zq aaaaa tnJtnJJM 60102102602m a x2m a xm a xm i n/50036075.0005.01 2 0 0360m a xm a x rVn bPa 啟動加速時間： msta 30aaaaa tnJtnJJM 60102102602m a x2m a xm a xcmN 6.6 3 01003.060 5 0 021 2 7.36 2 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 19 頁 共 41 頁 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩fM： cmNZZLGFFiLFM zf 8.4120258.025.060026 8 016.02212000附加摩擦力距0M： 212020000 9.0120258.025.01 1 5 531123112ZZLFiLFM m 228.59.0120258.025.01 1 5 531cmN 上述三項合計 cmNMMMMqfa 2.6878.51.486.6300m a x（ 2） 快速移動時所需力矩 KM ： cmNMMM fK 6.478.58.410 （ 3） 最大切削負(fù)載時所需力矩QM： iLFMMMMMM XffQ 2 000 cmN 9.1 3 220258.025.01 0 7 28.58.41 從上面計算可以看出， Mq 、 KM 和QM三種工況下 ， 以快速空載啟動力矩最大 ， 所以 ， 以此項作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù) 。 查資料 ， 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五項十拍時 ， 951.0/m a x jq MM； 最大靜力矩 ：cmNM j 1.7 1 39 5 1.0/2.6 8 7m a x 按此最大靜力矩 ， 001130 BF 型反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩為 ： mN31.9 大于陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 20 頁 共 4