CA6140车床改造总体设计方案本科毕业设计论文.doc

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1、兰州工业学院毕业设计(论文) I 摘 要 CA6140 车床改造总体设计 方案的内容包括：系统运动方式的确定， 主要是用滚珠丝杠代替原有丝杠。伺服系统的选择，主要是用伺服电机带 动工作台运动。执行机构及传动方式的确定、数控系统的选择等内容，应 仔细考虑各种高性能、自动化等要求 ，也要考虑被改造机床的具备条件， 是技术的先进性与经济性的合理性较 好的统一。 设计任务：利用单片机控制技术对CA6140 型车床的横向系统进行控 制。其横向脉冲当量为 0.005mm/脉冲，驱动元件采用伺服电机。 软件方 面，设计采用模块化结构，以便于系统功能的扩展。分为三块：手动操 作、加工、 编辑。改造后的车床能够

2、完成机床主轴的启动，停止和变速， 纵向和横向进给运动的行程和变速，刀具的变速和冷却，都可以自动控制， 并具有车削螺纹和锥螺纹等自动循环机能。在该机床中采用液压尾座快换 刀架和机床外对刀装置。该机床适用于加工形状复杂，中小批量的零件。 对一般车削加工任意锥面、球面、螺纹端面、回转面等加工工序，能控制 主轴的开停变速及一些辅助功能，使加工实现自动化。 自动转位刀架的设计是普通机床改造机械方面的关键。由微型控制的 自动转位具重复定位精度高、工作刚性好、性能可靠、使用寿命长以及工 艺性能好等特点。 关键词：CA6140；伺服电机；滚珠丝杠 兰州工业学院毕业设计(论文) II A ABSTRACTBST

3、RACT The overall design scheme of CA6140 lathe includes: determining system modes of motion, is mainly used to replace the original screw of ball screw. The selection of servo system, mainly with servo motor to drive the table movement. Sure, actuators and transmission mode of CNC system choice, sho

4、uld carefully consider all kinds of high performance, automation and other requirements, also want to consider the conditions by reconstruction of machine tools, advanced and economic technology rationality better unity. The design task: to control the lateral system using single- chip microcomputer

5、 control technology of CA6140 lathe. The transverse pulse equivalent to 0.005mm/ pulse, the driving element adopts servo motor. In terms of software, design uses the modular structure, in order to expand for the system. Divided into three blocks: manual operation, processing, editing. After the tran

6、sformation of the lathe can complete machine tool spindle start, stop and speed, distance of longitudinal and transverse feed motion of the tool and gear, gear and cooling, can automatic control, and has the cutting thread and taper thread automatic circulation function. Hydraulic tailstock quick ch

7、ange tool and machine tool setting device in the machine tool. This machine is suitable for machining of complex shape, medium and small 兰州工业学院毕业设计(论文) III quantities of parts. Processing of general lathe machining arbitrary cone, sphere, thread end, rotary surface processes, can control the start s

8、top transmission shaft and some assistant functions, so that the processing automation. Design of automatic turret is the key of ordinary machine tools mechanical aspects. The automatic indexing of micro control with the characteristics of high accuracy, good rigidity, reliable performance, long ser

9、vice life and good technological performance etc. K Ke ey y w wo or rd d: : CA6140；servo motor；ball screw 兰州工业学院毕业设计(论文) 目 录 摘 要 .I ABSTRACT II 1 绪 论 1 1.1 国内外数控系统发展概况 .1 1.2 数控机床优势概述 .2 1.2.1 数控车床改造的意义.2 1.2.2 普通车床数控化改造的优点.2 1.3 改造的可行性论证 .3 1.4 机床改造的必要性 .3 2 CA6140 型普通车床数控化改造方案的设计与确定5 2.1 分析 CA6140

10、 型普通车床的加工特点 5 2.2 总体方案设计 .5 2.3 总体方案的确定 .5 3 CA6140 数控车床横向传动结构设计7 3.1 CA6140 数控车床的主要技术参数.7 3.2 数控机床的改造要求与伺服电机的选用 .7 3.2.1 数控机床的改造要求.7 3.2.2 伺服电机的工作原理.8 3.2.3 伺服电动机的选用.9 3.3 丝杠螺母副 10 3.3.1 滚珠丝杠副传动部件10 兰州工业学院毕业设计(论文) 3.3.2 滚珠丝杠副的原理、特点及有关应用中的问题11 3.3.3 滚珠丝杠副的支撑11 3.3.4 安装调整中应注意的问题13 3.4 主传动系统的设计 14 3.4

11、.1 主传动系统的改造14 3.4.2 主运动系统转速图的设计15 3.4.3 主轴的变速反转和制动15 3.4.4 主轴脉冲发生器的安装方式15 3.4.5 控制类型的确定16 3.4.6 传动方面改造设计16 4 进给系统的改造 .19 4.1 纵向进给系统的设计 19 4.1.1 切削力计算19 4.1.2 纵向滚珠丝杠设计计算20 4.1.2 步进电动机的选择22 4.2 横向进给系统的计算 23 4.2.1 横向滚珠丝杠设计计算24 4.2.2 步进电动机的选择26 4.3 进给伺服系统 27 4.4 进给系统机械传动部分改造 28 5 CA6140 车床数控化改造电气部分改造设计.

12、30 5.1 数控系统操作及参数说明 30 5.2 系统参数 30 兰州工业学院毕业设计(论文) 5.3 NIM-9702 数控系统接口32 5.4 系统电源 32 5.5 系统的接地 33 5.6 开关量 I/O 信号的电特性 33 5.7 系统信号 I/O 的连接 33 6 数控机床的安装调试及验收 .36 6.1 机床的地基和对环境的要求 36 6.2 各控制单元间的电缆连接 36 6.3 通电试车前的检查 36 6.3.1 检查直流电源输出端是否正常36 6.3.2 检查各熔断器37 6.3.3 短接棒的设定37 6.3.4 检查油和气37 6.3.5 确认各部件机器位置37 6.4

13、通电试车 37 6.4.1 确认试车37 6.4.2 确认电源电压相序37 6.4.3 接通强电柜交流电源38 6.4.4 接通直流电源38 6.4.5 向数控装置供电38 6.4.6 数控系统参数核对38 6.4.7 手动操作38 6.4.8 主轴与辅助装置通电39 兰州工业学院毕业设计(论文) 6.4.9 空运行及有关性能试验39 总 结 40 致 谢 41 参考文献 42 兰州工业学院毕业设计（论文） 1 1 绪 论 1.1 国内外数控系统发展概况 机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直吸引着人们的 关注。计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了 应用数字化技术

14、进行柔性自动化控制的新一代机床数控机床的诞生和发 展。 随着计算机技术的高速发展，传统制造业发生了 根本性变革，各工 业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造 模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、 信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、 柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足 轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环 控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上， 数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多 媒体、模糊控制、

15、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、 高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线 诊断和智能化故障处理；在网络化基础上， CAD/CAM 与数控系统集成为 一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。 长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC 只能作 为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先 设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM 及自动编程系 统进行编制。 CAD/CAM 和 CNC 之间没有反馈控制环节，整个制造过程中 CNC 只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工 过程中的刀

16、具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深 度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机 因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM 中的设 定量，因而影响 CNC 的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统CNC 兰州工业学院毕业设计（论文） 2 系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC 向多变量 智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行 变革势在必行。 1.2 数控机床优势概述 1.2.1 数控车床改造的意义 我国现在拥有数量多达 300 多万台的通用机床，其中大部分机床的 加工精度、生产率和自动化程

17、度与先进设备相比不高，要想在几年内大量 地用数控机床来更新，无论在资金上还是技术力量上都是难以实现的。但 如果利用数控技术根据需要对现有机床加以改造，不仅能实现机床的自动 化，提高机床的加工精度，而且投资少、见效快，适合我国的生产力水平。 因此，利用数控技术改造旧设备已成为我国推广全功能数控机床的过渡手 段。 1.2.2 普通车床数控化改造的优点 (1)有利于企业技术的提高， 节约成本 数控机床与普通机床相比，有很大的优势，数控机床具有高度柔性， 加工精度高，加工质量稳定、可靠，生产率高，改善劳动条件，利于生产 管理现代化；而普通机床精度低，效率低， 适合批量较小，精度要求不 高，零活类零件。

18、它投资较数控低，但对工人的操作技能要求较高，因此 工人工资水平高 。这样会大大的加大企业的支出，对企业的收入也是有所 影响的。 (2)有利于数控化市场的扩大 订购新的数控机床的交货周期一般较长 ，往往不能满足用户的需要 ， 而改造的数控机床能够适应市场对产品多样化和高精度的要求。因此得到 了用户广泛的应用 ，机床的数控化改造已成为满足市场需求的主要补充 手段，对中、小型企业来说是十分理想的选择。 (3)有利于企业生产的扩大 在现代机械制造工业中 ，中小批量甚至单件生产 ，个性化的产品占 兰州工业学院毕业设计（论文） 3 有相当大的比重 ，尤其是我国加入世贸组织后 ,成为世界性的加工基地 ， 产

19、品出口的增长迅速 ，从低附加值、劳动密集型产品逐步过度到高附加 值的精密型零件的出口，高精度的数控机床起了重要的作用。数控机床是 最能适应这种生产需要的。 (4)有利于企业的工业化水平的提高 以数控机床为代表的现代基础机械是制造实现生产现代化的重要设备， 数控技术水平的高低和机床的数控化率，数控设备的拥有量已成为衡量一 个国家现代工业化水平的重要标志。 (5)有利于企业的多方面发展 数控技术用于机床的改造是建立在微电子技术与传统技术相结合的基 础上，具有高可靠性、柔性强，易于实现机电一体化、经济性可观等特点。 为此，在旧机床上进行数控化改造可以提高机床的使用性能、降低生产成 本、用较少的资金投

20、入而得到较大的经济效益。 1.3 改造的可行性论证 根据自动化制造系统 ，可行性论证使用户建造自动化制造系统项 目前所进行的技术和经济性分析报告，是上级主管部分审定和批准立项的 基本依据。同样，在进行普通车床的经济型数控改造之前进行公道的、科 学的可行性论证是必要的。根据传统的论证方法，普通车床的经济型数控 改造的可行性论证应围绕以下几个方面进行，即企业生产经营现状及存在 的题目分析，企业生产经营目标，改造的基础条件、目标、技术方案、投 资概算、效益分析，改造车床的实施计划，结论等。 1、目标：数控机床要有较高的质量、较高的效率、较低的成本、较 低的劳动强度 ； 2、对于普通车床的经济型数控改

21、造，在考虑总体设计方案时，应遵 循的原则是 ：在满足设计要求的前途下，对机床的改动应尽可能的少，以 降低本钱； 3、机床的 CNC 改造要能带来经济效益于此同时降低成本。符合我国 的基本国情和需要 ； 兰州工业学院毕业设计（论文） 4 4、结论：对普通车床作经济型数控改造适合我国国情，是国内企业 提高车床的自动化能力和精密程度的有效选择。它具有一定的典型性和实 用性。从以下几个方面的说明： 1.4 机床改造的必要性 数控机床可以较好地解决形状复杂、精密、小批量和多变零件的加工 问题，能够稳定加工质量和提高生产效率 ，但是应用数控机床还受到其 他条件的限制。 （1）数控机床价格昂贵，一次性投资大

22、，对中小型企业是心有余而 力不足； （2）目前各企业都有大量的普通机床，完全用数 控机床替换根本 不可能，而且替换下来的普通机床闲置下来又会造成浪费； （3）在国内订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不可能满足 生产的需要 ； （4）通用数控机床对具体生产有多余功能。 要较好地解决上述问题，应走普通机床的数控化改造之路，从美国、 日本等工业化国家的经验看，机 床的数控化改造必不可少 。因此，普通 机床的数控化改造不但有存在必要，而且大有可为，对一些中小型企业更 是如此。 兰州工业学院毕业设计（论文） 5 2 CA6140型普通车床数控化改造方案的设计与确定 2.1 分析CA6140型普通车床

23、的加工特点 (1) 加工范围较大。 (2) 加工时，主运动是工件的 旋转运动，进给运动是刀具的纵向和 横向移动。 (3) 正情况常下，在车削加工过程中，切削力比较稳定，加工比较平 稳。 (4) 在车削加工过程中切屑和刀具之间的剧烈挤压和摩擦，以及刀具 与工件之间的摩擦，产生了大量的切削热，但大部分热量被切屑带走，所 以 CA6140 在加工过程中一般可以不使用切削液。 2.2 总体方案设计 设计任务：利用单片机控制技术对CA6140 型车床的横向系统进行控 制。其横向脉冲当量为 0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机。改造后 的车床能够完成机床主轴的启动，停止和变速，纵向和横向进给运动的

24、行程和变速，刀具的变速和冷却，都可以自动控制，并具有车削螺纹和 锥螺纹等自动循环机能。在该机床中采用液压尾座快换刀架和机床外对刀 装置。该机床适用于加工形状复杂，中小批量的零件。对一般车削加工任 意锥面、球面、螺纹端面、回转面等加工工序，能控制主轴的开停变速及 一些辅助功能，使加工实现自动化。 自动转位刀架的设计是普通机床改造机械方面的关键。由微型控制的 自动转位具重复定位精度高、工作刚性好、性能可靠、使用寿命长以及工 艺性能好等特点。 2.3 总体方案的确定 CA6140 车床改造总体设计方案的内容包括：系统运动方式的确定， 伺服系统的选择，执行机构及传动方式的确定、数控系统的选择等内容，

25、应仔细考虑各种高性能、自动化等要求 ，也要考虑被改造机床的具备条 件，是技术的先进性与经济性的合理性 较好的统一。 兰州工业学院毕业设计（论文） 6 对于横向进给机构，保留原手动于调刀，原支承结构。和纵向进给 一样步进电机与纵向滚珠丝杠间 需一级齿轮减速，丝杠螺母与横向 拖板 任用一螺母座连接。 拖板后部开轴承孔以便滚珠丝杠的连通与支承，后 接减速箱与步进电机。 纵、横向进给机构减速齿轮采用双片齿轮，靠错位消除啮合间隙。丝 杠外加防尘罩，溜板箱上安装急停按钮，以适应意外情况的急停。 硬件方面控制系统的硬件配置 是，基本系统包括单片机 AT89C51、锁存器、EPROM 和 RAM 存储器。并

26、行接口 8255 用作连接 开关量的输入输 出和对伺服电机进 行控制。8279 为键盘显示器接口。 软件方面，软包装件设计采用 模块化结构，以便于系统功能的扩 展。分为三块：手动操作、加工、 编辑，如图 2-1 所示。 根据设计任务，系统采用轮廓控制形式，控制系统硬件由微机控制部 分、键盘及显示器、 I/O 接口及光电隔离器、步进电机、功率放大器等组 成。在其纵横向均采用步进电机 减速齿轮滚珠丝杠螺母副 溜板的 传动方式，刀架更换为四刀位回转刀架。改造前的机床传动系统图如图2- 2 所示。 图 2-2 改造后车床传动系统图 图 2-1 机床的操作模式图 兰州工业学院毕业设计（论文） 7 兰州工

27、业学院毕业设计（论文） 8 3 CA6140数控车床横向传动结构设计 3.1 CA6140数控车床的主要技术参数 车床横向进给机构主要由其相应的步进电动机，齿轮变速箱，滚珠丝 杠副及一些连杆，密封，支撑等组成。 在设计时主要考虑和选择步进电 动机的相数，拍数，步距角，最大静 转矩及外形和配合尺寸，齿轮的模 数，齿数，主要尺寸及和轴的配合，滚珠丝杠副的承载能力，支撑，润滑， 配合要求，间隙的调整和有关结构设计，传动轴的结构和零件的安装，连 接和密封。 主要设计参数 （1）机械部分： 工件最大回转直径 ； 在床面上 400mm； 在床鞍上 175mm； 工件最大长度 750mm； 主轴孔径 35m

28、m； 主轴前端孔锥度：莫氏 5 号； 主轴转速范围（ 18 级）192000；min/r 刀架纵进给量和螺纹的螺距范围0.0120.48mm； 刀架横进给量范围 0.01110.24mm； 刀架纵向与横向进给的脉冲当量0.01mm； 刀架快速移动速度：纵向 3.6m/min ；横向 1.8 m/min （2）数控部分： 数控部分坐标数： 2； 插补运算原理：逐点比较法 3.2 数控机床的改造要求与伺服电机的选用 3.2.1 数控机床的改造要求 在数控机床的进给系统机械部分改造设计中，机械传动是数控机床进 兰州工业学院毕业设计（论文） 9 给系统的重要组成部分，其作用是将伺服电动机的旋转运动转换

29、为执行部 件的直线运动和回转 运动。为了确保进给系统的定位精度，快速响应特 性和稳定性要求， 机械传动装置必须具有高刚度、无传动间隙、低摩擦、 高灵敏度、长寿命等要求。 对数控机床进给系统机械部分的要求有以下几点： （1）高的传动精度和定位精度 数控机床的进给传动装置的传动精度和定位精度对零件的加工精度起 着关键性作用，其中应采取的措施是通过在进给系统中加入减速齿轮， 以减小脉冲当量，预紧传动滚珠丝杠 。 （2）减小运动件的摩擦力 尤其是减小丝杠传动和工作台运动导轨的摩擦，以消除爬行，提高系 统的稳定性。 （3）减小运动部件的惯量 进给系统中每个零件的惯量对进给系统的启动，制动特性有直接的影

30、响。因此，在满足传动强度和刚度的前提下，应尽可能减小零件的惯性。 （4）阻尼适当 一方面，阻尼可降低进给伺服系统的快速响应性，另一方面，阻尼有 增加系统的稳定性，因此，传动机构的阻尼要选择适当。 （5）稳定性好，寿命长 稳定性是进给伺服系统能够正常工作最基本的条件，在低速进给情况 下不产生爬行，并能够适应外加系统的变化而不发生共振，采取适当的润 滑方式和防护措施延长其寿命。 3.2.2 伺服电机的工作原理 伺服电机的工作原理是：当某相定子励磁后，它吸引转子，使转子的 齿与该相定子磁极上的齿对齐。所以，伺服电机的工作原理实际上是电磁 铁的工作原理。 （1）伺服电机的定子绕组的通电状态每改变一次，

31、它的转子就转 过一定角度， 即电动机的步距角 ； 兰州工业学院毕业设计（论文） 10 （2）改变伺服电机定子的绕组的通电顺序，转子的旋转方向也随之 改变； （3）伺服电机定子绕组的通电状态的改变速度越快，即通电状态 的频率越高，转子的转速就越高； （4）伺服电机的步角距 与定子绕组的相数 m、转子的齿数 z、 通电方式 k 可以用下式表示： kmz/360 （3-1） 3.2.3 伺服电动机的选用 伺服电动机是一种用脉冲信号控制的电动机，在动载能力及动态特性 范围内电动机的角位移与控制脉冲数成正比，转速与控制脉冲频率成反比。 在通常情况下，用伺服电动机作执行元件的数控系统中不需进行A/D 或

32、D/A 转换，且可以采用较为简单的开环控制系统进行工作。因此，在数 控的进给系统中广泛采用。 选用伺服电动机时，通常希望伺服电动机的输出转矩大，启动频率和 运行频率大，步距误差小。但是，增大转矩和快速运行存在一定的矛盾， 高性能与低成本相矛盾。因此，在选用伺服电动机时，需要考虑各方面的 因素。 首先要保证机床的定位精度，而脉冲当量直接影响到机床的定位精度。 脉冲当量越小，机床的定位精度越高，但机床的快速进给速度就越小。为 了兼顾精度与速度的要求，在满足精度的条件下，选择尽可能大的脉冲当 量。脉冲当量确定后，以此为依据选择伺服电动机的步矩角和传动机械的 传动比。 伺服电动机有两条重要的特性曲线，

33、一 条是反映启动频率和负载转 矩关系的启动频矩特性曲线；一条是反映 转矩与连续运行频率之间关系 的工作矩频特性曲线。这两条曲线是选用伺服电动机的重要依据。数控机 床的进给分为快速进给和切削进给，快速进给速度远远大于切削进给的速 度。在这两种情况下，对转矩和进给速度 有不同的要求，选择伺服电动 兰州工业学院毕业设计（论文） 11 机时应使这两种情况都能满足要求。 假设在切削进给时转矩为 Me,其最大切削速度为 Vmax；在快速进给时 间的转矩为 Mk，其最大快速进给速度为 Vmaxl,将 Vmax,Vmaxl分别带入下式 中的 V，可以分别求到切削进给时的最大工作频率fe和快速进给时的最 大工作

34、频率 fk。 60/1000VF （3-2） 公式（3-2）中 V进给速度，m/min； 脉冲当量，mm/脉； F伺服电动机工作频率 ，Hz。 根据 fe、fk从工作矩频特性曲线中查出对应的极限转矩值Mmde。 若有 Me1； L寿命(以 106转为单位 1，如 1.5 则为 150 万转)。 寿命 L 可按下式计算 （4-6） 6 10/60nTL 式（4-6）中 n滚珠丝杠的转速 ，r/min； T使用寿命时间 ，h，数控机床 T 取 15000h。 工作负载的数值可用 机床设计手册 中进给牵引力的实验公式计 算，对于三角形或综合导轨 （4-7）)( WFfkFF ZXP 兰州工业学院毕业

35、设计（论文） 24 公式（4-7）中 Fz、Fx切削分力，N； W移动部件的重量 ，800N； 考虑颠覆力矩影响的系数 ， =1.15；kk 导轨上的摩擦系数 ，=0.150.8 取 f f =0.16。 f 则 NNFP752.1482)800 2 . 1843(16 . 0 6 . 92115 . 1 当机床以线速度=100m/min，进给量为=0.3mm/r，车削直径为vf D=80mm 的外圆时，丝杠的转速 min/ 9 . 19min/)68214 . 3 (103 . 0100)/(10 3 0 3 rrDLvfn 则 万转万转91.1710/15000 9 . 196010/60

36、 66 nTL 根据工作负载 Fp寿命 L，计算出滚珠丝杠副承受的最大动载荷 ， 取 fw=1.2，fh=1 NNFffLF PhwQ 3 . 4655752.14822 . 191.17 3/13/1 由 F0查滚珠丝杠的产品样本和 机床设计手册 ，选择丝杠的型号 例如参照某厂滚珠丝杠的产品样本 ，选择滚珠丝杠的直径为 40mm，型 号为 FL4006/1200 1130，其额定动载荷是 16672N 其强度足够用。 效率计算 由参考文献 1知丝杠螺母副的传动效率 计算公式如下所示： )tan(/tan （4-8） 公式（4-8）中 螺纹的螺旋升角，该丝杠为 244； 摩擦角，约等于 10。

37、 则 942 . 0 )01442tan(/442tan 刚度验算 滚珠丝杠工作时受轴向力和扭矩的作用，它将引起导程L 发生变化， 因滚珠丝杠受扭时引起的导程变化量很小，可忽略不计，因此，工作负载 引起的导程变化量 L（cm） （4-9）ESFLL/ 兰州工业学院毕业设计（论文） 25 公式（4-9）中 E弹性模量，对钢； 26 /10 6 . 20cmNE 滚珠丝杠截面积 ，按丝杠螺纹底 径确定S d=3.46cm 22 4 . 946 . 3 4/cmS “+”用于拉伸时， “”用于压缩时。 则 cmcmL 66 1059 . 4 )4 . 910 6 . 20/(6 . 0752.148

38、2 丝杠 1cm 长度上导程变形总误差 L 总 mmmLLL/65 . 7 1059 . 4 6 . 0/100/100 6 总 3 级精度丝杠允许的螺距误差为 15m/m，因此刚度足够 。 4.1.2 步进电动机的选择 负载传动惯量的计算 伺服电动机轴上的转动惯量可按下式估算 （4-10） 4 2 321 / )(JiJJJJF 公式（4-10）中折算到电动机轴上的转动惯量 ，kgcm2； F J 小带轮的转动惯量，kgcm2； 1 J 大带轮的转动惯量， kgcm2； 2 J 丝杠的转动惯量 ，kgcm2； 3 J 工作台的转动惯量， kgcm2。 4 J 对材料为钢的圆柱形零件，其转动惯

39、量可按下式计算： （4-11）LDJ 44 108 . 7 公式（4-11）中 D圆柱零件的直径 ，cm； L零件轴向长度 ，cm； 所以 2244 1 812 . 0 54 . 2 5 . 4108 . 7cmkgcmkgJ 2244 2 052 . 1 54 . 2 8 . 4108 . 7cmkgcmkgJ 2244 3 962.231204108 . 7cmkgcmkgJ 222222 4 118.33)15/188 . 9/()75. 014 . 3 /01 . 0 180(800)/()/180(cmkggiWJ 总惯量 22 3 . 51118.33)15/18/()962.23

40、052. 1 (812 . 0 cmkgJF 兰州工业学院毕业设计（论文） 26 负载转矩计算及最大静矩选择 根据能量守恒原理，电动机等效负载转矩 mNiLFT iPF 132 . 2 )15/1898 . 0 942 . 0 2/(106752.1482)2/(10 33 0 如不考虑起动时运动部件惯性的影响，则起动转矩 （4-12）)5 . 03 . 0/( Fq TT 取安全系数为 0.3，则 mNmNTq11 . 7 3 . 0/132 . 2 因数控机床对动态性能要求较高，确定电动机最大静转矩时因满足快 速空载起动时所需转矩 T 的要求。 （4-13） 0max TTTT fa 式中

41、 Tamax空载快速起动时所需的转矩 ，Nm； Tf克服摩擦所需的转矩 ，Nm； T0丝杠预紧所引起 ，折算到电动机轴上的附加转矩 ， Nm。 当工作台快速移动时，电动机的转速 min/400)6/2 . 12000(/ 0maxmax rLivnn （4-14） 由动力学知 Fa JT max （4-15） 公式（4-15）中 角加速度，计算公式为 tn 30/ （4-16） mNmNJT Fa 591 . 8 )025 . 0 30/(40014. 310 3 . 51 4 max mNmNLffTf 1298 . 0 )942 . 0 2/(10616 . 0 800)2/(10 33

42、0 mNiLFT i 426 . 0 2 . 198 . 0 942 . 0 2/10625.4942/10 33 000 则 mNmNTTTT fa 1468 . 9 )426 . 0 1298 . 0 591 . 8 ( 0max 步进电动机的最高工作频率 兰州工业学院毕业设计（论文） 27 HzHzvf33.3333)01 . 0 60/(21000)60/(1000 maxmax 由文献7知丝杠直径的计算 公式如下所示： 4/1 2 / )18032(GTd （4-17） 公式（4-17）中 d丝杠最小直径 ，mm； G剪切弹性模型 ，8084GPa，取 G=82GPa； 丝杠许用扭角

43、 ，0.250.50/m，取 =0.4/m。 mmd24.21)104 . 0108214 . 3 /()180101468. 940( 4/1 3323 根据计算综合考虑 ，查表选用永磁式感应步进电动机 130BYG5501 型 步进电机。 4.2 横向进给系统的计算 已知条件： 工作台重量：NkgfW30030 时间常数：t=25 ms 滚珠丝杠基本导程 ：L0=4mm 左旋 快速进给速度 ： min/1 max mv 4.2.1 横向滚珠丝杠设计计算 滚珠丝杠副已经标准化，因此，滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副 型号的选择。 计算作用在丝杠上的最大动载荷FQ 首先根据切削力和运动部件的重

44、量引起的进给 抗力，计算出丝杠的 轴向载荷，再根据要求的寿命值计算出丝杠副能承受的最大动载荷 FQ(同公式 4-5)。 PkwQ FffLF 3/1 公式中 FQ最大动载荷 ，N； 兰州工业学院毕业设计（论文） 28 FP工作负载，N，指数控机床工作时实际作用在滚珠丝杠 上的轴向力； fw运转系数，一般运转 fw取 1.21.5；有冲击的运转 fw取 1.52.5； fh硬度系数，HRC=60 时，fh=1；HRC1； L寿命(以 106转为单位 1，如 1.5 则为 150 万转)。 寿命 L 可按公式（4-6）计算 6 10/60nTL 式（4-6）中 n滚珠丝杠的转速 ，r/min； T

45、使用寿命时间 ，h，数控机床 T 取 15000h。 工作负载的数值可用 机床设计手册 中进给牵引力的实验公式 （4-7）计算，对于三角形或综合导轨 )( WFfkFF ZXP 公式（4-7）中 Fz 、FX切削分力，N； W移动部件的重量 ，800N； 考虑颠覆力矩影响的系数 ， =1.15；kk 导轨上的摩擦系数 ，=0.150.8 取 f f =0.16。 f 则 NNFP72.16143002 .184316 . 0 92.110515 . 1 当机床以线速度=100m/min，进给量为=0.15mm/r，车削直径为vf D=80mm 的外圆时，丝杠的转速 min/928.14min/

46、)48014 . 3 /(1015. 0100)/(10 3 0 3 rrDLvfn 则 万转万转436.1310/15000928.146010/60 66 nTL 根据工作负载 Fp寿命 L，计算出滚珠丝杠副承受的最大动载荷 ， 取 fw=1.2，fh=1 NNFffLF PhwQ 47.460672.16142 . 1436.13 3/13/1 兰州工业学院毕业设计（论文） 29 由 F0查滚珠丝杠的产品样本和 机床设计手册 ，选择丝杠的型号 例如参照某厂滚珠丝杠的产品样本 ，选择滚珠丝杠的直径为 20mm，型 号为 FL4006/330 410，其额定动载荷是 6766 N 其强度足够

47、用。 效率计算 由参考文献 1知丝杠螺母副的传动效率 计算公式同（4-8）： )tan(/tan 公式（4-8）中螺纹的螺旋升角，该丝杠为 216； 摩擦角，约等于 10。 则 932 . 0 ) 10162tan(/ 162tan 刚度验算 滚珠丝杠工作时受轴向力和扭矩的作用，它将引起导程L 发生变化， 因滚珠丝杠受扭时引起的导程变化量很小，可忽略不计，因此，工作负载 引起的导程变化量 L（cm）同（4-9） ESFLL/ 公式（4-9）中 E弹性模量，对钢； 26 /10 6 . 20cmNE 滚珠丝杠截面积 ，按丝杠螺纹底 径确定S d=2.77cm 22 023 . 6 77 . 2 4/cmS “+”用于拉伸时， “”用于压缩时。 则 cmcmL 66 1021 . 5 )023 . 6 10 6 . 20/(4 . 072.1614 丝杠 1cm 长度上导程变形总误差 L 总 mmmumLLL/025.13/1021 . 5 4 . 0/100/100 6 0 总 3 级精度丝杠允许的螺距误差为 15m/m，因此刚度足够 。 4.2.2 步进电动机的选择 负载传动惯量的计算 伺服电动机轴上的转动惯量可按下式估算 （4-18） 321 JJJJF 公式（4-18）中折算到电动机轴上的转动惯量 ，kgcm2； F J 兰州工业学院