毕业设计（论文）-CA6140普通机床的数控化改造.doc

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1、CA6140CA6140 普通机床的数控化改造普通机床的数控化改造 摘摘 要要 本论文对我国现有的普通机床的现状进行分析，运用数控技术对 CA6140 普 通车床进行自动化和精密化改装，改装技术主要涉及到：在普通车床上附加数 控装置和执行元件，选择合适的机床伺服系统。结果表明：经改造后的机床完 全能实现外圆、锥度、螺纹、端面等加工内容的自动控制，提高了原机床的生 产效率，降低了劳动强度。采用数控技术对企业原有机床进行改造，是当前工 矿、企业普通机床技术改造的有效途径。 关键词：关键词：CA6140、普通车床、数控改造、数控技术 I 目目 录录 1 绪论1 1.1 数控加工技术的发展趋势.1 1

2、.1.1 继续向开放式、基于 PC 的第六代方向发展.1 1.1.2 向高速化和高精度化发展.1 1.1.3 向智能化方向发展.2 1.1.4 数控车床的发展方向.2 1.2 改造的必要性3 1.2.1 微观看改造的必要性.3 1.2.2 宏观看改造的必要性.4 1.3 数控化改造的优缺点5 2 CA6140 车床的数控改造总体方案的设计.6 2.1 数控改造后的结构及工作原理.6 2.1.1 PC 机.6 2.1.2 数控控制板6 2.1.3 机床本体6 2.2 数控机床改造的设计步骤.7 2.2.1 设计任务.7 2.2.2 总体方案的论证.7 2.2.3 总体方案的确定.8 3 机械部分

3、改造设计与计算10 3.1 纵向进给系统的设计计算10 3.1.1 纵向进给系统的设计10 3.1.2 纵向进给系统的设计计算10 3.2 横向进给系统的设计计算19 3.2.1 横向进给系统的设计.19 3.2.2 横向进给系统的设计计算.19 3.3 滚珠丝杠的设计25 3.3.1 滚珠丝杠螺母副的特点.25 3.3.2 滚珠丝杠的主要技术参数.25 3.3.3 滚珠丝杠副的标注和精度验算.26 3.4 步进电动机的选择.28 3.4.1 步进电动机选用的基本原则.28 3.4.2 步进电机的选择29 II 4 自动回转刀架的选型31 4.1 数控车床刀架的基本要求.31 4.2 数控车床

4、刀架结构.31 4.3 自动回转刀架的工作原理.32 5 数控系统设计33 5.1 机床数控系统的工作原理33 5.2 系统硬件结构33 5.2.1 主控制器33 5.2.2 存储器扩展设计.33 5.2.3 步进电机接口电路34 5.3 数控系统软件设计35 5.3.1 监控与操作软件35 5.3.2 步进电机控制软件35 6 结束语37 参考文献38 致谢39 高等教育应用型自学考试毕业设计（论文） I 1 1 绪论绪论 企业要在激烈的市场竞争中获得生存、得到发展,它必须在最短的时间内以 优异的质量、低廉的成本,制造出合乎市场需要的、性能合适的产品,而产品质 量的优劣,制造周期的快慢,生产

5、成本的高低,又往往受工厂现有加工设备的直接 影响。目前,采用先进的数控机床,已成为我国制造技术发展的总趋势。购买新 的数控机床是提高数控化率的主要途径,但是成本太高很多工厂在短时间内都无 法有那么多的资金；而改造旧机床、配备数控系统把普通机床改装成数控机床 也是提高机床数控化率的一条有效途径。我校为适应现代化生产和教学,特此对 CA6140 普通车床进行了数控化改造。 数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用， 很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题， 且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。但从目前企业面临的情况 看，因数控机床价格

6、较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。我国作为 机床大国，对普通机床数控化改造不失为一种较好的良策。 1946 年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分 代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力 劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。 6 年后，即在 1952 年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台 数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历 了两个阶段和六代的发展。 1.11.1 数控加工技术的发展趋势数控加工技术的发展趋势 1.1.1 继续向开放式、基于 PC 的第六代方向发展 基

7、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。 1.1.2 向高速化和高精度化发展 这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。 高等教育应用型自学考试毕业设计（论文） II 1.1.3 向智能化方向发展 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。 （1）应用自适应控制技术 数控系统能在运行过程中检测一些重要

8、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。 （2）引入专家系统指导加工 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。 （3）引入故障诊断专家系统 （4）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状 态。 1.1.4 数控车床的发展方向 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工 业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国际民生 的一些重要行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。当前数控车床呈现 以下发展趋势。 （1）高

9、速、高精密化 高速精密是机床发展永恒的目标。随着科学技术突飞猛进的发展，机电产 品更新换代速度加快，对零件加工的精度和表面质量的要求也越来越高。为满 足这个复杂多变市场的需求，当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向 发展，加工精度也在不断地提高。另一方面，电主轴和直线电机地成功应用， 陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷地低温高速滚珠丝杠副 及带滚珠保持器地直线导轨副等机床功能部件地面市，也为机床向高速、精密 发展创造了条件。数控车床采用电主轴，取消了皮带、带轮和齿轮等环节，大 大减少了主传动地转动惯量，提高了主轴动态响应速度和工作精度，彻底解决 了主轴高速运转时皮带和带轮等传

10、动地振动和噪音问题。采用电主轴结构可使 主轴转速达到 10000r/min 以上。直线电机驱动速度高，加减速特性好，有优越 高等教育应用型自学考试毕业设计（论文） III 的响应特性和跟随精度。用直线电机作伺服驱动，省去了滚珠丝杠这一中间传 动环节，消除了传动间隙，运动惯量小，系统刚性好，在高速下能精密定位， 从而极大地提高了伺服精度。通过直线电机和直线滚动导轨副地应用，可使机 床的快速移动速度由目前的 10-20m/min 提高到 60-80m/min，甚至高达 120m/min。 （2）高可靠性 数控车床的可靠性是产品质量地一项关键性指标。数控车床能否发挥其高 性能、高精度和高效率，并获得

11、良好地效益，关键取决于其可靠性的高低。 （3）数控车床设计 CAD 化、结构设计模块化 随着计算机应用的普及以及软件技术的发展，CAD 技术得到了广泛发展。 CAD 不仅可以替代人工完成繁琐的绘图工作，更重要的是可以进行设计方案选 择和机床整机的静、动态特性分析、计算、预测及优化设计，可以对整机各工 作部件进行动态模拟防真。在模块化的基础上在设计阶段就可以看出产品的三 维几何模型和逼真的色彩。采用 CAD，还可以大大提高工作效率，提高设计的 一次性成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能力。 （4）功能复合化 功能复合化的目的是进一步提高生产效率，使加工辅助时间减至最少。通 过功

12、能的复合化，可以扩大机床的使用范围、提高效率，实现一机多用、一机 多能，即一台数控车床既可以实现车削功能，也可以实现铣削加工；或在以铣 为主的机床上也可以实现磨削加工。 （5）智能化、网络化、柔性化和集成化 21 世纪的数控车床将是具有一定智能化的系统。 1.21.2 改造的必要性改造的必要性 1.2.1 微观看改造的必要性 （1）微观上看，数控车床比传统车床有以下突出的优越性，可以加工出传 统车床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。而且这些优越性均来自数控系 统所包含的计算机的威力。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地运动量，因此可以复合成复杂地曲线或曲

13、面。 （2）可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传动机床 高等教育应用型自学考试毕业设计（论文） IV 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。 由以上五条

14、派生的好处，还有：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， 可对市场需求作出快速反应等等。 此外，机床数控化还是推动 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。 1.2.2 宏观看改造的必要性 宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在 70 年代末、80 年代初已 开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业进行技术改造。 除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS 外，还包括在产品开发中推行

15、 CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行 CIMS 等等。以及在其中生产 的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。 数控技术是先进制造技术的核心技术，它的整体水平标志着一个国家工业 现代化的水平和综合国力的强弱，具有超越其经济价值的战略物资地位。目前 我国企业机械制造整体水平与发达国家相比还有很大的差距。由于我国企业大 部分数控机床和数控系统依赖进口，企业承受不了巨额购置费，且易受国外的 控制，另外数控机械设备维修力量薄弱，进口的备件维修成本高，设备完好率 低，大部分进口机床数控系统已经崩溃，有的甚至在进口后还没使用就已因为 各方面原因不能使用等等。因此目前我国企业机床数控化

16、比例极低还不到 5%， 各企业使用的绝大部分为传统老式机床，很难满足企业高技术产品的生产需求 和生产效率。为节约成本，进一步发挥老式传统机床的功效和潜在价值，将大 高等教育应用型自学考试毕业设计（论文） V 批传统老式机床改造为数控机床是一种必然性和趋势。 1.31.3 数控化改造的优缺点数控化改造的优缺点 （1）减少投资额、交货期短 同购置新机床相比，一般可以节省 60%80%的费用，改造费用低。特别是 大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的 1/3， 交货期短。但有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过 于费工、费钱，往往改造成本提高 23 倍，与购

17、置新机床相比，只能节省投资 50%左右。 （2）机械性能稳定可靠 所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接 构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。 （3）熟悉了解设备、便于操作维修 购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以 精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早 已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好， 就可以实现全负荷运转。 （4）可充分利用现有的条件 可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。 （5）可以采用最新的控制技术 可根据技术更新的发展

18、速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率， 提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。 高等教育应用型自学考试毕业设计（论文） VI 2 2 CA6140CA6140 车床的数控改造总体方案的设计车床的数控改造总体方案的设计 2.12.1 数控改造后的结构及工作原理数控改造后的结构及工作原理 该系统是由 PC 机和数控控制板两级控制组成，其组成如图 2-1 所示。主要 功能部件有： 图 2-1 系统的组成 2.1.1 PC 机 可选用市面上任何一种机型，也可利用闲置低档配置的机型。在 PC 平台上 可以开发出具有良好开放数控系统，从而增强经济型数控改造的整体效果。 2.1.2 数控控制

19、板 考虑到经济型数控改造的特点，数控板没有采用常见的 ISA 总线插卡，而 是采用以 8031 单片机为核心的数控控制板。它主要成实 EI 性任务，如机床状 态检测、紧急情况处理、细插补运算、脉冲分配等。PC 机利用标准并行打印口 与 8031 进行通信，将预处理后的数控加工信息通过数控控制板完成对机床的控 制这种结构省去了打开机箱的麻烦，方便安装和维护。为提高可靠性和处理速 度，采用硬件环形分配器产生脉冲控机的运转。为增强系统的抗干扰能力，输 入输出信号要经过光电隔离。 2.1.3 机床本体 为满足数控加工的要求，对原机床机械的改造主要有： （1）进给系统 拆除原机床进给箱、溜板箱内的零部件

20、及光杠、滑动丝杠、挂轮。纵、横 向以步进电机作为驱动元件，经一级齿轮减速后由滚珠丝杠传动。 （2）主变速系统 保持原机床的主轴手动变速，数控系统仅控制主轴电机的起、停和正、反 高等教育应用型自学考试毕业设计（论文） VII 转。为实现螺纹加工功能，往机床主轴末端安装脉冲发生器作为主轴位信号的 反馈元件。 （3）刀架部分 原机床手动转位刀架改造为电动转位刀架应用是最为普通的。 2.22.2 数控机床改造的设计步骤数控机床改造的设计步骤 2.2.1 设计任务 本设计任务是对 CA6140 普通车床进行数控改造。利用微机对纵、横向进给 系统进行开环控制，纵向（Z 向）脉冲当量为 0.01mm/脉冲，

21、横向（X 向）脉冲 当量为 0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀 架采用自动转位刀架。 2.2.2 总体方案的论证 对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足 设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。 （1）数控系统运动方式的确定 数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续轮廓 控制系统。由于要求 CA6140 普通车床改造后能够加工复杂轮廓零件，所以本数 控系统采用两轴联动连续控制系统。 （2）伺服进给系统的改造设计 数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。 因为开环控制具 有结构简单、设计制造容

22、易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修 方便等优点。所以，本设计采用开环控制系统。 （3）数控系统的硬件电路设计 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础， 其性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地 运行。 在设计数控装置时，CPU 的选择是关键，选择 CPU 应考虑以下要素： a) 时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关； b) 可扩展存储器（包括 ROM 和 RAM）的容量与数控功能的强弱相关； c) 指令系统功能，影响编程的灵活性； 高等教育应用型自学考试毕业设计（论文） VIII d) I/O 口扩展的能力与对外设控制

23、的能力相关。 除此之外，还应根据数控系统的应用场合、经济价格比、控制对象以及各 种性能、参数要求等，综合起来考虑以确定 CPU。 在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是 Z80CPU 和 MCS-51 系列单 片机，主要是因为它们的配套芯片便宜，普及性、通用性强，制造和维修方便， 完全能满足经济型数控机床的改造需要。本设计中是以 MCS-51 系列单片机，51 系列相对 48 系列指令更丰富，相对 96 系列价格更便宜，51 系列中，是无 ROM 的 8031，8751 是用 EPROM 代替 ROM 的 8051。目前，工控机中应用最多的是 8031 单片机。本设计以 8031 芯片为核

24、心，增加存储器扩展电路、接口和面板 操作开关组成的控制系统。 2.2.3 总体方案的确定 经总体设计方案的论证后，确定的 CA6140 普通车床经济型数控改造结构示 意图如图 2-2 所示。 图 2-2 卧式车床数控改造的组成 1-机床本体 2-Z 向步进电动机 3-数控箱 4-X 向步进电动机 5-电机转位刀架 6-主轴脉冲编码器 7-Z 向滚珠丝杠 8-X 向滚珠丝杠 高等教育应用型自学考试毕业设计（论文） IX CA6140 车床的主轴转速部分保留原机床的功能，即手动变速。车床的纵向 （Z 轴）和横向（X 轴）进给运动采用步进电机驱动。由 8031 单片机组成微机 作为数控装置的核心，由

25、 I/O 接口、环形分配器与功率放大器一起控制步进电 机转动，经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现车床的纵向、横向进给运 动。刀架改成由微机控制的经电机驱动的自动控制的自动转位刀架。为保持切 削螺纹的功能，必须安装主轴脉冲发生器，为此采用主轴靠同步齿形带使脉冲 发生器同步旋转，发出两路信号：每转发出的脉冲个数和一个同步信号，经隔 离电路以及 I/O 接口送给微机。如图 2-3 所示： 图 2-3 主轴编码器安装图 高等教育应用型自学考试毕业设计（论文） X 3 3 机械部分改造设计与计算机械部分改造设计与计算 伺服进给机构的设计内容包括：纵向进给系统的设计与计算、横行进给系 统的设计与计算、

26、滚珠丝杠螺母副的选型、步进电机的选择四大部分，该部分 设计的总体方案示意图如图 3.1 所示。要使这四大部分与数控系统的配合达到 好的效果，伺服进给机构的改造设计部分除了主要的四大部分内容外，还包括 与步进电动机相关的驱动电源、功率放大电路、辅助电路；与滚珠丝杠副相关 的机床导轨等内容的设计选择。 3.13.1 纵向进给系统的设计计算纵向进给系统的设计计算 3.1.1 纵向进给系统的设计 图 3-1 数控改造总体方案示意图 普通车床的经济型数控改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定溜 板箱上，带动刀架左右移动。步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端，对改 造来说，外观不必像产品设计要求那么高

27、，而从改造方便、使用方面来考虑， 一般都把步进电机放在纵向丝杠的右端，即尾坐部位，如图 3-1 所示。 3.1.2 纵向进给系统的设计计算 已知的条件： 工作台重量： （根据图纸粗略计算）NkgfW1000100 时间常数：=25Tms 滚珠丝杠基本导程：mml6 0 步进电动机 车床 加工工件 图纸 工件变速箱 数控程序 编制 变速箱 步进电动机 手工输入 或 计算机 控制计算机 功率放大器 存储装置 高等教育应用型自学考试毕业设计（论文） XI 行程：mmS600 脉冲当量：stepmm p /01 . 0 步距角：stepa/.750 0 最大进给速度： min/2 max mv （1）

28、 切削力计算 由实用机床设计手册可知： 切削功率： （31）KNNc 电机功率 =7.5NNkw 主传动链的总效率 取=0.90 进给系统的功率系数，取=0.96kk 则： =7.50.900.96=6.48（） c Nkw 又因为： （32） 6120 vF N c c 则： = （33） z F v Nc6120 切削线速度，取 v=100所以： v min/m =396.576（kgf）=3965.76（） z FN 由金属切削原理可知： 主切削力： EZ Y FZfzpFZz KfFXaCF FZ 查表得： 2 /188mmkgfC Z F 1 Z F X75 . 0 Z F Y1 Z

29、 F K 则可计算出的值如表 3-1 所示： z F 高等教育应用型自学考试毕业设计（论文） XII 表 3-1 计算结果 z F )(mmaP222333 )(mmf0.20.30.40.20.30.4 )(NFz1103.11495.21855.21654.72242.82782.9 当=1495.2时，切削深度=2，走刀量=0.3 z FN P ammfmm 以此参数作为下面计算的依据，从实用机床设计手册中可知，在一般 外圆切削时： =（0.10.6） x F z F =（0.150.7） y F z F =0.5=0.53965.76=1982.88（） x F z FN =0.6=0

30、.63965.76=2379.46（） y F z FN （2）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。 综合车床导轨丝杠的轴向力： = （34）PWFfKF zx 式中 由于上选用的是矩形的导轨，根据机床设计手册查出， =1.1 ， =0.15K f 则： =1.11982.88+0.15（3965.76+1000）=2926.03（）P N a)强度计算： 寿命值： = （ 35） i L 6 10 60 iiT n 所以： 高等教育应用型自学考试毕业设计（论文） XIII = （36） i n 0 L fn主 0 1000 DL vf 取

31、工件直径： =80D mm 查表得：=15000（自动控制机床及机床通常的取值） i Th 所以： =20（r/min） i n 68014 . 3 3 . 01001000 =18 i L 6 10 150002060 最大动载荷： = （37）Q HWi fpfL 3 式中的运转系数与硬度系数的参数查表 3-2 与 3-3： W f H f 表 3-2 运转系数参数 运转状态运转系数 fW 无冲击的圆滑运转1.01.2 一般运转1.21.5 有冲击的运转1.52.5 表 3-3 硬度系数表 硬度（HRC）6057.55552.55047.54542.5403025 硬度系数 fH1.01.

32、11.21.42.02.53.34.55.01015 查取以上参数取： 运转系数：=1.2 W f 硬度系数：=1 H f =9202.04（）Q12 . 103.292618 3 N 根据最大动载荷的值和原机床参数，选择滚珠丝杠的型号Q 高等教育应用型自学考试毕业设计（论文） XIV ，即内循环浮动返向器双螺母垫片预紧滚珠丝杠副，公称直BFFZD54006 径为 40，导程为 6，滚珠列数为 5 列，精度等级为级（一般数控机mmmmB 床精度等级为级） ，额定动载荷为 26000。BN 表 3-4 型滚珠丝杠具体参数4006FFZD 公 称 直 径基 本 导程钢 球 直径丝杠大径轴端 直 径

33、额 定 载 荷（）KN 0 d h P w Ddd动载荷 a C静载荷 a C0 刚 度 406438.9 35 26842220 螺母安装连接尺寸 DD3 4 DB 5 D 6 D h 7 D MTEL1L2 60947515915948M63668128 因为： 260009202.04, 所以强度不成问题。NN b)效率计算： 根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率 为： = （38） )( tg tg 式中： 摩擦角： = 10 螺旋升角： = 025 3 =0.953 )10253( 253 0 0 tg tg c)刚度验算： 滚珠丝杠受工作负载引起导程的变化量： P = （39）

34、 0 L EF PL0 式中： =6=0.6 0 Lmmcm =20.6106EmN/ 滚珠丝杠截面积： 高等教育应用型自学考试毕业设计（论文） XV F=3.14=12.56102（） 2 2 d 2 2 4 2 cm 则： = 0 L 26 1056.1210 6 . 20 6 . 066.4377 =10.1510-8（） cm 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可以忽略，即：= 2 L L1 L 所以导程变形总误差为： = （310） L L 0 100 即： =16.92（） 8 1015.10 6 . 0 100 mm/ 查表知级精度丝杠允许的螺距误差（1长）为 25，故刚度足够

35、。 B mmm/ d)稳定性验算 根据公式: FK=fk2EI/KL2Fmax （311） 式中: fk=2(双推简支)； =20.610Pa； E I=12.56 (cm4) 4 1 64 d 4 4 64 K=4； L=Ls=35d1=35 4=140 (cm) (Ls 为丝杆长度) FK=23.1422.0610712.56/41402 88577 Fmax=6286.5 故稳定性也没有问题。 （3）齿轮及转矩的有关计算 a)有关齿轮计算： 传动比： 高等教育应用型自学考试毕业设计（论文） XVI = （312）i P L 360 0 则： =1.25i 01 . 0 360 675 .

36、 0 故取齿轮齿数： =32 =40 1 z 2 z 模数： =2 mmm =20 bmm 0 20a 分度圆直径：= =232=64（） 1 d 1 mzmm = =240=80（） 2 d 2 mzmm 齿顶圆：=+=68（） 1a d 1 d 1 2 a hmm =+=84（） 2a d 2 d 2 2 a hmm =72（） a 2 21 dd 2 8064 mm b)转动惯量计算： 工作台折算到电机轴上的转动惯量： = （313） 1 J W P 2 180 即： =100=0.468（）=4.68（） 1 J 2 75 . 0 14 . 3 01 . 0 180 kg 2 cmN

37、2 cm 丝杠的转动惯量： =7.810-4 （314） s J 1 4L D 式中： 丝杠的名义直径，=4.0DDcm 丝杠两固定端的间距，=150 1 L 1 Lcm 所以： =7.810-444150=29.952（）=299.52） s Jkg 2 cmN 2 cm 高等教育应用型自学考试毕业设计（论文） XVII 齿轮的转动惯量： =7.810-4（）42 z Jmz =7.810-46.44=2.617（） 1z J kg 2 cm =26.17（）N 2 cm =7.810-4842=6.39（） 2z J kg 2 cm =63.9(）N 2 cm 电机转动惯量很小可忽略，因此

38、，总的转动惯量： =+ （315） J 2 2 1 zs JJ i 1z J 1 J =+2.617+0.46839 . 6 952.29 25 . 1 1 2 =26.343)=263.43 ()kg 2 cmN 2 cm c)所需转动力矩计算： 快速空载启动时所需力矩： = （316）M 0max MMM fa 最大切削负载时所需力矩： = （317）M tfat MMMM 0 快速进给时所需力矩： = (318)M 0 MM f 式中： 空载启动时折算到电动机轴上的加速度力矩； maxa M 折算到电动机轴上的摩擦力矩； f M 由于丝杠预紧所引起，折算到电动机轴上的附加摩擦力矩； 0

39、M 切削时折算到电动机轴上的加速度力矩； at M 折算到电机轴上的切削负载力矩。 t M =10-4（） （319） a M T Jn 6 . 9 Nm 高等教育应用型自学考试毕业设计（论文） XVIII 式中： 为时间常数，=2510-3 TTS 当=时，= n max n maxa M a M = （320） max n 0 max L iv 即： =416.67（） max n 6 25 . 1 2000 min/r =10-4 maxa M 3 10256 . 9 67.416343.26 =45.736（）=457.36（）Nmkgfcm 当=时，= n t n a M at M

40、= （321） t n 0 L fn i主 0 1000 DL vfi =24.88（） t n 68014 . 3 25 . 1 3 . 01001000 min/r =10-4 at M 3 10256 . 9 88.24343.26 =0.273（）=2.73（）Nmkgfcm = （322） f M i LF 2 00 i WLf 2 0 当=0.8，=0.16 时， f = f M 25. 18 . 014 . 3 2 6 . 010016 . 0 =1.529()=15.29()kgfcmNcm = （323） 0 M 2 0 00 1 2 i LP 当=0.9 时预加载荷： P0

41、= 0 x F 3 1 = 0 M i LFx 6 )1 ( 2 00 =1.202() 25 . 1 8 . 014 . 3 6 )9 . 01 (6 . 0144.99 2 kgfcm 高等教育应用型自学考试毕业设计（论文） XIX =12.02()Ncm = （324） t M i LFx 2 0 即： =18.943()=189.43（） t M 25. 18 . 014 . 3 2 6 . 028.198 kgfcmNcm 所以，快速空载启动所需力矩： =M 0max MMM fa =45.736+1.529+1.202 =48.494()kgf cm =484.94（）Ncm 切削

42、时所需力矩： = M tfat MMMM 0 =2.73+1.529+1.102+18.943 =24.304()=243.04(）kgfcmNcm 快速进给时所需力矩： =M 0 MM f =1.529+1.202 =2.731()kgf cm =27.31（）Ncm 由以上分析计算可知，所需最大力矩发生在快速启动： max M =48.494()= 484.94() max Mkgf cm Ncm 3.23.2 横向进给系统的设计计算横向进给系统的设计计算 3.2.1 横向进给系统的设计 普通车床经济型数控改造的横向进给系统的设计相对比较简单，一般是步 进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横

43、向运动。步进电机安装在大拖板上， 用法兰盘将步进电机和机车大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。 高等教育应用型自学考试毕业设计（论文） XX 3.2.2 横向进给系统的设计计算 由于横向进给系统的设计计算与纵向进给系统类似，所用到的公式不详细 说明，只计算结果。 已知的条件： 工作台重（根据图 3.1 粗略计算）：=40=400WkgfN 时间常数：=25Tms 滚珠丝杠基本导程：=4 0 Lmm 行程：=190Smm 脉冲当量：=0.005 P stepmm/ 步距角：=0.750step/ 快速进给速度：=1 max vmin/m （1）切削力计算 横向进给量为纵向的 1/21/

44、3，取 1/2，则切削力约为纵向的 1/2： =3965.76=198.288()=1982.88（） z F 2 1 kgfcmN 在切断工件时： =1982.88=99.144()=991.44（） y F 2 1 z F 2 1 kgfcmN （2）滚珠丝杠设计计算 a) 强度计算： 对于矩型导轨： =+ P y kF)( WFf z 取 =1.2，=0.15k f 则： =1.299.144+0.15（198.288+40） P =238.116()=2381.16（）kgfcmN 取工件直径：=80Dmm 走刀量： =0.15fmm 高等教育应用型自学考试毕业设计（论文） XXI =

45、15（） i n 0 1000 DL vf 48014. 3 15. 01001000 min/r 寿命值： =13.5 i L 6 10 60 iiT n 6 10 150001560 最大动负荷： =QPffL HWi 3 =1.21238.11 3 5 . 13 =680.35()=6803.5（）kgfcmN 根据最大动负荷值，选择滚珠丝杠的型号为左，其直QBFFZD53204 径为 32，导程为 4，滚珠列数为 5 列，精度为级，额定动载荷是 mm mmB 13000，所以其强度符合要求。N 表 3-5 型滚珠丝杠具体参数BFFZD53204 公称直径基本导程钢球直径丝杠大径轴端 直

46、 径额定载荷（）KN 0 d h P w Ddd动载荷 a C静载荷 a C0 刚度 324331.2 28 13431780 螺母安装连接尺寸 DD3 4 DB 5 D 6 D h 7 D MTEL1L2 507663115.810638M6344868 b) 效率计算： 摩擦角： = 10 螺旋升角： = 038 3 则传动效率： =0.956 )( tg tg )1038(3 383 0 0 tg tg c) 刚度计算： 滚珠丝杠截面积： 高等教育应用型自学考试毕业设计（论文） XXII =3.14=7.06510-2 F 2 2 d 2 2 2 . 3 )( 2 cm 滚珠丝杠受工作负

47、载引起导程的变化量：P = 1 L EF PL0 = 26 10065 . 7 10 6 . 20 4 . 0204 =5.6110-8 )(cm 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略，即=，所以， 2 LL 1 L 导程变形总误差为： = L L 0 100 8 1027 . 7 4 . 0 100 =18.18（）mm/ 查表知级精度丝杠允许的螺距误差（1长）为 25，故刚度足够。 B mmm/ d) 稳定性验算： 由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相同，而支承方式由原来的一端固 定、一端悬空，变为一端固定、一端径向支承，所以稳定性增强。 （3）齿轮及转矩有关计算 a) 有关齿轮计算： 传动比： =i P L 360 0 005 . 0 360 475 . 0 3 5 故取： =18，=30 1 z 2 z =2 =20 =200mmmb