普通機床的改造畢業(yè)論文設(shè)計

1、河 南 工 業(yè) 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 Henan Polytechnic Institute 畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目： CA6140普通車床的數(shù)控改造 班 級：機電設(shè)備維修與管理0902班 學(xué) 號: 0203090229 姓 名： 劉東風(fēng) 指導(dǎo)教師： 季 祥 CA6140車床數(shù)控化改造摘要數(shù)控技術(shù)水平的高低和數(shù)控設(shè)備擁有的多少已成為衡量一個國家工業(yè)現(xiàn)代化的重要標志。數(shù)控機床作為機電一體化的典型產(chǎn)品，在機械制造中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅度提高生產(chǎn)效率。但是，發(fā)展數(shù)控技術(shù)的最大障礙就是添置設(shè)備的初期投資大

2、，這使許多中小型企業(yè)難以承受。如果淘汰大量的普通機床，而去購買昂貴的數(shù)控機床，勢必造成巨大的浪費。因此，普通機床的數(shù)控化改造大有可為。針對現(xiàn)有常規(guī)CA6140普遍車床的缺點提出數(shù)控改裝方案設(shè)計，提高加工精度和擴大機床使用范圍，并提高生產(chǎn)率。本論文說明了普通車床的數(shù)控化改造的設(shè)計過程，較詳盡地介紹了CA6140各個改造部分的設(shè)計。通過對CA6140普通車床的數(shù)控改造，實現(xiàn)了加工精度明顯提高，定位準確可靠，操作方便，大大提高了工作效率，穩(wěn)定了零件的加工質(zhì)量，并保留了原機床的基本結(jié)構(gòu)和部分工作性能，能節(jié)約資金，縮短生產(chǎn)周期，是工廠進行機械設(shè)備技術(shù)化改造的趨勢。關(guān)鍵詞：車床，數(shù)控，改造，精度，進給系統(tǒng)

3、目錄一 緒論11.1數(shù)控機床的發(fā)展史11.2機床數(shù)控化改造的意義11.3數(shù)控化改造后機床的優(yōu)越性11.4機床數(shù)控化改造的內(nèi)容2二 設(shè)計要求及系統(tǒng)的選型32.1總體方案設(shè)計要求32.2設(shè)計參數(shù)32.3其他要求32.4系統(tǒng)的確定42.5系統(tǒng)的特點42.6GSK980TA的參數(shù)4三 車床絲杠的改造與伺服系統(tǒng)的改造設(shè)計73.1滾珠絲杠的優(yōu)點73.2換用滾珠絲杠的設(shè)計73.3縱向滾珠絲杠選型與設(shè)計73.4橫向滾珠絲杠的選用與設(shè)計123.5滾珠絲杠的支撐與軸承的選用163.6步進電機的選用原則163.7步進電機的選用183.8驅(qū)動器的選擇24四 CA6140其他部分的改造特點264.1電氣控制系統(tǒng)的改造設(shè)

4、計264.2主軸脈沖發(fā)生器的選用與安裝294.3導(dǎo)軌副的改裝294.4聯(lián)軸器的安裝29五 總結(jié)30致謝31參考文獻32附錄33IICA6140普通車床的數(shù)控改造 33一 緒論1.1數(shù)控機床的發(fā)展史1946年誕生了世界上第一臺電子計算機。6年后，即在1952年，計算機技術(shù)應(yīng)用到了機床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機床。從此，傳統(tǒng)機床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個世紀以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。（注：兩個階段：數(shù)控NC階段和計算機數(shù)控CNC階段。六代：即電子管時代、晶體管時代、小規(guī)模集成電路時代、小型計算機時代、微處理器時代和基于PC時代）。必須指出，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到了第五代以后，才從根本上解決了

5、可靠性低、價格極為昂貴、應(yīng)用很不方便（主要是編程困難）等極為關(guān)鍵的問題。因此，數(shù)控技術(shù)經(jīng)過了近30年的發(fā)展才走向普及應(yīng)用。1.2機床數(shù)控化改造的意義  機床數(shù)控化改造，顧名思義就是在機床上增加微型計算機控制裝置，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。眾所周知，企業(yè)要在激烈的市場競爭中獲得生存、得到發(fā)展,就必須在最短的時間內(nèi)以優(yōu)異的質(zhì)量、低廉的成本,制造出滿足市場需求、性能合適的產(chǎn)品。目前,采用先進的數(shù)控機床已成為我國制造技術(shù)發(fā)展的總趨勢。購買新的數(shù)控機床是提高數(shù)控化率的主要途徑,而改造舊機床、配備數(shù)控系統(tǒng)把普通機床改裝成數(shù)控機床也是提高機床數(shù)控化率的另一條有效途徑。機床

6、數(shù)控化改造的市場目前在我國有很大的發(fā)展空間，現(xiàn)在我國機床數(shù)控化率不到3。用普通機床加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高等不良因素，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。近年來，美國、日本、德國、英國等發(fā)達國家，在制造大量數(shù)控機床的同時，也非常重視對普通機床的數(shù)控化改造，機床的技術(shù)改造市場十分活躍。機床改造業(yè)正逐步從機床制造業(yè)中分化出來，形成了用數(shù)控技術(shù)改造機床和生產(chǎn)線的新的行業(yè)和領(lǐng)域。1.3數(shù)控化改造后機床的優(yōu)越性（1）機床數(shù)控化改造可以提高零件的加工精度和生產(chǎn)效率。（2）機床數(shù)控化改造可以提高機床的性能和質(zhì)量，加工出普通機床

7、難以加工或者不能加工的復(fù)雜型面零件。（3）機床數(shù)控化改造后可以實現(xiàn)加工的柔性自動化，效率可比傳統(tǒng)機床提高37倍。（4）可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運，降低工件的定位誤差。（5）擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自檢功能，更好的調(diào)節(jié)了機床加工狀態(tài)，還可以提示操作者機床故障或編程錯誤等機床運行中出現(xiàn)的問題。（6）數(shù)控加工降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力，減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期很生產(chǎn)周期，并可對市場需求做出快速反應(yīng)。1.4機床數(shù)控化改造的內(nèi)容（1）精度恢復(fù)和機械傳動部分的改進。隨著機床使用的役齡的增加，機床的機械傳動部件，如導(dǎo)軌、絲杠、軸承等都有不用程度的磨損。因此，

8、機床改造過程中的首要任務(wù)是對舊機床進行類似于通常的機床大修，以恢復(fù)機床精度，達到新機床的制造標準。（2）選定數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)。根據(jù)要求進行數(shù)控化改造機床的控制功能要求，選擇合適的數(shù)控系統(tǒng)是至關(guān)重要的。選擇是，除了考慮各項功能滿足要求外，還一定要確保系統(tǒng)工作可靠性。伺服驅(qū)動系統(tǒng)的選取，也按改造數(shù)控機床的性能要求決定。（3）數(shù)控機床輔助裝置的選取。輔助裝置指的是數(shù)控機床的一些必須的配套部件。如冷卻系統(tǒng)、自動換刀裝置等（4）在進行機床數(shù)控化改造時，原機床的電器控制部分要做改造，重新按數(shù)控化改造要求進行設(shè)計制作。數(shù)控機床的強電控制部分設(shè)計中要特別注意的是，數(shù)控系統(tǒng)各接口信號的特點和形式要相配，并且在

9、設(shè)計過程中應(yīng)盡量簡化強電控制線路。還要在設(shè)計時考慮電磁干擾的問題。（5）整機聯(lián)接調(diào)試。舊機床上述各個部件的改造過程完成后，就可對組裝后改造機床各個部件進行調(diào)試。一般先對電氣控制部分進行調(diào)試，看單個動作是否正常，然后再進行聯(lián)機調(diào)試。經(jīng)數(shù)控化改造的機床就成為了數(shù)控機床，具有數(shù)控機床的特點，如數(shù)控機床本身具有的高速、高效和高精度，工序集中，可靠性高等特點。但是改造后的機床也具有一定的局限性，主要有機床原有結(jié)構(gòu)精度限制了改造后機床的加工精度和加工性能；機床原有的結(jié)構(gòu)形式限制了改造后機床的加工范圍和數(shù)控化程度。這些不利條件最終影響了改造后機床的速度和精度。隨著數(shù)控產(chǎn)業(yè)整體水平的提高，數(shù)控系統(tǒng)的性能、伺服

10、電動機及其驅(qū)動裝置等配套產(chǎn)品的性能也提高很多，對數(shù)控化改造中機床速度和精度的提高都非常有利。二 設(shè)計要求及系統(tǒng)的選型2.1總體方案設(shè)計要求（1）改造前要求機床的狀況良好，各種基礎(chǔ)構(gòu)件有足夠的剛性，機械性能良好，符合數(shù)控改造的要求。（2）普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有定位、縱向和橫向的直線插補、圓弧插補功能，還要求能暫停，進行循環(huán)加工和螺紋加工等，控制精度Z軸為0.01mm，X軸為0.005mm因此，數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng)。3）車床數(shù)控化改裝后屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證一定加工精度的前提下應(yīng)簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，因此，進給伺服系統(tǒng)采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。（4）根據(jù)普通車床最大的加工尺寸、加工精度、控

11、制速度以及經(jīng)濟性要求，經(jīng)濟型數(shù)控機床的系統(tǒng)一般采用國產(chǎn)機床系統(tǒng)，如廣州數(shù)控設(shè)備廠的GSK980TA數(shù)控系統(tǒng)，其為兩軸聯(lián)動，功能比較齊全，價格便宜。（5）設(shè)計自動回轉(zhuǎn)刀架及其控制電路。（6）縱向和橫向進給是兩套獨立的傳動鏈，它們由步進電機、齒輪副、絲杠螺母副組成，其傳動比應(yīng)滿足機床所要求的分辨率。（7）采用貼塑導(dǎo)軌，以減小導(dǎo)軌的摩擦力。（8）為了減少改造的復(fù)雜性，主軸要求不改造。2.2設(shè)計參數(shù)設(shè)計參數(shù)包括車床的部分技術(shù)參數(shù)和設(shè)計數(shù)控進給伺服系統(tǒng)所需要的參數(shù)。改造CA6140機床設(shè)計參數(shù)如下：最大加工直徑：在床面上400mm     在橫刀架以上210mm最

12、大加工長度：1000mm快進速度：縱向2.4m/min   橫向1.2m/min最大切削進給速度：縱向0.5m/min  橫向0.25m/min溜板及刀架重力：縱向800N   橫向600N主電機功率：7.5KW控制坐標數(shù)： 2最小指令值（脈沖當(dāng)量）： 縱向 0.01mm/脈沖    橫向0.005mm/脈沖進給傳動鏈間隙補償量：  縱向0.15mm   橫向0.075mm2.3其他要求（1） 原機床的主要結(jié)構(gòu)布局基本不變，盡量減少改動

13、量，以降低成本縮短改造周期。（2）機械結(jié)構(gòu)改裝部分應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保正安裝、調(diào)試、拆卸方便，需經(jīng)常調(diào)整的部位調(diào)整應(yīng)方便。2.4系統(tǒng)的確定在選擇數(shù)控系統(tǒng)的型號時，要考慮CA6140機床的加工精度，加工精度可達IT7級，要求6140能加工復(fù)雜的零件，所以數(shù)控系統(tǒng)選擇連續(xù)型控制的，開環(huán)控制系統(tǒng)。以滿足數(shù)控化改造后的定位，插補，循環(huán)加工，和螺紋加工等功能。根據(jù)經(jīng)濟性，實用性的比較，確定使用國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)，廣州數(shù)控廠的GSK980TA數(shù)控系統(tǒng)，此系統(tǒng)功能齊全，價格便宜，操作方便，性能穩(wěn)定，比較適合與經(jīng)濟型的數(shù)控機床。選擇數(shù)控系統(tǒng)時，應(yīng)盡量向一個廠家靠攏，這樣有利于維修和管理，也有利

14、于備件的購買。在改造中應(yīng)考慮有類似的數(shù)控裝置。2.5系統(tǒng)的特點GSK980TA的特點如下：（1）該系統(tǒng)采用16bit高速微處理器（CPU）和超大規(guī)?？删幊涕T陣列（CPLD）進行硬件插補，實現(xiàn)高速微米級控制。（2）全封閉式裝置，集成高度，整機工藝結(jié)構(gòu)合理，抗干擾能力強，可靠性強。（3）直線型、指數(shù)型加減速方式，可配套步進電機、伺服電機，應(yīng)用靈活。（4）可變電子齒輪比，應(yīng)用方便。（5）320*240點陣列式液晶顯示。（6）中文、英文（選配）菜單，界面友好，操作方便。2.6GSK980TA的參數(shù)運動控制功能控制軸：X、Z兩軸 最小指令單位：0.001mm插補方式：X、Z兩軸直線、圓弧插補位置指令范圍

15、：-9999.999mm+9999.999mm最高速度：7600mm/min 3000mm/min（選配）最高進給速度：直線7600mm/min（電子齒輪為1 ：1）沒轉(zhuǎn)進給：0.001500mm/r（需安裝1024p/r主軸編碼器）進給倍率：0%150%十六級實時調(diào)節(jié)快速倍率：F0、25%、50%、100%四級加減速方式：直線型快速加減速，指數(shù)型進給加減速，參數(shù)可調(diào)電子齒輪比：（1127）/（1127）顯示界面顯示器類型：320*240點陣式藍底液晶（LCD），CCFL背光顯示方式：中文菜單 圖形顯示功能：有G功能共有23種G指令，包括3種單一固定循環(huán)指令和7種復(fù)合循環(huán)指令，8種用戶宏指令可

16、讀寫，最多16點輸入，6點輸出，二重子程序調(diào)用。螺紋功能米制/英制單頭直螺紋、錐螺紋及米制/英制端面螺紋，螺紋退尾長度可定。螺紋螺距：0.001500mm主軸編碼器：1024p/r增量式編碼器補償功能反向間隙補償：X、Z軸螺距誤差補償：X、Z軸刀具半徑補償：X、Z軸刀具補償：16組刀具長度補償?shù)毒吖δ苓m配刀架：最大設(shè)定8工位電動刀架（可選配12工位刀架功能，就進選刀，無卡盤，尾座控制功能）刀位信號輸入方式：直接輸入換刀方式：MDI自動換刀，正轉(zhuǎn)選刀，反轉(zhuǎn)鎖緊對刀方式：定點對刀，試切對刀刀補執(zhí)行方式：移動刀具，坐標偏移主軸功能控制方式：可設(shè)置為四檔位控制或模擬控制檔位控制：S1、S2、S3、S4

17、直接輸出模擬控制：可設(shè)置四檔主軸自動控制或手動換擋，輸出0100V電壓控制主軸轉(zhuǎn)速恒線速切削功能：有輔助功能手動/MDI/自動方式控制主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止;切削液啟停，卡盤夾緊/松開，尾座進退，MDI/自動方式可控制主軸變頻自動換擋程序編輯程序容量：40kb，63個程序子程序：可編程通信RS232通信接口為標準配置，可選配通信功能，提供通信軟件及通信電纜，與PC機雙向傳送程序抗干擾能力符合GB/T 17626.22006的要求適配部件開關(guān)電源：GSK PB（配套使用，已安裝連線）驅(qū)動裝置：DF3A系列三相反應(yīng)式，DY3B系列混合式，DA98系列交流伺服刀架控制器：GSK TB裝配形式標準面板，

18、大面板，箱式一體化下出線，一體化后出線外形尺寸（420*260*136mm）/（420*320*136mm）（小/大）質(zhì)量6.0kg（含開關(guān)電源） 本章節(jié)主要介紹了此次改造的數(shù)控系統(tǒng)的選型，對系統(tǒng)的要求，以及一些系統(tǒng)參數(shù)的列舉。通過對該系統(tǒng)的了解，進一步明白該系統(tǒng)的優(yōu)越性。三 車床絲杠的改造與伺服系統(tǒng)的改造設(shè)計3.1滾珠絲杠的優(yōu)點（1）傳動效率高。一般可達95%以上，是滑動絲杠的24倍。（2）運動平穩(wěn)，摩擦小，靈敏度高，低速無爬行。（3）可以預(yù)緊、消除絲杠副的間隙，提高軸向接觸剛度。（4）定位精度和重復(fù)精度高。（5）使用壽命為普通滑動絲杠的410倍，甚至更高。（6）同步性好，用幾套相同的滾珠絲

19、杠副同時傳動幾個相同的部件裝置時，可獲得較好的同步性。（7）不自鎖，可逆向傳動，即螺母為主動，絲杠為被動。旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動。（8）有專廠生產(chǎn)，選用配套方便。3.2換用滾珠絲杠的設(shè)計進給系統(tǒng)改造設(shè)計需要改動的主要部分有掛輪架、進給箱、溜板箱、溜板掛輪架系統(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，改裝橫向進

20、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。3.3縱向滾珠絲杠選型與設(shè)計（1）切削力的計算。由機床設(shè)計手冊可知，切削功率Pc = PK （3-1）式中 P主軸電動機功率，P =7.5KW； 主傳動系統(tǒng)總效率，一般為0.750.85，一般取=0.8:； K進給系統(tǒng)功率系數(shù)，取K=0.96;則PC =7.50.80.96kw =5.76kw 切削功率應(yīng)該在各種加工情況下經(jīng)常遇到的最大切削力和最大切削轉(zhuǎn)速來計算，即 PC = （3-2）式中 Fz主切削力（N） V切削速度（m/min）按最大切削速度計算，取v=100m/min，則主切削力Fz= （3-3）由

21、機床設(shè)計手冊可知，在外圓車削時：Fx =（0.10.55）Fz，F(xiàn)y =（0.150.65）Fz （3-4）取縱向切削分力Fx =0.5Fz，橫向切削分力Fy =0.6Fz，則 Fx =0.5Fz=0.53456N =1728N Fy =0.6Fz =0.63456N =2073.6N（2）滾珠絲杠設(shè)計計算螺紋滾道型面的選型：單圓弧型面、雙圓弧型面。要求：經(jīng)濟、易調(diào)試、穩(wěn)定。方案：選用雙弧形面。原因：雙圓弧型面接觸角不變，雙圓弧交接處尚有小空隙可容納一些臟污，這對滾珠絲杠有利而不至于堵塞。滾珠循環(huán)方式：內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)。方案：選用外循環(huán)。原因：結(jié)構(gòu)簡單、工藝性優(yōu)良、適合成批生產(chǎn)、經(jīng)濟適用，適用于

22、重載荷傳動、高速驅(qū)動及精密定位系統(tǒng)，是目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)。軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊力的選擇：墊片式、螺紋式、齒差式。要求：經(jīng)濟可靠、易拆裝、剛度好。方案：選用雙螺母墊片式預(yù)緊。原因：結(jié)構(gòu)簡單、裝卸方便、剛度好。（3）計算進給牽引力Fm（N）?？筛鶕?jù)機床設(shè)計手冊中進給牽引力的試驗公式計算，縱向為三角形導(dǎo)軌，則 Fm = KFx + f（Fz + G） （3-5）式中 Fx切削分力（N）; K顛覆力矩影響的試驗系數(shù)，K =1.15； f滑動導(dǎo)軌摩擦因數(shù)， f =0.150.18，取f =0.16 G溜板及刀架重力， G =1000N則 Fm =1.151728N +0.16 (3456 +1000)

23、N =2700.16N(4)計算最大動載荷C(N) C = fwfh Fm （3-6）其中 t = n =式中 t壽命，以106為1單位； n絲杠轉(zhuǎn)速； P0滾珠絲杠導(dǎo)程，初選P0=6mm Vs最大切削力下得進給速度，可取最高進給速度的1/31/2，本機床取1/2； fw運轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運轉(zhuǎn)fw，取fw =1.3； fh硬度系數(shù)，為60HRC時，fh =1，小于60HRC時，fh >1，本機床取1； T使用壽命，按15000H計算。則 n = r/min =50r/min（3-7） t = = 萬r =45萬r （3-8） C = fw fhFm = 1.3 1 2700.16N =12

24、485.8N （3-9）（5）選擇滾珠絲杠螺母副。查機械設(shè)計手冊，根據(jù)C<Ca（Ca是絲杠的額定載荷，見表4-1）的原則，使選取的滾珠絲杠的額定動載荷大于計算的最大工作載荷。由上面初選的絲杠導(dǎo)程及計算所得的最大動載荷，選取滾珠絲杠型號為CDM40065，其表示外循環(huán)插管式、雙螺母墊片預(yù)緊、導(dǎo)珠管埋入式的滾珠絲杠，公稱直徑為40mm，導(dǎo)程為6mm，右螺紋，載荷鋼球為5圈，精度3級的定位滾珠絲杠副。CDM40065的額定動載荷為28771N > 12485.8N,故強度足夠。CDM40065型滾珠絲杠具體參數(shù)見表3-1. 表3-1 CDM40065型滾珠絲杠具體參數(shù)公稱直徑/mm導(dǎo)程/

25、mm鋼球直徑/mm螺紋底徑/mm絲杠外徑/mm額定負載/N接觸剛度/（N/m）d0P0Dwd1d 2CaC0a4063.96935.139.528770959702191表3-2螺母安裝連接尺寸/mmDD1D3D4BD5D6hLL1CAM71110901591591385473M6（6）滾珠絲杠的驗證 1）傳動效率計算。根據(jù)機械原理，絲杠螺母副的傳動效率0為 （3-10）式中 摩擦角， =10，； 螺旋升角，根據(jù)tan=螺距 （3.14 公稱直徑），可得則 =0.9662）剛度驗算。滾珠絲杠工作時受軸向力和轉(zhuǎn)矩的作用，將引起導(dǎo)程P0的變化，因滾珠絲杠受轉(zhuǎn)矩時引起的導(dǎo)程變化很小，可以忽略不計，所

26、以工作負載引起的導(dǎo)程變化量P0為： P0 =± （3-11）式中 E材料彈性模量，對于剛，E =20.6 104MPa A滾珠絲杠的截面積，按絲杠螺紋底徑確定d，即d =3.51cm，則 A =d2 =9.67cm2 （3-12） P0滾珠絲杠導(dǎo)程，P0 =6mm =0.6cm。其中，“+”用于拉伸時，“”用于壓縮時。P0 = ± = ±8.133 10-6cm 滾珠絲杠受轉(zhuǎn)矩引起的導(dǎo)程變化量P1很小，可以忽略不計，即P1 =P0，所以導(dǎo)程變形總量誤差 P總 =式中 P總縱向最大行程，由機床說明書可知，P總=900mm=90cm。則 P總 =8.133 106m

27、= 12. 2m （3-13）由機床說明書可知，絲杠縱向有效行程為900mm，且絲杠精度等級為3級，查機械零件設(shè)計說明說手冊電子版，縱向行程允許的行程變動量為17m，CDM400065的P總為12.2m < 17m,故剛度足夠。3）穩(wěn)定性校核。要使?jié)L珠絲杠不失穩(wěn)的條件是：臨界負載荷FkFmax。根據(jù)公式 Fk = （3-14）式中 絲杠的支撐方式系數(shù)，查機械零件設(shè)計手冊可知，=0.2（雙推支撐） E材料彈性模量，對于鋼，E=20.6104 MPa L絲杠兩支撐端距離，查機械零件設(shè)計手冊可知，CDM40065絲杠兩支撐端距離為1600mm =160cm； K滾珠絲杠的靜安全系數(shù)，取 K =

28、 1/4; I截面慣性矩。 I =， 其中d =（d0 1.2Dw） （3-15）式中 d0滾珠絲杠的公稱直徑，d0 = 40mm=4 cm； Dw滾珠絲杠的滾珠直徑，Dw =3.969mm=0.3969cm。則 I =(4 1.20.3969)4CM4 =7.532 CM4 （3-16） Fk = （3-17）3.3.1縱向齒輪傳動比的確定 傳動比計算公式： i= （3-18）其中，p =0.01mm/步；參考實用微電機手冊，初選= Po =6 mm，則 i= （3-19） 可初選齒輪的齒數(shù)比為 i= 齒輪材料采用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，精度等級取7級，前后軸承選用8024型流動軸承，齒輪傳動時

29、效率為。由于進給運動時齒輪受力不大，且根據(jù)優(yōu)先選用第一系列的原則，取模數(shù)m=2mm，由經(jīng)驗公式可知，齒寬b =20mm，則分度圓直徑分別為： （3-20） （3-21）中心距為： （3-22）3.4橫向滾珠絲杠的選用與設(shè)計（1）切削力的計算。 因為橫向進給量為縱向的1/31/2，取1/2，則橫向主軸切削力約為縱向的1/2. 由機床設(shè)計手冊可知，其經(jīng)驗公式為： 式中 Fx橫切端面時的進給力； Fy背向力。 （3-23） （3-24）(2)滾珠絲杠設(shè)計計算滾珠絲杠的選型的方案可以參考縱向滾珠絲杠的設(shè)計選型，方案來設(shè)計。即：螺紋滾道型面的選型：單圓弧型面、雙圓弧型面。滾珠循環(huán)方式：內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)。軸

30、向間隙的調(diào)整和預(yù)緊力的選擇：墊片式、螺紋式、齒差式。（3）計算進給牽引力Fm（N）。可根據(jù)機床設(shè)計手冊中進給牽引力的試驗公式計算，橫向為燕尾槽導(dǎo)軌，則 （3-25）則 (4)計算最大動載荷C(N) ：由 (5)選擇滾珠絲杠螺母副根據(jù)C<Ca（Ca是絲杠的額定載荷，見表3-2）的原則，使選取的滾珠絲杠的額定動載荷大于計算的最大工作載荷。由上面初選的絲杠導(dǎo)程及計算所得的最大動載荷，選取滾珠絲杠型號為CDM20045，其表示外循環(huán)插管式、雙螺母墊片預(yù)緊、導(dǎo)珠管埋入式的滾珠絲杠，公稱直徑為20mm，導(dǎo)程為4mm，右螺紋，載荷鋼球為5圈，精度3級的定位滾珠絲杠副。CDM20045的額定動載荷為10

31、639N > 8824.4N,故強度足夠。CDM20045型滾珠絲杠具體參數(shù)見表4-2表3-3CDM20045型滾珠絲杠具體參數(shù)公稱直徑/mm導(dǎo)程/mm鋼球直徑/mm螺紋底徑/mm絲杠外徑/mm額定負載/N接觸剛度/（N/m）d0P0Dwd1d 2CaC0a2042.38117.019.710639287221178表3-4螺母安裝連接尺寸/mmDD1D3D4BD5D6hLL1CAM406653115.81061003943M6（6）滾珠絲杠的驗證 1）傳動效率計算。根據(jù)機械原理，絲杠螺母副的傳動效率為0其中，則 （3-26）2）剛度驗算。滾珠絲杠工作時受軸向力和轉(zhuǎn)矩的作用，將引起導(dǎo)程P

32、0的變化，因滾珠絲杠受轉(zhuǎn)矩時引起的導(dǎo)程變化很小，可以忽略不計，所以工作負載引起的導(dǎo)程變化量P0為： P0 =± （3-27） 式中 E材料彈性模量，對于剛，E =20.6104MPa A滾珠絲杠的截面積，按絲杠螺紋底徑確定d，即d =1.7cm，則 A =d2 =2.27cm2 （3-28）則 （3-29）滾珠絲杠受轉(zhuǎn)矩引起的導(dǎo)程變化量P1很小，可以忽略不計，即P1 =P0，所以導(dǎo)程變形總量誤差 P總 =P總/P0 *P0式中 P總縱向最大行程，由機床說明書可知，P總=240mm=24cm。則 P總 = （3-30）由機床說明書可知，絲杠縱向有效行程為900mm，且絲杠精度等級為3級

33、，查機械零件設(shè)計說明說手冊電子版，縱向行程允許的行程變動量為12m，CDM20045的P總為10.78m < 12m,故剛度足夠。3）穩(wěn)定性校核。要使?jié)L珠絲杠不失穩(wěn)的條件是：臨界負載荷FkFmax。根據(jù)公式 Fk = （3-31）式中 絲杠的支撐方式系數(shù)，查機械零件設(shè)計手冊可知，=0.2（雙推支撐） E材料彈性模量，對于鋼，E=20.6104 MPa L絲杠兩支撐端距離，查機械零件設(shè)計手冊可知，CDM20045絲杠兩支撐端距離為L=600mm =60cm； K滾珠絲杠的靜安全系數(shù)，取 K = 1/4; I截面慣性矩。 I =， 其中d =（d0 1.2Dw） （3-32）式中 d0滾珠絲

34、杠的公稱直徑，d0 = 20mm=2cm； Dw滾珠絲杠的滾珠直徑，Dw =2.381mm=0.2381cm。則 I =(2 1.20.2381)4CM4 =0.41 CM4 Fk = 3.4.1橫向齒輪傳動比的確定傳動比計算公式： i= （3-33）其中，p =0.01mm/步；參考實用微電機手冊，初選= Po =4mm，則 i= （3-34）可初選齒輪的齒數(shù)比為 i= 齒輪材料采用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，精度等級取7級，前后軸承選用8024型流動軸承，齒輪傳動時效率為。由于進給運動時齒輪受力不大，且根據(jù)優(yōu)先選用第一系列的原則，取模數(shù)m=2mm，由經(jīng)驗公式可知，齒寬b =20mm，則分度圓直徑分

35、別為： （3-35） （3-36）中心距為： 3.5滾珠絲杠的支撐與軸承的選用滾珠絲杠的支撐形式的選擇。為了滿足高精度、高速度進給系統(tǒng)的要求，除了應(yīng)采用高精度、高速度的滾珠絲杠副外，還必須充分重視支撐的設(shè)計，注意選用軸向剛度好、摩擦力矩小、運行精度高的軸承。滾動軸承的選用絲杠軸承的載荷主要是軸向載荷，徑向除絲杠重力外，一般無外載荷，對絲杠軸承主要要求軸向精度和剛度較高，摩擦力矩要盡量小。固定支撐采用的有60度角接觸球軸承、雙向推力角接觸球軸承、滾針軸承和推力滾子軸承等。根據(jù)實際需要，選用深溝球軸承，固定支撐可選用60度角接觸球軸承，其特點如下：1）接觸角大、剛球數(shù)多、承載能力強=剛度高。2）既

36、能承載軸向載荷，也能承載徑向載荷，支撐結(jié)構(gòu)可以簡化。3）軸承是按規(guī)定的預(yù)緊力供應(yīng)的，使用者不需要自己調(diào)整。4）軸承起動摩擦力矩小，降低絲杠副驅(qū)動功率，提高進給系統(tǒng)的靈敏度。3.6步進電機的選用原則 3-3 開環(huán)控制系統(tǒng)原理圖選用步進電動機時，通常希望步進電動機的輸出轉(zhuǎn)距，啟動頻率和運行頻率高，步距誤差小，性能價格比高。但增大轉(zhuǎn)距也快速運行存在一定矛盾，高性能也低成本存在矛盾，因此實際選用時，必須全面考慮。1)首先，應(yīng)考慮系統(tǒng)的精度和速度的要求。為了提高精度，希望脈沖當(dāng)量小。但是脈沖當(dāng)量越小，系統(tǒng)的運行速度越低。故因兼顧精度也速度的要求來選定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量。在脈沖當(dāng)量確定以后，又可以為依據(jù)來選擇

37、步進電動機的步距角和傳動機構(gòu)的傳動比。2)其次，對位移誤差的要求。步進電動機的步距角從理論上說是固定的，但實際上還是有誤差的。此外，負載轉(zhuǎn)距也將引起步進電動機的定位誤差。應(yīng)將步進電動機的步距誤差、負載引起的定位誤差和傳動機構(gòu)的誤差全部考慮在內(nèi)，使總的誤差小于數(shù)控機床允許的定位誤差。3)第三，步進電動機的特性曲線對步進電動機參數(shù)選擇有影響的特性曲線包括：起動距頻特性曲線和反映轉(zhuǎn)距也連續(xù)運行頻率之間關(guān)系的工作距頻特性曲線。4)第四，步進電動機的選擇既要滿足快速進給的要求，又要滿足切削進給的要求。在這兩種情況下，對轉(zhuǎn)距和進給速度有不同的要求。若要求進給驅(qū)動裝置有如下性能：在切削進給時的轉(zhuǎn)距為 ,最大

38、切削進給速度為v,在快速進給時的轉(zhuǎn)距為 ，最大快速進給速度為 。3.6.1步距角步距角應(yīng)滿足：              = （3-37）式中，  i傳動比：系統(tǒng)對步進電動機所驅(qū)動部件要求的最小轉(zhuǎn)角。3.6.2精度步進電動機的精度可以用步距誤差或累積誤差衡量，累積誤差是指轉(zhuǎn)子從任意位置開始，經(jīng)過任意步后，轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值，用累積誤差衡量精度比較實用，所選用的步進電動機應(yīng)滿足：mi s   （3-38）   

39、              式中，    m 步進電動機的累積誤差。      s系統(tǒng)對步進電動機驅(qū)動部分允許的角度誤差。3.6.3轉(zhuǎn)矩為了使步進電動機正常運轉(zhuǎn)（不失步，不越步）正常啟動并滿足對轉(zhuǎn)速的要求，必須考慮以下條件：a.       起動力矩。一般選取為Mq MLo/0.3-0.5  

40、60;                        式中，Mq電動機起動力矩   MLo電動機靜負載力矩3.6.4啟動頻率由于步進電動機的啟動頻率隨著負載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的增大而降低，因此，相應(yīng)負載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的極限啟動頻率應(yīng)滿足： Ftfopm （3-39）          

41、;                式中，ft極限啟動頻率，      fopm要求步進電動機最高啟動頻率。3.7步進電機的選用3.7.1CA6140縱向步進電機的選用1）負載轉(zhuǎn)矩（Tm）及最大靜轉(zhuǎn)矩（Tjmax）的計算。根據(jù)能量守恒原理，電動機等效負載轉(zhuǎn)矩可按下式估算： （3-40）若不考慮起動時運動部件慣性的影響，則起動轉(zhuǎn)矩為： （3-41）取安全系數(shù)為0.3，則 （3-42）查實用微

42、電機手冊，當(dāng)步進電機為五相十拍時，選步進電機的起動轉(zhuǎn)矩和最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系 （3-43）2）初選步進電機的型號。查實用微電機手冊，根據(jù)估算出來的最大靜轉(zhuǎn)矩 Tjmax=11.94，可初選步進電機為150BF002型步進電機，其最大靜轉(zhuǎn)13.72基本可滿足要求。3）各種工況下轉(zhuǎn)矩的計算負載轉(zhuǎn)動慣量計算。折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量按下式估算。 Jf =J1 +( Z1/Z2)2J2 + J3 + G/g(P0/2)2 （3-44）式中 ； ； ； ； g重力加速度。對于材料為鋼的圓柱形零件，其轉(zhuǎn)動慣量按下式估算： （3-45）式中 D圓柱零件的直徑； L零件軸向長度；則有公式可知：快速空載起動時所需

43、的轉(zhuǎn)矩T0 。因為數(shù)控機床對動態(tài)性能要求較高，確定電動機最大靜轉(zhuǎn)矩時，應(yīng)滿足快速空載起動時所需的轉(zhuǎn)矩T的要求： （3-46）式中 Tamax快速空載起動時所需的轉(zhuǎn)矩； Tf克服摩擦所需的轉(zhuǎn)矩； T0絲杠頂緊所需引起的折算到電動機軸上的附加轉(zhuǎn)矩，由動力學(xué)可知： （3-47）其中 ，t為加速時間常數(shù)，t=30ms=0.03s，則 （3-48） （3-49） 式中 F0預(yù)加載荷，一般最大為軸向載荷的1/3，即 （3-50）則 快速移動時所需轉(zhuǎn)矩T快： （3-51）最大切削負載時所需轉(zhuǎn)矩T切 （3-52）由以上計算可以看出，快速空載起動時所需起動轉(zhuǎn)矩T、快速移動時所需轉(zhuǎn)矩T快和最大切削負載時所需轉(zhuǎn)矩T

44、切三種情況下，快速空載起動時所需轉(zhuǎn)矩T最大。所以，以此項作為校核電動機的依據(jù)，初選步進電機為五相十拍。由前面查得結(jié)果可知，步進電機為五相十拍時，起動轉(zhuǎn)矩和最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系：，則 （3-53）步進電機的最高工作頻率： （3-54）由以上選型及計算，最終選用150BF002型反應(yīng)式步進電機，其主要參數(shù)如下表：型號相數(shù)額定電壓/V靜態(tài)電流/A不距角/(。)保持轉(zhuǎn)矩/N。m空載起動頻率/Hz空載運行頻率/Hz150BF002580/120120.75/1.513.7228008000 根據(jù)機電一體化機械系統(tǒng)設(shè)計150BF002型反應(yīng)式步進電機允許的最高空載啟動頻率為2800Hz，允許的最高空載運行頻率

45、為8000Hz。所以，必須采用升降速控制和高低壓驅(qū)動電路。3.7.2CA6140橫向步進電機的選用1）負載轉(zhuǎn)矩（Tm）及最大靜轉(zhuǎn)矩（Tjmax）的計算。根據(jù)能量守恒原理，電動機等效負載轉(zhuǎn)矩可按下式估算： 若不考慮起動時運動部件慣性的影響，則起動轉(zhuǎn)矩為： （3-55）取安全系數(shù)為0.3，則 （3-56）查實用微電機手冊，當(dāng)步進電機為五相十拍時，選步進電機的起動轉(zhuǎn)矩和最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系 （3-57）2）初選步進電機的型號。查實用微電機手冊，根據(jù)估算出來的最大靜轉(zhuǎn)矩 Tjmax=8.2，可初選步進電機為130BF001型步進電機，其最大靜轉(zhuǎn)9.31基本可滿足要求。3）各種工況下轉(zhuǎn)矩的計算負載轉(zhuǎn)動慣量計

46、算。折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量按下式估算。 Jf =J1 +( Z1/Z2)2J2 + J3 + G/g(P0/2)2 （3-58）式中 ； ； ； ； g重力加速度。對于材料為鋼的圓柱形零件，其轉(zhuǎn)動慣量按下式估算： （3-59）式中 D圓柱零件的直徑； L零件軸向長度；則 有公式可知：快速空載起動時所需的轉(zhuǎn)矩T0 。因為數(shù)控機床對動態(tài)性能要求較高，確定電動機最大靜轉(zhuǎn)矩時，應(yīng)滿足快速空載起動時所需的轉(zhuǎn)矩T的要求： （3-60）式中 Tamax快速空載起動時所需的轉(zhuǎn)矩； Tf克服摩擦所需的轉(zhuǎn)矩； T0絲杠頂緊所需引起的折算到電動機軸上的附加轉(zhuǎn)矩，由動力學(xué)可知： （3-61）其中 ，t為加速時間常

47、數(shù)，t=30ms=0.03s，則 式中 F0預(yù)加載荷，一般最大為軸向載荷的1/3，即 （3-62）則 快速移動時所需轉(zhuǎn)矩T快： （3-63）最大切削負載時所需轉(zhuǎn)矩T切 （3-64）由以上計算可以看出，快速空載起動時所需起動轉(zhuǎn)矩T、快速移動時所需轉(zhuǎn)矩T快和最大切削負載時所需轉(zhuǎn)矩T切三種情況下，快速切削負載時所需轉(zhuǎn)矩T切最大。所以，以此項作為校核電動機的依據(jù)，初選步進電機為五相十拍。步進電機為五相十拍時，起動轉(zhuǎn)矩和最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系：，則 （3-65）步進電機的最高工作頻率： （3-66）由以上選型及計算，最終選用130BF001型反應(yīng)式步進電機，其主要參數(shù)如下表：型號相數(shù)額定電壓/V靜態(tài)電流/A不

48、距角/(。)保持轉(zhuǎn)矩/N。m空載起動頻率/Hz空載運行頻率/Hz130BF001580/120101.5/0.759.31300016000根據(jù)機電一體化機械系統(tǒng)設(shè)計130BF001型反應(yīng)式步進電機允許的最高空載啟動頻率為3000Hz，允許的最高空載運行頻率為16000Hz。所以，必須采用升降速控制和高低壓驅(qū)動電路。3.8驅(qū)動器的選擇由GSK980TA數(shù)控裝置技術(shù)參數(shù)可知，它的驅(qū)動器適配的裝置有：DF3A系列三相反應(yīng)式步進電機驅(qū)動器、DY3B系列三相混合式步進電機驅(qū)動器、DA98系列交流伺服。根據(jù)驅(qū)動器同時要和數(shù)控系統(tǒng)及X、Z軸電動機匹配的原則，X、Z軸選用的是反應(yīng)式步進電機，所以在這里應(yīng)選取

49、DF3A系列三相反應(yīng)式電動機驅(qū)動器。根據(jù)系列的型號，選取DF3A06三相反應(yīng)式步進電機驅(qū)動器較合適。（1）DF3A06三相反應(yīng)式步進電機驅(qū)動器的特點：1）可靠性高。2）低速性好。3) 高速性能優(yōu)。輸入信號頻率不大于250kHz（20細分時），輸入電流頻率可達15kHz，由于采用單高壓（300V）恒流斬波、高速特性好，驅(qū)動步進電機的空載運行最高速不低于7000mm/min。（4）使用面廣。輸入電流312A可調(diào)，可驅(qū)動90BF、110BF、130BF、150BF步進電機。DY3B系列三相混合式步進電機驅(qū)動器部分參數(shù)如下：表3-5DF3A06三相反應(yīng)式步進電機驅(qū)動器的參數(shù)本章節(jié)主要講述了數(shù)控化改造時，絲杠的選型，要求絲杠的類