普通车床的数控化改造【精选文档】

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1、普通车床的数控化改造【精选文档】摘要随着科学技术的发展，生产和生活中自动化程度的深入。普通机床越来越不能满足市场的需求，其劳动强度大，危险性高，且不能满足现代科学的批量生产需要，越来越多的企业将普通机床逐渐转向数控化。本文简要的阐述了课题研究的背景和意义，对普通车床的经济型数控改造进行了分析和比较，并参考相关设计书籍，运用相关知识，提出了满足本课题要求的数控改造方案。本设计说明书包括:概论、总体方案的拟定、伺服进给系统的改造设计、自转位刀架的选择设计以及数控系统的设计等几部分。机床改造后，纵向、横向进给系统进行数控控制,并达到既定要求，刀架是自动控制的自转位刀架，能自动切削螺纹.最后根据设计的

2、计算步骤和结论绘制了零件结构图和整体装配图，并标注了加工的技术要求。关键词：经济型；数控改造；进给系统;自动刀架AbstractWith the development of science and technology,and Automation of production and life indepth general machine tools can not meet market demand, the labor-intensive, high-risk， and mass production can not meet the needs of modern science，

3、 more and more enterprises are turning to the ordinary numerical control machine tools .This paper briefly described the research background and significance，then lathe CNC of the economic transformation were analyzed and comparad.Reference to some books about design and the use of some knowledge ab

4、out the research，proposed to meet the requirements of this topic NC rehabilitation programs。This introduction of the design included：The draw-up of the generaloutline,the decision of the total designal projection，the reforms design to the system of serve enters,the choice and design to the knife whi

5、ch turn automatically and the design ofthe numerical control system, and so on。While the Motorcycle been reformed，lengthways,horizontal enter to proceed to system the number controls the control，and meet theestablishedrequirments.Knife must be the automatic control a knife which is turning automatic

6、ally， and it is able to slice the thread automatically。 Finally， the calculation steps of the design and conclusions drawn diagram components and overall assembly diagram, and mark the process of technical requirementsKey word: Economy;The number controls to reforms；The system of enters ;Automatic k

7、nife目 录摘要IAbstractII1 课题的提出11.1 国内外发展情况11。2普通车床数控化改造的目的及意义21.3 设计要求及需解决的关键问题42 总体方案设计52.1 设计任务52。2 总体方案的论证62。3总体设计方案的确定83 进给伺服系统设计及计算93。1 确定脉冲当量93。2 切削力的计算93。3 滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型103。4 齿轮传动比计算194 步进电动机的计算和选型224.1 纵向进给步进电机的计算和选型224.2 横向进给步进电机的计算和选型285 自转位刀架345。1 数控车床刀架的基本要求345。2 自转位刀架的结构345。3 刀架的选择355.4

8、 刀架工作原理355。5 刀架的安装376 数控系统硬件电路设计386。1 控制系统方案的确定及绘制框图386.2 单片机的选择396.3 8051单片机及扩展芯片的使用396.4 I/O接口电路及译码电路的设计406.5数控机床操控面板40技术经济性分析42总结43参考文献44致谢45附录46491 课题的提出随着科学技术日新月异的发展，尤其是计算机技术的不断成熟和完善，数字化在现代工业方面也得到了很大的应用，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。而普通机床已越来越不能满足现代加工工艺和提高生产效率的要求,有些机床必然要被

9、数控机床所代替.但是我国很多中小企业仍有大量的普通机床，数控机床价格昂贵，投资较大，完全用数控机床替换可能性不大，而且替代下来的机床闲置起来又会造成浪费。因此,对中、小企业来说走普通机床数控化改造之路是比较理想的选择，也是提升我国机床数控化的有效途径。1。1 国内外发展情况随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，制造技术和自动化水平的高低已成为一个国家或地区经济发展水平的重要标志，而其中最具代表性的就是机械加工技术。目前,中国机床工业厂多人众.2000年,金切机床制造厂约358家(20。6万人），成形机床制造厂191家(约6。5万人），共计549家（27。1万人）。其中生产数控金切机床的约15

10、0家，生产数控成形机床的约30家，共计约180家,占厂家总数的1/3。2001年金切机床产量19。2万台，内数控金切机床17,521台，约占9。 总的来说：数控机床产量不断增长,2001年为1991年的3。6倍；进口量增长较快，达29倍，出口量有所增加，但数目较小，为4.8倍；数控机床消费量增加较快，达7.9倍.产量满足不了社会发展的需求。 我国正处于从以劳动密集性产业为主向以技术密集性产业为主的发展阶段，对自动化设备的需求会越来越大、越来越积极。机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率还不是很高。用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期

11、长,从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。数控机床已成为我国市场需求的主流产品,需求量逐年激增。我国数控机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距,还不能满足国家建设的需要。同时我国又是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差,性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右,差距太大，急待改造。中国今后要加速发展数控机床产业,既要深入总结过往的经验教训，切实改善存在的问题

12、，又要认真学习国外的先进经验，沿正确的道路前进。中国厂多人众,极需正确的方针、政策对数控机床的发展进行有力的指引.应学习美、德、日经验,政府高度重视、正确决策、大力扶植。在方针政策上，应讲究科学精神、经济实效，以切实提高生产率、劳动生产率为原则。在方法上，深入用户，精通工艺，低中高档并举,学习日本,首先解决量大而广的中档数控机床，批量生产，占领市场，减少进口，扩大出口。在步骤措施上,必须使国产数控系统先进、可靠，狠抓产品质量与配套件过关，打好技术基础。近期重在打基础,建立信誉,扩大国产数控机床的国内市场份额，远期谋求赶超世界先进水平，大步走向世界市场； 自从第一台商品数控机床问世以来 ，到19

13、65年，世界主要工业国家的数控机床己进入了大批量生产阶段。数控机床的产量,拥有量,数控化率都在急速上升。1970年前美国处于领先地位。1971年苏联生产数控机床2538台，一举超过美国,名列世界第一。1977年以前,苏联一直保持产量优势，以后日本的半导体技术及计算机技术迅猛发展,促进了数机床的生产。1976年日本数控机床产量是3300台,1978年时为7300台，1980年为22000台，到1981年仅用4年时间便超过了其他各国而成为世界上最大的数控机床生产国，产量达到26000台,基本上两年翻一番。现在,在美国、日本和德国等发达国家，普通车床它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，加工

14、中心正处在黄金时代。由于机床及其技术的不断进步,机床改造技术已经相当成熟。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新行业 。1.2普通车床数控化改造的目的及意义本次设计是利用数控技术、计算机控制技术以及机床传动原理等技术将普通车床改造成经济型数控车床,以实现节省资金、提高生产效率。另外,通过这次设计，也使我进行一次机电结合的全面训练，所学的机械、电子和微机的知识得以综合运用。从而，我在加工编程能力、初步设计计算的能力以及分析和处理生产中所遇到的机、电方面技术问题的能力进一步提高.普通车床的数控化改造一般是指对现有普通车床的某些部位做一定的改造

15、，配上经济型数控装置或标准型数控系统，从而使原机床具有数控加工能力.1.2.1 普通车床的组成 普通车床尽管类型很多，结构布局各不相同,但其基本组成大致一样.包括基础件（如床身、立柱、横梁等）、主轴箱、刀架、进给箱、尾座、溜板箱几部分。 普通车床CA6140主要结构组成见下图， 图1.1 CA6140结构简图 1主轴箱；2-拖板；3尾座;4-床身；5、9-床腿； 6光杠；7丝杠；8-溜板箱;10-进给箱1。2.2 数控车床的组成 数控车床由程序编制及程序载体、输入装置、数控装置（CNC）、伺服驱动及位置检测装置、车床本体等几部分组成.本次设计对车床的进给系统进行改造,并且具有自转位刀架。其改造

16、有如下优点：1）节省费用.机床的数控改造和购置新机床相比可节省60左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。2）性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效,几乎不会产生应力变形而影响精度。3）改造后提高了生产效率。机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高3至5倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装,不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期.4)提高了机床的使用价值。 5）降低了工人的劳动强度，节省了劳动力，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。1。2.3 数控机床的发展趋势高速化、高

17、精度化、高可靠性、复合化、智能化、柔性化、集成化和开放性是当今数控机床行业的主要发展方向.数控技术的问世已有40多年的历史，它是由机械学、控制学、电子学、计算机科学四大基础学科发展起来的一门综合性新型学科。技术发展的需要对21 世纪的数控技术提出了更高的要求. 1)高速化、高精度化、高可靠性 高速化:提高进给速度与提高主轴转速。 高精度化：其精度从微米级到亚微米级,乃至纳米级（L0NM），其应用范围日趋广泛。高可靠性:一般数控系统的可靠性要高于数控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，因为商品受性能价格比的约束。 2）复合化 数控机床的功能复合化的发展，其核心是在一台机床上要完

18、成车、铣、钻、攻丝、绞孔和扩孔等多种操作工序，从而提高了机床的效率和加工精度,提高生产的柔性。 3）智能化 智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化;为提高驱动性能及使用连接方便等方面的智能化;简化编程、简化操作方面的智能化；还有如智能化的自动编程、智能化的人机界面等，以及智能诊断、智能监控等方面的内容，方便系统的诊断及维修。 4）柔性化、集成化 当今世界上的数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面(工段车间独立制造岛FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展，

19、另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势,是先进制造领域的基础技术。 1。3 设计要求及需解决的关键问题进行数控化改造时，不能简单的将数控装置与普通车床连接在一起，应对主要部件进行必要的改造使其达到一定的设计要求。为达到预期的设计目的，对机械传动系统的要求：1）尽量采用低摩擦的传动副,如滚动导轨和滚珠丝杠螺母副，以减小摩擦力；2）选用最佳的降速比，为了达到数控机床所要求的速度，使刀架的运动尽可能地加速，以跟踪数控系统发出的指令;3)尽量缩短传动链以及用预紧的办法提高传动系统的刚度；4）尽量消除传动间隙，以减

20、小反向行程误差。如采用消除间隙的连轴节/消除传动齿轮间隙的机构等；5）尽量满足低振动和高可靠性方面的要求。 设计中以及实现以上要求需解决的关键问题:1）选择合适的滚珠丝杠副以达到数控车床的定位精度0.025 mm；2）步进电机的计算和选型;3）I/O接口电路及译码电路的设计；4）数控操作面板的设计.2 总体方案设计2。1 设计任务本次设计是将CA6140普通车床改造成经济型数控，要求改造后的车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能，在纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。为节省资金，只对其进给系统进行改造,主传动系统不变.系统分辨率纵向为0.01 mm，横向为0。005 mm。设计参数如下：（1）最

21、大加工直径: 在床身上： 400 mm在床鞍上: 210 mm（2)最大加工长度: 750-1000 mm（3）溜板及刀架重量:纵向： 1000 N横向： 500 N(4）刀架快移速度： 纵向: 2 m/min 横向： 1 m/min（5）最大切削进给速度： 纵向： 0.6 m/min 横向： 0。3 m/min（6)最小分辨率:纵向： 0.01 mm横向： 0.005 mm（7)定位精度： 0。025 mm（8)刀具补偿量: 099.99 mm(9）脉冲分配方式： 逐点比较法（10）输入方式： 增量值、绝对值通用（11）控制坐标数： 2（12)代码制: ISO2.2 总体方案的论证 普通机床

22、的经济型数控改造，在考虑总体设计方案时，应遵循的基本原则是：在满足设计要求的前提下，对原机床的改造尽可能的少,以降低成本。2.2。1 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、连续控制系统。设计中要求改造后的车床具有定位、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，所以本数控系统选择连续控制系统.2。2.2 伺服进给系统的选择数控机床的伺服进给系统可分为开环、半闭环和闭环。直流或交流伺服电机驱动的闭环控制方案的优点是能达到很高的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差、干扰及传动间隙等对加工精度的影响。但它结构复杂,技术难度大造价高。本设计所

23、改造的CA6140车床的加工精度不是很高,所以不必要采用闭环控制系统.直流或交流伺服电机驱动的半闭环控制,其性能介于开环和闭环控制之间。由于调速范围宽，过载能力强,又具有反馈控制，因此性能优于步进电机驱动的开环控制。由于反馈环节不包括大部分机械传动元件，调试比闭环简单，系统的稳定性较以保证，所以比闭环容易实现。但采用半闭环控制，调试较开环控制复杂，设计技术难度较大。本设计为经济型数控改造,通常情况下采用以步进电动机驱动的开环控制.因为开环控制具有结构简单，控制精度较好，设计制造容易，容易调试,价格便宜,使用维修方便等优点。但也有其缺点，如步进电机没有过载能力，启动频率低，工作频率也不很高等。因

24、此，开环控制多用于负载变化不大或要求不高的经济型数控设备中。通过以上比较，决定使用开环控制系统。下图所示为开环系统框图： 图2。 1 开环系统框图 纵向进给机构的改造:拆去原有机床的光杠、丝杠、溜板箱以及安装座，装配上滚珠丝杠以及相应的装置，纵向驱动的步进式电动机及减速箱安装在车床的尾座,不占据丝杠空间。采用滚珠丝杠，对系统的精度和纵向进给整体高度有较大的提高 横向进给机构的改造：原机床横向进给的丝杠空间有限，一种方法是将原横向丝杠拆除，换上滚珠丝杠，但从现有的滚珠丝杠系列中选出合适的型号较困难,需要特制的滚珠丝杠副；为便于安装，滚珠丝杠副的丝杠采用分移式，而不是整体，用联轴器连接.另外一种方

25、法是采用原丝杠，这样就避免了再重选滚珠丝杠副，从而降低了成本，但需要采用电气补偿丝杠精度和反向间隙的措施来保证精度.本设计采用前者，并保留横向原手动机构，横向步进电机和减速箱安装在机床后侧。2.2.3 数控系统的硬件电路设计数控系统是由硬件和软件两部分组成的。硬件是数控系统的基础，其性能的好与差直接影响整个数控系统的工作性能，而软件是在硬件的基础上运行的。数控装置是数控系统的关键部分。数控装置的设计也有多种方案供选择:（1）整个数控装置全部自行设计、制作; (2）采用STD模块、单片机或工业控制机改制；（3）直接购买现有的数控装置并作少量的改动以适应机床需要。在普通机床的经济型数控改造中，通常

26、多采用后两种方法。一般情况下，如果现有的数控装置能够满足数控机床所需的数控功能和要求，通常采用第三种方案，因为自行制作费时，而且不经济，同时质量上也很难保证.若购置的数控装置满足不了所需的数控功能，可将购置的数控装置自行补充或加以改造，来满足设计要求。作为毕业设计即使采用上述两种设计方案，也要对其结构、电路原理、控制方式等有所了解。采用自行设计数控装置的方案，既使自己进行一次所学机、电知识有机结合的全面训练,也提高了运用计算机进行数控系统设计的能力，虽然有一定难度,但可以为今后从事其他类似的工作打下坚实的基础。综上所述，本设计采用第一种设计方案,即自行设计数控装置。2。3总体设计方案的确定总体

27、设计方案论证后，确定的CA6140车床经济型数控改造的总体方案示意图如图2。3.1所示。CA6140车床的主轴转速部分功能结构保持不变,即手动变速.车床的纵向和横向进给系统的驱动方式采用步进式电机驱动.数控装置的核心有MCS-51系列单片机组成，由I/O接口、软件环形分配器与放大器控制功率步进电机转动,经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，进而实现车床的纵向、横向进给运动。刀架改装成由微机经电动机驱动的自动控制的自转位刀架。为保持切削螺纹的功能，必须安装主轴脉冲发生器，因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，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。图2.2

28、 总体方案示意图 3 进给伺服系统设计及计算机床进给伺服系统机械部分设计计算,内容包括:确定系统的负载，确定系统的脉冲当量，部分部件惯量计算，空栽启动及切削刀矩计算，确定伺服电机转动及导向元件的设计，计算及选用绘制部分装配及零件工作图等。现分述如下。3.1 确定脉冲当量脉冲当量是指一个进给脉冲，使机床运动部件产生的位移量,也称为机床的最小设定单位,脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数，经济型数控车床常采用的脉冲当量是0.010。005/pulse.根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向：0。01mm/pulse，横向：0。005mm/pulse。3.2 切削力的计算在设计机床进给系统时

29、，切削力是一个必不可少的参数，传动和导向元件、选用伺服电机等都需要用到它。3.2。1 纵车外圆 主切削力 按电机功率计算: N 按切削力各分力比例：; ； 取 =0.5=1010N ; =0.6=1213N ；式中:切削功率（）； 机床主传动功率(）； 主传动系统总的机械效率，可取下列数值：精密机床 =0。80。85, 中型机床=0.750。8，大型机床=0。70。85。 主轴传递全部功率时的最低速度； -主切削力（N)； -走刀向的切削分力（N）； 垂直走刀向的切削分力（N）.3.2。2 横切端面 主切削力可取纵切的，即： 此时走刀抗力,吃刀力抗力为,仍按比例粗略计算：=0。51213=60

30、6.5N;=0.51010=505N。3.3 滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型：确定滚珠循环方式、滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定之后，在计算和确定其他技术参数，比如公称直径、滚珠的工作圈数、列数、导程、精度等级等。滚珠丝杠的滚珠循环方式可分为外循环和内循环，外循环又可分为螺旋槽式和插管式.滚珠丝杠副的预紧方式有单螺母导程预紧、过盈滚珠预紧、双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧等。3.3。1.纵向进给丝杠1）计算进给牵引力。纵向进给为综合性导轨,有 =1.151010+0.16（2021+1000） =1644。8N式中：考虑颠覆力矩影响

31、的实验系数，综合型导轨取； 滑动导轨摩擦系数：=0。150。18，取； 溜板及刀架重量，N。2）计算最大动负载。 式中：-滚珠丝杠导程，初选mm；-最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的1/21/3，此处m/min； 使用寿命，按15000 小时计算； 运转系数，按一般运转取=1。21。5； 取=1.3； -寿命、以转为1单位。 代入上式可得： =7605.5N3）滚珠丝杠螺母副的选择.查阅机电一体化设计手册指导书，可采用W1L2506(GB/T18571998)外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈,其额定动负载为13100N，精度等级按手册中选为3级.4）传动效率计算： 式

32、中:-丝杠螺旋升角,查手册W1L2506(GB/T18571998)型:; -摩擦角取10滚动摩擦系数0。0030。004； 代入式中，得: 5）刚度验算。滚珠丝杠副的轴向变形影响其定位精度和运动平稳性，滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形，滚珠与螺纹滚道间的接触变形,滚珠丝杠轴承的轴向接触变形和丝杠的扭转变形引起导程的变化量等。 图3。1 纵向进给系统计算简图如上图，纵向进给丝杠支承方式草图，最大牵引力力1644.8N，支承间距mm。丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向力的1/3。（1)丝杠的拉伸或压缩变形量1查阅数控设计指导书图4-6，根据N,mm；可算出： =1。00016mm

33、mm2 =1500=0.025004 mm式中:在工作载荷作用下引起每一导程的变化量（mm）；工作负载，即进给牵引力(N）；滚珠丝杠的导程（mm）;-材料弹性摸量（N/mm2），对钢 N/mm2；-滚珠丝杠横截面积（按内径确定）（mm2)。 式中，“+”用于拉伸，“”用于压缩。 由于两端均采用向心推力球轴承,且丝杠又进行了预拉伸,故其拉压刚度可以提高4倍.其实际变形量为： 0。00625 mm（2）滚珠与螺纹滚道间接触变形2 查阅机电一体化设计手册相关图表：W1L2506（GB/T18571998）滚珠丝杠副1列2.5圈的 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量=7.8um； 因进行了预紧，故 （3)支

34、撑滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 采用8107型推力球轴承（GB/T3011994）, mm，滚动体直径mm，滚动体数量Z=18,故 =0.00052=0。0056mm 因有施加预紧力,取 mm 根据以上计算，轴向总变量： =0。00625+0.0039+0。0028=0.01295mm （一般 nk =2。54），故此滚珠丝杆不会产生失稳. 3.3.2 横向进给丝杠 1）计算进给牵引力 横向导轨为双燕尾槽型,计算如下： =1。4505+0。2(2021+2606.5+500) =1453。8N式中： 考虑颠覆力矩影响的实验系数,双燕尾形导轨取=1。4； 滑动导轨摩擦系数：取=0。2; -溜板及刀

35、架重量: =500N； 2）计算最大动负载 =30r/min =27 =N式中: 滚珠丝杠导程，初选mm； 最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的(1/21/3)，此处=0.15m/min； 使用寿命，按15000 小时计算； 运转系数，按一般运转取=1.21。5, 取=1。3； -寿命、以转为1单位。 3）选择滚珠丝杠螺母副 查阅机电一体化设计手册指导书，可采用W1L2005（GB/T1857。4-1994）外循环螺纹预紧滚珠丝杠副，2。5圈1列，额定动载荷为8800N，可满足要求选定精度等级为3级。 4)传动效率计算 式中： 螺旋升角，查手册2005型，； 摩擦角，滚动摩擦系数0.00

36、30.004，滚珠丝杠副的摩擦角约等 于10.=0。964 5）刚度验算如下图32所示，横向进给滚珠丝杠支承方式草图，最大牵引力为1453。8N,支承间距=500mm 。丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载的1/3.GL 图3。2 横向进给系统计算简图 1）丝杠的拉伸或压缩变形量1 查阅数控设计指导书图，根据=1453.8N, D0=20mm,可算出：=1。15258mmmm2 =500=0.011525mm式中： -是在工作载作用下引起每一导程的变化量（mm）； -工作负载,即进给牵引力（N）； 滚珠丝杠的导程（mm）; -材料弹性摸量，对钢(N/cm4）; 滚珠丝杠截面积（按内径

37、确定）（mm2）。 式中，“ +用于拉伸，“”用于压缩。 由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量为： 0.002887mm 2)滚珠丝杠与螺纹滚道接触变形2 查阅数控设计指导书表47得:（GB/T1857.4-1994)滚珠丝杠副1列2.5圈的滚珠与螺纹滚道间的接触变形量=7。6um；因进行预紧： um 3）支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形 采用8107型推力球轴承（GB/T301-1994), mm，滚动体直径mm,滚动体数量Z=18，故=0.00525mm综合以上几项变量之和： 0。002887+0.0038+0.00525 =0。011

38、890.02 6）稳定性校核 计算临界负载： 式中： 材料弹性模量,对钢：（N/cm4）； 截面惯性矩（cm4）丝杠：=，为丝杠内径； -丝杠两支承端距离（cm）； -丝杠支承方式系数，查阅数控设计指导书表4-13中(）查出，一端固定一端简支时=2.00。 对于本设计： = = =63320N （一般 nk =2。54），故此滚珠丝杆不会产生失稳。3。3。3 纵向及横向滚珠丝杠副的几何参数 纵向及横向滚珠丝杠副几何参数见表31.表3。1 滚珠丝杠几何参数名称符号螺纹滚道公称直径2520螺距65接触角钢球直径（mm）3.9693.175滚道法面半径2.0641.651偏心距0.0060。045螺

39、纹升角螺杆螺杆外径24.1119。4螺杆内径20。88416.788螺杆接触直径21。04316。835螺母螺母螺纹直径29。11623.212螺母内径25.8920。6353.4 齿轮传动比计算 由于步进电机的工作特点是一个脉冲走一步，而且每走一步都有一个加过程，因而对负载惯量很敏感.为满足负载惯量尽可能小的要求，同时也为满足一定的脉冲当量,因此采用降速传动。3。4。1 纵向进给齿轮箱传动比计算 已确定纵向进给脉冲当量为p=0.01，滚珠丝杠导程=6mm,初选步进电机步距角为0。75，可计算出传动比：式中: 脉冲当量（mm/步)； 步进电机的步距角； -滚珠丝杠的螺距（mm)。 由传动比可知

40、,一级减速即可实现减速比，所以选择一对齿轮传动，可选定齿轮齿数为: 或即=32，=40，或=20，=25，或=28，=35；3.4.2 横向进给齿轮箱传动比的计算 已确定横向进给脉冲当量p=0.005，滚珠丝杠导程取mm,初选步进电机步距角0。75.可计算出传动比： 考虑到结构上的原因,不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程，故此处可采用两级齿轮降速： 即=24,=40，=20，=25。 因为进给伺服系统传动功率不大，进给运动齿轮受力不大，故一般取模数=12，本设计中取。有关参数参照下表32。 表3。2 传动齿轮几何参数 齿 数 Z324024402025分度圆 6480488040

41、50齿顶圆 688452844454根圆齿597543753545齿 宽(610) 202020202020中心距7264453。4。3消除齿轮间隙的措施 由于步进电机和滚珠丝杠之间采用齿轮传动，而引入了传动间隙，步进电机转一个步距角未能使滚珠丝杠同步转一个相应的角度，从而降低了加工精度。这种传动间隙如果不加以补偿，可能使零件加工积累误差越来越大，造成死区和回程误差。消除齿轮间隙的措施，一方面是利用计算机软件修正，另一方面是采用无隙齿轮传动.纵、横向进给机构均采用双片齿轮错齿法消除齿轮副间隙，采用双齿轮错齿式消隙机构相同齿数的两薄片同时与另一宽齿轮啮合,两薄片齿轮间依靠弹簧力使其张开一定角度，

42、使两薄片齿轮的左右齿面分别接触宽齿轮的左右齿面以消除侧隙。其结构见下图: 图3.3 消隙齿轮结构 1-薄片齿轮 2薄片齿轮 3凸耳 4凸耳 5螺钉 6-锁紧螺母 7螺母 8拉簧4 步进电动机的计算和选型4。1 纵向进给步进电机的计算和选型4.1。1 初选步进电机 1）步进电机负载转矩的计算。 =136.34N/mm式中: 步进电机负载转矩（N/mm）； 脉冲当量（mm/步）； -纵向进给牵引力（N）; -步距角为； 电机到丝杠的传动效率，为齿轮、轴承、丝杠效率之积，分别为 0.98、0.99、0。99和0。96； 2）估算步进电机起动转矩 根据负载转矩除以一定的安全系数来估算步进电机启动频率。

43、 =454.4600N/mm一般纵向进给伺服系统的安全系数取0。30。4,横向进给伺服系统取0.40.5.4.1。2 等效转动惯量计算 计算简图见图3.2.2。传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量（kgcm2）。由下式计算: 式中： 步进电机转子转动惯量(kgcm2)； 、-齿轮z1、z2的转动惯量（kgcm2）； -滚珠丝杠转动惯量(kgcm2）； G溜板及刀架重量（N）；纵向：1000N 横向：500N 参考同类型机床,初选反应式步进电机110BYG260BSAKRMT-0602（GB/T20638-2006）,其转子转惯量=9.7 kgcm2 kgcm2 kgcm2 kgcm2 代入上式

44、： =9。7+2。62+0。64（10。96+0。9314) =19.93 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题： =9。7/19.93=0。48基本满足惯量匹配的要求。4。1。3 电机力矩计算 机床在不同的工作情况下，其所需转矩不同，下面按各工况分快速空载启动时所需力矩、快速进给时所需力矩、最大切削负载时所需力矩计算。 1）快速空载起动力矩。在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大,具体计算公式如下： 式中： 快速空载启动力矩（Ncm); -空载启动时折算到电机轴上的加速力矩（Ncm）； -折算到电机轴上的摩擦力矩（Ncm）； 丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩（Ncm）； -运动部件最大

45、快进速度（mm/min)； -步进电机的步距角(）。 将数据代入式中，则: 其中：刀架快移速度（m/min)： 纵向:2 横向：1 最小分辨率（mm）: 纵向：0。01 横向：0.005 起动加速时间=30 加速力矩 =21。23 =309。36 Ncm折算到电机轴上的摩擦力矩:式中： -导轨的摩擦力，； 传动链总效率，一般可取，这里取。 = =42。96 Ncm 附加摩擦力矩 式中： -滚珠丝杠预加负荷,一般取; -滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取。 = Ncm 综上： =309.36+42.96+9。95 = 362。27 Ncm 2）快速进给时所需力矩。 =42。96+9.951=52

46、.9 Ncm因此是运动部件已启动，故不包含。 3）最大切削负载时所需力矩。 =42。96+9.95+ Ncm 从以上计算可以看出,、和三种工作情况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据.从下表4-1可以查出,当步进电机为五项十拍时，则最大静力矩 Ncm 根据最大静转矩从机电一体化设计手册相关图表中查出，110BYG260CSAKRMA0402（GB/T206382006)型最大静转矩为8000 Ncm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电机起动矩频特性和运行矩频特性。表4.1 步进电机起动转矩和最大静转矩的关系步进电机相数三相四相五相六相拍数364851

47、06120。50.8660.7070.7070.8090。9510.8660。8664。1。3 计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 分别计算快速进给时步进电机的最大空载启动频率（Hz）和切削时的最大工作频率（Hz）： =3333。3 Hz =1000 Hz式中： -运动部件最大快速进给速度(m/min）； 最大切削进给速度(m/min)； 从机电一体化设计手册相关图表中查出与所选步进电机 110BYG260BSAKRMT0602(GB/T206382006）的使用基本相匹配，可以满足使用要求。其矩频特性曲线如图4。1所示：有必要采用升降控制（软件实现)将起动频率降到1000HZ时,起动

48、力矩可增高，然后在电路上再高低压驱动电路还可将步进电动机输出力矩扩大一倍左右。 图4.1 110BYG260CSAKRMA0402型步进电机矩频特性4.1.4 所选电机的安装和接线：所选电机的外形尺寸如下图4.2所示， 图4.2 110BYG260C-SAKRMA0402型步进电机的外形尺寸 电机外部接线如下图4.3所示, 图4。 3 电机外部接线图 4.2 横向进给步进电机的计算和选型4.2.1 初选步进电机1）步进电机负载转矩的计算.=60.86N/mm式中： 脉冲当量（mm/步）； -进给牵引力（N）； 步距角为； -电机到丝杠的传动效率，为齿轮、轴承、丝杠效率之积，分别 为0.98、0

49、。99、0。99和0。96； 2）估算步进电机起动转矩 根据负载转矩除以一定的安全系数来估算步进电机启动频率， =152.17一般纵向进给伺服系统的安全系数取0.30.4,横向进给伺服系统取0.40.5。4。2。2 等效转动惯量计算计算简图见32。传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量（kgcm2）可由下式计算: 式中：步进电机转子转动惯量(kgcm2)； 、-齿轮、的转动惯量（kgcm2)； 滚珠丝杠转动惯量(kgcm2）。 参考同类型机床，初选反应式步进电机110BYG260B-SAKRMT0602型，其转子转惯量=9.7 kgcm2 代入上式： =9.7+0.828+0.36（6.789+

50、0。64（1.599+0.323）) =13。41 kgcm2考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题： =9.7/13.41=0.723 基本满足惯量匹配的要求。4.2。3 电机力矩计算 机床在不同的工作情况下，其所需转矩不同,下面分别按各工况计算： 1）快速空载起动力矩。在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下: 将数据代入式中，则： = =416。7r/min起动加速时间=30ms =13。41 =194。95Ncm 折算到电机轴上的摩擦力矩 = =4.95 Ncm 附加摩擦力矩 = =4。41 Ncm 上述三项合计为： =194.95+4。95+4.41 =204.31 Ncm 2）快速移动时所需转矩=4。95+4.41=9.36 Ncm 3)最大切削负载时素需力矩 =9.36+ =38。37 Ncm 从上面计算可以看出,、和三种工作情况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据. 从下表可以查出，当步进电机为五项十拍时。最大静力矩Mjmax=214Ncm800Ncm按此最大静转矩可查得110BYG260B-SAKRMT-0602(GB/T20638-2006)型最大静转矩大于8 Nm.大于所需最大静转矩，可作为初选型号,