(wo)数控刀架的设计

(wo)数控刀架的设计,wo,数控,刀架,设计 四川理工学院毕业设计（论文）CA6140横向进给系统及刀架的数控改造学 生：邹 剑学 号：04011030532专 业：机械设计制造及其自动化班 级：机电一体化2004.2指导教师：刘康四川理工学院机电工程系二00八年六月摘 要摘要所谓数字控制机床是按照含有机床(刀具)运动信息程序所指定的顺序自动执行操作的过程。而计算机数控机床就是数控机床在计算机监控下进行工作。它的优点很多,可以在同一机床上一次装夹可完成多个操作，生产率显著提高等优点，但它的价格昂贵。由于我国现在使用的机床大多数为普通车床，自动化程度低,要更新现有机床需要很多资金。为了解决这个问题,也为了适应多品种中、小批量零件加工我们选择机床经济型数控改造。纵向进给机构的改造：拆去原机床的溜板箱、光杠与丝杠以及安装座,配上滚珠丝杠及相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及减速箱安装在车床的床尾,不占据丝杠空间。横向进给机构的改造：拆除横向丝杠换上滚珠丝杠,由步进电机带动。总体设计方案:CA6140车床主轴转速部分保留圆机床的手动变速功能。车床的纵向和横向进给运动采用步进电机驱动。最后,根据已知条件对纵向横向伺服进给机构进行设计与计算。 关键词:数控、车床、改造AbtractABSTRACT Numerical Control (NC) is any machining process in which the operations are executed automaticallu in sequences as specified by the program that contains the information for the tool movement .When Numerical Control is performed under computer supervision, it is called Computer Numerical Control (CNC).CNC machines have many advantages over conventional machines. For example, there is a possibility lf performing operations on the same machine in one setup and production is significantly increased. One of its disadvantages is that they are quite expensive. In our country conventional machine is used widely. So if the machines are replaced, there is going to need a large money. In order to agree with the development of our economy, we can reform the conventional machines. The reformation of the vertical mechanism: we demolish the current smooth leading, leading screw and installing stand. Then replace the ball leaking to the relevant position. The reformation of the horizontal mechanism: we make the horizontal ball lead screw instead of the conventional screw. And Stepper motor drives the screw. The overall master design: the spindles gearshift of the CA6140 mechanism controlled by the former operating lever. The moving of the vertical table and the horizontal table is drove by the ball screw, which is drove by the Stepper motors. The last, we design the vertical and horizontal mechanism on the basis of known numbers.Key word: Numerical Control、 machining、 information目录摘要ABSTRACT目录第一章 绪论11.1机床数控改造的意义21.2数控机床的主要改造步骤2第二章 计的任务及要求42.1 CA6140横向进给系统及刀架数控改造设计的任务42.2 CA6140横向进给系统及刀架数控改造设计的要求4第三章 改造设计的总体方案53.1设计参数的确定53.2改造方案的确定63.2.1系统的运动方式与伺服系统的选择63.2.2机械传动方式6第四章 丝杠副的设计和计算84.1选择脉冲当量84.2计算切削力84.2.1纵车外圆84.2.2横切端面84.3滚珠丝杆螺母副的计算和选型94.3.1滚珠丝杠轴向进给切削力的计算94.3.2滚珠丝杠的平均转速计算104.3.3滚珠丝杠的寿命计算104.3.4滚珠丝杠副在高速和定工作载荷的情况下的选用104.3.5滚珠丝刚副在受动载荷的情况下的选用124.3.6按额定静载荷选用滚珠丝杠副134.3.7滚珠丝杠副的选型134.3.8滚珠丝杠副的刚度验算164.3.8.1丝杠副的轴向变形量164.3.8.2滚珠与螺纹滚道间接接触变形164.3.8.3支承滚珠丝杠副轴承的轴向变形174.3.9滚珠丝杠副的稳定性验算19第五章 减速器的设计计算20第六章 步进电机的选型及计算226.1等效转动惯量的计算226.2根据脉冲当量和最大静转矩初选电机型号236.2.1步距角236.2.2矩频特性246.2.2.1空载启动所需力矩24 6.2.2.2快速移动时所需力矩266.2.2.3最大切削负载时所需力矩266.3启动矩频特性和运行矩频特性校核286.3.1启动矩频校核286.3.1.1突跳启动286.3.1.2升速启动286.3.2运行矩频校核296.3.2.1快速进给运行矩频校核296.3.2.2工进运行矩频特性校核306.4步进电机的安装尺寸31第七章 刀架的改造设计327.1刀架改造的意义327.2自动换刀装置形式的选择327.3螺旋转位刀架的工作原理347.4对自动换刀装置的要求367.5自动换刀装置的主要部件设计计算及选择367.5.1杆、蜗轮的设计计算367.5.1.1杆、蜗轮材料的选择367.5.1.2杆、蜗轮传动基本参数的选择367.5.2电机的选择38第八章 结论39参考文献41致 谢42 四川理工学院毕业设计（论文）第一章 绪论随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程。我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，“十五”期间，中国数控机床行业实现了超高速发展。其产量2001年为17521台，2002年24803台，2003年36813台，2004年51861台，是2001年的3.7倍，平均年增长39；2005年国产数控机床产量59639万台，接近6万台大关，是“九五”末期的424倍。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控,系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之间的差距。为了弥补我国数控机床的严重不足，许多企业与厂家都对原有的普通机床改装成数控机床。目前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不到3。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。但是机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有诸多相似之处。然而，现代的数控机床不是简单地将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成（那些受资金等条件限制，而将传统机床改装成建议数控机床的另当别论）。传统机床存在着一些弱点，如刚性不足、抗振性差、热变形大、滑动面的摩1第一章 绪论擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度、表面质量、生产率以及使用寿命等要求。现代的数控技术，特别是加工中心，无论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变化，已经形成了数控机床的独特机械结构。因此，我们在对普通机床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能地与数控机床相接近。1.1机床数控改造的意义一、节约成本。机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省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。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。二、改造时间短。三、性能更稳定。在改造过程中可以对原机床的机械部分重新装配加工，恢复到原有精度；采用数控软件控制机床各部分，更加可靠。四、设计风险小。对普通的旧机床改造，即使改造失败，也不会造成较大损失。五、可以更好的体现用户的愿望。在改造过程中，用户可以根据自己的需求对机床进行调整。六、机械性能稳定可靠。原机床床身立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，改造后机床性能高、质量好，可以继续作为新设备使用多年。七、采用最新的控制技术。可根据技术革新的发展速度，提高机床的自动化水平和工作效率，提升设备质量和档次，将旧机床改造成当今水平的机床。八、提高生产效率。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。九、更有利于使用和维护。1.2数控机床的主要改造步骤 一、作好改造的前期准备工作。对被改造机床进行结构、性能、精度等技术现状的全面分析。dfgsdfget457683245ERTIUI#$%#*SDFSDHFJjVs中国设备管理网 http:/www.sbgl.netWP0二、进行电气改造的机床一般均需进行机械修理。要确定修理的要求、范围、内容，也要确定因改造而需进行机械结构改动的要求和内容。为配合电气改造而需进行的机械2四川理工学院毕业设计（论文）大修改造的测量、计算、设计、绘图、零件制作等应先期完成。停机后需拆、改、加工的部分等也应事先规划完毕，提出明确要求。机械性能完好是电气改造成功的基础。dfgsdfget457683245ERTIUI#$%#*SDFSDHFJjVs中国设备管理网 http:/www.sbgl.netWP0三、改造前应熟悉技术资料，做到思路清晰，层次分明。dfgsdfget457683245ERTIUI#$%#*SDFSDHFJjVs中国设备管理网 http:/www.sbgl.netWP0四、原系统的拆除必须对照原图纸进行，并及时作出标记，防止遗漏或过拆。dfgsdfget457683245ERTIUI#$%#*SDFSDHFJjVs中国设备管理网 http:/www.sbgl.netWP0五、根据设计图纸合理配置新系统，以确保连线工艺规范、线径合适、正确无误、可靠美观。dfgsdfget457683245ERTIUI#$%#*SDFSDHFJjVs中国设备管理网 http:/www.sbgl.netWP0六、调试必须按事先确定的步骤和要求进行。调试人员应头脑冷静，随时记录，以便发现和解决问题。调试中首先试安全保护、系统灵敏度，防止发生人身及设备事故。3第二章 设计的任务及要求第二章 设计的任务及要求在本次改造中以CA6140普通车床为例，重点将放在车床的横向进给系统和刀架，下面将介绍改造的具体任务和要求。2.1 CA6140横向进给系统及刀架数控改造设计的任务 本次设计任务是将CA6140型普通车床的横向进给系统及刀架数控改造与设计，根据工作量及时间要求完成以下内容：1.数控改造总体方案设计2.横向进给系统机械部分改造设计，刀架机械部分改造设计。装配图两张，零件图两张。3.横向进给伺服系统改造设计及计算，选择伺服电机。刀架机械部分改造设计及计算，选择伺服电机。2.2 CA6140横向进给系统及刀架数控改造设计的要求本次设计要求是将CA6140型普通数控车床的横向进给系统改造成由步进电机驱动，丝杠螺母副传动，开环控制的进给系统。要求改造后的车床横向进给系统具有以下功能：1.保证原机床横向进给系统的功能不变；2.横向直线，圆弧插补；3.螺纹切削；4.软件自动变速驱动步进电机；5.掉电保护、越位报警、急停、复位等辅助功能。刀架部分是拆除原刀架，换上设计好的自动换刀装置。要求改造后具有以下功能：1.能一次装夹多把刀具；2.通过指令能快速的自动换刀。4四川理工学院毕业设计（论文）第三章 改造设计的总体方案3.1设计参数的确定并不是所有的旧机床都可以进行数控改造，机床的改造主要应具备两个条件：第一，机床基础件必须有足够的刚性。第二，改造的费用要合适，经济性好。在改装车床前，要对机床的性能指标做出决定。改装后的车床能加工工件的最大回转直径以及最大长度、主电动机功率等一般都不会改变。加工工件的平面度、直线度、圆柱度以及粗糙度等基本上仍决定于机床本身原有水平。主要有下述性能和精度的选择需要在改装前确定。 最大加工直径： 车床身上： 400mm 车床鞍上： 210mm 最大加工长度： 1000mm 快进速度： 纵向 2.4m/min 横向 1.2m/min 最大切削进给速度： 纵向 0.6m/min 横向 0.3m/min 脉冲当量： 纵向 0.01mm/step 横向 0.005mm/step 脉冲分配方式： 逐点比较法 控制坐标数： 2机床定位精度： 0.015 溜板及刀架重力： 纵向： 800N 横向： 6005第三章 横向进给系统数控改造的总体要求 自动生降速性能： 有 起动加速时间： 30ms主电机功率： 7.5Kw当数控车床的性能和精度等内容基本选定后，可根据此来确定改造方案。目前机床数控改造技术已经日趋成熟，专用化的机床数控改造系统所具备的性能和功能一般均能满足车床的常规加工要求。因此，较典型的车床数控改造方案可选择为：配置专用车床数控改造系统，更换进给运动的滑动丝杠传动为滚珠丝杠传动、采用步进电机驱动进给运动、配置脉冲发生器实现螺纹加工功能、配置自动转位刀架实现自动换刀功能。3.2改造方案的确定由于被改装的机床本身的机械结构不是按数控机床的要求设计的，其精度和刚度等性能指标往往不能满足数控机床的要求，因此将普通机床改造为全功能的数控机床，一味追求先进指标则会得不偿失，所以确定总体方案的原则应当是在满足生产需要的前提下，对原机床尽可能减少机械部分的改动量，选择简单易用的数控系统，达到合理的性价比。本次改造设计要求就是根据这一原则提出的。根据设计要求、依据设计参数及 床数控改造的理解，总体方案确定如下：3.2.1系统的运动方式与伺服系统的选择由于改造后的经济型数控机床应具有定位、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，故应选择连续控制系统。考虑到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。3.2.2机械传动方式为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆，为保证一定的传动精度和平稳度，尽量减少摩擦量力，选用滚珠丝杆螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。横向进给机械结构改造方案： 拆除原中拖板丝杆，安装滚珠丝杆副，为提高横向进给系统刚度，支承方式采用两端装止推轴承。步进电机、齿轮箱安装于机床后侧，为了使减速机构不影响走刀，同时6四川理工学院毕业设计（论文）消除传动过程的冲击，减速机构采用一级传动，从动轮采用双薄片错位消除间隙。 刀架部分机械结构改造方案： 刀架部分则是拆除原车床上的普通刀架，换上设计的自动换刀装置。 7第四章 滚珠丝杠副的设计和计算第四章 滚珠丝杠副的设计和计算4.1选择脉冲当量步进电机是一种把电脉冲信号转变成直线位移或角位移的执行元件。对于每一个电脉冲步进电机都会产生一个恒定的步进角位移。每一个脉冲或每步的转角称为步进电机的步距角，每脉冲代表电机一定的转角。这个转角经齿轮副和滚珠丝杠使工作台移动一定的距离。每个脉冲所对应的执行元件的移动距离，就称为脉冲当量或分辨率。记为，单位mm/脉冲。脉冲当量应根据机床或工作台进给系统所要求的定位精度来确定。考虑到机械系统存在传动误差，脉冲当量必须小于定位精度值。在此改造中，机床定位精度的设计要求是0.015mm,根据该精度要求可以确定纵向传动系统的脉冲当量为0.01mm。又因为横向进给系统的脉冲当量一般为纵向进给系统的一半，所以横向进给系统的脉冲当量为0.005mm。4.2计算切削力4.2.1纵车外圆主切削力（N）按经验公式估算： （41）按切削力各分力比例可得： （42） （43）4.2.2横切端面主切削力根据经验比较为纵车的0.5，所以 8 四川理工学院毕业设计（论文） （44）此时走刀力，吃刀抗力，仍按上述方法计算，则： （45） （46）4.3滚珠丝杆螺母副的计算和选型由于我国现在已经有了生产滚珠丝杠副的专业工厂，因此，这次在改造中需要的滚珠丝杠就完全没有必要自己从头到来研制它，只应根据它的使用条件，承载能力和寿命等合理地选用符合需要的滚珠丝杠副就可以了。现在选用滚珠丝杠副的方法比较多，但是通过比较和参考同类选用经验，如果还采用经验法或类比法来选用滚珠丝刚副，就容易出现选用不合理的现象，造成结构尺寸过大，增加驱动装置的负荷等缺陷。目前人们认为教合理的选用方法是按照滚珠丝杠的额定静载荷 (其转速)和额定动载荷 (其转速)及传动速比的要求来确定所需选用的滚珠丝杠副的公称直径和基本导程。如今各滚珠丝杠生产厂家都在他们所制定的结构系列表中列出了其各型号滚珠丝刚副的的额定静载荷和额定动载荷值。从实际应用中可知，滚珠丝杠副的螺纹滚道在一定的轴向载荷作用下，经历一定的应力循环之后，就要产生疲劳点蚀现象。因此，当滚珠丝杠副在较高转速（一般转速）下工作时，应按其使用寿命选则基本尺寸，并校核其载荷能力是否超过额定动载荷。当滚珠死杠副在低速（一般转速）下工作时，应按其使用寿命和额定静载荷两种方法来确定其基本尺寸，并选择其中较大的。当滚珠丝杠副在静载荷下工作时，则只需按额定静载荷选择其结构尺寸。4.3.1滚珠丝杠轴向进给切削力的计算因为横向导轨为燕尾形导轨，所以可用下公式计算： （47） 9 第四章 滚珠丝杠副的设计和计算试中 K考虑颠覆力矩影响的实验系数，燕尾形导轨取K=1.15滑动导轨摩擦系数，=0.150.18。在此设计中取0.17。G溜板及刀架重力，G=600N4.3.2滚珠丝杠的平均转速计算最大切削力下的进给速度 (r/min),可取最高进给速度的1/21/3(取为1/2),横向最大进给速度为0.3m/min,丝杠导程选,则滚珠丝杠的平均速度为： （48）4.3.3滚珠丝杠的寿命计算滚珠丝杠的使用寿命取，则滚珠丝杠的寿命为： （49）4.3.4滚珠丝杠副在高速和定工作载荷的情况下的选用如前所诉，滚珠死杠副在高速或较高速的情况下工作时，它的失效形式主要是螺纹滚道或滚珠表面的疲劳点蚀。滚珠丝杠副抵抗疲劳点蚀的能力用额定动载荷表示。实验研究表明，滚珠丝杠副的额定动载荷与使用寿命的关系为： （410）式中 额定动载荷，N滚珠丝杠副的轴向载荷，N 滚珠丝杠副的额定寿命，转由上式可见，对于选定的滚珠丝杠副而言，它的使用寿命与其所承受的轴向载荷的三次方成反比，即它所承受的轴向载荷越大则其使用寿命越短。对于在转速，和工作寿命时间T一定的条件下，滚珠丝杠副的总转速N为： 10 四川理工学院毕业设计（论文） （411）式中 平均转速， 使用寿命时间， 对应的工作寿命为： （412）在生产实际中常以小时数表示额定的工作寿命，则得以小时计算的滚珠丝杠副的寿命为： （413）式中 工作寿命，h。各类机械对滚珠丝杠副的寿命要求，可以参照下表41 额定寿命，转表41各类机械对滚珠丝杠副的寿命要求及寿命系数机械类别寿命L（h）寿命系数K普通机械5000100002.152.71普通金属切削机床100002.71数控和精密机械150003.11测试机械和仪器150003.11航空机械10001.26 由上表和知选中的滚珠丝杠的寿命是合乎要求的。在高速或定载荷的情况下滚珠丝杠的工作寿命所对应的计算动载荷值为： 11 第四章 滚珠丝杠副的设计和计算 （414）式中 滚珠丝杠副轴向进给切削力，N 运转系数，此处取1.2 精度系数，丝杠副精度等级选3级，则精度系数为1对于选用的滚珠丝杠副，其计算动载荷应满足下列条件： （415）4.3.5滚珠丝刚副在受动载荷的情况下的选用 车床在运行过程中，难免存在一定的冲击振动，温度等因数也会引起硬度的变化，这些都会对滚珠丝杠副的寿命产生影响，所以应对其进行计算。在此情况下滚珠丝杠副的计算动载荷值可按下式计算： （416）式中 寿命系数，参照表41选取。此处选=3.11 转速系数，取=1.1 载荷性质系数，参照表42选取。此处选=1.2 动载荷硬度影响系数，参照表53选取。此处选 轴向工作载荷，N表42载荷性质系数 载荷性质系数K平稳或轻微冲击1.01.2中等冲击1.21.5教大冲击或振动1.52.5表53硬度影响系数 12四川理工学院毕业设计（论文）硬度（HRC）585552.55047.54540动载荷硬度影响系数1.01.111.351.561.922.43.85静载荷硬度影响系数1.01.111.401.672.12.654.5同在高速和定工作载荷情况一样，按使用寿命选用选用滚珠丝杠副尺寸系列时，其额定动载荷值应等于或大于计算动载荷值，即应满足下列条件： （417）4.3.6按额定静载荷选用滚珠丝杠副滚珠丝杠副在低速（ ）下工作时，其主要失效形式螺纹滚道或滚珠表面产生较大的塑性变形。而滚珠丝杠副抵抗塑性变形的能力用额定静载荷表示。当滚珠丝杠副的工作载荷是静载荷或其转速小于10r/min时，则应按额定静载荷选用滚珠丝杠副的尺寸系列。其计算静载荷值应按下式计算： （418）对于按额定静载荷所选用的滚珠丝杠副，应使其额定静载荷值大于或等于计算静载荷值。即应满足下式： （419）式中 额定静载荷值，N 计算静载荷值，N 载荷性质系数，可从表42中查出 静载荷硬度影响系数，可从表53中查出 轴向工作载荷，N4.3.7滚珠丝杠副的选型应该指出的是按上述3种情况选用的滚珠丝杠副的主要尺寸和预紧力对滚珠丝 13第四章 滚珠丝杠副的设计和计算杠副的传动特性是有一定影响的。从滚珠丝杠副的尺寸系列表中可见，滚珠丝杠副的主要尺寸参数是公称直径和基本导程。上述的，的确定和所加预紧力的大小对该丝杠副的传动特性，如刚度、传动精度、驱动力矩和使用寿命等均有密切的关系。因此，在选择滚珠丝杠副的系列尺寸时，需要加以全面的考虑。现就滚珠丝杠副的主要尺寸参数，和所加预紧力对其刚度、传动精度、驱动力矩和使用寿命等的影响情况列表44中比较说明：表44滚珠丝杠副的主要尺寸对其传动精度的影响主要尺寸参数刚度位移精度惯量驱动力矩寿命公称直径增大增大增大增大减小减小增大减小基本导程增大增大降低减小增大延长减小减小增高增大减小降低预紧力增大增大增大增大降低减小减小降低减小增高根据上述的计算和分析结合滚珠丝杠副的尺寸系列或产品样本就可以初选滚珠丝杠副的型号了。在此次的改造中选用江汉丝杠厂的HJGS系列滚珠丝杠副。该系列丝杠结构先进，性能良好。与老结构相比，轴向、径向尺寸都有明显的缩小，机械效率可达90%95%，比梯形丝杠的效率提高了3倍左右。下表45就是截选自江汉丝杠厂的滚珠丝杠副的产品样本。表45 HJGS系列滚珠丝杠副的尺寸系14四川理工学院毕业设计（论文）结合上表综合考虑，25063内循环单螺母滚珠丝杠副，额定动载荷为12945N（满足式415和式417），额定静载荷29026N（满足式419）。15第四章 滚珠死杠副的设计和计算4.3.8滚珠丝杠副的刚度验算对于精密传动的滚珠丝杠副通常要进行刚度验算。而滚珠丝杠副的刚度主要取决于该滚珠丝杠副在载荷的情况下，丝杠的轴向变形，滚珠与滚道间的接触变形和支撑丝杠的轴承的轴向接触变形的大小。4.3.8.1丝杠副的轴向变形量滚珠丝杠副的轴向变形，当丝杠长度L较大时，它在滚珠丝杠副总的轴向变形量中所占的比重较大。其轴向变形量的大小与滚珠丝杠副的支承方式有很大关系。在此次改造中选用一端固定，一端浮动，三点支承的形式。所以滚珠丝杠副的轴向变形量为： （420）式中 轴向进给切削力引起导程的变化量 （421） 轴向进给切削力，N滚珠丝杠材料的弹性模量，对于钢 A滚珠丝杠的横截面积由于滚珠丝杠一端采用推力球轴承支承，又因滚珠丝杠进行了预紧，故丝杠的刚度可比一端固定的丝杠提高4倍左右。所以其实际变形量为： （422）4.3.8.2滚珠与螺纹滚道间接接触变形对于滚珠丝杠副，其滚珠与螺纹滚道在工作过程中会产生接触变形，该变形量在16四川理工学院毕业设计（论文）总的变形量中也占有较大的比重。应该注意的是滚珠与螺纹滚道间接接触变形在有无预紧时的变形量是有很大区别的，在本次改造中因为滚珠丝杠要进行预紧，所以应按下式计算： （423）式中 轴向进给切削力，N 预紧力，N（一般取的1/3） 滚珠直径，mm （424） 工作螺母的滚珠数目。 （425） 圈数 列数 一圈的滚珠数目 （426）其中一圈的滚珠数目不可能为小数，所以取整为19。滚珠丝杠的公称直径4.3.8.3支承滚珠丝杠副轴承的轴向变形由于滚珠丝杠副大都采用滚动轴承支承，次改造也不例外。在实际应用中，如果支承滚珠丝杠副的轴承刚度不足，将会影响到整个传动系统的精度。为了保证丝杠副的工17第四章 滚珠丝杠副的设计和计算作性能，必须提高支承滚珠丝杠副轴承的刚度。在众多轴承系列中，推力球轴承能较大提高轴向刚度，所以在此改造中选用推力球轴承。但是，支承滚珠丝杠副的推力球轴承仍会产生一定的变形量，此变形量对整个刚度还是有较大影响。其变形量的计算过程：如下： （427）式中 轴承的轴向载荷，N 轴承的滚动体数目 轴承的滚动体直径因为传动系统进行了预紧，所以 （428）除上述变形外，螺母座及轴承支座（含紧固螺钉）的变形也会影响到滚珠丝杠副的刚度。但是，该变形量的计算较为困难，一般根据滚珠丝杠副的精度要求在结构上尽量增强螺母座及轴承刚度，而不做变形量的计算。所以，滚珠丝杠副的刚度验算，主要是校核丝杠副的轴向变形量、滚珠与螺纹滚道间接接触变形和支承滚珠丝杠副轴承的轴向变形三者之和不大于滚珠丝杠副传动精度所允许精度的一半。即： （429） （430）丝杠副的传动精度等于机床定位精度的0.8倍，所以 （431）由429、430、431可知，滚珠丝杠副的刚度是符合要求的。18四川理工学院毕业设计（论文）4.3.9滚珠丝杠副的稳定性验算由于在此次改造中滚珠丝杠副采用一端推力球轴承支承一端固定的支承方式，不会产生失稳现象，所以不用做丝杠的稳定性验算。通过上述的验算分析，所选滚珠丝杠副完全符合使用要求。19第五章 减速器的设计计算第五章 减速器的设计计算为了减小冲击和调整步进电机的输出速度，在步进电机和丝杠之间加一个减数器。在此只对减速器的齿轮做设计，其他部件如支承齿轮的轴和轴承等根据实际情况而定。由设计要求可知横向进给系统的脉冲当量，滚珠丝杠的导程为6mm,初选的步进电机的步进角为，由此可计算传动比如下： （51）式中 电动机步距角 滚珠丝杠导程 步进电机步距角由式51可知，横向传动系统的传动比为5/2，小于5，所以可以选择一级传动。大小齿轮均采用45钢并进行调质处理。选小齿轮硬度HBS为260290，大齿轮硬度为HBS220250。齿轮副精度选为6级。由传动比公式可知大小齿轮 的齿数有多种分配方式，但是在此次改造任务中要尽量减小减速器的重量和合适的外观尺寸。综合考虑下做出如下选择： 中心距： （52） （53） （54） （55）20四川理工学院毕业设计（论文） （56） （57） （58）在这次设计中为了减小减速器的外观尺寸，所以大小齿轮均采用悬臂布置，由此可确定齿宽系数为0.2，故大齿轮的齿宽为： （59） （510）由式510取。21第六章 步进电机的选型及计算第六章 步进电机的选型及计算目前在伺服驱动系统中常用的是步进电机、电液脉冲马达、直流伺服电机和交流伺服电机等设备。在此次改造设计中选用步进电机作为伺服驱动设备，它与其他设备相比有如下优点： 步进电机的转速仅取决于脉冲频率，而不受电压高低、电流大小及波形的影响。 可以开环控制，也可闭环控制，控制灵活。开环控制不需要位置或速度的检测元件，系统结构简单，能方便的控制脉冲的个数和脉冲的频率实现定位和调速。采用位置反馈和速度反馈的闭环控制系统，不仅可以控制精确的位置和平稳的转速，而且扩大了步进电机的应用领域。 输出转角（步距角）没有长期积累误差。每转一圈，积累误差会自动消除。 启动、停止、反转及其他运行方式的改变，都可以在少量的脉冲周期内完成，并具有定位转矩。选用步进电机主要考虑三个问题，一是步距角要满足系统脉冲当量的要求；二是满足最大静转矩的要求；三是启动转矩与启动频率、工作运行转矩与运行频率必须满足所选电机型号相应的启动矩频特性和工作矩频特性。6.1等效转动惯量的计算传动系统折算到电机轴上的总传动惯量可由下式计算： （61）式中 总转动惯量， 小齿轮转动惯量， 大齿轮转动惯量， 滚珠丝杠转动惯量， 电动机的转动惯量， 工作台转动惯量，转动惯量可以按下式计算：22四川理工学院毕业设计（论文） （62）小齿轮转动惯量： （63）大齿轮转动惯量： （64）滚珠丝杠转动惯量： （65）电动机的转动惯量：初选反应式步进电机为110BF，由此可知电动机的转动惯量为4.7 。工作台转动惯量： （66）所以传动系统折算到电机轴上的总传动惯量为： （67）6.2根据脉冲当量和最大静转矩初选电机型号6.2.1步距角初选步进电机型号为110BF003，并从步进电机技术参数表（见机电设计指导）中查出步距角或。23第六章 步进电机的选型及计算从式51可知，步距角、减速比、脉冲当量和丝杠导程有如下关系： （68）初选电动机型号时要合理选择步距角和传动比。结合分析和式51可以确定电动机的步距角为。6.2.2矩频特性6.2.2.1空载启动所需力矩步进电机空载启动是指电动机在没有外加工作载荷情况下的启动。步进电机所需的空载力矩可按下式计算： （69）式中 空载启动力矩， 空载启动时运行部件由静止升速到最大快进速度折算到电机轴上的加速力矩 空载启动时折算到电机轴上的摩擦力矩， 由于丝杠预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩加速力矩计算： （610）式中 传动系统各部件惯量折算到电机轴上的总等效转动惯量 为电机最大角加速度， 与运动部件最大进给速度对应的电机最大转速 （611）24四川理工学院毕业设计（论文）为运动部件从静止启动家加速到最大快速进给所需要的时间（一般为30ms） 为运动部件最大快进速度 脉冲当量 电机步距角折算到电机轴上的摩擦力矩的计算： （612） 式中 运动部件总重量 为导轨摩擦系数 齿轮传动比 传动总效率 丝杠导程附加力矩计算： （613）式中 滚珠丝杠预紧力 滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取大于或等于0.9结合式610、式612和式613就可以得出步进电机空载启动力矩了。即式25第六章 步进电机的选型及计算69计算如下： （614）6.2.2.2快速移动时所需力矩 （615） 快速移动所需力矩 空载启动时折算到电机轴上的摩擦力矩， 由于丝杠预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩6.2.2.3最大切削负载时所需力矩 （616）式中 附加摩擦力矩， 摩擦力矩， 折算到电机轴上的工作载荷，对于数控系统则是切削负载力矩，按下试计算： （617） 上式中的为沿进给方向的切削负载，因为车刀安装在拖板上的刀架内，车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨上，如下图所示：26四川理工学院毕业设计（论文）图61车削时进给拖板上的载荷关系 从上述分析计算可以很明显的看出在快速空载启动、快速移动和最大切削负载三种工况下，以快速空载启动所需力矩最大，故以此种情况作为选择步进电机的主要依据。由步进电机技术参数表可查出初选电动机110FB003的最大静转矩，即： （618）步进电机的名义启动转矩最大静转矩有如下表关系：表61步进电机名义启动转矩与最大静转矩关系步进电机相数三相四相五相六相拍数36485106120.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866选择步进电机为三相六拍，则步进电机的名义启动转矩为： （619）所选步进电机型号需满足下式： （620）由计算结果可以明显看出满足式618。所以电机型号110BF003可作为选择型号。但是还需进一步校核步进电机的启动矩频特性和运行矩频特性。27第六章 步进电机的选型及计算6.3启动矩频特性和运行矩频特性校核步进电机有三种工况：启动，快速进给运行，工进运行。前面已经提出，这仅仅是指初选步进电机后检查电机的最大静转矩是否满足要求，还不能保证电机在快速启动时会不会丢步。因此，还必须要对步进电机的启动频率进行校核。同理，电机的快进和工进时也不一定会不会丢步，所以在后面还要对电机的快进、工进的运行矩频特性作校核。6.3.1启动矩频校核步进电机的启动分突跳启动和升速启动，下面就分别作介绍：6.3.1.1突跳启动在零时刻（），步进电机的启动频率从零突跳为最大运行频率，如图61，即瞬间。但在实际应用中，突跳是不可能瞬间完成的，实际上突跳的过程极短，但是加速力矩会很大，启动时丢步是无法避免的。因此，突跳启动是很少用的。图62 步进电机的突跳启动6.3.1.2升速启动步进电机从静止状态开始逐渐升速，在零时刻（），启动频率。在一段时间内，按一定的升速规律升速，如图62。启动结束时，步进电机达到最高运行速度，此时相应的运行频率为，即当时，启动过程结束，启动频率与最高运行频率相等，即。在整个升速、匀速运行、降速过程中，步进电机所走的步数与应该完成的输入指令脉冲总数相等。升速时间足够长，启动过程缓慢，空载启动力矩中的加速力矩就不会很大，一般就不会出现丢步现象，但是降28四川理工学院毕业设计（论文）低了工作效率。升速时间过短，则步进电机启动力矩中的加速力矩就会很大，就容易发生丢步现象了。所以需要校核启动矩频特性。图63步进的升速启动初选步进电机110BF003，从它的启动频矩特性曲线图63中由前面计算出的空载启动力矩值找出对应的启动启动频率。图64 110BF003启动矩频特性当启动力矩，对应的启动频率。启动频率应小于允许的启动频率，即：