毕业设计（论文）CA6140型普通车床数控化改造设计.doc

CA6140型普通车床数控化改造设计一. 毕业设计题目（一） 主要设计参数及技术指标本次设计任务是将CA6140型普通车床进行简易数控化改造与设计具体要求如下：1. X轴（横向）、Z轴（纵向）改为微机控制、采用步进电机或直流伺服电机驱动，滚珠丝杠传动；2.x轴（横向）脉冲当量：0.005mm/脉冲；3.z轴（纵向）脉冲当量：0.010/脉冲；3.操作要求：起动、点动、单步运行、自动循环、暂停、停止；4.实现功能：车削外圆、端面、圆弧、圆锥及螺纹加工； （二）毕业设计内容及工作量 1.设计计算说明书 数控技术的应用于发展；数控技术在机械工业中的进展；数控改造的必要性；数控改造的优点；数控改造的设计步骤；数控改造方案的确定；机械部分改造设计与计算；电机的计算与选择；数控系统的选择；参考文献 2.图纸部分普通车床数控化改造总体方案图（O号图纸一张）；X轴（横向进给）机械改造配图（O号图纸一张）；z轴（纵向进给）机械改造配图（O号图纸一张）； 二、数控技术的应用与发展数控技术是一门集计算机技术、自动化控制技术、测量技术、现代机械制造技术、微电子技术、信息处理技术等多学科交叉的综合技术，是近年来应用领域中发展十分迅速的一项综合性的高新技术。它是为适应高精度、高速度、复杂零件的加工而出现的，是实现自动化、数字化、柔性化、信息化、集成化、网络化的基础，是现代机床装备的灵魂和核心，有着广泛的应用领域和广阔的应用前景。一般数控系统由输入/输出（I/O）装置、数字控制系统、驱动控制装置、电器逻辑控制执行装置等4个部分组成。数控机床就是采用了数控系统的机床，是高效率、高精度、高柔性和高度自动化的现代机械加工设备，是高度机电一体化的产品.但是随着信息化程度的逐步提高，对实现综合生产指标优化的综合自动化系统的需求不断增长及通信技术与计算机及其网络技术的融合发展，为了产品在市场上增强竞争力，提高综合效益，现在人们考虑更多的是把传统的数控系统技术放在企业信息化大背景下，思考如何用信息化技术去促进工业自动化快速向高端发展。在全球市场环境影响和推动下，改进产品质量、提高生产效率和降低产品成本的需求不断增长，生产的实时优化受到过程工业的普遍重视并广泛加以采用。为了适应变化的经济环境，减少消耗，降低成本，提高生产效率，提高运行安全性，必须对控制、优化、计划与调度以及生产过程管理实现无缝集成。要降低生产成本、提高产品质量、减少环境污染和资源消耗，产品只能通过全流程自动控制系统的优化设计来实现。数控技术从发明到现在，已有近50年的历史。按照电子器件的发展可分为五个发展阶段：电子管数控，晶体管数控，中小规模NC数控，小型计算机数控，微处理器数控；从体系结构的发展，可分为以硬件及连线组成的硬数控系统、计算机硬件及软件组成的CNC数控系统，后者也称为软数控系统：从伺服及控制的方式可分为步进电机驱动的开环系统和伺服电机驱动的闭环系统。 数控系统装备的机床大大提高了加工精度、速度和效率。人类发明了机器，延长和扩展人的手脚功能：当出现数控系统以后，制造厂家逐渐使数控系统部分代替机床设计师和操作者的大脑，具有一定的智能，能把特殊的加工工艺、管理经验和操作技能放进数控系统。三、 数控技术在机械工业中的发展众所周知，机械工业是是国民经济产业和支柱产业，是推动国家技术进步的主要力量，随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能和效率日趋提高，因此，对加工机械产品零部件的生产设备-机床也提出了高性能、高精度与高自动化的要求。机械工业中，单件与小批量产品占到7080%，这类产品一般都采用人工操作，难于提高生产效率和保证产品质量，特别是一些轮廓复杂的零件。数控技术的出现与发展，就是为了解决单件、小批量、特别复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求。自1952年出现第一台数控机床以来，随着计算机自动控制伺服驱动与自动检测等技术的迅速发展，表征数控机床的水平和决定数控机床功能与特性的数控系统经历了以下几个阶段：第一阶段：数控（NC）阶段（19521970年）。随着元器件的发展，这个阶段经历了三代，即1952年的第一代-电子管时代；1959年的第二代-晶体管时代；1965年的第三代-小规模集成电路时代。第二阶段：计算机数控（CNC）阶段（1970现在）。到1970年，通用小型计算机作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段，1971年美国INTEL公司将运算器和控制器集成在一块芯片上，称为微处理器，又称为中央处理单元（即CPU）。到1974年，CPU被应用于数控系统，到了1990年，PC的性能已发展到较高的水平，进入基于PC阶段。总之，计算机数控（CNC）的发展也经历了三代，即1970年的第四代-小型计算机；1974年的第五代-微处理器；1990年的第六代-基于PC（国外称为PC-BASED）。数控系统发展到第五代以后，才从根本上解决了可靠性低、价格极为昂贵、应用很不方便（主要是编程困难）等极为关键的问题。四、 数控改造的必要性（一）从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。    1、可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。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的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。    2、可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37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。    6、由以上五条派生的好处。如：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。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行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。（二）从宏观上看，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。  我国是一个机床大国，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。  旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。  随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。  1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，本毕业设计实例具有典型性和实用性。 五、 数控改造的优点普通车床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，配上经济数控装置或标准型数控系统，从而是原机床具有数控加工能力。其改造有如下的优点：1、资本效率出发，改造闲置的普通机床,能发挥旧机床的原有能和改造后的新增功能,提高机床的使用价值。2、适应多品种，小批量零件生产。3、数控改造费用低,减少了投资额,经济性好.数控车床改造费用仅为新购一台数控车床费用的15%20%,同购置新机床相比，一般可以节省75%80%的费用,如果再结合机床大修理，几乎就是一台新的数控车床,甚至会更好，因为普通车床不会再变形。4、机械性能稳定可靠，结构受限。所利用的普通机床基础件是重而坚固的铸造构件，而不是焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以做为新设备继续使用多年。数控化改造后使原有的机械结构更为简单，原有得手扶进给机构全部消失。这样一方面，可以提高精度,减少传动链对精度的影响；另一方面，可以减少机械故障率，提高运行的可靠性.但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。5、操作者熟悉了解机床、便于操作维修,降低了操作者的技术要求，更易于提高管理水平.购买新机床时，不了解新机床是否满足起加工要求。改造则不然,可以精确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。改造的积储一旦安装好，就可以全负荷运转。操作者只需要对工件进行装夹和操作开关，而零件的加工全部则由数控系统控制完成，即使比较复杂的工件也能迅速完成，省去了对技术要求的烦恼。6、可充分利用现有的条件，可以充分利用现有基地,不许要重新构筑地基。7、可以采用最新的控制技术，可根据技术革新的发展速度,及时提提高生产设备自动化水平和效率，提高机床质量和档次,将旧机床改造成当今水平的机床。自动化程度高、专业性强、加工精度高、生产效率高。8、增强了功能，如圆弧加、锥度加工，这是传统加工方法难以完成的。9、交货期短，可满足生产急需。六、 数控改造的设计步骤1.旧机床的设备选型 通常对一台旧机床，是否需要进行数控化改造，首先应对该设备进行估价，这也就是设备选型。已判断该设备是否有改造价值，改造后不能满足需求，改造后的可能性等，这些都于设备的选择密切相关，所以设备选型是设备改造的重要环节，应重点考虑几个重要参数:设备的型号规格、生产厂家和国别、投产时间、目前运行状况、剩余价值(机械、电气)、改造后可达到的预期效果。数控改造应尽可能采用20世纪80年代后生产的机床，因为这类机床由于使用年限短，其几何精度相对高一些，改造效果也要好一些。2.改造主要技术方案将普通车床改造为数控机床，是一项技术性很强的工作，必须根据加工对象的要求和工厂实际情况，确定切实可行的改造方案，搞好机床的改造设计。一个好的改造方案是改造成功的重要基础，并在这个环节上严格把关，保证改造的成功实施。改造方案的制定包含了很重要的内容，包括了对系统的了解熟悉、以往维修改造基础情况等方面的都有很高的要求。因此方案的制定和选择是机床数控化改造中极为重要的一环，它不仅影响被改造后的机床的性能要求，而且影响到经济性和改造效果。因此，必须在调查研究的基础上，进行充分的论证、选择，并确定技术方案。在选择技术方案时主要应从以下几个因素考虑：控系统 目前在市场可提供各种经济型和标准型数控系统。经济型数控系统具有结构简单，操作方便，技术容易掌握及制造技术成本低等优点，而标准型数控系统数控系统性能完善，与机械、强电结合方便，可靠性高。相对来说，经济型数控系统性能较差，系统平均年无故障工作时间较短，使用于具有一定维修能力的单位。 一般地，普通车床改造时，由于需要加工圆锥、圆弧等曲面，需要选择两轴联动控制的数控系统。控制方式 通常控制系统的控制方式分为开环、闭环和半闭环三种。开环系统无位置检测反馈装置，其加工精度由执行元件和传动机构的精度来保证。定位精度较低（一般只能达到±0.02/300），且这种控制方式多以步进电动机为驱动元件，受步进电机性能的影响，也是目前控制方式多以步进电动进给速度一般不高。但该控制方式投资少，安装调试方便，因此，使用于精度要求一般的机床改造，也是目前机床数控化改造中应用最为普遍的一种。半闭环控制方式虽然改造费用大，但精度较高（可达±0.01/0.03），且多以直流交流伺服电动机为驱动元件，速度也比开环控制方式高，安装调试也比较方便，因此使用于控制精度要求高的机床改造。闭环控制由于直接测量出移动部件的实际位置，要在机床的相应部位安装直线检测元件，工作量大、费用高、调试困难。它的稳定性与机械部分的各种非线性因素有很大关系，因此在数控改造中一般不采用这种控制方式。伺服驱动元件 目前在数控机床改造技术中和常用的元件有步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机。这些驱动元件，配以适当的攻放装置，即组成伺服驱动系统。机械系统 机械系统改造方案主要设计提高移动部件的灵活性，减少和消除传动间隙，特别是减少反向间隙，其改造工作量较大。通常改造的有导轨副、传动元件及联轴器等。a导轨副 普通车床的导轨多数采用滑动导轨，在低速时易出现爬行现象，直接影响运动部件的定位精度、若把滑动导轨改为滚动导轨和静压导轨，要求工艺高，许多相关零件组件需进行更换和加工，改造加工周期长，改造费用多，实现起来比较困难，在一般数控改造中比较少用。 另一种改造是采用贴塑导轨，即在原动导轨上粘接上聚四氟乙烯软带，能有效地防止爬行，具有自润滑性，提高导轨寿命，且零部件不需要更换，加工部位少，改造工作量小，周期短，费用低，在机床数控化改造中得到广泛应用。本次改造，仍然保留原滑动导轨。 b传动元件 在普通车床数控化改造中所涉及的传动元件是将旋转运动变为直线运动的传动副。普通车床通常采用普通滑动丝杠副。而数控车床由于要求移动部件灵敏、精度高反应快、无爬行，因此采用滚珠丝杠副来满足要求。在使用滚珠丝杠副时应注意由于丝杠副具有可逆传动特性，没有自琐能力，在高速大惯量系统中需要设置制动机构。当然，滚珠丝杠副由于制造复杂、加工精度要求高，因此价格要比普通丝杠高出许多。 由于滚珠丝杠副的径向尺寸较大，在进行普通车床的数控化改造时，许多相关部位都需修改，因此，为使改造方案容易实现在可能的情况下，有时仍用原普通丝杠，但为了清除丝杠与螺母间隙，应将单螺母副改成可调间隙的双螺母副。如果在数控化改造中，需采用其他元件，应注意消隙措施的采用以提高方向精度。 c联轴器 为清除传动系统中的反向间隙，提高重复定位精度，伺服驱动元件所用联轴器（如果有的话）多数采用无键连接，如用锥销刚性联轴器、锥环联轴器等。3.改造的实施 准备工作就绪后，即可进入改造的实施阶段。实施阶段的内容按时间顺序分为：原机床的全面保养 机床经长期使用后，会不同程度地在机械、液压、润滑、清洁等方面存在缺陷，所以首先要进行全面保养。其次，应对机床做一次改前的几何精度、尺寸精度测量，记录在案。这样可以对改造工作指导参考作用，又可在改造结束时做对比分析用。保留的电气部分最佳化调整 对电气系统做局部改造，保留电气部分进行保养和最佳化调整。如强电部分的零件更换，电动机的保养，伺服驱动装置的最佳化调整，老化电线电缆的更新，新接件的紧固等。只有对保留的电气部分做好过细的最佳化调整工件，才能保证改造后的机床有较低的故障率。原系统拆除 原系统的拆除必须对照原图进行，及时在图纸上进行标记，防止遗漏或过多的拆卸（在局部改造的情况下）。在拆卸的过程中也会发现一些新系统中的欠缺之处，应及时补充与修正，拆卸下来的系统以及零件应该分门别类，妥善保管，以备万一改造不成功或局部失败时恢复使用。合理安排新系统位置及布线 根据新系统设计图纸，合理进行新系统配置，包括箱体固定、面板安放、线路走向和固定、调整元件的位置、密封及必要装饰等。4.验收工作 验收工作应按已制定的验收标准进行。改造后期工作也很重要。验收及后期工作包括：机床机械性能验收 经过机械修理和改造以及全面保养，机床的各项机械性能应达到要求，集合精度应在规定的范围内。 电气控制功能和控制精度验收 电气控制的各项功能必须达到动作正常，灵敏可靠。控制精度应在系统本身的功能（如步进尺寸等）与标准计量器具（如坐标测量仪等）进行对照检查，必须达到精度范围之内。同时还应与改造前普通车床的各项功能和精度对比，以获得量化的指标差。 试件切削验收 可以参照国内外有关数控车床切削试件标准，在有资格的操作工、编程人员配合下进行试件切削。试件切削可以验收机床的刚度、切削力、噪声、有运动轨迹、关联动作等，一般不宜采用产品零件做试件使用。通常有两个内容：标准件的试切削，按国际标准，按照数控车床相应的标准试切削程序；机床精度的校验，根据各厂测量水平的高低，采用相应的手段，也可以采用激光干涉仪进行测量，这样机床的位置测量系统的补偿可采用得到的数据，从而提高机床精度。5.操作及维修人员的培训 数控机床使用的好坏，与基础的操作及维修人员的素质密切相关，对操作及维修人员本身有一定的要求，要对其系统的专业化的培训，使其全面地了解和掌握数控系统的基本原理操作规程、维修常识，懂得一般故障的判断和简单故障的处理七、 数控改造方案的确定1总体方案的设计     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，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。  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、连续控制系统。由于要求CA6140车床加工复杂轮廓零件，所以本微机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，本设计决定采用开环控制系统。  3总体方案的确定  经总体设计方案的论证后，确定：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。主要设计参数如下： 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： 600N 自动生降速性能： 有 起动加速时间： 30ms主电机功率： 7.5Kw1.进给伺服系统机械部分的结构改造设计方案4纵向进给机械结构改造方案典型的纵向滚珠丝杠的支承形式一般采用一端固定，一端浮动，三点支承的布局。步进电动机及减速器的安装可在任一端。若安装在机床的左侧，应拆除原机床进给箱，在原安装进给箱处安装步进电动机及减速器。在机床右侧安装可保留其进给箱部分，如图4所示，在原丝杠轴承托架处安装步进电动机及减速器，这样既简单又方便，多数的数控改造均采用这种方法。也可以设计一个专用的轴承支承座，使得结构更加合理稳定。 在滚珠丝杠的左端可设计一个专用的轴承支座，采用一个轴套式滑动轴承作为径向支承，在滑动轴承的两侧分别安装一对推力轴承， 承受两个方向的轴向力。支撑轴与滚珠丝杠通过联轴套联接起来， 并由销钉固定。滚珠丝杠的右端通过联轴套与减速器的输出轴联接， 减速器固定在丝杠托架上。滚珠丝杠的中间支承为滚珠螺母， 螺母支架固定在床鞍上。 有许多机床在进行数控改造时， 并未设计专用的两端轴承支架， 而是采用原有的支承及轴承， 仅在原输出轴处通过联轴器联接即可，这样既方便又简单， 通过实践此方法适用于一般机床数控改造。如图.5 所示， 是纵向减速器与丝杠安装的典型结构， 有锁紧螺母3 进行轴向锁紧固定， 固定销.5 防止减速器转动， 通过连轴套1与丝杠联接， 两固定销位置相差90度定位。 注意： 减速器与丝杠支架的直径和长度尺寸要相一致， 否则还须再拆卸丝杠支架， 进行孔的加工， 非常麻烦。拆除原机床的进给像、溜板箱、滑动丝杠、光杠等，装上步进电机、齿轮减速箱和滚珠丝杠螺母副。为了提高支承刚度，采用向心推力球轴承对加止推轴承支承方式。齿轮间隙采用双薄片调隙方式。利用原机床进给箱的安装孔和销钉孔安装齿轮箱体。滚珠丝杆仍安置在原来的位置，两端仍采用原固定方式。这样可减少改装工作量，并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，且外径比原先的大，从而使纵向进给整体刚度只可能增大。纵向进给机构都采用了一级齿轮减速。双片齿轮间没有加弹簧自动消除间隙。因为弹簧的弹力很难适应负载的变化情况。当负载大时，弹簧弹力显小，起不到消除间隙之目的；当负载小时，弹簧弹力又显大，则加速齿轮的磨损。因此，采用定期人工调整、螺钉紧固的办法消除间隙。 纵向齿轮箱和溜板箱均加外罩，以保持机床原外观，起到美化机床的效果，在溜板箱上安装了纵向快速进给和急停按钮，以适应机床调整时的操作需要和遇到意外情况时的急停处理需要。5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，同时消除传动过程的冲击，减速机构采用二级传动，从动轮采用双薄片错位消除间隙。 八、机构机械部分的设计计算1. 选择脉冲当量根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向：0.01mm/步， 横向：0.005mm/步（半径）2.计算切削力2.1纵车外圆主切削力FZ（N）按经验公式估算：FZ=0。67Dmax1。5=0。67*4001。5=5360 按切削力各分力比例： FZ/FX/FY=1/0.25/0.4 F X=5360×0.25=1340 FY=5360×0.4=21442.2横切端面主切削力FZ（N）可取纵切的0.5 FZ=0.5FZ=2680此时走刀抗力为FY（N），吃刀抗力为Fx（N）。仍按上述比例粗略计算： FZ/FX/FY=1/0.25/0.4 FY=2680×0.25=670 FX=2680×0.4=10723.滚珠丝杆螺母副的计算和选型3.1纵向进给丝杆3.1.1计算进给牵引力Fm（N）纵向进给为综合型导轨 Fm=KFx+f（Fz+G） =1.158×1340+0.16×（5360+800） =2530 式中 K考虑颠复力距影响的实验系数，综合导轨取K=1.15； f滑动导轨摩擦系数：0.150.18； G溜板及刀架重力：G=800N3.1.2计算最大动负荷C C=3LfWFM L=60×n×t/106 N=1000×Vs/Lo 式中 Lo滚珠丝杆导程，初选L=6mm； Vs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Vs=0.6m/min T使用寿命，按15000h； fw运转系数，按一般运转取F=1.21.5； L寿命、以106为一单位。n=1000Vs/Lo=1000×0.6×0.5/6=50r/minL=60×N×T/106=60×60×15000/106=45C=3LfwFm=345×1.2×2530=10798.7N 3.1.3滚珠丝杆螺母副的选型查阅表，可用W1L400b外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杆副，1列2.5圈，其额定动负载为16400N，精度等级按表4-15选为3级（大致相当老标准E级）。3.1.4传动效率计算=tg/tg(+)试中螺旋升角，W1L400b=2º44摩擦角10滚动摩擦系数0.003-0.004=tg/tg(+) =tg2º44/tg(2º44+10)=0.94 3.1.5刚度验算最大牵引力为2530N。支撑间距L=1500mm螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。A. 丝杠的拉伸或压缩变形量1根据Pm=2530N，D0=40mm，查出L/L=1.2×10-5可算出：1=L/L×1500=1.2×10-5×1500=1.8×10-2由于两端采用向心推力球轴承，且丝杆又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量 1(mm)为： 1=0.25×10-2 B滚珠与螺纹滚道间接触变形q 查阅表得：W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量q ：q=6.4µm因进行了预紧， 2 =0.5q =0.5×6.4=3.2µmC支承滚珠丝杆轴承的轴向接触变形3采用8107型推力球轴承，d1=35mm，滚动体直径dq=6.34mm，滚动体数量Z=18，c=0.0024×3Fm2/(dq×Z2) =0.0024×32532/(6.35×182)注意，此公式中Fm单位为kgf应施加预紧力，故3=0.5=0.5×0.0075=0.0038mm 根据以上计算：= 1+2+3 =0.0045+0.0032+0.0038 =0.0115mm定位精度3.1.6稳定性校核。滚珠丝杆两端推力轴承，不会产生产生失稳现象不需作稳定性校核。3.2横向进给丝杆3.2.1计算进给牵引力Fm横向导轨为燕尾形，计算如下：Fm=1.4×Fy+f(Fz+2Fx+G) =1.4×670+0.2×(2680+2×1072+600)2023N3.2.2计算最大动负荷C n=1000×V3/L0=1000×0.3×0.5/5=30 L=60×n×T/106=60×30×15000/106 C=3LfwFm=327×1.2×2030=7283N3.2.3选择滚珠丝杠螺母副经查表得出，W1L20051列2.5圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副，额定动载荷为8800N，可满足要求，选定精度为3级。3.2.4传动效率计算=tg/tg(+)=tg4º33/tg(4º33+10)=0.9653.2.5刚度验算横向进给丝杠支承方式如 图所示，最大牵引力为2425N，支承间距L=450mm，因丝杠长度较短，不需预紧，螺母及轴承预紧。计算如下： A.丝杠的拉伸或压缩变形量1(mm)查表，根据Fm=2032N，D0=20MM，查出L/L=5×105 可算出1= L /L×L=4.2×105 ×450=1.89×102mm显然系统应进行预拉伸，以提高刚度 故 =0.251=4.7×103B.滚珠与螺纹滚道间接触变形查表得 q=8.5m因进行了预紧 2=0.5q=0.5×8.5=4.25mC.支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形采用8103型推力球轴承，dq=5Z=13d=17mmc=0.00243Fm2/(dq×Z2) =0.00243202.3/5×132=1.3×103考虑到进行了预紧，故 3=0.5 c=0.5×1.3×103=6.5×104综合以上几次变形量之和得：=123=4.7×10¯3+4.25×10¯3/+ =0.00960.015（定位精度 ）3.2.6稳定性校核滚珠丝杠两端推力轴承，不会产生失稳现象不需作稳定性校核。传动比计算4.传动比计算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 p =0.01，滚珠丝杠导程L0=6mm，初选步进电机步距角0.75。可计算出传动比i i=360p / bL 0 =390×0.01/0.75×6=0.8可选定齿轮齿数为： I =Z1/Z2 Z1=32，Z2=40 ，或Z1=20，Z2=254.2横向进给齿轮箱传动比计算已确定横向进给脉冲当量p =0.005，滚珠丝杠导程L0=5mm，初选步进电机步距角0.75º。可计算出传动比i I=360p / bL 0=360×0.005/0.75×5=0.48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：i=Z1Z2/Z3Z4=3×4/5×5=24×20/40×25Z1=24，Z2=40，Z3=20，Z4=25因进给运动齿轮受力不大，模数m取2。有关参数参照下表：齿数324024402025分度圆d=mz648048804050齿顶数da=d+2m688452844454齿根数df=d-21.25m597543753545齿宽(6-8)m202020202020中心距A=(d1+d2)/2726445九、步进电机的计算和选型目前，步进电动机主要用于经济型数控机床的进给驱动，且用于开环控制结构。选用步进电动机时，通常希望步进电动机的输出转矩大，启动频率和运行频率高，步矩误差小，性能价格比高。但增大转矩与快速运行存在一定矛盾，高性能与低成本存在一定矛盾，因此实际选用时，必须全面考虑。首先，应考虑系统的精度和速度的要求；其次，对位移误差的的要求；第三，步进电机的特性曲线对步进电动机参数选择有影响的特性曲线：起动矩频特性曲线和反映转矩与连续运行频率之间关系的工作矩频特性曲线；第四，步进电动机的选择既要满足快速进给的要求，又要满足切削进给的要求。1、纵向进给步进电机计算1.1等效传动惯量计算传动系统折算到电机轴上的总传动惯量J(kgcm2)可有下式计算：J=Jm+J1+（Z1/Z2）2(J2+Js)+G/g(L0/2)2式中：Jm步进电机转子转动惯量(kgcm2)J1，J2齿轮Z1、Z2的转动惯量(kgcm2)Js滚珠丝杠传动惯量(kgcm2)参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转子转动惯量Jm=10(kgcm2)J1=0.78×10­3×d14·L1=0.78×10­3×6.42×2=2.6 kgcm2J2=0.78×10­3×d24·L2=0.78×10­3×82×2=6.39 kgcm2Js=0.78×10­3×44×150=29.952 kgcm2G=800N代入上式： J=Jm+J1+（Z1/Z2）2(J2+Js)+G/g(L0/2)2 =10+2.62+(32/40)2(6.39+29.592)+800/9.8(0.6/2)2=36.355 kgcm2考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。Jm/J=10/36.355=0.275基本满足惯量匹配的要求。1.2电机力矩计算机床在不同的工况下，其所需转距不同，下面分别按各阶段计算：A.快速空载启动力矩M起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： M起=Mamax+Mf+Ma Mamax=J·= Jnnax×10­2/(60×ta/2) = J×2·nmax×10­2/(60×ta)nmax=max·b/p·360将前面数据代入，式中各符号意义同前。 nmax=max·b/p·360=2400×0.75÷(0.01×360)=500r/min 启动加速时间ta=30ms Mamax=J×2·nmax×10­2/(60×ta)=36.355×2×500×10­2/(60×0.03)=634.5N·cm 折算到电机轴上的摩擦力距Mf： Mf=FOL0/2i=f¹(Pz+G)×L0/(2Z2/Z1) =0.16×(5360+800)×0.6/(2×0.8×1.25)=94N·cm 附加摩擦力距M0 MO=FPOL0(1-02)/2i=1/3×Ft×L0(1-02)/(2Z2/Z1) =1/3×2530×0.6×(1-0.92)/( 2×0.8×1.25) =805.3×0.19=15.3N·cm上述三项合计： M起=Mamax+Mf+Ma=634.5+94+15.3=743.8N·cmB快速移动时所需力矩M快。M快=Mf+M0=94+15.3=109.3N·cmC快速切削负载时所需力矩 M切M切=Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL0/2i =94+15.3+1340×0.6/(2×0.8×1.25) =94+15.3+127.96=237.26N·cm 从上面计