C6132舊機床數(shù)控化進給系統(tǒng)的改造設計,C6132舊機床數(shù)控化進給系統(tǒng)的改造設計,c6132,機床,數(shù)控,進給,系統(tǒng),改造,設計 畢業(yè)設計說明書 C6132舊機床數(shù)控化進給系統(tǒng)的改造 學 生 班 級 學 號 指導教師 摘 要 本次設計是對C6132舊機床數(shù)控化進給系統(tǒng)的改造的設計。在這里主要包括:主傳動系統(tǒng)的設計、縱向進給系統(tǒng)的設計、橫向進給系統(tǒng)的設計。而我主要是針對橫向進給系統(tǒng)的設計縱向進給系統(tǒng)進行機械設計。這次畢業(yè)設計對設計工作的基本技能的訓練，提高了分析和解決工程技術問題的能力，并為進行一般機械的設計創(chuàng)造了一定條件。 數(shù)控設計主要傳動系統(tǒng)的機械設計。由于對經濟型機床數(shù)控化改造的加工精度要求不高，為簡化結構、降低成本。通過控制橫進給系統(tǒng)，保證設計后的車床具有定位、直線插補、圓弧插補、暫停等功能。為實現(xiàn)機床所要求的傳動效率，采用步進電機經聯(lián)軸器再傳動絲杠；為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。 關鍵詞：車床，數(shù)控設計， 聯(lián)軸器，滾珠絲杠 Abstract This design is about the common Lathe C6132 transformation of NC. Main tasks are: the transformation of the main transmission system, the transformation of the vertical feeding system, horizontal feed system reform. While I was mainly aim at the lateral feeding system mechanical transformation. The graduation project on the design of the basic skills training has improved the analysis and the ability to solve engineering problems, and create a certain condition for general mechanical design. NC transformation is mainly a transformation of mechanical drive system. Because of the economy less precision CNC machining, it is order to simplify the structure and reduce costs. By controlling the cross-feed system, it ensures the modified lathe with positioning, linear interpolation, circular interpolation, and pause. Required for the realization of the transmission efficiency of machine tool, we should us a stepping motor drive and then screw through the coupling. To ensure a certain degree of driving accuracy and stability and minimize friction, a ball screw pair is needed. Keywords: lathe, NC Transformation , Coupling ,Ball Screw 目 錄 摘 要 II Abstract III 目 錄 IV 第1章 概述 1 1.1機床數(shù)控化改造及其特點 1 1.2 機床數(shù)控化改造的經濟分析 2 1.2 機床數(shù)控化改造的工藝范圍及加工精度 2 1.4 機床數(shù)控化改造的發(fā)展趨勢 3 第2章 機床數(shù)控化改造總體方案的制訂及比較 5 2.1 總體方案比較與確定 5 2.1主軸系統(tǒng)的方案確定 5 2.2安裝電動卡盤 5 2.3換裝自動回轉刀架 6 2.4螺紋編碼器的安裝方案 6 2.5進給系統(tǒng)的與設計方案 6 2.6 尾座與設計方案 7 第3章 縱向進給伺服進給結構設計 8 3.1 確定脈沖當量 8 3.2 切削力的計算 8 3.3滾珠絲杠螺母副的計算和選型 9 3.3.1 精度的選擇 10 3.3.2絲杠導程的確定 10 3.3.3 最大工作載荷的計算 10 3.3.4 最大動載荷的計算 11 3.3.5 滾珠絲杠螺母副的選型 11 3.3.6 滾珠絲杠副的支承方式 12 3.4.3 傳動效率的計算 12 3.3.8 剛度的驗算 12 3.3.9 穩(wěn)定性校核 13 3.3.10 臨界轉速的驗證 14 3.4 齒輪傳動的計算 15 3.5 步進電動機的選擇 15 3.6導軌的特點 17 4.3 導軌的設計 19 第4章 橫向進給伺服進給結構設計 22 4.1切削力的計算 22 4.2 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 22 4.2.1 最大工作載荷的計算 22 4.2.2 最大動載荷的計算 22 4.2.3滾珠絲杠螺母副的選型 23 4.2.4 滾珠絲杠副的支承方式 23 4.2.5 傳動效率的計算 23 4.2.6 剛度的驗算 24 4.2.7 穩(wěn)定性校核 24 4.2.8臨界轉速的驗證 25 4.3 進給伺服系統(tǒng)傳動計算 25 4.3.1確定傳動比 25 4.3.2齒輪參數(shù)的計算 25 4.4.步進電機的計算和選用 26 4.4.1轉動慣量的計算 26 4.4.2電機力矩的計算 27 4.5步進電機的選擇 29 結論 31 參考文獻 32 致謝 34 VI 第1章 概述 1.1機床數(shù)控化改造及其特點 數(shù)字控制機床（Numerical Control Machine Tools）簡稱機床數(shù)控化改造，這是一種將數(shù)字計算機技術應用于機床的控制技術。它把機械加工過程中的各種控制信息用代碼化的數(shù)字表示，通過信息載體輸入數(shù)控裝置，經運算處理由數(shù)控裝置發(fā)出各種控制信號，控制機床的動作，按圖紙要求的形狀和尺寸，自動地將零件加工出來。機床數(shù)控化改造較好地解決了復雜、精密、小批量、多品種的零件加工問題，是一種柔性、高效能的自動化機床，是典型的機電一體化產品。 機床數(shù)控化改造一般由下列幾個部分組成： 1）主機，它是機床數(shù)控化改造的主題，包括機床身、立柱、主軸、進給機構等機械部件，是用于完成各種切削加工的機械部件。 2）數(shù)控裝置，是機床數(shù)控化改造的核心，相當于人的大腦，它包括硬件（印刷電路板、CRT顯示器、鍵盒、紙帶閱讀機等）以及相應的軟件，用于輸入數(shù)字化的零件程序，并完成輸入信息的存儲、數(shù)據(jù)的變換、插補運算以及實現(xiàn)各種控制功能。 3）驅動裝置，它是機床數(shù)控化改造執(zhí)行機構的驅動部件，包括主軸驅動系統(tǒng)、伺服驅動系統(tǒng)、主軸電機及伺服電機等。它在數(shù)控裝置的控制下通過電氣或電液伺服系統(tǒng)實現(xiàn)主軸和進給驅動。當幾個進給聯(lián)動時，可以完成定位、直線、平面曲線和空間曲線以及曲面的加工。 4）輔助裝置，指機床數(shù)控化改造的一些必要的配套部件，用以保證機床數(shù)控化改造的運行，如冷卻、排屑、潤滑、照明、監(jiān)測等。它包括液壓和氣動裝置、排屑裝置、交換工作臺、數(shù)控轉臺和數(shù)控分度頭，還包括刀具及監(jiān)控檢測裝置等。 5） 編程及其他附屬設備，可用來在機外進行零件的程序編制、存儲等。 與機床數(shù)控化改造相比，機床數(shù)控化改造有如下特點： 1）加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質量； 2）可進行多坐標的聯(lián)動，能加工形狀復雜的零件； 3）加工零件改變時，一般只需要更改數(shù)控程序，可節(jié)省生產準備時間； 4）機床本身的精度高、剛性大,可選擇有利的加工用量，生產率高（一般為機床數(shù)控化改造的3-5倍）； 5）機床自動化程度高，可以減輕勞動強度； 6）對操作人員的素質要求較高，對維修人員的技術要求更高。 1.2 機床數(shù)控化改造的經濟分析 機床數(shù)控化改造能縮短生產準備時間，增加切屑加工時間的比率； 使用機床數(shù)控化改造進行生產，加工的零件精度高，產品質量穩(wěn)定,從而有效的提高了產品在市場上的競爭力； 機床數(shù)控化改造具有廣泛的適應性和較大的靈活性，因此能夠完成很多機床數(shù)控化改造很難完成或者根本不能加工的、具有復雜型面、要求高精度的零件的加工； 許多機床數(shù)控化改造如加工中心具有自動換刀功能，使零件一次裝夾之后就能夠完成多個加工部位的加工，實現(xiàn)了一機多用，大大節(jié)省了設備和廠房面積； 生產者可以對生產成本進行預算，并對生產進度進行合理的安排，以達到提高經濟效益的目的； 應用機床數(shù)控化改造進行生產，減輕了工人的勞動強度，提高了工人工作的環(huán)境質量，增加了工人的生產積極性，促進了生產，提高了生產效率。 隨著社會生產和科學技術的迅速發(fā)展，機械產品日趨精密復雜，且需頻繁改型，機床數(shù)控化改造已不能適應這些要求，機床數(shù)控化改造應運而生。這種新型機床具有適應性強、加工精度高、加工質量穩(wěn)定和生產效率高等優(yōu)點。它綜合應用了電子計算機、自動控制、伺服驅動、精密測量和新型機械結構等多方面的技術成果，是今后機床控制的發(fā)展方向。 1.2 機床數(shù)控化改造的工藝范圍及加工精度 數(shù)控改造化車床是一種高精度、高效率的自動化機床，也是使用數(shù)量最多的機床數(shù)控化改造，約占機床數(shù)控化改造總數(shù)的25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、輪廓形狀復雜的軸類、盤類等回轉體零件的加工，能夠通過程序控制自動完成園柱面、圓錐面、圓弧面和各種螺紋的切削加工，并能進行切槽、鉆孔、擴孔、鉸孔等加工。 由于數(shù)控改造化車床具有加工精度高、能作直線和圓弧插補功能，有些數(shù)控改造化車床還具有非圓曲線插補功能以及加工過程中具有自動變速功能等特點，所以它的工藝范圍要比普通車床要寬得多。 1.精度要求高的回轉體零件 由于數(shù)控改造化車床剛性好，制造和對刀精度高，以及能方便和精確地進行人工補償和自動補償，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以銑代磨。 2.表面粗糙度要求高的回轉體零件 數(shù)控改造化車床具有恒線速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均勻的零件。使用恒線速切削功能，就可選用最佳速度來切削錐面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。數(shù)控改造化車床還適合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位選用較大的進給量，要求小的部位選用小的進給量。 3.輪廓形狀特別復雜和難于控制尺寸的回轉體零件 由于數(shù)控改造化車床具有直線和圓弧插補功能，部分車床數(shù)控裝置還有某些非圓曲線和平面曲線插補功能，所以可以加工形狀特別復雜或難于控制尺寸的的回轉體零件。 1.4 機床數(shù)控化改造的發(fā)展趨勢 機床數(shù)控化改造最早是從美國開始研制的。1948年，美國帕森斯公司在研制加工直升機槳葉輪廓用檢查樣板的加工機床任務時，提出了研制機床數(shù)控化改造的初始設想。1949年，帕森斯公司與麻省理工學院伺服機構實驗室合作，開始從事機床數(shù)控化改造的研制工作。并于1952年試制成功世界上第一臺機床數(shù)控化改造實驗性樣機。這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補三坐標連續(xù)控制銑床。經過三年改進和自動編程研究，于1955年進入實用階段。一直到20世紀50年代末，由于價格和技術原因，品種多為連續(xù)控制系統(tǒng)。到了60年代，由于晶體管的應用，數(shù)控系統(tǒng)提高了可靠性且價格開始下降，一些民用工業(yè)開始發(fā)展機床數(shù)控化改造，其中多數(shù)是鉆床、沖床等點位控制的機床。數(shù)控技術不僅在機床上得到實際應用，而且逐步推廣到焊接機、火焰切割機等，使數(shù)控技術不斷的擴展應用范圍。 自1952年，美國研制成功第一臺機床數(shù)控化改造以來，隨著電子技術、計算機技術、自動控制和精密測量等相關技術的發(fā)展，機床數(shù)控化改造也在迅速地發(fā)展和不斷地更新?lián)Q代，先后經歷了五個發(fā)展階段。 第一代數(shù)控：1952-1959年采用電子管元件構成的專用數(shù)控裝置。 第二代數(shù)控：從1959年開始采用晶體管電路的NC系統(tǒng)。 第三代數(shù)控：從1965年開始采用小、中規(guī)模集成電路的NC系統(tǒng)。 第四代數(shù)控：從1970年開始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計算機控制的系統(tǒng)。 第五代數(shù)控：從1974年開始采用微型電子計算機控制的系統(tǒng)。 目前，第五代微機數(shù)控系統(tǒng)基本上取代了以往的數(shù)控數(shù)控系統(tǒng)，形成了現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)。它采用微型處理器及大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路，具有很強的程序存儲能力和控制功能。這些控制功能是由一系列控制程序來實現(xiàn)的。這些數(shù)控系統(tǒng)的通用性很強，幾乎只需改變軟件，就可以適應不同類型機床的控制要求，具有很大的柔性。隨著集成電路規(guī)模的日益擴大，光纜通信技術應用于數(shù)控裝置中，使其體積日益縮小，價格逐年下降，可靠性顯著提高，功能也更加完善。 近年來，微電子和計算機技術的日益成熟，它的成果正在不斷滲透到機械制造的各個領域中，先后出現(xiàn)了計算機直接數(shù)控系統(tǒng)，柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)。所有這些高級的自動化生產系統(tǒng)均是以機床數(shù)控化改造為基礎，它們代表著機床數(shù)控化改造今后的發(fā)展趨勢。 6 第2章 機床數(shù)控化改造總體方案的制訂及比較 2.1 總體方案比較與確定 總體方案應考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運動方式、進給伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng)CPU的選擇，以及進給傳動方式和執(zhí)行機構的選擇等。 數(shù)控改造化車床后應具有單坐標定位，兩坐標直線插補、圓弧插補以及螺紋插補的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應設計成連續(xù)控制型。 屬于經濟型機床數(shù)控化改造，在保證一定加工精度的前提下，應結構簡化，降低成本。因此，進給伺服系統(tǒng)采用步進電動機的開環(huán)控制系統(tǒng)。 比較項目 方案一 方案二 確定后的方案 具體原因 主軸箱 分級變速采用 調速電機+ 齒輪傳動 采用三相異步 電機+減速器 方案一 變速級數(shù)比較多 滿足多種加工 需要，也符合 任務書要求 進給機構 滾珠絲杠 +步進電機 滾珠絲杠 +伺服電機 方案一 脈沖當量 步進電機控制 的準確 刀架 四工位回轉 刀架 六工位回轉 刀架 都可以 各有各的好處 尾座 液壓尾座 手動普通尾座 液壓尾座 可通過數(shù)控系統(tǒng) 調整方便 數(shù)控系統(tǒng) 8位單片機 16位單片機 方案一 基本需求可以滿足 2.1主軸系統(tǒng)的方案確定 若要提高車床的自動化程度，需要在加工中自動變換轉速，可用2~4速的多速電動機代替原有的單速主電動機；當多速電動機仍不能滿足要求時，可用交流變頻器來控制主軸電動機，以實現(xiàn)無級變速（工廠使用情況表明，使用變頻器時，若工作頻率低于，原來的電動機可以不更換，但所選變頻器的功率應比電動機大）。 2.2安裝電動卡盤 為了提高加工效率，工件的夾緊與松開采用電動卡盤，選用呼和浩特附件總廠生產的KD11250型電動三爪自定心卡盤?？ūP的夾緊與松開由數(shù)控系。 2.3換裝自動回轉刀架 為了提高加工精度，實現(xiàn)一次裝夾完成多道工序，將車床原有的手動刀架換成自動回轉刀架，選用常州市宏達機床數(shù)控設備有限公司生產的LD4B-CK6140型四工位立式電動刀架。實現(xiàn)自動換刀需要配置相應的電路，由數(shù)控系統(tǒng)完成。 2.4螺紋編碼器的安裝方案 螺紋編碼器又稱主軸脈沖發(fā)生器或圓光柵。數(shù)控改造化車床加工螺紋時，需要配置主軸脈沖發(fā)生器，作為車床主軸信號的反饋元件，它與車床主軸同步。 后的車床能夠加工的最大螺紋導程是，Z向的進給脈沖當量是，所以螺紋編碼器每轉一轉輸出的脈沖數(shù)應不少于。考慮到編碼器的輸出有相位差的A、B相信號，可用A、B異或后獲得個脈沖（一轉內），這樣編碼器的線數(shù)可降到線（A、B信號）。另外，為了重復車削同一螺旋槽時不亂扣，編碼器還需要輸出每轉一個的零位脈沖Z。 基于上述要求，選擇螺紋編碼器的型號為：ZLF-1200Z-05VO-15-CT。電源電壓+5V，每轉輸出個A/B脈沖與1個Z脈沖，信號為電壓輸出，軸頭直徑，生產廠家為長春光機數(shù)顯技術有限公司。 螺紋編碼器通常有兩種安裝形式：同軸安裝和異軸安裝。同軸安裝是指將編碼器直接安裝在主軸后端，與主軸同軸，這種方式結構簡單，但它堵住了主軸的通孔。異軸安裝是指將編碼器安裝在床頭箱的的后端，一般盡量裝在與主軸同步旋轉的輸出軸，如果找不到同步軸，可將編碼器通過一對傳動比為的同步齒形帶與主軸連接起來。需要注意的是，編碼器的軸頭與安裝軸之間必須采用無間隙柔性連接，且車床組、主軸的最高轉速不允許超過編碼器的最高許用轉速。 2.5進給系統(tǒng)的與設計方案 在此主軸的同步軸，安裝螺紋編碼器。 在此位置安裝縱向進給步進電動機與同步帶減速箱總成。 在縱溜板的下面安裝縱向滾珠絲杠的的螺母座與螺母座托架。 在橫溜板上方安裝四工位立式刀架。 將滑動絲桿靠刻度盤一段（長，見圖一）鋸斷保留，拆掉刻度盤上的手柄，保留刻度盤附近的兩個推力軸承，換上滾珠絲杠副。 將橫向進給步進電動機通過法蘭安裝到橫溜板后部的縱溜板上，并與滾珠絲杠的軸頭相聯(lián)。更換絲桿的右支承。 2.6 尾座與設計方案 設計成液壓尾座。 第3章 縱向進給伺服進給結構設計 2.1、C6132普通車床參數(shù) 3.1 確定脈沖當量 一個進給脈沖，使機床運動部件產生位移量，也稱為機床的最小設定單位。脈沖當量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術參數(shù)。經濟型數(shù)控車床銑床常采用的脈沖當量是0.01～0.005mm/脈沖。 根據(jù)機床精度要求確定脈沖當量，縱向：0.01mm/脈沖，橫向：0.01mm/脈沖。 3.2 切削力的計算 切削力是指在切屑過程中產生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力，或通俗的講是在切削加工時，工件材料抵抗刀具切削時產生的阻力。車削外圓時的切削力如圖3-1所示。主切削力與切削速度的方向一致，垂直向下，是計算車床主軸電動機切削功率的依據(jù)；進給力與進給方向平行且方向相反；背向力與進給方向相垂直，對加工精度的影響較大。 Fz Fx Fy 圖3-1 車削力分析 選工件材料碳素結構鋼，=650 MP；選用刀具材料為高速鋼； 刀具幾何參數(shù)：主偏角=，前角=，刃傾角=； 切削用量為：背吃刀量=2mm，進給量=0.8mm/r，切削速度=1 m /min.。 由表（2.1）查得：=1770; =1.0 =0.75 =0; 由表（2.2）查得：主偏角修正系數(shù)=0.92 ,前角，刃傾角修正系數(shù)都為1.0； 代入公式： = =2754.92 ( N ) 2.2.2、進給力與背吃刀力 由經驗公式： ：：=1:0.35:0.4 知：==2754.92N ==0.35x2754.92=964.22N ==0.4x2754.92=1101.97N 3.3滾珠絲杠螺母副的計算和選型 滾珠絲杠副的作用是將旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動，其螺旋傳動是在絲杠和螺母滾道之間放人適量的滾珠，使螺紋間產生滾動摩擦。絲杠轉動時，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動。螺母上設有返向器，與螺紋滾道構成滾珠的循環(huán)通道。為了在滾珠與滾道之間形成無間隙甚至有過盈配合，可設置預緊裝置。為延長工作壽命，可設置潤滑件和密封件。 3.3.1 精度的選擇 滾珠絲杠副的精度直接影響數(shù)控機床的定位精度，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，其導程誤差對機床定位精度最明顯。一般在初步設計時設定絲杠的任意300行程變動量應小于目標設定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗算中確定。對于車床，選用滾珠絲杠的精度等級X軸為1～3級（1級精度最高），Z軸為2～5級，考慮到本設計的定位精度要求和改造的經濟性，選擇X軸精度等級為3級，Z軸為4級。 3.3.2絲杠導程的確定 選擇導程跟所需要的運動速度、系統(tǒng)等有關，通常在：4、5、6、8、10、12、20中選擇，規(guī)格較大，導程一般也可選擇較大（主要考慮承載牙厚）。在速度滿足的情況下，一般選擇較小導程（利于提高控制精度），本設計中初選縱向絲杠導程為8，橫向絲杠導程為5。 3.3.3 最大工作載荷的計算 最大工作載荷是指滾珠絲杠螺母副在驅動工作臺時所承受的最大軸向力，也叫進給牽引力,其實驗計算公式如表3-1所示。 表3-1 實驗計算公式及參考系數(shù) 導軌類型 實驗公式 矩形導軌 1.1 0.15 燕尾導軌 1.4 0.2 綜合或三角導軌 1.15 0.15-0.18 表中為考慮顛覆力矩影響時的實驗系數(shù)；為滑動導軌摩擦系數(shù)；為移動部件總重量。G=1000 N 查表3-1選擇綜合導軌，取1.15,取0.18,為1000； 算得=1.15×1197+0.18×（3420+1000） =2171.55 3.3.4 最大動載荷的計算 載荷隨時間急劇變化且使構件的速度有顯著變化（系統(tǒng)產生慣性力），此類載荷為動載荷。比如起重機以等速度吊起重物，重物對吊索的作用為靜載，起重機以加速度吊起重物，重物對吊索的作用為動載。 對于滾珠絲杠螺母副的最大動載荷計算公式如下： 式中：—滾珠絲杠副的壽命系數(shù)，單位為r，（T為使用壽命，普通機床T取5000-10000h，數(shù)控機床T取15000h；n為絲杠每分鐘轉速）； —載荷系數(shù)，一般取1.2～1.5，本設計取1.2； —硬度系數(shù)（HRC58時取1.0；等于55時取1.11；等于52.5時取1.35；等于50時取1.56；等于45時取2.40）； —滾珠絲杠副的最大工作載荷，單位為N。 本設計中車床縱向承受最大切削力條件下最快的進給速度,初選絲杠基本導程，則絲杠轉速。取滾珠絲杠使用壽命，帶入得=90；取，代入，求得 ：=17390N。 3.3.5 滾珠絲杠螺母副的選型 初選滾珠絲桿副時應使其額定動載荷, 當滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速狀態(tài)下長時間承受工作載荷時，還應使額定靜載荷。 根據(jù)計算出的最大動載荷,選擇江蘇啟東潤澤機床附件有限公司生產的FL4008-3型內循環(huán)式滾珠絲杠副，采用雙螺母螺紋式預緊，精度等級為4級，其參數(shù)如表3-2所示。 表3-2 FL4008-3型滾珠絲杠相關參數(shù) 公稱直徑/ 導程/ 鋼球直徑/ 絲杠外徑/ 絲杠底徑/ 額定載荷/ 接觸剛度 / 1897 40 8 4.763 38.6 35.24 66 31 3.3.6 滾珠絲杠副的支承方式 滾珠絲杠副的支承主要用來約束絲杠的軸向竄動，為了提高軸向剛度，絲杠支承常用推力軸承為主的軸承組合?？紤]到縱向絲杠長度較大，本設計縱向絲杠采用雙推—簡支支承方式，該方式臨界轉速、壓桿穩(wěn)定性高，有熱膨脹的余地。 3.4.3 傳動效率的計算 滾珠絲杠的傳動效率一般在0.8～0.9之間，其計算公式如下： = 式中：—螺距升角，根據(jù),可得=2°91′； —摩擦角，一般取=10′。 算得： ==96.67% 3.3.8 剛度的驗算 滾珠絲杠副工作時受軸向力和轉矩的作用，引起導程的變化，從而影響定位精度和運動的平穩(wěn)性。軸向變形主要包括絲杠的拉伸或壓縮變形、絲杠與螺母間滾道的接觸變形、支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形。 因轉矩和絲杠-螺母滾道接觸對絲杠產生的導程變化很小，所以、可以忽略不計，所以絲杠的拉伸或壓縮變形量為： =（“+”號代表拉伸，“-”代表壓縮） 式中：—絲杠的最大工作載荷，單位為； —絲杠縱向最大有效行程，單位為； —絲杠材料的彈性模量，鋼； —絲杠的橫截面面積，單位按絲杠螺紋的底徑確定。 根據(jù)前面的設計，為3234.36，取1665，為45.24，算得： ==±0.01597=±15.97 查表3-3可知，,所以剛度足夠。 表3-3 有效行程內的目標行程公差和行程變動量 有效行程 精度等級 1 2 3 4 5 大于 至 — 315 6 6 8 8 12 12 16 16 23 23 400 500 8 7 10 9 15 13 20 19 27 26 1600 2000 18 13 25 18 35 25 48 36 65 51 3.3.9 穩(wěn)定性校核 由于滾珠絲杠本身比較細長又受軸向力的作用，若軸向負載過大，則會產生失穩(wěn)現(xiàn)象，不失穩(wěn)時的臨界載荷Fk應該滿足： = 式中：—絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時，取2，其他方式如表3-4所示； —滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5～4，垂直安裝時取最小值，本設計取4； —滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為，本設計中該值為2000； （其中工件加工長度為1400，取2000，留600的兩端余量） —按絲杠底徑確定的截面慣性矩（，單位為）,本設 中將代入算出=205513.36。 由以上數(shù)據(jù)可以算出：== 臨界載荷遠大于工作載荷（3234.36N），故絲杠不會失穩(wěn)。 表3-4 絲杠支承系數(shù) 支承方式 雙推-雙推 雙推-簡支 單推-單推 雙推-自由 取值 4 2 1 0.25 3.3.10 臨界轉速的驗證 滾珠絲杠副高速運轉時，需驗算其是否會發(fā)生共振的最高轉速，要求絲杠的最高轉速： 式中：—絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時，取值如表3-5所示； —臨界轉速計算長度，單位為，本設計中該值為2300； —絲杠內徑，單位； —安全系數(shù)，可取=0.8 表3-5 絲杠支承系數(shù) 支承方式 雙推-雙推 雙推-簡支 單推-單推 雙推-自由 取值 27.4 18.9 12.1 4.3 經過計算，得出=1293，由已知，可以算出，該值小于絲杠臨界轉速，所以滿足要求。 3.4 齒輪傳動的計算 有關齒輪計算 傳動比 故取 ； ； ； ； ； 3.5 步進電動機的選擇 （1）工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量 絲杠的轉動慣量 式中 ——滾珠絲杠的公稱直徑； ——絲杠長度。 則 齒輪的轉動慣量 電機的轉動慣量很小可忽略。 因此，總轉動慣量 （2）所需轉動力矩計算 快速空載啟動時所需力矩 最大切削負載時所需力矩 快速進給時所需力矩 式中 ——空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩； ——折算到電機軸上的摩擦力矩； ——由于絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩； ——切削時折算到電機軸上的加速度力矩； ——折算到電機軸上的切削負載力矩。 當時 當時 當時， 時 當時預加載荷，則 所以，快速空載啟動所需力矩 切削時所需力矩 快速進給時所需力矩 由上分析計算可知，所需最大力矩發(fā)生在快速啟動時： （3）縱向進給系統(tǒng)步進電機的確定 為了滿足最小步距要求，電動機選用三相六拍工作方式，查表知 所以，步進電機最大靜轉距為 步進電機最高工作頻率 綜合考慮，查表選用110BF003型直流步進電動機，能滿足要求[7-12]。 3.6導軌的特點 滑動導軌的優(yōu)點是結構簡單、制造方便和抗振性良好；缺點是磨損快。 為了提高耐磨性，國內外主要采用鑲鋼滑動導軌和塑料滑動導軌。 滑動導軌常用材料有鑄鐵、鋼、有色金屬和塑料等。 1．鑄鐵 鑄鐵有良好的耐磨性、抗振性和工藝性。常用鑄鐵的種類有： （1）灰鑄鐵 一般選擇HT200，用于手工刮研、中等精度和運動速度較低的導軌，硬度在HB180以上； （2）孕育鑄鐵 把硅鋁孕育劑加入鐵水而得，耐磨性高于灰鑄鐵； （3）合金鑄鐵 包括：含磷量高于0.3％的高磷鑄鐵，耐磨性高于孕育鑄鐵一倍以上；磷銅鈦鑄鐵和釩鈦鑄鐵，耐磨性高于孕育鑄鐵二倍以上；各種稀土合金鑄鐵，有很高的耐磨性和機械性能； 鑄鐵導軌的熱處理方法，通常有接觸電阻淬火和中高頻感應淬火。接觸電阻淬火，淬硬層為0.15~0.2mm。硬度可達HRC55。中高頻感應淬火， 淬硬層為2~3mm，硬度可達HRC48~55，耐磨性可提高二倍，但在導軌全長上依次淬火易產生變形，全長上同時淬火需要相應的設備。 2．鋼 鑲鋼導軌的耐磨性較鑄鐵可提高五倍以上。常用的鋼有：9Mn2V、CrWMn、GCr15、T8A、45、40Cr等采用表面淬火或整體淬硬處理，硬度為52~58HRC；20Cr、20CrMnTi、15等滲碳淬火，滲碳淬硬至56~62HRC；38C rMoAlA等采用氮化處理。 3．有色金屬 常用的有色金屬有黃銅HPb59-l，錫青銅ZCuSn6Pb3Zn6，鋁青銅ZQAl9-2和鋅合金ZZn-Al10-5，超硬鋁LC4、鑄鋁ZL106等，其中以鋁青銅較好。 4．塑料 鑲裝塑料導軌具有耐磨性好(但略低于鋁青銅)，抗振性能好，工作溫度適應范圍廣(-200~+260℃)，抗撕傷能力強，動、靜摩擦系數(shù)低、差別小，可降低低速運動的臨界速度，加工性和化學穩(wěn)定件好，工藝簡單，成本低等優(yōu)點。目前在各類機床的動導軌及圖形發(fā)生器工作臺的導軌上都有應用。塑料導軌多與不淬火的鑄鐵導軌搭配。 導軌的使用壽命取決于導軌的結構、材料、制造質量、熱處理方法、以及使用與維護。提高導軌的耐磨性，使其在較長時期內保持一定的導向精度，就能延長設備的使用壽命。常用的提高導軌耐磨性的方法有：采用鑲裝導軌、提高導軌的精度與改善表面粗糙度、采用卸荷裝置減小導軌單位面積上的壓力(即比壓)等。 4.3 導軌的設計 一．作用力合作用點位置，作用力方向和作用點的位置唏噓合理安置。一邊導軌傾斜的力矩盡量小。否則會使導軌中的摩擦力增大，磨加劇，從而降低導軌的靈活性和導向精度。嚴重時甚至還可能卡死，不能正常工作。 作用在運動件上的推力有三種情況： 1.推力通過運動件在軸線 2.推力作用點在運動件的軸線上。但推力的方向與軸線成一夾角 3.推力平行于運動件的軸線上 對于第一種情況，導軌鎮(zhèn)南關的摩擦力只受到載荷及運動件本身重量的影響，推力不會產生附加摩擦力。猶豫結構上的限制，實際的結構中往往出項第二第三中情況。為了保證導軌的靈活性，要對導軌進行驗算，在已知的條件先，確定各部分的集合尺寸。 推力F與運動件軸線組成夾角a,如圖所示 推力F的作用將使運動件產生傾斜，從而使運動件與承導體的倆點處壓緊， 設正壓力分別為 .，相應摩擦力，，作用間的距離為L，軸向阻力為 根據(jù)靜力平衡條件,運動件的直徑較小時，上式中含有d的各項可以略去。可 解得： 欲推動運動件，則必須使 若要保證不卡死的條件是： 由此，可得到當推力F與運動件有一夾角a時，運動件正常工作的條件是 為當量摩擦系數(shù) 在燕尾形和三角形導軌中: --滑動摩擦系數(shù) --眼尾輪廓角與三角底角 二．選與運動件軸線與軸線相距h，圖中為軸向阻力和為反作用力，為當量摩擦系數(shù)，根據(jù)靜力平衡條件 解得： 推動運動件則必須： 保證運動件不卡死條件 即： 為了保證運動靈活，可取值 當取f=0.25時，則有： 對圓柱形導軌： 對矩形導軌： 對燕尾形或三角形導軌： 在本設計的導軌中：h=200mm L=360 因此： 符合相關要求. 32 第4章 橫向進給伺服進給結構設計 4.1切削力的計算 因為橫向切削力大小一般等于縱向切削力的一半，所以： =1368÷2=684 =1197÷2=598.5 式中：—橫向主切削力； —走刀方向切削力； —吃刀方向切削力。 4.2 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 4.2.1 最大工作載荷的計算 已知溜板及刀架重力（N），橫向為燕尾導軌，查表3-1，最大工作載荷的計算如下： = 式中： —為考慮顛覆力矩影響時的實驗系數(shù)，取1.4； —為滑動導軌摩擦系數(shù)，取0.2。 4.2.2 最大動載荷的計算 式中：—滾珠絲杠副的壽命系數(shù)，單位為r； —絲杠壽命，取15000； —載荷系數(shù)，一般取1.2； —硬度系數(shù)取1； —橫向絲杠副最大工作載荷，其值為2459.6； —橫向滾珠絲杠導程，初選為。 —橫向最大工進速度，該設計值為； —橫向最大工進速度對應絲杠的轉度，單位。 計算得出得 ：=12278.8。 4.2.3滾珠絲杠螺母副的選型 根據(jù)計算出的最大動載荷,選擇江蘇啟東潤澤機床附件有限公司生產的FL4005-3型內循環(huán)式滾珠絲杠副，采用雙螺母方式預緊，精度等級為3級，其參數(shù)如表4-1所示。 表4-1 FL2005-3型滾珠絲杠相關參數(shù) 公稱直徑/ 導程/ 鋼球直徑/ 絲杠外徑/ 絲杠底徑/ 額定載荷/ 接觸剛度 / 1453 20 5 3.5 19 16.5 32.8 14 4.2.4 滾珠絲杠副的支承方式 考慮到橫向滾珠絲杠副的長度、精度與負載的大小以及改造成本，采用雙推-單推支承方式，該方式軸向剛度高，位移精度好，可以進行預拉伸。 4.2.5 傳動效率的計算 = 式中：—螺距升角，根據(jù),可得=2°28′； —摩擦角，一般取=10′。 算得： ==95.67% 4.2.6 剛度的驗算 =（“+”號代表拉伸，“-”代表壓縮） 式中：—絲杠的最大工作載荷，單位為； —絲杠縱向最大有效行程，單位為； —絲杠材料的彈性模量，鋼； —絲杠的橫截面面積，單位按絲杠螺紋的底徑確定。 根據(jù)設計，為2459.6N，為420，為36.5，算得： ==±0.0047 =±4.7 查表3-3可知，,所以剛度足夠。 4.2.7 穩(wěn)定性校核 = 式中：—絲杠支承系數(shù)，由表3-4得出單推-單推時，取1； —滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5～4，本設計取4； —滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為，本設計中該值為500； —按絲杠底徑確定的截面慣性矩，（，單位為）本設中將代入算出=87080。 由以上數(shù)據(jù)可以算出：== 臨界載荷遠大于工作載荷（2459.6N），故絲杠不會失穩(wěn)。 4.2.8臨界轉速的驗證 式中：—絲杠支承系數(shù)，單推-單推方式時，由表3-5可得該值為12.1； —臨界轉速計算長度，單位為，本設計中該值約為720； —絲杠內徑，單位； —安全系數(shù)，可取=0.8 經過計算，得出=5321，由已知，可以算出，該值小于絲杠臨界轉速，所以滿足要求。 4.3 進給伺服系統(tǒng)傳動計算 4.3.1確定傳動比 確定當機床脈沖當量和滾珠絲杠導程確定以后，可以先初選步進電機的步距角，計算伺服系統(tǒng)的降速比I 選步進電機的步距角=0.6 橫向： 4.3.2齒輪參數(shù)的計算 摸數(shù)m取2。 計算如下： 橫向：取小圓齒數(shù)為24 小齒輪： 大齒輪： 4.4.步進電機的計算和選用 4.4.1轉動慣量的計算 （1）齒輪、軸、絲杠等圓柱體慣量計算（） 對于鋼材： 式中： M—圓柱體質量（） D—圓柱體直徑（） L—圓柱體長度（） —鋼材的密度 對于齒輪：D可取分度圓直徑，L取齒輪寬度； 對于絲杠：D可近似取絲杠公稱直徑—滾珠直徑，L取絲杠長度。 具體計算如下： 縱向： 橫向： （2）絲杠傳動時折算到電機軸上的總傳動慣量 步進電機經一對齒輪降速后傳到絲杠，此傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的轉動慣量為： 式中： 具體計算如下： 縱向： 橫向： 4.4.2電機力矩的計算 電機的負載力矩在各種工況下是不同的，下面分快速空載起動時所需力矩、快速進給時所需力矩、最大切削負載時所需力矩等幾部分介紹其計算方法。 1） 快速空載起動時所需力矩 式中： （2） 快速進給時所需力矩 因此對運動部件已起動，固不包含，顯然。 （3）最大切削負載時所需力矩 式中： 在采用絲杠螺母副傳動時，上述各種力矩可用下式計算 式中： 摩擦力矩 式中： 附加摩擦力矩 式中： 折算到電機軸上的切削負載力矩 式中： 具體計算： 橫向： 4.5步進電機的選擇 目前，經濟型數(shù)控車床中大多數(shù)采用反應式步進電機。 1） 首先根據(jù)最大靜轉距 從表中查出，當步進電機為三相六拍時， 縱向： 按此最大靜轉矩產步進電機型號表（三相）可查出，110BYG3500型最大靜轉矩轉矩為8N.m，大于所需靜轉矩，可作為初選型號。但必須進一步考核步進電機起 動矩頻特性和運行矩頻特性。 步進電機起動頻率 Hz 最高工作頻率 Hz 從電機表中查出，110BYG3500型步進電機的空載起動頻率為1600Hz，運行頻率為30000Hz，滿足要求。 橫向： 按此最大靜轉矩產步進電機型號表（三相）可查出，90BYGH3502型最大靜轉矩轉矩為5N.m，大于所需靜轉矩，可作為初選型號。但必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。 結論 本課題結合目前國內外數(shù)控改造化車床進給系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，具體闡述了一種桌面型數(shù)控改造化車床的設計開發(fā)過程。本文主要完成的工作如下： 1、數(shù)控改造化車床結構方案的確定。分析了數(shù)控改造化車床的特點，確定了數(shù)控改造化車床基本結構，并確定其基本尺寸。 2、確定了數(shù)控改造化車床技術指標及參數(shù)。對該數(shù)控改造化車床的各向切削力進行了計算。 3、選擇了數(shù)控改造化車床系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。采用了東達電控的電控箱。 4、數(shù)控改造化車床本體結構設計。 5、零件的剛度和壽命計算與校核。對各個已設計零件進行剛度和壽命計算，確保滿足使用要求，使該數(shù)控改造化車床有足夠的可靠性。 參考文獻 [1] 陳嬋娟.數(shù)控改造化車床設計[M].化學工業(yè)出版社，2006：1-160. 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