C620车床数控改造毕业论文

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1、 内容摘要:1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。 数控机床是综合计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产品，是典型的机电一体化产品。它的出现及所带来的巨大效益，引起世界各国科学家和工业界的普遍重视。发展数控机床是当前我国机械制造业技术改造的必由之路，是未来工厂自动化的基础。 数控机床是装备制造业的工作母机，是实现制造技术和装备现代化的基石，是保证高新技术产业发展和国防军工现代化的战略装备。目前，由于我国数控机床产业发展相

2、对滞后，已经制约了整个装备制造业的发展，直接影响到国防军工产业安全。国内外装备制造业的发展表明，发展装备制造业，数控机床是基础。“十五”期间，我国机床连续几年快速发展。在现在节能减排的号召下，机床的数控化改造成为了热点。 在本文中进行数控系统与伺服系统的改造。改装后的机床把主轴传动系统和进给系统分离成为两个互不相关的系统，溜板箱部分应拆去箱体、光杆及操纵杆，换成滚珠丝杆，并对滚珠丝杆进行强度校核，并进行减速齿轮的设计。另一任务是对车床的电气部分部分进行改造，采用伺服电机对滚珠丝杆进行闭环控制，用伺服电机驱动器对纵横两个伺服电机进行控制，再使用华中系统对步进电机驱动器进行控制，完伺服电机驱动器

3、的选型工作，绘制连接电气图。 关键词：数控改造 刚度 闭环控制系统 伺服电机 Abstract：Born in 1946 the worlds first electronic computers, this suggests that mankind created may strengthen and part instead of mental labor tools. It and human in agriculture, industrial society to create those just enhance physical labor compared the

4、 tools, on a qualitative leap, in the information society for human beings to lay the foundation. Numerical control machine tool is integrated computer, automatic control, automatic detection and precision machinery and so on high-tech products, is typical of mechanical and electrical products. It

5、emerged and brings great benefits, cause the countries all over the world paid attention to scientists and industry. Development in Chinas current numerical control machine mechanical manufacturing technology reform way, that is the factory automation foundation. Numerical control machine tool is t

6、he equipment manufacturing industry machine tools, is to realize manufacturing technology and equipment modernizations cornerstone, is the guarantee of high and new technology industry development and national defense military modernization strategy equipment. At present, as our countrys numerical c

7、ontrol machine tool industry development is relatively slow, has restricted the development of the equipment manufacturing industry, directly affects the national defense military industry safety. The development of the equipment manufacturing industry at home and abroad show that, the development o

8、f the equipment manufacturing industry, numerical control machine tool is the foundation. In the tenth-five period, China machine rapid development for several years. Now in the energy conservation and emissions reduction under the call, numerical control machine tool converted into a hot spot. In

9、this paper the CNC servo system with the reform. Modified machine tool spindle drive system and the system into separate into two irrelevant system, walk the board box part should tear down the body and light pestle and joysticks, change of ball screw, ball screw to check intensity, and the reductio

10、n gear design. Another task is to part of the lathe electrical transformed, servo motor ball screw for closed loop control, with servo motor drive to globetrotting two servo motor control, to use the central China system of the stepping motor drive control, the selection of the servo motor drive, dr

11、aw connection electrical diagrams. Key words：digital modification stiffness closed-loop closed-cycle cyclil control system Servo motor 1. 绪论 1.1问题的提出 1.1.1国外数控机床的发展状况 数控机床出现至今已有近60年历史，在这60年中，随着科技、特别是微电子、计算机技术的进步，数控机床得到了广泛的发展。它已经成为现代化企业发展进程中一支凸显业绩的生力军，代表着未来机器制造业的发展方向。目前以美国、德国、日本在数控机床

12、的科研、设计、制造和使用上，技术最先进、经验最多，他们政府重视机床工业，并且重视科研和创新，使他们三国的数控技术处于世界领先地位。 数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全封闭控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制和神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精度、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节和补偿各项数据，实现了在线诊断和智能化故障处理;在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成一体，机床联网，实现了中央集中控制群的加工。 1.1.2国内数控机床的现状 机床作为机械制

13、造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，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。是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高

14、效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。 长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数

15、，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。 随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。 1.1.3数控未来发展的趋势 1.高速高精高效化 速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控

16、制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。 2.柔性化 　　包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。 3.工艺复合性和多轴化 以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面

17、的复合加工。数控技术轴，西门子880系统控制轴数可达24轴。 4.实时智能化 早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动

18、设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。 1.2 机床数控化改造的必要性 应用科学的发展观，我们可以从微观和宏观两个不同的角度看待数字控制技术在当今工业发展中的必要性。 1.2.1 微观看改造的必要性 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

19、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3～7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

20、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。 1.2.2 宏观看改造的必要性 从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数

21、控机床、FMC、FMS外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MIS（管理信息系统）、CIMS等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已达20.8％，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。 1.3研究意义 1.3.1机床数控化改造

22、的意义 1.节省资金。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，并可以利用现有车床。 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.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。 在国内，目前各企业有大量普通机床，完全用数控机床替换根本不现实，而且替代

23、又造成很大的浪费，数控改造一次性投入少，而且对机床又增加很多性能。以上几点可以看出，普通机床应走数控改造之路，因此普通机床的数控改造，不但要有必要，而且大有可为，尤其是对一些中小型企业更是如此。 机床的数控改造具有很好的理论意义和实际应用价值： 1.改造费低，在发挥原有机床的功能同时提高加工精度。 2.改造后机床自动化程度提高，减少辅助时间，提高生产效率 3.降低工人水平要求，改善劳动条件，有利于身体健康 4.改造闲置设、传统设备，提高机床功能和使用价值，减少设备投入。 5.改造后可以加工复杂、异形零件，能完成普通机床难以加工或根本不可能加工的复杂曲线、曲面等零件。 6.计算机控

24、制，消除人为误差，加工零件精度高、一致性好、尺寸分散度小，使装配容易，无需修配。 7.具有柔性化的特点，只需编制零件程序就能加工新零件，可以实现多品种、变批量、高性能加工，不仅能适应中小批量，也适合大批量生产。 8.计算机具有记忆与储存功能，可以将输入的程序记住和储存下来，数控机床只要更换一个程序，就可以实现另一个零件的加工自动化，从而使单件和小批量生产得以自动化。 9.能适应信息化发展的需要，通过网络可以实现信息通信，具有远程监控、补偿、诊断和自动报警等多种功能，可实现无人看管加工，降低了劳动强度，操作者有空闲时间照料其他操作。 1.3.2机床数控化改造的迫切性 经济的全球化、市场

25、的国际化，促进了竞争，为求得生存与发展，各企业不仅要提高产品质量，而且必须频繁的改型，缩短生产周期，以满足市场上不断变化的需求。经过数控改造的机床的高精度、高效率、高度柔性化及适合加工精度高以及复杂的零部件，满足当今市场快速多变、竞争激烈和工艺发展的需要。可以说，数控改造技术的应用是机械制造行业现代化的标志，在很大程度上决定了企业在市场竞争中的成败。 2. C620机床运动分析 2.1传动链分析 图2-1 C620车床传动系统图 图所示为C620型机床传动系统图，传动系统包括主传动链和进给传动链两部分。 2.2主传动链 主传动链两端是电动机与主轴。它的作用是把动力源（电动

26、机）的运动与动力传给主轴，使主轴带动工件旋转，并使主轴获得变速和转向。 2.3进给箱传动链 进给箱传动链包括纵向进给与横向进给传动链 3. 车床改造的总体方案 3.1 C620型普通车床的简易数控改装的设计任务要点 1.改装后能实现车削圆弧面、外圆面、端面等回转表面。 2.改装后纵向进给精度士0. 0lmm，横向进给精度士0. 005mm，空载快速进给速度V快=2m/min，主切削力PZ=2303N，横向拖板刀架质量W1=465. 5N，大拖板刀架质量W2=1039N。 3.改动后不要求保留手动操作功能。 4.控制部分要求运动可靠，抗干扰，维修方便。 5.

27、改造成本低。 3.2总体方案的确定 改装后的数控车床应把主轴传动系统和进给系统分离成为两个互不相关的系统，为了便于编程，保证加工精度，要求车床纵向脉冲当量为0.01mm，横向脉冲当量为0.005mm，车床需要改装的部分有: 1.挂轮架系统全部拆去。 2.进给齿轮箱箱体内的零件全部拆去。 3.溜板箱部分应拆去箱体、光杆及操纵杆，并增加支承支架，安装滚珠丝杆。 4.纵向导轨选用贴塑的矩形和三角形组合导轨，横向导轨选用贴塑的燕尾形导轨，贴塑为聚四氟乙烯。 5.横向溜板上应安装伺服电机，并通过传动齿轮将电机轴与横向滚珠丝杆联接 6.刀架体应加装纵、横微调装置以供校刀使用。 7.纵向丝

28、杆挂脚应安装伺服电机，并通过传动齿轮与纵向滚珠丝杆联接。伺服电机与丝杆的联接方式要求联接可靠，传动无间隙，无噪音。对于电气部分，采用华中数控对纵、横两个伺服电机进行闭环控制，系统中有时钟电路模块，复位电路，数码显示器接口电路，光电藕合器等。采用内置驱动模块将伺服电机进行驱动，将整个控制系统放在控制柜中，由电缆把控制系统和伺服电机联系起来。 4. 纵向进给装置的改造 4.1纵向滚珠丝杆的最大轴向载荷的设计计算 4.1.1 纵向丝杆的最大轴向载荷 因为主切削力Pz =2303N=235kgf, 所以纵向进给力为 Px=0.5Pz =0.52303=1151.5 N 纵向丝杆的最

29、大轴向载荷： Pa=KPX+f(PZ+W2) =1.141151.5+0.11(2303+1039) =1312.71+367.62 =1680.33N =171.5kg k---系数，k=1.14 f---贴塑导轨摩擦系数，f=0.11 W2---纵向托板重量，W2=1039N=106kgf 4.1.2丝杆最高转速nmax nmax= =333 r/min v---空载快速进给速度，v =2m/min=2000mm/min t---丝杆导程，初设t=6mm 4.1.3丝杆寿命（以 10 转为单位1） L= ==300 T---丝杠使用寿命，T=1500

30、0小时 nma---丝杆最高转速，nma=333r/min 一般考虑运转中有冲击，以及丝杆材料硬度对寿命的影响，则最大动负荷Q为: Q= = =1607kgf L---丝杆寿命，L =300 Pa---纵向丝杆的最大轴向载荷，Pa=171.5kgf f---运转系数，f=1.4 f---硬度系数，fh=1.0 4.1.4选择滚珠丝杠副 按最大动负载荷Q选用滚珠丝杆副，使 QC C---滚珠丝杆的额定动负荷 选用城L3506型的单螺母滚珠丝杆副，其尺寸如表4-1所示: 4.1.5确定丝杆副工作长度L L≥

31、 ---控制系统中需要的行程，l1 =900 mm H---螺母安装高度，H=111 mm ---由丝杆副防护结构确定的长度，取=115 mm ---由丝杆副支承所需的长度，取心=80 L≥ ≥900+111+115+80 ≥1206 滚珠丝杆副的总长度,为丝杆副工作长度L加上结构长度，取结构长度为165mm, 则: 　=L+165 =1206+165 =1371mm 滚珠丝杆的长度应满足刚度要求，即: =≤4

32、5 Do---滚珠丝杆副的名义直径，Do=35 mm 故丝杆副长度可以满足刚度要求。 表4-1 滚珠丝杆副的尺寸规格 序号 名称 代号 尺寸 单位 1 滚珠丝杆副型号 W1L3506 2 名义直径 D0 35 mm 3 螺距 t 6 mm 4 螺旋升角 5 滚珠直径 d 3.969 mm 6 滚道半径 R 2.064 mm 7 偏心距 e 0.056 mm 8 丝杆外径 d 34 mm 9 螺母凸缘外径 D3 72 mm 10 螺母配合外径 D 55 mm 11

33、 圆螺母尺寸 M M521.5 mm 12 二个圆螺母厚度 L2 20 mm 13 螺母座键槽厚度 t 58.2 mm 14 平键尺寸 bhl 6645 mm 15 螺母装配总长度 L 111 mm 16 额定动负载荷3.5圈1列 C 1940 kgf 17 额定动负载荷3.5圈1列 C0 7110 kgf 4.1.6滚珠丝杆副几何参数的计算 丝杆内径为: = D0＋2e－2R =35＋20.056－22.064 =30.984 =3.0984CM D0---滚珠丝杆副的名义直径，D0=35mm e---滚

34、珠丝杆副的偏心距，e =0.056 mm R---滚珠丝杆副的滚道半径，R =2.064mm 丝杆接触直径为: = D0－dcos =35－3.969cos =32.193mm =3.2193cm D0---滚珠丝杆副的名义直径，D0=35mm d---滚珠丝杆副的滚珠直径，d=3.969mm ---接触角，= 4.1.7计算传动效率 = = =0.949 =94.9% ---螺旋升角，= ---摩擦角，滚珠丝杆副的滚动摩擦系数f=0.003~0.004，其摩擦角 4.2纵向滚珠丝杆副的刚度验算 滚珠丝杆受工作载荷Pa的作用而引起螺距t的变化量t1，其值可

35、按下式计算: t1= Pa---工作载荷，Pa=1680N t---滚珠丝杆的螺距，t=6mm=0.6cm F---滚珠丝杆的截面积 F= = =7.536cm ---丝杆内径，=3.0984cm E---弹性模数，对钢E=20.610N/ cm t1= = =6.49cm 滚珠丝杆因受扭矩作用而引起的导程变化量为 = t---在滚珠丝杆的螺距，t=6mm=0.6cm ---在扭矩M作用下，滚珠丝杆每一螺距长度两截面上的相对扭转角 = G---扭转弹性模数，对钢G=82.410N/ cm M---滚珠丝杆上的扭矩 M=

36、 = =147Ncm Pa---工作载荷，Pa=1680N ---丝杆接触直径，=3.2193cm ---螺旋升角，= Jc ---滚珠丝杆截面积的惯性拒 Jc= = =9.04cm ---丝杆内径，=3.0984cm = = =1.1910 = = =0.11310 因此滚珠丝杆在工作载荷Pa扭矩M共同作用下，所引起每一个螺距变形量t为 t=t＋ =6.4910＋0.11310 =6.60310cm 如果滚珠丝杠长度为1000mm，其上共有100/t个螺距，它的螺距变形总误差为 =t

37、 = =11.005m/m 因为选滚珠丝杆精度等级为E级，计算的总变形误差=11.005m/cm，小于E级精度误差15m/m，所以刚度合适 4.3支承方式及轴承的选择 4.3.1支承方式的确定 如果螺母座、丝杆的轴承及其支架等刚度不足，将严重影响滚珠丝杆副的传动刚度，因此螺母应有加强筋，以减小受力后的变形，螺母座与床身的接触面积宜大，其联接螺钉的刚度也应高一些，定位销要紧密配合，不能松动。由于丝杆主要承受轴向力，大多采用推力轴承作支撑，这里采用左右各一个推力轴承的支承方式。 如下图所示: 图4-1 滚珠丝杆支承方式 其中最左端与最右端为推力

38、轴承，中间两个为深沟球轴承这种支承方式可以对丝杆进行预拉伸安装，预紧拉伸安装可以诚少或俏除因丝杆自重而产生的弯曲变形，在推力轴承预紧力不小于丝杆最大轴向载荷1/3的条件下，丝杆的拉伸压缩刚度可提高4倍，丝杆不会因温升而升长，温升只能减小预拉伸力，另外，丝杆不承受压力，由于只承受拉力，因而没有压杆稳定性问题。但是预拉伸安装将使轴承发热和摩擦扭矩有所增加。 4.3.2轴承选择 由于进给丝杆主要承受较大轴向力和较小径向力，所以只需计算推力轴承的额定动载荷C: C=Pa Pa---工作载荷，Pa=1680N f---速度系数 f= =

39、0.464 nt---轴承计算转速，nt=nmax=333r/min fh---寿命系数 fh= = =3.107 T---使用寿命，T=15000h C=Pa =1680 =11249.5N 参照工具书查找到8106推力轴承，其额定负载为12.510N11249.5N，能满足要求，同时选用深沟球轴承型号为6006 4.3.3确定滚珠丝杠副的预紧力FP 为了消除轴向间隙，增加丝杆副的刚性和定位精度，在丝杆螺母间加以预紧力FP，然而过大的预紧力将会引起滚珠丝杆的寿命下降以及摩

40、擦力的增大，而预紧力偏小，会在产生的轴向载荷左用下出现间隙，影响定位精度，因此，一般取： FP= = =1658N Q---最大动负荷，Q=1607kgf=15748.6N 取FP=1658N 4.3.4确定滚珠丝杆轴的预紧拉伸力Fpl 为了消除丝杆自重而产生的弯曲变形，补偿因工作温度升高而引起的丝杆伸长，保证滚珠丝杆在正常使用时的定位精度和提高滚珠丝杆的系统刚性，对有快速驱动并有定位精度要求的滚珠丝杆副，其丝杆轴需进行预加拉伸力，决定拉伸力时还应考虑到丝杆两端支承轴承允许的预紧力的大小，一般情况下取:

41、 Fpl== =57.2kgf Pa=171.5kgf 4.4机械传动刚度的计算与校核 在忽略支承座和螺母座刚度的情况下，机械传动部的刚度主要为:丝杆轴的支承刚度Kk，滚珠丝杆副的接触刚度KN和轴承的轴向接触刚度KB，则机械传动的综合拉压刚度为: = 4.4.1计算丝杆轴的支承刚度KK 丝杆轴的支承方式及支承长度如图4-2所示: 由于丝杆两端采用推力轴承和深沟球轴承，并且丝杆两端轴向固定支承，丝杆轴的支承刚度KK的计算公式为: KK=N/m D0--

42、-滚珠丝杆副的名义直径，D0=35mm E---弹性模数，对钢E=2.0610N/mm L---丝杆工作长度，取L=1206mm LK---丝杆作用长度mm 丝杆作用长度LK在这里有两种情况，当工作台处于最做端时，此时LK=96mm，有最大的拉压刚度Kkmax： Kkmax= =10 =2379.52N/m 当工作台处于中间位置时，此时LK=603mm，则有最小的拉压刚度KKmin： Kkmin= = =

43、 =657N/m 图4-2 滚珠丝杆支撑方式 4.4.2计算滚珠丝杆与螺母副间的接触刚度Kn Kn=0.77( N/m) FP----预紧力，FP=1658N d---滚珠丝杆副的滚珠直径，d=3.969mm Z---滚珠数量 Z=Z圈数列数 Z---一圈的滚珠数 Z== =27.69 D0---滚珠丝杆副的名义直径，D0=35mm d---滚珠丝杆副的滚珠直径，d=3.969mm

44、 Z=27.693.51=96.9 KN=0.77 =304 N/m 4.4.3计算轴承的轴向接触刚度KB 推力轴承的轴向变形为： =2.4 Pa---工作载荷，Pa=171.5kgf Z---推力轴承的滚动体直径，d=5.556 =2.4 =6.09m 由于对轴承施加了预紧力，其变形量减少了一半计算： ===3.045m 推力轴承的轴向接触刚度值KB为： KB===552N/m Pa---工

45、作载荷，Pa=1680N 4.4.4分别计算机械传动的综合拉压刚度与值 = = =181.12 N/m = = =150.98 N/m 4.4.5校验机械传动刚度变化引起的定位误差 由于进给执行部件在不同位置时，机械传动刚度的不同而引起的定位误差，在空载情况下为： =F0(-)<（---） F0---导轨以上部分的重量引起的静摩擦 F0=W2f W2---纵向托板重量，W2=1039N f---静摩擦系数，取f=0.05 F0=10390.05=51

46、.95N ---机床要求的重复定位精度，=0.02mm=20m =51.95（-）=0.057m<=4m =150.98m =181.12m 因为=0.052m<4---7(m) 所以满足条件。 4.4.6伺服刚度引起的死区误差 摩擦死区误差是由于导轨摩擦力在拖板启动或反向时，使传动系统中产生弹性变形时引起的传动误差，最大死区误差为: △===0.688m<20m 能满足要求。 4.5减速齿轮的设计与计算 4.5.1计算降速比 由于步进电机对负载惯量很敏感，为满足负载惯量尽可能小的要求，同时也为满足要求的脉冲当量，常采用齿轮降速传

47、动，总降速比i由下式计算: i= ---伺服电机步距角，先选=0.72 t---滚珠丝杆螺距，t=6mm ---脉冲当量，=0.01mm/step i==1.2 4.5.2齿轮参数的选择 1.模数的确定: 模数的影响因素很多,当齿轮受力较大,传动速度高,要求寿命长,磨损小时,模数要选大些,反之,则可取小些，一般取m =1.5mm至2mm，这里取m =2mm 2.齿数的选择:主要由传动比确定，并考虑最小齿数的限制，Zmin>17，根据: i=1.2= 选择Z1=3

48、0，Z2=36 3.齿宽B的确定: B=m ---齿宽系数，通常=3至6，这里取=4 B=42=8mm 对采用消隙措施的大齿轮由两薄片齿轮组成，齿宽应按两倍计算，即B=16mm=0.016m 4.计算齿轮几何参数 为了消除齿侧隙，大齿轮采用双片齿轮错齿的周向弹簧式直齿圆柱齿轮，而小齿轮则采用普通直齿圆柱齿轮。其基本参数为:m =2mm,Z1=30,Z2=36，压力角=20 i =1.2分度圆直径为： d1=mZ1=230=60mm d2=mZ2=236=72mm 齿顶圆直径： da1=m（Z1+2）=2(30＋2)1=64mm da2=m（Z2+2）=2(36+2)

49、1=76mm 中心距a为： a=m（Z1+Z2） =2（30+36）=66mm 两齿轮的精度等级均为7级精度。 5.对双片薄齿轮的消隙弹簧的计算 双片薄齿轮中弹簧的压紧力应大于驱动扭矩。由于滚珠丝杆直接与大齿轮通过平键相连，因而大齿轮上的扭矩M‘应等于滚珠丝杆上的扭矩M，即: =M=145Ncm 齿轮中有3组弹簧，因此每组弹簧的最大工作载荷F2为: 3F2L= L—齿轮中消隙弹簧与齿轮圆心的距离，取L=25mm=2.5cm 3F22.5=145 F2=19.3N=1.97kgf 工作极限载荷Flim为： Flim≤1.67F2=1.6719.3=32N

50、 最小工作载荷F1≥0.2Flim=0.232=6.4N 选用弹簧直径d=0.9mm，弹簧中径D2=5.0mm的碳素钢丝弹簧，节距p=d=0.9mm，工作极限载荷FLIM=46.29N，材料为60S,2CrA,许用切应力=471MPa，切变模量G=78.5GPa。 校核弹簧强度，弹簧切应力为： = F2---每组弹簧的最大工作载荷，F2=19.3N C---施绕比 C===5.556 K---曲度系数 K=+ =+=1.28 ==432N/mm=432MPa

51、求。 取弹簧的有效圈数n=8，则n1=n=8 计算弹簧刚度系数k k= G---切变模量，G=78.5GPa=78.510N/mm k= =6.44N/mm 弹簧长度H0为：H0=(n+1)d+2（D2-d） =（8+1）0.9+2（5-0.9） =16.3mm 4.6伺服电机的选用 4.6.1计算折算到电机轴上的转动惯量Jr

52、 Jr=JM+Jt =JM+J1+（J2+JS+JW） JM---电机转子的转动惯量，JM=1.0610Nm Jt---折算到电机轴上的转动惯量 J1---小齿轮的转动惯量 J1= ---钢的密度，=7.810Kg/m d1---小齿轮分度圆直径，d1=60mm=0.06m B---小齿轮齿宽，B=0.016m J1= =1.610kgm

53、 J2= ---大齿轮分度圆直径，=72mm=0.072m B---大齿轮分度圆直径，B=0.016m J2= =3.2910 kgm JS---滚珠丝杆的转动惯量 JS= D0---滚珠丝杆副的名义直径D0=35mm=0.035m L总---滚珠丝杆副的总长度，取L总=1371mm=1.371m JS = =1.5710 kgm JW---导轨以上移动部件的惯量，即工作台折算到丝杠上的转动惯量 JW=W2（） W2---纵向托板重量，W2=106k

54、gf ｔ---滚珠丝杆的螺距，t=6mm=0.006m JW=106=9.710 kgm Jr=JM+J1+（J2+JS+JW） =1.0810+1.610+（3.2910+1.5710+9.710） =1.56410 kgm 4.6.2计算电机转矩 1.快速空载启动时负载转矩MK为 MK=Mamax+ Mf+ M0 Mamax---空载启动时折算到电机轴上的加速转矩（Nm） Mamax= Jr---折算到电机轴上的总惯量，Jr=1.56410 kgm n电max---电机最大转速 n电max=i v---空载快速进给速度，v=2000mm/min

55、 t---滚珠丝杆的螺距，t=6mm i---传动比，i=1.2 n电max=1.2=400r/min Mamax==0.429Nm Mf---折算到电机轴上的摩擦转矩（NM） Mf= F0---导轨以上部分的质量引起的静摩擦，F0=47N ---传动链的总效率。取=0.85 t---滚珠丝杆的螺距，t=6mm=0.006m i---传动比，i=1.2 Mf= =0.0468Nm M0---由于丝杆预紧力引起的折算到电机轴上的附加摩擦转矩（Nm） M0= Fpl---滚珠丝杆轴的预加载荷，Fpl=57.2kgf=560N 0---滚珠丝杆未预紧时的效率，0=0.9

56、49 M0= MK= Mamax+Mf+M0 =0.429+0.0468+0.052 =0.5278Nm 2.最大切削负载时所需转矩Mg为: Mg= Mat+ Mf+ M0+ Mt Mf---折算到电机轴上的摩擦转矩，Mf=0.047Nm M0---由于丝杆预紧引起的折算到电机轴上的附加摩擦转矩，M0=0.052Nm Mat---切削时折算到电机轴上的附加摩擦转矩 Mat= Jr---折算到电机轴上的总惯量，Jr=1.54610kgm T---时间常

57、数，T=0.15S nt---电机轴的工作转速 nt=ni i---传动比，i=1.2 n---丝杆工作转速 n===167r/min nmax---丝杆最高转速，nmax=333r/min nt=1671.2=200r/min Mat= =0.217r/min Mt---折算到电机轴上的切削负载转矩 Mt= ---传动链总效率，取=0.85 t---滚珠丝杆的螺距，t=6mm=0.006m i---传动比，i=1.2 Px---纵向丝杆进给力，PX=

58、115kgf=1127N Mt= =1.056Nm Mg=Mat+Mf+M0+Mt =0.217+0.0468+0.052+1.056 =1.37Nm 对比快速空载启动时负载转矩MK=0.5278 Nm和最大切削负载时所需转矩Mg =1.37 N m，因为Mg≥MK，由此得出电机的最大力矩应为最大切削负载时所需转矩Mg。 4.6.3选择伺服电机 要求电机转矩Mq≥Mg=1.37Nm选择型号为SM80-042-30LFB,其参数如表4-2所示： 表4-2 伺服电

59、机参数 序号 名称 数据 单位 1 型号 SM80-024-30LFB 2 额定功率 0.75 KW 3 额定转矩 2.4 Nm 4 额定转速 3000 Rpm 5 额定电流 4.2 A 6 转子惯量 1.0610 Kgm 7 机械时间常数 0.95 Ms 8 编码器线数 2500C/T（省线式） C/T 9 电机绕组 插座 绕组引线 U V W 插座编号 2 3 4 1 10 编码器插座 信号 5V 0V A+ A- B+ B- Z+ Z- 插座编 号 2

60、 3 4 7 5 8 6 9 1 11 重量 2.7 Kg ５. 横向进给装置的改造 5.1 横向滚珠丝杆螺母机构的设计计算 5.1.1横向丝杆的最大轴向载荷 因为横向进给量为纵向进给量的1/2～1/3，取为1/2，则切削力约为纵向的1/2， 即：横向主切削力PZ横===115kgf，所以横向丝杆进给力为： PX横=PY横=0.5PZ横 =0.5115=57.5kgf 横向使用燕尾形导轨，丝杆的最大轴向载荷为： Pa=kPx+

61、 =1.4557.5+0.11（257.5+115+47.5） =83.375+30.525 =113.9kgf =1116N k---系数，k=1.145 f---贴塑导轨摩擦系数，f=0.11 W1---纵向托板重量，W1=465.5N=47.5kgf 5.1.2丝杆最高转速nmax nmax= =400 r/min v—空载快速进给速度，v =2m/min=2000mm/min t—丝杆导程，初设t=5mm 5.1.3丝杆寿命（以 10 转为单位1） L= ==360 T---丝杠使用寿命，T=15000小时

62、 nma------丝杆最高转速，nma=400r/min 一般考虑运转中有冲击，以及丝杆材料硬度对寿命的影响，则最大动负荷Q为: Q= = =1134kgf L---丝杆寿命，L =360 Pa---纵向丝杆的最大轴向载荷，Pa=113.9kgf f---运转系数，f=1.4 f---硬度系数，fh=1.0 5.1.4选择滚珠丝杠副 按最大动负载荷Q选用滚珠丝杆副，使 QC C---滚珠丝杆的额定动负荷 选用城W1L2505型的单螺母滚珠丝杆副，其尺寸如表5-1所示: 5.1.5确定丝杆副工作长度L L≥

63、 ---控制系统中需要的行程，=260 mm H---螺母安装高度，H=94mm ---由丝杆副防护结构确定的长度，取=12mm ---由丝杆副支承所需的长度，取心=62mm L≥ ≥260+94+12+62 ≥428mm 滚珠丝杆副的总长度,为丝杆副工作长度L加上结构长度，取结构长度为138mm, 则: 　　　　=L+138 =428+138 =566mm 滚珠丝杆的长度应满足刚度要求，

64、即: =4≤35～45 Do—-滚珠丝杆副的名义直径，Do=25 mm 故丝杆副长度可以满足刚度要求。 表5-1 滚珠丝杆副参数表 序号 名称 代号 尺寸 单位 1 滚珠丝杆副型号 W1L2505 2 名义直径 D0 25 mm 3 螺距 t 5 mm 4 螺旋升角 5 滚珠直径 d 3.175 mm 6 滚道半径 R 1.651 mm 7 偏心距 e 0.045 mm 8 丝杆外径 d 24.5 mm 9 螺母凸缘外径 D3 58 mm 10 螺母配合外径 D

65、42 mm 11 圆螺母尺寸 M M421.5 mm 12 二个圆螺母厚度 L2 16 mm 13 螺母座键槽厚度 t 44.6 mm 14 平键尺寸 bhl 5540 mm 15 螺母装配总长度 L 94 mm 16 额定动负载荷3.5圈1列 C 1230 kgf 17 额定动负载荷 C0 4010 kgf 5.1.6滚珠丝杆副几何参数的计算 丝杆内径为: = D0＋2e－2R =25＋20.045－21.651 =21.788mmm =2.1788CM D0---滚珠丝杆副的名义直径，D0=25mm

66、 e---滚珠丝杆副的偏心距，e =0.045 mm R---滚珠丝杆副的滚道半径，R =1.651mm 丝杆接触直径为: = D0－dxcos =25－3.175cos =22.755mm =2.2755cm D0---滚珠丝杆副的名义直径，D0=25mm d---滚珠丝杆副的滚珠直径，d=3.175mm ---接触角, = 5.1.7计算传动效率 = = =0.956 =95.6% ---螺旋升角，= ---摩擦角，滚珠丝杆副的滚动摩擦系数f=0.003~0.004，其摩擦角 5.2横向滚珠丝杆副的刚度验算 滚珠丝杆受工作载荷Pa的作用而引起螺距t的变化量t1，其值可按下式计算: t1= Pa---工作载荷，Pa=1116N t---滚珠丝杆的螺距，t=5mm=0.5cm