C618数控车床主传动系统设计

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中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院毕业设计（论文） 远程与继续教育学院 本科毕业论文（设计） 题目： C618数控车床主传动系统设计 学习中心： 包头市学习中心 学 号： 090F27143008 姓 名： 贾旭 专 业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 李毅军 2016 年 8 月 16 日 中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院 本科毕业论文（设计）指导教师指导意见表 学生姓名： 贾旭 学号：090F27143008专业： 机械设计制造及其自动化 毕业设计（论文）题目： C618数控车床主传动系统设计 指导教师意见：（请对论文的学术水平做出简要评述。包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。） 选题符合本专业方向。经多次修改论文撰写格式、图标注及内容等基本符合地大本科论文撰写要求。内容叙述条理较清晰、层次较分明并具有一定的逻辑性；语言表达较为流畅。文献运用、图的引入恰当、准确，对文章文字叙述起到说明、佐证的作用。 不足之处：表标注不规范，文章重点不够突出，缺乏新意，因而创新性不足。 指导教师结论： 合格 指导教师 姓名 李毅军 所在单位 呼和浩特职业学院 指导时间 2016.7.10—10.4 中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院 本科毕业设计（论文）评阅教师评阅意见表 学生姓名： 贾旭 学号：090F27143008专业： 机械设计制造及其自动化 毕业设计（论文）题目： C618数控车床主传动系统设计 评阅意见：（请对论文的学术水平做出简要评述。包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。） 修改意见：（针对上面提出的问题和不足之处提出具体修改意见。评阅成绩合格，并可不用修改直接参加答辩的不必填此意见。） 毕业设计（论文）评阅成绩 （百分制）： 评阅结论： （同意答辩、不同意答辩、修改后答辩） 评阅人姓名 所在单位 评阅时间 论文原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的本科毕业论文《C618数控车床主传动系统设计》，是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。论文中引用他人的文献、资料均已明确注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在文中说明并致以谢意。 本人所呈交的本科毕业论文没有违反学术道德和学术规范，没有侵权行为，并愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果。 论文作者（签字）：贾旭 日期：　2016　年　8　月　16　日 中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院本科毕业设计（论文） 摘 要 随着我国科技不断发展,社会工业生产以迅猛的速度进入了信息化时代。在生产领域和高科技领域竞争激烈的情况下,高质量、性能好、低价格、耗能低的机械产品,已经成为竞争的有利手段。为了能更好地解决机床工业上一些生产过程复杂性、零件产品精密性、单件生产多元性等问题,数字控制机床的产生已经成为必然趋势。从而提升了企业设计产品的性能和质量水平,达到经济效益最大化的目的。本课题对C618卧式车床进行数控化改造，实现微机对车床的数控化控制。利用微机对车床的纵向、横向进给系统进行数字控制，并要达到纵向最小运动单位为0.01/脉冲，横向最小运动单位0.005 /脉冲，主运动实现自动变速，刀架改造成自动控制的自动转位刀架，能自动的切削螺纹。 关键词：传动系统；伺服进给系统；数控机床；改造设计  目 录 一、绪论 1 （一）课题背景 1 （二）机床数控化改造的必要性 2 二、改造设计分析 4 （一）数控车床工作原理及组成 4 （二）数控车床主传动系统的特点 4 （三）设计任务 4 （四）机械改造部分的设计 5 （五）车床的数控改造设计 6 三、主传动系统改造设计 7 （一）选择脉冲当量 7 （二）计算切削力 7 （三）滚珠丝杆螺母副的计算和选型 7 （四）传动比计算 10 （五）步进电机的计算和选型 11 （六）同步带传动设计 14 结论 15 致谢 16 参考文献 17 一、绪论 （一）课题背景 一个国家数控机床的水平和拥有量是衡量其工业现代化程度、衡量国家综合竞争力的重要指标，而数控机床的核心技术正是数控系统。虽然我国在低档经济型数控机床上的数控系统基本实现了国产化，但在中高档的数控系统方面还处于劣势地位。两年前，日本法那克公司和德国西门子公司在中国以12000台和7000台的销售数量，基本垄断了中国中高档数控系统市场。目前，这种中高档数控机床“空芯化”现象已经有所改变。中国机床工具工业协会提供的数字显示，过去五年来，我国数控机床行业科研攻关、标准化等方面取得了一批阶段性成果。全行业平均每年完成科研项目100项以上。目前全行业拥有的近500项国家标准中，一半以上采用国际标准。行业初步建起了产、学、研结合、国内外结合的新型技术开发体系，已建立起国家超精密机床工程技术研究中心、国家精密工具工程技术研究中心、国家高效磨削工程技术研究中心、国家数控系统工程技术研究中心、国家高档数控工程研究中心等尖端科研中心，经认定的国家级企业技术中心达15家。 近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。 2001年，我国机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3%。 近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。 2001年，我国机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3%。 近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。 （二）机床数控化改造的必要性 1、微观角度看改造的必要性 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。 2、宏观角度看改造的必要性 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。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改（称之为信息化），最终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。数控化改造的市场空间机床的数控制化改造是一个方兴未的行业，从各种统计数字上看前途应该是十分光明的，例如：在美国，日本和德国等发达国家，它们的机床改造人作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及数控技术的不断进步，机床改造是一个永恒的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业所以不难看出： 1）国内的市场我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3％。近10年来，我国数控机床年产量约为0.6～0.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6％。我国机床役龄10年以上的占60％以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20％，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60％以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备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。 2）进口设备和生产线的数控化改造市场我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。根据不完全统计，从1979～1988年10年间，全国引进技术改造项目就有18446项，大约165.8亿美元。这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。 二、改造设计分析 （一）数控车床工作原理及组成 数控机床加工零件时，首先应编制零件的加工程序，这是数控机床的工作指令。将加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变化、起停，进给运动的方向、速度和位移量以及其它如刀具选择交换、工件夹紧松开和冷却润滑的开、关等动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格的按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合要求的零件。 数控机床主要由数控机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、辅助控制装置、机床本体等四部分组成。 （二）数控车床主传动系统的特点 1）机床有足够高的转速和大的功率，以适应高效率加工的需要； 2）主轴转速的变换迅速可靠，一般能自动变速； 3）主轴应有足够高的刚度和回转精度； 4）主轴转速范围应很广，如对铝合金材料的高速切削，几乎没有上限的限制，主轴最高转速取决于主传动系统中传动元件的允许极限(如主轴轴承允许的极限转速)，而最低转速则根据加工不锈钢等难加工材料的要求来确定。 （三）设计任务 1、伺服进给系统的设计改造 数控机床的伺服进给系统按有无位置检测和反馈可分为开环伺服系统、半闭环伺服系统、闭环伺服系统。 闭环控制方案的优点是可以达到和好的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响。但其结构复杂、技术难度大、调式和维修困难、造价高。 2、数控系统的硬件电路设计 数控系统都是由硬件和软件两部分组成，硬件是控制系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。数控装置的设计方案通常有：1）可以全部自己设计制作；2）可以采用单板机或STD模块或工控机改制；3）可以选用现成的数控装置作少量的适应化改动。 在普通机床的经济型数控改造中，由于第一种设计周期较长且不经济，同时质量也难于保证。第二种则更加不经济。所以本课程设计将采取第三种方案。 （四）机械改造部分的设计 1、设计Ι （1）数控系统运动方式的确定 数控系统按其运动轨迹可分为：点位控制系统、连续控制系统。点位控制系统只要求控制刀具从一点移到另外一点的位置，而对于运动轨迹原则上不加控制。连续控制系统能对两个或两个以上坐标方向的位移进行严格的不间断的控制。由C618车床要加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用连续控制系统。 （2）伺服进给系统的设计改造 数控机床的伺服进给系统按有无位置检测和反馈可分为开环伺服系统、半闭环伺服系统、闭环伺服系统。 1）闭环控制方案的优点是可以达到和好的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响。但其结构复杂、技术难度大、调式和维修困难、造价高。 2）半闭环控制系统由于调速范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于以步进电动机驱动的开环控制系统。但是，采用半闭环控制其调式比开环要复杂，设计上也要有其自身的特点，技术难度较大。 3)开环控制系统中没有位置控制器及反馈线路，因此开环系统的精度较差，但其结构简单，易于调整，所以常用于精度要求不高的场合。 经过上序比较，由于所改造的C618车床的目标加工精度要求不高，所以决定采用开环控制系统。 在普通机床的经济型数控改造中，由于第一种设计周期较长且不经济，同时质量也难于保证。第二种则更加不经济。所以本课程设计将采取第三种方案。 2、设计Ⅱ （1）主传动部分的改造设计 将原机床的主轴电动机换成变频调速电动机，无级调速部分由变频器控制。将原机床的主轴手动变速换成有电磁离合器控制的主轴变速机构。改造后使其主运动和进给运动分离，主轴电动机的作用只是带动主轴旋转。 （2）进给机构的改造 将原机床的挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等全部拆除。纵向、横向进给以步进电动机作为驱动元件经一级齿轮减速后，由滚珠丝杠传动。 （3）其它部件的改造刀架部分：拆除原手动刀架和小拖板，安装由微机控制的四工位电动机刀架，该刀架具有重复定位精度高、刚性好、使用寿命长、工艺性好等优点。 经总体设计方案的论证后，确定的C618的车床经济型数控改造的总体方案示意图如图所显：C618车床的主轴转速部分采用了变频调速交流异步电机，有级变速部分采用电磁离合器控制机构；车床的纵向和横向进给运动采用步进电机驱动，经步进电机驱动，齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动；刀架改成由微机控制，经电机驱动的自动转位刀架。为保持切削螺纹的功能，需安装主轴脉冲发生器。 （五）车床的数控改造设计 改造后的C618数控车床的主传动系统的作用就是产生不同的主轴切削速度以满足不同的加工条件要求。数控机床主传动系统的作用就是产生不同的主轴切削速度以满足不同的加工条件要求。 1、对主传动系统的基本要求 1）有较宽的调速范围，可增加数控机床加工适应性，便于选择合理切削速度使切削过程始终处于最佳状态。 2）有足够的功率和扭矩，使数控加工方便实现低速时大扭矩，高速时恒功率，以保证加工高效率。 3）有足够的传动精度，各零部件应具有足够精度、刚度、抗振性，使主轴运动高精度，从而保证数控加工高精度。 4）噪声低，运动平稳，使数控机床工作环境良好、宜人。 2、主传动系统的变速方式 （1）采用变速齿轮传动 采用少数几对齿轮降速，用液压拨叉自动变速，电机主轴仍为无级变速，并实现主轴的正反启动、停止、制动。该方式扭矩大，噪声大，一般用于较低速加工。 （2）采用同步齿形带传动 采用直流或交流主轴伺服电机，由同步齿形带传动至主轴，该方式主轴箱及主轴结构简单，主轴部件刚性好；传动效率高、平稳、噪声小；不需润滑；但由于输出扭矩小，低速性能不太好，在中档机床中应用较多。 （3）采用主轴电机直接驱动 亦称一体化主轴、电主轴，由主轴电机直接驱动，电机、主轴合二为一，主轴为电机的转子。该方式处理好散热、润滑非常关键，一般应用于高速机床。 三、主传动系统改造设计 （一）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）。 （二）计算切削力 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=53600.25=1340 FY=53600.4=2144 2、横切端面 主切削力FˊZ（N）可取纵切的0.5 FˊZ=0.5FZ=2680 此时走刀抗力为FˊY（N），吃刀抗力为Fˊx（N）。仍按上述比例粗略计算： FZ/FX/FY=1/0.25/0.4 FˊY=26800.25=670 FˊX=26800.4=1072 （三）滚珠丝杆螺母副的计算和选型 1、纵向进给丝杆 (1）计算进给牵引力Fm（N） 纵向进给为综合型导轨 Fm=KFx+fˊ（Fz+G） =1.1581340+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； fˊ—滑动导轨摩擦系数：0.15—0.18； G—溜板及刀架重力：G=800N (2）计算最大动负荷C C=3√LfWFM L=60nt/106 N=1000Vs/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（1/2—1/3），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=1.2—1.5； L—寿命、以106为一单位。 n=1000Vs/Lo=10000.60.5/6=50r/min L=60NT/106=606015000/106=45 C=3√LfwFm=3√451.22530=10798.7N (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）。 (4)传动效率计算 η=tgγ/tg(γ+φ) 试中γ—螺旋升角，W1L400bγ=244ˊ φ—摩擦角10ˊ滚动摩擦系数0.003--0.004 η=tgγ/tg(γ+φ) =tg244ˊ/tg(244+10ˊ)=0.94 （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δ1 根据Pm=2530N，D0=40mm，查出ΔL/L=1.210-5 可算出： δ1=δL/L1500=1.210-51500=1.810-2 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 δ1(mm)为： δˊ1=0.2510-2 B．滚珠与螺纹滚道间接触变形δq W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量δq ： δq=6.4m 因进行了预紧， δ2 =0.5δq =0.56.4=3.2m C．支承滚珠丝杆轴承的轴向接触变形δ3 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，δc=0.00243√Fm2/(dqZ2) =0.00243√2532/(6.35182) 注意，此公式中Fm单位为kgf 应施加预紧力，故 δ3=0.5δ=0.50.0075=0.0038mm 根据以上计算：δ= δ1+δ2+δ3 =0.0045+0.0032+0.0038 =0.0115mm＜定位精度 (5）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。 2、横向进给丝杆 1）计算进给牵引力Fˊm 横向导轨为燕尾形，计算如下： Fˊm=1.4Fˊy+fˊ(Fz+2Fˊx+Gˊ) =1.4670+0.2(2680+21072+600)≈2023N (2）计算最大动负荷C n=1000V3/L0=10000.30.5/5=30 L=60nT/106=603015000/106 C=3√LfwFˊm=3√271.22030=7283N (3）选择滚珠丝杠螺母副 从附录A表3中查出，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。 (4）传动效率计算 η=tgγ/tg(γ+φ)=tg433ˊ/tg(433ˊ+10ˊ)=0.965 (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δ1(mm) 查图4-6，根据Fˊm=2032N，D0=20MM，查出δL/L=510ˉ5 可算出 δ1= δL /LL=4.210‐5 450=1.8910‐2mm 显然系统应进行预拉伸，以提高刚度 故 δˊ=0.25δ1=4.710—3 B.滚珠与螺纹滚道间接触变形 查资料（《机床数控改造设计与实例[M]．1版》，）。 δq=8.5μm 因进行了预紧 δ2=0.5δq=0.58.5=4.25μm C.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=5 Z=13 d=17mm δc=0.00243√Fm2/(dqZ2)=0.00243√202.3/5132=1.310ˉ3 考虑到进行了预紧，故 δ3=0.5 δc=0.51.310ˉ3=6.510–4 综合以上几次变形量之和得： δ=δˊ1δ2δ3=4.7103+4.25103/+ =0.0096＜0.015（定位精度 ） (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。 （四）传动比计算 1、纵向进给齿轮箱传动比计算 已确定纵向进给脉冲当量 δp =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=360δp / θbL 0 =3900.01/0.756=0.8 可选定齿轮齿数为： I=Z1/Z2 Z1=32，Z2=40 ，或Z1=20，Z2=25 2、横向进给齿轮箱传动比计算 已确定横向进给脉冲当量δp =0.005，滚珠丝杠导程L0=5mm，初选步进电机步距角0.75。可计算出传动比i I=360δp / θbL 0=3600.005/0.755=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=34/55=2420/4025 Z1=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 　 32 40 24 40 20 25 分度圆 D=mz 64 80 48 80 40 50 齿顶数 da=d+2m 68 84 52 84 44 54 齿根数 df=d-21.25m 59 75 43 75 35 45 齿宽 (6--8)m 20 20 20 20 20 20 中心距 A=(d1+d2)/2 72 64 45 （五）步进电机的计算和选型 1、纵向进给步进电机计算 (1）等效传动惯量计算 方法计算如下，传动系统折算到电机轴上的总传动惯量JΣ(kg•cm2)可有下式计算： JΣ=Jm+J1+（Z1/Z2）2〔(J2+Js)+G/g(L0/2π)2〕 式中：Jm—步进电机转子转动惯量(kg•cm2) J1，J2—齿轮Z1、Z2的转动惯量(kg•cm2) Js—滚珠丝杠传动惯量(kg•cm2) 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(kg•cm2) J1=0.78103d14L1=0.781036.422=2.6 kg•cm2 J2=0.78103d24L2=0.78103822=6.39 kg•cm2 Js=0.7810344150=29.952 kg•cm2 G=800N 代入上式： JΣ=Jm+J1+（Z1/Z2）2〔(J2+Js)+G/g(L0/2π)2〕 =10+2.62+(32/40)2〔(6.39+29.592)+800/9.8(0.6/2π)2〕=36.355 kg•cm2 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。 Jm/JΣ=10/36.355=0.275 基本满足惯量匹配的要求和运行矩频特性。 2、计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 Fk=1000Vmax/60δp =10002.4/600.01=4000Hz Fe=1000Vs/60δp =10000.6/600.01=1000Hz 从表中查出150BF002型步进电机允许的最高空载起动频率为2800Hz运行频率为8000Hz,再从有关手册中查出150BF002型步进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线。当步进电机起动时，f起=2500时，M=100Ncm,远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（782Ncm）直接使用则会产生失步现象，所以必须采用升降速控制（用软件实现），将起动频率降到1000Hz时，起动力矩可增加到5884Ncm，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可将步进电机输出力矩扩大一倍左右。 当快速运动和切削进给时，150BF002型步进电机运行矩频特性完全可以满足要求。 (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=JΣε= JΣnnax102/(60ta/2π) = JΣ2πnmax102/(60ta) nmax=νmaxθb/δp360 将前面数据代入，式中各符号意义同前。 nmax=νmaxθb/δp360=24000.75(0.01360)=500r/min 启动加速时间ta=30ms Mamax=JΣ2πnmax102/(60ta) =36.3552π500102/(600.03) =634.5Ncm 折算到电机轴上的摩擦力距Mf： Mf=FOL0/2πηi=f(Pz+G)L0/(2πηZ2/Z1) =0.16(5360+800)0.6/(2π0.81.25)=94Ncm 附加摩擦力距M0 MO=FPOL0(1-η02)/2πηi=1/3FtL0(1-η02)/(2πηZ2/Z1) =1/325300.6(1-0.92)/( 2π0.81.25) =805.30.19=15.3Ncm 上述三项合计： M起=Mamax+Mf+Ma=634.5+94+15.3=743.8Ncm B．快速移动时所需力矩M快。 M快=Mf+M0=94+15.3=109.3Ncm C．快速切削负载时所需力矩 M切 M切=Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL0/2πηi =94+15.3+13400.6/(2π0.81.25) =94+15.3+127.96=237.26Ncm 从上面计算可以看出，M起、M快和M切三种工况下，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。 从有关手册[《[机床数控改造设计与实例[M]》]查出，当步进电机为五相十拍时 λ=Mq/Mjmax=0.951 最大静力矩Mjmax=743.8/0.951=782Ncm 按此最大静力矩从有关手册中查出，150BF002型最大静转矩为13.72Nm。大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但还需进一步考核步进电机起动矩频特5.2.3计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 Fk=1000Vmax/60δp =10002.4/600.01=4000Hz Fe=1000Vs/60δp =10000.6/600.01=1000Hz 由110BF003型步进电机的技术参数可知其最高空载起动频率为1500Hz，运行频率为7000Hz。根据110BF003型电机的起动距频特性和运行矩频特性曲线可以看出，当步进电机起动时F=1500Hz，M=98Ncm，小于机床所需的起动力矩（184.4Ncm），直接使用会产生失步现象，所以必须采用升降速控制（用软件实现）。将起动频率将为1000Hz时，既可满足要求。当机床快速起动和切削进求。进给时，则完全满足运行矩频要求。 （六）同步带传动设计 同步齿形带的选择和校核: 在车床改造时中，步进电动机与四缸传动副之间装有减速机构，通过减速机构可得到所需的脉冲当量和增大的驱动力矩。减速机构采用同步齿形带传动机构，同步齿形带传动相对齿轮传动是一种新型的带传动，其利用同步带的齿型与带轮的轮齿传递运动，无相对滑动，无噪声，无需润滑，传动精度和效率高，同步带传动的带速高达40~80m/s.传递功率可达100KW，传动比可达10~20，传动效率98%。因此在这次数控改造中我们采用同步齿形带来传递运动。由设计计算分析得各参数如下： （1）模数：根据表，m=4； （2）齿数：查表选z=18； （3）带轮节圆直径为：d=75； （4）带速为：V=200mm/s； （5）中心距为：则210〈a<600取a=500； （6）带长为：L=300； （7）小带轮啮合齿数：a=60； （8）带宽:c=120。 结论 根据《自动化制造系统》，可行性论证使用户建造自动化制造系统项目前所进行的技术和经济性分析报告，是上级主管部门审定和批准立项的基本依据。同样，在进行普通车床的经济型数控改造之前进行合理的、科学的可行性论证是必要的。根据传统的论证方法，普通车床的经济型数控改造的可行性论证应围绕以下几个方面进行，即企业生产经营现状及存在的问题分析，企业生产经营目标，改造的基础条件、目标、技术方案、投资概算、效益分析，改造后车床的实施计划，结论等。 本改造设计是对普通车床C618进行经济型数控改造。在改造设计中，采用的是广州数控设备厂生产的GSK980T型数控系统，加上两台伺服电机，两套滚珠丝杠副和相配的传动部分以及齿轮副，一台变频调速电动机，四个电磁离合器以及主传动部分的齿轮副。这样设备改造费用和旧设备费用总计不会超过15万元。因此，对普通车床作经济型数控改造适合我国国情，是国内企业提高车床的自动化能力和精密程度的有效选择。它具有一定的典型性和实用性。 致谢 紧张的论文设计,在和老师的指导下共同努力下结束了,这次设计使我们在原来的理论基础上增加了实践性的知识,同时我也感受到了要想成为一名数控改造设计师需要付出更多的努力。在本次设计中,我们参考书进行论文的设计文字和图片进行补充、修改和完善,使设计达到最佳水平，比较完善了内容,而且清晰明了。可见数控机床加工中已从研究阶段走向了实用阶段。这次设计得到李毅军老师的指导和帮助,向他表示衷心的感谢,这次设计数控毕业论文在实际生活中的重要性,以后我一定要加倍努力学习,为将来打下牢固的基础。 参考文献 [1].李福生.实用数控机床技术手册[M].北京北京出版社1993. 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