毕业设计范文

机电一体化技术专业（专科）毕业论文（设计）

论文（设计）题目CA6140数控车床的改造设计

教学班15秋毕业论文（设计）1班学号112106350537

姓名

指导教师职称

学院/市县开放大学

年月日

CA6140数控车床的改造设计

摘要：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。实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。所以很多

企业纷纷将现有机床改造成经济型数控机床，这种做法具有投资少、见效快的特点。

事实证明：机床的数控化改造可以为企业带来可观的经济效益。

关键词：机床数控化改造意义

目录

第1章数控机床改造的意义

第2章 CA6140车床简介

2.1 CA6140车床概述 (4)

2.2 CA6140车床的加工范围及特点 (6)

2.3 CA6140车床的传动系统分析 (7)

第三章总体改造方案及进给系统的设计

3.1 总体改造方案 (9)

3.2 纵向进给系统的设计 (9)

3.3 横向进给系统的设计 (18)

第四章主轴及机床控制系统的改造

4.1 主轴电机的改进 (26)

4.2 主轴脉冲编码器的运用 (26)

4.3 刀架的设计 (28)

4.4 机床导轨的设计 (29)

4.5 坐标系的建立Y、X、Z轴的限位和参考返回电路 (30)

4.6 配置用键和变频器的安装 (31)

4.7 机床的安装、调试、与精度检验 (31)

致谢

参考文献

第1章数控机床改造的意义

1.1机床现状

我国是生产和使用机床最多国家之一,现有金属切削机床400万台左右，但现有的机床大多数服役年限较长,设备陈旧落后,功能严重不足,运运不能满足现代生产的需要。

1.2技术分析

在过去的几十年,金属切削机床的基本动作是原理变化不大。如今科学技术发展很快,特别是计算机技术的发展，应用到机床控制系统上,不但能提高机床的自动化程度,而且能提高加工精度和表面质量。近年来,我国已经积极开展了对机床数控化再制造技术的研究,如武汉华中数控公司先后完成了50多家企业数百台设备的数控化在制造。实践证明。改造的机床满足了科学技术的发展需要,提高了生产效率和产品精度,增大了设备的适应能力和型面的加工范围(曲面、各种螺纹的加工等),利用日臻完善的经济型数控系统及配套部件改造现有的普通机床的技术条件已经成熟。

1.3市场分析

国内资料分析,订购新的数控机床的交货周期一般较长,往往不能满足用户的需要,而改造的数控机床能够适应市场对产品多样化和高精度的要求。因此得到了用户广泛的应用,机床的数控化改造已成为满足市场需求的主要补充手段,对中、小型企业来说是十分理想的选择。

1.4经济分析

由于新型机床价格昂贵,一次性投资巨大,如果把旧机床设备全部用新型机床替换。要花费大量的资金,而替换下的机床又会闲置起来造成巨大浪费,若采用数控技术对旧机床加以改造和购买机床相比,则可省50%以上的资金,一套经济型数控装置的价格仅为全功能装置的1/3到1/5。一般用户都能承担的起,这为资金紧张的中小型企业的技术改造开辟了新路,也对实力雄厚的大型企业产生了较大的吸引力。

1.5生产分析

在现代机械制造工业中,中小批量甚至单件生产,个性化的产品占有相当大的比重,尤其是我国加入世贸组织后,成为世界性的加工基地,产品出口的增长迅速,从低附加值、劳动密集型产品逐步过度到高附加值的精密型零件的出口，高精度的数控机床起了重要的作用。数控机床是最能适应这种生产需要的。

1.6重要性分析

以数控机床为代表的现代基础机械是制造实现生产现代化的重要设备，数控技术水平的高低和机床的数控化率，数控设备的拥有量已成为衡量一个国家现代工业化水平的重要标志。

1.7综合分析

数控技术用于机床的改造是建立在微电子技术与传统技术相结合的基础上，具有高可靠性、柔性强，易于实现机电一体化、经济性可观等特点。为此，在旧机床上进行数控化改造可以提高机床的使用性能、降低生产成本、用较少的资金投入而得到较大的经济效益。

第2章 CA6140车床简介

CA6140车床是一种机械结构比较复杂而电气系统简单的机电设备，是用来进行车削加工的机床。在加工时，通过主轴和刀架运动的相互配合来完成对工件的车削加工。车床的种类很多，按其用途和结构的不同，可分为卧式车床、落地车床、立式车床、仿形车床、转塔车床、多刀半自动车床、自动车床等。

2.1 CA6140车床概述

2.1.1机床的组成和主要技术参数

1、机床的组成

CA6140车床的主要组成部件由图1所示。

图1 CA6140车床外形图

1-主轴箱；2-刀架；3-尾座；4-床身；5-右床腿；6-溜板箱；

7-左床腿；8-进给箱；6—溜板箱；7—左床腿；8—进给箱

1、主轴箱：主轴箱1是一部件，由箱体、主轴、传动轴、轴上传动件、变速操纵机构、润滑密封件等组成。主轴通过前端的卡盘或者花盘带动工件完成旋转作主运动，也可以安装前尖顶通过拨盘带动工件旋转。

2、刀架：四方刀架装在小滑板上，而小滑板装在中滑板上，纵滑板可沿床身导轨纵向移动，从而带动刀具纵向移动，用来车外圆、镗内孔等。而中滑板相

对于纵滑板作横向移动，用来带动刀具加工端面、切断、切槽等。小滑板可相对中滑板改变角度后带动刀具斜进给，用来车削内外短锥面。

3、尾座：尾座3可沿其导轨纵向调整位置，其上可安装顶尖支撑长工件的后段以加工长圆柱体，也可以安装孔加工刀具加工孔。尾座可横向作少量的调整，用于加工小锥度的外锥面。

4、进给箱：进给箱8内装有进给运动的传动及操作装置，通过改变进给量的大小，可改变所加工螺纹的种类及导程。

5、床身及床腿：床身4是机床的支承件，它安装在左床腿7和右床腿5上并支承在地基上。床身上安装着机床的各部件，并保证它们之间具有要求的相互准确位置。床身上面有纵向运动导轨和尾座纵向调整移动的导轨。

6、溜板箱：溜板箱6与纵向滑板（床鞍）相连，溜板箱内装有纵、横向机动进给的传动换向机构和快速进给机构等。

2．CA6140车床的主要技术参数，如表1。

表1：CA6140车床的主要技术参数

2.2 CA6140车床的加工范围及特点

2.2.1加工范围

CA6140车床的工艺范围很广，它能完成车削内外圆柱面、圆锥面、车削端面、各种螺纹、成形回转面和环形槽等多种多样的加工工序。也可以进行钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹、套螺纹和滚花等工作。其典型表如图2所示。CA6140车床主运动由工件随主轴旋转来实现，而进给运动由刀架的横向动来完成。由于机

械产品中回转表面的零件很多。车床的工艺范围又较广泛，因此CA6140车床使用十分广泛。

图2 车床加工的典型零件

2.2.2 CA6140车床的加工特点

1、加工范围较大。

2、加工时，主运动是工件和旋转运动，进给运动是刀具的纵向和横向移动。

3、正常情况下，在车削加工过程中，切削力比较稳定，加工比较平稳。

4、在车削加工过程中切屑和刀具之间的剧烈挤压和摩擦，以及刀具与工件之间的摩擦，产生了大量的切削热，但大部分热量被切屑带走，所以CA6140在加工过程中一般可以不使用切削液。

5、在一般情况下，这种机床多用于粗加工和半精加工。

2.3 CA6140车床的传动系统分析

CA6140车床的传动西统，由主运动传动系统、车螺纹进给传动系统组成，见图3。

2.3.1 主运动传动系统

写传动路线表达式的方法是“抓两头带中间”，即将首件通过中间传动件将末端件联系起来，对于CA6140型卧式车床主运动传动链来说，即从主电动机经Φ130mm带轮带动Φ230mm带轮，从而带动Ⅰ轴，Ⅰ轴上有双摩擦离合器M1，

M1向左结合，左边的z51、z56双联齿轮与Ⅰ轴一起转动，通过两对传动副「56 38

，

51 43」传动Ⅱ轴实现主轴正转。M

1

向右结合，由z50与Ⅰ轴一起转动，z50通过

Ⅶ轴z34传动Ⅱ轴上的z30实现主轴反转。M1处于中间，则Ⅰ轴空转，即不传动左边的z51和z56，也不传动右边的z50，Ⅱ轴的运动通过Ⅱ——Ⅲ轴之前的

三对传动副「39

50

，

22

58

，

30

50

」传动Ⅲ轴，Ⅲ轴有两条路线可传动主轴，即通过

Ⅵ轴上的M2，M2向左滑移至z63与z50啮合，使得Ⅲ轴通过﹝20

80

，

50

50

﹞直

接传动主轴Ⅵ轴，实现主轴高速转动，即为450～1400r/min;若M2向右结合，

Ⅲ轴通过﹙20

80

，51

50

﹚传动Ⅳ轴，Ⅳ轴通过﹝

20

80

，

51

50

﹞传动Ⅴ轴，Ⅴ轴通过

26

58

传动Ⅵ轴（主轴）。

图3 CA6140车床主运动传动系统图

2.3.2 车螺纹进给传动系统

CA6140型卧式车床的螺纹进给传动系统可车削米制，模数制，英制和径节制4种标准螺纹，另外还可以加工大导程螺纹，非标准螺纹及较精密螺纹以及右旋，左旋螺纹。

车制螺纹时，刀架通过车螺纹传动链得到运动，两端件——主轴，刀架之间必须保持严格的运动关系，即主轴每转一周，刀具移动一个被加工螺纹的导程L。车螺纹传动链运动平衡式为：

1U L

??

丝

主轴

=L

式中U为主轴至丝杠间全部传动机构的总传动比；L丝为机床丝杠的导程，CA6140型车床的丝杠导程L丝=12mm；L为工件螺纹的导程（mm）。

2.3.3 纵向、横向进给机构

车削内、外圆柱表面时，可使用机动的纵向进给车削端面时，可使用机动的横向进给。为了减少丝杠的摩孙和便于操作，保证螺纹传动链的精度，机动进给传动链不用丝杠及开合螺母传动。机动进给是由光杠XIX经溜板箱传动。从主轴

VI至进给箱轴XVII上滑移齿轮Z28处于左位，使

5

M脱开，从而切断进给箱与

丝杠的联系。运动由齿轮副28

56

及联轴节传至光杠XIX，再由光杠通过溜板箱中

的传动机构，分别传至齿轮齿条机构或横向进给丝杠XXVII，使刀架做纵向或横

向机动进给。溜板箱内的双向齿式离合器8M 及9M 分别用于纵、横向机动进给运动的接通、断开及控制进给方向。CA6140型卧式车床可以通过4种不同的传动路线来实现机动进给运动，从而获得纵向和横向进给量各64种。以同样传动路线传动时，横向进给量为纵向进给量的一半。

1、纵、横向机动进给的传动路线表达式为

2、纵向机动进给量(32种)

58336310025253628363244028 2.512583310075363625563256294880

f I i i mm π=?

?????????????????纵基倍主轴 0.711i i =基倍

3、横向机动进给量(64种) 5833631002525362836324404859

558331007536362556325629484818

f I i i mm

=?????????????????纵基倍主轴0.355i i =基倍

横向机动进给量为纵向机动进给量的一半。 2.3.3 刀架的快速移动

在CA6140车床上加工零件时，为了缩短辅助时间，提高生产效率：刀架可实现机动纵向、横向快速移动。按下快速移动按钮（点动控制），快速电机（0.25kw ，2800rpm ）经齿轮副13/29使轴XX 高速转动，再经蜗杆副4/29及溜板箱内的转换机构，使刀架实现纵向或横向的快速移动，快速移动的方向由溜板箱内的双向离合器M8及M9控制。

第3章 总体改造方案及进给系统的设计

3.1 总体改造方案

3.1.1 改造的内容

普通车床的数控化改造主要有4个内容：（1）车床的主轴的正、反向转数控制和实现其不同切削速度的主轴变速。（2）车床纵横两个方向的走刀量控制。由计算机控制的电动机直接带动传动丝杠来实现。（3）自动换刀的控制。是通过计算机控制的电动机来达到转角的目的。（4）在加工螺纹时，应保证主轴转一转、刀架移动一个被加工螺纹的螺距或导程。

3.1.2 改造的基本原则

确定具体改造方案的基本原则是：在满足使用要求的前提下对机床的改动尽可能少，以降低成本、增强抗干扰性。

3.1.3 改造的总体方案

采用SINUMERIK802D 数控系统，由I/O 接口输出步进脉冲，步进电机经减速齿轮减速后带动丝杠转动，利用滚珠丝杠螺母副从而实现纵向、横向的进给运动。使用四方刀架进行自动换刀。此外，为了保证车床加工螺纹的功能和防止意外事故的发生，增加光电编码器和电路中设置了保护电路。

3.1.4 进给系统改造的要求

具有较高的定位精度、有良好的动态响应特性，即系统跟踪指令信号的响应要好、稳定性要好，为了确保数控机床进给的传动精度和工作稳定性。要求进给系统达到无间隙、低惯量、高刚度和高谐频率以及适应的阻尼等。

3.2 纵向进给系统的设计

纵向进给系统主要分为切削力的计算、滚珠丝杠副的选择、减速齿轮的设计、步进电机的确定等。

操作步骤为：拆除原CA6140车床的传动机构（进给箱、溜板箱、传动丝杠、光杠、操作丝杠），利用原机床进给箱的安装孔和销钉孔，安装步进电机减速箱体，滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置，两端仍采用原固定方式（一端固定、一端浮动）。由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，所以纵向进给机构整体刚性优于从前，所以采用一级齿轮减速装置。

已知条件，如表2：

表2 已知条件

选择脉冲当量：据机床精度要求选择脉冲当量。向：0.01mm/步，横向为纵向的一半，即0.005mm/步。

3.2.1 切削力的计算

车床的主电动机最大切削功率P

切=P主ηK

式中：P

主——主电动机功率，CA6140车床P

主

=7.5KW

η——主传动系统效率，一般为0.6～0.7，取η=0.65 K——进给系统功率总效率，K=0.96

∴P

切

=7.5×0.65×0.96=4.68KW

又∵切削力P

切=

3

10

60

c

F v

式中：P C——主切削力（N）

V——最大切削速度（m/min）。按用硬质合金刀具半精车刚件的速度V=100m/min

在外圆车削中：F

y =（0.15～0.7）F

z

=2808×0.6=1684.8N

F

X =（0.1～0.6）F

z

=2808×0.5=1404N

3.2.2 滚珠丝杠副的设计及选型

1、滚珠丝杠副的工作原理及特点在数控机床进给系统中一般采用滚珠丝杠副来改善摩擦特性。滚珠丝杠副是一种在丝杠与螺母间装有滚珠作为中间元件的丝杠副，其结构原理如图4所示。为防止滚珠在工作过程中从螺母两端掉出，在螺母的螺纹滚道4上装有挡滚珠器2（又叫回珠器或反向器）。回路管道5将

滚珠3引回，构成滚珠连续工作的循环通道。

图4 滚珠丝杠副

1-压块；2-挡珠器；3-滚珠；4-螺纹滚道；5-回路管道；6-螺母；7-丝杠

（1）、滚珠丝杠副具有如下优点：

①传动效率高滚珠摩擦的摩擦损失小，传动效率η=0.92～0.94，是普通滑动丝杠的34倍（η=0.20～0.40）。

②摩擦力小因静、动摩擦因数小，因而传动灵敏、运动平稳、低速不易爬行、随动精度和定位精度高。

③可预紧经预紧后可消除轴向间隙。有助于定位精度和刚度提高，既使反向也没有空行程，反向定位精度高，且传动平稳。

④有可逆性因摩擦因数小，所以不仅可将旋转成直线运动，也可将直线运动转换为旋转运动，丝杠可螺母既可作为主动件，也可作为从动件。

⑤使用寿命长滚珠丝杠副采用优质合金钢制成，去滚道表面淬火硬度达60-60HRC，表面粗糙度值小，而且是滚动摩擦，故磨损很小、使用寿命长。

因为滚珠丝杠副具有这些优点，所以进给系统我选择滚珠丝杠副

（2）滚珠丝杠副的缺点是：

①制造工艺复杂，成本高滚珠丝杠、螺母、反向器等零件的加工精度和表面粗糙求高，故制造成本高。如丝杠螺母上的螺旋槽滚道一般都要求削成形表面，工艺复杂。

②不能实现自锁由于起摩擦因数小而不能自锁，特别是垂直（立式）丝杠，由于自重和惯性或因突然停断电而容易造成主轴箱等下滑，所以需要添加制动装置。

2、滚珠丝杠副的循环方式常用的循环方式有外循环和内循环两大类，滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环：始终与丝杠保持接触的称为内循环。

3、滚珠丝杠的安装为提高传动刚度，选择合理的支承结构并正确安装很重要。滚珠丝杠主要承受向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重，因此滚珠丝杠的轴向精度和刚度要求较高。在安装时，应注意调整丝杠间隙，可用百分表测出具体的间隙所在。

珠丝杠副的选用滚珠丝杠副的选择主要是工件负载必小于滚珠丝杠的额定动负载C m(N)即必须满足C

4、滚珠丝杠的承载能力的计算

选择纵向进给为综合导轨，计算丝杠的最大轴向进给切削力F m

又因为F m=KF f+f’′(F c+W)

式中F f、F C——切削分力（N）

K——颠覆里矩影响取K=1.15

f ’′——导轨上的摩擦因数，取f ’′=0.16 W ——移动部件的重量（N ）

所以：F m =KF f +f ’′(F C +W ) =1.15×1684.8+0.16×(2808+800)=2514.8N

（1）、寿命L 最大切削力F 的进给速度V s 可取最高进给速度的1/2～1/5（取为1/2），纵向最大进给速度为0.6m/min,丝杠导程L 0=6mm ，则丝杠转速为：

n =

010*******.6/min 0.5

50/min 6s V mm r L mm

??== 丝杠使用寿命时间一般为15000h ，则丝杠的计算寿命L 为

L =666

606050/min 45(10)1010

nT r r ?== （2）、载荷C m 当量动载荷C m 选用滚珠丝杠直径d 0时，必须保证丝杠工作时，在一定的轴向载荷作用下，丝杠在运转10转后，在它的滚珠上下产生疲劳点浊现象。这个轴向负载的最大值C m ，即为滚珠丝杠杆副所能承受的最大当量动载荷C m

M w

m a

f C f =

式中：w f ——运转系数

a f ——精度系数

∴M w m a

f C f =

= 1.522514.8

0.9?=14908.11N

根据C

选取滚轴丝杆的型号为：CMD4006-2.5E 左，坐标直径为40mm ，即外循环，齿差调隙式，一圈2.5列。滚珠直径为39.69mm ，导程为6mm ，摩擦级选用5级，螺纹升角r=arctag （L 0/πd 0）=arctg （6mm/π×40）=arctg0.047=0244'.

（3）、传动功率η 滚轴丝杆副的传动功率为：

η=tgr/tg （r+φ）=00

24424410g g t t '

''

+=0.94 式中：r ——丝杠的螺纹升角

φ——摩擦角。滚动丝杆副的滚动摩擦因数f =0.003，摩擦角约等于10′所以φ=10′

（4）、稳定性验算

临界压缩载荷，对于受压的细长的滚轴丝杆，应验算其承受最大轴向压缩载荷Fmax 时是否会产生纵向弯曲。

21max

2

1

wd

f EI F l f π≤ 式中：E ——丝杆材料弹性量，对纲E =2.06×1011N/m 2

L ——丝杠两支承端距离（m ），L =1.5m; f 1——丝杠的支承方式系数，f 1=2.00 f wd ——许用稳定性安全系数，f wd =3

I ——丝杠截面惯性矩（m 4），I =4164d π=43.14

0.464

?=0.001m 4

d 1——丝杠螺纹底径（m ），d 1=d 0-1.02d w =40-1.02×3.969=36.02mm.

∴21max

2

1wd

f EI F l f π≤=21122 3.14 2.06101

15003????=2256.75N （5）、刚度验算

滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动平稳性，因此验算满载时候的轴向变形量。

①丝杠的拉伸或压缩变形量1δ。1δ在总变形量中占的比重教大

10

l L l δ?=

? 式中l --滚珠丝杠支撑间的受力长度(mm)

l 0--滚珠丝杠的导程(mm)

Δl 0--在工作载荷作用引起的导程变化量(mm)

又∵00m F L

l EA

?=±

式中F m --轴向平衡载荷

E --材料弹性模量,E 钢=52.0610(/)N mm ? A --滚珠丝杠横截面积,A=

2

21()4

d mm π=

22236.021018.54

mm m π

?=

00m F L l EA ?=±

=6

2514.86

20.6101018.5

mm ?±??=40.71910mm -±? 420100.719101500 1.79106l mm l mm

δ--??==?=±?mm

“+”号用于拉伸。由于两端均采用角接触球轴承且丝杠又进行了预紧，故其拉

压刚度端固定的丝杠提高四倍。其实际变形为δ'。

211

1.79100.004444

mm δδ-'==??=

②滚珠与螺纹接触变形量2δ，此项变形占总变形量的比重也教大，当对丝杠加有预紧力且预紧力为轴向最大载荷的1/3时，之值可减少一半，

又∵2δ=

式中F m ——轴向工作载荷（N ）

F Y ——预紧力 d W ——滚珠直径

Z Z ——滚珠数量其为圈数K 列数Z 每圈螺纹滚道内的滚珠数

外循环Z =

3w

d d π-

d 0——滚珠丝杠公称直径

2δ=

2.849444

0.0183470196==

据上所诉，实际变形量为: 222

δ

δ'==0.009

③支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形3δ

支撑滚珠丝杠的轴承为8107型推力轴承，几何参数d 1=35mm ，滚球直径

6.35Q d mm = 滚动体数量Q Z =18 轴承的轴向接触变形3δ为：

3 3.13160.007516mm δ==?=mm 因施加预紧力，故实际变形量 3311

0.0075160.00375822δδ'==?=mm

注意m F 单位为k g

∴总变形量δ=1δ+δ2+δ3=0.0044++0041+0.003758=0.012258 又有前面已知条件可得：0.012258mm ＜0.015mm 的定位精度。 符合要求。

5、减速齿轮的设计i

根据机床设计的要求，纵向进给脉冲当量为0.01mm ，滚珠丝杠导程L 0=6mm ，及初选的步进电动机的步距角0.75

，传动比为

0.7565

1.253600.014

i ?=

==?

因为I<5,故可为一级齿轮传动。I=

21Z Z =540

432

=

因进给运动齿轮受力不大。根据《机械设计基础》选取第一系列中的模树m=2压力角=200

∴d 1=M 1×z=2×32=64mm

22

24080m m m

d

z ==?=

分度圆直径

1a d =1d +2a h =m(1z +2*

a h )=2(32+2?1)=68mm

2a d =2d +2a h =m(2z +2*

a h )=2(40+2?1)=84mm

*a h 齿顶高系数，我国标准规定：m≥1㎜时，正常齿制*

a h =1 齿根圆径 1f d = 1d -2f h =m(1z -2*a h -2*c )=2(32?2-2?0.25)=59

2f d = 2d -2f h =m(2z -2*

a h -2*c )=2(40?2-2?0.25)=75.

*c 顶隙系数 我国标准规定：≥1 mm 时，正常齿制*c =0.25

齿宽b=d

ψ1

d

为了减小加工量，也为了装配和调整方便，大齿齿宽应小

于齿轮齿宽，取

2

1d

b d

ψ=，则

1

2

(5~10)mm b b

=+

取d

ψ=1 所以 20.56432mm mm b =?= 12(5~10)38mm mm b b =+= 所以减速齿轮参数为：

121

1264,38,2,,32,32,4020mm mm m mm mm d

b d z z ===?====

大小齿轮的材料均为40r G 合金钢，考虑到对传动要求和制造方便采用直齿传动从动齿轮齿轮错齿轮法消除和间隙，热处理采用调压处理，小齿轮硬度

246s s HB HB =，大齿轮：硬度220s S HB HB =

3.2.3 步进电动机的选择

1、计算负载惯量的意义

惯量匹配条件 惯量匹配是指进给系统负载惯量与伺服电动机转子惯量

相匹配。 条件是：1〈M J

J

〈4

式中：M J ——伺服电动机转子的转动惯量（2.kg cm ）可有伺服电动机技术手册查出。

J ——负载惯量（2.kg cm ），即进给系统（传动轴、齿轮、工作台等）折算到

伺服电动机上全部负载转动惯量。

2、负载惯量的计算

参考同类型机床，初步选用反应式步进电动机150BF002，其电动机转动惯量M J =102.kg cm 。传动系统折算到步进电动机轴上的等效转动惯量为：

（1）、齿数Z 1、Z 2折算到步进电动机轴上的转动惯量为：

34534

3111117.810/(6.4)210 3.21/3232

g g J d L k cm cm k cm πρπ--=??=??????=

34534321111

7.810/8210 6.27/3232g g J d L k cm cm k cm πρπ--=??=??????=

（2）、丝杠折算到步进电动机轴上的转动惯量 从表查得1m 的丝杠的

M J =15.452.kg cm

∴J s =15.45×1.52.kg cm =23.1752.kg cm （3）、等效转动惯量为：J =J 1+ 220122(

)()()2S L Z W J J Z G π??

++????

=3.21+ (

22328000.6)(6.2723.175)()409.82 3.14??

++?????

2.kg cm =22.5312.kg cm 3、负载转矩计算及最大静转矩的选择 机床在不同的共况下，其所

需转矩不同，

（1）快速空载起动时所需转矩是：

将已知数据代入，max max 024000.75

3600.01360

b p v n θ=

?=??=500r/min 考虑了电动机转子的转动惯量以后，传动系统折算的电动机轴上的总转动惯量 J 总=J M +J =10+22.5312.kg cm =32.5312.kg cm

M amax 2max 21032.51360a n J t π-=?

?=总2.kg cm ×22500/min

10600.03r S

π-???=567.77N 折算到电动机轴上的摩擦力矩

/00021()0.16(2808800)0.6

220.8 1.252C f F L f F W L M Z i Z πηππη+?+?===

??=55.15 N.cm 附加摩擦力矩

/22

20000021

0.16(2808800)0.6(1)(1)(10.9)22 3.140.8 1.252m FpoL f F L M Z i Z ηηπηπη???+?=-=-=-???

=3.259N.cm

则M 起=M amax +M f +M 0=567.77N.cm+55.15N.cm+3.259N.cm=626.179N.cm

（2）快速移动时所需力矩M 快

M 快=M f +M=55.15N.cm+3.259N.cm=58.409N.cm （3）最大切削负载时所需力矩M 切

0f t M M M M =++切

=M f +M+

14040.6

55.15. 3.259..220.8 1.25N cm N cm N cm i πηπ?=++??t o F L

=55.15N.cm+3.259 N.cm+134.14N.cm=192.549N.cm

从上面计算看出M 起、M 快、M 切三种情况下，以快速空载起动时所需转矩最大，以此项作为初选步进电动机的依据。 查资料得，步进电机为五项十帕时，max

0.951q j M M λ=

=

步进电动机最大静转矩

max

j M =626.179

658.4. 6.58.0.9510.951

M N cm N m ===起 按次最大静力矩，150BF002型步进电机最大静转距为13.72.N m 大于所需最

大静力矩，可作为出选型号。但还得考虑电机起动频率特性和运行矩频特性。

步进电机的空载起动频率：

max 10001000 2.4

/min 400060600.01

k p V f mm Hz δ?=

==?

100010000.6

/min 100060600.01S e V f mm Hz δ?=

==?

150BF002型反应式步进电动机允许的最高空载启动频率为2800Hz ，允许的最高空载运行频率为8000Hz 。

由图5步进电动机起动矩频特性可看出，当步进电动机起动时，f 起=2500HZ 时，M=100N ·㎝，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（633.84N ·㎝），直接使用会产生失步现象，所以必须采取升降速控制（可用软件实现），将起动频率降到1000H Z 时，起动扭矩可增高到588N ·㎝，然后在电路上再采用高低压驱动电路，可将步进电动机输出转矩扩大一倍左右。

当快速运动和切削进给时，由150BF002步进电机起动矩频特性图18（b ）知该电动机能满足要求，根据上述计算综合分析，纵向进给系统采用150BFOO2步进电动机能满足要求。

图5 150BF002步进电机起动矩频特性 a)起动矩频特性；b)运行矩频特性

3.3 横向进给系统的设计

横向进给系统主要分为切削力的计算、滚珠丝杠副的选择、减速齿轮的设计、步进电机的确定等。

改造步骤：保留原手动机构，用于微机进给和机床刀具对空操作；保留原有的支承机构；步进电机、齿轮箱体安装在机床后侧，为了便于安装滚珠丝杠。副丝杠轴采用分移式，然后用套筒刚联接。采用双片齿轮错齿法消除齿轮副间隙，并在溜板箱上安装了纵横向进给按钮和急停按钮，以适应机床调整时的操作和意外事故的紧急处理。

3.3.1 切削力的计算

F X =（0.1～0.6）F z =2808×0.5=1404N

3.3.2 滚珠丝杠副的设计及选型

1、选择纵向进给为燕尾性导轨，计算丝杠的最大轴向进给切削里F m

又因为F m =KF f +f ’(F c +2F p +W )

式中F f 、F p 、F c ——切削分力（N ）

K ——颠覆里矩影响取K =1.4 f ’——导轨上的摩擦因数取f ’=0.2 W ——移动部件的重量（N ） 代入式中：F m =KF f +f ’(F c +2F p +W )

=1.4×1684.8+0.2×(2808+2×1404+600) =3353.28N

2、寿命L 最大切削里F 的进给速度Vs 可取最高进给速度的1/2～1/5（取为1/3），纵向最大进给速度为0.6m/min,丝杠导程L 0=6mm ，则丝杠转速为：

01

10000.3

10003205

vs n L ??===r/min 丝杠使用寿命时间一般为15000h ，则丝杠的寿命L 为

L =

66010nT =6

60201500

10??=18 3、载荷C m 当量动载荷C m 选用滚珠丝杠直径d 0时，必须保证丝杠工作时，

在一定的轴向载荷作用下，丝杠在运转106

转后，在它的滚道上下产生疲劳点浊现象。这个轴向负载的最大值C m ，即为滚珠丝杠杆副所能承受的最大当量动载荷C m

M w

m a

f C f =

式中：w f ——运转系数

a f ——精度系数

∴M w m a

f C f =

= 1.53353.28

0.9?=14646.56N

根据C

选取滚轴丝杆的型号为：CMD2505-2.5E 左，坐标直径为25mm ，即外循环，齿差调隙式，一圈2.5列。滚珠直径为39.69mm ，导程为6mm ，摩擦级选用5级，螺纹升角r=arctag （L 0/πd 0）=arctg （6mm/π×40）=arctg0.047=0243'。

4、传动功率η 滚轴丝杆副的传动功率为：η=tgr/tg （r+φ）==

00243(24310)

g g t t '

''+=0.965

式中：r ——丝杠的螺纹升角

φ——摩擦角。滚动丝杆副的滚动摩擦因数f =0.003，摩擦角约等于10′所以

φ=10′

5、稳定性验算

（1）临界压缩载荷，对于受压的细长的滚轴丝杆，应验算其承受最大轴向压缩载荷Fmax 时是否会产生纵向弯曲。

21max

2

1

wd

f EI F l f π≤ 式中E ——丝杆材料弹性量，对纲E =2.06×1011N/m 2

L ——丝杠两支承端距离（m ），L =0.45m ； f 1——丝杠的支承方式系数，f 1=2.00；

f wd

——许用稳定性安全系数，f wd

=3；

I ——丝杠截面惯性矩（m 4），I =

4164d π

=

43.14

0.2564

?=57.810-?m 4

d 1——丝杠螺纹底径（m ），d 1=d 0-1.02d w =20-1.02×3.175=16.7615mm ∴21max

2

1wd

f EI F l f π≤=211522 3.14 2.06107.8101

4503-??????=4680.6N 6、刚度验算

（1）丝杠的拉伸或压缩变形量δ1。δ1在总变形量中占的比重教大.

10

l L l δ?=

? 式中l ——滚珠丝杠支撑间的受力长度(mm) l 0——滚珠丝杠的导程(mm)

0l ?——在工作载荷作用引起的导程变化量(mm)

又∵0

0m F L l EA

?=±

式中F m ——轴向平衡载荷 E ——材料弹性模量，E 钢=52.0610(/)N mm ? A ——滚珠丝杠横截面积，=

2

21()4

d mm π=

22216.76220.54

mm m π

?=

00m F L l EA ?=±

= 6

3353.28520.610220.5

mm ?±??= 4

3.6910mm -±? 42010 3.6910450 3.21105l mm

l mm

δ--??==?=±?mm

“+”号用于拉伸。由于两端均采用角接触球轴承且丝杠又进行了预紧，故其拉

压刚度端固定的丝杠提高四倍。其实际变形为δ'。

211

3.321100.008344

mm δδ-'==??=

（2）滚珠与螺纹接触变形量δ2，此项变形占总变形量的比重也教大，当对丝杠加有预紧力且预紧力为轴向最大载荷的1/3时，之直可减少一半，

又∵2δ=

式中F m ——轴向工作载荷（N ）；

F y ——预紧力； d w ——滚珠直径。

Z Z 滚珠数量其为圈数K 列数Z 每圈螺纹滚道内的滚珠数，外循环Z=0

3w

d d π-