车床的经济型数控改造设计.doc

1、中北大学分校学位论文摘 要本次设计是在现有普通机床的基础上，改用微机控制，实现机电一体化。主要采用在原机床进给丝杠尾部加装减速箱和步进电机，利用步进电机驱动滚珠丝杠实现纵向或横向进给；为实现螺纹加工，需在主轴外端安装主轴脉冲发生器检测主轴转动位置。刀架采用自动回转刀架。采用SINUMERIK 802Sbase line数控系统控制步进电机及刀架、脉冲发生器运动。这样就可以将一台普通车床改造为一台简易的数控车床了。关键词：微机控制； 滚珠丝杠； 步进电机； 脉冲发生器AbstractThis design is a foundation in current machine to ascend,

2、 changing to control with the microcomputer machine, realizing the machine electricity integral whole. Adopt primarily to enter to add the stepbystep motor and deceleration box on the tail department of feed screw. make use of with stepbystep motor drives to roll into the ballscrew put into executio

3、n longitudinal feed and surfacing feed. For realizing the thread processes, needing to carry principal axis pulser outsiade principal axis pulser examination principal axis turn to move the position. The cutter saddletturn round automatically cutter saddletturn.。withSINUMERIK 802Sbase line control s

4、tepbystep motor, pulser, automatically cutter saddletturn drived. In thia way, we can recreated a engine lathe to a numerical controlled lathe.Key Words：microcomputer machine control ； feed screw ；stepbystep motor ； pulserI学位论文题目目 录摘 要IAbstractII引 言11 概述车床的经济型数控改造21.1 车床的经济型数控改造设计背景21.2 车床的经济型数控改造设计

5、的优点31.3 车床的经济型数控改造的任务内容32 普通CA6140车床的数控系统总体方案的确定52.1 普通车床简介52.2 数控系统运动方式的确定52.3 伺服进给系统的确定62.3.1 伺服进给系统的确定62.3.2 拟订伺服进给系统的改造方案62.4 数控系统的硬件设计83 CA6140车床伺服进给机构的设计与计算103.1 普通CA6140车床伺服进给机构的改造103.1.1 前期准备103.1.2 CA6140车床数控改造示意图103.1.3 CA6140纵向滚珠丝杠传动改造安装113.1.4 CA6140横向滚珠丝杠传动改造安装133.2 普通CA6140车床纵向伺服进给机构机构

6、的设计与计算143.2.1 纵向进给切削力的确定143.2.2 滚珠丝杠副的设计153.2.3 齿轮设计193.2.4 步进电机的选用213.2.5 选择联轴器类型和型号233.2.6 轴的设计计算233.3 普通CA6140车床横向伺服进给机构机构的设计与计算293.3.1 横向滚珠丝杠副的设计293.3.2 齿轮传动比计算323.3.3 步进电机的计算和选型323.4 减速器的箱体设计343.5 减速器的附件设计353.6 检查验收36结 论37参 考 文 献39附录A 纵向进给系统装配图40致 谢41- III -中北大学分校学位论文 引 言随着科学生产力的发展，机床设备的数控化率的提高

7、已是衡量一个国家机械制造业现代化水平的重要标志。据最近有关资料表明，我国机床总有量380余万台，其中数控机床总数11.34万台即我国机床数控化率还不到3%。而一些发达国家早已达到20%以上，因此我国机械制造水平与发达国家相比差距很大，设备陈旧，技术水平落后，严重地影响了生产力的发展。提高机床数控化率有两种途径：一种是购买新机床；另一种是对旧机床进行改造。这对我国一个机床拥有量极大，而当前经济财力又不足的发展中国家来说，采用旧机床改造来提高设备的先进性和数控化率，是一个极其有效和实用的途径。即使在发达的工业国家，在大量制造数控机床的同时，也在组建维修改造专业公司，专门从事旧机床的维修和数控化改造

8、。尤其在美国和日本等发达国家机床工业处于不景气的今天，它的机床改造却作为新的经济增长行业，处于黄金时代。用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已经形成了机床和生产线数控改造的新行业。1 概述车床的经济型数控改造1.1 车床的经济型数控改造设计背景 随着我国市场经济的发展,国内、国际市场竞争日益激烈,产品更新更为迅速,中、小批量的生产越来越多。大多数企业的生产机床为普通机床，生产设备陈旧落后，用这种设备加工出来到产品普遍存在质量差，精度低，成本高，供货周期长等问题，已经不能适应当今多品种、小批量生产要求,数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术, 一方面是全功能、高性能；

9、另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，无检测反馈机构，系统的定位精度一般可达0.01至0.02mm，已能满足CA6140 车床改造后加工零件的精度要求。大大提高自动化程度和生产劳动效率，提高原机床的加工精度，加工出普通机床难以加工的各种外型比较复杂的工件，具有投资少，见效快等特点。最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需更换零件加工程序,无需对机床作任何调整,因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。提高车床数控化率有两个途径,一是购置新的数控车床,二是把普

10、通车床改装成数控车床。根据我国目前的经济状况,花大量的资金更换全新的数控车床是不可能的,同时对普通车床是一个很大的浪费;而普通车床的数控改造既经济又快捷,是符合我国国情的,是提高车床数控化率的有效途径。毕业设计题目是CA6140普通车床的经济型数控改造，该机床不仅刚度和强度较好。而且在我国的储备量较大。采用数控改造可在其精度和性能方面有所提高，且投资少。可充分利用现有资源。即使在发达的工业国家，在大量制造数控机床的同时，也在组建维修改造专业公司，专门从事旧机床的维修和数控化改造。尤其在美国和日本等发达国家机床工业处于不景气的今天，它的机床改造却作为新的经济增长行业，处于黄金时代。用数控技术改造

11、机床和生产线具有广阔的市场，已经形成了机床和生产线数控改造的新行业。由于机床本身的特点，以及相应技术的不断发展进步，机床改造仍是一个“永恒”的课题。并且正在向着更高层次发展。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行业。1.2 车床的经济型数控改造设计的优点车床的经济型数控改造设计一般是指对现有的普通车床的某些部位作一定的改造，配上经济型数控装置，从而使原机床具有数控加工能力，车床的数控改造有如下优点：从提高资本效率出发，改造闲置的普通车床，能发挥旧机床的原有功能和改造后的新增功能，提高机床的使用价值。适应多品种，小批量零件生产。数控改造费用低，减少了投资额，经济性好，数控车床改

12、造费用仅为新购一台数控车床费用的1525，同购置新机床相比，一般可以节省7585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，甚至精度会更好，应为普通车床床身不会产生变形 。机械性能稳定可靠，结构受限。所利用的普通车床床身基础件是重而坚固的铸造结构件，而不是焊接构件，改造后的机床性能高，质量好，可以作为新设备继续使用多年，数控化改造使原有的机械结构更为简单，原有的手摇进给结构全部消失，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，不宜作突破性的改造。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

13、，更为地搞管理水平。购买新机床时，不了解新机床是否能满足其加工的要求，改造则不然，可以精确地计算出车床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一旦安装好，就可以实现全负荷运转。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自动完成，即使比较复杂的工件也能快速完成，省去了对技术要求的烦恼。可以充分利用现有的条件。可以采用最新的控制技术，可以根据技术改革的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高机床质量和档次。1.3 车床的经济型数控改造的任务内容 （1）将普通车床改造成经济型数控车床，应实现车

14、床原有功能，在机床的精度、性能方面除保持原来状况外还应有所提高；（2）机械改造部分的设计，用滚珠丝杠更换原梯形丝杠，步进电机与滚珠丝杠的连接采用一级减速，消除齿轮间隙采用调隙式齿轮措施，采用电动转位刀架。丝杠后支承采用双列向心球面球轴承（3）数控系统的设计给定条件与要求：普通车床采用微机组成的经济型数控开环系统最小设定运动单位：X轴0.005mm，Y轴0.01mm最大进给速度：X轴1m/min,Y轴2m/min2 普通CA6140车床的数控系统总体方案的确定2.1 普通车床简介 该机床进行各种车削工作，并可加工公制、英制、模数和径节螺纹。该机床刚性好、功率大、操作方便。主要技术参数工件最大回转

15、直径： 在床面上400毫米 在床鞍上210毫米工件最大长度1000毫米主轴转速范围： 正转（24级）101400转 反转（12级）101580转进给量范围： 细化0.028-0.054毫米/转 纵向（64种） 正常0.08-1.59毫米/转 加大1.71-6.33毫米/转 细化0.014-0.027毫米/转 横向（64种） 正常0.04-0.79毫米/转 加大0.86-3.16毫米/转 工件最大长度为1000毫米的机床：外形尺寸（长x宽x高）2668x1000x1190毫米2.2 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(轮廓）控制系统。点位控制的特

16、点是，只要求控制刀具相对于工件在机床加工平面内从某一加工点运动到另一加工点的精确坐标位置，而对两点之间的运动轨迹原则上不进行控制，且在运动过程中不作任何加工。连续控制的特点是，不仅要求控制刀具相对于工件在机床加工空间内从某一点运动到另一点的精确坐标位置，而且要求对两点之间的运动轨迹进行精确控制，且能够边移动边加工。由于改造后的车床具有定位、暂停、循环加工、螺纹加工等功能，所以应采用连续控制系统。2.3 伺服进给系统的确定2.3.1 伺服进给系统的确定 数控机床的伺服进给系统有开环，半闭环和闭环之分。采用直流或交流伺服电机驱动的闭环控制方案的优点是可以达到很好的机床精度。能补偿机床传动系统中的各

17、种误差，消除间隙，干扰等对加工精度的影响。但它结构复杂，技术准度大，调试和维修困难，造价高。由于所改造的车床的目标加工精度不很高采用闭环控制系统的必要性不大。 采用直流或交流伺服电机驱动的半闭环控制，其性能介于开环和闭环控制之间。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机驱动的开环控制。由于反馈环节不包括大部分机械传动元件，调试比闭环简单。系统和稳定性较易保证，所以比闭环容易实现。但是，采用半闭环控制，调试比开环要复杂设计上也要有其自身的特点，技术难度较大。本设计任务的要求不高，是经济型数控的改造，通常的情况下均采用以步进电机驱动的开环控制。因为开环控制具有结构简单，

18、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。缺点是步进电机没有过载能力，启动频率低，工作频率也不高等，开环控制多用于负载变化不大或要求不高的经济型数控设备中。 经上述比较，适合采用步进电动机驱动的开环控制系统。用经济型数控改造后的车床控制原理如图（1）所示。改造后的车床可以自动车削圆柱面、圆锥面、端面、球面、螺纹等。2.3.2 拟订伺服进给系统的改造方案 结合生产实际，依据工艺要求和被改车床的完好程度，可采用不同的改造方案。对实际役龄较短、零部件完好、精度尚未降低，导轨刮花可见或实际役龄较长经修复后达到精度要求的机床可做如下的改造。车床主轴箱不变，即主轴变速仍靠人工控制

19、，离合器脱开，可以使主运动与进给运动脱开，同时将脱开蜗杆等横向自动进给机构调制空档位置， 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,纵向进给系统以步进电机作为驱动元件,经一级齿轮减速转矩增大后,由滚珠丝杠传动。滚珠丝杠仍利用保存原丝杠位置,其螺母副通过托架安装在床鞍底部,滚珠丝杠两端加装接套、 图1 数控车床的改造方案组成框图接杆及支承,与床身尾部步进电机相联接。步进电机经减速后和滚珠丝杠用套筒联轴器连接。横向进给系统中保留原手动机构,在原支承部位安装滚珠丝杠螺母副后,步进电机及减速器安装在横向溜板后方纵向走刀丝杠采用滚珠丝杠的目的是为了提高纵向走刀的移动精度(对于半精加工的

20、车床可直接使用原来的丝杠)。同样，横向走刀丝杠由横向步进电动机直接驱动，完成横向走刀的进给和变速。另外，刀架部分采用了电动刀架1实现自动换刀根据实际机床的加工切削需要和系统的T 功能控制性能,拆除原刀架和小拖板,换上LD4 - 6132 型四方位自动刀架。该刀架内带小容量交流电动机,控制正转选刀。内置的4 只霍尔元件检测刀位位置,电动机反转完成刀具定位。为了使车床能实现自动车制螺纹，还要在主轴尾部加装光电编码器(图中未示出)作为主轴位置检测装置，使车刀运动与主轴位置相配合。改造后的CA6140车床传动系统如图2所示图2 改造后的CA6140车床传动系统1-电动刀架 2-连轴器（横向减速器） 3

21、-横向步进电机 4-纵向步进电机 5-连轴器（纵向减速器） 6-纵向微调起机构 7-横向微调机构 8-横向滚珠丝杠 9-纵向滚珠丝杠2.4 数控系统的硬件设计数控系统是由数控装置、输入/输出装置、驱动控制装置和机床电器逻辑控制装置所组成。据实际情况，在满足工艺条件的情况下，决定对本机床采用德国西门子公司开发的SINUMERIK 802Sbase line数控系统。 SINUMERIK 802S base line是专门为中国数控机床市场而开发的经济型 CNC 控制系统。其特性如下: 1.结构紧凑，高度集成于一体的数控单元，操作面板，机床操作面板和输入输出单元 2.机床调试配置数据少，系统与机床

22、匹配更快速、更容易 3.简单而友好的编程界面，保证了生产的快速进行，优化了机床的使用 SINUMERIK 802S base line集成了所有的CNC，PLC，HMI，I/O 于一身： 1.可独立于其他部件进行安装。坚固而又节省空间的设计，使它可以安装到最方便用户的位置 2.操作面板提供了所有的数控操作，编程和机床控制动作的按键以及8英寸LCD显示器，同时还提供12个带有LED 的用户自定义键。工作方式选择(6 种)，进给速度修调，主轴速度修调，数控启动与数控停止，系统复位均采用按键形式进行操作 3.SINUMERIK 802S base line的输入/输出点为48个24V的直流输入和16

23、个24V的直流输出。输出同时工作系数为0.5 时负载能力可达0.5A。为了方便安装，输入输出采用可移动的螺丝夹紧端子，该端子可用普通的螺丝刀来紧固 4.SINUMERIK 802S base line可控制三个进给轴。 5.SINUMERIK802S base line提供脉冲及方向信号的步进驱动接口。 6.除三个进给轴外，SINUMERIK 802S base line 提供一个 10V 的接口用于连接主轴驱动。 SINUMERIK 802S base line控制软件已经存储在数控部分的Flash-EPROM(闪存)上，Toolbox软件工具(调整所用的软件工具)包含在标准的供货范围内。系

24、统不再需要电池，免维护设计。采用电容防止掉电引起的数据丢失。程序的变化和新程序软件存储。系统软件面向车床和铣床应用，并可单独安装。在每一个工具盒中都包含有车床和铣床的PLC 程序示例，以便用户能很快地调试完毕。3 CA6140车床伺服进给机构的设计与计算3.1 普通CA6140车床伺服进给机构的改造3.1.1 前期准备 由于数控机床的精度比较高，而我们对选定的车床检查后发现，机床导轨精度不符合要求，车床主轴加工出的零件有微小的波纹。于是按照GBT 40201983卧式车床精度检验标准进行修复。 用步进电机作拖动元件。因为数控系统发出的指令仅使床鞍运动而没有位置检测和信号反馈，故实际移动值和系统

25、指令如果有差别就会造成加工误差。因此，除了床鞍及其配件精度要求较高外，还应采取以下措施来满足传动精度和灵敏度要求。第一，在传动装置的布局上采用减速齿轮箱来提高传动扭矩和传动精度(分辨率为001 mm)。传动比计算公式为：i=S/360。式中，为步进电机步矩角，(0)；S为丝杠螺距，mm；为脉冲当量(即分辨率)，mm. 第二，在齿轮传动中，为提高正、反传动精度必须尽可能地消除配对齿轮之间的传动间隙，其方法有两种，柔性调整法和刚性调整法。柔性调整法是指调整之后的齿轮侧隙可以自动补偿的方法，在齿轮的齿厚和齿距有差异的情况下，仍可以始终保持无侧隙啮合，但将影响其传动平稳性，而且这种调整法的结构比较复杂

26、，传动刚度低。刚性调整法是指调整之后齿轮的侧隙不能自动补偿的调整方法，它要求严格控制齿轮的齿厚及齿矩误差，否则传动的灵活性将受到影响。但用这种方法调整的齿轮传动有较好的传动刚度，而且结构比较简单。在设备改造中应用的配对齿轮侧隙方法是刚性调整法。第三，采用滚珠丝杠代替原滑动丝杠，提高传动灵敏性和降低功率、步进电机力矩损失。3.1.2 CA6140车床数控改造示意图如图3.1所示，这是一种非常典型卧式车床的数控改造结构，改造时拆除原机床的纵向和横向丝杠光杠、溜板箱、挂轮箱的挂轮、原手动刀架及手柄等部件，用滚珠丝杠替换原有普通丝杠、用电动刀架替换原有的普通刀架，主轴传动部分的改造可视具体需要而定。纵

27、向和横向进给采用步进电动机及减速器驱动，螺纹加工的部分采用主轴脉冲编码器同步检测主轴转速进行螺纹加工控制，机床编程和运动的操作由数控系统面板和图 3.1 CA6140车床数控改造示意图1- 横向滚珠丝杠副，2-横向步进电机，3-横向减速器，4-尾座，5-横向减速器，6-纵向步进电机，7-支架，8-纵向滚珠丝杠副，9-电动刀架，10-主轴编码器机床面板完成。横向步进电动机及减速器装置安装在机床床鞍的后部，纵向的步进电动机减速器装置安装在机床的右端，主轴脉冲编码器安装在挂轮箱内。3.1.3 CA6140纵向滚珠丝杠传动改造安装 对普通车床而言，主传动系统及进给系统都是出自主轴电机，而改造后的数控车

28、床，主传动系统与进给系统相互分离，成为两个不相关的系统。进给系统（纵、横分别以Z，X向表示）传动路线 步进电机（Z，X两相分离）-滚珠丝杠-溜板箱（刀架）改造后，数控车床的传动示意图见图2。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3.2所示， 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 稳定。在滚珠丝杠的左端可设汁一个专

29、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 向的轴向力。支撑轴与滚珠丝杠通过联轴套联接起来，并南销钉固定。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，螺母支架固定图3.2 CA6140 车床纵向传动的典型支承结构图1，4-推力轴承 2，10-径向滑动轴承， 3-左端轴支座5-连接轴 6，9-连接套， 7-滚珠丝杠 ， 8-螺母座11- 丝杠托架 ， 12- 减速器， 13- 步进电动机在床鞍上。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

30、轴处通过联轴器联接即可，这样既方便又简单，通过实践此疗法适用于一般机床数控改造。如图3.3所示，足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9O定位。 注意：减速器与丝杠支架的直径和长度尺寸要相一致，否则还须冉拆卸丝杠支架，进行孔的加T，非常麻烦。图 3.3 CA6140纵向减速器与丝杠联接图1-联轴套， 2-固定锥销，3-锁紧螺母，4-垫圈5-固定销 6-减速器 A-滚珠丝杠，B-原丝杠支架消除齿轮间隙的措施:由于步进电机和滚珠丝杠之间采用一对齿轮传动后，引入了传动间隙，步进电机转一个步距角未能使滚珠丝杠同步

31、转一个相应的角度，从而降低加工精度。这种传动间隙如不加以补偿，可能使零件加工积累误差越来越大，造成死区和回程误差。消除齿轮间隙的措施，一方面利用计算机软件修正，另一方面采用无隙齿轮传动。系统采用双齿轮错齿式消隙结构)!*，相同齿数的两薄片同时与另一宽齿轮啮合，两薄片齿轮之间依靠弹簧力使其张开一定角度，使两薄片齿轮的左右齿面分别接触宽齿轮的右左齿面以消除侧隙。其结构见图 3.4。图 3.4 双齿轮错齿式消隙机构1-薄片齿轮，2-薄片齿轮，3-凸耳 ，4-凸耳，5-螺钉， 6-锁紧螺母，7-螺母，8 弹簧3.1.4 CA6140横向滚珠丝杠传动改造安装横向的滚珠丝杠也采用三点支承形式，采用一端固定

32、，一端浮动。保留原横向进给丝杠的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I1、l2，承受两个方向的轴向力，并用螺母调整其间隙，其结构如图3.5所示。步进电动机及减速器安装在床鞍的后部，在前端将原机床手把取消，截成短轴，并通过联轴套与滚珠丝杠联接在一起。为使滚珠螺母座与滚珠丝杠两端支承同心，利用垫片调整等高，利用螺钉微凋水平方向的同轴度 调整好后用销钉同定。为消除齿轮侧隙，减速器内可采用双薄片齿轮错齿凋整法自动消除间隙。如图3.5所示，为车床横向减速器的安装图，步进电动机和减速器与床鞍之间有一联接器，其主要足根据床鞍的安装尺寸及横向行程来设计的，连接器有螺钉一端固定在减速

33、器上，另一端固定在床鞍 。减速器输出轴与丝杠的联接是通过连轴套5进行联接，并有固定销4锁紧定位。联轴套5上两固定销位置相差9O0。分别控制KM1、KM2接通与断开，这时主轴电动机的起停及正反转控制由数控系统自动进行。此时手动操作将 起作用。 图3.5 CA6140车床横向传动的典型支承结构图1，2- 推力轴承， 3-支承短轴 4，7，8-联轴套5-螺母座 6-滚珠丝杠螺母9-联接支承架 10-减速器 ，11-步进电动机轴心线(略低于轴线)，可通过调整刀架下面垫板的厚度，调整其高度。然后，卸掉电动机风扇，逆时针方向转动电动机(或调整螺杆)，使上刀体相对下刀体转动45。左右。打装螺孔，用螺钉将刀架

34、固定于中滑板上。3.2 普通CA6140车床纵向伺服进给机构机构的设计与计算3.2.1 纵向进给切削力的确定已知条件：根据机床精度要求选择脉冲当量，纵向：001mm步，横向：0005 mm步。最高进给速度=2m/min,=1m/min根据机床设计手册查：/=35%式中:是进给系统所需的电机功率; 主传动的电机功率已知：=7.5kw,取比例系数为4%，则： =*4%=0.3kw根据机床设计手册查： F=9.8*是进给系统的效率，取0.150.20；=0.175。是进给速度， 取：=9.8*6120*0.175*0.3/13149取安全系数为1.2，1.2*31493779查表得：=（0.10.6

35、）； =（0.150.7）。取； =0.2； =0.7。=5398N；=1080N；3.2.2 滚珠丝杠副的设计滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。珠丝杠滚副的预紧方法有：双螺母垫片式预紧，双螺母螺纹式预紧，双螺母齿差式预紧，单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等几种。一、计算进给牵引力Fm (N)作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切屑时的走刀抗力以及移动件的重量和切屑分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的形式有关。纵向进给为三角形导轨 Fm=k+f(+G)式中:K考虑颠覆力矩影响的实验系数.三角形导轨取k=1.15 f滑动导轨摩擦系数:0.150.1

36、8，取f=0.16 G溜板及刀架重力,取100kg10N/kg =1000N =1.15*1080+0.16（5398+1000)=2265(N)二、 计算最大动负载CC=， 式中：是寿命系数，根据预期的寿命按表5.7-30选取，=15000 h，；是载荷性质系数，按表5.7-31选取，=1.3；是动载荷硬度影响系数，按表5.7-32选取，=1.0；是转速系数，其中：n=L0为滚珠丝杠导程，初选Lo=10mm，为最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的1213，取0.5，n=100r/min，=0.69是当量轴向载荷，=2265N，安全系数为1.5，=3397NC= =19840N三 、选择

37、滚珠丝杠螺母副选用外循环插管式、双螺母垫片预紧、导珠管迈入式的滚珠丝杠副，滚珠丝杠副型号：CDM4010-2.5，。选定精度为3级。其主要参数：中径D0=40mm；导程L0=10mm；螺旋角=433滚珠直径=6.35mm；循环列数X圈数jxk=2.5x1；额定载荷：动载Ca=29427N；静载C0a=73409NCCa满足丝杠的使用要求。四、传动效率计算式中. 是螺旋升角, =433 摩擦角取10滚动摩擦系数0.0030.004 五、刚度验算纵向进给丝杠支承方式：最大牵引力为2425N，支承间距L=1180mm，因丝杠长度较短，不需预紧，螺母及轴承预紧。计算如下： 丝杠的拉伸或压缩变形量1 式

38、中: E为材料弹性模量 取E= Ncm2 F为丝杠的面积，F=F= 滚珠与螺纹滚道问接触变形2 N为滚珠数一般N=（60-80）k取N=70k=70 支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形3，采用8102单向推力球轴(GB30184)，综合以上几项变形量之和：=14+10.4+6.5=30.9=0.0309mm根据=0.0309 mm Fm 因为水平丝杠的许用值【】=4【】所以，滚珠丝杠不会失稳。丝杠轴承的选用丝杠的支撑方式有：双推双推式；双推自由式；单推单推式；双推简支式。双推简支式是指一端安装深沟球轴承；另一端安装止推轴承，其轴向刚度较低，使用时应注意减少丝杠的热变形的影响，双推端可预拉伸安装，

39、预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速、传动精度较高的长丝杠传动系统。所以，丝杠的支撑方式采用双推简支式。双推端采用600接触角推力角接触球轴承，面对面配组。根据机电一体化系统设计手册查得，选用哈尔滨轴承厂生产的7602030TVP推力角接触球轴承。简支端采用6006深沟球轴承。其主要参数如下：d=25mm；D=62mm；B=16mm；Dw=7.144mm；Z=17；CA=26000N；C0A=56000N；预加载荷2900N深沟球轴承的主要参数为：d=25mm;D=47mm;B=13mm.轴承的校核根据参考文献10：轴承组额定动载C=20.7C1.6226000=42120N所受载荷为2732.

40、8N；预紧力为2900N，转速为166.7r/min轴承的寿命计算：Lh10=16670x(C/P)/n取3。则Lh10=16670 x42120/（2900+2732.8）3/166.741800=4181115000h故满足要求。简支端轴承只承受丝杠的部分重量，不需计算计算。滚珠丝杠螺钉的选用： 根据滚珠丝杠给定的螺母安装尺寸中可知；螺钉尺寸为1=11mm；2=18mm；故可选用M5内六角圆柱螺钉其主要尺寸参数为：b(参考)=16mm；dk=18mm； K=12mm；l=45mm。3.2.3 齿轮设计一、齿轮传动比计算：已确定纵向进给脉冲当量=001，滚珠丝杠导程S=6mm，初选步进电机步

41、距角=1.50，有关齿轮计算传动比 i= i=S/360 =2.5式中： 为步距角；S为滚珠丝杠导程；为脉冲当量。考虑到机床的结构，取Z1=20Z2=50。根据经验取 m=2 ， =25 mm ，=30mm 则d1=mZ1=40m ，d2=mZ2=100mm，a= (d1d2)/2=70mm。二、齿轮的设计计算： 小齿轮的转速：n1=n(电动机)= S/360 =2.5式中： 快速进给时的速度；=2000mm/min 步进电机的步距角； =1.50 脉冲当量。 =0.01mm/脉冲n=2000x1.5/(360x0.01)= 833.3r/min 机电一体化系统设计（第二版） 张建民主编 第2

42、65页齿轮均采用直圆柱齿轮，大、小齿轮均采用45#钢，小齿轮调质，硬度240HBS。大齿轮正火，硬度200HBS。选用8级齿轮精度。闭式软齿面齿轮传动，主要失效形式为齿面疲劳点蚀，计算准则为根据接触疲劳强度设计，校核弯曲疲劳强度。选用中等冲击，双班制，每班8小时。寿命10年（300工作日） 设计计算如下：以下数据均参考机械设计文朴等主编计算项目计算数据及公式 结果一、许用应力1.接触疲劳强度H1lim H2lim (图15-10)2.弯曲疲劳强度F1lim F2lim (图15-11)3.应力循环次数N1=60n1jLhN2= N1/IN1=3.40x109N2=7.2x1084.寿命系数ZN

43、 (图15-12)YN（图15-13）ZN1=1 ZN2=1.01YN1=1 YN2=15.安全系数SH SFSH=1 SF=1.46.许用接触应力=590MP=474MP7.许用弯曲应力F= YNFlim/ SFF1=328MPF2=271MP二、按接触疲劳强度计算：1.扭矩TT=7840 Nmm2.载荷系数Kt（预选）Kt=1.33.齿数Z1Z2Z1=20Z2=504.弹性系数ZE（表15-5）ZE=189.8MP1/25.节点区域系数ZH（图15-6）ZH=2.56.齿宽系数d（表15-6）d=17.接触强度设计d1t25.1mm8.圆周速度1=d1tn1/（60X100）1Z1/1001=1.31m/s0.263m/s9.动载系数K（图15-3a）K=1.0310.齿向载荷分布系数K（图15-4）K=1.1211.使用系数KA（表15-4）KA=1.0012.载荷系数K= KKKAK=1.15413.修正d24.1三、主要尺寸的计算：1.模数m=d1/Z1(取标准植)m=22.分度圆直径d1=mZ1d2= id1d1=40mmd2=100 mm3.中心距a=(d1+d2)/2a=70mm4.齿宽b2=d d1b1=b2