1、ANYANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY本科毕业设计说明书CW61100X向数控化改造设计NUMERICALCONTROLTRANSFORMATIONDESIGNFORCW61100LATHEINXDIRECTION系（院）名称机械工程学院专业班级学生姓名学生学号指导教师姓名指导教师职称2012年5月毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得安阳工学院及其它教育机构的学位或学历
2、而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名日期指导教师签名日期使用授权说明本人完全了解安阳工学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名日期目录中文摘要、关键字1英文摘要、关键字2引言3第1章设计任务和总体方案511CW61100横向进给系统改造设计的任务512CW61100横向进给系
3、统设计的要求513改造设计的总体方案5131设计参数的确定5132改造方案的确定6第2章滚珠丝杠副的设计和减速器的计算821滚珠丝杠副的设计计算8211选择脉冲当量8211计算切削力8212滚珠丝杆螺母副的计算和选型9213滚珠丝杠轴向进给切削力的计算9214滚珠丝杠的平均转速计算9215滚珠丝杠的寿命计算10216滚珠丝杠副在高速和定工作载荷的情况下的选用10217滚珠丝刚副在受动载荷的情况下的选用11218按额定静载荷选用滚珠丝杠副12219滚珠丝杠副的选型132110滚珠丝杠副的刚度验算和轴承的校核1322减速器的设计计算17第3章步进电机的选型及计算2031等效转动惯量的计算2032根
4、据脉冲当量和最大静转矩初选电机型号21321步距角21322空载启动所需力矩22323快速移动时所需力矩23324最大切削负载时所需力矩2433启动矩频特性和运行矩频特性校核25331突跳启动矩频校核26332升速启动矩频校核26333快速进给运行矩频校核27结论29致谢30参考文献311CW61100X向数控化改造设计摘要我国现在使用的机床大多数为普通车床，自动化程度低，而机床更新的资金问题无疑增加企业的负担。为了解决这个问题,也为了适应市场需求，本文选择机床经济型数控改造。机床的数控化改造就是在原有普通机床的基础上，对其机械结构和电气系统进行改造，使其实现数控机床的部分功能。改造后的机床与
5、原机床相比加工精度有所提高，生产效率显著提高，可以在同一机床上一次装夹完成多个加工工序，工人劳动强度明显降低，与购置数控机床相比具有经济费用较低、加工自动化程度高等优点。本课题主要针对CW61100X向数控化改造进行开展，改造总体方案如下拆除横向丝杠换上滚珠丝杠，由横向步进电机带动丝杠螺母实现横向进给；配置自动刀架实现机床的自动换刀功能。关键词数控车床改造2NUMERICALCONTROLTRANSFORMATIONDESIGNOFCW61100LATHEINXDIRECTIONABSTRACTCURRENTLY,MOSTOFTHEMACHINETOOLSUSEDINCHINAAREORDIN
6、ARYLATHES,WHOSEAUTOMATIZATIONLEVELARELOWWHILE,TOPURCHASECNCMACHINETOOLSNEEDSALOTOFCAPITALFORSMALLANDMEDIUMSIZEDENTERPRISES,ANDUNDOUBTEDLYITWILLINCREASESTHEIRBURDENINORDERTOSOLVETHISPROBLEM,ANDTOMEETTHEMARKETDEMANDS,THISPAPERHASSELECTEDMACHINEECONOMICALCNCTRANSFORMATIONCNCTRANSFORMATIONOFMACHINETOOLS
7、ISBASEDONORIGINALORDINARYMACHINE,ANDTRANSFORMITSMECHANICALSTRUCTUREANDITSELECTRICALSYSTEM,WHICHWILLACHIEVEPARTFUNCTIONOFCNCMACHINETOOLSCOMPAREDWITHTHEORIGINALMACHINETOOLS,THEMACHININGACCURACYOFTHEREFORMEDMACHINETOOLSHASBEENIMPROVED,ANDITSPRODUCTIVITYISENHANCEDREMARKABLYITALSOCANCLAMPFORONETIMEANDACC
8、OMPLISHMULTIPLEPROCESSINGINTHESAMEMACHINE,WHICHWILLOBVIOUSLYLESSENTHELABORINTENSITYOFTHEWORKERSWHATSMOREITSECONOMICCOSTISLOWCOMPAREDWITHPURCHASINGACNCMACHINETOOLTHISSUBJECTMAINLYAIMEDATCW61100TRANSFORMATIONTOWARDCNCTHETOTALPROJECTOFTRANSFORMATIONISASLISTEDBELOWCHANGETHETRANSVERSESCREWWITHBALLCREW,TR
9、ANSVERSESTEPPINGMOTORDRIVESTHESCREWNUTTOACHIEVETRANSVERSEFEEDEQUIPTHEAUTOMATICKNIFETOREALIZEAUTOMATICALTOOLCHANGEFUNCTIONOFMACHINETOOLKEYWORDSNUMERICALCONTROLMACHININGTRANSFORMATION3引言随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。目前，
10、欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程。我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，“十五”期间，中国数控机床行业实现了超高速发展。其产量2001年为17521台，2002年24803台，2003年36813台，2004年51861台，是2001年的37倍，平均年增长39；2005年国产数控机床产量59639万台，接近6万台大关，是“九五”末期的424倍。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消
11、费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达946亿美元，国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之间的差距。为了弥补我国数控机床的严重不足，许多企业与厂家都对原有的普通机床改装成数控机床。目前机床
12、数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到3。用普通机床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。但是机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有诸多相似之处。然而，现代的数控机床不是简单地将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成（那些受资金等条件限制，而将传统机床改装成建议数控机床的另当别论）
13、。传统机床存在着一些弱点，如刚性不足、抗振性差、热变形大、滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度、表面质量、生产率以及使用寿命等要求。4现代的数控技术，特别是加工中心，无论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变化，已经形成了数控机床的独特机械结构。因此，我们在对普通机床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能地与数控机床相接近。机床数控改造的意义如下1、节约成本。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
14、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，并可以利用现有地基。2、改造时间短。3、性能更稳定。在改造过程中可以对原机床的机械部分重新装配加工，恢复到原有精度；采用数控软件控制机床各部分，更加可靠。4、设计风险小。对普通的旧机床改造，即使改造失败，也不会造成较大损失。5、可以更好的体现用户的愿望。在改造过程中，用户可以根据自己的需求对机床进行调整。6、机械性能稳定可靠。原机床床身立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，改造后机床性能高、质量好，可以继续作为新设备使用多年。7、采用最新的控制技术。可根据技术革新的发展速度，提高机床的自动化水平和工作效
15、率，提升设备质量和档次，将旧机床改造成当今水平的机床。8、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。9、更有利于使用和维护。5第1章设计任务要求和总体方案11CW61100横向进给系统改造设计的任务本次设计任务是将CW61100型普通车床的横向进给系统改造与设计，根据工作量及时间要求完成以下内容1、数控改造总体方案设计；2、横向进给系统机械部分改造设计。装配图一张，零件图三张；3、横向进给伺服系统改造设计及计算，选择伺服电机。12CW61100横向进给系统设
16、计的要求本次设计要求是将CW61100型普通数控车床的横向进给系统改造成由步进电机驱动，丝杠螺母副传动，开环控制的进给系统。要求改造后的车床横向进给系统具有以下功能1、保证原机床横向进给系统的功能不变；2、横向直线，圆弧插补；3、螺纹切削；4、软件自动变速驱动步进电机；5、掉电保护、越位报警、急停、复位等辅助功能。13改造设计的总体方案131设计参数的确定并不是所有的旧机床都可以进行数控改造，机床的改造主要应具备两个条件第一，机床基础件必须有足够的刚性；第二，改造的费用要合适，经济性好。在改装车床前，要对机床的性能指标做出决定。改装后的车床能加工工件的最大回转直径以及最大长度、主电动机功率等一
17、般都不会改变。加工工件的平面度、直线度、圆柱度以及粗糙度等基本上仍决定于机床本身原有水平。主要有下述参数需要在改装前确定床身上最大回转直径1000MM40“最大工件长500；1500；3000；5000；6000；8000；10000；12000MM刀架上最大回转直径615MM24“最大车削长度300；1300；2800；4800；5800；7800；9800；11800MM横向快速移动速度187M/MINX向脉冲当量0005MM/STEP脉冲分配方式逐点比较法6控制坐标数2机床定位精度0015X向溜板及刀架重力20000N主电机功率22KW当数控车床的性能和精度等内容基本选定后，可根据此来确
18、定改造方案。目前机床数控改造技术已经日趋成熟，专用化的机床数控改造系统所具备的性能和功能一般均能满足车床的常规加工要求。因此，较典型的车床数控改造方案可选择为配置专用车床数控改造系统，更换进给运动的滑动丝杠传动为滚珠丝杠传动、采用步进电机驱动进给运动、配置脉冲发生器实现螺纹加工功能、配置自动转位刀架实现自动换刀功能。132改造方案的确定由于被改装的机床本身的机械结构不是按数控机床的要求设计的，其精度和刚度等性能指标往往不能满足数控机床的要求，因此将普通机床改造为全功能的数控机床，一味追求先进指标则会得不偿失，所以确定总体方案的原则应当是在满足生产需要的前提下，对原机床尽可能减少机械部分的改动量
19、，选择简单易用的数控系统，达到合理的性价比。本次改造设计要求就是根据这一原则提出的。根据设计要求、依据设计参数及车床数控改造的理解，总体方案确定如下1、系统的运动方式与伺服系统的选择由于改造后的经济型数控机床应具有定位、直线插补、顺、逆圆插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。2、机械传动方式为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆，为保证一定的传动精度和平稳度，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用变位螺距预紧方式。齿轮传动
20、中采用偏心轴套消除齿侧间隙。横向进给机械结构改造方案拆除原中拖板丝杆，安装滚珠丝杆副。为了提高轴向刚度，在此改造中选用推力球轴承。步进电机、齿轮箱安装于机床后侧，为了使减速机构不影响走刀，同时消除传动过程的冲击，减速机构采用二级传动。3、进给机构方案根据设计任务，纵向、横向机构均采用步进电动机减速齿轮滚珠丝杠螺母溜板7的传动方式。可以用简图11来说明图11常用的数控机床横向进给机构简图4、进给箱保留原手动机构，用于调整操作，原有的支撑结构也保留，步进电机、齿轮箱体安装在中拖板的后侧。齿轮箱和丝杠全部加防护罩，以保持防尘和机床整体美观。齿轮箱传动链长，机构复杂，反向间隙累积增大，大大降低了传动精
21、度。进给箱部分的改造就是要取消原齿轮箱，并换为二级减速机构，传动元件要有消隙装置，以减小传动间隙，提高精度。这里选用偏心轴套消隙装置，具有结构简单传动刚度高等优点。5、滚珠丝杠副在机床数控化改造中常涉及的传动元件是将旋转运动变为直线运动的传动副。普通机床常采用普通滑动丝杠副，而数控机床要求移动部件灵敏度、精度高、反应快、无爬行，采用滚珠丝杠副可满足上述要求。在机床数控化改造中，凡希望角位移和线位移精确转换的场合大多是用滚珠丝杠副。滚珠丝杠副有一下特点传动效率高、定位精度高、传动可逆性、使用寿命长。满足改造需求。8第2章滚珠丝杠副的设计和减速器的计算21滚珠丝杠副的设计计算211选择脉冲当量步进
22、电机是一种把电脉冲信号转变成直线位移或角位移的执行元件。对于每一个电脉冲步进电机都会产生一个恒定的步进角位移。每一个脉冲或每步的转角称为步进电机的步距角/B脉冲，每个脉冲代表电机一定的转角。这个转角经齿轮副和滚珠丝杠使工作台移动一定的距离。每个脉冲所对应的执行元件的移动距离，就称为脉冲当量或分辨率。记为P，单位MM/脉冲。脉冲当量应根据机床或工作台进给系统所要求的定位精度来确定。考虑到机械系统存在传动误差，脉冲当量必须小于定位精度值。在此改造中，机床定位精度的设计要求是0015MM,根据该精度要求可以确定纵向传动系统的脉冲当量为001MM。又因为横向进给系统的脉冲当量一般为纵向进给系统的一半，
23、所以横向进给系统的脉冲当量为0005MM。222计算切削力1、纵车外圆主切削力ZF（N）按经验公式估算1515MAX06706710002118726ZFDN（21）按切削力各分力比例102504ZXYFFF可得2118726025529682XFN（22）2118726048475Y（23）2、横切端面主切削力ZF根据经验比较为纵车的05，所以051059363ZZFNF（24）此时走刀力YF，吃刀抗力XF，仍按上述方法102504ZXYFFF计算，则105936302526484YNF（25）910593630442375XNF（26）223滚珠丝杆螺母副的计算和选型现在选用滚珠丝杠副的方
24、法比较多，但是通过比较和参考同类选用经验，如果还采用经验法或类比法来选用滚珠丝刚副，就容易出现选用不合理的现象，造成结构尺寸过大，增加驱动装置的负荷等缺陷。目前人们认为较合理的选用方法是按照滚珠丝杠的额定静载荷0AC其转速10/MINNR和额定动载荷AC其转速10/MINNR及传动速比的要求来确定所需选用的滚珠丝杠副的公称直径CD和基本导程0L。如今各滚珠丝杠生产厂家都在他们所制定的结构系列表中列出了其各型号滚珠丝刚副的的额定静载荷和额定动载荷值。从实际应用中可知，滚珠丝杠副的螺纹滚道在一定的轴向载荷作用下，经历一定的应力循环之后，就要产生疲劳点蚀现象。因此，当滚珠丝杠副在较高转速（一般转速1
25、000/MINNR）下工作时，应按其使用寿命选则基本尺寸，并校核其载荷能力是否超过额定动载荷。当滚珠丝杠副在低速（一般转速30/MINNR）下工作时，应按其使用寿命和额定静载荷两种方法来确定其基本尺寸，并选择其中较大的。当滚珠丝杠副在静载荷下工作时，则只需按额定静载荷选择其结构尺寸。224滚珠丝杠轴向进给切削力的计算因为横向导轨为燕尾形导轨，所以可用下公式计算1152648401710593632000518658MZXZKFFFGKFFFGNF（27）式中K考虑颠覆力矩影响的实验系数，燕尾形导轨取K115F滑动导轨摩擦系数，F015018。在此设计中取017G溜板及刀架重力，G2000N22
26、5滚珠丝杠的平均转速计算最大切削力下的进给速度SVR/MIN可取最高进给速度的1/21/3取为1/2，横向最大进给速度为187M/MIN，丝杠导程选10HMMP，则滚珠丝杠的平均速度为/100018705/10935/MIN1000SHPRNV（28）10226滚珠丝杠的寿命计算滚珠丝杠的使用寿命取20000TH，则滚珠丝杠的寿命为6666093520000/1011221060/10RLNT（29）227滚珠丝杠副在高速和定工作载荷的情况下的选用如前所述，滚珠丝杠副在高速或较高速的情况下工作时，它的失效形式主要是螺纹滚道或滚珠表面的疲劳点蚀。滚珠丝杠副抵抗疲劳点蚀的能力用额定动载荷表示。实验
27、研究表明，滚珠丝杠副的额定动载荷与使用寿命的关系为3ACLF（210）式中AC额定动载荷，NF滚珠丝杠副的轴向载荷，NGL滚珠丝杠副的额定寿命，610转由上式可见，对于选定的滚珠丝杠副而言，它的使用寿命与其所承受的轴向载荷的三次方成反比，即它所承受的轴向载荷越大则其使用寿命越短。对于在转速N和工作寿命时间T一定的条件下，滚珠丝杠副的总转速N为606093520000112200NNT（211）式中N平均转速，R/MINT使用寿命时间，H对应的工作寿命GL为666601122101010GNTNLR（212）在生产实际中常以小时数表示额定的工作寿命，则得以小时计算的滚珠丝杠副的寿命为661010
28、1122606093520000GHLLNH（213）式中HL工作寿命，H。各类机械对滚珠丝杠副的寿命要求，可以参照下表2111GL额定寿命，610转N平均转速，表21各类机械对滚珠丝杠副的寿命要求及寿命系数机械类别寿命L（H）寿命系数K普通机械500010000215271普通金属切削机床10000271数控和精密机械15000311测试机械和仪器15000311航空机械1000126由上表可知选中的滚珠丝杠的寿命是合乎要求的。在高速或定载荷情况下滚珠丝杠的工作寿命GL对应计算动载荷值AJC为336360/10112251865812/1300188AJGWAMWANTCLFFFFFFN（2
29、14）式中MF滚珠丝杠副轴向进给切削力，NWF运转系数，此处取12AF精度系数，丝杠副精度等级选3级，则精度系数为1对于选用的滚珠丝杠副，其计算动载荷应满足下列条件AAJCC（215）228滚珠丝刚副在受动载荷的情况下的选用车床在运行过程中，难免存在一定的冲击振动，温度等因数也会引起硬度的变化，这些都会对滚珠丝杠副的寿命产生影响，所以应对其进行计算。在此情况下滚珠丝杠副的计算动载荷值AJC可按下式计算31112156518658112745078HAJFHMNKCKKFKN（216）式中HK寿命系数，参照表41选取。此处选HK311NK转速系数，取NK1112FK载荷性质系数，参照表22选取。
30、此处选FK12HK动载荷硬度影响系数，参照表23选取。此处选156HKF轴向工作载荷，N表22载荷性质系数载荷性质系数K平稳或轻微冲击1012中等冲击1215较大冲击或振动1525表23硬度影响系数硬度（HRC）5855525504754540动载荷硬度影响系数1011113515619224385静载荷硬度影响系数101111401672126545同在高速和定工作载荷情况一样，按使用寿命选用选用滚珠丝杠副尺寸系列时，其额定动载荷值AC应等于或大于计算动载荷值AJC，即应满足下列条件HAAJFHMNKCCKKFK（217）229按额定静载荷选用滚珠丝杠副滚珠丝杠副在低速（10/MINNR）下
31、工作时，其主要失效形式螺纹滚道或滚珠表面产生较大的塑性变形。而滚珠丝杠副抵抗塑性变形的能力用额定静载荷AOC表示。当滚珠丝杠副的工作载荷是静载荷或其转速小于10R/MIN时，则应按额定静载荷选用滚珠丝杠副的尺寸系列。其计算静载荷值AOJC应按下式计算1216751865810394AOJFHMCKKFN（218）对于按额定静载荷所选用的滚珠丝杠副，应使其额定静载荷值AOC大于或等于计算静载荷值AOJC。即应满足下式AOAOJFHMCCKKF（219）式中AOC额定静载荷值，NAOJC计算静载荷值，N13FK载荷性质系数，可从表32中查出HK静载荷硬度影响系数，可从表33中查出MF轴向工作载荷，
32、N2210滚珠丝杠副的选型应该指出的是按上述3种情况选用的滚珠丝杠副的主要尺寸和预紧力PF对滚珠丝杠副的传动特性是有一定影响的。从滚珠丝杠副的尺寸系列表中可见，滚珠丝杠副的主要尺寸参数是公称直径0D和基本导程0L。上述的0D、0L的确定和所加预紧力PF的大小对该丝杠副的传动特性，如刚度、传动精度、驱动力矩和使用寿命等均有密切的关系。因此，在选择滚珠丝杠副的系列尺寸时，需要加以全面的考虑。现就滚珠丝杠副的主要尺寸参数0D，0L和所加预紧力PF对其刚度、传动精度、驱动力矩和使用寿命等的影响情况列表24中比较说明表24滚珠丝杠副的主要尺寸对其传动精度的影响主要尺寸参数刚度位移精度惯量驱动力矩寿命公称
33、直径增大增大增大增大减小减小增大减小基本导程增大增大降低减小增大延长减小减小增高增大减小降低预紧力增大增大增大增大降低减小减小降低减小增高表25HJGS系列滚珠丝杠副的尺寸系规格型号公称直径0D基本导程0L循环圈数额定载荷接触刚度/NM动载AC静载0AC4008340833206925413613204008444265767198317304010340103330107699231395401044438639931661840500535053314122501131515500544417456667851995500566624844999332930根据上述的计算和分析结合滚珠丝杠
34、副的尺寸系列或产品样本就可以初选滚珠丝杠14副的型号了。在此次的改造中选用江汉丝杠厂的HJGS系列滚珠丝杠副。该系列丝杠结构先进，性能良好。与老结构相比，轴向、径向尺寸都有明显的缩小，机械效率可达9095，比梯形丝杠的效率提高了3倍左右。上表25就是截选自江汉丝杠厂的滚珠丝杠副的产品样本。结合下表综合考虑，40104内循环单螺母滚珠丝杠副，额定动载荷为38639N（满足式215和式217），额定静载荷93166N（满足式219）。2211滚珠丝杠副的刚度验算对于精密传动的滚珠丝杠副通常要进行刚度验算。而滚珠丝杠副的刚度主要取决于该滚珠丝杠副在载荷的情况下，丝杠的轴向变形1，滚珠与滚道间的接触变
35、形2和支撑丝杠的轴承的轴向接触变形3的大小。1、丝杠副的轴向变形量滚珠丝杠副的轴向变形1，当丝杠长度L较大时，它在滚珠丝杠副总的轴向变形量中所占的比重较大。其轴向变形量的大小与滚珠丝杠副的支承方式有很大关系。在此次改造中选用一端固定，一端浮动，三点支承的形式。所以滚珠丝杠副的轴向变形量为1000003170010000217HHPLP（220）式中HP轴向进给切削力MF引起导程的变化量6518658108038421100000031MHHFPPEA（221）MF轴向进给切削力，NE滚珠丝杠材料的弹性模量，对于钢622110/ENMMA滚珠丝杠的横截面积由于滚珠丝杠一端采用推力球轴承支承，又因
36、滚珠丝杠进行了预紧，故丝杠的刚度可比一端固定的丝杠提高4倍左右。所以其实际变形量为1111000217000054344（222）2、滚珠与螺纹滚道间接接触变形15对于滚珠丝杠副，其滚珠与螺纹滚道在工作过程中会产生接触变形2，该变形量在总的变形量中也占有较大的比重。应该注意的是滚珠与螺纹滚道间接接触变形在有无预紧时的变形量是有很大区别的，在本次改造中因为滚珠丝杠要进行预紧，所以应按下式计算22000135186580001361728865017600003MBPFDFZ（223）式中MF轴向进给切削力，NPF预紧力，N（一般取MF的1/3）BD滚珠直径，MM060060106BODLMM（2
37、24）Z工作螺母的滚珠数目1444224ZZJK（225）J圈数K列数Z一圈的滚珠数目0D滚珠丝杠的公称直径0314323361375BDZD（226）其中一圈的滚珠数目不可能为小数，所以取整为14。3、支承滚珠丝杠副轴承的轴向变形由于滚珠丝杠副大都采用滚动轴承支承，本次改造也不例外。在实际应用中，如果支承滚珠丝杠副的轴承刚度不足，将会影响到整个传动系统的精度。为了保证丝杠副的工作性能，必须提高支承滚珠丝杠副轴承的刚度。在众多轴承系列中，推力球轴承能较大提高轴向刚度，所以在此改造中选用推力球轴承。但是，支承滚珠丝杠副的推力球轴承仍会产16生一定的变形量3，此变形量对整个刚度还是有较大影响。其变
38、形量的计算过程如下2330002400048QFDZ（227）式中F轴承的轴向载荷，NZ轴承的滚动体数目QD轴承的滚动体直径因为传动系统进行了预紧，所以331000242（228）除上述变形外，螺母座及轴承支座（含紧固螺钉）的变形也会影响到滚珠丝杠副的刚度。但是，该变形量的计算较为困难，一般根据滚珠丝杠副的精度要求在结构上尽量增强螺母座及轴承刚度，而不做变形量的计算。所以，滚珠丝杠副的刚度验算，主要是校核丝杠副的轴向变形量、滚珠与螺纹滚道间接接触变形和支承滚珠丝杠副轴承的轴向变形三者之和不大于滚珠丝杠副传动精度所允许精度的一半。即12（229）1230000543000030002400032
39、（230）丝杠副的传动精度等于机床定位精度的08倍，所以0800150012（231）由229、230、231可知，滚珠丝杠副的刚度是符合要求的。4、滚珠丝杠副的稳定性验算由于在此次改造中滚珠丝杠副采用一端推力球轴承支承一端固定的支承方式，不会产生失稳现象，所以不用做丝杠的稳定性验算。通过上述的验算分析，所选滚珠丝杠副完全符合使用要求。5、轴承的选型和校核数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母本身的刚度外，17滚珠丝杠正确的安装及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素。经综合考虑，采用一端固定、一端铰支（GJ）的支承形式，其特点如下1、压杆稳定性和临界转速高。2、丝杠有热膨胀
40、的余地。3、适用于较长的卧式安装丝杠。固定端采用角接触轴承背靠背的安装方式。初选轴承型号为7206AC。轴承寿命计算如下表26推荐的轴承预期计算寿命由表26可得承的预计寿命20000HLH。轴向力8475FN，角接触球轴承，取3，1TF查手册得7206AC型角接触球轴承的22RC，则663101012200020711200006060952468THHFCLHHLHNP（）满足预期寿命。简支端轴承只承受丝杠的部分重量，不需计算，选6206型角接触球轴承。22减速器的设计计算为了减小冲击和调整步进电机的输出速度，在步进电机和丝杠之间加一个减速器。在此只对减速器的齿轮做设计，其他部件如支承齿轮的
41、轴和轴承等根据实际情况而定。由设计要求可知横向进给系统的脉冲当量0005/PM步，滚珠丝杠的导程为10MM,初选的步进电机的步进角为075，由此可计算传动比如下机器类型预期计算寿命不经常使用的仪器或设备，如闸门开闭装置等3003000短期或间断使用的机械，中断使用不致引起严重后果，如手动机械等30008000间断使用的机械，中断使用后果严重，如发动机辅助设计、流水作业线自动传送装置、长降机、车间吊车、不常使用的机床等800012000每日8小时工作的机械（利用率较高），如一般的齿轮传动、某些固定电电动机等1200020000每日8小时工作的机械（利用率不高），如金属切削机床、连续使用的起重机、
42、木材加工机械、印刷机械等2000030000180075103603600005256BPLI（232）式中B电动机步距角0L滚珠丝杠导程P步进电机步距角由式232可知，横向传动系统的传动比为25/6，考虑选用二级减速。大小齿轮均采用45钢并进行调质处理。选小齿轮硬度HBS为260290，大齿轮硬度为HBS220250。齿轮副精度选为6级。综合考虑下做出如下选择和计算齿轮齿数124Z，260Z，327Z，445Z齿轮模数2M压力角020A齿宽1224BB齿顶高系数1AH顶隙系数025C分度圆直径计算1124248DZMMM12602120DZMMM3327254DZMMM4445290DZMM
43、M中心距的计算1121224608422AMZZMM2341227457222AMZZMM齿顶圆直径的计算1911252ADZMMM222124ADZMMM33258ADZMMM44294ADZMMM齿顶高、齿根高和齿高的计算H245AHCMMMH2AAHMMMFHC1025225AHMMMMM（齿根圆直径的计算112543FDZMMM2225115FDZMMM332549FDZMMM442585FDZMMM20第3章步进电机的选型及计算目前在伺服驱动系统中常用的是步进电机、电液脉冲马达、直流伺服电机和交流伺服电机等设备。在此次改造设计中选用步进电机作为伺服驱动设备，它与其他设备相比有如下优点
44、1、步进电机的转速仅取决于脉冲频率，而不受电压高低、电流大小及波形的影响。2、可以开环控制，也可闭环控制，控制灵活。开环控制不需要位置或速度的检测元件，系统结构简单，能方便的控制脉冲的个数和脉冲的频率实现定位和调速。采用位置反馈和速度反馈的闭环控制系统，不仅可以控制精确的位置和平稳的转速，而且扩大了步进电机的应用领域。3、输出转角（步距角）没有长期积累误差。每转一圈，积累误差会自动消除。4、启动、停止、反转及其他运行方式的改变，都可以在少量的脉冲周期内完成，并具有定位转矩。选用步进电机主要考虑三个问题，一是步距角要满足系统脉冲当量的要求；二是满足最大静转矩的要求；三是启动转矩与启动频率、工作运
45、行转矩与运行频率必须满足所选电机型号相应的启动矩频特性和工作矩频特性。31等效转动惯量的计算传动系统折算到电机轴上的总传动惯量可由下式计算21122DSGZJJJJJJZ（31）式中J总转动惯量，2KGCM1J、2J、3J、4J各齿轮的转动惯量，2KGCMSJ滚珠丝杠转动惯量，2KGCMDJ电动机的转动惯量，2KGCMGJ工作台转动惯量，2KGCM转动惯量可以按下式计算4307810JDL（32）齿轮转动惯量21441278104824099JKGCM（33）44227810624243JKGCM（34）443278106624356JKGCM（35）444278101124274JKGCM（
46、36）滚珠丝杠转动惯量4420781048016SJKGCM（37）初选反应式步进电机为130BF，由此可知电动机的转动惯量为472KGCM。工作台转动惯量2022212000507210GLGJGKGCM（38）所以传动系统折算到电机轴上的总传动惯量为22244709924335627416507100883JKGCM（39）32根据脉冲当量和最大静转矩初选电机型号321步距角初选步进电机型号为130BF001，并从步进电机技术参数表（见机床设计手册）中查出步距角075B或15B。步距角、减速比、脉冲当量和丝杠导程有如下关系0360BPLI（310）初选电动机型号时要合理选择步距角和传动比。
47、结合分析和式38可以确定电动机的步距角为075。22322空载启动所需力矩步进电机空载启动是指电动机在没有外加工作载荷情况下的启动。步进电机所需的空载力矩可按下式计算KQKAKFOMMMM（311）式中KQM空载启动力矩，NCMKAM空载启动时运行部件由静止升速到最大快进速度折算到电机轴上的加速力矩KFM空载启动时折算到电机轴上的摩擦力矩，NCM0M由于丝杠预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩加速力矩计算2MAX2210602314500883101546003KANMJJTNCM（312）式中J传动系统各部件惯量折算到电机轴上的总等效转动惯量为电机最大角加速度，2/RADSMAXN与运动部件最大
48、进给速度对应的电机最大转速MAXMAX12000753603600005500/MINBPVNR（313）T为运动部件从静止启动家加速到最大快速进给所需要的时间（一般为30MS）MAXV为运动部件最大快进速度P脉冲当量B电机步距角折算到电机轴上的摩擦力矩的计算2302200001711624252314086KFGFLMINCM（314）式中G运动部件总重量F为导轨摩擦系数I齿轮传动比传动总效率0L丝杠导程附加力矩计算200021217288611092523140861569PFLMNINCM（315）式中PF滚珠丝杠预紧力1151865817288633PMFFN0N滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取大于或等于09结合式310、式312和式313就可以得出步进电机空载启动力矩了。即式39计算如下0154162415694733KQKAKFMMMMNCM（316）323快速移动时所需力矩0162415693193KJKFM
