畢業(yè)設(shè)計--普通車床數(shù)控化改造設(shè)計

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）學(xué)生開題報告</p><p>　　課題類型：課題類型： A-理論探究型 B-實踐應(yīng)用型</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　針對現(xiàn)有常規(guī)CA6150普遍車床的缺點提出數(shù)控改裝方案和單片機系統(tǒng)設(shè)計，提高加工精度和擴

2、大機床使用范圍，并提高生產(chǎn)率。本論文說明了普通車床的數(shù)控化改造的設(shè)計過程，較詳盡地介紹了CA6150機械改造部分的設(shè)計及數(shù)控系統(tǒng)部分的設(shè)計。采用以8031為CPU的控制系統(tǒng)對信號進行處理，由 I/O接口輸出步進脈沖，經(jīng)一級齒輪傳動減速后，帶動滾動絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)縱向、橫向的進給運動。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】   數(shù)控機床，單片機數(shù)控系統(tǒng)，改裝設(shè)計</p><p&g

3、t;<b>　　Abstract</b></p><p>　　To remedy the defects of ordinary lather CA6150, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the proce

4、ssing precision and extend the machine’s usage, and to improve production rate。This paper presents the process of designing numerical control reform，and explicitly introduces the design of mechanical and numerical contro

5、l system reforms。We adopt control system which has 8031 as cpu to cope with the signal，and output the step pulse t</p><p>　　Keyword：    numerical control machine tool, single chip microco

6、mputer system，reform design。</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要……………………………………………………………………………………</p><p>　　Abstract………………………………………………………………………………</p><p>　　1 引言

7、………………………………………………………………………………</p><p>　　2 總體方案的設(shè)計</p><p>　　2.1 系統(tǒng)運動方式的確定…………………………………………………………</p><p>　　2.2系統(tǒng)運動方式的確定…………………………………………………………</p><p>　　2.3功能部件的選擇……………………

8、…………………………………………</p><p>　　2.4結(jié)構(gòu)設(shè)計與電氣設(shè)計…………………………………………………………</p><p>　　2.5計算機系統(tǒng)的選擇……………………………………………………………</p><p>　　2.6數(shù)控車床CA6150主要設(shè)計參數(shù)………………………………………………</p><p>　　3 橫向進給

9、傳動鏈的設(shè)計計算………………………………………………………</p><p>　　3.1主切削力及切削分力的計算……………………………………………………</p><p>　　3.2導(dǎo)軌摩擦力的計算………………………………………………………………</p><p>　　3.3計算滾珠絲桿螺母副的軸向載荷………………………………………………</p><p

10、>　　3.4確定進給傳動鏈的傳動比i和傳動級數(shù)………………………………………</p><p>　　3.5滾珠絲桿的動載荷計算與直徑計算……………………………………………</p><p>　　3. 6按精度要求確定允許的滾珠絲桿的最小螺紋底徑d2m………………………</p><p>　　3.7初步確定滾珠絲桿螺母副的規(guī)格型號…………………………………………<

11、;/p><p>　　4 滾珠絲桿螺母副的承載能力的校驗………………………………………………</p><p>　　4.1滾珠絲桿螺母副的臨界壓縮載荷Fc的校驗……………………………………</p><p>　　4.2滾珠絲桿螺母副的額定壽命的校驗……………………………………………</p><p>　　5 計算機械傳動的剛度………………………………

12、………………………………</p><p>　　5.1計算滾珠絲桿的拉壓剛度………………………………………………………</p><p>　　5.2計算滾珠絲桿螺母副的支承剛度Kb……………………………………………</p><p>　　5.3計算滾珠與滾道的接觸剛度Kc…………………………………………………</p><p>　　5.4計算進給傳動

13、系統(tǒng)的綜合拉壓剛度……………………………………………</p><p>　　5.5計算滾珠絲桿螺母副的扭轉(zhuǎn)剛度Kp……………………………………………</p><p>　　6 驅(qū)動電動機的選型與計算…………………………………………………………</p><p>　　6.1計算折算到電動機軸上的負載慣量……………………………………………</p><p&

14、gt;　　6.2計算折算到電動機軸上的負載力矩……………………………………………</p><p>　　6.3計算折算到電動機軸上的加速力矩Tap………………………………………</p><p>　　6.4計算橫向進給系統(tǒng)所需的折算到帶你動機軸上的各種力矩…………………</p><p>　　6.5選擇驅(qū)動電動機的型號…………………………………………………………</

15、p><p>　　7 機械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析…………………………………………………………</p><p>　　7.1計算絲桿工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率Wnc…………………………</p><p>　　7.2計算扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的最低固有頻率Wnt………………………………………</p><p>　　8 機械傳動系統(tǒng)的誤差計算與分析……………………

16、……………………………</p><p>　　8.1計算機械傳動系統(tǒng)的反向死區(qū)Δ………………………………………………</p><p>　　8.2計算機械傳動系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差δkmax?！?lt;/p><p>　　8. 3計算滾珠絲桿因扭轉(zhuǎn)變形而產(chǎn)生的誤差………………………………………</p><p>　　9 確定滾珠絲桿

17、螺母副的精度等級和規(guī)格型號……………………………………</p><p>　　9.1確定滾珠絲桿螺母副的精度等級………………………………………………</p><p>　　9.2確定滾珠絲桿螺母副的規(guī)格要求………………………………………………</p><p>　　結(jié)論………………………………………………………………………………………</p><p&g

18、t;　　致謝………………………………………………………………………………………</p><p>　　參考文獻…………………………………………………………………………………</p><p><b>　　1   引言</b></p><p>　　機床作為機械制造業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注，由于計算機技術(shù)的興起，

19、促使機床的控制信息出現(xiàn)了質(zhì)的突破，導(dǎo)致了應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)進行柔性自動化控制的新一代機床－數(shù)控機床的誕生和發(fā)展。計算機的出現(xiàn)和應(yīng)用，為人類提供了實現(xiàn)機械加工工藝過程自動化的理想手段。隨著計算機的發(fā)展，數(shù)控機床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，同時使人們對傳統(tǒng)的機床傳動及結(jié)構(gòu)的概念發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變。數(shù)控機床以其優(yōu)異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開創(chuàng)機械產(chǎn)品向機電一體化發(fā)展的先河。數(shù)控機床是以數(shù)字化的信息實現(xiàn)機床控制的機電一體化產(chǎn)

20、品，它把刀具和工件之間的相對位置，機床電機的啟動和停止，主軸變速，工件松開和夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動作等信息用代碼化的數(shù)字記錄在控制介質(zhì)上，然后將數(shù)字信息送入數(shù)控裝置或計算機，經(jīng)過譯碼，運算，發(fā)出各種指令控制機床伺服系統(tǒng)或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工件。   數(shù)控機床與普通機床相比，其主要有以下的優(yōu)點： 1. 適應(yīng)性強，適合加工單件或小批量的復(fù)雜工件；在數(shù)控機床上改變加工工件時，只需重新編制

21、新工件的加工程序，就能實現(xiàn)新工件加工。 2. 加工精度高</p><p><b>　　2 總體方案設(shè)計</b></p><p>　　對CA6150車床數(shù)控改造，主要是將縱向和橫向進給系統(tǒng)改造成為CNC裝置控制的能獨立運動的進給伺服系統(tǒng)，將刀架改造成為能自動換刀的回轉(zhuǎn)刀架。這樣，利用CNC裝置，車床就可以按照預(yù)先輸入的加工程序進行切削加工。由于切削參數(shù)，切削次數(shù)和刀具

22、的選擇都可以有程序控制和調(diào)整，再加上縱向進給和橫向進給的聯(lián)動功能，數(shù)控化改造后的車床就可以加工出各種形狀復(fù)雜的回轉(zhuǎn)零件，并能實現(xiàn)多工序自動切削，從而提高生產(chǎn)效率和加工精度，還能適應(yīng)小批量，多品種復(fù)雜零件的加工。</p><p>　　總體方案的設(shè)計應(yīng)考慮：機床數(shù)控系統(tǒng)運動方式、伺服系統(tǒng)的類型、計算機(CNC裝置)及傳動方式的選擇等。</p><p>　　2.1 系統(tǒng)運動方式的確定</p

23、><p>　　數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位/直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。如果工件相對于刀具移動過程中不進行切削，可選用點位控制方式；如果要求工作臺或刀具沿各坐標軸的運動有確定的函數(shù)關(guān)系，即連續(xù)控制系統(tǒng)應(yīng)具備控制刀具以給定速率沿加工路徑運動的功能。具備這種控制能力的數(shù)控機床可以加工各種外形輪廓的零件，所以連續(xù)控制系統(tǒng)又稱為輪廓控制系統(tǒng)。在點位控制系統(tǒng)中不具備連續(xù)控制系統(tǒng)中才具有的軌跡計算裝置，而連續(xù)控制系統(tǒng)中

24、卻有點位系統(tǒng)的功能。</p><p>　　還有一些采用點位控制的數(shù)控機車，不但要求工作臺運動的終點坐標，還要求工作臺沿坐標軸運動過程中切削工件。這種系統(tǒng)叫點位/直線系統(tǒng)。其控制方法與點位系統(tǒng)十分相似，故有時也將這兩種系統(tǒng)統(tǒng)稱為點位控制系統(tǒng)。</p><p>　　由于普通車床CA6150數(shù)控化改造后應(yīng)具有定位，快速進給，直線插補，圓弧插補，暫停，循環(huán)加工和螺紋加工等功能，故應(yīng)選用連續(xù)控制系統(tǒng)

25、。</p><p>　　2.2 伺服系統(tǒng)的選擇</p><p>　　伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)中設(shè)有反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號是單方向傳遞的。指令發(fā)出后不再反饋回來，故稱為開環(huán)控制。開環(huán)系統(tǒng)主要由步進電機驅(qū)動。開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、容易掌握、調(diào)試和維修都比較簡單。</p><p>　　閉環(huán)控制系統(tǒng)具有裝在機

26、床移動部件上的檢測反饋元件來檢測實際位移量，能補償系統(tǒng)的誤差，因而伺服控制精度高。閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電機或交流伺服電機驅(qū)動，閉環(huán)系統(tǒng)造價高，結(jié)構(gòu)和調(diào)試復(fù)雜，多用于精度要求高的場合。</p><p>　　半閉環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)不同，不直接檢測工作臺的位置，而是用檢測元件測出驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)角，再間接推算出工作臺的實際位移量，也有反饋電路，其性能介于開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)之間。</p><p>

27、;　　普通車床CA6150化改造在保證有一定加工精度前提下，從改造成本考慮應(yīng)</p><p>　　簡化結(jié)構(gòu)降低成本，加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用進給伺服系統(tǒng)采用以步進電機為驅(qū)動裝置的開環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　　2.3功能部件的選擇</p><p>　　這主要是滾珠絲杠及支承方式的選擇，電動回轉(zhuǎn)刀架選擇等等。</p><p

28、>　　2.4結(jié)構(gòu)設(shè)計與電氣設(shè)計</p><p>　　這主要是縱向進給傳動系統(tǒng)，橫向進給傳動系統(tǒng)的設(shè)計和機床導(dǎo)軌的維護，一般采用貼塑導(dǎo)軌以減少摩擦力。機床電氣設(shè)計包括機床原理設(shè)計和PLC梯形圖設(shè)計等等。</p><p>　　2.5計算機系統(tǒng)的選擇</p><p>　　根據(jù)CA6150的要求，采用8位機。由于MCS—51系列單片機具有集成度高、可靠性好、功能強、速

29、度快、抗干擾能力強和性價比高等特點，因此采用MCS—51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進電機功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工命令和控制程序通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)和機床狀態(tài)等信息。</p><p>　　2.6數(shù)控車床CA6150主要設(shè)計參數(shù)</p><p>　　最大加工直徑：500mm。</p>

30、<p>　　最大加工長度：1000mm。</p><p>　　行程;縱向，1000mm；橫向，250mm。</p><p>　　溜板及刀架重力：縱向1100N，橫向700N。</p><p>　　刀架快移速度：縱向2.4m/min，橫向1.2m/min。</p><p>　　最大進給速度：縱向0.6m/min，橫向0.3m/min

31、。</p><p>　　定位精度：0.03mm/全行程。</p><p>　　主電動機功率：5.5kw。</p><p>　　啟動加速時間：30ms。</p><p>　　重復(fù)定位精度：0.01mm/全行程</p><p>　　程序輸入方式：增量值，絕對值通用。</p><p><b>

32、;　　控制坐標數(shù)：2。</b></p><p>　　脈沖當量：縱向0.01mm/脈沖、橫向0.005mm/脈沖。</p><p><b>　　2.7實施方案</b></p><p>　　進給系統(tǒng)數(shù)控化改造的主要部件有：掛輪架、進給箱、溜板箱、溜板、刀架等?，F(xiàn)擬定以下改造方案：</p><p>　　掛輪架系統(tǒng)：

33、全部拆除，在原掛輪主動軸處安裝光電脈沖編程器。</p><p>　　進給箱部分：全部拆除，在該處安裝縱向進給步進電機與齒輪減速箱總成。</p><p>　　絲杠、光杠和操作杠拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠。滾珠絲杠的另一端支承座安裝在車床尾端原來裝軸承座部位。</p><p>　　溜板箱部分：全部拆除，在原來安裝滾珠絲杠的滾珠絲杠座，絲杠螺母固定在其上。在該處還可以安裝部

34、分操作按鈕。</p><p>　　橫溜板部分：將原橫溜板中的滾珠絲杠、螺母拆除，在該處安裝橫向進給滾珠絲杠螺母副，橫向進給步進電動機與齒輪減速箱總成安裝在橫溜板箱后部并與滾珠絲杠連接。</p><p>　　刀架部分：拆除原刀架，在該處安裝自動回轉(zhuǎn)四方刀架總成。</p><p>　　3 橫向進給傳動鏈的設(shè)計計算</p><p>　　3．1主切

35、削力及切削分力計算</p><p>　　1 計算主切削力Fz。</p><p>　　已知機床主電動機的額定功率Pm為5.5kw，最大工件直徑500mm，主軸計算轉(zhuǎn)速n=80r/min。在此轉(zhuǎn)速下，主軸具有最大扭矩和功率，刀具的切削速度為</p><p>　　u=πDn/60000=3.14×500×80/60000=2.09m/s</p&g

36、t;<p>　　取機床的機械效率η=0.8</p><p>　　Fz=1000ηPm/u=1000×0.8×5.5/2.09=2105.26N</p><p><b>　　2計算各切削分力</b></p><p>　　走刀方向的切削分力Fx和垂直走刀方向的切削力Fy</p><p>　　

37、Fx=0.25Fz=526.32N </p><p>　　Fy=0.4Fz=842.1N</p><p>　　3．2導(dǎo)軌摩擦力的計算</p><p>　　1由公式計算在切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力Fμ。此時，導(dǎo)軌受到的垂向切削分力Fv=Fz=2105.26N，橫向切削分力Fc=Fx=526.52N移動部件的全部重力W=700N</p><p>　

38、　(包括機床夾具和工件的質(zhì)量)，查2-3表的鑲條緊固力fg=1500N，取導(dǎo)軌動摩擦系數(shù)μ=0.15，則</p><p>　　Fμ= μ（W+fg+Fv+Fc）</p><p>　　=0.15×(700+1500+2105.26+526.32) </p><p><b>　　=724.74N</b></p>

39、<p>　　表3-1鑲條緊固力推薦值</p><p>　　按公式計算在不切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力Fμ0和F0</p><p>　　Fμ0=μ(W+fg)=0.15×(700+1500)=330N</p><p>　　F0=μ0(W+fg)=0.2×(700+1500)=440N</p><p>　　3.3計算滾珠絲

40、杠螺母副的軸向負載力</p><p>　　1 按公式計算最大軸向負載力Famax</p><p>　　Famax=Fy+Fμ=（842.1+724.74）=1566.84N </p><p>　　2 按公式計算最小 </p><p>　　Famin=Fμ0=330N</p><p>　　3．4確定進給系統(tǒng)傳動鏈的傳

41、動比i和傳動級數(shù)</p><p>　　取步進電動機的步距角α=1.5o滾珠絲杠的基本導(dǎo)程L0=6mm，進給傳動鏈的脈沖當量</p><p>　　δp=0.005mm/脈沖，由公式得</p><p>　　i=αL0/360δp=1.5×6/(360×0.005)=5</p><p>　　按最小慣量條件，從圖表查得該減速器應(yīng)采

42、用2級傳動，傳動比可以分別取i1=2，i2=2.5。根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，確定各傳動齒輪的齒數(shù)分別為Z1=20、Z2=40、Z3=20、Z4=50,模數(shù)m=2，齒寬b=20mm。</p><p>　　1.5滾珠絲杠的動載荷計算與直徑估算 </p><p>　　1按預(yù)期工作時間估算滾珠絲杠預(yù)期的額定動載荷</p><p>　　已知數(shù)控機床的預(yù)期工作時間Lh=15000h，滾珠

43、絲杠的當量載荷Fm</p><p>　　=Famax=1566.84N，載荷系數(shù)fw=1.3，查表，初步選擇滾珠絲杠的精度等級為3 級，去精度系數(shù)fa=1：查表得，可靠性系數(shù)fc=1.取滾珠絲杠的當量轉(zhuǎn)速nm=nmax（該轉(zhuǎn)速為最大切削進給速度umax時的轉(zhuǎn)速），已知umax=0.3m/min，滾珠絲杠的基本導(dǎo)程L0=6mm，則</p><p>　　nmax=1000umax/L0=100

44、0×0.3/6=50r/min</p><p>　　由公式得Cam=FmFW(60nmLh)1/3/（100fafc）=7245.01N</p><p>　　表3-2載荷性質(zhì)系數(shù)fw</p><p><b>　　表3-3 精度系數(shù)</b></p><p>　　3．6按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑d2

45、m</p><p>　　根據(jù)定位精度和重復(fù)定位精度的要求估算允許的滾珠絲杠的最大軸向變形。</p><p>　　已知本車床橫向進給系統(tǒng)的定位精度為0.03mm，由公式 </p><p>　　δmax=（1/3~1/2）×16μm=5.33~~~8μm</p><p>　　δmax=（1/5~1/4）×30μm=6~~~7

46、.5μm</p><p>　　取上述計算結(jié)果的最小值，即δmax=5.33μm。</p><p>　　估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑d2m</p><p>　　滾珠絲杠螺母副的安裝方式擬定采用以端固定、一端游動支承方式，滾珠絲桿螺母副的兩個支承之間的距離為</p><p>　　L=行程+安全行程+2×余程+螺母長度+支承長度<

47、;/p><p>　　≈（1.2~1.4）行程+（25~30）L0 </p><p>　　取L=1.4×行程+30L0</p><p>　　=（1.4×250+30×6）mm=530mm</p><p><b>　　由公式得 </b></p><p>　　d2m≥ 0.0

48、78(F0L/δmax)1/2 =16.3mm</p><p>　　3．7內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠螺母副其公稱直徑d0、基本導(dǎo)程L0、額定動載荷Ca和螺紋底徑d2如下:</p><p>　　d0 =25 mm ,L0=6mm</p><p>　　Ca =11300N> Cam =7245.01N</p><p>　　d2 =21.9&g

49、t;d2m=16.3mm </p><p><b>　　故滿足要求。</b></p><p>　　4 滾珠絲桿螺母副的承載能力校驗</p><p>　　4．1滾珠絲桿螺母副臨界壓縮載荷Fc的校驗</p><p>　　已知滾珠絲桿螺母副的底經(jīng)d2=21.9mm，由圖1可知滾珠絲桿螺母副的的最大受壓長度L1=260mm，絲桿

50、水平安置時，取K1=1∕3，查表可知K2=2,所以</p><p>　　Fc= K1 K2 d24×105∕L12= 1∕3 ×2×21.94×105∕3632=116378.28N</p><p>　　本車床橫向進給系統(tǒng)滾珠絲桿螺母副的的最大軸向壓縮載荷為Famax=1566.84N，遠小于其臨界壓縮載荷Fc的值，故滿足要求。</p>

51、<p>　　滾珠絲桿螺母副的的臨界轉(zhuǎn)速nc的校驗</p><p>　　由圖1得滾珠絲桿螺母副的臨界轉(zhuǎn)速的計算長度L2=387mm，其彈性模量E=2.1×105MPa，密度　ρ＝1∕ｇ×7.8×10－5N∕m，重力加速度ｇ＝9.8×103mm∕ｓ２</p><p>　　滾珠絲桿的最小慣性矩為</p><p>　　I

52、＝π×d24∕64=3.14×21.94∕64mm4=11285.64mm4</p><p>　　滾珠絲桿的最小截面積為</p><p>　　A=π×d24∕4=3.14×21.94∕4mm4=376.49mm4</p><p>　　取K1=0.8，由表可得λ =3.927，所以 nc=K1×60×λ2/（

53、2πL22）×（EI/ρA）1/2</p><p>　　=0.8×60×3.9272/（2×3.14×3872）×【2.1×105×11285.64×9.8×103/（7.8×10-5×376.49）】1/2</p><p>　　=22133.15r/min</p&

54、gt;<p>　　本橫向進給傳動鏈的滾珠絲桿螺母副的最高轉(zhuǎn)速為50r/min，遠遠小于其臨界</p><p>　　轉(zhuǎn)速，故滿足其要求。</p><p>　　4．2絲桿螺母副額定壽命的校驗</p><p>　　查表得滾珠絲桿的額定動載荷Ca=11300N，已知其軸向載荷Fa=Famax=1566.84N，滾珠絲桿的轉(zhuǎn)速n=nmax=50r/min，運轉(zhuǎn)條

55、件系數(shù)fw=1.2，則由公式可得</p><p>　　L=【Ca/（Fafw）】3×106=（11300/1566.84/1.2）3×106r</p><p>　　=2.17×108r</p><p>　　Lh=L/（60n）=2.17×108/（60×50）h=72240h</p><p>

56、　　本車床數(shù)控改造化后，滾珠絲桿螺母副的總工作壽命Lh=72240h≥15000h，故滿足要求。</p><p>　　5計算機械傳動系統(tǒng)的剛度</p><p>　　5．1計算滾珠絲桿的拉壓剛度Ks</p><p>　　本機床橫向進給傳動鏈的絲桿支撐方式為一端固定，一端游走。絲桿的拉壓剛度Ks應(yīng)這樣計算。</p><p>　　已知滾珠絲桿的彈性

57、模量E=2.1×105MPa，滾珠絲桿的底經(jīng)d2=21.9mm，當滾珠絲桿的螺母中心至固定端支撐中心的距離a=Ly=363mm時，滾珠絲桿螺母副最小拉壓剛度Ksmin，根據(jù)公式可得：</p><p>　　Ksmin=πd22E×10-3/（4Ly）=1.65×100×d22/Ly</p><p>　　=1.65×100×21.92

58、/363=218N/μm</p><p>　　當a=Lj=113mm時，滾珠絲桿螺母副的最大拉壓剛度Ksmax可得</p><p>　　Ksmax=πd22E×10-3/（4Lj）=1.65×100×d22/Lj</p><p>　　=1.65×100×21.92/113=700.32 N/μm</p>

59、<p>　　5．2計算滾珠絲桿螺母副支撐軸承的剛度Kb</p><p>　　已知滾動體的直徑dq=5.953mm，滾動體個數(shù)Z=15，軸承的最大軸向工作載荷Fbmax=Famax=1566.84N，則Kb=2×1.95×（dqZ2Fbmax）1/3</p><p>　　=2×1.95×（5.953×152×1566.8

60、4）1/3</p><p>　　=499.32 N/μm</p><p>　　5．3計算滾珠與軌道的接觸剛度Kc</p><p>　　查表的滾珠與軌道的接觸剛度K=636 N/μm，滾珠絲桿的額定動載荷Ca=11300N，已知滾珠絲桿上面所承受的最大軸向載荷，F(xiàn)amax=1566.84N，則</p><p>　　Kc=K（Famax×

61、;10/Ca）1/3=636×（1566.84×10/11300）1/3 </p><p>　　=709.21 N/μm</p><p>　　5．4計算進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度K</p><p>　　1/Kmax=1/Ksmax+1/Kb+1/Kc=1/700.32+1/499.32+1/709.21=0.0048</p><

62、;p>　　故Kmax=208.33 N/μm</p><p>　　1/Kmin=1/Ksmin+1/Kb+1/Kc =1/218+1/499.32+1/709.21=0.0079</p><p>　　故Kmin=126.58 N/μm</p><p>　　5．5計算滾珠絲桿螺母副的扭轉(zhuǎn)剛度KФ</p><p>　　由圖1得扭矩作用點之間

63、的距離L2=437mm，已知滾珠絲桿的剪切模量G=8.1×104MPa，滾珠絲桿的底經(jīng)d2=21.9mm，則</p><p>　　KФ=πd24G/（32L2）=3.14×（21.9×10-3）4×8.1×104×106/32×437×10-3N.m/rad</p><p>　　=4183.69 N.m/rad

64、</p><p>　　6驅(qū)動電動機的選型和計算</p><p>　　6．1計算折算到電動機的轉(zhuǎn)動慣量Jr。</p><p>　　已知滾珠絲桿的密度ρ=7.8×10-3kg/cm3，則</p><p>　　Jr=∑0.78×10-3Dj4Lj</p><p>　　=0.78×10-3

65、5;（2.04×10+2.54×36+2.04×12.5）kg.cm2</p><p>　　=1.38 kg.cm2</p><p>　　計算折算到絲桿軸上的移動部件的轉(zhuǎn)動慣量Jl</p><p>　　已知機床橫向進給系統(tǒng)執(zhí)行部件（即橫向溜板及刀架）的總質(zhì)量m=51.02kg；絲桿軸每轉(zhuǎn)一圈，機床的執(zhí)行部件在軸向移動的距離L=0.6cm

66、，則</p><p>　　JL=m×【L/（2π）】2=70×（0.3/3.14）2=0.47kg. cm2</p><p>　　計算各齒輪的轉(zhuǎn)動慣量</p><p>　　Jz1=Jz3=0.78×10-3×44×2 kg.cm2=0.4 kg. cm2</p><p>　　Jz2 =0.78

67、×10-3×84×2kg.cm2=6.4 kg. cm2</p><p>　　Jz4=0.78×10-3×104×2kg.cm2=15.6 kg. cm2</p><p>　　即加在電動機軸上面總負載轉(zhuǎn)動慣量Jd</p><p>　　Jd= Jz1+（Jz2+ Jz3）/i2+（Jz4+Jr+JL）/i2&

68、lt;/p><p>　　={0.4+（6.4+0.4）/4+（15.6+1.38+0.47）/25} kg. cm2</p><p>　　=2.8 kg. cm2</p><p>　　6．2計算折算到電動機軸上的負載力矩</p><p>　　計算折算到電動機軸上的切削負載力矩Tc</p><p>　　已知在切削狀態(tài)下的軸向

69、負載力Fa=Famax=1566.84N，絲桿每轉(zhuǎn)一圈，機床執(zhí)行不見得軸向移動距離L=6mm，進給傳動系統(tǒng)的傳動比i=5，進給傳動系統(tǒng)的總效率η=0.85，則 </p><p>　　Tc=FaL/（2πηi）=1566.84×0.006/（2×3.14×0.85×5）=0.35N.m</p><p>　　計算折算到電動機軸上

70、的摩擦負載力矩Tµ</p><p>　　已知到不切削狀態(tài)下的軸向負載力（即空載時的導(dǎo)軌摩擦力）Fµ0=300N，則</p><p>　　Tµ= Fµ0L/（2πηi）=300×0.006/（2×3.14×0.85×5）N.m=0.067N.m</p><p>　　計算由滾珠絲桿預(yù)緊力Fp

71、的并折算到電動機軸上的附加負載力矩Tf</p><p>　　已知滾珠四桿螺母副的效率η0=0.94，滾珠絲桿螺母副的預(yù)緊力Fp為</p><p>　　Fp=Famax/3=1566.84/3=522.28N</p><p>　　Tf=FpL0×(1-η02)/( 2πηi)</p><p>　　=522.28×0.006&

72、#215;(1-0.942)/(2×3.14×0.85×5)=0.014N.m</p><p>　　折算到電動機軸上的負載力矩T的計算。</p><p>　　空載時（快進力矩）則</p><p>　　Tkj= Tµ+ Tf =0.067+0.016=0.08N.m</p><p>　　切削時（工進力矩）

73、則</p><p>　　TGJ=Tc+Tf=0.40+0.016=0.36N.m</p><p>　　6．3計算折算到電動機軸上的加速力矩Tap</p><p>　　根據(jù)以上計算結(jié)果和相關(guān)表格，初選130BF001型反應(yīng)式步進電動機，其轉(zhuǎn)動慣量Jm=4.6kg.cm2，而進給傳動系統(tǒng)的負載慣量Jd=2.8kg.cm2；對開環(huán)系統(tǒng)，一般取加速時間ta=0.05s，當機

74、床執(zhí)行部件以最快的速度∨=1200mm/min運動時電動機的最高轉(zhuǎn)速為</p><p>　　nmax=1200×5/6r/min=1000r/min</p><p>　　則 Tap=2πinmax（Jm+Jd）/（60×980ta）</p><p>　　=2×3.14×5×1000×（4.6+2.

75、8）/（60×980×0.025）</p><p>　　=79.03kgf.cm=7.74N.m</p><p>　　6．4.計算橫向進給系統(tǒng)所需的折算到電動機軸上面的各種力矩</p><p>　　計算空載啟動力矩Tq</p><p>　　Tq=Tap+（Tµ+Tf）=(7.74+0.067+0.014)N.m=

76、7.82N.m</p><p><b>　　計算快進力矩Tkj</b></p><p>　　TkJ= Tµ+Tf=（0.067+0.014)N.m=0.081N.m</p><p><b>　　計算工進力矩TGJ</b></p><p>　　TGJ =Tc+Tf=（0.35+0.014）N

77、.m=0.36N.m</p><p>　　6．5選擇驅(qū)動電動機的型號</p><p>　　選擇驅(qū)動電動機的型號</p><p>　　根據(jù)以上計算和表A-5，選擇國產(chǎn)130BF001型反應(yīng)式步進電動機為驅(qū)動電機，其主要的技術(shù)參數(shù)如下：相數(shù)，5；步距角，0.75°/1.5°；最大的靜轉(zhuǎn)矩，9.31N.m；轉(zhuǎn)動慣量，4.6kg.cm2；最高空載啟動頻率

78、，3000Hz；運行頻率，16000Hz；分配方式為五相十拍；質(zhì)量，9.2kg。</p><p>　　確定最大靜轉(zhuǎn)矩Ts。</p><p>　　由表給出的機械傳動系統(tǒng)空載啟動力矩Tq與所需的步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩Ts1的關(guān)系可得</p><p>　　Tq/ Ts1=0.951</p><p>　　Ts1= Tq/0.951=7.82 /0.9

79、51=8.22N.m</p><p>　　機械傳動系統(tǒng)空載啟動力矩Tq與所需的步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩Ts2的關(guān)系為</p><p>　　Ts2= TGJ/0.3=0.36/0.3=1.2N.m</p><p>　　取Ts1和Ts2中的較大者為所需的步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩Ts，即Ts=8.22N.m。</p><p>　　本電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩為

80、9.31N.m，大于Ts=8.22N.m，可以在規(guī)定的時間里正常啟動，故滿足要求。</p><p><b>　　驗算慣量匹配。</b></p><p>　　為了使機械傳動系統(tǒng)的慣量達到較合理的匹配，系統(tǒng)的負載慣量JL與伺服電動機的轉(zhuǎn)動慣量的Jm之比一般應(yīng)滿足</p><p>　　0.25≤Jd/Jm≤1</p><p>

81、　　因為Jd/Jm=2.8 /4.6=0.61∈【0.25,1）,故滿足慣量匹配要求。</p><p>　　7機械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析</p><p>　　7．1計算絲桿-工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率ωnc。</p><p>　　滾珠絲桿螺母副的的綜合拉亞剛度K0=Kmin=126.58×106N/m，機床執(zhí)行部件的質(zhì)量和滾珠絲桿螺母副的質(zhì)量分別為m，m

82、s，滾珠絲桿螺母副和機床部件的等效質(zhì)量為md=m+ ms/3，已知m=70kg，則</p><p>　　ms=π/4×2.52×58.5×7.8×10-3kg=2.24kg</p><p>　　md=m+ ms/3=（70+2.24/3）=70.75kg</p><p>　　ωnc= （K0/md）1/2=（126.58

83、15;106/70.75）1/2=1338rad/s</p><p>　　7．2計算扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的最低固有頻率ωnt。</p><p>　　折算滾珠絲桿上面的系統(tǒng)總當量轉(zhuǎn)動慣量（kg.m2）為</p><p>　　Js=Ji=（4.6+2.8）×5 kg.cm2=37 kg.cm2=0.0037 kg.m2</p><p>　　已知

84、滾珠絲桿的扭轉(zhuǎn)剛度Ks= KФ=4183.69 N.m/rad，則</p><p>　　ωnt=（Ks/ Js）1/2 rad/s=1063 rad/s</p><p>　　由以上計算可知，絲桿-工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率ωnc =1338rad/s，扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的最低固有頻率ωnt=1063 rad/s，都比較高，一般按ωn =300 rad/s的要求來設(shè)計機械傳動系統(tǒng)的剛度，故滿

85、足要求。</p><p>　　8機械傳動系統(tǒng)的誤差計算和分析</p><p>　　8．1計算機械傳動系統(tǒng)的反向死區(qū)△</p><p>　　進給傳動系統(tǒng)的綜合拉亞剛度的最小值Kmin=126.58×106N/m，導(dǎo)軌的靜摩擦力F0=440N，則</p><p>　　=2δµ=2 F0/Kmin×103</p&

86、gt;<p>　　=2×440×1000/（126.58×106）mm</p><p>　　=3.48×10-3 mm</p><p>　　即△=3.48μm＜8μm，故滿足要求</p><p>　　8．2計算機械傳動系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差δkmax 。</p><p>　　

87、δkmax = F0 （1/Kmin -1/Kmax）×103 </p><p>　　=440×[1/(126.58×106 )-1/(208.33×106 )] ×103</p><p><b>　　=1.36μm</b></p><p>　　即，δkmax=1.36μm ＜6μm ，故

88、滿足要求。</p><p>　　8．3計算滾珠絲桿因扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的誤差。</p><p>　　計算由扭轉(zhuǎn)引起的滾珠絲桿螺母副的變形量θ</p><p>　　已知負載力矩T=TKJ=80N.mm，由圖1得扭轉(zhuǎn)作用點之間的距離L2=437mm，絲桿底徑d2=21.9mm，則</p><p>　　θ=7.21×10-2T L2/ d24&

89、lt;/p><p>　　=7.21×10-2×80×437 / 21.94 =0.011°</p><p>　　由該扭轉(zhuǎn)變形量θ引起的軸向移動滯后量δ將影響工作臺的定位精度，即</p><p>　　δ=L0θ/360=6×0.011/360≈0.18μm</p><p>　　9確定滾珠絲桿螺母副的

90、精度等級和規(guī)格型號</p><p>　　9．1確定滾珠絲桿螺母副的精度等級。</p><p>　　本進給傳動系統(tǒng)采用開環(huán)控制系統(tǒng)，應(yīng)滿足以下要求：</p><p>　　V300p +ep ≤0.8×（定位精度-δkmax –δ）=0.8×（30-1.36 –0.18）μm</p><p><b>　　=22.77

91、μm</b></p><p>　　Vup +ep≤0.8×（定位精度-δkmax –δ）=22.77μm</p><p>　　取滾珠絲桿螺母副的的精度等級為2級，查2-20表可得V300p =8μm；當螺紋長度為500mm時，查2-21表可得ep =10μm，Vup=10μm；V300p +ep =（8+10）μm=18μm＜22.77μm, Vup +ep =（10

92、+10）μm=20μm＜22.77μm.故滿足要求。</p><p>　　9．2確定滾珠絲桿螺母副的規(guī)格型號</p><p>　　滾珠絲桿螺母副的的規(guī)格型號為FFZL2506-3-P3/635×500,其具體參數(shù)如下：公稱直徑與導(dǎo)程：25mm，6mm。螺紋長度:500mm,絲桿長度：635mm，類型和精度：P類，2級精度。</p><p>　　表10-1

93、2π弧度內(nèi)行程變動量V2πp和任意300mm行程內(nèi)行程變動量V300p</p><p>　　表10-2有效行程L。內(nèi)的目標行程公差ep和允許的行程變動量Vµp</p><p><b>　　結(jié)  論</b></p><p>　　我們經(jīng)過了幾周的畢業(yè)設(shè)計，這次畢業(yè)設(shè)計的主要任務(wù)是(普通車床數(shù)控化改普通車床數(shù)控化改設(shè)計)

94、。我設(shè)計的CA6150車床數(shù)控化改造</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計是本科學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實際相結(jié)合的機會，通過這次比較完整的普通車床數(shù)控化改普通車床數(shù)控化改設(shè)計，我擺脫了單純的理論知識學(xué)習(xí)狀態(tài)，和實際設(shè)計的結(jié)合鍛煉了我的綜合運用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，解決實際工程問題的能力，同時也提高我查閱文獻資料、設(shè)計手冊、設(shè)計規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平，并且意志品質(zhì)力，抗壓能力及耐力也都得到了不同程度的提升。

95、這是我們都希望看到的也正是我們進行畢業(yè)設(shè)計的目的所在。</p><p>　　本次設(shè)計與以前所做的課程設(shè)計有著很大的不同。通過本次設(shè)計使我對滾珠絲桿螺母副有了比較全面的了解，熟悉了參數(shù)化設(shè)計的理念，掌握了參數(shù)化設(shè)計的設(shè)計技能?；O(shè)但在設(shè)計工程中我也遇到了很多的困難，首先是對參數(shù)化設(shè)計等方面知識的匱乏，許多理論知識在實際中應(yīng)該怎樣應(yīng)用等待，這些都使我在設(shè)計中一度陷入困境。但在xx老師的殷勤指導(dǎo)和孜孜不倦的講解下，我不

96、但明白了原理，還掌握了方法和技巧。</p><p>　　在設(shè)計的過程中，讓我了解了設(shè)計方法對我們學(xué)習(xí)的重要性，同時也發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足之處。深有感觸：</p><p>　　1、 僅僅了解書本上的知識是遠遠不夠的，只有結(jié)合自己的實際情況運用于實踐，這樣才能更深地了解和學(xué)習(xí)好知識。</p><p>　　2、 我們要在工作中不斷的積累經(jīng)驗，學(xué)會用自己的知識解決實際問題。

97、</p><p>　　3、 同時我們要不斷地向別人學(xué)習(xí)，尤其要多想老師請教，他們可以讓我們少走很多的彎路，同時也讓我們知道很多優(yōu)秀的設(shè)計方法和與眾不同的設(shè)計理戀。</p><p>　　4、 創(chuàng)新設(shè)計是我們未來生存的法寶，所以從現(xiàn)在開始一定要有意識的鍛煉和培養(yǎng)自己在這方面能力</p><p><b>　　參考文獻</b></p>

98、<p>　　[1]范超毅，趙天嬋，吳斌方.數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計 [M].武漢:華中科技大學(xué)出版社，2007年.</p><p>　　[2]機床設(shè)計手冊 編寫組.機床設(shè)計手冊（第三冊）[M].北京：機械工業(yè)出版社，1986年.</p><p>　　[3]機電一體化技術(shù)手冊 編寫組 （第二冊）[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999年.[4]張海根 機電傳動控制 [M].北京：

99、高等教育出版社，2001年. [5]廖效果 朱啟逑 數(shù)字控制機床 [M].武漢:華中科技大學(xué)出版社，2003年.</p><p>　　[6] 機械設(shè)計手冊 編寫組 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2004年.[7]《生產(chǎn)實習(xí)參考資料》  東風(fēng)汽車發(fā)動機廠 .</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>

100、　　從3月份接受課題到現(xiàn)在完成畢業(yè)設(shè)計論文,衷心的感謝我的指導(dǎo)xx老師給予了精心的指導(dǎo)和熱情的幫助,尤其在課題設(shè)計的前期準備階段和本人的數(shù)據(jù)庫的設(shè)計階段,導(dǎo)師提出許多寶貴的設(shè)計意見,在最后的測試修改階段老師在百忙之中抽出時間為我們提供了必要的幫助,這樣使得我們得以順利的完成畢業(yè)設(shè)計開發(fā)工作,在短暫的一個月的相處時間里,老師淵博的知識,敏銳的思路和實事求是的工作作風(fēng)給我留下了深刻的印象,這將使得我終身受益,謹此向老師表示衷心的感謝和崇高的