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重庆大学网络教育学院毕业论文范本目 录1.前言12.设计总体要求及相关已知条件介绍22.1设计总体要求22.2相关已知条件23.切削力的计算与分析33.1切削力的分析与计算34.机床主电机功率计算44.1主轴的变速范围44.2主轴的电机校核45.进给伺服系统传动方案的设计对比分析45.1减速箱体的设计46.滚珠丝杠螺母副的设计计算与选型56.1型号的选择56.2滚珠丝杠的计算67.导轨的计算及选型78.步进电机的计算及选用88.1纵向步进电机的选择88.2横向步进电机的选择129.设计小结1610.参考文献16摘 要普通机床的经济型数控改造主要是在合理选择数控系统的前提下，然后再对普通车床进行适当的机械改造，改造的内容主要包括：(1) 床身的改造，为使改造后的机床有较好的精度保持性，除尽可能地减少电器和机械故障的同时，应充分考虑机床零部件的耐磨性，尤其是机床导轨。为此，本例中采用旧床身淬火并贴膜。(2) 拖板的改造，拖板是数控系统直接控制的对象，所以对其改造尤显重要。这中间最突出一点就是选用滚珠丝杠代替滚动丝杠，提高了传动的灵敏性和降低功率步进电机力矩损失。(3) 变速箱体的改造，由于采用数控系统控制，所以要对输入和输出轴以及减速齿轮进行设计，从而再对箱体进行改造。(4) 刀架的改造，采用数控刀架，这样可以用数控系统直接控制，而且刀架体积小，重复定位精度高，安全可靠。通过对机床的改造并根据要求选用步进电机作为驱动元件，这样改造后的机床就能基本满足现代化的加工要求。关键字：普通车床 数控改造 步进电机 经济型数控系统 1.前言1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。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0.60.8万台，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设计总体要求及相关已知条件2.1设计总体要求采用开环伺服进给系统，进行纵向进给机构的改造，横向进给机构的改造。具体要求：（1）计算切削力（2）机床主电机功率计算（3）进给伺服系统传动方案的设计 主要有三种方案：其一是由步进电机通过联轴器方式传递给滚珠丝杠；其二是由步进电机通过一对齿轮啮合方式传递给滚珠丝杠；其三是由步进电机通过同步齿形带的方式传递给滚珠丝杠。可对上述三种方式比较后选择其一。（3）滚珠丝杠螺母副的设计、计算及选型（4）导轨的计算及选型（5）步进电机的计算及选用2.2相关已知条件将CA6140普通车床改造成经济型数控车床，要求车床有切削螺纹功能，纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率纵向：0.01mm，横向:0.005mm。设计参数： 1）最大加工直径 在床面上400mm 在床鞍上210mm2）最大加工长度 1000mm3）快进速度 纵向 2.4m/min 横向1.2m/min4）最大切削进给速度 纵向0.5m/min 横向0.25m/min5）最小指令值 纵向 0.01mm/pulse 横向 0.005mm/pulse6）进给传动链间隙补偿量 纵向0.15mm 横向0.075mm7）电机功率 7.5kw3 切削力分析与计算3.1车削抗力分析与计算 车削外圆时的切削抗力有Fx、Fy、Fz，主切削力Fz与切削速度方向一致，垂直向下，是计算车床主轴电机切削功率的主要依据。且深抗力Fy与纵向进给方向垂直，影响加工精度或已加工表面质量。进给抗力Fx与进给方向平行且相反指向，设计或校核进给系统是要用它。纵切外圆时，车床的主切削力Fz可以用下式计算： （1）由知:Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4得 Fx=1340(N) Fy=2144(N)因为车刀装夹在拖板上的刀架内，车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨上，车削作业时作用在进给拖板上的载荷Fl、Fv和Fc与车刀所受到的车削抗力有对应关系，因此，作用在进给拖板上的载荷可以按下式求出：拖板上的进给方向载荷 Fl=Fx=1340(N)拖板上的垂直方向载荷 Fv=Fz=5360(N)拖板上的横向载荷 Fc=Fy=2144(N)因此，最大工作载荷 （2） =1.151340+0.04(5360+909.8) =1790.68(N)对于三角形导轨K=1.15，f =0.030.05,选f =0.04(因为是贴塑导轨)，G是纵向、横向溜板箱和刀架的重量，选纵向、横向溜板箱的重量为75kg,刀架重量为15kg。4 机床主电机功率计算4.1主轴的变速范围主轴能实现的最高转速与最低转速之比称为变速范围Rn，即，数控机床的工艺范围宽，切削速度与刀具，工件直径变化很大，所以主轴变速范围很宽。则 =113r/min这里nj为电动机的额定转速该机床主轴要求的恒功率调速范围Rn为：主轴电机的功率是：7.5kw初选主轴电机的型号选主轴电机的型号为：SIMODRIVE系列交流主轴驱动系统型号为1HP6167-4CB4，连续负载PH/KW=14.5，间歇负载（60%）/kw=17.5kw,短时负载（20min）/kw=19.25kw,额定负载n/r.min=5000，最大转速nmax/r/min=8000,额定转矩277N.m,惯性矩0.206/kg.m4.2主轴电机的校核电动机恒功率调速范围：所以所选电动机型号的调速范围满足主轴所要求的调速范围。5传动方案拟定与计算5.1减速器箱体的设计经济型数控车床的脉冲当量是一不可改变的值，为了实现多脉冲当量的任意选择，我在步进电机与滚珠丝杠间加一个减速机构，下面即是对减速机构的设计过程。由任务书中可知纵向和横向的脉冲当量分别为：纵向 0.01 0.008 0.005横向 0.005 0.004 0.0025为减少减速机构的体积设定中心距A=(z1+z2)m/2=67.5其中m=1.5 z1+z2=90(齿)则以横向脉冲计算为例i=z1/z2=45/45时，则脉冲当量为0.005mmi=z1/z2=40/50时，则脉冲当量为0.004mmi=z1/z2=30/60时，则脉冲当量为0.0025mm6滚珠丝杠螺母副的选择与计算6.1型号选择1) 最大工作载荷计算 由于导向为贴塑导轨，则：k=1.4 f =0.05 ，Fl为工作台进给方向载荷，Fl=2144N； Fv=5360N；Fc=1340N；G=60kg；t=15000h，最大工作载荷：F m=kFl+ f (Fv+2Fc+G) =1.42144+0.05(5360+21340+9.875) =3452.6N2)最大动负载的计算v横=1400r/min 0.79mm/r = 1106 mm/minn横丝= v横1/2 / L。纵=11061/2 / 5 =110.6r/minL=60nt/10=1106110.615000 /10=99.54C =fmFm=99.541.53352.6=23283.8N初选滚珠丝杠型号为:CD506-3.5-E其基本参数为 Dw =3.969mm ，=211，L。=6mm，dm=50mm，圈数列数3.516.2滚珠丝杠的计算1)传动效率计算=tg /tg (+)=tg211/tg(211+10)=93%2)刚度验算1丝杠的拉压变形量1=FmL/EA = 3352.6320/20.61025 = 0.0026mm2滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2=0.0013= 0.0099mm在这里 Fyj=1118NZ=dm/Dw=3.1450/3.969=39.56Z=39.563.51=138.48丝杠的总变形量=1+2=0.0026+0.0099=0.0125mm0.015mm查表知E级精度丝杠允许的螺距误差为0.015mm,故所选丝杠合格。7导轨的选型与计算导轨除应具有卧式车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。一般机床导轨材料多为200灰口铸铁，机床改造时可在原床鞍下滑面经机械加工后贴一层聚四氟乙烯软带，聚四氟乙烯软带与铸铁配合时，有良好的减磨性能，可有效地防止机床爬行。此外，床鞍与床身、中滑板与小滑板应接触均匀，接触面不应少于70，接触点数不应少于10点cm2，应严格按标准检查。运行时不许有爬行现象，这是保证加工精度和一致性的关键因素之一。8步进电机的选择与计算8.1 纵向步进电机的选择8.1.1 确定系统的脉冲当量脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量，它是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。因此，脉冲当量应根据机床精度的要求来确定，CA6140的定位精度为0.015mm，因此选用的脉冲当量为0.01mm/脉冲 0.005mm/脉冲。8.1.2步距角的选择根据步距角初步选步进电机型号，并从步进电机技术参数表中查到步距角b ，三种不同脉冲分配方式对应有两种步距角。步距角b 及减速比 i与脉冲当量p 和丝杠导程 L0 有关。初选电机型号时应合理选择b及i, 并满足： b (pi360)/L0 由上式可知：b pi360/L0=3600.011/10=0.36初选电机型号为:90BYG5502具体参数如表1所示表1 步进电机选型参数表纵向电机步距角相数驱动电压电流90BYG55020.36 550V3A静转矩空载起动频率空载运行频率转动惯量重量 5N.m 2200 3000040 kg.cm4.5kg图1 电机简图8.1.3矩频特性：=J=J10(N.cm)由于：nmax=(r/min)则： Mka=J(N.cm)式中：J为传动系统各部件惯量折算到电机轴上的总等效转动惯量（kg.cm）；为电机最大角加速度（rad/s）；nmax为与运动部件最大快进速度对应的电机最大转速（r/min）；t为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间（s）;vmax为运动部件最大快进速度（mm/min）；p为脉冲当量（mm/脉冲）；b为初选步进电机的步距角（）步，对于轴、轴承、齿轮、联轴器，丝杠等圆柱体的转动惯量计算公式为J=(kg.cm),对于钢材，材料密度为7.810(kg.cm)，则上式转化为J=0.78DL10(kg.cm)，式中：Mc为圆柱体质量（kg）；D为圆柱体直径（cm），JD为电动机转子转动惯量，可由资料查出。(1)丝杠的转动惯量Js Js=Js/i，i为丝杠与电机轴之间的总传动比由于i=1则： Js=0.78DL10=0.78(6.3)17010=208.9( kg.cm)(2)工作台质量折算工作台是移动部件，其移动质量惯量折算到滚珠丝杠轴上的转动量JG:JG=（）M( kg.cm),式中：L0为丝杠导程（cm）；M为工作台质量（kg）；由于L0=1cm，M=90kg。则 ： JG=（）M=90=2.28( kg.cm)1）一对齿轮传动小齿轮装置在电机轴上转动惯量不用折算，为J1.大齿轮转动惯量J2折算到电机轴上为=J2()2）两对齿轮传动传动总速比i=i1i2,二级分速比为i1=z2/z1和i2=z4/z3.于是，齿轮1的转动惯量为J1,齿轮2和3装在中间轴上，其转动惯量要分别折算到电机轴上，分别为J2()和J3().齿轮4的转动惯量要进行二次折算或以总速比折算为：=J4()() 因此，可以得到这样的结论：在电机轴上的传动部件转动惯量不必折算，在其他轴上的传动部件转动惯量折算时除以该轴与电机轴之间的总传动比平方。由于减速机构为一对齿轮传动，且第一级i=1,则可分别求出各齿轮与轴的转动惯量如下：n=45,m=1.5的转动惯量J45,其分度圆直径d=451.5=67.5mmS=27mm 则:J45=0.786.7510=4.371 kg.cmn=40,m=1.5的转动惯量J40,其分度圆直径d=401.5=60mmS=27mm 则:J40=0.78610=2.73kg.cmn=30,m=1.5的转动惯量J30,其分度圆直径d=301.5=45mmS=27mm 则:J30=0.784.510=0.964 kg.cmn=45,m=1.5的转动惯量J45,其分度圆直径d=451.5=67.5mmS=30mm 则:J45=0.786.7510=4.9538 kg.cmn=50,m=1.5的转动惯量J50,其分度圆直径d=501.5=75mmS=30mm 则:J50=0.787.510=7.548 kg.cmn=60,m=1.5的转动惯量J60,其分度圆直径d=601.5=90mmS=30mm 则:J60=0.78910=15.66 kg.cm两输入输出轴的转动惯量为:J输入=0.781.81310=0.106 kg.cm ; L=130mmJ输出=0.782.51310=0.396 kg.cm ; L=130mm查表得：JD=4 kg.cm综上可知：J=JD+Js+JG+J30+J40+J60+J50+2J45 =252.302 kg.cm又由于 V =1.461600=2236mm/min则： =252.30210=41.1N.cm(3)力矩的折算：1）空载摩擦力矩= 式中：G为运动部件的总重力（N）； f为导轨摩擦系数；i为齿轮传动降速比；为传动系统总效率，一般取=0.70.85；L。为滚珠丝杠的基本导程（cm）。由于G=9010=900N, f=0.05, i=1, =0.85则=8.4N.cm2）M0附加摩擦力矩 M0= 式中：Fyj为滚珠丝杠预加负载，即预紧力，一般取1/3Fm;Fm为进给牵引力（N）, 。为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取。0.9得 Fyj=1/3Fm=1/31728.8=576.3N又 L0=10mm，=0.95则 M0=96.6 N.cm 则 =+M0=41.1+8.4+96.6=140 N.cm由于=则所选步进电机为五相十拍的经表查得 ：=0.951则 =1.67N.m=0.955=4.75N.m所以所选步进电机合乎要求8.1.4据步进电机的矩频特性计算加减速时间校核的快速性T=(fn-f0) 式中：T为加减速时间，Jr和Jl分别为转子，负载的转动惯量（kg.m）为电机得步距角（），Tcp,Tl为电机最大平均转矩，负载转矩（N.m）f。,fn为起始加速时，加速终了时的频率（Hz）由于 Jr=0.410kg.m；Jl=0.0252 kg.m；=0.36；Tcp=5 N.m ；Tl=1.67 N.m f0=2200Hz；fn=30000Hz 则 T=(30000-2200)=1.2s1.5s所以选此步进电机能满足要求。矩频特性曲线图2 矩频特性曲线8.2 横向步进电机的选择8.2.1步距角的确定b pi360/L0 L0=6mm，i=1，p=0.005。 b 0.3 初选电机型号为:110BYG5602表2电机型号横向电机步距角相数驱动电压电流110BYG56020.3 580V3A静转矩空载起动频率空载运行频率转动惯量重量16 N.m2500 3500015kg.cm16kg图3 电机简图8.2.2距频特性(1)力矩的折算1)空载摩擦力矩Mkf =GfL0/2i；G=6010=600N； f=0.05；L0=6mm；=0.8。 =3.5(N.cm)2)附加摩擦力矩 M0M0= (N.cm) Fyj=1/3Fm=1/33433.6=1144.5N L0=6mm。 M0=115 N.cm(2)转动惯量的折算1)滚珠丝杠的转动惯量 Js=0.78DL10 D=4cm L=26cm Js=0.78DL10=0.78(4)2610 =5.19 N.cm2)工作台转动惯量 JG=M； L0=0.6cm；M=60kg； JG=M=60=0.54( kg.cm)(3)多脉冲减速装置的转动惯量折算Z=30 d=mz=1.530=45mm J=0.78D L10 =0.784.51.810 =0.58kg.cmZ=40 d=mz=1.540=60mm J=0.78D L10 =0.7861.810 =1.82kg.cmZ=45 d=mz=1.545=67.5mm J=0.78DL10 =0.786.751.810 =2.92kg.cmZ=50 d=mz=1.550=75mm J=0.78DL10 =0.787.51.810 =4.44kg.cmZ=60 d=mz=1.560=90mm J=0.78D L10 =0.7891.810 =9.2kg.cm又由于 J输入=0.106 kg.cm；J输出=0.396 kg.cm；JD=15.8 kg.cm则 J=Js+JG+JJ=58 kg.cm Mka= J10vmax=0.781600=1248mm/mint=1.5s；p=0.005；b=0.3 Mka=50=7.257N.cm Mkq=Mka+Mkf+M0=7.527+3.5+115=125.7N.cm又 MkqMjmax步进电机为五相十拍=0.95 Mjmax=16N.mMkq=1.257N.m0.9516=15.2N.m所以此步进电机符合条件(4)上升时间校核 t=(fn-f0)Jr=1.5810 kg.m；Jl=5.810 kg.m；=0.3；Tcp=16N.m。 Tl=1.257N.m；f0=2500Hz；fn=35000Hz t= (35000-2500)=0.086s1.5s合乎要求设计小结这次课题设计总计费时一个多月，刚开始时不知从何下手，在老师的指导下到图书馆查阅相关资料。有关数控上的资料翻了数次，有参考了相关设计资料，终于知道了该怎么做。接下来筛选出一系列有价值的资料，与同组同学不断的讨论、向老师请教，终于完成了设计。在做设计的过程中，不但复习了所学过的知识点，还学到了新的知识，同时将所学到的知识充分的运用起来，做到了学以致用，还学会了查资料，除此之外，我还懂得了团结合作的重要性，知道了集体的力量！当然，在此过程中也有许多不足之处，例如：知识的不全面，所学的还没有全部掌握，思维的狭隘等，让我在毕业前上了生动形象的一课。同时，做设计也是磨练决心与毅力的过程，面对复杂冗长的数据，打印长篇的论文，我也想过放弃，但想到它的意义我就又坚持了下来。做完了后，有一种豁然开朗的感觉，内心激动无比，经过了这次设计以后，我有信心，我也坚信只要努力、坚持，我们就能走好人生的每一步。参考文献：1 倪森寿.机电一体化工程专业课程实践教程M.合肥：合肥工业大学出版社，2007.2 张建民.机电一体化系统设计M.北京：高等教育出版社，2001.3 尹志强.机电一体化系统课程设计指导书M.北京：机械工业出版社，2007.
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