普通车床的数控化改造论文 - 图文

攀枝花学院专科毕业论文（设计）

普通车床的数控改造

学生姓名： 何雨聪 学生学号： 201021205032 院（系）： 交通与汽车工程学院 年级专业： 2010级机电一体化 指导教师： 魏弦 助理指导教师：

二〇一三年六月

攀枝花学院专科毕业论文(设计) 摘要

摘要

随着我国生产业不断发展壮大，加工需求日益增加，加工精度也不断提高。以前的普通机床生产已经远远满足不了市场的需求，所以普通车床的数控化改造是势在必行的。本文通过更换普通车床的进给运动方式，将滑动丝杆传动转化为滚珠丝杆传动、采用步进电机驱动进给运动、配置自动转位刀架来实现自动化功能，使普通机床不仅变得适应性强、加工精度高、生产速度快，还大大的提高了生产效率，使其变为有利于生产、管理的现代化机床。通过改造后的数控机床能实现自动换刀，进给系统的自动化的功能。

关键词 普通车床，改造，伺服系统，数控化

1 I

攀枝花学院专科毕业论文(设计) 1绪论

目录

摘要 .................................................................................................................................................. I 目录 ................................................................................................................................................ II 1绪论 ............................................................................................................................................. 1

1.1 机床改造的意义及优越性 ............................................................................................. 1 1.1.1 研究意义 ..................................................................................................................... 1 1.1.2 数控化改造后机床的优越性 ....................................................................................... 1 1.2 机床数控化改造主要解决的问题 ........................................................................................ 2

2 设计思路及方案 ................................................................................................................... 3

2.1伺服系统的选择 ................................................................................................................... 3 2.2进给运动方式的选择 ........................................................................................................... 4 2.3换刀方式的选择 ................................................................................................................... 4

3普通车床的介绍 ...................................................................................................................... 5

3.1 普通车床概述 ....................................................................................................................... 5 3.1.1机床的组成和主要技术参数 ........................................................................................ 5 3.2 车床的加工范围及特点 ..................................................................................................... 7 3.2.1 加工范围 ....................................................................................................................... 7 3.2.2 车床的加工特点 ........................................................................................................... 7 3.3 车床的传动系统分析 ........................................................................................................... 8

4 具体的改造过程 ................................................................................................................. 10

4.1采用步进电机驱动进给运动 ............................................................................................. 10 4.1.1纵向步进电动机的选择 .............................................................................................. 11 4.1.2 横向步进电机的选择 ................................................................................................. 15 4.2滚珠丝杆传动 ..................................................................................................................... 18 4.2.1纵向滚珠丝杆的设计与计算 ...................................................................................... 18 4.2.2横向滚珠丝杆的设计与计算 ...................................................................................... 24 4.3配置自动转位刀架实现自动功能...................................................................................... 29 4.3.1 减速机构的设计 ......................................................................................................... 30 4.3.2 上刀体锁紧与精定位机构的设计 ............................................................................... 30 4.3.3 刀架抬起机构的设计 ................................................................................................... 30 4.3.4蜗杆副的设计计算 ...................................................................................................... 31 4.3.5 蜗杆轴的设计 ............................................................................................................. 34 4.3.6 蜗轮轴的设计 ............................................................................................................. 39 4.3.7 中心轴的设计 ............................................................................................................. 40 4.3.8齿盘的设计 .................................................................................................................. 41 4.3.9 轴承的选用 ................................................................................................................. 43 4.4数控 控制系统 ..................................................................................................................... 44 4.4.1加工指令........................................................................................................................ 44 4.4.2 控制程序及T0中断服务程序 ..................................................................................... 44 4.4.3步进电动机的位置控制 ................................................................................................ 45

5 结论 ....................................................................................................................................... 46

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参考文献 ..................................................................................................................................... 47 附录 .............................................................................................................................................. 48 致谢 .............................................................................................................................................. 49

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1绪论

1.1 机床改造的意义及优越性 1.1.1 研究意义

我国是生产和使用机床最多的国家之一，但大多数车床使用时间比较长，设备比较落后。由于数控车床具有自动化程度提高加工精度高，质量稳定，便与生产管理现代化等特点，数控车床的应用越来越普及，也是制造业现代化的必然趋势。如果全部淘汰旧车床而采用新的数控车床不仅需要大量的资金，而且造成原有的设备的闲置和浪费，所以不能所有车床一次改造得一次一次改造，避免闲置浪费的问题发生。

企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。而普通机床已不适应多品种、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，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要换零件加工程序，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。

数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机床的发展，一方面是全功能、高性能；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，已能满足车床改造后加工零件的精度要求。

1.1.2 数控化改造后机床的优越性

1机床数控化改造可以提高零件的加工精度和生产效率。

2机床数控化改造可以提高机床的性能和质量，加工出普通机床难以加工或者不能加工的复杂型面零件。

3机床数控化改造后可以实现加工的柔性自动化，效率可比传统机床提高3-7倍。

4可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运，降低工件的定位误差。

5拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自检功能，更好的调节了机床加工状态。还可以提示操作者机床故障或编程错误等机床运行中出现的问题。

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6数控加工降低了工人的劳动强度，节省了劳动力，减少了工装，缩短了新产品试制周期很生产周期，并可对市场需求做出快速反应。

1.2 机床数控化改造主要解决的问题

1 恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复。 2 数字控制化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成数字控制机床、计算机数控机床。

3翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的计算机数控系统以最新计算机数控进行更新。

4技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。

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攀枝花学院专科毕业论文(设计) 2设计思路及方案

2 设计思路及方案

2.1伺服系统的选择

1开环数控系统

这类数控机床采用开环进给伺服系统。其数控装置发出的指令信号是单向的。

没有检测反馈装置对运动部件的实际位移量进行检测，不能进行运动误差的校正，因此步进电机的步距角误差、齿轮和丝杆组成的传动链误差都将直接影响加工零件的精度。

这类机床通常为经济型、中小型机床，具有结构简单、价格低廉、调试方便等优点，但通常输出的扭矩值大小受到限制，且当输入的频率较高时，容易产生失步，难以实现运动部件的控制，因此以不能充分满足数控机床日益提高功率、运动速度和加工精度的控制要求。

2半闭环数控系统

这类机床的检测元件装在驱动电动机或传动丝杆的端部，可间接测量执行部件的实际位置或位移。这种系统的闭环环路内不包括机械传动环节，控制系统的调试十分方便，因此可以获得稳定的控制特性。由于采用高分辨率的测量元件，如脉冲编码器，因此可以获得比较满意的精度与速度。半闭环数控机床可以获得比开环系统更高的精度，但由于机械传动链的误差无法得到消除或校正，因此它的位移精度比闭环系统的要低。大多数数控机床采用半闭环控制系统。

3闭环数控系统

这类机床的位置检测装置安装在进给系统末段端的执行部件上，该位置检测装置可实测进给系统的位移量或位置。数控装置将位移指令与工作台端测得的实际位置反馈信号进比较，根据其差值不断控制运动，是运动部件严格按照实际需求的位移量运动；还可利用测速元器件随时测的驱动电机的转速，将速度反馈信号与速度指令信号相比较，对驱动电机的转速随时进行修正。这类机床的运动精度主要取决于检测装置的精度，与机械传动链的误差无关，因此可以消除由于传动部件制造过程中存在的精度误差给工件加工带来的影响。

相比开环数控机床，闭环数控机床精度更高，速度更快，驱动功率更大，但是，这类机床价格更昂贵，对机床结构及传动链依然提出了严格的要求。传动链的刚度、间隙，导轨的低速运动特性，机床结构的抗振性等因素都会增加系统调试困难。闭环系统设计和调整的不好，很容易造成系统的不稳定。所以，闭环控

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制数控机床主要用于一些精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床等。

根据以上的比较，基于结构简单、首次投入低、维修方便、易安装、调试等各方面因素考虑，选择开环数控系统最为合适。

2.2进给运动方式的选择

1滚珠丝杆传动

由于滚珠丝杆副的丝杆轴与丝杆螺母之间有很多滚珠在做运动，所以能得到较高的运动效率。滚珠丝杆副是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面，对温度、湿度进行严格控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。由于利用滚珠运动的原因，所以启动力矩小，不会出现爬行现象，能保证实现精确的微进给。有较高的刚性，可实现高速进给。滚珠丝杆是将回转运动转化为直线运动，

或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚珠丝杆由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器

2滑动丝杆传动

滑动丝杆传动价格较低，能自锁。效率相对滚珠丝杆效率低、精度低、不能实现微进给、刚性不高、有侧隙。

滚珠丝杆传动与滑动丝杆相比较，滚珠丝杆精度高、能实现微进给功能、刚性高、无侧隙、能实现高速进给，基于这些方面的考虑采用滚珠丝杆传动更为适合。

2.3换刀方式的选择

1刀架换刀

刀架上只能装一把刀，换刀的速度慢，换刀后还须重新对刀，并且精度不高，生产效率低。

2自动换刀

自动回转刀架是在一定的空间范围内能执行自动松开、转位以及精密定位等一系列动作的一种机构。自动回转刀架是在一定的空间范围内能执行自动松开、转位以及精密定位等一系列动作的一种机构。

因为使用自动换刀功能更强，可靠性更稳定，功率增大，结构简单，维修方便。更能弥补刀架换刀的缺陷。所以选择自动换刀较为适合。

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攀枝花学院专科毕业论文(设计) 3普通车床的介绍

3普通车床的介绍

普通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。

3.1 普通车床概述

3.1.1机床的组成和主要技术参数

1．机床的组成

车床的主要组成部件由图3.1所示。

图3.1 车床外形图 1—主轴箱 2—刀架 3—尾座 4—床身 5—右床腿 —进给箱 6—溜板箱 7—左床腿 8

6—溜板箱 7—左床腿 8—进给箱 图3.1是一些部件，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。

a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

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滑板改变角度后带动刀具斜进给，用来车削内外短锥面。

b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。

c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。

d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。

e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．车床的主要技术参数，如表3.1.

表3.1 车床的主要技术参数

床身上最大工件回转直径 刀架上最大工件回转直径 最大工件长度 主轴中心至床身平面导轨距离 最大车削长度 主轴孔径 主轴转速 正转（24级） 反转（12级） 刀架纵向及横向进给量 纵向 一般进给量 小进给量 加大进给量 横向 一般进给量 小进给量 加大进给量 刀架纵向快速移动速度 车削螺纹范围 米制螺纹（44种） 英制螺纹（20种） 模数螺纹（39种） 经节螺纹（37种） 主电动机

400mm 210mm 1000mm 205mm 650、900、1400mm 48mm 10～1400r/min 14～1580r/min 各64种 0.08～1.59mm 0.028～0.054mm 1.71～6.33mm 0.04～0.79mm 0.014～0.027mm 0.86～3.16mm 4m/min 1～192mm 2～24牙/in 0.25～48mm 1～96牙/in 7.5kw 功率 6

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转速 快速电动机 功率 转速 1450r/min 250kw 2800r/min 3.2 车床的加工范围及特点

3.2.1 加工范围

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3.1所示。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，因此车床使用十分广泛。 图3.1车床加工的典型零件 3.2.2 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。

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3.3 车床的传动系统分析

车床的传动系统，由主运动传动系统、车螺纹进给传动系统组成，见图3.2。

图3.2 车床主运动传动系统图 1、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：

=L 1?U?L丝主轴 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，车床

的丝杠导程L丝=12mm；L为工件螺纹的导程（mm）。

2、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

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VI至进给箱轴XVII上滑移齿轮Z28处于左位，使M脱开，从而切断进给箱与

丝杠的联系。运动由齿轮副及联轴节传至光杠XIX，再由光杠通过溜板箱中的传

5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M8及M9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。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）纵向机动进给量(32种)

58336310025253628363244028fI???????i???i????????2.5?12mm纵基倍主轴583310075363625563256294880? ?0.711i基i倍

（2）.横向机动进给量(64种)

5833631002525362836324404859 fI???????i???i????????5mm纵基倍主轴58331007536362556325629484818?0.355i基i倍

横向机动进给量为纵向机动进给量的一半。

3、刀架的快速移动

在车床上加工零件时，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。

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攀枝花学院专科毕业论文(设计) 4具体的改造过程

4 具体的改造过程

4.1采用步进电机驱动进给运动

选用步进电动机时，通常希望步进电动机的输出转距，启动频率和运行频率高，步距误差小，性能价格比高。但增大转距也快速运行存在一定矛盾，高性能也低成本存在矛盾，因此实际选用时，必须全面考虑。

1应考虑系统的精度和速度的要求。为了提高精度，希望脉冲当量小。但是脉冲当量越小，系统的运行速度越低。故因兼顾精度也速度的要求来选定系统的脉冲当量。在脉冲当量确定以后，又可以为依据来选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。

2对位移误差的要求。步进电动机的步距角从理论上说是固定的，但实际上还是有误差的。此外，负载转距也将引起步进电动机的定位误差。应将步进电动机的步距误差、负载引起的定位误差和传动机构的误差全部考虑在内，使总的误差小于数控机床允许的定位误差。

3步进电动机的特性曲线对步进电动机参数选择有影响的特性曲线包括：起动距频特性曲线和反映转距也连续运行频率之间关系的工作距频特性曲线。 4步进电动机的选择既要满足快速进给的要求，又要满足切削进给的要求。在这两种情况下，对转距和进给速度有不同的要求。 步距角α

L0 式中， i---传动比 ?p---- 脉冲当量 L0----丝杠导程

步距角应满足： ?b?(?p?i?360)精度

步进电动机的精度可以用步距误差或累积误差衡量，累积误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值，用累积误差衡量精度比较实用，所选用的步进电动机应满足：

???i[?? s] m式中， ??m---步进电动机的累积误差。

[??s]---系统对步进电动机驱动部分允许的角度误差。 转矩

为了使步进电动机正常运转（不失步，不越步）正常启动并满足对转速的要求，必须考虑以下条件：

ML0 起动力矩一般选取为: M?q10

0.3?0.5

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式中， Mq---电动机起动力矩 ML0---电动机静负载力矩

根据步进电动机的相数和拍数，启动力矩选取如表4.1所示，表中MJM为步进电动机的最大静载矩，是步进电动机技术数据中给出的。

表4.1步进电动机相数、拍数启动力矩表 运行 方式 Mg/Mjm相数 拍数 3 3 0.5 3 6 0.866 4 4 0.707 4 8 0.707 5 5 0.809 5 10 0.951 6 6 0.866 6 12 0.866 在要求的运行频率范围内，电动机运行力矩应大于电动机的静载力矩与电动机转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。 启动频率

由于步进电动机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此，相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足：

ft?[fop]m

式中，ft---极限启动频率，

[fop]m---要求步进电动机最高启动频率。

4.1.1纵向步进电动机的选择

1确定脉冲当量

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，定位精度为±0.015mm，因此选用的脉冲当量为0.01mm/脉冲到0.005mm/脉冲。 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：

(?i?360)p? ??bL0(?i?360)p?由上式可知：? ?bL0 =360?0.01?1/ L。

=0.36°

初选电机型号为:90BYG5502具体参数如表4.2所示

表4.2 90BYG5502具体参数 纵向电机 90BYG5502

步距角 0.36 相 数 5 11

驱动电压 50V 电 流 3A

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静转矩 5N.m 空载起动频率 2200 空载运行频率 30000 ?转动惯量 40kg.cm2 重 量 4.5kg

图4.1 电机简图

3矩频特性：

?J? M?ka2?nmax?2=J (N?cm) ?10?60t由于：nmax =

vmax?b(r/min)

?p3602?vmax?b?2则： Mka=J?(N?cm) ?10360?60t??p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（kg?cm2）;

Ε---电机最大角加速度（radnmax）；

s2---与运动部件最大快进速度对应的电机最大转速（r/min）；

T---运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间（s）； ；?p为脉冲当量（mm/脉冲）； vmax---运动部件最大快进速度（mm/min）

?b---初选步进电机的步距角[（o）步]，对于轴、轴承、齿轮、联轴器，丝

McD2杠等圆柱体的转动惯量计算公式为J=(kg?cm2),对于钢材，材料密度

8?33为7.8?10(kg?cm),则上式转化为J=0.78D4L?10?3(kg?cm2), 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。 a丝杠的转动惯量Js

Js=Js/i2，i为丝杠与电机轴之间的总传动比 由于 i=1

则: Js=0.78D4L?10?3

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=0.78(6.3)4170?10?3 =208.9(kg?cm2)

b工作台质量折算

L。）2M(kg?cm2),式中：L0为丝杠导程（cm）；M为工作台JG=（2?质量（kg）. 由于L0=1cm M=90kg

L。）2M 2?1 =(90 )2?2?3.14则 ：JG=（

=2.28(kg?cm2) 4一对齿轮传动

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

z12J2J=() 22z2i5两对齿轮传动

i2，二级分速比为i1?z2和i2?z4。于是，齿轮1的传动总速比i=i1?z1z3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到电机轴上，分别为J2(

z12z)和J3 (1)2。齿轮4的转动惯量要进行二次折算或以总z2z2速比折算为：

z32z12J4J=() () ?42z2z4 i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=45?1.5=67.5mm S=27mm 则: J45=0.78?6.754?10?3=4.371 kg?cm2 n=40,m=1.5的转动惯量J40，其分度圆直径d=40?1.5=60mm S=27mm 则: J40=0.78?64?10?3=2.73kg?cm2

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攀枝花学院专科毕业论文(设计) 4具体的改造过程

n=30,m=1.5的转动惯量J30，其分度圆直径d=30?1.5=45mm S=27mm 则: J30=0.78?4.5

410?3=0.964 kg?cm2 ?n=45,m=1.5的转动惯量J45，其分度圆直径d=45?1.5=67.5mm S=30mm 则: J45=0.78?6.754?10?3=4.9538 kg?cm2 n=50,m=1.5的转动惯量J50，其分度圆直径d=50?1.5=75mm S=30mm 则: J50=0.78?7.54?10?3=7.548 kg?cm2 n=60,m=1.5的转动惯量J60，其分度圆直径d=60?1.5=90mm S=30mm 则: J60=0.78?94?10?3=15.66 kg?cm2 两输入输出轴的转动惯量为:

J输入=0.78?1.84?13?10?3=0.106 kg?cm2 ； L=130mm J输出=0.78?2.54?13?10?3=0.396 kg?cm2 ； L=130mm 查表得：JD=4 kg?cm2 综上可知：

J?=JD+JS+JG+J30+J40+J60+J50+2J45

=252.302 kg?cm2 又由于 V =1.46?1600 =2236mm/min

2?3.14?2336?0.36?2则：Mka=252.302?10=41.1N?cm ?360?60?1.5?0.016力矩的折算： 1）Mkf=空载摩擦力矩

Mkf

=

G?f'?L。

2??i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?=0.7~0.85；L0为滚珠丝杠的基本导程（cm）。

由于G=90?10=900N, f'=0.05, i=1, ?=0.85

90?10?0.05?1 kf2?3.14?0.85?1 =8.4N.cm

则M =

7M0附加摩擦力矩

M0=

FyjL。2??i(1-?20)

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，

14

攀枝花学院专科毕业论文(设计) 4具体的改造过程

?0为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取?0≥0.9 得 Fyj=1/3Fm=1/3?1728.8=576.3N 又 L。=10mm ，?0=0.95

576.3?1则 M0=

2?3.14?0.95?1=96.6 N?cm 则 M由于Mkpkp =Mka+M?Mmpkf+M0=41.1+8.4+96.6=140 N?cm

=?Mjmax

则所选步进电机为五相十拍的 经表查得 ：λ=0.951 则 Mkp=1.67N.m??Mjmax=0.95?5=4.75 N?m

所以所选步进电机合乎要求

8据步进电机的矩频特性计算加减速时间校核的快速性 T=

(Jr?Jl)?(f0-fn)

57.3(Tcp?Tl)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?m2）

，Tcp,Tl为电机最大平均转矩，负载转矩（N?m） ?为电机得步距角（°）

f0,fn为起始加速时和加速终了时的频率（Hz）

由于

Jr=0.4?10 ?3kg?m2 Jl=0.0252 kg?m2 β=0.36°

Tcp=5 N?m Tl=1.67N?m f0=2200Hz fn=30000Hz

?3?3(0.4?10?25.2?10)?0.36? 则 T=(30000-2200)

57.3?(5?1.67) =1.2s<1.5s

所以选此步进电机能满足要求。

4.1.2 横向步进电机的选择

1步距角的确定

(?i?360)p? ?b?L0 L0=6mm i=1 ?p=0.005 ? ?b≤0.3 ?初选电机型号为:110BYG5602 具体参数如表4.3所示。

表4.3 110BYG5602电机具体参数

横向电机 110BYG5602 静转矩

步距角 0.3 空载起动频率 相数 5 空载运行频率 15

驱动电压 80V 转动惯量 电流 3A 重量

攀枝花学院专科毕业论文(设计) 4具体的改造过程

16 N?m 2500 35000 ?15kg.cm2 16kg

图4.2 电机简图

2距频特性 力矩的折算

(1)空载摩擦力矩Mkf

Gf'L0 Mkf =

2??iG=60?10=600N f'=0.05 L0=6mm ?=0.8

60?10?0.05?0.6 kf6.28?0.8?1 =3.5(N?cm)

M? =

3附加摩擦力矩 M0

M0?FyjL02??i(1??) 0) (N?cm23433.6=1144.5N L0=6mm Fyj=1/3Fm=1/3?1144.5?0.6 M0 = ?6.28?0.95?1=115 N?cm 转动惯量的折算

4滚珠丝杠的转动惯量

Js=0.78D4L?10?3 ? D=4cm L=26cm

? Js=0.78D4L?10?3 =0.78(4)426?10?3

2 =5.19 (N?cm)

5工作台转动惯量

16

攀枝花学院专科毕业论文(设计) 4具体的改造过程

JG=(L0=0.6cm M=60kg

L。2）M 2? JG=(?L。21260=0.54( kg?cm2) ）M=（）?2?2?3.14多脉冲减速装置的转动惯量折算 Z=30 d=mZ=1.5?30=45mm

J=0.78?10 =0.78?4.5?1.8?10 =0.58 kg?cm2 D?L?Z=40 d=mZ=1.5?40=60mm

J=0.78?10 =0.78?6?1.8?10 =1.82 kg?cm2 D?L?Z=45 d=mZ=1.5?45=67.5mm

J=0.78?10 =0.78?6.75?1.8?10 =2.92 kg?cm2 D?L?Z=50 d=mZ=1.5?50=75mm

J=0.78?10 =0.78?7.5?1.8?10 =4.44 kg?cm2 D?L?Z=60 d=mZ=1.5?60=90mm

J=0.78?10 =0.78?9?1.8?10 =9.2 kg?cm2 D?L?又由于 J输入

=0.106 kg?cm2 J输出=0.396 kg?cm2 JD=15.8 kg?cm2

则 J?=JS+JG+JJ=58 kg?cm2 Mka= J?2?Vmax??b10?2 ?60?360??ptVmax=0.78?1600=1248mm/min t=1.5s ?p=0.005 ?b=0.3°

?26.28?1248?0.3?10 Mka=50?

60?360?0.005?1.5 =7.257 N?cm Mkq=Mka+Mkf+M0 =7.527+3.5+115=125.7N.cm

kq又 M≤?Mjmax

步进电机为五相十拍λ=0.95 Mjmax=16N.m

Mkq=1.257N.m<0.95?16=15.2N.m

所以此步进电机符合条件 上升时间校核 t=

(Jr?Jl)?(fn?f0)

57.3(Tcp?Tl)17

攀枝花学院专科毕业论文(设计) 4具体的改造过程

10?3 kg?cm2 Jl=5.8?10?3 kg?cm2 Jr=1.58??=0.3? Tcp=16N.m Tl=1.257N.m f0=2500Hz fn=35000Hz

?3?3(1.58?10?5.8?10)?0.3 t= (35000-2500) ??57.3?(16?1.257) =0.086s<1.5s

符合要求。

4.2滚珠丝杆传动

4.2.1纵向滚珠丝杆的设计与计算

已知条件：

工作台重量W1=80KG=800N 工件及夹具最大重量W2=200N 工作台最大行程

LK=950mm工作台导轨的摩擦系数为u=0.1 快速进给速度Vmax=4m/min 定位精

度为20um/300mm,全行程25um,重复定位精度为10um 要求寿命为10000小时（单班制工作十年）。各种切削方式的纵向切削力Fa,速度V和时间比例q及其他见下表

表4.4各种切削方式的纵向切削力Fa,速度V和时间比例q

切削方式 纵向切削力 Pxi(N) 2000 1000 500 0 垂向切削力 Pzi(N) 1200 500 200 0 进给速度 Vi(m/min) 0.6 0.8 1 4 工作时间百分比 % 10 30 50 5 丝杠轴向载荷 (N) 2200 1150 620 1000 丝杠转速 r/min 60 80 100 375 强力切削 一般切削 精切削 快速进给

18

图4.3 进给用滚珠丝杠装配图

FFZD4005-3-P3

攀枝花学院专科毕业论文(设计) 4具体的改造过程

1确定滚珠丝杠副的导程

vmax：工作台最高移动速度

Ph?vmaxi?nmax

nmax：电机最高转速；

电机与丝杠间为齿轮连接式，i=4（取一级减速齿轮） I--传动比

由上表查得W1=4m/min，nmax=1500r/min 代入得P?0.67mm

h查《现代机床设计手册》取ph?5mm

2确定当量转速与当量载荷

a各种切削方式下，丝杠转速

ni?viph

由上表查的v1=0.6, v2=0.8, v3=1, ph=4 代入得n1?120，n2?160，n3?200，n4?800

b各种切削方式下，丝杠轴向载荷Fi?pxi?(w1?w2?pzi)/10

--丝杠轴向载荷，pxi--纵向切削力，pzi--垂向切削力Fi?Pxi??W1?W2?Pzi?

由上表得pxi(i=1,2,3,4)分别为2000 N,1000N,500N,0N

pzi(i=1,2,3,4)分别为1200N,500N,200N,0N 已知w1＝800 N，w2＝200 N

代入得Fi(i=1,2,3,4)分别为2200N，1150N，620N，1000N 当量转速

Fi

nm?n1?t1100?n2?t2100?n3?t3100?n4?t4100当量载荷

nm?240r/min

19

攀枝花学院专科毕业论文(设计) 4具体的改造过程

Fm?F1?3n?tn1?t1n?tn?t333?F2?22?F3?33?F4?44nm?100nm?100nm?100nm?100

带入数据得Fm＝1057N 3初选滚珠丝杠副

由公式《现代机床设计手册》（3.7－24）知

106?caft?fh?fa?fk??Lh?????60nm?Ffw?m?

3查《现代机床设计手册》表（3.7－51）—表（3.7－54） 得ft＝1，fh＝1，fa＝1，fk＝0.53，fw=1.3，Lh＝10000h 代入数据可求得ca＝13589N=13.58KN

4确定允许的最小螺纹底径

（1）估算丝杠允许的最大轴向变形量 ①?m?（1/3—1/4）重复定位精度 ②?m? (1/4—1/5 )定位精度

?m：最大轴向变形量?m 已知重复定位精度10?m 定位精度25?m

①?m＝3?m，②?m＝6?m 取两种结果最小值?m＝3?m

（2）估算最小螺纹底径

丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式

d2m?1010?F0?LF?L?0.0390???m?E?m

d2m---最小螺纹底径mm

L＝（1.1—1.2）行程+(10—14) Ph 静摩擦力F0=?0W1

已知行程950mm，W1＝800N, ?0=0.2 代入数据得L=1110mm，F0＝160N, d2m=9.5mm

5确定滚珠丝杠副得规格代号

（1） 选内循环浮动式法兰，直筒螺母型垫片预紧形式

（2） 由计算出的Ph，cam，d2m在《现代机床设计手册》中选取相应规格的

滚珠丝杠副FFZD4005-5

P=5, ca=22000N>cam

h=13589N

20

攀枝花学院专科毕业论文(设计) 4具体的改造过程

6确定滚珠丝杠副预紧力

1

FP=Fmax

3其中Fmax＝2200

FP＝733N

7行程补偿值与拉伸力

?3C?11.8?tl?10u（1）行程补偿值 式中lu＝Lk?Ln?2La

查《现代机床设计手册》Lk＝950

Ln＝110，La＝（2—4）Ph＝15

?t温差取2.50c

代入数据得C=32?m (2)预拉伸力

2Ft＝1.95?td2

代入得Ft＝4807N

8确定滚珠丝杠副支承用得轴承代号，规格 （1）轴承所承受得最大轴向载荷

FBmax＝4807＋2200＝7007

（2）轴承类型

两端固定的支承形式，选背对背600c角接触推力球轴承 （3） 轴承内径 d略小于d2＝40，FBP=

1FBmax，取d＝30 3带入数据得FBP＝2336N

（4） 轴承预紧力：预力负荷?FBP

（5） 按《现代机床设计手册》选取轴承型号规格 当d＝30mm，预加负荷为：?FBP 所以送7602030TVP轴承

d＝30，预加负荷为2900>FBP＝2336N 9滚珠丝杠副工作图设计 (1)丝杠螺纹长度Ls?Lu?2Le 由表查得余程Le

（2）两固定支承距离L1，丝杠L (3)行程起点离固定支承距离L0

Ls＝1290，L1＝1350

21

攀枝花学院专科毕业论文(设计) 4具体的改造过程

Le＝1410，L0＝30

10传动系统刚度 （1）丝杠抗压刚度 a丝杠最小抗压刚度

ksmind?6.6?2?102l12

l1d2---丝杠底径

---固定支承距离

ksmin代入数据

＝782N/?m

2b丝杠最大抗压刚度

ksmaxd?l?6.6?21?1024l0?l1?l0?

代入数据得9000 N/?m （2）支承轴承组合刚度

KB0dQa一对预紧轴承的组合刚度 ?2?2.34?3dQZ2Famaxsin5? ---滚珠直径mm， Z---滚珠数 ---最大轴向工作载荷N

Famax? ---轴承接触角

由《现代机床设计手册》查得

7602030TVP轴承Famax是预加载荷得3倍

kamax＝8700N/?m KB0=375 N/?m

b支承轴承组合刚度

kb?2KB0 kb＝750 N/?m

3)滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度

kc?k(kckc''cFp0.1ca)1/3

---《现代机床设计手册》上的刚度 ＝2150 N/?m, ca=2200N,

Fp=733N

代入数据得kc＝1491 N/?m 11刚度验算及精度选择

dQ=3.5，Z＝17，?＝600

22

攀枝花学院专科毕业论文(设计) 4具体的改造过程

（1）

1kmin?1ksmin?11? kbkc1kmin代入前面所算数据得

1kmax1ksmax＝

1 30 ??11? kbkc1kmax代入前面所算数据得

?1 476F0??0w1

已知w1＝800N, ?0=0.2, F0=160N

F0---静摩擦力，?0---静摩擦系数，w1---正压力

（2）验算传动系统刚度

kmin＝

1.6F0；已知反向差值或重复定位精度为10

反向差值kmin＝30>25.6

（3）传动系统刚度变化引起得定位误差

?k＝F0（

1kmin－

1kmax），代入?k＝5?m

（4）确定精度

v300p---任意300mm内行程变动量对系统而言

v300p?0.83定位精度－?k

定位精度为20?m/300

v300p<14.3?m,丝杠精度取为3级

v300p＝12?m<14.3?m

（5）确定滚珠丝杠副得规格代号 已确定得型号：FFZD 公称直径：40，导程：5 螺纹长度1290，丝杠长度1410 P类3级精度

所选规格型号：FFZD4005-3-P3/141031290 12验算临界压缩载荷

丝杠所受大轴向载荷Fmax小于丝杠预拉伸力F

23

攀枝花学院专科毕业论文(设计) 4具体的改造过程

不用验算 13验算临界转速

nc?fd27?10L2c2

nc---临界转速n/min

f---与支承形式有关的系数

d2---丝杠底径

Lc2---临界转速计算长度mm

由《现代机床设计手册》得f＝21.9, d2=40, Lc2=l1?l0 可得nc＝5028>nmax=1500

4.2.2横向滚珠丝杆的设计与计算

已知条件：

工作台重量W1=80KG=800N 工件及夹具最大重量W2=200N 工作台最大行程

LK=950mm工作台导轨的摩擦系数为u=0.1 快速进给速度Vmax=2m/min 定位精

度为20um/300mm,全行程25um,重复定位精度为10um 要求寿命为10000小时（单班制工作十年）。各种切削方式的纵向切削力Fa,速度V和时间比例q及其他见下表

切削方式 纵向切削力 Pxi(N) 2000 1000 500 0 表4.5切削方式的纵向切削力Fa,速度V和时间比例q

进给速度 Vi(m/min) 0.6 0.8 1 2 工作时间百分比 % 10 30 50 5 丝杠轴向载荷 (N) 2920 1850 1320 800 丝杠转速 r/min 60 80 100 1500 垂向切削力 Pzi(N) 1200 500 200 0 强力切削 一般切削 精切削 快速进给 1确定滚珠丝杠副的导程

ph?Vmaxi?nmax

---工作台最高移动速度； Vmax---电机最高转速 nmax电机与丝杠间为齿轮连接式 i=4（取一级减速齿轮）

24

攀枝花学院专科毕业论文(设计) 4具体的改造过程

I --传动比

由上表查得Vmax=2m/min，nmax=1500r/min

代入得Ph?0.33mm

查《现代机床设计手册》取Ph?5mm

2确定当量转速与当量载荷 （1） 各种切削方式下，丝杠转速ni?Viph

由上表查的v1=0.6, v2=0.8, v3=1, v4=2 代入得n1?120，n2?160，n3?200，n4?400

（2） 各种切削方式下，丝杠轴向载荷Fi?pxi?(w1?w2?pzi)/10

Fi---丝杠轴向载荷，pxi---纵向切削力，pzi---垂向切削力 由上表得pxi (i=1,2,3,4)分别为2000 N,1000N,500N,0N

pzi (i=1,2,3,4)分别为1200N,500N,200N,0N

已知w1＝800 N，w2＝200 N

代入得Fi (i=1,2,3,4)分别为2200N，1150N，620N，1000N

（3） 当量转速

nm?n1?t1100?n2?t2100?n3?t3100?n4?t4100

数据代入得nm?200r/min

（4） 当量载荷

Fm?F1?3n?tn1?t1n?tn?t333?F2?22?F3?33?F4?44nm?100nm?100nm?100nm?100

带入数据得Fm＝1097N

3初选滚珠丝杠副，由公式《现代机床设计手册》（3.7－24）知

106?caft?fh?fa?fk??Lh??????60nm?Fmfw?

3查《现代机床设计手册》表（3.7－51）—表（3.7－54） 得ft＝1，fh＝1，fa＝1，fk＝0.53，fw=1.3，Lh＝10000h

代入数据可求得ca＝13272N=13.27KN

4确定允许的最小螺纹底径

（1）估算丝杠允许的最大轴向变形量

①?m?（1/3—1/4）重复定位精度 ②?m? (1/4—1/5 )定位精度

?m：最大轴向变形量?m

已知重复定位精度10?m，定位精度25?m，

25

攀枝花学院专科毕业论文(设计) 4具体的改造过程

①?m＝3?m ②?m＝6?m

取两种结果最小值?m＝3?m （2）估算最小螺纹底径

丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式

d2m?1010?F0?LF?L?0.0390???m?E?m

d2m---最小螺纹底径mm

L＝（1.1—1.2）行程+(10—14) Ph

静摩擦力F0=?0W1

已知行程950mm，W1＝800N, ?0=0.2 代入数据得L=1110mm，F0＝160N, d2m=9.5mm

5确定滚珠丝杠副得规格代号

（1） 选内循环浮动式法兰，直筒螺母型垫片预紧形式

（2） 由计算出的Ph，cam，d2m在《现代机床设计手册》中选取相应规格的

滚珠丝杠副FFZD4005-5

P=5, ca=22000N>cam

h=13272N

6确定滚珠丝杠副预紧力 1

FP=Fmax 其中Fmax＝2200

3

FP＝733N

6行程补偿值与拉伸力

?3C?11.8?tl?10u（1）行程补偿值，式中lu＝Lk?Ln?2La

查《现代机床设计手册》

Lk＝950，Ln＝110，La＝（2—4）Ph＝15

?t温差取2.50c

代入数据得C=32?m

(2)预拉伸力

2Ft＝1.95?td2

代入得Ft＝4807N

7确定滚珠丝杠副支承用得轴承代号，规格 （1）轴承所承受得最大轴向载荷

FBmax＝4807＋2200＝7007

（2）轴承类型

26

攀枝花学院专科毕业论文(设计) 4具体的改造过程

两端固定的支承形式，选背对背600c角接触推力球轴承

（3） 轴承内径

d略小于d2＝40，FBP=

1FBmax，取d＝30 3带入数据得FBP＝2336N

（4） 轴承预紧力：预力负荷?FBP

（5） 按《现代机床设计手册》选取轴承型号规格

当d＝30mm，预加负荷为：?FBP

所以送7602030TVP轴承 d＝30，预加负荷为2900>FBP＝2336N

8滚珠丝杠副工作图设计 (1)丝杠螺纹长度Ls?Lu?2Le 由表查得余程Le

（2）两固定支承距离L1，丝杠L (3)行程起点离固定支承距离L0

Ls＝1290，L1＝1350，Le＝1410，L0＝30

9传动系统刚度 （1）丝杠抗压刚度 a丝杠最小抗压刚度

ksmind?6.6?2?102l12

ld2--丝杠底径1--固定支承距离

代入数据

ksmin＝782N/?m

2b丝杠最大抗压刚度

ksmaxd?l?6.6?21?1024l0?l1?l0?

代入数据得9000 N/?m （2）支承轴承组合刚度

a一对预紧轴承的组合刚度

KB0?2?2.34?3dQZ2Famaxsin5?dQ?

---滚珠直径mm ，Z---滚珠数，Famax--最大轴向工作载荷N

--轴承接触角

由《现代机床设计手册》查得7602030TVP轴承

27

攀枝花学院专科毕业论文(设计) 4具体的改造过程

Famax是预加载荷得3倍

kamax＝8700N/?m KB0=375 N/?m

b支承轴承组合刚度

kb?2KB0 kb＝750 N/?m

c滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度

kc?k(kc'cFp0.1ca)1/3

---《现代机床设计手册》上的刚度

kc'＝2150 N/?m, ca=2200N,

Fp=733N

代入数据得kc＝1491 N/?m

10刚度验算及精度选择

dQ=3.5，Z＝17，?＝600

（1）

1kmin?1ksmin?11? kbkc代入前面所算数据 得

1kmin＝

11 30?11? kbkc1kmax?ksmax代入前面所算数据 得

1kmax?1 476F0??0w1

已知w1＝800N, ?0=0.2, F0=160N

F0---静摩擦力，?0---静摩擦系数，w1---正压力

（2）验算传动系统刚度

kmin＝

1.6F0

反向差值已知反向差值或重复定位精度为10

kmin＝30>25.6

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（3）传动系统刚度变化引起得定位误差

F0?＝（k

1kmin－

1kmax），代入?k＝5?m

（4）确定精度

v300p---任意300mm内行程变动量对系统而言 v300p?0.83定位精度－?k；定位精度为20?m/300

v300p<14.3?m,丝杠精度取为3级；v300p＝12?m<14.3?m

（5）确定滚珠丝杠副得规格代号 已确定得型号：FFZD 公称直径：40，导程：5 螺纹长度1290，丝杠长度1410 P类3级精度

所选规格型号：FFZD4005-3-P3/141031290 11验算临界压缩载荷

丝杠所受大轴向载荷Fmax小于丝杠预拉伸力F 不用验算 12验算临界转速

nc?fd27?10L2c2

nc---临界转速n/min

F---与支承形式有关的系数 d2：丝杠底径

Lc2---临界转速计算长度mm

由《现代机床设计手册》 得f＝21.9, d2=40, Lc2=l1?l0 可得nc＝5028>nmax=1500

4.3配置自动转位刀架实现自动功能

自动换刀选用自动回转刀架。 自动回转刀架换刀流程图：

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图4.4自动回转刀架换刀流程图

4.3.1 减速机构的设计

电动机选择三步异相电动机，额定功率为90W，额定转速为1440r/min，而

刀架转速设定30r/min，由于转速较高不能直接驱动刀架，因此必须经过适当的减速。采用蜗杆副减速，蜗杆副传动可以改变运动的方向，获得较大的传动比，以保证传动精度和平稳性并能自锁，可以减少整个装置的空间，比较精简。

4.3.2 上刀体锁紧与精定位机构的设计

上刀架锁紧与精定位将直接影响工件的加工精度，因为刀具直接安装在上

刀体上，所以刀体要承受全部的切削力，因此对它的选择很重要，在设计中选择端面将上刀体与下刀体的配合加工成梯形的端面齿。采用梯形的端面齿，刀架处于锁紧时，下端面齿相互啮合，这时上刀体不能绕刀架的中心轴转动；换刀时电动机正转，抬起机构使上刀体抬起，等上下端面齿脱开后，上刀体才可以绕刀架中心轴转动，完成转位工作。

4.3.3 刀架抬起机构的设计

在上述过程中欲使上下刀体的两个端面齿脱离。就必须设计分离机构，在此选择螺杆—螺母副，并在上刀体内部加工出内螺纹，当电动机通过蜗杆—蜗轮带动螺杆绕中心轴转动时，而将上刀体看做螺母，要么转动，要么上下移动。两种情

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况，当刀架处于锁紧状态时，上刀体与下刀体的端面齿相互啮合，因为这时上刀体不能与螺杆一起转动，转动会使上刀体向上移动。当端面齿脱离啮合时，上刀体就和螺杆一同转动，在设计螺杆时要注意螺距的选择，而螺距的选择是否合理非常重要，选择适当以便当螺杆转动一定角度时，使上刀体与下刀体的端面齿能够完全脱离啮合状态。

图4.5为自动回转刀架的传动机构示意图

图4.5自动回转刀架的传动机构示意图

1—发信盘 2—推力轴承 3—螺杆螺母机构 4—端面齿盘 5—发靠圆盘 6—三相异步电动机 7—联轴器 8—蜗杆副 9—反靠销 10—圆柱销 11—上盖圆盘 12—上刀体

4.3.4蜗杆副的设计计算

自动回转刀架的动力源是三相异步电动机，其中蜗杆与电动机直联，刀架转位时蜗杆与上刀体直联。已知电动机额定功率P1=90W，额定转速n1=1440r/min，上刀体设计转速n2=30r/min,则蜗杆副的传动比i=1440/30=48。刀架从转位到锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不均匀，起动时冲击较大，今要求蜗杆的使用寿命Lh=10000h，因此对蜗杆的型号材料的选择以及齿面接触疲劳强度计算相当重要。

1 蜗杆的选型

GB/T10065-1998推荐采用阿基米德（ZA蜗杆）和锥面包络蜗杆（ZK蜗杆）。

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本设计采用阿基米德型圆柱蜗杆（ZA型）。 2 蜗杆的材料

刀架中的蜗杆副传递的功率不大，但蜗杆转速较高，因此，蜗杆的材料选用45钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为45～55HRC，以提高表面耐磨性，选用锡磷青铜ZCuSn10P1，采用金属模铸造。 3 按齿面接触疲劳强度进行设计

刀架中的蜗杆副采用闭式传动，多因齿面脱离危险合或点蚀而失效。因此，在进行承载能力计算时，先按齿面接触疲劳强度进行校核。

按蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式为：

2?ZEZ?3a?KT2??????H K---载荷系数；

??? ?式中 a---蜗杆副的传动中心距，单位为mm； T2---作用在蜗轮上的转矩T2，单位为N2mm； ZE---弹性影响系数，单位为MP1/2； Z?---接触系数；

[?H]---许用接触应力，单位为MPa。

从式中算出蜗杆副的中心距a之后，根据已知的传动比i=48,从附录1中选择一个合适的中心距a值，以及相应的蜗杆、蜗轮参数。

（1） 确定作用在蜗杆上的转矩T2

设蜗杆头数Z1=1，蜗杆的传动效率取??0.8。由电动机的额定功率p1?90w，可以算得蜗轮传递的功率p2?p1.?，再由蜗轮的轮转速n2=30r/min

求得作用在蜗轮上的转矩：

T2?9.55p2n2?9.55p1?n2?9.55?80?0.830N.m?20.373N.m?20373N.mm （2） 确定载荷系数K

载荷系数K=KAKβKv。其中KA为使用系数，由附录2查得，由于工作载荷不均匀，起动时冲击较大，因此取KA=1.15；Kβ为齿向载荷分布系数，因工作载荷在起动和停止时有变化，故取Kβ=1.15；Kv为动载系数，由于转速不高、冲击不大，可取Kv=1.05。刚载荷系数：

K=KAKβKv=1.1531.1531.05≈1.39

（3） 确定弹性影响系数ZE

铸锡磷青铜蜗轮与蜗杆相配时,从有关手册查得弹性影响系数ZE=160MPa1/2。 （4） 确定接触系数Z?

先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值d1/a=0.35，从附录3中可

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查得接触系数Z?=2.9。

（5） 确定许用接触应力[?H]

根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1、金属模铸造蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC，可从附录4中查得蜗轮的基本许用应力[?H]＇=268MPa。已知蜗杆为单头，蜗轮每转一转时每个轮齿啮合的次数J=1；蜗轮转速n2=30r/min;蜗杆副的使用寿命Lh=10000h。

则应力循环次数

N=60Jn2Lh=6031330310000=1.83107

寿命系数：

KHN=8107/N=0.929

许用应力：

[?H]=KHN[?H]′=0.9293268MPa=249MPa

（6） 计算中心距

将以上各参数代入，求得中心距：

a≥31.39?20373?(160?2.9/249)2mm=46.2mm

取中心距a=50mm，已知蜗杆头数Z1=1，设模数m=1.6mm，得蜗杆分度圆直径d1=20mm。为时d1/a=0.4，由附录3得接触系数Z′ρ=2.74。因为Z′ρ＜Zρ，所以上述计算结果可用。

4 蜗杆和蜗轮的主要参数与几何尺寸

由蜗杆和蜗轮的基本尺寸和主要参数，算得蜗杆和蜗轮的主要几何尺寸后，即可绘制蜗杆副的工作图。

（1） 蜗杆参数与尺寸

头数Z1=1，模数m=1.6mm，轴向齿距Pa=πm=5.027mm，轴向齿厚Sa=0.5πm=2.514mm，分度圆直径d1=20mm，直径系数q=d1/m=12.5，分度圆导程角γ=arctan(z1/q)=4o34′26″。

取齿顶高系数 ha*=1，径向间隙系数c*=0.2，则齿顶圆直径

da1=d1+2ha*m=20mm+2×1×1.6mm=23.2mm

齿根圆直径

df1=d1-2m(ha*+c*)=[20-2×1.6×(1+0.2)]mm=16.16mm。

（2） 蜗轮参数与尺寸

齿数Z2=46，模数m=1.6mm，分度圆直径d2=mZ2=1.6×48mm=76.8mm， 变位系数

x2=[a-(d1+d2)/2]/m=[50-(20+76.8)/2]/1.6=1

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蜗轮喉圆直径

da2=d2+2m(ha*+x2)=[76.8+2×1.6×(1+1)]mm=83.2mm

蜗轮齿根圆直径

df2=d2-2m(ha*-x2+ c*)=[76.8-2×1.6×(1-1+0.2)]mm=76.16mm

蜗轮咽喉母圆半径

rg2=a-da2/2=(50-83.2/2)mm=8.4mm

（3） 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度 即检验下式是否成立：

?F=（1.53KT2/d1d2m）×YFa2Yβ≦[?F] 式中 ?F---蜗轮齿根弯曲应力，单位为MPa；

YFa2---蜗轮齿形系数； Yβ---螺旋角影响系数；

[?F]---蜗轮的许用弯曲应力，单位为MPa。

由蜗杆头数Z1=1，传动比i=48，可以算出蜗轮齿数Z2=iZ1=48。 则蜗轮的当量齿数

Zv2=Z2/cos3γ=48.46

根据蜗轮变位系数x2=1和当量齿数ZV2=48.46，得齿形系数：

YFa2=1.95

螺旋角影响系数：

Yβ=1-γ/140°=0.967

根据蜗轮的材料和制造方法，可得蜗轮基本许用弯曲应力：

[?F]＇=56MPa

蜗轮的寿命系数：

KFN=9106/N=9106/1.8?107=0.725

蜗轮的许用弯曲应力：

0.725MPa=40.6MPa [?F]=[?F]＇KFN=56×

将以上参数代入，得蜗轮齿根弯曲应力：

?F=

1.53?1.39?20373×1.95×0.967MPa≈33.2MPa

20?76.8?1.6可见?F＜[?F],蜗轮齿根的弯曲强度满足要求。

4.3.5 蜗杆轴的设计

1 蜗杆轴的材料选择，确定许用应力

考虑轴主要传递蜗轮的转矩，为普通用途中小功率减速传动装置。选用45

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号钢，正火处理，??b??600MPa 。

2 按扭转强度初步估算轴的最小直径

M2?(aT)2?ca??[??1]W

扭转切应力为脉动循环变应力，取a?0.6 抗弯截面系数W?0.1d3 取dmin?15.14mm

3确定各轴段的直径和长度

根据各个零件在轴上的定位和装拆方案确定轴的形状，直径和长度。

图4.1 轴

d1?d5同一轴上的轴承选用同一型号，以便于轴承座孔镗制和减少轴承类型。

d5轴上有一个键槽，故槽径增大5%。

d1?d5?d1'?(1?5%)?15.89mm,圆整d1?d5?17mm。

所选轴承类型为深沟球轴承，型号为6203， B?12mm，D?40mm。

d2起固定作用，定位载荷高度可在（0.07～0.1）d1范围内。

d2?d1?2a?19.38~20.04mm，故d2取20mm。

d3为蜗杆与蜗轮啮合部分，故d3?24mm。

d4?d2?20mm，便于加工和安装。

L1为与轴承配合的轴段，查轴承宽度为12mm，端盖宽度为10mm，则L1=22mm。 L2尺寸长度与刀架体的设计有关，蜗杆端面到刀架端面距离为65mm，故L2=43mm。

L3为蜗杆部分长度L3?(11?0.06z2)m?21.92mm，圆整L3取30mm。

L4取55mm，L5在刀架体部分长度为（12+8）mm，伸出刀架部分通过联轴器与电动机相连长度为50mm，故L5?70mm。

两轴承的中心跨度为128mm，轴的总长为220mm。

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4蜗杆轴的校核

作用在蜗杆轴上的圆周力

Ft?T1?95500002T1 d1P10.56?9550000?N.mm?2.16?105N.mm n467其中d1?28mm， 则

2T32?2.07?106 Ft??N?1.29?104N

d3320 径向力

Fr?Fttan??1.29?104tan20??4.69?103N

切向力

1.29?104Fn?Ft/cos???1.37?104N

cos20?

图4.6 轴向受力分析

FBH?Fncos30??Frcos60??1.37?104cos30??4.69?103cos60??1.42?104N

FBV?Frsin60??Fnsin30??4.69?103sin60??1.37?104sin30???2.79?103N

求水平方向上的支承反力

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