CA6140车床主轴箱的数控化改造 - 图文

2.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，为提高横向进给系统刚度，支承方式采用两端装止推轴承。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，从动轮采用双薄片错位消除间隙。

(二)进给伺服机构机械部分的设计计算

1. 选择脉冲当量

根据机床精度要求确定脉冲当量，

纵向：0.01mm/步， 横向：0.005mm/步（半径）

2.计算切削力

2.1纵车外圆

主切削力FZ（N）按经验公式估算：

FZ=0。67Dmax1。5=0。67*4001。5=5360

按切削力各分力比例：

FZ/FX/FY=1/0.25/0.4 F X=5360×0.25=1340 FY=5360×0.4=2144

2.2横切端面

主切削力FˊZ（N）可取纵切的0.5 FˊZ=0.5FZ=2680 此时走刀抗力为FˊY（N），吃刀抗力为Fˊx（N）。仍按上述比例粗略计算：

FZ/FX/FY=1/0.25/0.4 FˊY=2680×0.25=670 FˊX=2680×0.4=1072

3.滚珠丝杆螺母副的计算和选型

3.1纵向进给丝杆

3.1.1计算进给牵引力Fm（N）

纵向进给为综合型导轨 Fm=KFx+fˊ（Fz+G）

=1.158×1340+0.16×（5360+800） =2530

式中 K—考虑颠复力距影响的实验系数，综合导轨取K=1.15； fˊ—滑动导轨摩擦系数：0.15—0.18； G—溜板及刀架重力：G=800N

3.1.2计算最大动负荷C C=3√LfWFM

L=60×n×t/106 N=1000×Vs/Lo

式中 Lo—滚珠丝杆导程，初选L=6mm；

Vs—最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的（1/2—1/3），此处Vs=0.6m/min

T—使用寿命，按15000h；

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fw—运转系数，按一般运转取F=1.2—1.5；

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L—寿命、以10为一单位。

n=1000Vs/Lo=1000×0.6×0.5/6=50r/min

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L=60×N×T/10=60×60×15000/10=45 C=3√LfwFm=3√45×1.2×2530=10798.7N

3.1.3滚珠丝杆螺母副的选型 查阅表，可用W1L400b外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杆副，1列2.5圈，其额定动负载为16400N，精度等级按表4-15选为3级（大致相当老标准E级）。

3.1.4传动效率计算 η=tgγ/tg(γ+φ)

试中γ—螺旋升角，W1L400bγ=2o44ˊ

φ—摩擦角10ˊ滚动摩擦系数0.003--0.004

η=tgγ/tg(γ+φ)

=tg2o44ˊ/tg(2o44+10ˊ)=0.94

3.1.5刚度验算

最大牵引力为2530N。支撑间距L=1500mm螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。

A. 丝杠的拉伸或压缩变形量δ1

-5

根据Pm=2530N，D0=40mm，查出ΔL/L=1.2×10可算出：

-5-2

δ1=δL/L×1500=1.2×10×1500=1.8×10

由于两端采用向心推力球轴承，且丝杆又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量 δ1(mm)为：

δˊ1=0.25×10-2

B．滚珠与螺纹滚道间接触变形δq

W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量δq ：

δq=6.4μm

因进行了预紧， δ2 =0.5δq =0.5×6.4=3.2μm

C．支承滚珠丝杆轴承的轴向接触变形δ3

采用8107型推力球轴承，d1=35mm，滚动体直径dq=6.34mm，滚动体

数量Z=18，δc=0.0024×3√Fm2/(dq×Z2) =0.0024×3√2532/(6.35×182) 注意，此公式中Fm单位为kgf 应施加预紧力，故

δ3=0.5δ=0.5×0.0075=0.0038mm

根据以上计算：δ= δ1+δ2+δ3

=0.0045+0.0032+0.0038 =0.0115mm＜定位精度

3.1.6稳定性校核。

滚珠丝杆两端推力轴承，不会产生产生失稳现象不需作稳定性校核。

3.2横向进给丝杆

3.2.1计算进给牵引力Fˊm

横向导轨为燕尾形，计算如下：

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Fˊm=1.4×Fˊy+fˊ(Fz+2Fˊx+Gˊ)

=1.4×670+0.2×(2680+2×1072+600)≈2023N

3.2.2计算最大动负荷C

n=1000×V3/L0=1000×0.3×0.5/5=30 L=60×n×T/106=60×30×15000/106

C=3√LfwFˊm=3√27×1.2×2030=7283N

3.2.3选择滚珠丝杠螺母副

从附录A表3中查出，W1L20051列2.5圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副，额 定动载荷为8800N，可满足要求，选定精度为3级。

3.2.4传动效率计算

η=tgγ/tg(γ+φ)=tg4o33ˊ/tg(4o33ˊ+10ˊ)=0.965

3.2.5刚度验算

横向进给丝杠支承方式如 图所示，最大牵引力为2425N，支承间距

L=450mm，因丝杠长度较短，不需预紧，螺母及轴承预紧。 计算如下：

A.丝杠的拉伸或压缩变形量δ1(mm)

查图4-6，根据Fˊm=2032N，D0=20MM，查出δL/L=5×10ˉ5 可算出

δ1= δL /L×L=4.2×10‐5 ×450=1.89×10‐2mm 显然系统应进行预拉伸，以提高刚度 故 δˊ=0.25δ1=4.7×10—3

B.滚珠与螺纹滚道间接触变形

查资料（《机床数控改造设计与实例[M]．1版》，）。 δq=8.5μm

因进行了预紧 δ2=0.5δq=0.5×8.5=4.25μm

C.支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形

采用8103型推力球轴承，dq=5

Z=13 d=17mm

δc=0.00243√Fm2/(dq×Z2)

323

=0.0024√202.3/5×13=1.3×10ˉ 考虑到进行了预紧，故

δ3=0.5 δc=0.5×1.3×10ˉ3=6.5×10–4 综合以上几次变形量之和得：

δ=δˊ1δ2δ3=4.7×10ˉ3+4.25×10ˉ3/+ =0.0096＜0.015（定位精度 ）

3.2.6稳定性校核

滚珠丝杠两端推力轴承，不会产生失稳现象不需作稳定性校核。传动比计算

4.传动比计算

4.1纵向进给齿轮箱传动比计算 已确定纵向进给脉冲当量 δp =0.01，滚珠丝杠导程L0=6mm，初选步进电机步距角0.75。可计算出传动比i

i=360δp / θbL 0 =390×0.01/0.75×6=0.8

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可选定齿轮齿数为： I =Z1/Z2

Z1=32，Z2=40 ，或Z1=20，Z2=25 4.2横向进给齿轮箱传动比计算 已确定横向进给脉冲当量δp =0.005，滚珠丝杠导程L0=5mm，初选步进电机步距角0.75o。可计算出传动比i

I=360δp / θbL 0=360×0.005/0.75×5=0.48

考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程，故此处可采用两级齿轮降速：

i=Z1Z2/Z3Z4=3×4/5×5=24×20/40×25 Z1=24，Z2=40，Z3=20，Z4=25

因进给运动齿轮受力不大，模数m取2。有关参数参照下表： 齿数 32 40 24 40 20 25 分度圆 d=mz 64 80 48 80 40 50 齿顶数 da=d+2m 68 84 52 84 44 54 齿根数 df=d-21.25m 59 75 43 75 35 45 齿宽 (6--8)m 20 20 20 20 20 20 中心距 A=(d1+d2)/2 72 64 45 5.步进电机的计算和选型 5.1纵向进给步进电机计算

5.1.1等效传动惯量计算

方法计算如下，传动系统折算到电机轴上的总传动惯量JΣ(kg?cm2)可有下式计算：

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JΣ=Jm+J1+（Z1/Z2）〔(J2+Js)+G/g(L0/2π)〕 式中：Jm—步进电机转子转动惯量(kg?cm2)

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J1，J2—齿轮Z1、Z2的转动惯量(kg?cm)

Js—滚珠丝杠传动惯量(kg?cm2) 参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转子转动惯量Jm=10(kg2

?cm)

J1=0.78×10-3×d14·L1=0.78×10-3×6.42×2=2.6 kg?cm2 J2=0.78×10-3×d24·L2=0.78×10-3×82×2=6.39 kg?cm2 Js=0.78×10-3×44×150=29.952 kg?cm2 G=800N

代入上式：

22

JΣ=Jm+J1+（Z1/Z2）〔(J2+Js)+G/g(L0/2π)〕

=10+2.62+(32/40)2〔(6.39+29.592)+800/9.8(0.6/2π)2〕

=36.355 kg?cm2

考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。 Jm/JΣ=10/36.355=0.275 基本满足惯量匹配的要求。

5.1.2电机力矩计算

机床在不同的工况下，其所需转距不同，下面分别按各阶段计算：

A.快速空载启动力矩M起

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