CJK6140数控车床纵向进给系统设计
摘 要
了解数控机床的概念，所谓数字控制是按照含有机床(刀具) 运动信息程序所指定的顺序自动执行操作的过程。而计算机数控机床就是数控机床在计算机监控下进行工作。它的优点很多, 可以在同一机床上一次装 夹可完成多个操作，生产率显著提高等优点，但它的价格昂贵。由于我国现在使用的机床大多数为普通车床，自动化程度低, 要更新现有机床需要很多资金。为了解决这个问题, 也为了适应多品种中、小批量零件加工我们选择机床经济型数控改造。纵向进给机构的改造：拆去原机床的溜板箱、光 杠与丝杠以及安装座, 配上滚珠丝杠及相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及减速箱安装在车床的床尾, 不占据丝杠空间。横向进给机构的改造：拆除横向丝杠换上滚珠丝杠, 由步进电机带动。总体设计方案:CJK6140车床主轴转速部分保留圆机床的手动变速功能。车床的纵向和横向进给运动采用步进电机驱动。最后, 根据已知条件对纵向横向伺服进给机构进行设计与计算。
关键词：运动信息，滚珠丝杠，步进电机
CJK6140 NC Lathes Vertical Feed System Design
ABSTRACT
Numerical Control (NC) is any machining process in which the operations are executed automatically in sequences as specified by the program that contains the information for the tool movement .When Numerical Control is performed under computer supervision, it is called Computer Numerical Control (CNC).CNC machines have many advantages over conventional machines. For example, there is a possibility lf performing operations on the same machine in one setup and production is significantly increased. One of its disadvantages is that they are quite expensive. In our country conventional machine is used widely. So if the machines are replaced, there is going to need a large money. In order to agree with the development of our economy, we can reform the conventional machines. The reformation of the tool movement: we demolish the current smooth leading, leading screw and installing stand. Then replace the ball leaking to the relevant position. The reformation of the horizontal mechanism: we make the horizontal ball lead screw instead of the conventional screw. And Stepper motor drives the screw. The overall master design: the spindle’s gearshift of the CA6140 mechanism controlled by the former operating lever. The moving of the vertical table and the horizontal table is drove by the ball screw, which is drove by the Stepper motors. The last, we design the vertical and horizontal mechanism on the basis of known numbers.) KEY WORDS: tool movement，conventional machines，Stepper motor
目 录
CJK6140数控车床纵向进给系统设计 . .................................................................................... I 摘 要 ........................................................................................................................................... I ABSTRACT .............................................................................................................................. II
第一部分 绪 论 ........................................................................................................................ 1
第二部分 设计方案的确定 ...................................................................................................... 3
2.1 数控系统运动方式的确定 .......................................................................................... 3
2.2 伺服进给系统的改造设计 .......................................................................................... 3
2.3数控系统的硬件电路设计 ........................................................................................... 4
2.4 纵向进给系统的设计 .................................................................................................. 5
第三部分 机 械 设 计 ............................................................................................................ 6
3.1 纵向进给系统的设计 .................................................................................................. 6
3.2 切削力的计算 .............................................................................................................. 6
3.3 滚珠丝杠的设计计算 .................................................................................................. 7
3.3.1 求轴向力 ............................................................................................................ 7
3.3.2 计算丝杠动载荷Cj ........................................................................................... 7
3.3.3 丝杠效率计算 .................................................................................................... 8
3.3.4 校核 .................................................................................................................... 8
3.4 齿轮箱减速器设计部分 .............................................................................................. 9
3.4.1 传动比i . ............................................................................................................. 9
3.4.2 齿面接触强度设计计算 .................................................................................... 9
3.4.3 齿根弯曲强度设计： ...................................................................................... 11
3.4.4 设计计算： ...................................................................................................... 12
3.5 其他机械设计部分 .................................................................................................... 12
3.5.1 减速箱最小输出轴的计算 .............................................................................. 12
3.5.2 轴承的选择 ...................................................................................................... 13
3.6 步进电机的选择 ........................................................................................................ 13
3.6.1 计算减速器的传动比I . ................................................................................... 13
3.6.2计算系统转动惯量 ........................................................................................... 13
3.6.3 确定步进电机动力参数 .................................................................................. 14 第四部分 数控设计 ................................................................................ 错误！未定义书签。
4.1 数控系统硬件电路 .................................................................... 错误！未定义书签。
4.1.1 基本硬件组成 .................................................................. 错误！未定义书签。
4.1.2 硬件配套及基本结构 ...................................................... 错误！未定义书签。
IV
4.1.3 接口线路 .......................................................................... 错误！未定义书签。
4.1.4 光电隔离电路 .................................................................. 错误！未定义书签。
4.1.5 功率放大器 ...................................................................... 错误！未定义书签。
4.1.6 辅助电路 .......................................................................... 错误！未定义书签。
4.2软件设计 ..................................................................................... 错误！未定义书签。 第五部分 使用说明 ................................................................................ 错误！未定义书签。
5.1 概述 ............................................................................................ 错误！未定义书签。
5.2 主要技术参数 ............................................................................ 错误！未定义书签。
5.3 主要功能 .................................................................................... 错误！未定义书签。
5.4 安装调整步骤 ............................................................................ 错误！未定义书签。
5.5 机床使用步骤简述 .................................................................... 错误！未定义书签。
5.6维护和保养 ................................................................................. 错误！未定义书签。
第六部分 结束语 .................................................................................................................... 15
参 考 文 献 ............................................................................................................................ 16
第一部分 绪 论
随着微电子、计算机和信息技术的飞速发展与应用，精密机械技术与这些前沿学科的相互渗透，使机械系统向着高技术集成系统的方向发展。这是当今机械科学技术发展的重要趋势。机械工程学科正朝着机电一体化方向发展，而数控机床便是此领域中的一个典型发展方向。随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高，改行频繁。目前，机械零件加工中单件、小批量加工约占80%，因此对加工设备不仅要求具有高的加工精度和生产效率，而且还要具备有相当的“柔性”，既灵活、通用、能迅速适应加工零件的变更。数控机床较好地解决了形状复杂、精密、小批、多变的零件的加工问题。它具有适应性强，较高的加工精度，稳定的加工质量和高生产效率的特点和优点。所以，数控机床是一种灵活而高效的自动化机床。随着电子、自动化、计算机和精密测试等技术的发展，数控机床在机械制造业中的地位将变得越来越重要了。
数控机床经济型改造, 实质是机械工程技术与微电子技术的结合。经改造后的机床加工的精度、效率、速度都有了很明显的提高，适合我国现在经济水平的发展要求。本次毕业设计主要是对机床机械部分进行改造, 以步进电机驱动横向进给运动、纵向进给运动以及刀架的快速换刀, 使传动系统变得十分简单，传动链大大缩短, 传动件数减少, 从而提高机床的精度。
设计中，我们对有关数控机床及数控改造的相关书籍、刊物进行大量阅读, 收集了很多资料, 了解了数控机床的基本概念，数控机床的发展概况，数控机床的组成及其工作原理，扩大了我们的知识面。
机床计算机系统是本世纪70年代发展起来的机床控制新技术。它综合了计算机、自动控制、电器控制、测量技术、机械制造等领域的最新成就、使机器工具发展到新的水平。
计算机数控机床具有精度高，加工周期短，适应性强等一系列的优点。特别对于中小批生产的精密复杂零件加工尤为合适。因而在机械、航空、造船、动力等行业中得到了广泛地运用。
此外，数控技术也在绘图机械、坐标测量机、激光于火焰切割机等机械设备中得到了广泛的应用。特别是相续出现的自动换刀数控机床（即加工中心Machining Center）、直接数字控制系统（即计算器群控系统，DCN, Direct Numerical Control）、自适应控制系统（AC, Adaptive Control）、柔性控制系统 (FMS, Flexible Manufacturing System)、计算器集成（综合）制造系统 (CIMS, Computer Integrated Manufacturing System)等、进一步说明，数控机床已经成为组成现代机械制造生产系统，实现设计 (CAD)、制造 (CAM)、检验 (CAT) 于生产管理等全部生产过程自动化的基本设备。
数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间
的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。 数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点： 1. 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件； 在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工；
2. 加工精度高；
3. 生产效率高；
4. 减轻劳动强度，改善劳动条件；
5. 良好的经济效益；
6. 有利于生产管理的现代化。
数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。 我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。 旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。 随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC 技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。 1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，本毕业设计实例具有典型性和实用性。
第二部分 设计方案的确定
利用微机对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向（Z 向）脉冲当量为0.01mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。总体方案的论证 对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。
2.1 数控系统运动方式的确定
数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续控制系统。由于要求CA6140车床加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用两轴联动连续控制系统。
数控系统是一种位置控制系统。其本质是根据输入的数据进行插补，从而得到较理想的运动轨迹，然后输入到执行部件，加工出所需的零件。按照这一原理，数控系统可分为开环数控和闭环系统。所谓闭环控制系统，即指对所加工的零件随时进行检测并输入（反馈）到控制系统，用以调节加工时所带来的误差。其主要采用反馈检测装置及交流变频控制，因此功率较大，精密很高。但也由于采用交流变频伺服系统和反馈检测装置，因而其造价十分高，结构也十分复杂，其稳定性也不十分理想。由于以上特点，闭环控制系统常用于要求精密加工机床、单件生产，即整机生产之中。其控制系统框图如下图所示：
图1-1 控制系统框图
2.2 伺服进给系统的改造设计
数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。
开环控制系统是指不带反馈装置的控制系统，根据数据指令、经过控制运算发出脉
冲信号，输送到步进电机，使伺服装置转过相应的角度，然后经过减速齿轮和丝杆螺母机构，转换为移动部件的直线位移。
因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。
与闭环控制系统相比，步进电机开环伺服系统没有外部的位置反馈回路及速度反馈回路。因此不必使用位置速度测量装置、模数转换器及高增益放大器等高性能器件。因此，使设备投资显著降低，系统简单可靠，与机床间的组配也十分方便，即结构简单，使用维护方便，可靠性高、制造成本低等一系列优点。在中小型机床的速度、精度要求不十分高的场合，得到了广泛的应用。
下面是开环控制系统框图：
开环控制框图
开环伺服系统在负载不大的情况下多采下步进电机作为伺服电机。所以，本设计决定采用开环控制系统。
2.3数控系统的硬件电路设计
任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。
在设计的数控装置中，CPU 的选择是关键，选择CPU 应考虑以下要素：
1）时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关；
2）可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关；
3）I/O口扩展的能力。
控制系统采用单CPU 形式分为处理数据。CPU 采用8031芯片使用广泛，功能强大，性能好，价格便宜。它包括一个微处理器，一个128字节的片内数据存储器，4个8位的I/O接口（其中P1，P2，P3是准双向口，P0是三态双向口），另外还为用户留一个扩展区。
控制系统的总体结构如下：
8031通过I/O口扩展一片8255接口芯片实现空运转，自动，手动转换，回零，换刀，超程的按键功能。还通过P0口和P2口及一块74LS373地址锁存器扩展了两片16K 的ROM 接口，两片16K 的RAM 来作为开发程序的存储器。8031通过P0口扩展了一片8279接口芯片来实现键盘输入和电路显示的功能。通过P1口经过光耦合隔离电路TLP521-4来消除电路干扰，并实现X ，Z
向正反转及连续启动的功能，通过功率放大
电路实现S ，T ，M 等备用功能。两步进电机经 一块74LS373直接与P0口相连。
软件设计采用模块化设计。主要包括主模块，子程序模块和定时中断模块。主模块主要完成初始化和监控。初始化包括PIO ，CTC 的初始化。监控主要包括键盘的管理和显示管理，可调用原监控程序中的键盘管理和显示管理子程序。功能子模块包括+X，-X ，+Z，-Z ，及STOP 功能子模块，并可调用圆监控程序中的许多子程序。中断模块包括急停中断模块，报警中断模块等。
2.4 纵向进给系统的设计
进给系统的传动原理：步进电机通过 消 隙 齿轮箱将转矩输出同时放大，以带动滚珠丝杠转动。丝杠转动，使丝杠螺和丝杠螺母座 水平移动，由于丝杠螺母座与工作台通过拖板固联，因而丝杠螺母座 水平 移动也迫使工作台沿机床导轨水平移动。
通过对步进电机在工作时所需要的最大静转矩和最高启动频率的计算，并参照反应式步进电机技术指示表，选择所用的步进电机为110BF-1型。由于脉冲当量ςp =0.01mm/L α脉冲与滚珠丝杠基本导程L 0之间满足关系：I=，其中I 为电机输出轴与丝杠之间360ςP 的传动比，α为电动机的步矩角，计算出I 是不等于1的，I 为齿轮的啮合，同时电机输出的转矩无法直接带动丝杠工作，因此对其放大，这是加齿轮箱的一个目的。为了使机床的结构简单，紧凑，齿轮箱采用一级传动。通过计算和校核，选择齿轮箱的主动小齿轮的齿数Z 1=32，从动件的齿数为40，其模数为2.0mm ，为了防止进给系统在正常工作时出现齿轮被卡死和空转现象，进一步提高传动的精度，则必须对齿轮箱进行消隙。其方法是：采用双片齿轮错齿法，将从动轮做成两片，其中一片固定在轴上，另外一片为动片，两者之间装上周向弹簧，弹簧力使两片齿轮的轮廓分别与主动轮的轮廓贴紧，从而消除了齿轮间的间隙，避免了卡死与空转的现象出现。
通过对丝杠的设计计算和对刚度，强度，压杆稳定性的校核，选择丝杠的公称直径为25mm ，基本导程为6mm, 精度为3级。滚珠丝杠的预加负载方式为变位导程单螺母自预紧，可实现螺母的拉伸或压缩的受力方式，其调整方法是：取下滚珠螺母，精确测量原装钢球的直径，然后根据螺母的力的需要，从新更换装入若干大数微米的钢球。它具有结构简单，尺寸简单的特点，并能避免双螺母形位误差的影响。对于螺母副我们采用了调整垫片的方法进行预紧。我们通过改变垫片的厚度，使螺母产生轴向位移。消除它们之间的间隙和施加预紧力。在工作中不能随意的去调整。
加工过程中，为了保护丝杠不受铁屑的磨损和冷却液的腐蚀，加防护板。同时，为了防止灰尘和铁屑碎片等杂物进入滚珠丝杠的轨道中，避免出现滚珠卡死或传动精度大大降低的现象，我们采用防尘护罩的保护形式。
机床导轨与矩形导轨的综合形式。这种导轨的优点有：接触刚度大，不易磨损以及承载能力强，运行平稳等。
第三部分 机 械 设 计
3.1 纵向进给系统的设计
经济型数控车床的改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动滚珠丝杠采用外插管变螺距型滚珠丝杠副，他的优点是螺母的轴向尺寸小，而预加载荷消除间隙，他仍安装在原丝杠的位置，采用固定，由于滚珠丝杠的磨擦系数小，从而使纵向进给刚度增大，纵向进给的减速机构采用齿轮减速，并用双片齿轮消齿法消除间隙，纵向齿轮和溜板箱上均加外罩，以保证机床原外观，得到美化机床的外观，在溜板箱上装上了纵向快速进给及急停按钮，以适应机床调整时的操作需要和遇到以外情况时紧急处理需要。
已知条件： 最大回转直径 400mm
最大车削直径 400mm
最大工件长度 1000mm
工作台量 W =80kgf
时间常数为 T =25ms
滚珠丝杠的导程 L 0=6mm
行程 S =1000mm
脉冲当量 δ=0.01mm/step
步距角 Φ=0.75/step
快速进给速度 V max =5m/min
主功率 P =7.5KW
最大切削直径 D =80mm
3.2 切削力的计算
由《机床设计手册》可知，切削功率
N c =nηk
式中：N ——电动机功率，有同类型C6140车床可知，N 为7.5kw 。
η——主传动系统总功率，一般为0.6~0.7，取η=0.65。
k ——进给系统功率系数，取k=0.96。
则：
N c =7.5³0.65³0.96=4.68 kw
又因为：
N c =Fz v/6120
所以
F z=6120N c /v 取切削速度V=100m/min. 则：Fz=2864.16N
由《机床设计手册》可知，车外圆时
F X =(0.1~0.6)F z ' F y =(0.15~0.7)F z ' 取 F X =0.5，Fz =1432.08N F y =1718.58 N （Fz 为主切削力，Fx 为走刀抗力，Fy 为吃刀抗力）
3.3 滚珠丝杠的设计计算
滚珠丝杠在工作 过程中受轴向负载使滚珠和滚道面间产生接触应力。对于滚道型面的一点是交变接触应力，在这种交变接触应力的作用下，经常一定的应力循环次数后，使 其产生疲劳损伤，这是它的主要破坏形式。因此在设计时必须保证它在一定的轴向力作用下回转10度转后滚道上虽然受滚珠压力但不发生点
（a ）先确定最大动载荷Q
（b ）由Q 在滚珠丝杠设计标准中选出相应尺寸系列的最大动载荷Q 近似值，初选几个型号。
（c ）由工作要求、结构尺寸、循环方式等条件下选出合适的d l0 R等一型号。 （d ）然后列出主要参数，计算传动效率，刚度验算稳定性 3.3.1 求轴向力
由《机械设计手册》可知：
P=K²Fx ²+fw²(Fz+W) 式中K=1.15,fw=0.15～0.18，取0.16, W为工作台的重量, 由图初估取800N
则P=1.15³132.9+0.16³(2864.16+800)=2233.16N 3.3.2 计算丝杠动载荷Cj
（a ）强度计算
寿命值:Li=60³Ni ³Ti/106，Ni=1000vf/(π²D ²L0) ，
取工件直径D=100㎜，丝杠导程L0=6㎜，Ni —丝杠转速为15. 92r/min。 由>知，使用寿命系数T 一般取15000h ， 因此Li=60³Ni ³Ti/106=14. 3，
（b ）求C j
由>6-16式可知：
C j =L ²K f ²k h ²P
其中：K f ——载荷系数，一般取(1. 2～1. 5) 取，1. 2
K h ——硬度系数，取1. 0
则C j =7154.3N，根据C j ，选取滚珠丝杠，考虑其功能选汉江机床厂2506-3型 特性参数：
公称直径 25mm
外径 24.5mm
导程 6mm
导程角 4°22′
精度系数 3级
动载量 11670N
因为：6512.1N ＜11670N 所以，丝杆强度足够。 3.3.3 丝杠效率计算
由>公式知:
πS =tmλ/[tm(λ+4)]
πS ——螺旋升角, λ=4°22′ ϕ——摩擦角, ϕ=10′
所以，经计算得πS =0.965。 3.3.4 校核
① 刚度校核
滚珠丝杆受工作载荷P 的作用而引起导程L 0的变化是ΔL 1。 其值按>式6-19计算 ΔL 1=±
PL 0EA
6
2
其中，E ——弹性模量，取21³10N/cm
A ——滚珠丝杆截面积 A=π(d0/2)=4.71 则ΔL 1=±
2071. 2⨯0. 6
=±12.6³10-6cm 6
21×10⨯4.71
2
滚珠丝杆受扭矩引起导程变化ΔL 2很小, 可以忽略，即ΔL 0=ΔL 1。 导程变形的总误差Δ为 Δ=
100
∙ΔL=21³10-6m/m L 0
-6
查>表12-1-19知:3级精度,1m 长的丝杠的螺距为21³10m, 故刚度足够。
② 稳定校核
由>中的欧拉公式知：
F K =π2EI/(μl 2)
式中，F K ——长压杆临界失稳时的临界负载；
E ——弹性模量, 取21³10N/cm；
I ——截面惯性矩, 单位cm 4，对实心圆柱体I=πl ——工作长度取1m ；
μ——丝杠轴端系数μ=1～2/3,取1。 则经计算，得: FK =36648N。
N k = FK /p=36648/2071.2=17.69。
一般[Nk ]=2.5～4，对于水平丝杠考虑重量影响，[Nk ]取4。 Nk ＞[Nk ] 因此, 丝杠稳定。
2
=1.77cm； d 1
4
62
3.4 齿轮箱减速器设计部分
3.4.1 传动比i
i=
ϕL ο
361︒δρ
式中，ϕ——步距角, 取0.75；
δp ——脉冲当量，取0.01㎜/脉冲。 i=
0. 75⨯6
=1.25
361︒⨯0. 01
闭式齿轮传动一般转速较高, 为了提高传动的平稳性, 减小冲击振动, 以齿数多一些
为好, 小齿轮的齿数可取Z 1=20～40, 本设计选择Z 1=32 I=
Z 2
, Z 2=i³ Z 1=32³1.25=40 Z 1
即Z 1=32，Z 2=40
选择材料为45#钢，调质，六级精度。 3.4.2 齿面接触强度设计计算 由设计计算公式(10-9a)进行计算，即： d 1t ≥2.32K t T 1(μ±1) Z E Φd ⨯μσH
22
1) 确定公式内各计算数值 (1) 选择载荷系数K T =1.3 (2) 计算小齿轮传递的转矩T 1
T 1=95.5³105³P 1≈Nc =4.32KW, n 1=
P 1
, n 1
V max i 5000⨯1. 25
==1041.7R/min
6L 0
则T 1≈3.96³106Nmm
(3) 由表10-7选取齿轮宽度系数φd
φd =
b
=0.5(1+μ)³φd , 取φa 的规定值0.60 d 1
φd =0.5(1+1.25)³0.60=0.675
(4) 由表10-6查得材料的弹性影响系数：Z E =189.8MPa
(锻钢)
(5) 由图10-21d 按齿面硬度查得：小齿轮的接触疲劳强度极限σlim 1=600 MPa
大齿轮的接触疲劳强度极限σlim 2=550 MPa
(6) 由式10－13计算应力循环次数
N 1＝60n 1j 1L h =60³1041.7³1³(2³8³300³10)=3.0³10n 1——小齿轮的转速；
j 1――齿轮每转一圈时同一齿面啮合的次数，取1； L h ――齿轮的工作寿命（单位为h ）, 取15000。
设计的齿轮的工作寿命为10年，一年工作300天，一天工作8小时，2班制， j 2＝0.8，则：
N 1＝60 n2j 2L h ＝60³1041.7³0.8³（2³8³300³10）＝2.4³10 (7) 由图10－19查得接触疲劳寿命系数 ＫHN 1＝0.88，ＫHN 2＝0.9
(8) 计算接触疲劳强度的许用应力
取失效率为1﹪，安全系数S ＝1，由式（10－12）得：
K HN 1σHLIM 10. 88⨯600
＝＝528Mp
1S
K σ0. 9⨯550
［σH ］2＝HLIM 2LIM2==495Mp
1S
9
9
［σH ］1＝
2) 计算：
(1) 计算小齿轮分度圆直径d 1t , 代入［σH ］中较小的值，则： d 1t ≥2.32K t T 1(μ±1) Z E Φd ⨯μσH
22
≈63
(2) 计算圆周速度V ： V ＝
∏d 1t n 1
＝3.43m/s
60⨯1000
(3) 计算齿宽b
b=Φd·d1t =0.675×63=42.525㎜ (4) 计算齿宽与齿高之比b/h
模数m t =
d 1t 63
=≈2㎜ z 132
齿高h=2.25 mt =2.25×2=4.5㎜ b/h=
42. 525
=9.45 4. 5
(5) 计算载荷系数：
根据V=3.43m/s，6级精度，由图10-8查得动载荷系数K V =1.06 由表10-3查得K H α=KF α=1.0，由表10-2查得使用系数K A =1； 由表10-4查得6级精度，小齿轮相对支承非对称分布时： K H β=1.12+0.18（1+0.6Φd ）Φd +0.23³10-3b
2
2
Φd =0.675,b=42.525
K H β≈1.234. b/h=9.45, 查得10-13:KF β=1.1 7所以载荷系数 K=KA K V K H αK H β=1.308
按照实际的载荷系数校正所计算的分度圆直径，由式10-10a d 1=d1t
K
=63.13 K t
(6)计算模数M
M=
d 1t
=1.97㎜ z 1
3.4.3 齿根弯曲强度设计：
由式10-5得弯曲强度设计的公式为：
M≥M=
d 1t
=1.97㎜ z 1
（1） 由图10－20Ｃ查得小齿轮的弯曲疲劳极限：
σFE 1＝500Mpa ，σFE 2＝380Mpa （2） 由图10－18查得弯曲疲劳寿命系数K FN 1，K FN 2
K FN 1＝0.85， K FN 2＝0.88．
（3） 计算弯曲疲劳许用应力：取弯曲疲劳安全系数S ＝1.4
K FN 1σFE 1
＝303.57Mpa S K σ
［σF ］2＝FN 2FE 2＝238.83Mpa
S
［σF ］1＝
（4） 计算载荷系数K ：
K ＝K A K V K F αK F β＝1³1.06³1³1.17＝1.2402
（5） 查取齿形系数：
由表10－5可查得，Y Fa 1＝2.52，Y Fa 2＝2.40
（6） 查取应力校正系数：
由表10－5可查得：Y Sa 1＝1.625，Y Sa 2＝1.67
（7） 计算大、小齿轮的小齿轮：
2. 52⨯1. 625
＝0.01349
303. 57σF Y Y 2. 40⨯1. 17
大齿轮：Fa Sa ＝＝0.01678
238. 86σF Y Fa Y Sa
σF Y Fa Y Sa
，并且加以比较：
＝
大齿轮的数值大，取大值 3.4.4 设计计算：
2⨯1. 2402⨯3. 96⨯104
M≥⨯0. 01678＝1.33mm
0. 675⨯322
对比计算结果，由齿面的接触疲劳强度计算的模数Ｍ大于齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数的大小主要是弯曲疲劳强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮的直径有关，可取由弯曲强度算得的模数M ＝1.97，并就近圆整为标准值M ＝2.0㎜，按照接触强度算得分度圆直径d 1=63.13㎜,
Z 1=
d 163. 13
==31.565≈32 2. 0m 1
Z 2=i³Z 1=32³1.25=40
这样设计的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。齿轮参数取值如下：
参数 大齿轮 小齿轮
Z 40 32
m 2 2
b 20 20
a 20 20
d 80 64
外圆直径 84 68
3.5 其他机械设计部分
3.5.1 减速箱最小输出轴的计算
取每级齿轮传动效率（包括轴承效率在内）
ηc =0.97,则P Z =Pηc =4.32³0.97=4.19KW
n Z =
n 11041. 7==833.4 R/min 1. 25i
由式15-2得d ≥A 0
P Z
, n z
即：d min = A0
P Z
。 n z
由《机械手册》查表15-3得45钢，调质淬火后A 0取112。 经过计算，得：d min =1124. 19
=19mm 833. 4
输出选取d min ≥19mm 即可。 3.5.2 轴承的选择
已知丝杠的动载荷C j =7154N=7.154KN，所以选择轴承如下： 名称 角接触轴承 圆锥滚子轴承
型号 36204型 7204E 型
国标号 GB292-83 GB297-84
C j 11.2KN 26.8KN
C 0 7.46KN 18.2KN
所以以上的两种类型，动、静载荷均大于7.154KN, 故所选轴承符合要求。
3.6 步进电机的选择
参考文献《机电系统设计》，选择过程分以下几个小节介绍。 3.6.1 计算减速器的传动比I
I=
αp
360δp
α——步进电机步距角，α=0.75º； P ——丝杠导程，P=6mm；
δp ——工作台脉冲当量，δp =0.01mm；
经计算，得I=1.25。 3.6.2计算系统转动惯量
齿轮、丝杠等的转动惯量计算不易精确计算，可将其等效成圆柱体来近似计算。圆柱体的转动惯量J （Kg·cm 2）的计算公式： J=
πρd 4l
32
„„(5-7)
其中，ρ——材料密度，kg/cm3 取ρ=7.8×103kg/m3
d ——传动件的等效直径 m l ——传动件轴向长度 m
总当量负载转动惯量Je(Kg³m 2)
Je=Jz1+
Jz 2+Js 180δp 2
+() ×W 42
πi
其中，Jz1,Jz2——电机轴和丝杠轴上齿轮的转动惯量，Kg×m 2；
Js ——丝杠转动惯量，Kg×m 2； m ——工作台质量，Kg 。
按公式（5-7）首先分别计算各传动件的转动惯量，其中齿轮的等效直径取分度圆直径d 1=80mm,d2=64mm,丝杠的等效直径为24.5mm
Jz1=
π⨯7. 8⨯103⨯(0. 08) 4⨯0. 02
3
32
π⨯7. 8⨯10⨯(0. 064) 4⨯0. 02Jz2==5.04⨯10-4(Kg∙m 2)
323
π⨯7. 8⨯10⨯(0. 0245) 4⨯1Js==2.76⨯10-4(Kg∙m 2)
32
=6.3⨯10-4(Kg∙m 2)
按公式（5-8）得总当量负载转动惯量
-4Jz 2+Js 180δp 2
Je=Jz1++() ∙W/g=11.759×10( Kg∙m 2) 2
i πϕ
3.6.3 确定步进电机动力参数 （1）电机的负载转矩的计算：
作用在步进电机轴上的总负载转矩T 按照下式公式计算：
P (F u +F w )
公式计算：T=（J m +Je ）ε++
2∏ηi
PF 0(1-η0)
,
2∏ηi
2
2
其中，J m ——电机轴自身转动惯量（Kg ∙m 2）；
ε——电机启动或制动时的角速度rad/s；
F u ——作用在工作台上的摩擦力，N ； F W ——作用在工作台上的其它外力，N ； η——伺服传动链的总效率；
F 0——滚动丝杠螺母副的预紧力，N
η——滚动丝杠螺母副未预紧时的传动效率，一般取0.9
初选J m =1.0×10-3 Kg ∙m 2，μ =0.2（导轨摩擦因数μ），μ最大轴向力为
F w max =2071.2N
并要求空载启动时间∆t=30ms,最大进给速度为V max =5m/min
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部分 结束语
在本次设计中我完成了对普所以通CJK6140数控机床的设计，主要设计了纵向进给系统。因本车床是经济型数控机床，在纵向系统设计方面，我们只是原来的车尾部装上步进电机及小型齿轮变速箱即可带动纵向丝杠使托板箱作Z 向进给运动。改造后的车床更加适应与以多品种，小批量生产为特点的现代工业制造业。
过此次设计，让我们对于理论知识尤其是专业知识有了更深的了解和认识，并能将其进行一次比较全面系统的总结和应用。进一步加强了我们综合分析解决实际问题和独立思考的能力。在这次设计中我们同组的同学共同的研究，讨论问题，查阅资料，相互帮助，从实际应用出发将设计完成的比较合理且具有实际的意义。同时，我们也发现了一些问题。比如对知识的运用的熟练程度还不够，知识范围比较的狭隘。导致在设计中的一些问题无法及时发现和解决。
总体来说：本次的设计是为我们以后走向工作岗位打下一个好的基础准备。 最后，向我们的指导老师：王素暖老师及多次给与我帮助的同学们表示由衷的感谢！
参 考 文 献
[1] 徐元昌．数控技术[M]．北京：中国轻工业出版社，2004．
[2] 文怀兴，厦田．数控机床系统设计[M]．北京：化学工业出版社，2005．
[3] 王润孝，秦现生．机床数控原理与系统[M]．西安：西北工业大学出版社，2004． [4] 徐元昌．机电系统设计[M]．北京：化学工业出版社，2005． [5] 郑文纬，吴克坚．机械原理[M]．北京：高等教育出版社，1997． [6] 周开勤．机械零件手册[M]．北京：高等教育出版社，2001． [7] 陈婵娟．数控车床系统[M]．北京：化学工业出版社，2005． [8] 成大先．机械设计手册[M]．北京：化学工业出版社，1992． [9] 濮良贵，纪名刚．机械设计[M]．北京：高等教育出版社，2005．
CJK6140数控车床纵向进给系统设计
摘 要
了解数控机床的概念，所谓数字控制是按照含有机床(刀具) 运动信息程序所指定的顺序自动执行操作的过程。而计算机数控机床就是数控机床在计算机监控下进行工作。它的优点很多, 可以在同一机床上一次装 夹可完成多个操作，生产率显著提高等优点，但它的价格昂贵。由于我国现在使用的机床大多数为普通车床，自动化程度低, 要更新现有机床需要很多资金。为了解决这个问题, 也为了适应多品种中、小批量零件加工我们选择机床经济型数控改造。纵向进给机构的改造：拆去原机床的溜板箱、光 杠与丝杠以及安装座, 配上滚珠丝杠及相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及减速箱安装在车床的床尾, 不占据丝杠空间。横向进给机构的改造：拆除横向丝杠换上滚珠丝杠, 由步进电机带动。总体设计方案:CJK6140车床主轴转速部分保留圆机床的手动变速功能。车床的纵向和横向进给运动采用步进电机驱动。最后, 根据已知条件对纵向横向伺服进给机构进行设计与计算。
关键词：运动信息，滚珠丝杠，步进电机
CJK6140 NC Lathes Vertical Feed System Design
ABSTRACT
Numerical Control (NC) is any machining process in which the operations are executed automatically in sequences as specified by the program that contains the information for the tool movement .When Numerical Control is performed under computer supervision, it is called Computer Numerical Control (CNC).CNC machines have many advantages over conventional machines. For example, there is a possibility lf performing operations on the same machine in one setup and production is significantly increased. One of its disadvantages is that they are quite expensive. In our country conventional machine is used widely. So if the machines are replaced, there is going to need a large money. In order to agree with the development of our economy, we can reform the conventional machines. The reformation of the tool movement: we demolish the current smooth leading, leading screw and installing stand. Then replace the ball leaking to the relevant position. The reformation of the horizontal mechanism: we make the horizontal ball lead screw instead of the conventional screw. And Stepper motor drives the screw. The overall master design: the spindle’s gearshift of the CA6140 mechanism controlled by the former operating lever. The moving of the vertical table and the horizontal table is drove by the ball screw, which is drove by the Stepper motors. The last, we design the vertical and horizontal mechanism on the basis of known numbers.) KEY WORDS: tool movement，conventional machines，Stepper motor
目 录
CJK6140数控车床纵向进给系统设计 . .................................................................................... I 摘 要 ........................................................................................................................................... I ABSTRACT .............................................................................................................................. II
第一部分 绪 论 ........................................................................................................................ 1
第二部分 设计方案的确定 ...................................................................................................... 3
2.1 数控系统运动方式的确定 .......................................................................................... 3
2.2 伺服进给系统的改造设计 .......................................................................................... 3
2.3数控系统的硬件电路设计 ........................................................................................... 4
2.4 纵向进给系统的设计 .................................................................................................. 5
第三部分 机 械 设 计 ............................................................................................................ 6
3.1 纵向进给系统的设计 .................................................................................................. 6
3.2 切削力的计算 .............................................................................................................. 6
3.3 滚珠丝杠的设计计算 .................................................................................................. 7
3.3.1 求轴向力 ............................................................................................................ 7
3.3.2 计算丝杠动载荷Cj ........................................................................................... 7
3.3.3 丝杠效率计算 .................................................................................................... 8
3.3.4 校核 .................................................................................................................... 8
3.4 齿轮箱减速器设计部分 .............................................................................................. 9
3.4.1 传动比i . ............................................................................................................. 9
3.4.2 齿面接触强度设计计算 .................................................................................... 9
3.4.3 齿根弯曲强度设计： ...................................................................................... 11
3.4.4 设计计算： ...................................................................................................... 12
3.5 其他机械设计部分 .................................................................................................... 12
3.5.1 减速箱最小输出轴的计算 .............................................................................. 12
3.5.2 轴承的选择 ...................................................................................................... 13
3.6 步进电机的选择 ........................................................................................................ 13
3.6.1 计算减速器的传动比I . ................................................................................... 13
3.6.2计算系统转动惯量 ........................................................................................... 13
3.6.3 确定步进电机动力参数 .................................................................................. 14 第四部分 数控设计 ................................................................................ 错误！未定义书签。
4.1 数控系统硬件电路 .................................................................... 错误！未定义书签。
4.1.1 基本硬件组成 .................................................................. 错误！未定义书签。
4.1.2 硬件配套及基本结构 ...................................................... 错误！未定义书签。
IV
4.1.3 接口线路 .......................................................................... 错误！未定义书签。
4.1.4 光电隔离电路 .................................................................. 错误！未定义书签。
4.1.5 功率放大器 ...................................................................... 错误！未定义书签。
4.1.6 辅助电路 .......................................................................... 错误！未定义书签。
4.2软件设计 ..................................................................................... 错误！未定义书签。 第五部分 使用说明 ................................................................................ 错误！未定义书签。
5.1 概述 ............................................................................................ 错误！未定义书签。
5.2 主要技术参数 ............................................................................ 错误！未定义书签。
5.3 主要功能 .................................................................................... 错误！未定义书签。
5.4 安装调整步骤 ............................................................................ 错误！未定义书签。
5.5 机床使用步骤简述 .................................................................... 错误！未定义书签。
5.6维护和保养 ................................................................................. 错误！未定义书签。
第六部分 结束语 .................................................................................................................... 15
参 考 文 献 ............................................................................................................................ 16
第一部分 绪 论
随着微电子、计算机和信息技术的飞速发展与应用，精密机械技术与这些前沿学科的相互渗透，使机械系统向着高技术集成系统的方向发展。这是当今机械科学技术发展的重要趋势。机械工程学科正朝着机电一体化方向发展，而数控机床便是此领域中的一个典型发展方向。随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高，改行频繁。目前，机械零件加工中单件、小批量加工约占80%，因此对加工设备不仅要求具有高的加工精度和生产效率，而且还要具备有相当的“柔性”，既灵活、通用、能迅速适应加工零件的变更。数控机床较好地解决了形状复杂、精密、小批、多变的零件的加工问题。它具有适应性强，较高的加工精度，稳定的加工质量和高生产效率的特点和优点。所以，数控机床是一种灵活而高效的自动化机床。随着电子、自动化、计算机和精密测试等技术的发展，数控机床在机械制造业中的地位将变得越来越重要了。
数控机床经济型改造, 实质是机械工程技术与微电子技术的结合。经改造后的机床加工的精度、效率、速度都有了很明显的提高，适合我国现在经济水平的发展要求。本次毕业设计主要是对机床机械部分进行改造, 以步进电机驱动横向进给运动、纵向进给运动以及刀架的快速换刀, 使传动系统变得十分简单，传动链大大缩短, 传动件数减少, 从而提高机床的精度。
设计中，我们对有关数控机床及数控改造的相关书籍、刊物进行大量阅读, 收集了很多资料, 了解了数控机床的基本概念，数控机床的发展概况，数控机床的组成及其工作原理，扩大了我们的知识面。
机床计算机系统是本世纪70年代发展起来的机床控制新技术。它综合了计算机、自动控制、电器控制、测量技术、机械制造等领域的最新成就、使机器工具发展到新的水平。
计算机数控机床具有精度高，加工周期短，适应性强等一系列的优点。特别对于中小批生产的精密复杂零件加工尤为合适。因而在机械、航空、造船、动力等行业中得到了广泛地运用。
此外，数控技术也在绘图机械、坐标测量机、激光于火焰切割机等机械设备中得到了广泛的应用。特别是相续出现的自动换刀数控机床（即加工中心Machining Center）、直接数字控制系统（即计算器群控系统，DCN, Direct Numerical Control）、自适应控制系统（AC, Adaptive Control）、柔性控制系统 (FMS, Flexible Manufacturing System)、计算器集成（综合）制造系统 (CIMS, Computer Integrated Manufacturing System)等、进一步说明，数控机床已经成为组成现代机械制造生产系统，实现设计 (CAD)、制造 (CAM)、检验 (CAT) 于生产管理等全部生产过程自动化的基本设备。
数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间
的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。 数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点： 1. 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件； 在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工；
2. 加工精度高；
3. 生产效率高；
4. 减轻劳动强度，改善劳动条件；
5. 良好的经济效益；
6. 有利于生产管理的现代化。
数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。 我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。 旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。 随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC 技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。 1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，本毕业设计实例具有典型性和实用性。
第二部分 设计方案的确定
利用微机对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向（Z 向）脉冲当量为0.01mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。总体方案的论证 对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。
2.1 数控系统运动方式的确定
数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续控制系统。由于要求CA6140车床加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用两轴联动连续控制系统。
数控系统是一种位置控制系统。其本质是根据输入的数据进行插补，从而得到较理想的运动轨迹，然后输入到执行部件，加工出所需的零件。按照这一原理，数控系统可分为开环数控和闭环系统。所谓闭环控制系统，即指对所加工的零件随时进行检测并输入（反馈）到控制系统，用以调节加工时所带来的误差。其主要采用反馈检测装置及交流变频控制，因此功率较大，精密很高。但也由于采用交流变频伺服系统和反馈检测装置，因而其造价十分高，结构也十分复杂，其稳定性也不十分理想。由于以上特点，闭环控制系统常用于要求精密加工机床、单件生产，即整机生产之中。其控制系统框图如下图所示：
图1-1 控制系统框图
2.2 伺服进给系统的改造设计
数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。
开环控制系统是指不带反馈装置的控制系统，根据数据指令、经过控制运算发出脉
冲信号，输送到步进电机，使伺服装置转过相应的角度，然后经过减速齿轮和丝杆螺母机构，转换为移动部件的直线位移。
因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。
与闭环控制系统相比，步进电机开环伺服系统没有外部的位置反馈回路及速度反馈回路。因此不必使用位置速度测量装置、模数转换器及高增益放大器等高性能器件。因此，使设备投资显著降低，系统简单可靠，与机床间的组配也十分方便，即结构简单，使用维护方便，可靠性高、制造成本低等一系列优点。在中小型机床的速度、精度要求不十分高的场合，得到了广泛的应用。
下面是开环控制系统框图：
开环控制框图
开环伺服系统在负载不大的情况下多采下步进电机作为伺服电机。所以，本设计决定采用开环控制系统。
2.3数控系统的硬件电路设计
任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。
在设计的数控装置中，CPU 的选择是关键，选择CPU 应考虑以下要素：
1）时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关；
2）可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关；
3）I/O口扩展的能力。
控制系统采用单CPU 形式分为处理数据。CPU 采用8031芯片使用广泛，功能强大，性能好，价格便宜。它包括一个微处理器，一个128字节的片内数据存储器，4个8位的I/O接口（其中P1，P2，P3是准双向口，P0是三态双向口），另外还为用户留一个扩展区。
控制系统的总体结构如下：
8031通过I/O口扩展一片8255接口芯片实现空运转，自动，手动转换，回零，换刀，超程的按键功能。还通过P0口和P2口及一块74LS373地址锁存器扩展了两片16K 的ROM 接口，两片16K 的RAM 来作为开发程序的存储器。8031通过P0口扩展了一片8279接口芯片来实现键盘输入和电路显示的功能。通过P1口经过光耦合隔离电路TLP521-4来消除电路干扰，并实现X ，Z
向正反转及连续启动的功能，通过功率放大
电路实现S ，T ，M 等备用功能。两步进电机经 一块74LS373直接与P0口相连。
软件设计采用模块化设计。主要包括主模块，子程序模块和定时中断模块。主模块主要完成初始化和监控。初始化包括PIO ，CTC 的初始化。监控主要包括键盘的管理和显示管理，可调用原监控程序中的键盘管理和显示管理子程序。功能子模块包括+X，-X ，+Z，-Z ，及STOP 功能子模块，并可调用圆监控程序中的许多子程序。中断模块包括急停中断模块，报警中断模块等。
2.4 纵向进给系统的设计
进给系统的传动原理：步进电机通过 消 隙 齿轮箱将转矩输出同时放大，以带动滚珠丝杠转动。丝杠转动，使丝杠螺和丝杠螺母座 水平移动，由于丝杠螺母座与工作台通过拖板固联，因而丝杠螺母座 水平 移动也迫使工作台沿机床导轨水平移动。
通过对步进电机在工作时所需要的最大静转矩和最高启动频率的计算，并参照反应式步进电机技术指示表，选择所用的步进电机为110BF-1型。由于脉冲当量ςp =0.01mm/L α脉冲与滚珠丝杠基本导程L 0之间满足关系：I=，其中I 为电机输出轴与丝杠之间360ςP 的传动比，α为电动机的步矩角，计算出I 是不等于1的，I 为齿轮的啮合，同时电机输出的转矩无法直接带动丝杠工作，因此对其放大，这是加齿轮箱的一个目的。为了使机床的结构简单，紧凑，齿轮箱采用一级传动。通过计算和校核，选择齿轮箱的主动小齿轮的齿数Z 1=32，从动件的齿数为40，其模数为2.0mm ，为了防止进给系统在正常工作时出现齿轮被卡死和空转现象，进一步提高传动的精度，则必须对齿轮箱进行消隙。其方法是：采用双片齿轮错齿法，将从动轮做成两片，其中一片固定在轴上，另外一片为动片，两者之间装上周向弹簧，弹簧力使两片齿轮的轮廓分别与主动轮的轮廓贴紧，从而消除了齿轮间的间隙，避免了卡死与空转的现象出现。
通过对丝杠的设计计算和对刚度，强度，压杆稳定性的校核，选择丝杠的公称直径为25mm ，基本导程为6mm, 精度为3级。滚珠丝杠的预加负载方式为变位导程单螺母自预紧，可实现螺母的拉伸或压缩的受力方式，其调整方法是：取下滚珠螺母，精确测量原装钢球的直径，然后根据螺母的力的需要，从新更换装入若干大数微米的钢球。它具有结构简单，尺寸简单的特点，并能避免双螺母形位误差的影响。对于螺母副我们采用了调整垫片的方法进行预紧。我们通过改变垫片的厚度，使螺母产生轴向位移。消除它们之间的间隙和施加预紧力。在工作中不能随意的去调整。
加工过程中，为了保护丝杠不受铁屑的磨损和冷却液的腐蚀，加防护板。同时，为了防止灰尘和铁屑碎片等杂物进入滚珠丝杠的轨道中，避免出现滚珠卡死或传动精度大大降低的现象，我们采用防尘护罩的保护形式。
机床导轨与矩形导轨的综合形式。这种导轨的优点有：接触刚度大，不易磨损以及承载能力强，运行平稳等。
第三部分 机 械 设 计
3.1 纵向进给系统的设计
经济型数控车床的改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动滚珠丝杠采用外插管变螺距型滚珠丝杠副，他的优点是螺母的轴向尺寸小，而预加载荷消除间隙，他仍安装在原丝杠的位置，采用固定，由于滚珠丝杠的磨擦系数小，从而使纵向进给刚度增大，纵向进给的减速机构采用齿轮减速，并用双片齿轮消齿法消除间隙，纵向齿轮和溜板箱上均加外罩，以保证机床原外观，得到美化机床的外观，在溜板箱上装上了纵向快速进给及急停按钮，以适应机床调整时的操作需要和遇到以外情况时紧急处理需要。
已知条件： 最大回转直径 400mm
最大车削直径 400mm
最大工件长度 1000mm
工作台量 W =80kgf
时间常数为 T =25ms
滚珠丝杠的导程 L 0=6mm
行程 S =1000mm
脉冲当量 δ=0.01mm/step
步距角 Φ=0.75/step
快速进给速度 V max =5m/min
主功率 P =7.5KW
最大切削直径 D =80mm
3.2 切削力的计算
由《机床设计手册》可知，切削功率
N c =nηk
式中：N ——电动机功率，有同类型C6140车床可知，N 为7.5kw 。
η——主传动系统总功率，一般为0.6~0.7，取η=0.65。
k ——进给系统功率系数，取k=0.96。
则：
N c =7.5³0.65³0.96=4.68 kw
又因为：
N c =Fz v/6120
所以
F z=6120N c /v 取切削速度V=100m/min. 则：Fz=2864.16N
由《机床设计手册》可知，车外圆时
F X =(0.1~0.6)F z ' F y =(0.15~0.7)F z ' 取 F X =0.5，Fz =1432.08N F y =1718.58 N （Fz 为主切削力，Fx 为走刀抗力，Fy 为吃刀抗力）
3.3 滚珠丝杠的设计计算
滚珠丝杠在工作 过程中受轴向负载使滚珠和滚道面间产生接触应力。对于滚道型面的一点是交变接触应力，在这种交变接触应力的作用下，经常一定的应力循环次数后，使 其产生疲劳损伤，这是它的主要破坏形式。因此在设计时必须保证它在一定的轴向力作用下回转10度转后滚道上虽然受滚珠压力但不发生点
（a ）先确定最大动载荷Q
（b ）由Q 在滚珠丝杠设计标准中选出相应尺寸系列的最大动载荷Q 近似值，初选几个型号。
（c ）由工作要求、结构尺寸、循环方式等条件下选出合适的d l0 R等一型号。 （d ）然后列出主要参数，计算传动效率，刚度验算稳定性 3.3.1 求轴向力
由《机械设计手册》可知：
P=K²Fx ²+fw²(Fz+W) 式中K=1.15,fw=0.15～0.18，取0.16, W为工作台的重量, 由图初估取800N
则P=1.15³132.9+0.16³(2864.16+800)=2233.16N 3.3.2 计算丝杠动载荷Cj
（a ）强度计算
寿命值:Li=60³Ni ³Ti/106，Ni=1000vf/(π²D ²L0) ，
取工件直径D=100㎜，丝杠导程L0=6㎜，Ni —丝杠转速为15. 92r/min。 由>知，使用寿命系数T 一般取15000h ， 因此Li=60³Ni ³Ti/106=14. 3，
（b ）求C j
由>6-16式可知：
C j =L ²K f ²k h ²P
其中：K f ——载荷系数，一般取(1. 2～1. 5) 取，1. 2
K h ——硬度系数，取1. 0
则C j =7154.3N，根据C j ，选取滚珠丝杠，考虑其功能选汉江机床厂2506-3型 特性参数：
公称直径 25mm
外径 24.5mm
导程 6mm
导程角 4°22′
精度系数 3级
动载量 11670N
因为：6512.1N ＜11670N 所以，丝杆强度足够。 3.3.3 丝杠效率计算
由>公式知:
πS =tmλ/[tm(λ+4)]
πS ——螺旋升角, λ=4°22′ ϕ——摩擦角, ϕ=10′
所以，经计算得πS =0.965。 3.3.4 校核
① 刚度校核
滚珠丝杆受工作载荷P 的作用而引起导程L 0的变化是ΔL 1。 其值按>式6-19计算 ΔL 1=±
PL 0EA
6
2
其中，E ——弹性模量，取21³10N/cm
A ——滚珠丝杆截面积 A=π(d0/2)=4.71 则ΔL 1=±
2071. 2⨯0. 6
=±12.6³10-6cm 6
21×10⨯4.71
2
滚珠丝杆受扭矩引起导程变化ΔL 2很小, 可以忽略，即ΔL 0=ΔL 1。 导程变形的总误差Δ为 Δ=
100
∙ΔL=21³10-6m/m L 0
-6
查>表12-1-19知:3级精度,1m 长的丝杠的螺距为21³10m, 故刚度足够。
② 稳定校核
由>中的欧拉公式知：
F K =π2EI/(μl 2)
式中，F K ——长压杆临界失稳时的临界负载；
E ——弹性模量, 取21³10N/cm；
I ——截面惯性矩, 单位cm 4，对实心圆柱体I=πl ——工作长度取1m ；
μ——丝杠轴端系数μ=1～2/3,取1。 则经计算，得: FK =36648N。
N k = FK /p=36648/2071.2=17.69。
一般[Nk ]=2.5～4，对于水平丝杠考虑重量影响，[Nk ]取4。 Nk ＞[Nk ] 因此, 丝杠稳定。
2
=1.77cm； d 1
4
62
3.4 齿轮箱减速器设计部分
3.4.1 传动比i
i=
ϕL ο
361︒δρ
式中，ϕ——步距角, 取0.75；
δp ——脉冲当量，取0.01㎜/脉冲。 i=
0. 75⨯6
=1.25
361︒⨯0. 01
闭式齿轮传动一般转速较高, 为了提高传动的平稳性, 减小冲击振动, 以齿数多一些
为好, 小齿轮的齿数可取Z 1=20～40, 本设计选择Z 1=32 I=
Z 2
, Z 2=i³ Z 1=32³1.25=40 Z 1
即Z 1=32，Z 2=40
选择材料为45#钢，调质，六级精度。 3.4.2 齿面接触强度设计计算 由设计计算公式(10-9a)进行计算，即： d 1t ≥2.32K t T 1(μ±1) Z E Φd ⨯μσH
22
1) 确定公式内各计算数值 (1) 选择载荷系数K T =1.3 (2) 计算小齿轮传递的转矩T 1
T 1=95.5³105³P 1≈Nc =4.32KW, n 1=
P 1
, n 1
V max i 5000⨯1. 25
==1041.7R/min
6L 0
则T 1≈3.96³106Nmm
(3) 由表10-7选取齿轮宽度系数φd
φd =
b
=0.5(1+μ)³φd , 取φa 的规定值0.60 d 1
φd =0.5(1+1.25)³0.60=0.675
(4) 由表10-6查得材料的弹性影响系数：Z E =189.8MPa
(锻钢)
(5) 由图10-21d 按齿面硬度查得：小齿轮的接触疲劳强度极限σlim 1=600 MPa
大齿轮的接触疲劳强度极限σlim 2=550 MPa
(6) 由式10－13计算应力循环次数
N 1＝60n 1j 1L h =60³1041.7³1³(2³8³300³10)=3.0³10n 1——小齿轮的转速；
j 1――齿轮每转一圈时同一齿面啮合的次数，取1； L h ――齿轮的工作寿命（单位为h ）, 取15000。
设计的齿轮的工作寿命为10年，一年工作300天，一天工作8小时，2班制， j 2＝0.8，则：
N 1＝60 n2j 2L h ＝60³1041.7³0.8³（2³8³300³10）＝2.4³10 (7) 由图10－19查得接触疲劳寿命系数 ＫHN 1＝0.88，ＫHN 2＝0.9
(8) 计算接触疲劳强度的许用应力
取失效率为1﹪，安全系数S ＝1，由式（10－12）得：
K HN 1σHLIM 10. 88⨯600
＝＝528Mp
1S
K σ0. 9⨯550
［σH ］2＝HLIM 2LIM2==495Mp
1S
9
9
［σH ］1＝
2) 计算：
(1) 计算小齿轮分度圆直径d 1t , 代入［σH ］中较小的值，则： d 1t ≥2.32K t T 1(μ±1) Z E Φd ⨯μσH
22
≈63
(2) 计算圆周速度V ： V ＝
∏d 1t n 1
＝3.43m/s
60⨯1000
(3) 计算齿宽b
b=Φd·d1t =0.675×63=42.525㎜ (4) 计算齿宽与齿高之比b/h
模数m t =
d 1t 63
=≈2㎜ z 132
齿高h=2.25 mt =2.25×2=4.5㎜ b/h=
42. 525
=9.45 4. 5
(5) 计算载荷系数：
根据V=3.43m/s，6级精度，由图10-8查得动载荷系数K V =1.06 由表10-3查得K H α=KF α=1.0，由表10-2查得使用系数K A =1； 由表10-4查得6级精度，小齿轮相对支承非对称分布时： K H β=1.12+0.18（1+0.6Φd ）Φd +0.23³10-3b
2
2
Φd =0.675,b=42.525
K H β≈1.234. b/h=9.45, 查得10-13:KF β=1.1 7所以载荷系数 K=KA K V K H αK H β=1.308
按照实际的载荷系数校正所计算的分度圆直径，由式10-10a d 1=d1t
K
=63.13 K t
(6)计算模数M
M=
d 1t
=1.97㎜ z 1
3.4.3 齿根弯曲强度设计：
由式10-5得弯曲强度设计的公式为：
M≥M=
d 1t
=1.97㎜ z 1
（1） 由图10－20Ｃ查得小齿轮的弯曲疲劳极限：
σFE 1＝500Mpa ，σFE 2＝380Mpa （2） 由图10－18查得弯曲疲劳寿命系数K FN 1，K FN 2
K FN 1＝0.85， K FN 2＝0.88．
（3） 计算弯曲疲劳许用应力：取弯曲疲劳安全系数S ＝1.4
K FN 1σFE 1
＝303.57Mpa S K σ
［σF ］2＝FN 2FE 2＝238.83Mpa
S
［σF ］1＝
（4） 计算载荷系数K ：
K ＝K A K V K F αK F β＝1³1.06³1³1.17＝1.2402
（5） 查取齿形系数：
由表10－5可查得，Y Fa 1＝2.52，Y Fa 2＝2.40
（6） 查取应力校正系数：
由表10－5可查得：Y Sa 1＝1.625，Y Sa 2＝1.67
（7） 计算大、小齿轮的小齿轮：
2. 52⨯1. 625
＝0.01349
303. 57σF Y Y 2. 40⨯1. 17
大齿轮：Fa Sa ＝＝0.01678
238. 86σF Y Fa Y Sa
σF Y Fa Y Sa
，并且加以比较：
＝
大齿轮的数值大，取大值 3.4.4 设计计算：
2⨯1. 2402⨯3. 96⨯104
M≥⨯0. 01678＝1.33mm
0. 675⨯322
对比计算结果，由齿面的接触疲劳强度计算的模数Ｍ大于齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数的大小主要是弯曲疲劳强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮的直径有关，可取由弯曲强度算得的模数M ＝1.97，并就近圆整为标准值M ＝2.0㎜，按照接触强度算得分度圆直径d 1=63.13㎜,
Z 1=
d 163. 13
==31.565≈32 2. 0m 1
Z 2=i³Z 1=32³1.25=40
这样设计的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。齿轮参数取值如下：
参数 大齿轮 小齿轮
Z 40 32
m 2 2
b 20 20
a 20 20
d 80 64
外圆直径 84 68
3.5 其他机械设计部分
3.5.1 减速箱最小输出轴的计算
取每级齿轮传动效率（包括轴承效率在内）
ηc =0.97,则P Z =Pηc =4.32³0.97=4.19KW
n Z =
n 11041. 7==833.4 R/min 1. 25i
由式15-2得d ≥A 0
P Z
, n z
即：d min = A0
P Z
。 n z
由《机械手册》查表15-3得45钢，调质淬火后A 0取112。 经过计算，得：d min =1124. 19
=19mm 833. 4
输出选取d min ≥19mm 即可。 3.5.2 轴承的选择
已知丝杠的动载荷C j =7154N=7.154KN，所以选择轴承如下： 名称 角接触轴承 圆锥滚子轴承
型号 36204型 7204E 型
国标号 GB292-83 GB297-84
C j 11.2KN 26.8KN
C 0 7.46KN 18.2KN
所以以上的两种类型，动、静载荷均大于7.154KN, 故所选轴承符合要求。
3.6 步进电机的选择
参考文献《机电系统设计》，选择过程分以下几个小节介绍。 3.6.1 计算减速器的传动比I
I=
αp
360δp
α——步进电机步距角，α=0.75º； P ——丝杠导程，P=6mm；
δp ——工作台脉冲当量，δp =0.01mm；
经计算，得I=1.25。 3.6.2计算系统转动惯量
齿轮、丝杠等的转动惯量计算不易精确计算，可将其等效成圆柱体来近似计算。圆柱体的转动惯量J （Kg·cm 2）的计算公式： J=
πρd 4l
32
„„(5-7)
其中，ρ——材料密度，kg/cm3 取ρ=7.8×103kg/m3
d ——传动件的等效直径 m l ——传动件轴向长度 m
总当量负载转动惯量Je(Kg³m 2)
Je=Jz1+
Jz 2+Js 180δp 2
+() ×W 42
πi
其中，Jz1,Jz2——电机轴和丝杠轴上齿轮的转动惯量，Kg×m 2；
Js ——丝杠转动惯量，Kg×m 2； m ——工作台质量，Kg 。
按公式（5-7）首先分别计算各传动件的转动惯量，其中齿轮的等效直径取分度圆直径d 1=80mm,d2=64mm,丝杠的等效直径为24.5mm
Jz1=
π⨯7. 8⨯103⨯(0. 08) 4⨯0. 02
3
32
π⨯7. 8⨯10⨯(0. 064) 4⨯0. 02Jz2==5.04⨯10-4(Kg∙m 2)
323
π⨯7. 8⨯10⨯(0. 0245) 4⨯1Js==2.76⨯10-4(Kg∙m 2)
32
=6.3⨯10-4(Kg∙m 2)
按公式（5-8）得总当量负载转动惯量
-4Jz 2+Js 180δp 2
Je=Jz1++() ∙W/g=11.759×10( Kg∙m 2) 2
i πϕ
3.6.3 确定步进电机动力参数 （1）电机的负载转矩的计算：
作用在步进电机轴上的总负载转矩T 按照下式公式计算：
P (F u +F w )
公式计算：T=（J m +Je ）ε++
2∏ηi
PF 0(1-η0)
,
2∏ηi
2
2
其中，J m ——电机轴自身转动惯量（Kg ∙m 2）；
ε——电机启动或制动时的角速度rad/s；
F u ——作用在工作台上的摩擦力，N ； F W ——作用在工作台上的其它外力，N ； η——伺服传动链的总效率；
F 0——滚动丝杠螺母副的预紧力，N
η——滚动丝杠螺母副未预紧时的传动效率，一般取0.9
初选J m =1.0×10-3 Kg ∙m 2，μ =0.2（导轨摩擦因数μ），μ最大轴向力为
F w max =2071.2N
并要求空载启动时间∆t=30ms,最大进给速度为V max =5m/min
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QQ1097201253
部分 结束语
在本次设计中我完成了对普所以通CJK6140数控机床的设计，主要设计了纵向进给系统。因本车床是经济型数控机床，在纵向系统设计方面，我们只是原来的车尾部装上步进电机及小型齿轮变速箱即可带动纵向丝杠使托板箱作Z 向进给运动。改造后的车床更加适应与以多品种，小批量生产为特点的现代工业制造业。
过此次设计，让我们对于理论知识尤其是专业知识有了更深的了解和认识，并能将其进行一次比较全面系统的总结和应用。进一步加强了我们综合分析解决实际问题和独立思考的能力。在这次设计中我们同组的同学共同的研究，讨论问题，查阅资料，相互帮助，从实际应用出发将设计完成的比较合理且具有实际的意义。同时，我们也发现了一些问题。比如对知识的运用的熟练程度还不够，知识范围比较的狭隘。导致在设计中的一些问题无法及时发现和解决。
总体来说：本次的设计是为我们以后走向工作岗位打下一个好的基础准备。 最后，向我们的指导老师：王素暖老师及多次给与我帮助的同学们表示由衷的感谢！
参 考 文 献
[1] 徐元昌．数控技术[M]．北京：中国轻工业出版社，2004．
[2] 文怀兴，厦田．数控机床系统设计[M]．北京：化学工业出版社，2005．
[3] 王润孝，秦现生．机床数控原理与系统[M]．西安：西北工业大学出版社，2004． [4] 徐元昌．机电系统设计[M]．北京：化学工业出版社，2005． [5] 郑文纬，吴克坚．机械原理[M]．北京：高等教育出版社，1997． [6] 周开勤．机械零件手册[M]．北京：高等教育出版社，2001． [7] 陈婵娟．数控车床系统[M]．北京：化学工业出版社，2005． [8] 成大先．机械设计手册[M]．北京：化学工业出版社，1992． [9] 濮良贵，纪名刚．机械设计[M]．北京：高等教育出版社，2005．