普通机床的数控化改造设计毕业论文
湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业论文
普通机床的数控化改造设计
The general transformation of CNC machine tools design
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湖南农业大学全日制普通本科生毕业论文（设计）
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目录
1 前言 (7)
2 设计的内容及任务 (8)
3 总体方案 (8)
3.1 数控系统的选型 (8)
3.2 伺服系统的改造设计 (9)
3.3 机械结构的改造设计 (9)
3.4 自动回转刀架的选择设计 (10)
3.5 编码盘的选用和安装 (10)
3.6 电气控制系统的改造设计 (11)
3.7 液压系统的清洁和维护 (11)
4 数控系统的选择 (11)
5 机械本体部分的数控化改造与设计计算 (13)
5.1 进给系统的传动方式及丝杆类型选择 (13)
5.1.1 传动方式 (13)
5.1.2 滚珠丝杆的选择 (14)
5.2 滚珠丝杠副精度等级确定 (15)
5.3 滚珠丝杠的润滑、防护、密封 (15)
5.4 机械本体改造和设计计算 (15)
5.4.1 纵向机械传动部分的数控化改造和设计计算 (15)
5.4.2 滚珠丝杠设计计算 (16)
5.4.3 滚珠丝杠的选型 (17)
5.4.5 滚珠丝杠的验算 (18)
5.4.6 确定齿轮传动比 (19)
5.4.7 横向机械传动部分的数控化改造和设计计算 (19)
5.4.8 切削力的计算 (20)
5.4.9 齿轮间隙的调整环节 (20)
5.5 滚珠丝杠的支撑与轴承选用 (21)
5.5.1滚珠丝杠支撑形式的选择 (21)
5.5.2 滚珠丝杠轴端的形式 (22)
6 伺服系统的改造设计 (24)
6.1 控制系统的选择 (24)
6.2 纵向步进电机的计算与选择 (25)
6.2.1负载转动惯量计算 (25)
6.2.2 各种工况下转矩计算 (25)
6.2.3 步进电机的选择 (26)
6.3 横向步进电动机的计算与选择 (27)
6.4 驱动器的选择 (28)
7 自动转为刀架 (29)
7.1 数控车床刀架的基本要求 (30)
7.2 车床自动转位刀架结构及工作原理 (30)
7.3 刀架的安装 (31)
8 编码器的选用和安装 (32)
8.1观点编码器的选用 (32)
8.2 编码器的安装 (33)
9 电气控制部分的改造设计 (33)
9.1 电气控制系统概述 (33)
9.2 C6132车床电气化控制系统的数控化改造设计 (34)
10 液压系统的清洁与维护 (35)
10.1清洁程度对液压系统的影响 (36)
10.2液压系统清洁与维护措施 (36)
11 改造小结 (36)
参考文献 (37)
致谢 (38)
C6132卧式车床的数控化改造
学生：吴江平
指导老师：董亮
（湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128）
摘要：以C6132型普通机床为例，从机械和电气方面详细阐述了数控化改造的方法。改造后的车床投入使用后运行稳定，加工精度明显提高，取得了极大的经济效益。
关键词：普通车床; 数控化改造；
C6132 horizontal lathe to numerical control reform
Student:Wu Jiang Ping
Tutor:Dong Liang
(Hunan Agricultural University east science
and technology academy,Changsha 410128)
Abstract : to C6132 ordinary machine type as an example, the mechanical and electrical is expounded in the reconstruction of numerical control method. After the transformation of the lathe of after put into use operation is stable, and the processing precision improved obviously, made great economic benefits.
Key word :ordinary lathe; Numerical control modification;
1 前言
目前我国机床主要是卧式车床，与发达国家相比，型号陈旧，技术水平落后，严重影响了生产的发展。。采用先进的数控车床，已成为当今世界制造业的发展趋势。鉴于国内制造业中普通机床的占有率较高，提高车床数控化率有两个可行的途径，一是购置新的车床；二是把卧式车床改造成数控车床。根据国内目前的经济状况，花大量的资金更换全新的数控车床花费过高，给企业造成的经济负担较大，同时报废大量的普通机床是一个很大的浪费。因此，各企业可根据自身的情况，酌情进行数控化率的提高，可以购置一批精度高、性能强的数控化车床，或数控化改造一批尚有一定精度的卧式车床。
C6132车床改造属于经济型数控车床的改造，主要针对进给系统进行数控化改造，利用数控系统对纵向和横向进给系统进行开环控制，驱动元件采用步进电动机，通过步进电动机带动滚珠丝杆转动。数控化改造后的机床，能对纵向和横向进给运动进行数字控制，并要求达到纵向最小运动单位为0.01mm/脉冲，横向最小运动单位0.005mm/脉冲，刀架为自动转位刀架，经改装后的机床能实现加工外圆、锥度螺纹、端面等的自动控制。数控化改造提高了原机床的生产速度，降低了劳动强度，同时缩短了生产周期，提高了产品质量和生产率。
数控化改造后具有如下几个优越性：
1、数控化改造提高了加工精度和生产率。
2、数控化改造提高了机床的性能和质量，加工出原机床难以加工或者不能加工的复杂轴类零件。
3、机床数控化改造后可以实现加工的柔性自动化，效率可比原机床提高3倍。
4、机床数控化改造后拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自检功能，更好地调节了机床加工状态，还可以提示操作机床故障或编程错误等机床运行中出现的问题。
2 设计的内容及任务
机床的数控化改造主要应用了现代成熟的数控技术和经验，以适应生产的具体要求为目的，改变现有机床的结构，给旧机床换上新部件、新装置和新附件，提高现有机床的技术性指标，使之全部或局部达到新数控机床的水平。
这次设计的任务是：数控化系统的选型，伺服系统、机械传动系统、电气系统数控化改造和液压部分的维护以及绘制相关图样。要求改造车床具有一般数控车床的性能，精度要达到纵向最小单位为0.01mm/步，横向最小运动单位为0.005mm/步。设计内容包括：数控系统的选型，伺服系统、机械系统和电气系统的数控化改造设计，自动回转刀架和编码盘的选型与改装，以及液压系统的清洁与维护。数控系统方面，考虑到直流伺服电动机的价格昂贵，采用步进电动机驱动的开环控制系统，而在机械系统的改造方面，采用步进电动机---减速齿轮---滚珠丝杠螺母副---小滑板的传动方式。
3 总体方案
卧式车床进行数控化改造，可以显著提高机床性能和减轻操作者劳动强度。而合理选择数控系统和改造方案，可保证改造效果和降低成本。考虑具体的改造方案时，基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能少，以降低成本。C6132车床总体改造方案为：增配车床数控系统，更换进给运动的滑动丝杆传动为滚珠丝杆传动，采用步进电动机驱动进给运动，加装编码器，配置自动回转刀架实现自动换刀。
具体的改造主要从数控系统的选择、伺服系统的改造设计，机械结构的改造设计、自动回转刀架的选择设计、编码盘的选用和安装、电气系统的改造设计、液压系统的清洁与维护等几个方面来进行，通过改造使其具有数控机床的一般特性。下面就从各个部分来具体阐述这次的设计方案。
3.1 数控系统的选型
在选择数控系统的型号时，要考虑C6132机床适用于各类机械工厂的单件、中小批量、生产使用，加工精度可达IT7级，且要求C6132车床加工复杂零件，所以数控系统选择连续型数控系统，已满足数控化改造后机床的定位、插补、循环加工和螺纹加工等功能。
国产机床如广州数控设备厂的GSK980TA数控系统，其为两轴联动，功能
比较齐全，性能稳定，价格便宜，一般用于经济型的数控机床。选择数控系统时应该尽量向同一个厂家的型号靠拢，这样既有利于维修和管理，也有利于备件的购买。在改造中可以考虑有类似特点的数控装置。
3.2 伺服系统的改造设计
在普通机床的数控化改造系统中一般采用步进电机和交流伺服交流电动机。交流伺服电动机调速方便，体积小，目前广泛用于数控机床的传动系统。与步进电动机相比，其精度高、价格昂贵，考虑到改造本身是经济型改造，因此一般选用步进电机作为驱动装置。步进电机采用脉冲数字信号进行改造，每转一转步距误差自动变为零，能方便地实现调速以及定位，改变各相绕组的接通次序即可实现正反转，易于控制，且价格低廉，数控车床上大多使用反应式步进电机。在需要快速移动大距离的条件下，应选择转动惯量小、运行频率高、价格较低的反应式步进电机。
经全面考虑，在C6132的数控化改造中，选用反应式步进电机作为纵向和横向的进给驱动。理由是：该系统控制方便，由数控系统送出的步进指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，是步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠服驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可以控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。该系统结果简单，易维修，性价比高；考虑改造后的C6132机床的精度要求（数控化改造后纵向精度为0.01mm/不，横向精度为0.005mm/步），加工精度要求不算太高，为简化结构、降低成本，故选择步进电机驱动的开环控制系统。
3.3 机械结构的改造设计
在机械结构的改造设计中，主要针对原车床的进给系统进行数控化改造，主传动系统中保留C6132车床的主轴机械部分和三相交流电动机YD132M--4B5TH，只是在与主轴同步旋转的轴上，加装一个脉冲编码器，实现螺纹的数控加工。
在进给传动系统中，数控系统对纵向、横向进给系统进行开环控制，驱动元件采用步进电机。进给传动机构如图1-1所示，纵向和横向均采用步进电动机--减速齿轮--滚珠丝杠螺母副--床鞍（或中滑板）的传动方式。分别在X轴和Z 轴的步进电机输出轴端配置减速器，减速器由一对啮合齿轮组成，通过减速器齿轮传动，由滚珠丝杠副把动力传给床鞍，从而带动托板的移动。为实现机床所需的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆，同时为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。改装时先拆除原机床的进给箱、溜板箱、光杆和丝杆，再换上滚珠丝杠（安装在原丝杆的部位）。在本设计中滚珠采用循环插管式、双螺母垫片预紧、导珠管埋入式、精度等级为3级，型号为JCS--CDM系列滚珠丝杆副。此外，为提高传动刚度和消除间隙，齿轮传动要采用消除齿侧间隙的结构。
图1-1 进给传动机构
1——步进电机2——齿轮减速装置3——支承装置
4——丝杠5——床鞍A、B——齿轮
3.4 自动回转刀架的选择设计
自动换刀装置因数控机床的形式、工艺范围和刀具的种类与数量的不同而具有不同的形式。目前常用的有自动回转刀架和带刀库的自动换刀装置。自动回转刀架也称为转塔式刀架，它是数控机床上最常用的，也是最简单的一种自动换刀装置，通过回转头的旋转分度定位来实现车床的自动换刀动作。自动回转刀架是由数控系统控制，效率高，工艺性能可靠。根据所加工零件的工艺要求及机床控制方式，在本改造中，采用四方自动回转刀架。
在C6132车床数控改造中，将原机床的普通手动回转刀架替换成自动回转刀架，拆除原刀架和小滑板，换上由常州宏达机床数控设备厂生产的LD4—CK6132四工位自动回转刀架。
3.5 编码盘的选用和安装
机床能否进行螺纹加工是主轴部分数控化改造的重要部分，所以在原来车床上需加一个脉冲编码器，才能实现自动加工螺纹的目的。
在经济型数控车床上加工螺纹或丝杆时，需要配置主轴脉冲发生器，即编码盘作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动，发生主轴转角位置变化信号，输送到数控系统，数控系统按照所需加工的螺距进行计算处理，从而控制机床纵向或横向步进电机，实现加工螺纹的目的。所以进行C6132的数控化改造设计时，决定在主传动系统中加装一个光电码盘。
结合脉冲编码器每转进给脉冲数（即分辨率）对螺纹的加工范围，再结合环境特性，并根据机床主轴转速不允许超过主轴脉冲发生器的最高须用转速的原则，初步选择长春三峰传感技术有限公司生产的常规型实心轴光电编码器PIE系列编码器。该系列编码器经济适用，力矩小，多规矩，适应多种数控设备其最高许用转速为5000r/min，远大于车床主轴最高转速2000r/min。
3.6 电气控制系统的改造设计
在电气控制系统中的改造设计中，应该遵循：在满足控制要求的前提下，设计方案力求简单、经济，不宜盲目追求高标准和高指标，力求控制系统操作简单、使用与维修方便。机床中的主轴电动机、冷却泵电动机、刀架电动机等均需要系统自动控制。C6132车床改造后的电气控制线路由电源电路、主电路、控制电路和CNC控制器等，主要增加的电器元件包括主轴编码器、X/Z轴驱动器、电动刀架控制器以及必要的控制开关、继电器等。改造后拆除原电控箱，原位安装改造后的电控柜，最后还需电气、机修人员共同进行通电调试。
数控机床中电气控制系统除了对机床辅助运动和辅助动作控制外，还包括对保护开关、各种行程、极限开关的控制，以及在操作盘上所有按键、操作指示灯等的控制。
改造后的电气控制系统，不仅保留了传统控制系统的优点，同时具有体积小、功能强、通用性和灵活性强、使用维护方便等优点。
3.7 液压系统的清洁和维护
在车床数控化改造中一般不需要对机床原来的切削液系统进行改造。用数控系统上的切削液接口与液压系统的电路连接，通过CNC控制，实现切削液的自动开关。此外，液压系统的清洁程度对液压元件和液压系统的平稳、准确运行有着非常重要的影响。
对C6132车床进行数控化改造后，还要仔细检查液压元件，如果发现又已经磨损、老化的元件，如过滤器、空气滤清器、密封圈等，则需要更换，确保液压元件能正常工作，从而保证整个车床系统能正常运行，实现数控车床的性能和加工特点。在检查、更换、维护后对液压系统循环过滤，清洗整个系统。
4 数控系统的选择
根据改造后的C6132机床精度要求（数控化改造后纵向加工精度为0.01mm，横向加工进度为0.005mm），加工精度要求不算太高，所以可以选择步进电机驱动的开环控制系统。
综合考虑性价比，在充分调研比较的基础上并根据改造的目的，本方案选用广州数控设备厂生产的GSK980TA车床数控系统，广州数控设备厂同时生产与该数控系统相匹配的驱动器，从而有利于维修和管理。GSK980TA数控系统采用先进的开放体系结构，性价比高，属于连续切削控制系统，具有以下特点：（1）、该系统采用16bit高速微处理器（CPU）和超大规模可编程门阵列（CPLD）进行硬件插补，实现高速微米级控制。
（2）、全封闭式装置，集成度高，整机工艺结构合理，抗干扰能力强，可靠
性高。
（3）、直线型、指数型加减速方式，可配套步进电机、伺服电机，应用灵活。。
（4）、可变电子齿轮比，应用方便。
（5）、320*240点阵图形式液晶显示。
（6）、中文、英文菜单，界面友好，操作方便。
GSK980TA的车床数控系统技术参数见表2-1
表2-1 GSK980TA的车床数控系统技术参数
运动插补方式控制轴：X、Z两轴最小指令单位：0.001mm
插补方式：X、Z两轴直线、圆弧插补
指令范围：+9999.999mm
-9999、999mm
最高快速速度：7600mm/min
3000mm/min(选配) 最高进给速度：直线7600mm/min（电子齿轮为1:1时）
每转进给：0.001~500mm/r（需安装1024p/r主轴编码器）
进给倍率：0%~150%十六级实时调节
快速倍率：F0、25%、50%、100%四级
加减方式：直线型快速加减速，指数型进给加减速，参数可调
电子齿轮比：（1~127）/（1~127）电子手轮功能：有
显示界面显示器类型：320╳240点阵式蓝底液晶（LCD），CCFL背光显示方式：中文菜单图形显示功能：有
G功能共23种G指令，包含3种单一固定循环指令和7种复合循环指令；
8种用户宏指令可读、
写，最多16位点输出。二重子程序调用，用户宏程序调用
螺纹功能米制/英制单头直螺纹、锥螺纹及米制/英制端面螺纹，螺纹退尾长度可设定
螺纹螺距：0.001~500mm（米制）；0.060~254000.000牙/in（英制）
主轴编码器：1024p/r增量式编码器
补偿功能反向间隙补偿：X、Z轴
螺距误差补偿：X、Z轴（选配）
刀尖半径补偿：X、Z轴
刀具补偿：16组刀具长度补偿
刀具功能适配刀架：最大设定8工位电动刀架（可选12工位刀架功能，就近选刀，无卡盘，尾座控制功能）
刀位信号输入方式：直接输入
换刀方式：MDI自动绝对换刀或手动相对换刀，正转换刀，反转锁
紧
对刀方式：定点对刀，试点对刀
刀补执行方式：移动刀具，坐标偏移（可通过参数设定）
主轴功能控制方式：可设置为4档位控制或模拟控制
档位控制：S1、S2、S3、S4直接输出
模拟控制：可设置四档主轴自动或手动换挡，输出0~10V电压控制
主轴转速
恒线速切削功能：有
辅助功能手动/MDI/自动控制主轴正转、反转、停止；切削液启停；润滑启停；卡盘夹紧/松开；尾速进退；MDI/自动方式可控制主轴变频自
动换挡
程序编辑程序容量：40kb、63个程序
子程序：可编程
通信RS232通信接口为标准配置；可选配通信功能，提供通讯软件及通信电缆，与PC机双向传送程序
抗干扰能
符合GB/T 17626.2—2006的要求
力
适配部件开关电源：GSK PB(配套提供，已安装连接)
驱动装置：DF3A系列三相反应式，DY3B系列三相混合式，DA98
系列交流伺服
刀架控制：GSK TB
装配形式标准面板，大面板，箱式
一体化（配DF3A系列或DY3B驱动装置）下出线，一体化后出线外形尺寸（420mm╳260mm╳136mm）/（420mm╳260mm╳136mm）(小/大)
质量 6.00kg（含开关电源）
5 机械本体部分的数控化改造与设计计算
5.1 进给系统的传动方式及丝杆类型选择
5.1.1 传动方式
机械部分传动机构示意图如图3-1所示和3-2所示。横向和纵向均采用步进电机—减速齿轮—滚珠丝杆螺母副—溜板的传动方式。为实现机床所需要的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆，同时为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。在本设计中采用循环插管式、双螺母垫片预紧、导柱管埋入式、精度等级为3级，型号为JSC—CDM系列滚珠丝杆副。
此外,为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构，齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。在X轴和Z轴的步进电机输出轴端配置减速器，减速器由一对啮合齿轮组成，使减速器输出轴通过连接套与滚珠丝杆直接相连，由滚珠丝杆副把动力传给工作台带动工作台的移动。
图1-2 横向传动机构示意图
1——步进电机2——齿轮减速装置3——支承装置
4——丝杠5——中滑板A、B——齿轮
图1-3 纵向传动机构示意图
1——步进电机2——齿轮减速装置3——支承装置
4——丝杠5——床鞍A、B——齿轮
5.1.2 滚珠丝杆的选择
关注丝杠副作为精密、高效的传动元件在精密机床、数控机床得到广泛应用，在机械工业、交通运输、航空航天、军工产品等各个领域应用得很普遍，可用作精密定位自动控制、动力传递和运动转换。
1）、滚珠丝杠副传动的特点。滚珠丝杠副传动与滑动丝杠传动相比有以下优点：○1传动效率高。一般可达95%以上，是滑动丝杠传动的2~4倍。
○2运动平稳，摩擦力小，灵敏度高，低速无爬行。
○3可以预紧、消除丝杠副的间隙，提高轴向接触刚度。
○4定位精度和重复定位精度高。
○5使用寿命为普通滑动丝杠的4~10倍，甚至更高。
○6同步性好，用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的部件或装置时，可获得较好的同步性。
○7使用可靠，润滑简单，维修方便。
○8不自锁，可逆向传动，即螺母为主动，丝杠为被动。旋转运动变为直线运动。
○9有专业厂生产，选用配套方便。
5.2 滚珠丝杠副精度等级确定
查参考文献得出，在车床数控化改造中可选用3级精度的滚珠丝杠。表2-2为滚珠丝杠推荐应用精度等级。
机床类型坐标精度等级
1 2 3 4 5 7 10
数控机床X
Z √√√√√
5.3 滚珠丝杠的润滑、防护、密封
○1润滑：滚珠丝杠必须润滑。滚动轴承用的各种润滑剂原则上都要可以用。
主轴的各种润滑剂和润滑方式都可以用于精密滚珠丝杠。一般情况下采用锂基润滑脂，在高速和需要严格控制升温时，可用L—AN32全损耗系统用油、汽轮机油循环润滑或喷雾润滑。
○2防护和密封：丝杠防护套有伸缩套管式、折叠套管式和螺旋钢带保护套。后者有专业厂生产，应用较广，所以选用螺旋钢带保护套。
5.4 机械本体改造和设计计算
5.4.1 纵向机械传动部分的数控化改造和设计计算
已知条件：
工作台重量（床鞍重量+中滑板重量+电动刀架）：G=800N
时间常数：T=25ms
滚珠丝杆基本导程：0p =6mm
最大行程：S=650mm
脉冲当量：δp =0.01mm/步
步角距：α=0.75./步
最大进给速度：max v =2m/min
纵向最大进给速度：max f =0.6m/min
1）切削力的计算。由《机床设计手册》可知，切削功率可由式（2-1）求的。其中，P 查《机床说明书》，可知P=4.5kw ；η一般为0.75~0.85，取η=0.8；K=0.96，则
c P =4.5╳0.8╳0.96kW=3.456kW
切削功率应按在各种加工情况下，经常遇到的最大切削力（或转矩）和最大切削转速（或转速）来计算，即由式(2-3)计算。
设按照最大切削速度来计算，取v =100m/min ，则主切削力由式（2-3）求得：
Z F =31060?v
P c N =3101003.45660??N =2073.6N 由《机床设计手册》可知，在外圆车削时：
X F =（0.1~0.55）Z F ，Y F =（0.15~0.65）Z F
取纵向切削力分力X F =0.5Z F ，横向切削力分力Y F =0.6Z F ，则
X F =0.5╳2073.6N=1032。80N
Y F =0.6╳2073.6N=1244.16N
5.4.2 滚珠丝杠设计计算
○
1滚珠丝杠的选型方案。 （a ） 螺纹滚道型面的选择：单圆弧型面、双圆弧形面。
要求：经济、易调试、稳定
方案：选用双圆弧形面。
原因：双圆弧形面接触角不变，双圆弧交接处尚有小空隙可容纳一些赃物，这对滚珠丝杠有利而不致堵塞。
（b ） 滚珠循环方式：内循环、外循环。
方案： 选用外循环。
原因：结构简单、工艺性优良、适合成批生产、经济实用，适用于重载荷传动、高速驱动及精密定位系统，是目前应用最广泛的结构。
（c ） 轴向间隙的调整和预紧力得选择：垫片式、螺纹式、齿差式。
要求：经济可靠、易拆装、刚度高。
方案：选用双螺母垫片式预紧。
原因：结构简单、装卸方便、刚度高。
滚珠丝杠副已经标准化，因此，滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠型号的选择。
○2计算作用在丝杠上的最大动载荷C （N ）。首先根据切削力和运动部件的重量引起的进给牵引力，计算出丝杠的轴向载荷，再根据要求的寿命计算出滚珠丝杠副应能承受的最大动载荷C 。
（a ） 工作负载m F 。可根据《机床设计手册》中的进给牵引力的实验公式计
算，纵向为三角形导轨，可由式（2-5）计算得到，则：
m F =[1.15╳1036.80+0.16╳（2073.6+800）]N=1652.096N
（b ） 滚珠丝杠的转速n 。可由下式计算
n =
0max 211000P f ?=60.60.51000??r/min=50r/min （c ） 丝杠寿命t 由下式求得
t =61060nT =6
10150005060??万r=45万r （d ） 丝杠工作的最大动载荷C 。可由式（2-6）求得，其中2.1=W f ，1=H f ，
则
万万595.7051096.165212.1453=???=C
5.4.3 滚珠丝杠的选型
根据C ∠C a 的原则。是选取的滚珠丝杠的额定动载荷大于计算的最大工作载
荷。查《机械零件设计手册》，由于导程为6mm ，所以选取滚珠丝杠的型号为CDM3206-5，工程直径为32mm ，其额定动载荷是26250N>7051.595N,故强度够足够。 CDM3206-5表示外循环插管式、双螺母垫片式预紧、导程管埋入式的滚珠丝杠，其为右旋螺纹，载荷钢球为5圈，精度为3级的定位滚珠丝杠副。具体参数见表2-3. 表2-3 CDM3206-5型滚珠丝杠具体参数
工程直径 mm 基本导程 mm 钢球直径 mm 丝杠外径 mm 螺纹底径 mm 额定动载荷 接触刚度 N/um d 0 P 0 D w d 1 d 2 动载荷C a 静载
荷C 0a
32 6 3.969 31.5 27.1 26250 76631
1839
螺母安装连接尺寸/mm
D D 1 D 3 D 4 B D 5 D 6 h L L 1 C A M
60
- 90 75 13 7 12 7 136 54 7 3 M6
5.4.5 滚珠丝杠的验算
○1效率计算。根据《机械原理》，丝杠螺母副的传动效率0η可由下式求得。其中，'10=?；tan γ=螺距/（π╳工程直径），γ='0253,则：
)
10253tan(253tan )tan(tan ''0'
00+=+=?γγη=0.953 ○2刚度验算。滚珠丝杠工作时受到轴向力和转矩的作用时，将引起基本导程P 0的变化。但由于滚珠丝杠受扭时引起的导程变化很小，可以忽略不计，所以工作负载引起的导程变化量⊿P 0可由式下求得，其中E=20.6╳410Mpa （20.6╳
106N/cm 2）；A 按丝杠螺纹底径确定d ，若d=2.71cm ，A=
4π╳271.2cm 2=5.765cm 2；P 0=6mm=0.6cm ，则：
⊿P=EA P F m 0?±
=765
.5106.206.0096.16526???±cm=+8.34╳10-6cm “+”用于拉伸，“-”用于压缩时。 滚珠丝杠受转矩引起的导程变化量⊿P /很小，可以忽略，即：⊿1P =⊿P 0，所以导程变形总误差⊿a P 可由下式求得。查《机床说明书》可知，a P =650mm=65cm ，则：
⊿a P =00
P P P ?总 =4.065 ╳8.34╳10-6um=13.55um 有说明书可知，丝杠纵向有效行程为650mm ，且丝杠精度等级为3级，查《机械零件设计手册》，纵向行程允许的行程变动量为16umCDM3206-5的⊿a P 为13.55um<16um,故刚度足够。 表2-4 有效行程L u 内的目标行程公差等级e p 和行程变动量V up （单位：um ）
有效行程 L u 精度等级
1 2 3 4 5
大于
至 e p V up e p V up e p V up e p V up e p V up - 315 6 6 8 8 12 12 16 16 23 23 630 800 10 8 13 12 18 16 25 23 35 31
○3稳定性校核。滚珠丝杠不失稳的条件是：临界负载荷K F ≥max F 。有式计算K F 。其中，E=20.6╳410Mpa （20.6╳10-4N/cm 2）；L 查《机械零件设计手册》可得，L=1200mm=120cm ；K f 查质料得，K f =2（双推-简支）；I 按丝杠的螺纹底径确定，d=2.71cm ，I==?464d π
2.6464cm ，则：
K F =[(2╳3.142╳2.06╳107╳2.646)/(4╳1204)]N=18660.5N>>max F =6286.5N
故稳定性没有问题。
5.4.6 确定齿轮传动比
可由式计算。其中，p δ=0.01mm/步；参考《实用微电机手册》，初选b θ=0.75.；P 0为滚珠丝杠导程，P 0=6mm ，则： i=p b P δθ00360=0.01
36060.75??=1.25 当传动比i>1时，进给传动为减速传动；当i<1时，进给传动为升速传动。因升速传动会降低电动机传递的扭矩，而减速传动会降低进给的快速运动速度，而且要考虑机械结构的紧凑，故一般传动比设计范围为：0.5>i>2,最好为1.0~2.0。
为简化其结构，均采用一级齿轮传动，其从动齿轮孔与丝杆轴颈项配合，主动齿轮孔与步进电机输出轴相配合，步进电机用固定板安装在机床上。故可取齿轮齿数：1Z =32，2Z =40。
齿轮的材料采用40Cr ，调质处理，精度等级取7级，前后轴承选用8042型流动轴承。齿轮传动时，效率ηi =0.98。
模数：查《机械设计手册单行本 齿轮传动》中表16.2.3，根据优先选用第一系列的原则，因进给运动齿轮受力不大，取模数m=2mm 。
齿宽：根据经验，取齿宽(6~10)m ，这里取10m ，得齿宽b=20mm 。
压力角：α=20.
分度圆直径由式求得，分别为：
d 1=1Z ╳m=32╳2mm=64mm
d 2=2Z ╳m=40╳2mm=80mm
中心距由式可得：
2)(21Z Z m a +==2
)4032(2+?mm= 76mm 5.4.7 横向机械传动部分的数控化改造和设计计算
已知条件：工作台重量（根据图样粗略计算）：G=400N
时间常数：T=25ms
滚珠丝杠基本导程：P 0=4mm
刀架最大行程：S=240mm
脉冲当量：P =0.005mm/步
步距角：α=0.75./步
快速进给速度：max v =1m/min
最大进给速度：max f =0.3m/min
5.4.8 切削力的计算
因为横向进给量为纵向的1/3~1/2，取1/2，则横向主切削力约为纵向的1/2。可由式求得：
z F =2
1╳2073.6N=1036.8N 由《机床设计手册》可知，横切端面时，进给力为F x （N ），背向力为F y （N ）,
可由式求得：
X F =0.5╳1036.8N=518.4N
Y F =0.6╳1036.8N=622.08N
、
5.4.9 齿轮间隙的调整环节
为了提高传动精度和传动平稳性,避免齿轮再传动中产生冲击和噪声，对于纵向、横向齿轮都需要设计中心距的调整机构。
由于主、从动齿轮在制造过程中不可避免的存在着加工误差，为使这一对相互啮合的齿轮在安装后的中心距达到标准中心距，采取如下措施。如图2-5所示，主动轮安装在步进电机1的轴上，而步进电机1的端部用螺钉与偏心轮联接，偏心套2装在箱体上，转动偏心套（这时步进电机连同主动轮4一起传动），从而可以调整主、从动轮之间的中心距。