CA6140数控化改造的机械设计文档格式.docx
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吃刀抗力为：
F`X=2680*0.4=1072
纵车外圆时的切削分力：
FX=1340N
FY=2144N
横车端面时的切削分力：
F`Y=670
F`X=1072
一、纵向进给率引力计算。
作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀当力以及移动中的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力，由于C6140纵向是综合导轨，为了提高机床低速运动的平稳性，将其纵向改造为贴塑综合导轨。
选用公式：
Fm=K.Fx+f`（Fz+G）
上式中Fx,Fz—切削力（N）；
G—移动部件的重量（N）；
f`—导轨上的摩擦系数，
K—考虑颠复力矩影响的实验系数。
由于改造后的机床纵向采用贴塑综合导轨故选取:
K=1.15f`=0.04
纵向进给率引力：
Fm=K*Fx+f`（Fz+G）
=1.15*1340+0.04*（5360+1500）
=1815.4N
Fm=1815.4N
二、横向进给率引力计算。
作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀当力以及移动中的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力，由于C6140是横向是燕尾导轨，为了提高机床低速运动的平稳性，将其改造为贴塑燕尾导轨。
F`m=1.4*F`y+f`（F`z+2F`x+G`）
上式中F`x,F`z,F`y—切削力（N）；
G`—移动部件的重量G`=850N；
f`—导轨上的摩擦系数;
由于改造后的机床横向采用贴塑燕尾导轨故选取:
f`=0.04
横向进给率引力：
=1.4*670+0.04*（2680+2*1072+850）
≈1165N
F`m≈1165N
三、计算最大动负载。
选用滚珠丝杠副的直径d0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转（106转）后，在它的滚珠上不产生点蚀现象。
这个轴向负载的最大值（即称为滚珠丝杠能承受的最大动负载C），可用下式计算：
C=
fωFm
L=60*n*T/106
n=1000*vs/L0
L0—滚珠丝杠导程，纵向初选L0=6mm,横向初选L`0=5mm;
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纵=0.5m/min*0.5,
vs横=0.2m/min*0.5;
T—使用寿命，按15000h;
fω—运转系数，按一般运转取fω=1.2~1.5，这里选取为fω=1.2;
L—寿命，以106转为1单位。
滚珠丝杠导程，初选为：
纵向:
L0=6mm;
横向:
L`0=5mm;
三、计算丝杠的最大动负载。
纵向丝杠的最大动载荷C纵：
n纵=1000vs纵/L0
=1000*0.5*0.5/6
=41.67r/min
L纵=60*n纵*T/106
=60*41.67*15000/106
=37.503
C纵=
纵fωFm
=
*1.2*1815.4
≈7292N
横向丝杠的最大动载荷C横：
n横=1000vs横/L`0
=1000*0.2*0.5/5
=20r/min
L横=60*n横*T/106
=60*20*15000/106
=18
C横=
横fωF`m
*1.2*1165
≈3664N
=7292N
≈3664N
四、滚珠丝杠螺母副的选型。
查附录A表3后：
可采用W1L4006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，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。
可采用W1L2005外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动负载为8800N，精度等级按表4-15选为3级。
W1L4006
W1L2005
五、传动效率的计算。
传动效率计算工式如下：
=tg/tg（+）
上式中：
—螺旋升角，
W1L4006=2。
44`
W1L2005`=4。
33`
—摩擦角取10`滚动摩擦系数0.003~0.004
=tg2。
44`/tg（2。
44`+10`）≈0.94
`=tg`/tg（`+）
=tg4。
33`/tg（4。
33`+10`）≈0.96
传动效率计算结果如下：
≈0.94
`≈0.96
六、滚珠丝杠纵向W1L4006和横向W1L2005的几何参数如下所示：
名称
符号
计算公式
W1L2005
螺
纹
滚
道
公称直径
d0
40mm
20mm
导程
L0
6mm
5mm
接触角
β
2044`
4033`
钢球径（mm）
dq
3.969
3.175
滚道法面半径
R
R=0.52dq
2.064
1.651
偏心距
e
0.056
0.045
螺纹升角
γ
γ=arctg（L0/3.14/d0）
杆
螺杆外径
d
d=d0-（0.2~0.25）dp
39
19.4
螺杆内径
d1
d1=d0+2e-2R
35.984
16.788
螺杆触直径
dz
dz=d0-dqCosβ
36.0355
16.835
母
螺母螺纹直径
D
D=d0-2e+2R
44.016
23.212
螺母内径
D1
D1=d0+（0.2~0.25）dp
40.7938
20.635
七、纵向丝杠刚度验算。
纵向进给滚珠丝杠支承方式如下所示：
最大牵引力Fm=1815.4N。
支承间距为L=1500mm丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。
纵向丝杠的拉伸或压缩变形量1按下式计算：
1=ΔL/L0*L
在上式中L—滚珠丝杠在支承间的受力长度，L=1500（mm）;
在上式中ΔL—在工作负载作用下引起每一导程的变化量，（mm）ΔL可用下式计算：
ΔL=±
Fm*L0/（E*F）
Fm—工作负载，即进给率引力，Fm=1815.4N；
L0—滚珠丝杠的导程，L0=6mm；
E—材料弹性模数，对钢E=20.6*104N/mm2;
F—滚珠丝杠截面积，按内径确定为:
F=1016.97mm2;
=1815.4*6/（20.6*104*1016.97）
=0.000052mm
1=ΔL/L0*L
=0.000052/6*1500
=0.013mm
由于两端均采用了向心推力球轴承,且丝杠双进行了预拉伸,故其拉压刚度可以提高四倍,其实际变形量为:
`1=1/4=0.013/4=0.00325mm
滚珠与螺纹滚道间接触变形2
经查图4-7,W系列1列2.5圈滚珠各螺纹滚道接触变形量Q:
Q=4.5μm
因为进行了预紧故:
2=Q/2=4.5/2=2.25μm=0.00225mm
支承滚珠丝杠的轴向接触变形3
采用8107型推力球轴承,d1=35mm,滚动体直径dQ=6.35mm,滚动体数量Z=18;
注意:
式中Fm单位为Kgf;
拉伸或压缩变形量为:
1=0.00325mm
滚珠与螺纹滚道间接触变形量为:
2=0.00225mm
C=0.0024*（Fm2/dQ/Z2）1/3
=0.0024*（181.542/6.35/182）1/3
≈0.0061mm
因为施加了预紧力,故:
3=C/2
=0.0061/2
=0.00305mm
根据以上计算总的变形量:
=1+2+3
=0.00325+0.00225+0.00305
=0.00855mm<
定位精度±
0.015mm
支承滚珠丝杠的轴向接触变形3:
3=0.00305mm
结论:
总的变形量<
定位精度,故满足机床使用要求。
八、纵向丝杠稳定性校核。
滚动丝杠两端采用了推力轴承,不会产生失稳现象不需要稳定性校核。
稳定性好。
九、横向丝杠刚度验算。
横向进给滚珠丝杠支承方式如下所示：
最大牵引力F`m=1165N,D0=20mm;
支承间距为L=450mm;
丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。
计算如下:
横向丝杠的拉伸或压缩变形量1（mm）：
查表4-6,根据F`m=1165N,D0=20mm,查出
L/L=3*10-5,可算出
1=L/L*L
=3*10-5*450
=0.0135mm
`1=1/4=0.0135/4
≈0.0034mm
1=0.0034mm
Q=6μm
2=Q/2=6/2=3μm=0.003mm
采用8102型推力球轴承,d=15mm,滚动体直径dQ=4.763mm,滚动体数量Z=12;
=0.0024*（116.52/4.763/122）1/3
≈0.0065mm
3=C/2=0.0065/2
≈0.0033mm
=0.0034+0.003+0.0033
=0.0097mm<
2=0.003mm
3=0.0033mm
十、横向丝杠稳定性校核。
计算临界负载FK（N）
FK=fz*π2*E*I/L2
式中E—材料弹性模量,钢:
E=20.6*106N/cm2;
I—截面惯性矩（cm4）丝杠:
I=π/64*d14,d1为丝杠内径;
L—丝杠两支承端距离（cm）;
fz—丝杠支承方式系数,从表4-13中查出,一端固定,一端简支fz=2.00
I=π/64*d14
=π/64*1.67884
=0.3899cm4;
=2.00*π2*20.6*106*0.3899/452
=78293.4N
nk=Fk/F`m
=78293.4/1165
=67.2>
>
[nk]（一般[nk]=2.5~4）
经计算此滚珠丝杠不会产生失稳。
nk=67.2>
[nk]
一、纵向齿轮传动比计算。
已确定纵向进给脉冲当量δp=0.01mm/脉冲，滚珠丝杠导程Ｌo＝６mm，初选步进电机步距角θb=0.75o。
可计算出传动比i:
i=360o*δp/Ｌo/θb=360o*0.01/0.75o/6
=0.8
可选齿轮齿数为：
i=Z1/Z2
=32/40或20/25
即：
取Z1＝32,Z2＝40或Z1＝20,Z2＝25
初选步进电机步距角为：
θb=0.75o
二、横向齿轮传动比计算。
已确定横向进给脉冲当量δp=0.005mm/脉冲，滚珠丝杠导程Ｌo＝5mm，。
i=360o*δp/Ｌo/θb=360o*0.005/0.75o/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，故此处采用双级齿轮降速：
i=（Z1/Z2）*（Z3/Z4）=（3/5）*（4/5）
=（24/40）*（20/25）
取Z1＝24,Z2＝40,Z3＝20,Z4＝25
因进给运动齿轮受力不大，模数m取２。
有关几何参数如下表所示：
齿数
32
40
24
20
25
分度圆
d=mz
64
80
48
50
齿顶圆
da=d+2m
68
84
52
44
54
齿根圆
df=d-2*1.25m
59
75
43
35
45
齿 宽
（6~10）m
中心距
A=（d1+d2）/2
72
一、纵向步进电机计算。
、等效传动惯量计算。
计算简图如下所示：
传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量JΣ（Kg.cm2）可由下式计算:
JΣ=JM+J1+（Z1/Z2）2[（J2+JS）+G/g（L0/（2π））2]
在上公式中：
JM—步进电机转子转动惯量（kg·
cm2）。
J1、J2—齿轮Z1、Z2的转动惯量（kg·
cm2）
JS—滚珠丝杠转动惯量（kg·
参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转子转惯量JM=10kg·
cm2。
J1=0.78*10-3*D14*L1=0.78*10-3*6.44*2
=2.62kg.cm2
J2=0.78*10-3*D24*L2=0.78*10-3*84*2
=6.39kg.cm2
Js=0.78*10-3*44*150=29.952kg.cm2
初选反应式步进电机：
150BF
G=1500N
代入上式：
JΣ=JM+J1+（Z1/Z2）2[（J2+JS）+G/g（L0/（2π））2]
=10+2.62+（32/40）2[（6.39+29.952）
+1500/9.8（0.6/（2π））2]
=36.77kg.cm2
考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题：
JM/JΣ=10/36.77=0.272
基本满足惯量匹配要求。
、电机的力矩计算
机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算：
快速空载起动力矩M起
在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下：
M起=Mamax+Mf+Mo
Mamax=JΣ*ε
=JΣ*10-2*nmax/（0.6/（2π）*ta）
=JΣ*nmax*2π*10-2/（60*ta）
传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量JΣ=36.77kg.cm2
JM/JΣ=0.272
nmax=（Vmax/δp）*（θb/360o）
将前面数据代入，式中各符号意义同前。
nmax=（Vmax/δp）*（θb/360o）
=（2000/0.01）*（0.75o/360o）
=416.7rpm
起动加速时间：
ta=25ms=0.025s
Mamax=JΣ*nmax*2π*10-2/（60*ta）
=36.77*416.7*2π*10-2/（60*0.025）
=641.8N.cm
折算到电机轴上的摩擦力矩Mf:
Mf=FoLo/（2πηi）=f`（Fz+G）*Lo/（2πηZ2/Z1）
=0.04*（5360+1500）*0.6/（2π*0.8*1.25）
=26.2N.cm
附加摩擦力矩Mo:
Mo=FpoLo/（2πηi）*（1-ηo2）
=Fm/3*Lo/（2πηZ2/Z1）*（1-ηo2）
=1815.4/3*0.6/（2π*0.8*1.25）（1-0.92）
=11N.cm
上述三项合计：
M起=Mamax+Mf+Mo=641.8+26.2+11
=679N.cm
快速空载起动力矩M起：
M起=679N.cm
快速移动时所需力矩M快。
M快=Mf+Mo=26.2+11=37.2N.cm
最在切削负载时所需力矩M切：
M切=Mf+Mo+Mt=Mf+Mo+FxLo/（2πηi）
=26.2+11+1340*0.6/（2π*0.8*1.25）
=165.2N.cm
从上面的计算可以看出，M起、M快和M切三种工况上，以快速空载起动所需力矩最大，经此项作为初选步进电机的依据。
从表4-22查出,当步进电机为五相十拍时λ=M起/Mjmax=0.951。
最大静力矩Mjmax=M起/λ=679/0.951≈714N.cm。
按此最大静力矩从表4-23查出，150BF002型最大静转矩为1372N.cm。
大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动频率特性和运行频率特性。
、计算步进电机空载起动频率f起和切削时的工作频率f切。
快速移动时所需力矩M快：
M快=37.2N.cm
M切=165.2N.cm
f起=1000Vmax/60/δp=1000*2.0/60/0.01
=3333.3Hz
f切=1000Vs/60/δp=1000*0.5/60/0.01
=833.3Hz
从表4-23中查出150BF002型步进电机允许的最高空载起动频率为2800Hz运行频率为8000Hz，再从图4-17，图4-18查出150BF002型步进电机起动矩频特性曲线和运行矩频特性曲线（附第28页）。
由图可以看出，当步进电机起动时，f起=2500Hz时，M=100N.cm，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（679N.cm）直接使用则会产生失步现象，所以必须采取升降速控制（用软件实现），将起动频率降到1000Hz时。
起动力矩可增高到588.4N.cm，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可将步进电机输出力矩扩大一倍左右。
当快速运动和切削进给时，150BF002型步进电机运行矩频特性完全可以满足要求。
空载起动频率:
f起=3333.3Hz
切削时的工作频率:
f切=833.3Hz
150BF002型步进电机起动矩频特性曲线如下所示：
150BF002型步进电机运行矩频特性曲线如下所示：
二、横向步进电机计算。
JΣ=JM+J1+（Z1/Z2）2{J2+J3+（Z3/Z4）2[（J4+JS）
+G/g（L`0/（2π））2]}
J1、J2、J3、J4—齿轮Z1、Z2、Z3、Z4的转动惯量（kg·
参考同类型机床，初选反应式步进电机110BF，其转子转惯量JM=4.7kg·
J1=0.78*10-3*D14*L1=0.78*10-3*4.84*2
=0.828kg.cm2
110BF
J3=0.78*10-3*D34*L3=0.78*10-3*44*2
=0.399kg.cm2
J4=0.78*10-3*D44*L4=0.78*10-3*54*2
=0.975kg.cm2
Js=0.78*10-3*24*45=0.561kg.cm2
G=85
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