（图纸+论文）CA6140普通车床数控改造设计（全套完整）

通过装在工作台上的直线位移测量元件的反馈信号校正机械系统的误差。

半闭环补偿型控制方式。

其特点是用半闭环控制方式取得高速度控制，再用装在工作台上的直线位移测量元件实现全闭环修正，以获得高速度与高精度的统。

.数控机床的特点及应用范围数控机床的加工特点．加工精度高目前数控机床的脉冲当量普遍达到了．，而且进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿。

数控机床的加工精度由过去的．提高到．。

定位精度年代初中期已达到。

．对加工对象的适应性强在数控机床上改变加工零件时，只需重新编制更换程序，输入新的程序后就能实现对新零件的加工。

．自动化程度高，劳动强度低数控机床对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作面板装卸零件关键工序的中间测量以及观察机床的运行外，其他的机床动作直至加工完毕，都是自动连续完成，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度与紧张程度均可大为减轻，劳动条件也得到了相应的改善。

．生产效率高数控机床能有效的减少机动时间与辅助时间，每道工序都能选用最有利的切削用量，选用了很高的空行程运动时间。

大静力矩.按此最大静转矩，查表，型最大静转矩为。

大于所需最大静力矩，可作为初选型号，但还必须进步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。

计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率步进电动机的最高工作频率型步进电机允许的最高空载起动频率为，运行频率为。

由步进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线看出当步进电机起动时，时，。

远不能满足此机床所需求的空载起动力矩.，直接使用则会产生失步现象，所以必须采用升降速控制用软件实现，将运动频率降到时，起动力矩可增到．，然后在电路上采用高低压驱动电路，还可将步进电机输出力矩扩大倍左右。

当快速运动和切削进给时，型步进电机运行频率特性完全可以满足要求。

根据计算综合考虑选型步进电动机磁阻式步进电动机技术数据型号相数步距角.电压相电流最大静转矩•.空载起动频率空载运行频率电感电阻.分配方式五相十拍外形尺寸质量纵向进给机构改造时拆除原机床的进给箱及丝杠，将步进电机减速齿轮箱安装在原机床的尾端，滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置，两端仍采用原固定方式，这样可以减小改装工作量，并由于滚珠丝杠的磨擦系数小于原丝杠，从而使纵向进给机构整体刚度增大。

为了便于安装滚珠丝杠副，丝杠轴不是整体的，而是分移式的，用套筒刚性联接。

采用级齿轮减速。

.横向进给系统的设计计算横向进给切削力的确定设计参数溜板及刀架重力横向刀架快速速度横向．最大进给速度横向．主电动机功率主，起动加速时间机床定位精度．。

滚珠丝杠导程取为横向进给切削力的确定横向进给力为纵向的，取为，则纵按切削力各分力比横向进给滚珠丝杠螺母副的计算和选型选型横向为燕尾导轨，则轴向进给切削力式中考虑颠覆力矩影响的实验系数，燕尾导轨取.滑动导轨摩擦系数，取.溜板及刀架重力，。

计算最大动负载，。

式中滚珠丝杠导程，初选。

最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的，此处．使用寿命，数控机床用滚动丝杠寿命运转系数，按般运转取寿命，以为单位。

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.，.根据值，的原则查表可采用外循环双螺母垫片预紧的双螺母滚珠丝杠副。

字母含意外循环插管垫片预紧插管埋入式。

其几何参数如下公称直径导程钢球直径.螺旋角丝杠外径.循环列圈数.额定动载荷刚度传动效率计算丝杠副传动效率η．式中螺旋升角滚珠丝杠，摩擦角，。

滚动摩擦系数。

丝杠的刚度验算工作时受轴向力和扭转作用，因丝杠受扭时引起的导程变化很小，可忽略不计，故工作负载引起的导程变化量式中丝杠导程.进给牵引力弹性模量.滚珠丝杠截面积按底径直.确定.则.丝杠长度上导程变形总误差总.三级精度滚珠丝杠允许误差为故刚度足够。

丝杠的稳定性计算滚珠丝杠失稳时临界负载式中丝杠轴端系数，两端铰支取丝杠长度，取丝杠弹性模量，对钢材质取.丝杠截面惯性矩，对实心圆柱体许用安全系数稳定性安全系数.故滚珠丝杠满足稳定性要求不失稳。

横向进给减速齿轮的设计与校核齿轮的设计传动比的选定对于步进电机，当脉冲当量确定，并且滚珠丝杠导程和电机步距角选定后，则该轴伺服传动系统的传动比•.齿轮的设计采用二级齿轮传动，.取大小齿轮均采用钢并进行调质处理，选小齿轮硬度，大齿轮硬度，精度选级。

齿宽.，齿轮传动效率η.齿轮几何尺寸计算.，.，.，.，齿轮校核级齿轮副强度校核小齿轮转矩式中电动机的输出功率电动机效率取.则小齿轮的转速小齿轮的圆周速度动载荷系数式中使用系数取动载荷系数取.齿向载荷系数取.齿向载荷分配系数由查表并插值得.则许用弯曲应力式中弯曲疲劳极限弯曲寿命系数尺寸系数取安全系数取.则齿要弯曲疲劳强度校核计算由式式中齿形系数应力修正系数重合度系数则故齿根弯曲强度足够，满足要求。

二级齿轮副强度校核小齿轮转矩式中η.小齿轮的圆周速度动载荷系数式中使用系数取动载荷系数取.齿向载荷系数取.齿向载荷分配系数由查表并插值得.则许用弯曲应力式中弯曲疲劳极限弯曲寿命系数尺寸系数取安全系数取.则齿要弯曲疲劳强度校核计算由式式中齿形系数应力修正系数重合度系数则故齿根弯曲强度足够，满足要求。

轴向刚度高反向定位精度高，由于可能完全消除丝杠与螺母之间的间隙并可实现滚珠的预紧，因而轴向刚度，反向时无空行程，定位精度高。

磨损小寿命长维护简单，使用寿命是普通滑动丝杠的倍。

传动具有可逆性不能自锁，由于摩擦因数小，不能自锁因而使该机构的传动具有可逆性，即不仅可以把旋转运动转化为直线运动，而且还可以把直线运动转化为旋转运动。

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。

有专业厂生产，选用配套方便，目前滚珠丝杠不仅广泛应用于数控机床，而且越来越多地代替普通丝杠螺母机构，用于各种精密机床和精密装置。

计算进给牵引力式中考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取．滑动导轨摩擦系数，取溜板及刀架重力，。

计算最大动负载，。

式中滚珠丝杠导程，初选。

最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的，此处．使用寿命，数控机床用滚动丝杠寿命运转系数，按般运转取寿命，以为单位。

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，纵向进给滚珠丝杠螺母副的选型滚珠丝杠副选择的主要依据是工作动负荷必须小于滚珠丝杠的额定动负荷，即必须满足。

公称直径越大，承载能力和刚度越大，数控机床常用进给丝杠的公称直径为取滚珠丝杠副按其使用范围及要求分为个精度等级，即，级最高，其余依次降低般选用级，数控机床及精密机械可选级，滚珠丝杠副的精度直接影响定位精度承载能力和接触刚度，故选择级精度。

查表可采用外循环双螺母垫片预紧的双螺母滚珠丝杠副。

字母含意外循环插管垫片预紧插管埋入式。

其几何参数如下公称直径导程钢球直径.螺旋角丝杠外径循环列圈数.额定动载荷额定静压载荷刚度传动效率计算丝杠副传动效率η．式中螺旋升角滚珠丝杠，摩擦角，。

滚动摩擦系数。

丝杠的刚度验算工作时受轴向力和扭转作用，因丝杠受扭时引起的导程变化很小，可忽略不计，故工作负载引起的导程变化量式中丝杠导程.进给牵引力弹性模量.滚珠丝杠截面积按外径.确定.则.丝杠长度上导程变形总误差总.三级精度滚珠丝杠允许误差为故刚度足够。

丝杠的稳定性计算滚珠丝杠失稳时临界负载式中丝杠轴端系数，两端铰支取丝杠长度，取丝杠弹性模量，对钢材质取.丝杠截面惯性矩，对实心圆柱体许用安全系数稳定性安全系数.故滚珠丝杠满足稳定性要求不失稳。

纵向进给减速齿轮的设计与校核齿轮的设计传动比的选定对于步进电机，当脉冲当量确定，并且滚珠丝杠导程和电机步距角选定后，则该轴伺服传动系统的传动比•.齿轮的设计大小齿轮均采用钢并进行调质处理，选小齿轮硬度，大齿轮硬度，精度选级。

齿宽.，齿轮传动效率η.齿轮几何尺寸计算.，.，齿轮校核小齿轮转矩式中电动机的输出功率电动机效率取.则小齿轮的转速小齿轮的圆周速度动载荷系数式中使用系数取动载荷系数取.齿向载荷系数取.齿向载荷分配系数由查表并插值得.则许用弯曲应力式中弯曲疲劳极限弯曲寿命系数尺寸系数取安全系数取.则齿要弯曲疲劳强度校核计算由式式中齿形系数应力修正系数重合度系数则故齿根弯曲强度足够，满足要求。

纵向进给步进电动机的计算和选型等效转动惯性量计算传动系统折算到电机轴上总的转动惯量式中步进电机转子转动惯量齿轮，的转动惯量滚珠丝杠转动惯量参考同类机床，初选磁滞式反应式步进电机，其转子转动惯量对材料为钢的圆柱形零件，其转动惯量计算式中圆柱形零件直径零件轴向长度.，.，查表查出长丝杠转动惯量为.，则，得.则总的转动惯量.负载转矩计算及最大静转矩选择.快速空载起动时所需力矩式中快速起动时所需力矩快速空载时折算到电动机轴上的最大加速力矩折算到电动机轴的摩擦力矩丝杠预紧时折算到电动机轴上的附加摩擦力矩当工作台快速移动时，电动机转速.折算到电动机轴上的摩擦力矩η式中导轨的摩擦力垂直方向切削力η主传动效率.ηη.附加摩擦力矩ηη.式中滚珠丝杠预加负荷取η滚珠丝杠未预紧时的传动效率取为快速移动时所需力矩最大切削负载时所需力矩式中折算到电动机轴上的切削负载力矩η.则从上面计算可以看出，三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大。

以此项作为初选步进电机的依据。

查表，查表，当步进电机为五相十拍时．。

最证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求进给驱动系统必须具有足够宽的调整范围。

低速大转矩根据机床的加工特点，经常在低速下进行重切削，即在低速下进给驱动系统必须有大的转矩输出。

伺服系统实现位置伺服控制有开环闭环半闭环三种方式。

开环控制的伺服系统存在着控制精度不高的问题，但步进电机具有角位移与输入脉冲的严格对应关系，使步距误差不会积累。

步进电机的转速和输入脉冲频率也有严格的对应关系，而且具有在负载能力范围内不随电流电压负载环境条件的波动而变化的特点。

此外，步进电机控制的开环系统不存在位置检测与反馈控制的问题，结构比较简单，易于控制系统的实现与调试。

并且随着电子技术和计算机控制技术的发展，在改善步进电机控制性能方面也取得了可喜的进展。

因此，在定范围内，这种采用步进电机傲为驱动执行元件的开环伺服系统可以满足加工要求，适宜于在精度要求不很高的般数控系统中应用。

虽然闭环半闭环控