毕业设计（论文、作业）
毕业设计（论文、作业）题目：
普通卧式车床的数控化改造
分校（站、点）： 松江分校
年级、专业： 10（秋）机电一体化技术（工业控制PLC) 教育层次： 大专 学生姓名： 梁小灵 学 号： 108071233 指导教师： 沈宁 完成日期： 2013.5.15
目 录
内容摘要和关键词 ……………………………………………………………………Ⅰ 一、设计背景 …………………………………………………………………………1 (一）数控设备 …………………………………………………………………………1 (二）数控技术 …………………………………………………………………………1 二、数控机床工作原和结构 …………………………………………………………2 （一）数控机床工作原理 ……………………………………………………………2 （二）数控机床结构 …………………………………………………………………2 1、控制媒介 …………………………………………………………………………2 2、数控装置 …………………………………………………………………………2 3、伺服系统 …………………………………………………………………………2 4、机床本体 …………………………………………………………………………2 三、机床的改造 …………………………………………………………………………2 （一）数控系统的选择 …………………………………………………………………2 （二）伺服系统的选择 …………………………………………………………………3 （三）功能部件的选择 …………………………………………………………………3 （四）结构设计 …………………………………………………………………………3 四、设计参数 ……………………………………………………………………………3 五、实施方案 ……………………………………………………………………………3 六、横向进给传动链计算 ………………………………………………………………4 （一）、主切削力及切削分力计算 ……………………………………………………4 （二）、导轨摩擦力计算 ………………………………………………………………4 （三）、计算滚珠丝杠副的轴向负载力 ………………………………………………4 （四）、确定进给传动链的传动比i 和传动级数 ……………………………………4 （五）、滚珠丝杠的动负荷计算与直径计算 …………………………………………5 （六）、滚珠丝杠副的承载能力校验 …………………………………………………6 1、滚珠丝杠副临界压缩载荷
f
c
的校验 ……………………………………………6
2、滚珠丝杠副临界转速n c 的校验 …………………………………………………6 3、滚珠丝杠副额定寿命的校验 ……………………………………………………7 （七）、计算机械传动系统的刚度 ……………………………………………………7 1、机械传动系统的刚度计算 ………………………………………………………7
2、计算滚珠丝杠副的扭转刚度k …………………………………………………8 (八）、驱动电机的选型与计算 ………………………………………………………8 1、计算折算到电动机轴上的负载惯量 ……………………………………………8 2、计算折算到电动机轴上得负载力矩 ……………………………………………9 3、计算折算到电动机轴上的加速力矩T ap ………………………………………10 4、计算横向进给系统所需的折算到电动机轴上的个中力矩 ……………………10 5、电动机的选型 ……………………………………………………………………10 参考文献 ………………………………………………………………………………11 致谢 ……………………………………………………………………………………12
内 容 摘 要
数控机床是将计算机系统和自动控制技术综合应用于机床上逐渐发展起来的。从20世纪50年代中期世界上第一台数控机床出现到今天，数控机床经历了电子管时代，晶体管时代，集成电路时代，发展到今天基于工业计算机构建的高性能，高可靠性控制系统时代，数控系统的控制方式也由早期的硬件控制发展到现今的以高性能计算机为基础的软件控制。
数控车床综合应用了计算机，自动控制，精密测量，现代机械制造和数据通信等技术。是机械加工中典型的机电一体化设备，适用于多品种，中小批量，结构复杂，精度较高的回转零件加工。
数控车床作为典型的机电一体化设备，在机械加工中发挥着重要作用，很好的解决了多品种，中小批量，结构复杂，精度较高的回转零件加工。但从目前企业的情况来看，数控机床普遍面临着价格较高，一次性投入较大等问题。我国是机床使用大国，对普通机床进行数控化改造不失为一种降低投入成本较好的方法。 关键词：
车床 加工 自动控制 精密测量
普通卧式车床的数控化改造
一·设计背景 （一）数控设备
近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS 模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。
2001年，我国机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3%。
近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等，出口的数控机床品种以中低档为主。 （二） 数控技术
装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，有什么劳动资料生产” 。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用的数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：（1）机械制造技术；（2）信息处理、加工、传输技术；（3）自动控制技术；（4）伺服驱动技术；（5）传感器技术；（6）软件技术等。
二·数控机床工作原理和结构
（一）数控机床工作原理
按零件加工的技术要求和工艺要求，编写零件的加工程序，然后将加工程序输入到数控装置，通过数控装置控制机床的主轴运动、进给运动、更换刀具，以及工件的夹紧与松开，冷却、润滑泵的开与关，使刀具、工件和其它辅助装置严格按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合图纸要求的零件。 （二）数控机床结构 1·控制介质
控制介质以指令的形式记载各种加工信息，如零件加工的工艺过程、工艺参数和**运动等，将这些信息输入到数控装置，控制数控机床对零件切削加工。 2·数控装置
数控装置是数控机床的核心，其功能是接受输入的加工信息，经过数控装置的系统软件和逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理，向伺服系统发出相应的脉冲，并通过伺服系统控制机床运动部件按加工程序指令运动。 3·伺服系统
伺服系统由伺服电机和伺服驱动装置组成，通常所说数控系统是指数控装置与伺服系统的集成，因此说伺服系统是数控系统的执行系统。数控装置发出的速度和位移指令控制执行部件按进给速度和进给方向位移。每个进给运动的执行部件都配备一套伺服系统，有的伺服系统还有位置测量装置，直接或间接测量执行部件的实际位移量，并反馈给数控装置，对加工的误差进行补偿。 4·机床本体
数控机床的本体与普通机床基本类似，不同之处是数控机床结构简单、刚性好，传动系统采用滚珠丝杠代替普通机床的丝杠和齿条传动，主轴变速系统简化了齿轮箱，普遍采用变频调速和伺服控制。
三·机床的改造
（一）数控系统的选择
卧式车床数控化改造后应具有定位、快速进给、直线插补、圆弧插补、暂停、循环加工、螺纹加工等功能。因此，卧式车床数控化改造所选用的数控系统应该为连续控制系统。当前市场关于卧式机床数控化改造的数控系统较多。
华中—世纪星数控系统是在华中1型，华中2000系列数控系统的基础上，为满足用户对低价格，高性能，简单，可靠地要求而开发出的数控系统。其具有以下几个鲜明特色。
1. 可靠性高，具有很强的抗干扰性。
2. 性能高，最多可控制4个进给轴和一个主轴，支持4轴联动。 3. 价格低，只有同档次产品的1/2——1/3。 4. 能实现闭环控制。
（二）、伺服系统的选择
卧式车床数控化改造后一般为经济型数控机床。在保证有一定加工质量的前提下，从经济性方面考虑，应该简化结构，降低成本，所以进给伺服系统采用以步进电动机为驱动装置的开环系统。 （三）功能部件的选择
主要是滚珠丝杠及支撑方式的选择，电动回转刀架的选择。 （四）结构设计
主要是纵向进的设计给传动系统、横向进给传动系统的设计和机床导轨的维护，采用贴塑导轨以减小摩擦力。
四·设计参数
设计参数包括车床的部分技术参数和车床实施数控化改造所需要的参数。 1、最大加工直径：在床面上410mm ，在床鞍山210mm. 2、行程：纵向1000mm ，横向210mm 。 3、最大加工长度：1000mm 。
4、快速进给速度：纵向2500mm/min，横向1300mm/min。 5、溜板及刀架质量：纵向82kg ，横向62kg 。
6、最大切削进给速度：纵向500mm/min，横向250mm/min。 7、主电动机功率：8kw 。 8、定位精度：0.04mm/全行程。 9、重复定位精度：0.016mm/全行程。 10、输入方式：增量值、绝对值通用 11、控制坐标数：2。
12、脉冲当量：纵向0.01mm/脉冲，横向0.0mm/5脉冲。
五、实施方案
进给系统数控改造的主要部位有：交换齿轮箱、进给箱、溜板箱、刀架等。 1、交换齿轮系统：都要拆除，在原挂轮主轴处安装光电脉冲编码器。
2、进给箱部位：都要拆除，在该处安装纵向进给步进电动机与齿轮减速箱总成。丝杠、光杠和操纵杠拆除，齿轮箱连接滚珠丝杠。滚珠丝杠的另一端的支撑座安装在车床尾座端原来装轴承座的部位。
3、溜板箱部位：都要拆除，在原处安装滚珠丝杠的螺母座，丝杠螺母固定在其上。在该处还可以安装部分操作按钮。
4、横溜板部位：将原来横溜板中的滚珠丝杠、螺母拆除，该处安装横向进给滚珠丝杠副，横向进给步进电动机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。
5、刀架部分：拆除原刀架，该处安装自动回转四方刀架总成。
六、横向进给传动链计算
（一）、主切削力及切削分力计算 1、计算住切削力
f
z
已知机床电动机的额定功率Pm 为8KW ，最大工件直径D=410mm，主轴计算
转速n=90r/min，在此转速下，主轴具有最大转矩和功率，在此转速下道具切削速度为 V=
πDn 3. 14⨯410⨯0. 001⨯90
=m/s=1.88m/s 6060
取机械效率η=0.85则有
f
z
=
η
p
v
m
⨯10=
3
0. 85⨯83
⨯10N=3617.02N
1. 88
2、计算各切削分力，走刀方向的切削分力
f
x
和垂直走刀方向的切削分力
f
y
的计算。
f
x
=0.25=0.4
f
z
z
=0.25⨯3617.02N=904.26N
f
y
f
=0.4⨯3617.02N=1446.8N
（二）、导轨摩擦力计算 1、计算在切削状态下的导轨摩擦力切削分力固力
f μ此时导轨受到的垂向切削力f
v
=
f
z
=3617.02N，横向
f
c
=
f
x
=904.26N，移动部件的全部重量（包括机床夹具和工件的质量）W=600N，镶条紧
f
g
=2000N，取导轨动摩擦系数μ=0.1，则
+
f μ=μ（W+f
有
g
f
v
+
f
c
）=0.1（600+2000+3617.02+904.26）N=712.13N
2、计算在不切削状态下的导轨摩擦力
f μ
和导轨静摩擦力
f
取导轨静摩擦因数
μ
=0.2则
f μ
=μ（W+
（W+
f f
g
）=0.15（600+2000）N=390N ）=0.2（600+2000）N=520N
f =μ
0g
（三）、计算滚珠丝杠副的轴向负载力 1、最大轴向负载力2、最小轴向负载力
f f
a max
的计算：的计算：
f f
a max
=
f
y
+
f μ=（144.81+712.13）N=2158.94N
a min a min
=
f μ
=390N
（四）、确定进给传动链的传动比i 和传动级数 取步进电动机的步距角α=1.5，滚珠丝杠的基本导程
L
=6mm，该进给传动链的脉冲当量取
δ
p
=0.005，则
i =
360p
α0
=
1. 5⨯6
=5
360⨯0. 005
按最小惯量条件，根据大功率传动基数曲线和大功率第一级传动比曲线，可得该减速器应采用2级传动，传动比可以分别取
i =2i
1
2
=2.5。根据结构需要，确定个传动齿轮的齿数分别为
z =20、
1
z
2
=40、
z =20、z
3
4
=50，模数m=2mm，齿宽b=20mm。
（五）、滚珠丝杠的动负荷计算与直径计算
1、按预定工作时间估算滚珠丝杠预期的额定动负荷滚珠丝杠的当量载荷为3级，得精度系数大切削速度
c
am
已知机床的预期工作时间
L
h
=1500h，
f
m
=
f
a max
=2158.94N，取负荷系数
f
w
=1.3，初步选择滚珠丝杠的精度等级
f
a
=1，得可靠性系数
f
c
=1；取滚珠丝杠的当量转速
n =n
m 0
max
，该转速为最
v
max
时的转速，已知
v
max
=0.25m/min，滚珠丝杠的基本导程
L
=6mm，则
n c
=max
1000nax 1000⨯0. 25
=r/min
6L 0
am
=f f 60n L
100m
w
m
h
=60⨯41. 7⨯5000⨯
c
a
2158. 94⨯1. 3
N =9394.478N
100⨯1⨯1
2m
2、按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹低径
d
（1）根据定位精度的重复定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形。已知工作台的定位精度为40μm ，重复定位精度为16μm ，则有
δδ
11
～）⨯16μm =5.33～8μm 2311（～）⨯40μm =8～10μm =max 2
45
=（max 1
取上述计算结果的较小值，即
δ
max
=5.33μm
（2）估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹低径
d
2m
。滚珠丝杠副的安装方式采用一端固定一端游
动支撑方式，滚珠丝杠两个固定支撑之间的距离为
L =行程+安全行程+2⨯余程+螺母长度+支撑长度≈（1.2～1.4）行程+（25～30）（1.4⨯200+30⨯6）=474mm；则有
L
=
d
≥2⨯0.0392m
f
L
=0.078
max
520⨯474
mm=16.77mm
5. 33
（3）初步规定滚珠丝杠副的规格型号。根据以上计算所得
L 、c
am
、
d
2m
和结构的需要，初
步选择国产FFZL 型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠副，型号为FFZI250－3，其公称直径基本导程
底径
d
=25mm，
L
=6mm，额定动负荷=21.9mm〉
c
a
=11300〉
c
am
=9394.478N；
d
2
d
2m
=16.52mm；故满足要求。
（六）、滚珠丝杠副的承载能力校验 1、滚珠丝杠副临界压缩载荷滚珠丝杠福的螺纹底径
f
c
的校验
d
=21.9mm，最大受压长度2
L
=313mm，丝杠水平安装时取1
k 1
=
1
、3
k 2
=2，则
f =k 1k 2⨯⨯10
L
c
4
22
5
1
1
=⨯2⨯3
⨯10313
2
4
5
N=156529.62N
所以车床横向进给系统滚滚珠丝杠副的最大轴向压缩载荷为载荷
f
a max
=2158.94N，小于其临界压缩
f
c
的值，故满足要求。
2、滚珠丝杠副临界转速临界转速的计算长度
n 的校验
c
L
=337mm，弹性模量E=2.1⨯2
10MP
5
，钢的密度ρ=7. 8⨯a 10
-5
kg ∕
mm
3
，重力加速度g=9.8⨯
10mm s
∕
332
。
3. 1444
=11285.64 ⨯mm 21. 9d 6464
π23. 1422
滚珠丝杠的最小截面积为；A=d 2=⨯21. 9=376.49mm
44
滚珠丝杠的最小惯性矩为；I=
4
π
=2
取
k 1=0.8，由表查得λ=3.927，则
602π
222
n =k 1
c
L
60⨯2. 1⨯⨯11285. 64⨯9. 8⨯EI
=0.8⨯r/min 2-5ρA 2⨯3. 14⨯3377. 8⨯10⨯376. 49
253
=29188r/min
本车床横向进给传动链滚珠丝杠副的最高转速为41.67r/min，远远小于其临界转速，所以满足要求。
3、滚珠丝杠副额定寿命的校验 滚珠丝杆的额定动载荷n=
c
a
=11300N，横向载荷
F =F
a
a max
=2158.94N，滚珠丝杠转速
n
max
=41.67 r/min，运转条件系数
3
f
w
=1.2，则
3
c 11300a
) ⨯10=(L=() ⨯10r =8. 3⨯10r
F a f w 2158. 94⨯1. 2
6
6
7
82⨯L ==L h 60n 60⨯41. 67h =32797h
本车床数控化改造后，滚珠丝杠副的总时间寿命（七）、计算机械传动系统的刚度 1、机械传动系统的刚度计算
(1)计算滚珠丝杠的拉压刚度
6
L
h
=32797h≥15000h ，故满足要求。
k
a
。本机床横向进给传动链的丝杠支撑方式为一端固定，一端
游走。已知滚珠丝杠的弹性模量E=2.1⨯的螺母中心至固定端支撑中心的距离a=
10MP a ，滚珠丝杠的底径d 2=21.9mm。当滚珠丝杠
y
5
L
=313mm时，滚珠丝杠副具有最小拉压刚度
k
=a min
π2E
4L y
2
⨯10=1.65⨯10
-32
L
22y
=1.65⨯
10⨯313
2
2
N /μm
=252.83N /μm 当a=
L =313mm时，滚珠丝杠副具有最大拉压刚度
j
k
=s max
π2E
4L j
2
⨯10=1.65⨯10
-32
=⨯10113
L
2j
2
22
N /μm
=700.32N /μm
(2)计算滚珠丝杠副支承轴承的刚度承的最大轴向工作载荷
k
b
。已知滚动体直径
d
Q
=5.953mm，滚动体个数N=15，轴
f
2
b max
=
f
a max
=2158.94N。则
k
=2⨯1.95⨯b
d N f
Q
b max
=2⨯1.955. 953⨯
15⨯2158. 94⨯N /μm
k
=636N /μm ，滚珠丝
2
=572N /μm
(3)计算滚珠与滚道的接触刚度
k
c
。查表得滚珠与滚道的接触刚度
杠的额定动载荷
c
a
=11300N，滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷
f
a max
＝2158.94N ，则
k
=Kc
f
a max
0. 1c a
=636⨯2158. 94
N /μm =813N /μm
0. 1⨯11300
(4)计算进给传动系统的综合拉压刚度
k
。进给传动系统综合拉压刚度最大值的计算关系为
1
k
=
1
max
k
+
1
b
s max
k k
+
1
c
=
111
++=0.0033故k max =227N /μm 。进给系统综合拉压
700. 32572813
刚度最小值的计算关系为
1
k
=
1
min
k
+
1
b
min
k
+
1
c
=
111
++=0.0069故
252. 83572813
k
min
=144N /μm
2、计算滚珠丝杠副的扭转刚度
k φ
L
=378mm，已知滚珠丝杠的剪切模量G=8.1⨯2
（1）得转矩作用点的距离珠丝杠的底径
4
10MP a ，滚
4
d
2
=21.9mm，则
4
k φ=
46
π2G 3. 14⨯(21. 9⨯-3) ⨯8. 1⨯10⨯10
32L 2
=
32⨯387⨯10
-3
N ⋅m /rad =4724. 22N ⋅m /rad
(八）、驱动电机的选型与计算 1、计算折算到电动机轴上的负载惯量
（1）计算滚珠丝杠的转动惯量
J
。已知滚珠丝杠的密度ρ=7.8⨯r 10
-3
kg /cm ，D
3
为滚珠丝杠各段回转体的直径，L 为滚珠丝杠各段回转体的长度，j 为滚珠丝杠各 段回转体的序号。对J=m
R /2进行变形处理和单位换算，则有如下简化计算
=0.78⨯j
2
J
=r
∑0. 78⨯10
j =1
n
-3
D L
j
4
10
-3
⨯（2⨯10+2. 5⨯36+2⨯12. 5）
444
=1.38kg /
cm
2
（2）计算折算到丝杠轴上的移动部件的转动惯量
J
。机床执行部件的总质量m=s
w
g
=
600
kg =61. 22kg ；丝杠轴每转一周机床执行部件在轴向移动的距离L=0.6cm 9. 8
则
J
=m(s
L =61.22⨯(0. 6
) ) 2π2⨯3. 14
-3
4
22
kg . cm =0.56kg . cm
22
（3）计算各齿轮的转动惯量
J z 1=J z 3=0. 78⨯10⨯4⨯2kg . cm =0. 4kg . cm
-3
4
2
2
22
J z 2=0. 78⨯10⨯8⨯2kg . cm =6. 4kg . cm
J z 4=0. 78⨯10⨯10⨯2kg . cm =15. 6kg . cm
（4）计算加在电动机轴上总负载转动惯量
-3422
J
L
J J
=L =⎢0. 4+
+z 1
1
i
(+J z 3) +2J z 2
1
1
i
2
(J z 4+J r +
j )
s
⎡
⎣1122⎤
(6. 4+0. 4) +(15. 6+1. 38+0. 56) ⎥kg . cm =2. 8kg . cm 425⎦
2、计算折算到电动机轴上得负载力矩
（1）折算到电动机轴上的切削负载力矩=
T
c
的计算。在切削状态下轴向负载力
f
a
f
a max
=2370.34N，丝杠每转一周机床执行部件在轴向移动的距离L=6mm
=0.006mm，进给传动系统的传动比i =5，进给传动系统的总效率η=0.85，则
T
c
=
a
L
2πηi
=
2370. 34⨯0. 006
N . m =0.35N . m
2⨯3. 14⨯0. 85⨯5
(2)折算到电动机轴上得摩擦负载力矩
T μ的计算。在不切削状态下的轴向力
f μ
=390N，则
T μ
F μ=
L
2πηi
=
390⨯0. 006
N . m =0.088N . m
2⨯3. 14⨯0. 85⨯5
（3）计算由滚珠丝杠预紧力滚珠丝杠副的效率
f
p
产生的并折算到电动机轴上的附加负载力矩
T
f
η
=0.94，滚珠丝杠副的预紧力
f
p
为
f
p
=
13
f
p
a max
=
1
⨯2370.34N=790.11N 3
2
T
f
=
f L
2πηi
(1-η) =
790. 11⨯0. 0062
(1-0. 94) N ⋅m =0.021N⋅m
2⨯3. 14⨯0. 85⨯5
（4）计算折算到电动机轴上的负载力矩T ①空载时。②切削时。
T T
KJ
=T μ+T f =(0. 008+0. 021) N ⋅m =0. 11N ⋅m =T c +T f =(0. 42+0. 021) N ⋅m =0. 44N ⋅m
G J
3、计算折算到电动机轴上的加速力矩
T
ap
初选130BF001型反应式步进电动机，其转动惯量系统的负载惯量
J
=4.6kg ⋅m
cm
2
，进给传动
J
=2.8kg ⋅d
cm
2
，对开环系统加速时间一般取
t
a
=0.005s。当机
床执行部件以最快速度V=1200mm/min运动时，电动机的最高转速为
n
=max =ap
1200
⨯5r/min=1000 r/min 6
T
60⨯980t a
2πi max
(J m +J d ) =
2⨯3. 14⨯5⨯1000
(4. 6+2. 8) kgf ⋅cm
60⨯980⨯0. 05
=79. 03kgf ⋅cm =7. 74N ⋅m
4、计算横向进给系统所需的折算到电动机轴上的个中力矩
（1）空载起动力矩
T
q
的计算
）=（7.74+0.088+0.021）N ⋅m =7.85N ⋅m
T =T
q
ap
+（
T μ+T T
f
KJ
f
（2）快进力矩的计算
T
KJ
=
T μ+T T +T
c
=（0.088+0.021）N ⋅m =0.11N ⋅m
的计算
（3）工进力矩
T
GJ
T
GJ
=
f
=（0.42+0.016）N ⋅m =0.44N ⋅m
5、电动机的选型
（1）选择驱动电机的型号。根据以上计算，选择国产130BF001型反应式步进 电动机，主要技术参数如下：相数5；步距角0.75/转动惯量4.6kg ⋅
1. 5；最大静转矩9.13N ⋅m
cm
2
；最高空载起动频率3000Hz ；运行频率16000Hz ；分
配方式五相十拍；重量92kg 。
（2）确定最大静转矩转矩
T
s
。机械传动系统空载起动转矩
T
q
与步进电动机的最
T
s 1
的关系为
T T
q s 1
=0. 951 T s 1=
7. 85
N ⋅m =8. 25N ⋅m
0. 9510. 95
p
T
=
机械传动系统空载起动力矩
T
q
与所需的步进电动机的最大转矩
T
s 2
的关系
为。
T
s 1
=s 2
s 2
GJ
0. 3
=
0. 44
N ⋅m =1. 47N ⋅m 0. 3
取
T
和
T
中得较大者为所需的步进电动机的最大经转矩
T
s
，即
T
s
=
8.25N ⋅m 。本电动机的最大经转矩为9.31N ⋅m ，可以在规定的时间里正常 起动，故满足要求。
（3）惯量匹配验算。为了使机械传动系统的惯量达到较合理的匹配，系统的负 载惯量
J
J
d m
d
与伺服电动机的惯量
J
m
之比一般应满足
0.25≤
d m
≤1
2. 8
=0.61，在0.25到1之间，故满足惯量匹配要求。 4. 6
以为
J
=
参考文献
[1]数控技术，朱小春主编，机械工业出版社。 [2]机械设计手册，徐赢主编，机械工业出版社。
[3]机电综合设计指导，吴振彪主编，中国人民大学出版社。 [4]基础数控改造设计与实例，余英良主编，机械工业出版社。 [5]现代数控原理及控制系统，王爱玲主编，国防工业出版社。
致谢
光阴似箭，经过三年的忙碌和学习，临近毕业，也开始进行毕业设计，因为经验缺乏，难免有不少地方考虑不周，所以提交一份论文提纲，希望能够获得沈老师的督促指导。
最后还要感谢大学3年来所有的老师，是在他们的教诲下，我掌握了这门专业，学会了坚实的专业知识，为我以后的扬帆起航注入了动力。
毕业设计（论文、作业）
毕业设计（论文、作业）题目：
普通卧式车床的数控化改造
分校（站、点）： 松江分校
年级、专业： 10（秋）机电一体化技术（工业控制PLC) 教育层次： 大专 学生姓名： 梁小灵 学 号： 108071233 指导教师： 沈宁 完成日期： 2013.5.15
目 录
内容摘要和关键词 ……………………………………………………………………Ⅰ 一、设计背景 …………………………………………………………………………1 (一）数控设备 …………………………………………………………………………1 (二）数控技术 …………………………………………………………………………1 二、数控机床工作原和结构 …………………………………………………………2 （一）数控机床工作原理 ……………………………………………………………2 （二）数控机床结构 …………………………………………………………………2 1、控制媒介 …………………………………………………………………………2 2、数控装置 …………………………………………………………………………2 3、伺服系统 …………………………………………………………………………2 4、机床本体 …………………………………………………………………………2 三、机床的改造 …………………………………………………………………………2 （一）数控系统的选择 …………………………………………………………………2 （二）伺服系统的选择 …………………………………………………………………3 （三）功能部件的选择 …………………………………………………………………3 （四）结构设计 …………………………………………………………………………3 四、设计参数 ……………………………………………………………………………3 五、实施方案 ……………………………………………………………………………3 六、横向进给传动链计算 ………………………………………………………………4 （一）、主切削力及切削分力计算 ……………………………………………………4 （二）、导轨摩擦力计算 ………………………………………………………………4 （三）、计算滚珠丝杠副的轴向负载力 ………………………………………………4 （四）、确定进给传动链的传动比i 和传动级数 ……………………………………4 （五）、滚珠丝杠的动负荷计算与直径计算 …………………………………………5 （六）、滚珠丝杠副的承载能力校验 …………………………………………………6 1、滚珠丝杠副临界压缩载荷
f
c
的校验 ……………………………………………6
2、滚珠丝杠副临界转速n c 的校验 …………………………………………………6 3、滚珠丝杠副额定寿命的校验 ……………………………………………………7 （七）、计算机械传动系统的刚度 ……………………………………………………7 1、机械传动系统的刚度计算 ………………………………………………………7
2、计算滚珠丝杠副的扭转刚度k …………………………………………………8 (八）、驱动电机的选型与计算 ………………………………………………………8 1、计算折算到电动机轴上的负载惯量 ……………………………………………8 2、计算折算到电动机轴上得负载力矩 ……………………………………………9 3、计算折算到电动机轴上的加速力矩T ap ………………………………………10 4、计算横向进给系统所需的折算到电动机轴上的个中力矩 ……………………10 5、电动机的选型 ……………………………………………………………………10 参考文献 ………………………………………………………………………………11 致谢 ……………………………………………………………………………………12
内 容 摘 要
数控机床是将计算机系统和自动控制技术综合应用于机床上逐渐发展起来的。从20世纪50年代中期世界上第一台数控机床出现到今天，数控机床经历了电子管时代，晶体管时代，集成电路时代，发展到今天基于工业计算机构建的高性能，高可靠性控制系统时代，数控系统的控制方式也由早期的硬件控制发展到现今的以高性能计算机为基础的软件控制。
数控车床综合应用了计算机，自动控制，精密测量，现代机械制造和数据通信等技术。是机械加工中典型的机电一体化设备，适用于多品种，中小批量，结构复杂，精度较高的回转零件加工。
数控车床作为典型的机电一体化设备，在机械加工中发挥着重要作用，很好的解决了多品种，中小批量，结构复杂，精度较高的回转零件加工。但从目前企业的情况来看，数控机床普遍面临着价格较高，一次性投入较大等问题。我国是机床使用大国，对普通机床进行数控化改造不失为一种降低投入成本较好的方法。 关键词：
车床 加工 自动控制 精密测量
普通卧式车床的数控化改造
一·设计背景 （一）数控设备
近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS 模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。
2001年，我国机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3%。
近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等，出口的数控机床品种以中低档为主。 （二） 数控技术
装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，有什么劳动资料生产” 。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用的数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：（1）机械制造技术；（2）信息处理、加工、传输技术；（3）自动控制技术；（4）伺服驱动技术；（5）传感器技术；（6）软件技术等。
二·数控机床工作原理和结构
（一）数控机床工作原理
按零件加工的技术要求和工艺要求，编写零件的加工程序，然后将加工程序输入到数控装置，通过数控装置控制机床的主轴运动、进给运动、更换刀具，以及工件的夹紧与松开，冷却、润滑泵的开与关，使刀具、工件和其它辅助装置严格按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合图纸要求的零件。 （二）数控机床结构 1·控制介质
控制介质以指令的形式记载各种加工信息，如零件加工的工艺过程、工艺参数和**运动等，将这些信息输入到数控装置，控制数控机床对零件切削加工。 2·数控装置
数控装置是数控机床的核心，其功能是接受输入的加工信息，经过数控装置的系统软件和逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理，向伺服系统发出相应的脉冲，并通过伺服系统控制机床运动部件按加工程序指令运动。 3·伺服系统
伺服系统由伺服电机和伺服驱动装置组成，通常所说数控系统是指数控装置与伺服系统的集成，因此说伺服系统是数控系统的执行系统。数控装置发出的速度和位移指令控制执行部件按进给速度和进给方向位移。每个进给运动的执行部件都配备一套伺服系统，有的伺服系统还有位置测量装置，直接或间接测量执行部件的实际位移量，并反馈给数控装置，对加工的误差进行补偿。 4·机床本体
数控机床的本体与普通机床基本类似，不同之处是数控机床结构简单、刚性好，传动系统采用滚珠丝杠代替普通机床的丝杠和齿条传动，主轴变速系统简化了齿轮箱，普遍采用变频调速和伺服控制。
三·机床的改造
（一）数控系统的选择
卧式车床数控化改造后应具有定位、快速进给、直线插补、圆弧插补、暂停、循环加工、螺纹加工等功能。因此，卧式车床数控化改造所选用的数控系统应该为连续控制系统。当前市场关于卧式机床数控化改造的数控系统较多。
华中—世纪星数控系统是在华中1型，华中2000系列数控系统的基础上，为满足用户对低价格，高性能，简单，可靠地要求而开发出的数控系统。其具有以下几个鲜明特色。
1. 可靠性高，具有很强的抗干扰性。
2. 性能高，最多可控制4个进给轴和一个主轴，支持4轴联动。 3. 价格低，只有同档次产品的1/2——1/3。 4. 能实现闭环控制。
（二）、伺服系统的选择
卧式车床数控化改造后一般为经济型数控机床。在保证有一定加工质量的前提下，从经济性方面考虑，应该简化结构，降低成本，所以进给伺服系统采用以步进电动机为驱动装置的开环系统。 （三）功能部件的选择
主要是滚珠丝杠及支撑方式的选择，电动回转刀架的选择。 （四）结构设计
主要是纵向进的设计给传动系统、横向进给传动系统的设计和机床导轨的维护，采用贴塑导轨以减小摩擦力。
四·设计参数
设计参数包括车床的部分技术参数和车床实施数控化改造所需要的参数。 1、最大加工直径：在床面上410mm ，在床鞍山210mm. 2、行程：纵向1000mm ，横向210mm 。 3、最大加工长度：1000mm 。
4、快速进给速度：纵向2500mm/min，横向1300mm/min。 5、溜板及刀架质量：纵向82kg ，横向62kg 。
6、最大切削进给速度：纵向500mm/min，横向250mm/min。 7、主电动机功率：8kw 。 8、定位精度：0.04mm/全行程。 9、重复定位精度：0.016mm/全行程。 10、输入方式：增量值、绝对值通用 11、控制坐标数：2。
12、脉冲当量：纵向0.01mm/脉冲，横向0.0mm/5脉冲。
五、实施方案
进给系统数控改造的主要部位有：交换齿轮箱、进给箱、溜板箱、刀架等。 1、交换齿轮系统：都要拆除，在原挂轮主轴处安装光电脉冲编码器。
2、进给箱部位：都要拆除，在该处安装纵向进给步进电动机与齿轮减速箱总成。丝杠、光杠和操纵杠拆除，齿轮箱连接滚珠丝杠。滚珠丝杠的另一端的支撑座安装在车床尾座端原来装轴承座的部位。
3、溜板箱部位：都要拆除，在原处安装滚珠丝杠的螺母座，丝杠螺母固定在其上。在该处还可以安装部分操作按钮。
4、横溜板部位：将原来横溜板中的滚珠丝杠、螺母拆除，该处安装横向进给滚珠丝杠副，横向进给步进电动机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。
5、刀架部分：拆除原刀架，该处安装自动回转四方刀架总成。
六、横向进给传动链计算
（一）、主切削力及切削分力计算 1、计算住切削力
f
z
已知机床电动机的额定功率Pm 为8KW ，最大工件直径D=410mm，主轴计算
转速n=90r/min，在此转速下，主轴具有最大转矩和功率，在此转速下道具切削速度为 V=
πDn 3. 14⨯410⨯0. 001⨯90
=m/s=1.88m/s 6060
取机械效率η=0.85则有
f
z
=
η
p
v
m
⨯10=
3
0. 85⨯83
⨯10N=3617.02N
1. 88
2、计算各切削分力，走刀方向的切削分力
f
x
和垂直走刀方向的切削分力
f
y
的计算。
f
x
=0.25=0.4
f
z
z
=0.25⨯3617.02N=904.26N
f
y
f
=0.4⨯3617.02N=1446.8N
（二）、导轨摩擦力计算 1、计算在切削状态下的导轨摩擦力切削分力固力
f μ此时导轨受到的垂向切削力f
v
=
f
z
=3617.02N，横向
f
c
=
f
x
=904.26N，移动部件的全部重量（包括机床夹具和工件的质量）W=600N，镶条紧
f
g
=2000N，取导轨动摩擦系数μ=0.1，则
+
f μ=μ（W+f
有
g
f
v
+
f
c
）=0.1（600+2000+3617.02+904.26）N=712.13N
2、计算在不切削状态下的导轨摩擦力
f μ
和导轨静摩擦力
f
取导轨静摩擦因数
μ
=0.2则
f μ
=μ（W+
（W+
f f
g
）=0.15（600+2000）N=390N ）=0.2（600+2000）N=520N
f =μ
0g
（三）、计算滚珠丝杠副的轴向负载力 1、最大轴向负载力2、最小轴向负载力
f f
a max
的计算：的计算：
f f
a max
=
f
y
+
f μ=（144.81+712.13）N=2158.94N
a min a min
=
f μ
=390N
（四）、确定进给传动链的传动比i 和传动级数 取步进电动机的步距角α=1.5，滚珠丝杠的基本导程
L
=6mm，该进给传动链的脉冲当量取
δ
p
=0.005，则
i =
360p
α0
=
1. 5⨯6
=5
360⨯0. 005
按最小惯量条件，根据大功率传动基数曲线和大功率第一级传动比曲线，可得该减速器应采用2级传动，传动比可以分别取
i =2i
1
2
=2.5。根据结构需要，确定个传动齿轮的齿数分别为
z =20、
1
z
2
=40、
z =20、z
3
4
=50，模数m=2mm，齿宽b=20mm。
（五）、滚珠丝杠的动负荷计算与直径计算
1、按预定工作时间估算滚珠丝杠预期的额定动负荷滚珠丝杠的当量载荷为3级，得精度系数大切削速度
c
am
已知机床的预期工作时间
L
h
=1500h，
f
m
=
f
a max
=2158.94N，取负荷系数
f
w
=1.3，初步选择滚珠丝杠的精度等级
f
a
=1，得可靠性系数
f
c
=1；取滚珠丝杠的当量转速
n =n
m 0
max
，该转速为最
v
max
时的转速，已知
v
max
=0.25m/min，滚珠丝杠的基本导程
L
=6mm，则
n c
=max
1000nax 1000⨯0. 25
=r/min
6L 0
am
=f f 60n L
100m
w
m
h
=60⨯41. 7⨯5000⨯
c
a
2158. 94⨯1. 3
N =9394.478N
100⨯1⨯1
2m
2、按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹低径
d
（1）根据定位精度的重复定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形。已知工作台的定位精度为40μm ，重复定位精度为16μm ，则有
δδ
11
～）⨯16μm =5.33～8μm 2311（～）⨯40μm =8～10μm =max 2
45
=（max 1
取上述计算结果的较小值，即
δ
max
=5.33μm
（2）估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹低径
d
2m
。滚珠丝杠副的安装方式采用一端固定一端游
动支撑方式，滚珠丝杠两个固定支撑之间的距离为
L =行程+安全行程+2⨯余程+螺母长度+支撑长度≈（1.2～1.4）行程+（25～30）（1.4⨯200+30⨯6）=474mm；则有
L
=
d
≥2⨯0.0392m
f
L
=0.078
max
520⨯474
mm=16.77mm
5. 33
（3）初步规定滚珠丝杠副的规格型号。根据以上计算所得
L 、c
am
、
d
2m
和结构的需要，初
步选择国产FFZL 型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠副，型号为FFZI250－3，其公称直径基本导程
底径
d
=25mm，
L
=6mm，额定动负荷=21.9mm〉
c
a
=11300〉
c
am
=9394.478N；
d
2
d
2m
=16.52mm；故满足要求。
（六）、滚珠丝杠副的承载能力校验 1、滚珠丝杠副临界压缩载荷滚珠丝杠福的螺纹底径
f
c
的校验
d
=21.9mm，最大受压长度2
L
=313mm，丝杠水平安装时取1
k 1
=
1
、3
k 2
=2，则
f =k 1k 2⨯⨯10
L
c
4
22
5
1
1
=⨯2⨯3
⨯10313
2
4
5
N=156529.62N
所以车床横向进给系统滚滚珠丝杠副的最大轴向压缩载荷为载荷
f
a max
=2158.94N，小于其临界压缩
f
c
的值，故满足要求。
2、滚珠丝杠副临界转速临界转速的计算长度
n 的校验
c
L
=337mm，弹性模量E=2.1⨯2
10MP
5
，钢的密度ρ=7. 8⨯a 10
-5
kg ∕
mm
3
，重力加速度g=9.8⨯
10mm s
∕
332
。
3. 1444
=11285.64 ⨯mm 21. 9d 6464
π23. 1422
滚珠丝杠的最小截面积为；A=d 2=⨯21. 9=376.49mm
44
滚珠丝杠的最小惯性矩为；I=
4
π
=2
取
k 1=0.8，由表查得λ=3.927，则
602π
222
n =k 1
c
L
60⨯2. 1⨯⨯11285. 64⨯9. 8⨯EI
=0.8⨯r/min 2-5ρA 2⨯3. 14⨯3377. 8⨯10⨯376. 49
253
=29188r/min
本车床横向进给传动链滚珠丝杠副的最高转速为41.67r/min，远远小于其临界转速，所以满足要求。
3、滚珠丝杠副额定寿命的校验 滚珠丝杆的额定动载荷n=
c
a
=11300N，横向载荷
F =F
a
a max
=2158.94N，滚珠丝杠转速
n
max
=41.67 r/min，运转条件系数
3
f
w
=1.2，则
3
c 11300a
) ⨯10=(L=() ⨯10r =8. 3⨯10r
F a f w 2158. 94⨯1. 2
6
6
7
82⨯L ==L h 60n 60⨯41. 67h =32797h
本车床数控化改造后，滚珠丝杠副的总时间寿命（七）、计算机械传动系统的刚度 1、机械传动系统的刚度计算
(1)计算滚珠丝杠的拉压刚度
6
L
h
=32797h≥15000h ，故满足要求。
k
a
。本机床横向进给传动链的丝杠支撑方式为一端固定，一端
游走。已知滚珠丝杠的弹性模量E=2.1⨯的螺母中心至固定端支撑中心的距离a=
10MP a ，滚珠丝杠的底径d 2=21.9mm。当滚珠丝杠
y
5
L
=313mm时，滚珠丝杠副具有最小拉压刚度
k
=a min
π2E
4L y
2
⨯10=1.65⨯10
-32
L
22y
=1.65⨯
10⨯313
2
2
N /μm
=252.83N /μm 当a=
L =313mm时，滚珠丝杠副具有最大拉压刚度
j
k
=s max
π2E
4L j
2
⨯10=1.65⨯10
-32
=⨯10113
L
2j
2
22
N /μm
=700.32N /μm
(2)计算滚珠丝杠副支承轴承的刚度承的最大轴向工作载荷
k
b
。已知滚动体直径
d
Q
=5.953mm，滚动体个数N=15，轴
f
2
b max
=
f
a max
=2158.94N。则
k
=2⨯1.95⨯b
d N f
Q
b max
=2⨯1.955. 953⨯
15⨯2158. 94⨯N /μm
k
=636N /μm ，滚珠丝
2
=572N /μm
(3)计算滚珠与滚道的接触刚度
k
c
。查表得滚珠与滚道的接触刚度
杠的额定动载荷
c
a
=11300N，滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷
f
a max
＝2158.94N ，则
k
=Kc
f
a max
0. 1c a
=636⨯2158. 94
N /μm =813N /μm
0. 1⨯11300
(4)计算进给传动系统的综合拉压刚度
k
。进给传动系统综合拉压刚度最大值的计算关系为
1
k
=
1
max
k
+
1
b
s max
k k
+
1
c
=
111
++=0.0033故k max =227N /μm 。进给系统综合拉压
700. 32572813
刚度最小值的计算关系为
1
k
=
1
min
k
+
1
b
min
k
+
1
c
=
111
++=0.0069故
252. 83572813
k
min
=144N /μm
2、计算滚珠丝杠副的扭转刚度
k φ
L
=378mm，已知滚珠丝杠的剪切模量G=8.1⨯2
（1）得转矩作用点的距离珠丝杠的底径
4
10MP a ，滚
4
d
2
=21.9mm，则
4
k φ=
46
π2G 3. 14⨯(21. 9⨯-3) ⨯8. 1⨯10⨯10
32L 2
=
32⨯387⨯10
-3
N ⋅m /rad =4724. 22N ⋅m /rad
(八）、驱动电机的选型与计算 1、计算折算到电动机轴上的负载惯量
（1）计算滚珠丝杠的转动惯量
J
。已知滚珠丝杠的密度ρ=7.8⨯r 10
-3
kg /cm ，D
3
为滚珠丝杠各段回转体的直径，L 为滚珠丝杠各段回转体的长度，j 为滚珠丝杠各 段回转体的序号。对J=m
R /2进行变形处理和单位换算，则有如下简化计算
=0.78⨯j
2
J
=r
∑0. 78⨯10
j =1
n
-3
D L
j
4
10
-3
⨯（2⨯10+2. 5⨯36+2⨯12. 5）
444
=1.38kg /
cm
2
（2）计算折算到丝杠轴上的移动部件的转动惯量
J
。机床执行部件的总质量m=s
w
g
=
600
kg =61. 22kg ；丝杠轴每转一周机床执行部件在轴向移动的距离L=0.6cm 9. 8
则
J
=m(s
L =61.22⨯(0. 6
) ) 2π2⨯3. 14
-3
4
22
kg . cm =0.56kg . cm
22
（3）计算各齿轮的转动惯量
J z 1=J z 3=0. 78⨯10⨯4⨯2kg . cm =0. 4kg . cm
-3
4
2
2
22
J z 2=0. 78⨯10⨯8⨯2kg . cm =6. 4kg . cm
J z 4=0. 78⨯10⨯10⨯2kg . cm =15. 6kg . cm
（4）计算加在电动机轴上总负载转动惯量
-3422
J
L
J J
=L =⎢0. 4+
+z 1
1
i
(+J z 3) +2J z 2
1
1
i
2
(J z 4+J r +
j )
s
⎡
⎣1122⎤
(6. 4+0. 4) +(15. 6+1. 38+0. 56) ⎥kg . cm =2. 8kg . cm 425⎦
2、计算折算到电动机轴上得负载力矩
（1）折算到电动机轴上的切削负载力矩=
T
c
的计算。在切削状态下轴向负载力
f
a
f
a max
=2370.34N，丝杠每转一周机床执行部件在轴向移动的距离L=6mm
=0.006mm，进给传动系统的传动比i =5，进给传动系统的总效率η=0.85，则
T
c
=
a
L
2πηi
=
2370. 34⨯0. 006
N . m =0.35N . m
2⨯3. 14⨯0. 85⨯5
(2)折算到电动机轴上得摩擦负载力矩
T μ的计算。在不切削状态下的轴向力
f μ
=390N，则
T μ
F μ=
L
2πηi
=
390⨯0. 006
N . m =0.088N . m
2⨯3. 14⨯0. 85⨯5
（3）计算由滚珠丝杠预紧力滚珠丝杠副的效率
f
p
产生的并折算到电动机轴上的附加负载力矩
T
f
η
=0.94，滚珠丝杠副的预紧力
f
p
为
f
p
=
13
f
p
a max
=
1
⨯2370.34N=790.11N 3
2
T
f
=
f L
2πηi
(1-η) =
790. 11⨯0. 0062
(1-0. 94) N ⋅m =0.021N⋅m
2⨯3. 14⨯0. 85⨯5
（4）计算折算到电动机轴上的负载力矩T ①空载时。②切削时。
T T
KJ
=T μ+T f =(0. 008+0. 021) N ⋅m =0. 11N ⋅m =T c +T f =(0. 42+0. 021) N ⋅m =0. 44N ⋅m
G J
3、计算折算到电动机轴上的加速力矩
T
ap
初选130BF001型反应式步进电动机，其转动惯量系统的负载惯量
J
=4.6kg ⋅m
cm
2
，进给传动
J
=2.8kg ⋅d
cm
2
，对开环系统加速时间一般取
t
a
=0.005s。当机
床执行部件以最快速度V=1200mm/min运动时，电动机的最高转速为
n
=max =ap
1200
⨯5r/min=1000 r/min 6
T
60⨯980t a
2πi max
(J m +J d ) =
2⨯3. 14⨯5⨯1000
(4. 6+2. 8) kgf ⋅cm
60⨯980⨯0. 05
=79. 03kgf ⋅cm =7. 74N ⋅m
4、计算横向进给系统所需的折算到电动机轴上的个中力矩
（1）空载起动力矩
T
q
的计算
）=（7.74+0.088+0.021）N ⋅m =7.85N ⋅m
T =T
q
ap
+（
T μ+T T
f
KJ
f
（2）快进力矩的计算
T
KJ
=
T μ+T T +T
c
=（0.088+0.021）N ⋅m =0.11N ⋅m
的计算
（3）工进力矩
T
GJ
T
GJ
=
f
=（0.42+0.016）N ⋅m =0.44N ⋅m
5、电动机的选型
（1）选择驱动电机的型号。根据以上计算，选择国产130BF001型反应式步进 电动机，主要技术参数如下：相数5；步距角0.75/转动惯量4.6kg ⋅
1. 5；最大静转矩9.13N ⋅m
cm
2
；最高空载起动频率3000Hz ；运行频率16000Hz ；分
配方式五相十拍；重量92kg 。
（2）确定最大静转矩转矩
T
s
。机械传动系统空载起动转矩
T
q
与步进电动机的最
T
s 1
的关系为
T T
q s 1
=0. 951 T s 1=
7. 85
N ⋅m =8. 25N ⋅m
0. 9510. 95
p
T
=
机械传动系统空载起动力矩
T
q
与所需的步进电动机的最大转矩
T
s 2
的关系
为。
T
s 1
=s 2
s 2
GJ
0. 3
=
0. 44
N ⋅m =1. 47N ⋅m 0. 3
取
T
和
T
中得较大者为所需的步进电动机的最大经转矩
T
s
，即
T
s
=
8.25N ⋅m 。本电动机的最大经转矩为9.31N ⋅m ，可以在规定的时间里正常 起动，故满足要求。
（3）惯量匹配验算。为了使机械传动系统的惯量达到较合理的匹配，系统的负 载惯量
J
J
d m
d
与伺服电动机的惯量
J
m
之比一般应满足
0.25≤
d m
≤1
2. 8
=0.61，在0.25到1之间，故满足惯量匹配要求。 4. 6
以为
J
=
参考文献
[1]数控技术，朱小春主编，机械工业出版社。 [2]机械设计手册，徐赢主编，机械工业出版社。
[3]机电综合设计指导，吴振彪主编，中国人民大学出版社。 [4]基础数控改造设计与实例，余英良主编，机械工业出版社。 [5]现代数控原理及控制系统，王爱玲主编，国防工业出版社。
致谢
光阴似箭，经过三年的忙碌和学习，临近毕业，也开始进行毕业设计，因为经验缺乏，难免有不少地方考虑不周，所以提交一份论文提纲，希望能够获得沈老师的督促指导。
最后还要感谢大学3年来所有的老师，是在他们的教诲下，我掌握了这门专业，学会了坚实的专业知识，为我以后的扬帆起航注入了动力。