CK6136型数控车床的设计

目 录

机电一体化产品综合课程设计任务书 ................................................... 2 前言 ......................................................................................................................... 3 1.进给传动系统设计计算和选型 ......................................................................... 3

1.1切削力的计算 ............................................................................................ 3 1.2滚珠丝杠副的的计算和选型（横向） .................................................... 4 1.3.齿轮减速箱的设计(横向) ....................................................................... 6 1.4.步进电动机的计算与选型（横向） ....................................................... 7 2. 绘制横向进给系统装配图 ............................................................................. 11 3.设计小结 ........................................................................................................... 12 4.参考资料 ........................................................................................................... 12

三 明 学 院

机电一体化产品综合课程设计报告

题目： CK6136型数控车床的设计

姓 名： 学 号： 20060663113 年 级： 2006 系 别： 物理与机电工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 指导教师：

2009 年 12 月 25 日

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三明学院

机电一体化产品综合课程设计任务书 一、设计题目：CK6136型数控车床的设计

——横向进给机械结构设计 二、设计原始资料： 主轴转速： 45~3000r/min(无级) 最大回转直径； 360mm 最大加工长度： 700mm 溜板及刀架重量： 1600N 刀架快速运动速度：纵向 8m/min 横向 6m/min 最大进给速度： 纵向 60mm/r 横向 45mm/r 主电机功率： 5.5kW 机床定位精度： ±0.01mm 三、设计工作内容： （1）进给传动系统设计计算 （2）横向进给系统装配图A1 1张 （3）综合课程设计说明书 1份 四、设计完成时间： 2009年12月25日～2010年1月15日 学 生 姓 名 指 导 教 师 物理与机电工程系

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前言

机电一体化系统设计课程设计是在我们学完了机电一体化之后进行的，这次通过设计让我们获得综合运用过去所学过知识，进行一次机电结合的设计训练，学会了进给传动系统设计计算，并且通过课程设计掌握与本设计有关的各种资料的名称、出处，能够做到熟练运用。

由于能力所限，设计尚有许多不足之处，恳请老师给予批评指教。

1.进给传动系统设计计算和选型

横向进给的计算和选型主要包括：计算切削力、选择滚珠丝杠副、设计减速箱、选择步进电动机等。 1.1切削力的计算

以下是横向切削力的详细计算过程。

设工件材料为碳素结构钢，b650Mpa；选用刀具材料为硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角r60，前角010，刃倾角s5；切削用量为：背吃刀量ap3mm，进给量f=0.6mm/r，切削速度vc=105m/min。查表3-1，得：CFc=2795,xFc=1.0,yFc=0.75,nFc=-0.15；CFp=1940, xFp=0.9,yFp=0.6,nFp=-0.3；CFf=2880,xFf=1.0,yFf=0.5,nFf=-0.4。

查表3-3，得：主偏角r的修正系数KrFc=0.94；刃倾角、前角和刀尖圆弧半径的修正系数值均为1.0。

由经验公式（3-2），算得纵向主切削力

FcCFcapxFcfyFcvcnFcKFc=2673.4N，横向主切削力为纵向的一半所以横向主

切削力Fc'1Fc1336.7N 2由经验公式Fc:Ff:Fp=1:0.35:0.4,横向进给切削力Ff=467.85N，背向力Fp=534.68N

1.2滚珠丝杠副的的计算和选型（横向） 1.2.1计算最大工作载荷Fm

横向导轨为燕尾型，查表（3-29）K=1.4，μ=0.2;根据Fz=Fc',Fy=Fp,Fx=Ff可得：Fx=534.68N，Fy=467.85N，Fz=1336.7N

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计算如下：根据任务书溜板及刀架重量G为1600N FmKFx(Fz2FyG)

=1.4×534.68+0.2×（1336.7+2×467.85+1600） =1523.03N

1.2.2计算最大动负载FQ

根据任务书最快进给速度为v=0.45m/min 初选丝杠导程Ph5mm，则此时丝杠转速n1000v/Ph90r/min

刀具寿命T取15000h，代入L060nT/106，则滚珠丝杠副寿命系数： L0609015000681（单位为：10r） 610 查表3-30，取载荷系数fw=1.2，，再取硬度系数fH=1.0 代入式（3-23）求得最大动作载荷：

FQ3L0fwfHFm3811.21.01523.03N7907.72N

1.2.3滚珠丝杆副的初选型号

根据计算出的最大动载荷，查表3-33选用FL3205型滚珠丝杠副，公称直径32mm，基本导程Ph=5mm，双螺母滚珠总圈数3×2=6圈，内循环，精度等级4级 ，额定动载荷为9500N，满足要求。 1.2.4传动效率η的计算

将公称直径d032mm，基本导程Ph5mm，代入

arctan(Ph/d0)2.84 。将摩擦角10'，代入所以得传动效率94.4% 1.2.5刚度的验算

tan

tan() 4

横向进给滚珠丝杆支撑方式草图

先画出此横向进给滚珠丝杆支撑方式草图，最大工作载荷为1523.03N，支撑间距a=550mm；钢的弹性模量E=2.1×105Mpa查表3-33，滚珠直径Dw=3.5mm，算得丝杠底径d2=公称直径d0—滚珠直径Dw=28.5mm，则丝杠截面积Sd2/4637.94mm2

(1）忽略式3-25中第二项，丝杠的拉伸或压缩变形量

21Fma1523.035500.0062mm ES2.1105637.94(2）滚珠与螺纹滚道间接触变形2。

根据公式Z(d0/Dw)3，求得单圈滚珠数目Z=26，该型号丝杠为双螺母，滚珠圈数为3×2=6，则滚珠总数量Z=26×6=156。滚珠丝杠预紧

时，取轴向预紧力FYJFm/3507.68N。则由式（3-27），求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量20.0013Fm103DwFYJZ/1020.0013mm，因为丝杠

加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减小一半，取

20.00065mm。

(3）将以上算出的1和2代入总12，求得丝杠总变形量

总0.00685mm6.85m。由表3-27知，对于跨度550mm的4级精度滚珠丝杠允许变动量为20m，可见丝杠刚度足够。 1.2.6压杆稳定性校核

根据式（3-28）计算失稳时的临界载荷Fk

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fk2EI FK 2Ka式中：E-----丝杆材料弹性模量，对刚E=2.1×105Mpa

4/ I------截面惯性矩，丝杆截面惯性矩Id2 a------丝杆两支撑端距离 K------压杆稳定安全系数，取K=3

fk----丝杆的支撑方式系数，查表3-34得fz=2.00 对于本设计：

4/28./32368.99mm4 Id2fk2EI23.1422.110532385.41FK=147928.48N

3550Ka2Fk远大于工作负载Fm=1523.03N，故不会失稳。

综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。 1.3.齿轮减速箱的设计(横向)

为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了使传动系统的负载惯量尽可能地减小，传动链中常采用减速传动。本设计中，横向减速箱选

用齿轮传动。

今初选电动机型号为130BYG2502,五相混合式，最大静转矩为40N·m，十拍驱动时步距角 0.9°。运行矩频特性查表4-7，详细技术参数如表4-5。

1.3.1传动比i的确定

已知电动机的步距角α=0.9°，横向脉冲当量取δx=0.005mm/脉冲，滚珠丝杠导程

Ph=5mm。根据式（3-12）算得传动比

iPh0.952.5。

360x3600.0051.3.2主动轮最高转速n1

由设计说明书可得到主轴的最大转速为3000r/min（无级） 1.3.3齿轮副的计算与选型

小齿轮齿数取Z1=25，大齿轮齿数Z2=50，模数m=2，

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齿宽b1=32，b2=30mm压力角20

节圆直径df1mz150mm,df2mz2100mm,

齿顶圆直径

de1df12hmm,de2df22h104mm中心距a1/2(df1df2)75mm 1.4.步进电动机的计算与选型（横向） 1.4.1在步进电动机转轴上的总转动惯量jeq

已知：滚珠丝杆的公称直径d032mm，总长(带轴)l750mm，导程ph5mm，材料密度7.85103kg/cm3；横向移动部件总重量G=1600N；传动比i2.5。

参照表4-1可以算得各个零部件的转动惯量如下 ： 滚珠丝杆的转动惯量

js7.853.2475104kgcm26.17kg·cm26.17104kg·m2；

小齿轮的转动惯量

jz17.85de41b11047.858.443.2104kg.cm21.25103kg.m2

大齿轮的转动惯量

jz27.85de42b21047.8510.443.0104kg.cm22.76103kg.m2 在设计减速箱时，初选的横向步进电动机型号130BYG2502，从表中查得该型号电动机转自的转动惯量Jm48kgcm2。

Jkeqnj2vi2nJj() mi(n)nk42i1j1k1m选用快进速度vx6m/min；nknmvx/(360)3000r/min；

nz1nmnz2nz1/i1200r/min；m160kg

则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：

mJeq142160(6/1500)2JmJz1Jz2Js/i28.3103kgm2

1.4.2计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq 分快速空载启动和承受最大工作负载两种情况进行计算。

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(1)快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩Teql 由式（4-8）可知，Teq1包括三部分：快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩

Tamax 、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf 、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0 。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式（4-8）可知，T0 相对于Tamax 和Tf 很小，可以忽略不计。则有：

TeqlTamaxTf （1-1） 根据式（4-9），考虑纵向传动链的总效率η,计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：

Tamax式中nm=1500r/min。

设步进电机由静止到加速至nm转速所需时间ta=0.4s，横向传动链总效率η=0.7；则由式（1-2）求得：

Tamax27.1103150013.97Nm

600.40.72Jeqnm60ta1 （1-2）

由式（4-10）可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：

Tf(FcG)Ph （1-3）

2i式中 µ——导轨的摩擦因素，滑动导轨取0.16； Fc——垂直方向的工作负载，空载时取0； η——横向传动链总效率，取0.7。 则由式（1-3），得： Tf0.16(01600)0.0050.08Nm

20.72.5最后由式（1-1），求得快速空载起动时电动机转矩所承受的负载转矩为：

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Teq1TamaxTf4.05Nm （1-4） (2)最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2由式（4-13）可知，Teq2包括三部分：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tt、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0.T0相对于Tt和Tf很小,可以忽略不计.则有:

Teq2TtTf (1-5) 其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩T1由式(4-14)计算。本设计中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知进给方向的最大工作载荷Fp=1069.36 N,则有：

Tt=

FxPh534.680.005N·m0.25N·m 2i20.72.5再由式(4-10)计算承受最大工作负载{Fc=2673.4N}情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：

TfFCGPh0.1611523.0316000.005N·m0.22N·m

2i20.72.5最后由式{1-5}，求的最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转

矩：

Teq2TtTf0.47N·m （1-5）

经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩：

Teq1,Teq24.05N·m Teqmax1.4.3步进电动机最大静转矩的选定

考虑到步进电动机采用的开环控制，当电网电压降低时其输出转矩会下降，可能造成丢歩，甚至堵转。因此，根据Teq来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本设计中取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：

m16.2Nm (1-7) Tjmax4Teq44.05N· 9

对于前面预选的130BYG2502型步进电动机，由表可知，其最大静转

Tjmax= 40Nm,可见完全满足式（1-7）的要求。

1.4.4步进电动机的性能校核

(1)最快工进速度时电动机输出转矩校核

任务书给定横向最快工进速度vmaxf=0.45m/min,脉冲当量δ=0.005mm/脉冲，由式（4-16）求出电机对应的运行频率fmaxf=450/(60×0.005)Hz=1500Hz。从130BYG2502的运行矩频特性图6-4可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩Tmaxf≈37Nm,远远大于最大工作负载转矩

Teq20.47Nm,满足要求。

(2)最快空载移动时电动机输出转矩校核

任务书给定横向最快空载移动速度vmax=6000mm/min,仿照式（4-16）求出电机对应的运行频率fmax=6000/(60×0.01Hz)=10000Hz。从表4-7查得，在此频率下，电动机的输出转矩Tmax12Nm,大于快速空载起动时的负载转矩Teq1=8.3Nm,满足要求。

(3)最快空载移动时电动机运行频率校核 最快空载移动速度Vmax=6000mm/min, 对应电动机的运行频率ƒmax=10000Hz。查表4-5可知130BYG2502的极限运行频率为15000Hz,可见没有超出上限。

(4)起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量

Jeq=8.3103kgm2,电动机转子自身的转动惯量Jm=48kgcm2,查表4-5可知电动机转轴不带任何负载时的最高空载起动频率ƒq=1500Hz。则由式（4-17）可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率为：

fLfq1JeqJm908Hz

上式说明，要想保证步进电动机起动时不失歩，任何时候的起动频率都必须小于908HZ实际上，在采用软件升降频时，起动频率选的很低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。综上所述，本设计中横向进给系统选用130BYG2502步进电动机，可以满足设计要求。

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2.绘制横向进给系统装配图

横向进给系统装配图草图

在完成滚珠丝杠螺母副、减速箱和步进电动机的计算、选型后，就可以着手绘制进给传动机构的装配图了。在绘制装配图时，需要考虑以下问题：

(1) 了解原车床的详细结构，从有关资料中查阅床身、床鞍、中滑板、刀架等的结构尺寸。

(2) 根据载荷特点和支承形式，确定轴承的型号、轴承座的结构，以及轴承的预紧和调节方式。

(3) 考虑各部件之间的定位、连接和调整方式。例如：应保证丝杠两端支承与螺母座同轴，保证丝杠与机床导轨平行，考虑螺母座、支承座在安装面上的连接与定位，齿轮减速箱的安装与定位等。

(4) 考虑密封、防护、润滑以及安全机构等问题。例如：丝杠螺母的润滑、防尘防铁屑保护、轴承的润滑及密封、行程限位保护装置等。

(5) 在进行各零部件设计时，应注意装配的工艺学，考虑装配的顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。

(6) 注意绘制装配图时的一些基本要求。例如：制图标准，视图布置及图形画法要求，重要的中心距、中心高、联系尺寸和轮廓尺寸的标注，重要配合尺寸的标注，装配技术要求、标题栏等。

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3.设计小结

通过本次课程设计，对普通车床的数控经济型改造设计，培养了分析问题和解决问题的能力，树立系统设计的思想，提高了应用手册和标准、查阅文献资料的能力。

总的来说，这次设计，让我更深刻的理解了这门学科，在理论与实际的联系中得到了一次有意义的训练，对知识的掌握从枯燥的理论转变为了提高思维能力和动手能力的实践中，提高了学习的效率，让知识的掌握更加深刻。

4.参考资料

尹志强 机电一体化系统设计课程设计指导书 北京：机械工业出版社 2008年3月第1版

张建民 机电一体化系统设计 北京：高等教育出版社 2007年7月第3版

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