C620-3型普通車床數(shù)控化改造（橫向與縱向進給系統(tǒng)）含開題及5張CAD圖

C620-3型普通車床數(shù)控化改造（橫向與縱向進給系統(tǒng)）含開題及5張CAD圖,c620,普通,車床,數(shù)控,改造,橫向,縱向,進給,系統(tǒng),開題,cad C620-3型普通車床數(shù)控化改造（橫向與縱向進給系統(tǒng)） 摘　要 伴隨市場經濟的高速發(fā)展，企業(yè)想要在競爭激烈的環(huán)境中生存和發(fā)展，就必須用更高的品質，更短的時間和更普惠的價格去占領市場，滿足市場的要求?，F(xiàn)今，普通機床已經很難滿足多品種、高效率的生產要求，而數(shù)控機床不論是在生產效率，還是加工精度上都優(yōu)于普通車床，能夠更好地滿足產品生產設計要求。目前我國有存有大量老舊的普通車床，這是一批很好的可再用資源，利用數(shù)控系統(tǒng)改造這些機床后，可極大的提高生產效率和加工質量，節(jié)約成本。 此次畢業(yè)設計的主要內容是對C620-3型普通車床進行數(shù)控化改造，為保證傳動的精度，使傳動能夠準確且高效，橫向和縱向導軌均選用貼塑導軌。傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠，并通過對滾珠絲杠進行拉伸以保證傳動系統(tǒng)的剛度。采用調隙齒輪來消除間隙，用步進電機作為驅動元件。為保證加工螺紋時，主軸每轉一轉，刀架移動一個所加工螺紋的螺距或導程，在主軸上安裝脈沖編碼器，并對橫向和縱向進給系統(tǒng)實現(xiàn)單片機控制，使之成為一個可獨立的運動的開環(huán)伺服系統(tǒng)。 改造完成后的機床具有定位，直線插補，循環(huán)加工，公英制螺紋加工等功能，自動化程度提高，零件加工適應性更強。 關鍵詞：車床；改造；數(shù)控；滾珠絲桿；單片機 I Abstract Along with the rapid development of market economy, enterprises want to survive and develop in the competitive environment, it must be with higher quality, shorter time and more pratt &whitney price to occupy the market, meet the requirements of the market. Today, general machine tools is hard to meet production requirements, many varieties, high efficiency and nc machine tools both in production efficiency, is better than the ordinary lathe and machining precision, better able to meet the requirements of product design. At present our country has being a large number of old ordinary lathe, this is a group of very good reusable resources, use these machine tool numerical control system, can greatly increase the production efficiency and machining quality, cost savings. The main content of this graduation design is on C620-3 type engine lathe numerical control transformation, to ensure the accuracy of transmission, the drive can be accurate and efficient, horizontal and vertical guide model was used for the guide. The drive system adopts ball screw and ensures the rigidity of the drive system by stretching the ball screw. The gap gear is used to eliminate the gap and the stepping motor is used as the driving element. In order to ensure thread machining spindle each turn a turn, tool post processed by moving a thread pitch or lead, pulse encoder installed on the main shaft, and the transverse and longitudinal feed system realize the single-chip microcomputer control, make it become an independent movement of the open loop servo system. After the transformation, the machine tool has the functions of positioning, linear interpolation, circular processing, and male inch screw thread processing. The automation degree is improved, and the processing adaptability of parts is stronger. Key words：lathe； Transformation； Numerical control； Ball screw； Single chip microcomputer II 目　錄 摘　要 I Abstract II 第1章　概 述 - 1 - 1.1畢業(yè)設計的目的 - 1 - 1.2設計任務 - 1 - 1.3設計的必要性 - 1 - 第2章　總體方案設計 - 3 - 2.1 系統(tǒng)的運動方式和伺服系統(tǒng)的選擇 - 3 - 2.2機械結構改造方式 - 3 - 2.2.1橫向滾珠絲杠 - 3 - 2.2.2 縱向滾珠絲杠 - 3 - 2.2.3 導軌副 - 3 - 2.2.4主軸脈沖發(fā)生器 - 3 - 2.2.5安裝電動卡盤 - 4 - 2.3總體方案 - 4 - 第3章 進給伺服系統(tǒng)設計 - 5 - 3.1縱向進給私服系統(tǒng) - 6 - 3.1.1計算進給牽引力（N） - 6 - 3.1.2計算最大動載荷C - 6 - 3.1.3滾珠絲杠螺母副的選型 - 7 - 3.1.4計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率 - 7 - 3.1.5剛度驗算 - 7 - 3.1.6校核穩(wěn)定性 - 9 - 3.2橫向進給伺服系統(tǒng) - 9 - 3.2.1計算進給牽引力 - 9 - 3.2.2計算最大動負載C - 9 - 3.2.3滾珠絲杠螺母副的選型 - 10 - 3.2.4計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率 - 10 - 3.2.5剛度驗算 - 10 - 3.2.6穩(wěn)定性計算 - 11 - 3.2.7滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù) - 12 - 3.3計算齒輪傳動比 - 12 - 3.3.1計算縱向進給齒輪箱傳動比 - 12 - 3.3.2計算橫向進給齒輪箱傳動比 - 13 - 3.4步進電機選型 - 14 - 3.4.1步進電機介紹 - 14 - 3.4.2縱向步進電機選擇計算 - 15 - 第4章 車床數(shù)控化進給軸的改造 - 23 - 4.1滾珠絲杠的選擇和布置結構形式 - 23 - 4.2機床導軌 - 24 - 4.3電機與絲杠的聯(lián)接 - 25 - 第5章 車床保養(yǎng)的內容和要求 - 26 - 5.1日常保養(yǎng) - 26 - 5.2定期保養(yǎng) - 26 - 第6章 結論 - 28 - 參考文獻 - 29 - 致　謝 - 30 - iii 第1章　概 述 1.1畢業(yè)設計的目的 通過畢業(yè)設計，學習系統(tǒng)綜合的應用所學知識和技能去解決實際的工程問題，進一步鞏固和加深所學的知識，通過實踐檢驗自己的能力，并在實踐中發(fā)現(xiàn)自己的不足，查漏補缺。培養(yǎng)調查研究，查閱資料，合理構想，科學布局，規(guī)范操作的意識和能力，養(yǎng)成嚴格，嚴謹，嚴肅的工作態(tài)度，為今后的工作打下堅實的基礎。 1.2設計任務 對C620-3型普通車床進行經濟型數(shù)控化改造，利用微機實現(xiàn)對橫向和縱向進給系統(tǒng)的開環(huán)控制，選用直流步進電機作為驅動元件，傳動系統(tǒng)選用滾珠絲杠。 1.3設計的必要性 隨著全球科技的不斷發(fā)展和進步，機械產品的性能和質量不斷提高，產品更新?lián)Q代不斷加快，對機床的適應性提出了更高的要求，生產的需要催生了數(shù)控機床的問世。 伴隨數(shù)控改造行業(yè)興起，數(shù)控化在生產制造業(yè)的廣泛應用已是大勢所趨。而我國在數(shù)控行業(yè)方面的起步相對較晚一些，與其他發(fā)達國家相比，總體水平偏低，這直接影響到我國工業(yè)產品的質量以及我國工業(yè)產品在國際市場中的競爭力。除卻技術上的問題外，企業(yè)所能承擔的有限經濟投入也是一大障礙，極少有企業(yè)擁有足夠的資金去完成大批量設備的換新，使用的大多為老舊的普通機床和生產線。 數(shù)控機床作為機電一體化的典型產品，在機械制造中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機械制造中復雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產品的加工質量，大幅度的提高生產效率。但因數(shù)控機床的價格昂貴，一次性投資較大，使很多企業(yè)心有余而力不足。 為解決這一問題，使我國的數(shù)控行業(yè)有更廣闊的發(fā)展空間，帶動經濟發(fā)展，同時減少企業(yè)的資金投入，減輕企業(yè)負擔，對普通機床進行數(shù)控化改造便顯得尤為重要。 我國作為機床大國，對普通機床數(shù)控化改造不但提高了機床的加工精度，擴大了機床的使用范圍，提高了生產率，而且降低了工人的勞動強度，縮短了新產品的試制周期，減少對工件夾具的投資和數(shù)量，非常適合我國現(xiàn)在的國情。普通機床的數(shù)控化改造的重要性，可從以下方面來體現(xiàn)： （1） 從提高資本效率的角度來看，對閑置的普通機床進行數(shù)控化改造，進一步提升了資本的利用率，延續(xù)了其使用價值。 （2） 從生產加工能力的角度來看，數(shù)控機床可實現(xiàn)對多種產品的加工，具有更強的加工適應性和靈活性。 （3） 從企業(yè)資本投入角度來看，同直接購進新的數(shù)控機床比較，改造機床可以節(jié)省很大一部分資金，有益于中小型企業(yè)實現(xiàn)數(shù)控生產。 數(shù)控改造具有以下優(yōu)點： （1） 改造的周期較短且投入的資金少。 （2） 降低了設備維修和員工培訓操作的經費投入。 （3） 合理的選用數(shù)控功能，能夠發(fā)揮出資源的最大效能。 （4） 機床完成數(shù)控化改造后，經濟效益得到明顯提升。 改造完成后，機床的優(yōu)越性： （1） 機床在完成數(shù)控化改造后，可以提高零件加工時的精度和效率。 （2） 機床在完成數(shù)控化改造后，可以提升機床的各方面性能和加工質量。 （3） 機床在完成數(shù)控化改造后，可以實現(xiàn)加工的柔性自動化，效率相對于傳動機床約提高了3～6倍。 （4） 可集中多道加工工序，減少因零件多次搬運而使工件定位誤差降低的情況。 （5） 擁有多種自檢功能，如自動監(jiān)控、自動報警、自動補償?shù)?，使機床的加工狀態(tài)更佳。 （6） 數(shù)控加工降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力，減少了工裝，同時縮短了新產品的試制周期及生產周期，使企業(yè)可以根據(jù)市場的需求做出快速反應。 - 39 - 第2章　總體方案設計 2.1 系統(tǒng)的運動方式和伺服系統(tǒng)的選擇 選用連續(xù)控制系統(tǒng)。由于本機加工精度要求不高，為簡化結構同時降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)沒有反饋電路和檢測裝置，指令信號為單方向傳送，輸入裝置把信號發(fā)送給數(shù)控裝置，經數(shù)控裝置運算后分配出指令脈沖，通過步進電機驅動工作臺移動。由于該系統(tǒng)沒有速度和位置檢測裝置，因此它的精度主要由步進電機的步距角以及相連的傳動機構的精度決定。 2.2機械結構改造方式 為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，可以選擇讓步進電機經過齒輪對減速后傳動絲杠，為保證傳動精度及平穩(wěn)性，要盡可能的減小摩擦，選用滾珠絲杠螺母副作為傳動系統(tǒng)。此外，，采用有預加負荷的結構來達到提高傳動剛度并消除間隙的目的，選用調隙齒輪消除齒側間隙。 2.2.1橫向滾珠絲杠 在橫向進給系統(tǒng)中采用滾珠絲杠替換原有的滑動絲杠，齒輪減速箱和步進電機可安裝在床鞍右端，并用蓋板對滾珠絲杠進行保護，用自動回轉刀架替換原來的刀架，由計算機程序實現(xiàn)其自動夾緊和轉位。電動機由兩對齒輪減速后傳動滾珠絲杠螺母副，在這里選用3205-3型外循環(huán)插管式滾珠螺母副，絲杠左端選用一對深溝球軸承支承，右端選用一對深溝球軸承和一對推力球軸承支承。 2.2.2 縱向滾珠絲杠 在縱向進給系統(tǒng)中，拆除原機床的進給箱、溜板箱、光杠以及滑動絲杠，并在絲杠的任意一端安裝縱向滾珠絲杠的電機。選用4006-3型外循環(huán)插管式滾珠螺母副，在滾珠絲杠的左端設計一個專用軸承支承座，在絲杠托架處布置步進電機和減速箱。滾珠絲杠的兩端各采用一對深溝球軸承和一對推力球軸承作為支承。 2.2.3 導軌副 為降低運動部件移動時產生的摩擦阻力帶來的影響，特別是靜摩擦阻力的影響，可以通過在刀架移動部件的導軌上粘貼聚四氟乙烯軟帶來解決。 2.2.4主軸脈沖發(fā)生器 改造后的簡易數(shù)控車床需要自動加工螺紋時，為了檢測主軸轉角的位置，可以在主軸后端同安裝主軸脈沖發(fā)生器作為主軸位置的信號反饋元件，并將其變化情況輸送給數(shù)控裝置，使其能按照設定的螺距數(shù)值進行處理。 2.2.5安裝電動卡盤 為了進一步提高車床的加工效率，減少工件安裝調整時間，可以用電動三爪自定心卡盤裝置代替原有的手動夾緊裝置，這種裝置能夠和數(shù)控裝置的收發(fā)信好電路相互配合，實現(xiàn)夾具的自動夾緊和松開，以此來提高機床設備的自動化程度。 2.3總體方案 如圖2-1所示 圖2-1 總體方案 第3章 進給伺服系統(tǒng)設計 C620普通車床改造為經濟型數(shù)控車床的主要設計參數(shù)如下： 最大加工直徑：400mm 最大加工長度：3000mm 主軸轉速：正轉 10～1400 r/min 反轉 14～1580 r/min 車螺紋范圍：米制 1-192mm 英制 4-24牙/in 進給量：縱向標準進給量 0.08-1.59mm/r 橫向標準進給量 0.04-0.795mm/r 縱向快移速度：2.4m/min 橫向快移速度：1.2m/min 主電動機功率：7.5 kw 機床定位精度：±0.015mm 縱向脈沖當量：0.01mm/脈沖 橫向脈沖當量：0.005mm/脈沖 啟動加速時間：30ms 切削力計算： （1）縱向 主切削力(N)按經驗公式估算： (3-1) -車床床身加工最大直徑。 按切削力各力比例： (3-2) -走刀抗力； -吃刀抗力。 （2）橫向 主切削力(N)取縱向的12 -走刀抗力； -吃刀抗力。 3.1縱向進給私服系統(tǒng) 3.1.1計算進給牽引力（N） 作用在滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括切削時的走刀抗力Fx以及溜板、刀架和切削分力作用在導軌上的摩擦力?？v向進給的導軌屬于綜合型導軌，計算公式如下： (3-3) N k-考慮顛力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導軌取1.15； f'-滑動導軌摩擦系數(shù)，0.15~0.18，取0.17； G-工作臺重力，取1000N。 3.1.2計算最大動載荷C 選用滾珠絲杠副的直徑，必須保證在一定的軸負荷作用下，絲桿在回轉10000轉后，在它的滾道上不產生點蝕現(xiàn)象，這個軸向負載的最大值即為該絲杠所承受的最大動載荷C。 (3-4) (3-5) (3-6) L-壽命以轉為1單位； n-滾珠絲桿轉速； -最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度的~，取1.2mm/s； -滾珠絲杠導程，取6mm； T-使用壽命，取15000h； -硬度系數(shù)，取1； -運轉系數(shù)見表3-1，取1.2。 表3-1 運轉系數(shù) 運轉狀態(tài) 運轉系數(shù) 無沖擊運轉 一般運轉 有沖擊運轉 所以： n==200 r/min L==180 C==17766 3.1.3滾珠絲杠螺母副的選型 查表可知，選用FF2D4006-3型外循環(huán)螺紋的雙螺母滾珠絲杠副1列3圈，其公稱直徑為40mm，額定動載荷為23500N，精度等級取3級。 3.1.4計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率 (3-7) -絲杠螺旋升角，?。? -摩擦角，約為10′。 則 =0.942 3.1.5剛度驗算 由于滾珠絲杠的軸向變形將會影響進給系統(tǒng)的定位精度及運動的平穩(wěn)性，因此考慮以下引起軸向變形的因素： （1） 絲杠的拉伸或壓縮變形量。 滾珠絲杠受工作負載引起的導程的變化量按下式計算： （3-8） -工作負載，取2622.2N； -絲杠導程，取0.6cm； -材料彈性模數(shù)，??； -滾珠絲杠橫截面積，取，式中d為絲杠內徑，取35.9mm。 “+”用于拉伸，“－”用于壓縮。 則 mm 由于滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量很小，可以忽略，因此滾珠絲杠總長度在拉伸或壓縮的變形量按下式計算 (3-9) -有效行程，取3500mm。 則 由于兩端都用了推力球軸承，且對絲杠進行過預拉伸處理，所以拉壓剛度可提高為之前的四倍，其實際變形量為 （2）滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量。 此項在總變形量中所占比重較大，當對絲杠施加軸向最大負載的的軸向力時，的值變?yōu)樵瓉淼?。查閱資料可知，滾珠和螺紋滾道接觸變形量為。 則 （3）支撐滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。 (3-10) 采用51106推力球軸承，滾動體直徑=6.3mm,滾動體數(shù)量=14，軸向力=2622.2N=267.6kgf，帶入計算： 因施加了預緊力，故 根據(jù)以上計算 已知精度等級為三級，行程為3500mm,查閱資料可得，允許絲杠行程變動量偏差為50，滿足剛度要求。其次，滾珠絲杠的扭轉變形對導程產生的影響較小，可忽略不計。滾珠絲杠螺母副的易受損部位常常在螺母及軸承支座上，但螺母和軸承支座的變形計算過于復雜，一般選擇省略。 3.1.6校核穩(wěn)定性 由于在滾珠絲杠兩端安裝了推力球軸承，絲杠沿軸向有874.1N的預緊力，不會產生失穩(wěn)現(xiàn)象，不需要進行驗算。 3.2橫向進給伺服系統(tǒng) 3.2.1計算進給牽引力 作用在滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括切削時的走刀抗力、移動部件的重量和切削分力在導軌上產生的摩擦力。故其參數(shù)取決于導軌類型，橫向進給的導軌屬于燕尾形導軌，計算公式如下： (3-11) k-考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，取1.4； -移動部件重量，取600N； -導軌上的摩擦系數(shù)，取0.2； -橫向走刀抗力，取670N； -切削端面的主切削力，取2680 N； -橫向吃刀抗力，取1072N； 則 3.2.2計算最大動負載C 預選導程為5mm，在選用滾珠絲杠副直徑的時候，要確保在一定的軸向載荷作用下，絲杠在回轉10000轉后，在它的滾道上不產生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值即為該絲杠能承受的最大動負載C。最大動負載按式（3-4）計算，壽命值按式（3-5）計算，其中取5mm，取0.6m/min，T取15000h，取1.2，取1，L以轉為一單位。 帶入數(shù)據(jù)可得： 3.2.3滾珠絲杠螺母副的選型 依據(jù)上述數(shù)據(jù)，可選擇FF2D3205-3外循環(huán)螺紋調整預緊的雙螺母滾珠絲杠副1列3圈，其公稱直徑為32mm，額定動載荷為11700N，精度等級為3級。 3.2.4計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率 傳動效率按式（3-7）計算，其中取，取，則 3.2.5剛度驗算 （1）絲杠的拉伸或壓縮變形量。 滾珠絲杠受工作負載引起的導程的變化量按式（3-8）計算，其中取為2022.8N，為0.5cm，取，，帶入數(shù)據(jù)計算得： 滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量很小，可以忽略，因此滾珠絲杠總長度在拉伸或壓縮的變形量按式（3-9）計算，有效行程L取為250mm。 則 由于采用了推力球軸承，且對絲杠進行了預拉伸，故其拉壓剛度可以提高四倍，實際變形量為： （2）滾珠與螺紋滾道間接觸變形。 查閱資料可知，滾珠和螺紋滾道接觸變形量為，施加了預緊力，取為原數(shù)值的，則： （3）支撐滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。 采用51105推力球軸承，其滾動體直徑=6.3mm，滾動體數(shù)量=14,軸向力=2022.8N=206.4kgf，按式（3-10）計算： 因施加了預緊力，故： 根據(jù)以上計算： 已知精度等級為3級，行程為250mm，參照相關資料可知，允許的絲杠偏差值為12，故滿足剛度要求。 3.2.6穩(wěn)定性計算 對已選定尺寸的絲杠，在給定的支承條件下承受最大軸向負載時，要對絲杠是否會發(fā)生縱向彎曲進行驗算。 臨界負載按下式計算： （3-12） 式中-絲桿材料彈性模量，??； -截面慣性矩，絲杠截面慣性矩，取28.9mm； -絲杠兩支承端距離，取600mm； -絲杠的支承方式系數(shù)，取2，見表3-2。 表3-2 運轉系數(shù) 方式 一端固定 一端自由 兩端簡支 一端固定 一端簡支 兩端固定 0.25 1.00 2.00 4.00 帶入數(shù)據(jù)得： 穩(wěn)定性系數(shù)：，故絲杠不會失穩(wěn)。 （式中為許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般） 3.2.7滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù) 具體參數(shù)見表3-3。 表3-3 滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù) 名稱 符號 型號 FF2D4006-3 FF2D3205-3 螺紋滾道 公稱直徑 導程 接觸角 鋼球直徑 滾道法面半徑 偏心距 螺紋升角 40 6 30° 4 2.08 0.04 2°43′ 32 5 30° 3.5 1.82 0.035 2°50′ 螺桿 螺桿外徑 螺桿內徑 螺桿接觸直徑 39.2 35.92 36.5 31.3 28.43 30.0 螺母 螺母螺紋直徑 螺母內徑 35.92 40.8 28.43 32.7 3.3計算齒輪傳動比 齒輪傳動是一種常見的嚙合傳動，具有傳動效率高、工作可靠、傳動比準確、嚙合穩(wěn)定等優(yōu)點。但也存在需要較高的制造精度，振動和噪音較大等缺點。由于電動機的工作轉速和工作臺的實際所需速度存在差異，所以在電機和滾珠絲杠螺母副之間安裝齒輪減速箱，改變轉速。齒輪傳動在降低輸出軸轉速的同時，增大了輸出軸扭矩，用來滿足工作需求。 3.3.1計算縱向進給齒輪箱傳動比 初選步進電機步距角為0.75°，脈沖當量，絲杠導程，傳動比按下式計算： （3-13） 帶入數(shù)據(jù)可得： 可選齒數(shù)為，考慮到結構上的原因，取，。 因為進給伺服系統(tǒng)傳遞功率不大，所以齒輪模數(shù)取2，齒寬取20mm，具體齒輪參數(shù)見表3-4。 表3-4 縱向傳動齒輪幾何參數(shù) （單位：mm） 齒數(shù) 32 40 齒頂圓 68 84 分度圓 64 80 齒根圓 59 75 齒寬 20 中心距 72 3.3.2計算橫向進給齒輪箱傳動比 初選步進電機步距角為0.75°，脈沖當量，絲杠導程，傳動比按式（3-13）計算，則帶入數(shù)據(jù)得： 考慮到結構上的原因，齒輪的直徑不宜過大，以免影響到橫向溜板的有效行程， 因此，采用兩級齒輪降速，，因進給齒輪受力較小，所以齒 輪模數(shù)取2，齒寬取20mm，相關參數(shù)見表3-5。 表3-5 橫向傳動齒輪幾何參數(shù) （單位：mm） 齒數(shù) 24 40 20 25 齒頂圓 52 84 44 54 分度圓 48 80 40 50 齒根圓 43 75 35 45 齒寬 20 中心距 64 45 3.4步進電機選型 3.4.1步進電機介紹 步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行元件，當步進驅動器接收到一個脈沖信號時，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，即步距角，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。角位移量由脈沖個數(shù)決定，實現(xiàn)準確定位；同時通過改變脈沖頻率進行調速，控制電機轉速。 步進電動機又稱為脈沖電動機，工作方式與普通電機不同，由驅動電源發(fā)出電脈沖，之后按脈沖步調輸出增量式轉角或直線位移。它的工作狀態(tài)受電源、外界環(huán)境和負載的波動影響較小，有步進狀態(tài)和連續(xù)狀態(tài)兩種。改變脈沖相序和頻率可以調整步進電機的轉向和轉速，它的調速范圍較寬且平滑性較好，步距誤差無積累現(xiàn)象，結構簡單，運行相對穩(wěn)定，被廣泛應用在自動控制系統(tǒng)中，尤其是作為數(shù)字控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件。 步進電機按構造分，有反應式、永磁式、和混合式三種。按工作方式分類，有功率式和伺服式兩種。 （1）功率式：輸出轉矩較大，能直接帶動較大負載（一般使用反應式、混合式步進電動機）。 （2）伺服式：輸出轉矩較小，只能帶動較小負載（一般使用永磁式、混合式步進電動機）。 選用步進電機時應考慮以下幾個方面： （1） 由于步進電機過負載運行時，便有可能發(fā)生失步、停轉或不規(guī)則的往復運動，為保證電機工作時不發(fā)生過載，所選用的電機的力矩應超出實際所需要力矩50%~100%，使設備能夠平穩(wěn)運行。 （2） 為保證光電耦合器能夠穩(wěn)定導通，不發(fā)生失步現(xiàn)象，需要上位控制器輸入合適的脈沖電流量（通常取<10mA）。此外，為了避免由于接受不到脈沖式電機發(fā)生失步，輸入的脈沖頻率要合理。 （3） 如果電機的起動頻率過高，就很難保證其穩(wěn)定性。可以通過在規(guī)定的起動頻率和設定頻率的加速過程中設置相應的程序編碼來解決。 （4） 步進電機應當固定好，防止因為共振使電機發(fā)生失步現(xiàn)象。 3.4.2縱向步進電機選擇計算 （1）計算步進電機的負載轉矩 （3-14） -脈沖當量，取0.01； -進給牽引力，取2622.2N； -步距角，取0.75°； -電機至絲杠間的傳動效率，為齒輪、軸承和絲杠效率之積，分別為0.98、0.99、0.99、0.94。 帶入數(shù)據(jù)得： （2）估算步進電機轉動慣量 齒輪傳動慣量： 絲杠折算到電動機軸上的轉動慣量： 由表3-6可得出公稱直徑為40mm，導程為6mm，1m長的絲杠轉動慣量為15.45，則縱向進給絲杠的轉動慣量為： 表3-6 滾珠絲桿的轉動慣量 絲杠名義直徑/mm 導程/mm 1m長絲杠的轉動慣量/() 20 4 0.94 5 0.84 25 5 2.24 6 2.00 30 5 4.91 6 4.47 35 5 9.26 6 8.72 8 8.30 40 5 16.29 6 15.45 45 6 26.13 8 25.54 10 22.63 50 6 39.75 8 37.64 10 35.76 12 31.98 60 8 81.58 10 78.02 12 74.96 70 8 157.35 10 150.47 12 145.13 80 10 263.49 12 255.84 90 10 420.31 12 392.75 100 12 649.56 16 615.16 20 562.44 120 20 1233.93 24 1144.60 絲杠傳動時傳動系統(tǒng)折算到電動機軸上的總轉動慣量按下式計算： （3-15） -齒輪的轉動慣量（）； -齒輪的轉動慣量（）； -工作臺及工件等移動部件的重量，取1000N； -滾珠絲杠轉動慣量（）； -絲杠導程，取0.6cm； -電動機轉子的轉動慣量，取。 帶入數(shù)據(jù)得： （3）電機力矩的計算 快速空載起動所需力矩： （3-16） -快速空載起動力矩（N·cm）； -空載起動時折算到電動機軸上的加速力矩（N·cm）； -折算得到電動機軸上的摩擦力矩（N·cm）； -絲杠預緊時折算到電動機軸上的附加摩擦力矩（N·cm）。 快速進給時所需力矩： （3-17） 通過比較式（3-16）和式（3-17）可得出>的結論。 采用絲杠螺母副傳動時，各種力矩可按下式計算： （3-18） -電動機最大轉速（r/min）； -運動部件最大快進速度，取2400mm/min； -脈沖當量，取0.01； -步進電機步距角，取0.75°。 帶入數(shù)據(jù)可得： 空載起動時折算到電機軸上的加速力矩按下式計算： （3-19） -傳動系統(tǒng)折算到電機軸上對的總轉動慣量，??； -電動機的最大角加速度（mm/min）； -運動部件從起動到加速到最大快進速度所需時間，取0.03s。 帶入數(shù)據(jù)可得： 最大切削負載時所需力矩： （3-20） 摩擦力矩按下式計算： （3-21） -絲杠導程，取0.6cm； -傳動鏈總效率，一般可取0.7~0.85，此處取為0.8； -齒輪降速比，取0.8。 導軌的摩擦力（N）按下式計算： （3-22） -導軌摩擦因數(shù)，綜合導軌取0.15； -垂直方向的切削力，取5360N； -工作臺重量，取1000N。 帶入數(shù)據(jù)到式（3-22）中得： 帶入數(shù)據(jù)到式（3-21）中得： 附加摩擦力矩按下式計算： （3-23） -滾珠絲杠預加負荷，取874.1N； -滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，一般取，此處取為0.9。 其余參數(shù)同上。 帶入數(shù)據(jù)到式（3-23）中得： 折算到電機軸上的切削力按下式計算： （3-24） -進給方向上的最大切削力，取1340N，其余參數(shù)同上。 帶入數(shù)據(jù)到式（3-24）得： 綜上可得： 快速空載起動所需力矩： 最大切削負載時所需力矩： 分析以上數(shù)據(jù)可知，所需最大力矩發(fā)生在快速起動時，為 （4）計算步進電機最高工作頻率 （5） 步進電機的選擇 對于工作方式為五相十拍的步進電機： 根據(jù)步進電機型號選擇150BF003型步進電機，最大靜轉矩為1568，選擇廣州數(shù)控生產設備郵箱公司生產的步進電機驅動器DF3A-06實現(xiàn)對該步進電機的有效驅動。 3.4.3橫向步進電機選型計算 （1）計算步進電機的負載轉矩 -脈沖當量，取0.005； -進給牽引力，取2022.8N； -步距角，取0.75°； -電機至絲杠間的傳動效率，為齒輪、軸承和絲杠效率之積，分別為0.98、0.99、0.99、0.94。 帶入數(shù)據(jù)到式（3-14）中得： （2）估算步進電機轉動慣量 齒輪傳動慣量： 絲杠折算到電動機軸上的轉動慣量： 由表3-6可得出公稱直徑為32mm，導程為5mm，1m長的絲杠轉動慣量為9.26，則縱向進給絲杠的轉動慣量為： 絲杠傳動時傳動系統(tǒng)折算到電動機軸上的總轉動慣量按下式計算： （3-25） 電動機轉子的轉動慣量可忽略不計。 帶入數(shù)據(jù)到式（3-24）中得： （3）電機力矩的計算 快速空載起動所需力矩： 快速進給時所需力矩： 通過比較上式，可得出>的結論。 采用絲杠螺母副傳動時，各種力矩可按下式計算： 根據(jù)式（3-18）可得： -運動部件最大快進速度，取1200mm/min； -脈沖當量，取0.005； -步進電機步距角，取0.75°。 空載起動時折算到電機軸上的加速力矩根據(jù)式（3-19）可得： 最大切削負載時所需力矩： 導軌的摩擦力（N）根據(jù)式（3-22）可得： -導軌摩擦因數(shù)，燕尾形導軌取0.2； -垂直方向的切削力，取2680N； -工作臺重量，取600N。 摩擦力矩根據(jù)式（3-21）計算： -絲杠導程，取0.5cm； -傳動鏈總效率，一般可取0.7~0.85，此處取為0.8； -齒輪降速比，取0.48。 附加摩擦力矩根據(jù)式（3-23）可得： -滾珠絲杠預加負荷，取674.3N； -滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，一般取，此處取為0.9。 其余參數(shù)同上。 折算到電機軸上的切削力根據(jù)式（3-24）計算： -進給方向上的最大切削力，取670N，其余參數(shù)同上。 根據(jù)（3-16）可得快速空載起動時所需力矩為： 根據(jù)（3-20）可得最大切削負載時所需力矩為： 根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，所需最大力矩發(fā)生在快速起動時，為。 （4）計算步進電機最高工作頻率 （5）步進電機的選擇 對于工作方式為三相六拍的步進電機： 選擇90B004型步進電機，最大靜轉矩為245，選擇廣州數(shù)控生產設備郵箱公司生產的步進電機驅動器DF3A-06實現(xiàn)對該步進電機的有效驅動。 第4章 車床數(shù)控化進給軸的改造 普通車床的X軸和Z軸均由同一電機驅動，走刀運動經走刀箱傳動絲杠及溜板箱，獲得不同的工件螺距即Z軸運動；走刀運動經走刀箱傳動光杠及溜板箱，獲得不同的進刀量即X軸運動。對普通車床進行數(shù)控化改造時，選用進給伺服或步進傳動鏈代替原車床的走刀箱和溜板箱，具體傳動過程如下： Z軸：縱向電機→齒輪減速箱→縱向滾珠絲杠→大拖板，依據(jù)數(shù)控指令獲得不同的走刀量。 X軸：橫向電機→齒輪減速箱→橫向滾珠絲杠→橫滑板，依據(jù)數(shù)控指令獲得不同的走刀量。 改造后整個傳動鏈的傳動精度在保證機床剛性的前提下，與滾珠絲杠副的選擇和布置結構形式、機床導軌的精度情況等有很大的關系。 4.1滾珠絲杠的選擇和布置結構形式 普通車床大多采用的是T型絲杠等滑動絲杠副，與滾珠絲杠副相比摩擦阻力大、傳動效率低，不能適用于高速運動。另外由于磨損快，造成其精度保持性和壽命低等等，在進行普通車床數(shù)控化改造時往往都將其更換為滾珠絲杠副。滾珠絲杠副具有以下優(yōu)點：摩擦損失小，傳動效率高，可達0.90～0.96；若使用的絲杠螺母預緊后，可以完全消除間隙，提高傳動剛度；摩擦阻力小，幾乎與運動速度無關，動靜摩擦力之差極小，能保證運動平穩(wěn)，不易產生低速爬行現(xiàn)象；磨損小、壽命長、精度保持性好。但應注意，由于滾珠絲杠副不能自鎖，有可逆性，即能將旋轉運動轉換為直線運動，或將直線運動轉化為旋轉運動，因此絲杠立式和傾斜使用時，應增加制動裝置或平衡裝置。 滾珠絲杠副根據(jù)其滾珠回轉形式可以分為外循環(huán)和內循環(huán)兩種，根據(jù)螺母的結構形式又可以分為雙螺母和單螺母。在進行改造時應根據(jù)具體情況和結構形式來定，由于外循環(huán)式絲杠副螺母回珠器在螺母外邊，所以很容易損壞而出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，而內循環(huán)式的回珠器在螺母副內部，不存在卡死和脫落現(xiàn)象。由于雙螺母不僅裝配、預緊調整等比單螺母方便，而且其傳動剛性比單螺母要好，所以只要結構和機床空間滿足要求，在普通機床數(shù)控化改造中多選用內循環(huán)式雙螺母結構。 改造時各軸滾珠絲杠的直徑一般都是與原T型絲杠直徑接近，對有特殊要求的機床還應根據(jù)桿系的穩(wěn)定性計算其臨界轉速，最終確定滾珠絲杠的直徑。絲杠導程在滿足機床改造后性能的前提下越小，對機床的傳動精度越有利。機床的傳動精度在保證機床剛性的前提下，與絲杠副本身的精度和軸承布置形式有很大的關系，一般在普通機床改造中絲杠副選p4級即可滿足要求，特殊精密機床選p3級甚至更高。絲杠副軸承常見的布置形式根據(jù)不同的需要可以分為以下幾種： a b c d 圖4-1 絲杠軸承的布置 圖中a為一端固定，一端懸空的布置方式。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度第，僅適應于短絲杠，如數(shù)控車床的調整環(huán)節(jié)或升降臺式數(shù)控銑床的垂直坐標中。 圖中b為一端固定，一端支承的布置方式。這種安裝方式多在絲杠較長，轉速較高的場合，在受力較大時還得增加角接觸軸承的數(shù)量，轉速不高時多用更經濟的推力球軸承代替角接觸球軸承。 圖中c為兩端支承的布置方式。 圖中d為兩端固定的布置方式。這種布置方式絲杠副的支承剛性最好，通過軸承的預緊力預拉伸絲杠，以減少絲杠熱變形的影響。這種方式多用在絲杠長度不大的情況，但設計時要注意提高平面球軸承的承載能力、支承剛度以及絲杠裝配時的預拉伸量，否則會影響軸承壽命，同時也會預加負載的不易控制而增加電機的附加扭矩。 4.2機床導軌 普通車床導軌大多采用的是滑動導軌，其動、靜摩擦系數(shù)大，在使用一段時間后都會有不同程度的磨損，對機床傳動精度和其保持性帶來很大的影響。因此在對其進行數(shù)控化改造的同時必須針對機床導軌狀況進行必要的檢修處理，對于磨損較嚴重的更要進行大修，即進行磨削、淬火、貼塑、配刮等處理，同時采用合理的潤滑，充分保證其精度。 4.3電機與絲杠的聯(lián)接 在滿足機床要求的前提下，為減少中間環(huán)節(jié)帶來的傳動誤差，我們多將電機與絲杠副通過聯(lián)軸器直接聯(lián)接，這要根據(jù)改造中的實際情況來定。一般對于小型車床，如床身長5米的車床，由于絲杠較長，直徑較大，除了要考慮傳動力的問題，還要考慮其低速性能及加減速慣量匹配的問題。往往電機都要通過幾級減速來傳動。無論是采用齒輪還是同步帶輪傳動，其傳動間隙的消除都是很關鍵的，齒輪傳動中常用的方法有錯齒消隙法、偏心軸調整法等等，同步帶輪傳動中采用調整中心距或張緊輪消隙法。 第5章 車床保養(yǎng)的內容和要求 5.1日常保養(yǎng) 1、外觀保養(yǎng) （1）擦清機床表面，下班后，所有的加工面涂上機油防銹。 （2）清除切屑（內部和外部）。 （3）檢查機床內外有無磕碰、拉傷現(xiàn)象。 2、主軸部分 （1）液壓夾具運轉情況。 （2）主軸運轉情況。 3、潤滑部分 （1）各潤滑油箱的油量。 （2）各手動加油點、按規(guī)定加油，并旋轉濾油器。 4、尾座部分 （1）每周一次，移動尾座清理底面、導軌。 （2）每周一次拿下頂尖清理追空。 5、電氣部分 （1）檢查三色燈、開關。 （2）檢查操縱板上各部分位置。 6、其他部分 （1）液壓系統(tǒng)無滴油，發(fā)熱現(xiàn)象。 （2）切削液系統(tǒng)工作正常。 （3）工件排列整齊。 （4）清理機床周圍，達到清潔。 （5）認真填寫交接班記錄及其他記錄。 5.2定期保養(yǎng) 1、外觀部分 清除各部件切削、油垢，做到無死角，保持內外清潔，無銹蝕 2、液壓及切削油箱 （1）清洗濾油器。 （2）油管暢通、油窗明亮。 （3）液壓站無油垢、灰塵。 （4）切削液箱內加5-10cc防腐劑。 3、機床本體及清屑器 （1）卸下刀架尾座的擋屑板，進行清洗。 （2）掃清清屑器上的殘余鐵屑，每3-6個月卸下清屑器，清掃機床內部，具體依據(jù)工作量大小而定。 （3）掃清回轉刀架上的全部鐵屑。 4、潤滑部分 （1）各潤滑油管要暢通無阻。 （2）各潤滑點加油，并檢查油箱內有無沉淀物。 （3）實驗自動加油器的可靠性。 （4）每月用紗布擦拭讀帶機各部位，每半年對各運轉點至少潤滑一次。 （5）每周檢查一下濾油器是否干凈，若較臟，必須洗凈，最長時間不能超過一個月。 5、電氣部分 （1）對電機碳刷每年要檢查一次，如果不合要求，應立即更換。 （2）熱交換器每年至少檢查清理一次。 （3）擦拭電器箱內外清潔無油垢、無灰塵。 （4）各接觸點良好，不漏電。 （5）各開關按鈕靈活可靠。 第6章 結論 經過了近三個月的努力，在指導老師的諄諄教導以及同學們的熱心幫助下，畢業(yè)設計工作得以順利完成。此次畢業(yè)設計是對我們大學四年來所學知識的一次綜合應用和實測檢驗，在畢業(yè)設計過程中，我們把理論和實際相互關聯(lián)，把自己內心的構想轉變?yōu)榫唧w可行的工序流程和生產標準，并以具體的數(shù)據(jù)論證和支持自己的觀點。同時鍛煉了自己獨立思考的能力和解決問題的能力，使自己對四年來的個人所得有了一個更加清楚全面的認識，知道了自己的不足，為以后的學習提供了參照和借鑒。 經過思考和選擇，此次畢業(yè)設計我選擇的設計題目為C620-3型普通車床數(shù)控化改造，限于時間和個人能力，此次設計僅對車床的機械部分中的橫向和縱向進給系進行了經濟型數(shù)控化改造。在查閱相論文、期刊和參考資料后，我完成了一下具體工作： 1. 了解國內外普通車床向數(shù)控車床改造的歷史發(fā)展過程和現(xiàn)狀 2. 查閱相關資料認識和理解C620-3型車床的工作原理和主要的零部件 3. 對車床的設計參數(shù)進行確定。 4. 對橫向進給系統(tǒng)和縱向進給系統(tǒng)進行設計計算，得到各零部件的尺寸參數(shù)，包含電動機、齒輪、滾珠絲杠螺母副，軸承等。 5. 對所選部件進行校核驗算，保證其滿足工作需求。 6. 運用CAD軟件完成零件圖和橫向進給裝配圖的繪制，并按照制圖標準進行標注。 7. 編寫設計說明書，完成后續(xù)工作，準備參加答辯。 在設計過程中存在的問題和不足之處： 1. 查詢資料的渠道較少，部分需要的資料查詢不到。 2. 對所學知識不能夠做到融會貫通，沒有將其聯(lián)接起來，需要時間進行梳理和鞏固。 3. 零件結構存在少許缺陷，未能考慮實際加工難度。 4. 繪圖技巧有所生疏，部分零件的標準畫法忘記了，需要重新翻閱制圖書。 5. 說明書排版格式存在部分問題，需要進行調整。 參考文獻 [1]文懷興、夏田.數(shù)控機床系統(tǒng)設計.北京：化學工業(yè)出版社，2005.6 [2]周開勒.機械零件設計手冊.北京：高等教育出版社，2001.1 [3]明興祖.數(shù)控機床與系統(tǒng).北京：中國人民大學出版社，2000.10 [4]龔桂義.機械設計課程指導書.北京：高等教育出版社，2001 [5]王愛玲.現(xiàn)代數(shù)控機床.北京：國防工業(yè)出版社，2003.4 [6]張新義.經濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設計.北京：機械工業(yè)出版社，1998 [7]李朝青.單片機原理及接口技術.北京：北京航空航天大學出版社，1995.3 [8]趙玉剛.數(shù)控技術.北京：機械工業(yè)出版社，2003.6 [9]吳孜越.The Numerical Control Improvement on C620 Lathe.2005.10 [10]畢承恩、乃建.現(xiàn)代數(shù)控機床.北京：機械工程出版社，1991 [11]羅永順.機床數(shù)控化改造技術.北京：機械工業(yè)出版社，2007.5 [12]陳燁.不斷發(fā)展的超高速數(shù)控機床數(shù)控系統(tǒng). 中國機械工程學會生產工程匯編.全國生產工程第8屆學術大會暨第3屆青年學者學術會議文集.威海：機械工業(yè)出版社，1999 致　謝 首先，感謝指導老師，在畢業(yè)設計期間，無論是教學指導上，還是在做人做事上，都給我提供了很大的幫助。通過這段時間的接觸，我認識到老師是一個非常和藹可親的人，他在學術領域的專業(yè)性，在教學方法的多樣化，都非常令我嘆服和敬佩。 這段時間里，在指導老師的幫助下，我完成了畢業(yè)設計的全部工作，得到了一份完整的畢業(yè)作品，雖然老師平日里事務繁忙，但在我做畢業(yè)設計的每個階段，包括查閱資料、設計草案的確定和修改、中期檢查，后期設計等過程中都給予了我悉心的指導。對于設計過程中的一些問題，老師也給出了合理的建議和修改方案。老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和科學的研究精神值得我們學習，相信這對我今后的學習和工作都會產生積極影響。 其次要感謝班主任和各位老師們在四年里對我的教導，為我打下機械專業(yè)知識的基礎，同時感謝你們在學習和生活上對我的支持和幫助，我不僅學到了知識，而且學到了做人的準則和做事的方法。 另外感謝同我一起做設計的同學們，他們的勤奮努力，刻苦鉆研，不恥下問，都深深的影響著我。有他們的鼓勵和幫助，讓我在設計的過程中克服一個又一個的困難，最終完成了設計。 最后要感謝呂梁學院四年來對我的栽培，我在此致以誠摯的感謝！