C6180普通車床的數(shù)控化改造（橫向與縱向進給系統(tǒng)）含開題及4張CAD圖
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指導(dǎo)記錄
（指導(dǎo)教師用表）
系（部）： 專業(yè)： 班級：
姓名
學號
指導(dǎo)教師
職稱/學位
畢業(yè)論文
（設(shè)計）題目
C6180普通車床數(shù)控化改造（橫向與縱向進給系統(tǒng)）
日 期
指導(dǎo)內(nèi)容
存在問題
指導(dǎo)
學時數(shù)
2018.03.05
首次小組指導(dǎo)，課題下達，指導(dǎo)老師根據(jù)實際情況安排畢業(yè)設(shè)計課題的分配，并詳細介紹了設(shè)計中的注意事項，布置了開題報告。
1、不確定自己的實際情況，不好定題。
2、對題目的任務(wù)不了解，選題不明確。
2學時
2018.03.12
指導(dǎo)老師檢查每個同學的開題報告，指出各個同學的不足之處，提出修改意見。
1、沒有找到足夠的參考資料，不足以定題。
2、對格式安排不合理
2學時
2018.03.19
指導(dǎo)老師再此檢查開題報告，確定沒有錯誤以后，開始講解設(shè)計章節(jié)安排，布置下一階段的任務(wù)。
找不到足夠的參考文獻。
2學時
2018.03.26
聽取各個同學對自己課題設(shè)計思路的闡述，指導(dǎo)老師指出其中的不足之處并對每個同學的課題的重點進行詳細解釋。
在剛剛開始的時候，好多東西都不懂，不好上手。
2學時
2018.04.02
對各個同學目前主要設(shè)計的東西進行分析，讓同學們有了清晰的思路。
帶的型號計算出來的數(shù)據(jù)不能進行校核。
2學時
2018.04.09
檢查已經(jīng)計算的部分，敦促同學盡快完成計算，指導(dǎo)老師對每個同學遇到的問題進行耐心的回答，并對結(jié)構(gòu)設(shè)計計算提出了一些建議。
伺服電機的計算選型不合理。
2學時
2018.04.16
本次指導(dǎo)過程主要針對的是各個設(shè)計中的計算，強調(diào)要嚴格按照國家標準進行計算，對計算結(jié)果要嚴格檢查，不能出現(xiàn)差錯，否則無法進行下一步的工作。
對機床主傳動之間的連接不了解。
2學時
2018.04.30
對已經(jīng)繪制的零件模型進行了查閱，并指出錯誤。
軸的繪制存在疑問。
2學時
2018.05.07
對已經(jīng)繪制的零件模型進行了進一步的查閱，并催促同學們進行裝配。
對進給系統(tǒng)的大體結(jié)構(gòu)不清楚。
2學時
2018.05.18
對裝配圖的進度進行了檢查，并催促同學們完成裝配圖。
基本完成的裝配圖的繪制，但是還有一些細節(jié)問題需要優(yōu)化。
2學時
2018.05.21
本次指導(dǎo)老師檢查了裝配圖，給出了一定的指導(dǎo)意見，對圖中出現(xiàn)的問題進行仔細的講解。
裝配圖中的一些細節(jié)問題還需要進一步的優(yōu)化。
2學時
2018.05.25
本次指導(dǎo)時，在檢查圖紙的同時，還提到了說明書的重要性，催促我們盡快完成說明書。
說明書內(nèi)摘要部分需要修改，同時還有格式部分也需要修改。
2學時
2018.05.28
本次檢查指導(dǎo)時，基本已經(jīng)完成了老師對其中的格式字體部分進行檢查，進一步加強了格式的重要性。
對說明書內(nèi)一些細節(jié)性的格式還需要修改比如：行間距。
2學時
2018.06.01
打印初稿，并交給老師查閱，老師指出問題，進行指導(dǎo)。
注：本表可續(xù)頁，由指導(dǎo)教師根據(jù)畢業(yè)論文（設(shè)計）指導(dǎo)工作方案和實際指導(dǎo)情況填寫（可電子版填寫）。
C6180普通車床的數(shù)控化改造（橫向與縱向進給系統(tǒng)）
摘 要
伴隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機床在當今機械制造業(yè)中的重要地位和巨大效益，顯示了其在國家基礎(chǔ)工業(yè)現(xiàn)代化中的戰(zhàn)略性作用，并已成為傳統(tǒng)機械制造工業(yè)提升改造和實現(xiàn)自動化、柔性化、集成化生產(chǎn)的重要手段和標志。鑒于我國目前機床擁有數(shù)量大，生產(chǎn)規(guī)模小的特點，用較小的資金迅速改變機械工業(yè)落后的生產(chǎn)面貌，使之盡可能地提高自動化程度，保證生產(chǎn)質(zhì)量，減輕勞動強度，提高經(jīng)濟效益，而實現(xiàn)這一任務(wù)的途徑就是對普通機床進行數(shù)控化改造。
本文對C6180普通機床數(shù)控化改造進行了深入研究，主要在機床橫向與縱向進給系統(tǒng)方面進行改造。通過對原有技術(shù)參數(shù)，橫向與縱向進給系統(tǒng)，機床關(guān)鍵部件參數(shù)的計算，對原機床進行橫向與縱向進給系統(tǒng)進行數(shù)控化改造設(shè)計、對機床改造方案的選擇以及在改造中應(yīng)注意的事項等進行了詳細的論述。最終經(jīng)過改造的機床達到預(yù)期的功能和精度，完全能達到預(yù)期效果。提高了普通機床的生產(chǎn)效率，降低了勞動強度，改造后的機床性能更加穩(wěn)定可靠，可以有效提高工件加工精度和生產(chǎn)效率。
關(guān)鍵詞：普通機床；數(shù)控化改造；橫向與縱向進給系統(tǒng)
Abstract
With the rapid development of science and technology,the important position and great benefit of numerical control technology and CNC machine tool in the modern machinery manufacturing industry show its strategic role in the modernization of national basic industry,and have become an important part of the traditional machinery manufacturing industry to upgrade and transform and realize automatization,flexibility and integrated production. Means and signs.In view of the large number of machine tools and small scale of production in China,the backward production features of the machinery industry are rapidly changed with smaller funds,so as to make it possible to improve the degree of automation,guarantee the quality of production,reduce labor intensity and improve economic efficiency,and the way to achieve this task is to carry out this task.Numerical control transformation.
In this paper,the NC transformation of C6180 ordinary machine tools has been deeply studied,mainly in the transverse and longitudinal feed system of machine tools.Through the calculation of the original technical parameters,the horizontal and longitudinal feed systems,the parameters of the key parts of the machine tools,the numerical control transformation design of the horizontal and longitudinal feed systems for the original machine tools,the selection of the transformation scheme of the machine tools and the matters to be paid attention to in the transformation are discussed in detail.Finally,the transformed machine tool achieves the expected function and accuracy,and achieves the desired effect.The production efficiency of the common machine tool is improved,the labor intensity is reduced,the performance of the machine tool after the transformation is more stable and reliable,and the machining accuracy and production efficiency can be improved effectively.
Key words:General machine tool;Numerical control transformation;Transverse and longitudinal feed system
目 錄
引 言 1
第1章 概述 3
1.1 機床數(shù)控化改造的必要性 3
1.2 普通機床數(shù)控改造的主要優(yōu)點 4
第2章 總體方案的設(shè)計 7
2.1 設(shè)計任務(wù) 7
2.2 總體方案的論證 7
2.3 總體方案的確定 7
2.4 數(shù)控系統(tǒng)的選擇 8
第3章 機械部分改造 9
3.1 機械部件的選擇 9
3.2 數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計計算 9
3.2.1 選擇脈沖當量 9
3.2.2 算切削力 9
3.3 滾珠絲杠螺母副的計算和橫向進給絲杠的選型 9
3.3.1 進給牽引力的計算 9
3.3.2 最大動負載的計算 9
3.3.3 選擇滾珠絲杠螺母副 10
3.3.4 傳動效率的計算 10
3.3.5 剛度的驗算 10
3.3.6 校核 12
3.4 齒輪傳動比計算 17
3.5 步進電機的計算和選型 17
3.5.1 等效轉(zhuǎn)動慣量計算 17
3.5.2 電機力矩的計算 18
3.5.3 步進電機空載啟動頻率和切削時的工作頻率 20
3.6 縱向進給系統(tǒng) 20
3.7 機械部分改造 26
3.8 主軸脈沖編碼器的安裝 28
結(jié) 論 31
參考文獻 33
致 謝 35
引 言
制造業(yè)是一個國家或地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱，其發(fā)展水平標志著該國或地區(qū)經(jīng)濟的實力，科技水平，生活水準和國防實力。國際市場的競爭歸根到底是各國制造生產(chǎn)能力及機械制造裝備的競爭。
隨著機械制造生產(chǎn)模式的演變,對機械制造裝備提出了不同的要求。在50年代“剛性”生產(chǎn)模式下，通過提高效率，自動化程度,進行單一或少品種的大批量生產(chǎn)，以“規(guī)模經(jīng)濟”實現(xiàn)降低成本和提高質(zhì)量的目的。從90年代開始，為了對世界生產(chǎn)進行快速響應(yīng)，逐步實現(xiàn)社會制造資源的快速集成，要求機械制造裝備的柔性化程度更高,采用擬實制造和快速成形制造技術(shù)。
工業(yè)發(fā)達國家都非常注重機械制造業(yè)的發(fā)展，為了用先進技術(shù)和工藝裝備制造業(yè)，機械制造裝備工業(yè)得到先發(fā)展。對比之下，我國目前機械制造業(yè)的裝備水平還比較落后，表現(xiàn)在大部分工廠的機械制造裝備基本上是通用機床加專用工藝裝備，數(shù)控機床在機械制造裝備中的比重還非常低，導(dǎo)致“剛性”強,更新產(chǎn)品速度慢，生產(chǎn)批量不宜太小，生產(chǎn)品種不宜過多；自動化程度基本上還是“一個工人，一把刀，一臺機床”，導(dǎo)致勞動生產(chǎn)率低下，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。因此，要縮小我國同工業(yè)發(fā)達國家的差距,我們必須在機械制造裝備方面大下功夫，其中最重要的一個方面就是增加數(shù)控機床在機械制造裝備中的比重。
通過這次畢業(yè)設(shè)計，可以達到以下目的：（1）培養(yǎng)綜合運用專業(yè)基礎(chǔ)知識和專業(yè)技能來解決工程實際問題的能力；（2）強化工程實踐能力和意識,提高本人綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力；（3）使本人受到從事本專業(yè)工程技術(shù)和科學研究工作的基本訓練,提高工程繪圖、計算、數(shù)據(jù)處理、外文資料文獻閱讀、使用計算機、使用文獻資和手冊、文字表達等各方面的能力；（4）培養(yǎng)正確的設(shè)計思想和工程經(jīng)濟觀點，理論聯(lián)系實際的工作作風，嚴肅認真的科學態(tài)度以及積極向上的團隊合作精神。
第1章 概述
數(shù)控機床可以較好地解決形狀復(fù)雜、精密、小批及多變零件的加工問題，能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率，但是數(shù)控機床的應(yīng)用也受到其他條件的限制。首先，數(shù)控機床價格昂貴，一次性投資巨大，中小企業(yè)常是心有余而力不足；目前，各企業(yè)都有大量的普通機床。完全用數(shù)控機床替換根本不可能，而且被替代下的機床閑置起來又會造成浪費；在國內(nèi)，訂購新數(shù)控機床的交貨周期一般較長，往往不能滿足生產(chǎn)急需；要較好地解決上述問題，應(yīng)走普通機床數(shù)控改造之路。低成本普通車床數(shù)控化改造是一項適合我國實際情況的先進適用技術(shù)，也是一項提升我國機床數(shù)控化率的有效途徑。在美國、日本和德國等發(fā)達國家，它們的機床改造作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，生意盎然。由于機床以及技術(shù)的不斷進步，機床改造是個“永恒”的課題。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。
1.1 機床數(shù)控化改造的必要性
（1）從提高資本效率出發(fā)，改造閑置設(shè)備，能發(fā)揮機床的原有功能和改造后的新增功能，從而提高機床的使用價值；
（2）適用于多品種、小批量零件生產(chǎn)；
（3）數(shù)控改造費用低，減少了投資額，經(jīng)濟性好。數(shù)控改造費用僅為新購一臺數(shù)控機床的15％～25％，同購置新機床相比，一般可以節(jié)省75％～85％的費用。
（4）力學性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)受限。所利用的床身、立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅固的鑄造，而不是那種焊接構(gòu)件，改造后的機床性能高、質(zhì)量好，可以作為新設(shè)備繼續(xù)使用，應(yīng)此數(shù)控化改造使原有的機械結(jié)構(gòu)更為簡單；
（5）熟悉了解設(shè)備、便于操作維修，降低了操作者的技術(shù)要求，更易提高管理水平；
（6）可充分利用現(xiàn)有的條件。可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購入新設(shè)備時那樣需重新地基；
（7）可以采用最新的控制技術(shù)；
（8）交貨期短，可滿足生產(chǎn)急需。
機床作為機械制造業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注，由于計算機技術(shù)的興起，促使機床的控制信息出現(xiàn)了質(zhì)的突破，導(dǎo)致了應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)進行柔性自動化控制的新一代機床－數(shù)控機床的誕生和發(fā)展。計算機的出現(xiàn)和應(yīng)用，為人類提供了實現(xiàn)機械加工工藝過程自動化的理想手段。隨著計算機的發(fā)展，數(shù)控機床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，同時使人們對傳統(tǒng)的機床傳動及結(jié)構(gòu)的概念發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變。數(shù)控機床以其優(yōu)異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開創(chuàng)機械產(chǎn)品向機電一體化發(fā)展的先驅(qū)。
數(shù)控機床是以數(shù)字化的信息實現(xiàn)機床控制的機電一體化產(chǎn)品，它把刀具和工件之間的相對位置，機床電機的啟動和停止，主軸變速，工件松開和夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動作等信息用代碼化的數(shù)字記錄在控制介質(zhì)上，然后將數(shù)字信息送入數(shù)控裝置或計算機，經(jīng)過譯碼，運算，發(fā)出各種指令控制機床伺服系統(tǒng)或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工件。
1.2 普通機床數(shù)控改造的主要優(yōu)點
（1）適應(yīng)性強，適合加工單件或小批量的復(fù)雜工件；在數(shù)控機床上改變加工工件時，只需重新編制新工件的加工程序，就能實現(xiàn)新工件加工。
（2）加工精度高；
（3）生產(chǎn)效率高；
（4）減輕勞動強度，改善勞動條件；
（5）良好的經(jīng)濟效益；
（6）有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。
數(shù)控機床已成為我國市場需求的主流產(chǎn)品，需求量逐年激增。我國數(shù)控機床近幾年在產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)品開發(fā)上取得了明顯的進步，特別是在機床的高速化、多軸化、復(fù)合化、精密化方面進步很大。但是，國產(chǎn)數(shù)控機床與先進國家的同類產(chǎn)品相比，還存在差距，還不能滿足國家建設(shè)的需要。
我國是一個機床大國，有三百多萬臺普通機床。但機床的素質(zhì)差，性能落后，單臺機床的平均產(chǎn)值只有先進工業(yè)國家的1/10左右，差距太大，急待改造。舊機床的數(shù)控化改造，顧名思義就是在普通機床上增加微機控制裝置，使其具有一定的自動化能力，以實現(xiàn)預(yù)定的加工工藝目標。隨著數(shù)控機床越來越多的普及應(yīng)用，數(shù)控機床的技術(shù)經(jīng)濟效益為大家所理解。在國內(nèi)工廠的技術(shù)改造中，機床的微機數(shù)控化改造已成為重要方面。許多工廠一面購置數(shù)控機床一面利用數(shù)控、數(shù)顯、PC技術(shù)改造普通機床，并取得了良好的經(jīng)濟效益。我國經(jīng)濟資源有限，國家大，機床需要量大，因此不可能拿出相當大的資金去購買新型的數(shù)控機床，而我國的舊機床很多，用經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)改造普通機床，在投資少的情況下，使其既能滿足加工的需要，又能提高機床的自動化程度，比較符合我國的國情。1984年，我國開始生產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)，并用于改造舊機床。到目前為止，已有很多廠家生產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)。可以預(yù)料，今后，機床的經(jīng)濟型數(shù)控化改造將迅速發(fā)展和普及。所以說，本畢業(yè)設(shè)計實例具有典型性和實用性。
第2章 總體方案的設(shè)計
2.1 設(shè)計任務(wù)
本設(shè)計任務(wù)是對C6180普通車床工作臺進行數(shù)控改造
熟悉普通車床6180的工作臺基本傳動機構(gòu)（橫向和縱向）。利用微型計算機改造現(xiàn)有的普通車床，主要應(yīng)該解決的問題是如何將機械傳動的進給和手動控制的刀架轉(zhuǎn)位，進給改造成由計算機控制的刀架自動轉(zhuǎn)位以及自動進給的自動加工機床，即經(jīng)濟型數(shù)控車床。
利用PLC對縱、橫向進給系統(tǒng)進行開環(huán)控制，縱向（Z向）脈沖當量為0.01mm，橫向（X向）脈沖當量為0.005mm，驅(qū)動元件采用步進電機，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用自動轉(zhuǎn)位刀架。
2.2 總體方案的論證
對于普通機床的經(jīng)濟型數(shù)控改造，在確定總體設(shè)計方案時，應(yīng)考慮在滿足設(shè)計要求的前提下，對機床的改動應(yīng)盡可能少，以降低成本。
（1）數(shù)控系統(tǒng)運動方式的確定：數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。由于要求C6180車床加工復(fù)雜輪廓零件，所以本微機數(shù)控系統(tǒng)采用點位控制系統(tǒng)。
（2）伺服進給系統(tǒng)的改造設(shè)計：數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)有開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)之分。因為開環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價格便宜、使用維修方便等優(yōu)點。所以，本設(shè)計決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。
（3）數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計：任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運行。
2.3 總體方案的確定
經(jīng)總體設(shè)計方案的論證后，數(shù)控化改造設(shè)計時,在滿足車床總體布局的前提下要盡可能利用原來的零部件,因此確定總體改造方案如下：
（1）拆除原車床的縱向和橫向絲杠及光杠、溜板箱及掛輪箱的齒輪，用滾珠絲杠替換原有普通滑動絲杠，將選取的縱向滾珠絲杠副通過托架安裝在原溜板箱與床鞍連接的部位上，縱橫向滾珠絲杠兩端盡可能利用原固定和支承方式。為便于安裝滾珠絲杠副，絲杠采用分體式，用套筒聯(lián)軸器實剛性聯(lián)接；
（2）橫向驅(qū)動電機及齒輪減速器安裝在床鞍的后部(相對操作者)，縱向驅(qū)動電機及齒輪減速裝置安裝在機床的右端，靠近尾座的位置；
（3）要實現(xiàn)自動換刀，需拆除原手動刀架，在小拖板上安裝數(shù)控轉(zhuǎn)位刀架；
（4）為了使改造后的車床能夠加工螺紋，需要加裝主軸脈沖編碼器，以實現(xiàn)對主軸轉(zhuǎn)速的同步檢測，編碼器安裝在掛輪箱內(nèi)；
（5）為使加工過程中不超程，橫縱向要安裝行程限位開關(guān)；
（6）為實現(xiàn)回參考點的動作，必須在縱橫向安裝接近開關(guān)；
（7）縱、橫向齒輪箱和絲杠全部加防護罩，以防臟物、油污和切屑等進入，機床整體也要加裝防護罩，以防止加工過程中的切屑飛濺傷人；
（8）考慮到改造的成本，盡可能采用可靠性高的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)。圖2-1為總體改造示意圖
圖2-1 總體改造示意圖
1.橫向滾珠絲杠副 2.橫向電機 3.橫向減速器 4.尾座 5.縱向減速器
6.縱向電機 7.支架 8.縱向滾珠絲杠副 9.數(shù)控轉(zhuǎn)位刀架 10.主軸脈沖編碼器
2.4 數(shù)控系統(tǒng)的選擇
選擇數(shù)控系統(tǒng)時主要是根據(jù)數(shù)控化改造后機床要達到的各種精度、各種性能等選擇性價比較合適的系統(tǒng),避免系統(tǒng)功能過剩,同時應(yīng)考慮到原車床的精度和改造成本、周期和難易程度等各方面因素,決定選擇步進電機作為驅(qū)動元件、開環(huán)控制的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)。SINUMERIK802S base line是西門子公司專門為中國數(shù)控機床市場開發(fā)的經(jīng)濟型CNC控制系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)緊湊,具有高度集成于一體的數(shù)控單元、機床操作面板和輸入輸出單元,機床調(diào)試配置數(shù)據(jù)少,且容易改造成功。所以最終決定選擇西門子經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)SINUMERIK802S base line。
第3章 機械部分改造
3.1 機械部件的選擇
為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲杠，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時，為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動也采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。
3.2 數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計計算
3.2.1 選擇脈沖當量
根據(jù)機床精度要求選擇脈沖當量，縱向脈沖當量：0.01mm，橫向脈沖當量：0.005mm。
3.2.2 算切削力
縱向車外圓時主切削力按經(jīng)驗公式估算：
橫向切端面時主切削力可取縱向主切削力的1/2：
按切削力各分力比例：
3.3 滾珠絲杠螺母副的計算和橫向進給絲杠的選型
3.3.1 進給牽引力的計算
橫向?qū)к墳檠辔残危嬎悖?
其中：F為滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：0.15-0.18取0.16
G為溜板箱及刀架重力：
3.3.2 最大動負載的計算
，其中：L=；n=
以上公式中：L為滾珠絲杠導(dǎo)程，初選：L=5mm；
為最大切削力下的進給速度，可取最快的進給速度：1/2-1/3，取1/2；
f為運轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運轉(zhuǎn)取：f=1.2-1.5；取1.3；
L為壽命，106轉(zhuǎn)為41單位。
n===30
L===27
C=f=N
3.3.3 選擇滾珠絲杠螺母副
根據(jù)《機械設(shè)計師手冊》（機械工業(yè)出版社出版發(fā)行）第一版上冊，CDM2005-2.5外循環(huán)管式墊片預(yù)緊導(dǎo)珠管埋入型滾珠絲杠副的額定動載荷為可滿足要求，選定精度為3級。
3.3.4 傳動效率的計算
=0.965
式中：螺旋升角（CDM2005-2.5），
摩擦角，
3.3.5 剛度的驗算
橫向進給絲杠支承方式如橫向進給系統(tǒng)計算簡圖見下圖3-1所示：
圖3-1 橫向進給系統(tǒng)計算簡圖
最大牽引力為：2425N支承間距因絲杠長度較短，不需預(yù)緊，螺母及軸承預(yù)緊，計算如下：
（1）絲杠的拉伸或壓縮變形量：
查資料，根據(jù)，查出：因此:
=
（2）滾珠與螺紋滾道間接觸變形：
查資料：，因進行了預(yù)緊：
（3）支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形：
采用8012單向推力球軸承(GB301-84)，，，
考慮到進行了預(yù)緊，以：
綜合以上幾項變形量之和：
顯然，此變形量已大于定位精度的要求，應(yīng)該采取相應(yīng)的措施修改設(shè)計，因橫向溜板空間限制，不宜再加大滾珠絲杠直徑，故采用貼塑導(dǎo)軌減小摩擦力，從而減小最大牽引力。重新計算如下：
從資料中查出，當時，，因此
和不變，所以綜合幾項變形量之和：
此變形量仍不能滿足要求，如果將滾珠絲杠再經(jīng)過預(yù)拉伸，剛度還可以提高四倍，則：
此變形量可以滿足設(shè)計要求。
3.3.6 校核
滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓振動固有頻率，其扭轉(zhuǎn)剛度影響扭轉(zhuǎn)固有頻率。承受軸向負荷的滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度由絲杠本身的拉壓剛度，絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度，軸承的接觸剛度，螺母座的剛度，按不同支承組合方式的計算而定。扭轉(zhuǎn)剛度按絲杠的參數(shù)計算。
（1）臨界壓縮負荷
絲杠的支承方式對絲杠的剛度影響很大，采用兩端固定的支承方式并對絲杠進行預(yù)拉伸，可以最大限度地發(fā)揮絲杠的潛能。所以設(shè)計中采用兩端固定的支承方式[9]。
臨界壓縮負荷按下式計算：
(3-1)
公式3-1中：
E——材料的彈性模量；
——最大受壓長度(m)；
——安全系數(shù)，?。?
——最大軸向工作負荷(N)；
——絲杠支承方式系數(shù)；(支承方式為雙推——雙推時，見下圖，，
)
——絲杠最小截面慣性矩()：
(3-2)
公式3-2中：
——絲杠公稱直徑(mm)；
——滾珠直徑(mm)。
絲杠螺紋部分長度，取
支承跨距，絲杠全長
由公式(3-1)
可見遠大于，臨界壓縮負荷滿足要求。
（2）臨界轉(zhuǎn)速
(3-3)
公式3-3中：
A——絲杠最小橫截面：
——臨界轉(zhuǎn)速計算長度：
取，
——安全系數(shù)，一般??；
——材料的密度：；
——絲杠支承方式系數(shù)，查表得，
滿足要求。
（3）絲杠拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率
絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度的計算公式：
兩端固定：
(3-4)
公式3-4中：
——滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度；
——螺母座的剛度；
——絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度；
——絲杠本身的拉壓剛度；
——軸承的接觸剛度。
①絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度可查滾珠絲杠副型號樣本。
②軸承的接觸剛度可查軸承型號樣本。
③螺母座的剛度可近似估算為1000。
④絲杠本身的拉壓剛度：
對絲杠支承組合方式為兩端固定的方式：
(3-5)
公式3-5中：
A——絲杠最小橫截面，；
E——材料的彈性模量，E=2.11011(N/m2)；
l——兩支承間距(m)；
a——螺母至軸向固定處的距離(m)。
已知：軸承的接觸剛度，絲杠螺母的接觸剛度絲杠的最小拉壓剛度（見后面計算）。螺母座剛度
絲杠系統(tǒng)軸向拉壓振動的固有頻率：
（3-6）
公式3-6中：
m——絲杠末端的運動部件與工件的質(zhì)量和；
——絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度。
（4）絲杠扭轉(zhuǎn)剛度
絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度按下式計算：
（3-7）
公式3-7中:
——絲杠平均直徑：
L——絲杠長度
扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率:
（3-8）
公式3-8中:
——運動部件質(zhì)量換算到絲杠軸上的轉(zhuǎn)動慣量(kg·m2)；
——絲杠上傳動件的轉(zhuǎn)動慣量(kg·m2)；
——絲杠的轉(zhuǎn)動慣量(kg·m2)。
由文獻[7，8]得：
平移物體的轉(zhuǎn)動慣量為:
絲杠轉(zhuǎn)動慣量：
顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠大于1500r/min，可以滿足要求。
（5）傳動精度計算
滾珠絲杠的拉壓剛度:
(3-9)
導(dǎo)軌運動到兩極位置時，有最大和最小拉壓剛度，其中，L值分別為300mm和100mm。
最大與最小機械傳動剛度：
最大和最小機械傳動剛度：
由于機械傳動裝置引起的定位誤差為：
(3-10)
對于3級滾珠絲杠，其任意300mm導(dǎo)程公差為，機床定位精度，所以，，可以滿足由于傳動剛度變化所引起的定位誤差小于（1/31/5）機床定位精度的要求。再加上閉環(huán)反饋系統(tǒng)的補償，定位精度能進一步提高[10]。
滾珠絲杠副的幾何參數(shù)：
滾絲杠副型號：CDM2005-2.5；
公稱直徑：；
導(dǎo)程：；
鋼球直徑：；
絲杠外徑：；
螺紋底徑：；
旋環(huán)列數(shù)圈數(shù)：；
額定動載荷；
額定靜載荷：；
接觸剛度：
螺母安裝尺寸：
3.4 齒輪傳動比計算
已確定橫向進給脈沖當量:，滾珠絲杠導(dǎo)程：，初選步進電機步距角計算傳動比：
考慮到結(jié)構(gòu)上的原因，不能使齒輪直徑太大，以免影響橫向溜板的有效行程，所以，可采用兩級齒輪降速：
因進給運動齒輪受力不大，模數(shù)取。
3.5 步進電機的計算和選型
3.5.1 等效轉(zhuǎn)動慣量計算
傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量可由下式計算：
(3-11)
其中：
為步進電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量；
為齒輪的轉(zhuǎn)動慣量；
為齒輪的轉(zhuǎn)動慣量；
為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量；
參考同類型機床，初選反應(yīng)式步進電機其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量為：。
；
代入上式：
(3-12)
考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題，基本滿足慣量匹配的要求。
3.5.2 電機力矩的計算
機床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)距不同，下面分別按各階段計算：
（1）快速空載啟動力矩：
起在快速空載啟動階段，加速力矩占的比例較大，具體計算公式如下：
(3-13)
啟動加速時間：
折算到電機軸上的摩擦力矩：
附加摩擦力距：
上述三項合計
(3-14)
（2）快速移動時所需力矩：
(3-15)
（3）最大切削負載時所需力矩：
(3-16)
從上面計算可以看出，、和三種工況下，以快速空載啟動力矩最大，所以，以此項作為初選步進電機的依據(jù)。
查資料，當步進電機為五項十拍時，；最大靜力矩：
按此最大靜力矩，型反應(yīng)式步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩為：大于所需最大靜力矩，作為初選型號。進一步考核電機的啟動頻率特征和運行矩頻特征
3.5.3 步進電機空載啟動頻率和切削時的工作頻率
根據(jù)《機電一體化機械系統(tǒng)設(shè)計》（機械工業(yè)出版社），型反應(yīng)式步進電動機允許的最高空載啟動頻率為：允許的最高空載運行頻率為所以，必須采用升降速控制和高低壓驅(qū)動電路。
圖3-2 縱向進給系統(tǒng)圖
1.縱向步進電機 2.減速齒輪 3.縱向滾珠絲杠
4.工作臺 5.套筒聯(lián)軸器 6.支撐軸
3.6 縱向進給系統(tǒng)
縱向進給傳動系統(tǒng)的改造如圖3-2所示?？v向步進電機1通過一對減速齒輪2把動
力傳遞給縱向滾珠絲杠3,再由滾珠絲杠螺母副拖動工作臺4做往復(fù)移動。原車床的進給箱保留,滾珠絲杠左端仍然采用原固定支承結(jié)構(gòu)，支撐軸6通過套筒聯(lián)軸器5與滾珠絲杠相連，這種聯(lián)軸器用2個互相垂直的錐銷將支撐軸與絲杠聯(lián)接起來，結(jié)構(gòu)簡單，徑向尺寸小,可防止被連接軸的位移和偏斜帶來的裝配困難和附加應(yīng)力。如圖3-3所
示,滾珠絲杠右端仍利用原有的滑動軸承承座4,通過一對深溝球軸承1實現(xiàn)徑向支承，絲杠左端通過一對圓螺母(圖中未畫)。
圖3-3 縱向步進電機裝配圖
1.深溝球軸承 2.消隙齒輪 3.固定銷
4.滑動軸承支撐座 5.圓螺母 6套筒聯(lián)軸器
3.6.1 設(shè)計參數(shù)
縱向最大行程（Z軸）650mm；
工作進給速度為115000mm/min；
縱向快速進給速度：15m/min；
床鞍及其他的估計尺寸（長寬高）：600mm300mm100mm；
材料選為HT200。
加工最大直徑:在床面上小于400mm,在床鞍上小于210mm;加工最大長度:1000mm;溜板及刀架重力:縱向800N,橫向600N;刀架快速速度:縱向214mm/min,橫向112mm/min;最大進給速度:縱向016mm/min,橫向013mm/min;主電動機功率:715kW;起動加速時間:30ms;機床定位精度:±01015mm。根據(jù)機床精度要求確定脈沖當量,縱向脈沖當量:0.01mm;橫向脈沖當量：0.005mm。
已確定縱向進給脈沖當量=0.01，滾珠絲杠導(dǎo)程=6mm。
3.6.2 滾珠絲杠的計算及選擇
（1）滾珠絲杠導(dǎo)程的確定
在本設(shè)計中，電機和絲杠直接相連，傳動比為，設(shè)電機的最高工作轉(zhuǎn)速為，則可得絲杠導(dǎo)程為：
(3-17)
（2）確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速：
最大進給速度時絲杠的轉(zhuǎn)速：
(3-18)
最小進給速度時絲杠的轉(zhuǎn)速：
（3）絲杠等效轉(zhuǎn)速為：
(3-19)
①估計工作臺質(zhì)量及工作臺承重：
橫向工作臺質(zhì)量：
床鞍及其他：
總質(zhì)量：
圖3-4 受力分析
②確定絲杠的等效負載：
取滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)為0.025，則絲杠所受的力為（如圖3-4所示）：
其等效負載可估算：
(3-20)
確定絲杠所受的最大動載荷：
(3-21)
查表選定絲杠為外循環(huán)插管式墊片預(yù)緊導(dǎo)珠管埋入型，型號：CDM2510-2.5。絲杠公稱直徑為φ25mm，基本導(dǎo)程，其額定動載荷，額定靜載荷，圈數(shù)列數(shù)=2.51，絲杠螺母副的接觸剛度為，絲杠底徑24.5mm，螺母長度為125mm，取絲杠的精度為3級。在本設(shè)計中采用雙螺母墊片預(yù)緊。兩邊的軸承選為φ17mm與φ20mm。
3.6.3 校核
（1）臨界壓縮負荷
軸向固定的長絲杠在承受壓縮負荷時，應(yīng)驗算其壓桿穩(wěn)定性。臨界壓縮負荷按公式(3-1)(3-2)計算：
絲杠螺紋部分長度，取
支承跨距，絲杠全長
可見遠大于，臨界壓縮負荷滿足要求。
（2）臨界轉(zhuǎn)速
由公式(3-3)
?。海?
滿足要求。
（3）絲杠拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率
由公式(3-4)(3-5)(3-6)：
已知：軸承的接觸剛度，絲杠螺母的接觸剛度，絲杠的最小拉壓剛度（見后面計算）。螺母座剛度。
絲杠系統(tǒng)軸向拉壓振動的固有頻率：
顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠大于1500r/min，能滿足要求。
（4）絲杠扭轉(zhuǎn)剛度
絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度由公式(3-7)計算：
(3-22)
由文獻[7,8]得：
平移物體的轉(zhuǎn)動慣量為
(3-23)
絲杠轉(zhuǎn)動慣量：
(3-24)
扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率按公式(3-8)計算:
顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠大于1500r/min，可以滿足要求。
（5）傳動精度計算
導(dǎo)軌運動到兩極位置時，有最大和最小拉壓剛度，其中，L值分別為650mm和
100mm。
由公式(3-9)，最大與最小機械傳動剛度：
最大和最小機械傳動剛度：
由于機械傳動裝置引起的定位誤差據(jù)公式(3-10)：
(3-25)
對于3級滾珠絲杠，其任意300mm導(dǎo)程公差為，機床定位精度，所以，，可以滿足由于傳動剛度變化所引起的定位誤差小于（1/3~1/5）機床定位精度的要求。再加上閉環(huán)反饋系統(tǒng)的補償，定位精度能進一步提高。
（6）伺服電機計算
扭矩的計算
①理論動態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩
查表知3級滾珠絲杠，而
②最大動態(tài)摩擦力矩
對于3級滾珠絲杠，，
③驅(qū)動最大負載所耗轉(zhuǎn)矩
④支承軸承所需啟動扭矩
查軸承表：
對于的軸承，其，
則。
⑤驅(qū)動滾珠絲杠副所需扭矩
(3-26)
⑥電機的額定扭矩
⑦電機的選擇
根據(jù)以上計算的扭矩及文獻[12]，選擇電機型號為SIEMENS的IFT5066，其額定轉(zhuǎn)矩為6.7。
3.7 機械部分改造
(1)橫向進給系統(tǒng)改造
橫向滾珠絲杠也采用一端固定，一端浮動，三點支承的形式，也通過雙螺母螺紋預(yù)緊方式消除絲杠和螺母間的間隙，如圖3-5所示。橫向步進電機1及減速器2安裝在床鞍的后部?？拷僮髡咭欢?，布置一根支撐短軸11，通過套筒聯(lián)軸器10與滾珠絲杠7連接起來。右端仍利用原支承橫向進給絲杠的滑動軸承支座作為徑向支承，并對原支承處作適當改造，布置一對推力球軸承12,以承受雙向軸向力。左端則將原車床的懸空結(jié)構(gòu)改為支承結(jié)構(gòu)，用一個聯(lián)軸套4和一根連接短軸6把滾珠絲杠7與減速器輸出軸3連接起來，并通過一對圓螺母5實現(xiàn)對整個絲杠的預(yù)拉伸和鎖緊，以提高其軸向剛度。螺母通過螺母座9直接固定在中拖板8上。
圖3-5 橫向進給系統(tǒng)圖
1.橫向步進電機 2.減速器 3.減速器輸出軸 4.連軸套
5.圓螺母 6.連接短軸 7.橫向滾珠絲杠
8.中拖板 9.螺母座 10.套筒聯(lián)軸器
圖3-6 縱向進給系統(tǒng)圖
1.縱向步進電機 2.減速齒輪 3.縱向滾珠絲杠
4.工作臺 5.套筒聯(lián)軸器 6.支撐軸
(2)縱向進給系統(tǒng)改造：
縱向進給傳動系統(tǒng)的改造如圖3-6所示?？v向步進電機1通過一對減速齒輪2把動力傳遞給縱向滾珠絲杠3,再由滾珠絲杠螺母副拖動工作臺4做往復(fù)移動。原車床的進給箱保留,滾珠絲杠左端仍然采用原固定支承結(jié)構(gòu)，支撐軸6通過套筒聯(lián)軸器5與滾珠絲杠相連，這種聯(lián)軸器用2個互相垂直的錐銷將支撐軸與絲杠聯(lián)接起來，結(jié)構(gòu)簡單，徑向尺寸小,可防止被連接軸的位移和偏斜帶來的裝配困難和附加應(yīng)力。如圖3-7所示,滾珠絲杠右端仍利用原有的滑動軸承承座4,通過一對深溝球軸承1實現(xiàn)徑向支承，絲杠左端通過一對圓螺母(圖中未畫出)實現(xiàn)滾珠絲杠的預(yù)拉伸和鎖緊。因此縱向滾珠絲杠的支承形式為一端固定，一端浮動,三點支承。滾珠絲杠采用雙螺母螺紋預(yù)緊方式消除絲杠和螺母間的間隙，調(diào)整方便。步進電機通過消隙齒輪2減速，減速器輸出軸用套筒聯(lián)軸器6與絲杠3(見圖3-6)聯(lián)接，固定銷3防止減速器轉(zhuǎn)動。
圖3-7 縱向步進電機裝配圖
1.深溝球軸承 2.消隙齒輪 3.固定銷
4.滑動軸承支撐座 5.圓螺母 6套筒聯(lián)軸器
圖3-8 主軸編碼器裝配圖
1.ZXB-1型主軸編碼器 2.固定支架
3.MC型聯(lián)軸器 4.悶頭 5.軸X
3.8 主軸脈沖編碼器的安裝
為了使改造后的車床能自動加工螺紋,必須配置主軸脈沖編碼器作為車床主軸位置信號的反饋元件,其目的是用來檢測主軸轉(zhuǎn)角的位置,通過主軸→脈沖編碼器→數(shù)控系統(tǒng)→步進電機的信息轉(zhuǎn)換系統(tǒng),實現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn),刀架縱向移動一個導(dǎo)程的車螺紋運動。主軸脈沖編碼器的安裝,通常采用2種方式:（1）同軸安裝；（2）異軸安裝。同軸安裝的結(jié)構(gòu)簡單,缺點是安裝后不能加工穿出車床主軸孔的零件,限制了零件的加工長度,因此,宜采用異軸安裝。主軸通過主軸箱中58P58和33P33兩級齒輪(實現(xiàn)傳動比1:1)把動力傳遞給掛輪軸X,主軸編碼器1通過支架2固定,并通過聯(lián)軸器3與悶頭4相連,悶頭4通過過盈配合與主軸箱內(nèi)軸X連接,如圖3-8所示
結(jié) 論
通過此次畢業(yè)設(shè)計，對普通車床(縱向及橫向進給系統(tǒng))進行了數(shù)控化改造，完成了系統(tǒng)中尺寸的計算和結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并對其進行了一系列的校核，使各項性能指標都能滿足要求，說明設(shè)計的結(jié)構(gòu)是合理的。然后選擇軸承和電機，并設(shè)計了床身等。由于專業(yè)知識的限制，無法對復(fù)雜的數(shù)控系統(tǒng)進行設(shè)計，但是，通過選擇合適的數(shù)控系統(tǒng)，對數(shù)控原理有了一定的了解，并掌握了數(shù)控系統(tǒng)的一些連接方法。最后完成了典型零件的數(shù)控程序編制，對程序的代碼加深了印象，并對現(xiàn)代數(shù)控編程增進了了解。
數(shù)控機床是促進國民經(jīng)濟發(fā)展的巨大源動力，它給機械制造業(yè)帶來了高倍率的效益增長和現(xiàn)代化的生產(chǎn)方式。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，高品質(zhì)，高可靠性，高性價比的CNC系統(tǒng)具有豐富的功能，為數(shù)控技術(shù)的發(fā)展提供了充足的物質(zhì)技術(shù)條件。同時，也給數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。因此，研究一臺數(shù)控車床對現(xiàn)代加工具有重要的意義。
數(shù)控車床具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、故障率低、維修簡單方便、效率高、操作編程簡單等諸多優(yōu)點，所以數(shù)控車床在很多加工行業(yè)都會成為應(yīng)用的主體，隨著數(shù)控技術(shù)和機床行業(yè)的發(fā)展，數(shù)控車床將有著廣闊的發(fā)展前景。
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致 謝
感謝呂梁學院對我?guī)啄甑呐囵B(yǎng)！
感謝礦業(yè)工程系各個科目老師對我在學術(shù)上的諄諄教誨。在呂梁學院學習的這四年中，我不僅學到了知識，而且學到了做人的準則和嚴謹?shù)闹螌W作風。
眨眼間，四年的大學生活就在本論文的完成之際即將宣告結(jié)束。四年的不斷學習，不僅是為了今天的畢業(yè)設(shè)計，也是為今后走上工作崗位作了準備。
在一個學期的畢業(yè)設(shè)計中，在賈育秦老師和李晉老師的嚴格要求及悉心指導(dǎo)下，按時完成了設(shè)計任務(wù)，并在此過程中鞏固了本專業(yè)的知識，分析解決問題的能力也得到了進一步的提高。在此，謹向賈育秦老師和李晉老師表示衷心的感謝和崇高的敬意！
此外，在畢業(yè)設(shè)計過程中，也得到了其他老師和同學的幫助，設(shè)計任務(wù)一直在很好的氛圍中進行，在這里，也向他們表示真誠的感謝！
在此，向設(shè)計中所有提供過幫助的人表示衷心的感謝和崇高的敬意！
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