C6180普通車床的數(shù)控化改造（橫向與縱向進(jìn)給系統(tǒng)）含開題及4張CAD圖
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C6180普通車床的數(shù)控化改造（橫向與縱向進(jìn)給系統(tǒng)）
摘 要
伴隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機(jī)床在當(dāng)今機(jī)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(jī)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(biāo)志。鑒于我國目前機(jī)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(jī)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(jì)效益，而實現(xiàn)這一任務(wù)的途徑就是對普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造。
本文對C6180普通機(jī)床數(shù)控化改造進(jìn)行了深入研究，主要在機(jī)床橫向與縱向進(jìn)給系統(tǒng)方面進(jìn)行改造。通過對原有技術(shù)參數(shù)，橫向與縱向進(jìn)給系統(tǒng)，機(jī)床關(guān)鍵部件參數(shù)的計算，對原機(jī)床進(jìn)行橫向與縱向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控化改造設(shè)計、對機(jī)床改造方案的選擇以及在改造中應(yīng)注意的事項等進(jìn)行了詳細(xì)的論述。最終經(jīng)過改造的機(jī)床達(dá)到預(yù)期的功能和精度，完全能達(dá)到預(yù)期效果。提高了普通機(jī)床的生產(chǎn)效率，降低了勞動強度，改造后的機(jī)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(jī)床；數(shù)控化改造；橫向與縱向進(jìn)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(jī)床數(shù)控化改造的必要性 3
1.2 普通機(jī)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(jī)械部分改造 9
3.1 機(jī)械部件的選擇 9
3.2 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計計算 9
3.2.1 選擇脈沖當(dāng)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(jìn)給絲杠的選型 9
3.3.1 進(jìn)給牽引力的計算 9
3.3.2 最大動負(fù)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(jìn)電機(jī)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(jī)力矩的計算 18
3.5.3 步進(jìn)電機(jī)空載啟動頻率和切削時的工作頻率 20
3.6 縱向進(jìn)給系統(tǒng) 20
3.7 機(jī)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(xiàn) 33
致 謝 35
引 言
制造業(yè)是一個國家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，其發(fā)展水平標(biāo)志著該國或地區(qū)經(jīng)濟(jì)的實力，科技水平，生活水準(zhǔn)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(jī)械制造裝備的競爭。
隨著機(jī)械制造生產(chǎn)模式的演變,對機(jī)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(jìn)行單一或少品種的大批量生產(chǎn)，以“規(guī)模經(jīng)濟(jì)”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(jìn)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(jī)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(dá)國家都非常注重機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，為了用先進(jìn)技術(shù)和工藝裝備制造業(yè)，機(jī)械制造裝備工業(yè)得到先發(fā)展。對比之下，我國目前機(jī)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(jī)械制造裝備基本上是通用機(jī)床加專用工藝裝備，數(shù)控機(jī)床在機(jī)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(jī)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(dá)國家的差距,我們必須在機(jī)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(jī)床在機(jī)械制造裝備中的比重。
通過這次畢業(yè)設(shè)計，可以達(dá)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(xué)研究工作的基本訓(xùn)練,提高工程繪圖、計算、數(shù)據(jù)處理、外文資料文獻(xiàn)閱讀、使用計算機(jī)、使用文獻(xiàn)資和手冊、文字表達(dá)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(jì)觀點，理論聯(lián)系實際的工作作風(fēng)，嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度以及積極向上的團(tuán)隊合作精神。
第1章 概述
數(shù)控機(jī)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(jī)床的應(yīng)用也受到其他條件的限制。首先，數(shù)控機(jī)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(jī)床。完全用數(shù)控機(jī)床替換根本不可能，而且被替代下的機(jī)床閑置起來又會造成浪費；在國內(nèi)，訂購新數(shù)控機(jī)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(jī)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(jìn)適用技術(shù)，也是一項提升我國機(jī)床數(shù)控化率的有效途徑。在美國、日本和德國等發(fā)達(dá)國家，它們的機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長行業(yè)，生意盎然。由于機(jī)床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造是個“永恒”的課題。我國的機(jī)床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進(jìn)入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。
1.1 機(jī)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(jī)床的原有功能和改造后的新增功能，從而提高機(jī)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(jì)性好。數(shù)控改造費用僅為新購一臺數(shù)控機(jī)床的15％～25％，同購置新機(jī)床相比，一般可以節(jié)省75％～85％的費用。
（4）力學(xué)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(jī)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(jī)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?？梢猿浞掷矛F(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(jī)床作為機(jī)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(jī)技術(shù)的興起，促使機(jī)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(jìn)行柔性自動化控制的新一代機(jī)床－數(shù)控機(jī)床的誕生和發(fā)展。計算機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用，為人類提供了實現(xiàn)機(jī)械加工工藝過程自動化的理想手段。隨著計算機(jī)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先驅(qū)。
數(shù)控機(jī)床是以數(shù)字化的信息實現(xiàn)機(jī)床控制的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它把刀具和工件之間的相對位置，機(jī)床電機(jī)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(jī)，經(jīng)過譯碼，運算，發(fā)出各種指令控制機(jī)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(jī)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(jī)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(jì)效益；
（6）有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。
數(shù)控機(jī)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(jī)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(jìn)步，特別是在機(jī)床的高速化、多軸化、復(fù)合化、精密化方面進(jìn)步很大。但是，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與先進(jìn)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(jī)床大國，有三百多萬臺普通機(jī)床。但機(jī)床的素質(zhì)差，性能落后，單臺機(jī)床的平均產(chǎn)值只有先進(jìn)工業(yè)國家的1/10左右，差距太大，急待改造。舊機(jī)床的數(shù)控化改造，顧名思義就是在普通機(jī)床上增加微機(jī)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(biāo)。隨著數(shù)控機(jī)床越來越多的普及應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益為大家所理解。在國內(nèi)工廠的技術(shù)改造中，機(jī)床的微機(jī)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(jī)床一面利用數(shù)控、數(shù)顯、PC技術(shù)改造普通機(jī)床，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。我國經(jīng)濟(jì)資源有限，國家大，機(jī)床需要量大，因此不可能拿出相當(dāng)大的資金去購買新型的數(shù)控機(jī)床，而我國的舊機(jī)床很多，用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)改造普通機(jī)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(jī)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(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，并用于改造舊機(jī)床。到目前為止，已有很多廠家生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)?？梢灶A(yù)料，今后，機(jī)床的經(jīng)濟(jì)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(jìn)行數(shù)控改造
熟悉普通車床6180的工作臺基本傳動機(jī)構(gòu)（橫向和縱向）。利用微型計算機(jī)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(jī)械傳動的進(jìn)給和手動控制的刀架轉(zhuǎn)位，進(jìn)給改造成由計算機(jī)控制的刀架自動轉(zhuǎn)位以及自動進(jìn)給的自動加工機(jī)床，即經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。
利用PLC對縱、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)控制，縱向（Z向）脈沖當(dāng)量為0.01mm，橫向（X向）脈沖當(dāng)量為0.005mm，驅(qū)動元件采用步進(jìn)電機(jī)，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(jī)床的經(jīng)濟(jì)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(jī)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(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用點位控制系統(tǒng)。
（2）伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計：數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)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(jī)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(jī)及齒輪減速裝置安裝在機(jī)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(hù)罩，以防臟物、油污和切屑等進(jìn)入，機(jī)床整體也要加裝防護(hù)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(jì)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(jī) 3.橫向減速器 4.尾座 5.縱向減速器
6.縱向電機(jī) 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(jī)床要達(dá)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(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動元件、開環(huán)控制的經(jīng)濟(jì)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(jī)床市場開發(fā)的經(jīng)濟(jì)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(jī)床操作面板和輸入輸出單元,機(jī)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(jì)型數(shù)控系統(tǒng)SINUMERIK802S base line。
第3章 機(jī)械部分改造
3.1 機(jī)械部件的選擇
為實現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)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(fù)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(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計計算
3.2.1 選擇脈沖當(dāng)量
根據(jù)機(jī)床精度要求選擇脈沖當(dāng)量，縱向脈沖當(dāng)量：0.01mm，橫向脈沖當(dāng)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(jìn)給絲杠的選型
3.3.1 進(jìn)給牽引力的計算
橫向?qū)к墳檠辔残?，計算?
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(fù)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(jìn)給速度，可取最快的進(jìn)給速度：1/2-1/3，取1/2；
f為運轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運轉(zhuǎn)?。篺=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(jī)械設(shè)計師手冊》（機(jī)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(jìn)給絲杠支承方式如橫向進(jìn)給系統(tǒng)計算簡圖見下圖3-1所示：
圖3-1 橫向進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dāng)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(fù)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(fù)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(jìn)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(fù)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(fù)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(yuǎn)大于，臨界壓縮負(fù)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(xiàn)[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(yuǎn)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(jī)械傳動剛度：
最大和最小機(jī)械傳動剛度：
由于機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)給脈沖當(dāng)量:，滾珠絲杠導(dǎo)程：，初選步進(jìn)電機(jī)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(jìn)給運動齒輪受力不大，模數(shù)取。
3.5 步進(jìn)電機(jī)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(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量可由下式計算：
(3-11)
其中：
為步進(jìn)電機(jī)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(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量為：。
；
代入上式：
(3-12)
考慮步進(jìn)電機(jī)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(jī)力矩的計算
機(jī)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(jī)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(fù)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(jìn)電機(jī)的依據(jù)。
查資料，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩為：大于所需最大靜力矩，作為初選型號。進(jìn)一步考核電機(jī)的啟動頻率特征和運行矩頻特征
3.5.3 步進(jìn)電機(jī)空載啟動頻率和切削時的工作頻率
根據(jù)《機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計》（機(jī)械工業(yè)出版社），型反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)給系統(tǒng)圖
1.縱向步進(jìn)電機(jī) 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(jìn)給系統(tǒng)
縱向進(jìn)給傳動系統(tǒng)的改造如圖3-2所示?？v向步進(jìn)電機(jī)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(jìn)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(jìn)電機(jī)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(jìn)給速度為115000mm/min；
縱向快速進(jìn)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(jìn)給速度:縱向016mm/min,橫向013mm/min;主電動機(jī)功率:715kW;起動加速時間:30ms;機(jī)床定位精度:±01015mm。根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量,縱向脈沖當(dāng)量:0.01mm;橫向脈沖當(dāng)量：0.005mm。
已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)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(jī)和絲杠直接相連，傳動比為，設(shè)電機(jī)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(jìn)給速度時絲杠的轉(zhuǎn)速：
(3-18)
最小進(jìn)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(fù)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(fù)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(fù)荷
軸向固定的長絲杠在承受壓縮負(fù)荷時，應(yīng)驗算其壓桿穩(wěn)定性。臨界壓縮負(fù)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(yuǎn)大于，臨界壓縮負(fù)荷滿足要求。
（2）臨界轉(zhuǎn)速
由公式(3-3)
?。?，
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(yuǎn)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(xiàn)[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(yuǎn)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(jī)械傳動剛度：
最大和最小機(jī)械傳動剛度：
由于機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)一步提高。
（6）伺服電機(jī)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(fù)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(jī)的額定扭矩
⑦電機(jī)的選擇
根據(jù)以上計算的扭矩及文獻(xiàn)[12]，選擇電機(jī)型號為SIEMENS的IFT5066，其額定轉(zhuǎn)矩為6.7。
3.7 機(jī)械部分改造
(1)橫向進(jìn)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(jìn)電機(jī)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(jìn)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(dāng)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(jìn)給系統(tǒng)圖
1.橫向步進(jìn)電機(jī) 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(jìn)給系統(tǒng)圖
1.縱向步進(jìn)電機(jī) 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(jìn)給系統(tǒng)改造：
縱向進(jìn)給傳動系統(tǒng)的改造如圖3-6所示?？v向步進(jìn)電機(jī)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(jìn)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jìn)給系統(tǒng))進(jìn)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(jìn)行了一系列的校核，使各項性能指標(biāo)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(jī)，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(jìn)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(jìn)了了解。
數(shù)控機(jī)床是促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的巨大源動力，它給機(jī)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(jī)床的機(jī)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(jī)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(xué)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(xué)術(shù)上的諄諄教誨。在呂梁學(xué)院學(xué)習(xí)的這四年中，我不僅學(xué)到了知識，而且學(xué)到了做人的準(zhǔn)則和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)作風(fēng)。
眨眼間，四年的大學(xué)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(xué)習(xí)，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(zhǔn)備。
在一個學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計中，在賈育秦老師和李晉老師的嚴(yán)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(jìn)一步的提高。在此，謹(jǐn)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(xué)的幫助，設(shè)計任務(wù)一直在很好的氛圍中進(jìn)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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