畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-CA6140經(jīng)濟(jì)型車床數(shù)控化改造（全套圖紙）

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1、天津工業(yè)大學(xué) 2008 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 全套全套 CADCAD 圖紙，聯(lián)系圖紙，聯(lián)系 153893706153893706 第一章第一章 緒論緒論 1.11.1 課題背景課題背景 1946 年誕生了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，這表明人類創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分代替腦力 勞動(dòng)的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會(huì)中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動(dòng)的工具相比， 起了質(zhì)的飛躍，為人類進(jìn)入信息社會(huì)奠定了基礎(chǔ)。6 年后，即在 1952 年，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng) 用到了機(jī)床上，在美國(guó)誕生了第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。 我國(guó)目前機(jī)床總量 380 余萬(wàn)臺(tái)，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有 11.34 萬(wàn)臺(tái)，即我國(guó)機(jī)床 數(shù)控化率不到 3。近 10

2、年來(lái)，我國(guó)數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為 0.60.8 萬(wàn)臺(tái)，年產(chǎn)值約為 18 億元。機(jī)床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為 6。我國(guó)機(jī)床役齡 10 年以上的占 60以上；10 年 以下的機(jī)床中，自動(dòng)/半自動(dòng)機(jī)床不到 20，F(xiàn)MC/FMS 等自動(dòng)化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美 國(guó)和日本自動(dòng)和半自動(dòng)機(jī)床占 60以上） ?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加 工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在 10 年以上的舊機(jī)床。用這種裝備加 工出來(lái)的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長(zhǎng)，從而在國(guó)際、國(guó) 內(nèi)市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場(chǎng)、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。 所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。

3、 在美國(guó)、日本和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，它們的機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)行業(yè)，生意盎 然，正處在黃金時(shí)代。由于機(jī)床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造是個(gè)“永恒“的課題。我 國(guó)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)。在美國(guó)、日本、德 國(guó)，用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場(chǎng)，已形成了機(jī)床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的 新的行業(yè)。在美國(guó)，機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床再生（Remanufacturing）業(yè)。從事再生業(yè)的著 名公司有：Bertsche 工程公司、ayton 機(jī)床公司、Devlieg-Bullavd（得寶）服務(wù)集團(tuán)、 US 設(shè)備公司等。美國(guó)得寶公司已在中國(guó)開辦公司。在日本，機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床改裝 （R

4、etrofitting）業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程集團(tuán)、崗三機(jī)械公司、千代 田工機(jī)公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。 1.21.2 機(jī)床改造的內(nèi)容及意義機(jī)床改造的內(nèi)容及意義 天津工業(yè)大學(xué) 2008 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 1.2.11.2.1 研究意義研究意義 企業(yè)要在當(dāng)前市場(chǎng)需求多變，競(jìng)爭(zhēng)激烈的環(huán)境中生存和發(fā)展就需要迅速地更新和開 發(fā)出新產(chǎn)品，以最低價(jià)格、最好的質(zhì)量、最短的時(shí)間去滿足市場(chǎng)需求的不斷變化。而普 通機(jī)床已不適應(yīng)多品種、小批量生產(chǎn)要求，數(shù)控機(jī)床則綜合了數(shù)控技術(shù)、微電子技術(shù)、 自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，最適宜加工小批量、高精度、形狀復(fù)雜、生產(chǎn)周期要求短的

5、 零件。當(dāng)變更加工對(duì)象時(shí)只需要換零件加工程序，無(wú)需對(duì)機(jī)床作任何調(diào)整，因此能很好 地滿足產(chǎn)品頻繁變化的加工要求。 普通車床經(jīng)過(guò)多次大修后，其零部件相互連接尺寸變化較大，主要傳動(dòng)零件幾經(jīng)更 換和調(diào)整，故障率仍然較高，采用傳統(tǒng)的修理方案很難達(dá)到大修驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，而且費(fèi)用較 高。因此合理選擇數(shù)控系統(tǒng)是改造得以成功的主要環(huán)節(jié)。 數(shù)控機(jī)床在機(jī)械加工行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，一方面是全功能、 高性能；另一方面是簡(jiǎn)單實(shí)用的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，具有自動(dòng)加工的基本功能，操作維修 方便。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)通常用的是開環(huán)步進(jìn)控制系統(tǒng)，功率步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)元件，無(wú)檢 測(cè)反饋機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)的定位精度一般可達(dá)0.01 至 0.

6、02mm，已能滿足 CW6140 車床改造后 加工零件的精度要求。 1.2.21.2.2 主要研究?jī)?nèi)容及技術(shù)路線主要研究?jī)?nèi)容及技術(shù)路線 (1)縱向和橫向滾珠絲杠的選型及校核。 (2)縱向和橫向步進(jìn)電機(jī)的選擇。 (3)主軸交流伺服電機(jī)的選擇與校核。 (4)其他元件的選擇。 1.31.3 機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造主要解決的問(wèn)題機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造主要解決的問(wèn)題 (1) 恢復(fù)原功能，對(duì)機(jī)床、生產(chǎn)線存在的故障部分進(jìn)行診斷并恢復(fù)。 (2) NC 化，在普通機(jī)床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成 NC 機(jī)床、CNC 機(jī)床。 (3) 翻新，為提高精度、效率和自動(dòng)化程度，對(duì)機(jī)械、電氣部分進(jìn)行翻新，對(duì)機(jī)械部分

7、重 新裝配加工，恢復(fù)原精度；對(duì)其不滿足生產(chǎn)要求的 CNC 系統(tǒng)以最新 CNC 進(jìn)行更新。 (4) 技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或?yàn)榱耸褂眯鹿に嚒⑿录夹g(shù)，在原有基 礎(chǔ)上進(jìn)行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和檔次的更新改造。 天津工業(yè)大學(xué) 2008 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 第二章第二章 總體改造方案總體改造方案 首先是數(shù)控系統(tǒng)的選擇。本設(shè)計(jì)方案數(shù)控系統(tǒng)選用外購(gòu)的成套產(chǎn)品。由于本人水平 有限，做不出數(shù)控系統(tǒng)，只能選用成套的數(shù)控系統(tǒng)；再者，成套的數(shù)控系統(tǒng)功能要比自 己搭建的功能豐富。這里選用廣州數(shù)控的928TB數(shù)控系統(tǒng)。 進(jìn)給傳動(dòng)的作用是接受數(shù)控系統(tǒng)的指令，驅(qū)動(dòng)刀具作精

8、確定位或按規(guī)定的軌跡作相 對(duì)運(yùn)動(dòng)，加工出符合要求的零件，對(duì)進(jìn)給傳動(dòng)的要求是高精度、高速度。改造中我們采 用廣州數(shù)控的928TB數(shù)控系統(tǒng)，其帶有X、Z軸控制功能，其采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí) 現(xiàn)X、Z軸運(yùn)動(dòng)控制，這樣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝調(diào)試和維修都非常方便。電機(jī)有數(shù)控系統(tǒng)直接 控制，不需要另外的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。 加裝主軸脈沖發(fā)生器，以實(shí)現(xiàn)切削螺紋功能。脈沖發(fā)生器與主軸用同步帶連接。 拆除原車床的縱向和橫向絲杠、光杠、溜板箱及掛輪箱中的齒輪，用滾珠絲杠替換 原有普通滑動(dòng)絲杠，將選取的縱向滾珠絲杠副通過(guò)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。 橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)改

9、造中，步進(jìn)電機(jī)、齒輪箱體安裝在中拖板的后側(cè)?？v、橫向進(jìn)給機(jī) 構(gòu)都采用了一級(jí)齒輪減速，并用雙片齒輪錯(cuò)齒法消除間隙，雙片齒輪間沒(méi)有加彈簧自動(dòng) 消除間隙，因?yàn)閺椈傻膹椓茈y適應(yīng)負(fù)載的變化情況。當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，彈簧彈力顯得小， 起不到自動(dòng)消除間隙的作用；當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，彈簧彈力又顯得大，則加速齒輪的磨損。 為此采用人工定期調(diào)整螺釘緊固的辦法來(lái)消除間隙。 拆除原刀架和小拖板，換上數(shù)控可轉(zhuǎn)位刀架。數(shù)控系統(tǒng)自帶刀架控制器。 數(shù)控機(jī)床的加工是由程序控制完成的，所以坐標(biāo)系的確定與使用非常重要。根據(jù) ISO841 標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系用右手笛卡兒坐標(biāo)系作為標(biāo)準(zhǔn)確定。數(shù)控車床平行于主軸 方向即縱向?yàn)閆軸，垂直于主軸方向

10、即橫向?yàn)閄軸，刀具遠(yuǎn)離工件方向?yàn)檎颉?CA6140 車床的坐標(biāo)原點(diǎn)定在卡盤基座與主軸中心的交點(diǎn)上，數(shù)控系統(tǒng)是通過(guò)檢測(cè)參 考點(diǎn)的具體位置來(lái)確定機(jī)床坐標(biāo)系的，選用兩個(gè)接近開關(guān)X軸方向和Z軸方向各安裝在一 個(gè)機(jī)床上，用于建立參考點(diǎn)，當(dāng)移動(dòng)刀架兩個(gè)都有信號(hào)輸出時(shí)，刀架的當(dāng)前位置就為參 天津工業(yè)大學(xué) 2008 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 考點(diǎn)R，測(cè)量XR和ZR，并將它寫入機(jī)床數(shù)據(jù)庫(kù)，即可在數(shù)控系統(tǒng)中建立坐標(biāo)系。 圖2-1進(jìn)給系統(tǒng)總體改造示意圖 天津工業(yè)大學(xué) 2008 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第三章第三章 數(shù)控系統(tǒng)的選擇數(shù)控系統(tǒng)的選擇 數(shù)控系統(tǒng)主要有三種類型，改造時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。 2

11、.12.1 步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)的開環(huán)系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)的開環(huán)系統(tǒng) 系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)裝置主要是步進(jìn)電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)、電液脈沖馬達(dá)等。由數(shù)控系 統(tǒng)送出的進(jìn)給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制和功率放大后，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)齒輪副 與滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率以及通電順序，便可控制 執(zhí)行部件運(yùn)動(dòng)的位移量、速度和運(yùn)動(dòng)方向。這種系統(tǒng)不需要將所測(cè)得的實(shí)際位置和速度 反饋到輸入端，故稱該之為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進(jìn)電機(jī)的角位移 精度，齒輪絲杠等傳動(dòng)元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 調(diào)試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。 2.22.2 異步電動(dòng)機(jī)或直流電

12、機(jī)拖動(dòng)，光柵測(cè)量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)或直流電機(jī)拖動(dòng)，光柵測(cè)量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 該系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別是：由光柵、感應(yīng)同步器等位置檢測(cè)裝置測(cè)得的實(shí)際位置 反饋信號(hào)，隨時(shí)與給定值進(jìn)行比較，將兩者的差值放大和變換，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以給定 的速度向著消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)，直到給定位置與反饋的實(shí)際位置的差值等于零為止。 閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)復(fù)雜，成本也高，對(duì)環(huán)境室溫要求嚴(yán)。設(shè)計(jì)和調(diào) 試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲得比開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，驅(qū)動(dòng)功率 更大的特性指標(biāo)?？筛鶕?jù)產(chǎn)品技術(shù)要求，決定是否采用這種系統(tǒng)。 2.32.3 交交/ /直流伺服電機(jī)拖動(dòng)，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系

13、統(tǒng)直流伺服電機(jī)拖動(dòng)，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 半閉環(huán)系統(tǒng)檢測(cè)元件安裝在中間傳動(dòng)件上，間接測(cè)量執(zhí)行部件的位置。它只能補(bǔ)償 系統(tǒng)環(huán)路內(nèi)部部分元件的誤差，因此，它的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，但是它的結(jié)構(gòu)與 調(diào)試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)單。在將角位移檢測(cè)元件與速度檢測(cè)元件和伺服電機(jī)做成一個(gè)整體 時(shí)則無(wú)需考慮位置檢測(cè)裝置的安裝問(wèn)題。 當(dāng)前生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的公司廠家比較多，國(guó)外著名公司的如德國(guó) SIEMENS 公司、日本 FANUC 公司；國(guó)內(nèi)公司如廣州數(shù)控、中國(guó)珠峰公司、北京航天機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)集團(tuán)公司、華 中數(shù)控公司和沈陽(yáng)高檔數(shù)控國(guó)家工程研究中心等。選擇數(shù)控系統(tǒng)時(shí)主要是根據(jù)數(shù)控改造 后機(jī)床要達(dá)到的各種精度、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功

14、率和用戶的要求,所以依據(jù)改造的具體要求選用 合適的數(shù)控系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)是改造成經(jīng)濟(jì)型機(jī)床，所以選用廣州數(shù)控的 GSK98TB 數(shù)控系統(tǒng)，其為步進(jìn)電 機(jī)開環(huán)拖動(dòng)，雖然精度不是很高，但優(yōu)于普通車床精度，且改造簡(jiǎn)單。廣州數(shù)控的 928TB 數(shù)控系統(tǒng)，其最小指令單位：0.01mm，豐富循環(huán)加工指令：?jiǎn)晤^、多頭螺紋、單面進(jìn)刀 自動(dòng)切深等自動(dòng)循環(huán)，內(nèi)外圓柱面、端面、錐面、球面、 切槽等粗加工循環(huán)，具有螺紋 加工能力，中/英制螺紋加工：公制 0.0112.00mm 螺矩、英制 2.20200.00 牙/英寸。 性能適合經(jīng)濟(jì)型車床，操作界面簡(jiǎn)單易懂，且為國(guó)產(chǎn)，對(duì)支持我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化有一 天津工業(yè)大學(xué) 2008

15、 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 定意義。 針對(duì)機(jī)床切削螺紋功能，主軸控制系統(tǒng)含有主軸控制功能，可以不必加裝光電編碼 器，但是電機(jī)與主軸傳動(dòng)比必須為 1:1，因此選用主軸電機(jī)與主軸傳動(dòng)比為 1:1，這樣也 可以簡(jiǎn)化改造。 天津工業(yè)大學(xué) 2008 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第四章第四章 機(jī)械部分的改造機(jī)械部分的改造 為了充分發(fā)揮數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)性能，保證改造后的車床在系統(tǒng)控制下重復(fù)定位精度， 微機(jī)進(jìn)給無(wú)爬行，使用壽命長(zhǎng)、外型美觀，機(jī)械部分作了如下改動(dòng)。 (1) 床身 為了使改造后的機(jī)床有較高的開動(dòng)率和精度保持性，除盡可能地減少電器和機(jī)械故 障的同時(shí)，應(yīng)充分考慮機(jī)床零件、部件的耐磨性，尤其是機(jī)床導(dǎo)

16、軌的耐磨性。增加耐磨 性的方法有 1，增加導(dǎo)軌的表面強(qiáng)度如：淬火；2，降低摩擦系數(shù) 等。 當(dāng)前國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的床身等大件多采用普通鑄鐵。而導(dǎo)軌則采用淬硬的合金鋼材料， 其耐磨性比普通鑄鐵導(dǎo)軌高 5 至 10 倍。據(jù)此，在改造中利用舊床身，采用淬火制成導(dǎo)軌， 貼塑用螺釘和粘劑固定在鑄鐵床身上。 粘接前的導(dǎo)軌工作表面采用磨削加工，表面粗糙度 Ra0.8mm，以提高粘接強(qiáng)度。 (2) 主軸變速箱 選用數(shù)控系統(tǒng),主運(yùn)動(dòng)方式和傳統(tǒng)機(jī)床一樣都要求有十分寬廣的變速范圍（116） 來(lái)保證加工時(shí)選擇合理的切速，從而獲得較高的生產(chǎn)率和表面質(zhì)量,所以要根據(jù)具體情況 對(duì)主軸邊速箱進(jìn)行改造。本設(shè)計(jì)方案拆除主軸機(jī)械變速系

17、統(tǒng)，在主軸上增加了交流異步 電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，改用數(shù)控系統(tǒng)直接調(diào)速。原因會(huì)在下文介紹。 (3) 拖板 拖板是數(shù)控系統(tǒng)直接控制的對(duì)象，不論是點(diǎn)位控制還是連續(xù)控制，對(duì)被加工零件的 最后坐標(biāo)精度將受拖板運(yùn)動(dòng)精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。對(duì)于應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)作拖動(dòng)元 件的開環(huán)系統(tǒng)尤其是這樣。因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令僅使拖板運(yùn)動(dòng)而沒(méi)有位置檢測(cè)和信 號(hào)反饋，故實(shí)際移動(dòng)值和系統(tǒng)指令值如果有差別就會(huì)造成加工誤差。因此，除了拖板及 其配件精度要求較高外，還應(yīng)采取以下措施來(lái)滿足傳動(dòng)精度和靈敏度要求。在傳動(dòng)裝 置的布局上采用減速齒輪箱來(lái)提高傳動(dòng)扭矩和傳動(dòng)精度(分辨率為 0.01mm)。傳動(dòng)比計(jì)算 公式為： （3-1） 式

18、中： 為步進(jìn)電機(jī)的步距角(度)；p 為絲杠螺距，mm； 為脈沖當(dāng)量，即要求的分辨 率，mm。在齒輪傳動(dòng)中，為提高正、反傳動(dòng)精度必須盡可能的消除配對(duì)齒輪之間的傳 動(dòng)間隙，其方法有兩種，柔性調(diào)整法和剛性調(diào)整法。柔性調(diào)整法是指調(diào)整之后的齒輪側(cè) 隙可以自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒?，在齒輪的齒厚和齒距有差異的情況下，仍可始終保持無(wú)側(cè)隙嚙 合。但將影響其傳動(dòng)平穩(wěn)性，而且這種調(diào)整法的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，傳動(dòng)剛度低。剛性調(diào)整 法是指調(diào)整之后齒輪側(cè)隙不能自動(dòng)補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整方法，它要求嚴(yán)格控制齒輪的齒厚及齒距 誤差，否則傳動(dòng)的靈活性將受到影響。但用這種方法調(diào)整的齒輪傳動(dòng)有較好的傳動(dòng)剛度， 而且結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。在設(shè)備改造中應(yīng)用的配對(duì)齒輪側(cè)隙

19、方法是剛性調(diào)整法。采用滾珠 天津工業(yè)大學(xué) 2008 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 絲杠代替原滑動(dòng)絲杠，提高傳動(dòng)靈敏性和降低功率、步進(jìn)電機(jī)力矩?fù)p失。 (4) 自動(dòng)換刀裝置 為了滿足在一臺(tái)機(jī)床上一次裝夾完成多工序加工，可采用自動(dòng)刀架。自動(dòng)刀架不但 可代替普通車床手動(dòng)刀架，還可用作數(shù)控機(jī)床微機(jī)控制元件。刀架體積小，重復(fù)定位精 度高，適用于強(qiáng)力車削并安全可靠。 (5) 拖板箱 采用數(shù)控系統(tǒng)控制。拆除原拖板箱，利用此位置安裝新拖板箱，新拖板箱除固定在 滾珠絲杠的螺母上。掛輪箱、走刀箱拆除，使改造后的機(jī)床外型美觀、合理。改造后機(jī) 床的啟動(dòng)、停機(jī)均由數(shù)控系統(tǒng)完成，故拆除原機(jī)床操縱桿，變向杠、立軸等杠桿零件。

20、 3.13.1 滾珠絲杠的選擇滾珠絲杠的選擇 3.1.13.1.1 滾珠絲杠副的特點(diǎn)滾珠絲杠副的特點(diǎn) 滾珠絲杠副具有與滾動(dòng)軸承相似的特征。與滑動(dòng)絲杠副或液壓缸傳動(dòng)相比，有以下 主要特點(diǎn)： 傳動(dòng)效率高:滾珠絲杠的傳動(dòng)效率可達(dá) 85%98%，為滑動(dòng)絲杠副的 24 倍，由于滾珠絲杠 副的傳動(dòng)效率高，對(duì)機(jī)械小型化，減少啟動(dòng)后的顫動(dòng)和滯后時(shí)間以及節(jié)約能源等方面， 都具有重要意義。 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn):滾珠絲杠副在工作過(guò)程中摩擦阻力小，靈敏度高，而且摩擦系數(shù)幾乎與運(yùn)動(dòng)速 度無(wú)關(guān)，啟動(dòng)摩擦力矩與運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力矩的差別很小。所以滾珠絲杠副運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，啟 動(dòng)時(shí)無(wú)顫動(dòng)，低速時(shí)無(wú)爬行。 傳動(dòng)可逆性:與滑動(dòng)絲杠副相比，滾動(dòng)絲杠副

21、突出的特點(diǎn)是具有運(yùn)動(dòng)的可逆性。正逆?zhèn)鲃?dòng) 的效率幾乎可高達(dá) 98%。滾珠絲杠副具有運(yùn)動(dòng)的可逆性，但是沒(méi)有象滑動(dòng)絲杠副那樣運(yùn)動(dòng) 具有自鎖性:因此，在某些機(jī)構(gòu)中，特別是垂直升降機(jī)構(gòu)中使用滾珠絲杠副時(shí)，必須設(shè)置 防止逆轉(zhuǎn)的裝置。 可以預(yù)緊:通過(guò)對(duì)螺母施加預(yù)緊力能消除滾珠絲杠副的間隙，提高軸向接觸剛度，但摩擦 力矩卻增加不大。 定位精度和重復(fù)定位精度高:由于滾珠絲杠副具有傳動(dòng)效率高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，可以預(yù)緊等特 點(diǎn)，所以滾珠絲杠副在工作過(guò)程中溫升較小，無(wú)爬行。并可消除軸向間隙和對(duì)絲杠進(jìn)行 預(yù)緊拉伸以補(bǔ)償熱膨脹，能獲得較高的定位精度和重復(fù)定位精度。 同步性好:用幾套相同的滾珠絲杠副同時(shí)驅(qū)動(dòng)相同的部件和裝置時(shí)，由

22、于反應(yīng)靈敏，無(wú)阻 滯，無(wú)滑移，其啟動(dòng)的同時(shí)性，運(yùn)行中的速度和位移等，都具有準(zhǔn)確的一致性，這就是 所謂同步性好。 使用壽命長(zhǎng):滾珠絲杠和螺母的材料均為合金鋼，螺紋滾道經(jīng)過(guò)熱處理，并淬硬至 HRC58- 62,經(jīng)磨削達(dá)到所需的精度和表面粗糙度。實(shí)踐證明，滾珠絲杠副的使用壽命比普通滑動(dòng) 絲杠副高 56 倍。 天津工業(yè)大學(xué) 2008 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 使用可靠，潤(rùn)滑簡(jiǎn)單，維修方便:與液壓傳動(dòng)相比，滾珠絲杠副在正常使用條件下故障率 低，維修保養(yǎng)也極為方便；通常只需進(jìn)行一般的潤(rùn)滑與防塵。在特殊使用場(chǎng)合，如核反 應(yīng)堆中的滾珠絲杠副，可在無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)下正常工作。 3.1.2.3.1.2. 縱向滾珠絲

23、杠螺母副的型號(hào)選擇與校核步驟縱向滾珠絲杠螺母副的型號(hào)選擇與校核步驟 (1)最大工作載荷計(jì)算 滾珠絲杠上的工作載荷 Fm (N) 是指滾珠絲杠副的在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)滾珠絲杠所承受的軸向 力，也叫做進(jìn)給牽引力。它包括滾珠絲杠的走刀抗力及與移動(dòng)體重力和作用在導(dǎo)軌上的 其他切削分力相關(guān)的摩擦力。 由于原普通 CA6140 車床的縱向?qū)к壥侨切螌?dǎo)軌，則用公式 3-2 計(jì)算工作載荷的大小。 （3-)( GFvfKFlFm 2） 1）車削抗力分析 車削外圓時(shí)的切削抗力有 Fx、Fy、Fz，主切削力 Fz 與切削速度方向一致，垂直向下， 是計(jì)算車床主軸電機(jī)切削功率的主要依據(jù)。且深抗力 Fy 與縱向進(jìn)給方向垂直，

24、影響加工 精度或已加工表面質(zhì)量。進(jìn)給抗力 Fx 與進(jìn)給方向平行且相反指向，設(shè)計(jì)或校核進(jìn)給系統(tǒng) 是要用它。 縱切外圓時(shí)，車床的主切削力 Fz 可以用下式計(jì)算： （3- FF zzFz z Xy n zFpFz FCf 3） =5360(N) 由 Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4 (3-4) 得 Fx=1340(N) Fy=2144(N) 因?yàn)檐嚨堆b夾在拖板上的刀架內(nèi)，車刀受到的車削抗力將傳遞到進(jìn)給拖板和導(dǎo)軌上，車 削作業(yè)時(shí)作用在進(jìn)給拖板上的載荷 Fl、Fv 和 Fc 與車刀所受到的車削抗力有對(duì)應(yīng)關(guān)系， 因此，作用在進(jìn)給拖板上的載荷可以按下式求出： 拖板上的進(jìn)給方向載荷 Fl=Fx=1340

25、(N) 拖板上的垂直方向載荷 Fv=Fz=5360(N) 拖板上的橫向載荷 Fc=Fy=2144(N) 因此，最大工作載荷 )( GFvfKFlFm =1.151340+0.04(5360+909.8) =1790.68(N) 天津工業(yè)大學(xué) 2008 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 對(duì)于三角形導(dǎo)軌 K=1.15，f=0.030.05,選 f=0.04(因?yàn)槭琴N塑導(dǎo)軌)，G 是縱向、橫 向溜板箱和刀架的重量，選縱向、橫向溜板箱的重量為 75kg,刀架重量為 15kg. (2)最大動(dòng)載荷 C 的計(jì)算 滾珠絲杠應(yīng)根據(jù)額定動(dòng)載荷 Ca 選用，可用式 3-5 計(jì)算： C=， (3-5)fmFmL 3 L

26、 為工作壽命，單位為 10 r,L=60nt/10 ;n 為絲杠轉(zhuǎn)速（r/min）,n=;v 為最大切 66 。L v1000 削力條件下的進(jìn)給速度（m/min）,可取最高進(jìn)給速度的 1/21/3;L0 為絲杠的基本導(dǎo)程， 查資料得 L。=12mm；fm 為運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，因?yàn)榇藭r(shí)是有沖擊振動(dòng)，所以取 fm=1.5。 V 縱向=1.59mm/r 1400r/min=2226mm/min n 縱向=v 縱向1/2 /L。=22261/2 /12=92.75r/min L=60nt/10 =6092.7515000 /10 =83.5 6 6 則 C= =1.51790.68=11740(N) fm

27、FmL 33 5 . 83 初選滾珠絲桿副的尺寸規(guī)格，相應(yīng)的額定動(dòng)載荷 Ca 不得小于最大動(dòng)載荷 C:因此有 CaC=11740N. 另外假如滾珠絲杠副有可能在靜態(tài)或低速運(yùn)轉(zhuǎn)下工作并受載，那么還需考慮其另 一種失效形式-滾珠接觸面上的塑性變形。即要考慮滾珠絲杠的額定靜載荷 Coa 是否充分 地超過(guò)了滾珠絲杠的工作載荷 Fm,一般使 Coa/Fm=23. 初選滾珠絲杠為：外循環(huán)，因?yàn)閮?nèi)循環(huán)較外循環(huán)絲杠貴，并且較難安裝?？紤]到簡(jiǎn)易經(jīng) 濟(jì)改裝，所以采用外循環(huán)。并考慮原車床絲杠尺寸為 T40 X 12，選取滾珠絲杠直徑為 40mm，型號(hào)為 CD40X6-2.5P2。主要參數(shù)為 Dw=4.763mm,L

28、。=8mm,dm=40mm,=219，圈數(shù)列數(shù) 2.51 (3) 縱向滾珠絲杠的校核 1)傳動(dòng)效率計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為 = tg/tg(+)= tg 219/tg(219+10)=92% (3-6) 2)剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠副的軸向變形將引起導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響其定位精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性， 滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形，絲杠與螺母之間滾道的接觸變形，絲杠的 扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。 1_絲杠的拉壓變形量 1 1=FmL / EA (3-7) =1790.682280 / 20.610(31.5) 天津工業(yè)大學(xué) 2008 屆本科生畢業(yè)

29、設(shè)計(jì)（論文） 11 = 0.0064mm 2 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 2 采用有預(yù)緊的方式， 因此用公式 2= 0.0013 (3-8) 3 2 DwFyjZ Fm = 3 2 36.145 3 68.1790 763 . 4 68.1790 0013 . 0 =0.0028mm 在這里 =1/3Fm=1/31790.68=597N yj F Z= dm/Dw=3.1463/4.763=41.53 Z=41.533.51=145.36 絲杠的總變形量 =1+2=0.0064+0.0028=0.0092mm4 所以絲杠很穩(wěn)定。 3.1.33.1.3橫向滾珠絲杠螺母副的型號(hào)選擇與校核步驟橫向

30、滾珠絲杠螺母副的型號(hào)選擇與校核步驟 (1)型號(hào)選擇 1) 最大工作載荷計(jì)算 由于導(dǎo)向?yàn)橘N塑導(dǎo)軌，則：k=1.4 f =0.05 ，F(xiàn)l 為工作臺(tái)進(jìn)給方向載荷， Fl=2144N ， Fv=5360N ， Fc=1340N ，G=60kg ， t=15000h， 最大工作載荷： F m=kFl+ f(Fv+2Fc+G) =1.42144+0.05(5360+21340+9.875) =3452.6N 2)最大動(dòng)負(fù)載的計(jì)算 v 橫=1400r/min 0.79mm/r = 1106 mm/min n 橫絲= v 橫1/2 / L。縱=11061/2 / 5 =110.6r/min L=60nt/1

31、0 =1106110.615000 /10 =99.54 6 6 C =fmFm=99.541.53352.6=23283.8N 3 L 初選滾珠絲杠型號(hào)為:CD256-3.5-E 其基本參數(shù)為 Dw =3.969mm ，=211，L。=6mm，dm=25mm，圈數(shù)列數(shù) 3.51 (2)橫向滾珠絲杠的校核 1)傳動(dòng)效率計(jì)算 = tg /tg (+)=tg211/tg(211+10)=93% 2)剛度驗(yàn)算 1 絲杠的拉壓變形量 天津工業(yè)大學(xué) 2008 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 1=FmL/EA = 3352.6320/20.61025 = 0.0026mm 4 2 滾珠與螺紋滾道間的接觸變

32、形量 2=0.0013 =0.0013= 0.0099mm 3 2 DwFyjZ Fm 3 2 48.138 3 6 . 3352 969 . 3 6 . 3352 在這里 Fyj=1118N 3 Fm 3 6 . 3352 Z=dm/Dw=3.1450/3.969=39.56 Z=39.563.51=138.48 絲杠的總變形量 =1+2=0.0026+0.0099=0.0125mm100mm 時(shí) n=6 m 由結(jié)構(gòu)確定，在這里均取 3,d3 為螺釘直徑. （1）D=26 時(shí)的尺寸 =n-d3-1 則 d3=2.5 取 M4 的螺釘 3 d =26+2.52.5=32.25 0 D =32.

33、25+32.5=39.25=0.9D=0.926=23.4 2 D 4 D m=3mm （2）D=37d3=2.5mm 取 M4 的螺釘 =37+6.25=43.25mm 0 D =43.25+7.5=50.75mm 2 D =0.937=33.3mm 4 D m=3mm 3.4.2 通蓋 圖 3-6 通蓋 =D+(22.5)d3+2S2(有套環(huán)) 0 D 天津工業(yè)大學(xué) 2008 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 =D。+(2.53)d3 =(0.850.9)D 2 D 4 D d。=d3+（12） D100mm 時(shí) n=4 D100mm 時(shí) n=6 m 由結(jié)構(gòu)確定，在這里均取 3mm,d3 為

34、螺釘直徑. （1）D=6 通蓋尺寸，內(nèi)加密封圈 d3 取 M4 螺釘 =32.5 =39.75 0 D 2 Dmm =23.4 d=18 4 Dmm m=3mm （2）D=37 通蓋尺寸 d3 取 M4 螺釘 =43.25 =50.75 0 D 2 Dmm =33.3 d=25 4 Dmm m=3mm 3.53.5 絲杠軸承的選型與校核絲杠軸承的選型與校核 3.5.13.5.1 滾珠絲杠用軸承的選型滾珠絲杠用軸承的選型 選用型號(hào) 7602025TVP 的 60 推力角接觸軸承 軸徑 d=25mm 外徑 d=52mm 寬度 B=15mm 球徑 Dw=6.35mm 球數(shù) Z=16 動(dòng)載荷 Ca=2

35、2000N 靜載荷 Coa=44000N 預(yù)加載荷 500N 極限轉(zhuǎn)速 2600r/min 3.5.23.5.2 校核校核 大部分滾動(dòng)軸承是由于疲勞點(diǎn)蝕而失效的。軸承中任一元件出現(xiàn)疲勞步剝落擴(kuò)展跡 象前院運(yùn)轉(zhuǎn)的總轉(zhuǎn)數(shù)或一定轉(zhuǎn)速下的工作小時(shí)數(shù)稱為軸承壽命（指的是兩個(gè)套圈間的相 對(duì)轉(zhuǎn)數(shù)或相對(duì)轉(zhuǎn)速） 。 天津工業(yè)大學(xué) 2008 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 同樣的一批軸承載相同工作條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，各軸承的實(shí)際壽命大不相同，最高和最低 的可能相差數(shù)十倍。對(duì)一個(gè)具體軸承很難預(yù)知其確切壽命，但是一批軸承則服從一定的 概率分布規(guī)律，用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法處理數(shù)據(jù)可分析計(jì)算一定可靠度 R 或失效概率 n 下的 軸承壽

36、命。實(shí)際選擇軸承時(shí)常以基本額定壽命為標(biāo)準(zhǔn)。軸承的基本額定壽命是指 90%可靠 度，常用材料和加工質(zhì)量，常規(guī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的壽命，以符號(hào) L10(r)或 L10h(h)表示。不 同可靠度，特殊軸承性能和運(yùn)轉(zhuǎn)條件時(shí)其壽命可對(duì)基本額定壽命進(jìn)行修正，稱為修正額 定壽命。 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定將基本額定壽命一百萬(wàn)轉(zhuǎn)（10 r）時(shí)軸承所能承受的恒定載荷取為基本 6 額定動(dòng)載荷 C。也就是說(shuō)，在基本額定動(dòng)載荷作用下，軸承可以工作 10 r 而不發(fā)生點(diǎn)蝕 6 失效，其可靠度為 90%?；绢~定動(dòng)載荷大，軸承抗疲勞的承載能力相應(yīng)較強(qiáng)。徑向基本 額定動(dòng)載荷 Cr 對(duì)向心軸承（角接觸軸承除外）是指徑向載荷，對(duì)角接觸軸承則是指引起

37、 軸承套圈間產(chǎn)生相對(duì)徑向位移時(shí)的載荷徑向分量。對(duì)推力軸承，軸向基本額定動(dòng)載荷 Ca 是指中心軸向載荷。 (1) 當(dāng)量載荷 滾動(dòng)軸承若同時(shí)承受徑向和軸向聯(lián)合載荷，為了計(jì)算軸承壽命時(shí)在相同條件下比較，需 將實(shí)際工作載荷轉(zhuǎn)化為當(dāng)量動(dòng)載荷。在當(dāng)量動(dòng)載荷作用下，軸承壽命與實(shí)際聯(lián)合載荷下 軸承的壽命相同。 當(dāng)量動(dòng)載荷 P 的計(jì)算公式是： P= （3-14） ra Fyf 表 3.4 軸承滾動(dòng)當(dāng)量動(dòng)載荷計(jì)算的 X,Y 值 單向軸承雙列軸承 Fa/Fr e Fa/FreFa/FreFa/Fre 軸承類型 Fa/Cor e X Y XY XYXY 0.0150.381.471.652.3 9 0.0290.41

38、.401.572.2 8 0.0580.431.301.462.1 1 0.0870.461.231.382 角 接 觸 球 軸 承 = 15 0.120.47 1 00.44 1.19 1 1.34 0.7 2 1.9 3 天津工業(yè)大學(xué) 2008 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 0.170.501.121.261.8 2 0.290.551.021.141.6 6 0.440.561.001.121.6 3 0.580.561.001.121.6 3 當(dāng)量動(dòng)載荷式中 Fr 為徑向載荷，N；Fa 為軸向載荷，N；X，Y 分別為徑向動(dòng)載荷系 數(shù)和軸向動(dòng)載荷系數(shù)，可由上表查出。 上表中，e 是一個(gè)

39、判斷系數(shù)，它是適用于各種 X,Y 系數(shù)值的 Fa/Fr 極限值。試驗(yàn)證明， 軸承 Fa/Fre 或 Fa/Fre 時(shí)其 X,Y 值是不同的。單列向心軸承或角接觸軸承當(dāng) Fa/Fre 時(shí)，Y=0,P=Fr,即軸向載荷對(duì)當(dāng)量動(dòng)載荷的影響可以不計(jì)。深溝球軸承和角接觸 球軸承的 e 值隨 Fa/Cor 的增大而增大。Fa/Cor 反映軸向載荷的相對(duì)大小，它通過(guò)接觸角 的變化而影響 e 值。 =0的圓柱滾子軸承與滾針軸承只能承受徑向力，當(dāng)量動(dòng)載荷 Pr=Fr;而=90的推力 軸承只能承受軸向力，其當(dāng)量動(dòng)載荷 Pa=Fa。 由于機(jī)械工作時(shí)常具有振動(dòng)和沖擊，為此，軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷應(yīng)按下式計(jì)算： P=fd(X

40、Fr+Yfa) 沖擊載荷系數(shù) fd 由表 3.3 選取 表 3.5 沖擊載荷系數(shù)表 載荷性質(zhì) 機(jī)器舉例 fd 平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)或輕微沖 擊 電機(jī)，水泵，通風(fēng)機(jī)，汽輪機(jī) 1.01. 2 中等沖擊車輛，機(jī)床，起重機(jī)，冶金設(shè)備，內(nèi)燃 機(jī) 1.21. 8 強(qiáng)大沖擊破碎機(jī)，軋鋼機(jī)，振動(dòng)篩，工程機(jī)械， 石油鉆機(jī) 1.83. 0 由于軸承載荷與縱向載荷之比： =0.25C 此軸承合乎要求 另外由于橫向絲杠與縱向絲杠采用同一軸承，且載荷小于縱向，因此同理可驗(yàn)證其是合 理的。 3.6 主軸脈沖發(fā)生器的安裝 將脈沖發(fā)生器與原車床掛輪組首根外伸軸采用同步齒形帶聯(lián)接，這能最大限度的利 用原車床附件。這同樣需要制造一對(duì)相同齒數(shù)

41、的齒輪及脈沖發(fā)生器固定裝置，且需要對(duì) 掛輪組首根外伸軸改造。本設(shè)計(jì)采用此方案。 （1）安裝前準(zhǔn)備工作 天津工業(yè)大學(xué) 2008 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 圖 3.7 CA6140 掛輪組示意圖 1-掛輪軸 a 2-掛輪 a 3掛輪架 4-掛輪軸 b 5-掛輪 b 6-主軸箱 把掛輪 a 、掛輪 b、掛輪軸 b 、掛輪架拆除； 在掛輪軸 a 上銑一個(gè)鍵槽，用于聯(lián)接齒輪，并車一段外螺紋； 做一個(gè)支架，用于固定脈沖發(fā)生器 準(zhǔn)備一對(duì)相同齒數(shù)的齒輪以及同步齒形帶 （2）安裝 把支架固定在進(jìn)給箱外表面，2 個(gè) L 型支架用螺栓連接； 把脈沖發(fā)生器固定在支架上； 安裝齒輪及同步帶。齒輪和軸，采用過(guò)盈配合

42、。 主軸傳動(dòng)可經(jīng)過(guò)原有 CA6140 車床主軸箱中 58/58 和 33/33 兩級(jí)齒輪(實(shí)現(xiàn) 11)傳 遞到原有CA6140 車床的掛輪 軸 a。 安裝總圖如 天津工業(yè)大學(xué) 2008 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 圖 3.8 脈沖編碼安裝示意圖 1-掛輪軸 2-同步齒形帶 3-脈沖發(fā)生編碼器 4-支架 （2）主軸脈沖發(fā)生器安裝注意事項(xiàng) 主軸脈沖發(fā)生器屬于光學(xué)元件，安裝時(shí)應(yīng)小心輕放； 不能有較大的沖擊和振動(dòng)，以防損壞玻璃光柵盤，造成報(bào)廢； 更應(yīng)注意主軸脈沖發(fā)生器的最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速，車床主軸的轉(zhuǎn)速必須小于此轉(zhuǎn)速，以免 損壞脈沖發(fā)生器。 天津工業(yè)大學(xué) 2008 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第五章第五章

43、 電機(jī)的選擇電機(jī)的選擇 4.14.1 主軸電機(jī)的選擇主軸電機(jī)的選擇 機(jī)床主傳動(dòng)的作用是把電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩通過(guò)一定途徑傳給主軸，使工件以不同的 速度運(yùn)動(dòng)，主傳動(dòng)性能的好壞，直接影響零件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。考慮到改造的經(jīng) 濟(jì)性，可采用機(jī)床原有的普通三相異步交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。考慮到加工過(guò)程中當(dāng)電網(wǎng)電壓 和切削力矩發(fā)生變化時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)隨之波動(dòng)，直接影響加工零件的表面粗糙度。 因此為提高加工精度，實(shí)現(xiàn)主軸自動(dòng)無(wú)級(jí)變速，改用主軸伺服電機(jī)，從而不需進(jìn)行機(jī)械 換檔。 采用機(jī)床原有的普通三相異步交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，在機(jī)床轉(zhuǎn)速需要改變時(shí)，需要停機(jī)手動(dòng) 調(diào)轉(zhuǎn)速，若采用主軸伺服系統(tǒng)，則不需要停車手動(dòng)變速，實(shí)現(xiàn)調(diào)速自

44、動(dòng)化，節(jié)省操作時(shí) 間，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度。 這里選用 ZJY208-7.5B 型主軸伺服電機(jī)，采用全封閉式無(wú)外殼風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，外形美觀、 結(jié)構(gòu)緊湊。采用優(yōu)化的電磁設(shè)計(jì)，電磁噪聲低、運(yùn)行平穩(wěn)、效率高。采用進(jìn)口高精度軸 承和轉(zhuǎn)子高精度動(dòng)平衡工藝,確保電機(jī)運(yùn)行在最高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)穩(wěn)定可靠,振動(dòng)小、噪聲低， 采用變頻電機(jī)專用耐電暈漆包線，F(xiàn) 級(jí)絕緣等級(jí)，IP54 防護(hù)等級(jí)，確保電動(dòng)機(jī)在- 1540環(huán)境溫度及粉塵油霧環(huán)境下可靠使用。采用高速、高精度光電編碼器，與高性 能驅(qū)動(dòng)器配合可作高精度速度和位置控制。過(guò)載能力強(qiáng)，可 30 分鐘 150%額定功率下可靠 運(yùn)行。耐沖擊，壽命長(zhǎng)，性能價(jià)格比高。 這

45、里選用 DAP03-075 型交流異步主軸伺服驅(qū)動(dòng)單元來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。DAP03 交流異 主軸伺服驅(qū)動(dòng)單元采用高性能 DSP 和 CPLD 等集成芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字式控制，可靠高，智能 功率 IPM 模塊驅(qū)動(dòng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好，采用異步電機(jī)矢量控制算法，有效調(diào)速范圍寬， 從 1.5r/min-6000r/min,其中恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍為 1.5r/min-1500r/min,轉(zhuǎn)速波動(dòng)小。只需 外部觸點(diǎn)信號(hào)就能實(shí)現(xiàn)主軸定位，380V 電源直接輸入，不需要電源變壓器，安裝方便、 成本低。由數(shù)控系統(tǒng)來(lái)輸出 0-10V 信號(hào)來(lái)控制伺服驅(qū)動(dòng)單元，進(jìn)而控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。 4.24.2 縱向步進(jìn)電機(jī)的選擇縱向步進(jìn)電機(jī)的選

46、擇 4.2.14.2.1 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 脈沖當(dāng)量是指一個(gè)進(jìn)給脈沖使機(jī)床執(zhí)行部件產(chǎn)生的進(jìn)給量，它是衡量數(shù)控機(jī)床加工 精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù)。因此，脈沖當(dāng)量應(yīng)根據(jù)機(jī)床精度的要求來(lái)確定，CA6140 的定 位精度為0.015mm，因此選用的脈沖當(dāng)量為 0.01mm/脈沖 0.005mm/脈沖。本設(shè)計(jì)采用 的數(shù)控系統(tǒng)脈沖當(dāng)量為 0.01mm/脈沖。 4.2.24.2.2 步距角的選擇步距角的選擇 根據(jù)步距角初步選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)，并從步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)表中查到步距角 b ，三種不 同脈沖分配方式對(duì)應(yīng)有兩種步距角。步距角 b 及減速比 i 與脈沖當(dāng)量 p 和絲杠導(dǎo)程 天津工業(yè)大學(xué) 20

47、08 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 L0 有關(guān)。初選電機(jī)型號(hào)時(shí)應(yīng)合理選擇 b 及 i, 并滿足： b (pi360)/L0 （4- 1） 由上式可知： b pi360/L0 =3600.011/10 =0.36 初選電機(jī)型號(hào)為:90BYG5502 具體參數(shù)如表 4.1 所示 表 4.1 90BYG5502 具體參數(shù) 縱向電機(jī)步距角相數(shù)驅(qū)動(dòng)電壓電流 90BYG55020.36 550V3A 靜轉(zhuǎn)矩空載起動(dòng)頻率空載運(yùn)行頻率轉(zhuǎn)動(dòng)慣量重量 5N.m 2200 30000 40 kg.cm 24.5kg 圖 4-1 電機(jī)簡(jiǎn)圖 4.2.34.2.3 矩頻特性：矩頻特性： =J=J10 (N.cm) （4

48、-2） ka M t n 60 max2 2 由于： nmax=(r/min) （4-3） 360 max p bv 則： Mka=J(N.cm) 2 10 60360 max2 pt bv 式中：J為傳動(dòng)系統(tǒng)各部件慣量折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.cm）; 為 2 天津工業(yè)大學(xué) 2008 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 電機(jī)最大角加速度（rad/s）;nmax 為與運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度對(duì)應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速 2 （r/min）;t 為運(yùn)動(dòng)部件從靜止啟動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需的時(shí)間（s）;vmax 為運(yùn)動(dòng) 部件最大快進(jìn)速度（mm/min）; p 為脈沖當(dāng)量（mm/脈沖） ；b 為初選步進(jìn)電

49、機(jī)的步距 角（）步，對(duì)于軸、軸承、齒輪、聯(lián)軸器，絲杠等圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式為 J= (kg.cm),對(duì)于鋼材，材料密度為 7.810(kg.cm ),則上式轉(zhuǎn)化為 8 2 McD 2 33 J=0.78D L10(kg.cm),式中：Mc 為圓柱體質(zhì)量（kg）;D 為圓柱體直徑（cm） ，JD 為 4 32 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可由資料查出。 (1)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Js Js=Js/i，i 為絲杠與電機(jī)軸之間的總傳動(dòng)比 2 由于 i=1 則: Js=0.78D L10 （4-4） 4 3 =0.78(6.3) 17010 4 3 =208.9( kg.cm) 2 (2)工作臺(tái)質(zhì)量折算 工作

50、臺(tái)是移動(dòng)部件，其移動(dòng)質(zhì)量慣量折算到滾珠絲杠軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)量 JG:JG=（）M( kg.cm),式中：L。為絲杠導(dǎo)程（cm）;M 為工作臺(tái)質(zhì)量（kg）.由于 2 。L 22 L。=1cm,M=90kg 則 ： JG=（）M （4- 2 。L 2 5） =90 2 ) 14 . 3 2 1 ( =2.28( kg.cm) 2 1）一對(duì)齒輪傳動(dòng) 小齒輪裝置在電機(jī)軸上轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不用折算，為 J1.大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J2 折算到電機(jī)軸上為 =J2() （4-6） 2 2 i J 2 1 z z 2 2）兩對(duì)齒輪傳動(dòng) 傳動(dòng)總速比 i=i1i2,二級(jí)分速比為 i1=z2/z1 和 i2=z4/z3.于是，齒輪 1

51、 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 J1,齒輪 2 和 3 裝在中間軸上，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要分別折算到電機(jī)軸上，分別為 J2()和 2 1 z z 2 天津工業(yè)大學(xué) 2008 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 J3().齒輪 4 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要進(jìn)行二次折算或以總速比折算為： 2 1 z z 2 =J4()() （4- 2 4 i J 2 1 z z 2 4 3 z z 2 7） 因此，可以得到這樣的結(jié)論：在電機(jī)軸上的傳動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不必折算，在其他軸上的 傳動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算時(shí)除以該軸與電機(jī)軸之間的總傳動(dòng)比平方。 由于減速機(jī)構(gòu)為一對(duì)齒輪傳動(dòng)，且第一級(jí) i=1,則可分別求出各齒輪與軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下： n=45,m=1.5 的

52、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J45,其分度圓直徑 d=451.5=67.5mm S=27mm 則:J45=0.786.7510=4.371 kg.cm 4 32 n=40,m=1.5 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J40,其分度圓直徑 d=401.5=60mm S=27mm 則:J40=0.78610=2.73kg.cm 4 32 兩輸入輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為: J 輸入=0.781.81310=0.106 kg.cm ; L=130mm 4 32 J 輸出=0.782.51310=0.396 kg.cm ; L=130mm 4 32 查表得： JD=4 kg.cm 2 綜上可知： J=JD+Js+JG+J30+J40+J60+J5

53、0+2J45=252.302 kg.cm （4- 2 8） 又由于 V =1.461600 =2236mm/min 則：Mka=252.30210=41.1N.cm 01 . 0 5 . 160360 36 . 0 233614 . 3 2 2 (3)力矩的折算： 1）Mkf 空載摩擦力矩 Mkf= （4- i2 。LfG 9） 式中：G 為運(yùn)動(dòng)部件的總重力（N） ； f為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；i 為齒輪傳動(dòng)降速比； 為傳 動(dòng)系統(tǒng)總效率，一般取 =0.70.85；L。為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程（cm） 。 由于 G=9010=900N, f=0.05, i=1, =0.85 則 Mkf = 185 . 0

54、14 . 3 2 105 . 0 1090 =8.4N.cm 天津工業(yè)大學(xué) 2008 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 2）M。附加摩擦力矩 M。=(1-。) （4- i2 。FyjL 2 10） 式中：Fyj 為滾珠絲杠預(yù)加負(fù)載，即預(yù)緊力，一般取 1/3Fm;Fm 為進(jìn) 給牽引力（N）, 。為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取 。0.9 得 Fyj=1/3Fm=1/31728.8=576.3N 又 L。=10mm ， =0.95 則 M。=96.6 N.cm 195 . 0 14 . 3 2 1 3 . 576 則 =+M。=41.1+8.4+96.6=140 N.cm kq M ka M k

55、f M 由于= kq M mq M jmax M 則所選步進(jìn)電機(jī)為五相十拍的 經(jīng)表查得 ： =0.951 則 =1.67N.m.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2003. 13 普通 CA6140 車床的說(shuō)明書. 14 邱宣懷主編.高等教育出版社,2002. 15 薛嚴(yán)成.上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1999. 天津工業(yè)大學(xué) 2008 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 38 附附錄錄 附表附表 1 1 說(shuō)明書中各符號(hào)一覽表 名稱符號(hào)單位 步進(jìn)電機(jī)的步距角 b ()/脈沖 脈沖當(dāng)量 p mm 滾珠絲杠導(dǎo)程L。 mm 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J 千克/米平方 車床的切削功率 PmkW 機(jī)床電機(jī)功率 PeKW 進(jìn)給方向載荷 Fl,FxN 拖板上

56、垂直方向載荷 Fv,FzN 拖板上橫向方向載荷 Fc,FyN 扭矩 MN.m 傳動(dòng)效率 變形量 mm 臨界載荷 FkN 穩(wěn)定系數(shù) nk 最大靜轉(zhuǎn)矩 MjmaxN.cm 天津工業(yè)大學(xué) 2008 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 39 名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 MnqN.cm 空載啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 MkqN.cm 最大動(dòng)負(fù)載 CN 額定靜載荷 CoaN 額定動(dòng)載荷 CaN 最大工作載荷 FmN 主軸恒功率調(diào)速范圍 Rnp 電動(dòng)機(jī)恒功率調(diào)速范圍 Rp 天津工業(yè)大學(xué) 2008 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 40 英文資料英文資料 Evaluation of Size Effect on Micro-machine-tools Des

57、ign for Microfactory M. Yamanaka1, S. Hirotomi2 and K. Inoue3 1Tohoku University, 6-6-01, Aramaki-Aoba, Sendai 980-8579, Japan, yamanakaelm.mech.tohoku.ac.jp 2Shimano Inc, Japan 3Tohoku University, Japan Abstract. A micro lathe with a machine base size of 150100 mm (postcard size) was developed by t

58、he authors. It has a good cutting performance for brass test workpieces. To know the developed machine is most suitable size for machining the given workpiece size, the error functions, which affect the cutting performance, are examined how to change to the machine tool size. The calculation method

59、and a simple size effect of error functions are proposed and their usefulness is examined by some calculation results. Keywords: Microfactory, Machine tools, Lathe, Machine design, Size effect 1. Introduction Ordinary production systems use enlarged machine tools aiming at high rigidity regardless o

60、f the size of the parts produced. The concept of microfactory is to use small machine tools corresponding to the miniaturization of workpieces. This is useful for saving resources, space, and energy. Some prototypes were developed to realize this concept 1. Okazaki developed an NC micro lathe which

61、is 322830 mm in size 1. Park developed a miniaturized 3-axis milling machine of 200300200 mm 2. The authors are developing micro lathes aiming at the practical use in mass production systems of small/micro parts for optics, IT and electronics, until now 3. The machine with a base size of 150100 mm (

62、postcard size) has been developed and the relation between machine characteristics and cutting performance are evaluated to clarify advantage/disadvantage of the developed lathe 4. To design micro machine tools, it is important to properly understand the merits and demerits of downsizing. Mishima pr

63、oposed a design tools 5 combined with the form-shaping theory of machine tools6 and Taguchi method 7. It offers a simplified method to consider the deformation of machine tool structures and the component errors. The developed micro lathe has a good cutting performance for the test workpiece. Howeve

64、r, it is obscure that the developed machine is most suitable size for machining the given workpiece size. It is impossible to make many sizes of machine tools and evaluate their performances. In this paper, the outline of developed micro lathe is introduced, and the influence of 天津工業(yè)大學(xué) 2008 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 41 accuracies according to the machine size to the cutting performan