C6140普通車床的數控化改造（橫向與縱向進給系統(tǒng)）含開題及2張CAD圖

C6140普通車床的數控化改造（橫向與縱向進給系統(tǒng)）含開題及2張CAD圖,c6140,普通,車床,數控,改造,橫向,縱向,進給,系統(tǒng),開題,cad 附件6 中期報告 （學生用表） 系（部）： 專業(yè)： 班級： 學生姓名 學號 指導教師 課題名稱 C6140普通車床的數控化改造（橫向與縱向進給系統(tǒng)） 簡述開題以來所做的具體工作和取得的進展或成果： 1.完成了縱向和橫向切削力的計算、滾珠絲杠設計計算(計算進給率、計算最大動負載、滾珠絲杠螺母副的選型、傳動效率計算、剛度驗算、穩(wěn)定性計算）； 2.齒輪及步進電機的相關計算（有關齒輪計算、轉動慣量計算、所需轉動力矩計算、步進電機最高工作頻率）； 3.滾珠絲杠的間隙調整。 存在的具體問題與解決方法： 1.滾珠絲杠的選型、滾珠絲杠螺母副的支撐方式的選擇（各種支撐方式的優(yōu)缺點）要保證穩(wěn)定性； 2.計算牽引力的時候其值與導軌的型式有關：燕尾型導軌、三角形或綜合導軌，在選擇用哪種導軌的時候通過查閱資料縱向使用綜合導軌、橫向使用燕尾型導軌。 下一步工作的主要研究任務、具體設想與安排： 1.通過大致的計算得到一個大概的數據，根據這些數據繪制圖紙并通過在繪制過程中發(fā)現的問題反過來完善設計說明書。 2.繪制橫向和縱向進給系統(tǒng)的裝配圖。 指導教師對前期工作的評價： 指導教師簽名： 年 月 日 注：1、本表可根據內容續(xù)頁；2、指導教師評價及簽名手寫，其他內容電子版填寫。 附件3 任務書 （指導教師用表） 系（部）： 專業(yè)： 班級： 學生姓名 指導教師姓名 論文（設計）題目 C6140普通車床的數控化改造（橫向與縱向進給系統(tǒng)） 下達任務日期 任務起止日期 主要研究內容及方法 內容： 1.熟悉C6140普通車床的工作原理與特點； 2.將橫向與縱向進給系統(tǒng)改成用微機控制的、能獨立運動的進給伺服系統(tǒng)； 3.系統(tǒng)脈沖當量的確定； 4.滾動絲杠螺母副的計算和選型； 5.齒輪傳動的計算； 研究方法： 并查閱各種參考資料和設計方法，完成車床數控化改造設計說明書，并繪制設計圖紙，完成畢業(yè)設計。 主要任務及目標 設計說明書： 1. 設計背景及現狀； 2. 設計方案的確定； 3. 進給系統(tǒng)的計算； 4. 滾珠絲杠的選型； 5. 步進電機的選擇； 設計圖紙： 1. 設計圖紙要表達清晰； 2. 設計圖紙的格式要符合國家標準； 3. 圖紙標題欄要正確； 目標： 1.編制設計說明書一份（40-50頁） 2.圖紙一套（折合不少于2張A0圖紙） （1）橫向進給系統(tǒng)的裝配圖A0一張； （2）縱向進給系統(tǒng)的裝配圖A0一張 主要參考文獻 [1] 吳祖育，秦鵬飛.數控機床.上海.上?？茖W技術出版社,1994 [2] 譚浩強.微型計算機原理及應用.北京.清華大學出版社,2002 [3] 韓鴻鸞.榮維芝.數控機床的結構與維修.北京.機械工業(yè)出版社,2004 [4] 朱大先.金屬切削手冊.上海.上?？茖W技術出版社,2001 [5] 哈工大.機床設計圖冊.上海.上海科學技術出版社,1983 [6] 李洪.實用機床設計手冊.遼寧.遼寧科學技術出版社,1999 [7] 龔仲華.數控技術.北京.機械工業(yè)出版社,2003 進度安排 各階段工作任務 起止日期 查找資料完成開題報告 第1周~第2周 確定改造方案完成總體布局 第3周~第4周 繪圖完成設計論文 第5周~第7周 在老師的指導下修改論文及圖紙 第7周~第11周 畢業(yè)答辯 第12周 任務下達人簽名 任務接收人 簽名 教研室指導小組組長簽名 系部領導小組組長簽名 注：1、本表可根據內容續(xù)頁； 2、本表一式兩份，學生、系部存檔各一份；3、簽名需手寫，其他內容電子版填寫。 附件7 工作中期檢查記錄 系（部）： 專業(yè)： 班級： 姓名 學號 指導教師 檢 查 主 要 內 容 畢業(yè)論文（設計）的進度如何，目前已經完成的內容，尚需完成的內容等。 1.畢業(yè)設計已完成基本的數據，還需要在繪圖時完善。 2.裝配圖還在繼續(xù)繪制中。 3.設計說明書還需要繼續(xù)完善。 指導教師是否到位，有無指導記錄，記錄情況如何等。 1.每個星期老師都會檢查本組學生的畢業(yè)設計進度完成的情況并且會指出不足的地方，詳細的講解。 2.記錄每次的檢查問題，根據進度情況下達下一步的任務保證畢業(yè)設計的進度。 存在的問題及擬采取的方法： 1. 自己收集的資料還不夠，設計方案有待進一步優(yōu)化。 2. 橫縱向進給系統(tǒng)中數據的計算還有點誤差需要改進。 3. 圖紙還有不合理的地方需要向老師請教改進。 畢業(yè)論文（設計）工作領導小組意見 組長簽名： 年 月 日 注：1、本表可根據內容續(xù)頁；2、領導小組意見手寫，其他內容電子版填寫。 附件5 開題報告 （學生用表） 系（部）： 專業(yè)： 班級： 課題名稱 C6140普通車床的數控化改造（橫向與縱向進給系統(tǒng)） 指導教師 學生 學號 1.課題的來源及意義 本設計是對C6140普通車床進行數控化改造，主要是將橫向與縱向進給系統(tǒng)改成用微機控制的、能獨立運動的進給伺服系統(tǒng)。 隨著自動化的普及國內生產和進口的數控車床并不能滿足市場的需求，而且也沒有足夠的資金可以將全部的普通車床換成數控車床，為了節(jié)約成本和資源的優(yōu)化利用，在原有的性能良好的普通車床的基礎上進行數控化改造，提升這類機床的自動化程度、提高其生產力。目前數控化改造舊機床是國情所需，數控化的改造機床是企業(yè)當前發(fā)展的過渡型機床。 機床數控化的改造主要是針對數控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的改造。 2.國內外發(fā)展狀況及研究背景 "十五"期間，我國機床產業(yè)發(fā)展十分迅猛。據國家統(tǒng)計局資料，2005年我國機床工具行業(yè)合計完成工業(yè)總產值1260億元人民幣，是"九五"末期的23倍；產品銷售收入1213億元，是"九五"末期的239倍。中國機床工具工業(yè)協(xié)會公布的數據表明，在去年全行業(yè)工業(yè)總產值中，金屬加工機床銷售超過400億元人民幣，自2002年起連續(xù)三年銷售額已居日本、德國、意大利之后，排名第四位。近幾年，我國機床行業(yè)經濟增長迅速，生產機床的數控化率有所提升。但是我國有各類普通機床400多萬臺，其中有1/4的機床是超過30年役齡的，這些機床已無改造價值，需淘汰更新，剩余約七成的機床是可進行數控化改造。對眾多臺普通機床實施改造和更新，可形成上千億的更新市場需求，對保持經濟增長可發(fā)揮一定的作用。所以，數控化改造工程可形成數千億元的工業(yè)增加值。 ??近年來我國企業(yè)的數控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個 體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數控機床中，除少量機床以FMS模式集成使用外，大都處于單機運行狀態(tài)，并且相當部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。??? 2001年，我國機床工業(yè)產值已進入世界第5名，機床消費額在世界排名上升到第3位，達47.39億美元，僅次于美國的53.67億美元，消費額比上一年增長25%。但由于國產數控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢，2001年進口機床躍升至世界第2位，達24.06億美元，比上年增長27.3%。?? 近年來我國出口額增幅較大的數控機床有數控車床、數控磨床、數控特種加工機床、數控剪板機、數控成形折彎機、數控壓鑄機等，普通機床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機床、液壓壓力機、木工機床等。出口的數控機床品種以中低檔為主 美國、日本、德國等西方發(fā)達國家在大量生產數控車床的同時，也非常重視普通車床的數控化改造，機床數控化改造市場十分活躍，相繼成立了機床修復公司、翻新公司和改造公司。承擔機床的改造工作并且成功的改造一些大型或重型機床，機床改造逐漸從制造業(yè)分化出來。形成了把機床改造作為新的經濟增長行業(yè)。 例如：德國的西門子在1981年成功的把一臺加工直徑19m的超重型立式機床改為數控機床。該機床是1929年成產的，當時曾是世界上最大的機床，其改造內容包括工作臺導軌改裝為靜壓導軌，承載能力提高50%，主傳動采用半導體可控硅控制，取代老式機組的傳動，刀架的滑動軌改為滾動軌，增加測試顯示裝置、配置數控系統(tǒng)等。該機床的改造費用僅為當時同類規(guī)格新機床價格的28.9%，其中大修費用占7.9%，數控改造費用占20%。 3.本課題的研究目標和內容 內容： 熟悉C6140普通車床的工作原理與特點； 將橫向與縱向進給系統(tǒng)改成用微機控制的、能獨立運動的進給伺服系統(tǒng)； 系統(tǒng)脈沖當量的確定； 滾動絲杠螺母副的計算和選型； 齒輪傳動的計算。 目標： 1.編制設計說明書一份（40-50頁） 2.圖紙一套（折合不少于2張A0圖紙） （1）橫向進給系統(tǒng)的裝配圖A0一張； （2）縱向進給系統(tǒng)的裝配圖A0一張 4.本課題研究方法及進度安排 對普通車床進行數控話改造，主要是將橫向和縱向進給系統(tǒng)改成用微機控制的、能獨立運動的伺服系統(tǒng)。通過查資料借鑒前人的經驗完成本課題。 進度安排： 查找資料完成開題報告 第一周~第二周 確定改造方案完成總體布局 第三周~第四周 繪圖完成設計論文 第五周~第七周 在老師的指導下修改論文及圖紙 第七周~第十一周 畢業(yè)答辯 第十二周 5實驗方案的可行性分析和已具備的實驗條件 通過查找資料普通機床的數控化改造不能盲目的進行一些改造的成本較高不符合實際，現在機床數控化改造適合一些大型或重型機床，進行改造首先要有完整的設計方案、數控化改造的機械零件、數控設備。 6.具體參考文獻 [1] 吳祖育，秦鵬飛.數控機床.上海.上?？茖W技術出版社,1994 [2] 譚浩強.微型計算機原理及應用.北京.清華大學出版社,2002 [3] 韓鴻鸞.榮維芝.數控機床的結構與維修.北京.機械工業(yè)出版社,2004 [4] 朱大先.金屬切削手冊.上海.上海科學技術出版社,2001 [5] 哈工大.機床設計圖冊.上海.上?？茖W技術出版社,1983 [6] 李洪.實用機床設計手冊.遼寧.遼寧科學技術出版社,1999 [7] 龔仲華.數控技術.北京.機械工業(yè)出版社,2003 指導教師意見： 指導教師簽名： 年 月 日 注：1、本表可根據內容續(xù)頁；2、指導教師意見及簽名手寫，其他內容電子版填寫。 附件13 成績評定表 系（部）： 專業(yè)： 班級： 姓 名 學號 論文（設計）題目 C6140普通車床的數控化改造（橫向與縱向進給系統(tǒng)） 指導教師評語 成績： 分 指導教師（簽名）： 年 月 日 評閱教師評語 成績： 分 評閱教師（簽名）： 年 月 日 論文答辯小組意見 成績： 分 組長（簽名）： 年 月 日 系答辯委員會審核意見 總評成績： 分 主任（簽名）： 年 月 日 注：1、本表中成績應按照《呂梁學院畢業(yè)論文（設計）評分細則》（附件11）要求進行評定； 2、總評成績由指導教師評閱成績、評閱教師成績和答辯成績按4:2:4的比例計算得出； 3、該表中評語及意見需手寫。 附件4 指導記錄 （指導教師用表） 系（部）： 專業(yè)： 班級： 姓名 學號 指導教師 職稱/學位 畢業(yè)論文 （設計）題目 C6140普通車床數控化改造（橫向和縱向進給系統(tǒng)） 日 期 指導內容 存在問題 指導 學時數 2018.03.05 首次設計輔導，向學生介紹畢業(yè)設計的準備工作，介紹了設計理念和設計思路的構想方法和選題角度。 沒有確定的設計方向和題材，沒有確定的設計內容。 2學時 2018.03.12 提供部分選題供學生選擇，進行設計方向的指導，每個人確定大致的研究內容和研究方向。 對題目的具體研究內容和研究方法沒有明確的認識。 2學時 2018.03.19 學生明確個人的研究方向，并將確切的設計題目報給小組負責人進行匯總，編寫開題報告并提交。 報告的內容片面，不夠充實。 2學時 2018.03.26 學生闡述自己的設計構想和設計的階段性目標，對設計的進度安排進行合理規(guī)劃。 整體思路有但細節(jié)對方面的認識不足，很多想法在實踐時存在一定障礙。 2學時 2018.04.02 根據學生的進度進行逐個查閱，對學生存在的問題進行引導和修正 學生在查閱相關文獻期刊資料時大篇幅的復制，沒有經過仔細的篩選。 2學時 2018.04.09 對學生匯總的設計數據進行查驗，對其中的錯誤和不合理之處一一指正。 設計數據與設計結果存在出入，部分參數選擇不合理，需要重新進行計算校對。 2學時 2018.04.16 審核學生提交部分零件圖或說明書內容，查看學生是否保質保量的完成階段行工作。 對圖紙繪制過程注意事項認識不充分，達不到標準要求，說明書內容不夠具體。 2學時 2018.04.23 對學生的設計進度進行檢查，對于沒有完成預期計劃的學生進行勸勉，督促其盡快完成。 圖紙繪制出現標注問題 2學時 2018.04.26 對學生的設計數據進行再次審查，確認其修改正確，符合設計要求，指導學生完善圖紙的繪制。 學生修改不全面，漏掉了一些數據，圖紙繪制過程存在問題。 2學時 2018.05.07 對學生在設計中的問題進行解答，給學生留有充分的討論和交流時間。 學生積極性不足，討論問題時不夠活躍。 2學時 2018.05.11 對學生繪制的電子版二維裝配圖和和三維模型進行核查，對其中存在的問題進行糾正。 圖紙中尺寸，形狀公差和位置公差標注不標準，剖切部分存在問題。 2學時 201.05.14 對學生說明書進行查驗，對說明書的的排版，正文，插圖，目錄，表格等進行規(guī)范和統(tǒng)一。 說明書格式和排版不正確，細節(jié)上存在較多問題。 2學時 2018.05.18 審核學生設計完成程度，對沒有按期完成任務的同學進行勸誡，指導學生填寫相關材料與打印。 格式上存在問題 2學時 2018.05.21 對學生設計資料進行查閱，指導學生按照給定的模版格式進行修正 學生說明書中存在格式不正確問題，如字體，行間距等，需進行細微調整。 2學時 2018.05.25 對學生的設計成果進行終審，并指出其存在的問題，對答辯流程及注意事項進行講解，鼓勵學生做好充足的準備。 學生對答辯認識存在誤區(qū)，需要進行正確引導。 2學時 注：本表可續(xù)頁，由指導教師根據畢業(yè)論文（設計）指導工作方案和實際指導情況填寫（可電子版填寫）。 C6140普通車床的數控化改造（橫向與縱向進給系統(tǒng)） 摘 要 跟著自動化的遍及國內生產和進口的數控車床并不能滿足市場的需求，而且也沒有足夠的資金可以將全部的普通車床換成數控車床，為了節(jié)約資金和優(yōu)化資源，對原來的舊車床進行的數控化改造。提高這類機器的自動化的程度并提高其生產能力。目前，國家需要舊機床的數控化改造，舊機床改造是目前企業(yè)開發(fā)的過渡型機床。 經濟型數控車床主要是靠兩個方面來保證和提高加工零件的精度：一方面是系統(tǒng)的控制精度；另一方面機床本身的機械傳動精度。由于位移的位置和速度必須要同時自動控制。所以數控車床的進給系統(tǒng)與普通車床的進行比較應該更加準確，以保證機械運動系統(tǒng)的傳動精度和工作穩(wěn)定性。 本設計是對C6140機床進行橫向和縱向進給系統(tǒng)的數控化改造，通過改造方案的選擇、計算數據、繪制裝配圖完成該設計。在改造機床時安裝步進電機，拆除原來的絲杠安裝滾珠絲杠副。繪制橫向和縱向進料系統(tǒng)的裝配圖。 關鍵詞：滾珠絲杠 ；滾珠絲杠螺母副 ；步進電機 Abstract Follow automation in domestic production and imports of CNC lathe cannot meet the demand of the market, but also don't have enough money to change all the ordinary lathe numerical control lathe, in order to save cost and optimize the resources utilization, nc reconstruction was conducted on the basis of the original lathe enhance the automation of the machine and improve the productivity at present, countries ask CNC reforming the old machine tools, CNC machine tools transformation is the transitional enterprise development at present. Economic CNC lathes are mainly based on two aspects to ensure and improve the precision of parts: one is the control precision of the system; On the other hand the mechanical precision of the machine itself As a result of the position of the displacement and velocity must be automatic control at the same time, so the numerical control lathe feed system comparing with ordinary lathe Should be more accurate, in order to assure transmission precision and working stability of the mechanical system. This design is horizontal and vertical feed system of C6140 lathe numerical control transformation, through the selection of retrofit scheme of calculating data draw assembly drawings to complete the design in the transformation of machine tool when the stepper motor installation, dismantling the original screw installation of ball screw pair draw the horizontal and vertical feed system of the assembly drawing. Keywords: Ball screw；Ball screw nut deputy；Stepper motor  目 錄 第1章 概 述 1 1.1 數控機床的發(fā)展簡史 1 1.1.1 數控機床的組成 2 1.1.2 數控機床的分類 2 1.2 機床數控化改造........................ 2 1.2.1 機床數控化改造的意義 2 1.2.2 經數控化改造后機床的優(yōu)越性 2 1.2.3 機床數控化改造的內容 3 1.3 機床數控化改造的現狀............ 3 1.3.1 國外數控機床的發(fā)展現狀 3 1.3.2 國內數控機床的現狀 3 1.4 機床數控化改造的發(fā)展趨勢.... 4 1.4.1 數控化改造后機床性能的大幅度提高 4 1.4.2 對機床精度、速度要求的提高 4 1.5 數控化改造的必要性................ 5 1.5.1 機床數控化改造的現狀 5 1.6 數控化改造的任務及優(yōu)缺點.... 5 1.6.1機床與生產線的數控化改造主要內容有以下幾點 5 1.6.2數控化改造的優(yōu)缺點 5 1.7 主要技術指標 6 第2章 車床數控化改造方案 7 2.1 進給伺服系統(tǒng)機械部分總體改造方案 7 2.1.1 對進給伺服系統(tǒng)機械部分的就基本要求 7 2.1.2 進給系統(tǒng)總體改造方案 8 2.2 控制部分的改造方案分析. 9 2.2.1 直接選用合適數控系統(tǒng)的改造方案 9 2.2.2 基于PLC的控制方案 9 2.3 設計參數............................. 10 第3章 進給傳動部件的計算和選擇 13 3.1 進給系統(tǒng) 13 3.1.1 縱向進給系統(tǒng)的設計計算 13 3.1.2 橫向進給系統(tǒng)的設計計算.... 26 第4章 滾珠絲杠副軸向間隙的調整和預緊方法 33 第5章 安裝及調試中應注意的問題 35 5.1 機械結構安裝調整中應注意的問題 35 5.1.1 進給系統(tǒng)的改造應注意的問題 35 5.1.2 機床防護應注意的問題 35 5.2 機床數控化改造的聯(lián)調 35 5.2.1 空運轉前的檢查 35 5.2.2 各種動作實驗 36 5.2.3 空運轉實驗 36 第6章 總 結 37 附 錄............................................................................................................... 39 參考文獻 49 致 謝 51 第1章 概 述 1.1 數控機床的發(fā)展簡史 1946年，世界上第一臺電子計算機被創(chuàng)造出來了，它解放了人腦的一部分，為人類進入信息社會創(chuàng)造了基礎。六年后的1952年，計算機技術應用在了機床上面，第一臺CNC機床是由美國生產的。從此，傳統(tǒng)機床產生了質的飛躍。近50年來，數控系統(tǒng)經歷了兩個重要發(fā)展階段。 （1） 數控（NC）階段（1952～1970年） 一開始計算機運算速度慢，對當時的科學計算和數據處理影響不大，但是并不能滿足實時控制的要求。人們只能使用數字邏輯電路將專用于機床的計算機作為一個數字控制系統(tǒng)“搭接”，該數字控制系統(tǒng)稱為HARD-WIRED NC，簡稱NC。隨著元件的發(fā)展，這個階段已經經歷了三代，即第一代1952年的電子管 1959年的第二代晶體管；1965年的第三代 小規(guī)模集成電路。 （二） 計算機數控（CNC）階段（1970年～現在） 到1970年，通用小型計算機開始分批生產。然后它被移植過來作為數控系統(tǒng)的核心部件，從此開始進入了計算機數控（CNC）階段。到1971年，美國INTEL公司首次將單片機上使用大規(guī)模集成電路技術的計算機，計算器和控制器兩個最重要的組件集成在一起。稱為微處理器（MICROPROCESSOR），也稱為中央處理單元（CPU）。 到1974年，微處理器已被用于數控系統(tǒng)。這是因為小型計算機功能強大，所以它們控制機床的能力不如使用微處理器那么經濟。并且當時的小型機可靠性也不是很理想。早期的微處理器速度和功能并不理想，但還是可以用多處理器架構解決。由于通用計算機的核心組件是微處理器，所以它仍被稱為計算機數字控制。 到1990年，PC的性能已經達到了很高的水平，可以滿足作為數控系統(tǒng)核心部件的要求。數控系統(tǒng)從此進入了基于 PC 的階段。 總之，計算機數控也經歷了三代。即1970年的第四代小型計算機；1974年的第五代微處理器和1990年的第六代基于PC。 （三）數控車床的特點 數控車床在機械制造業(yè)得到日益廣泛的應用，是因為它具有以下的特點：（1）能夠自動加工不同的工件；（2）工序集中；（3）生產效率和加工精度高、加工的質量穩(wěn)定；（4）可以完成復雜型面的加工；（5）減輕工人的勞動量。 1.1.1 數控機床的組成 （1）程序的編制及程序的載體；（2）輸入裝置；（3）數控裝置；（4）輔助控制裝置；（5）伺服驅動系統(tǒng)及位置檢測裝置；（6）機床的機械部件。 1.1.2 數控機床的分類 按照不同的分類方式，數控機床有不同的類型。 （1）按控制系統(tǒng)的特點分類 ①點位控制數控機床；②直線控制數控機床；③輪廓控制的數控機床； （2）按伺服系統(tǒng)的類型分類 ①開環(huán)控制數控機床；②閉環(huán)控制數控機床；③半閉環(huán)控制數控機床； （3）按工藝用途分類 ①金屬切削類數控機床；②金屬成型類數控機床；③數控特種加工機床； （4）按照功能水平分類 ①分辨率和進給系統(tǒng);②多坐標聯(lián)動功能；③顯示功能；④通信功能；⑤主微處理單元CPU 1.2 機床數控化改造 顧名思義，數控機床的改造是在機床上增加一個數控裝置，以便它能夠完成自動加工，以達到預定的加工過程目標。 1.2.1 機床數控化改造的意義 眾所周知，制造業(yè)是國民經濟中占有很高的地位，是推動國家民族技術進步的主要力量。加入世貿組織后，中國的制造業(yè)就面臨巨大挑戰(zhàn)。中國制造業(yè)的水平普遍低于發(fā)達國家。舊的數控機床的改造也是改進機床數控系統(tǒng)的方法之一。 發(fā)達國家也非常重視數控機床的改造。機床改造產業(yè)正在逐漸脫離機床制造業(yè)，形成數控技術改造機床和生產線的新興產業(yè)和領域。 1.2.2 經數控化改造后機床的優(yōu)越性 （1）改造后的機床可以提高加工零件的精度和生產效率; （2）改造后的機床改造可以提高機床的性能和質量，可以加工難以加工或普通機床不能加工的復雜表面零件; （3）改造后的機床可實現剛性自動化，效率比傳統(tǒng)機床提高3-7倍; （4）可實現多工序集中，減少機床間零件由于頻繁搬運引起的誤差，減少工件的定位誤差; （5）自動檢測功能，如自動報警，自動監(jiān)測，自動補償等，可以更好地調整機器的加工狀態(tài) （6）數控加工大大的解放了工人，節(jié)省了人力，減少了工裝，縮短了新產品的試生產周期和生產周期，并且能夠快速響應市場需求。 1.2.3 機床數控化改造的內容 (1)精度恢復和機械傳動部分的改進； (2)選定數控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)； (3)數控機床輔助裝置的選?。? (4)電控柜的設計和制作； (5)整機蓮接調試； 1.3 機床數控化改造的現狀 1.3.1 國外數控機床的發(fā)展現狀 數控機床的出現已經有60多年的歷史，在60年內數控機床取得了很大的進步。目前美、德、日三國家。但因其社會條件不同，各有特點。 美國數控行業(yè)市場的特點是政府支持機床行業(yè)的發(fā)展，美國國防等部門不斷為機床的發(fā)展指明方向。數控機床的主體設計、制造生產和數控系統(tǒng)基礎十分深厚，一直重視科學研究和創(chuàng)新。 德國政府一直重視機床行業(yè)的重要戰(zhàn)略地位。德國的數控機床具有良好的質量和性能，特別是大型，重型和精密數控機床。德國非常重視數控機床主機和附件的先進實用性，其各種功能部件在質量和性能方面均居世界前列。西門子系統(tǒng)和Heidenhain的精密光柵都是世界聞名的。 日本政府特別支持機床工業(yè)的發(fā)展。通過規(guī)劃和法規(guī)，公司的生產和出口量一直領先于世界前列。在技術上領先，產量上居世界第一。 1.3.2 國內數控機床的現狀 長久以來，我們開發(fā)的數控系統(tǒng)一直以傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)架構為主。這種封閉的系統(tǒng)限制了CNC對多變量智能控制的發(fā)展，并且不適應日益復雜的制造過程。 近年來，在政府的支持下，數控機床的生產迅速發(fā)展起來。如北京航天機床數控系統(tǒng)集團建立了具有自主知識產權的新一代開放式數控系統(tǒng)平臺，煙臺第二機床附件廠開發(fā)了數控機床的各種動力卡盤和濾芯去除裝置;濟南第二機床集團的數控龍門鏜銑床，數控落地鏜銑床和數控鍛造設備等30多個系列100多個品種的數控輔助產品。 國內數控機床有如下幾個特點： （1）新產品開發(fā)取得重大突破，科技含量高的產品占據主導地位。 （2）數控機床產量明顯增加，數控率大幅提高。 （3）數控機床發(fā)展的關鍵配套產品取得突破。 1.4 機床數控化改造的發(fā)展趨勢 1.4.1 數控化改造后機床性能的大幅度提高 數控系統(tǒng)的使用是數控轉換中最關鍵的部分。改造機器的性能取決于CNC系統(tǒng)。 數控系統(tǒng)結構體系的發(fā)展 數控系統(tǒng)是數控機床和數字設備的核心。經過多年的發(fā)展，數控系統(tǒng)已經從傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)架構發(fā)展到使用微機的開放式數控系統(tǒng)。并進一步與網絡技術，信息技術和控制技術相結合。 開放式系統(tǒng)可以通過光纖和PC之間的連接進行控制。強大的網絡通信功能適應工廠自動化需求，高速內部安裝PMC由專用的PMC處理器梯形圖和程序控制控制，友好的用戶界面，操作、維護方便。 1.4.2 對機床精度、速度要求的提高 為了提高機床的精度和速度，最基本的方法是使用閉環(huán)控制。理論上，閉環(huán)控制系統(tǒng)的位置伺服精度取決于測量裝置的測量精度。閉環(huán)控制可以獲得高精度和高速度，但制造和調試成本高。 對于想要實現NC轉換的高精度和高速度的中小型機床，最好使用半閉環(huán)控制。半閉環(huán)控制系統(tǒng)的檢測元件安裝在中間傳動裝置上并間接測量執(zhí)行機構的位置。半閉環(huán)控制方法更適合精度要求稍高的中小型機床的數控改造。 1.5 數控化改造的必要性 1.5.1 機床數控化改造的現狀 數控機床的改造已經發(fā)展成為國外新興的工業(yè)部門。其發(fā)展的原因是有方面的，主要有技術、經濟、市場和生產上的原因。我國共有400多萬臺機床，這些機床大多都是多年積累的通用機床，若想實現自動化、精密化加工，無論是資金還是中國機床制造商的產能量都無法做到。因此，盡快將中國現有的通用機床改裝成數控機床尤為重要。 數控技術正在經歷從專有閉環(huán)開環(huán)控制模型到通用開放實時動態(tài)全閉環(huán)模型的根本性變革。中國機床數控率小于3％，機床年度數控率為6％。 1.6 數控化改造的任務及優(yōu)缺點 1.6.1 機床與生產線的數控化改造主要內容有以下幾點 首先是恢復原有功能，診斷和恢復機床和生產線上存在的故障; 二是數控，在普通機床上增加數字顯示設備，或增加數控系統(tǒng)，并將其轉化為數控機床和數控機床; 三是翻新，為了提高精度，效率和自動化程度，翻新機械和電氣部件，并重新組裝機械部件以恢復原始精度;不符合生產要求的CNC系統(tǒng)使用最新的CNC進行更新。 四是技術升級或技術創(chuàng)新。大大提高裝修水平和檔次。 1.6.2 數控化改造的優(yōu)缺點 （1）減少投資量，縮短交貨時間與購買新機床相比，一般可節(jié)省60％?80％的成本，轉型成本低。特別是大型和特殊的機床尤為明顯。一般大型機床改造，僅花費新機采購成本的三分之一，交貨時間短。然而，一些特殊情況，例如生產和安裝高速主軸和托盤式自動更換裝置，太費力且昂貴。改造的成本通常增加2到3倍。 （2）穩(wěn)定可靠的機械性能。改造后的機器代替了被焊接的部件，性能高，質量好，可作為多年的新設備使用。但是，由于原有機械結構的局限性，不宜進行突破性改造。 （3）熟悉設備了解，操作維護方便購買新設備時，不知道新設備是否能滿足其加工要求。轉換不是這種情況，機床的加工能力可以準確計算出來。另外，由于多年的使用，操作人員已經了解了機床的特點，培訓時間短，操作維護有效。一旦修改過的機器安裝完畢，就可以實現滿載運行。 （4）充分利用現有條件充分利用現有基礎，無需像新設備一樣重建基礎。 （5）可以采用最新的控制技術，根據技術創(chuàng)新的發(fā)展速度，及時提高生產設備的自動化水平和效率。提高設備的質量和檔次，并將舊機床改為現在的機床水平。 1.7 主要技術指標 1.床身上最大加工直徑400mm； 2.最大加工長度1000mm； 3.X方向(橫向)的脈沖當量為0.005mm/脈沖，Z方向（縱向）脈沖當量為 0.01mm/脈沖； 4.X方向最快移動速度Vxmax=3000/min，Z方向為Vzmax=6000mm/min； 5.X方向最快工進速度Vxmaxf=400mm/min，Z方向為Vzmaxf=800mm/min； 6.X方向定位精度±0.01mm，Z方向±0.02mm； 7.可以車削柱面、錐面與球面等； 8.安裝螺紋編碼器，可以車削米/英制的直螺紋與錐螺紋，最大導程為24mm； 9.安裝四工位立式電動刀架，系統(tǒng)控制自動選刀； 10.自動控制主軸的正轉、反轉與停止，并可輸出主軸有級變速與無級變速信號； 第2章 車床數控化改造方案 2.1 進給伺服系統(tǒng)機械部分總體改造方案 2.1.1 對進給伺服系統(tǒng)機械部分的就基本要求 數控機床的運動主要是提供代表生產力的主切削運動。進給運動的目的是確保刀具和工件的相對位置。進給運動的機械結構必須具有以下幾點： 運動部件之間的摩擦阻力進給系統(tǒng)中的摩擦阻力會降低傳動效率并產生摩擦熱，特別是系統(tǒng)的快速響應特性。由于動摩擦阻力和靜摩擦阻力之間的差異導致爬行現象，因此有必要有效減小運動部件之間的摩擦阻力。摩擦阻力的主要來源是導軌和螺釘。其中一個主要目標是改善導軌和螺釘結構以減少摩擦。 消除驅動器之間的間隙進給系統(tǒng)的運動是雙向的。結果，系統(tǒng)的快速響應惡化，并且在開環(huán)伺服系統(tǒng)中，傳輸鏈路中的間隙可能導致定位誤差。對于閉環(huán)伺服系統(tǒng)，驅動鏈路中的間隙會增加系統(tǒng)運行的不穩(wěn)定性。因此，在傳動系統(tǒng)中，必須使用包括滾珠絲杠，軸承，齒輪，蝸輪，甚至聯(lián)軸器和聯(lián)軸器來消除間隙。 傳動系統(tǒng)的精度和剛度要高：通常，數控機床進給系統(tǒng)的線性位移精度達到納米級，角位移達到第二級。因此，提高傳動系統(tǒng)的傳動精度和剛度是重中之重。導軌的結構，螺母的支撐結構和蝸輪是決定傳動精度和剛度的主要部件。因此，它們的加工精度和表面質量可以保證提高系統(tǒng)的接觸精度。預加載如軸承和滾珠絲杠不僅可以消除間隙，還可以大大提高系統(tǒng)的剛度。傳動鏈中的齒輪減速可以降低脈沖當量，減少傳輸錯誤的傳輸，并提高傳輸精度。 減小運動慣量，具有適當的阻尼：進給系統(tǒng)中每個部件的慣性直接影響伺服系統(tǒng)的啟動和制動特性，特別是對于高速運動部件。系統(tǒng)中的阻尼一方面可以降低系統(tǒng)的快速響應特性，另一方面可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此必須在系統(tǒng)中進行適當的阻尼。 2.1.2 進給系統(tǒng)總體改造方案 普通車床的數控改造主要針對進料系統(tǒng)的改造。轉換的主要任務是提供組件。 縱向進給系統(tǒng)的改造方案去除了原機床的進料箱和滑動箱，并利用原機床進料箱的安裝孔和銷孔安裝了齒輪箱體。將縱向進給滾珠絲杠安裝在原來的螺絲位置。滾珠絲杠兩段仍采用原來的固定方式這樣可以減少工作量，并且由于滾珠絲杠的摩擦因數小于原有的絲杠所以使縱向進給整體剛度只可能增大。步進電機，齒輪箱安裝在機床側靠近主軸箱的位置，為便于安裝滾珠絲杠副，螺絲不是一體的，而是分開的，并且使用連接套筒剛性連接。 橫向進給系統(tǒng)的改造方案：原來的手動機構專用于微進給和機床工作和調整部件，原有的支撐機構也保留下來。考慮到結構上的原因，在使用齒輪箱的過程中，不使齒輪太大而導致齒輪箱太大影響到橫向溜板箱的有效行程，因此，在橫向進給機構中使用兩級齒輪減速器。步進電機和變速箱安裝在機器的背面。 電動機傳動方式：通常有三種方法來修改電機驅動部分。 （1）數控車床通常使用齒輪傳動裝置在機械進給中實現一定的減速比，如圖2-1a所示。由于齒輪在制造過程中無法達到理想的齒面要求，因此始終存在一定量的齒隙，但齒隙會導致進給系統(tǒng)反向進給。對于閉環(huán)系統(tǒng)，間隙會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 圖2-1 電動機與絲杠之間的聯(lián)接方式 （2）經同步帶輪傳動的進給運動。如圖2-1b所示，這種聯(lián)接形式的機械結構比較簡單。同步帶傳動和鏈傳動的優(yōu)點，可以避免齒輪傳動時引起的震動和噪聲，但只適于低扭矩特性要求的場所。安裝時中心距要求嚴格，且同步帶與帶輪的制造工藝復雜。 （3）電動機通過聯(lián)軸器直接與絲杠聯(lián)接。如圖2-1c所示，此結構通常是電動機軸與絲杠之間采用錐環(huán)無鍵聯(lián)接或高精度十字聯(lián)軸器聯(lián)接，從而使進給運動系統(tǒng)具有較高的傳動精度和傳動剛度，并簡化了機械結構。 進給系統(tǒng)傳動方案 進給傳動系統(tǒng)包括橫向（X軸）進給和縱向（Z軸）進給，均采用同步進電機驅動。其中縱向進給系統(tǒng)經過一級齒輪減速后驅動滾動絲杠實現縱向（Z軸）；橫向進給系統(tǒng)經過一級齒輪減速后驅動絲杠實現橫向（X軸）進給。進給系統(tǒng)傳動原理如圖2-2所示 圖2-2C6140車床數控改造示意圖 2.2 控制部分的改造方案分析 針對機床數控部分，可以選配適合的數控裝置，直接選用已有數控系統(tǒng)或自行設計控制系統(tǒng)，如微機控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)及DCS控制系統(tǒng)等。 2.2. 1 直接選用合適數控系統(tǒng)的改造方案 同一臺機器可以配置各種數字控制設備或數字控制系統(tǒng)中的功能選擇。機床制造商提供的數控系統(tǒng)分為主流系統(tǒng)和自適應系統(tǒng)。主流系統(tǒng)在技術上相對比較成熟，但對用戶使用有技術要求。相反，它應該滿足主機的主要性能要求，綜合分析系統(tǒng)的性能和價格，并選擇合適的系統(tǒng)。 2.2.2 基于PLC的控制方案 1. PLC控制方案分析 2. PLC本質上是專為在工業(yè)環(huán)境中應用自動控制而設計的計算機。更直接適用于編程語言的控制要求和更強的抗干擾能力。 3. PLC具有邏輯控制、定時控制、步進控制等較強的功能，同時它的編程語言形象、簡單，目前廣泛應用于以下方面的控制； 4. 各種專用機床的順序加工控制； 1） 各種普通數控機床的邏輯控制可獨立改造原電氣系統(tǒng)，還可完成數控化改造，并于CNC裝置相配合完成數控加工。 2） 將PLC應用于數控機床的數控系統(tǒng)，車床的PLC數控系統(tǒng)主要是用PLC對車床的進給系統(tǒng)的控制，可以有以下三種控制方式： ①一種是使用PLC直接驅動步進電機。這種控制方式的原理是利用程序使PLC在一定的時間內產生脈沖電流，以驅動步進電機。這種方式需要硬件少，但變速、換向等編程復雜、難度大，有時難以實現。 ②另一種控制方式是PLC只控制信號，如圖2-3所示為控制原理圖。 圖2-3控制原理圖 ③ PLC和定位模塊共同控制，實現專用車床的數控改造。PLC與定位模塊通信，并將一速/二速的速度和位置傳送給定位模塊。速度和位置分別由發(fā)送脈沖的速率和脈沖數決定。 2.3 設計參數 現列出C6140a臥式車床的技術數據： 1.工件最大回轉直徑； 在床身 ：400毫米； 在床鞍 ：210毫米： 2.工件最大長度：1000毫米； 3.主軸孔徑：48毫米： 4.主軸前段孔錐度：莫氏6號： 5.主軸轉速范： 正轉（24級)：10-1400轉/分 反轉（12級）：14-1580轉/分 6.加工螺紋范圍： 公制（44種）：1-192毫米 英制（20種)：2-24牙/英寸 模數(39種）：0.25-48毫米 徑節(jié)(37種）：1-96徑節(jié) 7.進給量范圍： 細化：0.028-0.054毫米/轉 縱向（64種） 正常：0.08-1.59毫米/轉 加大：1.71-6.33毫米 細化：0.014-0.027毫米/轉 橫向（64種） 正常：0.04-0.79毫米/轉 加大：0.86-3.16毫米/轉 8.刀架快速移動速度： 縱向：4米/分 橫向：2米/分 9.主電機： 功率：7.5千瓦 轉速：1450轉/分 10.快速電機： 功率：370瓦 轉速：2600轉/分 11.冷卻泵： 功率：90瓦 轉速：25升/分 12.外形尺寸：2668×1000×1190毫米 13.重量 ：約2000公斤 第3章 進給傳動部件的計算和選擇 縱、橫向進給傳動部件的計算和選型主要包括：進給已知參數、切削力計算、滾珠絲杠設計計算、齒輪及步進電動機的相關計算等。 3.1 進給系統(tǒng) 3.1.1 縱向進給系統(tǒng)的設計計算 1.縱向已知參數 工作臺重量（G） 800N 起動加速時間（T） 25ms 滾珠絲杠導程（S） 6mm 行程（L） 1000mm 快速進給速度（） 4m/min 脈沖當量（） 0.01mm/步 步矩角（） 0.75°/步 2. 切削力計算 由《機械加工手冊》和《車床數控化改造實例》等提供的資料可知，采用公式： （3-1) 式中 N——電動機功率，查閱機床的說明書可知，為7.5KW; ——主傳動系統(tǒng)總功率，一般為0.6-0.7； K——進給系統(tǒng)功率系數，取0.96； 取=0.65，帶入公式（2.210得： 又根據經驗式： (3-2) 式中 ——功率（KW）； ——主切削力（N）； V——切削速度（m/s） 取υ為100m/min，即為υ=1.67m 由《機械加工手冊》可知，在一般的外圓車削時： (3-3) (3-4) ?。? 3. 滾珠絲杠設計計算 （1）計算進給率引力（）綜合導軌車床絲杠的軸向力，根據式： (3-5) 式中 、——切削力（N）； G——工作臺的重量（N)； ——導軌上的摩擦因數，隨導軌類型而不同（取0.15-0.18）； k——考慮顛覆力矩影響的實驗系數（k=1.15）。 取k=1.15，=0.16，G=800N帶入得： (2)計算最大東負載C 最大動負載式： (3-6) 式中 L——壽命，以轉為一單位，有 (3-7) n——絲杠轉速（r/min），用下式計算： (3-8) ——最大切削力條件下的進給速度（m/min），可取最高進給速度的1/3—1/2； ——絲杠導程（mm）； T——為使用壽命（h），對于數控機床取T=15000h； ——硬度系數，??； ——運轉系數，見表3-1 表3-1 運轉系數 運轉狀態(tài) 運轉系數 無沖擊運轉 一般運轉 有沖擊運轉 滾珠絲杠導程初選=6mm：取=1m/min；T=15000h；取 =1.2；取。 則帶入數據得 最大動負載為 （3）滾珠絲杠螺母的選型 根據滾珠絲杠的相關數據，采用外循環(huán)螺紋調整預緊的雙螺母滾珠絲杠副1列2.5圈，其額定動載荷為16400N,精度取3級，公稱直徑40mm，其結構如圖所示 彎曲的螺旋槽在放在一起時形成球的螺旋形路徑。該球在螺母上具有球形回路b，并連接螺旋滾道的幾圈的兩端以形成封閉的循環(huán)滾道。當螺釘在滾道中旋轉時，它也會沿著滾道旋轉。因而迫使螺母（或絲杠）軸向移動。 滾珠絲杠副的特點是： 1摩擦損失小，傳動效率高，可達0.92?0.96（滑動螺桿為0.2?0.40）。 2預緊螺母后，可以完全消除間隙，傳動精度高，剛性好。 3.摩擦阻力小，幾乎與運動速度無關，動靜摩擦力差異極小，不易產生低速爬行現象，保證了運動的平穩(wěn)性。 4磨損小，壽命長，精度好。 5不能自鎖，可逆，即將旋轉運動轉換為直線運動，而且還將直線運動轉換為旋轉運動，可以滿足一些特殊要求的變速器場合，但是在垂直使用時，應增加制動裝置。 ⑥工藝復雜，成本高。 國產標準滾珠絲杠副分為兩類：定位滾珠絲杠（P級），即通過旋轉角度和導程控制軸向位移的滾珠絲杠副;變速器滾珠絲杠（T）是一種無論旋轉角度如何都能傳遞動力的滾珠絲杠。 另外，滾珠絲杠通?？梢愿鶕涮匦赃M行分類，如制造方法分為普通滾珠絲杠副和滾珠絲杠副;根據螺母的類型分為單法蘭型單螺母型，雙法蘭型雙螺母型，圓柱雙螺母型，圓柱形單螺母型，簡單螺母型和方形螺母型等;螺旋滾道表面分為單弧面和雙弧面;按滾珠的循環(huán)方式分為：外循環(huán)和內循環(huán)式。 圖3—1 滾珠絲杠結構原理圖 目前國內外制造的滾珠絲杠副，盡管結構各異，但其主要區(qū)別在于螺旋滾道型面。形狀，滾珠循環(huán)方法，軸向間隙調整和預加載方法。 1.螺紋滾道型材的形狀及其主要尺寸 螺旋滾道輪廓（即滾道的正常截斷）具有各種形狀。圖3-2是螺旋滾道輪廓的示意圖。理想接觸角α=45°。 （1）輪廓如圖3-2（a）所示。通常2 rn=（1.04~1.11） Dw。對于單弧螺紋飛行，接觸角α隨著軸向載荷F而變化當F = 0時，α= 0，加載后，隨著F的增大，α的大小由接觸變形的大小決定。隨著接觸角α的增加，傳動效率Ed，軸向剛性Rc和承載能力增加。 （2）圓弧剖面如圖3-2（b）所示，球與滾道僅在與內部相切的兩點接觸，接觸角α不變。兩條弧線的交點處有一個小間隙，可以容納一些污垢。這對滾珠的流動有利。 對于單個圓弧剖面，接觸角α隨負載的大小而變化。雙圓弧面，選擇接觸角后，不變且廣泛使用。 圖3—2 滾珠絲杠副螺旋滾道型面的形狀 （a） 單圓弧 （b）雙圓弧 2. 絲杠副的循環(huán)方式 常用的循環(huán)方式有兩種：當球在循環(huán)過程中脫離與螺釘的接觸時，球有時被稱為外部循環(huán);內部循環(huán)始終與螺絲保持接觸。 圖3—3 插管式外循環(huán)方式原理圖 1—壓板 2—彎管（回珠管） 3—螺母 4—滾珠 （1）外循環(huán)外循環(huán)使用螺旋槽和插管。圖3-3顯示了一種常見的插管類型。引導滾珠4構成循環(huán)回路。特點是結構簡單、制造方便。但是，徑向尺寸較大，彎管末端容易磨損。如果不需要彎頭，則將反向器安裝在螺母3的兩個孔中，以引導球通過螺母外表面上的螺旋槽形成球循環(huán)回路。它被稱為螺旋槽型。使用范圍廣泛的外部循環(huán)，缺點是難以在接縫處做平滑的軌道，影響球的滾動的平滑度。 （2）內循環(huán)內循環(huán)使用逆變器來實現球循環(huán)。如圖3-4（a）所示，是一個圓柱形凸鍵逆變器，變頻器的圓柱部分嵌入螺母中，反槽2的一端是打開的。反向凹槽位于圓柱體的外圓柱表面上，凸鍵1位于圓柱體的上端，以確保螺紋座圈的對齊。圖3-4（b）是一個圓形插入反向器，反向器是一個半圓形平面插入。插入件嵌入螺母的槽中，并且其端部設置有與插入件的輪廓定位的反向凹槽3。比較兩個逆變器，后者的尺寸較小，從而減小了螺母的徑向尺寸并縮短了軸向尺寸。然而，反向器的外部尺寸和螺母上的凹槽的精度要求較高。 圖3—4 內循環(huán)方式原理圖 1—凸鍵 2、3—反向器 與外環(huán)逆變器相比，內環(huán)逆變器和外環(huán)逆變器具有結構緊湊，定位可靠，剛性好，耐磨性低，返回路徑短，無球堵塞，摩擦損失小等優(yōu)點。缺點是逆變器結構復雜，難以制造，不能用于多線程驅動器。 由于球容易進出循環(huán)反轉裝置，容易產生較大的阻力，球在反向通道中的運動主要是前球和后球的滑動運動?！皾L動”幾乎沒有，所以反向裝置中的球的摩擦力矩M大于整個滾珠絲杠的摩擦力矩Mt。由于返回胎圈通道的不同軌跡和曲率半徑的不同，不同的換向裝置具有不同的M倒數/ Mt值。 （4）傳動效率計算 傳動效率計算公式： (3-9) 式中 ——絲杠螺旋長生角 ——摩擦角，滾珠絲杠副的滾動系數范圍（0.003—0.004），摩擦角大約為 取，，則帶入數據得： （5）剛度驗算： 絲杠的拉伸或壓縮變形量。關注絲杠受工作負載引起的導程的變化量按式 (3-10) 式中 ——在工作負載，作用下引起第一導程的變化量（mm）; ——工作負載，即進給牽引力（N）; ——滾珠絲杠的導程（mm）; E——材料彈性模數，對鋼; “+”用于拉伸，“-”用于緊縮。 滾珠絲杠截面積： (3-11) 其中： ； 式中： ——滾珠絲杠滾道圓弧偏心距； R——滾道圓弧半徑； 其中： (3-12) (3-13) 式中： ——滾珠直徑； ——接觸角； 根據《機械設計手冊》中的滾珠標準系列選， 則： ； ； ； 式中，，，d=35.95mm，取A為（帶入數據得： 滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量很小，可以忽略不計。 計算滾珠絲杠上的伸縮量或壓縮量的變形量（mm）公式： (3-14) 式中L——滾珠絲杠的有效長度（mm） L=1000mm，所以 已知精度等級為3級。行程為1000mm，查表可知絲杠行程變動量允許出現的偏差為，，所以剛度足夠 (6) 穩(wěn)定性計算 兩端采用一端固定一端徑向支撐，選用接觸球軸承支撐其特點極限轉速較高，可以同時承受徑向載荷和橫向載荷，也可以承受純軸向載荷。并且兩對串聯(lián)限制一個方向的軸向位移。故不再驗算。 4.齒輪及步進電機的相關計算 （1） 有關齒輪的計算 齒輪的傳動比計算 （3-15） 步距角，導程，脈沖當量齒輪傳動比為： 可選定的齒輪數為， 考慮其結構原因取，齒輪傳動參數見下表3-3 表3-2滾珠絲杠行程公差 項目 符號 有效行程 精度等級 1 2 3 4 5 目標行程公差 <315 6 8 12 16 23 315—400 7 9 13 18 25 400—500 8 10 15 20 27 500—630 9 11 16 22 30 行程變動量公差 <315 6 8 12 17 23 315—400 6 8 12 17 25 400—500 7 10 13 19 26 500—630 7 11 14 21 29 任意300mm內行程變動量 — 6 8 12 16 23 2弧度內行程變動量 — 4 5 6 7 8 表3-3齒輪傳動參數 齒數 z 32 40 分度圓 64 80 齒頂圓 68 84 齒根圓 59 75 齒寬 b 20 20 中心矩 72 （2）轉動慣量計算絲杠傳動系統(tǒng)折算到電動機軸上的總轉動慣量計算公式： （3-16） ——齒輪及其軸的轉動慣量 ——齒輪及其軸的轉動慣量 ——絲杠轉動慣量 ——絲杠導程 G——工作及工作臺重量 絲杠的轉動慣量計算公式： （3-17） D——圓柱體直徑（cm） L——圓柱體長度或厚度（cm） ——材料比重（） ——鋼材的密度， G——重力加速度 轉動慣量為： 齒輪的轉動慣量： 工作臺折算到電動機軸上的轉動慣量： （3-18） 式中G——工作臺重量 g——重力加速度 ——絲杠導程 電動機轉動慣量很小可以忽略，總的轉動慣量計算： （3）所需轉動力矩計算： 快速空載起動時所需力矩 （3-19） 式中 ——快速空載起動力矩（） ——空載起動時折算到電動機軸上的加速力矩（） ——折算到電動機軸上的摩擦力矩（） ——絲杠預緊時折算到電動機軸上的附加摩擦力矩（） 最大切削負載時所需力矩 （3-20） ——折算到電動機軸上的切削負載力矩 （） 快速進給時所需力矩： （3-21） 采用絲杠螺母副傳動時，上述力矩可用以下公式計算： （3-22） 式中——傳動電動機折算到電動機軸上的總的等效轉動慣量 ——電動機最大的角加速度 ——電動機最大轉速 （3-23） ——運動部件最大進給速度 ——脈沖當量 ——步進電機的步距角（°） ——運動部件從停止起動加速到最大進給速度所需時間（s） 根據公式計算： 摩擦力矩： （3-24） 式中 ——導軌的摩擦力（N）， ——垂直方向的切削力（N) G——運動部件的總重量（N) ——導軌摩擦因數 i——齒輪降速比，按計算 ——傳動鏈總效率，一般可取，附加摩擦力矩(N?cm） （3-25） 式中 ——滾珠絲杠預加負荷（N) ——滾珠絲杠導程（cm） ——滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，一般 當帶入公式有 一般取預加負荷為最大軸向負荷的1/3，根據 求的公式計算： 折算到電動機軸上的切削力矩： （3-26） 式中——進給方向上最大的切削力（N） 帶入數據得： 所以快速空載起動時所需力矩為 最大切削負載時所需力矩為 快速進給時所需力矩為 從以上的數據分析，所需最大力矩發(fā)生在快速起動時。 表3-4步進電機的起動轉矩與最大靜轉矩的關系 步進電機 相數 三相 四相 五相 六相 拍數 3 6 4 8 5 10 6 12 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 4）步進電機最高工作頻 （3-27） 式中 ——運動部件最大快速進給速度（m/min)； ——脈沖當量（mm/步） 圖3—5步進電機起動矩頻特性與運行特性 （5）步進電機的選擇對于工作方式為三相六拍的步進電機 （3-28） 根據步進電機型號選擇110BF003型步進電機，最大靜轉矩為700具體數據看下表，選擇廣州數控設備有限公司生產的步進電機驅動器DF3A—06實現對該步進電機的有效驅動。 3.1.2 橫向進給系統(tǒng)的設計計算 1.橫向已知參數 工作臺重量（G） 600N 起動加速時間（T） 25ms 滾珠絲杠導程（S）? 4mm 行程（L） 650mm 快速進給速度（） 2m/min 脈沖當量（） 0.005mm/步 步矩角（） 0.75°/步 2. 切削力的計算 橫向切削力為縱向的1/2 （3-29） 按公式計算： 3.滾珠絲杠設計計算 （1）計算進給牽引力（）按燕尾型導軌計算 （3-30） 式中 k=1.4， 帶入數據得 （2）計算最大動負載C，，T按15000h計算，取=1.2； 帶入數據得 最大動負載為： (3) 滾珠絲杠螺母的選型：根據滾珠絲杠的相關數據，采用外循環(huán)螺紋調整預緊的雙螺母滾珠絲杠副1列2.5圈，其額定動載荷為14200N,精度取3級，公稱直徑20mm。 (4) 效率計算 取經計算螺旋升角，摩擦角 ①絲杠的拉伸或壓縮變形量。關注絲杠受工作負載引起的導程的變化量按式 式中 ——在工作負載，作用下引起第一導程的變化量（mm）; ——工作負載，即進給牽引力（N）; ——滾珠絲杠的導程（mm）; E——材料彈性模數，對鋼; “+”用于拉伸，“-”用于緊縮。 式中，，，d=17.619mm，取A為（帶入數據得： 滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量很小，可以忽略不計。 計算滾珠絲杠上的伸縮量或壓縮量的變形量（mm）公式： 式中 L——滾珠絲杠的有效長度（mm） L=640mm，所以 已知精度等級為3級。行程為640mm，查表可知絲杠行程變動量允許出現的偏差為，，所以剛度足夠 4. 齒輪及步進電機的相關計算 （1） 有關齒輪的計算 齒輪的傳動比計算 步距角，導程，脈沖當量齒輪傳動比為： 可選定的齒輪數為， 考慮其結構原因取，齒輪傳動參數見下表 表3-5齒輪傳動參數 齒數 z 18 30 分度圓 36 60 齒頂圓 40 64 齒根圓 31 55 齒寬 b 20 20 中心矩 48 （2）轉動慣量計算絲杠傳動系統(tǒng)折算到電動機軸上的總轉動慣量計算公式： ——齒輪及其軸的轉動慣量 ——齒輪及其軸的轉動慣量 ——絲杠轉動慣量 ——絲杠導程 G——工作及工作臺重量 絲杠的轉動慣量計算公式： D——圓柱體直徑（cm） L——圓柱體長度或厚度（cm） ——材料比重（） ——鋼材的密度， G——重力加速度 轉動慣量為： 齒輪的轉動慣量： 工作臺折算到電動機軸上的轉動慣量： 式中 G——工作臺重量 g——重力加速度 ——絲杠導程 電動機轉動慣量很小可以忽略，總的轉動慣量計算： （3）所需轉動力矩計算： 快速空載起動時所需力矩 式中——快速空載起動力矩（） ——空載起動時折算到電動機軸上的加速力矩（） ——折算到電動機軸上的摩擦力矩（） ——絲杠預緊時折算到電動機軸上的附加摩擦力矩（） 最大切削負載時所需力矩 ——折算到電動機軸上的切削負載力矩 （） 快速進給時所需力矩： 采用絲杠螺母副傳動時，上述力矩可用以下公式計算： 式中 ——傳動電動機折算到電動機軸上的總的等效轉動慣量 ——電動機最大的角加速度 ——電動機最大轉速 ——運動部件最大進給速度 ——脈沖當量 ——步進電機的步距角（°） ——運動部件從停止起動加速到最大進給速度所需時間（s） 根據公式計算： 摩擦力矩： 式中 ——導軌的摩擦力（N）， ——垂直方向的切削力（N) G——運動部件的總重量（N) ——導軌摩擦因數 i——齒輪降速比，按計算 ——傳動鏈總效率，一般可取，附加摩擦力矩(N?cm） 式中 ——滾珠絲杠預加負荷（N) ——滾珠絲杠導程（cm） ——滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，一般 當帶入公式有 一般取預加負荷為最大軸向負荷的1/3，根據 求的公式計算： 折算到電動機軸上的切削力矩： 式中——進給方向上最大的切削力（N） 帶入數據得： 所以快速空載起動時所需力矩為 最大切削負載時所需力矩為 快速進給時所需力矩為 從以上的數據分析，所需最大力矩發(fā)生在快速起動時。 （4）步進電機最高工作頻 式中 ——運動部件最大快速進給速度（m/min)； ——脈沖當量（mm/步） （5）步進電機的選擇對于工作方式為三相六拍的步進電機 根據步進電機型號選擇110BF003型步進電機，最大靜轉矩為800具體數據看下表，選擇廣州數控設備有限公司生產的步進電機驅動器DF3A—06實現對該步進電機的有效驅動。 （6）穩(wěn)定性計算 兩段采用一端固定一段徑向支持，選用角接觸軸承支撐，采取背對背的安裝方式。其特性通過預緊可以限制軸向位移、增加軸承剛性。 6.齒輪間隙調整 由于主、從動齒輪在制造過程中不可避免存在著加工誤差為了使這一對相互捏合的齒輪在安裝后達到標準中心矩減少誤差采用墊片調整法消除斜齒輪間隙。 第4章 滾珠絲杠副軸向間隙的調整和預緊方法 滾珠絲杠副的軸向間隙指的是螺母的位移和由于滾珠和滾道在負載中的接觸的彈性變形引起的螺母的原