CA6140普通車床的數(shù)控改裝與設(shè)計【說明書+CAD】
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湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計
題 目：CA6140普通車床的數(shù)控改裝與設(shè)計
專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化
學(xué) 號： 2008963036
姓 名： 龔 林
指導(dǎo)教師： 周里群
完成日期： 2012年5月14日
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計說明書
題 目： CA6140普通車床的數(shù)控改造與設(shè)計
專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化
學(xué) 號： 2008963036
姓 名： 龔 林
指導(dǎo)教師： 周里群
完成日期： 2012年5月14日
目錄
1.緒論…‥…………………………………………………‥………1
1.1課題背景…………………………………………………………1
1.2機床改造的內(nèi)容及意義‥………………………………………1
1.3 機床的經(jīng)濟型數(shù)控化改造主要解決的問題……………………2
2.設(shè)計要求‥…………………………………‥……………………3
2.1 CA6140車床的介紹……………………‥……………………3
2.2 總體方案設(shè)計要求……………………………………………4
2.3 設(shè)計參數(shù)………………………………………………‥……5
2.4 其它要求………………………………………………………8
3.進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計與計算…………………………………9
3.1進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計………… ………………………9
3.2進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型…… …………………9
3.2.1確定系統(tǒng)的脈沖當量………………………………………10
3.2.2縱向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟……………10
3.2.3橫向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟……………13
3.2.4齒輪有關(guān)計算………………………………………………14
3.2.4（1）縱向齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計算…………………………14
3.2.4 (2)橫向齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計算…………………………18
4. 步進電動機的計算與選型……………………………………… 21
4.1步進電動機選用的基本原則…………………………………21
4.2步進電動機的選擇……………………………………………22
5.主軸交流伺服電機…………………………………………………23
5.1主軸的變速范圍………………………………………………23
5.2初選主軸電機的型號…………………………………………23
5.3主軸電機的校核………………………………………………23
6.刀架部分的改造……………………………………………………24
7.微機控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計…………………………………… 26
7.1控制系統(tǒng)的功能要求………………………………………… 26
7.2硬件電路的組成………………………………………………26
7.3設(shè)計說明………………………………………………………26
8.車床改造的結(jié)構(gòu)特點……………………………………………30
8.1.滾珠絲桿………………………………………………………30
8.2導(dǎo)軌副…………………………………………………………30
8.3安裝電動卡盤…………………………………………………30
8.4脈沖發(fā)生器……………………………………………………30
9．安裝調(diào)整中應(yīng)注意的問題……………………………………… 31
9.1滾珠絲杠螺母副的選擇…………… ……………………… 31
9.2滾珠絲杠螺母副的調(diào)整………… ………………………… 31
9.3聯(lián)軸器的安裝……………………………………………… 31
9.4主軸脈沖發(fā)生器的安裝………… …………………………31
9.5電動刀架的安裝…………………… ………………………31
總結(jié)……………………………………………………………………32
參考文獻………………………………………………………………33
摘 要
針對大多數(shù)企業(yè),具有數(shù)量眾多和較長使用壽命的普通機床，其加工精度較低、不能批量生產(chǎn)，自動化程度不高，自適應(yīng)性差，但考慮投資成本，產(chǎn)業(yè)的連續(xù)性，又不能馬上被淘汰。
數(shù)控機床作為機電液氣一體化的典型產(chǎn)品，能解決機械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量、零件多變的問題，加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較高。
購買新的數(shù)控機床是提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率的重要途徑,但是成本高，許多企業(yè)在短時間內(nèi)無法實現(xiàn)，這嚴重阻礙企業(yè)設(shè)備更新的步伐。為此把普通機床數(shù)控化改造，不失為一條投資少、提升產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的捷徑，提升企業(yè)競爭力，在我國成為制造強國的進程中，占有一席之地。本文的主要內(nèi)容有：
1．對普通車床數(shù)控化改造經(jīng)濟性評價詳細論證，確定普通車床數(shù)控化改造方案；
2．對進給系統(tǒng)的滾珠絲杠型號選擇與裝配設(shè)計，支承方式的設(shè)計與軸承型號選擇，步進電機選擇等進行了詳細研究；
3．對常用進口數(shù)控裝置系統(tǒng)和國產(chǎn)數(shù)控裝置系統(tǒng)進行仔細比較，根據(jù)所改造的性能和精度指標來選配數(shù)控裝置系統(tǒng)和自動刀架型號，提出選擇方法；
4．根據(jù)普通車床CA6140電氣控制系統(tǒng)和原理圖與普通車床數(shù)控化改造CJK6140-A的數(shù)控系統(tǒng)對比分析，形成普通車床數(shù)控化改造完整的電氣控制技術(shù)圖；
5.為保持切削螺紋的功能，仔細研究了在主軸上安裝脈沖發(fā)生器的選型，脈沖發(fā)生器直接與主軸間連接方法，并形成了相應(yīng)的技術(shù)圖；
6.拆卸普通機床，甩掉原有進給箱等，對主傳動系統(tǒng)的進行大修，滑板貼塑與鏟刮調(diào)試，對機床相關(guān)部件和參數(shù)進行測繪、測量；
7.繪出相應(yīng)的零件圖和裝備圖；
8．給出普通車床數(shù)控化改造的安裝、調(diào)試方法
關(guān)鍵詞：普通車床、數(shù)控、改造、滾珠絲杠
ABSTRACT
Most enterprises still have large amounts general-purpose machine tools which have longevity of service, low precision, can not adapt to mass production, low automatization and adaptability, but can not be washed out because of its low cost and continuity of enterprise’s production.
As a representative production of mechanical, electronic, hydraulic and pneumatic integration, numerically controlled machines have a stabilization quality and high efficiency, and can solve problems such as complex structure, high precision, mass production, part variety in machining.
Purchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it cost much. Enterprises’ equipment updating steps are counteracted severly. So General lathe's numerically controlled reforming is a quick way that costs less, improve production precision and efficiency, and it can improve enterprises’ competitive power. So it can take its place in our way to a powerful manufacturing country. The main contents are:
1. The economical efficiency of the reform is evaluated in detail and the reforming scheme is maked according to misty optimum’s synthesize adjudicate principle.
2. The ball screw’s type, assembling, supporting, bearing type, and stepping motor of feeding system is designed.
3. The import and domestic NC systems were compared carefully, brought up a choose method and selected the NC system and automatic tool rest according to the function and accuracy index of reforming.
4. The complete electricity control diagram was drawn out according to the result of comparing CA6140’s electricity control system and principle with the reforming CJK6140-A’s NC system.
5. In order to protect the function of cutting a screw ,we carefully studied the impulse regulator and its connection with the principal axis, and draw out a technique diagram.
6. Disassembled the lathe, throw away the old feeding system, repaired the main driving system ,covered plastics on sliding surface, shoveling or scraping and testing, counted or measured the parts of the lathe.
7. Draw out parts diagrams and assemble diagram.
8 .Methods of installing and testing of general purpose lathe’s numerically controlled reforming were put forward.
Key words: General purpose lathe、 Numerical control(NC)、Reform、Ball screw
32
1 緒論
1.1課題背景
1946年誕生了世界上第一臺電子計算機，這表明人類創(chuàng)造了可增強和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強體力勞動的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎(chǔ)。6年后，即在1952年，計算機技術(shù)應(yīng)用到了機床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機床。
我國目前機床總量380余萬臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機床數(shù)控化率不到3％。近10年來，我國數(shù)控機床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬臺，年產(chǎn)值約為18億元。機床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為6％。我國機床役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機床中，自動/半自動機床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機床占60％以上）。可見我們的大多數(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)的機床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。
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，正處在黃金時代。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)。在美國、日本、德國，用數(shù)控技術(shù)改造機床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，已形成了機床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè)。在美國，機床改造業(yè)稱為機床再生（Remanufacturing）業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton機床公司、Devlieg-Bullavd（得寶）服務(wù)集團、US設(shè)備公司等。美國得寶公司已在中國開辦公司。在日本，機床改造業(yè)稱為機床改裝（Retrofitting）業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程集團、崗三機械公司、千代田工機公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。
1.2機床改造的內(nèi)容及意義
1.2.1研究意義
企業(yè)要在當前市場需求多變，競爭激烈的環(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，以最低價格、最好的質(zhì)量、最短的時間去滿足市場需求的不斷變化。而普通機床已不適應(yīng)多品種、小批量生產(chǎn)要求，數(shù)控機床則綜合了數(shù)控技術(shù)、微電子技術(shù)、自動檢測技術(shù)等先進技術(shù)，最適宜加工小批量、高精度、形狀復(fù)雜、生產(chǎn)周期要求短的零件。當變更加工對象時只需要換零件加工程序，無需對機床作任何調(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)過多次大修后，其零部件相互連接尺寸變化較大，主要傳動零件幾經(jīng)更換和調(diào)整，故障率仍然較高，采用傳統(tǒng)的修理方案很難達到大修驗收標準，而且費用較高。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)控機床在機械加工行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。數(shù)控機床的發(fā)展，一方面是全功能、高性能；另一方面是簡單實用的經(jīng)濟型數(shù)控機床，具有自動加工的基本功能，操作維修方便。經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)通常用的是開環(huán)步進控制系統(tǒng)，功率步進電機為驅(qū)動元件，無檢測反饋機構(gòu)，系統(tǒng)的定位精度一般可達±0.01至0.02mm，已能滿足CA6140車床改造后加工零件的精度要求。
1.2.2主要研究內(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)縱向和橫向步進電機的選擇。
(3)主軸交流伺服電機的選擇與校核。
(4)其他元件的選擇。
1.3 機床的經(jīng)濟型數(shù)控化改造主要解決的問題
(1) 恢復(fù)原功能，對機床、生產(chǎn)線存在的故障部分進行診斷并恢復(fù)。
(2) NC化，在普通機床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成NC機床、CNC機床。
(3) 翻新，為提高精度、效率和自動化程度，對機械、電氣部分進行翻新，對機械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度；對其不滿足生產(chǎn)要求的CNC系統(tǒng)以最新CNC進行更新。
(4) 技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術(shù)，在原有基礎(chǔ)上進行較大規(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。
2設(shè)計要求
2.1 CA6140車床的介紹
CA6140車床的主要組成部件由圖1所示。
圖1 CA6140車床外形圖
1—主軸箱 2—刀架 3—尾座 4—床身 5—右床腿
6—溜板箱 7—左床腿 8—進給箱
6—溜板箱 7—左床腿 8—進給箱
1．主軸箱 主軸箱1是一部件，由箱體、主軸、傳動軸、軸上傳動件、變速操縱機構(gòu)、潤滑密封件等組成。主軸通過前端的卡盤或者花盤帶動工件完成旋轉(zhuǎn)作主運動，也可以安裝前尖頂通過撥盤帶動工件旋轉(zhuǎn)。
2．刀架 四方刀架2裝在小滑板上，而小滑板裝在中滑板上，縱滑板可沿床身導(dǎo)軌縱向移動，從而帶動刀具縱向移動，用來車外圓、車內(nèi)孔等。而中滑板相對于縱滑板作橫向移動，用來帶動刀具加工端面、切斷、切槽等。小滑板可相對中滑板改變角度后帶動刀具斜進給，用來車削內(nèi)外短錐面。
3、尾座 尾座3可沿其導(dǎo)軌縱向調(diào)整位置，其上可安裝頂尖支撐長工件的后段以加工長圓柱體，也可以安裝孔加工刀具加工孔。尾座可橫向作少量的調(diào)整，用于加工小錐度的外錐面。
4、進給箱 進給箱8內(nèi)裝有進給運動的傳動及操作裝置，通過改變進給量的大小，可改變所加工螺紋的種類及導(dǎo)程。
5、床身及床腿 床身4是機床的支承件，它安裝在左床腿7和右床腿5上并支承在地基上。床身上安裝著機床的各部件，并保證它們之間具有要求的相互準確位置。床身上面有縱向運動導(dǎo)軌和尾座縱向調(diào)整移動的導(dǎo)軌。
6、溜板箱 溜板箱6與縱向滑板（床鞍）相連，溜板箱內(nèi)裝有縱、橫向機動進給的傳動換向機構(gòu)和快速進給機構(gòu)等。
2.2總體方案設(shè)計要求
總體方案設(shè)計應(yīng)考慮機床數(shù)控系統(tǒng)的類型，計算機的選擇，以及傳動方式和執(zhí)行機構(gòu)的選擇等。
（1）普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有定位、縱向和橫向的直線插補、圓弧插補功能，還要求能暫停，進行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此，數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng)。
（2）車床數(shù)控化改裝后屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證一定加工精度的前提下應(yīng)簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，因此，進給伺服系統(tǒng)采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。
（3）根據(jù)普通車床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經(jīng)濟性要求，經(jīng)濟型數(shù)控機床一般采用8位微機。在8位微機中，MCS—51系列單片機具有集成度高、可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強、具有很高的性價比，因此，可選 MCS—51系列單片機擴展系統(tǒng)。
（4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機數(shù)控系統(tǒng)中除了CPU外，還包括擴展程序存儲器，擴展數(shù)據(jù)存儲器、I/O接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工數(shù)據(jù)和機床狀態(tài)信息的顯示器，包括光電隔離電路和步進電機驅(qū)動電路，此外，系統(tǒng)中還應(yīng)包括螺紋加工中用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路。
（5）設(shè)計自動回轉(zhuǎn)刀架及其控制電路。
（6）縱向和橫向進給是兩套獨立的傳動鏈，它們由步進電機、齒輪副、絲杠螺母副組成，其傳動比應(yīng)滿足機床所要求的分辨率。
（7）為了保證進給伺服系統(tǒng)的傳動精度和平穩(wěn)性，選用摩擦因素小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副，并應(yīng)有預(yù)緊機構(gòu)，以提高傳動剛度和消除間隙，齒輪副也應(yīng)有消除齒側(cè)間隙的機構(gòu)。
（8）采用貼塑導(dǎo)軌，以減小導(dǎo)軌的摩擦力。
總體方案設(shè)計圖如下圖（2）所示：
進給伺服系統(tǒng)總體方案方框圖如圖（3）所示：
2.3設(shè)計參數(shù)
設(shè)計參數(shù)包括車床的部分技術(shù)參數(shù)和設(shè)計數(shù)控進給伺服系統(tǒng)所需要的參數(shù)。
現(xiàn)列出CA6140臥式車床的技術(shù)數(shù)據(jù)：
名稱 技術(shù)參數(shù)
在床身上 400mm
工件最大直徑
在刀架上 210mm
頂尖間最大距離 650;900;1400;1900mm
宋制螺紋 mm 1---12(20種)
加工螺紋范圍 英制螺紋 t/m 2---24(20種)
模數(shù)螺紋 mm 0.25---3(11種)
徑節(jié)螺紋 t/m 7---96(24種)
最大通過直徑 48mm
孔錐度 莫氏6#
主軸 正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速級數(shù) 24
正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍 10—1400r/min
反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速級數(shù) 12
反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍 14---1580r/min
縱向級數(shù) 64
進給量 縱向范圍 0.028---6.33mm/r
橫向級數(shù) 64
橫向范圍 0.014---3.16mm/r
滑板行程 橫向 320mm
縱向 650;900;1400;1900mm
最大行程 140mm
刀架 最大回轉(zhuǎn)角 ±90°
刀杠支承面至中心的距離 26mm
刀杠截面B×H 25×25mm
頂尖套莫氏錐度 5#
尾座 橫向最大移動量 ±10mm
外形尺寸 長×寬×高 2418×1000×1267mm
圓度 0.01mm
工作精度 圓柱度 200:0.02
平面度 0.02/φ300mm
表面粗糙度Ra 1.6---3.2μm
主電動機 7.5kw
電動機功率
總功率 7.84kw
改造設(shè)計參數(shù)如下:
最大加工直徑 在床面上 400mm
在床鞍上 210mm
最大加工長度 1000mm
快進速度 縱向 2.4m/min
橫向 1.2m/min
最大切削進給速度 縱向 0.5m/min
橫向 0.25m/min
溜板及刀架重力 縱向 800N
橫向 600N
代碼制 ISO
脈沖分配方式 逐點比較法
輸入方式 增量值、絕對值通用
控制坐標數(shù) 2
脈沖當量 縱向 0.01mm/脈沖
橫向 0.005mm/脈沖
機床定位精度 ±0.015mm
刀具補償量 0mm---99.99mm
進給傳動鏈間隙補償量 縱向 0.15mm
橫向 0.075mm
自動升降速性能 有
2.4.其它要求
（1） 原機床的主要結(jié)構(gòu)布局基本不變，盡量減少改動量 ，以降低成本
縮短改造周期。
（2）機械結(jié)構(gòu)改裝部分應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保正
安裝、調(diào)試、拆卸方便，需經(jīng)常調(diào)整的部位調(diào)整應(yīng)方便。
3進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計與計算
3.1進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計
進給系統(tǒng)改造設(shè)計需要改動的主要部分有掛輪架、進給箱、溜板箱、溜板
刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一種方案：
掛輪架系統(tǒng)：全部拆除，在原掛輪主動軸處安裝光電脈沖發(fā)生器。
進給箱部分：全部拆除，在該處安裝縱向進給步進電機與齒輪減速箱總成
絲杠、光杠和操作杠拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠，滾珠絲杠的另一端支承座安裝在車床尾座端原來裝軸承座的部分。
溜板箱部分：全部拆除，在原來安裝滾珠絲杠中間支撐架和螺母以及部分操
作按鈕。
橫溜板箱部分：將原橫溜板的絲杠的、螺母拆除，改裝橫向進給滾珠絲杠螺
母副、橫向進給步進電機與齒輪減速箱總成安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠相連。
刀架：拆除原刀架，改裝自動回轉(zhuǎn)四方刀架。為了滿足在一臺機床上一次裝夾完成多工序加工，可采用自動刀架。自動刀架不但可代替普通車床手動刀架，還可用作數(shù)控機床微機控制元件。刀架體積小，重復(fù)定位精度高，適用于強力車削并安全可靠。
3.2進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型
進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型內(nèi)容包括：確定脈沖當量、計算切削力
滾珠絲杠螺母副的設(shè)計、計算與選型、齒輪傳動計算、步進電機的計算和選型等。計算簡圖如下圖所示：
3.2.1確定系統(tǒng)的脈沖當量
脈沖當量是指一個進給脈沖使機床執(zhí)行部件產(chǎn)生的進給量,它是衡量數(shù)控機
床加工精度的一個基本參數(shù)。因此,脈沖當量應(yīng)根據(jù)機床精度的要求來確定。對經(jīng)濟型數(shù)控機床來說，常采用的脈沖當量為0.01mm/step和0.005mm/step,在CA6140的技術(shù)參數(shù)中，要求縱向脈沖當量fp為0.01mm/step。橫向脈沖當量為fp=0.005mm/step。
3.2.2縱向滾珠絲杠螺母副的副的型號選擇雨校核步驟
（1）最大工作荷載計算
滾珠絲杠的工作載荷Fm（N）是指滾珠絲杠副的在驅(qū)動工作臺時滾珠絲
杠所承受的軸向力，也叫做進給牽引力。它包括滾珠絲杠的走到抗力及與移動體重力和作用在導(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3-1計算
工作載荷的大小。
Fm=KFL+f’(Fv+G) （3-1）
1）車削抗力分析
車削外圓時的切削抗力有Fx﹑Fy﹑Fz，主切削力Fz與主切削速度方向一致
垂直向下，是計算機床主軸電機切削功率的主要依據(jù)。切深抗力Fy與縱向進給垂直，影響加工精度或已加工表面質(zhì)量。進給抗力Fx與進給方向平行且相反指向，設(shè)計或校核進給系統(tǒng)是要用它。
縱切外圓時，車床的主切削力Fz可以用下式計算：
Fz=CFzαPXFzfyFzVnFz KFz （3-2）
=5360(N)
由《金屬切削原理》知：
Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4 （3-3）
得 Fx=1340(N)
Fy=2144(N)
因為車刀裝夾在拖板上的刀架內(nèi)，車刀受到的車削抗力將傳遞到進給拖板和導(dǎo)軌上，車削作業(yè)時作用在進給托板的載荷F1﹑Fv和Fc與車刀所受到的車削抗力有對應(yīng)關(guān)系。
因此，作用在進給托板上的載荷可以按下式求出：
托板上的進給方向載荷 F1=Fx=1340(N)
托板上的垂直方向載荷 Fv=Fz=5360(N)
托板上的橫向載荷 Fc=Fy=2144(N)
因此，最大工作載荷 Fm=KFL+f’(Fv+G)
=1.15×1340+0.04×(5360+90×9.8)
=1790.68(N)
對于三角形導(dǎo)軌K=1.15, f’=0.03～0.05,選f’=0.04(因為是貼塑導(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）最大動載荷C的計算
滾珠絲杠應(yīng)根據(jù)額定動載荷Ca選用，可用式3-4計算：
C==fmm （3-4）
L為工作壽命，單位為10r，L=60nt／10;n為絲杠轉(zhuǎn)速（r／min）,n=1000v／L0;v為 最大切削力條件下的進給速度（m／min）,可取最高進給速度的1/2～1/3;L0為絲杠的基本導(dǎo)程，查資料得L0=12mm;fm為運轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，因為此時有沖擊振動，所以取fm=1.5.
V縱向=1.59mm/r×1400r/min=2226mm/min
n縱向=v縱向×1/2/L0=2226×1/2/12=92.75r/min
∴ L=60nt/106=60×92.75×15000/106=83.5
則 C=fmFm =×1.5×1790.68=11740（N）
初選滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格，相應(yīng)的額定動載荷Ca不得小于最大載荷C;因此有
Ca＞C=11740N
另外例如滾珠絲杠副有可能在靜態(tài)或低速運轉(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是否充分地超過了滾珠絲杠的工作載荷Fm,一般使Coa/Fm=2～3.
初選滾珠絲杠為：外循環(huán)，因為內(nèi)循環(huán)較外循環(huán)絲杠貴，并且較難安裝?？紤]到簡易經(jīng)濟改裝，所以采用外循環(huán)。
因此初選滾珠絲杠的型號為型CD63×8-3.5-E型，主要參數(shù)為
Dw=4.763mm,Lo=8mm,dm=63mm,λ=2o19 ’，圈數(shù)×列數(shù)3.5×1
（3）縱向滾珠絲杠的校核
1）傳動效率計算
滾珠絲杠螺母副的傳動效率為η
η=tgλ/tg(λ+φ)=tg2o19 ’/tg(2o19 ’+10’)=92% （3-5）
2）剛度驗算
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動平穩(wěn)性，滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形，絲杠和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δ1
δ1=±Fml/EA （3-6）
=±1790.68×2280/20.6×10×π×(31.5)2
=0.0064mm
2 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量δ2
采用有預(yù)緊的方式，
因此用公式 δ2=0.0013× （3-7）
=0.0013×
=0.0028mm
在這里 Fyj =1/3Fm=1/3×1790.68=597N
Z=πdm/Dw=3.14×63/4.763=41.53
Z∑=41.53×3.5×1=145.36
絲杠的總變形量δ=δ1+δ2=0.0064+0.0028=0.0092mm<0.015mm
查表知E級精度絲杠允許的螺距誤差為0.015mm，故所選絲杠合格。
3）壓桿穩(wěn)定性驗算
滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細長桿，若軸向工作負載過大，將使絲杠失
去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時的臨界載荷為Fk
Fk=fz2EI/L2 （3-8）
式中：E為絲杠材料彈性模量，對鋼E=20.6×104Mpa；I為截面慣性矩，對絲杠圓截面I=πdl4/64(mm4)(dl為絲杠的底徑)；L為絲杠的最大工作長度（mm）；fz為絲杠的支撐方式系數(shù)由表3-1查得。
表3-1：
方式
兩端端自由
一端固定一端自由
兩端固定
兩端簡支
Fz
0.25
2.0
4.0
1.0
由Fk=fzπ2EI/L2 且fz==2.0, E=20.6×104Mpa, I=πdl4/64mm4,L=2800mm為絲杠的長度
由于I=πdl4/64
=π(63-5.953)4/64
=3.14×57.0474/64
=519614mm
Fk=2×3.142×20.6×104×519614/28002
=276276
Nk=276276/1875
=149>>4
所以絲杠很穩(wěn)定。
3.2.3 橫向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟
（1）型號選擇
1）最大工作載荷計算
由于導(dǎo)向為貼塑導(dǎo)軌，則：k=1.4 f’=0.05,F1為工作臺進給方向載荷，
Fl=2141N,Fv=5360N,Fc=1340N,G=60kg,t=15000h,
最大工作載荷：Fm=kF1+f’(Fv+2Fc+G)
=1.4×2144+0.05(5360+2×1340+9.8×75)
=3440.4N
2）最大動載荷的計算
V橫=1400r/min×0.79mm/r=1106mm/min
n橫絲=v橫×1/2/L0縱=1106×1/2/4=138.25r/min
L=60nt/=60×138.25×15000/106=124.43
C=3LfmFm =×1.5×3440.4=25763.7N
∴初選滾珠絲杠型號為：CD50×6-3.5-E
其基本參數(shù)為Dw=3.969mm,λ=2o11’,L0=6mm,dm=50mm,圈數(shù)×列數(shù)×3.5×1
(2) 橫向滾珠絲杠的校核
1）傳動效率η計算
η==tgλ/tg(λ+φ)=tg2o11 ’/tg(2o11 ’+10’)=93%
2) 剛度驗算
1. 絲杠的拉壓變形量
δ1=±Fm×L/EA=±3440.4×320/20.6×104×π×252=±0.0027mm
2.滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量
δ2=0.0013×
=0.0013×
=0.0070mm
在這里Fyj=Fm/3=3352.6/3=1118N
Z=πdm/Dw=3.14×50/3.969=39.56
Z∑=39.56×3.5×1=138.48
絲杠的總變形量
δ=δ1+δ2=0.0027+0.0070=0.0097mm<0.015mm
查表知E級精度允許的螺距誤差為0.015mm，故所選絲杠合格
（3）滾珠絲杠螺母副的精度等級：
數(shù)控機床根據(jù)定位精度的要求通常選用1---5級精度的滾珠絲杠，1---5級
度絲杠的行程公差數(shù)值如表（2）所示：
項目
符號
有效行程lm/mm
精度等級
1
2
3
4
5
目標行程公差
ep
＜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
Vmp
＜315
6
8
12
16
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(nèi)行程變動量
V300p
6
8
12
16
23
2πrad內(nèi)行程變動量
V2πp
4
5
6
7
8
表（2）滾珠絲杠行程公差/μm
3.2.4齒輪有關(guān)計算
(1)縱向齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計算
1）有關(guān)齒輪計算，由前面的條件可知：
工作臺重量：W=80kgf=800N(根據(jù)圖紙粗略計算)
滾珠絲杠的導(dǎo)程: Lo=12mm
步距角: α=0.75°/step
脈沖當量: δp=0.01mm/step
快速進給速度：Vmax=2m/min
所以,變速箱內(nèi)齒輪的傳動比
i====2.5 （3-9）
齒輪的有關(guān)參數(shù)選取如下:
Z1=32 , Z2=40 ,模數(shù)m=2mm
齒寬 b=20mm 壓力角α=20°
齒輪的直徑 d1=mz1=2×32=64mm
d2=mz1=2×40=80mm
dα2=d1+2ha*=68mm
dα2=d2+2ha*=84mm
兩齒輪的中心矩 a== =72mm
2）轉(zhuǎn)動慣量計算
工作臺質(zhì)量折算到步進電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量:
J1=W()2= ( )2 ×80×=0.467kg.cm2 （3-10）
對材料為鋼的圓柱形零件,其轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算:
J=7.8×10-4D4L kg.cm2 （3-11）
式中 D---圓柱形零件的直徑,cm
L---零件的軸向長度,cm
所以,絲杠的轉(zhuǎn)動慣量:
J1=7.8×10-4+D4L1=7.8×10-4×3.24×140.3=11.475 kg.cm2
齒輪的轉(zhuǎn)動慣量:
=7.8×10-4×6.44×2=2.617 kg.cm2
=7.8×10-4×84×2=6.39 kg.cm2
電動機轉(zhuǎn)動慣量很小,可忽略。
因此，折算到步進電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量
J=(1/i2)（JS+Jz2）+Jz1+J1=(1/2.52)（11.475+6.39）+2.617+0.467=5.942 kg.cm2=59.42N. cm2
絲杠名義直徑/mm
導(dǎo)程/mm
1m長絲杠的轉(zhuǎn)動慣量kg.cm2
絲杠名義直徑/mm
導(dǎo)程/mm
1m長絲杠的轉(zhuǎn)動慣量kg.cm2
20
4
0.94
50
10
35.76
5
0.84
12
31.98
25
5
2.24
60
8
81.58
6
2.00
10
78.02
30
5
4.91
12
74.96
6
4.47
70
8
157.35
35
5
9.26
10
150.47
6
8.72
12
145.13
8
8.30
80
10
263.49
40
5
16.29
12
255.84
6
15.45
90
10
420.31
8
15.18
12
392.75
45
6
26.13
100
12
649.56
8
24.54
16
615.16
10
22.63
20
562.44
50
6
39.75
120
20
1233.93
8
37.64
24
1144.60
表(3)滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量
3）所需轉(zhuǎn)動力矩計算
快速空載啟動時所需力矩
M=Mamax+Mf+Mo
最大切削負載時所需力矩
M=Mat+Mf+Mo+Mt
快速進給時所需力矩
M=Mf+Mo
式中, Mamax---空載啟動時折算到電動機軸上的加速度力矩;
Ma---折算到電動機軸上的加速度力矩;
Mf---折算到電動機軸上的摩擦力矩;
Mo---由絲杠預(yù)緊所引起,折算到電動機軸上的附加摩擦力矩;
Mat---切削時折算到電動機軸上的加速力矩;
Mt---折算到電動機軸上的切削負載力矩;
Ma=×10-4N.m （3-12）
式中, J---轉(zhuǎn)動慣量, kg.cm2
n---絲杠轉(zhuǎn)速,r/min
T---時間常數(shù),s
當n=nmax時 Ma=Mamax
nmax===416.7 r/min
Mamax=×10-4=2.49N.m
當n=nt時, Ma=mat
nt====24.88 r/min
Mat=×10-4=0.0616N.mMf== N.cm （3-13）
式中 f’---導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)
nt---切削加工時的轉(zhuǎn)速，r/min;
w---移動不見的重量，N;
Lo---絲杠導(dǎo)程，cm;
i---傳動比；
η--- 傳動效率。
當 η=0.8 f’=0.16時，
Mf= = 12.23 N.cmMo=（1-) （3-14）
式中， ηo---絲杠未預(yù)緊時的效率，取0.9
FO---預(yù)加載荷，一般為最大軸向載荷的1 / 3，即FP / 3
則 Mo==×(1-0.92)=8.108N.cm
Mt===128 N.cm
所以，快速空載啟動所需力矩
M=Mamax+Mf+Mo=103+12.23+8.108=123.338 N.cm
切削時所需力矩
M=Mat+Mf+Mo+Mt=6.16+12.23+8.108+128=151.42 N.cm
快速進給時所需力矩
M=Mf+Mo=12.23+8.108=20.338 N.cm
由以上分析計算可知：所需最大力矩Mamax發(fā)生在快速啟動時
Mmax=123.338 N.cm
(2)橫向齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計算
1)有關(guān)齒輪計算，由前面的條件可知：
工作臺重量：W=30kgf=300N(根據(jù)圖紙粗略計算)
滾珠絲杠的導(dǎo)程: Lo=4mm
步距角: α=0.75°/step
脈沖當量: δp=0.005mm/step
快速進給速度：Vmax=1m/min
所以,變速箱內(nèi)齒輪的傳動比
i====1.67
齒輪的有關(guān)參數(shù)選取如下:
Z1=18 , Z2=30 ,模數(shù)m=2mm
齒寬 b=20mm 壓力角α=20°
d1=36mm d2=60mm
da1 =40mm da2=64mm a=48mm
2)轉(zhuǎn)動慣量計算
工作臺質(zhì)量折算到步進電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量:
J1=W()2= ( )2 ×30×=0.0439 kg.cm2
絲杠的轉(zhuǎn)動慣量:
Js=7.8×10-4×24×50=0.624 kg.cm2
齒輪的轉(zhuǎn)動慣量:
=7.8×10-4×3.64×2=0.262 kg.cm2
=7.8×10-4×64×2=2.022 kg.cm2
電動機轉(zhuǎn)動慣量很小,可忽略。
因此，折算到步進電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量
J=(1/i2)（JS+Jz2）+Jz1+J1=()2（0.624+2.022）+0.262+0.0439=1.258 kg.cm2=12.58N. cm2
3)所需轉(zhuǎn)動力矩計算
nmax===416.7 r/min
Mamax= ×10-4=0.2184N.m=2.18kgf.cm
nt====33.17 r/min
Mat= ×10-4=0.0174N.m=0.174 kgf.cm
Mf=== =0.287kgf.cm=0.028N.m
Mo==×(1-0.92) =0.649kgf.cm =0.065N.m
Mt===10.242kgf.cm =1.024 N.m
所以，快速空載啟動所需力矩
M=Mamax+Mf+Mo=2.18+0.287+0.065=2.532kgf.cm =25.32 N.cm
切削時所需力矩
M=Mat+Mf+Mo+Mt=0.174+0.287+0.649+10.242=11.352kgf.cm=113.52 N.cm
快速進給時所需力矩
M=Mf+Mo=0.287+0.649 =0.936kgf.cm = 9.36N.cm
由以上分析計算可知：所需最大力矩Mamax發(fā)生在快速啟動時
Mmax=2.532 kgf.cm =25.32 N.cm
（3）繪制進給伺服系統(tǒng)的機械裝配圖
在完成滾珠絲杠螺母副和步進電機的計算選型，完成齒輪傳動比計算后
可以著手繪制進給伺服系統(tǒng)的機械裝配圖。
在繪制機械裝配圖時，除了從總體上考慮機床布局情況以及伺服進給機構(gòu)
與原機床的聯(lián)系外，還應(yīng)認真的考慮與具體結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)的一些問題。
1）了解原機床的詳細結(jié)構(gòu)，從有關(guān)資料中查閱床身、縱溜板、橫溜板、刀架等的結(jié)構(gòu)尺寸。
2）根據(jù)載荷特點和支承形式確定絲杠兩端支承軸承的型號，軸承座的結(jié)構(gòu)以及軸承預(yù)緊和調(diào)節(jié)方式，確定齒輪軸支承軸承的型號。
3）減速齒輪的參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸計算，確定齒輪側(cè)隙的調(diào)整方法，在滿足裝配工藝的前提下，合理設(shè)計齒輪箱結(jié)構(gòu)。
4） 考慮各部位間的定位、聯(lián)接和調(diào)整方法。例如，應(yīng)保證絲杠兩端支承與滾珠絲杠螺母同軸，保證絲杠與機床導(dǎo)軌平行，考慮螺母座。軸承座在安裝面上的聯(lián)接與定位、齒輪箱在安裝面上的定位、步進電機在齒輪箱上的聯(lián)接與定位等。
5）考慮密封、防護、潤滑以及安全機構(gòu)等問題。例如，絲杠螺母的潤滑、防塵、防鐵屑保護、軸承的潤滑及密封、齒輪的潤滑及密封、行程限位保護裝置等。
6）在進行各零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保證安裝、調(diào)試和拆卸的方便。
此外，注意繪制裝配圖時的一些基本要求。例如，制圖標準、視圖布
置及圖形畫法要求、重要的中心距、中心高、聯(lián)系尺寸和輪廓尺寸的標準、
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