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摘 要
所謂數字控制機床是按照含有機床(刀具)運動信息程序所指定的順序自動執(zhí)行操作的過程。而計算機數控機床就是數控機床在計算機監(jiān)控下進行工作。它的優(yōu)點很多,可以在同一機床上一次裝夾可完成多個操作，生產率顯著提高等優(yōu)點，但它的價格昂貴。由于我國現在使用的機床大多數為普通車床，自動化程度低,要更新現有機床需要很多資金。為了解決這個問題,也為了適應多品種中、小批量零件加工我們選擇機床經濟型數控改造?？v向進給機構的改造：拆去原機床的溜板箱、光杠與絲杠以及安裝座,配上滾珠絲杠及相應的安裝裝置，縱向驅動的步進電機及減速箱安裝在車床的床尾,不占據絲杠空間。橫向進給機構的改造：拆除橫向絲杠換上滾珠絲杠,由步進電機帶動?？傮w設計方案:CA6140車床主軸轉速部分保留圓機床的手動變速功能。車床的縱向和橫向進給運動采用步進電機驅動。最后,根據已知條件對縱向橫向伺服進給機構進行設計與計算。
關鍵詞:數控、車床、改造
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ABSTRACT
Numerical Control (NC) is any machining process in which the operations are executed automaticallu in sequences as specified by the program that contains the information for the tool movement .When Numerical Control is performed under computer supervision, it is called Computer Numerical Control (CNC).CNC machines have many advantages over conventional machines. For example, there is a possibility lf performing operations on the same machine in one setup and production is significantly increased. One of its disadvantages is that they are quite expensive. In our country conventional machine is used widely. So if the machines are replaced, there is going to need a large money. In order to agree with the development of our economy, we can reform the conventional machines. The reformation of the vertical mechanism: we demolish the current smooth leading, leading screw and installing stand. Then replace the ball leaking to the relevant position. The reformation of the horizontal mechanism: we make the horizontal ball lead screw instead of the conventional screw. And Stepper motor drives the screw. The overall master design: the spindle’s gearshift of the CA6140 mechanism controlled by the former operating lever. The moving of the vertical table and the horizontal table is drove by the ball screw, which is drove by the Stepper motors. The last, we design the vertical and horizontal mechanism on the basis of known numbers.
Key word: Numerical Control、 machining、?? information??
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湖南科技大學本科生畢業(yè)論文（論文）
目 錄
第一章 緒論 1
1.1機床數控改造的意義 3
1.2數控機床的主要改造步驟 3
第二章 設計的任務及要求 5
2.1 CA6140橫向進給系統(tǒng)及刀架數控改造設計的任務 5
2.2 CA6140橫向進給系統(tǒng)及刀架數控改造設計的要求 5
第三章 改造設計的總體方案 6
3.1設計參數的確定 6
3.2改造方案的確定 7
3.2.1系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 7
3.2.2機械傳動方式 7
第四章 滾珠絲杠副的設計和計算 8
4.1選擇脈沖當量 8
4.2計算切削力 8
4.2.1縱車外圓 8
4.2.2橫切端面 8
4.3滾珠絲桿螺母副的計算和選型 9
4.3.1滾珠絲杠軸向進給切削力的計算 9
4.3.2滾珠絲杠的平均轉速計算 9
4.3.3滾珠絲杠的壽命計算 10
4.3.4滾珠絲杠副在高速和定工作載荷的情況下的選用 10
4.3.5滾珠絲剛副在受動載荷的情況下的選用 12
4.3.6按額定靜載荷選用滾珠絲杠副 13
4.3.7滾珠絲杠副的選型 13
4.3.8滾珠絲杠副的剛度驗算 16
4.3.9滾珠絲杠副的穩(wěn)定性驗算 18
第五章 減速器的設計計算 19
第六章 步進電機的選型及計算 21
6.1等效轉動慣量的計算 21
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6.2根據脈沖當量和最大靜轉矩初選電機型號 22
6.2.1步距角 22
6.2.2矩頻特性 23
6.3啟動矩頻特性和運行矩頻特性校核 26
6.3.1啟動矩頻校核 27
6.3.2運行矩頻校核 28
6.4步進電機的安裝尺寸 30
第七章 刀架的改造設計 31
7.1刀架改造的意義 31
7.2自動換刀裝置形式的選擇 31
7.3螺旋轉位刀架的工作原理 33
7.4對自動換刀裝置的要求 35
7.5自動換刀裝置的主要部件設計計算及選擇 35
7.5.1桿、蝸輪的設計計算 35
7.5.2電機的選擇 36
第八章 結論 37
參考文獻 38
致 謝 39
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湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）
第一章 緒論
隨著電子信息技術的發(fā)展，世界機床業(yè)已進入了以數字化制造技術為核心的機電一體化時代，其中數控機床就是代表產品之一。數控機床是制造業(yè)的加工母機和國民經濟的重要基礎。它為國民經濟各個部門提供裝備和手段，具有無限放大的經濟與社會效應。目前，歐、美、日等工業(yè)化國家已先后完成了數控機床產業(yè)化進程。我國數控技術的發(fā)展起步于二十世紀五十年代，通過“六五”期間引進數控技術，“七五”期間組織消化吸收“科技攻關”，我國數控技術和數控產業(yè)取得了相當大的成績。特別是最近幾年，我國數控產業(yè)發(fā)展迅速，“十五”期間，中國數控機床行業(yè)實現了超高速發(fā)展。其產量2001年為17521臺，2002年24803臺，2003年36813臺，2004年51861臺，是2001年的3.7倍，平均年增長39％；2005年國產數控機床產量59639萬臺，接近6萬臺大關，是“九五”末期的424倍。盡管如此，進口機床的發(fā)展勢頭依然強勁，從2002年開始，中國連續(xù)三年成為世界機床消費第一大國、機床進口第一大國，2004年中國機床主機消費高達94.6億美元，國內數控機床制造企業(yè)在中高檔與大型數控機床的研究開發(fā)方面與國外的差距更加明顯，70%以上的此類設備和絕大多數的功能部件均依賴進口。由此可以看出國產數控機床特別是中高檔數控機床仍然缺乏市場競爭力，究其原因主要在于國產數控機床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務意識與能力欠缺、數控,系統(tǒng)生產應用推廣不力及數控人才缺乏等。我們應看清形勢，充分認識國產數控機床的不足，努力發(fā)展先進技術，加大技術創(chuàng)新與培訓服務力度，以縮短與發(fā)達國家之間的差距。
為了彌補我國數控機床的嚴重不足，許多企業(yè)與廠家都對原有的普通機床改裝成數控機床。目前機床數控化改造的市場在我國還有很大的發(fā)展空間，現在我國機床數控化率不到3％。用普通機床加工出來的產品普遍存在質量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產品、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控化率。但是機床的數控改造，主要是對原有機床的結構進行創(chuàng)造性的設計，最終使機床達到比較理想的狀態(tài)。數控車床是機電一體化的典型代表，其機械結構同普通的機床有諸多相似之處。然而，現代的數控機床不是簡單地將傳統(tǒng)機床配備上數控系統(tǒng)即可，也不是在傳統(tǒng)機床的基礎上，僅對局部加以改進而成（那些受資金等條件限制，而將傳統(tǒng)機床改裝成建議數控機床的另當別論）。傳統(tǒng)機床存在著一些弱點，如剛性不足、抗振性差、熱變形大、滑動面的摩擦阻力大及傳動元件之間存在間隙等，難以勝任數控機床對加工精度、表面質量、生產率以及使用壽命等要求。現代的數控技術，特別是加工中心，無論是其支承部件、主傳動系統(tǒng)、進給傳動系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、輔助功能等部件結構，還是整體布局、外部造型等都已經發(fā)生了很大變化，已經形成了數控機床的獨特機械結構。因此，我們在對普通機床進行數控改造的過程中，應在考慮各種情況下，使普通機床的各項性能指標盡可能地與數控機床相接近。數控車床作為機電液氣一體化的典型產品，是現代機械制造業(yè)中不可缺少的加工設備。在機械制造業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，能解決機械制造中結構復雜、精密、批量小、零件多變的加工問題，且產品加工質量穩(wěn)定，生產效率較高。企業(yè)要在激烈的市場競爭中獲得生存、求得發(fā)展,就必須在最短的時間內以優(yōu)異的質量、低廉的成本,制造出合乎市場需要的、性能合適的產品,而產品質量的優(yōu)劣,制造周期的快慢,生產成本的高低,又往往受工廠現有加工設備的直接影響。購買新的數控機床是提高數控化率的主要途徑,但是成本太高，很多工廠在短時間內都無法有那么多的資金，這嚴重阻礙企業(yè)的設備更新和設備改造的步伐；同時目前大多數企業(yè)還有數量眾多，而且還具有較長使用壽命的普通機床，由于普通機床加工精度相對較低、不能批量生產，生產的自動化程度不高，生產自適應性差，但考慮投資成本，產業(yè)的連續(xù)性和轉型周期，又不能馬上淘汰。而改造現有舊機床、配備與之相適應的數控系統(tǒng)，把普通機床改裝成數控機床，是當前許多企業(yè)對現有設備改造換代的首選辦法，也是提高機床數控化率的一條有效途徑，不失為一條投資少、提升產品加工精度及質量，提高生產效率的捷徑，使企業(yè)提升競爭力，在我國成為世界制造業(yè)中心及制造強國的進程中，占有一席之地。?
所以，針對普通車床6140存在以下幾個問題：
1) 車床整體太破舊，機床磨損嚴重，加工精度達不到要求。
2) 車床電氣元件老化，連接線不穩(wěn)固。
3) 普通車床加工存在局限性，不能實現現代多種零件的加工。
4) 隨著機床的發(fā)展，機床也變成了數控化、人性化、效益化。普通車床實現一人操作多臺機床，不能自動化控制。?因此，據上述問題普通車床即將面臨淘汰，因此，普通車床的改造勢在必行。
機床作為機械制造業(yè)的重要基礎裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關注，由于計算機技術的興起，促使機床的控制信息出現了質的突破，導致了應用數字化技術進行柔性自動化控制的新一代機床－數控機床的誕生和發(fā)展。計算機的出現和應用，為人類提供了實現機械加工工藝過程自動化的理想手段。隨著計算機的發(fā)展，數控機床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應用，同時使人們對傳統(tǒng)的機床傳動及結構的概念發(fā)生了根本的轉變。數控機床以其優(yōu)異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開創(chuàng)機械產品向機電一體化發(fā)展的先河。數控機床是以數字化的信息實現機床控制的機電一體化產品，它把刀具和工件之間的相對位置，機床電機的啟動和停止，主軸變速，工件松開和夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動作等信息用代碼化的數字記錄在控制介質上，然后將數字信息送入數控裝置或計算機，經過譯碼，運算，發(fā)出各種指令控制機床伺服系統(tǒng)或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工件。
然而，數控機床與普通機床相比，其主要有以下的優(yōu)點：
1) 適應性強，適合加工單件或小批量的復雜工件；在數控機床上改變加工工件時，只需重新編制新工件的加工程序，就能實現新工件加工；
2) 加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質量；
3) 可進行多坐標的聯動，能加工形狀復雜的零件；
4) 加工零件改變時，一般只需要更改數控程序，可節(jié)省生產準備時間；
5) 機床本身的精度高、剛性大，可選擇有利的加工用量，生產效率高（一般為普通機床的3~5倍）；?
6) 機床自動化程度高，可以減輕勞動強度改善勞動條件；
7) 對操作人員的素質要求較高，對維修人員的技術要求更高。
1.1機床數控改造的意義
1) 節(jié)約成本。機床的數控改造同購置新機床相比一般可節(jié)省60%左右的費用，大型及特殊設備尤為明顯。一般大型機床改造只需花新機床購置費的1/3。即使將原機床的結構進行徹底改造升級也只需花費購買新機床60%的費用，并可以利用現有地基。
2) 改造時間短。
3) 性能更穩(wěn)定。在改造過程中可以對原機床的機械部分重新裝配加工，恢復到原有精度；采用數控軟件控制機床各部分，更加可靠。
4) 設計風險小。對普通的舊機床改造，即使改造失敗，也不會造成較大損失。
5) 可以更好的體現用戶的愿望。在改造過程中，用戶可以根據自己的需求對機床進行調整。
6) 機械性能穩(wěn)定可靠。原機床床身立柱等基礎件都是重而堅固的鑄造構件，改造后機床性能高、質量好，可以繼續(xù)作為新設備使用多年。
7) 采用最新的控制技術?？筛鶕夹g革新的發(fā)展速度，提高機床的自動化水平和工作效率，提升設備質量和檔次，將舊機床改造成當今水平的機床。
8) 提高生產效率。機床經數控改造后即可實現加工的自動化效率可比傳統(tǒng)機床提高 3至5倍。對復雜零件而言難度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費用而且可以縮短生產準備周期。
9) 更有利于使用和維護。
1.2數控機床的主要改造步驟
1) 作好改造的前期準備工作。對被改造機床進行結構、性能、精度等技術現狀的全面分析。
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2) 進行電氣改造的機床一般均需進行機械修理。要確定修理的要求、范圍、內容，也要確定因改造而需進行機械結構改動的要求和內容。為配合電氣改造而需進行的機械大修改造的測量、計算、設計、繪圖、零件制作等應先期完成。停機后需拆、改、加工的部分等也應事先規(guī)劃完畢，提出明確要求。機械性能完好是電氣改造成功的基礎。
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3) 改造前應熟悉技術資料，做到思路清晰，層次分明。
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4) 原系統(tǒng)的拆除必須對照原圖紙進行，并及時作出標記，防止遺漏或過拆。
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5) 根據設計圖紙合理配置新系統(tǒng)，以確保連線工藝規(guī)范、線徑合適、正確無誤、可靠美觀。
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6) 調試必須按事先確定的步驟和要求進行。調試人員應頭腦冷靜，隨時記錄，以便發(fā)現和解決問題。調試中首先試安全保護、系統(tǒng)靈敏度，防止發(fā)生人身及設備事故。
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湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）
第二章 設計的任務及要求
在本次改造中以CA6140普通車床為例，重點將放在車床的橫向進給系統(tǒng)和刀架，下面將介紹改造的具體任務和要求。
2.1 CA6140橫向進給系統(tǒng)及刀架數控改造設計的任務
本次設計任務是將CA6140型普通車床的橫向進給系統(tǒng)及刀架數控改造與設計，根據工作量及時間要求完成以下內容：
1.數控改造總體方案設計
2.橫向進給系統(tǒng)機械部分改造設計，刀架機械部分改造設計。裝配圖兩張，零件圖兩張。
3.橫向進給伺服系統(tǒng)改造設計及計算，選擇伺服電機。刀架機械部分改造設計及計算，選擇伺服電機。
2.2 CA6140橫向進給系統(tǒng)及刀架數控改造設計的要求
本次設計要求是將CA6140型普通數控車床的橫向進給系統(tǒng)改造成由步進電機驅動，絲杠螺母副傳動，開環(huán)控制的進給系統(tǒng)。要求改造后的車床橫向進給系統(tǒng)具有以下功能：
1.保證原機床橫向進給系統(tǒng)的功能不變；
2.橫向直線，圓弧插補；
3.螺紋切削；
4.軟件自動變速驅動步進電機；
5.掉電保護、越位報警、急停、復位等輔助功能。
刀架部分是拆除原刀架，換上設計好的自動換刀裝置。要求改造后具有以下功能：
1.能一次裝夾多把刀具；
2.通過指令能快速的自動換刀。
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第三章 改造設計的總體方案
3.1設計參數的確定
并不是所有的舊機床都可以進行數控改造，機床的改造主要應具備兩個條件：第一，機床基礎件必須有足夠的剛性。第二，改造的費用要合適，經濟性好。在改裝車床前，要對機床的性能指標做出決定。改裝后的車床能加工工件的最大回轉直徑以及最大長度、主電動機功率等一般都不會改變。加工工件的平面度、直線度、圓柱度以及粗糙度等基本上仍決定于機床本身原有水平。主要有下述性能和精度的選擇需要在改裝前確定。
最大加工直徑：
車床身上： 400mm
車床鞍上： 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 0.6m/min
橫向 0.3m/min
脈沖當量：
縱向 0.01mm/step
橫向 0.005mm/step
脈沖分配方式： 逐點比較法
控制坐標數： 2
機床定位精度： ±0.015
溜板及刀架重力：
縱向： 800N
橫向： 600N
自動生降速性能： 有
起動加速時間： 30ms
主電機功率： 7.5Kw
當數控車床的性能和精度等內容基本選定后，可根據此來確定改造方案。目前機床數控改造技術已經日趨成熟，專用化的機床數控改造系統(tǒng)所具備的性能和功能一般均能滿足車床的常規(guī)加工要求。因此，較典型的車床數控改造方案可選擇為：配置專用車床數控改造系統(tǒng)，更換進給運動的滑動絲杠傳動為滾珠絲杠傳動、采用步進電機驅動進給運動、配置脈沖發(fā)生器實現螺紋加工功能、配置自動轉位刀架實現自動換刀功能。
3.2改造方案的確定
由于被改裝的機床本身的機械結構不是按數控機床的要求設計的，其精度和剛度等性能指標往往不能滿足數控機床的要求，因此將普通機床改造為全功能的數控機床，一味追求先進指標則會得不償失，所以確定總體方案的原則應當是在滿足生產需要的前提下，對原機床盡可能減少機械部分的改動量，選擇簡單易用的數控系統(tǒng)，達到合理的性價比。本次改造設計要求就是根據這一原則提出的。根據設計要求、依據設計參數及 床數控改造的理解，總體方案確定如下：
3.2.1系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇
由于改造后的經濟型數控機床應具有定位、直線插補、順、逆圓插補、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，故應選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。考慮到屬于經濟型數控機床加工精度要求不高，為了簡化結構、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。
3.2.2機械傳動方式
為實現機床所要求的分辨率，采用步進電機經齒輪減速再傳動絲桿，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)度，盡量減少摩擦量力，選用滾珠絲桿螺母副。同時，為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加負荷的結構。齒輪傳動也要采用消除齒側間隙的結構。
橫向進給機械結構改造方案：
拆除原中拖板絲桿，安裝滾珠絲桿副，為提高橫向進給系統(tǒng)剛度，支承方式采用兩端裝止推軸承。步進電機、齒輪箱安裝于機床后側，為了使減速機構不影響走刀，同時消除傳動過程的沖擊，減速機構采用一級傳動，從動輪采用雙薄片錯位消除間隙。
刀架部分機械結構改造方案：
刀架部分則是拆除原車床上的普通刀架，換上設計的自動換刀裝置。
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第四章 滾珠絲杠副的設計和計算
4.1選擇脈沖當量
步進電機是一種把電脈沖信號轉變成直線位移或角位移的執(zhí)行元件。對于每一個電脈沖步進電機都會產生一個恒定的步進角位移。每一個脈沖或每步的轉角稱為步進電機的步距角，每脈沖代表電機一定的轉角。這個轉角經齒輪副和滾珠絲杠使工作臺移動一定的距離。每個脈沖所對應的執(zhí)行元件的移動距離，就稱為脈沖當量或分辨率。記為，單位mm/脈沖。
脈沖當量應根據機床或工作臺進給系統(tǒng)所要求的定位精度來確定?？紤]到機械系統(tǒng)存在傳動誤差，脈沖當量必須小于定位精度值。在此改造中，機床定位精度的設計要求是0.015mm,根據該精度要求可以確定縱向傳動系統(tǒng)的脈沖當量為0.01mm。又因為橫向進給系統(tǒng)的脈沖當量一般為縱向進給系統(tǒng)的一半，所以橫向進給系統(tǒng)的脈沖當量為0.005mm。
4.2計算切削力
4.2.1縱車外圓
主切削力（N）按經驗公式估算：
按切削力各分力比例可得：
4.2.2橫切端面
主切削力根據經驗比較為縱車的0.5，所以
此時走刀力，吃刀抗力，仍按上述方法計算，則：
4.3滾珠絲桿螺母副的計算和選型
由于我國現在已經有了生產滾珠絲杠副的專業(yè)工廠，因此，這次在改造中需要的滾珠絲杠就完全沒有必要自己從頭到來研制它，只應根據它的使用條件，承載能力和壽命等合理地選用符合需要的滾珠絲杠副就可以了。
現在選用滾珠絲杠副的方法比較多，但是通過比較和參考同類選用經驗，如果還采用經驗法或類比法來選用滾珠絲剛副，就容易出現選用不合理的現象，造成結構尺寸過大，增加驅動裝置的負荷等缺陷。目前人們認為教合理的選用方法是按照滾珠絲杠的額定靜載荷 (其轉速)和額定動載荷 (其轉速)及傳動速比的要求來確定所需選用的滾珠絲杠副的公稱直徑和基本導程。如今各滾珠絲杠生產廠家都在他們所制定的結構系列表中列出了其各型號滾珠絲剛副的的額定靜載荷和額定動載荷值。
從實際應用中可知，滾珠絲杠副的螺紋滾道在一定的軸向載荷作用下，經歷一定的應力循環(huán)之后，就要產生疲勞點蝕現象。因此，當滾珠絲杠副在較高轉速（一般轉速）下工作時，應按其使用壽命選則基本尺寸，并校核其載荷能力是否超過額定動載荷。當滾珠死杠副在低速（一般轉速）下工作時，應按其使用壽命和額定靜載荷兩種方法來確定其基本尺寸，并選擇其中較大的。當滾珠絲杠副在靜載荷下工作時，則只需按額定靜載荷選擇其結構尺寸。
4.3.1滾珠絲杠軸向進給切削力的計算
因為橫向導軌為燕尾形導軌，所以可用下公式計算：
式中 K——考慮顛覆力矩影響的實驗系數，燕尾形導軌取K=1.15
——滑動導軌摩擦系數，=0.15～0.18。在此設計中取0.17
G——溜板及刀架重力，G=600N
4.3.2滾珠絲杠的平均轉速計算
最大切削力下的進給速度 (r/min),可取最高進給速度的1/2～1/3(取為1/2),橫向最大進給速度為0.3m/min,絲杠導程選,則滾珠絲杠的平均速度為：
4.3.3滾珠絲杠的壽命計算
滾珠絲杠的使用壽命取，則滾珠絲杠的壽命為：
4.3.4滾珠絲杠副在高速和定工作載荷的情況下的選用
如前所訴，滾珠絲杠副在高速或較高速的情況下工作時，它的失效形式主要是螺紋滾道或滾珠表面的疲勞點蝕。滾珠絲杠副抵抗疲勞點蝕的能力用額定動載荷表示。實驗研究表明，滾珠絲杠副的額定動載荷與使用壽命的關系為：
式中 ——額定動載荷，N
——滾珠絲杠副的軸向載荷，N
——滾珠絲杠副的額定壽命，轉
由上式可見，對于選定的滾珠絲杠副而言，它的使用壽命與其所承受的軸向載荷的三次方成反比，即它所承受的軸向載荷越大則其使用壽命越短。
對于在轉速，和工作壽命時間T一定的條件下，滾珠絲杠副的總轉速N為：
式中 ——平均轉速，
——使用壽命時間，
對應的工作壽命為：
在生產實際中常以小時數表示額定的工作壽命，則得以小時計算的滾珠絲杠副的壽命為：
式中 ——工作壽命各類機械對滾珠絲杠副的壽命要求，——額定壽命(轉),具體參數可以參照下表4.1
表4.1各類機械對滾珠絲杠副的壽命要求及壽命系數
機械類別
壽命L（h）
壽命系數K
普通機械
5000～10000
2.15～2.71
普通金屬切削機床
10000
2.71
數控和精密機械
15000
3.11
測試機械和儀器
15000
3.11
航空機械
1000
1.26
由上表和知選中的滾珠絲杠的壽命是合乎要求的。
在高速或定載荷的情況下滾珠絲杠的工作壽命所對應的計算動載荷值為：
式中 ——滾珠絲杠副軸向進給切削力，N
——運轉系數，此處取1.2
——精度系數，絲杠副精度等級選3級，則精度系數為1
對于選用的滾珠絲杠副，其計算動載荷應滿足下列條件：
4.3.5滾珠絲剛副在受動載荷的情況下的選用
車床在運行過程中，難免存在一定的沖擊振動，溫度等因數也會引起硬度的變化，這些都會對滾珠絲杠副的壽命產生影響，所以應對其進行計算。在此情況下滾珠絲杠副的計算動載荷值可按下式計算：
式中 ——壽命系數，參照表4.1選取。此處選
——轉速系數，取
——載荷性質系數，參照表4.2選取。此處選
——動載荷硬度影響系數，參照表5.3選取。此處選
——軸向工作載荷，N
表4.2載荷性質系數
載荷性質
系數K
平穩(wěn)或輕微沖擊
1.0～1.2
中等沖擊
1.2～1.5
教大沖擊或振動
1.5～2.5
表5.3硬度影響系數
硬度（HRC）
58
55
52.5
50
47.5
45
40
動載荷硬度影響系數
1.0
1.11
1.35
1.56
1.92
2.4
3.85
靜載荷硬度影響系數
1.0
1.11
1.40
1.67
2.1
2.65
4.5
同在高速和定工作載荷情況一樣，按使用壽命選用選用滾珠絲杠副尺寸系列時，其額定動載荷值應等于或大于計算動載荷值，即應滿足下列條件：
4.3.6按額定靜載荷選用滾珠絲杠副
滾珠絲杠副在低速（）下工作時，其主要失效形式螺紋滾道或滾珠表面產生較大的塑性變形。而滾珠絲杠副抵抗塑性變形的能力用額定靜載荷表示。當滾珠絲杠副的工作載荷是靜載荷或其轉速小于10r/min時，則應按額定靜載荷選用滾珠絲杠副的尺寸系列。其計算靜載荷值應按下式計算：
對于按額定靜載荷所選用的滾珠絲杠副，應使其額定靜載荷值大于或等于計算靜載荷值。即應滿足下式：
式中 ——額定靜載荷值，N
——計算靜載荷值，N
——載荷性質系數，可從表4.2中查出
——靜載荷硬度影響系數，可從表5.3中查出
——軸向工作載荷，N
4.3.7滾珠絲杠副的選型
應該指出的是按上述3種情況選用的滾珠絲杠副的主要尺寸和預緊力對滾珠絲杠副的傳動特性是有一定影響的。
從滾珠絲杠副的尺寸系列表中可見，滾珠絲杠副的主要尺寸參數是公稱直徑和基本導程。上述的，的確定和所加預緊力的大小對該絲杠副的傳動特性，如剛度、傳動精度、驅動力矩和使用壽命等均有密切的關系。因此，在選擇滾珠絲杠副的系列尺寸時，需要加以全面的考慮。現就滾珠絲杠副的主要尺寸參數，和所加預緊力對其剛度、傳動精度、驅動力矩和使用壽命等的影響情況列表4.4中比較說明：
表4.4滾珠絲杠副的主要尺寸對其傳動精度的影響
主要尺寸參數
剛度
位移
精度
慣量
驅動力矩
壽命
公稱
直徑
增大
增大
——
增大
增大
——
減小
減小
——
增大
減小
——
基本
導程
增大
增大
降低
減小
增大
延長
減小
減小
增高
增大
減小
降低
預緊力
增大
增大
增大
——
增大
降低
減小
減小
降低
——
減小
增高
根據上述的計算和分析結合滾珠絲杠副的尺寸系列或產品樣本就可以初選滾珠絲杠副的型號了。在此次的改造中選用江漢絲杠廠的HJG—S系列滾珠絲杠副。該系列絲杠結構先進，性能良好。與老結構相比，軸向、徑向尺寸都有明顯的縮小，機械效率可達90%～95%，比梯形絲杠的效率提高了3倍左右。通過查機械手冊表可以知道2506-3內循環(huán)單螺母滾珠絲杠副，額定動載荷為12945N，額定靜載荷為29026N。
4.3.8滾珠絲杠副的剛度驗算
對于精密傳動的滾珠絲杠副通常要進行剛度驗算。而滾珠絲杠副的剛度主要取決于該滾珠絲杠副在載荷的情況下，絲杠的軸向變形，滾珠與滾道間的接觸變形和支撐絲杠的軸承的軸向接觸變形的大小。
1）絲杠副的軸向變形量
滾珠絲杠副的軸向變形，當絲杠長度L較大時，它在滾珠絲杠副總的軸向變形量中所占的比重較大。其軸向變形量的大小與滾珠絲杠副的支承方式有很大關系。在此次改造中選用一端固定，一端浮動，三點支承的形式。
所以滾珠絲杠副的軸向變形量為：
式中 ——軸向進給切削力引起導程的變化量
——軸向進給切削力，N
——滾珠絲杠材料的彈性模量，對于鋼
A——滾珠絲杠的橫截面積
由于滾珠絲杠一端采用推力球軸承支承，又因滾珠絲杠進行了預緊，故絲杠的剛度可比一端固定的絲杠提高4倍左右。所以其實際變形量為：
2）滾珠與螺紋滾道間接接觸變形
對于滾珠絲杠副，其滾珠與螺紋滾道在工作過程中會產生接觸變形，該變形量在
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總的變形量中也占有較大的比重。應該注意的是滾珠與螺紋滾道間接接觸變形在有無預緊時的變形量是有很大區(qū)別的，在本次改造中因為滾珠絲杠要進行預緊，所以應按下式計算：
式中 ——軸向進給切削力，N
——預緊力，N（一般取的1/3）
——滾珠直徑，mm
——工作螺母的滾珠數目。
——圈數
——列數
——一圈的滾珠數目
其中一圈的滾珠數目不可能為小數，所以取整為19。
——滾珠絲杠的公稱直徑
3）支承滾珠絲杠副軸承的軸向變形
由于滾珠絲杠副大都采用滾動軸承支承，次改造也不例外。在實際應用中，如果支承滾珠絲杠副的軸承剛度不足，將會影響到整個傳動系統(tǒng)的精度。為了保證絲杠副的工作性能，必須提高支承滾珠絲杠副軸承的剛度。在眾多軸承系列中，推力球軸承能較大提高軸向剛度，所以在此改造中選用推力球軸承。但是，支承滾珠絲杠副的推力球軸承仍會產生一定的變形量，此變形量對整個剛度還是有較大影響。其變形量的計算過程：如下：
式中 ——軸承的軸向載荷，N
——軸承的滾動體數目
——軸承的滾動體直徑
因為傳動系統(tǒng)進行了預緊，所以
除上述變形外，螺母座及軸承支座（含緊固螺釘）的變形也會影響到滾珠絲杠副的剛度。但是，該變形量的計算較為困難，一般根據滾珠絲杠副的精度要求在結構上盡量增強螺母座及軸承剛度，而不做變形量的計算。
所以，滾珠絲杠副的剛度驗算，主要是校核絲杠副的軸向變形量、滾珠與螺紋滾道間接接觸變形和支承滾珠絲杠副軸承的軸向變形三者之和不大于滾珠絲杠副傳動精度所允許精度的一半。即：
絲杠副的傳動精度等于機床定位精度的0.8倍，所以
由上式可知，滾珠絲杠副的剛度是符合要求的。
4.3.9滾珠絲杠副的穩(wěn)定性驗算
由于在此次改造中滾珠絲杠副采用一端推力球軸承支承一端固定的支承方式，不會產生失穩(wěn)現象，所以不用做絲杠的穩(wěn)定性驗算。通過上述的驗算分析，所選滾珠絲杠副完全符合使用要求。
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第五章 減速器的設計計算
為了減小沖擊和調整步進電機的輸出速度，在步進電機和絲杠之間加一個減數器。在此只對減速器的齒輪做設計，其他部件如支承齒輪的軸和軸承等根據實際情況而定。
由設計要求可知橫向進給系統(tǒng)的脈沖當量步，滾珠絲杠的導程為6mm,初選的步進電機的步進角為，由此可計算傳動比如下：
（5.1）
式中 ——電動機步距角
——滾珠絲杠導程
——步進電機步距角
由上式可知，橫向傳動系統(tǒng)的傳動比為5/2，小于5，所以可以選擇一級傳動。大小齒輪均采用45鋼并進行調質處理。選小齒輪硬度HBS為260～290，大齒輪硬度為HBS220～250。齒輪副精度選為6級。
由傳動比公式可知大小齒輪 的齒數有多種分配方式，但是在此次改造任務中要盡量減小減速器的重量和合適的外觀尺寸。綜合考慮下做出如下選擇：
中心距：
在這次設計中為了減小減速器的外觀尺寸，所以大小齒輪均采用懸臂布置，由此可確定齒寬系數為0.2，故大齒輪的齒寬為：
由式5—10取
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第六章 步進電機的選型及計算
目前在伺服驅動系統(tǒng)中常用的是步進電機、電液脈沖馬達、直流伺服電機和交流伺服電機等設備。在此次改造設計中選用步進電機作為伺服驅動設備，它與其他設備相比有如下優(yōu)點：
① 步進電機的轉速僅取決于脈沖頻率，而不受電壓高低、電流大小及波形的影響。
② 可以開環(huán)控制，也可閉環(huán)控制，控制靈活。開環(huán)控制不需要位置或速度的檢測元件，系統(tǒng)結構簡單，能方便的控制脈沖的個數和脈沖的頻率實現定位和調速。采用位置反饋和速度反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，不僅可以控制精確的位置和平穩(wěn)的轉速，而且擴大了步進電機的應用領域。
③ 輸出轉角（步距角）沒有長期積累誤差。每轉一圈，積累誤差會自動消除。
④ 啟動、停止、反轉及其他運行方式的改變，都可以在少量的脈沖周期內完成，并具有定位轉矩。
選用步進電機主要考慮三個問題，一是步距角要滿足系統(tǒng)脈沖當量的要求；二是滿足最大靜轉矩的要求；三是啟動轉矩與啟動頻率、工作運行轉矩與運行頻率必須滿足所選電機型號相應的啟動矩頻特性和工作矩頻特性。
6.1等效轉動慣量的計算
傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總傳動慣量可由下式計算：
式中 ——總轉動慣量，
——小齒輪轉動慣量，
——大齒輪轉動慣量，
——滾珠絲杠轉動慣量，
——電動機的轉動慣量，
——工作臺轉動慣量，
轉動慣量可以按下式計算：
小齒輪轉動慣量：
大齒輪轉動慣量：
滾珠絲杠轉動慣量：
電動機的轉動慣量：
初選反應式步進電機為110BF，由此可知電動機的轉動慣量為4.7 。
工作臺轉動慣量：
所以傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總傳動慣量為：
6.2根據脈沖當量和最大靜轉矩初選電機型號
6.2.1步距角
初選步進電機型號為110BF003，并從步進電機技術參數表（見《機電設計指導》）中查出步距角或。
從式5.1可知，步距角、減速比、脈沖當量和絲杠導程有如下關系：
初選電動機型號時要合理選擇步距角和傳動比。結合分析和式5.1可以確定電動機的步距角為1.5
6.2.2矩頻特性
1)空載啟動所需力矩
步進電機空載啟動是指電動機在沒有外加工作載荷情況下的啟動。步進電機所需的空載力矩可按下式計算：
式中 ——空載啟動力矩，
——空載啟動時運行部件由靜止升速到最大快進速度折算到電機 軸上的加速力矩
——空載啟動時折算到電機軸上的摩擦力矩，
——由于絲杠預緊折算到電機軸上的附加摩擦力矩
加速力矩計算：
式中 ——傳動系統(tǒng)各部件慣量折算到電機軸上的總等效轉動慣量
——為電機最大角加速度，
——與運動部件最大進給速度對應的電機最大轉速
——為運動部件從靜止啟動家加速到最大快速進給所需要的時間（一般為30ms）
——為運動部件最大快進速度
——脈沖當量
——電機步距角
折算到電機軸上的摩擦力矩的計算：
式中 ——運動部件總重量
——為導軌摩擦系數
——齒輪傳動比
——傳動總效率
——絲杠導程
附加力矩計算：
式中 ——滾珠絲杠預緊力
——滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，一般取大于或等于0.9
結合以上各式就可以得出步進電機空載啟動力矩了，計算結果如下：
2）快速移動時所需力矩
——快速移動所需力矩
——空載啟動時折算到電機軸上的摩擦力矩，
——由于絲杠預緊折算到電機軸上的附加摩擦力矩
3）最大切削負載時所需力矩
式中 ——附加摩擦力矩，
——摩擦力矩，
——折算到電機軸上的工作載荷，對于數控系統(tǒng)則是切削負載力矩， 按下試計算：
上式中的為沿進給方向的切削負載，因為車刀安裝在拖板上的刀架內，車刀受到的車削抗力將傳遞到進給拖板和導軌上，如下圖所示：
圖6.1車削時進給拖板上的載荷關系
從上述分析計算可以很明顯的看出在快速空載啟動、快速移動和最大切削負載三種工況下，以快速空載啟動所需力矩最大，故以此種情況作為選擇步進電機的主要依據。由步進電機技術參數表可查出初選電動機110FB003的最大靜轉矩，即：
步進電機的名義啟動轉矩最大靜轉矩有表6.1的關系：
表6.1步進電機名義啟動轉矩與最大靜轉矩關系
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
選擇步進電機為三相六拍，則步進電機的名義啟動轉矩為：
所選步進電機型號需滿足下式：
由計算結果可以明顯看出滿足。所以電機型號110BF003可作為選擇型號。但是還需進一步校核步進電機的啟動矩頻特性和運行矩頻特性。
6.3啟動矩頻特性和運行矩頻特性校核
步進電機有三種工況：啟動，快速進給運行，工進運行。
前面已經提出，這僅僅是指初選步進電機后檢查電機的最大靜轉矩是否滿足要求，還不能保證電機在快速啟動時會不會丟步。因此，還必須要對步進電機的啟動頻率進行校核。同理，電機的快進和工進時也不一定會不會丟步，所以在后面還要對電機的快進、工進的運行矩頻特性作校核。
6.3.1啟動矩頻校核
步進電機的啟動分突跳啟動和升速啟動，下面就分別作介紹：
1）突跳啟動
在零時刻（），步進電機的啟動頻率從零突跳為最大運行頻率，如圖6.2，即瞬間。但在實際應用中，突跳是不可能瞬間完成的，實際上突跳的過程極短，但是加速力矩會很大，啟動時丟步是無法避免的。因此，突跳啟動是很少用的。
圖6.2 步進電機的突跳啟動
2）升速啟動
步進電機從靜止狀態(tài)開始逐漸升速，在零時刻（），啟動頻率。在一段時間內，按一定的升速規(guī)律升速，如圖6.3。啟動結束時，步進電機達到最高運行速度，此時相應的運行頻率為，即當時，啟動過程結束，啟動頻率與最高運行頻率相等，即。在整個升速、勻速運行、降速過程中，步進電機所走的步數與應該完成的輸入指令脈沖總數相等。升速時間足夠長，啟動過程緩慢，空載啟動力矩中的加速力矩就不會很大，一般就不會出現丟步現象，但是降低了工作效率。升速時間過短，則步進電機啟動力矩中的加速力矩就會很大，就容易發(fā)生丟步現象了。所以需要校核啟動矩頻特性。
圖6.3步進的升速啟動
初選步進電機110BF003，從它的啟動頻矩特性曲線圖6.4中由前面計算出的空載啟動力矩值找出對應的啟動啟動頻率。
圖6.4 110BF003啟動矩頻特性
當啟動力矩，對應的啟動頻率。啟動頻率應小于允許的啟動頻率，即：
由步進電機的技術參數表可以看出型號為100BF003電機的允許啟動頻率為1500HZ。結合上面的分析可以看出所選電機升速啟動時是合乎要求的。如果，就必須采用適當的降速措施，如延長升速時間，直到滿足要求。
6.3.2運行矩頻校核
步進電機的運行分為快速進給運行和工作進給運行兩種情況，均要確?？爝M、工進都不丟步，下面就分別進行校核。
1）快速進給運行矩頻校核
步進電機在快速進給時，存在一最高運行頻率，可按下式計算：
快速進給時已不存在加速力矩，并且一般快進時處于空載，故快速進給力矩就可按下式計算：
從下圖6.5可以看到步進電機的運行矩頻特性曲線：
圖6.5 110BF003運行矩頻特性
已知快進力矩，可以在上圖中找出允許快進頻率為6000Hz以上。實際最高快進頻率應小于允許的快進頻率，即：
結合以上各式分析可知步進電機不會丟步。如果不滿足運行矩頻特性要求時，要降低快速進給速度或選擇型號更大的步進電機直到滿足運行矩頻特性要求。
2）工進運行矩頻特性校核
工進時電機的運行頻率為，可按下式計算：
式中 ——最大工作進給速度，m/min
工進時電機所需力矩如下式計算可知：
由圖6.5步進電機的運行矩頻特性曲線。對應的工進頻率查到的允許的工進運行力矩為，遠遠大于工進時電機所需力矩，所以電機不會發(fā)生丟步現象。
分析計算到此，可以證明此次所選電機110BF003是合乎要求的。
6.4步進電機的安裝尺寸
步進電機的安裝比較簡單，不帶機坐，用定位止扣進行定位安裝，以確保步進電機安裝的同軸度。
圖6.6步進電機的安裝尺寸
查步進電機安裝尺寸表可以確定如下尺寸：
軸徑 止扣直徑
螺孔、通孔
外徑 長度
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第七章 刀架的改造設計
7.1刀架改造的意義
刀架的改造實質上就是把原車床上的普通刀架拆除，換上自動換刀裝置。自動換刀裝置是數控車床上最普遍的一種輔助裝置，合理的選配電動刀架，并正確實施控制，能夠有效的提高勞動生產率，縮短生產準備時間，消除人為誤差，提高加工精度與加工精度的一致性等等。另外，加工工藝適應性和連續(xù)穩(wěn)定的工作能力也明顯提高。尤其是在加工幾何形狀較復雜的零件時，除了控制系統(tǒng)能夠提供相應的控制算法對執(zhí)行機構（如步進電動機）發(fā)出相應的控制指令外，很重要的一點是數控車床需配備易于控制的電動刀架，以便一次裝夾所需各種刀具，靈活、方便的完成各種幾何形狀的加工。
7.2自動換刀裝置形式的選擇
自動換刀裝置因數控車床的形式、工藝范圍和刀具的種類與數量不同而具有不同的形式，目前常用的是回轉刀架式和帶刀庫的自動換刀裝置。在本次改造當中，考慮到CA6140普通車床的實際結構情況，為了盡可能少的對原機床機械部分作改動，以及減小工作量、成本等因素，選用回轉刀架。
回轉刀架也稱為塔式刀架，它是數控車床上最常用，也最簡單的一種自