CA6140普通車床進(jìn)行數(shù)控改造設(shè)計（全套含CAD圖紙、說明書）

CA6140普通車床進(jìn)行數(shù)控改造設(shè)計（全套含CAD圖紙、說明書）,ca6140,普通,車床,進(jìn)行,數(shù)控,改造,設(shè)計,全套,cad,圖紙,說明書,仿單 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院2007屆畢業(yè)（論文）目 錄一、緒論11 引言. .112機床數(shù)控改造的目的. . 213數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展. .2131數(shù)控系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展.2132數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢.214CA6140的數(shù)控改造. .4141數(shù)控系統(tǒng)的選擇.4142CPU和存儲器.5143I/O接口線路.6144其他部件的選擇.6二、 數(shù)據(jù)參數(shù)的選擇及其計算21 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算. .7211選擇脈沖當(dāng)量.7212計算切削力.7213 滾珠絲杠螺母副的計算和選型.8214齒輪及步進(jìn)電機的有關(guān)計算.1022橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算.12221 切削力計算.12222滾珠絲杠設(shè)計計算.12223齒輪及步進(jìn)電機的有關(guān)計算.1423 自動刀架的設(shè)計.15231刀架的回轉(zhuǎn)和選位. .16232減速機構(gòu)的設(shè)計計算. .17233蝸桿傳動的設(shè)計計算. .20234螺旋升降裝置的設(shè)計計算.23三、數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計31概述. . . . .2732單片機控制系統(tǒng)設(shè)計.28321主要技術(shù)特性及硬件配制.28322存儲空間的分配.28323 I/O地址分配.28324單片機部分電路設(shè)計圖如圖紙所示.29325光電隔離電路.29326功率放大電路.29327其他輔助電路. .30四、軟件設(shè)計部分41概述. . . . .3042總體方案設(shè)計.3143插補方法的確定.3144進(jìn)給控制字FCW的設(shè)置.33致謝 . .34參考文獻(xiàn).35一、緒論1.1引言隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量不斷提高，產(chǎn)品的更新?lián)Q代也不斷加速，因此對機床不僅要求具有較高的精度和生產(chǎn)率，而且應(yīng)能迅速地適應(yīng)產(chǎn)品零件的變換。生產(chǎn)的需要促使了數(shù)控機床的產(chǎn)生，隨著電子技術(shù)，特別是計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床迅速的發(fā)展起來。 從第一臺數(shù)控機床（1952年 美國）問世至今，機床的數(shù)控化率在不斷的提高。世界各工業(yè)國家已普遍生產(chǎn)和應(yīng)用，日本生產(chǎn)機床的數(shù)控化率在1988年就已達(dá)到70%。我國從開放搞活以來，加快了數(shù)控機床技術(shù)的引進(jìn)，促使我國的機床數(shù)控技術(shù)的普及和發(fā)展。當(dāng)前普遍應(yīng)用的微型計算機數(shù)控機床，它綜合了電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動化技術(shù)、測量技術(shù)和機械制造等方面的最新成果，是一種靈活高效的自動化機床，是機電一體化的典型產(chǎn)品之一。各大企業(yè)不斷設(shè)置數(shù)控機床擴大再生產(chǎn)和替換陳舊設(shè)備。數(shù)控機床的普及率不斷提高，這種情況下，普通機床的數(shù)控改造是否必要可從以下幾點說明。數(shù)控機床可以較好地解決形狀復(fù)雜、精密、小批多變零件的加工問題，能夠穩(wěn)定的加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率，但是應(yīng)用數(shù)控機床還是受到其他條件的限制。數(shù)控機床價格昂貴，一次性投資巨大，對中小企業(yè)常是力不從心。目前各企業(yè)都有大量的普通機床，完全用數(shù)控機床替換根本不可能，而且替代的機床閑置起來又造成浪費。國內(nèi)訂購新數(shù)控機床的交貨周期一般較長，往往不能滿足生產(chǎn)需要。通過數(shù)控機床對具體生產(chǎn)有多余功能。要較好地解決上述問題，應(yīng)走普通車床數(shù)控改造之路，從一些工業(yè)化國的經(jīng)驗者，機床的數(shù)控改造也必不可少，數(shù)控改造機床占有較大比例。如：日本的大企業(yè)中有近30%的機床經(jīng)過數(shù)控改造，中小企業(yè)則是70%以上。在美國有許多數(shù)控專業(yè)化公司為世界各地提供機床數(shù)控改造服務(wù)。我國作為機床大國-為了提高機床的數(shù)控化率對普通機床進(jìn)行數(shù)控改造不失為一種良策。一些發(fā)達(dá)國家如德國、美國、 日本等就非常重視對舊機床的改造， 而且已形成了一個完善的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的改造體系。 由于技術(shù)的不斷進(jìn)步，機床改造已成為一個永恒的課題。 我國應(yīng)在這方面加大宣傳力度， 走出一條適合我國國情的機床的數(shù)控改造之路。機床數(shù)控改造節(jié)省資金，同購置新機床相比一般可節(jié)省6080的費用，大型及特殊設(shè)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(jié)構(gòu)進(jìn)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(xiàn)有地基。性能穩(wěn)定可靠， 因原機床各基礎(chǔ)件經(jīng)過長期時效，幾乎不會產(chǎn)生應(yīng)力變形而影響精度。機床經(jīng)數(shù)控改造后， 即可實現(xiàn)加工的自動化，效率可比傳統(tǒng)機床提高3-7倍。對復(fù)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(chǎn)準(zhǔn)備周期。因此，普通機床的數(shù)控不但存在的必要，而且大有可為，尤其對一些中小企業(yè)更是如此。1. 2機床數(shù)控改造的目的設(shè)備是企業(yè)發(fā)展生產(chǎn)技術(shù)和實現(xiàn)經(jīng)營目標(biāo)的物質(zhì)基礎(chǔ)。設(shè)備的技術(shù)性能和技術(shù)狀態(tài)不但直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，還關(guān)系工時、材料和能源的有效利用，同時對企業(yè)的經(jīng)濟效益也會產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。設(shè)備的技術(shù)改造和更新直接影響企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)品開發(fā)和市場開拓。因此，從企業(yè)產(chǎn)品更新替代、發(fā)展品種、提高質(zhì)量、降低能耗，提高勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益的實際出發(fā)，進(jìn)行充分的技術(shù)分析，有針對性的用新技術(shù)改造和更新現(xiàn)有設(shè)備，是提高企業(yè)素質(zhì)和市場競爭力的一種有效方法。據(jù)全國工業(yè)普查的統(tǒng)計資料介紹，截止到2000年底，數(shù)量較多涉及面較寬的金屬加工機床的擁有量約為384萬臺，其中役齡在6 15年約為153. 2萬臺，約占39. 9%，役齡在16a以上約為133. 7萬臺，約占34. 8%。這表明我國工業(yè)制造業(yè)的裝備，乃至各行各業(yè)的設(shè)備仍有相當(dāng)大數(shù)量比較落后，有待改造或更新。鑒于此，采用數(shù)控技術(shù)對普通機床進(jìn)行數(shù)控改造，尤其適合我國機床擁有量大，生產(chǎn)規(guī)模小的具體國情。1. 3數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展1. 3. 1數(shù)控系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展第二次世界大戰(zhàn)后，美國為革新飛機制造業(yè)中用于仿形機床的靠模和樣件的加工設(shè)備，開始研制新型機床。1952年，美國帕森斯公司與麻省理工學(xué)院伺服機構(gòu)實驗室合作，研制成功第一代數(shù)控系統(tǒng)。用于三坐標(biāo)立式銑床。其插補裝置采用脈沖乘法器，整個控制裝置由真空管組成。1959年，晶體管元件問世，數(shù)控系統(tǒng)中廣泛采用晶體管和印制板電路，從此數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)入第二代。 1965年，出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路，由于其體積較小，功耗低，抗干擾能力較強，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得到進(jìn)一步提高，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第三代。上述三代數(shù)控系統(tǒng)均為硬接線數(shù)控系統(tǒng)，稱為普通數(shù)控系統(tǒng)o隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了以小型計算機替代專用硬接線裝置，以控制軟件實現(xiàn)數(shù)控功能的計算機數(shù)控系統(tǒng)，使數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)入第四代。1970年前后，美國英特爾公司首先開發(fā)和使用了四位微處理器，1974年美、日等國首先研制出以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng)，由于中、大規(guī)模集成電路的集成度和可靠性高、價格低廉，所以微處理器數(shù)控系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。這就是微機數(shù)控系統(tǒng)，從而使數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)入了第五代。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)為了進(jìn)一步擴展功能，增強實時控制能力和可靠性，常采用多微處理器結(jié)構(gòu)，由多個微處理器構(gòu)成功能模塊，各功能模塊之間的互連與通信，或采用共享總線結(jié)構(gòu)，或采用共享存貯器結(jié)構(gòu)。1.3.2數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢1、向高速度、高精度發(fā)展現(xiàn)代機床數(shù)控系統(tǒng)多采用32位CPU和多CPU并行技術(shù)，使運算速度得了很大的提高。與高性能數(shù)控系統(tǒng)相配合，現(xiàn)代數(shù)控機床采用了交流數(shù)字伺服系統(tǒng)。伺服電機的位置、速度和電流環(huán)都實現(xiàn)了數(shù)字化。數(shù)控系統(tǒng)的聯(lián)動軸數(shù)多達(dá)9個，使機床可以加工較復(fù)雜的空間線型或型面。2、可靠性的提高由于現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的模塊化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化，便于組織批量生產(chǎn)，故可保證產(chǎn)品質(zhì)量?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)大量采用大規(guī)模集成電路，采用專用芯片及混合式集成電路，提高了集成度，減少了元器件數(shù)量，提高了可靠性。3、采用自動程序編制技術(shù)現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)利用其自身很強的存貯及運算能力，把很多自動編程功能植入數(shù)控系統(tǒng)。在一些新型的數(shù)控系統(tǒng)中，還裝入了小型工藝數(shù)據(jù)庫，使得數(shù)控系統(tǒng)不僅具有在線零件程序編制功能，而且可以在零件程序編制過程中，根據(jù)機床性能，工件材料及零件加工要求，自動選擇最佳刀具及切削用量。1.4 CA6140的數(shù)控改造本設(shè)計任務(wù)是對CA6140普通車床進(jìn)行數(shù)控改造。利用微機數(shù)控系統(tǒng)改造縱、橫向進(jìn)給系統(tǒng)，進(jìn)行開環(huán)控制，縱向脈沖當(dāng)量0.01mm/脈沖，橫向為0.005mm/脈沖。驅(qū)動元件采用直流步進(jìn)電機，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠。 1.4.1數(shù)控系統(tǒng)的選擇 數(shù)控系統(tǒng)是機床的核心，在選擇時，要對其性能、 經(jīng)濟性及維修服務(wù)等進(jìn)行綜合考慮，盡量選用名牌產(chǎn)品。 根據(jù)被改機床的結(jié)構(gòu)、 性能及被加工零件的精度來選擇數(shù)控系統(tǒng)。 既要功能相匹配，又要盡量減少過剩的數(shù)控功能。 這樣一方面可避免資金浪費，另一方面也可避免因數(shù)控系統(tǒng)復(fù)雜而增加的故障率。 目前數(shù)控系統(tǒng)主要有三種類型：步進(jìn)電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)；異步電機或直流電機拖動光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)； 交 / 直流伺服電機拖動編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。其中步進(jìn)電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)， 其伺服驅(qū)動裝置主要是步進(jìn)電機、 功率步進(jìn)電機、 電液脈沖馬達(dá)等。該系統(tǒng)位移精度較低， 但結(jié)構(gòu)簡單、 調(diào)試維修方便、質(zhì)量穩(wěn)定可靠、成本低、抗干擾性能強、 對環(huán)境室溫要求不高，易改裝成功。 適用于精度要求一般的中小型機床的改造，也是目前數(shù)控改造中應(yīng)用最為廣泛的一種。 異步電機或直流電機拖動光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)控制精度高，但在結(jié)構(gòu)上比開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)復(fù)雜， 工作量大，成本也高， 調(diào)試?yán)щy， 一般不采用。 交 / 直流伺服電機拖動編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)， 其精度介于前二者之間，結(jié)構(gòu)與調(diào)試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡單，適用于控制精度要求較高的大、 中型機床的改造?？傮w方案確定為用MCS51系列單片機對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，由I/O接口輸出步進(jìn)脈沖，經(jīng)一級齒輪減速，帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)縱橫向進(jìn)給運動。示意圖如圖1所示。圖1由于設(shè)計的是經(jīng)濟型車床的改造，所以在考慮具體的方案時，其本原則是在滿足需要的前提下，對于機床盡可能減少改動量，以降低成本。8031單片機在數(shù)控改造應(yīng)用較普通，各種應(yīng)用軟件較多，系統(tǒng)開發(fā)較容易，且其價格低廉，抗干擾性強，可靠性高，速度快，指令系統(tǒng)的效率高，體積小，最適宜用來開發(fā)簡易和小型專用的數(shù)控裝置。1.4.2 CPU和存儲器由于8031無片內(nèi)程序存儲器,需要擴展外部程序存儲器,同時,8031內(nèi)部只有128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器,也不能滿足控制系統(tǒng)的要求,故擴展了兩片2764的程序存儲器和一片6264數(shù)據(jù)存儲器。8031芯片的P0和P2用來傳送外部存儲器的地址和數(shù)據(jù),P2口傳送高八位地址,P0口需傳送低八位地址和數(shù)據(jù),所以要采用74LS373地址鎖存器,鎖存低八位地址,ALE作為選通信號。8031芯片的P2和74LS373送出的P0口低八位地址共同組成16位地址,2764和6264芯片都是8KB,需要13根地址線,A0A7低八位接74LS373的輸出,A8A12接8031芯片的P2.0P2.4,系統(tǒng)采用全地址譯碼,兩片2764芯片片選信號CE分別接74LS138譯碼器的Y0和Y1,系統(tǒng)復(fù)位后程序從0000H開始執(zhí)行。6264的片選信號CE也接74LS138譯碼器的Y2(單片機擴展系統(tǒng)允許程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨立編址)、8031芯片控制信號PSEN接2764的OE引腳,讀寫控制信號WR和RD分別接6264芯片的WE和OE,以實現(xiàn)外部數(shù)據(jù)存儲器的讀寫。由于8031芯片內(nèi)沒有ROM故EA須接地。1.4.3 I/O接口電路由于8031只有P1和P3口部分能提供用戶作為I/O口使用,不能滿足輸入輸出口的需求,因而系統(tǒng)擴展了兩片8155可編程輸入輸出接口電路。8155的片選信號CE分別接74LS138的Y3和Y4,74LS138譯碼器的三個輸入端A、B、C分別接到8031的P2.5、P2.6、P2.7。I/O接口與外設(shè)的聯(lián)接是這樣安排的:8155(1)芯片的PA0PA5為面板上的選擇開關(guān);PB0PB7是各種運行的點動控制;PC0PC3發(fā)出刀位信號,控制刀架電機回轉(zhuǎn),到達(dá)指定的刀位,刀架夾緊之后,發(fā)出換刀回答信號,經(jīng)8155(1)的PB5輸入計算機,控制刀架開始進(jìn)給。8155(2)芯片的PA0PA7為Z、X向電機輸出驅(qū)動脈沖,PB0PB3是鍵盤掃描輸入,PB4PB7的輸出是X!Y向的限位控制,PC0PC5是顯示器的位選信號,顯示器的段選信號由8031的P110P117控制。1.4.4 其它部件的選擇直流步進(jìn)電動機參照金屬切削機床設(shè)計簡明手冊選取。滾珠絲杠選取FD系列，北京機床廠產(chǎn)品。為內(nèi)循環(huán)雙螺母墊片預(yù)進(jìn)，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，裝卸方便、剛度高?？v向進(jìn)給機構(gòu)的改造。拆除原機床的進(jìn)給箱和溜板箱，在原機床進(jìn)給箱處安裝齒輪箱體，滾珠絲杠仍安裝在原絲杠位置，采用原固定方式。橫向進(jìn)給機構(gòu)改造。拆除原手動機構(gòu)，用于微進(jìn)給和機床刀具對零件操作，原有的支承結(jié)構(gòu)也保留。步進(jìn)電機、齒輪箱體安裝在機床后側(cè)。縱橫向進(jìn)給機構(gòu)都采用了一級齒輪減速，調(diào)隙齒輪用于消除齒輪傳動中的間隙，以提高數(shù)控機床進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動精度。在原溜板箱處安裝縱、橫向快速進(jìn)給按鈕和急停按鈕，以適應(yīng)機床調(diào)整時的操作需要和遇到意外情況時的緊急處理需要。CA6140車床數(shù)控改造總布置圖如圖6所示。二、數(shù)據(jù)參數(shù)的選擇及其計算2.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)得設(shè)計計算 工作臺重量：80kg 時間常數(shù)：T=25ms 滾珠絲杠導(dǎo)程：S=6mm 行程：L=1200 mm 脈沖當(dāng)量：=0.018mm/step 步距角：=0.75/step 快速進(jìn)給速度：Vmax=2m/min 加工最大直徑：=400 mm 加工最大長度：1000 mm 溜板及力架重力：800N 刀架快段速度：2.4 m/min 最大進(jìn)給速度：0.6 m/min 主電機功率：7.5KW 起動加速時間：30 ms 機床定位精度0.015 mm2.1.1 選擇脈沖當(dāng)量：根據(jù)機床精度要求確定，縱向0.01mm/步。2.1.2 計算切削力：縱車外圓;由文獻(xiàn)可知切削功率Nc=Nk式中：N電動機功率7.5KW主動系統(tǒng)總功率一般為0.60.7 取=0.65K進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù)：取0.96Nc=NK=7.50.650.96=4.68KW又因Nc=FzV/6120 有Fz=6120Nc/V式中V切削速度取100m/min主切削力Fz=61204.68/100=286.416kgf=2806.88N由參考文獻(xiàn)二可知，主切削力Fz=CFzapXFzfYFzkTfz查表:Cfz=188kgf mmXFz=1 YFZ=0.75 KTfz=1則可計算如下表:ap (mm)222333F(mm)0.20.30.40.20.30.4Fz(kgf)112.5152.4189.1168.7228.7283.7當(dāng)Fz=283.7 kgf時，切削深度ap=3mm，走刀量f=0.4 mm，此參數(shù)作為下邊計算用，由參考文獻(xiàn)一得一般外圓車削時Fx=(0.10.6) Fz Fy=(0.150.7)FzFx=0.5 Fz=0.5286.416=143.208 kgf=1403.44 N Fy=0.6 Fz=0.6286.416=171.8496 kgf=1684.1 N橫切端面：主切削力Fz（kgf）可取縱切的1/2Fz= Fz1/2=143.208 kgf=1403.44 N取Fx=0.6 Fz=0.6143.208=85.9248 kgf=842.06 NFy=0.5 Fz=0.5143.208=71.604 kgf=701.72 N2.1.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型：縱向進(jìn)給絲杠 計算進(jìn)給率引力Fm（N）縱向進(jìn)給為綜合導(dǎo)軌Fm=KFx+f（Fz+G）式中K考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)綜合導(dǎo)軌取K=1.15f滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)0.150.18，取0.16G溜板及力架重力：800 NFm=KFx+f(Fz+ G)=1.151403.44+0.16(2806.88+800)=2191.06 N 計算最大的負(fù)載CC= Fm fwL1/3 其中L=60nT/10 n=1000Vs/L0其中 L0滾珠絲杠導(dǎo)軌。 初選L0=6 mm Vs最大切削力F的進(jìn)給速度可取最高進(jìn)給速度的（1/21/3），此外Vs=0.6m/min。 T使用壽命 按15000h f w運轉(zhuǎn)系數(shù)。按一般運轉(zhuǎn)取f w=1.21.5。 L壽命以106轉(zhuǎn)為1單位。 N=1000Vs/ L0=10000.60.5/6=50r/min L=60nT/10=605015000/10=45 C= Fm fwL1/3=451/31.22191.06=9352.04 N 滾珠絲杠螺母副的選型。據(jù)北京機床研究所滾珠絲杠產(chǎn)品的樣本選取絲杠直徑40，選用型號為FD406123其額定動載荷為163000 N，精度等級E級，強度夠用。 傳動效率計算=tg/tg(+) 螺旋升角2 44=tg/ tg(+)= tg2 44/ tg(2 44+10)=0.94 剛度計算：滾珠絲杠受工作負(fù)載Fx引起的導(dǎo)程L0的變化量L1= Fm Fm/E F其中：L1在工作負(fù)載Fx作用下引起每一導(dǎo)程的變化量mm） Fm工作負(fù)載即進(jìn)給率引力NL0滾珠絲杠的導(dǎo)程（mm）E材料彈性模數(shù)對鋼E為20.6104（N/ mm2）S滾珠絲杠截面積（內(nèi)徑）（mm2）S=（d/2）2 d=d0+2e-2Rs=36.3789S=（d!/2）2=(36.379/2) 2 3.14=10.38mm其中 Rs=（0.510.56）Pw=1.836e=0.707(Rs-Dw/2)=0.025故L = Fm L0/E F=2191.060.6/20.610610.38=6.142810-6cm滾珠絲杠受扭轉(zhuǎn)引起的導(dǎo)程變化量L2 L2= L0/2+很小，忽略不計。 所以 L=L1+L2=L1=100L / L0=100/0.66.142810-6=10.238m查表知E紋精度絲杠允許誤差15m 10.238m15m剛度夠穩(wěn)定性校核： 滾珠絲杠兩端用推力球軸承，支承基本不變，穩(wěn)定性不存在問題。2.1.4 齒輪及步進(jìn)電機的有關(guān)計算：設(shè)計計算公式均來自參考文獻(xiàn)一 縱向傳動有關(guān)齒輪計算，傳動比ii=L0/360p=0.756/3600.01=1.25L0滾珠絲杠導(dǎo)程 步距角 p脈沖當(dāng)量故取 Z1=32 Z2=40 m=2mm b=18 =20 d1=mZ1=64mm d2= mZ2=80mm d1=d1+2ha*=68mm d2=84mm df1=d1-2hf=59mm df2=75mm d=d1+d2/2=72mm 縱向步進(jìn)電機計算傳動慣量的計算（）工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量J1=(180p/) 2W=（1800.001/3.140.75）280=0.468kgfcm2 （）絲杠轉(zhuǎn)動慣量 J2=7.81044.04150.0=29.95kgcm2()齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 J3=7.81046.441.8=2.355kgcm2 J4=7.81048.041.8=5.75kgcm2()電機轉(zhuǎn)動慣量很小可以忽略 總的轉(zhuǎn)動慣量為J J=1/22（J2+J4）+J1+J3=1/1.252（29.95+5.75）+2.355+0.468 =22.586kgcm2所需轉(zhuǎn)動力矩計算快速空載啟動時所需力矩M起 M起=Mamax+Mf+M0最大切削負(fù)載時所需力矩 M=Mat+Mf+M0+Mt快速進(jìn)給時所需力矩M= Mf+M0 式中 Mamax空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩 Mf折算到電機軸上的摩擦力力矩 M0由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力力矩 Mat切削時折算到電機軸上的加速度力矩Mt折算到電機軸上的切削負(fù)載力矩Ma=Jn/9.6T10-4Nm 當(dāng)n=nt時，Ma=Mamax nmax =Vmaxi/s=20001.25/6=416.7r/min Mmax=22.586416.7/9.60.02510-4=40.0138kgfcm 當(dāng)n=nt時，Ma= Mat s-導(dǎo)程6mm nt=nifi/s=10001000.41.25/3.14806=33.17r/min Mat=22.5833.17/9.60.02510-4=0.3112Nm=3.175kgfcm Mf=F0S/2i=fWS/2i 當(dāng)=0.8，f=0.16時 Mf=0.16800.6/23.140.825=1.223kgfcm M0=P0S/2i(1-02) 0=0.9，預(yù)加載荷P0=1/3FX,則 M0=FXS/6i(1-02)=143.2080.6(1-0.92)/63.140.81.25=0.866kgfcm Mt=FXS/2i=143.2080.6/23.140.81.25=13.68kgfcm所以，快速空載啟動所需力矩M=Mamax+Mf+M0=40.0138+1.223+0.866=42.10kgfcm切削時所需力矩M=Mat+Mf+M0+M0=3.175+1.223+0.866+13.68=18.95kgfcm快速進(jìn)給時所需力矩： M= Mf+M0=1.223+0.866=2.089kgfcm從以上數(shù)據(jù)分析，所需最大力矩Mmax發(fā)生在快速啟動時。步進(jìn)電機最高工作效率fmax=Vmax/60p=2000/600.01=3333.3Hz步進(jìn)電機的選擇 對于工作方式為三相六拍的步進(jìn)電機Tmax=Mmax/0.6=42.10/0.866=48.6kgfcm 查表選用110BF003型直流步進(jìn)電機，其最大靜轉(zhuǎn)矩是 800Ncm=48.6kgfcm該電機在3333.3Hz下啟動遠(yuǎn)達(dá)不到所需要的轉(zhuǎn)矩42.1kgfcm，所以采用高低壓功放電路，并在程序設(shè)計中有速度控制子程序以免啟停時發(fā)生失步現(xiàn)象。其矩頻特性滿足實際需要的轉(zhuǎn)矩。2.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算：由于橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算與縱向類似。所用的公式不在詳細(xì)說明工作臺重量：30kg時間常數(shù) ：T=25ms滾珠絲杠導(dǎo)程：S=6mm行程：L=226mm脈沖當(dāng)量：p=0.005mm/step步距角：=0.75/step快速進(jìn)給速度：Vmax=1m/min加工最大直徑：210mm刀架快移速度：1.2m/min最大進(jìn)給速度：0.3m/min主電機功率：7.5kw2.2.1 切削力計算：橫向進(jìn)給量為縱向的1/31/2，取1/2。則切削力約為縱向的1/2 Fz=1/2286.416kgf=143.208kgf在切斷工件時Fy=0.6Fz=0.6143.208=85.925kgf Fx=0.5Fz=0.5143.208=71.604kgf2.2.2 滾珠絲杠設(shè)計計算： 強度計算對于燕尾型導(dǎo)軌P=kFx+f(Fz+W+2Fy)取k=1.4 f=0.2 則Fm=1.471.604+0.2(143.2+30+285.925)=169.26kgfn=1000Vcs/L0=30r/minX壽命值：L=60ntT/106 則L=60nT/106=603015000/106=27Q=271/31.2169.26=609.33=5971.4N根據(jù)北京機床廠滾珠絲杠產(chǎn)品，選取滾珠絲杠公稱直徑為25，型號FD255123LH 其額定動載荷為23100N，所以強度足夠。 效率計算螺旋開角r=339 摩擦角 =10=tgr/tg(r+)=tg339/tg(339+10)=0.956 剛度驗算橫向絲杠支撐方式如下圖4，最大牽引力為169.25kgf,支撐間距L=450mm滾珠絲杠受工作負(fù)載P引起的導(dǎo)程L0的變化量為：d=d0+2e-2Rs=25+20.020.650.707-20.520.65 =21.96mmL1=PL0/EF其中 L0=5mm E=20.6106N/cm2 F=（d/2）2=3.79cm2 L1=169.259.80.5/20.61063.79 =10.6210-6滾珠絲杠受扭距引起的導(dǎo)稱變化量很小，可以忽略，故=L11/ L0=21.3m/m三級精度絲杠允許誤差為15m，所以剛度不夠，滾珠絲杠直徑亦不加大，采用貼塑導(dǎo)軌減小摩擦力，從而減小牽引力，則Q=1.471.6+0.04（143.208+30+285.925） =114.5kgfL=114.059.80.5/20.61063.79=7.1610-6=7.1610-6/0.5=14.32m/m此時剛度夠用 穩(wěn)定性計算由于選用的絲杠直徑和以前機床的絲杠的直徑相同，所以穩(wěn)定性不存在問題。2.2.3 齒輪及步進(jìn)電機的有關(guān)計算：傳動比：i=s/3600.005=0.755/3600.005=2.08取 Z1=24 Z2=50 m=2mm b=20mm =20 d1=48mm d2=100mm d1=52mm d2=104mm df1=43mm df1=95mm d=74mm轉(zhuǎn)動慣量計算 工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 J2=（1800.005/3.140.75）230=0.0438kgfcm2絲杠轉(zhuǎn)動慣量 JS=7.8-42.5445=1.37kgcm2齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 Jz1=7.8-44.842=0.828 kgcm2 Jz2=7.8-41042=15.6 kgcm2電動機轉(zhuǎn)動慣量忽略，總轉(zhuǎn)動慣量 J=1/22（JS+JZ2）+ JZ1+ JS=1/2.082（1.371+15.6）+0.8281+0.0438=4.79kgcm2 所需轉(zhuǎn)動力矩計算nmax=Vi/5=10002.08/5=416r/minMmax=Jnmax10-4/9.6T=4.7941610-4/9.60.025=0.83Nm=8.47kgfcmnt=n+i/s=1000Vfi/Ds=10001000.152.08/3.14805=24.84 r/minMat=4.7924.8410-4/9.60.025=0.0495 Nm=0.506 kgfcmMf=F0 S/2i=FWS/2i=0.2300.5/23.140.82.08=0.287 kgfcmM0=Fr S(1-02)/ 2i=85.9250.5（1-0.92）/23.140.82.08=0.781 kgfcmMt= Fr S/2i=85.9250.5/23.140.82.08=4.111 kgfcm快速空載起動所需轉(zhuǎn)矩M啟= Mamax+ Mf+ M0 =8.47+0.287+0.781=9.538 kgfcm切削時所需轉(zhuǎn)矩M切= Mat+M+ M0+ Mt =0.506+0.287+0.781+4.111=5.685 kgfcm快速進(jìn)給時所需轉(zhuǎn)矩 M快=Mf+M0=0.287+0.781=1.068kgfcm所需最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在快速啟動時 Mamax=9.538kgfcm 步進(jìn)電機最高工作效率fmax=Vmax/60p=1000/600.005=3333.3Hz 步進(jìn)電機的選擇 fe=1000Vs/60p=10000.5/600.005=1666.7Hz對于工作方式為三相六拍的步進(jìn)電機 Jmax=Mmax1/0.866=9.538/0.866=11.014kgfcm仍選用110FB003型步進(jìn)電機,便于設(shè)計和采購,同樣也用高低壓功放電路和速度控制子程序,防止失步。2.3 自動刀架的設(shè)計經(jīng)濟型數(shù)控車床一般都配有四工位自動回轉(zhuǎn)刀架,它是據(jù)微機數(shù)控系統(tǒng)改造傳統(tǒng)機床設(shè)備的需要,同時兼顧刀架機床上能夠獨立控制的需要而設(shè)計的。現(xiàn)有自動回轉(zhuǎn)刀,其結(jié)構(gòu)主要有插銷式和端齒盤式。由于刀架生產(chǎn)廠家無一標(biāo)準(zhǔn),因此,結(jié)構(gòu)、尺寸各異。由于目前使用較多的是端齒盤式四工位自動刀架,所以就選用端齒盤式四工位自動刀架。 從自動轉(zhuǎn)位刀架的工作原理可知，這類刀架由控制系統(tǒng)直接控制，刀架能自動完成抬起，回轉(zhuǎn)，選位，下降定位和壓緊這樣一系列的動作。下面依次討論刀架要完成上述過程的設(shè)計原理。刀架的抬起,利用螺紋傳動將旋轉(zhuǎn)運動變成軸向直線運動，從而達(dá)到抬起刀架的目的，在這種情況下完成這一功能的絲杠要豎直安放。在刀架的抬起過程中要防止刀架轉(zhuǎn)動這可通過設(shè)計一個帶有斜面的粗定位銷和定位銷槽的配合來完成，并使斜面間摩擦力產(chǎn)生的阻力矩，大于上述轉(zhuǎn)動摩擦力矩。2.3.1 刀架的回轉(zhuǎn)和選位刀架由一個微電機通過傳動系統(tǒng)來帶動刀架的轉(zhuǎn)動，軸線是豎直的而轉(zhuǎn)速比起微電機來要慢的多，由于電機空間條件限制必須臥式安裝，因此兩者的轉(zhuǎn)動軸線互相垂直或異面垂直，蝸輪蝸桿傳動比較適合于這場合刀架從抬起變成轉(zhuǎn)動的動作原理是：當(dāng)?shù)都芴鸬教囟ㄎ恢脮r由一個正在旋轉(zhuǎn)的撥塊帶動刀架轉(zhuǎn)動，因此刀架的抬起運動和轉(zhuǎn)動由同一傳動系統(tǒng)來先后完成。 刀架轉(zhuǎn)過一定角度后要選位看一看轉(zhuǎn)到這個位置的刀具是否符合加工要求，這一切是由于微機程序來實現(xiàn)具體的說當(dāng)?shù)都苻D(zhuǎn)動此位置時程序自動地將改位置的編碼與所需刀具編碼加以比較，若相同，該刀具就選定此位，否則再移動，重復(fù)上述過程。每次轉(zhuǎn)過的角度大小，由刀架的面體數(shù)量來確定由于設(shè)計的四工位刀架每次轉(zhuǎn)360/4=90度刀架編碼分別位00，01，10，11。刀架編碼信號的發(fā)出是由于裝在隨刀架一起轉(zhuǎn)動的微機電源開關(guān)來實現(xiàn)的微機開關(guān)的觸頭朝外它的開頭狀態(tài)由一個內(nèi)表面凸輪來控制凸輪實際上是只有一定半徑差的兩個內(nèi)圈弧表面微動開關(guān)觸頭與小半徑差的兩個內(nèi)圓弧表面接觸開關(guān)便接通與大半徑內(nèi)圓弧表面接觸開關(guān)便中斷與此對應(yīng)的信號分別是0和1所需要的微動開關(guān)數(shù)目等于編碼的位數(shù)即四方刀架有兩個微動開關(guān)，另外刀架編碼信號并非刀架轉(zhuǎn)到此位置時才發(fā)出的而是提前發(fā)出的當(dāng)?shù)都苻D(zhuǎn)到某個刀位時粗定位開關(guān)發(fā)信號，停轉(zhuǎn)微機進(jìn)行編碼比較，根據(jù)比較結(jié)果，或刀架選定此位，或繼續(xù)轉(zhuǎn)動，粗定位開關(guān)的通斷控制也是由一個類似于表面凸輪的定位槽來完成了刀架的下降定位和壓緊。刀架選定位置后斜面插入斜面槽中使之粗定位然后微機控制使微電機反轉(zhuǎn)由于斜面銷的棘輪作用，刀架不跟隨轉(zhuǎn)只是下降再由精定位元件來精定位。精定位元件選用端面齒盤來精定位齒盤齒廓部分的形狀精度可以從工藝上嚴(yán)加控制再經(jīng)過反復(fù)對研，即可得到很高的精度，由于端面齒盤定位位多齒接觸，接觸面積大因此它還有接觸剛度好，定位尺寸穩(wěn)定性好和壽命長等特點，此外這種元件允許刀架下降時有一定角度誤差。定位完畢需要壓緊刀架才能安全可靠地工作，壓緊力是由刀架下降到底后微電機繼續(xù)轉(zhuǎn)動產(chǎn)生，壓緊力大小應(yīng)是切削力大小兩倍以上而且應(yīng)能調(diào)整，當(dāng)壓緊力達(dá)到調(diào)整數(shù)值時使微電機停轉(zhuǎn)且始終能保持這一壓力直到下一動作循環(huán)的開始。 2.3.2 減速機構(gòu)的設(shè)計計算本減速機構(gòu)設(shè)計成告訴級齒輪傳動的一級直齒圓柱齒輪減速器。由經(jīng)濟型機床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計（張新義主編，北京：機械工業(yè)出版社，1994.7 第六章P335表632和表633已知電機功率為120w電機轉(zhuǎn)速為1400r/min 工作可靠30000次取為40000次換刀時間（270）為3.9s） 設(shè)傳動比為i=4.61. 選擇材料刀架為一般工作器，選常用材料及熱處理， 40cr表面淬火齒面硬度4855HRC取中間值52HRC 計算許用應(yīng)力選用齒面精度等級為5級精度（GB1009558） 初選小齒輪齒數(shù)Z119 大齒輪齒數(shù)Z2i*Z1=4.6*19=87.4 取Z288 實際齒數(shù)比Z2/Z188/19=4.632 齒數(shù)比誤差為|M理-M實|/M理=|4.632-4.6|/4.60.007 在允許范圍內(nèi)2按齒面接觸疲勞強度設(shè)計計算公式按式（66）d1t(2kT1/d)*(u+1)/u)*(Ze*Zh*Z/H) )0(1)確定計算參數(shù)T19.5510P1/n1=9.55100.16/1400N.mm=1.0910N.mm按齒數(shù)z119，z288查表615得10.741 20.845則120.7410.8451.586 因是直齒輪0故1.586查表67假設(shè)KaFt/b100N.mm 取K1.3據(jù)表66因為載荷穩(wěn)定電機驅(qū)動Ka1.0 據(jù)表69懸臂布置，取齒寬系數(shù)d0.5據(jù)圖611查得K1.26 試選Kvt1.05（下標(biāo)t表示試選）由式（62）KKAKVKK11.051.261.3=1.72由表（68）查得Ze189.8Mpa由表（610）查得齒輪接觸疲勞強度極限（大小齒輪硬度相同） hlim=1500Mpa計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N11400/6040004.4=4.110N2=4.110/4.632=8.910由圖632查得Zn11.6 Zn21.6(不允許出現(xiàn)點蝕)由611取安全系數(shù)Sh1.50由圖624工作硬化系數(shù)Zw1.0許用接觸應(yīng)力H1=HlimZn1Zw/Sh=15001.61/1.5=1600mpa H2=HlimZn1Zw/Sh=15001.61/1.5=1600mpa因為616 H1H21600Mpa,所以H1600Mpa由圖616查得Z0.89(2)計算d1t(2kT1/d)*(u+1)/u)*(Ze*Zh*Z/H)13.61重新校核，動載荷系數(shù)，齒輪速度Vd1n1/(601000)=13.411400/(601000)=0.98m/sVZ1/100=0.9819/100=0.1562m/s查圖68得Kr1.01與假設(shè)相差較大修正：d1(Kv/Kvt)d1t=(1.01/1.05) 13.41=13.24mm模數(shù)md1/Z=13.24/19=0.7mm按表63取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m1mm因此求得d1mz111919mm d2mz218888mmbdd10.519=9.5 圓整取大齒輪寬度 b213mm 小齒輪寬度 b110mm 校核原設(shè)計KAFt/b100N.mm查表67 Ft2T1/d=210.910/19=1.1510NKAFt/b=1.0115/13=38.3N.m100N.mm符合原設(shè)計3.校核齒根彎曲疲勞強度計算公式F2KT1/bd1mYF2YS2YF查表620得齒形系數(shù) YF1=2.85, YF2=2.22查圖621得應(yīng)力修正系數(shù) YS1=1.54, YS2=1.78查圖610（21） 得彎曲疲勞強度極限（大小齒輪硬度相同）Flim1000mpa取SF=2 (表611)（22）Yx1（由圖626（23）因M 5）查圖625（24）YN1YN2=2.5F1=FlimYN1YX/SF=10002.51/2=1250MPaF2=1250Mpa比較YF1YF1/F1=2.551.548/1250=0.004YF2YF2/F2=2.221.78/1250=0.003小齒輪較軟應(yīng)該按小齒輪校核彎曲疲勞強度查圖622（26）得重合度系數(shù)Y0.71 F2=2KT1/bd1mYfa2YSA2Y=21.719910.91410/101912.221.780.71=55.43MpaF1=1250Mpa所以彎曲疲勞強度足夠4.幾何尺寸計算（按金屬切削機床設(shè)計簡明手冊）(1) 分度圓直徑 d1mz111919mm d2mz218888mm(2) 齒頂高h(yuǎn)aha*M111mm(3) 齒根高h(yuǎn)f（ha*c*）M1.251=1.25mm(4) 齒高h(yuǎn)hahf11.25=2.25mm(5) 齒頂圓半徑da1d12ha19221mmda2d22ha=88+21=90mm(6) 齒根圓半徑df1=d1-2hf=19-21.25=16.5mmdf2=d2-2hf=88-21.25=85.5mm(7) 中心距a=1/2(d1+d2)=1/2(16.5+85.5)=51mm(8) 齒寬b2=13 b1=152.3.3 蝸桿傳動的設(shè)計計算已知電動功率為120w，所設(shè)計的減速器齒輪的齒面精度為5級,傳動效率為 98.5以上取99蝸桿的應(yīng)力循環(huán)系數(shù)為N1601. 選擇材料蝸桿用40Cr表面淬火，硬度4555HRC蝸輪用鑄錫青銅ZCUSN10P1砂模鑄造。2. 確定蝸桿頭數(shù)z1及蝸桿齒數(shù)ii30 取z11則z2z1*i130303. 按蝸桿齒面接觸疲勞強度進(jìn)行設(shè)計計算（1）確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)距T2按第三節(jié)推薦值 取0.7T2=9.55106P2/2=9.551060.160.70.99/304.6=69074N.mm（2）確定載荷系數(shù)K在定載荷下工作未定載荷下工作有沖擊，取K1 設(shè)蝸輪圓周速度為V23m/s 取Kv1.05 K=kKv=11.05=1.05(3) 確定許用應(yīng)力H, 查表75，基本許用應(yīng)力VH200Mpa，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N60n2tN，設(shè)此蝸輪蝸桿每日工作8小時工作壽命10年，每年工作260天。則N601400/138826010=1.26107壽命系數(shù)Zn（107/N）=(107/1.26107) =0.93許用接觸應(yīng)力 HZHOH0.97200=194Mpa(4)計算模數(shù)m以及蝸桿分度圓直徑d1鑄錫青銅與蝸桿配對時ZE=160(MPA) 由式（79）得 md19KT2（ZE/Z2）H)=91.0579074.36(150/30194)=570mm由表72 取m5，d163，q12.6 ，md11575 mm（5）驗算蝸桿圓周速度v2v2Z2Mn2/6010002251400/101/601000m/s0.083m/s取Kv1.05是合適的。（6）計算嚙合效率據(jù)式（71）得蝸桿導(dǎo)程角arctanZ/qarctan1/12.6=4.54 據(jù)式（72）得齒面相對滑動速度v2v1/cosr=d1n1/601000cosr=401400/4.6/601000coa5.71=0.64m/s查表（74）插值得當(dāng)量摩擦角v309嚙合效率1tanr/tan(r+v)=tan4.54/tan(4.54+235)=0.66(7) 按實際蝸轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)據(jù)T2驗算md值按蝸桿傳動嚙合效率，求T2T29.5510P11/n1/I9.55100.160.670.99/1400/12869152.9N.mm m1d1=9KT2(ZE/（Z2H）) =91.3769152.9（160/(22185)）=566.9mm640mm 齒面接觸疲勞強度合格。4確定傳動尺寸（按表73中的公式計算）（1）中心距am（qz2）/25(12.6+22)/2mm=86.5mm（2）蝸桿分度圓直徑 d163mm（3）蝸輪分度圓直徑 d2mz2522110mm5校核蝸桿齒根彎曲疲勞強度（1） 確定許用彎曲應(yīng)力F查表78基本許用應(yīng)力0F40Mpa 壽命系數(shù)YN(10/N)-9=(10/1.2610)-9=0.75 （2） 計算彎曲應(yīng)力當(dāng)量齒數(shù)zvz2/cosr=28/cos5.71=28.14查表 (7-7)得蝸桿齒形系數(shù)YF1.8由式（710）得f 1.53KT2cosr/(md1z2)YF1.531.0569152COS5.71/1640281.9311.1Mpa 30.1Mpa6.蝸輪齒根彎曲強度安全。蝸桿，蝸輪各部分尺寸計算(1)蝸桿齒頂高 ha1ha*m=15=5齒根高 hf1（10.2）56全齒高h(yuǎn)15611mm分度圓直徑 d163mm齒頂圓直徑 da1d12ha1632573mm齒根高直徑 dfd12hf632651mm蝸桿分度圓導(dǎo)程角 4.54432軸向齒距 Pam515.72mm桿導(dǎo)程 Pzz1Pa115.7215.72mm蝸桿螺紋部分長度L(12+0.1Z2)m=(12+0.122)5=71mm(2) 蝸輪齒頂高 ha25mm齒根高 hf2（ha*c*）m=(1+0.2)56mm全齒高 h2ha2hf25611mm分度圓直徑 d2mz2522110mm齒頂圓直徑 da2d22ha211025120mm齒根圓直徑df2=d2-2hf2=110-26=98mm分度圓螺旋角 24.54=432蝸輪外圓直徑