CA6140普通車床進(jìn)行數(shù)控改造設(shè)計(jì)（全套含CAD圖紙、說明書）
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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
1．1 引言.............................. ............1
1．2機(jī)床數(shù)控改造的目的.......................... ... 2
1．3數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展....................... .....2
1．3．1數(shù)控系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展.........................2
1．3．2數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢............................2
1．4CA6140的數(shù)控改造............... ................4
1．4．1數(shù)控系統(tǒng)的選擇................................4
1．4．2CPU和存儲器...................................5
1．4．3I/O接口線路...................................6
1．4．4其他部件的選擇...............................6
二、 數(shù)據(jù)參數(shù)的選擇及其計(jì)算
2．1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算............. ............7
2．1．1選擇脈沖當(dāng)量..................................7
2．1．2計(jì)算切削力....................................7
2．1．3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型...................8
2．1．4齒輪及步進(jìn)電機(jī)的有關(guān)計(jì)算.....................10
2．2橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算.........................12
2．2．1 切削力計(jì)算..................................12
2．2．2滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算............................12
2．2．3齒輪及步進(jìn)電機(jī)的有關(guān)計(jì)算....................14
2．3 自動(dòng)刀架的設(shè)計(jì)................................15
2．3．1刀架的回轉(zhuǎn)和選位................... ..........16
2．3．2減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算..................... ......17
2．3．3蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算..................... ......20
2．3．4螺旋升降裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算.......................23
三、數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
3．1概述............................ . . . .........27
3．2單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).............................28
3．2．1主要技術(shù)特性及硬件配制......................28
3．2．2存儲空間的分配..............................28
3．2．3 I/O地址分配................................28
3．2．4單片機(jī)部分電路設(shè)計(jì)圖如圖紙所示...............29
3．2．5光電隔離電路................................29
3．2．6功率放大電路................................29
3．2．7其他輔助電路........................... ......30
四、軟件設(shè)計(jì)部分
4．1概述................................. . . . ....30
4．2總體方案設(shè)計(jì)...................................31
4．3插補(bǔ)方法的確定.................................31
4．4進(jìn)給控制字FCW的設(shè)置...........................33
致謝 ............................... ..........34
參考文獻(xiàn)..........................................35
2
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
1．1 引言.............................. ............1
1．2機(jī)床數(shù)控改造的目的.......................... ... 2
1．3數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展....................... .....2
1．3．1數(shù)控系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展.........................2
1．3．2數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢............................2
1．4CA6140的數(shù)控改造............... ................4
1．4．1數(shù)控系統(tǒng)的選擇................................4
1．4．2CPU和存儲器...................................5
1．4．3I/O接口線路...................................6
1．4．4其他部件的選擇...............................6
二、 數(shù)據(jù)參數(shù)的選擇及其計(jì)算
2．1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算............. ............7
2．1．1選擇脈沖當(dāng)量..................................7
2．1．2計(jì)算切削力....................................7
2．1．3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型...................8
2．1．4齒輪及步進(jìn)電機(jī)的有關(guān)計(jì)算.....................10
2．2橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算.........................12
2．2．1 切削力計(jì)算..................................12
2．2．2滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算............................12
2．2．3齒輪及步進(jìn)電機(jī)的有關(guān)計(jì)算....................14
2．3 自動(dòng)刀架的設(shè)計(jì)................................15
2．3．1刀架的回轉(zhuǎn)和選位................... ..........16
2．3．2減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算..................... ......17
2．3．3蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算..................... ......20
2．3．4螺旋升降裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算.......................23
三、數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
3．1概述............................ . . . .........27
3．2單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).............................28
3．2．1主要技術(shù)特性及硬件配制......................28
3．2．2存儲空間的分配..............................28
3．2．3 I/O地址分配................................28
3．2．4單片機(jī)部分電路設(shè)計(jì)圖如圖紙所示...............29
3．2．5光電隔離電路................................29
3．2．6功率放大電路................................29
3．2．7其他輔助電路........................... ......30
四、軟件設(shè)計(jì)部分
4．1概述................................. . . . ....30
4．2總體方案設(shè)計(jì)...................................31
4．3插補(bǔ)方法的確定.................................31
4．4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(jī)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(jī)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(jī)床的產(chǎn)生，隨著電子技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床迅速的發(fā)展起來。
從第一臺數(shù)控機(jī)床（1952年 美國）問世至今，機(jī)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(jī)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(jī)床技術(shù)的引進(jìn)，促使我國的機(jī)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(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床，它綜合了電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、測量技術(shù)和機(jī)械制造等方面的最新成果，是一種靈活高效的自動(dòng)化機(jī)床，是機(jī)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(jī)床擴(kuò)大再生產(chǎn)和替換陳舊設(shè)備。數(shù)控機(jī)床的普及率不斷提高，這種情況下，普通機(jī)床的數(shù)控改造是否必要可從以下幾點(diǎn)說明。
數(shù)控機(jī)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(jī)床還是受到其他條件的限制。
⑴數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，一次性投資巨大，對中小企業(yè)常是力不從心。
⑵目前各企業(yè)都有大量的普通機(jī)床，完全用數(shù)控機(jī)床替換根本不可能，而且替代的機(jī)床閑置起來又造成浪費(fèi)。
⑶國內(nèi)訂購新數(shù)控機(jī)床的交貨周期一般較長，往往不能滿足生產(chǎn)需要。
⑷通過數(shù)控機(jī)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(yàn)者，機(jī)床的數(shù)控改造也必不可少，數(shù)控改造機(jī)床占有較大比例。如：日本的大企業(yè)中有近30%的機(jī)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(jī)床數(shù)控改造服務(wù)。我國作為機(jī)床大國-為了提高機(jī)床的數(shù)控化率對普通機(jī)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(jī)床的改造， 而且已形成了一個(gè)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(jī)床改造已成為一個(gè)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(jī)床的數(shù)控改造之路。機(jī)床數(shù)控改造節(jié)省資金，同購置新機(jī)床相比一般可節(jié)省60％~80％的費(fèi)用，大型及特殊設(shè)備尤為明顯。一般大型機(jī)床改造只需花新機(jī)床購置費(fèi)的 1/3 即使將原機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行徹底改造升級， 也只需花費(fèi)購買新機(jī)床60％的費(fèi)用， 并可以利用現(xiàn)有地基。性能穩(wěn)定可靠， 因原機(jī)床各基礎(chǔ)件經(jīng)過長期時(shí)效，幾乎不會產(chǎn)生應(yīng)力變形而影響精度。機(jī)床經(jīng)數(shù)控改造后， 即可實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，效率可比傳統(tǒng)機(jī)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(fèi)用，而且可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。因此，普通機(jī)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(jī)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(shí)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(shí)、材料和能源的有效利用，同時(shí)對企業(yè)的經(jīng)濟(jì)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(dòng)生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益的實(shí)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(jì)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(jī)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(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造，尤其適合我國機(jī)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(jī)制造業(yè)中用于仿形機(jī)床的靠模和樣件的加工設(shè)備，開始研制新型機(jī)床。1952年，美國帕森斯公司與麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)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(bǔ)裝置采用脈沖乘法器，整個(gè)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(qiáng)，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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了以小型計(jì)算機(jī)替代專用硬接線裝置，以控制軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)控功能的計(jì)算機(jī)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(jià)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(jī)數(shù)控系統(tǒng)，從而使數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)入了第五代?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)為了進(jìn)一步擴(kuò)展功能，增強(qiáng)實(shí)時(shí)控制能力和可靠性，常采用多微處理器結(jié)構(gòu)，由多個(gè)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(jī)床數(shù)控系統(tǒng)多采用32位CPU和多CPU并行技術(shù)，使運(yùn)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(jī)床采用了交流數(shù)字伺服系統(tǒng)。伺服電機(jī)的位置、速度和電流環(huán)都實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化。數(shù)控系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)軸數(shù)多達(dá)9個(gè)，使機(jī)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(dòng)程序編制技術(shù)
現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)利用其自身很強(qiáng)的存貯及運(yùn)算能力，把很多自動(dòng)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(jī)床性能，工件材料及零件加工要求，自動(dòng)選擇最佳刀具及切削用量。
1.4 CA6140的數(shù)控改造
本設(shè)計(jì)任務(wù)是對CA6140普通車床進(jìn)行數(shù)控改造。利用微機(jī)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?yàn)?.005mm/脈沖。驅(qū)動(dòng)元件采用直流步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)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(jī)床的核心，在選擇時(shí)，要對其性能、 經(jīng)濟(jì)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(jī)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(fèi)，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(jī)拖動(dòng)的開環(huán)系統(tǒng)；異步電機(jī)或直流電機(jī)拖動(dòng)光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)； 交 / 直流伺服電機(jī)拖動(dòng)編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。其中步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)的開環(huán)系統(tǒng)， 其伺服驅(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。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(qiáng)、 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(jī)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(jī)或直流電機(jī)拖動(dòng)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(jī)拖動(dòng)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(jī)床的改造。
總體方案確定為用MCS——51系列單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)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(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)縱橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。示意圖如圖1所示。
圖1
由于設(shè)計(jì)的是經(jīng)濟(jì)型車床的改造，所以在考慮具體的方案時(shí)，其本原則是在滿足需要的前提下，對于機(jī)床盡可能減少改動(dòng)量，以降低成本。
8031單片機(jī)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(jià)格低廉，抗干擾性強(qiáng)，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(kuò)展外部程序存儲器,同時(shí),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(kuò)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,A0~A7低八位接74LS373的輸出,A8~A12接8031芯片的P2.0~P2.4,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(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)允許程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨(dú)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(shí)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(kuò)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(gè)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PA0~PA5為面板上的選擇開關(guān);PB0~PB7是各種運(yùn)行的點(diǎn)動(dòng)控制;PC0~PC3發(fā)出刀位信號,控制刀架電機(jī)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(jì)算機(jī),控制刀架開始進(jìn)給。8155(2)芯片的PA0~PA7為Z、X向電機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)脈沖,PB0~PB3是鍵盤掃描輸入,PB4~PB7的輸出是X!Y向的限位控制,PC0~PC5是顯示器的位選信號,顯示器的段選信號由8031的P110~P117控制。
1.4.4 其它部件的選擇
直流步進(jìn)電動(dòng)機(jī)參照《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡明手冊》選取。滾珠絲杠選取FD系列，北京機(jī)床廠產(chǎn)品。為內(nèi)循環(huán)雙螺母墊片預(yù)進(jìn)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，裝卸方便、剛度高。
縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造。拆除原機(jī)床的進(jìn)給箱和溜板箱，在原機(jī)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(jī)構(gòu)改造。拆除原手動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于微進(jìn)給和機(jī)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(jī)、齒輪箱體安裝在機(jī)床后側(cè)。
縱橫向進(jìn)給機(jī)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(dòng)中的間隙，以提高數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)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(jī)床調(diào)整時(shí)的操作需要和遇到意外情況時(shí)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(jì)算
2.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)得設(shè)計(jì)計(jì)算
工作臺重量：80kg
時(shí)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：σ=0.018mm/step
步距角：φ=0.75°/step
快速進(jìn)給速度：Vmax=2m/min
加工最大直徑：φ=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(jī)功率：7.5KW
起動(dòng)加速時(shí)間：30 ms
機(jī)床定位精度±0.015 mm
2.1.1 選擇脈沖當(dāng)量：
根據(jù)機(jī)床精度要求確定，縱向0.01mm/步。
2.1.2 計(jì)算切削力：
①縱車外圓;
由文獻(xiàn)可知切削功率Nc=Nηk式中：
N——電動(dòng)機(jī)功率7.5KW
η——主動(dòng)系統(tǒng)總功率一般為0.6~0.7 取η=0.65
K——進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù)：取0.96
Nc=NηK=7.5×0.65×0.96=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=6120×4.68/100=286.416kgf=2806.88N
由參考文獻(xiàn)二可知，主切削力
Fz=CFz·apXFz·fYFz·kTfz
查表:Cfz=188kgf mm
XFz=1 YFZ=0.75 KTfz=1
則可計(jì)算如下表:
ap (mm)
2
2
2
3
3
3
F(mm)
0.2
0.3
0.4
0.2
0.3
0.4
Fz(kgf)
112.5
152.4
189.1
168.7
228.7
283.7
當(dāng)Fz=283.7 kgf時(shí)，切削深度ap=3mm，走刀量f=0.4 mm，此參數(shù)作為下邊計(jì)算用，由參考文獻(xiàn)一得一般外圓車削時(shí)Fx=(0.1～0.6) Fz Fy=(0.15～0.7)Fz
Fx=0.5 Fz=0.5×286.416=143.208 kgf=1403.44 N
Fy=0.6 Fz=0.6×286.416=171.8496 kgf=1684.1 N
②橫切端面：
主切削力Fz′（kgf）可取縱切的1/2
Fz=′ Fz×1/2=143.208 kgf=1403.44 N
取Fx′=0.6 Fz′=0.6×143.208=85.9248 kgf=842.06 N
Fy′=0.5 Fz=0.5×143.208=71.604 kgf=701.72 N
2.1.3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型：
縱向進(jìn)給絲杠
① 計(jì)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(shí)驗(yàn)系數(shù)綜合導(dǎo)軌取K=1.15
f′——滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)0.15~0.18，取0.16
G——溜板及力架重力：800 N
Fm=KFx+f′(Fz+ G)=1.15×1403.44+0.16(2806.88+800)=2191.06 N
② 計(jì)算最大的負(fù)載C
C= Fm ·fw·L1/3 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（1/2~1/3），此外Vs=0.6m/min。
T——使用壽命 按15000h
f w——運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)。按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取f w=1.2~1.5。
L——壽命以106轉(zhuǎn)為1單位。
N=1000Vs/ L0=1000×0.6×0.5/6=50r/min
L=60nT/10=60×50×15000/10=45
C= Fm ·fw·L1/3=451/3×1.2×2191.06=9352.04 N
③ 滾珠絲杠螺母副的選型。
據(jù)北京機(jī)床研究所滾珠絲杠產(chǎn)品的樣本選取絲杠直徑φ40，選用型號為FD40×6—1×2—3其額定動(dòng)載荷為163000 N，精度等級E級，強(qiáng)度夠用。
④ 傳動(dòng)效率計(jì)算
η=tgδ/tg(γ+φ) γ—螺旋升角2 °44′
η=tgγ/ tg(γ+φ)= tg2 °44′/ tg(2 °44′+10′)=0.94
⑤ 剛度計(jì)算：
滾珠絲杠受工作負(fù)載Fx引起的導(dǎo)程L0的變化量ΔL1= Fm Fm/E F
其中：ΔL1——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N
L0——滾珠絲杠的導(dǎo)程（mm）
E——材料彈性模數(shù)對鋼E為20.6×104（N/ mm2）
S——滾珠絲杠截面積（內(nèi)徑）（mm2）
S=π（d′/2）2 d′=d0+2e-2Rs=36.3789
S=π（d′!/2）2=(36.379/2) 2 ×3.14=10.38mm
其中 Rs=（0.51~0.56）Pw=1.836
e=0.707(Rs-Dw/2)=0.025
故ΔL = Fm L0/E F=2191.06×0.6/20.6×106×10.38=6.1428×10-6cm
滾珠絲杠受扭轉(zhuǎn)引起的導(dǎo)程變化量ΔL2 ΔL2= L0φ/2π+φ很小，忽略不計(jì)。 所以 ΔL=ΔL1+ΔL2=ΔL1
Δ=100ΔL / L0=100/0.6×6.1428×10-6=10.238μm
查表知E紋精度絲杠允許誤差15μm
10.238μm＜15μm剛度夠
⑥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(jī)的有關(guān)計(jì)算：
設(shè)計(jì)計(jì)算公式均來自參考文獻(xiàn)一
① 縱向傳動(dòng)有關(guān)齒輪計(jì)算，傳動(dòng)比i
i=φL0/360σp=0.75×6/360×0.01=1.25
L0——滾珠絲杠導(dǎo)程 φ——步距角 σp——脈沖當(dāng)量
故取 Z1=32 Z2=40 m=2mm b=18 α=20° d1=mZ1=64mm
d2= mZ2=80mm dα1=d1+2ha*=68mm dα2=84mm
df1=d1-2hf=59mm df2=75mm d=d1+d2/2=72mm
② 縱向步進(jìn)電機(jī)計(jì)算
傳動(dòng)慣量的計(jì)算
（Ⅰ）工作臺質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
J1=(180δp/πφ) 2·W=（180×0.001/3.14×0.75）2×80
=0.468kgf·cm2
（Ⅱ）絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
J2=7.8×10－4×4.04×150.0=29.95kg·cm2
(Ⅲ)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
J3=7.8×10－4×6.44×1.8=2.355kg·cm2
J4=7.8×10－4×8.04×1.8=5.75kg·cm2
(Ⅳ)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可以忽略
總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J
J=1/22（J2+J4）+J1+J3=1/1.252（29.95+5.75）+2.355+0.468
=22.586kg·cm2
所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算
<1>快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩M起
M起=Mamax+Mf+M0
<2>最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩
M=Mat+Mf+M0+Mt
<3>快速進(jìn)給時(shí)所需力矩M= Mf+M0
式中 Mamax——空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩
Mf——折算到電機(jī)軸上的摩擦力力矩
M0——由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力力矩
Mat——切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩
Mt——折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩
Ma=J·n/9.6T×10-4N·m
當(dāng)n=nt時(shí)，Ma=Mamax
nmax =Vmax·i/s=2000×1.25/6=416.7r/min
Mmax=22.586×416.7/9.6×0.025×10-4=40.0138kgf·cm
當(dāng)n=nt時(shí)，Ma= Mat s---導(dǎo)程6mm
nt=ni·f·i/s=1000×100×0.4×1.25/3.14×80×6=33.17r/min
Mat=22.58×33.17/9.6×0.025×10-4=0.3112N·m=3.175kgf·cm
Mf=F0·S/2πηi=f′WS/2πηi
當(dāng)η=0.8，f′=0.16時(shí)
Mf=0.16×80×0.6/2×3.14×0.8×25=1.223kgf·cm
M0=P0·S/2πηi(1-η02)
η0=0.9，預(yù)加載荷P0=1/3FX,則
M0=FX·S/6πηi(1-η02)=143.208×0.6×(1-0.92)/6×3.14×0.8×1.25=0.866kgf·cm
Mt=FX·S/2πηi=143.208×0.6/2×3.14×0.8
×1.25=13.68kgf·cm
所以，快速空載啟動(dòng)所需力矩
M=Mamax+Mf+M0=40.0138+1.223+0.866=42.10kgf·cm
切削時(shí)所需力矩
M=Mat+Mf+M0+M0=3.175+1.223+0.866+13.68=18.95kgf·cm
快速進(jìn)給時(shí)所需力矩：
M= Mf+M0=1.223+0.866=2.089kgf·cm
從以上數(shù)據(jù)分析，所需最大力矩Mmax發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí)。
<4>步進(jìn)電機(jī)最高工作效率
fmax=Vmax/60δp=2000/60×0.01=3333.3Hz
<5>步進(jìn)電機(jī)的選擇
對于工作方式為三相六拍的步進(jìn)電機(jī)
Tmax=Mmax/0.6=42.10/0.866=48.6kgf·cm
查表選用110BF003型直流步進(jìn)電機(jī)，其最大靜轉(zhuǎn)矩是 800N·cm=48.6kgf·cm
該電機(jī)在3333.3Hz下啟動(dòng)遠(yuǎn)達(dá)不到所需要的轉(zhuǎn)矩42.1kgf·cm，所以采用高低壓功放電路，并在程序設(shè)計(jì)中有速度控制子程序以免啟停時(shí)發(fā)生失步現(xiàn)象。其矩頻特性滿足實(shí)際需要的轉(zhuǎn)矩。
2.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算：
由于橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)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(shí)間常數(shù) ：T=25ms
滾珠絲杠導(dǎo)程：S=6mm
行程：L=226mm
脈沖當(dāng)量：δp=0.005mm/step
步距角：φ=0.75°/step
快速進(jìn)給速度：Vmax=1m/min
加工最大直徑：φ210mm
刀架快移速度：1.2m/min
最大進(jìn)給速度：0.3m/min
主電機(jī)功率：7.5kw
2.2.1 切削力計(jì)算：
橫向進(jìn)給量為縱向的1/3~1/2，取1/2。則切削力約為縱向的1/2
Fz=1/2×286.416kgf=143.208kgf
在切斷工件時(shí)Fy=0.6Fz=0.6×143.208=85.925kgf
Fx=0.5Fz=0.5×143.208=71.604kgf
2.2.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算：
① 強(qiáng)度計(jì)算
對于燕尾型導(dǎo)軌P=kFx+f′(Fz+W+2Fy)
取k=1.4 f′=0.2 則
Fm=1.4×71.604+0.2×(143.2+30+2×85.925)=169.26kgf
n=1000Vcs/L0=30r/min
X壽命值：L=60ntT/10?6 則
L=60×n×T/106=60×30×15000/106=27
Q=271/3×1.2×169.26=609.33=5971.4N
根據(jù)北京機(jī)床廠滾珠絲杠產(chǎn)品，選取滾珠絲杠公稱直徑為φ25，型號FD25×5——1×2——3LH 其額定動(dòng)載荷為23100N，所以強(qiáng)度足夠。
② 效率計(jì)算
螺旋開角r=3°39′ 摩擦角 φ=10′
η=tgr/tg(r+φ)=tg3°39′/tg(3°39′+10′)=0.956
③ 剛度驗(yàn)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+2×0.02×0.6×5×0.707-2×0.52×0.6×5
=21.96mm
ΔL1=PL0/E·F
其中 L0=5mm E=20.6×106N/cm2
F=π（d/2）2=3.79cm2
ΔL1=169.25×9.8×0.5/20.6×106×3.79
=10.62×10-6滾珠絲杠受扭距引起的導(dǎo)稱變化量很小，可以忽略，故
Δ=ΔL1×1/ L0=21.3μm/m
三級精度絲杠允許誤差為15μm，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=1.4×71.6+0.04×（143.208+30+2×85.925）
=114.5kgf
ΔL=114.05×9.8×0.5/20.6×106×3.79=7.16×10-6
Δ=7.16×10-6/0.5=14.32μm/m
此時(shí)剛度夠用
④ 穩(wěn)定性計(jì)算
由于選用的絲杠直徑和以前機(jī)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(jī)的有關(guān)計(jì)算：
傳動(dòng)比：i=φ·s/360×0.005=0.75×5/360×0.005=2.08
取 Z1=24 Z2=50 m=2mm b=20mm α=20° d1=48mm d2=100mm d1=52mm d2=104mm df1=43mm df1=95mm d=74mm
②轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
工作臺質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
J2=（180×0.005/3.14×0.75）2×30=0.0438kgf·cm2
絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
JS=7.8×-4×2.54×45=1.37kg·cm2
齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
Jz1=7.8×-4×4.84×2=0.828 kg·cm2
Jz2=7.8×-4×104×2=15.6 kg·cm2
電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量忽略，總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
J=1/22×（JS+JZ2）+ JZ1+ JS
=1/2.082×（1.371+15.6）+0.8281+0.0438
=4.79kg·cm2
③ 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算
nmax=Vi/5=1000×2.08/5=416r/min
Mmax=J×nmax×10-4/9.6T=4.79×416×10-4/9.6×0.025=0.83N·m=8.47kgf·cm
nt=n+i/s=1000Vfi/πDs=1000×100×0.15×2.08/3.14×80×5=24.84 r/min
Mat=4.79×24.84×10-4/9.6×0.025=0.0495 N·m=0.506 kgf·cm
Mf=F0 S/2πηi=F’WS/2πηi=0.2×30×0.5/2×3.14×0.8×2.08
=0.287 kgf·cm
M0=Fr S(1-η02)/ 2πηi=85.925×0.5（1-0.92）/2×3.14×0.8×2.08
=0.781 kgf·cm
Mt= Fr S/2πηi=85.925×0.5/2×3.14×0.8×2.08=4.111 kgf·cm
快速空載起動(dòng)所需轉(zhuǎn)矩
M啟= Mamax+ Mf+ M0
=8.47+0.287+0.781=9.538 kgf·cm
切削時(shí)所需轉(zhuǎn)矩
M切= Mat+M+ M0+ Mt
=0.506+0.287+0.781+4.111=5.685 kgf·cm
快速進(jìn)給時(shí)所需轉(zhuǎn)矩
M快=Mf+M0=0.287+0.781=1.068kgf·cm
所需最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí)
Mamax=9.538kgf·cm
④ 步進(jìn)電機(jī)最高工作效率
fmax=Vmax/60δp=1000/60×0.005=3333.3Hz
⑤ 步進(jìn)電機(jī)的選擇
fe=1000Vs/60δp=1000×0.5/60×0.005=1666.7Hz
對于工作方式為三相六拍的步進(jìn)電機(jī)
Jmax=Mmax×1/0.866=9.538/0.866=11.014kgf·cm
仍選用110FB003型步進(jìn)電機(jī),便于設(shè)計(jì)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(dòng)刀架的設(shè)計(jì)
經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床一般都配有四工位自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架,它是據(jù)微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)改造傳統(tǒng)機(jī)床設(shè)備的需要,同時(shí)兼顧刀架機(jī)床上能夠獨(dú)立控制的需要而設(shè)計(jì)的?，F(xiàn)有自動(dòng)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(dòng)刀架,所以就選用端齒盤式四工位自動(dòng)刀架。
從自動(dòng)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(dòng)完成抬起，回轉(zhuǎn)，選位，下降定位和壓緊這樣一系列的動(dòng)作。下面依次討論刀架要完成上述過程的設(shè)計(jì)原理。
刀架的抬起,利用螺紋傳動(dòng)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成軸向直線運(yùn)動(dòng)，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(dòng)這可通過設(shè)計(jì)一個(gè)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(dòng)摩擦力矩。
2.3.1 刀架的回轉(zhuǎn)和選位
刀架由一個(gè)微電機(jī)通過傳動(dòng)系統(tǒng)來帶動(dòng)刀架的轉(zhuǎn)動(dòng)，軸線是豎直的而轉(zhuǎn)速比起微電機(jī)來要慢的多，由于電機(jī)空間條件限制必須臥式安裝，因此兩者的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線互相垂直或異面垂直，蝸輪蝸桿傳動(dòng)比較適合于這場合刀架從抬起變成轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)作原理是：當(dāng)?shù)都芴鸬教囟ㄎ恢脮r(shí)由一個(gè)正在旋轉(zhuǎn)的撥塊帶動(dòng)刀架轉(zhuǎn)動(dòng)，因此刀架的抬起運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)由同一傳動(dòng)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(gè)位置的刀具是否符合加工要求，這一切是由于微機(jī)程序來實(shí)現(xiàn)具體的說當(dāng)?shù)都苻D(zhuǎn)動(dòng)此位置時(shí)程序自動(dòng)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(dòng)，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(jì)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(dòng)的微機(jī)電源開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的微機(jī)開關(guān)的觸頭朝外它的開頭狀態(tài)由一個(gè)內(nèi)表面凸輪來控制凸輪實(shí)際上是只有一定半徑差的兩個(gè)內(nèi)圈弧表面微動(dòng)開關(guān)觸頭與小半徑差的兩個(gè)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(dòng)開關(guān)數(shù)目等于編碼的位數(shù)即四方刀架有兩個(gè)微動(dòng)開關(guān)，另外刀架編碼信號并非刀架轉(zhuǎn)到此位置時(shí)才發(fā)出的而是提前發(fā)出的當(dāng)?shù)都苻D(zhuǎn)到某個(gè)刀位時(shí)粗定位開關(guān)發(fā)信號，停轉(zhuǎn)微機(jī)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(dòng)，粗定位開關(guān)的通斷控制也是由一個(gè)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(jī)控制使微電機(jī)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(diǎn)，此外這種元件允許刀架下降時(shí)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(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)使微電機(jī)停轉(zhuǎn)且始終能保持這一壓力直到下一動(dòng)作循環(huán)的開始。
2.3.2 減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
本減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成告訴級齒輪傳動(dòng)的一級直齒圓柱齒輪減速器。由《經(jīng)濟(jì)型機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)》（張新義主編，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.7 第六章P335表6－32和表6－33已知電機(jī)功率為120w電機(jī)轉(zhuǎn)速為1400r/min 工作可靠>30000次取為40000次換刀時(shí)間（270）為3.9s） 設(shè)傳動(dòng)比為i=μ=4.6
1. 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48－55HRC取中間值52HRC
計(jì)算許用應(yīng)力
選用齒面精度等級為5級精度（GB10095－58） 初選小齒輪齒數(shù)Z1＝19 大齒輪齒數(shù)Z2＝i*Z1=4.6*19=87.4 取Z2＝88 實(shí)際齒數(shù)比μ＝Z2/Z1＝88/19=4.632 齒數(shù)比誤差為|M理-M實(shí)|/M理=|4.632-4.6|/4.6＝0.007％ 在允許范圍內(nèi)
2．按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
計(jì)算公式按式（6－6）
d1t≥{(2kT1/ψd)*((u+1)/u)*(Ze*Zh*Zε/[σ]H)2}? }}))0
(1)確定計(jì)算參數(shù)
T1＝9.55×10⒍P1/n1=9.55×10⒍×0.16/1400N.mm=1.09×10⒉N.mm
按齒數(shù)z1＝19，z2＝88查表6－15得εα1＝0.741 εα2＝0.845
則εα＝εα1＋εα2＝0.741＋0.845＝1.586 因是直齒輪εβ＝0
故εγ＝εα＝1.586
查表6－7假設(shè)KaFt/b<100N.mm 取Kα＝1.3
據(jù)表6－6因?yàn)檩d荷穩(wěn)定電機(jī)驅(qū)動(dòng)Ka＝1.0
據(jù)表6－9懸臂布置，取齒寬系數(shù)ψd＝0.5
據(jù)圖6－11查得Kβ′＝1.26 試選Kvt＝1.05（下標(biāo)t表示試選）
由式（6－2）K＝KA×KV×Kα×Kβ＝1×1.05×1.26×1.3=1.72
由表（6－8）查得Ze＝189.8Mpa
由表（6－10）查得齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限（大小齒輪硬度相同）
δhlim=1500Mpa
計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
N1＝1400/60×4000×4.4=4.1×10⒍
N2=4.1×10⒍/4.632=8.9×10⒌
由圖6－32查得Zn1＝1.6 Zn2＝1.6(不允許出現(xiàn)點(diǎn)蝕)
由6－11取安全系數(shù)Sh＝1.50
由圖6－24工作硬化系數(shù)Zw＝1.0
許用接觸應(yīng)力
[δ]H1=δHlim×Zn1×Zw/Sh=1500×1.6×1/1.5=1600mpa
[δ]H2=δHlim×Zn1×Zw/Sh=1500×1.6×1/1.5=1600mpa
因?yàn)?－16 [δ]H1＝[δ]H2＝1600Mpa,所以[δ]H＝1600Mpa
由圖6－16查得Zε＝0.89
(2)計(jì)算
d1t≥{(2kT1/ψd)*((u+1)/u)*(Ze*Zh*Zε/[σ]H)2}?
＝13.61
重新校核，動(dòng)載荷系數(shù)，齒輪速度
V＝πd1n1/(60×1000)=π×13.41×1400/(60×1000)=0.98m/s
VZ1/100=0.98×19/100=0.1562m/s
查圖6－8得Kr＝1.01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)m＝d1/Z=13.24/19=0.7mm
按表6－3取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m＝1mm
因此求得d1＝mz1＝1×19＝19mm
d2＝mz2＝1×88＝88mm
b＝ψd×d1＝0.5×19=9.5
圓整取大齒輪寬度 b2＝13mm 小齒輪寬度 b1＝10mm
校核原設(shè)計(jì)KA×Ft/b<100N.mm
查表6－7
Ft＝2T1/d=2×10.9×102/19=1.15×102N
KA×Ft/b=1.0×115/13=38.3N.m<100N.mm
符合原設(shè)計(jì)
3.校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
計(jì)算公式
δF＝2KT1/bd1m×YF2×YS2×Yε≤[δ]F
查表6－20⒆得齒形系數(shù) YFα1=2.85, YFα2=2.22
查圖6－21⒇得應(yīng)力修正系數(shù) YSα1=1.54, YSα2=1.78
查圖6－10（21） 得彎曲疲勞強(qiáng)度極限（大小齒輪硬度相同）
δFlim＝1000mpa
取SF=2 (表6－11)（22）
Yx＝1（由圖6－26（23）因M <5）
查圖6－25（24）YN1＝Y(jié)N2=2.5
[δ]F1=[δ]Flim×YN1×YX/SF=1000×2.5×1/2=1250MPa
[δ]F2=1250Mpa
比較
YFα1×YFα1/[δ]F1=2.55×1.548/1250=0.004
YFα2×YFα2/[δ]F2=2.22×1.78/1250=0.003
小齒輪較軟應(yīng)該按小齒輪校核彎曲疲勞強(qiáng)度查圖6－22（26）得重合度系數(shù)
Yε＝0.71
δF2=2KT1/bd1m×Yfa2×YSA2×Yε=2×1.7199×10.914×10?/10×19×1×2.22×1.78×0.71=55.43Mpa<[δ]F1=1250Mpa
所以彎曲疲勞強(qiáng)度足夠
4.幾何尺寸計(jì)算（按《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡明手冊》）
(1) 分度圓直徑
d1＝mz1＝1×19＝19mm
d2＝mz2＝1×88＝88mm
(2) 齒頂高
ha＝ha*×M×＝1×1＝1mm
(3) 齒根高
hf＝（ha*＋c*）M＝1.25×1=1.25mm
(4) 齒高
h＝ha＋hf＝1＋1.25=2.25mm
(5) 齒頂圓半徑
da1＝d1＋2ha＝19＋2＝21mm
da2＝d2＋2ha=88+2×1=90mm
(6) 齒根圓半徑
df1=d1-2hf=19-2×1.25=16.5mm
df2=d2-2hf=88-2×1.25=85.5mm
(7) 中心距
a=1/2(d1+d2)=1/2(16.5+85.5)=51mm
(8) 齒寬
b2=13 b1=15
2.3.3 蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
已知電動(dòng)功率為120w，所設(shè)計(jì)的減速器齒輪的齒面精度為5級,傳動(dòng)效率為 98.5％以上取η＝99％蝸桿的應(yīng)力循環(huán)系數(shù)為N1＝60
1. 選擇材料
蝸桿用40Cr表面淬火，硬度45－55HRC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)i
i＝30 取z1＝1則z2＝z1*i＝1×30＝30
3. 按蝸桿齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)距T2 按第三節(jié)推薦值 取η＝0.7
T2=9.55×106×P2/η2
=9.55×106×0.16×0.7×0.99/30×4.6
=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Kβ＝1
設(shè)蝸輪圓周速度為V2≤3m/s 取Kv＝1.05
K=kβ×Kv=1×1.05=1.05
(3) 確定許用應(yīng)力[δ]H, 查表7－5，
基本許用應(yīng)力[δ]VH＝200Mpa，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N＝60n2tN，
設(shè)此蝸輪蝸桿每日工作8小時(shí)工作壽命10年，每年工作260天。
則N＝60×1400/138×8×260×10=1.26×107
壽命系數(shù)Zn＝（107/N）??=(107/1.26×107) ??=0.93
許用接觸應(yīng)力 [δ]H＝ZH[δ]OH＝0.97×200=194Mpa
(4)計(jì)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(shí)ZE=160(MPA)?
由式（7－9）得 m2d1≥9KT2（ZE/Z2）[δ]H)2
=9×1.05×79074.36×(150/30×194)2
=570mm3
由表7－2 取m＝5，d1＝63，q＝12.6 ，m2d1＝1575 mm3
（5）驗(yàn)算蝸桿圓周速度v2
v2＝πZ2Mn2/60×1000×π×22×5×1400/101/60×1000m/s
＝0.08<3m/s
取Kv＝1.05是合適的。
（6）計(jì)算嚙合效率η
據(jù)式（7－1）得蝸桿導(dǎo)程角
γ＝arctanZ/q＝arctan1/12.6=4.54o
據(jù)式（7－2）得齒面相對滑動(dòng)速度
v2＝v1/cosr=πd1n1/60×1000cosr
=π40×1400/4.6/60×1000coa5.71
=0.64m/s
查表（7－4）插值得當(dāng)量摩擦角ψv＝3o09′
嚙合效率η1＝tanr/tan(r+ψv)=tan4.54o/tan(4.54o+2o35′)=0.66
(7) 按實(shí)際蝸轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)據(jù)T2驗(yàn)算m2d值
按蝸桿傳動(dòng)嚙合效率η，求T2
T2＝9.55×10⒍×P1η1/n1/I
＝9.55×10⒍×0.16×0.67×0.99/1400/128
＝69152.9N.mm
m12d1=9KT2(ZE/（Z2×[δ]H）) 2
=9×1.37×69152.9×（160/(22×185)2）
=566.9mm<640mm 齒面接觸疲勞強(qiáng)度合格。
4．確定傳動(dòng)尺寸（按表7－3中的公式計(jì)算）
（1）中心距
a＝m（q＋z2）/2＝5(12.6+22)/2mm=86.5mm
（2）蝸桿分度圓直徑 d1＝63mm
（3）蝸輪分度圓直徑 d2＝mz2＝5×22＝110mm
5．校核蝸桿齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
（1） 確定許用彎曲應(yīng)力[δ]F查表7－8基本許用應(yīng)力[δ]0F＝40Mpa
壽命系數(shù)YN＝(10⒍/N)-9=(10⒍/1.26×10⒎)-9=0.75 （2） 計(jì)算彎曲應(yīng)力
當(dāng)量齒數(shù)zv＝z2/cosr=28/cos5.71o=28.14
查表 (7-7)得蝸桿齒形系數(shù)YF＝1.8
由式（7－10）得
бf ＝{1.53KT2cosr/(m2d1z2)}×YF
＝1.53×1.05×69152×COS5.71/16×40×28×1.93
＝11.1Mpa < 30.1Mpa
6.蝸輪齒根彎曲強(qiáng)度安全。
蝸桿，蝸輪各部分尺寸計(jì)算
(1)蝸桿
齒頂高 ha1＝ha*m=1×5=5
齒根高 hf1＝（1＋0.2）×5＝6
全齒高h(yuǎn)1＝5＋6＝11mm
分度圓直徑 d1＝63mm
齒頂圓直徑 da1＝d1＋2ha1＝63＋2×5＝73mm
齒根高直徑 df＝d1－2hf＝63－2×6＝51mm
蝸桿分度圓導(dǎo)程角 γ＝4.54o＝4o32′
軸向齒距 Pa＝πm＝π×5＝15.72mm
桿導(dǎo)程 Pz＝z1Pa＝1×15.72＝15.72mm
蝸桿螺紋部分長度
L≥(12+0.1Z2)m=(12+0.1×22)×5=71mm
(2) 蝸輪
齒頂高 ha2＝5mm
齒根高 hf2＝（ha*＋c*）m=(1+0.2)×5＝6mm
全齒高 h2＝ha2＋hf2＝5＋6＝11mm
分度圓直徑 d2＝mz2＝5×22＝110mm
齒頂圓直徑 da2＝d2＋2ha2＝110＋2×5＝120mm
齒根圓直徑df2=d2-2hf2=110-2×6=98mm
分度圓螺旋角 β2＝γ＝4.54o=4o32′
蝸輪外圓直徑
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