車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計

車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計,車床,經(jīng)濟(jì)型,數(shù)控,改造,設(shè)計 誠信聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名：日期： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書設(shè)計題目： 車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計 系部： 機(jī)械工程系 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)號： 125011123 學(xué)生： 王凌博 指導(dǎo)教師（含職稱）：郭永生（講師）專業(yè)負(fù)責(zé)人： 張煥梅 1設(shè)計的主要任務(wù)及目標(biāo)目前我國有許多的制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備還是傳統(tǒng)的機(jī)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，直接影響到企業(yè)的生存和發(fā)展。企業(yè)要在激烈的市場競爭中獲得生存、得到發(fā)展,它必須在最短的時間內(nèi)以優(yōu)異的質(zhì)量、低廉的成本，制造出合乎市場需要的、性能合適的產(chǎn)品，而產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣，制造周期的快慢，生產(chǎn)成本的高低，又往往受工廠現(xiàn)有加工設(shè)備的直接影響。數(shù)控機(jī)床作為機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，在機(jī)械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅度地提高生產(chǎn)效率。但從目前企業(yè)面臨的情況看，因數(shù)控機(jī)床價格較貴，一次性投資較大使企業(yè)心有余而力不足。在投資少的情況下，使其既能滿足加工的需要，又能提高機(jī)床的自動化程度，比較符合我國的國情，對普通機(jī)床數(shù)控化改造不失為一種較好的良策。CA6140是傳統(tǒng)的普通車床，自動化程度不高，無法加工復(fù)雜型面，工作效率低，機(jī)床且使用年限已久，強(qiáng)電控制電路的很多元件都已呈現(xiàn)老化現(xiàn)象，故障率高。機(jī)床的導(dǎo)軌以及滑動絲杠、支承軸承等也有不同程度的磨損機(jī)床的導(dǎo)軌以及滑動絲杠、支承軸承等也有不同程度的磨損，加工精度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。 因此對CA6140普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造，可擴(kuò)大機(jī)床的加工范圍，充分發(fā)揮該機(jī)床的加工能力，提高機(jī)床的生產(chǎn)效率。此次畢業(yè)設(shè)計主要研究的是對CA6140車床的機(jī)械部分進(jìn)行數(shù)控改造，以達(dá)到提高CA6140車床的加工質(zhì)量，高效利用現(xiàn)有的資源，減少企業(yè)購買新數(shù)控設(shè)備的成本。2設(shè)計的基本要求和內(nèi)容 CA6140普通車床的數(shù)控改造機(jī)械部分的改造主要涉及到車床的縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造、橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)改造和刀架的改造，本設(shè)計要求如下：(1)將普通車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床(2)主要完成機(jī)械部分改造(3)繪制機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖 3主要參考文獻(xiàn)1曾勵主編.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計M.北京：高等教育出版社，2004 2余英良主編.機(jī)床數(shù)控改造設(shè)計與實例M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998 3林奕鴻等編著.機(jī)床數(shù)控技術(shù)及其應(yīng)用M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 1994 4張新義主編.經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19945機(jī)電一體化技術(shù)手冊編委會編.機(jī)電一體化技術(shù)手冊M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19946鄭堤，唐可洪主編.機(jī)電一體化設(shè)計基礎(chǔ)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19977鄒慧君等編著.機(jī)械系統(tǒng)概念設(shè)計M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20034進(jìn)度安排設(shè)計（論文）各階段名稱起 止 日 期1查閱搜集相關(guān)資料撰寫開題報告2014.03.292014.04.092論證并確定總體方案2014.04.102014.04.173完成對CA6140車床的機(jī)械部分改造設(shè)計2014.04.182014.05.154學(xué)習(xí)ATUOCAD并繪制裝配圖2014.05.162014.06.025撰寫設(shè)計說明書準(zhǔn)備畢業(yè)答辯2014.06.032014.06.18 車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計摘要：國內(nèi)外制造業(yè)的發(fā)展經(jīng)驗表明，發(fā)展制造業(yè)，數(shù)控機(jī)床是基礎(chǔ)。數(shù)控機(jī)床很好地解決了現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅提高生產(chǎn)效率。然而企業(yè)若花大量的資金更換全新的數(shù)控機(jī)床，則花費(fèi)過高，給企業(yè)造成的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)過大，同時報廢大量的普通機(jī)床也是一個極大的浪費(fèi)。因此對機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造不失為一個良策。本設(shè)計是針對常見的CA6140車床進(jìn)行數(shù)控化改造以達(dá)到經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的要求。主傳動系統(tǒng)部分保留原機(jī)床的主軸手動變速；進(jìn)給傳動系統(tǒng)的縱向與橫向改造都是采用步進(jìn)電機(jī)通過一級齒輪減速后驅(qū)動滾珠絲杠；原刀架拆除加裝自動轉(zhuǎn)位刀架（四工位）實現(xiàn)自動換刀；加裝脈沖發(fā)生器以實現(xiàn)切削螺紋功能；數(shù)控系統(tǒng)選擇MCS-51系列單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：CA6140車床，數(shù)控化改造，滾珠絲杠，步進(jìn)電動機(jī) Lathe transformation of the economic design of NCAbstract：The manufacturing industry experience both at home and abroad shows that the development of manufacturing industry of foundation is numerical control machine tools .CNC machine tool solves the problems of modern machinery manufacturing complex structure,recision and small batch and changeable parts processing. and CNC machine tool can stabilize the quality of their products and greatly improve the production efficiency.However,it is cost that companies spend a lot of money to get new CNC machine tools.it is the economic burden for enterprises and the machine is a common scrapped a great waste.Therefore, transformation of the NC machine tools would be a good policy.This design is for the common reform CA6140 lathe for CNC machine tools to meet the requirements of NC machine.main transmission system retain the original manual transmission.the transmission system reform are based on the stepper motor through gears drive the ball screw.the cutter dismantle cutter with four automatic transfers to change location automatically.installation of the pulse generator to achieve the function of cutting thread.MCS - 51 single-chip control system is selected for Nc system.Key words: CA6140 lathe，NC transformation，ball screws，Stepping MotorI目 錄1前 言11.1 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的實際意義12 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造總體方案的確定32.1 設(shè)計任務(wù)32.2 總體方案的論證與確定32.2.1 數(shù)控系統(tǒng)的選擇32.2.2機(jī)械部分的數(shù)控化設(shè)計改造與選擇43 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計改造64 主軸編碼器75 機(jī)床滑動導(dǎo)軌的改造86 進(jìn)給傳動系統(tǒng)的數(shù)控化改造設(shè)計86.1 縱向進(jìn)給傳動系統(tǒng)的數(shù)控化改造設(shè)計96.1.1切削力的確定96.1.2滾珠絲杠螺母副的設(shè)計計算與選型106.1.3 齒輪減速器的設(shè)計166.1.4 步進(jìn)電動機(jī)的計算與選擇176.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)控改造設(shè)計206.2.1切削力的確定206.2.2滾珠絲杠副的設(shè)計計算和選型216.2.3齒輪減速器的設(shè)計276.2.4步進(jìn)電動機(jī)的計算與選擇287 刀架的數(shù)控化改造31結(jié) 論32參考文獻(xiàn)34致 謝36太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計1、前 言數(shù)控機(jī)床是以數(shù)字化的信息實現(xiàn)機(jī)床控制的典型機(jī)電一體化產(chǎn)品，它是將主運(yùn)動的變速、起停，進(jìn)給運(yùn)動的方向、速度、位移大小，以及諸如刀具的選擇、交換、工件的夾緊、松開和冷卻的起、停等信息數(shù)字化，然后將這些數(shù)字信息送入數(shù)控系統(tǒng)或計算機(jī)，由數(shù)控系統(tǒng)或計算機(jī)發(fā)出各種指令控制機(jī)床伺服系統(tǒng)或其他的執(zhí)行元件以完成加工任務(wù)。數(shù)控機(jī)床是多學(xué)科、新技術(shù)的合成體，是自動化程度很高的機(jī)床。數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床相比較有很多特點(diǎn)： 1.加工質(zhì)量穩(wěn)定，數(shù)控加工的切削量、進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、使用刀具等加工所需條件、參數(shù)都可以根據(jù)工藝要求，預(yù)先編程予以規(guī)定，加工過程中避免了人為的干擾，大大提高了同一批產(chǎn)零件的一致性；2.適應(yīng)性強(qiáng)，能加工形狀復(fù)雜的零件；3.生產(chǎn)效率高；4.減輕勞動者的勞動強(qiáng)度，減少操作失誤，降低廢品、次品；5.提高生產(chǎn)管理水平；6.有利于產(chǎn)品生產(chǎn)的自動化。因此數(shù)控機(jī)床以其適應(yīng)性強(qiáng)、加工質(zhì)量穩(wěn)定、效率高、精度高的特點(diǎn)產(chǎn)品生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。本次設(shè)計通過對CA6140普通車床的數(shù)控化改造，提高了原機(jī)床的加工精度和擴(kuò)大了機(jī)床的適用范圍，使生產(chǎn)效率得到了很大的提高。該論文主要介紹了普通臥式車床機(jī)械部分的數(shù)控改造化，闡述了CA6140車床橫、縱向進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)控化改造設(shè)計。1.1 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的實際意義隨著人民生活水平的不斷提高，物質(zhì)生活和精神生活不斷豐富，經(jīng)濟(jì)發(fā)展日益加快，市場的變化就會愈來愈大，產(chǎn)品的品種愈來愈多，且產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期愈來愈短。這時，多品種單件小批生產(chǎn)的特點(diǎn)顯得愈來愈突出。這就要求企業(yè)要很好適應(yīng)多品種單件生產(chǎn)的特點(diǎn)，因此企業(yè)淘汰舊機(jī)床和裝備數(shù)控機(jī)床是適應(yīng)這種要求必經(jīng)途徑。企業(yè)獲得數(shù)控機(jī)床有兩種途徑：一是對現(xiàn)有機(jī)床進(jìn)行技術(shù)改造，把傳統(tǒng)式的機(jī)床改造成數(shù)控機(jī)床；二是購置全新的數(shù)控機(jī)床。當(dāng)前我國的企業(yè)大多數(shù)為中小型的民營企業(yè)，購置全新的數(shù)控機(jī)床關(guān)于投資資金的利潤率、對企業(yè)流動資金的影響、企業(yè)資金的籌措能力、投資的風(fēng)險及資本的回收、技術(shù)上的可行性這幾個方面是企業(yè)不得不考慮的問題。綜合以上各個方面的因數(shù)，企業(yè)選擇對現(xiàn)有舊機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造是一個最好的選擇，其優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下方面：1.減少投資額、交貨期短，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。通過對機(jī)床局部的改造，相較于購買全新的數(shù)控機(jī)床，一般能節(jié)省60%左右的資金，對于大型、特殊機(jī)床效果尤為明顯。此外還具有針對性強(qiáng)、適應(yīng)性廣、投入少、見效快的特點(diǎn)，但有些情況特殊，如高速主軸、刀具自動交換裝置、托盤自動交換裝置的制作與安裝往往會使改造成本提高2 3倍，與購置新機(jī)床相比，只能節(jié)省投資50%左右。2.企業(yè)熟悉設(shè)備，便于操作維修。購買全新的數(shù)控機(jī)床，企業(yè)勞動者不熟悉設(shè)備，需要經(jīng)過專門培訓(xùn)才能熟練操作和維修機(jī)床，耗費(fèi)時間。而通過對現(xiàn)有舊機(jī)床的數(shù)控化改造，是企業(yè)針對自身現(xiàn)有的機(jī)床提出的對機(jī)床性能、操作與維修的改進(jìn)，企業(yè)技術(shù)人員與操作者參與了改造過程，熟悉改造后的機(jī)床性能和操作維修特點(diǎn)，因此在操作維修培訓(xùn)上花費(fèi)時間短，見效快。機(jī)床一經(jīng)改造安裝好后，就能實現(xiàn)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。3.機(jī)床力學(xué)性能穩(wěn)定。普通機(jī)床與數(shù)控機(jī)床相比，形狀復(fù)雜的、噸位重的基礎(chǔ)零件，如底座、工作臺、床身、立柱、頂梁和滑枕等都是必不可少的。用舊機(jī)床進(jìn)行改造，重負(fù)使用這些基礎(chǔ)零件，必然縮短了制造周期并降低生產(chǎn)成本。再加上企業(yè)原有舊機(jī)床役齡長，相應(yīng)的這些基礎(chǔ)件的自然時效也長，內(nèi)應(yīng)力的消除使得機(jī)床主要基礎(chǔ)零件的精度穩(wěn)定性好。綜上所述，企業(yè)尤其我國的民營制造業(yè)企業(yè)，通過對現(xiàn)有舊機(jī)床的數(shù)控化改造是達(dá)到擁有數(shù)控機(jī)床，提高企業(yè)的生產(chǎn)率，適應(yīng)現(xiàn)在小批量多品種生產(chǎn)格局是一個很好的途徑。2 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造總體方案的確定2.1 設(shè)計任務(wù)本次畢業(yè)設(shè)計任務(wù)是對CA6140普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造，主要對CA6140普通車床的機(jī)械部分進(jìn)行數(shù)控化改造。利用微機(jī)對橫、縱向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)控制，縱向脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖，橫向脈沖當(dāng)量為0.005mm/脈沖，驅(qū)動元件為步進(jìn)電機(jī)，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠螺旋副，刀架采用自動轉(zhuǎn)位刀架。 2.2 總體方案的論證與確定CA6140型普通車床為臥式車床，主要加工軸類和直徑不太大的盤、套類零件，主軸水平安裝，刀具在水平面內(nèi)做縱、橫向進(jìn)給運(yùn)動，其通用性較大，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且自動化程度低，加工過程中的輔助時間較多，適用于單件、小批生產(chǎn)及修理車間等。本設(shè)計對CA6140車床的數(shù)控化改造是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，因此在對CA6140車床進(jìn)行改造時盡可能地減少改動，以節(jié)約改造成本。2.2.1 數(shù)控系統(tǒng)的選擇數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵功能部件，更具不同分類特點(diǎn)有不同分類方法，下面就其中兩種分類特點(diǎn)選擇數(shù)控系統(tǒng)。（1）按被控制對象運(yùn)動軌跡可以分為：點(diǎn)位控制系統(tǒng)、直線控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。點(diǎn)位控制系統(tǒng)，控制機(jī)床運(yùn)動部件的精確位置，保證點(diǎn)與點(diǎn)之間準(zhǔn)確位置，此類控制系統(tǒng)主要用于數(shù)控鉆床、鏜床、沖床、測量機(jī)及某些加工中心。直線控制系統(tǒng)，控制運(yùn)動部件除了點(diǎn)與點(diǎn)之間準(zhǔn)確位置外，還要保證其移動軌跡為一條直線，而且對位移速度也必須進(jìn)行控制，此類控制系統(tǒng)用于簡單的數(shù)控車床、鏜銑床及加工中心。連續(xù)控制系統(tǒng)又稱為輪廓控制系統(tǒng)，采用該控制系統(tǒng)的機(jī)床能加工曲面、凸輪、錐度等復(fù)雜形狀的零件，多用于銑床、能加工曲面的車床、繪圖機(jī)。因為CA6140普通車床主要用于對中小型軸類、盤類及螺紋零件的加工，所以在本次設(shè)計中選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。（2）按伺服系統(tǒng)的類型分類可以分為：閉環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)、開環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)，其控制信號是數(shù)控裝置送來的指令與機(jī)床移動部件實際位置反饋信號進(jìn)行比較所得的差值，此差值經(jīng)轉(zhuǎn)換、放大，通過控制坐標(biāo)軸運(yùn)動，進(jìn)行誤差修正，直至誤差消除。此系統(tǒng)精密加工中心、鏜銑床、超精密車床、超精密磨床等。半閉環(huán)控制系統(tǒng)，其檢測元件安裝在電動機(jī)或絲杠的軸端，對工作臺的實際位置不進(jìn)行檢測，由于絲杠、螺母到工作臺不在控制環(huán)類，比較容易獲得穩(wěn)定的控制特性。半閉環(huán)控制系統(tǒng)介于開環(huán)與閉環(huán)之間，精度雖沒有閉環(huán)高，調(diào)試卻比閉環(huán)方便，因此廣泛用于各類連續(xù)控制的數(shù)控系統(tǒng)中。開環(huán)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)實際動作情況是不進(jìn)行檢查的，沒有被控制對象的反饋值。指令發(fā)出后不再反饋回來。該控制系統(tǒng)的精度完全取決于步進(jìn)電動機(jī)的步距精度以及齒輪、絲杠的傳動精度，因此，對傳動元件的制造精度和裝配質(zhì)量要求較高。開環(huán)控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡單，技術(shù)簡單、造價低，維護(hù)容易，因此在數(shù)控機(jī)床發(fā)展過程中占有重要的地位，特別是舊機(jī)床改造中所占地位更為突出。由于本設(shè)計對CA6140普通車床的改造是經(jīng)濟(jì)型改造，因此采用步進(jìn)電動機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。由上述所選擇的數(shù)控系統(tǒng)特點(diǎn)可以采用8位微機(jī)，因為MCS-15系列單片機(jī)具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快、高性價比的優(yōu)點(diǎn)，所以采用MCS-15系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。該系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、步進(jìn)電動機(jī)功率放大電路、I/O接口及光電隔離電路等組成。系統(tǒng)的加工程序與控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用兩排數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。2.2.2機(jī)械部分的數(shù)控化設(shè)計改造與選擇（1）進(jìn)給傳動系統(tǒng)的數(shù)控化改造由于前面在數(shù)控系統(tǒng)選擇中選擇了連續(xù)控制、開環(huán)控制系統(tǒng)，因此對CA6140的進(jìn)給傳動系統(tǒng)改造采用步進(jìn)電動機(jī)經(jīng)過一級減速器驅(qū)動滾珠絲杠副最后帶動工作臺加工零件。在改造中需要拆除原有的掛輪、進(jìn)給箱、溜板箱、光杠，在原縱、橫向絲杠處安裝滾珠絲杠。（2）主傳動系統(tǒng)、刀架以及導(dǎo)軌的數(shù)控化改造本設(shè)計為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，主傳動系統(tǒng)改造中保留原有的傳動系統(tǒng)和變速機(jī)構(gòu)，可以節(jié)約成本、減少改造量。拆除原有刀架換裝電動刀架以實現(xiàn)自動換刀功能，降低輔助時間，提高生產(chǎn)效率。通過對原車床導(dǎo)軌貼聚四氟乙烯軟帶可以大大減少摩擦阻力，提高了防爬行、耐磨、消振吸聲的能力。由以上數(shù)控系統(tǒng)的選擇和機(jī)械部分的數(shù)控化設(shè)計改造與選擇，可以確定本次對CA6140型普通車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的總體結(jié)構(gòu)，其總體結(jié)構(gòu)圖如圖2.1 圖2.1 CA6140數(shù)控化改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的總體結(jié)構(gòu)圖3 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計改造機(jī)床主傳動的作用是把電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩通過變速箱傳遞給主軸，使工件或刀具以各種不同的速度，其CA6140的主傳動鏈見傳動圖如4.1。主傳動性能的好壞，直接影響零件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)廣泛采用交直流主軸電動機(jī)，這就是的主傳動的功率和調(diào)速范圍較普通機(jī)床大為增加。同時為了進(jìn)一步滿足對主傳動調(diào)速和扭矩輸出的要求，在數(shù)控機(jī)床上常采用機(jī)電相結(jié)合的方法，即同時采用電動機(jī)調(diào)速和機(jī)械齒輪變速這兩種方法。盡管如此，數(shù)控機(jī)床的主傳動變速機(jī)構(gòu)仍較以往的普通機(jī)床有了極大的簡化，主軸箱內(nèi)各種零件如軸、齒輪、軸承等的數(shù)量都大大減少，這使得可能出現(xiàn)機(jī)械故障的部位也大為的減少。CA6140車床為中小型車床，因本身價格較低，若對其進(jìn)行數(shù)控化改造采用交直流主軸電動機(jī)，會使改造費(fèi)用過高、改造周期過長而降低機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造的經(jīng)濟(jì)價值。因此在對CA6140車床進(jìn)行數(shù)控改造時，應(yīng)保留原有的主傳動系統(tǒng)和變速機(jī)構(gòu)，這樣既保留了機(jī)床原有的功能，又降低了改造的工作量。圖3.1 CA6140傳動圖4 主軸編碼器主軸編碼器常用于數(shù)控車床加工螺紋或絲杠中。它與主軸相連時，主軸每轉(zhuǎn)中發(fā)出固定數(shù)目的脈沖，數(shù)控裝置將這些脈沖按傳動要求加以分頻和倍頻后分配給步進(jìn)電機(jī)，由此可以得到所要求的主軸每轉(zhuǎn)的走刀量。若這個走刀量等于所要加工的螺紋導(dǎo)程，則可以進(jìn)行螺紋加工。在對CA6140進(jìn)行數(shù)控改造時，保留原有主傳動系統(tǒng)，而用主軸編碼器隨之轉(zhuǎn)動作為反饋元件，構(gòu)成一個簡單的閉環(huán)系統(tǒng)，用于螺紋或絲杠的加工。主軸編碼器根據(jù)編碼方式的不同，可以分為增量光電式和絕對光電式，目前國內(nèi)常用的為增量式主軸編碼器。根據(jù)主軸編碼器光電碼盤上的刻線條數(shù)分為1024線、2048線等，在本次設(shè)計改造中選擇1024線就足夠了。主軸編碼器的安裝通常采用兩種方式：一是同軸安裝；二是異軸安裝。同軸安裝的結(jié)構(gòu)簡單，聯(lián)接方便。但缺點(diǎn)是安裝后不能加工主軸孔的零件。而異軸安裝則沒有這個缺陷。目前經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)改造臥式車床，多采用同軸安裝，橡膠管柔性聯(lián)接，可以達(dá)到在實現(xiàn)角位移信號傳遞的同時，又能吸收車床主軸的部分振動，從而使主軸編碼器轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，傳遞信號準(zhǔn)確。主軸編碼器的安裝見圖5.1 圖4.1 主軸編碼器的安裝5 機(jī)床滑動導(dǎo)軌的改造導(dǎo)軌在機(jī)床中的功能是導(dǎo)向和承載。對于數(shù)控機(jī)床，導(dǎo)軌除應(yīng)具有普通車床導(dǎo)向精度和工藝性外，還要有良好的耐磨損特性，并減少因摩擦阻力而致死區(qū)。同事要有足夠的剛度，以減少導(dǎo)軌變形對加工精度的影響，要有合理的導(dǎo)軌防護(hù)和潤滑。迄今大多數(shù)普通車床導(dǎo)軌為滑動導(dǎo)軌，其材料為鑄鐵。此類材料若不采取措施，在使用過程中會出現(xiàn)摩擦系數(shù)大，自潤滑性與耐摩擦性差，且導(dǎo)軌易于磨損、研傷、不易修理等缺陷。在對CA6140車床進(jìn)行數(shù)控化改造中采用在機(jī)床滑板導(dǎo)軌上貼聚四氟乙烯軟帶具有以下優(yōu)點(diǎn)：部件運(yùn)行平穩(wěn)，無爬行，定位精度高；沒有振動，可提高工件表面質(zhì)量和延長刀具的壽命，減少噪音；磨損小，且嵌入性好，與其配合的金屬導(dǎo)軌不會拉傷，提高機(jī)床精度保持性和延長機(jī)床維修周期；摩擦系數(shù)小，與純金屬導(dǎo)軌相比，可減少驅(qū)動功率，節(jié)約能源；有自潤滑性，當(dāng)機(jī)械潤滑系統(tǒng)出現(xiàn)故障時導(dǎo)軌不會拉傷；當(dāng)負(fù)載和溫度變化時，不需要補(bǔ)償。6 進(jìn)給傳動系統(tǒng)的數(shù)控化改造設(shè)計在本次設(shè)計中，對CA6140型普通車床數(shù)控化改造主要集中在其進(jìn)給傳動系統(tǒng)上。CA6140普通車床的進(jìn)給傳動系統(tǒng)改造無論是針對縱向還是橫向均是將步進(jìn)電動機(jī)力矩經(jīng)一級齒輪減速器傳遞到滾珠絲杠上，然后又滾珠絲杠帶動工作臺運(yùn)動。CA6140機(jī)床原技術(shù)參數(shù)如下：工件最大回轉(zhuǎn)直徑：在床面上 400mm 在床鞍上 210mm工件長度： 100mm主軸孔徑： 48mm主軸前端孔錐度： 莫氏6號主軸轉(zhuǎn)速： 正轉(zhuǎn)（24級）101400r/min 反轉(zhuǎn)（12級）141580r/min加工螺紋范圍： 公制（44種） 1192mm 英制（20種）224牙/英寸 模數(shù)（39種） 0.2548mm 徑節(jié)（37種）196徑節(jié)進(jìn)給量范圍： 縱向： 細(xì)化0.0280.054mm/r 正常0.081.59 mm/r 加大1.716.33mm/r 橫向： 細(xì)化0.0140.027mm/r 正常0.040.79 mm/r 加大0.893.16mm/r 刀架快速移動速度： 縱向 4m/min 橫向 2 m/min主電機(jī)： 功率 7.5kw 轉(zhuǎn)速 1450r/min快速電機(jī)： 功率 370w 轉(zhuǎn)速 2600r/min L冷卻泵： 功率 90w 流量 25l/min CA6140機(jī)床設(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(jìn)速度： 縱向 2.4m/s 橫向 1.2m/s最大進(jìn)給速度： 縱向 0.6m/s 橫向 0.3m/s溜板及刀架重力： 縱向1000 N 橫向 600 N主軸電動機(jī)功率： 7.5kw啟動加速時間： 30ms控制坐標(biāo)軸數(shù)： 2最小脈沖當(dāng)量： 縱向0.01mm/脈沖 橫向 0.005mm/脈沖進(jìn)給傳動鏈間隙補(bǔ)償量： 0.015 mm6.1縱向進(jìn)給傳動系統(tǒng)的數(shù)控化改造設(shè)計6.1.1切削力的確定主切削力（N）用經(jīng)驗公式估算，縱車外圓時車床的主切削力 =0.67 (式6.10）式中 車床床身上加工最大直徑（mm） 此處=400mm則=0.67=5360N由機(jī)床設(shè)計手冊可知，在外圓車削時=(0.10.6) =(0.150.7) （式6.11）取其比例：=1：0.25：0.4則=0.255360N=1340N=0.45360N=2630N6.1.2滾珠絲杠螺母副的設(shè)計計算與選型 滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)的選型 螺旋滾道型面的選擇螺旋滾道型面的形狀：單圓弧型面、雙圓弧型面選擇方案：雙圓弧型面選擇原因：單圓弧型面接觸角隨負(fù)載的大小而變化，因而軸承剛度和承載能力也隨之變化。而雙圓弧型面有較高接觸剛度，軸向間隙和徑向間隙理論上為零，接觸角穩(wěn)定，其交接處有一小空隙可容納一些臟物，對滾珠滾動有利。 滾珠絲杠副的鋼球的循環(huán)方式選擇 鋼球的循環(huán)方式：螺旋槽式外循環(huán)、插管式外循環(huán)、鑲塊式內(nèi)循環(huán) 選擇方案：插管式外循環(huán) 選擇原因：插管式外循環(huán)結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，彎管可制成鋼球流暢性好的通道，經(jīng)濟(jì)性好，應(yīng)用范圍廣泛 滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊方法選擇 消除螺紋間隙和調(diào)整預(yù)緊方法：雙螺母墊片調(diào)整式、雙螺母螺紋調(diào)整式、雙螺母齒差調(diào)整式 選擇方案：雙螺母墊片調(diào)整式 選擇原因：裝卸方便，結(jié)構(gòu)簡單，剛性好 計算進(jìn)給牽引力（最大工作載荷）（N）由機(jī)床設(shè)計手冊中進(jìn)給牽引力的試驗公式計算，縱向?qū)к墳槿切螌?dǎo)軌 = k f（G） （式6.12） 式中 縱向切削分力 k顛覆力矩影響實驗的系數(shù) f滑動導(dǎo)軌摩擦因數(shù) G溜板及刀架重力則 =1.1513400.16（53601000）N = 2558.6 N 計算最大動載荷C(N) C= （式6.13）其中 工作壽命 以r為1單位= （式6.14） 絲杠轉(zhuǎn)速（r/min） = （式6.15） 最大切削力條件下的進(jìn)給速度（m/min），可取最高進(jìn)給速度的1/21/3，取=0.6/2 m/min=0.3 m/min 絲杠導(dǎo)程（mm） 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) 按一般運(yùn)轉(zhuǎn)=1.21.5 取=1.3 硬度系數(shù) 查表取=1.35 使用壽命（h） 一般機(jī)床可取=10000h 數(shù)控機(jī)床可取T=15000h考慮到絲杠對加工精度和經(jīng)濟(jì)性的影響應(yīng)優(yōu)先取4、6、8mm系列 選擇基本導(dǎo)程=4mm 則絲杠轉(zhuǎn)速 =r/min=75 r/min工作壽命 =67.5最大動載荷 =1.31.352258.6 N=18283 N 選擇基本導(dǎo)程=6mm 則絲杠轉(zhuǎn)速 =r/min=50 r/min工作壽命 =45最大動載荷 =1.31.352258.6 N=15972 N 選擇基本導(dǎo)程=8mm 則絲杠轉(zhuǎn)速 =r/min=37.5 r/min工作壽命 =33.75最大動載荷 =1.31.352258.6 N=14512 N選擇滾珠絲杠螺母副 由前述選擇的滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)形式：外循環(huán)、雙圓弧型面、雙螺母墊片調(diào)整式。查機(jī)械傳動裝置設(shè)計手冊表1022，并根據(jù)的原則即所選取的滾珠絲杠的額定動載荷大于計算的最大工作載荷。 當(dāng)=4mm =18283 N 表中額定動載荷顯示0.9 滿足傳動要求 滾珠絲杠副剛度驗算滾珠絲杠副剛度的驗算即為檢驗絲杠的總拉伸或總壓縮變形量（mm），滾珠與螺紋滾道間接觸變形量（mm），滾珠絲杠軸承與軸向接觸變形量，滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的導(dǎo)程的變形量（mm）和螺母座及軸承支座的變形量（mm）之和是否小于機(jī)床精度的要求。又滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的導(dǎo)程變形量和螺母座及軸承支座的變形量極小，在其所占比重較小，可忽略不計。一、絲杠上的總拉伸或總壓縮變形量 （式6.18）式中 在工作負(fù)載作用下引起每一導(dǎo)程的變化量（mm）， 進(jìn)給牽引力即最大工作載荷（N） 滾珠絲杠的導(dǎo)程（mm） 材料彈性模數(shù)，對于鋼=20.6 N/ 滾珠絲杠的截面積（）， （式6.19） 滾珠絲杠的截面半徑（mm）， （式6.20） 滾珠絲杠的公稱直徑（mm） 偏心距（mm） （式6.21） 接觸角（），= 45 螺紋滾道的半徑（mm），=0.510.56，取= 0.52 滾珠直徑（mm） 滾珠絲杠在支承間的受力長度（mm），=1600 mm則 = 0.52=0.523.969 mm =2.064 mm=（2.0643.969/2）sin45mm=0.0562mm=4020.056222.064 mm =35.984 mm=1016.456= mm=0.0000733 mm滾之絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量為= mm=0.0195 mm若兩端采用角接觸球軸承，且絲杠又進(jìn)行了預(yù)緊，預(yù)緊力為最大工作載荷的1/3時，其拉伸剛度可比一端固定的絲杠提高4 倍，即實際變形量為= mm =0.00488 mm二、滾珠與螺紋滾道間接觸變形量查機(jī)械傳動裝置設(shè)計手冊可知，當(dāng)/=0.52，有預(yù)緊時 （式6.22）式中 軸向工作載荷（N），=255.86 N （式6.23） 預(yù)緊力（N），=255.86=85.29 N （式6.24） 工作螺母的鋼球數(shù)，=圈數(shù)列數(shù) （式6.25） 一圈螺紋內(nèi)的鋼球數(shù)，=31.645，取=32 載荷分布不均系數(shù)，與制造精度有關(guān)，通常=1.21.3，取=1.3 絲杠公稱直徑（mm）則=322.52=160 =0.000089當(dāng)滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3時，值可減半，即=0.0000445三、滾珠絲杠軸承與軸向接觸變形量不同類型的軸承的接觸變形量可用不同的公式計算 推力球軸承： （式6.26）式中 軸承所受軸向載荷（N） 軸承的滾動體數(shù)目軸承的滾動體直徑（mm）查機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計手冊表68，軸承型號可選51206（原8206）=15972 N 28000 N，其內(nèi)徑d=30 mm，外徑D=52 mm，寬T=16mm，=T/2=8mm=14 = mm=0.0083 mm滾珠絲杠副剛度的驗算主要驗算、之和不應(yīng)大于機(jī)床精度要求允許變形量的一半，因此只要機(jī)床精度要求，即=0.004880.00004450.0083 mm =0.013225 mm 固絲杠不失穩(wěn) （式6.28）6.1.3 齒輪減速器的設(shè)計 確定齒輪傳動比 （式6.29）式中 步進(jìn)電動機(jī)步距角（），初選=0.75 絲杠導(dǎo)程（mm），=6 mm 縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量（mm/脈沖），=0.01 mm/脈沖則 因i=0.85，故采用一級傳動。 （式6.30）確定齒輪參數(shù) 可選齒輪齒數(shù)為，齒輪材料采用40，調(diào)質(zhì)處理，精度等級取7級，前后軸承選用8024型流動軸承，齒輪傳動時效率為，由于進(jìn)給運(yùn)動齒輪受力不大，且根據(jù)優(yōu)先選用第一系列的原則，取模數(shù)m=2mm，則 =20，=32，=40，由機(jī)械設(shè)計表107可知=0.4，故齒寬=， mm齒輪幾何尺寸如下： 齒輪1分度圓直徑：=m=322 mm =68 mm 齒輪2分度圓直徑：=m=402 mm =80 mm 中心距：a= mm=72 mm齒寬：=0.464 mm =26 mm mm =266 mm =32 mm6.1.4 步進(jìn)電動機(jī)的計算與選擇 負(fù)載轉(zhuǎn)矩（Nm）及最大靜轉(zhuǎn)矩（Nm）的計算由能量守恒原理，電動機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩可由下式估算 （式6.31）式中，進(jìn)給牽引力（N） 滾珠絲杠導(dǎo)程（mm） 滾珠絲杠傳動效率 齒輪減速器的傳動效率 齒輪減速器的傳動比則= N mm =3227.8 N mm=3.228 N m若不考察起動是運(yùn)動部件慣性的影響，則起動轉(zhuǎn)矩為 取安全系數(shù)為0.3，= N m=10.76 N m查如何正確選用電動機(jī)表610,150BF002型和150BF003型步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩滿足計算要求，又該兩型步進(jìn)電動機(jī)分配方式為五拍十相，因此步進(jìn)電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩和最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系=0.951，則 = N m=11.32 N m （式6.32）因此可初選150BF002型步進(jìn)電動機(jī)，其最大靜轉(zhuǎn)矩為13.72 N m，可以滿足要求，其兩型步進(jìn)電動機(jī)具體參數(shù)如下表：表6.2 兩型步進(jìn)電動機(jī)具體參數(shù)型號相數(shù)步距角/()電壓/V相電流/A最大靜轉(zhuǎn)矩/ N m空載起動頻率/(脈沖/s)空載運(yùn)行頻率/(脈沖/s)150BF00250.75/1.580/121313.7228008000150BF00350.75/1.580/121315.6826008000型號繞組電阻/()分配方式外形尺寸/ mm重量kg外徑長度軸徑150BF0020.121五相十拍1501551814150BF0030.127五相十拍1501781816.5等效轉(zhuǎn)動慣量計算傳動系統(tǒng)折算到電動機(jī)軸上總的轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算 （式6.33）式中 步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量（kg） 、齒輪的轉(zhuǎn)動慣量（kg） 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量（kg） 溜板及刀架重力（kg）電機(jī)轉(zhuǎn)子、齒輪、滾珠絲杠均可視為圓柱形零件，對于材料為鋼的圓柱形零件，其轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算： 式中 圓柱形零件的直徑（cm） 零件軸向長度（cm）則 kg=4.188 kg kg=8.307 kg kg=31.949kg由于初選反應(yīng)式步進(jìn)電動為150BF型，可知其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為=10 kg，則傳動系統(tǒng)折算到電動機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量為 kg=40.548 kg不同工況下的轉(zhuǎn)矩計算 機(jī)床在不同的工況下，所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計算快速空載起動力矩( N m) （式6.34）式中 快速空載啟動時所需的轉(zhuǎn)矩( N m) 克服摩擦所需的轉(zhuǎn)矩( N m)絲杠預(yù)緊所引起的折算到電動機(jī)軸上的附加轉(zhuǎn)矩( N m)有動力學(xué)可知：，其中，t為加速時間常數(shù)，t=30ms=0.03s= r/min=320 r/min N m 4.530 N m根據(jù)能量守恒原理，則 =0.202 N m （式6.35） ，式中為預(yù)加載荷，一般為最大軸向載荷的1/3，即，則 N m=1.076 N m （式6.36）則=4.5300.2021.076 N m=5.808 N m快速移動時所需力矩（ N m） =0.2021.076 N m=1.278 N m最大切削負(fù)載所需力矩（ N m） （式6.37） N m=2.935 N m步進(jìn)電動機(jī)的最高工作頻率（HZ） =4000 HZ由以上計算可以看出，在三種不同工況下，快速空載起動所需力矩最大，因此以該項校核初選步進(jìn)電動機(jī)的依據(jù)，又因該型步進(jìn)電動機(jī)分配方式為五相十拍，則有起動轉(zhuǎn)矩和最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系=0.951， = N m=6.107 N m13.72 N m ，所以符合要求150BF002型步進(jìn)電動機(jī)允許的空載起動頻率為8000 HZ，由150BF002型步進(jìn)電動機(jī)起動頻率特性和運(yùn)行頻率特性曲線可以看出當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)起動時， HZ時，M=100 N cm，遠(yuǎn)不能滿足機(jī)床所需的空載起動力矩=5.808 N m，直接使用會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采用升降速控制和高低壓驅(qū)動的電路。6.2橫向進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)控改造設(shè)計6.2.1切削力的確定 因為橫向進(jìn)給量為縱向1/31/2，取1/2，則橫向主切削力為縱向的1/2 N=2680 N由機(jī)床手冊可知，在外圓車削時 （式6.38）取其比例為 ：=1:0.25:0.4 橫切端面時的進(jìn)給抗力（N） 吃刀抗力（N）則 N=670 N N=1072 N6.2.2滾珠絲杠副的設(shè)計計算和選型滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)選型橫向進(jìn)給系統(tǒng)滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)選型可參照縱向進(jìn)給系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)造型為： 螺旋滾道型面形狀：雙圓弧形面 滾珠絲杠螺母副的鋼球的循環(huán)方式：插管式外循環(huán) 滾珠絲杠螺母副軸向見習(xí)的調(diào)整和預(yù)緊方法：雙螺母墊片調(diào)整式計算進(jìn)給牽引力（N）由機(jī)床設(shè)計手冊進(jìn)給中牽引力的試驗公式計算，橫向?qū)к墳檠辔残蛯?dǎo)軌，則 （式6.39）式中，橫向切削分力 滑動導(dǎo)軌摩擦因數(shù)，,取=0.16 顛覆力矩影響的試驗系數(shù) k=1.15 G溜板及刀架重力 G=600N則=N=2240N計算最大動載荷C(N) = （式6.40）其中 工作壽命 以r為1單位= 絲杠轉(zhuǎn)速（r/min） = 最大切削力條件下的進(jìn)給速度（m/min）, 可取最高進(jìn)給速度的1/21/3，取=0.3/2 m/min=0.15m/min 絲杠導(dǎo)程（mm） 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) 按一般運(yùn)轉(zhuǎn)=1.21.5 取=1.3 硬度系數(shù) 查表取=1 使用壽命（h） 一般機(jī)床可取=10000h 數(shù)控機(jī)床可取T=15000h考慮到絲杠對加工精度和經(jīng)濟(jì)性的影響應(yīng)優(yōu)先取4、6、8mm系列 選擇基本導(dǎo)程=4mm 則絲杠轉(zhuǎn)速 =r/min=37.5 r/min工作壽命 =33.75最大動載荷 =1.312240 N=9410.6N 選擇基本導(dǎo)程=6mm 則絲杠轉(zhuǎn)速 =r/min=25 r/min工作壽命 =22.5最大動載荷 =1.312240 N=8220.9 N 選擇基本導(dǎo)程=8mm 則絲杠轉(zhuǎn)速 =r/min=18.75r/min工作壽命 =16.875最大動載荷 =1.312240 N=7469.2 N選擇滾珠絲杠螺母副 由前述選擇的滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)形式：外循環(huán)、雙圓弧型面、雙螺母墊片調(diào)整式。查機(jī)械傳動裝置設(shè)計手冊表1022，并根據(jù)0.9 滿足傳動要求 滾珠絲杠副剛度驗算滾珠絲杠副剛度的驗算即為主要檢驗絲杠的總拉伸或總壓縮變形量（mm），滾珠與螺紋滾道間接觸變形量（mm），滾珠絲杠軸承與軸向接觸變形量之和是否小于機(jī)床精度的要求。一、 絲杠上的總拉伸或總壓縮變形量 式中 在工作負(fù)載作用下引起每一導(dǎo)程的變化量（mm）， 最大工作載荷（N） 滾珠絲杠的導(dǎo)程（mm） 材料彈性模數(shù)，對于鋼=20.6 N/ 滾珠絲杠的截面積（）， 滾珠絲杠的截面半徑（mm）， 滾珠絲杠的公稱直徑（mm） 偏心距（mm） 接觸角（），= 45 螺紋滾道的半徑（mm），=0.510.56，取= 0.52 滾珠直徑（mm） 滾珠絲杠在支承間的受力長度（mm），=600 mm則 = 0.52=0.522.381 mm =1.238 mm=（1.2382.381/2）sin45mm=0.0336mm=2020.033621.238 mm =17.591 mm=242.913= mm=0.000179 mm滾之絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量為= mm=0.02685 mm滾珠絲杠采用雙螺母預(yù)緊，預(yù)緊力為最大工作載荷的1/3時，其絲杠拉伸剛度可提高4 倍，即實際變形量為= mm =0.00671 mm二、滾珠