C618數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)設計

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中國地質大學（武漢）遠程與繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文） 遠程與繼續(xù)教育學院 本科畢業(yè)論文（設計） 題目： C618數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)設計 學習中心： 包頭市學習中心 學 號： 090F27143008 姓 名： 賈旭 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 指導教師： 李毅軍 2016 年 8 月 16 日 中國地質大學（武漢）遠程與繼續(xù)教育學院 本科畢業(yè)論文（設計）指導教師指導意見表 學生姓名： 賈旭 學號：090F27143008專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 畢業(yè)設計（論文）題目： C618數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)設計 指導教師意見：（請對論文的學術水平做出簡要評述。包括選題意義；文獻資料的掌握；所用資料、實驗結果和計算數(shù)據(jù)的可靠性；寫作規(guī)范和邏輯性；文獻引用的規(guī)范性等。還須明確指出論文中存在的問題和不足之處。） 選題符合本專業(yè)方向。經(jīng)多次修改論文撰寫格式、圖標注及內(nèi)容等基本符合地大本科論文撰寫要求。內(nèi)容敘述條理較清晰、層次較分明并具有一定的邏輯性；語言表達較為流暢。文獻運用、圖的引入恰當、準確，對文章文字敘述起到說明、佐證的作用。 不足之處：表標注不規(guī)范，文章重點不夠突出，缺乏新意，因而創(chuàng)新性不足。 指導教師結論： 合格 指導教師 姓名 李毅軍 所在單位 呼和浩特職業(yè)學院 指導時間 2016.7.10—10.4 中國地質大學（武漢）遠程與繼續(xù)教育學院 本科畢業(yè)設計（論文）評閱教師評閱意見表 學生姓名： 賈旭 學號：090F27143008專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 畢業(yè)設計（論文）題目： C618數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)設計 評閱意見：（請對論文的學術水平做出簡要評述。包括選題意義；文獻資料的掌握；所用資料、實驗結果和計算數(shù)據(jù)的可靠性；寫作規(guī)范和邏輯性；文獻引用的規(guī)范性等。還須明確指出論文中存在的問題和不足之處。） 修改意見：（針對上面提出的問題和不足之處提出具體修改意見。評閱成績合格，并可不用修改直接參加答辯的不必填此意見。） 畢業(yè)設計（論文）評閱成績 （百分制）： 評閱結論： （同意答辯、不同意答辯、修改后答辯） 評閱人姓名 所在單位 評閱時間 論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：本人所呈交的本科畢業(yè)論文《C618數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)設計》，是本人在導師的指導下獨立進行研究工作所取得的成果。論文中引用他人的文獻、資料均已明確注出，論文中的結論和結果為本人獨立完成，不包含他人成果及使用過的材料。對論文的完成提供過幫助的有關人員已在文中說明并致以謝意。 本人所呈交的本科畢業(yè)論文沒有違反學術道德和學術規(guī)范，沒有侵權行為，并愿意承擔由此而產(chǎn)生的法律責任和法律后果。 論文作者（簽字）：賈旭 日期：　2016　年　8　月　16　日 中國地質大學（武漢）遠程與繼續(xù)教育學院本科畢業(yè)設計（論文） 摘 要 隨著我國科技不斷發(fā)展,社會工業(yè)生產(chǎn)以迅猛的速度進入了信息化時代。在生產(chǎn)領域和高科技領域競爭激烈的情況下,高質量、性能好、低價格、耗能低的機械產(chǎn)品,已經(jīng)成為競爭的有利手段。為了能更好地解決機床工業(yè)上一些生產(chǎn)過程復雜性、零件產(chǎn)品精密性、單件生產(chǎn)多元性等問題,數(shù)字控制機床的產(chǎn)生已經(jīng)成為必然趨勢。從而提升了企業(yè)設計產(chǎn)品的性能和質量水平,達到經(jīng)濟效益最大化的目的。本課題對C618臥式車床進行數(shù)控化改造，實現(xiàn)微機對車床的數(shù)控化控制。利用微機對車床的縱向、橫向進給系統(tǒng)進行數(shù)字控制，并要達到縱向最小運動單位為0.01/脈沖，橫向最小運動單位0.005 /脈沖，主運動實現(xiàn)自動變速，刀架改造成自動控制的自動轉位刀架，能自動的切削螺紋。 關鍵詞：傳動系統(tǒng)；伺服進給系統(tǒng)；數(shù)控機床；改造設計  目 錄 一、緒論 1 （一）課題背景 1 （二）機床數(shù)控化改造的必要性 2 二、改造設計分析 4 （一）數(shù)控車床工作原理及組成 4 （二）數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的特點 4 （三）設計任務 4 （四）機械改造部分的設計 5 （五）車床的數(shù)控改造設計 6 三、主傳動系統(tǒng)改造設計 7 （一）選擇脈沖當量 7 （二）計算切削力 7 （三）滾珠絲桿螺母副的計算和選型 7 （四）傳動比計算 10 （五）步進電機的計算和選型 11 （六）同步帶傳動設計 14 結論 15 致謝 16 參考文獻 17 一、緒論 （一）課題背景 一個國家數(shù)控機床的水平和擁有量是衡量其工業(yè)現(xiàn)代化程度、衡量國家綜合競爭力的重要指標，而數(shù)控機床的核心技術正是數(shù)控系統(tǒng)。雖然我國在低檔經(jīng)濟型數(shù)控機床上的數(shù)控系統(tǒng)基本實現(xiàn)了國產(chǎn)化，但在中高檔的數(shù)控系統(tǒng)方面還處于劣勢地位。兩年前，日本法那克公司和德國西門子公司在中國以12000臺和7000臺的銷售數(shù)量，基本壟斷了中國中高檔數(shù)控系統(tǒng)市場。目前，這種中高檔數(shù)控機床“空芯化”現(xiàn)象已經(jīng)有所改變。中國機床工具工業(yè)協(xié)會提供的數(shù)字顯示，過去五年來，我國數(shù)控機床行業(yè)科研攻關、標準化等方面取得了一批階段性成果。全行業(yè)平均每年完成科研項目100項以上。目前全行業(yè)擁有的近500項國家標準中，一半以上采用國際標準。行業(yè)初步建起了產(chǎn)、學、研結合、國內(nèi)外結合的新型技術開發(fā)體系，已建立起國家超精密機床工程技術研究中心、國家精密工具工程技術研究中心、國家高效磨削工程技術研究中心、國家數(shù)控系統(tǒng)工程技術研究中心、國家高檔數(shù)控工程研究中心等尖端科研中心，經(jīng)認定的國家級企業(yè)技術中心達15家。 近年來我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數(shù)控機床中，除少量機床以FMS模式集成使用外，大都處于單機運行狀態(tài)，并且相當部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。 2001年，我國機床工業(yè)產(chǎn)值已進入世界第5名，機床消費額在世界排名上升到第3位，達47.39億美元，僅次于美國的53.67億美元，消費額比上一年增長25%。但由于國產(chǎn)數(shù)控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢，2001年進口機床躍升至世界第2位，達24.06億美元，比上年增長27.3%。 近年來我國出口額增幅較大的數(shù)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機床、數(shù)控剪板機、數(shù)控成形折彎機、數(shù)控壓鑄機等，普通機床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機床、液壓壓力機、木工機床等。出口的數(shù)控機床品種以中低檔為主。近年來我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數(shù)控機床中，除少量機床以FMS模式集成使用外，大都處于單機運行狀態(tài)，并且相當部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。 2001年，我國機床工業(yè)產(chǎn)值已進入世界第5名，機床消費額在世界排名上升到第3位，達47.39億美元，僅次于美國的53.67億美元，消費額比上一年增長25%。但由于國產(chǎn)數(shù)控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢，2001年進口機床躍升至世界第2位，達24.06億美元，比上年增長27.3%。 近年來我國出口額增幅較大的數(shù)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機床、數(shù)控剪板機、數(shù)控成形折彎機、數(shù)控壓鑄機等，普通機床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機床、液壓壓力機、木工機床等。出口的數(shù)控機床品種以中低檔為主。 （二）機床數(shù)控化改造的必要性 1、微觀角度看改造的必要性 從微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。 1）可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。 由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。 2）可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高7倍。 由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了"柔性自動化"。 3）加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要"修配"。 4）可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。 5）擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。 6）由以上五條派生的好處。 如：降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應等等。 2、宏觀角度看改造的必要性 從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應用數(shù)控機床。由于采用信息技術對國外軍、民機械工業(yè)進行深入改（稱之為信息化），最終得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。而我們在信息技術改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達國家約落后20年。如我國機床擁有量中，數(shù)控機床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已達20.8％，因此每年都有大量機電產(chǎn)品進口。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性。數(shù)控化改造的市場空間機床的數(shù)控制化改造是一個方興未的行業(yè)，從各種統(tǒng)計數(shù)字上看前途應該是十分光明的，例如：在美國，日本和德國等發(fā)達國家，它們的機床改造人作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。由于機床以及數(shù)控技術的不斷進步，機床改造是一個永恒的課題。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術為主的新的行業(yè)所以不難看出： 1）國內(nèi)的市場我國目前機床總量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）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?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。 2）進口設備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進技術、設備和生產(chǎn)線進行技術改造。根據(jù)不完全統(tǒng)計，從1979～1988年10年間，全國引進技術改造項目就有18446項，大約165.8億美元。這些項目中，大部分項目為我國的經(jīng)濟建設發(fā)揮了應有的作用。但是有的引進項目由于種種原因，設備或生產(chǎn)線不能正常運轉，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴重的使企業(yè)陷入困境。一些設備、生產(chǎn)線從國外引進以后，有的消化吸收不好，備不全，維護不當，結果運轉不良；有的引進時只注意引進設備、儀器、生產(chǎn)線，視軟件、工藝、管理等，造成項目不完整，設備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動運行，沒有發(fā)揮應有的作用；有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好，但是因為設備故障能達產(chǎn)達標；有的因為能耗高、產(chǎn)品合格率低而造成虧損；有的已引進較長時間，需要進行技術更新。種種原因使有的設備不僅沒有創(chuàng)造財富，反而消耗著財富。這些不能使用的設備、生產(chǎn)線是個包袱，也是一批很大的存量資產(chǎn)，修好了就是財富。只要找出主要的技術難點，解決關鍵技術問題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產(chǎn)，爭取到最大的經(jīng)濟效益和社會效益。這也是一個極大的改造市場。 二、改造設計分析 （一）數(shù)控車床工作原理及組成 數(shù)控機床加工零件時，首先應編制零件的加工程序，這是數(shù)控機床的工作指令。將加工程序輸入到數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制機床主運動的變化、起停，進給運動的方向、速度和位移量以及其它如刀具選擇交換、工件夾緊松開和冷卻潤滑的開、關等動作，使刀具與工件及其它輔助裝置嚴格的按照加工程序規(guī)定的順序、軌跡和參數(shù)進行工作，從而加工出符合要求的零件。 數(shù)控機床主要由數(shù)控機床由程序編制及程序載體、輸入裝置、數(shù)控裝置（CNC）、伺服驅動及位置檢測、輔助控制裝置、機床本體等四部分組成。 （二）數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的特點 1）機床有足夠高的轉速和大的功率，以適應高效率加工的需要； 2）主軸轉速的變換迅速可靠，一般能自動變速； 3）主軸應有足夠高的剛度和回轉精度； 4）主軸轉速范圍應很廣，如對鋁合金材料的高速切削，幾乎沒有上限的限制，主軸最高轉速取決于主傳動系統(tǒng)中傳動元件的允許極限(如主軸軸承允許的極限轉速)，而最低轉速則根據(jù)加工不銹鋼等難加工材料的要求來確定。 （三）設計任務 1、伺服進給系統(tǒng)的設計改造 數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)按有無位置檢測和反饋可分為開環(huán)伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 閉環(huán)控制方案的優(yōu)點是可以達到和好的機床精度，能補償機械傳動系統(tǒng)中的各種誤差，消除間隙、干擾等對加工精度的影響。但其結構復雜、技術難度大、調(diào)式和維修困難、造價高。 2、數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設計 數(shù)控系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩部分組成，硬件是控制系統(tǒng)的基礎，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。數(shù)控裝置的設計方案通常有：1）可以全部自己設計制作；2）可以采用單板機或STD模塊或工控機改制；3）可以選用現(xiàn)成的數(shù)控裝置作少量的適應化改動。 在普通機床的經(jīng)濟型數(shù)控改造中，由于第一種設計周期較長且不經(jīng)濟，同時質量也難于保證。第二種則更加不經(jīng)濟。所以本課程設計將采取第三種方案。 （四）機械改造部分的設計 1、設計Ι （1）數(shù)控系統(tǒng)運動方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按其運動軌跡可分為：點位控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。點位控制系統(tǒng)只要求控制刀具從一點移到另外一點的位置，而對于運動軌跡原則上不加控制。連續(xù)控制系統(tǒng)能對兩個或兩個以上坐標方向的位移進行嚴格的不間斷的控制。由C618車床要加工復雜輪廓零件，所以本微機數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。 （2）伺服進給系統(tǒng)的設計改造 數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)按有無位置檢測和反饋可分為開環(huán)伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 1）閉環(huán)控制方案的優(yōu)點是可以達到和好的機床精度，能補償機械傳動系統(tǒng)中的各種誤差，消除間隙、干擾等對加工精度的影響。但其結構復雜、技術難度大、調(diào)式和維修困難、造價高。 2）半閉環(huán)控制系統(tǒng)由于調(diào)速范圍寬，過載能力強，又采用反饋控制，因此性能遠優(yōu)于以步進電動機驅動的開環(huán)控制系統(tǒng)。但是，采用半閉環(huán)控制其調(diào)式比開環(huán)要復雜，設計上也要有其自身的特點，技術難度較大。 3)開環(huán)控制系統(tǒng)中沒有位置控制器及反饋線路，因此開環(huán)系統(tǒng)的精度較差，但其結構簡單，易于調(diào)整，所以常用于精度要求不高的場合。 經(jīng)過上序比較，由于所改造的C618車床的目標加工精度要求不高，所以決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。 在普通機床的經(jīng)濟型數(shù)控改造中，由于第一種設計周期較長且不經(jīng)濟，同時質量也難于保證。第二種則更加不經(jīng)濟。所以本課程設計將采取第三種方案。 2、設計Ⅱ （1）主傳動部分的改造設計 將原機床的主軸電動機換成變頻調(diào)速電動機，無級調(diào)速部分由變頻器控制。將原機床的主軸手動變速換成有電磁離合器控制的主軸變速機構。改造后使其主運動和進給運動分離，主軸電動機的作用只是帶動主軸旋轉。 （2）進給機構的改造 將原機床的掛輪機構、進給箱、溜板箱、滑動絲杠、光杠等全部拆除?？v向、橫向進給以步進電動機作為驅動元件經(jīng)一級齒輪減速后，由滾珠絲杠傳動。 （3）其它部件的改造刀架部分：拆除原手動刀架和小拖板，安裝由微機控制的四工位電動機刀架，該刀架具有重復定位精度高、剛性好、使用壽命長、工藝性好等優(yōu)點。 經(jīng)總體設計方案的論證后，確定的C618的車床經(jīng)濟型數(shù)控改造的總體方案示意圖如圖所顯：C618車床的主軸轉速部分采用了變頻調(diào)速交流異步電機，有級變速部分采用電磁離合器控制機構；車床的縱向和橫向進給運動采用步進電機驅動，經(jīng)步進電機驅動，齒輪減速后帶動滾珠絲杠轉動，從而實現(xiàn)縱向、橫向進給運動；刀架改成由微機控制，經(jīng)電機驅動的自動轉位刀架。為保持切削螺紋的功能，需安裝主軸脈沖發(fā)生器。 （五）車床的數(shù)控改造設計 改造后的C618數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)的作用就是產(chǎn)生不同的主軸切削速度以滿足不同的加工條件要求。數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的作用就是產(chǎn)生不同的主軸切削速度以滿足不同的加工條件要求。 1、對主傳動系統(tǒng)的基本要求 1）有較寬的調(diào)速范圍，可增加數(shù)控機床加工適應性，便于選擇合理切削速度使切削過程始終處于最佳狀態(tài)。 2）有足夠的功率和扭矩，使數(shù)控加工方便實現(xiàn)低速時大扭矩，高速時恒功率，以保證加工高效率。 3）有足夠的傳動精度，各零部件應具有足夠精度、剛度、抗振性，使主軸運動高精度，從而保證數(shù)控加工高精度。 4）噪聲低，運動平穩(wěn)，使數(shù)控機床工作環(huán)境良好、宜人。 2、主傳動系統(tǒng)的變速方式 （1）采用變速齒輪傳動 采用少數(shù)幾對齒輪降速，用液壓撥叉自動變速，電機主軸仍為無級變速，并實現(xiàn)主軸的正反啟動、停止、制動。該方式扭矩大，噪聲大，一般用于較低速加工。 （2）采用同步齒形帶傳動 采用直流或交流主軸伺服電機，由同步齒形帶傳動至主軸，該方式主軸箱及主軸結構簡單，主軸部件剛性好；傳動效率高、平穩(wěn)、噪聲?。徊恍铦櫥?；但由于輸出扭矩小，低速性能不太好，在中檔機床中應用較多。 （3）采用主軸電機直接驅動 亦稱一體化主軸、電主軸，由主軸電機直接驅動，電機、主軸合二為一，主軸為電機的轉子。該方式處理好散熱、潤滑非常關鍵，一般應用于高速機床。 三、主傳動系統(tǒng)改造設計 （一）選擇脈沖當量 根據(jù)機床精度要求確定脈沖當量： 縱向： 0.01mm/步； 橫向：0.005mm/步（半徑）。 （二）計算切削力 1、縱車外圓 主切削力FZ（N）按經(jīng)驗公式估算： FZ=0。67Dmax1。5=0。67*4001。5=5360 按切削力各分力比例： FZ/FX/FY=1/0.25/0.4 F X=53600.25=1340 FY=53600.4=2144 2、橫切端面 主切削力FˊZ（N）可取縱切的0.5 FˊZ=0.5FZ=2680 此時走刀抗力為FˊY（N），吃刀抗力為Fˊx（N）。仍按上述比例粗略計算： FZ/FX/FY=1/0.25/0.4 FˊY=26800.25=670 FˊX=26800.4=1072 （三）滾珠絲桿螺母副的計算和選型 1、縱向進給絲桿 (1）計算進給牽引力Fm（N） 縱向進給為綜合型導軌 Fm=KFx+fˊ（Fz+G） =1.1581340+0.16（5360+800） =2530 式中 K—考慮顛復力距影響的實驗系數(shù)，綜合導軌取K=1.15； fˊ—滑動導軌摩擦系數(shù)：0.15—0.18； G—溜板及刀架重力：G=800N (2）計算最大動負荷C C=3√LfWFM L=60nt/106 N=1000Vs/Lo 式中 Lo—滾珠絲桿導程，初選L=6mm； Vs—最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度的（1/2—1/3），此處Vs=0.6m/min T—使用壽命，按15000h； fw—運轉系數(shù)，按一般運轉取F=1.2—1.5； L—壽命、以106為一單位。 n=1000Vs/Lo=10000.60.5/6=50r/min L=60NT/106=606015000/106=45 C=3√LfwFm=3√451.22530=10798.7N (3）滾珠絲桿螺母副的選型 查閱表，可用W1L400b外循環(huán)螺紋調(diào)整預緊的雙螺母滾珠絲桿副，1列2.5圈，其額定動負載為16400N，精度等級按表4-15選為3級（大致相當老標準E級）。 (4)傳動效率計算 η=tgγ/tg(γ+φ) 試中γ—螺旋升角，W1L400bγ=244ˊ φ—摩擦角10ˊ滾動摩擦系數(shù)0.003--0.004 η=tgγ/tg(γ+φ) =tg244ˊ/tg(244+10ˊ)=0.94 （5）剛度驗算 最大牽引力為2530N。支撐間距L=1500mm螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷的1/3。 A. 絲杠的拉伸或壓縮變形量δ1 根據(jù)Pm=2530N，D0=40mm，查出ΔL/L=1.210-5 可算出： δ1=δL/L1500=1.210-51500=1.810-2 由于兩端采用向心推力球軸承，且絲桿又進行了預拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍。其實際變形量 δ1(mm)為： δˊ1=0.2510-2 B．滾珠與螺紋滾道間接觸變形δq W系列1列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量δq ： δq=6.4m 因進行了預緊， δ2 =0.5δq =0.56.4=3.2m C．支承滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形δ3 采用8107型推力球軸承，d1=35mm，滾動體直徑dq=6.34mm，滾動體 數(shù)量Z=18，δc=0.00243√Fm2/(dqZ2) =0.00243√2532/(6.35182) 注意，此公式中Fm單位為kgf 應施加預緊力，故 δ3=0.5δ=0.50.0075=0.0038mm 根據(jù)以上計算：δ= δ1+δ2+δ3 =0.0045+0.0032+0.0038 =0.0115mm＜定位精度 (5）穩(wěn)定性校核 滾珠絲桿兩端推力軸承，不會產(chǎn)生產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(wěn)定性校核。 2、橫向進給絲桿 1）計算進給牽引力Fˊm 橫向導軌為燕尾形，計算如下： Fˊm=1.4Fˊy+fˊ(Fz+2Fˊx+Gˊ) =1.4670+0.2(2680+21072+600)≈2023N (2）計算最大動負荷C n=1000V3/L0=10000.30.5/5=30 L=60nT/106=603015000/106 C=3√LfwFˊm=3√271.22030=7283N (3）選擇滾珠絲杠螺母副 從附錄A表3中查出，W1L20051列2.5圈外循環(huán)螺紋預緊滾珠絲杠副，額 定動載荷為8800N，可滿足要求，選定精度為3級。 (4）傳動效率計算 η=tgγ/tg(γ+φ)=tg433ˊ/tg(433ˊ+10ˊ)=0.965 (5）剛度驗算 橫向進給絲杠支承方式如圖所示，最大牽引力為2425N，支承間距L=450mm，因絲杠長度較短，不需預緊，螺母及軸承預緊。 計算如下： A.絲杠的拉伸或壓縮變形量δ1(mm) 查圖4-6，根據(jù)Fˊm=2032N，D0=20MM，查出δL/L=510ˉ5 可算出 δ1= δL /LL=4.210‐5 450=1.8910‐2mm 顯然系統(tǒng)應進行預拉伸，以提高剛度 故 δˊ=0.25δ1=4.710—3 B.滾珠與螺紋滾道間接觸變形 查資料（《機床數(shù)控改造設計與實例[M]．1版》，）。 δq=8.5μm 因進行了預緊 δ2=0.5δq=0.58.5=4.25μm C.支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形 采用8103型推力球軸承，dq=5 Z=13 d=17mm δc=0.00243√Fm2/(dqZ2)=0.00243√202.3/5132=1.310ˉ3 考慮到進行了預緊，故 δ3=0.5 δc=0.51.310ˉ3=6.510–4 綜合以上幾次變形量之和得： δ=δˊ1δ2δ3=4.7103+4.25103/+ =0.0096＜0.015（定位精度 ） (6）穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠兩端推力軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(wěn)定性校核。 （四）傳動比計算 1、縱向進給齒輪箱傳動比計算 已確定縱向進給脈沖當量 δp =0.01，滾珠絲杠導程L0=6mm，初選步進電機步距角0.75。可計算出傳動比i i=360δp / θbL 0 =3900.01/0.756=0.8 可選定齒輪齒數(shù)為： I=Z1/Z2 Z1=32，Z2=40 ，或Z1=20，Z2=25 2、橫向進給齒輪箱傳動比計算 已確定橫向進給脈沖當量δp =0.005，滾珠絲杠導程L0=5mm，初選步進電機步距角0.75。可計算出傳動比i I=360δp / θbL 0=3600.005/0.755=0.48 考慮到結構上的原因，不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板的有效行程，故此處可采用兩級齒輪降速： i=Z1Z2/Z3Z4=34/55=2420/4025 Z1=24，Z2=40，Z3=20，Z4=25 因進給運動齒輪受力不大，模數(shù)m取2。 有關參數(shù)參照下表： 齒數(shù) 　 32 40 24 40 20 25 分度圓 D=mz 64 80 48 80 40 50 齒頂數(shù) da=d+2m 68 84 52 84 44 54 齒根數(shù) df=d-21.25m 59 75 43 75 35 45 齒寬 (6--8)m 20 20 20 20 20 20 中心距 A=(d1+d2)/2 72 64 45 （五）步進電機的計算和選型 1、縱向進給步進電機計算 (1）等效傳動慣量計算 方法計算如下，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總傳動慣量JΣ(kg?cm2)可有下式計算： JΣ=Jm+J1+（Z1/Z2）2〔(J2+Js)+G/g(L0/2π)2〕 式中：Jm—步進電機轉子轉動慣量(kg?cm2) J1，J2—齒輪Z1、Z2的轉動慣量(kg?cm2) Js—滾珠絲杠傳動慣量(kg?cm2) 參考同類型機床，初選反應式步進電機150BF，其轉子轉動慣量Jm=10(kg?cm2) J1=0.78103d14L1=0.781036.422=2.6 kg?cm2 J2=0.78103d24L2=0.78103822=6.39 kg?cm2 Js=0.7810344150=29.952 kg?cm2 G=800N 代入上式： JΣ=Jm+J1+（Z1/Z2）2〔(J2+Js)+G/g(L0/2π)2〕 =10+2.62+(32/40)2〔(6.39+29.592)+800/9.8(0.6/2π)2〕=36.355 kg?cm2 考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題。 Jm/JΣ=10/36.355=0.275 基本滿足慣量匹配的要求和運行矩頻特性。 2、計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率 Fk=1000Vmax/60δp =10002.4/600.01=4000Hz Fe=1000Vs/60δp =10000.6/600.01=1000Hz 從表中查出150BF002型步進電機允許的最高空載起動頻率為2800Hz運行頻率為8000Hz,再從有關手冊中查出150BF002型步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性曲線。當步進電機起動時，f起=2500時，M=100Ncm,遠遠不能滿足此機床所要求的空載起動力矩（782Ncm）直接使用則會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采用升降速控制（用軟件實現(xiàn)），將起動頻率降到1000Hz時，起動力矩可增加到5884Ncm，然后在電路上再采用高低壓驅動電路，還可將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。 當快速運動和切削進給時，150BF002型步進電機運行矩頻特性完全可以滿足要求。 (2）電機力矩計算 機床在不同的工況下，其所需轉距不同，下面分別按各階段計算： A.快速空載啟動力矩M起 在快速空載起動階段，加速力矩占的比例較大，具體計算公式如下： M起=Mamax+Mf+Ma Mamax=JΣε= JΣnnax102/(60ta/2π) = JΣ2πnmax102/(60ta) nmax=νmaxθb/δp360 將前面數(shù)據(jù)代入，式中各符號意義同前。 nmax=νmaxθb/δp360=24000.75(0.01360)=500r/min 啟動加速時間ta=30ms Mamax=JΣ2πnmax102/(60ta) =36.3552π500102/(600.03) =634.5Ncm 折算到電機軸上的摩擦力距Mf： Mf=FOL0/2πηi=f(Pz+G)L0/(2πηZ2/Z1) =0.16(5360+800)0.6/(2π0.81.25)=94Ncm 附加摩擦力距M0 MO=FPOL0(1-η02)/2πηi=1/3FtL0(1-η02)/(2πηZ2/Z1) =1/325300.6(1-0.92)/( 2π0.81.25) =805.30.19=15.3Ncm 上述三項合計： M起=Mamax+Mf+Ma=634.5+94+15.3=743.8Ncm B．快速移動時所需力矩M快。 M快=Mf+M0=94+15.3=109.3Ncm C．快速切削負載時所需力矩 M切 M切=Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL0/2πηi =94+15.3+13400.6/(2π0.81.25) =94+15.3+127.96=237.26Ncm 從上面計算可以看出，M起、M快和M切三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以此項作為初選步進電機的依據(jù)。 從有關手冊[《[機床數(shù)控改造設計與實例[M]》]查出，當步進電機為五相十拍時 λ=Mq/Mjmax=0.951 最大靜力矩Mjmax=743.8/0.951=782Ncm 按此最大靜力矩從有關手冊中查出，150BF002型最大靜轉矩為13.72Nm。大于所需最大靜轉矩，可作為初選型號，但還需進一步考核步進電機起動矩頻特5.2.3計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率 Fk=1000Vmax/60δp =10002.4/600.01=4000Hz Fe=1000Vs/60δp =10000.6/600.01=1000Hz 由110BF003型步進電機的技術參數(shù)可知其最高空載起動頻率為1500Hz，運行頻率為7000Hz。根據(jù)110BF003型電機的起動距頻特性和運行矩頻特性曲線可以看出，當步進電機起動時F=1500Hz，M=98Ncm，小于機床所需的起動力矩（184.4Ncm），直接使用會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采用升降速控制（用軟件實現(xiàn)）。將起動頻率將為1000Hz時，既可滿足要求。當機床快速起動和切削進求。進給時，則完全滿足運行矩頻要求。 （六）同步帶傳動設計 同步齒形帶的選擇和校核: 在車床改造時中，步進電動機與四缸傳動副之間裝有減速機構，通過減速機構可得到所需的脈沖當量和增大的驅動力矩。減速機構采用同步齒形帶傳動機構，同步齒形帶傳動相對齒輪傳動是一種新型的帶傳動，其利用同步帶的齒型與帶輪的輪齒傳遞運動，無相對滑動，無噪聲，無需潤滑，傳動精度和效率高，同步帶傳動的帶速高達40~80m/s.傳遞功率可達100KW，傳動比可達10~20，傳動效率98%。因此在這次數(shù)控改造中我們采用同步齒形帶來傳遞運動。由設計計算分析得各參數(shù)如下： （1）模數(shù)：根據(jù)表，m=4； （2）齒數(shù)：查表選z=18； （3）帶輪節(jié)圓直徑為：d=75； （4）帶速為：V=200mm/s； （5）中心距為：則210〈a<600取a=500； （6）帶長為：L=300； （7）小帶輪嚙合齒數(shù)：a=60； （8）帶寬:c=120。 結論 根據(jù)《自動化制造系統(tǒng)》，可行性論證使用戶建造自動化制造系統(tǒng)項目前所進行的技術和經(jīng)濟性分析報告，是上級主管部門審定和批準立項的基本依據(jù)。同樣，在進行普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造之前進行合理的、科學的可行性論證是必要的。根據(jù)傳統(tǒng)的論證方法，普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造的可行性論證應圍繞以下幾個方面進行，即企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營現(xiàn)狀及存在的問題分析，企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營目標，改造的基礎條件、目標、技術方案、投資概算、效益分析，改造后車床的實施計劃，結論等。 本改造設計是對普通車床C618進行經(jīng)濟型數(shù)控改造。在改造設計中，采用的是廣州數(shù)控設備廠生產(chǎn)的GSK980T型數(shù)控系統(tǒng)，加上兩臺伺服電機，兩套滾珠絲杠副和相配的傳動部分以及齒輪副，一臺變頻調(diào)速電動機，四個電磁離合器以及主傳動部分的齒輪副。這樣設備改造費用和舊設備費用總計不會超過15萬元。因此，對普通車床作經(jīng)濟型數(shù)控改造適合我國國情，是國內(nèi)企業(yè)提高車床的自動化能力和精密程度的有效選擇。它具有一定的典型性和實用性。 致謝 緊張的論文設計,在和老師的指導下共同努力下結束了,這次設計使我們在原來的理論基礎上增加了實踐性的知識,同時我也感受到了要想成為一名數(shù)控改造設計師需要付出更多的努力。在本次設計中,我們參考書進行論文的設計文字和圖片進行補充、修改和完善,使設計達到最佳水平，比較完善了內(nèi)容,而且清晰明了?？梢姅?shù)控機床加工中已從研究階段走向了實用階段。這次設計得到李毅軍老師的指導和幫助,向他表示衷心的感謝,這次設計數(shù)控畢業(yè)論文在實際生活中的重要性,以后我一定要加倍努力學習,為將來打下牢固的基礎。 參考文獻 [1].李福生.實用數(shù)控機床技術手冊[M].北京北京出版社1993. 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