3265 普通CA6140車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造,普通,ca6140,車床,經(jīng)濟型,數(shù)控,改造 1徐 州 工 程 學 院專科生畢業(yè)設計姓 名: 學 號:2004系 部: 機電工程學院專 業(yè): 數(shù)控機床應用及維護設計題目: 普通 CA6140 車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造指導老師：韓翔 職 稱：講師2007 年 6 月2徐州工程學院畢業(yè)設計任務書系部: 機電工程學院 專業(yè)年級: 04 數(shù)控機床應用及維護學生姓名: 任務下達日期:2007 年 4 月 13 日畢業(yè)設計日期: 2007 年 4 月 13 日至 2007 年 6 月 日畢業(yè)設計題目:普通車床的數(shù)控改造畢業(yè)設計主要內容和要求:(1)要求: 1) 設計說明書一份，20000 字，打印成冊。2) 利用畫圖，要求視圖完整。繪圖數(shù)量折合成零號圖紙不少于三張。(2)內容:1） 數(shù)控技術與數(shù)控機床有關文獻的研讀與綜述。2） 伺服進給機構設計計算。3） 主軸交流伺服電機的選型與校核。4） 減速箱體的設計。5） 滾珠絲杠軸承的選型與校核。6） 微機控制系統(tǒng)硬件電路設計。7） 車床改造的結構特點。8） 安裝調整中應注意的問題系主任簽字： 指導教師簽字：3徐州工程學院畢業(yè)設計指導老師評閱書指導老師評語 ( ①基礎理論及基本技能的掌握; ②獨立解決實際問題的能力;③研究內容的理論依據(jù)和技術方法; ④取得的主要成果及創(chuàng)新點; ⑤工作的態(tài)度及工作量; ⑥總體評價及建議成績; ⑦存在問題; ⑧是否同意答辯等 ):成績: 指導老師簽字:年 月 日4徐州工程學院畢業(yè)設計評閱教師評閱書評閱老師評語 ( ①選題的意義 ; ②基礎理論及基本技能的掌握; ③綜合運用所學知識解決實際問題的能力; ④工作量的大小; ⑤取得的主要成果及創(chuàng)新點;⑥寫作的規(guī)范程度; ⑦總體評價及建議成績 ; ⑧存在問題; ⑨是否同意答辯等):成績: 評閱老師簽字:年 月 日5徐州工程學院畢業(yè)設計評閱教師評閱書評閱老師評語 ( ①選題的意義 ; ②基礎理論及基本技能的掌握; ③綜合運用所學知識解決實際問題的能力; ④工作量的大小; ⑤取得的主要成果及創(chuàng)新點;⑥寫作的規(guī)范程度; ⑦總體評價及建議成績 ; ⑧存在問題; ⑨是否同意答辯等):成績: 評閱老師簽字:年 月 日6答 辯 情 況回 答 問 題提 出 問 題 正確 基本正確有一般性錯誤有原則性錯誤沒有回答答辯委員會評語及建議成績:答辯委員會主任簽字:年 月 日學院領導小組綜合評定成績:學院領導小組負責人:年 月 日7摘要普通機床的經(jīng)濟型數(shù)控改造主要是在合理選擇數(shù)控系統(tǒng)的前提下，然后再對普通車床進行適當?shù)臋C械改造，改造的內容主要包括：(1) 床身的改造，為使改造后的機床有較好的精度保持性，除盡可能地減少電器和機械故障的同時，應充分考慮機床零部件的耐磨性，尤其是機床導軌。為此，本例中采用舊床身淬火并貼膜。(2) 拖板的改造，拖板是數(shù)控系統(tǒng)直接控制的對象，所以對其改造尤顯重要。這中間最突出一點就是選用滾珠絲杠代替滾動絲杠，提高了傳動的靈敏性和降低功率步進電機力矩損失。(3) 變速箱體的改造，由于采用數(shù)控系統(tǒng)控制，所以要對輸入和輸出軸以及減速齒輪進行設計，從而再對箱體進行改造。(4) 刀架的改造，采用數(shù)控刀架，這樣可以用數(shù)控系統(tǒng)直接控制，而且刀架體積小，重復定位精度高，安全可靠。通過對機床的改造并根據(jù)要求選用步進電機作為驅動元件，這樣改造后的機床就能基本滿足現(xiàn)代化的加工要求。關鍵字：普通車床 數(shù)控改造 步進電機 經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng) 數(shù)控刀架徐州目錄1.緒論…………………………………………………………………………‥ 12.設計要求‥………………………………………………………………… 32.1 總體方案設計要求……………………………………………………… 32.2 設計參數(shù)………………………………………………………………… 42.3.其它要求………………………………………………………………… 73.進給伺服系統(tǒng)機械部分設計與計算…………………………………… 83.1 進給系統(tǒng)機械結構改造設計…………………………………………… 83.2 進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型………………………………… 83.2.1 確定系統(tǒng)的脈沖當量………………………………………………………… 93.2.2 縱向滾珠絲杠螺母副的副的型號選擇雨校核步驟……………………… 93.2.3 橫向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟………………………… 12 3.2.4 齒輪有關計算…………………………………………………………………… 133.2.4（1）縱向齒輪及轉矩的有關計算……………………………………………143.2.4 (2)橫向齒輪及轉矩的有關計算……………………………………… 154. 步進電動機的計算與選型……………………………………………… 204.1 步進電動機選用的基本原則………………………… ………………… 204.2 步進電動機的選折……………………………… ……………………… 215.主軸交流伺服電機…………………………… …………… ………………225.1 主軸的變速變速范圍…………………………………………………… 225.2 初選主軸電機的型號…………………………………………………… 225.3 主軸電機的校核………………………………………………………… 22 6.微機控制系統(tǒng)硬件電路設計…………………………………………… 236.1 控制系統(tǒng)的功能要求…………………………………………………… 236.2 硬件電路的組成……………………… ……… …………236.3 設計說明…………………………………………………… 237.車床改造的結構特點…………………………… ………………………27徐州7.1.滾珠絲桿…………………………………… ……………………………277.2 導軌副…………………………………………………………………… 277.3 安裝電動卡盤…………………………………………………………… 277.4 脈沖發(fā)生器…………………………………………………………… … 27 8．安裝調整中應注意的問題……………………………………………… 288.1 滾珠絲杠螺母副的選擇………………………………………………… 288.2 滾珠絲杠螺母副的調整………………………………………………… 288.3 聯(lián)軸器的安裝…………………………………………………………… 288.4 主軸脈沖發(fā)生器的安裝……………………………………………… 28結論…………………………………………………………………………… 29參考文獻………………………………………………………………………… 30第 1 頁 共 59 頁1普通 CA6140 車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造1 緒論1.1 課題背景1946 年誕生了世界上第一臺電子計算機，這表明人類創(chuàng)造了可增強和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強體力勞動的工具相比，起了質的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎。6 年后，即在 1952 年，計算機技術應用到了機床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機床。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） 。可見我們的大多數(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。在美國、日本和德國等發(fā)達國家，它們的機床改造作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。由于機床以及技術的不斷進步，機床改造是個"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)。在美國、日本、德國，用數(shù)控技術改造機床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，已形成了機床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè)。在美國，機床改造業(yè)稱為機床再生（Remanufacturing）業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有：Bertsche 工程公司、ayton 機床公司、Devlieg-Bullavd（得寶）服務集團、US 設備公司等。美國得寶公司已在中國開辦公司。在日本，機床改造業(yè)稱為機床改裝（Retrofitting）業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程集團、崗三機械公司、千代田工機公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。1.2 機床改造的內容及意義1.2.1 研究意義企業(yè)要在當前市場需求多變，競爭激烈的環(huán)境中生存和發(fā)展就需要迅速地更新和開發(fā)出新產(chǎn)品，以最低價格、最好的質量、最短的時間去滿足市場需求的不斷變化。而普通機床已不適應多品種、小批量生產(chǎn)要求，數(shù)控機床則綜合了數(shù)控技術、微電子技術、自動檢測技術等先進技術，最適宜加工小批量、高精度、形狀復雜、生產(chǎn)周期要求短的零件。當變更加工對象時只需要換零件加工程序，無需對機床作任何調整，因此能很好第 2 頁 共 59 頁2地滿足產(chǎn)品頻繁變化的加工要求。普通車床經(jīng)過多次大修后，其零部件相互連接尺寸變化較大，主要傳動零件幾經(jīng)更換和調整，故障率仍然較高，采用傳統(tǒng)的修理方案很難達到大修驗收標準，而且費用較高。因此合理選擇數(shù)控系統(tǒng)是改造得以成功的主要環(huán)節(jié)。數(shù)控機床在機械加工行業(yè)中的應用越來越廣泛。數(shù)控機床的發(fā)展，一方面是全功能、高性能；另一方面是簡單實用的經(jīng)濟型數(shù)控機床，具有自動加工的基本功能，操作維修方便。經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)通常用的是開環(huán)步進控制系統(tǒng)，功率步進電機為驅動元件，無檢測反饋機構，系統(tǒng)的定位精度一般可達±0.01 至 0.02mm，已能滿足 CW6140 車床改造后加工零件的精度要求。1.2.2 主要研究內容及技術路線(1)縱向和橫向滾珠絲杠的選型及校核。(2)縱向和橫向步進電機的選擇。(3)主軸交流伺服電機的選擇與校核。(4)其他元件的選擇。1.3 機床的經(jīng)濟型數(shù)控化改造主要解決的問題(1) 恢復原功能，對機床、生產(chǎn)線存在的故障部分進行診斷并恢復。(2) NC 化，在普通機床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成 NC 機床、CNC 機床。(3) 翻新，為提高精度、效率和自動化程度，對機械、電氣部分進行翻新，對機械部分重新裝配加工，恢復原精度；對其不滿足生產(chǎn)要求的 CNC 系統(tǒng)以最新 CNC 進行更新。(4) 技術更新或技術創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術，在原有基礎上進行較大規(guī)模的技術更新或技術創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和檔次的更新改造。第 3 頁 共 59 頁32 數(shù)控系統(tǒng)的選擇數(shù)控系統(tǒng)主要有三種類型，改造時，應根據(jù)具體情況進行選擇。2.1 步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)的伺服驅動裝置主要是步進電機、功率步進電機、電液脈沖馬達等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進給指令脈沖，經(jīng)驅動電路控制和功率放大后，使步進電機轉動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅動執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率以及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運動的位移量、速度和運動方向。這種系統(tǒng)不需要將所測得的實際位置和速度反饋到輸入端，故稱該之為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進電機的角位移精度，齒輪絲杠等傳動元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。該系統(tǒng)結構簡單，調試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。2.2 異步電動機或直流電機拖動，光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)該系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別是：由光柵、感應同步器等位置檢測裝置測得的實際位置反饋信號，隨時與給定值進行比較，將兩者的差值放大和變換，驅動執(zhí)行機構，以給定的速度向著消除偏差的方向運動，直到給定位置與反饋的實際位置的差值等于零為止。閉環(huán)進給系統(tǒng)在結構上比開環(huán)進給系統(tǒng)復雜，成本也高，對環(huán)境室溫要求嚴。設計和調試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲得比開環(huán)進給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，驅動功率更大的特性指標?？筛鶕?jù)產(chǎn)品技術要求，決定是否采用這種系統(tǒng)。2.3 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)半閉環(huán)系統(tǒng)檢測元件安裝在中間傳動件上，間接測量執(zhí)行部件的位置。它只能補償系統(tǒng)環(huán)路內部部分元件的誤差，因此，它的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，但是它的結構與調試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡單。在將角位移檢測元件與速度檢測元件和伺服電機作成一個整體時則無需考慮位置檢測裝置的安裝問題。當前生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的公司廠家比較多，國外著名公司的如德國 SIEMENS 公司、日本FANUC 公司；國內公司如中國珠峰公司、北京航天機床數(shù)控系統(tǒng)集團公司、華中數(shù)控公司和沈陽高檔數(shù)控國家工程研究中心。選擇數(shù)控系統(tǒng)時主要是根據(jù)數(shù)控改造后機床要達到的各種精度、驅動電機的功率和用戶的要求,所以依據(jù)改造的具體要求選用上海通用數(shù)控公司 KT400-T 經(jīng)濟型車床數(shù)控系統(tǒng)和 KT300 步進驅動裝置.第 4 頁 共 59 頁43 機械部分的改造為了充分發(fā)揮數(shù)控系統(tǒng)的技術性能，保證改造后的車床在系統(tǒng)控制下重復定位精度，微機進給無爬行，使用壽命長、外型美觀，機械部分作了如下改動。(1) 床身為了使改造后的機床有較高的開動率和精度保持性，除盡可能地減少電器和機械故障的同時，應充分考慮機床零件、部件的耐磨性，尤其是機床導軌的耐磨性。增加耐磨性的方法有 1，增加導軌的表面強度如：淬火；2，降低摩擦系數(shù) μ 等。當前國內外數(shù)控機床的床身等大件多采用普通鑄鐵。而導軌則采用淬硬的合金鋼材料，其耐磨性比普通鑄鐵導軌高 5 至 10 倍。據(jù)此，在改造中利用舊床身，采用淬火制成導軌，貼塑用螺釘和粘劑固定在鑄鐵床身上。粘接前的導軌工作表面采用磨削加工，表面粗糙度 Ra0.8mm，以提高粘接強度。(2) 主軸變速箱選用數(shù)控系統(tǒng),主運動方式和傳統(tǒng)機床一樣都要求有十分寬廣的變速范圍（1～16）來保證加工時選擇合理的切速，從而獲得較高的生產(chǎn)率和表面質量,所以要根據(jù)具體情況對主軸邊速箱進行改造。(3) 拖板拖板是數(shù)控系統(tǒng)直接控制的對象，不論是點位控制還是連續(xù)控制，對被加工零件的最后坐標精度將受拖板運動精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。對于應用步進電機作拖動元件的開環(huán)系統(tǒng)尤其是這樣。因為數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令僅使拖板運動而沒有位置檢測和信號反饋，故實際移動值和系統(tǒng)指令值如果有差別就會造成加工誤差。因此，除了拖板及其配件精度要求較高外，還應采取以下措施來滿足傳動精度和靈敏度要求。①在傳動裝置的布局上采用減速齒輪箱來提高傳動扭矩和傳動精度(分辨率為 0.01mm)。傳動比計算公式為：（3-1）式中：α 為步進電機的步距角(度)；p 為絲杠螺距，mm；δ 為脈沖當量，即要求的分辨率，mm。②在齒輪傳動中，為提高正、反傳動精度必須盡可能的消除配對齒輪之間的傳動間隙，其方法有兩種，柔性調整法和剛性調整法。柔性調整法是指調整之后的齒輪側隙可以自動補償?shù)姆椒ǎ邶X輪的齒厚和齒距有差異的情況下，仍可始終保持無側隙嚙合。但將影響其傳動平穩(wěn)性，而且這種調整法的結構比較復雜，傳動剛度低。剛性第 5 頁 共 59 頁5調整法是指調整之后齒輪側隙不能自動補償?shù)恼{整方法，它要求嚴格控制齒輪的齒厚及齒距誤差，否則傳動的靈活性將受到影響。但用這種方法調整的齒輪傳動有較好的傳動剛度，而且結構比較簡單。在設備改造中應用的配對齒輪側隙方法是剛性調整法。③采用滾珠絲杠代替原滑動絲杠，提高傳動靈敏性和降低功率、步進電機力矩損失。 (4) 自動換刀裝置為了滿足在一臺機床上一次裝夾完成多工序加工，可采用自動刀架。自動刀架不但可代替普通車床手動刀架，還可用作數(shù)控機床微機控制元件。刀架體積小，重復定位精度高，適用于強力車削并安全可靠。(5) 拖板箱采用數(shù)控系統(tǒng)控制。拆除原拖板箱，利用此位置安裝新拖板箱，新拖板箱除固定在滾珠絲杠的螺母上。掛輪箱、走刀箱拆除，在此兩個位置分別裝控制螺紋加工的主軸脈沖編碼器和拖板軸向伺服元件功率步進電機及減速箱。使改造后的機床外型美觀、合理。改造后機床的啟動、停機均由數(shù)控系統(tǒng)完成，故拆除原機床操縱桿，變向杠、立軸等杠桿零件。3.1 滾珠絲杠的選擇3.1.1 滾珠絲杠副的特點滾珠絲杠副具有與滾動軸承相似的特征。與滑動絲杠副或液壓缸傳動相比，有以下主要特點：（1） 傳動效率高 滾珠絲杠的傳動效率可達 85%~98%，為滑動絲杠副的 2~4 倍，由于滾珠絲杠副的傳動效率高，對機械小型化，減少啟動后的顫動和滯后時間以及節(jié)約能源等方面，都具有重要意義。（2） 運動平穩(wěn) 滾珠絲杠副在工作過程中摩擦阻力小，靈敏度高，而且摩擦系數(shù)幾乎與運動速度無關，啟動摩擦力矩與運動時的摩擦力矩的差別很小。所以滾珠絲杠副運動平穩(wěn)，啟動時無顫動，低速時無爬行。（3） 傳動可逆性 與滑動絲杠副相比，滾動絲杠副突出的特點是具有運動的可逆性。正逆?zhèn)鲃拥男蕩缀蹩筛哌_ 98%。滾珠絲杠副具有運動的可逆性，但是沒有象滑動絲杠副那樣運動具有自鎖性。因此，在某些機構中，特別是垂直升降機構中使用滾珠絲杠副時，必須設置防止逆轉的裝置。（4） 可以預緊 通過對螺母施加預緊力能消除滾珠絲杠副的間隙，提高軸向接觸剛度，但摩擦力矩卻增加不大。（5） 定位精度和重復定位精度高 由于滾珠絲杠副具有傳動效率高，運動平穩(wěn)，可以預緊等特點，所以滾珠絲杠副在工作過程中溫升較小，無爬行。并可消除軸向間隙和對絲杠進行預緊拉伸以補償熱膨脹，能獲得較高的定位精度和重復定位精度。（6） 同步性好 用幾套相同的滾珠絲杠副同時驅動相同的部件和裝置時，由于反應靈敏，無阻滯，無滑移，其啟動的同時性，運行中的速度和位移等，都具有準確的一致性，這就是所謂同步性好。第 6 頁 共 59 頁6（7） 使用壽命長 滾珠絲杠和螺母的材料均為合金鋼，螺紋滾道經(jīng)過熱處理，并jmaxM淬硬至 HRC58-62,經(jīng)磨削達到所需的精度和表面粗糙度。實踐證明，滾珠絲杠副的使用壽命比普通滑動絲杠副高 5~6 倍。（8） 使用可靠，潤滑簡單，維修方便 與液壓傳動相比，滾珠絲杠副在正常使用條件下故障率低，維修保養(yǎng)也極為方便；通常只需進行一般的潤滑與防塵。在特殊使用場合，如核反應堆中的滾珠絲杠副，可在無潤滑狀態(tài)下正常工作。3.1.2. 縱向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟(1)最大工作載荷計算 滾珠絲杠上的工作載荷 Fm (N) 是指滾珠絲杠副的在驅動工作臺時滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫做進給牽引力。它包括滾珠絲杠的走刀抗力及與移動體重力和作用在導軌上的其他切削分力相關的摩擦力。由于原普通 CA6140 車床的縱向導軌是三角形導軌，則用公式 3-2 計算工作載荷的大小。（3-)('GFvfKlm??2）1）車削抗力分析車削外圓時的切削抗力有 Fx、Fy、Fz，主切削力 Fz 與切削速度方向一致，垂直向下，是計算車床主軸電機切削功率的主要依據(jù)。且深抗力 Fy 與縱向進給方向垂直，影響加工精度或已加工表面質量。進給抗力 Fx 與進給方向平行且相反指向，設計或校核進給系統(tǒng)是要用它?？v切外圓時，車床的主切削力 Fz 可以用下式計算：（3-FzFzXynzpCf????3）=5360(N)由>知:Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4 (3-4)得 Fx=1340(N)Fy=2144(N)因為車刀裝夾在拖板上的刀架內，車刀受到的車削抗力將傳遞到進給拖板和導軌上，車削作業(yè)時作用在進給拖板上的載荷 Fl、Fv 和 Fc 與車刀所受到的車削抗力有對應關系，因此，作用在進給拖板上的載荷可以按下式求出：拖板上的進給方向載荷 Fl=Fx=1340(N)拖板上的垂直方向載荷 Fv=Fz=5360(N)拖板上的橫向載荷 Fc=Fy=2144(N)第 7 頁 共 59 頁7因此，最大工作載荷 )('GFvfKlm??=1.15 1340+0.04 (5360+90 9.8)??=1790.68(N)對于三角形導軌 K=1.15 ，f ′=0.03~0.05,選 f ′=0.04(因為是貼塑導軌)，G是縱向、橫向溜板箱和刀架的重量，選縱向、橫向溜板箱的重量為 75kg,刀架重量為15kg.(2)最大動載荷 C 的計算滾珠絲杠應根據(jù)額定動載荷 Ca 選用，可用式 3-5 計算：C= ， (3-5)fmFL3L 為工作壽命，單位為 10 r,L=60nt/10 ;n 為絲杠轉速（r/min）,n= ;v 為最66 。Lv10大切削力條件下的進給速度（m/min）,可取最高進給速度的 1/2~1/3;L0 為絲杠的基本導程，查資料得 L。=12mm；fm 為運轉狀態(tài)系數(shù)，因為此時是有沖擊振動，所以取 fm=1.5。V 縱向=1.59mm/r 1400r/min=2226mm/min?n 縱向=v 縱向 1/2 /L。=2226 1/2 /12=92.75r/minL=60nt/10 =60 92.75 15000 /10 =83.5?6 6則 C= = 1.5 1790.68=11740(N) fmFL335.8?初選滾珠絲桿副的尺寸規(guī)格，相應的額定動載荷 Ca 不得小于最大動載荷 C:因此有Ca>C=11740N.另外假如滾珠絲杠副有可能在靜態(tài)或低速運轉下工作并受載，那么還需考慮其另一種失效形式-滾珠接觸面上的塑性變形。即要考慮滾珠絲杠的額定靜載荷 Coa 是否充分地超過了滾珠絲杠的工作載荷 Fm,一般使 Coa/Fm=2~3.初選滾珠絲杠為：外循環(huán)，因為內循環(huán)較外循環(huán)絲杠貴，并且較難安裝?？紤]到簡易經(jīng)濟改裝，所以采用外循環(huán)。因此初選滾珠絲杠的型號為 CD63×8-3.5-E 型，主要參數(shù)為Dw=4.763mm,L。=8mm,dm=63mm,λ=2o19′，圈數(shù) 列數(shù) 3.5 1 ?(3) 縱向滾珠絲杠的校核1)傳動效率計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率為 ?= tgλ/tg(λ+φ)= tg 2o19′/tg(2o19′+10′)=92% (3-6)?2)剛度驗算滾珠絲杠副的軸向變形將引起導程發(fā)生變化，從而影響其定位精度和運動平穩(wěn)性，第 8 頁 共 59 頁8滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形，絲杠與螺母之間滾道的接觸變形，絲杠的扭轉變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。1_絲杠的拉壓變形量 δ1δ1= FmL / EA (3-7)?= 1790.68 2280 / 20.6 10 π (31.5)2 ??= 0.0064mm2 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 δ2采用有預緊的方式，因此用公式 δ2= 0.0013 (3-8)?32?DwFyjZm= 3 236.1458.7906.401.=0.0028mm在這里 =1/3Fm=1/3 1790.68=597NyjF?Z=π dm/Dw=3.14 63/4.763=41.53ZΣ=41.53 3.5 1=145.36絲杠的總變形量 δ=δ1+δ2=0.0064+0.0028=0.0092mm>4所以絲杠很穩(wěn)定。3.1.3．橫向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟(1)型號選擇1) 最大工作載荷計算由于導向為貼塑導軌，則：k=1.4 f ′=0.05 ，F(xiàn)l 為工作臺進給方向載荷，F(xiàn)l=2144N ， Fv=5360N ， Fc=1340N ，G=60kg ， t=15000h，最大工作載荷：F m=kFl+ f ′(Fv+2Fc+G)=1.4 2144+0.05(5360+2 1340+9.8 75)??=3452.6N2)最大動負載的計算v 橫=1400r/min 0.79mm/r = 1106 mm/min?n 橫絲= v 橫 1/2 / L。縱=1106 1/2 / 5 =110.6r/min?L=60nt/10 =1106 110.6 15000 /10 =99.546 6C = fm Fm=99.54 1.5 3352.6=23283.8N3L?初選滾珠絲杠型號為:CD50×6-3.5-E?其基本參數(shù)為 Dw =3.969mm ，λ=2°11′，L。=6mm，dm=50mm，圈數(shù) 列數(shù) 3.5 1?(2)橫向滾珠絲杠的校核1)傳動效率 計算?η= tg λ/tg (λ+φ)=tg2°11′/tg(2°11′+10′)=93%2)剛度驗算第 10 頁 共 59 頁101 絲杠的拉壓變形量δ1=±Fm L/EA = ±3352.6 320/20.6 10 π 252 =± 0.0026mm??4?2 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量δ2=0.0013 32?DwFyjZm=0.0013?3 248.136.59.?= 0.0099mm在這里 Fyj= = =1118N3Fm.2Z=dm/Dw=3.14 50/3.969=39.56?ZΣ=39.56 3.5 1=138.48絲杠的總變形量δ=δ1+δ2=0.0026+0.0099=0.0125mm100mm 時 n=6m 由結構確定，在這里均取 3,d3 為螺釘直徑.（1）D=26 時的尺寸=n-d3-1 則 d3=2.5 取 M4 的螺釘3d=26+2.5 2.5=32.250D?=32.25+3 2.5=39.25 =0.9D=0.9 26=23.42 4D?m=3m（2）D=37d3=2.5mm 取 M4 的螺釘=37+6.25=43.25mm0D=43.25+7.5=50.75mm2=0.9 37=33.3mm4?m=3mm3.4.2 通蓋第 18 頁 共 59 頁18圖 3-6 通蓋=D+(2~2.5)d3+2S2(有套環(huán))0D=D。+(2.5~3)d3 =(0.85~0.9)D2 4Dd。=d3+（1~2） D≤100mm 時 n=4D>100mm 時 n=6m 由結構確定，在這里均取 3mm,d3 為螺釘直徑.（1）D=6 通蓋尺寸，內加密封圈d3 取 M4 螺釘=32.5 =39.750D2m=23.4 d=184m=3（2）D=37 通蓋尺寸 d3 取 M4 螺釘=43.25 =50.750D2m=33.3 d=254m=3m3.5 絲軸承的選型與校核3.5.1 滾珠絲杠用軸承的選型第 19 頁 共 59 頁19選用型號 7602025TVP 的 60 ゜推力角接觸軸承軸徑 d=25mm外徑 d=52mm寬度 B=15mm球徑 Dw=6.35mm球數(shù) Z=16動載荷 Ca=22000N靜載荷 Coa=44000N預加載荷 500N極限轉速 2600r/min3.5..2 校核大部分滾動軸承是由于疲勞點蝕而失效的。軸承中任一元件出現(xiàn)疲勞步剝落擴展跡象前院運轉的總轉數(shù)或一定轉速下的工作小時數(shù)稱為軸承壽命（指的是兩個套圈間的相對轉數(shù)或相對轉速） 。同樣的一批軸承載相同工作條件下運轉，各軸承的實際壽命大不相同，最高和最低的可能相差數(shù)十倍。對一個具體軸承很難預知其確切壽命，但是一批軸承則服從一定的概率分布規(guī)律，用數(shù)理統(tǒng)計的方法處理數(shù)據(jù)可分析計算一定可靠度 R 或失效概率 n 下的軸承壽命。實際選擇軸承時常以基本額定壽命為標準。軸承的基本額定壽命是指 90%可靠度，常用材料和加工質量，常規(guī)運轉條件下的壽命，以符號 L10(r)或 L10h(h)表示。不同可靠度，特殊軸承性能和運轉條件時其壽命可對基本額定壽命進行修正，稱為修正額定壽命。標準中規(guī)定將基本額定壽命一百萬轉（10 r）時軸承所能承受的恒定載荷取為基本6額定動載荷 C。也就是說，在基本額定動載荷作用下，軸承可以工作 10 r 而不發(fā)生點蝕6失效，其可靠度為 90%。基本額定動載荷大，軸承抗疲勞的承載能力相應較強。徑向基本額定動載荷 Cr 對向心軸承（角接觸軸承除外）是指徑向載荷，對角接觸軸承則是指引起軸承套圈間產(chǎn)生相對徑向位移時的載荷徑向分量。對推力軸承，軸向基本額定動載荷 Ca是指中心軸向載荷。(1) 當量載荷滾動軸承若同時承受徑向和軸向聯(lián)合載荷，為了計算軸承壽命時在相同條件下比較，需將實際工作載荷轉化為當量動載荷。在當量動載荷作用下，軸承壽命與實際聯(lián)合載荷下軸承的壽命相同。當量動載荷 P 的計算公式是：P= （3-14）raFyf?表 3.2 軸承滾動當量動載荷計算的 X,Y 值第 20 頁 共 59 頁20單向軸承 雙列軸承Fa/Fr≤eFa/Fr>e Fa/Fr≤e Fa/Fr>e軸承類型 Fa/Cor eX Y X Y X Y X Y 0.015 0.38 1.47 1.65 2.390.029 0.4 1.40 1.57 2.280.058 0.43 1.30 1.46 2.110.087 0.46 1.23 1.38 20.12 0.47 1.19 1.34 1.930.17 0.50 1.12 1.26 1.820.29 0.55 1.02 1.14 1.660.44 0.56 1.00 1.12 1.63角接觸球軸承α=15°0.58 0.561 0 0.441.0011.120.721.63當量動載荷式中 Fr 為徑向載荷，N；Fa 為軸向載荷，N；X，Y 分別為徑向動載荷系數(shù)和軸向動載荷系數(shù)，可由上表查出。上表中，e 是一個判斷系數(shù)，它是適用于各種 X,Y 系數(shù)值的 Fa/Fr 極限值。試驗證明，軸承 Fa/Fr≤e 或 Fa/Fr>e 時其 X,Y 值是不同的。單列向心軸承或角接觸軸承當Fa/Fr≤e 時，Y=0,P=Fr,即軸向載荷對當量動載荷的影響可以不計。深溝球軸承和角接觸球軸承的 e 值隨 Fa/Cor 的增大而增大。Fa/Cor 反映軸向載荷的相對大小，它通過接觸角的變化而影響 e 值。=0°的圓柱滾子軸承與滾針軸承只能承受徑向力，當量動載荷 Pr=Fr;而 =90°的推? ?力軸承只能承受軸向力，其當量動載荷 Pa=Fa。由于機械工作時常具有振動和沖擊，為此，軸承的當量動載荷應按下式計算：P=fd(XFr+Yfa)沖擊載荷系數(shù) fd 由表 3.3 選取表 3.3：載荷性質 機器舉例 fd平穩(wěn)運轉或輕微沖擊電機，水泵，通風機，汽輪機 1.0~1.2中等沖擊 車輛，機床，起重機，冶金設備，內燃機1.2~1.8強大沖擊 破碎機，軋鋼機，振動篩，工程機械， 1.8~3.第 21 頁 共 59 頁21石油鉆機 0由于軸承載荷與縱向載荷之比： = =0.25C’ ?此軸承合乎要求?另外由于橫向絲杠與縱向絲杠采用同一軸承，且載荷小于縱向，因此同理可驗證其是合理的。第 23 頁 共 59 頁234 步進電機的選擇4.1 縱向步進電機的選擇4.1.1 確定系統(tǒng)的脈沖當量脈沖當量是指一個進給脈沖使機床執(zhí)行部件產(chǎn)生的進給量，它是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術參數(shù)。因此，脈沖當量應根據(jù)機床精度的要求來確定，CA6140 的定位精度為±0.015mm，因此選用的脈沖當量為 0.01mm/脈沖 ~ 0.005mm/脈沖。4.1.2 步距角的選擇根據(jù)步距角初步選步進電機型號，并從步進電機技術參數(shù)表中查到步距角 θb ，三種不同脈沖分配方式對應有兩種步距角。步距角 θb 及減速比 i 與脈沖當量 δp 和絲杠導程 L0 有關。初選電機型號時應合理選擇 θb 及 i, 并滿足： θb ≤(δp i 360)/L0 （4-1）?由上式可知：θb ≤δp i 360/L0=360 0.01 1/10?=0.36°初選電機型號為:90BYG5502 具體參數(shù)如表 4.1 所示表 4.1： 縱向電機 步距角 相數(shù) 驅動電壓 電流90BYG5502 0.36 5 50V 3A靜轉矩 空載起動頻率 空載運行頻率 轉動慣量 重量5N.m 2200 ≥30000 40 kg.cm 24.5kg圖 4-1 電機簡圖第 24 頁 共 59 頁244.1.3 矩頻特性：=JkaM??=J 10 (N.cm) tn60mx2??2?由于：nmax= (r/min)3apbv??則： Mka=J (N.cm)??21060x2t??式中：J 為傳動系統(tǒng)各部件慣量折算到電機軸上的總等效轉動慣量（kg.cm ）;?2ε 為電機最大角加速度（rad/s ）;nmax 為與運動部件最大快進速度對應的電機最大轉2速（r/min）;t 為運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間（s）;vmax 為運動部件最大快進速度（mm/min）; δp 為脈沖當量（mm/脈沖） ；θb 為初選步進電機的步距角[（o）步]，對于軸、軸承、齒輪、聯(lián)軸器，絲杠等圓柱體的轉動慣量計算公式為 J=(kg.cm ),對于鋼材，材料密度為 7.8 10 (kg.cm ),則上式轉化為82McD2 ?3?3J=0.78D L 10 (kg.cm ),式中：Mc 為圓柱體質量（kg）;D 為圓柱體直徑（cm） ，JD 為4?3?2電動機轉子轉動慣量，可由資料查出。(1)絲杠的轉動慣量 Js Js=Js/i ，i 為絲杠與電機軸之間的總傳動比2由于 i=1則: Js=0.78D L 104?3?=0.78(6.3) 170 10=208.9( kg.cm )2(2)工作臺質量折算工作臺是移動部件，其移動質量慣量折算到滾珠絲杠軸上的轉動量JG:JG=（ ） M( kg.cm ),式中：L。為絲杠導程（cm）;M 為工作臺質量（kg）.由于?2。L2L。=1cm,M=90kg則 ： JG=（ ） M。 2= 90)14.3(?第 25 頁 共 59 頁25=2.28( kg.cm )21）一對齒輪傳動小齒輪裝置在電機軸上轉動慣量不用折算，為 J1.大齒輪轉動慣量 J2 折算到電機軸上為 =J2( )2iJz22）兩對齒輪傳動傳動總速比 i=i1 i2,二級分速比為 i1=z2/z1 和 i2=z4/z3.于是，齒輪 1 的轉動慣量?為 J1,齒輪 2 和 3 裝在中間軸上，其轉動慣量要分別折算到電機軸上，分別為 J2( )2z和 J3( ) .齒輪 4 的轉動慣量要進行二次折算或以總速比折算為：21z=J4( ) ( ) （4-2）2iJ1z2432因此，可以得到這樣的結論：在電機軸上的傳動部件轉動慣量不必折算，在其他軸上的傳動部件轉動慣量折算時除以該軸與電機軸之間的總傳動比平方。由于減速機構為一對齒輪傳動，且第一級 i=1,則可分別求出各齒輪與軸的轉動慣量如下：n=45,m=1.5 的轉動慣量 J45,其分度圓直徑 d=45 1.5=67.5mm?S=27mm 則:J45=0.78 6.75 10 =4.371 kg.cm?43?2n=40,m=1.5 的轉動慣量 J40,其分度圓直徑 d=40 1.5=60mmS=27mm 則:J40=0.78 6 10 =2.73kg.cm432n=30,m=1.5 的轉動慣量 J30,其分度圓直徑 d=30 1.5=45mm?S=27mm 則:J30=0.78 4.5 10 =0.964 kg.cm?43?2n=45,m=1.5 的轉動慣量 J45,其分度圓直徑 d=45 1.5=67.5mmS=30mm 則:J45=0.78 6.75 10 =4.9538 kg.cm432n=50,m=1.5 的轉動慣量 J50,其分度圓直徑 d=50 1.5=75mm?S=30mm 則:J50=0.78 7.5 10 =7.548 kg.cm?43?2n=60,m=1.5 的轉動慣量 J60,其分度圓直徑 d=60 1.5=90mmS=30mm 則:J60=0.78 9 10 =15.66 kg.cm432兩輸入輸出軸的轉動慣量為:J 輸入=0.78 1.8 13 10 =0.106 kg.cm ; L=130mm?43?2J 輸出=0.78 2.5 13 10 =0.396 kg.cm ; L=130mm查表得：JD=4 kg.cm 2綜上可知：J =JD+Js+JG+J30+J40+J60+J50+2J45 （4-3）?第 26 頁 共 59 頁26=252.302 kg.cm 2又由于 V =1.46 1600?=2236mm/min則：Mka=252.302 10 =41.1N.cm01.563036214.?2?(3)力矩的折算：1）Mkf 空載摩擦力矩Mkf= （4-4）i2'??。LfG式中：G 為運動部件的總重力（N） ； f′為導軌摩擦系數(shù)；i 為齒輪傳動降速比；η為傳動系統(tǒng)總效率，一般取 η=0.7~0.85；L。為滾珠絲杠的基本導程（cm） 。由于 G=90 10=900N, f=0.05, i=1, η=0.85?則 Mkf = 185.04329=8.4N.cm2）M。附加摩擦力矩M。= (1-η。 ) （4-5）i??。FyjL2式中：Fyj 為滾珠絲杠預加負載，即預緊力，一般取 1/3Fm;Fm 為進給牽引力（N）, η。為滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，一般取 η。≥0.9得 Fyj=1/3Fm=1/3 1728.8=576.3N?又 L。=10mm ， η=0.95則 M。= 195.043276=96.6 N.cm 則 = + +M。=41.1+8.4+96.6=140 N.cmkqakf由于 ≤ =λmjax則所選步進電機為五相十拍的經(jīng)表查得 ：λ=0.951則 =1.67N.m>.中國標準出版社.2003.13 普通 CA6140 車床的說明書.14 The Numerial Control Engine Bed Trasforms.15 邱宣懷主編.>.高等教育出版社.2002.16 薛嚴成>.上?？茖W技術出版社.1999.第 37 頁 共 59 頁37附表附表 1 說明書中各符號一覽表名稱 符號 單位步進電機的步距角 b?(°)/脈沖脈沖當量 p?mm滾珠絲杠導程 L。 mm轉動慣量 J 千克/米平方車床的切削功率 Pm kW機床電機功率 Pe KW進給方向載荷 Fl,Fx N拖板上垂直方向載荷 Fv,Fz N拖板上橫向方向載荷 Fc,Fy N扭矩 M N.m傳動效率 ?變形量 ?mm臨界載荷 Fk N穩(wěn)定系數(shù) nk最大靜轉矩 Mjmax N.cm名義啟動轉矩 Mnq N.cm空載啟動轉矩 Mkq N.cm最大動負載 C N額定靜載荷 Coa N額定動載荷 Ca N最大工作載荷 Fm N主軸恒功率調速范圍 Rnp電動機恒功率調速范圍 Rp第 38 頁 共 59 頁38The Numerical Control Engine Bed TransformsHarvey B.M ackeyFirst numerical control system development summary brief history and tendency In 1946 the first electronic accounting machine was born in the world, this indicated the humanity created has been possible to strengthen and partially to replace the mental labor the tool. It with the humanity these which in the agriculture, the industry society created only is strengthens the physical labor the tool to compare, got up the quantitive leap, entered the information society for the humanity to lay the foundation. After 6 years, in 1952, computer technology applied to the engine bed , the first numerical control engine bed were born in US. From this time on, the traditional engine bed has had the archery target change. Since nearly half century, the numerical control system has experienced two stages and six generation of development. 1.1 Numerical control (NC) stage (1952 ~ 1970) The early computer operating speed is low, was not big to then science computation and the data processing influence, but could not adapt the engine bed real-time control request. The people can not but use numeral logic circuit "to build" to become an engine bed special purpose computer to take 第 39 頁 共 59 頁39the numerical control system, is called the hardware connection numerical control (HARD-WIRED NC), Jian Chengwei numerical control (NC). Along with the primary device development, this stage has had been through repeatedly three generations, namely 1952 first generation of -- electron tube; 1959 second generation of -- transistor; 1965 third generation -- small scale integration electric circuit. 1.2 Computer numerical control (CNC) stage (in 1970 ~ present) In 1970, the general minicomputer already appeared and the mass production. Thereupon transplants it takes the numerical control system the core part, from this time on entered the computer numerical control (CNC) the stage ("which should have computer in front of the general" two characters to abbreviate). In 1971, American INTEL Corporation in the world first time the computer two most cores part -- logic units and the controller, used the large scale integrated circuit technology integration on together the chip, called it the microprocessor (MICROPROCESSOR), also might be called the central processing element (to be called CPU). The microprocessor is applied to 1974 in the numerical control system. This is because minicomputer function too strong, controlled an engine bed ability to have wealthily (therefore once uses in controlling the multi- Taiwan engine bed at that time, called it group control), was inferior to used the microprocessor economy to be reasonable. Moreover then small machine reliability was not ideal. The early microprocessor speed and the function although insufficiently are also high, but may solve through the multi-processor structure. Because the microprocessor is the general-purpose calculator core part, therefore still was called the computer numerical control. In 1990, PC machine (personal computer, domestic custom had called microcomputer) the performance has developed to the very high stage, may satisfiedly take the numerical control system core part the request. The numerical control system henceforth entered based on the PC stage. 第 40 頁 共 59 頁40In brief, the computer numerical control stage has also experienced three generations. Namely 1970 fourth generation of -- minicomputer; 1974 five dynasties -- microprocessor and 1990 sixth generation -- (overseas was called PC-BASED) based on PC. Also must point out, although overseas already renamed as the computer numerical control (namely CNC).Also must point out, although overseas already renamed as the computer numerical control (namely CNC), but our country still the custom called the numerical control (NC). Therefore we daily say "numerical control", the materially already was refers to "computer numerical control". 1.3 the numerical control future will develop tendency 1.3.1 open style continues to, to develop based on the PC sixth generation of direction The software and hardware resources has which based on PC are rich and so on the characteristic, the more numerical controls serial production factory can step onto this path. Uses PC machine to take at least its front end machine, processes the man-machine contact surface, the programming, the associationQuestion and so on net correspondence, undertakes the numerical control duty by the original system. PC machine has the friendly man-machine contact surface, will popularize to all numerical controls system. The long-distance communication, the long-distance diagnosis and the service will be more common. 1.3.2 approaches and the high accuracy development This is adapts the engine bed to be high speed and the high accuracy direction need to develop. 1.3.3 develops to the intellectualized direction Along with the artificial intelligence in the computer domain unceasing seepage and the development, the numerical control system intellectualized degree unceasingly will enhance. 第 41 頁 共 59 頁41(1) applies the adaptive control technology The numerical control system can examine in the process some important information, and the automatic control system related parameter, achieves the improvement system running status the goal. (2) introduces the expert system instruction processing The skilled worker and expert's experience, the processing general rule and the special rule store in the system, take the craft parameter database as the strut, the establishment has the artificial intelligence the expert system. (3) introduces the breakdown to diagnose the expert system (4) intellectualized numeral servo drive May through the automatic diagnosis load, but the automatic control parameter, causes the actuation system to obtain the best movement.Second, engine bed numerical control transformation necessity 2.1 microscopic looks at the transformation the necessity From on microscopic looked below that, the numerical control engine bed has the prominent superiority compared to the traditional engine bed, moreover these superiority come from the computer might which the numerical control system contains. 2.1.1 may process the traditional engine bed cannot process t