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 第 1 頁 共 29 頁普通 CA6140 車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造1 緒論數(shù)控機床與普通機床相比,增加了功能,提高了性能,簡化了結構.較好地解決形狀復雜、精密、小批量及形狀多變零件的加工問題。能獲得穩(wěn)定的加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率，其應用越來越廣泛，但是數(shù)控的應用也受到其他條件限制：（1 ）數(shù)控機床價格昂貴，一次性投資巨大，中小企業(yè)常是心有力而力不足；（2 ）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，而且替代下的機床閑置起來又會造成浪費；（3）在國內(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)急需；（4）通用數(shù)控機床對某一類具體生產(chǎn)項目有多余功能。要較好的解決上述問題，應走通用機床數(shù)控改造之路。普通機床的改造就是在普通機床上增加微機數(shù)控裝置，使其具有一定的自動化能力，以實現(xiàn)額定的加工工藝目標。這一工作早在 20 世紀 60 年代已經(jīng)在開始迅速發(fā)展，并有專門企業(yè)經(jīng)營這門業(yè)務。目前，國外已發(fā)展成為一個新興產(chǎn)業(yè)部門，從美國、日本等工業(yè)化國家的經(jīng)驗看，機床的數(shù)控化改造也必不可少，如日本的大企業(yè)中有26%的機床經(jīng)過數(shù)控化改造，中小企業(yè)則達 74%。在美國有許多數(shù)控專業(yè)化公司為世界各地提供數(shù)控化改造業(yè)務。中國是擁有 300 多萬臺機床的國家，其中大部分是多年積累生產(chǎn)的普通機床，自動化程度低。要想在近幾年用自動和精密設備更新現(xiàn)有機床，不論是資金還是中國機床制造廠的能力都是辦不到的，因此，普通機床的數(shù)控化改造大有可為，它適合中國的經(jīng)濟水平、生產(chǎn)水平和教育水平，已成為中國設備技術改造的主要方向之一。機床數(shù)控化改造的優(yōu)點：（1）改造閑置設備，能發(fā)揮機床原有的功能和改造后的新增功能，提高了機床的使用價值，可以提高固定資產(chǎn)的使用效率；（2）適應多品種、小批量零件生產(chǎn)；（3）自動化程度提高、專業(yè)性強、加工精度高、生產(chǎn)效率高；（4）降低對工人的操作水平的要求；（5）數(shù)控改造費用低、經(jīng)濟性好；（6）數(shù)控改造的周期短，可滿足生產(chǎn)急需。因此，我們必須走數(shù)控改造之路。普通車床（如 C616，C618，CA6140 ）等是金屬切削加工最常用的一類機床。普通機床刀架的縱向和橫向進給運動是由主軸回轉運動經(jīng)掛輪傳遞而來，通過進給箱變速后，由光杠或絲杠帶動溜板箱、縱溜箱、橫溜板移動。進給參數(shù)要靠手工預先調(diào)整好，改變參數(shù)時要停車進行操作。刀架的縱向進給運動和橫向第 2 頁 共 29 頁進給運動不能聯(lián)動，切削次序也由人工控制。對普通車床進行數(shù)控化改造，主要是將縱向和橫向進給系統(tǒng)改為用微機控制的、能獨立運動的進給伺服系統(tǒng)；刀架改造成為能自動換刀的回轉刀架。這樣，利用數(shù)控裝置，車床就可以按預先輸入的加工指令進行切削加工。由于加工過程中的切削參數(shù)，切削次序和刀具都會按程序自動調(diào)節(jié)和更換，再加上縱向和橫向進給聯(lián)動的功能，數(shù)控改裝后的車床就可以加工出各種形狀復雜的回轉零件，并能實現(xiàn)多工序自動車削，從而提高了生產(chǎn)效率和加工精度，也能適應小批量多品種復雜零件的加工。第 3 頁 共 29 頁2 設計要求2.1 總體方案設計要求總體方案設計應考慮機床數(shù)控系統(tǒng)的類型，計算機的選擇，以及傳動方式和執(zhí)行機構的選擇等。（1）普通車床數(shù)控化改造后應具有定位、縱向和橫向的直線插補、圓弧插補功能，還要求能暫停，進行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此，數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng)。（2）車床數(shù)控化改裝后屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證一定加工精度的前提下應簡化結構、降低成本，因此，進給伺服系統(tǒng)采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。（3）根據(jù)普通車床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經(jīng)濟性要求，經(jīng)濟型數(shù)控機床一般采用 8 位微機。在 8 位微機中，MCS—51 系列單片機具有集成度高、可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強、具有很高的性價比，因此，可選 MCS—51 系列單片機擴展系統(tǒng)。（4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機數(shù)控系統(tǒng)中除了 CPU 外，還包括擴展程序存儲器，擴展數(shù)據(jù)存儲器、I/O 接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工數(shù)據(jù)和機床狀態(tài)信息的顯示器，包括光電隔離電路和步進電機驅(qū)動電路，此外，系統(tǒng)中還應包括螺紋加工中用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路。（5）設計自動回轉刀架及其控制電路。（6）縱向和橫向進給是兩套獨立的傳動鏈，它們由步進電機、齒輪副、絲杠螺母副組成，其傳動比應滿足機床所要求的分辨率。（7）為了保證進給伺服系統(tǒng)的傳動精度和平穩(wěn)性，選用摩擦 小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副，并應有預緊機構，以提高傳動剛度和消除間隙，齒輪副也應有消除齒側間隙的機構。（8）采用貼塑導軌，以減小導軌的摩擦力?？傮w方案設計圖如下圖（2）所示：進給伺服系統(tǒng)總體方案方框圖如圖（3）所示：第 4 頁 共 29 頁加 工 工 件 形 狀 編 程 手 工 輸 入 計 算 機 磁 帶控 制 計 算 機功 率 放 大 器車 床 步 進 電 機變 速 箱變 速 箱步 進 電 機工 件 圖 （ 2） 數(shù) 控 車 床 改 造 的 總 體 方 案 示 意 圖微機光電隔離光電隔離 功率放大功率放大 Z向步 進電 機步 進電 機X向 床 鞍 及 拖 板中 拖 板圖 （ 3） 經(jīng) 濟 性 數(shù) 控 車 床 進 給 伺 服 系 統(tǒng) 方 案 框 圖2.2 設計參數(shù)設計參數(shù)包括車床的部分技術參數(shù)和設計數(shù)控進給伺服系統(tǒng)所需要的參數(shù)?，F(xiàn)列出 CA6140 臥式車床的技術數(shù)據(jù)：名稱 技術參數(shù) 在床身上 400mm工件最大直徑第 5 頁 共 29 頁在刀架上 210mm頂尖間最大距離 650;900;1400;1900mm宋制螺紋 mm 1---12(20 種)加工螺紋范圍 英制螺紋 t/m 2---24(20 種)模數(shù)螺紋 mm 0.25---3(11 種)徑節(jié)螺紋 t/m 7---96(24 種)最大通過直徑 48mm孔錐度 莫氏 6#主軸 正轉轉速級數(shù) 24正轉轉速范圍 10—1400r/min反轉轉速級數(shù) 12反轉轉速范圍 14---1580r/min縱向級數(shù) 64進給量 縱向范圍 0.028---6.33mm/r橫向級數(shù) 64橫向范圍 0.014---3.16mm/r滑板行程 橫向 320mm縱向 650;900;1400;1900mm最大行程 140mm刀架 最大回轉角 ±90°刀杠支承面至中心的距離 26mm刀杠截面 B×H 25×25mm頂尖套莫氏錐度 5#尾座第 6 頁 共 29 頁橫向最大移動量 ±10mm外形尺寸 長×寬×高 2418×1000×1267mm圓度 0.01mm工作精度 圓柱度 200:0.02平面度 0.02/φ300mm表面粗糙度 Ra 1.6---3.2μm主電動機 7.5kw電動機功率總功率 7.84kw改造設計參數(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快進速度 縱向 2.4m/min橫向 1.2m/min最大切削進給速度 縱向 0.5m/min橫向 0.25m/min溜板及刀架重力 縱向 800N橫向 600N代碼制 ISO第 7 頁 共 29 頁脈沖分配方式 逐點比較法輸入方式 增量值、絕對值通用控制坐標數(shù) 2脈沖當量 縱向 0.01mm/脈沖橫向 0.005mm/脈沖機床定位精度 ±0.015mm刀具補償量 0mm---99.99mm進給傳動鏈間隙補償量 縱向 0.15mm橫向 0.075mm自動升降速性能 有2.3.其它要求（1） 原機床的主要結構布局基本不變，盡量減少改動量 ，以降低成本縮短改造周期。（2）機械結構改裝部分應注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保正安裝、調(diào)試、拆卸方便，需經(jīng)常調(diào)整的部位調(diào)整應方便。第 8 頁 共 29 頁3 進給伺服系統(tǒng)機械部分設計與計算3.1 進給系統(tǒng)機械結構改造設計進給系統(tǒng)改造設計需要改動的主要部分有掛輪架、進給箱、溜板箱、溜板刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一種方案：掛輪架系統(tǒng)：全部拆除，在原掛輪主動軸處安裝光電脈沖發(fā)生器。進給箱部分：全部拆除，在該處安裝縱向進給步進電機與齒輪減速箱總成絲杠、光杠和操作杠拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠，滾珠絲杠的另一端支承座安裝在車床尾座端原來裝軸承座的部分。溜板箱部分：全部拆除，在原來安裝滾珠絲杠中間支撐架和螺母以及部分操作按鈕。橫溜板箱部分：將原橫溜板的絲杠的、螺母拆除，改裝橫向進給滾珠絲杠螺母副、橫向進給步進電機與齒輪減速箱總成安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠相連。刀架：拆除原刀架，改裝自動回轉四方刀架總成。3.2 進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型內(nèi)容包括：確定脈沖當量、計算切削力滾珠絲杠螺母副的設計、計算與選型、齒輪傳動計算、步進電機的計算和選型等。計算簡圖如下圖所示：第 9 頁 共 29 頁3.2.1 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參數(shù)。因此,脈沖當量應根據(jù)機床精度的要求來確定。對經(jīng)濟型數(shù)控機床來說，常采用的脈沖當量為 0.01mm/step 和 0.005mm/step,在CA6140 的技術參數(shù)中，要求縱向脈沖當量 fp 為 0.01mm/step。橫向脈沖當量為fp=0.005mm/step。3.2.2 縱向滾珠絲杠螺母副的副的型號選擇雨校核步驟（1）最大工作荷載計算滾珠絲杠的工作載荷 Fm（N ）是指滾珠絲杠副的在驅(qū)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到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?qū)к壥侨切螌к?，則用公式 3-1 計算工作載荷的大小。Fm=KFL+f’(Fv+G) （3-1 ） 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 與主切削速度方向一致垂直向下，是計算機床主軸電機切削功率的主要依據(jù)。切深抗力 Fy 與縱向進給垂直，影響加工精度或已加工表面質(zhì)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：Fz=CFzα PXFzfyFzVnFz KFz （3-2） =5360(N)由《金屬切削原理》知：Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4 （3-3） 得 Fx=1340(N)Fy=2144(N)因為車刀裝夾在拖板上的刀架內(nèi)，車刀受到的車削抗力將傳遞到進給拖板和導第 10 頁 共 29 頁軌上，車削作業(yè)時作用在進給托板的載荷 F1﹑Fv 和 Fc 與車刀所受到的車削抗力有對應關系。因此，作用在進給托板上的載荷可以按下式求出：托板上的進給方向載荷 F1=Fx=1340(N)托板上的垂直方向載荷 Fv=Fz=5360(N)托板上的橫向載荷 Fc=Fy=2144(N) 因此，最大工作載荷 Fm=KFL+f’(Fv+G) =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 3-4 計算：C= fmm （3-4）3??L 為工作壽命，單位為 10r，L=60nt／10;n 為絲杠轉速（r／min）,n=1000v／L 0;v為 最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 L0=12mm;fm 為運轉狀態(tài)系數(shù)，因為此時有沖擊振動，所以取 fm=1.5.V 縱向=1.59mm/r×1400r/min=2226mm/minn 縱向=v 縱向×1/2/L 0=2226×1/2/12=92.75r/min ∴ L=60nt/10 6=60×92.75×15000/106=83.5則 C= fmFm = ×1.5×1790.68=11740（N）3?? 383.5初選滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格，相應的額定動載荷 Ca 不得小于最大載荷 C;因此有Ca＞C=11740N另外例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(nèi)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型 CD63×8-3.5-E 型，主要參數(shù)為Dw=4.763mm,Lo=8mm,dm=63mm,λ=2 o19 ’，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 ηη=tgλ/tg(λ+φ)=tg2 o19 ’/tg(2o19 ’+10’)=92% （3-5）第 11 頁 共 29 頁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，滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形，絲杠和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 （3-6）=±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????????????∑2 （3-7）=0.0013× 21790.6834.763×1790.683 ×145.36 =0.0028mm在這里 Fyj =1/3Fm=1/3×1790.68=597NZ=πdm/Dw=3.14×63/4.763=41.53Z∑=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。3.2.3 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,F1 為工作臺進給方向載荷，F(xiàn)l=2141N,Fv=5360N,Fc=1340N,G=60kg,t=15000h,最大工作載荷：Fm=kF1+f’(Fv+2Fc+G)=1.4×2144+0.05(5360+2×1340+9.8×75)=3440.4N2）最大動載荷的計算V 橫=1400r/min×0.79mm/r=1106mm/minn 橫絲=v 橫×1/2/L 0縱=1106×1/2/4=138.25r/minL=60nt/=60×138.25×15000/106=124.43C= fmFm = ×1.5×3440.4=25763.7N3?? 3124.43∴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 o11’,L0=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 η 計算η==tgλ/tg(λ+φ)=tg2 o11 ’/tg(2o11 ’+10’)=93%2) 剛度驗算1. 絲杠的拉壓變形量δ1=±Fm×L/EA=±3440.4×320/20.6×10 4×π×25 2=±0.0027mm2.滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量δ2=0.0013× ????3????????????∑2 =0.0013× 23440.433.969×3440.43 ×145.36 =0.0070mm在這里 Fyj=Fm/3=3352.6/3=1118N第 13 頁 共 29 頁Z=πdm/Dw=3.14×50/3.969=39.56Z∑=39.56×3.5×1=138.48絲杠的總變形量δ=δ1+δ2=0.0027+0.0070=0.0097mm<0.015mm查表知 E 級精度允許的螺距誤差為 0.015mm，故所選絲杠合格（3）滾珠絲杠螺母副的精度等級：數(shù)控機床根據(jù)定位精度的要求通常選用 1---5 級精度的滾珠絲杠，1---5 級度絲杠的行程公差數(shù)值如表（2）所示：精度等級項目 符號有效行程lm/mm 1 2 3 4 5＜315 6 8 12 16 23315~400 7 9 13 18 25400~500 8 10 15 20 27 目標行程公差 ep500~630 9 11 16 22 30＜315 6 8 12 16 23315~400 6 8 12 17 25400~500 7 10 13 19 26行程變動量公差 Vmp500~630 7 11 14 21 29任意 300mm 內(nèi)行程變動量 V300p 6 8 12 16 232πrad 內(nèi)行程變動量 V2πp 4 5 6 7 8表（2）滾珠絲杠行程公差/μm3.2.4 齒輪有關計算(1)縱向齒輪及轉矩的有關計算1）有關齒輪計算，由前面的條件可知：工作臺重量：W=80kgf=800N(根據(jù)圖紙粗略計算)滾珠絲杠的導程: Lo=12mm步距角: α=0.75°/step脈沖當量: δ p=0.01mm/step快速進給速度：V max=2m/min所以,變速箱內(nèi)齒輪的傳動比i= = = =2.5 （3-9） Z2 Z1 φ L0360δ p 0.75×12 360×0.01 齒輪的有關參數(shù)選取如下: Z1=32 , Z2=40 ,模數(shù) m=2mm齒寬 b=20mm 壓力角 α=20°第 14 頁 共 29 頁齒輪的直徑 d 1=mz1=2×32=64mmd2=mz1=2×40=80mmdα2 =d1+2ha*=68mmdα2 =d2+2ha*=84mm兩齒輪的中心矩 a= = =72mmd1+d22 64+8022）轉動慣量計算工作臺質(zhì)量折算到步進電動機軸上的轉動慣量:J1=W( )2= ( )2 ×80× =0.467kg.cm2 （3-180δ pπφ 180×0.01 3.14×0.75 1100 10）對材料為鋼的圓柱形零件,其轉動慣量可按下式估算:J=7.8×10-4D4L kg.cm2 （3-11） 式中 D---圓柱形零件的直徑,cmL---零件的軸向長度,cm所以,絲杠的轉動慣量:J1=7.8×10-4+D4L1=7.8×10-4×3.24×140.3=11.475 kg.cm2齒輪的轉動慣量: =7.8×10-4×6.44×2=2.617 kg.cm2 ????1=7.8×10-4×84×2=6.39 kg.cm2JZ1 電動機轉動慣量很小,可忽略。因此，折算到步進電機軸上的總的轉動慣量J=(1/i2)（J S+Jz2）+Jz1+J1=(1/2.5 2)（11.475+6.39）+2.617+0.467=5.942 kg.cm2=59.42N. cm2絲杠名義直徑/mm 導程/mm1m 長絲杠的轉動慣量kg.cm2絲杠名義直徑/mm 導程/mm1m 長絲杠的轉動慣量kg.cm220 4 0.94 50 10 35.76第 15 頁 共 29 頁5 0.84 12 31.985 2.24 8 81.58256 2.00 10 78.025 4.916012 74.96306 4.47 8 157.355 9.26 10 150.476 8.727012 145.13358 8.30 10 263.495 16.29 80 12 255.846 15.45 10 420.31408 15.18 90 12 392.756 26.13 12 649.568 24.54 16 615.164510 22.6310020 562.446 39.75 20 1233.93508 37.64 120 24 1144.60表(3)滾珠絲杠的轉動慣量3）所需轉動力矩計算快速空載啟動時所需力矩M=Mamax+Mf+Mo最大切削負載時所需力矩M=Mat+Mf+Mo+Mt快速進給時所需力矩M=Mf+Mo式中, Mamax---空載啟動時折算到電動機軸上的加速度力矩;Ma---折算到電動機軸上的加速度力矩 ;Mf---折算到電動機軸上的摩擦力矩;Mo---由絲杠預緊所引起 ,折算到電動機軸上的附加摩擦力矩;Mat---切削時折算到電動機軸上的加速力矩;Mt---折算到電動機軸上的切削負載力矩;Ma= ×10-4N.m （3-12 ）????9.6??式中, J---轉動慣量, kg.cm2n---絲杠轉速,r/minT---時間常數(shù),s第 16 頁 共 29 頁當 n=nmax 時 Ma=Mamaxnmax= = =416.7 r/min??????????Lo 2000×2.512 Mamax= ×10-4=2.49N.m5.942×416.79.6×0.025 當 n=nt 時, Ma=matnt= = = =24.88 r/min??主 ??????1000??π D fi L0 1000×100×0.3×2.53.14×80×12 Mat= ×10-4=0.0616N.mMf= = N.cm 59.42×24.889.6×0.25 FoLo 2πη i f’wLo 2πη i（3-13 ）式中 f’---導軌上的摩擦系數(shù)nt---切削加工時的轉速， r/min;w---移動不見的重量，N;Lo---絲杠導程，cm;i---傳動比；η--- 傳動效率。當 η=0.8 f’=0.16 時，Mf= = 12.23 N.cmMo= (1- ) 0.16×800×1.22×3.14×0.8×2.5 FoLo2πη i η 2??（3-14 ）式中， η o---絲杠未預緊時的效率，取 0.9FO---預加載荷，一般為最大軸向載荷的 1 / 3，即 FP / 3則 Mo= = ×(1-0.92)=8.108N.cmF pLo(1-η 2??) 6πη i 1340×1.26×3.14×0.8×2.5 Mt= = =128 N.cmFxLo 2πη i 1340×1.22×3.14×0.8×2.5 所以，快速空載啟動所需力矩M=Mamax+Mf+Mo=103+12.23+8.108=123.338 N.cm切削時所需力矩M=Mat+Mf+Mo+Mt=6.16+12.23+8.108+128=151.42 N.cm快速進給時所需力矩M=Mf+Mo=12.23+8.108=20.338 N.cm由以上分析計算可知：所需最大力矩 Mamax 發(fā)生在快速啟動時第 17 頁 共 29 頁Mmax=123.338 N.cm(2)橫向齒輪及轉矩的有關計算1)有關齒輪計算，由前面的條件可知：工作臺重量：W=30kgf=300N(根據(jù)圖紙粗略計算)滾珠絲杠的導程: Lo=4mm步距角: α=0.75°/step脈沖當量: δ p=0.005mm/step快速進給速度：V max=1m/min所以,變速箱內(nèi)齒輪的傳動比i= = = =1.67Z2 Z1 φ L0360δ p 0.75×4360×0.005＝ 53 齒輪的有關參數(shù)選取如下: Z1=18 , Z2=30 ,模數(shù) m=2mm齒寬 b=20mm 壓力角 α=20°d1=36mm d2=60mmda1 =40mm da2=64mm a=48mm2)轉動慣量計算工作臺質(zhì)量折算到步進電動機軸上的轉動慣量:J1=W( )2= ( )2 ×30× =0.0439 kg.cm2180δ pπφ 180×0.0053.14×0.75 1100 絲杠的轉動慣量:Js=7.8×10-4×24×50=0.624 kg.cm2齒輪的轉動慣量: =7.8×10-4×3.64×2=0.262 kg.cm2 ????1=7.8×10-4×64×2=2.022 kg.cm2JZ1 電動機轉動慣量很小,可忽略。因此，折算到步進電機軸上的總的轉動慣量J=(1/i2)（J S+Jz2）+Jz1+J1=( )2（0.624+2.022）+0.262+0.0439=1.258 35kg.cm2=12.58N. cm23)所需轉動力矩計算第 18 頁 共 29 頁nmax= = =416.7 r/min??????????Lo 10004 ×53 Mamax= ×10-4=0.2184N.m=2.18kgf.cm1.258×416.79.6×0.025nt= = = =33.17 r/min??主 ??????1000??π D fi L0 1000×100×0.15×53.14×60×4×3 Mat= ×10-4=0.0174N.m=0.174 kgf.cm1.258×33.179.6×0.025Mf= = = =0.287kgf.cm=0.028N.mFoLo 2πη i f’wLo 2πη i 0.2×30×0.4×32×3.14×0.8×5Mo= = ×(1-0.92) =0.649kgf.cm =0.065N.mF pLo(1-η 2??) 6πη i 214.4×0.4×36×3.14×0.8×5 Mt= = =10.242kgf.cm =1.024 N.mFyL02πη i 214.4×0.4×32×3.14×0.8×5所以，快速空載啟動所需力矩M=Mamax+Mf+Mo=2.18+0.287+0.065=2.532kgf.cm =25.32 N.cm切削時所需力矩M=Mat+Mf+Mo+Mt=0.174+0.287+0.649+10.242=11.352kgf.cm=113.52 N.cm快速進給時所需力矩M=Mf+Mo=0.287+0.649 =0.936kgf.cm = 9.36N.cm由以上分析計算可知：所需最大力矩 Mamax 發(fā)生在快速啟動時Mmax=2.532 kgf.cm =25.32 N.cm（3）繪制進給伺服系統(tǒng)的機械裝配圖在完成滾珠絲杠螺母副和步進電機的計算選型，完成齒輪傳動比計算后可以著手繪制進給伺服系統(tǒng)的機械裝配圖。在繪制機械裝配圖時，除了從總體上考慮機床布局情況以及伺服進給機構與原機床的聯(lián)系外，還應認真的考慮與具體結構設計有關的一些問題。1）了解原機床的詳細結構，從有關資料中查閱床身、縱溜板、橫溜板、刀架等的結構尺寸。2）根據(jù)載荷特點和支承形式確定絲杠兩端支承軸承的型號，軸承座的結構以及軸承預緊和調(diào)節(jié)方式，確定齒輪軸支承軸承的型號。3）減速齒輪的參數(shù)和結構尺寸計算，確定齒輪側隙的調(diào)整方法，在滿足裝配工藝的前提下，合理設計齒輪箱結構。4） 考慮各部位間的定位、聯(lián)接和調(diào)整方法。例如，應保證絲杠兩端支承與滾珠絲杠螺母同軸，保證絲杠與機床導軌平行，考慮螺母座。軸承座在安第 19 頁 共 29 頁裝面上的聯(lián)接與定位、齒輪箱在安裝面上的定位、步進電機在齒輪箱上的聯(lián)接與定位等。5）考慮密封、防護、潤滑以及安全機構等問題。例如，絲杠螺母的潤滑、防塵、防鐵屑保護、軸承的潤滑及密封、齒輪的潤滑及密封、行程限位保護裝置等。6）在進行各零部件結構設計時，應注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保證安裝、調(diào)試和拆卸的方便。此外，注意繪制裝配圖時的一些基本要求。例如，制圖標準、視圖布置及圖形畫法要求、重要的中心距、中心高、聯(lián)系尺寸和輪廓尺寸的標準、重要配合的標注、裝配技術要求、標題欄要求等。4 步進電動機的計算與選型4.1 步進電動機選用的基本原則合理選用步進電動機是比較復雜的問題，需要根據(jù)電動機在整個系統(tǒng)中的實際工作情況，經(jīng)過分析后才能正確選擇?，F(xiàn)僅就選用步進電機最基本的原則介紹如下：4.1.1 步距角 α 步距角應滿足 α ≤ （4-1 ）α min ??式中， i---傳動比α min---系統(tǒng)對步進電動機所驅(qū)動部件要求的最小轉角4.1.2 精度步進電動機的精度可以用步距誤差或累積誤差衡量，累積誤差是指轉子從任意位置開始，經(jīng)過任意步后，轉子的實際轉角與理論轉角之差的最大值，用第 20 頁 共 29 頁累積誤差衡量精度比較實用，所選用的步進電動機應滿足：△θ m≤i [△θ s] （4-2）式中， △θm ---步進電動機的累積誤差。 [△θs]---系統(tǒng)對步進電動機驅(qū)動部分允許的角度誤差。 4.1.3 轉矩為了使步進電動機正常運轉（不失步，不越步）正常啟動并滿足對轉速的要求，必須考慮以下條件a. 起動力矩。一般選取為Mq≥MLo/0.3-0.5 （4-3）式中，M q---電動機起動力矩MLo---電動機靜負載力矩根據(jù)步進電動機的相數(shù)和拍數(shù)，啟動力矩選取如表（4）所示，表中 MJM 為步進電動機的最大靜載矩，是步進電動機技術數(shù)據(jù)中給出的。相數(shù) 3 3 4 4 5 5 6 6運行方式 拍數(shù) 3 6 4 8 5 10 6 12Mg/Mjm 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866表（4）步進電動機相數(shù)、拍數(shù)啟動力矩表在要求的運行頻率范圍內(nèi)，電動機運行運行力矩應大于電動機的靜載力矩與電動機轉動慣量（包括負載的轉動慣量）引起的慣性矩之和。4.1.4 啟動頻率由于步進電動機的啟動頻率隨著負載力矩和轉動慣量的增大而降低，因此，相應負載力矩和轉動慣量的極限啟動頻率應滿足：Ft≥[fop]m (4-4)式中，f t---極限啟動頻率，[fop]m---要求步進電動機最高啟動頻率。4.2 步進電動機的選折4.2.1 CA6140 縱向進給系統(tǒng)步進電機的確定Mq= =308.35 N.cmML00.4 ＝ 123.3380.4 為滿足最小步距要求，電動機選用三相六拍工作方式，查表知：第 21 頁 共 29 頁Mq/Mjm=0.866所以步進電動機最大靜轉矩 Mjm 為：Mjm= =356.06 N.cmMq 0.866＝ 308.350.866 步進電動機最高工作頻率：fmax= =3333.3 HZVmax 60 δ P＝ 200060×0.01 綜合考慮，查步進電機技術數(shù)據(jù)表選用 90BF002 型直流電動機，能滿足使用要求。4.2.2CA6140 橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定Mq= =63.3 N.cmML00.4 =25.320.4 電動機仍選用三相六拍工作方式，查表知：Mq/Mjm=0.866所以步進電動機最大靜轉矩 Mjm 為：Mjm= =73.09 N.cmMq 0.866 =63.30.866步進電動機最高工作頻率：fmax= =3333.3 HZ??max60δ p = 100060×0.005 為了便于設計和采購，仍選用 90BF002 型直流電動機，能滿足使用要求。5 主軸交流伺服電機5.1 主軸的變速范圍主軸能實現(xiàn)的最高轉速與最低轉速之比稱為變速范圍 Rn，即 Rn=nmax/nmin,數(shù)控機床的工藝范圍寬，切削速度與刀具，工件直徑變化 很大，所以主軸變速范圍很寬。由于 Nmax=1800 nmax=14Nmax/nj=2nj/min (5-1)則 nj= =113r/min1800×142 這里 nj 為電動機的額定轉速該機床主軸要求的恒功率調(diào)速范圍 Rn 為：Rn= nmax /nj=1800/113=15.9 第 22 頁 共 29 頁(5-2)主軸電機的功率是：7.5kw5.2 初選主軸電機的型號選主軸電機的型號為：SIMODRIVE 系列交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)型號為 1HP6167-4CB4，連續(xù)負載 PH/KW=14.5，間隙負載（60% ）/kw=17.5kw, 短時負載（20min ）/kw=19.25kw,額定負載 n/r.min-1=5000,最大轉速 nmax/ r/min=8000，額定轉矩 277N.m,慣性矩 0.206/kg.m2 晶體管 PWM 變頻器型號為 6SC6058-4AA025.3 主軸電機的校核電動機恒恒功率調(diào)速范圍：Rn= nmax/nmin=8000/5000 =16所以所選電動機型號的調(diào)速范圍滿足主軸所要求的調(diào)速范圍。6 微機控制系統(tǒng)硬件電路設計6.1 控制系統(tǒng)的功能要求（1）z 向和 x 向進給伺服運動控制（2）自動回轉刀架控制（3）螺紋加工控制（4）行程控制（5）鍵盤及顯示（6）面板管理（7）其他功能：光電隔離、功率放大、報警、急停、復位。6.2 硬件電路的組成：后面所畫大圖采用 MCS-51 系列單片機組成的控制系統(tǒng)硬件電路原理圖。電路的組成如下：（1）CPU 采用 8031 芯片；（2）擴展程序存儲器 2764 兩片，6264 一片；第 23 頁 共 29 頁（3）擴展可編程接口芯片 8155 兩片；（4）地址鎖存器，譯碼器個一個；（5）鍵盤電路，顯示電路；（6）光電隔離電路，功率放大功率；（7）越程報警電路，急停電路，復位電路；（8）面板管理電路。6.3 設計說明（1）CPU 采用 8031 芯片，由于片內(nèi)無程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器也只有 128字節(jié)，因此，擴展外部程序存儲器 2764 兩片（16KB） ，數(shù)據(jù)存儲器6264（8KB）一片。8031 的 I/O 口也不能滿足輸入輸出口的要求，本系統(tǒng)也擴展了兩片 8155 可編程接口芯片。（2）采用 74LS138 三--—八譯碼器的輸出作為片選信號。2764（1） 、2764（2） 、6264、8155（1）和 8155（2）的片選信號分別接到譯碼器的Y0~Y4,74LS138 的輸入 A、 B、C 分別接 8031 的 P2.5、P2.6、P2.7。（3）由于 2764 和 6264 芯片都是 8KB，需要 13 根地址線，A0~A7 低 8 位接74LS373 芯片的輸出。A8~A12 接 8031 芯片的 P2.0~P2.A，74L S373 地址鎖存器在選通信號 ALE 在高電平時直接傳送 8031P0 口低 8 位地址，當 ALE 在高電平變低電平的下降沿時，低 8 位地址鎖存器，此時，P 0口可用來向片外傳送讀寫數(shù)據(jù)。（4）接口芯片與外設的聯(lián)接及設計說明如下：8155（2）PA.0~PA.7 輸出的指令脈沖通過光電隔離電路和功率放大電路直接驅(qū)動縱向和橫向步進電機的共八相繞組。在本系統(tǒng)中采用軟件環(huán)形分配器方式，雖然運行速度慢一些，但可以省去兩個硬件環(huán)形分配器，電路比較簡單，由于步進電機的每一相繞組需和一個 I/O 接口相連，以便與控制寄存器中某一指定相位對應，因此，占用的 I/O 口數(shù)量較多。8155（2）的 PC.0~PC.5 作為顯示器位選信號，顯示器的段選信號則由 8031的 P1.0~P1.7 發(fā)出，8155 的 PB.0~PB.3 是鍵盤掃描輸入。行程限位報警信號+Z,-Z,+X,-X 分別通過 8155（2）的 PB.4,PB.5,PB.6,PB.7 提出中斷請求，根據(jù)不同的中斷口可以直接識別行程的方向，此時相應的紅燈報警。8155 小的 PC.0~PC..3 接自動回轉刀架（四方刀架） ，自動回轉刀架需要換刀時，由 PC.0~PC..3 發(fā)出換位信號，經(jīng)交流控制箱控制刀架電機回轉，到達指定的刀位。刀架夾緊后，即發(fā)出回答信號，表示已完成換刀過程，可以進行切削加工。換刀回答信號經(jīng) 8155（1）的 PB.5 輸入計算機，控制刀架開始進給。8155（1）P A.0~PA.5 接控制面板上的控制開關，設有編輯空運行、自動、手第 24 頁 共 29 頁工（I） 、手工（ II） 、回零等選著方式。8155（1）P B.0~PB.4 接控制面板上的按鈕開關，設有啟動、暫停、單段運行、連續(xù)運行、急停等操作功能。加工螺紋時，與車床主軸相連的光電脈沖發(fā)生器會發(fā)出螺紋加工信號和零位螺紋信號，螺紋加工信號送入 8031 的 T0，通過設置不同的時間常數(shù)，可以改變主軸每轉時的縱向進給量，從而加工出不同螺距的螺紋，零位螺紋信號送入 8155（1）的 PB6,用來防止多次走刀時螺紋亂扣。（5）系統(tǒng)各芯片采用全地址譯碼，各存儲器及 I/O 接口芯片地址編碼見表（5 ）（6）操作面板設計方案之一見圖（5）：芯片接74LS138 引腳地址選擇線片內(nèi)地址單元（字節(jié)） 地址編碼2746（1） Y0 000X XXXX XXXX XXXX 8K 0000H~1FFFH2746（2） Y1 001X XXXX XXXX XXXX 8K 2000H~3FFFH6264 Y2 010X XXXX XXXX XXXX 8K 4000H~5FFFHRAM Y3 0111 1110 XXXX XXXX 256 7E00H~7EFFH8155（1 ） I/O Y3 0111 1111 1111 1XXX 6 7FF8H~7FFDHRAM Y4 1001 1110 XXXX XXXX 256 9E00H~9EFFH8155（2 ） I/O Y4 1001 1111 1111 1XXX 6 9FF8H~9FFDH表(5) 芯片地址編碼 第 25 頁 共 29 頁第 26 頁 共 29 頁7 車床改造的結構特點7.1.滾珠絲桿滾珠絲桿必須采用三點支承形式。步進電動機的布置可放在絲杠的任一端，由于拆除了進給箱，可在原安裝進給箱處布置步進電動機和減速齒輪，也可在滾珠絲桿的左端設計一個專用軸承支承座，而在絲杠托架處布置步進電動機和減速箱。7.2 導軌副為減少運動部件移動時的摩擦阻力，尤其是減少靜摩擦阻力，滑板和刀架移動部件的導軌可粘貼摩擦系數(shù)低的聚四氟乙烯軟帶7.3 安裝電動卡盤為了提高經(jīng)濟型數(shù)控機床的加工效率，還可考慮用電動三爪自定心卡盤裝置，這種裝置也可與數(shù)控裝置的信號電路相配合，實現(xiàn)自動夾緊、松開，提高加工過程的自動化程。7.4 脈沖發(fā)生器改造后的簡易數(shù)控車床需要自動化加工螺紋時，可以在主軸后端同軸安裝或者異軸安裝一個主軸脈沖發(fā)生器，作為主軸位置的信號反饋元件，目的是用來檢測主軸轉角的位置，并且將其變化情況輸送給數(shù)控裝置，使其能按照所加工螺紋的螺距值進行處理。第 27 頁 共 29 頁8 安裝調(diào)整中應注意的問題8.1 滾珠絲杠螺母副的選擇：滾珠絲杠螺母副的制造精度要求高，加工工藝比較復雜。都是由專業(yè)工廠按系列化進行生產(chǎn)。因此在進行設備改造時，要按廠家生產(chǎn)標準進行選擇。選擇合適以后再決定被改造設備的 其他相關部分的結構和尺寸。8.2 滾珠絲杠螺母副的調(diào)整：利用螺母的 間隙調(diào)整裝置調(diào)整絲杠副間隙時，應使調(diào)整后產(chǎn)生的 預緊力為絲杠副最大負載的 1 / 3 為宜。在 實際調(diào)整中，可以把車床處于最大工作負載，使絲杠內(nèi)部仍不產(chǎn)生間隙或者間隙量小于 0.01mm，而且運轉靈活，并以此作為螺母間隙調(diào)整裝置預緊的判斷標準。8.3 聯(lián)軸器的安裝：傳動絲杠軸線上各聯(lián)軸套上的錐銷孔座按十字分布方式進行配做。這是因為同一聯(lián)軸套上分布的錐孔都由同一方向加工時，往往會引起軸線的直線度誤差增大，從而使安裝在絲杠上各零件間的同軸度誤差增大，產(chǎn)生傳動附加載荷，影響絲杠副的傳動性能。8.4 主軸脈沖發(fā)生器的安裝：主軸脈沖發(fā)生器的的引出軸按比例 1：1 無間隙柔性連接傳動，連接后應保證兩者都有很好的同步性，安裝中要注意主軸脈沖發(fā)生器是玻璃件，不能隨意敲打碰撞，使用中車床主軸轉速不能超過脈沖發(fā)生器的最高許用轉速。第 28 頁 共 29 頁結論這次課題設計總計費時一個多月，剛開始時不知從何下手，在老師的指導下到圖書館查閱相關資料。有關數(shù)控上的資料翻了數(shù)次，有參考了相關設計資料，終于知道了該怎么做。接下來塞選出一系列有價值的資料，與同組同學不斷的討論、向老師請教，終于完成了設計。在做設計的過程中，不但復習了所學過的知識點，還學到了新的知識，同時將所學到的知識充分的運用起來，做到了學以致用，還學會了查資料，除此之外，我還懂得了團結合作的重要性，知道了集體的力量！當然，在此過程中也有許多不足之處，例如：知識的不全面，所學的還沒有全部掌握，思維的狹隘等，讓我在畢業(yè)前上了生動形象的一課。同時，做設計也是磨練決心與毅力的過程，面對復雜冗長的數(shù)據(jù)，打印長篇的論文，我也想過放棄，但想到它的意義我就又堅持了下來。做完了后，有一種豁然開朗的感覺，內(nèi)心激動無比，經(jīng)過了這次設計以后，我有信心，我也堅信只要努力、堅持，我們就能走好人生的每一步。第 29 頁 共 29 頁參考文獻1.吳振彪主編.機電綜合設計指導.中國人民大學社.2000.2.余英良主編.機床數(shù)控改造設計與實例.機械工業(yè)出版社.19973.《機床設計手冊》編寫組編. 機床設計手冊第一，三，四冊. 械工業(yè)出版社.1998.4.明興祖主編.數(shù)控加工技術.化學工業(yè)出版社.2001.5.胡占齊，楊莉主編.機床數(shù)控技術. 機械工業(yè)出版社.1999.6.王先逵主編.機械制造工藝學. 機械工業(yè)出版社.2002.7.邱宣懷主編.《機械設計》.高等教育出版社.20028.黃調(diào)，趙松年主編.機電一體化技術基礎及應用. 機械工業(yè)出版社.1999.