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1、機械設計及自動化專業(yè)課程設計（論文） 臥式車床C6140數控化改造設計臥式車床C6140數控化改造設計目錄摘要1第1章 緒論1 1.1數控系統(tǒng)發(fā)展簡史1 1.2數控機床現狀21.3數控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 31.4機床數控化改造的必要性 41.5主要技術指標4第2章 華中HNC-21數控車削系統(tǒng)介紹4第3章 普通車床的數控改造可行性論證11 3.1技術可行性11 3.2機床本身11 3.3加工對象分析12 3.4市場可供性12第4章 總體方案的確定12 4.1總體方案設計要求124.2設計參數13第5章 進給傳動部件的計算和選型165.1 脈沖當量的確定165.2 切削力的計算175.3 滾珠絲杠螺

2、母副的計算和選型（縱向）175.3.1 工作載荷Fm的計算175.3.2 最大動載荷FQ的計算175.3.3 初選型號175.3.4傳動效率的計算185.3.5 剛度的驗算185.3.6 壓桿穩(wěn)定性校核185.4 步進電動機的計算與選型(縱向) 18 5.4.1 計算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量Jeq185.4.2 計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩Teq19 5.4.3步進電動機最大靜轉矩的選定21 5.4.4步進電動機的性能校核21 5.5 主軸交流伺服電機的計算與選型22 5.5.1主軸的變速范圍22 5.5.2初選主軸電機的型號22 5.5.3主軸電機的校核22第6章 繪制進給

3、伺服系統(tǒng)的機械裝配圖22第7章 元件的選擇23結論24致謝25參考文獻26臥式車床C6140數控化改造設計摘要 中國是一個傳統(tǒng)的機械制造大國，但其裝備水平落后，特別是一些老的機械制造廠大多還是比較舊的機床，遠遠不能滿足加工的要求。針對目前制造業(yè)的技術裝備現狀，對傳統(tǒng)機械制造業(yè)裝備進行改造，解決機械制造業(yè)中的一些技術問題，用現代先進技術對舊的設備進行改造和提升，是我國制造業(yè)的發(fā)展方向。本課題是針對己報廢的C6140普通廢舊車床進行數控化改造，其現實意義在于如何尋找一種可行的、有推廣價值的設備改造方法，對傳統(tǒng)機械制造行業(yè)的技術裝備進行技術提升，以解決目前設備老化所帶來的問題。本設計說明書包括：概論

4、、總體設計方案的擬定和驗證、主傳動部分的改造設計、伺服進給系統(tǒng)的改造設計、自動轉位刀架的選擇設計、編碼盤安裝部分的結構設計等幾個部分。改造后的機床，主運動實現自動變速，縱向、橫向進給系統(tǒng)進行數控控制，并要求達到縱向最小運動單位為0.01mm /脈沖，橫向最小運動單位0.005mm/脈沖，刀架要是自動控制的自動轉位刀架，要能自動切削螺紋。關鍵詞:機床改造 數控技術 進給系統(tǒng) 滾珠絲杠 自動刀架第1章 緒論1.1數控系統(tǒng)發(fā)展簡史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

5、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控機床。從此，傳統(tǒng)機床產生了質的變化。近半個世紀以來，數控系統(tǒng)經歷了兩個階段和六代的發(fā)展。 1.1.1 數控（ NC ）階段（ 1952 1970 年） 早期計算機的運算速度低，對當時的科學計算和數據處理影響還不大，但不能適應機床實時控制的要求。人們不得不采用數字邏輯電路 “搭”成一臺機床專用計算機作為數控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數控（HARD-WIRED NC），簡稱為數控（NC）。隨著元器件的發(fā)展，這個階段歷經了三代，即 1952 年的第一代電子管；1959年的第二代晶體管； 1965 年的第

6、三代小規(guī)模集成電路。 1.1.2 計算機數控（CNC）階段（ 1970 年現在） 到1970年，通用小型計算機業(yè)已出現并成批生產。于是將它移植過來作為數控系統(tǒng)的核心部件，從此進入了計算機數控（CNC)階段（把計算機前面應有的“通用”兩個字省略了）。到1971年，美國 INTEL 公司在世界上第一次將計算機的兩個最核心的部件運算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術集成在一塊芯片上，稱之為微處理器（MICROPROCESSOR),又可稱為中央處理單元（簡稱CPU)。 到1974年微處理器被應用于數控系統(tǒng)。這是因為小型計算機功能太強，控制一臺機床能力有富裕（故當時曾用于控制多臺機床，稱之為群控），不如

7、采用微處理器經濟合理。而且當時的小型機可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高，但可以通過多處理器結構來解決。由于微處理器是通用計算機的核心部件，故仍稱為計算機數控。 到了1990年，PC機(個人計算機，國內習慣稱微機）的性能已發(fā)展到很高的階段，可以滿足作為數控系統(tǒng)核心部件的要求。數控系統(tǒng)從此進入了基于 PC 的階段。 總之,計算機數控階段也經歷了三代。即 1970 年的第四代小型計算機； 1974 年的第五代微處理器和1990年的第六代基于PC（國外稱為PCBASED）。 還要指出的是，雖然國外早已改稱為計算機數控（即 CNC ）了，而我國仍習慣稱數控（NC）。所以我們日常講的“數

8、控”,實質上已是指“計算機數控”了。 1.2數控機床現狀 近年來我國企業(yè)的數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%。但由于國產數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

9、年來我國出口額增幅較大的數控機床有數控車床、數控磨床、數控特種加工機床、數控剪板機、數控成形折彎機、數控壓鑄機等，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。出口的數控機床品種以中低檔為主。1.2.1國內數控機床狀況分析1. 新產品開發(fā)有了很大突破，技術含量高的產品占據主導地位。 例如：全長33公里的上海磁懸浮快速列車線，是“十五”期間國家重點建設項目，其中組成列車線的2550根軌道梁是整個工程的最關鍵部分，對加工軌道梁的精度提出了相當高的要求。沈陽機床集團機床股份有限公司中捷友誼廠以工期6個月、標的6200萬元在磁懸浮軌道專用數控機床項目公開招標中折桂，并于當年8月底

10、將一次性驗收合格的8臺數控鏜銑床組成的軌道梁生產線一次試車成功，目前這套銑鏜加工中心已加工出軌道梁1100根，確保了軌道梁的加工精度和速度，為實現年底試車打下了良好的基礎。 2. 數控機床產量大幅度增長，數控化率顯著提高。 2001年國內數控金切機床產量已達1.8萬臺，比上年增長28.5%。金切機床行業(yè)產值數控化率從2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。 3. 數控機床發(fā)展的關鍵配套產品有了突破。 近年來通過政府的支持，數控機床配套生產得到了快速發(fā)展。如北京航天機床數控系統(tǒng)集團公司建立了具有自主知識產權的新一代開放式數控系統(tǒng)平臺；煙臺第二機床附件廠開發(fā)了為數控機床配套的多種動力卡

11、盤和過濾排屑裝置；濟南第二機床集團公司的數控龍門鏜銑床、數控落地鏜銑床及數控鍛壓設備等30多個系列100多個品種的數控配套產品。1.2.2國外數控機床狀況分析1. 國際機床市場的消費主流是數控機床1998年世界機床進口額中大部分是數控機床，美國進口機床的數控化率達70%，我國為60%。目前世界數控機床消費趨勢己從初期以數控電加工機床、數控車床、數控銑床為主轉向以加工中心、專用數控機床、成套設備為主。2. 國外數控機床的網絡化隨著計算機技術、網絡技術日益普遍運用，數控機床走向網絡化、集成化已成為必然的趨勢和方向，互聯網進入制造工廠的車間只是時間的問題。從另一角度來看，目前流行的ERP即工廠信息化

12、對于制造業(yè)來說，僅僅局限于通常的管理部門(人、財、物、產、供、銷)或設計、開發(fā)等等上層部分的信息化是遠遠不夠的，工廠、車間的最底層加工設備數控機床不能夠連成網絡或信息化就必然成為制造業(yè)工廠信息化的制約瓶頸，所謂的ERP就比較“虛”沒有能夠真正地解決制造工廠的最關鍵的問題。所以，對于面臨日益全球化競爭的現代制造工廠來說，第一是要大大提高機床的數控化率，即數控機床必須達到起碼的數量或比例;第二就是所擁有的數控機床必須具有雙向、高速的聯網通訊功能，以保證信息流在工廠、車間的底層之間及底層與上層之間通訊的暢通無阻。以FANUC和西門子為代表的數控系統(tǒng)生產廠商己在幾年前推出了具有網絡功能的數控系統(tǒng)。在這

13、些系統(tǒng)中，除了傳統(tǒng)的RS232接口外，還備有以太網接口，為數控機床聯網提供了基本條件。由于國外企業(yè)的發(fā)展水平，數控機床的網絡接口功能被定義為用于遠程監(jiān)控、遠程診斷。1.3數控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢1.3.1數控未來發(fā)展的趨勢 1. 繼續(xù)向開放式、基于 PC 的第六代方向發(fā)展 基于 PC 所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數控系統(tǒng)生產廠家會走上這條道路。至少采用 PC 機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯網通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔數控的任務。 PC 機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數控系統(tǒng)。遠程通訊，遠程診斷和維修將更加普遍。 2. 向高速化和高精度化發(fā)展

14、這是適應機床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。 3. 向智能化方向發(fā)展 隨著人工智能在計算機領域的不斷滲透和發(fā)展，數控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。（ 1 ） 應用自適應控制技術 數控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調整系統(tǒng)的有關參數，達到改進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。 （ 2 ） 引入專家系統(tǒng)指導加工 將熟練工人和專家的經驗，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數數據庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。 （ 3 ） 引入故障診斷專家系統(tǒng) （ 4 ） 智能化數字伺服驅動裝置 可以通過自動識別負載，而自動調整參數，使驅動系統(tǒng)獲得最佳的運行。1.4 機床數控化改造的必要性隨著我國國民經濟的高速發(fā)

15、展,數字控制技術的高度成熟,數控機床在制造業(yè)中發(fā)揮著重要作用,特別是近幾年來應用比例越來越大,有效地保證了產品的質量,使得人們對其有了更清楚的認識,但由于產品零件的類型、形狀、尺寸和用途的差異很大,零件的加工批量相差懸殊,其質量和精度的要求也有顯著的不同,因此制造業(yè)需要不同類型的數控機床,在同一類型數控機床中需要高、中、低檔不同層次的數控機床,購買新的數控機床是提高數控化率的途徑,對舊機床進行數控化改造,也是提高數控化率的重要途徑。我國現有400多萬臺數控機床,數控機床占有量約占2%,這些機床的結構一般比較陳舊,操作部分復雜,控制系統(tǒng)落后,但如果把這些落后機床全部閑置或淘汰,全部購買新的數控機

16、床去代替,必然耗費巨額資金,顯然不符合我國國情,因此,用數控這一高新技術對現有機床進行數控化改造,是一條符合國家急需與產業(yè)政策且又可行的途徑,于是人民為了降低采購數控設備的成本,開始嘗試將機械尚有70%以上殘留價值的一部分普通機床進行數控化改造,使老設備煥發(fā)青春,為企業(yè)作出更大的貢獻。而近幾年,美、日、德等先進工業(yè)國,在大量制造數控機床的同時,十分重視對機床進行數控化改造,并已形成一個新興的產業(yè)。1.5 主要技術指標1. 床身上最大加工直徑400mm；2. 最大加工長度1000mm；3. X方向(橫向)的脈沖當量為0.005mm/脈沖，Z方向（縱向）脈沖當量為0.01mm/脈沖；4. X方向最

17、快移動速度Vxmax=3000/min，Z方向為Vzmax=6000mm/min；5. X方向最快工進速度Vxmaxf=400mm/min，Z方向為Vzmaxf=800mm/min；6. X方向定位精度0.01mm，Z方向0.02mm；7. 可以車削柱面、錐面與球面等； 8. 安裝螺紋編碼器，可以車削米/英制的直螺紋與錐螺紋，最大導程為24mm；9. 安裝四工位立式電動刀架，系統(tǒng)控制自動選刀；10. 自動控制主軸的正轉、反轉與停止，并可輸出主軸有級變速與無級變速信號；11. 自動控制冷卻泵的起/停；12. 安裝電動卡盤，系統(tǒng)控制工件的加緊與松開；13. 縱、橫向安裝限位開關；14. 數控系統(tǒng)可

18、與PC機串行通信；15. 顯示界面采用LED數碼管，編程采用ISO數控代碼。第2章 華中HNC-21數控車削系統(tǒng)介紹“世紀星” HNC-21數控系統(tǒng)采用先進的開放式體系結構，內置嵌入式工業(yè)PC，配置8.4/彩色液品顯示屏和通用工程面板，集成進給軸接口、主軸接口、手持單元接口、內嵌式PLC接口于一體，采用電子盤程序存儲方式以及軟驅、DNC、以太網等程序交換功能、具有低價格、高性能、配置靈活、結構緊湊、易于使用、可靠性高的特點。最大聯動軸數為3軸?？蛇x配各種類型的脈沖式交流伺服驅動系統(tǒng)（HSV-16系列全數字交流伺服驅動單元）。除標準機床控制面板外，配置40路開關量輸入和32路開關量輸出接口、手持

19、單元接口、主軸控制與編碼器接口。還可擴展20路輸入/16路輸出。采用7.5/彩色液晶顯示器（分辨率為640 x480），全漢字操作界面、障診斷與報警、加工軌跡圖形顯示和仿真，操作簡便，易于掌握和使用。采用國際標準G代碼編程，與各種流行的CAD/CAM自動編程系統(tǒng)兼容，具有直線插補、圓 弧插補、螺紋切削、刀具補償、宏程序、恒線速切削等功能。反向間隙和單、雙向螺距誤差補償功能。內置RS232通訊接口，輕松實現機床數據通訊。32MB Flash RAM(可擴充至2GB)程序斷電存儲， 32MB RAM加工內存緩沖區(qū)。系統(tǒng)選件軟驅單元全密封結構3.5/標準軟盤驅動器標準PC鍵盤轉接口RS232、以太網

20、轉接口DNC單元全密封結構標準PC鍵盤轉接口RS232、以太網轉接口以太網10MB/100MB速度自適應支持NT/NOVELL網絡支持文件網絡傳輸手持單元手搖脈沖發(fā)生器坐標選擇倍率選擇緊急停止按鈕手持使能按鈕輸入/輸出端子板繼電器輸出端子板系統(tǒng)配置程序緩沖區(qū)：32MB零件程序和斷點保護區(qū)：基本32MB，可擴展至2GB（選件）進給軸接口類型：脈沖接口（HSV-16系列）主軸驅動單元接口主軸編碼器接口開關量輸入輸出接口：40輸入/32輸出，可擴展20輸入/16輸出（選件）手持單元接口軟驅單元接口RS232接口以太網接口（選件）標準PC鍵盤接口手持單元（選件）軟驅單元（選件）I/Q端子板（支持NPN

21、和PNP型開關量）(選件)CNC功能最大控制軸數：6進給軸 1主軸聯動軸數：3軸最小分辨率：1微米最大移動速度：24米/分鐘（與驅動單元、機床相關）直線、圓弧、螺紋功能自動加減速控制（直線/拋物線）參考點返回坐標系設定MDI功能M、S、T功能加工過程圖形靜態(tài)仿真和實時跟蹤內部二級電子齒輪簡單車削循環(huán)復合車削循環(huán)CNC編程編程最小單位：0.001毫米、度最大編程尺寸：99999.999最大編程行數：20億行公/英制編程絕對/相對指令編程宏指令編程子程序調用工件坐標系設定直徑/半徑編程自動控制倒角（圓角、直角）恒線速切削功能編輯后臺編輯（選件）字符查找與替換文件刪除及拷貝顯示中文菜單功能圖形顯示狀

22、態(tài)顯示當前位置顯示程序顯示程序錯誤顯示操作錯誤顯示坐標軸設置顯示主軸速度及修調進給速度及修調快速進給及修調自診斷功能插補功能HNC-21直線插補螺紋切削圓弧插補螺旋線插補正弦線插補刀具補償刀具長度補償刀尖半徑補償參考點功能參考點位置設定參考點開關偏差設定回參考點快移速度設定回參考點定位速度設定數據交換RS232以太網（選件）3.5/軟驅（選件）操作7.5/彩色液晶顯示屏防靜電薄膜編程面板與機床操作面板PC標準鍵盤接口手持單元（選件）圖形顯示功能與動態(tài)實時仿真網絡通訊功能（選件）操作方式自動單段MDI點動步進增量進給手搖增量進給手動/自動回參考點進給保持 重新對刀空運行保存斷點/返回斷點2-1

23、HNC-21數控系操作面板坐標軸監(jiān)視機床坐標系顯示工件坐標系顯示跟蹤誤差顯示剩余進給顯示進給速度顯示主軸速度顯示指令位置顯示實際位置顯示工件坐標系原點顯示運動軌跡顯示進給軸功能無限制旋轉軸功能最高設定速度16000 mm/min進給修調0%到150%快移修調0%到150%每分鐘進給/每轉進給多種回參考點功能：單向、雙向快移、進給加減速設定最大跟蹤誤差設定輔助功能主軸正反轉自動換刀冷卻開/停主軸功能主軸速度：可通過PLC編程控制（最大99999 rpm）主軸修調：從0%到150%主軸速度和修調顯示變速比和變速比級數可通過PLC編程控制編碼器接口螺紋功能主軸定向PLC功能內嵌式PLC提供標準PLC

24、例程PLC狀態(tài)顯示安全功能坐標軸軟極限保護斷電保護區(qū)加工斷點保存/斷點恢復參數備份與恢復參數權限保護加工統(tǒng)計技術規(guī)格輸入電源：AC24V 50W DC24V50W或者DC24V100WAC電源頻率：50Hz安裝方式：控制柜內運行、儲存環(huán)境（如下表）光電隔離開關量輸入接口（40位），可擴展20位光電隔離開關量輸出接口（32位），可擴展16位 輸出電流范圍0-100mA 輸出電壓范圍DC24V主軸模擬量輸出接口 分辨率：12位 輸出電壓：DC10V或0- 10V主軸編碼器輸入接口 方波差分接收手搖脈沖發(fā)生器輸入接口，TTL電平輸入進給軸脈沖輸出接口/HSV-16伺服接口（最大6個）差分輸出，包括脈

25、沖及方向信號，高 脈沖頻率2MHZ進給軸碼盤反饋輸入接口（最大6個）RS422差分輸入 2-2 HNC-21數控系統(tǒng)整體結構圖第3章 普通車床的數控改造可行性論證3.1技術可行性機床改造的技術可行性論證就是對機床改造在技術上是否能夠保障改造成功以及從改造后維護角度論證.具體的應從機床本身、加工對象的要求和市場可供性三方面分析。3.2機床本身 能否進行機床數控化改造主要取決于機床本身的條件,如:機床磨損程度、剛度以及機床的技術壽命等。(1) 機床磨損程度、剛度。C6140是1995年5月出廠，主要用于教學實習，機床本身折合使用年限小于5年，機床幾何精度仍等于原新機床的精度。普通機床結構上有先天性

26、不足，剛度低、抗振性差、滑動摩擦阻力較大及傳動元件存在間隙等。改造中將有目的改造其中部分結構，以滿足數控機床最基本的要求。(2) 技術壽命的計算。現在數控機床以其高自動化、高精度化、高速化及復合化的發(fā)展趨勢，數控化率逐年提高，大有取代普通機床的趨勢，而且數控機床的數控裝置（CNC）技術壽命一般為23年，數控技術發(fā)展迅猛。故為了改善原機床性能、滿足教學和加工要求，對原機床進行數控化改造，同時也延長了原機床的技術壽命。3.3加工對象分析機床的加工對象分析主要涉及被加工對象的幾何參數及公差要求。零件的幾何形狀決定了所選數控系統(tǒng)應具備的功能，公差范圍決定了數控系統(tǒng)的控制精度、脈沖當量。改造后的數控車床

27、，主要用于教學實習，其加工范圍為車外圓、內孔、螺紋、錐形體、球體、切槽、切斷等及帶有復雜型面的卡盤類零件。加工精度要求小于0.01mm，現在市場上出售的一般經濟型數控系統(tǒng)其脈沖當量為0.005mm0.01mm，能夠滿足上述型面的加工要求，在技術上是可行的。3.4市場可供性所謂市場可供性就是研究市場是否能夠方便及時地提供改造用的各種備件，以保證備件的供應。機床數控化改造計劃實施應有本地區(qū)機電一體化供應的基本條件，這樣不僅改造周期短，而且有利于保證維修及技術咨詢服務。就本機床改造而言，市場上已建立了一套機電一體化配套產品代理機構，對于C6140改造而言市場可供性好。綜上所述，對原機床進行數控化改造

28、符合技術可行性要求。第4章 總體方案的確定4.1總體方案設計要求（1）臥式車床數控化改造后應具有單坐標定位,兩坐標直線插補、圓弧插補以及螺紋插補的功能。因此，數控系統(tǒng)應設計成連續(xù)控制型。（2）臥式車床經數控化改造后屬于經濟型數控機床，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)常采用步進電動機的開環(huán)系統(tǒng)。（3）為了達到技術指標中的速度和精度要求，縱、橫向的進給傳動應選用摩擦力小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動間隙、提高傳動剛度，滾珠絲杠的螺母應有消間隙機構。（4）計算選擇步進電動機，為了圓整脈沖當量，可能需要減速輪副，且應有消間隙機構。（5）采用貼塑導軌，以減

29、小導軌的摩擦力。（6）選擇四工位自動回轉刀架，選擇螺紋編碼器等?？傮w方案設計圖如下圖4-1所示：進給伺服系統(tǒng)總體方案方框圖如圖4-2所示：4.2設計參數設計參數包括車床的部分技術參數和設計數控進給伺服系統(tǒng)所需要的參數。現列出C6140臥式車床的技術數據：名稱 技術參數 在床身上 400mm工件最大直徑在刀架上 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) 模數螺紋 mm 0.25-3(11種) 徑節(jié)螺紋 t/m7-96(24種) 最大通過直徑 48mm 孔錐度 莫氏6# 主軸 正轉轉速級數

30、24 正轉轉速范圍101400r/min 反轉轉速級數 12 反轉轉速范圍14-1580r/min縱向級數64進給量縱向范圍0.028-6.33mm/r橫向級數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最大回轉角 90刀架刀杠支承面至中心的距離26mm刀杠截面BH2525mm 頂尖套莫氏錐度5#尾座橫向最大移動量10mm外形尺寸 長寬高241810001267mm 圓度 0.01mm工作精度圓柱度200:0.02 平面度0.02/300mm表面粗糙度Ra1.6-3.2m 主電動機7.5kw電動機功率總功率7.

31、84kw改造設計參數如下: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 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 有第5章 進給傳動部件的計算和選型縱、橫向進給傳動部件的計算和選型

32、主要包括：確定脈沖當量、計算切削力、選擇滾珠絲杠螺母副、選擇步進電動機等。以下詳細介紹縱向進給機構，橫向進給機構與縱向類似，在此從略。5.1 脈沖當量的確定根據設計任務的需要，X方向（橫向）的脈沖當量為x=0.005mm/脈沖，Z方向（縱向）為z=0.01mm/脈沖。5.2 切削力的計算假設工件材料為碳素結構鋼，b=650MPa；選用刀具材料為硬質合金YT15；刀具幾何參數為：主偏角r=60，前角。=10，刃傾角Z=-5；切削用量為：背吃刀量p=3mm，進給量f=0.6mm/r，切削速度C=105m/min。由金屬切削原理查表3-1得：CFC=2795,xfc=1.0，yfc=0.75，nfc

33、=-0.15。 查表3-3得：主偏角r的修正系數KkrFc=0.94；刃傾角、前角和刀尖圓弧半徑的修正系數值均為1.0。由經驗公式：主切削力Fc=CFc.aPxFc.fyFc.vcnFc.KFc (1)背向力 FP=CFP.aPxFO.fyFO.vcnFO.KF0 (2)進給力 Ff=CFf.aPxFf.fyFf.vcnFf.KFf (3)算得主切削力Fc=2673.4N。由經驗公式Fc：Ff：Fp=1:0.35:0.4，算得縱向進給切削力Ff=935.69N，背向力=1069.36N。5.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型（縱向）5.3.1 工作載荷Fm的計算 已知移動部件總重G=1300N；車

34、削力Fc=2673.4N，Fp=1069.36N,Ft=935.69N。根據Fz=Fc，Fy=Fp，Fx=Ff的對應關系，可得：Fz=2673.4N，Fy=1069.36N，Fx=935.69N。選用矩形三角形組合滑動導軌，由公式Fm=KFx+（Fz+G），取K=1.15，=0.16，代入Fm=KFx+(Fz+G)，得工作載荷Fm1712N。5.3.2 最大動載荷FQ的計算設本車床Z向在承受最大切削力條件下最快的進給速度v=0.8m/min，初選絲杠基本導程Ph=6mm，則此時絲杠轉速n=1000v/Ph133r/min。取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h，代入Lo=60nT/106，得絲杠

35、壽命系數Lo=119.7（單位為：106r）取載荷系數fW=1.15，再取硬度系數fH=1，代入式FQ= fWFHFm，求得最大動載荷FQ9703N。5.3.3 初選型號根據計算出的最大動載荷，查FL系列滾珠絲杠副有關參數，選擇啟東潤澤機床附件有限公司生產的FL4006型滾珠絲杠副。其公稱直徑為40mm，基本導程為6mm，雙螺母滾珠總圈數為3x2圈=6圈，精度等級取4級，額定動載荷為13200N，滿足要求。5.3.4傳動效率的計算將公稱直徑d0=40mm，基本導程為6mm，代入=arctanPh/(do)，得絲杠螺旋升角=244。將摩擦角=10，代入=tan/ tan(+)，得傳動效率=94.

36、2%。5.3.5 剛度的驗算（1） 縱向滾珠絲杠副的支承，采取一端軸向固定，一端簡支的方式，固定端采取一對推力角接觸球軸承，面對面組配。絲杠加上兩端接桿后，左、右支承的中心距離約為a=1497mm；鋼的彈性模量E=2.1x105MPa；查FL系列滾珠絲杠副有關參數得Dw=3.9688mm，算得絲杠底徑d2=公稱直徑do-滾珠直徑Dw=36.0312mm，則絲杠截面積S=d22/4=1019.64mm2。 忽略1=中的第二項，算得絲杠在工作載荷Fm作用下產生的拉/壓變形量1=Fm/3(ES) 0.01197mm。（2） 根據公式Z=（do/Dw）-3，求得單圈滾珠數目Z=29；該型號絲杠為雙螺母

37、，滾珠總圈數為3x2=6，則滾珠總數量Z=29x6=174。滾珠絲杠預緊時，取軸向預緊力FYJ=Fm/3571N。則由式 2=0.0013，求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量20.00117mm。因為絲杠加有預緊力，且為軸向負載的1/3，所以實際變形量可減少一半，取2=0.000585mm。（3） 將以上算出的1和2代入總=1+2，求得絲杠總變量（對應跨度1497mm）總=0.012555mm=12.555m。查行程偏差和變動量表知，4級精度滾珠絲杠任意300mm軸向行程內行程的變動量允許16m，而對于跨度為1497mm的滾珠絲杠，總的變形量總只有12.555m，可見絲杠剛度足夠。5.3.6 壓

38、桿穩(wěn)定性校核根據式Fk=Fm計算失穩(wěn)時的臨界載荷Fk。查絲杠支承系數表，取支承系數k=2；由絲杠底徑d2=36.0312mm，求得截面慣性矩I=d24/6482734.15mm4；壓桿穩(wěn)定安全系數K取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值1497mm。代入式Fk=Fm，得臨界載荷Fk51012N，遠大于工作載荷Fm（1712N），故絲杠不會失穩(wěn)。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。5.4 步進電動機的計算與選型(縱向)5.4.1 計算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量Jeq已知：滾珠絲杠的公稱直徑do=40mm，總長（帶接桿）l=1560mm，導程Ph=6mm，材料密度

39、=7.85x10-3Kg.cm3；縱向移動部件總重量G=1300N；同步帶減速箱大帶輪寬度28mm，節(jié)徑54.57mm，孔徑30mm，輪外徑42mm，寬度14mm；小帶輪寬度28mm，節(jié)徑45.48mm，孔徑19mm，輪外徑29mm，寬度12mm；傳動比i=1.2。查常用轉動慣量計算表，可以算得各個零部件的轉動慣量如下（具體計算過程從略）：滾珠絲杠的轉動慣量Js=30.78 Kg.cm2；床鞍折算到絲杠上的轉動慣量Jw=1.21 Kg.cm2；小帶輪的轉動慣量Jz1=0.95 Kg.cm2；大帶輪的轉動慣量Jz2=1.99 Kg.cm2。 在設計減速箱時，初選的縱向步進電動機型號為130BY5

40、501，從永磁感應式步進電動機的技術參數表查得該型號電動機轉子的轉動慣量Jm=33 Kg.cm2。則加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量為：Jeq=Jm+Jz1+(Jz2+Jw+Js)/i2=57.55Kg.cm25-1電動機簡圖5-2永磁感應式步進電動機的技術參數表5.4.2 計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩Teq分快速空載啟動和承受最大工作負載兩種情況進行計算。1. 快速空載啟動時電動機轉軸所承受的負載轉矩Teq1由式Teq1=Tamax+Tf+To可知，Teq1包括三部分：快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩Tamax、移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩Tf、滾珠絲杠

41、預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩To。以為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據To=(FYJPh/2i)(1-o2) 式可知，To相對于Tamax和Tf很小，可以忽略不計。則有：Teq1=Tamax+Tf (4) 根據Tamax=Jeq=2Jeqnm/60ta式，考慮縱向傳動鏈的總效率，計算快速空載啟動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩：Tamax=（2Jeqnm/60ta）. 1/ (5)式中nm-對應縱向空載最快移動速度的步進電動機最高轉速，單位為 r/min；ta -步進電動機由靜止到加速至nm所需的時間，單位為s。其中：nm=Vmax/360 (6)式中Vmax-縱向空載最快移動速度，任

42、務書指定為6000mm/min； -縱向步進電動機步矩角，為0.72； -縱向脈沖當量，本例=0.01mm/脈沖。將以上各值代入式nm=Vmax/360，算得nm=1200r/min。設步進電動機由靜止到加速至nm轉速所需時間Ta=0.4s，縱向傳動鏈總效率=0.7；則由式Tamax=（2Jeqnm/60ta）.1/求得：Tamax=2x57.55x10-4x1200/60 x0.4x0.7 N.m2.58N.m由式Tf=F擦Ph/2i可知，移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為：Tf=（Fc+G）Ph/2i (7)式中-導軌的摩擦因數，滑動導軌取0.16； Fc-垂直方向的工作負載，

43、空載時取0； -縱向傳動鏈總效率，取0.7。則由式Tf=（Fc+G）Ph/2i，得：Tf=0.16x(0+1300)x0.006/2x0.7x1.2 N.m0.24 N.m最后由式Teq1=Tamax+Tf，求得快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩為：Teq1=Tamax+Tf=2.82 N.M 2. 最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩Teq2由式Teq2=Tf+Tt+To可知，Teq2包括三部分：折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩Tt、移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩Tf、滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩To。To相對于Tt和Tf很小，可以忽略不計。則

44、有：Teq2=Tf+Tt (8)其中，折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩Tt由式子Tt= Ff Ph/2i計算。本例中在對滾珠絲杠進行計算的時候，已知進給方向的最大工作載荷Ff=935.69N，則有：Tt= Ff Ph/2i=935.69x0.006/2x0.7x1.2 N.m=1.06 N.m再由式Tf=F擦Ph/2i計算承受最大工作負載（Fc=2673.4 N.m）情況下，移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩：Tf=（Fc+G）Ph/2i=0.16x(2673.4+1300)x0.006/2x0.7x1.2 N.m0.72 N.m最后由式Teq2=Tf+Tt，求得最大工作負載狀態(tài)下

45、電動機轉軸所承受的負載轉矩：Teq2=Tf+Tt=1.78 N.m經過上述計算后，得到加在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩：Teq=maxTeq1，Teq2=2.82 N.m5.4.3步進電動機最大靜轉矩的選定 考慮到步進電動機采用的是開環(huán)控制，當電網電壓降低時，其輸出轉矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據Teq來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數。本例中取安全系數K=4，則步進電動機的最大靜轉矩應滿足：Tjmax4Teq=4x2.82 N.m=11.28 N.m對于前面預選的130BYG5501型步進電動機，由永磁感應式步進電動機的技術參數表5-2查得，其最大靜轉矩Tj

46、max=20 N.m，可見完全滿足式Tjmax4Teq=4x2.82 N.m=11.28 N.m的要求。5.4.4步進電動機的性能校核（1）最快工進速度時電動機輸出轉矩校核 任務書給定縱向最快工進速度Vmaxf=800mm/min，脈沖當量=0.01mm/脈沖，由式fmax=Vmax/60求出電動機對應的運行頻率fmaxf=800/（60 x0.01）Hz1333Hz。從130BYG5501的運行矩頻特性圖5-3可以看出，在此頻率下，電動機的輸出轉矩Tmaxf17N.m，遠大于最大工作負載轉矩Teq2=1.78N.m，滿足要求。（2）最快空載移動時電動機輸出轉矩校核任務書給定縱向最快空載移動速

47、度Vmax=6000mm/min，仿照式fmax=Vmax/60求出電動機對應的運行頻率fmax=6000/(60 x0.01)Hz=10000Hz。從圖5-2查得，在此頻率下，電動機的輸出轉矩Tmax=3.8N.m，大于快速空載起動時的負載轉矩Teq1=2.82N.m，滿足要求。5-3 130BYG步進電動機的運行矩頻率特性曲線（3）最快空載移動時電動機運行頻率校核 最快空載移動速度Vmax=6000mm/min，對應的電動機運行頻率fmax=10000Hz。查永磁感應步進電動機的技術參數表5-2可知130BYG5501的極限運行頻率為20000Hz，可見沒有超出上限。（4）起動頻率的計算已

48、知電動機轉軸上的總轉動慣量Jeq=57.55kg.cm2，電動機轉子自身的轉動慣量Jm=33 kg.cm2，查表5-2可知電動機轉軸不帶任何負載時的最高空載起動頻率fq=1800Hz。則由式fL=fq/可以求出步進電動機克服慣性負載的起動頻率為：fL=fq/=1087Hz上式說明，要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于1087Hz。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得很低，通常只有100Hz（即100脈沖/s）。綜上所述，本例中縱向進給系統(tǒng)選用130BYG5501步進電動機，可以滿足設計要求。5.5 主軸交流伺服電機的計算與選型5.5.1主軸的變速范圍 主軸能實現的最

49、高轉速與最低轉速之比稱為變速范圍Rn, 即Rn=nmax/nmin,數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 nmin=14Nmax/nj=2nnj/nmin （9） 則 nj=113r/min這里nj為電動機的額定轉速該機床主軸要求的恒功率調速范圍Rn為：Rn=nmax/nj （10） =1800/113=15.9主軸電機的功率是：7.5kw5.5.2初選主軸電機的型號選主軸電機的型號為：SIMODRIVE系列交流主軸驅動系統(tǒng)型號為1HP6167-4CB4，連續(xù)負載PH/KW=14.5，間歇負載（60%）/kw=17.5kw,

50、短時負載（20min）/kw=19.25kw,額定負載n/r.min=5000，最大轉速nmax/r/min=8000,額定轉矩277N.m,慣性矩0.206/kg.m晶體管PWM變頻器型號為6SC6058-4AA025.5.3主軸電機的校核電動機恒功率調速范圍：Rn=nmax/nmin=8000/500=16所以所選電動機型號的調速范圍滿足主軸所要求的調速范圍。第6章 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系外，還應認真的考慮與具體結構設計有關的

51、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節(jié)方式，確定齒輪軸支承軸承的型號。（3） 考慮各部件之間的定位、聯接和調整方法。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。軸承座在安裝面上的聯接與定位、齒輪箱在安裝面上的定位、步進電機在齒輪箱上的聯接與定位等。（4） 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。（5） 在進行各零部件結構

52、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。第7章 元件的選擇7.1 SZGDBM01光電編碼器7.1.1 概述 SZGDBM01光電編碼器，是常用的位移、角位移、長度、深度等機械量的檢測器件，廣泛用于化工、冶金、能源、輕工、紡織、電子、機械、汽車等行業(yè)。7.1.2 主要技術性能SZGDBM01的分類方法7.2數控刀架/AK21系列刀架：AK21160*4*4C安裝圖及尺寸： 型 號ABCL1L

53、2H1HXX1yh12MH3H4NAK2116041261261464412252197016017011230.5132082/44AK211604C1171261463882732177016017011432132060/32主要參數：序號項 目AK2116044C 1刀臺方(mm)1602工位數(個)43裝刀基面高(mm)704裝刀基準孔高(mm)/5單工位轉位時間(s)3.246刀架轉速(r/min)177最大切向力矩(N .m)5008最大顛覆力矩(N .m)12509重復定位精度(mm)0.00510毛重(Kg)3811凈重(Kg)3012箱體尺寸(mm)560400353結論這

54、次畢業(yè)設計持續(xù)的時間為8周，時間對于我們來說是非常長的。這次我畢業(yè)設計的題目是：把C6140普通車床設計成為經濟型數控車床。剛剛接受到這個題目的時候，感覺很難，因為以前從來沒有接觸過這方面的設計，頭腦里一個最基本的概念都沒有，后來老師給我們大體上講了一下基本過程，經過一個星期的研究，終于有一點眉目，再經過兩個星期資料搜集，包括車床的說明書等等，設計進入了正式的軌道。在生活逐漸自動化的今天，對加工制造的精度和加工效益都提出了很高的要求，因此對機床等加工設備提出了很高的要求。以前單一的靠手工操作的機床，在很大程度上已經不能滿足現代化的要求，數控機床的改造已經成為一種必要。但這次機床的改造是在原有的機床上換掉部分零部件，使它具有數控機床的基本功能，如不用手工操作能自動控制進給量等。但又考慮到改造成的是經濟型數控車床，所以在選材等方面，必須考慮到經濟這一重要問題。 因為我以前的基礎知識掌握得不牢固，在這次設計中確實是遇到了很多的問題，但在這過程中，我又學會了很多東西，在以前的小設計中，有些能馬馬虎虎過去的問題，就糊里糊涂過去了，可