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教學單位 機電工程系 學生學號 編 號 本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 題　　目 CA6140普通車床 數(shù)控化改造 學生姓名 專業(yè)名稱 指導教師 五月十五日 目 錄 一、論文（設(shè)計）正文……………………………………………（頁碼） 一級標題……………………………………………………………（頁碼） 二級標題……………………………………………………………（頁碼） 三級標題……………………………………………………………（頁碼） 二、附錄 1. 論文（設(shè)計）任務(wù)書……………………………………………（頁碼） 2. 論文（設(shè)計）中期檢查報告……………………………………（頁碼） 3. 指導教師指導記錄表……………………………………………（頁碼） 4. 論文（設(shè)計）結(jié)題報告…………………………………………（頁碼） 5. 成績評定及答辯評議表…………………………………………（頁碼） 6. 論文（設(shè)計）答辯過程記錄……………………………………（頁碼） 注：頁碼統(tǒng)一用阿拉伯數(shù)字標識。 本科畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書 畢業(yè)論文（設(shè)計）總體要求： （1）要求在12周之內(nèi)自主完成設(shè)計方案； （2）要求查閱與題目相關(guān)文獻20篇以上； （3）完成畢業(yè)論文一份，其中應(yīng)詳細寫明自己的設(shè)計過程及設(shè)計說明； （4）用AutoCAD軟件繪制相關(guān)圖形。 畢業(yè)論文（設(shè)計）主要內(nèi)容： （1）完成設(shè)計任務(wù)書一份； （2）完成車床改造裝配圖和其他圖紙若干； （3）完成不少于15000字數(shù)的論文； （4）完成不少于5000字數(shù)的外文資料及其中文翻譯。 課題性質(zhì) ①理論型 ②實踐應(yīng)用型。 主要參考文獻： [1] 吳振彪主編．機電綜合設(shè)計指導[M]．中國人民大學出版社:2000． [2] 余英良主編．機床數(shù)控改造設(shè)計與實例[M]．機械工業(yè)出版社:1997． [3] 機床設(shè)計手冊編寫組編．機床設(shè)計手冊第一，三，四冊[M]．機械工業(yè)出社:1998． [4] 明興祖主編．數(shù)控加工技術(shù)[M]．化學工業(yè)出版社:2001． [5] 胡占齊，楊莉主編．機床數(shù)控技術(shù)[M]．機械工業(yè)出版社:1986． [6] 楊有君主編．數(shù)字控制技術(shù)與數(shù)控機床[M]．機械工業(yè)出版社:1999． [7] 廖念釗,古瑩庵主編．互換性與技術(shù)測量[M]．中國計量出版社:2000． [8] 陳碧秀等主編．實用中小電機手冊[M].遼寧科學技術(shù)出版社:2000． [9] 王槐德主編. 機械制圖新舊標準代換教程[M].中國標準出版社:2003. [10] 邱宣懷主編. 機械設(shè)計[M].高等教育出版社:2002. 指導教師簽名：　　　 　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　下達任務(wù)時間：　　 年　　月　　日 學生意見： 接受任務(wù)學生簽名： 注：任務(wù)書由指導老師下達，被指導學生簽名。 本科畢業(yè)論文（設(shè)計）中期檢查報告 學生撰寫情況： 畢業(yè)設(shè)計能有安排有計劃的進行，能夠按時按量的完成每個階段的設(shè)計任務(wù)。在設(shè)計過程中遇到不明白的問題都會積極請教老師或同學并在老師的指導下發(fā)現(xiàn)不足之處并加以改正，虛心接受同學意見。 指導教師： （簽名） 教師指導情況： 檢查人： （簽名） 系主任： （簽名） 注：學生撰寫情況由指導教師填寫，教師指導情況由檢查人填寫。 本科畢業(yè)論文（設(shè)計）指導教師指導記錄表 指導的具體時間及指導內(nèi)容（由學生分次填寫）： （1）3月9日：給出設(shè)計課題，對設(shè)計課題作初步的講解并講述可查閱的相關(guān)資料。 （2）3月16日：查看參閱的資料，檢查設(shè)計準備情況和初步的設(shè)計方案。 （3）3月23日：檢查該設(shè)計的總體方案大綱，提出修改建議。 （4）3月30日：對設(shè)計方案進行數(shù)據(jù)計算和處理進展的檢查。提出問題和修改建議。 （5）4月6日：對設(shè)計方案進行數(shù)據(jù)計算和處理進展的檢查。提出問題和修改建議。 （6）4月13日：指導設(shè)計說明書的書寫檢查部分完成內(nèi)容。提出不足幫助豐富內(nèi)容。 （7）4月20日：檢查設(shè)計說明書的內(nèi)容，指出遺漏之處并加以改正。 （8）4月30日：審查設(shè)計初稿，提出修改意見。 （9）5月7日：第二次審查設(shè)計，提出修改建議。完成設(shè)計。 （10）5月9日：繪制相關(guān)圖紙。 對第一稿提出的修改意見： 1.格式不對，請嚴格遵照所給范文的格式要求，如摘要，關(guān)鍵詞單獨成頁；每段開頭空兩格；一級題序和標題居中等。 2.目錄要根據(jù)內(nèi)容自動生成，并且是說明書的一部分。 3.需要進一步豐富車床設(shè)計改造步驟的介紹，使其內(nèi)容完整明了。 對第二稿提出的修改意見： 進一步檢查畢業(yè)設(shè)計中的不足之處和格式規(guī)范，加以修改。 指導教師： （簽名） 學 生： （簽名） 注：指導的具體時間及指導內(nèi)容由學生分次填寫，對第一、二稿提出的修改意見由指導教師填寫。 本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 結(jié)題報告 本課題完成情況，包括研究過程、結(jié)果、存在的問題等： 研究過程： 首先進行了課題設(shè)計的可行性研究，在研究時重點查閱了近些年來車床改造部分的相關(guān)期刊和文獻，了解了目前國內(nèi)外的發(fā)展研究狀況；在資料收集的基礎(chǔ)上，進行了課題定位和可行性分析，確定了CA6140普通車床數(shù)控化改造相關(guān)方案。 其次進行了論文的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對收集和查閱的各種資料，文獻進行細化和分類，結(jié)合我國目前機床的現(xiàn)狀，確定了以經(jīng)濟性改造為主的總思路對CA6140普通車床進行數(shù)控化改造。同時將所做的內(nèi)容提供給指導老師指導，對潛在的錯誤和不合理之處給予糾正。 最后開始論文初稿的寫作，將設(shè)計過程進一步系統(tǒng)化，條理化，同時及時向指導老師匯報寫作進展和遇到的問題，發(fā)現(xiàn)不足后立即進行修正，力求使設(shè)計更加完整。 研究結(jié)果： 設(shè)計論文終稿基本完成，對普通車床的改造方面更加了解，同時對所學的專業(yè)知識有了進一步熟悉，對調(diào)查研究進行設(shè)計進一步熟悉，對軟件繪圖更加得心應(yīng)手。存在問題： 由于本人能力有限，所學知識不夠，經(jīng)驗欠缺，設(shè)計中對于機床的數(shù)控化改造缺乏理論深度和個人創(chuàng)新，并在論文的語句和用詞方面存在不少問題，對于一些相關(guān)的設(shè)計過程可能存在一定的欠缺，望老師加以諒解和糾正。我國機械行業(yè)還有很大的發(fā)展空間，我還需要不斷努力。在以后的工作和學習中進一步加強學習理論知識和實踐知識，提高自己的設(shè)計水平。 注：由學生填寫。 指導教師意見： （同意、不同意）答辯 指導教師： （簽名） 系畢業(yè)論文（設(shè)計）指導委員會審查意見： 經(jīng)審查，（同意、不同意）答辯。 系畢業(yè)論文（設(shè)計）指導委員會主任： 本科畢業(yè)論文（設(shè)計）成績評定及答辯評議表 指導教師評語： 該設(shè)計按機床數(shù)控化改造方案和指導教師的修改意見完成了設(shè)計撰寫。該設(shè)計內(nèi)容正確，步驟合理，層次基本清晰；摘要簡練完整，設(shè)計結(jié)構(gòu)符合要求；文理通順，用語基本規(guī)范。設(shè)計格式比較完整，論據(jù)充分，計算準確，資料數(shù)據(jù)足以支持其內(nèi)容要求，體現(xiàn)出了該學生分析問題和解決問題的能力。 畢業(yè)設(shè)計中的，關(guān)于機床機械部分設(shè)計內(nèi)容的介紹完成準確，設(shè)計的邏輯性連貫性強。設(shè)計過程比較正確，思路清晰。計算過程明了。在設(shè)計過程中正確使用機械基礎(chǔ)工具書，參考前人的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。應(yīng)用內(nèi)容完整準確。但其中也有一些不足之處，比如設(shè)計初稿中的錯誤較多，內(nèi)容不完整，層次不明了，經(jīng)過修改，即豐富了設(shè)計內(nèi)容，又符合設(shè)計要求。 在為期十二周的畢業(yè)設(shè)計中，該生能在老師的嚴格要求下順利完成整個設(shè)計工作和論文的撰寫。設(shè)計過程及內(nèi)容正確，結(jié)構(gòu)安排合理，符合要求。在整個畢業(yè)設(shè)計過程中，態(tài)度端正，學習也比較認真，時間安排也很合理。能基本在每個階段完成相應(yīng)的任務(wù)，還能主動的提前完成，做到時間的前緊后松。當然，在這期間也存在一些不足和需要提高的地方。例如，做事情不夠仔細，處理問題和運用知識的能力有待提高。希望該同學在以后的工作或?qū)W習中注意這些問題，爭取更大的提高和進步。 成績： 指導教師： （簽名） 答 辯 小 組 評 定 成 績 答辯成績： （答辯小組成員打分的平均值） 組長簽名： 年 月 日 答辯 委員會意見 主席簽名： 年 月 日 畢業(yè)論文成績 指導教師評定成績 （權(quán)重50%） 答辯小組評定成績 （權(quán)重50%） 總評成績 畢業(yè)設(shè)計成績 指導教師評定成績（權(quán)重30%） 評閱教師評定 成績（權(quán)重30%） 答辯小組評定成績 （權(quán)重40%） 總評成績 系畢業(yè)論文(設(shè)計)指導委員會 意見 負責人簽字： 年 月 日 本科畢業(yè)論文（設(shè)計）答辯過程記錄（附頁） 答辯記錄（所提出問題及對問題答辯要點） 注：每名學生的答辯過程都要分別記錄。 秘書： （簽名） 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計）征題審查表 系別： 教研室： 教師姓名 職稱 學歷 科研方向 序號 課 題 名 稱 課題性質(zhì) 課題來源 教研室意見 系畢業(yè)論文（設(shè)計）指導委員會意見： 負責人簽名： 年 月 日 注：1.課題來源填寫：①系命題；②教師科研項目；③橫向聯(lián)合項目；④學生自擬。 2.課題性質(zhì)一欄填寫：①理論型，②實踐應(yīng)用型。 本科優(yōu)秀畢業(yè)論文（設(shè)計）推薦審批表 姓名 系名稱 專業(yè) 學號 指導教師 總評成績 論文（設(shè)計）題目 課題性質(zhì) 指導教師推薦評語： 指導教師簽字：　　　 年　 月　 日 系畢業(yè)論文（設(shè)計）指導委員會意見： 負責人簽字（公章）：　　　 年　 月　 日 教 務(wù) 處 意 見 教學質(zhì)量管理科 意見 科 長： （簽名） 教務(wù)處主管副處長意見 副處長： （簽名） 教務(wù)處處長意見 處 長： （簽名） 注：課題性質(zhì)一欄填寫：①理論型，②實踐應(yīng)用型。此表一式兩份，一份留系上裝訂，一份交教務(wù)處。 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計）綜合一覽表 系別： 專業(yè)： 年 月 日 學號 學生 姓名 論文（設(shè)計）題目 課題來源 課題性質(zhì) 字數(shù) （千） 指導教師情況 總評 成績 推薦評獎情況 姓名 職稱 學歷 注：1.課題來源填寫：①系命題；②教師科研項目；③橫向聯(lián)合項目；④學生自擬。 2.課題性質(zhì)一欄填寫：①理論型，②實踐應(yīng)用型。 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計）成績統(tǒng)計表 系別： 專業(yè) ： 年 月 日 序號 姓名 學號 論文（設(shè)計）題目 指導 教師 成績（等級） 總評 成績 指導教師打分 評閱教師打分 （畢業(yè)設(shè)計用） 答辯委員會打分 CA6140 普通車床數(shù)控化改造 摘要 針對大多數(shù)企業(yè)，具有數(shù)量眾多和較長使用壽命的普通機床，其加工 精度較低，不能批量生產(chǎn)，自動化程度不高，適應(yīng)性差，但考慮投資成本， 產(chǎn)業(yè)的連續(xù)性，又不能馬上被淘汰。 購買新的數(shù)控機床是提高產(chǎn)品質(zhì)量效率的重要途徑，但成本高，許多 企業(yè)在短期內(nèi)無法實現(xiàn)，這嚴重阻礙企業(yè)設(shè)備更新的步伐。為此把普通車 床數(shù)控化改造，不失為一條投資少，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的的捷徑， 提升企業(yè)競爭力，在我國成為制造強國的進程中占有一席之地。 本文以普通車床 CA6140 數(shù)控化改造為例，從普通車床改造的經(jīng)濟性 進行評價入手，對數(shù)控技術(shù)在普通車床 CA6140 數(shù)控化改造應(yīng)用作了深入 研究和探索，形成相應(yīng)的技術(shù)方案及要點。主要內(nèi)容： (1) 對普通車床數(shù)控化改造經(jīng)濟性評價詳細論證，應(yīng)用模糊優(yōu)化設(shè)計中綜 合評判原理，確定普通車床數(shù)控化改造方案； (2) 對進給系統(tǒng)的滾珠絲杠型號選擇與裝配設(shè)計，支承方式的設(shè)計與軸承 型號的選擇，步進電機的選擇等進行詳細研究； (3) 對常用進口數(shù)控裝置系統(tǒng)和國產(chǎn)數(shù)控裝置系統(tǒng)進行仔細比較，根據(jù)所 改造的性能和精度指標來選擇數(shù)控裝置系統(tǒng)和自動刀架型號，提出選擇方 法；(4) 根據(jù)普通車床 CA6140 電氣控制系統(tǒng)和原理圖與普通車床數(shù)控化 改造的數(shù)控系統(tǒng)對比分析，形成普通車床數(shù)控化改造完整的電氣控制技術(shù) 方案；(5) 為保持切削螺紋的功能，仔細研究在主軸上脈沖發(fā)生器的選型， 脈沖發(fā)生器直接與主軸間的連接方法，形成相應(yīng)技術(shù)圖； (6) 給出普通車床數(shù)控化改造的安裝及調(diào)試方法。 關(guān)鍵詞：普通車床； 數(shù)控改造； 伺服系統(tǒng)； 數(shù)控系統(tǒng) I NC lathe CA6140 common Abstract Most enterprises still have large amounts general-purpose machine tools which have longevity of service, low precision, can not adapt to mass productino,low automatization and adaptability,but can not be washed out because of its low cost and continuity of enterprisesproductino. Purchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterptises because it cost much. Enterprises equipment updating step are counteracted severly. So General lathes numerically controlled reforming is a quick way that costs less, improve production precision and efficiency, and it can improve enterprises competitive power. So it can takes its place in our way to a powerful manufacturing country. The economical efficiency of the reform and the application of NC technology in General purpose lathe CA6140s numerically controlled reforming is researched in this paper according to our practice of CA6140s numerically controlled reforming. And the reforming scheme and main points are formed. The main contents is: (1) The economical efficiency of the reform is evaluated in detail and the rerorming scheme is maked according to misty optimums synthesize adjudicate principle. (2) The ball screws type, assembling, supporting, bearing type, and stepping motor of feeding system is designed. (3) The import and domestic NC systems were compared carefully, brought up a choose method and selected the NC system and automatic tool rest according to the function and accuracy index of reforming. (4) The complete electricity control diagram was drawn out according to the result of comparing CA6140s electricity control system. II (5) In order to protect the function of cutting a screw, we carefully studied the impulse regulator and its connection with the principal axis, and draw out a technique diagram. (6) Methods of installing and testing of general purpose lathes numerically controlled reforming were put forward. Key words: General purpose lathe; NC reform; Servo system; CNC system 0 目 錄 摘 要 Abstract 第 1 章 緒 論 ......................................................................................................................1 1.1 本論文的背景 ..................................................................................................1 1.2 本論文的主要內(nèi)容和意義 ..............................................................................2 1.3 本論文主要解決的問題 ..................................................................................2 第 2 章 設(shè)計要求 ................................................................................................................3 2.1 總體設(shè)計方案要求 ..........................................................................................3 2.2 設(shè)計參數(shù) ..........................................................................................................4 2.3 其他要求 ..........................................................................................................5 第 3 章 車床機械部分的改造 ............................................................................................6 3.1 滾珠絲桿 ..........................................................................................................7 3.1.1 滾珠絲桿副的特點 .......................................................................................8 3.1.2 縱向滾珠絲桿螺母副型號選擇與校核步驟 ...............................................9 3.1.3 橫向滾珠絲桿螺母副型號選擇與校核步驟 .............................................12 3.2 減速器箱體的設(shè)計 ........................................................................................13 3.2.1 軸的計算 .....................................................................................................14 3.2.2 減速器箱體尺寸 .........................................................................................14 3.2.3 減速齒輪 .....................................................................................................15 3.3 軸承的選擇 ....................................................................................................16 3.4 軸承蓋的設(shè)計 ................................................................................................18 3.5 滾珠絲杠軸承的選型與校核 ........................................................................19 第 4 章 進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計與計算 ..................................................................22 4.1 進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計 ........................................................................22 4.2 進給伺服系統(tǒng)機械部分計算與選型 ............................................................22 4.2.1 確定系統(tǒng)脈沖當量 .....................................................................................22 4.2.2 縱向滾珠絲杠螺母副的副的型號選擇雨校核步驟 .................................23 4.2.3 橫向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟 .........................................26 4.2.4 齒輪有關(guān)計算 .............................................................................................28 第 5 章 步進電動機的計算與選型 ................................................................................35 5.1 縱向步進電機的選擇 ....................................................................................35 1 5.1.1 確定系統(tǒng)脈沖當量 .....................................................................................35 5.1.2 步距角的選擇 .............................................................................................35 5.1.3 矩頻特性 .....................................................................................................36 5.1.4 據(jù)步進電機的矩頻特性計算加減速時間校核的快速性 .........................39 5.2 橫向步進電機的選擇 ....................................................................................40 5.2.1 步距角的確定 .............................................................................................40 5.2.2 矩頻特性 .....................................................................................................41 第 6 章 主軸交流伺服電機 .............................................................................................43 6.1 主軸變速范圍 ................................................................................................43 6.2 初選主軸電機型號 ........................................................................................43 6.3 主軸電機的校核 ............................................................................................43 第 7 章 微機控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 ..............................................................................44 7.1 控制系統(tǒng)的功能要求 ....................................................................................44 7.2 硬件電路的組成 ............................................................................................44 7.3 設(shè)計說明 ........................................................................................................45 第 8 章 車床改造的結(jié)構(gòu)特點 .........................................................................................47 8.1 滾珠絲桿 ........................................................................................................47 8.2 導軌副 ............................................................................................................47 8.3 安裝電動卡盤 ................................................................................................47 8.4 脈沖發(fā)生器 ....................................................................................................47 第 9 章 安裝調(diào)試中應(yīng)注意的問題 ..................................................................................48 9.1 滾珠絲杠螺母副的選擇 ................................................................................48 9.2 滾珠絲桿螺母副的調(diào)整 ................................................................................48 9.3 聯(lián)軸器的安裝 ................................................................................................48 9.4 主軸脈沖發(fā)生器的安裝 ................................................................................48 參考文獻 ..............................................................................................................................49 結(jié) 論 ..............................................................................................................................50 致 謝 ..............................................................................................................................51 1 第 1 章 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(zhì)的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎(chǔ)。6 年后， 即在 1952 年，計算機技術(shù)應(yīng)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 0.60.8 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(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(shù)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(shù)為主的新的行 業(yè)。在美國、日本、德國，用數(shù)控技術(shù)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(wù)集團、US 設(shè)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(nèi)容及意義 1.2.1 研究意義 2 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(zhì)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(yīng)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(shù)、微電子技術(shù)、自動檢測技術(shù)等先進技術(shù)，最適宜加工小批量、高 精度、形狀復(fù)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(diào)整，因此能很好地滿足產(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(diào)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(yīng)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(qū)動元件，無檢測反饋機構(gòu)，系統(tǒng)的定位精度一般可達0.01 至 0.02mm，已能滿足 CA6140 車床改造后加工零件的精度要求。 1.2.2 主要研究內(nèi)容及技術(shù)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(fù)原功能，對機床、生產(chǎn)線存在的故障部分進行診斷并恢復(fù)。 (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(fù)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(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術(shù)， 3 在原有基礎(chǔ)上進行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和檔 次的更新改造。 第 2 章 設(shè)計要求 2.1 總體方案設(shè)計要求 總體方案設(shè)計應(yīng)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(gòu)的選擇等。 (1) 普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)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(yīng) 簡化結(jié)構(gòu)、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，MCS51 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 MCS51 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(yīng)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(shè)計自動回轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)有預(yù)緊機構(gòu)，以提高傳動剛度和消除間隙，齒輪副也應(yīng) 有消除齒側(cè)間隙的機構(gòu)。 (8) 采用貼塑導軌，以減小導軌的摩擦力。 2.2 設(shè)計參數(shù) 設(shè)計參數(shù)包括車床的部分技術(shù)參數(shù)和設(shè)計數(shù)控進給伺服系統(tǒng)所需要的參數(shù)。 4 由機床數(shù)控改造設(shè)計與實例 1 ，現(xiàn)列出 CA6140 臥式車床的技術(shù)數(shù)據(jù)： 輸入方式：增量值、絕對值通用 控制坐標數(shù) 2 最大加工長度：1000mm 代碼制:ISO 脈沖分配方式：逐點比較法 機床定位精度: 0.015mm 刀具補償量: 0mm99.99mm 名稱 技術(shù)參數(shù) 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 112(20 種) 加工螺紋范圍 英制螺紋 t/m 224(20 種) 模數(shù)螺紋 mm 0.253(11 種) 徑節(jié)螺紋 t/m 796(24 種) 最大通過直徑 48mm 孔錐度 莫氏 6# 主軸 正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速級數(shù) 24 正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍 101400r/min 反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速級數(shù) 12 反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍 141580r/min 縱向級數(shù) 64 進給量 縱向范圍 0.0286.33mm/r 橫向級數(shù) 64 橫向范圍 0.0143.16mm/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(zhuǎn)角 90 刀杠支承面至中心的距離 26mm 5 刀杠截面 BH 2525mm 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 0.01mm 工作精度 圓柱度 200:0.02 平面度 0.02/300mm 表面粗糙度 Ra 1.63.2m 主電動機 7.5kw 電動機功率 總功率 7.84kw 最大加工直徑 在床面上 400mm 在床鞍上 210mm 快進速度 縱向 2.4m/min 橫向 1.2m/min 最大切削進給速 縱向 0.5m/min 橫向 0.25m/min 溜板及刀架重力 縱向 800N 橫向 600N 脈沖當量 縱向 0.01mm/脈沖 橫向 0.005mm/脈沖 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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)改裝部分應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保正 6 安裝、調(diào)試、拆卸方便，需經(jīng)常調(diào)整的部位調(diào)整應(yīng)方便。 第 3 章 車床機械部分的改造 為了充分發(fā)揮數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)性能，保證改造后的車床在系統(tǒng)控制下重復(fù) 定位精度，由機電綜合設(shè)計指導 2，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(yīng)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) 等。 當前國內(nèi)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 ，以提高粘接mRa8.0 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 (116)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(zhì)量,所以 要根據(jù)具體情況對主軸變速箱進行改造。 (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(yīng)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(yīng)采取以下措施來 7 滿足傳動精度和靈敏度要求。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 360pi 式中： 為步進電機的步距角( 度)； 為絲杠螺距， mm； 為脈沖當量，p 即要求的分辨率，mm。 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(diào)整法和剛性調(diào)整法。 柔性調(diào)整法是指調(diào)整之后的齒輪側(cè)隙可以自動補償?shù)姆椒?，在齒輪的齒厚和齒 距有差異的情況下，仍可始終保持無側(cè)隙嚙合。但將影響其傳動平穩(wěn)性，而且 這種調(diào)整法的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，傳動剛度低。剛性調(diào)整法是指調(diào)整之后齒輪側(cè)隙 不能自動補償?shù)恼{(diào)整方法，它要求嚴格控制齒輪的齒厚及齒距的誤 差，否則傳 動的靈活性將受到影響。但用這種方法調(diào)整的齒輪傳動有較好的傳動剛度，而 且結(jié)構(gòu)比較簡單。在設(shè)備改造中應(yīng)用的配對齒輪側(cè)隙方法是剛性調(diào)整法。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(fù)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， 由機床設(shè)計手冊 3，有以下主要特點： 8 (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 24 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(guān)，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(gòu)中，特別是垂直升 降機構(gòu)中使用滾珠絲杠副時，必須設(shè)置防止逆轉(zhuǎn)的裝置。 (4) 可以預(yù)緊 通過對螺母施加預(yù)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(fù)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(yù)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(yù)緊拉伸以補償熱膨脹，能獲得較高的定位精度和重復(fù) 定位精度。 (6) 同步性好 用幾套相同的滾珠絲杠副同時驅(qū)動相同的部件和裝置時，由于 反應(yīng)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。 (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maxjM 理，并淬硬至 ,經(jīng)磨削達到所需的精度和表面粗糙度。實踐證明，6258HRC 滾珠絲杠副的使用壽命比普通滑動絲杠副高 56 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(yīng)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 是指滾珠絲杠副的在驅(qū)動工作臺時滾珠絲 )(NFm 9 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(guān)的摩擦力。由數(shù)控車床進給傳動 系統(tǒng)整體優(yōu)化設(shè)計 4： 由于原普通 車床的縱向?qū)к壥侨切螌к墸瑒t用公式 3-2 計算工作6140CA 載荷的大小。 3-2 )(GFvfKLFm 1) 車削抗力分析： 車削外圓時的切削抗力有 , , ，主切削力 與切削速度方向一致，垂xyzz 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 與縱向進給方y(tǒng)F 向垂直，影響加工精度或已加工表面質(zhì)量。進給抗力 與進給方向平行且相反x 指向，設(shè)計或校核進給系統(tǒng)是要用它。 縱切外圓時，車床的主切削力 可以用下式計算：zF 3-3 )(5360NKVfCZFZZnyxpz 3-4 4.:201:yxz 得 , )(34NF)(y 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 和導軌上，車削作業(yè)時作用在進給拖板上的載荷 , 和 與車刀所受到的車lFvc 削抗力有對應(yīng)關(guān)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 )(5360NFxl 拖板上的垂直方向載荷 zv 拖板上的橫向載荷 )(214yc 因此，最大工作載荷： GFfKvlm )8.90536(0.35. )(6817N 10 對于三角形導軌 ， ,選 (因為是貼塑導軌)，15.K05.3.f 04.f 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 的計算：C 滾珠絲杠應(yīng)根據(jù)額定動載荷 選用，可用式 3-5 計算：a 3-5 mFfLC3 L 為工作壽命，單位為 , ，n 為絲杠轉(zhuǎn)速 ,r610610t )min(r ，v 為最大切削力條件下的進給速度 ,可取最高進給速度的01n )i( ， 為絲杠的基本導程，查資料得 ； 為運轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，320LL120mf 所以取 。 5.1mf min26in49rV縱 向 i75.9120 rLn縱 向縱 向 5.8310.2606nt 則： )(74.95.833 NFfCm 初選滾珠絲桿副的尺寸規(guī)格，相應(yīng)的額定動載荷 不得小于最大動載荷aC 因此有 。Na1740 另外假如滾珠絲杠副有可能在靜態(tài)或低速運轉(zhuǎn)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載荷 是否充分地超過了滾珠絲杠的工作載荷 ,一般使 。oaCmF32moaC 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。 考慮到簡易經(jīng)濟改裝，所以采用外循環(huán)。 因此初選滾珠絲杠的型號為 CD638-3.5-E 型。 主要參數(shù)為： 圈數(shù) 列數(shù) 3.5 1 ,912,63,8,763.40 mdLmDw 11 (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 3-6 %92)012(91)( tgttg 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，絲杠與螺母 之間滾道的接觸變形，絲杠的扭轉(zhuǎn)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 ： 1 3-7AmELF1 = 2)5.31(06.28.790 = 0.0064mm 2.滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 ：2 采用有預(yù)緊的方式： 3-832201.ZFDyjwm = 3 236.1458.7906.4. =0.0028mm 在這里： NFmyj 978.1031 53.416.4.DdZ 5. 絲杠的總變形量 。m0.92.08.0621 查表知 E 級精度絲杠允許的螺距誤差為 0.015mm,故所選絲杠合格。 3) 壓桿穩(wěn)定性驗算 滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細長桿，若軸向工作負載過大，將使絲杠失 去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時的臨界載荷為 kF 12 3-92LEIfFzk 式中：E 為絲杠材料彈性模量，對鋼 ，I 為截面慣性矩，Mpa4106. 對絲杠圓截面 (d1 為絲杠的底徑)，L 為絲杠的最大工作長度64mdlI (mm) ; 為絲杠的支撐方式系數(shù)。zf 由 且 ， ， ,2LEIFk 0.zf paE4106.2446mdlI 為絲杠的長度 L80 由于： 4 44 57903)93.(dlI 258106.21.3kF 49857N 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： ， ， 為工作臺進給方向載荷，4.1k05.flF , , ， ，t=15000h，NFl214v5360NFc3kgG6 最大工作載荷： )2(fkcvlm =1.4 2144+0.05(5360+2 1340+9.8 75)=3452.6N 2) 最大動負載的計算： min10679.0inr14rv橫 ir.5220縱橫橫 Ln 54.9106.166t NFfCm8.23..493 所以初選滾珠絲杠型號為:CD506-3.5-E ，其基本參數(shù)為 ,mDw96.3 13 , , ，圈數(shù) 列數(shù) 3.5 112mL6d50 (2) 橫向滾珠絲杠的校核： 1) 傳動效率 計算： %93)012()( tgtg 2) 剛度驗算： 1.絲杠的拉壓變形量： mEALFm 026.5106.23.5241 2.滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量： mZFDyjwm9.013.22 在這里： NFmyj 186.5 56.39.04.3wdZ 81569 絲杠的總變形量 m015.2.0.2.21 查表知 E 級精度絲杠允許的螺距誤差為 0.015mm,故所選絲杠合格。 3.2 減速器箱體的設(shè)計 一般機床數(shù)控改造后，經(jīng)濟型數(shù)控車床的脈沖當量是一不可改變的值，為 了實現(xiàn)多脈沖當量的任意選擇，我們可在步進電機與滾珠絲杠間加一個減速機 構(gòu)，由數(shù)控加工技術(shù) 5,下面即是對減速機構(gòu)的設(shè)計過程。 由任務(wù)書中可知縱向和橫向的脈沖當量分別為： 縱向 0.01 0.008 0.005 橫向 0.005 0.004 0.0025 為減少減速機構(gòu)的體積設(shè)定中心距 5.672)(1mzA 其中 m=1.5 9021z 14 則以橫向脈沖計算為例 時，則脈沖當量為 0.005mm 4521zi 時，則脈沖當量為 0.004mm0 時，則脈沖當量為 0.0025mm6321zi 因此縱向與橫向的減速機構(gòu)可以相同，為了降低成本將橫縱減速器結(jié)構(gòu)設(shè) 置為一樣。 3.2.1 軸的計算：（縱向輸入軸) 由公式： 3-10 335nPATd 可初選軸的直徑 由于 T=5N.m,由于采用的是 45 號鋼，正火硬度 為 170-217HBS,扭曲疲 勞極限 -1=124，軸材料的許用切應(yīng)力為 45MPa。 對于縱向輸入軸： 3-11 m2.84503Td輸 入 在這里，d 為軸的直徑(mm),T 為軸傳遞的轉(zhuǎn)矩（N.mm）, 為軸材料 的許用切應(yīng)力（MPa）,則縱向輸入軸軸徑取 18mm,輸出軸軸徑取 25mm。 對于橫向輸入軸： 3-12 m1245603Td輸 入 橫向輸入軸軸徑可取 18mm，輸出軸軸徑可取 25mm。 綜上可知：縱向與橫向可用一種減速機構(gòu)。軸材料為 45 號鋼，精度 5 級。 3.2.2 減速器箱體尺寸 下箱體壁厚 =0.025a+38 則 =8 上箱蓋壁厚 =0.03a+38 則 =81 1 地角螺釘數(shù)目 n 由于 a250mm n=4 15 地角螺釘直徑 取12036.adf 8Mdf 齒輪端面與內(nèi)箱壁最小距離 2= =8mm 3.2.3 減速齒輪 第一對齒 n45 與 n45 嚙合 計算公式為： ， ,dD6.1)(5.021DdL)5.1( 一般取 l=b， C=0.2b 但是不小于 10，R=0.5l，N=0.5mn mn 為模數(shù) ， 但是不小于 8mm。mn)45.2(0 圖 3-1 齒輪結(jié)構(gòu)圖 因此輸入軸齒輪 d=18mm， ， ， mdD8.26.1mD57.3.672 ， ， ， ，n=0.7mD9.42)8.57(.07530a5d0 5， ， ， 。 dl612c.4lr1.0 為了更好得使輸入軸與輸出軸嚙合且因 D1=28.8d=18 的原因會導致齒 輪的剛度下降，采用下圖 3-2 形狀，以下輸出軸與輸入軸均采用這種圖結(jié)構(gòu)。 16 則