3264 普通C6143車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造,普通,c6143,車床,經(jīng)濟型,數(shù)控,改造 第 1 頁 共 32 頁XXXX 大學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）題 目：C6143 型臥式車床的數(shù)控化改造及橫向進給機構(gòu)設(shè)計院 （系）： 專 業(yè)： 班 級： 學(xué)生姓名： 導(dǎo)師姓名： 職稱： 起止時間： 第 2 頁 共 32 頁[摘要] 針對現(xiàn)有常規(guī) C6143 普遍車床的缺點提出數(shù)控改裝方案和單片機系統(tǒng)設(shè)計，提高加工精度和擴大機床使用范圍，并提高生產(chǎn)率。本論文說明了普通車床的數(shù)控化改造的設(shè)計過程，較詳盡地介紹了 C6143 機械改造部分的設(shè)計及數(shù)控系統(tǒng)部分的設(shè)計。采用以 8031 為 CPU 的控制系統(tǒng)對信號進行處理，由I/O 接口輸出步進脈沖，經(jīng)一級齒輪傳動減速后，帶動滾動絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)縱向、橫向的進給運動。結(jié)合我國實際國情，經(jīng)濟型數(shù)控車床是我國從普通車床向數(shù)控車床發(fā)展的及其重要的臺階。利用現(xiàn)有的普通車床，對其進行數(shù)控化改造是一條低成本，高效益的途徑。數(shù)控車床作為機電一體化的典型產(chǎn)品，在機械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅度地提高生產(chǎn)效率。我國作為機床大國，數(shù)控機床的占有率還不足百分之三，但是在歐美等發(fā)達(dá)國家數(shù)控機床的占有率達(dá)到了百分之三十六以上，單從數(shù)字上來看我過和歐美等發(fā)達(dá)國家還有相當(dāng)大的距離。其主要原因為數(shù)控車床價格較貴，一次性投資較大使企業(yè)心有余而力不足。對普通機床數(shù)控化改造不失為一種較好的良策。在金屬加工行業(yè)中車床在所有加工設(shè)備中占有最大比重，例如最常見的軸類零件，就是由車床加工而成本論文針對目前國內(nèi)企業(yè)現(xiàn)狀，以 C6143 普通車床為例提出簡易型經(jīng)濟數(shù)控改造思路和設(shè)計方法。關(guān)鍵詞：數(shù)控機床， 單片機數(shù)控系統(tǒng)，改裝設(shè)計， 伺服電機 傳動系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 電氣控制線路 經(jīng)濟實惠 數(shù)控改造， 第 3 頁 共 32 頁AbstractTo remedy the defects of ordinary lathe C6143, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and extend the machine’s usage, and to improve production rate。This paper presents the process of designing numerical control reform，and explicitly introduces the design of mechanical and numerical control system reforms。We adopt control system which has 8031 as cpu to cope with the signal，and output the step pulse through the I/O interface。After transmitting and slowing down by force 1 gear, the step pulses drive the leading screw to roll。Thus achieve the vertical movement and the crosswise movement。 China's actual conditions and economic CNC lathe is from the ordinary to the lathe and NC lathe important development stage.Use of existing ordinary lathe, NC transformation is its low cost and highly efficient way.CNC lathe as a typical electromechanical integration products, machinery manufacturing plays an enormous role,good solution to the structural complexity of modern machinery, precision, small batches, changeable parts processing,able to stabilize the quality of the processing products, a significant increase in production efficiency.As the big machine, CNC machine tools was less than 3.0% share.However, in Europe and the United States and other developed countries to achieve the 36% share of the CNC machine moreI can see from the figures over Europe and the United States and other developed countries there is still a considerable distance.The main reason for the higher prices of CNC lathe, a one-time investment to fill larger enterprises.CNC transformation of the ordinary would be a better process.Lathe in the metal processing industry accounts for the largest proportion of all processing equipment, for example, the most common shaft.Papers from the machining cost is the present status of domestic enterprises.Simple C6143 made to the general economic NC lathe ideas and design methods.KEY WORDS： numerical control machine tool, single chip microcomputer system，reform design，The C6143 servo electrical machinery transmission system control system electricity control line economical numerical control changes 第 4 頁 共 32 頁目錄1.緒論…………………………………………………………………………‥ 12.設(shè)計要求‥………………………………………………………………… 32.1 總體方案設(shè)計要求……………………………………………………… 32.2 設(shè)計參數(shù)………………………………………………………………… 42.3.其它要求………………………………………………………………… 73.進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計與計算…………………………………… 83.1 進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)改造設(shè)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(dāng)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(guān)計算…………………………………………………………………… 133.2.4（1）縱向齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計算……………………………………………143.2.4 (2)橫向齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)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 7.車床改造的結(jié)構(gòu)特點…………………………… ………………………277.1.滾珠絲桿…………………………………… ……………………………277.2 導(dǎo)軌副…………………………………………………………………… 277.3 安裝電動卡盤…………………………………………………………… 277.4 脈沖發(fā)生器…………………………………………………………… … 27 第 5 頁 共 32 頁8．安裝調(diào)整中應(yīng)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(diào)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(jié)論…………………………………………………………………………… 29參考文獻………………………………………………………………………… 30第 6 頁 共 32 頁1 緒論普通車床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(zhuǎn)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(yù)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進給運動不能聯(lián)動，切削次序也由人工控制。一、數(shù)控機床的產(chǎn)生數(shù)控機床最早是從美國開始研制的。1948 年，美國帕森斯公司在研制加工直升機槳葉輪廓用檢查樣板的加工機床任務(wù)時，提出了研制數(shù)控機床的初始設(shè)想。1949 年，帕森斯公司與麻省理工學(xué)院伺服機構(gòu)實驗室合作，開始從事數(shù)控機床的研制工作。并于 1952 年試制成功世界上第一臺數(shù)控機床實驗性樣機。這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補三坐標(biāo)連續(xù)控制銑床。經(jīng)過三年改進和自動編程研究，于 1955 年進入實用階段。一直到 20 世紀(jì) 50 年代末，由于價格和技術(shù)原因，品種多為連續(xù)控制系統(tǒng)。到了 60 年代，由于晶體管的應(yīng)用，數(shù)控系統(tǒng)提高了可靠性且價格開始下降，一些民用工業(yè)開始發(fā)展數(shù)控機床，其中多數(shù)是鉆床、沖床等點位控制的機床。數(shù)控技術(shù)不僅在機床上得到實際應(yīng)用，而且逐步推廣到焊接機、火焰切割機等，使數(shù)控技術(shù)不斷的擴展應(yīng)用范圍。二、數(shù)控機床的發(fā)展自 1952 年，美國研制成功第一臺數(shù)控機床以來，隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制和精密測量等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床也在迅速地發(fā)展和不斷地更新?lián)Q代，先后經(jīng)歷了五個發(fā)展階段。第一代數(shù)控：1952-1959 年采用電子管元件構(gòu)成的專用數(shù)控裝置。第二代數(shù)控：從 1959 年開始采用晶體管電路的 NC 系統(tǒng)。第三代數(shù)控：從 1965 年開始采用小、中規(guī)模集成電路的 NC 系統(tǒng)。第四代數(shù)控：從 1970 年開始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計算機控制的系統(tǒng)。第五代數(shù)控：從 1974 年開始采用微型電子計算機控制的系統(tǒng)。目前，第五代微機數(shù)控系統(tǒng)基本上取代了以往的普通數(shù)控系統(tǒng)，形成了現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)。它采用微型處理器及大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路，具有很強的程序存儲能力和控制功能。這些控制功能是由一系列控制程序來實現(xiàn)的。這些數(shù)第 7 頁 共 32 頁控系統(tǒng)的通用性很強，幾乎只需改變軟件，就可以適應(yīng)不同類型機床的控制要求，具有很大的柔性。隨著集成電路規(guī)模的日益擴大，光纜通信技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控裝置中，使其體積日益縮小，價格逐年下降，可靠性顯著提高，功能也更加完善。近年來，微電子和計算機技術(shù)的日益成熟，它的成果正在不斷滲透到機械制造的各個領(lǐng)域中，先后出現(xiàn)了計算機直接數(shù)控系統(tǒng)，柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)。所有這些高級的自動化生產(chǎn)系統(tǒng)均是以數(shù)控機床為基礎(chǔ)，它們代表著數(shù)控機床今后的發(fā)展趨勢。三、我國數(shù)控機床的發(fā)展概況我國從 1958 年由北京機床研究所和清華大學(xué)等首先研制數(shù)控機床，并試制成功第一臺電子管數(shù)控機床。從 1965 年開始，研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)，直到 60年代末和 70 年代初，研制的劈錐數(shù)控銑床、非圓錐插齒機等獲得成功。與此同時，還開展了數(shù)控加工平面零件自動編程的研究。1972-1979 年是數(shù)控機床的生產(chǎn)和使用階段。例如：清華大學(xué)研制成功集成電路數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控技術(shù)在車、銑、鏜、磨、齒輪加工、電加工等領(lǐng)域開始研究與應(yīng)用；數(shù)控加工中心機床研制成功；數(shù)控升降臺銑床和數(shù)控齒輪加工機床開始小批生產(chǎn)供應(yīng)市場。從 80 年代初開始，隨著我國開放政策的實施，先后從日本、美國、德國等國家引進先進的數(shù)控技術(shù)。上海機床研究所引進美國 GE 公司的 MTC-1 數(shù)控系統(tǒng)等。在引進、消化、吸收國外先進技術(shù)基礎(chǔ)上，北京機床研究所又開發(fā)出 BSO3 經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)和 BSO4 全功能數(shù)控系統(tǒng)，航空航天部 706 所研制出 MNC864 數(shù)控系統(tǒng)等。進而推動了我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，使我國數(shù)控機床在品種上、性能上以及水平上均有了新的飛躍。我國的數(shù)控機床已跨入一個新的發(fā)展階段。四、數(shù)控機床的發(fā)展趨勢從數(shù)控機床技術(shù)水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自動化是數(shù)控機床的重要發(fā)展趨勢。對單臺主機不僅要求提高其柔性和自動化程度，還要求具有進入更高層次的柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)的適應(yīng)能力。在數(shù)控系統(tǒng)方面，目前世界上幾個著名的數(shù)控裝置生產(chǎn)廠家，諸如日本的FANCU，德國的 SIEMENS 和美國的 A-B 公司，產(chǎn)品都向系列化、模塊化、高性能和成套性方向發(fā)展。它們的數(shù)控系統(tǒng)都采用了 16 位和 32 位微機處理機、標(biāo)準(zhǔn)第 8 頁 共 32 頁總線及軟件模塊和硬件模塊結(jié)構(gòu)，內(nèi)存容量擴大到 1MB 以上，機床分辨率可達(dá)0.1 微米，高速進給可達(dá) 100m/min,控制軸數(shù)可達(dá) 16 個，并采用先進的電裝工藝。在驅(qū)動系統(tǒng)方面，交流驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展迅速。交流傳動已由模擬式向數(shù)字式方向發(fā)展，以運算放大器等模擬器件為主的控制器正在被以微處理器為主的數(shù)字集成元件所取代，從而克服了零點漂移、溫度漂移等弱點。五、數(shù)控機床改造的意義數(shù)控機床改造在國外已發(fā)展成一個新興的工業(yè)部門，早在 60 年代已經(jīng)開始迅速發(fā)展，其發(fā)展的原因是多方面的，主要有技術(shù)、經(jīng)濟、市場和生產(chǎn)上的原因。我國是擁有 300 多萬臺機床的國家。而這些機床又大多是多年累積生產(chǎn)的通用機床，不論資金和我國機床制造廠的能力都是辦不到的。因此，盡快將我國現(xiàn)有一部分普通機床實現(xiàn)自動化和精密化改裝，是我國現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)改造迫切要求解決的課題。用數(shù)控技術(shù)改造機床，正是適應(yīng)了這一要求。它是建立在微電子現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上。在機床改造中引入微機的應(yīng)用，不但技術(shù)上具有先進性，同時，在應(yīng)用上比其它傳統(tǒng)的自動化改裝方案，有較大的通用性與可調(diào)性。而且所投入的改造費用低，一套經(jīng)濟型數(shù)控裝置的價格僅為全功能數(shù)控裝置的 1/3 至 1/5，用戶承擔(dān)的起。從若干單位成功應(yīng)用的實例可以證明，投入使用后，確實成倍地提高了生產(chǎn)效率，減少了廢品率，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益。因此，我國提出從大力推廣經(jīng)濟型數(shù)控這一中間技術(shù)的基礎(chǔ)上，再逐步推廣全功能數(shù)控這條道路，適合我國的經(jīng)濟水平、教育水平和生產(chǎn)水平，已成為我國設(shè)備技術(shù)改造主要方向之一。同時，它還可以作為全功能數(shù)控機床應(yīng)用的準(zhǔn)備階段，為今后使用全功能數(shù)控機床，培養(yǎng)人才，積累維護、使用經(jīng)驗，而且也是實現(xiàn)我國傳統(tǒng)的機械制造技術(shù)朝機電一體化的方向過渡的主要內(nèi)容之一。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(zhuǎn)刀架。這樣，利用數(shù)控裝置，車床就可以按預(yù)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(fù)雜的回轉(zhuǎn)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(yīng)小批量多品種復(fù)雜零件的加工。第 9 頁 共 32 頁2 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，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(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(dǎo)軌，以減小導(dǎo)軌的摩擦力?？傮w方案設(shè)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 10 頁 共 32 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(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)。現(xiàn)列出 C6143 臥式車床的技術(shù)數(shù)據(jù)：名稱 技術(shù)參數(shù) 在床身上 430mm工件最大直徑第 11 頁 共 32 頁在刀架上 210mm頂尖間最大距離 650;900;1400;1900mm公制螺紋 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(zhuǎn)轉(zhuǎn)速級數(shù) 24正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍 10—1400r/min反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速級數(shù) 12反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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 12 頁 共 32 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(shè)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 13 頁 共 32 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(biāo)數(shù) 2脈沖當(dāng)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(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 14 頁 共 32 頁3 進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計與計算3.1 進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計進給系統(tǒng)改造設(shè)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(zhuǎn)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(dāng)量、計算切削力滾珠絲杠螺母副的設(shè)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 15 頁 共 32 頁3.2.1 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)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(dāng)量應(yīng)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(dāng)量為 0.01mm/step 和 0.005mm/step,在C6143 的技術(shù)參數(shù)中，要求縱向脈沖當(dāng)量 fp 為 0.01mm/step。橫向脈沖當(dāng)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(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力。由于原普通 C6143 車床的縱向?qū)к壥侨切螌?dǎo)軌，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(shè)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(dǎo)第 16 頁 共 32 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(yīng)關(guān)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(dǎo)軌 K=1.15, f’=0.03～0.05,選 f’=0.04(因為是貼塑導(dǎo)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(yīng)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(zhuǎn)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(dǎo)程，查資料得 L0=12mm;fm 為運轉(zhuǎn)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(yīng)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(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 17 頁 共 32 頁2）剛度驗算滾珠絲杠副的軸向變形將引起導(dǎo)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(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 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(yù)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(dǎo)向為貼塑導(dǎo)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 19 頁 共 32 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(biāo)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(guān)計算(1)縱向齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計算1）有關(guān)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(dǎo)程: Lo=12mm步距角: α=0.75°/step脈沖當(dāng)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(guān)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 20 頁 共 32 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(zhuǎn)動慣量計算工作臺質(zhì)量折算到步進電動機軸上的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動慣量很小,可忽略。因此，折算到步進電機軸上的總的轉(zhuǎn)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(dǎo)程/mm1m 長絲杠的轉(zhuǎn)動慣量kg.cm2絲杠名義直徑/mm 導(dǎo)程/mm1m 長絲杠的轉(zhuǎn)動慣量kg.cm220 4 0.94 50 10 35.76第 21 頁 共 32 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(zhuǎn)動慣量3）所需轉(zhuǎn)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(fù)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(yù)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(fù)載力矩;Ma= ×10-4N.m （3-12 ）????9.6??式中, J---轉(zhuǎn)動慣量, kg.cm2n---絲杠轉(zhuǎn)速,r/minT---時間常數(shù),s第 22 頁 共 32 頁當(dāng) 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(dāng) 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(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)nt---切削加工時的轉(zhuǎn)速， r/min;w---移動不見的重量，N;Lo---絲杠導(dǎo)程，cm;i---傳動比；η--- 傳動效率。當(dāng) 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(yù)緊時的效率，取 0.9FO---預(yù)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 23 頁 共 32 頁Mmax=123.338 N.cm(2)橫向齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計算1)有關(guān)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(dǎo)程: Lo=4mm步距角: α=0.75°/step脈沖當(dāng)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(guān)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(zhuǎn)動慣量計算工作臺質(zhì)量折算到步進電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量:J1=W( )2= ( )2 ×30× =0.0439 kg.cm2180δ pπφ 180×0.0053.14×0.75 1100 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量:Js=7.8×10-4×24×50=0.624 kg.cm2齒輪的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動慣量很小,可忽略。因此，折算到步進電機軸上的總的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動力矩計算第 24 頁 共 32 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(gòu)與原機床的聯(lián)系外，還應(yīng)認(rèn)真的考慮與具體結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)的一些問題。1）了解原機床的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，從有關(guān)資料中查閱床身、縱溜板、橫溜板、刀架等的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)以及軸承預(yù)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(jié)構(gòu)尺寸計算，確定齒輪側(cè)隙的調(diào)整方法，在滿足裝配工藝的前提下，合理設(shè)計齒輪箱結(jié)構(gòu)。4） 考慮各部位間的定位、聯(lián)接和調(diào)整方法。例如，應(yīng)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(dǎo)軌平行，考慮螺母座。軸承座在安第 25 頁 共 32 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(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)、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(biāo)準(zhǔn)、重要配合的標(biāo)注、裝配技術(shù)要求、標(biāo)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(fù)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(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子從任意位置開始，經(jīng)過任意步后，轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值，用第 26 頁 共 32 頁累積誤差衡量精度比較實用，所選用的步進電動機應(yīng)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(zhuǎn)矩為了使步進電動機正常運轉(zhuǎn)（不失步，不越步）正常啟動并滿足對轉(zhuǎn)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(fù)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(shù)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(yīng)大于電動機的靜載力矩與電動機轉(zhuǎn)動慣量（包括負(fù)載的轉(zhuǎn)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(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的增大而降低，因此，相應(yīng)負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的極限啟動頻率應(yīng)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 C6143 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 27 頁 共 32 頁Mq/Mjm=0.866所以步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjm 為：Mjm= =356.06 N.cmMq 0.866＝ 308.350.866 步進電動機最高工作頻