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摘 要
所謂數(shù)字控制機(jī)床是按照含有機(jī)床(刀具)運(yùn)動信息程序所指定的順序自動執(zhí)行操作的過程。而計算機(jī)數(shù)控機(jī)床就是數(shù)控機(jī)床在計算機(jī)監(jiān)控下進(jìn)行工作。它的優(yōu)點很多,可以在同一機(jī)床上一次裝夾可完成多個操作，生產(chǎn)率顯著提高等優(yōu)點，但它的價格昂貴。由于我國現(xiàn)在使用的機(jī)床大多數(shù)為普通車床，自動化程度低,要更新現(xiàn)有機(jī)床需要很多資金。為了解決這個問題,也為了適應(yīng)多品種中、小批量零件加工我們選擇機(jī)床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造?？v向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造：拆去原機(jī)床的溜板箱、光杠與絲杠以及安裝座,配上滾珠絲杠及相應(yīng)的安裝裝置，縱向驅(qū)動的步進(jìn)電機(jī)及減速箱安裝在車床的床尾,不占據(jù)絲杠空間。橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造：拆除橫向絲杠換上滾珠絲杠,由步進(jìn)電機(jī)帶動。總體設(shè)計方案:CA6140車床主軸轉(zhuǎn)速部分保留圓機(jī)床的手動變速功能。車床的縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。最后,根據(jù)已知條件對縱向橫向伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計與計算。
關(guān)鍵詞:數(shù)控、車床、改造
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ABSTRACT
Numerical Control (NC) is any machining process in which the operations are executed automaticallu in sequences as specified by the program that contains the information for the tool movement .When Numerical Control is performed under computer supervision, it is called Computer Numerical Control (CNC).CNC machines have many advantages over conventional machines. For example, there is a possibility lf performing operations on the same machine in one setup and production is significantly increased. One of its disadvantages is that they are quite expensive. In our country conventional machine is used widely. So if the machines are replaced, there is going to need a large money. In order to agree with the development of our economy, we can reform the conventional machines. The reformation of the vertical mechanism: we demolish the current smooth leading, leading screw and installing stand. Then replace the ball leaking to the relevant position. The reformation of the horizontal mechanism: we make the horizontal ball lead screw instead of the conventional screw. And Stepper motor drives the screw. The overall master design: the spindle’s gearshift of the CA6140 mechanism controlled by the former operating lever. The moving of the vertical table and the horizontal table is drove by the ball screw, which is drove by the Stepper motors. The last, we design the vertical and horizontal mechanism on the basis of known numbers.
Key word: Numerical Control、 machining、?? information??
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湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文（論文）
目 錄
第一章 緒論 1
1.1機(jī)床數(shù)控改造的意義 3
1.2數(shù)控機(jī)床的主要改造步驟 3
第二章 設(shè)計的任務(wù)及要求 5
2.1 CA6140橫向進(jìn)給系統(tǒng)及刀架數(shù)控改造設(shè)計的任務(wù) 5
2.2 CA6140橫向進(jìn)給系統(tǒng)及刀架數(shù)控改造設(shè)計的要求 5
第三章 改造設(shè)計的總體方案 6
3.1設(shè)計參數(shù)的確定 6
3.2改造方案的確定 7
3.2.1系統(tǒng)的運(yùn)動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 7
3.2.2機(jī)械傳動方式 7
第四章 滾珠絲杠副的設(shè)計和計算 8
4.1選擇脈沖當(dāng)量 8
4.2計算切削力 8
4.2.1縱車外圓 8
4.2.2橫切端面 8
4.3滾珠絲桿螺母副的計算和選型 9
4.3.1滾珠絲杠軸向進(jìn)給切削力的計算 9
4.3.2滾珠絲杠的平均轉(zhuǎn)速計算 9
4.3.3滾珠絲杠的壽命計算 10
4.3.4滾珠絲杠副在高速和定工作載荷的情況下的選用 10
4.3.5滾珠絲剛副在受動載荷的情況下的選用 12
4.3.6按額定靜載荷選用滾珠絲杠副 13
4.3.7滾珠絲杠副的選型 13
4.3.8滾珠絲杠副的剛度驗算 16
4.3.9滾珠絲杠副的穩(wěn)定性驗算 18
第五章 減速器的設(shè)計計算 19
第六章 步進(jìn)電機(jī)的選型及計算 21
6.1等效轉(zhuǎn)動慣量的計算 21
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6.2根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選電機(jī)型號 22
6.2.1步距角 22
6.2.2矩頻特性 23
6.3啟動矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性校核 26
6.3.1啟動矩頻校核 27
6.3.2運(yùn)行矩頻校核 28
6.4步進(jìn)電機(jī)的安裝尺寸 30
第七章 刀架的改造設(shè)計 31
7.1刀架改造的意義 31
7.2自動換刀裝置形式的選擇 31
7.3螺旋轉(zhuǎn)位刀架的工作原理 33
7.4對自動換刀裝置的要求 35
7.5自動換刀裝置的主要部件設(shè)計計算及選擇 35
7.5.1桿、蝸輪的設(shè)計計算 35
7.5.2電機(jī)的選擇 36
第八章 結(jié)論 37
參考文獻(xiàn) 38
致 謝 39
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湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
第一章 緒論
隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，世界機(jī)床業(yè)已進(jìn)入了以數(shù)字化制造技術(shù)為核心的機(jī)電一體化時代，其中數(shù)控機(jī)床就是代表產(chǎn)品之一。數(shù)控機(jī)床是制造業(yè)的加工母機(jī)和國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)。它為國民經(jīng)濟(jì)各個部門提供裝備和手段，具有無限放大的經(jīng)濟(jì)與社會效應(yīng)。目前，歐、美、日等工業(yè)化國家已先后完成了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步于二十世紀(jì)五十年代，通過“六五”期間引進(jìn)數(shù)控技術(shù)，“七五”期間組織消化吸收“科技攻關(guān)”，我國數(shù)控技術(shù)和數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了相當(dāng)大的成績。特別是最近幾年，我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，“十五”期間，中國數(shù)控機(jī)床行業(yè)實現(xiàn)了超高速發(fā)展。其產(chǎn)量2001年為17521臺，2002年24803臺，2003年36813臺，2004年51861臺，是2001年的3.7倍，平均年增長39％；2005年國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量59639萬臺，接近6萬臺大關(guān)，是“九五”末期的424倍。盡管如此，進(jìn)口機(jī)床的發(fā)展勢頭依然強(qiáng)勁，從2002年開始，中國連續(xù)三年成為世界機(jī)床消費(fèi)第一大國、機(jī)床進(jìn)口第一大國，2004年中國機(jī)床主機(jī)消費(fèi)高達(dá)94.6億美元，國內(nèi)數(shù)控機(jī)床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機(jī)床的研究開發(fā)方面與國外的差距更加明顯，70%以上的此類設(shè)備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進(jìn)口。由此可以看出國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床特別是中高檔數(shù)控機(jī)床仍然缺乏市場競爭力，究其原因主要在于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務(wù)意識與能力欠缺、數(shù)控,系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。我們應(yīng)看清形勢，充分認(rèn)識國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的不足，努力發(fā)展先進(jìn)技術(shù)，加大技術(shù)創(chuàng)新與培訓(xùn)服務(wù)力度，以縮短與發(fā)達(dá)國家之間的差距。
為了彌補(bǔ)我國數(shù)控機(jī)床的嚴(yán)重不足，許多企業(yè)與廠家都對原有的普通機(jī)床改裝成數(shù)控機(jī)床。目前機(jī)床數(shù)控化改造的市場在我國還有很大的發(fā)展空間，現(xiàn)在我國機(jī)床數(shù)控化率不到3％。用普通機(jī)床加工出來的產(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(jī)床的數(shù)控化率。但是機(jī)床的數(shù)控改造，主要是對原有機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)造性的設(shè)計，最終使機(jī)床達(dá)到比較理想的狀態(tài)。數(shù)控車床是機(jī)電一體化的典型代表，其機(jī)械結(jié)構(gòu)同普通的機(jī)床有諸多相似之處。然而，現(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床不是簡單地將傳統(tǒng)機(jī)床配備上數(shù)控系統(tǒng)即可，也不是在傳統(tǒng)機(jī)床的基礎(chǔ)上，僅對局部加以改進(jìn)而成（那些受資金等條件限制，而將傳統(tǒng)機(jī)床改裝成建議數(shù)控機(jī)床的另當(dāng)別論）。傳統(tǒng)機(jī)床存在著一些弱點，如剛性不足、抗振性差、熱變形大、滑動面的摩擦阻力大及傳動元件之間存在間隙等，難以勝任數(shù)控機(jī)床對加工精度、表面質(zhì)量、生產(chǎn)率以及使用壽命等要求?，F(xiàn)代的數(shù)控技術(shù)，特別是加工中心，無論是其支承部件、主傳動系統(tǒng)、進(jìn)給傳動系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、輔助功能等部件結(jié)構(gòu)，還是整體布局、外部造型等都已經(jīng)發(fā)生了很大變化，已經(jīng)形成了數(shù)控機(jī)床的獨(dú)特機(jī)械結(jié)構(gòu)。因此，我們在對普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造的過程中，應(yīng)在考慮各種情況下，使普通機(jī)床的各項性能指標(biāo)盡可能地與數(shù)控機(jī)床相接近。數(shù)控車床作為機(jī)電液氣一體化的典型產(chǎn)品，是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中不可缺少的加工設(shè)備。在機(jī)械制造業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，能解決機(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、零件多變的加工問題，且產(chǎn)品加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較高。企業(yè)要在激烈的市場競爭中獲得生存、求得發(fā)展,就必須在最短的時間內(nèi)以優(yōu)異的質(zhì)量、低廉的成本,制造出合乎市場需要的、性能合適的產(chǎn)品,而產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣,制造周期的快慢,生產(chǎn)成本的高低,又往往受工廠現(xiàn)有加工設(shè)備的直接影響。購買新的數(shù)控機(jī)床是提高數(shù)控化率的主要途徑,但是成本太高，很多工廠在短時間內(nèi)都無法有那么多的資金，這嚴(yán)重阻礙企業(yè)的設(shè)備更新和設(shè)備改造的步伐；同時目前大多數(shù)企業(yè)還有數(shù)量眾多，而且還具有較長使用壽命的普通機(jī)床，由于普通機(jī)床加工精度相對較低、不能批量生產(chǎn)，生產(chǎn)的自動化程度不高，生產(chǎn)自適應(yīng)性差，但考慮投資成本，產(chǎn)業(yè)的連續(xù)性和轉(zhuǎn)型周期，又不能馬上淘汰。而改造現(xiàn)有舊機(jī)床、配備與之相適應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)，把普通機(jī)床改裝成數(shù)控機(jī)床，是當(dāng)前許多企業(yè)對現(xiàn)有設(shè)備改造換代的首選辦法，也是提高機(jī)床數(shù)控化率的一條有效途徑，不失為一條投資少、提升產(chǎn)品加工精度及質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率的捷徑，使企業(yè)提升競爭力，在我國成為世界制造業(yè)中心及制造強(qiáng)國的進(jìn)程中，占有一席之地。?
所以，針對普通車床6140存在以下幾個問題：
1) 車床整體太破舊，機(jī)床磨損嚴(yán)重，加工精度達(dá)不到要求。
2) 車床電氣元件老化，連接線不穩(wěn)固。
3) 普通車床加工存在局限性，不能實現(xiàn)現(xiàn)代多種零件的加工。
4) 隨著機(jī)床的發(fā)展，機(jī)床也變成了數(shù)控化、人性化、效益化。普通車床實現(xiàn)一人操作多臺機(jī)床，不能自動化控制。?因此，據(jù)上述問題普通車床即將面臨淘汰，因此，普通車床的改造勢在必行。
機(jī)床作為機(jī)械制造業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注，由于計算機(jī)技術(shù)的興起，促使機(jī)床的控制信息出現(xiàn)了質(zhì)的突破，導(dǎo)致了應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行柔性自動化控制的新一代機(jī)床－數(shù)控機(jī)床的誕生和發(fā)展。計算機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用，為人類提供了實現(xiàn)機(jī)械加工工藝過程自動化的理想手段。隨著計算機(jī)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，同時使人們對傳統(tǒng)的機(jī)床傳動及結(jié)構(gòu)的概念發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變。數(shù)控機(jī)床以其優(yōu)異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開創(chuàng)機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河。數(shù)控機(jī)床是以數(shù)字化的信息實現(xiàn)機(jī)床控制的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它把刀具和工件之間的相對位置，機(jī)床電機(jī)的啟動和停止，主軸變速，工件松開和夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動作等信息用代碼化的數(shù)字記錄在控制介質(zhì)上，然后將數(shù)字信息送入數(shù)控裝置或計算機(jī)，經(jīng)過譯碼，運(yùn)算，發(fā)出各種指令控制機(jī)床伺服系統(tǒng)或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工件。
然而，數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床相比，其主要有以下的優(yōu)點：
1) 適應(yīng)性強(qiáng)，適合加工單件或小批量的復(fù)雜工件；在數(shù)控機(jī)床上改變加工工件時，只需重新編制新工件的加工程序，就能實現(xiàn)新工件加工；
2) 加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量；
3) 可進(jìn)行多坐標(biāo)的聯(lián)動，能加工形狀復(fù)雜的零件；
4) 加工零件改變時，一般只需要更改數(shù)控程序，可節(jié)省生產(chǎn)準(zhǔn)備時間；
5) 機(jī)床本身的精度高、剛性大，可選擇有利的加工用量，生產(chǎn)效率高（一般為普通機(jī)床的3~5倍）；?
6) 機(jī)床自動化程度高，可以減輕勞動強(qiáng)度改善勞動條件；
7) 對操作人員的素質(zhì)要求較高，對維修人員的技術(shù)要求更高。
1.1機(jī)床數(shù)控改造的意義
1) 節(jié)約成本。機(jī)床的數(shù)控改造同購置新機(jī)床相比一般可節(jié)省60%左右的費(fèi)用，大型及特殊設(shè)備尤為明顯。一般大型機(jī)床改造只需花新機(jī)床購置費(fèi)的1/3。即使將原機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行徹底改造升級也只需花費(fèi)購買新機(jī)床60%的費(fèi)用，并可以利用現(xiàn)有地基。
2) 改造時間短。
3) 性能更穩(wěn)定。在改造過程中可以對原機(jī)床的機(jī)械部分重新裝配加工，恢復(fù)到原有精度；采用數(shù)控軟件控制機(jī)床各部分，更加可靠。
4) 設(shè)計風(fēng)險小。對普通的舊機(jī)床改造，即使改造失敗，也不會造成較大損失。
5) 可以更好的體現(xiàn)用戶的愿望。在改造過程中，用戶可以根據(jù)自己的需求對機(jī)床進(jìn)行調(diào)整。
6) 機(jī)械性能穩(wěn)定可靠。原機(jī)床床身立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅固的鑄造構(gòu)件，改造后機(jī)床性能高、質(zhì)量好，可以繼續(xù)作為新設(shè)備使用多年。
7) 采用最新的控制技術(shù)。可根據(jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度，提高機(jī)床的自動化水平和工作效率，提升設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機(jī)床改造成當(dāng)今水平的機(jī)床。
8) 提高生產(chǎn)效率。機(jī)床經(jīng)數(shù)控改造后即可實現(xiàn)加工的自動化效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高 3至5倍。對復(fù)雜零件而言難度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費(fèi)用而且可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。
9) 更有利于使用和維護(hù)。
1.2數(shù)控機(jī)床的主要改造步驟
1) 作好改造的前期準(zhǔn)備工作。對被改造機(jī)床進(jìn)行結(jié)構(gòu)、性能、精度等技術(shù)現(xiàn)狀的全面分析。
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2) 進(jìn)行電氣改造的機(jī)床一般均需進(jìn)行機(jī)械修理。要確定修理的要求、范圍、內(nèi)容，也要確定因改造而需進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)改動的要求和內(nèi)容。為配合電氣改造而需進(jìn)行的機(jī)械大修改造的測量、計算、設(shè)計、繪圖、零件制作等應(yīng)先期完成。停機(jī)后需拆、改、加工的部分等也應(yīng)事先規(guī)劃完畢，提出明確要求。機(jī)械性能完好是電氣改造成功的基礎(chǔ)。
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3) 改造前應(yīng)熟悉技術(shù)資料，做到思路清晰，層次分明。
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4) 原系統(tǒng)的拆除必須對照原圖紙進(jìn)行，并及時作出標(biāo)記，防止遺漏或過拆。
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5) 根據(jù)設(shè)計圖紙合理配置新系統(tǒng)，以確保連線工藝規(guī)范、線徑合適、正確無誤、可靠美觀。
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6) 調(diào)試必須按事先確定的步驟和要求進(jìn)行。調(diào)試人員應(yīng)頭腦冷靜，隨時記錄，以便發(fā)現(xiàn)和解決問題。調(diào)試中首先試安全保護(hù)、系統(tǒng)靈敏度，防止發(fā)生人身及設(shè)備事故。
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第二章 設(shè)計的任務(wù)及要求
在本次改造中以CA6140普通車床為例，重點將放在車床的橫向進(jìn)給系統(tǒng)和刀架，下面將介紹改造的具體任務(wù)和要求。
2.1 CA6140橫向進(jìn)給系統(tǒng)及刀架數(shù)控改造設(shè)計的任務(wù)
本次設(shè)計任務(wù)是將CA6140型普通車床的橫向進(jìn)給系統(tǒng)及刀架數(shù)控改造與設(shè)計，根據(jù)工作量及時間要求完成以下內(nèi)容：
1.數(shù)控改造總體方案設(shè)計
2.橫向進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分改造設(shè)計，刀架機(jī)械部分改造設(shè)計。裝配圖兩張，零件圖兩張。
3.橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)改造設(shè)計及計算，選擇伺服電機(jī)。刀架機(jī)械部分改造設(shè)計及計算，選擇伺服電機(jī)。
2.2 CA6140橫向進(jìn)給系統(tǒng)及刀架數(shù)控改造設(shè)計的要求
本次設(shè)計要求是將CA6140型普通數(shù)控車床的橫向進(jìn)給系統(tǒng)改造成由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，絲杠螺母副傳動，開環(huán)控制的進(jìn)給系統(tǒng)。要求改造后的車床橫向進(jìn)給系統(tǒng)具有以下功能：
1.保證原機(jī)床橫向進(jìn)給系統(tǒng)的功能不變；
2.橫向直線，圓弧插補(bǔ)；
3.螺紋切削；
4.軟件自動變速驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)；
5.掉電保護(hù)、越位報警、急停、復(fù)位等輔助功能。
刀架部分是拆除原刀架，換上設(shè)計好的自動換刀裝置。要求改造后具有以下功能：
1.能一次裝夾多把刀具；
2.通過指令能快速的自動換刀。
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第三章 改造設(shè)計的總體方案
3.1設(shè)計參數(shù)的確定
并不是所有的舊機(jī)床都可以進(jìn)行數(shù)控改造，機(jī)床的改造主要應(yīng)具備兩個條件：第一，機(jī)床基礎(chǔ)件必須有足夠的剛性。第二，改造的費(fèi)用要合適，經(jīng)濟(jì)性好。在改裝車床前，要對機(jī)床的性能指標(biāo)做出決定。改裝后的車床能加工工件的最大回轉(zhuǎn)直徑以及最大長度、主電動機(jī)功率等一般都不會改變。加工工件的平面度、直線度、圓柱度以及粗糙度等基本上仍決定于機(jī)床本身原有水平。主要有下述性能和精度的選擇需要在改裝前確定。
最大加工直徑：
車床身上： 400mm
車床鞍上： 210mm
最大加工長度： 1000mm
快進(jìn)速度：
縱向 2.4m/min
橫向 1.2m/min
最大切削進(jìn)給速度：
縱向 0.6m/min
橫向 0.3m/min
脈沖當(dāng)量：
縱向 0.01mm/step
橫向 0.005mm/step
脈沖分配方式： 逐點比較法
控制坐標(biāo)數(shù)： 2
機(jī)床定位精度： ±0.015
溜板及刀架重力：
縱向： 800N
橫向： 600N
自動生降速性能： 有
起動加速時間： 30ms
主電機(jī)功率： 7.5Kw
當(dāng)數(shù)控車床的性能和精度等內(nèi)容基本選定后，可根據(jù)此來確定改造方案。目前機(jī)床數(shù)控改造技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，專用化的機(jī)床數(shù)控改造系統(tǒng)所具備的性能和功能一般均能滿足車床的常規(guī)加工要求。因此，較典型的車床數(shù)控改造方案可選擇為：配置專用車床數(shù)控改造系統(tǒng)，更換進(jìn)給運(yùn)動的滑動絲杠傳動為滾珠絲杠傳動、采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動進(jìn)給運(yùn)動、配置脈沖發(fā)生器實現(xiàn)螺紋加工功能、配置自動轉(zhuǎn)位刀架實現(xiàn)自動換刀功能。
3.2改造方案的確定
由于被改裝的機(jī)床本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)不是按數(shù)控機(jī)床的要求設(shè)計的，其精度和剛度等性能指標(biāo)往往不能滿足數(shù)控機(jī)床的要求，因此將普通機(jī)床改造為全功能的數(shù)控機(jī)床，一味追求先進(jìn)指標(biāo)則會得不償失，所以確定總體方案的原則應(yīng)當(dāng)是在滿足生產(chǎn)需要的前提下，對原機(jī)床盡可能減少機(jī)械部分的改動量，選擇簡單易用的數(shù)控系統(tǒng)，達(dá)到合理的性價比。本次改造設(shè)計要求就是根據(jù)這一原則提出的。根據(jù)設(shè)計要求、依據(jù)設(shè)計參數(shù)及 床數(shù)控改造的理解，總體方案確定如下：
3.2.1系統(tǒng)的運(yùn)動方式與伺服系統(tǒng)的選擇
由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床應(yīng)具有定位、直線插補(bǔ)、順、逆圓插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。
3.2.2機(jī)械傳動方式
為實現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動絲桿，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)度，盡量減少摩擦量力，選用滾珠絲桿螺母副。同時，為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。
橫向進(jìn)給機(jī)械結(jié)構(gòu)改造方案：
拆除原中拖板絲桿，安裝滾珠絲桿副，為提高橫向進(jìn)給系統(tǒng)剛度，支承方式采用兩端裝止推軸承。步進(jìn)電機(jī)、齒輪箱安裝于機(jī)床后側(cè)，為了使減速機(jī)構(gòu)不影響走刀，同時消除傳動過程的沖擊，減速機(jī)構(gòu)采用一級傳動，從動輪采用雙薄片錯位消除間隙。
刀架部分機(jī)械結(jié)構(gòu)改造方案：
刀架部分則是拆除原車床上的普通刀架，換上設(shè)計的自動換刀裝置。
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第四章 滾珠絲杠副的設(shè)計和計算
4.1選擇脈沖當(dāng)量
步進(jìn)電機(jī)是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)變成直線位移或角位移的執(zhí)行元件。對于每一個電脈沖步進(jìn)電機(jī)都會產(chǎn)生一個恒定的步進(jìn)角位移。每一個脈沖或每步的轉(zhuǎn)角稱為步進(jìn)電機(jī)的步距角，每脈沖代表電機(jī)一定的轉(zhuǎn)角。這個轉(zhuǎn)角經(jīng)齒輪副和滾珠絲杠使工作臺移動一定的距離。每個脈沖所對應(yīng)的執(zhí)行元件的移動距離，就稱為脈沖當(dāng)量或分辨率。記為，單位mm/脈沖。
脈沖當(dāng)量應(yīng)根據(jù)機(jī)床或工作臺進(jìn)給系統(tǒng)所要求的定位精度來確定?？紤]到機(jī)械系統(tǒng)存在傳動誤差，脈沖當(dāng)量必須小于定位精度值。在此改造中，機(jī)床定位精度的設(shè)計要求是0.015mm,根據(jù)該精度要求可以確定縱向傳動系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為0.01mm。又因為橫向進(jìn)給系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量一般為縱向進(jìn)給系統(tǒng)的一半，所以橫向進(jìn)給系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為0.005mm。
4.2計算切削力
4.2.1縱車外圓
主切削力（N）按經(jīng)驗公式估算：
按切削力各分力比例可得：
4.2.2橫切端面
主切削力根據(jù)經(jīng)驗比較為縱車的0.5，所以
此時走刀力，吃刀抗力，仍按上述方法計算，則：
4.3滾珠絲桿螺母副的計算和選型
由于我國現(xiàn)在已經(jīng)有了生產(chǎn)滾珠絲杠副的專業(yè)工廠，因此，這次在改造中需要的滾珠絲杠就完全沒有必要自己從頭到來研制它，只應(yīng)根據(jù)它的使用條件，承載能力和壽命等合理地選用符合需要的滾珠絲杠副就可以了。
現(xiàn)在選用滾珠絲杠副的方法比較多，但是通過比較和參考同類選用經(jīng)驗，如果還采用經(jīng)驗法或類比法來選用滾珠絲剛副，就容易出現(xiàn)選用不合理的現(xiàn)象，造成結(jié)構(gòu)尺寸過大，增加驅(qū)動裝置的負(fù)荷等缺陷。目前人們認(rèn)為教合理的選用方法是按照滾珠絲杠的額定靜載荷 (其轉(zhuǎn)速)和額定動載荷 (其轉(zhuǎn)速)及傳動速比的要求來確定所需選用的滾珠絲杠副的公稱直徑和基本導(dǎo)程。如今各滾珠絲杠生產(chǎn)廠家都在他們所制定的結(jié)構(gòu)系列表中列出了其各型號滾珠絲剛副的的額定靜載荷和額定動載荷值。
從實際應(yīng)用中可知，滾珠絲杠副的螺紋滾道在一定的軸向載荷作用下，經(jīng)歷一定的應(yīng)力循環(huán)之后，就要產(chǎn)生疲勞點蝕現(xiàn)象。因此，當(dāng)滾珠絲杠副在較高轉(zhuǎn)速（一般轉(zhuǎn)速）下工作時，應(yīng)按其使用壽命選則基本尺寸，并校核其載荷能力是否超過額定動載荷。當(dāng)滾珠死杠副在低速（一般轉(zhuǎn)速）下工作時，應(yīng)按其使用壽命和額定靜載荷兩種方法來確定其基本尺寸，并選擇其中較大的。當(dāng)滾珠絲杠副在靜載荷下工作時，則只需按額定靜載荷選擇其結(jié)構(gòu)尺寸。
4.3.1滾珠絲杠軸向進(jìn)給切削力的計算
因為橫向?qū)к墳檠辔残螌?dǎo)軌，所以可用下公式計算：
式中 K——考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，燕尾形導(dǎo)軌取K=1.15
——滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，=0.15～0.18。在此設(shè)計中取0.17
G——溜板及刀架重力，G=600N
4.3.2滾珠絲杠的平均轉(zhuǎn)速計算
最大切削力下的進(jìn)給速度 (r/min),可取最高進(jìn)給速度的1/2～1/3(取為1/2),橫向最大進(jìn)給速度為0.3m/min,絲杠導(dǎo)程選,則滾珠絲杠的平均速度為：
4.3.3滾珠絲杠的壽命計算
滾珠絲杠的使用壽命取，則滾珠絲杠的壽命為：
4.3.4滾珠絲杠副在高速和定工作載荷的情況下的選用
如前所訴，滾珠絲杠副在高速或較高速的情況下工作時，它的失效形式主要是螺紋滾道或滾珠表面的疲勞點蝕。滾珠絲杠副抵抗疲勞點蝕的能力用額定動載荷表示。實驗研究表明，滾珠絲杠副的額定動載荷與使用壽命的關(guān)系為：
式中 ——額定動載荷，N
——滾珠絲杠副的軸向載荷，N
——滾珠絲杠副的額定壽命，轉(zhuǎn)
由上式可見，對于選定的滾珠絲杠副而言，它的使用壽命與其所承受的軸向載荷的三次方成反比，即它所承受的軸向載荷越大則其使用壽命越短。
對于在轉(zhuǎn)速，和工作壽命時間T一定的條件下，滾珠絲杠副的總轉(zhuǎn)速N為：
式中 ——平均轉(zhuǎn)速，
——使用壽命時間，
對應(yīng)的工作壽命為：
在生產(chǎn)實際中常以小時數(shù)表示額定的工作壽命，則得以小時計算的滾珠絲杠副的壽命為：
式中 ——工作壽命各類機(jī)械對滾珠絲杠副的壽命要求，——額定壽命(轉(zhuǎn)),具體參數(shù)可以參照下表4.1
表4.1各類機(jī)械對滾珠絲杠副的壽命要求及壽命系數(shù)
機(jī)械類別
壽命L（h）
壽命系數(shù)K
普通機(jī)械
5000～10000
2.15～2.71
普通金屬切削機(jī)床
10000
2.71
數(shù)控和精密機(jī)械
15000
3.11
測試機(jī)械和儀器
15000
3.11
航空機(jī)械
1000
1.26
由上表和知選中的滾珠絲杠的壽命是合乎要求的。
在高速或定載荷的情況下滾珠絲杠的工作壽命所對應(yīng)的計算動載荷值為：
式中 ——滾珠絲杠副軸向進(jìn)給切削力，N
——運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，此處取1.2
——精度系數(shù)，絲杠副精度等級選3級，則精度系數(shù)為1
對于選用的滾珠絲杠副，其計算動載荷應(yīng)滿足下列條件：
4.3.5滾珠絲剛副在受動載荷的情況下的選用
車床在運(yùn)行過程中，難免存在一定的沖擊振動，溫度等因數(shù)也會引起硬度的變化，這些都會對滾珠絲杠副的壽命產(chǎn)生影響，所以應(yīng)對其進(jìn)行計算。在此情況下滾珠絲杠副的計算動載荷值可按下式計算：
式中 ——壽命系數(shù)，參照表4.1選取。此處選
——轉(zhuǎn)速系數(shù)，取
——載荷性質(zhì)系數(shù)，參照表4.2選取。此處選
——動載荷硬度影響系數(shù)，參照表5.3選取。此處選
——軸向工作載荷，N
表4.2載荷性質(zhì)系數(shù)
載荷性質(zhì)
系數(shù)K
平穩(wěn)或輕微沖擊
1.0～1.2
中等沖擊
1.2～1.5
教大沖擊或振動
1.5～2.5
表5.3硬度影響系數(shù)
硬度（HRC）
58
55
52.5
50
47.5
45
40
動載荷硬度影響系數(shù)
1.0
1.11
1.35
1.56
1.92
2.4
3.85
靜載荷硬度影響系數(shù)
1.0
1.11
1.40
1.67
2.1
2.65
4.5
同在高速和定工作載荷情況一樣，按使用壽命選用選用滾珠絲杠副尺寸系列時，其額定動載荷值應(yīng)等于或大于計算動載荷值，即應(yīng)滿足下列條件：
4.3.6按額定靜載荷選用滾珠絲杠副
滾珠絲杠副在低速（）下工作時，其主要失效形式螺紋滾道或滾珠表面產(chǎn)生較大的塑性變形。而滾珠絲杠副抵抗塑性變形的能力用額定靜載荷表示。當(dāng)滾珠絲杠副的工作載荷是靜載荷或其轉(zhuǎn)速小于10r/min時，則應(yīng)按額定靜載荷選用滾珠絲杠副的尺寸系列。其計算靜載荷值應(yīng)按下式計算：
對于按額定靜載荷所選用的滾珠絲杠副，應(yīng)使其額定靜載荷值大于或等于計算靜載荷值。即應(yīng)滿足下式：
式中 ——額定靜載荷值，N
——計算靜載荷值，N
——載荷性質(zhì)系數(shù)，可從表4.2中查出
——靜載荷硬度影響系數(shù)，可從表5.3中查出
——軸向工作載荷，N
4.3.7滾珠絲杠副的選型
應(yīng)該指出的是按上述3種情況選用的滾珠絲杠副的主要尺寸和預(yù)緊力對滾珠絲杠副的傳動特性是有一定影響的。
從滾珠絲杠副的尺寸系列表中可見，滾珠絲杠副的主要尺寸參數(shù)是公稱直徑和基本導(dǎo)程。上述的，的確定和所加預(yù)緊力的大小對該絲杠副的傳動特性，如剛度、傳動精度、驅(qū)動力矩和使用壽命等均有密切的關(guān)系。因此，在選擇滾珠絲杠副的系列尺寸時，需要加以全面的考慮?，F(xiàn)就滾珠絲杠副的主要尺寸參數(shù)，和所加預(yù)緊力對其剛度、傳動精度、驅(qū)動力矩和使用壽命等的影響情況列表4.4中比較說明：
表4.4滾珠絲杠副的主要尺寸對其傳動精度的影響
主要尺寸參數(shù)
剛度
位移
精度
慣量
驅(qū)動力矩
壽命
公稱
直徑
增大
增大
——
增大
增大
——
減小
減小
——
增大
減小
——
基本
導(dǎo)程
增大
增大
降低
減小
增大
延長
減小
減小
增高
增大
減小
降低
預(yù)緊力
增大
增大
增大
——
增大
降低
減小
減小
降低
——
減小
增高
根據(jù)上述的計算和分析結(jié)合滾珠絲杠副的尺寸系列或產(chǎn)品樣本就可以初選滾珠絲杠副的型號了。在此次的改造中選用江漢絲杠廠的HJG—S系列滾珠絲杠副。該系列絲杠結(jié)構(gòu)先進(jìn)，性能良好。與老結(jié)構(gòu)相比，軸向、徑向尺寸都有明顯的縮小，機(jī)械效率可達(dá)90%～95%，比梯形絲杠的效率提高了3倍左右。通過查機(jī)械手冊表可以知道2506-3內(nèi)循環(huán)單螺母滾珠絲杠副，額定動載荷為12945N，額定靜載荷為29026N。
4.3.8滾珠絲杠副的剛度驗算
對于精密傳動的滾珠絲杠副通常要進(jìn)行剛度驗算。而滾珠絲杠副的剛度主要取決于該滾珠絲杠副在載荷的情況下，絲杠的軸向變形，滾珠與滾道間的接觸變形和支撐絲杠的軸承的軸向接觸變形的大小。
1）絲杠副的軸向變形量
滾珠絲杠副的軸向變形，當(dāng)絲杠長度L較大時，它在滾珠絲杠副總的軸向變形量中所占的比重較大。其軸向變形量的大小與滾珠絲杠副的支承方式有很大關(guān)系。在此次改造中選用一端固定，一端浮動，三點支承的形式。
所以滾珠絲杠副的軸向變形量為：
式中 ——軸向進(jìn)給切削力引起導(dǎo)程的變化量
——軸向進(jìn)給切削力，N
——滾珠絲杠材料的彈性模量，對于鋼
A——滾珠絲杠的橫截面積
由于滾珠絲杠一端采用推力球軸承支承，又因滾珠絲杠進(jìn)行了預(yù)緊，故絲杠的剛度可比一端固定的絲杠提高4倍左右。所以其實際變形量為：
2）滾珠與螺紋滾道間接接觸變形
對于滾珠絲杠副，其滾珠與螺紋滾道在工作過程中會產(chǎn)生接觸變形，該變形量在
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總的變形量中也占有較大的比重。應(yīng)該注意的是滾珠與螺紋滾道間接接觸變形在有無預(yù)緊時的變形量是有很大區(qū)別的，在本次改造中因為滾珠絲杠要進(jìn)行預(yù)緊，所以應(yīng)按下式計算：
式中 ——軸向進(jìn)給切削力，N
——預(yù)緊力，N（一般取的1/3）
——滾珠直徑，mm
——工作螺母的滾珠數(shù)目。
——圈數(shù)
——列數(shù)
——一圈的滾珠數(shù)目
其中一圈的滾珠數(shù)目不可能為小數(shù)，所以取整為19。
——滾珠絲杠的公稱直徑
3）支承滾珠絲杠副軸承的軸向變形
由于滾珠絲杠副大都采用滾動軸承支承，次改造也不例外。在實際應(yīng)用中，如果支承滾珠絲杠副的軸承剛度不足，將會影響到整個傳動系統(tǒng)的精度。為了保證絲杠副的工作性能，必須提高支承滾珠絲杠副軸承的剛度。在眾多軸承系列中，推力球軸承能較大提高軸向剛度，所以在此改造中選用推力球軸承。但是，支承滾珠絲杠副的推力球軸承仍會產(chǎn)生一定的變形量，此變形量對整個剛度還是有較大影響。其變形量的計算過程：如下：
式中 ——軸承的軸向載荷，N
——軸承的滾動體數(shù)目
——軸承的滾動體直徑
因為傳動系統(tǒng)進(jìn)行了預(yù)緊，所以
除上述變形外，螺母座及軸承支座（含緊固螺釘）的變形也會影響到滾珠絲杠副的剛度。但是，該變形量的計算較為困難，一般根據(jù)滾珠絲杠副的精度要求在結(jié)構(gòu)上盡量增強(qiáng)螺母座及軸承剛度，而不做變形量的計算。
所以，滾珠絲杠副的剛度驗算，主要是校核絲杠副的軸向變形量、滾珠與螺紋滾道間接接觸變形和支承滾珠絲杠副軸承的軸向變形三者之和不大于滾珠絲杠副傳動精度所允許精度的一半。即：
絲杠副的傳動精度等于機(jī)床定位精度的0.8倍，所以
由上式可知，滾珠絲杠副的剛度是符合要求的。
4.3.9滾珠絲杠副的穩(wěn)定性驗算
由于在此次改造中滾珠絲杠副采用一端推力球軸承支承一端固定的支承方式，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，所以不用做絲杠的穩(wěn)定性驗算。通過上述的驗算分析，所選滾珠絲杠副完全符合使用要求。
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第五章 減速器的設(shè)計計算
為了減小沖擊和調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的輸出速度，在步進(jìn)電機(jī)和絲杠之間加一個減數(shù)器。在此只對減速器的齒輪做設(shè)計，其他部件如支承齒輪的軸和軸承等根據(jù)實際情況而定。
由設(shè)計要求可知橫向進(jìn)給系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量步，滾珠絲杠的導(dǎo)程為6mm,初選的步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角為，由此可計算傳動比如下：
（5.1）
式中 ——電動機(jī)步距角
——滾珠絲杠導(dǎo)程
——步進(jìn)電機(jī)步距角
由上式可知，橫向傳動系統(tǒng)的傳動比為5/2，小于5，所以可以選擇一級傳動。大小齒輪均采用45鋼并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。選小齒輪硬度HBS為260～290，大齒輪硬度為HBS220～250。齒輪副精度選為6級。
由傳動比公式可知大小齒輪 的齒數(shù)有多種分配方式，但是在此次改造任務(wù)中要盡量減小減速器的重量和合適的外觀尺寸。綜合考慮下做出如下選擇：
中心距：
在這次設(shè)計中為了減小減速器的外觀尺寸，所以大小齒輪均采用懸臂布置，由此可確定齒寬系數(shù)為0.2，故大齒輪的齒寬為：
由式5—10取
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第六章 步進(jìn)電機(jī)的選型及計算
目前在伺服驅(qū)動系統(tǒng)中常用的是步進(jìn)電機(jī)、電液脈沖馬達(dá)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)等設(shè)備。在此次改造設(shè)計中選用步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動設(shè)備，它與其他設(shè)備相比有如下優(yōu)點：
① 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速僅取決于脈沖頻率，而不受電壓高低、電流大小及波形的影響。
② 可以開環(huán)控制，也可閉環(huán)控制，控制靈活。開環(huán)控制不需要位置或速度的檢測元件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，能方便的控制脈沖的個數(shù)和脈沖的頻率實現(xiàn)定位和調(diào)速。采用位置反饋和速度反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，不僅可以控制精確的位置和平穩(wěn)的轉(zhuǎn)速，而且擴(kuò)大了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。
③ 輸出轉(zhuǎn)角（步距角）沒有長期積累誤差。每轉(zhuǎn)一圈，積累誤差會自動消除。
④ 啟動、停止、反轉(zhuǎn)及其他運(yùn)行方式的改變，都可以在少量的脈沖周期內(nèi)完成，并具有定位轉(zhuǎn)矩。
選用步進(jìn)電機(jī)主要考慮三個問題，一是步距角要滿足系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的要求；二是滿足最大靜轉(zhuǎn)矩的要求；三是啟動轉(zhuǎn)矩與啟動頻率、工作運(yùn)行轉(zhuǎn)矩與運(yùn)行頻率必須滿足所選電機(jī)型號相應(yīng)的啟動矩頻特性和工作矩頻特性。
6.1等效轉(zhuǎn)動慣量的計算
傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總傳動慣量可由下式計算：
式中 ——總轉(zhuǎn)動慣量，
——小齒輪轉(zhuǎn)動慣量，
——大齒輪轉(zhuǎn)動慣量，
——滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量，
——電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，
——工作臺轉(zhuǎn)動慣量，
轉(zhuǎn)動慣量可以按下式計算：
小齒輪轉(zhuǎn)動慣量：
大齒輪轉(zhuǎn)動慣量：
滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量：
電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量：
初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為110BF，由此可知電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量為4.7 。
工作臺轉(zhuǎn)動慣量：
所以傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總傳動慣量為：
6.2根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選電機(jī)型號
6.2.1步距角
初選步進(jìn)電機(jī)型號為110BF003，并從步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)表（見《機(jī)電設(shè)計指導(dǎo)》）中查出步距角或。
從式5.1可知，步距角、減速比、脈沖當(dāng)量和絲杠導(dǎo)程有如下關(guān)系：
初選電動機(jī)型號時要合理選擇步距角和傳動比。結(jié)合分析和式5.1可以確定電動機(jī)的步距角為1.5
6.2.2矩頻特性
1)空載啟動所需力矩
步進(jìn)電機(jī)空載啟動是指電動機(jī)在沒有外加工作載荷情況下的啟動。步進(jìn)電機(jī)所需的空載力矩可按下式計算：
式中 ——空載啟動力矩，
——空載啟動時運(yùn)行部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度折算到電機(jī) 軸上的加速力矩
——空載啟動時折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩，
——由于絲杠預(yù)緊折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩
加速力矩計算：
式中 ——傳動系統(tǒng)各部件慣量折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量
——為電機(jī)最大角加速度，
——與運(yùn)動部件最大進(jìn)給速度對應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速
——為運(yùn)動部件從靜止啟動家加速到最大快速進(jìn)給所需要的時間（一般為30ms）
——為運(yùn)動部件最大快進(jìn)速度
——脈沖當(dāng)量
——電機(jī)步距角
折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩的計算：
式中 ——運(yùn)動部件總重量
——為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)
——齒輪傳動比
——傳動總效率
——絲杠導(dǎo)程
附加力矩計算：
式中 ——滾珠絲杠預(yù)緊力
——滾珠絲杠未預(yù)緊時的傳動效率，一般取大于或等于0.9
結(jié)合以上各式就可以得出步進(jìn)電機(jī)空載啟動力矩了，計算結(jié)果如下：
2）快速移動時所需力矩
——快速移動所需力矩
——空載啟動時折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩，
——由于絲杠預(yù)緊折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩
3）最大切削負(fù)載時所需力矩
式中 ——附加摩擦力矩，
——摩擦力矩，
——折算到電機(jī)軸上的工作載荷，對于數(shù)控系統(tǒng)則是切削負(fù)載力矩， 按下試計算：
上式中的為沿進(jìn)給方向的切削負(fù)載，因為車刀安裝在拖板上的刀架內(nèi)，車刀受到的車削抗力將傳遞到進(jìn)給拖板和導(dǎo)軌上，如下圖所示：
圖6.1車削時進(jìn)給拖板上的載荷關(guān)系
從上述分析計算可以很明顯的看出在快速空載啟動、快速移動和最大切削負(fù)載三種工況下，以快速空載啟動所需力矩最大，故以此種情況作為選擇步進(jìn)電機(jī)的主要依據(jù)。由步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)表可查出初選電動機(jī)110FB003的最大靜轉(zhuǎn)矩，即：
步進(jìn)電機(jī)的名義啟動轉(zhuǎn)矩最大靜轉(zhuǎn)矩有表6.1的關(guān)系：
表6.1步進(jìn)電機(jī)名義啟動轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩關(guān)系
相數(shù)
三相
四相
五相
六相
拍數(shù)
3
6
4
8
5
10
6
12
0.5
0.866
0.707
0.707
0.809
0.951
0.866
0.866
選擇步進(jìn)電機(jī)為三相六拍，則步進(jìn)電機(jī)的名義啟動轉(zhuǎn)矩為：
所選步進(jìn)電機(jī)型號需滿足下式：
由計算結(jié)果可以明顯看出滿足。所以電機(jī)型號110BF003可作為選擇型號。但是還需進(jìn)一步校核步進(jìn)電機(jī)的啟動矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。
6.3啟動矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性校核
步進(jìn)電機(jī)有三種工況：啟動，快速進(jìn)給運(yùn)行，工進(jìn)運(yùn)行。
前面已經(jīng)提出，這僅僅是指初選步進(jìn)電機(jī)后檢查電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，還不能保證電機(jī)在快速啟動時會不會丟步。因此，還必須要對步進(jìn)電機(jī)的啟動頻率進(jìn)行校核。同理，電機(jī)的快進(jìn)和工進(jìn)時也不一定會不會丟步，所以在后面還要對電機(jī)的快進(jìn)、工進(jìn)的運(yùn)行矩頻特性作校核。
6.3.1啟動矩頻校核
步進(jìn)電機(jī)的啟動分突跳啟動和升速啟動，下面就分別作介紹：
1）突跳啟動
在零時刻（），步進(jìn)電機(jī)的啟動頻率從零突跳為最大運(yùn)行頻率，如圖6.2，即瞬間。但在實際應(yīng)用中，突跳是不可能瞬間完成的，實際上突跳的過程極短，但是加速力矩會很大，啟動時丟步是無法避免的。因此，突跳啟動是很少用的。
圖6.2 步進(jìn)電機(jī)的突跳啟動
2）升速啟動
步進(jìn)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開始逐漸升速，在零時刻（），啟動頻率。在一段時間內(nèi)，按一定的升速規(guī)律升速，如圖6.3。啟動結(jié)束時，步進(jìn)電機(jī)達(dá)到最高運(yùn)行速度，此時相應(yīng)的運(yùn)行頻率為，即當(dāng)時，啟動過程結(jié)束，啟動頻率與最高運(yùn)行頻率相等，即。在整個升速、勻速運(yùn)行、降速過程中，步進(jìn)電機(jī)所走的步數(shù)與應(yīng)該完成的輸入指令脈沖總數(shù)相等。升速時間足夠長，啟動過程緩慢，空載啟動力矩中的加速力矩就不會很大，一般就不會出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，但是降低了工作效率。升速時間過短，則步進(jìn)電機(jī)啟動力矩中的加速力矩就會很大，就容易發(fā)生丟步現(xiàn)象了。所以需要校核啟動矩頻特性。
圖6.3步進(jìn)的升速啟動
初選步進(jìn)電機(jī)110BF003，從它的啟動頻矩特性曲線圖6.4中由前面計算出的空載啟動力矩值找出對應(yīng)的啟動啟動頻率。
圖6.4 110BF003啟動矩頻特性
當(dāng)啟動力矩，對應(yīng)的啟動頻率。啟動頻率應(yīng)小于允許的啟動頻率，即：
由步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)表可以看出型號為100BF003電機(jī)的允許啟動頻率為1500HZ。結(jié)合上面的分析可以看出所選電機(jī)升速啟動時是合乎要求的。如果，就必須采用適當(dāng)?shù)慕邓俅胧?，如延長升速時間，直到滿足要求。
6.3.2運(yùn)行矩頻校核
步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行分為快速進(jìn)給運(yùn)行和工作進(jìn)給運(yùn)行兩種情況，均要確保快進(jìn)、工進(jìn)都不丟步，下面就分別進(jìn)行校核。
1）快速進(jìn)給運(yùn)行矩頻校核
步進(jìn)電機(jī)在快速進(jìn)給時，存在一最高運(yùn)行頻率，可按下式計算：
快速進(jìn)給時已不存在加速力矩，并且一般快進(jìn)時處于空載，故快速進(jìn)給力矩就可按下式計算：
從下圖6.5可以看到步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線：
圖6.5 110BF003運(yùn)行矩頻特性
已知快進(jìn)力矩，可以在上圖中找出允許快進(jìn)頻率為6000Hz以上。實際最高快進(jìn)頻率應(yīng)小于允許的快進(jìn)頻率，即：
結(jié)合以上各式分析可知步進(jìn)電機(jī)不會丟步。如果不滿足運(yùn)行矩頻特性要求時，要降低快速進(jìn)給速度或選擇型號更大的步進(jìn)電機(jī)直到滿足運(yùn)行矩頻特性要求。
2）工進(jìn)運(yùn)行矩頻特性校核
工進(jìn)時電機(jī)的運(yùn)行頻率為，可按下式計算：
式中 ——最大工作進(jìn)給速度，m/min
工進(jìn)時電機(jī)所需力矩如下式計算可知：
由圖6.5步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線。對應(yīng)的工進(jìn)頻率查到的允許的工進(jìn)運(yùn)行力矩為，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工進(jìn)時電機(jī)所需力矩，所以電機(jī)不會發(fā)生丟步現(xiàn)象。
分析計算到此，可以證明此次所選電機(jī)110BF003是合乎要求的。
6.4步進(jìn)電機(jī)的安裝尺寸
步進(jìn)電機(jī)的安裝比較簡單，不帶機(jī)坐，用定位止扣進(jìn)行定位安裝，以確保步進(jìn)電機(jī)安裝的同軸度。
圖6.6步進(jìn)電機(jī)的安裝尺寸
查步進(jìn)電機(jī)安裝尺寸表可以確定如下尺寸：
軸徑 止扣直徑
螺孔、通孔
外徑 長度
湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
第七章 刀架的改造設(shè)計
7.1刀架改造的意義
刀架的改造實質(zhì)上就是把原車床上的普通刀架拆除，換上自動換刀裝置。自動換刀裝置是數(shù)控車床上最普遍的一種輔助裝置，合理的選配電動刀架，并正確實施控制，能夠有效的提高勞動生產(chǎn)率，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時間，消除人為誤差，提高加工精度與加工精度的一致性等等。另外，加工工藝適應(yīng)性和連續(xù)穩(wěn)定的工作能力也明顯提高。尤其是在加工幾何形狀較復(fù)雜的零件時，除了控制系統(tǒng)能夠提供相應(yīng)的控制算法對執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如步進(jìn)電動機(jī)）發(fā)出相應(yīng)的控制指令外，很重要的一點是數(shù)控車床需配備易于控制的電動刀架，以便一次裝夾所需各種刀具，靈活、方便的完成各種幾何形狀的加工。
7.2自動換刀裝置形式的選擇
自動換刀裝置因數(shù)控車床的形式、工藝范圍和刀具的種類與數(shù)量不同而具有不同的形式，目前常用的是回轉(zhuǎn)刀架式和帶刀庫的自動換刀裝置。在本次改造當(dāng)中，考慮到CA6140普通車床的實際結(jié)構(gòu)情況，為了盡可能少的對原機(jī)床機(jī)械部分作改動，以及減小工作量、成本等因素，選用回轉(zhuǎn)刀架。
回轉(zhuǎn)刀架也稱為塔式刀架，它是數(shù)控車床上最常用，也最簡單的一種自