2047 C6140液壓尾座 1,c6140,液壓 蘭州理工大學畢 業(yè) 設 計（論 文）題 目：C6140 型臥式車床的數(shù)控化改造及液壓尾座設計院 （系）： 專 業(yè)： 班 級： 學生姓名： 導師姓名： 職稱： 起止時間： 目 錄摘要 ………………………………………………………………………………………2Abstract …………………………………………………………………………………3緒論 ………………………………………………………………………………………4第一章 C6140 車床進給伺服系統(tǒng)改造方案的擬訂………………………………………61.1 總體方案確定 …………………………………………………………………61.2 C6140 車床的設計參數(shù)…………………………………………………………………… 7第二章 C6140 車床進給伺服系統(tǒng)機械部分設計計算 …………………………………82.1 進給伺服系統(tǒng)機械部分的改造方案……………………………………………………82.2 進給伺服機構機械部分的設計計算……………………………………………………92.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型、校核……………………………………………… 92.4 縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù)………………………………………………142.5 齒輪傳動比計算……………………………………………………………………… 15第三章 C6140 車床進給部分電機的選擇……………………………………163.1 縱向進給步進電機計算 ………………………………………………………………163.2 橫向進給步進電機計算……………………………………………………………… 19第四章 液壓尾座部分設計………………………………………………………234.1 液壓尾座研究背景和意義……………………………………………………………… 234.2 液壓尾座研究背景和意義……………………………………………………………… 234.3 液壓尾座的設計………………………………………………………………………… 234.4 尾座精度設計…………………………………………………………………………… 23總結………………………………………………………………………………………25參考文獻…………………………………………………………………………………26致謝………………………………………………………………………………………27外文資料及中文翻譯……………………………………………………………………28摘 要數(shù)控機床在機械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用,但數(shù)控機床一次性投資較大,對機床進行數(shù)控化改造不失為一良策。C6140 車床主軸轉速部分保留原車床的手動變速功能,改造簡單易行,可降低勞動強度,提高生產(chǎn)效率。主要介紹了經(jīng)濟型數(shù)控機床進給(縱向)伺服系統(tǒng)設計計算。闡述了 C6140 普通數(shù)控車床的主軸系統(tǒng)的改進及機床控制系統(tǒng)的改造。本課題的目的在于設計出與數(shù)控臥式車床C6140相匹配的液壓尾座系統(tǒng)。本課題將以數(shù)控臥式車床C6140的液壓尾座為研究對象，設計出符合數(shù)控臥式車床C6140的液壓尾座。為了完成本課題的設計，在設計之前的準備工作必須做好，首先是搜集和分析資料，包括國內(nèi)外數(shù)控機床的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢；液壓技術和液壓傳動系統(tǒng)的基本資料；同等機床液壓尾座的圖紙和資料等。其次是初步確定液壓尾座的總體布局，包括配置形式、液壓系統(tǒng)的布置及選擇液壓能源及相應的配套元件等。最后主要是關于尾座的設計。C6140 數(shù)控機床液壓尾座設計的主要內(nèi)容是尾座體、套筒、頂尖、尾座孔系、尾座導軌，撓度、轉角、液壓缸內(nèi)徑及壓板處螺栓直徑、鎖緊力的計算及校核。其中選擇莫氏4 號錐度的尾座頂尖，是利用莫氏錐度自身的結構特性來卡緊尾座頂尖的，它解決了頂尖在工作時會出現(xiàn)松動或轉動現(xiàn)象。在套筒中設計了滑鍵槽和頂尖頂出孔，解決了頂尖在工作時會隨套筒轉動從而影響工件的加工精度；還在套筒中設計了頂卸的裝置，便于頂尖的拆卸。關鍵詞：C6140 車床 數(shù)控改造 滾珠絲杠 步進電動機 尾座 液壓系統(tǒng) 液壓缸 設計 校核Numerical Control Transform of C6140Common LatheAnd Design of C6140 CNC Machine Tailstock Hydraulic SystemAbstractThe NC machine plays a verygreat role in mechanical engineering. Although the investment needs a great deal of money, it is a good way to try digital modification for ordinary lathe. The spindle speed of C6140 remains the manual function of shifting gears. The alteration is easy and it can reduce labor intensity and improve productive efficiency. Introduces the design calculation of servo system on economic NC machine tools. It also tells us howto improve the spindle and the control system of C6140 NC lathe.The main purpose of the research is based on C6140 CNC machine tools to design requirements, designed to match its hydraulic Tailstock to meet the rotation accuracy, rigidity, temperature rise, and so on seismic requirements, to enhance the overall performance of machine tools.To accomplish this design, I collected and analysed the information before the design, including domestic and international development of CNC machine tools; hydraulic system of hydraulic technology and the basic information; equal hydraulic machine Tailstock the drawings and information . Then is tentatively determined the overall layout of hydraulic Tailstock, including the allocation of form, layout and the hydraulic system of hydraulic energy, and select the appropriate matching components, such as. This was followed by the main Tailstock the design and calculation.The main design of C6140CNC machine tools is that the tailstock, top and the hole, the tailstock, and they are allowed to produce cantilever deflections corner, hydraulic cylinder bore diameter and pressed the bolt in place, the locking force of the school. One of the nuclear option morse the cone at the end of the top and is using its own structure of the cone morse the nature of the top card up its tail, it addresses the top of the work that is coming loose. The turning or pivoting in the design of cylinder and the top of a punch to the top of the work will turn to the influence of the processing of precision ;It was set in the design of the top of the device to the top down.Key words：The C6140 lathe; digital modification; ball screw; stepping motor； machine;tailstock;hydraulicsystem;hydraulic cylinder inside diameter;design;examination緒 論隨著社會生產(chǎn)和科學技術的迅速發(fā)展，機械產(chǎn)品日趨精密復雜，且需頻繁改型，普通機床已不能適應這些要求，數(shù)控機床應運而生。這種新型機床具有適應性強、加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。它綜合應用了電子計算機、自動控制、伺服驅(qū)動、精密測量和新型機械結構等多方面的技術成果，是今后機床控制的發(fā)展方向。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時，提出了研制數(shù)控機床的初始設想。1949 年，帕森斯公司與麻省理工學院伺服機構實驗室合作，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 50 年代末，由于價格和技術原因，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)控技術不僅在機床上得到實際應用，而且逐步推廣到焊接機、火焰切割機等，使數(shù)控技術不斷的擴展應用范圍。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、計算機技術、自動控制和精密測量等相關技術的發(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)控系統(tǒng)的通用性很強，幾乎只需改變軟件，就可以適應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，光纜通信技術應用于數(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的日益成熟，它的成果正在不斷滲透到機械制造的各個領域中，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，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：清華大學研制成功集成電路數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控技術在車、銑、鏜、磨、齒輪加工、電加工等領域開始研究與應用；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。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、吸收國外先進技術基礎上，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、標準總線及軟件模塊和硬件模塊結構，內(nèi)存容量擴大到 1MB 以上，機床分辨率可達 0.1 微米，高速進給可達 100m/min,控制軸數(shù)可達 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、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)有設備技術改造迫切要求解決的課題。用數(shù)控技術改造機床，正是適應了這一要求。它是建立在微電子現(xiàn)代技術與傳統(tǒng)技術相結合的基礎上。在機床改造中引入微機的應用，不但技術上具有先進性，同時，在應用上比其它傳統(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，用戶承擔的起。從若干單位成功應用的實例可以證明，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)控這一中間技術的基礎上，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，已成為我國設備技術改造主要方向之一。同時，它還可以作為全功能數(shù)控機床應用的準備階段，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)的機械制造技術朝機電一體化的方向過渡的主要內(nèi)容之一第一章 C6140 車床進給伺服系統(tǒng)改造方案的擬訂1.1 總體方案確定C6140 車床數(shù)控改造方案本文改造后的結構是一種非常典型臥式車床的數(shù)控改造結構，改造時拆除原機床的縱向和橫向絲杠光杠、溜板箱、掛輪箱的掛輪、原手動刀架及手柄等部件，用滾珠絲杠替換原有普通絲杠、用電動刀架替換原有的普通刀架。縱向和橫向進給采用步進電動機及減速器驅(qū)動，橫向步進電動機及減速器裝置安裝在機床床鞍的后部，縱向的步進電動機減速器裝置安裝在機床的右端。由于被改裝的機床本身的機械結構不是按數(shù)控機床的要求設計的，其精度和剛度等性能指標往往不能滿足數(shù)控機床的要求，因此將普通機床改造為全功能的數(shù)控機床，一味追求先進指標則會得不償失，所以確定總體方案的原則應當是在滿足生產(chǎn)需要的前提下，對原機床盡可能減少機械部分的改動量，選擇簡單易用的數(shù)控系統(tǒng)，達到合理的性價比。本次改造設計要求就是根據(jù)這一原則提出的。根據(jù)設計要求、依據(jù)設計參數(shù)及機床數(shù)控改造的理解，總體方案確定如下：（1）系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控機床應具有定位、直線插補、順、逆圓插補、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，故應選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床加工精度要求不高，為了簡化結構、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。（2）.機械傳動方式為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經(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，采用有預加負荷的結構。齒輪傳動也要采用消除齒側間隙的結構。1.2 C6140 車床的設計參數(shù)根據(jù)型普通原始數(shù)據(jù)及數(shù)控改造設計要求，確定主要如下：最大加工直徑：車床身上： 400mm車床鞍上： 210mm最大加工長度： 1000mm快進速度： 縱向 2.4m/min橫向 1.2m/min最大切削進給速度： 縱向 0.6m/min橫向 0.3m/min脈沖當量：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數(shù)： 2機床定位精度： ±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主電機功率： 7.5Kw第二章機床進給伺服系統(tǒng)機械部分的設計和計算2.1 進給伺服系統(tǒng)機械部分的結構改造設計方案2.1.1 縱向進給機械結構改造方案拆除原機床的進給像、溜板箱、滑動絲杠、光杠等，裝上步進電機、齒輪減速箱和滾珠絲杠螺母副。為了提高支承剛度，采用向心推力球軸承對加止推軸承支承方式。齒輪間隙采用雙薄片調(diào)隙方式。利用原機床進給箱的安裝孔和銷釘孔安裝齒輪箱體。滾珠絲桿仍安置在原來的位置，兩端仍采用原固定方式。這樣可減少改裝工作量，并由于滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小于原絲杠，且外徑比原先的大，從而使縱向進給整體剛度只可能增大?？v向進給機構都采用了一級齒輪減速。雙片齒輪間沒有加彈簧自動消除間隙。因為彈簧的彈力很難適應負載的變化情況。當負載大時，彈簧彈力顯小，起不到消除間隙之目的；當負載小時，彈簧彈力又顯大，則加速齒輪的磨損。因此，采用定期人工調(diào)整、螺釘緊固的辦法消除間隙。2.1.2 橫向進給機械結構改造方案拆除原中拖板絲桿，安裝滾珠絲桿副，為提高橫向進給系統(tǒng)剛度，支承方式采用兩端裝止推軸承。步進電機、齒輪箱安裝于機床后側，為了使減速機構不影響走刀，同時消除傳動過程的沖擊，減速機構采用二級傳動，從動輪采用雙薄片錯位消除間隙。2.2 進給伺服機構機械部分的設計計算此機床進給伺服系統(tǒng)運動及動力計算如下：2.2.1 進擇脈沖當量根據(jù)機床精度要求確定脈沖當量，縱向:0.01mm/步，橫向:0.005mm/步(半徑)。2.2.1 計算切削力（1）縱車外圓主切削力 Fz(N)按經(jīng)驗公式估算:Fz=0.67Dmax1.5=0.67 x 4001.5 =5360按切削力各分力比例: F z:Fx:Fy=l:0.25:0.4Fx = 5360 x 0.25 = 1340Fy = 5360 x 0.4 = 2144（2）橫切端面主切削力 F’z(N)可取縱切的 1/2:26801' ?z此時走刀抗力為 F’y(N)，吃刀抗力為 F’x(N)。仍按上述比例粗略計算:F’z:F’y:F’x=1:0.25:0.4F’y=2680 x 0.25 = 670F’x=2680 x 0.4 = 10722.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型滾珠絲杠螺母副的設計首先要選擇結構類型：確定滾珠循環(huán)方式，滾珠絲杠副的預緊方式。結構類型確定之后，再計算和確定其他技術參數(shù)，包括：公稱直徑 d0（絲杠外徑d） 、導程 L0、滾珠的工作圈數(shù) j、列數(shù) K、精度等級等。滾珠循環(huán)方式可分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類，外循環(huán)又分為螺旋槽式和插管式。我們在此選用螺旋槽式外循環(huán)：在螺母外圓上銑出螺旋槽，槽的兩端鉆出通孔，同螺母的螺紋滾道相切，形成滾珠返回通道。為防止?jié)L珠脫落，螺旋槽用鋼套蓋住。在通孔口設有擋珠器，引導滾珠進入通孔。擋珠器用圓鋼彎成弧形桿，并焊上螺栓，用螺帽固定在螺母上。它的優(yōu)點是：工藝簡單，螺母外徑尺寸較小。缺點是：螺旋槽同通孔不易連接準確，擋珠器鋼性差、耐磨性差。滾珠絲杠副的預緊方法有：雙螺母墊片式預緊、雙螺母螺紋式預緊、雙螺母齒差式預緊、單螺母變導程預緊以及過盈滾珠預緊等。2.3.1 縱向進給絲杠（1）計算進給率引力 Fm(N)縱向進給為綜合型導軌：2530)85360(1.34015.)(' ?????GFfKzxm式中： K－－考慮顛復力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導軌取 K＝1.15;--滑動導軌摩擦系數(shù) :0.15--0.18;'fG ----溜板及刀架重力: G = 800N。（2） 計算最大動負載 c:mwFfLc3?610Tn?0Lvs?式中:L 0 ——滾珠絲杠導程，初選 L0=6mm;vs——最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度的（1/2 ～1/3） ，此處vs＝ 0.6m/min；fw——運轉系數(shù)，按一般運轉取 fw＝1.2～1.5；L——壽命、以 106 轉為 1 單位。 NFfLCTnrvmws 7.1098253.44016min/5.3360 ????（3）滾珠絲杠螺母副的選型和校核可采用外循環(huán)螺紋調(diào)整預緊的雙螺母滾珠絲杠副，1 列 2.5 圈，其額定動負載為16400N，精度等級選 3 級。傳動效率計算)(?????tg式中：γ——螺旋升角，W 1L4O0bγ=2 044'φ——摩擦角取 10'滾動摩擦系數(shù) 0.003～0.00494.)'1042()(????tgt??（4）剛度驗算一般滾珠絲杠比較細長，它的剛度應該給與充分重視。先畫出此縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖。最大牽引力為 2530N。支承間距L=15OOmm 絲杠螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷的 1/3。圖 4-1、縱向進給系統(tǒng)計算簡圖（4.1）絲杠的拉伸或壓縮變形量 δ 1根據(jù) Pm=2530N,Do=40mm, 查資料可查出 δL/L=l.2﹡lO -5，可算出:δ 1=δ L/L×1500=1.2×10-5×1500=1.8×10-2(mm)由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠又進行了預拉伸，故其拉壓剛度可以提高 4倍。其實際變形量 δ ‘1 (mm)為:211045.' ????（4.2）滾珠與螺紋滾道間接觸變形 δ 2查資料 W 系列 1 列 2.5 圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量 δ QmQ??4.6?因進行了預緊， Q?2.312?? (4.3)、支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形 δ 3采用 8107 型推力球軸承，d 1=35mm，滾動體直徑 dQ=6.35mm，滾動體數(shù)量 z=18,)(075.835.6204.024.32 mZFQmc ??????注意，此公式中 Fm 單位應為 kgf因施加預緊力，故 C038.75.213????根據(jù)以上計算：定位精度????m015..2.4.321（5）穩(wěn)定性校核滾珠絲杠兩端推力軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(wěn)定性校核。2.3.2 橫向進給絲杠（1）計算進給牽引力 F‘m:橫向?qū)к墳檠辔残?，計算如? NGfFxZym 203)6107268(.074.1)'2('4. ''' ??????????（2）計算最大動負載 c mFfLcTnvmws 72830.127'53610.036????（3）選擇滾珠絲杠螺母副查資料，W1L20051 列 2.5 圈外循環(huán)螺紋預緊滾珠絲杠副，額定動載荷為 8800N，可滿足要求，選定精度為 3 級。（4）傳動效率計算 965.0)'134()(0?????tgt??（5）剛度驗算橫向進給絲杠支承方式如（2-1）圖所示，最大牽引力為 2425N，支承間距L=45Omm，因絲杠長度較短，不需預緊，螺母及軸承預緊。圖（2-1 ）計算如下:(5.1)、絲杠的拉伸或壓縮變形量 δ 1 (mm)查圖 4-6，根據(jù) F'm＝2023N，D。=2Omm，查出 δ L /L=5×lO-5，可算出mL251 089.4102. ???????圖 4-2、橫向進給系統(tǒng)計算簡圖(5.2)、滾珠與螺紋滾道間接觸變形 δ 2查資料： mQ??5.8?因進行了預緊 δ 2=1/2δ Q=0.5*8.5=4.25μm(5.3)、支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形 δ 3采用 8102 推力球軸承，d Q=4.763,z=12，d=l5mm )(094.12763.40.'024.32 mzpQmc ??????考慮到進行了預緊，故 c.9.213?綜合以上幾項變形量之和: m0279.4.03.8.321 ??????顯然此變形量已大于定位精度的要求，應該采取相應的措施修改設計，因橫向溜板空間限制，不宜再加大滾珠絲杠直徑，故采用貼塑導軌減小摩擦力，從而減小最大牽引力。重新計算如下: NGFfFxzym 15)601722680(4.7.1)'2(''4.1' ????????從資料查出，當 Fm’=1155N 時，δ L/L=2.4×lO-508.450.1??L?δ 2 和 δ 3 不變，則 δ＝δ 1＋δ 2＋δ 3＝0.0108＋0.0043＋0.0047＝0.0198mm 定位精度為±0.lmm，故此變形量仍不能滿足，如果將滾珠絲杠再經(jīng)過預拉伸，剛度還可提高四倍，則變形量可控制在要求的范圍之內(nèi)。 m017.4.03.18.44132 ????????從上面計算過程可以看出，設計的過程要經(jīng)過反復修改參數(shù)，反復計算才能達到滿意的結果。（6）穩(wěn)定性校核計算臨界負載其 FK(N)2LEIfFZK??式中： E——材料彈性模量，鋼:E＝20.6×1O 6N/cm2I——截面慣性矩（cm 4）絲杠： ，di 為絲杠內(nèi)徑；41dI??L——絲杠兩支承端距離 (cm)；fZ-一絲杠支承方式系數(shù)，從表 4-13 中查出，一端固定，一端簡支 fZ =2.00][7.615824' 782144539.01.2389067.1662 4441kmkZKnFn NLIEf cmdI??? ??????（一般[n k]=2.5～4）此滾珠絲杠不會產(chǎn)生失穩(wěn)。2.4 縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù)。其幾何參數(shù)如下:名稱 符號 公式 35061LW2051L公稱直徑 35 200d導程 6 5L接觸角 3°7’ 4°33’?鋼球直徑(㎜) 3.969 3.175qd滾道法面半徑 2.064 1.651Rqd52.0?偏心距 0.056 0.045e?sin)/(?螺紋升角 3°7’ 4°33’?0dLarctg??螺桿外徑 34 19.4dq)25.~(0??螺桿內(nèi)徑 30.984 16.781 Re1?螺桿紋接觸直徑 31.258 16.835Z ?cos0qZd螺母螺紋直徑 39.365 23.212De2??螺母內(nèi)徑 36.125 20.6351 q)5.~(01?2.5 齒輪傳動比計算2.5.1 縱向進給齒輪箱傳動比計算已確定縱向進給脈沖當量 δ p＝0.01 滾珠絲杠導程 L0=6mm，初選步進電機步距角0.750。可計算出傳動比 i 8.0675.1360???Libp??可選定齒輪齒數(shù)為， 或40321zi52.5.2 橫向進給齒輪箱傳動比計算已確定橫向進給脈沖當量 δ p＝O.005，滾珠絲杠導程 L0＝5mm，初選步進電機步距角 0.750 可計算傳動比 i:48.057.3620???Libp??考慮到結構上的原因，不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板的有效行程，故此處可采用兩級齒輪降速: 250453421???zi因進給運動齒輪受力不大，模數(shù) m 取 2。相關參數(shù)如下表：齒數(shù)32 40 24 40 20 25分度圓zd?64 80 48 80 40 50齒頂圓ma2?68 84 52 84 44 54齒根圓df 5.1*??59 75 43 75 35 45齒寬（6~10） m20 20 20 20 20 20中心距2/)(1dA??72 64 45第三章 C6140 車床進給部分電機的選擇3.1 縱向進給步進電機計算3.1.1 等效傳動慣量計算方法計算如下表示。傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總傳動慣量 JΣ(kg ?cm2)可有下式計算：JΣ=Jm+J1+ （Z 1÷Z2）2〔(J2+Js)+ G÷g(L0÷2π)2〕式中：Jm —步進電機轉子轉動慣量(kg?cm2)J1，J2—齒輪 Z1、Z2 的轉動慣量(kg?cm2)Js—滾珠絲杠傳動慣量(kg?cm2)參考同類型機床，初選反應式步進電機 150BF，其轉子轉動慣量 Jm=10(kg?cm2)J1=0.78×10－3×d14·L1=0.78 ×10－3×6.42×2=2.6 kg?cm2J2=0.78×10－3×d24·L2=0.78 ×10－3×82×2=6.39 kg?cm2Js=0.78×10－ 3×44×150=29.952 kg?cm2G=800N代入上式：JΣ=Jm+J1+（Z 1÷Z2）2〔(J2+Js)+ G÷g(L0÷2π )2〕=10+2.62+(32÷40)2〔(6.39+29.592)+80 0÷9.8(0.6÷2π)2〕=36.355 kg?cm2考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題。Jm÷JΣ=10÷36.355=0.275基本滿足慣量匹配的要求。3.1.2 電機力矩計算機床在不同的工況下，其所需轉距不同，下面分別按各階段計算：A.快速空載啟動力矩 M 起在快速空載起動階段，加速力矩占的比例較大，具體計算公式如下：M 起=Mamax+Mf+MaMamax=JΣ·ε= JΣnnax×10－2/(60×ta/2 π)= JΣ×2π·nmax×10－2/(60 ×ta)nmax=νmax·θb÷δp·360將前面數(shù)據(jù)代入，式中各符號意義同前。nmax=νmax·θb÷δp·360=2400×0.75÷(0.01×360)=500r/min啟動加速時間 ta=30msMamax=JΣ×2π·nmax×10－2/(60× ta)=36.355×2π× 500×10-2/(60×0.03)=634.5N·cm折算到電機軸上的摩擦力距 Mf：Mf=FOL0÷2πηi=f1(Pz+G) ×L0÷(2πη Z2÷Z1)=0.16×(5360+800)×0.6÷(2π×0.8×1.25)=94 N ·cm附加摩擦力距 M0MO=FPOL0(1－η02)/2πη i=1÷3×Ft×L0(1－η 02)÷(2πηZ 2÷Z1)=1÷3×2530×0.6×(1－0.92)÷( 2π×0.8×1.25)=805.3×0.19=15.3N·cm上述三項合計：M 起=Mamax+Mf+Ma=634.5+94+15.3=743.8N·cmB．快速移動時所需力矩 M 快。M 快=Mf+M0=94+15.3=109.3N·cmC．快速切削負載時所需力矩 M 切M 切=Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL0÷2πηi=94+15.3+1340×0.6÷(2π×0.8×1.25)=94+15.3+127.96=237.26N·cm從上面計算可以看出，M 起、M 快和 M 切三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以此項作為初選步進電機的依據(jù)。從下表查出，當步進電機為三相六拍時 λ=Mq÷Mjmax=0.951最大靜力矩 Mjmax=743.8÷0.951=782N·cm按此最大靜力矩從下表查出，150BF002 型最大靜轉矩為 13.72N·m。大于所需最大靜轉矩，可作為初選型號，但還需進一步考核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。3.1.3 計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率= = =4000 HZkfpv??601max01.42= = =1000 HZefps.6從表中查出 150BF002 型步進電機允許的最高空載起動頻率為 2800Hz 運行頻率為8000Hz,再從下表中查出 130BF001 型步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性曲線如圖 2-3，2-4 所示。當步進電機起動時，f 起=2500 時， M=100N·cm,遠遠不能滿足此機床所要求的空載起動力矩（782N·cm）直接使用則會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采用升降速控制（用軟件實現(xiàn)） ，將起動頻率降到 1000Hz 時，起動力矩可增加到 588.4N·cm，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動電路，還可將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。當快速運動和切削進給時，130BF001 型步進電機運行矩頻特性完全可以滿足要求。3.2 橫向進給步進電機計算3.2.1 等效傳動慣量計算橫向傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量 J 可由下式計算JΣ=Jm+J1+（Z 1÷Z2）2{(J2+J3)+Z3÷Z ф〔(Jφ+Jξ)+G÷g(L0÷2π)2}式中各符號意義同前，其中J1=0.78×10－3×d14·L1=0.78 ×10－3×4.82×2=0.83kg?cm2J2=0.78×10－3×d24·L2=0.78 ×10－3×84×2=6.4 kg?cm2J3=0.78×10－3×d24·L3=0.78 ×10－3×44×2=0.4 kg?cm2J4=0.78×10－3×d24·L4=0.78 ×10－3×54×2=0.98 kg?cm2Js=0.78×10－ 3×24×45=0.56kg?cm2G=600nJm=4.7 （初選反應式步進電機為 110BF）代入上式為：JΣ=Jm+J1+（Z 1÷Z2）2{(J2+J3)+Z3÷Z ф〔(Jφ+Jξ)+G÷g(L0÷2π)2〕} =4.7+0.83+(24÷10)2{(6.4+0.4)+(20÷25)2[(0.98+0.56)+600÷10(0.5÷2π)2]}=8.42kg·cm2考慮到步進電機與傳動系統(tǒng)慣量的匹配問題Jm÷JΣ=4.7÷8.42=0. 558基本滿足慣量匹配要求3.2.2 電機力矩計算A.快速空載起動力矩 MM 起=Mamax+Mf+MaMamax=JΣ·ε= JΣnnax×10－2÷(60×ta÷2π)= JΣ×2π·nmax×10-2÷(60 ×ta)式中： nmax=νmax·θb÷δp·360=1200×0.75÷(0.005×360)=500r/minta=30msMamax=JΣ×2π·nmax×10-2÷(60×ta)=8.42×2π× 500×10-2÷(60×0.03)=147N·cm折算到電機軸上的摩擦力矩 MfMf=FOL0÷2πηi=f 1(Pz+G)×L0÷(2πηZ2÷Z1)=0.2×(2680+600)×0.5×0.48÷(2π×0.8)=31.3N·cm附加摩擦力矩 M0MO=FPOL0(1－η02)÷2πηi=1÷3×Fˊt×L0(1－η02)÷(2πηZ2÷Z1)=1÷3×2023×0.5×0.48×(1－0.92)÷( 2π×0.8)=6.1N·cm上述三項合計：M 起=Mamax+Mf+Ma=147+31.3+6.1=184.4N·cmB．快速移動時所需力矩 M 快。M 快=Mf+M0=31.3+6.1=37.4N·cmC.最大切削福載時所需力矩 M 切M 切=Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL0÷2πηi =37.4+1072×0.5×0.48÷(2π×0.8)=88.6N·cm由上面計算可以看出, M 起、M 快和 M 切三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，故以此項作為選擇步進電機的依據(jù)。根據(jù)步進電機轉矩 Mq 與最大靜轉矩 Mjmax的關系可知，當步進電機為三相六拍時：λ=Mq÷ Mjmax=0.866最大靜力矩 Mjmax=184.4÷0.866=213N·cm查 BF 反應式步進電機技術參數(shù)得， 110BF003 型步進電機最大靜轉矩為 7.84N·m。大于所需最大靜轉矩，可作為初選型號，但必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。3.2.3 計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率Fk=1000Vmax÷60δp =1000×2.4÷60×0.01=4000HzFe=1000Vs÷60δp =1000×0.6÷60×0.01=1000Hz由 110BF003 型步進電機的技術參數(shù)可知其最高空載起動頻率為 1500Hz，運行頻率為7000Hz。根據(jù) 110BF003 型電機的起動距頻特性和運行矩頻特性曲線可以看出，當步進電機起動時 F=1500Hz，M=98N·cm，小于機床所需的起動力矩（184.4N·cm ） ，直接使用會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采用升降速控制（用軟件實現(xiàn)） 。將起動頻率降為 1000Hz 時，既可滿足要求。當機床快速起動和切削進給時，則完全滿足運行矩頻要求。第四章 液壓尾座部分設計液壓尾座研究背景和意義從 20 世紀中葉數(shù)控技術出現(xiàn)以來，數(shù)控機床給機械制造業(yè)帶來革命性的變化，近年來，由于液壓技術廣泛應用了高技術成果，如自動控制技術、計算機技術、微電子技術、磨練磨損技術、可靠性技術及新工藝和新材料，使傳統(tǒng)技術有了新的發(fā)展，也使液壓系統(tǒng)和元件的質(zhì)量、水平有一定的提高。液壓傳動技術在數(shù)控自動化機床上的應用也越來越廣泛，而且也為機床工業(yè)的自動化程度的提高上起到了重要的力量。盡管如此，走向二十一世紀的液壓技術不可能有驚人的技術突破，應當主要靠現(xiàn)有技術的改進和擴展，不斷擴大其應用領域以滿足未來的要求。液壓傳動是以流體作為工作介質(zhì)對能量進行傳動和控制的一種傳動形式。利用有壓的液體經(jīng)由一些機件控制之后來傳遞運動和動力。相對于電力拖動和機械傳動而言，液壓傳動具有輸出力大，重量輕，慣性小，調(diào)速方便以及易于控制等優(yōu)點，因而廣泛應用于工程機械，建筑機械和機床等設備上。據(jù)統(tǒng)計，世界各主要國家液壓工業(yè)銷售額占機械工業(yè)產(chǎn)值的 2%~3.5%，而我國只占 1%左右，這充分說明我國液壓技術使用率較低，努力擴大其應用領域，將有廣闊的發(fā)展前景。液壓氣動技術具有獨特的優(yōu)點，如:液壓技術具有功率重量比大，體積小，頻響高，壓力、流量可控性好，可柔性傳送動力，易實現(xiàn)直線運動等優(yōu)點；氣動傳動具有節(jié)能、無污染、低成本、安全可靠、結構簡單等優(yōu)點，并易與微電子、電氣技術相結合，形成自動控制系統(tǒng)。因此，液壓氣動技術廣泛用于國民經(jīng)濟各部門。但是近年來，液壓氣動技術面臨與機械傳動和電氣傳動的競爭，如：數(shù)控機床、中小型塑機已采用電控伺服系統(tǒng)取代或部分取代液壓傳動。其主要原因是液壓技術存在滲漏、維護性差等缺點。為此，必須努力發(fā)揮液壓氣動技術的優(yōu)點，克服缺點，注意和電子技術相結合，不斷擴大應用領域，同時降低能耗，提高效率，適應環(huán)保需求，提高可靠性，這些都是液壓氣動技術繼續(xù)努力的永恒目標，也是液壓氣動產(chǎn)品參與市場競爭是否取勝的關鍵。今天，為了和最新技術的發(fā)展保持同步，液壓技術必須不斷發(fā)展，不斷提高和改進元件和系統(tǒng)的性能，以滿足日益變化的市場需求。與世界上主要的工業(yè)國家相比，我國的液壓工業(yè)還是相當落后的，標準化的工作有待于繼續(xù)做好，優(yōu)質(zhì)化的工作須形成聲勢，智能化的工作則剛剛在準備起步，為此必須急起直追，才能迎頭趕上?？梢灶A見，為滿足國民經(jīng)濟發(fā)展需要，液壓技術也將繼續(xù)獲得飛速的發(fā)展，它在各個部門中的應用越來越廣泛。 在這樣一種背景下，我的課題選擇為數(shù)控臥式車床 C6140 液壓尾座的設計，用以提高生產(chǎn)效率，產(chǎn)品質(zhì)量，降低工人勞動強度及降低企業(yè)成本。此外，力求完成課題之余，熟悉國內(nèi)外數(shù)控技術及液壓技術的發(fā)展趨勢,增強對如何發(fā)展民族數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)的感性認識。1.2 液壓系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀液壓傳動相對于機械傳動來說，是一門新興的技術。液壓技術具有獨特的優(yōu)點，如:功率重量比大；可以實現(xiàn)大范圍的無級變速；體積?。活l響高；壓力、流量可控性好；可柔性傳送動力；易實現(xiàn)直線運動等優(yōu)點；并易與微電子、電氣技術相結合，形成自動控制系統(tǒng) [4]?；谝陨弦幌盗袃?yōu)點，液壓技術已經(jīng)廣泛應用于機床、工程機械、農(nóng)業(yè)機械和其它國民經(jīng)濟方面。以數(shù)控機床為代表的數(shù)控設備的生產(chǎn)與應用水平反映了一個國家的機械與電子工業(yè)水平 [6]。它的推廣應用對提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，改變我國制造技術落后的狀況起著極為重要的作用。液壓技術是實現(xiàn)數(shù)字控制與機電液一體的關鍵技術之一，世界各國對液壓工業(yè)的發(fā)展都給予很大重視。據(jù)統(tǒng)計，世界各主要國家液壓工業(yè)銷售額占機械工業(yè)產(chǎn)值的 2%-3.5%，而我國只占 1%左右，這充分說明我國液壓技術使用率較低，努力擴大其應用領域，將有廣闊的發(fā)展前景。首先我們看下面的表格可清楚的看出國內(nèi)國外液壓技術發(fā)展的狀況。表 1.1 國內(nèi)外液壓發(fā)展方向國 外 國 內(nèi)高集成化、高功率、高密度 高性能、高質(zhì)量、高可靠性、系統(tǒng)成套機電一體化集成元件和系統(tǒng) 低能耗、低噪聲、低振動、智能化自動控制元件和系統(tǒng) 集成化、輕小型微型、多樣化水基介質(zhì)傳動與控制技術 機電一體化1.2.1、液壓產(chǎn)品技術發(fā)展趨勢：1、減少損耗，充分利用能量 液壓技術在將機械能轉換成壓力能及反轉換過程中，總存在能量損耗。為減少能量的損失，必須解決下面幾個問題：減少元件和系統(tǒng)的內(nèi)部壓力損失，以減少功率損失；減少或消除系統(tǒng)的節(jié)流損失，盡量減少非安全需要的溢流量；采用靜壓技術和新型密封材料，減少摩擦損失；改善液壓系統(tǒng)性能，采用負荷傳感系統(tǒng)、二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)和蓄能器回路。2、泄漏控制 泄漏控制包括：防止液體泄漏到外部造成環(huán)境污染和外部環(huán)境對系統(tǒng)的侵害兩個方面。今后，將發(fā)展無泄漏元件和系統(tǒng)，如發(fā)展集成化和復合化的元件和系統(tǒng)，實現(xiàn)無管連接，研制新型密封和無泄漏管接頭，電機油泵組合裝置等。無泄漏將是世界液壓界今后努力的重要方向之一。 3、污染控制 過去，液壓行業(yè)主要致力于控制固體顆粒的污染，而對水、空氣等的污染控制往往不夠重視，今后應重視并解決。嚴格控制產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的污染，發(fā)展封閉式系統(tǒng)，防止外部污染物侵入系統(tǒng)；應改進元件和系統(tǒng)設計，使之具有更大的耐污染能力。同時開發(fā)耐污染能力強的高效濾材和過濾器。研究對污染的在線測量；開發(fā)油水分離凈化裝置和分離元件，以及開發(fā)能清除油中的氣體、水分、化學物質(zhì)和微生物的過濾元件及檢測裝置。 4、主動維護 開展液壓系統(tǒng)的故障預測，實現(xiàn)主動維護技術。必須使液壓系統(tǒng)故障診斷現(xiàn)代化，加強專家系統(tǒng)的開發(fā)研究，建立完整的、具有學習功能的專家知識庫，并利用計算機和知識庫中的知識，推算出引起故障的原因，提出維修方案和預防措施。 5、機電液一體化 機電液一體化可實現(xiàn)液壓系統(tǒng)柔性化、智能化，充分發(fā)揮液壓傳動動力大、慣性小、響應快等優(yōu)點，其主要發(fā)展方向如下：液壓系統(tǒng)將有過去的電液系統(tǒng)和開環(huán)比例控制系統(tǒng)轉向閉環(huán)比例伺服系統(tǒng)，同時對壓力、流量、位置、溫度、速度等傳感器實現(xiàn)標準化；提高液壓元件性能，在性能、可靠性、智能化等方面更適應機電液一體化需求，發(fā)展與計算機直接接口的高頻，低功耗的電磁電控元件；液壓系統(tǒng)的流量、壓力、溫度、油污染度等數(shù)值將實現(xiàn)自動測量和診斷；電子直接控制元件將得到廣泛采用，如電控液壓泵，可實現(xiàn)液壓泵的各種調(diào)節(jié)方式，實現(xiàn)軟啟動、合理分配功率、自動保護等；借助現(xiàn)場總線，實現(xiàn)高水平信息系統(tǒng)，簡化液壓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)、爭端和維護。 6、液壓 CAD 技術 充分利用現(xiàn)有的液壓 CAD 設計軟件，進行二次開發(fā)，建立知識庫信息系統(tǒng)，它將構成設計-制造-銷售-使用-設計的閉環(huán)系統(tǒng)。下一個目標是，利用 CAD 技術實現(xiàn)液壓產(chǎn)品快速設計，并把 CAD/CAM/CAPP/CAT，以及現(xiàn)代管理系統(tǒng)集成在一起建立集成計算機制造系統(tǒng)（CIMS） ，使液壓設計與制造技術有一個突破性的發(fā)展。 7、新材料、新工藝的應用 新型材料的使用，如陶瓷、聚合物或涂敷料，可使液壓的發(fā)展引起新的飛躍。為了保護環(huán)境，研究采用生物降解迅速的壓力流體，如采用菜油基和合成脂基或者水基海水等介質(zhì)替代礦物液壓油。鑄造工藝的發(fā)展，將促進液壓元件性能的提高，如鑄造流道在閥體和集成塊中的廣泛使用，可優(yōu)化元件內(nèi)部流動，減少壓力損失和降低噪聲，實現(xiàn)元件小型化。1.3 論文的主要研究內(nèi)容 1、根據(jù)數(shù)控臥式車床 C6140 的整體要求，設計出與其相對應的液壓尾座，使其滿足諸如旋轉精度等眾多要求，以使其達到預想的目的。 2、搜集和分析資料，包括液壓技術和液壓傳動系統(tǒng)的基本資料；同等機床液壓尾座的圖紙和資料等。 3、初步確定液壓尾座的總體布局，包括配置形式、液壓系統(tǒng)的布置及選擇液壓能源及相應的附屬元件等。 4、尾座部分的設計及計算，包括尾座頂尖、套筒、尾座體的設計，尾座孔系、尾座導軌的設計，撓度、轉角及壓板處螺栓直徑以及鎖緊力的計算及校核。 5、尾座精度的確定，包括尾座體表面粗糙度的確定、尾座與機床形位公差的確定、底面及立導向面形位公差的確定。 6、C6140 數(shù)控車床的液壓系統(tǒng)。2.4 尾座的整體設計1、機床采用標準