I畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書畢業(yè)生姓名 ：專業(yè) ：學(xué)號(hào) ：指導(dǎo)教師 :所屬系（部） ：年五月I畢業(yè)設(shè)計(jì)評(píng)閱書題目：CA6140 普通車床數(shù)控化改造 機(jī)械電子工程 系 數(shù)控技術(shù) 專業(yè) 姓名 設(shè)計(jì)時(shí)間： 年 3 月 11 日~2013 年 5 月 12 日評(píng)閱意見：成績(jī)：指導(dǎo)教師： （簽字）職 務(wù)： 201 年 月 日II畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯記錄卡機(jī)械電子工程 系 數(shù)控技術(shù) 專業(yè) 姓名 答 辯 內(nèi) 容問(wèn) 題 摘 要 評(píng) 議 情 況記錄員： （簽名）成 績(jī) 評(píng) 定指導(dǎo)教師評(píng)定成績(jī) 答辯組評(píng)定成績(jī) 綜合成績(jī)注：評(píng)定成績(jī)?yōu)?100 分制，指導(dǎo)教師為 30%，答辯組為 70%。專業(yè)答辯組組長(zhǎng)： （簽名）201 年 月 日CA6140 普通車床數(shù)控化改造摘 要隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，衡量一個(gè)國(guó)家機(jī)械制造工業(yè)水平的重要標(biāo)志是數(shù)控機(jī)床。我國(guó)普通機(jī)床擁有量大，生產(chǎn)規(guī)模小的具體國(guó)情，需要采用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)對(duì)普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造。機(jī)電一體化技術(shù)涉及電子、機(jī)械、以及控制等多門學(xué)科，是衡量一個(gè)國(guó)家機(jī)械裝備發(fā)展水平的重要標(biāo)志，是現(xiàn)代工業(yè)最主要的基礎(chǔ)技術(shù)和核心技術(shù)之一。雖然這門學(xué)科還正處于發(fā)展階段，許多理論還處于研究和完善階段，但是它代表著機(jī)械工業(yè)技術(shù)革命的前沿方向，更是綜合國(guó)力的又一具體體現(xiàn)。因此，我們應(yīng)該重視該學(xué)科的研究，大力發(fā)展這門學(xué)科，逐漸縮小與日美等發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。本次設(shè)計(jì)是對(duì) CA6140 普通車床的數(shù)控化改造。我設(shè)計(jì)時(shí)先對(duì)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，然后對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)、齒輪箱傳動(dòng)比及步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了計(jì)算，最后我對(duì)電氣系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在國(guó)內(nèi)，盛行普通車床改造成數(shù)控車床，此設(shè)計(jì)就是針對(duì)著這以目的而設(shè)計(jì)的，這縮短了工業(yè)化的進(jìn)程，降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)為廣大的生產(chǎn)廠家所接受。關(guān)鍵詞：數(shù)控改造 ;數(shù)控 ;步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 目 錄1 緒論 12 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 22.1 總體方案設(shè)計(jì)內(nèi)容 .22.2 總體方案確定 .33 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè) 計(jì)計(jì)算 .43.1 選擇脈沖當(dāng)量 .43.2 計(jì)算切削力 .43.3 滾珠絲杠 螺母副的計(jì)算和選型 .54 齒輪進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 .134.1 縱向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 134.2 橫向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 135 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 .145.1 縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算 145.2 橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算和選型 186.CA6140 車床數(shù)控化改造的數(shù)控系統(tǒng) 216.1 數(shù)控系統(tǒng)選型.216.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器選型.246.3 驅(qū)動(dòng)器信號(hào)輸入輸 出.297.CA6140 電氣系統(tǒng)數(shù)控改造設(shè)計(jì) 327.1 概述.327.2 電氣系統(tǒng)數(shù)控改造設(shè)計(jì).327.3 強(qiáng)電柜的安裝與連接 .33總結(jié) .34參考文獻(xiàn) 35致謝 .3611 緒論我國(guó)的大多數(shù)企業(yè)的生產(chǎn)和制造行業(yè)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機(jī)床，用這種裝備加工出來(lái)的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、檔次低、品種少、成本高、供貨期長(zhǎng)，從而在國(guó)內(nèi)、國(guó)際市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以普通車床的數(shù)控改裝已成必然。近年來(lái)我國(guó)企業(yè)的數(shù)控機(jī)床占有率逐年上升，在中小企業(yè)甚至個(gè)體企業(yè)中也普遍開始使用，在大中企業(yè)己有較多的使用。在以上數(shù)控機(jī)床中，除少量機(jī)床以 FMS 模式集成使用外，大多數(shù)處于單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并且相當(dāng)部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。2001 年，我國(guó)機(jī)床工業(yè)產(chǎn)值己進(jìn)入世界第 5 名，機(jī)床消費(fèi)額在世界排名上升到第3 位，達(dá) 47. 39 億美元，這僅次于美國(guó)的 53. 67 億美元，消費(fèi)額比上一年增長(zhǎng) 25%。但由于國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床不能滿足市場(chǎng)的需求，使我國(guó)機(jī)床的進(jìn)口額呈逐年上升態(tài)勢(shì)，2001 年進(jìn)口機(jī)床躍升至世界第 2 位，達(dá) 24. 06 億美元，比上年增長(zhǎng) 27. 3% ，我國(guó)很有必要進(jìn)行數(shù)控化改造。在日本、美國(guó)和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，它們的機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)行業(yè)，生意盎然，處在黃金時(shí)代。由于機(jī)床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造將是個(gè)“永恒“的課題。我國(guó)的機(jī)床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進(jìn)入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。在日本、美國(guó)、德國(guó)，用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場(chǎng)，已形成了生產(chǎn)線和機(jī)床數(shù)控改造的新的行業(yè)。企業(yè)要在當(dāng)前市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，需求多變的環(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，以最好的質(zhì)量、最低價(jià)格、最短的時(shí)間去滿足市場(chǎng)需求的不斷變化。而普通機(jī)床已不適應(yīng)小批量、多品種的生產(chǎn)要求，數(shù)控機(jī)床則綜合了微電子技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，最適宜加工高精度、小批量、形狀復(fù)雜、生產(chǎn)周期要求短的零件。當(dāng)變更加工對(duì)象時(shí)只需要換零件加工程序，不需對(duì)機(jī)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(guò)多次大修后，其零部件相互連接尺寸會(huì)發(fā)生較大變化，主要傳動(dòng)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(dá)到大修驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，而且費(fèi)用較高。數(shù)控機(jī)床在機(jī)械加工行業(yè)中的應(yīng)用逐漸廣泛。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，一方面是高性能、全功能；另一方面是簡(jiǎn)單實(shí)用的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，具有自動(dòng)加工的基本功能，操作維修方便。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)通常用的是開環(huán)步進(jìn)控制系統(tǒng)，功率步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)元件，無(wú)需檢測(cè)反饋機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)的定位精度一般可達(dá)±0.0~0.02mm，已能滿足 CA6140 車床改造后加2工零件的精度要求。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床具有以下的優(yōu)點(diǎn)：一是適應(yīng)性強(qiáng)，適合加工單件或小批量的復(fù)雜工件；二是生產(chǎn)效率高；三是加工精度高；四是經(jīng)濟(jì)效益好；五是減輕勞動(dòng)強(qiáng)13度，改善勞動(dòng)條件；六是有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。在國(guó)內(nèi)工廠的技術(shù)改造中，機(jī)床的微機(jī)數(shù)控化改造已成為重要內(nèi)容。許多工廠一面購(gòu)置數(shù)控機(jī)床，一面利用數(shù)控、數(shù)顯、PC 技術(shù)改造普通機(jī)床，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。 2 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1 總體方案設(shè)計(jì)內(nèi)容接到一個(gè)數(shù)控裝置的設(shè)計(jì)任務(wù)以后，首先必須擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總體框圖，才能決定各種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，然后再分別對(duì)機(jī)械部分和電氣部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的確定、伺服系統(tǒng)的選擇及傳動(dòng)方式的確定，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。一般應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求提出數(shù)個(gè)總體方案，進(jìn)行綜合分析、比較和論證，最后確定一個(gè)可行的總體方案。2.1.1 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。2.1.2 控制方式的選擇系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有檢測(cè)反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的信號(hào)的流程是單向的，也正是由于信號(hào)的單向流程，它對(duì)機(jī)床移動(dòng)部件的實(shí)際位置不做檢測(cè)，所以機(jī)床加工精度要求不太高，其精度主要取決于伺服系統(tǒng)的性能。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這類機(jī)床工作比較穩(wěn)定，反應(yīng)迅速，調(diào)試和維修都比較簡(jiǎn)單。42.2 總體方案確定2.2.1 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式伺服系統(tǒng)的選擇由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床應(yīng)具備定位，直線插補(bǔ)，順、逆圓弧插補(bǔ)，循環(huán)加工，暫停，公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]達(dá)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(jiǎn)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)。2.2.2 機(jī)械傳動(dòng)方式為實(shí)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(dòng)絲桿，為保證一定的平穩(wěn)性和傳動(dòng)精度，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。同時(shí)，為消除間隙和提高傳動(dòng)剛度，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)也要采用消除齒輪間隙的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)總體方案框如圖 2-1：圖 2-1 系統(tǒng)總體方案框圖53 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 選擇脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床、銑床常采用的脈沖當(dāng)量是 0.01~0.005mm/step。根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量：縱向：0.01mm/step, 橫向：0.005mm/step(半徑)3.2 計(jì)算切削力用車床經(jīng)驗(yàn)公式 F = D 來(lái)計(jì)算主切削力z67.05.1max式中 D 指車床身上最大加工直徑（mm） 。橫切端面時(shí)主切削力 可取縱切時(shí) F 的max zF?z1/2。求出主切削里 F 以后再按以下比例分別求出分力 F 和 F 。z zyF ： F ：F =1 ：0.25 ：0.5zxy式中 F ：指走刀方向的切削力（ N） ；F ：指垂直走刀方向的切削力（ N） 。y圖 3-1 縱切和橫切時(shí)切削力的示意圖。圖 3-1 縱切和橫切時(shí)切削力的示意圖63.2.1 縱車外圓主切削力 F (N)按經(jīng)驗(yàn)公式估計(jì)算：zF = D = （N）z67.05.1max1.54036??按切削力各分力比例：F ：F ：F =1 ：0.25 ：0.4zxyF （N）5360.21340??F （N）y3.2.2 橫切端面主切削力 （N）可取縱切的 1/2。 zF?（N）1 2680?（N）x?.57?（N）yF413.3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型3.3.1 縱向進(jìn)給絲杠3.3.1.1 計(jì)算進(jìn)給軸向力 F （N）m縱向進(jìn)給這里為三角形導(dǎo)軌：F )(GFfkzx???式中 K：指顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取 K=1.15；：指滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)取 0.15~0.18 之間的值；f?7G：指流板及刀架重力，G=1000N。則 F = （N）m1.5340.16(50)258.6???3.3.1.2 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載 Q考慮滾珠絲杠在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中沖擊擾動(dòng)對(duì)壽命的影響，則最大動(dòng)負(fù)載 Q 的計(jì)算公式為：Q mwFfL3?L 610Tn?n 0vs式中 ：指滾珠絲杠導(dǎo)程，初選 =6；0L0Ln：指絲杠轉(zhuǎn)速， （r/min） ；：指最大切削力條件下的進(jìn)給速度（m/min）,可取最高進(jìn)給速度的sv1/2~1/3，此處取 =0.6 ；sm：指使用壽命時(shí)間（h）,對(duì)于數(shù)控機(jī)床取 T=15000h.。TL：指壽命，以 10 轉(zhuǎn)為一單位；6：指運(yùn)動(dòng)系數(shù)，見表 3-1，選 =1.2。wf wf表 3-1 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)無(wú)沖擊運(yùn)轉(zhuǎn) 1.0~1.2一般運(yùn)轉(zhuǎn) 1.2~1.5有沖擊運(yùn)轉(zhuǎn) 1.5`-~2.5則 n ( r/min)01.605svL???L 6614TQ （N ）3345.28.092.8wmfF???83.3.1.3 滾珠絲杠螺母副的選型從手冊(cè)或樣本的滾珠絲杠副的尺寸系列表中可以找到相應(yīng)的動(dòng)負(fù)載 C 的滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格和結(jié)構(gòu)類型，選用時(shí)應(yīng)滿足 Q C 的條件。?查表：可采用 W L4006 外循環(huán)調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，2.5 圈 1 列，其額定動(dòng)1負(fù)載為 16400N，符合 Q C 的條件。精度等級(jí)按表 3-2，選為 3 級(jí)。?表 3-2 滾珠絲杠行程公差精度等級(jí)項(xiàng)目 符號(hào)有效行程（ mm）uL 1 2 3 4 5315?6 8 12 16 23315~400 7 9 13 18 25400~500 8 10 15 20 27目標(biāo)行程公差e p500~630 9 11 16 22 30315?6 8 12 16 23315~400 6 8 12 17 25400~500 7 10 13 19 26行程變動(dòng)量公差V mp500~630 7 11 14 21 29任意 300 mm 內(nèi)行程變動(dòng)量V p30 6 8 12 16 232 弧度內(nèi)?行程變動(dòng)量V p 2? 4 5 6 7 83.3.1.4 傳動(dòng)效率計(jì)算tan()?????式中 ：指螺旋升角， =2 44?'：指摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù) 其摩擦角? ,04.~3.?f ?9，約等于 。arctnf?01?則 0tatan24 .9()(1)????????3.3.1.5 剛度驗(yàn)算先畫出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖，如圖 3-2 所示，最大軸向力為 2558.6N，支承間距 L=1500mm, 絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的 1/3。圖 3-2 縱向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡(jiǎn)圖（1） 絲杠的拉伸或壓縮變形量 （mm）1?查圖，根據(jù) F = mm, m258.6N40?D查出 ,可算出 0l1./???L? m109.5210l ???L?由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠又進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高四倍，其變形量 為： 。??1? 2-11.4???(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形 （mm）2?查圖，W 系列 1 列 2.5 圈滾珠與螺紋滾道接觸變形量 μm，因進(jìn)行了預(yù)緊，4.6?Q?μm。2.312?Q?(3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變 （mm）3?10這里采用有預(yù)緊時(shí)的推力球軸承則 32431076. pwmFZD????查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中表 6-2-82，采用 51107 型推力球軸承，其 =35mm,1d滾動(dòng)體直徑 =6.35mm, 滾動(dòng)體數(shù)量 Z=18，qd??22m33c 5.80.40.4z61QF??????3-06.7因施加預(yù)緊力，故 3-c3.?根據(jù)以上計(jì)算 =定位精度???321? 015.92.108.2.105. 3-3-3- ?????3.3.1.6 穩(wěn)定性校核滾珠絲杠兩端采用推力軸承，不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，故不需作穩(wěn)定性校核。3.3.2 橫向進(jìn)給絲杠3.3.2.1 計(jì)算進(jìn)給軸向力 mF?橫向?qū)к墳檠辔残?，?jì)算如下：??m)2(GFfkyzx????由于是燕尾形導(dǎo)軌式中： K=1.4， =0.2?則 N1.4670.2(81076)03mF?????3.3.2.2 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載 Qn ( r/min)01.305svL???L 66127TQ （N）3327.038wmfF????查表：可采用 W L2505 外循環(huán)調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，2.5 圈 1 列，其額定動(dòng)111負(fù)載為 9700N，符合 Q C 的條件。精度等級(jí)按表 2—滾珠絲杠行程公差表，選為 3 級(jí)。?3.3.2.3 傳動(dòng)效率計(jì)算 0anta39 .65()(1)t????????3.3.2.4 剛度驗(yàn)算橫向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式如圖 3-3 所示，最大軸向力為 2023N，支承間距 L=450mm, 因絲杠長(zhǎng)度較短，不需要預(yù)緊。圖 3-3 橫向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡(jiǎn)圖計(jì)算如下：(1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量 （mm）1?查圖，根據(jù) F = mm, m203N20?D查出 ,可算出 。50l1/???L? m1089.45210l ??L?(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形 （mm）2查圖，W 系列 1 列 2.5 圈滾珠與螺紋滾道接觸變形量 μm，因進(jìn)行了預(yù)緊，5.8?Q?μm。25.412?Q?(3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變 （mm）3?12這里采用有預(yù)緊時(shí)的推力球軸承則 32431076. pwmFZD????查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中表 6-2-82，采用 51102 型推力球軸承，其 d=15mm,滾動(dòng)體直徑 =4.763 mm, 滾動(dòng)體數(shù)量 Z=12，qd，考慮到進(jìn)行了預(yù)緊，故??22m33c 0.0.4.4.094z761QF????? ?mm7.1c3則定位誤差 c21???0.47.30.89?=0.0279 (mm)顯然變形量已大于規(guī)定的定位精度要求，應(yīng)該采取相應(yīng)的措施修改，因橫向溜板空間限制，不宜加大滾珠絲杠直徑，故采用貼塑導(dǎo)軌來(lái)減少摩擦力，從而減少軸向力，采用貼塑導(dǎo)軌 =0.03~0.05。重新計(jì)算如下：f??mF)2(GFfkyzx????N15)601726804.7.1???根據(jù) ，查圖知 ， ， ， 不變，N5m? 5l./??L? m018.40l?L? 2?3則 (mm) 定位精度為 0.015mm，故此321???? .98.4.30.?? ?變形量仍不能滿足要求，如果經(jīng)滾珠絲杠再經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸，剛度還可以提高四倍，則變形量 0.015 ，滿足要求。0170.18.44321 ??3.3.2.5 穩(wěn)定性校核臨界負(fù)載 與工作負(fù)載 之比稱為穩(wěn)定性系數(shù) ，如果 ，則壓桿穩(wěn)kFmF? knmkF????n?定， 為許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般 =2.5~4。??kn??kn計(jì)算臨界負(fù)載 （N）： kF2fLEIzk??13式中 E：指絲杠材料彈性模量，對(duì)鋼 E （N/mm ） ；4106.2??2I：指截面慣性矩（mm ）,絲杠截面慣性矩 J （ 為絲杠螺紋的底徑） ；4 41d?：絲杠兩支承端距離（cm） ；l：絲杠支承方式系數(shù)，見表 3-3，這里 。zf ?0.2?表 3-3 滾珠絲杠支承方式系數(shù)方式 一端固定一端自由 兩端簡(jiǎn)支 一端固定一端簡(jiǎn)支 兩端固定?0.25 1.00 2.00 4.00則 N78214456.1306.21.3642421 ?????LdEfFzk?7.803?mkn??kn?所以此絲杠不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)。3.3.3 縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù)其幾何參數(shù)見表 3-4：表 3-4 W L5008 及 W L2506 滾珠絲杠幾何參數(shù)11名稱 符號(hào)W L40061W L25051公稱直徑 0D40 25導(dǎo)程 L6 5接觸角 ?024?0329?鋼球直徑 bd3.969 3.175滾道法面半徑 Rbd52.0?2.064 1.651偏心距 e?sin)/(?0.056 0.045螺 紋 滾 道螺紋升角 ?0DLarctg?024?0329?螺桿絲杠外徑 dbd)5.~2(?39 24.36514絲杠內(nèi)徑 1dReD201???35.984 21.78螺桿接觸直徑 z ?cosbzd36.035 21.86螺母螺紋直徑 044.016 23.212螺 母螺母內(nèi)徑 1 b)25.~(1??40.793 20.6354 齒輪進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算4.1 縱向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量 ，滾珠絲杠導(dǎo)程 ，初選步進(jìn)電機(jī)步距角01.?p?06Lm?，可計(jì)算出傳動(dòng)比 ：?75.0?b?2i12i0.7561.236bpL???在閉式軟齒面齒輪傳動(dòng)中，齒輪的彎曲強(qiáng)度總是足夠的，因此齒數(shù)可取多些，推薦取 Z=24~40。所以可選定齒輪數(shù)為：12i403Z?4.2 橫向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量 ，滾珠絲杠導(dǎo)程 ，初選步進(jìn)電機(jī)步距角05.?p?05Lm?，可計(jì)算出傳動(dòng)比 ：?75.0?b?12i12i0.75.08336bpL??可選定齒輪數(shù)為： = =12i34Z205?因進(jìn)給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大，模數(shù) m 取 3。有關(guān)參數(shù)參照表 4-1。表 4-1 傳動(dòng)齒輪幾何參數(shù)所處位置 縱 向 橫 向15齒數(shù) 32 40 24 40 20 25分度圓直徑 mzd?96 120 72 120 60 75齒頂圓直徑 a2?102 126 78 126 66 81齒根圓直徑 f 5.1??88.5 112.5 64.5 112.5 52.5 67.5齒寬 （6~10）m 24 20 24 20 24中心距 )(221ZA??108 96 67.55 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型5.1 縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算5.1.1 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 可由下式計(jì)算：2()Jkgcm???????????? 2021()(?LWZJsM式中 ：指步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ；MJ )kgc?、 ：指齒輪 、 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ；12122(m：指滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ；sJ2()kc?：指工件及工作臺(tái)重量（ N） ；W：指絲杠導(dǎo)程（ ） ；0Lcm參考同類型機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 150BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 。210MJkgcm??（ 分別表示齒輪 的分度圓直徑和齒寬）dJ???3178. L和 2Z409.622.()kgcm??（ 分別表示齒輪 的分度圓直徑和齒寬）J?32.和 14781??2.39()kc?16（ 分別表示縱向滾珠絲杠的公稱直徑和支承間距）dLJs???31078.和45229.()kgcm??把這些數(shù)據(jù)代入上式： ????????? 2021)()(?LgWJZJsM231.610.6().9.5)()49.8??2.75kgcm?5.1.2 電機(jī)力矩計(jì)算機(jī)床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按個(gè)階段計(jì)算：5.1.2.1 快速空載起動(dòng)力矩 起M在快速空載起動(dòng)階段，加速度所占的比例較大，具體計(jì)算公式如下：0maxMf??起22axmaxax 10166nnJJtt?????????????30maxabpn?????iGLFMf?2)1(200???ip以上式中 ：指空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩（ ） ；max Ncm?：指折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（ ） ；fMc?：指絲杠預(yù)緊時(shí)折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩（ ） ；0 c?17：指?jìng)鲃?dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ；?J 2()kgcm?：指電機(jī)最大角加速度（ ） ；? 2/srad：指電機(jī)最大轉(zhuǎn)速（ ） ；maxnmin：指運(yùn)動(dòng)部件最大進(jìn)給速度（ ） ；? i/：指脈沖當(dāng)量（ ） ；p?step/：指步進(jìn)電機(jī)步距角（ ） ；b?dg：指運(yùn)動(dòng)部件從停止起動(dòng)到最大快進(jìn)速度所需時(shí)間（s） ，這里是 30ms；at：指導(dǎo)程的摩擦力（N） ， ；0F)(0WFfz???：指垂直方向的切削力（N） ；z：指工件及工作臺(tái)重量（ N） ；W：指導(dǎo)軌摩擦系數(shù)， ；f? 18.0~5.??f：指運(yùn)動(dòng)部件的總重量（ N） ；G：指齒輪降速比；按 計(jì)算；i 12Zi：指?jìng)鲃?dòng)鏈總效率，一般可取 ；?85.0~7??：指滾珠絲杠預(yù)加負(fù)載，一般取 /3， 為進(jìn)給軸向力（N） ；pFmF：指滾珠絲杠導(dǎo)程；0L：指滾珠絲杠未加預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取 。? 9.0??將以前計(jì)算所得數(shù)據(jù)代入：max0024.75(/min)36.136bpnr???????（ ）2 2axax .10543.8.nMJt??? ??? ??Ncm?（ ）0021().6(53).6972/.8zfFLfWLGiZ????????18)1(2200????iLFMp（ ）2 2021/3/358.60()(1.9)5.mZ?????Ncm?則 （ ）ax0.7.48.fM???起 ?5.1.2.2 快速移動(dòng)時(shí)所需力矩 快（ ）09715.2.f???快 Ncm?5.1.2.3 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 切MtfM??0切（ ）0 1340.6975. 2412285xfFLi???????Ncm?從上面計(jì)算可以看出， 、 和 三種工況下，以快速空載起動(dòng)所需力矩最大，起 快M切以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。由表 5-1 得：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為三相六拍時(shí)， ，則max/0.951qj??（N ） 。max7480951jM?表 5-1 步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)距 與最大靜轉(zhuǎn)距 關(guān)系qMmaxj相 數(shù) 三 相 四 相 五 相 六 相步進(jìn)電機(jī) 拍 數(shù) 3 6 4 8 5 10 6 12max/jqM??0.5 0.866 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866按此最大靜轉(zhuǎn)距從表中查出，150BF002 型最大靜轉(zhuǎn)距為 13.72 ，大于所需最大MN?靜轉(zhuǎn)距，可作為初選型號(hào)，但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)動(dòng)矩頻特性。195.1.2 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率 max1002.461kpf Hz?????fpse 0.60可查出 150BF002 型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載啟動(dòng)頻率為 2800 運(yùn)行頻率為 8000Hz，再?gòu)膱D 5-1 查出 150BF002 步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。從圖中看出，Hz當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí)， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動(dòng),250Hzf?起 10MNcm?力矩（748.8 ） ，直接使用則會(huì)出現(xiàn)失步，所以必須采用升降速控制（用軟件實(shí)現(xiàn)） ，Ncm?半起動(dòng)頻率降到 1000 ，起動(dòng)力矩可提高到 588.4 ，然后在電路上再采用高低壓z ?驅(qū)動(dòng)電路，還可以將步進(jìn)電機(jī)輸出力矩?cái)U(kuò)大一倍左右。當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，150BF002 型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻則完全可以滿足要求。圖 5-1 150BF002 型步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性5.2 橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算和選型5.2.1 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 可由下式計(jì)算：2()Jkgcm??2034110.78JdL???340.78.2???2.19()kgcm??22 3343.J?34.6?2.0()kc?440781dL??0781.52??7gm?3.sJDl??34.? 2.6()kc?把這些數(shù)據(jù)代入上式： ??22230124+()())()M sZLZGJJJg??? ???????? ?????? ???2 224060.54.719()3.19+.().9+()058?? ????? ?? ?????? ?22.6kgcm?5.2.2 電機(jī)力矩計(jì)算機(jī)床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按個(gè)階段計(jì)算：5.2.2.1 快速空載起動(dòng)力矩 起Mmax120.750(/min)36.36bpn r?????????（ ）2 2axax .41394.0.5nJt??? ??? ??Ncm?（ ）'00().16(80)7822.zfFLfGLMii????????' 20(1)mi??（ ）' 2 20/3/30.5()(1.9)08FLi???????Ncm?21則 （ ）max0394.1.780.246.9fM?????起 Ncm?5.2.2.2 快速移動(dòng)時(shí)所需力矩 快M（ ）041.78.251.98f???快 Nc?5.2.2.3 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 切tfM??0切（ ）'0 670.41.78.215.9282xfFLi???????Ncm?從上面計(jì)算可以看出， 、 和 三種工況下，以快速空載起動(dòng)所需力矩最大，起 快 切以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。由表 5-1 得：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為三相六拍時(shí)， ，max/0.86qjM??則 （ ） 。max471.68.0jM?Ncm?按此最大靜轉(zhuǎn)距從表中查出，110BF003 型最大靜轉(zhuǎn)距為 7.84 ，大于所需最大靜N?轉(zhuǎn)距，可作為初選型號(hào)，但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)動(dòng)矩頻特性。5.2.3 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率 max1001.2465kpf Hz?????.3sepf可查出 110BF003 型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載啟動(dòng)頻率為 1500 運(yùn)行頻率為 7000z，不能滿足 （4000Hz ）的要求。再?gòu)膱D 5-2 查出 110BF002 步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性Hzkf和運(yùn)行矩頻特性。不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩（446.92 ） ，直接使用則Ncm?會(huì)出現(xiàn)失步，所以必須采用升降速控制（用軟件實(shí)現(xiàn)） ，半起動(dòng)頻率降到 1000 ，起動(dòng)Hz力矩可提高到 400 ，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路，還可以將步進(jìn)電機(jī)輸出Ncm?22力矩?cái)U(kuò)大一倍左右。當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，110BF003 型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻則完全可以滿足要求。圖 5-2 110BF003 型步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性6 CA6140 車床數(shù)控化改造的數(shù)控系統(tǒng)6.1 數(shù)控系統(tǒng)選型數(shù)控系統(tǒng)是機(jī)床的核心，在選擇時(shí)要對(duì)其性能、經(jīng)濟(jì)性及維修服務(wù)等進(jìn)行綜合考慮。數(shù)控系統(tǒng)主要有3種類型：步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)的開環(huán)系統(tǒng)；異步電動(dòng)機(jī)或直流電機(jī)拖動(dòng)，光柵測(cè)量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)；交，直流伺服電機(jī)拖動(dòng)，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 其中步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)的開環(huán)系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)裝置主要是步進(jìn)電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進(jìn)給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制和功率放大后，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件。該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進(jìn)電機(jī)的角位移精度，齒輪絲杠等傳動(dòng)元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。但該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。我國(guó)國(guó)內(nèi)使用的數(shù)控系統(tǒng)基本上分為兩大類：一類是從國(guó)外引進(jìn)技術(shù)制造的產(chǎn)品，如日本FANUC公司生產(chǎn)的FANUC-0iMate、德國(guó)西門子公司的SINUMERIKDMT-802系列；另外一類是在引進(jìn)、吸收的基礎(chǔ)上研制、開發(fā)、生產(chǎn)的數(shù)控裝置，如華中數(shù)控系列，GSK系列，南京華興等。對(duì)比國(guó)內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)：國(guó)外產(chǎn)品在性能、可靠性、使用壽命上占有很大優(yōu)勢(shì)，但價(jià)格很高，使得改造成本提高。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品雖然大轉(zhuǎn)矩、大功率伺服電機(jī)23的能力沒有國(guó)外產(chǎn)品強(qiáng)大，但也能滿足我們的要求，而且綜合成本低。最終我們將數(shù)控系統(tǒng)的選擇定位在國(guó)內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)上，其中南京華興數(shù)控設(shè)備有限責(zé)任公司生產(chǎn)的WA310M數(shù)控系統(tǒng)是一款能滿足以上要求的數(shù)控系統(tǒng)，所以我們選擇這款專門為中國(guó)數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)而開發(fā)的經(jīng)濟(jì)型CNC控制系統(tǒng)。WA310M 是南京華興數(shù)控設(shè)備有限責(zé)任公司集十多年數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，在原有多代成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，推出的新一代高性能銑床用數(shù)控系統(tǒng)，如圖 6-1 所示。系統(tǒng)采用超大規(guī)?？删幊屉娐贩桨?，具有更高的加工控制品質(zhì)和系統(tǒng)升級(jí)空間。該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的控制功能，可控制數(shù)字式交流伺服單元和三相細(xì)分步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器。系統(tǒng)的電子齒輪功能可與任意螺距絲桿直連，螺距補(bǔ)償功能使機(jī)床的精度檢驗(yàn)大為簡(jiǎn)化，并提高機(jī)床的綜合精度，強(qiáng)大的參數(shù)功能使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。系統(tǒng)可控制數(shù)字式交流伺服驅(qū)動(dòng)器及三相細(xì)分步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器；系統(tǒng)的電子齒輪功能使得系統(tǒng)可與任意螺距絲杠直聯(lián)；螺距補(bǔ)償功能使機(jī)床的精度檢驗(yàn)大為簡(jiǎn)化；顯示采用 7.4 英寸液晶屏彩色顯示，具有加工零件圖形實(shí)時(shí)跟蹤顯示以及坐標(biāo)字符顯示的功能，界面設(shè)計(jì)更為豐富人性化；圖形模擬功能更為強(qiáng)大，具有三維立體模擬和二維平面模擬顯示的功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用整體式工程塑料壓模件，造型美觀；便捷的 U 盤接口，可實(shí)現(xiàn) U 盤與系統(tǒng)間的程序互存，以及系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)功能和直接進(jìn)行 U 盤 DNC 加工的功能。圖 6-1 WA310M 數(shù)控系統(tǒng)24表 6-1 WA310M 車床數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)WA310M 車床數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)1 適用機(jī)床 4 軸車床2 用戶存儲(chǔ)區(qū) 配 512K 電子盤，121 個(gè)程序3 編程尺寸 ±99999.999mm4 分辨率 0.001MM5 最大移動(dòng)速度 60m/min(1MPPS)6 插補(bǔ)軌跡 直線、圓弧、螺紋、快速定位7 輸入/輸出 32 路/24 路，所有 I/0 口功能均有參數(shù)定義，用戶可設(shè)置、修改I/O 口功能8 編程方式 ISO 代碼、鍵盤、RS232 串行錄入、USB 接口定義9 快速速度范圍 1mm/min ～ 15m/min10 電子齒輪 16 位：16 位11 螺距補(bǔ)償 160 點(diǎn)/軸，2～4 軸12 軟件限位 每軸可任意設(shè)定區(qū)間13 參考區(qū) 刀具、系統(tǒng)參數(shù)、螺紋、位參數(shù)等14 操作方式 自動(dòng)、手動(dòng)、步進(jìn)、MDI、單段/連續(xù)、暫停、手脈、串行或 USB下 DNC 加工15 顯示界面 具有同步字符顯示功能和圖形界面16 系統(tǒng)升級(jí) 通過(guò) U 盤或串行口可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)，無(wú)須打開機(jī)箱17 進(jìn)給倍率設(shè)置 16 擋撥段開關(guān)，倍率范圍 5%～300%18 主軸倍率設(shè)置 16 擋撥段開關(guān)，倍率范圍 5%～300%19 模態(tài)指示燈 指示當(dāng)前操作狀態(tài)20 圖形模擬 三維立體和二維平面圖形模擬