CM6150型臥式車床的數(shù)控化改造及自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架設(shè)計(jì)機(jī)械畢業(yè)論文

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1、 蘭州理工大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文） 題 目：CM6150型臥式車床的數(shù)控化改造及自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架設(shè)計(jì) 院 （系）： 專 業(yè)： 班 級(jí)： 學(xué)生姓名： 導(dǎo)師姓名： 職稱： 起止時(shí)間：

2、 目錄 摘要 -3- Abstract -4- 第一章 緒論 -5- 數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展 5- 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢 -5- 第二章 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 10- 一 總體方案設(shè)計(jì)內(nèi)容 - 10 - 二 總體方案確定 11- 第三章 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 - 10 - 一 選擇脈沖當(dāng)量 - 10 - 二 計(jì)算切削力 - 10 - 三 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 - 11 - 四 齒輪進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 - 20 - 五 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 - 21 - 第四章 數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架發(fā)展概況 -27- 4.1 數(shù)控回轉(zhuǎn)刀

3、架的發(fā)展?fàn)顩r - 27- 4.1.1 國外數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架的發(fā)展?fàn)顩r - 27- 4.1.2 國內(nèi)數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架的發(fā)展?fàn)顩r - 27 - 4.1.3 未來數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架的發(fā)展趨勢 28- 4.2 課題現(xiàn)實(shí)意義 - 14 - 4.3 本文主要研究內(nèi)容 -15 - 第五章 數(shù)控刀架總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 16- 5.1 引言 -17 - 5.2 減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) - 18 - 5.3 刀架抬起機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) -19 - 5.4上刀體鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) - 20 - 第六章 數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架的工作原理 - 21- 第七章 主要傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)計(jì)算 -22- 7.1.蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算 -23 -

4、 7.1.1 蝸桿的選型 - 24 - 7.1.2 蝸桿副的材料 -25 - 7.1.3 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) - 26 - 7.1.4 蝸桿和蝸輪的主要計(jì)算參數(shù)和幾何尺寸 - 27 - 7.1.5 校核蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 -28 - 7.2. 螺桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 - 44- 7.2.1 螺距的確定 - 44 - 7.2.2 其它參數(shù)的確定 - 45 - 7.2.3 自鎖性能校核 - 46 - 總結(jié) -47- 致謝 -48- 參考文獻(xiàn) -49- 摘　要 本文介紹普通車床CM6150的數(shù)控化改造，重點(diǎn)介紹機(jī)床數(shù)控化改造方案的確定，基本步驟，目的，經(jīng)濟(jì)合理性，機(jī)床數(shù)

5、控化改造計(jì)算。數(shù)控車床采用數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架可以在一次裝夾中完成多道工序加工，縮短輔助時(shí)間，減少多次安裝所帶來的誤差。本課題通過對數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及電氣控制進(jìn)行了研究，探索數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架的組成和工作原理。通過所學(xué)專業(yè)知識(shí)，完成了數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架機(jī)械部分與電氣控制部分的設(shè)計(jì)，繪制了三維實(shí)體裝配圖及電氣控制原理圖，編制了數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架的控制軟件。本課題的創(chuàng)新之處在于在設(shè)計(jì)延時(shí)鎖緊功能部件的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了刀架電動(dòng)機(jī)意外短路的保護(hù)功能。問題的解決在于采用電磁式過電流繼電器來監(jiān)測電動(dòng)機(jī)中的電流大小。處于調(diào)整狀態(tài)時(shí)，繼電器處于釋放狀態(tài)；當(dāng)?shù)都苕i緊時(shí)，繼電器吸合，常開觸點(diǎn)閉合，8255A的PC3被置0，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。

6、當(dāng)出現(xiàn)故障，電動(dòng)機(jī)短路時(shí)，繼電器做出同樣的動(dòng)作，以達(dá)到保護(hù)目的。所設(shè)計(jì)的數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架很好的實(shí)現(xiàn)了快速準(zhǔn)確自動(dòng)換刀，提高了數(shù)控車床的加工效率。 關(guān)鍵詞：數(shù)控化改造，回轉(zhuǎn)刀架，蝸桿副，微機(jī)控制，換刀裝置 Abstract This design is about the common Lathe CM6150 transformation of NC, It mainly introduce the arragments of NC Transformation, basic step

7、s, purpose, economic rationality, and the calculation of NC Transformation。With a single setup of NC rotary turret , CNC lathe can be completed in multiple processes processing, reducing support time and errors which caused by multiple installation. This topic of NC rotary turret on the mechanical a

8、nd electrical control system conducted to explore the NC rotary tool holder of the composition and working principle. With the knowledge learned of before, I have finished the completion of the NC rotary tool holder of the mechanical parts and electrical control part of the design, drawing and assem

9、bly drawings and three-dimensional entities, electrical control schematics,and developed NC rotary turret control software. The innovation of this issue is delayed locking features in the design, while achieving a turret motor accident short circuit protection. The solution to the problem is making

10、use of electromagnetic over-current relay to monitor of the current size of the motor. In the adjustment state, the relay is in the release state; when the turret is locked, and then normally open contact closure, PC3 of 8255A is setted to 0, and then the motor stalls. When failure is come out, moto

11、r short circuit, the relay to make the same movement, to achieve the protection objective. NC rotary tool holder is designed well to achieve a fast and accurate automatic tool changment, improving the processing efficiency of the NC lathe. Key words: NC Transformation ，rotary turret，worm gear pa

12、ir，micracomputer control，tool-changer 第一章 緒論 數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展 當(dāng)今世界數(shù)控技術(shù)及裝備發(fā)展的趨勢及我國數(shù)控裝備技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上討論了在我國加入WTO和對外開放進(jìn)一步深化的新環(huán)境下，發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備、提高我國制造業(yè)信息化水平和國際競爭能力的重要性，并從戰(zhàn)略和策略兩個(gè)層面提出了發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備的幾點(diǎn)看法。 數(shù)控技術(shù)，簡稱“數(shù)控”。英文：Numerical Control（NC）。是指用數(shù)字、文字和符號(hào)組成的數(shù)字指令來實(shí)現(xiàn)一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)械設(shè)備動(dòng)作控制的技術(shù)。它所控制的通常

13、 是位置、角度、速度等機(jī)械量和與機(jī)械能量流向有關(guān)的開關(guān)量。數(shù)控的產(chǎn)生依賴于數(shù)據(jù)載體和二進(jìn)制形式數(shù)據(jù)運(yùn)算的出現(xiàn)。1908年，穿孔的金屬薄片互換式數(shù)據(jù)載體問世；19世紀(jì)末，以紙為數(shù)據(jù)載體并具有輔助功能的控制系統(tǒng)被發(fā)明；1938年，香農(nóng)在美國麻省理工學(xué)院進(jìn)行了數(shù)據(jù)快速運(yùn)算和傳輸，奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，包括計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)是與機(jī)床控制密切結(jié)合發(fā)展起來的。1952年，第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床問世，成為世界機(jī)械工業(yè)史上一件劃時(shí)代的事件，推動(dòng)了自動(dòng)化的發(fā)展。 現(xiàn)在，數(shù)控技術(shù)也叫計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)，目前它是采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字程序控制的技術(shù)。這種技術(shù)用計(jì)算機(jī)按事先存貯的控制程序來執(zhí)行對設(shè)備的控制功能。由于采用

14、計(jì)算機(jī)替代原先用硬件邏輯電路組成的數(shù)控裝置，使輸入數(shù)據(jù)的存貯、處理、運(yùn)算、邏輯判斷等各種控制機(jī)能的實(shí)現(xiàn)，均可以通過計(jì)算機(jī)軟件來完成。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù)，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域：(1)機(jī)械制造技術(shù)；(2)信息處理、加工、傳輸技術(shù)；(3)自動(dòng)控制技術(shù)；(4)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)；(5)傳感器技術(shù)；(6)軟件技術(shù)等。 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，他對國

15、計(jì)民生的一些重要行業(yè)（IT、汽車、輕工、意料等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因?yàn)檫@些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點(diǎn)有以下幾個(gè)方面［1～4］。 1．1 高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢 效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術(shù)研究會(huì)將其列為5大現(xiàn)代制造技術(shù)之一，國際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)（CIRP）將其確定為21世紀(jì)的中心研究方向之一。 在轎車工業(yè)領(lǐng)域，年產(chǎn)30萬輛的生產(chǎn)節(jié)拍是40秒/輛，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點(diǎn)

16、問題之一；在航空和宇航工業(yè)領(lǐng)域，其加工的零部件多為薄壁和薄筋，剛度很差，材料為鋁或鋁合金，只有在高切削速度和切削力很小的情況下，才能對這些筋、壁進(jìn)行加工。近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機(jī)翼、機(jī)身等大型零件來替代多個(gè)零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯(lián)結(jié)方式拼裝，使構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和可靠性得到提高。這些都對加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。 從EMO2001展會(huì)情況來看，高速加工中心進(jìn)給速度可達(dá)80m/min，甚至更高，空運(yùn)行速度可達(dá)100m/min左右。目前世界上許多汽車廠，包括我國的上海通用汽車公司，已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機(jī)床。美國CINCIN

17、NATI公司的HyperMach機(jī)床進(jìn)給速度最大達(dá)60m/min，快速為100m/min，加速度達(dá)2g，主軸轉(zhuǎn)速已達(dá)60 000r/min。加工一薄壁飛機(jī)零件，只用30min，而同樣的零件在一般高速銑床加工需3h，在普通銑床加工需8h；德國DMG公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達(dá)12*!000r/mm和1g。 在加工精度方面，近10年來，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密級(jí)加工中心則從3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級(jí)(0.01μm)。 在可靠性方面，國外數(shù)控裝置的MTBF值已達(dá)6 000h以上，伺服系統(tǒng)的MTBF值達(dá)到300

18、00h以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。 為了實(shí)現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機(jī)得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。 1.2 5軸聯(lián)動(dòng)加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展 采用5軸聯(lián)動(dòng)對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進(jìn)行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認(rèn)為，1臺(tái)5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的效率可以等于2臺(tái)3軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進(jìn)行高速銑削淬硬鋼零件時(shí)，5軸聯(lián)動(dòng)加工可比3軸聯(lián)動(dòng)加工發(fā)揮更高的效益。但過去因5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)、主機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，其價(jià)格要比3軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床高出數(shù)倍，加之編程技術(shù)難度較大，制約了5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的發(fā)展。 當(dāng)前由于

19、電主軸的出現(xiàn)，使得實(shí)現(xiàn)5軸聯(lián)動(dòng)加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)格差距縮小。因此促進(jìn)了復(fù)合主軸頭類型5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床和復(fù)合加工機(jī)床（含5面加工機(jī)床）的發(fā)展。 在EMO2001展會(huì)上，新日本工機(jī)的5面加工機(jī)床采用復(fù)合主軸頭，可實(shí)現(xiàn)4個(gè)垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5軸加工可在同一臺(tái)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)，還可實(shí)現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的加工。德國DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次裝夾下5面加工和5軸聯(lián)動(dòng)加工，可由CNC系統(tǒng)控制或CAD/CAM直接或間接控制。 1.3 智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 21世紀(jì)的

20、數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動(dòng)生成；為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動(dòng)編程、智能化的人機(jī)界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。 為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和數(shù)控應(yīng)用軟件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)存在的問題。目前許多國家對開放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行研究，如美國的NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Co

21、ntrol)、歐共體的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller)，中國的ONC(Open Numerical Control System)等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺(tái)上，面向機(jī)床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象（數(shù)控功能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實(shí)現(xiàn)不同品種、不同檔次的開

22、放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明個(gè)性的名牌產(chǎn)品。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運(yùn)行平臺(tái)、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心。 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機(jī)床博覽會(huì)的一個(gè)新亮點(diǎn)。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實(shí)現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元。國內(nèi)外一些著名數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關(guān)的新概念和樣機(jī)，如在EMO2001展中，日本山崎馬扎克（Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”（智能生產(chǎn)控制中心，簡稱CPC)；日本大隈（Oku

23、ma）機(jī)床公司展出“IT plaza”（信息技術(shù)廣場，簡稱IT廣場)；德國西門子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment（開放制造環(huán)境，簡稱OME）等，反映了數(shù)控機(jī)床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢。 1.4 重視新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立 1.4.1 關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)規(guī)范 如前所述，開放式數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴(kuò)展性，美國、歐共體和日本等國紛紛實(shí)施戰(zhàn)略發(fā)展計(jì)劃，并進(jìn)行開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3個(gè)最大的經(jīng)濟(jì)體在短期內(nèi)進(jìn)行了幾乎相同的科學(xué)計(jì)劃和規(guī)范的制定，預(yù)示了數(shù)控技術(shù)的一個(gè)

24、新的變革時(shí)期的來臨。我國在2000年也開始進(jìn)行中國的ONC數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定。 1.4.2 關(guān)于數(shù)控標(biāo)準(zhǔn) 數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢。數(shù)控技術(shù)誕生后的50年間的信息交換都是基于ISO6983標(biāo)準(zhǔn)，即采用G，M代碼描述如何（how）加工，其本質(zhì)特征是面向加工過程，顯然，他已越來越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要。為此，國際上正在研究和制定一種新的CNC系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)ISO14649（STEP－NC)，其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機(jī)制，能夠描述產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造過程，乃至各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)化。 STEP-NC的出現(xiàn)

25、可能是數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域的一次革命，對于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展乃至整個(gè)制造業(yè)，將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。首先，STEP-NC提出一種嶄新的制造理念，傳統(tǒng)的制造理念中，NC加工程序都集中在單個(gè)計(jì)算機(jī)上。而在新標(biāo)準(zhǔn)下，NC程序可以分散在互聯(lián)網(wǎng)上，這正是數(shù)控技術(shù)開放式、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的方向。其次，STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)還可大大減少加工圖紙（約75％）、加工程序編制時(shí)間（約35％）和加工時(shí)間（約50％）。 目前，歐美國家非常重視STEP-NC的研究，歐洲發(fā)起了STEP-NC的IMS計(jì)劃(1999.1.1～2001.12.31)。參加這項(xiàng)計(jì)劃的有來自歐洲和日本的20個(gè)CAD/CAM/CAPP/CNC用戶、廠商和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)。美

26、國的STEP Tools公司是全球范圍內(nèi)制造業(yè)數(shù)據(jù)交換軟件的開發(fā)者，他已經(jīng)開發(fā)了用作數(shù)控機(jī)床加工信息交換的超級(jí)模型(Super Model)，其目標(biāo)是用統(tǒng)一的規(guī)范描述所有加工過程。目前這種新的數(shù)據(jù)交換格式已經(jīng)在配備了SIEMENS、FIDIA以及歐洲OSACA-NC數(shù)控系統(tǒng)的原型樣機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證。 機(jī)床數(shù)控改造的必要性 　一、數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的威力。 1.1可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。 　由于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲

27、面。 　　1.2可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，而且是柔性自動(dòng)化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～7倍。 　　由于計(jì)算機(jī)有記憶和存儲(chǔ)能力，可以將輸入的程序記住和存儲(chǔ)下來，然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動(dòng)化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動(dòng)化，故被稱為實(shí)現(xiàn)了"柔性自動(dòng)化"。 　　1.3加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要"修配"。 　　1.4可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。 　　1.5由以上五條派生的好處。如：降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力(一個(gè)人可以看管多臺(tái)機(jī)床)，減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和

28、生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)等等。 　　以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個(gè)極為重大的突破。此外，機(jī)床數(shù)控化還是推行fmc(柔性制造單元)、fms(柔性制造系統(tǒng))以及cims(計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng))等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動(dòng)化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。 　　二、數(shù)控化改造的內(nèi)容 　　2.1恢復(fù)原功能，對機(jī)床、生產(chǎn)線存在的故障部分進(jìn)行診斷并恢復(fù)； 　　2.2 CNC化，在普通機(jī)床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成nc機(jī)床、cnc機(jī)床； 　　2.3翻新，為提高精度、效率和自動(dòng)化程度，對機(jī)械、電氣部分進(jìn)行翻新，對機(jī)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

29、的cnc系統(tǒng)以最新cnc進(jìn)行更新； 　　2.4技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或?yàn)榱耸褂眯鹿に?、新技術(shù)，在原有基礎(chǔ)上較大幅度地提高水平和檔次的更新改造。 　　三、數(shù)控化改造的特點(diǎn) 　　3.1減少投資額、交貨期短 　　同購置新機(jī)床相比，一般可以節(jié)省60%～80%的費(fèi)用，改造費(fèi)用低。特別是大型、特殊機(jī)床尤其明顯。一般大型機(jī)床改造，只花新機(jī)床購置費(fèi)用的 1/3，交貨期短。但有些特殊情況，如高速主軸、托盤自動(dòng)交換裝置的制作與安裝過于費(fèi)工、費(fèi)錢，往往改造成本提高2～3倍，與購置新機(jī)床相比，只能節(jié)省投 資50%左右。 　　3.2機(jī)械性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)受限 　　所利用的床身、立柱等基礎(chǔ)件都

30、是重而堅(jiān)固的鑄造構(gòu)件，而不是那種焊接構(gòu)件，改造后的機(jī)床性能高、質(zhì)量好，可以作為新設(shè)備繼續(xù)使用多年。但是受到原來機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，不宜做突破性的改造。 　　3.3熟悉了解設(shè)備、便于操作維修 　　購買新設(shè)備時(shí)，不了解新設(shè)備是否能滿足其加工要求。改造則不然，可以精確地計(jì)算出機(jī)床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者對機(jī)床的特性早已了解，在操作使用和維修方面培訓(xùn)時(shí)間短，見效快。改造的機(jī)床一安裝好，就可以實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。 　　3.4可充分利用現(xiàn)有的條件 　　可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購入新設(shè)備時(shí)那樣需重新構(gòu)筑地基。 　　3.5可以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，及時(shí)地提高生

31、產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機(jī)床改成當(dāng)今水平的機(jī)床。 　　四、數(shù)控系統(tǒng)的選擇 　　數(shù)控系統(tǒng)主要有三種類型，改造時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。4.1、步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)的開環(huán)系統(tǒng)(滿足大部分機(jī)床的改造需要，價(jià)格便宜。) 　　該系統(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)、電液脈沖馬達(dá)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)，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率以及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運(yùn)動(dòng)的位移量、速度和運(yùn)動(dòng)方向。這種系統(tǒng)不需要 將所測得的實(shí)際位置和速度反饋到輸入端，故稱之為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要

32、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。 　　該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。 　　4.2、異步電動(dòng)機(jī)或直流電機(jī)拖動(dòng)，光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 　　4.3、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) 　　當(dāng)前生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的公司廠家比較多，國外著名公司的如siemens公司、fanuc公司；國內(nèi)著名公司如仁和公司(經(jīng)濟(jì)實(shí)用型)和沈陽高檔數(shù)控國家工程研究中心等。選擇數(shù)控系統(tǒng)時(shí)主要是根據(jù)數(shù)控改造后機(jī)床要達(dá)到的各種精度、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率和用戶的要求。 　　五、數(shù)控改造中主要機(jī)械部件改裝探討 　　一臺(tái)新的數(shù)控機(jī)床，

33、在設(shè)計(jì)上要達(dá)到：有高的靜動(dòng)態(tài)剛度；運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦系數(shù)小，傳動(dòng)無間隙；功率大；便于操作和維修。機(jī)床數(shù)控改造時(shí)應(yīng)盡量達(dá) 到上述要求。不能認(rèn)為將數(shù)控裝置與普通機(jī)床連接在一起就達(dá)到了數(shù)控機(jī)床的要求，還應(yīng)對主要部件進(jìn)行相應(yīng)的改造使其達(dá)到一定的設(shè)計(jì)要求，才能獲得預(yù)期的改造 目的。 　　5.1、滑動(dòng)導(dǎo)軌副 　　對數(shù)控車床來說，導(dǎo)軌除導(dǎo)向精度和工藝性外，還要有良好的耐摩擦、磨損特性，并減少因摩擦阻力而致死區(qū)。同時(shí)要有足夠的剛度，并要有合理的導(dǎo)軌防護(hù)和潤滑。 5.2、齒輪副 一般機(jī)床的齒輪主要集中在主軸箱和變速箱中。為了保證傳動(dòng)精度，數(shù)控機(jī)床上使用的齒輪精度等級(jí)都比普通機(jī)床高。 　　5.3、滑動(dòng)絲杠

34、與滾珠絲杠 　　絲杠傳動(dòng)直接關(guān)系到傳動(dòng)鏈精度。絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動(dòng)扭矩要求。一般情況滑動(dòng)絲杠應(yīng)不低于6級(jí)，螺母間隙過大則更換螺母。采用滑動(dòng)絲杠相對滾珠絲杠價(jià)格較低，但難以滿足精度較高的零件加工。 　　滾珠絲杠摩擦損失小，效率高，其傳動(dòng)效率可在90%以上；精度高，壽命長；啟動(dòng)力矩和運(yùn)動(dòng)時(shí)力矩相接近，可以降低電機(jī)啟動(dòng)力矩。因此可滿足較高精度零件加工要求。 5.4、安全防護(hù) 　高效必須以安全為前提。在機(jī)床改造中要根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的措施，切不可忽視。滾珠絲杠副是精密元件，工作時(shí)要嚴(yán)防灰塵特別是切屑及硬砂粒進(jìn) 入滾道。在縱向絲杠上也可加整體鐵板防護(hù)罩。大拖板與滑動(dòng)導(dǎo)軌接

35、觸的兩端面要密封好，絕對防止硬質(zhì)顆粒狀的異物進(jìn)入滑動(dòng)面損傷導(dǎo)軌。 第二章 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 一 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，必須首先擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總體框圖，才能決定各種設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)，然后再分別對機(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、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)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。 一、 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

36、系統(tǒng)。 二、 控制方式的選擇 系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(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，它對機(jī)床移動(dòng)部件的實(shí)際位置不做檢測，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)試和維修都比較簡單。 二 總體方案確定 （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)，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)。考慮達(dá)

37、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)。 （2）、數(shù)控系統(tǒng) 根據(jù)機(jī)床要求，采用8位微機(jī)。由于MCS-51系列單片機(jī)具有集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，抗干擾性強(qiáng)，具有很高的性能價(jià)格比等特點(diǎn)，決定采用MCS-51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進(jìn)電機(jī)功率放大電路等組成，系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。 （3）、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，為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，盡量減

38、少摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。同時(shí)，為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，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)總體方案框圖如下： 圖1—系統(tǒng)總體方案框圖 第三章 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 一 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) 二 計(jì)算切削力 用車床經(jīng)驗(yàn)公式F=D來計(jì)算主切削力

39、 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1/2。 求出主切削里F以后再按以下比例分別求出分力F和F。 F：F：F=1 ：0.25 ：0.5 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）。 下圖為縱切和橫切時(shí)切削力的示意圖。 圖2—縱切和橫切時(shí)切削力的示意圖 1、 縱車外圓 主切削力F(N)按經(jīng)驗(yàn)公式估計(jì)算： F=D= （N） 按切削力各分力比例： F：F：F=1 ：0.25 ：0.4 F（N） F（N） 2、 橫切端面 主切削力（N）可取縱切

40、的1/2。 （N） （N） （N） 三 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 （一） 縱向進(jìn)給絲杠 1、 計(jì)算進(jìn)給軸向力F（N） 縱向進(jìn)給這里為三角形導(dǎo)軌：F 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； G：指流板及刀架重力，G=1100N。 則 F=（N） 2、 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載Q 考慮滾珠絲杠在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中沖擊擾動(dòng)對壽命的影響，則最大動(dòng)負(fù)載Q的計(jì)算公式為： Q L n 式中 ：指滾珠絲杠導(dǎo)程，初選=8； n：指絲杠轉(zhuǎn)速，（r/m

41、in）； ：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1/2~1/3，此處取=0.3； ：指使用壽命時(shí)間（h）,對于數(shù)控機(jī)床取T=15000h.。 L：指壽命，以10轉(zhuǎn)為一單位； ：指運(yùn)動(dòng)系數(shù)，見表1，選=1.3。 表1—運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) 無沖擊運(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) L Q（N） 3、 滾珠絲杠螺母副的選型 從手冊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

42、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WL5008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)負(fù)載為23400N，符合Q C的條件。精度等級(jí)按表 2，選為1級(jí)。 Vmm 表 2—滾珠絲杠行程公差 項(xiàng)目 符號(hào) 有效行程（mm） 精度等級(jí) 1 2 3 4 5 目標(biāo)行程公差 e 6 8 12 16 23 315~400 7 9 13 18 25 400~500 8 10 15 20 27 500~630 9 11 16 22 30 行程變動(dòng)量公差 V 6 8

43、 12 16 23 315~400 6 8 12 17 25 400~500 7 10 13 19 26 500~630 7 11 14 21 29 任意300 mm內(nèi)行程變動(dòng)量 V 6 8 12 16 23 2弧度內(nèi)行程變動(dòng)量 V 4 5 6 7 8 4、傳動(dòng)效率計(jì)算 式中 ：指螺旋升角，=255 ：指摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)其摩擦角，約等于。 則 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所示，最大軸向力為N，支承間距L=1500mm, 絲

44、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—縱向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡圖 計(jì)算如下： （1） 絲杠的拉伸或壓縮變形量（mm） F=N， L=8mm, EN/mm(材料彈性模數(shù)，對鋼來說是等于這個(gè)值)， mm, R=2.477, e=0.068mm 則 d( mm) A(mm) （A指滾珠絲杠按內(nèi)徑定的 截面積） 絲杠導(dǎo)程L的變化量為： 總長度L=1500mm，絲杠上的變形量，由于兩端均采用推力球軸承，則值： (mm) (2) 滾珠與螺紋

45、滾道間接觸變形（mm） 由d=4.763mm, F=kgf, 承載滾珠數(shù)量 ZZ 由于滾珠絲杠副施加預(yù)應(yīng)力，且預(yù)應(yīng)力F為軸向負(fù)載的1/3，則變形 =0.0013 （mm） (3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變（mm） 這里采用有預(yù)緊時(shí)的推力球軸承則 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》中表6-2-82，采用51109型推力球軸承，其d=45mm, 滾動(dòng)體直徑D=3.969 mm, 滾動(dòng)體數(shù)量Z=22， （mm） 則定位誤差

46、 =0.01785mm0.025mm(規(guī)定定位精度) 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。 （二） 橫向進(jìn)給絲杠 1、 計(jì)算進(jìn)給軸向力 橫向?qū)к墳檠辔残?，?jì)算如下： 由于是燕尾形導(dǎo)軌式中： K=1.4，=0.2 則 N 2、計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載Q n( r/min) L Q（N） 查表：可采用WL2506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)負(fù)載為13100N，符合Q C的條件。精度等級(jí)按表

47、 2—滾珠絲杠行程公差表，選為1級(jí)。 Vmm 4、傳動(dòng)效率計(jì)算 5、剛度驗(yàn)算 橫向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式如圖4所示，最大軸向力為2759N，支承間距L=550mm, 因絲杠長度較短，不需要預(yù)緊。 圖4—橫向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡圖 計(jì)算如下： (1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量（mm） 根據(jù) N， D=25mm, EN/mm, R=2.064, e=0.056mm d( mm) A(mm) （mm） (2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形（mm） 對滾珠絲杠副施加預(yù)緊力F為軸向負(fù)載的1/3。 由 mm, kgf 承載滾珠數(shù)量 ZZ

48、 =0.0013 （mm） (3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變（mm） 這里采用有預(yù)緊時(shí)的推力球軸承則 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》中表6-2-82，采用51104型推力球軸承，其d=20mm, 滾動(dòng)體直徑D=3.175 mm, 滾動(dòng)體數(shù)量Z=14， （mm） 則定位誤差 =0.03682 (mm) 顯然變形量已大于規(guī)定的定位精度（），應(yīng)該采取

49、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： N Q（N） 由此可知：滾珠絲杠螺母副和軸承的型號(hào)可不改變。 此時(shí)的變形量為： （mm） =0.0013 （mm） （mm） 定位誤差 0.02412 (mm) 0.025mm(規(guī)定定位精度) 6、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)定，為許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般=2.5~4。 計(jì)算臨界負(fù)載（N）：

50、 式中 E：指絲杠材料彈性模量，對鋼E（N/mm）； J：指截面慣性矩（mm）,絲杠截面慣性矩J（為絲杠螺紋的底徑）； ：絲杠兩支承端距離（mm）； ：絲杠支承方式系數(shù)，見表3，這里。 表3—滾珠絲杠支承方式系數(shù) 方式 一端固定一端自由 兩端簡支 一端固定一端簡支 兩端固定 0.25 1.00 2.00 4.00 則 N 所以此絲杠不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)。 （三）縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù) 其幾何參數(shù)見表： 表4—WL5008及WL2506滾珠絲杠幾何參數(shù) 名稱 符號(hào) WL5008 W

51、L2506 螺 紋 滾 道 公稱直徑 50 25 導(dǎo)程 8 6 接觸角 鋼球直徑 4.763 3.969 滾道法面半徑 2.477 2.064 偏心距 0.068 0.056 螺紋升角 螺 桿 絲杠外徑 48.5 24 絲杠內(nèi)徑 45.182 20.984 螺桿接觸直徑 40.424 17.025 螺 母 螺母螺紋直徑 54.818 29.016 螺母內(nèi)徑 51.190 25.992 四 齒輪進(jìn)給齒輪

52、箱傳動(dòng)比計(jì)算 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，可計(jì)算出傳動(dòng)比： 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： 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，可計(jì)算出傳動(dòng)比： 可選定齒輪數(shù)為： 因進(jìn)給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大，模數(shù)m取2。有關(guān)參數(shù)參照表5。 表5—傳動(dòng)齒輪幾何參數(shù) 所處位置 縱 向 橫 向 齒數(shù) 24 40 18 45 分度圓

53、直徑 48 80 36 90 齒頂圓直徑 52 84 40 94 齒根圓直徑 43 75 31 85 齒寬 （6~10）m 16 16 16 16 中心距 64 63 五 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 （一） 縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算 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： 式中 ：指步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 、：指齒輪、的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； ：指滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； ：指工件及工作臺(tái)重量（N）； ：指絲杠導(dǎo)程（）； 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。 （

54、分別表示齒輪的分度圓直徑和齒寬） （分別表示齒輪的分度圓直徑和齒寬） （分別表示縱向滾珠絲杠的公稱直徑和支承間距） 把這些數(shù)據(jù)代入上式： 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： （1）快速空載起動(dòng)力矩 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： 以上式中

55、 ：指空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩（）； ：指折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（）； ：指絲杠預(yù)緊時(shí)折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩（）； ：指傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； ：指電機(jī)最大角加速度（）； ：指電機(jī)最大轉(zhuǎn)速（）； ：指運(yùn)動(dòng)部件最大進(jìn)給速度（）； ：指脈沖當(dāng)量（）； ：指步進(jìn)電機(jī)步距角（）； ：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； ：指導(dǎo)程的摩擦力（N），； ：指垂直方向的切削力（N）； ：指工件及工作臺(tái)重量（N）； ：指導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，； ：指運(yùn)動(dòng)部件的總重量（

56、N）； ：指齒輪降速比；按計(jì)算； ：指傳動(dòng)鏈總效率，一般可??； ：指滾珠絲杠預(yù)加負(fù)載，一般取/3，為進(jìn)給軸向力（N）； ：指滾珠絲杠導(dǎo)程； ：指滾珠絲杠未加預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取。 將以前計(jì)算所得數(shù)據(jù)代入： （） （） （） 則 （） （2）快速移動(dòng)時(shí)所需力矩 （） （3）最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 （） 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，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。 由表6得：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為三相六拍時(shí)，，則（N）。 表6—步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)距與最大靜轉(zhuǎn)距關(guān)系 步進(jìn) 電機(jī) 相 數(shù)

57、 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 0.809 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。 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 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8000，再從圖5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，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起

58、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)力矩（800.77），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)），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—150BF002型步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性 （二） 橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算和選型 與縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算的方法一樣，如果縱向的步進(jìn)電機(jī)能滿足條件那橫向的就也可以滿足條件，則這選用與縱向相同的步進(jìn)電機(jī)。 第四章 數(shù)控刀架發(fā)展概況 1

59、 各種刀架簡介 1.1 簡易經(jīng)濟(jì)型數(shù)控刀架 目前主要為立式四工位,通常采用雙插銷機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位和預(yù)定位,電機(jī)采用右置式或轉(zhuǎn)塔式。一般只能單向轉(zhuǎn)位,采用齒輪,蝸桿傳動(dòng),螺旋副加緊,多齒盤精定位。此種刀架價(jià)格便宜,適用于要求不高的數(shù)控機(jī)床,在我國應(yīng)用最為廣泛。但是,該刀架工位少,回轉(zhuǎn)空間大,易發(fā)生干涉,所以正向工序長,回轉(zhuǎn)空間小的臥式刀架過渡。 1.2 高精度型數(shù)控刀架 目前一般多為臥式八工位到十二工位。分為抬起式和不抬起式。抬起式仿意大利巴羅法蒂公司的 TA 刀架,其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)阻塞度不能過高,只能單向回轉(zhuǎn)；不抬起式仿意大利 IOE 型刀架,采用行星齒輪機(jī)構(gòu)?；蚍旅绹娜?lián)分齒盤精定位,轉(zhuǎn)位

60、采用平行分度凸輪(又叫共輒凸輪)或槽輪機(jī)構(gòu)此種刀架目前正逐漸推廣。 1.3 帶動(dòng)力刀具的數(shù)控刀架 此種刀架只有煙臺(tái)機(jī)床附件廠生產(chǎn),全套引進(jìn)意大利的生產(chǎn)線和專利,一般用于車削加工中心。 2 方案選擇及論證 2.1 傳動(dòng)方案的分析和擬定 2.1.1 技術(shù)關(guān)鍵 （a）合理的整體布局及夾緊機(jī)構(gòu),以保證有足夠的剛性。 （b）定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。雙插銷配合多齒盤定位。 （c）發(fā)訊元件的選擇。采用霍爾元件。 2.1.2 數(shù)控立式四工位抬起式自動(dòng)刀架傳動(dòng)方案的分析和擬定 （1）傳動(dòng)方案的擬定 采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)和螺旋副加緊、雙插銷預(yù)定位、端面多齒盤精定位、霍爾元件發(fā)訊。 （2）傳動(dòng)方案簡圖

61、 圖2-1 傳動(dòng)方案簡圖 （3）傳動(dòng)方案分析 a. 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) ①采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)： 降速比大,結(jié)構(gòu)緊湊,工作平穩(wěn)無噪聲。能阻滯扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。當(dāng)蝸桿螺旋升角小于摩擦角時(shí),有反向自鎖作用。 其主要缺點(diǎn)是 : 發(fā)熱大,加工復(fù)雜,需要有與蝸桿參數(shù)相同的渦輪滾刀,對裝配誤差較為敏感。 ②螺旋副加緊采用絲杠螺母機(jī)構(gòu)傳動(dòng),其特點(diǎn)是： 用較小的扭矩轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠(或螺母),可使螺母(或絲杠)獲得較大的軸向牽引力。 可達(dá)到很大的降速傳動(dòng)比,使降速機(jī)構(gòu)大為簡化,傳動(dòng)鏈得以縮短。能達(dá)到較高的傳動(dòng)精度。傳動(dòng)平穩(wěn),無噪聲。 在一定條件下能自鎖,即絲杠螺母不能進(jìn)釘逆向傳動(dòng)。此特點(diǎn)特別適用 于作部件

62、升降傳動(dòng)。由于蝸桿傳動(dòng)和絲杠螺母傳動(dòng)均能自鎖,即夾緊機(jī)構(gòu)雙重自鎖，不必再配置制動(dòng)器。 b. 定位機(jī)構(gòu) ①雙差銷預(yù)定位 雙差銷定位,一般稱為反靠定位。具有較高的定位精度和可靠性,并能在有沖擊和振動(dòng)的情況下穩(wěn)定工作。磨損少,定位附加沖擊小。定位精度保持性強(qiáng)。 ②端面齒盤精定位 優(yōu)點(diǎn) : 由于采用了多齒結(jié)構(gòu),所以定位精度高,一般可達(dá)，最高可達(dá)； 能自動(dòng)定心,定位精度不受軸承間隙和正反轉(zhuǎn)的影響(也稱自由定心)； 齒面磨損對定位精度影響不大,隨著不斷使用磨合,定位精度有可能改善,精度保持性好； 承載能力強(qiáng),定位剛性好。其齒面嚙合長度一般不小于60%,齒數(shù)嚙合率一般不低于90%； 適

63、應(yīng)性強(qiáng),齒數(shù)的所有因數(shù)都可作為分度工位數(shù),容易得到不等的分度； 重復(fù)定位精度穩(wěn)定。 缺點(diǎn) : 齒形加工較為復(fù)雜,轉(zhuǎn)位、定位時(shí)動(dòng)齒盤需要升降,并要有夾緊裝置,成本高。 c. 數(shù)控轉(zhuǎn)塔式四工位自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架傳動(dòng)方案的確定 : 采用蝸輪-蝸桿傳動(dòng) : 螺旋副加緊； 電磁離合器制動(dòng) : 雙插銷機(jī)構(gòu)預(yù)定位 ； 端面齒盤精定位 : 霍爾元件發(fā)訊。 3 主要參數(shù)的計(jì)算 3.1 刀架的設(shè)計(jì)參數(shù) : （1） 定位精度：0.05mm; （2） 重復(fù)定位精度: 土 0.002mm; （3） 適用機(jī)床：CM6150; （4） 多齒盤直徑：φ175(72 齒左右 ); （5） 刀架工位數(shù)：

64、四工位; （6） 定位控制元件：霍爾元件 ; （7） 電機(jī)的選用：電機(jī)的轉(zhuǎn)速與設(shè)計(jì)刀架的回轉(zhuǎn)速度有關(guān) .先預(yù)定為1500/min 3.2 動(dòng)力參數(shù)的確定 3.2.1 選擇電機(jī)類型 : 根據(jù)工作要求和條件 : 功率小,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩低,運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)等,無需調(diào)速、長期反復(fù)工作，異步電動(dòng)機(jī)取轉(zhuǎn)速為1400r/min。 3.2.2 電機(jī)容量的設(shè)計(jì)計(jì)算 : 由要求 :自鎖力Q=1000 kgf—500 kgf,此處取 Q=1000kgf 。 螺旋副傳動(dòng)的牙型為梯形螺紋,可通過較小的扭矩獲得較大的軸向力,并要求自鎖。梯形螺紋的牙型角α=,則牙型半角 P=,且有f=0.08～0.10。由于

65、本刀架鎖緊系統(tǒng)中的摩擦是由封閉系統(tǒng)彈性變形力所引起的,壓力通常超過 3,其摩擦系數(shù)比一般2～3倍,取螺桿中徑d=85mm. a.求當(dāng)量摩擦角 : ， 為保證電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩消失后刀盤仍處于鎖緊狀態(tài),絲杠螺母傳動(dòng)必須滿足自鎖條件:, 所以 λmax=11.7-1=10.7，由實(shí)驗(yàn)表明λ=4～6 有滿意效果,故取 λ=5 。 b.螺桿的轉(zhuǎn)速 n1=28r/min（設(shè)計(jì)任務(wù)書給出） 可得出傳動(dòng)比： （3-1） 計(jì)算電機(jī)容量 ： （3-2） 其中 ,Pd 為電機(jī)所需功率 :Pw 為工作

66、機(jī)所需工作功率；是由電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)主動(dòng)端的總效率： （3-3） （3-4） 其中 分別為軸承、蝸輪蝸桿、聯(lián)軸器、滑動(dòng)絲杠的傳動(dòng)效率。取=0.98, =0.45( 自鎖時(shí)傳動(dòng)效率 ), , （設(shè)計(jì)任務(wù)書給出） W （3-5） c. 計(jì)算螺桿上的扭矩 : （3-6） d. ，選取150BF002電機(jī)，其技術(shù)參數(shù)如下： 電壓 輸出功率 轉(zhuǎn)速 輸入功率 質(zhì)量 380V 120w 1400r/min 150w 3.0kg 額定電流 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩/:額定轉(zhuǎn)矩 最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩 起動(dòng)電流 0.47(A) 〉2.2 >2.4 〈6 e. 各軸的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力參數(shù) ① 各軸轉(zhuǎn)速 I 軸 ( 蝸桿軸 )=1400(r/min) II 軸 ( 絲杠螺母、刀盤 )=1400/28=