2046 C6132車床數(shù)控化改造及縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計
2046 C6132車床數(shù)控化改造及縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計,c6132,車床,數(shù)控,改造,縱向,進(jìn)給,機(jī)構(gòu),設(shè)計
大學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）題 目：C6132 型臥式車床的數(shù)控化改造總體設(shè)計及縱向進(jìn)給設(shè)計院 （系）： 專 業(yè)： 班 級： 學(xué)生姓名： 導(dǎo)師姓名： 職稱： 起止時間： 摘 要本次設(shè)計是對普通車床 C6132 的數(shù)控化改造。在這里主要包括:主傳動系統(tǒng)的改造、縱向進(jìn)給系統(tǒng)的改造、橫向進(jìn)給系統(tǒng)的改造。而我主要是針對縱向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械改造。這次畢業(yè)設(shè)計對設(shè)計工作的基本技能的訓(xùn)練，提高了分析和解決工程技術(shù)問題的能力，并為進(jìn)行一般機(jī)械的設(shè)計創(chuàng)造了一定條件。數(shù)控改造主要傳動系統(tǒng)的機(jī)械改造。由于對經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的加工精度要求不高，為簡化結(jié)構(gòu)、降低成本。通過控制橫進(jìn)給系統(tǒng)，保證改造后的車床具有定位、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、暫停等功能。為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的傳動效率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器再傳動絲杠；為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。關(guān)鍵詞：車床 數(shù)控改造 聯(lián)軸器 滾珠絲杠 AbstractThis design is about the common Lathe C6132 transformation of NC. Main tasks are: the transformation of the main transmission system, the transformation of the vertical feeding system, horizontal feed system reform. While I was mainly aim at the lateral feeding system mechanical transformation. The graduation project on the design of the basic skills training has improved the analysis and the ability to solve engineering problems, and create a certain condition for general mechanical design. NC transformation is mainly a transformation of mechanical drive system. Because of the economy less precision CNC machining, it is order to simplify the structure and reduce costs. By controlling the cross-feed system, it ensures the modified lathe with positioning, linear interpolation, circular interpolation, and pause. Required for the realization of the transmission efficiency of machine tool, we should us a stepping motor drive and then screw through the coupling. To ensure a certain degree of driving accuracy and stability and minimize friction, a ball screw pair is needed. Keywords: lathe, NC Transformation , Coupling ,Ball Screw 目錄 一、前言 …………………………………………………………………… 1二、設(shè)計任務(wù) ………………………………………………………………1三．總體方案的確定 ……………………………………………………1四、機(jī)械傳動方案的分析與計算 ………………………………………1 （一）脈沖當(dāng)量的確定 ………………………………………………………1 （二）切削力的計算 …………………………………………………………2（三）縱傳動系統(tǒng)的分析與計算（Z 軸方向） ……………………………21.滾珠絲杠螺母副的計算與選型（縱向） ……………………………… 22、減速箱的設(shè)計（縱向）………………………………………………… 43、步進(jìn)電動機(jī)的計算與選型（縱向） …………………………………… 6 4、同步帶傳送功率的校核（縱向） ……………………………………… 9（四）縱向傳動系統(tǒng)的分析與計算（X 軸方向） ………………… 101、滾珠絲杠螺母副的計算與選型（橫向） ……………………………… 102、減速箱的設(shè)計（橫向） ……………………………………………… 123、步進(jìn)電動機(jī)的計算與選型（橫向）…………………………………… 12第一章 前言數(shù)字控制機(jī)床（Numerical Control Machine Tools）簡稱數(shù)控機(jī)床，這是一種將數(shù)字計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)床的控制技術(shù)。它把機(jī)械加工過程中的各種控制信息用代碼化的數(shù)字表示，通過信息載體輸入數(shù)控裝置，經(jīng)運(yùn)算處理由數(shù)控裝置發(fā)出各種控制信號，控制機(jī)床的動作，按圖紙要求的形狀和尺寸，自動地將零件加工出來。數(shù)控機(jī)床較好地解決了復(fù)雜、精密、小批量、多品種的零件加工問題，是一種柔性、高效能的自動化機(jī)床，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。數(shù)控機(jī)床一般由下列幾個部分組成： 1）主機(jī)，它是數(shù)控機(jī)床的主題，包括機(jī)床身、立柱、主軸、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等機(jī)械部件，是用于完成各種切削加工的機(jī)械部件。 2）數(shù)控裝置，是數(shù)控機(jī)床的核心，相當(dāng)于人的大腦，它包括硬件（印刷電路板、CRT 顯示器、鍵盒、紙帶閱讀機(jī)等）以及相應(yīng)的軟件，用于輸入數(shù)字化的零件程序，并完成輸入信息的存儲、數(shù)據(jù)的變換、插補(bǔ)運(yùn)算以及實(shí)現(xiàn)各種控制功能。 3）驅(qū)動裝置，它是數(shù)控機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動部件，包括主軸驅(qū)動系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、主軸電機(jī)及伺服電機(jī)等。它在數(shù)控裝置的控制下通過電氣或電液伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主軸和進(jìn)給驅(qū)動。當(dāng)幾個進(jìn)給聯(lián)動時，可以完成定位、直線、平面曲線和空間曲線以及曲面的加工。 4）輔助裝置，指數(shù)控機(jī)床的一些必要的配套部件，用以保證數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行，如冷卻、排屑、潤滑、照明、監(jiān)測等。它包括液壓和氣動裝置、排屑裝置、交換工作臺、數(shù)控轉(zhuǎn)臺和數(shù)控分度頭，還包括刀具及監(jiān)控檢測裝置等。 5）編程及其他附屬設(shè)備，可用來在機(jī)外進(jìn)行零件的程序編制、存儲等。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床有如下特點(diǎn)： 1）加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量； 2）可進(jìn)行多坐標(biāo)的聯(lián)動，能加工形狀復(fù)雜的零件； 3）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； 4）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)率高（一般為普通機(jī)床的 3-5 倍） ； 5）機(jī)床自動化程度高，可以減輕勞動強(qiáng)度； 6）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。 數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)：1）數(shù)控機(jī)床能縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時間，增加切屑加工時間的比率；2）使用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行生產(chǎn)，加工的零件精度高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,從而有效的提高了產(chǎn)品在市場上的競爭力；3）數(shù)控機(jī)床具有廣泛的適應(yīng)性和較大的靈活性，因此能夠完成很多普通機(jī)床很難完成或者根本不能加工的、具有復(fù)雜型面、要求高精度的零件的加工；4）許多數(shù)控機(jī)床如加工中心具有自動換刀功能，使零件一次裝夾之后就能夠完成多個加工部位的加工，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用，大大節(jié)省了設(shè)備和廠房面積；5）生產(chǎn)者可以對生產(chǎn)成本進(jìn)行預(yù)算，并對生產(chǎn)進(jìn)度進(jìn)行合理的安排，以達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益的目的；6）應(yīng)用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行生產(chǎn)，減輕了工人的勞動強(qiáng)度，提高了工人工作的環(huán)境質(zhì)量，增加了工人的生產(chǎn)積極性，促進(jìn)了生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率。隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜，且需頻繁改型，普通機(jī)床已不能適應(yīng)這些要求，數(shù)控機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。這種新型機(jī)床具有適應(yīng)性強(qiáng)、加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。它綜合應(yīng)用了電子計算機(jī)、自動控制、伺服驅(qū)動、精密測量和新型機(jī)械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果，是今后機(jī)床控制的發(fā)展方向。一、數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生數(shù)控機(jī)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(jī)槳葉輪廓用檢查樣板的加工機(jī)床任務(wù)時，提出了研制數(shù)控機(jī)床的初始設(shè)想。1949 年，帕森斯公司與麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室合作，開始從事數(shù)控機(jī)床的研制工作。并于 1952 年試制成功世界上第一臺數(shù)控機(jī)床實(shí)驗(yàn)性樣機(jī)。這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補(bǔ)三坐標(biāo)連續(xù)控制銑床。經(jīng)過三年改進(jìn)和自動編程研究，于 1955 年進(jìn)入實(shí)用階段。一直到 20 世紀(jì) 50 年代末，由于價格和技術(shù)原因，品種多為連續(xù)控制系統(tǒng)。到了 60 年代，由于晶體管的應(yīng)用，數(shù)控系統(tǒng)提高了可靠性且價格開始下降，一些民用工業(yè)開始發(fā)展數(shù)控機(jī)床，其中多數(shù)是鉆床、沖床等點(diǎn)位控制的機(jī)床。數(shù)控技術(shù)不僅在機(jī)床上得到實(shí)際應(yīng)用，而且逐步推廣到焊接機(jī)、火焰切割機(jī)等，使數(shù)控技術(shù)不斷的擴(kuò)展應(yīng)用范圍。二、數(shù)控機(jī)床的發(fā)展自 1952 年，美國研制成功第一臺數(shù)控機(jī)床以來，隨著電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制和精密測量等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床也在迅速地發(fā)展和不斷地更新?lián)Q代，先后經(jīng)歷了五個發(fā)展階段。第一代數(shù)控：1952-1959 年采用電子管元件構(gòu)成的專用數(shù)控裝置。第二代數(shù)控：從 1959 年開始采用晶體管電路的 NC 系統(tǒng)。第三代數(shù)控：從 1965 年開始采用小、中規(guī)模集成電路的 NC 系統(tǒng)。第四代數(shù)控：從 1970 年開始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計算機(jī)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(jī)控制的系統(tǒng)。目前，第五代微機(jī)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)模或超大規(guī)模集成電路，具有很強(qiáng)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(shí)現(xiàn)的。這些數(shù)控系統(tǒng)的通用性很強(qiáng)，幾乎只需改變軟件，就可以適應(yīng)不同類型機(jī)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(kuò)大，光纜通信技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控裝置中，使其體積日益縮小，價格逐年下降，可靠性顯著提高，功能也更加完善。近年來，微電子和計算機(jī)技術(shù)的日益成熟，它的成果正在不斷滲透到機(jī)械制造的各個領(lǐng)域中，先后出現(xiàn)了計算機(jī)直接數(shù)控系統(tǒng)，柔性制造系統(tǒng)和計算機(jī)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(jī)床為基礎(chǔ)，它們代表著數(shù)控機(jī)床今后的發(fā)展趨勢。9機(jī)床數(shù)控化改造的意義制造技術(shù)和自動化水平的高低已成為一個國家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，而其中最具代表性的就是數(shù)控機(jī)床。目前，我國是機(jī)床生產(chǎn)大國，但不是機(jī)床制造強(qiáng)國，國產(chǎn)機(jī)床的發(fā)展仍然難以支撐國民經(jīng)濟(jì)和國防軍工的需要。與世界先進(jìn)水平相比差距仍然十分明顯。因?yàn)橐环矫嫖覈胀C(jī)床保有量大，要將普通機(jī)床淘汰掉是不經(jīng)濟(jì)的，也是不現(xiàn)實(shí)的；另一方面，從我國目前生產(chǎn)狀況來看，仍然以生產(chǎn)普通機(jī)床為主。然而，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、精度低、成本高、供貨期長等缺點(diǎn)，從而使產(chǎn)品在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，這將直接影響一個企業(yè)的生產(chǎn)效益以及生存和發(fā)展。所以大力提高機(jī)床的數(shù)控化率已迫在眉睫，有很大的意義，而且普通機(jī)床的數(shù)控化改造將會長期存在，并會不斷的發(fā)展。機(jī)床數(shù)控改造的意義： 1）節(jié)省資金。 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）性能穩(wěn)定可靠。因原機(jī)床各基礎(chǔ)件經(jīng)過長期時效，幾乎不會產(chǎn)生應(yīng)力變形而影響精度。3）提高生產(chǎn)效率。機(jī)床經(jīng)數(shù)控改造后即可實(shí)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。4）可以采用最新的控制技術(shù)?？梢愿鶕?jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度及時地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機(jī)床改造為具有當(dāng)今水平的機(jī)床。二、設(shè)計任務(wù)10題目：普通車床 C6132 數(shù)字控制改造任務(wù)：將一臺 C6132 臥式車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。主要技術(shù)指標(biāo)如下：（1）床身上最大加工直徑 320mm；（2）最大加工長度 750mm；（3）X 方向（橫向）的脈沖當(dāng)量 δx=0.005mm/脈沖,Z 方向（縱向） δz=0.01mm/ 脈沖；（4）X 方向最快移動速度ｖ xmax=2500mm/min,Z 方向?yàn)椋鰖max=5000mm/min；（5）X 方向最快工進(jìn)速度 v maxf=400mm/min,Z 方向?yàn)?v zmaxf=800mm/min;（6）已知要求：背吃刀量 ，進(jìn)給量 f=0.2mm/rmap0.2?（7）已知橫向移動部件重 G=500N,縱向移動部件重為 G=1000N.（8）安裝螺紋編碼器，可以車削米/英制的直螺紋與錐螺紋，最大導(dǎo)程為 24mm；（9）安裝四工位立式電動刀架，系統(tǒng)控制自動選刀；（10）自動控制主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止，并可輸出主軸有級變速與無級變速信號；（11）自動控制冷卻泵的起/停；（12）安裝電動卡盤，系統(tǒng)控制工件的夾緊與松開；（13）縱、橫向安裝限位開關(guān)；三、總體方案的確定總體方案應(yīng)考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動方式、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng) CPU 的選擇以及進(jìn)給傳動方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。（1）臥式車床數(shù)控系統(tǒng)化改造后應(yīng)具有單坐標(biāo)定位，兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)以及螺紋插補(bǔ)的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計成連續(xù)控制型。（2）臥式車床經(jīng)數(shù)控化改造后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下，應(yīng)簡化結(jié)構(gòu)，降低成本。因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)常采用步進(jìn)電動機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)。（3）根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要求，決定選用MCS—51 系列的 8 為單片機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的 CPU。MCS—51 系列 8 為機(jī)具有功能多、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性/價比搞等優(yōu)點(diǎn)。（4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴(kuò)展成雪存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤與顯示電路、I/O 接口電路、D/A 轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等；還要選擇步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源以及主軸電動機(jī)的交流變頻器等。（5）為了達(dá)到技術(shù)指標(biāo)中的速度和精度要求，縱、橫向的進(jìn)給傳動應(yīng)選用摩擦力小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動間隙、提高傳動剛度，滾珠絲杠的螺母應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)等。（6）計算選擇步進(jìn)電動機(jī)，為了圓整脈沖當(dāng)量，可能需要減速輪副，且應(yīng)有削間隙機(jī)構(gòu)。（7）選擇四工位自動回轉(zhuǎn)刀架與電動卡盤，選擇螺紋編碼器等。四、機(jī)械傳動方案的分析與計算為了提高傳動效率和產(chǎn)品的加工精度，縱、橫向傳動全部用滾珠絲杠。由于本次改造的是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，其結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，調(diào)試、維護(hù)方便，一般用于精度不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，并且本次改造的機(jī)床主要用于粗加工及半精加工。為降低改造成本，決定采用伺服半閉環(huán)控制方式對 X 軸（橫向）和Z 軸（縱向）進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行改造。采用伺服電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動給 X 軸和 Z11軸絲杠；為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。1、縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的改造一般是伺服電動機(jī)減速驅(qū)動絲桿，螺母固定在溜板箱上，帶動刀架左右移動。伺服電機(jī)的布置，可放在絲桿的任意一端，對車床的改造來說，外觀不必象產(chǎn)品設(shè)計要求的那么高，而從改造方便，實(shí)用方面考慮，一般都把步進(jìn)電機(jī)放在縱向絲桿的右端。2、縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算 已知條件：工作臺重量 W=800N，加速時間常數(shù) t=25ms，滾珠絲杠基本導(dǎo)程L =6mm，快速進(jìn)給速度 V =2m/min。切削力計算由《機(jī)床設(shè)計手冊》可知，o max切削功率式中Pc=NηKP------電機(jī)功率，由條件我們選 P=4 KWη----主傳動系統(tǒng)總效率，一般為 0.75～0.85,取 η=0.8;K------進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù)，取為 K=0.96則： Pc =4×0.8×0.96=3.072kW切削功率應(yīng)按在各種加工情況下經(jīng)常遇到的最大切削力(或轉(zhuǎn)距)和最大切削轉(zhuǎn)速(或轉(zhuǎn)速)來計算,即Pc = ×1060z?F3?或Pc= 95Tn式中 F ---主主切削力(N);zν----切削速度（m/min）T----切削轉(zhuǎn)距(N.m)n----主軸轉(zhuǎn)速(r/min)設(shè)按最大切削速度來計算，取 ν=100m/min，則主切削力Fz= = （N）=1843.2（N）3106?vPc1072.3?從《機(jī)床設(shè)計手冊》中可得知，在一般外圓車削時：Fx=(0.1～0.6)Fz Fz=(0.15～0.7)FzFx=0.5Fz=0.5×1843.2＝921.6NFy=0.6Fz=0.6×1843.2=1105.92N(2)滾珠絲桿設(shè)計計算 滾珠絲杠副已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因此，滾珠絲杠副的設(shè)計歸為滾珠絲杠副型號的選擇。121）計算作用在絲杠上的最大動負(fù)荷 ：首先根據(jù)切削力和運(yùn)動部件的QF重量引起的進(jìn)給抗力，計算出絲杠的軸向載荷，再根據(jù)要求的壽命值計算出絲杠副應(yīng)能承受的最大動載荷 。Q式中 —工作負(fù)載(N)指數(shù)控機(jī)床工作時實(shí)際作用在滾珠絲桿上的軸向力 ;QF—運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，一般運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) 取 1.2~1.5，有沖擊的運(yùn)轉(zhuǎn) 取wf wf wf1.5~2.5；—硬度系數(shù)，為 60HRC 時， 為 1；為1;Hf Hf HfG —壽命(以 轉(zhuǎn)為單位 1，如 1.5 則為 150 萬轉(zhuǎn))。610壽命 G 可按下式計算：G= 60nT式中 n—滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速(r/min);T—使用壽命時間(h),數(shù)控機(jī)床 T 取 15000h。工作負(fù)載的數(shù)值可用《機(jī)床設(shè)計手冊》中進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計算，對于三角形或綜合導(dǎo)軌=k + ( +W)pFx'fz式中 、 —切削分力；pFzW—移動部件的重力 (800N)；k—考慮顛覆力矩影響的系數(shù)，k=1.15；—導(dǎo)軌上的因數(shù)， =0.15~0.18，取 =0.16。'f 'f'f則 =[1.15×921.6+0.16(184302+800)]N=1482.752NpF當(dāng)機(jī)床以線速度 v=100m/min,進(jìn)給兩 =0.3mm/r,車削直徑 D=80mm 的外f圓時，絲杠的轉(zhuǎn)速n= × = × r/min0DLvf?31 6804.3.?31則 G= = 萬轉(zhuǎn)=17.91 萬轉(zhuǎn)61nT659.?根工作負(fù)載 、壽命 G，取 =12， =1，計算出滾珠絲桿副承受的最大pFwfHf13動負(fù)荷= = ×1.2×1×1482.752N=4655.3NQF3GpHwf39.17由 F 查滾珠絲杠的產(chǎn)品樣本或《機(jī)床設(shè)計手冊》,選擇絲杠的型號.現(xiàn)在我們參照江蘇天安機(jī)械有限公司的滾珠絲杠的產(chǎn)品樣本,選擇滾珠絲杠的直徑為32mm，型號為 CDM3206-2.5-P3，其額定動載荷是 14022N，強(qiáng)度足夠用。參數(shù)技術(shù):142）效率計算：根據(jù)機(jī)械原理，絲杠螺母副的傳動效率 為0?式中 —螺紋的螺旋升角，該絲杠為 325?—摩擦角， 約等于 。??'10則 = =0.9530?)253tan('??3)剛度驗(yàn)算：滾珠絲杠工作時受軸向力和扭矩的作用，將引起基本導(dǎo)程 L的變化，因滾珠絲杠扭時引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計，故工作負(fù)載引0起的導(dǎo)程變化量 L 為?0L = 0ESFp0?式中 E—彈性模量，對于鋼，E=20.6 ×10 N/c ；62mS—滾珠絲杠截面積（按絲杠螺紋底徑確定 d，若 d=2.77cm） ，則 S=15=6.03c 。27.4cm??2其中， “+”用于拉伸時， “－”用于壓縮時。則 L = =?0c03.61.58??cm6107.???絲杠 1m 長度上導(dǎo)程變形總量誤差 為總L?= =11.78總 L/17.6060 ???/因 3 級精度絲杠允許的螺距誤差為 15 ，故此絲杠的精度足夠。m/（3）確定齒輪傳動比 根據(jù)系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量，選步進(jìn)電動機(jī)的步距角，則075.??25.10.367??i取齒輪齒數(shù) ,齒輪模數(shù) m=2m m,齒輪傳動時效率,241Z 98.0?i?（4）佩服電機(jī)的選擇1）負(fù)載傳動慣量估算 折算到伺服電機(jī)軸上的傳動慣量可按下式估算22321 )180(???giWiJJF??式中 --折算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量（ )2cmkg?齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量（ ）?1J1Z2ck?齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量（ ）22?絲杠的轉(zhuǎn)動慣量（ ）3J2cmkg?估算參數(shù)。??對于材料為鋼的圓柱形零件，其轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算LDJ4108.7???式中 D—圓柱零件的直徑（cm）L--_零件軸向長度（ cm）所以， 22441.0.. cmkgckgJ ????216087??162243 45.1102.308.7 cmkgckgJ ??????222222 9.0)7.038(.95.)( ckggiW????????負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量222 687.9.05.1)40(4. cmkgckgJF ????????????2）負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇 根據(jù)能量守恒定律，電動機(jī)等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩NLTiOPF ???????? 2.15.98053.21674033??若不考慮啟動時運(yùn)動部件慣性的影響，則啟動轉(zhuǎn)矩)5.0~3(FqT?取安全系數(shù)為 0.3，則 mNq???4/21因?yàn)閿?shù)控機(jī)床對動態(tài)性能要求較高，確定電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩時應(yīng)滿足快速空載起動時所需轉(zhuǎn)矩 T 的要求。0maxTf?式中 —空載快速起動時所需的轉(zhuǎn)矩（N ;max )?—克服摩擦所需轉(zhuǎn)矩（ ）;fTN---絲杠預(yù)緊所引起的折算到電動機(jī)軸上的附加轉(zhuǎn)矩（ ） 。O mN?當(dāng)工作臺快速移動時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速in/7.416min/625.10maxa rrLivno ???由動力學(xué)可知T =J εmaxF式中 ε----角加速度，計算公式為 ε=17。tn30π則 T = J ε=8.687×10 × =1.516maxF4?025.3716?mN??= =0.0175f .985.0282103/??????iLWT = =0.406o2.13.64303???i N??式中 F ----預(yù)加載荷, 一般為最大軸向載荷的 1/3,即 F /3p則 T= T + + T =(1.516+0.0175+0.406) maxfom?=1.940 N?3)伺服電機(jī)的最高工作頻率Hz=55.56Hz01.62601max????manf根據(jù)計算綜合考慮,查表選用 Star 系列 130ST-M06025H 型伺服電機(jī)。（5）橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算 已知條件：工作臺重量 W=300N，時間常數(shù)t=25ms,滾珠絲杠基本導(dǎo)程 L =4mm（左旋） ，快速進(jìn)給速度 =1m/min。由0 vmax于橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算與縱向類似，故計算過程略。選擇滾珠絲杠型號 CDM2004LH-182.5-P3;減速齒輪 Z =18, Z =30;伺服電機(jī)型號為 110ST-M0403H.1219結(jié) 論本課題結(jié)合目前國內(nèi)外數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，具體闡述了一種桌面型數(shù)控車床的設(shè)計開發(fā)過程。本文主要完成的工作如下：1、數(shù)控車床結(jié)構(gòu)方案的確定。分析了數(shù)控車床的特點(diǎn)，確定了數(shù)控車床基本結(jié)構(gòu)，并確定其基本尺寸。2、確定了數(shù)控車床技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)。對該數(shù)控車床的各向切削力進(jìn)行了計算。3、選擇了數(shù)控車床系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。采用了東達(dá)電控的電控箱。4、數(shù)控車床本體結(jié)構(gòu)設(shè)計。對數(shù)控車床各大功能組件進(jìn)行詳細(xì)的模塊化設(shè)計，確定零件結(jié)構(gòu)，繪制零件圖和裝配圖，并利用三維軟件對數(shù)控車床進(jìn)行了三維建模與運(yùn)動仿真。5、零件的剛度和壽命計算與校核。對各個已設(shè)計零件進(jìn)行剛度和壽命計算，確保滿足使用要求，使該數(shù)控車床有足夠的可靠性。20參考文獻(xiàn)[1] 陳嬋娟.數(shù)控車床設(shè)計[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2006：1-160.[2] 杜君文，鄧廣敏 .數(shù)控技術(shù)[M]. 天津：天津大學(xué)出版社，2002：37-56.[3] 謝紅.數(shù)控機(jī)床機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計指導(dǎo)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2004.8：50-84.[4] 蔡自興.機(jī)器人學(xué) [M].北京：清華大學(xué)出版社，2000：20-25.[5] 李佳.數(shù)控機(jī)床機(jī)應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001：70-88.[6] 張立勛.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計[M].高等教育出版社，2007：40-51.[7] 濮良貴.機(jī)械設(shè)計（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2004：34-46.[8] 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Ltd.，1982：114-136.22致 謝本文是在尊敬的導(dǎo)師 XXX 老師的悉心指導(dǎo)下完成的。老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的學(xué)識、敏銳的思維、認(rèn)真的學(xué)術(shù)作風(fēng)和平易近人的生活作風(fēng)，使我在學(xué)習(xí)中獲益匪淺，對我以后的學(xué)習(xí)、工作和生活都有了很好的指引；趙老師在本課題的設(shè)計研究、理論分析及論文組織等許多方面所給了殷切地指導(dǎo)和莫大的幫助，這將使我受益終生。趙老師也對我畢業(yè)設(shè)計的許多細(xì)節(jié)方面給予了耐心的指導(dǎo)和幫助，這是不可或缺的，趙老師的隨和，認(rèn)真深深地印在我的心里。我在學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計中的每一點(diǎn)進(jìn)步，無不凝聚著導(dǎo)師的心血。值此論文完成之際，謹(jǐn)向老師致以崇高的敬意和誠摯的感謝！再次向所有幫助我的老師、同學(xué)和朋友致以衷心的感謝！大學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）題 目：C6132 型臥式車床的數(shù)控化改造總體設(shè)計及縱向進(jìn)給設(shè)計院 （系）： 專 業(yè)： 班 級： 學(xué)生姓名： 導(dǎo)師姓名： 職稱： 起止時間： 摘 要本次設(shè)計是對普通車床 C6132 的數(shù)控化改造。在這里主要包括:主傳動系統(tǒng)的改造、縱向進(jìn)給系統(tǒng)的改造、橫向進(jìn)給系統(tǒng)的改造。而我主要是針對縱向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械改造。這次畢業(yè)設(shè)計對設(shè)計工作的基本技能的訓(xùn)練，提高了分析和解決工程技術(shù)問題的能力，并為進(jìn)行一般機(jī)械的設(shè)計創(chuàng)造了一定條件。數(shù)控改造主要傳動系統(tǒng)的機(jī)械改造。由于對經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的加工精度要求不高，為簡化結(jié)構(gòu)、降低成本。通過控制橫進(jìn)給系統(tǒng)，保證改造后的車床具有定位、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、暫停等功能。為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的傳動效率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器再傳動絲杠；為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。關(guān)鍵詞：車床 數(shù)控改造 聯(lián)軸器 滾珠絲杠 AbstractThis design is about the common Lathe C6132 transformation of NC. Main tasks are: the transformation of the main transmission system, the transformation of the vertical feeding system, horizontal feed system reform. While I was mainly aim at the lateral feeding system mechanical transformation. The graduation project on the design of the basic skills training has improved the analysis and the ability to solve engineering problems, and create a certain condition for general mechanical design. NC transformation is mainly a transformation of mechanical drive system. Because of the economy less precision CNC machining, it is order to simplify the structure and reduce costs. By controlling the cross-feed system, it ensures the modified lathe with positioning, linear interpolation, circular interpolation, and pause. Required for the realization of the transmission efficiency of machine tool, we should us a stepping motor drive and then screw through the coupling. To ensure a certain degree of driving accuracy and stability and minimize friction, a ball screw pair is needed. Keywords: lathe, NC Transformation , Coupling ,Ball Screw 目錄 一、前言 …………………………………………………………………… 1二、設(shè)計任務(wù) ………………………………………………………………1三．總體方案的確定 ……………………………………………………1四、機(jī)械傳動方案的分析與計算 ………………………………………1 （一）脈沖當(dāng)量的確定 ………………………………………………………1 （二）切削力的計算 …………………………………………………………2（三）縱傳動系統(tǒng)的分析與計算（Z 軸方向） ……………………………21.滾珠絲杠螺母副的計算與選型（縱向） ……………………………… 22、減速箱的設(shè)計（縱向）………………………………………………… 43、步進(jìn)電動機(jī)的計算與選型（縱向） …………………………………… 6 4、同步帶傳送功率的校核（縱向） ……………………………………… 9（四）縱向傳動系統(tǒng)的分析與計算（X 軸方向） ………………… 101、滾珠絲杠螺母副的計算與選型（橫向） ……………………………… 102、減速箱的設(shè)計（橫向） ……………………………………………… 123、步進(jìn)電動機(jī)的計算與選型（橫向）…………………………………… 12第一章 前言數(shù)字控制機(jī)床（Numerical Control Machine Tools）簡稱數(shù)控機(jī)床，這是一種將數(shù)字計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)床的控制技術(shù)。它把機(jī)械加工過程中的各種控制信息用代碼化的數(shù)字表示，通過信息載體輸入數(shù)控裝置，經(jīng)運(yùn)算處理由數(shù)控裝置發(fā)出各種控制信號，控制機(jī)床的動作，按圖紙要求的形狀和尺寸，自動地將零件加工出來。數(shù)控機(jī)床較好地解決了復(fù)雜、精密、小批量、多品種的零件加工問題，是一種柔性、高效能的自動化機(jī)床，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。數(shù)控機(jī)床一般由下列幾個部分組成： 1）主機(jī)，它是數(shù)控機(jī)床的主題，包括機(jī)床身、立柱、主軸、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等機(jī)械部件，是用于完成各種切削加工的機(jī)械部件。 2）數(shù)控裝置，是數(shù)控機(jī)床的核心，相當(dāng)于人的大腦，它包括硬件（印刷電路板、CRT 顯示器、鍵盒、紙帶閱讀機(jī)等）以及相應(yīng)的軟件，用于輸入數(shù)字化的零件程序，并完成輸入信息的存儲、數(shù)據(jù)的變換、插補(bǔ)運(yùn)算以及實(shí)現(xiàn)各種控制功能。 3）驅(qū)動裝置，它是數(shù)控機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動部件，包括主軸驅(qū)動系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、主軸電機(jī)及伺服電機(jī)等。它在數(shù)控裝置的控制下通過電氣或電液伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主軸和進(jìn)給驅(qū)動。當(dāng)幾個進(jìn)給聯(lián)動時，可以完成定位、直線、平面曲線和空間曲線以及曲面的加工。 4）輔助裝置，指數(shù)控機(jī)床的一些必要的配套部件，用以保證數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行，如冷卻、排屑、潤滑、照明、監(jiān)測等。它包括液壓和氣動裝置、排屑裝置、交換工作臺、數(shù)控轉(zhuǎn)臺和數(shù)控分度頭，還包括刀具及監(jiān)控檢測裝置等。 5）編程及其他附屬設(shè)備，可用來在機(jī)外進(jìn)行零件的程序編制、存儲等。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床有如下特點(diǎn)： 1）加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量； 2）可進(jìn)行多坐標(biāo)的聯(lián)動，能加工形狀復(fù)雜的零件； 3）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； 4）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)率高（一般為普通機(jī)床的 3-5 倍） ； 5）機(jī)床自動化程度高，可以減輕勞動強(qiáng)度； 6）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。 數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)：1）數(shù)控機(jī)床能縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時間，增加切屑加工時間的比率；2）使用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行生產(chǎn)，加工的零件精度高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,從而有效的提高了產(chǎn)品在市場上的競爭力；3）數(shù)控機(jī)床具有廣泛的適應(yīng)性和較大的靈活性，因此能夠完成很多普通機(jī)床很難完成或者根本不能加工的、具有復(fù)雜型面、要求高精度的零件的加工；4）許多數(shù)控機(jī)床如加工中心具有自動換刀功能，使零件一次裝夾之后就能夠完成多個加工部位的加工，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用，大大節(jié)省了設(shè)備和廠房面積；5）生產(chǎn)者可以對生產(chǎn)成本進(jìn)行預(yù)算，并對生產(chǎn)進(jìn)度進(jìn)行合理的安排，以達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益的目的；6）應(yīng)用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行生產(chǎn)，減輕了工人的勞動強(qiáng)度，提高了工人工作的環(huán)境質(zhì)量，增加了工人的生產(chǎn)積極性，促進(jìn)了生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率。隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜，且需頻繁改型，普通機(jī)床已不能適應(yīng)這些要求，數(shù)控機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。這種新型機(jī)床具有適應(yīng)性強(qiáng)、加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。它綜合應(yīng)用了電子計算機(jī)、自動控制、伺服驅(qū)動、精密測量和新型機(jī)械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果，是今后機(jī)床控制的發(fā)展方向。一、數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生數(shù)控機(jī)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(jī)槳葉輪廓用檢查樣板的加工機(jī)床任務(wù)時，提出了研制數(shù)控機(jī)床的初始設(shè)想。1949 年，帕森斯公司與麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室合作，開始從事數(shù)控機(jī)床的研制工作。并于 1952 年試制成功世界上第一臺數(shù)控機(jī)床實(shí)驗(yàn)性樣機(jī)。這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補(bǔ)三坐標(biāo)連續(xù)控制銑床。經(jīng)過三年改進(jìn)和自動編程研究，于 1955 年進(jìn)入實(shí)用階段。一直到 20 世紀(jì) 50 年代末，由于價格和技術(shù)原因，品種多為連續(xù)控制系統(tǒng)。到了 60 年代，由于晶體管的應(yīng)用，數(shù)控系統(tǒng)提高了可靠性且價格開始下降，一些民用工業(yè)開始發(fā)展數(shù)控機(jī)床，其中多數(shù)是鉆床、沖床等點(diǎn)位控制的機(jī)床。數(shù)控技術(shù)不僅在機(jī)床上得到實(shí)際應(yīng)用，而且逐步推廣到焊接機(jī)、火焰切割機(jī)等，使數(shù)控技術(shù)不斷的擴(kuò)展應(yīng)用范圍。二、數(shù)控機(jī)床的發(fā)展自 1952 年，美國研制成功第一臺數(shù)控機(jī)床以來，隨著電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制和精密測量等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床也在迅速地發(fā)展和不斷地更新?lián)Q代，先后經(jīng)歷了五個發(fā)展階段。第一代數(shù)控：1952-1959 年采用電子管元件構(gòu)成的專用數(shù)控裝置。第二代數(shù)控：從 1959 年開始采用晶體管電路的 NC 系統(tǒng)。第三代數(shù)控：從 1965 年開始采用小、中規(guī)模集成電路的 NC 系統(tǒng)。第四代數(shù)控：從 1970 年開始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計算機(jī)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(jī)控制的系統(tǒng)。目前，第五代微機(jī)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)的。這些數(shù)控系統(tǒng)的通用性很強(qiáng)，幾乎只需改變軟件，就可以適應(yīng)不同類型機(jī)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(kuò)大，光纜通信技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控裝置中，使其體積日益縮小，價格逐年下降，可靠性顯著提高，功能也更加完善。近年來，微電子和計算機(jī)技術(shù)的日益成熟，它的成果正在不斷滲透到機(jī)械制造的各個領(lǐng)域中，先后出現(xiàn)了計算機(jī)直接數(shù)控系統(tǒng)，柔性制造系統(tǒng)和計算機(jī)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(jī)床為基礎(chǔ)，它們代表著數(shù)控機(jī)床今后的發(fā)展趨勢。9機(jī)床數(shù)控化改造的意義制造技術(shù)和自動化水平的高低已成為一個國家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，而其中最具代表性的就是數(shù)控機(jī)床。目前，我國是機(jī)床生產(chǎn)大國，但不是機(jī)床制造強(qiáng)國，國產(chǎn)機(jī)床的發(fā)展仍然難以支撐國民經(jīng)濟(jì)和國防軍工的需要。與世界先進(jìn)水平相比差距仍然十分明顯。因?yàn)橐环矫嫖覈胀C(jī)床保有量大，要將普通機(jī)床淘汰掉是不經(jīng)濟(jì)的，也是不現(xiàn)實(shí)的；另一方面，從我國目前生產(chǎn)狀況來看，仍然以生產(chǎn)普通機(jī)床為主。然而，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、精度低、成本高、供貨期長等缺點(diǎn)，從而使產(chǎn)品在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，這將直接影響一個企業(yè)的生產(chǎn)效益以及生存和發(fā)展。所以大力提高機(jī)床的數(shù)控化率已迫在眉睫，有很大的意義，而且普通機(jī)床的數(shù)控化改造將會長期存在，并會不斷的發(fā)展。機(jī)床數(shù)控改造的意義： 1）節(jié)省資金。 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）性能穩(wěn)定可靠。因原機(jī)床各基礎(chǔ)件經(jīng)過長期時效，幾乎不會產(chǎn)生應(yīng)力變形而影響精度。3）提高生產(chǎn)效率。機(jī)床經(jīng)數(shù)控改造后即可實(shí)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。4）可以采用最新的控制技術(shù)。可以根據(jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度及時地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機(jī)床改造為具有當(dāng)今水平的機(jī)床。二、設(shè)計任務(wù)10題目：普通車床 C6132 數(shù)字控制改造任務(wù)：將一臺 C6132 臥式車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。主要技術(shù)指標(biāo)如下：（1）床身上最大加工直徑 320mm；（2）最大加工長度 750mm；（3）X 方向（橫向）的脈沖當(dāng)量 δx=0.005mm/脈沖,Z 方向（縱向） δz=0.01mm/ 脈沖；（4）X 方向最快移動速度ｖ xmax=2500mm/min,Z 方向?yàn)椋鰖max=5000mm/min；（5）X 方向最快工進(jìn)速度 v maxf=400mm/min,Z 方向?yàn)?v zmaxf=800mm/min;（6）已知要求：背吃刀量 ，進(jìn)給量 f=0.2mm/rmap0.2?（7）已知橫向移動部件重 G=500N,縱向移動部件重為 G=1000N.（8）安裝螺紋編碼器，可以車削米/英制的直螺紋與錐螺紋，最大導(dǎo)程為 24mm；（9）安裝四工位立式電動刀架，系統(tǒng)控制自動選刀；（10）自動控制主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止，并可輸出主軸有級變速與無級變速信號；（11）自動控制冷卻泵的起/停；（12）安裝電動卡盤，系統(tǒng)控制工件的夾緊與松開；（13）縱、橫向安裝限位開關(guān)；三、總體方案的確定總體方案應(yīng)考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動方式、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng) CPU 的選擇以及進(jìn)給傳動方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。（1）臥式車床數(shù)控系統(tǒng)化改造后應(yīng)具有單坐標(biāo)定位，兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)以及螺紋插補(bǔ)的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計成連續(xù)控制型。（2）臥式車床經(jīng)數(shù)控化改造后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下，應(yīng)簡化結(jié)構(gòu)，降低成本。因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)常采用步進(jìn)電動機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)。（3）根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要求，決定選用MCS—51 系列的 8 為單片機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的 CPU。MCS—51 系列 8 為機(jī)具有功能多、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性/價比搞等優(yōu)點(diǎn)。（4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴(kuò)展成雪存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤與顯示電路、I/O 接口電路、D/A 轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等；還要選擇步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源以及主軸電動機(jī)的交流變頻器等。（5）為了達(dá)到技術(shù)指標(biāo)中的速度和精度要求，縱、橫向的進(jìn)給傳動應(yīng)選用摩擦力小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動間隙、提高傳動剛度，滾珠絲杠的螺母應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)等。（6）計算選擇步進(jìn)電動機(jī)，為了圓整脈沖當(dāng)量，可能需要減速輪副，且應(yīng)有削間隙機(jī)構(gòu)。（7）選擇四工位自動回轉(zhuǎn)刀架與電動卡盤，選擇螺紋編碼器等。四、機(jī)械傳動方案的分析與計算為了提高傳動效率和產(chǎn)品的加工精度，縱、橫向傳動全部用滾珠絲杠。由于本次改造的是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，其結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，調(diào)試、維護(hù)方便，一般用于精度不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，并且本次改造的機(jī)床主要用于粗加工及半精加工。為降低改造成本，決定采用伺服半閉環(huán)控制方式對 X 軸（橫向）和Z 軸（縱向）進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行改造。采用伺服電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動給 X 軸和 Z11軸絲杠；為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。1、縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的改造一般是伺服電動機(jī)減速驅(qū)動絲桿，螺母固定在溜板箱上，帶動刀架左右移動。伺服電機(jī)的布置，可放在絲桿的任意一端，對車床的改造來說，外觀不必象產(chǎn)品設(shè)計要求的那么高，而從改造方便，實(shí)用方面考慮，一般都把步進(jìn)電機(jī)放在縱向絲桿的右端。2、縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算 已知條件：工作臺重量 W=800N，加速時間常數(shù) t=25ms，滾珠絲杠基本導(dǎo)程L =6mm，快速進(jìn)給速度 V =2m/min。切削力計算由《機(jī)床設(shè)計手冊》可知，o max切削功率式中Pc=NηKP------電機(jī)功率，由條件我們選 P=4 KWη----主傳動系統(tǒng)總效率，一般為 0.75～0.85,取 η=0.8;K------進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù)，取為 K=0.96則： Pc =4×0.8×0.96=3.072kW切削功率應(yīng)按在各種加工情況下經(jīng)常遇到的最大切削力(或轉(zhuǎn)距)和最大切削轉(zhuǎn)速(或轉(zhuǎn)速)來計算,即Pc = ×1060z?F3?或Pc= 95Tn式中 F ---主主切削力(N);zν----切削速度（m/min）T----切削轉(zhuǎn)距(N.m)n----主軸轉(zhuǎn)速(r/min)設(shè)按最大切削速度來計算，取 ν=100m/min，則主切削力Fz= = （N）=1843.2（N）3106?vPc1072.3?從《機(jī)床設(shè)計手冊》中可得知，在一般外圓車削時：Fx=(0.1～0.6)Fz Fz=(0.15～0.7)FzFx=0.5Fz=0.5×1843.2＝921.6NFy=0.6Fz=0.6×1843.2=1105.92N(2)滾珠絲桿設(shè)計計算 滾珠絲杠副已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因此，滾珠絲杠副的設(shè)計歸為滾珠絲杠副型號的選擇。121）計算作用在絲杠上的最大動負(fù)荷 ：首先根據(jù)切削力和運(yùn)動部件的QF重量引起的進(jìn)給抗力，計算出絲杠的軸向載荷，再根據(jù)要求的壽命值計算出絲杠副應(yīng)能承受的最大動載荷 。Q式中 —工作負(fù)載(N)指數(shù)控機(jī)床工作時實(shí)際作用在滾珠絲桿上的軸向力 ;QF—運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，一般運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) 取 1.2~1.5，有沖擊的運(yùn)轉(zhuǎn) 取wf wf wf1.5~2.5；—硬度系數(shù)，為 60HRC 時， 為 1；為1;Hf Hf HfG —壽命(以 轉(zhuǎn)為單位 1，如 1.5 則為 150 萬轉(zhuǎn))。610壽命 G 可按下式計算：G= 60nT式中 n—滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速(r/min);T—使用壽命時間(h),數(shù)控機(jī)床 T 取 15000h。工作負(fù)載的數(shù)值可用《機(jī)床設(shè)計手冊》中進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計算，對于三角形或綜合導(dǎo)軌=k + ( +W)pFx'fz式中 、 —切削分力；pFzW—移動部件的重力 (800N)；k—考慮顛覆力矩影響的系數(shù)，k=1.15；—導(dǎo)軌上的因數(shù)， =0.15~0.18，取 =0.16。'f 'f'f則 =[1.15×921.6+0.16(184302+800)]N=1482.752NpF當(dāng)機(jī)床以線速度 v=100m/min,進(jìn)給兩 =0.3mm/r,車削直徑 D=80mm 的外f圓時，絲杠的轉(zhuǎn)速n= × = × r/min0DLvf?31 6804.3.?31則 G= = 萬轉(zhuǎn)=17.91 萬轉(zhuǎn)61nT659.?根工作負(fù)載 、壽命 G，取 =12， =1，計算出滾珠絲桿副承受的最大pFwfHf13動負(fù)荷= = ×1.2×1×1482.752N=4655.3NQF3GpHwf39.17由 F 查滾珠絲杠的產(chǎn)品樣本或《機(jī)床設(shè)計手冊》,選擇絲杠的型號.現(xiàn)在我們參照江蘇天安機(jī)械有限公司的滾珠絲杠的產(chǎn)品樣本,選擇滾珠絲杠的直徑為32mm，型號為 CDM3206-2.5-P3，其額定動載荷是 14022N，強(qiáng)度足夠用。參數(shù)技術(shù):142）效率計算：根據(jù)機(jī)械原理，絲杠螺母副的傳動效率 為0?式中 —螺紋的螺旋升角，該絲杠為 325?—摩擦角， 約等于 。??'10則 = =0.9530?)253tan('??3)剛度驗(yàn)算：滾珠絲杠工作時受軸向力和扭矩的作用，將引起基本導(dǎo)程 L的變化，因滾珠絲杠扭時引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計，故工作負(fù)載引0起的導(dǎo)程變化量 L 為?0L = 0ESFp0?式中 E—彈性模量，對于鋼，E=20.6 ×10 N/c ；62mS—滾珠絲杠截面積（按絲杠螺紋底徑確定 d，若 d=2.77cm） ，則 S=15=6.03c 。27.4cm??2其中， “+”用于拉伸時， “－”用于壓縮時。則 L = =?0c03.61.58??cm6107.???絲杠 1m 長度上導(dǎo)程變形總量誤差 為總L?= =11.78總 L/17.6060 ???/因 3 級精度絲杠允許的螺距誤差為 15 ，故此絲杠的精度足夠。m/（3）確定齒輪傳動比 根據(jù)系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量，選步進(jìn)電動機(jī)的步距角，則075.??25.10.367??i取齒輪齒數(shù) ,齒輪模數(shù) m=2m m,齒輪傳動時效率,241Z 98.0?i?（4）佩服電機(jī)的選擇1）負(fù)載傳動慣量估算 折算到伺服電機(jī)軸上的傳動慣量可按下式估算22321 )180(???giWiJJF??式中 --折算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量（ )2cmkg?齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量（ ）?1J1Z2ck?齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量（ ）22?絲杠的轉(zhuǎn)動慣量（ ）3J2cmkg?估算參數(shù)。??對于材料為鋼的圓柱形零件，其轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算LDJ4108.7???式中 D—圓柱零件的直徑（cm）L--_零件軸向長度（ cm）所以， 22441.0.. cmkgckgJ ????216087??162243 45.1102.308.7 cmkgckgJ ??????222222 9.0)7.038(.95.)( ckggiW????????負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量222 687.9.05.1)40(4. cmkgckgJF ????????????2）負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇 根據(jù)能量守恒定律，電動機(jī)等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩NLTiOPF ???????? 2.15.98053.21674033??若不考慮啟動時運(yùn)動部件慣性的影響，則啟動轉(zhuǎn)矩)5.0~3(FqT?取安全系數(shù)為 0.3，則 mNq???4/21因?yàn)閿?shù)控機(jī)床對動態(tài)性能要求較高，確定電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩時應(yīng)滿足快速空載起動時所需轉(zhuǎn)矩 T 的要求。0maxTf?式中 —空載快速起動時所需的轉(zhuǎn)矩（N ;max )?—克服摩擦所需轉(zhuǎn)矩（ ）;fTN---絲杠預(yù)緊所引起的折算到電動機(jī)軸上的附加轉(zhuǎn)矩（ ） 。O mN?當(dāng)工作臺快速移動時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速in/7.416min/625.10maxa rrLivno ???由動力學(xué)可知T =J εmaxF式中 ε----角加速度，計算公式為 ε=17。tn30π則 T = J ε=8.687×10 × =1.516maxF4?025.3716?mN??= =0.0175f .985.0282103/??????iLWT = =0.406o2.13.64303???i N??式中 F ----預(yù)加載荷, 一般為最大軸向載荷的 1/3,即 F /3p則 T= T + + T =(1.516+0.0175+0.406) maxfom?=1.940 N?3)伺服電機(jī)的最高工作頻率Hz=55.56Hz01.62601max????manf根據(jù)計算綜合考慮,查表選用 Star 系列 130ST-M06025H 型伺服電機(jī)。（5）橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算 已知條件：工作臺重量 W=300N，時間常數(shù)t=25ms,滾珠絲杠基本導(dǎo)程 L =4mm（左旋） ，快速進(jìn)給速度 =1m/min。由0 vmax于橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算與縱向類似，故計算過程略。選擇滾珠絲杠型號 CDM2004LH-182.5-P3;減速齒輪 Z =18, Z =30;伺服電機(jī)型號為 110ST-M0403H.1219結(jié) 論本課題結(jié)合目前國內(nèi)外數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，具體闡述了一種桌面型數(shù)控車床的設(shè)計開發(fā)過程。本文主要完成的工作如下：1、數(shù)控車床結(jié)構(gòu)方案的確定。分析了數(shù)控車床的特點(diǎn)，確定了數(shù)控車床基本結(jié)構(gòu)，并確定其基本尺寸。2、確定了數(shù)控車床技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)。對該數(shù)控車床的各向切削力進(jìn)行了計算。3、選擇了數(shù)控車床系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。采用了東達(dá)電控的電控箱。4、數(shù)控車床本體結(jié)構(gòu)設(shè)計。對數(shù)控車床各大功能組件進(jìn)行詳細(xì)的模塊化設(shè)計，確定零件結(jié)構(gòu)，繪制零件圖和裝配圖，并利用三維軟件對數(shù)控車床進(jìn)行了三維建模與運(yùn)動仿真。5、零件的剛度和壽命計算與校核。對各個已設(shè)計零件進(jìn)行剛度和壽命計算，確保滿足使用要求，使該數(shù)控車床有足夠的可靠性。20參考文獻(xiàn)[1] 陳嬋娟.數(shù)控車床設(shè)計[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2006：1-160.[2] 杜君文，鄧廣敏 .數(shù)控技術(shù)[M]. 天津：天津大學(xué)出版社，2002：37-56.[3] 謝紅.數(shù)控機(jī)床機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計指導(dǎo)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2004.8：50-84.[4] 蔡自興.機(jī)器人學(xué) [M].北京：清華大學(xué)出版社，2000：20-25.[5] 李佳.數(shù)控機(jī)床機(jī)應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001：70-88.[6] 張立勛.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計[M].高等教育出版社，2007：40-51.[7] 濮良貴.機(jī)械設(shè)計（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2004：34-46.[8] 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機(jī)械設(shè)計手冊編委會.機(jī)械設(shè)計手冊（第五版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：98-118.21[24] GB/T4346.1-2002，機(jī)床用手動自定心卡盤中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002：24-26.[25] 趙健.如何選擇數(shù)控車床[N].機(jī)械工程師，2001.3：97-100.[26] 王愛玲.現(xiàn)代數(shù)控原理及控制系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002.1：169-182.[27]Graham T. 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