普通CA6140車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造
普通CA6140車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造,普通,ca6140,車床,經(jīng)濟型,數(shù)控,改造
桂林航天工業(yè)高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計 第 27 頁 共 29 頁
1緒論
數(shù)控機床與普通機床相比,增加了功能,提高了性能,簡化了結(jié)構(gòu).較好地解決形狀復(fù)雜、精密、小批量及形狀多變零件的加工問題。能獲得穩(wěn)定的加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率，其應(yīng)用越來越廣泛，但是數(shù)控的應(yīng)用也受到其他條件限制：（1）數(shù)控機床價格昂貴，一次性投資巨大，中小企業(yè)常是心有力而力不足；（2）目前，各企業(yè)都有大量的普通機床，完全用數(shù)控機床替換根本不可能，而且替代下的機床閑置起來又會造成浪費；（3）在國內(nèi)，訂購新數(shù)控機床的交貨周期一般較長，往往不能滿足生產(chǎn)急需；（4）通用數(shù)控機床對某一類具體生產(chǎn)項目有多余功能。
要較好的解決上述問題，應(yīng)走通用機床數(shù)控改造之路。普通機床的改造就是在普通機床上增加微機數(shù)控裝置，使其具有一定的自動化能力，以實現(xiàn)額定的加工工藝目標(biāo)。這一工作早在20世紀60年代已經(jīng)在開始迅速發(fā)展，并有專門企業(yè)經(jīng)營這門業(yè)務(wù)。目前，國外已發(fā)展成為一個新興產(chǎn)業(yè)部門，從美國、日本等工業(yè)化國家的經(jīng)驗看，機床的數(shù)控化改造也必不可少，如日本的大企業(yè)中有26%的機床經(jīng)過數(shù)控化改造，中小企業(yè)則達74%。在美國有許多數(shù)控專業(yè)化公司為世界各地提供數(shù)控化改造業(yè)務(wù)。中國是擁有300多萬臺機床的國家，其中大部分是多年積累生產(chǎn)的普通機床，自動化程度低。要想在近幾年用自動和精密設(shè)備更新現(xiàn)有機床，不論是資金還是中國機床制造廠的能力都是辦不到的，因此，普通機床的數(shù)控化改造大有可為，它適合中國的經(jīng)濟水平、生產(chǎn)水平和教育水平，已成為中國設(shè)備技術(shù)改造的主要方向之一。
機床數(shù)控化改造的優(yōu)點：（1）改造閑置設(shè)備，能發(fā)揮機床原有的功能和改造后的新增功能，提高了機床的使用價值，可以提高固定資產(chǎn)的使用效率；（2）適應(yīng)多品種、小批量零件生產(chǎn)；（3）自動化程度提高、專業(yè)性強、加工精度高、生產(chǎn)效率高；（4）降低對工人的操作水平的要求；（5）數(shù)控改造費用低、經(jīng)濟性好；（6）數(shù)控改造的周期短，可滿足生產(chǎn)急需。因此，我們必須走數(shù)控改造之路。
普通車床（如C616，C618，CA6140）等是金屬切削加工最常用的一類機床。普通機床刀架的縱向和橫向進給運動是由主軸回轉(zhuǎn)運動經(jīng)掛輪傳遞而來，通過進給箱變速后，由光杠或絲杠帶動溜板箱、縱溜箱、橫溜板移動。進給參數(shù)要靠手工預(yù)先調(diào)整好，改變參數(shù)時要停車進行操作。刀架的縱向進給運動和橫向進給運動不能聯(lián)動，切削次序也由人工控制。
對普通車床進行數(shù)控化改造，主要是將縱向和橫向進給系統(tǒng)改為用微機控制的、能獨立運動的進給伺服系統(tǒng)；刀架改造成為能自動換刀的回轉(zhuǎn)刀架。這樣，利用數(shù)控裝置，車床就可以按預(yù)先輸入的加工指令進行切削加工。由于加工過程中的切削參數(shù)，切削次序和刀具都會按程序自動調(diào)節(jié)和更換，再加上縱向和橫向進給聯(lián)動的功能，數(shù)控改裝后的車床就可以加工出各種形狀復(fù)雜的回轉(zhuǎn)零件，并能實現(xiàn)多工序自動車削，從而提高了生產(chǎn)效率和加工精度，也能適應(yīng)小批量多品種復(fù)雜零件的加工。
2設(shè)計要求
2.1總體方案設(shè)計要求
總體方案設(shè)計應(yīng)考慮機床數(shù)控系統(tǒng)的類型，計算機的選擇，以及傳動方式和執(zhí)行機構(gòu)的選擇等。
（1）普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有定位、縱向和橫向的直線插補、圓弧插補功能，還要求能暫停，進行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此，數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng)。
（2）車床數(shù)控化改裝后屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，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，進給伺服系統(tǒng)采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。
（3）根據(jù)普通車床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經(jīng)濟性要求，經(jīng)濟型數(shù)控機床一般采用8位微機。在8位微機中，MCS—51系列單片機具有集成度高、可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強、具有很高的性價比，因此，可選 MCS—51系列單片機擴展系統(tǒng)。
（4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機數(shù)控系統(tǒng)中除了CPU外，還包括擴展程序存儲器，擴展數(shù)據(jù)存儲器、I/O接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工數(shù)據(jù)和機床狀態(tài)信息的顯示器，包括光電隔離電路和步進電機驅(qū)動電路，此外，系統(tǒng)中還應(yīng)包括螺紋加工中用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路。
（5）設(shè)計自動回轉(zhuǎn)刀架及其控制電路。
（6）縱向和橫向進給是兩套獨立的傳動鏈，它們由步進電機、齒輪副、絲杠螺母副組成，其傳動比應(yīng)滿足機床所要求的分辨率。
（7）為了保證進給伺服系統(tǒng)的傳動精度和平穩(wěn)性，選用摩擦 小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副，并應(yīng)有預(yù)緊機構(gòu)，以提高傳動剛度和消除間隙，齒輪副也應(yīng)有消除齒側(cè)間隙的機構(gòu)。
（8）采用貼塑導(dǎo)軌，以減小導(dǎo)軌的摩擦力。
總體方案設(shè)計圖如下圖（2）所示：
進給伺服系統(tǒng)總體方案方框圖如圖（3）所示：
2.2設(shè)計參數(shù)
設(shè)計參數(shù)包括車床的部分技術(shù)參數(shù)和設(shè)計數(shù)控進給伺服系統(tǒng)所需要的參數(shù)。
現(xiàn)列出CA6140臥式車床的技術(shù)數(shù)據(jù)：
名稱 技術(shù)參數(shù)
在床身上 400mm
工件最大直徑
在刀架上 210mm
頂尖間最大距離 650;900;1400;1900mm
宋制螺紋 mm 1---12(20種)
加工螺紋范圍 英制螺紋 t/m 2---24(20種)
模數(shù)螺紋 mm 0.25---3(11種)
徑節(jié)螺紋 t/m 7---96(24種)
最大通過直徑 48mm
孔錐度 莫氏6#
主軸 正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速級數(shù) 24
正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍 10—1400r/min
反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速級數(shù) 12
反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍 14---1580r/min
縱向級數(shù) 64
進給量 縱向范圍 0.028---6.33mm/r
橫向級數(shù) 64
橫向范圍 0.014---3.16mm/r
滑板行程 橫向 320mm
縱向 650;900;1400;1900mm
最大行程 140mm
刀架 最大回轉(zhuǎn)角 ±90°
刀杠支承面至中心的距離 26mm
刀杠截面B×H 25×25mm
頂尖套莫氏錐度 5#
尾座
橫向最大移動量 ±10mm
外形尺寸 長×寬×高 2418×1000×1267mm
圓度 0.01mm
工作精度 圓柱度 200:0.02
平面度 0.02/φ300mm
表面粗糙度Ra 1.6---3.2μm
主電動機 7.5kw
電動機功率
總功率 7.84kw
改造設(shè)計參數(shù)如下:
最大加工直徑 在床面上 400mm
在床鞍上 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 0.5m/min
橫向 0.25m/min
溜板及刀架重力 縱向 800N
橫向 600N
代碼制 ISO
脈沖分配方式 逐點比較法
輸入方式 增量值、絕對值通用
控制坐標(biāo)數(shù) 2
脈沖當(dāng)量 縱向 0.01mm/脈沖
橫向 0.005mm/脈沖
機床定位精度 ±0.015mm
刀具補償量 0mm---99.99mm
進給傳動鏈間隙補償量 縱向 0.15mm
橫向 0.075mm
自動升降速性能 有
2.3.其它要求
（1） 原機床的主要結(jié)構(gòu)布局基本不變，盡量減少改動量 ，以降低成本
縮短改造周期。
（2）機械結(jié)構(gòu)改裝部分應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保正
安裝、調(diào)試、拆卸方便，需經(jīng)常調(diào)整的部位調(diào)整應(yīng)方便。
3進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計與計算
3.1進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計
進給系統(tǒng)改造設(shè)計需要改動的主要部分有掛輪架、進給箱、溜板箱、溜板
刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一種方案：
掛輪架系統(tǒng)：全部拆除，在原掛輪主動軸處安裝光電脈沖發(fā)生器。
進給箱部分：全部拆除，在該處安裝縱向進給步進電機與齒輪減速箱總成
絲杠、光杠和操作杠拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠，滾珠絲杠的另一端支承座安裝在車床尾座端原來裝軸承座的部分。
溜板箱部分：全部拆除，在原來安裝滾珠絲杠中間支撐架和螺母以及部分操
作按鈕。
橫溜板箱部分：將原橫溜板的絲杠的、螺母拆除，改裝橫向進給滾珠絲杠螺
母副、橫向進給步進電機與齒輪減速箱總成安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠相連。
刀架：拆除原刀架，改裝自動回轉(zhuǎn)四方刀架總成。
3.2進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型
進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型內(nèi)容包括：確定脈沖當(dāng)量、計算切削力
滾珠絲杠螺母副的設(shè)計、計算與選型、齒輪傳動計算、步進電機的計算和選型等。計算簡圖如下圖所示：
3.2.1確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量
脈沖當(dāng)量是指一個進給脈沖使機床執(zhí)行部件產(chǎn)生的進給量,它是衡量數(shù)控機
床加工精度的一個基本參數(shù)。因此,脈沖當(dāng)量應(yīng)根據(jù)機床精度的要求來確定。對經(jīng)濟型數(shù)控機床來說，常采用的脈沖當(dāng)量為0.01mm/step和0.005mm/step,在CA6140的技術(shù)參數(shù)中，要求縱向脈沖當(dāng)量fp為0.01mm/step。橫向脈沖當(dāng)量為fp=0.005mm/step。
3.2.2縱向滾珠絲杠螺母副的副的型號選擇雨校核步驟
（1）最大工作荷載計算
滾珠絲杠的工作載荷Fm（N）是指滾珠絲杠副的在驅(qū)動工作臺時滾珠絲
杠所承受的軸向力，也叫做進給牽引力。它包括滾珠絲杠的走到抗力及與移動體重力和作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力。
由于原普通CA6140車床的縱向?qū)к壥侨切螌?dǎo)軌，則用公式3-1計算
工作載荷的大小。
Fm=KFL+f’(Fv+G) （3-1）
1）車削抗力分析
車削外圓時的切削抗力有Fx﹑Fy﹑Fz，主切削力Fz與主切削速度方向一致
垂直向下，是計算機床主軸電機切削功率的主要依據(jù)。切深抗力Fy與縱向進給垂直，影響加工精度或已加工表面質(zhì)量。進給抗力Fx與進給方向平行且相反指向，設(shè)計或校核進給系統(tǒng)是要用它。
縱切外圓時，車床的主切削力Fz可以用下式計算：
Fz=CFzαPXFzfyFzVnFz KFz （3-2）
=5360(N)
由《金屬切削原理》知：
Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4 （3-3）
得 Fx=1340(N)
Fy=2144(N)
因為車刀裝夾在拖板上的刀架內(nèi)，車刀受到的車削抗力將傳遞到進給拖板和導(dǎo)軌上，車削作業(yè)時作用在進給托板的載荷F1﹑Fv和Fc與車刀所受到的車削抗力有對應(yīng)關(guān)系。
因此，作用在進給托板上的載荷可以按下式求出：
托板上的進給方向載荷 F1=Fx=1340(N)
托板上的垂直方向載荷 Fv=Fz=5360(N)
托板上的橫向載荷 Fc=Fy=2144(N)
因此，最大工作載荷 Fm=KFL+f’(Fv+G)
=1.15×1340+0.04×(5360+90×9.8)
=1790.68(N)
對于三角形導(dǎo)軌K=1.15, f’=0.03～0.05,選f’=0.04(因為是貼塑導(dǎo)軌)，G是
縱向﹑橫向溜板箱和刀架的重量，選縱向﹑橫向溜板箱的重量為75kg,刀架重量為15kg.
（2）最大動載荷C的計算
滾珠絲杠應(yīng)根據(jù)額定動載荷Ca選用，可用式3-4計算：
C=fmm （3-4）
L為工作壽命，單位為10r，L=60nt／10;n為絲杠轉(zhuǎn)速（r／min）,n=1000v／L0;v為 最大切削力條件下的進給速度（m／min）,可取最高進給速度的1/2～1/3;L0為絲杠的基本導(dǎo)程，查資料得L0=12mm;fm為運轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，因為此時有沖擊振動，所以取fm=1.5.
V縱向=1.59mm/r×1400r/min=2226mm/min
n縱向=v縱向×1/2/L0=2226×1/2/12=92.75r/min
∴ L=60nt/106=60×92.75×15000/106=83.5
則 C=fmFm =×1.5×1790.68=11740（N）
初選滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格，相應(yīng)的額定動載荷Ca不得小于最大載荷C;因此有
Ca＞C=11740N
另外例如滾珠絲杠副有可能在靜態(tài)或低速運轉(zhuǎn)下工作并受載，那么還需考慮其另一種失效形式-滾珠接觸面上的塑性變形。即要考慮滾珠絲杠的額定靜載荷Coa是否充分地超過了滾珠絲杠的工作載荷Fm,一般使Coa/Fm=2～3.
初選滾珠絲杠為：外循環(huán)，因為內(nèi)循環(huán)較外循環(huán)絲杠貴，并且較難安裝。考慮到簡易經(jīng)濟改裝，所以采用外循環(huán)。
因此初選滾珠絲杠的型號為型CD63×8-3.5-E型，主要參數(shù)為
Dw=4.763mm,Lo=8mm,dm=63mm,λ=2o19 ’，圈數(shù)×列數(shù)3.5×1
（3）縱向滾珠絲杠的校核
1）傳動效率計算
滾珠絲杠螺母副的傳動效率為η
η=tgλ/tg(λ+φ)=tg2o19 ’/tg(2o19 ’+10’)=92% （3-5）
2）剛度驗算
滾珠絲杠副的軸向變形將引起導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響其定位精度和運動平穩(wěn)性，滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形，絲杠和螺母之間滾道的接觸變形，絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。
1 絲杠的拉壓變形量δ1
δ1=±Fml/EA （3-6）
=±1790.68×2280/20.6×10×π×(31.5)2
=0.0064mm
2 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量δ2
采用有預(yù)緊的方式，
因此用公式 δ2=0.0013× （3-7）
=0.0013×2
=0.0028mm
在這里 Fyj =1/3Fm=1/3×1790.68=597N
Z=πdm/Dw=3.14×63/4.763=41.53
Z∑=41.53×3.5×1=145.36
絲杠的總變形量δ=δ1+δ2=0.0064+0.0028=0.0092mm<0.015mm
查表知E級精度絲杠允許的螺距誤差為0.015mm，故所選絲杠合格。
3）壓桿穩(wěn)定性驗算
滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細長桿，若軸向工作負載過大，將使絲杠失
去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時的臨界載荷為Fk
Fk=fz2EI/L2 （3-8）
式中：E為絲杠材料彈性模量，對鋼E=20.6×104Mpa；I為截面慣性矩，對絲杠圓截面I=πdl4/64(mm4)(dl為絲杠的底徑)；L為絲杠的最大工作長度（mm）；fz為絲杠的支撐方式系數(shù)由表3-1查得。
表3-1：
方式
兩端端自由
一端固定一端自由
兩端固定
兩端簡支
Fz
0.25
2.0
4.0
1.0
由Fk=fzπ2EI/L2 且fz==2.0, E=20.6×104Mpa, I=πdl4/64mm4,L=2800mm為絲杠的長度
由于I=πdl4/64
=π(63-5.953)4/64
=3.14×57.0474/64
=519614mm
Fk=2×3.142×20.6×104×519614/28002
=276276
Nk=276276/1875
=149>>4
所以絲杠很穩(wěn)定。
3.2.3 橫向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟
（1）型號選擇
1）最大工作載荷計算
由于導(dǎo)向為貼塑導(dǎo)軌，則：k=1.4 f’=0.05,F1為工作臺進給方向載荷，
Fl=2141N,Fv=5360N,Fc=1340N,G=60kg,t=15000h,
最大工作載荷：Fm=kF1+f’(Fv+2Fc+G)
=1.4×2144+0.05(5360+2×1340+9.8×75)
=3440.4N
2）最大動載荷的計算
V橫=1400r/min×0.79mm/r=1106mm/min
n橫絲=v橫×1/2/L0縱=1106×1/2/4=138.25r/min
L=60nt/=60×138.25×15000/106=124.43
C=fmFm =×1.5×3440.4=25763.7N
∴初選滾珠絲杠型號為：CD50×6-3.5-E
其基本參數(shù)為Dw=3.969mm,λ=2o11’,L0=6mm,dm=50mm,圈數(shù)×列數(shù)×3.5×1
(2) 橫向滾珠絲杠的校核
1）傳動效率η計算
η==tgλ/tg(λ+φ)=tg2o11 ’/tg(2o11 ’+10’)=93%
2) 剛度驗算
1. 絲杠的拉壓變形量
δ1=±Fm×L/EA=±3440.4×320/20.6×104×π×252=±0.0027mm
2.滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量
δ2=0.0013×
=0.0013×2
=0.0070mm
在這里Fyj=Fm/3=3352.6/3=1118N
Z=πdm/Dw=3.14×50/3.969=39.56
Z∑=39.56×3.5×1=138.48
絲杠的總變形量
δ=δ1+δ2=0.0027+0.0070=0.0097mm<0.015mm
查表知E級精度允許的螺距誤差為0.015mm，故所選絲杠合格
（3）滾珠絲杠螺母副的精度等級：
數(shù)控機床根據(jù)定位精度的要求通常選用1---5級精度的滾珠絲杠，1---5級
度絲杠的行程公差數(shù)值如表（2）所示：
項目
符號
有效行程lm/mm
精度等級
1
2
3
4
5
目標(biāo)行程公差
ep
＜315
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
行程變動量公差
Vmp
＜315
6
8
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300mm內(nèi)行程變動量
V300p
6
8
12
16
23
2πrad內(nèi)行程變動量
V2πp
4
5
6
7
8
表（2）滾珠絲杠行程公差/μm
3.2.4齒輪有關(guān)計算
(1)縱向齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計算
1）有關(guān)齒輪計算，由前面的條件可知：
工作臺重量：W=80kgf=800N(根據(jù)圖紙粗略計算)
滾珠絲杠的導(dǎo)程: Lo=12mm
步距角: α=0.75°/step
脈沖當(dāng)量: δp=0.01mm/step
快速進給速度：Vmax=2m/min
所以,變速箱內(nèi)齒輪的傳動比
i====2.5 （3-9）
齒輪的有關(guān)參數(shù)選取如下:
Z1=32 , Z2=40 ,模數(shù)m=2mm
齒寬 b=20mm 壓力角α=20°
齒輪的直徑 d1=mz1=2×32=64mm
d2=mz1=2×40=80mm
dα2=d1+2ha*=68mm
dα2=d2+2ha*=84mm
兩齒輪的中心矩 a= = =72mm
2）轉(zhuǎn)動慣量計算
工作臺質(zhì)量折算到步進電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量:
J1=W()2= ( )2 ×80×=0.467kg.cm2 （3-10）
對材料為鋼的圓柱形零件,其轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算:
J=7.8×10-4D4L kg.cm2 （3-11）
式中 D---圓柱形零件的直徑,cm
L---零件的軸向長度,cm
所以,絲杠的轉(zhuǎn)動慣量:
J1=7.8×10-4+D4L1=7.8×10-4×3.24×140.3=11.475 kg.cm2
齒輪的轉(zhuǎn)動慣量:
=7.8×10-4×6.44×2=2.617 kg.cm2
=7.8×10-4×84×2=6.39 kg.cm2
電動機轉(zhuǎn)動慣量很小,可忽略。
因此，折算到步進電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量
J=(1/i2)（JS+Jz2）+Jz1+J1=(1/2.52)（11.475+6.39）+2.617+0.467=5.942 kg.cm2=59.42N. cm2
絲杠名義直徑/mm
導(dǎo)程/mm
1m長絲杠的轉(zhuǎn)動慣量kg.cm2
絲杠名義直徑/mm
導(dǎo)程/mm
1m長絲杠的轉(zhuǎn)動慣量kg.cm2
20
4
0.94
50
10
35.76
5
0.84
12
31.98
25
5
2.24
60
8
81.58
6
2.00
10
78.02
30
5
4.91
12
74.96
6
4.47
70
8
157.35
35
5
9.26
10
150.47
6
8.72
12
145.13
8
8.30
80
10
263.49
40
5
16.29
12
255.84
6
15.45
90
10
420.31
8
15.18
12
392.75
45
6
26.13
100
12
649.56
8
24.54
16
615.16
10
22.63
20
562.44
50
6
39.75
120
20
1233.93
8
37.64
24
1144.60
表(3)滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量
3）所需轉(zhuǎn)動力矩計算
快速空載啟動時所需力矩
M=Mamax+Mf+Mo
最大切削負載時所需力矩
M=Mat+Mf+Mo+Mt
快速進給時所需力矩
M=Mf+Mo
式中, Mamax---空載啟動時折算到電動機軸上的加速度力矩;
Ma---折算到電動機軸上的加速度力矩;
Mf---折算到電動機軸上的摩擦力矩;
Mo---由絲杠預(yù)緊所引起,折算到電動機軸上的附加摩擦力矩;
Mat---切削時折算到電動機軸上的加速力矩;
Mt---折算到電動機軸上的切削負載力矩;
Ma=×10-4N.m （3-12）
式中, J---轉(zhuǎn)動慣量, kg.cm2
n---絲杠轉(zhuǎn)速,r/min
T---時間常數(shù),s
當(dāng)n=nmax時 Ma=Mamax
nmax===416.7 r/min
Mamax= ×10-4=2.49N.m
當(dāng)n=nt時, Ma=mat
nt====24.88 r/min
Mat= ×10-4=0.0616N.mMf== N.cm （3-13）
式中 f’---導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)
nt---切削加工時的轉(zhuǎn)速，r/min;
w---移動不見的重量，N;
Lo---絲杠導(dǎo)程，cm;
i---傳動比；
η--- 傳動效率。
當(dāng) η=0.8 f’=0.16時，
Mf= = 12.23 N.cmMo=(1-) （3-14）
式中， ηo---絲杠未預(yù)緊時的效率，取0.9
FO---預(yù)加載荷，一般為最大軸向載荷的1 / 3，即FP / 3
則 Mo==×(1-0.92)=8.108N.cm
Mt===128 N.cm
所以，快速空載啟動所需力矩
M=Mamax+Mf+Mo=103+12.23+8.108=123.338 N.cm
切削時所需力矩
M=Mat+Mf+Mo+Mt=6.16+12.23+8.108+128=151.42 N.cm
快速進給時所需力矩
M=Mf+Mo=12.23+8.108=20.338 N.cm
由以上分析計算可知：所需最大力矩Mamax發(fā)生在快速啟動時
Mmax=123.338 N.cm
(2)橫向齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計算
1)有關(guān)齒輪計算，由前面的條件可知：
工作臺重量：W=30kgf=300N(根據(jù)圖紙粗略計算)
滾珠絲杠的導(dǎo)程: Lo=4mm
步距角: α=0.75°/step
脈沖當(dāng)量: δp=0.005mm/step
快速進給速度：Vmax=1m/min
所以,變速箱內(nèi)齒輪的傳動比
i====1.67
齒輪的有關(guān)參數(shù)選取如下:
Z1=18 , Z2=30 ,模數(shù)m=2mm
齒寬 b=20mm 壓力角α=20°
d1=36mm d2=60mm
da1 =40mm da2=64mm a=48mm
2)轉(zhuǎn)動慣量計算
工作臺質(zhì)量折算到步進電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量:
J1=W()2= ( )2 ×30×=0.0439 kg.cm2
絲杠的轉(zhuǎn)動慣量:
Js=7.8×10-4×24×50=0.624 kg.cm2
齒輪的轉(zhuǎn)動慣量:
=7.8×10-4×3.64×2=0.262 kg.cm2
=7.8×10-4×64×2=2.022 kg.cm2
電動機轉(zhuǎn)動慣量很小,可忽略。
因此，折算到步進電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量
J=(1/i2)（JS+Jz2）+Jz1+J1=()2（0.624+2.022）+0.262+0.0439=1.258 kg.cm2=12.58N. cm2
3)所需轉(zhuǎn)動力矩計算
nmax===416.7 r/min
Mamax= ×10-4=0.2184N.m=2.18kgf.cm
nt====33.17 r/min
Mat= ×10-4=0.0174N.m=0.174 kgf.cm
Mf== = =0.287kgf.cm=0.028N.m
Mo==×(1-0.92) =0.649kgf.cm =0.065N.m
Mt===10.242kgf.cm =1.024 N.m
所以，快速空載啟動所需力矩
M=Mamax+Mf+Mo=2.18+0.287+0.065=2.532kgf.cm =25.32 N.cm
切削時所需力矩
M=Mat+Mf+Mo+Mt=0.174+0.287+0.649+10.242=11.352kgf.cm=113.52 N.cm
快速進給時所需力矩
M=Mf+Mo=0.287+0.649 =0.936kgf.cm = 9.36N.cm
由以上分析計算可知：所需最大力矩Mamax發(fā)生在快速啟動時
Mmax=2.532 kgf.cm =25.32 N.cm
（3）繪制進給伺服系統(tǒng)的機械裝配圖
在完成滾珠絲杠螺母副和步進電機的計算選型，完成齒輪傳動比計算后
可以著手繪制進給伺服系統(tǒng)的機械裝配圖。
在繪制機械裝配圖時，除了從總體上考慮機床布局情況以及伺服進給機構(gòu)
與原機床的聯(lián)系外，還應(yīng)認真的考慮與具體結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)的一些問題。
1）了解原機床的詳細結(jié)構(gòu)，從有關(guān)資料中查閱床身、縱溜板、橫溜板、刀架等的結(jié)構(gòu)尺寸。
2）根據(jù)載荷特點和支承形式確定絲杠兩端支承軸承的型號，軸承座的結(jié)構(gòu)以及軸承預(yù)緊和調(diào)節(jié)方式，確定齒輪軸支承軸承的型號。
3）減速齒輪的參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸計算，確定齒輪側(cè)隙的調(diào)整方法，在滿足裝配工藝的前提下，合理設(shè)計齒輪箱結(jié)構(gòu)。
4） 考慮各部位間的定位、聯(lián)接和調(diào)整方法。例如，應(yīng)保證絲杠兩端支承與滾珠絲杠螺母同軸，保證絲杠與機床導(dǎo)軌平行，考慮螺母座。軸承座在安裝面上的聯(lián)接與定位、齒輪箱在安裝面上的定位、步進電機在齒輪箱上的聯(lián)接與定位等。
5）考慮密封、防護、潤滑以及安全機構(gòu)等問題。例如，絲杠螺母的潤滑、防塵、防鐵屑保護、軸承的潤滑及密封、齒輪的潤滑及密封、行程限位保護裝置等。
6）在進行各零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保證安裝、調(diào)試和拆卸的方便。
此外，注意繪制裝配圖時的一些基本要求。例如，制圖標(biāo)準(zhǔn)、視圖布
置及圖形畫法要求、重要的中心距、中心高、聯(lián)系尺寸和輪廓尺寸的標(biāo)準(zhǔn)、重要配合的標(biāo)注、裝配技術(shù)要求、標(biāo)題欄要求等。
4 步進電動機的計算與選型
4.1步進電動機選用的基本原則
合理選用步進電動機是比較復(fù)雜的問題，需要根據(jù)電動機在整個系統(tǒng)中的實際工作情況，經(jīng)過分析后才能正確選擇?，F(xiàn)僅就選用步進電機最基本的原則介紹如下：
4.1.1步距角α
步距角應(yīng)滿足 α ≤ （4-1）
式中， i---傳動比
αmin---系統(tǒng)對步進電動機所驅(qū)動部件要求的最小轉(zhuǎn)角
4.1.2精度
步進電動機的精度可以用步距誤差或累積誤差衡量，累積誤差是指轉(zhuǎn)子從任意位置開始，經(jīng)過任意步后，轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值，用累積誤差衡量精度比較實用，所選用的步進電動機應(yīng)滿足：
△θm≤i [△θs] （4-2）
式中， △θm ---步進電動機的累積誤差。
[△θs]---系統(tǒng)對步進電動機驅(qū)動部分允許的角度誤差。
4.1.3轉(zhuǎn)矩
為了使步進電動機正常運轉(zhuǎn)（不失步，不越步）正常啟動并滿足對轉(zhuǎn)速的要求，必須考慮以下條件
a. 起動力矩。一般選取為
Mq≥MLo/0.3-0.5 （4-3）
式中，Mq---電動機起動力矩
MLo---電動機靜負載力矩
根據(jù)步進電動機的相數(shù)和拍數(shù)，啟動力矩選取如表（4）所示，表中MJM為步進電動機的最大靜載矩，是步進電動機技術(shù)數(shù)據(jù)中給出的。
運行方式
相數(shù)
3
3
4
4
5
5
6
6
拍數(shù)
3
6
4
8
5
10
6
12
Mg/Mjm
0.5
0.866
0.707
0.707
0.809
0.951
0.866
0.866
表（4）步進電動機相數(shù)、拍數(shù)啟動力矩表
在要求的運行頻率范圍內(nèi)，電動機運行運行力矩應(yīng)大于電動機的靜載力矩與電動機轉(zhuǎn)動慣量（包括負載的轉(zhuǎn)動慣量）引起的慣性矩之和。
4.1.4啟動頻率
由于步進電動機的啟動頻率隨著負載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的增大而降低，因此，相應(yīng)負載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的極限啟動頻率應(yīng)滿足：
Ft≥[fop]m (4-4)
式中，ft---極限啟動頻率，
[fop]m---要求步進電動機最高啟動頻率。
4.2步進電動機的選折
4.2.1 CA6140縱向進給系統(tǒng)步進電機的確定
Mq==308.35 N.cm
為滿足最小步距要求，電動機選用三相六拍工作方式，查表知：
Mq/Mjm=0.866
所以步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩Mjm為：
Mjm==356.06 N.cm
步進電動機最高工作頻率：
fmax==3333.3 HZ
綜合考慮，查步進電機技術(shù)數(shù)據(jù)表選用90BF002型直流電動機，能滿足使用要求。
4.2.2CA6140橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定
Mq==63.3 N.cm
電動機仍選用三相六拍工作方式，查表知：
Mq/Mjm=0.866
所以步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩Mjm為：
Mjm==73.09 N.cm
步進電動機最高工作頻率：
fmax==3333.3 HZ
為了便于設(shè)計和采購，仍選用90BF002型直流電動機，能滿足使用要求。
5主軸交流伺服電機
5.1主軸的變速范圍
主軸能實現(xiàn)的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比稱為變速范圍Rn，
即Rn=nmax/nmin,數(shù)控機床的工藝范圍寬，切削速度與刀具，工件直徑變化 很大，所以主軸變速范圍很寬。
由于Nmax=1800 nmax=14
Nmax/nj=2nj/min (5-1)
則nj==113r/min
這里nj為電動機的額定轉(zhuǎn)速
該機床主軸要求的恒功率調(diào)速范圍Rn為：
Rn= nmax /nj
=1800/113=15.9 (5-2)
主軸電機的功率是：7.5kw
5.2初選主軸電機的型號
選主軸電機的型號為：SIMODRIVE系列交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)型號為1HP6167-4CB4，連續(xù)負載PH/KW=14.5，間隙負載（60%）/kw=17.5kw,短時負載（20min）/kw=19.25kw,額定負載n/r.min-1=5000,最大轉(zhuǎn)速nmax/ r/min=8000，額定轉(zhuǎn)矩277N.m,慣性矩0.206/kg.m2晶體管PWM變頻器型號為6SC6058-4AA02
5.3主軸電機的校核
電動機恒恒功率調(diào)速范圍：
Rn= nmax/nmin
=8000/5000 =16
所以所選電動機型號的調(diào)速范圍滿足主軸所要求的調(diào)速范圍。
6微機控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
6.1控制系統(tǒng)的功能要求
（1）z向和x向進給伺服運動控制
（2）自動回轉(zhuǎn)刀架控制
（3）螺紋加工控制
（4）行程控制
（5）鍵盤及顯示
（6）面板管理
（7）其他功能：光電隔離、功率放大、報警、急停、復(fù)位。
6.2硬件電路的組成：
后面所畫大圖采用MCS-51系列單片機組成的控制系統(tǒng)硬件電路原理圖。電路的組成如下：
（1）CPU采用8031芯片；
（2）擴展程序存儲器2764兩片，6264一片；
（3）擴展可編程接口芯片8155兩片；
（4）地址鎖存器，譯碼器個一個；
（5）鍵盤電路，顯示電路；
（6）光電隔離電路，功率放大功率；
（7）越程報警電路，急停電路，復(fù)位電路；
（8）面板管理電路。
6.3設(shè)計說明
（1）CPU采用8031芯片，由于片內(nèi)無程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器也只有128字節(jié)，因此，擴展外部程序存儲器2764兩片（16KB），數(shù)據(jù)存儲器6264（8KB）一片。8031的I/O口也不能滿足輸入輸出口的要求，本系統(tǒng)也擴展了兩片8155可編程接口芯片。
（2）采用74LS138三--—八譯碼器的輸出作為片選信號。2764（1）、2764（2）、6264、8155（1）和8155（2）的片選信號分別接到譯碼器的Y0~Y4,74LS138的輸入A、B、C分別接8031的P2.5、P2.6、P2.7。
（3）由于2764和6264芯片都是8KB，需要13根地址線，A0~A7低8位接74LS373芯片的輸出。A8~A12接8031芯片的P2.0~P2.A，74LS373地址鎖存器在選通信號ALE在高電平時直接傳送8031P0口低8位地址，當(dāng)ALE在高電平變低電平的下降沿時，低8位地址鎖存器，此時，P0口可用來向片外傳送讀寫數(shù)據(jù)。
（4）接口芯片與外設(shè)的聯(lián)接及設(shè)計說明如下：
8155（2）PA.0~PA.7輸出的指令脈沖通過光電隔離電路和功率放大電路直接驅(qū)動縱向和橫向步進電機的共八相繞組。在本系統(tǒng)中采用軟件環(huán)形分配器方式，雖然運行速度慢一些，但可以省去兩個硬件環(huán)形分配器，電路比較簡單，由于步進電機的每一相繞組需和一個I/O接口相連，以便與控制寄存器中某一指定相位對應(yīng)，因此，占用的I/O口數(shù)量較多。
8155（2）的PC.0~PC.5作為顯示器位選信號，顯示器的段選信號則由8031的P1.0~P1.7發(fā)出，8155的PB.0~PB.3是鍵盤掃描輸入。
行程限位報警信號+Z,-Z,+X,-X分別通過8155（2）的PB.4,PB.5,PB.6,PB.7提出中斷請求，根據(jù)不同的中斷口可以直接識別行程的方向，此時相應(yīng)的紅燈報警。
8155小的PC.0~PC..3接自動回轉(zhuǎn)刀架（四方刀架），自動回轉(zhuǎn)刀架需要換刀時，由PC.0~PC..3發(fā)出換位信號，經(jīng)交流控制箱控制刀架電機回轉(zhuǎn)，到達指定的刀位。刀架夾緊后，即發(fā)出回答信號，表示已完成換刀過程，可以進行切削加工。換刀回答信號經(jīng)8155（1）的PB.5輸入計算機，控制刀架開始進給。
8155（1）PA.0~PA.5接控制面板上的控制開關(guān)，設(shè)有編輯空運行、自動、手工（I）、手工（II）、回零等選著方式。
8155（1）PB.0~PB.4接控制面板上的按鈕開關(guān)，設(shè)有啟動、暫停、單段運行、連續(xù)運行、急停等操作功能。
加工螺紋時，與車床主軸相連的光電脈沖發(fā)生器會發(fā)出螺紋加工信號和零位螺紋信號，螺紋加工信號送入8031的T0，通過設(shè)置不同的時間常數(shù)，可以改變主軸每轉(zhuǎn)時的縱向進給量，從而加工出不同螺距的螺紋，零位螺紋信號送入8155（1）的PB6,用來防止多次走刀時螺紋亂扣。
（5）系統(tǒng)各芯片采用全地址譯碼，各存儲器及I/O接口芯片地址編碼見表（5）
（6）操作面板設(shè)計方案之一見圖（5）：
芯片
接74LS138引腳
地址選擇線
片內(nèi)地址單元（字節(jié)）
地址編碼
2746（1）
Y0
000X XXXX XXXX XXXX
8K
0000H~1FFFH
2746（2）
Y1
001X XXXX XXXX XXXX
8K
2000H~3FFFH
6264
Y2
010X XXXX XXXX XXXX
8K
4000H~5FFFH
8155（1）
RAM
Y3
0111 1110 XXXX XXXX
256
7E00H~7EFFH
I/O
Y3
0111 1111 1111 1XXX
6
7FF8H~7FFDH
8155（2）
RAM
Y4
1001 1110 XXXX XXXX
256
9E00H~9EFFH
I/O
Y4
1001 1111 1111 1XXX
6
9FF8H~9FFDH
表(5)芯片地址編碼
7車床改造的結(jié)構(gòu)特點
7.1.滾珠絲桿
滾珠絲桿必須采用三點支承形式。步進電動機的布置可放在絲杠的任一端，由于拆除了進給箱，可在原安裝進給箱處布置步進電動機和減速齒輪，也可在滾珠絲桿的左端設(shè)計一個專用軸承支承座，而在絲杠托架處布置步進電動機和減速箱。
7.2導(dǎo)軌副
為減少運動部件移動時的摩擦阻力，尤其是減少靜摩擦阻力，滑板和刀架移動部件的導(dǎo)軌可粘貼摩擦系數(shù)低的聚四氟乙烯軟帶
7.3安裝電動卡盤
為了提高經(jīng)濟型數(shù)控機床的加工效率，還可考慮用電動三爪自定心卡盤裝置，這種裝置也可與數(shù)控裝置的信號電路相配合，實現(xiàn)自動夾緊、松開，提高加工過程的自動化程。
7.4脈沖發(fā)生器
改造后的簡易數(shù)控車床需要自動化加工螺紋時，可以在主軸后端同軸安裝或者異軸安裝一個主軸脈沖發(fā)生器，作為主軸位置的信號反饋元件，目的是用來檢測主軸轉(zhuǎn)角的位置，并且將其變化情況輸送給數(shù)控裝置，使其能按照所加工螺紋的螺距值進行處理。
8安裝調(diào)整中應(yīng)注意的問題
8.1滾珠絲杠螺母副的選擇：
滾珠絲杠螺母副的制造精度要求高，加工工藝比較復(fù)雜。都是由專業(yè)工廠按系列化進行生產(chǎn)。因此在進行設(shè)備改造時，要按廠家生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)進行選擇。選擇合適以后再決定被改造設(shè)備的 其他相關(guān)部分的結(jié)構(gòu)和尺寸。
8.2滾珠絲杠螺母副的調(diào)整：
利用螺母的 間隙調(diào)整裝置調(diào)整絲杠副間隙時，應(yīng)使調(diào)整后產(chǎn)生的 預(yù)緊力為絲杠副最大負載的1 / 3為宜。在 實際調(diào)整中，可以把車床處于最大工作負載，使絲杠內(nèi)部仍不產(chǎn)生間隙或者間隙量小于0.01mm，而且運轉(zhuǎn)靈活，并以此作為螺母間隙調(diào)整裝置預(yù)緊的判斷標(biāo)準(zhǔn)。
8.3聯(lián)軸器的安裝：
傳動絲杠軸線上各聯(lián)軸套上的錐銷孔座按十字分布方式進行配做。這是因為同一聯(lián)軸套上分布的錐孔都由同一方向加工時，往往會引起軸線的直線度誤差增大，從而使安裝在絲杠上各零件間的同軸度誤差增大，產(chǎn)生傳動附加載荷，影響絲杠副的傳動性能。
8.4主軸脈沖發(fā)生器的安裝：
主軸脈沖發(fā)生器的的引出軸按比例1：1無間隙柔性連接傳動，連接后應(yīng)保證兩者都有很好的同步性，安裝中要注意主軸脈沖發(fā)生器是玻璃件，不能隨意敲打碰撞，使用中車床主軸轉(zhuǎn)速不能超過脈沖發(fā)生器的最高許用轉(zhuǎn)速。
結(jié)論
這次課題設(shè)計總計費時一個多月，剛開始時不知從何下手，在老師的指導(dǎo)下到圖書館查閱相關(guān)資料。有關(guān)數(shù)控上的資料翻了數(shù)次，有參考了相關(guān)設(shè)計資料，終于知道了該怎么做。接下來塞選出一系列有價值的資料，與同組同學(xué)不斷的討論、向老師請教，終于完成了設(shè)計。
在做設(shè)計的過程中，不但復(fù)習(xí)了所學(xué)過的知識點，還學(xué)到了新的知識，同時將所學(xué)到的知識充分的運用起來，做到了學(xué)以致用，還學(xué)會了查資料，除此之外，我還懂得了團結(jié)合作的重要性，知道了集體的力量！
當(dāng)然，在此過程中也有許多不足之處，例如：知識的不全面，所學(xué)的還沒有全部掌握，思維的狹隘等，讓我在畢業(yè)前上了生動形象的一課。
同時，做設(shè)計也是磨練決心與毅力的過程，面對復(fù)雜冗長的數(shù)據(jù)，打印長篇的論文，我也想過放棄，但想到它的意義我就又堅持了下來。做完了后，有一種豁然開朗的感覺，內(nèi)心激動無比，經(jīng)過了這次設(shè)計以后，我有信心，我也堅信只要努力、堅持，我們就能走好人生的每一步。
參考文獻
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