0摘 要隨著當今工業(yè)設備對精密程度的要求越來越高，加工設備的機械加工設備的加工的精密程度也要求越來越高。而在中國的機械加工設備的車床中普通車床占了很大比例。這已經(jīng)越來越制約著當今工業(yè)的發(fā)展。而數(shù)控機床由于價格昂貴，且需要較高技術(shù)的加工工人。所以對機床進行自動化改造很是必要。本篇論文是在對普通臥式車床 CA6140 的基礎上對其進行機電一體化改造。作者在搜索、查閱研究大量有關資料的基礎上，對機床自動化改造技術(shù)進行了深入的研究和分析，并描述了機床控制系統(tǒng)的設計。整個改造過程主要對車床縱、橫向進給系統(tǒng)進行改造，絲杠選用摩擦損失小，效率高，精度高，壽命長的滾珠絲杠,電機選用步進電機,電動機與滾珠絲杠用齒輪減速；刀架改造成能自動換刀的回轉(zhuǎn)刀架，由脈沖發(fā)生器來加工所需要的螺紋；整個控制系統(tǒng)以 JKW-15T 型號的單片機為中心，通過編程對機床的驅(qū)動設備進行控制以達到所需要的加工程度。關鍵詞：機床改造； 自動化機床； 控制系統(tǒng)1ABSTRACTWith the development of industry equipment, the precision required of industry equipment is more and more high. The more and more precision of equipment which machined the industry equipment is required. But in China the common lathe have a very great comparison in the machined equipment, this already restrict the development of industrial nowadays. But the CN lathe is more expensive, and needed workers with higher technically. So it is a necessity very much to modify the common lathe to lathes automatic. This paper is in the foundation of the commonness horizontal lather CA6140 and modified it to Lathes automatic.The author has performed the further research and for the lathes automatic modification on the basis of the constant consultation of abundant relative documents, which focuses on describing the design of control of the machine. Screw on the choice of friction loss, high efficiency, high precision, long life of the ball screw, the electrical selected stepper motor, motor and the ball screw with gear deceleration.The main to modify the lathe is to modify the portrait, horizontal enter to the system in the Whole modification process and choose the automatic knife rest and be processed the thread need by pulser. The whole control system with the CPU of JKW-15T is to control the machine for center, through a plait distance drive tool machine an equipments to carry on control to attain need of process degree.Key words: Machinery Tool Reform； Lathes automatic； Servo system2目 錄第一章 緒 論 .11.1 機電一體化的發(fā)展 .11.1.1 機電一體化技術(shù) .11.1.2 機電一體化發(fā)展概述 .21.2 機電一體化改造的必要性 .31.2.1 機床改造的意義 .31.2.2 機床改造的市場 .41.3 機電改造的內(nèi)容 .61.4 本文的選題及主要研究內(nèi)容 .81.4.1 本文的選題 .81.4.2 主要研究內(nèi)容 .81.5 車床總體改造方案 .91.5.1 設計基本思路 .91.5.2 設計要求 10第二章車床改造的機械部分設計 132.1 進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)改造設計 132.2 進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型 152.2.1 確定系統(tǒng)的脈沖當量 152.2.2 切削力計算 162.3 滾珠絲杠的設計計算與選用 172.3.1 滾珠絲杠簡介 172.3.2 縱向滾珠絲杠的設計與計算 182.3.3 橫向滾珠絲杠的設計與計算 262.3.4 滾珠絲杠的安裝與使用 332.4 電機與滾珠絲杠連接用減速齒輪的設計與校核 362.4.1 齒輪傳動 362.4.2 縱向減速齒輪的設計與校核 372.4.3 橫向減速齒輪的設計與校核 412.5 進給系統(tǒng)的步進電動機的計算與選擇 452.5.1 步進電動機 4532.5.2 縱向電機的計算與選擇 482.5.3 橫向電機的計算與選擇 512.6 電動刀架選擇與介紹 55第 3 章 主軸脈沖發(fā)生器介紹與選型 .583.1 光電編碼器原理 583.2 主軸脈沖發(fā)生器的安裝 603.3 主軸脈沖發(fā)生器的選擇 60第四章 控制裝置的選用 .634.1 JWK-15T 的簡介 634.2 功能分配 654.3 程序設計 67第五章 結(jié)論 78參考文獻 79英文原文 81中文譯文 90致 謝 970第一章 緒 論1.1 機電一體化的發(fā)展1.1.1 機電一體化技術(shù)機電一體化的實質(zhì)是機械工程技術(shù)與微電子技術(shù)的結(jié)合。機電一體化技術(shù)是一門跨學科的綜合性的復合技術(shù)，它隨機械工程技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、激光技術(shù)、材料工程技術(shù)的發(fā)展而進步。機電一體化的一些共性關鍵技術(shù)有：信息處理技術(shù)、檢測傳感技術(shù)、自動控制技術(shù)、伺服傳動技術(shù)、精密機械技術(shù)、系統(tǒng)總體技術(shù)等。把機電一體化技術(shù)應用于生產(chǎn)和生活所開發(fā)出來的新產(chǎn)品叫做機電一體化產(chǎn)品。數(shù)控機床、機器人、全自動智能洗衣機等是典型的機電一體化產(chǎn)品。在發(fā)達國家中，機床的數(shù)控化已達 25%以上，而我國還不到 1%。但是，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，各行業(yè)對數(shù)控機床的需求量將增加。世界機器人的擁有量在未來 10 年將以 25%~30%的速度增長，將進入生產(chǎn)自動化、航天、深海以及軍事、農(nóng)業(yè)、辦公、醫(yī)院、家庭、社區(qū)等諸多領域。像全自動智能洗衣機這樣生活領域中的許許多多機電一體化產(chǎn)品已經(jīng)被人們所喜愛，還在被大量地開發(fā)出來。以信息為主要工作對象，既有控制功能的系統(tǒng)工程可稱為機電一體化系統(tǒng)。比如，CIMS 是比較大的機電一體化系統(tǒng)工程。它將制造系統(tǒng)、設計系統(tǒng)、經(jīng)營管理系統(tǒng)、信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)通過計算機系統(tǒng)及通信網(wǎng)絡聯(lián)系起來。它是一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)，輸入的是關于產(chǎn)品的概念和需要，輸出的是經(jīng)檢驗合格可交付使用的產(chǎn)品，實現(xiàn)機械工廠綜合自動化。11.1.2 機電一體化發(fā)展概述人類用機器體系代替手工勞動生產(chǎn)是在 1785 年蒸汽機在紡織工廠的使用而開始的。1873 年出現(xiàn)的第一臺凸輪控制車床，開始了機械自動化的進程。1910~1920 年美國福特汽車公司通過設計制造大量專用機床，首先建立生產(chǎn)流水線，創(chuàng)造平均每分鐘生產(chǎn)一輛汽車的記錄，并使生產(chǎn)成本大大降低。20 世紀 40 年代后期，人們利用機器的、電氣的和液壓的自動化裝置，設計制造出各種高效的自動化機床，并用自動輸送帶將各個單獨的機床連接成自動生產(chǎn)線，從而使單一的品種大量生產(chǎn)為特征的剛性自動化生產(chǎn)達成成熟階段。自動化生產(chǎn)對提高勞動生產(chǎn)率、保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本和推動社會進步起了不可估量的作用。20 世紀 40 年代世界上誕生了第一臺數(shù)字計算機，使數(shù)控技術(shù)（Numerical Control-NC）的出現(xiàn)成為可能，1952 年美國麻省理工學院首先研制成專用電子計算機控制的三坐標立式數(shù)控銑床，解決了單件小屁生產(chǎn)自動化問題，開創(chuàng)了將計算機應用于機械裝備自動控制的新時代。1958 年，第一臺具有自動換刀裝置和刀庫的數(shù)控機床即加工中心（Machining Center-MC）在美國研制成功，進一步提高了數(shù)控機床的自動化程度。第一臺工業(yè)機器人（Industrial Robot）于 1959 年出現(xiàn)于美國。最早的工業(yè)機器人是極坐標式的，它的出現(xiàn)對自動化制造技術(shù)具有很大的意義。工業(yè)機器人可自動進程裝配、焊接、噴漆、熱處理、清砂、澆注鑄件以及在惡劣環(huán)境中工作等。1960 年，美國研制成功自適應控制機床（Adaptive Control Machine Tools） ，使機床具有一定的智能，可以有效提高加工質(zhì)量。 1962 年和 1963年又相繼在美國出現(xiàn)了圓柱坐標式工業(yè)機器人和計算機輔助設計及繪圖系統(tǒng)（Computer Aided Design-CAD） ，后者為自動化設計與制造之間的集成奠定了基礎。進入 20 世紀 70 年代以來，以大規(guī)模集成電路和微型電子計算機為代表2的微電子技術(shù)，迅速地被應用到機械工業(yè)中，促進了機械工業(yè)突飛猛進發(fā)展，出現(xiàn)了種類繁多的微電子技術(shù)控制的機械、儀器和軍械裝備，以及柔性制造線 FML、柔性制造系統(tǒng) FMS 和自動化制造系統(tǒng)，這樣就大幅度地提高了產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率，適應了市場對產(chǎn)品多樣化的要求，豐富了熱門類的物質(zhì)文明。今天，機械裝備的面貌已煥然一新，成為機與電高度融合的整體，不僅成為人類體力的延伸，而且成為人類智力的延伸。1.2 機電一體化改造的必要性1.2.1 機床改造的意義通常說“機床的真正價值在于使用” 。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，即使原來屬于新穎，先進的機床也會逐漸變得陳舊，落后，滿足不了產(chǎn)品種類的日益增加，質(zhì)量不斷提高的需要，因此， “技術(shù)老化”是客觀規(guī)律。據(jù)有關資料報導，在一些工業(yè)發(fā)達國家里，設備的平均役齡控制在 10~20年之間，設備的“技術(shù)老化”期已短于 10 年，10 年役齡以內(nèi)的設備能夠達到設備總數(shù)的 50%左右。由此可見，設備速度相當快，一是用技術(shù)更為先進的新設備來代替技術(shù)性能“老化”了的舊設備；另一是進行有效的技術(shù)改進，使舊設備適應新的生產(chǎn)需要。例如，美國和西歐的一些工業(yè)先進國家，在鋼鐵企業(yè)中雖然早已實現(xiàn)了現(xiàn)代化，可是舊設備并沒有全部毀棄，而是通過技術(shù)改造的方法，使一些舊的設備能夠達到使用新技術(shù)，新工藝的需要，繼續(xù)生產(chǎn)出具有競爭能力的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。目前，我國的工廠企業(yè)，除了一些新建單位外，大多數(shù)都存在“技術(shù)老化”的問題設備役齡在 15 年以上的，所占比重相當大，面對這么多陳舊設備應該怎么辦？這是一個急待解決的大問題。為實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化，我們同樣要創(chuàng)造和引進新技術(shù)，新工藝，新設備，進行必要的設備更新。另一方面動員機械制造業(yè)的廣大職工，堅持自力更3生和勤儉本企業(yè)的方針，大搞技術(shù)革新，挖掘設備潛力，更具有現(xiàn)實意義。而改造機床是深受大家歡迎的一種革新形式，為滿足生產(chǎn)的需要已經(jīng)做出了重大的貢獻。例如，某機械廠生產(chǎn)的只要產(chǎn)品是板框壓濾機，生產(chǎn)批量很大，僅慮壓板每年需要兩萬多塊，總重量 2200 多噸。為了滿足生產(chǎn)的需要，如果設計制造一條新的加工作業(yè)線，需要投資 20 余萬元，便改裝成了專用加工作業(yè)線。此作業(yè)線自 1960 年投產(chǎn)以來，到現(xiàn)在已使用了 20 多年了，一直負擔者全部慮壓板的生產(chǎn)任務，并且加工質(zhì)量很穩(wěn)定。又如，這個廠利用一臺報廢了的皮帶傳動龍門刨的床身，改裝成了一臺行程 8 米的導軌磨，從 1972 年改裝成功到現(xiàn)在，共大修本廠機床 400 多臺次，協(xié)助兄弟廠大修床身百余臺，并且修磨精度高，光潔度好；然而改裝這臺機床只投資 5000 元，可是購買一臺新的導軌磨床卻要花費 10 幾萬元。改造機床的效益是多方面的，再從提高生產(chǎn)率看，假設改造機床 100 萬臺，每臺生產(chǎn)率提高 20%，這就等于多生產(chǎn) 20 萬臺新機床；反之，如果不對舊機床實行技術(shù)改造，當前生產(chǎn)的新機床在技術(shù)水平上或數(shù)量上又不能及時地滿足生產(chǎn)需要時，那就勢必會影響國民經(jīng)濟的高速發(fā)展。通過上述事例不難看出，機床改造不但是解決設備“技術(shù)老化”的重要途徑，能夠滿足生產(chǎn)發(fā)展的需要，而且可以獲得十分客觀的經(jīng)濟效果。1.2.2 機床改造的市場（1）機床數(shù)控化改造的市場我國目前機床總量 380 余萬臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有 11.34 萬臺，即我國機床數(shù)控化率不到 3％。近 10 年來，我國數(shù)控機床年產(chǎn)量約為0.6～0.8 萬臺，年產(chǎn)值約為 18 億元。機床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為 6％。我國機床役齡 10 年以上的占 60％以上；10 年以下的機床中，自動/半自動機床不到 20％，F(xiàn)MC/FMS 等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半4自動機床占 60％以上）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機床，而且半數(shù)以上是役齡在 10 年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。（2）進口設備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進技術(shù)、設備和生產(chǎn)線進行技術(shù)改造。據(jù)不完全統(tǒng)計，從 1979～1988 年 10 年間，全國引進技術(shù)改造項目就有 18446 項，大約 165.8 億美元。這些項目中，大部分項目為我國的經(jīng)濟建設發(fā)揮了應有的作用。但是有的引進項目由于種種原因，設備或生產(chǎn)線不能正常運轉(zhuǎn)，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴重的使企業(yè)陷入困境。一些設備、生產(chǎn)線從國外引進以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護不當，結(jié)果運轉(zhuǎn)不良；有的引進時只注意引進設備、儀器、生產(chǎn)線，忽視軟件、工藝、管理等，造成項目不完整，設備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動運行，沒有發(fā)揮應有的作用；有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好，但是因為設備故障不能達產(chǎn)達標；有的因為能耗高、產(chǎn)品合格率低而造成虧損；有的已引進較長時間，需要進行技術(shù)更新。種種原因使有的設備不僅沒有創(chuàng)造財富，反而消耗著財富。這些不能使用的設備、生產(chǎn)線是個包袱，也是一批很大的存量資產(chǎn)，修好了就是財富。只要找出主要的技術(shù)難點，解決關鍵技術(shù)問題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產(chǎn)，爭取到最大的經(jīng)濟效益和社會效益。這也是一個極大的改造市場。51.3 機電改造的內(nèi)容一.控制部分目前，在機械加工工業(yè)中，絕大多數(shù)是舊式機床，如果改用微機控制、實現(xiàn)機電一體化的改造，會使機床適應小批量、多品種、復雜零件的加工，不但提高加工精度和生產(chǎn)率，而且成本低、周期短，適合我國國情。利用微機實現(xiàn)機床的機電一體化改造的方法有兩種，一種是以微機為中心設計控制部件；另一種是采用標準的步進電機數(shù)字控制系統(tǒng)作為主要控制裝置，前者需要重新設計控制系統(tǒng)，比較復雜；后者選用國內(nèi)標準化的微機空控制系統(tǒng)，比較簡單。這種標準的微機控制系統(tǒng)通常采用單板機、單片機、驅(qū)動電源、步進電機及專用控制程序組成的開環(huán)控制，如圖 1-1 所示，其結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉。對機床的控制過程大多是用單片機單板機按照輸入的加工程序進行插補運算，產(chǎn)生進給，由軟件或硬件實現(xiàn)脈沖分配，輸出一系列脈沖，凈功率放大、驅(qū)動刀架、縱橫軸運動的步進電機，實現(xiàn)刀具按規(guī)定的輪廓線軌跡運動。微機進行插補運算的速度較快，可以讓單板機沒完成一次插補、進給，就執(zhí)行一次延時程序，由延時程序控制進給速度。二．機械部分機電一體化系統(tǒng)的機械系統(tǒng)與一般的機械系統(tǒng)相比，除要求具有較高的定位精度之外，還應有較好的動態(tài)響應特性，就是說相應要快、穩(wěn)定性要好。一個典型的機電一體化系統(tǒng)，通常由控制部件、接口電路、功率放大電路、執(zhí)行元件、機械傳動部件、導向支承部件，以及檢測傳感部件等部分組成。為確保機械系統(tǒng)的傳動精度和工作穩(wěn)定性，在設計中，常提出無間隙、低摩擦、地慣量、高剛度、高諧振頻率、適當?shù)淖枘岜鹊纫蟆檫_到上述要求主要從一下幾個方面采取措施。（1） 采用低摩擦阻力的傳動部件和導向支承部件，如采用滾珠絲杠副、6滾動導向支承、動（靜）壓導向支承等。（2） 縮短傳動鏈，提高傳動與支承剛度，如用加預緊的方法提高滾珠絲杠副和滾珠導軌副的傳動與支承剛度；采用大扭矩、寬調(diào)速的直流或交流伺服電機直接與絲杠螺母副連接以減少中間傳動機構(gòu)；絲杠的支承設計中采用兩端軸向預緊或拉伸支承機構(gòu)等。（3） 選用最佳傳動比，以達到提高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量，盡可能提高加速能力。（4） 縮小反向死區(qū)誤差，如采取消除傳動間隙、減少支承變形的措施。（5） 改進支承及架體的結(jié)構(gòu)設計以提高剛性、減少振動、降低噪聲。如選用復合材料等來提高剛度和強度，減輕重量、縮小體積使結(jié)構(gòu)緊密化，以確保系統(tǒng)的小型化、輕量化、高速化和高可靠性化。 刀 架電 機刀 架 控 制 電 路繼 電 器回轉(zhuǎn)刀架 （ ）車床縱橫等軸限位主軸脈沖發(fā)生器 光電隔離驅(qū)動器 功率放大電路/口擴展存儲器擴展微機 急 停 、清 零 等功 能 按 鈕 電機電機電機7圖 1-1 開環(huán)控制系統(tǒng)框圖1.4 本文的選題及主要研究內(nèi)容1.4.1 本文的選題目前，我國的工廠企業(yè)，除了一些新建單位外，大多數(shù)都存在“技術(shù)老化”的問題設備役齡在 15 年以上的，所占比重相當大，面對這么多陳舊設備應該怎么辦？這是一個急待解決的大問題。用普通臥式車床去加工有時一個人加工的東西都會誤差很大，這樣給所造設備帶來很多的小問題。而如果要新買一臺新的數(shù)控車床，一是總體成本太高，因為性價比不是太高，容易浪費資源，二是工廠沒有工人精通數(shù)控車床，所以要培訓工人一定又要花費很多時間影響生產(chǎn)進度。所以設想決定對其數(shù)控改造，改造的同時讓操作人員一直在旁邊學習，學習怎么改裝，怎么安裝，并講解如何使用。把所要加工的零件程序輸入到存儲器中，用到時直接調(diào)用即可，這樣一個人即可操作兩臺機床，而且效率提高了好大，精度也會提高很高，會為廠帶來很大經(jīng)濟利益。1.4.2 主要研究內(nèi)容1. CA6140 車床數(shù)控化改造總體機械部件設計。2.進給系統(tǒng)的設計和選用。包括了進給滾珠絲杠的設計與選用，消隙8減速齒輪系的設計計算與校核，進給用步進電機的選擇與校核。3．主軸脈沖發(fā)生器的安裝4．刀架的選用5.數(shù)控系統(tǒng)的選擇1.5 車床總體改造方案1.5.1 設計基本思路普通車床（如 C616,C618,C620,CA6140,C630）等是金屬切削加工最常用的一類機床。Φ400㎜普通車床的布局如圖 1-2 所示。當工件隨主軸回轉(zhuǎn)時，通過刀架的縱向和橫向移動，能加工出內(nèi)外圓柱面、圓錐面、端面、螺紋面等。借助成形刀具，還能加工出各種成形回轉(zhuǎn)面。普通車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、縱溜板、橫溜板移動。進給參數(shù)要靠手工預先調(diào)整好，改變參數(shù)時要停車進行操作。刀架的縱向進給和橫向進給不能聯(lián)動，切削次序也由人工控制。9圖 1-2 400mm 普通車床的結(jié)構(gòu)布局圖?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)改造成為微機控制的、能獨立運動的進給伺服系統(tǒng)；刀架改造成能自動換刀的回轉(zhuǎn)刀架。這樣，利用數(shù)控裝置，車床就可以按預先輸入的加工指令進行切削加工。由于切削加工中的切削參數(shù)，切削次序和刀具都會按程序自動進行調(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)率和加工精度，也能適應小批量多品種復雜零件的加工。1.5.2 設計要求1.總體設計要求總體方案設計應考慮機床數(shù)控系統(tǒng)的運動方式，伺服系統(tǒng)的類型，計10算機的選擇，以及傳動方式和執(zhí)行機構(gòu)的選擇。（1）普通車床數(shù)控化改造后應具有定位，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)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。（2）車床數(shù)控改裝設計后屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，再保證一定加工精度的前提下，應簡化結(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。再 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，具有很高的性能價格比。因此，可選擇 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)中還應包括螺紋加工用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路。（5）設計自動回轉(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，并應有預緊機構(gòu)。（8）采用貼塑導軌，以減小導軌的摩擦力。進給伺服系統(tǒng)總體方案方框圖如圖 1-3 所示11向向步 進電 機 床 鞍 及 拖 板中 拖 板步 進電 機功率放大功率放大光電隔離光電隔離微機圖 1-3 車床進給伺服系統(tǒng)總體方案框圖2.設計參數(shù)設計參數(shù)包括車床的部分技術(shù)參數(shù)和設計數(shù)控進給伺服系統(tǒng)所需要的參數(shù)。以 CA6140 改裝為例，設計參數(shù)如下：最大加工直徑 在床面上 400㎜在床鞍上 210 ㎜最大加工長度 1000㎜快進速度 縱向 2.4m/min橫向 1.2m/min溜板及刀架重力 縱向 800N橫向 600N主電動機功率 7.5kW代碼制 ISO脈沖分配方式 逐點比較法12輸入方式 增量值，絕對值通用控制坐標數(shù) 2最小指令值（脈沖當量） 縱向 0.01㎜/脈沖橫向 0.005㎜/脈沖機床定位精度 ±0.015㎜刀具補償量 0㎜～99.99㎜進給傳動鏈間隙補償量 縱向 0.15㎜橫向 0.075㎜自動升降速性能 有3.其他要求（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)改裝部分應注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保證安裝、調(diào)試、拆卸方便；需經(jīng)常調(diào)整的部位調(diào)整應方便第二章車床改造的機械部分設計2.1 進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)改造設計進給系統(tǒng)改裝設計需要改動的主要部件有掛輪架、進給箱、溜板箱、溜板、刀架等，改裝的方案不唯一的，一下以 C630 車床為例，介紹其中的一種方案。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。13進給箱部分：全部拆除，在該處安裝縱向進給步進電動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按章在車廠尾座端原來裝軸承座的部分。溜板箱部分：全部拆除，在原處安裝滾珠絲杠中間支撐架和螺母以及部分操作按鈕。溜板部分：將原橫（縱）溜板中的絲杠、螺母拆除，改裝橫（縱）向進給滾珠絲杠螺母副，橫（縱）向進給步進電機與齒輪減速器總成安裝在橫（縱）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。改裝后機床總體布局如圖 2-1 所示14螺釘 件螺釘 件 鍵6-1件鍵6-1件：11.5：急停拆去防護罩向旋轉(zhuǎn)徐繼敏徐海學院機自04-2學號：269圖 2-1 車床改裝總體布置圖152.2 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：確定脈沖當量，計算切削力，滾珠絲杠螺母副的設計、計算與選型，齒輪傳動計算，步進電機的計算與選型等。計算簡圖如圖 2-2 所示圖 2-2 進給系統(tǒng)計算簡圖(a)縱向進給 (b)橫向進給2.2.1 確定系統(tǒng)的脈沖當量脈沖當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技術(shù)參數(shù)。因此，脈沖當量應根據(jù)機床精度的要求來確定。對經(jīng)濟型數(shù)控機床來說，常采用的脈沖當量為 0.01mm/脈沖~0.005mm/脈沖。前述 CA6140 的技術(shù)參數(shù)中，要求縱向脈沖當量為0.01mm/脈沖，橫向脈沖當量為 0.005mm/脈沖。2.2.2 切削力計算16在進給系統(tǒng)的傳動計算、選用步進電機時，都要用到切削力（機床的主要負載） ，切削力的分析和計算可以參考以下簡單而實用的經(jīng)驗公式。縱切外圓時，車床的主切削力 Fz 可以用下式計算：N5.167.0??DFZ式中：D 為在車床床面上加工的最大直徑（mm） 。橫切斷面時，主切削力約為 。ZF21走刀方向的切削分力 和垂直走刀方向的切削分力 可按以下比例求出：X YF4.051：：：： ?YXZF切削力的示意圖見圖 2-3橫 切 端 面縱 車 外 圓圖 2-3 縱車外圓及橫切端面切削力示意2.3 滾珠絲杠的設計計算與選用2.3.1 滾珠絲杠簡介滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運動的理想的產(chǎn)品。17滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，這是滾珠螺絲的進一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應用于各種工業(yè)設備和精密儀器。滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。 1)與滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩為 1/3 由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動運動,所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩達到 1/3 以下,即達到同樣運動結(jié)果所需的動力為使用滾動絲杠副的 1/3。在省電方面很有幫助。2)高精度的保證滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機械設備連貫生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對溫度·濕度進行了嚴格的控制,由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。3)微進給可能滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動,所以啟動力矩極小,不會出現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實現(xiàn)精確的微進給。4)無側(cè)隙、剛性高滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達到負值,進而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加予壓力,在實際用于機械裝置等時,由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強)。5)高速進給可能滾珠絲杠由于運動效率高、發(fā)熱小、所以可實現(xiàn)高速進給(運動)。182.3.2 縱向滾珠絲杠的設計與計算以下公式參考自《實用機床設計手冊》已知條件：工作臺重量 =80KG=800N 工件及夾具最大重量 =200N 工作臺1W2W最大行程 =1000mm 工作臺導軌的摩擦系數(shù)為 u=0.05 快速進給速度LK=2.4m/min 定位精度為 15um/300mm,全行程 25um,重復定位精度為maxV10um 要求壽命為 10000 小時（單班制工作十年） 。絲杠螺母副材料硬度50-60HRC，工作溫度小于 100℃，溫升 =4℃，可靠性要求 96%，采用雙推t?-雙推（F-F）支承組合方式，運轉(zhuǎn)一般。各種切削方式的縱向切削力 Fa,速度 V 和時間比例 q 及其他見下表表一 各種切削方式的縱向切削力 Fa,速度 V 和時間比例 q切削方式縱向切削力Pxi(N)垂向切削力Pzi(N)進給速度Vi(m/min)工作時間百分比%絲杠軸向載荷(N)絲杠轉(zhuǎn)速r/min強力切削2000 1200 0.6 10 2200 60一般切削1000 500 0.8 30 1150 80精切削 500 200 1 50 620 100快速進給0 0 2.4 5 1000 37519FZD405-3P圖 2-4 進給用滾珠絲杠裝配圖（1）計算負荷與轉(zhuǎn)速導軌摩擦力: = =0.05(800+200)=50NfFW?不計重負荷引起的導軌摩擦力，絲杠軸向負荷分別為：強力切削：2050；一般切削：1050；精切削：550；快速進給：50伺服電機最高工作轉(zhuǎn)速： =1500r/minmaxn絲杠轉(zhuǎn)速： =600r/min5.210??S絲杠導程 ： =4mm 表 3.7-21 得 5mmPh64Ph?絲杠轉(zhuǎn)速: Vinp由上表查的 =0.6m/min, =0.8m/min, =1m/min, =2.4m/min1v2v3v4v代入得 120r/min， 160r/min， 200r/min， 480r/min n?n?n?n?等效轉(zhuǎn)速： 10104321 ttttm????數(shù)據(jù)代入得 184r/minn?20等效載荷 3 434323211 1010100 ???????? mmmmm ntFntFntFntF帶入數(shù)據(jù)得 ＝984.5N（2）初選滾珠絲杠副由公式《實用機床設計手冊》 （3.7－24）知6 )(01wkahtmaKfFCnL???查《實用機床設計手冊》表（3.7－51）—表（3.7－54）得 tf＝1， hf＝1， af＝ 1， kf＝0.53， wf=1.3， hL＝10000h代入數(shù)據(jù)可求得 ＝11584.38N=11.6KNc初選絲杠為內(nèi)循環(huán)，浮動反相器，雙螺母墊片預緊。公稱直徑 d0=40mm,基本導程 =5mm。滾珠直徑 =3.5,5 列。型號為 FFZD40*5-5,查《實用Ph?WD機床設計手冊》表 3.7-61 序號 8，額定動載荷 =22KN 大于算出的ac（11.6KN） ，預緊力 =0.25 =925N，大于最大軸得載荷 2050N 的acPFmax1/3，這種絲杠是可用的。絲杠的螺紋部分長度 ； 等于工作臺最大行程 （1000mm）加螺紋長ul LK度 L（110mm）加兩端導程 (20mm).eL=1000+110+2*20=1150mmul支承跨距 ，應大于 ，取 =1300mm1ul1絲杠全長 L=1400mmF-F 支承方式的絲杠一般不會受壓縮力作用，可不效和壓桿的穩(wěn)定性。絲杠彎曲振動臨界轉(zhuǎn)速21查《實用機床設計手冊》表 3.7-37 得 f=4.73式中 = -1.22 =0.03573m2d0WD臨界轉(zhuǎn)速的支承距離 =1200mm=1.2m2ueKClLlL???計算得 ＝5501.3r/mincrncrmax(3)預拉伸計算1） 溫升引起是我伸長量 ,溫升為 4℃，則螺紋部分伸長量為：t?=a = =50.6umth??ul15.4016??絲杠全長的伸長量 為ta =57.2um?t 3.61?l為此絲杠的目標行程可定為比公稱行程小 0.02/1.30mm，絲杠在安裝時，進行預拉伸，拉伸量 為 0.05mm 拉伸方式可參看《實用機床設計手冊》圖0?3.7-262）預拉伸力 tF根據(jù)材料力學歐拉公式=3924.58N2050/315.10.2034105`0 ?????utlAE?（4）軸承的選擇采用成對較 60°接觸角推力角接觸球軸承為固定端，軸承型號7603020TVP，查表 3.7-39，其尺寸參數(shù)為：d=20mm,D=52mm,B=15mm,Z=13, =7.144mm,技術(shù)參數(shù)為：C=24500N, =45500N, =2800r/min,預加WD0Cmaxn22負荷 =2900N。PF?。╊A負荷軸承的預負荷不應小于軸承最大載荷的 1/3，絲杠兩端固定，故軸承的最大載荷等于預拉伸力 加最大外載荷的一半。t=4949.58N,故符合要求。20518.39421max????Ft2）疲勞壽命計算軸承要求的動負荷可按式 3.8-2 計算nNFhCfK1?考慮到數(shù)控機床本身特點，上式中系數(shù) ， ， ， 均取 1fK1Nnk進給力的方向是可變的，軸承負荷，可能是 P= ,也可能是 ,mFmtFP2??兩者機會均等，故取其平均值 P= t當量轉(zhuǎn)速 184R/min,故 =0.57mn?nf壽命為 10000h ,則 =2.71hf=18658.97N58.39247.01?C可以看出，7603020TVP 型軸承額定動載荷 24500 N 符合。(5)定位精度驗算1）絲杠在拉壓負荷下的最大強性變形 根據(jù)公式 3.7-34maxsF?=0.003612661max 0.034.4104?????sFAEL?? aFm?=278N/asFaSK03.mx?m23強力切削 =7.38um 一般切削 =3.78ummaxsF? maxsF?精切削 =1.98um 快進切削 =0.18ums s2)滾珠絲杠與螺母間的接觸變形 C?CaKF??FFZD40*5-5 滾珠絲杠的 =2150N/umCK強力切削 =0.95um 一般切削 =0.49umC? C?精切削 =0.26um 快進切削 =0.02um3)軸承的接觸變形 B60°接觸角推力接觸球軸承的軸向剛度按下式計算 31052)sin(6.3aWBa FDK???式中 Z-滾動體個數(shù)，這里 Z=13接觸角，這里 =60°??-滾動體直徑，這里 =0.007114mWW-軸向預緊力，這里 =2900N0aF0aF故 =282/um3152 )29074.6sin(.3??BKB=a?強力切削 =7.27um 一般切削 =3.72um Ba Ba?精切削 =1.95um 快速進給 =0.18um?4)螺母剛度 H24取 =1000N/um HkaKF??強力切削 =2.05um 一般切削 =1.05um H H?精切削 =0.55um 快速進給 =0.05um?5)絲杠系統(tǒng)總位移 δ由 δ= + + + 則maxsFCBaH強力切削 δ=17.65um 一般切削 δ=9.04um 精切削 δ=4.7um 快速進給 δ=0.43um6）定位精度F-F 型支承方式的 在絲杠的中間，應驗算此處的定位精度maxsF?1.2.3 級精度的絲杠在任意 300mm，行程變動量為 6um,8um,12um.若取 2 級精度精切削時總誤差為（4.74+8）=12.74um,滿足切削 0.015/300mm 的要求快速進給時的總誤差（0.43+8）=8.43um，滿足切削 0.015/300mm 的要求（5）拉壓振動和扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率1）軸的拉壓總剛度F-F 型支承方式的拉壓總剛度 按下式計算eK)102584127(141 ??????HCBaSeK mN?=307.6emN?2)軸向拉壓振動的固有頻率 SW=1736r/s=104174r/mi?S108.96.3733?Ke25n600r/min3) 扭轉(zhuǎn)剛度扭轉(zhuǎn)剛度 按下式計算TK=9126.8N.m/r14073.584.72?LdT工作臺與工件的等效轉(zhuǎn)動慣量力㎏.㎡=0.00006㎏.㎡22)5.(89)(?hWpJ324??smsLd取絲杠中經(jīng)計算轉(zhuǎn)動慣量 md= =37.37mmmd297.5?則 = ㎏.㎡SJ37804.10.24????4)扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率 WT= =TW)//(JszwK? )3/029.4.06./(8912?=3050.69r/s=183041.6652r/min600r/min2.3.3 橫向滾珠絲杠的設計與計算以下公式參考自《實用機床設計手冊》已知條件：工作臺重量 =60KG=600N 工件及夾具最大重量 =200N 工作臺1W2W