CA6140 普通車床數(shù)控化改造摘要針對大多數(shù)企業(yè)，具有數(shù)量眾多和較長使用壽命的普通機床，其加工精度較低，不能批量生產(chǎn)，自動化程度不高，適應(yīng)性差，但考慮投資成本，產(chǎn)業(yè)的連續(xù)性，又不能馬上被淘汰。購買新的數(shù)控機床是提高產(chǎn)品質(zhì)量效率的重要途徑，但成本高，許多企業(yè)在短期內(nèi)無法實現(xiàn)，這嚴重阻礙企業(yè)設(shè)備更新的步伐。為此把普通車床數(shù)控化改造，不失為一條投資少，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的的捷徑，提升企業(yè)競爭力，在我國成為制造強國的進程中占有一席之地。 本文以普通車床 CA6140 數(shù)控化改造為例，從普通車床改造的經(jīng)濟性進行評價入手，對數(shù)控技術(shù)在普通車床 CA6140 數(shù)控化改造應(yīng)用作了深入研究和探索，形成相應(yīng)的技術(shù)方案及要點。主要內(nèi)容： (1) 對普通車床數(shù)控化改造經(jīng)濟性評價詳細論證，應(yīng)用模糊優(yōu)化設(shè)計中綜合評判原理，確定普通車床數(shù)控化改造方案； (2) 對進給系統(tǒng)的滾珠絲杠型號選擇與裝配設(shè)計，支承方式的設(shè)計與軸承型號的選擇，步進電機的選擇等進行詳細研究； (3) 對常用進口數(shù)控裝置系統(tǒng)和國產(chǎn)數(shù)控裝置系統(tǒng)進行仔細比較，根據(jù)所改造的性能和精度指標來選擇數(shù)控裝置系統(tǒng)和自動刀架型號，提出選擇方法；(4) 根據(jù)普通車床 CA6140 電氣控制系統(tǒng)和原理圖與普通車床數(shù)控化改造的數(shù)控系統(tǒng)對比分析，形成普通車床數(shù)控化改造完整的電氣控制技術(shù)方案；(5) 為保持切削螺紋的功能，仔細研究在主軸上脈沖發(fā)生器的選型，脈沖發(fā)生器直接與主軸間的連接方法，形成相應(yīng)技術(shù)圖； (6) 給出普通車床數(shù)控化改造的安裝及調(diào)試方法。 關(guān)鍵詞：普通車床； 數(shù)控改造； 伺服系統(tǒng)； 數(shù)控系統(tǒng) INC lathe CA6140 common AbstractMost enterprises still have large amounts general-purpose machine tools which have longevity of service, low precision, can not adapt to mass productino,low automatization and adaptability,but can not be washed out because of its low cost and continuity of enterprise'sproductino.Purchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterptises because it cost much. Enterprise's equipment updating step are counteracted severly. So General lathe's numerically controlled reforming is a quick way that costs less, improve production precision and efficiency, and it can improve enterprises' competitive power. So it can takes its place in our way to a powerful manufacturing country. The economical efficiency of the reform and the application of NC technology in General purpose lathe CA6140's numerically controlled reforming is researched in this paper according to our practice of CA6140's numerically controlled reforming. And the reforming scheme and main points are formed. The main contents is: (1) The economical efficiency of the reform is evaluated in detail and the rerorming scheme is maked according to misty optimum's synthesize adjudicate principle. (2) The ball screw's type, assembling, supporting, bearing type, and stepping motor of feeding system is designed. (3) The import and domestic NC systems were compared carefully, brought up a choose method and selected the NC system and automatic tool rest according to the function and accuracy index of reforming. (4) The complete electricity control diagram was drawn out according to the result of comparing CA6140's electricity control system. II(5) In order to protect the function of cutting a screw, we carefully studied the impulse regulator and its connection with the principal axis, and draw out a technique diagram. (6) Methods of installing and testing of general purpose lathe's numerically controlled reforming were put forward. Key words: General purpose lathe; NC reform; Servo system; CNC system 0目 錄 摘 要Abstract第 1 章 緒 論 11.1 本論文的背景 11.2 本論文的主要內(nèi)容和意義 21.3 本論文主要解決的問題 2第 2 章 設(shè)計要求 32.1 總體設(shè)計方案要求 32.2 設(shè)計參數(shù) 42.3 其他要求 5第 3 章 車床機械部分的改造 6 3.1 滾珠絲桿 73.1.1 滾珠絲桿副的特點 .83.1.2 縱向滾珠絲桿螺母副型號選擇與校核步驟 .93.1.3 橫向滾珠絲桿螺母副型號選擇與校核步驟 .123.2 減速器箱體的設(shè)計 133.2.1 軸的計算 .143.2.2 減速器箱體尺寸 .143.2.3 減速齒輪 .153.3 軸承的選擇 163.4 軸承蓋的設(shè)計 183.5 滾珠絲杠軸承的選型與校核 19第 4 章 進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計與計算 224.1 進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計 224.2 進給伺服系統(tǒng)機械部分計算與選型 224.2.1 確定系統(tǒng)脈沖當量 .224.2.2 縱向滾珠絲杠螺母副的副的型號選擇雨校核步驟 .234.2.3 橫向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟 .264.2.4 齒輪有關(guān)計算 .28第 5 章 步進電動機的計算與選型 355.1 縱向步進電機的選擇 3515.1.1 確定系統(tǒng)脈沖當量 .355.1.2 步距角的選擇 .355.1.3 矩頻特性 .365.1.4 據(jù)步進電機的矩頻特性計算加減速時間校核的快速性 .395.2 橫向步進電機的選擇 405.2.1 步距角的確定 .405.2.2 矩頻特性 .41第 6 章 主軸交流伺服電機 .436.1 主軸變速范圍 436.2 初選主軸電機型號 436.3 主軸電機的校核 43第 7 章 微機控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 447.1 控制系統(tǒng)的功能要求 447.2 硬件電路的組成 447.3 設(shè)計說明 45第 8 章 車床改造的結(jié)構(gòu)特點 .478.1 滾珠絲桿 478.2 導(dǎo)軌副 478.3 安裝電動卡盤 478.4 脈沖發(fā)生器 47第 9 章 安裝調(diào)試中應(yīng)注意的問題 489.1 滾珠絲杠螺母副的選擇 489.2 滾珠絲桿螺母副的調(diào)整 489.3 聯(lián)軸器的安裝 489.4 主軸脈沖發(fā)生器的安裝 48參考文獻 49結(jié) 論 50致 謝 511第 1 章 緒論 1.1課題背景1946 年誕生了世界上第一臺電子計算機，這表明人類創(chuàng)造了可增強和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強體力勞動的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎(chǔ)。6 年后，即在 1952 年，計算機技術(shù)應(yīng)用到了機床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機床。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。在美國、日本和德國等發(fā)達國家，它們的機床改造作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。由于機床以及技術(shù)的不斷進步，機床改造是個“永恒“的課題。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。在美國、日本、德國，用數(shù)控技術(shù)改造機床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，已形成了機床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè)。在美國，機床改造業(yè)稱為機床再生（Remanufacturing）業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有：Bertsche 工程公司、ayton機床公司、Devlieg-Bullavd （得寶）服務(wù)集團、US 設(shè)備公司等。美國得寶公司已在中國開辦公司。在日本，機床改造業(yè)稱為機床改裝（Retrofitting）業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程集團、崗三機械公司、千代田工機公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。1.2 機床改造的內(nèi)容及意義1.2.1 研究意義2企業(yè)要在當前市場需求多變，競爭激烈的環(huán)境中生存和發(fā)展就需要迅速地更新和開發(fā)出新產(chǎn)品，以最低價格、最好的質(zhì)量、最短的時間去滿足市場需求的不斷變化。而普通機床已不適應(yīng)多品種、小批量生產(chǎn)要求，數(shù)控機床則綜合了數(shù)控技術(shù)、微電子技術(shù)、自動檢測技術(shù)等先進技術(shù)，最適宜加工小批量、高精度、形狀復(fù)雜、生產(chǎn)周期要求短的零件。當變更加工對象時只需要換零件加工程序，無需對機床作任何調(diào)整，因此能很好地滿足產(chǎn)品頻繁變化的加工要求。普通車床經(jīng)過多次大修后，其零部件相互連接尺寸變化較大，主要傳動零件幾經(jīng)更換和調(diào)整，故障率仍然較高，采用傳統(tǒng)的修理方案很難達到大修驗收標準，而且費用較高。因此合理選擇數(shù)控系統(tǒng)是改造得以成功的主要環(huán)節(jié)。數(shù)控機床在機械加工行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。數(shù)控機床的發(fā)展，一方面是全功能、高性能；另一方面是簡單實用的經(jīng)濟型數(shù)控機床，具有自動加工的基本功能，操作維修方便。經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)通常用的是開環(huán)步進控制系統(tǒng)，功率步進電機為驅(qū)動元件，無檢測反饋機構(gòu)，系統(tǒng)的定位精度一般可達±0.01 至0.02mm，已能滿足 CA6140 車床改造后加工零件的精度要求。1.2.2 主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線 (1) 縱向和橫向滾珠絲杠的選型及校核。(2) 縱向和橫向步進電機的選擇。(3) 主軸交流伺服電機的選擇與校核。(4) 其他元件的選擇。1.3 機床的經(jīng)濟型數(shù)控化改造主要解決的問題(1) 恢復(fù)原功能，對機床、生產(chǎn)線存在的故障部分進行診斷并恢復(fù)。 (2) NC 化，在普通機床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成 NC 機床、CNC機床。 (3) 翻新，為提高精度、效率和自動化程度，對機械、電氣部分進行翻新，對機械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度；對其不滿足生產(chǎn)要求的 CNC 系統(tǒng)以最新CNC 進行更新。 (4) 技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術(shù)，3在原有基礎(chǔ)上進行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和檔次的更新改造。 第 2 章 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。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)。4由《機床數(shù)控改造設(shè)計與實例》 [1] ，現(xiàn)列出 CA6140 臥式車床的技術(shù)數(shù)據(jù)：輸入方式：增量值、絕對值通用 控制坐標數(shù) 2 最大加工長度：1000mm 代碼制:ISO 脈沖分配方式：逐點比較法 機床定位精度: ±0.015mm 刀具補償量: 0mm~99.99mm 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 26mm5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 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最大加工直徑 在床面上 400mm在床鞍上 210mm 快進速度 縱向 2.4m/min橫向 1.2m/min 最大切削進給速 縱向 0.5m/min橫向 0.25m/min 溜板及刀架重力 縱向 800N 橫向 600N 脈沖當量 縱向 0.01mm/脈沖橫向 0.005mm/脈沖 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6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。 第 3 章 車床機械部分的改造為了充分發(fā)揮數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)性能，保證改造后的車床在系統(tǒng)控制下重復(fù)定位精度，由《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》 [2]，微機進給無爬行，使用壽命長、外型美觀，機械部分作了如下改動。(1) 床身為了使改造后的機床有較高的開動率和精度保持性，除盡可能地減少電器和機械故障的同時，應(yīng)充分考慮機床零件、部件的耐磨性，尤其是機床導(dǎo)軌的耐磨性。增加耐磨性的方法有 1，增加導(dǎo)軌的表面強度如：淬火；2，降低摩擦系數(shù) μ 等。當前國內(nèi)外數(shù)控機床的床身等大件多采用普通鑄鐵。而導(dǎo)軌則采用淬硬的合金鋼材料，其耐磨性比普通鑄鐵導(dǎo)軌高 5 至 10 倍。據(jù)此，在改造中利用舊床身，采用淬火制成導(dǎo)軌，貼塑用螺釘和粘劑固定在鑄鐵床身上。粘接前的導(dǎo)軌工作表面采用磨削加工，表面粗糙度 ，以提高粘接mRa8.0強度。(2) 主軸變速箱選用數(shù)控系統(tǒng),主運動方式和傳統(tǒng)機床一樣都要求有十分寬廣的變速范圍(1~16)來保證加工時選擇合理的切速，從而獲得較高的生產(chǎn)率和表面質(zhì)量,所以要根據(jù)具體情況對主軸變速箱進行改造。(3) 拖板拖板是數(shù)控系統(tǒng)直接控制的對象，不論是點位控制還是連續(xù)控制，對被加工零件的最后坐標精度將受拖板運動精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。對于應(yīng)用步進電機作拖動元件的開環(huán)系統(tǒng)尤其是這樣。因為數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令僅使拖板運動而沒有位置檢測和信號反饋，故實際移動值和系統(tǒng)指令值如果有差別就會造成加工誤差。因此，除了拖板及其配件精度要求較高外，還應(yīng)采取以下措施來7滿足傳動精度和靈敏度要求。①在傳動裝置的布局上采用減速齒輪箱來提高傳動扭矩和傳動精度(分辨率為 0.01mm)。傳動比計算公式為： 3-1 ????360pi式中： 為步進電機的步距角( 度)； 為絲杠螺距， mm； 為脈沖當量，?p?即要求的分辨率，mm。② 在齒輪傳動中，為提高正、反傳動精度必須盡可能的消除配對齒輪之間的傳動間隙，其方法有兩種，柔性調(diào)整法和剛性調(diào)整法。柔性調(diào)整法是指調(diào)整之后的齒輪側(cè)隙可以自動補償?shù)姆椒ǎ邶X輪的齒厚和齒距有差異的情況下，仍可始終保持無側(cè)隙嚙合。但將影響其傳動平穩(wěn)性，而且這種調(diào)整法的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，傳動剛度低。剛性調(diào)整法是指調(diào)整之后齒輪側(cè)隙不能自動補償?shù)恼{(diào)整方法，它要求嚴格控制齒輪的齒厚及齒距的誤 差，否則傳動的靈活性將受到影響。但用這種方法調(diào)整的齒輪傳動有較好的傳動剛度，而且結(jié)構(gòu)比較簡單。在設(shè)備改造中應(yīng)用的配對齒輪側(cè)隙方法是剛性調(diào)整法。③采用滾珠絲杠代替原滑動絲杠，提高傳動靈敏性和降低功率、步進電機力矩損失。(4) 自動換刀裝置為了滿足在一臺機床上一次裝夾完成多工序加工，可采用自動刀架。自動刀架不但可代替普通車床手動刀架，還可用作數(shù)控機床微機控制元件。刀架體積小，重復(fù)定位精度高，適用于強力車削并安全可靠。(5) 拖板箱采用數(shù)控系統(tǒng)控制。拆除原拖板箱，利用此位置安裝新拖板箱，新拖板箱除固定在滾珠絲杠的螺母上。掛輪箱、走刀箱拆除，在此兩個位置分別裝控制螺紋加工的主軸脈沖編碼器和拖板軸向伺服元件功率步進電機及減速箱。使改造后的機床外型美觀、合理。改造后機床的啟動、停機均由數(shù)控系統(tǒng)完成，故拆除原機床操縱桿，變向杠、立軸等杠桿零件。3.1 滾珠絲杠的選擇3.1.1 滾珠絲杠副的特點滾珠絲杠副具有與滾動軸承相似的特征，與滑動絲杠副或液壓缸傳動相比，由《機床設(shè)計手冊》 [3]，有以下主要特點：8(1) 傳動效率高 滾珠絲杠的傳動效率可達 85%~98%，為滑動絲杠副的 2~4 倍，由于滾珠絲杠副的傳動效率高，對機械小型化，減少啟動后的顫動和滯后時間以及節(jié)約能源等方面，都具有重要意義。(2) 運動平穩(wěn) 滾珠絲杠副在工作過程中摩擦阻力小，靈敏度高，而且摩擦系數(shù)幾乎與運動速度無關(guān)，啟動摩擦力矩與運動時的摩擦力矩的差別很小。所以滾珠絲杠副運動平穩(wěn)，啟動時無顫動，低速時無爬行。(3) 傳動可逆性 與滑動絲杠副相比，滾動絲杠副突出的特點是具有運動的可逆性。正逆?zhèn)鲃拥男蕩缀蹩筛哌_ 98%。滾珠絲杠副具有運動的可逆性，但是沒有象滑動絲杠副那樣運動具有自鎖性。因此，在某些機構(gòu)中，特別是垂直升降機構(gòu)中使用滾珠絲杠副時，必須設(shè)置防止逆轉(zhuǎn)的裝置。(4) 可以預(yù)緊 通過對螺母施加預(yù)緊力能消除滾珠絲杠副的間隙，提高軸向接觸剛度，但摩擦力矩卻增加不大。(5) 定位精度和重復(fù)定位精度高 由于滾珠絲杠副具有傳動效率高，運動平穩(wěn)，可以預(yù)緊等特點，所以滾珠絲杠副在工作過程中溫升較小，無爬行。并可消除軸向間隙和對絲杠進行預(yù)緊拉伸以補償熱膨脹，能獲得較高的定位精度和重復(fù)定位精度。(6) 同步性好 用幾套相同的滾珠絲杠副同時驅(qū)動相同的部件和裝置時，由于反應(yīng)靈敏，無阻滯，無滑移，其啟動的同時性，運行中的速度和位移等，都具有準確的一致性，這就是所謂同步性好。(7) 使用壽命長 滾珠絲杠和螺母的材料均為合金鋼，螺紋滾道經(jīng)過熱處maxjM理，并淬硬至 ,經(jīng)磨削達到所需的精度和表面粗糙度。實踐證明，6258?HRC滾珠絲杠副的使用壽命比普通滑動絲杠副高 5~6 倍。(8) 使用可靠，潤滑簡單，維修方便 與液壓傳動相比，滾珠絲杠副在正常使用條件下故障率低，維修保養(yǎng)也極為方便；通常只需進行一般的潤滑與防塵。在特殊使用場合，如核反應(yīng)堆中的滾珠絲杠副，可在無潤滑狀態(tài)下正常工作。3.1.2 縱向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟 (1) 最大工作載荷計算： 滾珠絲杠上的工作載荷 是指滾珠絲杠副的在驅(qū)動工作臺時滾珠絲 )(NFm9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刀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《數(shù)控車床進給傳動系統(tǒng)整體優(yōu)化設(shè)計》 [4]：由于原普通 車床的縱向?qū)к壥侨切螌?dǎo)軌，則用公式 3-2 計算工作6140CA載荷的大小。3-2 )(GFvfKLFm???1) 車削抗力分析：車削外圓時的切削抗力有 , , ，主切削力 與切削速度方向一致，垂xyzz直向下，是計算車床主軸電機切削功率的主要依據(jù)。且深抗力 與縱向進給方y(tǒng)F向垂直，影響加工精度或已加工表面質(zhì)量。進給抗力 與進給方向平行且相反x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 可以用下式計算：zF3-3 )(5360NKVfCZFZZnyxpz ???3-4 4.:201:yxz得 , )(34NF)(y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)時作用在進給拖板上的載荷 , 和 與車刀所受到的車lFvc削抗力有對應(yīng)關(guān)系，因此，作用在進給拖板上的載荷可以按下式求出：拖板上的進給方向載荷 )(5360NFxl?拖板上的垂直方向載荷 zv拖板上的橫向載荷 )(214yc因此，最大工作載荷： GFfKvlm???)8.90536(0.35. ??)(6817N10對于三角形導(dǎo)軌 ， ,選 (因為是貼塑導(dǎo)軌)，15.?K05.~3.?f 04.??fG 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 的計算：C滾珠絲杠應(yīng)根據(jù)額定動載荷 選用，可用式 3-5 計算：a3-5 mFfLC3?L 為工作壽命，單位為 , ，n 為絲杠轉(zhuǎn)速 ,r610610t )min(r，v 為最大切削力條件下的進給速度 ,可取最高進給速度的01n? )i(， 為絲杠的基本導(dǎo)程，查資料得 ； 為運轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，3~20LL120?mf所以取 。 5.1?mfmin26in49rV??縱 向 i75.9120 rLn?縱 向縱 向5.8310.2606???nt則： )(74.95.833 NFfCm初選滾珠絲桿副的尺寸規(guī)格，相應(yīng)的額定動載荷 不得小于最大動載荷aC因此有 。Na1740??另外假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載荷是否充分地超過了滾珠絲杠的工作載荷 ,一般使 。oaCmF3~2?moaC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 CD63×8-3.5-E 型。 主要參數(shù)為： 圈數(shù) 列數(shù) 3.5 1 ,912,63,8,763.40 ??????mdLmDw ?11(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 ?3-6 %92)012(91)( ?????????tgttg???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，絲杠與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 ： 1?3-7AmELF??1= 2)5.31(06.28.790???= 0.0064mm2.滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 ：2?采用有預(yù)緊的方式：3-832201.???ZFDyjwm= 3 236.1458.7906.4. ?=0.0028mm在這里： NFmyj 978.1031???53.416.4.DdZ?5.?絲杠的總變形量 。m0.92.08.0621 ?????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 kF123-92LEIfFzk??式中：E 為絲杠材料彈性模量，對鋼 ，I 為截面慣性矩，Mpa4106.?對絲杠圓截面 (d1 為絲杠的底徑)，L 為絲杠的最大工作長度64mdlI??(mm) ; 為絲杠的支撐方式系數(shù)。zf由 且 ， ， ,2LEIFk 0.zf paE4106.2??446mdlI??為絲杠的長度 L80?由于： 444 57903)93.(dlI??258106.21.3????kF49857??N所以絲杠很穩(wěn)定。3.1.3 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： ， ， 為工作臺進給方向載荷，4.1?k05.?flF, , ， ，t=15000h，NFl214?v5360NFc3kgG6最大工作載荷： )2(fkcvlm??=1.4 2144+0.05(5360+2 1340+9.8 75)=3452.6N??2) 最大動負載的計算：min10679.0inr14rv??橫 ir.5220??縱橫橫 Ln54.9106.166??tNFfCm8.23493所以初選滾珠絲杠型號為:CD50×6-3.5-E ，其基本參數(shù)為 ,mDw96.3?13, , ，圈數(shù) 列數(shù) 3.5 112????mL6d50??(2) 橫向滾珠絲杠的校核：1) 傳動效率 計算：?%93)012()( ?????????tgtg??2) 剛度驗算：1.絲杠的拉壓變形量：mEALFm 026.5106.23.5241 ?????????2.滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量：mZFDyjwm9.013.22??在這里： NFmyj 186.5??56.39.04.3?wdZ81569?絲杠的總變形量 m015.2.0.2.21 ?????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。3.2 減速器箱體的設(shè)計一般機床數(shù)控改造后，經(jīng)濟型數(shù)控車床的脈沖當量是一不可改變的值，為了實現(xiàn)多脈沖當量的任意選擇，我們可在步進電機與滾珠絲杠間加一個減速機構(gòu)，由《數(shù)控加工技術(shù)》 [5],下面即是對減速機構(gòu)的設(shè)計過程。由任務(wù)書中可知縱向和橫向的脈沖當量分別為：縱向 0.01 0.008 0.005橫向 0.005 0.004 0.0025為減少減速機構(gòu)的體積設(shè)定中心距 5.672)(1???mzA其中 m=1.5 9021??z14則以橫向脈沖計算為例時，則脈沖當量為 0.005mm 4521?zi時，則脈沖當量為 0.004mm0時，則脈沖當量為 0.0025mm6321zi因此縱向與橫向的減速機構(gòu)可以相同，為了降低成本將橫縱減速器結(jié)構(gòu)設(shè)置為一樣。3.2.1 軸的計算：（縱向輸入軸)由公式：3-10 33][5nPATd???可初選軸的直徑由于 T=5N.m,由于采用的是 45 號鋼，正火硬度 [ ]為 170-217HBS,扭曲疲?勞極限 -1=124，軸材料的許用切應(yīng)力為 45MPa。 ?對于縱向輸入軸： 3-11 m2.8450][3????Td輸 入在這里，d 為軸的直徑(mm),T 為軸傳遞的轉(zhuǎn)矩（N.mm）, [ ]為軸材料?的許用切應(yīng)力（MPa）,則縱向輸入軸軸徑取 18mm,輸出軸軸徑取 25mm。對于橫向輸入軸： 3-12 m124560][3????Td輸 入橫向輸入軸軸徑可取 18mm，輸出軸軸徑可取 25mm。綜上可知：縱向與橫向可用一種減速機構(gòu)。軸材料為 45 號鋼，精度 5 級。3.2.2 減速器箱體尺寸 下箱體壁厚 =0.025a+3≥8 則 =8??上箱蓋壁厚 =0.03a+3≥8 則 =81 1地角螺釘數(shù)目 n 由于 a≤250mm n=415地角螺釘直徑 取12036.??adf 8Mdf?齒輪端面與內(nèi)箱壁最小距離 2= =8mm??3.2.3 減速齒輪第一對齒 n45 與 n45 嚙合計算公式為：， ,dD6.1?)(5.021D?dL)5.1~(?一般取 l=b， C=0.2b 但是不小于 10，R=0.5l，N=0.5mn mn 為模數(shù)， 但是不小于 8mm。mn)4~5.2(0??圖 3-1 齒輪結(jié)構(gòu)圖因此輸入軸齒輪 d=18mm， ， ， mdD8.26.1?mD57.3.672???， ， ， ，n=0.7mD9.42)8.57(.0???7530?a5d05， ， ， 。 dl612c.4?lr1.0為了更好得使輸入軸與輸出軸嚙合且因 D1=28.8d=18 的原因會導(dǎo)致齒輪的剛度下降，采用下圖 3-2 形狀，以下輸出軸與輸入軸均采用這種圖結(jié)構(gòu)。16則由上列數(shù)據(jù)可知： =21.6mm， ，d=18mm, l mda5.67?mnha5.1?。 mnhf 8.12.?輸出軸用圖 3-2 結(jié)構(gòu) 則由公式得:d=25mm , ,dD406.1?D5.48)057(.0???, ,75.31.20???ma57m22?=1.2 25=30mm,c=0.2b 30=10mm,r=0.5c=5mm,n=0.5 1.5=0.75mm l ?第二對齒 n=40 與 n=50 嚙合時： 輸出齒輪:d=25mm , ,dD405.1?ndDa5.64202???, , mD2)(5.01?? m75.3).(?? mZda7, , （不小于 10） ， dl32cr1.bl .01.?輸入齒輪：d=18 ， ， ， ha5.1?6.21.8?hf 6?na第三對齒 n=30 與 n=60 嚙合時： 輸出齒輪：d=25， ， ， =1.2d=1.2 25=30406.1dD75.3.2??l?,mD759)(5.021???9?nZa mDA5.79210???，c=0.2b=0.2 30=10(不小于 10)，又由上面可知道d8.?r=0.5c=5n=0.5mn=0.5 1.5=0.75 ?輸入齒輪：d=18 ， ， =1.2d=21.6， 5.1?ah8.fl nZda45?齒輪精度按：GB10095-88 6 級精度 ，傳動效率為 99%。 17圖 3-2 齒輪結(jié)構(gòu)圖 3.3 軸承的選擇3.3.1 選型圖 3-3 深溝球軸承 GB276-82表 3.1 減速器輸入端軸承選擇 深溝球軸承型號d D B 額定動負荷額定靜負荷極限轉(zhuǎn)速（脂潤滑）1000803 18 26 5 1700N 1050N 19000r/min注：(d=18mm 時其型號) 表 3.2 減速器輸出端軸承選擇18深溝球軸承型號d D B 額定動負荷額定靜負荷極限轉(zhuǎn)速（脂潤滑）1000805 25 37 7 2900N 2000N 15000r/min注：(d=25mm 時其型號) 3.3.2 校核由于減速器軸的軸向載荷是經(jīng)過 60 度推力軸承才輸入減速器的所以軸向載荷 很小徑向載荷基本也是由于安裝方面誤差所導(dǎo)致所以也很小。軸承合乎要aF求。3.4 軸承蓋的設(shè)計3.4.1 悶蓋圖 3-4 悶蓋由《機床數(shù)控技術(shù)》 [6]，計算公式：(有套環(huán)） 3-13 230)5.~2(SdD??， ， 302)~5.(dD??98.4 m)~10?D≤100mm 時 n=4，D100mm 時 n=6。m 由結(jié)構(gòu)確定，在這里均取 3， 為螺釘直徑。 d(1) D=26 時的尺寸則 取 M4 的螺釘 m=3133??dn5.23?m=26+2.5 2.5=32.25， =32.25+3 2.5=39.25， =0.9D=0.9 26=23.40D?D?4D?19(2) 取 M4 的螺釘 m=3mmmdD5.237?=37+6.25=43.25mm, =43.25+7.5=50.75mm, =0.9 37=33.3mm0 2D4D?3.4.2 通蓋 (有套環(huán)),230)5.~2(SdD?? 302)~5.(d??, ,D≤100mm 時 n=4,D100mm 時 n=698.4 )~130?m 由結(jié)構(gòu)確定，在這里均取 3mm, 為螺釘直徑。3d(1) D=6 通蓋尺寸 內(nèi)加密封圈 取 M4 螺釘=32.5 =39.75mm =23.4 d=18 m=30D24Dm(2) D=37 通蓋尺寸 取 M4 螺釘3d=43.25 =50.75 =33.3 d=25 m=302m4圖 3-5 通蓋 3.5 絲軸承的選型與校核3.5.1 滾珠絲杠用軸承的選型 選用型號 7602025TVP 的 推力角接觸軸承?60軸徑 d=25mm ，外徑 d=52mm， 寬度 B=15mm，球徑 ，mDW35.6?20球數(shù) Z=16，動載荷 ， 靜載荷 ，預(yù)加載荷 500N，NCa20?NCoa40?極限轉(zhuǎn)速 2600r/min。3.5.2 校核(1) 當量載荷：滾動軸承若同時承受徑向和軸向聯(lián)合載荷，為了計算軸承壽命時在相同條件下比較，需將實際工作載荷轉(zhuǎn)化為當量動載荷。在當量動載荷作用下，軸承壽命與實際聯(lián)合載荷下軸承的壽命相同。當量動載荷 P 的計算公式是：3-14ayfFP??當量動載荷式中 為徑向載荷，N; 為軸向載荷， N；X，Y 分別為徑向r動載荷系數(shù)和軸向動載荷系數(shù)，可查表得知。的圓柱滾子軸承與滾針軸承只能承受徑向力，當量動載荷 ;而??0? rFP?的推力軸承只能承受軸向力，其當量動載荷 。?9 aFP?由于機械工作時常具有振動和沖擊，為此，軸承的當量動載荷應(yīng)按下式計算：)(arYfXFfdP??沖擊載荷系數(shù) 由表 3.2 選取。df表 3.2 沖擊載荷系數(shù)載荷性質(zhì) 機器舉例 df平穩(wěn)運轉(zhuǎn)或輕微沖擊電機，水泵，通風機，汽輪機 1.0~1.2中等沖擊 車輛，機床，起重機，冶金設(shè)備，內(nèi)燃機1.2~1.8強大沖擊 破碎機，軋鋼機，振動篩，工程機械，石油鉆機1.8~3.021由于軸承載荷與縱向載荷之比： eFra??25.03614查表得 ： X=1,Y=0， 2.?df則： NfPrd4501??(2) 基本額定壽命：滾動軸承的壽命隨載荷的增大而降低，壽命與載荷的關(guān)系曲線如圖，其曲線方程為：P L10=常數(shù)。?式中：P-當量動載荷，N; L10-基本壽命，常以 10 r 為單位（當壽命為一百轉(zhuǎn)6時，L10=1）; -壽命指數(shù)，球軸承 =3，滾子軸承 =10/3。??由手冊查得的基本額定動載荷 C 是以 L10=1，可靠度為 90%為依據(jù)的。由此可列出當軸承的當量動載荷為 P 時以轉(zhuǎn)數(shù)為單位的基本額定壽命 L10 為10Lzz??rPz610)(?若軸承工作轉(zhuǎn)速為 n r/min ,可求出以小時數(shù)為單位的基本額定壽命hCnhzz)(7)(60應(yīng)取 , 為軸承的預(yù)期壽命。通常參照機器大修期限決定軸承的預(yù)期Lh?10使用壽命。若已知軸承的當量動載荷 P 和預(yù)期使用壽命 ，則可按下式求得相應(yīng)的hL?計算額定動載荷 ,它與所選用軸承型號的 C 值必須滿足下式要求：C?3-15 1670lnz????滾動軸承預(yù)期使用壽命的薦用值表查得為 20000 小時。則額定動載荷 , =3, P=6432N, =20000h1620hlnPCz????hL?則 =18000N?因為 C=22000N ，所以此軸承合乎要求。?另外由于橫向絲杠與縱向絲杠采用同一軸承，且載荷小于縱向，因此同理可驗證其是合理的。22第 4 章 進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計與計算4.1 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。由《機電一體化數(shù)控機床及應(yīng)用》 [7]，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23連。刀架：拆除原刀架，改裝自動回轉(zhuǎn)四方刀架總成。4.2 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(shè)計、計算與選型、齒輪傳動計算、步進電機的計算和選型等。4.2.1 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參數(shù)。因此,脈沖當量應(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，要求縱向脈沖當量 為 0.01mm/step。橫向脈沖當量為pf=0.005mm/step。pf4.2.2 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 是指滾珠絲杠副的在驅(qū)動工作臺時滾珠絲杠所承受mF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。4-1 )(GFfKLvm???1) 車削抗力分析：車削外圓時的切削抗力有 ﹑ ﹑ ，主切削力 與主切削速度方向一致xyzz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 與縱向進給yF垂直，影響加工精度或已加工表面質(zhì)量。進給抗力 與進給方向平行且相反指x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 可以用下式計算：zF244-2 zZzzFnyxFz KVfpC??=5360(N)4-3 4.0:251:yxz(N)34?F(N)y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 ﹑ 和 與車刀所受到的車削lFvc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 (N) 1340?xF托板上的垂直方向載荷 (N)56zv托板上的橫向載荷 (N) 2yc因此，最大工作載荷 (N) 68.1790)(????GFfKLvm對于三角形導(dǎo)軌 K=1.15, =0.03～0.05,選 =0.04(因為是貼塑導(dǎo)軌)，Gf?f?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 選用，可用式 4-4 計算： a4-4 fmLC3?L 為工作壽命，單位為 10r，L=60nt／10;n 為絲杠轉(zhuǎn)速（r／min）,n=1000v／ ;v 為 最大切削力條件下的進給速度（m／min）,可取最高進給速0度的 1/2～1/3; 為絲杠的基本導(dǎo)程，查資料得 =12mm; 為運轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，0Lmf因為此時有沖擊振動，所以取 。5.1?mf=1.59mm/r×1400r/min=2226mm/min縱 向V25= =2226×1/2/12=92.75r/min 縱 向n021LV?縱 向5.836?t（N）1743mFfC初選滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格，相應(yīng)的額定動載荷 不得小于最大載荷 C，aC因此有 N,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1740??a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 是否充分地超過了滾珠絲杠的工作載荷 ,一般使oaCmF。3~2?moaFC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： mm, mm, mm, ，圈數(shù)×列數(shù)763.4?wD80?L63md912????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 η4-5 %92)012()(??????tgt???2) 剛度驗算： 1.絲杠的拉壓變形量 ：1?=0.0064mm 4-6 EAlFm??12.滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 ：2?采用有預(yù)緊的方式：