普通車床的數(shù)控化改造設計

普通車床的數(shù)控化改造設計,普通,車床,數(shù)控,改造,設計 目錄 一．任務書 ————————3 二.總體方案設計 ————————— 5 三.設計參數(shù) ————————— 5 四.實施方案 ————————— 6 五.橫向進給傳動鏈的設計計算 ————————— 7 六.滾珠絲杠螺母副的承載能力校驗————————— 9 七.計算機械傳動系統(tǒng)的剛度 —————————10 八.驅動電動機的選型計算 —————————12 九.機械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析 —————————15 十.機械傳動系統(tǒng)的誤差計算與分析—————————15 十一.確定滾珠絲杠螺母副的精度等級和規(guī)格型號———16 十二.數(shù)控系統(tǒng)設計 ——————————17 十三.參考書目 ——————————23 一.任務書 1.設計目的 數(shù)控機床課程設計是機電一體化專業(yè)教學中的一個重要的實踐環(huán)節(jié)，學生學完技術基礎課和專業(yè)課，特別是“數(shù)控技術”課程后應用的，它是培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際、解決實際問題能力的重要步驟。本課程設計是以機電一體化的典型課題——數(shù)控系統(tǒng)設計方案的擬定為主線，通過對數(shù)控系統(tǒng)設計總體方案的擬定、進給伺服系統(tǒng)機械部分設計，計算以及控制系統(tǒng)硬件電路的設計，使學生能夠綜合應用所學過的機械、電子和微機方面的知識，進行一次機電結合的全方面訓練，從而培養(yǎng)學生具有初步設計計算的能力以及分析和處理生產(chǎn)過程中所遇到的問題的能力。 2.設計要求 課程設計是機床數(shù)控系統(tǒng)課程的十分重要實踐環(huán)節(jié)之一。通過課程設計可以初步樹立正確的設計思想，了解有關的工業(yè)政策，學會運用手冊、標準、規(guī)范等資料；培養(yǎng)學生分析問題解決問題的實際能力，并在教師的指導下，系統(tǒng)地運用課程和選修課程的知識，獨立完成規(guī)定的設計任務。課程設計的內容是改造設備，實現(xiàn)以下幾部分內容的設計訓練。如精密執(zhí)行機的內容應包括：課程設計題目總體方案的確定、系統(tǒng)框圖的分析、電氣執(zhí)行元件的選用說明、機械傳動設計計算以及機械和電氣及其他部分（如環(huán)形分配器等）的說明。 該課程設計的內容及方法，可以歸納如下： 1) 采用微型計算機（包括單片機）進行數(shù)據(jù)處理、采集和控制。主要考慮計算機的選擇或單片機構成電路的選用、接口電路、軟件編制等。 2) 選用驅動控制電路，對執(zhí)行機構進行控制。主要考慮計算機的選擇或單片機構成電路的選用，考慮電機選擇及驅動力矩的計算，控制電機電路的設計。 3) 精密執(zhí)行機構的設計。主要是考慮數(shù)控機床工作臺傳動裝置的設計問題：要弄清機構或機械執(zhí)行元件的主要功能（傳動運動、動力、位置裝置、微調、精密定位或高速運轉等），進行力矩、負載功率、慣性（轉動慣量）、加（減）速控制和誤差計算。 4) 學會使用手冊及圖表資料，計算機I/O接口設計和驅動電路以及數(shù)控化電氣原理設計等。 二.總體方案設計 1.系統(tǒng)運動方式： 普通車床數(shù)控化改造應具有定位?？焖龠M給，直線插補，圓弧插補，暫停，循環(huán)加工和螺紋加工等功能。因此，普通車床數(shù)控化改造所選用的數(shù)控化系統(tǒng)應為連續(xù)控制系統(tǒng)。如：德國西門子公司的SIEMNS8025型系統(tǒng)。華中數(shù)控的“世紀星”21/22型系統(tǒng)。 2.伺服系統(tǒng)的確定： 普通車床數(shù)控化改造后一般為經(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證具有一定加工精度的前提下，從改造的成本考慮，應簡化結構，降低成本。因此，進給伺服系統(tǒng)采用以步進電動機為驅動裝置的開環(huán)系統(tǒng)為宜。 3.功能部件的選擇： 主要是滾珠絲杠及其支承方式的選擇，電動回轉刀架的選擇等。 4.結構設計與電氣設計： 這主要是縱向進給傳動系統(tǒng)，橫向進給傳動系統(tǒng)的設計和機床導軌的維護。一般采用貼塑導軌以減小摩擦力，機床電氣設計包括機床原理圖設計和PLC梯形圖設計。 三.設計參數(shù) 1.最大加工直徑：320mm 2.最大加工長度：700mm 3.行程：縱向700mm，橫向200mm 4.刀架快速進給速度：縱向2400mm/min，橫向1200mm/min 5.最大進給速度：縱向800mm/min，橫向400mm/min 6.溜板及刀架重力：縱向800N，橫向500N 7.主電動機功率：4.5kw 8.定位精度：0.02mm/全行程 9.程序輸入方式：增量值，絕對值通用 10.控制座標數(shù)：2 11.脈沖當量：縱向0.01mm/脈沖，橫向0.005mm/脈沖 四.實施方案 進給系統(tǒng)數(shù)控化改造的主要部位有：掛輪架，進給箱，溜板箱，溜板，刀架。 1.掛輪架系統(tǒng)： 全部拆除，在原掛輪主動軸處安裝光電脈沖編碼器。 2.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，光桿和操縱杠拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠，滾珠絲杠另一端支承座安裝在車床尾座端原來裝軸承座的部位。 3.溜板箱部分： 全部拆除，在原處安裝滾珠絲杠螺母座。絲杠螺母固定在其上，在該處還可以安裝部分操作按鈕。 4.橫溜板部分： 將原橫溜板中的滾珠絲杠，螺母拆除。在該處安裝橫向進給滾珠絲杠螺母副，橫向進給步進電動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。 5.刀架部分： 拆除原刀架，在該處安裝自動回轉四方刀架總成。 五.橫向進給傳動鏈的設計計算 1.主切削力及其切削分力計算 （1）計算主切削力Fz 已知：主電動機功率Pm為4. 5kw，最大工作直徑D=320mm。 主軸計算轉速：n=85r/min，在此轉速下，主軸具有最大扭矩和功率。則刀具的切削速度為：。 取機床的機械效率η=0.8，則主切削力=。 （2）計算各切削分力 由公式Fz:Fx:Fy=1：0.25：0.4，得：走到方向切削分力Fx和垂直方向切削分力Fy分別為：Fx=0.25Fz=633.8N，F(xiàn)y=0.4Fz=1014.08N。 2.導軌摩擦力計算 ①由公式：Fμ=μ（W+fg+Fv+Fc）N，計算在切削狀態(tài)下導軌摩擦力Fμ。此時導軌受到的垂向切削分力Fv=Fz=2535.21N，橫向切削分力為Fc=Fx=633.8N。移動部件的全部重力為W=500N，查表由差值法，得：fg=1500N。取導軌動摩擦系數(shù)μ=0.15，則Fμ=μ（W+fg+Fv+Fc）=0.15×(500+1500+2535.21+633.8)=775.35N。 ②由公式：Fμ=μ（W+fg）N，計算在不切削狀態(tài)下的導軌摩擦力Fμ和F，則：Fμ=μ（W+fg）=0.15×（500+1500）=300N，F(xiàn)=μ（W+fg）=0.2×（500+1500）=400N。 3.計算滾珠絲杠螺母副的軸向負載力 ①按公式：Famax=F+μ（W+fg+Fv+Fc）N，計算最大軸向負載力Famax。 則：Famax=Fy+Fμ=1014.08+775.35=1789.43N。 ②按公式：Famin= Fμ=μ（W+fg）N，得：最小軸向負載力Famin= Fμ=300N。 4.確定傳動鏈的傳動比i和傳動級數(shù) 取步進電動機的步距角為α=1.5度，滾動絲杠的基本導程L=6mm，進給傳動鏈的脈沖當量=0.005mm/脈沖，則由公式：得， ，按最小慣量條件，查圖可知應采用二級傳動，傳動比分別?。?2，=2.5。根據(jù)結構需要，各傳動齒輪的齒數(shù)分別為：，模數(shù)m=2，齒寬b=20mm。 5.滾珠絲杠的動載荷計算與直徑估算 ①按預期工作時間估算滾珠絲杠預期的額定動載荷Cam，已知數(shù)控機床的預期工作時間Lh=15000h，滾珠絲杠的當量載荷Fm=Famax=1789.43N,查表得：載荷系數(shù)fw=1.3，初選滾珠絲杠的精度等級為3級，取精度系數(shù)fa=1，可靠性系數(shù)fc=1，取滾珠絲杠的當量轉速，又知：Vmax=0.4m/min，L=6mm。則：。 由公式：=N，得：=N。 ②按精度要求允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑 ⑴根據(jù)定位精度和重復定位精度的要求估算允許的滾珠絲杠的最大軸向變形：已知本車床橫向進給的定位精度為20μm，重復定位精度為16μm，則由公式，得：=（1/3~1/2）×16μm=（5.33~8）μm，=（1/3~1/4）×20μm=（4~5）μm。取上述結果較小的值，即=4μm。 ⑵估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑，滾珠絲杠螺母副的安裝方式采用一端固定，一端游動支承方式，滾珠絲杠螺母副的兩個固定支承之間的距離為：L=行程+安全行程+2×余程+螺母長度+支承長度=（1.2~1.4）行程+（25~30）L， 則：L=1.4×行程+30 L=（1.4×200+30×6）=460mm。 由公式：≥0.078， 得： ≥0.078×mm。 ⑶初步確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格和型號 根據(jù)以上計算所得L，，和結構需要，初步選擇南京工藝裝備公司生產(chǎn)的FFZL型內循環(huán)墊片預緊螺母式滾珠絲杠螺母副，型號為：FFZL2506-3，其公稱直徑，基本導程L，額定動載荷Ca和螺紋底徑如下：=25mm，L=6mm，Ca=11300N>=9107.15N，=21.9mm>=16.73mm，故滿足要求。 六.滾珠絲杠螺母副的承載能力校驗 1.滾珠絲杠螺母副臨界壓縮載荷Fc的校驗 已知滾珠絲杠螺母副的螺紋底徑=21.9mm，由圖可知：滾珠絲杠螺母副的最大受壓長度L=313mm，絲杠水平安裝時，取=1/3，查表=2,則由公式Fc=，得：Fc==N，本車床橫向進給系統(tǒng)滾珠絲杠螺母副的最大軸向壓縮載荷為：Famax=1789.43N，遠小于其臨界壓縮載荷Fc的值，故滿足要求。 2.滾珠絲杠螺母副臨界轉速校驗 由圖可知：滾珠絲杠螺母副臨界轉速計算長度L=337mm，其彈性模量E=，密度。則，滾珠絲杠的最小慣性矩為：I=。滾珠絲杠的最小截面積為：A=，取=0.8，查表，得：。由公式本橫向進給傳動鏈的滾珠絲杠螺母副的最高轉速為：66.67r/min，遠小于其臨界轉速，故滿足要求。 3.滾珠絲杠螺母副額定壽命校驗 查附錄表，得：滾珠絲杠額定動載荷Ca=11300N，已知其軸向載荷Fa=Famax=1789.43N，滾珠絲杠的轉速，運轉條件系數(shù)fw=1.2，則由公式：L=（）×，得：L=1.70×r，=L/60n=36498h。因為Lh=36498h遠大于15000h，故滿足要求。 七.計算機械傳動系統(tǒng)的剛度 1.計算機械傳動系統(tǒng)的剛度 ①計算滾珠絲杠的拉壓剛度Ks 本機床橫向進給傳動鏈的絲杠支承方式為一端固定，一端游動。絲杠的拉壓剛度Ks可按公式：Ks=計算。已知滾珠絲杠的彈性模量E=，底徑=21.9mm，當滾珠絲杠的螺母中心至固定端支承中心的距離a=Ly=313mm時，滾珠絲杠螺母副具有最小抗拉壓剛度Ksmin。由公式:，得：。當a=Ly=113mm時，滾珠絲杠螺母副具有最大抗拉壓剛度Ksmax，由公式，得：。 ②計算滾珠絲杠螺母副支承軸承的剛度Kb 已知滾動體直徑，滾動體個數(shù)Z=15，軸承最大軸向工作載荷，則查表得：。 ③計算滾珠與滾道的接觸剛度Kc 查附錄，得：滾珠與滾道的接觸剛度，滾珠絲杠的額定動載荷Ca=11300N，已知滾珠絲杠上所承受的最大軸向載荷Famax=1789.43N。則由公式：，得：。 ④計算進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度K 由公式：，得：進給系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為：。 由公式：，得：進給系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值為：。 2.計算滾珠絲杠螺母副的扭轉剛度 由圖知：扭矩作用點之間的距離，已知滾珠絲杠的剪切模量，底徑，則由公式，得：。 八.驅動電動機的選型計算 1.計算折算到電動機軸上的負載慣量 ①計算滾珠絲杠的轉動慣量Jr 已知滾珠絲杠的密度，則由公式：②計算折算到絲杠軸上的移動部件的轉動慣量 已知機床橫向進給系統(tǒng)的執(zhí)行部件的總質量為51.02kg，絲杠每轉一圈，機床執(zhí)行部件在軸向移動的距離L=0.6cm，由公式：。 ③計算各齒輪轉動慣量 ； ； ； ④由公式，得：總負載轉動慣量。 2.計算折算到電動機軸上的負載力矩 ①計算折算到電動機軸上的切削力矩Tc 已知在切削狀態(tài)下的軸向負載力Fa=Famax=1789.43N，絲杠每轉一圈，機床執(zhí)行部件橫向移動距離L=6mm=0.006m，進給傳動比i=5，總效率，由公式，得：。 ②計算折算到電動機軸上的摩擦負載力矩 已知在不切削狀態(tài)下的軸向負載力，則由公式，得：。 ③計算由滾珠絲杠預緊力Fp產(chǎn)生的并折算到電動機軸上的附加負載力矩Tf 已知滾珠絲杠螺母副效率，則，則由公式：，得：。 ④折算到電動機軸上的負載力矩T的計算 ⑴空載時： ⑵切削時： 3.計算折算到電動機軸上的加速力矩 根據(jù)以上計算結果和查表，知：初選130BF001型反應式步進電動機，其轉動慣量，而進給傳動系統(tǒng)的負載慣量，對開環(huán)系統(tǒng)，一般取加速時間。當機床執(zhí)行部件以最快速度v=1200mm/min運動時，電動機的最高轉速，由公式： ，得：。 4.計算橫向進給系統(tǒng)所需的折算到電動機軸上的各種力矩 ①按式，得： ②按式，得： ③按式，得： 5.電動機型號的選擇 ①選擇驅動電動機的型號 根據(jù)以上計算及查表知，選擇國產(chǎn)130BF001反應式步進電動機，其主要參數(shù)如下：相數(shù)：5，步距角：0.75度/1.5度，最大靜轉矩：，轉動慣量：，最高空載啟動頻率：3000HZ，運行頻率：16000HZ，分配方式：五相十拍，質量：9.2kg。 ②確定最大靜轉矩 查表，知：機械傳動系統(tǒng)空載啟動力矩與所需的步進電動機的最大靜轉矩的關系為：，所以：。機械傳動系統(tǒng)空載啟動力矩與所需的步進電動機的最大靜轉矩的關系為：。取和中較大者作為所需電動機的最大靜轉矩，即：，本電動機的最大靜轉矩為，所以可以在規(guī)定時間里正常啟動，故滿足要求。 ③驗算慣量匹配 為了使機械傳動系統(tǒng)的慣量達到合理的匹配，系統(tǒng)的負載慣量與伺服電動機的轉動慣量之比一般應滿足式: 0.25≦≦1。因為屬于0.25~1的區(qū)間范圍內，故慣量匹配滿足要求。 九.機械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析 1.計算絲杠-工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率 滾動絲杠螺母副的綜合拉壓剛度，機床執(zhí)行部件的質量和滾珠絲杠螺母副的質量分別為m,ms，滾珠絲杠螺母副和機床執(zhí)行部件的等效質量為：，已知m=51.02kg。則： 。 2.計算扭轉振動系統(tǒng)的最低固有頻率 折算到滾珠絲杠軸上的系統(tǒng)總當量轉動慣量為：，已知滾珠絲杠扭轉剛度，則：。由此計算可知：絲杠-工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率，扭轉振動系統(tǒng)的最低固有頻率都比較高，一般按的要求設計機械傳動系統(tǒng)的剛度，故滿足要求。 十.機械傳動系統(tǒng)的誤差計算與分析 1.計算機械傳動系統(tǒng)的反向死區(qū)△ 已知進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值，導軌的靜摩擦力。由公式：△=。即：△=5.76<8，故滿足要求。 2.計算機械傳動系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差 由公式：，故滿足要求。 3.計算滾珠絲杠因扭轉變形產(chǎn)生的誤差 ①計算由扭矩引起的滾珠絲杠螺母副的變形量 已知負載力矩，查圖可知，扭矩作用點之間的距離為，絲杠底徑。由公式，得：。 ②由該扭轉變形量引起的軸向移動滯后量將影響工作臺的定位精度，由公式：，得：。 十一.確定滾珠絲杠螺母副的精度等級和規(guī)格型號 1.確定滾珠絲杠螺母副的精度等級 本進給傳動采用開環(huán)控制系統(tǒng)，應滿足下列要求： =； ； 取滾珠絲杠螺母副的精度等級為1級，查表可知：；； 。 故滿足設計要求。 2. 確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號 滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號為FFZL2506-3-P3/539400，具體參數(shù)如下：公稱直徑與導程：25mm，6mm；螺紋長度：400mm；絲杠長度：585mm；類型與精度：P類，1級精度。 十二.數(shù)控系統(tǒng)設計 1.硬件設計（硬件詳細接線圖見圖紙） 8031 ＋ 存儲器接口 輸入顯示 接口 MCX311 INT 限 位 X向編碼器控制 Y向編碼器控制 I/O 擴展 接口 光耦 功放 X向電機 光耦 功放 Y向電機 2.步進電機開環(huán)伺服原理 分配后的 脈沖信號 D C B A 脈沖 信號源 脈沖分配器YBO14 功率 放大 脈沖信號 放大后的 脈沖信號 3.步進電動機的控制框圖 N Y 設步長計數(shù)器 保護現(xiàn)場 轉向標志為1 置正轉控制字指針 輸出控制字 是結束標志 延時、控制字地址指針＋1 返回 恢復現(xiàn)場 總步數(shù)為零 置反轉控制字 4.軟件程序設計（逐點比較法直線插補） ①用逐點比較法進行直線插補計算，每走一步，都需要以下四個步驟： 偏差判別：判別偏差或,從而決定哪個方向進給和采用哪個偏差計算公式。 坐標進給：根據(jù)直線所在象限及偏差符號，決定沿+X、+Y、-X、-Y的哪個方向進給。 偏差計算：進給一步后，計算新的加工偏差。 終點判別：進給一步后，終點計數(shù)器減1。若為零，表示到達終點停止插補；不為零，則返回到第一步繼續(xù)插補。終點計數(shù)判別可用兩個方向坐標值來判斷，也可由一個方向的坐標值來判斷。當XE>YE，可用X方向走的總步數(shù)XE作為終點判別的依據(jù)，如動點X等于終點XE則停止。當XE=0？ Y方向進給 ＝＋X Y＝Y＋1 ＝—Y X＝X＋1 X＝？ Y＝？ 返 回 X方向進給 ②程序設計 設計程序時，在RAM數(shù)據(jù)區(qū)分別存放終點坐標值XE，YE，動點坐標值X，Y，偏差FM。對8位機，一般可用2字節(jié)，而行程較大時則需用3字節(jié)或4字節(jié)才能滿足長度和精度要求。此外，所有的數(shù)據(jù)區(qū)必須進行初始值、X、Y向步進電機初態(tài)（控制字）。 插補程序所用的內存單元如下： 28H 29H 2AH 2BH 2CH 70H XE YE X Y FM 電機正反轉控制字 電機正反轉控制字為： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 D1D0為X向電機控制位。D0=1運行，D0=0停止；D1=1正轉，D1=0反轉。D3D2為Y向電機控制位。D2=1運行，D2=0停止；D3=1正轉，D3=0反轉。 第一象限直線插補的程序： ORG 2000H MAIN：MOV SP, #60H LP4: MOV 28H, #0C8H; MOV 29H, #0C8H; MOV 2AH, #00H; MOV 2BH, #00H; MOV 2EH, #00H; MOV 70H, #0AH LP3: MOV A, 2EH JB ACC.7, LP1 MOV A, 70H SETB ACC.0 CLR ACC.2 MOV 70H, A LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A, 2EH SUBB A, 29H INC 2AH AJMP LP2 LP1: MOV A, 70H SETB ACC.2 CLR ACC.0 LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A, 2EH ADD A, 28H LP2: MOV 2EH, A MOV A, 28H CJMP A, 2AH, LP3; RET 十三.參考書目 1.范超毅 趙天嬋 吳斌方《數(shù)控技術課程設計》華中科技大學出版社 2. 陳嬋娟 《數(shù)控車床設計》 化學工業(yè)出版社 3. 周開勤 《機械零件手冊》 高等教育出版社 4. 何立民 《單片機高級教程》 北京航空航天大學出版社 5. 鄭堤 唐可洪 《機電一體化設計基礎》機械工業(yè)出版社 課程設計說明書 設計題目：普通車床的數(shù)控化改造設計 指導老師：馬愛兵 設 計：王振英 班 級：07機制（3）班 學 號：0715011334 時間：2010年12月27日－2011年1月13日 一、概述 普通車床是金屬切削加工中最常見的一類機床，當工件隨主軸回轉時，通過刀架的縱向移動和橫向移動，車床能加工出內外圓柱面、圓錐面、端面、螺紋面等。借助成形刀具，車床還能加工各種成形回轉表面。普通車床 刀架縱向、橫向的進給運動由主軸的回轉運動經(jīng)掛輪傳遞而來，通過進給箱變速后，由光桿或絲杠帶動溜板箱、縱溜板移動。進給參數(shù)要靠手工預先調整好，如果改變參數(shù)，則要停車進行操作。刀架的縱向進給運動和橫向進給運動不能聯(lián)動。 對普通車床進行數(shù)控改造，主要是將縱向和橫向進給系統(tǒng)改造為CNC裝置控制的，能獨立運動的進給伺服系統(tǒng)，將刀架改造成為能自動換刀的回轉刀架，這樣利用CNC裝置，車床就可以按順序進行切削加工。由于切削參數(shù)、切削次序和刀具選擇都可以由程序控制和調整，再加上縱向進給和橫向進給聯(lián)動的功能，數(shù)控化改造后的車床就可以加工出各種形狀復雜的回轉零件，并能實現(xiàn)多工序自動切削，從而提高生產(chǎn)效率和加工精度，還能適應小批量、多品種負責零件的加工 二、總體方案設計 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)的類型計算機以及傳動方式的選擇等。 1.數(shù)控系統(tǒng)的選擇。 普通車床數(shù)控化改造后應具有定位、快速進給、直線查補、圓弧查補、暫停、循環(huán)加工和螺紋加工等功能，因此，普通車床數(shù)控化改造所選用的數(shù)控系統(tǒng)應為連續(xù)控制系統(tǒng)。目前，市場上適用于普通車床數(shù)控化改造的數(shù)控系統(tǒng)較多，如西門子公司的SIEMENS802S型系統(tǒng)、華中數(shù)控公司的“世紀星”21/22型系統(tǒng)、廣州數(shù)控公司的980T型系統(tǒng)等。 2.伺服系統(tǒng)的選擇。 普通車床數(shù)控化改造后一般為經(jīng)濟型數(shù)控機床。在保證具有一定加工精度的前提下，從改造的成本考慮，應簡化結構，降低成本。因此，進給伺服系統(tǒng)采用一步進電動機為驅動裝置的開環(huán)系統(tǒng)為宜。當然，也可以采用以伺服電動機為驅動裝置的半閉環(huán)系統(tǒng)。這主要取決于加工精度的要求。 3.功能部件的選擇。 這主要是滾珠絲桿及其支承方式的選擇、電動回轉刀架的選擇等等。 4.結構設計與電氣設計。 這主要是縱向進給傳動系統(tǒng)、橫向進給傳動系統(tǒng)的設計和機床導軌的維護，一般采用貼塑導軌以減小摩擦力。機床電氣設計包括機床原理圖設計和PLC梯形設計等等。 在上述方案的基礎上，若條件允許，可以進一步對普通車床的主傳動系統(tǒng)進行改造，以實現(xiàn)車床主傳動系統(tǒng)的自動調速與控制，使加工過程實現(xiàn)全自動化。 三、參數(shù)設計 將C6140普通車床改造成用MCS-51系列單片機控制的經(jīng)濟型數(shù)控車床。要求該車床有自動回轉刀架，具有切削螺紋的功能。在縱向和橫向具有直線和圓弧插補功能。系統(tǒng)分辨率：縱向：0.01mm橫向：0.005mm。設計參數(shù)如下： 1. 最大加工直徑： 630mm 2. 最大加工長度： 1400mm 3. 快進速度：縱向2.0m/min，橫向1.0m/min 4. 最大切削進給速度：縱向0.5m/min，橫向0.25m/min 5. 溜板及刀架重力：縱向1500N ，橫向1000N 6. 主電動機功率：12.5Kw 7. 空載啟動時間：35ms 8. 定位精度：0.015mm 四、實施方案 進給系統(tǒng)數(shù)控化改造的主要部位有：掛輪架、進給箱、溜板箱、刀架等。現(xiàn)擬定一下改造方案。 1.掛輪架系統(tǒng)：全部拆除，在原掛輪主傳軸處安裝光電脈沖編碼器。 2.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。絲桿、光桿和操縱桿拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠。滾珠絲杠的另一端支承安裝在車床尾座端原來裝軸承座的部位。 3.溜板箱部分：全部拆除，在原處安裝滾珠絲杠的螺母座，絲桿螺母固定在其上，在該處還可以安裝部分操縱按鈕。 4.橫溜板部分：將原橫溜板中的滾珠絲杠、螺母拆除，在該處安裝橫向進給滾珠絲杠螺母副，橫向進給步進電動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。 5.刀架部分：拆除原刀架，在該處安裝自動回轉四方刀架總成。 五、橫向進給傳動鏈的設計計算 1. 主切削力及其切削分力計算 （1） 計算主切削力 用經(jīng)驗公式計算主切削力 對于車床的主切削力 縱切： Fz =0.67Dmax1.5 (N) Dmax——車床床身上加工最大直徑(mm) Fz =0.67×(630)1.5 =10595(N) (2) 計算各切削分力。 按比例分別求出分力Fx和Fy 由 Fz:Fx:Fy＝1:0.25:0.4 Fx——走刀方向的切削力(N) Fy——垂直走刀方向的切削力(N) 得：Fx =0.25 Fz Fy =0.4 Fz =0.25×10595 =0.4×10595 =2649(N) =4328(N) 2. 導軌的摩擦力的計算 （1） 由式(2-8a)計算在切削狀態(tài)下的導軌摩擦力。此時，導軌受到的垂向切削分力，橫向切削分力，移動部件的全部質量（包括機床夾具和工件的質量）W=1000N，查表2-3得鑲條緊固力則 =0.15(1000+2688+10595+2649)N =2540N （2） 按式計算在不切削狀態(tài)下的導軌摩擦力。 3.計算滾珠絲螺母副的軸向負載力 （1） 按式計算最大軸向負載力。 H （2） 按式計算最小軸向負載力。 4.確定進給傳動鏈的傳動比i和傳動級數(shù) 取步進電動機的不距角=滾珠絲杠的基本導程，進給傳動當量=0.005MM/脈沖，則由式得 按最小慣量條件，從圖查的該減速器應該采用2級傳動，傳動比可以分別取。根據(jù)結構需要，確定各傳動齒輪的齒數(shù)分別為，模數(shù)m=2，齒寬b=20mm。 5.滾珠絲杠的動載荷計算與直徑估算 （1）按預期工作時間估算滾珠絲杠預期的額定動載荷 已知數(shù)控機床的預期工作時間Lh=15000h，滾珠絲杠的當量載荷，查表得，載荷系數(shù)fw=1.3；查表可得初步選擇滾珠絲杠的精度等級為2級精度，去精度系數(shù)=1；查表得可靠性系數(shù)=1.取滾珠絲杠的當量轉速，滾珠絲杠的基本導程Lo=8mm，則 （2）按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑 ① 根據(jù)定位精度和重復定位精度的要求估算允許的滾珠絲杠的最多軸向變形。 已知本車床橫向進給系統(tǒng)的定位精度為，則由式得 · 取上述計算結果的較小值，即=3 ② 估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑。 · 滾珠絲杠螺母副的安裝方式擬采用一端固定.一端游動支撐方式，滾珠絲杠螺母副的兩個固定支撐之間的距離為 · L=行程+安全行程+2X余程+螺母長度+支撐長度 · =（1.2~1.4）行程+（25~30） · L=1.4X行程+30 =（）mm=681mm 由式得 （3）初步確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號 根據(jù)以上計算所得的和結構的需要，初步選擇南京工藝裝備公司生產(chǎn)的FFZD型內循環(huán)墊片預緊螺母式滾珠絲杠螺母副，型號為FFZD5008--5，其公稱直徑基本導程,額定動載荷Ca和螺紋底徑如下: 故滿足要求。 六、滾珠絲杠螺母副的承載能力校驗 1.滾珠絲杠螺母副臨界壓縮載荷的校驗 已知滾珠絲杠螺母副的螺紋底徑由圖可知滾珠絲杠螺母副的最大受壓長度=313mm，絲杠水平安裝時，取=1/3，查表得=2，則由式的 本車床橫向進給系統(tǒng)滾珠絲桿螺母副的軸向最大壓縮載荷=6868N，遠小于其臨界壓縮載荷的值，故滿足要求。 2. 滾珠絲桿螺母副的臨界轉速的校驗 由圖4-5滾珠絲桿螺母副的臨界轉速的計算長度=337mm.其彈性模量E=2.1xMPa,密度,重力加速度g=9.8xmm/ 滾珠絲桿的最小慣性矩為 滾珠絲桿的最小截面積為 取K1=0.8，由表2-44得=3.927，則由式（2-36）得 =153323 r/min 本橫向進給傳動鏈的滾珠絲桿螺母副的最高轉速31.25r/min，遠小于其臨界轉速，故滿足要求 3. 滾珠絲桿螺母副額定壽命的校驗 查附錄A表A-3得滾珠絲桿的額定動載荷Ca=34700N，已知其橫向載荷==6868N，滾珠絲桿的轉速n==31.25 r/min ,運動條件系數(shù)，則由式2-37 式2-38 得 本車床數(shù)控化改造后，滾珠絲桿螺母副的工作總壽命=39787h>=15000h，故滿足要求 七、計算機械傳動系統(tǒng)的剛度 1. 計算機械傳動系統(tǒng)的剛度 （1）計算滾珠絲桿的拉壓剛度Ks 本機床橫向進給傳動鏈的絲桿為一端固定、一端游動。絲桿的拉壓剛度Ka 可按（2-42）計算已知滾珠絲桿的彈性模量E=2.1xMPa,其底徑d2=44.9mm.當其螺母中心至固定端支撐中心的距離a=Ly=313mm時，其螺母副具有最小拉壓剛度Ksmin，根據(jù)式（2-43a）得 當a=Lj=113mm時，其螺母副具有最大拉壓剛度Ksmax, 根據(jù)式（2-43b得 （2）計算滾珠絲桿螺母副支撐軸承的剛度. 已知滾動體直徑=5.953mm,滾動體個數(shù)Z=15，軸承的最大軸向工作載荷==6868N,則由表2-46得 (3) 計算滾珠與滾道的接觸剛度 K=2069N/，滾珠絲桿的額定動載荷=34700N，滾珠絲桿所承受的最大軸向載荷=6868N，則由式（2-46b）得 （4）計算進給系統(tǒng)的綜合拉壓剛度Ko 根據(jù)式（2-47a）得進給系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為 故Kmax=512.8 N/ 根據(jù)式（2-47b）得進給系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小為 故Kmin=392.2 N/ 2.計算滾珠絲桿螺母副的扭矩剛度 由圖4-5得扭矩作用點之間的距離L2=387mm，已知滾珠絲桿的剪切模量G=8.1xMpa,滾珠桿的底徑mm,則由式（2-48） 八、驅動電動機的選型與計算 1.計算折算到電動機軸上的負載慣量 （1）計算滾珠絲杠的轉動慣量。 已知滾珠絲杠的密度kg/c，則由式（2-63）得 =L ； =0.78（2.+2.+2.）kgc =1.38 kgc （2）計算折算到絲杠軸上的移動部件的轉動慣量。 已知機床橫向進給系統(tǒng)執(zhí)行部件（既橫向溜板及刀架）的總質量m=102.04kg ；絲杠軸每轉一圈，機床執(zhí)行部件在軸向移動的距離L=0.8cm ，則由式（2-65）得 =m=102.04 kgc=1.7 kgc （3）計算各齒輪的轉動慣量 ==0.78 kgc=0.4 kgc =0.78 kgc=6.4 kgc =0.78 kgc=32.3 kgc （4）由式（2-66）計算加在電動機軸上總負載轉動慣量 =+(+)+(++) = kgc =3.08 kgc 2．計算折算到電動機軸上的負載力矩 （1）計算折算到電動機軸上的切削負載力矩 已知在切削狀態(tài)下的軸向負載力矩=6868N，死杠每轉一圈，機床執(zhí)行部件軸向移動的距離L=8mm=0.008m ，進給傳動系統(tǒng)的傳動比i=6 ，進給傳動系統(tǒng)的總傳動效率，則由式（2-54）得 = Nm=1.72 Nm （2）計算折算到電動機軸上的摩擦負載力矩 已知在不切削狀態(tài)下的軸向負載力（既空載時的導軌摩擦力）=553.2N，則由式（2-55）得 （3）計算由滾珠絲杠預緊力產(chǎn)生的并折算到電動機軸上的附加負載力矩 。 已知滾珠絲杠螺母副的效率，滾珠絲杠螺母副的預緊力為 = 則由式（2-56）得 =(1—)= Nm=0.067 Nm （4）折算到電動機軸上的負載力矩T 的計算。 1> 空載時（快進力矩），由式(2-57a)得 2>切削時（工進力矩），由式（2-57b）得 3．計算折算到電動機軸上的加速力矩 根據(jù)以上計算結果和表A-5，初選130BF001型反應式步進動機，其轉動慣量,而進給傳動系統(tǒng)的負載慣量 kgc；對開環(huán)系統(tǒng)，一般取加速時間S 。當機床執(zhí)行部件以最快速度V=1000 mm/min運動時電動機的最高轉速為 r/min=833r/min 由式（2-59）得 ==7.68N 4．計算橫向進給系統(tǒng)所需的折算到電動機軸上的各種力矩 （1）按式（2-61）計算空載啟動力矩 =+()=7.89N (2）按式（2-57a）計算快進力矩 （3）按式（2-57b）計算工進力矩 5，選擇驅動電機的型號 （2） 選擇驅動電機的型號。 根據(jù)以上計算和表A-5，選擇國產(chǎn)130BF001型反應式步進電動機為驅動電動機，其主要技術參數(shù)如下：相數(shù)，5；步距角，0.75/1.5；最大靜轉矩，9.31Nm；轉動慣量，4.6kg*；最高空載啟動頻率，3000Hz；運行頻率，16000Hz；分配方式，五相五拍；質量，92Kg。 （3） 確定最大靜轉矩。 由表2—48給出的機械傳動系統(tǒng)空載啟動力矩 的關系可得 0.951 機械傳動系統(tǒng)空載啟動力矩 取。 本電動機的最大靜轉矩為9.31Nm，大于Ts=8.3Nm，可以在規(guī)定的時間里正常啟動，故滿足要求。 （4） 驗算慣量匹配。 為了使機械傳動系統(tǒng)的慣量達到較合理的匹配，系統(tǒng)的負載慣量與伺服電動機的轉動慣量Jm之比一般應滿足式，即 0.25 因為 ，故滿足慣量匹配要求。 九、機械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析 (1) 計算絲杠—工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率。 滾珠絲杠螺母副的綜合拉壓剛度，機床執(zhí)行部件的質量和滾珠絲杠螺母副的質量分別為m， 102Kg ,則 計算扭轉震動系統(tǒng)的最低固有頻率 折算到計算軸上的系統(tǒng)總轉動慣量為 已知滾珠絲杠的扭轉剛度 由以上計算可知，絲杠-工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率 =1954 扭轉振動系統(tǒng)的最低固有頻率=4662 都比較高。一般按=300 的要求來設計機械傳動系統(tǒng)的剛度，故滿足要求。 十、機械傳動系統(tǒng)的誤差計算與分析 1.計算機械傳動系統(tǒng)的反向死區(qū)Δ 已知進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值=392.2× N/mm導軌的靜摩擦力520N. Δ=2×=3.76 mm 故滿足要求。 2.計算機械傳動系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差 3.計算滾珠絲杠因扭轉變形產(chǎn)生的誤差 （1） 計算由扭矩引起的滾珠絲杠螺母副的變形量θ 已知負載力矩T==207N.mm 由圖4-5得扭矩作用點之間的距離絲杠底徑 θ=7.21 （2）由該扭轉變形量θ引起的軸向移動滯后量 將影響工作臺的定位精度，由式（2—50）得 十一、確定滾珠絲杠螺母副的精度等級和規(guī)格型號 1.確定滾珠絲杠螺母副的精度等級. 本進給傳動系統(tǒng)采用開環(huán)控制系統(tǒng),應滿足下列要求: 取滾珠絲杠螺母副的精度等級為2級，查表2—20得 當螺紋長度為315mm時查表2—21得，， ，，故滿足設計要求。 2.確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號 滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號為FFZD5008-5-P2/585*400，其具體參數(shù)如下：公稱直徑與導程：50mm，8mm；螺紋長度：400mm；絲杠長度：585mm；類型與精度：P類2級精度。 十二、設計總結 在三個星期的時間里，經(jīng)過我們小組的共同努力，終于完成了CA6140普通車床微機數(shù)控改造設計。我們小組的主要任務是機床縱向進給的改造，其要求是按照機床給出的技術參數(shù)完成其縱向改造。在設計過程中，一方面要求設計機械系統(tǒng)時，選擇與控制系統(tǒng)的電氣參數(shù)相匹配的機械系統(tǒng)參數(shù)；同時也要求設計控制系統(tǒng)時，根據(jù)機械系統(tǒng)的故有結構參數(shù)來選擇和確定電氣參數(shù)。綜合應用機械技術和微電子技術，使二者密切結合、互相協(xié)調、相互補充，充分體現(xiàn)機電一體化的優(yōu)越性。 設計機床的主要功能是數(shù)字控制機床的自動加工進給及完成退刀程序的完全自動化。其設計主要是按要求完成電路設計，電器元件的選用及其結構設計和控制功能的程序設計。 在改造完成的數(shù)控機床其使用價值是加工過程是自動化，它可以節(jié)省勞動力，提高加工精度，從而提高勞動的效率，提高工廠企業(yè)的經(jīng)濟效益。它的主要特色是起用微電子元件對機床加工的控制。 在設計的過程中，我深刻地體會到機電一體化系統(tǒng)的設計，是多學科的交叉與綜合，涉及了大學課程里的大部分知識，是對過去所學知識的一次復習、鞏固和實際的操作，強化訓練了我們的學科融合的思維能力，進一步加強了我們對機電一體化系統(tǒng)設計技術總體思想，初步了解到了設計一個機電一體化系統(tǒng)的方法，培養(yǎng)了一個機電工程師應具備的思維能力。在設計中我學到了很多從書本上無法體會的東西。學習實踐技能得到明顯的提高，使自己的綜合能力得到進一步的提高，從而為自己畢業(yè)后更快地適應社會工作打下良好的基礎。但我們還需要在實踐中不斷的學習，提高，掌握新概念、新技術、將來才能成為機電一體化的復合人才。