普通車床的數(shù)控化改造設(shè)計(jì)

普通車床的數(shù)控化改造設(shè)計(jì),普通,車床,數(shù)控,改造,設(shè)計(jì) 目錄一任務(wù)書 3二.總體方案設(shè)計(jì) 5三.設(shè)計(jì)參數(shù) 5四.實(shí)施方案 6五.橫向進(jìn)給傳動鏈的設(shè)計(jì)計(jì)算 7六.滾珠絲杠螺母副的承載能力校驗(yàn) 9七.計(jì)算機(jī)械傳動系統(tǒng)的剛度 10八.驅(qū)動電動機(jī)的選型計(jì)算 12九.機(jī)械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析 15十.機(jī)械傳動系統(tǒng)的誤差計(jì)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(shè)計(jì) 17十三.參考書目 23一.任務(wù)書1.設(shè)計(jì)目的數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)是機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)中的一個(gè)重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生學(xué)完技術(shù)基礎(chǔ)課和專業(yè)課，特別是“數(shù)控技術(shù)”課程后應(yīng)用的，它是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、解決實(shí)際問題能力的重要步驟。本課程設(shè)計(jì)是以機(jī)電一體化的典型課題數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的擬定為主線，通過對數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案的擬定、進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)，計(jì)算以及控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)，使學(xué)生能夠綜合應(yīng)用所學(xué)過的機(jī)械、電子和微機(jī)方面的知識，進(jìn)行一次機(jī)電結(jié)合的全方面訓(xùn)練，從而培養(yǎng)學(xué)生具有初步設(shè)計(jì)計(jì)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(shè)計(jì)要求課程設(shè)計(jì)是機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)課程的十分重要實(shí)踐環(huán)節(jié)之一。通過課程設(shè)計(jì)可以初步樹立正確的設(shè)計(jì)思想，了解有關(guān)的工業(yè)政策，學(xué)會運(yùn)用手冊、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等資料；培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的實(shí)際能力，并在教師的指導(dǎo)下，系統(tǒng)地運(yùn)用課程和選修課程的知識，獨(dú)立完成規(guī)定的設(shè)計(jì)任務(wù)。課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容是改造設(shè)備，實(shí)現(xiàn)以下幾部分內(nèi)容的設(shè)計(jì)訓(xùn)練。如精密執(zhí)行機(jī)的內(nèi)容應(yīng)包括：課程設(shè)計(jì)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(jī)械傳動設(shè)計(jì)計(jì)算以及機(jī)械和電氣及其他部分（如環(huán)形分配器等）的說明。該課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容及方法，可以歸納如下：1) 采用微型計(jì)算機(jī)（包括單片機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、采集和控制。主要考慮計(jì)算機(jī)的選擇或單片機(jī)構(gòu)成電路的選用、接口電路、軟件編制等。2) 選用驅(qū)動控制電路，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。主要考慮計(jì)算機(jī)的選擇或單片機(jī)構(gòu)成電路的選用，考慮電機(jī)選擇及驅(qū)動力矩的計(jì)算，控制電機(jī)電路的設(shè)計(jì)。3) 精密執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。主要是考慮數(shù)控機(jī)床工作臺傳動裝置的設(shè)計(jì)問題：要弄清機(jī)構(gòu)或機(jī)械執(zhí)行元件的主要功能（傳動運(yùn)動、動力、位置裝置、微調(diào)、精密定位或高速運(yùn)轉(zhuǎn)等），進(jìn)行力矩、負(fù)載功率、慣性（轉(zhuǎn)動慣量）、加（減）速控制和誤差計(jì)算。4) 學(xué)會使用手冊及圖表資料，計(jì)算機(jī)I/O接口設(shè)計(jì)和驅(qū)動電路以及數(shù)控化電氣原理設(shè)計(jì)等。二.總體方案設(shè)計(jì)1.系統(tǒng)運(yùn)動方式：普通車床數(shù)控化改造應(yīng)具有定位?？焖龠M(jìn)給，直線插補(bǔ)，圓弧插補(bǔ)，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(yīng)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(jì)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(jì)型數(shù)控機(jī)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(yīng)簡化結(jié)構(gòu)，降低成本。因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用以步進(jìn)電動機(jī)為驅(qū)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(zhuǎn)刀架的選擇等。4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電氣設(shè)計(jì)：這主要是縱向進(jìn)給傳動系統(tǒng)，橫向進(jìn)給傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和機(jī)床導(dǎo)軌的維護(hù)。一般采用貼塑導(dǎo)軌以減小摩擦力，機(jī)床電氣設(shè)計(jì)包括機(jī)床原理圖設(shè)計(jì)和PLC梯形圖設(shè)計(jì)。三.設(shè)計(jì)參數(shù)1.最大加工直徑：320mm2.最大加工長度：700mm3.行程：縱向700mm，橫向200mm4.刀架快速進(jìn)給速度：縱向2400mm/min，橫向1200mm/min5.最大進(jìn)給速度：縱向800mm/min，橫向400mm/min6.溜板及刀架重力：縱向800N，橫向500N7.主電動機(jī)功率：4.5kw8.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(biāo)數(shù)：211.脈沖當(dāng)量：縱向0.01mm/脈沖，橫向0.005mm/脈沖四.實(shí)施方案進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)控化改造的主要部位有：掛輪架，進(jìn)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(jìn)給箱部分:全部拆除，在該處安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)給滾珠絲杠螺母副，橫向進(jìn)給步進(jìn)電動機(jī)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(zhuǎn)四方刀架總成。五.橫向進(jìn)給傳動鏈的設(shè)計(jì)計(jì)算1.主切削力及其切削分力計(jì)算（1）計(jì)算主切削力Fz已知：主電動機(jī)功率Pm為4. 5kw，最大工作直徑D=320mm。 主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速：n=85r/min，在此轉(zhuǎn)速下，主軸具有最大扭矩和功率。則刀具的切削速度為：。取機(jī)床的機(jī)械效率=0.8，則主切削力=。（2）計(jì)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(dǎo)軌摩擦力計(jì)算由公式：F=（W+fg+Fv+Fc）N，計(jì)算在切削狀態(tài)下導(dǎo)軌摩擦力F。此時(shí)導(dǎo)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(dǎo)軌動摩擦系數(shù)=0.15，則F=（W+fg+Fv+Fc）=0.15(500+1500+2535.21+633.8)=775.35N。由公式：F=（W+fg）N，計(jì)算在不切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力F和F，則：F=（W+fg）=0.15（500+1500）=300N，F(xiàn)=（W+fg）=0.2（500+1500）=400N。3.計(jì)算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力按公式：Famax=F+（W+fg+Fv+Fc）N，計(jì)算最大軸向負(fù)載力Famax。則：Famax=Fy+F=1014.08+775.35=1789.43N。按公式：Famin= F=（W+fg）N，得：最小軸向負(fù)載力Famin= F=300N。4.確定傳動鏈的傳動比i和傳動級數(shù)取步進(jìn)電動機(jī)的步距角為=1.5度，滾動絲杠的基本導(dǎo)程L=6mm，進(jìn)給傳動鏈的脈沖當(dāng)量=0.005mm/脈沖，則由公式：得， ，按最小慣量條件，查圖可知應(yīng)采用二級傳動，傳動比分別取：=2，=2.5。根據(jù)結(jié)構(gòu)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(jì)算與直徑估算按預(yù)期工作時(shí)間估算滾珠絲杠預(yù)期的額定動載荷Cam，已知數(shù)控機(jī)床的預(yù)期工作時(shí)間Lh=15000h，滾珠絲杠的當(dāng)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(dāng)量轉(zhuǎn)速，又知：Vmax=0.4m/min，L=6mm。則：。由公式：=N，得：=N。按精度要求允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑根據(jù)定位精度和重復(fù)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(jìn)給的定位精度為20m，重復(fù)定位精度為16m，則由公式，得：=（1/31/2）16m=（5.338）m，=（1/31/4）20m=（45）m。取上述結(jié)果較小的值，即=4m。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(gè)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=（1.21.4）行程+（2530）L，則：L=1.4行程+30 L=（1.4200+306）=460mm。由公式：0.078， 得： 0.078mm。初步確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格和型號根據(jù)以上計(jì)算所得L，和結(jié)構(gòu)需要，初步選擇南京工藝裝備公司生產(chǎn)的FFZL型內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲杠螺母副，型號為：FFZL2506-3，其公稱直徑，基本導(dǎo)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(yàn)1.滾珠絲杠螺母副臨界壓縮載荷Fc的校驗(yàn)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(shí)，取=1/3，查表=2,則由公式Fc=，得：Fc=N，本車床橫向進(jìn)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(yuǎn)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(zhuǎn)速校驗(yàn)由圖可知：滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速計(jì)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(jìn)給傳動鏈的滾珠絲杠螺母副的最高轉(zhuǎn)速為：66.67r/min，遠(yuǎn)小于其臨界轉(zhuǎn)速，故滿足要求。3.滾珠絲杠螺母副額定壽命校驗(yàn)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(zhuǎn)速，運(yùn)轉(zhuǎn)條件系數(shù)fw=1.2，則由公式：L=（），得：L=1.70r，=L/60n=36498h。因?yàn)長h=36498h遠(yuǎn)大于15000h，故滿足要求。七.計(jì)算機(jī)械傳動系統(tǒng)的剛度1.計(jì)算機(jī)械傳動系統(tǒng)的剛度計(jì)算滾珠絲杠的拉壓剛度Ks本機(jī)床橫向進(jìn)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(jì)算。已知滾珠絲杠的彈性模量E=，底徑=21.9mm，當(dāng)滾珠絲杠的螺母中心至固定端支承中心的距離a=Ly=313mm時(shí)，滾珠絲杠螺母副具有最小抗拉壓剛度Ksmin。由公式:，得：。當(dāng)a=Ly=113mm時(shí)，滾珠絲杠螺母副具有最大抗拉壓剛度Ksmax，由公式，得：。計(jì)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(gè)數(shù)Z=15，軸承最大軸向工作載荷，則查表得：。計(jì)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：。計(jì)算進(jìn)給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度K由公式：，得：進(jìn)給系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為：。由公式：，得：進(jìn)給系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值為：。2.計(jì)算滾珠絲杠螺母副的扭轉(zhuǎn)剛度由圖知：扭矩作用點(diǎn)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(qū)動電動機(jī)的選型計(jì)算1.計(jì)算折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載慣量計(jì)算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量Jr已知滾珠絲杠的密度，則由公式：計(jì)算折算到絲杠軸上的移動部件的轉(zhuǎn)動慣量已知機(jī)床橫向進(jìn)給系統(tǒng)的執(zhí)行部件的總質(zhì)量為51.02kg，絲杠每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸向移動的距離L=0.6cm，由公式：。計(jì)算各齒輪轉(zhuǎn)動慣量；由公式，得：總負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量。2.計(jì)算折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載力矩計(jì)算折算到電動機(jī)軸上的切削力矩Tc已知在切削狀態(tài)下的軸向負(fù)載力Fa=Famax=1789.43N，絲杠每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件橫向移動距離L=6mm=0.006m，進(jìn)給傳動比i=5，總效率，由公式，得：。計(jì)算折算到電動機(jī)軸上的摩擦負(fù)載力矩已知在不切削狀態(tài)下的軸向負(fù)載力，則由公式，得：。計(jì)算由滾珠絲杠預(yù)緊力Fp產(chǎn)生的并折算到電動機(jī)軸上的附加負(fù)載力矩Tf已知滾珠絲杠螺母副效率，則，則由公式：，得：。折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載力矩T的計(jì)算空載時(shí)：切削時(shí)：3.計(jì)算折算到電動機(jī)軸上的加速力矩根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果和查表，知：初選130BF001型反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)，其轉(zhuǎn)動慣量，而進(jìn)給傳動系統(tǒng)的負(fù)載慣量，對開環(huán)系統(tǒng)，一般取加速時(shí)間。當(dāng)機(jī)床執(zhí)行部件以最快速度v=1200mm/min運(yùn)動時(shí)，電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，由公式： ，得：。4.計(jì)算橫向進(jìn)給系統(tǒng)所需的折算到電動機(jī)軸上的各種力矩按式，得：按式，得：按式，得：5.電動機(jī)型號的選擇選擇驅(qū)動電動機(jī)的型號根據(jù)以上計(jì)算及查表知，選擇國產(chǎn)130BF001反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)，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(zhuǎn)矩：，轉(zhuǎn)動慣量：，最高空載啟動頻率：3000HZ，運(yùn)行頻率：16000HZ，分配方式：五相十拍，質(zhì)量：9.2kg。確定最大靜轉(zhuǎn)矩查表，知：機(jī)械傳動系統(tǒng)空載啟動力矩與所需的步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為：，所以：。機(jī)械傳動系統(tǒng)空載啟動力矩與所需的步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為：。取和中較大者作為所需電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩，即：，本電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩為，所以可以在規(guī)定時(shí)間里正常啟動，故滿足要求。驗(yàn)算慣量匹配為了使機(jī)械傳動系統(tǒng)的慣量達(dá)到合理的匹配，系統(tǒng)的負(fù)載慣量與伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量之比一般應(yīng)滿足式: 0.251。因?yàn)閷儆?.251的區(qū)間范圍內(nèi)，故慣量匹配滿足要求。九.機(jī)械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析1.計(jì)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(jī)床執(zhí)行部件的質(zhì)量和滾珠絲杠螺母副的質(zhì)量分別為m,ms，滾珠絲杠螺母副和機(jī)床執(zhí)行部件的等效質(zhì)量為：，已知m=51.02kg。則：。2.計(jì)算扭轉(zhuǎn)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(dāng)量轉(zhuǎn)動慣量為：，已知滾珠絲杠扭轉(zhuǎn)剛度，則：。由此計(jì)算可知：絲杠-工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率，扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的最低固有頻率都比較高，一般按的要求設(shè)計(jì)機(jī)械傳動系統(tǒng)的剛度，故滿足要求。十.機(jī)械傳動系統(tǒng)的誤差計(jì)算與分析1.計(jì)算機(jī)械傳動系統(tǒng)的反向死區(qū)已知進(jìn)給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值，導(dǎo)軌的靜摩擦力。由公式：=。即：=5.76YE，可用X方向走的總步數(shù)XE作為終點(diǎn)判別的依據(jù)，如動點(diǎn)X等于終點(diǎn)XE則停止。當(dāng)XE=0？Y方向進(jìn)給XYY1YXX1X？Y？返 回X方向進(jìn)給程序設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)程序時(shí)，在RAM數(shù)據(jù)區(qū)分別存放終點(diǎn)坐標(biāo)值XE，YE，動點(diǎn)坐標(biāo)值X，Y，偏差FM。對8位機(jī)，一般可用2字節(jié)，而行程較大時(shí)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(jìn)行初始值、X、Y向步進(jìn)電機(jī)初態(tài)（控制字）。插補(bǔ)程序所用的內(nèi)存單元如下：28H29H2AH2BH2CH70HXEYEXYFM電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字為：D7D6D5D4D3D2D1D0D1D0為X向電機(jī)控制位。D0=1運(yùn)行，D0=0停止；D1=1正轉(zhuǎn)，D1=0反轉(zhuǎn)。D3D2為Y向電機(jī)控制位。D2=1運(yùn)行，D2=0停止；D3=1正轉(zhuǎn)，D3=0反轉(zhuǎn)。第一象限直線插補(bǔ)的程序： ORG 2000HMAIN：MOV SP, #60HLP4: MOV 28H, #0C8H; MOV 29H, #0C8H; MOV 2AH, #00H; MOV 2BH, #00H; MOV 2EH, #00H; MOV 70H, #0AHLP3: 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 LP2LP1: MOV A, 70H SETB ACC.2 CLR ACC.0 LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A, 2EH ADD A, 28HLP2: 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(shù)課程設(shè)計(jì)華中科技大學(xué)出版社2. 陳嬋娟 數(shù)控車床設(shè)計(jì) 化學(xué)工業(yè)出版社3. 周開勤 機(jī)械零件手冊 高等教育出版社 4. 何立民 單片機(jī)高級教程 北京航空航天大學(xué)出版社5. 鄭堤 唐可洪 機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)機(jī)械工業(yè)出版社課程設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)題目：普通車床的數(shù)控化改造設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師：馬愛兵設(shè) 計(jì)：王振英班 級：07機(jī)制（3）班學(xué) 號：0715011334時(shí)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(jī)床，當(dāng)工件隨主軸回轉(zhuǎn)時(shí)，通過刀架的縱向移動和橫向移動，車床能加工出內(nèi)外圓柱面、圓錐面、端面、螺紋面等。借助成形刀具，車床還能加工各種成形回轉(zhuǎn)表面。普通車床 刀架縱向、橫向的進(jìn)給運(yùn)動由主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動經(jīng)掛輪傳遞而來，通過進(jìn)給箱變速后，由光桿或絲杠帶動溜板箱、縱溜板移動。進(jìn)給參數(shù)要靠手工預(yù)先調(diào)整好，如果改變參數(shù)，則要停車進(jìn)行操作。刀架的縱向進(jìn)給運(yùn)動和橫向進(jìn)給運(yùn)動不能聯(lián)動。對普通車床進(jìn)行數(shù)控改造，主要是將縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)改造為CNC裝置控制的，能獨(dú)立運(yùn)動的進(jìn)給伺服系統(tǒng)，將刀架改造成為能自動換刀的回轉(zhuǎn)刀架，這樣利用CNC裝置，車床就可以按順序進(jìn)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(diào)整，再加上縱向進(jìn)給和橫向進(jìn)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(fù)雜的回轉(zhuǎn)零件，并能實(shí)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(yīng)小批量、多品種負(fù)責(zé)零件的加工二、總體方案設(shè)計(jì)總體方案設(shè)計(jì)應(yīng)考慮機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動方式、伺服系統(tǒng)的類型計(jì)算機(jī)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(yīng)具有定位、快速進(jìn)給、直線查補(bǔ)、圓弧查補(bǔ)、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(yīng)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(jì)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(jì)型數(shù)控機(jī)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(yīng)簡化結(jié)構(gòu)，降低成本。因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用一步進(jìn)電動機(jī)為驅(qū)動裝置的開環(huán)系統(tǒng)為宜。當(dāng)然，也可以采用以伺服電動機(jī)為驅(qū)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(zhuǎn)刀架的選擇等等。4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電氣設(shè)計(jì)。 這主要是縱向進(jìn)給傳動系統(tǒng)、橫向進(jìn)給傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和機(jī)床導(dǎo)軌的維護(hù)，一般采用貼塑導(dǎo)軌以減小摩擦力。機(jī)床電氣設(shè)計(jì)包括機(jī)床原理圖設(shè)計(jì)和PLC梯形設(shè)計(jì)等等。 在上述方案的基礎(chǔ)上，若條件允許，可以進(jìn)一步對普通車床的主傳動系統(tǒng)進(jìn)行改造，以實(shí)現(xiàn)車床主傳動系統(tǒng)的自動調(diào)速與控制，使加工過程實(shí)現(xiàn)全自動化。三、參數(shù)設(shè)計(jì)將C6140普通車床改造成用MCS-51系列單片機(jī)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。要求該車床有自動回轉(zhuǎn)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(bǔ)功能。系統(tǒng)分辨率：縱向：0.01mm橫向：0.005mm。設(shè)計(jì)參數(shù)如下：1. 最大加工直徑： 630mm2. 最大加工長度： 1400mm3. 快進(jìn)速度：縱向2.0m/min，橫向1.0m/min4. 最大切削進(jìn)給速度：縱向0.5m/min，橫向0.25m/min5. 溜板及刀架重力：縱向1500N ，橫向1000N6. 主電動機(jī)功率：12.5Kw7. 空載啟動時(shí)間：35ms8. 定位精度：0.015mm四、實(shí)施方案進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)控化改造的主要部位有：掛輪架、進(jìn)給箱、溜板箱、刀架等?，F(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(jìn)給箱部分：全部拆除，在該處安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)給滾珠絲杠螺母副，橫向進(jìn)給步進(jìn)電動機(jī)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(zhuǎn)四方刀架總成。五、橫向進(jìn)給傳動鏈的設(shè)計(jì)計(jì)算1. 主切削力及其切削分力計(jì)算（1） 計(jì)算主切削力 用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)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(jì)算各切削分力。 按比例分別求出分力Fx和Fy由 Fz:Fx:Fy1:0.25:0.4Fx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=0.2510595 =0.410595=2649(N) =4328(N)2. 導(dǎo)軌的摩擦力的計(jì)算（1） 由式(2-8a)計(jì)算在切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力。此時(shí)，導(dǎo)軌受到的垂向切削分力，橫向切削分力，移動部件的全部質(zhì)量（包括機(jī)床夾具和工件的質(zhì)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(jì)算在不切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力。 3.計(jì)算滾珠絲螺母副的軸向負(fù)載力（1） 按式計(jì)算最大軸向負(fù)載力。 H（2） 按式計(jì)算最小軸向負(fù)載力。 4.確定進(jìn)給傳動鏈的傳動比i和傳動級數(shù)取步進(jìn)電動機(jī)的不距角=滾珠絲杠的基本導(dǎo)程，進(jìn)給傳動當(dāng)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(yīng)該采用2級傳動，傳動比可以分別取。根據(jù)結(jié)構(gòu)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(jì)算與直徑估算（1）按預(yù)期工作時(shí)間估算滾珠絲杠預(yù)期的額定動載荷已知數(shù)控機(jī)床的預(yù)期工作時(shí)間Lh=15000h，滾珠絲杠的當(dāng)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(dāng)量轉(zhuǎn)速，滾珠絲杠的基本導(dǎo)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 根據(jù)定位精度和重復(fù)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(jìn)給系統(tǒng)的定位精度為，則由式得 取上述計(jì)算結(jié)果的較小值，即=3 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(gè)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 =（1.21.4）行程+（2530） 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(jì)算所得的和結(jié)構(gòu)的需要，初步選擇南京工藝裝備公司生產(chǎn)的FFZD型內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲杠螺母副，型號為FFZD5008-5，其公稱直徑基本導(dǎo)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(yàn)1.滾珠絲杠螺母副臨界壓縮載荷的校驗(yàn)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(shí)，取=1/3，查表得=2，則由式的 本車床橫向進(jìn)給系統(tǒng)滾珠絲桿螺母副的軸向最大壓縮載荷=6868N，遠(yuǎn)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(zhuǎn)速的校驗(yàn)由圖4-5滾珠絲桿螺母副的臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)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(jìn)給傳動鏈的滾珠絲桿螺母副的最高轉(zhuǎn)速31.25r/min，遠(yuǎn)小于其臨界轉(zhuǎn)速，故滿足要求3. 滾珠絲桿螺母副額定壽命的校驗(yàn)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(zhuǎn)速n=31.25 r/min,運(yùn)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(jì)算機(jī)械傳動系統(tǒng)的剛度1. 計(jì)算機(jī)械傳動系統(tǒng)的剛度（1）計(jì)算滾珠絲桿的拉壓剛度Ks本機(jī)床橫向進(jìn)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(jì)算已知滾珠絲桿的彈性模量E=2.1xMPa,其底徑d2=44.9mm.當(dāng)其螺母中心至固定端支撐中心的距離a=Ly=313mm時(shí)，其螺母副具有最小拉壓剛度Ksmin，根據(jù)式（2-43a）得當(dāng)a=Lj=113mm時(shí)，其螺母副具有最大拉壓剛度Ksmax, 根據(jù)式（2-43b得（2）計(jì)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(gè)數(shù)Z=15，軸承的最大軸向工作載荷=6868N,則由表2-46得 (3) 計(jì)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(jì)算進(jìn)給系統(tǒng)的綜合拉壓剛度Ko根據(jù)式（2-47a）得進(jìn)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(jìn)給系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小為故Kmin=392.2 N/2.計(jì)算滾珠絲桿螺母副的扭矩剛度由圖4-5得扭矩作用點(diǎn)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(qū)動電動機(jī)的選型與計(jì)算1.計(jì)算折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載慣量（1）計(jì)算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)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(jì)算折算到絲杠軸上的移動部件的轉(zhuǎn)動慣量。已知機(jī)床橫向進(jìn)給系統(tǒng)執(zhí)行部件（既橫向溜板及刀架）的總質(zhì)量m=102.04kg ；絲杠軸每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)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(jì)算各齒輪的轉(zhuǎn)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(jì)算加在電動機(jī)軸上總負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量=+(+)+(+) = kgc =3.08 kgc2計(jì)算折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載力矩（1）計(jì)算折算到電動機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩已知在切削狀態(tài)下的軸向負(fù)載力矩=6868N，死杠每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件軸向移動的距離L=8mm=0.008m ，進(jìn)給傳動系統(tǒng)的傳動比i=6 ，進(jìn)給傳動系統(tǒng)的總傳動效率，則由式（2-54）得= Nm=1.72 Nm（2）計(jì)算折算到電動機(jī)軸上的摩擦負(fù)載力矩已知在不切削狀態(tài)下的軸向負(fù)載力（既空載時(shí)的導(dǎo)軌摩擦力）=553.2N，則由式（2-55）得（3）計(jì)算由滾珠絲杠預(yù)緊力產(chǎn)生的并折算到電動機(jī)軸上的附加負(fù)載力矩 。 已知滾珠絲杠螺母副的效率，滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力為=則由式（2-56）得=(1)= Nm=0.067 Nm（4）折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載力矩T 的計(jì)算。1 空載時(shí)（快進(jìn)力矩），由式(2-57a)得2切削時(shí)（工進(jìn)力矩），由式（2-57b）得3計(jì)算折算到電動機(jī)軸上的加速力矩根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果和表A-5，初選130BF001型反應(yīng)式步進(jìn)動機(jī)，其轉(zhuǎn)動慣量,而進(jìn)給傳動系統(tǒng)的負(fù)載慣量 kgc；對開環(huán)系統(tǒng)，一般取加速時(shí)間S 。當(dāng)機(jī)床執(zhí)行部件以最快速度V=1000 mm/min運(yùn)動時(shí)電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為 r/min=833r/min 由式（2-59）得=7.68N4計(jì)算橫向進(jìn)給系統(tǒng)所需的折算到電動機(jī)軸上的各種力矩（1）按式（2-61）計(jì)算空載啟動力矩=+()=7.89N(2）按式（2-57a）計(jì)算快進(jìn)力矩（3）按式（2-57b）計(jì)算工進(jìn)力矩5，選擇驅(qū)動電機(jī)的型號（2） 選擇驅(qū)動電機(jī)的型號。根據(jù)以上計(jì)算和表A-5，選擇國產(chǎn)130BF001型反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)為驅(qū)動電動機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)如下：相數(shù)，5；步距角，0.75/1.5；最大靜轉(zhuǎn)矩，9.31Nm；轉(zhuǎn)動慣量，4.6kg*；最高空載啟動頻率，3000Hz；運(yùn)行頻率，16000Hz；分配方式，五相五拍；質(zhì)量，92Kg。（3） 確定最大靜轉(zhuǎn)矩。由表248給出的機(jī)械傳動系統(tǒng)空載啟動力矩 的關(guān)系可得 0.951 機(jī)械傳動系統(tǒng)空載啟動力矩 取。本電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩為9.31Nm，大于Ts=8.3Nm，可以在規(guī)定的時(shí)間里正常啟動，故滿足要求。（4） 驗(yàn)算慣量匹配。為了使機(jī)械傳動系統(tǒng)的慣量達(dá)到較合理的匹配，系統(tǒng)的負(fù)載慣量與伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量Jm之比一般應(yīng)滿足式，即 0.25因?yàn)?，故滿足慣量匹配要求。九、機(jī)械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析(1) 計(jì)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(jī)床執(zhí)行部件的質(zhì)量和滾珠絲杠螺母副的質(zhì)量分別為m， 102Kg ,則 計(jì)算扭轉(zhuǎn)震動系統(tǒng)的最低固有頻率折算到計(jì)算軸上的系統(tǒng)總轉(zhuǎn)動慣量為已知滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度由以上計(jì)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)機(jī)械傳動系統(tǒng)的剛度，故滿足要求。十、機(jī)械傳動系統(tǒng)的誤差計(jì)算與分析1.計(jì)算機(jī)械傳動系統(tǒng)的反向死區(qū)已知進(jìn)給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值=392.2 N/mm導(dǎo)軌的靜摩擦力520N.=2=3.76mm故滿足要求。2.計(jì)算機(jī)械傳動系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差3.計(jì)算滾珠絲杠因扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的誤差（1） 計(jì)算由扭矩引起的滾珠絲杠螺母副的變形量已知負(fù)載力矩T=207N.mm 由圖4-5得扭矩作用點(diǎn)之間的距離絲杠底徑 =7.21（2）由該扭轉(zhuǎn)變形量引起的軸向移動滯后量 將影響工作臺的定位精度，由式（250）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(jìn)給傳動系統(tǒng)采用開環(huán)控制系統(tǒng),應(yīng)滿足下列要求: 取滾珠絲杠螺母副的精度等級為2級，查表220得 當(dāng)螺紋長度為315mm時(shí)查表221得， ，故滿足設(shè)計(jì)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(dǎo)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(shè)計(jì)總結(jié)在三個(gè)星期的時(shí)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(jī)數(shù)控改造設(shè)計(jì)。我們小組的主要任務(wù)是機(jī)床縱向進(jìn)給的改造，其要求是按照機(jī)床給出的技術(shù)參數(shù)完成其縱向改造。在設(shè)計(jì)過程中，一方面要求設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)時(shí)，選擇與控制系統(tǒng)的電氣參數(shù)相匹配的機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)；同時(shí)也要求設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的故有結(jié)構(gòu)參數(shù)來選擇和確定電氣參數(shù)。綜合應(yīng)用機(jī)械技術(shù)和微電子技術(shù)，使二者密切結(jié)合、互相協(xié)調(diào)、相互補(bǔ)充，充分體現(xiàn)機(jī)電一體化的優(yōu)越性。 設(shè)計(jì)機(jī)床的主要功能是數(shù)字控制機(jī)床的自動加工進(jìn)給及完成退刀程序的完全自動化。其設(shè)計(jì)主要是按要求完成電路設(shè)計(jì)，電器元件的選用及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制功能的程序設(shè)計(jì)。在改造完成的數(shù)控機(jī)床其使用價(jià)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(jì)效益。它的主要特色是起用微電子元件對機(jī)床加工的控制。在設(shè)計(jì)的過程中，我深刻地體會到機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是多學(xué)科的交叉與綜合，涉及了大學(xué)課程里的大部分知識，是對過去所學(xué)知識的一次復(fù)習(xí)、鞏固和實(shí)際的操作，強(qiáng)化訓(xùn)練了我們的學(xué)科融合的思維能力，進(jìn)一步加強(qiáng)了我們對機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)總體思想，初步了解到了設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)的方法，培養(yǎng)了一個(gè)機(jī)電工程師應(yīng)具備的思維能力。在設(shè)計(jì)中我學(xué)到了很多從書本上無法體會的東西。學(xué)習(xí)實(shí)踐技能得到明顯的提高，使自己的綜合能力得到進(jìn)一步的提高，從而為自己畢業(yè)后更快地適應(yīng)社會工作打下良好的基礎(chǔ)。但我們還需要在實(shí)踐中不斷的學(xué)習(xí)，提高，掌握新概念、新技術(shù)、將來才能成為機(jī)電一體化的復(fù)合人才。