ca6140車床數控化改造畢業(yè)設計

1、<p><b>　　畢業(yè)設計（論文）</b></p><p>　　題 目： CA6140普通車床的數控改造 </p><p>　　班 級：機電設備維修與管理0902班 </p><p>　　學 號: </p><p>　　姓 名：

2、 </p><p>　　指導教師： </p><p>　　CA6140車床數控化改造</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　數控技術水平的高低和數控設備擁有的多少已成為衡量一個國家工業(yè)現代化的重要標志。數控機床作為機電一體化的典

3、型產品，在機械制造中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現代機械制造中結構復雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產品的加工質量，大幅度提高生產效率。但是，發(fā)展數控技術的最大障礙就是添置設備的初期投資大，這使許多中小型企業(yè)難以承受。如果淘汰大量的普通機床，而去購買昂貴的數控機床，勢必造成巨大的浪費。因此，普通機床的數控化改造大有可為。</p><p>　　針對現有常規(guī)CA6140普遍車床的缺點提出數控改裝方案設

4、計，提高加工精度和擴大機床使用范圍，并提高生產率。本論文說明了普通車床的數控化改造的設計過程，較詳盡地介紹了CA6140各個改造部分的設計。</p><p>　　通過對CA6140普通車床的數控改造，實現了加工精度明顯提高，定位準確可靠，操作方便，大大提高了工作效率，穩(wěn)定了零件的加工質量，并保留了原機床的基本結構和部分工作性能，能節(jié)約資金，縮短生產周期，是工廠進行機械設備技術化改造的趨勢。</p>

5、<p>　　關鍵詞：車床，數控，改造，精度，進給系統(tǒng)</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　一 緒論1</b></p><p>　　1.1數控機床的發(fā)展史1</p><p>　　1.2機床數控化改造的意義1</p><p>　　

6、1.3數控化改造后機床的優(yōu)越性1</p><p>　　1.4機床數控化改造的內容2</p><p>　　二 設計要求及系統(tǒng)的選型3</p><p>　　2.1總體方案設計要求3</p><p><b>　　2.2設計參數3</b></p><p><b>　　2.3其他要求3

7、</b></p><p>　　2.4系統(tǒng)的確定4</p><p>　　2.5系統(tǒng)的特點4</p><p>　　2.6GSK980TA的參數4</p><p>　　三 車床絲杠的改造與伺服系統(tǒng)的改造設計7</p><p>　　3.1滾珠絲杠的優(yōu)點7</p><p>　　3.2

8、換用滾珠絲杠的設計7</p><p>　　3.3縱向滾珠絲杠選型與設計7</p><p>　　3.4橫向滾珠絲杠的選用與設計12</p><p>　　3.5滾珠絲杠的支撐與軸承的選用16</p><p>　　3.6步進電機的選用原則16</p><p>　　3.7步進電機的選用18</p>&

9、lt;p>　　3.8驅動器的選擇24</p><p>　　四 CA6140其他部分的改造特點26</p><p>　　4.1電氣控制系統(tǒng)的改造設計26</p><p>　　4.2主軸脈沖發(fā)生器的選用與安裝29</p><p>　　4.3導軌副的改裝29</p><p>　　4.4聯軸器的安裝29<

10、;/p><p><b>　　五 總結30</b></p><p><b>　　致謝31</b></p><p><b>　　參考文獻32</b></p><p><b>　　附錄33</b></p><p><b>　

11、　一 緒論</b></p><p>　　1.1數控機床的發(fā)展史</p><p>　　1946年誕生了世界上第一臺電子計算機。6年后，即在1952年，計算機技術應用到了機床上，在美國誕生了第一臺數控機床。從此，傳統(tǒng)機床產生了質的變化。近半個世紀以來，數控系統(tǒng)經歷了兩個階段和六代的發(fā)展。（注：兩個階段：數控NC階段和計算機數控CNC階段。六代：即電子管時代、晶體管時代、小規(guī)模集成電

12、路時代、小型計算機時代、微處理器時代和基于PC時代）。必須指出，數控系統(tǒng)發(fā)展到了第五代以后，才從根本上解決了可靠性低、價格極為昂貴、應用很不方便（主要是編程困難）等極為關鍵的問題。因此，數控技術經過了近30年的發(fā)展才走向普及應用。</p><p>　　1.2機床數控化改造的意義</p><p>　　機床數控化改造，顧名思義就是在機床上增加微型計算機控制裝置，使其具有一定的自動化能力，以實現

13、預定的加工工藝目標。</p><p>　　眾所周知，企業(yè)要在激烈的市場競爭中獲得生存、得到發(fā)展,就必須在最短的時間內以優(yōu)異的質量、低廉的成本,制造出滿足市場需求、性能合適的產品。目前,采用先進的數控機床已成為我國制造技術發(fā)展的總趨勢。購買新的數控機床是提高數控化率的主要途徑,而改造舊機床、配備數控系統(tǒng)把普通機床改裝成數控機床也是提高機床數控化率的另一條有效途徑。機床數控化改造的市場目前在我國有很大的發(fā)展空間，現在

14、我國機床數控化率不到3％。用普通機床加工出來的產品普遍存在質量差、品種少、檔次低、成本高等不良因素，直接影響一個企業(yè)的產品、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控化率。</p><p>　　近年來，美國、日本、德國、英國等發(fā)達國家，在制造大量數控機床的同時，也非常重視對普通機床的數控化改造，機床的技術改造市場十分活躍。機床改造業(yè)正逐步從機床制造業(yè)中分化出來，形成了用數控技術改造機床和生產線的

15、新的行業(yè)和領域。</p><p>　　1.3數控化改造后機床的優(yōu)越性</p><p>　?。?）機床數控化改造可以提高零件的加工精度和生產效率。</p><p>　?。?）機床數控化改造可以提高機床的性能和質量，加工出普通機床難以加工或者不能加工的復雜型面零件。</p><p>　?。?）機床數控化改造后可以實現加工的柔性自動化，效率可比傳統(tǒng)

16、機床提高3~7倍。</p><p>　　（4）可實現多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運，降低工件的定位誤差。</p><p>　?。?）擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償等多種自檢功能，更好的調節(jié)了機床加工狀態(tài)，還可以提示操作者機床故障或編程錯誤等機床運行中出現的問題。</p><p>　?。?）數控加工降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力，減少了工裝，縮短了新產

17、品試制周期很生產周期，并可對市場需求做出快速反應。</p><p>　　1.4機床數控化改造的內容</p><p>　?。?）精度恢復和機械傳動部分的改進。隨著機床使用的役齡的增加，機床的機械傳動部件，如導軌、絲杠、軸承等都有不用程度的磨損。因此，機床改造過程中的首要任務是對舊機床進行類似于通常的機床大修，以恢復機床精度，達到新機床的制造標準。</p><p>　　

18、（2）選定數控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)。根據要求進行數控化改造機床的控制功能要求，選擇合適的數控系統(tǒng)是至關重要的。選擇是，除了考慮各項功能滿足要求外，還一定要確保系統(tǒng)工作可靠性。伺服驅動系統(tǒng)的選取，也按改造數控機床的性能要求決定。</p><p>　?。?）數控機床輔助裝置的選取。輔助裝置指的是數控機床的一些必須的配套部件。如冷卻系統(tǒng)、自動換刀裝置等</p><p>　　（4）在進行機床數控化改造時

19、，原機床的電器控制部分要做改造，重新按數控化改造要求進行設計制作。數控機床的強電控制部分設計中要特別注意的是，數控系統(tǒng)各接口信號的特點和形式要相配，并且在設計過程中應盡量簡化強電控制線路。還要在設計時考慮電磁干擾的問題。</p><p>　?。?）整機聯接調試。舊機床上述各個部件的改造過程完成后，就可對組裝后改造機床各個部件進行調試。一般先對電氣控制部分進行調試，看單個動作是否正常，然后再進行聯機調試。</

20、p><p>　　經數控化改造的機床就成為了數控機床，具有數控機床的特點，如數控機床本身具有的高速、高效和高精度，工序集中，可靠性高等特點。但是改造后的機床也具有一定的局限性，主要有機床原有結構精度限制了改造后機床的加工精度和加工性能；機床原有的結構形式限制了改造后機床的加工范圍和數控化程度。這些不利條件最終影響了改造后機床的速度和精度。</p><p>　　隨著數控產業(yè)整體水平的提高，數控系統(tǒng)

21、的性能、伺服電動機及其驅動裝置等配套產品的性能也提高很多，對數控化改造中機床速度和精度的提高都非常有利。</p><p>　　二 設計要求及系統(tǒng)的選型</p><p>　　2.1總體方案設計要求</p><p>　?。?）改造前要求機床的狀況良好，各種基礎構件有足夠的剛性，機械性能良好，符合數控改造的要求。</p><p>　?。?）普通車床

22、數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，控制精度Z軸為0.01mm，X軸為0.005mm因此，數控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng)。</p><p>　　3）車床數控化改裝后屬于經濟型數控機床，在保證一定加工精度的前提下應簡化結構、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)。</p><p>　?。?）根據普通車床最大的加工尺寸、加工

23、精度、控制速度以及經濟性要求，經濟型數控機床的系統(tǒng)一般采用國產機床系統(tǒng)，如廣州數控設備廠的GSK980TA數控系統(tǒng)，其為兩軸聯動，功能比較齊全，價格便宜。</p><p>　?。?）設計自動回轉刀架及其控制電路。</p><p>　?。?）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。</p><p>　

24、?。?）采用貼塑導軌，以減小導軌的摩擦力。</p><p>　　（8）為了減少改造的復雜性，主軸要求不改造。</p><p><b>　　2.2設計參數</b></p><p>　　設計參數包括車床的部分技術參數和設計數控進給伺服系統(tǒng)所需要的參數。</p><p>　　改造CA6140機床設計參數如下：</p>

25、;<p>　　最大加工直徑：在床面上400mm     在橫刀架以上210mm</p><p>　　最大加工長度：1000mm</p><p>　　快進速度：縱向2.4m/min   橫向1.2m/min</p><p>　　最大切削進給速度：縱向0.5m/min 

26、0;橫向0.25m/min</p><p>　　溜板及刀架重力：縱向800N   橫向600N</p><p>　　主電機功率：7.5KW</p><p><b>　　控制坐標數： 2</b></p><p>　　最小指令值（脈沖當量）： 縱向 0.01mm/脈沖 

27、60;  橫向0.005mm/脈沖</p><p>　　進給傳動鏈間隙補償量：  縱向0.15mm   橫向0.075mm</p><p><b>　　2.3其他要求</b></p><p>　?。?） 原機床的主要結構布局基本不變，盡量減少改動量，以降低成本縮短改造周期。</p>

28、<p>　　（2）機械結構改裝部分應注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保正安裝、調試、拆卸方便，需經常調整的部位調整應方便。</p><p><b>　　2.4系統(tǒng)的確定</b></p><p>　　在選擇數控系統(tǒng)的型號時，要考慮CA6140機床的加工精度，加工精度可達IT7級，要求6140能加工復雜的零件，所以數控系統(tǒng)選擇連續(xù)型控制的，開環(huán)控制系統(tǒng)。

29、以滿足數控化改造后的定位，插補，循環(huán)加工，和螺紋加工等功能。根據經濟性，實用性的比較，確定使用國產數控系統(tǒng)，廣州數控廠的GSK980TA數控系統(tǒng)，此系統(tǒng)功能齊全，價格便宜，操作方便，性能穩(wěn)定，比較適合與經濟型的數控機床。選擇數控系統(tǒng)時，應盡量向一個廠家靠攏，這樣有利于維修和管理，也有利于備件的購買。在改造中應考慮有類似的數控裝置。</p><p><b>　　2.5系統(tǒng)的特點</b><

30、/p><p>　　GSK980TA的特點如下：</p><p>　　（1）該系統(tǒng)采用16bit高速微處理器（CPU）和超大規(guī)?？删幊涕T陣列（CPLD）進行硬件插補，實現高速微米級控制。</p><p>　　（2）全封閉式裝置，集成高度，整機工藝結構合理，抗干擾能力強，可靠性強。</p><p>　　（3）直線型、指數型加減速方式，可配套步進電機、

31、伺服電機，應用靈活。</p><p>　　（4）可變電子齒輪比，應用方便。</p><p>　?。?）320*240點陣列式液晶顯示。</p><p>　?。?）中文、英文（選配）菜單，界面友好，操作方便。</p><p>　　2.6GSK980TA的參數</p><p>　　本章節(jié)主要介紹了此次改造的數控系統(tǒng)的選型，

32、對系統(tǒng)的要求，以及一些系統(tǒng)參數的列舉。通過對該系統(tǒng)的了解，進一步明白該系統(tǒng)的優(yōu)越性。</p><p>　　三 車床絲杠的改造與伺服系統(tǒng)的改造設計</p><p>　　3.1滾珠絲杠的優(yōu)點</p><p>　?。?）傳動效率高。一般可達95%以上，是滑動絲杠的2~4倍。</p><p>　?。?）運動平穩(wěn)，摩擦小，靈敏度高，低速無爬行。<

33、/p><p>　　（3）可以預緊、消除絲杠副的間隙，提高軸向接觸剛度。</p><p>　?。?）定位精度和重復精度高。</p><p>　　（5）使用壽命為普通滑動絲杠的4~10倍，甚至更高。</p><p>　?。?）同步性好，用幾套相同的滾珠絲杠副同時傳動幾個相同的部件裝置時，可獲得較好的同步性。</p><p>　

34、　（7）不自鎖，可逆向傳動，即螺母為主動，絲杠為被動。旋轉運動變?yōu)橹本€運動。</p><p>　?。?）有專廠生產，選用配套方便。</p><p>　　3.2換用滾珠絲杠的設計</p><p>　　進給系統(tǒng)改造設計需要改動的主要部分有掛輪架、進給箱、溜板箱、溜板</p><p>　　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。&

35、lt;/p><p>　　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</p><p>　　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。</p><p>　　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</p><p><b>　　作按鈕。

36、</b></p><p>　　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。</p><p>　　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。</p><p>　　3.3縱向滾珠絲杠選型與設計</p><p>　?。?）切削力的計算。由《機床設計手冊》可知，切削功率</p&g

37、t;<p>　　Pc = PKη （3-1）</p><p>　　式中 P——主軸電動機功率，P =7.5KW；</p><p>　　η——主傳動系統(tǒng)總效率，一般為0.75~0.85，一般取η=0.8:；</p><p>　　K——進給系統(tǒng)功率系數，取K=0.96;</p><p><b>　

38、　則</b></p><p>　　PC =7.50.80.96kw =5.76kw</p><p>　　切削功率應該在各種加工情況下經常遇到的最大切削力和最大切削轉速來計算，即</p><p>　　PC = （3-2）</p><p>　　式中 Fz——主切削力（N）</p>

39、<p>　　V——切削速度（m/min）</p><p>　　按最大切削速度計算，取v=100m/min，則主切削力</p><p><b>　　Fz= （3-3）</b></p><p>　　由《機床設計手冊》可知，在外圓車削時：</p><p>　　Fx =（0.1~0.55）Fz，Fy =（0.15~0

40、.65）Fz （3-4）</p><p>　　取縱向切削分力Fx =0.5Fz，橫向切削分力Fy =0.6Fz，則</p><p>　　Fx =0.5Fz=0.53456N =1728N</p><p>　　Fy =0.6Fz =0.63456N =2073.6N</p><p>　?。?）滾珠絲杠設計計算</p>&l

41、t;p>　?、俾菁y滾道型面的選型：單圓弧型面、雙圓弧型面。</p><p>　　要求：經濟、易調試、穩(wěn)定。</p><p>　　方案：選用雙弧形面。</p><p>　　原因：雙圓弧型面接觸角不變，雙圓弧交接處尚有小空隙可容納一些臟污，這對滾珠絲杠有利而不至于堵塞。</p><p>　　②滾珠循環(huán)方式：內循環(huán)、外循環(huán)。</p>

42、;<p><b>　　方案：選用外循環(huán)。</b></p><p>　　原因：結構簡單、工藝性優(yōu)良、適合成批生產、經濟適用，適用于重載荷傳動、高速驅動及精密定位系統(tǒng)，是目前應用最廣泛的結構。</p><p>　?、圯S向間隙的調整和預緊力的選擇：墊片式、螺紋式、齒差式。</p><p>　　要求：經濟可靠、易拆裝、剛度好。</p

43、><p>　　方案：選用雙螺母墊片式預緊。</p><p>　　原因：結構簡單、裝卸方便、剛度好。</p><p>　?。?）計算進給牽引力Fm（N）?？筛鶕稒C床設計手冊》中進給牽引力的試驗公式計算，縱向為三角形導軌，則</p><p>　　Fm = KFx + f（Fz + G） （3-5）</p><p>　　式

44、中 Fx——切削分力（N）;</p><p>　　K——顛覆力矩影響的試驗系數，K =1.15；</p><p>　　f——滑動導軌摩擦因數， f =0.15~0.18，取f =0.16</p><p>　　G——溜板及刀架重力， G =1000N</p><p><b>　　則</b></p><

45、;p>　　Fm =1.151728N +0.16 (3456 +1000)N =2700.16N</p><p>　　(4)計算最大動載荷C(N)</p><p>　　C = fwfh Fm （3-6）</p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　　t = &

46、lt;/b></p><p><b>　　n =</b></p><p>　　式中 t——壽命，以106為1單位；</p><p><b>　　n——絲杠轉速；</b></p><p>　　P0——滾珠絲杠導程，初選P0=6mm</p><p>　　Vs——最大切削力

47、下得進給速度，可取最高進給速度的1/3~1/2，本機床取1/2；</p><p>　　fw——運轉系數，按一般運轉fw　＝１．２～１．５，取fw =1.3；</p><p>　　fh——硬度系數，為60HRC時，fh =1，小于60HRC時，fh >1，本機床取1；</p><p>　　T——使用壽命，按15000H計算。</p><p&g

48、t;<b>　　則</b></p><p>　　n == r/min =50r/min（3-7）</p><p>　　t = = 萬r =45萬r （3-8）</p><p>　　C = fw fhFm = 1.3 1 2700.16N =12485.8N （3-9）</p><p>　　（5）選擇滾珠絲杠螺母副。

49、查《機械設計手冊》，根據C<Ca（Ca是絲杠的額定載荷，見表4-1）的原則，使選取的滾珠絲杠的額定動載荷大于計算的最大工作載荷。由上面初選的絲杠導程及計算所得的最大動載荷，選取滾珠絲杠型號為CDM4006—5，其表示外循環(huán)插管式、雙螺母墊片預緊、導珠管埋入式的滾珠絲杠，公稱直徑為40mm，導程為6mm，右螺紋，載荷鋼球為5圈，精度3級的定位滾珠絲杠副。CDM4006—5的額定動載荷為28771N > 12485.8N,故強度

50、足夠。CDM4006—5型滾珠絲杠具體參數見表3-1.</p><p>　　表3-1 CDM4006—5型滾珠絲杠具體參數</p><p>　?。?）滾珠絲杠的驗證</p><p>　　1）傳動效率計算。根據《機械原理》，絲杠螺母副的傳動效率η0為</p><p><b>　?。?-10）</b></p>

51、<p>　　式中 φ——摩擦角，φ =10，；</p><p>　　γ——螺旋升角，根據tanγ=螺距 （3.14 公稱直徑），可得</p><p><b>　　則</b></p><p><b>　　==0.966</b></p><p>　　2）剛度驗算。滾珠絲杠工作時受軸向力和轉

52、矩的作用，將引起導程P0的變化，因滾珠絲杠受轉矩時引起的導程變化很小，可以忽略不計，所以工作負載引起的導程變化量ΔP0為：</p><p>　　ΔP0 =± （3-11）</p><p>　　式中 E——材料彈性模量，對于剛，E =20.6 104MPa</p><p>　　A——滾珠絲杠的截面積，按絲杠螺紋底徑確定d，即

53、d =3.51cm，則</p><p>　　A =d2 =9.67cm2 （3-12）</p><p>　　P0——滾珠絲杠導程，P0 =6mm =0.6cm。</p><p>　　其中，“+”用于拉伸時，“—”用于壓縮時。</p><p>　　ΔP0 = ± = ±8.133 10-6c

54、m </p><p>　　滾珠絲杠受轉矩引起的導程變化量ΔP1很小，可以忽略不計，即ΔP1 =ΔP0，所以導程變形總量誤差 ΔP總 =式中 ΔP總——縱向最大行程，由《機床說明書》可知，P總=900mm=90cm。</p><p><b>　　則</b></p><p>　　ΔP總 =8.133 106μm = 12. 2μm

55、 （3-13）</p><p>　　由《機床說明書》可知，絲杠縱向有效行程為900mm，且絲杠精度等級為3級，查《機械零件設計說明說手冊》電子版，縱向行程允許的行程變動量為17μm，CDM40006—5的ΔP總為12.2μm < 17μm,故剛度足夠。</p><p>　　3）穩(wěn)定性校核。要使?jié)L珠絲杠不失穩(wěn)的條件是：臨界負載荷Fk≥Fmax。</p><p>

56、;<b>　　根據公式</b></p><p>　　Fk = （3-14）</p><p>　　式中 ——絲杠的支撐方式系數，查《機械零件設計手冊》可知，=0.2（雙推支撐）</p><p>　　E——材料彈性模量，對于鋼，E=20.6104 MPa</p><p>　　L——絲杠兩支

57、撐端距離，查《機械零件設計手冊》可知，CDM4006—5絲杠兩支撐端距離為1600mm =160cm；</p><p>　　K——滾珠絲杠的靜安全系數，取 K = 1/4;</p><p><b>　　I——截面慣性矩。</b></p><p>　　I =， 其中d =（d0 – 1.2Dw） （3-15）</p>&l

58、t;p>　　式中 d0——滾珠絲杠的公稱直徑，d0 = 40mm=4 cm；</p><p>　　Dw——滾珠絲杠的滾珠直徑，Dw =3.969mm=0.3969cm。</p><p><b>　　則</b></p><p>　　I =(4 – 1.20.3969)4CM4 =7.532 CM4 （3-16）</p>

59、<p>　　Fk = （3-17）</p><p>　　3.3.1縱向齒輪傳動比的確定</p><p><b>　　傳動比計算公式：</b></p><p>　　i= （3-18）</p><p>　　其中，δp =0.01mm/步；參考《實用微電機手冊》，初選=&l

60、t;/p><p>　　Po =6 mm，則</p><p>　　i= （3-19） </p><p>　　可初選齒輪的齒數比為</p><p><b>　　i= </b></p><p>　　齒輪材料采用40Cr，調質處理，精度等級取7級，前后軸承選用8024型流動軸承，齒輪傳

61、動時效率為。</p><p>　　由于進給運動時齒輪受力不大，且根據優(yōu)先選用第一系列的原則，取模數m=2mm，由經驗公式可知，齒寬b =20mm，則分度圓直徑分別為：</p><p><b>　?。?-20）</b></p><p><b>　?。?-21）</b></p><p><b>

62、;　　中心距為：</b></p><p><b>　?。?-22）</b></p><p>　　3.4橫向滾珠絲杠的選用與設計</p><p>　　（1）切削力的計算。 因為橫向進給量為縱向的1/3~1/2，取1/2，則橫向主軸切削力約為縱向的1/2.</p><p>　　由《機床設計手冊》可知，其經驗公式為

63、：</p><p>　　式中 Fx——橫切端面時的進給力；</p><p><b>　　Fy——背向力。</b></p><p><b>　?。?-23）</b></p><p><b>　?。?-24）</b></p><p>　　(2)滾珠絲杠設

64、計計算</p><p>　　滾珠絲杠的選型的方案可以參考縱向滾珠絲杠的設計選型，方案來設計。即：</p><p>　　①螺紋滾道型面的選型：單圓弧型面、雙圓弧型面。</p><p>　?、跐L珠循環(huán)方式：內循環(huán)、外循環(huán)。</p><p>　?、圯S向間隙的調整和預緊力的選擇：墊片式、螺紋式、齒差式。</p><p>　　（

65、3）計算進給牽引力Fm（N）?？筛鶕稒C床設計手冊》中進給牽引力的試驗公式計算，</p><p>　　橫向為燕尾槽導軌，則</p><p><b>　?。?-25）</b></p><p><b>　　則</b></p><p>　　(4)計算最大動載荷C(N) ：</p><p

66、>　　由 </p><p>　　(5)選擇滾珠絲杠螺母副</p><p>　　根據C<Ca（Ca是絲杠的額定載荷，見表3-2）的原則，使選取的滾珠絲杠的額定動載荷大于計算的最大工作載荷。由上面初選的絲杠導程及計算所得的最大動載荷，選取滾珠絲杠型號為CDM2004—5，其表示外循環(huán)插管式、雙螺母墊片預緊、導珠管埋入式的滾珠絲杠，公稱直徑為20mm，導程為4m

67、m，右螺紋，載荷鋼球為5圈，精度3級的定位滾珠絲杠副。CDM2004—5的額定動載荷為10639N > 8824.4N,故強度足夠。CDM2004—5型滾珠絲杠具體參數見表4-2</p><p>　　表3-3CDM2004—5型滾珠絲杠具體參數</p><p>　?。?）滾珠絲杠的驗證</p><p>　　1）傳動效率計算。根據《機械原理》，絲杠螺母副的傳動效

68、率為η0</p><p><b>　　其中，則</b></p><p><b>　?。?-26）</b></p><p>　　2）剛度驗算。滾珠絲杠工作時受軸向力和轉矩的作用，將引起導程P0的變化，因滾珠絲杠受轉矩時引起的導程變化很小，可以忽略不計，所以工作負載引起的導程變化量ΔP0為：</p><p&

69、gt;　　ΔP0 =± （3-27） </p><p>　　式中 E——材料彈性模量，對于剛，E =20.6104MPa</p><p>　　A——滾珠絲杠的截面積，按絲杠螺紋底徑確定d，即d =1.7cm，則</p><p>　　A =d2 =2.27cm2 （3-28）</p><p>

70、;<b>　　則</b></p><p><b>　?。?-29）</b></p><p>　　滾珠絲杠受轉矩引起的導程變化量ΔP1很小，可以忽略不計，即ΔP1 =ΔP0，所以導程變形總量誤差 ΔP總 =ΔP總/P0 *ΔP0</p><p>　　式中 ΔP總——縱向最大行程，由《機床說明書》可知，P總=240mm=

71、24cm。</p><p><b>　　則</b></p><p>　　ΔP總 = （3-30）</p><p>　　由《機床說明書》可知，絲杠縱向有效行程為900mm，且絲杠精度等級為3級，查《機械零件設計說明說手冊》電子版，縱向行程允許的行程變動量為12μm，CDM2004—5的ΔP總為10.78μm < 12μm

72、,故剛度足夠。</p><p>　　3）穩(wěn)定性校核。要使?jié)L珠絲杠不失穩(wěn)的條件是：臨界負載荷Fk≥Fmax。</p><p><b>　　根據公式</b></p><p>　　Fk = （3-31）</p><p>　　式中 ——絲杠的支撐方式系數，查《機械零件設計手冊》可知，=0.2（雙推支

73、撐）</p><p>　　E——材料彈性模量，對于鋼，E=20.6104 MPa</p><p>　　L——絲杠兩支撐端距離，查《機械零件設計手冊》可知，CDM2004—5絲杠兩支撐端距離為L=600mm =60cm；</p><p>　　K——滾珠絲杠的靜安全系數，取 K = 1/4;</p><p><b>　　I——截面慣性矩

74、。</b></p><p>　　I =， 其中d =（d0 – 1.2Dw） （3-32）</p><p>　　式中 d0——滾珠絲杠的公稱直徑，d0 = 20mm=2cm；</p><p>　　Dw——滾珠絲杠的滾珠直徑，Dw =2.381mm=0.2381cm。</p><p><b>　　則</b&g

75、t;</p><p>　　I =(2 – 1.20.2381)4CM4 =0.41 CM4</p><p><b>　　Fk = </b></p><p>　　3.4.1橫向齒輪傳動比的確定</p><p><b>　　傳動比計算公式：</b></p><p>　　i=

76、 （3-33）</p><p>　　其中，δp =0.01mm/步；參考《實用微電機手冊》，初選=</p><p><b>　　Po =4mm，則</b></p><p>　　i= （3-34）</p><p>　　可初選齒輪的齒數比為</p><

77、;p><b>　　i= </b></p><p>　　齒輪材料采用40Cr，調質處理，精度等級取7級，前后軸承選用8024型流動軸承，齒輪傳動時效率為。</p><p>　　由于進給運動時齒輪受力不大，且根據優(yōu)先選用第一系列的原則，取模數m=2mm，由經驗公式可知，齒寬b =20mm，則分度圓直徑分別為：</p><p><b>

78、;　　（3-35）</b></p><p><b>　?。?-36）</b></p><p><b>　　中心距為：</b></p><p>　　3.5滾珠絲杠的支撐與軸承的選用</p><p>　　滾珠絲杠的支撐形式的選擇。為了滿足高精度、高速度進給系統(tǒng)的要求，除了應采用高精度、高速度

79、的滾珠絲杠副外，還必須充分重視支撐的設計，注意選用軸向剛度好、摩擦力矩小、運行精度高的軸承。</p><p><b>　　滾動軸承的選用</b></p><p>　　絲杠軸承的載荷主要是軸向載荷，徑向除絲杠重力外，一般無外載荷，對絲杠軸承主要要求軸向精度和剛度較高，摩擦力矩要盡量小。</p><p>　　固定支撐采用的有60度角接觸球軸承、雙向

80、推力角接觸球軸承、滾針軸承和推力滾子軸承等。</p><p>　　根據實際需要，選用深溝球軸承，固定支撐可選用60度角接觸球軸承，其特點如下：</p><p>　　1）接觸角大、剛球數多、承載能力強=剛度高。</p><p>　　2）既能承載軸向載荷，也能承載徑向載荷，支撐結構可以簡化。</p><p>　　3）軸承是按規(guī)定的預緊力供應的，使

81、用者不需要自己調整。</p><p>　　4）軸承起動摩擦力矩小，降低絲杠副驅動功率，提高進給系統(tǒng)的靈敏度。</p><p>　　3.6步進電機的選用原則</p><p>　　3-3 開環(huán)控制系統(tǒng)原理圖</p><p>　　選用步進電動機時，通常希望步進電動機的輸出轉距，啟動頻率和運行頻率高，步距誤差小，性能價格比高。但增大轉距也快速運行存在

82、一定矛盾，高性能也低成本存在矛盾，因此實際選用時，必須全面考慮。</p><p>　　1)首先，應考慮系統(tǒng)的精度和速度的要求。為了提高精度，希望脈沖當量小。但是脈沖當量越小，系統(tǒng)的運行速度越低。故因兼顧精度也速度的要求來選定系統(tǒng)的脈沖當量。在脈沖當量確定以后，又可以為依據來選擇步進電動機的步距角和傳動機構的傳動比。</p><p>　　2)其次，對位移誤差的要求。步進電動機的步距角從理論上

83、說是固定的，但實際上還是有誤差的。此外，負載轉距也將引起步進電動機的定位誤差。應將步進電動機的步距誤差、負載引起的定位誤差和傳動機構的誤差全部考慮在內，使總的誤差小于數控機床允許的定位誤差。</p><p>　　3)第三，步進電動機的特性曲線對步進電動機參數選擇有影響的特性曲線包括：起動距頻特性曲線和反映轉距也連續(xù)運行頻率之間關系的工作距頻特性曲線。</p><p>　　4)第四，步進電動

84、機的選擇既要滿足快速進給的要求，又要滿足切削進給的要求。在這兩種情況下，對轉距和進給速度有不同的要求。若要求進給驅動裝置有如下性能：在切削進給時的轉距為 ,最大切削進給速度為v,在快速進給時的轉距為 ，最大快速進給速度為 。</p><p><b>　　3.6.1步距角α</b></p><p><b>　　步距角應滿足：</b></p&g

85、t;<p>　　α= （3-37）</p><p><b>　　式中， </b></p><p>　　i——傳動比：系統(tǒng)對步進電動機所驅動部件要求的最小轉角。</p><p><b>　　3.6.2精度</b></p><p>　

86、　步進電動機的精度可以用步距誤差或累積誤差衡量，累積誤差是指轉子從任意位置開始，經過任意步后，轉子的實際轉角與理論轉角之差的最大值，用累積誤差衡量精度比較實用，所選用的步進電動機應滿足：</p><p>　　△θm≤i [△θs］   （3-38）            

87、;    </p><p>　　式中，    △θm ——步進電動機的累積誤差。</p><p>　　[△θs]——系統(tǒng)對步進電動機驅動部分允許的角度誤差。</p><p><b>　　3.6.3轉矩</b></p><p>　　為了使步進電動機正常運

88、轉（不失步，不越步）正常啟動并滿足對轉速的要求，必須考慮以下條件：</p><p>　　a.       起動力矩。一般選取為</p><p>　　Mq ≥MLo/0.3-0.5             

89、;              </p><p>　　式中，Mq——電動機起動力矩</p><p>　　MLo——電動機靜負載力矩</p><p><b>　　3.6.4啟動頻率</b></p><

90、p>　　由于步進電動機的啟動頻率隨著負載力矩和轉動慣量的增大而降低，因此，相應負載力矩和轉動慣量的極限啟動頻率應滿足：</p><p>　　Ft≥［fop］m （3-39）</p><p>　　式中，ft——極限啟動頻率，</p><p>　　[fop]m——要求步進電動機最高啟動頻率。</p>&l

91、t;p>　　3.7步進電機的選用</p><p>　　3.7.1CA6140縱向步進電機的選用</p><p>　　1）負載轉矩（Tm）及最大靜轉矩（Tjmax）的計算。根據能量守恒原理，電動機等效負載轉矩可按下式估算：</p><p><b>　?。?-40）</b></p><p>　　若不考慮起動時運動部件慣

92、性的影響，則起動轉矩為：</p><p><b>　　（3-41）</b></p><p>　　取安全系數為0.3，則</p><p><b>　?。?-42）</b></p><p>　　查《實用微電機手冊》，當步進電機為五相十拍時，選步進電機的起動轉矩和最大靜轉矩的關系 </p>

93、<p><b>　?。?-43）</b></p><p>　　2）初選步進電機的型號。查《實用微電機手冊》，根據估算出來的最大靜轉矩 </p><p>　　Tjmax=11.94，可初選步進電機為150BF002型步進電機，其最大靜轉13.72基本可滿足要求。</p><p>　　3）各種工況下轉矩的計算</p>&

94、lt;p>　?、儇撦d轉動慣量計算。折算到電動機軸上的轉動慣量按下式估算。</p><p>　　Jf =J1 +( Z1/Z2)2［J2 + J3 + G/g(P0/2π)2］ （3-44）</p><p><b>　　式中 ；</b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p&

95、gt;<b>　?。?lt;/b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p><b>　　g——重力加速度。</b></p><p>　　對于材料為鋼的圓柱形零件，其轉動慣量按下式估算：</p><p><b>　　（3-45）</b></p

96、><p>　　式中 D——圓柱零件的直徑；</p><p>　　L——零件軸向長度；</p><p><b>　　則</b></p><p><b>　　有公式可知：</b></p><p>　?、诳焖倏蛰d起動時所需的轉矩T0 。因為數控機床對動態(tài)性能要求較高，確定電動機最

97、大靜轉矩時，應滿足快速空載起動時所需的轉矩T的要求：</p><p><b>　?。?-46）</b></p><p>　　式中 Tamax——快速空載起動時所需的轉矩；</p><p>　　Tf——克服摩擦所需的轉矩；</p><p>　　T0——絲杠頂緊所需引起的折算到電動機軸上的附加轉矩，由動力學可知：<

98、;/p><p><b>　?。?-47）</b></p><p>　　其中 ，t為加速時間常數，t=30ms=0.03s，</p><p><b>　　則</b></p><p><b>　?。?-48）</b></p><p><b>　

99、?。?-49）</b></p><p>　　式中 F0——預加載荷，一般最大為軸向載荷的1/3，即</p><p><b>　?。?-50）</b></p><p><b>　　則</b></p><p>　?、劭焖僖苿訒r所需轉矩T快：</p><p>&l

100、t;b>　　（3-51）</b></p><p>　?、茏畲笄邢髫撦d時所需轉矩T切</p><p><b>　?。?-52）</b></p><p>　　由以上計算可以看出，快速空載起動時所需起動轉矩T、快速移動時所需轉矩T快和最大切削負載時所需轉矩T切三種情況下，快速空載起動時所需轉矩T最大。所以，以此項作為校核電動機的依據

101、，初選步進電機為五相十拍。由前面查得結果可知，步進電機為五相十拍時，起動轉矩和最大靜轉矩的關系：，則</p><p><b>　　（3-53）</b></p><p>　?、莶竭M電機的最高工作頻率：</p><p><b>　　（3-54）</b></p><p>　　由以上選型及計算，最終選用15

102、0BF002型反應式步進電機，其主要參數如下表：</p><p>　　根據《機電一體化機械系統(tǒng)設計》150BF002型反應式步進電機允許的最高空載啟動頻率為2800Hz，允許的最高空載運行頻率為8000Hz。所以，必須采用升降速控制和高低壓驅動電路。</p><p>　　3.7.2CA6140橫向步進電機的選用</p><p>　　1）負載轉矩（Tm）及最大靜轉矩（

103、Tjmax）的計算。根據能量守恒原理，電動機等效負載轉矩可按下式估算：</p><p>　　若不考慮起動時運動部件慣性的影響，則起動轉矩為：</p><p><b>　?。?-55）</b></p><p>　　取安全系數為0.3，則</p><p><b>　?。?-56）</b></p&g

104、t;<p>　　查《實用微電機手冊》，當步進電機為五相十拍時，選步進電機的起動轉矩和最大靜轉矩的關系 </p><p><b>　?。?-57）</b></p><p>　　2）初選步進電機的型號。查《實用微電機手冊》，根據估算出來的最大靜轉矩 </p><p>　　Tjmax=8.2，可初選步進電機為130BF001型步進電

105、機，其最大靜轉9.31基本可滿足要求。</p><p>　　3）各種工況下轉矩的計算</p><p>　?、儇撦d轉動慣量計算。折算到電動機軸上的轉動慣量按下式估算。</p><p>　　Jf =J1 +( Z1/Z2)2［J2 + J3 + G/g(P0/2π)2］ （3-58）</p><p><b>　　式中 ；<

106、;/b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p><b>　??；</b></p><p><b>　　g——重力加速度。</b></p><p>　　對于材料為鋼的圓柱形

107、零件，其轉動慣量按下式估算：</p><p><b>　?。?-59）</b></p><p>　　式中 D——圓柱零件的直徑；</p><p>　　L——零件軸向長度；</p><p><b>　　則</b></p><p><b>　　有公式可知：<

108、/b></p><p>　?、诳焖倏蛰d起動時所需的轉矩T0 。因為數控機床對動態(tài)性能要求較高，確定電動機最大靜轉矩時，應滿足快速空載起動時所需的轉矩T的要求：</p><p><b>　?。?-60）</b></p><p>　　式中 Tamax——快速空載起動時所需的轉矩；</p><p>　　Tf——克服

109、摩擦所需的轉矩；</p><p>　　T0——絲杠頂緊所需引起的折算到電動機軸上的附加轉矩，由動力學可知：</p><p><b>　?。?-61）</b></p><p>　　其中 ，t為加速時間常數，t=30ms=0.03s，</p><p><b>　　則</b></p>

110、<p>　　式中 F0——預加載荷，一般最大為軸向載荷的1/3，即</p><p><b>　?。?-62）</b></p><p><b>　　則</b></p><p>　?、劭焖僖苿訒r所需轉矩T快：</p><p><b>　?。?-63）</b><

111、;/p><p>　?、茏畲笄邢髫撦d時所需轉矩T切</p><p><b>　　（3-64）</b></p><p>　　由以上計算可以看出，快速空載起動時所需起動轉矩T、快速移動時所需轉矩T快和最大切削負載時所需轉矩T切三種情況下，快速切削負載時所需轉矩T切最大。所以，以此項作為校核電動機的依據，初選步進電機為五相十拍。步進電機為五相十拍時，起動轉

112、矩和最大靜轉矩的關系：，則</p><p><b>　　（3-65）</b></p><p>　?、莶竭M電機的最高工作頻率：</p><p><b>　?。?-66）</b></p><p>　　由以上選型及計算，最終選用130BF001型反應式步進電機，其主要參數如下表：</p>&

113、lt;p>　　根據《機電一體化機械系統(tǒng)設計》130BF001型反應式步進電機允許的最高空載啟動頻率為3000Hz，允許的最高空載運行頻率為16000Hz。所以，必須采用升降速控制和高低壓驅動電路。</p><p><b>　　3.8驅動器的選擇</b></p><p>　　由GSK980TA數控裝置技術參數可知，它的驅動器適配的裝置有：DF3A系列三相反應式步進

114、電機驅動器、DY3B系列三相混合式步進電機驅動器、DA98系列交流伺服。根據驅動器同時要和數控系統(tǒng)及X、Z軸電動機匹配的原則，X、Z軸選用的是反應式步進電機，所以在這里應選取DF3A系列三相反應式電動機驅動器。根據系列的型號，選取DF3A—06三相反應式步進電機驅動器較合適。</p><p>　?。?）DF3A—06三相反應式步進電機驅動器的特點：</p><p><b>　　1

115、）可靠性高。</b></p><p><b>　　2）低速性好。</b></p><p>　　3) 高速性能優(yōu)。輸入信號頻率不大于250kHz（20細分時），輸入電流頻率可達15kHz，由于采用單高壓（300V）恒流斬波、高速特性好，驅動步進電機的空載運行最高速不低于7000mm/min。</p><p>　　（4）使用面廣。輸入電

116、流3~12A可調，可驅動90BF、110BF、130BF、150BF步進電機。</p><p>　　DY3B系列三相混合式步進電機驅動器部分參數如下：</p><p>　　表3-5DF3A—06三相反應式步進電機驅動器的參數</p><p>　　本章節(jié)主要講述了數控化改造時，絲杠的選型，要求絲杠的類型以及絲杠的安裝和設計，系統(tǒng)的介紹了在改造時應做的工作。其次又介紹了

117、伺服系統(tǒng)和伺服電機的選型，通過計算，設計，選出了合適的伺服電機，列舉了伺服電機的部分參數，為設計做了更好的說明。</p><p>　　四 CA6140其他部分的改造特點</p><p>　　4.1電氣控制系統(tǒng)的改造設計</p><p>　　一臺典型的數控機床其全部的電氣控制系統(tǒng)如圖所：</p><p>　　圖4-1電氣控制系統(tǒng)</p&g

118、t;<p>　　在電氣系統(tǒng)的設計中應遵循以下原則：</p><p>　　1）最大限度地滿足生產機械對電氣控制的要求，這些生產機械的生產工藝要求是電氣控制設計的依據。</p><p>　　2）在滿足控制系統(tǒng)要求的前提下，設計方案力求簡單、經濟，不適宜盲目追求自動化和高指標，力求控制系統(tǒng)的簡單、使用與維修方便。</p><p>　　3）正確、合理地選用電氣

119、元件，確?？刂葡到y(tǒng)的俄安全可靠地工作，同時考慮技術進步，造型美觀。</p><p>　　4）為適應生產的發(fā)展和工藝的改進，在選擇控制設備時，設備能力應留有合適當量。</p><p>　　CA6140車床的控制系統(tǒng)主要由四個基本部分組成：主機部分、驅動部分、控制部分、檢測和顯示部分。電氣改造中，電器元件可保留原機床中的變壓器、自動斷路器、接觸器等，主要增加的電氣元件包括X、Z軸驅動器，電動刀

120、架控制器，以及必要的控制開關、繼電器等。改造后拆除原電控箱，原位安裝改造后的電控箱。</p><p>　　臥式車床的動力控制系統(tǒng)一般是由三相異步電機來實現。三相異步電機是由接觸器拉控制的。電氣控制線路一般應由電源電路、主電路、控制電路和CNC控制回路等構成。在改造中，選用GSK980TA數控系統(tǒng)時，同時配置了與該數控系統(tǒng)配套的電源電路。電氣原理圖如下：</p><p>　　圖4-2 主電路

121、電氣原理圖</p><p>　　圖4-3控制電路原理圖</p><p>　　4.1.1自動回轉刀架的設計</p><p>　?。?）本刀架結構圖如下：</p><p><b>　　圖4-4刀架結構圖</b></p><p>　　此設計采用的是常州宏達機床數控設備廠LD4—CK6132立式轉位刀架，

122、其大致尺寸如下圖。 表4-5LD4—CK6132立式轉位刀架參數</p><p>　　自動回轉刀架工作原理：</p><p>　　微電動機經彈簧安全離合器至蝸桿副帶動螺母旋轉，螺母抬起刀架使定位用的端齒盤的上盤與下盤分離，隨即帶動刀架轉到位。然后發(fā)出信號使電動機反轉鎖緊，完成刀架換位后，在進行切削加工。一般情況下，回轉刀架的換刀動作包括刀架抬起、刀架轉位、刀架定位、刀架壓緊。其工

123、作原理如下圖：</p><p>　　1—電動機 2—固定安裝絲杠 3—安全離合器 4—上刀架</p><p>　　4.2主軸脈沖發(fā)生器的選用與安裝</p><p>　　脈沖編碼器是一種旋轉式脈沖發(fā)生器，它把機械角變成電脈沖，是一種常用角位移傳感器。光電式脈沖編碼器根據編碼方式的不同，分為絕對式編碼盤和增量式編碼盤。絕對式編碼盤能夠直接給出對應于每個角位置

124、的二進制數碼，便于計算機處理，但其結構較為復雜，光源壽命較短，而增量式編碼器結構簡單，價格低，壽命長等特點。目前廣泛應用。因此，在改造設計中結合GSK980TA數控系統(tǒng)選用增量式編碼器。</p><p>　　主軸部位安裝主軸脈沖發(fā)生器,為保證脈沖發(fā)生器與主軸等速旋轉,即主軸轉一周,主軸脈沖發(fā)生器也轉一周。</p><p>　　主軸脈沖發(fā)生器的安裝方式很重要。改裝時,主軸傳動必須經過原有CA

125、6140車床主軸箱中58/58和33/33兩級齒輪(實現1∶1)傳遞到原有CA6140車床的掛輪軸X,拆除掛輪留出空間,安裝脈沖發(fā)生器,并用法蘭盤固定。</p><p><b>　　4.3導軌副的改裝</b></p><p>　　對數控車床來說，導軌除應具有普通車床導向精度和工藝性外，還要有良好的耐摩擦、磨損特性，并減少因摩擦阻力而致死區(qū)。同時要有足夠的剛度，以減少導

126、軌變形對加工精度的影響，要有合理的導軌防護和潤滑。 </p><p>　　普通車床導軌大多采用的是滑動導軌，其動、靜摩擦系數大，在使用一段時間后都會有不同程度的磨損，對機床傳動精度和其保持性帶來很大的影響。因此在對其進行數控化改造的同時必須針對機床導軌狀況進行必要的檢修處理，改造后決定采用貼塑導軌，以減小導軌的摩擦力。 </p><p><b>　　4.4聯軸器的安裝</b