畢業(yè)設(shè)計----ca620機床數(shù)控化改造設(shè)計

1、<p>　　CA620機床數(shù)控化改造設(shè)計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本課題的研究意義：普通機床改造為經(jīng)濟性數(shù)控車床有以下優(yōu)越性：①可以加工傳統(tǒng)機床不可以加工的曲線，曲面等復(fù)雜的零件。②可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高3～7倍。③加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”

2、。④可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。⑤擁有自動報警，自動控制，自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。⑥數(shù)控機床能夠降低操作人員的勞動強度，節(jié)省勞動力，減少工裝，縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反映等。</p><p>　　查閱國外資料，借鑒國外改造手段，再結(jié)合CA20車床自身的結(jié)構(gòu)特點，對其進行經(jīng)濟性數(shù)控改造。</p><p>　　CA20

3、車床通過數(shù)控改造后，加工精度提高，生產(chǎn)效率也大幅度提高，而且工人的勞動強度相對降低，同時實現(xiàn)了縱橫兩坐標(biāo)的聯(lián)動，使CA620車床的加工工藝范圍擴大。改造后要求數(shù)控機床具有定位、直線插補、圓弧插補、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，故采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。。</p><p>　　CA20車床在改造時，保留了原機床的大部件，只對進給部分進行改造，并且改造部分所使用的步進電機、齒輪、滾珠絲杠、單片機、計算機等都

4、可以在市場上買到，價格低廉，使生產(chǎn)成本降低，而且也達到了所要求的精度，所以該課題的前景是針對我國小型機械生產(chǎn)廠家。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 數(shù)控改造，伺服進給系統(tǒng)，齒輪減速箱</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The significance of the study : general mach

5、ine tools for the economic transformation</p><p>　　of CNC lathe has the following advantages： </p><p>　　traditional processing machine can not processing the curve, surface and other complex par

6、ts </p><p>　　can achieve processing automation, but is flexible automation, efficiency than traditional machine tools increased 3-7 times </p><p>　　machined high precision, small size dispersit

7、y, easy assembly, eliminating the need for "workshop" </p><p>　　can achieve more centralized process, reducing parts of the machine frequent handling </p><p>　　have automatic alarms, a

8、utomatic control, automatic compensation and other self-regulatory functions, thus achieving long unattended processing </p><p>　　CNC machine operators to reduce the labor intensity, labor-saving, reduce too

9、ling, shorten cycle Preparation of new products and production cycle, the market needs to reflect such rapid</p><p>　　Consults the overseas material, the model overseas transformation method, the recombinati

10、on CA620 lathe own unique feature, carries on the efficient numerical control transformation to it</p><p>　　CA620 CNC lathe through transformation, precision machining, production efficiency is greatly enhan

11、ced, but workers relatively lower labor intensity, while achieving two of longitude and latitude coordinates of the linkage, so CA620 lathe processing technology expanded. After transformation with the requirements of CN

12、C machine tool positioning, linear interpolation, circular interpolation, suspension, the processing cycle, the British public thread processing functions, the use of open loop step</p><p>　　CA620 lathe when

13、 transformation, retained the original engine bed major assembly, only carries on the transformation to feed part, and the transformation part uses step-by-steps the electrical machinery, the gear, the ball bearing guid

14、e screw, the monolithic integrated circuit, the computer and so on all may buy in the market, the price is inexpensive, causes the production cost to reduce, moreover had also achieved requests precision, therefore this

15、topic prospect aims at Our country Small Mac</p><p>　　Keywords numerical control transformation, servo feed systems, gear decelerator</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘

16、要………………………………………………………………………………………………Ⅰ</p><p>　　ABSTRACT……………………………………………………………………………………Ⅱ</p><p>　　1 緒 論……………………………………………………………………………………………1</p><p>　　2總體方案設(shè)計………………………………………………………………

17、……………………3</p><p>　　2.1 CA620車床的工作過程……………………………………………………………………3</p><p>　　2.2 CA620車床的優(yōu)、缺點…………………………………………………………3</p><p>　　2.3 CA620車床的改造方案…………………………………………………………3</p><p>

18、;　　2.3.1 主軸箱………………………………………………………………………………3</p><p>　　2.3.2 床身………………………………………………………………………………………4</p><p>　　2.3.3 拖板………………………………………………………………………………………4</p><p>　　2.3.4 自動換刀裝置………………………………

19、……………………………………………4</p><p>　　2.3.5 拖板箱……………………………………………………………………………………4</p><p>　　2.3.6 總體布局…………………………………………………………………………………4</p><p>　　2.4 改造后的功能和達到的精度………………………………………………………………4</p&g

20、t;<p>　　2.5 改造的目的…………………………………………………………………………………4</p><p>　　3 CA620車床機械部分的改造………………………………………………………………6</p><p>　　3.1 CA620車床的幾何參數(shù)……………………………………………………………………6</p><p>　　3.1.1 CA620

21、車床改造前的參數(shù)……………………………………………………………6</p><p>　　3.1.2 CA620車床改造后的參數(shù)……………………………………………………………6</p><p>　　3.2 選擇脈沖當(dāng)量………………………………………………………………………………7</p><p>　　3.3 計算切削力……………………………………………………………………

22、……………7</p><p>　　3.3.1 縱車外圓………………………………………………………………………………8</p><p>　　3.3.2 橫切端面………………………………………………………………………………8</p><p>　　3.4 滾珠絲杠螺母副的計算和選形……………………………………………………………8</p><p>　

23、　3.4.1 縱向進給絲杠…………………………………………………………………………8</p><p>　　3.4.2 橫向進給絲杠…………………………………………………………………………10</p><p>　　3.5 齒輪傳動比的計算…………………………………………………………………………12</p><p>　　3.5.1 縱向進給齒輪箱傳動比的計算………………

24、………………………………………12</p><p>　　3.5.2 縱向齒輪的強度校核…………………………………………………………………13</p><p>　　3.5.3 橫向進給齒輪箱傳動比的計算………………………………………………………13</p><p>　　3.5.4 橫向齒輪的強度校核…………………………………………………………………13</p&g

25、t;<p>　　3.6 步進電機的計算和選型……………………………………………………………………14</p><p>　　3.6.1 縱向進給步進電機計算和選型………………………………………………………16</p><p>　　3.6.2 橫向進給步進電機計算和選型………………………………………………………16</p><p>　　3.7 軸的設(shè)計……

26、………………………………………………………………………………18</p><p>　　3.7.1 縱向軸的設(shè)計…………………………………………………………………………18</p><p>　　3.7.2 橫向軸的設(shè)計…………………………………………………………………………22</p><p>　　3.8 設(shè)計繪圖進給伺服系統(tǒng)機械裝配圖……………………………………

27、…………………26</p><p>　　4 典型零件數(shù)控加工程序的編制…………………………………………………27</p><p>　　4.1 數(shù)控加工程序的編制方法………………………………………………………………27</p><p>　　4.2 典型零件數(shù)控程序編制…………………………………………………………………27</p><p>　　4

28、.2.1 編制圖4.1 所示零件的加工程序………………………………………………… 27</p><p>　　4.2.2 編制圖4.2所示零件的加工程序………………………………………………… 27</p><p>　　4.2.3 編制圖4.3所示零件的加工程序………………………………………………… 27</p><p>　　5 結(jié)論…………………………………

29、…………………………………………………………36</p><p>　　參考文獻…………………………………………………………………………………………37</p><p>　　致 謝…………………………………………………………………………………………38</p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p>　

30、　隨著我國機車工業(yè)的發(fā)展，對機車零部件的精度要求越來越高，許多零件用普通車床很難加工，要求用數(shù)控車床加工。這就需要大量經(jīng)費，對老設(shè)備進行改造是一條投資少見效快的途徑，有許多廠有C620車床的主軸及主傳動精度較好，但進給箱、溜班板箱及絲杠精度很差，無法完成精度高的工件加工，因此需對其進行數(shù)控改造。</p><p>　　發(fā)達國家重視裝備制造業(yè)的發(fā)展，不僅在于其在本國工業(yè)中出口、積累、就業(yè)、貢獻均占前列，更在于裝備制造

31、業(yè)為新技術(shù)、新產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)提供重要的物質(zhì)技術(shù)，是經(jīng)濟高級化不可或缺的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。即使是邁進“信息化社會”的工業(yè)化國家，也無不高度重視機械制造業(yè)的發(fā)展。先進的裝備制造業(yè)是高新技術(shù)的重要組成部分，是促進相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級和發(fā)展的重要依托。進入90年代，隨著信息裝備技術(shù)、工業(yè)自動化技術(shù)、數(shù)控加工技術(shù)、機器人技術(shù)、先進的發(fā)電和輸配電技術(shù)、電力電子技術(shù)、新型材料技術(shù)和新型生物、環(huán)保裝備技術(shù)等當(dāng)代高新技術(shù)成果的應(yīng)用，使機械產(chǎn)品不斷高技術(shù)化，其高新

32、技術(shù)含量己成為市場競爭取勝的關(guān)鍵。為適應(yīng)市場需求的不確定性和個性化的用戶要求，先進的制造企業(yè)不斷吸收各種高新技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)等信息，并將其綜合應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、管理、銷售、使用、服務(wù)乃至回收的全過程，以實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈敏及柔性化生產(chǎn)。一方面規(guī)?；a(chǎn)使得壟斷性跨國公司的技術(shù)創(chuàng)新和市場主導(dǎo)作用日益增強，例如在汽車產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，目前年產(chǎn)超過400萬輛的企業(yè)集團已有6家，產(chǎn)量占世界汽車產(chǎn)量的80%以上;在電力設(shè)備領(lǐng)域，世界前三

33、大公司控制了全球大型電</p><p>　　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢：早期的數(shù)控系統(tǒng)采用穿孔紙帶傳送加工程序，由專用數(shù)控裝置讀入加工代碼、進行識別、儲存和計算，輸出相應(yīng)的指令脈沖以驅(qū)動伺服系統(tǒng)。70年代中期小型計算機出現(xiàn)。由于其較低的價格，高超的數(shù)據(jù)處理和輸入輸出功能，使它迅速應(yīng)用到數(shù)控機床的控制系統(tǒng)中，出現(xiàn)所謂計算機數(shù)控(CNC)和直接數(shù)控(DNC)系統(tǒng)。九十年代以來，計算機技術(shù)的發(fā)展日新月異，通用計算機

34、從8位機，已發(fā)展到奔騰時代。其速度和功能已比當(dāng)年的8位機快了幾百倍。使得在通用微機上以軟件方式可以實現(xiàn)各種數(shù)控功能，數(shù)控技術(shù)發(fā)生了深刻變化。PC機上的豐富軟件資源、友好的人機界面，是其它數(shù)控系統(tǒng)所無法比擬的?；谖C的開放式數(shù)控系統(tǒng)已成為世界數(shù)控技術(shù)的發(fā)展潮流，以PC機為平臺的數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用范圍迅速擴大。繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展?；赑C所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這

35、條道路。至少采用PC機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。PC機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠程通訊，遠程診斷和維修將更加</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展越來越快，數(shù)控機床朝著高性能、高精度、高速度、高柔性化和模塊化方向發(fā)展。但最主要的發(fā)展趨勢就是采用“PC＋運動控制器”的開放式數(shù)控系統(tǒng)，它不僅具有信息處理能力強、開放程

36、度高、運動軌跡控制精確、通用性好等特點，而且還從很大程度上提高了現(xiàn)有加工制造的精度、柔性和應(yīng)付市場需求的能力。美國將其稱為新一代的工業(yè)控制器，日本稱其將帶來第三次工業(yè)革命。</p><p>　　從微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。 ① 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件?！　∮捎谟嬎銠C有高超的運算能力，可以瞬時準(zhǔn)確地計算

37、出每個坐標(biāo)軸瞬時應(yīng)該運動的運動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。 ② 可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高3～7倍。 　　由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了“柔性自動化”。 ③ 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使

38、裝配容易，不再需要“修配”。   ④ 可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。 ⑤ 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。 ⑥ 由以上五條派生的好處。 如：降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生</p><p>　　在我國是很好的數(shù)控化改造市場,我國目前有機床總

39、量380萬臺而其中的數(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)控機床的產(chǎn)量為0.6～0.8萬臺,年產(chǎn)值約為18億元。機床的年產(chǎn)量數(shù)控化為6%。我國機床役齡10年以上的占60%以上。所以我國的數(shù)控化改造的很有發(fā)展前景也是很必要的。</p><p><b>　　2 總體方案設(shè)計</b></p><p>　　2.1 CA620車床的工作

40、過程</p><p>　　CA620車床進行車削加工時，將工件的一端夾在三爪卡盤上，另一端用頂尖頂緊，完成工件的夾緊定位。啟動機床，主電機通過主傳動鏈把運動和動力傳遞給主軸，使主軸帶動工件旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)主運動。轉(zhuǎn)動手柄使刀架縱向，橫向移動，使其對準(zhǔn)工件車削，刀具通過進給傳動鏈實現(xiàn)縱向或橫向移動。在切削螺紋時，進給傳動鏈?zhǔn)莾?nèi)聯(lián)系傳動鏈，主軸旋轉(zhuǎn)一周，刀架的移動量等于螺紋導(dǎo)程。在切削圓柱面和端面時，進給傳動鏈?zhǔn)峭饴?lián)系傳動鏈

41、，進給量f也是以工件每轉(zhuǎn)刀架的移動量來計算，車削完成后，刀架實現(xiàn)縱向，橫向的快速退刀。并按下停止按鈕，使主軸停止轉(zhuǎn)動，再反向擰松三爪卡盤，取出已加工工件，并清掃切屑。</p><p>　　2.2 CA620車床的優(yōu)、缺點</p><p>　　優(yōu)點：CA620車床的工藝范圍較廣，能完成多種多樣的加工工序，而且萬能性較大，主軸在工作時承受很大的切削抗力，電動機帶動主軸轉(zhuǎn)動。主軸箱潤滑的特點：箱

42、體外循環(huán)。油液將主軸箱中摩擦所產(chǎn)生的熱量帶至箱體外的油箱中，冷卻后再溶入箱體，因此可減少主軸箱的熱變形，以提高了機床的加工精度。</p><p>　　缺點：CA620車床在改造之前，其刀架不能實現(xiàn)自動換刀，延長了換刀時間，生產(chǎn)效率降低，而且在主軸外端也沒有安裝主軸脈沖發(fā)生器，需由手動車削螺紋，使其不能實現(xiàn)自動控制。在實現(xiàn)進給部分的縱、橫向移動時沒有專門的電機驅(qū)動，傳動鏈拉長，加工范圍也較狹窄，因此增強了工人的勞動

43、強度和延長了刀架的移動時間。</p><p>　　原機床使用的滑動絲杠，其摩擦阻力大，傳動效率低，而且軸向尺寸也太長，剛性較差，只用于行程較小的場合。CA620車床在改造之前的加工精度較低，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且自動化程度也較低，在加工形狀比較復(fù)雜的工件時，換刀也比較麻煩。加工過程中的輔助時間也較多，所以需對CA620車床的絲杠部分進行了改造。</p><p>　　2.3 CA620車床的改造方

44、案</p><p>　　2.3.1 主軸箱 </p><p>　　數(shù)控機床的主傳動要求有較寬的調(diào)速范圍和足夠餓輸出力矩，此次該改造，保留原主軸箱齒輪換擋變速機構(gòu)，由數(shù)控系統(tǒng)控制主軸的正、反轉(zhuǎn)和停止。在主軸箱內(nèi)用安裝盤和撓性聯(lián)軸器安裝光電脈沖發(fā)生器，以保證改造后的車床具備螺紋加工功能。</p><p><b>　　2.3.2 床身</b><

45、/p><p>　　為了是改造后的機床有較高的開動率和精度保持性，除盡可能的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。</p><p>　　當(dāng)前國內(nèi)普通車床的床身等大件都采用普通鑄鐵，而拖板也是普通鑄鐵，其摩擦系數(shù)較高，為了提高機床的動載性能，減少摩擦力。在改造中我們采用了在機床滑板導(dǎo)軌上貼聚四氟乙烯軟帶的辦法，大大減少了摩擦阻力，提高了防爬、耐磨、消震

46、吸音的能力。</p><p><b>　　2.3.3 拖板</b></p><p>　　拖板是數(shù)控系統(tǒng)直接控制對象，不論是點位還是連續(xù)控制，被加工零件的最后坐標(biāo)精度將受拖板運動精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。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，所以采用滾珠絲杠代替原來的滑動絲杠，提高傳動靈敏性和降

47、低功率、伺服電機力矩損失。</p><p>　　2.3.4自動換刀裝置</p><p>　　為了滿足在一臺機床上一次裝夾完成多工序加工，采用WZD4型電動刀架，它不但可以代替普通車床手動刀架，還可以用作數(shù)控機床控制元件，實現(xiàn)刀架自動回轉(zhuǎn)，該刀架體積小，沖服定位精度高，適用于強力車削且安全可靠。</p><p><b>　　2.3.5 拖板箱</b&g

48、t;</p><p>　　拆除原拖板箱上安裝的掛輪箱，走刀箱，在此位置裝一支架用來固定滾珠絲杠螺母，拆除原床身的傳動箱，在此位置安裝帶和伺服電機，拆除原機床操縱桿、變向杠、立軸等杠桿零件，更換原機床絲杠后支撐。改造以后機床的啟動、停機均由數(shù)控系統(tǒng)完成，但保留原機床的手動剎車裝置。</p><p>　　2.3.6 總體布局</p><p>　　在改造過程中，對機床進行

49、了統(tǒng)一布局，將電箱用支架安裝在機床原主軸電機上，而數(shù)控系統(tǒng)面板、顯示屏和各操縱按鈕統(tǒng)一裝在一個可以360°旋轉(zhuǎn)的操縱臺上，操縱臺裝在機床床身上，置于原機床操縱為之一側(cè)；在滾珠絲杠上裝上防護罩。機床冷卻采用原機床冷卻系統(tǒng)。</p><p>　　2.4改造后的功能和達到的精度</p><p>　　CA620臥式車床經(jīng)過經(jīng)濟性數(shù)控改造后，該數(shù)控車床具有定位、直線插補、順圓插補、暫停、循

50、環(huán)加工，公英制螺紋加工等功能。改造后的精度提高了。</p><p><b>　　2.5 改造的目的</b></p><p>　　CA620車床的經(jīng)濟性數(shù)控改造。它是在原機床的基礎(chǔ)進行改造的，保留了原機床的較大部件，而且改造時的步進電機，滾珠絲械螺母副、齒輪減速箱都是由專門的廠家生產(chǎn)，可以在市面上購買。控制部分的單片機、鍵盤、計算機等也可以在市面上購買。這樣降低了改造成

51、本，使效率提高了。</p><p>　　對進給部分進行機械改造，將原有的滑動絲杠改換成滾珠絲杠、降低了磨擦力，提高了傳動鏈，并在縱、橫向上直接安裝了步進電機和齒輪減速器，縮短了傳動鏈，提高了生產(chǎn)效率，加工精度也在原來的基礎(chǔ)由有所提高。改造后實現(xiàn)縱、橫向坐標(biāo)的聯(lián)動，使CA620車床的加工范圍擴大，可以加工各種曲面。</p><p>　　改造后，刀架換成自動轉(zhuǎn)位刀架，車床可以自動換刀，縮短了換

52、刀時間。在主軸外端安裝一個脈沖發(fā)生器，檢測主軸轉(zhuǎn)位，用它發(fā)出的脈沖來保證主軸旋轉(zhuǎn)運動與縱向進給運動的相互關(guān)系，因為在車削螺紋時，主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，車刀要移動一個螺距。利用脈沖發(fā)生器，可以保證螺紋不亂扣，也確定了車削螺紋的進刀點</p><p><b>　　和退刀點。</b></p><p>　　3 CA620車床機械部分的改造</p><p>　　

53、將一臺CA620普通車床改造成微機數(shù)控車床，采用MCS－51系列單片機數(shù)控系統(tǒng)，步進電機開環(huán)控制，具有直線和圓弧插補功能，具有升降速控制功能。</p><p>　　3.1 CA620車床的幾何參數(shù)</p><p>　　3.1.1 CA620車床的精度及各項參數(shù)如下：</p><p>　　3.1.2 CA620車床改造后的精度及各項參數(shù)如下：</p>&

54、lt;p>　?、傧到y(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇</p><p>　　由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控車床應(yīng)具有定位、直線插補，順、逆圓插補，暫停，循環(huán)加工，公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床加工精度不高，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　②計算機系統(tǒng)</b></p><p&

55、gt;　　根據(jù)機床要求，采用8位微機。由于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，具有很高的性能比等特點，決定采用MCS-51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)。</p><p>　　控制系統(tǒng)由微機部分，鍵盤及顯示器，I/O接口及光電隔離電路，步進電機功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。</p>&

56、lt;p><b>　?、蹤C械傳動方式</b></p><p>　　為實現(xiàn)機床所需要的分辨率，采用步進電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲杠，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時，為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負荷的結(jié)構(gòu)，齒輪傳動也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　3.2 選擇脈沖當(dāng)量</p><p>

57、;　　根據(jù)機床精度要求確定脈沖當(dāng)量，縱向：0.01mm/步，橫向：0.005mm/步（半徑）。</p><p><b>　　3.3 計算切削力</b></p><p>　　3.3.1 縱車外圓</p><p>　　主切削力（N）按經(jīng)驗公式估算：?。?.67 式（3.1）</p><p>　?。?.

58、67×=5360N </p><p>　　按切削力各分力比例：：＝1：0.25：0.4 式（3.2）</p><p>　?。?.25＝0.×5360＝1340N</p><p>　?。?.4＝0.4×5360＝2144N</p><p>　　3.3.2 橫切端面</p><p

59、>　　主切削力（N）可取縱切的1/2， 1/2=1/2×5360=2680N 式（3.3）</p><p>　　此時走刀抗力為（N），吃刀抗力為（N），仍按上述比例粗略計算：</p><p>　　＝1：0.25：0.4</p><p>　?。?680×0.25＝670N</p><p>　　＝2680×0

60、.4＝1072N</p><p>　　3.4 滾珠絲杠螺母副的計算和選型</p><p>　　3.4.1 縱向進給絲杠</p><p>　?、儆嬎氵M給率引力（N）</p><p>　　縱向進給為綜合型導(dǎo)軌：　　</p><p>　?。?.15×1340＋0.17（5360＋800）＝2590N 式（

61、3.4）</p><p>　　式中： K－考慮顛復(fù)力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導(dǎo)軌：K＝1.15</p><p>　　－滑動導(dǎo)軌磨擦系數(shù)　0.15～0.18 取0.17</p><p>　　G－溜板及刀架重力　　G＝800N</p><p><b>　?、谟嬎阕畲髣迂撦dF</b></p><p>

62、　　F＝　 式（3.5）</p><p>　　L＝(60×n×T)/10 式（3.6）</p><p>　　N=1000/ 式（3.7）</p><p>　　式中：　 -滾珠絲杠導(dǎo)程，初選＝8mm <

63、;/p><p>　　-最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度的（1/2-1/3）,=0.6m/min</p><p>　　T-使用壽命，按15000h</p><p>　　-運動系數(shù)，?。?.2～1.3 取1.25</p><p>　　L－壽命　以轉(zhuǎn)為1單位</p><p>　　由式（3.7）知：n=1000/=(100

64、0×0.6×0.25)/8=18.75r/min</p><p>　　由式（3.6）知：L=(60×N×T)=(60×18.75×15000)/=16.875</p><p>　　由式（3.5）知：F=×1.25×2590=8304.07N</p><p><b>　?、塾嬎阕?/p>

65、大靜負載</b></p><p>　?。?#215;＝2×2590＝5180N 式（3.8）</p><p><b>　?。迹?2000N</b></p><p>　?、軡L珠絲杠螺母副的類型</p><p>　　選用滾珠絲杠副的直徑時，必須保證在一定軸向負載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)1

66、00萬轉(zhuǎn)后，在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象。</p><p>　　根據(jù)縱向進給絲杠的動負載來選取滾珠絲杠螺母副。查閱文獻[11]附表A表3，可采用3508外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈，其額定動載荷為2000N，額定靜載荷為62000N，精度等級為3級。</p><p><b>　?、輦鲃有视嬎?lt;/b></p><p>　　t

67、an/tan=tan/tan=0.9613998 式（3.9）</p><p>　　-摩擦角取，滾動摩擦系數(shù)0.003～0.004</p><p><b>　　⑥剛度驗算</b></p><p>　　縱向進給滾珠絲杠支承方式如圖3.2。最大牽引力為2590N，支承間距L＝1500mm，絲杠螺母及軸承均進行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負荷的1/3&l

68、t;/p><p>　　圖3.2 縱向進給系統(tǒng)計算簡圖</p><p>　　1）絲杠的拉伸或壓縮變形量</p><p>　?。?)/EF 式（3.10）</p><p>　　=(2590×8)/20.6×××(35/2)</p><p>

69、<b>　　=1.05×</b></p><p>　　×L 式（3.11）</p><p>　　=(1.05××1500)/8</p><p><b>　　=0.01968</b></p><p>　　由

70、于兩端均采用角接觸球軸承。且絲杠又進行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可提高4倍，其實際變形量（mm）為：</p><p>　?。?/4×0.01968=0.0049</p><p>　　2）滾珠與螺母滾道間接觸變形</p><p>　　Z=π/=π×35/4.763=23（外循環(huán)）</p><p>　　=Z×圈數(shù)

71、5;列數(shù)=23×2.5×1=57.5</p><p>　　無預(yù)緊：=0.0038×=0.0038×=3.7×</p><p>　　有預(yù)緊：=0.0013×（F/）=0.0013×(259/)</p><p>　　3）支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形采用7206C型角接觸球軸承，＝30mm，滾動體直徑

72、＝6mm，滾動體數(shù)量Z＝40</p><p>　　=0.0006×=0.0006×=9.85× 式（3.12）</p><p>　　因施加預(yù)緊力，故＝1/2×9.85×＝4.92×mm</p><p>　　4）滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起導(dǎo)和的變化量，一般忽略不計</p><p>　　5

73、）螺母座及軸承支座的變形，常為滾珠絲杠副系統(tǒng)剛度的薄弱環(huán)節(jié)。但變形量計算較為困難，一般根據(jù)其精度要求，在結(jié)構(gòu)上盡量增強其剛度而不作計算　</p><p>　?。?.0049＋0.00224＋4.92×＝7.63×＜定位精度,滿足剛度要求.</p><p>　?、叻€(wěn)定性驗算 絲杠螺紋底徑：35mm</p><p>　?。?.7×N

74、 式（3.13）</p><p>　　N＝＝2.7×N/2590=102.74 ＞＞[n]</p><p>　　一般[n]＝2.5～4　　則絲杠不會產(chǎn)生的穩(wěn)定</p><p>　　3.4.2 橫向進給絲杠</p><p>　?、儆嬎氵M給牽引力　　</p><p>　　橫向?qū)к墳檠辔残危?/p>

75、計算如下：</p><p>　　＝1.4＋ 式（3.14）</p><p>　　=1.4×670+0.17×（2680+2×1072+600）</p><p><b>　?。?860N</b></p><p><b>　?、谟嬎阕畲髣迂撦dF</b>&l

76、t;/p><p>　　由式（3.7）： n=1000/=1000×0.3×0.25/6=12.5r/min</p><p>　　由式（3.6）： L=60nT/=60×12.5×15000/=11.25 </p><p>　　由式（3.5）： F==×1.25×1860=5210N 取1.25<

77、/p><p><b>　　③計算最大靜負載</b></p><p>　　由式（3.8）： ==2×1860N=3720N</p><p><b>　　=42800N</b></p><p>　?、軡L珠絲杠螺母副的選型</p><p>　　選用滾珠絲杠螺母副的直徑時，必

78、須保證在一定軸向負載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)后，在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象。</p><p>　　從文獻附錄A表3中查出，3006外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈，其額定動載荷為14200N，額定靜載荷42800N，精度等級為3級。</p><p><b>　?、輦鲃有视嬎?lt;/b></p><p>　　由式（3.9）：＝

79、tan/tan(+)=tan339′/tan(3°39′+10′)=0.95</p><p><b>　?、迍偠闰炈?lt;/b></p><p>　　橫向進給絲杠支承方式如圖3.3所示，最大牽引力為1860N，支承間距L＝450mm，因絲杠長度較短，不需預(yù)緊，螺母及軸承需預(yù)緊。預(yù)緊力為最大軸向負載的1/3。</p><p>　　圖3.3

80、 橫向進給系統(tǒng)計算簡圖</p><p>　　1）絲杠的拉伸或壓縮變形量（mm）</p><p>　　由式（3.10）：△L=/EF＝1860×6/20.6×</p><p><b>　?。?.66×</b></p><p>　　由式（3.11）：△L/×L=7.66×&#

81、215;450/6=5.75×</p><p>　　由于兩端均采用雙列向心短圓柱滾子軸承。且絲杠又進行了預(yù)拉伸，故其拉亞港督可提高4倍，其實際變形量（mm）為：</p><p>　　=×1/4=1/4×0.01968=0.0049</p><p>　　2） 滾珠與螺紋滾道間接觸變形</p><p>　　Z=π/=

82、π×35/4.763=23</p><p>　　=Z×圈數(shù)×列數(shù)=57.5</p><p>　　有預(yù)緊時：＝0.0013×＝1.7× 式（3.15）</p><p>　　3） 支承滾珠絲杠的軸承的接觸變形</p><p>　　采用3182106型雙列向心短圓柱滾子軸承，＝30mm，滾

83、動體直徑＝6mm，滾動體數(shù)量Z＝34</p><p>　　由式（3.12）：=0.0006×=0.0006×=8.46×</p><p>　　因施加預(yù)緊力，故＝1/2×8.46×＝4.23×mm</p><p>　　4） 滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起導(dǎo)程的變形量，一般忽略不計。</p><p&

84、gt;　　5） 螺母座及軸承支座的變形，常為滾珠絲杠副系統(tǒng)剛度的薄弱環(huán)節(jié)。但變形量計算較為困難，一般根據(jù)其精度要求在結(jié)構(gòu)上盡是增強其剛度而不作計算</p><p>　?。?.75×＋1.7×＋4.23×＝0.0022＜定位精度</p><p>　?、叻€(wěn)定性校核 絲杠螺紋底徑30</p><p><b>　　由式（3.13）

85、：</b></p><p><b>　?。剑ǎ?</b></p><p><b>　?。?.98×N</b></p><p>　　7.98×/1860＝42902.9＞＞[]</p><p>　　一般取[]＝2.5～4</p><p>　　此滾

86、珠絲杠不會產(chǎn)生失穩(wěn).</p><p>　　表3.1 縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù) （mm）</p><p>　　3.5 齒輪傳動比計算</p><p>　　3.5.1 縱向進給齒輪箱傳動比計算</p><p>　　已確定縱向進給脈沖當(dāng)量mm/步，滾珠絲杠導(dǎo)程＝8mm，初選步進電機步距角0.75，可

87、計算出傳動比i：</p><p>　　i==360×0.01/0.75×8=0.6 式（3.16）</p><p>　　確定齒輪齒數(shù)為：　 i=＝18/30　</p><p>　　3.5.2 齒輪的強度校核</p><p>　　校核齒根彎曲疲勞強度　 式（3.17）</p><

88、p>　?、俅_定公式中各參數(shù)值</p><p>　　1）大、小的彎曲疲勞強度極限、</p><p>　　查圖6.9（機械設(shè)計）　　</p><p>　　考慮到該減速器的功率不大，故大、小齒輪都選用45鋼調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度分別為220HBS，260HBS，屬軟齒面閉式舍去，載荷平衡，齒輪速度不高，初選7級精度，按軟齒面齒輪懸臂安裝，從文獻[12]查表6.5，取齒寬

89、系數(shù)=0.5。</p><p>　　2）彎曲疲勞壽命系數(shù)，</p><p>　?。?.88　　　＝0.90</p><p><b>　　3）許用彎曲應(yīng)力、</b></p><p>　　取定彎曲疲勞安全系數(shù)＝1.4，應(yīng)力修正系數(shù)＝2.0，知：</p><p>　　＝/=0.88×2

90、5;240/1.4=301.71Mpa 式（3.18）</p><p>　　=/=220×0.9×2/1.4=282.86Mpa</p><p>　　4）齒形系數(shù)，和應(yīng)力修正系數(shù)，</p><p>　　查表6.4（機械設(shè)計）知，＝2.62　?。?.22</p><p>　?。?.59　　?。?.77</p>

91、<p>　　5）計算大、小的/與/ ,并加以比較取其中大值代入公式計算</p><p>　　/＝2.62×1.59/301.71=0.0138</p><p>　　/ =2.22×1.77/282.86=0.0139</p><p><b>　?、谛：擞嬎悖?lt;/b></p><p>　　T

92、＝9.55×＝9.55×＝9168N.mm 式（3.19）由式（3.17）：2×1.265×9168×2.22×1.77/0.5×18=70.32Mpa < []</p><p>　　∴ 彎曲疲勞強度足夠</p><p>　　3.5.3 橫向進給齒輪箱傳動比計算</p><p>　　已確

93、定橫向進給脈沖當(dāng)量，滾珠絲杠導(dǎo)程為6mm，初選步進電機步距角0.75，可計算出傳動比i:</p><p>　　由式（3.16）： i==360×0.005/0.75×6=0.4</p><p>　　確定齒輪齒數(shù)為：i==18/45</p><p>　　3.5.4 齒輪的強度校核</p><p>　　校核齒根彎曲疲勞強度　&

94、lt;/p><p>　?、俅_定公式中各參數(shù)值</p><p>　　1）大、小的彎曲疲勞強度極限、</p><p>　　查圖6.9（機械設(shè)計）　　</p><p>　　考慮到該減速器的功率不大，故大、小齒輪都選用45鋼調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度分別為220HBS，260HBS，屬軟齒面閉式舍去，載荷平衡，齒輪速度不高，初選7級精度，按軟齒面齒輪懸臂安裝，從

95、文獻[12]查表6.5，取齒寬系數(shù)＝0.5。</p><p>　　2）彎曲疲勞壽命系數(shù)，</p><p>　　＝0.88　 ＝0.90</p><p>　　3） 許用彎曲應(yīng)力、</p><p>　　取定彎曲疲勞安全系數(shù)＝1.4，應(yīng)力修正系數(shù)＝2.0，知：</p><p>　　由式（3.18）：＝/=0.88×

96、2×240/1.4=301.71Mpa</p><p>　　由式（3.18）：=/=220×0.9×2/1.4=282.86Mpa</p><p>　　4）齒形系數(shù)，和應(yīng)力修正系數(shù)，</p><p>　　查表6.4（機械設(shè)計）知，＝2.62　?。?.22</p><p>　?。?.59　　＝1.77</p&

97、gt;<p>　　5）計算大、小的/與/ ,并加以比較取其中大值代入公式計算</p><p>　　/＝2.62×1.59/301.71=0.0138</p><p>　　/ =2.22×1.77/282.86=0.0139</p><p><b>　?、谛：擞嬎?lt;/b></p><p>

98、　　由式（3.19）：T＝9.55＝9.55×</p><p>　　由式（3.17）：2×1.265×10696×2.22×1.77/0.5×8×2</p><p>　　=82.04Mpa < []</p><p>　　∴ 彎曲疲勞強度足夠</p><p>　　由于進

99、給伺服系統(tǒng)傳遞功率不大，一般取模數(shù)m＝1－2，數(shù)控車床可取m=2.</p><p>　　表3.2 齒輪的幾何參數(shù) (mm)</p><p>　　3.6 步進電機的計算和選型</p><p>　　3.6.1 縱向進給步進電機計算</p><p><b>　?、俚刃мD(zhuǎn)動慣量計算</b

100、></p><p>　　傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量，可由下式計算：</p><p>　　＝ 式（3.20）</p><p>　　----步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量</p><p>　　----齒輪的轉(zhuǎn)動慣量</p><p>　　----滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 取8.3kg</p><p

101、>　　參考同類型的數(shù)控車床，初選反應(yīng)式步進電機110BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量kg.cm.</p><p>　　=0.78×=0.262kg.cm式（3.21）</p><p>　　=2.022kg.cm</p><p><b>　　kg.cm</b></p><p><b>　　G=800N<

102、/b></p><p><b>　　由式（3.20）：</b></p><p>　　=4.7+0.262+(18/30)[(2.022+29.952)+800/9.8(0.8/ </p><p>　　=20.8kg.cm</p><p>　　考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題（在0.2~0.6之間匹配）：</

103、p><p>　　∴ 基本滿足慣量匹配的要求</p><p><b>　　②電機力矩的計算</b></p><p>　　1）快速空載起動時所需力矩</p><p><b>　　式（3.22）</b></p><p><b>　　式（3.23）</b></

104、p><p>　　又＝500r/min 式（3.24）起動加速時間</p><p>　　由式（3.23）：N.cm</p><p>　　=99.8N.cm 式（3.25）＝2.95N.cm 式（3.26）</p><p

105、>　　由式（3.22）＝363.03＋99.8＋2.95＝465.78N.cm</p><p>　　2）快速進給時所需力矩</p><p>　　＝99.8＋2.95＝102.75N.cm</p><p>　　3）最大切削負載時所需的力矩</p><p>　　其中：＝127.77N.cm 式（3.27）</p>

106、<p>　　=99.8+2.95+127.77=235.79N.cm</p><p>　　在兩種力矩中取其大者作為選擇步進電機的依據(jù)，對于大多數(shù)數(shù)控機床來說。因為要保證一定的動態(tài)性能，系統(tǒng)時間常數(shù)較小，而等效轉(zhuǎn)動慣量又較大，故電機力矩主要用來產(chǎn)生加速，而負載力矩往往小于加速力矩，故常用快速空載起動力矩作為選擇步進電機的依據(jù)。</p><p><b>　?、鄄竭M電機的選擇

107、</b></p><p>　　1）首先根據(jù)最大靜轉(zhuǎn)矩初選電機型號</p><p>　　從[11]表4－24知，當(dāng)步進電機為三相六拍時，＝0.866 式（3.28）</p><p>　　最大靜力矩＝471.05/0.866＝543.94N.cm</p><p>　　從[11]表4－23查出，110BF003型最大靜轉(zhuǎn)矩為7.84

108、N.m。大于了最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號，但必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。</p><p>　　2）計算電機工作頻率</p><p><b>　　式（3.29）</b></p><p><b>　　式（3.30）</b></p><p>　　由式（3.29）：HZ</p&g

109、t;<p>　　由式（3.29）：HZ</p><p>　　從文獻[11]表4－23中查出110BF003型步進電機允許的最高空載起動頻率7000HZ。再從文獻[11]圖4－17，4－18查出110BF003步進起動力矩特性和運行矩頻特性曲線如圖所示。從圖3.4看出，當(dāng)步進電機起動時，＝1600HZ時，M＝98N.cm,遠不能滿足此機床所要求的空載起動力矩（532.06N.cm）直接使用會產(chǎn)生失步現(xiàn)

110、象。所以采取升降速控制（軟件實現(xiàn)）。將起動頻率降到200HZ時，起動力矩可增高到385N.CM,然后在電路上再采用低壓驅(qū)動電路，可將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。當(dāng)快速運動和切削進給時，110BF003型步進電機運行矩頻特性可滿足要求。</p><p>　　3.6.2 橫向進給步進電機計算和選型</p><p>　?、俚刃мD(zhuǎn)動慣量的計算</p><p>　　傳動系統(tǒng)

111、折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量（kg.cm）由下式計算：</p><p><b>　　由式（3.20）：</b></p><p>　　初選反應(yīng)式步進電機110BF，＝1.8kg.cm</p><p><b>　　1）齒輪的慣量計算</b></p><p>　　由式（3.21）：kg.cm</p&

112、gt;<p>　　=10.24kg.cm</p><p>　　2）絲杠折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量</p><p>　　公稱直徑：30mm，導(dǎo)程6mm，長度為450mm的絲杠，從表中查出1m長的絲杠轉(zhuǎn)動慣量為2kg.cm,則此絲杠的轉(zhuǎn)動慣量為＝2×0.715=1.43kg.cm</p><p><b>　　kg.cm</b>

113、</p><p>　　3）工作臺折算到絲杠軸上的轉(zhuǎn)動慣量J</p><p>　?。剑?.6/×600/10 =0.547kg.cm</p><p>　　圖3.4 110BF003型步進電機矩頻特性</p><p>　　綜上：＝1.8＋0.262＋（18/45）×[(10.24+1.43)+0.574]=3.047kg.c

114、m</p><p>　　考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題：＝1.8/3.047=0.59</p><p>　　∴ 基本滿足慣量匹配要求　</p><p><b>　?、陔姍C力矩的計算　</b></p><p>　　1）快速空載起動時所需力矩M</p><p>　　由式（3.24）：/=1200/

115、0.005×0.75/360=500r/min　　</p><p>　　由式（3.23）：=3.047××</p><p>　　=53.18N.cm</p><p><b>　　由式（3.25）：</b></p><p><b>　　=N.cm</b></p>

116、;<p>　　由式（3.26）：=6.12N.cm</p><p>　　由式（3.22）：=53.18+25.07+6.12=80.88N.cm</p><p>　　2）快速進給時所需力矩</p><p>　　＝26.62＋1.08＝27.7N.cm</p><p>　　3）最大切削負載時所需力矩</p><

117、p>　　由式（3.27）：＝670×0.6/2×0.8（50/70=32.01N.cm</p><p>　?。?5.07＋6.12＋32.01＝63.2N.cm</p><p><b>　　③步進電機的選擇</b></p><p>　　1）首先根據(jù)最大靜轉(zhuǎn)矩初選電機型號</p><p>　　從文

118、獻[11]表4－24查出，當(dāng)步進電機為五相十拍時，=0.951</p><p>　　=88.088/0.951=58.05N.cm</p><p>　　從表4－23查出，90BF002型最大靜轉(zhuǎn)矩為3.92N.m。大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號，但還必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。</p><p>　　2）計算電機工作頻率</p>

119、<p><b>　　由式（3.27）：</b></p><p><b>　　由式（3.27）：</b></p><p>　　從文獻[11]表4-23中查出90BF002型步進電機允許的最高空載起動頻率為3800Hz，運行頻率為1600Hz,再從文獻[11]圖4－17，4-18查出90BF002步進電機起動矩頻特性和運行頻特性曲線如圖所