毕业设计（论文）CA6140普通车床的数控化改造(全套图纸）.doc

绪论普通机床数控化改造,实质是机械工程技术与微电子技术的结合。经改造后的机床加工的精度、效率、速度都有了很明显的提高，适合我国现在经济水平的发展要求。 本次毕业设计主要是对机床机械部分进行改造,以步进电机驱动横向进给运动、纵向进给运动以及刀架的快速换刀,使传动系统变得十分简单，传动链大大缩短,传动件数减少,从而提高机床的精度。 设计中，我们对有关数控机床及数控改造的相关书籍、刊物进行大量阅读,收集了很多资料,了解了数控机床的基本概念，数控机床的发展概况，数控机床的组成及其工作原理，扩大了我们的知识面。 随着科学技术的发展,现代机械制造要求产品的形状和结构不断改进，对零件的加工质量的要求也越来越高。随着社会对产品多样化要求的增强，产品品种增多,产品更新换代加速。数控机床代替普通机床被广泛应用是一个必然的趋势。同时，数控机床将向着更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能发展。全套CAD图纸，加153893706第一部分：数控机床的基础知识1.1数控机床的发展趋势 随着科学技术的发展，现代机械制造要求产品的形状和结构不断改进，对零件加工质量的要求也越来越高。随着社会对产品多样话需求的增强，产品品种增多，产品更新换代加速。这就要求数控机床成为一种具有高效率、高质量、高柔性和抵成本的新一代制造设备。尤其是FMS的迅猛发展CIMS的兴起和不断成熟，对机床数控系统提出了更高的要求。现代数控机床正向着更高的速度、更高的精度、更高的可靠性及更完善的功能发展。1. 智能化在数控机床控机床采用了交流数字伺服系统。伺服电动机的位置环、速度环、及电流环都实现了数字化，并采用了不受机械负荷变动影响的高速响应伺服驱动技术。同时，高分辨率、高响应的绝对位置检测器也已应用到数字伺服系统中，这种检测器每转可进行100万细分,可在1000r/min的高速运转中使用。此外，提高主轴转速、减少非切削时间，采用快速插补、超高速通信技术都使现代数控机床的切削速度得到很大的提高。2. 高精度化 高精度化一直是机床数控技术发展追求的目标，在20世纪末一取得明显的效果。普通级中等规格的加工中心的定位精度已从20世纪80年代初的+12 m提高到+0.5 m. 现代数控机床通常采用以下技术来提高精度： 利用数控系统的补偿功能，提高其加工精度和动态特性。例如补偿轴向运动误差、丝杠导程误差、齿轮间隙误差、刀具磨损误差等。在新一代数控系统中，还开发了具有热补偿、空间误差补偿功能的传感器件和软件。 采用高分辨率、高响应性的绝对位置传感器技术，实现切削加工的精密检测。如这种传感器检测到的绝对位置信号，通过专用微处理器进行细分处理，可达到极高的分辨率,现已生产出配套的专用芯片,大大提高了使用精度和可靠性。 采用数字式伺服控制技术，该技术是基于现代控制理论而构成的反馈控制技术。该技术引进的现代控制技术有：非线性补偿技术，消除机床静摩檫引起的误差；鲁棒控制技术，实现加速度反馈，减小因负载变动而引起的误差；前馈控制技术，使伺服系统的追踪滞后减少一半,改善拐角切削加工精度；加减速控制技术，可在插补前后进行平滑的加减速控制.可使系统形状误差减至最小，保证系统具有高精度、高速度双重性能；低噪声电动机技术，保证控制系统获得高增益,目前生产的低噪声电动机，其噪声水平已降到额定值到0.5 以下,提高数控机床机械本体中基础大件的结构刚性和热稳定性。 3. 高可靠性. 现代数控机床的可靠性是在设计阶段就开始进行，即预先确定可靠性指标，在生产过程中模拟实际工作条件，进行检测并提高可靠性的措施予以保证。通常采用的可靠性技术有：冗余技术，故障诊断技术，自动检错、纠错技术，系统恢复技术，软件可靠性技术等。 4.现代数控机床还采取了以下措施来提高数控系统的可靠性：(1)提高元器件和系统的可靠性。新型的数控系统大量采用大规模或超大规模的集成 电路，采用专用芯片及混合式集成电路，使电路的集成度提高，元器件数量减小,供耗降低，从而大幅度降低系统的故障率。 (2)采用抗干扰技术，提高数控系统对环境的适应能力。例如采取滤波、隔离、屏蔽、合理接地等抗干扰措施。使数控系统模块化、通用化和标准化。数控系统的硬件被制成多种功能模块，根据机床数控功能的要求，选择不同的模块，还可以自行扩展或裁剪,组成满意的数控系统。模块化、标准化、通用化的实现，不但便于组织开发、生产和应用，而且提高了可靠性。 (3)提高自诊断及保护功能。数控系统一般都具有软件、硬件及故障的自诊断程序,为了防止超程,可以在系统内预先设定工作范围，避免由于限位开关的不可靠而造成轴端超程,数控系统还具有自动返回功能，当机床在加工过程中，出现某种特殊情况时,例如由于刀具断裂等原因造成加工中断时,数控系统能力将刀具位置保存起来。在更换刀具后，只要重新输入刀具的有关数据,刀具就能自动回到正确位置，保证通电后继续工作，不让工件报废。 (4)多功能复合化 现代数控机床的功能复合化发展，主要体现在以下几个方面： 大多数数控机床都具有人机对话功能，都有很“友好”的人机界面,借助CRT与键盘的配合，可以实现程序的输入、编辑、修改、删除等功能。此外还具有前台操作、后台编辑的功能，并大量采用菜单选择操作方式，操作更加方便1.2数控机床的组成数控机床的工作原理：首先根据零件图样制定工艺方案,采用手工或计算机进行零件的程序编制，把加工零件所需的机床各种运作及全部工艺参数变成机床数控装置能接受的信息代码，并把这些代码存储在信息载体(上穿孔纸带、磁盘等)。另一种方法是利用计算机和数控机床的借口直接进行通信,实现零件程序的输入和输出。 进入数控装置的信息，经过一系列处理和运算转变成脉冲信号。有的信号送到机床的伺服系统，通过伺服机构对其进行转换和放大，再经过传动机构驱动机床有关部件,使刀具和工件严格执行零件加工程序所规定的相应运动。还有的信号送到可编程控制器中，用以顺序控制机床的其他辅助动作,如实现刀具的自动更换和变速、松夹工件、开关切削液等动作。 数控机床主要有信息载体、数控装置、伺服系统和机床本体等四个基本部分组成。 1.信息载体 信息载体(又称控制介质)的功能是用于记载以数控加工程序表示的各种加工信息，如零件加工的工艺过程、工艺参数等以控制机床的运动和和各种动作,实现零件的机械。常用的信息载体有穿孔纸带,磁盘和磁带。信息载体上的各种加工信息要经输入装置输送给控制装置。对于用微型计算机控制的数控机床，还可以通过信息接口从其他计算机获取加工信息。也可用操作面板上的按钮和键盘将加工信息直接手动键盘输入，并将数控加工程序存入数控装置的存储器中。 2.数控装置 数控装置是数控机床的运算和控制系统，在普通数控机床中一般由输入装置、控制器、运算器、和输出装置组成，它接受信息载体的信息，并将其代码加以识别、储存、运算、输出相应的指令脉冲以驱动伺服系统，进而控制机床动作。 3.伺服系统 系统的作用是来自数控装置的脉冲信号转换为机床移动部件的运动，它相映于手工操作时人的手，使工作台精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合图样要求的零件。因此伺服系统的性能是决定数控机床的加工精度、表面质量和生产率的主要因素之一。 4.机床本体 数控机床中的机床本体,在开始阶段沿用普通机床，只是在自动变速、刀架或工作台自动转位和手柄等方面作些改变。随着数控技术的发展，数控机床的外部造型、整体布局、机械传动系统与刀具系统的部件结构以及操作结构等机床的技术性能要求更高了。与传统的普通机床相比，数控机床采用了高性能主轴部件及传动系统，机械传动结构简化，传动链较短;机械结构具有较高刚度和耐磨性，热变形小；更多地采用高效部件,如滚珠丝杠,静压导轨、滚动导轨等。1.3机床的运动性能指标1.主轴转速 机床的主轴一般均采用直流或交流调速主轴电动机驱动，选用高速精数控密轴承支承,保证主轴具有较宽的调速范围和足够高的回转精度、刚度及抗振性。目前，数控机床主轴转速已普遍达到5000-10000r/min,甚至更高，这样对各种小孔加工以及提高专用零件加工质量和表面质量都极为有利。 2.进给速度 数控机床的进给速度是影响零件加工质量、生产率以及刀具寿命的主要因素。它受数控系统装置的运算速度、机床动特性及工艺系统刚度等因素的限制。目前国内数控机床的进给速度可达10-15m/min,国外数控机床的进给速度一般可达15-30m/min. 3.坐标行程 数控机床坐标轴X、Y、Z的行程大小，构成数控机床的空间加工范围，即加工零件的大小。坐标行程是直接体现机床加工能力的指标参数。 4.摆角范围 具有摆角坐标的数控机床，其转角大小也直接影响到加工零件空间部位的能力。但转角太大又造成机床的刚度下降，因此给机床设计带来许多困难。 5.刀库容量和换刀时间 刀库容量和换刀时间对数控机床的生产率有直接影响。刀库容量是指刀库能存放加工所需要的刀具数量，目前常见的中小型数控加工中心多为16-60把刀具，大型数控加工中心达100把刀具。换刀时间制带有自动交换刀具系统的数控机床，将主轴上使用的刀具与装在刀库上的下一工序需用的刀具进行交换所需的时间，目前国内数控机床均在10-20s内完成换刀,国外不少数控机床的换刀时间仅为4-5s.1.4数控机床机械结构的组成、特点1 数控机床的机械组成 由于数控机床主轴驱动、进给驱动和CNC技术的发展，数控机床的机械结构已从初期对通用机床局部结构的改进，逐步发展形成数控机床的独特机械结构。数控机床的机械结构主要下列个部分组成：1） 机床的基础件,又称为机床大件,通常指床身、底座、立柱、横梁、滑座和工作台 等2） 主运动传动系统3） 进给运动传动系统。4） 实现主轴回转、定位的装置。5） 实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置，如液压、气动、润滑、冷却、排屑、防护等。6） 刀架或自动换刀装置。7） 特殊功能装置8） 各种反馈装置和元件。 2数控机床结构的特点： 1）高刚度 因为数控机床要在高速度和高重载下工作，所以机 床的床身、主轴、立柱和刀架等主要部件,均需具有很高的刚度，工件中应无变形或振动。例如：床身应合理布置加强肋,能承受重载与重切削力;工作台与溜板应具有足够的刚度，能承受工作重量并使工作平稳；主轴在高速下运转，应承受大的径向扭矩和轴向推力;立柱在床身上移动，应平稳且能承受大的切削加工中应十分平稳且无振动。 2）高灵敏性 数控机床工作时,要求精度比较通用机床高，因而运动部件应具有高灵敏度。导轨部件通常用于滚动导轨、静压导轨和塑料导轨等,以减少摩檫力,在低速运动时无爬行现象。工作台的移动,有直流或交流伺服电动机驱动，经滚珠丝杠或静压丝杠传动。主轴既要在高刚度和高速下回转，又要有高灵敏度，因而多数采用滚动轴承或静压轴承。 3）高抗振性 数控机床的运动部件、除了应具有高刚度、高灵敏度外，还应具有高抗振性,在高速重载下应无振动,一保证加工工作的高精度和高表面质量。 4）热变形小 机床的主轴、工作台、刀架等运动部件,.在运动中常易产生热量，为保证部件的运动精度，要求各运动部件的发热量少，以防止产生热量变形。 5）高精度保持性 为了保证数控机床在长期内具有稳定的加工精度,要求数控机床具有高的精度保持性。除了各有关零件应正确选材外，还要求采取一些工艺措施，如淬火和磨削导轨，一提高运动部件的耐磨性。 6）高可靠性 数控机床在自动或半自动条件下工作，尤其是在柔性制造系统中的数控机床，这24h运转中无人看管,因此要求机床具有高的可靠性。 7）刀具先进 数控机床要能充分发挥效能,实现高精度、高自动化,除了机床本身应满足上述要求外，必须保证长期可靠地工作。1.5数控机床主传动系统的特点及其要求1.5.1数控机床主传动系统的特点 1）精度高 由于数控机床的主轴部件本身的精度高、传动链短, 故数控的主传动系统的精度高。 2)转速高、功率大 它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，提高生产率 3)调速范围宽 数控机床的主传动系统有较宽的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削用量,获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。 4)主轴组件的耐磨性高 凡有机械摩檫的部位如轴承、锥孔等都有较高的硬度，轴承处润滑良好，因此耐磨性高，精度保持性好1.5.2对进给传动系统的要求 1）传动精度高 从机械结构方面考虑，进给传动系的传动精度主要去取决与传动间隙和传动件的精度。传动间隙主要来自于传动齿轮副、丝杠螺母副之间，因此进跟传动系统中广泛采用施加预紧力或其它消除间隙的措施。缩短传动及采用高精度的传动装置，也可提高传动精度。 2）摩檫阻力小 为了提高数控机床进给系统的快速响应性能，必须减小运动件之间的摩檫阻力和动、静摩檫力之差。欲满足上述要求，数控机床进给系统普通采用滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副、滚动导轨、静压导轨和塑料导轨。 3）运动部件惯量小 运动部件的惯量对伺服机构的起动和制动特性都有影响。因此，在满足部件强度和刚度的前提下，应尽可能减小运动部件的质量、减小旋转零件的直径，以降低其惯量。滚珠丝杠副 在数控机床上，将回转运动转换为直线运动一般采用滚珠丝杠螺母机构。 滚珠丝杠的特点：传动效率高,一般为=0.92-0.96;传动灵敏,不易产生爬行；;使用寿命长；具有可逆性,不仅可将旋转运动变为直线运动，亦可将直线运动变成旋转运动；施加预紧力后,可消除轴向间隙，反向时无空行程;成本高,不能自锁,垂直安装时需有平衡装置。 滚珠丝杠的结构和工作原理; 滚珠丝杠螺母的结构有内循环和外循环两种方式 在外循环中,当丝杠相对于螺母旋转时丝杠的旋转面经滚珠推动螺母轴向移动,同时滚珠沿螺旋形滚道滚动，使丝杠和螺母之间的滑动摩檫变为滚珠与丝杠、螺母之间的滚动摩檫,螺母螺旋槽的两端用回株管连接起来，使滚珠能够从一端重新回到另一端,构成一个闭合的循环回路。 在内循环中，在螺母的测孔中装有圆柱凸轮式反向器反向器上铣有S形回珠槽,将相等两螺纹滚道联结起来。滚珠从螺纹滚道进入反向器,借助反向器迫使反向器越过丝杠牙顶进入相邻滚道，实现循环。滚珠丝杠螺母副间隙的调整方法,为了保证滚珠丝杠副的反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。常采用双螺母施加预紧力的方法消除轴向间隙，但必须注意预紧力不能太大，预紧力过大会造成传动效率降低、摩檫力增大，磨损增大、使用寿命降低。常用的双螺母消除间隙的方法有： （1）垫片调隙式 如图1-5-1所示，此种形式结构简单可靠、刚度好，应用最为广泛，在双螺母间加垫片的形式可由专业生产厂根据用户要求事先调整好预紧力，使用时装卸非常方便。 （2）齿差调隙式 如图1-5-2所示, 两螺母的凸轮缘为圆柱外齿轮,而且齿数差为1,两只内齿轮用螺钉、定位销紧固在螺母座上。调整时先将内齿轮取出，根据间隙大小使两螺母分别向相同方向转过1个齿或几个齿,然后再插入内齿轮，使螺母在轴向彼此移动了相应的距离，从而消除两个螺母的轴向间图1-5-1 垫片调隙式隙。这种方法的结构复杂,尺寸较大,适应于高精度传动。（3）螺纹调隙式 如图1-5-3所示，利用一个螺母上的外螺纹，通过圆螺母调整两个螺母的相对轴向位置实现预紧，调整好后用另一个圆螺母锁紧，这种结构 图1-5-2 齿差调隙式调整方便，且可在使用过程中，随时调整，但预紧力大小不能准确控制。图1-5-3 螺纹调隙式（4）单螺母预紧式 单螺母预紧原理如图1-5-4所示，为了补偿滚道的间隙，设计时将滚珠的尺寸适当增大，使其4点接触，产生预紧力，为了提高工作性能，可以在承载滚珠之间加入间隔钢球。图1-5-4 单螺母预紧式第二部分：总体方案设计2.1设计任务将CA6140普通车床高造成用MCS51系列单片机控制的经济型数控车床。要求该车床有自动回转，具有切削螺纹的功能。在纵向和横向具有直线和圆弧差补功能。系统分辨率纵向：0.01mm/步，横向;0.005mm/步。设计参数如下： 最大加工直径：在床鞍上：210mm在床面上：400mm最大加工长度：1000mm快进速度：纵向2.4m/min 横向1.2m/min最大切削进给速度：纵向0.5m/min横向0.25m/min脉冲分配方式：逐点比较法控制坐标数：2最小指令值 纵向：0.15mm/脉冲横向;0.005mm/脉冲刀具补偿量：099.99mm自动升降能力：有2.2.总体方案确定2.2.1系统的运动方式与伺服系统的选择 由于改造候的经济型数控车床应具有定位、直线差补、顺、逆园差补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。2.2.2计算机系统 根据机床要求，采用8位微机。由于MCS-51系列单片机具有集成度高，可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用MCS-51系列的8031单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。2.2.3机械传动方式为实现机床所需要的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠，为保证一定的传动精度和平稳行，尽量见效摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构，如图（2-2） 2-2经济型数控车床总体方案框图第三部分：电机的选择和脉冲当量的选择3.1确定系统脉冲当量一个进给脉冲，使机床运动不见产生的位移量，称为脉冲当量，也称为机床的最小设定单位。脉冲当量使衡量数控机床加工精度的一个基本参数。经济型数控车床铣床常采用的脉冲当量是0.010.005mm/脉冲，经济型数控磨床经常采用脉冲当量为0.0020.001mm/脉冲。此次设计中，在设计任务书中没有直接给出，根机床的定位精度来确定脉冲当量的大小，此次设计中我们要求的机床的定位精度达到0.015mm.根据这个精度我们确定机床系统脉冲当量为，纵向：0.01mm/步 横向：0.0054mm/步。3.2电机的选择3.2.1纵向进给步进电机的计算目前，经济型数控机床中大多采用反应式步进电机， CA6140纵向进给系统步进电机的确定：(1) 步距角b bLo/360i = 0.75×6/1.25×360 = 0.01(2) 矩频特性 步进电机最大静转矩是指电机在(静止状态),可以2表2-11中查出.步进电机的名义转矩Mmq与最大静转矩有2表2-11所示的关系即 Mmq = Mjmax 步进电机选用五相十拍,则 = 0.951Mjmax = 13.72 N.mMmq = Mjmax = 0.951×13.72 = 13.05所选电机型号应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩Mmq 即MkqMmq显然所选电机满足要求,电机型号为150BF002 3.2.2横向进给步进电机的计算 CA6140纵向进给系统步进电机的确定：(3) 步距角b bLo/360i = 0.36×5/1×360 = 0.005(4) 矩频特性 步进电机最大静转矩是指电机在(静止状态),可以2表2-11中查出.步进电机的名义转矩Mmq与最大静转矩有2表2-11所示的关系即 Mmq = Mjmax 步进电机选用五相十拍,则 = 0.951Mjmax = 2.156 N.mMmq = Mjmax = 0.951×2.156= 2.05所选电机型号应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩Mmq 即MkqMmq显然所选电机满足要求,电机型号为90BF006 第四部分：导轨的设计第一种方案：滚动导轨4.1滚动导轨的优点 目前，滚动导轨再数控机床上的应用非常的广泛，因为其摩擦系数小，f=0.00250.005;动、静摩擦系数很接近，且几乎不受运动速度变化的影响，运动轻便灵活，所需驱动功率小；摩擦发热小，磨损小，精度保持好；低速运动时不易出现爬行现象，因而定位精度高。所以本次设计优先选用滚动导轨而不用滑动导轨。4.2选择滚动导轨的结构形式 滚动导轨可分为滚动体不作循环运动的直线运动导轨和滚动体作循环的直线运动导轨两大类。其中滚动体不作循环运动的导轨又分为滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨三类。其中前者只适合于载荷小于2000N以下，因而承载能力小，并且因为时点接触，刚度也低。后者滚动导轨的滚动体时滚针，其厂长径比（导轨的长度和滚动体的直径之比）比滚珠大，能承载重荷，因而摩擦系数也要大些。本次设计要求的切削力大于2000N以上，所以选择滚柱导轨。4.3滚动导轨预紧方式的确定 滚动导轨经过预紧，可显著地提高其刚度。通常经过预紧的导轨的刚度可以比没有预紧的高三倍左右。因此，对于颠覆力矩较大，或要求接触刚度或移动精度较高的导轨均应进行预紧。但预紧力应适当，预紧力过大会使牵引力显著增加。常用的预紧方法有两种：采用过盈配合或采用调整元件。因为CA6140的床身上的下托板的两侧都设计的有调整元件，此次改造用托板两侧的顶丝来预紧导轨。如图4-3 4-3滚动导轨的预紧4.4滚动导轨几何参数的确定4.4.1滚动体尺寸和数目的选择 滚动体直径越大，滚动摩擦阻力及接触应力久越小，但滚动体的直径过小，则不仅摩擦阻力加大，而且还会产生滑动现象，所以再结构尺寸不受限制时，应尽可能选用较大的直径。滚珠直径应不小于68mm。滚柱的长度应适当，过短会增加导轨面的压强，过长则会因滚珠的锥度误差引起载荷分布不均匀。一般淬硬钢制造的导轨，滚柱的长径比最好不超过1.52。在这里我选用滚珠直径为8mm的滚柱。滚动体的树木也应选择适当，滚动体树木过少，则导轨的制造误差将明显地影响动导轨地位置精度。随着滚动体数目地增多，不仅提高了动导轨地位置精度，还可以降低导轨地压强。通常每个导轨上每排滚子的数量最少为1216个。但滚动体数目太多 ，则会出现载荷在滚动体上分布不均匀的现象，部分滚动体可能受不到载荷而不起作用，反而使刚度下降。 在这里我选用单排滚珠的数目为14个。在根据结构选择滚动体的尺寸和数目后，还要验算滚动体的承载能力，发现不能满足要求时，可加大滚动体的直径或增加滚动体的数目。4.4.2滚动导轨的长度滚动导轨重的滚动体和保持架随着导轨移动，但其移动速度仅是动导轨移动速度的一半。如图4-4 图4-4如图4-4所示滚动体与保持架长度为 式中动导轨的长度（mm）;l动导轨行程长度（mm）支承导轨长度L（mm）为由于本次改造选用的是第二种方案，第一种方案的计算省略，仅供参考。第二种方案：塑料导轨4.5塑料导轨的应用 目前，在普通机床上仍广泛地应用滑动导轨，因其具有结构简单、制造方便、刚度好、抗震性强等优点。但是传统的铸铁铸铁、铸铁淬火钢的导轨副，其静摩擦系数大，动摩擦系数随速度变化而变化，摩擦损失大，低速时容易出现爬行现象而降低运动部件的定位精度，因此目前在数控机床上已不采用，而代之以铸铁塑料或镶钢塑料导轨。4.6贴塑导轨 聚四氟乙烯软胶带，是以聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂混合烧结而成。它具有摩擦特性好、耐磨性好、减震性好等特点，已成功地用在中、小型数控机床上。这种软带可在原有滑动导轨上用粘结剂粘结，加压固化后进行精加工，故一般称之为贴塑导轮。由于其工艺较简单，对远远滑动导轨不需作大地改动，故在普通机床数控改装上应用很广泛。 本此改造就应用这种简便的技术，同时很好地达到机床的各种要求。第五部分：纵、横向自动走刀机床进给伺服系统机械部分的设计5.1设计任务 本设计任务是利用数控装置对CA6140普通车床进行数控改造.对纵、横进给开环控制,纵向脉冲当量为0.01mm/脉冲,横向脉冲当量为0.005mm/脉冲,驱动元件采用步进电机,传动装置采用滚珠丝杠副,刀架采用自动转位刀架。5.2总体设计的方案确定 考虑到具体方案时,基本原则是在满足使用要求的前提下对机床的改动尽可能少,以降低成本.确定机械部分改造总体方案为： 1纵向进给机构的改造 拆除原机床的进给箱,利用原机床进给箱的安装孔和销孔安装步进 电动机减速齿轮箱,滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置,两端采用原固定方式,这样可减少改造工作量,由于滚珠丝杠的摩檫系数小于原丝杠所以纵向进给机构整体刚性优于以前。 2横向进给机构改造 保留原手动机构,用于调整操作,原有的支撑结构也保留,步进电动机,齿轮箱体安装在中滑板的后侧。 3刀架改造 电动刀架能实现自动换刀功能，减少辅助时间，提高生产效率。我们选用常州宏达机床数控设备厂的LD4-CK6140刀架。 4 数控系统 数控系统采用南京博洋数控设备有限公司的BY-300T型车床数控系统。 5 编码器 在螺纹车削时，主轴每转一圈，刀架移动一个螺距值，在数控机床中靠编码器检测主轴的实际转速并反馈到数控系统后，再由系统自动调整进给轴的进给速度来保证。为了保证每次吃刀都不乱扣必须安装编码器，我们选择了长春光学仪器厂的ZJE-38A型光电编码器。5.3 纵向自动走刀机床进给伺服系统机械部分的设计其主要设计参数：加工最大直径：在床面上 在床鞍上 加工最大长度：1000mm工作台重量 w=80千克(粗略估计)时间常数 t=25ms滚珠丝杠基本导程 Ph=6mm行程 s=1000mm脉冲当量 p=0.01/脉冲步距角 =0.75mm/脉冲快速进给速度 Vmax=4m/min5.3.1切削力计算 纵切外圆时,车床的切削力Fz可以用下式计算： FZ=0.67式中：Dmax为在车床床面上加工的最大直径(mm),Dmax=21mm 则 Fz=0.67×210=2039(N)进给抗力Fx和切深抗力可按下列比例分别求出 Fz ： Fx ： Fy = 1 ： 0.25 ： 0.4则 Fx=0.25×2039=510(N) Fy = 0.4 × 2039 = 815.6(N)5.3.2 滚珠丝杠设计计算 (1) 实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力,可用下列进给牵引力实际公式计算,对于三角形或综合导轨机床： f = KFx + f´(Fz + W)式中： Fx Fz X Z方向上的切削分力,单位为N W 移动部件的重量,单位为 F'' 导轨上的摩檫系数 K 考虑颠覆力矩影响的实验系数对于三角形或综合性导轨机床： K = 1.15 f' = 0.15-0.18 取f '= 0.16则 Fm = 1.15 ×510 + 0.16 (2039 + 800) = 1040.7(N)(2) 最大动负载C的计算及主要尺寸初选 滚珠丝杠应根据额定动载荷Ca选用,最大动载荷计算原理与滚珠轴承相似,滚珠丝杠最大C可用下式计算： C = fm Fm式中： L为工作寿命,单位为10r , L=60nt/10 ; n 为丝杠转速(r/min),n =1000v/Lo, v 为最大切削力条件下的进给速度(m/min),可取最高进给速度的1/2-1/3 ;Lo为丝杠基本导程(mm) ;计算时,可根据快进速度Vmax和丝杠最大转速nmax初选一个数值Lo1000Vmax/nmax,待刚度验算后再确定t为额定使用寿命(h)可取t =1500h;fm为运转状态系数,一般情况取1.2-1.5; Fm为滚珠丝杠工作载荷(N) v = 1/2vmax = 1/2 ×4 = 2 m/min nmin = 1440 ×1.129 = 1625.8r/minLo1000vmax/nmax=1000×4/1625.8=2.46mm 取Lo=6mm则 n=1000v/Lo=1000×2/6=333r/minL=60nt/10=60×333×15000/10=300 (10r)C=fm Fm= ×1.3×1040. 7=9056.8 (N)初选滚珠丝杆副的尺寸,相应的额定动载荷Ca不得小于最大动载荷C：Ca>C,选用内循环滚动螺旋副： Dw=3.696, dm=40mm, Ca=16300, Coa=47100,=244', Lo=6, 1×2 (3) 传动效率计算：滚动丝杠螺纹的传动效率为：=tg/ tg () 式中： 为丝杠螺纹升角,可根据初选型号查出,=2.44°为摩檫丝杠副的滚动摩檫系数f=0.003-0.004,其摩檫角约等于10 则 =tg244'/ tg (244'+10')(4) 刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形将引起丝杠导程发生变化,从而影响其定位精和运动平稳性,滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形,丝杠与螺母之间滚道的接触变形,丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形.滚珠丝杠的扭矩变形较小,对纵向变形的影响更 小,可忽略不计,螺母座只要设计合理,其变形量也可忽略不计。丝杠轴承的轴向接触变形计算方法可参考机械设计手册.可供滚珠丝杠支承使用的滚动轴承种类很多,目前占优势的有：接触角为60的推力角接触球轴承,可以背靠背或面对面组配,还可以三联组配,四联组配等,为提高刚度和承载能力。因此,只要滚珠丝杠的刚度设计得好,轴承的轴夏管内接触变形在此可以不予考虑。 <1> 丝杠的拉压变形量 滚珠丝杠应计算满载时拉压变形量1= FmL/EA 式中： 为在工作载荷 作用下丝杠总长度上拉伸或压缩变形量(mm)：为丝杠的工作载荷(N); L为滚珠丝杠在支承间的受力长度(mm); E材料弹性模量,对钢E=20.6×10Mpa;A为滚珠丝杠按内径确定的截面 (mm), + 号用于拉伸, - 号用于压缩。 Fm = 1040.7 (N) L = 1600 mm E =20.6×10 Mpa A= (dm-Dm) 则1=FmL/EA=1040.7×1600/20.6×/4(40-3.969)=0.0079mm<2> 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2 该变形量与滚珠列.圈数有关,即与滚珠总数量有关,与滚珠丝杠的长度无关,有预紧力时2=0.013Fm/式中： Dw为滚珠直径(mm);Z 为滚珠总数量, Z=Z×圆数×列数; Z为一圈的滚珠数,Z=(dm/Dm)-3(内循环); dm为滚珠丝杠的公称直径(mm);Fxj为预紧力(Kgf); Fm为滚珠丝杠工作载荷(Kgf); Dw = 3.969 mm Z = × 40/ (3.969-3) ×1×2 Fm = 1040.7 (N) Fxj = 1/3 Fx = 1/3 ×510 = 170 (N) 所以, 2=0.0013=0.0022mm丝杠的总变形量 = 1+2=0.0079+0.0101<0.015由此可得滚珠丝杠副刚度满足条件(5) 压杆稳定性验算： 滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆,若轴向工作载荷过大,将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲,即失稳.失稳时的临界载荷为： Fk = E I / (fzL) (N)式中： E为丝杠材料弹性模量,对钢E=20.6×10 Mpa;I为截面惯性矩,对丝杠圆截面I= /64(mm) (d1为丝杠底径);为丝杠最大工作长度(mm); fz为丝杠支承方式系数 I = (40-9) / 64 = 45310 fz=2(一端固定一端简支) L=1600mm Fk = EI/ (fzL ) = 20.6× 10× 45310/(2× 1600)=8987(N)稳定性足够。5.3.3齿轮及转矩的有关计算： 传动比： i= Ph / 360p=0.75× 6/360× 0.01=1.25故取齿轮齿数： Z1=32 Z2=40模数： m=2mm b=20mm =20分度圆直径： d1=mz=2 32=64mm d=mz=2 40=80齿顶圆直径： da1=d+2mhamm=68mm da2=d2+2mhamm=84mm中心距： a=(d1+d2)/2=72mm 转动惯量的计算：工作台质量折算到电机轴上的转动惯量： J1=(180p/)W=(180×0.01×/0.75)×80/100Kg.cm =0.467g.cm丝杠的转动惯量： Js=7.8 ×10DL=7.8×10×4×1600=31.9Kg.cm齿轮的转动惯量： Jz1=7.8×10×6.4×2Kg.cm=2.617Kg.cm Jz2=7.8×10×8×2Kg.cm=6.39Kg.cm电动机转动惯量很小可忽略,因此总的转动惯量 JL=(Ls+Jz)/i+Jz1+J1=(31.9+6.39)/1.25+2.617+0.467=27.59Kg.cm所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩： M = Mamax + Mf + Mo 最大切削负载所需力矩： M = Mat + Mf + Mo+Mt 快速进给所需力矩： M = Mf + Mo式中：Mamax- 空载启动时折算到电动机轴上的加速度力矩 Mf- 折算到电动机轴上的摩檫力矩 Mo- 由于丝杠预紧力所引起折算到电动机轴的附加摩檫力矩 MT- 折算到电动机轴上的切削负载力矩 Ma = J.n × 10/