畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）- CA6140普通車床的數(shù)字化改造.doc

太原工業(yè)學(xué)院 CA6140普通車床的數(shù)字化改造摘 要我國目前機(jī)床總量380余萬臺(tái)，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11.34萬臺(tái)，即我國機(jī)床數(shù)控化率不到3%。近10年來，我國數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為0.60.8萬臺(tái)，年產(chǎn)值約為18億元。機(jī)床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為6%。我國機(jī)床役齡10年以上的占60%以上；10年以下的機(jī)床中，自動(dòng)/半自動(dòng)機(jī)床不到20%，F(xiàn)MC/FMS等自動(dòng)化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動(dòng)和半自動(dòng)機(jī)床占60%以上）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機(jī)床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長(zhǎng)，從而在國際、國內(nèi)市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場(chǎng)、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。物競(jìng)天擇，一些不適應(yīng)社會(huì)發(fā)展在機(jī)床必將被淘汰，所以實(shí)施機(jī)床的數(shù)控化改造是機(jī)械行業(yè)在必然趨勢(shì)。通過搜集資料、實(shí)踐研究等方法對(duì)機(jī)床就行改造即是用較少的成本去創(chuàng)造更高的價(jià)值。而這也將極大的推動(dòng)中國機(jī)械行業(yè)的發(fā)展。經(jīng)過大量實(shí)踐證明普通機(jī)床數(shù)控化改造具有一定經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和穩(wěn)定性。所以很多企業(yè)紛紛將現(xiàn)有機(jī)床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，這種做法具有投資少、見效快的特點(diǎn)。事實(shí)證明：機(jī)床的數(shù)控化改造可以為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵字：機(jī)床、數(shù)控化、改造、意義目 錄第一章 數(shù)控機(jī)床改造的意義 第二章 CA6140車床簡(jiǎn)介 第一節(jié) CA6140車床概述4第二節(jié) CA6140車床的加工范圍及特點(diǎn)6 第三節(jié) CA6140車床的傳動(dòng)系統(tǒng)分析7 第三章 總體改造方案及進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第一節(jié) 總體改造方案9 第二節(jié) 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)9 第三節(jié) 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)18 第四章 主軸及機(jī)床控制系統(tǒng)的改造 第一節(jié) 主軸電機(jī)的改進(jìn)26 第二節(jié) 主軸脈沖編碼器的運(yùn)用26 第三節(jié) 刀架的設(shè)計(jì)28 第四節(jié) 機(jī)床導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)29 第五節(jié) 坐標(biāo)系的建立Y、X、Z軸的限位和參考返回電路30 第六節(jié) 配置用鍵和變頻器的安裝31 第七節(jié) 機(jī)床的安裝、調(diào)試、與精度檢驗(yàn)31 致謝 第一章 數(shù)控機(jī)床改造的意義一、機(jī)床現(xiàn)狀我國是生產(chǎn)和使用機(jī)床最多國家之一,現(xiàn)有金屬切削機(jī)床400萬臺(tái)左右，但現(xiàn)有的機(jī)床大多數(shù)服役年限較長(zhǎng),設(shè)備陳舊落后,功能嚴(yán)重不足,運(yùn)運(yùn)不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的需要。二、技術(shù)分析在過去的幾十年,金屬切削機(jī)床的基本動(dòng)作是原理變化不大。如今科學(xué)技術(shù)發(fā)展很快,特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用到機(jī)床控制系統(tǒng)上,不但能提高機(jī)床的自動(dòng)化程度,而且能提高加工精度和表面質(zhì)量。近年來,我國已經(jīng)積極開展了對(duì)機(jī)床數(shù)控化再制造技術(shù)的研究,如武漢華中數(shù)控公司先后完成了50多家企業(yè)數(shù)百臺(tái)設(shè)備的數(shù)控化在制造。實(shí)踐證明。改造的機(jī)床滿足了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展需要,提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品精度,增大了設(shè)備的適應(yīng)能力和型面的加工范圍(曲面、各種螺紋的加工等),利用日臻完善的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)及配套部件改造現(xiàn)有的普通機(jī)床的技術(shù)條件已經(jīng)成熟。三、市場(chǎng)分析國內(nèi)資料分析,訂購新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期一般較長(zhǎng),往往不能滿足用戶的需要,而改造的數(shù)控機(jī)床能夠適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品多樣化和高精度的要求。因此得到了用戶廣泛的應(yīng)用,機(jī)床的數(shù)控化改造已成為滿足市場(chǎng)需求的主要補(bǔ)充手段,對(duì)中、小型企業(yè)來說是十分理想的選擇。四、經(jīng)濟(jì)分析由于新型機(jī)床價(jià)格昂貴,一次性投資巨大,如果把舊機(jī)床設(shè)備全部用新型機(jī)床替換。要花費(fèi)大量的資金,而替換下的機(jī)床又會(huì)閑置起來造成巨大浪費(fèi),若采用數(shù)控技術(shù)對(duì)舊機(jī)床加以改造和購買機(jī)床相比,則可省50%以上的資金,一套經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置的價(jià)格僅為全功能裝置的1/3到1/5。一般用戶都能承擔(dān)的起,這為資金緊張的中小型企業(yè)的技術(shù)改造開辟了新路,也對(duì)實(shí)力雄厚的大型企業(yè)產(chǎn)生了較大的吸引力。五、生產(chǎn)分析在現(xiàn)代機(jī)械制造工業(yè)中,中小批量甚至單件生產(chǎn),個(gè)性化的產(chǎn)品占有相當(dāng)大的比重,尤其是我國加入世貿(mào)組織后,成為世界性的加工基地,產(chǎn)品出口的增長(zhǎng)迅速,從低附加值、勞動(dòng)密集型產(chǎn)品逐步過度到高附加值的精密型零件的出口，高精度的數(shù)控機(jī)床起了重要的作用。數(shù)控機(jī)床是最能適應(yīng)這種生產(chǎn)需要的。六、重要性分析以數(shù)控機(jī)床為代表的現(xiàn)代基礎(chǔ)機(jī)械是制造實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)代化的重要設(shè)備，數(shù)控技術(shù)水平的高低和機(jī)床的數(shù)控化率，數(shù)控設(shè)備的擁有量已成為衡量一個(gè)國家現(xiàn)代工業(yè)化水平的重要標(biāo)志。七、綜合分析數(shù)控技術(shù)用于機(jī)床的改造是建立在微電子技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，具有高可靠性、柔性強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化、經(jīng)濟(jì)性可觀等特點(diǎn)。為此，在舊機(jī)床上進(jìn)行數(shù)控化改造可以提高機(jī)床的使用性能、降低生產(chǎn)成本、用較少的資金投入而得到較大的經(jīng)濟(jì)效益。第二章 CA6140車床簡(jiǎn)介CA6140車床是一種機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜而電氣系統(tǒng)簡(jiǎn)單的機(jī)電設(shè)備，是用來進(jìn)行車削加工的機(jī)床。在加工時(shí)，通過主軸和刀架運(yùn)動(dòng)的相互配合來完成對(duì)工件的車削加工。車床的種類很多，按其用途和結(jié)構(gòu)的不同，可分為臥式車床、落地車床、立式車床、仿形車床、轉(zhuǎn)塔車床、多刀半自動(dòng)車床、自動(dòng)車床等。第一節(jié) CA6140車床概述一、機(jī)床的組成和主要技術(shù)參數(shù) 1機(jī)床的組成 CA6140車床的主要組成部件由圖1所示。圖1 CA6140車床外形圖 1主軸箱 2刀架 3尾座 4床身 5右床腿 6溜板箱 7左床腿 8進(jìn)給箱 6溜板箱 7左床腿 8進(jìn)給箱1主軸箱 主軸箱1是一部件，由箱體、主軸、傳動(dòng)軸、軸上傳動(dòng)件、變速操縱機(jī)構(gòu)、潤(rùn)滑密封件等組成。主軸通過前端的卡盤或者花盤帶動(dòng)工件完成旋轉(zhuǎn)作主運(yùn)動(dòng)，也可以安裝前尖頂通過撥盤帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)。2刀架 四方刀架裝在小滑板上，而小滑板裝在中滑板上，縱滑板可沿床身導(dǎo)軌縱向移動(dòng)，從而帶動(dòng)刀具縱向移動(dòng)，用來車外圓、鏜內(nèi)孔等。而中滑板相對(duì)于縱滑板作橫向移動(dòng)，用來帶動(dòng)刀具加工端面、切斷、切槽等。小滑板可相對(duì)中滑板改變角度后帶動(dòng)刀具斜進(jìn)給，用來車削內(nèi)外短錐面。3、尾座 尾座3可沿其導(dǎo)軌縱向調(diào)整位置，其上可安裝頂尖支撐長(zhǎng)工件的后段以加工長(zhǎng)圓柱體，也可以安裝孔加工刀具加工孔。尾座可橫向作少量的調(diào)整，用于加工小錐度的外錐面。4、進(jìn)給箱 進(jìn)給箱8內(nèi)裝有進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)及操作裝置，通過改變進(jìn)給量的大小，可改變所加工螺紋的種類及導(dǎo)程。 5、床身及床腿 床身4是機(jī)床的支承件，它安裝在左床腿7和右床腿5上并支承在地基上。床身上安裝著機(jī)床的各部件，并保證它們之間具有要求的相互準(zhǔn)確位置。床身上面有縱向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌和尾座縱向調(diào)整移動(dòng)的導(dǎo)軌。6、溜板箱 溜板箱6與縱向滑板（床鞍）相連，溜板箱內(nèi)裝有縱、橫向機(jī)動(dòng)進(jìn)給的傳動(dòng)換向機(jī)構(gòu)和快速進(jìn)給機(jī)構(gòu)等。2CA6140車床的主要技術(shù)參數(shù)，如表1.表1 CA6140車床的主要技術(shù)參數(shù)床身上最大工件回轉(zhuǎn)直徑400mm刀架上最大工件回轉(zhuǎn)直徑210mm最大工件長(zhǎng)度1000mm主軸中心至床身平面導(dǎo)軌距離205mm最大車削長(zhǎng)度650、900、1400mm主軸孔徑48mm主軸轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn)（24級(jí)）101400r/min反轉(zhuǎn)（12級(jí)）141580r/min刀架縱向及橫向進(jìn)給量各64種縱向一般進(jìn)給量0.081.59mm小進(jìn)給量0.0280.054mm加大進(jìn)給量1.716.33mm橫向一般進(jìn)給量0.040.79mm小進(jìn)給量0.0140.027mm加大進(jìn)給量0.863.16mm刀架縱向快速移動(dòng)速度4m/min車削螺紋范圍米制螺紋（44種）1192mm英制螺紋（20種）224牙/in模數(shù)螺紋（39種）0.2548mm經(jīng)節(jié)螺紋（37種）196牙/in主電動(dòng)機(jī)功率7.5kw轉(zhuǎn)速1450r/min快速電動(dòng)機(jī)功率250kw轉(zhuǎn)速2800r/min第二節(jié) CA6140車床的加工范圍及特點(diǎn) 一加工范圍CA6140車床的工藝范圍很廣，它能完成車削內(nèi)外圓柱面、圓錐面、車削端面、各種螺紋、成形回轉(zhuǎn)面和環(huán)形槽等多種多樣的加工工序。也可以進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、攻螺紋、套螺紋和滾花等工作。其典型表如圖2所示。CA6140車床主運(yùn)動(dòng)由工件隨主軸旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)，而進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由刀架的橫向動(dòng)來完成。由于機(jī)械產(chǎn)品中回轉(zhuǎn)表面的零件很多。車床的工藝范圍又較廣泛，因此CA6140車床使用十分廣泛。圖2車床加工的典型零件二CA6140車床的加工特點(diǎn)1 加工范圍較大。 2 加工時(shí)，主運(yùn)動(dòng)是工件和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是刀具的縱向和橫向移動(dòng)。3 正常情況下，在車削加工過程中，切削力比較穩(wěn)定，加工比較平穩(wěn)。4 在車削加工過程中切屑和刀具之間的劇烈擠壓和摩擦，以及刀具與工件之間的摩擦，產(chǎn)生了大量的切削熱，但大部分熱量被切屑帶走，所以CA6140在加工過程中一般可以不使用切削液。5 在一般情況下，這種機(jī)床多用于粗加工和半精加工。第三節(jié) CA6140車床的傳動(dòng)系統(tǒng)分析CA6140車床的傳動(dòng)西統(tǒng)，由主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)、車螺紋進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)組成，見圖3。圖3 CA6140車床主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)圖一.主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)1.傳動(dòng)路線表達(dá)式 寫傳動(dòng)路線表達(dá)式的方法是“抓兩頭帶中間”，即將首件通過中間傳動(dòng)件將末端件聯(lián)系起來，對(duì)于CA6140型臥式車床主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈來說，即從主電動(dòng)機(jī)經(jīng)130mm帶輪帶動(dòng)230mm帶輪，從而帶動(dòng)軸，軸上有雙摩擦離合器M1，M1向左結(jié)合，左邊的z51、z56雙聯(lián)齒輪與軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，通過兩對(duì)傳動(dòng)副，傳動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)主軸正轉(zhuǎn)。M向右結(jié)合，由z50與軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，z50通過軸z34傳動(dòng)軸上的z30實(shí)現(xiàn)主軸反轉(zhuǎn)。M1處于中間，則軸空轉(zhuǎn)，即不傳動(dòng)左邊的z51和z56，也不傳動(dòng)右邊的z50，軸的運(yùn)動(dòng)通過軸之前的三對(duì)傳動(dòng)副，傳動(dòng)軸，軸有兩條路線可傳動(dòng)主軸，即通過 軸上的M，M向左滑移至z63與z50嚙合，使得軸通過， 直接傳動(dòng)主軸軸，實(shí)現(xiàn)主軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)，即為4501400r/min;若M向右結(jié)合，軸通過，傳動(dòng)軸，軸通過，傳動(dòng)軸，軸通過 傳動(dòng)軸（主軸），其傳動(dòng)路線表達(dá)式為二車螺紋進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)CA6140型臥式車床的螺紋進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)可車削米制，模數(shù)制，英制和徑節(jié)制4種標(biāo)準(zhǔn)螺紋，另外還可以加工大導(dǎo)程螺紋，非標(biāo)準(zhǔn)螺紋及較精密螺紋以及右旋，左旋螺紋。車制螺紋時(shí)，刀架通過車螺紋傳動(dòng)鏈得到運(yùn)動(dòng)，兩端件主軸，刀架之間必須保持嚴(yán)格的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，即主軸每轉(zhuǎn)一周，刀具移動(dòng)一個(gè)被加工螺紋的導(dǎo)程L。車螺紋傳動(dòng)鏈運(yùn)動(dòng)平衡式為：=L 式中U為主軸至絲杠間全部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的總傳動(dòng)比；L絲為機(jī)床絲杠的導(dǎo)程，CA6140型車床的絲杠導(dǎo)程L絲=12mm；L為工件螺紋的導(dǎo)程（mm）。三、縱向、橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)車削內(nèi)、外圓柱表面時(shí)，可使用機(jī)動(dòng)的縱向進(jìn)給車削端面時(shí)，可使用機(jī)動(dòng)的橫向進(jìn)給。為了減少絲杠的摩孫和便于操作，保證螺紋傳動(dòng)鏈的精度，機(jī)動(dòng)進(jìn)給傳動(dòng)鏈不用絲杠及開合螺母?jìng)鲃?dòng)。機(jī)動(dòng)進(jìn)給是由光杠XIX經(jīng)溜板箱傳動(dòng)。從主軸VI至進(jìn)給箱軸XVII上滑移齒輪Z28處于左位，使 脫開，從而切斷進(jìn)給箱與絲杠的聯(lián)系。運(yùn)動(dòng)由齒輪副及聯(lián)軸節(jié)傳至光杠XIX，再由光杠通過溜板箱中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，分別傳至齒輪齒條機(jī)構(gòu)或橫向進(jìn)給絲杠XXVII，使刀架做縱向或橫向機(jī)動(dòng)進(jìn)給。溜板箱內(nèi)的雙向齒式離合器及分別用于縱、橫向機(jī)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的接通、斷開及控制進(jìn)給方向。CA6140型臥式車床可以通過4種不同的傳動(dòng)路線來實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而獲得縱向和橫向進(jìn)給量各64種。以同樣傳動(dòng)路線傳動(dòng)時(shí)，橫向進(jìn)給量為縱向進(jìn)給量的一半。1.縱、橫向機(jī)動(dòng)進(jìn)給的傳動(dòng)路線表達(dá)式為2.縱向機(jī)動(dòng)進(jìn)給量(32種) 3.橫向機(jī)動(dòng)進(jìn)給量(64種)橫向機(jī)動(dòng)進(jìn)給量為縱向機(jī)動(dòng)進(jìn)給量的一半。四、刀架的快速移動(dòng)在CA6140車床上加工零件時(shí)，為了縮短輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)效率：刀架可實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)縱向、橫向快速移動(dòng)。按下快速移動(dòng)按鈕（點(diǎn)動(dòng)控制），快速電機(jī)（0.25kw，2800rpm）經(jīng)齒輪副13/29使軸XX高速轉(zhuǎn)動(dòng)，再經(jīng)蝸桿副4/29及溜板箱內(nèi)的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，使刀架實(shí)現(xiàn)縱向或橫向的快速移動(dòng)，快速移動(dòng)的方向由溜板箱內(nèi)的雙向離合器M8及M9控制。第三章 總體改造方案及進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第一節(jié) 總體改造方案一、 改造的內(nèi)容普通車床的數(shù)控化改造主要有4個(gè)內(nèi)容：（1）車床的主軸的正、反向轉(zhuǎn)數(shù)控制和實(shí)現(xiàn)其不同切削速度的主軸變速。（2）車床縱橫兩個(gè)方向的走刀量控制。由計(jì)算機(jī)控制的電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)傳動(dòng)絲杠來實(shí)現(xiàn)。（3）自動(dòng)換刀的控制。是通過計(jì)算機(jī)控制的電動(dòng)機(jī)來達(dá)到轉(zhuǎn)角的目的。（4）在加工螺紋時(shí)，應(yīng)保證主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)、刀架移動(dòng)一個(gè)被加工螺紋的螺距或?qū)С獭６?、改造的基本原則確定具體改造方案的基本原則是：在滿足使用要求的前提下對(duì)機(jī)床的改動(dòng)盡可能少，以降低成本、增強(qiáng)抗干擾性。三、改造的總體方案采用SINUMERIK802D數(shù)控系統(tǒng)，由I/O接口輸出步進(jìn)脈沖，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速齒輪減速后帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，利用滾珠絲杠螺母副從而實(shí)現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。使用四方刀架進(jìn)行自動(dòng)換刀。此外，為了保證車床加工螺紋的功能和防止意外事故的發(fā)生，增加光電編碼器和電路中設(shè)置了保護(hù)電路。四、進(jìn)給系統(tǒng)改造的要求具有較高的定位精度、有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，即系統(tǒng)跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要好、穩(wěn)定性要好，為了確保數(shù)控機(jī)床進(jìn)給的傳動(dòng)精度和工作穩(wěn)定性。要求進(jìn)給系統(tǒng)達(dá)到無間隙、低慣量、高剛度和高諧頻率以及適應(yīng)的阻尼等。第二節(jié) 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)縱向進(jìn)給系統(tǒng)主要分為切削力的計(jì)算、滾珠絲杠副的選擇、減速齒輪的設(shè)計(jì)、步進(jìn)電機(jī)的確定等。操作步驟為：拆除原CA6140車床的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（進(jìn)給箱、溜板箱、傳動(dòng)絲杠、光杠、操作絲杠），利用原機(jī)床進(jìn)給箱的安裝孔和銷釘孔，安裝步進(jìn)電機(jī)減速箱體，滾珠絲杠仍安裝在原絲杠的位置，兩端仍采用原固定方式（一端固定、一端浮動(dòng)）。由于滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小于原絲杠，所以縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)整體剛性優(yōu)于從前，所以采用一級(jí)齒輪減速裝置。已知條件，如表2：表2 已知條件最大工件直徑/mm最大工件長(zhǎng)度/mm溜板及刀架重量/mm刀架快移速度m/min最大進(jìn)給速度m/min定位精度mm主電動(dòng)機(jī)功率/kw起動(dòng)加速時(shí)間/ms滾珠絲杠導(dǎo)程/mm床身上床鞍上750/1000縱向橫向縱向橫向縱向橫向縱向橫向4002108006002.41.20.60.30.0157.53065選擇脈沖當(dāng)量 根據(jù)機(jī)床精度要求選擇脈沖當(dāng)量，縱向：0.01mm/步，橫向?yàn)榭v向的一半，即0.005mm/步。一、切削力的計(jì)算 車床的主電動(dòng)機(jī)最大切削功率P=PK式中 P主電動(dòng)機(jī)功率，CA6140車床P=7.5KW主傳動(dòng)系統(tǒng)效率，一般為0.60.7，取=0.65K進(jìn)給系統(tǒng)功率總效率 取K=0.96P=7.50.650.96=4.68KW又切削力P= 式中 F主切削力（N） V最大切削速度（m/min）。按用硬質(zhì)合金刀具半精車剛件的速度V=100m/min在外圓車削中：F=（0.150.7）F=28080.6=1684.8N F=（0.10.6）F=28080.5=1404N二、滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)及選型1、滾珠絲杠副的工作原理及特點(diǎn) 在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中一般采用滾珠絲杠副來改善摩擦特性。滾珠絲杠副是一種在絲杠與螺母間裝有滾珠作為中間元件的絲杠副，其結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。為防止?jié)L珠在工作過程中從螺母兩端掉出，在螺母的螺紋滾道4上裝有擋滾珠器2（又叫回珠器或反向器）?；芈饭艿?將滾珠3引回，構(gòu)成滾珠連續(xù)工作的循環(huán)通道。圖4 滾珠絲杠副1-壓塊 2-擋珠器 3-滾珠 4-螺紋滾道 5-回路管道 6-螺母 7-絲杠（1）、滾珠絲杠副具有如下優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)效率高 滾珠摩擦的摩擦損失小，傳動(dòng)效率=0.920.94，是普通滑動(dòng)絲杠的34倍（=0.200.40）。摩擦力小 因靜、動(dòng)摩擦因數(shù)小，因而傳動(dòng)靈敏、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、低速不易爬行、隨動(dòng)精度和定位精度高。可預(yù)緊 經(jīng)預(yù)緊后可消除軸向間隙。有助于定位精度和剛度提高，既使反向也沒有空行程，反向定位精度高，且傳動(dòng)平穩(wěn)。有可逆性 因摩擦因數(shù)小，所以不僅可將旋轉(zhuǎn)成直線運(yùn)動(dòng)，也可將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，絲杠可螺母既可作為主動(dòng)件，也可作為從動(dòng)件。使用壽命長(zhǎng) 滾珠絲杠副采用優(yōu)質(zhì)合金鋼制成，去滾道表面淬火硬度達(dá)60-60HRC，表面粗糙度值小，而且是滾動(dòng)摩擦，故磨損很小、使用壽命長(zhǎng)。因?yàn)闈L珠絲杠副具有這些優(yōu)點(diǎn)，所以進(jìn)給系統(tǒng)我選擇滾珠絲杠副（2）、 滾珠絲杠副的缺點(diǎn)是：制造工藝復(fù)雜，成本高 滾珠絲杠、螺母、反向器等零件的加工精度和表面粗糙要求高，故制造成本高。如絲杠螺母上的螺旋槽滾道一般都要求削成形表面，工藝復(fù)雜。不能實(shí)現(xiàn)自鎖 由于起摩擦因數(shù)小而不能自鎖，特別是垂直（立式）絲杠，由于自重和慣性或因突然停斷電而容易造成主軸箱等下滑，所以需要添加制動(dòng)裝置。2、滾珠絲杠副的循環(huán)方式 常用的循環(huán)方式有外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類，滾珠在循環(huán)過程中有時(shí)與絲杠脫離接觸的稱為外循環(huán)：始終與絲杠保持接觸的稱為內(nèi)循環(huán)。3、滾珠絲杠的安裝 為提高傳動(dòng)剛度，選擇合理的支承結(jié)構(gòu)并正確安裝很重要。滾珠絲杠主要承受向載荷，徑向載荷主要是臥式絲杠的自重，因此滾珠絲杠的軸向精度和剛度要求較高。在安裝時(shí)，應(yīng)注意調(diào)整絲杠間隙，可用百分表測(cè)出具體的間隙所在。珠絲杠副的選用 滾珠絲杠副的選擇主要是工件負(fù)載必小于滾珠絲杠的額定動(dòng)負(fù)載Cm(N)即必須滿足CCm。4、滾珠絲杠的承載能力的計(jì)算選擇縱向進(jìn)給為綜合導(dǎo)軌，計(jì)算絲杠的最大軸向進(jìn)給切削里Fm又因?yàn)镕m=KFf+f(Fc+w)式中Ff、Fp、Fc切削分力（N）K顛覆里矩影響取K=1.15F導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)取f=0.16W移動(dòng)部件的重量（N）代入式中：Fm=kFf+f(fc+w)=1.151684.8+0.16(2808+800)=2514.8N（1）、壽命L 最大切削里F的進(jìn)給速度Vs可取最高進(jìn)給速度的1/21/5（取為1/2），縱向最大進(jìn)給速度為0.6m/min,絲杠導(dǎo)程Lo=6mm，則絲杠轉(zhuǎn)速為：n=絲杠使用壽命時(shí)間一般為15000h，則絲杠的計(jì)算壽命L為L(zhǎng)=（2）、載荷Cm 當(dāng)量動(dòng)載荷Cm選用滾珠絲杠直徑do時(shí)，必須保證絲杠工作時(shí)，在一定的軸向載荷作用下，絲杠在運(yùn)轉(zhuǎn)10轉(zhuǎn)后，在它的滾珠上下產(chǎn)生疲勞點(diǎn)濁現(xiàn)象。這個(gè)軸向負(fù)載的最大值Cm，即為滾珠絲杠桿副所能承受的最大當(dāng)量動(dòng)載荷Cm式中：運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)精度系數(shù) =14908.11N根據(jù)CCm的原則，查 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)化學(xué)出版社出版，第三章第3卷，（P12-21）選取滾軸絲桿的型號(hào)為：CMD4006-2.5E左，坐標(biāo)直徑為40mm，即外循環(huán)，齒差調(diào)隙式，一圈2.5列。滾珠直徑為39.69mm，導(dǎo)程為6mm，摩擦級(jí)選用5級(jí)，螺紋升角r=arctag（L/d）=arctg（6mm/40）=arctg0.047=.（3）、傳動(dòng)功率 滾軸絲桿副的傳動(dòng)功率為：=tgr/tg（r+）=0.94式中：r絲杠的螺紋升角摩擦角。滾動(dòng)絲桿副的滾動(dòng)摩擦因數(shù)f=0.003，摩擦角約等于10所以=10（4）、穩(wěn)定性驗(yàn)算臨界壓縮載荷，對(duì)于受壓的細(xì)長(zhǎng)的滾軸絲桿，應(yīng)驗(yàn)算其承受最大軸向壓縮載荷Fmax時(shí)是否會(huì)產(chǎn)生縱向彎曲。式中 E絲桿材料彈性量，對(duì)綱E=2.0610N/mL絲杠兩支承端距離（m），L=1.5m;f絲杠的支承方式系數(shù)，f=2.00f許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，f=3I絲杠截面慣性矩（m） I= = =0.001md絲杠螺紋底徑（m），d=d-1.02d=40-1.023.969=36.02mm.=2256.75N（5）、剛度驗(yàn)算滾珠絲杠副的軸向變形會(huì)影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度及運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，因此驗(yàn)算滿載時(shí)候的軸向變形量。 絲杠的拉伸或壓縮變形量。在總變形量中占的比重教大式中-滾珠絲杠支撐間的受力長(zhǎng)度(mm)-滾珠絲杠的導(dǎo)程(mm)-在工作載荷作用引起的導(dǎo)程變化量(mm)又式中-軸向平衡載荷-材料彈性模量 鋼=-滾珠絲杠橫截面積 A=mm“+”號(hào)用于拉伸。由于兩端均采用角接觸球軸承且絲杠又進(jìn)行了預(yù)緊，故其拉壓剛度端固定的絲杠提高四倍。其實(shí)際變形為。 滾珠與螺紋接觸變形量，此項(xiàng)變形占總變形量的比重也教大，當(dāng)對(duì)絲杠加有預(yù)緊力且預(yù)緊力為軸向最大載荷的1/3時(shí)，之值可減少一半，又式中 軸向工作載荷（N）預(yù)緊力滾珠直徑滾珠數(shù)量其為圈數(shù)K列數(shù)Z每圈螺紋滾道內(nèi)的滾珠數(shù)外循環(huán)Z=d滾珠絲杠公稱直徑= 據(jù)上所訴，實(shí)際變形量為: =0.009 支撐滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形支撐滾珠絲杠的軸承為8107型推力軸承，幾何參數(shù)d =35mm，滾球直徑 滾動(dòng)體數(shù)量=18 軸承的軸向接觸變形為：mm因施加預(yù)緊力，故實(shí)際變形量mm注意單位為k總變形量=+=0.0044+0041+0.003758=0.012258又有前面已知條件可得：0.012258mm0.015mm的定位精度。符合要求。5、減速齒輪的設(shè)計(jì)i根據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)的要求，縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量為0.01mm，滾珠絲杠導(dǎo)程L=6mm，及初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角0.75，傳動(dòng)比為因?yàn)镮5,故可為一級(jí)齒輪傳動(dòng)。I=因進(jìn)給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)選取第一系列中的模樹m=2壓力角=20d=Mz=232=64mm 分度圓直徑 =+2=m(+2)=2(32+21)=68 mm=+2=m(+2)=2(40+21)=84齒頂高系數(shù)，我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：m1時(shí)，正常齒制=1齒根圓徑 = -=m(-2-2)=2(322-20.25)=59= -=m(-2-2)=2(402-20.25)=75.頂隙系數(shù) 我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：1 mm時(shí)，正常齒制=0.25 齒寬b=為了減小加工量，也為了裝配和調(diào)整方便，大齒齒寬應(yīng)小于齒輪齒寬，取，則 取=1 所以 所以減速齒輪參數(shù)為：大小齒輪的材料均為40合金鋼，考慮到對(duì)傳動(dòng)要求和制造方便采用直齒傳動(dòng)從動(dòng)齒輪齒輪錯(cuò)齒輪法消除和間隙，熱處理采用調(diào)壓處理，小齒輪硬度，大齒輪：硬度三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇1、計(jì)算負(fù)載慣量的意義慣量匹配條件 慣量匹配是指進(jìn)給系統(tǒng)負(fù)載慣量與伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量相匹配。 條件是：14式中：伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）可有伺服電動(dòng)機(jī)技術(shù)手冊(cè)查出。 J負(fù)載慣量（），即進(jìn)給系統(tǒng)（傳動(dòng)軸、齒輪、工作臺(tái)等）折算到伺服電動(dòng)機(jī)上全部負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。2、負(fù)載慣量的計(jì)算參考同類型機(jī)床，初步選用反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)150BF002，其電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=10。傳動(dòng)系統(tǒng)折算到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：（1）、齒數(shù)Z、Z折算到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：（2）、絲杠折算到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 從表查得1m的絲杠的=15.45 J=15.451.5=23.175（3）、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J=J+ =3.21+ (=22.5313、負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算及最大靜轉(zhuǎn)矩的選擇 機(jī)床在不同的共況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，（1）快速空載起動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩是：將已知數(shù)據(jù)代入，=500r/min考慮了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以后，傳動(dòng)系統(tǒng)折算的電動(dòng)機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J=J+J=10+22.531=32.531M=567.77N 折算到電動(dòng)機(jī)軸上的摩擦力矩=55.15 N.cm附加摩擦力矩=3.259N.cm則M=M+M+M=567.77N.cm+55.15N.cm+3.259N.cm=626.179N.cm（2）快速移動(dòng)時(shí)所需力矩MM=M+M=55.15N.cm+3.259N.cm=58.409N.cm（3）最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩M=M+M+=55.15N.cm+3.259 N.cm+134.14N.cm=192.549N.cm從上面計(jì)算看出M、M、M三種情況下，以快速空載起動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩最大，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的依據(jù)。查資料得，步進(jìn)電機(jī)為五項(xiàng)十帕?xí)r， 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩=按次最大靜力矩，150BF002型步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)距為13.72大于所需最大靜力矩，可作為出選型號(hào)。但還得考慮電機(jī)起動(dòng)頻率特性和運(yùn)行矩頻特性。步進(jìn)電機(jī)的空載起動(dòng)頻率：150BF002型反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)允許的最高空載啟動(dòng)頻率為2800，允許的最高空載運(yùn)行頻率為8000。由圖5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)矩頻特性可看出，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，f起=2500HZ時(shí)，M=100N，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩（633.84N），直接使用會(huì)產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采取升降速控制（可用軟件實(shí)現(xiàn)），將起動(dòng)頻率降到1000HZ時(shí)，起動(dòng)扭矩可增高到588N，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路，可將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩?cái)U(kuò)大一倍左右。圖5 150BF002步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性a) 起動(dòng)矩頻特性b)運(yùn)行矩頻特性當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，由150BF002步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性圖18（b）知該電動(dòng)機(jī)能滿足要求，根據(jù)上述計(jì)算綜合分析，縱向進(jìn)給系統(tǒng)采用150BFOO2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能滿足要求。第三節(jié) 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)橫向進(jìn)給系統(tǒng)主要分為切削力的計(jì)算、滾珠絲杠副的選擇、減速齒輪的設(shè)計(jì)、步進(jìn)電機(jī)的確定等。改造步驟：保留原手動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于微機(jī)進(jìn)給和機(jī)床刀具對(duì)空操作；保留原有的支承機(jī)構(gòu)；步進(jìn)電機(jī)、齒輪箱體安裝在機(jī)床后側(cè)，為了便于安裝滾珠絲杠。副絲杠軸采用分移式，然后用套筒剛聯(lián)接。采用雙片齒輪錯(cuò)齒法消除齒輪副間隙，并在溜板箱上安裝了縱橫向進(jìn)給按鈕和急停按鈕，以適應(yīng)機(jī)床調(diào)整時(shí)的操作和意外事故的緊急處理。一、切削力的計(jì)算F=（0.10.6）F =28080.5=1404N二、滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)及選型1、選擇縱向進(jìn)給為燕尾性導(dǎo)軌，計(jì)算絲杠的最大軸向進(jìn)給切削里Fm又因?yàn)镕m=KFf+f(Fc+2F+W)式中Ff、Fp、Fc切削分力（N） K顛覆里矩影響取K=1.4 F導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)取f=0.2 W移動(dòng)部件的重量（N）代入式中：Fm= KFf+f(Fc+2P+W)=1.41684.8+0.2(2808+21404+600)=3353.28N2、壽命L 最大切削里F的進(jìn)給速度Vs可取最高進(jìn)給速度的1/21/5（取為1/3），縱向最大進(jìn)給速度為0.6m/min,絲杠導(dǎo)程Lo=6mm，則絲杠轉(zhuǎn)速為： r/min絲杠使用壽命時(shí)間一般為15000h，則絲杠的壽命L為L(zhǎng)=183、載荷Cm 當(dāng)量動(dòng)載荷Cm選用滾珠絲杠直徑do時(shí)，必須保證絲杠工作時(shí)，在一定的軸向載荷作用下，絲杠在運(yùn)轉(zhuǎn)10轉(zhuǎn)后，在它的滾道上下產(chǎn)生疲勞點(diǎn)濁現(xiàn)象。這個(gè)軸向負(fù)載的最大值Cm，即為滾珠絲杠桿副所能承受的最大當(dāng)量動(dòng)載荷Cm式中：運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)精度系數(shù) =14646.56N根據(jù)CCm的原則，查 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)化學(xué)出版社出版，第三章第3卷，選取滾軸絲桿的型號(hào)為：CMD2505-2.5E左，坐標(biāo)直徑為25mm，即外循環(huán)，齒差調(diào)隙式，一圈2.5列。滾珠直徑為39.69mm，導(dǎo)程為6mm，摩擦級(jí)選用5級(jí)，螺紋升角r=arctag（L/d）=arctg（6mm/40）=arctg0.047=。4、傳動(dòng)功率 滾軸絲桿副的傳動(dòng)功率為：=tgr/tg（r+）= =0.965式中：r絲杠的螺紋升角摩擦角。滾動(dòng)絲桿副的滾動(dòng)摩擦因數(shù)f=0.003，摩擦角約等于10所以=10 5、穩(wěn)定性驗(yàn)算（1）臨界壓縮載荷，對(duì)于受壓的細(xì)長(zhǎng)的滾軸絲桿，應(yīng)驗(yàn)算其承受最大軸向壓縮載荷Fmax時(shí)是否會(huì)產(chǎn)生縱向彎曲。式中 E絲桿材料彈性量，對(duì)綱E=2.0610N/mL絲杠兩支承端距離（m），L=0.45m;f絲杠的支承方式系數(shù)，f=2.00f許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，f=3I絲杠截面慣性矩（m） I= = =md絲杠螺紋底徑（m），d=d-1.02d=20-1.023.175=16.7615mm.=4680.6N6、剛度驗(yàn)算（1）、絲杠的拉伸或壓縮變形量。在總變形量中占的比重教大.式中滾珠絲杠支撐間的受力長(zhǎng)度(mm) 滾珠絲杠的導(dǎo)程(mm) 在工作載荷作用引起的導(dǎo)程變化量(mm)又式中軸向平衡載荷 材料彈性模量 鋼= 滾珠絲杠橫截面積 A= = = mm“+”號(hào)用于拉伸。由于兩端均采用角接觸球軸承且絲杠又進(jìn)行了預(yù)緊，故其拉壓剛度端固定的絲杠提高四倍。其實(shí)際變形為。（2）、滾珠與螺紋接觸變形量，此項(xiàng)變形占總變形量的比重也教大，當(dāng)對(duì)絲杠加有預(yù)緊力且預(yù)緊力為軸向最大載荷的1/3時(shí)，之直可減少一半，又式中 軸向工作載荷（N） 預(yù)緊力滾珠直徑滾珠數(shù)量其為圈數(shù)K列數(shù)Z每圈螺紋滾道內(nèi)的滾珠數(shù)外循環(huán)Z=d滾珠絲杠公稱直徑= 據(jù)上所訴，實(shí)際變形量為: =0.009(3)、支撐滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形支撐滾珠絲杠的軸承為8107型推力軸承，幾何參數(shù)d =15mm，滾球直徑 滾動(dòng)體數(shù)量=12 軸承的軸向接觸變形為：mm因施加預(yù)緊力，故實(shí)際變形量mm注意單位為k總變形量=+=0.0083+0.009+0.0336=0.0509mm又有前面已知條件可得：0.0509mm0.015mm的定位精度。顯然，此變形量已大于定位的要求，不符合要求;要進(jìn)行修改。因橫向留板空間限制，不宜再加大滾珠絲杠直徑，故采取貼速導(dǎo)軌減小摩擦力，從而取減小最大牽引力。計(jì)算絲杠的最大軸向進(jìn)給切削里Fm又因?yàn)镕m=KFf+f(Fc+2F+W)式中Ff、Fp、Fc切削分力（N）K顛覆里矩影響取K=1.4F導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)取f=0.03W移動(dòng)部件的重量（N）代入式中：Fm= KFf+f(Fc+2P+W)=1.41684.8+0.03(2808+21404+600)=2545.2N、絲杠的拉伸或壓縮變形量。在總變形量中占的比重教大.式中滾珠絲杠支撐間的受力長(zhǎng)度(mm) 滾珠絲杠的導(dǎo)程(mm) 在工作載荷作用引起的導(dǎo)程變化量(mm)又式中軸向平衡載荷 材料彈性模量 鋼= 滾珠絲杠橫截面積 A= = =mm“+”號(hào)用于拉伸。由于兩端均采用角接觸球軸承且絲杠又進(jìn)行了預(yù)緊，故其拉壓剛度端固定的絲杠提高四倍。其實(shí)際變形為。、滾珠與螺紋接觸變形量，此項(xiàng)變形占總變形量的比重也教大，當(dāng)對(duì)絲杠加有預(yù)緊力且預(yù)緊力為軸向最大載荷的1/3時(shí)，之直可減少一半，又式中 軸向工作載荷（N）預(yù)緊力滾珠直徑滾珠數(shù)量其為圈數(shù)K列數(shù)Z每圈螺紋滾道內(nèi)的滾珠數(shù)外循環(huán)Z=d滾珠絲杠公稱直徑= 據(jù)上所訴，實(shí)際變形量為: =0.007、支撐滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形支撐滾珠絲杠的軸承為8102型推力軸承，幾何參數(shù)d =15mm，滾球直徑 滾動(dòng)體數(shù)量=12 軸承的軸向接觸變形為：mm因施加預(yù)緊力，故實(shí)際變形量mm注意單位為k總變形量=+=0.0063+0.007+0.0253=0.0383又有前面已知條件可得：0.0383mm0.015mm的定位精度。此變形量仍不能滿足要求，如果將滾珠絲杠再經(jīng)過預(yù)拉伸，剛度還可以提高四倍，則總變形量=0.015。 此變形量滿足設(shè)計(jì)要求三、減速齒輪的設(shè)計(jì)根據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)的要求，縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量為0.005mm，滾珠絲杠導(dǎo)程L=5mm，及初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角0.75，傳動(dòng)比為因?yàn)镮5,故可為一級(jí)齒輪傳動(dòng)。I=因進(jìn)給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)選取第一系列中的模樹m=2壓力角=20d=M=215=30mm 分度圓直徑 = +2=m(+2)=2(15+21) =34 mm=+2 =m(+2)=2(30+21)=64齒頂高系數(shù)，我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：m1時(shí)，正常齒制=1齒根圓徑 = -=m(-2-2)=2(152-20.25)=50= -=m(-2-2)=2(301-20.25)=50頂隙系數(shù) 我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：1 mm時(shí)，正常齒制=0.25 齒寬b=為了減小加工量，也為了裝配和調(diào)整方便，大齒齒寬應(yīng)小于齒輪齒寬，取，則 取=1 所以 所以減速齒輪參數(shù)為：大小齒輪的材料均為40合金鋼，考慮到對(duì)傳動(dòng)要求和制造方便采用直齒傳動(dòng)從動(dòng)齒輪齒輪錯(cuò)齒輪法消除和間隙，熱處理采用調(diào)壓處理，小齒輪硬度，大齒輪：硬度四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇1、計(jì)算負(fù)載慣量的意義參考同類型機(jī)床，初步選用反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)130BF001，其電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=10。傳動(dòng)系統(tǒng)折算到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：(1)、齒數(shù)Z、Z折算到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：(2)、絲杠折算到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 從表查得1m的絲杠的=0.84 J=0.841.5=1.26(3)、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J=J+ =0.278+ (=2.42、負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算及最大靜轉(zhuǎn)矩的選擇 機(jī)床在不同的共況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，(1) 快速空載起動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩是：將已知數(shù)據(jù)代入，=500r/min考慮了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以后，傳動(dòng)系統(tǒng)折算的電動(dòng)機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J=J+J=10+2.4=12.4M 折算到電動(dòng)機(jī)軸上的摩擦力矩=25.10N.cm附加摩擦力矩=7.56N.cm則M=M+M+M=12.4N.cm+25.10N.cm+7.56N.cm=45.06N.cm（2）快速移動(dòng)時(shí)所需力矩MM=M+M=25.10 N.cm +7.56 N.cm =32.66N.cm（3）最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩M=M+M+=25.10N.cm+7.56 N.cm+69.88N.cm=102.54N.cm從上面計(jì)算看出M、M、M三種情況下，以最大切削負(fù)載時(shí)所需轉(zhuǎn)矩最大，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的依據(jù)。查資料得，步進(jìn)電機(jī)為五項(xiàng)十帕?xí)r， 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩=其次最大靜力矩，130BF001型步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)距為9.31大于所需最大靜力矩，可作為出選型號(hào)。但還得考慮電機(jī)起動(dòng)頻率特性和運(yùn)行矩頻特性。步進(jìn)電機(jī)的空載起動(dòng)頻率：電動(dòng)機(jī)允許的最高空載啟動(dòng)頻率為3000，最高空載運(yùn)行頻率為16000。a) 起動(dòng)矩頻特性 b)運(yùn)行矩頻特性圖6 150BF002步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性由圖6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)矩頻特性可看出，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，f起=2500HZ時(shí)，M=100N.滿足此機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩，所以必須采取升降速控制（可用軟件實(shí)現(xiàn)）。 當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，由150BF002步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性圖18（b）知該電動(dòng)機(jī)能滿足要求，根據(jù)上述計(jì)算綜合分析，縱向進(jìn)給系統(tǒng)采用150BFOO2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能滿足要求。 第四章 主軸及機(jī)床控制系統(tǒng)的改造第一節(jié) 主軸電機(jī)的改進(jìn)一、主軸系統(tǒng)的改進(jìn)在對(duì)CA6140主軸的改進(jìn)過程中,主軸系統(tǒng)基本保留.主軸電機(jī)采用1PH7系列,采用蘭州電機(jī)廠生產(chǎn)的交流鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為1PH7系列。1機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)P5-147，配備相應(yīng)的電氣控制設(shè)備?？梢詫?shí)現(xiàn)主軸的正反轉(zhuǎn)，主軸點(diǎn)動(dòng)，主軸電機(jī)的熱保護(hù)功能，如圖7所示。正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)命令通過面板操作寫在程序中，由PLC輸出端口控制正轉(zhuǎn)繼電器（KAZ）或反轉(zhuǎn)繼電器（KAF），使接觸器KM1和KM2動(dòng)作，完成主軸的正反轉(zhuǎn)切換，為減小主軸電機(jī)的起動(dòng)電源，使用了KM3、KM4、KM5三個(gè)接觸器來完成電機(jī)的Y-切換。為適應(yīng)螺紋加工要求，主軸上安裝了編碼器，通過端口X472輸入611UE反饋到PLC單元。熱繼電器（FR）的一組常開觸點(diǎn)接入X111輸入點(diǎn)I0.7，當(dāng)電機(jī)過熱時(shí)，熱繼電器（FR）動(dòng)作，使I0.7有效，PLC單元產(chǎn)生報(bào)警，并切斷主軸電機(jī)的電源。圖7 主軸電機(jī)電氣控制原理圖 第二節(jié) 主軸脈沖編碼器的運(yùn)用一、主軸脈沖編碼器的概述脈沖編碼器又稱脈沖發(fā)生器，它是一種直接用數(shù)字代碼表示角位移及線位移的檢測(cè)器。能把機(jī)械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)變成電脈沖，是數(shù)控機(jī)床上使用廣泛的位置控制裝置。脈沖編碼器控制方式的特點(diǎn)：1、控制方式是非接觸式的，無摩擦和磨損，驅(qū)動(dòng)力矩小。2、由于光電交換器性能的提高，可得到較快的響應(yīng)速度。3、由于照像腐蝕技術(shù)的提高，可以制造高分辨率、高精度的光電盤，母盤制作后，復(fù)制很方便，且成本底。4、抗污染能力差，容易損壞。二、 螺紋加工過程中編碼器的作用雖然主軸的轉(zhuǎn)速由機(jī)械控制，但在車螺紋加工中必須知道主軸轉(zhuǎn)速，根據(jù)主軸計(jì)算進(jìn)給速度。必須在主軸上安裝光電編碼器，光電編碼器通常與主軸直接聯(lián)結(jié)（傳動(dòng)比1：1），為保證切削螺紋的螺距準(zhǔn)確，要求主軸轉(zhuǎn)一周工作臺(tái)移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程，必須有固定的起刀點(diǎn)的退刀點(diǎn)。安裝在軸上的光電編碼器在切削螺紋時(shí)就可解決主軸旋轉(zhuǎn)與坐標(biāo)軸進(jìn)給的同步控制。保證主軸每轉(zhuǎn)一周，刀具準(zhǔn)確地移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程。此外，螺紋加工要經(jīng)過幾次切削才能完成，每次重復(fù)切削時(shí)，開始進(jìn)刀的位置必須相同。為了重復(fù)切削不亂牙，數(shù)控系統(tǒng)在接收到光電編碼器的一轉(zhuǎn)脈沖才開始螺紋切削的計(jì)算。其傳動(dòng)路線是：主軸齒輪副脈沖編碼器數(shù)控裝置步進(jìn)電動(dòng)機(jī)縱、橫向進(jìn)給。三、編碼器的選擇根據(jù)加工精度的要求，選擇了長(zhǎng)春第一光學(xué)儀器廠leelf型編碼器（每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為1200個(gè)）。四、安裝步驟（圖8所示）1、拆下原有掛輪，加工兩只67齒和90齒掛輪2、增加一只中間繼電器，由電門鎖開關(guān)來控制機(jī)床的電源圖8 脈沖編碼器的安裝圖1-脈沖編碼器 2-同步帶輪 3-同步帶3、在電動(dòng)刀架三相電源進(jìn)線外加裝快速熔斷器和熱繼電器（2-5A），保證刀架完全工作。第三節(jié) 刀架的設(shè)計(jì)一、改造刀架的目的 CA6140普通車床的上帶有手動(dòng)刀架。根據(jù)加工要求和生產(chǎn)情況，對(duì)刀架進(jìn)行改造，提高生產(chǎn)率、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工提供前提條件。二、刀架的選擇 經(jīng)過比較，選用常州宏達(dá)機(jī)床設(shè)備廠生產(chǎn)的LD4C0625型四工位電動(dòng)刀架。作為CA6140車床的電動(dòng)刀架。可以完成粗精車，車螺紋和切槽（斷）等加工的換刀工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且實(shí)用、如圖所示。刀架的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)由三相微型異步電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)完成。三、刀架的工作原理 在加工過程中，選刀時(shí)在程序中輸入被選刀具的的TXX（刀具號(hào)）和DXX（刀沿號(hào)）。PCU單元通過PLC的輸出端