1、畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計計 題題 目：目：CA6140CA6140 車床主傳動變速箱的數(shù)車床主傳動變速箱的數(shù) 控改造設(shè)控改造設(shè)計 系系 別：別：機電工程學(xué)院機電工程學(xué)院 班班 級：級： 姓姓 名：名： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 職職 稱：稱：工工 程程 師師 日日 期：期：20072007 年年 5 5 月月 1616 日日 目目 錄錄 前言前言 (2) 摘要摘要 (3) 設(shè)計任務(wù)及要求設(shè)計任務(wù)及要求 (4) 一一 車床主傳動變速箱結(jié)構(gòu)分析車床主傳動變速箱結(jié)構(gòu)分析 (5) 二二 數(shù)控車床頭箱結(jié)構(gòu)分析數(shù)控車床頭箱結(jié)構(gòu)分析(6) 2.12.1 主傳動系統(tǒng)主傳動系統(tǒng) 2.22.2 進(jìn)給傳動系統(tǒng)進(jìn)給傳動系統(tǒng)

2、2.32.3 自動回轉(zhuǎn)刀架自動回轉(zhuǎn)刀架 2.42.4 機床尾座機床尾座 三三 伺服系統(tǒng)及步進(jìn)電動機的設(shè)計和計算伺服系統(tǒng)及步進(jìn)電動機的設(shè)計和計算 (7) 3.13.1 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改造設(shè)計方案伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改造設(shè)計方案 3.23.2 進(jìn)給伺服機構(gòu)機械部分的設(shè)計計算進(jìn)給伺服機構(gòu)機械部分的設(shè)計計算 四四 同步帶傳動設(shè)計同步帶傳動設(shè)計 (14) 4.14.1 同步齒形帶的選擇和校核同步齒形帶的選擇和校核 4.24.2 主軸組件的設(shè)計主軸組件的設(shè)計 五五 數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動的電路設(shè)計數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動的電路設(shè)計 (19) 5.15.1 硬件電路的基本組成硬件電路的基本組成 5.25.2 控制系統(tǒng)的功能控制系統(tǒng)的功能

3、六六 潤滑系統(tǒng)的改造潤滑系統(tǒng)的改造 (22) 體會體會 (23) 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) (23) 前前 言言 本次畢業(yè)設(shè)計主要是對機床機械部分進(jìn)行改造,以步進(jìn)電機驅(qū)動橫向進(jìn)給運 動、縱向進(jìn)給運動以及刀架的快速換刀,使傳動系統(tǒng)變得十分簡單，傳動鏈大大 縮短,傳動件數(shù)減少,從而提高機床的精度。 設(shè)計中，我們對有關(guān)數(shù)控機床及數(shù)控改造的相關(guān)書籍、刊物進(jìn)行大量閱讀,收 集了很多資料,了解了數(shù)控機床的基本概念，數(shù)控機床的發(fā)展概況，數(shù)控機床的 組成及其工作原理，擴大了我們的知識面。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代機械制造要求產(chǎn)品的形狀和結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，對 零件的加工質(zhì)量的要求也越來越高。隨著社會對產(chǎn)品多樣化要求的增強，

4、產(chǎn)品 品種增多,產(chǎn)品更新?lián)Q代加速。數(shù)控機床代替普通機床被廣泛應(yīng)用是一個必然的 趨勢。同時，數(shù)控機床將向著更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能發(fā)展。 機床作為機械制造業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注，由 于計算機技術(shù)的興起，促使機床的控制信息出現(xiàn)了質(zhì)的突破，導(dǎo)致了應(yīng)用數(shù)字 化技術(shù)進(jìn)行柔性自動化控制的新一代機床數(shù)控機床的誕生和發(fā)展。計算機的 出現(xiàn)和應(yīng)用，為人類提供了實現(xiàn)機械加工工藝過程自動化的理想手段。隨著計 算機的發(fā)展，數(shù)控機床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，同時使人們對傳統(tǒng)的 機床傳動及結(jié)構(gòu)的概念發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變。數(shù)控機床以其優(yōu)異的性能和精度、 靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開

5、創(chuàng)機械產(chǎn)品向機電一體化發(fā)展的先河。 數(shù)控機床是以數(shù)字化的信息實現(xiàn)機床控制的機電一體化產(chǎn)品，它把刀具和 工件之間的相對位置，機床電機的啟動和停止，主軸變速，工件松開和夾緊， 刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動作等信息用代碼化的數(shù)字記錄 在控制介質(zhì)上，然后將數(shù)字信息送入數(shù)控裝置或計算機，經(jīng)過譯碼，運算，發(fā) 出各種指令控制機床伺服系統(tǒng)或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工件。 數(shù)控機床與普通機床相比，其主要有以下的優(yōu)點： 1.1. 適應(yīng)性強，適合加工單件或小批量的復(fù)雜工件；在數(shù)控機床上改變加工 工件時，只需重新編制新工件的加工程序，就能實現(xiàn)新工件加工。 2.2. 加工精度高； 3.3. 生產(chǎn)效率高

6、； 4 4. 減輕勞動強度，改善勞動條件； 5.5. 良好的經(jīng)濟(jì)效益； 6.6. 有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。 數(shù)控機床已成為我國市場需求的主流產(chǎn)品，需求量逐年激增。我國數(shù)控機機床 近幾年在產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)品開發(fā)上取得了明顯的進(jìn)步，特別是在機床的高速化、多 軸化、復(fù)合化、精密化方面進(jìn)步很大。但是，國產(chǎn)數(shù)控機床與先進(jìn)國家的同類 產(chǎn)品相比，還存在差距，還不能滿足國家建設(shè)的需要。我國是一個機床大國， 有三百多萬臺普通機床。但機床的素質(zhì)差，性能落后，單臺機床的平均產(chǎn)值只 有先進(jìn)工業(yè)國家的 1/10 左右，差距太大，急待改造。 CA6140CA6140 型車床主軸箱的數(shù)控化改造設(shè)計型車床主軸箱的數(shù)控化改造設(shè)計 摘

7、要摘要:了解數(shù)控機床的概念，所謂數(shù)字控制是按照含有機床(刀具) 運動信息程序所指定的順序自動執(zhí)行操作的過程。而計算機數(shù)控機 床就是數(shù)控機床在計算機監(jiān)控下進(jìn)行工作。它的優(yōu)點很多,可以在同 一機我國現(xiàn)床上一次裝夾可完成多個操作，生產(chǎn)率顯著提高等優(yōu)點， 但它的價格昂貴。由于在使用的機床大多數(shù)為普通車床，自動化程 度低,要更新現(xiàn)有機床需要很多資金。縱向進(jìn)給機構(gòu)的改造：拆去原 機床的溜板箱、光杠與絲杠以及安裝座,配上滾珠絲杠及相應(yīng)的安裝 裝置，縱向驅(qū)動的步進(jìn)電機及減速箱安裝在車床的床尾,不占據(jù)絲杠 空間。橫向進(jìn)給機構(gòu)的改造：拆除橫向絲杠換上滾珠絲杠,由步進(jìn)電 機帶動。總體設(shè)計方案:CA6140 車床主軸

8、轉(zhuǎn)速部分保留圓機床的手 動變速功能。車床的縱向和橫向進(jìn)給運動采用步進(jìn)電機驅(qū)動。最后, 根據(jù)已知條件對縱向橫向伺服進(jìn)給機構(gòu)進(jìn)行設(shè)計與計算。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞: :數(shù)控、車床、改造 CA6140CA6140 普通車床主軸箱數(shù)控化改造設(shè)計的任務(wù)及設(shè)計要求普通車床主軸箱數(shù)控化改造設(shè)計的任務(wù)及設(shè)計要求 （一）設(shè)計任務(wù) 1.主要內(nèi)容 對 CA6140 車床主傳動變速箱進(jìn)行數(shù)控改造。研究內(nèi)容包括 CA6140 車床主 傳動變速箱結(jié)構(gòu)分析、數(shù)控車床頭箱結(jié)構(gòu)分析、步進(jìn)電機選擇、主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計、 齒形帶傳動設(shè)計、驅(qū)動方案和驅(qū)動電路設(shè)計等。 2.技術(shù)指標(biāo) （1）主軸調(diào)速范圍：02000r/min； （2）步進(jìn)電機開環(huán)控制

9、。 （二）設(shè)計要求 1.畢業(yè)設(shè)計（論文）一份：有 200 字左右的中英文摘要，正文后有 5 篇左 右的參考文獻(xiàn)，正文中要引用 3 篇以上文獻(xiàn)，并注明文獻(xiàn)出處。論文字?jǐn)?shù) 在 8000 字以上； 2.主軸零部件圖、驅(qū)動方案框圖、驅(qū)動電路圖等相關(guān)圖紙 （三）總體方案的確定 由于被改裝的機床本身的機械結(jié)構(gòu)不是按數(shù)控機床的要求設(shè)計的，其精度 和剛度等性能指標(biāo)往往不能滿足數(shù)控機床的要求，因此將普通機床改造為全功 能的數(shù)控機床，一味追求先進(jìn)指標(biāo)則會得不償失，所以確定總體方案的原則應(yīng) 當(dāng)是在滿足生產(chǎn)需要的前提下，對原機床盡可能減少機械部分的改動量，選擇 簡單易用的數(shù)控系統(tǒng)，達(dá)到合理的性價比。本次改造設(shè)計要求就

10、是根據(jù)這一原 則提出的。根據(jù)設(shè)計要求、依據(jù)設(shè)計參數(shù)及機床數(shù)控改造的理解，總體方案確 定如下： 1.系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機床應(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)。考慮到屬于 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機 開環(huán)控制系統(tǒng)。 2.計算機系統(tǒng) 根據(jù)機床要求，采用 8 位微機。由于 MCS51 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，具有很高的性能價格比等特點， 決定采用 MCS51 系列的 8031 單片機擴展系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯

11、示器、I/O 接口及光電隔離電路、步進(jìn)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。 3.機械傳動方式 為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲 桿，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)度，盡量減少摩擦量力，選用滾珠絲桿螺母 副。同時，為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)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)。 一、一、CA6140CA6140 車床主傳動變速箱結(jié)構(gòu)分析車床主傳動變速箱結(jié)構(gòu)分析 主軸箱的結(jié)構(gòu)分析主軸箱的結(jié)構(gòu)分析 機床主軸箱是一個比較復(fù)雜的傳動件.表達(dá)主軸箱各傳動件的結(jié)構(gòu)和 裝配關(guān)系時常用展開圖

12、.展開圖基本上 是按各傳動鏈傳遞運動的先后順序,沿軸 心線剖開,并展開在一個平面上的裝配圖(如圖 1) ： 圖 1 1花鍵套；2帶輪；3法蘭；4箱體；5鋼球；6齒輪；7 銷；8、9螺母； 10齒輪；11滑套；12元寶銷；13制動盤；14制動帶； 15齒條；16拉桿； 17撥叉；18齒扇；19圓鍵 1.CA6140 型車床主軸箱展開圖如上圖所示。 該圖是沿軸 IV 一 I 一 II 一 III(V)一 VI 一 XI 一 X 的軸線剖切面展 開的。展開圖把立體展開在一個平面上，因而 其中有些軸之間的距離拉開了。 如軸 IV 畫得 III 與軸 V 較遠(yuǎn)，因而使原來相互嚙合的齒輪副分開了。讀展開圖

13、 時 ，首先應(yīng)弄清楚傳動關(guān)系。 1 卸荷帶輪電動機經(jīng)皮帶將運動傳至軸 I 左端的帶輪 2（見圖 1 的左上 部分）。帶輪 2 與花鍵套 1 用螺釘連接成一體，支承在法蘭 3 內(nèi)的兩個深溝球 軸承上。法蘭 3 固定在主軸箱體 4 上，這樣帶輪 2 可通過花鍵 1 帶動軸 I 旋轉(zhuǎn)， 皮帶 的拉力則經(jīng)軸承和法蘭 3 傳至箱體 4。軸 I 的花鍵部分只傳遞轉(zhuǎn)距，從而 可避免因皮帶拉力而使軸 I 產(chǎn)生彎曲變 形。這種帶輪是卸荷的（既把徑向載荷 卸給箱體）。 二、數(shù)控車床頭箱結(jié)構(gòu)分析二、數(shù)控車床頭箱結(jié)構(gòu)分析 數(shù)控車床的典型結(jié)構(gòu)。 1主傳動系統(tǒng) 數(shù)控車床主運動要求速度在一定范圍內(nèi)可調(diào)，有足夠的驅(qū)動功率，主

14、軸回 轉(zhuǎn)軸心線的位置準(zhǔn)確穩(wěn)定，并有足夠的剛性與抗振性。 如下圖所示為濟(jì)南第一機床廠生產(chǎn)的 MJ-50 型數(shù)控車床的傳動系統(tǒng)圖。 2進(jìn)給傳動系統(tǒng) 數(shù)控車床進(jìn)給傳動系統(tǒng)是用數(shù)字控制 X、Z 坐標(biāo)軸的直接對象，工件最后的 尺寸精度和輪廓精度都直接受進(jìn)給運動的傳動精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。 為此，數(shù)控車床的進(jìn)給傳動系統(tǒng)應(yīng)充分注意減少摩擦力，提高傳動精度和剛度， 消除傳動間隙以及減少運動件的慣量等。 為使全功能型數(shù)控車床進(jìn)給傳動系統(tǒng)要求高精度、快速響應(yīng)、低速大轉(zhuǎn)矩， 一般采用交、直流伺服進(jìn)給驅(qū)動裝置，通過滾珠絲杠螺母副帶動刀架移動。刀 架的快速移動和進(jìn)給移動為同一條傳動路線。 如圖 3-3 所示，MJ

15、-50 數(shù)控車床的進(jìn)給傳動系統(tǒng)分為 X 軸進(jìn)給傳動和 Z 軸進(jìn) 給傳動。 3自動回轉(zhuǎn)刀架 數(shù)控車床的刀架是機床的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)直接影響機床的切削性能 和工作效率。回轉(zhuǎn)式刀架上回轉(zhuǎn)頭各刀座用于安裝或支持各種不同用途的刀具， 通過回轉(zhuǎn)頭的旋轉(zhuǎn)分度和定位，實現(xiàn)機床的自動換刀。回轉(zhuǎn)刀架分度準(zhǔn)確， 定位可靠，重復(fù)定位精度高，轉(zhuǎn)位速度快，夾緊性好，可以保證數(shù)控車床的高 精度和高效率。 按照回轉(zhuǎn)刀架的回轉(zhuǎn)軸相對于機床主軸的位置，可分為立式和臥式回轉(zhuǎn)刀 架。 （1）立式回轉(zhuǎn)刀架 （2）臥式回轉(zhuǎn)刀架 4機床尾座 如右圖所示為 MJ-50 數(shù)控車床出廠時配置的標(biāo)準(zhǔn)尾座結(jié)構(gòu)簡圖。 從它上面我們可以看出，對 C

16、A6140 車床的改造的方向。 三三. .機床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機械部分以及步進(jìn)電動機的設(shè)計和計算機床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機械部分以及步進(jìn)電動機的設(shè)計和計算 （一）進(jìn)給伺服系統(tǒng)機械部分的結(jié)構(gòu)改造設(shè)計方案 1.縱向進(jìn)給機械結(jié)構(gòu)改造方案 拆除原機床的進(jìn)給像、溜板箱、滑動絲杠、光杠等，裝上步進(jìn)電機、齒輪 減速箱和滾珠絲杠螺母副。為了提高支承剛度，采用向心推力球軸承對加止推 軸承支承方式。齒輪間隙采用雙薄片調(diào)隙方式。 利用原機床進(jìn)給箱的安裝孔和銷釘孔安裝齒輪箱體。滾珠絲桿仍安置在原 來的位置，兩端仍采用原固定方式。這樣可減少改裝工作量，并由于滾珠絲杠 的摩擦系數(shù)小于原絲杠，且外徑比原先的大，從而使縱向進(jìn)給整體剛度只

17、可能 增大。 縱向進(jìn)給機構(gòu)都采用了一級齒輪減速。雙片齒輪間沒有加彈簧自動消除間 隙。因為彈簧的彈力很難適應(yīng)負(fù)載的變化情況。當(dāng)負(fù)載大時，彈簧彈力顯小， 起不到消除間隙之目的；當(dāng)負(fù)載小時，彈簧彈力又顯大，則加速齒輪的磨損。 因此，采用定期人工調(diào)整、螺釘緊固的辦法消除間隙。 縱向齒輪箱和溜板箱均加外罩，以保持機床原外觀，起到美化機床的效果， 在溜板箱上安裝了縱向快速進(jìn)給和急停按鈕，以適應(yīng)機床調(diào)整時的操作需要和 遇到意外情況時的急停處理需要。 2.橫向進(jìn)給機械結(jié)構(gòu)改造方案 拆除原中拖板絲桿，安裝滾珠絲桿副，為提高橫向進(jìn)給系統(tǒng)剛度，支承方 式采用兩端裝止推軸承。步進(jìn)電機、齒輪箱安裝于機床后側(cè)，為了使減速

18、機構(gòu) 不影響走刀，同時消除傳動過程的沖擊，減速機構(gòu)采用二級傳動，從動輪采用 雙薄片錯位消除間隙。 (二)進(jìn)給伺服機構(gòu)機械部分的設(shè)計計算 1. 選擇脈沖當(dāng)量 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） 2.計算切削力 2.1 縱車外圓 主切削力 FZ（N）按經(jīng)驗公式估算： FZ=0。67Dmax1。5=0。67*4001。5=5360 按切削力各分力比例： FZ/FX/FY=1/0.25/0.4 F X=53600.25=1340 FY=53600.4=2144 2.2 橫切端面 主切削力 FZ（N）可取縱切的 0.5 FZ=0.5FZ=2680

19、此時走刀抗力為 FY（N） ，吃刀抗力為 Fx（N） 。仍按上述比例粗略計 算： FZ/FX/FY=1/0.25/0.4 FY=26800.25=670 FX=26800.4=1072 3.滾珠絲桿螺母副的計算和選型 3.1 縱向進(jìn)給絲桿 3.1.1 計算進(jìn)給牽引力 Fm（N） 縱向進(jìn)給為綜合型導(dǎo)軌 Fm=KFx+f（Fz+G） =1.1581340+0.16（5360+800） =2530 式中 K考慮顛復(fù)力距影響的實驗系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取 K=1.15； f滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：0.150.18； G溜板及刀架重力：G=800N 3.1.2 計算最大動負(fù)荷 C C=3LfWFM L=60nt/10

20、6 N=1000Vs/Lo 式中 Lo滾珠絲桿導(dǎo)程，初選 L=6mm； Vs最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的（1/21/3） ，此 處 Vs=0.6m/min T使用壽命，按 15000h； fw運轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運轉(zhuǎn)取 F=1.21.5； L壽命、以 106為一單位。 n=1000Vs/Lo=10000.60.5/6=50r/min L=60NT/106=606015000/106=45 C=3LfwFm=3451.22530=10798.7N 3.1.3 滾珠絲桿螺母副的選型 查閱表，可用 W1L400b 外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲桿副，1 列 2.5 圈，其額定動負(fù)載為 1

21、6400N，精度等級按表 4-15 選為 3 級（大致相當(dāng)老標(biāo)準(zhǔn) E 級） 。 3.1.4 傳動效率計算 =tg/tg(+) 試中 螺旋升角，W1L400b=244 摩擦角 10滾動摩擦系數(shù) 0.003-0.004 =tg/tg(+) =tg244/tg(244+10)=0.94 3.1.5 剛度驗算 最大牽引力為 2530N。支撐間距 L=1500mm 螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力 為最大軸向負(fù)荷的 1/3。 A. 絲杠的拉伸或壓縮變形量 1 根據(jù) Pm=2530N，D0=40mm，查出 L/L=1.210-5 可算出： 1=L/L1500=1.210-51500=1.810-2 由于兩端采

22、用向心推力球軸承，且絲桿又進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度 可以提高 4 倍。其實際變形量 1(mm)為： 1=0.2510-2 B滾珠與螺紋滾道間接觸變形 q W 系列 1 列 2.5 圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量 q ： q=6.4m 因進(jìn)行了預(yù)緊， 2 =0.5q =0.56.4=3.2m C支承滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形 3 采用 8107 型推力球軸承，d1=35mm，滾動體直徑 dq=6.34mm，滾動體 數(shù)量 Z=18，c=0.00243Fm2/(dqZ2) =0.002432532/(6.35182) 注意，此公式中 Fm單位為 kgf 應(yīng)施加預(yù)緊力，故 3=0.5=0.50.0075

23、=0.0038mm 根據(jù)以上計算：= 1+2+3 =0.0045+0.0032+0.0038 =0.0115mm定位精度 3.1.6 穩(wěn)定性校核。 滾珠絲桿兩端推力軸承，不會產(chǎn)生產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(wěn)定性校核。 3.2 橫向進(jìn)給絲桿 3.2.1 計算進(jìn)給牽引力 Fm 橫向?qū)к墳檠辔残危嬎闳缦拢?Fm=1.4Fy+f(Fz+2Fx+G) =1.4670+0.2(2680+21072+600)2023N 3.2.2 計算最大動負(fù)荷 C n=1000V3/L0=10000.30.5/5=30 L=60nT/106=603015000/106 C=3LfwFm=3271.22030=7283N 3.2

24、.3 選擇滾珠絲杠螺母副 從附錄 A 表 3 中查出，W1L20051 列 2.5 圈外循環(huán)螺紋預(yù)緊滾珠絲杠副，額 定動載荷為 8800N，可滿足要求，選定精度為 3 級。 3.2.4 傳動效率計算 =tg/tg(+)=tg433/tg(433+10)=0.965 3.2.5 剛度驗算 橫向進(jìn)給絲杠支承方式如 圖所示，最大牽引力為 2425N，支承間距 L=450mm，因絲杠長度較短，不需預(yù)緊，螺母及軸承預(yù)緊。 計算如下： A.絲杠的拉伸或壓縮變形量 1(mm) 查圖 4-6，根據(jù) Fm=2032N，D0=20MM，查出 L/L=5105 可算出 1= L /LL=4.2105 450=1.8

25、9102mm 顯然系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行預(yù)拉伸，以提高剛度 故 =0.251=4.7103 B.滾珠與螺紋滾道間接觸變形 查資料（機床數(shù)控改造設(shè)計與實例M1 版 ， ） 。 q=8.5m 因進(jìn)行了預(yù)緊 2=0.5q=0.58.5=4.25m C.支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形 采用 8103 型推力球軸承，dq=5 Z=13 d=17mm c=0.00243Fm2/(dqZ2) =0.00243202.3/5132=1.3103 考慮到進(jìn)行了預(yù)緊，故 3=0.5 c=0.51.3103=6.5104 綜合以上幾次變形量之和得： =123=4.7103+4.25103/+ =0.00960.015（定位精度

26、 ） 3.2.6 穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠兩端推力軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(wěn)定性校核。傳動比計算 4.傳動比計算 4.1 縱向進(jìn)給齒輪箱傳動比計算 已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量 p =0.01，滾珠絲杠導(dǎo)程 L0=6mm，初選步進(jìn)電 機步距角 0.75。可計算出傳動比 i i=360p / bL 0 =3900.01/0.756=0.8 可選定齒輪齒數(shù)為： I =Z1/Z2 Z1=32，Z2=40 ，或 Z1=20，Z2=25 4.2 橫向進(jìn)給齒輪箱傳動比計算 已確定橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量 p =0.005，滾珠絲杠導(dǎo)程 L0=5mm，初選步進(jìn)電 機步距角 0.75。可計算出傳動比 i I=360p /

27、bL 0=3600.005/0.755=0.48 考慮到結(jié)構(gòu)上的原因，不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板的有效 行程，故此處可采用兩級齒輪降速： i=Z1Z2/Z3Z4=34/55=2420/4025 Z1=24，Z2=40，Z3=20，Z4=25 因進(jìn)給運動齒輪受力不大，模數(shù) m 取 2。有關(guān)參數(shù)參照下表： 齒數(shù) 32 40 24 40 20 25 分度圓 d=mz64 80 48 80 40 50 齒頂數(shù) da=d+2m68 84 52 84 44 54 齒根數(shù) df=d-21.25m 59 75 43 75 35 45 齒寬 (6-8)m20 20 20 20 20 20 中心距 A

28、=(d1+d2)/2726445 5.步進(jìn)電機的計算和選型 5.1 縱向進(jìn)給步進(jìn)電機計算 5.1.1 等效傳動慣量計算 方法計算如下，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總傳動慣量 J(kgcm2)可有下 式計算： J=Jm+J1+（Z1/Z2）2(J2+Js)+G/g(L0/2)2 式中：Jm步進(jìn)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量(kgcm2) J1，J2齒輪 Z1、Z2的轉(zhuǎn)動慣量(kgcm2) Js滾珠絲杠傳動慣量(kgcm2) 參考同類型機床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機 150BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 Jm=10(kgcm2) J1=0.78103d14L1=0.781036.422=2.6 kgcm2 J2=0.78103d2

29、4L2=0.78103822=6.39 kgcm2 Js=0.7810344150=29.952 kgcm2 G=800N 代入上式： J=Jm+J1+（Z1/Z2）2(J2+Js)+G/g(L0/2)2 =10+2.62+(32/40)2(6.39+29.592)+800/9.8(0.6/2)2 =36.355 kgcm2 考慮步進(jìn)電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題。 Jm/J=10/36.355=0.275 基本滿足慣量匹配的要求。 5.1.2 電機力矩計算 機床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)距不同，下面分別按各階段計算： A.快速空載啟動力矩 M起 在快速空載起動階段，加速力矩占的比例較大，具體計算公

30、式如下： M起=Mamax+Mf+Ma Mamax=J= Jnnax102/(60ta/2) = J2nmax102/(60ta) nmax=maxb/p360 將前面數(shù)據(jù)代入，式中各符號意義同前。 nmax=maxb/p360=24000.75(0.01360)=500r/min 啟動加速時間 ta=30ms Mamax=J2nmax102/(60ta) =36.3552500102/(600.03) =634.5Ncm 折算到電機軸上的摩擦力距 Mf： Mf=FOL0/2i=f(Pz+G)L0/(2Z2/Z1) =0.16(5360+800)0.6/(20.81.25)=94Ncm 附加摩

31、擦力距 M0 MO=FPOL0(1-02)/2i=1/3FtL0(1-02)/(2Z2/Z1) =1/325300.6(1-0.92)/( 20.81.25) =805.30.19=15.3Ncm 上述三項合計： M起=Mamax+Mf+Ma=634.5+94+15.3=743.8Ncm B快速移動時所需力矩 M快。 M快=Mf+M0=94+15.3=109.3Ncm C快速切削負(fù)載時所需力矩 M切 M切=Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL0/2i =94+15.3+13400.6/(20.81.25) =94+15.3+127.96 =237.26Ncm 從上面計算可以看出，M起、M快和

32、 M切三種工況下，以快速空載起動所需力 矩最大，以此項作為初選步進(jìn)電機的依據(jù)。 從有關(guān)手冊機床數(shù)控改造設(shè)計與實例M查出，當(dāng)步進(jìn)電機為五 相十拍時 =Mq/Mjmax=0.951 最大靜力矩 Mjmax=743.8/0.951=782Ncm 按此最大靜力矩從有關(guān)手冊中查出，150BF002 型最大靜轉(zhuǎn)矩為 13.72Nm。大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號，但還需進(jìn)一步考核步進(jìn)電 機起動矩頻特性和運行矩頻特性。 5.1.3 計算步進(jìn)電機空載起動頻率和切削時的工作頻率 Fk=1000Vmax/60p =10002.4/600.01=4000Hz Fe=1000Vs/60p =10000.6/600

33、.01=1000Hz 從下表中查出 150BF002 型步進(jìn)電機允許的最高空載起動頻率為 2800Hz 運 行頻率為 8000Hz,再從有關(guān)手冊中查出 150BF002 型步進(jìn)電機起動矩頻特性和運 行矩頻特性曲線。當(dāng)步進(jìn)電機起動時，f起=2500 時，M=100Ncm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿 足此機床所要求的空載起動力矩（782Ncm）直接使用則會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所 以必須采用升降速控制（用軟件實現(xiàn)） ，將起動頻率降到 1000Hz 時，起動力矩 可增加到 5884Ncm，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動電路，還可將步進(jìn)電機 輸出力矩擴大一倍左右。 當(dāng)快速運動和切削進(jìn)給時，150BF002 型步進(jìn)電機運行矩頻特

34、性完全可以滿 足要求。 5.2 縱向進(jìn)給步進(jìn)電機計算 5.2.1 等效傳動慣量計算 橫向傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量 J 可由下式計算 J=Jm+J1+（Z1/Z2）2(J2+J3)+Z3/Z(J+J)+G/g(L0/2)2 式中各符號意義同前，其中 J1=0.78103d14L1=0.781034.822=0.83kgcm2 J2=0.78103d24L2=0.78103842=6.4 kgcm2 J3=0.78103d24L3=0.78103442=0.4 kgcm2 J4=0.78103d24L4=0.78103542=0.98 kgcm2 Js=0.781032445=0.56

35、kgcm2 G=600n Jm=4.7 （初選反應(yīng)式步進(jìn)電機為 110BF） 代入上式為： J=Jm+J1+（Z1/Z2）2(J2+J3)+Z3/Z(J+J)+G/g(L0/2)2 =4.7+0.83+(24/10)2(6.4+0.4)+(20/25)2(0.98+0.56)+600/10(0.5/2)2 =8.42kgcm2 考慮到步進(jìn)電機與傳動系統(tǒng)慣量的匹配問題 Jm/J=4.7/8.42=0. 558 基本滿足慣量匹配要求 5.2.2 電機力矩計算 A.快速空載起動力矩 M M起=Mamax+Mf+Ma Mamax=J= Jnnax102/(60ta/2) = J2nmax102/(60

36、ta) 式中： nmax=maxb/p360 =12000.75/(0.005360)=500r/min ta=30ms Mamax=J2nmax102/(60ta) =8.422500102/(600.03)=147Ncm 折算到電機軸上的摩擦力矩 Mf Mf=FOL0/2i=f(Pz+G)L0/(2Z2/Z1) =0.2(2680+600)0.50.48/(20.8) =31.3Ncm 附加摩擦力矩 M0 MO=FPOL0(1-02)/2i=1/3FtL0(1-02)/(2Z2/Z1) =1/320230.50.48(1-0.92)/( 20.8) =6.1Ncm 上述三項合計： M起=M

37、amax+Mf+Ma=147+31.3+6.1=184.4Ncm B快速移動時所需力矩 M快。 M快=Mf+M0=31.3+6.1=37.4Ncm C.最大切削福載時所需力矩 M切 M切=Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL0/2i =37.4+10720.50.48/(20.8) =88.6Ncm 由上面計算可以看出, M起、M快和 M切三種工況下，以快速空載起動所需力矩 最大，故以此項作為選擇步進(jìn)電機的依據(jù)。根據(jù)步進(jìn)電機轉(zhuǎn)矩 Mq與最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjmax的關(guān)系可知，當(dāng)步進(jìn)電機為三相六拍時：=Mq/Mjmax=0.866 最大靜力矩 Mjmax=184.4/0.866=213Ncm 查 B

38、F 反應(yīng)式步進(jìn)電機技術(shù)參數(shù)得，110BF003 型步進(jìn)電機最大靜轉(zhuǎn)矩為 7.84Nm。大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號，但必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電 機起動矩頻特性和運行矩頻特性。 5.2.3 計算步進(jìn)電機空載起動頻率和切削時的工作頻率 Fk=1000Vmax/60p =10002.4/600.01=4000Hz Fe=1000Vs/60p =10000.6/600.01=1000Hz 由 110BF003 型步進(jìn)電機的技術(shù)參數(shù)可知其最高空載起動頻率為 1500Hz，運行 頻率為 7000Hz。根據(jù) 110BF003 型電機的起動距頻特性和運行矩頻特性曲線可 以看出，當(dāng)步進(jìn)電機起動時 F=1500

39、Hz，M=98Ncm，小于機床所需的起動力矩 （184.4Ncm） ，直接使用會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采用升降速控制（用軟件 實現(xiàn)） 。將起動頻率將為 1000Hz 時，既可滿足要求。當(dāng)機床快速起動和切削進(jìn) 給時，則完全滿足運行矩頻要求。 四、同步帶傳動設(shè)計四、同步帶傳動設(shè)計 1同步齒形帶的選擇和校核 在車床改造時中，步進(jìn)電動機與四缸傳動副之間裝有減速機構(gòu)，通過減速機 構(gòu)可得到所需的脈沖當(dāng)量和增大的驅(qū)動力矩。通常采用齒輪傳動或同步齒形帶 傳動機構(gòu)。同步齒形帶傳動是一種新型的帶傳動，其利用同步帶的齒型與帶輪 的輪齒傳遞運動，無相對滑動，無噪聲，無需潤滑，傳動精度和效率高，同步 帶傳動的帶速高達(dá)

40、4080m/s.傳遞功率可達(dá) 100KW，傳動比可達(dá) 1020，傳動效 率 98%。因此在這次數(shù)控改造中我們采用同步齒形帶來傳遞運動。 同步帶傳動的設(shè)計步驟為： （1）模數(shù) 根據(jù)表 1.12 m=41.6 6.510.4 cA PK Pkw （2）齒數(shù) 1min ZZ 查表 1.3 選 1 30Z 21 30 1.545ZZ i （3）帶輪節(jié)圓直徑為： 11 22 4 30120 4 45180 dmzmm dmzmm （4）帶速為： 1 1 3000 60 100060 1000 Dn V （5）中心距為： 則 210a600 取 a=500 1212 0.7()2()ddadd （6）帶長

41、為： 2 1221 ()() 21473 24 dddd Lamm a （7）小帶輪嚙合齒數(shù)： 則 21 1min 1 26 n dd ZZZ a minmin (2,4;2,6)mZmZ 1 14Z （8）帶寬 10001000 10.4 ()0.9515 c zic P b k kpF 1.21 同步帶模數(shù)的選擇參考機械設(shè)計教材 1.22 同步帶傳動工作情況系數(shù) A K 一天運轉(zhuǎn)時間/h 載荷性質(zhì) 16 載荷平穩(wěn) 11.11.2 載荷變動小 1.21.41.6 載荷變動大 1.41.72 1.23 小帶輪最小齒數(shù) min Z 小帶輪轉(zhuǎn)速 n1(r/min) 模數(shù) m/mm 1.522.5,

42、345710 30001618202224 1.24 傳動比系數(shù) k1 n1/n21/1.25 1/1.251/1.71/1.71/2.5 1/2.51/3.5 1/3.5 k110.950.90.850.8 1.25 聚氨酯同步帶（強力層為鋼絲繩）的質(zhì)量和許用拉力 模數(shù) m/mm 1.522.5345 單位寬度每米長度的質(zhì)量 182430354860 單位寬度的許用拉力 468101525 1.26 同步帶的齒數(shù)、長度和寬度 齒數(shù) z 模數(shù) m 1.522.5345 名義長度 L 35164.9219.2274.9329.9 40188.5251.3314.2377502.7628.3 50

43、235.6314.2392.7471.2628.3785.4 60282.7377471.2565.5754942.5 70329.9439.8549.8659.7879.71099.6 80377502.7628.37541005.31256.6 90424.1565.5706.9848.211311413.7 100471.2628.3784.4942.51256.61570.8 寬度 b83210151260126016802080 寬度系列8、10、12、16、20、25、32、40、50、60、80 2主軸組件的設(shè)計 主軸在改造過程中還可以選用原來的主軸，因為主軸在精度、力學(xué)性能和

44、經(jīng)濟(jì)性上都能滿足改造后的要求。軸的支撐軸頸、配合軸頸是軸類零件的主要 表面，它影響軸的旋轉(zhuǎn)精度與工作狀態(tài)。CA6140 車床主軸支撐軸頸和配合軸頸 的尺寸精度通常為 IT69 級公差，特別精密的軸頸為 IT5 級，甚至更高。在力 學(xué)性能上由于主軸在工作時，應(yīng)力集中在主軸心部，而 CA6140 車床主軸采用空 心形狀大大減小了應(yīng)力的集中，使軸的剛度有很大提高。 主軸支撐是主軸組件的重要組成部分，主軸支撐是指主軸軸承、支撐座及 其相關(guān)零件的組合體，其中核心元件是軸承。滾動軸承的主要優(yōu)點是適應(yīng)轉(zhuǎn)速 和載荷變動的范圍大；能在零間隙或負(fù)間隙條件下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，具有教高的旋轉(zhuǎn) 精度和剛度；軸承潤滑容易，維修、

45、供應(yīng)方便，摩擦因數(shù)小等。 主軸懸伸量的確定。主軸懸伸量 a 是指主軸前支撐徑向支反力的作用點到 主軸前端面之間的距離，它對主軸組件剛度影響較大。根據(jù)分析和試驗，縮短 伸量可以顯著提高主軸組件的剛度和抗振性。因此，設(shè)計時在滿足結(jié)構(gòu)要求的 前提下，盡量縮短懸伸量 a。 前軸徑 D1115mm 后軸徑 D280mm 根據(jù)結(jié)構(gòu)定懸伸長 a=115mm (1) 求軸承剛度 主軸最大輸出轉(zhuǎn)矩 Mn=9550=1260.6N m 6.6 n 床身上最大加工直徑約為最大回轉(zhuǎn)直徑 60即：240mm 故半徑為 0.12m FZ=10505N 1260.6 0.12 Fy=0.5 FZ=5252.5N 故總切削力

46、為 F11745N 22 FzFy 先暫取初值為：=2.5 即暫取 L0 的初值為 l0 a 2.5115287mm 前后支撐支反力 PA 和 PB 分別為： PAF=11745N l0 + a l0 345 120 15830 345 Pb=F=11754N a l0120 3085 345 取前后支撐剛度為 KA1530N m KB=1030 N m (2) 求懸體跨距 =1.495 KA KB 1530 1030 初算時可假設(shè)主軸當(dāng)量外徑 D 為前后軸頸的平均值，即： D （115+80）298mm 故慣性矩為： I 0.005（0.0984-0.0484）581 10-8 m4 則 1

47、18 363 2.1 10581 10 0.52 1530 100.115 A EI K a 查下圖得 0 2.6 2.6 115300 o l a lmm /a值與原假設(shè)值相近，符合要求。 0 l 五數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動的電路設(shè)計五數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動的電路設(shè)計 一、硬件電路的基本組成 任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其 性能的好壞，直接影響到系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運行， 是可工作的控制系統(tǒng)。 機床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下四部分組成。 （1）中央處理器 CPU。 （2）總線，包括數(shù)據(jù)總線（DB） 、地址總線（AB）和控制總線（CB） 。 （3）存儲器，

48、包括只讀可編存儲器和隨機讀寫存儲器。 （4）I/O 輸入、輸出接口電路。 其中 CPU 是數(shù)控系統(tǒng)的核心，是控制其它各部分協(xié)調(diào)工作的“大腦” ， 其作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)運算處理和控制各部分電路協(xié)調(diào)工作。存儲器用于存放系統(tǒng) 軟件、應(yīng)用程序（監(jiān)控程序）和運行中所需的各種數(shù)據(jù)。I/O 接口是系統(tǒng)與外 界進(jìn)行信息交換的橋梁。三總線則是 CPU 與存儲器、接口以及其它轉(zhuǎn)換電路聯(lián) 接的紐帶，是 CPU 與外界進(jìn)行信息交換和通訊的必由之路。數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖 如下所示。 根據(jù)總體方案及機械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路基本組成如下圖 所示： 1、系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理 該系統(tǒng)是由 PC 機和自行開發(fā)的數(shù)控控制板兩級控制

49、組成，其組成如圖 l 所 示。主要功能部件有： （1）數(shù)控控制板。考慮到經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的特點，數(shù)控板沒有采用常見 的 ISA 總線插卡，而是結(jié)合本課題的具體情自行開發(fā)一塊以 8031 單片機為核心 的數(shù)控控制板。它主要成實 EI 性任務(wù)，如機床狀態(tài)檢測、緊急情況處理、細(xì)插 補運算、脈沖分配等。PC 機利用標(biāo)準(zhǔn)并行打印口與 8031 進(jìn)行通信，將預(yù)處理 RAM ROM CPU I/O 接口 光電 隔離 功率 放大器 步進(jìn) 電機 外設(shè) 外設(shè)設(shè) 鍵盤、顯示器 及其它 后的數(shù)控加工信息通過數(shù)控控制板完成對機床的控這種結(jié)構(gòu)省去了打開機箱的 麻煩，方便安裝和維護(hù)。為提靠性和處理速度，采用硬件環(huán)形分配器產(chǎn)生

50、脈沖 控機的運轉(zhuǎn)。為增強系統(tǒng)的抗干擾能力，輸入輸出信號要經(jīng)電隔離。 （2）驅(qū)動電路。采用離低壓驅(qū)動方式，自行設(shè)計步進(jìn)電機驅(qū)動電路板。 2、接口硬件設(shè)計 PC 機的標(biāo)準(zhǔn)并行打印口是一個具有 25 個引腳，3 個端址的控制接口。本系 統(tǒng)只需把 PC 機插補后的數(shù)據(jù)快速的下傳，而上傳的只是機床的少量狀態(tài)信息， 機床的動作主要由 8031 來控制完成。這種情況很適合打印機接口的通信特點。 利用打印機接口在和數(shù)控控制板之間通信，不需增加額外硬件，只要把并行打 的 3 個端口根據(jù)數(shù)控加工的需要重新定義即可利用，尤其適于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造。 數(shù)控控制板的有關(guān)組成電路如圖 2 所示。 二、控制系統(tǒng)的功能 ( 一

51、)CPU 和存儲器 CPU 采用 8031 芯片 8031 芯片內(nèi)部具有 128 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器 RAM，地址為佳 00H7FH，用作工 作寄存器。堆棧，軟件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖器，CPU 對內(nèi)部 RAM 有較為有效的操作 指令。另加有 128 字節(jié)的特殊功能寄存器，地址為 80H-7FH。是用于對片內(nèi) 各功能模塊進(jìn)行管理，控制，監(jiān)視等。8031 芯片內(nèi)部雖然沒有程序存儲器，只 有 128 字節(jié) ROM，在組成該系統(tǒng)時 RAM 不夠用。現(xiàn)外接一片 6264 芯片來擴展 8031 的 RAM 存儲器。8031 是一個無 ROM 的 CPU。單片機的 8031 不能滿足設(shè)計 要求，不能夠成完整的計算機。

52、外接兩片 2764，一片作為系統(tǒng)存儲器，一片作 為加工程序存儲器。8031 的輸入、輸出（I/O）口線不多，不能滿足設(shè)計要求， 現(xiàn)外接兩片 8155 芯片以擴展 I/O 口。 8031 芯片的 P0 和 P2 接口用來傳送外部存儲器的地址和數(shù)據(jù)。P0 口傳送 高 8 位地址，P2 口傳送低 8 位地址和數(shù)據(jù)，故要采用 74LS373 地址鎖存器，鎖 存底 8 位。ALE 作為選通信號，當(dāng) ALE 為高電平，鎖存器的輸入和輸出透明， 既輸入的低 8 位存儲器地址在輸出端出現(xiàn)。此時不需鎖存。當(dāng) ALE 從高電平變 為低電平，出現(xiàn)下降沿時，低 8 位地址存入地址鎖存器重中，74LS373 的輸出 不再隨輸入變化，即地質(zhì)被鎖存。這樣 P0 口就可以傳送讀寫的樹據(jù)。 8031 芯片的 P2 口和 74LS373