CA6140臥式車床數(shù)控化改造設計—橫向進給系統(tǒng)設計【畢業(yè)論文+CAD圖紙全套】

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買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 401339828 或 11970985優(yōu)秀設計畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 中 文 摘 要買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 401339828 或 11970985如今科學技術發(fā)展很快，特別是微電子技術和計算機技術的發(fā)展更快，應用到數(shù)控系統(tǒng)上，它既能提高機床的自動化程度，又能提高加工精度，所以最經(jīng)濟的辦法就是進行普通機床的數(shù)控改造。本文主要是采用微機數(shù)控技術對最大加工直徑為 400mm 的普通臥式車床進行改造設計。首先對臥式車床的改造任務和功能需求進行了認真分析，其次確定了普通臥式車床數(shù)控改造的總體方案，包括主傳動系統(tǒng)的改造方案、換裝自動回轉(zhuǎn)刀架、螺紋編碼器的安裝方案、進給系統(tǒng)的改造與設計方案。最后經(jīng)過計算切削力、滾珠絲杠設計計算、齒輪及轉(zhuǎn)矩有關計算對絲杠、齒輪等進行了選型，詳細設計出了橫向進給系統(tǒng)。關鍵詞 數(shù)控技術 改造設計 橫向進給 車床買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 401339828 或 11970985畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 外 文 摘 要Title Design of Horizontal Machine based on Numerical Control Technology --Design of Lateral Feeding System AbstractToday, rapid development of science and technology, especially micro-electronics technology and computer technology have expanded rapidly, and applied to the numerical control system, it can increase the degree of automation, machine tools, can improve the machining accuracy, so the most economical way is to carry out general transformation of the NC machine tool. In this paper, using computer numerical control machining technology to the maximum diameter of 400mm for the general transformation of the design of horizontal lathe. First of all, the transformation of the horizontal lathe tasks and functions carried out a careful analysis of needs, and secondly to determine the general horizontal lathe CNC overall transformation program, including the main drive system of the transformation program, installed automatic rotary tool, the installation of encoder thread program, the transformation of feed system and design. Finally, after calculating the cutting force, ball screw design, the gear and the calculation of torque on the screw, gear selection, etc., the detailed design of a horizontal feed system.Keywords CNC technology Transformation design Lateral feed Lathe買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 401339828 或 11970985買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 401339828 或 11970985目 錄1 緒論 .11.1 國內(nèi)外數(shù)控機床的發(fā)展 .11.2 機床進行數(shù)控化改造的意義 .21.3 機床數(shù)控化改造的設計任務 .32 總體方案的確定 .42.1 主傳動系統(tǒng)的改造方案 .52.2 換裝自動回轉(zhuǎn)刀架 .62.3 螺紋編碼器的安裝方案 .72.4 進給系統(tǒng)的改造與設計方案 .72.5 數(shù)控系統(tǒng)部分設計 .83 橫向進給系統(tǒng)的改造設計 103.1 橫向進給系統(tǒng)的設計與計算 103.2 數(shù)控車床的傳動裝置設計 163.3 自動轉(zhuǎn)位刀架的設計 224 微機數(shù)控部分設計 254.1 概述 254.2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設計 264.3 軟件設計 27結束語 .29致謝 .30參考文獻 .31買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 401339828 或 119709851 緒論1.1 國內(nèi)外數(shù)控機床的發(fā)展美、德、日三國是當今世上在數(shù)控機床科研、設計、制造和使用上，技術最先進、經(jīng)驗最多的國家。因其社會條件不同，各有特點。1.1.1 美國的數(shù)控發(fā)展史美國政府重視機床工業(yè)，美國國防部等部門因其軍事方面的需求而不斷提出機床的發(fā)展方向、科研任務,并且提供充足的經(jīng)費，且網(wǎng)羅世界人才，特別講究“效率”和“創(chuàng)新”，注重基礎科研。因而在機床技術上不斷創(chuàng)新，如 1952 年研制出世界第一臺數(shù)控機床、1958 年創(chuàng)制出加工中心、70 年代初研制成 FMS、1987 年首創(chuàng)開放式數(shù)控系統(tǒng)等。由於美國首先結合汽車、軸承生產(chǎn)需求，充分發(fā)展了大量大批生產(chǎn)自動化所需的自動線，而且電子、計算機技術在世界上領先，因此其數(shù)控機床的主機設計、制造及數(shù)控系統(tǒng)基礎扎實，且一貫重視科研和創(chuàng)新，故其高性能數(shù)控機床技術在世界也一直領先。當今美國生產(chǎn)宇航等使用的高性能數(shù)控機床，其存在的教訓是，偏重於基礎科研，忽視應用技術，且在上世紀 80 代政府一度放松了引導，致使數(shù)控機床產(chǎn)量增加緩慢，于 1982 年被后進的日本超過，并大量進口。從 90 年代起，糾正過去偏向，數(shù)控機床技術上轉(zhuǎn)向?qū)嵱?，產(chǎn)量又逐漸上升。 1.1.2 德國的數(shù)控發(fā)展史德國政府一貫重視機床工業(yè)的重要戰(zhàn)略地位，在多方面大力扶植。于 1956 年研制出第一臺數(shù)控機床后，德國特別注重科學試驗，理論與實際相結合，基礎科研與應用技術科研并重。企業(yè)與大學科研部門緊密合作，對數(shù)控機床的共性和特性問題進行深入的研究，在質(zhì)量上精益求精。德國的數(shù)控機床質(zhì)量及性能良好、先進實用、貨真價實，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密數(shù)控機床。德國特別重視數(shù)控機床主機及配套件之先進實用，其機、電、液、氣、光、刀具、測量、數(shù)控系統(tǒng)、各種功能部件，在質(zhì)量、性能上居世界前列。如西門子公司之數(shù)控系統(tǒng)，均為世界聞名，競相采用。 1.1.3 日本的數(shù)控發(fā)展史日本政府對機床工業(yè)之發(fā)展異常重視，通過規(guī)劃、法規(guī)(如“機振法”、“機電法”、“機信法”等)引導發(fā)展。在重視人才及機床元部件配套上學習德國，在質(zhì)量管理及數(shù)控機床技術上學習美國，甚至青出于藍而勝于藍。自 1958 年研制出第一臺買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 401339828 或 11970985數(shù)控機床后，1978 年產(chǎn)量(7,342 臺)超過美國(5,688 臺)，至今產(chǎn)量、出口量一直居世界首位(2001 年產(chǎn)量 46,604 臺，出口 27,409 臺，占 59%)。戰(zhàn)略上先仿后創(chuàng)，先生產(chǎn)量大而廣的中檔數(shù)控機床，大量出口，占去世界廣大市場。在上世紀 80 年代開始進一步加強科研，向高性能數(shù)控機床發(fā)展。日本 FANUC 公司戰(zhàn)略正確，仿創(chuàng)結合，針對性地發(fā)展市場所需各種低中高檔數(shù)控系統(tǒng)，在技術上領先，在產(chǎn)量上居世界第一。該公司現(xiàn)有職工 3,674 人，科研人員超過 600 人，月產(chǎn)能力 7,000 套，銷售額在世界市場上占 50%，在國內(nèi)約占 70%，對加速日本和世界數(shù)控機床的發(fā)展起了重大促進作用。1.1.4 我國的數(shù)控發(fā)展史我國數(shù)控技術的發(fā)展起步于二十世紀五十年代，通過“六五”期間引進數(shù)控技術， “七五”期間組織消化吸收“科技攻關” ，我國數(shù)控技術和數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了相當大的成績。特別是最近幾年，我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，1998～2004 年國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)量和消費量的年平均增長率分別為 39.3%和 34.9%。盡管如此，進口機床的發(fā)展勢頭依然強勁，從 2002 年開始，中國連續(xù)三年成為世界機床消費第一大國、機床進口第一大國，2004 年中國機床主機消費高達 94.6 億美元，國內(nèi)數(shù)控機床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機床的研究開發(fā)方面與國外的差距更加明顯，70%以上的此類設備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進口。由此可以看出國產(chǎn)數(shù)控機床特別是中高檔數(shù)控機床仍然缺乏市場競爭力，究其原因主要在于國產(chǎn)數(shù)控機床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務意識與能力欠缺、數(shù)控,系統(tǒng)生產(chǎn)應用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。我們應看清形勢，充分認識國產(chǎn)數(shù)控機床的不足，努力發(fā)展先進技術，加大技術創(chuàng)新與培訓服務力度，以縮短與發(fā)達國家之問的差距 [1]。1.2 機床進行數(shù)控化改造的意義國外利用數(shù)字計算機進行控制加工是從 40 年代開始的。1952 年美國麻省理工學院在一臺立式銑床上裝了一套試驗性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)同時控制三軸的運動，它成了世界上第一臺數(shù)控機床。此后，從 60 年代開始，其他一些工業(yè)國家如德國、日本等陸續(xù)地開發(fā)生產(chǎn)及使用數(shù)控機床。1974 年微處理機直接用于數(shù)控機床，進一步促進了數(shù)控機床的普及應用和大力發(fā)展。隨著數(shù)控機床的功能越來越完善，可靠性和性能越來越高，它在制造業(yè)中逐漸擔當了越來越重要的角色 [2]。我國數(shù)控機床的研制是從 1958 年開始的，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，直至 80 年代后引進了日本、美國、西班牙等國數(shù)控伺服及伺服系統(tǒng)技術后，我國的數(shù)控技術才買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 401339828 或 11970985有質(zhì)的飛躍，應用面逐漸鋪開，數(shù)控技術產(chǎn)業(yè)才逐步形成規(guī)模。由于現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，市場需求變的越來越多樣化，多品種、中小批量甚至單件生產(chǎn)占有相當大的比重，普通機床已越來越不能滿足現(xiàn)代加工工藝及提高勞動生產(chǎn)率的要求。如果設備全部更新替換，不僅資金投入太大，成本太高，而且原有設備的閑置又將造成極大的浪費。如今科學技術發(fā)展很快，特別是微電子技術和計算機技術的發(fā)展更快，應用到數(shù)控系統(tǒng)上，它既能提高機床的自動化程度，又能提高加工精度，所以最經(jīng)濟的辦法就是進行普通機床的數(shù)控改造。這樣既可以提高加工生產(chǎn)率，改善加工工藝，還可以減少資金投入，減輕工人的勞動強度，縮短訂購新的數(shù)控機床的交貨周期時間。實踐已經(jīng)證明普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造具有重大的實際價值，為此，在舊有車床上進行數(shù)控改造有著較好的市場前景 [3]。1.3 機床數(shù)控化改造的設計任務本課題來源于生產(chǎn)實踐。將 CA6140 型普通車床改造成經(jīng)濟型數(shù)控車床，應能實現(xiàn) CA6140 車床原有功能，在機床的精度、性能等方面除保持原來狀況外還有所提高。在整個設計過程中滿足以下幾點要求：（1）橫向（X 向） 進給脈沖當量為 0.005mm /脈沖；（2）橫向最快的工進速度：400mm/min（無級調(diào)速） ；（3）床身上最大加工直徑：400mm；最大加工長度：1000mm；（4）CNC 系統(tǒng)主 CPU 采用單片機。該設計的總體思路是采用以 8031 單片機為核心的數(shù)控裝置控制加工過程。微機通過 I/O 接口發(fā)出驅(qū)動脈沖，經(jīng)過光電隔離進入步進電機的驅(qū)動控制線路，驅(qū)動控制線路接受來自數(shù)控車床控制系統(tǒng)的進給脈沖信號，并將該信號轉(zhuǎn)換為控制步進電機各定子繞組依次通電、斷電的信號，使步進電機運轉(zhuǎn)。步進電機的轉(zhuǎn)子帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而使工作臺產(chǎn)生移動，實現(xiàn)縱向、橫向的進給運動。由于步進電機需要的驅(qū)動電壓較高，電流較大，如果將 I/O 輸出信號直接與功率放大器相連，將會引起強電干擾，輕則影響單片機程序運行，重則導致單片機接口電路的損壞，所以在接口電路與功率放大器之間加上隔離電路，實現(xiàn)電氣隔離 [4]。買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 401339828 或 119709852 總體方案的確定臥式車床是金屬切削加工最常用的一類機床。它主要用車刀對旋轉(zhuǎn)的工件進行車削加工。在車床上還可用鉆頭、擴孔鉆、鉸刀、絲錐、板牙和滾花工具等進行相應的加工。車床主要用于加工軸、盤、套和其他具有回轉(zhuǎn)表面的工件，是機械制造和修配工廠中使用最廣的一類機床。CA6140 臥式車床的機構布局如圖 2.1 所示。圖 2.1 CA6140 臥式車床的結構布局對其進行改造應考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運動方式、進給伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng) CPU 的選擇，以及進給系統(tǒng)傳動方式和執(zhí)行機構的選擇等。（1）臥式車床數(shù)控化改造后應具有單坐標定位，兩坐標直線插補、圓弧插補以及螺紋插補的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應設計成連續(xù)控制型。（2）臥式車床經(jīng)數(shù)控化改造后屬于經(jīng)濟型數(shù)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)常采用步進電機的開環(huán)控制系統(tǒng)。（3）根據(jù)技術指標中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟型要求，決定選用 MCS—51 系列的 8 位單片機作為數(shù)控系統(tǒng)的 CPU。MCS —51 系列8 位機具有功能多、速度快、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 401339828 或 11970985（4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴展程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤與顯示電路、I/O 接口電路、D/A 轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等；還要選擇步進電機的驅(qū)動電源以及主軸電動機的交流變頻器等。（5）為了達到技術指標中的速度和精度要求，縱、橫向的進給系統(tǒng)應選用摩擦力小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動間隙、提高傳動剛度，滾珠絲杠的螺母應有預緊機構等。（6）計算選擇步進電機，為了圓整脈沖當量，可能需要減速齒輪副，且應有消間隙機構。（7）選擇四工位立式自動回轉(zhuǎn)刀架，選擇螺紋編碼器等 [5～8] 。總體布局圖如圖 2.2 所示。10-床身部件 20-車頭箱部件 30-縱向進給部件 40-橫向進給部件 50-尾架部件圖 2.2 總體布局圖2.1 主傳動系統(tǒng)的改造方案經(jīng)濟型的數(shù)控機床動力系統(tǒng)可分為三類：（1）步進電機式采用步進電機驅(qū)動與定位，是開環(huán)系統(tǒng)，同時限于造價，不再采用其它措施補償位置誤差。由于目前功率步進電機力矩還不太大，所以機床的空選種速度較低，一般用于半精加工。這種系統(tǒng)具有 2～3 種插補功能，通過軟件控制接口，可加工錐面，螺紋，簡單外形的曲面等十分靈活。由于性價比較恰當，一般中小型企業(yè)在技買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 401339828 或 11970985術力量和財力上都比較容易實現(xiàn)，因此在全國較容易推廣，普及。（2）交流點位式采用交流電機變頻驅(qū)動，用光柵數(shù)字點位控制，與步進電機相比，提高了定位精度。光柵分辨率可達 0.001mm，重復定位精度為 0.005mm，所以加工精度較高。由于采用交流電機驅(qū)動，功率大，可進行大切屑量加工零件加工中，效果尤為顯著。目前，交流點式系統(tǒng)只能加工柱面，不能加工曲面和螺紋功能上有限，而且成本高，使性能價格比相對下降，一般用于大企業(yè)或?qū)I(yè)化工廠使用，國內(nèi)用的很少。（3）半閉環(huán)連續(xù)控制式采用直流伺服電機驅(qū)動，以脈沖編碼器檢測位置，實現(xiàn)半閉環(huán)連續(xù)控制。由于采用高性能直流伺服電機驅(qū)動，扭矩大，速度高，過載能力強，可進行強力切削。當絲杠螺在 6mm 左右時，快速可達 8～9m/min，且不丟步，效率高。該系統(tǒng)功能齊全，還帶有可編程序控制器，使強電計大大簡化。對臥式車床進行數(shù)控化改造時，一般可保留原有的主傳動機構和變速操縱機構，這樣可減少機械改造的工作量。主軸的正傳、反轉(zhuǎn)和停止可由數(shù)控系統(tǒng)來控制。若要提高車床的自動化程度，需要在加工中自動變換轉(zhuǎn)速，可用 2~4 速的多速電動機代替原有的單速主電動機；當多速電動機仍不能滿足要求時，可用交流變頻器來控制主軸電動機，已實現(xiàn)無極變速（工廠使用情況表明，使用變頻器時，若工作頻率低于 70Hz，原來的電動機可以不換，但所選變頻器的功率應比電機大） [9]。2.2 換裝自動回轉(zhuǎn)刀架為了提高加工精度，實現(xiàn)一次裝夾完成多道工序，將車床原有的手動刀架換成自動回轉(zhuǎn)刀架。常見的自動回轉(zhuǎn)刀架有四工位立式自動回轉(zhuǎn)刀架和六工位臥式自動回轉(zhuǎn)刀架。如圖 2.3 所示。自動回轉(zhuǎn)刀架在結構上必須具有良好的強度和剛性，以承受粗加工時的切削抗力。為了保證轉(zhuǎn)位之后具有高的復雜定位精度，自動回轉(zhuǎn)刀架還要選擇可靠的定位方案和合理的定位結構。自動回轉(zhuǎn)刀架的自動換刀由控制系統(tǒng)和驅(qū)動電路來實現(xiàn)的。買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 401339828 或 11970985圖 2.3 自動回轉(zhuǎn)刀架的外形2.3 螺紋編碼器的安裝方案螺紋編碼器又稱主軸脈沖發(fā)生器或圓光柵。數(shù)控車床加工螺紋時，需要配置主軸脈沖發(fā)生器，作為車床主軸位置信號的反饋元件，它與車床主軸同步轉(zhuǎn)動。螺紋編碼器通常有兩種安裝形式：同軸安裝和異軸安裝。同軸安裝是指將編碼器直接安裝在主軸后端，與主軸同軸，這種方式結構簡單，但它堵住了主軸的通孔。異軸安裝是指將編碼器安裝在主軸箱的后端，一般盡量裝在與主軸同步的旋轉(zhuǎn)輸出軸，如果找不到同步軸，可將編碼器通過一對傳動比為 1：1 的同步齒形帶與主軸聯(lián)接起來。需要注意的是，編碼器的軸頭與安裝軸之間必須采用無間隙柔性聯(lián)接，且車床主軸的最高轉(zhuǎn)速不允許超過編碼器的最高許用轉(zhuǎn)速。2.4 進給系統(tǒng)的改造與設計方案（1）拆除掛輪架所有齒輪，在此尋找主軸的同步軸，安裝螺紋編碼器。（2）拆除進給箱總成，在此位置安裝縱向進給步進電動機與同步帶減速箱總成。（3）拆除溜板箱總成與快走刀的齒輪齒條，在床鞍的下面安裝縱向滾珠絲杠的螺母座與螺母座托架。（4）拆除四方刀架與小滑板總成，在中滑板上方安裝四工位立式電動刀架。買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 401339828 或 11970985（5）拆除中滑板下的滑動絲杠螺母副，將滑動絲杠靠刻度盤一段鋸斷保留，拆掉刻度盤上的手柄，保留刻度盤附近的兩個推力軸承，換上滾珠絲杠副。（6）將橫向進給步進電動機通過法蘭座安裝到中滑板后部的床鞍上，并與滾珠絲杠的軸頭相聯(lián)。（7）拆去三杠（絲杠、光杠與操縱杠） ，更換絲杠的右支承 [10]。2.5 數(shù)控系統(tǒng)部分設計數(shù)控系統(tǒng)按運動方式分為點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)、連續(xù)(輪廓)控制系統(tǒng)根據(jù)設計要求，CA6140 車床要加工復雜零件輪廓，其各坐標軸的運動有著確定的函數(shù)關系。根據(jù)設計要求，本微機數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。采用以步進電機驅(qū)動的開環(huán)控制。因為開環(huán)控制具有結構簡單、設計制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價格便宜、使用維修方便等優(yōu)點。開環(huán)控制多用于負載變化不大或要求不高的經(jīng)濟型數(shù)控設備中。采用簡易數(shù)控裝置，以步進電機為驅(qū)動機構，實現(xiàn)在微機控制下的自動加工。其工作原理是：根據(jù)加工零件的圖樣與工藝方案，用規(guī)定的代碼和程序格式編寫加工程序，通過數(shù)控裝置上的鍵盤輸入微機，微機在監(jiān)控程序的管理下工作，并通過專用控制程序，把用戶加工程序轉(zhuǎn)化成一定頻率和數(shù)量的脈沖信號，經(jīng)驅(qū)動電路放大后驅(qū)動縱橫向二臺步進電機轉(zhuǎn)動，通過機械接口傳動絲杠實現(xiàn)刀架縱、橫兩個方向的頻率。自動回轉(zhuǎn)刀架由單片機發(fā)出換刀轉(zhuǎn)位指令，由自動刀架驅(qū)動電源驅(qū)動三相電機使刀架松開、抬起、旋轉(zhuǎn)后再自動鎖緊而完成轉(zhuǎn)位換刀過程。該經(jīng)濟型微機數(shù)控系統(tǒng)采用步進電機作為驅(qū)動元件。微機通過 I/O 接口發(fā)出驅(qū)動脈沖，經(jīng)過光電隔離進入步進電機的驅(qū)動控制線路，驅(qū)動控制線路接受來自數(shù)控車床控制系統(tǒng)的進給脈沖信號，并將該信號轉(zhuǎn)換為控制步進電機各定子繞組依次通電、斷電的信號，使步進電機運轉(zhuǎn)。步進電機的轉(zhuǎn)子帶動滾珠絲杠傳動，絲杠轉(zhuǎn)動使工作臺產(chǎn)生移動。如圖 2.4 所示。圖 2.4 CA6140 車床數(shù)控改造的方案示意圖光電隔離微機功率放大步進電 機橫向工作臺xx買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 401339828 或 11970985綜上所述，本設計改造的總體方案為：采用 MCS-51 單片機對數(shù)據(jù)進行計算處理，由 I/O 接口輸出步進脈沖，步進電機經(jīng)一級齒輪減速后，帶動滾動絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)縱向、橫向的進給運動。數(shù)控改造后的車床不僅提高了原車床的精度和自動化程度，達到快速調(diào)整且仍能保持車床的通用性，而且提高了原車床的功能，利用數(shù)控方法準確地加工任意面的旋轉(zhuǎn)體 [11]。買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 401339828 或 119709853 橫向進給系統(tǒng)的改造設計3.1 橫向進給系統(tǒng)的設計與計算3.1.1 橫向進給系統(tǒng)的設計步進電機經(jīng)減速后驅(qū)動滾珠絲杠，使刀架橫向運動。步進電機安裝在大拖板上，用法蘭盤將步進電機和機床大拖板連接起來，以保證同軸度，提高傳動精度。3.1.2 橫向進給系統(tǒng)的設計計算已知條件：工作臺重（根據(jù)圖紙粗略計算） 30Nkgf?W時間常數(shù) 25ms?T滾珠絲杠基本導程 左旋4L行程 30S脈沖當量 ep.5/st?pδ步距角 7.α?快速進給速度 1m/inaxV（1）切削力計算 查參考文獻[1]可得知，橫向進給量為縱向的 1/2～1/3,取 1/2,則切削力約為縱向的 1/2763.8N.kgf152.76(/)???zF（3.1）在切斷工件時：381.9.kgf76.380.5. ???zz（3.2）（2）滾珠絲杠設計計算（a）強度計算對于燕尾型導軌：W)(F fKPzy???（3.3）買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 401339828 或 11970985取 1.4?K0.2?f則30)(76.80.23819.4???P4N7kgf（3.4）壽命值51305610.TinLi ???（3.5）最大動負載N5213kgf57412533 LQi ???（3.6）根據(jù)最大動負荷 Q 的值，可選擇滾珠絲杠的型號。查參考文獻[2]可知，選用型號為 WL2004-2.5X1B 左，其額定動負荷為 6100N，所以強度足夠用。（b）效率計算螺旋升角 ，摩擦角93???r01???則傳動效率9560183.)tan()t(????????（3.7）（c）剛度驗算滾珠絲杠受工作負載 P 引起的導程的變化量cm1096571062143472???????EFLΔ01（3.8）滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量 很小，可忽略，即： 。所以，導2ΔL1ΔL?程變形總誤差為μm/914096541L0Δ????買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 401339828 或 11970985（3.9）查表知 E 級精度絲杠允許的螺距誤差 1 長為 15 ，故剛度足夠。mμ/（d）穩(wěn)定性驗算由于選用滾珠絲杠的直徑與原絲杠直徑相同，而支承方式由原來的一端固定、一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭ǎ欢藦较蛑С?，所以穩(wěn)定性增強，故不用驗算。（3）齒輪及轉(zhuǎn)矩有關計算（a）有關齒輪計算傳動比 6713503647δ0Lip????（3.10）故取 18?Z302mb?2??361d2d40?a64a8齒輪傳動示意圖。如圖 3.1 所示。圖 3.1 齒輪傳動示意圖（b）齒輪傳動間隙的消除措施進給伺服系統(tǒng)中的減速齒輪，除了本身要求較高的運動精度和工作平穩(wěn)性外，還必須盡可能消除齒側(cè)傳動間隙，否則，進給運動會產(chǎn)生反向死區(qū)，影響傳動精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。常用的齒輪傳動間隙消除的方法有以下兩種。買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 401339828 或 11970985①偏心套調(diào)整法如圖 3.2 所示，電動機 2 通過偏心套 1 裝在殼體上，通過轉(zhuǎn)動偏心套 1 能夠方便地調(diào)整兩齒輪的中心距，從而達到消除側(cè)間隙的目的。該方法結構簡單，傳動剛度好，能傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，但齒輪磨損后齒側(cè)間隙不能自動補償。1-偏心套 2-電動機圖 3.2 偏心套調(diào)整機構②雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法如圖 3.3 所示，兩個齒數(shù)相同的薄片齒輪 1、2 與另外一個寬齒輪 6 嚙合。薄片齒輪 1 與軸整體鑄造而成，保證了機構的強度。薄片齒輪 2 套裝在軸上，兩片薄齒輪之間可作相對回轉(zhuǎn)運動。每個薄齒輪上分別連接三個沉頭螺釘 4、5，并在齒輪 2上開有三個較大通孔。齒輪 1 上的三個沉頭螺釘 5 從齒輪 2 上三個大孔中穿過后，再通過拉簧 7 與齒輪 2 上的螺釘 4 相聯(lián)，螺母 3 可防止拉簧滑出。由于拉簧 7 的拉力作用使齒輪 1、2 相互之間產(chǎn)生回轉(zhuǎn)，分別與寬齒輪 6 的兩側(cè)貼緊，從而消除了齒側(cè)間隙。買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 401339828 或 119709851、2、6-齒輪 3-螺母 4、5-螺釘 7-拉簧圖 3.3 雙片薄齒輪錯齒調(diào)整機構（c）轉(zhuǎn)動慣量計算工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量222 cmkgf0439137501438?????? ).(W)πδ180(Jp?（3.11）絲杠轉(zhuǎn)動慣量24- c0.6kgf52107.8????sJ（3.12）齒輪的轉(zhuǎn)動慣量cm0.26kgf3.107.824- ????1zJ（3.13）c.f. 24- ?2zJ（3.14）電機轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略，因此，總的轉(zhuǎn)動慣量買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 401339828 或 11970985????043926062453JJi1JI1Z2S2 ????????????cm.58kgf?（3.15）（d）所需轉(zhuǎn)動力矩計算r/in7416350.Liυnomax???（3.16）mN218400256974181044 ???????? T9.6iJnMmaxax（3.17）r/in17346013.πDLυfifnoo1主t ?（3.18）cmkgf5N702569784 ???????.Mat（3.19） N028.287014320 ????? πηiWfiLFf（3.20）????m01ckgf1609580143692 ·.·πηi6M2oYo ???????（3.21）N1790ckgf824150432 ·.·.πηiLFoYt ????（3.22）所以，快速空載啟動所需轉(zhuǎn)矩（3.23）cm326ckgf632102873 ·.·.Mofamx ??????切削時所需力矩：cN042kgf4084 ·.·.tofat ??買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 401339828 或 11970985（3.24）快速進給時所需力矩：cmN034ckgf403162870·.·.Mof ????（3.25）從以上計算可知：最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在快速啟動時， N326kgf62M???max3.1.3 步進電機的選擇C6140 橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定cN285640132·.MLoq???（3.26）電動機選用三相六拍工作方式，查參考文獻[1]表 7-2 知：860.imq?（3.27）所以，步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩 為：iMcmN0176825·0.6qim??（3.28）步進電機最高工作頻率Hz30561δ0υfpmaxx ???（3.29）為了便于設計和計算，選用 110BF003 型三相六拍步進電機，能滿足使用要求。步進電機的安裝尺寸見表 3.1，圖 3.4 所示 [12]。表 3.1 反應式/磁阻式步進電動機的安裝尺寸型號 φD φD1h1 h2 φd E b L φd 1 φD 2 鍵 MS110BF003 110 85 4 8 14 29 112 186 9 132 平鍵 4×20 無買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 401339828 或 11970985圖 3.4 步進電動機外型及安裝尺寸3.2 數(shù)控車床的傳動裝置設計數(shù)控機床的傳動裝置是指將電動機的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)楣ぷ髋_的直線運動的整個機械傳動鏈及其附屬機構。包括絲杠螺母副、導軌、工作臺等。在數(shù)控機床數(shù)字調(diào)節(jié)技術領域，傳動裝置是伺服系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)。因此，數(shù)控車床的傳動裝置與普通車床中傳動裝置在概念上有重要差別，它的設計與普通車床傳動裝置的設計不同。數(shù)控車床傳動裝置的設計要求除了具有較高的定位精度之外，還應具有良好的動態(tài)特性，即系統(tǒng)跟蹤指令信號的響應要快，穩(wěn)定性要好。為確保數(shù)控車床進給系統(tǒng)的傳動精度和工作穩(wěn)定性，在設計機械傳動裝置時，通常提出了無間隙、低摩擦、高剛度等要求。為了達到這些要求，采取主要措施如下：（1）盡量采用低摩擦的傳動，以減少摩擦力；（2）鏈以及用預緊的辦法提高傳動系統(tǒng)的剛度；（3）量消除傳動間隙，減少反向死區(qū)誤差 [13]。3.2.1 螺旋傳動（1）概述螺旋傳動主要用來把旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，或把直線運動變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。其中，有以傳遞能量為主的傳力螺旋，有以傳遞運動為主，并要求有較高傳動精度的傳動螺旋，還有調(diào)整零件相互位置的調(diào)整螺旋。螺旋傳動機構又有滑動絲杠螺母、滾珠絲杠螺母和液壓絲杠螺母機構。在經(jīng)濟型數(shù)控車床的進給系統(tǒng)中，螺旋傳動主要用來實現(xiàn)精密進給運動，并廣買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 401339828 或 11970985泛采用滾珠絲杠副傳動機構。滾珠絲杠副傳動是在具有螺旋滾道的絲杠和螺母間放入適當數(shù)量的滾珠。這些滾珠作為中間傳動件，使螺桿和螺母之間的摩擦由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的一種傳動裝置。它由絲杠、螺母、滾珠及滾珠循環(huán)返回裝置等四個部分組成。當螺桿轉(zhuǎn)動螺母移動時，滾珠則沿螺桿螺旋滾道面滾動，在螺桿上滾動數(shù)圈后，滾珠從滾道的一端滾出并沿返回裝置返回另一端，重新進入滾道，從而構成閉和回路。（2）滾珠絲杠副傳動的特點（a）傳動效率高，摩擦損失小。（b）給予適當預緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時就可以消除空程死區(qū)，定位精度高，剛度好。（c）啟動力矩小，運動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高，同步性好。（d）有可逆性，可以從旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，也可以從直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動，即絲杠和螺母都可以作為主動件。（e）磨損小，使用壽命長，精度保持性好。（f）制造工藝復雜。滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度值別別小，故制造成本高。（g）不能自鎖。特別是對于垂直絲杠，由于中立的作用，下降時當傳動切斷后，不能立刻停止運動，所以需要添加制動裝置。（3）滾珠絲杠副的支承方式為了滿足高精度、高剛度進給系統(tǒng)的需要，必須充分重視滾珠絲杠副支承的設計。（a）一端固定 一端自由絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性都很低。結構簡單軸向剛度小適用于較短的滾珠絲杠安裝和垂直的滾珠絲杠安裝（b）兩端鉸支結構簡單買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 401339828 或 11970985軸向剛度小適用于對剛度和位移精度要求不高的滾珠絲杠安裝對絲杠的熱伸長較敏感適用于中等回轉(zhuǎn)速度（c）一端固定 一端鉸支絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性都較高，適用于中等回轉(zhuǎn)速度結構稍復雜軸向剛度大適用于對剛度和位移精度要求較高的滾珠絲杠安裝推力球軸承應安置在離熱源（步進電機）較遠的一端（d）兩端固定絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性最高，適用于高速回轉(zhuǎn)結構復雜，兩端軸承均調(diào)整預緊，絲杠的溫度變形可轉(zhuǎn)化為推力軸承的預緊力軸向剛度最大適用于對剛度和位移精度要求高的滾珠絲杠安裝適用于較長的絲杠安裝詳見表 3.2。表 3.2 滾珠絲杠副的支承形式支承形式 簡圖 特點雙推-自由1.剛度、臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性低2.設計時盡量使絲杠受拉伸3.適用于較短和垂直安裝的絲杠雙推-簡支1.臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性較高2.絲杠有熱膨脹的余地3.適用于較長的臥式安裝的絲杠買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 401339828 或 11970985單推-單推可根據(jù)預計溫升產(chǎn)生的熱膨脹量進行預拉伸雙推-雙推1.絲杠的軸向剛度高2.絲杠一般不會受壓，無壓桿穩(wěn)定性問題3.可用預拉伸減小因絲杠自重引起的下垂4.適用于對剛度和位移精度要求高的場合綜上所述，本設計中滾珠絲杠副支承方式由原來的一端固定、一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭ǎ欢藦较蛑С?。?）滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整滾珠絲杠的傳動間隙是軸向間隙。為了保證反向傳動精度和軸向剛度，必須消除軸向間隙。消除間隙的方法采用雙螺母結構，利用兩個螺母的相對軸向位移，使兩個滾珠螺母中的滾珠分別貼緊在螺旋滾道的兩個相反的側(cè)面上。用這種方法預緊消除軸向間隙時，應注意預緊力不宜過大，預緊力大會使空載力矩增加，從而降低傳動效率，縮短使用壽命。此外，還要消除絲杠安裝部分和驅(qū)動部分的間隙 [14]。3.2.2 軸的結構設計（1）軸 CAJJX6140-02-04 的結構設計由前面滾珠絲杠副的設計可知：滾珠絲杠的直徑為 20mm。由于絲杠與軸CAJJX6140-02-04 通過聯(lián)接套聯(lián)接，考慮到軸的加工方便性和整體的連貫性，軸CAJJX6140-02-04 的軸身部分直徑與滾珠絲杠的直徑相同，均為 φ20mm，其長度根據(jù)原車床實際需要的尺寸而定，軸頸部分直徑為 17mm。如圖 3.5 所示。圖 3.5 軸 CAJJX6140-02-04買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 401339828 或 11970985（2）軸 CAJJX6140-02-08 的結構設計考慮與軸承內(nèi)經(jīng)的配合，所以該軸兩端支承部分直徑為 17mm。由于該軸需與法蘭盤聯(lián)接，而且該軸相對較長，因此在設計時為了方便安裝，降低裝配難度，將軸身部分增加一個軸肩，直徑適當減小，使其有一過渡，軸身直徑為 15mm。因為該軸的右端還需安裝一個透蓋，用雙螺母對其緊固。軸與透蓋用一鍵使其周向固定。查參考文獻[3]可知，根據(jù)軸的直徑選用型號為 GB/T1098-1979 的鍵，鍵槽寬度為3mm，深度為 3.8mm。如圖 3.6 所示。圖 3.6 軸 CAJJX6140-02-083.2.3 透蓋的結構設計透蓋的內(nèi)徑和長度由與之配合的軸 CAJJX6140-02-08 的直徑和長度決定，所以透蓋的直徑為 16mm,長 33mm。因為選用型號為 GB/T1098-1979 的鍵，查參考文獻[3]可知，轂 t1=1.4mm，上偏差為+0.1，下偏差為 0。外圓的直徑由法蘭盤的直徑?jīng)Q定，為 96mm。如圖 3.7 所示。買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 401339828 或 11970985圖 3.7 透蓋 CAJJX6140-02-013.2.4 螺母座的結構設計螺母座的長度根據(jù)滾珠螺母的長度而定。螺母座與滾珠螺母通過鍵進行軸向固定，查參考文獻[4]可知，該鍵型號選用 GB/T1096-1979，4×4×30。滾珠絲杠副通過螺母座帶動工作臺移動，因此螺母座通過螺釘與工作臺聯(lián)接。查參考文獻[4]可知，螺釘型號選用 GB/T70-1985。如圖 3.8 所示。買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 401339828 或 11970985圖 3.8 螺母座 CAJJX6140-02-073.3 自動轉(zhuǎn)位刀架的設計自動轉(zhuǎn)位刀架的設計是普通機床數(shù)控改造機械方面的關鍵。在進行普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造時，多采用外購自動轉(zhuǎn)位刀架。由微機控制的自動轉(zhuǎn)位刀架具有重復定位精度高,工件剛性好,性能可靠,使用壽命長以及工藝性好等特點。自動轉(zhuǎn)位刀架設計時,刀架要能自動完成抬起、回轉(zhuǎn)、選位、下降、定位和壓緊,即要設計出合理的機構又要檢測出個順序動作的電信號,以便由控制系統(tǒng)加以控制。自動回轉(zhuǎn)刀架的傳動結構示意圖如圖 3.9 所示。買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 401339828 或 119709851-發(fā)信盤 2-推力軸承 3-螺桿螺母副 4-端面齒盤 6-三相異步電動機 7-聯(lián)軸器 8-蝸桿副 9-反靠銷 10-圓柱銷 11-上蓋圓盤 12-上刀體圖 3.9 自動回轉(zhuǎn)刀架的傳動結構示意圖刀架的回轉(zhuǎn)常采用微電機通過蝸輪蝸桿使刀架抬到一定高度時,由撥塊帶動刀架轉(zhuǎn)動。刀架的選位由刀架位置的編碼和微機程序來 [15]實現(xiàn)。這里選用的是 LD4-1 型自動刀架，其工作原理是由微機發(fā)出換刀信號,使微電機正轉(zhuǎn),通過減速機構和升降機構將上刀體升至一定位置時,離合轉(zhuǎn)盤起作用,帶動上刀體旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)到所選刀位,發(fā)信盤發(fā)出刀位信號,使微電機反轉(zhuǎn),反靠初定位,上刀體下降,齒牙盤嚙合，完成精定位，并通過蝸輪蝸桿，鎖緊螺母，使刀架固緊。當夾緊力達到預先調(diào)好的狀態(tài)時，過流繼電器動作，切斷電源，電機停轉(zhuǎn)，并向微機發(fā)出回答信號，開始執(zhí)行下道工序。刀架的動作順序簡明地表示為：微電機——減速機構——升降機構——上刀體上升轉(zhuǎn)位——信號符合——粗定位機構——上刀體下降——精定位——刀體鎖緊——微電機停轉(zhuǎn)——換刀回答信號——加工順序執(zhí)行。自動刀架的換刀流程如圖 3.10 所示。買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 401339828 或 11970985圖 3.10 自動回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程圖