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蘭州理工大學
畢 業(yè) 設 計（論 文）
題 目：C6140型臥式車床的數(shù)控化改造
總體設計及縱向進給設計
院 （系）：
專 業(yè)：
班 級：
學生姓名：
導師姓名： 職稱：
起止時間：
目 錄
摘 要 2
第一章 前言 3
第二章數(shù)控車床設計概述 4
第三章 C6140車床數(shù)控改造總體設計方案 5
第四章 縱向進給系統(tǒng)的設計計算 9
4.1切削力的計算 9
4.2滾動絲桿的設計計算 9
4.2.1強度計算 9
4.2.2效率計算 10
4.2.3剛度計算 10
4.2.4穩(wěn)定性計算 11
4.2.5 齒輪及轉矩的相關計算 12
4.2.6傳動慣量的選擇 13
4.2.7所需轉動力矩的計算 16
第五章 步進電機的選擇 18
5.1一步進電機的選用原則 18
5.1.1步距角 19
5.1.2精度 20
5.1.3轉矩 21
5.1.4啟動頻率 24
5.2步進電機的選型 26
總結與體會 28
致謝詞 29
參考文獻 30
摘 要
本文針對在普通車床上加工軸類零件存在著生產(chǎn)效率低、要求工人技術水平較高等問題，經(jīng)過對普通車床機械傳動裝置的技術改造：即只保留原機床的主傳動系統(tǒng)前端，將一臺舊普通車床改裝成數(shù)控機床。
經(jīng)改裝的機床提高了零件的加工精度和自動化程度，使生產(chǎn)效率有了很大的改觀，具有投資小、見效快、改裝工作量少、制作和調(diào)試周期短、舊設備利用率高、且將來不加工此類零件時可較容易恢復機床原有的工作性能等特點，對中小型生產(chǎn)企業(yè)的加工具有一定的實際意義。
關鍵詞：車床，改裝，自動控制系統(tǒng)，機械加工
ABSTRACT
This paper is aimed to solve the problem of low efficiency，bad accuracy and high demand on the workers technical level，through the technical reform on mechanical drive system An old common lathe is refit into a special equipment by using numerical controlled technique.
The refit machine promoted its processing accuracy and level of automatic control of the parts and greatly improved the productive efficiency and it has the following characteristics:small investment，better efficiency，less refit workload，short period of manufacturing and testing，high utilization rate of old equipment and easily resume its
Former processing function when stopping production of such parts in future，it is of practical importance to the small and middle-sized enterprises.
Keywords: Lathe ，refit，automatic control system，machine.
1前言
我國目前機床總量380余萬臺，而其中數(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)控機床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬臺，年產(chǎn)值約為18億元。機床的數(shù)控化率僅為6％。這些機床中,役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機床中，自動/半自動機床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機床占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)的機床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品國內(nèi)、外市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。
而相對于傳統(tǒng)機床，數(shù)控機床有以下明顯的優(yōu)越性：
1、可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。
2、可以實現(xiàn)加工的柔性自動化，從而效率比傳統(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”。
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，可實現(xiàn)長時間無人看管加工。
因此，采用數(shù)控機床，可以降低工人的勞動強度，節(jié)省勞動力（一個人可以看管多臺機床），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應。 此外，機床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎。數(shù)控技術已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術和基礎技術。
本次設計的內(nèi)容是機床橫向伺服進給機構的理論計算、結構設計分析，并撰寫畢業(yè)設計論文。
設計的目的是培養(yǎng)綜合運用基礎知識和專業(yè)知識，解決工程實際問題的能力，提高綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，受到本專業(yè)工程技術和科學研究工作的基本訓練，使工程繪圖、數(shù)據(jù)處理、外文文獻閱讀、程序編制、使用手冊等基本技能得到訓練和提高，培養(yǎng)正確的設計思想、嚴肅認真的科學態(tài)度，加強團隊合作精神。
在設計分析中，先通過參觀及查閱等了解有關系統(tǒng)的工作原理，作用及結構特點。選擇合適的算法，根據(jù)計算結果查閱手冊，得出相關的結構或零件。
2 數(shù)控車床設計概述
用數(shù)控機床加工零件時，首先應將加工零件的幾何信息和工藝信息變成加工程序，由輸入部分送入數(shù)控裝置，經(jīng)過數(shù)控裝置的處理、運算，按各坐標軸的分量送到各軸的驅動電路，經(jīng)過轉換、放大進行伺服電動機的驅動，帶動各軸運動，并進行反饋控制，使刀具和工件及其他輔助裝置嚴格地按照加工程序規(guī)定的順序、軌跡和參數(shù)有條件不紊亂地作，從而加工出零件的全部輪廓。
數(shù)控機床具有很好的柔性，當加工對象變換時，只需重新編制加工程序即可，原來的程序可存儲備用，不必像組合機床那樣需要針對新加工零件重新設計機床，致使生產(chǎn)準備時間過長。
經(jīng)濟型數(shù)控車床，對于保證和提高被加工零件的精度，主要依靠兩方面來實現(xiàn)：一是系統(tǒng)的控制精度；二是機床本身的機械傳動精度。數(shù)控車床的進給傳動系統(tǒng)，由于必須對進給位移的位置和速度同時實現(xiàn)自動控制。所以，數(shù)控車床與普通臥式車床相比應具有有更好的精度．以確保機械傳動系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性。數(shù)控改造對機械傳動系統(tǒng)的要求為：
（1)盡量采用低摩擦的傳動副。如滾動導軌和滾珠絲杠螺母副，以減小摩擦力。
（2)選用最佳的降速比，為達到數(shù)控機床所要求的脈沖當量，使運動位移盡可能加速達到跟蹤指今。
（3)盡量縮短傳動鏈以及用預緊的辦法提高傳動系統(tǒng)的剛度。
（4)盡量消除傳動間隙，以減小反向行程誤差。如采用消除間隙的聯(lián)軸節(jié)和消除傳動齒輪間隙的機構等。
（5)盡景滿足低振動和高可靠性方面的要求。為此應選擇間隙小、傳動精度高高、運動平穩(wěn)、效率高以及傳遞扭矩大的傳動元件。
從應用的方面考慮，結合目前國內(nèi)大多數(shù)的情況，可采用更換滾珠絲杠來代替原機床上的T型絲杠。也可對原車床上T型絲杠加以修復，但此時必須相應修配與與此相配合的螺母，盡量減小其間隙，提高配合精度。
—般說來．如原車床的工作性能良好．精度尚未降低，則應盡量保留機床的傳動系統(tǒng)。使改造后的數(shù)控車床同時具有微機控制和原機床操作的雙重功能。如原車床使用時間較長．運動部件磨損嚴重．除了對導軌精度進行修復外．還應將傳動部件拆除或更換，以確保改造后車床的傳動精度。
數(shù)控機床一般由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機床組成機床本體的各機械部件組成，如圖2.1：
電動機的選擇
(1)根據(jù)機械的負載特性和生產(chǎn)工藝對電動機的啟動、制動、反轉、調(diào)速等要求，選擇電動機類型。
(2)根據(jù)負載轉矩、轉速變化范圍和啟動頻繁程度等要求，考慮電動機的溫升限制、過載能力額啟動轉矩，選擇電動機功率，并確定冷卻通風方式。所選電動機功率應留有余量，負荷率一般取0.8～0.9。
(3)根據(jù)使用場所的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護措施，選擇電動機的結構型式。
(4)根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標準和對功率因素的要求，確定電動機的電壓等級和類型。
(5)根據(jù)生產(chǎn)機械的最高轉速和對電力傳動調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程的要求，以及機械減速機構的復雜程度，選擇電動機額定轉速。
此外，還要考慮節(jié)能、可靠性、供貨情況、價格、維護等等因素。
電動機類型和結構型式的選擇
由于不同的機床要求不同的主軸輸出性能(旋轉速度，輸出功率，動態(tài)剛度，振動抑制等)，因此，主軸選用標準與實際使用需要是緊密相關的?？偟膩碚f，選擇主軸驅動系統(tǒng)將在價格與性能之間找出一種理想的折衷。表1簡要給出了用戶所期望的主軸驅動系統(tǒng)的性能。下面將對各種交流主軸系統(tǒng)進行對比、分析。
表1.1 理想主軸驅動系統(tǒng)性能
項目
內(nèi)容
高性能
低速區(qū)要有足夠的轉矩
寬恒功率范圍,并在高速范圍內(nèi)保持一定轉矩
高旋轉精度
高動態(tài)響應
高加減速,起制動能力
具有強魯棒性,能適應環(huán)境條件和參數(shù)變化
高效率,低噪聲
低價格
低購買價格,低維護價格,低服務價格
通用要求
耐用性,可維護性,安全可靠性
感應電機交流主軸驅動系統(tǒng)是當前商用主軸驅動系統(tǒng)的主流，其功率范圍從零點幾個kW到上百kW，廣泛地應用于各種數(shù)控機床上。
1、 數(shù)控技術的產(chǎn)生發(fā)展及趨勢
在1952年，計算機技術應用到了機床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機床。從此，傳統(tǒng)機床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個世紀以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。
1.1、數(shù)控（NC）階段（1952～1970年）
早期計算機的運算速度低，對當時的科學計算和數(shù)據(jù)處理影響還不大，但不能適應機床實時控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路“搭”成一臺機床專用計算機作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控（HARD-WIRED NC），簡稱為數(shù)控（NC）。隨著元器件的發(fā)展，這個階段歷經(jīng)了三代，即1952年的第一代 ——電子管；1959年的第二代——晶體管；1965年的第三代——小規(guī)模集成電路。
1.2、計算機數(shù)控（CNC）階段（1970年～現(xiàn)在）
到1970年，通用小型計算機業(yè)已出現(xiàn)并成批生產(chǎn)。于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進入了計算機數(shù)控（CNC）階段（把計算機前面應有的 “通用”兩個字省略了）。到1971年，美國INTEL公司在世界上第一次將計算機的兩個最核心的部件——運算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術集成在一塊芯片上，稱之為微處理器（MICROPROCESSOR），又可稱為中央處理單元（簡稱CPU）。
到1974年微處理器被應用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因為小型計算機功能太強，控制一臺機床能力有富裕（故當時曾用于控制多臺機床，稱之為群控），不如采用微處理器經(jīng)濟合理。而且當時的小型機可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高，但可以通過多處理器結構來解決。由于微處理器是通用計算機的核心部件，故仍稱為計算機數(shù)控。
到了1990年，PC機（個人計算機，國內(nèi)習慣稱微機）的性能已發(fā)展到很高的階段，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。數(shù)控系統(tǒng)從此進入了基于PC的階段。
總之，計算機數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。即1970年的第四代——小型計算機；1974年的第五代——微處理器和1990年的第六代——基于PC（國外稱為PC—BASED）?！?
還要指出的是，雖然國外早已改稱為計算機數(shù)控（即CNC）了，而我國仍習慣稱數(shù)控（NC）。所以我們?nèi)粘Ｖv的“數(shù)控”，實質(zhì)上已是指“計算機數(shù)控”了。
1.3、數(shù)控未來發(fā)展的趨勢
1.3.1 繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展
基于PC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)承擔數(shù)控的任務。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普遍。日本、歐盟和美國等針對開放式的CNC，正在進行前后臺標準的研究。
1.3.2 向高速化和高精度化發(fā)展
這是適應機床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。
1.3.3 向智能化方向發(fā)展
隨著人工智能在計算機領域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。
?。?）應用自適應控制技術
數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關參數(shù)，達到改進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。
?。?）引入專家系統(tǒng)指導加工
將熟練工人和專家的經(jīng)驗，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。
?。?）引入故障診斷專家系統(tǒng)
?。?）智能化數(shù)字伺服驅動裝置
可以通過自動識別負載，而自動調(diào)整參數(shù)，使驅動系統(tǒng)獲得最佳的運行。
2、機床數(shù)控化改造的必要性
2.1、微觀看改造的必要性
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。
2.1.1 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。
由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。
2.1.2 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”。
2.1.3 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”。
2.1.4 可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機床間的頻繁搬運。
2.1.5 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。
2.1.6 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)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應等等。
以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎。數(shù)控技術已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術和基礎技術。
2.2、宏觀看改造的必要性
從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應用數(shù)控機床。其本質(zhì)是，采用信息技術對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機械工業(yè)）進行技術改造。除在制造過程中采用數(shù)控機床、FMC、FMS外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行MIS （管理信息系統(tǒng)）、CIMS等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術對國外軍、民機械工業(yè)進行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。而我們在信息技術改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達國家約落后20年。如我國機床擁有量中，數(shù)控機床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已達20.8％，因此每年都有大量機電產(chǎn)品進口。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性。
3、機床與生產(chǎn)線數(shù)控化改造的市場
3.1、機床數(shù)控化改造的市場
我國目前機床總量380余萬臺，而其中數(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)控機床年產(chǎn)量約為 0.6～0.8萬臺，年產(chǎn)值約為18億元。機床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為6％。我國機床役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機床中，自動/半自動機床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機床占60％以上）。可見我們的大多數(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)的機床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機床。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，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。
據(jù)專家預測，到2001 年，我國數(shù)控機床消費額可達240.2億元。這些需求一方面通過購置新設備來滿足，另一方面，如果充分利用我國的現(xiàn)有的存量資產(chǎn)，用更新改造后的設備替代和減少購置新設備，可以起到事半功倍的效果。以240.2億元的需求量估計，即使10％的需求通過設備的再生改造來實現(xiàn)，每年也有24億元的市場。
3.2、進口設備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場
我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進技術、設備和生產(chǎn)線進行技術改造。據(jù)不完全統(tǒng)計，從1979～1988年10年間，全國引進技術改造項目就有18446項，大約165.8億美元。
這些項目中，大部分項目為我國的經(jīng)濟建設發(fā)揮了應有的作用。但是有的引進項目由于種種原因，設備或生產(chǎn)線不能正常運轉，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴重的使企業(yè)陷入困境。一些設備、生產(chǎn)線從國外引進以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護不當，結果運轉不良；有的引進時只注意引進設備、儀器、生產(chǎn)線，忽視軟件、工藝、管理等，造成項目不完整，設備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動運行，沒有發(fā)揮應有的作用；有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好，但是因為設備故障不能達產(chǎn)達標；有的因為能耗高、產(chǎn)品合格率低而造成虧損；有的已引進較長時間，需要進行技術更新。種種原因使有的設備不僅沒有創(chuàng)造財富，反而消耗著財富。
這些不能使用的設備、生產(chǎn)線是個包袱，也是一批很大的存量資產(chǎn)，修好了就是財富。只要找出主要的技術難點，解決關鍵技術問題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產(chǎn)，爭取到最大的經(jīng)濟效益和社會效益。這也是一個極大的改造市場。
4、數(shù)控化改造的內(nèi)容及優(yōu)缺
4.1、國外改造業(yè)的興起
在美國、日本和德國等發(fā)達國家機床工業(yè)處于不景氣的今天，它們的機床改造卻是作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，生意盎然，處在黃金時代。由于機床以及技術的不斷進步，機床改造是個“永恒”的課題。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術為主的新的行業(yè)。在美國、日本、德國，用數(shù)控技術改造機床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，已形成了機床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè)。在美國，機床改造業(yè)稱為機床再生（Remanufacturing）業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有： Bertsche工程公司、ayton機床公司、Devlieg-Bullavd（得寶）服務集團、US設備公司等。美國得寶公司已在中國開辦公司。在日本，機床改造業(yè)稱為機床改裝（Retrofitting）業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程集團、崗三機械公司、千代田工機公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。
4.2、數(shù)控化改造的內(nèi)容
機床與生產(chǎn)線的數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點：
其一是恢復原功能，對機床、生產(chǎn)線存在的故障部分進行診斷并恢復；
其二是NC化，在普通機床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成NC機床、CNC機床；
其三是翻新，為提高精度、效率和自動化程度，對機械、電氣部分進行翻新，對機械部分重新裝配加工，恢復原精度；對其不滿足生產(chǎn)要求的CNC系統(tǒng)以最新CNC進行更新；
其四是技術更新或技術創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術，在原有基礎上進行較大規(guī)模的技術更新或技術創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和檔次的更新改造。
第三章 C6140車床數(shù)控化改造總體設計方案
進給系統(tǒng)的特點是速度低、消耗功率小，而速度越低越易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，一般的倒軌是由于受摩擦力下降的影響，很難滿足高精度的要求，特別是對于數(shù)控而言更不能適應精度要求。而滾珠絲杠副基本上是滾動摩擦，摩擦阻力小，切摩擦阻力的大小幾乎與運動速度完全無關，這樣就有效的保證了運動的平穩(wěn)性，克服了爬行現(xiàn)象、軸向剛度高、壽命長、維護簡單且具有傳動可逆性并反向精度高等優(yōu)點故而選用滾珠絲杠螺母副傳動。
C6140型普通車床是一種加工效率高，操作性能好，并且社會擁有量較大的普通型車床。經(jīng)過大量實踐證明，將其改造為數(shù)控機床，無論是經(jīng)濟上還是技術都是確實可行了。
一般說來，如果原有車床的工作性能良好，精度尚未降低，改造后的數(shù)控車床，同時具有數(shù)控控制和原機床操作的性能，而且在加工精度，加工效率上都有新的突破。
本設計主要是對C6140普通型車床進行數(shù)控改造，用微機對縱、橫進給系統(tǒng)進行控制。系統(tǒng)可采用開環(huán)控制和閉環(huán)控制，開環(huán)控制雖然有不穩(wěn)定、振動等缺點，但其成本較低，經(jīng)濟性較好，車床本身所進行的加工尺寸是粗、半精加工。驅動原件采用步進電動機。系統(tǒng)傳動主要有：滑動絲杠螺母傳動和滾珠絲杠螺母傳動兩種，經(jīng)比較分析：前者傳動效率及精度較低，后者精度和效率高，但成本高，考慮對車床的性能要求，故采用滾珠絲杠螺母傳動。刀架性能要求是準確快速的換刀，因此采用自動轉位刀架。
由于是對車床進行數(shù)控改造，所以在考慮具體方案時，基本原則是在滿足使用前提下，對同床的改動盡可能少，以降低成本。根據(jù)這一原則，決定數(shù)控系統(tǒng)采用開環(huán)控制；傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠螺母傳動；驅動元件采用步進電動機；數(shù)控系統(tǒng)采用JWK型系統(tǒng)；刀架采用自動轉位刀架。這樣車床既保留原有功能，又減少了改造數(shù)量。
第四章 縱向進給系統(tǒng)的設計計算
1、經(jīng)濟數(shù)控車床的設計，采用步進電動驅動縱向進給，有兩種方案：一種是步進電機驅動絲杠螺母固定在溜板箱上；第二種是縱絲杠固定、電機安裝在溜板箱上，驅動螺母傳動。對于車床的改造而言，采用第一種方案顯然簡單易行。所以步進電機的布置，可放在絲杠的任意一端。從改裝方便，實用等方面考慮，所以將步進電機放在絲杠的左端。
2、縱向進給系統(tǒng)的設計計算，已知條件：
工作臺重量：W=80kgf=800N
時間常量： T=25ms
行 程： s=640mm
步 驅 角： 2=0.75o/step
快速進給速度：Vmax=2m/ms
脈沖當量： 8p=0.01mm/8tep
（1）切削力的計算
由《機床設計手冊》得公式 No=Ndη （公式一）
其中 NO — 為傳動件的額定功率
Nd—主電機的額定功率，見使用說明書得：Nd=4.5 kw
η — 從電機到所計算的傳動軸的傳動效率（不含軸承的效率）
從電機到傳動軸經(jīng)過皮帶輪和齒輪兩種傳動件傳動，所以
η=n1×n2 由《機床設計手冊》得n1 =0.96 n2=0.99
所以：η=0.96×0.99=0.9504 取 η=0.95
η即N=4×0.95=3.8（kw）
又因為主傳動系統(tǒng)效率一般為0.6～0.7 之間，所以取0.65
所以NC（進給效率）=3.8×0.65=2.47（kw）
由《機械加工工藝手冊》得Pm= ×9.8 （公式二）
≈
式中Vs ——切削速度，設當其為中等轉速，工件直徑為中等
時，如D=40mm時，取Vs=100m/min
主切削力
FZ = =151.164（Rgf）=1511.64N
由《機床設計手冊》得主切削力
FZ=CFzapxfx×fyfz×kfz(經(jīng)驗公式) CFzapxfx fyfz kfz (公式三)
對于一般切削情況，切削力中的指數(shù)xfx≈1
?FZ=0.75 Kfz≈0
CFZ=188kg/㎜2=1880Mpa
F2的計算結果如下：
ap(㎜)
2
2
2
3
3
3
f(㎜)
0.2
0.3
0.4
0.2
0.3
0.4
Fz(N)
105
1524
1891
1681
2287
2837
為便于計算,所以取Fz=1511.7N,以切削深度ap=2㎜
走刀量f=0.3㎜為以下計算以此為依據(jù)。
由《機械床設計手冊》得，在一般外圓車削時，F(xiàn)x≈（0.1～0.6）FZ
Fy≈(0.15～0.7)Fz
取Fx=0.5 Fz Fy=0.6Fz
∴Fx=0.5×1511.7=755.9(N)
Fy=0.6 Fz=0.6×1511.7=907.0(N)
（2）滾珠絲杠的設計計算
由《經(jīng)濟型數(shù)控機床總設計》，綜合車床導軌絲杠的軸向力得
P=RGx+f′（Fz+w） (公式四)
其中R=1.15 , f′=0.15～0.18 取f′=0.16
P=1.15×755.9+0.16(1511.7+800)
=1239.2(N)
強度計算
壽命值Li= （公式五）
ni= （公式六）
由《機床設計手冊》得Ti=15000h,原機床絲杠螺距為60㎜， D=80㎜
ni= =19.9≈20(r/min)
Li==18
最大動負
Q=PfwfH (公式七)
其中 運載系數(shù)fw=1.2
硬度系數(shù)Fh=1
Q=×1.2×1239.2×1
=3897.1(N)
根據(jù)最大動力負載荷Q的值，查表選擇滾珠絲杠的型號為W5010—3.5×1，查表得數(shù)控車床的縱向精度為B級，左旋
即型號為W5010—3.5×1/B—900×1000
其額定載荷是3970N
效率計算
根據(jù)《機械基礎》得，絲杠螺母副傳動效率為
η= (公式八)
由《機床設計手冊》得4一般為8′～12′取4=10′
即：摩擦角4=10′，螺旋升角（中徑處）r=3O25′
則η= =0.953
剛度驗算
滾珠絲杠受工作負載P引起的導程變化量
△L1=± (公式九)
其中 LO=10㎜=1㎝
E=20.6×106N/㎝2
滾珠絲杠橫截面積
F=()π d為滾珠絲杠外徑
=（）2×3.14
=18.47(㎝2)
則△L1==3.256×10-6≈3.27um
查《機床設計手冊》，B級精度絲杠允許的螺距誤差（900㎜螺絲長度）為25nm/m ，因此，絲杠的剛度符合要求。即剛度足夠。
④穩(wěn)定性驗算
由于原機床杠徑為Φ30㎜，現(xiàn)選用的滾珠絲杠為Φ50㎜，支承方式不變。所以，穩(wěn)定性不成問題，無需驗算。
齒輪及轉矩的相關計算
此齒輪為普通減速器的齒輪且減速器為一般機器，沒有特殊要求，從降低成本，減小結構尺寸和易于取材的原則出發(fā)，決定小齒輪選用45鋼調(diào)質(zhì)，齒面硬定為217～255HBS。大齒輪選用45正火，齒面硬度169～217 HBS。
傳動比i=
其中2表示步驅角，89表示脈沖當量
i==2.1
取齒數(shù)z1=30, Z2=63
模數(shù)m=2mm, 嚙合角為200，
小齒輪齒寬為25㎜，大齒輪齒寬20㎜。
d1=mz1=2×30=30
d2=mz2=2×63=126
da1=m(z1+2)=2×(30+2)=64
a===93
齒輪傳動精度
計算齒輪圓周速度V
V===4.2(m/s)
根據(jù)齒輪圓周速度和對噪音的要求確定齒輪精度等級側隙分別為：
小齒輪：8GJ
大齒輪：8FL
傳動慣量的選擇
工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉動慣量
J1=()2W
=()2×80
= 0.467kg. ㎝2
絲杠的轉動慣量
Js=7.8×10-4D4L1=7.8×-4×(50㎜)4×14.9
=7.26(kg. ㎝2)
齒輪的轉動慣量
JZ1=7.8×10-4×(60㎜)4×2=2.02(kg. ㎝2)
JZ1=7.8×10-4×(126㎜)4×2=39.32(kg. ㎝2)
由于電機的傳動慣量很小，一般可忽略不記
所以總的傳動慣量為
J總=×(Js+Jz2)+Jz1+J1
=×(7.26+39.32)+2.022+0.467
=14.50(kg. ㎝2)
=145.0(N. ㎝2)
所需轉動力矩的計算
快速空載啟動時所需力矩
M=Mmamx+Mf+MO （公式十二）
最大切削負載時所需力矩
M=Mat+Mf+MO+Mt （公式十三）
快速進給時所需力矩
M=Mf+MO （公式十四）
式中Mmamx —— 空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩。
Mf —— 折算到電機軸上的磨擦力矩。
MO —— 由于絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩。
Mat —— 切削時折算到電機軸上的加速度力矩。
Mt —— 折算到電機軸上的切削負載力矩。
Ma=×10-4（N.m）其中T=0.025 (公式十五)
當n=nmax時，Mamax=Ma
nmax====400(r/min)
Mamat=×10-4=24.17(kgf.cm)
=241.7(N.cm)
nt=
==25.08(r/min)
Mat=×10-4=1.51(kgf.cm)
=15.1(N.cm)
Mf==
當?=0.8，f′=0.16時，
Mf==1.213(kg.cm)
=12.13(kg.cm)
MO=(1-?o2)
當?=0.9時，預加荷PO=Fx
MO==
=0.4033≈4.03(N.cm)
Mt==
=6.368(kg.cm)=63.68(N.m)
所以，快速空載啟動所需力矩
M快空= Mamax+Mf+MO
＝ 241.7+1.213+4.03
=257.86(N.cm)
切削時所需力矩
M切= Mat+ Mf+ MO +Mt
=15.1+12.13+4.03+63.69
=94.95(N.cm)
快速進給時所需力矩
M快速= Mf+MO
=12.13+4.03
=16.16(N.cm)
由以上計算可得
所需最大力矩Mamax發(fā)生快速啟動時
Mamax= M快速=257.86(N.cm)
第五章 步進電機的選擇
5.1 一步進電動機選用原則
合理選用步進電機是比較復雜的問題，需根據(jù)電機在整個系統(tǒng)中的實際工作情況，經(jīng)過分析后才能正確的選擇。
5.1.1 α，步距角應滿足：α=
式中i——傳動比
amin——系統(tǒng)對步進電機所驅動部件的最小轉角
5.1.2 精度
步進電機的精度可用步距誤差或積累誤差衡量。積累誤差是指轉子從任意位置開始，經(jīng)過任意步后，轉子的實際轉角與理論轉角之差的最大值，用積累誤差衡量精度比較實用，所選用的步進電機應滿足。
△Qm≤i[△Qs]
式中△Qm——步進電機的積累誤差。
[△Qs]——系統(tǒng)對步進電機驅動部分允許的角度誤差。
5.1.3 轉距
為了使步進電機正常運行（不失步、不越步）正常啟動并滿足對轉速的要求，必須考慮；
①啟動力矩，一般啟動力矩選取為
Mq≥
式中Mq——電機啟動力矩
ML0——電機靜負載力矩
②在要求在運行頻率范圍內(nèi)，電機運行力矩應大于電動機的靜載力矩與電動機的轉動慣量（包含負載的轉動慣量）引起的慣性矩之和。
5.1.4 啟動頻率
由于步進電機的啟動頻率隨負載力矩和轉動慣量的增大而降低，因此相應負載力矩和轉動慣量的極限啟動頻率應滿足：
fi≥[fop]m
其中fi——極限啟動頻率
[fop]m——要求步進電機最高啟動頻率
5.2 二步進電機的選型
C6140縱向進給系流步進電機的確定
Mq= 取參數(shù)為0.4
=
=644.6（N.m）
為了滿足最小步距要求，電動機選用三相六拍工作方式。查手冊得知：Mq/Mjm=0.866，所以步進電機最大靜轉矩Mjm為
fmax===3333.3（HZ）
綜合考慮，查表選用110BF003型直流步進電機能滿足使用要求。
總 結
畢業(yè)設計是對我們?nèi)陮W知識的一次總結和應用，是對我們自身能力的一次檢驗，通過這次檢驗，能讓我們知道自己的不足，在以后的工作生活中，不斷的改進、學習、以原野高自己的綜合能力。
三年專業(yè)知識的學習，其間也做過課程設計，對所學課程進行過知識的系統(tǒng)運用，但各課程綜合運用較少。本次設計，讓我們對三年的知識有了總體的綜合運用，提高了我們綜合能力和靈活運用所學的基礎理論的能力。各科之間的聯(lián)系有了清晰的認識。
機械專業(yè)雖然是一門很成熟的專業(yè)，然而對我們來說，我們懂得知識還很有限。要在這方面有所提高。我們還必須在基礎理論上下功夫，以理論聯(lián)系實際，才能使我們的知識有一個量變到質(zhì)變的飛躍。
以后的學習道路還很長，人生就是在不斷地學習中提高自己，而畢業(yè)設計也給了我們自信，讓我們相信以后會做得更好。
在這次的畢業(yè)設計中，由于首先接觸這燈課題的設計和設計的資料準備不足，時間的緊迫可能在設計中出現(xiàn)很大的問題。盡管在指導老師的全力指導下，錯誤也再所難免，這樣，讓我有了一次知識的重新積累。
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