畢業(yè)設計（論文）-ca6140普通車床進行數(shù)控改造設計（全套圖紙）

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　一、緒論</b></p><p>　　1．1 引言.............................. ............1</p><p>　　1．2機床數(shù)控改造的目的.......................... ...

2、 2</p><p>　　1．3數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展....................... .....2</p><p>　　1．3．1數(shù)控系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展.........................2</p><p>　　1．3．2數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢............................2</p><p>　

3、　1．4CA6140的數(shù)控改造............... ................4</p><p>　　1．4．1數(shù)控系統(tǒng)的選擇................................4</p><p>　　1．4．2CPU和存儲器...................................5</p><p>　　1．4．3I/O接口

4、線路...................................6</p><p>　　1．4．4其他部件的選擇...............................6</p><p>　　二、 數(shù)據(jù)參數(shù)的選擇及其計算</p><p>　　2．1 縱向進給系統(tǒng)的設計計算............. ............7</p>&

5、lt;p>　　2．1．1選擇脈沖當量..................................7</p><p>　　2．1．2計算切削力....................................7</p><p>　　2．1．3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型...................8</p><p>　　2．1．4齒輪及步

6、進電機的有關計算.....................10</p><p>　　2．2橫向進給系統(tǒng)的設計計算.........................12</p><p>　　2．2．1 切削力計算..................................12</p><p>　　2．2．2滾珠絲杠設計計算...................

7、.........12</p><p>　　2．2．3齒輪及步進電機的有關計算....................14</p><p>　　2．3 自動刀架的設計................................15</p><p>　　2．3．1刀架的回轉和選位................... ..........16</p>

8、<p>　　2．3．2減速機構的設計計算..................... ......17</p><p>　　2．3．3蝸桿傳動的設計計算..................... ......20</p><p>　　2．3．4螺旋升降裝置的設計計算.......................23</p><p>　　三、數(shù)控系統(tǒng)硬件電路

9、設計</p><p>　　3．1概述............................ . . . .........27</p><p>　　3．2單片機控制系統(tǒng)設計.............................28</p><p>　　3．2．1主要技術特性及硬件配制......................28</p><

10、;p>　　3．2．2存儲空間的分配..............................28</p><p>　　3．2．3 I/O地址分配................................28</p><p>　　3．2．4單片機部分電路設計圖如圖紙所示...............29</p><p>　　3．2．5光電隔離電路....

11、............................29</p><p>　　3．2．6功率放大電路................................29</p><p>　　3．2．7其他輔助電路........................... ......30</p><p><b>　　四、軟件設計部分</b>&l

12、t;/p><p>　　4．1概述................................. . . . ....30</p><p>　　4．2總體方案設計...................................31</p><p>　　4．3插補方法的確定.................................31</p>

13、<p>　　4．4進給控制字FCW的設置...........................33</p><p>　　致謝 ............................... ..........34</p><p>　　參考文獻..........................................35</p><p>

14、;　　全套CAD圖紙，聯(lián)系153893706</p><p><b>　　一、緒論</b></p><p><b>　　1.1引言</b></p><p>　　隨著社會生產(chǎn)和科學技術的迅速發(fā)展，機械產(chǎn)品的性能和質量不斷提高，產(chǎn)品的更新?lián)Q代也不斷加速，因此對機床不僅要求具有較高的精度和生產(chǎn)率，而且應能迅速地適應產(chǎn)品零件的變換

15、。生產(chǎn)的需要促使了數(shù)控機床的產(chǎn)生，隨著電子技術，特別是計算機技術的發(fā)展，數(shù)控機床迅速的發(fā)展起來。</p><p>　　從第一臺數(shù)控機床（1952年 美國）問世至今，機床的數(shù)控化率在不斷的提高。世界各工業(yè)國家已普遍生產(chǎn)和應用，日本生產(chǎn)機床的數(shù)控化率在1988年就已達到70%。</p><p>　　我國從開放搞活以來，加快了數(shù)控機床技術的引進，促使我國的機床數(shù)控技術的普及和發(fā)展。當前普遍應用的

16、微型計算機數(shù)控機床，它綜合了電子技術、計算機技術、自動化技術、測量技術和機械制造等方面的最新成果，是一種靈活高效的自動化機床，是機電一體化的典型產(chǎn)品之一。各大企業(yè)不斷設置數(shù)控機床擴大再生產(chǎn)和替換陳舊設備。數(shù)控機床的普及率不斷提高，這種情況下，普通機床的數(shù)控改造是否必要可從以下幾點說明。</p><p>　　數(shù)控機床可以較好地解決形狀復雜、精密、小批多變零件的加工問題，能夠穩(wěn)定的加工質量和提高生產(chǎn)效率，但是應用數(shù)控

17、機床還是受到其他條件的限制。</p><p>　?、艛?shù)控機床價格昂貴，一次性投資巨大，對中小企業(yè)常是力不從心。</p><p>　　⑵目前各企業(yè)都有大量的普通機床，完全用數(shù)控機床替換根本不可能，而且替代的機床閑置起來又造成浪費。</p><p>　?、菄鴥扔嗁徯聰?shù)控機床的交貨周期一般較長，往往不能滿足生產(chǎn)需要。</p><p>　　⑷通過數(shù)控

18、機床對具體生產(chǎn)有多余功能。</p><p>　　要較好地解決上述問題，應走普通車床數(shù)控改造之路，從一些工業(yè)化國的經(jīng)驗者，機床的數(shù)控改造也必不可少，數(shù)控改造機床占有較大比例。如：日本的大企業(yè)中有近30%的機床經(jīng)過數(shù)控改造，中小企業(yè)則是70%以上。在美國有許多數(shù)控專業(yè)化公司為世界各地提供機床數(shù)控改造服務。我國作為機床大國-為了提高機床的數(shù)控化率對普通機床進行數(shù)控改造不失為一種良策。一些發(fā)達國家如德國、美國、 日本等就

19、非常重視對舊機床的改造， 而且已形成了一個完善的產(chǎn)學研結合的改造體系。 由于技術的不斷進步，機床改造已成為一個永恒的課題。 我國應在這方面加大宣傳力度， 走出一條適合我國國情的機床的數(shù)控改造之路。機床數(shù)控改造節(jié)省資金，同購置新機床相比一般可節(jié)省60％~80％的費用，大型及特殊設備尤為明顯。一般大型機床改造只需花新機床購置費的 1/3 即使將原機床的結構進行徹底改造升級， 也只需花費購買新機床60％的費用， 并可以利用現(xiàn)有地基。性能穩(wěn)定可

20、靠， 因原機床各基礎件經(jīng)過長期時效，幾乎不會產(chǎn)生應力變形而影響精度。機床經(jīng)數(shù)控改造后， 即可實現(xiàn)加工的自動化，效率可比傳統(tǒng)機床提高3-7倍。對復雜零件而言， 難度越高， 功效提高得越多。 且可</p><p>　　1. 2機床數(shù)控改造的目的</p><p>　　設備是企業(yè)發(fā)展生產(chǎn)技術和實現(xiàn)經(jīng)營目標的物質基礎。設備的技術性能</p><p>　　和技術狀態(tài)不但直接影響

21、產(chǎn)品質量，還關系工時、材料和能源的有效利用，同時對企業(yè)的經(jīng)濟效益也會產(chǎn)生深遠影響。設備的技術改造和更新直接影響企業(yè)的技術進步、產(chǎn)品開發(fā)和市場開拓。因此，從企業(yè)產(chǎn)品更新替代、發(fā)展品種、提高質量、降低能耗，提高勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益的實際出發(fā)，進行充分的技術分析，有針對性的用新技術改造和更新現(xiàn)有設備，是提高企業(yè)素質和市場競爭力的一種有效方法。</p><p>　　據(jù)全國工業(yè)普查的統(tǒng)計資料介紹，截止到2000年底，數(shù)量較

22、多涉及面較寬的金屬加工機床的擁有量約為384萬臺，其中役齡在6~ 15年約為153. 2萬臺，約占39. 9%，役齡在16a以上約為133. 7萬臺，約占34. 8%。這表明我國工業(yè)制造業(yè)的裝備，乃至各行各業(yè)的設備仍有相當大數(shù)量比較落后，有待改造或更新。鑒于此，采用數(shù)控技術對普通機床進行數(shù)控改造，尤其適合我國機床擁有量大，生產(chǎn)規(guī)模小的具體國情。</p><p>　　1. 3數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展</p>

23、<p>　　1. 3. 1數(shù)控系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展</p><p>　　第二次世界大戰(zhàn)后，美國為革新飛機制造業(yè)中用于仿形機床的靠模和樣件的加工設備，開始研制新型機床。1952年，美國帕森斯公司與麻省理工學院伺服機構實驗室合作，研制成功第一代數(shù)控系統(tǒng)。用于三坐標立式銑床。其插補裝置采用脈沖乘法器，整個控制裝置由真空管組成。1959年，晶體管元件問世，數(shù)控系統(tǒng)中廣泛采用晶體管和印制板電路，從此數(shù)控系統(tǒng)進入第

24、二代。 1965年，出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路，由于其體積較小，功耗低，抗干擾能力較強，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得到進一步提高，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第三代。上述三代數(shù)控系統(tǒng)均為硬接線數(shù)控系統(tǒng)，稱為普通數(shù)控系統(tǒng)o隨著計算機技術的發(fā)展，出現(xiàn)了以小型計算機替代專用硬接線裝置，以控制軟件實現(xiàn)數(shù)控功能的計算機數(shù)控系統(tǒng)，使數(shù)控系統(tǒng)進入第四代。1970年前后，美國英特爾公司首先開發(fā)和使用了四位微處理器，1974年美、日等國首先研制出以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng)，由于中、

25、大規(guī)模集成電路的集成度和可靠性高、價格低廉，所以微處理器數(shù)控系統(tǒng)得到了廣泛應用。這就是微機數(shù)控系統(tǒng)，從而使數(shù)控系統(tǒng)進入了第五代。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)為了進一步擴展功能，增強實時控制能力和可靠性，常采用多微處理器結構，由多個微處理器構成</p><p>　　1.3.2數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢</p><p>　　1、向高速度、高精度發(fā)展</p><p>　　現(xiàn)代機床數(shù)控系統(tǒng)多采用3

26、2位CPU和多CPU并行技術，使運算速度得了很大的提高。與高性能數(shù)控系統(tǒng)相配合，現(xiàn)代數(shù)控機床采用了交流數(shù)字伺服系統(tǒng)。伺服電機的位置、速度和電流環(huán)都實現(xiàn)了數(shù)字化。數(shù)控系統(tǒng)的聯(lián)動軸數(shù)多達9個，使機床可以加工較復雜的空間線型或型面。</p><p><b>　　2、可靠性的提高</b></p><p>　　由于現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的模塊化、通用化和標準化，便于組織批量生產(chǎn)，故可保證

27、產(chǎn)品質量?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)大量采用大規(guī)模集成電路，采用專用芯片及混合式集成電路，提高了集成度，減少了元器件數(shù)量，提高了可靠性。</p><p>　　3、采用自動程序編制技術</p><p>　　現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)利用其自身很強的存貯及運算能力，把很多自動編程功能植入數(shù)控系統(tǒng)。在一些新型的數(shù)控系統(tǒng)中，還裝入了小型工藝數(shù)據(jù)庫，使得數(shù)控系統(tǒng)不僅具有在線零件程序編制功能，而且可以在零件程序編制過程中，根據(jù)機

28、床性能，工件材料及零件加工要求，自動選擇最佳刀具及切削用量。</p><p>　　1.4 CA6140的數(shù)控改造</p><p>　　本設計任務是對CA6140普通車床進行數(shù)控改造。利用微機數(shù)控系統(tǒng)改造縱、橫向進給系統(tǒng)，進行開環(huán)控制，縱向脈沖當量0.01mm/脈沖，橫向為0.005mm/脈沖。驅動元件采用直流步進電機，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠。 </p><p>

29、　　1.4.1數(shù)控系統(tǒng)的選擇</p><p>　　數(shù)控系統(tǒng)是機床的核心，在選擇時，要對其性能、 經(jīng)濟性及維修服務等進行綜合考慮，盡量選用名牌產(chǎn)品。 根據(jù)被改機床的結構、 性能及被加工零件的精度來選擇數(shù)控系統(tǒng)。 既要功能相匹配，又要盡量減少過剩的數(shù)控功能。 這樣一方面可避免資金浪費，另一方面也可避免因數(shù)控系統(tǒng)復雜而增加的故障率。</p><p>　　目前數(shù)控系統(tǒng)主要有三種類型：步進電機拖動的

30、開環(huán)系統(tǒng)；異步電機或直流電機拖動光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)； 交 / 直流伺服電機拖動編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。其中步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)， 其伺服驅動裝置主要是步進電機、 功率步進電機、 電液脈沖馬達等。該系統(tǒng)位移精度較低， 但結構簡單、 調試維修方便、質量穩(wěn)定可靠、成本低、抗干擾性能強、 對環(huán)境室溫要求不高，易改裝成功。 適用于精度要求一般的中小型機床的改造，也是目前數(shù)控改造中應用最為廣泛的一種。 異步電機或直流電機拖動光柵測量反

31、饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)控制精度高，但在結構上比開環(huán)進給系統(tǒng)復雜， 工作量大，成本也高， 調試困難， 一般不采用。 交 / 直流伺服電機拖動編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)， 其精度介于前二者之間，結構與調試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡單，適用于控制精度要求較高的大、 中型機床的改造。</p><p>　　總體方案確定為用MCS——51系列單片機對數(shù)據(jù)進行計算處理，由I/O接口輸出步進脈沖，經(jīng)一級齒輪減速，帶動滾珠絲杠轉動，從而實現(xiàn)縱橫向進

32、給運動。示意圖如圖1所示。</p><p><b>　　圖1</b></p><p>　　由于設計的是經(jīng)濟型車床的改造，所以在考慮具體的方案時，其本原則是在滿足需要的前提下，對于機床盡可能減少改動量，以降低成本。</p><p>　　8031單片機在數(shù)控改造應用較普通，各種應用軟件較多，系統(tǒng)開發(fā)較容易，且其價格低廉，抗干擾性強，可靠性高，速度快

33、，指令系統(tǒng)的效率高，體積小，最適宜用來開發(fā)簡易和小型專用的數(shù)控裝置。</p><p>　　1.4.2 CPU和存儲器</p><p>　　由于8031無片內程序存儲器,需要擴展外部程序存儲器,同時,8031內部只有128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器,也不能滿足控制系統(tǒng)的要求,故擴展了兩片2764的程序存儲器和一片6264數(shù)據(jù)存儲器。8031芯片的P0和P2用來傳送外部存儲器的地址和數(shù)據(jù),P2口傳送高

34、八位地址,P0口需傳送低八位地址和數(shù)據(jù),所以要采用74LS373地址鎖存器,鎖存低八位地址,ALE作為選通信號。8031芯片的P2和74LS373送出的P0口低八位地址共同組成16位地址,2764和6264芯片都是8KB,需要13根地址線,A0~A7低八位接74LS373的輸出,A8~A12接8031芯片的P2.0~P2.4,系統(tǒng)采用全地址譯碼,兩片2764芯片片選信號CE分別接74LS138譯碼器的Y0和Y1,系統(tǒng)復位后程序從0000

35、H開始執(zhí)行。6264的片選信號CE也接74LS138譯碼器的Y2(單片機擴展系統(tǒng)允許程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨立編址)、8031芯片控制信號PSEN接2764的OE引腳,讀寫控制信號WR和RD分別接6264芯片的WE和OE,以實現(xiàn)外部數(shù)據(jù)存儲器的讀寫。由于8031芯片內沒有ROM故EA須接地。</p><p>　　1.4.3 I/O接口電路</p><p>　　由于8031只有P1和P3口

36、部分能提供用戶作為I/O口使用,不能滿足輸入輸出口的需求,因而系統(tǒng)擴展了兩片8155可編程輸入輸出接口電路。8155的片選信號CE分別接74LS138的Y3和Y4,74LS138譯碼器的三個輸入端A、B、C分別接到8031的P2.5、P2.6、P2.7。I/O接口與外設的聯(lián)接是這樣安排的:8155(1)芯片的PA0~PA5為面板上的選擇開關;PB0~PB7是各種運行的點動控制;PC0~PC3發(fā)出刀位信號,控制刀架電機回轉,到達指定的刀位

37、,刀架夾緊之后,發(fā)出換刀回答信號,經(jīng)8155(1)的PB5輸入計算機,控制刀架開始進給。8155(2)芯片的PA0~PA7為Z、X向電機輸出驅動脈沖,PB0~PB3是鍵盤掃描輸入,PB4~PB7的輸出是X!Y向的限位控制,PC0~PC5是顯示器的位選信號,顯示器的段選信號由8031的P110~P117控制。</p><p>　　1.4.4 其它部件的選擇</p><p>　　直流步進電動

38、機參照《金屬切削機床設計簡明手冊》選取。滾珠絲杠選取FD系列，北京機床廠產(chǎn)品。為內循環(huán)雙螺母墊片預進，其優(yōu)點是結構簡單，裝卸方便、剛度高。</p><p>　　縱向進給機構的改造。拆除原機床的進給箱和溜板箱，在原機床進給箱處安裝齒輪箱體，滾珠絲杠仍安裝在原絲杠位置，采用原固定方式。</p><p>　　橫向進給機構改造。拆除原手動機構，用于微進給和機床刀具對零件操作，原有的支承結構也保留。

39、步進電機、齒輪箱體安裝在機床后側。</p><p>　　縱橫向進給機構都采用了一級齒輪減速，調隙齒輪用于消除齒輪傳動中的間隙，以提高數(shù)控機床進給系統(tǒng)的驅動精度。</p><p>　　在原溜板箱處安裝縱、橫向快速進給按鈕和急停按鈕，以適應機床調整時的操作需要和遇到意外情況時的緊急處理需要。</p><p>　　CA6140車床數(shù)控改造總布置圖如圖6所示。</p&

40、gt;<p>　　二、數(shù)據(jù)參數(shù)的選擇及其計算</p><p>　　2.1 縱向進給系統(tǒng)得設計計算</p><p>　　工作臺重量：80kg</p><p>　　時間常數(shù)：T=25ms </p><p>　　滾珠絲杠導程：S=6mm</p><p>　　行程：L=1200 mm</p>&l

41、t;p>　　脈沖當量：σ=0.018mm/step</p><p>　　步距角：φ=0.75°/step</p><p>　　快速進給速度：Vmax=2m/min</p><p>　　加工最大直徑：φ=400 mm</p><p>　　加工最大長度：1000 mm</p><p>　　溜板及力架重力：8

42、00N</p><p>　　刀架快段速度：2.4 m/min</p><p>　　最大進給速度：0.6 m/min</p><p>　　主電機功率：7.5KW</p><p>　　起動加速時間：30 ms</p><p>　　機床定位精度±0.015 mm</p><p>　　2.1.

43、1 選擇脈沖當量：</p><p>　　根據(jù)機床精度要求確定，縱向0.01mm/步。</p><p>　　2.1.2 計算切削力：</p><p><b>　?、倏v車外圓;</b></p><p>　　由文獻可知切削功率Nc=Nηk式中：</p><p>　　N——電動機功率7.5KW<

44、/p><p>　　η——主動系統(tǒng)總功率一般為0.6~0.7 取η=0.65</p><p>　　K——進給系統(tǒng)功率系數(shù)：取0.96</p><p>　　Nc=NηK=7.5×0.65×0.96=4.68KW</p><p>　　又因Nc=FzV/6120 有Fz=6120Nc/V</p><p&

45、gt;　　式中V——切削速度取100m/min</p><p>　　主切削力Fz=6120×4.68/100=286.416kgf=2806.88N</p><p>　　由參考文獻二可知，主切削力</p><p>　　Fz=CFz·apXFz·fYFz·kTfz</p><p>　　查表:Cfz=188

46、kgf mm</p><p>　　XFz=1 YFZ=0.75 KTfz=1</p><p><b>　　則可計算如下表:</b></p><p>　　當Fz=283.7 kgf時，切削深度ap=3mm，走刀量f=0.4 mm，此參數(shù)作為下邊計算用，由參考文獻一得一般外圓車削時Fx=(0.1～0.6) Fz Fy=(0.15

47、～0.7)Fz</p><p>　　Fx=0.5 Fz=0.5×286.416=143.208 kgf=1403.44 N </p><p>　　Fy=0.6 Fz=0.6×286.416=171.8496 kgf=1684.1 N</p><p><b>　　②橫切端面：</b></p><p>　

48、　主切削力Fz′（kgf）可取縱切的1/2</p><p>　　Fz=′ Fz×1/2=143.208 kgf=1403.44 N</p><p>　　取Fx′=0.6 Fz′=0.6×143.208=85.9248 kgf=842.06 N</p><p>　　Fy′=0.5 Fz=0.5×143.208=71.604 kgf=701

49、.72 N</p><p>　　2.1.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型：</p><p><b>　　縱向進給絲杠</b></p><p>　　計算進給率引力Fm（N）</p><p>　　縱向進給為綜合導軌Fm=KFx+f′（Fz+G）</p><p>　　式中K——考慮顛覆力矩影響的實驗系

50、數(shù)綜合導軌取K=1.15</p><p>　　f′——滑動導軌摩擦系數(shù)0.15~0.18，取0.16</p><p>　　G——溜板及力架重力：800 N</p><p>　　Fm=KFx+f′(Fz+ G)=1.15×1403.44+0.16(2806.88+800)=2191.06 N</p><p><b>　　計算

51、最大的負載C</b></p><p>　　C= Fm ·fw·L1/3 其中L=60nT/10 n=1000Vs/L0</p><p>　　其中 L0——滾珠絲杠導軌。 初選L0=6 mm</p><p>　　Vs——最大切削力F的進給速度可取最高進給速度的（1/2~1/3），此外Vs=0.6m/min。</p>

52、<p>　　T——使用壽命 按15000h</p><p>　　f w——運轉系數(shù)。按一般運轉取f w=1.2~1.5。</p><p>　　L——壽命以106轉為1單位。</p><p>　　N=1000Vs/ L0=1000×0.6×0.5/6=50r/min</p><p>　　L=60nT/10=60

53、×50×15000/10=45</p><p>　　C= Fm ·fw·L1/3=451/3×1.2×2191.06=9352.04 N</p><p>　　滾珠絲杠螺母副的選型。</p><p>　　據(jù)北京機床研究所滾珠絲杠產(chǎn)品的樣本選取絲杠直徑φ40，選用型號為FD40×6—1×2—

54、3其額定動載荷為163000 N，精度等級E級，強度夠用。</p><p><b>　　傳動效率計算</b></p><p>　　η=tgδ/tg(γ+φ) γ—螺旋升角2 °44′</p><p>　　η=tgγ/ tg(γ+φ)= tg2 °44′/ tg(2 °44′+10′)=0.94</p

55、><p><b>　　剛度計算：</b></p><p>　　滾珠絲杠受工作負載Fx引起的導程L0的變化量ΔL1= Fm Fm/E F</p><p>　　其中：ΔL1——在工作負載Fx作用下引起每一導程的變化量mm）</p><p>　　Fm——工作負載即進給率引力N</p><p>　　L0——滾

56、珠絲杠的導程（mm）</p><p>　　E——材料彈性模數(shù)對鋼E為20.6×104（N/ mm2）</p><p>　　S——滾珠絲杠截面積（內徑）（mm2）</p><p>　　S=π（d′/2）2 d′=d0+2e-2Rs=36.3789</p><p>　　S=π（d′!/2）2=(36.379/2) 2 ×3

57、.14=10.38mm</p><p>　　其中 Rs=（0.51~0.56）Pw=1.836</p><p>　　e=0.707(Rs-Dw/2)=0.025</p><p>　　故ΔL = Fm L0/E F=2191.06×0.6/20.6×106×10.38=6.1428×10-6cm</p><p

58、>　　滾珠絲杠受扭轉引起的導程變化量ΔL2 ΔL2= L0φ/2π+φ很小，忽略不計。 所以 ΔL=ΔL1+ΔL2=ΔL1</p><p>　　Δ=100ΔL / L0=100/0.6×6.1428×10-6=10.238μm</p><p>　　查表知E紋精度絲杠允許誤差15μm</p><p>　　10.238μm＜15μm

59、剛度夠</p><p><b>　?、薹€(wěn)定性校核：</b></p><p>　　滾珠絲杠兩端用推力球軸承，支承基本不變，穩(wěn)定性不存在問題。</p><p>　　2.1.4 齒輪及步進電機的有關計算：</p><p>　　設計計算公式均來自參考文獻一</p><p>　　縱向傳動有關齒輪計算，傳動

60、比i</p><p>　　i=φL0/360σp=0.75×6/360×0.01=1.25</p><p>　　L0——滾珠絲杠導程 φ——步距角 σp——脈沖當量</p><p>　　故取 Z1=32 Z2=40 m=2mm b=18 α=20° d1=mZ1=64mm</p>

61、<p>　　d2= mZ2=80mm dα1=d1+2ha*=68mm dα2=84mm</p><p>　　df1=d1-2hf=59mm df2=75mm d=d1+d2/2=72mm</p><p><b>　　縱向步進電機計算</b></p><p><b>　　傳動慣量的計算</b&g

62、t;</p><p>　?。á瘢┕ぷ髋_質量折算到電機軸上的轉動慣量</p><p>　　J1=(180δp/πφ) 2·W=（180×0.001/3.14×0.75）2×80</p><p>　　=0.468kgf·cm2</p><p><b>　?。á颍┙z杠轉動慣量</b&

63、gt;</p><p>　　J2=7.8×10－4×4.04×150.0=29.95kg·cm2</p><p>　　(Ⅲ)齒輪的轉動慣量</p><p>　　J3=7.8×10－4×6.44×1.8=2.355kg·cm2</p><p>　　J4=7.8

64、15;10－4×8.04×1.8=5.75kg·cm2</p><p>　　(Ⅳ)電機轉動慣量很小可以忽略</p><p><b>　　總的轉動慣量為J</b></p><p>　　J=1/22（J2+J4）+J1+J3=1/1.252（29.95+5.75）+2.355+0.468</p><

65、p>　　=22.586kg·cm2</p><p><b>　　所需轉動力矩計算</b></p><p>　　<1>快速空載啟動時所需力矩M起</p><p>　　M起=Mamax+Mf+M0</p><p>　　<2>最大切削負載時所需力矩</p><p>

66、;　　M=Mat+Mf+M0+Mt</p><p>　　<3>快速進給時所需力矩M= Mf+M0</p><p>　　式中 Mamax——空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩</p><p>　　Mf——折算到電機軸上的摩擦力力矩</p><p>　　M0——由于絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力力矩</p>

67、<p>　　Mat——切削時折算到電機軸上的加速度力矩</p><p>　　Mt——折算到電機軸上的切削負載力矩</p><p>　　Ma=J·n/9.6T×10-4N·m</p><p>　　當n=nt時，Ma=Mamax </p><p>　　nmax =Vmax·i/s=2000&#

68、215;1.25/6=416.7r/min</p><p>　　Mmax=22.586×416.7/9.6×0.025×10-4=40.0138kgf·cm</p><p>　　當n=nt時，Ma= Mat s---導程6mm</p><p>　　nt=ni·f·i/s=1000×100&

69、#215;0.4×1.25/3.14×80×6=33.17r/min</p><p>　　Mat=22.58×33.17/9.6×0.025×10-4=0.3112N·m=3.175kgf·cm</p><p>　　Mf=F0·S/2πηi=f′WS/2πηi</p><p>

70、　　當η=0.8，f′=0.16時</p><p>　　Mf=0.16×80×0.6/2×3.14×0.8×25=1.223kgf·cm</p><p>　　M0=P0·S/2πηi(1-η02)</p><p>　　η0=0.9，預加載荷P0=1/3FX,則</p><p&g

71、t;　　M0=FX·S/6πηi(1-η02)=143.208×0.6×(1-0.92)/6×3.14×0.8×1.25=0.866kgf·cm</p><p>　　Mt=FX·S/2πηi=143.208×0.6/2×3.14×0.8</p><p>　　×1.25=1

72、3.68kgf·cm</p><p>　　所以，快速空載啟動所需力矩</p><p>　　M=Mamax+Mf+M0=40.0138+1.223+0.866=42.10kgf·cm</p><p><b>　　切削時所需力矩</b></p><p>　　M=Mat+Mf+M0+M0=3.175+1.2

73、23+0.866+13.68=18.95kgf·cm</p><p>　　快速進給時所需力矩：</p><p>　　M= Mf+M0=1.223+0.866=2.089kgf·cm</p><p>　　從以上數(shù)據(jù)分析，所需最大力矩Mmax發(fā)生在快速啟動時。</p><p>　　<4>步進電機最高工作效率<

74、/p><p>　　fmax=Vmax/60δp=2000/60×0.01=3333.3Hz</p><p>　　<5>步進電機的選擇</p><p>　　對于工作方式為三相六拍的步進電機</p><p>　　Tmax=Mmax/0.6=42.10/0.866=48.6kgf·cm</p><p&

75、gt;　　查表選用110BF003型直流步進電機，其最大靜轉矩是 800N·cm=48.6kgf·cm</p><p>　　該電機在3333.3Hz下啟動遠達不到所需要的轉矩42.1kgf·cm，所以采用高低壓功放電路，并在程序設計中有速度控制子程序

76、以免啟停時發(fā)生失步現(xiàn)象。其矩頻特性滿足實際需要的轉矩。</p><p>　　2.2 橫向進給系統(tǒng)的設計計算：</p><p>　　由于橫向進給系統(tǒng)的設計計算與縱向類似。所用的公式不在詳細說明</p><p>　　工作臺重量：30kg</p><p>　　時間常數(shù) ：T=25ms</p><p>　　滾珠絲杠導程：S=

77、6mm</p><p>　　行程：L=226mm</p><p>　　脈沖當量：δp=0.005mm/step</p><p>　　步距角：φ=0.75°/step</p><p>　　快速進給速度：Vmax=1m/min</p><p>　　加工最大直徑：φ210mm</p><p>

78、;　　刀架快移速度：1.2m/min</p><p>　　最大進給速度：0.3m/min</p><p>　　主電機功率：7.5kw</p><p>　　2.2.1 切削力計算：</p><p>　　橫向進給量為縱向的1/3~1/2，取1/2。則切削力約為縱向的1/2</p><p>　　Fz=1/2×28

79、6.416kgf=143.208kgf</p><p>　　在切斷工件時Fy=0.6Fz=0.6×143.208=85.925kgf</p><p>　　Fx=0.5Fz=0.5×143.208=71.604kgf</p><p>　　2.2.2 滾珠絲杠設計計算：</p><p><b>　　強度計算<

80、/b></p><p>　　對于燕尾型導軌P=kFx+f′(Fz+W+2Fy)</p><p>　　取k=1.4 f′=0.2 則</p><p>　　Fm=1.4×71.604+0.2×(143.2+30+2×85.925)=169.26kgf</p><p>　　n=1000Vcs/L0=30

81、r/min</p><p>　　X壽命值：L=60ntT/10 6 則</p><p>　　L=60×n×T/106=60×30×15000/106=27</p><p>　　Q=271/3×1.2×169.26=609.33=5971.4N</p><p>　　根據(jù)北京

82、機床廠滾珠絲杠產(chǎn)品，選取滾珠絲杠公稱直徑為φ25，型號FD25×5——1×2——3LH 其額定動載荷為23100N，所以強度足夠。</p><p><b>　　效率計算</b></p><p>　　螺旋開角r=3°39′ 摩擦角 φ=10′</p><p>　　η=tgr/tg(r+φ)=tg3°39′

83、/tg(3°39′+10′)=0.956</p><p><b>　　剛度驗算</b></p><p>　　橫向絲杠支撐方式如下圖4，最大牽引力為169.25kgf,支撐間距L=450mm</p><p>　　滾珠絲杠受工作負載P引起的導程L0的變化量為：</p><p>　　d=d0+2e-2Rs=25+2&

84、#215;0.02×0.6×5×0.707-2×0.52×0.6×5</p><p><b>　　=21.96mm</b></p><p>　　ΔL1=PL0/E·F</p><p>　　其中 L0=5mm E=20.6×106N/cm2</p>

85、;<p>　　F=π（d/2）2=3.79cm2</p><p>　　ΔL1=169.25×9.8×0.5/20.6×106×3.79</p><p>　　=10.62×10-6滾珠絲杠受扭距引起的導稱變化量很小，可以忽略，故</p><p>　　Δ=ΔL1×1/ L0=21.3μm/m<

86、;/p><p>　　三級精度絲杠允許誤差為15μm，所以剛度不夠，滾珠絲杠直徑亦不加大，采用貼塑導軌減小摩擦力，從而減小牽引力，則</p><p>　　Q=1.4×71.6+0.04×（143.208+30+2×85.925）</p><p><b>　　=114.5kgf</b></p><p&g

87、t;　　ΔL=114.05×9.8×0.5/20.6×106×3.79=7.16×10-6</p><p>　　Δ=7.16×10-6/0.5=14.32μm/m</p><p><b>　　此時剛度夠用</b></p><p><b>　　穩(wěn)定性計算</b>&l

88、t;/p><p>　　由于選用的絲杠直徑和以前機床的絲杠的直徑相同，所以穩(wěn)定性不存在問題。</p><p>　　2.2.3 齒輪及步進電機的有關計算：</p><p>　　傳動比：i=φ·s/360×0.005=0.75×5/360×0.005=2.08</p><p>　　取 Z1=24 Z2=50

89、 m=2mm b=20mm α=20° d1=48mm d2=100mm d1=52mm d2=104mm df1=43mm df1=95mm d=74mm</p><p><b>　?、谵D動慣量計算</b></p><p>　　工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量</p><

90、p>　　J2=（180×0.005/3.14×0.75）2×30=0.0438kgf·cm2</p><p><b>　　絲杠轉動慣量</b></p><p>　　JS=7.8×-4×2.54×45=1.37kg·cm2</p><p><b>　　

91、齒輪的轉動慣量</b></p><p>　　Jz1=7.8×-4×4.84×2=0.828 kg·cm2</p><p>　　Jz2=7.8×-4×104×2=15.6 kg·cm2</p><p>　　電動機轉動慣量忽略，總轉動慣量</p><p>

92、　　J=1/22×（JS+JZ2）+ JZ1+ JS</p><p>　　=1/2.082×（1.371+15.6）+0.8281+0.0438</p><p>　　=4.79kg·cm2</p><p><b>　　所需轉動力矩計算</b></p><p>　　nmax=Vi/5=1000

93、×2.08/5=416r/min</p><p>　　Mmax=J×nmax×10-4/9.6T=4.79×416×10-4/9.6×0.025=0.83N·m=8.47kgf·cm</p><p>　　nt=n+i/s=1000Vfi/πDs=1000×100×0.15×2.08

94、/3.14×80×5=24.84 r/min</p><p>　　Mat=4.79×24.84×10-4/9.6×0.025=0.0495 N·m=0.506 kgf·cm</p><p>　　Mf=F0 S/2πηi=F’WS/2πηi=0.2×30×0.5/2×3.14×0.8

95、×2.08</p><p>　　=0.287 kgf·cm</p><p>　　M0=Fr S(1-η02)/ 2πηi=85.925×0.5（1-0.92）/2×3.14×0.8×2.08</p><p>　　=0.781 kgf·cm</p><p>　　Mt= Fr

96、S/2πηi=85.925×0.5/2×3.14×0.8×2.08=4.111 kgf·cm</p><p>　　快速空載起動所需轉矩</p><p>　　M啟= Mamax+ Mf+ M0</p><p>　　=8.47+0.287+0.781=9.538 kgf·cm</p><p&

97、gt;<b>　　切削時所需轉矩</b></p><p>　　M切= Mat+M+ M0+ Mt</p><p>　　=0.506+0.287+0.781+4.111=5.685 kgf·cm</p><p><b>　　快速進給時所需轉矩</b></p><p>　　M快=Mf+M0=0

98、.287+0.781=1.068kgf·cm</p><p>　　所需最大轉矩發(fā)生在快速啟動時</p><p>　　Mamax=9.538kgf·cm</p><p>　　步進電機最高工作效率</p><p>　　fmax=Vmax/60δp=1000/60×0.005=3333.3Hz</p>&

99、lt;p><b>　　步進電機的選擇</b></p><p>　　fe=1000Vs/60δp=1000×0.5/60×0.005=1666.7Hz</p><p>　　對于工作方式為三相六拍的步進電機</p><p>　　Jmax=Mmax×1/0.866=9.538/0.866=11.014kgf

100、3;cm</p><p>　　仍選用110FB003型步進電機,便于設計和采購,同樣也用高低壓功放電路和速度控制子程序,防止失步。</p><p>　　2.3 自動刀架的設計</p><p>　　經(jīng)濟型數(shù)控車床一般都配有四工位自動回轉刀架,它是據(jù)微機數(shù)控系統(tǒng)改造傳統(tǒng)機床設備的需要,同時兼顧刀架機床上能夠獨立控制的需要而設計的?，F(xiàn)有自動回轉刀,其結構主要有插銷式和端

101、齒盤式。由于刀架生產(chǎn)廠家無一標準,因此,結構、尺寸各異。由于目前使用較多的是端齒盤式四工位自動刀架,所以就選用端齒盤式四工位自動刀架。</p><p>　　從自動轉位刀架的工作原理可知，這類刀架由控制系統(tǒng)直接控制，刀架能自動完成抬起，回轉，選位，下降定位和壓緊這樣一系列的動作。下面依次討論刀架要完成上述過程的設計原理。</p><p>　　刀架的抬起,利用螺紋傳動將旋轉運動變成軸向直線運動

102、，從而達到抬起刀架的目的，在這種情況下完成這一功能的絲杠要豎直安放。在刀架的抬起過程中要防止刀架轉動這可通過設計一個帶有斜面的粗定位銷和定位銷槽的配合來完成，并使斜面間摩擦力產(chǎn)生的阻力矩，大于上述轉動摩擦力矩。</p><p>　　2.3.1 刀架的回轉和選位</p><p>　　刀架由一個微電機通過傳動系統(tǒng)來帶動刀架的轉動，軸線是豎直的而轉速比起微電機來要慢的多，由于電機空間條件限制必

103、須臥式安裝，因此兩者的轉動軸線互相垂直或異面垂直，蝸輪蝸桿傳動比較適合于這場合刀架從抬起變成轉動的動作原理是：當?shù)都芴鸬教囟ㄎ恢脮r由一個正在旋轉的撥塊帶動刀架轉動，因此刀架的抬起運動和轉動由同一傳動系統(tǒng)來先后完成。 </p><p>　　刀架轉過一定角度后要選位看一看轉到這個位置的刀具是否符合加工要求，這一切是由于微機程序來實現(xiàn)具體的說當?shù)都苻D動此位置時程序自動地將改位置的編碼與所需刀具編碼加以比較，若相同，該

104、刀具就選定此位，否則再移動，重復上述過程。</p><p>　　每次轉過的角度大小，由刀架的面體數(shù)量來確定由于設計的四工位刀架每次轉360/4=90度刀架編碼分別位00，01，10，11。刀架編碼信號的發(fā)出是由于裝在隨刀架一起轉動的微機電源開關來實現(xiàn)的微機開關的觸頭朝外它的開頭狀態(tài)由一個內表面凸輪來控制凸輪實際上是只有一定半徑差的兩個內圈弧表面微動開關觸頭與小半徑差的兩個內圓弧表面接觸開關便接通與大半徑內圓弧表面

105、接觸開關便中斷與此對應的信號分別是0和1所需要的微動開關數(shù)目等于編碼的位數(shù)即四方刀架有兩個微動開關，另外刀架編碼信號并非刀架轉到此位置時才發(fā)出的而是提前發(fā)出的當?shù)都苻D到某個刀位時粗定位開關發(fā)信號，停轉微機進行編碼比較，根據(jù)比較結果，或刀架選定此位，或繼續(xù)轉動，粗定位開關的通斷控制也是由一個類似于表面凸輪的定位槽來完成了刀架的下降定位和壓緊。</p><p>　　刀架選定位置后斜面插入斜面槽中使之粗定位然后微機控制

106、使微電機反轉由于斜面銷的棘輪作用，刀架不跟隨轉只是下降再由精定位元件來精定位。</p><p>　　精定位元件選用端面齒盤來精定位齒盤齒廓部分的形狀精度可以從工藝上嚴加控制再經(jīng)過反復對研，即可得到很高的精度，由于端面齒盤定位位多齒接觸，接觸面積大因此它還有接觸剛度好，定位尺寸穩(wěn)定性好和壽命長等特點，此外這種元件允許刀架下降時有一定角度誤差。</p><p>　　定位完畢需要壓緊刀架才能安全

107、可靠地工作，壓緊力是由刀架下降到底后微電機繼續(xù)轉動產(chǎn)生，壓緊力大小應是切削力大小兩倍以上而且應能調整，當壓緊力達到調整數(shù)值時使微電機停轉且始終能保持這一壓力直到下一動作循環(huán)的開始。</p><p>　　2.3.2 減速機構的設計計算</p><p>　　本減速機構設計成告訴級齒輪傳動的一級直齒圓柱齒輪減速器。由《經(jīng)濟型機床數(shù)控系統(tǒng)設計》（張新義主編，北京：機械工業(yè)出版社，1994.7 第六

108、章P335表6－32和表6－33已知電機功率為120w電機轉速為1400r/min 工作可靠>30000次取為40000次換刀時間（270）為3.9s） 設傳動比為i=μ=4.6</p><p><b>　　選擇材料</b></p><p>　　刀架為一般工作器，選常用材料及熱處理， 40cr表面淬火齒面硬度48－55HRC取中間值52HRC</p>

109、<p><b>　　計算許用應力</b></p><p>　　選用齒面精度等級為5級精度（GB10095－58） 初選小齒輪齒數(shù)Z1＝19 大齒輪齒數(shù)Z2＝i*Z1=4.6*19=87.4 取Z2＝88 實際齒數(shù)比μ＝Z2/Z1＝88/19=4.632 齒數(shù)比誤差為|M理-M實|/M理=|4.632-4.6|/4.6＝0.007％ 在允許范圍內</p&g

110、t;<p>　　2．按齒面接觸疲勞強度設計</p><p>　　計算公式按式（6－6）</p><p>　　d1t≥{(2kT1/ψd)*((u+1)/u)*(Ze*Zh*Zε/[σ]H)²}? }}))0</p><p><b>　　(1)確定計算參數(shù)</b></p><p>　　T1＝9.55

111、×10⒍P1/n1=9.55×10⒍×0.16/1400N.mm=1.09×10⒉N.mm</p><p>　　按齒數(shù)z1＝19，z2＝88查表6－15得εα1＝0.741 εα2＝0.845</p><p>　　則εα＝εα1＋εα2＝0.741＋0.845＝1.586 因是直齒輪εβ＝0</p><p>　　故εγ＝εα＝

112、1.586</p><p>　　查表6－7假設KaFt/b<100N.mm 取Kα＝1.3</p><p>　　據(jù)表6－6因為載荷穩(wěn)定電機驅動Ka＝1.0 </p><p>　　據(jù)表6－9懸臂布置，取齒寬系數(shù)ψd＝0.5</p><p>　　據(jù)圖6－11查得Kβ´＝1.26 試選Kvt＝1.05（下標t表示試選）</p&

113、gt;<p>　　由式（6－2）K＝KA×KV×Kα×Kβ＝1×1.05×1.26×1.3=1.72</p><p>　　由表（6－8）查得Ze＝189.8Mpa</p><p>　　由表（6－10）查得齒輪接觸疲勞強度極限（大小齒輪硬度相同） </p><p>　　δhlim=1500Mp

114、a</p><p><b>　　計算應力循環(huán)次數(shù)</b></p><p>　　N1＝1400/60×4000×4.4=4.1×10⒍</p><p>　　N2=4.1×10⒍/4.632=8.9×10⒌</p><p>　　由圖6－32查得Zn1＝1.6 Zn2＝1.6(

115、不允許出現(xiàn)點蝕)</p><p>　　由6－11取安全系數(shù)Sh＝1.50</p><p>　　由圖6－24工作硬化系數(shù)Zw＝1.0</p><p><b>　　許用接觸應力</b></p><p>　　[δ]H1=δHlim×Zn1×Zw/Sh=1500×1.6×1/1.5=160

116、0mpa</p><p>　　[δ]H2=δHlim×Zn1×Zw/Sh=1500×1.6×1/1.5=1600mpa</p><p>　　因為6－16 [δ]H1＝[δ]H2＝1600Mpa,所以[δ]H＝1600Mpa</p><p>　　由圖6－16查得Zε＝0.89</p><p><b&

117、gt;　　(2)計算</b></p><p>　　d1t≥{(2kT1/ψd)*((u+1)/u)*(Ze*Zh*Zε/[σ]H)²}?</p><p><b>　?。?3.61</b></p><p>　　重新校核，動載荷系數(shù)，齒輪速度</p><p>　　V＝πd1n1/(60×100

118、0)=π×13.41×1400/(60×1000)=0.98m/s</p><p>　　VZ1/100=0.98×19/100=0.1562m/s</p><p>　　查圖6－8得Kr＝1.01與假設相差較大</p><p>　　修正：d1＝(Kv/Kvt)?×d1t=(1.01/1.05) ?×13.41

119、=13.24mm</p><p>　　模數(shù)m＝d1/Z=13.24/19=0.7mm</p><p>　　按表6－3取標準模數(shù)m＝1mm</p><p>　　因此求得d1＝mz1＝1×19＝19mm</p><p>　　d2＝mz2＝1×88＝88mm</p><p>　　b＝ψd×d1＝

120、0.5×19=9.5 </p><p>　　圓整取大齒輪寬度 b2＝13mm 小齒輪寬度 b1＝10mm </p><p>　　校核原設計KA×Ft/b<100N.mm</p><p><b>　　查表6－7</b></p><p>　　Ft＝2T1/d=2×10.9×10

121、²/19=1.15×10²N</p><p>　　KA×Ft/b=1.0×115/13=38.3N.m<100N.mm</p><p><b>　　符合原設計</b></p><p>　　3.校核齒根彎曲疲勞強度</p><p><b>　　計算公式<

122、;/b></p><p>　　δF＝2KT1/bd1m×YF2×YS2×Yε≤[δ]F</p><p>　　查表6－20⒆得齒形系數(shù) YFα1=2.85, YFα2=2.22</p><p>　　查圖6－21⒇得應力修正系數(shù) YSα1=1.54, YSα2=1.78</p><p>　　查圖6－10（21）

123、 得彎曲疲勞強度極限（大小齒輪硬度相同）</p><p>　　δFlim＝1000mpa</p><p>　　取SF=2 (表6－11)（22）</p><p>　　Yx＝1（由圖6－26（23）因M <5）</p><p>　　查圖6－25（24）YN1＝YN2=2.5</p><p>　　[δ]F1=[δ]F

124、lim×YN1×YX/SF=1000×2.5×1/2=1250MPa</p><p>　　[δ]F2=1250Mpa</p><p><b>　　比較</b></p><p>　　YFα1×YFα1/[δ]F1=2.55×1.548/1250=0.004</p><