卧式车床C6140数控化改造设计_毕业设计论文.doc

机械设计及自动化专业课程设计（论文） 卧式车床C6140数控化改造设计卧式车床C6140数控化改造设计目录摘要1第1章 绪论1 1.1数控系统发展简史1 1.2数控机床现状21.3数控系统的发展趋势 31.4机床数控化改造的必要性 41.5主要技术指标4第2章 华中HNC-21数控车削系统介绍4第3章 普通车床的数控改造可行性论证11 3.1技术可行性11 3.2机床本身11 3.3加工对象分析12 3.4市场可供性12第4章 总体方案的确定12 4.1总体方案设计要求124.2设计参数13第5章 进给传动部件的计算和选型165.1 脉冲当量的确定165.2 切削力的计算175.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型（纵向）175.3.1 工作载荷Fm的计算175.3.2 最大动载荷FQ的计算175.3.3 初选型号175.3.4传动效率的计算185.3.5 刚度的验算185.3.6 压杆稳定性校核185.4 步进电动机的计算与选型(纵向) 18 5.4.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq185.4.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq19 5.4.3步进电动机最大静转矩的选定21 5.4.4步进电动机的性能校核21 5.5 主轴交流伺服电机的计算与选型22 5.5.1主轴的变速范围22 5.5.2初选主轴电机的型号22 5.5.3主轴电机的校核22第6章 绘制进给伺服系统的机械装配图22第7章 元件的选择23结论24致谢25参考文献26卧式车床C6140数控化改造设计摘要 中国是一个传统的机械制造大国，但其装备水平落后，特别是一些老的机械制造厂大多还是比较旧的机床，远远不能满足加工的要求。针对目前制造业的技术装备现状，对传统机械制造业装备进行改造，解决机械制造业中的一些技术问题，用现代先进技术对旧的设备进行改造和提升，是我国制造业的发展方向。本课题是针对己报废的C6140普通废旧车床进行数控化改造，其现实意义在于如何寻找一种可行的、有推广价值的设备改造方法，对传统机械制造行业的技术装备进行技术提升，以解决目前设备老化所带来的问题。本设计说明书包括：概论、总体设计方案的拟定和验证、主传动部分的改造设计、伺服进给系统的改造设计、自动转位刀架的选择设计、编码盘安装部分的结构设计等几个部分。改造后的机床，主运动实现自动变速，纵向、横向进给系统进行数控控制，并要求达到纵向最小运动单位为0.01mm /脉冲，横向最小运动单位0.005mm/脉冲，刀架要是自动控制的自动转位刀架，要能自动切削螺纹。关键词:机床改造 数控技术 进给系统 滚珠丝杠 自动刀架第1章 绪论1.1数控系统发展简史1946 年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6 年后，即在 1952 年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 1.1.1 数控（ NC ）阶段（ 1952 1970 年） 早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路 “搭”成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIRED NC），简称为数控（NC）。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即 1952 年的第一代电子管；1959年的第二代晶体管； 1965 年的第三代小规模集成电路。 1.1.2 计算机数控（CNC）阶段（ 1970 年现在） 到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC)阶段（把计算机前面应有的“通用”两个字省略了）。到1971年，美国 INTEL 公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR),又可称为中央处理单元（简称CPU)。 到1974年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。 到了1990年，PC机(个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于 PC 的阶段。 总之,计算机数控阶段也经历了三代。即 1970 年的第四代小型计算机； 1974 年的第五代微处理器和1990年的第六代基于PC（国外称为PCBASED）。 还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即 CNC ）了，而我国仍习惯称数控（NC）。所以我们日常讲的“数控”,实质上已是指“计算机数控”了。 1.2数控机床现状 近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。 2001年，我国机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3%。 近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。1.2.1国内数控机床状况分析1. 新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位。 例如：全长33公里的上海磁悬浮快速列车线，是“十五”期间国家重点建设项目，其中组成列车线的2550根轨道梁是整个工程的最关键部分，对加工轨道梁的精度提出了相当高的要求。沈阳机床集团机床股份有限公司中捷友谊厂以工期6个月、标的6200万元在磁悬浮轨道专用数控机床项目公开招标中折桂，并于当年8月底将一次性验收合格的8台数控镗铣床组成的轨道梁生产线一次试车成功，目前这套铣镗加工中心已加工出轨道梁1100根，确保了轨道梁的加工精度和速度，为实现年底试车打下了良好的基础。 2. 数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高。 2001年国内数控金切机床产量已达1.8万台，比上年增长28.5%。金切机床行业产值数控化率从2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。 3. 数控机床发展的关键配套产品有了突破。 近年来通过政府的支持，数控机床配套生产得到了快速发展。如北京航天机床数控系统集团公司建立了具有自主知识产权的新一代开放式数控系统平台；烟台第二机床附件厂开发了为数控机床配套的多种动力卡盘和过滤排屑装置；济南第二机床集团公司的数控龙门镗铣床、数控落地镗铣床及数控锻压设备等30多个系列100多个品种的数控配套产品。1.2.2国外数控机床状况分析1. 国际机床市场的消费主流是数控机床1998年世界机床进口额中大部分是数控机床，美国进口机床的数控化率达70%，我国为60%。目前世界数控机床消费趋势己从初期以数控电加工机床、数控车床、数控铣床为主转向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主。2. 国外数控机床的网络化随着计算机技术、网络技术日益普遍运用，数控机床走向网络化、集成化已成为必然的趋势和方向，互联网进入制造工厂的车间只是时间的问题。从另一角度来看，目前流行的ERP即工厂信息化对于制造业来说，仅仅局限于通常的管理部门(人、财、物、产、供、销)或设计、开发等等上层部分的信息化是远远不够的，工厂、车间的最底层加工设备数控机床不能够连成网络或信息化就必然成为制造业工厂信息化的制约瓶颈，所谓的ERP就比较“虚”没有能够真正地解决制造工厂的最关键的问题。所以，对于面临日益全球化竞争的现代制造工厂来说，第一是要大大提高机床的数控化率，即数控机床必须达到起码的数量或比例;第二就是所拥有的数控机床必须具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在工厂、车间的底层之间及底层与上层之间通讯的畅通无阻。以FANUC和西门子为代表的数控系统生产厂商己在几年前推出了具有网络功能的数控系统。在这些系统中，除了传统的RS232接口外，还备有以太网接口，为数控机床联网提供了基本条件。由于国外企业的发展水平，数控机床的网络接口功能被定义为用于远程监控、远程诊断。1.3数控系统的发展趋势1.3.1数控未来发展的趋势 1. 继续向开放式、基于 PC 的第六代方向发展 基于 PC 所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用 PC 机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。 PC 机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。 2. 向高速化和高精度化发展 这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。 3. 向智能化方向发展 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。（ 1 ） 应用自适应控制技术 数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。 （ 2 ） 引入专家系统指导加工 将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 （ 3 ） 引入故障诊断专家系统 （ 4 ） 智能化数字伺服驱动装置 可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。1.4 机床数控化改造的必要性随着我国国民经济的高速发展,数字控制技术的高度成熟,数控机床在制造业中发挥着重要作用,特别是近几年来应用比例越来越大,有效地保证了产品的质量,使得人们对其有了更清楚的认识,但由于产品零件的类型、形状、尺寸和用途的差异很大,零件的加工批量相差悬殊,其质量和精度的要求也有显著的不同,因此制造业需要不同类型的数控机床,在同一类型数控机床中需要高、中、低档不同层次的数控机床,购买新的数控机床是提高数控化率的途径,对旧机床进行数控化改造,也是提高数控化率的重要途径。我国现有400多万台数控机床,数控机床占有量约占2%,这些机床的结构一般比较陈旧,操作部分复杂,控制系统落后,但如果把这些落后机床全部闲置或淘汰,全部购买新的数控机床去代替,必然耗费巨额资金,显然不符合我国国情,因此,用数控这一高新技术对现有机床进行数控化改造,是一条符合国家急需与产业政策且又可行的途径,于是人民为了降低采购数控设备的成本,开始尝试将机械尚有70%以上残留价值的一部分普通机床进行数控化改造,使老设备焕发青春,为企业作出更大的贡献。而近几年,美、日、德等先进工业国,在大量制造数控机床的同时,十分重视对机床进行数控化改造,并已形成一个新兴的产业。1.5 主要技术指标1. 床身上最大加工直径400mm；2. 最大加工长度1000mm；3. X方向(横向)的脉冲当量为0.005mm/脉冲，Z方向（纵向）脉冲当量为0.01mm/脉冲；4. X方向最快移动速度Vxmax=3000/min，Z方向为Vzmax=6000mm/min；5. X方向最快工进速度Vxmaxf=400mm/min，Z方向为Vzmaxf=800mm/min；6. X方向定位精度0.01mm，Z方向0.02mm；7. 可以车削柱面、锥面与球面等； 8. 安装螺纹编码器，可以车削米/英制的直螺纹与锥螺纹，最大导程为24mm；9. 安装四工位立式电动刀架，系统控制自动选刀；10. 自动控制主轴的正转、反转与停止，并可输出主轴有级变速与无级变速信号；11. 自动控制冷却泵的起/停；12. 安装电动卡盘，系统控制工件的加紧与松开；13. 纵、横向安装限位开关；14. 数控系统可与PC机串行通信；15. 显示界面采用LED数码管，编程采用ISO数控代码。第2章 华中HNC-21数控车削系统介绍“世纪星” HNC-21数控系统采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业PC，配置8.4/彩色液品显示屏和通用工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口于一体，采用电子盘程序存储方式以及软驱、DNC、以太网等程序交换功能、具有低价格、高性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用、可靠性高的特点。最大联动轴数为3轴。可选配各种类型的脉冲式交流伺服驱动系统（HSV-16系列全数字交流伺服驱动单元）。除标准机床控制面板外，配置40路开关量输入和32路开关量输出接口、手持单元接口、主轴控制与编码器接口。还可扩展20路输入/16路输出。采用7.5/彩色液晶显示器（分辨率为640 x480），全汉字操作界面、障诊断与报警、加工轨迹图形显示和仿真，操作简便，易于掌握和使用。采用国际标准G代码编程，与各种流行的CAD/CAM自动编程系统兼容，具有直线插补、圆 弧插补、螺纹切削、刀具补偿、宏程序、恒线速切削等功能。反向间隙和单、双向螺距误差补偿功能。内置RS232通讯接口，轻松实现机床数据通讯。32MB Flash RAM(可扩充至2GB)程序断电存储， 32MB RAM加工内存缓冲区。系统选件软驱单元全密封结构3.5/标准软盘驱动器标准PC键盘转接口RS232、以太网转接口DNC单元全密封结构标准PC键盘转接口RS232、以太网转接口以太网10MB/100MB速度自适应支持NT/NOVELL网络支持文件网络传输手持单元手摇脉冲发生器坐标选择倍率选择紧急停止按钮手持使能按钮输入/输出端子板继电器输出端子板系统配置程序缓冲区：32MB零件程序和断点保护区：基本32MB，可扩展至2GB（选件）进给轴接口类型：脉冲接口（HSV-16系列）主轴驱动单元接口主轴编码器接口开关量输入输出接口：40输入/32输出，可扩展20输入/16输出（选件）手持单元接口软驱单元接口RS232接口以太网接口（选件）标准PC键盘接口手持单元（选件）软驱单元（选件）I/Q端子板（支持NPN和PNP型开关量）(选件)CNC功能最大控制轴数：6进给轴 1主轴联动轴数：3轴最小分辨率：1微米最大移动速度：24米/分钟（与驱动单元、机床相关）直线、圆弧、螺纹功能自动加减速控制（直线/抛物线）参考点返回坐标系设定MDI功能M、S、T功能加工过程图形静态仿真和实时跟踪内部二级电子齿轮简单车削循环复合车削循环CNC编程编程最小单位：0.001毫米、度最大编程尺寸：99999.999最大编程行数：20亿行公/英制编程绝对/相对指令编程宏指令编程子程序调用工件坐标系设定直径/半径编程自动控制倒角（圆角、直角）恒线速切削功能编辑后台编辑（选件）字符查找与替换文件删除及拷贝显示中文菜单功能图形显示状态显示当前位置显示程序显示程序错误显示操作错误显示坐标轴设置显示主轴速度及修调进给速度及修调快速进给及修调自诊断功能插补功能HNC-21直线插补螺纹切削圆弧插补螺旋线插补正弦线插补刀具补偿刀具长度补偿刀尖半径补偿参考点功能参考点位置设定参考点开关偏差设定回参考点快移速度设定回参考点定位速度设定数据交换RS232以太网（选件）3.5/软驱（选件）操作7.5/彩色液晶显示屏防静电薄膜编程面板与机床操作面板PC标准键盘接口手持单元（选件）图形显示功能与动态实时仿真网络通讯功能（选件）操作方式自动单段MDI点动步进增量进给手摇增量进给手动/自动回参考点进给保持 重新对刀空运行保存断点/返回断点2-1 HNC-21数控系操作面板坐标轴监视机床坐标系显示工件坐标系显示跟踪误差显示剩余进给显示进给速度显示主轴速度显示指令位置显示实际位置显示工件坐标系原点显示运动轨迹显示进给轴功能无限制旋转轴功能最高设定速度16000 mm/min进给修调0%到150%快移修调0%到150%每分钟进给/每转进给多种回参考点功能：单向、双向快移、进给加减速设定最大跟踪误差设定辅助功能主轴正反转自动换刀冷却开/停主轴功能主轴速度：可通过PLC编程控制（最大99999 rpm）主轴修调：从0%到150%主轴速度和修调显示变速比和变速比级数可通过PLC编程控制编码器接口螺纹功能主轴定向PLC功能内嵌式PLC提供标准PLC例程PLC状态显示安全功能坐标轴软极限保护断电保护区加工断点保存/断点恢复参数备份与恢复参数权限保护加工统计技术规格输入电源：AC24V 50W DC24V50W或者DC24V100WAC电源频率：50Hz安装方式：控制柜内运行、储存环境（如下表）光电隔离开关量输入接口（40位），可扩展20位光电隔离开关量输出接口（32位），可扩展16位 输出电流范围0-100mA 输出电压范围DC24V主轴模拟量输出接口 分辨率：12位 输出电压：DC10V或0- 10V主轴编码器输入接口 方波差分接收手摇脉冲发生器输入接口，TTL电平输入进给轴脉冲输出接口/HSV-16伺服接口（最大6个）差分输出，包括脉冲及方向信号，高 脉冲频率2MHZ进给轴码盘反馈输入接口（最大6个）RS422差分输入 2-2 HNC-21数控系统整体结构图第3章 普通车床的数控改造可行性论证3.1技术可行性机床改造的技术可行性论证就是对机床改造在技术上是否能够保障改造成功以及从改造后维护角度论证.具体的应从机床本身、加工对象的要求和市场可供性三方面分析。3.2机床本身 能否进行机床数控化改造主要取决于机床本身的条件,如:机床磨损程度、刚度以及机床的技术寿命等。(1) 机床磨损程度、刚度。C6140是1995年5月出厂，主要用于教学实习，机床本身折合使用年限小于5年，机床几何精度仍等于原新机床的精度。普通机床结构上有先天性不足，刚度低、抗振性差、滑动摩擦阻力较大及传动元件存在间隙等。改造中将有目的改造其中部分结构，以满足数控机床最基本的要求。(2) 技术寿命的计算。现在数控机床以其高自动化、高精度化、高速化及复合化的发展趋势，数控化率逐年提高，大有取代普通机床的趋势，而且数控机床的数控装置（CNC）技术寿命一般为23年，数控技术发展迅猛。故为了改善原机床性能、满足教学和加工要求，对原机床进行数控化改造，同时也延长了原机床的技术寿命。3.3加工对象分析机床的加工对象分析主要涉及被加工对象的几何参数及公差要求。零件的几何形状决定了所选数控系统应具备的功能，公差范围决定了数控系统的控制精度、脉冲当量。改造后的数控车床，主要用于教学实习，其加工范围为车外圆、内孔、螺纹、锥形体、球体、切槽、切断等及带有复杂型面的卡盘类零件。加工精度要求小于0.01mm，现在市场上出售的一般经济型数控系统其脉冲当量为0.005mm0.01mm，能够满足上述型面的加工要求，在技术上是可行的。3.4市场可供性所谓市场可供性就是研究市场是否能够方便及时地提供改造用的各种备件，以保证备件的供应。机床数控化改造计划实施应有本地区机电一体化供应的基本条件，这样不仅改造周期短，而且有利于保证维修及技术咨询服务。就本机床改造而言，市场上已建立了一套机电一体化配套产品代理机构，对于C6140改造而言市场可供性好。综上所述，对原机床进行数控化改造符合技术可行性要求。第4章 总体方案的确定4.1总体方案设计要求（1）卧式车床数控化改造后应具有单坐标定位,两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设计成连续控制型。（2）卧式车床经数控化改造后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统常采用步进电动机的开环系统。（3）为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵、横向的进给传动应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副；为了消除传动间隙、提高传动刚度，滚珠丝杠的螺母应有消间隙机构。（4）计算选择步进电动机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速轮副，且应有消间隙机构。（5）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。（6）选择四工位自动回转刀架，选择螺纹编码器等。总体方案设计图如下图4-1所示：进给伺服系统总体方案方框图如图4-2所示：4.2设计参数设计参数包括车床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需要的参数。现列出C6140卧式车床的技术数据：名称 技术参数 在床身上 400mm工件最大直径在刀架上 210mm顶尖间最大距离 650;900;1400;1900mm宋制螺纹 mm 1-12(20种)加工螺纹范围 英制螺纹 t/m 2-24(20种) 模数螺纹 mm 0.25-3(11种) 径节螺纹 t/m7-96(24种) 最大通过直径 48mm 孔锥度 莫氏6# 主轴 正转转速级数 24 正转转速范围101400r/min 反转转速级数 12 反转转速范围14-1580r/min纵向级数64进给量纵向范围0.028-6.33mm/r横向级数64横向范围0.014-3.16mm/r 滑板行程 横向320mm纵向650;900;1400;1900mm 最大行程140mm最大回转角 90刀架刀杠支承面至中心的距离26mm刀杠截面BH2525mm 顶尖套莫氏锥度5#尾座横向最大移动量10mm外形尺寸 长宽高241810001267mm 圆度 0.01mm工作精度圆柱度200:0.02 平面度0.02/300mm表面粗糙度Ra1.6-3.2m 主电动机7.5kw电动机功率总功率7.84kw改造设计参数如下:最大加工直径 在床面上 400mm 在床鞍上210mm最大加工长度 1000mm快进速度 纵向2.4m/min 横向1.2m/min最大切削进给速度 纵向0.5m/min 横向0.25m/min溜板及刀架重力 纵向800N 横向600N 代码制ISO脉冲分配方式 逐点比较法输入方式 增量值、绝对值通用控制坐标数 2脉冲当量 纵向0.01mm/脉冲 横向0.005mm/脉冲机床定位精度0.015mm刀具补偿量 0mm-99.99mm进给传动链间隙补偿量 纵向0.15mm横向 0.075mm自动升降速性能 有第5章 进给传动部件的计算和选型纵、横向进给传动部件的计算和选型主要包括：确定脉冲当量、计算切削力、选择滚珠丝杠螺母副、选择步进电动机等。以下详细介绍纵向进给机构，横向进给机构与纵向类似，在此从略。5.1 脉冲当量的确定根据设计任务的需要，X方向（横向）的脉冲当量为x=0.005mm/脉冲，Z方向（纵向）为z=0.01mm/脉冲。5.2 切削力的计算假设工件材料为碳素结构钢，b=650MPa；选用刀具材料为硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角r=60，前角。=10，刃倾角Z=-5；切削用量为：背吃刀量p=3mm，进给量f=0.6mm/r，切削速度C=105m/min。由金属切削原理查表3-1得：CFC=2795,xfc=1.0，yfc=0.75，nfc=-0.15。 查表3-3得：主偏角r的修正系数KkrFc=0.94；刃倾角、前角和刀尖圆弧半径的修正系数值均为1.0。由经验公式：主切削力Fc=CFc.aPxFc.fyFc.vcnFc.KFc (1)背向力 FP=CFP.aPxFO.fyFO.vcnFO.KF0 (2)进给力 Ff=CFf.aPxFf.fyFf.vcnFf.KFf (3)算得主切削力Fc=2673.4N。由经验公式Fc：Ff：Fp=1:0.35:0.4，算得纵向进给切削力Ff=935.69N，背向力=1069.36N。5.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型（纵向）5.3.1 工作载荷Fm的计算 已知移动部件总重G=1300N；车削力Fc=2673.4N，Fp=1069.36N,Ft=935.69N。根据Fz=Fc，Fy=Fp，Fx=Ff的对应关系，可得：Fz=2673.4N，Fy=1069.36N，Fx=935.69N。选用矩形三角形组合滑动导轨，由公式Fm=KFx+（Fz+G），取K=1.15，=0.16，代入Fm=KFx+(Fz+G)，得工作载荷Fm1712N。5.3.2 最大动载荷FQ的计算设本车床Z向在承受最大切削力条件下最快的进给速度v=0.8m/min，初选丝杠基本导程Ph=6mm，则此时丝杠转速n=1000v/Ph133r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入Lo=60nT/106，得丝杠寿命系数Lo=119.7（单位为：106r）取载荷系数fW=1.15，再取硬度系数fH=1，代入式FQ= fWFHFm，求得最大动载荷FQ9703N。5.3.3 初选型号根据计算出的最大动载荷，查FL系列滚珠丝杠副有关参数，选择启东润泽机床附件有限公司生产的FL4006型滚珠丝杠副。其公称直径为40mm，基本导程为6mm，双螺母滚珠总圈数为3x2圈=6圈，精度等级取4级，额定动载荷为13200N，满足要求。5.3.4传动效率的计算将公称直径d0=40mm，基本导程为6mm，代入=arctanPh/(do)，得丝杠螺旋升角=244。将摩擦角=10，代入=tan/ tan(+)，得传动效率=94.2%。5.3.5 刚度的验算（1） 纵向滚珠丝杠副的支承，采取一端轴向固定，一端简支的方式，固定端采取一对推力角接触球轴承，面对面组配。丝杠加上两端接杆后，左、右支承的中心距离约为a=1497mm；钢的弹性模量E=2.1x105MPa；查FL系列滚珠丝杠副有关参数得Dw=3.9688mm，算得丝杠底径d2=公称直径do-滚珠直径Dw=36.0312mm，则丝杠截面积S=d22/4=1019.64mm2。 忽略1=中的第二项，算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量1=Fm/3(ES) 0.01197mm。（2） 根据公式Z=（do/Dw）-3，求得单圈滚珠数目Z=29；该型号丝杠为双螺母，滚珠总圈数为3x2=6，则滚珠总数量Z=29x6=174。滚珠丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJ=Fm/3571N。则由式 2=0.0013，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量20.00117mm。因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减少一半，取2=0.000585mm。（3） 将以上算出的1和2代入总=1+2，求得丝杠总变量（对应跨度1497mm）总=0.012555mm=12.555m。查行程偏差和变动量表知，4级精度滚珠丝杠任意300mm轴向行程内行程的变动量允许16m，而对于跨度为1497mm的滚珠丝杠，总的变形量总只有12.555m，可见丝杠刚度足够。5.3.6 压杆稳定性校核根据式Fk=Fm计算失稳时的临界载荷Fk。查丝杠支承系数表，取支承系数k=2；由丝杠底径d2=36.0312mm，求得截面惯性矩I=d24/6482734.15mm4；压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值1497mm。代入式Fk=Fm，得临界载荷Fk51012N，远大于工作载荷Fm（1712N），故丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。5.4 步进电动机的计算与选型(纵向)5.4.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq已知：滚珠丝杠的公称直径do=40mm，总长（带接杆）l=1560mm，导程Ph=6mm，材料密度=7.85x10-3Kg.cm3；纵向移动部件总重量G=1300N；同步带减速箱大带轮宽度28mm，节径54.57mm，孔径30mm，轮外径42mm，宽度14mm；小带轮宽度28mm，节径45.48mm，孔径19mm，轮外径29mm，宽度12mm；传动比i=1.2。查常用转动惯量计算表，可以算得各个零部件的转动惯量如下（具体计算过程从略）：滚珠丝杠的转动惯量Js=30.78 Kg.cm2；床鞍折算到丝杠上的转动惯量Jw=1.21 Kg.cm2；小带轮的转动惯量Jz1=0.95 Kg.cm2；大带轮的转动惯量Jz2=1.99 Kg.cm2。 在设计减速箱时，初选的纵向步进电动机型号为130BY5501，从永磁感应式步进电动机的技术参数表查得该型号电动机转子的转动惯量Jm=33 Kg.cm2。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：Jeq=Jm+Jz1+(Jz2+Jw+Js)/i2=57.55Kg.cm25-1电动机简图5-2永磁感应式步进电动机的技术参数表5.4.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq分快速空载启动和承受最大工作负载两种情况进行计算。1. 快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq1由式Teq1=Tamax+Tf+To可知，Teq1包括三部分：快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩Tamax、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩To。以为滚珠丝杠副传动效率很高，根据To=(FYJPh/2i)(1-o2) 式可知，To相对于Tamax和Tf很小，可以忽略不计。则有：Teq1=Tamax+Tf (4) 根据Tamax=Jeq=2Jeqnm/60ta式，考虑纵向传动链的总效率，计算快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：Tamax=（2Jeqnm/60ta）. 1/ (5)式中nm-对应纵向空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为 r/min；ta -步进电动机由静止到加速至nm所需的时间，单位为s。其中：nm=Vmax/360 (6)式中Vmax-纵向空载最快移动速度，任务书指定为6000mm/min； -纵向步进电动机步矩角，为0.72； -纵向脉冲当量，本例=0.01mm/脉冲。将以上各值代入式nm=Vmax/360，算得nm=1200r/min。设步进电动机由静止到加速至nm转速所需时间Ta=0.4s，纵向传动链总效率=0.7；则由式Tamax=（2Jeqnm/60ta）.1/求得：Tamax=2x57.55x10-4x1200/60 x0.4x0.7 N.m2.58N.m由式Tf=F擦Ph/2i可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：Tf=（Fc+G）Ph/2i (7)式中-导轨的摩擦因数，滑动导轨取0.16； Fc-垂直方向的工作负载，空载时取0； -纵向传动链总效率，取0.7。则由式Tf=（Fc+G）Ph/2i，得：Tf=0.16x(0+1300)x0.006/2x0.7x1.2 N.m0.24 N.m最后由式Teq1=Tamax+Tf，求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩为：Teq1=Tamax+Tf=2.82 N.M 2. 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2由式Teq2=Tf+Tt+To可知，Teq2包括三部分：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩To。To相对于Tt和Tf很小，可以忽略不计。则有：Teq2=Tf+Tt (8)其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt由式子Tt= Ff Ph/2i计算。本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知进给方向的最大工作载荷Ff=935.69N，则有：Tt= Ff Ph/2i=935.69x0.006/2x0.7x1.2 N.m=1.06 N.m再由式Tf=F擦Ph/2i计算承受最大工作负载（Fc=2673.4 N.m）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：Tf=（Fc+G）Ph/2i=0.16x(2673.4+1300)x0.006/2x0.7x1.2 N.m0.72 N.m最后由式Teq2=Tf+Tt，求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：Teq2=Tf+Tt=1.78 N.m经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩：Teq=maxTeq1，Teq2=2.82 N.m5.4.3步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机采用的是开环控制，当电网电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据Teq来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：Tjmax4Teq=4x2.82 N.m=11.28 N.m对于前面预选的130BYG5501型步进电动机，由永磁感应式步进电动机的技术参数表5-2查得，其最大静转矩Tjmax=20 N.m，可见完全满足式Tjmax4Teq=4x2.82 N.m=11.28 N.m的要求。5.4.4步进电动机的性能校核（1）最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定纵向最快工进速度Vmaxf=800mm/min，脉冲当量=0.01mm/脉冲，由式fmax=Vmax/60求出电动机对应的运行频率fmaxf=800/（60 x0.01）Hz1333Hz。从130BYG5501的运行矩频特性图5-3可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩Tmaxf17N.m，远大于最大工作负载转矩Teq2=1.78N.m，满足要求。（2）最快空载移动时电动机输出转矩校核任务书给定纵向最快空载移动速度Vmax=6000mm/min，仿照式fmax=Vmax/60求出电动机对应的运行频率fmax=6000/(60 x0.01)Hz=10000Hz。从图5-2查得，在此频率下，电动机的输出转矩Tmax=3.8N.m，大于快速空载起动时的负载转矩Teq1=2.82N.m，满足要求。5-3 130BYG步进电动机的运行矩频率特性曲线（3）最快空载移动时电动机运行频率校核 最快空载移动速度Vmax=6000mm/min，对应的电动机运行频率fmax=10000Hz。查永磁感应步进电动机的技术参数表5-2可知130BYG5501的极限运行频率为20000Hz，可见没有超出上限。（4）起动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq=57.55kg.cm2，电动机转子自身的转动惯量Jm=33 kg.cm2，查表5-2可知电动机转轴不带任何负载时的最高空载起动频率fq=1800Hz。则由式fL=fq/可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率为：fL=fq/=1087Hz上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于1087Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得很低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。综上所述，本例中纵向进给系统选用130BYG5501步进电动机，可以满足设计要求。5.5 主轴交流伺服电机的计算与选型5.5.1主轴的变速范围 主轴能实现的最高转速与最低转速之比称为变速范围Rn, 即Rn=nmax/nmin,数控机床的工艺范围宽，切削速度与刀具，工件直径变化很大，所以主轴变速范围很宽。 由于 nmax =1800 nmin=14Nmax/nj=2nnj/nmin （9） 则 nj=113r/min这里nj为电动机的额定转速该机床主轴要求的恒功率调速范围Rn为：Rn=nmax/nj （10） =1800/113=15.9主轴电机的功率是：7.5kw5.5.2初选主轴电机的型号选主轴电机的型号为：SIMODRIVE系列交流主轴驱动系统型号为1HP6167-4CB4，连续负载PH/KW=14.5，间歇负载（60%）/kw=17.5kw,短时负载（20min）/kw=19.25kw,额定负载n/r.min=5000，最大转速nmax/r/min=8000,额定转矩277N.m,惯性矩0.206/kg.m晶体管PWM变频器型号为6SC6058-4AA025.5.3主轴电机的校核电动机恒功率调速范围：Rn=nmax/nmin=8000/500=16所以所选电动机型号的调速范围满足主轴所要求的调速范围。第6章 绘制进给伺服系统的机械装配图 在完成滚珠丝杠螺母副和步进电机的计算选型后可以着手绘制进给伺服系统的机械装配图。在绘制机械装配图时，除了从总体上考虑机床布局情况以及伺服进给机构与原机床的联系外，还应认真的考虑与具体结构设计有关的一些问题。（1） 了解原机床的详细结构，从有关资料中查阅床身、纵溜板、横溜板、刀架等的结构尺寸。（2） 根据载荷特点和支承形式确定丝杠两端支承轴承的型号，轴承座的结构以及轴承预紧和调节方式，确定齿轮轴支承轴承的型号。（3） 考虑各部件之间的定位、联接和调整方法。例如，应保证丝杠两端支承与滚珠丝杠螺母同轴，保证丝杠与机床导轨平行，考虑螺母座。轴承座在安装面上的联接与定位、齿轮箱在安装面上的定位、步进电机在齿轮箱上的联接与定位等。（4） 考虑密封、防护、润滑以及安全机构等问题。例如，丝杠螺母的润滑、防尘、防铁屑保护、轴承的润滑及密封、齿轮的润滑及密封、行程限位保护装置等。（5） 在进行各零部件结构设计时，应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。此外，注意绘制装配图时的一些基本要求。例如，制图标准、视图布置及图形画法要求、重要的中心距、中心高、联系尺寸和轮廓尺寸的标准、重要配合的标注、装配技术要求、标题栏要求等。第7章 元件的选择7.1 SZGDBM01光电编码器7.1.1 概述 SZGDBM01光电编码器，是常用的位移、角位移、长度、深度等机械量的检测器件，广泛用于化工、冶金、能源、轻工、纺织、电子、机械、汽车等行业。7.1.2 主要技术性能SZGDBM01的分类方法7.2数控刀架/AK21系列刀架：AK21160*4*4C安装图及尺寸： 型 号ABCL1L2H1HXX1yh12MH3H4NAK2116041261261464412252197016017011230.5132082/44AK211604C1171261463882732177016017011432132060/32主要参数：序号项 目AK2116044C 1刀台方(mm)1602工位数(个)43装刀基面高(mm)704装刀基准孔高(mm)/5单工位转位时间(s)3.246刀架转速(r/min)177最大切向力矩(N .m)5008最大颠覆力矩(N .m)12509重复定位精度(mm)0.00510毛重(Kg)3811净重(Kg)3012箱体尺寸(mm)560400353结论这次毕业设计持续的时间为8周，时间对于我们来说是非常长的。这次我毕业设计的题目是：把C6140普通车床设计成为经济型数控车床。刚刚接受到这个题目的时候，感觉很难，因为以前从来没有接触过这方面的设计，头脑里一个最基本的概念都没有，后来老师给我们大体上讲了一下基本过程，经过一个星期的研究，终于有一点眉目，再经过两个星期资料搜集，包括车床的说明书等等，设计进入了正式的轨道。在生活逐渐自动化的今天，对加工制造的精度和加工效益都提出了很高的要求，因此对机床等加工设备提出了很高的要求。以前单一的靠手工操作的机床，在很大程度上已经不能满足现代化的要求，数控机床的改造已经成为一种必要。但这次机床的改造是在原有的机床上换掉部分零部件，使它具有数控机床的基本功能，如不用手工操作能自动控制进给量等。但又考虑到改造成的是经济型数控车床，所以在选材等方面，必须考虑到经济这一重要问题。 因为我以前的基础知识掌握得不牢固，在这次设计中确实是遇到了很多的问题，但在这过程中，我又学会了很多东西，在以前的小设计中，有些能马马虎虎过去的问题，就糊里糊涂过去了，可